Tối ưu hóa phương pháp nối đất cho lõi biến áp và kẹp

Các biện pháp bảo vệ tiếp đất của biến áp được chia thành hai loại: Loại đầu tiên là tiếp đất điểm trung tính của biến áp. Biện pháp bảo vệ này ngăn chặn sự dịch chuyển điện áp điểm trung tính do mất cân đối tải ba pha trong quá trình hoạt động của biến áp, cho phép các thiết bị bảo vệ ngắt nhanh và giảm dòng ngắn mạch. Đây được coi là tiếp đất chức năng cho biến áp. Biện pháp thứ hai là tiếp đất lõi và kẹp biến áp.

Biện pháp bảo vệ này ngăn ngừa sự phát triển của điện áp cảm ứng trên bề mặt lõi và kẹp do từ trường nội bộ trong quá trình hoạt động, có thể dẫn đến lỗi phóng điện cục bộ. Đây được coi là tiếp đất bảo vệ cho biến áp. Để đảm bảo vận hành an toàn và đáng tin cậy của biến áp, bài viết này phân tích và tối ưu hóa các phương pháp tiếp đất cụ thể cho lõi và kẹp biến áp.

1. Tầm quan trọng của việc tiếp đất lõi và kẹp

Các thành phần chính bên trong biến áp bao gồm: cuộn dây, lõi và kẹp. Cuộn dây tạo thành mạch điện của biến áp, lõi tạo nên mạch từ, và kẹp chủ yếu được sử dụng để cố định cuộn dây và các tấm thép silic của lõi. Trong quá trình hoạt động bình thường, cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua. Trong môi trường từ trường này, điện áp cảm ứng phát triển trên bề mặt lõi và kẹp.

Khi cường độ từ trường tăng lên, thông lượng từ từ tăng lớn, gây ra sự gia tăng dần của điện áp cảm ứng. Do sự phân bố không đều của từ trường, điện áp cảm ứng không đồng đều tạo ra sự khác biệt về điện thế, dẫn đến phóng điện liên tục trên bề mặt lõi và kẹp, gây ra lỗi bên trong biến áp. Điện áp gây ra lỗi phóng điện bên trong biến áp được gọi là "điện áp nổi." Do đó, trong quá trình hoạt động, lõi và kẹp biến áp phải được tiếp đất tại một điểm duy nhất để giảm và loại bỏ điện áp cảm ứng.

Khi tiếp đất lõi và kẹp biến áp, chỉ được phép có một điểm tiếp đất để tránh dòng điện tuần hoàn giữa lõi và kẹp. Nếu có hai hoặc nhiều điểm tiếp đất, sự khác biệt về điện thế sẽ gây ra dòng điện tuần hoàn giữa lõi và kẹp, dẫn đến tăng nhiệt độ bất thường bên trong biến áp. Điều này trực tiếp làm hỏng cách điện rắn bên trong và đẩy nhanh quá trình lão hóa dầu cách điện, ảnh hưởng đến tuổi thọ bình thường của biến áp.

2. Các phương pháp tiếp đất lõi và kẹp và cách tiếp cận tối ưu

Trong thiết kế biến áp hiện tại ở Trung Quốc, việc tiếp đất lõi và kẹp chủ yếu được thực hiện bằng cách nối qua các cổng nhỏ hoặc bulông cách điện ra bên ngoài vỏ biến áp trước khi tiếp đất. Phương pháp tiếp đất này được chia thành hai cách:

Phương pháp tiếp đất đầu tiên (Hình 1) kết nối lõi và kẹp thông qua các cổng hoặc bulông cách điện, sau đó ngắn mạch chúng lại với nhau trước khi tiếp đất. Trong quá trình hoạt động bình thường của biến áp, phương pháp tiếp đất này thể hiện ba đường đi của dòng điện, được đánh dấu là I1, I2 và I3:

• I1: Lõi → Điểm tiếp đất → Đất

• I2: Kẹp → Điểm tiếp đất → Đất

• I3: Lõi → Điểm tiếp đất → Đất → Kẹp

Phương pháp tiếp đất thứ hai (Hình 2) nối lõi và kẹp thông qua các cổng hoặc bulông cách điện đến các điểm tiếp đất riêng biệt. Phương pháp tiếp đất này cũng thể hiện ba đường đi của dòng điện trong quá trình hoạt động bình thường:

• I1: Lõi → Điểm tiếp đất lõi → Đất

• I2: Kẹp → Điểm tiếp đất kẹp → Đất

• I3: Lõi → Điểm tiếp đất lõi → Đất → Điểm tiếp đất kẹp → Kẹp

Trong hai phương pháp tiếp đất được đề cập ở trên, dòng điện tiếp đất cảm ứng I1 và I2 đại diện cho điều kiện bình thường. Tuy nhiên, dòng điện tiếp đất cảm ứng I3 khác biệt đáng kể:

Trong phương pháp tiếp đất được hiển thị trong Hình 1, dòng điện cảm ứng chảy theo đường: lõi → điểm tiếp đất → kẹp, tạo ra "dòng điện tuần hoàn" giữa lõi và kẹp của biến áp. Dưới tác dụng nhiệt của dòng điện này, nhiệt độ bên trong biến áp tăng bất thường. Nhiệt độ cao trực tiếp gây suy giảm cách điện rắn và lão hóa dầu cách điện. Ngoài ra, do ảnh hưởng của dòng điện tuần hoàn, hệ thống giám sát trực tuyến không thể đo chính xác dòng điện tiếp đất của lõi và kẹp, dẫn đến chẩn đoán sai khi xảy ra lỗi thiết bị. Do đó, phương pháp tiếp đất đầu tiên có nhiều nhược điểm đáng kể.

Ngược lại, phương pháp tiếp đất được hiển thị trong Hình 2 dẫn dòng điện cảm ứng theo: lõi → điểm tiếp đất lõi → đất → điểm tiếp đất kẹp → kẹp. Do dòng điện đi qua đất có điện trở cao, không thể hình thành "dòng điện tuần hoàn" giữa lõi và kẹp. Điều này ngăn ngừa sự tăng nhiệt độ bất thường của biến áp và cho phép hệ thống giám sát trực tuyến đo chính xác dòng điện tiếp đất của cả lõi và kẹp (theo DL/T 596-2021 Tiêu chuẩn Thử nghiệm Phòng ngừa Điện, dòng điện tiếp đất lõi không được vượt quá 0,1 A và dòng điện tiếp đất kẹp không được vượt quá 0,3 A trong quá trình hoạt động của biến áp). Điều này cung cấp bằng chứng đáng tin cậy để xác định xem có lỗi bên trong biến áp hay không.

Đối với biến áp xx-223000/500 điều chỉnh điện áp không cần kích từ, lõi và kẹp được tiếp đất bằng phương pháp được hiển thị trong Hình 1, gây ra một số vấn đề hoạt động:

(1) Trong quá trình hoạt động, dễ dàng hình thành "dòng điện tuần hoàn" giữa lõi và kẹp bên trong. Hiệu ứng nhiệt gây tăng nhiệt độ bất thường, đẩy nhanh quá trình suy giảm cách điện rắn và lão hóa dầu cách điện, do đó giảm tuổi thọ của biến áp.

(2) Do dự ảnh hưởng của "dòng điện tuần hoàn", các hệ thống giám sát trực tuyến không thể đo chính xác dòng điện nối đất của lõi và kẹp, làm cho việc cung cấp bằng chứng quyết định cho các lỗi nội bộ trở nên không thể.

(3) Dòng điện nối đất cảm ứng của lõi và kẹp có thể được đo liên tục và so sánh với dòng điện rò rỉ được theo dõi bởi hệ thống trực tuyến để xác minh độ chính xác của hệ thống giám sát.

(4) Trong quá trình bảo dưỡng và sửa chữa biến áp, khi đo điện trở cách điện giữa lõi/kẹp và đất, phải ngắt kết nối dây dẫn nối đất bên ngoài. Do mô hình biến áp này sử dụng vít đồng M10 (cách điện với đất) để kết nối lõi và kẹp, có tính dẫn điện tốt nhưng sức chịu lực cơ học thấp và dễ bị gãy. Trong hoạt động thực địa, không gian hẹp và lực không cân xứng có thể dễ dàng gây ra sự gãy vỡ của vít đồng. Do cấu trúc bên trong biến áp nhỏ gọn, việc khắc phục lỗi này đòi hỏi phải nâng nắp thùng để thay thế, ảnh hưởng đến chu kỳ bảo dưỡng bình thường và hiệu suất vận hành.

Xem xét bốn vấn đề trên, để đảm bảo phát hiện chính xác dòng điện nối đất cảm ứng của lõi và kẹp trong quá trình vận hành, kéo dài tuổi thọ của biến áp, loại bỏ "dòng điện tuần hoàn" và ngăn chặn các hoạt động bảo dưỡng gây hư hỏng mở rộng phạm vi sửa chữa, đề xuất tối ưu hóa phương pháp nối đất của lõi và kẹp từ cấu hình Hình 1 sang cấu hình Hình 2.

3.Kết luận

Qua giới thiệu chi tiết về các thành phần và chức năng bên trong biến áp, cùng với phân tích khoa học về các lỗi phóng điện xảy ra trong quá trình vận hành, đã thành công trong việc thực hiện các sửa đổi đối với các bộ phận có lỗi. Cách tiếp cận này đạt được mục tiêu kéo dài tuổi thọ thiết bị, cải thiện an toàn lưới điện và giảm chi phí bảo dưỡng thiết bị.