Tụ điện ghép nối chảy ngoài: Hướng dẫn Thiết kế và Bảo vệ

Các tụ điện ghép nối có cầu chì bên ngoài cô lập một tụ điện bị hỏng bằng cầu chì được lắp ở vị trí người vận hành có thể kiểm tra. Thiết kế này dễ nhận biết và có thể duy trì phần còn lại của bộ tụ ở trạng thái hoạt động, nhưng chỉ khi các thông số định mức của thiết bị, nhóm mắc nối tiếp, sự phối hợp cầu chì, bảo vệ mất cân bằng, chế độ đóng cắt và giới hạn bảo trì được thiết kế đồng bộ với nhau. Hướng dẫn này so sánh các sơ đồ bố trí cầu chì ngoài, cầu chì trong và không dùng cầu chì để các bên mua hàng công nghiệp và công ích có thể đặt ra các câu hỏi thiết kế chính xác mà không coi bất kỳ kiến trúc nào là tốt nhất cho mọi trường hợp. Việc lựa chọn cuối cùng thuộc về kỹ sư điện lực và nhà sản xuất thiết bị dựa trên nghiên cứu hệ thống thực tế, các tiêu chuẩn được phê duyệt và quy trình bảo trì của chủ đầu tư.

Tụ điện mắc ngoài có cầu chì bảo vệ: Câu trả lời trực tiếp

Dãy tụ điện có cầu chì bên ngoài sử dụng một cầu chì có thể nhìn thấy được mắc nối tiếp với mỗi đơn vị tụ điện. Nếu một đơn vị phát sinh sự cố bên trong, cầu chì của nó được thiết kế để ngắt và cô lập đơn vị đó trong khi phần còn lại của dãy vẫn được kết nối, tùy thuộc vào hệ thống bảo vệ dãy và điện áp cho phép trên các đơn vị còn lại. Bố trí này mang lại cho các đội bảo trì dấu hiệu trực quan rõ ràng, nhưng nó cũng đòi hỏi không gian, sự phối hợp cầu chì và việc kiểm tra. Đây là một trong ba kiến trúc dãy tụ điện thông dụng của ngành điện; các dãy tụ điện có cầu chì bên trong và không có cầu chì phân bổ việc cô lập sự cố theo những cách khác nhau.

Tại sao Kiến trúc Kết hợp lại quan trọng

Một dãy tụ bù được lắp ráp từ các phần tử tụ điện, các bình tụ, các nhóm mắc nối tiếp và các nhóm pha. Việc tháo bỏ một phần tử hoặc một bình tụ hoàn chỉnh sẽ làm thay đổi điện dung và phân phối lại điện áp. Sự thay đổi có thể chấp nhận được phụ thuộc vào cách đấu nối dãy tụ, số lượng nhóm mắc nối tiếp, bố trí trung tính, độ nhạy bảo vệ và thiết kế của nhà sản xuất. Đó là lý do tại sao việc lắp cầu chì không phải là một lựa chọn phụ kiện được quyết định sau khi đã có định mức kvar. Nó là một phần của thiết kế điện, cơ khí, bảo vệ và bảo trì. Tiêu chuẩn IEEE 1036 coi ứng dụng tụ điện là một nghiên cứu phối hợp bao gồm các định mức, đóng cắt, bảo vệ và lắp đặt thay vì chỉ là việc lựa chọn thiết bị trên sơ đồ đơn tuyến.

Cầu chì ngoài phản ứng như thế nào đối với sự cố của thiết bị

Mỗi bình được kết nối thông qua một cầu chì xả, hạn chế dòng điện hoặc cầu chì chuyên dụng riêng của nó. Một sự cố bên trong đủ nghiêm trọng sẽ dẫn dòng điện sự cố qua cầu chì đó. Khi cầu chì đứt, thiết bị bị hỏng sẽ được ngắt kết nối. Dãy tụ không tự động trở về trạng thái lý tưởng: điện dung trở nên mất cân bằng, tín hiệu trung tính hoặc cầu nối thay đổi và các thiết bị còn lại trong nhóm nối tiếp bị ảnh hưởng có thể chịu một điện áp khác. Do đó, các cài đặt bảo vệ cần đưa ra cảnh báo hoặc ngắt trước khi việc mất các thiết bị đẩy các thiết bị còn sống sót vượt quá mức làm việc cho phép của chúng. Cầu chì bị đứt là bằng chứng để điều tra, chứ không phải là sự cho phép thay thế cầu chì liên tục mà không tìm ra thiết bị bị hỏng và kiểm tra lại dãy tụ.

Có cầu chì ngoài so với Có cầu chì trong so với Không có cầu chì

Các khối tích hợp cầu chì bên trong chứa nhiều phần tử tụ điện, mỗi phần tử được bảo vệ bằng một cầu chì nhỏ bên trong. Một phần tử có thể được tháo ra trong khi phần lớn khối thiết bị vẫn tiếp tục hoạt động. Các dãy không dùng cầu chì sắp xếp các phần tử và khối thiết bị sao cho sự cố hỏng hóc của một phần tử sẽ bị đoản mạch và thiết kế chuỗi nối tiếp sẽ chịu được sự thay đổi kết quả cho đến khi hệ thống bảo vệ yêu cầu tháo dỡ. Không có lựa chọn nào là tối ưu hoàn toàn. Các thiết kế có cầu chì bên ngoài ưu tiên khả năng cách ly trực quan và việc thay thế khối thiết bị đơn giản. Các thiết kế có cầu chì bên trong làm giảm phần cứng bên ngoài nhưng phụ thuộc vào cấu trúc của khối thiết bị và việc diễn giải trạng thái mất cân bằng. Các thiết kế không dùng cầu chì giúp giảm việc bảo trì cầu chì và tổn thất, nhưng đòi hỏi đủ số lượng phần tử mắc nối tiếp và kỹ thuật bảo vệ có kỷ luật.

Bảo vệ và Phát hiện Mất cân bằng

Bảo vệ máy biến áp thường xem xét các đại lượng quá dòng pha, chạm đất hoặc trung tính, quá áp, sụt áp và mất cân bằng. Các chức năng chính xác phụ thuộc vào các sơ đồ đấu nối hình sao nối đất, hình sao không nối đất, hình sao kép, tam giác hoặc cầu. Bảo vệ mất cân bằng đặc biệt quan trọng vì nó có thể phát hiện sự mất điện dung trước khi hư hỏng nhiệt trở nên rõ ràng. Các thiết đặt phải phân biệt được sự cố thực tế của thiết bị hoặc phần tử với tình trạng mất cân bằng điện áp hệ thống, sai số của máy biến dòng/biến áp đo lường, ảnh hưởng của nhiệt độ và dung sai chế tạo thông thường. Tiêu chuẩn IEEE C37.99 cung cấp hướng dẫn bảo vệ các bộ tụ bù ngang, trong khi IEEE 1036 đề cập đến việc ứng dụng. Các kỹ sư dự án nên sử dụng các phiên bản được phê duyệt bởi chủ đầu tư và các quy định địa phương.

Ranh giới chuyển mạch, dòng điện khởi động và sóng hài

Cầu chì không giải quyết được mọi rủi ro của dãy tụ điện. Việc đóng điện có thể tạo ra dòng điện khởi động, và việc chuyển mạch nối tiếp có thể nghiêm trọng hơn khi một dãy tụ điện khác đã được đóng điện trên cùng một thanh cái. Hiện tượng cộng hưởng sóng hài có thể làm tăng dòng điện và điện áp của tụ điện ngay cả khi chưa có thiết bị nào bị hỏng. Nghiên cứu nên xem xét dòng điện sự cố khả dụng, khả năng của thiết bị đóng cắt, chế độ quá độ, thời gian phóng điện, rủi ro đánh lửa lại, phổ sóng hài của hệ thống, và liệu có cần cuộn kháng hoặc bộ lọc hay không. Hãy đọc phần liên quan hướng dẫn đóng cắt theo điểm sóng để đóng có kiểm soát và hướng dẫn lò phản ứng cho ngữ cảnh sai lệch tần số.

Kiểm tra và Bảo dưỡng

Trước khi kiểm tra, hãy tuân theo thứ tự đóng cắt của chủ sở hữu, quy trình khóa/gắn thẻ (lockout/tagout), thời gian chờ bắt buộc, kiểm tra không có điện, xác minh phóng điện và quy trình nối đất. Tụ điện có thể giữ điện tích nguy hiểm sau khi ngắt kết nối. Kiểm tra các chỉ báo hoạt động của cầu chì, sứ cách điện, các mối nối, tình trạng ăn mòn, hư hỏng do động vật hoang dã, hiện tượng phồng hoặc rò rỉ, và dấu hiệu quá nhiệt. So sánh số lượng và vị trí cầu chì đã hoạt động với hồ sơ rơ-le. Việc chỉ thay thế cầu chì có thể nhìn thấy mà không kiểm tra thiết bị tụ điện và xem xét sự cố mất cân bằng có thể đưa một linh kiện bị lỗi trở lại hoạt động hoặc che giấu một vấn đề nhóm đang phát triển.

Danh sách kiểm tra mua sắm

Một RFQ nên xác định điện áp và tần số hệ thống, công suất phản kháng (kvar) và bố trí cấp (step), cách đấu nối và nối đất, cấp cách điện, nhiệt độ môi trường và độ cao dự kiến, dòng sự cố khả dụng, tần số đóng cắt, điều kiện đấu lưng vào nhau (back-to-back), kết quả nghiên cứu sóng hài, kiến trúc cầu chì ưa chuộng, sơ đồ bảo vệ mất cân bằng, yêu cầu về vỏ bọc hoặc giá đỡ (rack), môi trường chiều dài đường rò (creepage), yêu cầu phóng điện, và các tiêu chuẩn áp dụng. Yêu cầu nhà cung cấp nêu rõ các điều kiện về thiết bị hỏng cho phép và phương pháp kiểm tra. Sản phẩm công suất phản kháng hạ thế CNBYG giải quyết vấn đề bù công suất phản kháng cho nhà máy; một tủ trung thế của hệ thống điện phải được thiết kế kỹ thuật và mua sắm phù hợp với cấp điện áp và phạm vi bảo vệ của chính nó.

Kết nối ngân hàng thay đổi quyết định

Triết lý cầu chì giống nhau nhưng hoạt động khác nhau trong các dãy tụ mắc hình sao có nối đất, hình sao không nối đất, hình sao đôi, mạch cầu và hình tam giác. Trung tính nối đất có thể cung cấp một đường dẫn xác định cho các đại lượng thứ tự không, trong khi sơ đồ không nối đất đòi hỏi một phương pháp khác để phát hiện sự thay đổi điện dung pha. Các sơ đồ hình sao đôi và mạch cầu so sánh các phân đoạn cân bằng và có thể cung cấp các phép đo độ mất cân bằng nhạy bén. Người thiết kế cũng kiểm tra xem có bao nhiêu thiết bị mắc song song có sẵn để cung cấp dòng sự cố vào một thiết bị bị hỏng. Quá ít dòng điện có thể không làm cho cầu chì ngoài hoạt động như dự định; quá nhiều dòng tải có thể vượt quá khả năng của cầu chì hoặc thiết bị. Do đó, sơ đồ đơn tuyến, cách bố trí thiết bị và tính toán bảo vệ phải được xem xét cùng nhau.

Chuyện gì xảy ra với các đơn vị còn lại

Khi một đơn vị bị loại bỏ, pha bị ảnh hưởng không còn điện dung hoàn toàn giống như các pha khỏe mạnh. Trong một nhóm mắc nối tiếp, điện áp có thể phân bố lại trên các đơn vị còn lại. Một dãy tụ có nhiều đơn vị mắc song song có thể chịu được một đơn vị bị cô lập với mức thay đổi tương đối nhỏ, trong khi một bố trí gọn nhẹ có thể đạt đến giới hạn cảnh báo hoặc ngắt sớm hơn. Người vận hành cần có một bảng tài liệu liên quan đến số lượng đơn vị bị cô lập với dòng điện hoặc điện áp trung tính, ngưỡng cảnh báo, ngưỡng ngắt và thời gian vận hành tối đa cho phép. Các giới hạn đó xuất phát từ thiết kế thực tế; các tỷ lệ phần trăm chung chung được sao chép từ một dãy tụ khác không phải là sự thay thế an toàn.

Các ngõ vào lựa chọn cầu chì ngoài

Việc lựa chọn cầu chì cần tính đến dòng điện định mức, dòng điện quá mức dự kiến của tụ điện, dòng điện sự cố khả dụng, năng lượng phóng ra từ các thiết bị mắc song song, dòng điện khởi động quá độ, và dòng điện sự cố bên trong nhỏ nhất phải được ngắt. Các điều kiện môi trường xung quanh và cách lắp đặt cũng ảnh hưởng đến hiệu suất. Cầu chì phải chịu được quá trình đóng điện bình thường và dòng điện sóng hài cho phép mà không bị tác động sai, nhưng vẫn phải ngắt được sự cố của thiết bị trước khi vỏ bị vỡ hoặc thiết bị xung quanh bị hư hỏng. Việc phối hợp được xác minh bằng cấu trúc của thiết bị tụ điện và bố trí dãy tụ. Các nhóm mua sắm nên yêu cầu thông tin về thời gian - dòng điện và cơ sở phối hợp từ nhà cung cấp thay vì chỉ chọn cầu chì dựa trên dòng điện ghi trên nhãn của tụ điện.

Kiểm tra chạy thử

Quá trình chạy thử cần xác nhận biển tên so với bản vẽ, vị trí pha và nhóm nối tiếp, loại và chiều của cầu chì, hồ sơ lực siết, khoảng cách cách điện, hệ thống nối đất, thiết bị phóng điện, tỷ số biến dòng/biến áp đo lường, logic rơ-le, mạch cảnh báo và cắt điện, cùng với giá trị không cân bằng cơ sở. Ghi lại các phép đo điện dung khi quy trình của chủ đầu tư yêu cầu. Việc đóng điện lần đầu có kiểm soát cần được theo dõi về âm thanh bất thường, tác động bảo vệ, bước điện áp và hành vi đóng cắt. Dữ liệu cơ sở rất quan trọng vì các quyết định bảo trì trong tương lai sẽ đáng tin cậy hơn khi các đội ngũ kỹ thuật có thể so sánh một sự cố mới với trạng thái chạy thử ban đầu ở tình trạng tốt của giàn tụ thay vì chỉ dựa vào việc kiểm tra trực quan.

Câu hỏi thường gặp

Tụ điện mắc ngoài có cầu chì bảo vệ

Đó là một giàn tụ trong đó mỗi đơn vị tụ điện có một cầu chì nối tiếp nhìn thấy được nhằm cô lập đơn vị đó sau một sự cố bên trong.

Ngân hàng có thể tiếp tục hoạt động sau khi một cầu chì bị đứt không?

Thường thì có thể tạm thời, nhưng chỉ trong giới hạn đơn vị hỏng hóc và các cài đặt bảo vệ cho phép của nhà thiết kế ngân hàng pin.

Liệu có cầu chì bên ngoài thì luôn an toàn hơn không?

Không. An toàn phụ thuộc vào toàn bộ thiết kế, bảo vệ, quy trình đóng cắt, xả điện, nối đất và chương trình bảo trì.

Sự khác biệt chính so với ngân hàng không cầu chì là gì?

Thiết kế không dùng cầu chì xử lý các sự cố của phần tử thông qua bố trí mắc nối tiếp và bảo vệ mất cân bằng thay vì dùng một cầu chì ngoài cho từng unit.

Có nên chỉ cần thay thế một cầu chì bị đứt không?

Không. Kiểm tra thiết bị liên kết, xem lại bản ghi rơ-le, kiểm tra nhóm và tuân theo quy trình đã được chủ sở hữu phê duyệt.

Tài liệu tham khảo

1. IEEE 1036 — Hướng dẫn ứng dụng tụ điện công suất bù song song
2. IEEE C37.99 — Hướng dẫn bảo vệ các bộ tụ điện song song