Nghiên cứu tính toán điện cảm trong mô hình thông số phân bố MBA lực dạng hộp đen cho phân tích đáp ứng tần số

HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN XÍCH QUÂN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ĐIỆN CẢM TRONG MÔ HÌNH THÔNG SỐ PHÂN BỐ MBA LỰC DẠNG HỘP ĐEN CHO PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG TẦN SỐ Chuyên ngành: Kỹ th

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN XÍCH QUÂN

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ĐIỆN CẢM TRONG MÔ HÌNH THÔNG SỐ PHÂN BỐ MBA LỰC DẠNG HỘP ĐEN CHO PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG TẦN SỐ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện

Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HÔ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2016

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Phạm Đình Anh Khôi

Cán bộ nhận xét 1: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chương

Cán bộ nhận xét 2: PGS.TS Vũ Phan Tú

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 07 thảng 01 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 TS Nguyễn Văn Liêm (Chủ tịch)

2 PGS.TS HỒ Văn Nhật Chương (Phản biện 1)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHÚ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Xích Quân

Ngày, tháng, năm sinh: 18/05/1992

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện

MSHV: 7140977 Nơi sinh: Vĩnh Long

Mã số: 60520202

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu tính toán điện cảm trong mô hình thông số phân

bố MBA lực dạng hộp đen cho phân tích đáp ứng tần số

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

Tính toán các thông số điện cảm trong mô hình thông số phân bố 01 MBA lực 6.5 MVA, 47/27.2 kv Yd5 dựa trên phân tích đáp ứng tần số

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Phạm Đình Anh Khôi

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TP.HCM, ngày tháng năm

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

i

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Đình Anh Khôi đã tận tình hướng dẫn em trong quá trình làm luận văn Xin cảm ơn thầy đã hết lòng chỉ dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn một cách tốt nhất

Xin cảm ơn các thầy cô ở Khoa Điện - Điện Tử thuộc Trường Đại học Bách Khoa

và cán bộ Phòng Đào tạo Sau Đại học đã tạo điều kiện và hỗ trợ các thông tin cần thiết trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Cảm ơn các anh chị và các bạn trong và lớp Cao học Kỹ thuật Điện đã động viên

và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Cảm ơn bạn bè, gia đình và người thân đã ủng hộ trong mọi hoàn cảnh để công trình thực hiện luận văn và học phần thạc sĩ được hoàn thành

Xin chân thành cảm ơn!

2

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Mô phỏng các đáp ứng tần số đo lường trên đầu cực cho máy biến áp lực (MBA) dựa trên mô hình mạch tương đương thông số tập trung đã được thực hiện trong các công trình nghiên cứu trước đây ở Việt Nam Tuy nhiên, để có thể chẩn đoán các sự cố

cơ cho cuộn dây MBA (xô lệch ngang/dọc), nhất thiết phải dùng các mô hình thông số phân bố MBA vì các sự cố cơ ảnh hưởng các đáp ứng tần số chủ yếu ở vùng tần số trưng bình và cao (khoảng vài chục kHz trở lên, tùy theo MBA)

Có hai cách tính toán các phần tử chính (điện cảm, điện dưng) trong mô hình thông số phân bố cho MBA: dựa trên các thông số hình học và đặc tính điện-từ MBA (tính toán giải tích) và dựa trên phân tích các phép đo Cách thứ nhất chỉ có thể áp dụng đối với một số MBA có sẵn thông số hình học và đặc tính điện-từ, vốn thường không

có sẵn đối với hầu hết các MBA trong thực tế Để mở rộng khả năng ứng dụng của kỹ thuật Phân tích đáp ứng tần số (Frequency Respose Analysis - FRA) chẩn đoán sự cố

cơ MBA, cần thiết phải xây dựng phương pháp luận áp dụng cách thứ hai, vì MBA đang vận hành không có các thông số yêu cầu (dạng hộp đen)

Phạm vi nghiên cứu của Luận văn chỉ áp dụng tính toán thông số điện cảm trong

mô hình thông số phân bố của 1 MBA dạng hộp đen trong khi thông số điện dung sẽ được giải quyết trong một đề tài khác Đóng góp của Luận văn là giúp việc phân tích đáp ứng tần số cho các MBA đang vận hành trở nên khả thi

3

ABSTRACT

Simualtion of frequency responses measured on power transformers’ terminals based on lumped parameter equivalent ciruits has been performed in previous researches in Vietnam However, to be able to diagnose mechanical failures of power transformer windings (radial/axial deformation), it is necessary to exploit distributed parameter circuits since echanical failures influence frequency resposes mainly at medium frequencies an higher (starting from tens of kHz, depending on tranformer types)

There are two procedures in determination of main electrical parameters, i.e., inductances and capacitances, in the distributed parameter circuits: geometrical parameters and electrical-magnetic properties based, and measurement based procedure The former is only applicable on some ’special’ power transformers that have availabe geometrical structure and electrical- magnetic properties The latter is recommended for in-service power transformers, since they donot have the required data (black-box transformers)

This thesis focuses on calculation of inductances in the distributed parameter circuit of a black-box power transformer whereas the capacitances are determined in another thesis The contribution of this thesis is to support the analysis o frequency responses of in-service power transformers become feasible.

4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam kết luận văn này được hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên cứu của tôi và chưa được dùng cho bất cứ luận văn cùng cấp nào khác

Tp HCM, tháng 12 năm 2016 Người thực hiện

Nguyễn Xích Quân

V

Nguyễn Xích Quân - 7140977

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

ABSTRACT iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC V DANH MỤC HÌNH viii

DANH MỤC BẢNG xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Máy biến áp lực 1

1.1.1 Sơ lược về máy biến áp 1

1.1.1.1 Cấu tạo 2

1.1.1.2 Nguyên lý hoạt động 5

1.1.2 Các loại sự cố trong máy biến áp ố 1.1.2.1 Phân loại sự cố 7

1.1.2.2

Các nguyên nhân gây ra sự cố 11

1.1.3 Các kiểu quấn dây thường gặp trong MBA 11

1.1.3.1 Các kiểu tổ hợp đấu dây trong MBA 3 pha 12

1.1.3.2 Các kiểu quấn dây thường gặp trong MBA 3 pha 12

1.2 Phân tích đáp ứng tần số FRA 13

1.2.1 Tổng quan FRA 13

1.2.2 Các phép đo được sử dụng trong FRA 15

1.2.3

Khảo sát đáp ứng tần số FRA 16

1.3

Các mô hình thông số điện sử dụng trong phân tích đáp ứng tần số 17

1.3.1 Mô hình thông số tập trung 17

1.3.2 Mô hình thông số phân bố 18

vi

Nguyễn Xích Quân - 7140977

CHƯƠNG 2 ĐIỆN CẢM TRONG MÔ HÌNH THÔNG SỐ PHÂN BỐ CỦA

MBA CÓ SẢN THÔNG SỐ HÌNH HỌC 21

2.1 Phương thức tính toán 21

2.1.1 Tính toán điện cảm giửa hai phân đoạn bất kỳ 21

2.1.2 Các giá trị tương ứng 24

2.2 Lập luận tính toán thông số điện cảm và hỗ cảm 25

2.2.1 Tự cảm và hỗ cảm trên cùng một pha 25

2.2.1.1 Tự cảm và hỗ cảm trên cuộn cao áp (HV) 25

2.2.1.2 Tự cảm và hỗ cảm trên cuộn hạ áp (LV) 26

2.2.1.3 Tự cảm và hỗ cảm giửa HV và LV 26

2.2.2 Tự cảm và hỗ cảm trên hai pha khác nhau 26

2.2.2.1 Hỗ cảm giửa HV- HV 26

2222 Hỗ cảm giửa LV- LV 27

2.2.2.3 Hỗ cảm giửa HV- LV 27

CHƯƠNG 3 TÍNH TOẤN THÔNG SỐ ĐIỆN CẢM TRONG MÔ HÌNH THÔNG SỐ PHÂN BỐ CHO MBA LỰC DẠNG HỘP ĐEN 28

3.1 Xác định tự cảm và hỗ cảm giữa các phân đoạn trong cùng một pha 28

3.2 Xác định tự cảm và hỗ cảm giữa các phân đoạn nằm trên các pha khác nhau 29

3.3 Xác định tự cảm và hỗ cảm giữa các phân đoạn nằm trên cuộn HV và cuộnLV 30

3.4 Công thức tính toán giá trị điện cảm và hỗ cảm cho MBA lực dạng hộp đen 30

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH THÔNG SỐ PHẦN BỐ CHO MBA T3 32

4.1 Tính toán thông số điện cảm trong mô hình phân bố cho MBA T3 32

4.1.1 Vớin = 8 32

4.1.1.1 Kết quả đo lường 32

4.1.1.2 Công thức tính toán điện cảm và hỗ cảm cho mô hình phân bố kiểu DO-do với n=8 32

vii

Nguyễn Xích Quân - 7140977

4.1.2 Với n= 16 34

4.2 Mô phỏng mô hình thông số phân bố cho MBA T3 bằng phần mềm ADS 35

4.2.1 Thông số điện cảm trong mô phỏng MBA thí nghiêm 37

4.2.2 Thông số điện dung trong mô phỏng MBA thí nghiêm 43

4.3 Kết quả mô phỏng đáp ứng tần số cho MBA thí nghiêm 43

4.3.1 Ảnh hưởng của thông số Af đến kết quả 44

4.3.1.1 Kết quả mô phỏng trong trường hợp xét đến ảnh hưởng AL 44 4.3.1.2 Kết quả mô phỏng trong trường hợp bỏ qua ảnh hưởng AL 45

4.3.1.3 Kết luận về ảnh hưởng của thông số AL 46

4.3.2 Ảnh hưởng của số lượng phân đoạn trong mô hình đến kết quả mô phỏng .46

4.3.2.1

Kết quả mô phỏng với n = 8 46

4.3.2.2

Kết quả mô phỏng với n = 16 47

4.3.2.3 Nhận xét 47

4.3.3 Kết quả mô phỏng với các phép đo phân tích đáp ứng tần số trên các cuộn dây trong mô hình MBA thử nghiêm 47

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHỤ LỤC .54

viii

Nguyễn Xích Quân - 7140977

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Lá thép cấu thành lõi MBA 2

Hình 1.2 Hình dạng và kết cấu lõi MBA 3

Hình 1.3 Vỏ máy biếp áp 1 pha và ba pha 4

Hình 1.4 Mô hình dây quấn MBA 1 pha 4

Hình 1.5 Dây quấn trên MBA 3 pha 5

Hình 1.6 Nguyên ý hoạt động của MBA 5

Hình 1.7 Sự cố các vòng dây trong MBA 7

Hình 1.8 Sự cố phá vỡ giữa các vòng dây 8

Hình 1.9 Các vòng dây bị oằn do tách động của lục điện từ 8

Hình 1.10 Trục cuộn dây HV sau và truớc khi sup đổ do lỗi hệ thống cơ khí (clamping failure) 9

Hình 1.11 Dây dẫn bị xô lệch 10

Hình 1.12 Lớp giấy cách điện cellulose bị cháy do máy hoạt động ở nhiệt độ cao 10

Hình 1.13 Kiểu quấn dây đĩa nối tiếp 12

Hình 1.14 Kiểu quấn dây đĩa đan xen 13

Hình 1.15 Kiểu quấn dây nhiều lớp 13

Hình 1.16 Nguyên tắc hoạt động của FRA (trái) và mô hình đơn giản hóa một MBA (phải) 14

Hình 1.17 Kết quả so sánh đáp ứng tần số của một máy biến áp lúc đầu (màu nâu) và sau khi có sự cố (màu đỏ) 15

ix

Nguyễn Xích Quân - 7140977

Hình 1.18 Bốn phép đo đáp ứng tần số tiêu chuẩn trên MBAcó tổ đấu dây Yndl6

Hình 1.19 Đáp ứng tần số một MBA ba pha 17

Hình 1.20 Mô hình thông số tập trung một MBA 3 pha 18

Hình 1.21 Mô hình tương đương máy biến áp hai cuộn dây 1 phần tử 19

Hình 1.22 Mạch điện hình 71 với n phần tử 20

Hình 2.1 Mặt cắt của lõi sắt và 2 phần tửkvàm 21 Hình 2.2 Minh họa các thành phần trong công thức 22

Hình 4.1 Một phần tử trong mô hình phân bố mô phỏng máy biếp áp T3 3

7 Hình 4.2 Điện cảm trong trong mô hình phân bố mô phỏng máy biếp áp T3 với n = 8 37

Hình 4.3 Hỗ cảm giữa các phần tử trong cùng một cuộn pha A phía cao áp n=8

38

Hình 4.4 Hỗ cảm giữa các phần tử giữa các phần tử trên pha A và pha B với n=8

39

Hình 4.5 Điện cảm trong trong mô hình phân bố mô phỏng máy biếp áp T3 với n = 16 40

Hình 4.6 Hỗ cảm giữa các phần tử trong cùng một cuộn pha A phía cao áp với n=16 41

Hình 4.7 Hỗ cảm giữa các phần tử nằm trên pha A và pha B phía với n=16 42

Hình 4.8 Thông số điện dung với n=8 43

Hình 4.9 Thông số điện dung với n= 16 43

Hình 4.10 Kết quả phép đo HỞ MẠCH CUỘN PHA A tại LF; n =8 44

Hình 4.11 Kết quả phép đo HỞ MẠCH CUỘN PHA A tại LF; n =16 45

Hình 4.12 Kết quả phép đo HỞ MẠCH CUỘN PHA A tại MF với CsL = 1; n= 8 4

5

Hình 4.13 Kết quả phép đo HỞ MẠCH CUỘN PHA A tại MF

x

Nguyễn Xích Quân - 7140977

với CsL = 1; n= 16 46 Hình 4.14 Kết quả phép đo HỞ MẠCH CUỘN PHA A tại MF

với CsH = CsL = 0.5; n =8 47 Hình 4.15 Kết quả phép đo HỞ MẠCH CUỘN PHA A tại MF

với CsH = CsL = 0.5; n =16 48 Hình 4.16 Kết quả phép đo HỞ MẠCH CUỘN PHA A tại MF

với CsH= l;n = 8„ 48 Hình 4.17 Kết quả phép đo HỞ MẠCH CUỘN PHA A tại MF

với CsH= l;n = 16 48 Hình 4.18 Kết quả phép đo HỞ MẠCH CUỘN PHA B tại LF; n = 8 49

X

Nguyễn Xích Quân - 7140977

Hình 4.19 Kết quả phép đo HỞ MẠCH CUỘN PHA B tại LF; n = 16 49 Hình 4.20 Kết quả phép đo HỞ MẠCH CUỘN PHA B tại MF với CsL = 1; n = 8 49

xi

Nguyễn Xích Quân - 7140977

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1

Bảng 4.1

Bảng 4.2

Bảng 4.3

Bảng 4.4

Thông số máy biến áp T3 28

Kết quả thí nghiêm trên cuôn HV 33

Kết quả thí nghiêm trên cuôn LV 33

Kết quả tính toán với n=8 34

Kết quả tính toán với n=16 34

Bảng 4.5 Các thông sô điện cảm và điện dung sử dụng trong mô hình ADS phục vụ trong luận văn 35

Nguyễn Xích Quân - 7140977

xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

FRA Phương pháp phân tích đáp ứng tần số

MF Vùng tần số trung bình

AL Khoảng lệch của giá trị hỗ cảm giửa các phân đoạn

n Số phân đoạn trong mô hình phân bố

thông rò xung quanh lõi thép

5 Tham số biến đổi Laplace

m Tham số hiệu ứng bề mặt của lõi sắt

p Điện trở suất của lớp lõi khi xem như là rắn đồng nhất

p' Giá trị quy đổi của p tính toán cho tương quan giữa lõi sắt với

điện trường rò

Pí Độ từ thẩm của lõi theo phương của trục

Pr Độ từ thẩm của lõi theo phương xuyên tâm

P1 Độ từ thẩm xung quanh lõi

N Số giới hạn bắt buộc hội tụ cho phép tính

P1.Q1.F! Hàm số phụ thuộc vào không gian lõi

z Khoảng cách giữa 2 phần tử

Nguyễn Xích Quân - 7140977

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về ba phần chính: thứ nhất là tổng quan về máy biến

áp lực bao gồm cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các sự cố trong máy biến áp các kiểu quấn dây trong máy biến áp Thứ hai là tổng quan về lĩnh vực phân tích đáp ứng tần số (frequency respone analysis - FRA) Và cuối cùng là tổng quan về các mô hình thông số điện sử dụng trong FRA

1.1 Máy biến áp lực

1.1.1 Sơ lược về máy biến áp lực [1,2,3]

Hệ thống truyền tải và phân phối điện năng có vai trò vô cùng to lớn, đặc biệt là máy biến áp (MBA), một trong những thành phần quan trọng cấu tạo nên hệ thống điện, độ tin cậy của MBA cũng góp phần đảm bảo chất lượng điện năng và giảm hao tổn trong quá trình truyền tải Máy biến áp (MBA) là thiết bị điện gồm hai hoặc nhiều cuộn dây, hay một cuộn dây có đầu vào và đầu ra trong cùng một từ trường Máy biến áp có chức năngbiến đổi hiệu điện thế xoay chiều, tăng thế hoặc hạ thế; đầu ra cho một hiệu điện thế tương ứng với nhu cầu sử dụng

Các đại lượng định mức của MBA qui định điều kiện kỹ thuật của máy Các đại lượngnày do nhà máy chế tạo qui định và thường được ghi trên nhãn máy biến áp, bao gồm:

- Điện áp định mức:Điện áp sơ cấp định mức kí hiệu Ulđm là điện áp đã quy định cho cuộn dây sơ cấp Điện áp thứ cấp định mức kí hiệu U2đm là điện áp đã quy định cho cuộn dây thứ cấp khi cuộn dây thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào cuộn dây sơ cấp

là định mức Với máy biến áp ba pha điện áp định mức là điện áp dây

- Dòng điện định mức: Dòng điện định mức là dòng điện đã quy định cho mỗi cuộn dây của máy biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức Đối với máy biến áp ba pha, dòng điện định mức là dòng điện dây Dòng điện sơ cấp định mức kí hiệu Ildm, dòng điện thứ cấp định mức kí hiệu I2dm-

Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ, được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt, thường

là thép kỹ thuật điện có bề dày từ 0,35 -ỉ- 1 mm, mặt ngoài các lá thép có sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép hay còn gọi là mạch từ

Hình 1.1: Lá thép cấu thành lõi MBA

đa giác tổ hợp từ nhiều dạng chữ nhật tạo thành

♦♦♦ Vỏ máy

Vỏ MBA dùng để chứa lõi thép, dây quấn.vỏ bảo vệ được thiết kế tối ưu sao cho vừa bao bọc được toàn bộ MBA lại đảm bảo khả năng bảo vệ các bộ phận bên trong trong quá trình hoạt động và trong quá trình vận chuyển Lớp vỏ được chế tạo từ các lớp thép chất lượng cao Bên trong được sơn các lớp dầu có chất lượng cao

Hình 1.6: Nguyên lý hoạt động của MBA

Khi ta nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều điện áp U1 sẽ có dòng điện sơcấp Iinhư hình 1.6 Dòng điện 11 sinh ra từ thôngO biến thiên chạy trong lõi thép Từ thông này móc vòng đồng thời với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp được gọi là từ thông chính

Theo định luật cảm ứng điện từ

■ "2 - rr 2 dt

6

Nguyễn Xích Quân - 7140977

W1, W2, lần lượt là số vòng dây quấn cuộn sơ cấp và thứ cấp

Khi máy biến áp có tải, dưới tác động của sức điện động , có dòng điện thứ cấp I2cung cấp điện cho tải

Từ thông 4> biến thiên hình sin: 4> = <p max sin Wt<p

• k = E-JE 2 = W-J w 2 , k được gọi là hệ số biến áp

Bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí ta có:

UJU^ ụ = ^ = k

17 2 E 2 W 2

Bỏ qua mọi tổn hao trong máy biến áp, ta có:

u 2 X l 2 ~ Uỵ X 4 suy ra Uỵ/U^ấp xỉ /211 = = k

1.1.2 Các sự cố trong máy biến áp [1,2]

Trong quá trình vận hành của máy biến áp, vì nhiều lý do, máy biến áp có khả năng gặp phải các sự cố về cơ hoặc điện Các sự cố này có thể gây ảnh hưởng đến tuổi thọ cũng như khả năng hoạt động của máy biến áp hoặc nặng hơn có thể phái hủy cấu trúc MBA Đồng thời, mục tiêu của luận văn này là xây dựng mô hình thông số cho máy biến áp, từ mô hình này có thể phục vụ cho việc mô phỏng phân tích đáp ứng tần số (FRA) - một công cụ mạnh trong việc chẩn đoán sự cố về cơ trong MBA Nên việc có một cái nhìn tổng quan về các sự cố trong MBA là rất quan trọng Đó là nội dung của phần này

7

Nguyễn Xích Quân - 7140977

cường độ tiếp xúc có thể gây cháy lớp cách điện hoặc nóng lõi sắt

- Sự cố do sét đánh hoặc điện áp chuyển đổi liên tục có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng Hầu hết chúng là những sóng điện có cường độ lớn và dịch chuyển với vận tốc ánh sáng

- Điện khí tĩnh: hiện tượng này xảy ra ở những MBA có điện áp cao (hơn 345kV) Khi nhiệt độ của dầu cách điện thấp và lớp dầu dày đặc luân chuyển nhanh chóng, những điện tích tĩnh được sinh ra giữa lớp dầu và các thành phần kim loại bên trong MBA Khi độ lớn của dòng điện này vượt quá lớp dầu cách điện, nó sẽ sinh ra những tia phóng điện có thể phá hủy hay làm hư hại MBA trong quá trình vận hành

- Phóng điện: Sự cố phóng điện xảy ra do hệ thống cách điện kém, những lỗi khiếm khuyết trong quá trình sản xuất, dầu cách điện và lớp cách điện bị bẩn Phóng điện

có thể được ví nhưng sự hồ quang có cường độ thấp và sẽ gây tổn hại đến lớp cách điện và dây dẫn

Hình 1.9: Sự cố các vòng dây trong MBA

- Lực điện từ (từ tính): lực điện từ sinh ra do máy biến áp gặp sự cố hay trong quá trình ngắn mạch, lực từ sinh ra đủ lớn có thể gây hư hỏng cho thiết bị Do đó, những ứng dụng từ phát triển của cảc vật liệu và thiết kế giúp cho hệ thống cuộn dây cứng cảp hơn chống lại sự biến dạng do lực điện từ, tuy nhiên cỏ những MBA vẫn chưa được trang bị những công nghệ về vật liệu trên Khi những MBA đã từng chịu được

áp lực trong những cuộn dây trước đó có thể cố khả năng chống lại lực điện từ đảng kể vượt qua khả năng cho phép của chính nỏ

Hình 1.8: Các vòng dây bị oằn do tách động của lực điện từ

H FT

í 1=1 - - R

-

-

s

■ Dây dẫn lồng vào nhau

■ Cuộn dây bị xiết chặt

■ Nghiền (nén) vòng đệm

■ Lỗi hệ thống kẹp trục dây

Hình 1.11: Trục cuộn dây HV sau và trước khi sup đổ do lỗi hệ thống cơ khí

(clamping failure)

1.1.2.2 Các nguyên nhân gây ra sự cố:

Nguyên nhân chính gây nên hư hỏng ở các MBA được thống kê chung như sau:

- Khiếm khuyết ở khâu thiết kế;

- Các vấn đề liên quan đến việc chế tạo;

độ môi trường khắc nghiệt

Hình 1.7: Lớp giấy cách điện cellulose bị cháy do máy hoạt động ở nhiệt độ cao

11

Nguyễn Xích Quân - 7140977

- Các khuyết tật về vật liệu;

- Các vấn đề về vận chuyển và bảo quản;

- Bảo dưỡng không đúng;

- Quá tải bất thường;

Tuy nhiên, các hư hỏng ở các MBA được phân loại thành:

- Điểm yếu về tính năng kĩ thuật, thiết chế, chế tạo kém hiệu quả;

- Lắp đặt, vận hành, bão dưỡng kém hiệu quả;

- Các điều kiện vận hành bất lợi;

- Do quá trình lão hóa

Qua các nguyên nhân trên, có thể nhận thấy những hư hỏng và sự cố cả về điện và cơ làm cho MBA vận hành không ổn định, đây có thể là những sự cố nhỏ nhưng nếu không được phát hiện để sữa chữa và bảo trì kịp thời thì nguy cơ dẫn đến sự hư hỏng toàn bộ cuộn dây hay

cả MBA là rất cao Vì vậy, việc bảo trì, bảo dưỡng các máy biến áp là cực kỳ quan trọng Với các phương pháp chẩn đoán mà tiêu biểu là FRA, sẽ giúp cho công việc theo dõi định kỳ, kiểm tra sự cố trong MBA đơn giản, hiệu quả hơn, từ đó nâng cao khả năng quản lý sự cố có thể xảy

ra với người vận hành MBA

1.1.3 Các kiểu quấn dây thường gặp trong máy biến áp

Nội dung của luận văn này nhằm xây dựng một mô hình thông số điệncho một máy biến áp dạng hộp đen có nghĩa răng những thông số có được từ máy biến áp thí nghiệm là những gì được in trên nhãn máy, một trong số đó chính là kiểu đấu dây Vì vậy, việc xác định đúng cấu trúc của kiểu đấu dây là vô ùng quan trọng với các hoạt động tiếp theo trong luận văn này

12

Nguyễn Xích Quân - 7140977

1.1.3.1 Các kiểu tổ họp đấu dây trong MBA 3 pha [3]

Với áy biến áp 3 pha, có nhiều kiểu đấu dây như: đấu Y, A hay Ziz Zag Tuy nhiên trong phạm vy luận văn này, ta chỉ xét đến một số trường hợp về tổ đấu dây Yd5 Các tổ đấu dây còn lại có thể tham khảo trong phụ lục 2

Bảng 1.1 :TỔ đấu dây Yd5

> Kiểu đĩa nối tiếp (ordinary disk winding)

Đây là kiểu quấn dây cơ bản nhất, về hình thức, dây dẫn được quấn thành các đĩa tròn từ ngoài vào trong và nốp tiếp với đĩa tiếp theo được quấn với chiều ngược lại Nhược điểm của kiểu quấn dây này là khi hoạt động, điện áp giữa các đĩa không đều

Hình 1.13: Kiểu quấn dây đĩa nối tiếp

13

Nguyễn Xích Quân - 7140977

> Kiểu đĩa đan xen (interleaved disk winding)

Để khắc phục nhược điểm điện áp phân bố không đều của điện áp trên các đĩa, người ta

đã đưa ra kiểu quấn dây kiểu đĩa đan xen

Hình 1.14: Kiểu quấn dây đĩa đan xen

> Kiểu nhiều lớp (multi layers winding)

Một kiểu quấn dây khác được sử dụng trong các máy biến áp lực đó là quấn dây thành nhiều lớp xếp lên nhau

Hình 1.16: Nguyên tắc hoạt động của FRA (trái) và mô hình đơn giản hóa của một

MBA (phải) Đáp ứng tần số của MBA được xác định theo nguyên tắc [5]

- Cung cấp một điện áp rất thấp, ví dụ: 1 V, nhưng trong một vùng tần số rộng, ví dụ: 20

Hz đến 2 MHz, vào một đầu cực MBA kí hiệu Vm

- Đo điện áp ở một đầu cực khác Vr

- Tính tỉ số giữa chúng (Magnitude = 201og(Vm/Vr) dB, Phase-angle = góc pha ỊVm} - góc pha {Vr} deg)

Việc kiểm tra sự cố máy biến áp được các công ty lớn trên thế giới áp dụng từ lâu Vì đặc tính độc nhất của kết quả đo FRA với mỗi máy biến áp, nên đây có thể xem như vân tay của máy biến áp tương ứng Bất kỳ thay đổi nào xảy ra trong máy biến áp đều sẽ thay đổi đặc tính máy biến áp, từ đó kết quả đo đáp ứng tần số cũng sẽ thay đổi theo Từ đó, có thể dự đoán được máy biến áp gặp vấn đề gì

15

Nguyễn Xích Quân - 7140977

Hình 1.17: Kết quả so sánh đáp ứng tần số của một máy biến áp

lúc đầu (màu nâu) và sau khi có sụ cố (màu đỏ)

1.2.2 Các phép đo được sử dụng trong FRA[5]

Hiện tại của các hiệp hội kỹ thuật điện quốc tế như CIGRE (Conseil International des Grands Réseaux Electriques hay Council on Large Electric Systems), IEEE (Institute của Electrical and Electronics Engineers) và IEC (International Electrotechnical Commission) chỉ

đề cập đến loại đáp ứng tần số này trong việc phân tích để chẩn đoán sự cố Theo đó, có 4 loại đáp ứng tần số tiêu chẩn như sau:

- End-to-end open-circuit (EEOC): đo hở mạch

- End-to-end short-circuit (EESC): đo ngắn mạch

- Capacitive inter-winding (CAP): đo hiệu ứng dung

- Inductive inter-winding (IND): đo hiệu ứng cảm

17

Nguyễn Xích Quân - 7140977

Hình 1.19: Các kết quả đo ĐƯTS và nhận định phân tích ảnh hưởng của cấu trúc MBA

dựa trên mô phỏng của các cuộn dây MBA tự ngẫu 1000 MVA

• So sánh định lượng

Tiêu chuẩn [6] làtiêu chuẩn quốc gia duy nhất đề cập đến cách sosánh định lượng hai đáp ứng tần số bằng cách tính hệ sốtương quan của hai ‘tín hiệu’ đáp ứng tần số trong 3 vùngtần số: thấp (từ 1 kHz đến 100 kHz), trung bình(100 kHz đến 600 kHz) và cao (600 kHz đếnl MHz)

1.3 Các mô hình thông số điện sử dụng trong phân tích đáp ứng tần số

Mô hình thông số tương đương (physical equivalent transformer circuit) của MBA với các thông số điện-vật lý là điều trước nhất cần có trong khảo sát đáp ứng tần số Có hai loại

mô hình thông số tương đương MBA là mô hình thông số tập trung và mô hình thông số phân bố.Dựa vào các mô hình này ta có thể mô phỏng các phép đo như ngắn mạch, hở mạch

và phân tích để có thể phát hiện sự cố cơ-điện trong MBA thông qua sự thay đổi các thông

số điện

1.3.1 Mô hình thông số tập trung

Trong các nghiên cứu về mô phỏng phân tích đáp ứng tần số trước đây, mô hình thông số tập trungđược sử dụng để phân tích đáp ứng tần số trong vùng tần số thấp Nhược điểm của mô hình này là không còn chính xác trong vùng tần số trưng bình và cao do vai trò

ĩ N-N.

- Rp

Ly _

j R_ :

Hình 1.20: Mô hình thông số tập trung một MBA 3 pha đấu Ynynó

Các thông số trong mô hình thông số tập trung :

• Z^LJ/R^ Zy=LyllRy-.\ĩà kháng phi tuyến tính tương ứng trong trụ và ách của lõi

• L 3 ; điện cảm rò rỉ của mỗi pha

• z4=1.4!IR4 :trở kháng thứ tự không

• R H ,R L : điện trử sơ cấp và thứ cấp của cuộn dây

• CgH- điện dung giữa cuộn dây sơ cấp với đất

• CgL- điện dung của cuộn dây thứ cấp với đất

• c iw : điện dung giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

• CsH- dãy điện dung của cuộn dây sơ cấp

• CsH- dãy điện dung của cuộn dây thứ cấp

1.3.2 Mô hình thông số phân bố

Khi ở tần số thấp từ 50Hz đến vài trăm hoặc vài kHz, dòng điện cảm ứng không đáng

kể Chỉ sức điện động cảm ứng trên cuộn cảm (emf) và độ sụt áp trên điện trở xuất hiện,vì vậy cuộn dây có thể được mô hình đơn giản bằng các tụ điện kí sinh, các cuộn cảmtương ứng và điện trở tương ứng

19

Nguyễn Xích Quân - 7140977

Tuy nhiên ở tần số cao, các phép tính gần đúng trước đây không còn chính xác nữa vàsự thay đổi dòng điện cảm ứng và hỗ cảm trở nên ảnh hưởng đáng kể Dòng điện cảmứng gắn với mỗi phần tử R, L được tính kết hợp thông qua tụ điện c Tất cả sự thay đổidòng điện của mỗi phần ảnh hưởng tới các phần khác hoặc ảnh hưởng đến các thànhphần dẫn điện phải được thể hiện chính xác trong mô hình mạch ở tần số cao Toàn bộđiện dưng của cuộn dây được chia thành 2 nửa bằng nhau và sắp xếp nằm về 2 phía củamỗi phân đoạn tạo nên mạch điện hình 71 cho cuộn dây Mặc dù điện dưng của cuộn dây làtuyến tính và dễ dàng tính toán nhưng cuộn cảm của cuộn dây được gắn trên lõi nênkhông tuyến tính và phụ thuộc vào tần số

vì ảnh hưởng của hiện tượng từ trể, tổn haosắt từ, bão hòa từ và dòng điện xoáy.Do đó, một

mô hình cuộn dây hoàn chỉnh là sự kết hợp giữa tất cả các phân đoạn (section)liên tiếp nhau Một phân đoạn có thể là một vòng dây, một vài vòng dây hoặc cả một mộtphần dây lớn phụ thuộc vào yêu cầu tính chính xác mong muốn và tần số khảo sát tốiđa Phương pháp này có thể dùng để kết hợp nhiều cặp cuộn dây khác nhau

Hình 1.21: Mô hình tương đương máy biến áp hai cuộn dây 1 phân đoạn

Mô hình hoàn chỉnh của một máy biến áp bao gồm các cuộn dây liên kết lại với nhau như hình 1.21 Trong mô hình này, mỗi cuộn dây sẽ được chia thành n phân đoạn (segments) Mỗi phân đoạn là một mạch điện hình 71 với các phần tử RLCGM, tất cả các phần tử này đều phụ thuộc vào tần số Mọi sự thay đổi dòng điện trong cuộn dây MBA

• Qo»Go : điện dung so với đất tương ứng của cuộn sơ cấp và thứ cấp

• G 10 , Ứ 2 0 : điện dẫn so với đất tương ứng của cuộn sơ cấp và thứ cấp

• ^12’^12 : điện dung và điện dẫn giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp

• ■ các dãy điện dung của cuộn sơ cấp và thứ cấp

• G S1 ,G S2 : các dãy điện dẫn của cuộn sơ cấp và thứ cấp

• L1,L2 ■ điện cảm của cuộn sơ cấp và thứ cấp

• : điện ừở của cuộn sơ cấp và thứ cấp

• Mị j ; hỗ cảm giữa thành phần thứ i và thành phần thứ j

CHƯƠNG 2 ĐIỆN CẢM TRONG MÔ HÌNH THÔNG SỐ PHÂN BỐ CỦA

MBA CÓ SẴN THÔNG SỐ HÌNH HỌC

Để tính toán thông số điện cảm và hỗ cảm phục vụ cho việc mô hình hóa một máy biến

áp lực không có các thông số hình học (hộp đen), đầu tiên, ta cần nhắc lại việc tính toán thông

số điện cảm trong các máy đã biết thông số hình học để làm cơ sở cho các lập luận sau này

Chương 2 tập trung vào các công thức tính toán thông số điện cảm cho một máy biến

2.1.1 Tính toán điện cảm giữa hai phân đoạn bất kỳ

Hình 2.1: Mặt cắt của lõi sắt và 2 phân đoạnk và m

Với MBA có đầy đủ các thông số hình học, ta xét hai phân đoạnk và m bất kì sẽ có:

• r và a là kích thước cho trước tùy vào MBA đang xét

• z: khoảng cách giữa hai phân đoạn đang xét

Trở kháng tương hỗ giữa phân đoạndây quấn thứ k và phân đoạn dây quấn thứ m được tính toán dựa trên các phương trình Maxwell [3]:

QitfikX'fiky) = £2 [cos (—J -cos (—2^/1