ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ VĂN HẢI XÂY DỰNG CÂY LỖI VÀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TIỀM ẨN TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC Chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số 8520216[.]
Trang 1LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN KIM ÁNH
Đà Nẵng - Năm 2018
Trang 2LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đề tài Xây dựng cây lỗi và ứng dụng logic mờ để chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong máy biến áp lực là công trình nghiên cứu của riêng tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác
Người cam đoan
Võ Văn Hải
Trang 3
MỤC LỤC
TRANG BÌA
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ LUẬN VĂN 1
1.1 Đặt vấn đề 1
1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1
1.3 Mục đích nghiên cứu 2
1.4 Phương pháp nghiên cứu 2
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2
CHƯƠNG 2 - XÂY DỰNG CÂY LỖI CHO MÁY BIẾN ÁP LỰC 4
2.1 Giới thiệu 4
2.2 Cơ sở kỹ thuật xây dựng cây lỗi 4
2.2.1 Cấu tạo MBA 4
2.2.2 Các thông số kỹ thuật 5
2.3.3 Các phương pháp thí nghiệm để xác định lỗi MBA 6
2.3 Xây dựng cây lỗi cho MBA lực 10
2.3.1 Gông từ 10
2.3.2 Cuộn dây 11
2.3.3 Vỏ máy 12
2.3.4 Vật liệu cách điện - cách điện rắn 13
2.3.5 Sứ cách điện 15
2.3.6 Bộ chỉnh nấc áp phân áp 15
2.4 Kết luận 16
CHƯƠNG 3- TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN LỖI MÁY BIẾN ÁP DỰA VÀO KỸ THUẬT PHÂN TÍCH MẪU DẦU 17
3.1 Giới thiệu 17
3.2 Tổng quan về dầu MBA 18
3.3 Đặc tính lý hóa và quá trình phân hủy khi hoạt động của MBA dưới tác dụng của nhiệt và điện 21
3.4 Mối tương quan giữa lỗi MBA và các khí phân tích được 22
3.5 Sự ra đời của phương pháp DGA và các quy tắc chẩn đoán lỗi MBA 24
Trang 43.5.1 Luật chẩn đoán của Dornenurg 25
3.5.2 Luật chẩn đoán của Goger và bản sửa đổi 26
3.5.3 Luật chẩn đoán theo tiêu chuẩn IEC 60599 và bản sửa đổi 27
3.5.4 Luật chẩn đoán bằng các khí đặc trưng (khí khóa) 28
3.5.5 Luật chẩn đoán JICA 29
3.5.6 Luật chẩn đoán EPS.Wang 29
3.5.7 Luật chẩn đoán của Viện Năng lượng Nga 30
3.5.8 Luật chẩn đoán tam giác Duval 32
3.6 Kết luận 34
CHƯƠNG 4 - ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TIỀM ẨN MÁY BIẾN ÁP LỰC 35
4.1 Cơ sở lý thuyết logic mờ 35
4.1.1 Định nghĩa tập mờ 35
4.1.2 Một vài dạng hàm liên thuộc thường được sử dụng 36
4.1.3 Mô hình mờ cho đối tượng, mô hình Mamdani và mô hình Sugeno 37
4.2 Nền tản của tiêu chuẩn IEC 60599 50
4.3 Xây dựng logic mờ dựa trên nền tản tiêu chuẩn IEC 60599 53
4.3.1 Giới thiệu logic thông minh và ưu điểm của logic mờ 53
4.3.2 Chọn mô hình mờ 53
4.3.3 Xây dựng các hàm liên thuộc cho đầu vào và đầu ra 53
4.3.4 Các qui tắc mờ 57
4.4 Ứng dụng công cụ Matlab để xây dựng chương trình chẩn đoán 60
4.5 Kết quả chẩn đoán 63
4.5.1 Chẩn đoán trên dữ liệu thu thập được từ tài liệu tham khảo 63
4.5.2 Chẩn đoán trên dữ liệu thực 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC
Ế Đ NH GIAO ĐỀ ÀI L ẬN VĂN HẠC SĨ (BẢN SAO)
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN
Trang 5TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH
XÂY DỰNG CÂY LỖI VÀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ CHẨN ĐOÁN SỰ
CỐ TIỀM ẨN TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC
Học viên: Võ Văn Hải Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển-tự động hóa
Mã số: 8520216 Khóa: K34 ĐH Ng rường Đại học Bách khoa-ĐHĐN
Tóm tắt Máy biến áp là một trong những phần tử quan trọng nhất của hệ thống truyền
dẫn và phân phối điện năng kể từ nguồn phát đến phụ tải Đối với một phụ tải công nghiệp, máy biến áp nguồn là một mắc xích cực kỳ quan trọng và có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc bình thường và tin cậy của của toàn bộ hệ thống cung cấp điện Khi hoạt động với các môi trường vận hành khác nhau, đặc tính phụ tải và chế độ bảo dưỡng khác nhau sẽ dẫn đến những cơ chế suy thoái và hỏng hóc của máy cũng sẽ rất khác nhau Do đây là đối tượng có cấu trúc phức tạp nên chúng phải được giám sát, kiểm soát, chẩn đoán lỗi và đề xuất các giải pháp phòng ngừa cần thiết
Xuất phát từ thực tế đó, luận văn “Xây dựng cây lỗi và ứng dụng logic mờ để chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong máy biến áp lực” này thực hiện hai vấn đề: (i) nghiên cứu xây dựng cây lỗi để chỉ ra tất cả các lỗi xảy ra và nguyên nhân gốc rễ của nó, trên tất cả các cấu tử bên trong và bên ngoài máy biến áp, sự tác động của lỗi đến các phần tử khác, (ii) ứng dụng logic
mờ trong việc chẩn đoán, đánh giá tình trạng và phân loại lỗi tiềm ẩn xảy ra đối với máy biến
áp lực thông qua phân tích mẫu dầu
Từ khóa – Cây lỗi máy biến áp; DGA máy biến áp, chẩn đoán sự cố tiềm ẩn máy biến
áp lực, bảo dưỡng RCM, logic mờ
BUILDING ERROR AND APPLICATION OF LOGIC FREQUENCY TO
DIAGNOSTIC CORRUPTION IN PRESSURE TRANSFORMERS
Abstract Transformer is a importation equipment in electrical power system from
generate to load It is dependence on working environment and the strategy maintenance, the degenerate of transformers is diffidence Fault detection and diagnosis of the running transformer is a key channel to improve the safety and power supply reliability of power system
This thesis is about fault free analysis and fuzzy logic application in DGA to diagnosis
of power transformer Fault tree analysis is an important method of fault diagnosis of power transformer It is a special logical causal diagram, and it analysis from the whole to the local level like a inverted tree The main purpose to construct fault tree of power transformer is analysis the proportion of each part step by step by expression such as event code and logic gate symbols And then the technology or management tools can be put forward to management fault hidden troubles
Dissolved gas analysis of transformer oil has been one of the most reliable techniques to detect the incipient faults Many conventional DGA methods have been developed to interpret
Trang 6the world, they sometimes fail to diagnose, especially when DGA results falls outside conventional methods codes or when more than one fault exist in transformer To overcome these limitations, fuzzy inference system (FIS) is proposed The accuracy of various DGA methods in interpreting the transformer condition is improved
Key words – fault free power transformer; Diagnosis of power transformer faults on
fuzzy; Fuzzy Logic Application in DGA Methods; fault free analysis ; fuzzy logic; Ratio
methods
Trang 7DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắtGiải thích
DGA Dissolved Gas-in_oil Analysis Phân tích khí hòa tan trong dầu
NR Normal condition Điều kiện bình thường
OH OverHeating uá nhiệt độ
OHO OverHeating of Oil uá nhiệt độ dầu
CD Cellulose Degradation Suy giảm cách điện của cellulose OHC OverHeating of Cellulose uá nhiệt của cellulose
PD Partial discharge Phóng điện cục bộ
LEDA Low Energy discharge Phóng điện năng lượng thấp HEDA High Energy Discharge Phóng điện năng lượng cao H2 Hydrogen
O2/N2 Oxygen / Nitrogen
TDCG Total Dissolved Combustible Gases Tổng hợp các lượng khí hòa tan
TCG Total Combustible Gases Tổng hợp 1 lượng khí hòa tan
trong dầu TDHG Total Dissolved Hydrocarbon Gases Tổng hợp lượng khí
Hydrocarbon L1 Critical gas-in-oil levels for
abnormal screening
Lượng khí trong dầu nằm ngoài giới hạn quy định
Trang 8AE Acoustic Emission Tiếng kêu bất thường
DP Degree of Polymerization Mức độ hóa dầu
IFT InterFacial Tension So cuộn dây
IR Insulation Resistance Cách điện kháng
KOH: KOH: acid number Hàm lượng axít
OLTC Load Tap Changer Bộ điều áp dưới tải
PD Partial Discharge Phóng điện cục bộ
PF Power Factor Hệ số công xuất
IP Polarization Index Chỉ số phân cực “trong vật liệu
cách điện”
SFL Oxidation stability Độ ổn định oxi hóa
IFID InFormative InDex Chỉ số thông tin
TA Test Accuracy Kiểm tra cấp chính xác
Trang 9DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Phương pháp hệ số tỉ lệ Dornenburg 25
Bảng 3.2 Giá trị giới hạn L1 của Dornenburg 25
Bảng 3.3 Phương pháp Goger sửa đổi 27
Bảng 3.4 Các qui luật chẩn đoán theo phương pháp Roger sửa đổi 27
Bảng 3.5 Các mã tỷ số theo IEC 60599 28
Bảng 3.6 Mô tả sự cố theo mã tỷ số 28
Bảng 3.7 Phương pháp chẩn đoán theo phương pháp khí đặc trưng (khí khóa) 29
Bảng 3.8 Độ nhạy ngưỡng các khí 31
Bảng 3.9 Giới hạn và tốc độ sinh khí trong một tháng 32
Bảng 3.10 Bảng qui luật chẩn đoán dựa vào tam giác Duval 33
Bảng 4.1 Mã R1, R2, R3 dựa theo tiêu chuẩn IEC 60599 52
Bảng 4.2 Phân chia lỗi theo các mã R1, R2, R3 52
Bảng 4.3 So sánh kết quả các phương pháp 63
Trang 10DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1 Cấu tạo MBA 5
Hình 2.2 Cây lỗi MBA lực dựa trên các phần tử cấu thành 10
Hình 2.3 Cây lỗi của lõi từ 11
Hình 2.4 Cây lỗi cuộn dây 11
Hình 2.5 Cây lỗi vỏ máy biến áp 12
Hình 2.7 Cây lỗi cách điện rắn 13
Hình 2.8 Cây lỗi hệ thống làm mát và dầu cách điện 14
Hình 2.9 Cây lỗi sứ cách điện 15
Hình 2.10 Cây lỗi bộ chuyển nấc phân áp 16
Hình 3.1 Lưu đồ phân tích hiện tượng, nguyên nhân, phương pháp để chẩn đoán 18
Hình 3.2 Dầu cách điện của hãng NYNAS 19
Hình 3.3 Sự sinh khí trong dầu khi nhiệt độ thay đổi 22
Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa lỗi MBA và các khí phát sinh 23
Hình 3.5 Thuật toán Phương pháp Dornenurg [3] 26
Hình 3.6 Thuật toán phương pháp EPS.Wang [3] 30
Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán chẩn đoán của Viện Năng lượng Nga 31
Hình 3.8 Luật chẩn đoán theo tam giác Duval 32
Hình 4.1 Sơ đồ khối chức năng của bộ logic mờ 37
Hình 4.2 Hàm liên thuộc của luật hợp thành 40
Hình 4.3 Giải mờ bằng phương pháp cực đại 43
Hình 4.4 Giải mờ theo nguyên lý trung bình 43
Hình 4.5 Giải mờ theo nguyên lý cận trái 44
Hình 4.6 Giải mờ theo nguyên lý cận phải 44
Hình 4.7 Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm 45
Hình 4.9 Lưu đồ phân chẩn đoán theo phương pháp IEC 60599 51
Hình 4.10 Hàm liên thuộc của R1 54
Hình 4.11 Hàm liên thuộc của R2 55
Hình 4.12 Hàm liên thuộc của R3 56
Hình 4.13 Gọi cửa sổ thiết kế FIS từ lệnh fuzzy từ Matlab 60
Hình 4.14 Xây dựng các hàm liên thuộc cho đầu vào ra trên Matlab 61
Hình 4.15 Xây dựng logic mờ trên matlab 61
Hình 4.16 kiểm tra kết quả của bộ logic mờ 62
Hình 4.17 Luật mờ bằng không gian 62
Hình 4.18 Sơ đồ simulink để chẩn đoán 63
Trang 11Hình 4.19 Trích biên bản thí nghiệm dầu cách điện 64 Hình 4.20 Kết quả chẩn đoán với các bộ logic mờ và tiêu chuẩn IEC-60599 64 Hình 4.21 Kết quả chẩn đoán của bộ logic mờ 12 qui tắc 65
Trang 12Chương 1- TỔNG QUAN VỀ LUẬN VĂN
1.1 Đặt vấn đềMáy biến áp (MBA) là một trong những phần tử quan trọng nhất của hệ thống truyền dẫn và phân phối điện năng kể từ nguồn phát đến phụ tải Đối với một phụ tải công nghiệp, MBA nguồn là một mắc xích cực kỳ quan trọng và có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc bình thường và tin cậy của của toàn bộ hệ thống Do đó, chiến lược bảo dưỡng phòng ngừa cho MBA lực dựa trên tình trạng hay dựa trên những thông tin
dự báo để cải thiện độ tin cậy và tính sẵn sàng của hệ thống hiện được quan tâm một cách đặc biệt ở hầu hết các nhà máy
Cho ví dụ một trường hợp cụ thể tại nhà máy lọc dầu Dung Quất, trong hơn 10 năm vận hành vừa qua, việc bảo dưỡng thuần túy hoàn toàn dựa kinh nghiệm và theo khuyến cáo của nhà sản xuất Chúng ta biết rằng, cơ chế suy thoái, lỗi, hư hỏng của một thiết bị có tính chất ngẫu nhiên Do đó, các quyết định bảo trì chỉ dựa theo kinh nghiệm hoặc theo thời gian sử dụng là mù mờ, có thể dẫn đến những lãng phí do: thay sớm một thiết bị, hoặc những hỏng hóc đột ngột dẫn đến dừng hệ thống trong một thời gian dài (do không kịp chuẩn bị phụ tùng thay thế)
rong trường hợp của MBA lực khi hoạt động với các môi trường vận hành khác nhau, đặc tính phụ tải và chế độ bảo dưỡng khác nhau sẽ dẫn đến những cơ chế suy thoái và hỏng hóc cũng sẽ rất khác nhau MBA là đối tượng có cấu trúc phức tạp nên giám sát tình trạng để chẩn đoán lỗi và đề xuất các giải pháp kiểm soát là rất cần thiết
Xuất phát từ thực tế này, trong luận văn này thực hiện hai vấn đề: (i) nghiên cứu xây dựng cây lỗi để chỉ ra tất cả các lỗi xảy ra và nguyên nhân gốc rễ xảy ra một lỗi nào đó trên tất cả các cấu tử bên trong và bên ngoài MBA, (ii) phân tích mẫu dầu
để đánh giá tình trạng và phân loại lỗi có thể xảy ra đối với MBA lực Đây là một phần việc quan trọng trong công tác bảo trì bảo dưỡng thường xuyên của nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất
1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong
phạmvi của đề tài này, nghiên cứu được thực hiện đối với
MBA lựclàm mát bằng dầu khoán (mineral oil) Cụ thể:
Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc và nghiên cứu tổng quan về lỗi có thể
có để xây dựng cây lỗi;
Trang 13Khảo sát tất cả các phương pháp đã được thực hiện để chẩn đoán MBA thông qua phân tích khí hòa tan trong dầu cách điện và thường được gọi là phương pháp DGA (Dissolved Gas-in_oil Analysis);
Nghiên cứu, ứng dụng logic mờ, để nâng cao độ chính xác trong công tác chẩn đoán lỗi MBA thông qua phân tích mẫu dầu
1.3 Mục đích nghiên cứu
Luận văn nhắm đến thực hiện hai vấn đề chính như sau:
Xây dựng cây lỗi cho MBA lực để chỉ ra tất cả các lỗi xảy ra và nguyên nhân gốc rễ xảy ra một lỗi nào đó trên tất cả các cấu tử bên trong và bên ngoài MBA Ứng dụng logic mờ trong việc chẩn đoán sớm sự cố đối với MBA lực với độ chính xác cao nhằm ứng dụng vào việc chuẩn bị công tác hậu cần và bảo trì thường xuyên của Công ty lọc hóa dầu Bình Sơn
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Tìm kiếm các công việc đã được thực hiện dựa vào tất cả các nguồn tài nguyên
có thể có như sách, luận văn, luận án và các bài báo đã được công bố để:
Nghiên cứu xây dựng cây lỗi của MBA lực;
Khảo sát các phép thí nghiệm để xác định từng loại lỗi của cây lỗi MBA;
Nghiên cứu đặc tính hóa lý của dầu cách điện MBA, cơ chế hoạt động cũng như
sự phân hủy trong quá trình làm việc cũng như các ứng dụng trong việc chẩn đoán;
Nghiên cứu áp dụng công cụ phù hợp để cải thiện độ chính xác của các nghiên cứu trước đây trong việc chẩn đoán và phân tích mẫu dầu;
Xây dựng thuật toán, sử dụng phần mềm Matlab-Simulinkđể mô phỏng
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Tại nhà máy lọc dầu Dung Quất hiện có hơn 109 MBA lực để phân phối điện đến tất cả các phân xưởng sản xuất Với vai trò là thiết bị đầu tuyến nên các máy này phải được chẩn đoán định kỳ và bảo dưỡng thường xuyên nhằm duy trì độ tin cậy và khả năng cung cấp điện liên tục Trong suốt thời gian kể từ khi nhà máy đi vào vận hành cho đến thời điểm hiện tại, có hai vấn đề lớn cần phải được nghiên cứu và đề xuất hướng giải quyết càng sớm càng tốt đó là:
- Xây dựng cây lỗi MBA lực nhằm mục đích xác định và đánh giá sự tác động lẫn nhau của các phần tử cấu thành MBA lực đến quá trình hình thành lỗi Điều này cho phép bộ phận bảo trì phân tích và phân loại lỗi đến từ nguyên nhân nào và cuối cùng là chuẩn bị vật tư thay thế cũng như xây dựng kế hoạch can thiệp hợp lý
Trang 14- Trong tất cả các phương pháp thông qua thí nghiệm để chẩn đoán lỗi MBA, ngoài việc đo phóng điện cục bộ thì chỉ có phương pháp DGA là cho phép thực hiện trực tiếp
(online) không cần cắt điện Đồng thời, phương pháp này cũng cho chúng ta chẩn đoán
được nhiều lỗi mà các phương pháp khác không có được [17]
Ngày nay, với các công cụ kỹ thuật hiện đại cho phép phân tích mẫu dầu được thực hiện online ngay tại hiện trường Tốc độ sinh khí là tham số chứa đựng thông tin rất có giá trị phục vụ cho việc đánh giá mức độ suy thoái của MBA [20,21]
hông thường, việc chẩn đoán lỗi của MBA bằng phương pháp DGA được áp dụng thuần túy dựa theo tiêu chuẩn IEC 60599 [6,7,8] Điều này nổi lên vấn đề là những mẫu dầu chứa đựng thông tin của vài nguyên nhân sự cố cùng một lúc, mẫu dầu
có giá trị phân tích nằm ngoài các biên giới hạn thì tiêu chuẩn IEC chưa đưa ra được kết luận Chính vì vậy, công việc thứ hai của luận văn này là tập trung nghiên cứu để
đề xuất cải tiến thuật toán chẩn đoán lỗi dựa trên việc phân tích mẫu dầu Mục đích cuối cùng là để ứng dụng vào công tác bảo trì, nâng cao độ tin cậy và cải thiện hơn nữa hiệu quả sản xuất kinh doanh của tổ hợp lọc hóa dầu Bình Sơn
Trang 15Chương 2 - XÂY DỰNG CÂY LỖI CHO MÁY BIẾN ÁP LỰC
2.1 Giới thiệuCây lỗi của MBA được mô tả bằng cây biểu thị quan hệ nguyên nhân và kết quả giữa các dạng lỗi trong thiết bị, giữa các lỗi ở mức độ nghiêm trọng MBA và các lỗi ở mức độ thành phần và được biểu diễn như một cây thư mục Cây lỗi mô tả quan hệ logic giữa các phần tử hay giữa các phần tử và từng mảng của thiết bị; giữa các lỗi cơ bản và lỗi hệ thống Phương pháp cây lỗi là phương pháp rất hiệu quả để nghiên cứu
độ tin cậy của các hệ thống công nghiệp [18]
Đối với MBA, cây lỗi được xây dựng nhằm mục đích thể hiện sự tương tác lỗi của các phần tử trong MBA Đây là cơ sở để người vận hành ngăn ngừa hoặc xử lý nhanh sự cố ngay khi lỗi mới xuất hiện
2.2 Cơ sở kỹ thuật xây dựng cây lỗi
Cây lỗi của MBA được nghiên cứu xây dựng dựa trên các cơ sở sau:
Cấu tạo MBA;
Kinh nghiệm vận hành, bảo dưỡng, thí nghiệm MBA lực;
Tham khảo ý kiến các chuyên gia MBA hoặc tham khảo qua tài liệu nhà sản xuất MBA
Để xây dựng cây lỗi MBA cần dựa vào cấu tạo MBA và trả lời các câu hỏi như sau [11]:
a Thiết bị gồm những thành phần nào? Chức năng của nó là gì ?
b Những sự cố có thể xảy ra đối với thành phần đó?
c Những hậu quả có thể xảy ra khi sự cố này là gì?
d Có thể làm gì để giảm xác suất sự cố, xác định sự khởi đầu của sự cố hoặc giảm hậu quả của sự cố? Tăng cường hoặc giảm bảo dưỡng, kiểm tra định kỳ, tìm kiếm phương pháp kiểm tra, kiểm soát lỗi, chuẩn bị phương án vật tư, dụng cụ thay thế?
2.2.1 Cấu tạo MBA
MBA được cấu tạo từ các thành phần cơ bản như trong Hình 2.1, bao gồm 2 phần chính là lõi từ và cuộn dây Ngoài ra còn các cấu tử như sứ cách điện, biến dòng điện, các đầu nối, bộ phận chuyển nấc phân áp, cách điện rắn, cách điện lỏng (dầu làm mát và dầu cách điện), vỏ máy, cánh tản nhiệt, bình dầu phụ, đồng hồ hiển thị nhiệt độ cuộn dây, đồng hồ hiển thị nhiệt độ dầu, rơ le áp suất, rơ le hơi, chỉ thị mức dầu
Lõi từ: chức năng chính từ là dẫn từ;
Cuộn dây: Chức năng chính là dẫn dòng điện;
Trang 16Vỏ MBA: chức năng chính là chứa cuộn cuộn dây, lõi từ, dầu hoặc không khí làm mát, các phần khác như biến dòng, biến điện áp, thiết bị bảo vệ, thiết bị đo lường, đồng hồ nhiệt độ
Hình 2.1 Cấu tạo MBA
2.2.2 Các thông số kỹ thuật
Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy biến áp như sau:
Công suất định mức: Là công suất biểu kiến (công suất toàn phần) đưa ra từ phía thứ cấp của máy biến áp, Ký hiệu đ và đơn vị tính: kVA (hay VA) Điện áp định mức:
Điện áp sơ cấp định mức: là điện áp của cuộn dây sơ cấp, ký hiệu đ và đơn vị tính kV (hay V)
Điện áp thứ cấp định mức: là điện áp của dây quấn thứ cấp khi MBA không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức, ký hiệu đ , đơn vị tính kV (hay V)
Dòng điện định mức sơ cấp và thứ cấp: Là những dòng điện của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức
Ký hiệu: I1đm, I2đm,
Đơn vị tính: (hay A)
Sứ
CTs
Đầu nối Chuyển nấc phân áp Cách điện
Trang 17 Ba giá trị điện áp ngắn mạch với 3 cặp cuộn dây: Cao – Hạ; Cao – Trung; Trung – Hạ
Điện áp ngắn mạch tính theo % (Uk %)
Dòng điện không tải I0 (A): Dòng điện không tải là giá trị hiệu dụng của dòng điện đi qua cuộn dây, khi điện áp điện áp đặt vào cuộn dây đó là định mức với tần số định mức còn các cuộn dây khác để hở mạch, dòng điện này còn gọi là dòng từ hoá
Tổn hao không tải: Là công suất tác dụng bị hấp thụ khi không tải đi qua cuộn dây.Tổn hao này còn gọi là tổn hao sắt Đơn vị (kW) ký hiệu P0
Tổn hao ngắn mạch: Là phần công suất tác dụng bị hấp thụ trong dây quấn MBA khi có dòng tải đi qua cuộn dây Khi có dòng điện định mức đi qua các cực dây của một trong các cuộn dây, còn các cực của cuộn dây kia nối tắt lại Nếu có các cuộn dây khác thì các cuộn dây này để hở mạch (IEC.76.1)
Ký hiệu: Pn,
Đơn vị tính: W (hay kW)
Tổ đấu dây: Là góc lệch pha của điện áp dây sơ cấp và thứ cấp, có 12 tổ dấu dây, các cuộn dây có thể nối với nhau hay Δ
2.3.3 Các phương pháp thí nghiệm để xác định lỗi MBA
Thí nghiệm, kiểm tra nhằm mục đích phát hiện những hư hỏng bất thường MBA, bao gồm thí nghiệm định kỳ và thí nghiệm MBA mới trước khi đưa vào vận hành với các hạng mục đủ để kết luận tình trạng MBA [17]
a) Kiểm tra tổng thể bên ngoài
Kiểm tra tổng thể bên ngoài là công việc đơn giản nhất nhằm phát hiện các lỗi
có thể quan sát được bằng mắt thường Các hỏng hóc có thể phát hiện là:
Sứ không bị sứt mẻ;
Gioăng không dò dầu, hạt chống ẩm không đổi màu;
Hệ thống quạt gió tốt, mức dầu đủ;
Các chi tiết được lắp đặt đúng thiết kế Các thông số của máy biến áp ph hợp với tài liệu;
Hệ thống tiếp địa tốt;
Vỏ máy không bị rỉ, biến dạng
Trang 18b) Thí nghiệm không tải
Mục đích là để xác định tình trạng cuộn dây và lõi th p có bị chạm chập, xê dịch hoặc mạch từ bị xô, bu lông không ép chặt, chất lượng lõi thép xấu Thí nghiệm không tải là hạng mục kiểm tra đầu tiên trước khi tiến hành thí nghiệm các hạng mục
để tránh từ dư trong mạch từ khi nạp dòng điện một chiều
c) Đo điện trở cách điện và hệ số hấp thụ cuộn dây MBA
Đây là chỉ tiêu để đánh giá tình trạng cách điện của các cuộn dây thông qua trị
số của điện trở đo được tại 60 giây (R60’) và 15 giây (R15’) Giá trị điện trở phải đáp ứng được với cấp điện áp mà nó làm việc Giá trị điện trở cách điện yêu cầu phụ thuộc vào thông số của nhà chế tạo:
Với thiết bị d ng để đo điện trở cách điện dùng mêgôm 2500V hoặc 5000V Các cuộn dây được nối tắt và nối đất ít nhất 5 phút để phóng hết điện tích gây sai số đo
Đo điện trở cách giữa các cuôn dây với nhau, giữa các cuộn dây với vỏ, và nối
vỏ với đất
Kết quả đo tại thời điểm R15’ và R60’ kể từ thời điểm đặt điện áp đo phải đảm bảo
Hệ số hấp thụ: Kht = R60’ /R15’ 1.3
d) Đo điện trở một chiều các cuộn dây
Mục đích đo điện trở một chiều các cuộn dây là:
Xác định tình trạng nguyên vẹn của cuộn dây, tiếp xúc mối hàn, mối nối, tiếp xúc các dao lựa chọn của bộ chuyển nấc
uá trình thực hiện ph p đo được tiến hành ở tất cả các cuộn dây cao áp, trung
áp, hạ áp và ở các nhánh của cuộn dây, ở tất cả các pha
Với MBA có các thiết bị chuyển mạch ta phải đo ở tất cả các nấc
Kết quả đo cho ta biết được các đầu phân nhánh đưa ra có đúng hay không Trị số điện trở một chiều sau khi đo được so sánh với lý lịch nhà máy và so sánh giữa các pha với nhau trong cùng một nấc không được lệch quá 2 Khi đo ở nhiệt độ khác với lần đo trước và khác với số hiệu chỉnh của nhà máy ta phải quy đổi
về cùng nhiệt độ
e) Kiểm tra tỷ số biến áp
Mục đích là để xác định số vòng quấn của cuộn dây ở tất cả các nấc phân áp Kết hợp với các chỉ tiêu khác xác định chạm chập vòng dây Xác định điện áp cuộn cao áp và cuộn hạ áp Điện áp đưa vào đo tỷ số biến không được nhỏ hơn 1 điện áp định mức Tỷ số biến được ph p so sánh các pha với nhau ở cùng một nấc hoặc so
Trang 19sánh với số liệu đo lần trước của nấc đó ở từng pha với nhau, sự sai lệch không được quá 2
f) Kiểm tra tổ nối dây
Tổ nối dây là góc lệch pha giữa điện áp dây (hoặc điện áp pha) cuộn dây bên cao áp so với điện áp dây (điện áp pha) cuộn dây bên hạ áp cùng tên Tổ đấu dây của MBA là một trong những điều kiện đưa MBA vào vận hành song song Ngoài xác định
tổ đấu dây có đúng với ký hiệu ghi trên mác máy hay không, việc xác định tổ đấu dây còn làm cơ sở cho việc đấu đúng sơ đồ bảo vệ máy biến áp
g) Thí nghiệm dầu cách điện
Nhiệm vụ của dầu trong MBA là cách điện và làm mát hí nghiệm dầu MBA
để đảm bảo vận hành an toàn, chất lượng của dầu thông qua các hạng mục thí nghiệm, phân tích dầu Đo điện áp phóng điện đánh thủng, đo góc tổn hao điện môi ở 900C
h) Thử nghiệm điện môi bằng điện áp tăng cao tần số công nghiệp
Mục đích là đưa điện áp xoay chiều tăng cao tần số công nghiệp trong thời gian một phút để kiểm tra mức chịu đựng quá điện áp tạm thời tần số công nghiệp của cách điện các cuộn dây với nhau, các bộ phận cách điện của cuộn dây với lõi thép và nối đất
để xác định chất lượng cách điện của MBA
i) Quét đáp ứng tần số
Ph p đo tổng thể để đánh giá sự nguyên vẹn cơ khí của cuộn dây, mạch từ, gông từ của MBA và các thay đổi điện dung, điện kháng bên trong MBA Đo đáp ứng tần số quét (lấy dấu vân tay) cho tất cả các MBA để đánh giá tình trạng cơ khí bên trong MBA, đo khi có ngắn mạch gần MBA hoặc sau khi nghi ngờ có chấn động cơ khí đến MBA
j) Đo phóng điện cục bộ
D ng phương pháp sóng âm theo IEEE C57.127 và phương pháp điện theo IEC
60270 nhằm phát hiện tần suất và mật độ phóng điện cục bộ, định vị vị trí điểm phóng điện cục bộ, đo khi có DGA nghiêm trọng, hoặc sau một bất thường trong MBA (ngắn mạch gần, relay so lệch tác động) Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là nhiễu
và trong môi trường công nghiệp thì nhiễu rất lớn ảnh hưởng từ các quá trình công nghệ
k) Kiểm tra nhiệt độ
Kiểm tra nhiệt độ cuộn dây, nhiệt độ dầu trong quá trình vận hành, theo dõi hàng tuần, tháng để biết đánh giá sự hoạt động bình thường MBA
Trang 20m) Thí nghiệm độ ẩm trong cách điện cứng
Mục đích thí nghiệm độ ẩm trong cách điện cứng là đánh giá chất lượng cách điện cứng thong qua hàm lượng độ ẩm bằng thiết bị đo chuyên dụng Cho phép không thực hiện hạng mục này khi độ ẩm trong dầu máy biến áp không vượt quá 10ppm, hạng mục này là bắt buộc đối với máy biến áp lắp mới hoặc sau đại tu Giá trị cho phép của độ ẩm trong cách điện cứng MBA mới và sau đại tu không vượt quá 2%, với máy biến áp trong vận hành không quá 4%
n) Thí nghiệm tổn thất ngắn mạch và điện áp ngắn mạch
Ph p đo thực hiện để xác định tổn thất ngắn mạch và điện áp ngắn mạch ở tần
số định mức và dòng điện định mức Đây là hạng mục thí nghiệm bắt buộc sau lắp mới
và đại tu Trong quá trình vận hành, chỉ thí nghiệm khi máy biến áp chịu dòng ngắn mạch quá 70 dòng điện tính toán Giá trị cho ph p không vượt quá 5% so với ghía trị ghi trên nhãn máy tại nấc chính
p) Thí nghiệm các thiết bị phụ trợ
Phần trên đây là giới thiệu một số phương pháp cơ bản trong chẩn đoán sự cố MBA lực, ngoài ra còn phải kể đến một số thí nghiệm các thiết bị phụ trợ máy biến áp như:
Đo điện trở cách điện và tổn hao điện môi sứ đầu ra của MBA có cách điện giấy dầu
Đo góc tổn hao điện môi phản ánh phẩm chất cách điện của cuộn dây
Thí nghiệm máy biến dòng lắp sẵn ở máy biến áp
Kiểm tra đồ thị vòng bộ điều chỉnh biến áp
MBA lực là một trong những thiết bị điện chính trong hệ thống điện, vì độ tin cậy cung cấp điện của nó liên quan trực tiếp đến độ tin cậy của cả hệ thống Trong khi
đó, MBA dễ rơi vào các trạng thái không bình thường, đặc biệt là các MBA có tuổi đời
từ 15 năm trở lên Nếu MBA vận hành ở trạng thái không bình thường k o dài thì tuổi thọ của MBA sẽ giảm và có khả năng xảy ra sự cố làm gián đoạn cung cấp điện Khi MBA lực bị sự cố, thiệt hại về kinh tế sẽ rất lớn, thậm chí có thể lên đến hàng triệu
SD đối với các MBA công suất lớn Để chẩn đoán các sự cố trong MBA lực có nhiều phương pháp khác nhau khi MBA on-line hoặc off-line Các thử nghiệm off-line như:
đo điện trở cách điện, hệ số tổn thất điện môi, độ phân cực mặt phân cách, tỉ lệ số vòng dây, điện trở cuộn dây, Các phương pháp on-line như: phân tích phổ âm thanh, phương pháp hồng ngoại, phương pháp DGA
Các phép thí nghiệm truyền thống cho chúng ta thấy rằng lỗi của máy biến áp đến từ tất cả các phần tử cấu tạo nên máy biến áp Cụ thể là cuộn dây và lõi thép (mục
Trang 21b, mục c và mục e, f), bộ chuyển nấc phân áp (mục d), sứ cách điện các phụ kiện bên ngoài (mục a), hệ thống làm mát và vỏ máy, roăng làm kín (mục a)
2.3 Xây dựng cây lỗi cho MBA lực
Cây lỗi MBA được chia thành các phần căn cứ vào cấu tạo MBA như cuộn dây (winding); lõi từ (core); bình chứa (tank); sứ cách điện (bushing); cách điện rắn (cellulose isolation) và hệ thống làm mát (cooler) và dầu cách điện, bộ chuyển nấc như Hình 2.2 [10] Các phần tử bảo vệ như rơ le hơi, van phòng nổ, biến dòng điện, biến điện áp, đồng hồ đo nhiệt độ dầu, nhiệt độ cuộn dây góp phần bảo vệ MBA hoạt động
an toàn nên không đưa vào cây lỗi
Hình 2.2 Cây lỗi MBA lực dựa trên các phần tử cấu thành
Cây lỗi máy biến áp tổng quát là hàm logic hoặc của bảy phần tử chính, hoặc bất kỳ trong số các phần tử đó bị lỗi cũng dẫn đến làm sự cố máy biến áp
2.3.1 Gông từ
Gông từ gồm các lá thép ghép với nhau thành hình trụ, trên đó quấn dây dẫn Chức năng chính là dẫn từ, do đó, mã lỗi (failure mode) của chức năng này là giảm hiệu suất MBA Nguyên nhân dẫn đến là do hỏng cơ khí qua quá trình lắp đặt, vận chuyển, hoặc máy biến áp chịu dòng ngắn mạch, một nguyên nhân khác đó là từ dư, vật liệu dẫn từ kém Cây lỗi của gong từ như hình 2.3
Trang 22Hình 2.3 Cây lỗi của lõi từ
2.3.2 Cuộn dây
Chức năng chính là dẫn dòng điện, đó là những vòng dây hoặc thanh dẫn quấn quanh trụ, gông từ, chịu tác động của nhiệt độ khi dẫn dòng và lực điện điện động khi ngắn mạch Lỗi của cuộn dây là do hỏng vật liệu và do hỏng cách điện rắn Cây lỗi cuộn dây như hình 2.4
Hình 2.4 Cây lỗi cuộn dây
Trang 23kiện dẫn đến là do hỏng cơ khí hoặc lỗi vật liệu Trong đó do va đập cơ khí chiếm
phần lớn như biến dạng do vận chuyển từ nơi sản xuất đến nơi lắp đặt, quá trình lắp
đặt, nâng hạ, các vật rắn va đập, hoặc do trong quá trình vận hành, máy biến áp bị
phóng điện, ngắn mạch mạch, quá dòng do sét lan truyền dẫn đến áp quá áp suất từ
bên trong Hỏng vỏ máy do vật liệu phải kể đến môi trường làm việc muối bám gây rỉ, vật liệu chế tạo các roăng làm kín không ph hợp gây rò rỉ dầu, hoặc roăng làm kín bị già hóa theo thời gian cũng gây rò rỉ dầu máy biến áp Cây lỗi vỏ máy biến áp như
hình 2.5
Hình 2.5 Cây lỗi vỏ máy biến áp
Trang 242.3.4 Vật liệu cách điện - cách điện rắn
Cách điện rắn cho cuộn dây, vật liệu chủ yếu là xenlulo, giấy cách điện Theo chức năng của cách điện thì lỗi được xác định là không đảm bảo cách điện giữa phần mang điện và phần không mang điện Lỗi chủ yếu do cơ khí và vật liệu Về cơ khí, trong quá trình vận chuyển máy biến áp từ nơi sản xuất đến nơi lắp đặt, sẽ có rung động mạnh, tạo nên các va đập, gây xô lệch, gây hỏng cách điện rắn, hoặc va đập do lực điện động khi vận hành Vật liệu, phải kể đến nóng cục bộ, độ ẩm bên trong, làm cho giấy cách điện dây quấn mất cách điện dẫn đến sự cố Dầu cách điện, vừa làm mát cho MBA vừa cách điện cho các phần mang điện với đất Lỗi theo chức năng, nguyên nhân theo hình thành như hình 2.7
Hình 2.7 Cây lỗi cách điện rắn
Trang 252.3.4 Hệ thống làm mát và dầu cách điện
Hệ thống làm mát bao gồm cánh tản nhiệt, dầu cách điện, quạt cưỡng bức, động
cơ k o quạt, hệ thống điều khiển quạt cưỡng bức Lỗi hệ thống làm mát tức là chức năng giải nhiệt cho máy biến áp không như thiết kế Quạt, hoặc động cơ bị hỏng, hệ thống điều khiển không hoạt động, dầu cách điện không đối lưu để dẫn và tản nhiệt, dầu cách điện không cách điện, dầu bị già hóa, chứa nhiều tạp chất, nước, cánh tản nhiệt bị bụi bẩn làm cho nhiệt độ không tản đi, cánh tản nhiệt chứa nhiều khuyết tật, móp méo, không kín, rò rỉ dầu Cây lỗi của hệ thống làm mát và dầu cách điện như hình 2.8
Hình 2.8 Cây lỗi hệ thống làm mát và dầu cách điện
Trang 262.3.5 Sứ cách điện
Chức năng sứ là cách điện giữa phần mang điện và phần vỏ, để đưa ty sứ xuyên qua mặt MBA ra ngoài Hỏng sứ cách điện dẫn đến phóng điện ra vỏ, nguyên nhân chính là vỡ sứ do va đập cơ khí, do lực điện động gây ra bởi ngắn mạch, do bụi muối bám dày cộng với độ ẩm cao Sứ còn chịu sức căng của cáp lực, cáp động lực giản nở theo nhiệt độ, kéo hoặc đẩy, chèn ép gây nên hỏng sứ Ngoài ra, sứ còn bị già hóa theo thời gian và theo môi trường làm việc, đặc biệt là sứ làm từ vật liệu cách điện polymer Một hỏng hóc khác cần phân tích là roăng làm kín của đế sứ, ty sứ hoặc vị trí xả khí bị già hóa, gây nên rò rỉ dầu, phóng điện Cây lỗi sứ cách điện được xây dựng như hình Hình 2.9
Hình 2.9 Cây lỗi sứ cách điện
2.3.6 Bộ chỉnh nấc áp phân áp
Chức năng chính của bộ chuyển nấc MBA là thay đổi đầu phân áp, tức thay đổi
tỷ số vòng dây, dẫn đến thay đổi tỷ số biến áp, để điều chỉnh điện áp hoạt động dưới sự thay đổi điện áp đầu vào, nhằm đảm bảo điện áp đầu ra theo yêu cầu của phụ tải
Trang 27Lỗi chức năng này sẽ dẫn đến MBA không thay đổi nấc phân áp được chia thành hai nhánh, nhánh bộ phận chuyển mạch và nhánh bộ điều khiển Nhánh bộ chuyển mạch là hư hỏng các tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, cơ cấu truyền động Nhánh bộ điều khiển bao gồm hỏng mạch điều khiển, động cơ Nguyên nhân là do vận hành chưa đúng, bảo dưỡng kém, hao mòn trong vận hành Bên cạnh đó, nấc phân áp bao gồm các đầu đưa ra từ cuộn dây, đây cũng là mối nguy dẫn đến phóng điện Cây lỗi bộ chuyển nấc phân áp được xây dựng như hình 2.10
Hình 2.10 Cây lỗi bộ chuyển nấc phân áp
2.4 Kết luận
Trong phần này, luận văn đã trình bày các "cây con" của lỗi có thể dẫn đến hỏng và dừng MBA Nó được xác định dựa trên cấu tạo của MBA, lỗi các thành phần chính của MBA như: cuộn dây, gông từ, sứ cách điện, vỏ máy Dựa vào đây, người vận hành có thể phân tích và định vị nhanh nguyên nhân dựa trên hậu quả hoặc các dấu hiệu vừa mới xảy ra để có biện pháp can thiệp phù hợp Kết quả này cũng là cơ sở của việc phân tích, đánh giá độ tin cậy của MBA trong hệ thống cung cấp điện Đồng thời cây lỗi cũng thể hiện các lỗi xuất hiện từ rất sớm, tiềm ẩn, nguy cơ dẫn đến sự cố hỏng hóc lớn máy biến áp
Trang 28Chương 3- TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN LỖI MÁY BIẾN ÁP DỰA
VÀO KỸ THUẬT PHÂN TÍCH MẪU DẦU
3.1 Giới thiệuXét về mặt vật lý, bất kỳ lỗi phần tử bất kỳ nào của MBA cũng dẫn đến các hiện tượng bất thường của máy Các hiện tượng đơn giản như: rò rỉ dầu do hỏng bình chứa, hỏng roăng cao su làm kín, nhiệt độ bên trong tăng lên do môi trường và/hoặc do quá tải, Ngoài ra, còn có nhiều lỗi khác rất khó phát hiện trong quá trình hoạt động như phóng điện cục bộ, phóng điện năng lượng thấp, phóng điện năng lượng cao, quá nhiệt cục bộ bên trong MBA
Để phát hiện những lỗi này, người ta thường thực hiện bằng hai cách: (i) chẩn đoán online và (ii) chẩn đoán offline Với các MBA mà yêu cầu ngặt nghèo về việc cung cấp điện như là: cấp điện khu vực rộng lớn (miền trung, nam, bắc) hoặc các phụ tải công nghiệp quan trọng mà việc dừng máy để chẩn đoán sẽ gây gián đoạn sản xuất, thì các phương pháp chẩn đoán offline rất khó thực hiện
Một cách tổng quát, lưu đồ phân tích nguyên nhân, hiện tượng và phương pháp
để chẩn đoán như hình 3.1
Dựa vào lưu đồ trên, ta có thể thấy kỹ thuật chẩn đoán lỗi MBA dựa vào phương pháp phân tích mẫu dầu vượt trội hơn so với các các phương pháp khác như là phân ích rung, trường nhiệt độ, phóng điện cục bộ với một số ưu điểm như sau: chẩn đoán được nhiều lỗi hơn và có thể cho phép chẩn đoán lỗi MBA ngay khi máy đang hoạt động
Kỹ thuật chẩn đoán lỗi MBA dựa vào phân tích hàm lượng khí trong dầu [6,7,8,14,18] được ví như chẩn đoán bệnh của con người dựa vào phân tích công thức máu Dầu trong MBA có tác dụng cách điện, làm mát, chống ăn mòn, hạn chế ảnh hưởng của hồ quang điện Dầu là thành phần tiếp xúc trực tiếp với các phần tử mang điện như đầu nối, sứ, ty sứ, cuộn dây, gông từ, vỏ máy, các phần phụ như đồng hồ nhiệt độ, biến dòng điện, biến điện áp, cách điện rắn, Trong quá trình vận hành, dầu
sẽ bị phân hủy dưới tác dụng của điện và nhiệt.Từ đó, ta có thể xác định được lỗi MBAthông qua việc phân tích hàm lượng khí tồn tại trong dầu
Ngày nay, dưới sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc chẩn đoán lỗi không dừng lại ở việc lấy mẫu dầu định kỳ mà có một số thiết bị cho phép lắp đặt để phân tích dầu và giám sát các hàm lượng khí phát sinh ngay cả khi máy đang vận hành