Phân tích sự cố cách điện của máy biến áp điện và các biện pháp xử lý

Thread Content

Hiện nay, hai loại biến áp điện được sử dụng rộng rãi nhất là biến áp ngâm dầu và biến áp sợi thủy tinh khô. Hệ thống cách điện của biến áp chính là hệ thống được tạo thành từ các vật liệu cách điện; đây là điều kiện cơ bản để biến áp có thể hoạt động bình thường. Tuổi thọ của biến áp phụ thuộc vào tuổi thọ của các vật liệu cách điện (chẳng hạn như giấy dầu hoặc sợi thủy tinh). Thực tế đã chứng minh rằng, hầu hết các trường hợp hư hỏng và sự cố của máy biến áp đều là do hệ thống cách điện bị tổn thương gây ra. Theo thống kê, các sự cố xảy ra do các loại lỗi cách điện chiếm hơn 85% tổng số sự cố xảy ra với các máy biến áp. Đối với các cuộn cảm hoạt động bình thường và được bảo trì đúng cách, vật liệu cách điện của chúng có thể sử dụng trong thời gian rất lâu. Do đó, việc bảo vệ hoạt động bình thường của máy biến áp và duy trì hệ thống cách điện một cách hiệu quả sẽ giúp máy biến áp có thời gian sử dụng lâu hơn. Việc bảo trì chủ động và dự đoán trước các sự cố chính là yếu tố then chốt để kéo dài tuổi thọ của máy biến áp và nâng cao độ tin cậy trong việc cung cấp điện. Trong các biến áp ngâm dầu, vật liệu cách điện chính là dầu cách điện cùng các vật liệu cách điện rắn như giấy cách điện, bìa carton và gỗ. Quá trình lão hóa của các vật liệu cách điện trong biến áp chính là sự phân hủy của chúng do ảnh hưởng của các yếu tố môi trường, khiến độ bền cách điện bị giảm sút hoặc mất đi. I. Sự cố liên quan đến lớp cách điện bằng giấy rắn
Lớp cách điện bằng giấy rắn là một trong những thành phần quan trọng của lớp cách điện trong các cuộn dây biến áp được ngâm dầu. Các thành phần này bao gồm giấy cách điện, tấm cách điện, đệm cách điện, cuộn cách điện, dây buộc cách điện, v.v. Thành phần chính của chúng là cellulose; công thức hóa học của nó là (C6H10O6)n, trong đó n là chỉ số độ polyme hóa. Thông thường, độ tổng hợp của giấy mới vào khoảng 1300. Khi giá trị này giảm xuống còn khoảng 250, độ bền cơ học của giấy sẽ giảm đi hơn một nửa. Độ tổng hợp khiến giấy bị hư hỏng nghiêm trọng và hết tuổi thọ là từ 150 đến 200. Khi giấy cách điện bị lão hóa, mức độ polyme hóa và độ bền kéo của nó sẽ dần giảm xuống. Đồng thời, các chất như nước, CO, CO2 sẽ được tạo ra; ngoài ra còn có furfural (axit furfuralic). Hầu hết các sản phẩm lão hóa này đều gây hại cho các thiết bị điện; chúng làm giảm điện áp phá vỡ của lớp cách điện và giá trị điện trở thể tích, làm tăng tỷ lệ suy hao năng lượng, giảm độ bền kéo của vật liệu, thậm chí còn gây ăn mòn các kim loại trong thiết bị. Cách điện rắn có đặc tính lão hóa không thể đảo ngược; sự suy giảm về độ bền cơ học và điện của nó là điều không thể khôi phục được. Tuổi thọ của máy biến áp chủ yếu phụ thuộc vào tuổi thọ của vật liệu cách điện. Do đó, vật liệu cách điện dạng rắn dùng trong máy biến áp ngâm dầu cần phải có khả năng cách điện tốt và các tính chất cơ học ổn định. Đồng thời, sau nhiều năm hoạt động, hiệu suất của vật liệu này không nên giảm quá nhanh; nói cách khác, vật liệu này cần có khả năng chống lão hóa tốt. 1. Đặc tính của vật liệu sợi giấy dùng làm vật liệu cách điện: Vật liệu sợi giấy dùng làm vật liệu cách điện là thành phần quan trọng nhất trong các biến áp ngâm dầu. Sợi giấy chính là thành phần cấu tạo nên mô rắn của thực vật. Các phân tử cấu tạo nên sợi giấy gồm có hạt nhân mang điện dương và các electron mang điện âm chuyển động xung quanh hạt nhân. Khác với các vật liệu dẫn điện, trong vật liệu cách điện hầu như không có electron tự do. Dòng điện trong vật liệu cách điện chủ yếu xuất phát từ sự dẫn điện của các ion. Cellulose được cấu tạo từ carbon, hydro và oxy. Do có nhóm hydroxyl trong cấu trúc phân tử của cellulose, nên có khả năng tạo thành nước, khiến sợi giấy có tính chất hút ẩm. Ngoài ra, các ion hydroxide này có thể được coi là những “trung tâm” bị bao quanh bởi các phân tử có tính độc lực cao (như axit và nước). Chúng kết hợp với nhau thông qua liên kết hydro, khiến cho sợi dễ bị phá hủy. Đồng thời, trong sợi còn chứa một tỷ lệ nhất định (khoảng 7%) các tạp chất; trong số đó có một lượng nước nhất định. Do tính chất keo của sợi, lượng nước này không thể được loại bỏ hoàn toàn. Điều này cũng ảnh hưởng đến tính chất của sợi giấy. Các sợi có tính phân cực không chỉ dễ hấp thụ hơi ẩm (vì nước làm tăng tính phân cực của chất này), mà khi các sợi giấy hấp thụ nước, lực tương tác giữa các ion hydroxide cũng bị suy yếu. Trong điều kiện đó, độ bền cơ học của các sợi giấy sẽ giảm mạnh. Do đó, các bộ phận cách điện làm từ giấy thường cần được xử lý bằng phương pháp sấy khô hoặc sấy trong môi trường chân không, sau đó mới được phủ dầu hoặc sơn cách điện. Mục đích của việc phủ sơn là để giúp các sợi giấy luôn ở trạng thái ẩm ướt, từ đó đảm bảo khả năng cách điện và tính ổn định hóa học cao, cũng như độ bền cơ học tốt. Đồng thời, việc phủ sơn lên bề mặt giấy giúp giảm khả năng hấp thụ nước của giấy, ngăn chặn quá trình oxi hóa của vật liệu. Ngoài ra, việc này còn giúp lấp đầy các khe hở, từ đó giảm thiểu nguy cơ xuất hiện các bong bóng khí – những yếu tố có thể ảnh hưởng đến khả năng cách điện, gây ra hiện tượng phóng điện và đứt mạch điện. Nhưng cũng có người cho rằng việc ngâm sơn trong dầu sau khi đã ngâm sơn trong dung môi khác có thể khiến một phần sơn dần hòa tan vào dầu, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng của dầu. Do đó, cần phải chú ý kỹ lưỡng khi sử dụng loại sơn này. Tất nhiên, tính chất của các loại vật liệu sợi có thành phần khác nhau, cũng như chất lượng khác nhau của cùng một loại vật liệu sợi, đều ảnh hưởng đến hiệu suất và đặc tính của chúng. Ví dụ, trong bông thì hàm lượng sợi chiếm tỷ lệ cao nhất; các loại sợi có độ bền cao hơn. Một số loại giấy cách điện nhập khẩu, nhờ quy trình xử lý tốt, nên có chất lượng vượt trội so với một số loại giấy sản xuất trong nước. Vật liệu cách điện được sử dụng trong các máy biến áp chủ yếu là các loại giấy khác nhau (như dải giấy, tấm giấy, các sản phẩm được tạo ra từ việc ép giấy thành hình dạng cần thiết, v.v.). Do đó, việc lựa chọn đúng loại giấy cách điện làm nguyên liệu trong quá trình sản xuất và bảo dưỡng máy biến áp là vô cùng quan trọng. Ưu điểm đặc biệt của giấy sợi là tính ứng dụng cao, giá thành thấp, dễ gia công. Nó có thể được tạo hình và xử lý một cách dễ dàng ở nhiệt độ không quá cao. Giấy sợi còn có trọng lượng nhẹ, độ bền vừa phải, và dễ hấp thụ các chất phủ (như sơn cách điện, dầu biến áp, v.v.). Độ bền cơ học của vật liệu cách điện bằng giấy: Khi chọn vật liệu cách điện bằng giấy cho các máy biến áp ngâm dầu, ngoài các yếu tố như thành phần sợi giấy, mật độ, khả năng thấm và độ đồng đều của giấy, thì yêu cầu về độ bền cơ học cũng rất quan trọng. Các yêu cầu này bao gồm độ bền khi chịu lực kéo, độ bền khi chịu lực ép, độ bền khi bị xé rách, và độ dai của giấy. ① Độ bền khi chịu lực kéo: Yêu cầu là sợi giấy phải có khả năng chịu được lực kéo mà không bị đứt ； ② Độ bền va đập: Là chỉ số đo khả năng của sợi giấy trong việc chịu được áp lực mà không bị gãy ； ③ Độ bền khi bị xé: Lực cần thiết để các sợi giấy bị xé phải tuân thủ các tiêu chuẩn tương ứng ； ④ Độ bền: Là khả năng chịu lực của giấy khi được gấp hoặc bìa cứng khi bị uốn, đủ để đáp ứng các yêu cầu tương ứng. Để đánh giá khả năng cách điện của vật liệu cứng, người ta có thể lấy mẫu giấy hoặc bìa cứng để đo mức độ polyme hóa của chúng; hoặc sử dụng kỹ thuật sắc ký lỏng hiệu suất cao để đo hàm lượng furfural trong dầu. Những phương pháp này giúp xác định xem khi có sự cố xảy ra bên trong máy biến áp, liệu vấn đề có liên quan đến khả năng cách điện của vật liệu cứng hay không, hoặc có sự quá nhiệt ở nhiệt độ thấp gây ra tình trạng lão hóa cục bộ của lớp cách điện hay không. Ngoài ra, những phương pháp này còn giúp đánh giá mức độ lão hóa của vật liệu cứng. Khi sử dụng vật liệu cách điện từ sợi giấy trong quá trình vận hành và bảo trì, cần chú ý kiểm soát tải trọng danh nghĩa của máy biến áp. Đồng thời, cần đảm bảo môi trường vận hành có lưu thông không khí tốt và điều kiện tản nhiệt thuận lợi, nhằm ngăn chặn tình trạng nhiệt độ của máy biến áp tăng quá mức hoặc tình trạng thiếu dầu trong thân máy. Cũng cần ngăn chặn tình trạng ô nhiễm dầu, suy giảm chất lượng dầu, những yếu tố này có thể khiến sợi vật liệu bị lão hóa nhanh hơn, từ đó làm ảnh hưởng đến khả năng cách điện, tuổi thọ và khả năng vận hành an toàn của máy biến áp. Sự suy giảm chất lượng của vật liệu sợi giấy chủ yếu bao gồm ba khía cạnh: (1) Sợi bị nứt vỡ. Khi bị nung nóng quá mức khiến hơi nước thoát ra khỏi vật liệu sợi, điều này càng làm tăng tốc quá trình giòn hóa của vật liệu sợi. Do giấy bị giòn và bong tróc, dưới tác động của các lực tác động như rung động cơ học, ứng suất điện, sóng hoạt động, có thể xảy ra sự cố cách điện và dẫn đến tai nạn điện. (2) Độ bền cơ học của vật liệu sợi giảm xuống. Độ bền cơ học của vật liệu sợi giảm dần theo thời gian tiếp xúc với nhiệt. Khi máy biến áp phát nhiệt khiến hơi nước trong vật liệu cách điện thoát ra ngoài, giá trị điện trở cách điện có thể tăng lên, nhưng độ bền cơ học của vật liệu lại sẽ **giảm xuống**. Lúc này, vật liệu cách điện sẽ không thể chịu đựng được các tác động từ dòng điện ngắn mạch hay các lực cơ học khác. (3) Sự co ngót của chính vật liệu sợi. Vật liệu sợi sau khi bị giòn hóa sẽ co lại, làm giảm lực kẹp. Điều này có thể gây ra hiện tượng dịch chuyển, khiến cuộn dây của máy biến áp bị ma sát do dao động điện từ hoặc điện áp xung, từ đó làm hỏng lớp cách điện. II. Sự cố cách điện bằng chất lỏng
Máy biến áp sử dụng chất lỏng làm chất cách điện được phát minh vào năm 1887 bởi nhà khoa học người Mỹ Thomson. Vào năm 1892, công ty General Electric của Mỹ cùng các công ty khác đã bắt đầu ứng dụng loại máy biến áp này trong lĩnh vực truyền tải điện. Chất lỏng được sử dụng để cách điện ở đây chính là dầu biến áp. Đặc điểm của máy biến áp ngâm dầu: (1) **Nâng cao độ bền cách điện, rút ngắn khoảng cách cần thiết để đảm bảo tính cách điện, đồng thời giúp giảm kích thước của thiết bị.** (2) **Nâng cao hiệu quả truyền nhiệt và tản nhiệt của máy biến áp; giúp tăng mật độ dòng điện có thể chạy trong dây dẫn, từ đó giảm trọng lượng của thiết bị. Nhiệt lượng sinh ra trong thân máy biến áp được truyền sang vỏ máy biến áp và bộ tản nhiệt thông qua chu trình nhiệt của dầu, nhờ đó giúp làm mát máy biến áp hiệu quả hơn.** (3) Nhờ việc sử dụng dầu để bảo vệ máy biến áp, mức độ oxy hóa của một số bộ phận bên trong máy biến áp được giảm xuống, từ đó kéo dài tuổi thọ sử dụng của máy biến áp. 2. Đặc tính của dầu biến áp: Dầu biến áp trong quá trình hoạt động không chỉ cần có khả năng cách điện và dẫn nhiệt ổn định, tốt mà thôi. Trong đó, độ cách điện tg8, độ nhớt, điểm đông và giá trị axit là những chỉ số quan trọng của dầu cách điện. Dầu cách điện được chiết xuất từ dầu mỏ là hỗn hợp của nhiều loại hydrocarbon, nhựa, axit và các tạp chất khác. Tính chất của dầu này không phải lúc nào cũng ổn định; dưới tác động của nhiệt độ, trường điện từ và ánh sáng, dầu sẽ liên tục bị oxy hóa. Trong điều kiện bình thường, quá trình oxy hóa của dầu cách điện diễn ra rất chậm. Nếu được bảo dưỡng đúng cách, dầu có thể giữ được chất lượng tốt trong suốt 20 năm mà không bị lão hóa. Tuy nhiên, sự xuất hiện của các kim loại, tạp chất, khí… trong dầu sẽ làm tăng tốc quá trình oxy hóa, khiến chất lượng dầu xấu đi, màu sắc thay đổi, độ trong suốt giảm, đồng thời lượng nước, giá trị axit và lượng tro trong dầu cũng tăng lên. Những yếu tố này khiến tính chất của dầu bị suy giảm. 3 Nguyên nhân khiến dầu biến áp bị suy giảm chất lượng. Khi chất lượng dầu biến áp xấu đi, có thể chia thành hai giai đoạn: ô nhiễm và suy giảm chất lượng. Ô nhiễm xảy ra khi nước và các tạp chất lẫn vào dầu; những chất này không phải là sản phẩm của quá trình oxy hóa dầu. Ô nhiễm sẽ làm giảm khả năng cách điện của dầu, làm giảm cường độ điện trường, đồng thời làm tăng góc mất điện môi. Sự suy giảm chất lượng là kết quả của quá trình oxy hóa dầu. Tất nhiên, quá trình oxy hóa này không chỉ xảy ra với các hợp chất hydrocarbon có trong dầu tinh khiết, mà còn do sự hiện diện của các tạp chất trong dầu – những tạp chất này sẽ làm tăng tốc quá trình oxy hóa, đặc biệt là các hạt kim loại như đồng, sắt, nhôm. Oxy có nguồn gốc từ không khí bên trong cuộn dây biến áp. Ngay cả trong những cuộn dây biến áp được đóng kín hoàn toàn, vẫn còn khoảng 0,25% lượng oxy tồn tại. Do độ hòa tan của oxy khá cao, nên nó chiếm tỷ lệ khá lớn trong số các loại khí hòa tan trong dầu. Khi dầu biến áp bị oxy hóa, hơi nước đóng vai trò là chất xúc tác, cùng với nhiệt lượng góp phần làm cho dầu biến áp tạo thành các chất rắn. Những chất rắn này gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực: dưới tác động của điện trường, các hạt chất rắn sẽ lớn hơn; các tạp chất sẽ tụ tập ở những vùng có điện trường mạnh nhất, từ đó tạo thành những “cầu dẫn điện” làm giảm khả năng cách điện của biến áp. Các chất rắn này không phân bố đều mà tạo thành những dải mảnh dài; chúng có thể sắp xếp theo hướng của dòng điện. Điều này chắc chắn sẽ cản trở quá trình tản nhiệt, làm tăng tốc quá trình lão hóa của vật liệu cách điện, đồng thời làm giảm điện trở cách điện và chất lượng cách điện của biến áp. 4 Quá trình suy giảm chất lượng dầu biến áp: Trong quá trình suy giảm chất lượng, các chất được tạo ra ở các giai đoạn chính bao gồm peroxit, axit, rượu, các hợp chất tương tự và bùn dầu. Giai đoạn suy giảm sớm. Peroxide được tạo ra trong dầu sẽ phản ứng với vật liệu sợi cách điện, tạo thành cellulose oxit. Điều này làm giảm độ bền cơ học của sợi cách điện, gây ra hiện tượng giòn và co rút của chúng. Axit được tạo ra có dạng là các axit béo dạng nhầy. Mặc dù mức độ ăn mòn của nó không mạnh bằng các axit khoáng, nhưng tốc độ phát triển của nó cùng tác động của nó lên các vật liệu cách điện hữu cơ lại khá lớn. Giai đoạn suy giảm về sau. Đó chính là chất bùn dầu được tạo ra khi axit ăn mòn các vật liệu như đồng, sắt, sơn cách điện… Quá trình này tạo ra một chất dẫn điện có tính chất dính như nhựa đường. Chất này có thể hòa tan trong dầu ở mức độ nhất định. Dưới tác động của điện trường, chất này phát triển rất nhanh, bám vào các vật liệu cách điện hoặc mép vỏ máy biến áp. Nó cũng tích tụ ở các ống dẫn dầu và các tấm tản nhiệt, khiến nhiệt độ hoạt động của máy biến áp tăng lên và khả năng chịu điện giảm xuống. Quá trình oxy hóa của dầu được quyết định bởi hai yếu tố chính. Yếu tố thứ nhất là nồng độ axit trong dầu quá cao, khiến dầu có tính axit. Thứ hai là các oxit hòa tan trong dầu sẽ chuyển thành những hợp chất không hòa tan trong dầu, từ đó làm giảm dần chất lượng dầu biến áp. 5 Phân tích chất lượng dầu biến áp, đánh giá và xử lý bảo trì (1) Dầu cách điện bị biến chất. Bao gồm cả việc các tính chất vật lý và hóa học của nó thay đổi, khiến cho các tính chất điện của nó xấu đi. Bằng cách kiểm tra các chỉ số như giá trị axit, mô men căng bề mặt, sự kết tủa của các chất trong dầu, và giá trị axit hòa tan trong nước của dầu cách điện, có thể xác định xem liệu dầu có thuộc nhóm dầu bị lỗi hay không. Việc xử lý tái chế dầu cách điện có thể loại bỏ các chất gây biến chất trong dầu, nhưng trong quá trình xử lý, các chất chống oxy hóa tự nhiên có trong dầu cũng có thể bị loại bỏ. (2) Dầu cách điện bị nhiễm nước do nước là chất có tính phân cực mạnh. Dưới tác động của điện trường, chúng dễ bị phân ly thành các ion, điều này làm tăng dòng điện dẫn trong dầu cách điện. Do đó, chỉ cần một lượng nước nhỏ thôi cũng có thể khiến tổn thất điện năng trong dầu cách điện tăng lên đáng kể. Bằng cách kiểm tra hàm lượng nước vi mô trong dầu cách điện, có thể xác định xem liệu đó có phải là loại khiếm khuyết này hay không. Việc lọc dầu cách điện bằng phương pháp chân không dưới áp suất thường có thể loại bỏ hết hàm lượng nước trong dầu. (3) Dầu cách điện bị nhiễm vi sinh vật và vi khuẩn. Ví dụ, khi lắp đặt máy biến áp chính hoặc tháo rời phần lõi của nó, côn trùng bám trên bề mặt các bộ phận cách điện, cùng với các vết bẩn do nhân viên lắp đặt để lại, đều có thể mang theo vi khuẩn. Những vi khuẩn này có thể gây nhiễm trùng cho dầu cách điện; hoặc chính dầu cách điện cũng có thể đã bị nhiễm vi sinh vật từ trước. Trạm biến áp chính thường hoạt động trong môi trường có nhiệt độ từ 40–80°C; điều này rất thuận lợi cho sự phát triển và nhân lên của các vi sinh vật. Do khả năng cách điện của các vi sinh vật và các chất khoáng, protein có trong chất thải của chúng thấp hơn nhiều so với dầu cách điện, nên độ tổn thất cách điện của dầu cách điện tăng lên. Loại khiếm khuyết này rất khó được khắc phục bằng phương pháp xử lý tại chỗ, bởi dù có xử lý thế nào đi nữa, vẫn luôn còn một lượng vi sinh vật tồn dư trên các vật liệu cách điện rắn. Sau khi xử lý, độ cách điện của máy biến áp chính sẽ được phục hồi trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, do môi trường hoạt động của máy biến áp chính rất thuận lợi cho sự phát triển và sinh sôi của vi sinh vật, nên những vi sinh vật còn sót lại vẫn tiếp tục phát triển theo thời gian. Điều này khiến độ cách điện của máy biến áp chính dần suy giảm theo năm tháng. (4) Sơn cách điện từ nhựa alkyd chứa chất có tính phân cực sẽ hòa tan trong dầu. Dưới tác động của điện trường, các chất có tính phân cực sẽ bị phân cực theo kiểu lưỡng cực. Trong quá trình phân cực xoay chiều này, năng lượng sẽ bị tiêu hao, do đó gây ra sự gia tăng tổn thất truyền dẫn của dầu. Mặc dù sơn cách điện đã được xử lý để đông cứng trước khi xuất xưởng, nhưng vẫn có thể xảy ra tình trạng xử lý chưa triệt để. Sau một thời gian hoạt động, lớp sơn cách điện chưa được xử lý triệt để sẽ dần hòa tan trong dầu, khiến khả năng cách điện của nó giảm dần. Thời điểm xuất hiện các khuyết tật này liên quan đến mức độ xử lý lớp sơn cách điện. Chỉ cần thực hiện việc hấp phụ một hoặc hai lần là đã có thể đạt được kết quả nhất định. (5) Trong dầu chỉ có nước và các tạp chất mà thôi. Tình trạng ô nhiễm này không làm thay đổi tính chất cơ bản của dầu. Đối với hàm lượng nước, có thể loại bỏ nó bằng phương pháp sấy khô; đối với các tạp chất, có thể loại bỏ chúng bằng phương pháp lọc. Còn không khí trong dầu thì có thể được loại bỏ bằng phương pháp tạo chân không. (6) Sử dụng kết hợp hai loại dầu cách điện hoặc nhiều loại dầu cách điện có nguồn gốc khác nhau. Tính chất của dầu phải tuân thủ các quy định liên quan; dầu có tỷ trọng giống nhau, nhiệt độ đông đặc giống nhau, độ nhớt giống nhau, và điểm bắt lửa cũng gần nhau; đồng thời, độ ổn định của dầu sau khi được trộn lẫn cũng phải đáp ứng các yêu cầu. Đối với dầu bị suy giảm chất lượng sau khi trộn lẫn, do chất lượng dầu đã thay đổi nên sẽ tạo ra các chất axit và cặn bẩn. Do đó, cần phải sử dụng các phương pháp hóa học để tách các chất gây suy giảm chất lượng này ra khỏi dầu, nhằm khôi phục lại tính chất ban đầu của dầu. III. Độ cách điện và các đặc tính của máy biến áp sử dụng chất cách điện khô Máy biến áp loại này (ở đây là máy biến áp có lớp cách điện bằng nhựa epoxy) chủ yếu được sử dụng trong những nơi có yêu cầu cao về khả năng chống cháy. Như các tòa nhà cao tầng, sân bay, kho chứa dầu, v.v. 1. Các loại biến áp có lớp cách điện bằng nhựa ép: Các biến áp này, dựa trên đặc điểm quy trình sản xuất, có thể được chia thành ba loại: loại được đúc trong môi trường chân không từ hỗn hợp cát thạch anh và nhựa epoxy; loại được gia cố bằng sợi thủy tinh không kiềm và đúc trong môi trường chân không; và loại được phủ bằng sợi thủy tinh không kiềm. (1) Cách điện bằng phương pháp đổ rót trong chân không cho hỗn hợp cát thạch anh epoxy. Loại biến áp này sử dụng cát thạch anh làm chất đầy cho nhựa epoxy. Các cuộn dây đã được phủ lớp sơn cách điện sau đó được đặt vào khuôn đúc. Trong môi trường chân không, hỗn hợp nhựa epoxy và cát thạch anh sẽ được đổ vào khuôn để đúc ra sản phẩm cuối cùng. Do quy trình đúc khó có thể đáp ứng các yêu cầu về chất lượng, như sự tồn tại của các bong bóng khí, sự không đồng đều trong thành phần hỗn hợp, cùng nguy cơ gây ra nứt vỡ do ứng suất nhiệt tại một số vị trí, nên những cuộn cảm biến điện từ loại này không thích hợp để sử dụng trong môi trường ẩm ướt hoặc những khu vực có sự thay đổi tải trọng lớn. (2) Cách điện đổ khuôn bằng sợi thủy tinh epoxy không kiềm, được gia cố bằng áp suất chân không. Cố định bằng sợi thủy tinh epoxy không kiềm là việc sử dụng vải sợi thủy tinh ngắn không kiềm làm lớp cách điện bên ngoài để cách điện giữa các lớp cuộn dây. Độ dày lớp cách điện ở lớp ngoài cùng thường vào khoảng 1–3 mm. Lớp cách điện này được tạo thành từ hỗn hợp chất trám epoxy, sau đó được đổ vào khuôn trong môi trường chân không để loại bỏ các bong bóng khí. Do độ dày của lớp cách điện khá mỏng, nên nếu quá trình ngâm ướt không được thực hiện đúng cách, có thể xảy ra tình trạng phóng điện tại một số vị trí nhất định. Do đó, cần phải đảm bảo rằng hỗn hợp chất trám được trộn đều, việc loại bỏ bong bóng khí trong môi trường chân không cũng phải được thực hiện triệt để. Ngoài ra, cần kiểm soát tốt độ nhớt của chất trám và tốc độ đổ chất trám, nhằm đảm bảo chất lượng cao trong quá trình ngâm ướt các sợi dây. (3) Cách điện bằng cách quấn sợi thủy tinh không kiềm. Cuộn dây biến áp được phủ bằng sợi thủy tinh không kiềm là loại cuộn dây mà quá trình cách điện giữa các lớp dây và việc ngâm cuộn dây được thực hiện đồng thời trong quá trình quấn dây. Loại cuộn dây này không cần đến khuôn định hình dùng trong quá trình ngâm dây như hai phương pháp kể trên; tuy nhiên, độ nhớt của chất keo cần phải thấp, và trong quá trình quấn dây và ngâm dây, không được để lại bất kỳ bong bóng khí nào trong chất keo. Đặc điểm cách điện và việc bảo trì của máy biến áp sử dụng chất keo: Mức độ cách điện của máy biến áp sử dụng chất keo không khác biệt nhiều so với máy biến áp sử dụng dầu. Yếu tố quan trọng cần lưu ý là mức độ tăng nhiệt và hiện tượng phóng điện tại các vị trí cụ thể của máy biến áp này. (1) Mức tăng nhiệt trung bình của các biến áp sử dụng vật liệu nhựa cao hơn so với các biến áp sử dụng dầu làm chất dielectric. Do đó, yêu cầu về khả năng chịu nhiệt của vật liệu cách điện cũng cao hơn. Tuy nhiên, mức tăng nhiệt trung bình không phản ánh được nhiệt độ ở những điểm nóng nhất trong cuộn dây. Nếu việc lựa chọn loại vật liệu cách điện chỉ dựa vào mức tăng nhiệt trung bình, hoặc nếu việc lựa chọn này không phù hợp, hoặc nếu biến áp sử dụng vật liệu nhựa phải hoạt động trong tình trạng quá tải trong thời gian dài, thì điều này sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ của biến áp. Vì mức tăng nhiệt độ được đo được từ máy biến áp thường không phản ánh chính xác nhiệt độ ở những vị trí nóng nhất của máy biến áp, nên khi có điều kiện, tốt nhất là nên sử dụng máy đo nhiệt hồng ngoại để kiểm tra các vị trí nóng nhất của máy biến áp trong trạng thái hoạt động với tải cao nhất. Từ đó, có thể điều chỉnh hướng và góc hoạt động của các thiết bị làm mát sao cho phù hợp, nhằm kiểm soát mức tăng nhiệt độ ở các vị trí cụ thể của máy biến áp, đảm bảo máy biến áp hoạt động an toàn. (2) Mức độ phóng điện cục bộ của biến áp nhựa phụ thuộc vào sự phân bố điện trường trong biến áp, mức độ đồng nhất của hỗn hợp nhựa, cũng như việc có còn sót lại các bong bóng khí hay không, hoặc liệu nhựa có bị nứt vỡ hay không. Mức độ phóng điện cục bộ ảnh hưởng đến hiệu suất, chất lượng và thời gian sử dụng của biến áp nhựa. Do đó, việc đo lường mức độ phóng điện cục bộ ở các biến áp làm từ nhựa, cũng như kiểm tra chất lượng của chúng, chính là cách để đánh giá tổng thể về quy trình sản xuất và chất lượng của chúng. Cần tiến hành các thí nghiệm đo lường mức độ phóng điện cục bộ khi giao nhận biến áp hoặc sau khi sửa chữa chúng. Dựa vào mức độ thay đổi của hiện tượng phóng điện cục bộ, người ta có thể đánh giá được tính ổn định về chất lượng và hiệu suất của biến áp đó. Khi các máy biến áp kiểu khô ngày càng được sử dụng rộng rãi, khi lựa chọn máy biến áp, cần phải nắm rõ về cấu trúc công nghệ, thiết kế cách điện và cách bố trí các thành phần cách điện của nó. Nên chọn những sản phẩm có quy trình sản xuất và hệ thống đảm bảo chất lượng tốt, quy trình quản lý nghiêm ngặt, và có hiệu suất kỹ thuật đáng tin cậy. Như vậy mới có thể đảm bảo chất lượng sản phẩm và tuổi thọ chịu nhiệt của máy biến áp, từ đó nâng cao tính an toàn trong hoạt động và độ tin cậy trong việc cung cấp điện. IV. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự cố cách điện của máy biến áp. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng cách điện của máy biến áp bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm, phương thức bảo vệ bằng dầu, và tác động của điện áp quá cao. 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ: Các biến áp điện sử dụng chất cách điện là dầu và giấy; ở các nhiệt độ khác nhau, lượng hơi nước trong dầu và giấy sẽ tuân theo những đường cong cân bằng khác nhau. Thông thường, khi nhiệt độ tăng lên, hàm lượng nước trong giấy sẽ thoát ra ngoài; ngược lại, giấy sẽ hấp thụ hàm lượng nước có trong dầu. Do đó, khi nhiệt độ cao, hàm lượng nước vi mô trong dầu cách điện bên trong biến áp sẽ cao; ngược lại, hàm lượng nước vi mô sẽ thấp. Ở các nhiệt độ khác nhau, mức độ phá vỡ cấu trúc vòng của cellulose, làm đứt các chuỗi liên kết giữa các phân tử cellulose, cùng với việc tạo ra khí, cũng sẽ khác nhau. Ở một nhiệt độ nhất định, tốc độ sinh ra CO và CO₂ giữ nguyên, tức là hàm lượng khí CO và CO₂ trong dầu có mối quan hệ tuyến tính theo thời gian. Khi nhiệt độ tăng lên, tốc độ sản sinh ra CO và CO₂ thường tăng theo quy luật hàm mũ. Do đó, hàm lượng CO và CO₂ trong dầu có mối liên hệ trực tiếp với quá trình lão hóa nhiệt của giấy cách điện; việc thay đổi hàm lượng này có thể được sử dụng như một tiêu chí để xác định xem lớp giấy trong cuộn cảm biến có bị tổn thương hay không. Tuổi thọ của máy biến áp phụ thuộc vào mức độ lão hóa của lớp cách điện, và mức độ lão hóa này lại phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động. Ví dụ, đối với máy biến áp ngâm dầu, ở tải danh nghĩa, nhiệt độ trung bình của các cuộn dây là 65°C, còn nhiệt độ ở điểm nóng nhất là 78°C. Nếu nhiệt độ môi trường xung quanh là 20°C, thì nhiệt độ ở điểm nóng nhất sẽ lên tới 98°C. Ở nhiệt độ này, máy biến áp có thể hoạt động trong 20–30 năm. Tuy nhiên, nếu máy biến áp phải hoạt động dưới tải quá cao, nhiệt độ sẽ tăng lên, khiến tuổi thọ của máy giảm đi. Ủy ban Điện tử Quốc tế (IEC) cho rằng, đối với các máy biến áp có lớp cách điện loại A, trong khoảng nhiệt độ từ 80 đến 140°C, mỗi khi nhiệt độ tăng thêm 6°C, thì tuổi thọ sử dụng của lớp cách điện sẽ giảm đi một nửa. Đây chính là quy tắc “6°C”. Quy tắc này cho thấy rằng các yêu cầu về việc kiểm soát nhiệt độ hiện nay khắt khe hơn so với quy tắc 8°C được áp dụng trước đây. 2 Ảnh hưởng của độ ẩm: Sự hiện diện của nước sẽ làm tăng tốc quá trình phân hủy cellulose trong giấy. Do đó, việc sản sinh ra CO và CO₂ cũng có liên quan đến hàm lượng nước trong vật liệu cellulose. Khi độ ẩm không thay đổi, lượng nước càng cao thì lượng CO₂ được giải phóng cũng càng nhiều. Ngược lại, càng có ít hàm lượng nước thì lượng CO được tạo ra càng nhiều. Lượng hơi nước với hàm lượng nhỏ trong dầu cách điện là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến các đặc tính cách điện của nó. Sự hiện diện của một lượng nước nhỏ trong dầu cách điện gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các tính chất điện và vật lý của chất cách điện. Nước có thể làm giảm điện áp cần thiết để xảy ra sự phóng điện trong dầu cách điện, đồng thời làm tăng hệ số tổn thất tgδ. Điều này thúc đẩy quá trình lão hóa của dầu cách điện, khiến khả năng cách điện của nó suy giảm. Nếu thiết bị bị ẩm ướt, không chỉ làm giảm độ tin cậy và tuổi thọ của các thiết bị điện, mà còn có thể gây hư hỏng thiết bị, thậm chí đe dọa đến an toàn tính mạng con người. Ảnh hưởng của phương thức bảo vệ bằng dầu: Lượng oxy trong dầu biến áp có thể làm tăng tốc quá trình phân hủy lớp cách điện; lượng oxy này lại liên quan đến phương thức bảo vệ bằng dầu. Ngoài ra, do phương thức bảo vệ bể khác nhau nên tình trạng hòa tan và khuếch tán của CO và CO₂ trong dầu cũng khác nhau. Do hàm lượng CO hòa tan thấp, nên CO trong các biến áp loại mở dễ khuếch tán ra khoảng trống phía trên mặt dầu. Do đó, tỷ lệ thể tích của CO trong các biến áp loại mở thường không vượt quá 300x10-6. Biến áp kín, do mặt dầu được cách ly với không khí nên CO và CO₂ khó bị bay hơi, do đó hàm lượng của chúng khá cao. 4 Ảnh hưởng của điện áp quá cao ① Ảnh hưởng của điện áp quá cao tạm thời. Khi máy biến áp ba pha hoạt động bình thường, điện áp giữa các pha và giữa các pha với mặt đất chiếm khoảng 58% của điện áp giữa các pha. Tuy nhiên, khi xảy ra sự cố ở một pha, điện áp trên lớp cách điện chính sẽ tăng thêm 30% trong hệ thống có điểm trung tính được nối đất, và tăng thêm 73% trong hệ thống không có điểm trung tính được nối đất. Điều này có thể gây hư hại cho lớp cách điện. ② Ảnh hưởng của điện áp quá cao do sấm sét. Điện áp quá cao do sấm sét gây ra, với độ dốc của sóng rất lớn, khiến cho sự phân bố điện áp trên các lớp cách điện (giữa các vòng dây, giữa các phần tử cách điện) trở nên không đồng đều. Điều này có thể để lại những dấu vết của hiện tượng phóng điện trên các lớp cách điện, từ đó làm hư hại lớp cách điện rắn. ③ Ảnh hưởng của điện áp hoạt động quá mức. Do đầu sóng của điện áp quá tải khá bằng phẳng, nên sự phân bố điện áp gần như có tính tuyến tính. Khi sóng điện áp quá tải chuyển từ một cuộn dây này sang cuộn dây khác, giá trị của sóng này tỷ lệ thuận với số vòng dây giữa hai cuộn dây đó. Điều này dễ gây ra sự suy giảm chất lượng hoặc hư hỏng của lớp cách điện chính hoặc lớp cách điện giữa các pha. 5. Ảnh hưởng của lực điện do tình trạng ngắn mạch: Khi xảy ra tình trạng ngắn mạch ở đầu ra, lực điện tạo ra có thể khiến cuộn dây của biến áp bị biến dạng, các dây dẫn bị dịch chuyển. Điều này làm thay đổi khoảng cách cách điện ban đầu, gây ra hiện tượng nóng lên của lớp cách điện, làm tăng tốc quá trình lão hóa hoặc gây tổn thương cho lớp cách điện, từ đó dẫn đến hiện tượng phóng điện, tạo ra tia lửa và gây ra các sự cố ngắn mạch. Tóm lại, việc nắm rõ khả năng cách điện của các biến áp điện và thực hiện công tác bảo trì một cách hợp lý có ảnh hưởng trực tiếp đến việc vận hành an toàn của biến áp, tuổi thọ sử dụng của chúng, cũng như độ tin cậy trong việc cung cấp điện. Biến áp điện là thiết bị quan trọng và then chốt trong hệ thống điện. Do đó, những người phụ trách vận hành và quản lý biến áp cần phải hiểu rõ về cấu trúc cách điện của biến áp, tính chất của các vật liệu được sử dụng, chất lượng sản xuất, phương pháp bảo trì, cũng như các kỹ thuật chẩn đoán khoa học. Chỉ bằng cách đó, họ mới có thể đảm bảo hiệu suất sử dụng, tuổi thọ của biến áp, cũng như độ tin cậy trong việc cung cấp điện. http://bbs.bjx.com.cn/data/attachment/forum/201611/03/13240151ecchb158w2ehe1.jpg