Máy biến áp cho thông gió đường hầm: Xác định các đơn vị cho đường hầm đường bộ và giao thông ngầm

Sự cố thiết bị trong đường hầm đường bộ gần như không bao giờ bắt đầu từ mạch chiếu sáng. Nó bắt đầu từ các quạt. Một kỹ sư vận hành đã mô tả trình tự này với chúng tôi bằng những thuật ngữ đơn giản: dãy quạt phun đầu tiên khởi động ổn định, dãy thứ hai cũng hoạt động tốt, nhưng khi dãy thứ ba bật lên, điện áp trên thanh cái 480 V giảm mạnh, bộ điều khiển bị ngắt do điện áp thấp, và hệ thống thông gió rơi vào trạng thái lỗi trước cả khi bài kiểm tra khói có thể bắt đầu. Điều máy biến áp cho thông gió đường hầm đã được chọn kích thước dựa trên danh sách tải. Không ai đã mô phỏng quá trình khởi động.

Đó là điều bất tiện về nguồn điện đường hầm. Phần lớn thời gian, tải khá khiêm tốn — vài trăm kilowatt cho hệ thống chiếu sáng, một vài chiếc quạt, một số máy bơm. Trong vài giây, nhiều lần mỗi ngày, tải lại hoàn toàn không khiêm tốn chút nào. Và cùng một thiết bị phải chịu đựng cả lúc động cơ khởi động lẫn lúc phải tiếp tục hoạt động trong điều kiện cháy xảy ra chỉ cách đó vài mét. Hài từ bộ biến tần (VFD) trên các bộ điều khiển thông gió và tiếp tục vận hành trong khi ngọn lửa đang cháy cách đó vài mét.

 

Tải thực tế của trạm biến áp đường hầm

Một đường hầm giống như một nhà máy công nghiệp nhỏ kéo dài dọc theo một kilomet bê tông. Thông gió chiếm phần lớn tải điện, nhưng không phải là tải duy nhất; hơn nữa, các loại tải khác nhau có đặc tính vận hành hoàn toàn khác nhau. Việc phê duyệt một giá trị kVA duy nhất mà không phân tách từng thành phần là nguyên nhân chủ yếu gây ra sai sót trong đặc tả kỹ thuật.

Tải	Phạm vi tiêu biểu	Chế độ làm việc	Ảnh hưởng đến việc chọn kích thước
Quạt phun (trục, cấp điện trực tiếp cho động cơ)	22–250 kW	Khởi động/dừng theo từng giai đoạn, hàng trăm chu kỳ mỗi năm	Dòng khởi động ngắn mạch và sụt giảm điện áp trên thanh cái hạ thế
Quạt thông gió đường hầm	200–1.000 kW	Liên tục, đảo chiều được để hút khói	Động cơ đơn lớn nhất; thường xác định mức công suất tối thiểu
Bộ điều khiển và bộ truyền động cho van chặn khói	dưới 10 kW	Chỉ dùng trong tình huống khẩn cấp, phải giữ vị trí cố định	Tải nhỏ, nhưng chia chung bảng điện và mạch UPS
Đèn LED chiếu sáng đường hầm và đèn chiếu sáng khẩn cấp	30–350 kW	Liên tục, tải 100%	Giàu hài âm; làm tăng dòng trung tính
Máy bơm nước thải	15–110 kW	Môi trường ẩm ướt, hoạt động ngắt quãng	Khởi động chống cột nước; rủi ro xâm nhập độ ẩm
Thông gió và khử ẩm trạm biến áp	10–60 kW	Liên tục	Làm tăng nhiệt độ môi trường xung quanh chính máy biến áp
Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA), hệ thống camera giám sát (CCTV), biển báo	dưới 20 kW	Liên tục	Yêu cầu duy trì hoạt động trong sự kiện cháy

Hướng dẫn thiết kế hiện tại đã coi những lĩnh vực này là các chuyên ngành riêng biệt. Các Hướng dẫn thiết kế hầm đường bộ của FHWA (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) dành các phần riêng biệt cho thông gió, chiếu sáng, phòng cháy chữa cháy và thiết kế chống động đất — nhưng tất cả đều dựa trên một biểu đồ tải duy nhất, và thường chỉ một máy biến áp phải chịu toàn bộ tải đó.

 

Khởi động động cơ xác định mức tải tối thiểu, chứ không phải tải vận hành

Tải vận hành là con số dễ tính. Cộng tải của quạt, hệ thống chiếu sáng và bơm, áp dụng hệ số đa dạng, và một tổ máy 1.500 kVA trông có vẻ dư dả so với một hầm có tải 900 kVA. Sau đó hãy xem xét tải lúc khởi động.

Một động cơ cảm ứng tiêu chuẩn kiểu NEMA B hút dòng điện khoảng sáu lần dòng định mức khi khởi động trực tiếp. Xét một động cơ quạt phun khí công suất 250 kW, điện áp 480 V: dòng định mức vào khoảng 300 A, do đó dòng khóa rô-to vào khoảng 1.800 A và duy trì ở mức đó trong hai đến bốn giây — khoảng thời gian cần thiết để quạt đạt tốc độ vận hành. Nếu khởi động thêm một cụm động cơ khác nửa giây sau đó, biến áp sẽ phải chịu tải mà nó không bao giờ gặp lại trong điều kiện vận hành bình thường. Chính giá trị này quyết định thông số ghi trên nhãn tên máy.

Hai thông số xác định liệu việc khởi động có chấp nhận được hay không: điện trở kháng phần trăm của biến áp và điện trở kháng của đường dây cấp điện. Một biến áp có điện trở kháng 5,75% giới hạn dòng sự cố một cách thoải mái nhưng gây ra độ sụt áp sâu hơn tại đầu cực động cơ. Một biến áp có điện trở kháng 4% làm giảm độ sụt áp và làm tăng dòng ngắn mạch dự kiến, điều này đòi hỏi khả năng chịu đựng của aptomat hạ áp và độ bền cơ học của thanh cái phải đủ đáp ứng. Trên một đường dây cấp điện dài 700 m dẫn tới phòng đặt quạt ở giữa hầm, điện trở kháng của cáp có thể gây ra độ sụt áp lớn hơn cả biến áp.

Kinh nghiệm thực tiễn: chúng tôi thực hiện phép tính khởi động trước khi báo giá hầm rời khỏi nhà máy, và khi khách hàng chỉ gửi danh sách tải, chúng tôi gửi lại một câu hỏi — động cơ lớn nhất là gì, cách khởi động nó ra sao, và chiều dài cáp nối tới nó là bao nhiêu? Câu trả lời duy nhất này đã thay đổi định mức được chỉ định trên nhiều dự án hầm hơn bất kỳ mục nào khác trong bảng kê.

 

Sóng hài từ bộ biến tần (VFD) làm thay đổi chế độ làm việc của máy biến áp dùng cho thông gió hầm

Gần như mọi quạt phun mới đều được điều khiển bởi bộ biến tần (VFD), vì quạt chạy ở tốc độ 30% trong giờ thấp điểm sẽ tự hoàn vốn chi phí mua bộ biến tần chỉ riêng nhờ tiết kiệm năng lượng. Bộ biến tần cũng làm thay đổi đặc tính mà máy biến áp cảm nhận được tại các đầu ra thứ cấp của nó.

Bộ biến tần sáu xung hút dòng điện phi hình sin với độ méo hài tổng thường nằm trong khoảng từ 25% đến 45% ở đầu vào. Tiêu chuẩn IEEE 519 giới hạn độ méo điện áp ở mức 5% trên thanh cái có điện áp dưới 69 kV và siết chặt hơn giới hạn độ méo dòng điện khi dòng ngắn mạch khả dụng giảm xuống. Các đường hầm nằm ở đầu bất lợi của đường cong đó: dây dẫn dài, nguồn cung cấp tương đối yếu và nhiều bộ biến tần được cấp điện từ cùng một thanh cái thứ cấp.

Hệ quả là máy biến áp cấp điện cho các động cơ thông gió đường hầm không thể được chọn chỉ dựa trên công suất biểu kiến (kVA). Dòng điện hài gây thêm tổn thất dòng xoáy và tổn thất rò rỉ, làm tăng nhiệt độ điểm nóng nhất trên cuộn dây lên cao hơn mức mà tải hình sin sẽ tạo ra ở cùng công suất biểu kiến. Đó là lý do vì sao một biến áp đúc nhựa máy biến áp trên dự án đường hầm thường được đặt hàng với xếp hạng hệ số K, dây dẫn trung tính lớn hơn tiêu chuẩn hoặc cuộn dây dạng delta nhằm giữ lại các hài bội số ba, đồng thời có cấp cách điện chịu nhiệt của cuộn dây cao hơn mức yêu cầu thiết kế để dự phòng nhiệt.

Quy tắc thực tiễn của chúng tôi đối với tủ phân phối cấp điện cho động cơ đường hầm qua bộ biến tần, nơi mà Hài từ bộ biến tần (VFD) chiếm ưu thế: lấy công suất điều khiển kết nối, cộng thêm biên dự phòng cho tổn thất hài và chỉ định cấp tăng nhiệt độ cuộn dây cao hơn một bậc so với yêu cầu cơ bản. Chi phí phát sinh do điều này được đưa vào báo giá. Chi phí do lựa chọn sai sẽ xuất hiện vào năm thứ bảy.

 

 

An toàn cháy nổ quyết định công nghệ, chứ không phải giá cả

Hãy tự hỏi vì sao gần như mọi trạm biến áp trong hầm đều sử dụng thiết bị kiểu khô — câu trả lời không phải là hiệu suất, mà là an toàn cháy nổ. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502đặt ra các yêu cầu về bảo vệ chống cháy và an toàn sinh mạng khi xảy ra cháy cho các hầm đường bộ, cầu và các tuyến đường cao tốc có giới hạn truy cập khác; đồng thời coi thông gió là một chức năng an toàn sinh mạng then chốt, phải tiếp tục vận hành ngay cả khi đang xảy ra cháy.

Yêu cầu đó ảnh hưởng trực tiếp đến máy biến áp. Một máy biến áp ngâm dầu đặt bên trong phạm vi hầm sẽ kéo theo chất lỏng dễ cháy, hệ thống chứa rò rỉ (bunding), buồng riêng và thêm lớp phân cách chống cháy, nên phần lớn kỹ sư thiết kế tránh tranh luận và chọn chỉ định một biến áp đúc nhựa bên trong lòng ống hoặc trong một phòng liền kề. Các tiêu chuẩn sản phẩm nêu rõ những yêu cầu mà một thiết bị như vậy phải đáp ứng: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) quy định các yêu cầu chung đối với máy biến áp phân phối và máy biến áp công suất kiểu khô, còn IEC 60076-11 quy định máy biến áp công suất kiểu khô có điện áp đến 36 kV.

Một chi tiết thường bị bỏ sót nhiều hơn bất kỳ chi tiết nào khác: chất lượng của máy biến áp chỉ tốt bằng chất lượng của đường dây cấp điện. Khi mạch thông gió khẩn cấp được yêu cầu duy trì tính toàn vẹn của mạch trong suốt sự cố cháy, cáp và mối nối cũng phải chịu được cùng điều kiện đó. Một thiết bị kiểu nhựa đổ khuôn tự dập lửa được đấu nối bằng cáp tiêu chuẩn là một sai lệch phổ biến và tốn kém.

 

Môi trường đường hầm ảnh hưởng âm thầm đến thiết bị

Không khí trong hầm có độ ẩm cao, nhiều bụi và có tính ăn mòn nhẹ. Độ ẩm tương đối trên 85% là điều phổ biến bên trong giếng thông gió; bụi phanh và bụi lốp lắng đọng trên mọi bề mặt nằm ngang; còn hầm ven biển thì còn thêm muối clorua vào hỗn hợp. Nhiệt độ môi trường xung quanh trong giếng có thể dao động từ 40 đến 45°C vào mùa hè, được đo tại vị trí thực tế đặt máy biến áp chứ không phải ở cửa hầm.

Cuộn dây được bao phủ bằng nhựa epoxy chịu đựng điều kiện đó tốt hơn cuộn dây khô được bọc ngoài, bởi vì biến áp đúc nhựa quá trình đúc kín cuộn dây nhằm ngăn hơi ẩm xâm nhập. Tuy nhiên, đặc tả kỹ thuật vẫn phải phù hợp với môi trường: bộ gia nhiệt chống ngưng tụ, hộp đầu nối đạt chuẩn IP và nhiệt độ môi trường thiết kế được lấy từ dữ liệu trong giếng chứ không phải từ trung bình thời tiết khu vực.

Độ cao cũng có ảnh hưởng. Ở độ cao 1.500 m, máy biến áp mất gần 9% mật độ không khí sẵn có cho làm mát đối lưu, do đó một thiết bị đạt yêu cầu trong thử nghiệm tăng nhiệt ở mực nước biển sẽ không tự động được chấp nhận khi lắp đặt trên tuyến đường sắt xuyên núi. Hãy yêu cầu nhà cung cấp nêu rõ hệ số giảm công suất (derating) áp dụng tại điều kiện môi trường và độ cao của địa điểm lắp đặt bạn, đồng thời trình bày chi tiết phép tính thay vì chỉ cung cấp đường cong tổng quát — đây chính là kiểm tra mà chúng tôi áp dụng cho mọi máy biến áp cho thông gió đường hầm chúng tôi báo giá.

 

Những điều chúng tôi yêu cầu trước khi báo giá

Năm yếu tố quyết định công suất định mức, giá cả và thời gian giao hàng đối với đơn hàng máy biến áp dùng trong hầm. Nếu các yếu tố này được nêu rõ ngay từ yêu cầu ban đầu, báo giá thường được gửi lại chính xác ngay lần đầu tiên:

• Lịch biểu tải, trong đó đánh dấu rõ động cơ có công suất lớn nhất. Cung cấp cho chúng tôi phương pháp khởi động của động cơ và chiều dài cáp nối từ trạm biến áp. Mọi thông số khác đều được suy ra từ mục nhập này.
• Loại bộ điều khiển tốc độ và số lượng. Sáu xung, mười hai xung hoặc đầu vào chủ động (active front end), kèm theo dòng ngắn mạch khả dụng tại thanh cái hạ áp — những thông số này xác định biên độ hài.
• Điều kiện của địa điểm. Thiết kế môi trường xung quanh, độ cao, độ ẩm và hạng động đất áp dụng cho tuyến đường.
• Chiến lược phòng cháy chữa cháy. Thiết bị bên trong vỏ hầm, trong trạm biến áp chuyên dụng hoặc ở vị trí từ xa — câu trả lời xác định loại máy biến áp kiểu khô hay kiểu ngâm dầu.
• Chứng nhận và mục tiêu hiệu suất. Báo cáo thử nghiệm UL, CSA hoặc IEC, và mức hiệu suất yêu cầu bởi quốc gia nhập khẩu.

Ryan Electric sản xuất các máy biến áp kiểu khô và kiểu ngâm dầu cho các dự án cơ sở hạ tầng và công nghiệp trên khắp Bắc Mỹ, Trung Đông và Đông Nam Á. Nhà máy của chúng tôi tại Giang Tô có diện tích 120.000 m², trang bị hơn 180 bộ thiết bị sản xuất và kiểm tra, và danh mục chứng nhận bao gồm UL, CSA, IEEE, DEKRA và CNAS. Kể từ năm 2023, chúng tôi hoạt động với tư cách là đối tác liên doanh của Eaton, nhờ đó quy trình kiểm tra và tài liệu chất lượng của chúng tôi được đánh giá độc lập bởi bên thứ ba thay vì tự khai báo. Đơn hàng cho đường hầm được xử lý như nhau với đơn hàng cho trung tâm dữ liệu: dữ liệu kiểm tra định kỳ, hồ sơ tăng nhiệt độ và tài liệu chứng nhận đều được gửi kèm theo thiết bị.

 

Gửi Lịch biểu Tải, Không Chỉ Dung Lượng kVA

Con số quyết định một máy biến áp cho thông gió đường hầm hiếm khi là số đầu tiên trên danh sách tải. Gửi cho kỹ sư của chúng tôi lịch trình tải, động cơ lớn nhất, loại bộ điều khiển và điều kiện tại hiện trường, và bạn sẽ nhận lại một xếp hạng, biên độ sóng hài và phép tính giảm công suất mà bạn có thể bảo vệ trong buổi rà soát thiết kế — thay vì chọn một nhãn hiệu dựa trên kinh nghiệm thông thường.

Giới Thiệu Tác Giả: Bài viết này do đội ngũ kỹ sư của Ryan Electric thực hiện, một nhà sản xuất máy biến áp có trụ sở tại Giang Tô, Trung Quốc và là đối tác liên doanh với Eaton kể từ năm 2023, cung cấp các máy biến áp kiểu khô và ngâm dầu được chứng nhận UL, CSA và IEC cho các dự án hầm, tàu điện ngầm, trung tâm dữ liệu và cơ sở hạ tầng điện lực tại Bắc Mỹ, Trung Đông và Đông Nam Á.