Tại sao sử dụng dầu trong máy biến áp nhúng 11kV? Giải thích các vai trò chính

Trong mạng lưới phân phối điện toàn cầu, 11kVmáy biến áp ngâm dầulà thiết bị chuyển đổi năng lượng chiếm ưu thế. Chúng được triển khai rộng rãi trong lưới phân phối đô thị, khu công nghiệp, tích hợp lưới điện quang điện và năng lượng gió, điện khí hóa nông thôn và các dự án EPC ở nước ngoài. Nhiều người mua, kỹ sư điện và chủ dự án liên tục đặt ra một câu hỏi cơ bản nhưng quan trọng: tại sao các máy biến áp trung thế lại chứa đầy dầu cách điện thay vì không khí hoặc các vật liệu cách điện rắn khác?
Dầu cách điện không chỉ đơn thuần là một chất làm đầy đơn giản. Nó là vật liệu chức năng không thể thiếu bên trong 11kVmáy biến áp ngâm dầu, quyết định trực tiếp đến khả năng tản nhiệt, hiệu suất cách nhiệt, tuổi thọ của thiết bị và độ ổn định khi vận hành. Máy biến áp loại khô dựa vào không khí và nhựa epoxy để cách điện, trong khi máy biến áp ngâm trong dầu sử dụng dầu cách điện khoáng (hoặc dầu este tổng hợp) để đạt được nhiều chức năng cùng một lúc. Bài viết trình bày chi tiết về vai trò cốt lõi của dầu cách điện trong máy biến áp ngâm dầu 11kV, so sánh ưu điểm và hạn chế của các giải pháp ngâm dầu, giới thiệu các loại dầu cách điện phổ biến, tiêu chí nghiệm thu chất lượng và hướng dẫn bảo trì. Nó cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật chuyên nghiệp cho khách truy cập trên các trang web độc lập, giúp những người thực hiện quyền lực đưa ra đánh giá đúng đắn trong quá trình lựa chọn dự án, nghiệm thu thiết bị và bảo trì hàng ngày.

Bên trong máy biến áp 11kV có các bộ phận mang điện như cuộn dây cao áp, cuộn dây hạ áp, lõi sắt và các bộ phận nối đất. Cần có sự cách nhiệt đáng tin cậy giữa các bộ phận để ngăn ngừa sự cố và lỗi ngắn mạch. Không khí có khả năng cách điện hạn chế và dễ bị phóng điện trong không gian hẹp, dưới điện trường cao và điều kiện ẩm ướt. Dầu cách điện máy biến áp có độ bền điện môi cao. Nó lấp đầy mọi khoảng trống nhỏ giữa lõi sắt và cuộn dây, đẩy hoàn toàn không khí ra ngoài, cách ly hiệu quả cuộn dây điện áp cao với cuộn dây điện áp thấp và tách cuộn dây khỏi lõi sắt nối đất và vỏ thùng dầu.
Khi máy biến áp chịu được điện áp tần số nguồn và điện áp xung sét, dầu cách điện sẽ ngăn chặn sự tập trung điện trường cục bộ và giảm rủi ro phóng điện cục bộ. Theo tiêu chuẩn IEC 60156, dầu cách điện gốc khoáng mới đủ tiêu chuẩn phải đạt đến mức điện áp đánh thủng được chỉ định để đảm bảo vận hành an toàn trong điều kiện điện áp định mức và quá điện áp tạm thời. Nếu dầu cách điện bị ẩm, bị ô nhiễm hoặc bị lão hóa, điện áp đánh thủng của nó sẽ giảm nhanh chóng và nguy cơ đánh thủng lớp cách điện bên trong sẽ tăng mạnh. Đây là lý do cơ bản tại sao máy biến áp ngâm trong dầu cần kiểm tra điện áp chịu dầu thường xuyên.

Trong quá trình vận hành máy biến áp, tổn thất trễ và tổn thất dòng điện xoáy của lõi sắt cùng với tổn thất tải cuộn dây liên tục sinh ra nhiệt. Nhiệt độ cao là nguyên nhân chính gây lão hóa cách điện rắn. Nếu nhiệt không được tiêu tán kịp thời, lớp cách điện của cuộn dây sẽ xuống cấp nhanh chóng, làm giảm tuổi thọ của máy biến áp và thậm chí dẫn đến cháy thiết bị trong trường hợp nghiêm trọng.
Dầu cách nhiệt có tính dẫn nhiệt thuận lợi và hình thành sự tuần hoàn bên trong thông qua tuần hoàn dầu tự nhiên (ONAN) hoặc làm mát không khí cưỡng bức (ONAF). Dầu cách điện được làm nóng gần lõi sắt và các cuộn dây có mật độ thấp hơn và chảy lên trên. Nhiệt được truyền đến thành bể và bộ tản nhiệt, trong khi dầu được làm mát chảy ngược xuống dưới để liên tục mang nhiệt ra khỏi các nguồn nhiệt. Hệ thống làm mát tuần hoàn dầu này có cấu trúc đơn giản và hiệu suất trao đổi nhiệt cao. So với làm mát bằng không khí, làm mát bằng dầu có thể hỗ trợ công suất lớn hơn trong một diện tích nhỏ hơn, đó là lý do chính tại sao máy biến áp phân phối công suất lớn thích thiết kế ngâm trong dầu.

Giấy cách điện quấn quanh cuộn dây máy biến áp là vật liệu hữu cơ. Nó sẽ dần bị oxy hóa và trở nên giòn khi tiếp xúc với nhiệt độ cao và oxy, mất khả năng cách nhiệt. Sau khi đổ đầy dầu cách điện vào thùng dầu, oxy và hơi ẩm có thể được cách ly để bảo vệ lớp cách điện của giấy cuộn. Dầu cách điện có thể hòa tan một lượng nhỏ oxy, làm giảm phản ứng oxy hóa của chất cách điện bằng giấy, làm chậm quá trình lão hóa của toàn bộ hệ thống cách điện và kéo dài tuổi thọ chung của máy biến áp.
Trong khi đó, dầu cách điện bao phủ các thành phần kim loại và giảm nguy cơ ăn mòn oxy hóa trên bề mặt kim loại của lõi sắt và cuộn dây. Cần lưu ý rằng tác dụng bảo vệ này không phải là vĩnh viễn. Trong quá trình hoạt động lâu dài, dầu cách điện bị oxy hóa chậm và tạo ra axit hữu cơ và cặn dầu. Bùn dầu bám vào cuộn dây và bề mặt bộ tản nhiệt, cản trở quá trình tản nhiệt và làm tăng thêm tốc độ xuống cấp của thiết bị. Vì vậy, máy biến áp ngâm dầu cần được phát hiện thường xuyên giá trị axit và độ ẩm. Cần phải lọc dầu hoặc thay dầu khi cần thiết.

Một giá trị quan trọng khác dễ bị bỏ qua của dầu cách điện là đóng vai trò là phương tiện chẩn đoán lỗi. Khi các lỗi tiềm ẩn như quá nhiệt cục bộ, hồ quang điện và phóng điện lần lượt xảy ra bên trong máy biến áp, nhiệt độ cao sẽ gây ra sự phân hủy nhiệt của dầu cách điện và tạo ra các loại khí đặc trưng bao gồm hydro, metan và axetylen. Những khí này hòa tan trong dầu cách điện. Kỹ thuật viên bảo trì thực hiện Phân tích khí hòa tan (DGA) bằng cách thu thập các mẫu dầu để kiểm tra thành phần và nồng độ của khí hòa tan. Những mối nguy hiểm tiềm ẩn có thể được xác định trước khi sự cố phát triển thành tai nạn ngắn mạch nghiêm trọng.
Đây là ưu điểm chẩn đoán độc đáo của máy biến áp ngâm dầu. Máy biến áp loại khô hầu như không cho phép lấy mẫu để có được các đặc tính sự cố bên trong. Ngược lại, máy biến áp ngâm dầu thực hiện cảnh báo lỗi sớm không xâm nhập dựa vào dầu cách điện, giúp giảm đáng kể nguy cơ mất điện đột ngột và hư hỏng thiết bị. Rơle Buchholz cũng tác động lên hỗn hợp dầu-khí tạo ra do sự cố để kích hoạt cảnh báo hoặc bảo vệ vấp ngã và cơ chế bảo vệ này được xây dựng dựa trên hệ thống dầu cách điện.

Dầu cách điện gốc khoáng: loại được sử dụng rộng rãi nhất trên thị trường với giá thành vừa phải, tính chất điện môi và nhiệt ổn định, tuân thủ tiêu chuẩn IEC 60296. Hầu hết các máy biến áp phân phối 11kV thông thường đều sử dụng dầu khoáng. Nhược điểm của nó là dễ cháy. Cần phải có phương án phòng cháy chữa cháy khi sử dụng trong phòng kín và khu vực đông dân cư.
Dầu ester tổng hợp và dầu ester tự nhiên: dầu cách điện có khả năng phân hủy sinh học thân thiện với môi trường với điểm chớp cháy cao và nguy cơ cháy thấp. Rò rỉ gây ra ít ô nhiễm hơn cho đất và nước. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các phòng phân phối điện ngầm đô thị, khu dân cư, khu bảo vệ nguồn nước và các dự án khác có yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn cháy nổ và môi trường. Nhược điểm là chi phí mua sắm cao hơn so với dầu khoáng.
Việc lựa chọn phải được xác định toàn diện dựa trên môi trường lắp đặt, quy tắc phòng cháy, tiêu chuẩn lưới điện địa phương và ngân sách dự án.

Việc sử dụng dầu cách điện cũng có những hạn chế. Có nguy cơ rò rỉ dầu cách điện, nguyên nhân có thể do sự lão hóa của các mối hàn trong bể và gioăng đệm kín. Dầu khoáng là chất dễ cháy và phải trang bị biện pháp phòng cháy chữa cháy. Dầu cách điện bị thoái hóa theo thời gian và việc kiểm tra chất lượng dầu thường xuyên là bắt buộc.
Nhiệm vụ bảo trì chính hàng ngày bao gồm theo dõi mức dầu và kiểm tra rò rỉ bể chứa; lấy mẫu dầu thường xuyên để kiểm tra điện áp đánh thủng, độ ẩm, giá trị axit và DGA; giữ bộ tản nhiệt sạch sẽ để đảm bảo lưu thông nhiệt; duy trì các ống thở để giảm thiểu độ ẩm xâm nhập vào bể. Với bảo trì tiêu chuẩn, 11kVmáy biến áp ngâm dầucó thể hoạt động ổn định hàng chục năm.

Tóm lại, dầu cách điện thực hiện bốn chức năng cốt lõi trong 11kVmáy biến áp ngâm dầu: hoạt động như môi trường cách điện cao áp, tuần hoàn và loại bỏ nhiệt, bảo vệ lớp cách điện rắn bên trong chống lão hóa và đóng vai trò là môi trường để phát hiện lỗi tiềm ẩn bên trong. Kết hợp lại, bốn ưu điểm này làm cho máy biến áp ngâm dầu trở thành lựa chọn chủ đạo cho các ứng dụng phân phối 11kV toàn cầu nhờ độ tin cậy cao, khả năng tản nhiệt tuyệt vời và chi phí hợp lý.
Tuy nhiên, hiệu suất của dầu cách điện suy giảm theo thời gian vận hành, nhiệt độ và độ ẩm xung quanh cũng như mức độ ô nhiễm. Người thực hành trong các dự án điện phải hiểu rõ nguyên lý làm việc của dầu cách điện và chú trọng việc kiểm tra chất lượng dầu định kỳ để phát huy tối đa ưu điểm về hiệu suất của máy biến áp ngâm dầu và đảm bảo cung cấp điện ổn định lâu dài cho mạng lưới phân phối.