Bảo vệ cầu chì và động vật hoang dã cho máy biến áp đặt trên bệ: Danh sách kiểm tra dành cho công ty điện lực nhằm giảm sự cố

Một đội kỹ thuật tại vùng trung tâm Oklahoma đã mở một thiết bị kiểu đặt trên mặt đất vào tháng Mười Một năm ngoái, thiết bị này đã ngắt nguồn cấp điện hai lần trong vòng một tuần. Máy biến áp vẫn hoạt động tốt. Một con sóc đã chạm đồng thời vào hai đầu cực cao áp, gây phóng điện và để lại vết carbon; vết này lại gây phóng điện lặp lại mỗi khi hệ thống đóng lại tự động. Hai lần ngắt, một con vật, không có sự cố nào ở cuộn dây, nhưng báo cáo độ tin cậy vẫn quy kết thiết bị là nguyên nhân sự cố.

Chúng tôi sản xuất những thiết bị này, nên hãy xem xét nhận định trên một cách hoài nghi. Tuy nhiên, xu hướng này rất khó bác bỏ: phần lớn các trường hợp gọi kỹ thuật liên quan đến thiết bị kiểu đặt trên mặt đất mà chúng tôi được hỏi đều không bắt nguồn từ bên trong thùng máy. Nguyên nhân thường nằm ở ranh giới — cụ thể là ở cầu chì bảo vệ máy biến áp và ở buồng được thiết kế nhằm ngăn động vật hoang dã xâm nhập.

 

 

 

Hai chế độ hỏng chiếm đa số các trường hợp gọi kỹ thuật đối với thiết bị kiểu đặt trên mặt đất

Việc chọn cầu chì cho máy biến áp lắp đặt trên nền bê tông (pad-mounted transformer) là thiết bị đầu tiên. Cầu chì sơ cấp là thiết bị duy nhất nằm giữa một sự cố thứ cấp và máy biến áp – thứ mà khi bị hỏng sẽ phải thay thế với thời gian chờ kéo dài hàng tháng trời. Nếu chọn cầu chì quá nhỏ, nó sẽ mở ra mỗi lần tải lạnh khởi động lại, tức là mỗi khi đường dây phân phối đóng lại sau một cơn bão. Nếu chọn cầu chì quá lớn, đặc tính bảo vệ của nó sẽ nằm phía trên đường cong sự cố đi qua, nghĩa là máy biến áp sẽ phải chịu đựng các sự cố mà lẽ ra cầu chì phải cắt bỏ.

Thứ hai là động vật hoang dã. Các hốc cách điện, tấm chắn và khe hở giữa mái tủ và buồng cáp đều là những điểm xâm nhập. Một con gấu mèo có thể chui lọt qua khe hở 75 mm mà không hề chậm lại. Một con rắn thì thậm chí chẳng cần khe hở nào cả, miễn là tủ có rãnh cáp chìm dưới mặt đất.

Cả hai dạng hư hỏng này đều không xuất hiện trong kiểm tra thiết kế điện định kỳ, bởi vì chúng tồn tại ở khoảng trống giữa thông số kỹ thuật của máy biến áp và các thông số bảo vệ do công ty điện lực thiết lập. Là một nhà sản xuất máy biến áp kiểu đặt trên nền , những câu hỏi gửi đến chúng tôi trong hai tuần cuối trước khi giao hàng gần như luôn xoay quanh hai vấn đề này.

 

Đọc đường cong sự cố đi qua trước khi đọc bảng cầu chì

Mọi quyết định về kích thước cầu chì đều bắt đầu từ một đường cong, chứ không phải từ một bảng. Tiêu chuẩn IEEE C57.109 quy định thời gian tối đa mà một máy biến áp ngâm dầu có thể chịu đựng một bội số nhất định của dòng điện định mức trước khi xảy ra hư hại tích lũy; phạm vi và trạng thái được nêu rõ tại Trang IEEE C57.109-2018 . Tài liệu hướng dẫn trình bày các đường cong phối hợp cho bốn nhóm máy biến áp, và các đường cong này tính đến cả tải nhiệt lẫn ứng suất cơ học do sự cố gây ra trên dây quấn.

Dưới đây là con số minh họa cụ thể. Xét một máy biến áp 1.000 kVA với sơ cấp đấu tam giác 12,47 kV, thứ cấp 480 V và điện trở ngắn mạch 5,75%. Dòng điện định mức sơ cấp là 46 A. Dòng điện định mức thứ cấp là 1.203 A, và một sự cố ngắn mạch trực tiếp tại đầu cực thứ cấp sẽ tạo ra dòng khoảng 20,9 kA trước khi tính đến trở kháng của cáp. Cầu chì phải cắt sự cố này trước khi dòng điện sơ cấp đi qua máy biến áp vượt quá đường cong C57.109, đồng thời cũng phải chịu được dòng kích từ xung lúc đóng điện lần tiếp theo.

Hai yêu cầu đó kéo theo hai hướng trái ngược nhau. Sự căng thẳng này chính là toàn bộ công việc, và cũng là lý do vì sao việc sao chép lịch trình cầu chì từ một dự án trước đó lại trở thành rủi ro thay vì giải pháp tiết kiệm thời gian.

 

Ba con số đằng sau việc lựa chọn cầu chì kiểu bayonet

Hầu hết các thiết bị lắp trên mặt đất ở Bắc Mỹ sử dụng cầu chì kiểu bayonet chuẩn NEMA Loại B trong khoang điện áp cao, và các giá trị định mức mà hầu hết các công ty điện lực dự trữ dao động từ 8 A đến 200 A. Ba con số quyết định việc lựa chọn giá trị nào.

Dòng điện tải đầy đủ. Tính từ công suất biểu kiến (kVA) ghi trên nhãn và điện áp sơ cấp, chứ không tính từ bản vẽ của thiết bị được thay thế. Dòng 46 A nêu trên là giá trị điển hình cho thiết bị 1.000 kVA trên hệ thống 12,47 kV.

Dòng khởi động tải lạnh. Sau một sự cố mất điện, mọi bộ điều khiển nhiệt độ, máy nén và bộ biến tần đều khởi động đồng thời. Dòng xung kích kết hợp với dòng tải lạnh có thể đạt gấp nhiều lần dòng định mức (FLA) trong vài phần mười giây, vì vậy một cầu chì được đặt ở mức 1,2 lần FLA sẽ dễ gây nhảy không mong muốn vào những buổi sáng lạnh.

Phối hợp với thiết bị phía nguồn. Đường cong nhanh của bộ đóng cắt tự động phải hoạt động trước cầu chì đối với các sự cố tạm thời, và cầu chì phải hoạt động trước đường cong chậm của bộ đóng cắt tự động đối với các sự cố vĩnh viễn. Khi hai đường cong này giao nhau tại một điểm trên đồ thị quan hệ thời gian-dòng điện, đơn vị vận hành sẽ gặp kết quả xấu nhất có thể: cầu chì bị đứt trong khi sự cố hoàn toàn có thể được xử lý bởi bộ đóng cắt tự động.

Trên thực tế, hầu hết tiêu chuẩn của các đơn vị vận hành đều quy định dòng định mức cầu chì kiểu đầu nối (bayonet fuse) nằm trong khoảng từ 1,5 đến 2,5 lần dòng tải định mức sơ cấp (FLA), sau đó kiểm tra kết quả thu được so với đường cong chịu sự cố đi qua (through-fault curve). Khoảng giá trị này chỉ là điểm khởi đầu. Một thiết bị cấp điện cho tải động cơ công suất lớn và một thiết bị cấp điện cho trung tâm thương mại (strip center) không thể áp dụng cùng một giải pháp, và việc chọn cầu chì cho máy biến áp lắp đặt trên nền bê tông (pad-mounted transformer) lịch bảo vệ nên nêu rõ giả định nào đã được sử dụng.

Một chi tiết nhỏ khác không tốn chi phí: yêu cầu cung cấp đường cong đặc tính cầu chì trên cùng một bản vẽ với đường cong hư hỏng của máy biến áp. Khi hai đường cong này được in chung trên cùng một trang, tình trạng mất phối hợp sẽ được phát hiện ngay trong năm giây. Còn khi chúng nằm ở hai tài liệu riêng biệt, tình trạng đó chỉ có thể được phát hiện vào năm thứ ba.

 

Bảo vệ động vật hoang dã là mục được nêu rõ trong đặc tả kỹ thuật, chứ không phải phụ kiện

Bảo vệ động vật hoang dã cho máy biến áp thường được xử lý như một mục riêng lẻ mà công ty điện lực bổ sung sau khi máy biến áp đã được đặt lên bệ. Tuy nhiên, mục này cần được đưa vào đặc tả kỹ thuật ngay từ đầu, bởi vì giải pháp hiệu quả nhất và tiết kiệm chi phí nhất là tích hợp ngay tại nhà máy.

IEEE 1656 quy định cách thức kiểm tra thiết bị bảo vệ động vật hoang dã về hiệu năng điện, cơ học và độ bền trên các hệ thống phân phối có cấp điện áp đến 38 kV, và Tài liệu IEEE 1656-2010 là tài liệu tham khảo được trích dẫn khi nhà cung cấp khẳng định rằng vỏ bọc sẽ chịu được điều kiện ngoài trời trong suốt một thập kỷ. Quy trình thử nghiệm mới trả lời được câu hỏi đó. Một bảng thông số kỹ thuật thì không.

Các biện pháp thực sự làm giảm số lần mất điện:

Giếng và vỏ bọc cách điện cho cổng đấu dây. Đối với các thiết bị 15 kV và 25 kV, sử dụng vỏ bọc giữ chặt vị trí ngay cả khi kéo cáp, chứ không dùng loại trượt vào dễ bị gió cuốn đi ngay trong trận bão đầu tiên.

Tấm ngăn giữa các khoang. Chiều cao đầy đủ, được lắp đặt trước khi nắp bể được đóng lại. Một loài động vật leo trèo lọt vào bên trong cũng không thể chạm tới bộ phận có điện.

Các lỗ thông gió được bảo vệ bằng lưới chắn. Lưới inox được lắp ở mọi thanh chớp và ở phần đáy, kích thước lỗ lưới được thiết kế sao cho không cho phép que thăm dò đường kính 12 mm xuyên qua, thay vì sử dụng loại lưới sẵn có tại xưởng gia công.

Giao diện rãnh đi cáp được bịt kín. Việc lắp một tấm chắn có thể tháo rời tại vị trí đầu vào rãnh là yếu tố phân biệt giữa một buồng bao che và một ‘đường cao tốc’ dành riêng cho rắn.

Không một biện pháp nào trong số này làm tăng chi phí đáng kể ở giai đoạn thiết kế. Tuy nhiên, việc bổ sung sau đó (retrofit) sẽ đòi hỏi một đội thi công, một lệnh chuyển đổi hệ thống và một đợt ngừng hoạt động.

 

Những Thay Đổi Tại Nhà Máy

Ryan Electric đã sản xuất máy biến áp phân phối từ năm 2007 trên khu đất rộng 120.000 m², trang bị 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 chứng nhận mà các công ty điện lực Bắc Mỹ thường yêu cầu đầu tiên. Các thiết bị đều được liệt kê theo tiêu chuẩn UL, có thể sản xuất đáp ứng yêu cầu CSA C22.2 cho các dự án tại Canada và đi kèm dữ liệu kiểm tra định kỳ theo IEEE C57.12.90 trong gói nghiệm thu nhà máy.

Đối với đơn hàng máy biến áp đặt trên bệ bê tông (pad-mount), chúng tôi tích hợp sẵn gói chống động vật hoang dã vào thiết kế cơ bản thay vì báo giá như một tùy chọn: bu-lông và đai ốc làm từ thép không gỉ 316 trên tủ điều khiển, cổng cách điện phủ lớp epoxy, tấm chắn lắp đặt trước khi đóng thùng và cửa thông gió có lưới bảo vệ đã được kiểm tra độ kín với que thử đường kính 12 mm. Là một nhà sản xuất máy biến áp kiểu đặt trên nền đơn vị tuân thủ các yêu cầu của UL và CSA, chúng tôi thà tranh luận về chi tiết lưới bảo vệ ở giai đoạn bản vẽ còn hơn phải giải thích việc rắn xâm nhập trong quá trình vận hành.

Việc bảo vệ bằng cầu chì là nơi một nhà sản xuất máy biến áp kiểu đặt trên nền nên đặt nhiều câu hỏi nhất. Chúng tôi muốn nghiên cứu bảo vệ của công ty cung cấp điện, hoặc ít nhất là các đường cong bộ ngắt mạch tự động (recloser) và dòng ngắn mạch khả dụng tại trạm biến áp ngoài trời (pad). Một đơn hàng đã rời nhà máy chúng tôi với bộ ngắt mạch kiểu đâm (bayonet) 200 A lắp trên thiết bị 500 kVA vì biểu đồ cầu chì được lấy từ một dự án lớn hơn; sự sai lệch này chỉ được phát hiện trong giai đoạn hiệu chỉnh vận hành (commissioning), và việc chậm trễ hai tuần đã tốn kém hơn cả chi phí vận chuyển biến áp.

 

Danh sách kiểm tra ngắn trước khi bạn phê duyệt bản vẽ

Sáu mục kiểm tra, và hầu hết các vấn đề về bảo vệ trạm biến áp ngoài trời sẽ được giải quyết trước khi thiết bị rời nhà máy.

1. Dòng điện tải định mức sơ cấp được tính từ công suất biểu kiến (kVA) ghi trên nhãn và điện áp hệ thống danh định.

2. Kích thước cầu chì nằm trong khoảng từ 1,5 đến 2,5 lần dòng điện tải định mức (FLA), sau đó được kiểm tra đối chiếu với đường cong IEEE C57.109 ở giá trị dòng ngắn mạch khả dụng.

3. Hồ sơ tăng tải đột ngột khi khởi động lạnh (cold-load pickup) được xác nhận với dữ liệu nghiên cứu phụ tải của công ty cung cấp điện, đặc biệt trên các tuyến dây có tải sưởi điện hoặc tải tưới tiêu.

4. Các đường cong nhanh và chậm của bộ ngắt mạch tự động (recloser) được vẽ trên cùng một biểu đồ thời gian–dòng điện (time-current sheet) với đường cong cầu chì.

5. Gói bảo vệ động vật hoang dã được xác định theo tiêu chuẩn thử nghiệm, không phải theo mô tả. Hãy yêu cầu trình tự thử nghiệm IEEE 1656 hoặc một trình tự tương đương.

6. Chi tiết về rào chắn và tấm chắn được thể hiện trên bản vẽ phê duyệt, bao gồm cả giao diện với hào cáp.

 

 

 

Chi phí của việc làm sai

Một cầu chì không phối hợp đúng cách sẽ không hỏng nghiêm trọng. Nó chỉ mở ra, nhân viên thay thế nó, và nhật ký ghi nhận một sự cố tạm thời. Thực hiện điều này ba lần trên cùng một đường dây cấp điện trong một mùa và công ty cung cấp điện đã chi nhiều hơn cho nhân công và thao tác chuyển mạch so với chi phí của một nghiên cứu phối hợp. Điều bảo vệ động vật hoang dã cho máy biến áp tuân theo cùng một phép tính: một tấm chắn có giá vài chục đô la, trong khi một con rắn bò ngang qua các đầu cực thứ cấp gây mất dịch vụ trong một tuần cộng thêm việc phải thay thế thiết bị bằng một đơn vị mới lấy từ một ca sản xuất đã được cam kết.

Đó là lý do để giải quyết cả hai chi tiết này ngay từ giai đoạn bản vẽ. Một nhà sản xuất máy biến áp kiểu đặt trên nền có thể thay đổi bảng rào chắn trước khi buồng dầu được đóng lại với chi phí gần như bằng không. Sau khi thiết bị đã được đặt lên bệ, cùng một thay đổi đó trở thành một sửa đổi tại hiện trường kèm theo việc phải cắt điện.

Nếu bạn đang chỉ định các đơn vị phân phối đặt trên bệ cho cửa sổ giao hàng năm 2027, các chi tiết bảo vệ và bảo vệ động vật hoang dã cần được hoàn tất ngay bây giờ. Thời gian chờ đợi tại nhà máy đủ dài để một thay đổi bản vẽ sau khi phát hành sẽ tốn kém bằng với mức chi phí mà năm năm trước không phải chịu.

 

Bước tiếp theo

Gửi cho chúng tôi sơ đồ một dây, các đường cong recloser, và dòng sự cố sẵn có tại bệ. Nhóm kỹ thuật của chúng tôi sẽ trả lại lịch trình cầu chì và gói bảo vệ động vật hoang dã phù hợp với tiêu chuẩn của bạn, thường là trong vòng ba ngày làm việc.

Về tác giả

Bài viết này được chuẩn bị bởi nhóm kỹ thuật bán hàng tại Ryan Electric, một nhà sản xuất máy biến áp sản xuất các đơn vị đặt trên bệ, kiểu khô, và ngâm dầu cho các công ty tiện ích và nhà thầu EPC ở Bắc Mỹ, Trung Đông, Đông Nam Á và Châu Phi. Nhóm hỗ trợ các dự án từ đặc tả kỹ thuật đến kiểm tra nghiệm thu nhà máy. Các câu hỏi kỹ thuật về bài viết này có thể được gửi đến nhóm kỹ thuật bán hàng qua ryantransformers.com.