I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Mô Hình Máy Biến Áp Lực FRA
Trong lĩnh vực sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng, việc đảm bảo độ tin cậy của các thiết bị điện là vô cùng quan trọng. Máy biến áp lực (MBA) đóng vai trò then chốt trong hệ thống điện, và sự cố MBA có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng. Do đó, việc nghiên cứu, đánh giá và chẩn đoán tình trạng MBA là hết sức cần thiết. Phân tích đáp ứng tần số (FRA) nổi lên như một công cụ hiệu quả để phát hiện các vấn đề cơ khí trong mạch từ và cuộn dây MBA. Phương pháp này có ưu điểm là có thể thực hiện tại chỗ mà không cần tháo dỡ, vận chuyển MBA. FRA đặc biệt nhạy cảm với những biến dạng xảy ra trong cuộn dây MBA, giúp phát hiện sớm các bất thường.
1.1. Tầm quan trọng của việc đánh giá tình trạng MBA
MBA là thiết bị đắt tiền, việc hư hỏng có thể gây ra thiệt hại kinh tế lớn. Phát hiện sớm các dấu hiệu sự cố cho phép sửa chữa hoặc thay thế MBA theo kế hoạch, giảm thiểu nguy cơ gián đoạn và hư hỏng nghiêm trọng. Điều này đòi hỏi giám sát chặt chẽ và liên tục để ghi nhận bất thường sớm nhất. Việc bảo trì chủ động giúp giảm nguy cơ gián đoạn bắt buộc và hư hỏng cho MBA và các thiết bị liên quan. Cần kiểm tra MBA từ lúc nghiệm thu xuất xưởng đến khi vận hành.
1.2. Các phương pháp đánh giá chất lượng máy biến áp
Có nhiều phương pháp đánh giá chất lượng MBA, bao gồm các phương pháp đánh giá chất lượng cách điện (điện trở cách điện, điện dung và tổn hao điện môi, thí nghiệm chịu đựng điện áp) và các phương pháp đánh giá chất lượng cuộn dây (số biến áp, điện trở một chiều). Tuy nhiên, các phương pháp này thường chỉ thực hiện ở một tần số cố định, hạn chế khả năng đánh giá. Việc mở rộng dải tần số nguồn thử nghiệm đã và đang được nghiên cứu. Các phương pháp như đo điện kháng rò, tổn hao điện môi và phân tích đáp ứng tần số (FRA) được áp dụng nhiều nhất.
II. Thách Thức Trong Chẩn Đoán Máy Biến Áp Bằng FRA
Đánh giá tình trạng cuộn dây và lõi thép MBA đòi hỏi kinh nghiệm và thường được tiến hành định tính bởi các chuyên gia. Cách thức đánh giá chủ yếu là đối chiếu dữ liệu theo thời gian, cấu trúc và chủng loại. Mặc dù có nhiều nghiên cứu về cách đánh giá kết quả FRA, quy trình ra quyết định vẫn chưa được chuẩn hóa. Chẩn đoán thường dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia, dẫn đến kết quả không nhất quán. Phương pháp so sánh chéo bằng hệ số tương quan giữa đặc tuyến đo và đặc tuyến mẫu được khuyến nghị, nhưng gặp khó khăn do mỗi nhà sản xuất có thiết kế riêng và mỗi chủng loại máy có đặc tuyến FRA đặc trưng.
2.1. Giới thiệu phương pháp Phân tích Đáp ứng Tần số FRA
FRA là một công cụ hiệu quả để chẩn đoán tình trạng cơ khí của mạch từ và cuộn dây trong MBA. Dick và Erven [9] đã đề xuất phương pháp này, nó rất nhạy để phát hiện các bất thường do dịch chuyển cuộn dây. Miền tần số được chia thành tần số thấp, trung bình và cao. Tần số 10-20 kHz phụ thuộc vào cuộn dây MBA đặc trưng bởi thành phần điện cảm. Ở tần số trung bình từ 20 kHz đến MHz phụ thuộc vào cả điện cảm và điện dung tạo ra nhiều điểm cộng hưởng. Ở vùng tần số cao hơn, đáp ứng tần số phụ thuộc sự phân bố điện dung trong cuộn dây.
2.2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến FRA hiện nay
Các nghiên cứu về FRA đã bắt đầu từ thập niên 70, khởi đầu từ công trình của Dick và Erven năm 1978 [9]. Nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến FRA đã được thực hiện và một số tài liệu hướng dẫn đã được ban hành, ví dụ như DL/T911-2004 [5], IEEE PC57. Các hướng nghiên cứu chủ đạo bao gồm xây dựng phương pháp đánh giá tình trạng thông qua các đặc tuyến thu được từ thực nghiệm, hoặc xây dựng mô hình tương đương của MBA.
2.3. Hướng nghiên cứu mô hình hóa trong FRA
Có hai hướng nghiên cứu chính trong mô hình hóa: mô hình toán học (giải bài toán trường điện từ bằng FEM, mô hình hộp đen) và mô hình vật lý. Mô hình vật lý có nhiều loại: mô hình tập trung (xây dựng mạch tương đương dựa trên nguyên tắc đối ngẫu từ điện) và mô hình phân bố (gồm STL, MTL, mạng bậc thang n tầng).[4]
III. Mô Hình Hóa Máy Biến Áp Lực Bằng Phương Pháp FRA
Để hạn chế các vấn đề chủ quan trong chẩn đoán, một ý tưởng được đưa ra là xây dựng mô hình vật lý, mô hình toán học tương đương có thể biểu diễn đặc tuyến FRA của MBA. Căn cứ vào đó, việc chẩn đoán tình trạng MBA có thể được thực hiện hiệu quả và chính xác hơn khi mà các dạng khiếm khuyết và những sự cố tiềm ẩn có thể được dự đoán trước thông qua các mô hình tương đương. Điều này đòi hỏi việc xác định chính xác các thông số của mô hình.
3.1. Mô hình hóa tập trung và phân bố cho máy biến áp
Mô hình tập trung xây dựng mạch tương đương dựa trên nguyên tắc đối ngẫu từ điện. Ngược lại, mô hình phân bố bao gồm các phương pháp như mô hình đường dây truyền tải đơn (STL), mô hình đường dây truyền tải đa (MTL) và mô hình bậc thang n tầng. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng và mục tiêu mô phỏng khác nhau.
3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến thông số mô hình FRA
Các thông số điện trong mô hình FRA chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm cấu trúc cuộn dây, vật liệu cách điện, tần số hoạt động và nhiệt độ. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng để xây dựng mô hình chính xác. Các biến dạng cuộn dây, sự cố cách điện và các vấn đề khác có thể ảnh hưởng đến các thông số này, thay đổi đặc tuyến FRA.
3.3. Ứng dụng Fuzzy Logic trong xác định thông số mô hình
Ứng dụng Fuzzy Logic trong xác định thông số mô hình có thể cải thiện độ chính xác của việc xác định các thông số này. Hình 2.9 Các hàm nhiệt độ cold (lạnh), warm (ấm), va hot (nóng) được dùng để xác định thông số dựa trên nhiệt độ môi trường.
IV. Đánh Giá Hư Hỏng Máy Biến Áp Dựa Trên Phân Tích FRA
Việc đánh giá hư hỏng MBA dựa trên FRA đòi hỏi việc so sánh đặc tuyến đo được với đặc tuyến chuẩn hoặc đặc tuyến từ các pha khác. Các phương pháp đánh giá bao gồm so sánh trực quan, sử dụng hệ số tương quan và phân tích dựa trên mô hình. Sự thay đổi đáng kể trong đặc tuyến FRA có thể chỉ ra các vấn đề như biến dạng cuộn dây, ngắn mạch vòng và các hư hỏng khác.
4.1. Tổng quan các phương pháp đánh giá dựa trên phân tích FRA
Các phương pháp đánh giá dựa trên phân tích đáp ứng tần số có thể là so sánh đặc tuyến FRA giữa các pha của phép đo EEOC của MBA hoặc đánh giá dựa trên sự thay đổi thông số mô phỏng MBA.
4.2. Tiêu chuẩn đánh giá kết quả thử nghiệm FRA DL T 911
Việc đánh giá kết quả thí nghiệm đáp ứng tần số cần tuân thủ theo tiêu chuẩn DL/T 911 — 2004. Hình 3.7 Các phương pháp nối dây phổ biến để thử nghiệm MBA [5] được mô tả trong tiêu chuẩn này.
4.3. Công cụ tính toán hệ số tương quan trong đánh giá FRA
Công cụ tính toán hệ số tương quan được sử dụng để đánh giá FRA bằng cách so sánh hai đặc tuyến. Hình 3.12 Giao diện của ứng dụng đánh giá FRA băng hệ số tương quan được thể hiện trong hình.
V. Ứng Dụng Mô Hình FRA Chẩn Đoán Máy Biến Áp Thực Tế
Mô hình FRA có thể được ứng dụng để chẩn đoán các vấn đề thực tế trong MBA. Bằng cách so sánh đặc tuyến đo được với đặc tuyến mô phỏng, có thể xác định các thông số và các vấn đề tiềm ẩn trong MBA. Ứng dụng này bao gồm cả việc phát hiện sớm các biến dạng cuộn dây, ngắn mạch vòng và các vấn đề khác có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng.
5.1. Áp dụng mô hình hóa cho MBA 110 22kV 63 MVA
Áp dụng mô hình hóa cho MBA 110/22kV 63 MVA trong các trường hợp cụ thể giúp minh họa khả năng của mô hình trong việc tái tạo đặc tuyến FRA thực tế. Hình 4.25 Đáp ứng tần số EEOC 3 pha MBA 110/22kV 63MVA (63M0808261) được thể hiện trong tài liệu.
5.2. Mô phỏng đáp ứng tần số trong chẩn đoán MBA
Mô phỏng đáp ứng tần số đóng vai trò quan trọng trong việc chẩn đoán MBA bằng cách tạo ra các đặc tuyến FRA tương ứng với các tình trạng hoạt động và các sự cố khác nhau. Hình 4.48 Đặc tuyến mô phỏng sự cố trong MBA được thể hiện.
5.3. So sánh đặc tuyến mô phỏng và thực tế để xác định sự cố
Việc so sánh đặc tuyến mô phỏng và thực tế giúp xác định sự cố trong MBA, cho phép chẩn đoán chính xác và lên kế hoạch sửa chữa hoặc thay thế phù hợp. Hình 4.50 Đặc tuyến pha C của mô phỏng và thực tế và hình 4.51 Đặc tuyến pha A và pha B của mô phỏng và thực tế được sử dụng để so sánh.
VI. Kết Luận Và Hướng Nghiên Cứu Cho Mô Hình Máy Biến Áp FRA
Nghiên cứu và ứng dụng mô hình máy biến áp lực dựa trên phân tích đáp ứng tần số (FRA) đã chứng minh tiềm năng lớn trong việc chẩn đoán và đánh giá tình trạng MBA. Việc xây dựng các mô hình chính xác và hiệu quả cho phép phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn, giảm thiểu nguy cơ hư hỏng và nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện. Hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của mô hình và phát triển các phương pháp đánh giá tự động, giúp các kỹ sư điện có thể chẩn đoán MBA một cách nhanh chóng và hiệu quả.
6.1. Tổng kết kết quả và đóng góp của nghiên cứu
Các kết quả đạt được trong nghiên cứu này bao gồm việc xây dựng mô hình MBA dựa trên FRA, xác định các thông số quan trọng và ứng dụng mô hình để chẩn đoán sự cố. Nghiên cứu đã đóng góp vào việc nâng cao kiến thức về phương pháp FRA và cung cấp một công cụ hữu ích cho các kỹ sư điện.
6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo để nâng cao mô hình FRA
Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của mô hình bằng cách sử dụng các phương pháp mô hình hóa tiên tiến hơn, như mô hình phần tử hữu hạn (FEM). Ngoài ra, việc phát triển các thuật toán đánh giá tự động có thể giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào kinh nghiệm của chuyên gia và tăng tốc quá trình chẩn đoán.
