Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy biến áp siêu cao áp 450.000 kva-500/225/35 KV

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY BIẾN ÁP SIÊU CAO ÁP 450.000 kVA-500/225/35 kV Điện năng đóng vài trò rất quan trọng đối với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, trong đó hệ thống điện là “mạch máu” cung cấp năng lượng nuôi mọi hoạt động kinh tế xã hội, phục vụ đời sống, đảm bảo an ninh quốc phòng cho mỗi quốc gia. Điện năng từ nguồn đến nơi tiêu thụ thường phải biến đổi qua nhiều cấp điện áp, do đó tổng công suất các máy biến áp thường bằng khoảng 5-7 lần tổng công suất các máy phát điện. Ở nước ta hiện nay, mặc dù điện năng phát triển với tốc độ bình quân 15% một năm nhưng nhu cầu về điện tăng khoảng 18%, do đó tình trạng cung không đủ cầu sẽ còn kéo dài. Ngoài việc tập trung xây dựng các loại nguồn điện, hệ thống truyền tải và phân phối điện cũng cần được đầu tư phát triển. Nhà nước đã xây dựng chiến lược nội địa hóa sản phẩm thiết bị điện, trong đó Việt Nam phải làm chủ việc thiết kế, chế tạo thiết bị điện có điện áp đến 220 kV. Research on manufaturing design of ultra- high-voltage transformer 450.000kva- 500/225/35kV This article focuses on introducing the research on manufaturing design of ultra- high-voltage transformer 450.000kVA- 500/225/35kV made successfully for the first time in Vietnam and Southeast Asia by Engineer. Nguyen Thi Nguyet, Dong Anh Electrical Equipment Manufacturing Joint Stock Company (EEMC). On July, 2010, the first unit of the facility was plated to celebrate 1000 years of Thang Long-Hanoi. I NHỮNG THUẬN LỢI VÀ KHÓ KHĂN Công ty CP Chế tạo Thiết bị điện Đông Anh (EEMC) đã từng bước làm chủ công nghệ, chế tạo thành công các máy biến áp 110 kV, 220 kV. Thành công của việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo các máy biến áp này đã thúc đẩy đội ngũ cán bộ kỹ thuật của công ty nghiên cứu sửa chữa phục hồi, tiến đến nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công Máy biến áp siêu cao áp 500 kV. Đây là sự thay đổi về chất bởi vì chế tạo thiết bị điện từ 220 kV chuyển sang 500 kV là thách thức to lớn về cả lý thuyết, bí quyết công nghệ mà đội ngũ cán bộ kỹ thuật phải tập trung giải quyết Đối với các nước có nền công nghiệp phát triển đang quan tâm đến vấn đề thiết kế chế tạo máy biến áp có công suất Máy biến áp 500 kV lần đầu tiên chế tạo tại Việt Nam lớn, điện áp cao đến 750 và 1000 kV, còn đối với máy biến áp 500 kV thế giới đã đi trước chúng ta hơn 30 năm. Từ khi nước ta có hệ thống điện 500 kV tất cả các máy biến áp 500 kV đều phải nhập ngoại. Mọi công việc lắp đặt, bảo dưỡng phải thuê chuyên gia nước ngoài đảm nhiệm. Đối với người Việt Nam việc thiết kế, chế tạo các thiết bị điện áp siêu cao là nhiệm vụ “bất khả kháng”. Năm 2005, một loạt máy biến áp 216.000 kVA- 500/15,75 kV của nhà máy Thuỷ điện IALY bị sự cố, gây thiệt hại lớn cho ngành điện cũng như nền kinh tế Việt Nam. Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đã giao cho EEMC nghiên cứu sửa chữa phục hồi các tổ máy này. Lúc bấy giờ máy biến áp IALY là sản phẩm 500 kV mới, có đặc thù kết cấu phức tạp, trình độ công nghệ cao, thậm chí cán bộ kỹ thuật của EEMC cũng chưa hiểu gì về máy 500 kV. Tuy nhiên với tinh thần quyết tâm cao, khao khát làm chủ công nghệ ở trình độ thế giới, EEMC đã đăng ký công trình NCKH cấp Bộ, nhằm nghiên cứu sửa chữa, phục hồi các tổ máy biến áp này. Sự thành công của việc sửa chữa các tổ máy biến áp 500 kV đã giúp ngành điện hoàn toàn chủ động trong việc vận hành hệ thống điện 500 kV, và cũng từ đó máy biến áp 500 kV không còn là “bất khả kháng” đối với cán bộ kỹ thuật Việt Nam nữa. Sự thành thành công của đề tài, càng làm tăng uy tín của EEMC trong ngành điện cũng như trong cả nước, và đồng thời mở ra cơ hội cho việc nghiên cứu chế tạo máy biến áp 500 kV sắp tới. Phát huy những thành công trong việc sửa chữa máy biến áp 500 kV, năm 2008, EEMC đã mạnh dạn đăng ký đề tài NCKH cấp Nhà nước “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo tổ máy biến áp 450.000 kVA-500 kV”, với các thông số kỹ thuật thỏa mãn tiêu chuẩn IEC, tương đương với các sản phẩm cùng loại của các nước tiên tiến. Đây là công trình NCKH lớn nhất của ngành Cơ khí điện Việt Nam từ trước đến nay. Hiện nay trên thế giới mới chỉ có hơn chục nước chế tạo được loại máy biến áp siêu cao áp 500 kV này. Khác với việc thiết kế chế tạo Máy biến áp 110, 220 kV, khi nghiên cứu thiết kế chế tạo tổ Máy biến áp 500 kV, công ty phải đầu tư lại toàn bộ nhà xưởng để đạt tiêu chuẩn quốc tế về: Độ ẩm, độ sạch của không khí. Để phục vụ cho việc thử nghiệm tổ máy biến áp này, nhà nước đã đầu tư nâng cấp Trung tâm Thử nghiệm điện Quốc gia hàng trăm tỷ đồng. Công trình nghiên cứu thiết kế chế tạo máy biến áp 500 kV đã trở thành một thách thức đối với ngành Cơ khí Điện lực Việt Nam nói chung và EEMC nói riêng. Giá trị công trình lên tới 120 tỷ VNĐ đòi hỏi ban lãnh đạo và toàn thể đội ngũ công nhân viên chức công ty EEMC tập trung mọi nguồn lực đảm bảo cho việc chế tạo thành công. II TIÊU CHUẨN, THÔNG SỐ CHẾ TẠO MÁY BIẾN ÁP 500 KV Máy biến áp được tính toán thiết kế, lựa chọn vật liệu - phụ kiện, chế tạo và thử nghiệm phù hợp với các chỉ tiêu thông số kỹ thuật theo tiêu chuẩn: IEC - 60076. II.1 ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC: - Độ cao so với mực nước biển : 1000m - Nhiệt độ môi trường tối đa : 450C - Nhiệt độ môi trường trung bình : 350C - Nhiệt độ môi trường thấp nhất : 00C - Độ ẩm cực đại : 100% - Độ ẩm trung bình : 85% - Khí hậu : Nhiệt đới - Mức độ ô nhiễm môi trường : Nặng (cấp 3) - Tốc độ gió dự kiến : 160 km/h II.2 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH: Kiểu: 1 pha, 3 trụ Loại máy biến áp: 1 pha, 3 trụ ngâm trong dầu, làm việc ngoài trời. Tần số: 50Hz Điện áp danh định: Điện áp cuộn cao áp (HV): 500/ 8 x1,25% kV (điều chỉnh điện áp dưới tải) Điện áp cuộn trung áp (MV):225/ kV(Cuộn cao áp và trung áp đấu tự ngẫu) Điện áp cuộn hạ áp (LV): 35 kV Công suất danh định ( Cao/Trung/Hạ): ONAN: 90.000/90.000/30.000 kVA ONAF: 112.500/112.500/37.500 kVA OFAF: 150.000/150.000/50.000 kVA Tổ nối dây: YNa 0 d11 Mức cách điện: Kiểu làm mát: ONAN/ONAF/OFAF (làm mát tự nhiên/quạt cưỡng bức/bơm dầu cưỡng bức) Dòng điện ngắn mạch của hệ thống: - Phía 500 kV: 50 kA/2s - Phía 225 kV: 25 kA/2s - Phía 35kV: 20 kA/2s Mức tiếng ồn: Dưới 80 dB ở khoảng cách 3 m theo tiêu chuẩn IEC-60551 Khả năng chịu quá tải của máy biến áp: Theo tiêu chuẩn IEC-60354 và phù hợp với quy trình vận hành MBA Giới hạn độ tăng nhiệt độ: Lớp dầu trên: 550C Cuộn dây: 600C II.3 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA MÁY: Tổ máy biến áp 450.000 kVA-500 kV gồm 3 máy biến áp 1 pha. Mỗi máy được nghiên cứu đầy đủ tính năng hiện đại và các chỉ tiêu kỹ thuật tiên tiến dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEC; Máy làm việc hoàn toàn tự động và có hệ thống bảo vệ nhờ hệ thống thiết bị cung cấp tín hiệu; bảo vệ được bố trí trên thân máy. Các tín hiệu này được nối vào các tủ điều khiển và các máy ngắt và các thiết bị bảo vệ và đo lường đặt trong trạm . Máy được thiết kế điều chỉnh dưới tải phía 500 kV, có điều khiển tại chỗ và từ xa. Việc điều chỉnh đồng thời các bộ điều chỉnh của từng pha thông qua hệ thống điều khiển tự động “XENXIN”. Hệ thống làm mát được thiết kế tự động điều khiển đóng hoặc ngắt các quạt mát, máy bơm dầu làm mát phụ thuộc vào chế độ của phụ tải, cũng như tín hiệu tự động báo của hệ thống đồng hồ đo nhiệt độ dầu, nhiệt độ các bối dây được bố trí trên nắp máy. Máy có thiết bị báo dầu và tự động báo tín hiệu khi mức dầu trong bình dầu phụ giảm xuống quá mức cho phép. Khi đó nó sẽ cung cấp tín hiệu báo động; sau một thời gian nhất định, sẽ cấp tín hiệu cho máy ngắt làm việc, tách toàn bộ máy biến áp ra khỏi lưới điện. Bên hông máy còn bố trí 2 van an toàn để bảo vệ thùng máy an toàn khi có sự cố tăng áp bên trong. Trên đường ống dẫn lên bình dầu phụ có bố trí van tăng áp đề phòng hiện tượng tăng áp đột ngột trong máy và bố trí rơ le hơi bảo vệ. Hệ thống tín hiệu tự động của Rơ le hơi được cấp cho hệ thống máy ngắt suốt quá trình làm việc. Nếu trong quá trình vận hành máy biến áp, trong máy có hiện tượng không bình thường sẽ sinh khí, sinh dòng dầu chạy ngược rơle hơi sẽ tự động phát tín hiêu cho máy ngắt. Máy ngắt lập tức làm việc tách máy biến áp ra khỏi hệ thông lưới điện. Ngoài ra, máy biến áp còn lắp 3 thiết bị đo nhiệt độ các bối dây, nhiệt độ dầu lớp trên bên trong máy để theo dõi chế độ làm việc của máy. Bộ phận đo nhiệt độ này cũng tự động cung cấp tín hiệu cho hệ thống quạt cũng như hệ thống bảo vệ máy. Ở mỗi chân sứ 500, 220 và 35 kV, sứ trung tính... có bố trí từ 3-4 biến dòng để đo dòng điện trong các bối dây cũng như bảo vệ máy khi quá tải, hoặc khi có sự cố trên lưới điện . Các máy biến dòng này được nối vào các thiết bị bảo vệ để theo dõi chế độ làm việc cũng như bảo vệ máy trong quá trình vận hành. Hai bên hông máy bố trí 2 giàn tản nhiệt (hệ thống làm mát). Trên mỗi giàn làm mát có bố trí 1 bơm dầu, quạt mát và đồng hồ đo lưu lượng dầu. Việc đóng ngắt các bơm này thực hiện ở tủ điều khiển tự động bên hông máy do sự tăng giảm của phụ tải. III. CÁC GIẢI PHÁP TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ Máy biến áp tự ngẫu 3 pha 450 MVA-500± 8x1,25% /225/35 kV bao gồm 3 máy biến áp tự ngẫu 1 pha 150.000 kVA 500/± 8x1,25%/225/35 kV. Mặc dù đã giảm về công suất còn 1/3, tách máy ra làm 3 máy, nhưng máy biến áp tự ngẫu 1 pha này vẫn rất lớn về công suất, to về kích thước, làm khó khăn trong vận chuyển và lắp ráp, thi công. Nhà sản xuất phải đầu rất nhiều thiết bị cho phù hợp, vì vậy sẽ tốn kém rất nhiều, tính khả thi thấp. Muốn đề tài thực thi, chúng tôi phải tận dụng những thiệt bị công nghệ hiện có, đầu tư những thứ cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm, phù hợp với trình độ công nghệ chế tạo Máy bién áp 500 kV. Việc lựa chọn phương án tối ưu để nghiên cứu thiết kế chế tạo Máy biến áp 500 kV là một vấn đề phức tạp. Phương án ưu việt phải giải quyết hàng loạt những vấn đề về kết cấu như: phù hợp với những điều kiện nhà xưởng, vận chuyển trên đường đi, tính kinh tế, tính công nghệ và cũng như tính thực thi của đề tài... Để giải quyết những vấn đề trên, chúng tôi nghiên cứu kết cấu mạch từ đặc biệt, các bối dây cũng bố trí đặc biệt . Đó là máy bién áp 1 pha, 3 trụ nhưng chỉ có 2 trụ lắp ráp bối dây lệch. Đây cũng là kết cấu rất phù hợp với trình độ công nghệ của EEMC hiện tại. Kết cấu này hoàn toàn mới, từ trước đến nay chưa có trong như sách vở lý thuyết. Máy biến áp tự ngẫu 1 pha 500 kV có kết cầu đặc biệt , cho nên việc tính toán không giống hoàn toàn như máy biến áp tự ngẫu 110, 220 kV thông thường. Để đảm bảo việc tính toán thiết kế của máy biến áp thành công, chúng tôi phải giải quyết những vấn đề mới: Như việc tính toán kết cấu máy bố trí mạch từ lệch, các bối dây bố trí trên 2 trụ lệch. Để nghiên cứu vấn đề này, chúng tôi phải thiết kế và chế tạo máy biến áp tự ngẫu 1 pha “Mô hình thu nhỏ” có các thông số tương tự như thông số của máy biến áp 500 kV đang nghiên cứu: 1500 kVA-50/22.5/3.5 kV. Phần điều chỉnh bố trí trên cuộn dây 50 kV ± 8x1,25% Sau khi hoàn thành việc chế tạo máy mô hình, chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm rất nhiều lần, ở nhiều góc độ khác nhau để tìm ra được quan hệ giữa mạch từ với các bối dây, giữa các bối dây bố trí lệch trên 2 trụ liên quan với các thông số của máy. Đề tài đã nghiên cứu thiết kế với các tỷ lệ công suất của cuộn dây 35 kV lắp trên trụ chính, và cuộn 35 kV lắp trên trụ phụ. Sau mỗi lần thay đổi tỷ lệ công suất lại tiến hành thử nghiệm nhiều lần ở nhiều góc độ khác nhau. Các số liệu đo được là cơ sở để tìm ra các qui luật quan hệ giữa các thông số của máy biến áp thực. Việc xây dựng mô hình nghiên cứu để tìm ra qui luật quan hệ của các kết cấu với thông số của loại máy biến áp tự ngẫu một pha đặc biệt này đã giúp cho chúng tôi có thêm số liệu tham khảo. Từ đó đã có những hiệu chỉnh hợp lý trong tính toán . Vì vậy các số liệu sau thí nghiệm đo được của máy 500 kV phù hơp với số liệu đã được tính toán. - Vấn đề về phân bố điện trường: Giải quyết vấn đề phân bố điện trường trong máy biến áp tự ngẫu truyền tải 500 kVvới điện áp thử xung sét 1550 kV là cả một vấn đề hết sức phúc tạp. Bất cứ một cơ sở sản xuất máy biến áp nào trên thế giới cũng phải hết sức thận trọng trong vấn đề này. Điện trường phần bố ở đầu vào 500 kV, tập trung ở các góc bối dây 220 kV, bối dây điều chỉnh của cuộn dây 500 kV các bối dây 35 kV là những vùng nguy hiểm của máy. Vì vậy, việc thiét kế bố trí các vành chắn phải trên cơ sở nghiên cứu tính toán khả năng dự phòng độ bền xung sét của các vùng trọng yếu này trong máy. Để giảm cường độ tác động của điện trường ở những vùng này, phải bố trí các vành chắn góc. Các vành chắn góc phải giải quyết rất nhiều yêu cầu về kỹ thuật, yêu cầu độ chính xác cao, yêu cầu về đối lưu dầu tản nhiệt trong máy, yêu cầu về tính ổn định cơ học khi có lực điện động tác động, yêu cầu về tính kinh tế và cuối cùng là đảm bảo tính khả thi. Ngoài các vấn đề trên, đề tài đã áp dụng một số kết cấu tối ưu của các nước phát triển như: Đức, Nga, Mỹ, Nhật... Đó là việc áp dụng một số biện pháp tăng cường cách điện ở vùng từ trường tập trung; áp dụng kết cấu vành điện dung kiểu máy Mỹ, để tạo ra hệ thống điện dung hợp lý nhất trong vấn đề bảo vệ chống sét. Thiết kế bối dây đã tạo ra được hệ thống điện dung dọc trục và ngang trục hợp lý chịu được sóng sét với đỉnh xung 1550 kV. Kết cấu bối dây còn tạo ra được dòng dầu chuyển động cưỡng bức làm tăng thêm khả năng đối lưu nhiệt trong ruột máy biến áp. Mặt khác, kết cấu bối dây đã tính đến vấn đề làm triệt tiêu lực điện động hướng trục lên gông từ khi ngắn mạch. Giữa các bối dây bố trí các ống lồng tạo thành các vách ngăn, cùng với hệ thống vành chắn góc để phân chia cường độ điện trường, làm giảm cường độ điện trường trong máy. Phần đầu ra 220 kV của cuộn 220 kVcó điện trường mạnh cũng đã có các biện pháp tạo các ống chắn cắt điện trường thành những đoạn nhỏ không gây nguy hại cho máy. Khi thiết kế đã áp dụng một số biện pháp làm giảm tổn hao không tải và tổn hao ngắn mạch trong máy. Kết quả đó được trong thực tế Po = 57 kW và Pk = 293,5 kW, độ ồn 68 db đã đạt tiêu chuẩn máy có chất lượng cao. Khối lượng máy 218 tấn, khi thiết kế máy biến áp phải tính đến việc tháo rời các cụm phụ kiện khi vận chuyển, cũng như có qui trình lắp đặt. Việc bố trí hợp lý các đầu dây ra, các vị trí của bộ điều chỉnh dưới tải sẽ dẫn đến kích thước vỏ máy nhỏ gọn. Ngoài ra giải quyết các vấn đề đồng đều từ trường đầu ra 500 kV một cách có hiệu quả. Thiết kế phần vỏ máy biến áp trên cơ sở khả thi công nghệ của nhà máy, qua nghiên cứu kết cấu các loại vỏ máy của các nước đã quyết định chọn kết cấu vỏ kiểu bậc, gân đứng, đáy hàn kín như kiểu máy của Pháp. Kết cấu này khắc phục triệt để vấn đề chảy dầu đáy máy. IV. CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ: - Để thiết kế được thực thi, người thiết kế các chi tiết hoặc các kết cấu, phải tìm hiểu kỹ các tính năng thiết bị hiện có của các cơ sở trong nước để khai thác, đồng thời phải tìm ra các giải pháp công nghệ trên cơ sở trình độ công nghệ hiện có của cô công ty, để sản phẩm làm ra đảm bảo chất lượng cao . - Để chế tạo và lắp ráp an toàn máy biến áp này, EEMC đã bỏ ra gần trăm tỷ đồng để cải tạo nhà xưởng, hệ thống lọc và sấy không khí, đầu tư thiết bị công nghệ phù hợp với công nghệ chế tạo máy 500 kV. - Công nghệ đã giải quyết được mạch từ ghép 2 nửa với đối với loại máy biến áp công suất 150.000 kVA có đường kính lớn hơn 1m, bao gồm các rãnh dầu ngang , dọc; là kết cấu tiên tiến nhất trên thế giới hiện nay. Đây cũng là phương pháp công nghệ mới đầu tiên được nghiên cứu và thực thi tại Việt Nam. Việc nghiên cứu chế tạo đồ gá để lắp ráp mạch từ có khối lượng gần 70 tấn với 62.600 loại lá tôn dày 0,23 mm có kích thước khác nhau mà trong quá trình dựng lên không bị biến dạng. Công nghệ quấn dây trục đứng để giải quyết các bối dây 500 kV có khối lượng hơn 11 tấn, đã giúp cho vấn đề nâng cao chất lượng sản phẩm. Các thiết bị sử dụng trong lắp ráp gá ghép, Các kết cấu công nghệ giải quyết các vấn đề tổn hao không tải và có tải như sử dụng toàn bộ đai thuỷ tinh, công nghệ đai mạch từ đã làm giảm tổn hao đáng kể cho máy. - Công nghệ chế tạo bối dây đã giải quyết được một cách chính xác kích thước của bối dây, đảm bảo điện trở một chiều, cũng như đảm bảo độ chính xác các kết cấu bảo vệ điện áp xung sét bởi hệ thống chống sét thiết kế trên các bối dây. Ngoài ra việc thi công chính xác kết cấu bối dây đã tăng thêm khả năng chịu lực cơ học. - Công nghệ chế tạo vỏ: Trên cơ sở sử dụng các trang thiết bị chủ yếu chế tạo các máy 220 kV, vỏ máy sau khi gia công đảm bảo được kích thước hình học, về độ kín, về tính cơ học khi vận chuyển. Vỏ được tính toán và chế tạo với khả năng chịu độ chân không tuyệt đối 760 mmHg. - Công đoạn sấy: EEMC đã áp dụng công nghệ sấy hiện đại : Sấy hơi dầu. Thời gian sấy giảm còn 1/5 so với trước đây. Các công nghệ này được nghiên cứu áp dụng trên cở sở công nghệ của các nước phát triển phù hợp cho máy 500 kV. Đến nay, đề tài đã hoàn thành và đã thử nghiệm những hạng mục cuối cùng. Tổ máy biến áp tự ngẫu truyền tải 1 pha, 3 cấp điện áp: 450.000 kVA-500/225/35 kV có khối lượng gần 652 tấn lần đầu tiên được nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công ở Việt Nam. Máy có kết cấu gọn, đẹp về hình thức, tốt về chất lượng, các tính năng kỹ thuật tương đương với các máy cùng loại của các nước tiên tiến. Máy biến áp hiện nay đang sẵn sàng chờ chuyển đi lắp đặt để khai thác. V. KẾT LUẬN: Thành công của đề tài Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy biến áp siêu cao áp 500 kV là mốc son đỏ mà tập thể Công ty CP Chế tạo Thiết bị điện Đông Anh đã đánh dấu thêm một bước trưởng thành của ngành Cơ khí Điện lực Việt Nam nói riêng và của ngành công nghiệp nặng Việt Nam nói chung. Có được thành công này nhờ những đóng góp quan trọng của Bộ Khoa học và Công nghệ, Bộ Công Thương, Tập đoàn Điện lực Việt Nam, Tổng Công ty Truyền tải và của Công ty Truyền tải điện I đã tạo mọi điều kiện ủng hộ về tinh thần, tài chính, tài liệu cho EEMC hoàn thành nhiệm vụ. Chúng tôi tin tưởng rằng trong những năm tới các Máy biến áp 110, 220 kV, Máy biến áp 500 kV do EEMC chế tạo sẽ cung cấp đủ nhu cầu của ngành Điện trong việc phát triển lưới điện 500 kV cũng như chống quá tải các trạm 500 kV trên toàn quốc mà không cần nhập ngoại, góp phần vào sự nghiệp Công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước.