Bảo vệ máy biến áp ngâm dầu: Rơ-le Buchholz, thông số bảo vệ quá dòng và bảo vệ so lệch mà người mua cần biết

Một quản lý mua hàng của nhà thầu khai khoáng tại Chi-lê gọi cho chúng tôi vào tháng Bảy với một câu hỏi mà chúng tôi nghe thấy thường xuyên hơn mức người mua dự kiến: nếu ông ấy đặt hàng một máy biến áp 15 MVA máy biến áp ngập dầu từ nhà máy của chúng tôi, thì thiết bị bảo vệ đã được bao gồm sẵn hay ông ấy phải tự tìm nguồn cung cấp riêng? Câu trả lời ngắn gọn là cả hai. Các thiết bị lắp trên bể chứa được giao kèm theo máy, nhưng các thông số cài đặt rơ-le, tỷ số biến dòng (CT) và logic ngắt mạch được xác định chung với kỹ sư bảo vệ của người mua — và phần lớn sự cố tại hiện trường mà chúng tôi được yêu cầu xử lý đều bắt nguồn từ công đoạn bàn giao này chứ không phải do bản thân máy biến áp.

Bảo vệ tồn tại vì một lý do duy nhất: sự cố nội bộ sinh ra năng lượng mà bình chứa không được thiết kế để chịu đựng mãi mãi. Với trở kháng điển hình là 7%, sự cố nối tắt tại các đầu cực có thể làm dòng điện tăng lên hơn mười bốn lần giá trị định mức ghi trên nhãn. Một sự cố ngắn mạch giữa các vòng dây bên trong bình chứa sẽ truyền toàn bộ năng lượng đó vào dầu trong vài mili giây. Nhiệm vụ của hệ thống bảo vệ là phát hiện sự kiện này sớm — bằng phương pháp điện, thủy lực hoặc nhiệt — và ngắt kết nối thiết bị trước khi bình chứa vỡ hoặc dầu bắt cháy.

 

Các thiết bị bảo vệ thực tế được cung cấp kèm máy biến áp ngâm dầu

Bảo vệ máy biến áp trên thân ren máy biến áp ngập dầu được chia thành hai nhóm. Thứ nhất, các thiết bị được lắp trực tiếp trên bình chứa: rơ-le khí Buchholz trên ống nối giữa bình chứa chính và bình chứa phụ, thiết bị giải áp trên nắp bình chứa, bộ chỉ thị nhiệt độ dầu và nhiệt độ dây quấn kèm tiếp điểm cảnh báo, cũng như đồng hồ đo mức dầu. Thứ hai, các rơ-le bảo vệ bên ngoài được đặt trong tủ điều khiển hoặc bảng điều khiển trạm biến áp: các chức năng quá dòng, so lệch và chạm đất, nhằm cắt cầu dao ở phía sơ cấp.

Sự phân chia này rất quan trọng đối với người mua. Các thiết bị lắp trên bình chứa thuộc phạm vi cung cấp của máy biến áp — nhà máy sẽ thực hiện lắp đặt, đấu dây và kiểm tra chúng. Sơ đồ rơ-le bảo vệ bên ngoài thường được xác định trong triết lý bảo vệ của dự án, và thông số cài đặt của nó do đơn vị vận hành lưới điện hoặc kỹ sư bảo vệ của nhà thầu EPC chịu trách nhiệm. Khoảng cách phổ biến nhất mà chúng tôi gặp phải là: người mua giả định phạm vi cung cấp của nhà máy bao gồm cả việc phối hợp cài đặt rơ-le, trong khi kỹ sư bảo vệ lại cho rằng máy biến áp được giao kèm tủ bảo vệ đã được đấu dây đầy đủ. Cả hai bên đều sai lầm, dẫn đến việc hiệu chỉnh vận hành bị đình trệ.

 

Rơ-le Buchholz: Thiết bị duy nhất nhìn vào bên trong bình chứa

Các Rơ-le Buchholz được lắp đặt trên ống nối giữa bình chứa chính và bình giãn nở, luôn ngập đầy dầu trong điều kiện vận hành bình thường. Thiết bị này phát hiện hai dạng sự cố khác nhau. Các sự cố diễn ra chậm — như lão hóa cách điện, mối nối lỏng lẻo hoặc phóng điện cục bộ nhỏ — sinh ra khí, khí này nổi lên và tích tụ trong buồng rơ-le. Khi thể tích khí đạt ngưỡng cấp một, một phao sẽ hạ xuống và đóng tiếp điểm báo động. Các sự cố nghiêm trọng — ví dụ như ngắn mạch pha–pha giữa các cuộn dây — gây ra xung dầu mạnh đi qua ống. Xung này làm nghiêng tấm chắn và đóng tiếp điểm cắt mạch gần như tức thời, nhanh hơn nhiều so với bất kỳ phép đo điện nào ở phía hạ lưu.

Trong phòng thử nghiệm của chúng tôi, mỗi Rơ-le Buchholz được kiểm tra trên bàn thử nghiệm trước khi lắp đặt. Chúng tôi bơm khí qua cổng nhập dầu để xác minh phao cảnh báo hoạt động ở thể tích khí quy định, sau đó thực hiện kiểm tra xung để xác nhận tiếp điểm ngắt đóng lại và dây nối đạt tới tủ phân phối. Ảnh chụp dây nối tiếp điểm được lưu vào hồ sơ FAT, bởi vì tại một địa điểm xa xôi, việc nối sai tiếp điểm cảnh báo có thể khiến kỹ thuật viên mất cả ngày để truy tìm sự cố. Điều này nghe có vẻ nhỏ nhặt. Nhưng chính những chi tiết nhỏ như thế lại quyết định liệu sự cố đầu tiên sẽ chỉ kích hoạt cảnh báo hay gây ra một lần ngắt không cần thiết.

Chi tiết lắp đặt là nơi các rơ-le khí khẳng định danh tiếng của mình. Rơ-le phải được lắp đặt ở vị trí cân bằng, với mũi tên trên thân rơ-le hướng về phía bình chứa dầu — vì trong điều kiện vận hành bình thường, dầu chảy theo hướng đó và khí cũng di chuyển trên cùng tuyến đường này. Trước đây, chúng tôi từng tới một hiện trường nơi rơ-le được lắp đặt kèm các gioăng mặt bích tạo thành một túi khí dễ thấy; hệ thống cảnh báo đã hoạt động trong vòng một tuần do tích tụ khí — loại khí này hoàn toàn không phát sinh từ sự cố nào. Điểm lấy mẫu dầu và van kiểm tra của rơ-le là hai bộ phận cần xác định vị trí trước khi đóng kín thiết bị vào tủ, bởi cả hai đều sẽ được sử dụng trong năm đầu tiên vận hành.

 

Bảo vệ quá dòng và bảo vệ so lệch: Ý nghĩa của các mã số thiết bị

Bảo vệ rơ-le bên ngoài sử dụng hệ thống mã số thiết bị theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE, và ba mã số bạn sẽ gặp trên hầu hết mọi đơn hàng cấp phân phối là 50, 51 và 87T. 50là bảo vệ quá dòng tức thời: thiết bị cắt nhanh khi dòng sự cố vượt xa dòng tải. 51là bảo vệ quá dòng có độ trễ thời gian: nó phối hợp với các thiết bị phía hạ lưu để sự cố trên đường dây nhánh được cách ly tại chính đường dây đó, chứ không tại máy biến áp. 87T là bảo vệ so lệch máy biến áp: nó so sánh dòng điện đi vào cuộn sơ cấp với dòng điện rời khỏi cuộn thứ cấp, được đo qua các biến dòng (CT) lắp ở cả hai phía, và tác động cắt khi hai giá trị này không còn khớp nhau — đây là phương pháp nhanh nhất và đáng tin cậy nhất để phát hiện sự cố trong cuộn dây bên trong thùng máy.

Các Hướng dẫn của IEEE về bảo vệ máy biến áp lực (IEEE C37.91-2021) nêu phạm vi áp dụng là các máy biến áp ba pha có công suất định mức trên 5 MVA và điện áp vận hành trên 10 kV, đồng thời khuyến nghị áp dụng đầy đủ sơ đồ bảo vệ — bao gồm cả bảo vệ so lệch — đối với các máy biến áp đạt mức này. Đối với các máy có thông số thấp hơn, việc sử dụng cầu chì hoặc rơ-le quá dòng được phối hợp là thực tiễn phổ biến; vì vậy một máy biến áp phân phối nhỏ thường không được trang bị bảo vệ so lệch, trong khi một máy biến áp lực 15 MVA thì bắt buộc phải có. Nếu kỹ sư bảo vệ của bạn chưa yêu cầu bảo vệ so lệch cho một máy biến áp có dung lượng vượt ngưỡng nêu trên, hãy hỏi rõ lý do. Tài liệu hướng dẫn này là tài liệu tham khảo công khai và rất đáng đọc trước khi bạn lập yêu cầu báo giá (RFQ) tiếp theo.

Triết lý thiết lập là một chủ đề riêng biệt, nhưng có một thông số nhất định mà mọi khách hàng đều cần nắm rõ: dòng điện đóng mạch ban đầu của máy biến áp. Khi một máy biến áp ngập dầu máy biến áp được cấp điện, dòng điện từ hóa có thể đạt mức từ tám đến mười hai lần dòng định mức trong vài chu kỳ đầu tiên trước khi suy giảm. Một phần tử quá dòng tức thời được đặt ở ngưỡng thấp hơn giá trị này sẽ khiến thiết bị nhảy mỗi khi đóng mạch bình thường. Đó là lý do vì sao các phần tử loại 50 được đặt ở ngưỡng cao hơn dòng đóng mạch ban đầu hoặc tạm thời bị khóa trong thời gian đóng mạch, vì sao các phần tử loại 51 được phối hợp với hệ thống bảo vệ đường dây cấp điện phía hạ lưu, và vì sao rơ-le so lệch sử dụng biện pháp kìm hãm hài — chúng bỏ qua dòng đóng mạch ban đầu nhưng vẫn phát hiện được sự cố nội bộ thực sự. Nhà cung cấp không lựa chọn các thông số này; kỹ sư bảo vệ của bạn mới là người thực hiện việc đó. Điều nhà máy sản xuất máy biến áp bắt buộc phải cung cấp là dữ liệu thử nghiệm — trở kháng, đường cong bão hòa, tổn thất không tải — để việc nghiên cứu phối hợp bảo vệ có thể thực hiện được.

 

Giải pháp còn lại: van xả áp lực, cảm biến nhiệt độ và cảm biến mức dầu

Ba thiết bị lắp trên bình chứa cần được nêu rõ trong thông số kỹ thuật của bạn. Thiết bị xả áp suất sẽ xả khí khỏi bình nếu áp suất bên trong tăng nhanh hơn khả năng phản ứng của rơ-le khí — hãy coi đây là van an toàn cơ học của hệ thống. Đồng hồ chỉ nhiệt độ dầu và đồng hồ chỉ nhiệt độ dây quấn đều tích hợp tiếp điểm cảnh báo và tiếp điểm ngắt, thường được cài đặt dựa trên nhiệt độ dầu trên cùng tương ứng với mức tăng nhiệt trung bình của dây quấn là 65 K theo thiết kế. Ngoài ra, đồng hồ đo mức dầu có chức năng cảnh báo mức dầu thấp giúp phát hiện các rò rỉ chậm mà rơ-le khí không thể nhận biết được, bởi vì tình trạng bình chứa dầu (conservator) cạn kiệt hoàn toàn thường là vấn đề bảo trì trước khi trở thành sự kiện yêu cầu bảo vệ.

Một điểm yêu cầu báo giá (RFQ) ở đây: yêu cầu danh sách liên hệ. Chỉ rõ số lượng tiếp điểm báo động và tiếp điểm ngắt dự phòng mà mỗi thiết bị phải có, liệu các tiếp điểm này có được định mức cho điện áp điều khiển một chiều (DC) của bảng điều khiển của bạn (các mức phổ biến là 24 V DC, 48 V DC, 110 V DC hoặc 220 V DC) hay không, và liệu tủ đấu nối có bao gồm khối đầu nối, bộ gia nhiệt và tấm đệm cáp hay không. Việc lắp thêm tiếp điểm sau khi giao hàng sẽ tốn kém hơn nhiều so với chi phí ban đầu. Việc nêu rõ yêu cầu này chỉ mất một dòng trong RFQ.

 

Các bài kiểm tra tại nhà máy nhằm chứng minh chức năng bảo vệ hoạt động hiệu quả

Chức năng bảo vệ chỉ tốt bằng chất lượng dây dẫn phía sau nó, vì vậy chúng tôi thực hiện hai lần kiểm tra. Trước tiên là các bài kiểm tra điện định kỳ theo IEEE C57.12.00 : tỷ số, cực tính, điện trở cuộn dây, tổn hao không tải và có tải, trở kháng, và kiểm tra điện môi. Sau đó là các kiểm tra chức năng bảo vệ — những kiểm tra không bao giờ xuất hiện trong danh mục kiểm tra định kỳ tiêu chuẩn: xác minh cực tính và tỷ số biến dòng (CT), kiểm tra thông mạch từ mọi tiếp điểm báo động đến các đầu nối trên tủ đấu nối, và kiểm tra tiêm dòng sơ cấp, trong đó chúng tôi đưa dòng điện qua các biến dòng để chứng minh rơ-le nhận đúng độ lớn và chiều của dòng điện.

 

 

Năm ngoái, một thanh tra viên bên thứ ba của khách hàng yêu cầu chứng kiến thử nghiệm tiêm sơ cấp trên một bộ máy 20 MVA destined cho Đông Nam Á. Bài kiểm tra đã phát hiện một biến dòng (CT) thứ cấp được nối dây với cực tính đảo ngược bên trong hộp đấu nối. Việc phát hiện tại nhà máy chỉ mất hai giờ để khắc phục. Nếu phát hiện tại hiện trường, điều này sẽ dẫn đến sự cố vận hành sai lệch bảo vệ vi sai ngay khi đóng điện lần đầu — và kéo theo cuộc trao đổi về khiếu nại mà không ai muốn có. Đó là lý do vì sao phần bảo vệ trong bài kiểm tra nghiệm thu tại nhà máy (FAT) xứng đáng nhận được sự chú ý tương đương với các con số tổn thất trong báo cáo thử nghiệm.

Các rơ-le số hiện nay thực hiện công việc từng đòi hỏi một dãy các thiết bị điện cơ, và nhiều dự án thu thập dữ liệu từ rơ-le qua Modbus hoặc IEC 61850 thay vì chỉ dùng tiếp điểm khô. Dù bạn chọn giao thức nào, câu hỏi tại nhà máy vẫn không thay đổi: vòng bảo vệ đã được kiểm tra toàn bộ từ đầu cực của biến dòng (CT) đến cuộn cắt của máy cắt chưa? Một rơ-le có thể được cấu hình hoàn hảo nhưng vẫn thất bại trong việc cắt nếu mạch thứ cấp của CT bị hở hoặc dây cắt được nối sai vào đầu cực — đó là lý do vì sao việc kiểm tra toàn bộ tại FAT rẻ hơn tới một bậc độ lớn so với cùng kiểm tra đó tại hiện trường.

 

Sáu câu hỏi cần đưa vào Yêu cầu báo giá (RFQ)

1. Các thiết bị bảo vệ nào được lắp đặt và đi dây sẵn tại nhà máy, và thiết bị nào được gửi rời?
2. Rơ-le Buchholz: thương hiệu và mã mẫu; hai cấp cảnh báo và cắt có được kiểm tra trên bàn thử nghiệm không, kèm ảnh chụp trong hồ sơ FAT?
3. Biến dòng (CT): tỷ số, cấp chính xác (ví dụ cấp bảo vệ như 5P20), và sơ đồ cực tính có được đưa vào bản vẽ không?
4. Các thiết bị đo nhiệt độ, mức dầu và áp suất có trang bị tiếp điểm dự phòng để kết nối SCADA trong tương lai không?
5. Báo cáo thử nghiệm tại nhà máy có bao gồm kiểm tra tiêm dòng sơ cấp CT và kiểm tra tính liên tục của tiếp điểm, hay chỉ bao gồm các thử nghiệm điện thông thường?
6. Tài liệu bảo vệ nào được gửi kèm thiết bị — sơ đồ đấu dây, hướng dẫn sử dụng rơ-le, chứng chỉ thử nghiệm?

Đây là lý do vì sao điều này quan trọng trong thực tế. Một khách hàng mua thiết bị cho lưới điện mà chúng tôi hợp tác tại Trung Đông chuẩn hóa mọi đơn hàng trạm biến áp dựa trên một nền tảng rơ-le duy nhất và một bộ đặc tả tiếp điểm duy nhất. Về phía chúng tôi, việc chuẩn hóa này đồng nghĩa với việc sử dụng cùng một lịch trình đấu dây, cùng một quy trình thử nghiệm và cùng một danh sách phụ tùng thay thế cho mọi thiết bị, nhờ đó rút ngắn thời gian thử nghiệm tại nhà máy (FAT) và giúp việc bàn giao cho đội ngũ vận hành của khách hàng trở nên dễ dự báo.

Ryan Electric da san xuat cac may bien ap phan phoi va may bien ap cung cap tu nam 2007 tai mot co so rong 120.000 m², va su hop tac voi Eaton bat dau tu nam 2023 giup viec nguon cung cap linh kien va ky luat kiem tra truoc khi giao hang (FAT) cua chung toi phu hop voi nhung yeu cau ma cac cong ty dien luc toan cau dat ra. Ba muoi bay bang sang che va cac chung nhan UL, CSA, IEEE, DEKRA va CNAS ho tro cac quy trinh tren — tuy nhien khong co gi trong so do thay the duoc cac thiet lap cua ky su bao ve cua ban, va tat ca deu giup cong viec cua ong ay de dang hon.

Neu ban dang chi dinh mot máy biến áp ngập dầu cho du an dien luc, khai khoang hoac cong nghiep, hay gui cho chung toi du lieu tai trong, dien ap he thong va quan diem bao ve cua ban cung voi yeu cau. Cac ky su cua chung toi se xac nhan pham vi bao ve, chuong trinh kiem tra va goi tai lieu truoc khi ban cam ket dat hang. Hay su dung trang lien he cua chung toi hoac yeu cau bao gia truc tiep, va chung toi se phan hoi bang cac cau tra loi, khong phai bang mot cuon brochure.

Về tác giả : Tài liệu hướng dẫn này được viết bởi đội ngũ kỹ thuật và xuất khẩu của Ryan Electric, một nhà sản xuất máy biến áp có trụ sở tại Trung Quốc, thành lập năm 2007. Đội ngũ này hỗ trợ các khách hàng là công ty cung cấp điện, nhà thầu EPC và khách hàng công nghiệp tại Bắc Mỹ, Đông Nam Á, Trung Đông và châu Phi thông qua kỹ thuật ứng dụng, hỗ trợ chứng nhận và tài liệu kiểm tra tại nhà máy.