Mô tả về Trạm Gis và thiết kế hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 trong trạm Gis Trạm biến áp Gis là trạm dùng thiết bị phân phối kín cách điện bằng khí SF6. Trong hệ thống sử dụng đóng cắt công nghệ GIS, các thiết bị đóng cắt, máy biến áp, thanh dẫn điện đều được lắp đặt bên trong các ống kim loại hoặc hợp kim chứa đầy khí SF6 áp suất cao. Thông thường, hệ thống thiết bị GIS được chia làm nhiều module để thuận tiện trong việc vận chuyển.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Tuấn Ninh
Chữ ký của GVHD
Trang 3NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Phan Phúc Lượng Mã số sinh viên: 20162598
Khóa: 61
Viện: Điện
Ngành: Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp
1 Đầu đề thiết kế/Tên đề tài
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT KHÍ SF6 TRONG TRẠM BIẾN ÁP 110KV HỢP BỘ GIS HÀM THUẬN
2 Các số liệu ban đầu
Sơ đồ mặt bằng Trạm Gis Hàm Thuận
Sơ đồ mặt bằng Phòng Gis 110Kv Hàm Thuận
Tiêu chuẩn, quy định an toàn về rò rỉ khí SF6
3 Các nội dung tính toán, thiết kế
Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 cho trạm biến áp 110kv hợp
bộ Gis với các chức năng sau:
- Giám sát:
Giám sát hàm lượng khí SF6
- Điều khiển, vận hành:
Điều khiển các chế độ ON/OFF Quạt
Điều khiển các chế độ ON/OFF Đèn cảnh báo
- Hiển thị giao diện điều khiển giám sát (HMI):
Hiển thị giao diện hệ thống, đăng nhập sử dụng vận hành hệ thống
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
-
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
***
Trang 45 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 20/02/2020
6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/06/2021
Trang 5Lời cảm ơn
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới:
Gia đình em, thầy cô là những người luôn ủng hộ, động viên và quan tâm tới em trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Người thầy đáng kính, giảng viên hướng dẫn ThS Nguyễn Tuấn Ninh - người đã luôn quan tâm, theo dõi và hỗ trợ em hoàn thành đồ án này
Và những người bạn cùng lớp, cùng học tập tại phòng thí nghiệm ABB - HUST TRAINING CENTER đã luôn trao đổi, giúp đỡ, chia sẻ kiến thức và những kinh nghiệm thực tế cho nhau trong suốt thời gian thực hiện đồ án
Trang 6Tóm tắt nội dung đồ án Trong đồ án này, em đã thiết kế hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 cho trạm biến áp 110KV hợp bộ Gis Hàm thuận
Dựa vào những tiêu chuẩn quy định an toàn về rò rỉ khí SF6, em đã thực hiện các nhiệm vụ:
Vấn đề cần thực hiện:
- Thiết kế lắp đặt các thiết bị đầu báo cảm biến SF6, đèn báo động, quạt thông gió cho trạm 110kv Gis Hàm Thuận
- Thiết kế lắp đặt hệ thống điều khiển
- Lựa chọn phần cứng cho hệ thống điều khiển giám sát
- Lập trình điều khiển hệ thống, thiết kế giao diện giám sát cho hệ thống, đáp ứng được yêu cầu của chủ đầu tư
- Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát trực quan, hiệu quả, tiết kiệm chi phí và năng lượng
Đề xuất mô hình hệ thống từ đó đưa ra lựa chọn về bộ điều khiển, các module I/O và các module có liên quan Lựa chọn phần mềm thiết kế phù hợp
Tính toán số lượng I/O, từ đó tổng hợp lại hệ thống, bố trí thiết bị và đấu nối hệ thống
Viết chương trình điều khiển cho hệ thống
Thiết kế màn hình giám sát cho hệ thống
Công cụ sử dụng:
- Thiết kế hệ thống đo khí SF6, đèn báo động và quạt thông gió: sử dụng các tiêu chuẩn
- Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát:
Phần cứng: sử dụng bộ điều khiển S7-1200 của hãng Siemens Sử dụng các module I/O SIMATIC SM 1231 của hãng Siemens
Phần mềm: SCADA Intouch của hãng Wonderware để hiển thị giao diện điều khiển và giám sát hệ thống HMI iX Developer của hãng Beijer hiển thị giao diện điều khiển giám sát hệ thống tại hiện trường TIA Portal lập trình bộ điều khiển S7-1200
Định hướng phát triển của đồ án:
Đồ án hoàn toàn có thể mở rộng và áp dụng cho các trạm biến áp hợp bộ Gis khác nhau hoặc các tòa nhà chứa các thiết bị sử dụng khí SF6 nếu có nguy cơ rò rỉ…
Trang 7Các kiến thức và kỹ năng đã đạt được:
- Vận dụng những kiến thức đã học trên trường và những kiến thức tìm hiểu thêm để xây dựng một hệ thống điều khiển giám sát khí SF6
- Rèn luyện thêm các kỹ năng như: thiết kế, cấu hình hệ thống, lập trình…
Sinh viên thực hiện
Ký và ghi rõ họ tên
Trang 8MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ TRẠM GIS – GIS HÀM THUẬN 1
1.1 Trạm biến áp hợp bộ GIS 1
Khái niệm 1
Các ưu nhược điểm của trạm Gis 1
Phân loại 2
Quy định làm việc an toàn với GIS 2
1.2 Rò rỉ khí SF6 ảnh hưởng đến an toàn điện 2
Ứng dụng khí SF6 2
Ảnh hưởng của việc rò rỉ khí SF6 2
1.3 Phương pháp phát hiện rò rỉ SF6 hiện nay 3
1.4 Giới thiệu trạm biến áp 110kv hợp bộ GIS Hàm Thuận 4
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT KHÍ SF6 6
2.1 Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) 6
2.2 Hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 7
Hệ thống đo khí SF6 7
Đèn cảnh báo và quạt thông gió 8
Vai trò của hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 8
2.3 Giới thiệu và lựa chọn phương pháp đo khí SF6 8
Phương pháp ion hóa cao tần 8
Phương pháp quang âm laze 8
Phương pháp siêu âm 9
Phương pháp quang phổ hồng ngoại (NDIR) 9
2.4 Mô hình hệ thống đề xuất 13
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 15
3.1 Thiết kế hệ thống 15
Tiêu chuẩn, quy định thiết kế 15
Tính toán vị trí lắp đặt thiết bị 16
3.2 Tính toán số lượng I/O 22
3.3 Lựa chọn thiết bị 23
Yêu cầu về thiết bị điều khiển 23
Giới thiệu bộ điều khiển S7-1200 của hãng Siemens 23
Trang 9Lựa chọn đầu báo cảm biến SF6 và thiết bị 26
Module I/O 29
Màn hình HMI hiển thị tại chỗ 30
3.4 Ghép nối tín hiệu với bộ điều khiển 32
3.5 Sơ đồ cấu hình hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 34
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 36
4.1 Thiết kế phần mềm điều khiển giám sát hệ thống 36
Yêu cầu chung về giao diện HMI 36
Lựa chọn phần mềm thiết kế 36
Lập trình hệ thống 39
Thiết kế màn hình HMI cho hệ thống điều khiển và giám sát khí SF6……… 42
Thiết kế màn hình giám sát tại chỗ 44
4.2 Demo 47
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 48
5.1 Kết luận 48
5.2 Những vấn đề còn tồn tại 48
5.3 Hướng phát triển của đồ án trong tương lai 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO 50
Trang 10
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu trúc trạm Gis 1
Hình 1.2 Máy dò cầm tay khí SF6 3
Hình 1.3 Công trình Trạm Gis 110Kv Hàm Thuận 4
Hình 2.1 Mô hình hệ thống SCADA 6
Hình 2.2 Phổ hồng ngoại của khí SF6 10
Hình 2.3 Phổ hồng ngoại của nước (khí) 11
Hình 2.4 Nguyên tắc hấp thụ hồng ngoại -dispersive (NDIR) 11
Hình 2.5 IR không tán sắc – Tất cả ánh sáng đi qua mẫu 12
Hình 2.6 IR tán sắc- Chỉ ánh sáng có bước sóng đã chọn mới đi qua mẫu 12
Hình 2.7 Mô hình hệ thống đề xuất 13
Hình 3.1 Sơ đồ bản vẽ mặt bằng tòa nhà trạm Gis -Hàm Thuận 16
Hình 3.2 Sơ đồ bản vẽ mặt bằng phòng Gis 110Kv - Hàm Thuận 16
Hình 3.3 Hình ảnh thiết bị trạm biến áp 110Kv Gis Hàm thuận 17
Hình 3.4 Lắp đặt cảm biến SF6 trong thực tế 18
Hình 3.5 Lắp đặt cảm biến SF6 trong thực tế 19
Hình 3.6 Sơ đồ bản vẽ lắp đặt cảm biến SF6 19
Hình 3.7 Hệ thống giám sát khí SF6 tại hiện trường 21
Hình 3.8 Bộ điều khiển controller PLC S7 - 1200 24
Hình 3.9 Cấu tạo module CPU S7-1200 1214C 25
Hình 3.10 Cảm biến khí SF6 26
Hình 3.11 Đèn báo động & quạt thông gió 28
Hình 3.12 Module SIMATIC S7-1200 SM 1231 29
Hình 3.13 Màn hình HMI hiện trường 30
Hình 3.14 Màn hình Beijer T7E 31
Hình 3.15 Sơ đồ ghép nối bộ điều khiển S7-1200 32
Hình 3.16 Sơ đồ đấu nối tín hiệu vào module I/O SM1231 32
Hình 3.17 Cấu trúc cảm biến RSS-SF6 33
Hình 3.18 Sơ đồ đấu nối cảm biến RSS-SF6 với PLC 33
Hình 3.19 Sơ đồ cấu hình hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 34
Hình 4.1 Giao diện phần mềm Scada InTouch 37
Hình 4.2 Cửa sổ thiết kế của InTouch 38
Hình 4.3 Phần mềm TIA Portal 39
Hình 4.4 Giao diện tổng quan của TIA Portal V14 41
Hình 4.5 Giao diện một phần lập trình 41
Hình 4.6 Giao diện đăng nhập vào hệ thống 42
Hình 4.7 Giao diện điều khiển giám sát trang chủ hệ thống 43
Trang 11Hình 4.8 Màn hình giám sát thông số chi tiết 44
Hình 4.9 Giao diện đăng nhập hệ thống 46
Hình 4.10 Màn hình giám sát hàm lượng SF6 46
Hình 4.11 Demo tại phòng thí nghiệm ABB-HUST TRAINING CENTER 47
Trang 12DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Bảng thống kê số lượng thiết bị được sử dụng 22
Bảng 3.2 Bảng thống kê số lượng I/O cần sử dụng 22
Bảng 3 3 Thông số module CPU S7 -1200 1214C 25
Bảng 3.4 Bảng thông số kĩ thuật cảm biến SF6 27
Bảng 3.5 Thông số kĩ thuật đèn báo động 28
Bảng 3.6 Bảng thông số kĩ thuật Module SM 1231 29
Bảng 3.7 Số lượng module I/O sử dụng cho hệ thống 30
Bảng 3.8 Bảng thông số kĩ thuật màn hình HMI 31
Trang 13CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ TRẠM GIS – GIS HÀM THUẬN 1.1 Trạm biến áp hợp bộ GIS
Khái niệm
Trạm biến áp Gis là trạm dùng thiết bị phân phối kín cách điện bằng khí SF6 Trong hệ thống sử dụng đóng cắt công nghệ GIS, các thiết bị đóng cắt, máy biến áp, thanh dẫn điện đều được lắp đặt bên trong các ống kim loại hoặc hợp kim chứa đầy khí SF6 áp suất cao Thông thường, hệ thống thiết bị GIS được chia làm nhiều module để thuận tiện trong việc vận chuyển
Hình 1.1 Cấu trúc trạm Gis 1: Máy cắt 6: Đầu cuối gắn cáp
3: Dao nối đất 8: Hỗ trợ chất cách điện 4: Máy biến dòng 9: Thanh cái chính
Các ưu nhược điểm của trạm Gis
Ưu điểm
- Khoảng không gian cần thiết để xây dựng trạm biến áp được giảm nhiều lần
- Bảo dưỡng rất ít trong suốt vòng đời của thiết bị
- An toàn cao trong vận hành
- Thuận lợi trong việc bảo vệ môi trường
- Giảm lượng nhân công cần thiết cho vận hành và bảo dưỡng
- Dễ dàng mở rộng quy mô
Trang 14 Nhược điểm
- Chi phí thiết bị cao
- Sửa chữa khó khăn
- Không thể tái lập nhanh về điện khi có sự cố
Quy định làm việc an toàn với GIS
(Trích theo Thông tư Số: 39/2020/TT-BCT BAN HÀNH QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA VỀ AN TOÀN ĐIỆN)
- Trường hợp vận hành bình thường, mọi thao tác phải thực hiện bằng điều khiển từ xa thông qua giao diện người máy (HMI) hoặc hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA) Thao tác tại chỗ chỉ được phép thực hiện khi thiết bị cách điện kín (GIS) không có điện
- Phải kiểm tra áp lực khí SF6, tình trạng rò SF6 trong quá trình vận hành hoặc sửa chữa Khi phát hiện rò rỉ phải có biện pháp ngăn chặn và xử lý
- Khi cách ly thiết bị theo từng phân đoạn, tại mỗi điểm cách ly đều phải khóa và treo biển cảnh báo
- Xác định GIS đã được cách ly phải thông qua chỉ thị tại chỗ của thiết bị đóng cắt, thông số điện áp của thiết bị
1.2 Rò rỉ khí SF6 ảnh hưởng đến an toàn điện
Ứng dụng khí SF6
Khí SF6 được sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, y tế Nhưng quan trọng nhất và chưa thể thay thế được của SF6 Đó là ứng dụng máy cắt điện sử dụng khí SF6 Điện luôn tiềm ẩn nguy hiểm và mất an toàn cao Vì vậy, chúng ta vẫn không ngừng tìm ra các phương pháp đảm bảo an toàn tối ưu nhất Và phát hiện ra ứng dụng của SF6 chính là một cuộc cách mạng an toàn ngành điện Với đặc tính cách điện và dễ thu hồi, SF6 được sử dụng là loại khí chính trong máy cắt điện
Ảnh hưởng của việc rò rỉ khí SF6
Các máy cắt và thiết bị điện chỉ hoạt động hiệu quả khi lượng khí SF6 trong máy đạt tiêu chuẩn chất lượng và an toàn Ngoài ra, chúng còn đảm bảo tuổi thọ của máy cắt điện Vì vậy, mọi sự sụt giảm chất lượng hay rò rỉ đều có thể gây ra mất an toàn Trường hợp thông thường, máy cắt điện hoạt động sai lệch và không hiệu quả Nghiêm trọng hơn có thể dẫn đến cháy nổ gây thiệt hại lớn
Khí SF6 tinh khiết không độc nhưng do khi dòng điện cao bị ngắt, phóng điện hồ quang mạnh sẽ tạo ra một số florua thấp có chứa lưu huỳnh, các chất này
có khả năng phản ứng mạnh, khi có nước và oxy chúng sẽ tiếp tục phản ứng với vật liệu điện cực và hơi ẩm, do đó phân hủy tạo ra khí độc hoặc rất độc Các khí
Trang 15độc này chủ yếu gây hại cho hệ hô hấp của con người, sau khi bị nhiễm độc sẽ xảy ra các phản ứng có hại như cảm lạnh, dị ứng da, buồn nôn, nôn mửa, mệt mỏi Sau khi hít phải khí hỗn hợp 80% lưu huỳnh hexafluoride + 20% oxy, cơ thể con người sẽ bị tê cóng của các chi, và thậm chí nghẹt thở
Vì vậy, cần kịp thời phát hiện rò rỉ và khắc phục nhanh chóng
1.3 Phương pháp phát hiện rò rỉ SF6 hiện nay
Phương pháp 1: Thủ công
Ban đầu, người ta sử dụng một phương pháp thủ công để phát hiện rò rỉ khí SF6 Cụ thể là sử dụng nước xà phòng hoặc tháo dỡ máy cắt điện và ngâm vào bể nước Tuy nhiên, quá trình thực hiện khá phức tạp và không chủ động Khiến nhiều trường hợp rò rỉ không được phát hiện kịp thời Độ chính xác của phương pháp cũng không cao, khó xác định chính xác vị trí rò rỉ Ngoài ra còn gây ảnh hưởng đến nguồn cung điện, mất thời gian, nhân lực và chi phí
Phương pháp 2: Sử dụng máy dò khí SF6
Phương pháp thứ hai và được sử dụng hiện nay là máy dò khí SF6 Việc phát hiện rò rỉ khí SF6 đã trở nên vô cùng đơn giản và nhanh chóng Loại máy này có các cảm biến phát hiện khí SF6 lẫn trong không khí Loại máy mini, máy cầm tay mang lại tiện lợi cao cho ngành an toàn điện Với độ cảm biến siêu nhạy, máy hoạt động rất hiệu quả và cho kết quả nhanh chóng, chính xác
Hình 1.2 Máy dò cầm tay khí SF6
Trang 161.4 Giới thiệu trạm biến áp 110kv hợp bộ GIS Hàm Thuận
Dự án trạm biến áp 110Kv hợp bộ Gis Hàm thuận là một mắt xích quan trọng của công trình nhà máy thủy điện Hàm Thuận Dự án được khánh thành và đưa vào hoạt động năm 2001 Được đặt tại xã Đa Mi, huyện Hàm Thuận Bắc, tỉnh Bình thuận là một trong những dự án hiếm hoi đầu tiên của đất nước ta khi
áp dụng công nghệ Gis vào vận hành sản xuất điện
Công trình trạm biến áp Gis 110kv Hàm thuận
Hình 1.3 Công trình Trạm Gis 110Kv Hàm Thuận
Trong đồ án, hệ thống được thiết kế cho công trình trạm biến áp 110Kv Hàm thuận Cấu trúc công trình như sau:
Trang 17NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Để giám sát quá trình vận hành trạm biến áp hợp bộ Gis, mỗi ngày các kĩ sư vận hành phải vào phòng Gis để giám sát và ghi thông số các ngăn lộ, máy cắt máy biến áp, máy biến dòng…30p/ 1 lần Trong quá trình vận hành với đặc tính của trạm Gis, sử dụng khí SF6 để đóng cắt, dập hồ quang… Vì vậy sự rò rỉ qua các khớp nối, các đầu của đường ống là điều không thể tránh khỏi Khí SF6 tinh khiết không độc nhưng do khi dòng điện cao bị ngắt, phóng điện hồ quang mạnh
sẽ tạo ra một số florua thấp có chứa lưu huỳnh và gây nên những tổn thương nguy hiểm cho cả người vận hành và cả thiết bị trạm
Nhận biết được những điều này, qua thời gian thực tập và tìm hiểu, em quyết định lựa chọn đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 trong trạm biến áp hợp bộ Gis 110kv” để làm đồ án của mình Hệ thống được thiết kế cho tòa nhà Gis 110kv Hàm thuận với mục đích phát triển và ngăn chặn những
sự rò rỉ nguy hiểm, nhằm bảo vệ an toàn tính mạng cho con người và tài sản
Nhiệm vụ đồ án
Thiết kế hệ thống đo khí SF6:
- Thiết kế hệ thống đáp ứng các quy định và tiêu chuẩn vận hành
- Đáp ứng được yêu cầu của chủ đầu tư
- Tiết kiệm được chi phí
Thiết kế hệ thống điều khiển:
- Hiển thị chi tiết trạng thái làm việc của các thiết bị trong hệ thống
- Điều khiển chế độ vận hành: điều khiển từ xa tại phòng điều khiển trung tâm hoặc điều khiển trực tiếp tại hiện trường
Hiển thị giao diện điều khiển giám sát:
- Hiển thị giao diện hệ thống
- Giúp người vận hành dễ dàng quản lý hệ thống
Hiển thị các sự kiện, cảnh báo:
- Hiện thị các thay đổi trạng thái, đưa ra cảnh báo
Trang 18CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
KHÍ SF6 2.1 Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển giám sát (SCADA)
SCADA là viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition - hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA là một công cụ tự động hóa trong nhiều lĩnh vực, dùng kỹ thuật vi xử lý – PLC/RTU (Programmaple Logic Controller/ Remote Terminal Unit), để trợ giúp việc điều hành kỹ thuật ở các cấp trực điều hành các hệ thống tự động công nghiệp cũng như hệ thống điện
Hệ thống này cung cấp cho người vận hành những thông tin quan trọng của đối tượng cần quan tâm và cho phép thực hiện các lệnh điều khiển cần thiết về phía đối tượng để đảm bảo cho hệ thống hoạt động an toàn và có hiệu quả
Mọi hệ thống SCADA đều có bốn thành phần chính sau:
Giao diện quá trình hoạt động: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi và các cơ cấu chấp hành
Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành
Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ
Hệ thống điều khiển giám sát: bao gồm các phần mềm và giao diện người – máy HMI (Human - Machine Interface)
Hình 2.1 Mô hình hệ thống SCADA Người vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các
hệ thống máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng sau:
Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến
Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được
Trang 19 Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý
Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị của nhà máy
Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và chính xác
2.2 Hệ thống điều khiển giám sát khí SF6
Trong hệ thống điều khiển giám sát khí SF6, thiết bị thu thập dữ liệu trung gian RTU/PLC là phần tử rất quan trọng, có nhiệm vụ thu thập và phản ánh trạng thái của các thiết bị đang tham gia hoạt động tại hiện trường Chất lượng của hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 phụ thuộc rất nhiều vào khả năng hoạt động liên tục, ổn định và tính chính xác của RTU/PLC Hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 sẽ có những chức năng riêng biệt, cụ thể như sau :
Điều khiển:
Lệnh điều khiển từ hệ thống SCADA của trung tâm thông qua kênh truyền tin gửi đến RTU/PLC đặt tại hiện trường, các lệnh điều khiển có thể là:
Lệnh đóng/cắt hệ thống
Lệnh điều khiển các chế độ ON/OFF Quạt
Lệnh điều khiển các chế độ ON/OFF Đèn cảnh báo
Lệnh điều khiển thay đổi giá trị báo động
Giám sát:
Dữ liệu thu thập từ trạm thu thập dữ liệu trung gian sẽ được máy tính
xử lý:
Hiển thị tổng quan hệ thống, sơ đồ, bảng biểu
Đối với dữ liệu giá trị đo lường, dữ liệu nhận về sẽ được kiểm tra
so sánh ngưỡng trên (đã được định trước), nếu giá trị đo được bị vi phạm thì hệ thống sẽ phát cảnh báo cho người vận hành
Đối với dữ liệu trạng thái (đèn báo, quạt thông gió…) khi giá trị đo được vi phạm ngưỡng đặt thì hệ thống sẽ phát ra cảnh báo bằng đèn
và tiến hành chạy quạt thông gió
Thu thập dữ liệu:
Dữ liệu từ trạm thu thập dữ liệu trung gian được chia làm 2 loại chính:
Dữ liệu trạng thái: trạng thái đèn báo động, trạng thái vị trí các cảm biến đo khí SF6 và trạng thái quạt thông gió
Dữ liệu tương tự: Nồng độ khí SF6
Hệ thống đo khí SF6
Hệ thống đo khí SF6 là tổng hợp tất cả các đầu cảm biến khí SF6 thực hiện đồng thời hai chức năng là đo lường và cảnh báo khí SF6 bị rò rỉ Đối với hệ thống điều khiển giám sát khí SF6, đầu báo khí SF6 là một bộ phận rất quan trọng và phải nhạy cảm khi không khí trong khu vực giám sát thay đổi Người ta phân bố chúng theo tuyến và số lượng đã quy định trên một diện tích thiết kế
Trang 20Đèn cảnh báo và quạt thông gió
Đèn cảnh báo và quạt thông gió của hệ thống thực hiện nhiệm vụ nhận tín hiệu báo động từ trung tâm điều khiển, tiến hành phát ra trạng thái báo động cảnh báo cho người dùng biết có sự cố nguy hiểm và tiến hành điều hòa không khí đem lại sự an toàn cho phòng làm việc
Vai trò của hệ thống điều khiển giám sát khí SF6
Với đầu vào là các thiết bị nhạy cảm với khí SF6, hệ thống có thể đo chính xác lưu lượng khí SF6 bị rò rỉ ra, nhanh chóng phát hiện và báo động, từ đó kích hoạt các thiết bị tự động báo động và thông gió giúp cho con người biết được tình huống đang xảy ra là gì, từ đó có những phương án xử lý phù hợp
Nhờ vào cơ chế thông gió tự động, khí SF6 thất thoát ra nhanh chóng được
xử lý Các nguyên lý điều khiển của quạt là hút gió và thông gió sẽ dung hòa lại không khí trong phòng giúp kĩ sư làm việc với Gis được an toàn Cũng nhờ sự thông minh của các cảm biến, giúp đo đạc và phát hiện thì kĩ sư sẽ biết được chính xác chỗ nào đang xảy ra rò rỉ và thực hiện xử lý khắc phục, triệt tiêu rò rỉ
Hệ thống này đặc biệt cần thiết đối với những phòng Gis có nhiều người làm việc Nhờ có chúng mà con người có thể tránh được những mối nguy hiểm đáng tiếc có thể gây ra hoặc các thiệt hại về vật chất
2.3 Giới thiệu và lựa chọn phương pháp đo khí SF6
Nguyên tắc phát hiện cảm biến lưu huỳnh hexafluoride (SF6)
Cảm biến lưu huỳnh hexafluoride là cảm biến được thiết kế đặc biệt để giám sát lưu huỳnh hexafluoride, có thể giám sát hiệu quả nồng độ của lưu huỳnh hexafluoride, đồng thời báo động kịp thời khi vượt quá giới hạn để nhắc nhở mọi người khỏi sự nguy hại Dựa trên các nguyên tắc giám sát khác nhau, có nhiều phương pháp đo SF6 như: phương pháp ion hóa cao tần, phương pháp quang âm laze, phương pháp siêu âm, phương pháp quang phổ hồng ngoại…
Phương pháp ion hóa cao tần
Khi giám sát bằng phương pháp ion hóa cao tần, các phân tử khí SF6 có thể hấp phụ các điện tử và biến chúng thành các điện tử khối lượng, và tốc độ của chúng trong trường điện từ chậm hơn nhiều so với các điện tử, do đó chất khí sẽ thể hiện các tính chất điện khác nhau
Ưu điểm: giới hạn phát hiện thấp hơn, nồng độ SF6 nhỏ hơn 100ppb cũng có thể được phát hiện mà không gây ngộ độc
Nhược điểm: thiết bị phức tạp, tính ổn định công việc kém, vận hành không thuận tiện, cần hiệu chỉnh trước mỗi lần sử dụng, đồng thời rất nhạy cảm với các khí âm điện khác
Phương pháp quang âm laze
Phương pháp quang âm laze sử dụng tia laze có bước sóng bằng đỉnh hấp thụ của khí SF6 để chiếu xạ vào khí đo, khi khí đo có chứa SF6, nó sẽ hấp thụ năng lượng và nhiệt của laze và giãn nở để tạo ra sóng âm Hàm lượng SF6 trong khí đo có thể nhận được bằng cách đo cường độ của sóng âm
Trang 21Ưu điểm: giới hạn phát hiện thấp hơn, lên đến 1 ~ 10ppb
Nhược điểm: thiết bị phức tạp, giá thành tương đối đắt, có xác suất báo giả nhất định, phát hiện và lấy mẫu nhiều, tốc độ phản hồi chậm
Phương pháp siêu âm
Khối lượng phân tử của khí SF6 tương đối lớn, khi khí chứa SF6 thì khối lượng phân tử trung bình càng lớn, tốc độ âm thanh giảm tương ứng, bằng cách
đo tốc độ âm thanh trong chất khí ta có thể thu được hàm lượng SF6
Ưu điểm: công việc tương đối ổn định, thiết bị đơn giản, giá rẻ
Nhược điểm: độ phân giải thấp, giới hạn phát hiện cao (thường trên hàng trăm ppm), bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ và độ ẩm, và bị can thiệp nhiều bởi các khí khác
Phương pháp quang phổ hồng ngoại (NDIR)
Quang phổ hồng ngoại không tán sắc (NDIR) là một phương pháp sử dụng cảm biến quang học bao gồm nguồn hồng ngoại (nguồn IR), đường dẫn quang (Optics Cell), đầu dò hồng ngoại (IR Detector), mạch (Điện tử) và cảm biến khí thuật toán phần mềm (Algorithm) Nó chủ yếu được sử dụng để đo các hợp chất, chẳng hạn như: CH4, CO2, SF6…
Cảm biến NDIR sử dụng nguồn sáng phổ rộng làm nguồn sáng của cảm biến hồng ngoại Do không có cách tử hoặc lăng kính tách ánh sáng để phân chia ánh sáng nên nó được gọi là tia hồng ngoại không tán sắc Ánh sáng đi qua khí
đo trong đường quang học, đi qua bộ lọc dải hẹp và đến đầu dò hồng ngoại Bằng cách đo cường độ của ánh sáng hồng ngoại đi vào cảm biến hồng ngoại, có thể phán đoán được nồng độ của khí đo được Khi môi trường không có khí đo thì cường độ của nó là mạnh nhất, khi khí đo đi vào buồng khí thì khí đo sẽ hấp thụ một phần ánh sáng hồng ngoại, do đó cường độ ánh sáng tới đầu báo bị yếu đi Bằng cách hiệu chỉnh mức độ hấp thụ và hiệu chuẩn ánh sáng hồng ngoại tại điểm không và điểm đo, thiết bị có thể tính được nồng độ của khí cần đo
Ưu điểm: có thể thu được giá trị nồng độ SF6 thực, thiết bị tương đối đơn giản, thể tích nhỏ, độ chính xác cao, làm việc ổn định, tuổi thọ cao, độ trôi nhỏ, không nhiễm độc
Nhược điểm: Giới hạn phát hiện thấp hơn phương pháp ion hóa tần số cao và phương pháp quang âm laze, cảm biến cần được hiệu chuẩn hàng năm và giá thành vừa phải
Qua quá trình tìm hiểu em nhận thấy Hiện nay để sử dung phát hiện nồng
độ các khí như CH4, SF6, CO2…trong môi trường thì phương pháp quang phổ hồng ngoại (NDIR) có sự vượt trội và là phương pháp được tin dùng nhất hiện nay, thể hiện được sự hiệu quả và ổn định trong mọi địa hình, nhất là môi trường làm việc ở trạm biến áp, khắc phục tình trạng nhiễu do rung lắc…
Trang 22Lý thuyết và hoạt động của cảm biến NDIR:
SF6-IR- Leak and SF6-IR-Monitor, cả hai thiết bị đều sử dụng cảm biến NDIR (độ hấp thụ hồng ngoại không phân tán) bước sóng kép để theo dõi SF6 Hầu hết các phân tử có thể hấp thụ ánh sáng hồng ngoại, khiến chúng bị uốn cong, kéo căng hoặc xoắn lại Lượng ánh sáng IR được hấp thụ tỷ lệ với nồng độ Năng lượng của các photon không đủ để gây ra sự ion hóa, và do đó nguyên tắc phát hiện rất khác với nguyên tắc phát hiện của máy dò quang hóa (PID) Cuối cùng, năng lượng được chuyển đổi thành động năng, làm cho các phân tử tăng tốc và do đó làm nóng khí Mỗi phân tử hấp thụ ánh sáng hồng ngoại ở bước sóng đại diện cho các loại liên kết hiện có Ví dụ, SF6 có độ hấp thụ mạnh ở 10,7
µm (947 cm-1, Hình 1), và các liên kết C-H hấp thụ trong khoảng 3,3-3,5 µm tùy thuộc vào cấu trúc của phần còn lại của phân tử, và H20 hấp thụ trong khoảng 5-
8 µm và dưới 3 µm Dải hấp thụ SF6 là duy nhất và do đó có tính chọn lọc cao Ngược lại, nhiều hợp chất có các liên kết C-H tương tự, và độ hấp thụ này thích hợp để phát hiện một loạt các hydrocacbon một cách không chọn lọc So sánh Hình 1 và Hình 2, người ta có thể thấy rằng không có nhiễu bởi độ hấp thụ nước trong phép đo SF6, vì nước không có độ hấp thụ ở 10,7 µm (947 cm-1)
Hình 2.2 Phổ hồng ngoại của khí SF6
Trang 23Hình 2.3 Phổ hồng ngoại của nước (khí)
Độ hấp thụ của khí tỷ lệ thuận với nồng độ của nó, tuân theo định luật Lambert Beer:
Hình 2.4 Nguyên tắc hấp thụ hồng ngoại -dispersive (NDIR)
Khi độ dày của quang lộ (l) tính bằng cm và nồng độ của chất hấp thụ ánh sáng (c) tính bằng g/L, thì đơn vị của e là 𝑔 𝑐𝑚
Trang 24Trong đó: I0 là cường độ ánh sáng ban đầu phát ra từ đèn (đo trong không khí tinh khiết), I1 là cường độ ánh sáng tới đầu máy dò (có mặt khí mẫu),
A là độ hấp thụ, a là hệ số tắt mol, l là quang lộ (độ sâu khoang cảm biến), và c là nồng độ
Cảm biến phổ hồng ngoại không phân tán và phân tán:
Thuật ngữ không phân tán đề cập đến thực tế là tất cả ánh sáng đi qua mẫu khí và chỉ được lọc ngay trước máy dò Bộ lọc phía trước máy dò loại bỏ tất cả ánh sáng ngoại trừ ánh sáng ở 10,7 µm, tương ứng với SF6 Bằng cách thay đổi các bộ lọc ánh sáng, có thể chọn các loại hợp chất khác nhau Thông thường, bộ lọc 3,4 µm được sử dụng để chọn hydrocacbon
Hình 2.5 IR không tán sắc – Tất cả ánh sáng đi qua mẫu Máy dò hồng ngoại phân tán sử dụng cách tử hoặc lăng kính để chọn trước bước sóng ánh sáng mong muốn và chỉ truyền bước sóng này qua mẫu khí đến máy dò Máy dò hồng ngoại phân tán thường được sử dụng trong các thiết bị phân tích để bàn vì khả năng quét một dải bước sóng rộng Tuy nhiên, chúng có
xu hướng lớn hơn, nặng hơn, phức tạp hơn và tốn kém hơn, do đó ít phù hợp hơn với các dụng cụ cầm tay
Hình 2.6 IR tán sắc- Chỉ ánh sáng có bước sóng đã chọn mới đi qua mẫu
Trang 252.4 Mô hình hệ thống đề xuất
Từ quá trình khảo sát nghiên cứu về yêu cầu của hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 em có mô hình hệ thống đề xuất sau:
Hình 2.7 Mô hình hệ thống đề xuất
Phân tích sơ bộ mô hình đề xuất:
- Cấp vận hành, giám sát bao gồm các trạm vận hành là nơi tiếp nhận và lưu trữ dữ liệu từ bộ điều khiển Các hình ảnh đồ họa mô tả hoạt động của toàn bộ quá trình một cách sinh động và trực quan
- Cấp điều khiển bao gồm bộ điều khiển là nơi thực hiện các công việc
xử lý và điều khiển toàn bộ hệ thống, nơi xử lý tín hiệu, thực hiện các thuật toán điều khiển Các bộ điều khiển trong cấp điều khiển đọc dữ liệu từ các cảm biến thông qua các chuẩn truyền thông và thực hiện các lệnh điều khiển xuống cơ cấu chấp hành
- Cấp hiện trường bao gồm các bộ vào/ra để ghép nối với các sensor, các
cơ cấu chấp hành có chức năng kết nối với các tín hiệu vào/ra và xử lý
sơ bộ trước khi được đưa lên cấp điều khiển
- Đèn báo động và quạt thông gió là các thiết bị chấp hành được điều khiển trong hệ thống
Trang 26 Kết luận: Sau khi nghiên cứu, đánh giá chi tiết kết hợp với điều kiện thực
tế tại trạm, em quyết định đề xuất mô hình này để thiết kế cho hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 trong trạm biến áp 110kv Gis Hàm thuận
Trang 27CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế hệ thống
Tiêu chuẩn, quy định thiết kế
Tiêu chuẩn, quy định
- TCVN 8096-200: 2010 IEC 62271-200: 2003
- IEC 61634, điều khoản 3.4: "An toàn của nhân viên" và IEC 61936-1
- IEC 61634, Phụ lục E: “Các khuyến nghị an toàn chung, thiết bị bảo
hộ cá nhân và sơ cứu”
- IEC 61634 (8), khoản 4: “Xử lý SF6 đã qua sử dụng”
- IEC 60480 Hướng dẫn kiểm tra và xử lý lưu huỳnh hexafluoride (SF6) lấy từ thiết bị điện và đặc điểm kỹ thuật để tái sử dụng
- Công tắc nguồn quạt hút của phòng thiết bị phân phối nguồn SF6 và lớp cáp (đường hầm) nên đặt bên ngoài cửa
- Thiết bị báo động rò rỉ khí SF6 có thể báo động nên được lắp đặt ở khu vực thấp của phòng thiết bị phân phối điện SF6, và một màn hình hiển thị nên được lắp đặt ở lối ra vào của nhân viên Những dụng cụ này nên được kiểm tra thường xuyên để đảm bảo chúng ở trong tình trạng tốt
- Nhân viên vào phòng thiết bị phân phối nguồn SF6, nếu không có đèn báo hàm lượng khí SF6 ở cửa ra vào, trước tiên họ nên thông gió trong
15 phút, và sử dụng máy dò rò rỉ để đo hàm lượng khí SF6 đạt tiêu chuẩn Cố gắng tránh để một người vào phòng thiết bị phân phối điện SF6 để kiểm tra, và không ai được phép vào phòng bảo trì
- Khi đi vào khu vực tầng thấp của phòng thiết bị phân phối SF6 hoặc rãnh cáp để làm việc, trước hết phải kiểm tra hàm lượng khí SF6
- Trong trường hợp rò rỉ nhiều thiết bị phân phối điện SF6 và các tình huống khẩn cấp khác, nhân viên phải nhanh chóng loại bỏ hiện trường, bật tất cả quạt thông gió và những người không được trang bị mặt nạ phòng độc bị cấm vào trong Nhân viên chỉ được phép vào sau khi đã
xả đủ lượng khí thải tự nhiên hoặc đã thu hồi khí thải
- Đeo mặt nạ phòng độc và thông gió khi lấy mẫu và xử lý các sự cố rò
rỉ thông thường
Trang 28Tính toán vị trí lắp đặt thiết bị
Sơ đồ mặt bằng tòa nhà trạm Gis – Hàm Thuận
Hình 3.1 Sơ đồ bản vẽ mặt bằng tòa nhà trạm Gis -Hàm Thuận
Sơ đồ mặt bằng phòng Gis 110Kv – Hàm thuận
Hình 3.2 Sơ đồ bản vẽ mặt bằng phòng Gis 110Kv - Hàm Thuận
Trang 29Thuyết minh sơ đồ tổng quát công trình trạm biến áp 110Kv hợp bộ Gis Hàm thuận:
- Phòng vận hành trạm biến áp 110Kv hợp bộ Gis là môt mắt xích quan trọng của nhà máy thủy điện Hàm thuận góp phần vào công việc sản xuất
và truyền tải điện năng của nhà máy
- Với tổng kích thước buồng máy của trạm:
o Chiều dài (bao gồm cả khoang dự phòng): 12500 cm
Trang 30 Sơ đồ lắp đặt cảm biến
Cơ sở tính toán lắp đặt và bố trí đầu báo SF6
Từ bản vẽ mặt bằng trạm biến áp 110Kv hợp bộ Gis Hàm thuận và kết cấu khung dầm chịu lực của bộ giàn ống Gis Kết hợp tính chất của khí SF6, nặng hơn không khí nên sự rò rỉ sẽ đọng phía dưới bộ khung dầm chịu lực Chiều cao dầm chịu lực là 0.2m
Độ cao lắp đặt đầu cảm biến SF6 (m)
Khoảng cách giám sát tối đa
Trang 31Hình 3.5 Lắp đặt cảm biến SF6 trong thực tế Qua quá trình khảo sát và tìm hiểu, em nhận thấy trong lúc thiết bị trạm vận hành, hiện tượng rò rỉ khí SF6 sẽ xuất hiện ở các khớp nối hoặc các đầu của đường ống Trên cơ sở đó, cùng với mặt bằng của trạm có được, em đề xuất sơ
đồ lắp đặt bố trí các đầu cảm biến tại phòng Gis 110kv Hàm Thuận như sau:
Hình 3.6 Sơ đồ bản vẽ lắp đặt cảm biến SF6
