Nghiên cứu đánh giá tác động của môi trường đối với cách điện cuộn dây và các biện pháp nâng cao tuổi thọ máy biến áp lực trong hệ thống điện việt nam
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.02 MB, 105 trang )
TRẦN QUANG KHÁNH
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
TRẦN QUANG KHÁNH
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA MÔI TRƯỜNG ĐỐI VỚI
CÁCH ĐIỆN CUỘN DÂY VÀ CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO TUỔI
THỌ MÁY BIẾN ÁP LỰC TRONG HTĐ VIỆT NAM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN
KHÓA: 2012B
Hà Nội – 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TRẦN QUANG KHÁNH
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA MÔI TRƯỜNG ĐỐI VỚI CÁCH
ĐIỆN CUỘN DÂY VÀ CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO TUỔI THỌ MÁY BIẾN
ÁP LỰC TRONG HTĐ VIỆT NAM
CHUYÊN NGÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. NGUYỄN ĐÌNH THẮNG
Hà Nội – 2014.
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan ........................................................................................................... 4
Danh mục các hình vẽ ............................................................................................. 5
Danh mục các bảng ................................................................................................. 7
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỰC TRẠNG NHỮNG TÁC ĐỘNG VÀ ẢNH
HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG NHIỆT ĐỚI ĐẾN QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH
MÁY BIẾN ÁP LỰC Ở MIỀN BẮC TRONG HTĐ VIỆT NAM .......................... 11
1.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 11
1.2. Tác động trực tiếp của môi trường nhiệt đới ................................................... 13
1.2.1. Tác động của bức xạ mặt trời ....................................................................... 13
1.2.2. Ảnh hưởng của độ ẩm không khí ................................................................. 13
1.2.3. Ảnh hưởng của khí hậu ................................................................................ 13
1.2.4. Quá trình lão hóa cách điện .......................................................................... 14
1.3. Các phương thức truyền nhiệt ......................................................................... 16
1.3.1. Quá trình dẫn nhiệt ...................................................................................... 17
1.3.2. Quá trình đối lưu .......................................................................................... 20
1.3.3. Quá trình bức xạ .......................................................................................... 25
1.4. Quá trình tăng nhiệt trong máy biến áp ........................................................... 28
1.5. KẾT LUẬN .................................................................................................... 33
CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT THỰC TRẠNG NHỮNG ẢNH HƯỞNG CÓ HẠI CỦA
MÔI TRƯỜNG NHIỆT ĐỚI LÀM SUY GIẢM CÁCH ĐIỆN CUỘN DÂY
TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH VÀ KHẢ NĂNG MANG TẢI CỦA CÁC
MÁY BIẾN ÁP LỰC ............................................................................................ 34
2.1. Quy luật già cỗi cách điện ............................................................................... 34
2.2. Khả năng mang tải của MBA .......................................................................... 37
2.3. Khả năng quá tải cho phép của MBA .............................................................. 38
1
2.3.1. Quá tải bình thường ..................................................................................... 39
2.3.2. Quá tải sự cố ................................................................................................ 45
2.3.3. Ngắn mạch khi đang mang tải ...................................................................... 45
2.4. Kết luận .......................................................................................................... 47
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ NHIỆT MÁY BIẾN ÁP .............................. 48
3.1. Lý thuyết chung về chế độ nhiệt máy biến áp. ................................................ 48
3.2. Các đặc trưng nhiệt của máy biến áp. .............................................................. 50
3.3. Đơn giản hóa các đặc trưng nhiệt trong máy biến áp ....................................... 50
3.4. Các công thức tính nhiệt độ ổn định ................................................................ 51
3.4.1. Độ tăng nhiệt độ dầu bề mặt với phụ tải bất kỳ ............................................ 51
3.4.2. Độ tăng nhiệt độ dầu trung bình ................................................................... 52
3.4.3. Gradient nhiệt độ cuộn dây .......................................................................... 53
3.4.4. Hằng số thời gian nhiệt độ của MBA với điều kiện phụ tải không đổi. ......... 54
3.5. Các công thức tính nhiệt độ tức thời ............................................................... 54
3.5.1. Hiệu ứng tăng nhiệt độ đơn giản với việc thay đổi phụ tải MBA .................. 54
3.5.2. Hằng số thời gian nhiệt độ của máy biến áp với các điều kiện phát nóng giữa
các mức tải khác nhau ........................................................................................... 55
3.5.3. Độ tăng nhiệt độ dầu bề mặt với các điều kiện phụ tải thay đổi .................... 56
3.6. Chế độ nhiệt của máy biến áp ......................................................................... 56
3.7. Độ tăng nhiệt độ của dầu và cuộn dây MBA trong trạng thái xác lập khi phụ tải
khác định mức ....................................................................................................... 58
3.8. Độ tăng nhiệt độ của dầu và cuộn dây máy biến áp trong quá trình quá độ...... 60
3.9. Chế độ nhiệt của MBA khi đồ thị phụ tải hình bậc thang ................................ 62
3.9.1. Đồ thị phụ tải hai bậc ................................................................................... 62
3.9.2. Đồ thị phụ tải nhiều bậc ............................................................................... 63
3.10. Kết luận ........................................................................................................ 64
CHƯƠNG 4: MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC NHỮNG ẢNH HƯỞNG CÓ
HẠI CỦA MÔI TRƯỜNG NHIỆT ĐỚI VÀ HIỆN TƯỢNG QUÁ NHIỆT TRONG
MBA NHẰM NÂNG CAO TUỔI THỌ CỦA MBA LỰC .................................... 65
2
4.1. Tổng quan....................................................................................................... 65
4.2. Những yêu cầu chung để kéo dài thời gian vận hành MBA ............................. 66
4.2.1. Độ bền điện ................................................................................................. 66
4.2.2. Độ bền nhiệt ................................................................................................ 66
4.2.3. Độ bền lực điện động ................................................................................... 67
4.3. Quá trình xuống cấp của dầu cách điện ........................................................... 68
4.3.1. Ảnh hưởng của ôxy hóa trong dầu cách điện ................................................ 68
4.3.2. Hàm lượng ẩm trong dầu cách điện .............................................................. 69
4.3.3. Phân tích khí nhiên liệu trong dầu cách điện ................................................ 70
4.4. Giải pháp bảo vệ cách điện, chống lão hóa...................................................... 71
4.5. Giải pháp bảo dưỡng và kiểm tra thử nghiệm .................................................. 73
4.5.1. Lợi ích của công việc bảo dưỡng dự phòng và kiểm tra thử nghiệm ............. 75
4.5.2. Những yếu tố chính trong công tác bảo dưỡng và kiểm tra thử nghiệm ........ 76
4.5.3. Phân tích sơ bộ nguyên nhân xuống cấp hư hỏng thiết bị để tìm biện pháp
khắc phục. ............................................................................................................. 77
4.5.4. Bảo dưỡng đặt trọng tâm vào nâng cao độ tin cậy của thiết bị ...................... 78
4.5.5. Xây dựng kế hoạch bảo dưỡng dự phòng và kiểm tra thử nghiệm ................ 79
4.5.6. Bảo dưỡng dự phòng và kiểm tra thử nghiệm tổng thể máy biến áp ............. 79
4.6. Những giải pháp khắc phục khi MBA bị quá nhiệt.......................................... 84
4.6.1. Khi MBA bị quá nhiệt do quá tải ................................................................. 84
4.6.2. Khi MBA quá nhiệt do nhiệt độ môi trường quá cao. ................................... 85
4.6.3. Khi MBA quá nhiệt do mức dầu quá thấp. ................................................... 85
4.6.4. Khi MBA quá nhiệt do sự đối lưu của dầu kém. ........................................... 86
4.6.5. Khi trong MBA có các mạch vòng ngắn mạch. ............................................ 86
4.7. KẾT LUẬN .................................................................................................... 89
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 93
PHỤ LỤC 1 ........................................................................................................... 95
PHỤ LỤC 2 ......................................................................................................... 101
3
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, những vấn đề được trình bày trong luận văn này là nghiên
cứu của riêng cá nhân tôi, các kết quả tính toán trong luận văn là trung thực và chưa
được công bố trong bất kỳ một tài liệu nào. Có tham khảo một số tài liệu và bài báo
của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản. Tôi xin chịu hoàn toàn trách
nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác.
Trần Quang Khánh
Tác giả
4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Truyền nhiệt của vật thể Hình 1.2: Dẫn nhiệt của vật thể có nhiều lớp 17
Hình 1.3: Dẫn nhiệt ở vật thể một lớp, từ lớp này trích ra
18
khối lăng trụ như ở hình 1.1 và 1.2
18
Hình 1.4: Phân bố nhiệt trong vật thể là nguồn nhiệt
20
Hình 1.5: Phân bố độ chênh nhiệt độ tốc độ hoạt động làm mát gần vật thể
21
khi có dòng chảy
21
Hình 1.6: Quan hệ giữa hệ số đặc trưng cho truyền nhiệt bức xạ abx và độ chênh
nhiệt độ trung bình q giữa môi trường và vật gia nhiệt
27
Hình 1.7: Phân bố nhiệt độ bề mặt dây quấn và dầu so với môi trường dọc chiều cao
MBA. Đường 1.Tăng nhiệt của dầu; Đường 2.Tăng nhiệt bề mặt dây quấn
28
Hình 1.8: Tăng nhiệt độ MBA khi làm mát tự nhiên bằng dầu
29
Hình 1.9: a. Đường phát nóng và đường làm mát 2, T= hằng số;
32
b. Đường phát nóng 1 khi nhiệt độ ban đầu của vật thể là 1
32
Hình 2.1: Sự phụ thuộc của tuổi thọ tương đối và sự hao mòn cách điện tương đối
của MBA vào nhiệt độ cuộn dây
36
Hình 2.2: Thời gian làm việc ở nhiệt độ điểm nóng ứng với 980C
40
Hình 2.3: Công suất làm việc liên tục theo nhiệt độ môi trường xung quanh
41
Hình 2.4: Biểu đồ phụ tải và sự phát nóng của MBA
41
Hình 2.5: a. Hệ số quá tải K2 của MBA làm mát ONAN, ONAF;
42
b. Hệ số quá tải K2 của MBA làm mát OFAF, OFWF
42
Hình 2.6: Đồ thị phụ tải của MBA
43
Hình 3.1: Biểu đồ nhiệt độ của MBA
50
Hình 3.2: Biểu đồ tăng nhiệt độ đơn giản
51
Hình 3.3: Mô tả đơn giản về hiệu ứng nhiệt trong MBA với tải thay đổi
55
Hình 3.4: Sự phân bố nhiệt độ từ cuộn dây đến không khí của MBA dầu
56
Hình 3.5: a. Phân bố nhiệt độ theo chiều cao của MBA dầu
58
5
Hình 3.6: Sự phụ thuộc độ tăng nhiệt độ của dầu so với nhiệt độ của môi trường làm
mát cũng như độ tăng nhiệt độ của cuộn dây so với nhiệt độ của dầu vào phụ tải ở
chế độ xác lập.
60
Hình 3.7: Độ tăng nhiệt độ của dầu và cuộn dây so với môi trường làm mát trong
quá trình quá độ ứng với đồ thị phụ tải:a. hai bậc; b. nhiều bậc
63
Hình 4.1: Lượng nước hòa tan cực đại trong dầu theo nhiệt độ
69
Hình 4.2: Bình dãn dầu
72
6
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Hệ số độ bền cách điện ở từng độ cao khác nhau [3].
14
Bảng 1.2: Các cấp cách điện so với nhiệt độ giới hạn
14
Bảng 1.4: Thông số về nhiệt của vật liệu chế tạo máy biến áp
18
Bảng 1.5: Thống kê các giá trị qk và αk đối lưu tự nhiên,
22
Bảng 1.6: Thống kê hệ số bức xạ tương đối v của một số vật liệu
25
Bảng 1.7: Hệ số đặc trưng truyền nhiệt bức xạ (v = 0,87)
26
Bảng 2.1: Hằng số thời gian của MBA và nhiệt độ đẳng trị của môi trường làm mát
44
Bảng 2.2. Các giá trị cực đại cho phép của nhiệt độ trung bình t1 của cuộn dây sau
khi ngắn mạch (TCVN 6306-5-1997 và IEC 76-5-1994).
45
Bảng 2.3. Thời gian kéo dài ngắn mạch cho phép theo tiêu chuẩn Ba Lan, Đức, 46
Liên Xô (cũ) và Việt Nam, tính theo giây.
46
Bảng 3.1: Độ tăng nhiệt độ cho phép phụ thuộc vào cấp cách điện sử dụng.
49
Bảng 3.2: Các MBA có hệ thống làm mát đang vận hành ở Việt Nam.
58
Bảng 3.3: Hằng số phụ thuộc vào công suất và hệ thống làm mát
62
Bảng 4.1: Bội số dòng điện ngắn mạch và thời gian ngắn mạch
67
cho phép của MBA trong un
67
Bảng 4.2: Các đặc tính của dầu cách điện
68
Bảng 4.3: Hàm lượng ẩm cực đại cho phép trong dầu
69
Bảng 4.4: Chương trình kiểm tra tổng thể MBA
81
7
MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Yêu cầu cung cấp điện trong Hệ thống điện Việt Nam đòi hỏi càng ngày
càng cao trong những năm gần đây. Vì thế việc tránh những sự cố vận hành của hệ
thống điện (HTĐ) trở nên ngày càng quan trọng. Tuy nhiên do chi phí rất cao của
các thiết bị cao áp, đặc biệt là máy biến áp, việc thay mới để nâng cao độ tin cậy sẽ
là không kinh tế đối với nhiều thiết bị đã quá thời hạn sử dụng vì trên thực tế nhiều
thiết bị này vẫn còn tình trạng khá tốt. Việc đánh giá đúng tình trạng của các máy
biến áp (MBA) vì vậy là rất cần thiết trước khi đưa ra bất kỳ kết luận nào về việc
thay thế hay đại tu lại các MBA này.
Sự xuống cấp trong cách điện của MBA, mà phần lớn là giấy và dầu, là
nguyên nhân chính của hư hỏng MBA. Tuy nhiên, hầu hết các phân tích hóa học
phải được thực hiện dưới điều kiện khắt khe như trong phòng thí nghiệm và thậm
chí đối với một vài phân tích hóa học còn đòi hỏi phải lấy mẫu giấy trong MBA.
Bên cạnh đó thì các kiểm tra bằng các phép đo điện tỏ ra đơn giản hơn và có thể
được tiến hành tại chỗ, vì lý do này mà các kiểm tra điện thường được dùng nhiều
hơn các kiểm tra hóa học mặc dù chúng không cung cấp trực tiếp các thông tin về
các tham số được chỉ ra ở trên.
Việc xuống cấp khả năng cách điện MBA chủ yếu là do dầu và giấy cách
điện gây ra, đó cũng là nguyên nhân chính gây ra sự cố ở MBA. Những phép phân
tích hoá học và đo điện được sử dụng để kiểm tra điều kiện cách điện MBA. Trong
đó, phép phân tích hoá học cung cấp trực tiếp những thông tin như thành phần
nước, mức độ polimer hóa của giấy, lượng cặn trong dầu, độ axit trong dầu và
lượng khí tan trong dầu.
Xuất phát từ các vấn đề trên, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá tác
động của môi trường đối với cách điện cuộn dây và các biện pháp nâng cao tuổi thọ
máy biến áp lực trong HTĐ Việt Nam”. Rất cần thiết trong nghiên cứu đánh giá
hiệu quả của các biện pháp nâng cao tuổi thọ của MBA trong lưới điện. Bởi vì,
MBA lực là thành phần rất quan trọng và không thể thiếu trong HTĐ.
8
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu đánh giá tác động của môi trường đối với cách điện cuộn dây và
các biện pháp nâng cao tuổi thọ MBA điện lực trong HTĐ Việt Nam.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là nghiên cứu đánh giá tác động của môi trường đối
với cách điện cuộn dây của MBA lực. Từ đó, nghiên cứu các giải pháp biện pháp
nâng cao tuổi thọ máy biến áp lực trong HTĐ Việt Nam.
3.2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu tác động của môi trường, thời tiết đến cách điện của cuộn
dây MBA lực.
Những ảnh hưởng có hại của môi trường nhiệt đới làm suy giảm cách
điện cuộn dây trong quá trình vận hành và khả năng mang tải của các
MBA lực.
Tính toán chế độ nhiệt cho MBA lực.
Một số giải pháp khắc phục những ảnh hưởng có hại của môi trường
nhiệt đới và hiện tượng quá nhiệt trong MBA nhằm nâng cao tuổi thọ
của MBA lực.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu vật liệu cách điện của MBA trong HTĐ Việt Nam, cần phải khảo
sát và phân tích về những tác động và ảnh hưởng của môi trường nhiệt đới với
những yếu tố khí hậu đặc biệt như độ ẩm và nhiệt độ thay đổi thất thường đến cách
điện của MBA ở Việt Nam.
5. Cấu trúc của luận văn
Chương 1: Tổng quan về thực trạng những tác động và ảnh hưởng của
môi trường nhiệt đới đến quá trình vận hành MBA lực ở miền Bắc trong
HTĐ Việt Nam.
Chương 2: Khảo sát thực trạng những ảnh hưởng có hại của môi trường
nhiệt đới làm suy giảm cách điện cuộn dây trong quá trình vận hành và
khả năng mang tải của các MBA lực.
9
Chương 3: Tính toán chế độ nhiệt trong MBA lực.
Chương 4: Một số giải pháp khắc phục những ảnh hưởng có hại của môi
trường nhiệt đới và hiện tượng quá nhiệt trong MBA nhằm nâng cao tuổi
thọ của MBA lực.
Để hoàn thành luận văn này, đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành và
lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS. Nguyễn Đình
Thắng, người đã luôn chu đáo, tận tình và có những nhận xét góp ý, chỉ đạo kịp thời
về nội dung và tiến độ của luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn những nhận xét góp ý, tạo điều kiện thuận lợi và
sự giúp đỡ tận tình của Viện sau đại học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các
thầy cô giáo của Bộ môn Hệ thống điện - Viện Điện - Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội và bạn bè đồng nghiệp trong quá trình làm luận văn.
Mặc dù đã hết sức cố gắng song do thời gian và khả năng còn hạn chế, luận
văn còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự đánh giá, góp ý của quý thầy cô
giáo và bạn bè đồng nghiệp để hoàn thiện luận văn này.
10
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ THỰC TRẠNG NHỮNG TÁC ĐỘNG VÀ
ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG NHIỆT ĐỚI ĐẾN QUÁ TRÌNH
VẬN HÀNH MÁY BIẾN ÁP LỰC Ở MIỀN BẮC TRONG HTĐ VIỆT NAM
1.1. Đặt vấn đề
Máy biến áp (MBA) là một trong những thiết bị quan trọng của HTĐ và
chúng được lắp đặt trên toàn lãnh thổ, chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như thời
tiết, khí hậu, môi trường và tác động của con người.
Yêu cầu làm việc tin cậy, khả năng sẵn sàng hoạt động cao là các yếu tố
quan trọng nhất của MBA trong hệ thống điện. Để đảm bảo các yêu cầu này công
tác chuẩn đoán, kiểm tra thử nghiệm và bảo dưỡng đóng vai trò rất quan trọng.
Như chúng ta đã biết, ngay sau khi được lắp đặt và đưa vào vận hành sử
dụng MBA đã có nguy cơ bị xuống cấp và hư hỏng. Đây là hiện tượng bình thường
bởi vì MBA là tập hợp của nhiều chi tiết điện từ, cơ khí, thủy lực, khí nén v.v...
được bố trí trong môi trường chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm, mưa gió, bão
v.v... Mặt khác, trong quá trình vận hành sử dụng luôn có sự thay đổi về phụ tải, có
sự bố trí lại mạng điện hoặc bổ sung thêm thiết bị mà nhiều khi không có sự phối
hợp tổng thể của cơ quan nghiên cứu và thiết kế. Cũng cần phải kể đến sự lựa chọn
thiết bị không đúng, sự chỉnh định sai các thiết bị đo lường điều khiển, chỉ thị, sự
vận hành không đúng quy trình kỹ thuật.v.v...Tất cả các yếu tố kể trên gây ảnh
hưởng xấu đến sự làm việc bình thường của toàn hệ thống và hậu quả của nó
thường là làm cho tuổi thọ của thiết bị điện trong đó có MBA giảm đi đáng kể.
Chính các yếu tố môi trường này cũng góp phần làm tăng nhiệt độ dầu và
nhiệt độ cuộn dây của máy biến áp. Việt Nam có nhiều vùng khí hậu khác nhau nên
nhiệt độ trung bình hàng năm của từng vùng khác nhau nên MBA sẽ chịu những tác
động của nhiệt độ môi trường khác nhau.
Do đó, việc “Nghiên cứu đánh giá tác động của môi trường đối với cách điện
cuộn dây và các biện pháp nâng cao tuổi thọ MBA điện lực trong HTĐ Việt Nam”
sẽ nhằm giúp cho các cán bộ kỹ thuật trong lĩnh vực kiểm tra thử nghiệm và bảo
11
dưỡng MBA hiểu rõ hơn bản chất, khả năng làm việc của MBA, từ đó sẽ tìm ra
cách vận hành MBA sao cho hợp lý để tận dụng được khả năng tải tối đa trên cơ sở
vẫn đảm bảo tuổi thọ của MBA.
Để thực hiện được công việc nghiên cứu trên đối với cách điện MBA trong
HTĐ Việt Nam, cần phải khảo sát và phân tích về những tác động và ảnh hưởng của
môi trường nhiệt đới với những yếu tố khí hậu đặc biệt như độ ẩm và nhiệt độ thay
đổi thất thường đến cách điện của MBA ở Việt Nam. Những yếu tố này tác động
liên tục làm thay đổi cấu trúc của vật liệu nói chung và vật liệu cách điện nói riêng,
làm sai lệch các chế độ vận hành bình thường, làm hư hỏng dần các thành phần của
thiết bị trong hệ thống điện mà đặc biệt là MBA. Vì vậy, trong quá trình nghiên
cứu, thiết kế chế tạo cũng như lựa chọn, xây lắp và vận hành MBA phải xét đến
những yếu tố khí hậu đặc biệt này. Chỉ trên cơ sở nghiên cứu, phân tích đánh giá
đầy đủ các tác động đối với MBA (kể cả các yếu tố của môi trường) mới có thể thiết
kế - chế tạo, lựa chọn một cách hợp lý và các giải pháp vận hành đúng đắn, đảm bảo
cung cấp điện một cách liên tục và tin cậy cho các công trình công nghiệp và dân
dụng.
Những yếu tố cơ bản của thời tiết ảnh hưởng xấu đến thiết bị điện nói chung
và MBA nói riêng bao gồm: áp suất không khí, nhiệt độ cao, sự thay đổi đột ngột về
nhiệt độ trong một ngày - đêm, cường độ bức xạ của mặt trời, độ ẩm của không khí.
Những yếu tố không thuận lợi khác như: sương muối, hơi nước muối biển, khí thải
từ các nhà máy công nghiệp, bão xoáy nhiệt đới v.v... cũng tác động đến tuổi thọ
của MBA.
Để đảm bảo các công trình điện nói chung và MBA nói riêng làm việc an
toàn và ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt nêu trên, trong quá trình chế tạo
phải xem xét để thiết bị chịu đựng được tất cả các yếu tố có thể xảy ra trong vùng,
hoặc tổng quát hóa các yếu tố của các vùng tương tự để từ đó chế tạo các thiết bị
phù hợp.
Theo mức độ tác động đến vật liệu điện và các thiết bị điện, khí hậu nhiệt đới
có thể chia ra: khí hậu nhiệt đới ẩm ướt và khô. Ngoài ra khi thiết kế và vận hành
12
các MBA phải xét đến ảnh hưởng của địa lý như vùng núi, vùng biển v.v... Đối với
các vùng khí hậu nhiệt đới ẩm ướt đặc điểm chính là mưa rào, giông, bão, sương
mù, bụi công nghiệp và các yếu tố sinh học khác. Đối với các vùng khí hậu nhiệt
đới khô, đặc điểm chính là: nhiệt độ không khí cao, cường độ bức xạ mặt trời lớn,
độ ẩm không cao và thường chênh lệch nhiệt độ trong ngày rất lớn.
1.2. Tác động trực tiếp của môi trường nhiệt đới
1.2.1. Tác động của bức xạ mặt trời
Tia cực tím làm tăng độ già hóa của các vật liệu điện hữu cơ (TD: cao su)
làm giảm thời hạn vận hành của các thiết bị điện. Trong bức xạ mặt trời, trong khí
quyển 45% là tia hồng ngoại. Các tia này làm tăng nhiệt độ khí quyển và nhiệt độ
trên bề mặt thiết bị điện, bị đốt nóng nhất là lớp không khí ở độ cao 1,5 m so với
mặt đất. Các bề mặt của vật liệu điện đối với màu sáng nhiệt độ tăng lên từ 10
÷150C, màu tối tăng lên từ 25÷300C. Nhiệt độ không khí cao là nguyên nhân phá
hỏng các kết cấu hóa lý của vật liệu, làm tăng nhanh độ già hóa cách điện của thiết
bị điện. Nhiệt độ môi trường tăng thêm lên 100C so với giá trị trung bình, điện trở
cách điện giảm xuống 50%. Đốt nóng thiết bị vượt quá giá trị cho phép sẽ làm tăng
(tổn hao điện môi) góc tg. Tổn hao điện môi của cách điện sứ ở 500C tăng lên 2
lần, ở 800C tăng lên 4 lần so với đại lượng ở nhiệt độ quy chuẩn 200C.
1.2.2. Ảnh hưởng của độ ẩm không khí
Độ ẩm không khí làm tăng sự đọng nước trên bề mặt cách điện. Độ ẩm và
nhiệt độ cao làm tăng dòng rò của cách điện (dòng rò qua bề mặt cách điện). Tác
động liên tục và lâu dài của độ ẩm làm tăng hằng số điện môi và làm giảm độ bền
cách điện. Kết đọng - ẩm - khô lặp lại có thể làm rạn nứt bên trong vật liệu, làm
giảm không những các đặc tính về điện mà còn làm suy giảm độ bền cơ của vật liệu
và thiết bị điện. Sự ẩm thấp do sương muối làm tăng sự han rỉ các kết cấu kim loại.
1.2.3. Ảnh hưởng của khí hậu
Ở các vùng gần biển nhiệt đới thường có độ ẩm cao 90÷95%, có sương mù
thường xuyên và trong sương muối biển, mây mù thường lẫn cát và bụi hữu cơ.
Trong tầng thấp của khí quyển có nồng độ muối cao, không khí bị nhiễm bẩn muối.
13
Nguồn nhiễm bẩn này có thể hòa tan trong nước và trong đất. Sự lắng đọng của các
giọt nước có lẫn muối trên bề mặt cách điện và các thiết bị là mối nguy hiểm đối với
quá trình vận hành của các thiết bị điện và cách điện.
Ở các vùng núi có đặc điểm là áp suất khí quyển thấp, có giông và gió mạnh,
chênh lệch nhiệt độ trong ngày lớn. Ở đây mật độ không khí phụ thuộc không chỉ áp
suất mà còn cả nhiệt độ. Việc giảm áp suất không khí khi tăng độ cao so với mặt
biển và tương ứng với nó là giảm mật độ không khí sẽ kéo theo sự giảm điện áp
phóng điện chọc thủng cách điện, đặc biệt đối với các loại thiết bị mà cách điện là
không khí. Càng ở trên cao so với mặt biển hệ số tương đối của độ bền cách điện
khoảng cách khí càng thấp.
Bảng 1.1: Hệ số độ bền cách điện ở từng độ cao khác nhau [3].
Độ cao so với mặt biển (m)
Hệ số độ bền cách điện
1000
1,00
1.200
0,98
1.500
0,95
1.800
0,92
2.000
0,90
2.500
0,85
1.2.4. Quá trình lão hóa cách điện
Tiêu chuẩn IEC-76 về MBA điện lực quy định nhiệt độ phát nóng cho phép
của nhiệt độ cực đại của dầu (không khí hoặc nước), phát nóng của dây quấn của
mạch từ. Các vật liệu cách điện thể rắn chia làm 7 cấp với nhiệt độ cho phép như
trong bảng 1.2.
Bảng 1.2: Các cấp cách điện so với nhiệt độ giới hạn
Cấp cách điện
0
Nhiệt độ giới hạn ( C)
Y
A
E
B
F
H
C
90
105
120
130
155
180
>180
Các MBA khô thường sử dụng cách điện cấp B và H: sợi thuỷ tinh, amiăng,
mica hoặc epoxy.
Các MBA dầu thường sử dụng vật liệu cấp A có nguồn gốc sợi tự nhiên (sợi
bông, gỗ) hoặc sợi nhân tạo xenlulô axêtat, polyamit …
14
Các vật liệu này có các đặc tính tốt về cơ, điện, nhiệt.
Khi MBA vận hành, dòng điện chạy trong dây quấn của MBA khi đó từ
trường trong lõi thép sẽ sinh ra các tổn hao công suất và biến thành nhiệt làm nóng
các chi tiết của MBA.
Sự tăng nhiệt này làm giảm khả năng sử dụng vật liệu tác dụng. Khi tăng nhiệt
độ thì vật liệu cách điện bị lão hóa. Vật liệu cách điện thường gặp ở MBA là các
loại giấy, bìa, bakêlit, vải sợi, dầu MBA, các loại sơn, nói chung là vật liệu cấp A và
B. Đối với các loại cách điện này người ta nhận thấy tăng nhiệt độ lên 80C với vật
liệu cấp A và 120C với vật liệu cấp B thì tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi một
nửa. Để vận hành hợp lý MBA có quy định nhiệt độ cho phép lớn nhất. Bảng 1.3
giới thiệu các tiêu chuẩn Quốc tế về độ tăng nhiệt của MBA [1].
Bảng 1.3: Tiêu chuẩn độ tăng nhiệt độ cho phép của MBA
(địa điểm lắp đặt máy có chiều cao ≤ 1000 m)
Ba Lan PN-56/E-06040
Quốc tế IEC 76/1967
Nga ΓOST/401-91
Đức VDE-0532/G.64
Tiệp Khắc (cũ)CSN351000
Anh-SS171/1959
Pháp - UTE
Mỹ - ASAC57.1200
Thụy Điển - SEN
TCVN - 6306-1/1997
Theo tiêu chuẩn
35
Nhiệt độ
25
môi trường
Nhiệt độ trung bình
làm mát
15
của năm nóng nhất
Nhiệt độ nước làm mát 25
cực đại (max)
40
30
20
25
35
-
-
25
35
25
20
25
40
30
20
25
40
35
-
25
40
30
-
25
40
30
-
30
35
-
-
25
40
30
20
25
Thông số nhiệt độ môi trường và độ
tăng nhiệt cho phép
Nhiệt độ môi trường
(max)
Nhiệt độ trung bình
tháng nóng nhất
15
Dầu làm mát tự
Nhiệt độ
70
nhiên (ON...)
tăng cao của
dây quấn so
Dầu làm mát cưỡng
với môi
70
bức (OD...)
trường
65
65
70
70
70
70
65
65
60
65*
60
65
55
55
60
60
65
70
Nhiệt độ
Dầu trong máy không
tăng cao của
60
tiếp xúc với không khí.
dầu ở lớp
trên cùng so
Dầu trong máy tiếp xúc
với môi
60
với không khí.
trường.
60
55
60
60
60
60
60
55
50
50
55
50
55
50
50
50
60
60
* Làm mát bằng nước, cho phép 700C
* Nếu địa điểm lắp đặt máy cao hơn 1000 m, thì độ tăng nhiệt cho phép giảm
xuống:
- Máy biến áp làm mát tự nhiên (... AN), giới hạn nhiệt độ tăng trung bình
của cuộn dây sẽ giảm đi 10C cho mỗi khoảng 400m khi độ cao của địa điểm lắp đặt
vượt quá 1000m.
- Đối với MBA làm mát cưỡng bức (... AF) thì cứ 250 m giảm đi 10C.
* Tiêu chuẩn ở bảng 1.1 có hiệu lực cho MBA có cách điện cấp A, ngâm
trong dầu mỏ hoặc dầu tổng hợp có điểm cháy ≤ 3000C. Nếu cách điện cấp cao hơn,
dầu tổng hợp ít cháy hơn thì phải có sự thỏa thuận.
1.3. Các phương thức truyền nhiệt
Để xét các phương thức truyền nhiệt, người ta chia MBA làm hai nhóm chi
tiết [1]:
- Nhóm các chi tiết là nguồn nhiệt, như dây quấn và lõi thép.
- Nhóm các chi tiết là truyền nhiệt như cách điện, dầu, vách thùng…
Như vậy, nhiệt được truyền từ máy biến áp ra môi trường qua các vật liệu thể
rắn, lỏng, khí. Nhiệt truyền qua thể rắn dưới dạng dẫn nhiệt, truyền qua thể lỏng và
khí dưới dạng đối lưu, ở vỏ thùng nhiệt còn được truyền ra môi trường xung quanh
dưới dạng bức xạ.
16
1.3.1. Quá trình dẫn nhiệt
Xét trường hợp nhiệt được truyền theo mọi hướng, vật thể rắn có thể là:
-
Vật thể đóng vai trò dẫn nhiệt
-
Vật thể là nguồn nhiệt
1.3.1.1. Vật thể chỉ đóng vai trò dẫn nhiệt
Dựa vào ký hiệu ở hình 1.1, chúng ta có thể viết:
P
Hình 1.1: Truyền nhiệt của vật thể
.S
l
(1.1a)
Hình 1.2: Dẫn nhiệt của vật thể có nhiều lớp
Trong đó:
P - lượng nhiệt truyền trong một đơn vị thời gian, [W].
= t1 – t2, chênh lệch nhiệt độ tạo nên dòng nhiệt, [0C].
- độ dẫn nhiệt (nhiệt dẫn suất), [W/m. 0C].
S - tiết diện [m2].
L - chiều dài đường truyền nhiệt, [m].
Chia hai vế phương trình (1.1a) cho S ta có:
P
q
S
l
Từ đó:
q
l
(1.1b)
(1.1c)
Trong đó: q là nhiệt lượng truyền qua tiết diện 1m2 trong một đơn vị thời
gian hay còn gọi là phụ tải nhiệt của tiết diện, [W/m2].
17
Nếu nhiều lớp cách điện kề nhau (hình 1.2) có chiều dày khác nhau, nhiệt
dẫn khác, khi dùng công thức (1.1c) phải tính.
l l1 l2 l3 ...;
1
l1
1
l2
2
l3
3
(1.1d)
...
Hình 1.3: Dẫn nhiệt ở vật thể một lớp, từ lớp này trích ra
khối lăng trụ như ở hình 1.1 và 1.2
Trường hợp vừa xét (hình 1.1 và 1.2) đúng trong điều kiện:
1. Dòng nhiệt chạy dọc vật thể, mọi mặt được cách nhiệt, trừ mặt phía hai đầu
diện tích S.
2. Khối trụ ký hiệu ở sơ đồ là phần tử của một lớp (hình 1.3) có chiều dày l, có bề
mặt rất lớn (theo lý thuyết là vô cùng lớn).
Bảng 1.4: Thông số về nhiệt của vật liệu chế tạo máy biến áp
[W/m. C]
Nhiệt dung C
[W/kg.0C]
Khối lượng riêng
[kg/m3]
Đồng
380
390
8,93.103
Nhôm
220
920
2,7.103
490
(7,57,65).103
Khô 1300
Khô (11,35).103
Vật liệu
Lá thép MBA có
Nhiệt dẫn suất
0
Chiều dài 1930
chiều dày 0,35mm
(trong dầu)
Chiều vuông góc
- cách điện giấy 2,0
- cách điện sơn 3,6
Bìa
Khô 0,19
Ngâm dầu 0,25
18
14001450
(1,151,42).103
Giấy cáp
Khô 0,1
Trong dầu 0,17
11501350
Khô 0,88.103
Trong dầu 10.103
Dầu máy biến áp
0,125
19002000
Cách điện đồng chất
lỏng
0,1
1070
1,55. 103
Sứ
1,55
880
(2,22,4).103
Nước
0,59
4180
10.103
Giấy cứng
0,25
(0,880,9).103
ở 200C
Ghi chú:
1. Nhiệt dẫn suất của vật rắn được coi là hằng số trong phạm vi từ 201800C.
2. Nhiệt dẫn suất theo hướng vuông góc lá thép trụ máy biến áp không khí là
0,60,8.
1.3.1.2. Vật thể là nguồn nhiệt
Ta chỉ xét trường hợp truyền nhiệt theo một phương.
Trên hình 1.4 vẽ lăng trụ ở đó nhiệt tỏa đi đồng đều. Nhiệt phát sinh trong
đơn vị thể tích ký hiệu là p. Nhiệt truyền ra bên ngoài qua bề mặt S1, S2.
Giả thiết nhiệt độ lớn nhất nằm ở mặt phẳng đối xứng 0, tương ứng với điều
kiện làm mát của S1và S2 như nhau.
Xét lớp nguyên tố vi phân dx cách mặt phẳng đối xứng khoảng x. Trong một
đơn vị thời gian chảy qua đó năng lượng p.S.x, trên một đơn vị diện tích là qx= p.x.
Áp dụng phương trình (1.1c) cho lớp vô cùng bé ta có:
d p. x
dx
x
(1.2a)
Trong đó: - nhiệt dẫn suất của vật thể theo phương trình x.
Dấu “ - ” trong công thức (1.2a) chỉ rằng khi càng tăng khoảng cách x, nhiệt
độ càng giảm, tích phân (1.2a) ta có:
p.x 2
A
2
a
2
Ở hai biên, x nơi mặt phẳng S1và S2 là nhiệt độ môi trường
19
(1.2b)
p.a 2
a
Thay x ta có =0 và A
2
8
p.x 2 p.a 2 p.a 2
2
8
8
2 x 2
1
a
(1.2c)
Hình 1.4: Phân bố nhiệt trong vật thể là nguồn nhiệt
Phân bố nhiệt độ có đường đặc tính là parabol (hình 1.4). Chênh nhiệt độ
giữa điểm x = 0 và mặt S1 và S2 là:
2
1
(1.3)
p.a 2 2
.1
12 2 3
(1.4)
Độ tăng trung bình của nhiệt độ là:
1
a
a/2
2 .
p.a
8 2
a /2
.dx
Ký hiệu nhiệt lượng ở một đơn vị thể tích là p [W/m3], chiều dài vật thể là a,
[m] và nhiệt dẫn suất là [W/m.0C] ta có 1 và 2 đo bằng 0C.
1.3.2. Quá trình đối lưu
Hiện tượng đối lưu xảy ra ở vật thể lỏng và khí. Nhiệt lượng được truyền đi
phụ thuộc vào môi trường, độ chênh nhiệt độ và chuyển dịch cưỡng bức xung quanh
vật thể.
Khi làm mát tự nhiên bằng đối lưu, một lớp của môi trường làm mát bề mặt
vật thể bị gia nhiệt trở nên nhẹ hơn và chuyển động lên phía trên.
20
Tốc độ dòng chảy biến đổi từ 0 ở bề mặt đạt tới giá trị cực đại rồi trở lại về 0
(hình 1.5). Mỗi lớp xảy ra quá trình chuyển động như vừa xét được gọi là một dải
của dòng tầng chảy. Bề rộng của dải này ở không khí vào khoảng 12 mm; ở đầu là
3mm.Tốc độ dòng chảy ở không khí không quá 1m/s, ở đầu không quá 1cm/s. Quá
trình đó gọi là chảy tầng, các dòng chảy song song với nhau và song song với bề
mặt làm mát.
Hình 1.5: Phân bố độ chênh nhiệt độ tốc độ hoạt động làm mát gần vật thể
khi có dòng chảy
1.3.2.1.Tải nhiệt ở môi trường không khí
Trước tiên xét sự tải nhiệt bằng đối lưu tự nhiên theo mặt thẳng đứng.
Theo Schmidt và Bechman có thể biểu diễn nhiệt lượng truyền tải trong một
đơn vị thời gian theo đơn vị diện tích mặt thẳng đứng dưới dạng:
qk C
4
tao .H
1,25
(1.5a)
Trong đó: δ - mật độ tương đối của không khí.
θ - chênh lệch nhiệt độ trung bình của vật gia nhiệt và không khí.
tao - nhiệt độ môi trường xung quanh (nhiệt độ tuyệt đối 0K).
tao = 273 + t0 tính theo [0K].
H - chiều cao mặt làm mát, [m].
qk tính theo [W/m2]; C = 10
qk 10
4
273 t0 .H
21
1,25
(1.5b)
Với giá trị t0 thường gặp ta có:
qk 2, 46 1 9, 2.104.t0 4
H
1,25
Thay đổi t0 khoảng 100C, giá trị qk thay đổi cỡ 1%.
Mật độ tương đối của không khí δ được tính gần đúng như sau:
(1.5c)
16 h
16 h
Với: h là chiều cao so với mặt biển ở vị trí đặt MBA, tính theo [km]. Công
thức này chỉ đúng khi h ≤ 6 km, ở độ cao càng lớn, không khí càng loãng, dẫn nhiệt
kém. Những MBA đặt ở độ cao h ≥1000 m phải lưu ý hơn về làm mát.
Trong thực tế H>1 m dòng bắt đầu chảy rối; khi đó chiều cao bề mặt làm mát
không còn vai trò làm mát. Bỏ qua phần cao H ≥1 m, gần đúng lấy 4 H 1 . Theo
(1.5c) nhiệt độ môi trường t0 = 200C và 1 , 4 H 1 , nhiệt truyền trên đơn vị
diện tích, [W/m2] là:
qk 2, 42. 1,25
(1.5d)
Công thức (1.5d) sử dụng khi tính gần đúng. Chia hai vế của phương trình
(1.5c) cho θ ta được hệ số truyền nhiệt bằng đối lưu, [W/m2.0C]:
k
qk
2, 46. 1 9, 2.104.t0
4
H
. 0,25
(1.6a)
(1.6b)
Khi tính gần đúng ta có:
k
qk
2, 42. 0,25
Giá trị αk tăng tỷ lệ với căn bậc bốn của độ chênh nhiệt θ.
Bảng 1.5: Thống kê các giá trị qk và αk đối lưu tự nhiên,
theo công thức (1.5d) và (1.6b) t0 200C và 1 , 4 H 1
qk
αk
0
C
20
30
40
50
60
75
[W/m ]
103
170
244
320
402
533
[W/m2/.0C]
5,15
5,67
6,1
6,4
6,7
7,11
2
Như vậy lượng nhiệt tải từ mặt phẳng Sk ở độ chênh nhiệt độ trung bình
giữa vật gia nhiệt và dòng khí có thể được biểu diễn:
22
