Phân tích và Xử lý Sự cố Đo lường của Máy biến áp Kết hợp Ngoài trời 35 kV

1. Giới thiệu

1.1 Giới thiệu về Biến áp Kết hợp

Trong hệ thống điện, biến áp kết hợp là thành phần quan trọng của thiết bị đo lường và bảo vệ. Chúng bao gồm biến áp điện áp (PT) và biến áp dòng, sử dụng sự khác biệt vòng dây giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp để chuyển đổi dòng điện lớn và điện áp cao từ phía sơ cấp thành dòng điện nhỏ và điện áp phù hợp cho các thiết bị thứ cấp và bảo vệ tiếp điểm. Đồng thời, chúng đạt được cách ly điện giữa phía sơ cấp và phía thứ cấp để đảm bảo an toàn cho nhân viên và thiết bị trên phía thứ cấp.

2. Nguy cơ từ Sự cố của Biến áp Kết hợp

Là thiết bị đo lường cốt lõi trong hệ thống điện, PT của biến áp kết hợp chịu trách nhiệm chuyển đổi tín hiệu điện áp cao thành tín hiệu điện áp thấp cho các thiết bị đo lường/bảo vệ. Khi PT bị hỏng hoặc cầu chì điện áp cao bị nóng chảy, nguy cơ như sau:

• Độ chính xác Đo lường Bị suy giảm : Hỏng hóc của PT và sự nóng chảy của cầu chì có thể gây ra lỗi trong hệ thống đo lường năng lượng, ảnh hưởng đến độ chính xác đo lường và kích hoạt tranh chấp giữa doanh nghiệp cung cấp điện và người dùng.

• Tăng tỷ lệ Hỏng hóc Thiết bị : Hỏng hóc của PT có thể gây mất cân bằng điện áp hệ thống (quá cao/quá thấp), làm gián đoạn sự ổn định của hệ thống; sự cố của biến áp cũng có thể gây ra hoạt động bất thường của thiết bị bảo vệ, tăng nguy cơ hỏng hóc của các thiết bị khác.

• Nguy cơ An toàn Cá nhân : Biến áp kết hợp là thiết bị điện áp cao. Sự hỏng hóc có thể dẫn đến sự phá vỡ cách điện và rò rỉ, đe dọa an toàn cá nhân của nhân viên vận hành và bảo trì.

3. Nguyên nhân của Sự cố Quá điện áp trong Biến áp Kết hợp

Trong quá trình vận hành thực tế, biến áp kết hợp thường gặp phải sự nóng chảy của cầu chì điện áp cao và cháy nổ của PT. Các nguyên nhân chính bao gồm:

• Quá điện áp Do cộng hưởng Ferromagnetic : Các thành phần ferromagnetic tuyến tính dưới điện áp định mức. Trong trường hợp sự cố, mạch từ bão hòa và độ tự cảm thay đổi phi tuyến. Tạo thành một vòng dao động với điện dung hệ thống, nó kích hoạt cộng hưởng ferromagnetic liên tục. Quá điện áp gây ra sự nóng chảy/làm cháy cầu chì điện áp cao của PT, đe dọa an toàn lưới.

• Tải Thứ cấp Quá mức : Tải thứ cấp quá mức khiến biến áp sinh nhiệt nhiều và khó tản nhiệt. Nhiệt độ cuộn dây bên trong tăng quá cao, cuối cùng làm cháy PT.

• Chập Điện giữa Phía Sơ cấp và Thứ cấp : Chập điện trên phía sơ cấp/thứ cấp của PT tạo ra dòng điện lớn, gây nóng chảy cầu chì điện áp cao và làm cháy thiết bị.

• Quá điện áp Do đóng cắt : Thao tác không đúng gây ra quá điện áp, làm nóng chảy cầu chì điện áp cao của PT.

• Quá điện áp Do sét đánh : Sét đánh trực tiếp/điện từ gây quá điện áp làm hỏng cách điện cuộn dây, làm hỏng thiết bị.

4. Phân tích Trường hợp
4.1 Thông tin Cơ bản của Người dùng

Vào ngày 23 tháng 8 năm 2021, một sự cố cháy nổ PT pha A đã xảy ra trong biến áp kết hợp của một người dùng 35 kV, dẫn đến việc đo lường năng lượng không chính xác. Trong năm trước, biến áp kết hợp này đã gặp 3 sự cố. Trước tháng 1 năm 2021, người dùng được cung cấp điện từ trạm biến áp 35 kV Shazi với đo lường bình thường. Sau tháng 8 năm 2021, nguồn cung cấp điện được chuyển sang đường dây ra 35 kV của trạm biến áp 110 kV Zhoujiaba (đường dây đôi Zhouwan #353 và Zhouri #354). Tổng chiều dài đường dây khoảng 1,5 km. Bên 35 kV được nối đất qua cuộn dây tiêu diệt hồ quang. Điểm đo lường được đặt tại hai đường dây ra 35 kV của trạm biến áp 110 kV Zhoujiaba. Mạch sơ cấp được hiển thị trong Hình 1.

4.2 Điểm Đo lường và Thời gian Sự cố

Cả hai điểm đo lường đều sử dụng biến áp kết hợp 35 kV, với kết nối ba pha ba dây và kết nối V/V cho biến áp điện áp. Trong đó:

• Đường dây 35 kV Zhouri #354 (Điểm đo lường 2): Hoạt động bình thường, không có sự cố;

• Đường dây 35 kV Zhouwan #353 (Điểm đo lường 1): Thường xuyên gặp sự cố.

Thời gian Sự cố:

• Ngày 23 tháng 8 năm 2021: Sự cố cháy nổ PT lần đầu, thay thế bằng sản phẩm của Công ty Điện lực Henan Xinyang Hutong;

• Ngày 4 tháng 3 năm 2022: PT cháy nổ lại, thay thế bằng biến áp kết hợp của Công ty Điện lực Jiangxi Gandi;

• Ngày 13 tháng 6 năm 2022: Cầu chì điện áp cao pha C bị nóng chảy, mất điện áp;

• Ngày 21 tháng 9 năm 2022: Cầu chì điện áp cao pha A bị nóng chảy, mất điện áp lần nữa.

4.3 Phân tích Sự cố

Khi sự cố xảy ra, tải người dùng nhẹ, dây nối thứ cấp bình thường, không có chập điện. Sau khi kiểm tra:

• Độ kháng nối đất của đường dây đạt chuẩn, thuộc hệ thống nối đất không hiệu quả. Sự cố nối đất có thể dễ dàng gây ra dòng sét không thoát, kích hoạt sự nóng chảy của cầu chì;

• Không có quá điện áp trong quá trình vận hành và bảo dưỡng, loại trừ yếu tố con người.

Kết hợp với hiện tượng sự cố và nguyên nhân phổ biến, nguyên nhân chính được xác định là quá điện áp do cộng hưởng ferromagnetic, với các kịch bản cụ thể:

• Kích hoạt bởi Sự cố Nối đất: Khi xảy ra nối đất đơn pha trên đường dây, cuộn dây PT và điện dung đường dây - đất tạo thành mạch song song, đáp ứng điều kiện cộng hưởng ferromagnetic. Nối đất đơn pha khiến điện áp của hai pha còn lại tăng lên, lõi sắt bão hòa nhanh chóng, và cộng hưởng khiến dòng điện cuộn dây tăng mạnh, làm nóng chảy cầu chì điện áp cao; dòng điện quá mức lâu dài cũng sẽ làm cháy PT.

• Kích hoạt bởi Thao tác Không đúng: Tải ba pha của hệ thống cơ bản cân bằng, nhưng trong quá trình thao tác đóng cắt, ba pha không đồng bộ (đóng/mở không cùng lúc), gây ra dòng điện xung trong cuộn dây và lõi sắt bão hòa, kích hoạt quá điện áp do cộng hưởng ferromagnetic.

4.4 Giải pháp

Sau khi phân tích nguyên nhân gây ra sự cố, các biện pháp sau đây được áp dụng:

• Lắp đặt Thiết bị Loại bỏ Harmonic: Lắp đặt 1 bộ thiết bị loại bỏ harmonic trên busbar 35 kV của trạm biến áp để ức chế sự tái diễn của cộng hưởng ferromagnetic.

• Bảo vệ Quá điện áp trên Phía Thứ cấp: Lắp đặt thiết bị bảo vệ quá điện áp trên phía thứ cấp để chống lại quá điện áp do yếu tố môi trường và bảo vệ cách điện nội bộ của biến áp.

• Phát hiện và Xử lý Harmonic: Sử dụng máy hiệu chỉnh năng lượng điện tại chỗ để phát hiện harmonic trong điện áp thứ cấp. Nếu có bất thường, yêu cầu người dùng xử lý để đảm bảo tuân thủ GB/T 14549-1993 "Chất lượng Điện - Harmonic trong Hệ thống Điện Công cộng": Tỷ lệ méo hài tổng cộng của điện áp 35 kV ≤ 3%, harmonics bậc lẻ ≤ 2,4%, harmonics bậc chẵn ≤ 1,2%.

Hiệu quả Thực hiện: Sau khi áp dụng các biện pháp, biến áp kết hợp hoạt động bình thường, không có sự cố cháy nổ PT hay sự nóng chảy của cầu chì.

4.5 Tính toán Điều chỉnh Số liệu Điện năng

Độ chính xác đo lường năng lượng liên quan đến lợi ích kinh tế của cả hai bên cung cấp và tiêu thụ điện. Sự cố yêu cầu điều chỉnh số liệu điện năng. Bài viết này lấy ví dụ về sự cố thứ ba và sử dụng phương pháp hệ số hiệu chỉnh để tính toán:

Nguyên tắc: So sánh công suất hữu ích trong trường hợp đo lường chính xác và không chính xác để lấy hệ số hiệu chỉnh k, sau đó tính toán số liệu điện năng cần điều chỉnh \(\Delta W\). Giả sử tải ba pha cân bằng, công thức cho hệ số hiệu chỉnh k là:

(1) Giải thích về Hệ số Hiệu chỉnh k

Khi k > 1, công suất hữu ích trong trường hợp đo lường chính xác lớn hơn so với trường hợp không chính xác. Đồng hồ năng lượng ghi thiếu điện trong thời gian sự cố, và khách hàng cần bù lại số điện. Khi k = 1, đồng hồ năng lượng đo chính xác. Khi 0 < k < 1, đồng hồ năng lượng ghi thừa điện, và số điện cần được hoàn trả cho khách hàng. Khi k < 0, đồng hồ năng lượng đảo ngược, và khách hàng cần bù lại số điện.

(2) Các tham số Đo lường liên quan đến Người dùng

Khả năng nhận của người dùng là 2500 kVA, và phương pháp đo lường là cung cấp điện cao - đo lường cao (đo lường bằng hộp đo lường điện áp cao). Tỷ lệ điện áp là 35000 V/100 V, và tỷ lệ dòng điện là 50 A/5 A. Tỷ lệ đo lường tổng hợp là 3500. Khả năng của đồng hồ năng lượng là 3&times;100 V/3&times;1.5 - 6 A, với độ chính xác 0,5S.

Sự cố thứ ba của người dùng xảy ra vào ngày 13 tháng 6 năm 2022, với pha C mất điện áp. Điện được khôi phục vào khoảng 8:00 ngày 4 tháng 8 năm 2022. Giá điện theo thời gian sử dụng đã được áp dụng kể từ ngày 1 tháng 7 năm 2022. Dữ liệu thu thập như điện áp hệ thống, công suất và hệ số công suất được hiển thị trong Bảng 1.

Tính toán Số liệu Điện năng Cần điều chỉnh cho Giai đoạn Đầu tiên

Như có thể thấy từ Bảng 1, trong giai đoạn từ ngày 13 tháng 6 năm 2022 đến ngày 30 tháng 6 năm 2022, điện áp pha A bình thường, hệ số công suất trung bình là 0,82, và góc phần tử là 34&deg;(L). Sau đó, góc hệ số công suất &phi;=4&deg;(L). Giả sử tải cân bằng, hệ số hiệu chỉnh là:

Tính toán số liệu điện năng cần điều chỉnh như sau:

Từ Công thức (2) và Công thức (3), có thể thấy rằng k > 1, nghĩa là điện được đo thiếu, và cần thu hồi thêm 15.134 kWh.(2) Tính toán Số liệu Điện năng Cần điều chỉnh cho Giai đoạn Thứ hai.Trong giai đoạn từ ngày 1 tháng 7 năm 2022 đến ngày 4 tháng 8 năm 2022, điện áp pha A bình thường, hệ số công suất trung bình là 0,87, và góc phần tử là 29&deg;(L). Sau đó, góc hệ số công suất &phi;=0&deg;. Giả sử tải cân bằng, hệ số hiệu chỉnh là:

Tính toán số liệu điện năng cần điều chỉnh như sau:

Từ Công thức (4) và Công thức (5), có thể thấy rằng k > 1, nghĩa là điện được đo thiếu, và cần thu hồi thêm 51.996 kWh.Tổng số liệu điện năng cần thu hồi:

5. Kết luận

Trong quá trình vận hành thực tế, biến áp kết hợp thường cháy nổ và cầu chì điện áp cao bị nóng chảy, đe dọa nghiêm trọng đến an toàn lưới điện. Thông thường, các vấn đề này do quá điện áp cộng hưởng, cũng như thiết kế/chọn lựa thiết bị không đúng và không khớp các tham số.

Khi phân tích sự cố: Đầu tiên, kiểm tra các khiếm khuyết của biến áp và xác minh khả năng của cầu chì điện áp cao. Thứ hai, lắp đặt các thiết bị loại bỏ harmonic sơ cấp phù hợp để đối phó với quá điện áp cộng hưởng. Sau tai nạn, phản ứng kịp thời và xử lý đúng cách để ngăn chặn sự lan rộng và ảnh hưởng xã hội. Cuối cùng, rút kinh nghiệm, cải thiện kỹ năng xử lý sự cố, và đảm bảo an toàn lưới điện.