Thiết kế hệ thống giám sát từ xa trạng thái máy biến áp sử dụng cảm biến gia tốc

Mở đầu

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Máy biến áp là một phần rất quan trọng trong hệ thống truyền tải điện năng.
Khi máy biến áp bị hƣ hỏng thì sẽ làm gián đoạn sự cung cấp điện liên tục, ảnh
hƣởng đến đời sống, kinh tế xã hội của cả một vùng, khu vực…Ngoài ra chi phí cho
việc vận chuyển, bảo dƣỡng sửa chữa đối với các máy biến áp bị sự cố rất cao, tốn
kém về tiền bạc và thời gian.
Hiện nay lƣới điện của chúng ta đang đối mặt với hệ thống các máy biến áp bị
lão hóa và già cỗi, vận hành với phụ tải tăng cao ở mọi nơi, nguy cơ sự cố đối với
máy biến áp trên lƣới điện là rất lớn. Bởi vậy, về tổng thể việc phân tích, giám sát
trạng thái của máy biến áp càng trở lên cần thiết.
Trong những năm gần đây, trên thế giới đã có những bƣớc phát triển kỹ thuật
nhanh chóng về các phƣơng diện của phép đo, thu thập và phân tích dữ liệu để xác
định lỗi và nhằm đƣa ra các đánh giá kịp thời về tình trạng của máy biến áp.
Hiện nay có nhiều phƣơng pháp để có thể chuẩn đoán tình trạng của máy biến
áp, nhƣng tựu chung lại là chia làm 2 hƣớng. Hƣớng thứ nhất là các phƣơng pháp
Online có nghĩa là kiểm tra, chuẩn đoán trạng thái máy biến áp mà không cần cắt
điện. Hƣớng thứ hai là các phƣơng pháp Offline, kiểm tra, chuẩn đoán trạng thái
máy biến áp bằng việc cắt điện. Đối với việc cắt điện kiểm tra đối với máy biến áp
là khó thực hiện bởi việc cắt điện sẽ ảnh hƣởng tới sản lƣợng phụ tải, chỉ tiêu kinh
doanh của các Công ty Điện lực và đời sống kinh tế xã hội của nhân dân.
Với các lý do nêu trên, việc nghiên cứu tìm hiểu phƣơng pháp vừa giám sát,
chuẩn đoán đƣợc trạng thái của máy biến áp vừa không phải cắt điện máy biến áp là
rất cần thiết.
Sau đây tác giả xin trình bày nội dung của luận văn tốt nghiệp “Giám sát từ
xa trạng thái của máy biến áp bằng cảm biến gia tốc”.

- 1 -

Mở đầu

2. Mục đích và ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu về phƣơng pháp giám sát đƣợc trạng thái của máy biến áp mà
không cần cắt điện thông qua cảm biến gia tốc. Từ đó đƣa ra thêm một phƣơng
pháp mới bổ xung cho các phƣơng pháp truyền thống khác để có thể vừa giám sát
vừa chuẩn đoán tình trạng vận hành của máy biến áp mà không cần cắt điện.

3. Nội dung chính của đề tài cần giải quyết
Đƣa ra một mô hình giám sát máy biến áp sử dụng cảm biến gia tốc. Thiết kế
mạch đo, lƣu đồ thuật toán hoạt động của vi xử lý và cảm biết gia tốc. Viết phần
mềm để tải dữ liệu và phân tích kết quả đo.
Luận văn đƣợc bố trí nhƣ sau:
 Chƣơng mở đầu
 Chƣơng I: Các phƣơng pháp giám sát trạng thái máy biến áp hiện nay
 Chƣơng II: Tổng quan về độ rung và đặc tính rung động của máy biến áp
 Chƣơng III: Mô hình giám sát trạng thái máy biến áp 110kV sử dụng cảm
biến gia tốc
 Chƣơng IV: Các kết quả triển khai và thử nghiệm
 Chƣơng V: Kết luận và hƣớng phát triển
 Tài liệu tham khảo

- 2 -


Chương 1: Các phương pháp giám sát máy biến áp hiện nay

CHƢƠNG 1: CÁC PHƢƠNG PHÁP GIÁM SÁT MÁY BIẾN
ÁP HIỆN NAY

Hiện nay có rất nhiều các phƣơng pháp giám sát chuẩn đoán tình trạng của
máy biến áp. Trong chƣơng này của luận văn sẽ tóm tắt về một số phƣơng pháp
chính dùng để giám sát tình trạng máy biến áp (MBA) hiện nay gồm: 1. Phân tích
hàm lƣợng khí hòa tan trong dầu MBA (DGA), 2. Đo phóng điện cục bộ trong máy
biến áp (PD), 3. Phân tích đáp ứng tần số quét (FRA).

1.1. Phân tích hàm lƣợng khí hòa tan trong dầu máy biến áp [3]
Phƣơng pháp phân tích khí hoà tan (Dissolved Gas Analysis - DGA) rất hiệu
quả trong việc chẩn đoán các trạng thái hƣ hỏng tiềm ẩn trong MBA.
1.1.1 Khái niệm
Trong quá trình vận hành MBA, dầu cách điện làm việc ở nhiệt độ cao, trong
cƣờng độ trƣờng điện từ cao, bị phân hủy và diễn ra theo cơ chế phá vỡ mạch C-H
và C-C tạo thành hydro nguyên tử và các radical hydrocarbon. Các sản phẩm vừa
mới sinh ra này kết hợp với nhau hình thành khí H2, CH4, C2H6… và hydrocarbon
mới. Khi có các nguồn nhiệt lớn sinh ra trong MBA (quá nhiệt mối nối, phóng điện
cục bộ hoặc phóng hồ quang…) sự phân hủy diễn ra mạnh hơn và sản sinh thêm khí
C2H4 và C2H2 và thậm chí là cả carbon dạng hạt. Ngâm trong dầu có giấy cách
điện (cellulose) và các vật liệu cách điện rắn, do quá trình phân hủy và sinh ra các
khí CO2, CO.
1.1.2. Các nguyên nhân gây ra khí
Mỗi dạng hỏng hóc cùng với các nguyên nhân hỏng hóc sẽ tạo ra các khí đặc
trƣng khác nhau trong dầu MBA. Các khí có thể là: H2, O2, N2, CH4, CO, CO2,
C2H4, C2H6, C2H2, C3H6 + C3H8 và có thể liên quan với sự cố nhƣ sau:
 Các khí đƣợc tạo ra khi trong MBA xảy ra sự cố vầng quang:
- Tác dụng lên dầu: H2-khí chính, CH4-khí đặc trƣng nồng độ bé.
- 3 -


Chương 1: Các phương pháp giám sát máy biến áp hiện nay

- Tác dụng lên giấy: H2, CO, CO2.
 Các khí đƣợc tạo ra khi trong MBA xảy ra sự cố quá nhiệt:
- Tác dụng lên dầu: Khi nhiệt độ thấp (dƣới 300oC) thì C2H6-khí chính,
CH4-khí đặc trƣng với nồng độ cao, C2H4-khí đặc trƣng với nồng độ
thấp. Khi nhiệt độ dầu cao (trên 300oC) thì C2H4-khí chính, H2-khí đặc
trƣng nồng độ thấp, C2H2 và CH4-khí đặc trƣng nồng độ thấp đến cao.
- Tác dụng lên giấy: CO-khí chính, CO2-khí đặc trƣng.
 Các khí đƣợc tạo ra khi trong MBA xảy ra sự cố hồ quang điện:
- Tác dụng lên dầu: H2 và C2H2-khí chính (các khí phân huỷ chính có
một lƣợng lớn), CH4 và C2H4-khí đặc trƣng nồng độ cao.
- Tác dụng lên giấy: CO-khí đặc trƣng có nồng độ cao, CO2-khí đặc
trƣng có nồng độ bé.
1.1.3. Các phương pháp phân tích khí hòa tan
Hiện nay có nhiều phƣơng pháp chẩn đoán sự cố MBA dựa vào DGA, trong
đó các phƣơng pháp phổ biến là:
 Phương pháp các tỷ số: Các tỷ số đƣợc định nghĩa ở bảng 1, nồng độ giới
hạn của các khí đƣợc cho ở bảng 2. Trong thực tế, nhiều hệ chuyên gia chỉ
kiểm tra nồng độ của 4 khí H2, CH4, C2H2, C2H4 thay vì 6 khí.
Bảng 1: Định nghĩa các tỷ số
Tỷ số

CH4/H2

C2H2/C2H4

C2H2/CH4

C2H6/C2H2

C2H4/C2H6

Ký hiệu

R1

R2

R3

R4

R5

- 4 -


Chương 1: Các phương pháp giám sát máy biến áp hiện nay

Bảng 2: Nồng độ các khí hoà tan
Khí

H2

CH4

CO

C2H2

C2H4

C2H4

Giới hạn (ppm)

100

120

350

35

50

65

 Phương pháp tỷ số ban đầu: gồm có 5 khí H2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6 và 5
tỷ số R1, R2, R3, R4, R5.
 Phương pháp Dornenburg: gồm 5 khí H2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6 và 4 tỷ
số R1, R2, R3, R4 (bảng 3)
 Phương pháp Rogers gốc: gồm 5 khí H2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6 và 4 tỷ số
R1, R2, R3, R4 với R4 = C2H6/CH4.
 Phương pháp Rogers sửa đổi: giống nhƣ phƣơng pháp Rogers gốc nhƣng
dùng 4 chữ số để mã hoá và dùng 2 bảng)
Bảng 3: Phương pháp hệ số Dornenburg
Sự cố

R1

R2

R3

R4

Nhiệt phân

> 1,0

< 0,75

< 0,3

> 0,4

Vầng quang

< 0,1

Không dùng

< 0,3

> 0,4

Hồ quang điện

> 0,1 và < 1,0

> 0,75

> 0,3

< 0,4

 Các phương pháp khác: biểu đồ khí, khí đặc trƣng, phân tích khí nhiên liệu
tổng (Total Combustible Gas Analysis - TCGA).
1.1.4. Kết luận
Việc kiểm tra hàm lƣợng khí trong dầu cách điện sẽ giúp ngƣời quản lý vận
hành chẩn đoán sớm tình trạng vận hành MBA. Kỹ thuật phân tích khí hòa tan trong
dầu cách điện và theo dõi tốc độ sinh khí cháy giúp ta phán đoán một cách chặt chẽ
nguyên nhân nào khí sinh ra, đánh giá độ hƣ hỏng trong MBA để có biện pháp

- 5 -


Chương 1: Các phương pháp giám sát máy biến áp hiện nay

khắc phục đảm bảo cho MBA vận hành an toàn đạt hiệu quả kinh tế cao nhất trên
lƣới điện.
DGA là phƣơng pháp chẩn đoán MBA khá chính xác với ƣu điểm là không
phải cắt điện MBA mà chỉ cần lấy mẫu dầu lúc MBA đang vận hành.
1.2. Đo phóng điện cục bộ trong máy biến áp [1]
1.2.1. Khái niệm về phóng điện cục bộ
Phóng điện cục bộ (Partial Discharge - PD) là hiện tƣợng đánh thủng điện
môi cục bộ của một phần nhỏ trong hệ thống cách điện rắn hoặc lỏng dƣới tác dụng
của ứng suất điện áp cao, chỉ nối tắt một phần giữa các điện cực. Trong thời gian
xuất hiện phóng điện cục bộ, năng lƣợng tiêu tán tại chỗ và thay đổi kiểu loại
các tín hiệu cũng nhƣ các xung dòng điện. Điện áp rơi qua các điện cực, xuất hiện

các bức xạ điện từ, các tín hiệu quang, năng lƣợng âm thanh.
1.2.2. Các phương pháp để phát hiện PD
Phương pháp truyền thống
Đo PD truyền thống đề cập tới phƣơng pháp đo PD theo tiêu chuẩn IEC
60270, tức là đo điện tích biểu kiến cảm ứng trong mạch đo. Điện tích biểu kiến q
của xung PD là điện tích nếu đƣa vào trong một thời gian ngắn giữa các điểm nối
của thiết bị đƣợc thí nghiệm trong một mạch đo cụ thể, sẽ cho cùng một giá trị đọc
trên thiết bị đo nhƣ xung dòng điện PD của bản thân nó. Đơn vị đo thƣờng là pC.
Do không thể đo PD trực tiếp, phƣơng pháp này sử dụng các mạch đo tƣơng đƣơng.
Mặc dù điện tích biểu kiến đo đƣợc bởi tổng trở đo (measuring impedance) khó có
quan hệ chính xác tuyệt đối với phóng điện thực bên trong đối tƣợng thử, sự tăng
tuyến tính của điện tích biểu kiến đồng nghĩa với xảy ra PD với biên độ cao hơn, từ
đó đánh giá đƣợc mức độ nguy hiểm của hiện tƣợng PD. Tiêu chuẩn IEC 60270
cũng đề cập tới xác định mạch đo, các đại lƣợng đo, qui trình hiệu chuẩn. Phƣơng
pháp này đã đƣợc sử dụng rộng rãi tại hiện trƣờng và trong phòng thí nghiệm.

- 6 -


Chương 1: Các phương pháp giám sát máy biến áp hiện nay

Đo PD theo IEC 60270 là phƣơng pháp phổ biến đã đƣợc sử dụng rộng rãi
nhiều thập kỉ qua. Các cảm biến đo sử dụng trong phƣơng pháp này là thiết bị tụ
ghép tầng (capacitive coupling devices) đƣợc lắp trên sứ nhƣ hình 1.1.

Hình 1.1: Sơ đồ mạch đo PD trên ty sứ theo khuyến cáo của IEC 60270
trong đó:
U

: Nguồn cao áp hoặc hạ áp

Zmi: Tổng trở đo

CC: Cáp nối

Ca: Thiết bị đƣợc thử

Ck: Tụ phía cao thế

Cm: Tụ song song với tổng trở đo

CD: Thiết bị ghép tầng

MI: Thiết bị đo

Z

: Thiết bị lọc cao áp

Phương pháp phi truyền thống
Bên cạnh phƣơng pháp đo PD truyền thống, nhiều phƣơng pháp đo PD khác
đã đƣợc phát triển, bao gồm điện (electrical - HF/VHF/UHF), âm thanh (acoustic),
quang (optical), hóa học (chemical). Một vài phƣơng pháp (Electrical/Acoustic) sẽ
đƣợc tiêu chuẩn hóa trong tƣơng lai gần bởi IEC 62478. Các phƣơng pháp này do
có đặc tính đo tốt hơn, đặc biệt là hệ số nhiễu tín hiệu nên phù hợp với đo thiết bị

- 7 -


Chương 1: Các phương pháp giám sát máy biến áp hiện nay

điện on-site và on-line, nơi bị ảnh hƣởng mạnh bởi nhiễu đến tín hiệu đo. Đặc biệt
là phƣơng pháp đo sóng điện từ và sóng âm đƣợc sử dụng rộng rãi trong thực tế do
2 phƣơng pháp này cung cấp đủ thông tin liên quan tới sự tồn tại của PD và khả
năng định vị gần nhƣ tất cả các thiết bị trong hệ thống điện.
Do phần lớn nhiễu khi đo PD on-site và on-line là dải tần số thấp nên việc đo
ở dải tần cao hơn với HF/VHF/UHF cho kết quả tốt hơn về hệ số nhiễu tín hiệu.
Đƣợc hỗ trợ bởi tiêu chuẩn IEC 62478 trong tƣơng lai gần, phƣơng pháp đo PD phi
truyền thống sẽ đƣợc sử dụng rộng rãi và thống nhất hơn. Nhƣợc điểm chính của
phƣơng pháp phi truyền thống là phƣơng pháp đo phụ thuộc vào từng thiết bị đƣợc
thử khác nhau. Do đó hệ thống đo đƣợc tất cả các thiết bị điện cao áp sẽ đắt hơn so
với phƣơng pháp truyền thống. Ngoài ra, phần lớn phƣơng pháp đo phi truyền thống
không có khả năng hiệu chuẩn để đƣa ra biên độ của đại lƣợng PD sự cố, nên không
thể đƣa ra quyết định xử lí phù hợp (đạt hay không đạt).
Phương pháp đo phóng điện cục bộ bằng sóng âm (PD Acoustic)
 Hiện tƣợng phóng điện cục bộ sinh ra các sóng âm với biên độ rất bé và tần
số cao. Các song âm đó sẽ truyền qua các vật liệu cách điện (rắn, lỏng)
truyền tới vỏ thùng MBA rồi đến các sensor đƣợc bố trí thích hợp. Bằng
việc di chuyển vị trí các sensor kết nối với máy định vị PD Acoustic có thể
định vị đƣợc tƣơng đối chính xác các điểm phát sinh phóng điện cục bộ bên
trong MBA.
 Ngoài ra, các sóng âm cũng truyền tới vỏ đi qua đƣờng nối đất của vỏ thiết
bị rồi đến biến dòng cao tần đƣợc bố trí tại dây nối đất hoặc trung tính
MBA;
 Phƣơng pháp này đo độ lớn phóng điện cục bộ với giá trị đƣợc xác định
bằng mV
Phương pháp đo phóng điện cục bộ bằng UHF
 Hiện tƣợng phóng điện cục bộ cũng sinh ra các sóng siêu cao tần (UHF);

- 8 -

Chương 1: Các phương pháp giám sát máy biến áp hiện nay

 Sử dụng cảm biến siêu cao tần (UHF sensor) gắn vào van xả dầu của MBA
để lấy tín hiệu PD, kèm theo một bộ kích hoạt (trigger) trong quá trình đo.
 Phƣơng pháp này đo độ lớn phóng điện cục bộ với giá trị đƣợc xác định
bằng mV
1.3. Phân tích đáp ứng tần số quét trong máy biến áp [2]
1.3.1. Khái niệm
Việc mất đi tính nguyên vẹn cơ học ban đầu của MBA lực nhƣ sự biến dạng
của cuộn dây, sự dịch chuyển của lõi thép,… là do tác động của các lực điện cơ lớn,
mà nguyên nhân là do các dòng điện sự cố, việc co ngót của cuộn dây dẫn đến việc
nới lỏng lực ép, các vấn đề nảy sinh trong quá trình vận chuyển và lắp đặt gây nên.
Sự biến dạng của cuộn dây và việc dịch chuyển của lõi thép này nếu không đƣợc
phát hiện sớm thƣờng sẽ chuyển thành một hƣ hỏng về điện môi hoặc về nhiệt. Loại
hƣ hỏng này là không thể thay đổi đƣợc và chỉ có khắc phục bằng cách đại tu MBA
nhƣ quấn lại cuộn dây, sửa chữa lại lõi thép hoặc thay thế hoàn toàn máy biến áp.
Vì vậy rất cần thiết phải kiểm tra sự nguyên vẹn về cơ của các MBA mới lắp đặt
sau quá trình vận chuyển, cũng nhƣ các MBA đang vận hành một cách định kỳ và
đặc biệt sau các sự cố ngắn mạch, nhằm đánh giá tình trạng bất thƣờng và đƣa ra
cảnh báo sớm về hƣ hỏng có thể xảy ra. Đã hơn chục năm nay, các hãng chế tạo
thiết bị chẩn đoán MBA trên thế giới đã đƣa ra và áp dụng một kỹ thuật mới để
giải quyết rất hiệu quả vấn đề này, đó là “Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số” (FRAFrequency Response Analysis)
1.3.2. Cơ sở của việc phân tích đáp ứng tần số
MBA đƣợc xem là một mạng lƣới phức hợp bao gồm các phần tử RLC.
Những sự đóng góp vào mạng lƣới phức hợp RLC này là xuất phát từ điện trở của
cuộn dây đồng; điện cảm của các cuộn dây và điện dung có từ các lớp cách điện
giữa các bối dây, giữa các cuộn dây với nhau, giữa cuộn dây và lõi thép, giữa lõi
thép và vỏ thùng, giữa thùng máy và cuộn dây, v.v. Tuy nhiên, có thể sử dụng một

- 9 -


Chương 1: Các phương pháp giám sát máy biến áp hiện nay

mạch đẳng trị đã đƣợc đơn giản hóa với các phần tử RLC đã gộp lại nhƣ đã minh
họa ở hình 1.2 để giải thích một cách chính xác nguyên lý của kỹ thuật đáp ứng tần
số.

Hình 1.2: Mạch đẳng trị đã được đơn giản hóa với các phần tử RLC đã được gộp
lại
Bất kỳ dạng hƣ hỏng về mặt vật lý đối với MBA đều dẫn đến những thay đổi
của mạng lƣới RLC. Những thay đổi này là cái mà chúng ta đang tìm kiếm và sử
dụng đáp ứng tần số để làm nổi bật những thay đổi nhỏ này trong lƣới RLC bên
trong MBA.
Đáp ứng tần số đƣợc tiến hành bằng cách đặt một tín hiệu điện áp thấp có các
tần số thay đổi vào các cuộn dây của MBA và đo cả hai tín hiệu đầu vào và đầu ra.
Tỷ số của hai tín hiệu này cho ta đáp ứng đã yêu cầu. Tỷ số này đƣợc gọi là hàm
truyền của MBA từ đó ta có thể thu đƣợc các giá trị về độ lớn và góc pha. Với các
tần số khác nhau, mạng lƣới RLC sẽ cho các mạch tổng trở khác nhau. Vì lý do đó,
hàm truyền tại mỗi tần số là một đơn vị đo lƣờng của tổng trở thực của mạng lƣới
RLC của MBA.

- 10 -


Chương 1: Các phương pháp giám sát máy biến áp hiện nay

Bất kỳ sự biến dạng về mặt hình học làm thay đổi mạng lƣới RLC, sự thay đổi

này đến lƣợt nó lại làm thay đổi hàm truyền ở các tần số khác nhau và từ đó làm lộ
rõ vùng mà ta quan tâm.
1.3.2. Phạm vi áp dụng của phương pháp
Do việc thiếu độ nhạy của các thử nghiệm thông lệ hiện tại nhằm phát hiện sự
dịch chuyển của cuộn dây và phản hồi tích cực từ những công ty dịch vụ bảo trì
trên thế giới, việc sử dụng các thiết bị đo SFRA nên đƣợc xem là một công cụ chẩn
đoán hỗ trợ trong công tác thí nghiệm đánh giá hƣ hỏng & điều tra sự cố ở các
MBA lực. Đến nay, sau gần hai mƣơi năm kiểm nghiệm trên thực tế, kỹ thuật SFRA
đã chứng tỏ là một công cụ mạnh mẽ về phƣơng tiện phát hiện sự dịch chuyển của
cuộn dây và các hƣ hỏng khác vốn ảnh hƣởng đến tổng trở của MBA một cách tin
cậy và nhạy cảm.
Theo kinh nghiệm của các công ty điện lực đã áp dụng kỹ thuật SFRA vào
việc đánh giá tình trạng của các MBA lực trên thế giới, trong thời gian đến chúng ta
cần xem đây nhƣ là một tiêu chuẩn cần thiết để tiến hành các phép đo SFRA trong
những tình huống sau đây:
 Ở tất cả các MBA mới với mục đích lấy số liệu gốc ban đầu (fingerprint)
 Là một phần của các thử nghiệm điện thông lệ trong định kỳ.
 Sau khi lắp đặt lại MBA.
 Sau khi MBA gặp phải các ngắn mạch dài hạn.
 Sau khi sửa chữa các bộ chuyển nấc ở MBA.
 Sau khi xử lý hút chân không, lọc dầu và tái sinh dầu
 Sau bất kỳ loại sự cố nào xảy ra ở MBA.
 Sau bất kỳ các loại hình bảo dƣỡng nào đã thực hiện ở MBA, đặc biệt khi
có sự kiểm tra bên trong hoặc rút ruột máy.

- 11 -


Chương 1: Các phương pháp giám sát máy biến áp hiện nay

Khối lƣợng các phép đo FRA cần thực hiện trên MBA hiện đã đƣợc qui định
theo tiêu chuẩn IEC60076-18.
1.3.3. Kết luận
Phân tích đáp ứng tần số quét (FRA) qua thực tiễn áp dụng đã tự nó chứng tỏ
là một công cụ chẩn đoán có đáng giá đối với việc phát hiện sự dịch chuyển của
cuộn dây và các hƣ hỏng khác vốn ảnh hƣởng đến tổng trở của các MBA. Ƣu điểm
của phƣơng pháp này là ở chỗ không đòi hỏi phải có các đáp ứng chuẩn để ra một
quyết định chính xác vì chúng ta có thể sử dụng một cách thành công một sự so
sánh đối với đáp ứng ở pha khác của cùng MBA và một sự so sánh với đáp ứng của
MBA cùng loại để chẩn đoán sự nguyên vẹn về cơ của MBA.
1.4. Kết luận chung
Ngoài các phƣơng pháp truyền thống ra thì 3 phƣơng pháp DGA, PD, FRA
nói trên đang là các phƣơng pháp hiệu quả nhất để giám sát tình trạng của máy biến
áp.
Hiện nay với tốc độ phát triển của khoa học kỹ thuật, rất nhiều phƣơng pháp
để giám sát tình trạng hoạt động của MBA. Trong đó có phƣơng pháp giám sát độ
rung của máy biến áp. Phƣơng pháp giám sát độ rung của máy biến áp cũng giống
nhƣ phƣơng pháp đo đáp ứng tần số quét là có thể xác định đƣợc tình trạng cơ khí
của MBA, nhƣng ƣu điểm của phƣơng pháp này là có thể giám sát on-line liên tục
đƣợc tình trạng cơ khí của MBA.
Bất kỳ một phƣơng pháp nào nói trên thì để có thể đánh giá tình trạng chính
xác của MBA thì đòi hỏi phải kết hợp nhiều phép đo thì mới có thể đƣa ra kết luận
cuối cùng. Phƣơng pháp Đo độ rung của MBA cũng vậy, để có thể đánh giá chính
xác tình trạng của MBA thì đòi hỏi phải kết hợp với phép đo khác.

- 12 -


Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘ RUNG VÀ ĐẶC TÍNH
RUNG CỦA MÁY BIẾN ÁP
2.1. Tổng quan về hiện tƣợng rung trong máy biến áp
Hiện tƣợng rung trong máy biến áp đƣợc sinh ra bởi các lực khác nhau xuất
hiện trong lõi thép và cuộn dây bên trong máy biến áp trong suốt quá trình vận
hành [4,5].

Hình 2.1: Mạch từ và cuộn dây máy biến áp
2.1.1 Rung động của cuộn dây
Sự rung động trong cuộn dây gây ra bởi lực điện động, khi có một sự tƣơng
tác giữa dòng điện chảy trong cuộn dây và từ thông dò sẽ làm cho cuộn dây bị rung.
Lực điện động này tỷ lệ với bình phƣơng của dòng điện và bao gồm 2 thành phần
dọc trục và xuyên tâm. Thành phần dọc trục có tác dụng nén theo chiều dọc cuộn
dây. Thành phần xuyên tâm có tác dụng nén nội tại cuộn dây và mở rộng ra bên
ngoài. Sự rung động của cuộn dây tỷ lệ với bình phƣơng dòng điện chạy trong nó,
do đó khi tần số dòng điện là 50Hz thì tần số rung động là 100Hz. Ngoài tần số
riêng, sự rung động của cuộn dây cũng có các hài mà tần số của chúng là các bội lẽ

- 13 -


Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

của tần số riêng nhƣ là hài bậc 3, hài bậc 5… Các tần số này xuất hiện bởi dòng
điện từ hóa và các thành phần sóng hài khác.
2.1.2. Rung động của lõi thép
Sự rung động của lõi thép là do một hiện tƣợng gọi là từ giảo, từ giảo là hiện
tƣợng khi các vật thể bằng kim loại trải qua một sự biến dạng về hình dạng của
mình khi đƣợc đặt vào trong một từ trƣờng. Bên trong máy biến áp, lõi thép vốn
đƣợc làm dƣới dạng các tấm đƣợc dát mỏng cũng chịu sự giãn nở và co ngót do

việc thay đổi từ thông. Sự giãn nở và co ngót này xảy ra hai lần trong một chu kỳ
xoay chiều.
Hình 2.2 thể hiện các đƣờng cong của hiện tƣợng từ trễ, cho thấy sự biến thiên
giữa chiều dài (tính theo%) và cảm ứng từ diễn ra trong chất sắt. Bỏ qua hiệu ứng
trễ, đƣờng cong biến thiên (đƣờng nét liền) có thể đƣợc thay thế bằng những đƣờng
cong lý tƣởng (đƣờng nét đứt). Có thể coi đƣờng cong lý tƣởng xấp xỉ là một hàm
hàm bậc hai thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa chiều dài và bình phƣơng của cảm
ứng từ. Mặt khác mối quan hệ giữa điện áp đặt và cảm ứng từ là U = 4.44fNBs, áp
công thức vào trong quan hệ của chiều dài và bình phƣơng cảm ứng từ. Kết quả là
các lực từ giảo là tỷ lệ thuận với điện áp bình phƣơng. Do vậy sự rung động do từ
giảo gây ra có tần số gấp đôi với tần số của điện áp đƣa vào. Vì vậy một nguồn điện
có tần số 50Hz sẽ gây ra tiếng ồn hoặc độ rung động có tần số riêng là 100Hz.
Ngoài tần số riêng, các rung động do từ giảo gây ra cũng có các hài mà tần số của
chúng là các bội lẽ của tần số riêng nhƣ là hài bậc 3, hài bậc 5. Các sóng hài bậc cao
này là do tính chất không tuyến tính của các hiện tƣợng từ giảo gây ra. Nếu lõi từ là
một khối sắt đồng nhất thì hiện tƣợng từ giảo sẽ chỉ gây rung động trong mặt phẳng
của lõi. Tuy nhiên trong thực tế, lõ từ bao gồm nhiều tấm các tấm từ tính đƣợc ghép
với nhau và đƣợc ép chặt bởi các gông từ. Trong những điều kiện nhƣ vậy, sự phân
bố mật độ từ thông không đều sẽ xuất hiện khe hở giữa các tấm từ tính, giữa bộ
phận của gông từ. Đây chính là nguyên nhân gây ra thành phần lực từ giảo vuông
góc với mặt phẳng của lõi từ. Hơn nữa, trong các tấm thép này có sự không đồng

- 14 -


Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

đều và sự ma sát giữa các tấm lõi sẽ kích thích các chế độ rung khác theo phƣơng
vuông góc với mặt phẳng. Chính vì vậy sẽ xuất hiện một loại lực có xu hƣớng giảm
thiểu khe hở không khí. Các lực này dao động với tần số 100Hz.

Hình 2.2: Đồ thị quan hệ giữa chiều dài và cảm ứng từ
2.2. Nhu cầu giám sát độ rung máy biến áp
Trong suốt quá trình vận hành của máy biến áp, các sốc cơ khí trongquá trình
vận chuyển, lắp đặt, sự già hóa cách điện, sự gia nhiệt trong quá trình mang tải, các
lực điện động do các dòng ngắn mạch gây. Đây là những nguyên nhân gây ra làm
giảm tuổi thọ của máy biến áp, đi kèm với nó là sự gia tăng của các rung động, tạo
ra các khe hở giữa các tấm thép từ tính, gông, sự không chắc chắn của các cơ cấu cơ
khí bên trong máy biến áp. Dần dần các khiếm khuyết cơ học nhƣ vậy sẽ làm ảnh
hƣơng đến cách điện bên trong máy biến áp nhƣ tạo ra các điểm phóng điện cục bộ
(PD), xuất hiện các bọt khí bên trong dầu cách điện.
Nhƣ vậy, rõ ràng là phát hiện sớm các khiếm khuyết cơ khí của máy biến áp
giúp chúng ta có thể kéo dài tuổi thọ của máy biến áp lên.

- 15 -


Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

Trong những năm gần đây có một số kỹ thuật nhƣ Phân tích đáp ứng tần số
quét FRA hoặc đo rò rỉ điện kháng LRM đƣợc phát triển rộng rãi để phát hiện
những thay đổi về mặt hình học, đặc biệt là sự biến dạng của cuộn dây bên trong
máy biến áp.
2.3. Xác định đặc tính rung động của máy biến áp
2.3.1. Sơ đồ thực nghiệm
Đề nghiên cứu về đặc tính rung động của máy biến áp, từ đó có các phƣơng
pháp nghiên cứu để hạn chế sự rung động của MBA cũng nhƣ các cơ sở khoa học
để xác định tình trạng của MBA thông qua sự rung động, một số nhà khoa học đã
tiến hành thực nghiệm đo độ rung của máy biến áp . Cấu hình hệ thống thử nghiệm
nhƣ sau:

Hình 2.3: Hệ thống thử nghiệm đo độ rung
Sử dụng các cảm biến gia tốc lắp đặt bên bên trong và bên ngoài để đo độ
rung của máy biến áp. Các cảm biến này có lớp cách điện và có lớp vỏ kim loại
đƣợc nối đất để loại trừ các ảnh hƣởng của nhiễu do điện trƣờng gây ra
Các cảm biến rung có thể đƣợc lắp đặt nhƣ trên hình 2.4; 2.5; 2.6; 2.7:

- 16 -


Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

Hình 2.4: Cảm biến lắp bên trong để đo độ rung của cuộn dây

Hình 2.5: Cảm biến lắp bên trong để đo độ rung của lõi thép

- 17 -


Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

Hình 2.6: Các cảm biến lắp đặt bên trong máy biến áp

Hình 2.7: Cảm biến rung lắp đặt bên ngoài vỏ máy biến áp
2.3.2. Kết quả thực nghiệm
Tất cả lực gây ra sự rung động đều đƣợc phát ra từ cuộn dây và lõi thép của
máy biến áp. Sự rung động của MBA là kết quả của sự xếp chồng của tất cả các
thành phần gây ra rung động và các thành phần lan truyền trong MBA.

- 18 -

Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

2.3.2.1. Đặc tính rung động trong lõi thép
Đối với MBA không tải, dòng điện chạy trong cuộn dây là dòng điện không
tải của MBA, do dòng điện này rất nhỏ nên lực điện động sinh ra bởi dòng điện
không tải cũng rất nhỏ. Sự rung động của MBA lúc này chủ yếu xuất phát từ lõi
thép và khi thay đổi điện áp thì ta có các phổ tần rung động khác nhau.

Hình 2.8: Rung động lõi thép theo hướng dọc trục tại trụ giữa gông từ

Hình 2.9: Rung động lõi thép theo hướng xuyên tâm tại trụ trái gông từ

- 19 -


Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

Có thể thấy rõ là hầu hết sự rung động đều xuất hiện ở các tần số là bội số của
tần số 100Hz, còn biên độ thì tăng theo giá trị điện áp.

Hình 2.10: Rung động lõi thép theo hướng xuyên tâm thẳng góc tại trụ trái của
gông từ
Tại trụ trái của gông từ theo hƣớng xuyên tâm thẳng góc, đo đƣợc tần số rung
động rất thấp và xuất hiện rung động có tần số 50Hz. Tần số 50Hz chính là do ảnh
hƣởng của nhiều điện từ trƣờng.
Kết quả trên chỉ cho ta thấy đƣợc tính chất của phổ tần số xuất phát từ lõi thép
của MBA. Nếu xuất hiện các phổ tần số cao hơn thì chỉ có thể là do khiếm khuyết
của các lá thép và vật liệu sắt từ.

Đặc tính rung động truyền từ lõi đến cuộn dây
Đây là sự rung động của cuộn dây đƣợc gây ra bởi rung động của lõ thép. Phổ
tần số đo tại cuộn dây pha giữa theo hƣớng dọc trục cho ta kết quả nhƣ hình 2.11.

- 20 -


Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

Hình 2.11: Rung động cuộn dây tại pha giữa theo hướng dọc trục
Ta thấy sự quan hệ rõ ràng về biên độ và tần số theo điện áp đặt. Tại tần số
700Hz, biên độ rung động quan hệ theo bình phƣơng điện áp. Tại tần số 100Hz biên
độ rung động hầu nhƣ không thay đổi theo điện áp đặt vào.
Đo rung động theo hƣớng xuyên tâm thẳng góc với lõi thép, ta có phổ tần nhƣ
hình 2.12.

Hình 2.12: Rung của mặt trước cuộn dây theo hướng xuyên tâm thẳng góc với lõi
thép

- 21 -


Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

Phổ tần này có hình dạng tƣơng tự nhƣ với phổ tần của đo rung động lõi thép
theo hƣớng xuyên tâm trong lá thép (hình 2.10).
Đặc tính rung động truyền từ lõi thép đến vỏ máy
Đây là sự rung động của vỏ máy gây ra bởi rung động truyền đến từ lõi thép.
Hình 2.13 thể hiện phổ tần rung động đo tại mặt máy khi mà MBA vận hành ở chế
độ không tải. Phổ tần của rung động này có hình dạng tƣơng tự nhƣ với phổ tần của

rung động theo hƣớng dọc trục (hình 2.8). Cả hai phổ tần đều có tần số chính là
700Hz và biên độ tỷ lệ với bình phƣơng của điện áp.

Hình 2.13: Kết quả đo rung động phía trên mặt máy
Hình 2.14 thể hiện phổ tần rung động đo tại mặt đáy của MBA. Có thể thấy
rằng tại tần số 100 và 500Hz biên độ rung động phụ thuộc rõ ràng vào điện áp đặt
so với các biên độ của các tần số khác. Tần số 500Hz cũng xuất hiện ở trong phổ
tần của rung động lõi théo théo hƣớng dọc trục và biên độ rung động cũng phụ
thuộc vào điện áp đặt.

- 22 -


Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

Hình 2.14: Kết quả đo rung động phía mặt đáy
2.3.2.2. Đặc tính rung động trong cuộn dây
Đo độ rung của cuộn dây bằng cách thực hiện đo tại các vị trí khác nhau khi
máy biến áp mang tải. Các điểm đo này tƣơng ứng với các điểm đo khi đo độ rung
của lõi thép.
Đặc tính rung động cuộn dây theo hướng dọc trục
Hình 2.15 thể hiện phổ tần rung động của cuộn dây theo hƣớng dọc trục tại
các tải khác nhau của máy biến áp (30 – 119%).

Hình 2.15: Rung động dọc trục của cuộn dây pha giữa khi máy biến áp mang tải

- 23 -


Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

Có thể thấy rõ các thành phần rung động có tần số cao hơn 100Hz trong phổ
tần của rung động cuộn dây theo hƣớng dọc trục khi máy biến áp làm việc không tải
cũng xuất hiện khi máy biến áp làm việc có tải. Tuy nhiên, biên độ của các thành
phần này rất nhỏ so với biên độ tại tần số 100Hz. Rung động của cuộn dây xuất hiện
chủ yếu ở tần số 100Hz, khi máy biến áp ở chế độ không tải thì phổ tần này cũng sẽ
không xuất hiện.
Đặc tính rung động cuộn dây theo hướng xuyên tâm
Hình 2.16 thể hiện phổ tần số của rung động cuộn dây theo hƣớng xuyên tâm
khi MBA mang tải. Biên độ của rung động cuộn dây với tần số 100Hz tăng khi tải
của MBA tăng lên và biên độ của rung động cuộn dây theo hƣớng xuyên tâm nhỏ
hơn so với theo hƣớng dọc trục. Ngoài thành phần rung động tần số 100Hz ra còn
có các tần số rung động khác truyền từ lõi thép ra cũng xuất hiện.

Hình 2.16: Rung động xuyên tâm của cuộn dây pha giữa khi máy biến áp mang tải
2.3.2.3. Đặc tính rung động của vỏ máy biến áp
Tiến hành đo các rung động của vỏ MBA tại các vị trí khác nhau khi MBA
mang tải. Hình 2.17 thể hiện phổ tần rung động khi đo ở mặt đáy của MBA, phổ tần
này có hình dạng tƣơng tự với phổ tần rung động theo hƣớng dọc trục (hình 2.15).

- 24 -


Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

Hình 2.17: Rung động của vỏ MBA khi đo phía mặt đáy
So sánh với phổ tần của rung động từ lõi thép truyền tới vỏ máy khi đo ở mặt
đáy của MBA lúc MBA làm việc không tải tại tần số 100Hz thì ta thấy hoàn toàn
giống hết nhau. Điều đó có nghĩa là rung động tại tần số 100Hz đo tại mặt đáy khi
MBA làm việc có tải ở một mức độ nào đó là đƣợc gây ra bởi lõi thép.

Hình 2.18 thể hiện phổ tần của rung động đo đƣợc ở trên mặt máy, sự tƣơng
quan giữa rung động này với rung động của cuộn dây theo hƣớng dọc trục là 0.711.
Biên độ của rung động này đặc biệt thấp hơn rung động của cuộn dây đo tại mặt đáy
của MBA.

Hinh 2.18: Rung động của vỏ MBA khi đo phía mặt trên

- 25 -