Sức bền điện động lực học của máy biến áp: yếu tố đảm bảo an toàn điện quốc gia

Máy biến áp động lực và an ninh an toàn năng lượng

Máy biến áp động lực luôn có hai chế độ làm việc là chế độ Tĩnh và chế độ Động, trong đó chế độ động học chính là quá trình quá độ của máy biến áp động lực khi chuyển từ chế độ tĩnh này sang chế độ tĩnh khác. Quá trình quá độ của máy biến áp động lực xảy ra là thường xuyên do tải thay đổi; điện năng đầu vào máy biến áp không ổn định;… hoặc do các yếu tố nguy hiểm khác, như: đoản mạch đầu ra của máy biến áp động lực; ngắn mạch trong cuộn dây máy biến áp;…

Về bản chất, ở quá trình quá độ của máy biến áp luôn đi kèm sự thay đổi dòng điện trong cuộn dây máy biến áp với gia tốc lớn trong một thời gian ngắn. Đặc biệt trong trường hợp ngắn mạch trong cuộn dây máy biến áp. Sự thay đổi với gia tốc dương lớn này của dòng điện động lực trong máy biến áp động lực trong trường hợp ngắn mạch này tạo ra lực điện từ lớn và có trường hợp là siêu lớn, lực điện từ này tác động lên cuộn dây của máy biến áp và có thể gây ra sự phá vỡ kết cấu cuộn dây, kéo theo ngắn mạch tiếp theo, có thể hình thành chuỗi ngắn mạch nối tiếp nhau với dòng điện ngắn mạch tăng lên, dẫn đến tăng liên tiếp lực điện từ. Các lực điện từ này gây ra tác động như các lực cơ khí, có thể uốn cong; xe dịch; phá hủy cuộn dây; thâm chí lực lớn đến mức gây cháy nổ máy biến áp động lực (H.1).

H.1: Cháy trạm biến áp ở TX. Cai Lậy - Tiền Giang (Ảnh minh họa, internet))

Vì thế, khi thiết kế - chế tạo máy biến áp phải tính toán, thử nghiệm máy biến áp động lực ở trạng thái của quá trình quá độ được gây ra bởi sự ngắn mạch. Về nguyên tắc thì mọi máy biến áp động lực được hoạt động trong hệ thống truyền tải điện năng đều phải được thử nghiệm tốt ở trạng thái nêu trên.

Tuy nhiên, trong thực tế hệ thống truyền tải điện năng của mỗi quốc gia đều có hiện tượng: không phải bất kỳ máy biến áp động lực nào cũng được thử nghiệm ngắn mạch trước khi xuất xưởng; mỗi quốc gia lại có một tiêu chuẩn của riêng quốc gia đó về tiêu chuẩn thử nghiệm; tồn tại các máy biến áp động lực có nguồn gốc từ nhiều nhà chế tạo (nội địa và nhập khẩu),…

Thêm nữa, nội dung thử nghiệm được quy định trong tiêu chuẩn của mỗi quốc gia có thể khác nhau. Tất cả điều đó dẫn đến tiềm ẩn mất an toàn điện cho máy biến áp động lực nói riêng và cả hệ thống truyền tải điện năng nói chung sẽ khá cao. Đặc biệt ở các nước đang phát triển nhanh, nhu cầu tiêu thụ điện năng tăng bất thường.

Có nhiều thuật ngữ mô tả khả năng chịu tác động lực điện từ được gây ra bởi dòng điện ngắn mạch của máy biến áp động lực, tác giả bài viết này sử dụng thuật ngữ Sức bền điện động lực học để mô tả khả năng “sống sót” của máy biến áp động lực khi xảy ra quá trình quá độ “khắc nghiệt” bởi dòng điện ngắn mạch trong máy biến áp hoặc bởi bất kỳ nguyên nhân ban đầu nào gây ra dòng điện ngắn mạch.

Phương pháp tính toán sức bền điện động lực học của máy biến áp động lực được phát triển vào năm 1977 và được hiện đại hóa vào năm 1988 là một trong những công cụ chính để đánh giá sức bền điện động lực học của máy biến áp đối với dòng điện ngắn mạch. Phương pháp này cho phép đánh giá mức điện áp và dòng điện động lực học trong cuộn dây máy biến áp, cũng như đánh giá tính ổn định của máy biến áp đối với tác động của dòng điện ngắn mạch.

Tuy nhiên, thực tế cho thấy rằng các tính toán trên PC không thể tính toán hết một cách đầy đủ sức bền điện động lực của cuộn dây máy biến áp. Đặc biệt là không tính toán hết các yếu tố có thể ảnh hưởng đến sức bền điện động lực học của máy biến áp do tác động của dòng điện ngắn mạch, thí dụ: chất lượng cách điện của cuộn dây; độ chính xác chế tạo các bộ phận khác của máy biến áp; sự xuất hiện của hư hỏng cơ khí;… không được tính đến.

Về vấn đề này, để đánh giá sức bền điện động lực học của máy biến áp đối với tác động của dòng điện ngắn mạch, cần thực hiện thử nghiệm trên bệ chuyên dụng có khả năng mô phỏng chính xác các chế độ vận hành khác nhau của máy biến áp và có các điều kiện an toàn cho thử nghiệm.

Điều này sẽ bảo đảm loại bỏ khả năng xảy ra các tình huống khẩn nguy tiềm ẩn trong thực tế hoạt động của hệ thống điện và thiết bị tiêu thụ điện năng khác.

Quy tắc nguyên mẫu được đề xuất và sử dụng vào những năm 1980 để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thử nghiệm sức bền điện động lực học của máy biến áp bởi tác động dòng điện ngắn mạch của nó và giảm tải trên bệ thử nghiệm. Theo quy tắc này, các thử nghiệm của máy biến áp động lực có thể được thay thế bằng các tính toán nếu máy biến áp động lực tương đương đã vượt qua thử nghiệm về khả năng chịu được tác động của dòng điện ngắn mạch.

Tuy nhiên, hiện nay Quy tắc nguyên mẫu thường được sử dụng bởi các nhà chế tạo máy biến áp để thay thế việc thử nghiệm sức bền điện động lực học bằng các tính toán dòng điện ngắn mạch, điều này làm giảm mức độ kiểm soát chất lượng và an toàn điện của máy biến áp, cũng như làm tăng tỷ lệ tai nạn điện của máy biến áp động lực.

Đặc biệt, việc sử dụng nguyên mẫu máy biến áp được chế tạo theo công nghệ khác với việc sử dụng vật liệu cách điện khác và chế tạo tại các nhà máy khác ở nước ngoài sẽ là không chính đáng. Trong trường hợp này, không thể đảm bảo được sức bền điện động lực học của cuộn dây máy biến áp đối với tác động của dòng điện ngắn mạch chảy qua nó, bởi công nghệ chế tạo và chất lượng lớp cách điện của cuộn dây có thể khác biệt đáng kể so với máy biến áp tương tự đã được thử nghiệm sức bền điện động lực học cho dòng điện ngắn mạch.

H.2: Máy biến áp động lực (Ảnh minh họa, internet)

Kể từ năm 1995, quan sát thấy sự tăng hư hỏng của các loại máy biến áp động lực tự ngẫu và các loại máy biến áp khác, mà trước đây được coi là có sức bền (tốt) điện động lực học trước tác động của dòng điện ngắn mạch trong chúng. Cũng phải lưu ý rằng, không phải tất cả các trường hợp hư hỏng của máy biến áp động lực đều liên quan đến sức bền điện động lực học ban đầu của máy biến áp dưới tác động của dòng điện ngắn mạch. Dòng điện ngắn mạch trong thực tế có thể lớn hơn giá trị cho phép được tính toán, do đó, lực ép lên cuộn dây sẽ khác so với tính toán và hậu quả xảy ra bởi nguyên nhân này và một số nguyên nhân khác là khó lường trong thực tế hoạt động của máy biến áp động lực.

Các nguyên nhân làm hư hỏng máy biến áp động lực

Nhìn chung, có thể dẫn ra các nguyên nhân làm tăng hư hỏng máy biến áp động lực, trong đó đặc biệt là suy giảm nhanh sức bền điện động lực học của chúng, như sau:

1. Tăng tải tiêu thụ điện năng trong hệ thống năng lượng điện: cùng với sự phát triển kinh tế là sự gia tăng cao của nhu cầu tiêu thụ điện năng, kéo theo là tăng điện áp và dòng điện trong máy biến áp động lực. Điều này có thể dẫn đến tăng giá trị dòng điện ngắn mạch, tức làm tăng nguy cơ hư hỏng máy biến áp;

2. Máy biến áp quá cũ: nhiều máy biến áp động lực đã được lắp đặt và hoạt động trong hệ thống năng lượng điện đã quá lâu, thậm chí đến 30 năm. Sự già hóa vật liệu và lỗi thời của các máy biến áp động lực này cũng làm tăng nguy cơ xảy ra các tình huống khẩn nguy, đặc biệt là xuất hiện ngắn mạch giữa các vòng dây của máy biến áp động lực;

3. Chất lượng chế tạo máy biến áp động lực bị suy giảm: đi cùng với sự phát triển kinh tế là sự tăng nhu cầu về thiết bị điện, tức cũng làm tăng số lượng các nhà chế tạo thiết bị điện, nhưng sự tăng này không đồng nghĩa với tăng hoặc giữ ổn định chất lượng thiết bị điện được chế tạo, mà lại ngược lại. Một số nhà chế tạo có thể sử dụng vật liệu chất lượng thấp hoặc công nghệ chế tạo không đáp ứng tốt để chế tạo máy biến áp động lực, dẫn đến giảm độ tin cậy và tăng nguy cơ tai nạn điện của máy biến áp động lực;

4. Vận hành và bảo trì kém: một số máy biến áp động lực có thể được vận hành và bảo trì không đúng cách, điều này dẫn đến làm giảm độ tin cậy và làm tăng nguy cơ tai nạn điện. Trong nguyên nhân này, phải kể đến là sự điều chỉnh thông số kỹ thuật không chính xác và bảo trì không đúng thời hạn, cũng như nội dung công việc bảo trì không thực hiện đầy đủ;

5. Hệ thống tự bảo vệ của máy biến áp động lực không đầy đủ hoặc chất lượng kém (thí dụ, kém nhậy): một số máy biến áp động lực có hệ thống tự bảo vệ đối với tác động của dòng điện ngắn mạch và các tình huống khẩn cấp khác, nhưng với chất lượng không tốt. Thêm nữa, có thể việc cài đặt thông số cho hệ thống tự bảo vệ này lại được thực hiện không chính xác, cũng dẫn đến sự tăng nguy cơ mất sức bền điện động lực học của máy biến áp động lực;

6. Các cơ sở năng lượng mới được đưa vào sử dụng: đi cùng sự phát triển kinh tế là sự xuất hiện các cơ sở năng lượng mới, như nhà máy sản xuất điện năng; trạm biến áp; đường dây truyền tải điện năng. Điều này dẫn đến sự tăng số lượng máy biến áp động lực hoạt động trong hệ thống năng lượng điện, tức làm tăng nguy cơ xảy ra dòng điện ngắn mạch trong chúng;

7. Giảm khối lượng công việc thử nghiệm sức bền điện động lực của máy biến áp động lực: sự phát triển nhanh của nền kinh tế có thể dẫn đến việc “ăn bớt” khối lượng công việc thử nghiệm sức bền điện động lực học ở một vài nhà máy nào đó (?) có chế tạo máy biến áp động lực cũng làm tăng nguy cơ xảy ra dòng điện ngắn mạch trong máy biến áp động lực;

8. Giảm nghiên cứu trong lĩnh vực sức bền điện động lực học của máy biến áp: việc giảm này kéo theo hậu quả xảy ra sau này là ở việc mất đi các nhân sự có trình độ cao, tức sẽ mất chất lượng chế tạo máy biến áp động lực;

9. Giảm số lượng chuyên gia có trình độ: việc giảm khối lượng nghiên cứu và giảm nội dung thử nghiệm sức bền điện động lực học đối với tác động của dòng điện ngắn mạch trong máy biến áp động lực có thể dẫn đến giảm số lượng nhân sự trình độ cao trong công tác này, điều đó dẫn đến giảm chất lượng chế tạo và tăng nguy cơ tai nạn điện cho máy biến áp động lực;

10. Tăng số lượng máy biến áp động lực được nhập khẩu: với các nguyên nhân nêu trên có thể dẫn đến phải tăng số lượng nhập khẩu máy biến áp động lực, số lượng nhập khẩu này có thể không đáp ứng tiêu chuẩn trong nước, từ đó dẫn đến số liệu thống kê về tai nạn điện do sức bền điện động lực học của máy biến áp động lực bị suy giảm nhanh hoặc mất hoàn toàn dưới tác động của dòng điện ngắn mạch xuất hiện trong chúng.

Kết luận

Các thử nghiệm về sức bền điện động lực của máy biến áp đối với tác động bởi dòng điện ngắn mạch trong chúng, được thực hiện đầy đủ nội dung sẽ giúp xác định các điểm yếu trong thiết kế-chế tạo, đặc biệt là cuộn dây, từ đó điều chỉnh thiết kế cuộn dây máy biến áp. Loạt máy biến áp động lực mới được chế tạo chỉ sau khi có thử nghiệm đầy đủ và thực hiện điều chỉnh thiết kế sau kết quả thử nghiệm sẽ nâng cao độ tin cậy làm việc của hệ thống truyền tải điện năng quốc gia.

Các kết luận được rút ra dựa trên các nguyên nhân nêu trên cho thấy sự cần thiết phải đưa ra các quyết định cơ bản ở cấp công ty chế tạo máy biến áp động lực, thực chất là quyết định thử nghiệm sức bền điện động lực học một cách toàn diện phải được cấp công ty thực hiện trên cơ sở phải đầu tư bệ thử nghiệm máy biến áp động lực có đủ trang thiết bị đảm bảo thử nghiệm được hết nội dung về thử nghiệm sức bền điện động lực học dưới tác động của dòng điện ngắn mạch.

Thực hiện được chế tài này sẽ cho phép thử nghiệm sức bền điện động lực học của máy biến áp động lực một cách đầy đủ nội dung nhất với độ chính xác cao, từ đó sẽ cải thiện chất lượng một cách cơ bản cho thiết kế-chế tạo máy biến áp động lực. Góp phần thúc đẩy ngành chế tạo máy biến áp động lực trong nước, giảm nhập khẩu và tiến tới loại trừ nhập khẩu, chuyển sang xuất khẩu máy biến áp động lực.

Việc đầu tư các bệ thử nghiệm sức bền điện động lực học có tính tiên tiến ở cấp công ty sẽ giúp hệ thống năng lượng điện ở tầm quốc gia hoạt động tin cậy, hiệu quả cao và góp phần thúc đẩy sự phát triển kinh tế của đất nước và chất lượng sống của nhân dân.

Tài liệu tham khảo:

[1] Хренников А. Ю. Основные причины повр-еждения обмоток силовых трансформаторов напряжением 110–500 кВ в процессе эксп-луатации. Промышленная энергетика, 2006, № 12.

[2] Хpенников А. Ю., Шлегель О. А., Шифрин Л. Н. Электродинамические испытания тра-нсформатора типа ТЦ-666000/500 на МИС, г. Тольятти. Изв. вузов Электромеханика, 2006, № 6.

[3] Хренников А. Ю. Электродинамические ис-пытания силовых трансформаторов на стойк-ость к токам КЗ. Промышленная энергети-ка, 2007, № 8.

[4] Горшунов В. Ю., Капустин Д. С. Электр-одинамическая стойкость силовых трансфор-маторов недостаточна, - говорят испытате-ли и предлагают свой план действий. - Нов-ости электротехники, 2003, № 3 (21).

[5] Львов М. Ю., Львов Ю. Н., Дементьев Ю. А., Антипов К. М., Сурба А. С., Шейко П. А., Неклепаев Б. Н., Шифрин л. Н., Кассихин С. Д., Славинский А. З., Сипилкин К. Г. О надежности силовых тран-сформаторов и автотрансформаторов элек-трических сетей. Электрические станции, 2005, № 11.

[6] Электродинамическая стойкость трансформа-торов и реакторов при коротких замыканиях. // Сборник статей. Под редакцией Лурье А. И. Труды ВЭИ, М.: Знак, 2005.

[7]

Nguyễn Tiến Dũng

Bauman Moscow State Technical Universit