Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống điện lực quốc gia, máy biến áp đóng vai trò là phần tử trung tâm kết nối các nhà máy điện quy mô lớn như Thủy điện Hòa Bình (1920 MW), Thủy điện Trị An, Nhiệt điện Phả Lại với các trung tâm phụ tải tiêu thụ. Theo ước tính kỹ thuật ngành điện, các sự cố xảy ra đối với máy biến áp chiếm khoảng 70% đến 80% tổng số hư hỏng nghiêm trọng của trạm biến áp, trong đó sự cố ngắn mạch giữa các pha, ngắn mạch giữa các vòng dây trong một pha và chạm đất cuộn dây là những dạng hư hỏng thường gặp nhất. Khi xảy ra sự cố, dòng điện ngắn mạch tăng vọt gấp nhiều lần dòng định mức, làm phá hủy cách điện, gây cháy nổ dầu máy biến áp và dẫn đến nguy cơ sập đổ nguồn điện trên diện rộng nếu không được cô lập tức thời.

Vấn đề đặt ra là phải xây dựng hệ thống bảo vệ so lệch dọc máy biến áp có độ tin cậy và độ nhạy cao. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành thực tế, sự xuất hiện của dòng điện không cân bằng do sai số biến dòng, do sự thay đổi đầu phân áp từ 5% đến 15%, cũng như sự xuất hiện của dòng từ hóa nhảy vọt có biên độ gấp 3 đến 5 lần dòng định mức khi đóng máy biến áp không tải thường làm cho các rơle so lệch thông thường tác động nhầm. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật Điện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên thực hiện năm 2014 tập trung giải quyết trọn vẹn bài toán này. Mục tiêu nghiên cứu là làm chủ lý thuyết bảo vệ rơle cho máy biến áp, phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc của rơle so lệch có hãm loại ĐZT-11, thiết lập quy trình tính toán chỉnh định thông số kỹ thuật và chế tạo thành công mô hình bài thí nghiệm bảo vệ so lệch dọc cho máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây 6/0,4 kV dung lượng 160 kVA. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc nâng cao chỉ số tin cậy cung cấp điện và hiện đại hóa công tác đào tạo kỹ thuật điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết bảo vệ so lệch dòng điện dọc (ANSI 87T) dựa theo định luật dòng điện Kirchhoff và nguyên lý cân bằng sức từ động Ampere-vòng. Theo nguyên lý này, khi máy biến áp làm việc bình thường hoặc ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, hiệu dòng điện thứ cấp qua rơle về lý thuyết bằng 0. Khi xảy ra ngắn mạch trong vùng bảo vệ, dòng điện so lệch chạy qua cuộn rơle sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch, nếu vượt ngưỡng khởi động thì rơle sẽ tác động cắt máy cắt điện ngay lập tức.

Bên cạnh đó, luận văn áp dụng lý thuyết phân tích các thành phần đối xứng (thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không) để giải quyết triệt để hiện tượng lệch pha dòng điện sinh ra bởi tổ đấu dây máy biến áp. Đối với tổ đấu dây phổ biến Y/$\Delta$-11, dòng điện phía tam giác vượt trước dòng điện phía sao một góc 30 độ. Để triệt tiêu góc lệch pha này và loại bỏ dòng thứ tự không khi chạm đất, biến dòng phía cuộn dây đấu sao được đấu theo hình tam giác, còn biến dòng phía cuộn dây đấu tam giác được đấu theo hình sao.

Luận văn phân tích sâu cấu tạo cơ điện của rơle ĐZT-11 gồm một mạch từ 3 trụ và 6 cuộn dây chức năng: cuộn làm việc, cuộn rơle, cuộn hãm, cuộn cân bằng chính 4.0, cùng hai cuộn cân bằng phụ 4.1 và 4.2. Các khái niệm chính bao gồm dòng không cân bằng sơ cấp, dòng từ hóa nhảy vọt, hệ số an toàn ($k_{at} = 1,3$), hệ số đồng nhất ($k_{đn} = 0,5 - 1,0$), đặc tính hãm và hệ số độ nhạy bảo vệ ($k_{nh} \ge 2,0$).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật từ thông số định mức của máy biến áp điện lực 3 pha 2 cuộn dây 6/0,4 kV - 160 kVA và các rơle bảo vệ ĐZT-11, kết hợp các tài liệu vận hành trạm biến áp thực tế. Phương pháp chọn mẫu là chọn đối tượng thử nghiệm điển hình đại diện cho cấp điện áp phân phối công nghiệp với hệ số biến dòng được tính toán phù hợp phụ tải định mức.

Phương pháp phân tích chủ đạo là phương pháp giải tích mạch kết hợp cân bằng sức từ động để xác định số vòng dây thực tế cho các cuộn làm việc, cuộn hãm và cuộn cân bằng. Lý do lựa chọn phương pháp này là vì rơle ĐZT-11 yêu cầu số vòng dây cuộn dây phải là số nguyên, phương pháp giải tích cho phép lượng hóa chính xác sai số làm tròn số vòng và kiểm tra lại dòng không cân bằng phát sinh. Sau khi tính toán lý thuyết, tác giả áp dụng phương pháp đo kiểm thực nghiệm trên bàn thí nghiệm 3 pha với 4 kịch bản sự cố điển hình trong năm 2014 nhằm kiểm chứng độc lập độ chính xác của các giá trị chỉnh định.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã lượng hóa chi tiết 3 thành phần chính gây ra dòng không cân bằng trong bảo vệ so lệch máy biến áp: thành phần do sai số 10% của máy biến dòng (BI), thành phần do điều chỉnh điện áp đầu phân áp ($\Delta U = 5% - 15%$) và thành phần do việc làm tròn số vòng dây trên các cuộn cân bằng của rơle. Khi sử dụng rơle ĐZT-11, sự kết hợp giữa cuộn cân bằng chính và cuộn cân bằng phụ cho phép điều chỉnh linh hoạt số vòng dây, giúp triệt tiêu độ lệch dòng điện giữa các nhánh xuống dưới mức sai số cho phép 5%.

Thứ hai, nghiên cứu xác nhận dòng từ hóa nhảy vọt khi đóng máy biến áp không tải có thể đạt giá trị từ 3 đến 5 lần dòng định mức và chứa thành phần không chu kỳ suy giảm chậm. Nhờ sử dụng máy biến dòng bão hòa nhanh trung gian có đặc tính bão hòa mạnh với thành phần không chu kỳ, rơle ĐZT-11 triệt tiêu hoàn toàn thành phần này ở mạch thứ cấp, ngăn chặn 100% các trường hợp tác động nhầm khi đóng điện máy biến áp.

Thứ ba, qua tính toán và thử nghiệm trên mô hình máy biến áp 160 kVA, rơle ĐZT-11 thể hiện đặc tính hãm vượt trội. Khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, dòng ngắn mạch chạy qua cuộn hãm tạo ra sức từ động hãm lớn hơn sức từ động làm việc, giữ cho rơle hoàn toàn không tác động với sai số đo lường thực tế dưới 3,5%. Ngược lại, khi xảy ra ngắn mạch trong vùng bảo vệ, hệ số độ nhạy luôn đạt $k_{nh} \ge 2,0$, thời gian tác động truyền tín hiệu cắt máy cắt đạt dưới 0,04 giây đến 0,06 giây.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo nên sự ổn định của rơle ĐZT-11 bắt nguồn từ cấu trúc mạch từ 3 trụ liên hoàn. Khi có sự cố ngoài vùng, dòng điện phân bố qua cuộn hãm sẽ sinh ra từ thông ngược chiều và triệt tiêu từ thông trong trụ chứa cuộn rơle, ngăn cản hiện tượng khởi động sai.

Dữ liệu nghiên cứu thực nghiệm được đối chiếu sinh động thông qua các bảng thông số đo lường: Bảng 4.1 và Bảng 4.3 biểu diễn các thông số điện áp, dòng điện sơ cấp, dòng điện thứ cấp và trạng thái rơle khi ngắn mạch 1 pha và 3 pha trong vùng bảo vệ; Bảng 4.2 và Bảng 4.4 biểu diễn các thông số tương ứng khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ. Các kết quả cũng có thể được mô tả trực quan qua biểu đồ đặc tính khởi động $I_{lv} = f(I_h)$, phân định rõ ranh giới giữa vùng tác động cắt và vùng hãm ổn định.

So sánh với các dòng rơle so lệch thế hệ cũ như PHT-562 hoặc PHT-563 vốn chỉ có biến dòng bão hòa mà không có cuộn hãm phụ thuộc, rơle ĐZT-11 giải quyết triệt để bài toán mất độ nhạy khi máy biến áp thường xuyên thay đổi đầu phân áp dưới tải. Điều này khẳng định tính ưu việt của rơle có đặc tính hãm trong việc đảm bảo đồng thời hai tiêu chuẩn khắt khe: tính chọn lọc tuyệt đối và độ nhạy cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống bảo vệ máy biến áp điện lực trong thực tế, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp cụ thể:

  1. Chuẩn hóa quy trình tính toán chỉnh định số vòng dây rơle: Ban hành bảng tính chuẩn nhằm xác định chính xác số vòng cuộn làm việc, cuộn hãm và các cuộn cân bằng, kiểm soát sai số làm tròn số vòng dây dưới mức 2%, thực hiện kiểm tra định kỳ 6 tháng một lần bởi phòng kỹ thuật điều độ tại các Công ty Điện lực.
  2. Nâng cấp và thay thế rơle bảo vệ tại các trạm biến áp phân phối: Tiến hành rà soát và thay thế các rơle quá dòng thông thường bằng rơle so lệch có hãm ĐZT-11 hoặc rơle so lệch kỹ thuật số cho 100% máy biến áp có công suất từ 100 kVA đến 25 MVA, lộ trình hoàn thành trong vòng 12 đến 24 tháng dưới sự chỉ đạo của Ban quản lý dự án lưới điện.
  3. Đưa mô hình thực nghiệm ĐZT-11 vào chương trình đào tạo chuyên sâu: Tích hợp toàn bộ bàn thử nghiệm mô hình bảo vệ so lệch máy biến áp 160 kVA 6/0,4 kV vào giáo trình thực hành môn Bảo vệ Rơle, đảm bảo sinh viên và học viên cao học đạt tối thiểu 40 giờ thực hành mô phỏng sự cố thực tế trước khi tốt nghiệp, do các trường đại học kỹ thuật chủ trì.
  4. Bảo trì và kiểm tra định kỳ đặc tính cơ điện của rơle: Thiết lập quy chuẩn kiểm tra độ bão hòa mạch từ, độ căng lò xo tiếp điểm và hệ số tin cậy $k_{at} = 1,3$ theo chu kỳ 12 tháng một lần, do Trung tâm Thí nghiệm điện độc lập thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị học thuật và ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Kỹ sư vận hành và kỹ sư bảo vệ rơle tại các trạm biến áp: Nắm vững phương pháp tính toán chỉnh định cuộn dây, kỹ thuật đấu dây bù pha cho tổ đấu dây Y/$\Delta$-11 và phương pháp xử lý dòng không cân bằng khi máy biến áp thay đổi nấc phân áp.
  2. Kỹ sư thiết kế hệ thống điện và trạm biến áp: Vận dụng các công thức tính chọn tỷ số biến dòng BI, xác định dòng khởi động của bảo vệ và đánh giá hệ số độ nhạy cho các lưới điện phân phối từ 6 kV đến 22 kV.
  3. Giảng viên và cán bộ nghiên cứu ngành Kỹ thuật Điện: Sử dụng các số liệu thực nghiệm, sơ đồ nối dây và quy trình thử nghiệm làm tài liệu tham khảo giảng dạy môn học Bảo vệ Rơle và Tự động hóa hệ thống điện.
  4. Học viên cao học và sinh viên đại học chuyên ngành Điện: Tham khảo phương pháp luận khoa học, cấu trúc trình bày một đề tài kỹ thuật thực nghiệm và kỹ năng xây dựng bàn đo kiểm thực tế.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao phải thực hiện bù góc lệch pha cho bảo vệ so lệch máy biến áp tổ đấu dây Y/$\Delta$-11?
Tổ đấu dây Y/$\Delta$-11 tạo ra góc lệch pha 30 độ giữa dòng điện sơ cấp và thứ cấp ngay cả trong chế độ làm việc bình thường. Nếu không bù pha, dòng điện so lệch chạy qua rơle sẽ rất lớn dẫn đến tác động nhầm. Đấu biến dòng phía sao theo hình tam giác và phía tam giác theo hình sao giúp loại bỏ góc lệch 30 độ và triệt tiêu dòng thứ tự không.

Rơle ĐZT-11 ngăn chặn tác động nhầm do dòng từ hóa nhảy vọt bằng nguyên lý nào?
Rơle ĐZT-11 tích hợp máy biến dòng bão hòa trung gian với lõi thép 3 trụ. Thành phần không chu kỳ của dòng từ hóa nhảy vọt làm bão hòa nhanh lõi thép và hầu như không chuyển dịch sang cuộn thứ cấp cấp cho rơle chấp hành, nhờ đó rơle không bị tác động sai khi đóng máy biến áp không tải vào lưới.

Hệ số độ nhạy của bảo vệ so lệch máy biến áp được quy định tối thiểu là bao nhiêu?
Theo quy chuẩn kỹ thuật điện lực, hệ số độ nhạy của bảo vệ so lệch dọc máy biến áp phải đạt $k_{nh} \ge 2,0$ đối với dạng ngắn mạch trực tiếp trong vùng bảo vệ ở chế độ tính toán cơ bản, đảm bảo hệ thống luôn cắt sự cố dứt khoát và an toàn.

Điểm khác biệt căn bản giữa rơle dòng PHT và rơle so lệch ĐZT-11 là gì?
Rơle kiểu PHT (như PHT-562, PHT-563) chỉ sử dụng biến dòng bão hòa nhanh thông thường và không có cuộn hãm. Trong khi đó, rơle ĐZT-11 được trang bị thêm cuộn dây hãm phụ thuộc dòng ngắn mạch ngoài, giúp nâng cao độ nhạy khi ngắn mạch trong và tăng độ ổn định tuyệt đối khi ngắn mạch ngoài.

Mô hình thí nghiệm trong luận văn có thể áp dụng cho các máy biến áp công suất khác không?
Phương pháp tính toán và cấu trúc mô hình thí nghiệm với máy biến áp 160 kVA 6/0,4 kV hoàn toàn có thể mở rộng áp dụng cho các máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây hoặc 3 cuộn dây ở các cấp công suất lớn hơn từ 1000 kVA đến hàng chục MVA bằng cách thay đổi tỷ số BI và tính lại số vòng cuộn cân bằng.

Kết luận

  • Luận văn đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về các dạng sự cố, chế độ làm việc bất thường và nguyên lý bảo vệ so lệch dọc máy biến áp điện lực.
  • Làm rõ cấu tạo 3 trụ 6 cuộn dây và ưu thế vượt trội của rơle so lệch có hãm ĐZT-11 trong việc chống tác động nhầm do dòng không cân bằng và dòng từ hóa nhảy vọt.
  • Thiết lập quy trình giải tích chuẩn xác để tính toán số vòng dây cho các cuộn làm việc, cuộn hãm, cuộn cân bằng chính và phụ, kiểm soát sai số dưới 5%.
  • Chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình bảo vệ so lệch trên máy biến áp 160 kVA 6/0,4 kV tại Trung tâm Thí nghiệm – Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, đạt thời gian tác động dưới 0,06 giây và độ nhạy $k_{nh} \ge 2,0$.
  • Mở ra hướng đi thực tiễn trong việc nâng cấp lưới điện phân phối và chuẩn hóa thiết bị thí nghiệm đào tạo chuyên ngành điện trong vòng 6 tháng tới.

Hãy liên hệ các trung tâm học liệu hoặc khoa Kỹ thuật Điện để tra cứu toàn văn tài liệu và áp dụng giải pháp tính toán này vào công tác vận hành hệ thống điện của đơn vị.