Giám sát rung và chẩn đoán lỗi cho tụ bù điện áp cao

1 Công nghệ Giám sát và Chẩn đoán Sự cố Rung cho Máy biến áp Shunt Cao áp
1.1 Chiến lược Bố trí Điểm Đo

Các thông số đặc trưng rung (tần số, công suất, năng lượng) của máy biến áp shunt cao áp được ghi đầy đủ trong nhật ký vận hành. Để phân tích rung, tập trung vào việc giải quyết sự phức tạp của phân bố điện trường ở đầu cuộn dây. Đánh giá định lượng phân bố cường độ điện trường dưới điện áp quá tải/điện áp sét và đặc tính gradient điện áp của cách điện dọc ở điện áp vượt mức định. Bố trí điểm đo phải đáp ứng yêu cầu về tính chân thực, an toàn và hợp lý kỹ thuật. Do rủi ro điện áp cao trên đỉnh thùng, các cảm biến nên được đặt xung quanh thành thùng. Chia bề mặt ngoài của thùng thành các đơn vị hình chữ nhật, đặt tâm hình học làm điểm chuẩn với hệ thống đánh số, đảm bảo khoảng cách giữa các điểm ≤ 50 cm, cân bằng không gian lắp đặt và bao phủ khu vực quan trọng. Phương án bố trí cần được tối ưu hóa động dựa trên cấu trúc thiết bị, thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn an toàn, cho phép truy xuất dữ liệu và kiểm soát rủi ro.

1.2 Phương pháp Trích xuất Đặc trưng Tín hiệu Rung

Giám sát rung của máy biến áp shunt cao áp thu thập các đặc trưng rung qua hệ thống cảm biến. Thí nghiệm sử dụng hai điều kiện: tải định mức 75% và loại bỏ ràng buộc cơ khí. Rung của thiết bị do hai cơ chế: hiệu ứng magnetostrictive lõi sắt gây ra biến dạng chu kỳ ngang/dọc; lực điện từ giao thay đổi gây ra rung đặc trưng 95 Hz ở giao diện khe lõi sắt. Độ nhạy rung bắt nguồn từ sự kết hợp điện từ - cơ khí. Lõi sắt lỏng lẻo hoặc cuộn dây biến dạng gây ra phổ biên độ bất thường (95 Hz/150 Hz), dạng sóng theo thời gian và hệ số thành phần chính. Xây dựng hệ thống đa chiều của biên độ, độ lệch và độ nhọn. Nghiên cứu tập trung vào các thành phần tần số thấp dưới 1 kHz, xây dựng mô hình đặc trưng rung bằng cách định lượng quy luật thời gian - tần số để hỗ trợ chẩn đoán sự cố.

Phổ công suất rời rạc được phân đoạn trên đại diện cho phổ công suất tín hiệu, như trong Công thức (1).

Trong công thức: $N$ là số điểm lấy mẫu đo; $f$ là tốc độ lấy mẫu; $o(k)$ là tổng bình phương của biên độ của tất cả các thành phần tần số giữa -80 Hz và 100 Hz. Do cấu trúc phức tạp của máy biến áp shunt cao áp, nhiều yếu tố phi tuyến như phản xạ và khúc xạ xảy ra bên trong. Biên độ của mỗi thành phần hài thay đổi theo các điều kiện khác nhau.

1.3 Chẩn đoán Sự cố Nội bộ của Máy biến áp Shunt Cao áp 750 kV

Là thiết bị bù công suất phản kháng cốt lõi trong hệ thống điện, độ tin cậy hoạt động của máy biến áp shunt cao áp liên quan trực tiếp đến sự ổn định của hệ thống. Các máy biến áp có thể điều khiển này có cấu trúc đặc biệt và cơ chế hỏng hóc phức tạp, và sự cố có thể gây ra rủi ro điện áp/quá dòng. Lấy ví dụ về thiết bị 750 kV. Sự cố ngắn mạch cuộn dây điều khiển lớn gây ra mất cân đối số vòng. Thành phần hài của nó, ngoài DC và bậc chẵn, còn có sự chồng chất của thành phần hài bậc lẻ. Ngoài ra, do điện động lực cảm ứng ở hai cột lõi trái và phải của cuộn dây điều khiển bị lỗi khác nhau, tạo ra điện động lực cảm ứng không cân bằng $\Δe$ trong cuộn dây điều khiển bị lỗi, như được hiển thị trong Công thức (2).

Trong công thức: w là tỷ lệ vòng ngắn mạch của máy biến áp; χ là điện áp định mức của cuộn dây điều khiển. Biên độ, hệ số thành phần, độ lệch bình phương trong tín hiệu rung, và điện động lực cảm ứng không cân bằng Δe trong Công thức (2) cùng tạo thành đặc trưng sự cố nội bộ của máy biến áp. Chẩn đoán sự cố được hiển thị trong Công thức (3).

Nghiên cứu cho thấy mối tương quan giữa đặc trưng rung và trạng thái cơ khí của máy biến áp mạnh hơn so với điện áp, có thể hiệu quả ngăn chặn nhiễu từ dao động lưới điện. Đối với máy biến áp 750 kV hoạt động bình thường, nó tạo ra các thành phần hài chẵn cân bằng thông qua cấu trúc ba pha. Sự cố một pha sẽ phá vỡ sự cân bằng hài, và do đặc tính điện trở thấp của cuộn dây điều khiển, dòng điện năm lần dòng điện định mức sẽ được tạo ra. Dòng điện bất thường này khiến dòng điện phía lưới tăng lên năm lần mức bình thường, đi kèm với méo hài, đe dọa an toàn của lưới điện.

2 Kiểm tra và Đánh giá Kết quả
2.1 Xây dựng Nền tảng Thí nghiệm

Môi trường mô phỏng được xây dựng dựa trên mô hình điện trường hai chiều đối xứng trục, sử dụng phương pháp số để nghiên cứu đặc trưng điện trường. Hệ thống thí nghiệm chuyển dây và các thành phần cách điện của máy biến áp thành mô hình khối 3D. Qua giao diện đồ họa, nó cho phép cài đặt tham số hóa điện tích bề mặt dẫn, xác định điện thế nổi của dây, và trực quan hóa điện trường động.

Đối với phân tích cách điện dọc, bốn chế độ sóng hỗn hợp được sử dụng: kích thích sóng toàn phần/sóng cắt tại đầu cuộn dây, tải sóng toàn phần tại đầu dây, và tải sóng cắt tại điểm trung hòa, mô phỏng phân bố gradient điện thế cuộn dây trong các điều kiện làm việc khác nhau. Trong đánh giá cách điện chính, mô hình kết hợp điện từ được xây dựng cho các khu vực tập trung điện trường, thực hiện tính toán đặc trưng rung và trích xuất đặc trưng sự cố. Mô hình dùng thử có điện áp định mức 45 kV, dòng điện định mức 630 A, và điện kháng định mức 1005 Ω.

2.2 Kết quả Thí nghiệm và Phân tích

Thử nghiệm sự cố rung được tiến hành theo phương pháp của bài viết này và hai phương pháp khác. Kết quả thử nghiệm của ba phương pháp được so sánh, như được hiển thị trong Bảng 1.

Như có thể thấy từ dữ liệu trong Bảng 2, so với Phương pháp 1 (lỗi cực đại 56 μm) và Phương pháp 2 (lỗi cực đại 77 μm), lỗi cực đại của phương pháp thử nghiệm rung máy biến áp shunt cao áp 750 kV được thiết kế trong bài viết này chỉ là 3 μm. Trong Thử nghiệm 6, giá trị phát hiện 30 μm hoàn toàn phù hợp với giá trị đặt. Lỗi cực đại của phương pháp trong bài viết này giảm hơn 50 μm so với các phương pháp truyền thống, và giá trị phát hiện gần nhất với giá trị thực, chứng minh hiệu quả của phương pháp.

Thử nghiệm đã tiến hành phân tích phổ đối với điểm đo thứ 3, sau đó phân tích nguyên nhân sự cố. Biểu đồ phổ được thử nghiệm của điểm đo thứ 3 của máy biến áp được hiển thị trong Hình 1.

Khi mạch từ chính đi qua bánh sắt và khe hở, một trường lực Maxwell hình thành, với cường độ gấp đôi dòng điện, giảm năng lượng từ trường. Phân tích phổ cho thấy tần số rung của mỗi điểm đo khoảng 100 Hz, và phổ phù hợp với giá trị rung theo thời gian, cho thấy rung bắt nguồn từ hiệu ứng magnetostrictive của vật liệu cách điện mạch từ chính.

Nghiên cứu này sử dụng độ chính xác chẩn đoán sự cố làm chỉ số cốt lõi, so sánh Phương pháp truyền thống 1, Phương pháp 2, và thuật toán của bài viết này. Dựa trên tập dữ liệu thử nghiệm 1000 trường hợp: cả ba phương pháp đều có độ chính xác chuẩn >97%. Phương pháp thử nghiệm rung và phân tích sự cố của bài viết này có hiệu suất xuất sắc, với độ chính xác ổn định >99,5% và đỉnh 99,8% trong các thử nghiệm toàn bộ mẫu. Độ chính xác đỉnh/trũng của Phương pháp 1 là 98,88%/98,50%, và phạm vi độ chính xác của Phương pháp 2 là 97,50% - 97,83%. So với Phương pháp 1 tốt nhất, phương pháp này cải thiện độ chính xác 0,92 điểm phần trăm, gần tới giới hạn lý thuyết 100,00%, chứng minh lợi thế độ chính xác cho thử nghiệm rung và phân tích sự cố máy biến áp shunt 750 kV.

Để đánh giá hiệu suất, một thí nghiệm sử dụng độ chính xác nhận biết sự cố làm chỉ số cốt lõi. Thử nghiệm cho thấy độ chính xác phát hiện ổn định ở 99,50% - 99,80%, xác nhận hiệu quả kép: đo chính xác đặc trưng rung của máy biến áp 750 kV và chẩn đoán sự cố đáng tin cậy.

3 Kết luận

Nghiên cứu cho thấy khi lõi sắt của máy biến áp shunt cao áp lỏng lẻo, đặc trưng thời gian - tần số của tín hiệu rung thay đổi theo quy luật. Phân tích các thông số như dao động biên độ, phương sai, và tỷ lệ năng lượng của 200 Hz có thể đánh giá trạng thái. Dải tần số đặc trưng như 200 Hz, 300 Hz, và 500 Hz liên quan đến điều kiện làm việc. Mô hình chẩn đoán có khả năng nhận biết sự cố tốt. Giám sát trực tuyến rung có thể phát hiện lõi sắt lỏng lẻo và biến dạng cuộn dây, và các thử nghiệm đã xác nhận hiệu quả của phương pháp.