QUÁ TRÌNH LÀM NÓNG VÀ LÀM MÁT CỦA MÁY BIẾN ÁP

Cho dù là máy biến áp ngâm dầu hay máy biến áp khô , trong quá trình vận hành, do có tổn thất lõi và tổn thất đồng, những tổn thất này sẽ chuyển thành năng lượng nhiệt và tản ra ngoài, khiến máy biến áp liên tục nóng lên và tăng nhiệt độ. Cụ thể, nhiệt do lõi và tổn thất đồng sinh ra sẽ dần dần làm tăng nhiệt độ của lõi và cuộn dây. Ban đầu, nhiệt độ tăng nhanh, nhưng khi nhiệt độ của lõi và cuộn dây tăng lên, chúng sẽ phát triển một sự chênh lệch nhiệt độ (còn gọi là tăng nhiệt độ hoặc chênh lệch nhiệt độ) với môi trường làm mát xung quanh (như dầu hoặc không khí). Tại thời điểm này, các cuộn dây và lõi sẽ truyền một phần nhiệt sang môi trường xung quanh, khiến nhiệt độ của môi trường tăng lên. Khi nhiệt được truyền từ các cuộn dây và lõi sang môi trường xung quanh, tốc độ tăng nhiệt độ của các cuộn dây và lõi sẽ chậm lại. Sau một thời gian, nhiệt độ của các cuộn dây và lõi cuối cùng sẽ ổn định và không còn tăng nữa. Tại thời điểm này, nhiệt do các cuộn dây và lõi sinh ra sẽ được tản hoàn toàn vào môi trường xung quanh. Đây được gọi là trạng thái cân bằng nhiệt. Quá trình này tuân theo định luật “truyền nhiệt”.

Trong trạng thái ổn định nhiệt (cân bằng nhiệt), đường đi của dòng nhiệt rất phức tạp. Trong máy biến áp ngâm dầu, các đặc điểm sau thường tồn tại:

1. Truyền nhiệt từ các cuộn dây và lõi : 

Nhiệt sinh ra do tổn thất trong các cuộn dây và lõi trước tiên sẽ được truyền từ các điểm bên trong nóng nhất của các cuộn dây và lõi đến bề mặt tiếp xúc với dầu thông qua dẫn nhiệt. Do đó, nhiệt độ bề mặt luôn thấp hơn nhiệt độ của điểm bên trong nóng nhất. Hình 6-1 cho thấy sự phân bố nhiệt độ theo hướng xuyên tâm bên trong các cuộn dây.

Khi tiến hành các phép thử và tính toán nhiệt độ tăng cho các cuộn dây, chỉ có thể thu được nhiệt độ tăng trung bình của các cuộn dây. Nhiệt độ của điểm nóng nhất trong các cuộn dây thường cao hơn nhiệt độ tăng trung bình 10-15°C. Như đã đề cập trước đó, nhiệt độ tăng tại điểm nóng nhất là rất quan trọng trong việc xác định khả năng chịu tải của máy biến áp. Mặc dù các phương pháp như đo nhiệt độ bằng sợi quang có thể được sử dụng để đo nhiệt độ tại điểm nóng nhất của các cuộn dây, nhưng thiết bị như vậy rất đắt và chưa được áp dụng rộng rãi.

2. Truyền nhiệt sang dầu: 

Sau khi nhiệt từ các cuộn dây và lõi được truyền lên bề mặt, nhiệt độ bề mặt của các cuộn dây và lõi sẽ cao hơn nhiệt độ của dầu xung quanh, truyền nhiệt cho dầu tiếp xúc với các cuộn dây và lõi, làm tăng dần nhiệt độ của dầu.

Nhìn chung, nhiệt độ trung bình của các cuộn dây cao hơn nhiệt độ dầu trung bình 20-30°C (điều này có nghĩa là nhiệt độ tăng của các cuộn dây so với dầu thường là 20-30°C). Trong thiết kế, người ta thường kiểm soát theo kinh nghiệm để giữ nhiệt độ tăng của các cuộn dây so với dầu dưới 25K.

3. Đối lưu dầu: 

Khi dầu gần các cuộn dây và lõi được làm nóng, nó sẽ tự nhiên chảy lên trên, trong khi dầu đã nguội chảy xuống dưới. Đây là sự đối lưu của dầu (vì dầu có đặc tính dẫn nhiệt kém, nên nó chủ yếu dựa vào sự đối lưu), dẫn đến nhiệt độ chung của dầu bên trong thùng máy biến áp tăng lên. Hơn nữa, vì dầu nóng chảy lên trên và dầu lạnh chảy xuống dưới, nên dầu ở phía trên thùng luôn nóng hơn ở phía dưới. Thông thường, nhiệt độ của lớp dầu phía trên cao hơn nhiệt độ dầu trung bình khoảng 20%.

Hình 1 minh họa hướng dòng chảy của dầu trong các đường dẫn dầu của cuộn dây, Hình 2 cho thấy hướng đối lưu của dầu trong bể hình ống và sự phân bố nhiệt độ tăng theo trục, và Hình 3 cho thấy sự phân bố nhiệt độ tăng theo hướng xuyên tâm.

4. Truyền nhiệt từ dầu đến môi trường xung quanh: 

Dầu nóng gần các cuộn dây và lõi, do đối lưu, di chuyển bên trong thùng dầu. Khi dầu nóng gặp thành thùng hoặc ống làm mát, một phần nhiệt được truyền đến thành hoặc ống, khiến nhiệt độ dầu giảm xuống và trở thành dầu mát hơn chảy xuống dưới. Ngoài ra, thành thùng hoặc thành ống, sau khi hấp thụ nhiệt, nhiệt độ tăng lên. Thành thùng hoặc thành ống cũng tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ với môi trường xung quanh (không khí). Sau khi nhiệt được truyền ra bề mặt bên ngoài, nó sẽ được tản ra không khí bằng đối lưu và bức xạ.

Tóm lại, nhiệt sinh ra từ các cuộn dây và lõi của máy biến áp được truyền ra không khí bên ngoài qua nhiều bộ phận của máy biến áp. Mỗi bộ phận của đường dẫn nhiệt tạo ra chênh lệch nhiệt độ và kích thước của chênh lệch nhiệt độ này phụ thuộc vào giá trị tổn thất và các tính chất vật lý của môi trường. Tính toán sự gia tăng nhiệt độ của máy biến áp bao gồm tính toán chênh lệch nhiệt độ ở nhiều bộ phận khác nhau, bao gồm chênh lệch nhiệt độ giữa các cuộn dây và dầu, lõi và dầu, các cuộn dây và không khí, lõi và không khí, dầu và không khí, và chênh lệch giữa nhiệt độ dầu tối đa ở lớp trên cùng và nhiệt độ không khí xung quanh.