Máy biến áp là xương sống thầm lặng của hệ thống điện hiện đại. Chúng cho phép truyền tải điện năng hiệu quả trên phạm vi rộng bằng cách tăng điện áp để truyền tải và hạ điện áp để phân phối và sử dụng. Nếu không có máy biến áp đáng tin cậy, sự ổn định của lưới điện, khả năng cung cấp điện hiệu quả và điều chỉnh điện áp trên toàn bộ mạng lưới phát điện, truyền tải và phân phối sẽ là điều không thể. Trong số các loại máy biến áp,  máy biến áp ngâm dầu  vẫn là giải pháp được sử dụng rộng rãi nhất cho các ứng dụng trung và cao áp nhờ độ tin cậy đã được chứng minh, khả năng chịu nhiệt cao và các tùy chọn thiết kế linh hoạt. Bài viết này xem xét định nghĩa và cấu trúc cơ bản của  máy biến áp ngâm dầu , giải thích các nguyên lý làm mát và cách điện của chúng, so sánh chúng với các lựa chọn thay thế loại khô, và khám phá các tình huống ứng dụng điển hình. 

Máy biến áp ngâm dầu là gì?

Máy biến áp ngâm dầu là máy biến áp điện có cuộn dây và lõi được ngâm trong bể dầu khoáng cách điện (hoặc các chất lỏng cách điện thay thế). Dầu thực hiện hai chức năng thiết yếu: cách điện và truyền nhiệt. Bằng cách bao quanh các cuộn dây dẫn điện và lõi từ, dầu làm tăng cường độ điện môi giữa các linh kiện và loại bỏ nhiệt sinh ra trong quá trình vận hành thông qua đối lưu và dẫn nhiệt đến thùng máy biến áp và các bề mặt làm mát bên ngoài. Các máy biến áp ngâm dầu điển hình có công suất từ vài trăm MVA cho các trạm biến áp lưới điện.

Các thành phần cấu trúc chính

Máy biến áp ngâm dầu là cụm lắp ráp được thiết kế gồm nhiều thành phần phụ thuộc lẫn nhau. Các bộ phận chính bao gồm:

Lõi từ (lõi sắt)

Lõi cung cấp đường dẫn từ trở thấp cho liên kết từ thông giữa các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Lõi thường được chế tạo từ các lớp thép điện định hướng vân xếp chồng lên nhau để giảm thiểu tổn thất dòng điện xoáy và tổn thất trễ. Thiết kế lõi (kiểu lõi so với kiểu vỏ) ảnh hưởng đến sự phân bố từ thông, điện kháng rò rỉ và hành vi ngắn mạch.

Cuộn dây (sơ cấp và thứ cấp)

Cuộn dây là các cuộn dây dẫn điện bằng đồng hoặc nhôm được sắp xếp để cung cấp tỷ lệ vòng dây cần thiết. Hình dạng của chúng (phân lớp, đĩa, xoắn ốc) được lựa chọn dựa trên mức điện áp, nhu cầu làm mát và khả năng chịu ngắn mạch. Cách điện giữa các vòng dây, các lớp và cuộn dây với lõi được thực hiện bằng giấy cách điện, ván ép và dầu cách điện.

Bể chứa và vỏ bọc

Bồn chứa là một bình thép kín, chứa lõi và cuộn dây, đồng thời chứa dầu cách điện. Bồn chứa có thể để nguyên hoặc được trang bị các rãnh và bộ tản nhiệt để tăng diện tích bề mặt làm mát bên ngoài. Đối với máy biến áp phân phối, bồn chứa nhỏ gọn là phổ biến; đối với máy biến áp công suất lớn, sử dụng bình chứa dầu riêng biệt, bộ tản nhiệt và đường ống dẫn dầu.

Dầu cách điện (dầu máy biến áp)

Theo truyền thống, dầu khoáng (dầu mỏ tinh chế) đóng vai trò là môi trường cách điện và làm mát. Các chất lỏng thay thế (este tổng hợp, este tự nhiên, chất lỏng silicon) đôi khi được sử dụng để cải thiện an toàn cháy nổ hoặc khả năng phân hủy sinh học. Độ tinh khiết, độ ẩm và cường độ điện môi của dầu được kiểm soát chặt chẽ thông qua quá trình lọc và thử nghiệm.

Phụ kiện và bảo vệ

Các thành phần phụ trợ bao gồm ống lót cho các kết nối điện áp cao, bình chứa (để giãn nở dầu), bộ phận thông hơi để kiểm soát độ ẩm xâm nhập, thiết bị giảm áp, bơm dầu (trong hệ thống dầu cưỡng bức), bộ tản nhiệt hoặc quạt ONAN/ONAF, bộ đổi đầu ra để điều chỉnh điện áp khi có tải hoặc không tải và thiết bị giám sát (đồng hồ đo nhiệt độ, rơ le khí trong dầu, cổng phân tích khí hòa tan (DGA)).

Nguyên lý làm mát và tản nhiệt trong máy biến áp ngâm dầu

Quản lý nhiệt là một yếu tố cốt lõi trong thiết kế vì tổn thất máy biến áp (tổn thất lõi và tổn thất tải) chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt. Hệ thống tản nhiệt hiệu quả duy trì nhiệt độ cuộn dây và cách điện trong giới hạn an toàn để ngăn ngừa lão hóa nhanh.

Sinh nhiệt

Tổn thất lõi:  do hiện tượng trễ từ và dòng điện xoáy trong lõi nhiều lớp; phần lớn không phụ thuộc vào tải và tỷ lệ thuận với điện áp và tần số được áp dụng.

Tổn thất đồng (tải):  Tổn thất I²R trong các cuộn dây tăng theo dòng điện tải.

Cơ chế truyền nhiệt

Dẫn nhiệt:  nhiệt di chuyển từ bề mặt cuộn nóng vào dầu xung quanh thông qua tiếp xúc trực tiếp.

Đối lưu tự nhiên:  dầu nóng trở nên loãng hơn và nổi lên, chảy về phía các bề mặt lạnh hơn (thành bể, bộ tản nhiệt); dầu lạnh hơn chìm xuống và tuần hoàn trở lại xung quanh các cuộn dây. Sự tuần hoàn này vận chuyển nhiệt ra khỏi khu vực cuộn dây.

Đối lưu cưỡng bức:  quạt hoặc máy bơm (trong hệ thống ONAF/OFWF) tăng tốc dòng chảy dầu để tăng khả năng truyền nhiệt khi đối lưu tự nhiên không đủ ở mức tải cao.

Bức xạ và đối lưu tại bề mặt bể:  nhiệt cuối cùng được tản ra không khí xung quanh từ bể và bộ tản nhiệt.

Phân loại làm mát

Tiêu chuẩn công nghiệp xác định các chế độ làm mát như ONAN (Dầu Tự Nhiên, Không Khí Tự Nhiên), ONAF (Dầu Tự Nhiên, Không Khí Cưỡng Bức), OFAF (Dầu Cưỡng Bức, Không Khí Cưỡng Bức) và OFWF (Dầu Cưỡng Bức, Nước Cưỡng Bức). Việc lựa chọn tùy thuộc vào công suất định mức, điều kiện môi trường và khả năng chịu quá tải yêu cầu.

Sự tương tác giữa cách nhiệt và nhiệt độ

Tuổi thọ của vật liệu cách điện phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ; một nguyên tắc chung là cứ mỗi lần nhiệt độ vận hành tăng 6–10°C thì tuổi thọ cách điện giảm gần một nửa. Do đó, làm mát bằng dầu là rất quan trọng để kéo dài tuổi thọ máy biến áp bằng cách kiểm soát nhiệt độ điểm nóng.

Ưu điểm so với máy biến áp khô

Máy biến áp ngâm dầu thường được ưa chuộng trong nhiều trường hợp vì sự kết hợp giữa hiệu suất điện, khả năng quản lý nhiệt và hiệu quả về chi phí. Những ưu điểm chính bao gồm:

Khả năng làm mát vượt trội

Dầu ngâm cung cấp khả năng tản nhiệt hiệu quả hơn không khí, cho phép khả năng chịu tải liên tục cao hơn và khả năng chịu quá tải ngắn hạn tốt hơn.

Độ bền điện môi cao hơn

Dầu lấp đầy các khoảng trống và cải thiện môi trường điện môi xung quanh các cuộn dây và cụm lõi, tăng biên độ điện áp đánh thủng và giảm nguy cơ phóng điện một phần.

Tính nhỏ gọn và hiệu quả về chi phí

Đối với một mức định mức nhất định, máy biến áp ngâm dầu thường có kích thước vật lý nhỏ hơn và chi phí sản xuất thấp hơn so với các thiết bị loại khô tương đương, đặc biệt là ở điện áp trung bình và cao.

Tuổi thọ dài hơn khi được bảo trì tốt

Bảo dưỡng, lọc và theo dõi dầu đúng cách (ví dụ: DGA) giúp phát hiện sớm các lỗi mới phát sinh và kéo dài tuổi thọ sử dụng.

Tính linh hoạt trong thiết kế

Các thiết bị ngâm trong dầu có thể được thiết kế cho bộ đổi nguồn có tải, công suất định mức lớn và các sơ đồ cách điện chuyên dụng cho các ứng dụng lưới điện đòi hỏi khắt khe.

Tuy nhiên, điều quan trọng là phải thừa nhận những đánh đổi: máy biến áp ngâm dầu có nguy cơ cháy nổ cao hơn nếu sử dụng dầu khoáng, đòi hỏi phải xử lý dầu và bảo vệ môi trường, và có thể cần cơ sở hạ tầng tại chỗ nghiêm ngặt hơn. Trong các môi trường có yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn cháy nổ—chẳng hạn như không gian trong nhà kín, hầm mỏ hoặc tòa nhà cao tầng—máy biến áp loại khô hoặc chất lỏng thay thế (như este tự nhiên) có thể được ưu tiên.

Các tình huống ứng dụng điển hình

Máy biến áp ngâm dầu được triển khai trong nhiều lĩnh vực đòi hỏi độ tin cậy cao và quản lý nhiệt hiệu quả. Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm:

Trạm biến áp truyền tải và phân phối

Máy biến áp công suất lớn (HV/MV) trong các trạm biến áp hầu như luôn được ngâm trong dầu do công suất cao và cần làm mát hiệu quả cũng như điều chỉnh điện áp.

Hệ thống điện công nghiệp

Các ngành công nghiệp nặng (thép, hóa dầu, xi măng, khai thác mỏ) cần máy biến áp mạnh mẽ cho động cơ lớn và tải trọng quy trình; thiết kế ngâm trong dầu xử lý tải trọng cao và ứng suất tạm thời một cách hiệu quả.

Tích hợp năng lượng tái tạo và kết nối lưới điện

Các trang trại gió và nhà máy điện mặt trời sử dụng máy biến áp ngâm dầu tại các điểm thu gom trung tâm và trạm tăng áp để kết nối với lưới truyền tải.

Mạng lưới phân phối tiện ích

Máy biến áp phân phối lắp trên cột hoặc trên đế phục vụ cho khu dân cư và thương mại thường sử dụng dầu để đảm bảo tính nhỏ gọn và hiệu suất nhiệt.

Nền tảng biển và ngoài khơi

Máy biến áp ngâm dầu được thiết kế đặc biệt (có chất lỏng chống cháy khi cần thiết) được sử dụng cho hệ thống điện trên tàu và ngoài khơi.

Trung tâm dữ liệu và các cơ sở thương mại lớn

Khi không gian, hiệu quả và độ tin cậy là quan trọng, các thiết bị ngâm trong dầu được sử dụng—đôi khi có thêm các biện pháp an toàn phòng cháy chữa cháy hoặc chất lỏng thay thế để đáp ứng các quy định tại địa phương.

Kết luận và khuyến nghị

Máy biến áp ngâm dầu tiếp tục là nền tảng của việc cung cấp điện đáng tin cậy trong các lĩnh vực tiện ích, công nghiệp và thương mại. Khả năng quản lý nhiệt hiệu quả, khả năng cách điện mạnh mẽ và các tùy chọn thiết kế linh hoạt khiến chúng trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng công suất trung bình và cao. Việc triển khai thành công không chỉ phụ thuộc vào thiết kế ban đầu mà còn vào việc bảo trì nghiêm ngặt, giám sát tình trạng và, nếu cần, lựa chọn chất lỏng cách điện hiện đại và công nghệ giám sát