Xây dựng chương trình tính toán chế độ nhiệt máy biến áp dựa trên mô hình động của IEC

Bài viết trình bày kết quả xây dựng chương trình tính toán nhiệt độ của điểm nóng nhất và độ suy giảm tuổi thọ của máy biến áp dựa trên mô hình động của IEC 60076-7. Chương trình tính toán được xây dựng dựa trên mô hình tích phân về chế độ nhiệt của máy biến áp.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN CHẾ ĐỘ NHIỆT MÁY BIẾN ÁP DỰA TRÊN MƠ HÌNH ĐỘNG CỦA IEC BUILDING PROGRAM FOR THERMAL CALCULATION OF POWER TRANSFORMER BASED ON THE IEC DYNAMIC THERMAL MODEL Vũ Hoàng Giang, Nguyễn Đăng Toản, Lê Nguyễn Thành Trung Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 19/9/2018, Ngày chấp nhận đăng: 20/12/2018, Phản biện: TS Dương Trung Kiên Tóm tắt: Bài báo trình bày kết xây dựng chương trình tính tốn nhiệt độ điểm nóng độ suy giảm tuổi thọ máy biến áp dựa mơ hình động IEC 60076-7 Chương trình tính tốn xây dựng dựa mơ hình tích phân chế độ nhiệt máy biến áp Để xác nhận tính hợp lệ, kết tính tốn chương trình so sánh với kết cho tiêu chuẩn Sau thơng số mơ hình nhiệt máy biến áp truyền tải thực tế 600MVA - 500kV với kiểu làm mát ONAF lựa chọn để tính tốn So sánh kết tính tốn liệu đo cho sai lệch bé xác nhận tính khả thi ứng dụng chương trình vào giám sát chế độ nhiệt máy biến áp Từ khóa: Độ suy giảm tuổi thọ, máy biến áp, mơ hình động chế độ nhiệt, nhiệt độ điểm nóng Abstract: This paper introduces the results of building a program for calculating the hot-spot temperature and loss of life of power transformer based on the dynamic thermal model of IEC60076-7 The program is developed on the basis of thermal differential equations of the transformer To validate the program, calculating results are compared to those given by the standard Afterwards, the parameters of the model of a real transformer 600 MVA - 500 kV with cooling method of ONAF is selected to calculate The comparison between simulating result and measurement provides with small error that the program can be feasibly applied to the monitoring thermal behavior of the transformer Key words: Loss of life, power transformer, thermal dynamic model, hot-spot temperature MỞ ĐẦU Trong hệ thống điện, máy biến áp (MBA) phần tử quan trọng trình truyền tải, phân phối điện từ nguồn đến nơi tiêu thụ Hơn nữa, cố hư hỏng MBA gây hậu nặng 22 nề mặt kinh tế chi phí đầu tư thiết bị lớn, gây ảnh hưởng trị xã hội Vì vậy, việc vận hành MBA cách an tồn, hiệu đóng vai trò quan trọng việc đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật hệ thống điện Số 17 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Một thông số quan trọng để đánh giá tình trạng vận hành MBA nhiệt độ bên máy Nghiên cứu chế độ nhiệt MBA hình thành từ lâu tính tốn chế độ nhiệt hướng dẫn tiêu chuẩn IEC-60076-7 [1] hay tiêu chuẩn IEEE Std C57.92-1981 [2] Ngồi mơ hình động tính tốn chế độ nhiệt đề xuất nhiều nghiên cứu mơ hình tuyến tính theo hướng dẫn IEEE [3], mơ hình Swift [4], mơ hình đơn giản hóa Susa [5] Ưu điểm mơ hình tuyến tính đơn giản, khối lượng tính tốn nhỏ dễ dàng sử dụng giám sát nhiệt độ trực tuyến Tuy nhiên, mơ hình áp dụng giả thiết đơn giản hóa coi số thời gian dầu không thay đổi theo điều kiện vận hành khác nên có hạn chế độ xác tính tốn Các nghiên cứu [4] [5] đưa cách tính tốn dựa phương trình vi phân xuất phát từ nguyên lý đối lưu nhiệt tự nhiên Đặc biệt mơ hình [5] xét đến ảnh hưởng độ nhớt dầu mơ hình tính tốn Nhược điểm phương pháp không xét đến đối lưu cưỡng thay đổi điện trở nhiệt Hơn phương trình mơ tả có dạng phi tuyến việc xác định thơng số q trình phức tạp Ngồi nghiên cứu vừa qua tìm thấy phương pháp cải tiến tính tốn chế độ nhiệt dựa mơ hình xây dựng sở tượng vật lý bên MBA có xét đến biến thiên điện trở nhiệt Tuy nhiên phương pháp thường kèm với cấu trúc mơ hình tính tốn phức tạp Số 17 số trường hợp thông số đầu vào mơ hình khó xác định Mơ hình tính tốn chế độ nhiệt MBA theo tiêu chuẩn IEC áp dụng lâu, mơ hình lựa chọn sử dụng báo Các kết tính tốn theo mơ hình IEC có sai lệch bé so với liệu đo thực tế [1] Hơn nữa, tiêu chuẩn thường xuyên bổ sung cập nhật để hồn thiện độ xác tính tốn Đóng góp nghiên cứu xây dựng chương trình tính tốn chế độ nhiệt dựa cấu trúc mơ hình tiêu chuẩn giới thiệu mục Trong mục này, báo giới thiệu ứng dụng tính tốn giám sát nhiệt độ điểm nóng độ suy giảm tuổi thọ cho MBA Trong mục 3, sau xác nhận tính hợp lệ chương trình, nhiệt độ lớp dầu MBA truyền tải thực tế tính tốn chương trình so sánh với liệu đo thực tế Trong q trình tính tốn, thơng số mơ hình lựa chọn hợp lý để thu kết với sai lệch bé Cuối số tổng kết đưa mục XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN DỰA TRÊN MƠ HÌNH ĐỘNG THEO TIÊU CHUẨN IEC 60076-7 2.1 Mơ hình động theo tiêu chuẩn IEC 60076-7 Các phương trình vi phân mơ tả trình truyền nhiệt tương ứng dạng tuyến tính trường hợp làm mát với dòng dầu cưỡng (OD) Đối với kiểu làm mát khác (OF ON) tốc độ tuần hoàn dầu phụ thuộc vào thân nhiệt độ môi chất làm mát 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Kết kiểu làm mát ON OF, mơ hình động biểu diễn dạng phương trình vi phân phi tuyến, nghĩa độ tăng nhiệt lớp dầu điểm nóng có tăng đột biến dòng tải không theo quy luật hàm mũ [4] số cần gồm: Phương trình vi phân với ẩn nhiệt độ lớp dầu viết dạng [1]: x: số mũ tương ứng độ tăng nhiệt độ dầu; x 1  K R  d o   R   or   k11o dt  o  a    (1) Độ tăng nhiệt điểm nóng tính dạng tổng hai thành phần: h  h1  h (2) Trong hai số hạng vế phải lời giải hai phương trình sau: k 21K y hr  k 22w k 21  1K y hr  dh1  h1 dt o dh  h k 22 dt (3) o (4) h Tuổi thọ thay đổi từ thời điểm t1 đến thời điểm t2 xác định : t2 L   Vdt (6) t1  15000 15000      110 273  h  273 (7) Trong phương trình (1) đến (5) thơng 24 k11, k21, k22: số nhiệt mơ hình; y: số mũ tương ứng với độ tăng nhiệt độ cuộn dây; o: số thời gian dầu; w: số thời gian cuộn dây; R: tỷ số tổn thất mang tải với dòng định mức tổn hao không tải; Dữ liệu đầu vào nhiệt độ môi trường a hệ số mang tải K MBA, đại lượng cần tính tốn nhiệt độ lớp dầu phía o nhiệt độ điểm nóng h Chương trình tính tốn chế độ nhiệt thực với thông số đầu vào giới thiệu mục 2.1 Trong thực tế, liệu đo thường lưu lại với thời gian lấy mẫu Dt cỡ vài phút Để tính tốn, phương trình (1), (3) (4) (6) sai phân hóa với bước sai phân Dt Điểm khởi tạo lưu đồ tính theo phương trình sau: x với tốc độ già cỗi V tính từ nhiệt độ điểm nóng nhất: Ve hr: độ tăng nhiệt độ điểm nóng định mức; 2.2 Xây dựng chương trình tính tốn Từ tính nhiệt độ điểm nóng nhất: (5)      h or: độ tăng nhiệt độ dầu định mức; 1  K R  o (0)    or  a  1 R  (8) h1    k21K y hr (9) h 0  k 21  1K y hr (10) Số 17 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Đúng Sai Hình Lưu đồ tính tốn Dựa vào phương trình từ (1) đến (10) xây dựng chương trình tính tốn theo lưu đồ Hình Trong n số mẫu liệu đầu vào (nhiệt độ môi trường hệ số mang tải) Chương trình thực phần mềm lập trình phổ biến nay, ví dụ mơi trường Matlab thực với file m Ở phần đầu chương trình nhập thơng số đầu vào, tính tốn điểm khởi tạo, sau vòng lặp thực để tính tốn nhiệt độ lớp dầu nhiệt độ điểm nóng Hình Màn hình khởi tạo chương trình (hình trên); Kết tính tốn (hình dưới) KẾT QUẢ TÍNH TỐN 3.1 Xác nhận tính hợp lệ chương trình Chương trình xây dựng mục áp dụng tính tốn cho số liệu cho tiêu chuẩn IEC60076-7 Kết chạy chương trình thu hồn tồn phù hợp với liệu cho tiêu chuẩn, hình Một lựa chọn khác xây dựng dựa công cụ trực quan GUI với ba bước: “Nhập liệu”, “Tính tốn” “Xuất kết quả” Trong đó, liệu nhập từ file MS Excel, tính tốn dựa thuật tốn mơ tả xuất kết dạng bảng số dạng đồ thị thể hình Số 17 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình Nhiệt độ điểm nóng độ suy giảm tuổi thọ: tính tốn theo chương trình (hình trên); liệu tiêu chuẩn IEC 60076-7 (hình dưới) 3.2 Tính tốn cho máy biến áp 600 MVA, 500 kV ONAF thực tế Máy biến áp lựa chọn có công suất 600 MVA, 500 kV với kiểu làm mát ONAF (dầu tuần hồn tự nhiên gió cưỡng bức) Đây MBA thuộc nhóm có cơng suất trung bình lớn Tra cứu tiêu chuẩn IEC-60076-7 [1] có thông số sau: hệ thống điều khiển giám sát trạm, việc lưu trữ với thời gian lấy mẫu cỡ vài phút trở ngại lớn Với sai lệch đủ bé cho phép sử dụng kết tính tốn để giám sát nhiệt độ lớp dầu Đồng thời, chương trình tính tốn đại lượng khác nhiệt độ điểm nóng độ suy giảm tuổi thọ MBA với kết thể hình Điểm nóng thực tế khó xác định nên kết tính tốn đại lượng có ý nghĩa việc giám sát chế độ nhiệt MBA or = 59 K; hr=26 K; k11=0.5; k21=2; k22=2; x=0,8; y=1,3; o=150; w=7; dựa vào thơng số máy, tính R = 7,74 Kết tính tốn nhiệt độ lớp dầu cho MBA 600MVA, 500kV ONAF thể hình Có thể thấy nhiệt độ tính tốn nhiệt độ đo thực tế có độ lệch bé, nhỏ 0,30C Kết tính tốn xác nhờ việc lựa chọn thông số mơ hình hợp lý theo khuyến nghị tiêu chuẩn IEC liệu nhà sản xuất Hơn thời gian lấy mẫu liệu đủ bé để đảm bảo độ xác tính tốn Đây đồng thời nhược điểm ứng dụng MBA vận hành với thời gian lấy mẫu phổ biến Tuy nhiên với phát triển nhanh chóng 26 Hình Nhiệt độ điểm nóng độ suy giảm tuổi thọ MBA 600MVA, 500kV ONAF Ngoài sau thời gian làm việc với mức độ mang tải theo thời gian khác nhau, độ suy giảm tuổi thọ hoàn toàn ước lượng sơ làm số liệu tham khảo trình sử dụng máy Số 17 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) KẾT LUẬN Hình Nhiệt độ điểm nóng độ suy giảm tuổi thọ MBA 600MVA, 500kV ONAF Bài báo trình bày ứng dụng mơ hình động dạng tích phân xây dựng chương trình tính tốn chế độ nhiệt MBA Bộ thơng số mơ hình lựa chọn phù hợp sở áp dụng khuyến nghị IEC tính tốn theo liệu nhà sản xuất cho kết tính tốn có sai lệch bé so với liệu đo thực tế Sau thời gian vận hành, thơng số thay đổi nên việc cập nhật thơng số cần thiết để trì độ xác tính tốn Đây đồng thời hướng phát triển nghiên cứu lĩnh vực ước lượng thơng số mơ hình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IEC, “Tiêu chuẩn IEC 60076-7,” International Electrotechnical Commission, 2005 [2] IEEE, “ Std C57.92-1981, IEEE Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Power Transformers up to anh Including 100 MVA with 55ºC or 65ºC Average Winding Rise” [3] B Lesieutre, W Hagman J Kirtley, “An improved transformer top oil temperature model for use in an on-line monitoring and diagnostic system,” IEEE Transactions on Power Delivery, tập 12, số 1, p 249–256, 1997 [4] G Swift, T Molinski W Lehn, “A Fundamental Approach to Transformer Thermal Modelling,” IEEE transactions on power delivery, tập 16, số 2, p 171 – 177, 2001 [5] D Susa, M Lehtonen H Nordman, “Dynamic thermal modelling of power transformers,” IEEE Transactions on Power Delivery, tập 20, số 1, p 197–204, 2005 Giới thiệu tác giả: Tác giả Vũ Hoàng Giang tốt nghiệp đại học nhận Thạc sĩ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2002 2005; năm 2014 nhận Tiến sĩ Kỹ thuật điện Trường Đại học Claude Bernard Lyon 1, Cộng hòa Pháp; nghiên cứu sinh sau Tiến sĩ Trường Đại học Claude Bernard Lyon từ năm 2014 đến năm 2015 Hiện tác giả công tác Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: chẩn đoán hư hỏng máy điện, ước lượng thông số máy điện, điều khiển máy điện biến đổi điện tử công suất, ứng dụng biến đổi lưới điện thông minh, microgrid, máy cắt điện chiều hệ thống bảo vệ lưới điện microgrid Số 17 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Tác giả Nguyễn Đăng Toản tốt nghiệp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2001, nhận Thạc sỹ năm 2003 AIT - Thái Lan, Tiến sĩ năm 2008 Grenoble - INP - Pháp chuyên ngành hệ thống điện Tác giả công tác Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: ổn định hệ thống điện, HVDC/FACTS, lượng Tác giả Lê Nguyễn Thành Trung tốt nghiệp Trường Đại học Điện lực vào năm 2016 Hiện tác giả học viên cao học ngành kỹ thuật điện, Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: điều khiển máy điện biến đổi điện tử công suất 28 Số 17 ... nhiệt độ điểm nóng Hình Màn hình khởi tạo chương trình (hình trên) ; Kết tính tốn (hình dưới) KẾT QUẢ TÍNH TỐN 3.1 Xác nhận tính hợp lệ chương trình Chương trình xây dựng mục áp dụng tính tốn cho số... nhiệt độ bên máy Nghiên cứu chế độ nhiệt MBA hình thành từ lâu tính tốn chế độ nhiệt hướng dẫn tiêu chuẩn IEC- 60076-7 [1] hay tiêu chuẩn IEEE Std C57.92-1981 [2] Ngoài mơ hình động tính tốn chế. .. LUẬN Hình Nhiệt độ điểm nóng độ suy giảm tuổi thọ MBA 600MVA, 500kV ONAF Bài báo trình bày ứng dụng mơ hình động dạng tích phân xây dựng chương trình tính tốn chế độ nhiệt MBA Bộ thơng số mơ hình