Thiết kế hệ thống giám sát từ xa trạng thái máy biến áp sử dụng cảm biến gia tốc

Luận văn được bố trí như sau:  Chương mở đầu  Chương I: Các phương pháp giám sát trạng thái máy biến áp hiện nay  Chương II: Tổng quan về độ rung và đặc tính rung động của máy biến áp

Hiện nay lưới 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 lưới 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 bước phát triển kỹ thuật nhanh chóng về các phương diện của phép đo, thu thập và phân tích dữ liệu để xác định lỗi và nhằm đưa ra các đánh giá kịp thời về tình trạng của máy biến áp

Hiện nay có nhiều phương pháp để có thể chuẩn đoán tình trạng của máy biến

áp, nhưng tựu chung lại là chia làm 2 hướng Hướng thứ nhất là các phương pháp Online có nghĩa là kiểm tra, chuẩn đoán trạng thái máy biến áp mà không cần cắt điện Hướng thứ hai là các phương 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 hưởng tới sản lượng 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 phương pháp vừa giám sát, chuẩn đoán được 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”

2 Mục đích và ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu về phương pháp giám sát được trạng thái của máy biến áp mà không cần cắt điện thông qua cảm biến gia tốc Từ đó đưa ra thêm một phương pháp mới bổ xung cho các phương pháp truyền thống khác để có thể vừa giám sát vừa chuẩn đoán tình trạng vận hành của máy biến áp mà không cần cắt điện

3 Nội dung chính của đề tài cần giải quyết

Đưa ra một mô hình giám sát máy biến áp sử dụng cảm biến gia tốc Thiết kế mạch đo, lưu đồ thuật toán hoạt động của vi xử lý và cảm biết gia tốc Viết phần mềm để tải dữ liệu và phân tích kết quả đo

Luận văn được bố trí như sau:

 Chương mở đầu

 Chương I: Các phương pháp giám sát trạng thái máy biến áp hiện nay

 Chương II: Tổng quan về độ rung và đặc tính rung động của máy biến áp

 Chương III: Mô hình giám sát trạng thái máy biến áp 110kV sử dụng cảm biến gia tốc

 Chương IV: Các kết quả triển khai và thử nghiệm

 Chương V: Kết luận và hướng phát triển

 Tài liệu tham khảo

Chương 1: Các phương pháp giám sát máy biến áp hiện nay

CHƯƠNG 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT MÁY BIẾN

ÁP HIỆN NAY

Hiện nay có rất nhiều các phương pháp giám sát chuẩn đoán tình trạng của máy biến áp Trong chương này của luận văn sẽ tóm tắt về một số phương pháp chính dùng để giám sát tình trạng máy biến áp (MBA) hiện nay gồm: 1 Phân tích hàm lượng 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 lượng khí hòa tan trong dầu máy biến áp [3]

Phương pháp phân tích khí hoà tan (Dissolved Gas Analysis - DGA) rất hiệu

quả trong việc chẩn đoán các trạng thái hư hỏng tiềm ẩn trong MBA

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 trưng 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 như sau:

 Các khí được tạo ra khi trong MBA xảy ra sự cố vầng quang:

- Tác dụng lên dầu: H2-khí chính, CH4-khí đặc trưng nồng độ bé

- Tác dụng lên giấy: H2, CO, CO2

 Các khí được tạo ra khi trong MBA xảy ra sự cố quá nhiệt:

- Tác dụng lên dầu: Khi nhiệt độ thấp (dưới 300oC) thì C2H6-khí chính,

CH4-khí đặc trưng với nồng độ cao, C2H4-khí đặc trưng với nồng độ thấp Khi nhiệt độ dầu cao (trên 300oC) thì C2H4-khí chính, H2-khí đặc trưng nồng độ thấp, C2H2 và CH4-khí đặc trưng nồng độ thấp đến cao

- Tác dụng lên giấy: CO-khí chính, CO2-khí đặc trưng

 Các khí được tạo ra khi trong MBA xảy ra sự cố hồ quang điện:

- Tác dụng lên dầu: H2 và C2H2-khí chính (các khí phân huỷ chính có một lượng lớn), CH4 và C2H4-khí đặc trưng nồng độ cao

- Tác dụng lên giấy: CO-khí đặc trưng có nồng độ cao, CO2-khí đặc trưng có nồng độ bé

1.1.3 Các phương pháp phân tích khí hòa tan

Hiện nay có nhiều phương pháp chẩn đoán sự cố MBA dựa vào DGA, trong

đó các phương pháp phổ biến là:

 Phương pháp các tỷ số: Các tỷ số được định nghĩa ở bảng 1, nồng độ giới

hạn của các khí được cho ở bảng 2 Trong thực tế, nhiều hệ chuyên gia chỉ kiểm tra nồng độ của 4 khí H2, CH4, C2H2, C2H4 thay vì 6 khí

Bảng 1: Định nghĩa các tỷ số

Tỷ số CH 4 /H 2 C 2 H 2 /C 2 H 4 C 2 H 2 /CH 4 C 2 H 6 /C 2 H 2 C 2 H 4 /C 2 H 6

Chương 1: Các phương pháp giám sát máy biến áp hiện nay

dùng 4 chữ số để mã hoá và dùng 2 bảng)

Bảng 3: Phương pháp hệ số Dornenburg

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 > 0,75 > 0,3 < 0,4

 Các phương pháp khác: biểu đồ khí, khí đặc trưng, phân tích khí nhiên liệu

tổng (Total Combustible Gas Analysis - TCGA)

1.1.4 Kết luận

Việc kiểm tra hàm lượng khí trong dầu cách điện sẽ giúp người quản lý vận hành chẩn đoán sớm tình trạng vận hành MBA Kỹ thuật phân tích khí hòa tan trong dầu cách điện và theo dõi tốc độ sinh khí cháy giúp ta phán đoán một cách chặt chẽ nguyên nhân nào khí sinh ra, đánh giá độ hư hỏng trong 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

DGA là phương pháp chẩn đoán MBA khá chính xác với ưu điểm là không phải cắt điện MBA mà chỉ cần lấy mẫu dầu lúc MBA đang vận hành

1.2 Đo phóng điện cục bộ trong máy biến áp [1]

1.2.1 Khái niệm về phóng điện cục bộ

Phóng điện cục bộ (Partial Discharge - PD) là hiện tượng đánh thủng điện

môi cục bộ của một phần nhỏ trong hệ thống cách điện rắn hoặc lỏng dưới tác dụng của ứng suất điện áp cao, chỉ nối tắt một phần giữa các điện cực Trong thời gian xuất hiện phóng điện cục bộ, năng lượng tiêu tán tại chỗ và thay đổi kiểu loại các tín hiệu cũng như các xung dòng điện Điện áp rơi qua các điện cực, xuất hiện các bức xạ điện từ, các tín hiệu quang, năng lượng âm thanh

1.2.2 Các phương pháp để phát hiện PD

Phương pháp truyền thống

Đo PD truyền thống đề cập tới phương 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 đưa vào trong một thời gian ngắn giữa các điểm nối của thiết bị được thí nghiệm trong một mạch đo cụ thể, sẽ cho cùng một giá trị đọc trên thiết bị đo như xung dòng điện PD của bản thân nó Đơn vị đo thường là pC

Do không thể đo PD trực tiếp, phương pháp này sử dụng các mạch đo tương đương

Mặc dù điện tích biểu kiến đo được bởi tổng trở đo (measuring impedance) khó có

quan hệ chính xác tuyệt đối với phóng điện thực bên trong đối tượng 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 được mức độ nguy hiểm của hiện tượng PD Tiêu chuẩn IEC 60270 cũng đề cập tới xác định mạch đo, các đại lượng đo, qui trình hiệu chuẩn Phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi tại hiện trường và trong phòng thí nghiệm

Chương 1: Các phương pháp giám sát máy biến áp hiện nay

Đo PD theo IEC 60270 là phương pháp phổ biến đã được sử dụng rộng rãi nhiều thập kỉ qua Các cảm biến đo sử dụng trong phương pháp này là thiết bị tụ

ghép tầng (capacitive coupling devices) được lắp trên sứ như 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 Zmi: Tổng trở đo

CC: Cáp nối Ca: Thiết bị được thử

Ck: Tụ phía cao thế Cm: Tụ song song với tổng trở đo

CD: Thiết bị ghép tầng MI: Thiết bị đo

Z : Thiết bị lọc cao áp

Phương pháp phi truyền thống

Bên cạnh phương pháp đo PD truyền thống, nhiều phương pháp đo PD khác

đã được phát triển, bao gồm điện (electrical - HF/VHF/UHF), âm thanh (acoustic), quang (optical), hóa học (chemical) Một vài phương pháp (Electrical/Acoustic) sẽ

được tiêu chuẩn hóa trong tương lai gần bởi IEC 62478 Các phương pháp này do

có đặc tính đo tốt hơn, đặc biệt là hệ số nhiễu tín hiệu nên phù hợp với đo thiết bị

điện on-site và on-line, nơi bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiễu đến tín hiệu đo Đặc biệt

là phương pháp đo sóng điện từ và sóng âm được sử dụng rộng rãi trong thực tế do

2 phương pháp này cung cấp đủ thông tin liên quan tới sự tồn tại của PD và khả năng định vị gần như 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 Được hỗ trợ bởi tiêu chuẩn IEC 62478 trong tương lai gần, phương pháp đo PD phi truyền thống sẽ được sử dụng rộng rãi và thống nhất hơn Nhược điểm chính của phương pháp phi truyền thống là phương pháp đo phụ thuộc vào từng thiết bị được thử khác nhau Do đó hệ thống đo được tất cả các thiết bị điện cao áp sẽ đắt hơn so với phương pháp truyền thống Ngoài ra, phần lớn phương pháp đo phi truyền thống không có khả năng hiệu chuẩn để đưa ra biên độ của đại lượng PD sự cố, nên không thể đưa ra quyết định xử lí phù hợp (đạt hay không đạt)

Phương pháp đo phóng điện cục bộ bằng sóng âm (PD Acoustic)

 Hiện tượng 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 được bố trí thích hợp Bằng việc di chuyển vị trí các sensor kết nối với máy định vị PD Acoustic có thể định vị được tương 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 đường nối đất của vỏ thiết

bị rồi đến biến dòng cao tần được bố trí tại dây nối đất hoặc trung tính MBA;

 Phương pháp này đo độ lớn phóng điện cục bộ với giá trị được xác định bằng mV

Phương pháp đo phóng điện cục bộ bằng UHF

 Hiện tượng phóng điện cục bộ cũng sinh ra các sóng siêu cao tần (UHF);

Chương 1: Các phương pháp giám sát máy biến áp hiện nay

 Sử dụng cảm biến siêu cao tần (UHF sensor) gắn vào van xả dầu của MBA

để lấy tín hiệu PD, kèm theo một bộ kích hoạt (trigger) trong quá trình đo

 Phương pháp này đo độ lớn phóng điện cục bộ với giá trị được xác định bằng mV

1.3 Phân tích đáp ứng tần số quét trong máy biến áp [2]

1.3.2 Cơ sở của việc phân tích đáp ứng tần số

MBA được xem là một mạng lưới phức hợp bao gồm các phần tử RLC Những sự đóng góp vào mạng lưới phức hợp RLC này là xuất phát từ điện trở của cuộn dây đồng; điện cảm của các cuộn dây và điện dung có từ các lớp cách điện giữa các bối dây, giữa các cuộn dây với nhau, giữa cuộn dây và lõi thép, giữa lõi thép và vỏ thùng, giữa thùng máy và cuộn dây, v.v Tuy nhiên, có thể sử dụng một

mạch đẳng trị đã được đơn giản hóa với các phần tử RLC đã gộp lại như đã minh họa ở hình 1.2 để giải thích một cách chính xác nguyên lý của kỹ thuật đáp ứng tần

Đáp ứng tần số được 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 được gọi là hàm truyền của MBA từ đó ta có thể thu được các giá trị về độ lớn và góc pha Với các tần số khác nhau, mạng lưới RLC sẽ cho các mạch tổng trở khác nhau Vì lý do đó, hàm truyền tại mỗi tần số là một đơn vị đo lường của tổng trở thực của mạng lưới RLC của MBA

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 lưới RLC, sự thay đổi này đến lượt nó lại làm thay đổi hàm truyền ở các tần số khác nhau và từ đó làm lộ

rõ vùng mà ta quan tâm

1.3.2 Phạm vi áp dụng của phương pháp

Do việc thiếu độ nhạy của các thử nghiệm thông lệ hiện tại nhằm phát hiện sự dịch chuyển của cuộn dây và phản hồi tích cực từ những công ty dịch vụ bảo trì trên thế giới, việc sử dụng các thiết bị đo SFRA nên được xem là một công cụ chẩn đoán hỗ trợ trong công tác thí nghiệm đánh giá hư hỏng & điều tra sự cố ở các MBA lực Đến nay, sau gần hai mươi năm kiểm nghiệm trên thực tế, kỹ thuật SFRA

đã chứng tỏ là một công cụ mạnh mẽ về phương tiện phát hiện sự dịch chuyển của cuộn dây và các hư hỏng khác vốn ảnh hưởng đến tổng trở của MBA một cách tin cậy và nhạy cảm

Theo kinh nghiệm của các công ty điện lực đã áp dụng kỹ thuật SFRA vào việc đánh giá tình trạng của các MBA lực trên thế giới, trong thời gian đến chúng ta cần xem đây như là một tiêu chuẩn cần thiết để tiến hành các phép đo SFRA trong những tình huống sau đây:

 Ở tất cả các MBA mới với mục đích lấy số liệu gốc ban đầu (fingerprint)

 Là một phần của các thử nghiệm điện thông lệ trong định kỳ

 Sau khi lắp đặt lại MBA

 Sau khi MBA gặp phải các ngắn mạch dài hạn

 Sau khi sửa chữa các bộ chuyển nấc ở MBA

 Sau khi xử lý hút chân không, lọc dầu và tái sinh dầu

 Sau bất kỳ loại sự cố nào xảy ra ở MBA

 Sau bất kỳ các loại hình bảo dưỡng nào đã thực hiện ở MBA, đặc biệt khi

có sự kiểm tra bên trong hoặc rút ruột máy

Khối lượng các phép đo FRA cần thực hiện trên MBA hiện đã được 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 hư hỏng khác vốn ảnh hưởng đến tổng trở của các MBA Ưu điểm của phương 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 phương pháp truyền thống ra thì 3 phương pháp DGA, PD, FRA nói trên đang là các phương 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 phương pháp

để giám sát tình trạng hoạt động của MBA Trong đó có phương pháp giám sát độ rung của máy biến áp Phương pháp giám sát độ rung của máy biến áp cũng giống như phương pháp đo đáp ứng tần số quét là có thể xác định được tình trạng cơ khí của MBA, nhưng ưu điểm của phương pháp này là có thể giám sát on-line liên tục được tình trạng cơ khí của MBA

Bất kỳ một phương 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 đưa ra kết luận cuối cùng Phương 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

Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘ RUNG VÀ ĐẶC TÍNH RUNG CỦA MÁY BIẾN ÁP

2.1 Tổng quan về hiện tượng rung trong máy biến áp

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 [4,5]

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 dòng điện chảy trong cuộn dây và từ thông dò sẽ làm cho cuộn dây bị rung Lực điện động này tỷ lệ với bình phương của dòng điện và bao gồm 2 thành phần dọc trục và xuyên tâm Thành phần dọc trục có tác dụng nén theo chiều dọc cuộn dây Thành phần xuyên tâm có tác dụng nén nội tại cuộn dây và mở rộng ra bên ngoài Sự rung động của cuộn dây tỷ lệ với bình phương dòng điện chạy trong nó,

do đó khi tần số dòng điện là 50Hz thì tần số rung động là 100Hz Ngoài tần số riêng, sự rung động của cuộn dây cũng có các hài mà tần số của chúng là các bội lẽ

của tần số riêng như là hài bậc 3, hài bậc 5… Các tần số này xuất hiện bởi dòng điện từ hóa và các thành phần sóng hài khác

2.1.2 Rung động của lõi thép

Sự rung động của lõi thép là do một hiện tượng gọi là từ giảo, từ giảo là hiện tượng khi các vật thể bằng kim loại trải qua một sự biến dạng về hình dạng của mình khi được đặt vào trong một từ trường Bên trong máy biến áp, lõi thép vốn được làm dưới dạng các tấm được dát mỏng cũng chịu sự giãn nở và co ngót do 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 đường cong của hiện tượng 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, đường cong biến thiên (đường nét liền) có thể được thay thế bằng những đường cong lý tưởng (đường nét đứt) Có thể coi đường cong lý tưởng xấp xỉ là một hàm hàm bậc hai thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa chiều dài và bình phương 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 phương cảm ứng từ Kết quả là các lực từ giảo là tỷ lệ thuận với điện áp bình phương Do vậy sự rung động do từ giảo gây ra có tần số gấp đôi với tần số của điện áp đưa 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 như là hài bậc 3, hài bậc 5 Các sóng hài bậc cao này là do tính chất không tuyến tính của các hiện tượng từ giảo gây ra Nếu lõi từ là một khối sắt đồng nhất thì hiện tượng 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 được ghép với nhau và được ép chặt bởi các gông từ Trong những điều kiện như 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

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 phương vuông góc với mặt phẳng Chính vì vậy sẽ xuất hiện một loại lực có xu hướng giảm thiểu khe hở không khí Các lực này dao động với tần số 100Hz

Hình 2.2: Đồ thị quan hệ giữa chiều dài và cảm ứng từ

2.2 Nhu cầu giám sát độ rung máy biến áp

Trong suốt quá trình vận hành của máy biến áp, các sốc cơ khí trongquá trình vận chuyển, lắp đặt, sự già hóa cách điện, sự gia nhiệt trong quá trình mang tải, các lực điện động do các dòng ngắn mạch gây Đây là những nguyên nhân gây ra làm giảm tuổi thọ của máy biến áp, đi kèm với nó là sự gia tăng của các rung động, tạo

ra các khe hở giữa các tấm thép từ tính, gông, sự không chắc chắn của các cơ cấu cơ khí bên trong máy biến áp Dần dần các khiếm khuyết cơ học như vậy sẽ làm ảnh hương đến cách điện bên trong máy biến áp như tạo ra các điểm phóng điện cục bộ (PD), xuất hiện các bọt khí bên trong dầu cách điện

Như vậy, rõ ràng là phát hiện sớm các khiếm khuyết cơ khí của máy biến áp giúp chúng ta có thể kéo dài tuổi thọ của máy biến áp lên

Trong những năm gần đây có một số kỹ thuật như Phân tích đáp ứng tần số quét FRA hoặc đo rò rỉ điện kháng LRM được phát triển rộng rãi để phát hiện những thay đổi về mặt hình học, đặc biệt là sự biến dạng của cuộn dây bên trong máy biến áp

2.3 Xác định đặc tính rung động của máy biến áp

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 được nối đất để loại trừ các ảnh hưởng của nhiễu do điện trường gây ra

Các cảm biến rung có thể được lắp đặt như trên hình 2.4; 2.5; 2.6; 2.7:

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

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

Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

2.3.2.1 Đặc tính rung động trong lõi thép

Đối với MBA không tải, dòng điện chạy trong cuộn dây là dòng điện không tải của MBA, do dòng điện này rất nhỏ nên lực điện động sinh ra bởi dòng điện không tải cũng rất nhỏ Sự rung động của MBA lúc này chủ yếu xuất phát từ lõi thép và khi thay đổi điện áp thì ta có các phổ tần rung động khác nhau

Hình 2.8: Rung động lõi thép theo hướng dọc trục tại trụ giữa gông từ

Hình 2.9: Rung động lõi thép theo hướng xuyên tâm tại trụ trái gông từ

Có thể thấy rõ là hầu hết sự rung động đều xuất hiện ở các tần số là bội số của tần số 100Hz, còn biên độ thì tăng theo giá trị điện áp

Hình 2.10: Rung động lõi thép theo hướng xuyên tâm thẳng góc tại trụ trái của

gông từ

Tại trụ trái của gông từ theo hướng xuyên tâm thẳng góc, đo được tần số rung động rất thấp và xuất hiện rung động có tần số 50Hz Tần số 50Hz chính là do ảnh hưởng của nhiều điện từ trường

Kết quả trên chỉ cho ta thấy được tính chất của phổ tần số xuất phát từ lõi thép của MBA Nếu xuất hiện các phổ tần số cao hơn thì chỉ có thể là do khiếm khuyết của các lá thép và vật liệu sắt từ

Đặc tính rung động truyền từ lõi đến cuộn dây

Đây là sự rung động của cuộn dây được gây ra bởi rung động của lõ thép Phổ tần số đo tại cuộn dây pha giữa theo hướng dọc trục cho ta kết quả như hình 2.11

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 phương điện áp Tại tần số 100Hz biên

độ rung động hầu như không thay đổi theo điện áp đặt vào

Đo rung động theo hướng xuyên tâm thẳng góc với lõi thép, ta có phổ tần như hình 2.12

Hình 2.12: Rung của mặt trước cuộn dây theo hướng xuyên tâm thẳng góc với lõi

thép

Phổ tần này có hình dạng tương tự như với phổ tần của đo rung động lõi thép theo hướng 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 tương tự như với phổ tần của rung động theo hướng dọc trục (hình 2.8) Cả hai phổ tần đều có tần số chính là 700Hz và biên độ tỷ lệ với bình phương của điện áp

Hình 2.13: Kết quả đo rung động phía trên mặt máy

Hình 2.14 thể hiện phổ tần rung động đo tại mặt đáy của MBA Có thể thấy rằng tại tần số 100 và 500Hz biên độ rung động phụ thuộc rõ ràng vào điện áp đặt

so với các biên độ của các tần số khác Tần số 500Hz cũng xuất hiện ở trong phổ tần của rung động lõi théo théo hướng dọc trục và biên độ rung động cũng phụ thuộc vào điện áp đặt

Chương 2: Tổng quan về rung và đặc tính rung của máy biến áp

Hình 2.14: Kết quả đo rung động phía mặt đáy

2.3.2.2 Đặc tính rung động trong cuộn dây

Đo độ rung của cuộn dây bằng cách thực hiện đo tại các vị trí khác nhau khi máy biến áp mang tải Các điểm đo này tương ứng với các điểm đo khi đo độ rung của lõi thép

Đặc tính rung động cuộn dây theo hướng dọc trục

Hình 2.15 thể hiện phổ tần rung động của cuộn dây theo hướng dọc trục tại các tải khác nhau của máy biến áp (30 – 119%)

Hình 2.15: Rung động dọc trục của cuộn dây pha giữa khi máy biến áp mang tải

Có thể thấy rõ các thành phần rung động có tần số cao hơn 100Hz trong phổ tần của rung động cuộn dây theo hướng 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 hướng 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 hướng xuyên tâm nhỏ hơn so với theo hướng 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 tương tự với phổ tần rung động theo hướng dọc trục (hình 2.15)

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 được gây ra bởi lõi thép

Hình 2.18 thể hiện phổ tần của rung động đo được ở trên mặt máy, sự tương quan giữa rung động này với rung động của cuộn dây theo hướng dọc trục là 0.711 Biên độ của rung động này đặc biệt thấp hơn rung động của cuộn dây đo tại mặt đáy của MBA

Hinh 2.18: Rung động của vỏ MBA khi đo phía mặt trên

Từ những phân tích trên có thể thấy rằng vị trí thích hợp nhất để đo độ rung của MBA là ở vỏ thùng Thành phần rung động để giám sát độ rung của MBA là thành phần có tần số 100Hz, nếu tần số rung động mà càng cao thì biên độ rung động càng nhỏ

Chương 3: Mô hình giám sát máy biến áp 110kV sử dụng cảm biến gia tốc

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH GIÁM SÁT MÁY BIẾN ÁP 110KV

SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC

Để đo các rung động biến áp thì cần thiết phải đặt các bộ cảm biến gia tốc bên trong máy biến áp, nơi mà những rung động phát ra Tuy nhiên cường độ trường điện cao, dầu bên trong chứa đầy và nhiệt độ cao làm cho nó không thể Thay vào

đó, các cảm biến rung được lắp đặt trên vỏ của máy biến áp Khi sự rung động của lõi và cuộn dây được truyền tới vỏ máy biến áp thông qua dầu bên trong, các cảm biến rung có thể đo gián tiếp các rung động bên trong máy biến áp Các tín hiệu thu được qua các cảm biến gia tốc sẽ cho ta biết tần số rung động bên trong máy biến áp

và dữ liệu quang phổ là những thông tin để đánh giá tình trạng cuộn dây, lõi từ và các lỗi cơ khí bên trong máy biến áp

Do điều kiện hạn chế về thời gian và kinh phí nên luận văn sẽ thực hiện đo độ rung của Máy biến áp lực 110kV tại vị trí vỏ máy biến áp

Mô hình giám sát trạng thái máy biến áp sử dụng cảm biến gia tốc như hình 3.1:

Hình 3.1: Mô hình giám sát trạng thái MBA sử dụng cảm biến gia tốc

3.1 Cảm biến gia tốc

3.1.1 Giới thiệu về Cảm biến gia tốc

MEMS sensor là một hệ thống cảm biến vi cơ điện tử trong đó MEMS là viết

tắt “Micro ElectroMechanical Systems” MEMS sensor ứng dụng trong các hệ cảm

biến gia tốc, con quay hồi chuyển, la bàn số, cảm biến áp suất, độ ẩm, micro phone,… Cảm biến gia tốc là một thiết bị để dùng để đo gia tốc đƣợc chế tạo theo công nghệ vi cơ

Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có hai loại là cảm biến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở Trong đó cảm biến kiểu áp trở có ƣu điểm là công nghệ cấu tạo đơn giản, nhƣợc điểm là hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ, ít bị nhiễu, ít bị mất năng lƣợng Tuy nhiên nó có nhƣợc điểm là mạch điện tử phức tạp Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ

là loại đƣợc sử dụng rộng rãi nhất Trong phạm vi của luận văn này tác giả xin trình bày về cảm biến gia tốc kiểu tụ

Hình 3.2: Một số loại cảm biến gia tốc

3.1.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến gia tốc kiểu tụ

* Tụ điện phẳng

Hình 3.3: Tụ điện phẳng

Chương 3: Mô hình giám sát máy biến áp 110kV sử dụng cảm biến gia tốc

trong đó:

g: là khoảng cách giữa hai bản tụ điện

δ: là độ dịch chuyển của hai bản tụ

C: là điện dung của tụ điện

E: là năng lượng hay điện trường giữa hai bản tụ

k: là hằng số đàn hồi

FM: là hệ số phẩm chất

Ta có quan hệ giữa các đại lượng của tụ điện như sau:

* Gia tốc

Hình 3.4: Cách xác định các thành phần trực giao của véc-tơ gia tốc

Gia tốc là sự thay đổi vận tốc theo thời gian Vận tốc đến lượt nó lại đo sự thay đổi của độ dịch chuyển theo thời gian Lực trọng trường là nguyên nhân gây ra gia tốc rơi tự do và gia tốc này bằng 9.81m/s2

( 3.1.1 )

Gia tốc thường được tính thông qua lực gây ra gia tốc đó vì lực liên hệ với gia tốc theo công thức F = ma, trong đó F là lực gây ra gia tốc (N), m là khối lượng (g),

* Nguyên lý: Cảm biến gia tốc hoạt động dựa trên các nguyên lý cơ bản trên

Việc đo gia tốc thông qua cảm biến gia tốc MEMS có thể được mô tả nhờ một sơ đồ trên hình vẽ 3.8 như một hệ gồm một khối lượng m và một lò xo

Chương 3: Mô hình giám sát máy biến áp 110kV sử dụng cảm biến gia tốc

Hình 3.8: Hệ khối lượng – lò xo được dùng để đo gia tốc

Khi hệ quy chiếu được gia tốc, gia tốc này truyền cho khối lượng m thông qua

lò xo Lò xo giãn ra và độ dịch chuyển này được xác định bởi một cảm biến độ dịch chuyển.Theo định luật Hooke, lực kéo khối lượng m tỉ lệ với độ biến dạng của lò xo

F = kx, với k là hằng số tỉ lệ hay là độ cứng của lò xo, x là khoảng dịch chuyển so với vị trí cân bằng Theo định luật II Newton, trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên, lực F này cung cấp cho khối lượng m có một gia tốc a tính theo công thức F=ma

Tại vị trí cân bằng: F = ma = kx

Hệ thống được mô tả bằng phương trình vi phân như sau:

với D là hệ số ma sát

Do đó chúng ta thu được a=kx/m trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên

Như vậy, để đo gia tốc ta chỉ đo khoảng dịch chuyển x Để đo khoảng dịch chuyển này, người ta có thể sử dụng thuộc tính điện tích của tụ điện có hai bản cực song song, khoảng cách giữa hai bản cực có thể thay đổi được như hình 3.9:

( 3.1.2 )

Hình 3.9: Mô hình tụ điện đơn và hai tụ điện nối tiếp nhau

Điện dung của tụ điện đơn là C = k/x0, với k là hằng số phụ thuộc vào thuộc tính của môi trường nằm giữa hai bản tụ Nếu biết k, điện dung của tụ điện C, ta có thể tính được x0 Tương tự đối với hai tụ nối tiếp nhau, nếu bản tụ nằm giữa CA và

CB dịch chuyển một khoảng là x, thì

Hay có thể được viết lại là:

Do đó

Với khoảng x dịch chuyển nhỏ, phương trình có thể rút gọn thành:

Như vậy, nếu gắn khối lượng m của cảm biến vào bản tụ nằm giữa hệ hai tụ điện nối tiếp thì có thể xác định được độ dịch chuyển của nó dưới tác dụng của lực

F, tức là xác định được gia tốc thông qua việc xác định gia trị ∆C

( 3.1.3 )

( 3.1.4 )

( 3.1.5 )

( 3.1.6 )

Chương 3: Mô hình giám sát máy biến áp 110kV sử dụng cảm biến gia tốc

3.1.3 Ứng dụng của cảm biến gia tốc

Một vài ứng dụng điển hình của cảm biến gia tốc như sau:

 Cảm biến góc Roll-Pitch

 Định hướng 3D trong không gian

 Phát hiện va chạm: Những thông tin về gia tốc, vận tốc và tốc độ dịch chuyển giúp phân biệt sự va chạm và không xảy ra va chạm

 Đo và điều khiển mức rung

 Điều khiển và dự đoán khả năng làm việc của máy móc

 Đo thông số sinh học của con người

3.1.4 Lựa chọn cảm biến gia tốc

Hiện nay tại thị trường Việt Nam, có rất nhiều loại cảm biến gia tốc hoặc hệ cảm biến có chứa cảm biến gia tốc bên trong, trong đó hệ cảm biến phổ biến là MPU-6050 của hãng InvenSense Đây là cảm biến này dùng chuẩn giao tiếp I2C MPU-6050 là một trong những giải pháp hệ cảm biến chuyển động đầu tiên trên thế

giới có tới 6 (có thể mở rộng tới 9) trục cảm biến tích hợp trong 1 chip duy nhất

MPU-6050 sử dụng công nghệ độc quyền MotionFusion của InvenSense có thể chạy trên các thiết bị di động, tay điều khiển…MPU-6050 tích hợp 6 trục cảm biến bao gồm:

 Cảm biến góc quay theo 3 trục (3-axis MEMS gyroscope)

 Cảm biến gia tốc 3 chiều (3-axis MEMS accelerometer)

Hình 3.10: Sơ đồ khối của cảm biến gia tốc dòng MPU-60X0

Ngoài ra, MPU-6050 còn có 1 đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử lý tín hiệu (Digital Motion Processor – DSP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tính toán cần thiết Điều này giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính toán của vi điều khiển, cải thiện tốc độ xử lý và cho ra phản hồi nhanh hơn Đây chính là 1 điểm khác biệt đáng kể của MPU-6050 so với các cảm biến gia tốc và gyro khác MPU-6050 có thể kết hợp với cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành bộ cảm biến 9 góc đầy đủ thông qua giao tiếp I2C Các cảm biến bên trong MPU-6050 sử dụng bộ chuyển đổi

tương tự – số (Analog to Digital Converter – ADC) 16-bit cho ra kết quả chi tiết về

góc quay, tọa độ… Với 16-bit bạn sẽ có 2^16 = 65536 giá trị cho 1 cảm biến Tùy thuộc vào yêu cầu, cảm biến MPU-6050 có thể hoạt động ở chế độ tốc độ xử lý cao hoặc chế độ đo góc quay chính xác (chậm hơn) MPU-6050 có khả năng đo ở phạm vi:

 Con quay hồi chuyển: ± 250 500 1000 2000 dps

Chương 3: Mô hình giám sát máy biến áp 110kV sử dụng cảm biến gia tốc

3.2 Sơ đồ khối của hệ thống đo

Hiện nay, cảm biến gia tốc được ứng dụng sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống Nhưng ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa hệ thống điện còn rất ít Nguyên nhân là do chưa có quy định cụ thể nào về việc giám sát online

độ rung cho MBA Trong tất cả các quy định của IEC, TCVN hiện nay mới chỉ quy định đo độ rung cho MBA khi mới xuất xưởng Chính vì vậy mà hiện nay trên thị trường chưa có một thiết bị đo nào có những tính năng chuyên dụng để có thể giám sát trực tuyến rung động của MBA trong quá trình vận hành Với những lý do như trên, trong phạm vi của luận văn này, tác giả đề xuất đưa ra một hệ thống đo giám sát trực tuyến độ rung MBA sử dụng cảm biến gia tốc 3 trục với những tính năng như sau:

 Thiết bị lắp đặt ở trên (bên ngoài vỏ) máy biến áp

 Thiết bị làm việc được trong môi trường công nghiệp, chống nước, bụi và chống nhiễu lớn từ máy biến áp

 Thiết bị nhỏ gọn có thể đo di động và gắn được trên các máy biến áp

 Tốc độ lấy mẫu khoảng 1000 mẫu/giây, lưu dữ liệu này vào thẻ nhở SD để đảm bảo thời gian lưu liên tục trong 48 giờ

 Có thể kết nối với máy tính để đọc dữ liệu từ thẻ nhớ SD vào máy tính để

xử lý tiếp

 Thiết bị chạy nguồn điện lưới

 Thiết bị còn có một số tính năng phụ để thuận tiện trong quá trình vận hành thiết bị như: có màn hình LCD, khối thời gian thực

Thông số kỹ thuật của thiết bị

Nguồn cung cấp 6÷48 VDC, 0.5A

Cổng truyền thông USB, I2C, SPI để kết nối với PC,

MPU6050 và thẻ nhớ SD

Từ những mục đích yêu cầu trên xuất ra sơ đồ khối của thiết bị hình 3.12:

Vi xử lý trung tâm

Khối truyền thông USB

Cảm biến gia tốc

Retime

Khối nguồn

I2C Bus

LCD

Thẻ nhớ SD

I2C Bus

UART

SPI Bus

Hình 3.12: Sơ đồ khối hệ thống đo

3.3 Nguyên lý hoạt động của một số phần tử chính trong thiết bị đo

3.3.1 Khối cảm biến:

Sử dụng cảm biến gia tốc MPU 6050

Hình 3.13: Hình ảnh thực tế của cảm biến gia tốc MPU6050

Chương 3: Mô hình giám sát máy biến áp 110kV sử dụng cảm biến gia tốc

MPU6050 là chip tích hợp 2 cảm biến: vận tốc góc (gyroscope) và gia tốc góc (accelerometer) MPU6050 cho biết vận tốc và gia tốc góc, từ đó xác định được

hướng của vật trong không gian 3 chiều

 Dải điện áp hoạt động: 2,375V – 3,46V

 Nhiệt độ hoạt động tốt nhất: 25°C

 Dải nhiệt hoạt động: -40 đến +85°C

Cảm biến gia tốc MPU 6050 hoạt động với 3 tần số xung clock:

 Xung clock nội : CLK SEL = 0,1,2,3

 Xung clock ngoài 32,768kHz : CLK_SEL = 4

 Xung clock ngoài 19,2MHz : CLK_SEL = 5

 Đầu ra là tín hiệu số về độ dịch góc của 3 trục X Y Z với đọ rộng thang đo

±250; ±500; ±1000; ±2000°/s

 Tín hiệu đồng hồ ngoài kết nối vào chân FSYNC hỗ trợ đồng bộ GPS

 Tích hợp bộ chuyển đổi ADC 16bit lấy mẫu tốc độ góc cùng lúc

 Cho phép sử dụng chương trình ngắt

Giao thức I2C: ở chế độ cơ bản là 100kHz - ở chế độ nhanh là 400kHz Bao gồm các dữ liệu nối tiếp tín hiệu (SDA) và đồng nối tiếp (SCL) Khi kết nối với vi điều khiển MPU6050 đóng vai trò là slave Địa chỉ Slave là b110100X I2C truyền

dữ liệu theo từng byte, mỗi byte được gửi theo sau 1 tín hiệu Ack

Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý khối MPU 6050

Chương 3: Mô hình giám sát máy biến áp 110kV sử dụng cảm biến gia tốc

Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý thẻ nhớ SD

3.3.3 Khối Realtime

Sử dụng DS1307 đây là chip đồng hồ thời gian thực (RTC: Real-time clock) Khái niệm thời gian thực ở đây được dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con người đang sử dụng, tính bằng giây, phút, giờ… Chip này có 7 thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong tuần), ngày, tháng, năm

Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý khối Realtime DS1307

3.3.4 Khối LCD

Yêu cầu đối với thiết bị đo là có màn hình LCD hiển thị đƣợc thông số hoạt động của thiết bị Thiết bị đo sử dụng màn hình LCD của hãng Hitachi (2x16) là màn hình hiển thị thông dụng

Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý khối LCD

3.3.5 Khối nguồn

Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

3.3.6 Khối vi xử lý trung tâm

Từ các chức năng của thiết bị đo nên vi xử lý trung tâm cần có các chuẩn

truyền thông cơ bản để ghép nối với các thiết bị ngoại vi (bộ nhớ ngoài, PC, retime,