Mối Đe Dọa Hàng Đầu Đối Với Máy Biến Áp Khô - Ngắn Mạch

1. Trong những năm gần đây, sự cố máy biến áp khô vẫn thường xuyên xảy ra. Từ việc phân tích các sự cố máy biến áp khô, hư hỏng do ngắn mạch đã trở thành nguyên nhân chính gây ra sự cố máy biến áp khô trong lưới điện, gây thiệt hại lớn cho hệ thống điện và ảnh hưởng nghiêm trọng đến vận hành an toàn của lưới điện. Các sự cố hư hỏng do ngắn mạch ngoài của máy biến áp khô trong mười năm qua được phân loại và phân tích, từ đó đề xuất các vấn đề tồn tại trong việc lựa chọn dây dẫn từ và các biện pháp giảm thiểu loại sự cố này.

2. Sự cố ngắn mạch máy biến áp khô từ tháng 1/2010 đến tháng 5/2022, trên thế giới đã xảy ra 17 sự cố hư hỏng máy biến áp khô do ngắn mạch, chiếm 77,3% tổng số sự cố hư hỏng, là nguyên nhân chính gây hư hỏng, với tổng công suất 2.750 MW. Trong đó có 2 máy 500 kV, 13 máy 220 kV và 2 máy 110 kV. Một máy 220 kV và một máy 110 kV phải thay thế do biến dạng nghiêm trọng cuộn dây hạ áp. Trong quá trình cải tạo máy biến áp khô, phát hiện bốn cuộn dây hạ áp 220kV bị biến dạng, và hai cuộn dây 500kV có dấu hiệu biến dạng trong quá trình vận hành. Đặc biệt từ năm 2011 trở đi, sự cố hư hỏng máy biến áp khô có xu hướng gia tăng và phạm vi sự cố ngày càng mở rộng. Các hình thức sự cố chủ yếu là:
1) Sau nhiều lần chịu tác động ngắn mạch ngoài, biến dạng cuộn dây dần trở nên nghiêm trọng, và sự cố chọc thủng cách điện xảy ra thường xuyên hơn;
2) Bên ngoài thường xuyên bị hư hỏng do tác động ngắn mạch trong thời gian ngắn;
3) Hư hỏng do tác động ngắn mạch kéo dài;
4) Hư hỏng do tác động ngắn mạch ngắn hạn.

3. Các hình thức chính của hư hỏng do ngắn mạch ở máy biến áp khô:
3.1 Mất ổn định dọc trục: Loại hư hỏng này chủ yếu do lực điện từ dọc trục sinh ra từ từ thông rò hướng kính, gây biến dạng dọc trục cuộn dây máy biến áp khô. Loại sự cố này chiếm 52,9% tổng số sự cố hư hỏng.
3.1.1 Biến dạng uốn cong lên xuống của cuộn dây: Hư hỏng này là do biến dạng vĩnh viễn của cuộn dây giữa hai tấm đệm dọc trục vì mô-men uốn quá lớn dưới tác dụng của lực điện từ dọc trục. Thông thường, biến dạng giữa hai cuộn dây là đối xứng.
3.1.2 Sập đổ cuộn dây hoặc cuộn cảm. Hư hỏng này là do dây dẫn bị ép hoặc va chạm lẫn nhau dưới tác dụng của lực dọc trục, dẫn đến biến dạng nghiêng. Nếu dây hơi nghiêng, lực dọc trục sẽ làm tăng độ nghiêng, và trong trường hợp nghiêm trọng sẽ gây sập đổ; tỷ lệ chiều cao/chiều rộng của dây càng lớn càng dễ gây sập. Ngoài thành phần dọc trục, từ trường rò ở đầu cuộn dây còn có thành phần hướng kính. Lực điện từ tổng hợp sinh ra bởi từ thông rò theo hai hướng này khiến dây cuộn dây bên trong quay vào trong và cuộn dây ngoài quay ra ngoài.
3.1.3 Khi ứng suất cuộn dây tăng, tấm ép sẽ bung ra. Hư hỏng này thường do lực dọc trục quá lớn, độ bền và độ cứng của giá đỡ đầu cuối không đủ, hoặc lỗi lắp ráp.

3.2 Mất ổn định hướng kính: Loại hư hỏng này chủ yếu do lực điện từ hướng kính sinh ra từ từ thông rò dọc trục dẫn đến biến dạng hướng kính cuộn dây máy biến áp khô, chiếm 41,2% tổng số sự cố hư hỏng.
3.2.1 Hư hỏng cách điện do giãn dài cuộn dây ngoài. Lực điện từ hướng kính có xu hướng làm tăng đường kính cuộn dây ngoài. Biến dạng vĩnh viễn xảy ra khi ứng suất kéo tác dụng lên dây dẫn quá cao. Biến dạng này thường dẫn đến ngắn mạch giữa các vòng dây do cách điện dây bị hư hỏng. Trường hợp nghiêm trọng, cuộn dây sẽ mất trật tự, sập đổ hoặc thậm chí đứt gãy.

Tuy nhiên, do biến dạng nén của lõi thép và các phương pháp đỡ khác nhau của thanh chống, ứng suất dọc theo chu vi cuộn dây không đồng đều, dẫn đến mất ổn định cục bộ của cuộn dây và biến dạng oằn.

3.3 Cố định dây không ổn định: Hư hỏng này chủ yếu do lực điện từ giữa các dây dẫn, gây rung động dây và ngắn mạch giữa các dây. Các sự cố như vậy hiếm khi xảy ra.

4. Các bộ phận thường bị hư hỏng do ngắn mạch ở máy biến áp khô:
4.1 Nguyên nhân biến dạng phần tương ứng dưới gông từ là:
(1) Từ trường sinh ra bởi dòng ngắn mạch bị khép kín bởi dầu và vỏ thùng hoặc lõi thép. Do từ trở của gông từ tương đối nhỏ, nó chủ yếu khép kín giữa mạch dầu và gông từ, từ trường tập trung tương đối cao, và lực điện từ tác động lên cuộn dây khá lớn;
(2) Khe hở của ống lót cuộn dây bên trong quá lớn hoặc lõi thép không được buộc chặt đủ, khiến hai bên lõi thép co lại và biến dạng, dẫn đến cong vênh và biến dạng cuộn dây ở phía gông từ;
(3) Về cấu trúc, lực nén dọc trục tại phần gông từ tương ứng với cuộn dây kém ổn định hơn, và các lớp dây ở phần này thường khó đạt được lực siết trước, nên dễ bị biến dạng.
4.2 Khu vực đầu ra điều chỉnh điện áp và các phần tương ứng với các cuộn dây khác trong khu vực này, do:
(1) Số vòng ampe không cân bằng, phân bố từ thông rò không đồng đều, và tạo ra lực ngoại vi dọc trục phụ trong cuộn dây do từ trường rò phụ sinh ra bởi biên độ của nó, và hướng của các lực này luôn làm tăng sự bất đối xứng. Lực ngoại vi dọc trục tương tự như lực nội vi dọc trục sinh ra bởi từ thông rò biên độ bình thường, làm uốn cong lớp dây theo chiều dọc và nén các tấm đệm giữa các lớp. Ngoài ra, một phần hoặc toàn bộ các lực này được truyền đến gông từ, cố gắng đẩy nó ra xa trụ, khiến lớp dây biến dạng hoặc lật vào giữa cuộn dây;
(2) Để đạt được cân bằng vòng ampe hoặc khoảng cách cách điện phù hợp trong khoảng đầu ra, thường được thêm nhiều tấm đệm hơn. Tấm đệm càng dày, truyền lực càng chậm, và ảnh hưởng đến cuộn dây càng lớn;
(3) Sau khi cuộn dây được lắp đặt, điện kháng trung tâm không thể căn chỉnh cao độ, làm trầm trọng thêm sự mất cân bằng vòng ampe;
(4) Sau một thời gian vận hành, tấm đệm dày tự nhiên co lại đáng kể, một mặt làm trầm trọng thêm sự mất cân bằng vòng ampe, đồng thời cũng tăng cường sự rung động khi chịu lực ngắn mạch;
(5) Trong thiết kế, để đạt được cân bằng vòng ampe, dây từ trong khu vực đầu ra được chọn có kích thước hẹp hơn hoặc nhỏ hơn, dẫn đến giảm khả năng chịu ngắn mạch.

4.3 Phần chuyển vị: Biến dạng phần này thường gặp ở chỗ chuyển vị của dây chuyển vị và chuyển vị tiêu chuẩn của cuộn xoắn đơn. Chuyển vị của dây chuyển vị dốc hơn so với dây thông thường, khiến chuyển vị với bán kính uốn khác nhau tạo ra các lực tiếp tuyến ngược chiều. Cặp lực tiếp tuyến bằng nhau và ngược chiều này làm cho đường kính chuyển vị của cuộn dây bên trong nhỏ hơn và biến dạng theo hướng, trong khi chuyển vị của cuộn dây bên ngoài cố gắng đạt cùng bán kính uốn, khiến chuyển vị thẳng, chuyển vị bên trong biến dạng ở trung tâm, và chuyển vị bên ngoài biến dạng ra ngoài. Độ dày của dây chuyển vị càng lớn, độ dốc càng cao, và biến dạng càng nghiêm trọng. Ngoài ra, còn có thành phần dòng ngắn mạch dọc trục tại chỗ chuyển vị, và lực phụ sinh ra sẽ làm trầm trọng thêm biến dạng của cuộn dây. Chuyển vị tiêu chuẩn của cuộn xoắn đơn chiếm một vòng trong không gian, dẫn đến mất cân bằng vòng ampe tại phần này. Đồng thời, nó có đặc điểm biến dạng chuyển vị của dây chuyển vị, nên lớp dây ở phần này dễ bị biến dạng hơn.
4.4 Dây dẫn của cuộn dây thường gặp trong cuộn dây cấu trúc xoắn ốc nghiêng. Cuộn dây cấu trúc này, do mất cân bằng vòng ampe ở hai đầu xoắn ốc, có lực dọc trục lớn và đồng thời có dòng điện dọc trục, khiến góc của dây dẫn tạo ra lực ngang. Biến dạng xoắn xảy ra do lực này. Ngoài ra, trong quá trình quấn cuộn dây xoắn ốc, có ứng suất dư, khiến cuộn dây cố gắng trở về trạng thái ban đầu. Do đó, cuộn dây cấu trúc xoắn ốc dễ bị xoắn và biến dạng hơn dưới tác động của dòng ngắn mạch.

4.5 Dây dẫn thường gặp giữa các dây dẫn điện áp thấp. Dây dẫn điện áp thấp có dòng điện lớn do điện áp thấp, và pha lệch 120 độ, khiến các dây dẫn hút nhau. Nếu dây dẫn không được cố định đúng cách, sẽ xảy ra ngắn mạch giữa các pha. Phân tích nguyên nhân hư hỏng do ngắn mạch trong vận hành máy biến áp khô

Công ty TNHH Thiết bị Máy biến áp Kingrun

Thêm các máy kiểm tra biến áp từ Kingrun