Hệ thống giảm áp và phát hiện lỗi máy biến áp

​​​​​​​

 

1. Giới thiệu

 

Trong máy biến áp ngâm trong dầu-, sự thay đổi áp suất bên trong là một phần hoạt động bình thường. Khi dầu máy biến áp nóng lên và nguội đi trong chu kỳ tải, không gian khí kín bên trong bể sẽ giãn ra và co lại, gây ra sự dao động áp suất dần dần trong vỏ máy biến áp. Trong điều kiện vận hành bình thường, những thay đổi áp suất này xảy ra chậm và chủ yếu liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ môi trường và tải máy biến áp.

Tuy nhiên, các lỗi điện bên trong tạo ra trạng thái áp suất hoàn toàn khác. Các hiện tượng như hỏng cuộn dây hoặc hồ quang bên trong có thể nhanh chóng phân hủy dầu cách điện thành khí, tạo ra sóng áp suất đột ngột bên trong bể. Do sự tăng áp suất do lỗi-tạo ra này xảy ra trong vòng mili giây nên máy biến áp không chỉ yêu cầu thiết bị giảm áp mà còn cả hệ thống phát hiện lỗi chuyên dụng có khả năng xác định hành vi áp suất bất thường trước khi xảy ra sự cố nghiêm trọng về bình chứa.

Vì lý do này, hệ thống bảo vệ máy biến áp hiện đại thường được chia thành hai loại chính:

• Hệ thống giảm áp
• Hệ thống phát hiện lỗi

Triết lý bảo vệ theo lớp này được phản ánh rộng rãi trong các tiêu chuẩn IEEE C57 và thực tiễn thiết kế máy biến áp IEC 60076.

 

2. Giảm áp và phát hiện lỗi

 

Mặc dù thuật ngữ "giảm áp" và "phát hiện lỗi" đôi khi được sử dụng thay thế cho nhau trong ngành máy biến áp, nhưng về cơ bản chúng phục vụ các chức năng khác nhau.

Thiết bị giảm áp máy biến áp được thiết kế để giải phóng áp suất quá mức của bể máy biến áp về mặt vật lý nhằm ngăn ngừa biến dạng cơ học hoặc vỡ bể máy biến áp. Các thiết bị này phản ứng chủ yếu với cường độ áp suất và tạo thành nền tảng của hệ thống bảo vệ áp suất máy biến áp.

Mặt khác, các thiết bị phát hiện lỗi sẽ theo dõi tốc độ hoặc đặc điểm thay đổi áp suất liên quan đến các lỗi điện bên trong. Thay vì giải phóng áp suất, chúng tạo ra tín hiệu cảnh báo hoặc ngắt để cách ly máy biến áp khỏi hệ thống điện.

Sự khác biệt này ngày càng trở nên quan trọng khi kích thước máy biến áp và mức năng lượng sự cố tăng lên.

 

Bảng 1 - Sự khác biệt giữa giảm áp và phát hiện lỗi

3. Thiết bị giảm áp máy biến áp

 

3.1 Van giảm áp (PRV)​​​​​​​

Van xả áp được thiết kế để bảo vệ thùng máy biến áp khỏi áp suất quá mức bên trong. Khi áp suất trong bình đạt đến áp suất xả, van sẽ tự động mở để xả khí cho đến khi áp suất giảm xuống mức áp suất an toàn. Ngoài ra, bất cứ khi nào cần thiết, người dùng được phép vận hành thủ công van giảm áp trong ứng dụng máy biến áp bằng cách kéo vòng vận hành để giảm áp suất bên trong.

Theo thông lệ của IEEE, áp suất nứt điển hình đối với thiết kế máy biến áp PRV là khoảng 10 PSIG ±2 PSIG, trong khi các ứng dụng CSA thường sử dụng cài đặt áp suất thấp hơn. Sau khi xả áp, van giảm áp trong hệ thống máy biến áp sẽ tự động đóng lại để duy trì tính nguyên vẹn của thùng máy biến áp.

 

Do cấu trúc đơn giản và hoạt động đáng tin cậy, PRV được sử dụng rộng rãi trong:

• Máy biến áp gắn trên cột-
• Máy biến áp gắn trên tấm-
• Máy biến áp phân phối ngâm trong dầu-
• Trạm biến áp đơn vị nhỏ

 

So với các hệ thống PRD máy biến áp lớn hơn, PRV thường được ưu tiên sử dụng cho các máy biến áp kVA thấp hơn, nơi áp suất tăng tương đối vừa phải và có thể dự đoán được. Trong nhiều ứng dụng máy biến áp phân phối, van PRV trong bể biến áp vẫn là hình thức bảo vệ áp suất cơ học cơ bản phổ biến nhất.

3.2 Thiết bị giảm áp (PRD)

Các thiết bị giảm áp (PRD) về cơ bản có cùng mục đích như van giảm áp (PRV): chúng bảo vệ thùng máy biến áp khỏi áp suất bên trong quá mức. Tuy nhiên, trên thực tế, PRD thường được gắn với mức công suất lớn hơn. Bạn thường không thấy PRD được lắp đặt trên các máy biến áp dưới 1.500 kVA, mặc dù không có gì sai về mặt kỹ thuật khi sử dụng PRD trên các thiết bị nhỏ hơn nếu ứng dụng yêu cầu.

Hầu hết các PRD đều được gắn trên đỉnh thùng máy biến áp, nơi khí hoặc áp suất tích tụ bên trong có thể được giải phóng nhanh chóng khi có sự cố.

Thuật ngữ này có thể gây nhầm lẫn vì "thiết bị giảm áp" thường được sử dụng như một thuật ngữ chung trong ngành cho cả PRV và PRD. Trong hầu hết các trường hợp, PRV được sử dụng trên các máy biến áp phân phối nhỏ hơn, trong khi PRD phổ biến hơn trên các thiết bị lớn hơn hoặc các ứng dụng yêu cầu phản ứng áp suất nhanh hơn và chỉ báo lỗi.

Thiết bị giảm áp suất máy biến áp thực hiện chức năng cơ bản tương tự như PRV - làm giảm áp suất bên trong quá mức - nhưng thường được thiết kế với khả năng dòng chảy cao hơn, thời gian phản hồi nhanh, hiệu suất bịt kín đáng tin cậy và các chức năng giám sát hoặc cảnh báo tùy chọn. Các thiết kế PRD tiên tiến cung cấp áp suất mở chính xác, thời gian vận hành ngắn, hiệu suất ngoài trời lâu dài-đáng tin cậy và bịt kín hiệu quả chống ẩm, bụi và không khí xâm nhập, giúp duy trì áp suất dương trong bể và cải thiện độ tin cậy vận hành của máy biến áp.

 

Một ưu điểm chính của PRD-được gắn trên vỏ là khả năng giám sát. Nhiều cụm thiết bị giảm áp máy biến áp bao gồm:

• Các tín hiệu trực quan hoặc chỉ báo hoạt động
• Địa chỉ liên lạc báo động từ xa
• đầu ra giám sát tương thích SCADA-

 

Điều này làm cho PRD đặc biệt phù hợp với các trạm biến áp tiện ích và hệ thống điện công nghiệp nơi cần giám sát từ xa.

PRD thường được áp dụng trong:

• Máy biến áp trạm biến áp
• Máy biến áp trung thế
• Máy biến áp công suất lớn
• Máy biến áp trạm biến áp tiện ích

 

Đối với các ứng dụng tiện ích lớn hơn, các kỹ sư thường chọn bố trí máy biến áp thiết bị giảm áp thay vì PRV nhỏ hơn do năng lượng sự cố bên trong và lượng dầu cao hơn.

3.3 Vỡ đĩa đệm

Đĩa vỡ thường được sử dụng làm thiết bị giảm áp khẩn cấp tối ưu trong các ứng dụng-máy biến áp năng lượng cao.

Không giống như PRV hoặc PRD tiêu chuẩn, đĩa vỡ là thiết bị-không thể đặt lại được, được thiết kế để nổ ngay lập tức khi áp suất bên trong đạt đến giới hạn tới hạn. Mục đích chính của chúng là cung cấp khả năng thông gió nhanh chóng trên toàn bộ{2}}khu vực trong các sự cố thảm khốc xảy ra bên trong.

 

Vì đĩa vỡ phải được thay thế sau khi phẫu thuật nên chúng thường được dành riêng cho:

• Máy biến áp công suất lớn
• Máy biến áp lò
• Máy biến áp lực kéo
• Hệ thống công nghiệp cấp độ lỗi-cao

Trong thực tế kỹ thuật, đĩa chống đứt thể hiện mức độ bảo vệ áp suất cơ học cao nhất.

4. Thiết bị phát hiện lỗi máy biến áp

 

4.1 Bộ phát hiện lỗi bên trong (IFD)

Bộ phát hiện lỗi bên trong (IFD) được sử dụng rộng rãi trên các máy biến áp-gắn trên cột và{1}}gắn trên tấm đệm như một thiết bị an toàn hiện trường đơn giản nhưng hiệu quả cao.

IFD phát hiện áp suất bên trong tăng đột ngột do sự cố hồ quang bên trong thùng máy biến áp. Khi được kích hoạt, đèn báo trực quan có màu sắc rực rỡ sẽ bật ra, cho phép nhân viên điện lực xác định ngay rằng máy biến áp đã gặp lỗi bên trong và không nên-cấp điện lại.

 

Một ưu điểm chính của hệ thống IFD hiện đại là nhiều thiết kế tích hợp PRV tuân thủ tiêu chuẩn IEEE hoặc CSA trong cụm máy biến áp vào cùng một thiết bị, kết hợp:

• Giảm áp lực
• Chỉ báo lỗi

thành một cấu trúc nhỏ gọn duy nhất.

 

IFD thường được sử dụng trong:

• Máy biến áp gắn trên một pha-cực{1}}
• Máy biến áp gắn trên ba{0}}cột pha{1}}
• Máy biến áp gắn trên tấm-
• Máy biến áp trạm biến áp nhỏ

So với hệ thống SPR, IFD đơn giản hơn, tiết kiệm hơn và đặc biệt phù hợp với các ứng dụng ở cấp độ phân phối.

4.2 Rơ le áp suất đột ngột (SPR/RPR)

 

Các hệ thống này thường được sử dụng trong:

• Máy biến áp trung thế
• Máy biến áp công suất lớn
• Máy biến áp chỉnh lưu
• Máy biến áp lò
• Máy biến áp lực kéo

 

So với IFD, hệ thống bảo vệ rơle tăng áp suất nhanh cung cấp khả năng tích hợp điện nhanh hơn và phù hợp hơn cho các ứng dụng công nghiệp và tiện ích quan trọng.

4.3 Rơle Buchholz

Rơ-le Buchholz là một thiết bị phát hiện lỗi vận hành bằng- khí và{1}}dòng-dầu được sử dụng trong máy biến áp loại bảo toàn-.

Không giống như các hệ thống SPR và IFD phản ứng chủ yếu với sự thay đổi áp suất, rơle Buchholz phát hiện các lỗi bên trong thông qua:

• Tích tụ khí
• Phong trào dâng dầu

 

Rơle thường hoạt động theo hai giai đoạn:

• Báo động cho các lỗi mới bắt đầu
• Trip do lỗi nội bộ nghiêm trọng

 

Rơle Buchholz được sử dụng rộng rãi trong:

• trạm biến áp loại thiết bị bảo tồn-
• Máy biến áp trung thế
• Máy biến áp công suất lớn

 

Nhờ khả năng phát hiện các lỗi cách điện phát triển chậm, rơle Buchholz vẫn là một trong những thiết bị phát hiện lỗi quan trọng nhất trong các máy biến áp-chứa dầu cỡ lớn.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Hệ thống phân cấp bảo vệ trong thực hành kỹ thuật

 

Trong các ứng dụng máy biến áp thực tế, các thiết bị này không được sử dụng như nhau trên tất cả các loại máy biến áp. Thay vào đó, hệ thống bảo vệ ngày càng trở nên tiên tiến hơn khi kích thước máy biến áp và năng lượng sự cố tăng lên.

 

Bảng 2 – Ứng dụng thiết bị bảo vệ điển hình theo loại máy biến áp

Cấu hình phân lớp này phản ánh nguyên tắc kỹ thuật rằng việc bảo vệ máy biến áp phát triển từ việc giảm áp suất cơ học cơ bản sang các hệ thống bảo vệ lỗi cơ và điện tích hợp.

6. Kết luận

 

Thiết kế an toàn máy biến áp hiện đại dựa trên sự phối hợp của hệ thống giảm áp và phát hiện lỗi thay vì phụ thuộc vào một thiết bị duy nhất.

PRV và PRD cung cấp khả năng giảm áp suất cơ học có kiểm soát trong điều kiện hoạt động bình thường và bất thường. Đĩa vỡ cung cấp sự bảo vệ khẩn cấp tối ưu trong các lỗi thảm khốc. IFD và hệ thống rơle áp suất đột ngột phát hiện sự tăng áp suất đột ngột do sự cố điện bên trong, trong khi rơle Buchholz giám sát quá trình tạo khí và chuyển động của dầu liên quan đến việc phát triển các hư hỏng cách điện.

Cùng với nhau, các thiết bị này tạo thành kiến ​​trúc bảo vệ máy biến áp nhiều lớp giúp cải thiện độ tin cậy vận hành, an toàn cho nhân viên và khả năng cách ly lỗi trên các hệ thống điện phân phối, công nghiệp và tiện ích.