Nghiên cứu, đánh giá thực trạng và giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của máy biến áp chính trong các nhà máy nhiệt điện
CÔNG NGHIỆP ĐIỆN
TẠP CHÍ DẦU KHÍ
Số 4 - 2020, trang 40 - 49
ISSN 2615-9902
NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO
HIỆU QUẢ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY BIẾN ÁP CHÍNH TRONG CÁC NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN
Vũ Minh Hùng1, Lê Văn Sỹ1, Nguyễn Phan Anh1, Nguyễn Hà Trung2
1Đại học Dầu khí Việt Nam
2Đại học Bách khoa Hà Nội
Email: hungvm@pvu.edu.vn
Tóm tắt
Máy biến áp chính là thiết bị điện quan trọng trong các nhà máy điện giúp nâng điện áp từ khoảng 20 - 26kV ở đầu ra của máy phát
lên 220 - 230kV. Sau một thời gian sử dụng cần đánh giá lại tổn thất, hiệu suất, chế độ vận hành để có các giải pháp tăng hiệu quả làm
việc và hạn chế sự cố, đồng thời kéo dài tuổi thọ máy biến áp.
Nhóm tác giả đã khảo sát tại 5 nhà máy điện (Cà Mau 1 & 2, Nhơn Trạch 1 & 2 và Vũng Áng 1) với các máy biến áp có công suất từ 231
- 300MVA, đã vận hành từ 6 - 13 năm. Từ kết quả đo đạc, nhóm tác giả đã xây dựng phần mềm CLET (Computing Losses and Efficiency of
Transformer) để phân tích, đánh giá thực trạng hoạt động và hiệu quả làm việc của các máy biến áp, từ đó đề xuất chế độ vận hành, bảo
trì, bảo dưỡng để đảm bảo an toàn và nâng cao tuổi thọ của máy biến áp.
Từ khóa: Máy biến áp, nhiệt điện, tổn thất, hiệu suất, CLET.
1. Giới thiệu
Máy biến áp là thiết bị điện quan trọng trong hệ thống
Nghiên cứu về tổn thất và hiệu suất của máy biến áp,
đặc biệt là máy biến áp chính trong các nhà máy điện thu
hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trên thế
giới. Gần đây đã có phân tích, đánh giá hiệu suất của máy
biến áp công suất lớn theo hệ số tải [1]. Nhóm tác giả sử
dụng phương pháp đo ngắn mạch và hở mạch để xác định
các tham số của máy biến áp; đề xuất ứng dụng phương
pháp đo thực nghiệm để đánh giá tổn thất của máy biến
áp phân phối cho trường hợp tải phi tuyến [2]. Thực hiện
nghiên cứu về tổn thất và hiệu suất của các máy biến áp
ở châu Âu dựa trên việc mô hình hóa lại máy dưới dạng
mạch điện [3]. Trong các loại tổn thất của máy biến áp thì
tổn thất tản mặc dù khó đo đếm được trực tiếp nhưng có
các phương pháp số để mô phỏng và ước lượng nếu biết
chính xác mô hình của máy biến áp [4]. Tổn thất tản có
thể được hạn chế bằng cách sử dụng các vật liệu phi kim
loại thay thế [5] hoặc vật liệu có tính chất đặc biệt [6, 7].
Ngược lại, tổn thất đồng có thể ước lượng được dựa trên
việc tính toán, dự báo nhiệt độ cuộn dây [8, 9]. Theo thời
gian không chỉ tổn thất của máy biến áp tăng lên mà các
vật liệu bên trong máy cũng bị lão hóa đòi hỏi máy biến
áp phải được đánh giá tình trạng kỹ thuật, theo dõi và các
kiểm tra chẩn đoán để phòng ngừa sự cố và gia tăng tuổi
thọ máy [10, 11].
truyền tải và phân phối điện năng. Trong các nhà máy điện,
máy biến áp thường được sử dụng để biến đổi điện áp từ
khoảng 20 - 30kV thành điện áp cao trên 110/220/500kV
trước khi hòa vào lưới điện quốc gia. Vì công suất của máy
biến áp thường rất lớn (có thể lên đến 200 - 750MVA) nên
các tổn thất không tải (hay còn gọi là tổn thất sắt từ) và tổn
thất ngắn mạch (tổn thất đồng) rất lớn. Đối với các máy
biến áp mới, 2 loại tổn thất này được chỉ rõ trong bảng
thông số kỹ thuật. Tuy nhiên, hiệu suất thực tế của máy
biến áp còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: chế độ
vận hành, chế độ làm mát và nhiệt độ môi trường. Ngoài
ra, theo thời gian sử dụng thì hiệu suất của máy biến áp
cũng sẽ giảm dần do chất lượng của lõi sắt từ, dây quấn, hệ
thống làm mát (quạt, bơm, dầu) và lão hóa của các loại vật
liệu bên trong làm tăng nguy cơ sự cố. Vì thế việc định kỳ
phân tích thực trạng hoạt động, đánh giá các loại tổn thất
và ước lượng hiệu suất thực của các máy biến áp là yêu
cầu cấp thiết, từ đó sẽ có các giải pháp phù hợp để độ vận
hành máy biến áp an toàn và hiệu quả hơn.
Ngày nhận bài: 26/11/2019. Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 26/11/2019 - 14/1/2020.
Ngày bài báo được duyệt đăng: 14/4/2020.
DẦU KHÍ - SỐ 4/2020
40
PETROVIETNAM
Bảng 1. Số liệu được thu thập ở các nhà máy
Thời gian
TT
Nhà máy
Loại số liệu bên sơ cấp
Loại số liệu bên thứ cấp
thu thập
11/2018
3/2019
-
-
-
-
Điện áp
-
-
-
Điện áp
1
Nhà máy Điện Cà Mau 1, 2
Dòng điện
Dòng điện
P1 (công suất tác dụng máy
phát)
P2 (công suất tác dụng ra máy
biến áp)
2
3
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 1
4 - 8/2019
1 - 5/2019
-
Q1 (công suất phản kháng máy
-
Q2 (công suất phản kháng ra
phát)
máy biến áp)
-
-
-
-
Công suất Ptd tự dùng
Nhiệt độ của dầu
Nhiệt độ cuộn dây
Chế độ làm mát
-
-
-
-
Nhiệt độ môi trường
Nhiệt độ của dầu
Nhiệt độ cuộn dây
Chế độ làm mát
4
Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1
2 - 5/2019
Hiệu suất làm việc của máy biến áp được cải thiện
các công việc này. Dựa trên thực tế khảo sát ở các nhà máy
nhiệt điện, nhóm tác giả đề xuất giải pháp đảm bảo vận
hành an toàn, hiệu quả các máy biến áp chính, đồng thời
gia tăng tuổi thọ máy.
thông qua các phương thức vận hành hợp lý, vì chỉ cần cải
thiện hiệu suất nhỏ của máy biến áp chính sẽ có ý nghĩa
rất lớn trong cán cân năng lượng và kinh tế của nhà máy.
Hiệu suất máy biến áp sẽ lớn nhất (tổn thất nhỏ nhất)
khi tổn thất đồng (thay đổi trong chế độ vận hành) tiến
gần tới tổn thất sắt (gần như không thay đổi nhiều trong
mọi chế độ vận hành). Vì vậy, để đánh giá thực trạng hoạt
động, tổn thất và hiệu suất thực của máy biến áp cần thu
thập các số liệu vận hành trong khoảng 3 - 5 tháng gần
nhất (theo các khoảng thời gian mà hệ thống đo đếm ghi
lại được), gồm các thông số của máy phát, công suất tự
dùng, bên sơ cấp (từ máy phát đi ra) và bên thứ cấp (từ
máy biến áp đấu lên thanh cái truyền tải). Từ đó, phân tích
dữ liệu, xây dựng mô hình máy biến áp, tính toán được
hiệu suất của máy biến áp trong các chế độ làm việc. Mặc
dù máy biến áp trong các nhà máy nhiệt điện do Tập đoàn
Dầu khí Việt Nam đầu tư/tham gia đầu tư có 3 chế độ làm
mát: ONAN (làm mát tự nhiên), ONAF (dầu tự nhiên, quạt
cưỡng bức) và ODAF (dầu cưỡng bức, quạt cưỡng bức)
nhưng phần lớn hoạt động ở chế độ ONAF. Các chế độ
vận hành làm mát sẽ có quyết định chính đến độ bền của
máy biến áp và tổn thất đồng. Ngoài ra, chế độ vận hành
tải cũng ảnh hưởng đến tổn thất đồng do dòng điện trực
tiếp chạy qua cuộn dây gây nên tổn thất.
2. Tính toán tổn thất, hiệu suất của máy biến áp
Hiệu suất của máy biến áp được tính bằng công thức
sau [1 - 3]:
2
(1)
=
=
−
1
Trong đó:
P1: Công suất tác dụng của máy phát;
P2: Công suất tác dụng ở đầu ra (tải tiêu thụ) của máy
biến áp;
Ptd: Công suất tác dụng tự dùng của các thiết bị tiêu
thụ điện trong nhà máy.
Tổn thất (Losess) của máy biến áp được tính như sau:
(2)
Losess = P1 ˗ Ptd ˗ P2 = ΔPst + ΔPđ + ΔPtan
Trong đó:
ΔPst: Tổn thất sắt từ bằng tổn thất không tải;
2
2
2
và
∆Pđ = I1 R1 + I2 R2 = k Pn
Bài báo trình bày kết quả khảo sát ở 3 Trung tâm Điện
lực Dầu khí: Nhơn Trạch, Cà Mau và Vũng Áng (Bảng 1), từ
đó phân tích, tính toán các thành phần tổn thất và hiệu
suất của máy biến áp chính. Do lượng số liệu thu thập rất
lớn, đòi hỏi cần có phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu để
thuận tiện cho việc tra cứu, tính toán tổn thất, hiệu suất
và hiển thị kết quả dưới các dạng biểu đồ trực quan, vì vậy
nhóm tác giả đã xây dựng phần mềm CLET (Computing
Losses and Efficiency of Transformer) để hỗ trợ thực hiện
Trong đó:
I1, R1: Dòng điện và điện trở cuộn dây bên sơ cấp;
I2, R2: Dòng điện và điện trở cuộn dây bên thứ cấp;
k = I2/I2đm: Hệ số tải;
Pn: Tổn thất ngắn mạch;
ΔPtan : Tổn thất tản do dòng điện xoáy.
DẦU KHÍ - SỐ 4/2020
41
CÔNG NGHIỆP ĐIỆN
Trong đó, các loại tổn thất ảnh hưởng trực tiếp đến
(4)
ηmax = (xScosθ2)/(xScosθ2+ 2Pconst)
hiệu suất sẽ là: ∆Pst tổn thất sắt, gần như không thay đổi
theo hệ số tải, vì chỉ phụ thuộc vào điện áp làm việc (gần
như không thay đổi trong các chế độ vận hành). Biểu thức
tổn thất sắt:
Có thể thấy giá trị ηmax thay đổi theo cosθ2. Với máy
biến áp làm việc gần tải định mức, hiệu suất làm việc sẽ
đạt giá trị ηmax khi máy có tổn thất đồng (là thành phần
chủ yếu của tổn thất không tải) gần bằng với tổn thất sắt
(là thành phần chủ yếu của tổn thất không đổi). Tuy nhiên,
trong thực tế giá trị tổn thất không đổi (chủ yếu là tổn
thất sắt) có giá trị khá nhỏ so với tổn thất đồng (do chất
lượng các lá thép silic công nghệ mới đã được cải thiện rất
nhiều trong các thập niên qua và có suất tổn thất W/kg
rất thấp, thực tế hiện nay các máy biến áp lực công suất
lớn đều sử dụng lá tôn silic có chất lượng rất tốt, về mặt
khả năng dẫn từ qua hệ số từ thẩm μ rất cao, ở giá trị cực
đại của mật độ từ thông Bmax khoảng ~ 1,7T, trong khi suất
tổn thất W/kg chỉ vào khoảng 0,85 - 1 W/kg ở 1,7T) - giá
trị này là 110,32kW đối với máy biến áp Hyundai 300MVA,
nên cũng không thể cho máy làm việc ở hệ số tải với tổn
thất đồng ở tải định mức về giá trị tổn thất sắt được. Tổn
thất có tải của máy biến áp Hyundai là 782.868kW ở chế
độ ODAF 300MVA, Tap No.0. Tổng tổn thất là 893.188kW ở
chế độ ODAF, 300MVA, 75oC, Tap No.0, hiệu suất ở chế độ
làm việc này là 99,703%.
∆Pst = Ph + Pe = KhB1,6f + KeB2f2t2
Trong đó:
Ph: Tổn thất do hiện tượng từ trễ;
Pe: Tổn thất do dòng xoay;
B: Mật độ từ thông cực đại trong lõi sắt;
f: Tần số;
t: Bề dày của các lá thép.
∆Pđ: Tổn thất đồng (tổn thất có tải), phụ thuộc vào
bình phương của hệ số tải và có biểu thức sau:
∆Pđ = I12R1 + I22R2 = I’2Re
Trong đó:
I1: Dòng sơ cấp;
I2: Dòng thứ cấp;
R1: Điện trở dây quấn sơ cấp;
R2: Điện trở dây quấn thứ cấp;
I’2: Dòng thứ cấp quy đổi về sơ cấp;
Như vậy, có 2 phương pháp tính hiệu suất máy biến
áp. Trong bài báo này, nhóm tác giả sử dụng công thức (1)
để tính hiệu suất và công thức (2) để tính tổn thất.
Re = R1 + R’2 = điện trở tương đương của máy biến áp
quy đổi về sơ cấp.
3. Xây dựng phần mềm tính toán tổn thất hiệu suất
máy biến áp CLET
Giá trị tổn thất đồng ∆Pđ thay đổi theo bình phương
của hệ số tải và bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ các dây quấn.
Tổn thất do từ trường tản ∆Ptan đi vào các phần kết cấu
sắt thép (bulông, vỏ máy, khung xà...) tạo ra các tổn thất
do dòng xoáy và phụ thuộc vào dòng tải. Ngoài ra còn có
tổn thất điện môi là tổn thất trong các chất cách điện dưới
ảnh hưởng của điện trường, là giá trị không đổi và rất nhỏ.
Các tổn thất trên có thể chia làm 2 loại: tổn thất không đổi
(chủ yếu phụ thuộc vào điện áp, có giá trị gần như không
đổi) và tổn thất thay đổi (chủ yếu phụ thuộc vào dòng tải,
có giá trị thay đổi theo hệ số tải). Giả sử x là hệ số tải, hiệu
suất có thể tính:
Nhóm tác giả đã xây dựng phần mềm CLET để lưu trữ,
quản lý một lượng số liệu lớn của các máy biến áp tại các
nhà máy điện: Nhơn Trạch 1, Nhơn Trạch 2, Cà Mau 1, Cà
Mau 2 và Vũng Áng 1. Đồng thời, có thể hiển thị theo bộ lọc
thời gian và độ lớn. Phần mềm CLET được phát triển dựa
trên ngôn ngữ lập trình JAVA và hệ quản trị cơ sở dữ liệu
mã nguồn mở MySQL. Hiệu suất của các máy biến áp được
tính bằng công thức (1) và tổn thất của máy biến áp được
tính bằng công thức (2). Các giá trị tổn thất và hiệu suất
thực tế sẽ được so sánh với các ngưỡng chuẩn do nhà thầu
cung cấp trong một điều kiện thử nghiệm cụ thể khi chạy
nghiệm thu máy. Phần mềm có thể hiển thị kết quả dưới
dạng trực quan từ đó hỗ trợ người dùng diễn giải và đưa ra
các phân tích, đánh giá về tổn thất, hiệu suất của các máy
biến áp. Phần mềm CLET (Hình 1) bao gồm các chức năng:
ρ = (xScosθ2)/( xScosθ2 + Pconst + x2Pvar)
(3)
với S là công suất (MVA) định mức của máy biến áp; Pconst
:
tổn thất không đổi; Pvar: tổn thất thay đổi ở dòng tải định
mức; cosθ2: hệ số công suất tải thứ cấp.
- Có khả năng nhập số liệu từ file excel theo định
dạng;
Giá trị hiệu suất của máy biến áp sẽ đạt cực đại khi: tổn
Pconst = x2Pvar, x=√
- Lưu trữ, hiển thị số liệu của các máy biến áp theo
bảng, biểu đồ và đồ thị;
thất sắt = tổn thất đồng, nghĩa là
và hiệu suất cực đại sẽ là:
DẦU KHÍ - SỐ 4/2020
42
PETROVIETNAM
- Có các bộ lọc để tra cứu số liệu;
- Tính toán các tổn thất, hiệu suất
theo từng máy biến áp và theo thời
gian, kết quả hiển thị trực quan;
- So sánh kết quả tổn thất, hiệu
suất hiện tại với ngưỡng chuẩn ban
đầu của nhà chế tạo;
- Dự báo tổn thất, hiệu suất, nhiệt
độ dầu và cuộn dây.
4. Thực trạng và giải pháp vận hành
máy biến áp an toàn, hiệu quả
4.1. Thực trạng
Hình 1. Giao diện phần mềm CLET
Nhà máy Điện Cà Mau 1, Nhà máy
Điện Cà Mau 2 và Nhà máy Điện Nhơn
Trạch 2 sử dụng máy biến áp 3 pha
ngâm dầu Hyundai 300MVA. Trong khi
đó, Nhà máy Điện Nhơn Trạch 1 dùng
máy biếp áp 3 pha Fortune 231MVA.
Riêng Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng
1 sử dụng máy biến áp 1 pha công
suất 240MVA của ABB. Như vậy, Nhà
máy Nhiệt điện Vũng Áng 1 cần đến 6
máy biến áp cho cả 2 tổ máy công suất
1.200MW, trong khi đó các nhà máy
điện khí công suất nhỏ hơn chỉ cần 3
máy biến áp loại 3 pha.
Tổn hao của máy biến áp công suất lớn trong một số nhà máy
nhiệt điện của PVN
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
792
787
641
508
120
109
98
81
Tổnhaokhôngtải
Tổnhaotải
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 1 (231 MVA, 3 pha)
Nhà máy Điện Cà Mau 1, 2 (300MVA, 3pha)
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2 (300MVA, 3pha)
Tổn thất không tải (tổn thất sắt từ)
và tổn thất tải (tổn thất đồng + tổn thất
tản) của các máy biến áp xét tại điều
kiện định mức được thể hiện trên biểu
đồ Hình 2 cho thấy mặc dù các máy
biến áp Hyundai ở Nhà máy Điện Nhơn
Trạch 2, Nhà máy Điện Cà Mau 1 & 2
đều có công suất 300MVA nhưng tổn
thất không tải khác nhau đến khoảng
10% do Nhà máy Điện Nhơn Trạch
2 đầu tư sau và được hưởng lợi từ sự
thay đổi công nghệ. Tuy nhiên, tổn thất
tải thì không có sự khác nhau nhiều
(787kW của Nhà máy Điện Nhơn Trạch
2 so với 792kW của Nhà máy Điện Cà
Mau 1 và 2).
Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1 (240 MVA, 1 pha)
Hình 2. Tổn thất không tải và tổn thất tải của các máy biến áp
biến áp Hyundai 300MVA ở Nhà máy Điện Cà Mau 1 chiếm khoảng 13%. Như
vậy, tổng tổn thất đồng và tổn thất tản được gọi chung là tổn thất tải chiếm
khoảng 87%. Riêng máy biến áp ABB 240MVA ở Nhà máy Nhiệt điện Vũng
Áng 1 có tỷ lệ tổn thất không tải cao nhất với mức 14%. Thực tế, các dòng
máy biến áp 3 pha thường có tỷ lệ tổn thất không tải nhỏ hơn dòng máy
biến áp 1 pha.
Do số lượng dữ liệu lớn nên nhóm tác giả chỉ minh họa kết quả khảo sát
và phân tích cho Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2, các nhà máy khác được thực
hiện tương tự.
Tổn thất tải gồm tổn thất đồng và tổn thất tản đều có giá trị thay đổi
rất lớn phụ thuộc vào công suất sử dụng của máy biến áp. Biểu đồ dạng cột
(Hình 4) đã cho thấy tổn thất tản tăng gấp gần 4 lần khi công suất máy tăng
gấp 2 lần từ 90MVA lên 180MVA. Tổn thất tản còn tăng khoảng 10 lần từ
ngưỡng 10.633W ở 90MVA lên mức 114.483W tương ứng với công suất định
mức 300MVA. Tổn thất đồng tăng khoảng 10 lần từ 60.563kW ở 90MVA lên
mức 672.925W ở 300MVA.
Hình 3 cho thấy tổn thất không
tải của máy biến áp ALSTOM 231MVA
ở Nhà máy Điện Nhơn Trạch 1 và máy
DẦU KHÍ - SỐ 4/2020
43
CÔNG NGHIỆP ĐIỆN
Tổn hao máy biến áp ở Nhà máy Điện Cà Mau 1
Tổn hao máy biến áp ở Nhà máy Điện Nhơn Trạch 1
Tổn hao
không tải
Tổn hao
không tải
13%
13%
Tổn hao tải
87%
Tổn hao tải
87%
Tổn hao tải
Tổn hao không tải
Tổn hao tải
Tổn hao không tải
Tổn hao máy biến áp ở Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1
Tổn hao máy biến áp ở Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
Tổn hao
không tải
12%
Tổn hao
không tải
14%
Tổn hao tải
86%
Tổn hao tải
88%
Tổn hao tải
Hình 3. Tỷ lệ tổn thất không tải và tổn thất tải của các máy biến áp
Tổn hao không tải
Tổn hao tải
Tổn hao không tải
Tổn hao máy biến áp 180MVA ở Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
Tổn hao tản
Tổn hao tản (W) theo
công suất của máy biến áp ở Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
Tổn hao
11%
sắt
28%
114483
150000
100000
50000
41768
10633
Tổn hao
đồng
61%
0
90MVA
180MVA
300MVA
Tổn hao tản (W) ở 70oC
Tổn hao sắt
Tổn hao đồng
Tổn hao tản
Tổn hao máy biến áp 300MVA ở Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
Tổn hao đồng (W) theo công suất của máy biến áp
ở Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
Tổn hao tản
Tổn hao sắt
13%
12%
672925
1000000
Tổn hao
đồng
75%
242253
500000
60563
0
90MVA
180MVA
300MVA
Tổn hao đồng (W) ở 70 oC
Tổn hao sắt
Tổn hao đồng
Tổn hao tản
Hình 4. Các loại tổn thất máy biến áp ở Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
DẦU KHÍ - SỐ 4/2020
44
PETROVIETNAM
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
Số mẫu dữ liệu thu thập từ tháng 4 - 8/2019
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
Số mẫu dữ liệu thu thập từ tháng 4 - 8/2019
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
Số mẫu dữ liệu thu thập từ tháng 4 - 8/2019
Số mẫu dữ liệu thu thập từ tháng 4 - 8/2019
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
Hình 5. Số liệu máy biến áp chính của Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2 theo thời gian từ tháng 4 - 8/2019
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
Công suất máy biến áp (MVA)
Công suất máy biến áp (MVA)
(b)
(a)
Hình 6. Ngưỡng tổn thất và tổn thất thực của máy biến áp chính của Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2 theo thời gian từ tháng 4 - 8/2019
DẦU KHÍ - SỐ 4/2020
45
CÔNG NGHIỆP ĐIỆN
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
Hệ số tải
Hệ số tải
(a)
(b)
Hình 7. Ngưỡng hiệu suất và hiệu suất thực của máy biến áp chính của Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2 theo thời gian từ tháng 4 - 8/2019
trong khi đó tổn thất đồng là 61%. Nhưng khi sử dụng
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2
ở công suất định mức 300MVA, tổn thất đồng đã chiếm
75%, còn tổn thất sắt chỉ chiếm 12%.
Số liệu cho máy biến áp chính ở Nhà máy Điện Nhơn
Trạch 2 theo thời gian từ tháng 4 - 8/2019 (Hình 5) cho
thấy công suất tác dụng P1 (MW) của máy phát có sự
dao động đáng kể từ 150 - 250MW và tập trung nhiều ở
khoảng 230MW. Công suất tác dụng bên thứ cấp P2 (MW)
của máy biến áp dao động từ khoảng 145 - 245MW, tập
trung nhiều ở dải công suất 230MW. Trong khi đó, công
suất tác dụng tự dùng Ptd (MW) dao động trong khoảng
4 - 5MW. Như vậy, tổn thất (losses) sẽ nằm trong khoảng
0,7 - 1,8MW.
Tổn thất không tải thay đổi rất chậm theo thời gian
và giả định nó là hằng số. Đối với máy biến áp chính ở
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2 thì tổn thất không tải có giá
trị khoảng 109.737kW (đo tại định mức). Tổn thất tải phụ
thuộc vào tải và nhiệt độ cuộn dây như trên Hình 6a. Khi
công suất máy biến áp thay đổi từ 90 - 300MVA, tổn thất
tải tăng rất mạnh từ 98 - 700kW (ở nhiệt độ 24oC) hoặc
790kW (ở nhiệt độ 75oC). Đường tổn thất tải ứng với nhiệt
độ cao hơn nằm ở phía trên. Hình 6b minh họa tổn thất
thực tế (chấm đỏ) tại thời điểm từ tháng 4 - 8/2019 so với
ngưỡng chuẩn (đường đặc tính xanh) của nhà chế tạo. Từ
đó có thể thấy rằng, khoảng 75% số liệu có tổn thất nằm
trên đường chuẩn. Ngưỡng tổn thất chuẩn do nhà thầu
cung cấp (đã được kiểm tra lúc ban đầu trước khi bàn giao
máy) trong điều kiện xác định, là giới hạn giá trị lớn nhất
đối với tổn thất. Nếu số liệu nằm dưới ngưỡng chuẩn được
coi nằm trong giới hạn cho phép.
Số mẫu dữ liệu thu thập từ tháng 4 - 8/2019
Hình 8. Kết quả sắp xếp lại số liệu trong khoảng thời gian từ tháng 4 - 8/2019
ở Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2 theo thứ tự từ nhỏ đến lớn
Biểu đồ Hình 4 minh họa tỷ lệ của 3 thành phần tổn
thất: sắt, đồng và tản ở nhiệt độ 75oC tương ứng với 2 mức
công suất khác nhau: 180MVA và 300MVA. Các biểu đồ
cho thấy khi công suất sử dụng tăng lên thì tỷ lệ tổn thất
sắt sẽ giảm xuống và tỷ lệ tổn thất đồng sẽ tăng lên. Ví dụ
ở mức công suất 180MVA, tổn thất sắt chiếm đến 28%,
Hiệu suất của máy biến áp phụ thuộc vào hệ số tải.
Hình 7a cho thấy khi máy biến áp hoạt động ở mức công
DẦU KHÍ - SỐ 4/2020
46
PETROVIETNAM
khoảng 0,35 - 0,8; Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1 có hệ
số tải từ 0,5 - 0,8; Nhà máy Điện Nhơn Trạch 1 thì hệ số tải
từ khoảng 0,5 - 0,7.
- Điện áp ra máy biến áp (nối với tải) của Nhà máy
Điện Cà Mau 1, Nhà máy Điện Cà Mau 2 tương đối ổn định
ở mức 230kV; ở Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2 thì dao động
từ 225 - 230kV; Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1 dao động
ở mức cao hơn, từ 228 - 232kV.
- Tổn thất của các máy biến áp ở các nhà máy đều
cao hơn ngưỡng chuẩn do nhà thầu cung cấp. Hiệu suất
máy biến áp ở Nhà máy Điện Cà Mau 1, Nhà máy Điện
Cà Mau 2 và Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2 dao động từ 99
- 99,8%. Trong khi đó, hiệu suất máy biến áp ở Nhà máy
Nhiệt điện Vũng Áng 1 thì thấp hơn, dao động từ 98,6 -
99,6%.
Hình 9. Tỷ lệ các nguyên nhân gây sự cố máy biến áp
suất trung bình (180MVA) thì hiệu suất lớn nhất khi hệ
số tải bằng khoảng 0,6. Trường hợp máy vận hành với
công suất định mức 300MVA, hiệu suất cực đại khi hệ
số tải bằng 0,4. Hiệu suất của máy biến áp chính ở Nhà
máy Điện Nhơn Trạch 2 trong khoảng thời gian tháng 4
- 8/2019 được thể hiện như Hình 7b. Kết quả đo cho thấy
hiệu suất máy rất cao, dao động trong khoảng 99 - 99,8%.
Tuy nhiên, hiệu suất (chấm xanh) chủ yếu vẫn nằm dưới
ngưỡng hiệu suất chuẩn. Số liệu nằm trên ngưỡng chuẩn
được coi là nằm trong giới hạn cho phép.
- Nhiệt độ cuộn dây ở Nhà máy Điện Cà Mau 1, Nhà
máy Điện Cà Mau 2 dao động từ 70 - 85oC; ở Nhà máy Điện
Nhơn Trạch 2 dao động trong khoảng 50 - 78oC; trong khi
đó ở Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1 chỉ dao động từ 40
- 65oC.
- Tổn thất sắt từ (hay tổn thất không tải) gần như
không đổi; trong khi đó tổn thất đồng mặc dù cao nhưng
vẫn trong mức giới hạn cho phép; riêng tổn thất tản tăng
cao và không đo đếm được trực tiếp.
4.2. Đề xuất giải pháp vận hành máy biến áp an toàn,
hiệu quả
Để tìm quy luật thay đổi của hệ số tải, tổn thất đồng,
nhiệt độ cuộn cao áp (HV) và thấp áp (LV) các số liệu được
sắp xếp lại theo thứ tự từ nhỏ đến lớn và kết quả được thể
hiện như trên Hình 8. Kết quả cho thấy đường hệ số tải và
tổn thất đồng có quan hệ đúng như phương trình ∆Pđ =
k2Pn, trong đó k = I2/I2đm là hệ số tải và Pn là tổn thất ngắn
mạch. Nhiệt độ cuộn LV tăng từ khoảng 45 - 70oC khi công
suất phát tăng từ 120 - 250MW, nhiệt độ cuộn HV tăng cao
hơn từ khoảng 50 - 79oC.
Qua khảo sát thực tế tại các nhà máy nhiệt điện của
PVN và phân tích các số liệu thống kê cho thấy tỷ lệ tổn
thất của các máy biến áp đã tăng khá cao từ khoảng 30
- 80% so với ngưỡng tổn thất lớn nhất của nhà chế tạo.
Trong đó có thành phần tổn thất không đo đếm được
gồm: tổn thất điện môi (Dielectric loss), tổn thất từ trễ
(Hysteresis loss), tổn thất dòng điện xoáy (Eddy current
losses), tổn thất tản (Stray losses) và tổn thất do hài bậc
cao (Extra losses due to Harmonics). Việc gia tăng các tổn
thất này không chỉ làm giảm hiệu quả mà còn tiềm ẩn
nguy cơ phóng điện cục bộ. Vì vậy, đối với các máy biến áp
vận hành trên 10 năm cần phải có các hệ thống giám sát
để đảm bảo an toàn và phát hiện sớm các sự cố. Tại thời
điểm nhiệt độ cuộn dây tăng cao hơn so với mức chuẩn ở
cùng công suất phát. Do vậy, cần phải kiểm tra chất lượng
dầu làm mát định kỳ, lọc khí để đảm bảo hiệu quả làm
mát. Đặc biệt hệ thống quạt và bơm dầu phải được bảo
dưỡng và kiểm tra số vòng quay/phút, tốc độ gió, độ rung
lắc của trục và cánh quạt để đảm bảo cung cấp đủ công
suất làm mát.
Qua quá trình khảo sát ở các nhà máy điện, nhóm tác
giả có nhận xét như sau:
- Nhà máy Điện Cà Mau 1, Nhà máy Điện Cà Mau 2 và
Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2 có công suất phát từ khoảng
110 - 250MW (định mức) cho mỗi tổ máy và khoảng 30%
thời lượng hoạt động dưới mức 200MW. Nhà máy Nhiệt
điện Vũng Áng 1 có công suất phát từ khoảng 380 -
600MW cho mỗi tổ máy và khoảng hơn 30% thời lượng
hoạt động dưới 400MW. Nhà máy Điện Nhơn Trạch 1 có
công suất phát tương đối thấp, từ khoảng 120 - 170MW.
- Nhà máy Điện Cà Mau 1, Nhà máy Điện Cà Mau 2
và Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2 có hệ số tải dao động từ
DẦU KHÍ - SỐ 4/2020
47
CÔNG NGHIỆP ĐIỆN
Để giữ được hoặc gia tăng tuổi thọ máy biến áp so
Việc sử dụng công nghệ siêu cao tần (UHF) để theo
dõi và phát hiện các điểm phóng điện cục bộ mới phát
sinh được các chuyên gia đánh giá cao. Công nghệ UHF
phát triển rất nhanh và được ứng dụng rộng rãi giúp đảm
bảo các thiết bị điện, đặc biệt là máy biến áp, vận hành
an toàn, với độ tin cậy cao và nâng cao tuổi thọ vận hành
máy. Đây là công nghệ mới tiên tiến, giúp quản lý vận
hành máy, trợ giúp và thay thế con người trong việc quản
lý vận hành máy biến áp, đảm bảo an toàn và tin cậy.
với tuổi thọ thiết kế thì máy biến áp phải được vận hành
trong các điều kiện dưới danh định (giá trị định mức của
công suất, dòng điện, điện áp) [10, 11]. Thực tế cho thấy,
máy biến áp chính phải vận hành cả trong các điều kiện
quá tải làm giảm tuổi thọ máy. Tỷ lệ sự cố của máy biến
áp và tuổi thọ dự tính bị ảnh hưởng bởi yếu tố bên trong
lẫn bên ngoài, như các nguyên nhân về điện, nhiệt và cơ.
Các ứng suất điện như đột ngột chuyển mạch, xung chớp
hoặc quá tải thường xuyên sẽ dần làm giảm sức bền điện
môi của lớp cách điện, dẫn đến làm hỏng máy biến áp.
Điện trở tiếp xúc tăng lên, sự phóng điện cục bộ (Partial
Discharge - PD) và các vấn đề về hệ thống làm mát sẽ làm
tăng nhiệt cuộn dây và dầu, trong khi biến dạng cơ có
thể tăng khi có dòng ngắn mạch và truyền tải. Các ứng
suất nhiệt và biến dạng cơ, khi kết hợp với độ ẩm và sự ô
nhiễm, sẽ tăng tốc độ lão hóa của lớp cách điện và gây ra
những hư hại. Thống kê nguyên nhân thường gặp gây ra
sự cố máy biến áp được thể hiện ở Hình 9 [10]. Ngoài ra,
ống bọc cách điện, bộ đổi đầu lối ra và bộ phận phụ trợ
khác cũng góp phần không nhỏ làm ảnh hưởng tới tuổi
thọ máy biến áp.
5. Kết luận
Nhóm tác giả đã thực hiện khảo sát các máy biến áp
chính ở các nhà máy điện: Nhơn Trạch 1 & 2, Cà Mau 1 &
2 và Vũng Áng 1. Các số liệu về dòng điện, điện áp, công
suất tác dụng, công suất phản kháng bên sơ cấp và thứ
cấp; nhiệt độ của dầu, cuộn dây và nhiệt độ môi trường đã
được thu thập trong thời gian từ 3 - 5 tháng theo chu kỳ
lấy mẫu 2 - 3 giờ/lần. Số liệu khảo sát là cơ sở để phân tích,
đánh giá thực trạng vận hành, tổn thất và hiệu suất máy
biến áp so với điều kiện thử nghiệm ban đầu.
Nhóm tác giả đã xây dựng phần mềm CLET hỗ trợ vận
hành máy biến áp với các chức năng: quản trị cơ sở dữ liệu,
tính toán tổn thất và hiệu suất, phân tích mô hình nhiệt,
dự báo và đưa các chỉ báo để đạt được chế độ vận hành
tối ưu, cũng như duy trì/kéo dài tuổi thọ của máy biến áp.
Phần mềm đã tính toán số liệu cho các máy biến áp Hyun-
dai 300MVA ở Nhà máy Điện Cà Mau 1, Nhà máy Điện Cà
Mau 2 và Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2 cho thấy vẫn giữ
được hiệu suất tương đối cao trên 99 - 99,8% trong suốt
5 tháng vận hành từ 11/2018 - 3/2019. Máy biến áp 1 pha
ABB 240MVA của Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1 có hiệu
suất từ 98,6 - 99,6%.
Để đảm bảo duy trì và gia tăng tuổi thọ của máy biến
áp, cần thực hiện trong mỗi kỳ bảo trì bảo dưỡng các quy
trình thí nghiệm, kiểm tra (Bảng 2) [10]:
Các sai hỏng có thể theo dõi online, kiểm tra hàng
ngày hoặc kiểm tra chẩn đoán định kỳ. Sau đó nếu phát
hiện bất thường ở bộ phận nào thì sẽ có giải pháp tương
ứng.
Bảng 2. Các hạng mục cần thực hiện khi bảo trì, bảo dưỡng
Hạng mục cần thực hiện khi bảo trì, bảo dưỡng
TT
Tổn thất thực tế của máy biến áp về cơ bản cao hơn 30
- 80% so với mức chuẩn. Trong đó, có tổn thất không đo
đếm được như: tổn thất điện môi, tổn thất từ trễ, tổn thất
dòng điện xoáy, tổn thất tản và tổn thất do hài bậc cao…
định kỳ
1
2
Kiểm tra chất lượng dầu
Kiểm tra nhiệt kế hồng ngoại
Thử nghiệm dòng kích thích
Kiểm tra hệ số công suất/yếu tố điện môi
Đo chỉ số phân cực
3
4
Để dự báo nhiệt độ của dầu và cuộn dây, tính toán
trước các giá trị tổn thất và hiệu suất theo chế độ tải, các
mô hình nhiệt cho máy biến áp cần được phân tích, tính
toán và mô phỏng.
5
6
Đo điện dung
7
Đo chức năng chuyển
8
Điều kiện chuyển Tap
9
Thí nghiệm lại cách điện giấy cellulose
Phân tích đáp ứng điện môi
Phân tích phóng điện cục bộ
Phân tích đáp ứng trở ngắn mạch và rò rỉ
Kiểm tra điện trở cuộn dây
Kiểm tra điện trở nối đất và lõi thép
Phân tích đáp ứng tần số Sweep
Tài liệu tham khảo
10
11
12
13
14
15
[1]. R.Gouws and O.Dobzhanskyi, "Efficiency analysis
of a three-phase power transformer", Energize, pp. 61 - 65,
2014.
[2]. Aleksandar Damnjanovic, "The measurement and
evaluation of distribution transformer losses under non-
DẦU KHÍ - SỐ 4/2020
48
PETROVIETNAM
linear loading", IEEE Power Engineering Society General
Meeting, Denver CO, 9 June, 2004.
de Leon, "Reduction of stray loss in power transformers
using horizontal magnetic wall shunts", IEEE Transactions
on Magnetics, Vol. 53, No. 2, 2017.
[3]. Angelo Baggini, "Power transformers
-
Introduction to measurement of losses", Industrial and
Tertiary Product Testing and Application of Standard,
2016.
[8]. Yun Zhang, "Research on hot spot temperature
calculation and analysis of online, monitoring method of
oil-immersed power transformer winding", Advances in
Computer Science Research, 2017.
[4]. Ankit M.Patel, Aniruddha S.Jhala and Hitesh
M.Karkar, "Analysis of stray losses calculation in auto-
transformer using coupled IEM and FEM technique",
International Journal of Advance Engineering and Research
Development (IJAERD), Vol. 1, No. 3, 2014.
[9]. Longnv Li, Wei Liu, Hai Chen and Xiaoming Liu,
"Prediction of oil flow and temperature distribution
of transformer winding based on multi-field coupled
approach", The Journal of Engineering, Vol. 16, pp. 2007 -
2012, 2019.
[5]. Manmohan Singh, Madhu Verma, Anuj Kanaujia,
Sakshi Rai and Anagha Soman, "Reduction of stray losses
in distribution transformer using different materials of
clamping", International Research Journal of Engineering
and Technology (IRJET), Vol. 5, No. 5, pp. 2738 - 2740, 2018.
[10]. Md Mominul Islam, Gareth Lee and Sujeewa
Nilendra Hettiwatte, "A review of condition monitoring
techniques and diagnostic tests for lifetime estimation of
power transformers", Electrical Engineering, Vol. 100, pp.
581 - 605, 2018.
[6]. JuanCarlosOlivares-Galvan, SalvadorMagdaleno-
Adame and Rafael Escarela, "Reduction of stray losses in
flange-bolt regions of large power transformer tanks",
IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 6, No. 8, pp.
4455 - 4463, 2014.
[11]. Kelvinkumar Kalariya, Hardik Kannad, Dipesh
Vyas and Pallav Gandhi, "A review on ageing of power
transformer and insulation life assessment", Advanced
Research in Electrical and Electronic Engineering, Vol. 2, No.
2, pp. 117 - 122, 2014.
[7]. Masood Moghaddami, Arif I.Sarwat and Francisco
EVALUATING THE SITUATION AND SOLUTIONS TO IMPROVE THE
EFFICIENCY OF MAIN TRANSFORMER’S OPERATION IN THERMAL
POWER PLANTS
Vu Minh Hung1, Le Van Sy1, Nguyen Phan Anh1, Nguyen Ha Trung2
1Petrovietnam University
2Hanoi University of Science and Technology
Email: hungvm@pvu.edu.vn
Summary
The transformer is an important electrical equipment in power plants, converting the voltage from 20 - 26kV at the generator output
to 220 - 230kV. After a period of use, it is necessary to re-evaluate losses, efficiency, and operation mode to have suitable measures to
increase working efficiency and limit incidents, as well as prolong the transformer’s life. The authors conducted surveys at 5 power plants
(Ca Mau 1 and 2, Nhon Trach 1 and 2, and Vung Ang). The transformers here have a capacity between 231 - 300MVA, and have been
operating for 6 - 13 years. Based on measurement data, the authors have built the CLET software (Computing Losses and Efficiency of
Transformer) to analyse and evaluate the status of operation and performance results of the above machines. From there, the authors
made suggestions on operation and maintenance to ensure safety and prolong the life of the machine.
Key words: Transformer, thermal power, losses, efficiency, CLET.
DẦU KHÍ - SỐ 4/2020
49
10 trang
16/04/2022
1240
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu, đánh giá thực trạng và giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của máy biến áp chính trong các nhà máy nhiệt điện", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_danh_gia_thuc_trang_va_giai_phap_nang_cao_hieu_qu.pdf
