Ưng dụng phương pháp Phân tích đáp ứng tần số quét để đánh giá tình trạng của máy biến áp ( phần đầu )

I. Đặt vấn đề

Quá trình mua sắm, vận chuyển và lắp đặt, thí nghiệm nghiệm thu các máy biến áp để đưa vào vận hành an toàn và tin cậy đã được thực hiện từ trước đến nay bằng các hạng mục thử truyền thống như đã biết. Từ năm 2004 thế giới đã nghiên cứu hạng mục thí nghiệm mới, tăng cường đánh giá giám sát bổ sung cho công tác đánh giá chất lượng máy biến áp rất hiệu quả. Đó là hạng mục đo đáp ứng tần số quét nhằm phát hiện sớm hiện tượng xô lệch mạch từ, bối dây hay các kết cấu cơ học trong nội bộ máy biến áp. Năm 2012 có tiêu chuẩn quốc tế IEC 60076-18 và tiêu chuẩn IEEE C57.149 được ban hành.

Hạng mục này được sử dụng để ghi nhận dữ liệu gốc về máy biến áp (đo ngay khi thử nghiệm xuất xưởng tại nhà máy sản xuất) hoặc dữ liệu cơ sở ban đầu (đo tại hiện trường sau sửa chữa hoặc các máy đang vận hành chưa có dữ liệu gốc) làm cơ sở so sánh cho những lần đo sau này.

Hạng mục này được sử dụng trong các trường hợp:

+ Đo trước và sau khi thử chịu đựng ngắn mạch tại nhà máy sản xuất máy biến áp.

+ Đo lấy dữ liệu gốc để đánh giá tình trạng ban đầu của máy biến áp.

+ Đo sau khi vận chuyển từ nhà máy sản xuất đến vị trí lắp đặt vận hành.

+ Đo sau khi vận chuyển từ vị trí vận hành này đến vị trí vận hành khác.

+ Đo sau khi máy biến áp chịu sự cố ngắn mạch ngoài phía đường dây, dòng ngắn mạch lớn và duy trì.

+ Đo sau khi máy biến áp tiến hành đại tu, bảo dưỡng rút ruột hay quấn lại cuộn dây.

+ Đo sau khi máy biến áp tiến hành đại tu, bảo dưỡng bộ điều áp dưới tải OLTC

+ Đo sau khi máy biến áp trải qua hiện tượng thiên tai như động đất, sét đánh.

+ Đo sau khi có thay đổi lớn trong dầu máy tăng đột ngột hàm lượng khí cháy.

+ Đo định kỳ, trong thời gian 3-5 năm để đánh giá cấu trúc bên trong máy biến áp có bị thay đổi hay không (các điện môi, vật liệu cách điện có bị thay đổi hay không).

II. Cơ sở lý luận và nguyên lý phép đo

Phân tích đáp ứng tần số quét (SFRA) đã trở thành phương pháp chính xác và hiệu quả để đánh giá sự nguyên vẹn cơ khí của cấu trúc lõi từ, cuộn dây và gông từ trong các máy biến áp bằng cách đo các chức năng dịch chuyển điện của chúng với một dải tần số rộng.

Phương pháp này được thực hiện bằng cách đưa một tín hiệu điện áp thấp với tần số thay đổi vào một đầu của một cuộn dây và đo tín hiệu đáp ứng trên các đầu dây khác của máy biến áp. Điều này được thực hiện trên tất cả các cuộn dây của máy biến áp có thể tiếp cận được từ bên ngoài. Sự so sánh giữa các tín hiệu đầu vào và đầu ra tạo nên một đáp ứng tần số, đáp ứng này có thể được so sánh với các dữ liệu tham chiếu.

Kết cấu lõi từ và cuộn dây của các máy biến áp có thể được xem như là một mạng điện tổ hợp của các điện trở, điện cảm, các điện dung đối với đất, các điện cảm ghép và chuỗi các điện dung nối tiếp như ở trong hình 1. Đáp ứng tần số của một mạng lưới như vậy là duy nhất và vì thế thực hiện đo ban đầu khi xuất xưởng cho máy biến áp nó được xem như là dấu vân tay máy biến áp (finger print).

Hình 1- Nguyên lý hoạt động của SFRA (trái ) và giản đồ đặc tính mạng thành phần động của một máy biến áp (phải)

Trong quá trình đo đáp ứng tần số đều ghi nhận cả giá trị biên độ và góc pha của tỉ số điện áp (Hình 1 - trái), nhưng thông thường để hiển thị và giải thích kết quả một cách trực quan thì chỉ sử dụng thông tin về biên độ. Tuy nhiên, nếu dữ liệu đáp ứng tần số được tham số hóa bằng một hệ thống tự động lấy mẫu dựa trên biểu diễn bằng một đơn vị đo lường so với giá trị điểm 0 thì có thể cần đến thông tin của cả biên độ và góc pha. Trên hình 2 là hiển thị đáp ứng tần số theo biểu đồ logarit hoặc biểu đồ tuyến tính. Người ta chỉ cần sử dụng biểu đồ logarit dễ dàng đưa ra được phân tích toàn bộ khuynh hướng đáp ứng tần số.

Hình 2 – Biểu đồ đáp ứng tần số

III. Các yếu tố ảnh hưởng phép đo

1. Cuộn dây thứ ba đấu tam giác

Cuộn dây đấu tam giác có điểm đầu cuộn dây của pha này đấu vào điểm cuối cuộn dây của pha kia. Cách đấu trực tiếp này có ảnh hưởng lớn đến đáp ứng tần số các pha máy biến áp có cuộn dây đấu tam giác đặc biệt trong miền tần số chịu ảnh hưởng bởi sự tác động lẫn nhau giữa các cuộn dây.

2. Đấu nối sao có trung tính

Nếu từng pha của máy biến áp 3 pha đều có trung tính riêng (mở rộng điểm đấu sao) thì có thể nối chung hoặc tách riêng các điểm trung tính trong quá trình đo FRA.

3. Vị trí nấc của bộ chuyển nấc điện áp, bộ điều chỉnh điện áp dưới tải.

Khi so sánh đáp ứng tần số giữa các pha, khó nhận biết được sự khác nhau ở miền tần số chịu ảnh hưởng của lõi thép. Nguyên nhân có thể là do ảnh hưởng các dây dẫn bên trong đấu từ tiếp điểm bộ điều chỉnh điện áp đến đầu phân nấc của cuộn dây điều chỉnh có thể dài ngắn khác nhau làm cho điện dung dây dẫn tổng giữa từng pha là khác nhau. Đối với cuộn dây hạ áp không dễ phát hiện được sự khác nhau trong dải tần từ 20 kHz đến 200 kHz

4. Chiều đấu nguồn phát và nguồn thu nhận tín hiệu đáp ứng

Trong phương pháp đo có một chi tiết quan trọng là cực nào sẽ là nguồn phát tín hiệu đầu vào và cực nào sẽ là đo đáp ứng.

5. Ảnh hưởng của các loại chất lỏng cách điện

Trong máy biến áp người ta thường dùng dầu cách điện, hiếm khi sử dụng các loại chất lỏng cách điện khác nhau như là este tự nhiên vì loại này có thể tạo ra sự sai lệch đáp ứng tần số dọc theo dải tần số.

6. Ảnh hưởng của thí nghiệm đưa dòng DC vào đối tượng đo (bao gồm cả thí nghiệm xung)

Trong thí nghiệm đo điện trở một chiều cuộn dây (bao gồm cả thí nghiệm xung) là nguyên nhân gây ra sai lệch kết quả đo đáp ứng tần số, đặc biệt trong miền ảnh hưởng lõi thép ở dải tần số thấp. Vì vậy, cần sắp xếp trình tự thí nghiệm là đo đáp ứng tần số trước rồi mới thí nghiệm đo điện trở một chiều.

7. Ảnh hưởng của sứ xuyên

Sứ xuyên được sử dụng trong quá trình sản xuất tại xưởng có thể khác với sứ xuyên lắp thực tế tại hiện trường. Điều này có thể là nguyên nhân tạo ra sự sai khác ở dải tần số cao.

8. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ tác động đến đáp ứng tần số khi sai lệch nhiệt độ lớn khoảng 50ᴼC và vì vậy cũng làm thay đổi biên độ của đáp ứng tần số.

9. Ảnh hưởng đấu nối phép đo không tốt

Tiếp xúc kém hoặc đấu nối không chắc giữa đầu cực đối tượng đo và dây đo sẽ tạo ra đáp ứng tần số bị nhiễu ở dải tần số thấp hơn và khuynh hướng biên độ thấp hơn.

Khi so sánh với dữ liệu gốc hoặc kết quả đã đo trước đó, nếu nhận thấy có sự sai khác thì điều quan trọng là trước tiên phải kiểm chứng lại phép đo bằng cách lặp lại phép đo để đảm bảo rằng sai lệch này là không phải do nguyên nhân đấu nối sơ đồ bị tiếp xúc kém hoặc đang thực hiện đấu nối sơ đồ khác với sơ đồ đo lần trước (lần đo cần so sánh).