Máy biến áp khô là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Máy biến áp khô là thiết bị điện trong đó phần tác dụng không ngâm trong chất lỏng cách điện, hệ cách điện chủ yếu sử dụng vật liệu rắn và nhiệt được truyền ra không khí tự nhiên hoặc cưỡng bức. Với đặc tính không sử dụng dầu cách điện, máy biến áp khô đáp ứng tốt các yêu cầu về an toàn phòng cháy, môi trường và điều kiện lắp đặt trong nhiều loại công trình. Trong bài viết này, chuyên gia sẽ phân tích rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ưu điểm và phạm vi ứng dụng của máy biến áp khô.

1. Máy biến áp khô là gì?

Khái niệm “khô” không có nghĩa máy hoàn toàn không có nhựa hoặc sơn cách điện. Máy vẫn sử dụng hệ vật liệu cách điện rắn và có thể được đúc nhựa epoxy hoặc tẩm sơn dưới chân không. Điểm phân biệt chính là không ngâm phần tác dụng trong dầu cách điện.

2. Cấu tạo của máy biến áp khô

Lõi từ bằng lá thép kỹ thuật điện được ghép và kẹp chặt để giảm tổn hao, rung và ồn. Dây quấn cao áp, hạ áp bằng đồng hoặc nhôm được thiết kế về điện, nhiệt và cơ; khoảng cách cách điện và kênh thông gió được tính toán phù hợp.

Vỏ bảo vệ không phải lúc nào cũng là bộ phận mặc định của máy; cấp bảo vệ IP và vật liệu vỏ được chọn theo vị trí lắp. Hệ thống có thể bổ sung cảm biến nhiệt, bộ điều khiển quạt, chống rung và giám sát.

3. Nguyên lý hoạt động của máy biến áp khô

Nguyên lý vẫn là cảm ứng điện từ như máy ngâm dầu. Điểm khác nằm ở hệ cách điện và đường truyền nhiệt. Vì không có dầu đối lưu quanh phần tác dụng, thiết kế kênh gió, cấp chịu nhiệt của vật liệu, tải và nhiệt độ môi trường đặc biệt quan trọng.

> > Tìm hiểu thêm:

• Khi nào nên dùng máy biến áp dầu?
• Máy biến áp dầu và máy biến áp khô khác nhau như thế nào?

4. Hai công nghệ phổ biến trong chế tạo máy biến áp khô

Máy biến áp khô đúc nhựa (cast resin, thường viết CRT) có dây quấn, thường là dây quấn cao áp, được đúc trong nhựa dưới điều kiện kiểm soát để tạo thành khối cách điện có độ bền cơ và khả năng chịu ẩm phù hợp với thiết kế.

Máy biến áp khô VPI (vacuum pressure impregnation) sử dụng dây quấn được tẩm vật liệu cách điện bằng quy trình chân không–áp lực, sau đó sấy hoặc đóng rắn theo quy trình công nghệ; dây quấn không được bao kín trong khối nhựa đúc như công nghệ cast resin.

Tên gọi phù hợp là máy biến áp khô đúc nhựa hoặc máy đúc nhựa đối với công nghệ cast resin; với công nghệ VPI có thể dùng tên máy biến áp khô VPI. Mỗi công nghệ có dải ứng dụng, khả năng chịu môi trường, sửa chữa, kích thước và chi phí khác nhau; lựa chọn phải dựa trên hồ sơ kỹ thuật cụ thể.

5. Ưu điểm và nhược điểm của máy biến áp khô

Ưu điểm nổi bật là không có nguy cơ rò dầu, giảm yêu cầu thu gom dầu và phù hợp lắp gần phụ tải trong công trình. Máy cũng thuận tiện kiểm tra trực quan và có thể dùng vật liệu khó cháy.

Hạn chế thường là giá đầu tư ban đầu cao hơn ở một số dải công suất, nhạy với bụi bẩn hoặc ẩm nếu cấp bảo vệ không phù hợp, yêu cầu thông gió tốt và có thể phát tiếng ồn đáng chú ý trong không gian kín. Việc quá tải phải theo đúng hướng dẫn nhiệt của thiết kế.

> > Tìm hiểu thêm:

• Vì sao máy biến áp phát ra tiếng ồn?
• Độ ồn của máy biến áp phụ thuộc vào yếu tố nào?

6. Ứng dụng và tiêu chí lựa chọn máy biến áp khô

• Tòa nhà, bệnh viện, sân bay, metro, trung tâm thương mại và trung tâm dữ liệu.
• Nhà máy có yêu cầu hạn chế dầu, khu vực cần sạch hoặc vị trí gần phụ tải.
• Chọn theo điện áp, dung lượng, tổn hao, cấp cách điện, cấp chịu nhiệt, các lớp môi trường/khí hậu/cháy, IP, độ ồn và phương thức làm mát.
• Đánh giá cả vòng đời: tổn hao, quạt, vệ sinh, không gian thông gió và khả năng thay thế.

> > Tìm hiểu thêm:

7. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng vận hành của máy biến áp khô

Hệ cách điện rắn và các cấp chịu nhiệt

Dây quấn máy khô làm việc trong một hệ cách điện gồm men dây, cách điện giữa các lớp, nhựa hoặc sơn tẩm, chi tiết đỡ và khoảng không khí. Cấp chịu nhiệt là đặc tính nhiệt của hệ vật liệu cách điện, không phải nhiệt độ dây quấn được phép duy trì thường xuyên. Nhiệt độ vận hành phải được xác định từ giới hạn độ tăng nhiệt, nhiệt độ môi trường, nhiệt độ điểm nóng, thiết kế cụ thể của máy và tiêu chuẩn áp dụng.

Nhiệt độ môi trường, độ cao và khả năng thông gió làm thay đổi biên nhiệt của máy. Ở nơi nóng, kín hoặc trên cao, khả năng tản nhiệt giảm và có thể phải hiệu chỉnh công suất hoặc dùng giải pháp làm mát phù hợp.

Các lớp môi trường, khí hậu và cháy

Đối với máy khô, hồ sơ kỹ thuật cần xác định các lớp môi trường, khí hậu và khả năng chịu cháy theo tiêu chuẩn áp dụng và yêu cầu của dự án. Các phân loại này phản ánh điều kiện ngưng tụ, ô nhiễm, nhiệt độ thấp và đặc tính cháy đã được đánh giá. Không nên sử dụng chung chung các cụm “chống ẩm”, “chống cháy” hoặc “chịu môi trường tốt” nếu không nêu rõ cấp phân loại và cơ sở thử nghiệm.

Cấp vỏ IP chỉ mô tả mức bảo vệ chống tiếp cận, vật rắn và nước ở vỏ; không thay thế các lớp môi trường/khí hậu. Vỏ kín hơn cũng có thể làm tản nhiệt khó hơn, nên cần phối hợp giữa IP, đường gió và công suất.

> > Tìm hiểu thêm: Vì sao nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ máy biến áp?

Làm mát AN và AF

AN là làm mát bằng không khí tự nhiên; AF sử dụng quạt cưỡng bức. Một số máy có thể được công bố hai cấp công suất tương ứng AN/AF, nhưng mức công suất AF chỉ được sử dụng khi quạt, nguồn cấp, điều khiển nhiệt, lưu lượng gió và điều kiện môi trường đáp ứng thiết kế của nhà sản xuất. Không nên coi quạt là biện pháp bù lâu dài cho máy được chọn thiếu công suất.

Bụi bám trên bề mặt và trong kênh thông gió vừa cản trở tản nhiệt vừa có thể làm giảm độ bền cách điện bề mặt. Kế hoạch vệ sinh phải căn cứ môi trường thực tế, thực hiện khi máy đã được cô lập và theo đúng phương pháp để không làm hỏng dây quấn.

> > Tìm hiểu thêm:

• Các phương pháp làm mát máy biến áp khô và dầu
  
• Tại sao máy biến áp cần hệ thống làm mát?

8. So sánh CRT và VPI sâu hơn trong máy biến áp khô

9. Bảo vệ và giám sát nhiệt máy biến áp khô

Cảm biến nhiệt thường được bố trí trong dây quấn để cảnh báo, điều khiển quạt và cắt máy theo các ngưỡng thiết kế. Ngưỡng không được đặt tùy ý; phải căn cứ cấp cách điện, vị trí cảm biến, độ tăng nhiệt và hướng dẫn nhà sản xuất. Cảm biến đo tại một vị trí đại diện, không phải lúc nào cũng bằng nhiệt độ điểm nóng thực.

Ngoài nhiệt, cần phối hợp bảo vệ quá dòng, ngắn mạch, chạm đất và quá điện áp. Chống sét van phải bố trí với dây nối ngắn, nối đất tốt và phù hợp mức cách điện của hệ thống.

10. Góc nhìn kỹ sư THIBIDI

Máy biến áp khô thường được chọn vì an toàn cháy và vị trí gần phụ tải, nhưng hiệu quả chỉ đạt được khi cả phòng máy được thiết kế đúng. Ngay cả một máy biến áp tốt, nếu đặt trong phòng nóng, bẩn hoặc có đường gió bị cản trở, vẫn có thể suy giảm nhanh.

THIBIDI khuyến nghị xem máy, vỏ bảo vệ, quạt, cảm biến, phòng máy và bảo vệ như một gói kỹ thuật thống nhất. Khi so sánh CRT và VPI, cần yêu cầu các giá trị bảo đảm và lớp môi trường cụ thể thay vì chọn theo tên công nghệ.

11. Tình huống đặt máy khô trong tầng kỹ thuật

Không gian tầng kỹ thuật thường hạn chế chiều cao, đường vận chuyển, thoát nhiệt và tiếng ồn. Một máy biến áp khô có kích thước lọt qua cửa nhưng không còn đủ khoảng cách hút–xả gió hoặc không thể rút cuộn dây khi sửa chữa vẫn là phương án chưa hoàn chỉnh. Cần kiểm tra tải sàn, chống rung, đường cáp, cảm biến nhiệt, quạt và khả năng đưa máy thay thế vào sau khi công trình hoàn thiện.

Nhiệt thải của máy biến áp khô phải được cộng vào cân bằng nhiệt phòng. Điều hòa tiện nghi không mặc nhiên phù hợp với phòng điện; mất nguồn điều hòa đúng lúc tải cao có thể làm nhiệt độ tăng nhanh. Giải pháp thông gió cần xét cả chế độ bình thường và sự cố.

> > Tìm hiểu thêm: 8 lỗi do lắp đặt máy biến áp sai yêu cầu kỹ thuật

12. Các sai lầm làm giảm độ tin cậy máy biến áp khô

• Chọn IP cao mà không tính giảm khả năng tản nhiệt.
• Đặt cửa hút và xả gió quá gần, làm không khí nóng tuần hoàn lại.
• Không vệ sinh bụi vì cho rằng máy khô “không cần bảo dưỡng”.
• Đặt ngưỡng quạt/cảnh báo/cắt không theo hướng dẫn nhà sản xuất.
• Để nước ngưng từ điều hòa hoặc đường ống phía trên máy.
• Dùng khí nén áp lực cao thổi trực tiếp làm bụi đi sâu hoặc hỏng bề mặt cách điện.

13. Checklist nghiệm thu máy biến áp khô

• Đối chiếu nhãn, bản vẽ, tổ đấu dây, nấc và khoảng cách cách điện.
• Kiểm tra tình trạng sạch, khô; dấu hiệu nứt, va đập; đầu nối, lực siết và  nối đất.
• Thử cảm biến nhiệt, bộ điều khiển, quạt, cảnh báo và lệnh cắt.
• Xác nhận chiều gió, không gian thông thoáng và nhiệt độ không khí vào.
• Thực hiện thử nghiệm điện theo kế hoạch và lưu số liệu gốc.
• Theo dõi nhiệt từng pha, dòng, tiếng ồn trong giai đoạn đầu mang tải.

14. Câu hỏi thường gặp (FAQ) về máy biến áp khô

14.1. Máy biến áp khô có hoàn toàn không cháy không?

Không nên diễn đạt tuyệt đối. Không có dầu giúp giảm một nguồn nhiên liệu cháy, nhưng vẫn phải thiết kế phòng cháy, bảo vệ điện và thông gió đúng quy định.

14.2. Máy khô có cần bảo dưỡng không?

Có. Cần vệ sinh bụi, kiểm tra đầu nối, thông gió, cảm biến nhiệt, độ ẩm, nứt bề mặt và thử nghiệm theo kế hoạch.

14.3. CRT và VPI loại nào tốt hơn?

Không có loại tốt hơn trong mọi trường hợp.  CRT và VPI có đặc tính khác nhau về khả năng chịu môi trường, kết cấu, sửa chữa và chi phí; lựa chọn cần dựa trên yêu cầu sử dụng và các giá trị bảo đảm cụ thể.

15. THIBIDI khuyến nghị

Lựa chọn và vận hành máy biến áp phải dựa trên phụ tải, điều kiện lưới, môi trường, tiêu chuẩn và yêu cầu an toàn của từng dự án. Nội dung bài mang tính hướng dẫn; thiết kế, lắp đặt, thử nghiệm và thao tác phải do người có chuyên môn thực hiện theo hồ sơ được phê duyệt.

————————————-

Tập thể tác giả THIBIDI:

1. Nguyễn Hữu Khôi – Giám đốc Kỹ thuật;
2. Nguyễn Anh Huy – Trưởng phòng Thiết kế;
3. Đinh Mạnh Hùng – Trưởng phòng Kỹ thuật;
4. Lê Xuân Sang – Trưởng phòng Dịch vụ khách hàng.

Nguồn tham khảo

• IEC 60076-1:2011 – Yêu cầu chung
• IEC 60076-11:2018 – Máy biến áp khô
• S. DOE – Electrical Science Handbook, Volume 2
• IEC 60076-3:2013+A1:2018 – Cách điện và thử điện môi
• IEC 60076-10:2016 – Xác định mức âm thanh
• IEC 60076-12:2008 – Hướng dẫn tải máy khô