×

Giỏ hàng

3
Tổng: 30.000.000
Xem giỏ hàng Thanh toán
Menu
Trang chủ
Giới thiệu
Sản phẩm
Giải pháp
Tin tức
Tuyển dụng
Liên hệ

Hotline

0912.566.477

Email Liện Hệ

info@miva.com.vn

sales@miva.com.vn

Ngôn Ngữ

KỸ THUẬT PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG TẦN SỐ SFRA

Minh Nguyen Kieu 27/04/2020 3168 Views

SWEEP FREQUENCY RESPONSE ANALYSIS TRANSFORMER APPLICATIONS

Lưu ý: Bài viết chỉ mang tính chất tổng hợp kiến thức, dịch và sưu tầm từ các tài liệu trong, ngoài nước, không mang mục đích thương mại, bản quyền sáng chế.

Đt vn đ

Rất nhiều sự hỏng hóc điện môi và cơ khí trong các máy biến áp điện lực lớn xảy ra là do sự biến dạng mạch từ dẫn đến thay đổi cấu trúc cuộn dây. Những sự thay đổi này có thể là kết quả xảy ra trong quá trình vận chuyển từ nhà sản xuất đến vị trí lắp đặt, sự thay đổi vị trí vận hành, hoặc cũng có thể do ảnh hưởng lâu dài của tự nhiên gây nên sự ăn mòn, hư hỏng tiếp xúc, quá nhiệt … Đặc biệt là trong các sự cố về điện như ngắn mạch, sụt tải gần trạm biến áp … sẽ sinh ra ứng lực từ rất lớn bên trong máy, gây ra sự vênh, cong méo, làm lệch trục cuộn dây, xô dịch lõi từ. Vì vậy, công việc chẩn đoán tình trạng “sức khỏe” máy biến áp là việc làm quan trọng cho sự vận hành ổn định của hệ thống điện. Các phương pháp kiểm tra truyền thống chỉ có thể phát hiện những lỗi do ảnh hưởng lâu dài của thời gian, trong khi chúng ta cần phải kịp thời phát hiện những lỗi ngay từ khi chớm bắt đầu thì phương pháp Phân tích đáp ứng tần số (SFRA) là một công cụ hữu rất dụng.

SFRA là gì?

SFRA là một công cụ cho phép đưa ra những cảnh báo về tình trạng hiện thời của các cuộn dây và mạch từ ở bên trong máy biến áp. Phương pháp đo này sẽ ghi lại đáp ứng tần số của các thành phần thụ động (RLC) cấu tạo nên thiết bị. Chúng ta có thể lý tưởng rằng máy biến áp được cấu tạo nên từ những thành phần cơ bản nhất là điện trở R, cuộn cảm L và tụ điện C. Rõ ràng rằng do bị phụ thuộc vào cách bố trí, sắp xếp trong không gian nên chúng sẽ là những thành phần mang thông số rải, không phải là thông số tập trung và như vậy sẽ có một mối quan hệ nào đó giữa cấu trúc hình học của các cuộn dây của lõi từ với các thông số RLC.

 

Sự kết hợp với nhau giữa các thành phần R-L-C sẽ tạo nên một mạng thông số rải RLC được đặc trưng bằng một hàm truyền đạt. Việc phân tích đồ thị đặc tính tần-biên pha của hàm truyền này sẽ cho ta hiểu được đáp ứng của hệ thống với sự thay đổi tần số của tín hiệu đầu vào. Khi kết cấu hình học bị thay đổi thì các thông số của mạng RLC cũng thay đổi, dẫn tới sự thay đổi hàm truyền, tức là đáp ứng tần số của hệ thống cũng thay đổi. SFRA cho phép ghi nhận lại sự thay đổi của hàm truyền đạt và dựa vào sự thay đổi này ta có thể dễ dàng chẩn đoán được các sự cố xảy ra với máy biến áp.

Hình dưới là một ví dụ cho việc chẩn đoán lỗi ngắn mạch cuộn dây máy biến áp. Kết quả phân tích SFRA cho thấy đáp ứng của một pha so với hai pha còn lại là rất khác nhau và dạng của đáp ứng này đã chỉ ra rằng cuộn dây pha này đã bị ngắn mạch:

 

Vậy, mỗi máy biến áp sẽ có một đồ thị đáp ứng tần số đặc trưng cho riêng nó, khảo sát đáp ứng này sẽ giúp ta chẩn đoán được tình trạng làm việc của thiết bị.

Nguyên lý hot đng

Khi phân tích đáp ứng tần số của một máy biến áp, việc kết nối máy biến áp sẽ chia máy làm hai phần riêng biệt nhau, một phần đưa tín hiệu vào, một phần lấy tín hiệu ra

Đầu nhận tín hiệu (Receiver probe or Signal probe- màu xanh) Đầu phát tín hiệu (Source probe – màu vàng) Kẹp nối đất màu đen.

Như vậy có thể mô hình hóa hệ này thành một mô hình mạng hai cửa :

Hàm truyền của hệ được định nghĩa là tỉ số giữa độ lớn tín hiệu đầu ra với tín hiệu đầu vào:

Ta sẽ biểu diễn H(jɷ) bằng biểu đồ Bode giá trị biên độ (module) và góc pha theo tần số với định nghĩa:

Module:   A(dB) = 20lg| H(jɷ) |

Góc pha:   A(θ) = tg-1(H(jɷ))

Tín hiệu kích thích thích đầu vào là tín hiệu hình sin với biên độ không đổi, tần số thay đổi:

Ngoài kiểu hàm truyền đạt áp như trên, người ta còn sử dụng hàm truyền đạt :

Lưu ý: Với hai hàm truyền đạt sau, khi đo phải có điện trở shunt 50Ω đi kèm.

Phương pháp so sánh kết qu

Sau khi thu được kết quả đo bằng SFRA thì kết quả này sẽ được so sánh với một bộ kết quả về đối tượng đo đã có từ trước để rút ra nhận xét, thông thường có 3 phương pháp để tiến hành so sánh kết quả là:

  • Time-based: kết quả hiện tại so với kết quả đã thực hiện trước đó trên cùng một máy biến áp.
  • Type-based: kết quả FRA đem so với FRA của một máy biến áp khác cùng loại thiết kế.
  • So sánh giữa các pha với nhau trên cùng một máy biến áp.

Như vậy, việc đầu tiên trước khi thực hiện phép đo là phải xem xét liệu cơ sở dữ liệu phục vụ cho việc so sánh, đối chiếu đã có hay chưa?

Nếu phép đo này đã được thực hiện trước đó thì ta sử dụng phương pháp time-based, dữ liệu sẽ được đưa vào phần mềm để phục vụ cho việc phân tích về sau.

Nếu như chưa có bất kỳ một kết quả phân tích FRA nào trước đó thì việc sử dụng dữ liệu FRA từ một máy biến áp tương đương (sister transformer) là một cách thường được sử dụng (type-based) và sự sai lệch giữa các đường cong là điều khó tránh khỏi, song chỉ cần các đường cong này có dạng tương đồng với nhau thì sẽ là một tín hiệu tốt cho sức khỏe hiện tại của máy biến áp.

Hình: ví dụ về sử dụng phương pháp type-based trên máy biến áp 30MVA.

Ta xét thêm một ví dụ nữa về việc các đường cong SFRA của hai máy biến áp so sánh theo phương pháp type-based, mặc dù trông có vẻ như hoàn toàn trùng khít nhau nhưng trong dải tần từ 5kHz đến 550kHz lại không có sự tương đồng, vậy chắc chắn đã có sự thay đổi trong kết cấu của máy biến áp.

Trường hợp cuối cùng, nếu như không có bất kỳ kho dữ liệu nào để đánh giá, thì ta sẽ tiến hành đo ở cả 3 pha của máy biến áp rồi đem so sánh kết quả với nhau. Phương pháp đo thường dùng ở đây là end-to-end, nghĩa là sẽ đo ở hai đầu cuộn dây phần cao áp, phương pháp đo này sẽ chứa đựng nhiều thông tin về mạch từ và cuộn dây nhất.

 

Một kiểu đo khác cũng có thể dùng đó là đo tương tác giữa hai cuộn dây inter-winding, chi tiết về kiểu đo này, sẽ được đề cập đến trong mục sau.

Một điều cần lưu ý khi làm việc với máy biến áp 3 pha , thông thường thì cuộn dây ở giữa (pha B) sẽ có một chút khác biệt so với hai pha còn lại ở phần tần số thấp:

 

 

Pha B sẽ có dạng chữ “V”, không phải “W” như hai pha A, C và hơi dịch sang trái, song điểm cắt (resonance) là cùng tại 1 tần số (thẳng hàng theo phương thẳng đứng). Đây là đường đặc tính tốt của máy biến áp ba pha.

 

Các kiu đo trên cun dây

Thông thường có 3 kiểu đo:

  • Đo hở mạch: đo từ đầu này tới đầu kia của một cuộn dây, trong khi để hở các đầu dây còn lại

 

Hình:

 

 

  1. a) Impedance measurement
  2. b) End-to-end measument

 

Hình: Dạng đáp ứng tần số của cuộn cao và hạ áp khi đo hở mạch.

Ở phạm vi tần số thấp, ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của tính dung kháng, mạch chỉ còn tính trở kháng và cảm kháng.

  • Đo ngắn mạch: được thực hiện trên một pha, trong khi các pha khác được nối ngắn mạch

Hình: Dạng đáp ứng tần số của cuộn cao áp khi đo ngắn mạch so với hở mạch.

Máy biến áp có mô hình dạng chữ T:

Trở kháng của phần hạ áp rất là bé so với trở kháng của mạch từ, do vậy, tín hiệu sẽ bị lấn át bởi mạch từ.

Bằng cách nối ngắn mạch phần hạ áp, ta đã loại bỏ được ảnh hưởng của mạch từ lên cuộn dây.

  • Đo tương tác giữa các cuộn dây: Gồm có đo tương tác theo kiểu cảm ứng a), và theo kiểu điện dung b)

 

Các li có th phát hin đưc

 

Bằng cách so sánh các đường cong (trace) với nhau, ta có thể phát hiện được các lỗi mà ta cần lưu ý như sau.

 

Vùng Tần số Sự cố
1 <2kHz Lỗi mạch từ, ngắn mạch vòng dây (shorted turns), hở mạch, có từ dư hoặc xô dịch lõi từ.
2 2kHz -> 20kHz Bulk winding movement between windings and clamping structure.
3 20kHz->400kHz Deformation within the main and tab windings
4 400kHz->~1MHz Movement of the main and tab winding, ground impedance variations.

 

  1. Trong vùng tần số <2kHz, nếu đường trace bị thay đổi hình dạng hoặc bị méo thì sẽ có vấn đề với mạch từ: ngắn mạch vòng dây (shorted turns), hở mạch, có từ dư hoặc xô dịch lõi từ.
  2. Ngược lại, trong vùng >2kHz, nếu đường trace bị thay đổi hình dạng hoặc bị méo thì sẽ có vấn đề với cuộn dây.

Trưng hp 1:

Sự khác biệt bình thường giữa các pha trên cùng một máy biến áp. Thử nghiệm trên máy biến áp phân phối 3 pha 100kVA, 20/0.4kV, Dyn1.

Hình: Đáp ứng tần số của cuộn hạ áp-MBA 3 pha 100kVA, 20/0.4kV, Dyn1.

Ta thấy rằng có một chút khác biệt ở vùng tần số thấp là do sự khác nhau ở độ tự cảm ở mỗi cuộn dây (bỏ qua dung kháng). Pha B có dạng chữ “V” với một điểm resonance, pha A và C là “W” với 2 điểm resonance. Điều này xảy ra, một phần là do sự khác nhau ở từ trở ở các mối nối mạch từ, một phần là ở sự khác nhau của từ dư trong mạch.

Trưng hp 2:

Ảnh hưởng của từ dư đối với một pha. Thử nghiệm trên máy biến áp như ở trường hợp 1, cuộn dây hạ áp pha A. Đồ thị gồm 3 đường: đường chuẩn baseline, đường được đo khi khử từ, và một đường được đo khi bão hòa bằng dòng DC chạy qua cuộn dây.

Hình: Đáp ứng tần số của cuộn hạ áp pha A-MBA 3 pha 100kVA, 20/0.4kV, Dyn1 khi từ dư thay đổi.

Ở tần số ~500Hz (đường “W”), cả hai điểm resonance đều bị dịch sang trái so với đường baseline và cả độ lớn cũng có chút thay đổi. Điều này giải thích tại sao pha B lại có đường đặc tích hơi khác so với pha A và C.

Trưng hp 3:

So sánh phép đo giữa các biến áp cùng design. Thử nghiệm trên cuộn cao áp pha A của 3 máy biến áp cùng loại: 3 pha 36MVA, 62.5/21kV, YNyn0.

Hình: Đáp ứng tần số của cuộn cao áp A – MBA 3 pha 36MVA, 62.5/21kV, YNyn1.

Chỉ có sự khác biệt rất nhỏ xảy ra ở vùng tần số thấp, xung quanh điểm resonance, do đặc tính từ dư và từ trở của mỗi máy là khác nhau.

Trưng hp 4:

Lỗi xảy ra do vấn đề thi hành phép đo. Thực hiện trên các cuộn dây cao áp máy biến áp 3 pha 36MVA, 89.5/21kV, YNd11. Nguyên nhân là do tiếp xúc kém ở mạch nối đất.

Hình: Đáp ứng tần số của cuộn cao áp pha A – MBA 36MVA, 62.5/21kV, YNyn0

Ở vùng tấn số từ 300 -> 1000Hz, sự sai khác là rất nhỏ, nhưng là lớn hơn rất nhiều ở dải tần số trên 1MHz. Phép đo tốt cho độ khuếch đại lớn hơn phép đo kém chất lượng.

Trưng hp 5:

Mô tả lỗi nghiêm trọng xảy ra với máy biến áp trạm ba pha 70MVA, 227/21kV, YNd11, đó là dòng điện điều hòa (circulating current) chảy qua các kết nối không liên tục, có thể là do ngắn mạch một số vòng dây ở phía cao áp. Khoảng (70-80)% hư hỏng MBA là từ chạm chập giữa các vòng dây cùng 1 pha bên trong MBA, trường hợp này dòng điện tại chỗ ngắn mạch rất lớn vì một số vòng dây bị nối ngắn mạch, dòng điện này phát nóng đốt cháy cách điện cuộn dây, gây ăn mòn, phóng điện trong dầu và tạo khí.

Hình: Dòng điện điều hòa ở cuộn cao áp – MBA 3 pha 70MVA, 227/21kV,YNd11

Sự khác biệt được nhìn thấy ngay ở khu vực tần số dưới 20Hz, và từ 170kHz đến 1MHz. Quan sát có thể thấy rằng pha B là khác nhất so với 2 pha còn lại, có thể sự cố đã phát sinh ở pha B và khí sinh ra đã làm rơ le tác động. Nguyên nhân gây ra sai khác ở vùng tần số thấp được gây ra do dòng điện điều hòa chảy bên trong cuộn dây, và sự khác nhau ở vùng tần số cao là hậu quả tất yếu do cuộn dây và cách điện bị phá hủy.

Trưng hp 6:

Chẩn đoán bằng SFRA để xác định xem MBA gặp sự cố sẽ được xử lý như thế nào. MBA tự động 3 pha 300MVA, 400/22.5kV vẫn đang trong quá trình kiểm tra sự cố, nhưng các chuyên gia tin rằng sự hỏng hóc cơ khí ở thùng dầu và đầu dẫn cao áp là do ống lót cách điện (Bushing) ở pha C gây ra. Một cuộc thử nghiệm đã được tiến hành để xem có phải là do hỏng cuộn dây pha C hay không, và liệu máy biến áp đó sẽ được đem đi sữa chữa hay là thay thế cái mới. Và cuộc thử nghiệm đã cho kết quả là cuộn dây pha C đã bị hư hại.

Hình: Hỏng cuộn dây pha C – MBA tự động 3 pha 300MVA, 400/22.5kV

Dựa vào đồ thị có thể thấy khác nhau quan trọng nhất của pha C so với 2 pha còn lại là điểm resonance số 5 đã biến mất hoàn toàn khỏi pha C ở tần số 17kHz và tạo một resonance mới ở tần số 460kHz.

 

Lch s và tiêu chun áp dng

 

Phương pháp đo đáp ứng tần số được nghiên cứu đầu tiên bởi Dick và Erven ở Ontario Hydro, Canada vào những năm 70. Và chuẩn bắt buộc đầu tiên được thành lập ở Trung Quốc vào năm 2005 với cái tên là DL 911/2004, sau này phát triển thêm một số tiêu chuẩn ở các khu vực khác

 

 

Kết lun

 

Phương pháp phân tích đáp ứng tần số là một công cụ mạnh mẽ, nó cho phép kiểm tra điều kiện vận hành của máy biến áp một cách nhanh chóng, chính xác. Phương pháp này có thể phát hiện được nhiều vấn đề xảy ra bên trong máy biến áp, đặc biệt là những lỗi liên quan đến sự hư hỏng cuộn dây và mạch từ.

Ở nước ta hiện nay, tính đến tháng 12/2011, Tổng công ty truyền tải điện quốc gia NPT đang quản lý vận hành 17 trạm biến áp (TBA) 500 kV (dung lượng 13.350 MVA) và 72 TBA 220 kV (dung lượng 24.476 MVA), ngoài ra còn có 03 TBA 110 kV với dung lượng 2.933 MVA (tính cả các MBA 110 kV trong các trạm 500/220 kV), số các trạm biến áp là không hề nhỏ, vì vậy công tác kiểm tra bảo dưỡng hằng năm cần phải được tiến hành sao cho tiết kiệm được chi phí và thời gian là điều đáng được quan tâm.

 

Tài liu tham kho

 

[1] Charles Sweetser, Dr. Tony McGrail, “Sweep Frequency Response Analysis Transformer Applications”, A Technical Paper from Doble Engineering, USA.

[2] Alexander Kraetge, Michael Krüger, Juan L.Velásquez1, Maximilian Heindl, Stefan Tenbohlen, “Experiences with the practical application of Sweep Frequency Response Analysis (SFRA) on power transformers”, Proceedings of the 16th International Symposium on High Voltage Engineering, 2009.

[3] A. Kraetge, M. Krüger, J. L. Velásquez, H. Viljoen, A. Dierks, “ Aspects of the Practical Application of Sweep Frequency Response Analysis (SFRA) on Power Transformers”, 6’th Southern Africa Regional Conference, CIGRE 2009.

[4] Simon Ryder, “Frequency Response Analysis for

Diagnostic Testing of Power Transformers”, Electricity today magazine, 2001, pp.14-19.

[5] Sandeep Kumar, Mukesh Kumar and Sushil Chauhan, “Diagnosis Of Power Transformer Through Sweep Frequency Response Analysis And Comparison Methods”, National Systems Conference, NSC 2008.

[6] Vipul N. Rajput, Akshay A. Pandya,Gaurang K. Sharma, Ashish R.Patel, “Power Transformer Core Behavior Diagnosis Using Sweep Frequency Response Analysis”, National Conference on Recent Trends in Engineering & Technology.

[7] FRA5310 brochure, Haefely Test AG.

 

 

 

 

CÂU HỎI VÀ GIẢI ĐÁP

 

Câu hỏi 1: Điện áp thử nghiệm lớn nhất và dải tần số phù hợp cho phép thử nghiệm SFRA là bao nhiêu?

Trả lời: Thông thường, trục hoành của đồ thị sẽ được chia theo logarit cơ số 10 của tần số, do khi chia tỉ lệ ở dạng này sẽ cho biễu diễn tần số ở một dải rộng hơn rất nhiều so với kiểu chia tỉ lệ tuyến tính. Tần số thường được chọn trong dải từ 10Hz đến 1MHz hoặc 10MHz, nếu rộng quá thì phép đo sẽ chịu nhiều ảnh hưởng của nhiễu cao tần nên không cần thiết.

 

Câu hỏi 2: Tại sao trong đồ thị đáp ứng, ở vùng tần số thấp, pha B thường có dạng chữ “V” mà không phải là “W” như hai pha A và C?

Trả lời: Vấn đề này liên quan đến cấu trúc mạch từ của máy biến áp, giả sử máy biến áp gồm 3 pha như hình vẽ:

Mạch từ thông là khép kín và có cấu trúc đối xứng, nhưng không thể loại bỏ được từ thông tản ra ngoài không khí và tản ra ngoài vỏ máy nên dòng từ thông chảy qua hai cuộn dây ở bên ngoài là khác so với cuộn dây ở giữa. Đối với cuộn dây ở giữa (pha B) từ thông chảy qua 2 pha còn lại trên những quãng đường là như nhau (độ dài mạch từ là bằng nhau) nên chỉ có một điểm resonance (hình chữ “V”), ngược lại nếu từ thông đi theo 2 con đường với độ dài khác nhau thì sẽ có 2 điểm resonance (pha A và pha C hình chữ “W”).

 

Câu hỏi 3: Trên một đồ thị, nên để tối đa bao nhiêu đường cong để phân tích là hợp lý?

Trả lời: Việc so sánh giữa các đường cong luôn được thực hiện bằng mắt, vì vậy tất cả các đường cong này đều được vẽ trên cùng một đồ thị để tiện cho việc so sánh và truy nhập dữ liệu. Theo kinh nghiệm thì tối đa chỉ nên để 6 đường, các file dữ liệu thường được lưu trữ dưới dạng XML hoặc CSV là những định dạng phổ biến cho việc phân tích. Như hình vẽ phía dưới là 9 đường cong được vẽ cùng một lúc, gây sự khó chịu và khó khăn cho người phân tích.

 

Câu hỏi 4: Làm thế nào để có một phép đo chính xác và ổn định?

Trả lời: Dưới đây là một vài lời khuyên:

  • Luôn luôn thực hiện các phép đo ở cùng một dải tần số.
  • Thực hiện các phép đo ở cùng một điều kiện để có được kết quả đo đáng tin cậy.
  • Để bao phủ toàn bộ dải tần số cần quét, nên thực hiện nhiều lần quét và sử dụng chức năng logarit để giảm số lần quét.
  • Chỉnh độ dải thông BW bé hơn 10% tần số đo lớn nhất.
  • Sử dụng cáp đo ngắn nhất có thể. Nhìn vào sơ đồ cấu trúc của mạch đo:

Ta có hàm truyền đạt đo được là một hàm liên quan đến cấu trúc bên trong máy biến áp và điện trở của dây dẫn thiết bị đo => bị ảnh hưởng bởi điện trở dây dẫn.

Cùng một thiết bị-một đối tượng nhưng sử dụng 9 loại cáp đo khác nhau.

  • Các khớp nối phải chắc chắn và sạch sẽ, nhằm hạn chế điện trở tiếp xúc và nhiễu đo.
  • Máy biến áp phải được cách ly hoàn toàn khỏi hệ thống điện, trừ nối đất.
  • Khử từ trước khi đo, nên thực hiện các phép đo điện trở một chiều và tỉ số biến sau phép đo SFRA.
  • Nên lưu trữ các dữ liệu tham chiếu về máy biến áp bằng cách đo đạc khi nó ở trạng thái tốt nhất, hoặc lấy từ nhà sản xuất để phục vụ công tác kiểm tra về sau.

Hình minh họa cho lỗi xảy ra trong phép đo.

 

Câu hỏi 5: Dùng phép đo ngắn mạch và hở mạch trong trường hợp nào?

Trả lời: Phép đo hở mạch thường chịu ảnh hưởng của mạch từ, nhưng đây là phép đo có lợi nhất cho việc phân tích cấu trúc các cuộn dây riêng rẽ từng pha một.

Phép đo ngắn mạch thực hiện nhằm loại bỏ ảnh hưởng của lõi từ bằng cách ngắn mạch các pha còn lại, thường sử dụng để so sánh trực tiếp 3 pha của máy biến áp với nhau, nó cung cấp nhiều thông tin về việc rò rỉ điện kháng của máy biến áp.

 

Câu hỏi 6: Độ phân giải phép đo là gì? Giả sử FRA5310 có số điểm đo tối đa là 2000 điểm, tần số lớn nhất là 10MHz, và bước tần số λ là đều nhau thì ta có Vậy nếu muốn đo trong dải tần từ 10Hz đến 10MHz thì liệu thiết bị này có quét được hết các điểm nghi vấn xảy ra ở giữa hai điểm đo hay không?