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

áp, sẽ rất khó khăn để ghi nhận các tín hiệu rung động 
phát sinh do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như vị trí gắn cảm biến, 
tạp âm nhiễu từ tiếng ồn quạt làm mát, hệ thống bơm dầu Để 
khắc phục, một cảm biến sợi quang mảnh dày 2 mm, dài 50 mm, 
rộng 20 mm đã được nghiên cứu bởi công ty QPS để chèn vào 
khoảng cách giữa các cuộn dây bên trong máy biến áp lực nhằm 
đo lường trực tiếp rung động cuộn dây trong vùng tần số từ 1 Hz 
đến 2 kHz.
Bài báo cũng 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). Ngoài ra, cảm biến đặc biệt này còn có thể đo nhiệt 
độ điểm nóng cục bộ (hot spot). 
Đây là giải pháp giám sát – chẩn 
đoán chi phí hiệu quả để kéo 
dài tuổi thọ máy biến áp lực.
i giới thiệu
Gần đây, các nguồn năng 
lượng tái tạo (gió, mặt trời) đã 
được phát triển nhanh chóng 
trên phạm vi toàn thế giới 
nhằm giảm hiệu ứng nhà kính, 
nhưng do tình trạng vận hành 
không liên tục dẫn đến nhu cầu 
cần phải phát triển nguồn điện 
để có sự cân bằng trên lưới. Ở 
Bắc Mỹ, khí đá phiến (shale gas) 
rất dư thừa và rẻ, cho phép các 
công ty phát điện chuyển sử 
dụng nguồn năng lượng sơ cấp 
từ than đá sang khí. Mặt khác, 
một số công ty điện lực khác 
sẵn sàng đầu tư nâng cao độ tin 
cậy và hiệu năng của lưới điện, 
thông qua việc xây dựng các lưới 
điện truyền tải hiện đại. Tuy vậy, 
đa số các chuyên gia đều thống 
nhất, rằng điểm mấu chốt của 
một lưới điện tin cậy và ổn định 
phụ thuộc lớn vào các máy biến 
áp lực tăng áp (step-up power 
transformers). Hiện tại, đa số 
các máy biến áp (MBA) này đều 
có thời gian vận hành từ 30 đến 
50 năm và tiệm cận đến mốc 
“tuổi thọ vòng đời”; hiện tại đã 
có nhiều vụ nổ MBA xảy ra hàng 
tuần ở Mỹ. Cộng đồng nghiên 
cứu trên thế giới đều đã thống 
nhất, rằng giám sát phóng điện 
cục bộ (PD – Partial Discharge) 
là dấu hiệu tốt nhất để xác định 
tuổi thọ còn lại của MBA.Tuy 
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
14 BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018
nhiên, các cảm biến đo PD này 
được chế tạo dựa trên nền công 
nghệ áp điện (piezoelectric) 
;chúng có chứa các phần dẫn 
điện và không thể đưa vào bên 
trong MBA nên vì vậy chỉ được 
treo trên ngoài thành vỏ MBA. 
Do chúng làm việc ở tình trạng 
cộng hưởng, nên việc thu nhận 
tín hiệu không được tốt, và khó 
phán đoán chính xác về mức độ 
già hóa cách điện trong MBA. 
Vì vậy, việc dự đoán chính xác 
tuổi thọ còn lại của MBA dựa 
trên giám sát PD thông qua các 
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, 
bởi vì các cuộn dây được bọc 
ẩn bên trong thùng dầu. Phép 
thử nghiệm “Phân tích khí hòa 
tan” (Dissolved Gas Analysis 
– DGA) có thể đưa ra một kết 
luận cụ thể, nhưng không đánh 
giá được quy trình xuống cấp 
của cuộn dây theo thời gian; 
muốn vậy, cần đo lường trực 
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 
chuyển dịch cấu trúc cuộn dây 
bằng phép so sánh các đáp ứng tần số, trước và sau khi nghi ngờ có 
sự cố. Tuy nhiên, việc phân tích các kết quả đo rất khó khăn, do các 
MBA không hoàn toàn giống nhau và cách đánh giá hiện tại chưa 
được tiêu chuẩn hóa, trong khi MBA cần phải được tháo ra khỏi 
lưới điện để thực hiện phép đo, làm gián đoạn vận hành. Vì vậy, 
hiện nay người ta đang quan tâm đến giải pháp giám sát các rung 
động, đặc biệt thực hiện bên trong thùng dầu để có kết quả chính 
xác nhất [4, 6-9]. 
Các nghiên cứu mô phỏng tại trường đại học Tây Úc [4] phân 
tích các mô hình rung động (vibration model) và cộng hưởng cấu 
trúc (structural resonance) trong MBA sử dụng phương pháp phần 
tử hữu hạn; theo đó, ứng suất hệ thống cơ khí (clamping pressure) 
và độ chặc (stiffness) có thể làm dịch chuyển các vị trí cộng hưởng 
(resonance peaks), ví dụ như ở các chế độ (mode) với tần số 36.7, 
48.3, 82.3 và 115.8 Hz theo minh họa ở hình 1.
Hình 1 – Các chế độ cộng hưởng khác nhau trong MBA.
Các tần số dao động tự nhiên này có xu hướng giảm khi ứng 
suất hệ thống cơ khí giảm và các cuộn dây chùng dần, nhưng sự 
chuyển dịch này rất nhỏ. Nếu cảm biến rung động có khả năng 
thu thập được tín hiệu trong dãy tần số rộng và có độ phân giải 
tần số tốt sẽ phát hiện sự thay đổi này. Bài báo giới thiệu công 
nghệ của QPS sử dụng cảm biến rung động nhỏ nhất trên thế giới 
“VibroFibre” để chèn vào khoảng hẹp giữa các cuộn dây bên trong 
MBA (xem hình 2). 
Hình 2 – Cảm biến rung động đặc biệt được thiết kế bên trong miếng chêm 
giấy bìa cứng cách điện cuộn dây.
BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018 15 
iii. Công nghệ Cảm Biến đo “viBroFiBrE” dạng SỢi dài
Cảm biến VibroFibre nguyên bản là một cảm biến dạng 
khe (cavity sensor) chứa một bộ giao thoa kế kép (twin grating 
interferometer) dựa trên công nghệ “fiber Bragg grating” (FBG), được 
bố trí cách nhau một đoạn d từ 5 mm đến 20 mm, trên một sợi 
quang đơn tia (single mode fiber), dùng để đo các tín hiệu rung động 
từ cuộn dây trong các máy phát điện công suất lớn, xem hình 3. 
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 
tia này với chiều dài xác định nào đó vào một khe cộng hưởng 
quang (Fabry-Perot cavity) sẽ hình thành một bộ cảm biến rung 
động mới. Điều này sẽ làm giảm kích thước của cảm biến VibroFibre 
ban đầu (có sử dụng bộ “diving board” dày 8 mm) sang một cấu 
trúc chỉ cần khe cộng hưởng quang mỏng hơn (dày 2 mm, xem 
hình 4), rất thích hợp để bố trí vào bên trong các miếng chêm cách 
điện (spacer) giữa các đĩa dây trong MBA. Cấu trúc này sẽ tạo ra 
một bộ cảm biến rung động dạng phân bố (distributed vibration 
sensor), chi tiết xem trong [10, 11]. 
Hình 4 – Các kích thước của bộ cảm biến rung động mới.
Hình 5 giới thiệu cách đấu 
nối cảm biến được thiết kế đặc 
biệt này vào giữa miếng chêm 
cách điện giữa các cuộn dây 
trong một MBA 110 kV, vốn 
được thiết kế tuân theo quy 
chuẩn sản xuất trong khi có 
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 5 – Cách bố trí cảm biến bên 
trong các miếng chêm cách điện 
trong quá trình sản xuất MBA.
Nguyên lý làm việc cơ bản 
của bộ cảm biến như sau: một 
bộ nguồn phát ra tín hiệu 
laser băng tần hẹp có tần số 
trung tâm được điều hợp bước 
sóng (wavelength matched) 
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 
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
Hình 6 – Đo lường các đáp ứng của cảm biến: 
chuyển sự dịch chuyển vân giao thoa sang 
tín hiệu điện áp ngõ ra.
Hình 7 giới thiệu các kết quả đo thực 
nghiệm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (signal-
to-noise ratio) của cảm biến trong vùng 
tần số từ 1 Hz đến 2 kHz. Kết quả cho 
thấy cảm biến làm việc tốt và ổn định 
trong vùng tần số này.
 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 
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.
 v. Phương PháP đo rung động truyền thống
Các cảm biến rung động truyền thống thường có các 
phần dẫn điện và được gắn bên ngoài thành vỏ MBA, như 
minh họa ở hình 9. Do vậy, chúng thường bị tác động bởi 
các nhiễu rung động từ các thiết bị ngoại vi gần đó như 
bơm và quạt làm mát, và đặc biệt, vị trí cảm biến có ảnh 
hưởng rất lớn đến chất lượng tín hiệu thu thập [2, 9]. Các 
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 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 
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.
bên trong MBA sẽ được điều chỉnh chế tạo theo 
cách trên.
Các giải pháp tương tự có thể ứng dụng để 
giám sát các MBA của lưới điện phân phối trên 
không, thông qua các cảm biến rung động quấn 
xung quanh thùng vỏ MBA. Các cảm biến sẽ 
được kết nối tới một bộ thu thập dữ liệu treo 
trụ, có các cổng truy xuất dữ liệu với chức năng 
truy cập từ xa để truyền dữ liệu đo về trung tâm 
qua hệ thống thu thập và điều khiển giám sát 
(Supervisory Control And Data Acquisition – 
SCADA). Chúng tôi đang phát triển công nghệ 
cảm biến để đo thêm các thông số quan trọng 
khác như nhiệt độ và độ ẩm (cho MBA) và rung 
độ do phóng điện trong các máy phát làm mát 
bằng không khí. 
viii. Kết Luận và hướng Phát triỂn
Ngoài ứng dụng giám sát rung động cho MBA 
và máY phát điện, công nghệ cảm biến Vibro-
Fibre hướng đến nhiều đối tượng khác như đầu 
sứ, máy cắt và bộ điều áp dưới tải. Các bộ cảm 
biến được chế tạo từ thủy tinh và không bị tác 
động bởi trường điện từ. Chúng có giá thành hiện 
không cao và có thời gian vận hành lâu dài. Cảm 
biến hiện tại có thể đo lường nhiệt độ tại các điểm 
nóng cục bộ, ngoài chức năng đo rung động do sự 
cố cơ học liên quan đến cuộn dây và hệ thống cơ 
khí. Dựa vào thiết kế hiện tại, chúng tôi sẽ hướng 
đến đến việc giám sát nồng độ ẩm trong dầu cách 
điện và sự tuần hoàn của hơi ẩm chuyển dịch qua 
lại giữa dầu, kết cấu khung gỗ và giấy cách điện, 
vốn phụ thuộc vào nhiệt độ vận hành, nhiệt độ 
môi trường xung quanh và chế độ tải. Cuối cùng, 
chúng tôi muốn xây dựng một hệ thống giám 
sát tích hợp tiên tiến có thể dự báo thời gian vận 
hành còn lại của MBA: vượt quá giới hạn của các 
phép thử nghiệm truyền thống (như phân tích 
mẫu dầu) nhưng lại không cần thêm các kết quả 
đo nhiệt độ vận hành và chế độ tải.
vi. CáC thử nghiệm hiện trưỜng
Các nghiên cứu liên quan trước đây cho thấy, 
rằng các rung động bên trong một MBA cách điện 
dầu có tần số trong vùng từ 20 Hz đến 1 kHz. 
Để phát hiện tốt các rung động này, cảm biến đo 
phải có băng tần gấp đôi, tức mở rộng đến 2 kHz. 
Kết quả đo thực nghiệm ở hình 7 đã xác nhận 
tầm đo của cảm biến VibroFibre là phù hợp. Các 
kết quả đo trước đây phối hợp với trường đại học 
Manchester, Vương quốc Anh, đã xác nhận cảm 
biến VibroFibre có đặc tính ưu việt hơn so với 
cảm biến áp điện truyền thống trong vùng tần 
số thấp hơn 20 Hz; thậm chí chúng tôi đã thử 
nghiệm xuống tần số giới hạn 1 Hz. Các thử 
nghiệm hiện trường với công ty Xian e-Sys, Trung 
Quốc, đã cho phép kết luận, cảm biến này có thể 
được lắp đặt giữa các đĩa cuộn dây bên trong 
MBA để đo rung động do các biến dạng dọc trục 
sinh ra. 
vii. tóm tắt Công nghệ
Cảm biến đo cần phải rất mảnh để có thể đưa 
được vào giữa các cuộn dây bên trong vỏ thùng 
MBA. Thêm vào đó, dây cáp nối (đến cảm biến) 
không được chứa không khí, được thực hiện theo 
quy trình sau: sợi quang (từ cảm biến) nằm trong 
khe rãnh sẽ nối trực tiếp đến một cáp nối có 
bọc bảo vệ (tight buffer patch cord). Cáp nối này 
lại được bao phủ bởi một ống dạng lò xo PeeK 
(Polyetheretherketone) để khi nhà sản xuất đưa 
bộ “cuộn dây – cáp cảm biến” vào lò nhiệt đến 
150 °C, không khí sẽ được loại ra. Quy trình trên 
có thể điều chỉnh sử dụng epoxy hay các vật liệu 
ghép khác để cố định sợi quang trong ống cáp, 
được đúc trong PeeK để có thể chịu được nhiệt 
độ lên đến 300 °C. Các kiểu ống cáp khác có 
thể được thiết kế theo quy trình tương tự để đo 
lường rung động hướng xuyên tâm qua trục cuộn 
dây và dọc theo các lá của lõi thép. Thật vậy, các 
cảm biến tương lai của chúng tôi, bao gồm các 
biến đo nồng độ ẩm và PD vốn cần phải vận hành 
18 BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018