Phát hiện trực tuyến biến dạng trong cuộn dây máy biến áp lực sử dụng cảm biến sợi quang

PHÁT HIỆN TRỰC TUYẾN BIẾN DẠNG
TRONG CUỘN DÂY MÁY BIẾN ÁP LỰC
SỬ DỤNG CẢM BIẾN SỢI QUANG

Peter Kung, Robert Idsinga, Jian Bin Fu, H.-Chaska V.-Durand,
Chang Shui Yang QPS Photronics, Montreal, Canada. ()
PGS.TS. PHẠM ĐÌNH ANH KHƠI
Trường ĐH Bách Khoa – ĐH Quốc Gia TP. HCM

Lời tựa:

T

rong lần dự hội nghị quốc tế về kỹ thuật điện cao áp ở
Buenos Aires, Argentina năm 2017, tơi có nghe một bài báo
cáo về chủ đề sử dụng các cảm biến hiện đại để giám sát
trực tuyến tình trạng máy biến áp lực của ông Peter Kung,
giám đốc công ty QPS Photronics, Canada. Đây sẽ là một trong
những chủ đề thú vị trong tương lai cho các nhà sản xuất máy biến
áp lực (và máy phát), vì tình trạng các máy biến áp có tích hợp hệ
thống này sẽ được giám sát trực tuyến và chính xác, khơng cần các
phép thử nghiệm hiện trường vừa rất khó khăn để thực hiện, lại
vừa ảnh hưởng đến chế độ làm việc của thiết bị. Tôi xin giới thiệu
bài viết dưới đây, trích dịch từ các bài báo liên quan xuất bản trong
các năm gần đây của các tác giả thuộc cơng ty QPS Photronics.

Tóm tắt:
Biến dạng cơ khí cuộn dây trong máy biến áp lực có thể hình
thành trong quá trình vận chuyển, do quá trình co giãn dần của hệ
thống cơ khí trong q trình vận hành, hoặc do dịng điện lớn gây
bởi phóng điện sét hay sự cố ngắn mạch. Biến dạng cuộn dây làm

gia tăng lực điện từ trong vùng không gian giữa các cuộn dây và lõi
thép bên trong máy biến áp lực, làm các “tín hiệu” rung động trở
nên rõ nét hơn, do đó có thể ứng dụng để giám sát trực tuyến tình
trạng biến dạng cuộn dây.
Trong thực tế, nếu sử dụng các cảm biến điện gắn lên thành vỏ
máy biến áp, sẽ rất khó khăn để ghi nhận các tín hiệu rung động
phát sinh do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như vị trí gắn cảm biến,
tạp âm nhiễu từ tiếng ồn quạt làm mát, hệ thống bơm dầu… Để
khắc phục, một cảm biến sợi quang mảnh dày 2 mm, dài 50 mm,
rộng 20 mm đã được nghiên cứu bởi công ty QPS để chèn vào
khoảng cách giữa các cuộn dây bên trong máy biến áp lực nhằm
đo lường trực tiếp rung động cuộn dây trong vùng tần số từ 1 Hz
đến 2 kHz.
Bài báo cũng giới thiệu các kết quả mô phỏng số tương tác lực từ
và rung động bên trong một máy biến áp lực thực hiện bởi trường
đại học Tây Úc (Western Australia), và các nhận xét từ các thử
nghiệm hiện trường, thực hiện bởi QPS, trường đại học Manchester,
Vương quốc Anh, và công ty kỹ thuật tự động hóa Xian E-Sys,
Trung Quốc, để kết luận tính ứng dụng khả thi của cảm biến
trong việc phát hiện các kiểu biến dạng cuộn dây như cong oằn
(buckling), phình lồi (bulging), ngắn và hở mạch, chùng kết cấu
cơ khí, thiếu miếng chêm bên trong cuộn dây (inter-winding
seperation). Ngoài ra, cảm biến đặc biệt này cịn có thể đo nhiệt
14 

bản tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng 4 / 2018

độ điểm nóng cục bộ (hot spot).
Đây là giải pháp giám sát – chẩn
đốn chi phí hiệu quả để kéo

dài tuổi thọ máy biến áp lực.

I Giới thiệu
Gần đây, các nguồn năng
lượng tái tạo (gió, mặt trời) đã
được phát triển nhanh chóng
trên phạm vi tồn thế giới
nhằm giảm hiệu ứng nhà kính,
nhưng do tình trạng vận hành
khơng liên tục dẫn đến nhu cầu
cần phải phát triển nguồn điện
để có sự cân bằng trên lưới. Ở
Bắc Mỹ, khí đá phiến (shale gas)
rất dư thừa và rẻ, cho phép các
công ty phát điện chuyển sử
dụng nguồn năng lượng sơ cấp
từ than đá sang khí. Mặt khác,
một số cơng ty điện lực khác
sẵn sàng đầu tư nâng cao độ tin
cậy và hiệu năng của lưới điện,
thông qua việc xây dựng các lưới
điện truyền tải hiện đại. Tuy vậy,
đa số các chuyên gia đều thống
nhất, rằng điểm mấu chốt của
một lưới điện tin cậy và ổn định
phụ thuộc lớn vào các máy biến
áp lực tăng áp (step-up power
transformers). Hiện tại, đa số
các máy biến áp (MBA) này đều
có thời gian vận hành từ 30 đến

50 năm và tiệm cận đến mốc
“tuổi thọ vòng đời”; hiện tại đã
có nhiều vụ nổ MBA xảy ra hàng
tuần ở Mỹ. Cộng đồng nghiên
cứu trên thế giới đều đã thống
nhất, rằng giám sát phóng điện
cục bộ (PD – Partial Discharge)
là dấu hiệu tốt nhất để xác định
tuổi thọ còn lại của MBA.Tuy


nhiên, các cảm biến đo PD này
được chế tạo dựa trên nền cơng
nghệ áp điện (piezoelectric)
;chúng có chứa các phần dẫn
điện và khơng thể đưa vào bên
trong MBA nên vì vậy chỉ được
treo trên ngoài thành vỏ MBA.
Do chúng làm việc ở tình trạng
cộng hưởng, nên việc thu nhận
tín hiệu khơng được tốt, và khó
phán đốn chính xác về mức độ
già hóa cách điện trong MBA.
Vì vậy, việc dự đốn chính xác
tuổi thọ cịn lại của MBA dựa
trên giám sát PD thông qua các
cảm biến này sẽ không được
đảm bảo.

bằng phép so sánh các đáp ứng tần số, trước và sau khi nghi ngờ có

sự cố. Tuy nhiên, việc phân tích các kết quả đo rất khó khăn, do các
MBA khơng hồn tồn giống nhau và cách đánh giá hiện tại chưa
được tiêu chuẩn hóa, trong khi MBA cần phải được tháo ra khỏi
lưới điện để thực hiện phép đo, làm gián đoạn vận hành. Vì vậy,
hiện nay người ta đang quan tâm đến giải pháp giám sát các rung
động, đặc biệt thực hiện bên trong thùng dầu để có kết quả chính
xác nhất [4, 6-9].
Các nghiên cứu mơ phỏng tại trường đại học Tây Úc [4] phân
tích các mơ hình rung động (vibration model) và cộng hưởng cấu
trúc (structural resonance) trong MBA sử dụng phương pháp phần
tử hữu hạn; theo đó, ứng suất hệ thống cơ khí (clamping pressure)
và độ chặc (stiffness) có thể làm dịch chuyển các vị trí cộng hưởng
(resonance peaks), ví dụ như ở các chế độ (mode) với tần số 36.7,
48.3, 82.3 và 115.8 Hz theo minh họa ở hình 1.

II Giải quyết vấn đề
Mục tiêu nghiên cứu là nhằm
gia tăng thời gian vận hành của
máy biến áp lực và tránh các
phí tổn ngừng cung cấp điện
do các sự cố tiềm ẩn [1-3]. Một
báo cáo của CIGRE đã tổng hợp
có 41 % sự cố trong MBA liên
quan đến bộ điều áp dưới tải
và 19 % có liên quan đến các
cuộn dây. Do đó, giám sát rung
động trong MBA có thể là cơng
cụ thích hợp, vì các rung động
theo thời gian là hệ quả của sự
già hóa cách điện hay dấu hiệu

sự xuống cấp của hệ thống cơ
khí. Sự cố ngắn mạch do vậy
có thể xảy ra do các cuộn dây
bị chùng, làm tăng dần cường
độ rung động. Sự dịch chuyển
cuộn dây rất khó phát hiện,
bởi vì các cuộn dây được bọc
ẩn bên trong thùng dầu. Phép
thử nghiệm “Phân tích khí hịa
tan” (Dissolved Gas Analysis
– DGA) có thể đưa ra một kết
luận cụ thể, nhưng không đánh
giá được quy trình xuống cấp
của cuộn dây theo thời gian;
muốn vậy, cần đo lường trực
tiếp rung động để có thể phát
hiện biến dạng cuộn dây, gây ra
bởi quá trình vận chuyển MBA
đến cơng trường và/hay bởi các
xung dịng điện lớn do ngắn
mạch hay sét đánh [4]. Phép thử
nghiệm “Phân tích đáp ứng
tần số” (Frequency Response
Analysis – FRA) [5] cũng có
thể ứng dụng để khảo sát sự
chuyển dịch cấu trúc cuộn dây

Hình 1 – Các chế độ cộng hưởng khác nhau trong MBA.

Các tần số dao động tự nhiên này có xu hướng giảm khi ứng

suất hệ thống cơ khí giảm và các cuộn dây chùng dần, nhưng sự
chuyển dịch này rất nhỏ. Nếu cảm biến rung động có khả năng
thu thập được tín hiệu trong dãy tần số rộng và có độ phân giải
tần số tốt sẽ phát hiện sự thay đổi này. Bài báo giới thiệu công
nghệ của QPS sử dụng cảm biến rung động nhỏ nhất trên thế giới
“VibroFibre” để chèn vào khoảng hẹp giữa các cuộn dây bên trong
MBA (xem hình 2).

Hình 2 – Cảm biến rung động đặc biệt được thiết kế bên trong miếng chêm
giấy bìa cứng cách điện cuộn dây.
bản tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng 4 / 2018 

15


III. Công nghệ cảm biến đo “VibroFibre” dạng sợi dài
Cảm biến VibroFibre nguyên bản là một cảm biến dạng
khe (cavity sensor) chứa một bộ giao thoa kế kép (twin grating
interferometer) dựa trên cơng nghệ “fiber Bragg grating” (FBG), được
bố trí cách nhau một đoạn d từ 5 mm đến 20 mm, trên một sợi
quang đơn tia (single mode fiber), dùng để đo các tín hiệu rung động
từ cuộn dây trong các máy phát điện cơng suất lớn, xem hình 3.

Hình 5 giới thiệu cách đấu
nối cảm biến được thiết kế đặc
biệt này vào giữa miếng chêm
cách điện giữa các cuộn dây
trong một MBA 110 kV, vốn
được thiết kế tuân theo quy
chuẩn sản xuất trong khi có

thêm tác dụng bảo vệ cảm biến
khỏi các tác dụng cơ học. Việc
bố trí này khơng ảnh hưởng đến
dịng dầu làm mát tuần hồn
bên trong MBA.

Hình 3 – Cấu trúc cảm biến VibroFiber và minh họa các vân giao thoa đo được [10].

Nghiên cứu sau đó cho thấy, bằng cách nối đoạn sợi quang đơn
tia này với chiều dài xác định nào đó vào một khe cộng hưởng
quang (Fabry-Perot cavity) sẽ hình thành một bộ cảm biến rung
động mới. Điều này sẽ làm giảm kích thước của cảm biến VibroFibre
ban đầu (có sử dụng bộ “diving board” dày 8 mm) sang một cấu
trúc chỉ cần khe cộng hưởng quang mỏng hơn (dày 2 mm, xem
hình 4), rất thích hợp để bố trí vào bên trong các miếng chêm cách
điện (spacer) giữa các đĩa dây trong MBA. Cấu trúc này sẽ tạo ra
một bộ cảm biến rung động dạng phân bố (distributed vibration
sensor), chi tiết xem trong [10, 11].

Hình 4 – Các kích thước của bộ cảm biến rung động mới.

16 

bản tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng 4 / 2018

Hình 5 – Cách bố trí cảm biến bên
trong các miếng chêm cách điện
trong quá trình sản xuất MBA.

Nguyên lý làm việc cơ bản

của bộ cảm biến như sau: một
bộ nguồn phát ra tín hiệu
laser băng tần hẹp có tần số
trung tâm được điều hợp bước
sóng (wavelength matched)
với khe cộng hưởng, sinh ra
các thành phần vân giao thoa
(interference fringes). Các tác
nhân ảnh hưởng như rung động
và nhiệt độ sẽ làm dịch chuyển
các vân giao thoa và được ghi lại
dưới dạng tín hiệu điện áp (xem
hình 6a). Theo đó, các rung
động sẽ làm thay đổi (giá trị)
thành phần theo chu kỳ, trong
khi nhiệt độ sẽ gây chuyển dịch
hay trơi tồn bộ tín hiệu. Các tác
động này có thể được tách rời
sử dụng các kỹ thuật lọc điện và
sau đó được hiển thị tương ứng.
Trong quá trình làm việc, một
quy trình tự hiệu chuẩn (self
calibration routine) sẽ dị tìm lại
điểm làm việc (operating point),
qua đó gián tiếp xác định nhiệt
độ theo sự thay đổi này. Dạng
tín hiệu “rung động” tuần hoàn
sẽ được tự động tạo ra dựa trên
giá trị các cận, xác định tại điểm
làm việc (xem hình 6a và 6b).

ghép chồng xếp đồng tâm với lõi thép, phân cách bởi các
thanh gỗ và chêm cách điện. Số lượng các đĩa của cuộn
dây sơ và thứ cấp phụ thuộc vào quy cách thiết kế, và
chúng được ép chặt bằng các ốc bu-lơng (screws) nẹp hệ
thống cơ khí bằng gỗ (wooden clamping). Cuộn dây bên
trong thường là cuộn dây hạ áp trong khi cuộn bên ngồi
là cuộn cao áp. Trong hình này, các lực xuyên trục (radial
forces), và dọc trục (axial forces) do dịng sự cố tương tác
với từ thơng trong MBA cũng được biểu diễn, cùng với lực
cố định cơ khí (clamping forces) của kết cấu.

Hình 6 – Đo lường các đáp ứng của cảm biến:
chuyển sự dịch chuyển vân giao thoa sang
tín hiệu điện áp ngõ ra.

Hình 7 giới thiệu các kết quả đo thực
nghiệm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (signalto-noise ratio) của cảm biến trong vùng
tần số từ 1 Hz đến 2 kHz. Kết quả cho
thấy cảm biến làm việc tốt và ổn định
trong vùng tần số này.

Hình 8 – Cấu trúc cơ khí và các loại lực phân bố trong MBA.

V. Phương pháp đo rung động truyền thống
Các cảm biến rung động truyền thống thường có các
phần dẫn điện và được gắn bên ngoài thành vỏ MBA, như
minh họa ở hình 9. Do vậy, chúng thường bị tác động bởi
các nhiễu rung động từ các thiết bị ngoại vi gần đó như

bơm và quạt làm mát, và đặc biệt, vị trí cảm biến có ảnh
hưởng rất lớn đến chất lượng tín hiệu thu thập [2, 9]. Các
nghiên cứu trước đây cho thấy, tín hiệu rung động thu
được là khác nhau khi cảm biến gắn ở phần đỉnh và đáy
của thành vỏ MBA [8]. Khi đó, cần phải phân tích tăng
cường các tín hiệu thu thập trong miền thời gian, như
theo [7] để phân loại tình trạng MBA (mới, cũ). Hình 10
giới thiệu các kết quả đo rung động sử dụng các cảm biến
áp điện gắn ngoài thành vỏ MBA; theo đó, các tín hiệu ghi
nhận đối với các MBA cũ (hình 10b) bị méo dạng và có
nhiều nhiễu, so với các MBA mới (hình 10a).

Hình 7 – Đáp ứng tần số của cảm biến trong
vùng tần số từ 1 Hz đến 2 kHz.

IV. Kết cấu phần tích cực máy biến
áp lực và các loại lực cơ học
Hình 8 mơ tả kết cấu phần tích cực
(active part) của một MBA ba pha điển
hình: các cuộn dây bao gồm các trụ đĩa

Hình 9 – Bố trí các cảm biến áp điện ngoài thành vỏ MBA để đo rung động.
bản tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng 4 / 2018 

17


Hình 10 – Tín hiệu ghi nhận từ cảm biến thường chứa nhiễu và bị méo dạng:

a) Hình bên trái – cho MBA mới,

VI. Các thử nghiệm hiện trường
Các nghiên cứu liên quan trước đây cho thấy,
rằng các rung động bên trong một MBA cách điện
dầu có tần số trong vùng từ 20 Hz đến 1 kHz.
Để phát hiện tốt các rung động này, cảm biến đo
phải có băng tần gấp đôi, tức mở rộng đến 2 kHz.
Kết quả đo thực nghiệm ở hình 7 đã xác nhận
tầm đo của cảm biến VibroFibre là phù hợp. Các
kết quả đo trước đây phối hợp với trường đại học
Manchester, Vương quốc Anh, đã xác nhận cảm
biến VibroFibre có đặc tính ưu việt hơn so với
cảm biến áp điện truyền thống trong vùng tần
số thấp hơn 20 Hz; thậm chí chúng tơi đã thử
nghiệm xuống tần số giới hạn 1 Hz. Các thử
nghiệm hiện trường với công ty Xian E-Sys, Trung
Quốc, đã cho phép kết luận, cảm biến này có thể
được lắp đặt giữa các đĩa cuộn dây bên trong
MBA để đo rung động do các biến dạng dọc trục
sinh ra.

VII. Tóm tắt cơng nghệ
Cảm biến đo cần phải rất mảnh để có thể đưa
được vào giữa các cuộn dây bên trong vỏ thùng
MBA. Thêm vào đó, dây cáp nối (đến cảm biến)
khơng được chứa khơng khí, được thực hiện theo
quy trình sau: sợi quang (từ cảm biến) nằm trong
khe rãnh sẽ nối trực tiếp đến một cáp nối có
bọc bảo vệ (tight buffer patch cord). Cáp nối này
lại được bao phủ bởi một ống dạng lò xo PEEK

(Polyetheretherketone) để khi nhà sản xuất đưa
bộ “cuộn dây – cáp cảm biến” vào lò nhiệt đến
150 °C, khơng khí sẽ được loại ra. Quy trình trên
có thể điều chỉnh sử dụng epoxy hay các vật liệu
ghép khác để cố định sợi quang trong ống cáp,
được đúc trong PEEK để có thể chịu được nhiệt
độ lên đến 300 °C. Các kiểu ống cáp khác có
thể được thiết kế theo quy trình tương tự để đo
lường rung động hướng xuyên tâm qua trục cuộn
dây và dọc theo các lá của lõi thép. Thật vậy, các
cảm biến tương lai của chúng tôi, bao gồm các
biến đo nồng độ ẩm và PD vốn cần phải vận hành
18 

bản tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng 4 / 2018

và

b) Hình bên phải – cho MBA cũ.

bên trong MBA sẽ được điều chỉnh chế tạo theo
cách trên.
Các giải pháp tương tự có thể ứng dụng để
giám sát các MBA của lưới điện phân phối trên
không, thông qua các cảm biến rung động quấn
xung quanh thùng vỏ MBA. Các cảm biến sẽ
được kết nối tới một bộ thu thập dữ liệu treo
trụ, có các cổng truy xuất dữ liệu với chức năng
truy cập từ xa để truyền dữ liệu đo về trung tâm
qua hệ thống thu thập và điều khiển giám sát

(Supervisory Control And Data Acquisition –
SCADA). Chúng tôi đang phát triển công nghệ
cảm biến để đo thêm các thông số quan trọng
khác như nhiệt độ và độ ẩm (cho MBA) và rung
độ do phóng điện trong các máy phát làm mát
bằng khơng khí.

VIII. Kết luận và hướng phát triển
Ngồi ứng dụng giám sát rung động cho MBA
và máY phát điện, công nghệ cảm biến VibroFibre hướng đến nhiều đối tượng khác như đầu
sứ, máy cắt và bộ điều áp dưới tải. Các bộ cảm
biến được chế tạo từ thủy tinh và khơng bị tác
động bởi trường điện từ. Chúng có giá thành hiện
khơng cao và có thời gian vận hành lâu dài. Cảm
biến hiện tại có thể đo lường nhiệt độ tại các điểm
nóng cục bộ, ngồi chức năng đo rung động do sự
cố cơ học liên quan đến cuộn dây và hệ thống cơ
khí. Dựa vào thiết kế hiện tại, chúng tôi sẽ hướng
đến đến việc giám sát nồng độ ẩm trong dầu cách
điện và sự tuần hoàn của hơi ẩm chuyển dịch qua
lại giữa dầu, kết cấu khung gỗ và giấy cách điện,
vốn phụ thuộc vào nhiệt độ vận hành, nhiệt độ
môi trường xung quanh và chế độ tải. Cuối cùng,
chúng tôi muốn xây dựng một hệ thống giám
sát tích hợp tiên tiến có thể dự báo thời gian vận
hành còn lại của MBA: vượt quá giới hạn của các
phép thử nghiệm truyền thống (như phân tích
mẫu dầu) nhưng lại không cần thêm các kết quả
đo nhiệt độ vận hành và chế độ tải.