Bên trong máy biến áp dầu: cấu tạo và nguyên lý vận hành

Máy biến áp dầu (hay máy biến thế ngâm dầu) là một thiết bị điện không thể thiếu trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng. Chúng thường được bắt gặp tại các trạm biến áp hoặc trên cột điện, giữ vai trò quan trọng trong việc tăng hoặc giảm điện áp để phù hợp với nhu cầu sử dụng. Tuy nhiên, ít ai biết được cấu tạo phức tạp và nguyên lý hoạt động thông minh ẩn sâu bên trong chiếc thùng kim loại khổng lồ đó. Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn chi tiết và dễ hiểu về tất cả những bí mật bên trong máy biến áp dầu, giúp bạn có thêm kiến thức về một trong những thiết bị điện quan trọng nhất hiện nay.

1. Máy biến áp dầu là gì? Tại sao cần tìm hiểu cấu tạo của nó?

Máy biến áp dầu, hay còn gọi là máy biến áp ngâm dầu, là loại máy biến áp sử dụng dầu khoáng đặc biệt vừa làm mát vừa cách điện cho các cuộn dây và lõi thép bên trong. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc tăng hoặc giảm điện áp xoay chiều, giúp truyền tải điện năng đi xa hiệu quả hoặc hạ áp xuống mức phù hợp cho phụ tải tiêu thụ.

Vậy, tại sao việc tìm hiểu máy biến áp dầu cấu tạo lại quan trọng đến vậy?

• Hiểu nguyên lý hoạt động: Nắm vững cấu tạo giúp lý giải cách thức máy biến áp vận hành, chuyển đổi năng lượng điện.
• Vận hành an toàn: Biết rõ từng bộ phận và chức năng giúp người vận hành tuân thủ quy trình, tránh sự cố đáng tiếc.
• Bảo trì, sửa chữa hiệu quả: Khi có sự cố, việc hiểu cấu tạo giúp khoanh vùng, chẩn đoán và sửa chữa nhanh chóng, chính xác.
• Lựa chọn tối ưu: Am hiểu cấu tạo giúp đưa ra quyết định mua sắm thông minh, lựa chọn sản phẩm phù hợp với nhu cầu và ngân sách từ các nhà sản xuất uy tín như Thibidi, Shihlin, MBT, HBT.

2. Các thành phần chính trong cấu tạo máy biến áp dầu

Một chiếc máy biến áp dầu tiêu chuẩn, dù là máy biến áp 3 pha hay 1 pha, thường bao gồm các bộ phận cốt lõi sau đây. Mỗi thành phần đều có vai trò riêng, phối hợp nhịp nhàng để đảm bảo máy hoạt động ổn định và hiệu quả.

Lõi thép (Lõi từ – Magnetic Core)

Lõi thép là bộ phận dẫn từ chính của máy biến áp, có nhiệm vụ tạo ra một mạch từ khép kín để từ thông do cuộn sơ cấp sinh ra có thể đi qua và cảm ứng sang cuộn thứ cấp.

• Vật liệu: Thường được làm từ các lá thép kỹ thuật điện ( tôn silic) có độ từ thẩm cao, tổn hao trễ và tổn hao xoáy thấp. Các lá thép này rất mỏng (thường từ 0.3mm – 0.5mm), được sơn cách điện ở hai mặt rồi ghép lại với nhau thành trụ và gông.
• Chức năng: Tập trung và dẫn từ thông, giảm tổn hao năng lượng do từ trễ và dòng điện xoáy (Foucault).
• Hình dạng: Có thể là dạng EI, UI (cho máy nhỏ) hoặc trụ tròn, chữ thập (cho máy công suất lớn).

“Chất lượng của lõi thép ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tổn hao không tải của máy biến áp. Việc lựa chọn vật liệu và kỹ thuật gia công lõi thép là yếu tố then chốt mà các nhà sản xuất như Thibidi, Shihlin luôn chú trọng.” – Ông Phan Thanh Lâm, Kỹ sư Điện cao cấp.

Việc ghép các lá thép mỏng giúp giảm đáng kể tổn hao do dòng Fuco, một yếu tố quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của máy biến áp dầu cấu tạo.

Cuộn dây (Bối dây – Windings)

Cuộn dây là thành phần trực tiếp thực hiện chức năng biến đổi điện áp. Máy biến áp thường có ít nhất hai cuộn dây: cuộn sơ cấp (nhận năng lượng vào) và cuộn thứ cấp (cung cấp năng lượng ra).

• Vật liệu: Thường được làm bằng đồng hoặc nhôm có độ tinh khiết cao, tiết diện tròn hoặc chữ nhật, được bọc cách điện bằng giấy cách điện chuyên dụng hoặc men cách điện.
• Phân loại:
  • Cuộn sơ cấp (Primary Winding): Nối với nguồn điện vào.
  • Cuộn thứ cấp (Secondary Winding): Nối với tải tiêu thụ.
  • Có thể có thêm cuộn dây điều chỉnh điện áp (cuộn tam giác hoặc cuộn ổn định).
• Cách bố trí: Các cuộn dây được lồng vào trụ từ của lõi thép, cách điện với lõi thép và cách điện giữa các cuộn dây với nhau. Cách bố trí phổ biến là cuộn hạ áp ở trong (gần lõi thép), cuộn cao áp ở ngoài để dễ dàng cách điện và đấu nối đầu ra.

Vỏ máy (Thùng máy – Tank)

Vỏ máy hay thùng máy biến áp có chức năng chứa toàn bộ phần ruột máy (lõi thép, cuộn dây) và dầu biến áp.

• Vật liệu: Thường làm bằng thép tấm, được hàn chắc chắn, đảm bảo độ kín và chịu được áp lực của dầu khi nhiệt độ thay đổi. Bên ngoài được sơn tĩnh điện chống gỉ và tăng tính thẩm mỹ.
• Thiết kế:
  • Thùng phẳng: Cho máy công suất nhỏ.
  • Thùng có cánh tản nhiệt: Cho máy công suất trung bình và lớn, giúp tăng diện tích tiếp xúc với không khí, cải thiện khả năng làm mát tự nhiên (ONAN). Một số máy lớn hơn có thể có quạt thổi cưỡng bức (ONAF).
• Các bộ phận trên vỏ máy: Nắp thùng, các đầu sứ xuyên đưa đầu dây ra ngoài, van xả dầu, van nạp dầu, tai nâng, vị trí bắt bu lông tiếp địa.

Dầu biến áp (Dầu cách điện – Transformer Oil)

Dầu biến áp là một thành phần cực kỳ quan trọng trong máy biến áp dầu cấu tạo. Nó thực hiện hai chức năng chính:

• Cách điện: Ngăn ngừa phóng điện giữa các cuộn dây, giữa cuộn dây với lõi thép và vỏ máy. Dầu có độ bền cách điện cao hơn không khí rất nhiều.
• Làm mát: Dẫn nhiệt từ lõi thép và cuộn dây ra vỏ máy, sau đó tản ra môi trường xung quanh. Dầu có khả năng truyền nhiệt tốt và đối lưu tự nhiên.

Các yêu cầu đối với dầu biến áp:

• Độ bền cách điện cao.
• Độ nhớt thấp để dễ lưu thông.
• Điểm chớp cháy cao để đảm bảo an toàn.
• Không bị oxy hóa hoặc tạo cặn ở nhiệt độ làm việc.
• Không chứa tạp chất, nước.

Hiện nay, các loại dầu khoáng tinh chế là phổ biến nhất. Một số loại dầu tổng hợp hoặc dầu thực vật Ester cũng đang được nghiên cứu và ứng dụng với ưu điểm thân thiện môi trường hơn.

Bình giãn dầu (Bình dầu phụ – Conservator Tank)

Đối với các máy biến áp dầu công suất trung bình và lớn, bình giãn dầu là một bộ phận không thể thiếu.

• Vị trí: Được đặt ở vị trí cao hơn thùng dầu chính và nối với thùng chính bằng một ống dẫn.
• Chức năng:
  • Chứa lượng dầu giãn nở do nhiệt độ tăng khi máy hoạt động, tránh làm tăng áp suất quá mức trong thùng chính.
  • Đảm bảo thùng chính luôn đầy dầu, hạn chế dầu tiếp xúc trực tiếp với không khí, giảm quá trình oxy hóa và hấp thụ ẩm.
• Cấu tạo: Bên trong bình giãn dầu có thể có túi cao su đàn hồi (bladder) hoặc không. Có bộ chỉ thị mức dầu và ống thở lắp kèm hạt hút ẩm (Silicagel) để lọc hơi ẩm từ không khí trước khi vào bình.

Sứ xuyên (Bushings)

Sứ xuyên là các bộ phận cách điện dùng để đưa các đầu dây của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp từ bên trong thùng máy ra ngoài không khí để kết nối với lưới điện hoặc phụ tải.

• Vật liệu: Thường làm bằng sứ gốm hoặc vật liệu composite có độ bền cách điện cao và chịu được điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
• Thiết kế: Kích thước và hình dạng của sứ xuyên phụ thuộc vào cấp điện áp của máy. Sứ cao áp thường có kích thước lớn hơn và nhiều tán hơn để tăng chiều dài đường rò, chống phóng điện bề mặt.
• Lắp đặt: Được lắp kín trên nắp thùng hoặc thành thùng máy.

Bộ điều chỉnh điện áp (Tap Changer – Nếu có)

Một số máy biến áp, đặc biệt là máy biến áp truyền tải hoặc phân phối lớn, được trang bị bộ điều chỉnh điện áp (OLTC – On-Load Tap Changer hoặc NLTC – No-Load Tap Changer).

• Chức năng: Thay đổi tỷ số biến áp bằng cách thay đổi số vòng dây hoạt động của một trong các cuộn dây (thường là cuộn cao áp). Điều này cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra ổn định khi điện áp đầu vào hoặc tải thay đổi.
• OLTC: Có thể thay đổi nấc phân áp khi máy đang mang tải.
• NLTC: Phải cắt điện máy biến áp trước khi thay đổi nấc phân áp.

Các thiết bị bảo vệ và phụ kiện khác

Để đảm bảo an toàn và theo dõi tình trạng hoạt động, máy biến áp dầu cấu tạo còn bao gồm nhiều thiết bị phụ trợ:

• Rơ le gas (Buchholz Relay): Lắp trên ống nối giữa thùng chính và bình giãn dầu. Phát hiện sự cố bên trong máy thông qua việc tích tụ khí hoặc dòng dầu chảy mạnh, gửi tín hiệu cảnh báo hoặc cắt máy.
• Van an toàn (Pressure Relief Valve): Tự động xả áp suất khi áp suất trong thùng dầu tăng quá cao, tránh nổ thùng.
• Bộ chỉ thị mức dầu (Oil Level Indicator): Cho biết mức dầu trong thùng chính và bình giãn dầu.
• Đồng hồ đo nhiệt độ dầu, nhiệt độ cuộn dây: Theo dõi nhiệt độ các bộ phận quan trọng.
• Bộ làm mát: Ngoài cánh tản nhiệt tự nhiên, các máy lớn có thể có bơm dầu tuần hoàn cưỡng bức (OFAF, OFWF, ODAF, ODWF) và quạt gió hoặc hệ thống trao đổi nhiệt nước.
• Bánh xe di chuyển: Giúp dễ dàng vận chuyển và lắp đặt.

“Việc trang bị đầy đủ các thiết bị bảo vệ và giám sát không chỉ đảm bảo an toàn cho máy biến áp mà còn cho cả hệ thống điện. Đây là tiêu chuẩn mà các sản phẩm của MBT và HBT luôn tuân thủ.” – Ông Huỳnh Tuấn Tú – Chuyên gia An toàn Điện.

3. Nguyên lý hoạt động cơ bản dựa trên cấu tạo máy biến áp dầu

Khi đặt một điện áp xoay chiều vào cuộn sơ cấp, dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp sinh ra một từ thông biến thiên trong lõi thép. Do mạch từ khép kín, hầu hết từ thông này đi qua cuộn thứ cấp và cảm ứng trong cuộn thứ cấp một sức điện động xoay chiều.

• Nếu số vòng dây cuộn thứ cấp (N2) lớn hơn số vòng dây cuộn sơ cấp (N1), máy biến áp là máy tăng áp (U2 > U1).
• Nếu N2 < N1, máy biến áp là máy hạ áp (U2 < U1).

Tỷ số biến áp K = U1/U2 ≈ N1/N2 ≈ I2/I1.

Dầu biến áp trong quá trình này đóng vai trò tản nhiệt do tổn hao đồng trong cuộn dây và tổn hao sắt trong lõi thép, đồng thời cách điện giữa các phần tử mang điện.

4. Tầm quan trọng của việc hiểu rõ máy biến áp dầu cấu tạo trong vận hành và bảo trì

Hiểu biết sâu sắc về máy biến áp dầu cấu tạo mang lại nhiều lợi ích thiết thực:

• Lắp đặt đúng kỹ thuật: Biết vị trí các đầu đấu nối, yêu cầu về khoảng cách an toàn, tiếp địa.
• Vận hành an toàn: Theo dõi các thông số quan trọng như nhiệt độ, mức dầu, tiếng kêu bất thường dựa trên hiểu biết về từng bộ phận.
• Phát hiện sớm sự cố: Nhận biết dấu hiệu bất thường của rơ le gas, van an toàn, sự thay đổi màu sắc silicagel.
• Bảo trì định kỳ hiệu quả: Biết các hạng mục cần kiểm tra (chất lượng dầu, độ kín thùng, tình trạng sứ xuyên, hoạt động của bộ làm mát…).
• Tối ưu hóa tuổi thọ thiết bị: Vận hành và bảo dưỡng đúng cách giúp kéo dài thời gian sử dụng máy biến áp.

5. Ứng dụng thực tế của máy biến áp dầu

Máy biến áp dầu được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

• Hệ thống điện: Tại các trạm biến áp, máy biến áp dầu làm nhiệm vụ tăng áp để truyền tải điện năng đi xa, hoặc hạ áp để phân phối đến các khu dân cư và nhà máy.
• Khu công nghiệp và nhà máy: Cung cấp nguồn điện ổn định, phù hợp với công suất của các thiết bị sản xuất.
• Các tòa nhà, khu đô thị: Lắp đặt tại các trạm biến áp riêng để phục vụ nhu cầu điện của một khu vực nhất định.

6. Những lưu ý khi lựa chọn và sử dụng

Khi lựa chọn và sử dụng máy biến áp dầu, bạn cần lưu ý:

• Chọn đúng công suất: Lựa chọn máy biến áp có công suất phù hợp với nhu cầu sử dụng để đảm bảo hiệu quả và tránh lãng phí.
• Vị trí lắp đặt: Lắp đặt máy biến áp ở nơi thoáng mát, khô ráo, tránh ánh nắng trực tiếp và các nguồn nhiệt cao.
• Bảo trì định kỳ: Thường xuyên kiểm tra chất lượng dầu, rơle bảo vệ và các phụ kiện khác để phát hiện sớm các sự cố tiềm ẩn.

7. Máy biến áp dầu từ các thương hiệu uy tín: Thibidi, Shihlin, MBT, HBT

Trên thị trường Việt Nam, các thương hiệu máy biến áp như Thibidi (Tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh), Shihlin (Đài Loan, có nhà máy tại Việt Nam), MBT (Máy biến áp Hà Nội), và HBT (Công ty Cổ phần Chế tạo Biến thế và Vật liệu điện Hà Nội) là những cái tên quen thuộc và được tin dùng.

Các sản phẩm từ những thương hiệu này đều có máy biến áp dầu cấu tạo tuân thủ các tiêu chuẩn quốc gia (TCVN) và quốc tế (IEC), đảm bảo chất lượng, hiệu suất và độ bền cao. Khi lựa chọn, người dùng thường cân nhắc đến uy tín thương hiệu, công nghệ sản xuất, dịch vụ hậu mãi và giá cả. Việc hiểu rõ cấu tạo giúp bạn dễ dàng so sánh và đưa ra lựa chọn phù hợp nhất.

Kết luận

Máy biến áp dầu cấu tạo là một tổ hợp phức tạp nhưng vô cùng khoa học của nhiều bộ phận, mỗi bộ phận đều giữ một vai trò thiết yếu. Từ lõi thép, cuộn dây, vỏ máy, dầu biến áp cho đến các thiết bị phụ trợ, tất cả cùng nhau tạo nên một cỗ máy mạnh mẽ, đáng tin cậy, phục vụ đắc lực cho ngành năng lượng. Hy vọng qua bài viết này, bạn đã có cái nhìn chi tiết và sâu sắc hơn về cấu tạo của máy biến áp dầu, từ đó thêm trân trọng và biết cách sử dụng, bảo quản thiết bị quan trọng này một cách tốt nhất. Nếu bạn cần tư vấn thêm về các loại máy biến áp dầu cụ thể hoặc giải pháp cho hệ thống điện của mình, đừng ngần ngại liên hệ với các chuyên gia của chúng tôi.

FAQ – Câu hỏi thường gặp

• Máy biến áp dầu cấu tạo gồm những bộ phận chính nào?
  Máy biến áp dầu cấu tạo gồm các bộ phận chính: Lõi thép (lõi từ), cuộn dây (bối dây), vỏ máy (thùng máy), dầu biến áp (dầu cách điện), bình giãn dầu (nếu có), sứ xuyên, và các thiết bị bảo vệ, phụ kiện khác.
• Tại sao lõi thép máy biến áp dầu lại được ghép từ nhiều lá thép mỏng?
  Lõi thép được ghép từ nhiều lá thép kỹ thuật điện mỏng, có sơn cách điện giữa các lá, nhằm giảm thiểu tổn hao năng lượng do dòng điện xoáy (dòng Foucault) gây ra, từ đó nâng cao hiệu suất của máy biến áp.
• Dầu trong máy biến áp có tác dụng gì?
  Dầu trong máy biến áp có hai tác dụng chính: cách điện giữa các cuộn dây, giữa cuộn dây và lõi thép/vỏ máy; và làm mát, tản nhiệt sinh ra từ lõi thép và cuộn dây ra môi trường xung quanh.
• Bình giãn dầu (bình dầu phụ) có vai trò như thế nào trong cấu tạo máy biến áp dầu?
  Bình giãn dầu cho phép dầu biến áp giãn nở khi nhiệt độ tăng mà không làm tăng áp suất quá mức trong thùng chính, đồng thời đảm bảo thùng chính luôn đầy dầu và hạn chế dầu tiếp xúc với không khí.
• Sứ xuyên (bushings) dùng để làm gì?
  Sứ xuyên là các chi tiết cách điện, dùng để đưa các đầu cực của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp từ bên trong thùng máy biến áp dầu ra ngoài không khí một cách an toàn để kết nối với lưới điện hoặc tải.
• Các thương hiệu máy biến áp dầu nào uy tín tại Việt Nam?
  Một số thương hiệu máy biến áp dầu uy tín tại Việt Nam bao gồm Thibidi, Shihlin, MBT, HBT. Các thương hiệu này cung cấp sản phẩm đa dạng, đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng cao.
• Làm thế nào để phân biệt máy biến áp dầu và máy biến áp khô dựa trên cấu tạo?
  Máy biến áp dầu sử dụng dầu để làm mát và cách điện, có thùng chứa dầu và thường có cánh tản nhiệt hoặc bình giãn dầu. Máy biến áp khô sử dụng không khí hoặc nhựa đúc (cast resin) để cách điện và làm mát, không có dầu, thiết kế thường gọn hơn.