Nghiên cứu, thiết kế máy lọc dầu cách điện cho máy biến áp công suất lớn

Kỹ thuật điện tử & Khoa học mỏy tớnh H. N. Nhõn, “Nghiờn cứu, thiết kế mỏy lọc dầu cỏch điện cho mỏy biến ỏp cụng suất lớn.” 110 NGHIấN CỨU, THIẾT KẾ MÁY LỌC DẦU CÁCH ĐIỆN CHO MÁY BIẾN ÁP CễNG SUẤT LỚN Hoàng ngọc nhân Tóm tắt: Ngày nay, việc sử dụng máy biến áp công suất lớn trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng ngày càng lớn. Dầu trong máy biến áp có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc làm mát máy biến áp trong quá trình làm việc. Theo yêu cầu công nghệ thì điện áp đánh thủng của dầu phải lớn (>70kV), hàm lượng nước trong dầu <2 ppm, hàm lượng khí trong dầu <0,1% (theo thể tích). Bài báo này trình bày một số kết quả bước đầu nghiên cứu và thiết kế máy lọc dầu cách điện cho máy biến áp công suất lớn nhằm đảm bảo chất lượng dầu theo yêu cầu nêu trên. Các tính toán thiết kế được đề xuất sao cho quá trình hoạt động tự động, tuần hoàn kết hợp tách cặn bẩn, nước, khí bằng hệ thống chân không cho dầu được gia nhiệt, đồng thời có thể kết nối mạng công nghiệp trong việc đo lường, giám sát và chuẩn đoán lỗi từ xa. Từ khóa: Máy biến áp, Máy lọc dầu, Dầu cách điện, Điện áp đánh thủng 1. ĐặT VấN Đề Ngày nay, máy biến áp công suất lớn đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong hệ thống truyền tải điện trên toàn thế giới nói chung và tại Việt nam nói riêng. Trước đây các máy biến áp công suất lớn thường được nhập khẩu với giá thành cao. Năm 2011, lần đầu tiên tại Việt Nam, Tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh đã sản xuất và đóng điện thành công máy biến áp 500kV cho trạm 500kV-150MVA Nho Quan-Ninh Bình. Điều này chứng tỏ khả năng nội địa hóa được các sản phẩm có hàm lượng công nghệ cao ở Việt Nam có tính hiện thực. Dầu trong máy biến áp có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc cách điện và làm mát máy biến áp đặc biệt đối với máy biến áp công suất lớn. Do tính chất quan trọng của dầu trong máy biến áp, nên trong máy biến áp 500kV luôn có hệ thống giám sát dầu online để đo đạc các thông số về dầu và cảnh báo sớm tình trạng của máy biến áp. Theo quy trình chế tạo, bảo dưỡng, sửa chữa, thì dầu cách điện phải đáp ứng các thông số kỹ thuật cao trước khi đưa vào máy biến áp như: hàm lượng nước trong dầu, hàm lượng khí gas trong dầu,và điện áp đánh thủng phải đủ lớn. Do vậy, dầu trước khi sử dụng phải được lọc để tách nước, khí gas, tăng điện áp đánh thủng đảm bảo rằng các thông số của dầu đáp ứng tốt cho máy biến áp. Theo tiêu chuẩn ISO 4406 quy định về dầu cách điện sử dụng trong máy biến áp dưới 500kV là: nồng độ khí trong dầu ≤0,03%, nồng độ nước trong dầu ≤2ppm, điện áp đánh thủng ≥70kV (đo theo chuẩn IEC 156 1995). Hiện nay, trên thế giới đã có các hãng sản xuất máy lọc dầu cho máy biến áp như MAXEI (Pháp), KATO (Nhật), Globecore (Ukraine) [1]đều có bán trên thị trường, tuy nhiên ở Việt nam chưa có đơn vị nào nghiên cứu để sản xuất máy lọc dầu cho máy biến áp với chất lượng tương đương máy của các nước phát triển, để làm chủ công nghệ và không phụ thuộc vào yếu tố nước ngoài. Để đáp ứng yêu cầu trên, chúng tôi đã đề xuất nghiên cứu thiết kế mấy lọc dầu cho máy biến áp công suất lớn. Sau đây chúng tôi trình bày một số nội dung đề xuất, phân tích và đưa ra hướng giải quyết trong thiết kế máy lọc dầu chất lượng cao. 2. nghiên cứu, thiết kế máy lọc dầu cho máy biến áp Mô hình máy lọc dầu kết nối trực tiếp với máy biến áp được đề xuất như trong hình 1. Quá trình lọc được lặp lại cho đến khi dầu đạt được tiêu chuẩn sử dụng trong máy biến áp. Để đạt được thông số theo yêu cầu của dầu sử dụng cho máy biến áp, máy lọc dầu phải được nối với máy biến áp và lọc theo hình thức đối lưu. Để tách các cặn bẩn trong dầu, một Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Tạp chớ Nghiờn cứu KH&CN quõn sự, Số 36, 04 - 2015 111 phin lọc thô được sử dụng trước khi dầu được gia nhiệt. Quá trình tách hơi nước và khí ga được thực hiện nhờ bộ phận sấy nóng, phun sương trong chân không. Sau khi kiêm tra chất lượng, dầu được bơm trở lại máy biến áp. Hình 1. Mô hình máy lọc dầu kết nối với MBA trong quá trình xử lý dầu. 2.1. Sơ đồ tổng thể của hệ thống lọc dầu Sơ đồ công nghệ của máy lọc dầu cho máy biến áp theo nguyên lý chân không và lọc tuần hoàn được thể hiện trong hình 2. Hình 2. Sơ đồ tổng thể của máy lọc dầu. Dầu sẽ được tách các cặn bẩn bởi các phin lọc thô và phin lọc tinh, mắt lọc càng bé thì chất lượng dầu càng tốt, tuy nhiên nó sẽ ảnh hưởng đến lưu lượng của dầu. Thông thường bộ lọc thô là các lưới lọc, và bộ lọc tinh với kích thước mắt lọc 1m. Để tách khí và hơi nước trong dầu, chúng tôi dùng công nghệ chân không, dầu sẽ được gia nhiệt, theo các nghiên cứu [2] và thực tiễn của các hãng, thì nhiệt độ gia nhiệt nên ở 700C. Nếu nhiệt độ tăng thêm thì việc tách nước và khí hòa tan trong dầu nhanh hơn, tuy nhiên dầu dễ bị lão Kỹ thuật điện tử & Khoa học mỏy tớnh H. N. Nhõn, “Nghiờn cứu, thiết kế mỏy lọc dầu cỏch điện cho mỏy biến ỏp cụng suất lớn.” 112 hóa. Nếu nhiệt độ thấp thì việc tách nước và khí hòa tan sẽ chậm hơn, dầu khó đạt được các thông số yêu cầu. Dầu được làm nóng sẽ được dẫn vào buồng chân không dưới dạng đầu phun sương. Khí hòa tan và hơi nước sẽ được tách ra đi theo đường hút chân không ra ngoài. Dầu sau khi lọc được đưa ra ngoài qua hệ thống bơm dầu ra. Quá trình lọc được thực hiện một cách tuần hoàn, đến khi dầu sau khi lọc đạt được các thông số như yêu cầu. 2.2. Thiết kế các phần chính của hệ thống - Hệ thống lọc thô, lọc tinh Hệ thống lọc thô: được bố trí ngay đầu vào của hệ thống lọc. Các hạt rắn có lẫn trong dầu cách điện làm giảm hoạt động an toàn. Mối quan hệ giữa tỷ lệ phần trăm hạt rắn trong dầu cách điện với điện áp đánh thủng thông qua luật logarit [3]. Càng ít sự tham gia của tạp chất thì độ cách điện của dầu càng cao và ngược lại. Thông thường, phin lọc thô thường được dùng bằng các sợi tự nhiên hoặc là các sợi tổng hợp. Thông qua các nghiên cứu, vật liệu chọn cho bộ lọc thô được làm bằng polypropylene với tuổi thọ gấp 3 đến 5 lần các vật liệu tổng hợp trước đó [2]. Thông thường bộ lọc thô có thể lọc những hạt rắn có đường kính lớn hơn 10um. Hệ thống lọc tinh: Cũng được thiết kế giống hệ thống lọc thô, nhưng với đường kính mắt lọc thông thường nhỏ hơn 5um. Hình 3 thể hiện nguyên lý của hệ thống lọc và hình ảnh phin lọc. Hình 3. Hệ thống lọc và hình ảnh phin lọc. - Thiết kế hệ thống tách nước bằng buồng chân không Hình 4 trình bày thiết kế của buồng chân không khi dầu được đưa vào bình dưới dạng phun sương dưới áp lực hút chân không của bơm chân không. Chiều dày của vỏ bình được tính toán và kiểm nghiệm lại bằng phần mềm Inventor Autodest ở hai điều kiện làm việc: Bình chịu áp suất trong và chịu áp suất ngoài. Trong trường hợp chọn đường kính bình là 1000mm, chiều cao thân bình là 1500mm với giới hạn kéo cho phép, modul đàn hồi của thép CT3. Theo công thức tính của chiều dày sơ bộ kết hợp với đại lượng bổ sung dung sai thì chiều dày bình trong điều kiện bình chịu áp suất trong được tính bằng 2,12mm và trong điều kiện bình chịu áp suất ngoài được tính bằng 6,25mm. Với hai kết quả về chiều dày bình chân không như trên, chúng ta chọn chiều dày của thành bình theo chuỗi tiêu chuẩn là 8mm. Kết quả này được kiểm chứng lại bằng phần mềm Inventor và cho kết quả tốt. Hình 4. Thiết kế bình chân không. 1. Dầu vào 2. Dầu ra 3. Xả cặn bẩn 4. Lõi lọc 5. Thông khí 6. Gioang kín 7. Nắp kín Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Tạp chớ Nghiờn cứu KH&CN quõn sự, Số 36, 04 - 2015 113 Đầu hút chân không được nối với bình ngưng và máy bơm chân không. Tùy theo yêu cầu kỹ thuật và chi phí giá thành mà chọn bơm chân không cho phù hợp. Độ sâu của bơm chân không càng tốt thì việc tách nước và khí hòa tan ra khỏi dầu càng hiệu quả. Trong các hệ thống yêu cầu tốc độ lọc và hiệu suất lọc cao thì nên để hệ thống bơm chân không hai cấp: bơm chân không và bơm root. Theo nghiên cứu của chúng tôi thì đối với lưu lượng máy lọc dầu 6000l/h thì nên chọn bơm với tốc độ 240m3/h và áp suất <8.10-2mbar, tương ứng với loại SV300B của hãng Leybold Vacuum. - Tính toán, lựa chọn bộ điều khiển gia nhiệt cho dầu Dầu cần lọc được gia nhiệt trong quá trình lọc, nhiệt độ dầu có thể điều khiển được từ 50-700C. Tốc độ tăng nhiệt Δt trong một chu kỳ lọc thông qua máy lọc dầu cần chọn tỏng khoảng từ 8 đến 150C [2] để đảm bảo dầu không bị lão hóa. Với lưu lượng 6000l/h, công suất thanh gia nhiệt tính được khoảng 252kW. Với 12 thanh gia nhiệt được lựa chọn hình chữ U trong hệ thống, mỗi thanh có công suất 21kW bảm bảo nhiệt lượng cần thiết. - Hệ thống ống dẫn dầu Cũng tương tự như khi tính toán chiều dày của bình chân không, chúng tôi lựa chọn đường kính của ống dẫn dầu là DN40, thì chiêu dày của ống là 4 mm. ống được làm bằng thép cacbon. Hệ thống ống được hàn nối vào nhau, chất lượng mối hàn được kiểm tra bằng thiết bị siêu âm. 3. kết quả, thảo luận Từ các tính toán, một hệ máy lọc dầu được thiết kế và trình bày trong hình 5. Các phần tử của máy được vẽ chi tiết bằng phần mềm Inventor. Kích thước của máy khi hoàn thiện là 1900x2530x2900mm tương đồng với các máy cùng chủng loại trên thế giới như của hãng MAXEI (MAS6000), KATO Kỹ thuật điện tử & Khoa học mỏy tớnh H. N. Nhõn, “Nghiờn cứu, thiết kế mỏy lọc dầu cỏch điện cho mỏy biến ỏp cụng suất lớn.” 114 Hình 5. Bản vẽ tổng thể máy lọc dầu 6000l/h. Sau khi hoàn thiện, các tham số kỹ thuật như điện áp đánh thủng, kích thước hạt dầu, nồng độ hơi ẩm, nồng độ khí hòa tan cần được kiểm tra. Để đi đến hoàn thiện thiết kế, quá trình mô phỏng lựa chọn tham số kỹ thuật tối ưu cần được thực hiện. 4. kết luận Bài báo đã trình bày một số phân tích, đề xuất nghiên cứu và thiết kế máy lọc dầu cho máy biến áp với lưu lượng 6000l/h với chuẩn thông số dầu sau khi lọc có thể sử dụng trong máy biến áp động lực: Điện áp đánh thủng lớn hơn 70kV, hàm lượng nước trong dầu <1ppm, khí trong dầu <0.1% (theo thể tích). Hệ thống được thiết kế và tính toán mô phỏng trên phần mềm Inventor. Phần điều khiển hệ thống được thực hiện dựa trên bộ điều khiển khả trình PLC S7-1200 của Siemens. Việc sử dụng bộ điều khiển khả trình trong điều khiển hệ thống giúp cho hệ thống hoạt động một cách linh hoạt, có thể đo và chuẩn đoán lỗi từ xa mà các hệ thống đang có trên thị trường đều không có. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu chi tiết về chu kỳ lặp, kiểm tra các chuẩn thông số trong quá trình lọc sẽ được nghiên cứu chi tiết bằng kết quả mô phỏng và qua trình thực nghiệm sẽ được tiến hành trong thời gian tới. Lời cảm ơn: Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Bộ Công Thương, đã ủng hộ tài chính cho chúng tôi trong việc thực hiện nghiên cứu này. TàI LIệU THAM KHảO [1]. web www.maxei-group.com; www.katofl.com và www.globecore.com [2]. CUI Liqin and all, “Study on the Insulating Oil Purification System of Ultra-High Voltage (UHV) Transformer” Power and Energy Engineering Conference, 2009. APPEEC 2009. Asia-Pacific [3]. Wangwenchang, “The influence to the electrical properties on particles of transformer oil,” Communcication on insulation materials, vol4, 1999, pp.22-27. Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Tạp chớ Nghiờn cứu KH&CN quõn sự, Số 36, 04 - 2015 115 Abstract STUDY AND DESIGN A INSULATING OIL PURIFICATION SYSTEM FOR ULTRA-HIGH VOLTAGE TRANSFORMER Today, the use of Ultra-High Voltage (UHV) transformers in the transmission system and distribution of electricity is growing. In transformer oil has special meaning important in transformer as cooling during transformer working. According to the technical requirements, the breakdown voltage of oil must be greater than 70kV, the water content in oil <2ppm, gas content in oil <0.03%. Due to strict requirements, in this paper presents the research and design of insulating oil purification systeme for UHV transformers. Principle of operation of refineries base on the periodic filter, separated the residue by filtration systeme, dissolved air and water separation by vacuum systems for heating oil. Advantage of this system compared to the existing system on the market: The system works fully automated, flexible and reliable operation in industrial environments, can be connected in the industrial network communication to measurement, monitoring and remote diagnostics. Keywords: Ultra-High Voltage Transformer, oil purification plant, Iisulation oil, Breakdown voltage. Nhận bài ngày 11 tháng 10 năm 2014 Hoàn thiện ngày 10 thỏng 4 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 15 thỏng 4 năm 2015 Địa chỉ: Trường đại học Điện lực, 235 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội.