Nghiên cứu tính toán điện dung trong mô hình thông số phân bố MBA lực dạng hộp đen cho phân tích đáp ứng tần số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN LÊ QUỐC KHÁNH

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ĐIỆN DUNG TRONG MÔ
HÌNH THÔNG SỐ PHÂN BỐ MBA LỰC DẠNG HỘP
ĐEN CHO PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG TẦN SỐ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MẲ SỐ: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2016


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯÓNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Phạm Đình Anh Khôi............................

Cán bộ chấm nhận xét 1:..............................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 :.............................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
................. tháng .... năm ..............
Thành phần Hội đồng đảnh giả luận văn thạc sĩ gồm:
1 ........ ... ........... ...... .......... ......... . ..........
2 ..................
3.

4 ................................................................
5.
Xác nhận của Chủ tịch Hộỉ đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khỉ luận văn đã được sửa chữa (nếu cỏ).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Lê Quốc Khánh

.............................. MSHV: 7140974 ...........

Ngày, tháng, năm sinh: 02/09/1991 ........................................... Nơi sinh: Ninh Thuận....
Mã số: 60 52 02 02 ........

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu tính toán điện dung trong mô hình thông số phân bố MBA
lực dạng hộp đen cho phân tích đáp ứng tần số

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tính toán các thông số điện dung trong mô hình thông số
phân bố 01 MBA lực 6.5 MVA, 47/27.2 kv Yd5 dựa trên phân tích đáp ứng tần số

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) ......................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) .....................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS. Phạm Đình Anh Khôi

Tp. HCM, ngày.. .. tháng .... năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)

Ghtchú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang đầu tiên của tập thuyết minh LV


Lời cảm ơn
Lời đầu tiên tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Phạm Đình Anh Khôi, người đã chỉ
dẫn tận tình, nhiệt tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn
tốt nghiệp này.
Để có thể hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nỗ lực cố
gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên
ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn
tốt nghiệp. Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong Bộ môn
Hệ thống điện cũng như quý Thầy cô tại Trường Đại học Bách Khoa đã tận tình truyền đạt
những kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học
tập nghiên cứu tại trường.
Tôi xin được ghi nhận công sức và những đóng góp quý báu, nhiệt tình của các bạn Quân,
Toàn, Nguyên là những người trong nhóm cùng thực hiện những nghiên cứu liên quan đến

đề tài này. Tôi xin cảm ơn sự đóng góp ý kiến và giúp đỡ của các bạn.
Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bè bạn những người đã không
ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập,
nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 12 năm 2016
Học viên
Nguyễn Lê Quốc Khánh


Tóm tắt nội dung luận văn

V

Tóm tắt nội dung luận văn
Nghiên cứu tính toán điện dung trong mô hình thông số phân bố máy biến áp lực dạng hộp
đen cho phân tích đáp ứng tần số
TỪ KHÓA: Phân tích đáp ứng tần số, Mô hình phân bố, Điện dung, Máy biến áp lực dạng
hộp đen
Mô phỏng các đáp ứng tần số đo lường trên đầu cực cho máy biến áp lực (MBA) dựa trên
mô hình mạch tương đương thông số tập trung đã được thực hiện trong các công trình nghiên
cứu trước đây ở Việt Nam. Tuy nhiên, để có thể chẩn đoán các sự cố cơ cho cuộn dây MBA
(xô lệch ngang/dọc), nhất thiết phải dùng các mô hình thông số phân bố MBA vì các sự cố
cơ ảnh hưởng các đáp ứng tần số chủ yếu ở vùng tần số trung bình và cao (khoảng vài chục
kHz trở lên, tùy theo MBA).
Có hai cách tính toán các phần tử chính (điện cảm, điện dung) trong mô hình thông số phân
bố cho MBA: dựa trên các thông số hình học và đặc tính điện-từ MBA (tính toán giải tích)
và dựa trên phân tích các phép đo. 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. 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).
Phạm vi nghiên cứu của Luận văn chỉ áp dụng tính toán thông số điện dung trong mô hình
thông số phân bố của 1 MBA dạng hộp đen trong khi thông số điện cảm sẽ được giải quyết
trong một đề tài khác. Đóng góp của Luận văn là giúp việc phân tích đáp ứng tần số cho các
MBA đang vận hành trở nên khả thi.


Abstract

VI

Abstract
Research capacitance calculations in the distributed circuits model of black box type
transformers for frequency response analysis
Key words: black-box power transformers, frequency response analysis, capacitances,
physical distributed chcuits
Simualtion of frequency responses measured on power transformers' terminals based on
lumped parameter equivalent ciruits has been performed in previous researches in Vietnam.
However, to be able to diagnose mechanical failures of power transformer windings
(radial/axial deformation), it is necessary to exploit distributed parameter chcuits since
echanical failures influence frequency resposes mainly at medium frequencies an higher
(starting from tens of kHz, depending on tranformer types)
There are two procedures in determination of main electrical parameters, i.e., inductances
and capacitances, in the distributed parameter chcuits: geometrical parameters and electricalmagnetic properties based, and measurement based procedure. The former is only applicable
on some 'special' power transformers that have availabe geometrical structure and electricalmagnetic properties. The latter is recommended for in-service power transformers, since
they donot have the requhed data (black-box transformers).
This thesis focuses on calculation of capacitances in the distributed parameter chcuit of a
black-box power transformer whereas the inductances are determined in another thesis. The

contribution of this thesis is to support the analysis o frequency responses of in-service
power transformers become feasible.


Lời cam đoan

VII

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu tính toán điện dung trong mô hình
thông số phân bố mảy biến áp lực dạng hộp đen cho phân tích đáp ứng tần sổ” là công trình
nghiên cứu của chính bản thân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Đình Anh Khôi, các số
liệu và kết quả thực nghiêm hoàn toàn trung thực. Tôi cam đoan không sao chép bất kỳ công
trình khoa học nào của người khác, mọi sự tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng.
Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về công trình nghiên cứu của mình!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 12 năm 2016
Người cam đoan

Nguyễn Lê Quốc Khánh



Mục lục

IX

MỤC LỤC
Lời cảm ơn ........................................................................................................................... IV
Tóm tắt...................................................................................................................................V
Lời cam đoan ..................................................................................................................... VIII

Mục lục ................................................................................................................................ IX
Danh mục hình ................................................................................................................... XI
Danh mục bảng ................................................................................................................. XIII
Danh mục từ viết tắt ......................................................................................................... XIV
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ....................................................................................................1
1.1 Tổng quan ........ .. ......................................................................................................
1
1.2 Phương pháp chẩn đoán sự cố ..................................................................................2
1.3 Bố cục của luận văn ..................................................................................................3
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT PHÂN TÍCH ĐÁP ÚNG TẦN SỐ VÀ ỨNG DỤNG ............. 4
2.1 Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số (FRA) .................................................................4
2.1.1 Các loại sự cố áp dụng FRA ..........................................................................4
2.1.2 Các phép đo đáp ứng tần số......................................................................... 4
2.1.3 Nguyên lý phân tích đáp ứng tần số của MBA .............................................7
2.2 Khả năng chẩn đoán sự cố của FRA cho MBA ........................................................9
2.3 Phạm vi áp dụng .................................................................................................. 10
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THÔNG SỐ ĐIỆN CỦA MBA ĐỂ PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG
TẦN SỐ ............................................................................................................................... 11
3.1 ....................................................................................................................
Mô hình thông số tập trung (MHTT) .................................................................................. 11
3.2 Mô hình thông số phân bố (MHPB) ...................................................................... 12
3.2.1 Các kiểu quấn dây trong MBA ................................................................... 13
3.2.2...........................................................................................................
Xác định MHPB cho các kiểu quấn dây tiêu biểu ............................................................... 15
3.2.2.1 Cuộn dây kiểu đĩa (disc) ...............................................................15
3.2.2.2 Cuộn dây kiểu lớp (layer) .............................................................17
CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐIẸN DUNG CHO MHPB ..................................19
4.1 Tổng quan ...............................................................................................................19
4.2 Xác định điện dung dựa vào thông số hình học và điện môi trong MBA ............. 20
4.2.1 Điện dung mắc vòng giữa cuộn HV và LV .................................................20

4.2.2 Điện dung nối đất giữa cuộn HV với vỏ (Cgfi) và LV với lõi (CgI)........... 21
4.2.3 Điện dung nối tiếp .......................................................................................21
4.2.3.1 Cuộn dây kiểu đĩa thường (ordinary disc) ....................................21
4.2.3.2 ..............................................................................................
Cuộn dây kiểu xoắn ốc (helical) ................................................................. 22
4.2.3.3 ..............................................................................................
Cuộn dây kiểu đĩa xen kẽ (interleaved disc) .............................................. 22
4.2.3.4 Cuộn dây kiểu lớp (layer) .............................................................23
4.3 Xác định giá trị điện dung qua các phép đo ...........................................................23
CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH THÔNG SỐ ĐIỆN CỦA MBA ĐÊ PHẦN TÍCH ĐÁP ÚNG
TẦN SỐ .............................................................................................................................. 26
5.1 Nguyên lý phân tích và đối tượng nghiên cứu ........................................................26
5.2 Mô hình mạch mô phỏng và xác định các giá trị điện dung ...................................26


Mục lục

X

5.2.1...........................................................................................................
Mô hình mạch mô phỏng và phần mềm mô phỏng ............................................................. 26
5.2.2 Giá trị điện dung ......................................................................................... 28
5.2.2.1 Điện dung với đất tổng và điện dung liên cuộn dây tổng ............ 29
5.2.2.2 Điện dung nối tiếp tổng ................................................................29
5.3 Thực hiện mô phỏng cho các trường hợp................................................................. 31
5.3.1 Mô phỏng với số phân đoạn là n = 8 và n = 16 ...........................................32
5.3.2 Mô phỏng xem xét ảnh hưởng của Cs ....................................................... 36
5.3.3 Nhậnxét7 ............................. .7. ......... 7 ........................................................38
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .......................................39
6.1 Kết luận .......... ... .................................................................................................. 39

6.2 Hướng phát triển đề tài ...........................................................................................39
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................40
PHỤ LỤC .............................................................................................................................42


Danh mục hình

XI

Danh mục
hình
•
Hình 1.1: Sơ đồ khối một hệ thống điện cơ bản .................................................................... 1
Hình 1.2: Máy biến áp 1 pha và 3 pha ................................................................................... 2
Hình 2.1: Minh họa nguyên lý của FRA ............................................................................... 5
Hình 2.2: Sơ đồ minh họa mạch đo đáp ứng tần số ............................................................... 6
Hình 2.3: cấu hình đo đáp ứng tần số .................................................................................... 7
Hình 2.4: Kết quả đáp ứng tần số ở các dải tần số khác nhau ............................................... 8
Hình 2.5: Một số ví dụ về sự cố trong MBA ....................................................................... 10
Hình 3.1: Mô hình thông số tập trung của một MBA 2 cuộn dây đấu Ynd5 [5] ................. 12
Hình 3.2: Minh họa các phần tử trong mô hình MBA ........................................................ 13
Hình 3.3: Kiểu lớp (trái) và kiểu xoắn ốc (phải) ................................................................. 14
Hình 3.4: Kiểu đĩa thường (trái) và kiểu đĩa xen kẽ (phải) ................................................. 14
Hình 3.5: cấu hình mạch cuộn dây kiểu đĩa thường ............................................................ 15
Hình 3.6: cấu hình mạch cuộn dây kiểu đĩa xen kẽ ............................................................. 15
Hình 3.7: Mô hình thông số phân bố trên 1 pha với n phân đoạn của 1 MBA 2 cuộn dây 16
Hình 3.8: cấu hình mạch kiểu lớp ........................................................................................ 17
Hình 3.9: Mô hình MBA kiểu lớp ....................................................................................... 17
Hình 3.10: Thực hiện đơn giản hóa mạch ........................................................................... 18
Hình 3.11: Mô hình MBA sau khi sắp xếp lại ..................................................................... 18

Hình 4.1: Các thành phần điện dung tồn tại trong MBA ..................................................... 19
Hình 4.2: a) Hệ thống cách điện HV và LV; b) Mô hình hệ thống cách điện đơn giản ....20
Hình 4.3: Mạch tương đương điện dung 3 pha cho MBA 2 cuộn dây ................................ 24
Hình 5.1: Mô hình thông số phân bố trên 1 pha với n phân đoạn của 1 MBA 2 cuộn dây27
Hình 5.2: Mô hình mặt cắt ngang các phần tử pha A .......................................................... 28
Hình 5.3: Kết quả phép đo và mô phỏng đáp ứng tần số của oc DPI giữa A-N cuộn HV
dùng mô hình phân bố ......................................................................................................... 30
Hình 5.4: Kết quả phép đo và mô phỏng đáp ứng tần số của oc DPI giữa a-c cuộn LV dùng
mô hình phân bố .................................................................................................................. 30
Hình 5.5: Kết quả phép đo và mô phỏng đáp ứng tần số của oc DPI giữa A-N cuộn HV
dùng mô hình phân bố (có Cs)............................................................................................. 31
Hình 5.6: Kết quả phép đo và mô phỏng đáp ứng tần số của oc DPI giữa a-c cuộn LV dùng
mô hình phân bố (có Cs)...................................................................................................... 31
Hình 5.7: Kết quả phép đo và mô phỏng đáp ứng tần số của oc DPI giữa A-N cuộn HV
dùng mô hình phân bố (CsH = 1.812 nF)............................................................................ 34
Hình 5.8: Kết quả phép đo và mô phỏng đáp ứng tần số của oc DPI giữa A-N cuộn HV dùng


Danh mục hình

XII

mô hình phân bố (CsL = 2.016 nF) ......................................................................................34
Hình 5.9: Kết quả phép đo và mô phỏng đáp ứng tần số của oc DPI giữa A-N cuộn HV dùng
mô hình phân bố (CsH = 0.906 nF và CsL = 1.008 nF) ......................................................34
Hình 5.10: Kết quả phép đo và mô phỏng đáp ứng tần số của oc DPI giữa A-N cuộn
HV dùng mô hình phân bố (CsH = 1.812 nF) ......................................................................35
Hình 5.11: Kết quả phép đo và mô phỏng đáp ứng tần số của oc DPI giữa A-N cuộn
HV dùng mô hình phân bố (CsL = 2.016 nF) ......................................................................35
Hình 5.12: Kết quả phép đo và mô phỏng đáp ứng tần số của oc DPI giữa A-N cuộn

HV dùng mô hình phân bố (CsH = 0.906 nF và CsL = 1.008 nF) ......................................35
Hình 5.13: Kết quả phép đo và mô phỏng đáp ứng tần số của oc DPI giữa A-N cuộn
HV dùng mô hình phân bố (CsH = 1.812 nF) ......................................................................36
Hình 5.14: Kết quả phép đo và mô phỏng đáp ứng tần số của oc DPI giữa A-N cuộn
HV dùng mô hình phân bố (CsL = 2.016 nF) ......................................................................36
Hình 5.15: Kết quả phép đo và mô phỏng đáp ứng tần số của oc DPI giữa A-N cuộn
HV dùng mô hình phân bố (CsH = 0.906 nF và CsL = 1.008 nF) ......................................36


Danh mục bảng

XIII

Danh mục bảng
Bảng 4.1: cấu hình đo ........................................................................................................ 25
Bảng 5.1: Giá trị điện dung đất và liên cuộn dây .............................................................. 29
Bảng 5.2: Thông số các giá trị với n=8 ............................................................................. 32
Bảng 5.3: Thông số các giá trị với n=16 ........................................................................... 33


Danh mục từ viết tắt và ký hiệu

XIV

Danh mục từ viết tắt và ký hiệu
Các từ viết tắt
FRA
HV
LV
LF

MF
MBA
SFRA
EEOC
EESC

Frequency Response Analysis (Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số)
High voltage winding (Cuộn dây cao áp máy biến áp)
Low voltage winding (Cuộn dây hạ áp máy biến áp)
Low frequency (T-in si> thằp)
Medium frequency (Tần số trung bình)
Máy biến áp lực
Sweep frequency response analysis
End-to-end open cữcuit
End-to-end short-cữcuit

CAP
IND
MHTT
MHPB
EMF

Capacitive inter-winding
Inductive inter-winding
Mô hình thông số tập trung
Mô hình thông số phân bố
Sức điện động cảm ứng

VNA
oc DPI

Vector-network analyzer
Open-cữcuit driving-point impendances

Các ký hiệu
Vr vm
YNd5 c
cg CgH
CgL C,

CSH
CSL
ciw Zj
Zy L3 z4

RH
RL Li

reference voltage (điện áp chuẩn) measured voltage (điện áp đo) Cuộn HV đ'Lu
sao - cuộn LV đâu tam giác Điện dung
Điện dung với đất
Điện dung giữa cuộn HV với đất 1 pha
Điện dung giữa cuộn LV với đất 1 pha
Điện dung nữi tiẽp của cuộn dây
Điện dung ni*i tiẽp của cuộn HV 1 pha
Điện dung nối tiếp của cuộn LV 1 pha
Điện dung giữa cuộn dây HV và LV 1 pha Trở kháng phi tuyến của trụ lõi
Trở kháng phi tuyến của gông lõi
Điện cảm rò tương đương ở cao áp
Điện cảm hở mạch thứ tự không

Điện trở của cuộn dây cao áp
Điện trở của cuộn dây hạ áp
Điện cảm của phần tử thứ i


Danh mục từ viết tắt và ký hiệu

Lj
Mij
n
h
Eo
Ri
Ro
£
ẹff
m
£
Rave
N
Cdd
ctt
Cu
Ekíĩ d
CHG
CLG
CHL

A,B, c
a, b, c

Điện cảm của phần tử thứ j
Hỗ cảm giữa phần từ i và j
Số lượng phân đoạn (segment) trên 1 pha của MHPB
Chiẻu cao cuộn dây
Độ điện thẩm chân không
Bán kính trong cuộn dây
Bán kính ngoài cuộn dây
Độ điện thẩm tương đương
sí> lượng mạch từ
Độ điện thẩm điện môi cách điện
Bán kính trung bình
Bề dày cách điện giữa 2 turns liền kề
Số lượng tum trên 1 disc
Điện dung giữa disc - disc
Điện dung giữa turn - turn
Điện dung giữa layer - layer
Khoảng cách giữa 2 disc
Điện dung giữa cuộn HV với đất 3 pha
Điện dung giữa cuộn LV với đÈ-t 3 pha
Điện dung giữa cuộn HV và LV 3 pha
Từng pha của cuộn dây cao áp
Từng pha của cuộn dây hạ áp

15



Chương 1: Giới thiệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
Chương này giới thiệu các khái niệm tổng quan hệ thống điện, các thành phần cơ bản và các
vấn đề liên quan đến việc nghiên cứu. Chương này cũng giới thiệu sơ lược về bố cục của
luận văn.
1.1 Tổng quan
Một hệ thống điện cơ bản bao gồm ba phần chính hợp thành đó là phụ tải, lưới điện và nguồn
điện. Sơ đồ hình 1.1 trình bày về một hệ thống điện cơ bản.

Dixriburtimi

—L CcttiiHircrs

Oìâ

(ttep-ưp)

Power transformer
(etcjMlown)

Diỉtn button
tra rib funner
(step-dowrj

Hình 1.1: Sơ đồ khối một hệ thống điện cơ bản
Hệ thống điện gồm nguồn điện, lưới điện truyền tải, phân phối và phụ tải, vì vậy sẽ có rất
nhiều cấp điện áp trong một hệ thống điện. Lưới điện truyền tải dùng để liên kết những vùng
có các cấp điện áp khác nhau, có nhiệm vụ chính là truyền tải công suất từ nguồn đến phụ
tải điện, để giảm tổn thất công suất khi truyền tải cần tăng giá trị điện áp (U), hoặc cung cấp
công suất cho phụ tải từ các trạm nguồn điện áp cao cần phải giảm điện áp (U). Mà việc liên
kết các phần có các cấp điện áp khác nhau là rất cần thiết để tạo thành một hệ thống điện lớn.

Vì vậy, máy biến áp lực được dùng ở bất cứ nơi nào cần sự biến đổi về điện áp.
Máy biến áp lực (MBA) là một phần tử rất quan trọng trong hệ thống điện, đóng vai trò giúp
truyền tải công suất giữa các cấp điện áp trong hệ thống điện, và làm cầu nối giữa các cấp
điện áp khác nhau qua đó tạo nên mạng lưới hệ thống điện lớn. về mặt tài chính, MBA là
một trong các phần tử có giá thành mắc nhất trong hệ thống điện. Hình
2.1 minh họa máy biến áp lực 1 pha và 3 pha.


Chương 1: Giới thiệu

2

Hình 1.2: Minh hoạ máy biến áp lục 1 pha và 3 pha

Thông thường thì tuổi thọ của MBA cố thể dài từ 20 đến 35 năm. Nếu được vận hành trong
điều kiện ồn định và được bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên thì tuổi thọ có thề kéo dài trên
50 năm. Tuy nhiên, với những trường hợp MBA không được bảo trì, bảo dưỡng thường
xuyên và đúng chu kỳ thì những MBA có tuồi thọ trên 15 năm sẽ cỏ nguy cơ gặp sự cố cao
hơn khỉ vận hành do sự già hóa của lõi thép và cảc hiện tượng thường gặp khi vận hành trước
đó. Nếu MBA vận hành ở trạng thái không bình thường kéo dài thi tuổi thọ của MBA sẽ
giảm và độ ổn định, tin cậy cung cấp điện của MBA cho hệ thống sẽ bị ảnh hưởng nghiêm
trọng, gây ảnh hưởng đến việc cung cấp và vận hành ổn định hệ thống điên. Vì vậy, chẩn
đoán sự cố trong máy biến áp đang là một hướng đề tài đang được quan tâm hiện nay dù đổi
với những quốc gia khác việc này không còn xa lạ, nhưng với Việt Nam thì đây là một khái
niệm cũng khá mới.
Phương pháp chẩn đoán sự cố

1.2

Cách thức chẩn đoán sự cố trong máy biến áp lực rất là đa dạng và cố nhiều phương pháp

khác nhau dựa trên các tính chất của sự cố như: sự cố về nhiệt, sự cố về điện, sự cố về cơ...[l,
2].
Do sụ đa dạng về sự cổ hư hỏng trong máy biến áp nêu trên nên các phương pháp chẩn đoán
sự cố trong MBA cũng được phát triển khá nhiều, ví dụ như:
• Phương pháp đo điện trở cuộn dây
• Phương pháp thử nghiệm cao áp xoay chiều tần sổ công nghiệp
• Kỹ thuật phân tích hòa tan khí trong dầu (DGA)
• Phương pháp đo phóng điện cục bộ
• Phương phảp phân tích đáp ứng tần số (FRA)


Chương 17: Giới thiệu

Hầu hết các phương pháp chẩn đoán sự cố nói chung cho MBA dựa trên phép đo thông số
điện một chiều (như đo điện trở cách điện và điện trở cuộn dây...) và xoay chiều tần số công
nghiệp (điện cảm rò, tổng trở ngắn mạch, điện dung,...) hay phân tích đặc tính lý, hóa học
của cách điện trong MBA (áp suất dầu, khí hòa tan trong dầu, nồng độ nước, đặc tính cách
điện rắn,...) tỏ ra hiệu quả; tuy nhiên đối với các loại sự cố điện và đặc biệt là cơ trong cuộn
dây MBA (sự cố vặn xoắn hay dịch chuyển cuộn dây do ngắn mạch hay dòng lớn, sự cố
trong bộ phân áp, sự cố sau khi vận chuyển từ nhà sản xuất đến công trình), các phương pháp
trước đây không hiệu quả. Trong khi đó, FRA là công cụ thể hiện được sự ưu điểm trong
việc phân tích các sự cố điện và cơ trong cuộn dây MBA.
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 [2].
1.3 Bố cục của luận văn
Cấu trúc của luận văn được trình bày như sau:
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 ttong 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.
Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số (FRA)

2.1

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 PC57.149/D9.1
[3],
2.1.1

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 PC57.149/D9.1 [4] bổ sung thêm rằng FRA có thể ứng dụng để phát hiện
các sự cố gây ra thay đổi cấu trúc hình học bên trong MBA, như sự cố dòng lớn (ngắn mạch)
trong cuộn dây MBA sinh ra lực điện từ (tỷ lệ với bình phương dòng điện) làm biến dạng
cuộn dây MBA (dọc hay ngang trục). 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.
2.1.2

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 nghiêm 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. Hình
2.1 minh họa nguyên lý của FRA.


Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng

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):

reference lead

c response lead
D eanti LMinectlon

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.

6


Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng

a) EEOC

c) CAP

7

b) EESC

d) IND

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 lón, dạng và gốc 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 tỏng thề MBA) đều có ảnh hưởng đến dạng đáp ứng tần số ở
những vùng tần số nhất đỉnh trong khỉ các sơ đồ đo khác chỉ cố ảnh hưởng rõ rệt của tùng
thông số riêng biệt.
2.1.3

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 khỉ phân tích cố 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 ờ hình 2.4.
Ở dải tần số thấp, thông thường thành phần điện dung của MBA cỏ thề được xem là không
đáng kể và đáp ứng là thuần cảm (từ 10 Hz đến 2 kHz ở hình 2.4). Ở các tần số này điện cảm
của mạch từ chiếm ưu thế: tong trở lõi sat (core impendance), điện cảm rò (leakage
inductance). Có một sự sai lệch đảng 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 đỉ của từ thông cố từ trở bằng nhau và pha ngoài cố hai đường đi của từ thông
cố từ trở khác nhau. Kết quả là các pha ngoài cố hai điểm cộng hưởng so với pha giữa vốn
chỉ cố một điểm cộng hưởng. Điều này cũng giải thích về sự khác biệt về biên độ (dB) lúc
khởi đầu (xem hình 2.4). Ở dải tần số cao hơn (từ 2 kHz trở đỉ) đáp ứng trông phức tạp vì cỏ
rất nhiều đỉểm cộng hường. Ỏ dải tần số này đỉện


Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng

dung của cuộn dây chiếm ưu thế do tần số (f) tăng làm cho cảm kháng (XL = 2ĩrfL) tăng và
dung kháng (Xc = l/(2ạfC)) 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.

Hình 2.4: 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 tưomg tác giữa các cuộn dây: giữa tần
số từ 2 đến 20 kHz, đáp ứng bị ảnh hưởng bởi sự tưomg 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 hom và
phần lớn giá trị điện dung tăng lên do tần số (í) tăng làm cho cảm kháng (XL = 27ĩfL)
tăng và dung kháng (Xc = ỉỉ(27ĩfC)) dẫn đến ảnh hưởng đến dòng điện phân bố trong
1

Đáp ứng tàn 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, kiêu dây quấn.


Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng

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. Như vậy, ĐƯTS của cùng một cuộn dây ở các
thời điểm khác nhau (nếu có) hoặc của hai MBA giống nhau hoặc của hai cuộn dây pha
(ngoài cùng) sẽ được so sánh với nhau nhằm phát hiện ra loại và mức độ sự cố theo hai cách
sau:
• So sánh định tính: Cách so sánh này do chuyên gia thực hiện nên phụ thuộc nhiều vào
kinh nghiệm chuyên gia; tuy nhiên, mức độ chẩn đoán thành công tức đưa ra kết luận
sau cùng: a) loại sự cố gì và mức độ thế nào? b) liệu MBA có nên cho vận hành tiếp
(trong thời gian bao lâu) hay phải sửa chữa liền, thì không đon giản do có quá nhiều
thông số ảnh hưởng trực tiếp đến dạng và độ lớn của ĐƯTS như MBA (loại, công suất),
cuộn dây (cấu tạo, số lượng), phép đo (sơ đồ, cách thức, đầu cực các cuộn dây để
hở/ngắn mạch hay tiếp địa)...
• So sánh định lượng: Tiêu chuẩn DL/T-911 2005 [4] của Trung Quốc là tiêu chuẩn quốc
gia duy nhất đề cập đến cách so sánh định lượng hai ĐƯTS bằng cách tính hệ số tương

quan của hai ‘tín hiệu’ ĐƯTS trong 3 vùng tần số: thấp (từ 1 kHz đến 100 kHz), trung
bình(100 kHz đến 600 kHz) và cao (600 kHz đến 1 MHz). Tuy dựa vào khảo sát hàng
trăm MBA có sự cố cơ (thay đổi cấu trúc hình học bên trong), tiêu chuẩn này vẫn chưa
được áp dụng rộng rãi mà chỉ để dùng tham khảo vì có quá nhiều thông số ảnh hưởng
đến ĐƯTS như đã đề cập ở trên.
2.2

Khả năng chẩn đoán sự cố của FRA cho MBA

FRA là công cụ mạnh để phát hiện được những vấn đề trục trặc 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 máy ở mức tải lớn nhất mà
không gây tác hại đến độ tin cậy. Những tình trạng bất thường bên trong MBA có thể phát
hiện bằng việc sử dụng FRA:
• Sự biến dạng và dịch chuyển của cuộn dây
• Ngắn mạch và hở mạch các vòng dây
• Vận hành hành quá tải trong thời gian dài, gây hư hỏng cuộn dây
• Hư hỏng việc nối đất của lõi thép
• Việc xê dịch lõi thép....