Thảo luận về Thiết kế của Máy biến áp Đất có Dòng trở Kép thấp

Với sự mở rộng quy mô hệ thống điện và quá trình cáp hóa lưới điện đô thị, dòng điện dung trong lưới điện 6kV/10kV/35kV đã tăng đáng kể (thông thường vượt quá 10A). Do các lưới điện ở mức điện áp này chủ yếu sử dụng chế độ vận hành trung tính không nối đất, và phía điện áp phân phối của các biến áp chính thường được kết nối theo hình tam giác, thiếu điểm nối đất tự nhiên, nên hồ quang trong trường hợp ngắn mạch đất không thể được dập tắt một cách đáng tin cậy, đòi hỏi phải giới thiệu các biến áp nối đất. Biến áp nối đất loại Z đã trở thành xu hướng chính do có trở kháng thứ tự không nhỏ, nhưng một số hệ thống yêu cầu trở kháng thứ tự không thấp hơn. Giá trị trở kháng càng nhỏ, sai lệch càng lớn, đòi hỏi các biện pháp cụ thể trong thiết kế biến áp nối đất có trở kháng thứ tự không thấp.

1. Phương pháp tính toán trở kháng thứ tự không cho biến áp nối đất loại Z
1.1 Cấu trúc tô pô

Cuộn dây cao áp của biến áp nối đất loại Z sử dụng kết nối dạng zigzag. Mỗi cuộn dây pha được chia thành hai nửa cuộn dây (như được hiển thị trong Hình 1), được quấn trên các cột sắt lõi khác nhau. Hai nửa cuộn dây cùng pha được nối tiếp với cực tính ngược lại, tạo thành một cấu trúc ghép từ từ đặc biệt.

Trở kháng thứ tự không được tính như được hiển thị trong phương trình (1).

Trong công thức, X0 là trở kháng thứ tự không, W là số vòng của một cuộn dây (tức là nửa cuộn dây), ΣaR là diện tích rò rỉ từ tương đương, ρ là hệ số Lorenz, và H là chiều cao phản ứng của cuộn dây.

2 Phân tích sai lệch trở kháng thứ tự không

Theo tiêu chuẩn IEC 60076 - 1, sai lệch trở kháng thứ tự không của biến áp nối đất được đánh giá là đạt nếu nằm trong khoảng ±10%. Qua phân tích kết quả thử nghiệm của hàng trăm biến áp nối đất (bao gồm cả loại ngâm dầu và khô) sản xuất bởi công ty trong những năm gần đây, và so sánh sự khác biệt giữa giá trị đo thực tế và giá trị thiết kế của trở kháng thứ tự không, sự khác biệt có thể được chia thành ba loại sau:

• Giá trị đo gần bằng giá trị thiết kế: Sự khác biệt nằm trong phạm vi sai lệch. Loại này chiếm tỷ lệ lớn nhất, và hầu hết các sản phẩm đều đạt.

• Giá trị đo nhỏ hơn giá trị thiết kế: Sai lệch vượt quá giá trị cho phép. Tuy nhiên, do người dùng thường chỉ chỉ định giới hạn trên của trở kháng và không có yêu cầu giới hạn dưới, nó vẫn được coi là đạt, nhưng tỷ lệ xuất hiện rất nhỏ.

• Giá trị đo lớn hơn giá trị thiết kế: Nghiêm trọng vượt quá yêu cầu của khách hàng và được đánh giá là không đạt. Tương tự, đây cũng là tình huống rất hiếm gặp.

Do yêu cầu về trở kháng thứ tự không khác nhau của các người dùng, có nhiều loại biến áp nối đất. Trong đó, loại 35kV có tỷ lệ cao nhất, tiếp theo là loại 10kV. Thông thường, đối với biến áp nối đất loại 35kV, trở kháng thứ tự không thường yêu cầu ≤ 120Ω; đối với loại 10kV, thường yêu cầu ≤ 15Ω. Một số người dùng có yêu cầu nhỏ hơn, và một số không đưa ra yêu cầu cụ thể.

3 Phân tích dữ liệu

Có xét đến kết quả thử nghiệm của nhiều biến áp nối đất, nguyên nhân gốc rễ của sai lệch lớn về trở kháng thứ tự không nằm ở việc giá trị yêu cầu của người dùng khác xa so với giá trị trở kháng thông thường. Cả giá trị quá lớn và quá nhỏ đều mang lại thách thức lớn cho sản xuất và chế tạo. Có thể thấy từ Công thức (1) rằng trở kháng thứ tự không có mối quan hệ bình phương với số vòng, đây là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến trở kháng thứ tự không: số vòng càng nhiều, lượng dây sử dụng càng lớn; số vòng càng ít, lượng lõi sắt sử dụng tương ứng càng tăng. Dù trở kháng thứ tự không quá lớn hay quá nhỏ, đều sẽ làm tăng đáng kể chi phí sản xuất.

3.1 Phân tích trường hợp

Lấy hai lô biến áp nối đất 10kV công suất nhỏ làm ví dụ để phân tích:

• Biến áp ngâm dầu: Mô hình DKS11 - 125/10.5, không có cuộn dây thứ cấp. Người dùng yêu cầu trở kháng thứ tự không < 4&Omega;. Theo phương pháp tính toán trước đó, sau khi xem xét sai lệch sản xuất và dự trữ một phần dư, giá trị thiết kế được đặt là 2.2&Omega;. Tuy nhiên, dưới cùng một quy trình sản xuất, kết quả đo thử nghiệm nghiêm trọng vượt quá tiêu chuẩn, gấp 3.5 lần giá trị thiết kế; đối với lô đầu tiên gồm 7 sản phẩm, trở kháng thứ tự không đều nằm trong khoảng 7&Omega; - 8&Omega;.

• Biến áp khô: Mô hình DKSC11 - 125/10.5, giá trị thiết kế của trở kháng thứ tự không là 2.25&Omega;, và kết quả thử nghiệm của sản phẩm hoàn thiện là 6.8&Omega;, vượt quá tiêu chuẩn khoảng 3 lần. Nó chỉ được xuất xưởng sau khi thương lượng và được sự đồng ý của người dùng.

So sánh, sai lệch của loại ngâm dầu lớn hơn một chút so với loại khô. Nguyên nhân là khi thiết kế cho một trở kháng thứ tự không rất nhỏ, số vòng nhỏ, kích thước bán kính của cuộn dây nhỏ, và chiều cao tương đối cao, nên giá trị thứ tự không khó kiểm soát. Khi giá trị cơ bản nhỏ, việc kiểm soát kích thước kém dễ dẫn đến sự phóng đại của sai lệch; trong khi cuộn dây khô được đúc bằng nhựa epoxy, và kích thước bên ngoài dễ kiểm soát hơn nhờ khuôn, nên sai lệch tương đối nhỏ hơn.

Dữ liệu sản xuất thực tế cho thấy phương pháp tính toán hiện tại không phù hợp với biến áp nối đất có trở kháng thứ tự không thấp. Kết hợp với dữ liệu thống kê của các sản phẩm trước, suy đoán rằng cần giới thiệu hệ số hiệu chỉnh, và các giá trị thứ tự không khác nhau tương ứng với các hệ số hiệu chỉnh khác nhau: khi giá trị thứ tự không tăng, hệ số giảm phi tuyến; khi giá trị thứ tự không đạt khoảng 10&Omega;, hệ số tiệm cận 1.0; sau khi vượt qua 10&Omega;, bị ảnh hưởng bởi sự khác biệt nhỏ trong quy trình sản xuất, hệ số thay đổi ít (có trường hợp hiếm hoi nhỏ hơn 1.0, và tổng thể sai lệch thấp), và hình thức biểu diễn gần như hàm tỷ lệ nghịch trong góc phần tư thứ nhất (xem Hình 2).

Nên lưu ý rằng phân tích trên chỉ áp dụng cho sản phẩm 10kV. Đối với các sản phẩm trên 10kV, do không có yêu cầu nghiêm ngặt về trở kháng thứ tự không thấp, hiện tượng sai lệch trở kháng thứ tự không quá mức chưa được phát hiện.

4 Giải pháp

Để giải quyết vấn đề về giá trị đo trở kháng thứ tự không quá mức trong biến áp nối đất có trở kháng thứ tự không thấp, dựa trên thu thập và phân tích dữ liệu, đề xuất các biện pháp tối ưu hóa sau:

4.1 Chiến lược tối ưu hóa thiết kế

Khi người dùng yêu cầu giá trị trở kháng thứ tự không cực kỳ nhỏ, độ chính xác của kích thước cuộn dây khó đảm bảo, dễ làm tăng sai lệch đo. Đối với sản phẩm có yêu cầu trở kháng thứ tự không <5&Omega;, nên dự trữ biên độ thiết kế từ 2-5 lần. Giá trị trở kháng càng nhỏ, biên độ cần thiết càng lớn để đảm bảo giá trị đo đạt yêu cầu.

4.2 Điểm kiểm soát sản xuất

Quy trình sản xuất đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo độ chính xác hiệu suất sản phẩm:

• Kiểm soát độ chính xác khuôn: Sản xuất khuôn cuộn dây theo đúng quy cách thiết kế, đảm bảo dung sai kích thước được đáp ứng.

• Quản lý kích thước cuộn dây:

• Kiểm soát chính xác kích thước bán kính và trục của cuộn dây, vì các tham số này trực tiếp ảnh hưởng đến trở kháng thứ tự không sau khi số vòng được xác định. Tất cả kích thước phải tuân thủ dung sai trên bản vẽ.

• Đối với sản phẩm có trở kháng thấp sử dụng dây mạ nhỏ, vật liệu cách điện giữa lớp phải được trải phẳng, và cuộn dây phải được quấn chặt.

• Các quy trình đặc biệt cho sản phẩm khô:

• Đối với cấu trúc đúc nhựa, sử dụng khuôn nội và ngoại để kiểm soát chính xác kích thước đường kính. Độ dày của lưới vải được trải trước khi quấn nên nhỏ hơn (không lớn hơn) so với quy định.

• Kích thước trục của cuộn dây phân đoạn được kiểm soát bằng cách cách điện giữa các đoạn. Điều chỉnh và cố định chiều cao và khoảng cách của mỗi đoạn để ngăn ngừa sụp đổ trong quá trình đúc.

4.3 Đề xuất thỏa thuận kỹ thuật

• Ưu tiên chỉ định trở kháng thứ tự không &ge;5&Omega; trong các thỏa thuận.

• Nếu người dùng kiên trì <5&Omega;, cần giao tiếp rõ ràng về khó khăn trong sản xuất từ sớm và thiết lập cơ chế tham vấn để tránh rủi ro giao hàng.

5 Kết luận

Đối với biến áp nối đất có trở kháng thứ tự không thấp, tồn tại sự sai lệch đáng kể giữa giá trị thiết kế tính toán bằng công thức thông thường và giá trị đo thực tế. Đề nghị đánh giá khả năng sản xuất ở giai đoạn đặt hàng, giới thiệu hệ số hiệu chỉnh trong thiết kế, và dự trữ biên độ sản xuất đủ để nâng cao tính nhất quán và độ tin cậy giao hàng của sản phẩm.