Máy biến áp lực: khám phá cấu tạo và các bộ phận chính

Máy biến áp lực là một trong những thiết bị điện quan trọng nhất trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng. Chúng đóng vai trò cốt lõi trong việc thay đổi điện áp xoay chiều, giúp điện được truyền đi xa hiệu quả và sau đó hạ áp để phù hợp với nhu cầu sử dụng của các hộ gia đình, nhà máy. Để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động và tầm quan trọng của chúng, chúng ta cần “khám phá” sâu hơn về cấu tạo và các bộ phận chính làm nên một chiếc máy biến áp lực hoàn chỉnh.

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

Máy biến áp lực (Power Transformer) là một thiết bị điện từ tĩnh, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều từ cấp này sang cấp khác mà vẫn giữ nguyên tần số. Chúng thường có công suất lớn, được sử dụng trong các mạng lưới truyền tải và phân phối điện năng quốc gia hoặc trong các nhà máy công nghiệp nặng.

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

• Lựa chọn tối ưu: Hiểu rõ từng bộ phận giúp bạn đánh giá và chọn lựa máy biến áp từ các nhà sản xuất như Thibidi, Shihlin, MBT, hay HBT một cách thông thái, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và ngân sách.
• Vận hành an toàn: Nắm được cấu tạo giúp nhận diện sớm các dấu hiệu bất thường, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời, đảm bảo an toàn cho hệ thống và con người.
• Bảo trì hiệu quả: Biết rõ “bên trong” máy biến áp giúp công tác bảo trì, bảo dưỡng được thực hiện đúng cách, kéo dài tuổi thọ thiết bị.
• Nâng cao kiến thức chuyên môn: Đối với những người làm trong ngành điện, đây là kiến thức nền tảng không thể thiếu.

“Lõi thép và dây quấn chính là linh hồn của máy biến áp lực. Chất lượng của hai bộ phận này quyết định trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ của máy.” – Ông Đinh Văn Nghiệp – chuyên gia kỹ thuật điện với hơn 20 năm kinh nghiệm trong ngành máy biến áp.

2. Đi sâu vào máy biến áp: các bộ phận chính yếu

Một máy biến áp lực điển hình, dù là máy biến áp dầu hay máy biến áp khô, về cơ bản đều bao gồm các thành phần cốt lõi. Dưới đây là chi tiết về máy biến áp lực cấu tạo với các bộ phận không thể thiếu:

Lõi thép (Magnetic Core): trái tim từ tính

Lõi thép, hay còn gọi là mạch từ, là bộ phận dẫn từ thông chính của máy biến áp. Nó có nhiệm vụ tập trung và dẫn truyền từ thông được tạo ra bởi dòng điện trong cuộn dây sơ cấp sang cuộn dây thứ cấp.

• Vật liệu: Thường được làm từ các lá thép kỹ thuật điện ( tôn silic) có tính năng từ thẩm cao, tổn hao trễ và tổn hao dòng xoáy (Foucault) thấp. Các lá thép này rất mỏng (khoảng 0.23mm – 0.5mm), được phủ một lớp cách điện mỏng trên bề mặt rồi ghép lại với nhau.
• Cấu trúc: Có thể là kiểu trụ (core type) hoặc kiểu bọc (shell type), tùy thuộc vào thiết kế và công suất của máy. Việc ghép các lá thép xen kẽ hoặc theo kiểu chồng mí chéo giúp giảm khe hở không khí, tối ưu hóa đường đi của từ thông và giảm tổn hao.
• Chức năng: Tạo ra một mạch khép kín cho từ thông, đảm bảo sự liên kết từ hiệu quả giữa các cuộn dây.

Chất lượng của lõi thép ảnh hưởng trực tiếp đến tổn hao không tải (tổn hao sắt) của máy biến áp.

Dây quấn (Windings): con đường dẫn truyền năng lượng

Dây quấn là bộ phận trực tiếp thực hiện việc biến đổi điện áp. Máy biến áp lực thường có ít nhất hai cuộn dây: cuộn sơ cấp (nhận năng lượng vào) và cuộn thứ cấp (cung cấp năng lượng ra). Máy biến áp 3 pha sẽ có 3 bộ dây quấn cho mỗi pha.

• Vật liệu: Thường được làm bằng đồng hoặc nhôm. Đồng có điện trở suất thấp hơn, dẫn điện tốt hơn và chịu được nhiệt độ cao hơn nhưng đắt hơn nhôm. Nhôm nhẹ hơn và rẻ hơn nhưng cần tiết diện lớn hơn cho cùng một dòng điện.
• Cấu tạo: Các cuộn dây được quấn quanh lõi thép và cách điện với nhau cũng như với lõi thép. Tiết diện dây và số vòng dây của mỗi cuộn phụ thuộc vào điện áp và dòng điện định mức của máy.
  • Cuộn dây cao áp (HV): Thường có nhiều vòng dây với tiết diện nhỏ hơn.
  • Cuộn dây hạ áp (LV): Thường có ít vòng dây hơn với tiết diện lớn hơn.
• Cách điện dây quấn: Sử dụng giấy cách điện đặc biệt (giấy Nomex, giấy Kraft tẩm dầu) hoặc men cách điện để đảm bảo không xảy ra phóng điện giữa các vòng dây hoặc giữa các lớp dây.

Tổn hao trong dây quấn (tổn hao đồng) phụ thuộc vào điện trở của dây và bình phương dòng điện chạy qua.

Vỏ máy (Tank/Enclosure): lớp áo giáp bảo vệ

Vỏ máy là phần bao bọc bên ngoài, có chức năng chính là bảo vệ các bộ phận bên trong (lõi thép, dây quấn) khỏi các tác động cơ học và điều kiện môi trường.

• Đối với máy biến áp dầu: Vỏ máy (thùng dầu) chứa dầu cách điện và các bộ phận hoạt động. Thường được làm bằng thép tấm, có kết cấu vững chắc để chịu được áp suất dầu và các lực tác động. Nắp thùng thường có các lỗ để lắp sứ xuyên, bộ chỉ thị mức dầu, van an toàn, ống phòng nổ.
• Đối với máy biến áp khô: Vỏ máy thường có kết cấu thông thoáng hơn để tản nhiệt tự nhiên hoặc cưỡng bức bằng quạt, làm bằng kim loại hoặc vật liệu composite. Mục đích chính là bảo vệ cơ học và ngăn chặn tiếp xúc trực tiếp với các phần mang điện.

Hệ thống cách điện: đảm bảo an toàn vận hành

Cách điện là yếu tố sống còn trong máy biến áp lực cấu tạo, đảm bảo an toàn và độ tin cậy vận hành. Nó ngăn chặn sự phóng điện giữa các bộ phận mang điện với nhau và với các bộ phận không mang điện (vỏ máy, lõi thép).

• Cách điện rắn: Giấy cách điện, bìa cách điện, gỗ ép tẩm dầu, sứ, nhựa epoxy (trong máy biến áp khô).
• Cách điện lỏng: Chủ yếu là dầu khoáng (dầu biến áp) trong máy biến áp dầu. Dầu có tác dụng kép: cách điện và làm mát. Hiện nay, một số loại dầu cách điện sinh học, thân thiện với môi trường cũng đang được sử dụng.
• Cách điện khí: Không khí hoặc khí SF6 (Sulfur Hexafluoride) trong một số loại máy biến áp đặc biệt.

Mức độ cách điện phải được thiết kế phù hợp với cấp điện áp của máy.

Hệ thông làm mát: duy trì nhiệt độ lý tưởng

Trong quá trình hoạt động, máy biến áp sinh nhiệt do tổn hao sắt và tổn hao đồng. Hệ thống làm mát giúp tản nhiệt này ra môi trường, giữ cho nhiệt độ các bộ phận bên trong không vượt quá giới hạn cho phép, đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất của máy.

• Máy biến áp dầu:
  • ONAN (Oil Natural Air Natural): Dầu đối lưu tự nhiên, không khí đối lưu tự nhiên qua các cánh tản nhiệt.
  • ONAF (Oil Natural Air Forced): Dầu đối lưu tự nhiên, không khí được thổi cưỡng bức qua các cánh tản nhiệt bằng quạt.
  • OFAF (Oil Forced Air Forced): Dầu được bơm tuần hoàn cưỡng bức qua bộ làm mát, không khí được thổi cưỡng bức.
  • OFWF (Oil Forced Water Forced): Dầu được bơm tuần hoàn cưỡng bức qua bộ trao đổi nhiệt làm mát bằng nước.
• Máy biến áp khô:
  • AN (Air Natural): Làm mát tự nhiên bằng không khí.
  • AF (Air Forced): Làm mát cưỡng bức bằng quạt thổi không khí.

Việc lựa chọn hệ thống làm mát phụ thuộc vào công suất máy, điều kiện lắp đặt và yêu cầu vận hành.

Các phụ kiện quan trọng khác

Ngoài các bộ phận chính kể trên, máy biến áp lực cấu tạo còn bao gồm nhiều phụ kiện quan trọng khác:

• Sứ xuyên (Bushings): Dùng để đưa các đầu dây của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp ra khỏi vỏ máy mà vẫn đảm bảo cách điện an toàn. Có sứ xuyên cao áp và sứ xuyên hạ áp.
• Bộ điều chỉnh điện áp (Tap Changer): Cho phép thay đổi tỉ số biến đổi của máy biến áp bằng cách thay đổi số vòng dây hoạt động ở một hoặc cả hai cuộn dây. Có hai loại chính:
  • Bộ điều chỉnh không tải (Off-Load Tap Changer – OLTC): Điều chỉnh khi máy biến áp đã được cắt điện.
  • Bộ điều chỉnh dưới tải (On-Load Tap Changer – OLTC): Điều chỉnh khi máy biến áp đang mang tải, phức tạp và đắt tiền hơn.
• Bình dầu phụ (Conservator Tank): Chỉ có ở máy biến áp dầu, là một thùng dầu nhỏ đặt phía trên thùng dầu chính, nối với thùng chính bằng một ống. Nhiệm vụ của nó là chứa phần dầu giãn nở do nhiệt độ thay đổi, đảm bảo thùng dầu chính luôn đầy dầu và hạn chế dầu tiếp xúc với không khí.
• Rơ le gas (Buchholz Relay): Thiết bị bảo vệ quan trọng cho máy biến áp dầu, lắp trên ống nối giữa thùng dầu chính và bình dầu phụ. Nó phát hiện các sự cố bên trong máy như ngắn mạch giữa các vòng dây, hồ quang điện, dựa trên sự tích tụ khí hoặc dòng dầu đột ngột.
• Van an toàn (Pressure Relief Device): Giải phóng áp suất dư thừa trong thùng dầu khi có sự cố, tránh nổ thùng.
• Bộ chỉ thị mức dầu, nhiệt kế, ẩm kế: Theo dõi tình trạng dầu và nhiệt độ máy.

3. Sự khác biệt trong cấu tạo của máy biến áp dầu và khô

Máy biến áp dầu Amorphous.

Mặc dù có nhiều điểm chung về nguyên lý và các bộ phận cốt lõi như lõi thép, dây quấn, sự khác biệt chính trong máy biến áp lực cấu tạo giữa loại dầu và loại khô nằm ở hệ thống cách điện và làm mát:

• Máy biến áp dầu: Sử dụng dầu khoáng làm môi chất cách điện chính và tản nhiệt. Cấu tạo phức tạp hơn với thùng dầu, bình dầu phụ, hệ thống làm mát bằng cánh tản nhiệt hoặc bộ làm mát dầu.
• Máy biến áp khô: Sử dụng không khí hoặc nhựa epoxy đúc làm môi chất cách điện. Dây quấn thường được đúc trong chân không bằng nhựa epoxy. Hệ thống làm mát đơn giản hơn, thường là làm mát tự nhiên hoặc cưỡng bức bằng quạt.

Việc lựa chọn giữa máy biến áp dầu và khô phụ thuộc vào nhiều yếu tố như môi trường lắp đặt (trong nhà, ngoài trời, yêu cầu về phòng chống cháy nổ), công suất, chi phí đầu tư và bảo dưỡng.

4. Tầm quan trọng của việc lựa chọn máy biến áp với cấu tạo phù hợp

Từ những phân tích chi tiết về máy biến áp lực cấu tạo, có thể thấy mỗi bộ phận đều đóng vai trò quan trọng. Việc lựa chọn máy biến áp từ các thương hiệu uy tín như Thibidi, Shihlin, MBT, HBT cần dựa trên sự hiểu biết về:

• Chất lượng vật liệu: Lõi thép, dây quấn, vật liệu cách điện phải đạt tiêu chuẩn.
• Thiết kế tối ưu: Đảm bảo hiệu suất cao, tổn hao thấp, độ bền cơ học và điện tốt.
• Hệ thống làm mát hiệu quả: Phù hợp với công suất và điều kiện vận hành.
• Trang bị bảo vệ đầy đủ: Rơ le gas, van an toàn, các thiết bị giám sát.

Ông Đinh Văn Nghiệp chia sẻ thêm: “Hiểu rõ máy biến áp lực cấu tạo không chỉ giúp lựa chọn đúng sản phẩm mà còn vô cùng quan trọng trong công tác vận hành, bảo trì, đảm bảo an toàn và tối ưu hóa chi phí. Một máy biến áp chất lượng, được cấu tạo từ những vật liệu tốt và công nghệ tiên tiến sẽ mang lại lợi ích lâu dài.”

Đầu tư vào một máy biến áp lực chất lượng cao với cấu tạo phù hợp là đầu tư cho sự ổn định và an toàn của toàn bộ hệ thống điện.

Kết luận

Máy biến áp lực là một hệ thống phức tạp nhưng vô cùng quan trọng, được cấu thành từ nhiều bộ phận chuyên biệt, mỗi bộ phận đóng một vai trò thiết yếu. Từ lõi thép dẫn từ thông, dây quấn biến đổi điện áp, đến hệ thống làm mát và các thiết bị bảo vệ tinh vi, tất cả đều hoạt động hài hòa để đảm bảo dòng điện luôn được truyền tải an toàn, hiệu quả và liên tục đến mọi nơi. Khám phá cấu tạo của chúng giúp chúng ta đánh giá đúng “sức mạnh” và sự phức tạp của công nghệ điện hiện đại.

FAQ – Câu hỏi thường gặp

• Câu hỏi: Bộ phận nào trong máy biến áp lực dễ hỏng nhất?
  • Trả lời: Dây quấn và hệ thống cách điện là những bộ phận dễ bị tổn thương nhất do quá tải, ngắn mạch, hoặc lão hóa theo thời gian, đặc biệt nếu không được bảo trì đúng cách.
• Câu hỏi: Tại sao lõi thép máy biến áp lực phải làm từ nhiều lá thép mỏng ghép lại?
  • Trả lời: Việc này nhằm giảm tổn hao do dòng điện xoáy (Foucault) gây ra. Dòng xoáy gây phát nóng và làm giảm hiệu suất máy. Các lá thép mỏng được phủ cách điện sẽ hạn chế đường đi của dòng xoáy.
• Câu hỏi: Chức năng chính của dầu trong máy biến áp dầu là gì?
  • Trả lời: Dầu trong máy biến áp dầu có hai chức năng chính: cách điện giữa các bộ phận mang điện và làm mát, tản nhiệt sinh ra trong quá trình máy hoạt động.
• Câu hỏi: Máy biến áp lực khô có ưu điểm gì so với máy biến áp dầu về mặt cấu tạo?
  • Trả lời: Máy biến áp khô thường có cấu tạo đơn giản hơn về hệ thống làm mát, không sử dụng dầu nên an toàn cháy nổ cao hơn, ít yêu cầu bảo trì hơn và thân thiện với môi trường hơn.
• Câu hỏi: Bộ điều chỉnh điện áp dưới tải (OLTC) hoạt động như thế nào trong cấu tạo máy biến áp lực?
  • Trả lời: OLTC cho phép thay đổi số vòng dây của cuộn sơ cấp hoặc thứ cấp khi máy đang mang tải, thông qua một cơ cấu chuyển mạch phức tạp, giúp duy trì điện áp ổn định ở đầu ra dù điện áp đầu vào hoặc tải thay đổi.
• Câu hỏi: Làm thế nào để biết chất lượng cấu tạo của một máy biến áp lực?
  • Trả lời: Đánh giá thông qua các thông số kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp (ví dụ như tổn hao không tải, tổn hao ngắn mạch, vật liệu dây quấn, cấp cách điện), chứng chỉ chất lượng (ISO, IEC), uy tín thương hiệu (như Thibidi, Shihlin, MBT, HBT), và có thể kiểm tra trực tiếp nếu điều kiện cho phép.
• Câu hỏi: Sứ xuyên (bushing) trong máy biến áp lực có vai trò gì?
  • Trả lời: Sứ xuyên là bộ phận cách điện, cho phép các đầu cực của dây quấn đi xuyên qua vỏ máy (thường là kim loại nối đất) ra ngoài để kết nối với lưới điện mà không gây ra phóng điện hay ngắn mạch.