Có những phương pháp và cảm biến nào để giám sát nhiệt độ của máy biến áp khô?

Hoạt động an toàn và tuổi thọ của máy biến áp khô có mối liên hệ trực tiếp với tình trạng của vật liệu cách điện, trong đó nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tốc độ lão hóa của vật liệu cách điện. Do đó, việc giám sát nhiệt độ chính xác và đáng tin cậy là yếu tố cốt lõi của hệ thống bảo vệ máy biến áp khô. Khác với máy biến áp ngâm dầu, vốn dựa vào dầu biến áp để cách điện và làm mát, máy biến áp khô chủ yếu dựa vào không khí (đối lưu tự nhiên hoặc làm mát bằng gió cưỡng bức) và vật liệu cách điện rắn (như nhựa epoxy, giấy cách điện, v.v.), điều này khiến yêu cầu giám sát các điểm nóng bên trong trở nên nghiêm ngặt hơn.

Dưới đây là giới thiệu chi tiết về tất cả các phương pháp giám sát nhiệt độ của máy biến áp khô, từ các phương pháp chính đến phụ trợ, từ bên trong đến bên ngoài:

Phương pháp 1: Đo nhiệt độ cuộn dây nhúng trực tiếp

Đây là phương pháp giám sát cốt lõi và quan trọng nhất. Cảm biến được lắp đặt sẵn trực tiếp vào cuộn dây hoặc gắn sát bề mặt cuộn dây trong quá trình sản xuất máy biến áp, nhằm phản ánh một cách trực tiếp nhất nhiệt độ thực tế của cuộn dây – bộ phận nóng nhất.

1. Cảm biến nhiệt độ điện trở bạch kim (Pt100/Pt1000)

Đây là phương pháp đo nhiệt độ phổ biến nhất, tiêu chuẩn nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất trong các loại máy biến áp khô hiện nay.

• Vị trí triển khai: Trong quá trình sản xuất máy biến áp, các cảm biến nhiệt bằng điện trở bạch kim (thường là ba cái, tương ứng với ba cuộn dây pha A, B, C) được lắp sẵn vào phần trên của cuộn dây hạ áp ba pha, gần đầu ra dây dẫn. Khu vực này thường là điểm nóng có khả năng tản nhiệt kém nhất và nhiệt độ cao nhất của cuộn dây. Cảm biến được cố định chắc chắn trong khe hở của cuộn dây và được đúc cùng với cuộn dây bằng nhựa epoxy hoặc ngâm tẩm bằng phương pháp VPI (Vacuum Pressure Impregnation), trở thành một bộ phận vĩnh viễn của thân máy biến áp.

• Nguyên lý hoạt động: Tận dụng đặc tính vật lý là điện trở của dây bạch kim nguyên chất sẽ thay đổi một cách chính xác và tuyến tính theo sự biến đổi của nhiệt độ. Pt100 có nghĩa là tại 0°C, điện trở của nó là 100,00 ohm. Bộ điều khiển nhiệt độ sẽ truyền một dòng điện đo lường rất nhỏ và ổn định vào cảm biến điện trở bạch kim thông qua cáp cách ly chuyên dụng, sau đó đo chính xác điện áp giữa hai đầu cảm biến. Dựa trên định luật Ohm (Điện trở = Điện áp / Dòng điện), có thể tính toán được giá trị điện trở hiện tại của cảm biến. Do giữa giá trị điện trở của bạch kim và nhiệt độ tồn tại mối quan hệ tương ứng theo tiêu chuẩn quốc tế được công nhận (thang nhiệt độ ITS-90), bộ điều khiển chỉ cần tra bảng để chuyển đổi chính xác giá trị điện trở thành giá trị nhiệt độ hiện tại.

• Cấu trúc hệ thống：

  • Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ Pt100 bằng bạch kim được lắp sẵn trong cuộn dây.

  • Dây nối: Dây dẫn chuyên dụng được nối từ cảm biến, có khả năng chịu nhiệt độ cao và được bọc lớp chắn để ngăn chặn nhiễu điện từ.

  • Bộ điều khiển nhiệt độ: Thiết bị trung tâm dùng để thu nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến.

• Chức năng và tính năng：

  • Độ chính xác cao: Đo lường chính xác, độ tuyến tính cao.

  • Độ ổn định cao: Hoạt động ổn định trong thời gian dài, độ lệch nhỏ.

  • Tiêu chuẩn hóa: Pt100 là tiêu chuẩn quốc tế được sử dụng rộng rãi, có tính tương thích cao.

  • Hạn chế: Đây là phương pháp đo điểm đơn lẻ, độ chính xác của kết quả đo phụ thuộc rất lớn vào việc vị trí lắp đặt sẵn trong quá trình sản xuất có được căn chỉnh chính xác với điểm nóng thực tế hay không.

2. Cảm biến nhiệt độ sợi quang

Đây là một phương pháp tiên tiến hơn nhưng chi phí cũng cao hơn, chủ yếu được áp dụng cho các máy biến áp khô có điện áp cao, công suất lớn hoặc có yêu cầu đặc biệt.

• Vị trí triển khai: Cảm biến sợi quang có kích thước nhỏ gọn, cho phép lắp đặt linh hoạt hơn bên trong máy biến áp. Chúng có thể được dán trực tiếp lên bề mặt cuộn dây cao áp, thậm chí có thể được nhúng vào bên trong cuộn dây cao áp — điều mà các cảm biến kim loại truyền thống (như Pt100) không thể thực hiện được do vấn đề cách điện.

• Nguyên lý hoạt động: Công nghệ đo nhiệt độ bằng sợi quang có nhiều nguyên lý hoạt động khác nhau; những nguyên lý thường được áp dụng trong các ứng dụng biến áp bao gồm:

  • Đo nhiệt độ bằng sợi quang huỳnh quang: Ở đầu sợi quang được phủ một lớp mỏng vật liệu huỳnh quang hiếm đất đặc biệt. Thiết bị đo nhiệt độ chính sẽ truyền một chùm ánh sáng kích thích có bước sóng cụ thể qua sợi quang đến vật liệu này; sau khi hấp thụ năng lượng, vật liệu huỳnh quang sẽ phát ra ánh sáng huỳnh quang. Khi ánh sáng kích thích ngừng chiếu, thời gian suy giảm (tuổi thọ) của ánh sáng huỳnh quang có mối tương quan chính xác với nhiệt độ. Thiết bị chính sẽ tính toán nhiệt độ bằng cách đo thời gian suy giảm này.

• Cấu trúc hệ thống：

  • Đầu dò cảm biến sợi quang: Sợi quang có vật liệu cảm nhiệt hoặc lưới quang.

  • Máy giải mã sợi quang (thiết bị đo nhiệt độ chính): Chịu trách nhiệm phát và nhận tín hiệu quang, đồng thời thực hiện các phép tính và hiển thị kết quả.

  • Cáp quang: Dùng để kết nối đầu dò với thiết bị chính.

• Chức năng và tính năng：

  • An toàn bản chất: Là chất cách điện hoàn toàn, không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ nhiễu điện từ (EMI/RFI) nào, nên có thể tiếp xúc trực tiếp với các bộ phận cao áp một cách an toàn.

  • Đo lường chính xác: Độ chính xác cao, tốc độ phản hồi nhanh.

  • Đo đa điểm: Công nghệ đo nhiệt độ bằng sợi quang cho phép theo dõi đồng thời nhiệt độ tại các điểm nóng khác nhau trên máy biến áp, từ đó nắm bắt được phân bố các điểm nóng một cách toàn diện hơn.

Phương pháp 2: Đo nhiệt độ bề mặt bên ngoài không tiếp xúc

Phương pháp này không xâm nhập vào bên trong máy biến áp, mà thực hiện giám sát và kiểm tra định kỳ bằng cách đo nhiệt độ bề mặt bên ngoài của thiết bị.

3. Kiểm tra bằng hình ảnh nhiệt hồng ngoại

Đây là một công cụ kiểm tra và chẩn đoán rất hiệu quả, nhưng không phải là biện pháp bảo vệ thời gian thực chính.

• Vị trí triển khai: Nhân viên vận hành cầm máy ảnh nhiệt hồng ngoại trên tay hoặc lắp đặt máy ảnh nhiệt hồng ngoại cố định trong phòng máy biến áp, sau đó quét các bộ phận như bề mặt cuộn dây, lõi sắt, đầu nối dây và ống cách điện của máy biến áp.

• Nguyên lý hoạt động: Bất kỳ vật thể nào có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ không tuyệt đối đều phát ra tia hồng ngoại. Nhiệt độ của vật thể càng cao, năng lượng hồng ngoại mà nó phát ra càng mạnh. Máy ảnh nhiệt hồng ngoại sử dụng cảm biến hồng ngoại (mảng mặt phẳng tiêu cự) bên trong để thu nhận bức xạ hồng ngoại phát ra từ bề mặt vật thể và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện. Sau khi xử lý, hệ thống tạo ra một “bản đồ nhiệt” dưới dạng màu giả, trong đó các màu khác nhau trên hình ảnh đại diện cho các mức nhiệt độ khác nhau, giúp mắt người có thể quan sát trực quan sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt vật thể.

• Cấu trúc hệ thống: Máy chụp ảnh nhiệt hồng ngoại cầm tay hoặc cố định.

• Chức năng và tính năng：

  • Không tiếp xúc: Không cần ngắt điện, có thể tiến hành kiểm tra trong khi máy biến áp đang hoạt động, rất an toàn.

  • Toàn diện và trực quan: Hình ảnh hiển thị là “bản đồ nhiệt độ” chứ không phải dữ liệu “điểm nhiệt độ”, giúp nhanh chóng phát hiện các khuyết tật do quá nhiệt cục bộ, đặc biệt rất hiệu quả trong việc kiểm tra các vấn đề như đầu nối bị lỏng hay tiếp xúc kém.

  • Đo nhiệt độ bề mặt: Thiết bị này chỉ đo nhiệt độ bề mặt của cuộn dây hoặc lõi sắt của máy biến áp, không thể phản ánh nhiệt độ cao nhất bên trong cuộn dây, do đó giá trị hiển thị sẽ thấp hơn rất nhiều so với nhiệt độ thực tế tại các điểm nóng bên trong cuộn dây.

  • Hỗ trợ chẩn đoán: Chủ yếu được sử dụng cho việc kiểm tra định kỳ và bảo trì phòng ngừa, nhằm phát hiện các vấn đề tiềm ẩn, chứ không phải để điều khiển và bảo vệ theo thời gian thực.

Phương pháp 3: Giám sát các bộ phận quan trọng khác và nhiệt độ môi trường

Ngoài việc theo dõi nhiệt độ cuộn dây – yếu tố quan trọng nhất, việc theo dõi nhiệt độ lõi sắt và nhiệt độ môi trường cũng rất quan trọng.

4. Giám sát nhiệt độ lõi sắt

• Vị trí triển khai: Thông thường, người ta lắp đặt một cảm biến nhiệt độ (có thể là Pt100 hoặc cặp nhiệt điện) tại phần yếm của lõi sắt (yếm trên) hoặc trên bộ kẹp.

• Nguyên lý hoạt động: Hoạt động theo nguyên lý đo nhiệt độ cuộn dây, được sử dụng để đo nhiệt độ lõi sắt.

• Chức năng và tính năng: Nhiệt độ lõi sắt tăng bất thường có thể là dấu hiệu của các sự cố như tiếp đất tại nhiều điểm trên lõi sắt hoặc hư hỏng cách điện giữa các lá thép silic dẫn đến dòng điện xoáy quá lớn. Việc theo dõi nhiệt độ lõi sắt có thể cung cấp cơ sở để cảnh báo và chẩn đoán các sự cố cụ thể này.

5. Giám sát nhiệt độ môi trường

• Vị trí triển khai: Trong phòng hoặc tủ đặt máy biến áp, hãy chọn một vị trí có thể phản ánh nhiệt độ không khí làm mát xung quanh và không bị ảnh hưởng bởi bức xạ nhiệt trực tiếp từ máy biến áp, sau đó lắp đặt cảm biến nhiệt độ tại vị trí đó.

• Nguyên lý hoạt động: Đo nhiệt độ của chất làm mát (không khí).

• Chức năng và tính năng: Nhiệt độ môi trường là tiêu chuẩn để tính toán mức tăng nhiệt của máy biến áp. Nhiệt độ môi trường quá cao sẽ làm giảm đáng kể khả năng tản nhiệt của máy biến áp, từ đó hạn chế khả năng chịu tải của thiết bị. Việc theo dõi nhiệt độ môi trường có thể được sử dụng để điều khiển hệ thống thông gió trong phòng máy biến áp hoặc phát cảnh báo khi nhiệt độ môi trường quá cao.

Tổng kết và tích hợp hệ thống: Hệ thống điều khiển nhiệt độ

Tất cả các cảm biến nêu trên chỉ là những “con mắt”; dữ liệu mà chúng thu thập được cuối cùng đều phải được tập hợp lại tại một “bộ não” để xử lý, và “bộ não” đó chính là Bộ điều khiển nhiệt độ cho máy biến áp khô。

Một chiếc máy hoàn chỉnhBộ điều khiển nhiệt độ cho biến áp khô, thường là sự kết hợp của nhiều phương pháp nêu trên, và thông qua một bộ điều khiển nhiệt độ thông minh để thực hiện các chức năng cốt lõi sau:

1. Kiểm tra và hiển thị nhiệt độ ba pha: Tự động hiển thị luân phiên nhiệt độ thời gian thực của các cuộn dây pha A, B, C, đồng thời có thể chuyển đổi thủ công để xem nhiệt độ cao nhất của từng pha.

2. Điều khiển tự động quạt: Khi nhiệt độ của bất kỳ cuộn dây pha nào đạt đến giá trị “khởi động quạt” đã cài đặt sẵn, bộ điều khiển sẽ tự động đóng tiếp điểm rơle để khởi độngQuạt làm mátTiến hành làm mát bằng quạt cưỡng bức; khi nhiệt độ giảm xuống mức “dừng quạt”, quạt sẽ tự động tắt, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm tiếng ồn.

3. Cảnh báo quá nhiệt: Khi nhiệt độ của bất kỳ cuộn dây pha nào đạt đến mức “báo động” đã cài đặt sẵn, bộ điều khiển sẽ phát ra tín hiệu báo động bằng âm thanh và ánh sáng để nhắc nhở nhân viên vận hành chú ý.

4. Ngắt mạch do quá nhiệt: Khi nhiệt độ của bất kỳ cuộn dây pha nào đạt đến giá trị “ngắt mạch” đã cài đặt sẵn (đây là hàng phòng thủ cuối cùng để bảo vệ cách điện), bộ điều khiển sẽ phát ra một tín hiệu ngắt mạch không hoạt động, truyền đến công tắc phía cao áp của máy biến áp, khiến công tắc này ngắt mạch, cắt nguồn điện của máy biến áp, từ đó thực hiện chức năng bảo vệ cuối cùng.

5. Phát hiện sự cố cảm biến: Bộ điều khiển có thể tự động phát hiện các sự cố đứt mạch hoặc chập mạch của cảm biến và phát ra cảnh báo sự cố.

6. Truyền dữ liệu từ xa: Các bộ điều khiển nhiệt độ hiện đại thường được trang bị các giao diện truyền thông như RS485, hỗ trợ các giao thức tiêu chuẩn như Modbus, cho phép truyền tải từ xa toàn bộ dữ liệu nhiệt độ và trạng thái thiết bị đến hệ thống giám sát trung tâm (SCADA).