Hiện tượng cộng hưởng sắt trong máy biến áp lắp trên mặt đất: Những điều nhà sản xuất máy biến áp lắp trên mặt đất muốn các chuyên gia thiết kế biết

 

Là một nhà sản xuất máy biến áp kiểu đặt trên nền , chúng tôi tiếp tục gặp phải sự cố giống nhau theo cùng một trình tự. Một thiết bị lắp trên cột được thay thế để bảo trì. Bộ chống sét trên cột nâng ở cuối cáp bị hỏng. Đội kỹ thuật thay thế bộ chống sét, cấp điện cho thiết bị, và bộ thay thế lại hỏng trong vòng vài tháng — đôi khi chỉ sau vài tuần. Bản thân máy biến áp luôn đạt kết quả kiểm tra bình thường trong mọi lần kiểm tra định kỳ. Không có gì sai trên nhãn hiệu. Nguyên nhân làm hỏng bộ chống sét chính là hiện tượng ferroresonance, và gần như chưa bao giờ do lỗi của bộ chống sét.

Hiện tượng Ferroresonance thực chất là gì

 

Lõi biến áp không phải là một cuộn cảm tuyến tính. Dưới ngưỡng bão hòa, điện kháng từ hóa của nó cao. Khi lõi tiến gần đến trạng thái bão hòa, điện kháng này suy giảm mạnh. Đưa một thành phần có đặc tính như vậy vào một mạch điện cũng chứa điện dung — ví dụ điện dung vỏ bọc của cáp chôn dưới đất, điện dung phân áp của bộ ngắt mạch, điện dung của bộ cách điện hoặc của tụ bù — thì một nhiễu loạn do đóng/ngắt có thể khiến mạch dao động theo cách mà riêng từng phần tử đó không thể tạo ra.

Đó chính là toàn bộ định nghĩa, đồng thời cũng giải thích lý do vì sao hiện tượng ferroresonance trong biến áp không phải là hiện tượng cộng hưởng gọn gàng mà ta tính được từ công thức XL = XC. Với một cuộn cảm tuyến tính, chỉ tồn tại một tần số cộng hưởng duy nhất và một trạng thái ổn định duy nhất. Còn với lõi có khả năng bão hòa, lại tồn tại nhiều tần số cộng hưởng khác nhau, và mạch điện có thể chuyển đột ngột giữa các trạng thái đó. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) mô tả bốn chế độ dao động chính: cộng hưởng sắt ở tần số cơ bản bằng tần số cung cấp; cộng hưởng sắt ở tần số hạ hài (sub-harmonic), thường là một phần ba tần số cung cấp; cộng hưởng sắt gần chu kỳ (quasi-periodic) với dạng sóng không đều; và cộng hưởng sắt hỗn loạn (chaotic) không có mẫu lặp lại nào cả. Các quá điện áp kéo dài trong những chế độ này có thể đạt mức năm đến sáu lần điện áp định mức trên đường dây, vượt xa giới hạn mà phối hợp cách điện của cuộn dây phân phối giả định đối với ứng suất tần số công nghiệp kéo dài.

Hai thiết bị có nhãn hiệu giống hệt nhau vẫn có thể vận hành hoàn toàn khác nhau. Chế độ mà mạch ổn định vào phụ thuộc vào độ tự cảm, điện dung, biên độ điện áp và điều kiện ban đầu — về mặt thực tế, điều này nghĩa là phụ thuộc vào thời điểm chính xác lúc công tắc đóng. Đó là lý do vì sao một nghiên cứu dựa trên các giá trị danh định sẽ bỏ sót hiện tượng này, và cũng là lý do vì sao cùng một thao tác đóng ngắt có thể diễn ra bình thường tới trăm lần nhưng lại thất bại ngay ở lần thứ một trăm lẻ một.

Nếu bạn đang làm việc với một đặc tả gắn trên bệ đệm ngay lúc này, đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi sẽ xem xét mạch sơ cấp cùng bạn trước khi định mức được khóa. Hãy gửi cho chúng tôi sơ đồ một đường dây và chúng tôi sẽ cùng bạn đi qua bốn điều kiện.

Bốn điều kiện phải đồng thời xảy ra

 

Hiện tượng cộng hưởng sắt rất kén chọn. Nó đòi hỏi bốn điều kiện xuất hiện đồng thời — thứ cấp không tải, điện dung sơ cấp cao, sự không đối xứng chuyển mạch pha đơn và lõi bão hòa ở mức quá áp vừa phải — chính vì vậy mà hiện tượng này không bao giờ xuất hiện trong nghiên cứu luồng tải và cũng rất khó tái tạo trong buồng thử nghiệm.

Tình trạng	Tại sao điều này quan trọng	Nơi hiện tượng này thực tế xuất hiện
Thứ cấp không tải hoặc tải nhẹ	Điện trở tải làm suy giảm dao động; thứ cấp rỗng hoàn toàn không cung cấp bất kỳ hiệu ứng giảm chấn nào	Khu dân cư mới trước khi đưa vào sử dụng, ngừng hoạt động nhà máy theo mùa, thiết bị dự phòng chưa sử dụng
Điện dung sơ cấp cao	Điện dung vỏ cáp trên một đơn vị chiều dài cao hơn nhiều so với đường dây trên không	Đường dây cấp điện ngầm dài, cáp đi lên, hầm mạng lưới, dịch vụ công nghiệp cấp điện bằng cáp
Chuyển mạch bất đối xứng	Để lại một hoặc hai pha bị cô lập nhưng vẫn ghép nối dung tính với nguồn	Cầu chì cắt một pha, một cầu chì bị đứt, bộ đóng cắt tự động một pha, thao tác đầu nối dạng khuỷu
Lõi bão hòa ở mức quá áp vừa phải	Độ tự cảm từ hóa sụp đổ, cho phép mạch nhảy giữa các điểm làm việc	Các lõi và thiết kế hiện đại ít tổn hao, hoạt động ở mật độ từ thông cao hơn

 

Loại bỏ bất kỳ một trong bốn yếu tố này thì hiện tượng thường sẽ không khởi phát. Đó là phần hữu ích, bởi vì điều đó có nghĩa là có bốn vị trí riêng biệt để loại bỏ hiện tượng — và phương án rẻ nhất gần như luôn là bố trí chuyển mạch. Đây cũng là thời điểm cuộc thảo luận nên chuyển từ báo giá sang lựa chọn, và đây là điều đầu tiên một nhà sản xuất máy biến áp kiểu đặt trên nền cần nêu ra với bạn.

Điều gì xảy ra với thiết bị trước khi bất kỳ ai nhận ra

 

Sự cố mà đội bảo trì phát hiện đầu tiên thường nằm ở tự động hóa , chứ không phải bên trong bình chứa. Bộ chống sét oxit kim loại là một điện trở chỉ dẫn điện khi điện áp vượt quá mức định mức của nó. Một hiện tượng quá điện áp cộng hưởng sắt kéo dài sẽ giữ bộ chống sét ở trạng thái dẫn điện và chuyển đổi dao động thành nhiệt năng bên trong khối gốm, vốn được thiết kế để chịu các xung vi giây với chu kỳ làm việc xác định. Dữ liệu tham khảo của Eaton về bảo vệ quá điện áp cho máy biến áp lắp trên cột nêu rõ giới hạn này: bộ chống sét làm giảm mức quá điện áp nhưng không loại bỏ hoàn toàn chúng; đồng thời, chu kỳ làm việc càng cao thì lượng vật liệu dẫn điện càng nhiều và thời gian tồn tại dưới điều kiện quá điện áp trước khi hỏng càng lâu. Một bộ chống sét phân phối công suất nhẹ, hoàn toàn phù hợp để chống sét đánh trực tiếp, lại không được thiết kế để chịu năng lượng tần số công nghiệp trong vài phút. Dữ liệu tham khảo của Eaton TC202005EN — Bảo vệ quá điện áp cho máy biến áp lắp trên cột (https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/medium-voltage-power-distribution-control-systems/cooper-power-series-transformers/overvoltage-protection-for-pad-mounted-transformers-information-tc202005en.pdf)

Phía sau bộ chống sét, hư hỏng diễn ra âm thầm hơn và khó phát hiện hơn trong kiểm tra định kỳ. Bề mặt cổng cách điện cho thấy dấu hiệu theo dõi (tracking) tại vị trí xảy ra phóng điện bề mặt. Cách điện cuộn dây bị thủng tại điểm mà dao động đạt cực đại, và lỗ thủng thường nhỏ đến mức phép đo tỷ số vòng dây vẫn cho kết quả bình thường. Lõi hoạt động ở nhiệt độ cao vì độ lệch từ thông vượt xa giới hạn thiết kế, trong khi nhiệt lượng chính là yếu tố làm giảm tuổi thọ cách điện. Hư hỏng bộ chống sét thường là sự cố đầu tiên, chứ không phải duy nhất.

Ngoài ra còn có một biểu hiện hoàn toàn không liên quan đến điện. Một thiết bị rơi vào trạng thái cộng hưởng sắt từ thường phát ra tiếng ù hoặc rung rền tần số thấp, nghe khác biệt so với tiếng vo ve do co giãn từ tính bình thường — không đều, không ổn định và đủ lớn để đội vận hành nhận ra trước khi bất kỳ rơ-le nào tác động. Hãy xem đây là tín hiệu cảnh báo, chứ không phải phiền toái.

 

Chuyển mạch pha đơn là yếu tố kích hoạt bạn có thể kiểm soát

 

Trong bốn điều kiện này, chuyển mạch bất đối xứng là điều kiện duy nhất mà người thiết kế có thể loại bỏ bằng một mục trong danh sách yêu cầu. Chuyển mạch pha đơn của một tổ máy biến áp ba pha — dù do cầu chì cắt, một cầu chì bị đứt hoặc sơ đồ đóng lại từng pha — khiến tổ máy chỉ được cấp điện một phần và ghép nối dung tính với nguồn, đây chính là nguyên nhân cổ điển gây ra sự cố trong các hệ thống phân phối cấp điện bằng cáp.

Tiêu chuẩn IEEE Std C57.105-2019, hướng dẫn về cách nối biến áp trong các hệ thống điện ba pha, coi các tương tác giữa cách nối biến áp và phương thức chuyển mạch như một yếu tố cần xem xét trong thiết kế chứ không phải là sự cố ngẫu nhiên: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . Tiêu chuẩn này tồn tại đúng vì sự tương tác giữa cách nối biến áp và mạch xung quanh nó quyết định hệ thống sẽ vận hành ổn định hay gặp sự cố.

Điều hoạt động hiệu quả ngoài thực địa thường không thu hút. Hãy chuyển mạch đồng thời cả ba pha bằng một thiết bị điều khiển tập trung thay vì các bộ ngắt từng pha riêng lẻ, bất cứ khi nào cấu hình cho phép. Trường hợp bắt buộc phải dùng thiết bị một pha, hãy duy trì một tải điện trở nhỏ nhưng ổn định ở phía thứ cấp trong suốt quá trình chuyển mạch để dao động có nơi tiêu tán năng lượng. Điện trở giảm chấn hoặc mạch khử cộng hưởng sắt từ đặt song song với cuộn dây là lớp bảo vệ tiếp theo, và tự động hóa bộ chống sét được chọn dựa trên khả năng chịu quá áp tạm thời chứ không chỉ riêng sét đánh là lớp cuối cùng.

Không cần thiết bị đặc biệt đắt tiền hay hiếm có. Điều cần thiết là sơ đồ chuyển mạch và chu kỳ làm việc của bộ chống sét phải được xác định đồng thời với việc chọn công suất định mức của máy biến áp, chứ không phải sau khi cáp đã được lắp đặt xong.

Năm yếu tố cần đưa vào yêu cầu báo giá (RFQ)

 

Kết nối cuộn dây và nối đất. Xác định rõ liệu đầu vào dạng sao nối đất có được chấp nhận hay không. Việc dùng đầu vào dạng tam giác không nối đất trên đoạn cáp dài là phương án có rủi ro cao nhất, và câu trả lời sẽ làm thay đổi toàn bộ bức tranh về quá áp.

Loại thiết bị chuyển mạch chính. Công tắc tải ba pha hoạt động đồng bộ, công tắc đóng lại ba pha hoặc cầu chì cắt pha đơn. Nếu việc sử dụng thiết bị pha đơn là không thể tránh khỏi, cần nêu rõ điều này vì nó làm thay đổi tự động hóa lựa chọn.

Lớp chống sét, chu kỳ làm việc, điện áp vận hành tối đa liên tục (MCOV) và khả năng chịu quá điện áp tạm thời. cụm từ "đã bao gồm chống sét" không phải là thông số kỹ thuật. Hãy yêu cầu thiết bị chống sét được chọn kích thước dựa trên khả năng chịu quá điện áp tạm thời, chứ không chỉ riêng sét.

Bảng kê cáp. Kích thước dây dẫn, chiều dài và loại cách điện cho từng đoạn đường dây sơ cấp. Điện dung vỏ bọc là thành phần còn lại của mạch cộng hưởng và không hiển thị trên bảng kê thông số kỹ thuật tiêu chuẩn.

Giảm chấn thứ cấp. Liệu một tải nhỏ cố định hay điện trở giảm chấn có được giữ nối vào phía thứ cấp trong suốt quá trình chuyển mạch hay không, và tải hoặc điện trở đó chiếm bao nhiêu phần trăm công suất định mức.

Những câu hỏi mà nhà sản xuất máy biến áp đặt trên mặt đất (pad-mounted) đặt ra trước khi bạn đặt hàng

 

Trên bất kỳ dự án nào có độ dài cáp chính lớn, tài liệu đầu tiên chúng tôi yêu cầu không phải là bảng thông số kỹ thuật. Đó là sơ đồ một dây với chiều dài cáp và bố trí đóng cắt, bởi vì hai yếu tố này quyết định rủi ro quá áp là không đáng kể hay thực sự tồn tại. A nhà sản xuất máy biến áp kiểu đặt trên nền người nào chỉ báo giá dựa trên danh sách máy biến áp đang báo giá một đơn vị, chứ không phải một giải pháp.

Mỗi đơn vị đều trải qua chuỗi kiểm tra định kỳ, và tổn thất khi không tải cũng như dòng điện từ hóa được ghi nhận trong suốt quá trình. Hai giá trị này là dữ liệu đầu vào giúp chuyển câu hỏi về hiện tượng cộng hưởng sắt từ từ một ý kiến thành một phép tính, và chúng tôi sẽ cung cấp chúng cho kỹ sư tư vấn của bạn trước khi giao hàng theo yêu cầu.

Ryan Electric đã sản xuất máy biến áp phân phối và máy biến áp công suất kể từ năm 2007, tại cơ sở sản xuất rộng 120.000 m² với hơn 180 bộ thiết bị sản xuất và kiểm tra cùng 37 bằng sáng chế. Từ năm 2023, công ty hoạt động với tư cách là đối tác liên doanh chính thức của Eaton; đây là một trong những lý do chúng tôi coi việc phối hợp giữa bộ chống sét và thiết bị đóng cắt là một phần trong phạm vi cung cấp máy biến áp thay vì xem đó là vấn đề của bên thứ ba.

Một tình huống thường xuyên xuất hiện trong các dự án phân lô ở Bắc Mỹ là một máy biến áp ba pha nhỏ — từ 75 kVA đến 500 kVA — đặt ở cuối một đường dây ngầm kéo dài, được cấp điện thông qua các cầu chì một pha, phục vụ tải chưa tồn tại trong ít nhất một năm tới. Tất cả các điều kiện nêu trong danh sách đều đồng thời hiện diện, và khu vực lắp đặt không có tải trong nhiều tháng. Khi người thiết kế chọn sử dụng công tắc vận hành đồng bộ (gang-operated switch) và duy trì một tải thuần trở nhỏ trên phía thứ cấp trong suốt giai đoạn hiệu chỉnh, các sự cố hỏng hóc của bộ chống sét sẽ chấm dứt.

Nếu bạn đang chỉ định các thiết bị lắp trên bệ (pad mounted units) cho hệ thống cấp điện bằng cáp, vui lòng gửi cho chúng tôi sơ đồ một dây (one-line diagram) và bảng kê cáp (cable schedule) trước khi đặt hàng. Chúng tôi sẽ rà soát bố trí đóng cắt, thông số bộ chống sét (arrester specification) và mạch dập dao động thứ cấp (secondary damping) dựa trên mạch thực tế của bạn, từ đó xác định xem bạn đang gặp phải một trong bốn điều kiện nào — và điều kiện nào đã được bạn loại trừ ngay từ khâu thiết kế. Đó là cuộc trao đổi mà nhà sản xuất máy biến áp kiểu đặt trên nền cần có với bạn trước khi đặt hàng, chứ không phải sau khi bộ chống sét đầu tiên bị hỏng.

Về tác giả

Bài viết này do đội kỹ sư biến áp của Ryan Electric biên soạn. Ryan Electric (Công ty TNHH Điện Ryan Giang Tô) thiết kế và sản xuất các loại biến áp khô kiểu đổ nhựa (cast resin), biến áp khô kiểu tẩm chân không – cách điện bằng sơn (VPI), biến áp ngâm dầu (oil-immersed transformers) và thiết bị lắp trên bệ (pad mounted units) tại cơ sở sản xuất rộng 120.000 m² của mình, phục vụ các dự án trung tâm dữ liệu (data center), công nghiệp, lưới điện (utility) và cơ sở hạ tầng trên khắp Bắc Mỹ, Đông Nam Á, Trung Đông và châu Phi.