Xây dựng cây lỗi và ứng dụng logic mờ để chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong máy biến áp lực

4.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT LOGIC MỜ Trong vài thập niên gần đây, việc nghiên cứu các thuật toán điều khiển tiếp cận với tư duy con người được gọi là trí tuệ nhân tạo. Đây là lĩnh vực phát triển khá mạnh mẽ. Trong bối cảnh của luận văn này, logic mờ (Fuzzy logic) được sử dụng như là một công cụ chính để xác định và phân loại lỗi của MBA dựa trên DGA. Ưu điểm của logic mờ là cho phép tổng hợp được bộ logic mà không cần biết chính xác cấu trúc và tham số của một hệ thống. Nhược điểm chính của phương pháp là để tổng hợp được bộ logic mờ cần phải có kinh nghiệm của các chuyên gia để xây dựng các qui tắc phù hợp 1. Định nghĩa tập mờ; Một vài dạng hàm liên thuộc thường được sử dụng; Mô hình mờ cho đối tượng, mô hình Mamdani và mô hình Sugeno. Như vậy việc áp dụng kỹ thuật mờ đã cho ra đời các bộ logic với những tính chất khá hoàn hảo. Các bộ logic mờ cho phép thiết kế rất đa dạng, vì qua việc tổ chức các nguyên tắc điều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngôn ngữ cho phép người ta thiết kế các bộ logic mờ khác nhau. Điều đó có nghĩa là quá trình xử lý của một bộ logic mờ với những nguyên tắc điều khiển cho các đối tượng có đặc tính động học khác nhau là hoàn toàn như nhau. 4.2 NỀN TẢN CỦA TIÊU CHUẨN IEC 60599 IEC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật về phương pháp đánh giá máy biến áp thông qua DGA số IEC 60599 vào tháng 9 năm 2015 6 tóm tắt các bước như sau : Bước 1: Lấy mẫu và phân tích theo phương pháp ASTM D3612C Bước 2: Xem xét các khí chính có dấu hiệu tăng lên. Nếu các

TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số : 8520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Kim Ánh

Phản biện 1: TS Võ Như Tiến

Phản biện 2: TS Phan Văn Hiền

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa họp tại

Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 29 tháng 12 năm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LUẬN VĂN

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Máy 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 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

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)

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 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

2 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

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Trong phạm vi của đề tài này, nghiên cứu được thực hiện đối với MBA lực làm 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;

Khảo 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

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

tính toán

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 thết

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

- 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]

Thông 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

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung của đề tài được tổ chức thành 4 chương Bố cục của nội dung chính của luận văn như sau:

- Chương 1-Tổng quan về luận văn

- Chương 2-Xây dựng cây lỗi cho máy biến áp lực

- Chương 3-Tổng quan về chẩn đoán lỗi máy biến áp dựa vào

kỹ thuật phân tích mẫu dầu

- Chương 4-Ứng dụng logic mờ để chẩn đoán sự cố tiềm ẩn máy biến áp lực

CHƯƠNG 2 - XÂY DỰNG CÂY LỖI CHO MÁY BIẾN

ÁP LỰC

2.1 GIỚI THIỆU

Cây 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 nhưa 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]

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 ấ o MBA

MBA được cấu tạo từ các thành phần cơ bản 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

2.2.2 ác ô g số kỹ

Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy biến áp như sau: Công suất định mức; Điện áp định mức; Dòng điện định mức sơ cấp và thứ cấp; Tần số định mức; Điện áp ngắn mạch của MBA; Dòng điện không tải I0 (A); Tổn hao không tải; Tổn hao ngắn mạch; Tổ đấu dây

2.3.3 ác p ươ g p áp í g ệ đ xác đị ỗ MBA

Thí nghiệm, kiểm tra nhằm mục đích phát hiện những hư hỏng bất thường MBA: Kiểm tra tổng thể bên ngoài; Thí nghiệm không tải; Đo điện trở cách điện và hệ số hấp thụ cuộn dây MBA; Đo điện trở một chiều các cuộn dây; Kiểm tra tỷ số biến áp ; Kiểm tra tổ nối dây; Thí nghiệm dầu cách điện; Thử nghiệm điện môi bằng điện

áp tăng cao tần số công nghiệp; Quét đáp ứng tần số; Đo phóng điện cục bộ; Kiểm tra nhiệt độ; Thí nghiệm độ ẩm trong cách điện cứng; Thí nghiệm tổn thất ngắn mạch và điện áp ngắn mạch; Thí nghiệm

các thiết bị phụ trợ

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, 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

2.3.1 Gô g ừ

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

2.3.2 ộ 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

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 phù hợp gây rò rỉ dầu, hoặc roăng làm kín bị già hóa theo thời gian cũng

gây rò rỉ dầu máy biến áp

2.3.4 V ệ các đ ệ - các đ ệ rắ

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

2.3.5 Hệ ố g à á à dầ các đ ệ

Hệ thống làm mát bao gồm cánh tản nhiệt, dầu cách điện, quạt cưỡng bức, động cơ kéo 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

2.3.6 Sứ các đ ệ

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

Lỗi 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

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

CHƯƠNG 3- TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN LỖI MÁY BIẾN

ÁP DỰA VÀO KỸ THUẬT PHÂN TÍCH MẪU DẦU

3.1 GIỚI THIỆU

Xét 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

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

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

3.2 TỔNG QUAN VỀ DẦU MBA

Dầu cách điện trong biến áp điện thường được gọi là dầu

MBA Nó thường được sản xuất bằng cách chưng cất phân đoạn và

xử lý liên tiếp từ dầu thô Đó là lý do tại sao dầu này còn được gọi

là dầu khoáng cách điện Dầu biến thế phục vụ chủ yếu trong hai mục