1. Định nghĩa
Biến dạng cuộn dây là hiện tượng dịch chuyển cơ học, méo mó, phồng, xoắn hoặc nén của các cuộn dây máy biến áp do lực điện động, tác động cơ học hoặc các ứng suất khác gây ra.
Biến dạng này làm thay đổi hình học thiết kế của các cuộn dây, từ đó ảnh hưởng đến khoảng cách cách điện, độ bền cơ học và đặc tính điện của máy biến áp.
Trong quá trình vận hành máy biến áp, sự cố ngắn mạch là không thể tránh khỏi — đặc biệt là tại hoặc gần các đầu cực ra của máy biến áp.
Một sự cố ngắn mạch đột ngột tạo ra các xung dòng điện cực lớn, khiến các cuộn dây phải chịu lực điện động lớn hơn hàng chục đến hàng trăm lần so với khi vận hành bình thường.
Những lực này gây ra:
Sự gia nhiệt nhanh chóng, làm mềm vật liệu dẫn điện (đồng hoặc nhôm).
Ứng suất cơ học mạnh, vượt quá độ bền cơ học của cuộn dây.
Các lực tác động lên cuộn dây máy biến áp có thể được chia thành hai loại:
Lực hướng tâm (Lực ngang):
Tác động từ tâm ra ngoài hoặc từ ngoài vào trong.
Các cuộn dây ngoài chịu lực đẩy ra ngoài.
Các cuộn dây trong chịu lực nén vào trong.
Nếu các thanh chống bên trong hoặc ống cách điện không đủ chắc chắn, các cuộn dây có thể bị phồng hoặc uốn cong, tạo thành các biến dạng kiểu "hoa mai" hoặc phồng.
Lực dọc trục (Lực dọc):
Tác động dọc theo chiều cao của cuộn dây.
Chúng nén các tấm đệm cách điện, gây ra sự uốn cong của các vòng dây, và có thể làm dịch chuyển cuộn dây theo phương thẳng đứng so với lõi thép.
Chiều cao cuộn dây không bằng nhau (ví dụ: do bộ điều áp hoặc mất cân bằng từ) càng làm tăng ứng suất dọc trục, thường dẫn đến các sự cố nghiêm trọng.
Kết luận:
Dòng ngắn mạch đột ngột tác động lên cuộn dây máy biến áp bằng các lực hướng tâm và dọc trục mạnh kết hợp.
Các cuộn dây bên trong—đặc biệt là trong máy biến áp tự ngẫu—dễ bị tổn thương nhất, dẫn đến biến dạng không thể phục hồi, chẳng hạn như phồng, xoắn và dịch chuyển.
Những biến dạng này có thể phát triển thành sự cố cách điện, ngắn mạch giữa các vòng dây hoặc hỏng hóc thảm khốc.
Trong quá trình vận chuyển, nâng hạ hoặc lắp đặt nắp, cuộn dây có thể chịu va đập, rung động hoặc tác động ngẫu nhiên, dẫn đến biến dạng vật lý.
Nếu hệ thống rơ le bảo vệ có vùng chết hoặc không hoạt động, máy biến áp có thể tiếp xúc với dòng ngắn mạch kéo dài.
Ứng suất điện động kéo dài có thể làm biến dạng cuộn dây.
Số liệu thống kê chỉ ra rằng khoảng 30% thiệt hại máy biến áp là do không ngắt mạch trong các sự cố ngắn mạch bên ngoài.
Nếu thiết kế hoặc quy trình sản xuất máy biến áp không đảm bảo độ cứng cơ học đầy đủ, khả năng chịu ngắn mạch của nó sẽ giảm dần theo thời gian.
Thống kê gần đây về sự cố máy biến áp 110 kV cho thấy khả năng chịu ngắn mạch không đủ đã trở thành nguyên nhân nội tại chính của các tai nạn máy biến áp.
Biến dạng cuộn dây là một nguy cơ tiềm ẩn lớn đối với vận hành an toàn của máy biến áp điện lực.
Nó khó phát hiện thông qua các phương pháp thông thường như kiểm tra điện trở cách điện hoặc thử nghiệm điện môi dầu, khiến nó trở thành một lỗi tiềm ẩn.
Thay đổi khoảng cách cách điện hoặc hư hỏng cách điện rắn có thể gây ra phóng điện cục bộ (PD).
Dưới tác động của quá điện áp sét hoặc quá điện áp đóng cắt, PD có thể dẫn đến phóng điện đánh thủng giữa các vòng dây hoặc giữa các đĩa cuộn dây.
Ngay cả ở điện áp vận hành bình thường, PD kéo dài cũng có thể gây ra sự cố cách điện.
Một khi đã biến dạng, cuộn dây mất đi độ bền cơ học vốn có.
Nếu xảy ra thêm một sự cố ngắn mạch khác, kết cấu đã suy yếu không còn chịu được ứng suất điện động, dẫn đến biến dạng thêm hoặc hỏng hóc hoàn toàn.
Vì không thể hoàn toàn tránh khỏi biến dạng cuộn dây, nên chẩn đoán sớm là vô cùng quan trọng.
Phát hiện chính xác có thể xác định:
Liệu đã xảy ra biến dạng hay chưa
Mức độ và vị trí của biến dạng
Máy biến áp có thể tiếp tục vận hành an toàn hay không
Có cần bảo trì hoặc tháo dỡ hay không
Chẩn đoán chủ động không chỉ tiết kiệm chi phí nhân lực và vật tư mà còn ngăn ngừa các sự cố nghiêm trọng ở máy biến áp.
Nghiên cứu toàn cầu đã công nhận tầm quan trọng của việc phát hiện biến dạng cuộn dây.
Ở nhiều quốc gia, đây được coi là một thử nghiệm bảo trì dự đoán then chốt.
Theo Văn bản số I20001589 của Tập đoàn Điện lực Nhà nước — “25 Yêu cầu then chốt để Phòng ngừa Sự cố Lớn trong Sản xuất Điện”, kiểm tra biến dạng cuộn dây là một hạng mục kiểm tra bắt buộc trong các điều kiện sau:
Sau khi nghiệm thu nhà máy và bàn giao
Sau khi xảy ra sự cố ngắn mạch
Các điều khoản liên quan:
Điều 15.6:
Sau khi máy biến áp gặp sự cố ngắn mạch trong khu vực lân cận, cần tiến hành thử nghiệm trở kháng ngắn mạch điện áp thấp hoặc phân tích đáp ứng tần số (FRA).
Kết quả phải được so sánh với dữ liệu gốc từ nhà máy trước khi đưa máy biến áp trở lại vận hành.
Điều 20.2.9:
Khi đặt hàng máy biến áp, nhà sản xuất phải cung cấp:
Đường đặc tuyến đáp ứng tần số của cuộn dây
Báo cáo thử nghiệm chịu đựng ngắn mạch
Báo cáo tính toán động lực học của lực điện cơ
FRA cũng nên được thực hiện:
Trong quá trình lắp đặt và vận hành thử nghiệm
Sau bất kỳ sự cố ngắn mạch nào trong vận hành
Kết quả thử nghiệm phải là một trong những tiêu chí chính để xác định điều kiện tiếp tục vận hành.
Biến dạng cuộn dây là hiện tượng cơ điện phức tạp liên quan trực tiếp đến an toàn và độ tin cậy của máy biến áp.
Nguyên nhân chính là xung dòng ngắn mạch, nhưng tác động cơ học bên ngoài và sự cố bảo vệ cũng góp phần.
Phát hiện sớm—đặc biệt thông qua phân tích đáp ứng tần số—là rất cần thiết để ngăn ngừa suy giảm cách điện tiềm ẩn, sụp đổ cơ học và các sự cố máy biến áp nghiêm trọng.
Công ty TNHH Thiết bị Máy biến áp Kingrun
Thêm các thiết bị thử nghiệm máy biến áp từ Kingrun
