Các hư hỏng và sửa chữa máy biến áp: biện pháp, câu hỏi thường gặp

Máy biến áp (MBA) là thiết bị điện từ đóng vai trò trọng yếu trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng. Với các máy biến áp lực cỡ lớn như loại ngâm dầu ba pha 16.000 kVA/110 kV, một sự cố nhỏ cũng có thể gây gián đoạn cung cấp điện trên diện rộng, thiệt hại về kinh tế và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn nghiêm trọng.

Hiểu rõ các dạng hư hỏng và sửa chữa máy biến áp đúng kỹ thuật không chỉ giúp phục hồi thiết bị mà còn kéo dài tuổi thọ vận hành, giảm chi phí bảo trì về lâu dài. Bài viết này phân tích có hệ thống các dạng hư hỏng thường gặp, phương pháp chẩn đoán qua rơ le khí và đo lường, cùng quy trình sửa chữa mạch từ và dây quấn MBA theo đúng yêu cầu kỹ thuật.

Hư hỏng và sửa chữa máy biến áp là lĩnh vực đòi hỏi người kỹ thuật viên phải nắm vững cơ chế phát sinh lỗi từ bên trong lẫn bên ngoài thiết bị. Trên thực tế, các dạng hư hỏng của MBA có thể được nhóm thành ba nhóm chính: quá nhiệt, tiếng kêu bất thường và các hư hỏng cơ học – điện môi khác.

Nhiệt độ vận hành vượt ngưỡng là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây hư hỏng nặng cho MBA. Theo TCVN 6306-2:2015 (IEC 60076-2:2011), độ tăng nhiệt cho phép của dầu biến áp không được vượt quá 60 K so với nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt điểm nóng nhất của cuộn dây không vượt quá 78 K. Khi các giới hạn này bị vi phạm, quá trình lão hóa cách điện sẽ tăng tốc đáng kể.

Các nguyên nhân cụ thể dẫn đến quá nhiệt bao gồm:

• Dòng điện phụ tải vượt quá dòng điện định mức của MBA, tức là MBA bị quá tải, hoặc bị ngắn mạch từ phía ngoài.
• Nhiệt độ môi trường quá cao, đặc biệt trong điều kiện mùa hè tại các trạm biến áp không có hệ thống thông gió đầy đủ, làm cho MBA không thể tản nhiệt đúng mức.
• Quá nhiệt do mức dầu hạ thấp hoặc do quá trình đối lưu dầu trong thùng MBA bị cản trở, khiến khả năng tản nhiệt bị suy giảm nghiêm trọng.
• Ngắn mạch một số vòng dây trong cùng một bối dây: đây là trường hợp nguy hiểm vì dòng điện tại chỗ ngắn mạch rất lớn, nhưng dòng vào MBA nhỏ, không đủ để rơ le bảo vệ tác động kịp thời. Bên cạnh đó, nếu các lá thép lõi từ bị hỏng cách điện, tổn hao trong lõi thép sẽ tăng lên làm nhiệt độ toàn máy leo thang.

MBA vận hành bình thường luôn phát ra tiếng kêu vo ve đều đặn do hiện tượng từ giảo (magnetostriction) của lõi thép. Tiếng kêu bất thường, đặc biệt là tiếng ồn lớn hơn bình thường hoặc có tạp âm lạ, là dấu hiệu cảnh báo cần kiểm tra ngay. Các nguyên nhân gây tiếng kêu bất thường gồm:

• Xà ép gông từ bị hỏng, không còn giữ chặt được các lá thép trong lõi từ.
• Các mối ghép giữa trụ và gông từ bị hở quá mức cho phép.
• Các lá thép ở mép ngoài gông từ bị rung do lỏng lẻo.
• MBA bị quá tải hoặc mất đối xứng nghiêm trọng giữa các pha.
• Ngắn mạch giữa các pha hoặc giữa các vòng dây trong một cuộn.
• Điện áp đặt vào MBA tăng cao quá mức cho phép, gây tăng mật độ từ thông trong lõi và khuyếch đại rung động từ giảo.
• Một số ít trường hợp do vỏ máy, nắp máy hoặc thùng dầu phụ lắp ráp không chặt, gây cộng hưởng cơ học.

Ngoài hai nhóm chính trên, MBA còn gặp các hư hỏng mang tính cơ học và điện môi như sau:

• Vỏ máy biến áp bị chảy dầu, do rò rỉ ở các mối hàn, do giữa vỏ máy và nắp máy có bu lông siết không chặt, hoặc do lâu ngày gioăng cao su bị lão hóa và mất tính đàn hồi.
• Các sứ cách điện ở đầu vào và đầu ra bị vỡ nứt hoặc chảy dầu, do bu lông đầu sứ siết không chặt hoặc do gioăng cao su hỏng. Sứ nứt vỡ sẽ tạo điều kiện phóng điện bề mặt, đặc biệt nguy hiểm trong thời tiết ẩm ướt.
• Điện áp thứ cấp khác nhau giữa các pha, do tiếp xúc xấu ở đầu vào, đầu ra hoặc do đứt dây quấn sơ cấp của MBA. Sự mất cân bằng điện áp pha kéo theo dòng thứ tự không và gây tổn thất phụ không mong muốn trong hệ thống.

Phân tích hư hỏng và sửa chữa máy biến áp một cách chính xác là việc làm vô cùng quan trọng. Dựa vào các nguyên nhân hư hỏng, kỹ thuật viên mới có thể phân tích đúng tình trạng thực tế, từ đó đề ra phương án sửa chữa hợp lý, tiết kiệm và kinh tế.

Nếu phân tích sai dẫn đến thiệt hại về kinh tế và có thể làm cho MBA hư hỏng trầm trọng hơn. Phương pháp phân tích hư hỏng gồm hai hướng tiếp cận chính: quan sát biểu hiện của rơ le khí và thực hiện các phép thử nghiệm, đo lường chuyên dụng.

Rơ le khí (còn gọi là rơ le hơi hay rơ le Buchholz) là thiết bị bảo vệ rất nhạy với các hư hỏng bên trong MBA. Thiết bị này được lắp trên đường ống nối giữa thùng dầu chính và bình giãn dầu. Khi có sự cố bên trong, khí sinh ra do phân hủy dầu và cách điện sẽ tích tụ và tác động lên cơ cấu của rơ le.

Rơ le khí có hai biểu hiện vận hành cần phân biệt rõ ràng:

Biểu hiện thứ nhất là rơ le khí cho tín hiệu báo sự cố. Nguyên nhân thường do MBA bị cạn dầu, do chấn động mạnh gần MBA, hoặc do có hư hỏng nhẹ bên trong MBA. Đây là cấp cảnh báo, chưa dẫn đến cắt máy cắt ngay lập tức nhưng yêu cầu kỹ thuật viên đến kiểm tra kịp thời.

Biểu hiện thứ hai là rơ le khí cho tín hiệu đi cắt máy cắt. Đây là tình huống nghiêm trọng, chứng tỏ có hư hỏng nặng bên trong MBA như: các vòng dây trong MBA bị ngắn mạch; lõi từ MBA hư hỏng cách điện do có sự phóng điện bên trong; thùng dầu bị thủng; cạn dầu quá mức cho phép; hoặc do động đất hay chấn động mạnh.

Sau khi rơ le khí tác động cắt máy cắt điện, quy trình kiểm tra tiếp theo như sau: người sửa chữa leo lên trên mặt MBA, bật que diêm đặt trên van xả khí của rơ le hơi, sau đó mở van xả khí. Nếu khí thoát ra bốc cháy, chứng tỏ đã xảy ra cháy bên trong MBA. Trường hợp này bắt buộc phải rút ruột máy biến áp ra, tìm nguyên nhân hư hỏng bên trong và từ đó đề ra phương án sửa chữa hợp lý.

Phép đo điện trở cách điện được thực hiện bằng mêgôm kế (Megger). Theo tiêu chuẩn TCVN 6306-3:2006 (IEC 60076-3:2000) và QCVN QTĐ-5:2008/BCT, đối với MBA trung và cao áp, người ta sử dụng mêgôm kế 2500 V một chiều. Khi thực hiện đo, có thể gặp các trường hợp sau:

• Điện trở cách điện bằng không, chứng tỏ cuộn dây MBA đang chạm nhau hoặc chạm vỏ. Đây là sự cố nghiêm trọng cần xử lý ngay.
• Điện trở cách điện giảm thấp dưới mức cho phép, nguyên nhân do cách điện già cỗi, do dầu MBA chứa nhiều nước và các chất bẩn khác. Biện pháp khắc phục đầu tiên là lọc dầu; nếu điện trở cách điện không tăng lên được sau khi lọc dầu, cần tháo MBA, rút ruột ra để sửa chữa cách điện.

Phép đo điện trở một chiều các cuộn dây được thực hiện bằng cầu đo Kelvin (Wheatstone bridge) hoặc thiết bị đo chuyên dụng. Kết quả đo cần so sánh giữa các pha và với giá trị từ lý lịch máy. Khi phân tích hư hỏng và sửa chữa máy biến áp qua phép đo này, có thể gặp các tình huống sau:

• Nếu điện trở các cuộn dây sai khác quá 2 đến 3% so với nhau hoặc so với giá trị lý thuyết, nguyên nhân có thể do: tiếp xúc xấu giữa chỗ nối đầu ra của dây quấn; ngắn mạch một số vòng dây của dây quấn; hoặc tiếp xúc xấu ở thiết bị chuyển mạch điện áp (bộ phận điều chỉnh điện áp). Theo tiêu chuẩn IEC 60076-1 và TCVN 6306-1:2015, sai số cho phép giữa tỷ số đo thực tế và lý thuyết không được vượt quá ±0,5%.
• Nếu điện trở dây quấn đo bằng 0, chứng tỏ xảy ra ngắn mạch hoàn toàn dây quấn.
• Nếu điện trở dây quấn đo bằng vô cùng (∞), chứng tỏ đứt mạch dây quấn. Khi đứt mạch dây quấn, mêgôm kế cũng có thể phát hiện được tình trạng này.

Thí nghiệm không tải được tiến hành với các dụng cụ đo cần thiết gồm ampe kế, vôn kế và watt kế. Trong thí nghiệm này, phía thứ cấp để hở mạch, phía sơ cấp được cấp điện áp định mức. Kết quả đáng lo ngại khi thấy tổn hao không tải và dòng điện không tải tăng đáng kể so với giá trị ghi trong lý lịch máy. Nguyên nhân có thể là:

• Tổn hao trong lõi từ tăng do hư hỏng cách điện lõi thép, bu lông ép gông từ bị hỏng cách điện hoặc các đai thép hỏng cách điện, gây ra dòng Phucô (Eddy current) tăng mạnh.
• Nếu dòng điện ba pha lớn và không cân bằng trong ba pha, nguyên nhân có thể do chập một số vòng dây của một cuộn dây nào đó.

Thí nghiệm ngắn mạch được thực hiện bằng cách nối tắt phía thứ cấp và cấp điện áp tăng dần ở phía sơ cấp cho đến khi dòng điện sơ cấp đạt giá trị định mức. Các kết luận quan trọng rút ra từ thí nghiệm này:

• Nếu điện áp ngắn mạch tăng lên đáng kể so với giá trị thiết kế, cần kiểm tra ngay điểm tiếp xúc ở các đầu ra và tình trạng bộ phận điều chỉnh điện áp, vì tiếp xúc xấu làm tăng trở kháng ngắn mạch.
• Nếu công suất tổn hao ngắn mạch tăng, có thể do đứt một số sợi chập của một dây quấn song song bên trong, làm mật độ dòng điện trong các sợi còn lại tăng lên và tổn hao đồng tăng theo.

Mục đích cốt lõi của công việc hư hỏng và sửa chữa máy biến áp là phục hồi đầy đủ các chức năng làm việc của MBA và đảm bảo thời gian phục vụ của nó theo đúng như thiết kế. Các chức năng này được hiểu bao gồm toàn bộ các thông số kỹ thuật được ghi trong lý lịch của máy, từ tỉ số biến áp, tổn hao không tải, tổn hao ngắn mạch, dòng không tải cho đến cấp cách điện và cấp bảo vệ.

Nguyên tắc vàng trong sửa chữa là: tất cả các chi tiết, dù tuy không hỏng, đều phải được kiểm tra, đo lường và hiệu chỉnh lại. Không để tình trạng một chi tiết làm việc kém kéo theo hư hỏng dây chuyền cho các chi tiết khác. Sau khi sửa chữa xong, MBA phải được sơn lại, làm bổ sung hoặc làm lại lý lịch máy để thuận tiện cho công tác vận hành và sửa chữa về sau.

Một công tác sửa chữa chỉ được coi là đạt yêu cầu khi đồng thời thỏa mãn hai điều kiện: chất lượng sửa chữa phục hồi đầy đủ các thông số kỹ thuật ban đầu và giá thành sửa chữa được hạ thấp đến mức hợp lý nhất.

Công tác sửa chữa MBA mang những đặc điểm riêng biệt mà người thực hiện cần nắm rõ:

• Các dụng cụ và máy công nghệ phục vụ sửa chữa phải có tính vạn năng, để có thể sử dụng cho nhiều loại MBA khác nhau về công suất và cấp điện áp.
• Bên cạnh đó, một số dụng cụ và máy công nghệ phải có tính chuyên dụng đặc biệt, phù hợp với việc sửa chữa các chi tiết máy điện đặc biệt như máy quấn dây chuyên dụng, thiết bị sấy cách điện, bồn lọc dầu.
• Sửa chữa MBA là một loại hình sản xuất đơn lẻ, đơn chiếc, khó có thể tổ chức sản xuất hàng loạt và chuyên môn hóa cao. Chất lượng sản phẩm sửa chữa phụ thuộc rất lớn vào trình độ chuyên môn của cán bộ kỹ thuật và tay nghề của công nhân thực hiện.
• Thời gian sửa chữa yêu cầu khẩn trương do áp lực từ yêu cầu sản xuất và cấp điện của khách hàng. Đây là sức ép thực tế buộc đội sửa chữa phải chuẩn bị kỹ trước khi tiến hành, không để phát sinh chậm trễ trong quá trình tháo lắp.

Trước khi triển khai bất kỳ công tác hư hỏng và sửa chữa máy biến áp nào, việc chuẩn bị chu đáo sẽ quyết định phần lớn chất lượng và tiến độ của toàn bộ công việc. Công tác chuẩn bị bao gồm ba phần chính:

Mặt bằng sửa chữa cần rộng rãi, đủ để bố trí thiết bị MBA và các thiết bị hỗ trợ, hệ thống chiếu sáng phải linh hoạt, đặc biệt quan trọng khi làm việc bên trong thùng dầu.

Nhân lực thực hiện: cán bộ kỹ thuật và công nhân phân xưởng phải có trình độ hiểu biết và tay nghề cao, luôn học hỏi và trau dồi nghề nghiệp, bởi vì các thiết bị ngày càng phong phú, phức tạp, hiện đại và đa chức năng hơn. Theo thực tế, việc đại tu định kỳ MBA phải do cán bộ và kỹ sư có kinh nghiệm chuyên môn thực hiện, đây là yêu cầu của nhiều đơn vị điện lực lớn như EVN.

Máy móc và dụng cụ sửa chữa cần được chuẩn bị đầy đủ theo ba nhóm chính: nhóm máy và dụng cụ cơ khí (cờ lê, cờ lê lực, palăng, xe gòng vận chuyển); nhóm máy phục vụ công nghệ chế tạo thiết bị thay thế (máy quấn dây, máy tiện, máy hàn); nhóm máy và thiết bị thử nghiệm (mêgôm kế, cầu đo điện trở, bộ thí nghiệm không tải và ngắn mạch, thiết bị phân tích dầu).

Khi sửa chữa mạch từ MBA, phải tuân thủ nghiêm ngặt hai nguyên tắc cơ bản:

Thứ nhất, không được làm thay đổi các thông số kỹ thuật của lõi từ, đặc biệt là suất tổn hao và độ từ thẩm của lõi từ. Nguyên nhân dẫn đến thay đổi các thông số này trong quá trình sửa chữa là do thay đổi tính chất cơ lý của lá thép (ứng suất cơ học sinh ra khi tháo lắp), do tác động cơ học trong quá trình tháo lắp, tẩy rửa và sơn lại lá thép, do chất lượng sơn cách điện không đồng đều, và do lắp ghép không đảm bảo khe hở đúng quy định giữa trụ và gông.

Thứ hai, không được làm tăng kích thước mạch từ. Nếu mạch từ phình to hơn sau sửa chữa, sẽ dẫn đến khó lắp ráp dây quấn, thay đổi khoảng cách cách điện giữa dây quấn và lõi từ, từ đó làm giảm độ tin cậy vận hành của MBA sau khi sửa chữa.

Quy trình sửa chữa mạch từ tiến hành theo tuần tự sau: đầu tiên tháo từng lá thép của một nửa gông từ ra, sơn và sấy lại lá thép. Nếu cách điện bị hư hỏng, thay thế những lá thép bị hỏng bằng lá thép mới cùng quy cách. Sau đó lắp lại các lá thép đã sơn và tiến hành tương tự với nửa gông từ còn lại.

Trong toàn bộ quá trình tháo lắp sửa chữa và vận chuyển, tuyệt đối không được quăng quật, đập gõ các lá tôn silic, bởi vì va đập cơ học sẽ làm giảm hệ số từ thẩm và tăng tổn hao không tải sau khi sửa chữa.

Tương tự như sửa chữa mạch từ, sửa chữa dây quấn MBA cũng có những ràng buộc kỹ thuật chặt chẽ:

• Không được làm thay đổi tổ nối dây MBA, trừ khi có yêu cầu rõ ràng về thay đổi tổ nối dây.
• Không được làm tăng điện trở dây quấn sau khi sửa chữa, vì nếu điện trở dây quấn tăng sẽ dẫn đến làm thay đổi thông số MBA và điện áp ra giữa các pha có thể không được cân pha, gây hại cho việc vận hành MBA và các thiết bị dùng điện khác.

Việc sửa chữa cuộn dây MBA chỉ giới hạn ở việc khôi phục lại những cuộn dây bị hư hỏng, sau khi sửa chữa phải đảm bảo các thông số ban đầu của nhà chế tạo. Có hai tình huống phát sinh khi sửa chữa dây quấn:

Tình huống thứ nhất: kích thước dây dẫn dùng làm dây quấn khi sửa chữa không thay đổi so với dây quấn ban đầu. Trong trường hợp này, hầu hết có thể sử dụng lại dây quấn cũ hoặc dùng dây quấn mới nhưng kích thước bằng dây cũ, không cần tính toán thêm bất kỳ thông số nào. Điều quan trọng duy nhất cần kiểm soát là không để sai lệch khoảng cách cách điện của MBA.

Tình huống thứ hai: kích thước dây dẫn thay đổi so với thiết kế ban đầu. Khi đó, bắt buộc phải căn cứ vào kích thước cửa sổ mạch từ và khoảng cách cách điện cho phép để tính lại toàn bộ: kích thước dây, số vòng dây trong một lớp, tính số lớp, chiều dày mỗi lớp và số lớp cách điện. Ngoài ra còn phải tính các thông số phụ như tổn hao đồng, hiệu suất, điện áp ngắn mạch và dòng điện không tải để đảm bảo MBA sau sửa chữa đáp ứng đúng yêu cầu vận hành.

Hư hỏng và sửa chữa máy biến áp là lĩnh vực kỹ thuật đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa hiểu biết lý thuyết về điện từ học, kinh nghiệm thực tế vận hành và kỹ năng thực thi các phép đo lường chuyên dụng.

Từ việc nhận biết các dấu hiệu hư hỏng ban đầu như quá nhiệt, tiếng kêu bất thường hay rò rỉ dầu, đến việc phân tích chuyên sâu qua rơ le khí và các phép đo điện trở cách điện với tiêu chí R60/R15​≥1,3 theo TCVN 6306-3:2006, rồi đến quy trình sửa chữa mạch từ và dây quấn theo nguyên tắc không thay đổi thông số gốc, tất cả phải được thực hiện bài bản và có hệ thống.

Việc tuân thủ đúng tiêu chuẩn IEC 60076 và TCVN 6306 trong quá trình thử nghiệm sau sửa chữa là điều kiện bắt buộc để xác nhận MBA đã phục hồi đầy đủ chức năng. Bảo trì chủ động, phân tích hư hỏng kịp thời và sửa chữa đúng kỹ thuật chính là chìa khóa để kéo dài tuổi thọ MBA lên đến 25 đến 40 năm theo thiết kế, bảo vệ an toàn cho cả hệ thống điện lẫn con người vận hành.

Rơ le khí tác động cắt máy cắt cho thấy có hư hỏng nặng bên trong MBA, bao gồm: ngắn mạch các vòng dây, lõi từ hỏng cách điện do phóng điện nội bộ, thùng dầu bị thủng hoặc cạn dầu quá mức. Để xác định chính xác, kỹ thuật viên cần thực hiện kiểm tra bằng que diêm tại van xả khí: nếu khí bốc cháy thì chắc chắn đã xảy ra cháy bên trong và phải rút ruột máy để kiểm tra toàn diện.

Nếu điện trở các cuộn dây MBA sai khác quá 2 đến 3% so với giá trị giữa các pha hoặc so với giá trị trong lý lịch máy, cần tiến hành kiểm tra ngay. Theo IEC 60076-1 và TCVN 6306-1:2015, sai số cho phép về tỷ số biến áp không vượt quá ±0,5%. Sự sai khác vượt ngưỡng thường do tiếp xúc xấu ở đầu ra dây quấn, ngắn mạch một số vòng dây, hoặc tiếp xúc kém tại bộ phận điều chỉnh điện áp.

Chỉ cần tính toán lại cuộn dây khi kích thước dây dẫn thay thế khác so với dây quấn ban đầu. Khi đó phải tính lại số vòng dây, số lớp dây, chiều dày lớp cách điện, đồng thời kiểm tra lại các thông số như tổn hao, hiệu suất và điện áp ngắn mạch. Nếu sử dụng dây cũ hoặc dây mới cùng kích thước với dây ban đầu thì không cần tính toán gì thêm, chỉ cần đảm bảo không sai lệch khoảng cách cách điện.

Lá tôn silic (lá thép kỹ thuật điện) có tính chất cơ lý rất nhạy cảm. Tác động cơ học như đập gõ, quăng quật sẽ gây ứng suất bên trong cấu trúc tinh thể của vật liệu, làm giảm hệ số từ thẩm và tăng tổn hao sắt từ. Hậu quả là tổn hao không tải của MBA sau khi sửa chữa sẽ cao hơn giá trị thiết kế, làm giảm hiệu suất và có thể khiến MBA không đạt tiêu chuẩn TCVN 8525:2015 về hiệu suất năng lượng.

Điện áp thứ cấp không cân bằng giữa các pha thường xuất phát từ một trong các nguyên nhân sau: tiếp xúc xấu tại đầu vào hoặc đầu ra của MBA; đứt một số sợi trong bó dây quấn song song (làm tăng trở kháng không đều giữa các pha); tiếp xúc kém tại bộ chuyển nấc điều chỉnh điện áp; hoặc chập vòng dây cục bộ làm thay đổi số vòng dây hiệu dụng của một pha. Việc kết hợp đo điện trở dây quấn và thí nghiệm không tải sẽ giúp khoanh vùng nguyên nhân chính xác.

• Máy biến áp là gì? Nguyên lý, cấu tạo và phân loại chi tiết

• Cách tính tổn thất điện năng máy biến áp và đường dây

• So sánh máy biến áp 1 pha và máy biến áp 3 pha: Nguyên lý và cấu tạo