Vận hành song song các máy biến áp: Chia tải, khớp phần trăm trở kháng (%Z) và những sai lầm gây mất điện cho các công ty cung cấp điện

Cách đây hai mùa hè, một công ty cung cấp điện tại Texas đã lắp thêm một máy biến áp kiểu đặt trên mặt đất có công suất 1.000 kVA bên cạnh một máy hiện hữu nhằm đáp ứng nhu cầu tăng dần của đường dây phân phối dân dụng. Kế hoạch trông đơn giản: nối song song các cuộn thứ cấp vào một thanh cái chung và để cả hai máy cùng chia tải. Trên lý thuyết, hai nhãn hiệu kỹ thuật khớp nhau. Nhưng ngoài thực địa, lần thử nghiệm đóng đầu tiên đã gây ra tiếng ù lớn, làm đứt cầu chì phía điện áp thấp và khiến trạm biến áp ngừng hoạt động suốt cả buổi chiều. Nguyên nhân không phải do thiết bị hỏng — mà là sự chênh lệch trở kháng mà không ai kiểm tra trước khi cấp điện. Vận hành song song máy biến áp trông trực quan trên sơ đồ một dây, nhưng lại trừng phạt những chi tiết mà không ai xác minh.

Tại sao các công ty điện lực và nhà máy vận hành máy biến áp song song

Việc vận hành hai thiết bị trên một thanh cái không còn là trường hợp đặc biệt nữa. Tải tăng nhanh hơn tốc độ đặt hàng và giao hàng của một thiết bị đơn lẻ, nên chủ sở hữu triển khai công suất theo giai đoạn: lắp đặt một máy biến áp ngay lúc này, sau đó ghép song song thêm một máy khác khi đường dây cấp tải đã đầy. Các công ty điện lực ghép song song các thiết bị nhằm loại một thiết bị ra để bảo trì mà không làm gián đoạn cung cấp điện cho khách hàng. Các nhà máy công nghiệp ghép song song các thiết bị nhỏ vì hai máy biến áp nhỏ gọn có thể vừa với không gian trong tòa nhà, trong khi một máy lớn thì không. Trong mọi trường hợp, mục tiêu đều giống nhau — một thanh cái, hai nguồn cấp, tải được chia sẻ tự động.

Vấn đề ở chỗ: các thiết bị vận hành song song chỉ chia tải đúng như kỳ vọng nếu các đặc tính điện của chúng khớp nhau. Chỉ cần sai một điều kiện, cặp thiết bị sẽ không còn hoạt động như một tổ máy 2.000 kVA thống nhất mà bắt đầu vận hành như hai máy đang chống lại nhau. Các sự cố biểu hiện qua hiện tượng quá nhiệt, cầu chì hoạt động và rơ-le bảo vệ tác động — luôn xảy ra vào thời điểm bất lợi nhất, thường là sau khi cuộc trao đổi về chế độ bảo hành đã kết thúc.

 

Các điều kiện để vận hành song song máy biến áp một cách an toàn

Phải thỏa mãn năm điều kiện trước khi nối hai máy biến áp vào một thanh cái chung:

• Trình tự pha giống nhau và độ lệch pha giống nhau (nhóm vectơ). Một thiết bị Dyn11 sẽ không thể vận hành song song với thiết bị Dyn1 hoặc Yyn0 mà không phát sinh vấn đề góc pha.
• Tỷ số điện áp bằng nhau ở vị trí đầu phân áp đang sử dụng, sai lệch trong khoảng 0,5 phần trăm. Các vị trí phân áp khác định mức cũng được tính — cả hai thiết bị phải đặt ở cùng một bậc phân áp.
• Trở kháng phần trăm gần bằng nhau, sai lệch khoảng 10 phần trăm so với nhau. Giá trị %Z càng gần nhau thì việc chia tải giữa hai thiết bị càng công bằng.
• Khả năng chịu ngắn mạch và hệ thống bảo vệ tương thích. Thanh cái, cầu chì và át-tô-mát phải chịu được tổng dòng sự cố do cả hai thiết bị cung cấp.
• Tần số hệ thống giống nhau và có chung một chuẩn tham chiếu — hai thiết bị được thiết kế cho các lưới điện khác nhau thì không thể kết nối chung trên một thanh cái.

Những dòng này nghe như trong sách giáo khoa cho đến khi một dự án thực tế được đưa ra bàn bạc. Điều mà kỹ sư của chúng tôi so sánh trước bất kỳ đề xuất song song nào là các giá trị đo được từ báo cáo thử nghiệm định kỳ — chứ không phải những cam kết ghi trên nhãn. Giá trị %Z đo được và tỷ số đo được tại vị trí đầu nối thực tế mới là yếu tố quyết định liệu hai thiết bị có thể chia sẻ một thanh cái một cách an toàn hay không.

 

Chia tải và %Z: Khi toán học ‘cắn’

Quy tắc cốt lõi của vận hành song song máy biến áp đó là tải chia cho trở kháng, chứ không phải chia theo thiện chí. Với hai thiết bị có công suất định mức bằng nhau, công suất biểu kiến (kVA) mà mỗi thiết bị mang là tỷ lệ nghịch với %Z riêng của nó: thiết bị có trở kháng thấp hơn sẽ mang phần tải lớn hơn. Xét hai thiết bị 1.000 kVA, trên nhãn ghi giá trị trở kháng lần lượt là 5,5 phần trăm và 6,5 phần trăm. Khi tổng tải của cụm đạt 2.000 kVA, thiết bị có trở kháng 5,5 phần trăm sẽ mang khoảng 1.083 kVA — tức 108 phần trăm công suất định mức của nó — trong khi thiết bị có trở kháng 6,5 phần trăm chỉ mang 917 kVA. Thiết bị có trở kháng thấp hơn đạt 100 phần trăm tải khi tổng tải của cụm mới chỉ vào khoảng 1.846 kVA, tức khoảng 92 phần trăm công suất mà chủ sở hữu đã thanh toán.

Cụm: hai thiết bị 1.000 kVA	%Z không khớp (5,5% / 6,5%)	%Z khớp (5,5% / 5,5%)
Phân bổ tải tại tổng tải 2.000 kVA	1.083 kVA / 917 kVA (108% / 92%)	1.000 kVA / 1.000 kVA (100% / 100%)
Công suất tối đa có thể sử dụng của cụm trước khi một thiết bị đạt 100% tải	~1.846 kVA (92%)	2.000 kVA (100%)
Rủi ro khi tải toàn bộ ngân hàng	Đơn vị %Z thấp hơn quá nóng, lão hóa nhanh, ngắt mạch	Không có gì từ trở kháng

Đó là lý do vì sao hai đơn vị "giống hệt nhau" có giá trị trở kháng ghi trên nhãn cách nhau trọn một điểm sẽ làm giảm công suất định mức của ngân hàng ngay cả trước khi cấp điện. Giải pháp không phải là dùng cầu chì lớn hơn. Thay vào đó, cần đảm bảo độ trùng khớp của %Z trong đặc tả — yêu cầu cả hai nhà máy cung cấp giá trị đo được tại đầu nối chính — hoặc chấp nhận công suất định mức thấp hơn cho ngân hàng và ghi rõ điều này trong các thiết lập bảo vệ.

Cho chia tải máy biến áp , quy tắc nghịch đảo tương tự cũng áp dụng cho các định mức khác nhau: mỗi đơn vị đóng góp công suất kVA định mức của riêng mình chia cho %Z của nó, và cả cặp chỉ chia tải theo tỷ lệ khi các giá trị %Z gần nhau. Khi chủ sở hữu hỏi chúng tôi liệu một đơn vị 750 kVA có thể vận hành song song với một đơn vị 1.000 kVA hay không, câu trả lời của chúng tôi luôn bắt đầu bằng cùng một câu hỏi — các giá trị trở kháng đo được là bao nhiêu, và cả hai đơn vị sẽ vận hành ở đầu nối nào?

 

Dòng điện tuần hoàn: Điều gì xảy ra khi tỷ số không khớp

Sự chênh lệch tỷ số điện áp tạo ra dòng điện chạy giữa hai bộ thiết bị được đấu song song ngay cả khi thanh cái không tải. Kỹ sư gọi hiện tượng này là dòng điện tuần hoàn , và giá trị của nó chỉ bị giới hạn bởi tổng trở kháng của hai bộ thiết bị. Như một kiểm tra sơ bộ, sự chênh lệch đầu nối (tap) 2,5 phần trăm giữa hai bộ thiết bị, mỗi bộ có trở kháng 5,5 phần trăm, sẽ sinh ra dòng điện tuần hoàn vào khoảng 0,025 / (0,055 + 0,055) — tức khoảng 23 phần trăm dòng định mức khi không tải. Dòng điện này gây tổn thất, làm nóng cả hai thùng máy và làm tăng nhiệt độ cuộn dây mà không thực hiện bất kỳ công việc hữu ích nào. Một sự chênh lệch tỷ số 0,5 phần trăm giữ thành phần dòng điện tuần hoàn lúc không tải ở mức gần 5 phần trăm, vì vậy quy tắc kinh nghiệm là "điều chỉnh tỷ số trong phạm vi nửa phần trăm".

Sự chênh lệch tỷ số cũng làm méo mó việc chia tải dưới tải, đẩy thiết bị có tỷ số cao hơn về trạng thái quá kích từ và khiến cặp thiết bị bị nóng không đều. Sai lệch góc pha còn nghiêm trọng hơn: nối các thiết bị có nhóm véc-tơ không tương thích thực chất tạo thành một ngắn mạch qua thanh cái, và hệ thống bảo vệ sẽ tác động trước khi bất kỳ ai kịp đọc chỉ số trên đồng hồ. Mọi lần lắp đặt song song mà chúng tôi từng chứng kiến đều bắt đầu bằng kiểm tra trình tự pha tại thanh cái — không phải vì kỹ sư nghi ngờ thông tin trên nhãn tên gọi, mà vì việc phát hiện một cáp bị đảo chiều rẻ hơn nhiều so với việc thay thế một tổ máy đã cháy.

 

Những điều cần kiểm tra trên báo cáo thử nghiệm trước khi vận hành song song

Mỗi thiết bị chúng tôi giao đều kèm theo báo cáo thử nghiệm định kỳ chứa các giá trị cần thiết cho nghiên cứu vận hành song song. Trước khi vận hành song song một máy biến áp mới với thiết bị hiện hữu, hãy trích xuất năm giá trị sau từ báo cáo thử nghiệm của cả hai thiết bị:

• Giá trị %Z đo được tại đầu nối chính, trên cùng cơ sở — chứ không phải giá trị đảm bảo ghi trên nhãn tên gọi.
• Tỷ số điện áp đo được tại vị trí đầu nối đang vận hành, bao gồm cả các đầu nối ngoài định mức mà bạn dự định sử dụng.
• Nhóm véc-tơ hoặc độ lệch pha, cộng thêm việc kiểm tra trình tự pha tại hiện trường trước lần đóng mạch đầu tiên.
• Tổn thất khi không tải và tổn thất khi có tải — hai thông số này xác định hiệu suất của cặp máy biến áp và làm lộ ra sự khác biệt về lõi hoặc dây quấn.
• Vị trí và phạm vi điều chỉnh của bộ đổi nối, để cả hai thiết bị đều có thể được đặt ở cùng một cấp độ và duy trì ổn định tại đó.

Các quy trình thử nghiệm tạo ra những giá trị này được quy định trong tiêu chuẩn IEEE C57.12.90, tiêu chuẩn thử nghiệm dành cho máy biến áp ngâm dầu , còn các quy ước về định mức và nhãn tên gọi được lấy từ IEC 60076-1, tiêu chuẩn này có phạm vi áp dụng nêu trên trang IEC Webstore . Nếu nhà cung cấp không thể cung cấp dữ liệu trở kháng và tỷ số đo được cho đúng thiết bị cụ thể, thì thiết bị đó không nên được ghép song song với bất kỳ thiết bị nào khác.

 

Những gì Ryan Electric kiểm tra trước khi hai thiết bị được xuất xưởng

Là đối tác liên doanh với Eaton kể từ năm 2023, sở hữu các chứng nhận UL, CSA, IEEE và DEKRA trong danh mục, có cơ sở sản xuất rộng 120.000 mét vuông và đã đăng ký 37 bằng sáng chế, chúng tôi xử lý các đơn hàng sẵn sàng vận hành song song như một công việc lập tài liệu, chứ không phải một cam kết. Khi khách hàng thông báo rằng hai thiết bị sẽ hoạt động trên cùng một thanh cái, chúng tôi ghi lại giá trị %Z đo được tại các điểm điều chỉnh chính và các điểm điều chỉnh ngoài định mức, thực hiện đầy đủ các thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEEE C57.12.90, đồng thời nêu rõ trở kháng và tỷ số trên báo cáo thử nghiệm theo cách mà kỹ sư tại hiện trường có thể sử dụng trực tiếp, không cần gọi điện lại nhà máy.

Lời khuyên thực tế rất ngắn gọn. Trong vận hành song song máy biến áp , cặp thiết bị chỉ tốt bằng thông số khớp kém nhất — và thông số khớp kém nhất thường nằm trong phần ghi chú nhỏ của báo cáo thử nghiệm mà không ai so sánh. Nếu bạn đang bổ sung một thiết bị vào bộ biến áp hiện có, hãy gửi kèm báo cáo thử nghiệm của thiết bị cũ cùng yêu cầu báo giá (RFQ) của bạn; chúng tôi sẽ thực hiện so sánh trở kháng và tỷ số trước khi đưa ra báo giá. Chỉ một bước đơn giản này đã phát hiện những trường hợp không tương thích có thể làm giảm công suất bộ biến áp hoặc làm cháy cầu chì ngay từ ngày đầu vận hành.

Đang lên kế hoạch đấu song song một biến áp mới với thiết bị hiện có? Hãy gửi báo cáo thử nghiệm của thiết bị hiện có và thông số định mức của thiết bị mới qua ryantransformers.com — kỹ sư của chúng tôi sẽ kiểm tra độ tương thích về %Z, tỷ số và nhóm véc-tơ, đồng thời cung cấp báo giá cho các thiết bị đảm bảo phân tải đúng như sơ đồ một dây (single-line diagram) đã thiết kế.

Về tác giả — Bài viết này được viết bởi đội ngũ kỹ sư của Ryan Electric, một đối tác liên doanh với Eaton và là nhà sản xuất máy biến áp được chứng nhận UL/CSA tại Giang Tô, Trung Quốc, phục vụ khách hàng trong lĩnh vực điện lực, năng lượng tái tạo và công nghiệp trên khắp Bắc Mỹ, Đông Nam Á, Trung Đông và châu Phi.