Máy biến áp là một trong những thiết bị quan trọng trong hệ thống điện, đóng vai trò chuyển đổi điện áp để phù hợp với các nhu cầu sử dụng khác nhau. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, máy biến áp thường gặp phải một vấn đề kỹ thuật quan trọng: sự tăng nhiệt. Hiện tượng này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động mà còn tiềm ẩn nguy cơ gây hư hỏng và giảm tuổi thọ của thiết bị.
Sự tăng nhiệt trong máy biến áp có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân như quá tải, vật liệu máy biến áp, chất lượng cách điện kém, hoặc do môi trường làm việc khắc nghiệt. Hiểu rõ và kiểm soát tốt nhiệt độ của máy biến áp là một yếu tố then chốt để đảm bảo sự ổn định và bền vững của hệ thống điện.
Điện trở cuộn dây
Tổn thất này là do điện trở của dây quấn gây ra. Khi dòng điện chạy qua dây quấn, nó sẽ gặp phải điện trở, và một phần năng lượng điện sẽ chuyển thành nhiệt năng. Tổn hao này tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện (I) và điện trở (R) của dây quấn:
Tổn hao = I2*R
Tổn thất điện trở trong dây quấn là một trong những nguyên nhân chính gây tăng nhiệt độ máy biến áp. Khi dòng điện tăng lên, tổn thất I2R cũng tăng theo, dẫn đến sinh nhiệt nhiều hơn. Do đó, việc lựa chọn kích thước dây dẫn phù hợp và mật độ dòng điện tối ưu là rất quan trọng trong thiết kế máy biến áp để giảm thiểu tổn thất điện trở và đảm bảo máy biến áp hoạt động ở nhiệt độ an toàn.
Tổn hao dòng điện xoáy
Tổn hao dòng điện xoáy xảy ra trong dây quấn và các bộ phận kim loại khác của máy biến áp (ví dụ như thùng, khung, bu lông) do từ trường. Trong lõi máy biến áp, tổn hao dòng điện xoáy phụ thuộc vào bình phương độ dày của tấm thép (t), bình phương tần số (f) và bình phương mật độ từ thông (B):
Tổn hao dòng điện xoáy = k * f2 * t2 * B2
Trong đó, k là hằng số phụ thuộc vào vật liệu.
Ví dụ: Nếu tần số (f) là 50Hz, độ dày tấm thép (t) là 0.3mm, mật độ từ thông (B) là 1.5T và hằng số k là 0.001, tổn hao dòng điện xoáy sẽ là 0.001 * 502 * 0.32 * 1.52 = 0.506W trên một đơn vị thể tích.
Tổn hao trễ từ
Tổn hao trễ từ xảy ra trong lõi thép của máy biến áp là do sự sắp xếp lại các miền từ trong lõi thép mỗi khi từ trường đảo chiều. Tổn hao trễ tỷ lệ thuận với tần số (f) và phụ thuộc vào mật độ từ thông cực đại (Bmp) theo hằng số Steinmetz (n):
Tổn hao trễ = k * f * Bnmp
Trong đó:
- k là hằng số phụ thuộc vào vật liệu.
- f là tần số của từ trường.
- Bmp là giá trị cực đại của mật độ từ thông.
- n là hằng số Steinmetz, dao động từ 1.6 đến 2.0 đối với các loại thép cán nóng và lớn hơn 2.0 đối với các loại thép cán nguội do mật độ từ thông hoạt động cao hơn.
Ví dụ: Nếu tần số (f) là 50Hz, mật độ từ thông cực đại (Bmp) là 1.8T, hằng số Steinmetz (n) là 1.6 và hằng số k là 0.01, tổn hao trễ sẽ là 0.01 * 50 * 1.81.6 = 1.54W trên một đơn vị khối lượng.
Ngoài ra còn có các nguyên nhân khác gây ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ trong máy biến áp:
Mạch điện không hoàn hảo: Tiếp xúc điện kém giữa các điểm đấu nối, đầu cos hoặc các thành phần khác có thể làm tăng điện trở và sinh nhiệt.
Dòng điện quá tải: Vượt quá dòng điện định mức của máy biến áp trong thời gian dài có thể làm nóng dây quấn và lõi.
Mất cân bằng pha: Trong hệ thống ba pha, nếu dòng điện ở ba pha không bằng nhau sẽ dẫn đến dòng điện cao hơn trong một hoặc hai pha, gây quá nhiệt.
Lỗi quạt và bộ phận làm mát: Nếu hệ thống làm mát không hoạt động đúng cách, nhiệt sẽ không được tản đi hiệu quả.
Bức xạ mặt trời: Đối với máy biến áp ngoài trời, bức xạ mặt trời trực tiếp có thể làm tăng nhiệt độ, đặc biệt là khi làm mát kém.
Tổn hao do hài: Các thiết bị điện phi tuyến (như thiết bị điện tử công suất) có thể tạo ra sóng hài trong dòng điện. Các sóng hài này gây ra tổn hao bổ sung trong máy biến áp.
Tất cả các tổn hao này làm tăng nhiệt độ của máy biến áp. Việc tăng nhiệt độ quá mức có thể gây ra sự cố cách điện, giảm tuổi thọ máy biến áp và có thể dẫn đến hỏng hóc gây sự cố.