Những nguyên nhân gây ra sự cố và cháy của biến áp điện áp GIS 35 kV là gì?

1. Tổng quan về sự cố
1.1 Cấu trúc và Kết nối của Máy biến áp điện áp 35kV GIS

Tủ chuyển mạch hai busbar cách điện khí ZX2 được sản xuất vào tháng 3 năm 2011 và chính thức đưa vào sử dụng vào tháng 7 năm 2012, được cấu hình với hai nhóm máy biến áp điện áp (PTs) cho mỗi phần bus. Hai nhóm PT cùng một phần bus được thiết kế trong một tủ có chiều rộng 600 mm. Các PT ba pha được bố trí theo hình tam giác ở đáy tủ.

Các PT được kết nối với các cầu dao trong buồng bus của tủ chuyển mạch PT thông qua các đầu cắm cáp ngắn. Các cầu dao được kết nối với bus ba pha thông qua các tiếp điểm di động trong buồng bus SF₆ kín hoàn toàn. Cấu trúc bus kín hoàn toàn giảm tỷ lệ hỏng hóc, và bus không được trang bị bảo vệ bus chuyên dụng. Sự cố trên bus được loại bỏ thông qua bảo vệ dự phòng của công tắc nguồn vào.

1.2 Chế độ hoạt động trước khi cháy

Trước sự cố, lưới điện hoạt động như sau:

• Hệ thống 220kV: Đường dây Qiaoshi và Huishi hoạt động song song với công tắc liên kết bus đóng.

• Tải biến áp chính: Biến áp chính số 1 mang 47 MW, và số 2 mang 14 MW.

• Hệ thống 35kV: Đơn vị A hoạt động với hai bus tách biệt. Máy phát điện số 2, mang 30.5 MW, được kết nối với Bus II của Đơn vị A thông qua Bus 1 của Đơn vị E, các tủ chuyển mạch đường dây dầu nóng 361 và 367, và hoạt động song song với biến áp chính số 2.

1.3 Quá trình xảy ra sự cố

• Dấu hiệu trước sự cố

• Bắt đầu từ 15:11:20.393 ngày 19 tháng 4, thiết bị bảo vệ công tắc 367 của Đơn vị E (Đơn vị Bus cho Máy phát điện 1 và 2) liên tục phát cảnh báo ngắt kết nối PT, được đặt lại gián đoạn.

• Thiết bị bị cháy

• Lúc 15:12:59, khói và hồ quang được quan sát trong tủ PT của Bus 1 của Đơn vị E. Bảo vệ quá dòng thứ tự không của công tắc 361 và 367 được kích hoạt, làm nhảy cả hai công tắc.

• Kiểm tra tại hiện trường

• Cánh cửa tủ bị nổ tung. PT pha A bị cháy nặng, và đầu cắm pha B bị gãy. Thiết bị bên trong bị cháy xém.

• Dây dẫn thứ cấp của tủ chống sét bên cạnh bị hư hại. Áp suất và kiểm tra cách điện của buồng bus bình thường.

2. Phân tích nguyên nhân
2.1 Chất lượng thiết bị và Khuyết tật lắp đặt

• Vấn đề thiết kế và chế tạo

• Quy trình sơn cách điện kém gây ra phóng điện cục bộ.

• Lõi sắt lỏng lẻo gây ra nhiệt do dòng xoáy.

• Cuộn dây không đều tăng nguy cơ chập giữa cuộn.

• Khuyết tật lắp đặt và bảo trì

• Hàn vít nối đất kém tăng sức cản tiếp xúc.

• Lõi sắt bị biến dạng trong quá trình vận chuyển/lắp đặt.

• Áp lực ngang từ các đầu cắm cáp ngắn gây nứt epoxy theo thời gian.

2.2 Điều kiện hoạt động bất thường

• Sự cố mạch thứ cấp

• Quá tải trong mạch thứ cấp do nhiều vòng song song, dẫn đến tăng sinh nhiệt theo \(Q = I^2rt\).

• Chập mạch thứ cấp kích hoạt tăng cường dòng điện sơ cấp và quá nhiệt.

• Quá điện áp hệ thống

• Phản cộng hưởng do thao tác chuyển mạch hoặc tiếp đất hồ quang, tạo ra quá điện áp lên tới 2,5 lần giá trị định mức.

• Biến dạng sóng đẩy nhanh quá trình lão hóa cách điện.

• Không cân bằng ba pha

• Nội dung hài cao (chủ yếu là hài lẻ) gây mất cân bằng trở kháng.

• Dòng điện dịch chuyển điểm trung tính gây quá nhiệt trong mạch thứ tự không.

2.3 Phân tích tháo dỡ của nhà sản xuất

• Vị trí sự cố

• Nứt epoxy tại lỗ gắn flange của PT pha A dẫn đến tiếp đất gián đoạn.

• Gãy cơ học của đầu cắm pha B gây chập pha.

• Phân tích ứng suất

• Kết nối cáp không linh hoạt tạo ra ứng suất ngang tập trung tại lỗ flange.

• Tiến trình sự cố: Tiếp đất gián đoạn → Bốc hơi lớp phủ nhôm → Đặt lại sự cố → Hư hỏng cuối cùng.

3. Kế hoạch cải tạo
3.1 Tối ưu hóa giám sát thiết bị

• Thực hiện giám sát phóng điện cục bộ trực tuyến cho các tủ chuyển mạch GIS cùng loại và thiết lập dữ liệu cơ sở.

• Thực hiện các bài kiểm tra điện trở cách điện định kỳ với ngưỡng 200 MΩ.

3.2 Cải tiến thiết kế cấu trúc

• Mở rộng tủ: Tăng chiều rộng tủ từ 600 mm lên 800 mm để cải thiện khả năng tản nhiệt.

• Nâng cấp kết nối: Thay thế các đầu cắm cáp ngắn bằng kết nối trực tiếp để giảm ứng suất.

• Thiết kế mô-đun: Sử dụng PT và chống sét có thể tháo rời để giảm thời gian bảo trì.

3.3 Nâng cao hệ thống bảo vệ

• Thêm công tắc chuyên dụng cho tủ chuyển mạch PT với bảo vệ quá dòng/quá điện áp.

• Lắp đặt thiết bị bảo vệ bus chuyên dụng để cô lập sự cố nhanh chóng.

• Tối ưu hóa thiết kế mạch thứ tự không để giảm nguy cơ cộng hưởng.

3.4 Điều chỉnh chiến lược vận hành và bảo trì

• Xây dựng hồ sơ quản lý toàn chu kỳ cho thiết bị, ghi chép dữ liệu lắp đặt và bảo trì.

• Thực hiện các bài kiểm tra hàm lượng độ ẩm SF₆ hàng quý với ngưỡng ≤300 ppm.

• Thực hiện các bài kiểm tra đặc tính điện áp-dòng điện hàng năm cho PT để so sánh với dữ liệu nhà máy.

4. Bài học rút ra và biện pháp phòng ngừa
4.1 Bài học chính

• Lỗi thiết kế: Việc đặt PT cùng nhau tăng nguy cơ lan truyền sự cố.

• Khoảng trống bảo trì: Không phát hiện được thiệt hại do ứng suất tích lũy.

• Thiếu hụt bảo vệ: Dựa vào bảo vệ dự phòng làm chậm việc loại bỏ sự cố.

4.2 Biện pháp phòng ngừa

• Tăng cường giám sát sản xuất thiết bị, tập trung vào quy trình cách điện và độ bền cấu trúc.

• Khuyến khích bảo trì theo tình trạng sử dụng giám sát rung động để đánh giá mức độ ứng suất.

• Sửa đổi các tiêu chuẩn thiết kế để yêu cầu kết nối linh hoạt giữa PT và bus.

• Tiến hành các cuộc diễn tập chống tai nạn để chuẩn hóa các quy trình phản ứng khẩn cấp cho sự cố PT.

4.3 Kết quả thực hiện

Dữ liệu sau cải tạo cho thấy:

• Phóng điện cục bộ giảm từ 80 pC xuống 15 pC.

• Nhiệt độ tăng dưới tải đầy giảm 12°C.

• Thời gian phản ứng sự cố giảm từ 600 ms xuống 40 ms.

5. Kết luận

Sự cố này đã tiết lộ nhiều rủi ro tiềm ẩn trong thiết kế, lắp đặt và bảo trì thiết bị GIS. Thông qua tối ưu hóa cấu trúc, nâng cấp hệ thống bảo vệ và cải thiện quản lý, một hệ thống phòng ngừa rủi ro toàn diện đã được thiết lập. Giám sát liên tục hiệu suất thiết bị sẽ cung cấp kinh nghiệm cải tạo có thể tái tạo cho các trạm biến áp tương tự.