Cách Chẩn đoán Sự cố Máy biến áp và Giảm Tiếng ồn

Với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế Trung Quốc, ngành công nghiệp điện cũng đã dần mở rộng quy mô, tăng yêu cầu về cả công suất lắp đặt và công suất đơn vị của các máy biến áp. Bài viết này cung cấp một giới thiệu ngắn gọn về bốn khía cạnh: cấu tạo máy biến áp, bảo vệ sét cho máy biến áp, sự cố máy biến áp, và tiếng ồn của máy biến áp.

Máy biến áp là thiết bị điện thường được sử dụng có khả năng chuyển đổi năng lượng điện xoay chiều. Nó có thể biến đổi một dạng năng lượng điện (điện áp và dòng điện xoay chiều) thành một dạng năng lượng điện khác (với tần số dòng điện và điện áp xoay chiều giống nhau). Trong ứng dụng thực tế, chức năng chính của máy biến áp là thay đổi mức điện áp, giúp việc truyền tải điện trở nên thuận tiện hơn.

Theo tỷ lệ giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào, máy biến áp được phân loại thành máy biến áp hạ thế hoặc máy biến áp tăng thế. Máy biến áp có tỷ lệ điện áp nhỏ hơn 1 được gọi là máy biến áp hạ thế, chức năng chính là cung cấp điện áp cần thiết cho các thiết bị điện khác nhau, đảm bảo người dùng nhận được điện áp phù hợp. Máy biến áp có tỷ lệ điện áp lớn hơn 1 được gọi là máy biến áp tăng thế, chủ yếu nhằm giảm chi phí truyền tải, giảm tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải và kéo dài khoảng cách truyền tải.

Cấu tạo máy biến áp
Trong các máy biến áp trung và lớn, có một bình dầu kín, chứa đầy dầu biến áp. Các cuộn dây và lõi biến áp được ngâm trong dầu để đạt được hiệu quả tản nhiệt tốt hơn. Cụm sứ cách điện được sử dụng để dẫn ra các cuộn dây và kết nối với các mạch bên ngoài. Máy biến áp chủ yếu bao gồm các thành phần sau: thiết bị điều chỉnh điện áp, thân chính, thiết bị đầu ra, bình dầu, thiết bị bảo vệ, và thiết bị làm mát. Thiết bị điều chỉnh điện áp được chia thành bộ điều chỉnh tải và không tải, cơ bản là một loại công tắc điều chỉnh; thân chính bao gồm các dây dẫn, lõi, cấu trúc cách điện, và cuộn dây; thiết bị đầu ra bao gồm cụm sứ cách điện thấp và cao; bình dầu bao gồm phụ kiện (bao gồm van lấy mẫu dầu, bảng tên, van xả, đai ốc tiếp đất, và bánh xe) và thân bình chính (bao gồm đáy bình, vách và nắp); thiết bị bảo vệ bao gồm bộ lọc hơi ẩm, rơ le khí, bình bảo quản, rơ le nổi dầu, đồng hồ chỉ mức dầu, cảm biến nhiệt độ, và van an toàn; thiết bị làm mát bao gồm bộ làm mát và tản nhiệt.

Tiếng ồn của máy biến áp và biện pháp giảm thiểu
Máy biến áp thường tạo ra âm thanh trong quá trình hoạt động, chủ yếu do lực điện từ gây rung động của thân chính và hiện tượng co giãn từ trong các tấm thép silic dưới tác động của từ trường, cũng như tiếng ồn do quạt và hệ thống làm mát. Hệ thống thính giác con người chỉ có thể nhận biết âm thanh ở một số tần số dao động nhất định; khi tần số nằm trong khoảng 16 Hz đến 2000 Hz, âm thanh có thể được nghe thấy. Âm siêu âm trên phạm vi này và âm siêu thấp dưới nó không thể được nhận biết. Tiếng ồn lan truyền từ lõi đến không khí, cuộn dây, và cấu trúc加紧翻译中，请稍等片刻。看来我需要继续完成剩余部分的翻译。 （续译文）

Tiếng ồn của máy biến áp và biện pháp giảm thiểu
Máy biến áp thường tạo ra âm thanh trong quá trình hoạt động, chủ yếu do lực điện từ gây rung động của thân chính và hiện tượng co giãn từ trong các tấm thép silic dưới tác động của từ trường, cũng như tiếng ồn do quạt và hệ thống làm mát. Hệ thống thính giác con người chỉ có thể nhận biết âm thanh ở một số tần số dao động nhất định; khi tần số nằm trong khoảng 16 Hz đến 2000 Hz, âm thanh có thể được nghe thấy. Âm siêu âm trên phạm vi này và âm siêu thấp dưới nó không thể được nhận biết. Tiếng ồn lan truyền từ lõi đến không khí, cuộn dây, và cấu trúc kẹp—đây là đường truyền chính của tiếng ồn máy biến áp. Tiếng ồn có thể được giảm bằng cách giảm mật độ dòng từ và giảm hiện tượng co giãn từ trong các tấm thép silic. Tuy nhiên, việc giảm mật độ dòng từ sẽ làm tăng kích thước lõi và số lượng tấm thép silic, dẫn đến tăng chi phí. Để giảm tiếng ồn mà không tăng chi phí, việc thêm các thành phần giảm chấn là hiệu quả. Ví dụ, đặt các miếng đệm cao su giữa cuộn dây hạ thế và lõi có thể làm chặt cuộn dây và cung cấp lớp đệm. Cấu trúc giảm chấn này giúp giảm tiếng ồn trong quá trình truyền.

Bảo vệ sét cho máy biến áp
Tại Trung Quốc, hàng năm có một số lượng lớn máy biến áp bị hư hỏng do sét đánh. Theo các cơ quan liên quan, trong số các máy biến áp phân phối 10 kV bị hư hỏng, 4%–10% là do sét. Kết nối dây nối đất không đúng và lắp đặt sai thiết bị chống sét cho máy biến áp là nguyên nhân chính gây hư hỏng do sét. Các vấn đề chính bao gồm: đấu nối đất riêng biệt cho thiết bị chống sét phía cao thế và hạ thế và điểm trung tính của máy biến áp; dây dẫn quá dài và tiết diện dây nối đất quá nhỏ; thiếu thiết bị chống sét phía hạ thế; sử dụng cấu trúc đỡ làm dây nối đất cho thiết bị chống sét phía cao thế; và không tiến hành kiểm tra phòng ngừa cho thiết bị chống sét.

Sự cố máy biến áp
Khi xảy ra bất kỳ thay đổi nào trong các tình huống sau, phân tích sự cố có thể được thực hiện dựa trên tình trạng hoạt động thực tế của máy biến áp: máy biến áp gây mất điện do tai nạn hoặc gặp hiện tượng ngắn mạch ở đầu ra, nhưng chưa tháo dỡ; xuất hiện hiện tượng bất thường trong quá trình hoạt động, buộc phải tắt máy biến áp để kiểm tra hoặc thử nghiệm; trong quá trình thử nghiệm phòng ngừa, kiểm tra chấp nhận bảo dưỡng, hoặc đưa vào vận hành dưới điều kiện ngắt điện bình thường, một hoặc nhiều giá trị tham số vượt quá giới hạn tiêu chuẩn. Nếu bất kỳ tình huống nào trên xảy ra trong quá trình sử dụng thực tế, máy biến áp cần phải được kiểm tra và thử nghiệm ngay lập tức để đảm bảo nó có thể hoạt động bình thường.

Các bước xác định sự tồn tại của sự cố:

• Đầu tiên, xác định khả năng xảy ra sự cố, và liệu đó là sự cố rõ ràng (có thể nhìn thấy) hay tiềm ẩn (không nhìn thấy).

• Thứ hai, xác định bản chất của sự cố—liệu đó là sự cố liên quan đến dầu hoặc sự cố cách điện rắn, sự cố nhiệt hoặc sự cố điện.

• Thứ ba, các yếu tố như công suất sự cố, thời gian kích hoạt rơ-le do bão hòa, mức độ nghiêm trọng, xu hướng phát triển, nhiệt độ điểm nóng, và mức bão hòa khí trong dầu là các chỉ số thông thường để xác định sự tồn tại của sự cố.

• Thứ tư, tìm phương pháp thích hợp để xử lý sự cố. Nếu máy biến áp vẫn có thể hoạt động sau sự cố, xác định trong quá trình hoạt động liệu các biện pháp an toàn và phương pháp giám sát có cần điều chỉnh, và liệu có cần kiểm tra nội bộ hoặc sửa chữa hay không.

Có nhiều nguyên nhân có thể dẫn đến sự cố máy biến áp, và chúng có thể được phân loại theo nhiều cách. Ví dụ, theo loại mạch, chúng có thể được phân loại thành sự cố mạch dầu, mạch từ, và mạch điện. Hiện nay, sự cố máy biến áp phổ biến và nghiêm trọng nhất là ngắn mạch ở đầu ra, có thể kích hoạt sự cố phóng điện. Sự cố ngắn mạch trong máy biến áp thường đề cập đến ngắn mạch pha trong máy biến áp, ngắn mạch xuống đất ở dây dẫn hoặc cuộn dây, và ngắn mạch ở đầu ra.

Nhiều tai nạn xảy ra do những sự cố này. Ví dụ, ngắn mạch ở đầu ra hạ thế của máy biến áp thường đòi hỏi phải thay thế cuộn dây bị ảnh hưởng; trong trường hợp nghiêm trọng, tất cả các cuộn dây có thể cần thay thế, gây tổn thất kinh tế lớn và hậu quả nghiêm trọng. Sự cố ngắn mạch máy biến áp cần được chú ý nghiêm túc. Ví dụ, một máy biến áp (110 kV, 31.5 MVA, model SFS2E8-31500/110) đã gặp sự cố ngắn mạch, đi kèm với việc đóng cửa ba bên của máy biến áp chính và kích hoạt bảo vệ khí nặng.

Sau khi trả máy biến áp về nhà máy để sửa chữa, kiểm tra trong quá trình nâng nắp đã phát hiện: gỉ sét trên cả đế và lõi trên (do mưa trong thời gian xảy ra sự cố); biến dạng nghiêm trọng của cuộn dây trung thế pha C, sụp đổ cuộn dây cao thế pha C, và ngắn mạch giữa cuộn dây hạ thế và trung thế do dịch chuyển của các tấm kẹp; biến dạng nghiêm trọng của cuộn dây trung thế và hạ thế pha B; cuộn dây hạ thế pha C bị cháy qua hai đoạn; và nhiều hạt đồng mịn và hạt đồng giữa các vòng cuộn. Nguyên nhân chính bao gồm: cường độ cách điện của cấu trúc cách điện không đủ; các tấm kẹp không đối xứng, thiếu đệm, và dịch chuyển lỏng lẻo; và cuộn dây lỏng lẻo.

Phóng điện chủ yếu gây hại cho cách điện máy biến áp, biểu hiện ở hai khía cạnh: Thứ nhất, các khí hoạt hóa do phóng điện—như oxit clorua, ozon, và nhiệt—gây phản ứng hóa học trong một số điều kiện, dẫn đến ăn mòn cục bộ cách điện, tăng tổn thất điện môi, và cuối cùng là phá vỡ nhiệt. Thứ hai, các hạt phóng điện trực tiếp tấn công cách điện, gây hại cục bộ cách điện, từ từ mở rộng và cuối cùng là phá vỡ.

Ví dụ, một máy biến áp (63 MVA, 220 kV) đã gặp phóng điện ở 1.5 lần điện áp, đi kèm với âm thanh phóng điện có thể nghe thấy và mức phóng điện lên đến 4000–5000 pC. Khi điện áp thử nghiệm giữa vòng giảm xuống 1.0 lần và phương pháp thử nghiệm đầu dây thay đổi sang hỗ trợ điện áp 1.5 lần, không có âm thanh phóng điện và mức phóng điện giảm mạnh xuống dưới 1000 pC. Sau khi tháo dỡ và kiểm tra, các vết phóng điện dạng cây được tìm thấy dọc theo các góc cách điện ở đầu, chủ yếu do vật liệu cách điện không đạt chuẩn.

Khi xảy ra phóng điện cục bộ dọc theo bề mặt cách điện rắn, đặc biệt là khi cả thành phần điện trường bình thường và tiếp tuyến đều có mặt, tai nạn kết quả là nghiêm trọng nhất. Sự cố phóng điện cục bộ có thể xảy ra ở bất kỳ vị trí nào có vật liệu cách điện kém hoặc trường điện tập trung, như giữa các vòng cuộn, ở đầu dây chắn tĩnh điện cuộn dây cao thế, giữa các rào cản pha, và ở đầu dây cao thế.

Máy biến áp là thiết bị điện được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử và hệ thống điện. Là thiết bị quan trọng trong việc sử dụng, phân phối, và truyền tải điện, máy biến áp đóng vai trò không thể thay thế. Do đó, cần phải chú ý nhiều hơn đến máy biến áp trong các ứng dụng thực tế.