Hư hỏng động cơ điện và các hiện tượng làm việc không bình thường

Bài viết này trình bày một cách hệ thống các dạng hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường thường gặp ở động cơ điện ba pha, bao gồm ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây, chạm đất một pha, quá tải và mất pha, đồng thời phân tích cơ chế vật lý, công thức tính toán liên quan và các nguyên tắc đặt bảo vệ tương ứng theo thực tiễn kỹ thuật hiện hành.

Trong lý thuyết bảo vệ relay cho máy điện quay, người ta phân biệt rõ hai nhóm hiện tượng có bản chất khác nhau về mức độ nguy hiểm và cách thức xử lý.

Nhóm thứ nhất được gọi là hư hỏng, là các sự cố mang tính phá hủy trực tiếp đến cách điện hoặc cấu trúc dẫn điện của động cơ, đòi hỏi phải cắt động cơ ra khỏi lưới điện ngay lập tức không trì hoãn.

Nhóm thứ hai được gọi là tình trạng làm việc không bình thường, là các hiện tượng vận hành sai lệch khỏi chế độ định mức nhưng chưa gây phá hủy ngay tức thì, cho phép có một khoảng thời gian trễ nhất định trước khi buộc phải cắt thiết bị.

Sự phân biệt này có ý nghĩa thực tiễn rất lớn trong việc thiết kế đặc tính thời gian tác động của các loại bảo vệ.

Đối với hư hỏng, bảo vệ phải tác động tức thời hoặc với thời gian trễ rất ngắn, thường chỉ vài chục đến vài trăm mili giây, nhằm hạn chế tối đa năng lượng sự cố giải phóng tại điểm hỏng.

Đối với tình trạng không bình thường, bảo vệ được phép có đặc tính thời gian phụ thuộc dòng điện, nghĩa là thời gian tác động càng ngắn khi mức độ vi phạm càng nghiêm trọng, nhưng vẫn đủ thời gian để các quá trình quá độ bình thường như mở máy động cơ kết thúc mà không gây cắt nhầm.

Trong số các dạng hư hỏng có thể xảy ra với động cơ điện, ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây stato được xem là dạng sự cố nguy hiểm nhất. Hiện tượng này phát sinh khi cách điện giữa các pha hoặc giữa các vòng dây của cùng một pha bị suy giảm và bị chọc thủng, dẫn đến hai hay nhiều pha của cuộn dây bị nối tắt với nhau trực tiếp hoặc qua một điện trở sự cố rất nhỏ.

Dòng điện ngắn mạch có giá trị rất lớn, sinh ra một lượng nhiệt khổng lồ trong thời gian cực ngắn tại điểm sự cố, đủ để đốt cháy lớp cách điện cuộn dây, làm chảy đồng dẫn điện và phá hủy hoàn toàn động cơ chỉ trong vài chu kỳ điện áp lưới.

Dòng ngắn mạch lớn này được rút từ lưới điện cung cấp, gây ra hiện tượng sụt áp đột ngột trên lưới, ảnh hưởng trực tiếp đến sự làm việc bình thường của các thiết bị điện khác đang đấu nối chung lưới với động cơ bị sự cố, đặc biệt nghiêm trọng đối với các phụ tải nhạy cảm với dao động điện áp như hệ thống điều khiển tự động, đèn chiếu sáng và các động cơ khác đang vận hành.

Về mặt định lượng, dòng điện ngắn mạch trong cuộn dây stato có thể được ước lượng gần đúng thông qua tổng trở ngắn mạch của động cơ tại thời điểm sự cố. Đối với động cơ không đồng bộ ba pha, khi xảy ra ngắn mạch hai pha trực tiếp tại đầu cực, trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch được xác định theo biểu thức sau:

Chính vì mức độ nguy hiểm và tính phổ biến của dạng hư hỏng này, nguyên tắc bắt buộc trong thiết kế bảo vệ động cơ điện là phải đặt bảo vệ chống ngắn mạch nhiều pha cho tất cả các loại động cơ điện không phân biệt công suất hay cấp điện áp, sao cho khi bảo vệ tác động sẽ cắt động cơ ra khỏi lưới điện trong thời gian ngắn nhất có thể, nhằm hạn chế tối đa thiệt hại về thiết bị và ảnh hưởng đến lưới điện chung.

Dạng hư hỏng thứ hai cần được phân tích kỹ là sự cố chạm đất một pha, tức là hiện tượng một pha của cuộn dây động cơ bị nối với phần vỏ kim loại hoặc trực tiếp nối đất qua một điểm sự cố. Mức độ nguy hiểm của dạng sự cố này phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc nối đất trung tính của máy biến áp cấp nguồn cho lưới điện, do đó cần phân tích riêng cho từng trường hợp.

Đối với lưới điện có trung tính máy biến áp được nối đất trực tiếp, điển hình là mạng điện hạ áp 380/220V phổ biến trong công nghiệp và dân dụng tại Việt Nam, khi xảy ra chạm đất một pha sẽ hình thành một mạch vòng ngắn mạch khép kín qua đất, có tổng trở rất nhỏ chỉ bao gồm điện trở của cuộn dây sự cố, điện trở nối đất và điện trở phần dây dẫn.

Do tổng trở mạch vòng nhỏ, dòng điện ngắn mạch chạm đất một pha trong trường hợp này có trị số rất lớn, tương đương hoặc thậm chí lớn hơn dòng ngắn mạch nhiều pha, gây nguy hiểm trực tiếp cho động cơ tương tự như ngắn mạch giữa các pha.

Chính vì lý do trên, nguyên tắc bảo vệ đối với trường hợp này là nhất thiết phải đặt bảo vệ chống ngắn mạch một pha cho động cơ, với chức năng và yêu cầu về thời gian tác động tương tự như bảo vệ chống ngắn mạch nhiều pha, để cắt động cơ ra khỏi lưới điện ngay khi phát hiện sự cố chạm đất.

Trường hợp ngược lại xảy ra đối với các mạng điện áp mà trung tính máy biến áp không nối đất trực tiếp, hoặc được nối đất qua cuộn dập tắt hồ quang còn gọi là cuộn Peterson. Đây là cấu trúc nối đất phổ biến trong các lưới điện trung áp tại Việt Nam, đặc biệt là cấp điện áp 22kV và 35kV theo các quy định vận hành lưới điện phân phối.

Trong cấu trúc lưới này, khi xảy ra chạm đất một pha, mạch vòng sự cố không khép kín qua một tổng trở thấp như trường hợp nối đất trực tiếp, mà dòng điện sự cố chủ yếu là dòng điện dung sinh ra do điện dung của các pha không sự cố đối với đất.

Do điện dung phân bố của đường dây và cáp có giá trị tương đối nhỏ ở tần số công nghiệp 50Hz, dòng điện chạm đất một pha trong trường hợp này có trị số rất nhỏ so với dòng ngắn mạch nhiều pha, thường chỉ ở mức vài ampe đến vài chục ampe, không đủ lớn để gây nguy hiểm tức thời cho động cơ.

Chính vì mức độ nguy hiểm thấp của dòng chạm đất trong trường hợp này, nguyên tắc đặt bảo vệ chỉ cần dừng ở mức bảo vệ tín hiệu chạm đất, nghĩa là khi phát hiện sự cố, hệ thống chỉ phát tín hiệu báo động cho nhân viên vận hành biết để có biện pháp xử lý chủ động, mà không cần cắt động cơ ngay lập tức, do động cơ vẫn có thể tiếp tục vận hành an toàn trong một khoảng thời gian nhất định.

Tuy nhiên, đối với động cơ có công suất lớn, quy định kỹ thuật đưa ra một ngưỡng giới hạn cụ thể: nếu dòng điện chạm đất lớn hơn 10A, cần phải đặt bảo vệ chống chạm đất loại đặc biệt để loại trừ sự cố này, thay vì chỉ dừng ở mức báo tín hiệu.

Ngưỡng 10A này xuất phát từ thực tế là với động cơ công suất lớn, dòng điện dung chạm đất tuy nhỏ hơn dòng ngắn mạch pha-pha nhưng vẫn có thể gây phát nhiệt cục bộ tại điểm sự cố trong cuộn dây hoặc lõi thép stato, dẫn đến nguy cơ phát triển thành sự cố nghiêm trọng hơn nếu duy trì lâu dài.

Bảo vệ chống chạm đất đặc biệt trong trường hợp này thường được thực hiện bằng relay bảo vệ chạm đất có độ nhạy cao, sử dụng biến dòng thứ tự không (Zero Sequence Current Transformer – ZCT hay còn gọi là biến dòng Zero) để phát hiện dòng thứ tự không rất nhỏ mà các relay quá dòng thông thường không thể phân biệt được.

Bảng so sánh dưới đây tổng hợp đặc điểm của hai trường hợp chạm đất một pha theo cấu trúc nối đất trung tính lưới điện.

Tình trạng làm việc không bình thường phổ biến nhất của động cơ điện là hiện tượng dòng điện tăng cao hơn giá trị định mức, còn gọi là quá tải. Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này xuất phát từ phía tải, cụ thể là do quá tải ở các máy móc cơ khí mà động cơ phải kéo, ví dụ như băng tải bị kẹt vật liệu, máy nghiền gặp vật cứng quá khả năng, bơm bị tắc nghẽn đường ống, hoặc do bản thân thiết kế hệ thống truyền động không phù hợp với đặc tính tải thực tế.

Bên cạnh nguyên nhân cơ khí từ phía tải, một nguyên nhân khác gây quá tải dòng điện động cơ là do điện áp đặt lên động cơ giảm thấp hơn điện áp định mức của động cơ. Cơ chế vật lý của hiện tượng này xuất phát từ quan hệ giữa công suất cơ trên trục, mômen điện từ và điện áp đặt vào động cơ không đồng bộ.

Từ biểu thức (7) có thể thấy rằng khi điện áp lưới U1​ giảm, để duy trì cùng một mômen cản của tải không đổi, hệ số trượt s của động cơ phải tăng lên, đồng nghĩa với tốc độ quay rôto giảm xuống.

Khi hệ số trượt tăng, dòng điện rôto và do đó dòng điện stato cũng tăng lên tương ứng để bù đắp cho việc giảm mômen do điện áp thấp, nhằm duy trì mômen cân bằng với mômen cản của tải. Đây chính là cơ chế khiến điện áp lưới thấp gây ra dòng điện động cơ tăng cao tương tự như hiện tượng quá tải cơ khí, mặc dù bản chất nguyên nhân hoàn toàn khác nhau.

Một trong những tình trạng làm việc không bình thường nguy hiểm và đặc trưng nhất của động cơ điện ba pha là hiện tượng mất một pha, tức là một trong ba pha cấp nguồn cho động cơ bị đứt hoặc mất kết nối trong khi hai pha còn lại vẫn duy trì điện áp bình thường.

Nguyên nhân phổ biến của mất pha bao gồm đứt cầu chì một pha, tiếp xúc kém tại điểm nối dây, hỏng một tiếp điểm của contactor hoặc aptomat, hoặc đứt dây dẫn trên đường truyền tải đến động cơ.

Cơ chế vật lý của hiện tượng mất pha có thể được giải thích thông qua lý thuyết phân tích thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch áp dụng cho hệ thống điện áp ba pha không đối xứng.

Khi mất một pha, hệ thống điện áp ba pha đặt vào động cơ không còn đối xứng, do đó phải phân tích thành hai thành phần đối xứng: thành phần thứ tự thuận tạo ra từ trường quay thuận chiều với chiều quay bình thường của rôto, và thành phần thứ tự nghịch tạo ra từ trường quay ngược chiều với chiều quay của rôto.

Nếu để kéo dài tình trạng động cơ làm việc mất 1 pha sẽ dẫn đến cháy động cơ, do đó thời gian cho phép không quá hai giờ theo các khuyến cáo vận hành thông thường đối với động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc công suất trung bình trong điều kiện mang tải gần định mức.

Giới hạn thời gian này không phải là một con số tuyệt đối cố định cho mọi trường hợp, mà phụ thuộc vào công suất động cơ, cấp cách điện, mức độ mang tải tại thời điểm mất pha và điều kiện làm mát của động cơ, nhưng được xem là một mốc tham chiếu quan trọng trong thực tế vận hành công nghiệp.

Bên cạnh hiện tượng mất pha khi động cơ đang vận hành bình thường, một nguyên nhân khác cũng gây ra tình trạng dòng điện tăng cao tương tự là hiện tượng kẹt rôto, tức là rôto bị giữ chặt không thể quay được trong khi cuộn dây stato vẫn được cấp điện.

Tất cả nguyên nhân trên đều làm cho dòng điện động cơ tăng cao, bởi lẽ khi rôto bị kẹt, hệ số trượt s=1, dòng điện mở máy lúc này không suy giảm theo thời gian như quá trình mở máy bình thường mà duy trì ở mức cao liên tục, có thể đạt từ 5 đến 7 lần dòng điện định mức tùy theo loại động cơ, gây phát nhiệt rất nhanh trong cả cuộn dây stato và rôto.

Cơ chế chung khi dòng điện tăng cao, bất kể do nguyên nhân quá tải cơ khí, sụt áp lưới, mất pha hay kẹt rôto, đều dẫn đến hệ quả cuối cùng giống nhau về mặt nhiệt: khi dòng điện tăng lên làm cho nhiệt độ cuộn dây nóng lên quá giới hạn cho phép, dẫn đến cách điện động cơ chóng già cỗi, giảm tuổi thọ động cơ.

Quy luật già hóa cách điện theo nhiệt độ thường được mô tả gần đúng theo quy tắc kinh nghiệm bát phân, phát biểu rằng tuổi thọ cách điện giảm đi một nửa khi nhiệt độ vận hành tăng thêm khoảng 8 đến 10 độ C so với nhiệt độ giới hạn cho phép của cấp cách điện, được biểu diễn dưới dạng toán học theo phương trình Arrhenius:

Ngắn mạch nhiều pha tạo ra dòng điện sự cố có trị số rất lớn, thường gấp 8 đến 15 lần dòng điện định mức, sinh nhiệt cực lớn trong thời gian rất ngắn ngay tại điểm chạm chập, đủ để đốt cháy cách điện và làm chảy đồng dẫn điện chỉ trong vài chu kỳ điện áp. Đồng thời, dòng sự cố lớn này còn gây sụt áp đột ngột trên lưới điện chung, ảnh hưởng đến các thiết bị điện khác đang vận hành cùng lưới.

Trong lưới trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang, dòng điện chạm đất chủ yếu là dòng điện dung sinh ra từ điện dung phân bố của lưới điện đối với đất, có trị số rất nhỏ, thường chỉ vài đến vài chục ampe. Ngược lại, trong lưới trung tính nối đất trực tiếp, mạch sự cố khép kín qua tổng trở thấp, tạo ra dòng sự cố lớn tương đương ngắn mạch giữa các pha.

Đối với động cơ công suất lớn vận hành trong lưới trung tính cách điện, nếu dòng điện chạm đất vượt quá 10A, cần đặt bảo vệ chống chạm đất loại đặc biệt có khả năng cắt động cơ, thay vì chỉ dừng ở mức báo tín hiệu như đối với động cơ nhỏ. Ngưỡng này phản ánh mức dòng điện đủ lớn để gây phát nhiệt cục bộ nguy hiểm tại điểm sự cố trong cuộn dây hoặc lõi thép stato của động cơ công suất lớn.

Khi mất một pha, trong động cơ xuất hiện thành phần dòng điện thứ tự nghịch với tần số gấp đôi tần số lưới điện, tạo ra từ trường quay ngược chiều rôto. Do tổng trở thứ tự nghịch của động cơ rất nhỏ so với tổng trở thứ tự thuận ở chế độ làm việc bình thường, dòng điện thứ tự nghịch tương đối lớn, gây tổn hao và phát nhiệt tập trung tại các thanh dẫn rôto, nhanh hơn nhiều so với cơ chế phát nhiệt đồng đều do quá tải cơ khí thông thường.

• Động cơ điện không đồng bộ: cấu tạo và nguyên lý làm việc
• Động cơ xoay chiều có cổ góp: Cấu tạo, nguyên lý làm việc
• Máy điện đồng bộ: Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng