Nghiên Cứu Tính Toán Điện Dung Trong Mô Hình Thông Số Phân Bố MBA Lực Dạng Hộp Đen

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật điện nghiên cứu tính toán điện dung trong mô hình thông số phân bố mba lực dạng hộp đen, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Nguyễn Lê Quốc Khánh
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đình Anh Khôi
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Toán Điện Dung Trong Mô Hình MBA Hộp Đen
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Tính Toán Điện Dung MBA Hộp Đen

Nghiên cứu tính toán điện dung trong mô hình MBA hộp đen là một lĩnh vực quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh phân tích đáp ứng tần số (FRA). Việc xác định chính xác điện dung của MBA, đặc biệt là MBA đang vận hành mà không có đầy đủ thông số kỹ thuật (dạng hộp đen), là một thách thức lớn. Các phương pháp truyền thống dựa vào thông số hình học thường không khả thi trong trường hợp này. Luận văn này tập trung vào việc phát triển phương pháp luận để tính toán điện dung bằng cách phân tích các phép đo, mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi của kỹ thuật FRA trong việc chẩn đoán sự cố MBA. "Để mở rộng khả năng ứng dụng của kỹ thuật Phân tích đáp ứng tần số (Frequency Respose Analysis – FRA) chẩn đoán sự cố cơ MBA, cần thiết phải xây dựng phương pháp luận áp dụng cách thứ hai, vì MBA đang vận hành không có các thông số yêu cầu (dạng hộp đen)".

1.1. Tầm quan trọng của điện dung trong phân tích FRA

Trong phân tích FRA, điện dung là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến đáp ứng tần số của MBA. Sự thay đổi về điện dung có thể chỉ ra các vấn đề như biến dạng cuộn dây hoặc các sự cố cơ khác. Việc tính toán điện dung chính xác, đặc biệt trong mô hình MBA hộp đen, cho phép đánh giá chính xác hơn tình trạng của MBA và phát hiện sớm các sự cố tiềm ẩn. Do đó, việc nghiên cứu tính toán điện dung có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc bảo trì và vận hành MBA hiệu quả.

1.2. Giới thiệu Mô hình MBA Macro Based Approach Hộp Đen

Mô hình MBA hộp đen đề cập đến tình huống mà các thông số chi tiết về hình học và vật liệu của MBA không có sẵn. Trong trường hợp này, việc tính toán điện dung đòi hỏi các phương pháp dựa trên phép đo, chẳng hạn như phân tích đáp ứng tần số. Phương pháp MBA (Macro-Based Approach) sử dụng các thông số đo được ở đầu cực của MBA để xây dựng một mô hình tương đương có thể được sử dụng để mô phỏng và tính toán điện dung.

II. Thách Thức trong Tính Toán Điện Dung cho MBA Hộp Đen

Việc tính toán điện dung trong mô hình MBA hộp đen đối mặt với nhiều thách thức. Thứ nhất, sự thiếu hụt thông tin về cấu trúc bên trong MBA đòi hỏi các phương pháp gián tiếp dựa trên phép đo. Thứ hai, sự phức tạp của cấu trúc MBA và ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài (ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm) đến điện dung đòi hỏi các phương pháp tính toán chính xác và đáng tin cậy. Cuối cùng, việc đảm bảo độ chính xác và tốc độ tính toán là rất quan trọng để ứng dụng hiệu quả trong thực tế. "Để mở rộng khả năng ứng dụng của kỹ thuật Phân tích đáp ứng tần số (Frequency Respose Analysis – FRA) chẩn đoán sự cố cơ MBA, cần thiết phải xây dựng phương pháp luận áp dụng cách thứ hai, vì MBA đang vận hành không có các thông số yêu cầu (dạng hộp đen)".

2.1. Sự phức tạp của cấu trúc MBA và ảnh hưởng đến điện dung

Cấu trúc phức tạp của MBA, bao gồm các cuộn dây, lõi thép và vật liệu cách điện, gây khó khăn cho việc tính toán điện dung. Các yếu tố như khoảng cách giữa các cuộn dây, loại vật liệu cách điện và hình dạng của cuộn dây đều ảnh hưởng đến điện dung. Do đó, cần phải xem xét các yếu tố này một cách cẩn thận khi tính toán điện dung.

2.2. Yêu cầu về độ chính xác và tốc độ tính toán

Độ chính xác và tốc độ tính toán là hai yếu tố quan trọng cần xem xét khi tính toán điện dung trong mô hình MBA hộp đen. Độ chính xác cao là cần thiết để đảm bảo rằng các kết quả tính toán là đáng tin cậy và có thể được sử dụng để đưa ra các quyết định chính xác về bảo trì và vận hành MBA. Tốc độ tính toán nhanh là cần thiết để có thể thực hiện phân tích trong thời gian thực hoặc gần thời gian thực.

III. Phương Pháp Tính Toán Điện Dung Sử Dụng FEM BEM

Một trong những phương pháp tính toán điện dung hiệu quả là sử dụng các phần mềm mô phỏng điện từ trường, đặc biệt là các phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phương pháp phần tử biên (BEM). Các phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác trường điện từ trong MBA và tính toán điện dung dựa trên các thông số hình học và vật liệu có sẵn. Tuy nhiên, việc xây dựng mô hình 3D chi tiết và thực hiện tính toán song song có thể đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn. "Cách thứ nhất chỉ có thể áp dụng đối với một số MBA có sẵn thông số hình học và đặc tính điện-từ, vốn thường không có sẵn đối với hầu hết các MBA trong thực tế."

3.1. Ưu điểm của FEM BEM trong tính toán điện dung

FEM và BEM là các công cụ mô phỏng mạnh mẽ cho phép tính toán điện dung với độ chính xác cao. Chúng có thể xử lý các hình dạng phức tạp và các vật liệu không đồng nhất, làm cho chúng phù hợp để mô phỏng MBA. Ngoài ra, FEM và BEM cung cấp khả năng phân tích trường điện và trường từ một cách chi tiết, cho phép hiểu rõ hơn về sự phân bố điện dung trong MBA.

3.2. Thực hiện mô phỏng 3D và tính toán song song

Để đạt được độ chính xác cao và tốc độ tính toán nhanh, việc mô phỏng 3D và tính toán song song là cần thiết. Mô phỏng 3D cho phép mô tả chính xác hình dạng phức tạp của MBA, trong khi tính toán song song cho phép phân chia bài toán tính toán thành nhiều phần nhỏ hơn và giải chúng đồng thời trên nhiều bộ xử lý.

IV. Ứng Dụng Phương Pháp Phân Tích Tần Số Để Xác Định Điện Dung

Phương pháp phân tích tần số (FRA) cung cấp một cách tiếp cận thực nghiệm để xác định điện dung trong mô hình MBA hộp đen. Bằng cách đo đáp ứng tần số của MBA và so sánh nó với đáp ứng tần số của một mô hình tương đương, các thông số của mô hình, bao gồm điện dung, có thể được điều chỉnh để phù hợp với các phép đo. Ứng dụng thực tế bao gồm kiểm tra tín hiệu, phân tích nhiễu, và tối ưu hóa điện dung. "Đóng góp của Luận văn là giúp việc phân tích đáp ứng tần số cho các MBA đang vận hành trở nên khả thi."

4.1. Đo và phân tích đáp ứng tần số của MBA

Việc đo đáp ứng tần số của MBA bao gồm việc kích thích MBA bằng một tín hiệu tần số thay đổi và đo đáp ứng của nó. Đáp ứng tần số được biểu diễn dưới dạng đồ thị biên độ và pha so với tần số. Phân tích đáp ứng tần số cho phép xác định các tần số cộng hưởng và các đặc tính khác của MBA, từ đó có thể suy ra các thông số như điện dung.

4.2. Điều chỉnh mô hình tương đương để phù hợp với phép đo

Sau khi đo đáp ứng tần số của MBA, một mô hình tương đương của MBA được xây dựng và các thông số của mô hình, bao gồm điện dung, được điều chỉnh cho đến khi đáp ứng tần số của mô hình phù hợp với đáp ứng tần số đo được. Quá trình này được gọi là xác định thông số và có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các thuật toán tối ưu hóa.

V. Kết quả Nghiên Cứu Tính Toán Điện Dung trong MBA Hộp Đen

Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu về tính toán điện dung trong mô hình thông số phân bố của một MBA lực dạng hộp đen. Kết quả cho thấy rằng phương pháp phân tích tần số có thể được sử dụng để xác định chính xác điện dung, mở ra khả năng chẩn đoán sự cố và tối ưu hóa thiết kế MBA. Việc so sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo lường thực tế cho thấy sự phù hợp tốt, chứng minh tính hiệu quả của phương pháp đề xuất.

5.1. So sánh kết quả mô phỏng và đo lường thực tế

Để đánh giá độ chính xác của phương pháp tính toán điện dung, kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả đo lường thực tế trên một MBA thử nghiệm. Kết quả cho thấy sự phù hợp tốt giữa hai tập dữ liệu, chứng minh rằng phương pháp đề xuất có thể được sử dụng để tính toán điện dung một cách đáng tin cậy.

5.2. Đánh giá ảnh hưởng của điện dung nối tiếp

Nghiên cứu cũng đánh giá ảnh hưởng của điện dung nối tiếp (CS) đến đáp ứng tần số của MBA. Kết quả cho thấy rằng CS có ảnh hưởng đáng kể đến đáp ứng tần số ở tần số cao và cần phải được xem xét khi tính toán điện dung.

VI. Kết luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Điện Dung MBA

Nghiên cứu đã trình bày một phương pháp hiệu quả để tính toán điện dung trong mô hình MBA hộp đen sử dụng phân tích đáp ứng tần số. Phương pháp này có thể được sử dụng để chẩn đoán sự cố, tối ưu hóa thiết kế và cải thiện hiệu suất của MBA. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc mở rộng phương pháp này cho các loại MBA khác nhau và kết hợp nó với các kỹ thuật phân tích khác.

6.1. Các hướng phát triển tiềm năng cho nghiên cứu điện dung MBA

Các hướng phát triển tiềm năng bao gồm việc phát triển các phương pháp tính toán điện dung hiệu quả hơn, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến điện dung, và tích hợp các kết quả tính toán điện dung vào các hệ thống giám sát và chẩn đoán MBA thời gian thực. Cần quan tâm tới sự phát triển của các loại vật liệu mới làm cách điện.

6.2. Đề xuất ứng dụng trong thiết kế mạch điện và phân tích tần số

Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để cải thiện thiết kế mạch điện và phân tích tần số của MBA. Bằng cách tính toán điện dung một cách chính xác, các nhà thiết kế có thể tạo ra các MBA có hiệu suất cao hơn và độ tin cậy cao hơn. Ngoài ra, các nhà phân tích có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để chẩn đoán sự cố và dự đoán tuổi thọ của MBA.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 giới thiệu các kiến thức tổng quan về hệ thống điện và trình bày bố cục nội dung luận văn. Chương 2 trình bày chung về kiến thức tổng quan cho kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số (FRA) cho việc chẩn đoán sự cố bên trong máy biến áp lực và những đặc tính, cấu hình đo liên quan đến kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số. Chương 3 tìm hiểu, giới thiệu các mô hình máy biến áp lực, từ đó đưa ra các mô hình thông số điện cho máy biến áp lực phục vụ cho việc phân tích, mô phỏng trong chương 4 và chương 5. Chương 4 giới thiệu về phương pháp xác định giá trị thông số điện dung trong mô hình thông số phân bố MBA, nhằm thực hiện tính toán giá trị thông số điện dung để xây dựng mô hình cho việc mô phỏng.

Chương 5 giới thiệu các kết quả thu được từ các phép đo và mô phỏng, dựa trên các kết quả đạt được đưa ra các phân tích đánh giá cho kết quả nghiên cứu. Chương 6 kết luận và đề nghị hướng phát triển trong tương lai liên quan đến nghiên cứu. Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng 4 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG TẦN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Chương này trình bày những kiến thức, nguyên lý kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số cho máy biến áp lực.1 Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số (FRA) Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số (FRA – Frequency Response Analysis) là một dạng phân tích chẩn đoán sự cố điện và cơ trong máy biến áp lực (MBA) dựa trên thí nghiệm về điện và đã được tiêu chuẩn hóa theo CIGRE-2008 [1], IEC 60076-18 [2] và IEEE PC57.1 Các loại sự cố áp dụng FRA Theo IEC 60076-18 [2], FRA có thể dùng để phát hiện các thay đổi trong những phần hoạt động của đối tượng kiểm tra (như cuộn dây, kết nối và bộ phận lõi). FRA thường dùng để phát hiện việc thay đổi cấu trúc hình học và ngắn mạch trong các cuộn dây.

FRA có thể ứng dụng để đánh giá mức độ các sự cố trong MBA như sau:  Sự cố hay thí nghiệm ngắn mạch dòng lớn  Sự cố với bộ điều áp  Sự cố thay đổi cấu trúc cơ khí MBA do vận chuyển hay tác động ngoại lực Tiêu chuẩn IEEE PC57. FRA còn ứng dụng để phát hiện các sự cố cuộn dây hở mạch, có điện trở tiếp xúc lớn, ngắn mạch giữa có vòng dây. Phương pháp phân tích đáp ứng tần số là một công cụ chẩn đoán để phát hiện các sự cố và hư hỏng về điện và cơ thể hiện qua sự biến dạng cuộn dây và sự dịch chuyển của mạch từ của MBA. Các nghiên cứu từ các trường hợp thực tế đã cho thấy tính hiệu quả của kỹ thuật này.2 Các phép đo đáp ứng tần số FRA là công cụ mạnh để phát hiện được những vấn đề sự cố về cơ cũng như về điện bên trong MBA mà các phương pháp khác không có khả năng phát hiện được.

Việc biết được tình trạng bên trong MBA sẽ cho phép chúng ta có thể vận hành MBA ở mức tải lớn nhất mà không gây tác hại đến độ tin cậy. Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng 5 Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số (FRA) đã được phát triển qua nhiều năm kể từ khi nó được đưa ra từ thập niên 1960. Vào những năm 1970, công ty Ontario Hydro đã đi tiên phong về kỹ thuật đáp ứng tần số bằng cách đưa một tín hiệu dạng sin và đo trực tiếp các đáp ứng tần số. Sau đó lần lượt được các công ty khác nghiên cứu và ứng dụng.

Vào những năm 1990, các sản phẩm thương mại đầu tiên ứng dụng thực tế đã được giới thiệu. Hiện tại có một số lượng lớn các công ty dịch vụ thí nghiệm trên thế giới đã và đang sử dụng phương pháp phân tích tần số và phương pháp xung để đánh giá tình trạng và quản lý một số lượng lớn các MBA lực đang vận hành trên lưới điện của mình.1 minh họa nguyên lý của FRA.1: Minh họa nguyên lý của FRA  Cấp điện áp hình sin trị hiệu dụng thấp (ví dụ 10 V), nhưng biến thiên trong một vùng tần số rộng (ví dụ từ 10 Hz đến 10 MHz), vào 1 đầu cực MBA (ký hiệu Vr = reference voltage);  Đo điện áp ở một đầu cực khác (ký hiệu Vm = measured voltage);  Tính tỷ số giữa chúng Biên độ = 20*log (Vm/Vr) (dB) Góc pha = góc pha {Vm} – góc pha {Vr} (độ). Nguyên lý đo đáp ứng tần số như trên được gọi là SFRA (Sweep = quét tần số điện áp hình sin), đang là nguyên tắc được áp dụng rộng rãi trong FRA hiện nay. Một nguyên lý khác là dựa trên điện áp xung (IFRA với I viết tắt cho Impulse) nhưng kém ứng dụng thực tế hơn do chỉ hiệu quả ở tần số dưới 200 kHz.

Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng 6 Một sơ đồ ví dụ cho mạch đo phân tích đáp ứng tần số được cho bởi IEC 60076-18 [2] thể hiện như sau (hình 2.2: Sơ đồ minh họa mạch đo đáp ứng tần số Có 4 cấu hình đáp ứng tần số cơ bản được thống nhất giữa các tiêu chuẩn đề cập ở trên:  End-to-end open-circuit (EEOC): đo hở mạch  End-to-end short-circuit (EESC): đo ngắn mạch  Capacitive inter-winding (CAP): đo hiệu ứng dung  Inductive inter-winding (IND): đo hiệu ứng cảm Hình 2.3 minh họa các kiểu đo như trên áp dụng cho MBA có tổ đấu dây YN-d. Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng 7 Hình 2.3: Cấu hình đo đáp ứng tần số Mỗi cấu hình đo đều cho các dạng đáp ứng tần số khác nhau về độ lớn, dạng và góc pha. Trong số 4 cấu hình đo này, người ta thường chỉ sử dụng cấu hình đo hở mạch (biên độ) để chẩn đoán vì các thông số điện trong sơ đồ tương đương MBA (điện cảm, điện dung, điện trở cuộn dây và lõi thép trong tổng thể MBA) đều có ảnh hưởng đến dạng đáp ứng tần số ở những vùng tần số nhất định trong khi các sơ đồ đo khác chỉ có ảnh hưởng rõ rệt của từng thông số riêng biệt.3 Nguyên lý phân tích đáp ứng tần số của MBA Từ các phép đo đáp ứng tần số sẽ thu được kết quả là đường đặc tính của các đáp ứng thu được, sau khi phân tích có thể nhận thấy được những vùng có những thay đổi phụ thuộc vào những dải tần số khác nhau, minh họa đối với 1 MBA tự ngẫu ở hình 2. Ở dải tần số thấp, thông thường thành phần điện dung của MBA có thể được xem là không đáng kể và đáp ứng là thuần cảm (từ 10 Hz đến 2 kHz ở hình 2.

Ở các tần số này điện cảm của mạch từ chiếm ưu thế: tổng trở lõi sắt (core impendance), điện cảm rò (leakage inductance). Có một sự sai lệch đáng kể ở các đáp ứng giữa hai pha bên ngoài (A, C) và pha giữa (B) tại dải tần số này. Điều này là do các đường đi của từ thông trong lõi thép. Pha giữa có hai đường đi của từ thông có từ trở bằng nhau và pha ngoài có hai đường đi của từ thông có từ trở khác nhau.

Kết quả là các pha ngoài có hai điểm cộng hưởng so với pha giữa vốn chỉ có một điểm cộng hưởng. Điều này cũng giải thích về sự khác biệt về biên độ (dB) lúc khởi đầu (xem hình 2. Ở dải tần số cao hơn (từ 2 kHz trở đi) đáp ứng trông phức tạp vì có rất nhiều điểm cộng hưởng. Ở dải tần số này điện Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng 8 dung của cuộn dây chiếm ưu thế do tần số (f) tăng làm cho cảm kháng (XL = 2πfL) tăng và dung kháng (XC = 1/(2πfC)) giảm dẫn đến ảnh hưởng đến dòng điện phân bố trong mạch.

Do đó, các đáp ứng của cuộn dây là ít phụ thuộc vào mạch từ, khiến cho kết quả đo khá nhạy cảm với sự biến dạng của cuộn dây. Ở dải tần số cao điện cảm có thể được xem là không đáng kể và có thể bỏ qua, đáp ứng thực tế có tính dung.4: Kết quả đáp ứng tần số ở các dải tần số khác nhau cho 1 MBA tự ngẫu Như vậy, đối với MBA khảo sát1 có thể thấy đáp ứng tần số (ĐƯTS) được chia ra 4 vùng như sau:  Vùng 1 (Core influence), ảnh hưởng của lõi từ, với dải tần số f < 2 kHz. Trong đồ thị đáp ứng này, đáp ứng pha B khác biệt rõ so với hai đáp ứng còn lại, nguyên nhân là do ảnh hưởng của hai pha kế bên trong bộ máy biến áp ba pha  Vùng 2 (Interaction between windings), vùng tương tác giữa các cuộn dây: giữa tần số từ 2 đến 20 kHz, đáp ứng bị ảnh hưởng bởi sự tương tác giữa các cuộn dây, như là cách kết nối (Delta, Wye, .), dây trung tính…  Vùng 3 (Winding structure influence), vùng ảnh hưởng của cấu trúc bên trong cuộn dây: Từ 20 kHz đến 1 MHz, cấu trúc bên trong cuộn dây sẽ ảnh hưởng mạnh mẽ đến đáp ứng tần số. Trong ví dụ này, đồ thị FRA ở vùng 3, quá trình cộng hưởng ít hơn và phần lớn giá trị điện dung tăng lên do tần số (f) tăng làm cho cảm 1 Đáp ứng tần số đối với từng MBA khác nhau là khác nhau vì phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tổ đấu dây, công suất, điện áp, kiểu dây quấn.

Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng 9 kháng (XL = 2πfL) tăng và dung kháng (XC = 1/(2πfC)) dẫn đến ảnh hưởng đến dòng điện phân bố trong mạch ở cuộn HV  Vùng 4 (Earthing lead influence), ảnh hưởng của việc nối đất với vùng tần số từ 1 MHz trở lên là ảnh hưởng của việc kết nối thiết bị đo và cấu hình đo Các tiêu chuẩn quốc tế hiện nay đều hướng đến cách chẩn đoán dùng phép so sánh giữa các ĐƯTS trước và sau khi nghi ngờ có sự cố.