Phân tích đáp ứng tần số giải thích chi tiết: Kiểm tra SFRA thực sự tiết lộ điều gì về máy biến áp

Kiểm tra tỷ số vòng dây có thể cho kết quả đạt yêu cầu, kiểm tra điện trở cách điện cũng cho kết quả đạt yêu cầu, nhưng bên trong máy biến áp vẫn có thể bị hư hỏng về mặt cơ học. Các cuộn dây có thể đã dịch chuyển vài milimét trong quá trình sự cố, dầu cách điện có thể hoàn toàn khô ráo, và mọi chỉ số đo lường thông thường đều có vẻ bình thường. Kiểm tra duy nhất trả lời câu hỏi “có bất kỳ bộ phận nào bên trong thùng máy bị dịch chuyển không?” chính là phân tích đáp ứng tần số .

Việc bỏ qua câu hỏi đó giờ đây tốn kém hơn trước rất nhiều. Lịch bảo trì sửa chữa cho các máy biến áp công suất lớn thường đã được đặt kín từ lâu, và việc cấp điện lại cho một thiết bị có cuộn dây bị lệch vị trí thường dẫn đến việc phải loại bỏ cả thùng máy thay vì chỉ quấn lại cuộn dây. Một kết luận đáng tin cậy về tình trạng cuộn dây hiện nay đã trở thành một quyết định mua sắm, chứ không còn chỉ là một chi tiết kiểm tra thông thường.

 

 

Tại sao một máy biến áp có thể vượt qua mọi kiểm tra định kỳ nhưng vẫn bị hư hỏng

Khi một sự cố gần xảy ra, dòng điện chạy qua cuộn dây sẽ tạo ra lực điện từ giữa các dây dẫn, và lực này tăng theo bình phương của dòng điện đó. Một thiết bị 25 MVA chịu dòng sự cố 20 kA sẽ phát sinh lực hướng kính và lực dọc trục được đo bằng tấn. Trong trường hợp đó, hệ thống cách điện thường không phải là điểm yếu nhất; thay vào đó, cấu trúc cơ học của cuộn dây mới là yếu tố then chốt.

Đây là phần mà đa số người mua bỏ sót. Thử nghiệm tỷ số vòng dây chỉ đo tỷ lệ số vòng, chứ không xác định vị trí của chúng. Một cuộn dây có thể bị biến dạng hướng kính thành dạng cong hình vành (hoop-buckled) nhưng vẫn cho kết quả tỷ số nằm trong phạm vi sai lệch dưới 0,5% so với giá trị ghi trên nhãn. Điện trở cuộn dây có thể thay đổi chỉ vài phần trăm — đây là một tín hiệu, nhưng hiếm khi đủ thuyết phục nếu xét riêng lẻ. Phân tích khí hòa tan đòi hỏi cả nhiệt lượng lẫn thời gian trước khi sinh ra đủ khí để đo. Cả ba phương pháp này đều có thể cho kết quả ‘sạch’ dù thiết bị đã thực tế mất đi dự trữ cơ học cần thiết.

Sau đó, thiết bị quay trở lại hoạt động. Chu kỳ tải tác động lên dây dẫn bị dịch chuyển, lớp cách điện bằng giấy mài mòn bề mặt tấm ép (pressboard), và hai năm sau xuất hiện sự cố ngắn mạch giữa các vòng dây. Sự cố này được ghi nhận là lão hóa cách điện. Nguyên nhân thực tế lại là một sự kiện cơ học mà không ai đo đạc.

 

Thử nghiệm SFRA thực tế đo lường điều gì

Một Thử nghiệm SFRA xem xét máy biến áp như một mạng lưới điện và đo phản ứng của nó trên dải tần số rất rộng. Một tín hiệu hình sin qu barr quét có điện áp thấp được tiêm vào một đầu cực cuộn dây, còn phản ứng được đo tại đầu cực còn lại. Dải qu barr quét trải từ 20 Hz đến khoảng 2 MHz, và kết quả thu được là một hàm truyền được biểu diễn dưới dạng decibel trên trục tần số theo thang logarit.

Không có phần tử nào được cấp điện ở tần số công nghiệp. Thiết bị duy trì ở trạng thái không cấp điện, được nối đất và chỉ kết nối với bộ thiết bị thử nghiệm; vì vậy, phép thử có thể thực hiện tại hiện trường mà không cần thời gian cắt điện ngoài thời gian chuyển mạch.

Phía đo lường được chuẩn hóa. Tiêu chuẩn IEC 60076-18:2012 quy định kỹ thuật đo và thiết bị dùng để thực hiện phép đo đáp ứng tần số, tại hiện trường hoặc trong nhà máy, trên một thiết bị mới hoặc một thiết bị đã vận hành hàng chục năm — phạm vi áp dụng được nêu rõ tại Trang xuất bản IEC 60076-18 (https://webstore.iec.ch/en/publication/597). Việc diễn giải được xử lý riêng bởi IEEE C57.149, được cập nhật thành IEEE C57.149-2024 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.149/7354/), tiêu chuẩn này dành riêng cho máy biến áp ngâm dầu.

Một phân tích đáp ứng tần số kết quả riêng lẻ có ý nghĩa rất hạn chế. Đường cong đo chỉ trở nên hữu ích khi so sánh với một đường chuẩn tham chiếu: dấu vân tay tại nhà máy được ghi nhận trước khi thiết bị xuất xưởng, hai pha còn lại của cùng một máy biến áp hoặc một thiết bị tương đương được chế tạo theo cùng bản vẽ. Vì vậy, một đường chuẩn đo tại nhà máy có giá trị cao hơn bất kỳ phép thử tại hiện trường nào, và việc dán một đường cong đo rời rạc vào báo cáo sẽ không mang lại kết quả nào.

 

Đọc ba dải tần số

Các chuyên gia chia đường cong đo thành ba vùng, bởi vì mỗi vùng chịu chi phối bởi một bộ phận khác nhau trong cấu tạo của máy biến áp. Tiến hành kiểm tra lần lượt theo thứ tự các vùng này thì thường sẽ làm rõ được tình trạng thực tế.

Ở dải tần số dưới khoảng 2 kHz, đáp tuyến chịu chi phối chủ yếu bởi mạch từ — bao gồm lõi thép và điện cảm kích từ. Các sai lệch xuất hiện trong vùng này cho thấy vấn đề liên quan đến lõi: lõi bị xê dịch, các lá thép bị chập, từ dư còn sót lại sau phép thử một chiều (DC), hoặc ngắn mạch giữa cuộn dây và lõi. Một lõi bị xê dịch trên hệ thống kẹp cố định sẽ gây ra sự dịch chuyển ở tần số thấp mà không có phép thử thông thường nào khác có thể phát hiện.

Trong khoảng từ khoảng 2 kHz đến khoảng 20 kHz, đường cong phản ánh hình học của cuộn dây. Đây là dải tần mà biến dạng cuộn dây xuất hiện: biến dạng hướng kính do mất ổn định vòng (hoop buckling), dịch chuyển trục của các đĩa cuộn, thay đổi khoảng cách giữa các đĩa, hoặc một phần đoạn cuộn dây bị ngắn mạch. Một thiết bị từng chịu sự cố ngắn mạch nghiêm trọng (through-fault) thường bộc lộ dấu hiệu bất thường đầu tiên ở vùng tần số này.

Ở tần số trên khoảng 20 kHz, đồ thị phản ánh bị ảnh hưởng bởi cách đi dây dẫn, điện dung của bộ cách điện, vị trí của bộ đổi đầu phân áp và cách nối đất của hệ thống thử nghiệm. Đây cũng là dải tần số gây ra phần lớn cảnh báo sai, vì việc bố trí dây dẫn khác với phép đo chuẩn sẽ làm dịch chuyển đồ thị dù không có vấn đề gì bên trong thùng máy.

Điểm cuối cùng này chính là bẫy thực tế. Nguyên nhân phổ biến nhất gây ra hiện tượng biến dạng cuộn dây được báo cáo là việc thực hiện phép thử với bộ đổi đầu phân áp ở vị trí khác so với phép đo chuẩn. Nguyên nhân phổ biến thứ hai là việc nối đất tại một điểm khác trên thùng máy. Cả hai trường hợp đều do lỗi thiết lập chứ không phải sự cố thiết bị, và cả hai đều biến mất nếu quy trình thiết lập được ghi chép đầy đủ cùng với đồ thị.

 

Vai trò của SFRA trong mối quan hệ với kiểm tra tỷ số biến áp, điện trở và phân tích khí hòa tan (DGA)

Phép thử SFRA không thay thế các phương pháp chẩn đoán máy biến áp định kỳ mà bạn đã thực hiện. nó bổ sung những khoảng trống mà các phương pháp đó để lại. Khi sử dụng kết hợp, tập hợp các phương pháp này tạo ra đánh giá tình trạng đáng tin cậy, đủ cơ sở để trả lời các câu hỏi từ quản lý dự án hoặc công ty bảo hiểm.

Kiểm tra	Phát hiện những gì	Những điều SFRA không phát hiện được
Tỷ số biến áp (TTR)	Các vòng dây bị nối tắt, vị trí đầu nối sai, sai số tỷ số	Chuyển động hướng kính hoặc hướng trục của cuộn dây
Điện trở cuộn dây	Mạch hở, mối nối lỏng, mài mòn tiếp điểm bộ đổi đầu nối, hư hỏng nghiêm trọng các vòng dây	Dịch chuyển hình học nhỏ
Điện trở cách điện / chỉ số phân cực (PI)	Độ ẩm, nhiễm bẩn, suy giảm cách điện nghiêm trọng	Chuyển động cơ học của cuộn dây
Phân Tích Khí Tan Trong Dầu (DGA)	Sự cố nhiệt hoặc điện hoạt động, sau khi khí đã hình thành	Cuộn dây đã dịch chuyển nhưng chưa xảy ra sự cố
SFRA / FRA	Những thay đổi về hình học cuộn dây và lõi, cách đi dây dẫn, trạng thái bộ đổi đầu phân áp	Vị trí chính xác của hư hỏng mà không cần điều tra thêm

Quy tắc vận hành sau sự cố ngắn mạch xuyên suốt là thực hiện đồng thời các kiểm tra tỷ số biến áp, điện trở cuộn dây, phân tích khí hòa tan (DGA) và phân tích đáp ứng tần số (FRA), rồi so sánh kết quả với nhau. Một kết quả tỷ số biến áp bình thường kèm theo đồ thị FRA lệch là dấu hiệu kinh điển của biến dạng cuộn dây và chính sự kết hợp này là cơ sở để mở thiết bị ra kiểm tra thay vì đưa trở lại vận hành.

 

Khi nào nên thực hiện phân tích đáp ứng tần số

Có năm thời điểm trong vòng đời máy biến áp mà chi phí kiểm tra được bù đắp đầy đủ, và tất cả đều thuộc về chương trình quản lý tình trạng mà bạn đã thực hiện. thay vì phản ứng sau khi xảy ra sự cố.

• Sau sự cố ngắn mạch xuyên suốt hoặc bất kỳ sự kiện nào khiến hệ thống bảo vệ máy biến áp hoạt động. Hãy thiết lập ngưỡng kích hoạt trong tiêu chuẩn bảo trì của bạn trước khi cần đến — một ngưỡng phổ biến là dòng sự cố vượt mức dòng mà cuộn dây được thiết kế để chịu đựng.
• Khi nhận một thiết bị mới tại hiện trường. So sánh dấu vết khi giao hàng với dấu vân tay nhà máy trước khi bạn chấp nhận giao hàng. Nếu các dấu vết khác nhau, bạn giữ nguyên yêu cầu bồi thường vận chuyển được ghi chép đầy đủ trong khi xe tải vẫn còn ở trong sân.
• Sau khi vận chuyển hoặc lưu kho dài hạn, đặc biệt đối với các thiết bị đã di chuyển đường bộ hàng nghìn kilômét.
• Trước và sau bất kỳ công việc nào làm xáo trộn phần hoạt động: quấn lại cuộn dây, sửa chữa thùng dầu, đại tu bộ đổi đầu phân áp, thay thế sứ cách điện.
• Theo lịch trình định kỳ đối với các thiết bị trọng yếu trong đội xe — những thiết bị mà sự cố của chúng sẽ làm ngừng hoạt động phòng máy chủ dữ liệu, dây chuyền xử lý tại nhà máy lọc dầu hoặc hệ thống điện thiết yếu của bệnh viện.

 

 

Vị trí của Ryan Electric: Dấu chuẩn bắt đầu từ nhà máy

Dấu chuẩn chỉ đáng tin cậy bằng chính hồ sơ đi kèm nó, và hồ sơ đó phải được tạo ra trước khi thiết bị xuất xưởng. Tại phòng thử nghiệm của chúng tôi, mỗi máy biến áp ngập dầu việc xây dựng của chúng tôi bao gồm việc đo đáp ứng tần số được thực hiện tại vị trí gõ, cấu hình dây dẫn và các điểm nối đất, tất cả đều được ghi rõ vào báo cáo thử nghiệm. Nếu thiếu hồ sơ này, một đội kỹ thuật tại hiện trường năm năm sau sẽ không có gì để so sánh, và một sự khác biệt thực sự biến dạng cuộn dây trông y hệt như một sự khác biệt trong cách thiết lập.

Là một nhà máy biến áp ngâm dầu tại Trung Quốc, cung cấp cho Bắc Mỹ, Đông Nam Á, Trung Đông và châu Phi, chúng tôi sản xuất và thử nghiệm tại nhà máy rộng 120.000 m² với hơn 180 bộ thiết bị sản xuất và thử nghiệm cùng 37 bằng sáng chế hỗ trợ công việc thiết kế. Các thiết bị được thử nghiệm theo loại và thử nghiệm định kỳ theo các yêu cầu của UL, CSA, IEEE, DEKRA và IEC; đồng thời hồ sơ thử nghiệm đi kèm lô hàng thay vì lưu trữ trong tủ hồ sơ tại nhà máy. Kể từ năm 2023, chúng tôi cũng sản xuất thông qua liên doanh với Eaton, nhờ đó tài liệu được kiểm tra thêm một lần nữa trước khi bất kỳ sản phẩm nào rời khỏi dây chuyền.

Điều đó quan trọng nhất vào thời điểm bạn cần nó: một thiết bị trở lại hoạt động sau sự cố, một tranh chấp về hư hại trong quá trình vận chuyển, hoặc một quyết định về việc tài sản đã cũ có thể tiếp tục vận hành thêm năm năm nữa dưới tải ngày càng tăng hay không.

 

Những điều cần hỏi trước khi bạn chấp nhận báo giá sửa chữa

Khi một máy biến áp trở lại hoạt động sau sự cố và ai đó đưa ra báo giá sửa chữa, dữ liệu FRA là yếu tố phân biệt giữa chẩn đoán và phỏng đoán. Có năm câu hỏi luôn đáng được đặt ra.

• Tôi có thể xem đường cong chuẩn trước sự cố và đường cong sau sự cố được vẽ trên cùng một thang đo và cùng một trục tọa độ không?
• Vị trí bộ đổi nối có được ghi lại không, và vị trí đó có giống nhau trong cả hai lần đo không?
• Dải tần số nào cho thấy sai lệch, và dải tần số đó tương ứng với thành phần vật lý nào?
• Các thử nghiệm tỷ số, điện trở dây quấn và phân tích khí hòa tan (DGA) có được thực hiện đồng thời không, và kết quả của chúng có phù hợp với kết quả FRA không?
• Nếu thiết bị được đưa trở lại vận hành mà không sửa chữa, bằng chứng nào hỗ trợ quyết định đó?

Một nhà cung cấp không thể trả lời hai câu hỏi đầu tiên thì chưa thực hiện đánh giá tình trạng. Họ chỉ đang phỏng đoán bằng thiết bị kiểm tra.

 

Chi phí khi bỏ qua bước kiểm tra

Aphân tích đáp ứng tần số việc quét mất vài phút. Tuy nhiên, việc thiết lập, sắp xếp dây dẫn, lập tài liệu và so sánh với giá trị chuẩn thường tốn nhiều thời gian hơn chính phép đo — hãy dự trù từ một đến ba giờ cho mỗi thiết bị, bao gồm cả công tác chuẩn bị, tùy thuộc vào mức độ dễ tiếp cận của các bộ giảm chấn.

Với thời gian chờ hiện nay, quyết định này có giá trị tài chính thực sự. Hãy gửi cho chúng tôi cấp định danh, cấp điện áp và lịch sử sự cố, chúng tôi sẽ cho bạn xem hồ sơ kiểm tra của chúng tôi đối với thiết bị tương đương. máy biến áp ngập dầu và dạng biểu đồ tín hiệu từ thiết bị của bạn nên trông như thế nào trong từng dải tần số. Hãy bắt đầu từ dải máy biến áp lực aT https://www.ryantransformers.com/power-transformerhoặc gửi email tới [email protected]; đội kỹ thuật của chúng tôi sẽ xử lý phần còn lại.

 

Về tác giả

Hướng dẫn này được nhóm kiểm tra và kỹ thuật của Ryan Electric soạn thảo dựa trên việc kiểm tra nghiệm thu tại nhà máy và hỗ trợ đưa vào vận hành thực tế đối với các máy biến áp ngâm dầu và máy biến áp kiểu khô cung cấp cho các dự án điện lực, trung tâm dữ liệu, năng lượng tái tạo và công nghiệp. Các câu hỏi liên quan đến đường chuẩn FRA, hồ sơ kiểm tra hoặc một trường hợp biến dạng cuộn dây đang diễn ra có thể gửi tới địa chỉ [email protected].