Máy biến áp dầu là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện công nghiệp và phân phối điện. Trong quá trình vận hành, hiện tượng rò rỉ dầu ở máy biến áp như chân sứ, mặt bích hoặc khe nắp máy biến áp xuất hiện khá phổ biến. Nhiều đơn vị chỉ xem đây là lỗi cơ khí nhỏ, tuy nhiên trên thực tế hiện tượng này thường phản ánh sự suy giảm nhiệt, áp suất hoặc độ kín của toàn bộ hệ thống cách điện dầu.
Đối với kỹ sư vận hành và bảo trì điện, việc hiểu đúng cơ chế rò dầu giúp đánh giá chính xác mức độ nguy hiểm của thiết bị, tránh các sự cố nghiêm trọng như phóng điện bề mặt, suy giảm cách điện hoặc cháy nổ máy biến áp.
Hiện tượng rò rỉ dầu ở máy biến áp là gì
Máy biến áp dầu sử dụng dầu khoáng hoặc dầu cách điện tổng hợp để thực hiện đồng thời hai chức năng: cách điện giữa các phần tử mang điện và truyền nhiệt từ cuộn dây ra môi trường bên ngoài.
Toàn bộ dầu được chứa trong thùng máy biến áp kín bằng các gioăng, mặt bích và mối ghép cơ khí. Khi độ kín của hệ thống suy giảm, dầu bắt đầu thấm hoặc chảy ra ngoài tại các vị trí yếu như chân sứ xuyên, nắp thùng, van dầu, đồng hồ mức dầu hoặc bộ tản nhiệt.
Trong thực tế, hiện tượng rò dầu thường được chia thành ba mức độ gồm thấm dầu nhẹ, rò dầu tạo giọt và chảy dầu liên tục. Mức độ rò càng lớn thì nguy cơ suy giảm vận hành càng cao.
Cơ chế phát sinh nhiệt bên trong máy biến áp
Nguyên nhân sâu xa của phần lớn hiện tượng rò dầu liên quan trực tiếp đến sự phát nhiệt bên trong máy biến áp.
Trong quá trình mang tải, máy biến áp luôn phát sinh nhiệt từ tổn hao đồng trong cuộn dây và tổn hao sắt từ trong lõi thép.
Tổn hao đồng xuất hiện do điện trở của dây dẫn khi dòng điện chạy qua cuộn dây. Công suất tổn hao đồng được xác định theo biểu thức:
Pcu = I²R
Trong đó:
- Pcu: tổn hao đồng
- I: dòng điện tải
- R: điện trở cuộn dây
Biểu thức cho thấy tổn hao nhiệt tăng theo bình phương dòng điện. Khi máy biến áp vận hành quá tải, nhiệt độ cuộn dây tăng rất nhanh và truyền trực tiếp sang dầu cách điện.
Ngoài tổn hao đồng, lõi thép cũng phát sinh nhiệt do hiện tượng từ hóa liên tục dưới tác dụng của điện áp xoay chiều. Tổn hao lõi thép gồm tổn hao từ trễ và tổn hao dòng điện xoáy. Các tổn hao này tồn tại ngay cả khi máy biến áp không mang tải.
Nhiệt lượng từ cuộn dây và lõi thép làm nhiệt độ dầu tăng lên liên tục. Dầu nóng sẽ giãn nở và tạo áp suất bên trong thùng máy biến áp. Chính áp suất này là nguyên nhân cơ bản tạo nên hiện tượng rò dầu tại các vị trí gioăng và mặt bích.
Nguyên nhân rò rỉ dầu tại chân sứ máy biến áp
Chân sứ xuyên là vị trí xuất hiện rò dầu phổ biến nhất trên máy biến áp dầu.
Sứ xuyên vừa thực hiện chức năng cách điện vừa đưa đầu dẫn điện đi từ bên trong máy biến áp ra ngoài. Khu vực này gồm lõi dẫn điện, mặt bích kim loại, gioăng kín dầu và hệ bulong siết cơ khí.
Trong quá trình vận hành, chân sứ chịu đồng thời ứng suất nhiệt, rung động điện từ, giãn nở cơ khí và tác động môi trường.
Khi dòng điện tải lớn, đầu cực phát nhiệt liên tục làm gioăng cao su bị lão hóa nhanh. Sau thời gian dài, gioăng bị chai cứng, mất tính đàn hồi hoặc xuất hiện nứt vi mô. Khi đó dầu bắt đầu thấm qua khe hở rất nhỏ giữa mặt bích và sứ xuyên.
Ngoài ra, rung động điện từ kéo dài cũng làm giảm lực siết bulong. Khi lực ép cơ khí không đồng đều, dầu sẽ dễ dàng rò ra ngoài theo khe ghép.
Nguyên nhân rò rỉ dầu tại khe nắp máy biến áp
Khe nắp máy biến áp là khu vực chịu áp suất dầu lớn nhất vì dầu nóng thường tập trung phía trên thùng máy.
Trong điều kiện vận hành bình thường, dầu nóng giãn nở làm áp suất bên trong tăng lên. Khi tải giảm, dầu co lại và áp suất giảm xuống. Chu kỳ giãn nở – co ngót này lặp lại liên tục trong suốt vòng đời thiết bị.
Sau nhiều năm vận hành, các hiện tượng như gioăng nắp bị lão hóa, bulong giãn nở nhiệt, ăn mòn bề mặt ghép hoặc cong nhẹ nắp thùng có thể xuất hiện.
Khi độ kín cơ khí suy giảm, dầu sẽ bắt đầu rò tại khe nắp máy biến áp.
Đối với máy biến áp vận hành quá tải hoặc làm mát kém, nhiệt độ dầu tăng cao sẽ làm tốc độ lão hóa gioăng tăng mạnh. Đây là nguyên nhân khiến nhiều máy biến áp bị chảy dầu nhiều hơn vào mùa nắng nóng hoặc khi tải tăng cao.
Ảnh hưởng của sóng hài và quá áp đến hiện tượng rò dầu
Trong hệ thống điện công nghiệp hiện đại, sóng hài là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ máy biến áp rất đáng kể.
Các tải phi tuyến như biến tần, UPS, chỉnh lưu hoặc lò điện sẽ tạo dòng điện méo dạng chứa thành phần sóng hài. Các dòng hài này làm tăng tổn hao trong cuộn dây và lõi thép.
Ngoài ra, hiện tượng quá áp hoặc quá từ thông cũng làm tăng tổn hao lõi thép rất nhanh. Khi điện áp tăng, mật độ từ thông trong lõi tăng theo, làm nhiệt độ dầu tăng cao dù tải không lớn.
Các hiện tượng này thúc đẩy lão hóa gioăng, tăng áp suất dầu và tăng nguy cơ rò dầu.
Hệ quả kỹ thuật của hiện tượng rò rỉ dầu máy biến áp
Nhiều trường hợp dầu chỉ rò nhẹ nên đơn vị vận hành tiếp tục sử dụng mà không xử lý. Tuy nhiên, hiện tượng này có thể dẫn đến nhiều hệ quả nghiêm trọng.
Khi mức dầu giảm, khả năng làm mát suy giảm, nhiệt độ cuộn dây tăng và tốc độ lão hóa cách điện tăng mạnh.
Nếu không khí và hơi ẩm xâm nhập vào bên trong máy biến áp, độ bền điện môi của dầu sẽ giảm đáng kể.
Tại vị trí chân sứ, dầu bám trên bề mặt sứ kết hợp bụi và độ ẩm sẽ tạo dòng rò bề mặt. Điều này có thể gây phóng điện bề mặt, tracking hoặc đánh thủng cách điện ngoài trời.
Phương pháp kiểm tra và đánh giá tình trạng rò dầu
Khi phát hiện máy biến áp rò dầu, cần đánh giá đồng thời cả yếu tố cơ khí và nhiệt.
Quy trình kiểm tra thường bao gồm kiểm tra mức dầu, kiểm tra nhiệt độ vận hành, kiểm tra lực siết bulong, vệ sinh bề mặt rò dầu và chụp ảnh nhiệt các đầu nối.
Nếu nghi ngờ có bất thường bên trong máy biến áp, cần thực hiện thêm phân tích khí hòa tan trong dầu (DGA), đo điện trở cách điện, đo tổn hao điện môi và kiểm tra chất lượng dầu cách điện.
Giải pháp xử lý hiện tượng rò rỉ dầu máy biến áp
Đối với hiện tượng thấm dầu nhẹ, có thể vệ sinh bề mặt, siết lại bulong đúng mô-men và tiếp tục theo dõi.
Nếu gioăng đã chai cứng hoặc nứt, cần thay thế hoàn toàn. Việc chỉ siết bulong trong trường hợp gioăng lão hóa thường không giải quyết triệt để hiện tượng rò dầu.
Trong trường hợp dầu rò do quá nhiệt, phát nhiệt đầu nối, sóng hài cao hoặc bất thường cách điện, cần xử lý nguyên nhân gốc thay vì chỉ xử lý vị trí rò dầu bên ngoài.
Đối với máy biến áp vận hành lâu năm, việc kiểm tra nhiệt độ tải, phân tích dầu và đánh giá tình trạng cách điện định kỳ là giải pháp quan trọng giúp ngăn ngừa sự cố lớn.