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 -


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



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

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


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


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 -


- 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

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


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 2.3: 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 -

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


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.