intTypePromotion=1
ADSENSE

Phát hiện trực tuyến biến dạng trong cuộn dây máy biến áp lực sử dụng cảm biến sợi quang

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

9
lượt xem
0
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết giới thiệu các kết quả mô phỏng số tương tác lực từ và rung động bên trong một máy biến áp lực thực hiện bởi trường đại học Tây Úc (Western Australia), và các nhận xét từ các thử nghiệm hiện trường, thực hiện bởi QPS, trường đại học Manchester, Vương quốc Anh, và công ty kỹ thuật tự động hóa Xian E-Sys, Trung Quốc, để kết luận tính ứng dụng khả thi của cảm biến trong việc phát hiện các kiểu biến dạng cuộn dây như cong oằn (buckling), phình lồi (bulging), ngắn và hở mạch, chùng kết cấu cơ khí, thiếu miếng chêm bên trong cuộn dây (inter-winding seperation).

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Phát hiện trực tuyến biến dạng trong cuộn dây máy biến áp lực sử dụng cảm biến sợi quang

  1. PHÁT HIỆN TRỰC TUYẾN BIẾN DẠNG TRONG CUỘN DÂY MÁY BIẾN ÁP LỰC SỬ DỤNG CẢM BIẾN SỢI QUANG Peter Kung, Robert Idsinga, Jian Bin Fu, H.-Chaska V.-Durand, Chang Shui Yang QPS Photronics, Montreal, Canada. (peter@qpscom.com) PGS.TS. PHẠM ĐÌNH ANH KHÔI Trường ĐH Bách Khoa – ĐH Quốc Gia TP. HCM Lời tựa: T rong lần dự hội nghị quốc tế về kỹ thuật điện cao áp ở độ điểm nóng cục bộ (hot spot). Buenos Aires, Argentina năm 2017, tôi có nghe một bài báo Đây là giải pháp giám sát – chẩn cáo về chủ đề sử dụng các cảm biến hiện đại để giám sát đoán chi phí hiệu quả để kéo trực tuyến tình trạng máy biến áp lực của ông Peter Kung, dài tuổi thọ máy biến áp lực. giám đốc công ty QPS Photronics, Canada. Đây sẽ là một trong những chủ đề thú vị trong tương lai cho các nhà sản xuất máy biến I Giới thiệu áp lực (và máy phát), vì tình trạng các máy biến áp có tích hợp hệ Gần đây, các nguồn năng thống này sẽ được giám sát trực tuyến và chính xác, không cần các lượng tái tạo (gió, mặt trời) đã phép thử nghiệm hiện trường vừa rất khó khăn để thực hiện, lại được phát triển nhanh chóng vừa ảnh hưởng đến chế độ làm việc của thiết bị. Tôi xin giới thiệu trên phạm vi toàn thế giới bài viết dưới đây, trích dịch từ các bài báo liên quan xuất bản trong nhằm giảm hiệu ứng nhà kính, các năm gần đây của các tác giả thuộc công ty QPS Photronics. nhưng do tình trạng vận hành Tóm tắt: không liên tục dẫn đến nhu cầu cần phải phát triển nguồn điện Biến dạng cơ khí cuộn dây trong máy biến áp lực có thể hình để có sự cân bằng trên lưới. Ở thành trong quá trình vận chuyển, do quá trình co giãn dần của hệ Bắc Mỹ, khí đá phiến (shale gas) thống cơ khí trong quá trình vận hành, hoặc do dòng điện lớn gây rất dư thừa và rẻ, cho phép các bởi phóng điện sét hay sự cố ngắn mạch. Biến dạng cuộn dây làm công ty phát điện chuyển sử gia tăng lực điện từ trong vùng không gian giữa các cuộn dây và lõi dụng nguồn năng lượng sơ cấp thép bên trong máy biến áp lực, làm các “tín hiệu” rung động trở từ than đá sang khí. Mặt khác, nên rõ nét hơn, do đó có thể ứng dụng để giám sát trực tuyến tình một số công ty điện lực khác trạng biến dạng cuộn dây. sẵn sàng đầu tư nâng cao độ tin Trong thực tế, nếu sử dụng các cảm biến điện gắn lên thành vỏ cậy và hiệu năng của lưới điện, máy biến áp, sẽ rất khó khăn để ghi nhận các tín hiệu rung động thông qua việc xây dựng các lưới phát sinh do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như vị trí gắn cảm biến, điện truyền tải hiện đại. Tuy vậy, tạp âm nhiễu từ tiếng ồn quạt làm mát, hệ thống bơm dầu… Để đa số các chuyên gia đều thống khắc phục, một cảm biến sợi quang mảnh dày 2 mm, dài 50 mm, nhất, rằng điểm mấu chốt của rộng 20 mm đã được nghiên cứu bởi công ty QPS để chèn vào một lưới điện tin cậy và ổn định khoảng cách giữa các cuộn dây bên trong máy biến áp lực nhằm phụ thuộc lớn vào các máy biến đo lường trực tiếp rung động cuộn dây trong vùng tần số từ 1 Hz áp lực tăng áp (step-up power đến 2 kHz. transformers). Hiện tại, đa số Bài báo cũng giới thiệu các kết quả mô phỏng số tương tác lực từ các máy biến áp (MBA) này đều và rung động bên trong một máy biến áp lực thực hiện bởi trường có thời gian vận hành từ 30 đến đại học Tây Úc (Western Australia), và các nhận xét từ các thử 50 năm và tiệm cận đến mốc nghiệm hiện trường, thực hiện bởi QPS, trường đại học Manchester, “tuổi thọ vòng đời”; hiện tại đã Vương quốc Anh, và công ty kỹ thuật tự động hóa Xian E-Sys, có nhiều vụ nổ MBA xảy ra hàng Trung Quốc, để kết luận tính ứng dụng khả thi của cảm biến tuần ở Mỹ. Cộng đồng nghiên trong việc phát hiện các kiểu biến dạng cuộn dây như cong oằn cứu trên thế giới đều đã thống (buckling), phình lồi (bulging), ngắn và hở mạch, chùng kết cấu nhất, rằng giám sát phóng điện cơ khí, thiếu miếng chêm bên trong cuộn dây (inter-winding cục bộ (PD – Partial Discharge) seperation). Ngoài ra, cảm biến đặc biệt này còn có thể đo nhiệt là dấu hiệu tốt nhất để xác định tuổi thọ còn lại của MBA.Tuy 14  bản tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng 4 / 2018
  2. nhiên, các cảm biến đo PD này bằng phép so sánh các đáp ứng tần số, trước và sau khi nghi ngờ có được chế tạo dựa trên nền công sự cố. Tuy nhiên, việc phân tích các kết quả đo rất khó khăn, do các nghệ áp điện (piezoelectric) MBA không hoàn toàn giống nhau và cách đánh giá hiện tại chưa ;chúng có chứa các phần dẫn được tiêu chuẩn hóa, trong khi MBA cần phải được tháo ra khỏi điện và không thể đưa vào bên lưới điện để thực hiện phép đo, làm gián đoạn vận hành. Vì vậy, trong MBA nên vì vậy chỉ được hiện nay người ta đang quan tâm đến giải pháp giám sát các rung treo trên ngoài thành vỏ MBA. động, đặc biệt thực hiện bên trong thùng dầu để có kết quả chính Do chúng làm việc ở tình trạng xác nhất [4, 6-9]. cộng hưởng, nên việc thu nhận Các nghiên cứu mô phỏng tại trường đại học Tây Úc [4] phân tín hiệu không được tốt, và khó tích các mô hình rung động (vibration model) và cộng hưởng cấu phán đoán chính xác về mức độ trúc (structural resonance) trong MBA sử dụng phương pháp phần già hóa cách điện trong MBA. tử hữu hạn; theo đó, ứng suất hệ thống cơ khí (clamping pressure) Vì vậy, việc dự đoán chính xác và độ chặc (stiffness) có thể làm dịch chuyển các vị trí cộng hưởng tuổi thọ còn lại của MBA dựa (resonance peaks), ví dụ như ở các chế độ (mode) với tần số 36.7, trên giám sát PD thông qua các 48.3, 82.3 và 115.8 Hz theo minh họa ở hình 1. cảm biến này sẽ không được đảm bảo. II Giải quyết vấn đề Mục tiêu nghiên cứu là nhằm gia tăng thời gian vận hành của máy biến áp lực và tránh các phí tổn ngừng cung cấp điện do các sự cố tiềm ẩn [1-3]. Một báo cáo của CIGRE đã tổng hợp có 41 % sự cố trong MBA liên quan đến bộ điều áp dưới tải và 19 % có liên quan đến các cuộn dây. Do đó, giám sát rung động trong MBA có thể là công cụ thích hợp, vì các rung động theo thời gian là hệ quả của sự già hóa cách điện hay dấu hiệu sự xuống cấp của hệ thống cơ khí. Sự cố ngắn mạch do vậy có thể xảy ra do các cuộn dây bị chùng, làm tăng dần cường độ rung động. Sự dịch chuyển cuộn dây rất khó phát hiện, Hình 1 – Các chế độ cộng hưởng khác nhau trong MBA. bởi vì các cuộn dây được bọc ẩn bên trong thùng dầu. Phép Các tần số dao động tự nhiên này có xu hướng giảm khi ứng thử nghiệm “Phân tích khí hòa suất hệ thống cơ khí giảm và các cuộn dây chùng dần, nhưng sự tan” (Dissolved Gas Analysis chuyển dịch này rất nhỏ. Nếu cảm biến rung động có khả năng – DGA) có thể đưa ra một kết thu thập được tín hiệu trong dãy tần số rộng và có độ phân giải luận cụ thể, nhưng không đánh tần số tốt sẽ phát hiện sự thay đổi này. Bài báo giới thiệu công giá được quy trình xuống cấp nghệ của QPS sử dụng cảm biến rung động nhỏ nhất trên thế giới của cuộn dây theo thời gian; “VibroFibre” để chèn vào khoảng hẹp giữa các cuộn dây bên trong muốn vậy, cần đo lường trực MBA (xem hình 2). tiếp rung động để có thể phát hiện biến dạng cuộn dây, gây ra bởi quá trình vận chuyển MBA đến công trường và/hay bởi các xung dòng điện lớn do ngắn mạch hay sét đánh [4]. Phép thử nghiệm “Phân tích đáp ứng tần số” (Frequency Response Analysis – FRA) [5] cũng có thể ứng dụng để khảo sát sự Hình 2 – Cảm biến rung động đặc biệt được thiết kế bên trong miếng chêm chuyển dịch cấu trúc cuộn dây giấy bìa cứng cách điện cuộn dây. bản tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng 4 / 2018  15
  3. III. Công nghệ cảm biến đo “VibroFibre” dạng sợi dài Hình 5 giới thiệu cách đấu nối cảm biến được thiết kế đặc Cảm biến VibroFibre nguyên bản là một cảm biến dạng biệt này vào giữa miếng chêm khe (cavity sensor) chứa một bộ giao thoa kế kép (twin grating cách điện giữa các cuộn dây interferometer) dựa trên công nghệ “fiber Bragg grating” (FBG), được trong một MBA 110 kV, vốn bố trí cách nhau một đoạn d từ 5 mm đến 20 mm, trên một sợi được thiết kế tuân theo quy quang đơn tia (single mode fiber), dùng để đo các tín hiệu rung động chuẩn sản xuất trong khi có từ cuộn dây trong các máy phát điện công suất lớn, xem hình 3. thêm tác dụng bảo vệ cảm biến khỏi các tác dụng cơ học. Việc bố trí này không ảnh hưởng đến dòng dầu làm mát tuần hoàn bên trong MBA. Hình 3 – Cấu trúc cảm biến VibroFiber và minh họa các vân giao thoa đo được [10]. Nghiên cứu sau đó cho thấy, bằng cách nối đoạn sợi quang đơn Hình 5 – Cách bố trí cảm biến bên tia này với chiều dài xác định nào đó vào một khe cộng hưởng trong các miếng chêm cách điện quang (Fabry-Perot cavity) sẽ hình thành một bộ cảm biến rung trong quá trình sản xuất MBA. động mới. Điều này sẽ làm giảm kích thước của cảm biến VibroFibre Nguyên lý làm việc cơ bản ban đầu (có sử dụng bộ “diving board” dày 8 mm) sang một cấu của bộ cảm biến như sau: một trúc chỉ cần khe cộng hưởng quang mỏng hơn (dày 2 mm, xem bộ nguồn phát ra tín hiệu hình 4), rất thích hợp để bố trí vào bên trong các miếng chêm cách laser băng tần hẹp có tần số điện (spacer) giữa các đĩa dây trong MBA. Cấu trúc này sẽ tạo ra trung tâm được điều hợp bước một bộ cảm biến rung động dạng phân bố (distributed vibration sóng (wavelength matched) sensor), chi tiết xem trong [10, 11]. với khe cộng hưởng, sinh ra các thành phần vân giao thoa (interference fringes). Các tác nhân ảnh hưởng như rung động và nhiệt độ sẽ làm dịch chuyển các vân giao thoa và được ghi lại dưới dạng tín hiệu điện áp (xem hình 6a). Theo đó, các rung động sẽ làm thay đổi (giá trị) thành phần theo chu kỳ, trong khi nhiệt độ sẽ gây chuyển dịch hay trôi toàn bộ tín hiệu. Các tác động này có thể được tách rời sử dụng các kỹ thuật lọc điện và sau đó được hiển thị tương ứng. Trong quá trình làm việc, một quy trình tự hiệu chuẩn (self calibration routine) sẽ dò tìm lại điểm làm việc (operating point), qua đó gián tiếp xác định nhiệt độ theo sự thay đổi này. Dạng tín hiệu “rung động” tuần hoàn sẽ được tự động tạo ra dựa trên Hình 4 – Các kích thước của bộ cảm biến rung động mới. giá trị các cận, xác định tại điểm làm việc (xem hình 6a và 6b). 16  bản tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng 4 / 2018
  4. ghép chồng xếp đồng tâm với lõi thép, phân cách bởi các thanh gỗ và chêm cách điện. Số lượng các đĩa của cuộn dây sơ và thứ cấp phụ thuộc vào quy cách thiết kế, và chúng được ép chặt bằng các ốc bu-lông (screws) nẹp hệ thống cơ khí bằng gỗ (wooden clamping). Cuộn dây bên trong thường là cuộn dây hạ áp trong khi cuộn bên ngoài là cuộn cao áp. Trong hình này, các lực xuyên trục (radial forces), và dọc trục (axial forces) do dòng sự cố tương tác với từ thông trong MBA cũng được biểu diễn, cùng với lực cố định cơ khí (clamping forces) của kết cấu. Hình 8 – Cấu trúc cơ khí và các loại lực phân bố trong MBA. Hình 6 – Đo lường các đáp ứng của cảm biến: chuyển sự dịch chuyển vân giao thoa sang V. Phương pháp đo rung động truyền thống tín hiệu điện áp ngõ ra. Các cảm biến rung động truyền thống thường có các Hình 7 giới thiệu các kết quả đo thực phần dẫn điện và được gắn bên ngoài thành vỏ MBA, như nghiệm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (signal- minh họa ở hình 9. Do vậy, chúng thường bị tác động bởi to-noise ratio) của cảm biến trong vùng các nhiễu rung động từ các thiết bị ngoại vi gần đó như tần số từ 1 Hz đến 2 kHz. Kết quả cho bơm và quạt làm mát, và đặc biệt, vị trí cảm biến có ảnh thấy cảm biến làm việc tốt và ổn định hưởng rất lớn đến chất lượng tín hiệu thu thập [2, 9]. Các trong vùng tần số này. nghiên cứu trước đây cho thấy, tín hiệu rung động thu được là khác nhau khi cảm biến gắn ở phần đỉnh và đáy của thành vỏ MBA [8]. Khi đó, cần phải phân tích tăng cường các tín hiệu thu thập trong miền thời gian, như theo [7] để phân loại tình trạng MBA (mới, cũ). Hình 10 giới thiệu các kết quả đo rung động sử dụng các cảm biến áp điện gắn ngoài thành vỏ MBA; theo đó, các tín hiệu ghi nhận đối với các MBA cũ (hình 10b) bị méo dạng và có nhiều nhiễu, so với các MBA mới (hình 10a). Hình 7 – Đáp ứng tần số của cảm biến trong vùng tần số từ 1 Hz đến 2 kHz. IV. Kết cấu phần tích cực máy biến áp lực và các loại lực cơ học Hình 8 mô tả kết cấu phần tích cực (active part) của một MBA ba pha điển hình: các cuộn dây bao gồm các trụ đĩa Hình 9 – Bố trí các cảm biến áp điện ngoài thành vỏ MBA để đo rung động. bản tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng 4 / 2018  17
  5. Hình 10 – Tín hiệu ghi nhận từ cảm biến thường chứa nhiễu và bị méo dạng: a) Hình bên trái – cho MBA mới, và b) Hình bên phải – cho MBA cũ. VI. Các thử nghiệm hiện trường Các nghiên cứu liên quan trước đây cho thấy, bên trong MBA sẽ được điều chỉnh chế tạo theo rằng các rung động bên trong một MBA cách điện cách trên. dầu có tần số trong vùng từ 20 Hz đến 1 kHz. Các giải pháp tương tự có thể ứng dụng để Để phát hiện tốt các rung động này, cảm biến đo giám sát các MBA của lưới điện phân phối trên phải có băng tần gấp đôi, tức mở rộng đến 2 kHz. không, thông qua các cảm biến rung động quấn Kết quả đo thực nghiệm ở hình 7 đã xác nhận xung quanh thùng vỏ MBA. Các cảm biến sẽ tầm đo của cảm biến VibroFibre là phù hợp. Các được kết nối tới một bộ thu thập dữ liệu treo kết quả đo trước đây phối hợp với trường đại học trụ, có các cổng truy xuất dữ liệu với chức năng Manchester, Vương quốc Anh, đã xác nhận cảm truy cập từ xa để truyền dữ liệu đo về trung tâm biến VibroFibre có đặc tính ưu việt hơn so với qua hệ thống thu thập và điều khiển giám sát cảm biến áp điện truyền thống trong vùng tần (Supervisory Control And Data Acquisition – số thấp hơn 20 Hz; thậm chí chúng tôi đã thử SCADA). Chúng tôi đang phát triển công nghệ nghiệm xuống tần số giới hạn 1 Hz. Các thử cảm biến để đo thêm các thông số quan trọng nghiệm hiện trường với công ty Xian E-Sys, Trung khác như nhiệt độ và độ ẩm (cho MBA) và rung Quốc, đã cho phép kết luận, cảm biến này có thể độ do phóng điện trong các máy phát làm mát được lắp đặt giữa các đĩa cuộn dây bên trong bằng không khí. MBA để đo rung động do các biến dạng dọc trục sinh ra. VIII. Kết luận và hướng phát triển Ngoài ứng dụng giám sát rung động cho MBA VII. Tóm tắt công nghệ và máY phát điện, công nghệ cảm biến Vibro- Cảm biến đo cần phải rất mảnh để có thể đưa Fibre hướng đến nhiều đối tượng khác như đầu được vào giữa các cuộn dây bên trong vỏ thùng sứ, máy cắt và bộ điều áp dưới tải. Các bộ cảm MBA. Thêm vào đó, dây cáp nối (đến cảm biến) biến được chế tạo từ thủy tinh và không bị tác không được chứa không khí, được thực hiện theo động bởi trường điện từ. Chúng có giá thành hiện quy trình sau: sợi quang (từ cảm biến) nằm trong không cao và có thời gian vận hành lâu dài. Cảm khe rãnh sẽ nối trực tiếp đến một cáp nối có biến hiện tại có thể đo lường nhiệt độ tại các điểm bọc bảo vệ (tight buffer patch cord). Cáp nối này nóng cục bộ, ngoài chức năng đo rung động do sự lại được bao phủ bởi một ống dạng lò xo PEEK cố cơ học liên quan đến cuộn dây và hệ thống cơ (Polyetheretherketone) để khi nhà sản xuất đưa khí. Dựa vào thiết kế hiện tại, chúng tôi sẽ hướng bộ “cuộn dây – cáp cảm biến” vào lò nhiệt đến đến đến việc giám sát nồng độ ẩm trong dầu cách 150 °C, không khí sẽ được loại ra. Quy trình trên điện và sự tuần hoàn của hơi ẩm chuyển dịch qua có thể điều chỉnh sử dụng epoxy hay các vật liệu lại giữa dầu, kết cấu khung gỗ và giấy cách điện, ghép khác để cố định sợi quang trong ống cáp, vốn phụ thuộc vào nhiệt độ vận hành, nhiệt độ được đúc trong PEEK để có thể chịu được nhiệt môi trường xung quanh và chế độ tải. Cuối cùng, độ lên đến 300 °C. Các kiểu ống cáp khác có chúng tôi muốn xây dựng một hệ thống giám thể được thiết kế theo quy trình tương tự để đo sát tích hợp tiên tiến có thể dự báo thời gian vận lường rung động hướng xuyên tâm qua trục cuộn hành còn lại của MBA: vượt quá giới hạn của các dây và dọc theo các lá của lõi thép. Thật vậy, các phép thử nghiệm truyền thống (như phân tích cảm biến tương lai của chúng tôi, bao gồm các mẫu dầu) nhưng lại không cần thêm các kết quả biến đo nồng độ ẩm và PD vốn cần phải vận hành đo nhiệt độ vận hành và chế độ tải. 18  bản tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng 4 / 2018
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2