Máy biến áp cho nhà máy cán thép: Cách tính toán công suất nguồn cấp 33 kV cho nhà máy cán thép thanh công suất 500.000 tấn/năm

Câu trả lời trước tiên: một nhà máy thép thanh 500.000 t/năm là một phụ tải 10,4 MW tại hệ số công suất 0,92, và ba quyết định về máy biến áp quyết định việc nhà máy có khởi động được, giữ được TDD 5% và chịu được 45 °C hay không

Một nhà máy cán thép thanh cán 500.000 t/năm thép thanh 8–32 mm trong 7.200 giờ là một nhà máy 69,4 t/h tiêu thụ khoảng 105 kWh điện trên mỗi tấn, do đó nhu cầu trung bình là 7,3 MW và đỉnh 15 phút là 10,4 MW tại hệ số công suất 0,92 — 11,3 MVA. Chính phụ tải đó, chứ không phải lò nung lại 45 MW, quyết định gói máy biến áp: hai máy biến áp chính 12,5 MVA 33/11,5 kV ONAN/ONAF, mỗi máy mang 95% phụ tải nhà máy khi chỉ có một máy vận hành ở nhiệt độ môi trường 45 °C, tổng trở 8% giữ mức ngắn mạch 11 kV ở 6,2 kA và buộc mọi giá cán phải khởi động bằng biến tần thay vì khởi động trực tiếp, và mười ba máy biến áp biến đổi — ba máy 3.200 kVA trong các cặp Dy/Dd lệch pha 30° và mười máy 800 kVA K-13 — giữ tổng độ méo nhu cầu tại điểm đấu nối chung 33 kV ở 4,2% so với giới hạn 5,0% của IEEE 519. Làm đúng ba điều đó và gói máy biến áp có giá 540.000–680.000 USD trên một nhà máy có chi phí gấp hai trăm lần; làm sai và bạn sẽ dành năm sản xuất đầu tiên để tranh cãi với đơn vị điện lực về sóng hài và với nhà máy về sụt áp.

Những điểm chính cần nắm

• 105 kWh/t × 69,4 t/h cho ra 7,3 MW trung bình và 10,4 MW tại đỉnh 15 phút — phương pháp kWh trên tấn thay thế mọi bảng kVA trên tấn, và đỉnh, chứ không phải trung bình, quyết định công suất máy biến áp chính.
• Hai máy 12,5 MVA được giảm định mức xuống 11,9 MVA ở 45 °C mang 95% phụ tải nhà máy theo N-1; 2 × 1.200 kVAr tụ bù có cuộn kháng mua được 4% công suất cuối cùng với chi phí thấp hơn so với nâng lên 16 MVA.
• Tổng trở 8% là một sự thỏa hiệp, không phải mặc định: nó giữ mức ngắn mạch 11 kV ở 6,2 kA, nhưng cũng tạo ra sụt áp 13,5% nếu một giá cán thô 2.300 kW được khởi động trực tiếp, đó là lý do mọi giá cán chạy bằng biến tần active-front-end.
• Chỉ riêng bộ chỉnh lưu sáu xung đã đẩy TDD dòng điện lên 26%; các cặp Dy/Dd lệch pha 30° giảm xuống 8,5% tại biến tần và 4,2% tại PCC 33 kV — sự khác biệt đó chính là sự khác biệt giữa đạt và không đạt điều khoản sóng hài của đơn vị điện lực.
• Ở 7.200 h/năm và 0,09 USD/kWh, tổn thất không tải trị giá 788 USD/kW và tổn thất có tải 268 USD/kW; phần chênh lệch giá S13 trên một máy 12,5 MVA hoàn vốn trong khoảng 3,7 năm, lõi vô định hình trong khoảng 6 năm.

Một nhà máy thép thanh 500.000 t/năm thực sự có phụ tải điện như thế nào?

Hãy bắt đầu từ sản lượng và mức tiêu thụ riêng, vì mọi con số khác đều được suy ra từ đó. Một nhà máy 500.000 t/năm chạy 300 ngày, 24 h/ngày có 7.200 giờ sản xuất, do đó năng suất là 69,4 t/h. Một nhà máy cán thanh có lò nung lại với các biến tần xoay chiều tiêu thụ 95–120 kWh điện trên mỗi tấn tùy thuộc vào kích thước phôi, cơ cấu sản phẩm và mức độ chạy hết tốc độ của giá cán tinh; 105 kWh/t là một giá trị trung vị thực tế cho cơ cấu 8–32 mm với phôi vuông 150 mm. Điều đó cho ra 7,29 MW nhu cầu trung bình và, nhân với tỷ số đỉnh trên trung bình 1,42 điển hình của một nhà máy có khoảng trống phôi, thay trục cán và xử lý phế phẩm, nhu cầu đỉnh 15 phút là 10,4 MW. Nhân với 7.200 h và nhà máy mua 52,5 GWh mỗi năm — con số mà việc đánh giá tổn thất được xây dựng dựa trên đó về sau.

10,4 MW không phân bố đều. Khoảng 89% nằm ở dây chuyền cán và lò nung lại, và sự trùng hợp giữa hai phần này là điều khiến tổng nhỏ hơn tổng các phụ tải đấu nối. Bảng phụ tải dưới đây là bảng cần đưa cho nhà sản xuất máy biến áp, vì cột nhu cầu — chứ không phải cột đấu nối — quyết định công suất máy biến áp chính.

Hai đặc điểm của bảng phụ tải này quan trọng hơn con số tổng. Thứ nhất, 17,2 MW trong tổng 20,8 MW đấu nối nằm trên các bộ truyền động biến tốc, nên hệ số công suất của nhà máy được quyết định bởi đầu nguồn chỉnh lưu chứ không phải động cơ cảm ứng: đầu nguồn tích cực giữ hệ số dịch pha 0,98–0,99, đầu nguồn diode có cuộn kháng DC ở mức 0,95, và đầu nguồn thyristor 6 xung có thể giảm xuống 0,85 khi giảm tốc độ. Thứ hai, phụ tải của máy cán dao động 3–4 MW trong vòng một phút khi phôi vào và ra khỏi các giá cán, đây trước hết là vấn đề tải máy biến áp. Nếu bạn vẫn đang ở giai đoạn ý tưởng và chỉ có danh sách công suất đấu nối, phương pháp trong cách tính toán kích cỡ hệ thống phân phối sẽ giúp bạn lập được bảng tương tự mà không cần bước kWh/t; điều nó không thể cho bạn biết là bao nhiêu phần công suất đấu nối nằm trên các bộ truyền động, và đó chính là con số quyết định thông số kỹ thuật về sóng hài.

Tại sao hai đường dây 33 kV lại được tính ở 45 °C thay vì 40 °C?

Bởi vì nhãn máy biến áp không mô tả khí hậu của nhà máy. IEC 60076-2 định mức máy biến áp cho nhiệt độ môi trường tối đa 40 °C, trung bình tháng 30 °C và trung bình năm 20 °C. Một nhà máy thép thanh ở Lagos, Mombasa, Jakarta hay Jeddah có nhiệt độ 44–48 °C vào mùa nóng, và máy biến áp đặt trong khuôn viên nơi các bộ tản nhiệt chịu nhiệt phản xạ từ tòa nhà máy cán. Mỗi độ vượt trên mốc tham chiếu 40 °C làm mất khoảng 0,9% công suất định mức ONAN đối với máy biến áp ngâm dầu ở cỡ này, nên một máy biến áp 12,5 MVA được yêu cầu làm việc ở 45 °C thực chất chỉ là máy 11,9 MVA. Mua "12,5 MVA" rồi phát hiện điều này vào tháng Bảy là lỗi tính toán kích cỡ phổ biến nhất ở các nhà máy cán vùng khí hậu nóng, và phép tính tương tự cũng áp dụng cho máy biến áp đúc nhựa ở vùng cao và trong phòng không thông gió, được trình bày trong giảm định mức theo độ cao và nhiệt độ.

Với công suất biểu kiến đỉnh 11,3 MVA và 11,9 MVA khả dụng từ một máy đã giảm định mức, phương án N-1 để lại mức tải 95% — chấp nhận được cho một buổi chiều, không chấp nhận được cho cả tuần. Do đó, gói thiết bị đáp ứng cả vận hành bình thường và sự cố đơn lẻ là 2 × 12,5 MVA, 33/11,5 kV, YNd11, ONAN 12,5 MVA / ONAF 16 MVA ở 40 °C, với bộ đổi nấc có tải ±8 × 1,25% ở phía 33 kV và tổng trở 8%.

Hàng cuối cùng chính là lý do nhà máy cần bù công suất phản kháng chứ không phải một máy biến áp lớn hơn. Nếu không có 2 × 1.200 kVAr tụ bù có cuộn kháng, hệ số công suất giảm xuống 0,88, công suất biểu kiến đỉnh tăng từ 11,3 lên 11,8 MVA, và trường hợp sự cố đơn lẻ vận hành ở 99% công suất định mức đã giảm cấp với điểm nóng chạm giới hạn liên tục 98 °C theo IEC 60076-7. Hai bộ tụ bù có chi phí lắp đặt khoảng 45.000 USD; việc nâng từ 2 × 12,5 MVA lên 2 × 16 MVA tốn thêm khoảng 90.000 USD tiền máy biến áp và tăng 15% tổn thất không tải vĩnh viễn. Tụ bù là giải pháp rẻ hơn 4%.

Một hệ quả nữa của việc dùng hai máy biến áp trên một coupler thường mở: nhà máy phải chịu được quá trình chuyển đổi. Sơ đồ tự động chuyển đổi thanh cái đóng coupler 300 ms sau khi máy cắt đầu vào nhảy sẽ cấp điện lại thanh cái 11 kV qua một máy biến áp mà lõi có thể vẫn còn từ thông dư, tạo ra dòng xung kích bằng 6–8 lần dòng định mức cộng thêm dòng tái tăng tốc của động cơ. Với 12,5 MVA, đó là dòng 3–4 kA trong 100 ms, đủ để tác động phần tử tức thời của máy cắt đầu vào nếu nó được chỉnh theo thông số trên nhãn máy thay vì theo dòng xung kích đo được. Việc đo đạc và cài đặt rơ le được trình bày trong dòng xung kích máy biến áp; quy tắc thiết kế cho nhà máy này là chỉnh phần tử tức thời cao hơn dòng xung kích trong trường hợp xấu nhất được tính toán có xét từ thông dư, và thêm chức năng hãm xung kích trong bảo vệ so lệch 87T nếu mức dòng sự cố của lưới điện đủ cao khiến hai giá trị này chồng lấn.

Tại sao tổng trở 8% lại là con số quyết định cả mức dòng sự cố lẫn cách khởi động của mọi giá cán?

Tổng trở là thông số duy nhất của máy biến áp xuất hiện đồng thời trong hai phép tính, và trong một nhà máy cán thép cả hai đều mang tính ràng buộc. Thứ nhất là mức dòng sự cố. Một đấu nối lưới 33 kV với công suất sự cố khả dụng 500 MVA, nhìn qua một máy biến áp 12,5 MVA có tổng trở 8%, cho ra 119 MVA tại thanh cái 11 kV — dòng sự cố ba pha 6,2 kA, cộng thêm đóng góp của động cơ trong những chu kỳ đầu. Dòng 6,2 kA đó là mức mà tủ đóng cắt 11 kV, cáp và giá đỡ thanh cái phải chịu được, và nó nằm thoải mái trong định mức 25 kA của tủ đóng cắt, nên có dư địa để đánh đổi tổng trở lấy hiệu năng khởi động nếu nhà máy cần. Phương pháp tính, bao gồm đóng góp của động cơ và ảnh hưởng của tổng trở cáp, được trình bày trong tính toán dòng ngắn mạch.

Phép tính thứ hai là khởi động. Một động cơ giá cán thô 2.300 kW, 11 kV tiêu thụ khoảng 135 A ở tải đầy đủ (hiệu suất 0,96, hệ số công suất 0,93), và khởi động trực tiếp (DOL) lấy gấp 6,2 lần dòng đó — khoảng 840 A — trong 3–8 giây cho đến khi bánh đà và các trục cán đạt tốc độ. So với mức dòng sự cố 6.200 A, dòng 840 A gây sụt áp 13,5% tại thanh cái 11 kV. Các đơn vị điện lực và nhà cung cấp máy cán thường chấp nhận 3% tại điểm đấu nối chung và 10% tại đầu cực động cơ, nên giá cán thô khởi động trực tiếp không được phép trên nguồn cấp này, và với tổng trở 8% thì không bao giờ được phép. Tăng tổng trở lên 10% thì mức dòng sự cố giảm xuống 5,25 kA trong khi độ sụt áp tăng lên 15,9%; giảm xuống 6% thì mức dòng sự cố tăng lên 7,7 kA trong khi độ sụt áp giảm xuống 10,9%. Không đầu nào của dải đó làm cho khởi động trực tiếp trở nên hợp pháp, đó là lý do hai giá cán thô dùng biến tần active-front-end giới hạn dòng khởi động ở 110% — độ sụt áp 2,4% — thay vì dùng khởi động mềm, và cũng là lý do cấu hình truyền động của máy cán và tổng trở của máy biến áp phải được chỉ định cùng nhau.

Do đó, việc nhà máy chọn 8% không phải là giá trị mặc định của nhà sản xuất: đó là giá trị mà tại đó thiết bị đóng cắt 11 kV vẫn rẻ (định mức 25 kA có dự phòng), gánh nặng công suất phản kháng vẫn ở mức gần 1 MVAr mỗi máy biến áp, và các bộ truyền động — vốn dĩ nhà máy cần cho điều khiển độ dày và điều khiển vòng giữa các giá cán — hấp thụ hoàn toàn vấn đề khởi động. Một nhà máy cố gắng tiết kiệm chi phí bộ truyền động bằng cách chỉ định khởi động mềm sẽ cần trở kháng 12% để giữ độ sụt áp dưới 10% với dòng điện 3,5× của khởi động mềm, và sau đó sẽ phải trả giá bằng 1,5 MVAr công suất phản kháng tiêu thụ và độ sụt áp 19,8% trên mọi động cơ phụ khởi động trực tiếp trên cùng thanh cái.

Tại sao lại có mười ba máy biến áp biến đổi, và tại sao là K-13?

Mỗi bộ truyền động giá cán cần một máy biến áp giữa thanh cái 11 kV và bộ chỉnh lưu của nó vì ba lý do không liên quan đến việc biến đổi điện áp. Thứ nhất là không thể để bộ chỉnh lưu gây nhiễu các rãnh chuyển mạch và nhiễu chế độ chung của nó lên thanh cái 11 kV của nhà máy, nơi cùng thanh cái đó cấp nguồn cho các bộ điều khiển lò và PLC của nhà máy; tấm chắn tĩnh điện và điện cảm rò của máy biến áp chính là bộ lọc. Thứ hai là bộ truyền động cần 690 V tại động cơ và bộ chỉnh lưu cần một điện áp mà nó có thể điều chỉnh, vì vậy dải đầu phân áp của máy biến áp được đặt theo điện áp thanh cái 11 kV trong trường hợp xấu nhất, không phải theo giá trị danh định của nhà máy. Thứ ba là tổn thất do sóng hài: dạng sóng dòng điện của bộ chỉnh lưu có THD 25–30% tại các đầu cực bộ truyền động, và tổn thất dòng xoáy trong cuộn dây máy biến áp tăng theo bình phương bậc sóng hài, vì vậy một máy biến áp phân phối thông thường được định mức cho tải hình sin sẽ quá nhiệt ở 60–70% công suất danh định khi nó cấp nguồn liên tục cho bộ chỉnh lưu 6 xung.

Hệ số K là cách gọi tắt cho định mức khả năng đó, và K-13 là giá trị phù hợp cho bộ truyền động 6 xung: hệ số K đánh trọng số mỗi dòng điện sóng hài theo bình phương bậc của nó, phổ 6 xung với THD 25–30% rơi vào khoảng K-9 đến K-13, và K-13 cho dự phòng khoảng 20% so với giá trị tính toán — đó là mức mà nhà máy muốn hướng tới, vì phổ sóng hài ở tải nhẹ tệ hơn ở tải đầy. Phương pháp đầy đủ, bao gồm cách tính hệ số K từ phổ đo được, có trong Lựa chọn máy biến áp hệ số K. Điều quan trọng ở giai đoạn chỉ định kỹ thuật là định mức K, phổ sóng hài giả định và biên dạng tải đều phải xuất hiện trên bảng dữ liệu; một máy biến áp được bán là "phù hợp cho tải VFD" mà không nêu rõ phổ thì không phải là một bản chỉ định kỹ thuật.

Nhà máy sử dụng 13 máy biến áp biến đổi theo hai cấu hình. Sáu bộ truyền động 1.100 kW của giá cán trung gian được ghép thành ba bộ ba cuộn dây 3.200 kVA với một thứ cấp Dy và một thứ cấp Dd lệch nhau 30°: hai cầu 6 xung sau đó hoạt động như một bộ chỉnh lưu 12 xung, và các sóng hài bậc 5 và bậc 7 lưu thông giữa các cuộn thứ cấp thay vì chảy vào thanh cái 11 kV. Mười bộ truyền động 600 kW của giá cán tinh mỗi bộ nhận một bộ hai cuộn dây 800 kVA; ở kích thước đó, các tuyến cáp ngắn, các bộ truyền động riêng lẻ nhỏ, và việc ghép cặp sẽ thêm cáp dịch pha 30° mà lợi ích không đáng kể.

Bạn chặn sóng hài ở đâu — tại bộ truyền động, tại thanh cái 11 kV, hay tại PCC 33 kV?

Chỉ có một điểm mang tính hợp đồng: điểm đấu nối chung với lưới điện, ở đây là các đầu cực đầu vào 33 kV, và giới hạn áp dụng là Bảng 2 của IEEE 519 cho 1 kV < V ≤ 69 kV. Giới hạn này phụ thuộc vào tỷ số giữa dòng ngắn mạch và dòng tải, nên việc đầu tiên cần tính là tỷ số đó: 2,08 kA dòng sự cố tại 33 kV chia cho 198 A dòng tải đỉnh bằng 10,5, đưa nhà máy vào dải Isc/IL < 20, trong đó tổng độ méo theo nhu cầu phải giữ ở mức bằng hoặc dưới 5,0%, hài bậc 5 và bậc 7 ở mức bằng hoặc dưới 4,0% mỗi bậc, bậc 11 và bậc 13 ở 2,0%, và bậc 17 và bậc 19 ở 1,5%. Lưu ý rằng đây là dải nghiêm ngặt nhất, và một nhà máy để dòng tải của mình giảm xuống — vận hành ở 40% công suất trong thị trường thép ảm đạm — sẽ càng lún sâu vào dải này chứ không thoát ra, vì tỷ số tăng khi tải giảm.

Thiết kế giải quyết bài toán mà không cần bộ lọc 33 kV, và chỉ vì các nguồn hài được xử lý ngay tại bộ biến tần. Hai giá cán thô 2.300 kW sử dụng bộ chỉnh lưu tích cực phía trước, với độ méo của chính chúng là 3–5%. Các cặp 12 xung của dãy cán trung gian đưa 8–9% vào thanh cái 11 kV nhưng triệt tiêu hài bậc 5 và bậc 7 ngay tại nguồn. Mười bộ biến tần 6 xung của dãy cán tinh là vấn đề tồn dư: 26–30% mỗi bộ, được giảm nhẹ nhờ thực tế là chúng nhỏ, đóng cắt riêng lẻ, và được bù trừ một phần nhờ tính đa dạng tải. Tổng hợp tại 33 kV, được tính bằng phương pháp tổng hợp theo góc pha thay vì cộng số học, đạt 4,2% TDD với hài bậc 5 ở 3,1%, và đó chính là biên dự trữ mà nhà máy vận hành dựa vào.

Hai dàn tụ bù 2 × 1.200 kVAr dùng để hiệu chỉnh hệ số công suất phải được khử cộng hưởng, và lý do là hiện tượng cộng hưởng mà nhà máy sẽ tạo ra nếu không làm vậy. Nguồn cấp 11 kV có mức ngắn mạch 119 MVA; một dàn tụ 1.200 kVAr thuần sẽ đặt tần số cộng hưởng song song tại hài bậc 10 (căn bậc hai của 119.000/1.200), nằm ngay trên các dòng hài bậc 11 và bậc 13 do các bộ biến tần dãy cán tinh tạo ra. Một cuộn kháng 7% dịch chuyển cộng hưởng nối tiếp xuống 189 Hz — hài bậc 3,8 tại 50 Hz — an toàn dưới bậc 5, nhờ đó dàn tụ mang tính dung ở mọi bậc hài mà nhà máy tạo ra và không thể khuếch đại chúng. Đó là khoản phụ phí 6.000 USD cho dàn tụ và đây không phải là tùy chọn; cơ chế này được trình bày trong hài của máy biến áp, và cũng chính vì lý do đó mà công tắc tơ tụ phải là loại chuyên dụng cho bù khử cộng hưởng thay vì công tắc tơ AC-3 tiêu chuẩn.

Máy biến áp cho bộ biến tần nên dùng loại đúc nhựa hay loại ngâm dầu?

Đối với mười ba bộ biến tần, loại đúc nhựa thắng về rủi ro cháy nổ nhưng thua về khả năng chịu bụi, và quyết định thực chất là về căn phòng chứ không phải về máy biến áp. Một bộ đúc nhựa không có dầu cần đê chắn, không cần tường chống cháy, không cần khoảng cách 5 m tới các tủ biến tần, và tổn thất của nó được tản trực tiếp từ bề mặt cuộn dây vào không khí trong phòng, nên nó có thể đặt ngay trong phòng biến tần cạnh các tủ mà nó cấp điện — điều này rút ngắn tuyến cáp 690 V, và với một bộ biến tần 600 kW thì cáp là tổn thất lớn thứ hai sau máy biến áp. Cái giá phải trả là chính bề mặt cuộn dây lộ ra đó lại là nơi bám bụi: trong một nhà máy nơi bụi vảy cán và sương dầu bôi trơn chứa than chì có khắp nơi, một cuộn dây đúc nhựa không nằm trong vỏ bảo vệ IP54 với thông gió có lọc sẽ tích tụ một lớp dẫn điện và phóng điện bề mặt trong vòng vài năm, và cả vỏ bảo vệ lẫn bộ lọc đều không miễn phí.

Các máy biến áp chính là một câu hỏi khác. Ở mức 12,5 MVA, loại ngâm dầu rẻ hơn 30–40% so với loại đúc nhựa tương đương, khả năng quá tải ngắn hạn của nó tốt hơn nhiều, và nó thuộc về vị trí ngoài trời trong một khuôn viên có rào chắn với tường chống cháy, hố dầu và giàn giá 33 kV. Chỉ có tiếng ồn và khoảng cách phòng cháy là lý lẽ ủng hộ loại khô ở cấp công suất đó, và trong một nhà máy cán thép thanh, giới hạn tiếng ồn không tải là 62–65 dB(A) ở khoảng cách 1 m, nằm trong mức nền của chính nhà máy.

Thiết kế được chọn như sau: loại khô đúc nhựa, IP54, K-13 cho mười bộ hoàn thiện 800 kVA trong phòng biến tần; loại khô đúc nhựa K-9 cho ba cặp trung gian 3.200 kVA trong cùng phòng, vì việc di chuyển chúng ra ngoài sẽ phải luồn cáp 690 V xuyên tường và tăng thêm 15 m chiều dài tuyến cáp; và loại ngâm dầu ONAN/ONAF cho hai máy chính 12,5 MVA cùng bốn máy biến áp phụ trợ và lò 11/0,4 kV. Đây là một gói hỗn hợp, và một nhà cung cấp duy nhất sản xuất cả hai công nghệ có giá trị ở đây hơn là lợi thế giá 3% từ việc chia nhỏ đơn hàng — so sánh hai công nghệ ở cấp phân phối được trình bày trong loại ngâm dầu so với loại khô.

Làm thế nào để duy trì hoạt động của máy biến áp 12,5 MVA ở 45 °C, trong bụi cáu, với độ ẩm mùa mưa?

Bốn yếu tố quyết định liệu máy biến áp này có đạt tuổi thọ 25 năm hay hỏng ở năm thứ 12: biên dự phòng làm mát, bảo vệ chống ăn mòn, khoảng cách rò điện của sứ xuyên và giám sát tình trạng dầu. Biên dự phòng làm mát là yếu tố rẻ nhất và thường bị cắt giảm nhất. Ở nhiệt độ môi trường 45 °C, dàn tản nhiệt phải tản cùng một lượng tổn thất vào không khí nóng hơn 5 K so với cơ sở định mức, nghĩa là cần thêm 8–10% diện tích tản nhiệt so với thiết kế tiêu chuẩn 40 °C, và có nghĩa là cấp ONAF phải có thể đưa vào vận hành mà không cần dừng máy: bốn quạt chia thành hai nhóm, mỗi nhóm có thể duy trì 90% định mức cưỡng bức khi một quạt hỏng, và điều khiển quạt theo nhiệt độ cuộn dây thay vì theo dòng tải, vì cuộn dây chịu tải sóng hài và tải chu kỳ mà biến dòng không thấy được. Đặc tính nhiệt của các máy ONAN và ONAF dưới tải chu kỳ được trình bày trong phương pháp làm mát và độ tăng nhiệt; quy tắc vận hành cho nhà máy này là cấp ONAF không bao giờ được cần đến trong ngày bình thường, và phải được chứng minh bằng thử nghiệm vào ngày đưa vào vận hành.

Ăn mòn là một hạng mục trong đặc tính kỹ thuật, không phải màu sơn. Khu vực nhà máy cách bờ biển 5 km chịu lắng đọng clorua, và máy biến áp được chỉ định theo ISO 12944 C5-M: sơn lót giàu kẽm, lớp trung gian epoxy, lớp phủ hoàn thiện polyurethane với tổng độ dày 240 µm, dàn tản nhiệt mạ kẽm với các cánh được phủ sau khi hàn, bu lông thép không gỉ và ống thở bằng thép không gỉ. Tủ điều khiển đạt IP55 có bộ sưởi, vì chế độ hỏng hóc trong khí hậu ẩm ướt không phải là nước xâm nhập khi trời mưa mà là ngưng tụ bên trong tủ kín nguội đi vào ban đêm. Sứ xuyên là loại composite thay vì sứ porcelain: ở mức ô nhiễm IEC 60815 cấp IV (rất nặng, đúng với môi trường nhà máy nhiều bụi và độ ẩm mùa mưa), yêu cầu khoảng cách rò điện là 31 mm/kV, vậy sứ xuyên 36 kV cần khoảng 1.100 mm khoảng cách rò điện — sứ porcelain ở khoảng cách đó dài và giòn, silicone composite ngắn hơn, nhẹ hơn và không vỡ khi cần cẩu làm rơi một bó thép thanh lên giàn.

Tình trạng dầu là nơi tuổi thọ 25 năm thực sự được giữ hay mất. Máy biến áp được chỉ định với rơ-le Buchholz hai phao, hai bộ chỉ thị nhiệt độ cuộn dây có tiếp điểm báo động và cắt, thiết bị xả áp có tiếp điểm, và đồng hồ đo dầu từ tính; việc đưa vào vận hành bao gồm lấy mẫu DGA sau 24 giờ mang tải, một mẫu nữa sau một năm, và sau đó hàng năm. Lý do là máy biến áp này vận hành với tải chu kỳ có dao động 3–4 MW mỗi ngày trên nền nhiệt độ môi trường 45 °C, đúng là chế độ làm việc sinh ra sự cố nhiệt tại một mối ghép bu lông hoặc tiếp điểm bộ đổi nấc trước khi sinh ra bất kỳ triệu chứng bên ngoài nào. Những gì cần tìm trong mẫu khí được trình bày trong diễn giải DGA; quy tắc thực tế là ethylene tăng với acetylene ổn định nghĩa là có điểm nóng, và acetylene tăng nghĩa là phải dừng nhà máy và tìm ra nó.

Những tổn thất nào nên được vốn hóa trong một nhà máy vận hành 7.200 giờ?

Đánh giá tổn thất, chứ không phải giá, quyết định cấp tổn thất, và phép tính rất đơn giản khi đã biết số giờ vận hành. Tổn thất không tải chạy 8.760 h/năm vì máy biến áp luôn được cấp điện cho nhánh dự phòng; tổn thất có tải chạy tương đương khoảng 3.300 giờ đầy tải, vì nhu cầu trung bình của nhà máy là 7,3 MW so với công suất 11,9 MVA cho ra (7,3/11,9)² × 8.760 = 3.300 h. Với chi phí điện năng công nghiệp 0,09 USD/kWh — một con số thực tế cho các thị trường mà nhà máy này được xây dựng — số giờ đó khiến tổn thất không tải trị giá 788 USD/kW và tổn thất có tải trị giá 268 USD/kW. Đây là cách đánh giá yếu hơn nhiều so với cách các công ty điện lực sử dụng (nơi hệ số vốn hóa 4.000–9.000 USD/kW cho tổn thất không tải là bình thường), và đó là lý do người mua công nghiệp không nên đơn thuần sao chép đặc tính tổn thất của công ty điện lực.

Hai điểm về bảng này có giá trị hơn cả những con số. Thứ nhất, dự phòng làm tăng gấp đôi hóa đơn tổn thất không tải: cả hai nguồn chính đều được cấp điện liên tục, nên nhà máy phải trả tổn thất không tải trên 25 MVA công suất lắp đặt để phục vụ tải 11,3 MVA. Ngắt điện máy dự phòng sẽ giảm một nửa, nhưng việc chuyển thanh cái từ một máy biến áp đã ngắt điện mất 2–3 s trong khi các bộ truyền động của nhà máy và quạt lò sẽ nhảy, nên nhà máy giữ cả hai được cấp điện và phải trả. Đó là lý do khiến phần chênh lệch giá của S13 dễ biện minh đến vậy ở đây — nó áp dụng cho cả hai máy, mỗi giờ trong năm. Thứ hai, cột tổn thất có tải mới là nơi thực sự có tiền: giảm tổn thất có tải từ 60 xuống 48 kW bằng cách thêm đồng trị giá 6.400 USD mỗi năm trên hai máy, trong khi khoản tiết kiệm tổn thất không tải của S13 trị giá 3.940 USD, và phương án thêm đồng mang lại khoản tiết kiệm hơn gấp đôi đó với thời gian hoàn vốn chỉ chậm hơn S13 một tháng. Xu hướng thiên vị thông thường đối với tổn thất không tải bắt nguồn từ thực tiễn của công ty điện lực, nơi máy biến áp chạy gần đầy tải 8.760 h; nhà máy này thì không. So sánh các cấp tổn thất ở cấp phân phối có trong so sánh cấp tổn thất, và logic tương tự vẫn đúng: với số giờ vận hành công nghiệp, tổn thất có tải xứng đáng được quan tâm ít nhất bằng tổn thất không tải.

Gói máy biến áp có giá bao nhiêu và mất bao lâu?

Gói cho nhà máy này gồm mười ba máy biến áp biến đổi, hai máy nguồn chính và bốn máy phụ trợ — 19 máy, 51 MVA công suất lắp đặt — và có giá 540.000–680.000 USD FOB Trung Quốc tùy thuộc vào việc các máy biến đổi có phải loại đúc nhựa hay không và các máy nguồn chính có dùng lõi S13 hay không. Đó là 0,3–0,6% chi phí vốn 120–180 triệu USD của một nhà máy 500.000 t/năm, và đó là lý do để không tối ưu hóa nó quá mức: tiết kiệm 5% trên máy biến áp là 30.000 USD, còn một sự cố sóng hài hoặc sụt áp khi chạy thử nghiệm tốn một tháng sản xuất.

Hai yếu tố logistics ảnh hưởng đến tiến độ nhiều hơn cả thời gian sản xuất. Mỗi máy biến áp chính 12,5 MVA nặng 22–26 t và được vận chuyển bằng xe sàn 40 ft hoặc theo hình thức hàng rời, nghĩa là chúng không thể là hạng mục cuối cùng được giao trước khi mùa mưa làm đóng đường cảng; và các máy biến áp biến tần phải đến sau các tủ biến tần, vì giao diện thanh cái 690 V của chúng được khớp với bố trí tủ, do đó một nhà máy mua cả hai từ cùng một nhà cung cấp sẽ tiết kiệm được một tháng vẽ bản vẽ giao diện. Các thử nghiệm thường quy theo IEC 60076-1 cùng với thử nghiệm điển hình độ tăng nhiệt cộng thêm 2–3 tuần, và một thử nghiệm nghiệm thu tại nhà máy có chứng kiến — mà gói này nên có, vì các máy biến áp chính là điểm hỏng hóc duy nhất của nhà máy — cộng thêm một tuần thời gian của kỹ sư bên mua, không phải của nhà máy. Các thử nghiệm chạy thử cho toàn bộ hệ thống, bao gồm tỷ số biến áp, tổ đấu dây, điện trở cách điện, SFRA và thử nghiệm bơm rơ le bảo vệ, được trình bày trong thử nghiệm chạy thử, và vận hành song song hai máy biến áp chính, nếu nhà máy có lúc vận hành chúng ghép song song, bị giới hạn bởi dung sai tổng trở 8% trong vận hành song song.

Đặc tính kỹ thuật mua hàng nên quy định những gì?

Đặc tính kỹ thuật cho gói này gói gọn trong mười bốn dòng, và bảy trong số đó nói về khí hậu, sóng hài và chu kỳ tải của nhà máy chứ không phải về công suất định mức của máy biến áp. Bất cứ điều gì nhà cung cấp có thể đọc từ catalogue tiêu chuẩn thì không cần phải viết ra; điều cần viết là phạm vi vận hành.

• Công suất định mức tại nhiệt độ môi trường 45 °C, với mức giảm công suất được nêu rõ ràng: 12,5 MVA ONAN và 16 MVA ONAF tại 40 °C, và khả năng đảm bảo tại 45 °C được báo giá trong hồ sơ dự thầu.
• Độ tăng nhiệt 55 K dầu phía trên và 60 K trung bình cuộn dây tại công suất định mức ONAF, thay vì 60/65 K tiêu chuẩn, để điểm nóng vẫn nằm trong 98 °C tại nhiệt độ môi trường 45 °C.
• Tổng trở 8% với dung sai ±7,5% trên giá trị đảm bảo, đây là dung sai theo IEC 60076-1 và là lý do hai máy từ các nhà cung cấp khác nhau không thể ghép song song mà không tính toán dòng điện tuần hoàn.
• OLTC ±8 × 1,25% trên cuộn dây 33 kV, loại chân không, với số lần thao tác mỗi năm được nêu rõ (nhà máy này là 1.500–2.500) để bộ đổi nấc được chọn theo tuổi thọ cơ khí, không phải theo giá.
• Chế độ làm việc với sóng hài cho các máy biến tần: K-13 cho các máy 800 kVA và K-9 cho các cặp 3.200 kVA, với phổ sóng hài giả định và biểu đồ phụ tải được in trên bảng dữ liệu.
• Mức cách điện LI 170 kV / AC 70 kV cho cuộn dây 33 kV (Um 36 kV), và khoảng cách rò 31 mm/kV trên sứ composite theo mức ô nhiễm IV của IEC 60815.
• Cấp chống ăn mòn C5-M theo ISO 12944, tổng độ dày màng khô 240 µm, cánh tản nhiệt mạ kẽm, bu lông inox, tủ điều khiển IP55 có bộ sưởi chống ngưng tụ.
• Tổn thất được đảm bảo kèm điều khoản phạt ở mức 788 USD/kW cho tổn thất không tải và 268 USD/kW cho tổn thất có tải — cùng những con số bên mua sử dụng nội bộ, để nhà cung cấp không thể thắng thầu bằng cách đánh đổi tổn thất lấy giá.
• Mức áp suất âm thanh 65 dB(A) tại 1 m cho các máy biến áp chính, đo theo IEC 60076-10, với vị trí đo được nêu rõ.
• Thử nghiệm: thường quy theo IEC 60076-1, độ tăng nhiệt theo IEC 60076-2, xung sét, và FAT có chứng kiến với kỹ sư bên mua có mặt đối với các máy biến áp chính.
• Giám sát: hai WTI có báo động và cắt, rơ le Buchholz hai phao, van xả áp có tiếp điểm, đồng hồ đo dầu từ tính, và điểm lấy mẫu DGA mà kỹ thuật viên có thể tiếp cận mà không cần thang.
• Tài liệu: bản vẽ phê duyệt trong vòng 3 tuần kể từ khi đặt hàng, báo cáo thử nghiệm, sổ tay vận hành và bảo trì bằng tiếng Anh và ngôn ngữ của công trường, danh mục phụ tùng thay thế kèm khuyến nghị cho 2 năm và 10 năm.
• Bảo hành 24 tháng kể từ khi chạy thử hoặc 30 tháng kể từ khi giao hàng, với tiền phạt vi phạm hợp đồng cho việc giao hàng chậm và cho các cam kết tổn thất bị vượt quá 5%.
• Đóng gói và vận chuyển: đủ điều kiện đi biển, nêu rõ quyết định nạp khí nitơ hay nạp dầu, lắp đặt chỉ báo va đập và nghiêng, và bản vẽ vận chuyển thể hiện trọng tâm và các điểm nâng, vì một máy biến áp 30 t bị rơi tại cảng đồng nghĩa với chậm trễ 16 tuần.

Điều gì thực sự hỏng ở máy biến áp nhà máy cán thép thanh?

Trong chế độ vận hành này, những sự cố gây thiệt hại sản xuất không phải là hỏng cách điện cuộn dây theo nghĩa cổ điển; chúng là năm vấn đề xuất hiện theo một trình tự cụ thể. Thứ nhất là bộ đổi nấc dưới tải, bởi vì nhu cầu của nhà máy dao động 3–4 MW trong vòng một phút và điện áp thượng nguồn biến đổi theo, nên một OLTC ở chế độ tự động sẽ thực hiện 1.500–2.500 lần thao tác mỗi năm để bám theo một mức điện áp mà các bộ truyền động không cần — giải pháp là điều chỉnh tại các bộ truyền động và đặt OLTC ở chế độ thủ công, chỉ sử dụng theo mùa. Thứ hai là điểm nóng cuộn dây hạ áp trên các máy biến áp biến đổi được mua với hệ số K thấp hơn phổ thực tế, nơi tuổi thọ cách điện tăng gấp đôi với mỗi 6 K vượt quá điểm nóng thiết kế và thiết bị hỏng sau 10–12 năm thay vì 25 năm. Thứ ba là rò rỉ gioăng và mối hàn sau 8–10 năm chịu chu kỳ nhiệt hàng ngày trong khí hậu nóng, đây là hạng mục bảo trì nếu dầu được giám sát và là sự cố nếu không. Thứ tư là hỏng động cơ quạt làm mát, điều này không thể phát hiện cho đến khi cần đến cấp ONAF vào đúng buổi chiều cần đến nó — cảnh báo phải được đấu dây về phòng điều khiển, không phải đến một đèn báo cục bộ. Thứ năm là phóng điện bề mặt sứ xuyên do ô nhiễm vào đầu mùa mưa, khi sáu tháng bụi trở nên dẫn điện trong một đêm; sứ xuyên composite có lớp phủ RTV và lịch rửa định kỳ trước mùa mưa là toàn bộ biện pháp giảm thiểu.

Không có vấn đề nào trong số này là lỗi thiết kế, và tất cả đều là các quyết định về thông số kỹ thuật và vận hành được đưa ra trước khi đặt mua máy biến áp. Đó là lý do bài viết này dành toàn bộ độ dài cho lịch tải, hiệu chỉnh nhiệt độ môi trường, tổng trở và phổ sóng hài thay vì kết cấu lõi và cuộn dây: ở mức 500.000 t/năm, máy biến áp không phải là phần khó của thiết kế điện, nhưng nó là phần không thể sửa chữa sau khi nhà máy được xây dựng. Nửa thượng nguồn của nhà máy này — phân xưởng luyện phôi cung cấp phôi thép — có logic tính toán công suất riêng, được trình bày trong tính toán công suất máy biến áp lò hồ quang điện, và một nhà máy vận hành cả hai sẽ nhận thấy rằng lò nung lại và dây chuyền cán cùng nhau là một phụ tải lành tính hơn nhiều so với lò hồ quang mà chúng nằm phía sau.

Sources / 资料来源

Nguồn: IEC 60076-1 — Máy biến áp lực: Yêu cầu chung (cấp công suất, dung sai, thử nghiệm thường lệ).
Nguồn: IEC 60076-2 — Máy biến áp lực: Độ tăng nhiệt cho máy biến áp ngâm trong chất lỏng (tham chiếu nhiệt độ môi trường tối đa 40 °C, trung bình tháng 30 °C, trung bình năm 20 °C).
Nguồn: IEC 60076-7 — Máy biến áp lực: Hướng dẫn mang tải cho máy biến áp lực ngâm trong dầu khoáng (giới hạn điểm nóng, mang tải chu kỳ).
Nguồn: IEC 60076-10 — Máy biến áp lực: Xác định mức âm thanh.
Nguồn: IEC 60076-11 — Máy biến áp lực: Máy biến áp khô.
Nguồn: IEC 60909 — Dòng điện ngắn mạch trong hệ thống điện xoay chiều ba pha.
Nguồn: IEC 61378-1 — Máy biến áp biến đổi cho ứng dụng công nghiệp.
Nguồn: IEC 60815 — Lựa chọn và tính toán kích thước sứ cách điện cao áp dùng trong điều kiện ô nhiễm.
Nguồn: ISO 12944 — Bảo vệ chống ăn mòn kết cấu thép bằng hệ thống sơn bảo vệ (cấp C5-M).
Nguồn: IEEE 519 — Thực hành khuyến nghị và yêu cầu kiểm soát sóng hài trong hệ thống điện (Bảng 2, 1 kV < V ≤ 69 kV).
Nguồn: IEEE C57.110 — Thực hành khuyến nghị để xác định khả năng của máy biến áp khi cung cấp dòng tải không hình sin (cơ sở hệ số K).
Nguồn: GB/T 6451 — Thông số kỹ thuật và yêu cầu đối với máy biến áp lực ba pha ngâm trong dầu.
Nguồn: Hiệp hội Thép Thế giới, World Steel in Figures — sản lượng thép thô toàn cầu khoảng 1,9 tỷ tấn, trong đó thép dài cho xây dựng chiếm tỷ trọng lớn nhất.
Nguồn: Đội ngũ Kỹ thuật QDTB — cung cấp máy biến áp ngâm trong dầu và máy biến áp đúc nhựa cho các nhà máy cán thép thanh, thép dây và thép hình tại Nigeria, Kenya, Indonesia, Việt Nam, Ai Cập và Ả Rập Xê Út, 2014–2025 (mức tiêu thụ riêng, tỷ số đỉnh-trung bình, thông lệ tổng trở, phổ sóng hài, lựa chọn hệ số K, dải giá và thời gian giao hàng được nêu ở đây là các giá trị kinh nghiệm ngành, không phải tiêu chuẩn công bố).