PHẦN MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong xã hội ngày nay, nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng tại các thành phố đông dân cƣ và trung tâm công nghiệp, đòi hỏi việc lắp đặt một mạng lƣới phân phối và truyền tải điện năng nhỏ gọn và hiệu quả. Trạm biến áp cách điện khí SF6 (GIS: Gas Insulated Substation) là lựa chọn lý tƣởng cho các ứng dụng nhƣ vậy. Những năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ cao trong lĩnh vực điện của nƣớc ta đã có nhiều tiến bộ rõ nét.
Một trong những ứng dụng đang trở nên phổ biến đó là việc sử dụng thiết bị đóng cắt kiểu kín cách điện bằng khí SF6 trong các trạm biến áp trung gian và các trạm biến áp cách điện khí SF6. Đây là công nghệ tiên tiến hiện đang đƣợc sử dụng rộng rãi tại nhiều nƣớc trên thế giới. Tuy nhiên ở nƣớc ta hiện nay vẫn còn mới mẻ trong hệ thống truyền tải, phân phối điện năng. Việt Nam đã có một số trạm GIS đã đƣợc xây dựng và vận hành ở những thành phố lớn là TP Hồ CHí Minh và Hà Nội nhƣng số lƣợng còn hạn chế.
Trạm cách điện khí GIS sử dụng khí SF6 ở áp suất trung bình cho các pha- pha và các pha với đất. Các dây dẫn cao áp, máy cắt, chuyển mạch, biến dòng, biến điện áp nằm trong thùng kim loại chứa đầy khí SF6 và đƣợc nối đất. Các thiết bị điện sử dụng khí cách điện SF6 là môi chất cách điện có độ bền điện môi cao, khả năng truyền nhiệt tốt, đang đƣợc ứng dụng ngày càng rộng rãi trong hệ thống điện vì tạo nên hệ thống có kích thƣớc giảm, tính năng làm việc tốt. Cách điện trong hệ thống là rất quan trọng do dó cần phải kiểm tra, đánh giá thƣờng xuyên tình trạng làm việc, chất lƣợng của khí SF6 để tránh hiện tƣợng hƣ hỏng toàn bộ lớp cách điện, làm phá hủy nặng nề thiết bị và sụp đổ hệ thống.
Chính vì vậy mà trạm GIS cần đƣợc thử nghiệm để có đƣợc đánh giá thƣờng xuyên về chất lƣợng của khí SF6 để từ đó có những biện pháp hợp lý để nâng cao sự an toàn của cách điện nói riêng và chất lƣợng của thiết bị điện sử dụng môi chất này nói chung. 10 Với những đặc điểm mới trong nghiên cứu, tìm hiểu trạm biến áp công nghệ GIS tôi đã đƣợc nhận đề tài: “Thử nghiệm trạm biến áp cách điện khí SF6” để làm luận văn tốt nghiệp của mình. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Mục đích nghiên cứu: Hệ thống, tổng hợp đƣợc đặc tính của khí SF6, Cấu trúc của trạm GIS, xây dựng nội dung chi tiết về công tác bảo dƣỡng, thử nghiệm các trạm GIS. - Đối tƣợng nghiên cứu: Khí SF6, lĩnh vực thiết bị sử dụng khí SF6 và trạm biến áp có sử dụng khí SF6, quy trình bảo dƣỡng thử nghiệm các thiết bị điện trong trạm GIS.
- Phạm vi nghiên cứu: Trạm GIS ở Việt Nam. Đặc biệt là trạm GIS ở Bản Chát – Lai Châu 3. CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN Nội dung chính của bản luận văn gồm 3 chƣơng: - Chƣơng 1: Tổng quan về khí SF6, thiết bị đóng cắt có sử dụng khí SF6 và xu hƣớng phát triển. - Chƣơng 2:Trạm biến áp cách điện khí SF6 (GIS) và tình hình phát triển của trạm GIS ở Việt Nam trong thời điểm hiện tại và tƣơng lai - Chƣơng 3: Bảo dƣỡng thử nghiệm thiết bị GIS 4.
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu, phƣơng pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết kết hợp phƣơng pháp tiếp cận và thu thập thông tin. 11 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ SF6, THIẾT BỊ ĐIỆN ĐÓNG CẮT CÓ SỬ DỤNG KHÍ SF6 VÀ XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN 1. Tổng quan về khí SF6 1. Sơ lƣợc lịch sử của việc sử dụng SF6 Sulphur hexafluoride (SF6) lần đầu tiên đƣợc tổng hợp trong các phòng thí nghiệm của Faculte de Pharmacie de Paris vào năm 1900 bởi Moissan và Lebeau.
Flo thu đƣợc bằng điện phân, đƣợc phép phản ứng với lƣu huỳnh và một phản ứng tỏa nhiệt mạnh, làm phát sinh một loại khí khá ổn định. Dần dần sau đó là tính chất vật lý và hóa học của khí đã đƣợc xác định, với các báo cáo của Pridaux (1906), và Schlumb Gamble (1930), Klemm và Henkel (1932-1935) và Yest và Clausson (1933) đặc biệt liên quan đến là các chất hóa học và tính chất điện môi. Các nghiên cứu đầu tiên trong các ứng dụng công nghiệp là do Công ty General Electric vào năm 1937, ngƣời ta nhận ra rằng khí có thể đƣợc sử dụng cho cách điện trong nhà máy điện. Năm 1939 Thomson-Houston cấp bằng sáng chế các nguyên tắc sử dụng SF6 để cách điện cáp và tụ điện.
Ngay sau chiến tranh thế giới thứ hai, các nghiên cứu và ứng dụng của SF6 đƣợc phát triển mạnh mẽ. - Tới năm 1947 SF6 đƣợc ứng dụng trong cách điện máy biến áp. - Năm 1948 Allied Chemical Corporation và Pennsalt phát triển sản xuất công nghiệp SF6 tại Hoa Kỳ. - Sản xuất thƣơng mại SF6 quy mô lớn đƣợc ứng dụng trong các nhà máy điện vào những năm 1960 ở Hoa Kỳ và Châu Âu, cùng với sự xuất hiện máy cắt và thiết bị chuyển mạch SF6 ở cao áp– hạ áp và siêu cao áp– EHV đầu tiên.
Tại Merlin Gerin, công tác nghiên cứu liên quan đến sử dụng khí SF6 để cách điện và ngắt mạch đƣợc triển khai trong năm 1955 cùng với sự xuất hiện của các sản phẩm công nghiệp đầu tiên Mỹ. - Các ứng dụng SF6 công nghiệp đầu tiên của Merlin Gerin là EHV, sau đó ứng dụng trong trung áp- MV 12 - 1964: Trạm biến áp cách điện SF6 đầu tiên đƣợc EDF cho phép đƣa vào hoạt động trong khu vực Parisvào năm 1966. - 1967: Máy cắt SF6 đã đƣợc đƣa vào hoạt động và dần dần thay thế cho các máy cắt không khí đã thiết lập vị trí của nó ở Pháp và các nơi khác trong thời gian trƣớc đó 25 năm. - 1971: Merlin Gerin ra mắt các máy cắt trung áp SF6 Fluar.
- Gần đây SF6 đã đƣợc áp dụng cho thiết bị chuyển mạch trung áp, công tắc tơ, máy cắt GIS trong tất cả các lĩnh vực điện năng. Sản xuất SF6 Quá trình công nghiệp đang đƣợc sử dụng hiện nay là tổng hợp sulphur hexafluoride từ các flo thu đƣợc bằng điện phân phản ứng với lƣu huỳnh theo phản ứng tỏa nhiệt: S + 3F2 → SF6 + 262 kcal Trong phản ứng này, một số lƣợng nhất định khác florua của lƣu huỳnh đƣợc hình thành, nhƣ SF4, SF2, S2F2, S2F10, cũng nhƣ các tạp chất do sự hiện diện của độ ẩm, không khí và các cực dƣơng carbon sử dụng cho các điện tích flo. Những sản phẩm đó đƣợc loại bỏ bằng quá trình lọc khác nhau ( Xem hình 1.1: Quá trình sản xuất SF6 13 1. Các ứng dụng khác của SF6 Các tính chất độc đáo của SF6 đã dẫn đến nó đƣợc áp dụng cho một số công trình công nghiệp và khoa học ứng dụng bao gồm: - Ứng dụng y tế: cách điện trong thiết bị y tế (ví dụ nhƣ máy tia X) - Cách điện trong các thiết bị khoa học (kính hiển vi điện tử) - Cách âm trong các cửa sổ bằng kính hai mặt nhƣ là một vạch khí để nghiên cứu luồng không khí trong hệ thống thông gió (ví dụ trong các hầm mỏ) - Nhƣ một cái vạch để phát hiện rò rỉ trong hệ thống áp lực.
- Để tạo nên một bầu không khí đặc biệt cho chế biến, luyện kim (nhôm và magiê) hoặc cho các mục đích quân sự. Tính chất vật lý và hóa học của SF6 1/Tính chất vật lý SF6 là một trong những loại khí đƣợc biết đến nặng nhất. Tỷ trọng của nó ở 20°C và 0,1 Mpa là 6,139 kg / m3 , gần cao hơn năm lần so với không khí. Trọng lƣợng phân tử của nó là 146,06 g/mol.
Đó là chất khí không màu và không mùi. SF6 không tồn tại ở trạng thái lỏng, trừ khi áp lực.1: Đặc tính vật lý chính của SF6 ở áp suất khí quyển và nhiệt độ 25 ° C Tỷ trọng 6,14 kg/m3 Dẫn nhiệt 0,0136 W m-1 K-1 Vận tốc âm thanh 136 m s-1 Chiết suất 1.000783 Nhiệt độ hình thành -1221,66 kJ mol-1 Nhiệt dung riêng 96,6 J mol-1K -1 Phƣơng trình trạng thái: Khí sulphur hexaflouride có một phƣơng trình trạng thái kiểu Beattie Bridgeman. Nhiệt độ lên đến khoảng 1200K, xem nhƣ một khí lý tƣởng: PV2 = R T (v + b) - a Trong đó: 14 p = áp suất (Pa) v = khối lƣợng (m3.mol-1) R = hằng số khí lý tƣởng (8,3143 J.K-1) T = nhiệt độ tuyệt đối (K) a = 15,78 x 10-6 (1- 0,1062 x 10 -3 v-1) b = 0,366 x 10-3 (1- 0,1236 x 10 -3 v-1) Mối quan hệ áp suất / nhiệt độ: Sự biến thiên của áp suất theo nhiệt độ là tuyến tính và tƣơng đối nhỏ trong phạm vi khoảng nhiệt độ (-25 đến 50 °C) (xem hình 1.2: Đường cong áp suất hơi và dòng mật độ khí tương đương của SF6 Nhiệt dung riêng: Nhiệt dung riêng của SF6 là 3,7 lần so với không khí. Điều này có ảnh hƣởng quan trọng làm giảm ảnh hƣởng của nhiệt trong điện thiết bị.
15 Dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt chỉ bằng 42% so với không khí, nhƣng nó có khả năng chịu nhiệt cao. Khi nhiệt độ tăng đột biến từ 2100 đến 2500 0 K phân tử bị tan rã và liên kết lại ngay với nhau. Do có tính chất đặc biệt này nên nó thƣờng đƣợc sử dụng để thu hồi nhiệt, làm mát, làm suy yếu hồ quang điện. Tính chất điện: SF6 có độ cách điện cao: Tại áp suất 0,9 bar độ cách điện của nó tƣơng đƣơng với dầu cách điện.
Nó còn khả năng làm sụt áp cực nhanh bằng cách tạo ra điện trƣờng quanh điện cực nhờ khả năng thu hồi các điện tử tự do. Khí SF6 là khí có tính điện âm và bắt electron năng lƣợng thấp (<0,1eV), kết quả các ion kéo dài thời gian và tắt (>10 -5s) do vậy chúng di chuyển chậm hơn các electron. Những ion này ngăn cản sự hình thành của các electron kiểu thác dẫn tới ứng suất đánh thủng cao hơn. Độ bền điện môi của SF6 là khoảng 2,5 lần cao hơn so với không khí trong cùng điều kiện.
Ƣu điểm của SF6 hơn Nitơ là một chất điện môi rõ ràng đƣợc minh họa bởi đƣờng cong (xem hình 1.