Cuộn dây máy biến áp và cách điện máy biến áp

Cuộn dây máy biến áp là thành phần mạch của máy biến áp và là bộ phận cốt lõi để chuyển đổi năng lượng điện từ. Chúng được làm bằng dây cách điện (thường là đồng hoặc nhôm) quấn theo một mẫu cụ thể và truyền năng lượng thông qua nguyên lý cảm ứng điện từ.

1. Chức năng chính

• Tạo từ trường: Khi cấp dòng điện xoay chiều vào cuộn sơ cấp sẽ tạo ra từ trường xoay chiều.
• Tạo ra suất điện động: Từ trường xen kẽ này đi qua cuộn thứ cấp, tạo ra một suất điện động (điện áp) trong cuộn thứ cấp.
• Thay đổi điện áp: Bằng cách điều chỉnh tỷ số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp, điện áp có thể tăng hoặc giảm.

2. Các loại cuộn dây (phân loại theo cấp điện áp và vị trí tương đối)

• Cuộn dây-điện áp cao: Cuộn dây chịu được điện áp cao hơn. Thường có tiết diện dây nhỏ hơn{2}}(vì dòng điện tương đối nhỏ) nhưng yêu cầu cách điện cao.
• Cuộn dây có điện áp thấp{0}}: Cuộn dây có thể chịu được điện áp thấp hơn. Thường có tiết diện dây-lớn hơn (vì dòng điện tương đối lớn) và có yêu cầu cách điện tương đối thấp hơn.

Về mặt cấu trúc, dựa trên sự sắp xếp của chúng trên lõi, chúng chủ yếu được chia thành hai loại:

(1) Cuộn dây đồng tâm:

• Cấu trúc: Các cuộn dây điện áp cao{0}}và điện áp thấp{1}}được quấn thành các hình trụ có đường kính khác nhau và được đặt đồng tâm trên nhánh lõi.
• Cách bố trí thông thường: Để tạo điều kiện cách nhiệt, cuộn dây điện áp thấp thường được đặt ở bên trong (gần lõi hơn) và cuộn dây điện áp cao ở bên ngoài. Điều này là do cách điện giữa cuộn dây điện áp thấp{3}}và lõi (nối đất) dễ xử lý hơn.
• Ứng dụng: Hầu hết các máy biến áp điện lực (đặc biệt là các máy có công suất lớn hơn) đều sử dụng kết cấu này. Quá trình sản xuất tương đối đơn giản và cấu trúc mạnh mẽ.

(2) Cuộn dây xen kẽ:

• Cấu trúc: Cả cuộn dây điện áp cao{0}}và điện áp thấp-được chế tạo thành hình dạng đĩa và xếp xen kẽ dọc theo chiều cao của nhánh lõi.
• Ưu điểm: Giảm thông lượng rò rỉ giữa các cuộn dây, độ bền cơ học cao và khả năng chống ngắn mạch-mạnh.
• Ứng dụng: Chủ yếu được sử dụng cho các máy biến áp đặc biệt, chẳng hạn như máy biến áp lò điện và máy biến áp hàn, cần chịu được lực điện từ lớn.

3. Yêu cầu chính đối với cuộn dây
Hiệu suất điện: Phải chịu được điện áp hoạt động lâu dài- và quá điện áp nhất thời (chẳng hạn như sét đánh).
Hiệu suất cơ học: Kết cấu phải đủ chắc chắn để chịu được lực điện từ cực lớn sinh ra khi đoản mạch mà không bị biến dạng.
Hiệu suất nhiệt: Phải có khả năng tản nhiệt tốt để đảm bảo mức tăng nhiệt độ khi tải lâu dài-không vượt quá giới hạn.
Hiệu suất quy trình: Quá trình cuộn dây phải đơn giản, tiết kiệm và đáng tin cậy.

Đó là hệ thống vật liệu cách ly các phần khác nhau của cuộn dây với nhau và tách cuộn dây ra khỏi các bộ phận được nối đất (chẳng hạn như lõi và thùng dầu). Đây là bộ phận không phải mạch điện của máy biến áp nhưng quyết định độ an toàn và tuổi thọ của máy biến áp.
1. Chức năng chính

• Cách ly điện thế: Cách ly đáng tin cậy các bộ phận dẫn điện có điện thế khác nhau (chẳng hạn như cuộn dây điện áp cao và điện áp thấp và cuộn dây khỏi lõi) để ngăn ngừa đoản mạch.
• Kênh tản nhiệt: Vật liệu cách điện (như dầu biến áp) thường đóng vai trò là phương tiện làm mát, truyền nhiệt do cuộn dây và lõi tạo ra.
• Hỗ trợ cơ khí: Vật liệu cách điện (như tấm cách điện) cũng giúp cố định và đỡ các cuộn dây.

2. Phân loại cách điện (theo vị trí và chức năng)
Hệ thống cách điện máy biến áp thường được chia thành hai loại chính:

• Cách điện bên trong: Nằm bên trong thùng dầu máy biến áp, không tiếp xúc trực tiếp với không khí bên ngoài.
• Cách điện chính: Đề cập đến cách điện giữa cuộn dây và các bộ phận nối đất (chẳng hạn như lõi và thùng dầu) cũng như giữa các cuộn dây có mức điện áp khác nhau (chẳng hạn như giữa cuộn dây-điện áp cao và cuộn dây{1}}điện áp thấp). Đây là phần lõi của hệ thống cách điện máy biến áp và quyết định cấp điện áp của máy biến áp.
• Cách điện theo chiều dọc: Đề cập đến cách điện trong cùng một cuộn dây, chẳng hạn như cách điện giữa các vòng (cách điện-sang-quay), giữa các lớp quanh co (lớp cách điện-đến-lớp) và giữa các phần cuộn dây (cách điện phần-đến-phần).
• Cách điện bên ngoài: Dùng để chỉ các bộ phận cách điện tiếp xúc với không khí bên ngoài máy biến áp, chủ yếu là lớp cách điện ở phía trên ống lót (bên ngoài thùng dầu). Độ bền cách nhiệt của nó chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện không khí và khoảng cách đường dây.

3. Vật liệu cách điện chính
Cách điện của máy biến áp (đặc biệt là-máy biến áp ngâm trong dầu) là một hệ thống hỗn hợp. Các vật liệu phổ biến bao gồm:
(1) Vật liệu cách điện lỏng:

• Dầu biến áp khoáng: Được sử dụng phổ biến nhất. Các chức năng bao gồm: cách nhiệt (cường độ điện môi cao hơn nhiều so với không khí), tản nhiệt (loại bỏ nhiệt thông qua đối lưu), bảo vệ (cô lập oxy, làm chậm quá trình lão hóa vật liệu).
• Dầu cách điện Ester tổng hợp hoặc tự nhiên: Chẳng hạn như dầu silicon hoặc dầu cách điện thực vật, thường được sử dụng ở những nơi có yêu cầu chống cháy cao.

(2) Vật liệu cách điện rắn:

• Giấy cách điện, Tấm cách điện: Dùng để cách điện lần lượt, cách điện lớp, dải phân cách giữa các cuộn dây, trụ cách điện. Hệ thống cách điện bằng hỗn hợp giấy dầu-là loại cách điện máy biến áp cổ điển và đáng tin cậy nhất.
• Nhựa Epoxy: Được sử dụng rộng rãi trong các máy biến áp loại khô, tạo thành lớp cách điện tổng thể rắn thông qua quá trình đúc.
• Giấy NOMEX®: Giấy polyamide thơm hiệu suất cao-có khả năng chịu nhiệt cao, thường được sử dụng trong loại-khô hoặc máy biến áp đặc biệt.

Cuộn dây máy biến áp là 'các kênh mạch' để đạt được sự chuyển đổi năng lượng điện từ, trong khi cách điện của máy biến áp là 'hệ thống bảo vệ' giúp ngăn cách an toàn các bộ phận có điện thế khác nhau; lớp cách điện đóng vai trò như 'lớp áo giáp' cho cuộn dây, mang lại sự an toàn cho hoạt động bình thường của chúng và ngăn ngừa tai nạn đoản mạch. Cả hai bổ sung cho nhau và cùng nhau xác định hiệu suất, cấp điện áp và độ tin cậy vận hành của máy biến áp.