Xây dựng giải pháp chẩn đoán sự cố trong máy biến áp 3 pha sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu thông minh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  ĐÀO DUY YÊN XÂY DỰNG GIẢI PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TRONG MÁY BIẾN ÁP 3 PHA SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU THÔNG MINH

Trang 1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



ĐÀO DUY YÊN

XÂY DỰNG GIẢI PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TRONG MÁY BIẾN ÁP 3 PHA SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

TÍN HIỆU THÔNG MINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa

Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn KH: 1 PGS.TSKH Trần Hoài Linh

2 PGS.TS Trần Xuân Minh

Thái Nguyên, năm 2021

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: bản luận án “Xây dựng giải pháp chẩn đoán sự cố trong máy biến áp 3 pha sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu thông minh” là công trình nghiên cứu của riêng tôi được hoàn thành dưới sự chỉ bảo tận tình của tập thể thầy giáo hướng dẫn khoa học Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, một phần được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả, phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2021

Nghiên cứu sinh

Đào Duy Yên

Trang 3

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp -

ĐH Thái Nguyên, phòng Đào tạo (Bộ phận sau đại học) Nhà trường đã tạo nhiều điều kiện tốt nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này

Tác giả luận án

Đào Duy Yên

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xiii

MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2

5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3

7 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 3

8 BỐ CỤC LUẬN ÁN 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TRONG MÁY BIẾN ÁP 5

1.1 Ý NGHĨA CỦA BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MÁY BIẾN ÁP 5

1.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MBA 6

1.2.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước 6

1.2.2 Các công trình nghiên cứu trong nước 13

1.2.3 Những tồn tại của các phương pháp chẩn đoán sự cố trong và ngoài nước 14

1.2.4 Đề xuất của luận án 14

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 15

CHƯƠNG 2: 16

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC ĐỀ XUẤT CỦA LUẬN ÁN 16

2.1 HIỆN TƯỢNG RUNG TRONG MÁY BIẾN ÁP 16

2.1.1 Rung động của cuộn dây 16

2.1.2 Rung động của lõi thép 17

2.2 NHU CẦU GIÁM SÁT ĐỘ RUNG MÁY BIẾN ÁP 18

2.3 PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG THEO MIỀN TẦN SỐ 19

2.3.1 Cơ sở của việc đáp ứng tần số 19

2.3.2 Phạm vi áp dụng của phương pháp 20

Trang 5

2.3.3 Nhận xét phương pháp phân tích rung động theo miền tần số 21

2.4 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 21

2.4.1 Giới thiệu chung phương pháp phần tử hữu hạn 21

2.4.2 Sơ đồ tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 24

2.4.3 Hệ phương trình Maxwell tổng quát cho trường điện từ 25

2.4.4 Mối liên hệ giữa mật độ dòng điện và phương trình từ thế vectơ A 28

2.5 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG PHẦN MỀM ANSYS MAXWELL ĐỂ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MBA 30

2.5.1 Phương trình trường điện từ 30

2.5.2 Hệ phương trình cơ học 33

2.5.3 Ghép nối bài toán trường điện từ và bài toán cơ học 36

2.6 MẠNG NƠRON MLP 38

2.6.1 Cấu trúc mạng nơron MLP [40] 39

2.6.2 Quá trình học mạng nơron MLP 41

2.6.3 Thuật toán bước giảm cực đại 43

2.6.4 Thuật toán Levenberg – Marquardt cho mạng MLP 44

CHƯƠNG 3: 47

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRONG PHẦN MỀM ANSYS CHO MBA PHÂN PHỐI TRONG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP SỰ CỐ 47

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG PHẦN MỀM ANSYS 47

3.1.1 Một số module chính của phần mềm ANSYS 48

3.1.2 Khối chức năng mô phỏng điện từ ANSYS Maxwell 48

3.1.3 Khối chức năng mô phỏng kết cấu ANSYS Structure 49

3.1.4 Khối chức năng xây dựng mô hình ANSYS desing modeler và ANSYS meshing 49

3.1.5 Khối chức năng ANSYS mechanical workbench 50

3.1.6 Khối chức năng mô phỏng ANSYS mechanical 51

3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MBA PHÂN PHỐI 400KVA 22-0.4KV Y-Y0 TRONG ANSYS 52

3.2.1 Nguyên lý làm việc của MBA 52

3.2.2 Xây dựng mô hình MBA phân phối 400kVA 22-0.4kV Y-Y0 53

Trang 6

3.3 XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH CHUẨN BỊ CHO QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG VÀ TRẠNG THÁI SỰ CỐ CỦA

MBA PHÂN PHỐI 59

3.3.1 Mô hình chia lưới MBA làm việc ở trạng thái bình thường 60

3.3.2 Mô hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố các cuộn dây bị nới lỏng theo thời gian 61

3.3.3 Mô hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố chập 2 vòng dây 5%, 10% tổng số vòng dây cuộn cao áp pha B 63

3.3.4 Mô hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố lỏng bulông gá cuộn dây 64

CHƯƠNG 4: 66

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 66

4.1 BỘ DỮ LIỆU TÍN HIỆU ĐIỆN, CƠ LẤY TỪ MÔ PHỎNG TRONG PHẦN MỀM ANSYS 66

4.1.1 Trường hợp MBA hoạt động bình thường, tải 50% (trường hợp A-1) 66

4.1.2 Trường hợp sự cố ngắn mạch chập hai vòng dây cao áp 70

4.1.3 Trường hợp sự cố nới lỏng vòng dây 71

4.1.4 Trường hợp sự cố nới lỏng bu lông gá cuộn dây 72

4.1.5 Trường hợp sự cố chập 5% số vòng dây 74

4.1.6 Trường hợp sự cố chập 10% số vòng dây 75

4.1.7 Nhận xét các kết quả mô phỏng 76

4.2 KẾT QUẢ HUẤN LUYỆN MẠNG MLP 77

4.2.1 Các thông số đặc trưng của tín hiệu thu thập từ MBA 77

4.2.2 Kết quả huấn luyện mạng MLP 80

4.3 THỰC NGHIỆM TRÊN MBA PHÂN PHỐI 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95

KẾT LUẬN 95

KIẾN NGHỊ 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

Tiếng Việt 97

Tiếng Anh 97

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 105

Trang 7

PHỤ LỤC 106

A CHƯƠNG TRÌNH TRÍCH CHỌN ĐẶC TÍNH TỪ CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ANSYS 106

B CHƯƠNG TRÌNH HUẤN LUYỆN MẠNG MLP 121

C THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỘ RUNG CỦA MBA 125

C.1 Sơ đồ khối của hệ thống đo 125

C.2 Nguyên lý hoạt động của một số phần tử chính trong thiết bị đo 126

C.3 Mạch in 130

C.4 Lưu đồ thuật toán hoạt động của vi xử lý và cảm biến gia tốc 131

C.5 Hình ảnh thiết bị đã đóng vỏ 132

D KẾT QUẢ ĐO XA CỦA ĐIỆN LỰC THÁI NGUYÊN CHO TRẠM ĐH CÔNG NGHIỆP 3 (ngày 15/9/2020) 133

Trang 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình hóa MBA bằng mô hình tương đương RLC 7

Hình 1.2: Đặc tính quan hệ hiệu điện áp và dòng điện khi MBA chập 30%, 60% số vòng dây được xây dựng trong [11] 8

Hình 1.3: Hình ảnh đặt các điểm đo giám sát MBA sử dụng trong [38] 12

Hình 1.4: Đồ thị đáp ứng tần số rung trong ngày thứ nhất và ngày thứ tư tại điểm đo số 3 (a) và số 7 (b) 12

Hình 1.5: Đồ thị đáp ứng tần số rung tại điểm đo số 6 (a), 9 (b) và 10 (c) trong [31] 13

Hình 2.1: Mạch từ và cuộn dây máy biến áp 16

Hình 2.2: Đồ thị quan hệ giữa chiều dài và cảm ứng từ 18

Hình 2.3: Mạch đẳng trị đã được đơn giản hóa với các phần tử RLC đã được gộp lại 20

Hình 2.4: Các dạng biên giới chung giữa các phần tử 23

Hình 2.5: Một số dạng của phần tử tam giác 23

Hình 2.6: Một số dạng của phần tử tứ giác 23

Hình 2.7: Phần tử 3 chiều 24

Hình 2.8: Sơ đồ khối của một chương trình PTHH 25

Hình 2.9: Phần tử lưới tứ diện cong 35

Hình 2.10: Phần tử lập phương phi tuyến 36

Hình 2.11: Mô hình mạng MLP với 1 lớp ẩn 40

Hình 3.1: Giao diện ANSYS Maxwell 48

Hình 3.2: Một ví dụ mô hình kết cấu máy điện được xây dựng từ công cụ ANSYS Structure 49

Hình 3.3: Mô hình MBA 3 pha 50

Hình 3.4: Một ví dụ về mô hình kết cấu trong ANSYS Mechanical Workbench 51

Hình 3.5: Một ví dụ về mô phỏng kết cấu trong ANSYS Mechanical 51

Hình 3.6: Mô hình mạch điện MBA 1 pha 52

Hình 3.7: Một mô hình 3D thiết kế bên ngoài của MBA 3 pha 52

Hình 3.8: Mô hình MBA 3 pha 54

Hình 3.9: Mô hình lõi MBA 55

Hình 3.10: Đường đặc tính B-H của thép kỹ thuật JGH100 55

Hình 3.11: Mô hình cuộn dây MBA 56

Hình 3.12: Điều kiện biên cho MBA 57

Hình 3.13: Thiết lập kích thích cuộn dây MBA 58

Hình 3.14: Mô hình mạch MBA 58

Hình 3.15: Mô hình chia lưới và số phần tử lưới MBA 61

Hình 3.16: Mô hình máy biến áp với kích thước cuộn dây được nới rộng 62

Hình 3.17: Mô hình chia lưới MBA trong trường hợp MBA sự cố nới lỏng các vòng dây 63

Hình 3.18: Mô hình MBA sự cố chập vòng dây cuộn cao áp pha B 63

Hình 3.19: Sơ đồ mạch điện cho MBA khi sự cố chập vòng dây cao áp pha B 64

Hình 3.20: Mô hình chia lưới MBA khi sự cố chập vòng dây cao áp pha B 64

Trang 9

Hình 3.21: Mô hình chia lưới MBA khi sự cố lỏng bulong gá cuộn dây 65

Hình 4.1: Đồ thị thành phần lực kéo hai đầu theo hướng kính của các 67

Hình 4.2: Đồ thị thành phần lực kéo hai đầu theo hướng kính của các cuộn dây LA, LB, LC 67

Hình 4.3: Đồ thị lực theo 3 phương x, y, z tác động lên lõi 68

Hình 4.4: Biểu diễn lực theo 3 phương x, y, z tác động lên lõi 68

Hình 4.5: Chuyển vị theo phương x của vỏ máy 69

Hình 4.6: Chuyển vị theo phương y của vỏ máy 69

Hình 4.7: Chuyển vị theo phương z của vỏ máy 69

Hình 4.14: Hình ảnh lỏng bu lông gá cuộn dây MBA 72

Hình 4.24: Kết quả mô phỏng với 1 nơron ẩn: (a) Kết quả học với 180 mẫu, (b) Kết quả kiểm tra với 54 mẫu 80

Kết quả học cho thấy mạng đã học thành công được tất cả các mẫu, tất cả các trường hợp mẫu học và mẫu kiểm tra đều có sai số nhỏ (nhỏ hơn ngưỡng 0,5) 83

Hình 4 27: Kết quả thử nghiệm với 4 nơron ẩn: (a) Kết quả học với 180 mẫu, (b) Kết quả kiểm tra với 54 mẫu 84

Hình 4 28: Kết quả thử nghiệm với 5 nơron ẩn: (a) Kết quả học với 180 mẫu, (b) Kết quả kiểm tra với 54 mẫu 85

Hình 4.29: Cấu trúc của mạng nơron với 15 đầu vào, 3 nơron ẩn và 1 đầu ra 86

Hình 4.30: Sơ đồ khối của cảm biến gia tốc dòng MPU-6050 88

Hình 4.31: Máy biến áp tại Trạm ĐH Công nghiệp 3 (a) và thiết bị đo gắn trên vỏ của máy biến áp (b) 89

Hình 4.32: Kết quả nhận dạng thông qua đo độ rung bằng cảm biến gia tốc tại Trạm ĐH Công nghiệp 3 từ 9.00 đến 18.30 ngày 15/9/2020 90

Hình 4.33: Các giá trị P tổng đo từ xa của Điện lực Thái Nguyên cho trạm ĐH Công nghiệp 3 vào cùng khoảng thời gian từ 9.00 đến 18.30 ngày 15/9/2020 90

Trang 10

Hình 4.34: Biểu đồ thể hiện đồng thời các tín hiệu độ rung và P tổng của MBA đã

được chuẩn hóa về dải [0,1] trong thời gian đo thử nghiệm 91

Hình 4.35: Các kết quả phân tích phổ cho các cửa số số : 0 (a), 10 (b), 20 (c) và 30(d) 92

Hình 4.36: Sự biến thiên của các đỉnh phổ cơ bản theo thời gian lấy mẫu 93

Hình PL.1: Sơ đồ khối hệ thống đo 125

Hình PL.2: Cảm biến gia tốc MPU 6050 (a) và sơ đồ nguyên lý khối MPU 6050 (b) 126

Hình PL.3: Thẻ nhớ dung lượng cao SD và sơ đồ nguyên lý thẻ nhớ SD 126

Hình PL.4: Sơ đồ nguyên lý khối Retime DS1307 127

Hình PL.5: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 127

Hình PL.6: Màn hình LCD 2x16 (a) và sơ đồ nguyên lý ghép nối vào mạch 128

Hình PL.7: Sơ đồ nguyên lý khối vi xử lý PSoC CY8C29566 128

Hình PL.8: Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông PL2302 129

Hình PL.9: Mặt trên của mạch in 130

Hình PL.10: Mặt dưới của mạch in 130

Trang 11

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Hệ phương trình Maxwell 26

Bảng 3 1: Các thông số cơ bản của MBA phân phối đươc lựa chọn trong Luận án 53 Bảng 3.2: Các hệ số tổn hao lõi MBA 56

Bảng 3.3: Cấu trúc lõi MBA 56

Bảng 3.4 Thông số vật liệu đồng của các cuộn dây 57

Bảng 3.5 Giá trị bước chia thời gian mô phỏng 59

Trang 12

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ

viết

tắt

Response Analysis

Phân tích đáp ứng tần số rung

Trang 15

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp trong cả cấu trúc và vận hành, khi xảy ra sự

cố bất kỳ một phần tử nào trong hệ thống đều ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng năng lượng và gây thiệt hại lớn về kinh tế Tốc độ phát triển nhanh chóng của hệ thống điện trong vài thập kỷ qua cũng đã dẫn đến một sự tăng nhanh

về số lượng các máy biến áp (MBA)

Trong quá trình vận hành, MBA có thể gặp những sự cố như hỏng cách điện giữa các vòng dây, ngắn mạch, đứt dây, chạm đất, hoạt động sai của thiết bị hay sự cố từ phía người sử dụng, tình trạng quá tải và sự lão hóa của thiết bị, Khi xảy ra sự cố trong MBA, bảo vệ rơle sẽ tác động tách phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện và loại trừ sự ảnh hưởng của phần tử sự cố với các phần tử liền kề không bị sự cố Chẩn đoán dạng sự cố trong máy biến áp 3 pha là một bài toán cấp thiết để phát hiện và khắc phục sự cố của một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống điện Việc xây dựng thành công giải pháp chẩn đoán các sự cố tiềm ẩn trong MBA nói chung

và MBA phân phối 22/0.4kV nói riêng sẽ có ý nghĩa thực tế tốt, nếu đưa vào áp dụng sẽ giúp cho người vận hành nhận biết được sớm các sự cố MBA do đó tránh được thiệt hại về kinh tế do phải sửa chữa hoặc thay thế MBA mới, cũng như nâng cao được tính liên tục cung cấp điện

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Luận án nghiên cứu và đưa ra giải pháp chẩn đoán sự cố trong MBA phân phối 3 pha 22/0.4kV Phần mềm ANSYS được sử dụng để xây dựng mô hình MBA phân phối 22/0.4kV và mô phỏng MBA làm việc ở chế độ bình thường và một số chế độ

sự cố để tạo các tín hiệu điện và rung cơ học dùng cho nhận dạng Mạng nơron MLP với thuật toán học Levenberg – Marquadrt được sử dụng để chẩn đoán các dạng sự cố trong MBA dựa trên các đặc tính được trích chọn từ các tín hiệu điện và tín hiệu rung cơ học thu được từ mô phỏng bằng phần mềm ANSYS

Trang 16

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Các tài liệu về phần mềm ANSYS và xử lý tín hiệu trong MBA được nghiên cứu để xây dựng mô hình MBA phân phối 22/0.4kV trong các trạng thái làm việc bình thường và sự cố Mô hình MBA được xây dựng và mô phỏng trong phần mềm ANSYS ở trạng thái làm việc bình thường và 5 trường hợp sự cố để lấy kết quả là các tín hiệu điện và rung động cơ khí Các tín hiệu này sẽ được phân tích và trích chọn các thông số đặc trưng để tạo mẫu dành cho huấn luyện mô hình nhận dạng sử dụng mạng nơron MLP với thuật toán học Levenberg – Marquadrt để chẩn đoán các dạng sự cố tiềm ẩn trong MBA Quá trình học và kiểm tra mạng MLP được thực

hiện trong môi trường Matlab với sự hỗ trợ của thư viện Neural Network Toolbox

Bên cạnh các kết quả mô phỏng, luận án bước đầu thực nghiệm đo độ rung của MBA với việc sử dụng cảm biến gia tốc trong thiết bị đo Bước đầu đã đo được độ rung của MBA ở chế độ làm việc bình thường với tải thay đổi

4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của luận án là chẩn đoán sự cố MBA phân phối ba pha để nâng cao hiệu quả khi vận hành hệ thống điện Mô hình MBA được lựa chọn để mô phỏng và tính toán là MBA 400kVA 22-0.4kV Y-Y0

5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

 Đối với các trường hợp sự cố của MBA như chập giữa các vòng dây, xuất phát điểm ban đầu có thể chạm từ 2 đến 5 vòng dây, nếu lớp cách điện tiếp tục bị lão hóa hay hư hỏng thì số lượng vòng dây bị chạm sẽ tăng lên từ 3% đến 5% hoặc từ 6% đến 10% tổng số vòng dây trên một pha Luận án sẽ ứng dụng phần mềm ANSYS để xây dựng 5 mô hình sự cố MBA phân phối

ba pha 400kVA 22-0.4kV Y-Y0. (chập 2 vòng dây của 1 pha, chập 5% tổng

số vòng dây 1 pha, chập 10% tổng số vòng dây 1 pha, bị nới lỏng dây quấn

1 pha, bị lỏng bu lông gá dây quấn) để mô phỏng lấy kết quả (các tín hiệu điện, lực, cơ khí) làm tín hiệu mẫu cho quá trình nhận dạng sự cố

 Lựa chọn và xây dựng thuật toán nhận dạng sử dụng mạng nơron MLP để chẩn đoán sự cố trong MBA phân phối

Trang 17

 Thử nghiệm dùng cảm biến gia tốc để đo độ rung trên MBA thực ở chế độ làm việc bình thường khi tải thay đổi để kiểm chứng mô hình MBA xây dựng trên phần mềm ANSYS

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

 Ý nghĩa khoa học:

Đề xuất thuật toán nhận dạng sử dụng mạng nơron MLP với việc sử dụng đồng thời tín hiệu điện và tín hiệu cơ (rung động) để chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong MBA phân phối

 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

Luận án góp phần dự báo sớm các sự cố tiềm ẩn có thể xảy ra đối với MBA phân phối nhằm nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện

Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành điều khiển

và tự động hóa, học viên cao học và các nghiên cứu sinh quan tâm nghiên cứu về các vấn đề chẩn đoán sự cố MBA

7 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

- Luận án xây dựng được mô hình MBA 22/0.4kV Y-Y0, trong phần mềm ANSYS để phục vụ mô phỏng lấy kết quả là các tín hiệu điện và tín hiệu cơ (rung

cơ khí) Tiến hành mô phỏng 06 kịch bản làm việc của MBA gồm trường hợp làm việc bình thường và 05 trường hợp sự cố Với mỗi một trường hợp, MBA được mô phỏng với tải tương ứng là 50%, 80%, 100% so với tải định mức

- Đề xuất trích trọn 15 thông tin đặc trưng của các tín hiệu thu được từ mô phỏng ANSYS để làm cơ sở xây dựng mô hình nhận dạng

- Xây dựng mô hình nhận dạng sử dụng mạng nơron MLP với 15 đầu vào, với

số nơron ẩn tăng dần từ 1 đến 5 và 1 đầu ra để nhận dạng trạng thái làm việc của MBA Mạng được huấn luyện với 180 mẫu và thử nghiệm với 54 mẫu trong tổng số

234 mẫu đã thu thập được Kết quả học và kết quả kiểm tra đạt độ chính xác 100%

8 BỐ CỤC LUẬN ÁN

Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu, những đóng góp và bố cục của luận án

Trang 18

Trình bày các vấn đề chung của luận án, tóm tắt về nội dung nghiên cứu, những đóng góp của luận án và bố cục của luận án

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp chẩn đoán sự cố trong MBA

Trong chương này trình bày:

 Tóm tắt một số phương pháp nghiên cứu chẩn đoán sự cố trong MBA được

áp dụng trong điều kiện thực tế hiện nay;

 Nêu được ưu nhược điểm các phương pháp chẩn đoán sự cố hiện nay;

 Nêu cụ thể các trường hợp sự cố mà luận án sẽ nghiên cứu và tính toán Đề xuất các định hướng của luận án

Chương 2: Cơ sở lý thuyết các đề xuất của luận án

Nội dung chương này trình bày lý thuyết về hiện tượng rung động của MBA và phương pháp phần tử hữu hạn để áp dụng giải hệ phương trình Maxwell tổng quát cho bài toán trường điện từ, từ đó đưa ra một số giải pháp giám sát rung động cho

MBA Lý thuyết Mạng nơron MLP (MultiLayer Perceptron) kết hợp với thuật toán

Levenberg – Marquardt để tính toán và xây dựng mô hình nhận dạng các trạng thái làm việc của MBA

Chương 3: Xây dựng mô hình trong phần mềm ANSYS cho MBA phân phối trong một số trường hợp sự cố

Nội dung chương này trình bày: Giới thiệu phần mềm ANSYS, xây dựng mô hình MBA 22/0,4kV trong phần mềm ANSYS Với mô hình cơ bản của MBA đã xây dựng, các kịch bản mô phỏng trạng thái bình thường và các trường hợp sự cố của MBA phân phối được phát triển

Chương 4: Kết quả mô phỏng và tính toán

Nội dung chương này trình bày:

 Kết quả mô phỏng MBA trong chế độ bình thường và 5 trường hợp sự cố

 Phần mềm phân tích tín hiệu và nhận dạng

 Kết quả phân tích và nhận dạng

 Thực nghiệm kiểm chứng mô hình MBA

Trang 19

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN

SỰ CỐ TRONG MÁY BIẾN ÁP

Trong chương này trình bày: Tóm tắt một số phương pháp nghiên cứu chẩn đoán sự

cố trong MBA được áp dụng trong điều kiện thực tế hiện nay Ưu nhược điểm các phương pháp này từ đó đề xuất hướng nghiên cứu của luận án

1.1 Ý NGHĨA CỦA BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MÁY BIẾN ÁP

Ngày nay, có rất nhiều nhà máy điện mới được xây dựng cũng như việc hình thành các trạm biến áp truyền tải và phân phối nhằm đáp ứng đầy đủ nhu cầu sử dụng điện của các phụ tải đã dẫn đến sự gia tăng lớn về số lượng các máy biến áp (MBA) MBA là thiết bị quan trọng được sử dụng trong tất cả hệ thống truyền tải và phân phối điện Sự cố MBA là hiện tượng khi trong MBA xảy ra các hư hỏng, sai lệch của một hay nhiều phần tử dẫn tới các hoạt động bất thường hoặc hư hỏng lớn hơn, ảnh hưởng tới an toàn vận hành của MBA Do MBA có thể coi là một hệ thống phức tạp nên có thể xảy ra rất nhiều dạng sự cố như sau:

 Các sự cố do nối đất,

 Các sự cố do hỏng cách điện trong các cuộn dây,

 Các sự cố trong thùng dầu MBA,

 Các sự cố do tác động bên ngoài như: quá điện áp, quá tải, suy giảm tần số trong lưới điện,…

 Các sự cố cơ khí như: lỏng vòng dây cuốn trên lõi MBA, hỏng các cơ cấu chuyển nấc điện áp,…

Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp trong cả cấu trúc và vận hành, khi xảy ra sự

cố bất kỳ một phần tử nào trong hệ thống đều ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng năng lượng và gây thiệt hại lớn về kinh tế Với sự phát triển nhanh của phụ tải điện thì những dạng sự cố MBA xuất hiện sẽ càng nhiều hơn, do đó việc chẩn đoán được các sự cố tiềm ẩn của MBA sẽ giảm thiểu tối đa sự thiệt hại do nguyên nhân mất điện từ MBA và chi phí sửa chữa khi MBA hư hỏng

Trang 20

Do vậy việc chẩn đoán các dạng sự cố trong MBA 3 pha là một bài toán cấp thiết để phát hiện và khắc phục sự cố của một thiết bị quan trọng trong hệ thống điện, nhằm hạn chế thiệt hại về kinh tế và nâng cao tính liên tục cung cấp điện Trong các nghiên cứu đã được công bố trong và ngoài nước các tác giả chẩn đoán sự cố MBA

3 pha sử dụng một số phương pháp chủ yếu như sau: Đo và quan sát các thông số dòng điện, điện áp, các sóng hài tại đầu vào và ra của MBA 3 pha trong các tài liệu [14, 20, 24], đo và giám sát các nồng độ khí trong dầu của MBA [26, 27, 29, 30, 42], đo và giám sát nhiệt độ tại một số điểm đặc trưng của MBA, đo và giám sát các đáp ứng rung MBA trong các chế độ làm việc của MBA [38]

1.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MBA

1.2.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước

Cho đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu ngoài nước phân tích chuẩn đoán

sự cố trong MBA Đối với từng dạng sự cố, ta sẽ có các tập tham số khác nhau để đánh giá trong quá trình MBA đang vận hành Một sự cố có thể cần sử dụng nhiều tham số để phát hiện, đồng thời một tham số cũng có thể được sử dụng để nhận dạng nhiều sự cố khác nhau Các phương pháp mà mỗi tác giả lựa chọn và nghiên cứu trong các công trình của mình tập chung chủ yếu như sau Nhóm phương pháp phổ biến và kinh điển là các phương pháp sử dụng các tín hiệu điện ở đầu vào như dòng điện, điện áp, công suất tức thời trong quá trình phân tích để chẩn đoán trạng thái làm việc của MBA [11, 15, 19, 25, 57, 62] Một số giải pháp sử dụng các tín hiệu đo ở trạng thái quá độ ví dụ như đo dòng từ hóa của MBA [60] nhưng ít phổ biến hơn vì không giám sát được liên tục

Nhóm phương pháp tiếp theo của các tác giả [12, 33, 37, 63] sử dụng cảm biến nhiệt để đo một số điểm đặc trưng trên vỏ MBA nhằm phát hiện sớm các sự cố hư hỏng, chạm chập bên trong MBA trước khi thiết bị hư hỏng nặng hơn Để giám sát nhiệt độ của một số điểm làm việc đặc trưng của MBA, ngoài việc sử dụng các cảm biến nhiệt độ, các giải pháp mới còn sử dụng các camera ảnh nhiệt [64] Camera ảnh nhiệt có ưu điểm nổi bật so với các cảm biến nhiệt độ là phương pháp đo không

Trang 21

tiếp xúc nên có thể dễ dàng lắp đặt hơn vào các thiết bị đang vận hành, đồng thời sử dụng camera ảnh nhiệt có thể giám sát đồng thời nhiều điểm trên MBA

Nhóm phương pháp sử dụng cảm biến khí để chẩn đoán sự cố MBA dựa trên kết

quả phân tích nồng độ khí (Dissolved Gas Analysis - DGA) phát sinh trong dầu khi

MBA làm việc [17, 22, 40, 43, 44, 58, 59, 61] Các phương pháp này dựa trên hiện tượng khi xảy ra sự cố của MBA có thể sinh ra một số loại khí đặc trưng có nồng độ khác nhau do vậy việc lấy mẫu nồng độ các khí được các tác giả lấy làm cơ sở để chẩn đoán các trạng thái làm việc của MBA Tiếp theo có thể kể tới các phương pháp giám sát và cảnh báo các sự cố tiềm ẩn của MBA 3 pha dựa trên các tín hiệu rung cơ học trong các chế độ tải khác nhau, các dạng sự cố khác nhau sẽ dẫn tới hiện tượng rung khác nhau [39, 41] Tín hiệu rung cơ học mạnh hay yếu này được một số tác giả sử dụng làm cơ sở tính toán nhận dạng trạng thái làm việc của MBA Một số công trình như [65] đề xuất sử dụng phối hợp đo nhiệt độ, công suất tức thời

và mức dầu trong thùng dầu của MBA để chẩn đoán trạng thái làm việc của MBA Tín hiệu âm thanh phát ra từ MBA cũng có thể làm cơ sở cho các nhiệm vụ chẩn đoán [66]

1.2.1.1 Một số phương pháp chẩn đoán sự cố MBA dựa trên tín hiệu dòng, áp

Phương pháp chẩn đoán sự cố MBA dựa trên tín hiệu dòng điện và điện áp có thể tham khảo trong [8, 11, 15, 19, 24] Trong [11], tác giả đã mô hình hóa MBA 345/16kV, 250MVA bằng mạch tương đương R-L-C làm đối tượng nghiên cứu, tính toán và mô phỏng Phương pháp phát hiện sự cố MBA trong tài liệu dựa trên việc so sánh biểu đồ elip quan hệ hiệu điện áp sơ cấp và thứ cấp với dòng điện đầu vào của 1 pha Phương pháp này đã được được tác giả sử dụng phần mềm PSIM để chạy mô phỏng với các dạng sự cố chập vòng dây, các cuộn dây bị lệch trục

Hình 1.1: Mô hình hóa MBA bằng mô hình tương đương RLC

Trang 22

Phương trình hiệu điện áp sơ cấp và thứ cấp với dòng điện đầu vào của 1 pha

Hình 1.2: Đặc tính quan hệ hiệu điện áp và dòng điện khi MBA chập 30%,

60% số vòng dây được xây dựng trong [11]

Kết quả thu được sau khi mô phỏng cho ta thấy được sự khác biệt của đường đặc tính khi MBA sự cố so với khi MBA làm việc bình thường, khi cuộn dây cao áp MBA bị chập 30% số vòng thì đường đặc tính lệch 0,08% tâm và 11,71% góc lệch của trục lớn đường elip so với phương ngang Khi cuộn dây cao áp MBA bị chập 60% số vòng thì đường đặc tính lệch 0,21% tâm và 16,36% góc lệch của trục lớn đường elip so với phương ngang

Trong tài liệu [19] tác giả đề xuất sử dụng công cụ SVM (Support Vector Machines)

để nhận dạng sự cố chập giữa các vòng dây của MBA Trạng thái làm việc của MBA được mô phỏng với các chế độ tải khác nhau từ 60% đến 90% định mức, điện trở ngắn mạch tại điểm sự cố có thể nhận các giá trị 0,1Ω hoặc 5Ω, số vòng dây bị chập có thể nhận các giá trị 1%, 3%, 5%, 10%, 15% và 25% tạo thành tổng cộng

Trang 23

144 trường hợp sự cố MBA được nối phía sơ cấp với 1 hệ thống 100MVA, 39,83kV,Z  s1 1.6 80 0, phía thứ cấp nối với 1 hệ thống 100MVA, 229,99 kV, 2 = 52,8∠800 Các đặc tính được sử dụng để nhận dạng là tín hiệu dòng điện pha của cả hai phía sơ cấp và thứ cấp của MBA Kết quả độ chính xác nhận dạng sự cố trong [19] nằm trong khoảng từ 92,2% đến 96,96%

Trong tài liệu [25], MBA 115/23 kV 50MVA được tác giả chọn làm đối tượng nhận dạng trạng thái Phần mềm Matlab được sử dụng để mô phỏng các trường hợp sự cố như sự cố bên ngoài MBA (ngắn mạch trên đường dây truyền tải tại các vị trí khác nhau và các thời điểm khác nhau) điểm ngắn mạch trên đường dây ở độ dài là 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% và 90% tổng chiều dài đường dây và sự cố bên trong MBA (chập các vòng dây tại các điểm khác nhau), chập 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% và 90% số vòng dây trên cuộn cao áp Tác giả phân tích

tín hiệu bằng wavelet DWT và dùng mạng Nơron PNN (Probabilistic Neural Network) để chuẩn đoán sự cố MBA với các mẫu đáp ứng là dòng điện và điện áp

trên các pha khi sự cố Phương pháp này nhận dạng đúng các trường hợp sự cố bên trong MBA là 96,3%, và các trường hợp sự cố bên ngoài MBA là 83,3%

Trong [60], các tác giả sử dụng phương pháp đo tín hiệu trong quá trình quá độ để chẩn đoán trạng thái của MBA Tín hiệu dòng điện từ hóa MBA phân phối đơn pha (125V/24V) được phân tích bằng biến đổi Wavelet để tạo các thông tin đặc trưng dùng cho nhận dạng chập / ngắn mạch giữa các vòng dây Các tác giả đã sử dụng họ Wavelet Daubechies bậc 4 để xác định các thành phần phổ năng lượng của dòng điện từ hóa MBA Trong các thí nghiệm, tín hiệu dòng điện được đặt vào MBA bằng nguồn A622 của Tektronix và đo các đáp ứng bằng ô-xi-lô cao tần TDS2024B của Tektronix Các thành phần phổ năng lượng đặc trưng được so sánh với giá trị đo chuẩn (khi máy không có sự cố) Nếu có sai lệch đủ lớn (>1%) thì hệ thống sẽ cảnh báo là có hiện tượng ngắn mạch giữa các vòng dây Nhược điểm của những phương pháp dạng này là yêu cầu phải đo ở trạng thái quá độ, không phù hợp cho giám sát liên tục Đồng thời phương pháp cũng yêu cầu phải có tín hiệu mẫu chính xác trong quá trình quá độ để tiến hành so sánh trực tiếp

Trang 24

1.2.1.2 Phương pháp phân tích nồng độ khí

Phương pháp phân tích khí hòa tan (Dissolved Gas Analysis - DGA) là phương pháp

hiệu quả trong việc chẩn đoán các trạng thái hư hỏng tiềm ẩn trong MBA Trong quá trình vận hành MBA, dầu cách điện làm việc ở nhiệt độ cao, trong cường độ trường điện từ cao, bị phân hủy và diễn ra theo cơ chế phá vỡ mạch C-H và C-C tạo thành hydro nguyên tử và các radical hydrocarbon [40, 44] Các sản phẩm vừa mới sinh ra này kết hợp với nhau hình thành khí H2, CH4, C2H6… và hydrocarbon mới Khi có các nguồn nhiệt lớn sinh ra trong MBA (quá nhiệt mối nối, phóng điện cục

bộ hoặc phóng hồ quang…) sự phân hủy diễn ra mạnh hơn và sản sinh thêm khí

 Phương pháp các tỷ số [3, 40]: Các tỷ số được định nghĩa ở bảng 1.1, giới hạn

nồng độ của các khí được cho ở bảng 1.2 Trong thực tế, nhiều tác giả chỉ kiểm tra nồng độ của 4 khí H2, CH4, C2H2, C2H4 thay vì 6 khí

Trang 25

sẽ giúp người quản lý vận hành chẩn đoán sớm tình trạng 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

1.2.1.3 Phương pháp chẩn đoán sự cố MBA dựa trên việc phân tích tín hiệu rung cơ học của MBA

Phương pháp chẩn đoán sự cố MBA dựa trên việc phân tích tín hiệu rung của MBA chỉ có một số ít tác giả lựa chọn để nhận trạng thái của MBA [38, 39, 41] Trong tài liệu [38, 41], khi sự cố chạm chập các vòng dây trên một pha thì cuộn dây sẽ bị biến dạng dẫn tới độ rung của MBA thay đổi Dựa vào sự thay đổi đó, tác giả đã lắp các cảm biến đo rung động tại một số điểm trên vỏ MBA để lấy tín hiệu phân tích và nhận dạng trạng thái MBA So với các phương pháp nhận dạng đo lường bằng tín hiệu điện, phân tích nồng độ khí và nắp cảm biến nhiệt phương pháp nhận dạng trạng thái MBA dựa trên tín hiệu rung động cơ khí có thể nhận dạng nhạy hơn và có tính chống nhiễu tốt hơn Trong hai tài liệu trên tác giả chọn MBA có công suất 220KVA, dòng điện trên cuộn dây pha A là 5A Dải tần số đo từ 230Hz đến 626Hz

Tác giả sử dụng phương pháp phân tích đáp ứng tần số rung (Vibration Frequency Response Analysis - VFRA) để phát hiện sự cố biến dạng cuộn dây của MBA Các

điểm đo tín hiệu rung trong tài liệu được đặt như hình 1.3

Trang 26

Hình 1.3: Hình ảnh đặt các điểm đo giám sát MBA sử dụng trong [38]

Kết quả so sánh các đường cong đáp ứng tần số được thể hiện trong hình 1.4

Hình 1.4: Đồ thị đáp ứng tần số rung trong ngày thứ nhất và ngày thứ tư

tại điểm đo số 3 (a) và số 7 (b)

Từ những số liệu này, để xác định mức chênh lệch giữa hai đường tín hiệu, độ lệch

trung bình tuyệt đối (Average Absolute Deviation - AAD) của hai đường cong đáp

ứng tần số, như thể hiện trong phương trình:

Max A f A f AAD

fs, fe: Giá trị đầu và cuối của tần số quét,

N: Số lượng các điểm tần số quét

Giá trị đặc tính AAD này được sử dụng để chẩn đoán tình trạng sự cố của MBA

Trang 27

Theo tài liệu [31], tác giả dùng phần mềm ANSYS mô phỏng MBA 220kV khi cuộn dây pha C phía hạ áp của MBA bị nới lỏng theo hướng trục (Hình 1.9) Phương pháp phân tích đáp ứng tần số rung (VFRA) được sử dụng để phát hiện các biến dạng cuộn dây MBA Kết quả của bài viết lấy được đường đặc tính đáp ứng tần

số rung của MBA hình 1.5

(a)

(b)

(c) Hình 1.5: Đồ thị đáp ứng tần số rung tại điểm đo số 6 (a), 9 (b) và 10 (c) trong [31]

Từ kết quả đo đặc tính đáp ứng tần số rung tác giả kết luận có thể sử dụng tín hiệu rung động để giúp ta chẩn đoán chính xác nhất dạng sự cố cuộn dây bị nới lỏng trục trong MBA

1.2.2 Các công trình nghiên cứu trong nước

Trong nước đã có một số các công trình nghiên cứu về chẩn đoán sự cố của MBA

như luận án của TS Nguyễn Văn Lê “Nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong MBA lực ứng dụng cho hệ thống điện Việt Nam” Tác giả Nguyễn Hữu Công đã có công trình “Xây dựng hệ chẩn đoán lỗi tiềm ẩn của MBA lực dựa trên mạng nơron kết hợp phân tích khí hòa tan”

Trang 28

1.2.3 Những tồn tại của các phương pháp chẩn đoán sự cố trong và ngoài nước 1.2.3.1 Những tồn tại của phương pháp phân tích tín hiệu dòng áp

Qua các tài liệu tham khảo ta thấy các tác giả chủ yếu chỉ khảo sát MBA công suất lớn làm việc ở chế độ không tải và đưa ra một số ít các trường hợp sự cố để lấy số liệu dòng điện và điện áp làm cơ sở cho việc chẩn đoán trạng thái của MBA

1.2.3.2 Những tồn tại của phương pháp phân tích nồng độ khí

Phương pháp chẩn đoán sự cố MBA sử dụng phương pháp DGA vẫn tồn tại một số hạn chế đó là phương pháp chỉ chẩn đoán được cho đối tượng MBA dầu Các cảm biến khí có tính chọn lọc không cao, rất dễ nhầm với các loại khí lạ Do đặc thù của MBA vận hành liên tục do đó các cảm biến có tuổi thọ không cao dẫn tới phải thay thường xuyên

1.2.3.3 Những tồn tại của phương pháp đáp ứng tần số rung

Các tác giả sử dụng phương pháp đáp ứng tần rung để chẩn đoán sự cố MBA chưa khảo sát nhiều trường hợp sự cố khác nhau và các MBA chỉ làm việc trong chế độ không tải Các cảm biến đo gia tốc chỉ được gắn trên MBA thí nghiệm, rất ít đo MBA làm việc vận hành thực tế

1.2.4 Đề xuất của luận án

Sau khi tìm hiểu các phương pháp chẩn đoán sự cố MBA từ các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy các phương pháp nghiên cứu chẩn đoán sự cố tiềm ẩn MBA của các tác giả chủ yếu là các MBA lực (truyền tải), ít có các công trình nghiên cứu về chẩn đoán sự cố trong MBA phân phối 22/0,4kV Ngoài ra để tăng độ tin cậy cần phải xác định được cùng lúc nhiều tín hiệu trạng thái của MBA như tín hiệu điện, cơ (rung động) Vì vậy để lấy được cả tín hiệu điện và rung động

cơ khí làm cơ sở nhận dạng trạng thái làm việc của MBA, luận án đề xuất sử dụng công cụ ANSYS để xây dựng mô hình và mô phỏng MBA phân phối 400kVA 22-0.4kV Y-Y0 Kết quả mô phỏng có được các mẫu số liệu là dòng, áp đầu vào và ra, lực điện từ trên cuộn dây và lõi thép của MBA phân phối, đặc tính rung động (chuyển vị) trên vỏ MBA phân phối theo ba phương x, y, z Sau khi có được bộ mẫu

Trang 29

dữ liệu, bộ dữ liệu này sẽ được sử dụng làm cơ sở nhận dạng sự cố trong MBA phân phối bằng mô hình mạng nơron kinh điển MLP

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương 1 luận án đã giải quyết được các vấn đề sau:

 Tổng hợp được các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về các phương pháp chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong MBA truyền tải và phân phối

 Chỉ ra được các tồn tại và hạn chế của các phương pháp chẩn đoán sự cố MBA đã được công bố

 Đề xuất giải pháp chẩn đoán sự cố MBA phân phối bằng việc xây dựng mô hình MBA trong phần mềm ANSYS để lấy các tín hiệu điện, cơ (rung động) làm bộ dữ liệu cho việc nhận dạng các sự cố MBA phân phối bằng mạng nơron nhân tạo MLP

Trang 30

CHƯƠNG 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC ĐỀ XUẤT CỦA LUẬN ÁN

Chương 2 sẽ trình bày về một số cơ sở lý thuyết cho các giải pháp được đề xuất trong luận án Trong chương này luận án trình bày tóm tắt lý thuyết về hiện tượng rung trong MBA và áp dụng hiện tượng này để chẩn đoán sự cố trong MBA Để có được số liệu dùng cho các phân tích và tính toán các thông tin đặc trưng trong trường điện từ, luận án dùng sử dụng phần mềm tính toán bằng phương pháp các phần tử hữu hạn để mô phỏng các hiện tượng điện, cơ (rung động) cho MBA phân phối 22/0,4kV Để nhận dạng và chẩn đoán được sự cố trong MBA từ các tín hiệu điện, cơ (rung động) thu thập được, một mô hình phi tuyến là mạng nơron truyền thẳng MLP sẽ được sử dụng nên ở phần cuối của chương 2 sẽ trình bày tóm tắt về cấu trúc, thuật toán xây dựng mô hình cho mạng nơron MLP này

2.1 HIỆN TƯỢNG RUNG TRONG MÁY BIẾN ÁP [45,46]

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

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

Trang 31

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 bên trong cuộn dây 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 lẻ 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 có thể xấp xỉ là quan

hệ tuyến tính (U = 4.44fNBs), nên khi áp dụng công thức vào trong quan hệ của

chiều dài và bình phương cảm ứng từ sẽ cho kết quả là các lực từ giảo tỷ lệ thuận với bình phương điện áp 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 lẻ 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, lõi từ bao gồm nhiều tấm thép kĩ thuật được ghép cách điện với nhau Trong những điều kiện như vậy, sự phân bố mật độ từ thông không đều sẽ xuất hiện

Trang 32

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 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 cũng 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, sự thay đổi cơ khí trong quá 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 ra Đây là những nguyên nhân làm giảm tuổi thọ của MBA, 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 sự thay đổi 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, xuất hiện các bọt khí bên trong dầu cách điện

Trang 33

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 Để phát hiện những thay đổi về mặt hình học, đặc biệt là sự biến dạng của cuộn dây bên trong máy biến áp ta có thể

sử dụng phương pháp đáp ứng tần số rung (VFRA)

2.3 PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG THEO MIỀN TẦN SỐ

Việc mất đi tính nguyên vẹn cơ học ban đầu của MBA như sự biến dạng của cuộn dây, sự dịch chuyển của lõi thép,… là do tác động của các lực điện cơ lớn, mà nguyên nhân là do xuất hiện dòng điện sự cố, việc co ngót của cuộn dây dẫn đến việc nới lỏng lực ép, các vấn đề nảy sinh trong quá trình vận chuyển và lắp đặt gây nên Sự biến dạng của cuộn dây và việc dịch chuyển của lõi thép nếu không được phát hiện sớm, thường sẽ chuyển thành một hư hỏng về điện môi hoặc về nhiệt Loại hư hỏng này chỉ có thể khắc phục bằng cách đại tu MBA như quấn lại cuộn dây, sửa chữa lại lõi thép hoặc thay thế toàn máy biến áp Vì vậy rất cần thiết phải kiểm tra sự nguyên vẹn về cơ của các MBA mới lắp đặt sau quá trình vận chuyển, cũng như các MBA đang vận hành một cách định kỳ và đặc biệt sau các sự cố ngắn mạch, nhằm đánh giá tình trạng bất thường và đưa ra cảnh báo sớm về hư hỏng có thể xảy ra Do đó các hãng chế tạo thiết bị chẩn đoán MBA trên thế giới đã đưa ra

và áp dụng một kỹ thuật mới để giải quyết rất hiệu quả vấn đề này, đó là “Kỹ thuật

phân tích đáp ứng tần số” (FRA- Frequency Response Analysis)

2.3.1 Cơ sở của việc đáp ứng tần số

MBA được xem là một mạng lưới phức hợp bao gồm các phần tử RLC Mạng 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 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 2.3 để giải thích một cách chính xác nguyên lý của kỹ thuật đáp ứng tần số [10]

Trang 34

Hình 2.3: Mạch đẳng trị đã đơn giản hóa với các phần tử RLC được gộp lại

Bất kỳ dạng hư hỏng về mặt vật lý đối với MBA đều dẫn đến những thay đổi của mạng lưới RLC Những thay đổi này là cái mà chúng ta đang tìm kiếm và sử dụng đáp ứng tần số để làm nổi bật những thay đổi nhỏ này trong lưới RLC bên trong MBA

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 Bất kỳ sự biến dạng về mặt hình học làm thay đổi mạng lưới RLC, sự thay đổi này lại làm thay đổi hàm truyền ở các tần số khác nhau và từ đó ta biết được sự thay đổi cơ học của MBA

2.3.2 Phạm vi áp dụng của phương pháp

Hiện tại nhằm phát hiện sự dịch chuyển của cuộn dây MBA, các đơn vị bảo trì MBA sử dụng các thiết bị đo FRA được xem là một công cụ chẩn đoán hỗ trợ trong công tác thí nghiệm đánh giá hư hỏng và điều tra sự cố ở các MBA Kỹ thuật FRA

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 hiệu quả

Cuộn

cao áp

Cuộn

hạ áp

Trang 35

Việc tiến hành các phép đo FRA để đánh giá tình trạng của MBA, là một tiêu chuẩn cần thiết trong những tình huống sau đây:

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

 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 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 MBA

2.3.3 Nhận xét phương pháp phân tích rung động theo miền tần số

Phân tích đáp ứng tần số quét (FRA) qua thực tiễn áp dụng đã chứng tỏ đây là một công cụ chẩn đoán hiệu quả để 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 có thể nhận dạng trạng thái của nhiều loại MBA khác nhau

2.4 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỂ TẠO MẪU TÍN HIỆU

Các phương pháp chẩn đoán và nhận dạng sự cố, hỏng hóc đều được xây dựng dựa trên một tập hợp các tín hiệu đầu vào đo lường được Tuy nhiên do NCS gặp nhiều khó khăn trong việc khảo sát thực tế các MBA bị sự cố vì vậy trong luận án này, NCS định hướng sẽ sử dụng các số liệu mô phỏng Một số phần mềm thông dụng hiện nay như phần mềm Matlab, … không cho phép ta khảo sát mô phỏng để lấy tín hiệu rung động cơ trong MBA, do đó luận án đề xuất dùng phần mềm ANSYS chuyên sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán mô hình MBA và mô phỏng một số trường hợp sự cố bên trong MBA để lấy kết quả về tín hiệu điện và tín hiệu cơ (rung động) làm bộ dữ liệu mẫu kết quả phục vụ cho quá trình nhận dạng

và chẩn đoán các sự cố đã mô phỏng cho MBA đó

2.4.1 Giới thiệu chung phương pháp phần tử hữu hạn

Sự tiến bộ của khoa học, kỹ thuật đòi hỏi người kỹ sư thực hiện những đề án ngày càng phức tạp, đắt tiền và đòi hỏi độ chính xác, an toàn cao

Trang 36

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Elements Methods - FEM) là một phương

pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau

Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ô tô, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu, v.v, đến những bài toán của lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện-từ trường v.v Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp cũng đã được tính toán và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng Hiện có nhiều phần mềm phần tử hữu hạn (PTHH) nổi tiếng như: ANSYS, ABAQAUS, SAP, v.v

2.4.1.1 Phương pháp xấp xỉ bằng phần tử hữu hạn

Giả sử V là miền xác định của một đại lượng cần khảo sát nào đó (chuyển vị, ứng

suất, biến dạng, nhiệt độ, v.v.) Ta chia V ra nhiều miền con v e có kích thước và bậc

tự do hữu hạn [7] Đại lượng xấp xỉ của đại lượng trên sẽ được tính trong tập hợp

các miền v e

Phương pháp xấp xỉ nhờ các miền con v e được gọi là phương pháp xấp xỉ bằng các phần tử hữu hạn, nó có một số đặc điểm sau [7]:

 Xấp xỉ nút trên mỗi miền con v e chỉ liên quan đến những biến nút gắn vào

nút của v e và biên của nó,

 Các hàm xấp xỉ trong mỗi miền con v e được xây dựng sao cho chúng liên

tục trên v e và thoả mãn các điều kiện liên tục giữa các miền con khác nhau

 Các miền con v eđược gọi là các phần tử

2.4.1.2 Định nghĩa hình học các phần tử hữu hạn

Nút hình học: Nút hình học là tập hợp n điểm trên miền V để xác định hình dạng

hình học của các PTHH Chia miền V theo các nút trên, rồi thay miền V bằng một tập hợp các phần tử ve có dạng đơn giản hơn Mỗi phần tử ve cần chọn sao cho nó được xác định giải tích duy nhất theo các toạ độ nút hình học của phần tử đó, có nghĩa là các toạ độ nằm trong ve hoặc trên biên của nó

Qui tắc chia miền thành các phần tử: Việc chia miền V thành các phần tử ve

phải thoả mãn hai qui tắc sau:

Trang 37

 Hai phần tử khác nhau chỉ có thể có những điểm chung nằm trên biên của chúng

Điều này loại trừ khả năng giao nhau giữa hai phần tử Biên giới giữa các phần

tử có thể là các điểm, đường hay mặt (Hình 2.4)

 Tập hợp tất cả các phần tử ve phải tạo thành một miền càng gần với miền V cho

trước càng tốt Tránh không được tạo lỗ hổng giữa các phần tử

Hình 2.4: Các dạng biên giới chung giữa các phần tử

2.4.1.3 Các dạng phần tử cơ bản

Có nhiều dạng phần tử hữu hạn: phần tử một chiều, hai chiều và ba chiều Trong

mỗi dạng đó, đại lượng khảo sát có thể biến thiên bậc nhất (gọi là phần tử bậc nhất),

bậc hai hoặc bậc ba v.v Dưới đây, chúng ta làm quen với một số dạng phần tử hữu

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc ba

Trang 38

Phần tử ba chiều:

Hình 2.7: Phần tử 3 chiều

2.4.2 Sơ đồ tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Một chương trình tính bằng PTHH thường gồm các khối chính sau [7]:

Khối 1: Đọc các dữ liệu đầu vào: Các dữ liệu này bao gồm các thông tin mô tả nút

và phần tử (lưới phần tử), các thông số của vật liệu, các thông tin về điều kiện biên,

Khối 2: Tính toán ma trận độ cứng phần tử k và véctơ lực nút phần tử f của mỗi

Khối 6: Tính toán các đại lượng khác;

Khối 7: Tổ chức lưu trữ kết quả và in kết quả, vẽ các biểu đồ, đồ thị của các đại

lượng theo yêu cầu

Trang 39

2.4.3 Hệ phương trình Maxwell tổng quát cho trường điện từ [47,48]

Hệ các phương trình của Maxwell đã tổng quát hóa các định luật thực nghiệm của những người đi trước như: định luật Ampère về dòng điện, định luật Gauss cho điện tích, mối quan hệ giữa dòng điện tổng và dòng điện chuyển dịch, mối quan hệ giữa

từ trường và thế năng vectơ, định luật Faraday về mối quan hệ giữa điện trường và thế năng vô hướng cũng như thế năng vectơ, mối quan hệ giữa điện trường và trường dịch chuyển, định luật Ohm về mật độ dòng điện và điện trường, Toàn bộ các công thức của Maxwell được viết gọn lại dưới dạng vector và giải tích như Bảng 2.1 [47, 48]:

Tính toán ma trận độ cứng phần tử k Tính toán véctơ lực nút phần tử f

Giải hệ phương trình KQ = F (Xác định véctơ chuyển vị nút tổng thể Q)

Đọc dữ liệu đầu vào

- Các thông số vật liệu

- Các thông số hình học của kết cấu

- Các thông số điều khiển lưới

- Tải tác dụng

- Thông tin ghép nối các phần tử

- Điều kiện biên

Xây dựng ma trận độ cứng K và véctơ lực chung F

Áp đặt điều kiện biên

(Biến đổi các ma trận K và vec tơ F)

Tính toán các đại lượng khác

Trang 40

Việc phân tích, tính toán các yếu tố trong trường điện và trường từ có thể dựa vào

hệ phương trình Maxwell, Từ trường biến thiên sinh ra điện trường xoáy và ngược lại Điện trường và từ trường liên hệ chặt chẽ và chuyển hoá lẫn nhau Khái niệm về trường điện từ được Maxwell nêu lên đầu tiên và để diễn tả định lượng gọi là hệ phương trình Maxwell [47,48]

0

D

t B rot E

t divB

Định dạng
Số trang	147
Dung lượng	4,13 MB