Rơle khí cho máy biến áp

• Tên tiêu chuẩn: Rơle khí (Rơle khí), thường được gọi là rơle Buchholz trên thế giới.

• Các tính năng chính: Là hệ thống bảo vệ chính đặc thù dành cho các sự cố bên trong máy biến áp điện ngâm dầu, có chức năng phát hiện khí sinh ra do sự phân hủy vật liệu cách điện gây bởi phóng điện hoặc quá nhiệt cục bộ, cũng như hiện tượng xung dầu do sự cố ngắn mạch nghiêm trọng gây ra.

• -Phạm vi bảo vệ: Phát hiện các sự cố khác nhau bên trong thùng dầu máy biến áp, đặc biệt nhạy bén với các sự cố tiềm ẩn ở giai đoạn đầu như chập mạch giữa các vòng cuộn dây, nhiều điểm tiếp đất trên lõi sắt, tiếp xúc kém của công tắc chuyển cấp, v.v.

• Nguyên lý hoạt động: Rơle cơ học dựa trên các hiện tượng vật lý. Hoạt động dựa trên nguyên lý rằng khí sinh ra do sự cố có mật độ thấp hơn dầu nên nổi lên và tụ lại (tín hiệu khí nhẹ), cũng như nguyên lý năng lượng động học từ lực va đập của dòng dầu khi xảy ra sự cố nghiêm trọng (ngắt mạch do khí nặng).

• Vị trí lắp đặt: Được lắp đặt ngang trong đường ống nối giữa thân bồn chứa dầu biến áp và bể chứa dầu dự phòng, nhằm đảm bảo rằng tất cả khí sinh ra từ bồn chứa dầu đều phải đi qua van này trong quá trình bay lên.

• Giá trị ứng dụng: Đây là thành phần đơn giản, đáng tin cậy và không thể thiếu nhất trong hệ thống bảo vệ máy biến áp, có khả năng phát ra tín hiệu cảnh báo ngay từ giai đoạn đầu của sự cố, hoặc nhanh chóng ngắt kết nối máy biến áp khi xảy ra sự cố nghiêm trọng, từ đó ngăn chặn hiệu quả sự lan rộng của sự cố và thậm chí là nguy cơ nổ thùng dầu.

I. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo

Rơle khí là một loại rơle bảo vệ không dựa trên các thông số điện, hoạt động của nó không phụ thuộc vào các thông số điện như dòng điện hay điện áp, mà phản ứng với các hiện tượng vật lý phát sinh từ sự cố bên trong máy biến áp. Cấu trúc bên trong của nó thường bao gồm hai bộ phận hoạt động chính, tương ứng với hai logic bảo vệ khác nhau.

1. Báo động khí nhẹ (Light Gas Alarm)

• Cơ chế hoạt động: Khi bên trong máy biến áp xuất hiện các sự cố nhẹ hoặc ở giai đoạn đầu, chẳng hạn như ngắn mạch nhẹ giữa các vòng cuộn dây, hư hỏng cách điện giữa các lá thép silic của lõi sắt dẫn đến dòng điện xoáy quá lớn, hoặc tiếp xúc kém của công tắc chuyển mạch gây ra tia lửa điện, v.v., các điểm sự cố này sẽ làm cho dầu cách điện và giấy cách điện xung quanh bị phân hủy do nhiệt, tạo ra nhiều loại khí như hydro, metan, etilen, v.v. Mật độ của các khí này nhỏ hơn nhiều so với dầu cách điện, nên chúng sẽ thoát ra khỏi điểm sự cố dưới dạng bọt khí và nổi lên. Do rơle khí được lắp đặt trên đường đi bắt buộc của dòng dầu, các khí này cuối cùng sẽ tích tụ ở không gian phía trên của rơle.

• Cấu trúc và hành động: Phía trên rơle được trang bị một phao hình cốc hoặc phao rỗng có miệng hướng xuống, được kết nối với một công tắc lưỡi dao hoặc tiếp điểm thủy ngân thông qua cơ cấu đòn bẩy. Khi khí tích tụ ở phía trên, mực dầu trong khu vực này sẽ giảm xuống, khiến phao mất lực nổi và chìm xuống, từ đó kích hoạt tiếp điểm đóng lại, phát ra tín hiệu cảnh báo “khí nhẹ”.

• Ý nghĩa: Tín hiệu khí nhẹ là mộtTín hiệu cảnh báo, hệ thống cảnh báo nhân viên vận hành và bảo trì rằng bên trong máy biến áp có thể tồn tại sự cố tiềm ẩn, do đó cần nhanh chóng tiến hành các kiểm tra như phân tích khí hòa tan trong dầu (DGA) để chẩn đoán bản chất sự cố và xử lý kịp thời, nhằm ngăn chặn sự cố tiếp tục diễn biến xấu đi.

2. Bảo vệ ngắt mạch do nồng độ khí cao (Heavy Gas Trip)

• Cơ chế hoạt động: Khi xảy ra sự cố chập mạch nghiêm trọng bên trong máy biến áp, chẳng hạn như chập giữa các pha hoặc chập nghiêm trọng giữa các vòng dây, năng lượng của hồ quang khổng lồ phát sinh trong chớp mắt sẽ khiến dầu cách điện xung quanh bốc hơi mạnh mẽ, tạo thành sóng áp suất mạnh và dòng dầu chảy với tốc độ cao, tràn từ thân thùng dầu sang bể chứa dầu.

• Cấu trúc và hành động: Trong đường dẫn dầu bên trong rơle có một tấm chắn hoặc lá chắn, tấm chắn này được kết nối với một công tắc lưỡi dao hoặc tiếp điểm thủy ngân độc lập. Trong điều kiện bình thường, tốc độ dòng dầu rất thấp, không đủ để đẩy tấm chắn. Tuy nhiên, khi xảy ra sự cố nghiêm trọng bên trong, lực va chạm của dòng dầu tốc độ cao sẽ đẩy tấm chắn, khiến nó lệch sang một bên đủ để kích hoạt tiếp điểm đóng lại, từ đó phát ra lệnh ngắt mạch “khí nặng”. Lệnh này tác động trực tiếp lên các bộ ngắt mạch ở hai bên máy biến áp, ngắt máy biến áp khỏi lưới điện ngay lập tức.

• Ý nghĩa: Bảo vệ quá tải khí làHành động ngắt mạch của thiết bị bảo vệ chính, nhằm mục đích cách ly máy biến áp với tốc độ nhanh nhất có thể sau khi sự cố xảy ra, ngăn chặn năng lượng sự cố tiếp tục truyền vào, giảm thiểu tối đa thiệt hại cho thiết bị và ngăn chặn sự cố lan rộng (chẳng hạn như cháy thùng dầu, nổ).

II. Yêu cầu về cài đặt và vận hành

• Yêu cầu cài đặt:

  • Phải lắp đặt theo chiều ngang trên đường ống nối giữa nắp bồn chứa và bể chứa dầu.

  • Đường ống phải có độ dốc hướng lên từ 21° đến 30° để đảm bảo khí có thể chảy suôn sẻ về phía bể chứa dầu và đi vào bộ chuyển tiếp.

  • Mũi tên trên rơle phải hướng về phía bình chứa dầu.

  • Bên trong rơle phải được lấp đầy bằng dầu cách điện, không được có không khí dư.

• Những điều cần lưu ý khi vận hành:

  • Đối với các máy biến áp mới đưa vào vận hành hoặc vừa trải qua quá trình đại tu, trong giai đoạn đầu có thể xảy ra hiện tượng khí còn sót lại trong vật liệu cách điện thoát ra ngoài, dẫn đến cảnh báo sai về khí nhẹ.

  • Khi thực hiện các thao tác như bơm dầu, lọc dầu hoặc chuyển đổi bộ làm mát cho máy biến áp, có thể gây ra dao động lưu lượng dầu. Để ngăn chặn sự kích hoạt sai của hệ thống bảo vệ khí nặng, thường cần tạm thời chuyển mạch ngắt mạch bảo vệ khí nặng sang chế độ tín hiệu hoặc tạm thời ngắt kết nối.

  • Khi xảy ra động đất hoặc rung động cơ học mạnh, rơle cũng có thể bị kích hoạt sai, do đó các rơle hiện đại đều được thiết kế với khả năng chống rung nhất định.

3. Ưu và nhược điểm của hệ thống bảo vệ bằng rơle khí

Ưu điểm:

• Độ nhạy cao: Đối với các loại sự cố bên trong, đặc biệt là các sự cố ở giai đoạn đầu như ngắn mạch giữa các vòng dây, độ nhạy của phương pháp này cao hơn nhiều so với bảo vệ dựa trên đại lượng điện.

• Độ tin cậy cao: Cấu trúc đơn giản, hoạt động dựa trên các nguyên lý vật lý thuần túy, ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như cách thức vận hành của hệ thống điện bên ngoài, mức dòng điện ngắn mạch hay tình trạng bão hòa của CT.

• -Nguyên lý rõ ràng: Cảnh báo khí nhẹ và ngắt mạch khí nặng tương ứng với các mức độ sự cố khác nhau, giúp việc xác định sự cố trở nên dễ dàng hơn.

Nhược điểm:

• Không có sự lựa chọn: Không thể xác định rõ là do sự cố cuộn dây hay do lõi sắt, cần kết hợp với các phương pháp chẩn đoán khác (như DGA) để phân tích thêm.

• Có vùng chết: Đối với các sự cố ở phần dưới của bình chứa dầu, lực tác động của dòng dầu có thể đã suy giảm trước khi đến rơle; đồng thời, đối với các sự cố bên trong ống bảo vệ dây dẫn, rơle khí có thể không bảo vệ được hiệu quả.

• Có thể xảy ra sự cố kích hoạt nhầm: Trong các trường hợp không phải do sự cố, chẳng hạn như dao động mực dầu do nạp nhiên liệu, động đất hoặc sự cố xuyên qua, vẫn có khả năng xảy ra hiện tượng báo động sai.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Sau khi rơle khí hoạt động, làm thế nào để xác định đó là loại khí nào?
Khi có cảnh báo khí nhẹ, nhân viên vận hành và bảo trì cần ngay lập tức thu thập khí qua van lấy mẫu ở phía trên rơle. Có thể xác định tính dễ cháy của khí thu thập được thông qua các thử nghiệm đơn giản tại hiện trường (cấm tuyệt đối sử dụng ngọn lửa trần, phải sử dụng thiết bị chuyên dụng). Khí không màu, không mùi và không dễ cháy thường là không khí; trong khi khí dễ cháy cho thấy đó là khí sự cố sinh ra từ quá trình phân hủy vật liệu cách điện. Để phân tích thành phần chính xác, mẫu khí cần được gửi đến phòng thí nghiệm để tiến hành phân tích sắc ký.

2. Tại sao giá trị kích hoạt của hệ thống bảo vệ khí nặng lại được thiết lập dựa trên tốc độ dòng dầu?
Do đặc điểm cơ bản của sự cố nội bộ nghiêm trọng là sự giải phóng năng lượng nhanh chóng, điều này tất yếu dẫn đến sự giãn nở và lưu chuyển nhanh chóng của dầu. Tốc độ dòng dầu có mối quan hệ trực tiếp với mức độ năng lượng của sự cố. Do đó, việc thiết lập ngưỡng hoạt động của hệ thống bảo vệ khí nặng ở một tốc độ dòng dầu cụ thể (ví dụ: 0,6 m/s, 1,0 m/s, v.v.) có thể phân biệt hiệu quả giữa quá trình tuần hoàn dầu bình thường và sự va chạm nguy hiểm của dòng dầu do sự cố, đảm bảo hệ thống bảo vệ chỉ ngắt mạch tức thời khi xảy ra sự cố nội bộ thực sự nghiêm trọng.

3. “Bảo vệ khí” và “bảo vệ vi sai” phối hợp với nhau như thế nào trong việc bảo vệ chống lại sự cố bên trong máy biến áp?
Chúng bổ sung cho nhau, tạo thành hai hệ thống bảo vệ chính quan trọng nhất đối với các sự cố bên trong máy biến áp.

• Bảo vệ chống khí gasĐối với các sự cố như ngắn mạch giữa các vòng cuộn, hỏng lõi sắt, quá nhiệt gây sinh khí, v.v.Sự thay đổi về lượng điện không đáng kểđặc biệt nhạy cảm với các sự cố ở giai đoạn đầu hoặc các sự cố không liên quan đến kim loại.

• Bảo vệ vi saiĐối với tính kim loạiChập mạch giữa các phaPhản ứng nhanh nhất và đáng tin cậy nhất trước các sự cố dòng điện lớn.
  Chỉ cần một trong hai hành động này cũng đủ để ngắt nguồn biến áp. Cấu hình dự phòng này giúp nâng cao đáng kể độ tin cậy tổng thể của hệ thống bảo vệ biến áp.