Cấu trúc hình học và đặc tính vật liệu máy biến áp lực

Để giúp người kỹ sư có thể phân tích các phép thí nghiệm chẩn đoán nâng cao như Phân tích đáp ứng tần số (Frequency Response Analysis), Phân tích đáp ứng điện môi (Dielectric Frequency Response) hay Phóng điện cục bộ (Partial Discharge) ... ứng dụng cho đối tượng máy biến áp lực trong các trạm biến áp tăng áp của nhà máy điện, trạm trung gian và phân phối của lưới điện Việt Nam, bài viết giới thiệu tổng quan cấu trúc hình học và đặc tính vật liệu của thiết bị này

CẤU TRÚC HÌNH HỌC VÀ ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU MÁY BIẾN ÁP LỰC ThS NGUYỄN SĨ HUY CƯỜNG Công ty Thí nghiệm điện miền Nam PGS.TS PHẠM ĐÌNH ANH KHƠI Trường ĐH Bách Khoa – ĐH Quốc Gia TP HCM TĨM TẮT Để giúp người kỹ sư phân tích phép thí nghiệm chẩn đốn nâng cao Phân tích đáp ứng tần số (Frequency Response Analysis), Phân tích đáp ứng điện mơi (Dielectric Frequency Response) hay Phóng điện cục (Partial Discharge) ứng dụng cho đối tượng máy biến áp lực trạm biến áp tăng áp nhà máy điện, trạm trung gian phân phối lưới điện Việt Nam, viết giới thiệu tổng quan cấu trúc hình học đặc tính vật liệu thiết bị I GIỚI THIỆU Một hệ thống điện tiêu biểu gồm khâu sản xuất, truyền tải phân phối điện năng, tương ứng có loại trạm biến áp tăng áp liên kết với nhà máy điện, trạm trung gian phục vụ truyền tải trạm phân phối theo minh họa hình Bảng tổng hợp thông số nhãn máy máy biến áp lực (MBA) sử dụng loại trạm biến áp lưới điện miền Nam Hình Sơ đồ tổng quan hệ thống điện tiêu biểu Bảng Phân loại máy biến áp lưới điện miền Nam Trạm biến áp Thông số Đa phần máy biến áp nguồn ba pha có tổ đấu dây YNd11, cách điện lỏng - Nhiệt điện: nâng áp từ 13,8 kV, 22 kV 26 kV lên cấp 220 kV 500 kV; công suất MBA lớn 750 MVA Nguồn (liên kết với nhà máy điện) - Thủy điện: nâng áp từ 0,4 kV lên 22 kV (nhà máy nhỏ) hay từ 13,8 kV lên 110 kV 220 kV (nhà máy lớn); công suất lớn 125 MVA - Điện mặt trời: nâng áp từ 22 kV lên 110 kV; công suất lớn 63 MVA Trung gian Phân phối 12 Máy biến áp tự ngẫu đơn pha, tổ đấu dây Ia0i0, cách điện lỏng 500/220/22 kV – x 300 MVA (ghép máy đơn pha) Máy biến áp tự ngẫu ba pha, tổ đấu dây YNa0+d11, cách điện lỏng 220/110/22 kV – 250 hay 125 MVA Máy biến áp tự ngẫu ba pha, tổ đấu dây YNyn0+d11, cách điện lỏng 110 /22 kV / (+11kV) – 63, 40, 25 hay 16 MVA Máy biến áp ba pha cách điện lỏng hay cách điện khơng khí (máy biến áp khơ) 22/0,4 kV – công suất từ vài trăm kVA vài MVA BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 Cấu tạo máy biến áp ba pha, cách điện lỏng điển hình với phần tử tiêu biểu giới thiệu hình Để ứng dụng phân tích thí nghiệm chẩn đoán nâng cao vùng tần số rộng, từ vài Hz đến vài MHz, dựa mơ hình thông số điện tương đương MBA, viết phân tích cấu trúc hình học phần tích cực (active part) MBA bao gồm lõi thép cuộn dây phần II đặc tính thơng số loại vật liệu phần III Hình Cấu trúc máy biến áp pha ngâm dầu điển hình [1] II CẤU TRÚC HÌNH HỌC Máy biến áp lực có cuộn dây quấn đồng tâm quanh trụ lõi thép gọi MBA “kiểu lõi” (core type); ngược lại, lõi thép bao quanh cuộn dây MBA có cấu trúc “kiểu vỏ” (shell type), xem minh họa hình So với thiết kế kiểu vỏ, cấu trúc kiểu lõi tiết kiệm vật liệu dễ thi công lắp ráp hơn, nên sử dụng phổ biến MBA truyền tải phân phối [2] Bài viết tập trung phân tích lõi thép cuộn dây MBA có cấu trúc kiểu lõi Hình Máy biến áp kiểu lõi (trái) kiểu vỏ (phải) A Lõi thép Đa phần lõi thép MBA hữu chế tạo từ tôn silic đẳng hướng cán lạnh chất lượng cao CRGO (Cold Rolled Grain-Oriented) với độ dày từ 0,3 mm đến 0,23 mm, phổ biến dạng M4 – 0,27 mm M3 – 0,23 mm Một số chuẩn vật liệu độ dày tôn silic CRGO phổ biến thị trường liệt kê bảng Các thép cắt góc 45º, ghép xếp lớp trụ (limb) xà (yoke) để làm giảm tổn hao dòng Foucault, đồng thời giảm thiểu độ ồn tăng độ cứng vững lõi từ Cấu trúc lõi thép dạng xếp lớp (stack core) BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 13 Bảng Một số chuẩn tôn silic CRGO phổ biến thị trường [2] Vật liệu tôn silic CRGO thông dụng M6 – 0,35 mm M5 – 0,30 mm M4 – 0,27 mm M3 – 0,23 mm Vật liệu HI-B MOH – 0,27 mm MOH – 0,23 mm Ngồi ra, cơng nghệ lõi thép làm kim loại vơ định hình (Amorphous) ứng dụng máy biến áp phân phối Khác với tôn silic CRGO, Amorphous mỏng (bằng 1/10 tôn silic CRGO) Mạch từ Amorphous thường dạng quấn (wound core), cấu thành từ dạng chữ C, ghép thành hình chữ nhật bo trịn góc Chi tiết minh họa cho cấu trúc thể hình Hình – Cấu trúc mạch từ tôn silic CRGO (trái) kim loại Amorphous (phải) phổ biến [3] Amorphous giảm thiểu tổn thất không tải đến tầm 70-80% so với lõi tôn silic CRGO chuẩn M4; nhiên, kim loại Armorphous bão hịa sớm tơn silic CRGO Do đó, máy biến áp sử dụng cơng nghệ Amorphous cần phải có kích thước mạch từ to hơn, cuộn dây lớn nhiều dầu Tổng chi phí cho máy biến áp Amorphous cao đến 40% so với máy biến áp thơng thường [2] Chính điều khiến cho phạm vi ứng dụng công nghệ Amorphous giới hạn cấp MBA phân phối B Cuộn dây Các cuộn dây MBA có dây dẫn chế tạo từ dây đồng dạng tròn dạng chữ nhật Với MBA có dịng định mức cao, dây đồng có tiết diện hình chữ nhật, bện chung Hình Dây dẫn hoán vị liên tục (CTC) [4] hoán vị liên tục (Continuously Transposed Conductor - CTC), xem hình 5, để tránh sinh dòng quẩn Các vòng dây bọc quanh giấy cách điện quấn liên tục dọc theo trụ lõi thép Cuộn hạ áp (Low Voltage - LV) cuộn cân (Tertiary Voltage - TV) thường quấn cùng; cuộn cao áp (High Voltage – HV) quấn 14 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 Vật liệu HI-B xạ laser ZDMH -95- 0,27 mm ZDMH -90- 0,27 mm ZDMH -90- 0,23 mm ZDMH -85- 0,23 mm bọc phía ngồi MBA kiểu vỏ có cách bố trí cuộn dây dạng bánh sandwich (cuộn HV LV quấn với đường kính, xen kẽ kẹp vào nhau) Trong cuộn dây có điện áp định mức 110 kV, dây dẫn quấn kiểu xoắn ốc (helical) dây quấn kiểu lớp (layer) sử dụng tương đối phổ biến Điểm chung hai kiểu quấn dây vòng dây quấn quanh trụ lõi thép theo phương thẳng đứng tạo thành lớp; cuộn dây kiểu lớp có nhiều lớp so với kiểu xoắn ốc (xem hình 6a, b d) Đối với cuộn dây có điện áp định mức 110 kV, 220 kV hay cao hơn, cấu trúc kiểu đĩa thường sử dụng; cuộn dây kiểu gồm nhiều đĩa xếp chồng lên dọc theo trụ từ, đĩa có nhiều vịng dây quấn theo phương ngang (xem hình 6b) Đối với cuộn dây kiểu đĩa, phân bố điện Hình Minh họa kiểu quấn dây thông dụng áp độ dọc theo cuộn dây điện áp lan truyền đến MBA Điều giải thích thơng qua mơ sử dụng mơ hình thơng số rải cuộn dây để tính tốn q điện áp tức thời dọc theo cuộn dây Theo đó, có điện áp xung với biên độ U lan truyền đến đầu cuộn dây có chiều dài L, điện áp tức thời Uo vị trí x từ đầu cuộn dây [5]: Trong phương trình (1), C C tương ứng điện dung tương đương cuộn dây so với đất (shunt/ground capacitance) điện dung dọc tương đương (series capacitance) cuộn dây Hình minh họa phân bố biên độ điện áp độ dọc theo cuộn dây tương ứng với trường hợp hệ số khác (hình trái) thành phần điện dung dọc điện dung so với với (điện thế) đất cuộn dây khảo sát (hình phải) Điện đất điện vỏ MBA nối đất (nếu xét cuộn dây cùng) điện lõi thép nối đất (nếu xét cuộn dây bên cùng) nhất, độ phức tạp công nghệ trình sản xuất cao Giải pháp sử dụng cuộn chắn đơn giản hơn, đơi áp dụng cho kiểu đĩa xen kẽ [6] Khi xét đến tính hiệu kinh tế - kỹ thuật, giải pháp sử dụng kiểu đĩa thường tăng cường cách điện đầu cuộn dây áp dụng rộng rãi, xem hình Hình Hình ảnh thực tế cuộn dây MBA 110/22 kV Hình Minh họa phân bố điện áp độ dọc theo cuộn dây (trái) điện dung cuộn dây (phải) Theo hình 7, lớn, điện áp độ đặt lên phần đầu cuộn dây cao Do cuộn dây quấn theo kiểu đĩa liên tục có hệ số α lớn, từ đến 30 [5], nhà sản xuất có số giải pháp như: - Sử dụng chắn tĩnh điện (static rings) - Sử dụng cuộn chắn quấn đĩa (shield coils), với phương án đấu nối (xem hình 8a, b c) - Sử dụng kiểu đĩa quấn xen kẽ (interleaved), xem hình 8d Hình Các giải pháp thông dụng để cải thiện điện dung dọc tương đương cuộn dây hệ số Giải pháp quấn kiểu đĩa xen kẽ làm cuộn dây có giá trị điện dung dọc tương đương lớn C Hệ thống cách điện Hệ thống cách điện MBA bao gồm phần cách điện (vòng dây, đĩa hay lớp) cuộn dây, cách điện cuộn dây với cách điện cuộn dây với vỏ máy/lõi thép Khi xét MBA hai cuộn dây, hệ thống cách điện đặc trưng điện dung: - Điện dung tương đương ba pha cuộn HV bên với vỏ máy (nối đất): CHG - Điện dung tương đương ba pha cuộn LV bên với lõi thép (nối đất): CLG - Điện dung tương đương ba pha cuộn HV cuộn LV: CHL - Điện dung dọc tương đương cuộn dây (trên pha): tổ hợp điện dung vòng dây lân cận điện dung đĩa/lớp lân cận: C Các giá trị điện dung CHG, CLG CHL minh họa hình 10 xác định phép đo điện dung thông thường, riêng giá trị điện dung dọc cuộn dây C đo lường trực tiếp Để xác định giá trị này, cần phải có thơng tin chi tiết cấu trúc hình học dây quấn thơng số đặc tính vật liệu cách điện để tính tốn giải tích, thơng qua mô kết hợp với phép đo không trực tiếp [7] Ngoài ra, tổn hao tổ hợp cách điện biểu diễn sơ đồ điện tương đương MBA thông số điện dẫn tương ứng, ký hiệu GHG, GLG GHL BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 15 Hình 10 – Các điện dung tương đương MBA hai cuộn dây Để tính tốn giá trị điện dung đề cập trên, cần phải biết thành phần tổ hợp cách điện; MBA có cách điện lỏng (ngâm dầu), có hai loại cách điện cách điện rắn (giấy cách điện chủ yếu) dầu cách điện Đối với tổ hợp cách điện cuộn dây, phần cách điện rắn bao gồm chắn (barrier) lớp chêm (spacer), làm giấy cứng cách điện tẩm dầu Thông thường, giấy cứng có mật độ khối cao (1,1 - 1,3 g/cm3) sử dụng làm cách điện cuộn dây, giấy cứng mật độ thấp (0,9 g/cm3) dùng làm cách điện cuộn dây bên với lõi thép Dầu cách điện MBA vừa đóng vai trị mơi chất cách điện, đồng thời chất làm mát Các loại dầu cách điện sử dụng loại dầu khoáng (mineral oil), dầu silicone hay ester tự nhiên hay tổng hợp nhân tạo III ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU Phần giới thiệu thơng số đặc tính vật liệu lõi thép – cuộn dây hệ thống cách điện giấy – dầu cuộn dây, sở cho phân tích sau phép thí nghiệm chẩn đốn nâng cao A Lõi thép – cuộn dây Thơng số vật liệu hệ thống lõi thép – cuộn dây độ từ thẩm (μ), đặc trưng cho khả tạo khuếch đại (năng lượng) từ trường bên vật liệu Trong thực tế, độ từ thẩm cần biểu diễn dạng phức, đó, phần thực biểu diễn khả tạo từ trường vật liệu, phần ảo biểu thị cho tổn hao: (2) Tổn hao lõi thép MBA bao gồm tổn hao dòng Foucault, tổn hao từ trễ tổn hao định hướng từ, xác định theo phương trình (3) [8]: 16 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 (3) o Pc tổng tổn hao sắt từ (W/kg) tần số (Hz) o Ph, Pe, Pa tổn hao từ trễ, tổn hao dòng Foucault tổn hao định hướng từ (W) o B cường độ từ trường (Tesla) o ke, ka số phụ thuộc vào cấu trúc hình học điện trở suất khối vật liệu Khi phân tích đặc tính độ từ thẩm miền tần số, hiệu ứng bề mặt (skin effect) đóng vai trị quan trọng Theo phương pháp giải tích, độ từ thẩm thép mỏng (laminations) tính theo công thức (4), phụ thuộc theo hiệu ứng bề mặt phân bố mật độ từ trường [8, 9]: (4) độ sâu hiệu ứng bề mặt (skin depth), o tính theo cơng thức (5) o D bề dày thép (mm) hệ số lấp đầy thép so với o có lớp cách điện độ từ thẩm tương đối vật liệu o (phần thực từ thẩm phức) Độ sâu hiệu ứng bề mặt xác định: (5) o tần số (Hz) o độ từ thẩm (phần thực) vật liệu (H/m) điện dẫn suất vật liệu (S/m) o Hình 11 biểu diễn phần thực ( ) phần ảo ( ) độ từ thẩm theo công thức (4) với thông số: thép mỏng có bề dày 0,35 mm, điện dẫn 5x106 S/m, độ từ thẩm tương đối 500 hệ số lấp đầy 0,92 Do hiệu ứng bề mặt thay đổi mạnh theo tần số, độ từ thẩm thay đổi tương ứng; tần số cao, độ từ thẩm giảm mạnh lõi thép khơng có tác dụng Hình 11 Đặc tính theo tần số độ từ thẩm thép Đối với cuộn dây MBA, hiệu ứng bề mặt có tác dụng đáng kể phân bố mật độ dòng điện bên dây dẫn: tần số cao mật độ điện tích bên lõi dây dẫn giảm khiến cho điện trở xoay chiều (AC) tăng cao so với điện trở chiều (DC) Ngoài ra, từ trường gây (vòng) dây dẫn lân cận ảnh hưởng đến phân bố dòng điện dây dẫn (hiệu ứng lân cận – proximity effect), qua góp phần gia tăng tổn hao cuộn dây, xác định theo phương trình (6) [8]: (8) Hằng số điện mơi phức giấy cách điện có phần thực khơng phụ thuộc đáng kể vào tần số hàm lượng nước (ở nhiệt độ xác định) vùng tần số từ hàng chục Hz trở (xem hình 12a) Trong đó, phần ảo số điện mơi lại thay đổi đáng kể theo tần số hàm lượng nước (xem hình 12b) nhiệt độ [10] (6) (W) PW tổng tổn hao đồng (W) PDC tổn hao điện trở chiều Pskin,Pproximity tương ứng tổn hao hiệu ứng bề mặt hiệu ứng lân cận (W) B Hệ thống cách điện Thông số vật liệu hệ thống cách điện số điện môi (ε), đặc trưng cho khả phân cực vật liệu cách điện (điện môi) tác dụng điện trường Khi hệ thống cách điện đặt điện trường E, mật độ dòng điện J xuất bên hệ thống tổng thành phần dòng điện dịch dòng điện dẫn, biểu trưng số điện môi dạng phức Tương tự độ từ thẩm phức vật liệu từ, phần thực số điện môi phức biểu thị cho tượng phân cực, phần ảo đặc trưng cho tổn thất điện dẫn suất môi chất tổn thất phân cực điện môi [10] Các đại lượng phụ thuộc vào tần số (7) o tần số góc (rad/s) o số điện môi tần số cao (F/m) o số điện môi chân không (F/m) o tương ứng phần thực ảo đại lượng nhạy cảm điện (susceptibility) o điện dẫn suất điện môi (S/m) Hằng số điện môi dầu khống cách điện có phần thực số, cịn phần ảo phụ thuộc vào điện dẫn suất, nhiệt độ tần số, xác định theo phương trình (8) Khi nhiệt độ cao, dẫn suất tăng nên hệ số tổn hao điện mơi lớn Hình 12 Hằng số điện môi phức giấy cứng chứa hàm lượng nước khác 50°C [10] Để phân tích đặc tính tần số hệ thống cách điện giấy – dầu cuộn dây MBA, mơ hình X-Y hình 16 chấp nhận áp dụng rộng rãi Theo đó, số điện mơi phức hệ thống cách điện tính theo cơng thức (9): (9) o X tỉ lệ bề dày lớp chắn so với tổng bề dày lớp chắn – chêm theo phương xuyên tâm hệ thống o Y tỉ lệ bề rộng miếng chêm so với tổng bề rộng lớp chêm – dầu theo chu vi hệ thống o tương ứng số điện môi phức giấy cách điện dùng làm miếng chêm chắn o số điện mơi phức dầu cách điện Hình 13 Cấu trúc hệ thống cách điện cuộn dây mơ hình X-Y [10] Hình 14 minh họa vùng ảnh hưởng dầu giấy cứng cách điện lên số điện môi phức hệ thống cách điện MBA thực tế Theo đó, số điện môi giấy/dầu BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 17 có ảnh hưởng riêng lẻ đến đáp ứng điện môi tổ hợp cách điện vùng tần số cục bộ: khoảng tần số từ 0,01 Hz đến 10 Hz, dầu cách điện có ảnh hưởng mạnh, dải tần số thấp (10 Hz), cấu trúc hình học X-Y hàm lượng nước giấy cách điện lại có ảnh hưởng chi phối [11] Hình 14 Đáp ứng tần số số điện mơi phức tổ hợp cách điện giấy – dầu MBA thực tế IV KẾT LUẬN Bài viết giới thiệu tổng quan cấu trúc hình học đặc tính vật liệu phần tích cực hệ thống cách điện máy biến áp lực Những thơng tin sử dụng để xây dựng mơ hình vật lý (sơ đồ mạch điện tương đương) cho máy biến áp lực nhằm ứng dụng phân tích phép thí nghiệm chẩn đốn nâng cao triển khai cơng ty thí nghiệm điện V TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Transformer#/media/File:Vermogentransformator_1.GIF [2] Indrajit Dasgupta, “Power Transformers Quality Assurance,” New Age International Ltd., India, 2009 [3] http://teckglobal.com.au/news/38-amorphous-core-distribution-transformers-not-all-they-re-cracked-up-to-be [4] Bernard Hochart, “Power Transformer Handbook,” 1989 [5] S.V Kulkarni, S.A Khaparder, “Transformer Engineering – Design and Practice,” Marcel Denker, Inc, 2004 [6] James H Harlow, “Electric Power Transformer Engineering,” 3rd ed., CRC Press, 2012 [7] N T Tran et al., “Capacitances in a physical distributed circuit of ablack-box power transformer for Frequency Response Analysis at medium frequencies,” 2016 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application (ICHVE), 2016 [8] Nilanga Abeywickrama, “Effect of Dielectric and Magnetic Material Characteristics on Frequency Response of Power Transformers,” PhD dissertation, Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden, 2007 [9] A Shintemirov, W H Tang, and Q H Wu, “Transformer Core Parameter Identification Using Frequency Response Analysis,” IEEE Trans Magnetics, Vol 46, No.1, 2010 [10] “Frequency Response of Oil Impregnated Pressboard and Paper Samples for Estimating Moisture in Transformer Insulation,” IEEE Trans Power Delivery, Vol 21, No 3, July 2006 [11] Sivaji Chakravorti, Debangshu Dey, Biswendu Chatterjee, “Recent Trends in the Condition Monitoring of Transformers: Theory, Implementation and Analysis,” Springer, 2013 18 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 ... cấu trúc hình học phần tích cực (active part) MBA bao gồm lõi thép cuộn dây phần II đặc tính thơng số loại vật liệu phần III Hình Cấu trúc máy biến áp pha ngâm dầu điển hình [1] II CẤU TRÚC HÌNH... quan cấu trúc hình học đặc tính vật liệu phần tích cực hệ thống cách điện máy biến áp lực Những thơng tin sử dụng để xây dựng mơ hình vật lý (sơ đồ mạch điện tương đương) cho máy biến áp lực nhằm... số phụ thuộc vào cấu trúc hình học điện trở suất khối vật liệu Khi phân tích đặc tính độ từ thẩm miền tần số, hiệu ứng bề mặt (skin effect) đóng vai trị quan trọng Theo phương pháp giải tích,