Nguyên nhân gây nứt cuộn dây trong máy biến áp khô đúc nhựa epoxy và cơ chế ảnh hưởng của chu kỳ nhiệt

1. Các yếu tố kích hoạt đa chiều của hiện tượng nứt cuộn dây

Nứt cuộn dây không phải là kết quả của một hư hỏng đơn lẻ mà là sự tương tác của nhiều yếu tố bao gồm vật liệu, quy trình, thiết kế kết cấu và môi trường vận hành.

1.1 Sự tiến hóa của kết cấu cách điện và sự không phù hợp của các đặc tính vật liệu

1.2 Kiểm soát không đúng quy trình đúc và đóng rắn

Trong quá trình đúc, nếu không áp dụng phương pháp đúc chân không tiêu chuẩn cao hoặc khử khí không đủ, bọt khí rất dễ còn sót lại bên trong nhựa. Trong giai đoạn đóng rắn, nếu các biểu đồ gia nhiệt, giữ nhiệt và làm mát không được kiểm soát đúng cách, nhựa không thể đóng rắn chậm và đồng đều, dẫn đến ứng suất dư bên trong quá mức, tạo ra các khuyết tật cố hữu khiến vật liệu dễ bị nứt sau này.

1.3 Ảnh hưởng của ứng suất cơ học và lực điện từ

Trong quá trình vận hành, máy biến áp phải chịu rung động cơ học bên ngoài cũng như các lực điện từ khổng lồ trong các sự cố ngắn mạch. Nếu cuộn dây không được quấn chặt hoặc các phương pháp hỗ trợ và cố định không đầy đủ, các lực điện từ và rung động lặp đi lặp lại có thể gây biến dạng cuộn dây, hư hỏng lớp cách điện, và thậm chí là nứt vỡ.

1.4 Môi trường vận hành khắc nghiệt

Việc tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao đẩy nhanh quá trình lão hóa nhiệt và phân hủy nhiệt của nhựa, làm giảm độ bền cơ học của nó. Trong môi trường nóng ẩm, sự xâm nhập của độ ẩm gây ra phản ứng thủy phân este trong nhựa, tạo thành các lỗ rỗng vi mô trên bề mặt. Ngoài ra, các khí ăn mòn trong môi trường như nhà máy hóa chất (ví dụ: lưu huỳnh đioxit, clo) có thể tấn công vật liệu cách điện và làm suy giảm cấu trúc phân tử của nó.

2. Cơ chế ảnh hưởng của chu kỳ nhiệt lên lớp cách điện nhựa

Trong số các tác nhân được mô tả ở trên, chu kỳ nhiệt (chu kỳ nhiệt độ) là cơ chế vật lý cốt lõi diễn ra trong suốt vòng đời của thiết bị, đóng vai trò như một "chất xúc tác" đẩy nhanh sự lan truyền vết nứt. Nghiên cứu chỉ ra rằng "mỏi nhiệt cơ" do chu kỳ nhiệt gây ra có khả năng tạo ra các vết nứt vi mô trong lớp cách điện cao hơn nhiều so với việc tiếp xúc liên tục với nhiệt độ cao. Ảnh hưởng của nó lên lớp cách điện nhựa chủ yếu được phản ánh qua bốn khía cạnh sau.

2.1 Sự tích tụ và mỏi do ứng suất nhiệt luân phiên

Do sự không phù hợp về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) giữa nhựa và dây dẫn, cũng như giữa nhựa và cốt sợi thủy tinh, quá trình chu kỳ nhiệt tạo ra các ứng suất kéo và cắt luân phiên tại các bề mặt tiếp giáp của vật liệu. Khi số chu kỳ tăng lên, các ứng suất này làm suy yếu độ bền liên kết bề mặt, các vết nứt vi mô bắt đầu xuất hiện và dần dần lan rộng, cuối cùng phát triển thành nứt xuyên thấu.

2.2 Sự xuống cấp của vi cấu trúc vật liệu

Dưới tác động của ứng suất nhiệt độ luân phiên do chu kỳ nhiệt, mạng lưới liên kết ngang của nhựa epoxy dần xuống cấp và thể tích tự do bên trong vật liệu tăng lên. Ở cấp độ vi mô, điều này biểu hiện thành các lỗ rỗng và vết nứt vi mô trên bề mặt gãy; ở cấp độ vĩ mô, nó thể hiện qua sự suy giảm độ bền đánh thủng xoay chiều của vật liệu cách điện.

2.3 Ảnh hưởng tới hạn của Nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg)

Khi nhiệt độ vận hành tiến gần hoặc vượt quá nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) của nhựa epoxy, hệ số giãn nở nhiệt tăng mạnh và mô-đun trải qua những thay đổi đáng kể. Tại thời điểm này, vật liệu chuyển từ trạng thái thủy tinh cứng sang trạng thái đàn hồi cao, khả năng chống biến dạng giảm mạnh, và sự tập trung ứng suất bên trong do chu kỳ nhiệt gây ra dễ dàng dẫn đến bong tách bề mặt và nứt vỡ.

2.4 Vòng luẩn quẩn kích phóng điện cục bộ (PD)

Vết nứt do chu kỳ nhiệt gây ra tạo ra các khe hở không khí vi mô bên trong lớp cách điện. Do hằng số điện môi của nhựa cao hơn nhiều so với không khí, dưới điện áp xoay chiều, cường độ điện trường trong khe hở không khí được phân bố tỷ lệ nghịch với hằng số điện môi, dẫn đến cường độ điện trường cực cao bên trong khe hở. Điều này dễ dàng kích hoạt phóng điện cục bộ. Các hạt năng lượng cao được tạo ra bởi PD tiếp tục ăn mòn và làm xuống cấp nhựa epoxy, tạo thành một vòng luẩn quẩn "nứt → PD → ăn mòn điện → nứt trầm trọng hơn" mà cuối cùng dẫn đến đánh thủng cách điện.

3. Tổng kết và Chiến lược phòng thủ hệ thống

Tóm lại, hiện tượng nứt cuộn dây trong máy biến áp khô đúc nhựa epoxy về bản chất là vấn đề mỏi vật liệu và hỏng hóc kết cấu do sự kết hợp của nhiều yếu tố. Để giải quyết triệt để vấn đề này, cần thiết lập một chiến lược phòng thủ hệ thống trong cả giai đoạn sản xuất và vận hành.

Chỉ bằng cách kết hợp việc nâng cao các đặc tính nội tại của vật liệu với quản lý vận hành và bảo trì vòng đời, mới có thể chống lại hiệu quả các tác động xói mòn của chu kỳ nhiệt, đảm bảo vận hành an toàn và ổn định lâu dài của máy biến áp khô.