Trạm biến áp thông minh dạng hộp dựa trên thiết bị đóng cắt GIS điện áp cao 110 kV Nghiên cứu thiết kế

Lựa chọn và Cài đặt Thiết bị Phân phối Dựa trên GIS

Hiện nay, thiết bị phân phối thường được sử dụng chủ yếu bao gồm thiết bị chuyển mạch không khí cách điện ngoài trời kiểu mở, GIS truyền thống trong nhà, GIS trong nhà có cấu trúc thép, và GIS lai ngoài trời. Nghiên cứu này nhằm vào các trạm biến áp ở Indonesia để hoàn thành việc cài đặt thiết bị phân phối cho các trạm biến áp thông minh lắp ráp sẵn. Phần lớn các trạm biến áp ở Indonesia nằm ở những khu vực có địa hình phức tạp và mật độ tải thấp. Theo kế hoạch hiện tại, chiến lược phát triển lưới điện khu vực là tận dụng các đường dây 110 kV hiện có để xây dựng các trạm biến áp công suất nhỏ. Trên cơ sở đó, các mức điện áp sẽ dần được giảm xuống để tối đa hóa hiệu quả đầu tư, tăng cường sử dụng thiết bị, và giảm vai trò của các trạm biến áp 35 kV. Các trạm biến áp trong lưới điện Indonesia có quy mô lớn, với chi phí đầu tư và thiết bị cao, thời gian xây dựng dài, đòi hỏi phải tiếp tục tối ưu hóa trong việc lựa chọn và cài đặt thiết bị.

GIS lai ngoài trời tích hợp các cầu chì và dao cách ly, sử dụng thanh busbar truyền thống. Sắp xếp này có thể giảm số lượng mặt bích và thiết bị ngoài trời, do đó tăng hiệu quả sử dụng đất đai trong khu vực mục tiêu. Hơn nữa, phương pháp GIS lai có thể giảm độ khó trong việc cài đặt và mở rộng, thuận tiện cho việc cài đặt và bảo trì thiết bị ở các vùng núi và đồi.

Indonesia có khí hậu tương đối ẩm ướt với nhiều ngày nhiệt độ cao, vì vậy kiểm soát thông minh có yêu cầu môi trường nghiêm ngặt. Ở Indonesia, tủ điều khiển thông minh thường yêu cầu phạm vi độ ẩm tương đối từ 5% - 95% và phạm vi nhiệt độ môi trường từ -5 - 55°C, không cho phép đóng băng. Để đạt được làm mát, khử ẩm, và ngăn ngừa sự ngưng tụ cho các tủ điều khiển ngoài trời, nghiên cứu này áp dụng phương pháp lắp đặt máy lạnh bên cạnh cửa tủ.

Đối với hệ thống dây dẫn chính, cần đảm bảo tính tin cậy, hiệu quả kinh tế, khả năng vận hành và an toàn trong quá trình hoạt động. Đối với hệ thống dây dẫn đơn 110 kV, thường sử dụng dây dẫn theo phần hoặc theo kiểu cầu. Hệ thống dây dẫn theo kiểu cầu có ít cầu chì hơn và chi phí đầu tư thấp hơn, nhưng độ tin cậy kém hơn so với hệ thống dây dẫn theo phần, và độ khó trong việc sửa đổi và mở rộng sau này cao hơn. Do đó, nghiên cứu này sử dụng cầu chì để chia thanh bus. Với phương pháp dây dẫn theo phần này, khi một phần thanh bus gặp sự cố, các phần còn lại vẫn có thể cung cấp điện bình thường, đảm bảo dịch vụ đáng tin cậy. Dây dẫn theo phần đơn giản, với ít thành phần thiết bị hơn, và có độ tin cậy và khả năng vận hành cao. Cấu trúc của trạm biến áp thông minh cải tiến được hiển thị trong Hình 1.

Bộ biến áp trong trạm, như một thiết bị quan trọng, đóng vai trò then chốt trong việc phát hiện trạng thái. Xem xét chi phí đầu tư và các kịch bản ứng dụng, phương án thiết kế của nghiên cứu này sử dụng thiết bị giám sát khí hòa tan trực tuyến trong dầu và thiết bị phát hiện dòng điện nối đất lõi sắt trực tuyến. Cả hai công nghệ này đều tương đối chín muồi và được áp dụng rộng rãi.

Bộ biến áp chính thông minh tích hợp thiết bị chính và phụ, cho phép thực hiện nhận biết trạng thái và đánh giá tình trạng hoạt động. Để thuận tiện cho việc bảo dưỡng hàng ngày và giám sát ca, phương pháp làm mát bằng tuần hoàn dầu tự nhiên và gió được chọn làm phương pháp làm mát cho bộ biến áp chính.

GIS lai tích hợp cầu chì, công tắc, và biến dòng thành một đơn vị, đơn giản hóa quá trình tái tạo bằng cách giảm số lượng thiết bị. Hơn nữa, GIS lai ngoài trời có ít thiết bị và mặt bích hơn, mang lại độ tin cậy và khả năng chống ăn mòn cao hơn, giúp nó hoạt động tốt trong khu vực mục tiêu. Điện áp định mức của thiết bị GIS lai là 126 kV, và dòng điện định mức là 2000 A. Mỗi thiết bị GIS lai bao gồm các cảm biến, tủ điều khiển thông minh, và thiết bị phát hiện trạng thái khí SF₆. Những thiết bị này có thể phát hiện trạng thái khí và tình trạng hoạt động của thiết bị, cho phép đo lường kỹ thuật số, giao tiếp thông tin, và tra cứu trạng thái cho các công tắc điện áp cao.

Tối ưu hóa Thiết bị Phân phối và Bố cục Chung

Trong thiết kế ban đầu của trạm biến áp thông minh, cấu hình của tủ đầu cuối thông minh và tủ điều khiển tập trung GIS lai tuân theo sắp xếp phân bổ hai tủ cho mỗi bay. Tuy nhiên, cách tiếp cận này dẫn đến nhiều vòng dây chéo, không thuận lợi cho việc bảo dưỡng hàng ngày. Do đó, các mạch thứ cấp của đầu cuối thông minh và cơ chế GIS lai có thể được tích hợp. Bằng cách kết hợp các bảng điều khiển, mạch liên kết, mạch chống nhảy, và mạch không đồng pha vào đầu cuối thông minh, có thể đạt được thiết kế tích hợp.

Việc tối ưu hóa tủ điều khiển thông minh chủ yếu bao gồm ba khía cạnh: (1) Giản lược mạch bằng cách thay thế logic dây cứng bằng logic phần mềm tại đầu cuối cục bộ; (2) Cho phép giao tiếp giữa các bay thông qua đầu cuối thông minh và công nghệ đối tượng dựa trên sự kiện của trạm; (3) Áp dụng thiết kế tích hợp của đầu cuối thông minh và mạch điều khiển cầu chì để giảm các chức năng dư thừa như mạch liên kết áp lực. Ngoài những cải tiến về mạch, bố cục của đầu cuối thông minh trong các tủ điều khiển tập trung ban đầu được giữ nguyên, và các kết nối giữa tủ điều khiển tập trung thông minh và thiết bị tương ứng được tối ưu hóa.

Phương án thiết kế được đề xuất trong nghiên cứu này áp dụng mô hình cabin lắp ráp mô-đun. Bố cục của trạm biến áp nên dựa trên điều kiện tự nhiên và yêu cầu kỹ thuật của khu vực mục tiêu, và có các ưu điểm như an toàn, tin cậy, thân thiện với môi trường, phòng cháy, và vận hành bảo dưỡng thuận tiện. Trong khu vực mục tiêu, thiết bị phân phối 110 kV và bộ biến áp chính được sắp xếp từ bắc sang nam. Để đáp ứng yêu cầu vận chuyển, một lối đi chữa cháy vòng tròn được thiết lập trong trạm, và việc cài đặt thiết bị tại chỗ sử dụng bố cục tối thiểu. Qua bố cục này, có thể tiết kiệm 18% diện tích đất. Bố cục chung của thiết bị phân phối trong phương án thiết kế được hiển thị trong Hình 2.

Về việc tối ưu hóa kích thước phân phối

Phương án thiết kế được đề xuất trong nghiên cứu sắp xếp thiết bị GIS lai thành hai hàng, và thiết bị phân phối 110 kV sử dụng thanh busbar hỗ trợ bằng hợp kim nhôm-magie ngoài trời. Bố cục bay tiêu chuẩn thường có thanh busbar mềm được sắp xếp theo đường thẳng ở cả hai đầu, chiếm một lượng lớn không gian ngang. Nhờ tích hợp thiết bị GIS lai, bố cục của nó trở nên gọn gàng hơn. Nghiên cứu đặt chiều ngang của bay phân đoạn là 8 m, ngắn hơn 2 m so với trước đây. Chiều dọc tiêu chuẩn là 39 m. Để tối ưu hóa chiều dọc, phương án đề xuất sử dụng thiết bị tích hợp, loại bỏ cấu trúc đường vào, và sửa đổi khung thanh bus, do đó giảm diện tích chiếm dụng theo chiều dọc. Qua hai cải tiến này, chiều dọc trong phương án là 25.2 m, ngắn hơn 13.8 m so với chiều dài tiêu chuẩn, hiệu quả giảm diện tích chiếm dụng của thiết bị.

Phân tích Hiệu suất và Chi phí của Trạm Biến Áp Thông Minh Lắp Ráp Sẵn

Sau khi hoàn thành việc xây dựng trạm biến áp lắp ráp sẵn, cần thực hiện các bước kiểm tra liên quan để đảm bảo rằng các chức năng của từng thiết bị có thể đáp ứng yêu cầu thiết kế và cho phép giao tiếp bình thường giữa các thiết bị và phần mềm. Thí nghiệm ghi và phân tích dữ liệu như giá trị dòng điện, điện áp, công suất hữu ích, nhiệt độ biến áp, và hệ số công suất của từng công tắc trong trạm biến áp lắp ráp sẵn để đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị trạm. Trong đó, giá trị nhiệt độ biến áp ở các khoảng thời gian khác nhau được hiển thị trong Hình 3.

Qua quan sát Hình 3(a), có thể thấy rằng giá trị nhiệt độ của pha A, pha B, và pha C đều duy trì ở trạng thái tương đối ổn định. Nhiệt độ của pha B cao nhất, đạt 43.6 °C từ 8:31 đến 8:32; nhiệt độ của pha A dao động từ 42.0 - 43.2 °C; và nhiệt độ của pha C duy trì ở khoảng 42.5 °C. Trong Hình 3(b), sự biến đổi của giá trị nhiệt độ biến áp thu thập vào buổi chiều cũng tương đối nhỏ. Do sự thay đổi môi trường, tổng thể giá trị nhiệt độ của pha A, pha B, và pha C cao hơn so với giá trị đo buổi sáng nhưng vẫn nằm trong phạm vi nhiệt độ bình thường. Tại 14:32, giá trị nhiệt độ của pha B là 44.1 °C, và tại thời điểm này, giá trị nhiệt độ của pha A và pha C lần lượt là 42.9 °C và 42.6 °C. Trong suốt thời gian đo, nhiệt độ thấp nhất của pha C là 42.2 °C và cao nhất là 43.7 °C, trong khi nhiệt độ của pha A dao động trong khoảng từ 42.6 - 43.8 °C.

Phân tích dữ liệu thử nghiệm tại chỗ cho thấy dữ liệu của trạm biến áp lắp ráp sẵn đều đáp ứng yêu cầu thiết kế và tuân thủ các tiêu chuẩn chấp nhận liên quan. Về mặt kinh tế, dựa trên lý thuyết chi phí chu kỳ sống, thí nghiệm phân tích và tính toán các chi phí khác nhau của thiết bị phân phối 110 kV, và chọn phương án thiết bị chuyển mạch cách điện không khí để so sánh. Kết quả so sánh được hiển thị trong Hình 4.

Trong Hình 4, chi phí đầu tư ban đầu cho phương án thiết kế GIS lai tối ưu là 2.413 triệu Nhân dân tệ, cao hơn 0.133 triệu Nhân dân tệ so với phương án thiết bị chuyển mạch cách điện không khí. Điều này chủ yếu là do chi phí mua thiết bị của phương án thiết kế GIS lai cao hơn so với phương án thiết bị chuyển mạch cách điện không khí, và chi phí thi công lắp đặt cũng hơi cao hơn.

Trong giai đoạn vận hành và bảo dưỡng, tỷ lệ chi phí cần thiết tương đối nhỏ. Vì trạm biến áp của phương án thiết kế GIS lai tối ưu là trạm không người lái, chỉ cần một lượng nhỏ kiểm tra định kỳ, do đó giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng hàng ngày. Do đó, chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp hơn nhiều so với phương án thiết bị chuyển mạch cách điện không khí.

Xác suất hỏng hóc hàng năm của phương án thiết kế GIS lai tối ưu đã giảm đáng kể, dẫn đến giảm đáng kể chi phí bảo dưỡng. Ngoài ra, chi phí tháo dỡ của nó chỉ bằng 89% so với phương án thiết bị chuyển mạch cách điện không khí. Cân nhắc tất cả các yếu tố, giá trị hiện tại của chi phí chu kỳ sống của phương án thiết kế GIS lai tối ưu thấp hơn 0.549 triệu Nhân dân tệ so với phương án thiết bị chuyển mạch cách điện không khí. Ngoài ra, phương án trạm biến áp thông minh 110 kV GIS vượt trội hơn so với phương án thiết bị chuyển mạch cách điện không khí thông thường.

Kết luận

Để tiết kiệm tài nguyên đất đô thị, rút ngắn thời gian xây dựng, và tăng cường hiệu quả kinh tế và độ tin cậy của trạm biến áp lắp ráp sẵn, nghiên cứu này đề xuất phương án thiết kế GIS lai ngoài trời tích hợp cầu chì và dao cách ly. Bằng cách tối ưu hóa mạch và áp dụng dây dẫn theo phần, và tối ưu hóa bố cục chung, số lần hỏng hóc được giảm và chi phí bảo dưỡng được hạ thấp.

Kết quả thử nghiệm cho thấy trong quá trình thu thập nhiệt độ biến áp, giá trị nhiệt độ của pha A, pha B, và pha C duy trì tương đối ổn định. Buổi sáng, nhiệt độ của pha A dao động từ 42.0 - 43.2 °C, trong khi nhiệt độ của pha C duy trì ở khoảng 42.5 °C. Buổi chiều, nhiệt độ của pha C dao động từ thấp nhất 42.2 °C đến cao nhất 43.7 °C, và nhiệt độ của pha A dao động trong khoảng từ 42.6 °C đến 43.8 °C. Dữ liệu của trạm biến áp lắp ráp sẵn đáp ứng yêu cầu thiết kế và tuân thủ các tiêu chuẩn chấp nhận liên quan.

Trong phân tích chi phí chu kỳ sống, mặc dù chi phí đầu tư ban đầu của phương án thiết kế GIS lai tối ưu là 2.413 triệu Nhân dân tệ, cao hơn 0.133 triệu Nhân dân tệ so với phương án thiết bị chuyển mạch cách điện không khí, nhưng phương án thiết kế GIS lai tối ưu chỉ cần một lượng nhỏ kiểm tra định kỳ. Điều này giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng hàng ngày, làm cho chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp hơn nhiều so với phương án thiết bị chuyển mạch cách điện không khí, và giảm đáng kể chi phí bảo dưỡng. Tính toán cho thấy giá trị hiện tại của chi phí chu kỳ sống của phương án thiết kế GIS lai tối ưu thấp hơn 0.549 triệu Nhân dân tệ so với phương án thiết bị chuyển mạch cách điện không khí, chứng tỏ rằng phương án trạm biến áp thông minh 110 kV GIS tối ưu vượt trội hơn so với phương án thiết bị chuyển mạch cách điện không khí thông thường.

Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ phân tích và tối ưu hóa thiết kế trạm biến áp chính. Trong tương lai, cần thực hiện thiết kế thông minh toàn diện hơn cho trạm biến áp thứ cấp bằng cách xem xét đầy đủ giao tiếp và xây dựng đất đai.