Tổng quan nghiên cứu

Máy biến áp là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện, đóng vai trò then chốt trong việc truyền tải và phân phối điện năng. Theo ước tính, các máy biến áp lực có tuổi thọ trung bình khoảng 30-40 năm, tuy nhiên trong quá trình vận hành, máy biến áp thường gặp phải các sự cố như hỏng cuộn dây, tổn thất cách điện, hoặc biến dạng lõi thép, ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ tin cậy và an toàn của hệ thống điện. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng phương pháp phân tích đáp ứng tần số quét (SFRA) để đánh giá tình trạng kỹ thuật và phát hiện sớm các sự cố bên trong máy biến áp lực công suất lớn, cụ thể là máy biến áp 110kV - 63MVA tại Công ty Cổ phần Thiết bị Cơ điện Phú Mỹ - VEE.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm xây dựng quy trình đo và phân tích SFRA phù hợp với đặc thù máy biến áp lực, từ đó đề xuất các tiêu chuẩn kỹ thuật và biện pháp vận hành, bảo dưỡng hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các máy biến áp lực đang vận hành tại nhà máy VEE trong giai đoạn 2017-2018, với dữ liệu thu thập từ thiết bị đo TETTEX SFRA 5310 và TETTEX 2293. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ tin cậy vận hành, giảm thiểu chi phí sửa chữa và thời gian ngừng máy, góp phần cải thiện các chỉ số SAIDI, SAIFI và MAIFI của hệ thống điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: nguyên lý làm việc của máy biến áp và phương pháp phân tích đáp ứng tần số quét (SFRA).

  • Nguyên lý làm việc của máy biến áp: Máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, trong đó từ thông biến thiên trong lõi thép tạo ra sức điện động cảm ứng trong các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Các thông số kỹ thuật quan trọng bao gồm tỉ số biến áp, tổn hao không tải, tổn hao tải, điện trở cuộn dây, và tổn hao từ.

  • Phân tích đáp ứng tần số quét (SFRA): SFRA là kỹ thuật đo lường đặc trưng tần số của máy biến áp bằng cách quét tần số tín hiệu đầu vào và phân tích đáp ứng tần số đầu ra. Phương pháp này giúp phát hiện các biến dạng cơ học, hỏng hóc cuộn dây, và các vấn đề về cách điện thông qua việc so sánh phổ tần số đo được với dữ liệu chuẩn hoặc dữ liệu tham chiếu.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng gồm: tỉ số biến áp, từ thông chính và từ thông tổn hao, điện trở và kháng cuộn dây, đáp ứng tần số, biên độ và pha tín hiệu, cũng như các tiêu chuẩn kỹ thuật IEC 60076-18, IEEE C57, và tiêu chuẩn Trung Quốc DL/T 911-2004.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các phép đo thực nghiệm tại nhà máy VEE trên máy biến áp 110kV - 63MVA sử dụng thiết bị SFRA TETTEX SFRA 5310 và TETTEX 2293. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ máy biến áp lực đang vận hành tại nhà máy trong giai đoạn 2017-2018, với khoảng 10 máy được khảo sát chi tiết.

Phương pháp phân tích dữ liệu bao gồm:

  • So sánh phổ tần số đo được với dữ liệu chuẩn theo tiêu chuẩn IEC, IEEE và DL/T 911-2004.
  • Phân tích sai lệch biên độ và pha tín hiệu để xác định các biến dạng cơ học hoặc hỏng hóc bên trong.
  • Sử dụng phương pháp khử từ dư và đo dòng điện một chiều (DC) để loại trừ ảnh hưởng từ dư và tăng độ chính xác.
  • Áp dụng mô hình mạch điện thay thế máy biến áp để giải thích các hiện tượng điện từ và cơ học phát hiện qua SFRA.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong 12 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, phân tích, thử nghiệm khử từ và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân tích phổ tần số SFRA cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các máy biến áp vận hành bình thường và máy có dấu hiệu hỏng hóc. Cụ thể, biên độ tín hiệu tại các dải tần số thấp (dưới 2 kHz) và trung (2 kHz - 20 kHz) có sự sai lệch từ 10% đến 30% so với dữ liệu chuẩn, phản ánh biến dạng cơ học hoặc tổn thất cách điện.

  2. Ảnh hưởng của đấu nối cuộn dây thứ ba (đấu tam giác) làm thay đổi đặc trưng tần số SFRA, gây sai lệch biên độ lên đến 15% tại dải tần số trung bình, cần được cân nhắc khi phân tích dữ liệu.

  3. Khử từ dư và đo dòng điện DC giúp giảm sai số đo SFRA đáng kể, với sai lệch biên độ giảm từ khoảng 20 dB xuống còn dưới 5 dB, nâng cao độ tin cậy của kết quả phân tích.

  4. Ảnh hưởng của chất lỏng cách điện và nhiệt độ môi trường cũng được xác định rõ ràng, trong đó nhiệt độ tăng 50°C làm thay đổi biên độ tín hiệu SFRA khoảng 5-10 dB, còn việc chứa đầy dầu cách điện giúp ổn định tín hiệu đo.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các sai lệch phổ tần số SFRA chủ yếu do biến dạng cơ học cuộn dây, tổn thất cách điện và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như nhiệt độ và chất lỏng cách điện. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với tiêu chuẩn IEC 60076-18 và các báo cáo thực tế tại một số nhà máy điện lớn.

Việc áp dụng phương pháp khử từ dư và đo dòng DC là bước cải tiến quan trọng, giúp loại bỏ nhiễu từ dư và tăng độ chính xác của phép đo SFRA. Kết quả này có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh phổ tần số SFRA trước và sau khi khử từ, minh họa sự cải thiện rõ rệt về độ tin cậy.

Ngoài ra, nghiên cứu cũng chỉ ra tầm quan trọng của việc chuẩn hóa phương pháp đo và phân tích SFRA, bao gồm việc lựa chọn đúng tiêu chuẩn kỹ thuật và điều kiện đo phù hợp với từng loại máy biến áp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai quy trình đo SFRA chuẩn hóa tại các nhà máy điện nhằm phát hiện sớm các sự cố máy biến áp, giảm thiểu thời gian ngừng máy và chi phí sửa chữa. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do phòng kỹ thuật vận hành chủ trì.

  2. Áp dụng phương pháp khử từ dư và đo dòng DC trong các phép đo SFRA để nâng cao độ chính xác và tin cậy của kết quả. Đề xuất đào tạo kỹ thuật viên trong 3 tháng về kỹ thuật này.

  3. Xây dựng cơ sở dữ liệu chuẩn về phổ tần số SFRA cho từng loại máy biến áp tại nhà máy, phục vụ so sánh và phân tích trong quá trình vận hành. Thời gian hoàn thành dự kiến 12 tháng, phối hợp giữa phòng nghiên cứu và phòng vận hành.

  4. Cập nhật và áp dụng các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế như IEC 60076-18, IEEE C57 và DL/T 911-2004 trong công tác kiểm tra và bảo dưỡng máy biến áp. Chủ thể thực hiện là ban quản lý kỹ thuật và phòng chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo dưỡng máy biến áp: Nắm bắt phương pháp SFRA và kỹ thuật khử từ dư giúp phát hiện sớm sự cố, nâng cao hiệu quả bảo trì.

  2. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển thiết bị điện: Tham khảo mô hình mạch điện thay thế và phân tích SFRA để cải tiến thiết kế và kiểm tra chất lượng sản phẩm.

  3. Quản lý kỹ thuật tại các nhà máy điện và lưới điện: Áp dụng tiêu chuẩn và quy trình đo SFRA để nâng cao độ tin cậy vận hành, giảm thiểu rủi ro sự cố.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành điện – điện tử: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về nguyên lý máy biến áp, kỹ thuật đo lường và phân tích tín hiệu trong hệ thống điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phân tích đáp ứng tần số quét (SFRA) là gì?
    SFRA là phương pháp đo đặc trưng tần số của máy biến áp bằng cách quét tần số tín hiệu đầu vào và phân tích đáp ứng đầu ra, giúp phát hiện các biến dạng cơ học và hỏng hóc bên trong máy.

  2. Tại sao cần khử từ dư khi đo SFRA?
    Khử từ dư giúp loại bỏ ảnh hưởng của từ dư trong lõi thép, giảm sai số đo và tăng độ chính xác của phổ tần số SFRA, đặc biệt quan trọng khi đo các máy biến áp đã vận hành lâu.

  3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và chất lỏng cách điện đến kết quả SFRA như thế nào?
    Nhiệt độ tăng khoảng 50°C có thể làm thay đổi biên độ tín hiệu SFRA từ 5-10 dB, trong khi chất lỏng cách điện như dầu giúp ổn định tín hiệu, giảm nhiễu và sai lệch.

  4. Tiêu chuẩn kỹ thuật nào được áp dụng cho đo SFRA?
    Các tiêu chuẩn phổ biến gồm IEC 60076-18, IEEE C57, DL/T 911-2004 và tiêu chuẩn Trung Quốc, quy định các yêu cầu về thiết bị, phương pháp đo và phân tích dữ liệu SFRA.

  5. Làm thế nào để phân biệt sự cố máy biến áp qua kết quả SFRA?
    Bằng cách so sánh phổ tần số đo được với dữ liệu chuẩn hoặc dữ liệu tham chiếu, các sai lệch về biên độ và pha tín hiệu tại các dải tần số khác nhau sẽ chỉ ra các biến dạng cơ học, hỏng cuộn dây hoặc tổn thất cách điện.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng thành công quy trình đo và phân tích SFRA cho máy biến áp lực 110kV - 63MVA, giúp phát hiện sớm các sự cố kỹ thuật.
  • Phương pháp khử từ dư và đo dòng DC được chứng minh là cải tiến quan trọng nâng cao độ chính xác của phép đo SFRA.
  • Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như nhiệt độ và chất lỏng cách điện được đánh giá chi tiết, góp phần hoàn thiện quy trình đo.
  • Các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế được áp dụng làm cơ sở cho việc chuẩn hóa và nâng cao chất lượng kiểm tra máy biến áp.
  • Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi phương pháp SFRA trong vận hành và bảo dưỡng máy biến áp tại các nhà máy điện trong vòng 6-12 tháng tới.

Mời quý độc giả và các chuyên gia trong ngành tiếp tục nghiên cứu, áp dụng và phát triển kỹ thuật SFRA nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hệ thống điện quốc gia.