Xây dựng giải pháp chẩn đoán sự cố trong máy biến áp 3 pha sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu thông minh

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG
NGHIỆP 

XÂY DỰNG GIẢI PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TRONG MÁY
BIẾN ÁP 3 PHA SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN
HIỆU THƠNG MINH
Chun ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, năm 2021


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: bản luận án “Xây dựng giải pháp chẩn đoán sự cố trong
máy biến áp 3 pha sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu thơng minh” là cơng
trình nghiên cứu của riêng tơi được hồn thành dưới sự chỉ bảo tận tình của tập thể
thầy giáo hướng dẫn khoa học. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực,
một phần được cơng bố trên các tạp chí khoa học chun ngành với sự đồng ý của
các đồng tác giả, phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.

Thái Nguyên, ngày ..... tháng ..... năm 2021
Nghiên cứu sinh

Đào Duy Yên

iii

LỜI CẢM ƠN
Trong q trình làm luận án, tơi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các thầy
giáo, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn đến PGS.TSKH. Trần Hồi Linh, PGS.TS. Trần Xuân
Minh và Hội đồng Khoa học Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp ĐH Thái Nguyên
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên và các đồng nghiệp ở Viện nghiên cứu phát
triển công nghệ cao về kĩ thuật cơng nghiệp Nhà trường và gia đình đã có những ý
kiến đóng góp q báu và tạo các điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình hồn
thành luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp ĐH Thái Ngun, phịng Đào tạo (Bộ phận sau đại học) Nhà trường đã tạo nhiều
điều kiện tốt nhất về mọi mặt để tơi hồn thành luận án này.

Tác giả luận án

Đào Duy Yên


iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................................................. ii
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................................................. xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT............................................................................................. xii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU...................................................................................................... xiii

MỞ ĐẦU.................................................................................................................................................. 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.............................................................................................. 1
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU....................................................................................................... 1
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................................................. 2
4. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU.................................................................................................... 2
5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU........................................................................................................... 2
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI................................................ 3
7. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN..................................................................... 3
8. BỐ CỤC LUẬN ÁN....................................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ
TRONG MÁY BIẾN ÁP................................................................................................................... 5
1.1. Ý NGHĨA CỦA BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MÁY BIẾN ÁP...................5
1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MBA.......................................... 6
1.2.1. Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước............................................................................ 6
1.2.2. Các cơng trình nghiên cứu trong nước........................................................................... 13
1.2.3. Những tồn tại của các phương pháp chẩn đoán sự cố trong và ngoài nước. . .14
1.2.4. Đề xuất của luận án............................................................................................................... 14
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1....................................................................................................... 15
CHƯƠNG 2:......................................................................................................................................... 16
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC ĐỀ XUẤT CỦA LUẬN ÁN.................................................. 16
2.1. HIỆN TƯỢNG RUNG TRONG MÁY BIẾN ÁP......................................................... 16
2.1.1. Rung động của cuộn dây..................................................................................................... 16
2.1.2. Rung động của lõi thép........................................................................................................ 17
2.2. NHU CẦU GIÁM SÁT ĐỘ RUNG MÁY BIẾN ÁP.................................................. 18
2.3. PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG THEO MIỀN TẦN SỐ................................................. 19
2.3.1. Cơ sở của việc đáp ứng tần số........................................................................................... 19
2.3.2. Phạm vi áp dụng của phương pháp................................................................................. 20


v

2.3.3. Nhận xét phương pháp phân tích rung động theo miền tần số.............................. 21
2.4. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN........................................................................ 21
2.4.1. Giới thiệu chung phương pháp phần tử hữu hạn........................................................ 21
2.4.2. Sơ đồ tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn................................................ 24
2.4.3. Hệ phương trình Maxwell tổng quát cho trường điện từ........................................ 25
2.4.4. Mối liên hệ giữa mật độ dịng điện và phương trình từ thế vectơ A...................28
2.5. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG PHẦN MỀM
ANSYS MAXWELL ĐỂ XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN MBA.................................. 30
2.5.1. Phương trình trường điện từ............................................................................................... 30
2.5.2. Hệ phương trình cơ học....................................................................................................... 33
2.5.3. Ghép nối bài toán trường điện từ và bài toán cơ học................................................ 36
2.6. MẠNG NƠRON MLP............................................................................................................. 38
2.6.1. Cấu trúc mạng nơron MLP [40]....................................................................................... 39
2.6.2. Quá trình học mạng nơron MLP...................................................................................... 41
2.6.3. Thuật toán bước giảm cực đại........................................................................................... 43
2.6.4. Thuật toán Levenberg – Marquardt cho mạng MLP................................................ 44
2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2....................................................................................................... 45
CHƯƠNG 3:......................................................................................................................................... 47
XÂY DỰNG MƠ HÌNH TRONG PHẦN MỀM ANSYS CHO MBA PHÂN PHỐI
TRONG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP SỰ CỐ............................................................................. 47
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG PHẦN MỀM ANSYS............................................................... 47
3.1.1. Một số module chính của phần mềm ANSYS............................................................ 48
3.1.2. Khối chức năng mô phỏng điện từ ANSYS Maxwell.............................................. 48
3.1.3. Khối chức năng mô phỏng kết cấu ANSYS Structure............................................. 49
3.1.4. Khối chức năng xây dựng mơ hình ANSYS desing modeler và ANSYS
meshing.................................................................................................................................................. 49
3.1.5. Khối chức năng ANSYS mechanical workbench...................................................... 50
3.1.6. Khối chức năng mơ phỏng ANSYS mechanical........................................................ 51
3.2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH MBA PHÂN PHỐI 400KVA 22-0.4KV Y-Y 0

TRONG ANSYS................................................................................................................................. 52
3.2.1. Nguyên lý làm việc của MBA........................................................................................... 52
3.2.2. Xây dựng mô hình MBA phân phối 400kVA 22-0.4kV Y-Y0.............................. 53


vi

3.3. XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH CHUẨN BỊ CHO Q TRÌNH MƠ PHỎNG
TRẠNG THÁI LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG VÀ TRẠNG THÁI SỰ CỐ CỦA
MBA PHÂN PHỐI............................................................................................................................ 59
3.3.1. Mơ hình chia lưới MBA làm việc ở trạng thái bình thường.................................. 60
3.3.2. Mơ hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố các cuộn dây bị nới lỏng theo thời
gian........................................................................................................................................................... 61
3.3.3. Mô hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố chập 2 vòng dây 5%, 10% tổng số
vòng dây cuộn cao áp pha B........................................................................................................... 63
3.3.4. Mơ hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố lỏng bulông gá cuộn dây..............64
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3....................................................................................................... 65
CHƯƠNG 4:......................................................................................................................................... 66
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM..................................................................... 66
4.1. BỘ DỮ LIỆU TÍN HIỆU ĐIỆN, CƠ LẤY TỪ MÔ PHỎNG TRONG PHẦN
MỀM ANSYS...................................................................................................................................... 66
4.1.1. Trường hợp MBA hoạt động bình thường, tải 50% (trường hợp A-1)...............66
4.1.2. Trường hợp sự cố ngắn mạch chập hai vòng dây cao áp........................................ 70
4.1.3. Trường hợp sự cố nới lỏng vòng dây.............................................................................. 71
4.1.4. Trường hợp sự cố nới lỏng bu lông gá cuộn dây........................................................ 72
4.1.5. Trường hợp sự cố chập 5% số vòng dây....................................................................... 74
4.1.6. Trường hợp sự cố chập 10% số vịng dây..................................................................... 75
4.1.7. Nhận xét các kết quả mơ phỏng........................................................................................ 76
4.2. KẾT QUẢ HUẤN LUYỆN MẠNG MLP....................................................................... 77
4.2.1. Các thơng số đặc trưng của tín hiệu thu thập từ MBA............................................ 77

4.2.2. Kết quả huấn luyện mạng MLP........................................................................................ 80
4.3. THỰC NGHIỆM TRÊN MBA PHÂN PHỐI................................................................. 87
4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4....................................................................................................... 94
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................................... 95
KẾT LUẬN........................................................................................................................................... 95
KIẾN NGHỊ.......................................................................................................................................... 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................... 97
Tiếng Việt.............................................................................................................................................. 97
Tiếng Anh.............................................................................................................................................. 97
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN....................... 105


vii

PHỤ LỤC........................................................................................................................................... 106
A. CHƯƠNG TRÌNH TRÍCH CHỌN ĐẶC TÍNH TỪ CÁC KẾT QUẢ MƠ
PHỎNG ANSYS.............................................................................................................................. 106
B. CHƯƠNG TRÌNH HUẤN LUYỆN MẠNG MLP....................................................... 121
C. THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỘ RUNG CỦA MBA...................................................... 125
C.1. Sơ đồ khối của hệ thống đo................................................................................................ 125
C.2. Nguyên lý hoạt động của một số phần tử chính trong thiết bị đo........................ 126
C.3. Mạch in....................................................................................................................................... 130
C.4. Lưu đồ thuật toán hoạt động của vi xử lý và cảm biến gia tốc............................. 131
C.5. Hình ảnh thiết bị đã đóng vỏ.............................................................................................. 132
D. KẾT QUẢ ĐO XA CỦA ĐIỆN LỰC THÁI NGUYÊN CHO TRẠM ĐH CÔNG
NGHIỆP 3 (ngày 15/9/2020)....................................................................................................... 133


1

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp trong cả cấu trúc và vận hành, khi xảy ra sự
cố bất kỳ một phần tử nào trong hệ thống đều ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp
điện, chất lượng năng lượng và gây thiệt hại lớn về kinh tế. Tốc độ phát triển nhanh
chóng của hệ thống điện trong vài thập kỷ qua cũng đã dẫn đến một sự tăng nhanh
về số lượng các máy biến áp (MBA).
Trong quá trình vận hành, MBA có thể gặp những sự cố như hỏng cách điện giữa
các vòng dây, ngắn mạch, đứt dây, chạm đất, hoạt động sai của thiết bị hay sự cố từ
phía người sử dụng, tình trạng quá tải và sự lão hóa của thiết bị, ... Khi xảy ra sự cố
trong MBA, bảo vệ rơle sẽ tác động tách phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện và
loại trừ sự ảnh hưởng của phần tử sự cố với các phần tử liền kề khơng bị sự cố.
Chẩn đốn dạng sự cố trong máy biến áp 3 pha là một bài toán cấp thiết để phát
hiện và khắc phục sự cố của một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống điện. Việc
xây dựng thành cơng giải pháp chẩn đốn các sự cố tiềm ẩn trong MBA nói chung
và MBA phân phối 22/0.4kV nói riêng sẽ có ý nghĩa thực tế tốt, nếu đưa vào áp
dụng sẽ giúp cho người vận hành nhận biết được sớm các sự cố MBA do đó tránh
được thiệt hại về kinh tế do phải sửa chữa hoặc thay thế MBA mới, cũng như nâng
cao được tính liên tục cung cấp điện.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Luận án nghiên cứu và đưa ra giải pháp chẩn đoán sự cố trong MBA phân phối 3
pha 22/0.4kV. Phần mềm ANSYS được sử dụng để xây dựng mơ hình MBA phân
phối 22/0.4kV và mô phỏng MBA làm việc ở chế độ bình thường và một số chế độ
sự cố để tạo các tín hiệu điện và rung cơ học dùng cho nhận dạng. Mạng nơron
MLP với thuật toán học Levenberg – Marquadrt được sử dụng để chẩn đoán các
dạng sự cố trong MBA dựa trên các đặc tính được trích chọn từ các tín hiệu điện và
tín hiệu rung cơ học thu được từ mô phỏng bằng phần mềm ANSYS.


2

3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Các tài liệu về phần mềm ANSYS và xử lý tín hiệu trong MBA được nghiên cứu để
xây dựng mơ hình MBA phân phối 22/0.4kV trong các trạng thái làm việc bình
thường và sự cố. Mơ hình MBA được xây dựng và mơ phỏng trong phần mềm
ANSYS ở trạng thái làm việc bình thường và 5 trường hợp sự cố để lấy kết quả là
các tín hiệu điện và rung động cơ khí. Các tín hiệu này sẽ được phân tích và trích
chọn các thơng số đặc trưng để tạo mẫu dành cho huấn luyện mô hình nhận dạng sử
dụng mạng nơron MLP với thuật tốn học Levenberg – Marquadrt để chẩn đoán các
dạng sự cố tiềm ẩn trong MBA. Quá trình học và kiểm tra mạng MLP được thực
hiện trong môi trường Matlab với sự hỗ trợ của thư viện Neural Network Toolbox.
Bên cạnh các kết quả mô phỏng, luận án bước đầu thực nghiệm đo độ rung của
MBA với việc sử dụng cảm biến gia tốc trong thiết bị đo. Bước đầu đã đo được độ
rung của MBA ở chế độ làm việc bình thường với tải thay đổi.
4. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của luận án là chẩn đoán sự cố MBA phân phối ba pha để
nâng cao hiệu quả khi vận hành hệ thống điện. Mơ hình MBA được lựa chọn để mơ
phỏng và tính tốn là MBA 400kVA 22-0.4kV Y-Y0
5.

PHẠM VI NGHIÊN CỨU


Đối với các trường hợp sự cố của MBA như chập giữa các vòng dây,

xuất phát điểm ban đầu có thể chạm từ 2 đến 5 vịng dây, nếu lớp cách điện
tiếp tục bị lão hóa hay hư hỏng thì số lượng vịng dây bị chạm sẽ tăng lên từ
3% đến 5% hoặc từ 6% đến 10% tổng số vòng dây trên một pha. Luận án sẽ
ứng dụng phần mềm ANSYS để xây dựng 5 mơ hình sự cố MBA phân phối
ba pha 400kVA 22-0.4kV Y-Y0. (chập 2 vòng dây của 1 pha, chập 5% tổng

số vòng dây 1 pha, chập 10% tổng số vòng dây 1 pha, bị nới lỏng dây quấn
1 pha, bị lỏng bu lông gá dây quấn) để mô phỏng lấy kết quả (các tín hiệu
điện, lực, cơ khí) làm tín hiệu mẫu cho quá trình nhận dạng sự cố.


Lựa chọn và xây dựng thuật toán nhận dạng sử dụng mạng nơron

MLP để chẩn đoán sự cố trong MBA phân phối.


3



Thử nghiệm dùng cảm biến gia tốc để đo độ rung trên MBA thực ở

chế độ làm việc bình thường khi tải thay đổi để kiểm chứng mơ hình MBA
xây dựng trên phần mềm ANSYS.
6.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
 Ý nghĩa khoa học:

Đề xuất thuật toán nhận dạng sử dụng mạng nơron MLP với việc sử dụng đồng thời
tín hiệu điện và tín hiệu cơ (rung động) để chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong MBA phân
phối.
 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Luận án góp phần dự báo sớm các sự cố tiềm ẩn có thể xảy ra đối với MBA phân
phối nhằm nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện.
Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành điều khiển

và tự động hóa, học viên cao học và các nghiên cứu sinh quan tâm nghiên cứu về
các vấn đề chẩn đốn sự cố MBA.
7.
-

NHỮNG ĐĨNG GĨP MỚI CỦA LUẬN ÁN
Luận án xây dựng được mơ hình MBA 22/0.4kV Y-Y 0, trong phần mềm

ANSYS để phục vụ mơ phỏng lấy kết quả là các tín hiệu điện và tín hiệu cơ (rung
cơ khí). Tiến hành mơ phỏng 06 kịch bản làm việc của MBA gồm trường hợp làm
việc bình thường và 05 trường hợp sự cố. Với mỗi một trường hợp, MBA được mô
phỏng với tải tương ứng là 50%, 80%, 100% so với tải định mức.
-

Đề xuất trích trọn 15 thơng tin đặc trưng của các tín hiệu thu được từ mơ

phỏng ANSYS để làm cơ sở xây dựng mơ hình nhận dạng.
-

Xây dựng mơ hình nhận dạng sử dụng mạng nơron MLP với 15 đầu vào, với

số nơron ẩn tăng dần từ 1 đến 5 và 1 đầu ra để nhận dạng trạng thái làm việc của
MBA. Mạng được huấn luyện với 180 mẫu và thử nghiệm với 54 mẫu trong tổng số
234 mẫu đã thu thập được. Kết quả học và kết quả kiểm tra đạt độ chính xác
100%.
8.

BỐ CỤC LUẬN ÁN

Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu, những

đóng góp và bố cục của luận án.


4

Trình bày các vấn đề chung của luận án, tóm tắt về nội dung nghiên cứu, những
đóng góp của luận án và bố cục của luận án.
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp chẩn đoán sự cố trong MBA
Trong chương này trình bày:


Tóm tắt một số phương pháp nghiên cứu chẩn đoán sự cố trong

MBA được áp dụng trong điều kiện thực tế hiện nay;

nay;

Nêu được ưu nhược điểm các phương pháp chẩn đoán sự cố hiện



Nêu cụ thể các trường hợp sự cố mà luận án sẽ nghiên cứu và tính

tốn. Đề xuất các định hướng của luận án.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết các đề xuất của luận án
Nội dung chương này trình bày lý thuyết về hiện tượng rung động của MBA và
phương pháp phần tử hữu hạn để áp dụng giải hệ phương trình Maxwell tổng qt
cho bài tốn trường điện từ, từ đó đưa ra một số giải pháp giám sát rung động cho
MBA. Lý thuyết Mạng nơron MLP (MultiLayer Perceptron) kết hợp với thuật tốn
Levenberg – Marquardt để tính tốn và xây dựng mơ hình nhận dạng các trạng thái

làm việc của MBA.
Chương 3: Xây dựng mơ hình trong phần mềm ANSYS cho MBA phân phối
trong một số trường hợp sự cố
Nội dung chương này trình bày: Giới thiệu phần mềm ANSYS, xây dựng mơ hình
MBA 22/0,4kV trong phần mềm ANSYS. Với mơ hình cơ bản của MBA đã xây
dựng, các kịch bản mơ phỏng trạng thái bình thường và các trường hợp sự cố của
MBA phân phối được phát triển.
Chương 4: Kết quả mơ phỏng và tính tốn
Nội dung chương này trình bày:

Kết quả mơ phỏng MBA trong chế độ bình thường và 5 trường hợp
sự cố.


Phần mềm phân tích tín hiệu và nhận dạng



Kết quả phân tích và nhận dạng




Thực nghiệm kiểm chứng mơ hình MBA.


5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN
SỰ CỐ TRONG MÁY BIẾN ÁP

Trong chương này trình bày: Tóm tắt một số phương pháp nghiên cứu chẩn đoán sự
cố trong MBA được áp dụng trong điều kiện thực tế hiện nay. Ưu nhược điểm các
phương pháp này từ đó đề xuất hướng nghiên cứu của luận án.
1.1. Ý NGHĨA CỦA BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MÁY BIẾN ÁP
Ngày nay, có rất nhiều nhà máy điện mới được xây dựng cũng như việc hình thành
các trạm biến áp truyền tải và phân phối nhằm đáp ứng đầy đủ nhu cầu sử dụng điện
của các phụ tải đã dẫn đến sự gia tăng lớn về số lượng các máy biến áp (MBA).
MBA là thiết bị quan trọng được sử dụng trong tất cả hệ thống truyền tải và phân
phối điện. Sự cố MBA là hiện tượng khi trong MBA xảy ra các hư hỏng, sai lệch
của một hay nhiều phần tử dẫn tới các hoạt động bất thường hoặc hư hỏng lớn hơn,
ảnh hưởng tới an toàn vận hành của MBA. Do MBA có thể coi là một hệ thống
phức tạp nên có thể xảy ra rất nhiều dạng sự cố như sau:


Các sự cố do nối đất,



Các sự cố do hỏng cách điện trong các cuộn dây,



Các sự cố trong thùng dầu MBA,



Các sự cố do tác động bên ngoài như: quá điện áp, quá tải, suy giảm

tần số trong lưới điện,…


Các sự cố cơ khí như: lỏng vịng dây cuốn trên lõi MBA, hỏng các

cơ cấu chuyển nấc điện áp,…
Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp trong cả cấu trúc và vận hành, khi xảy ra sự
cố bất kỳ một phần tử nào trong hệ thống đều ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp
điện, chất lượng năng lượng và gây thiệt hại lớn về kinh tế. Với sự phát triển nhanh
của phụ tải điện thì những dạng sự cố MBA xuất hiện sẽ càng nhiều hơn, do đó việc
chẩn đốn được các sự cố tiềm ẩn của MBA sẽ giảm thiểu tối đa sự thiệt hại do
nguyên nhân mất điện từ MBA và chi phí sửa chữa khi MBA hư hỏng.


6

Do vậy việc chẩn đoán các dạng sự cố trong MBA 3 pha là một bài toán cấp thiết để
phát hiện và khắc phục sự cố của một thiết bị quan trọng trong hệ thống điện, nhằm
hạn chế thiệt hại về kinh tế và nâng cao tính liên tục cung cấp điện. Trong các
nghiên cứu đã được công bố trong và ngồi nước các tác giả chẩn đốn sự cố MBA
3 pha sử dụng một số phương pháp chủ yếu như sau: Đo và quan sát các thơng số
dịng điện, điện áp, các sóng hài tại đầu vào và ra của MBA 3 pha trong các tài liệu
[14, 20, 24], đo và giám sát các nồng độ khí trong dầu của MBA [26, 27, 29, 30,
42], đo và giám sát nhiệt độ tại một số điểm đặc trưng của MBA, đo và giám sát các
đáp ứng rung MBA trong các chế độ làm việc của MBA [38].
1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐỐN SỰ CỐ MBA
1.2.1. Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước
Cho đến nay, đã có nhiều cơng trình nghiên cứu ngồi nước phân tích chuẩn đốn sự
cố trong MBA. Đối với từng dạng sự cố, ta sẽ có các tập tham số khác nhau để đánh
giá trong quá trình MBA đang vận hành. Một sự cố có thể cần sử dụng nhiều tham
số để phát hiện, đồng thời một tham số cũng có thể được sử dụng để nhận dạng
nhiều sự cố khác nhau. Các phương pháp mà mỗi tác giả lựa chọn và nghiên cứu

trong các công trình của mình tập chung chủ yếu như sau. Nhóm phương pháp phổ
biến và kinh điển là các phương pháp sử dụng các tín hiệu điện ở đầu vào như dịng
điện, điện áp, cơng suất tức thời trong q trình phân tích để chẩn đốn trạng thái
làm việc của MBA [11, 15, 19, 25, 57, 62]. Một số giải pháp sử dụng các tín hiệu đo
ở trạng thái quá độ ví dụ như đo dịng từ hóa của MBA [60] nhưng ít phổ biến hơn
vì khơng giám sát được liên tục.
Nhóm phương pháp tiếp theo của các tác giả [12, 33, 37, 63] sử dụng cảm biến nhiệt
để đo một số điểm đặc trưng trên vỏ MBA nhằm phát hiện sớm các sự cố hư hỏng,
chạm chập bên trong MBA trước khi thiết bị hư hỏng nặng hơn. Để giám sát nhiệt
độ của một số điểm làm việc đặc trưng của MBA, ngoài việc sử dụng các cảm biến
nhiệt độ, các giải pháp mới còn sử dụng các camera ảnh nhiệt [64]. Camera ảnh
nhiệt có ưu điểm nổi bật so với các cảm biến nhiệt độ là phương pháp đo không


7

tiếp xúc nên có thể dễ dàng lắp đặt hơn vào các thiết bị đang vận hành, đồng thời sử
dụng camera ảnh nhiệt có thể giám sát đồng thời nhiều điểm trên MBA.
Nhóm phương pháp sử dụng cảm biến khí để chẩn đoán sự cố MBA dựa trên kết
quả phân tích nồng độ khí (Dissolved Gas Analysis - DGA) phát sinh trong dầu khi
MBA làm việc [17, 22, 40, 43, 44, 58, 59, 61]. Các phương pháp này dựa trên hiện
tượng khi xảy ra sự cố của MBA có thể sinh ra một số loại khí đặc trưng có nồng độ
khác nhau do vậy việc lấy mẫu nồng độ các khí được các tác giả lấy làm cơ sở để
chẩn đoán các trạng thái làm việc của MBA. Tiếp theo có thể kể tới các phương
pháp giám sát và cảnh báo các sự cố tiềm ẩn của MBA 3 pha dựa trên các tín hiệu
rung cơ học trong các chế độ tải khác nhau, các dạng sự cố khác nhau sẽ dẫn tới
hiện tượng rung khác nhau [39, 41]. Tín hiệu rung cơ học mạnh hay yếu này được
một số tác giả sử dụng làm cơ sở tính tốn nhận dạng trạng thái làm việc của MBA.
Một số cơng trình như [65] đề xuất sử dụng phối hợp đo nhiệt độ, công suất tức thời
và mức dầu trong thùng dầu của MBA để chẩn đoán trạng thái làm việc của MBA.

Tín hiệu âm thanh phát ra từ MBA cũng có thể làm cơ sở cho các nhiệm vụ chẩn
đoán [66].
1.2.1.1. Một số phương pháp chẩn đoán sự cố MBA dựa trên tín hiệu dịng, áp
Phương pháp chẩn đốn sự cố MBA dựa trên tín hiệu dịng điện và điện áp có thể
tham khảo trong [8, 11, 15, 19, 24]. Trong [11], tác giả đã mơ hình hóa MBA
345/16kV, 250MVA bằng mạch tương đương R-L-C làm đối tượng nghiên cứu, tính
tốn và mô phỏng. Phương pháp phát hiện sự cố MBA trong tài liệu dựa trên việc so
sánh biểu đồ elip quan hệ hiệu điện áp sơ cấp và thứ cấp với dòng điện đầu vào của
1 pha. Phương pháp này đã được được tác giả sử dụng phần mềm PSIM để chạy mơ
phỏng với các dạng sự cố chập vịng dây, các cuộn dây bị lệch trục.

Hình 1.1: Mơ hình hóa MBA bằng mơ hình tương đương RLC


8

Phương trình hiệu điện áp sơ cấp và thứ cấp với dòng điện đầu vào của 1 pha
V1(t) = Vm1sin(ωt+ δ)

(1.1)

V2(t) = Vm2sin(ωt) = Vm1sin(ωt)


y = V1 – V2 = Vm1 [sin(ωt+ δ)- sin(ωt)] = 2 Vm1 cos δ. cos(ωt + )
2

Kết quả mơ phỏng được tác giả tính tốn trong các trường hợp chập 30%, 60% số
vòng trên một cuộn dây.

Hình 1.2: Đặc tính quan hệ hiệu điện áp và dòng điện khi
MBA chập 30%, 60% số vòng dây được xây dựng trong [11]
Kết quả thu được sau khi mô phỏng cho ta thấy được sự khác biệt của đường đặc
tính khi MBA sự cố so với khi MBA làm việc bình thường, khi cuộn dây cao áp
MBA bị chập 30% số vịng thì đường đặc tính lệch 0,08% tâm và 11,71% góc lệch
của trục lớn đường elip so với phương ngang. Khi cuộn dây cao áp MBA bị chập
60% số vịng thì đường đặc tính lệch 0,21% tâm và 16,36% góc lệch của trục lớn
đường elip so với phương ngang
Trong tài liệu [19] tác giả đề xuất sử dụng công cụ SVM (Support Vector Machines)
để nhận dạng sự cố chập giữa các vòng dây của MBA. Trạng thái làm việc của
MBA được mô phỏng với các chế độ tải khác nhau từ 60% đến 90% định mức, điện
trở ngắn mạch tại điểm sự cố có thể nhận các giá trị 0,1Ω hoặc 5Ω, số vịng dây bị
chập có thể nhận các giá trị 1%, 3%, 5%, 10%, 15% và 25% tạo thành tổng cộng


9

144 trường hợp sự cố. MBA được nối phía sơ cấp với 1 hệ thống 100MVA,
39,83kV, Zs1 1.6800 , phía thứ cấp nối với 1 hệ thống 100MVA, 229,99 kV, 2 =
52,8∠800. Các đặc tính được sử dụng để nhận dạng là tín hiệu dịng điện pha của cả hai phía sơ cấp và
thứ cấp của MBA. Kết quả độ chính xác nhận dạng sự cố trong [19] nằm trong khoảng từ 92,2% đến
96,96%.

Trong tài liệu [25], MBA 115/23 kV 50MVA được tác giả chọn làm đối tượng nhận
dạng trạng thái. Phần mềm Matlab được sử dụng để mô phỏng các trường hợp sự cố
như sự cố bên ngoài MBA (ngắn mạch trên đường dây truyền tải tại các vị trí khác
nhau và các thời điểm khác nhau) điểm ngắn mạch trên đường dây ở độ dài là 10%,
20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% và 90% tổng chiều dài đường dây và sự cố
bên trong MBA (chập các vòng dây tại các điểm khác nhau), chập 10%, 20%, 30%,
40%, 50%, 60%, 70%, 80% và 90% số vòng dây trên cuộn cao áp. Tác giả phân tích

tín hiệu bằng wavelet DWT và dùng mạng Nơron PNN (Probabilistic Neural
Network) để chuẩn đoán sự cố MBA với các mẫu đáp ứng là dòng điện và điện áp
trên các pha khi sự cố. Phương pháp này nhận dạng đúng các trường hợp sự cố bên
trong MBA là 96,3%, và các trường hợp sự cố bên ngoài MBA là 83,3%.
Trong [60], các tác giả sử dụng phương pháp đo tín hiệu trong q trình q độ để
chẩn đốn trạng thái của MBA. Tín hiệu dịng điện từ hóa MBA phân phối đơn pha
(125V/24V) được phân tích bằng biến đổi Wavelet để tạo các thơng tin đặc trưng
dùng cho nhận dạng chập / ngắn mạch giữa các vòng dây. Các tác giả đã sử dụng họ
Wavelet Daubechies bậc 4 để xác định các thành phần phổ năng lượng của dịng
điện từ hóa MBA. Trong các thí nghiệm, tín hiệu dịng điện được đặt vào MBA
bằng nguồn A622 của Tektronix và đo các đáp ứng bằng ô-xi-lô cao tần TDS2024B
của Tektronix. Các thành phần phổ năng lượng đặc trưng được so sánh với giá trị đo
chuẩn (khi máy khơng có sự cố). Nếu có sai lệch đủ lớn (>1%) thì hệ thống sẽ cảnh
báo là có hiện tượng ngắn mạch giữa các vòng dây. Nhược điểm của những phương
pháp dạng này là yêu cầu phải đo ở trạng thái quá độ, không phù hợp cho giám sát
liên tục. Đồng thời phương pháp cũng yêu cầu phải có tín hiệu mẫu chính xác trong
q trình q độ để tiến hành so sánh trực tiếp.


10

1.2.1.2. Phương pháp phân tích nồng độ khí
Phương pháp phân tích khí hịa tan (Dissolved Gas Analysis - DGA) là phương pháp
hiệu quả trong việc chẩn đoán các trạng thái hư hỏng tiềm ẩn trong MBA. Trong
quá trình vận hành MBA, dầu cách điện làm việc ở nhiệt độ cao, trong cường độ
trường 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 [40, 44]. 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.
Mỗi dạng hỏng hóc cùng với các nguyên nhân hỏng hóc sẽ tạo ra các khí đặc trưng
khác nhau trong dầu MBA. Các khí có thể là: H 2, O2, N2, CH4, CO, CO2, C2H4,
C2H6, C2H2, C3H6 , C3H8 [26, 27, 30].
Hiện nay có nhiều phương pháp chẩn đốn sự cố MBA dựa vào DGA, trong đó các
phương pháp phổ biến là:
 Phương pháp các tỷ số [3, 40]: Các tỷ số được định nghĩa ở bảng 1.1, giới
hạn nồng độ của các khí được cho ở bảng 1.2. Trong thực tế, nhiều tác giả chỉ
kiểm tra nồng độ của 4 khí H2, CH4, C2H2, C2H4 thay vì 6 khí.
Bảng 1.1: Định nghĩa các tỷ số
Tỷ sốCH4/H2
Ký hiệu

Khí
Giới hạn (ppm)

 Phương pháp tỷ số ban đầu [3, 17, 22, 30]: gồm có 5 khí H2, CH4, C2H2,
C2H4, C2H6 và 5 tỷ số R1, R2, R3, R4, R5.
 Phương pháp Dornenburg [3, 24, 28]: gồm 5 khí H2, CH4, C2H2, C2H4,
C2H6 và 4 tỷ số R1, R2, R3, R4 (bảng 1 . 3).


11

Bảng 1.3: Phương pháp hệ số Dornenburg
Sự cố
Nhiệt phân
Vầng quang
Hồ quang điện

DGA là phương pháp chẩn đoán trạng thái MBA khá chính xác với ưu điểm là
khơng phải cắt điện MBA mà chỉ cần lấy mẫu dầu lúc MBA đang vận hành. Việc
kiểm tra, phân tích khí hịa tan trong dầu cách điện và theo dõi tốc độ sinh khí cháy
sẽ giúp người quản lý vận hành chẩn đoán sớm tình trạng MBA để có biện pháp
khắc phục đảm bảo cho MBA vận hành an toàn đạt hiệu quả kinh tế cao nhất trên
lưới điện.
1.2.1.3. Phương pháp chẩn đoán sự cố MBA dựa trên việc phân tích tín hiệu
rung cơ học của MBA
Phương pháp chẩn đoán sự cố MBA dựa trên việc phân tích tín hiệu rung của MBA
chỉ có một số ít tác giả lựa chọn để nhận trạng thái của MBA [38, 39, 41]. Trong tài
liệu [38, 41], khi sự cố chạm chập các vòng dây trên một pha thì cuộn dây sẽ bị biến
dạng dẫn tới độ rung của MBA thay đổi. Dựa vào sự thay đổi đó, tác giả đã lắp các
cảm biến đo rung động tại một số điểm trên vỏ MBA để lấy tín hiệu phân tích và
nhận dạng trạng thái MBA. So với các phương pháp nhận dạng đo lường bằng tín
hiệu điện, phân tích nồng độ khí và nắp cảm biến nhiệt phương pháp nhận dạng
trạng thái MBA dựa trên tín hiệu rung động cơ khí có thể nhận dạng nhạy hơn và có
tính chống nhiễu tốt hơn. Trong hai tài liệu trên tác giả chọn MBA có cơng suất
220KVA, dịng điện trên cuộn dây pha A là 5A. Dải tần số đo từ 230Hz đến 626Hz.
Tác giả sử dụng phương pháp phân tích đáp ứng tần số rung (Vibration Frequency
Response Analysis - VFRA) để phát hiện sự cố biến dạng cuộn dây của MBA. Các
điểm đo tín hiệu rung trong tài liệu được đặt như hình 1.3.


12

Hình 1.3: Hình ảnh đặt các điểm đo giám sát MBA sử dụng trong
[38] Kết quả so sánh các đường cong đáp ứng tần số được thể hiện trong hình
1.4.

(a)

(b)

Hình 1.4: Đồ thị đáp ứng tần số rung trong ngày thứ nhất
và ngày thứ tư tại điểm đo số 3 (a) và số 7 (b)
Từ những số liệu này, để xác định mức chênh lệch giữa hai đường tín hiệu, độ lệch
trung bình tuyệt đối (Average Absolute Deviation - AAD) của hai đường cong đáp
ứng tần số, như thể hiện trong phương trình:

AAD

N

trong đó: A1(f), A2(f): Biên độ tần số rung,
fs, fe: Giá trị đầu và cuối của tần số quét,
N: Số lượng các điểm tần số quét.


Giá trị đặc tính AAD này được sử dụng để chẩn đốn tình trạng sự cố của MBA.


13

Theo tài liệu [31], tác giả dùng phần mềm ANSYS mơ phỏng MBA 220kV khi cuộn
dây pha C phía hạ áp của MBA bị nới lỏng theo hướng trục (Hình 1.9). Phương
pháp phân tích đáp ứng tần số rung (VFRA) được sử dụng để phát hiện các biến
dạng cuộn dây MBA. Kết quả của bài viết lấy được đường đặc tính đáp ứng tần số
rung của MBA hình 1.5.

(a)

(b)

(c)
Hình 1.5: Đồ thị đáp ứng tần số rung tại điểm đo số 6 (a), 9 (b) và 10 (c) trong [31]
Từ kết quả đo đặc tính đáp ứng tần số rung tác giả kết luận có thể sử dụng tín hiệu
rung động để giúp ta chẩn đốn chính xác nhất dạng sự cố cuộn dây bị nới lỏng trục
trong MBA.
1.2.2. Các cơng trình nghiên cứu trong nước
Trong nước đã có một số các cơng trình nghiên cứu về chẩn đốn sự cố của MBA
như luận án của TS Nguyễn Văn Lê “Nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo chẩn
đốn sự cố tiềm ẩn trong MBA lực ứng dụng cho hệ thống điện Việt Nam”. Tác giả
Nguyễn Hữu Cơng đã có cơng trình “Xây dựng hệ chẩn đốn lỗi tiềm ẩn của MBA
lực dựa trên mạng nơron kết hợp phân tích khí hịa tan”.


14

1.2.3. Những tồn tại của các phương pháp chẩn đoán sự cố trong và ngoài nước
1.2.3.1. Những tồn tại của phương pháp phân tích tín hiệu dịng áp
Qua các tài liệu tham khảo ta thấy các tác giả chủ yếu chỉ khảo sát MBA công suất
lớn làm việc ở chế độ khơng tải và đưa ra một số ít các trường hợp sự cố để lấy số
liệu dòng điện và điện áp làm cơ sở cho việc chẩn đoán trạng thái của MBA.
1.2.3.2. Những tồn tại của phương pháp phân tích nồng độ khí
Phương pháp chẩn đốn sự cố MBA sử dụng phương pháp DGA vẫn tồn tại một số
hạn chế đó là phương pháp chỉ chẩn đốn được cho đối tượng MBA dầu. Các cảm
biến khí có tính chọn lọc khơng cao, rất dễ nhầm với các loại khí lạ. Do đặc thù của
MBA vận hành liên tục do đó các cảm biến có tuổi thọ khơng cao dẫn tới phải thay
thường xuyên.
1.2.3.3. Những tồn tại của phương pháp đáp ứng tần số rung

Các tác giả sử dụng phương pháp đáp ứng tần rung để chẩn đoán sự cố MBA chưa
khảo sát nhiều trường hợp sự cố khác nhau và các MBA chỉ làm việc trong chế độ
không tải. Các cảm biến đo gia tốc chỉ được gắn trên MBA thí nghiệm, rất ít đo
MBA làm việc vận hành thực tế.
1.2.4. Đề xuất của luận án
Sau khi tìm hiểu các phương pháp chẩn đoán sự cố MBA từ các cơng trình nghiên
cứu trong và ngồi nước cho thấy các phương pháp nghiên cứu chẩn đoán sự cố
tiềm ẩn MBA của các tác giả chủ yếu là các MBA lực (truyền tải), ít có các cơng
trình nghiên cứu về chẩn đốn sự cố trong MBA phân phối 22/0,4kV. Ngồi ra để
tăng độ tin cậy cần phải xác định được cùng lúc nhiều tín hiệu trạng thái của MBA
như tín hiệu điện, cơ (rung động). Vì vậy để lấy được cả tín hiệu điện và rung động
cơ khí làm cơ sở nhận dạng trạng thái làm việc của MBA, luận án đề xuất sử dụng
công cụ ANSYS để xây dựng mô hình và mơ phỏng MBA phân phối 400kVA 220.4kV Y-Y0. Kết quả mơ phỏng có được các mẫu số liệu là dòng, áp đầu vào và ra,
lực điện từ trên cuộn dây và lõi thép của MBA phân phối, đặc tính rung động
(chuyển vị) trên vỏ MBA phân phối theo ba phương x, y, z. Sau khi có được bộ mẫu


15

dữ liệu, bộ dữ liệu này sẽ được sử dụng làm cơ sở nhận dạng sự cố trong MBA phân
phối bằng mơ hình mạng nơron kinh điển MLP.
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Chương 1 luận án đã giải quyết được các vấn đề sau:


Tổng hợp được các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước về

các phương pháp chẩn đốn sự cố tiềm ẩn trong MBA truyền tải và phân
phối.


Chỉ ra được các tồn tại và hạn chế của các phương pháp chẩn đốn

sự cố MBA đã được cơng bố.


Đề xuất giải pháp chẩn đoán sự cố MBA phân phối bằng việc xây

dựng mơ hình MBA trong phần mềm ANSYS để lấy các tín hiệu điện, cơ
(rung động) làm bộ dữ liệu cho việc nhận dạng các sự cố MBA phân phối
bằng mạng nơron nhân tạo MLP.


16

CHƯƠNG 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC ĐỀ XUẤT CỦA LUẬN ÁN
Chương 2 sẽ trình bày về một số cơ sở lý thuyết cho các giải pháp được đề xuất
trong luận án. Trong chương này luận án trình bày tóm tắt lý thuyết về hiện tượng
rung trong MBA và áp dụng hiện tượng này để chẩn đoán sự cố trong MBA. Để có
được số liệu dùng cho các phân tích và tính tốn các thơng tin đặc trưng trong
trường điện từ, luận án dùng sử dụng phần mềm tính tốn bằng phương pháp các
phần tử hữu hạn để mô phỏng các hiện tượng điện, cơ (rung động) cho MBA phân
phối 22/0,4kV. Để nhận dạng và chẩn đoán được sự cố trong MBA từ các tín hiệu
điện, cơ (rung động) thu thập được, một mơ hình phi tuyến là mạng nơron truyền
thẳng MLP sẽ được sử dụng nên ở phần cuối của chương 2 sẽ trình bày tóm tắt về
cấu trúc, thuật tốn xây dựng mơ hình cho mạng nơron MLP này.
2.1. HIỆN TƯỢNG RUNG TRONG MÁY BIẾN ÁP [45,46]
Hiện tượng rung trong máy biến áp được 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.

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 tương tác giữa
dịng điện chảy trong cuộn dây và từ thơng dò sẽ làm cho cuộn dây bị rung. Lực
điện động này tỷ lệ với bình phương của dịng điện và bao gồm 2 thành phần dọc