Phòng chống nổ máy biến áp: Thử nghiệm, phân tích và mô phỏng

1. Giới thiệu

Nhận thấy việc phòng chống nổ máy biến áp là giải pháp hiệu quả duy nhất để tránh tổn thất tài chính, công ty SERGI đã thiết kế bộ bảo vệ máy biến áp và đã được cấp bằng sáng chế trên thế giới.

2. Mô tả bộ bảo vệ máy biến áp

Bộ bảo vệ máy biến áp (transformer protector — TP) là một hệ thống cơ khí bị động, chỉ kích hoạt khi áp suất bên trong máy biến áp đạt tới mức nhất định trong quá trình ngắn mạch. Do đó, thiết bị TP có độ tin cậy rất cao, không thể kích hoạt sai. Thiết bị TP được thiết kế để bảo vệ thùng máy biến áp chính, bộ điều chỉnh điện áp dưới tải (OLTC) và hộp cáp dầu.

Bộ bảo vệ TP gồm có sáu bộ phận chính (xem Hình 1):

Hình 1. Máy biến áp có trang bị bộ bảo vệ TP gồm hai bộ giảm áp

1. Bộ giảm áp thùng dầu máy biến áp;

2. Bộ giảm áp OLTC;

3. Thùng dầu phụ, ở đây được sử dụng để ngăn cách dầu và khí nổ sinh ra khi ngắn mạch;

4. Ống thoát khí đưa khí dễ cháy ra khu vực ngoài, an toàn;

5. Hệ thống bơm nitơ sẽ bơm khí nitơ vào nhằm tránh hiệu ứng bazooka khi khí dễ nổ tiếp xúc với không khí (ôxy) và để khoanh vùng các khoang dầu trong một môi trường an toàn, đảm bảo công việc bảo dưỡng có thể được tiến hành một cách an toàn;

6. Tủ TP, nơi đấu nối tất cả các cáp và đặt chai nitơ.

Khi xảy ra sự cố điện, ngay khi hồ quang điện xuất hiện, một lượng lớn khí dễ nổ thoát ra. MJ đầu tiên sinh ra 2,3 m3 khí dễ nổ, trong khi đó 100 MJ chỉ sinh ra 4,3 m3. Lượng lớn khí này sinh ra chỉ trong 1 ms đầu tiên tạo nên đỉnh áp suất động di chuyển với tốc độ âm thanh (khoảng 1.200 m/s) bên trong dầu máy biến áp. Đỉnh áp suất động đầu tiên này của xung sóng, do sự cố điện gây ra, sẽ kích hoạt bộ TP trước khi hình thành áp suất tĩnh. Sau đó, bộ TP sẽ giảm áp suất máy biến áp chỉ trong vài mili giây trước khi áp suất bên trong thùng máy đạt tới giới hạn áp suất thiết kế. Do vậy sẽ ngăn ngừa hiện tượng nổ thùng máy.

Hình 2. Thử nghiệm thực tế bản vẽ nguyên lý máy biến á p

Ngay khi bộ TP kích hoạt, cơ năng được thoát ra và máy biến áp được bảo vệ ngay cả khi hồ quang điện phóng trong 1 tới 2 giây. Dầu và khí sau đó sẽ nhanh chóng được dẫn từ thùng máy biến áp qua buồng giảm áp tới thùng dầu phụ. Trong thùng dầu phụ, khí sẽ được ngăn cách với dầu và chuyển ra khu vực ngoài an toàn. Tiếp theo đó, nitơ sẽ được bơm vào để toàn bộ máy biến áp được an toàn, nguội đi và sẵn sàng để sửa chữa.

3. Các đợt thử nghiệm

Cho tới nay đã có hai đợt thử nghiệm bộ TP được tiến hành, cả hai đều thực hiện trong những điều kiện xấu nhất bằng cách tạo ra sự cố trở kháng thấp dẫn đến hồ quang điện trong dầu cách điện của thùng máy biến áp. Năm 2002, Công ty Điện lực Pháp đã thực hiên 28 cuộc thử nghiệm bộ TP. Sau đó, trong năm 2004, đợt thứ 2 gồm 34 thử nghiệm TP do CEPEL (Phòng thí nghiệm cao áp độc lập của Brazil) thực hiện. Trong 62 cuộc thử nghiệm này, mỗi máy biến áp đều được trang bị bộ TP, bộ này phản ứng trực tiếp với đỉnh áp suất động di chuyển, sóng xung do sự cố trở kháng thấp gây ra. Bài này trình bày những kết luận chính của đợt thử nghiệm tại Braxin.

3.1 Bố trí thử nghiệm

CEPEL đã tiến hành 34 thử nghiệm mang điện trên ba máy biến áp tiêu chuẩn (T1, T2, T3). Kích thước lớn của các máy cho phép nghiên cứu chi tiết về sự lan truyền sóng áp suất. Trong kết cấu này, khoảng cách lớn nhất giữa hồ quang điện và bộ TP lên tới 8,5 m. Các thử nghiệm này được tiến hành nhằm nghiên cứu sự lan truyền sóng áp suất và chứng minh tính hiệu quả của bộ TP khi xảy ra sự cố trở kháng thấp bằng việc đo các thông số vật lý như áp suất, nhiệt độ khí, dòng điện, điện áp hồ quang, gia tốc trong thùng máy.

3.1.1 Thiết bị thử nghiệm

Mỗi máy biến áp được trang bị bộ bảo vệ máy biến áp (TP) tiêu chuẩn, tuy nhiên khác với trong hình 1, thay vì thùng dầu phụ, người ta sử dụng thùng ngăn cách dầu và khí để thu dầu và khí dễ nổ thoát ra khỏi máy biến áp sau khi bộ TP hoạt động (xem Hình 2).

3.1.2 Các thử nghiệm

Nhằm nghiên cứu chi tiết ảnh hưởng của sự lan truyền sóng áp suất và để chứng tỏ rằng độ tin cậy của bộ TP không phụ thuộc vào vị trí hồ quang bên trong thùng máy biến áp, hồ quang điện được mồi ở ba vị trí khác nhau như trong hình 2: Phía nắp trên, gần bộ phận giảm áp (vị trí A), phía nắp trên, đối diện bộ phận giảm áp (vị trí B), và ở phần dưới của thùng máy biến áp, đối diện vị trí bộ giảm áp (vị trí C). Vị trí C là vị trí thử ngặt nghèo nhất do cách xa bộ TP và gần các cuộn dây, điều này khiến sóng áp suất khó lan truyền. Lưu ý rằng vị trí D trên hình 2 là vị trí lắp bộ TP.

Phần lớn các thử nghiệm thực hiện với hồ quang điện có dòng điện từ 5 tới 15kA, và được cấp trong thời gian 83 ms. Khoảng thời gian này tương đương với thời gian đáp ứng trung bình của một máy cắt cũ, và được chọn để khí tạo ra nhiều nhất.

3.2 Khí sinh ra

Trong đợt thử nghiệm của CEPEL, hồ quang điện tạo ra từ 1 tới 2,3 m3 khí. Lượng khí này được thể hiện trên đồ thị hình 3, như một hàm của năng lượng hồ quang. Xu hướng chung (đường cong nét đứt) được vẽ bằng công thức :

V= 0,44ln (E + 5474,3) - 3.8

Trong đó E là năng lượng hồ quang, V là thể tích khí tạo ra.

Như vậy, thể tích khí tạo ra trong thời gian hồ quang điện là hàm lôga của năng lượng hồ quang, điều này xem ra phù hợp hợp với quá trình bốc hơi, đặc biệt là với sự bão hòa bốc hơi do năng lượng cao của hồ quang. Thực vậy, sự bão hòa này là do sau khi hồ quang điện làm bốc hơi hầu như tức thời một thể khí lớn, hồ quang vẫn tồn tại trong thể tích này, sử dụng năng lượng của nó để phá vỡ các phân tử dầu bốc hơi chứ không tiếp tục trực tiếp làm bốc hơi dầu, điều này khiến cho quá trình bốc hơi bị chậm lại. Giai đoạn đầu của quá trình bốc hơi xảy ra gần như là tức thời và do quán tính của dầu, nên áp suất khí tăng lên rất nhanh, tạo ra một đỉnh áp suất lớn lan truyền trong dầu. Các thử nghiệm cho thấy năng lượng hồ quang không ảnh hưởng rõ rệt tới áp suất cực đại trong bọt khí.

3.3 Sóng lan truyền và tương tác giữa chất lỏng và kết cấu

Lúc bắt đầu quá trình, khi hồ quang xảy ra, thùng máy biến áp vẫn kín, quá trình bốc hơi tạo ra nhiều bọt khí, gây ra sóng xung trong máy biến áp.

3.3.1. Áp suất

Áp suất truyền đi trong máy biến áp sau khi xuất hiện hồ quang điện được biểu diễn trong hình 4.

Hình 3. Lượng khí sinh ra là hàm của năng lượng hồ quang

Trong hình cũng miêu tả chi tiết các giai đoạn khác nhau: sau khi hồ quang mồi, áp suất cục bộ tăng lên và đạt tới cực đại; sóng do hồ quang tạo ra và lan truyền với tốc độ hữu hạn qua máy biến áp và tương tác với bộ TP với gradien áp suất là 3.900 bar/s. 3 ms sau khi TP kích hoạt, áp suất trở lại mức kích hoạt. Có thể quan sát thấy một số đỉnh thứ cấp nhưng thấp hơn nhiều so với đỉnh cực đại. Các đỉnh này là do sóng phản xạ từ thành thùng và tương tác giữa các sóng phản xạ.

Ngay khi thiết bị TP kích hoạt, có thể nhận thấy rằng hồ quang có thể duy trì trong khoảng thời gian lớn hơn nhiều so với thời gian cắt tiêu chuẩn của máy cắt. Ngay cả trong điều kiện ngặt nghèo như vậy, áp suất vẫn ở mức vô hại đối với thùng máy biến áp.

Hình 4. Sự thay đổi áp suất ở gần vị trí hồ quang sau khi hồ quang mồi

· Áp suất cục bộ và sự lan truyền của sóng

Sóng xung do hồ quang điện gây ra sẽ lan truyền trong thùng máy. Hình số 5, phía bên phải là quá trình biến đổi áp suất đo bằng thực nghiệm, bên trái là biểu đồ nguyên lý kết hợp đã được đơn giản hóa. Mỗi đường cong thể hiện điều gì xảy ra gần thiết bị cảm biến đặt tại vị trí A, B, C.

Như vậy có thể theo dõi sự dịch chuyển của sóng xung trong thùng dầu. Hồ quang mồi tại vị trí C gây ra đỉnh áp suất cao. Sóng áp suất lan truyền tạo ra đỉnh thứ hai thấp hơn ở B sau thời gian trễ, kết thúc tại A. Đối với từng bộ cảm biến, các đỉnh áp suất khác (thấp hơn đỉnh áp suất chính) là do phản xạ sóng với thành thùng.

Như vậy đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng áp suất không đồng nhất trong không gian bên trong thùng máy biến áp, và sóng áp suất lan truyền với tốc độ giới hạn.

3.3.2 Đỉnh áp suất và độ bền của thùng máy biến áp

· Các đỉnh áp suất

Trong mỗi thử nghiệm, người ta chỉ nhận thấy một đỉnh áp suất chính. Đường cong áp suất cho thấy sau đỉnh áp suất chính, vẫn có những biến động áp suất nhưng với cường độ thấp hơn so với đỉnh áp suất chính.

Thực vậy, năng lượng ban đầu truyền đi gần như tức thời, và sự biến đổi pha cũng vậy. Khí sinh ra không kịp dãn nở và đạt mức cân bằng về áp suất và nhiệt độ với dầu xung quanh. Do quán tính của dầu, áp suất khí tăng lên nhanh chóng, điều này tạo ra các sóng áp suất đầu tiên rất mạnh.

Làm bốc hơi chất lỏng khó hơn so với phá vỡ phân tử của hơi dầu, nên vị trí của hồ quang chủ yếu tồn tại trong pha khí sau khi hồ quang mồi. Sự bốc hơi xảy ra sau khi xuất hiện bọt khí sẽ dịu bớt và không thực sự tạo ra những điều kiện vật lý giống như vào lúc ban đầu của hồ quang điện. Như vậy, các dao dộng áp suất thứ cấp là do các sóng chồng lên nhau và ảnh hưởng của kết cấu kết hợp với ảnh hưởng của khí phát sinh ở mức độ vừa phải lên áp suất.

Hình 5. Mô hình đo áp suất

Phần lớn các đỉnh áp suất đều cao hơn giới hạn độ bền quá áp suất tĩnh thường được chấp nhận đối với máy biến áp là + 1,2 bar, nhưng thùng máy biến áp không bị nứt.

Biên độ đỉnh áp suất do hồ quang tạo ra quyết định. Các đỉnh trong dải từ +1,5 tới +13 bar đối với mức năng lượng hồ quang từ 0,01 MJ tới trên 2,4 MJ được cho trong hình 6. Áp suất cực đại có vẻ như tăng mạnh theo năng lượng hồ quang trong khi năng lượng này vẫn ở mức thấp. Sự phụ thuộc này có xu hướng yếu đi khi mức năng lượng tăng lên. Thực vậy, áp suất tăng lên là do sự bốc hơi mạnh của dầu diễn ra trong những thời điểm đầu tiên của hồ quang, sau đó năng lượng truyền ít tác động tới sự hình thành áp suất. Hình 6 cho thấy khi so sánh các thử nghiệm trong đó các đỉnh áp suất tương ứng là +8 bar và +8,8 bar, áp suất cực đại chỉ thay đổi 0,8 bar trong khi đó năng lượng hồ quang tương ứng thay đổi tới 10 lần (tương ứng là 0,1 MJ và 1 MJ). Đây là kết luận rất quan trọng khi muốn ngoại suy áp suất cực đại đối với hồ quang năng lượng cao: dựa theo những dữ liệu trên, áp suất cục bộ sẽ nằm trong dải áp suất xác định trong quá trình thử nghiệm của CEPEL.

· Độ bền của thùng máy

Đối với áp suất tĩnh. Để kiểm tra đặc tính cơ của máy biến áp, các thử nghiệm tĩnh được thực hiện trước khi đặt sự cố trở kháng thấp. Đã xác định rằng giới hạn chịu đựng là +0,7 bar đối với máy biến áp lớn nhất trong thử nghiệm của CEPEL, máy T3. Do đó, giới hạn này (+0,7 bar đến +10,15 psi) đã được sử dụng trong phân tích này như là ngưỡng giảm áp thùng máy biến áp trong quá trình thử nghiệm động. Chừng nào mà áp suất tĩnh trung bình bên trong máy biến áp duy trì dưới mức này, máy biến áp sẽ vẫn an toàn.

Đối với áp suất động. Mặc dù thực tế cho thấy áp suất cục bộ đo được trong quá trình thử nghiệm động, nếu tính trung bình, cao hơn 6 tới 10 lần giới hạn chịu đựng tĩnh, nhưng không thấy có hiện tượng hư hỏng hoặc biến dạng vĩnh viễn thùng máy bởi vì các đỉnh áp suất này xảy ra rất nhanh. Trên thực tế, kết cấu vỏ có thể chịu đựng cục bộ áp suất động cao là nhờ độ đàn hồi của thành thùng và bộ TP có quán tính nhỏ để tác động. Nếu mức áp suất duy trì trên giới hạn quá áp suất tĩnh thì thùng máy biến áp đã nổ.

3.4 Ảnh hưởng của thiết bị bảo vệ TP đối với quá trình biến đổi áp suất

3.4.1 Thời gian kích hoạt

Thời gian kích hoạt là tổng của:

· “Thời gian truyền sóng áp suất”, là khoảng thời gian cần thiết tính từ khi hồ quang mồi để cho sóng xung lan truyền tới thiết bị TP;

· Thời gian quán tính để thiết bị TP tác động;

· Thời gian trễ tín hiệu chỉ thị bộ TP tác động.

Tính trung bình, bộ TP kích hoạt sau khoảng 20 ms (nhanh nhất là 4,64 ms, chậm nhất là 45,7 ms) sau khi hồ quang mồi. Do tốc độ truyền sóng áp suất là hữu hạn, nên khoảng cách lớn nhất từ vị trí hồ quang tới thiết bị TP là thông số quan trọng để thiết bị TP kích hoạt. Trường hợp xấu nhất là khi hồ quang xảy ra ở phần dưới máy biến áp, đối diện với bộ giảm áp (vị trí C trên Hình 2).

3.4.2 Thời gian giảm áp

Thời gian giảm áp là thời gian tính từ khi bộ TP mở ra đến khi áp suất hoàn toàn dưới mức +0,7 bar. Chú ý rằng mức +0,7 bar tương ứng với giới hạn áp suất tĩnh khi xuất hiện rò rỉ máy biến áp T3 trong quá trình thử nghiệm áp suất tĩnh. Trung bình thiết bị TP giảm áp suất trong thùng máy sau 116 ms, nhanh nhất là sau 19,7ms và chậm nhất là sau 374 ms. Điều này chứng minh bằng thực nghiệm TP có khả năng giảm áp suất trong thùng máy biến áp chỉ trong không đầy một giây, do đó ngăn ngừa được các vụ nổ. Các dữ liệu thử nghiệm và phân tích trước đó rất quan trọng.