Biến áp điện: Nguy cơ ngắn mạch nguyên nhân và biện pháp cải thiện

Biến áp điện: Nguy cơ, nguyên nhân và biện pháp cải thiện ngắn mạch

Biến áp điện là thành phần cơ bản trong hệ thống điện cung cấp truyền tải năng lượng và là thiết bị cảm ứng quan trọng đảm bảo an toàn hoạt động điện. Cấu trúc của chúng bao gồm cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp và lõi sắt, sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để thay đổi điện áp AC. Qua sự cải tiến công nghệ lâu dài, độ tin cậy và ổn định của nguồn điện đã liên tục được nâng cao. Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại nhiều nguy cơ tiềm ẩn nổi bật. Một số đơn vị biến áp có khả năng chịu đựng tác động ngắn mạch không đủ, khiến chúng dễ xảy ra hiện tượng ngắn mạch. Để xác định hiệu quả nguyên nhân và vị trí lỗi, cần tăng cường nghiên cứu về hỏng hóc biến áp và công nghệ chẩn đoán để áp dụng các công nghệ tương ứng giải quyết hiệu quả vấn đề chẩn đoán lỗi biến áp.

1.Nguy cơ do ngắn mạch biến áp điện

• Tác động của dòng điện xung: Một sự cố ngắn mạch đột ngột trong biến áp tạo ra dòng ngắn mạch lớn. Mặc dù thời gian kéo dài ngắn, nhưng trước khi mạch chính của biến áp được ngắt, mối nguy hiểm này có thể đã hình thành, có thể gây hư hại bên trong biến áp và giảm mức cách điện.

• Tác động của lực điện từ: Trong quá trình ngắn mạch, dòng điện vượt mức tạo ra lực điện từ đáng kể ảnh hưởng đến sự ổn định. Trong trường hợp nghiêm trọng, cuộn dây biến áp có thể bị ảnh hưởng một mức độ nào đó, như biến dạng cuộn dây, giảm sức mạnh cách điện của cuộn dây và hư hại các bộ phận khác. Trong trường hợp cực đoan, điều này có thể dẫn đến tai nạn an toàn điện như cháy biến áp.

2.Nguyên nhân gây ngắn mạch biến áp điện

(1) Các chương trình tính toán dòng điện được phát triển dựa trên mô hình lý tưởng giả định rằng phân bố từ trường rò rỉ đồng đều, đường kính vòng quấn giống nhau và lực đồng pha. Tuy nhiên, thực tế, từ trường rò rỉ trong biến áp không phân bố đồng đều và tập trung tương đối ở phần yoke, nơi dây điện từ trải qua lực cơ học lớn hơn. Tại điểm chuyển hướng của cáp xoắn liên tục (CTC), độ dốc thay đổi hướng truyền lực, tạo ra mô men. Do yếu tố mô đun đàn hồi của các khối cách ly, phân bố không đều theo trục của các khối cách ly có thể khiến lực dao động do từ trường rò rỉ giao thoa trải qua cộng hưởng chậm. Đây là lý do cơ bản khiến đĩa cuộn dây ở phần yoke lõi thép, điểm chuyển hướng và vị trí tương ứng với bộ chuyển đổi nấc biến dạng đầu tiên.

(2) Sử dụng dây dẫn xoắn thông thường có độ bền cơ học kém khiến chúng dễ bị biến dạng, tách sợi và lộ đồng khi chịu lực cơ học do ngắn mạch. Khi sử dụng dây dẫn xoắn thông thường, dòng điện lớn và độ dốc thay đổi lớn tại những vị trí này tạo ra mô men đáng kể. Ngoài ra, đĩa cuộn dây ở cả hai đầu cuộn dây chịu mô men đáng kể do tác động kết hợp của từ trường rò rỉ theo bán kính và theo trục, dẫn đến biến dạng xoắn.

Ví dụ, cuộn dây chung pha A của biến áp 500kV Yanggao có 71 lần xoắn, và do sử dụng dây dẫn xoắn thông thường dày hơn, 66 lần xoắn này đã xuất hiện mức độ biến dạng khác nhau. Tương tự, biến áp chính số 11 WuJing cũng xuất hiện mức độ lật và lộ dây khác nhau ở đầu cuộn dây điện áp cao trong phần yoke lõi thép do sử dụng dây dẫn xoắn thông thường.

(3) Các phép tính sức chịu đựng ngắn mạch không xem xét tác động của nhiệt độ lên sức uốn và sức căng của dây điện từ. Sức chịu đựng ngắn mạch được thiết kế ở nhiệt độ phòng không phản ánh điều kiện hoạt động thực tế. Theo kết quả thử nghiệm, nhiệt độ của dây điện từ có ảnh hưởng đáng kể đến giới hạn chảy (σ0.2). Khi nhiệt độ của dây điện từ tăng, sức uốn, sức căng và độ giãn đều giảm. Ở 250°C, sức uốn và sức căng thấp hơn đáng kể so với 50°C, trong khi độ giãn giảm hơn 40%. Trong hoạt động thực tế, biến áp đạt nhiệt độ cuộn dây trung bình 105°C ở tải định mức, với nhiệt độ điểm nóng đạt 118°C. Hầu hết các biến áp đều trải qua quy trình đóng lại tự động trong quá trình hoạt động.

Do đó, nếu điểm ngắn mạch không biến mất ngay lập tức, biến áp sẽ trải qua tác động ngắn mạch thứ hai trong thời gian rất ngắn (0,8 giây). Tuy nhiên, sau tác động của dòng ngắn mạch đầu tiên, nhiệt độ cuộn dây tăng đột ngột. Theo tiêu chuẩn GB1094, nhiệt độ tối đa cho phép là 250°C, tại đó sức chịu đựng ngắn mạch của cuộn dây đã giảm đáng kể. Điều này giải thích tại sao hầu hết các tai nạn ngắn mạch biến áp xảy ra sau các hoạt động đóng lại.

(4) Kết cấu cuộn dây lỏng lẻo, xử lý xoắn không đúng và mỏng quá mức khiến dây điện từ bị treo. Từ góc độ vị trí hỏng hóc trong tai nạn, biến dạng thường được tìm thấy ở điểm xoắn, đặc biệt là ở vị trí xoắn của dây dẫn xoắn.

(5) Việc sử dụng dây dẫn mềm là một trong những nguyên nhân chính của sức chịu đựng ngắn mạch kém trong biến áp. Do hiểu biết không đầy đủ về vấn đề này hoặc khó khăn trong việc cuộn dây và quy trình, các nhà sản xuất không muốn sử dụng dây dẫn bán cứng hoặc không có yêu cầu như vậy trong thiết kế. Tất cả các biến áp hỏng đều sử dụng dây dẫn mềm.

(6) Khoảng cách lắp ráp quá lớn dẫn đến hỗ trợ không đủ trên dây điện từ, tạo ra nguy cơ tiềm ẩn cho sức chịu đựng ngắn mạch biến áp.

(7) Lực siết trước không đều được áp dụng cho các cuộn dây hoặc vị trí nấc làm cho đĩa cuộn dây nhảy trong quá trình tác động ngắn mạch, gây ra sức uốn quá mức trên dây điện từ và biến dạng tiếp theo.

(8) Thiếu xử lý làm cứng giữa các vòng quấn hoặc dây dẫn đến khả năng chống chịu ngắn mạch kém. Các cuộn dây được xử lý bằng cách ngâm trong sơn varnish trước đây không bị hư hại.

(9) Điều khiển lực siết trước của cuộn dây không đúng cách gây ra sự lệch pha của dây dẫn trong các dây dẫn thông thường được chuyển vị.

(10) Sự cố ngắn mạch bên ngoài thường xuyên gây ra hiệu ứng tích lũy của lực điện từ sau nhiều lần tác động của dòng điện ngắn mạch, dẫn đến mềm hóa dây điện từ hoặc dịch chuyển tương đối bên trong, cuối cùng gây ra sự phá vỡ cách điện.

3. Biện pháp cải tiến để tăng cường khả năng chống chịu ngắn mạch của biến áp

(1) Thực hiện Kiểm tra Ngắn Mạch để Phòng Ngừa Vấn đề Trước Khi Chúng Xảy Ra

 Khả năng hoạt động đáng tin cậy của các biến áp lớn chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc và chất lượng quy trình sản xuất, tiếp theo là các bài kiểm tra khác được thực hiện trong quá trình vận hành để kịp thời nắm bắt tình trạng thiết bị. Để hiểu về độ ổn định cơ học của biến áp, có thể thực hiện kiểm tra ngắn mạch để xác định điểm yếu cần cải thiện, đảm bảo sự tự tin trong thiết kế sức mạnh cấu trúc của biến áp.

(2) Chuẩn hóa Thiết kế và Nhấn Mạnh Quá Trình Nén Trục trong Sản Xuất Cuộn Dây

Khi thiết kế biến áp, nhà sản xuất nên xem xét không chỉ việc giảm tổn thất và cải thiện mức cách điện mà còn tăng cường sức mạnh cơ học và khả năng chống chịu lỗi ngắn mạch. Về quy trình sản xuất, do nhiều biến áp sử dụng tấm ép cách điện với cuộn dây cao áp và thấp áp chia sẻ một tấm ép duy nhất, cấu trúc này yêu cầu tiêu chuẩn quy trình sản xuất cao. Các khối đệm phải được xử lý làm đặc, và sau khi xử lý cuộn dây, từng cuộn dây phải được sấy khô dưới áp suất hằng định với việc đo chiều cao cuộn dây đã nén.

Sau quá trình xử lý trên, các cuộn dây trên cùng một tấm ép nên được điều chỉnh đến cùng một chiều cao. Trong quá trình lắp ráp cuối cùng, áp lực quy định nên được áp dụng cho các cuộn dây bằng thiết bị thủy lực để đạt được chiều cao được thiết kế và yêu cầu quy trình. Trong quá trình lắp ráp cuối cùng, cần chú ý không chỉ đến việc nén cuộn dây cao áp mà còn đặc biệt là kiểm soát việc nén cuộn dây thấp áp.