Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ đo khí Hydro trong dầu máy biến áp lực

hnology18 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ ĐO KHÍ HYDRO
TRONG DẦU MÁY BIẾN ÁP LỰC
Nguyễn Vũ Thắng3, Nguyễn Hoàng Nam1, Hoàng Văn Phước1,
Nguyễn Văn Đưa2, Đỗ Anh Tuấn3, Hoàng Sĩ Hồng1
1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2 Trung tâm Công nghệ Vi điện tử và Tin học - Bộ Khoa Học Công Nghệ
3 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 20/8/2017
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 10/11/2017
Ngày bài báo được chấp nhận đăng: 15/11/2017
Tóm tắt:
Bài báo nghiên cứu về hệ đo khí hydro hòa tan trong dầu máy biến áp. Hệ thống bao gồm một buồng 
kín chứa dầu máy biến áp (MBA) có thể điều khiển được nhiệt độ thông qua bộ gia nhiệt. Hệ thống khuấy và 
đo áp suất khí trong bình giúp dễ dàng điều khiển lưu lượng khí hòa vào dầu MBA. Trong nghiên cứu này, 
nhóm tác giả đã lựa chọn phương pháp phân áp để đo giá trị điện trở cảm biến hydro thay đổi từ vài trăm 
kΩ đến 1 MΩ. Bộ vi xử lý STM32 được lựa chọn để thu thập, tính toán xử lý thông tin đo và truyền dữ liệu 
lên máy tính thông qua cổng RS232. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng hệ thống hoạt động ổn định. Qua đó 
giúp việc đo, thử nghiệm các cảm biến đo nồng độ khí H2 trong dầu MBA được dễ dàng hơn vì môi trường 
thử nghiệm trực tiếp trong MBA thực tế là rất khó khăn.
Từ khóa: hệ đo khí hydro hòa tan trong dầu máy biến áp, mô hình hệ hòa tan khí, bộ điều khiển trung tâm.
1. Mở đầu
Máy biến áp có vai trò quan trọng trong hệ 
thống điện. Do đó, việc phát hiện và cảnh báo sớm 
các hư hỏng của máy biến áp là công việc hết sức 
quan trọng. Hiện nay, có rất nhiều phương pháp để 
chuẩn đoán phát hiện hư hỏng máy biến áp thông 
qua việc xác định các khí hydrocacbon (C
m
H
m
), các 
oxit cacbon (CO
x
), các oxit nito (NO
x
) và H
2 
như 
phương pháp phổ phát xạ quang âm, phương pháp 
phổ sắc ký, phương pháp sử dụng cảm biến khí [1-
4]. Trong các phương pháp trên, phương pháp sử 
dụng cảm biến đo khí đang được rất nhiều nhóm tập 
trung nghiên cứu và chế tạo [4-5]. Tuy nhiên, do yêu 
cầu khắt khe về mức độ an toàn nên việc thử nghiệm 
cảm biến trên máy biến áp thực tế là rất khó khăn. 
Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã tập trung thiết kế mô 
hình buồng đo kết hợp với hệ đo, hiển thị và truyền 
thông. Buồng đo phải tạo ra khí trong dầu máy biến 
áp tương đương với dầu máy trong máy biến áp thực 
tế về nhiệt độ làm việc, áp suất Nghiên cứu này 
sẽ trình bày về thiết kế buồng đo khí hydro trong 
dầu. Buồng được thiết kế đảm bảo độ kín và có đo 
áp suất buồng thử để đảm bảo tính toán được đúng 
lượng khí có trong dầu máy biến áp. Động cơ khuấy 
sử dụng điện áp cấp 24VDC có tốc độ quay 3000 
vòng/1 phút (TD2722M – 240) được sử dụng làm 
tăng khả năng khuếch tán của H
2
 vào trong dầu máy 
biến áp. Lượng khí H
2
 trong dầu máy biến áp dao 
động từ 0 đến 1000 ppm [6]. Dầu máy biến áp hoạt 
động ở nhiệt độ nhỏ hơn 90oC do ở nhiệt độ lớn hơn 
90oC lớp giấy cách điện của máy biến áp bắt đầu bị 
suy giảm chất lượng [7]. Thiết bị được chế tạo có 
thể đo được sự thay đổi điện trở của cảm biến Hydro 
mà nhóm đã chế tạo được [8].
2. Nội dung chính
2.1 Nghiên cứu, thiết kế mô hình hệ hòa tan khí 
hydro trong dầu máy biến áp
Hình 1 thể hiện cấu trúc tổng quan của mô 
hình hệ hòa tan khí Hydro trong dầu máy biến áp. 
Hệ thống gồm một buồng chứa dầu, van điều khiển 
lưu lượng khí Mass Flow Controller (MFC), khối 
điều khiển gia nhiệt buồng dầu, khối động cơ khuấy 
và khối thu thập tín hiệu từ cảm biến.
Hình 1. Sơ đồ tổng quan về hệ thống buồng thử
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 19
Trong đó buồng chứa dầu máy biến áp được 
chế tạo bằng hợp kim gang đúc nguyên khối, đảm 
bảo độ kín giúp đảm bảo áp suất trong bình để dễ 
dàng việc hòa tan khí H
2
 trong dầu máy biến áp. Bộ 
điều khiển nhiệt độ được sử dụng là bộ điều khiển 
số nhiệt độ HX9 của hãng HANYOUNG. Bộ điều 
khiển có thể thích hợp với các đầu đo nhiệt độ dạng 
cặp nhiệt hoặc nhiệt điện trở và điều khiển PID. 
Buồng dầu được thiết kế có hệ thống khuấy giúp 
cho các khí hòa đồng đều hơn trong dầu máy biến 
áp. Bên cạnh đó là các van dẫn khí vào và van lấy 
mẫu ra dầu phục vụ đo kiểm chuẩn mẫu dầu.
Hình 2 thể hiện sơ đồ khối bộ điều khiển 
trung tâm. Trong ứng dụng này, bộ điều khiển trung 
tâm có chức năng thu thập dữ liệu từ cảm biến đo 
khí và hiển thị lên màn hình và truyền lên PC. 
Hình 2. Sơ đồ khối bộ đo và điều khiển trung tâm
Hình 3. Sơ đồ mạch đo điện trở
Bộ điều khiển trung tâm kết nối với bộ điều 
khiển nhiệt độ HX9 qua chuẩn RS485. Vi xử lý 
được lựa chọn là vi xử lý STM32F103 thuộc dòng 
ARM cortex M3 có tốc độ xử lý cao lên đến 72 
MHz và có đủ GPIO, giao tiếp ngoại vi UART cho 
việc điều khiển màn hình LCD TFT 7.2 Inch, kết 
nối với bộ điều khiển nhiệt độ và truyền dữ liệu lên 
máy tính.
Cảm biến đo khí H
2
 nhóm chế tạo được là 
loại cảm biến điện trở. Khi có sự thay đổi nồng độ 
khí H
2
 thì điện trở đầu ra của cảm biến sẽ thay đổi. 
Qua khảo sát với môi trường khí, điện trở cảm biến 
H
2
 thay đổi từ vài MΩ xuống vài trăm kΩ [8]. Do 
vậy nhóm nghiên cứu lựa chọn phương pháp điện 
áp cố định để đo điện trở. Hình 3 thể hiện sơ đồ 
nguyên lý mạch đo. Điện áp V được giữ cố định là 
3.3 VDC, R
x
 là điện trở cảm biến cần đo được tính 
bằng biểu thức (1):
R R V
V 1x
OUT
1= -b l (1)
Hình 4 là sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp máy 
tính. Bộ điều khiển truyền nhận dữ liệu với máy tính 
thông qua cổng RS232 sử dụng IC MAX3232 của 
TI. Dữ liệu được truyền lên máy tính bao gồm nhiệt 
độ buồng dầu, điện trở cảm biến. 
Hình 4. Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp máy tính
Hình 5. Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với bộ điều 
khiển nhiệt độ
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology20 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
Hình 6. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn
Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp giữa bộ điều 
khiển trung tâm với bộ điều khiển nhiệt độ được thể 
hiện qua Hình 5. HX09 cho phép kết nối qua chuẩn 
RS485 do đó IC MAX 485 được lựa chọn sử dụng 
trong mạch. 
Hình 6 thể hiện sơ đồ nguyên lý khối nguồn. 
Khối nguồn cung cấp điện áp hoạt động cho vi xử 
lý, LCD và các khối truyền thông. Trong đó, khối 
vi xử lý sử dụng điện áp 3.3 VDC và khối LCD sử 
dụng điện áp 5 VDC.
2.2 Thiết kế phần mềm cho bộ thu thập và điều 
khiển trung tâm
Hình 6 thể hiện lưu đồ thuật toán chương 
trình chính bộ đo hiển thị thông số. Đầu tiên, chương 
trình thực hiện khởi tạo các khối UART, ngắt phím 
bấm, khởi tạo LCD. Sau đó tiến hành đọc giá trị 
được gửi về từ khối ADC, tính toán, quy đổi ra giá 
trị nồng độ khí H
2
 tương ứng. Giá trị nồng độ khí 
H
2
 đọc về được gửi lên màn hình Liquid Crystal 
Display (LCD) và truyền lên máy tính qua cổng 
RS232. Giá trị nồng độ khí H
2
 được so sánh với giá 
trị ngưỡng lớn nhất và nhỏ nhất được người dùng 
thiết lập trước. Nếu giá trị vượt ngưỡng cho phép 
thì sẽ đưa ra cảnh báo đến người dùng bằng tín hiệu 
cảnh báo phát ra loa. Bên cạnh đó, bộ điều khiển 
cũng đọc các giá trị cài đặt và giá trị nhiệt độ buồng 
dầu từ bộ điều khiển nhiệt độ HX9 để truyền lên 
máy tính. Ngắt phím bấm được sử dụng để cài đặt 
các thông số ngưỡng cảnh báo cho bộ điều khiển. 
Lưu đồ thuật toán chương trình ngắt được thể hiện 
ở Hình 7.
Hình 7. Lưu đồ thuật toán chương trình chính
3. Kết quả và thảo luận
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thiết kế và 
chế tạo được hệ buồng đo khí H
2
 như Hình 9 và 
Hình 10. Hình 9 là bộ điều khiển trung tâm. Các nút 
bấm được sử dụng để thiết lập chế độ hoạt động, 
thiết lập các thông số cần điều khiển. Trên màn hình 
hiển thị của bộ điều khiển, giá trị đặt cho nhiệt độ 
của buồng dầu được thể hiện tại vị trí của thông số 
“CÀI ĐẶT”. Giá trị nhiệt độ đo được từ buồng dầu 
được hiển thị tại vị trí thông số “NHIỆT ĐỘ”. Bên 
cạnh đó, giá trị điện trở đầu ra của cảm biến được 
đặt tại vị trí của thông số “R”. 
Hình 9. Bộ điều khiển trung tâm
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 21
Hình 8. Lưu đồ thuật toán chương trình ngắt phím bấm
Giá trị thể hiện chế độ hoạt động của thiết 
bị được hiển thị phía dưới thông số “R”. Hình 10 là 
buồng dầu có tích hợp bộ điều khiển nhiệt độ và bộ 
gia nhiệt. Sau đó nhóm đã tiến hành đo kiểm, khảo 
sát đánh giá hoạt động của hệ buồng đo khí H
2
 tại 
Viện Đo lường Quốc gia Việt Nam và Phòng Thí 
nghiệm đo lường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Hình 10. Buồng dầu tích hợp bộ điều khiển nhiệt
3.1. Khảo sát đo điện trở với điện trở chuẩn
Bảng 1 thể hiện kết quả đo điện trở chuẩn 
sử dụng bộ đo và điều khiển trung tâm được 
thực hiện tại Phòng Đo lượng Điện, VMI (V07.
CN6.12408.17). Kết quả cho thấy sai số kết quả đo 
lớn nhất là 4% ở 100 kΩ và sai số tương đối nhỏ 
nhất là 0.02% khi đo ở 1 MΩ. Nguyên nhân gây sai 
số không đều như được thể hiện trong Bảng 1 là do 
sai số không đều của phép đo (xem biểu thức (1)) 
nên có sự sai lệch dữ liệu đọc được từ ADC của vi 
điều khiển.
Bảng 1. Bảng giá trị điện trở đo từ bộ điều khiển 
trung tâm với điện trở chuẩn
TT Điện trở 
chuẩn 
(kΩ)
Điện trở 
đo được 
(MΩ)
Sai số tương đối 
giữa giá trị đo và 
giá trị chuẩn (%)
1 100.0 0.096 4%
2 200.0 0.196 2%
3 500.0 0.498 0.4%
4 1000 1.002 0.02%
3.2. Khảo sát đáp ứng cảm biến đã chế tạo
Sau khi đánh giá được độ chính xác của bộ 
đo và điều khiển trung tâm bằng khảo sát đo điện 
trở với điện trở chuẩn như ở phần trên, nhóm nghiên 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology22 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
cứu tiếp tục sử dụng bộ đo để khảo sát đầu ra của 
cảm biến khi thay đổi nồng độ khí H
2
 từ 0 – 1000 
ppm cấp cho buồng dầu. Kết quả được hiển thị bằng 
phần mềm cài đặt trên máy tính như Hình 11.
Hình 11. Đồ thị khảo sát đáp ứng của cảm biến
Từ đồ thị Hình 11, bộ điều khiển trung tâm 
đã thu thập được giá trị điện trở đầu ra của cảm biến 
khí thay đổi khi cảm biến ở các điều kiện có nồng 
độ khí H
2
 lần lượt là 0 ppm, 500 ppm và 1000 ppm. 
Kết quả này được giải thích bằng nguyên lý nhạy khí 
H
2
 của cảm biến màng mỏng SnO
2
 dựa trên sự thay 
đổi của độ dẫn bề mặt theo cơ chế hấp thụ oxy [8].
3.3. Khảo sát bộ điều khiển nhiệt độ
Nhóm tiến hành khảo sát đồ thị giữa giá 
trị trả về của cảm biến nhiệt độ (PT100) được gắn 
trong buồng dầu từ bộ điều khiển nhiệt độ HX9 với 
giá trị nhiệt độ đặt là 60oC. Kết quả được hiển thị tại 
phần mềm cài đặt trên máy tính như Hình 12.
Hình 12. Đồ thị khảo sát đáp ứng thời gian của bộ điều khiển nhiệt độ tại giá trị đặt 60oC
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 23
Từ đồ thị Hình 12 ta có sai số xác lập của 
hệ thống là e
xl
 rất nhỏ. Độ quá điều chỉnh được xác 
định theo biểu thức (2):
. % . % . %POT c
c c
100
60
65 60
100 8 3
max
xl
xl= = =
- -
 (2)
Trong đó c
max
 giá trị cực đại của đáp ứng, c
xl
 là giá 
trị xác lập của đáp ứng. Thời gian đáp ứng được xác 
định theo biểu thức (3):
tr = t0.9 - t0 = 439 (s) (3) 
Trong đó: t
0.9
 là thời điểm đạt tới 90% giá trị đặt
 t
0
 là thời điểm ban đầu ở nhiệt độ phòng
Nhận xét: Sai số xác lập của hệ thống rất nhỏ, nhiệt 
độ của buồng dầu đạt giá trị mong muốn sau thời 
gian xác định. Độ quá điều chỉnh thỏa mãn yêu cầu 
kỹ thuật đặt ra ban đầu nhỏ hơn 10%. Tuy nhiên 
thời gian đáp ứng lâu do quá trình gia nhiệt dầu máy 
biến áp có tính quán tính lớn trong khi buồng nhiệt 
được chế tạo làm mát tự nhiên bằng không khí.
4. Kết luận
Bài báo đã trình bày nghiên cứu thiết kế và 
chế tạo mô hình hệ đo khí Hydro hòa tan trong dầu 
máy biến áp. Mô hình hệ đo giúp đảm bảo việc đo và 
thử nghiệm cảm biến đo nồng độ khí H
2
 trong máy 
biến có thể thực hiện ngay tại phòng thí nghiệm với 
các thông số gần giống với dầu máy sử dụng trong 
các máy biến áp. Thiết bị có thể được sử dụng trong 
thử nghiệm, đánh giá với các cảm biến hóa điện đo 
các loại khí C
x
H
x
 sinh ra do phóng điện cục bộ trong 
máy biến áp. 
Lời cảm ơn
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Bộ Giáo dục 
và Đào tạo trong đề tài mã số B2015-01-92. 
Tài liệu tham khảo
[1]. Igor Pavlovsky, Hydrogen Sensor for Oil Transformer Health Monitoring, Nanotechnology, 
2008. Nano ‘08. 8th ieee conference on, IEEE, 2008, pp 211-213, ISBN: 978-1-4244-2103-9
[2]. Yang Dingkun, Chen Xingang, Ma zhipeng, Fault Detection of Transformers based on Raman 
Spectra of the Dissolved Gas in Transformer Oil, 2016 IEEE 8th International Power Electronics 
and Motion Control Conference.
[3]. Emir ŠIŠIĆ, Chromatographic Analysis of Gases from the Transformer, Transformers Magazine, 
Volume 2, Issue 1.
[4]. A.S.M. Iftekhar Uddin, Usman Yaqoob, Gwiy-Sang Chung, Dissolved Hydrogen Gas Analysis 
in Transformer Oil using Pd Catalyst Decorated on ZnO Nanorod Array, Sensors and Actuators B, 
226(2016), pp 90-95.
[5]. Fan Yang, Dongoh Jung, and Reginald M. Penner, Trace Detection of Dissolved Hydrogen 
Gas in Oil using a Palladium Nanowire Array, Anal Chem. 2011, 83(24):9472-7, doi: 10.1021/
ac2021745.
[6]. Lynn Hamrick, “Dissolved Gas Analysis for Transformers”, Niche Market Testing, NETA 
WORLD Winter 2009-2010.
[7]. Radu Godina, Eduardo M. G. Rodrigues, João C. O. Matias and João P. S. Catalão, “Effect of 
Loads and Other Key Factors on Oil-Transformer Ageing: Sustainability Benefits and Challenges”, 
energies, ISSN 1996-1073, 2015.
[8]. Nguyen Van Toan, Nguyen Viet Chien, Nguyen Van Duy, Hoang Si Hong, Hugo Nguyen, 
Nguyen Duc Hoa, Nguyen Van Hieu, “Fabrication of Highly Sensitive and Selective H2 Gas Sensor 
based on SnO2 Thin Film Sensitized with Microsized Pd Islands”, Journal of Hazardous Materials 
301 (2016) 433–442. 
DESIGN AND FABRICATION OF SYSTEM MEASURING DISSOLVED HYDROGEN GAS
IN TRANSFORMER OIL
Abstract: 
This paper works on system that monitors concentration of hydrogen dissolved in transformer oil. 
The system has a closed chamber that is used as a transformer oil container. Oil temperature in the chamber 
can be adjusted by controllable heater. Stirring motor and gas pressure part are also integrated to speed 
up the dissolution of hydrogen in oil and to observe gas pressure difference. In this research, group chooses 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology24 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
voltage distribution method to determine the value of resistant of hydrogen sensor. Resistant value varies 
from hundreds of kΩ to 1MΩ. Micro control unit STM32 is utilized for collecting, processing measured 
data and transmitting to computer through RS232 port. The result shows that the system works stably. 
Consequently, experimenting sensors sensing hydrogen dissolved in transformer oil becomes less difficult 
because it is very hard to prepare experimental condition of real transformer. 
Keywords: dissolved hydrogen gas in transformer oil, model of dissolving system, main controller.