Vai trò của lõi trong máy biến áp ngâm dầu là gì?

Tiếng vo ve của các trạm biến áp điện là âm thanh quen thuộc trong thế giới hiện đại, là minh chứng cho mạng lưới vô hình rộng lớn cung cấp năng lượng cho cuộc sống của chúng ta. Trọng tâm của hệ thống này, bên trong các thùng hình trụ mang tính biểu tượng, là một phần công nghệ quan trọng: máy biến áp ngâm trong dầu. Trong khi toàn bộ thiết bị là một tuyệt tác của kỹ thuật, người anh hùng thầm lặng, không thể thiếu của nó chính là lõi máy biến áp. Thành phần này không chỉ đơn thuần là một phần tử cấu trúc; nó là con đường cơ bản của từ thông, bản chất của chức năng của máy biến áp. Nhưng chính xác thì lõi này là gì, tại sao thiết kế của nó lại quan trọng đến vậy và việc ngâm trong dầu sẽ nâng cao hiệu suất của nó như thế nào?

Lõi máy biến áp ngâm trong dầu là cấu trúc nhiều lớp, khép kín được dát mỏng tỉ mỉ từ các tấm thép silic cao cấp. Chức năng chính của nó là cung cấp đường dẫn có độ thấm cao cho từ thông được tạo ra bởi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây của máy biến áp. Việc phân luồng từ thông hiệu quả này là yếu tố cho phép ghép cảm ứng giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, cho phép tăng hoặc giảm mức điện áp với tổn thất năng lượng tối thiểu. Nếu không có lõi này, máy biến áp sẽ hoạt động kém hiệu quả và thực tế không thể sử dụng được cho các ứng dụng công suất cao.

Do đó, việc lựa chọn vật liệu và kết cấu cho lõi là điều tối quan trọng. Thép silicon hay còn gọi là thép điện là vật liệu được lựa chọn. Việc bổ sung silicon vào hợp kim sắt làm tăng điện trở suất của nó, đây là một đặc tính quan trọng. Điện trở suất cao hơn làm giảm cường độ dòng điện xoáy—dòng điện tuần hoàn ký sinh được tạo ra bên trong lõi bởi từ trường xen kẽ. Những dòng điện xoáy này là nguồn gây tổn thất năng lượng đáng kể, biểu hiện dưới dạng nhiệt. Bằng cách giảm chúng, thép silicon trực tiếp nâng cao hiệu suất của máy biến áp. Hơn nữa, lõi không phải là một khối kim loại rắn mà được chế tạo từ các lớp mỏng. Mỗi cán được phủ một lớp cách điện mỏng. Thiết kế này còn cản trở đường đi của dòng điện xoáy, giới hạn chúng trong các lớp riêng lẻ và giảm đáng kể tổn thất tổng thể trong lõi, được gọi là tổn thất sắt.

Hình dạng của lõi cũng có chủ ý như nhau. Thiết kế phổ biến nhất là lõi có tiết diện bậc thang được sắp xếp theo khung hình chữ nhật hoặc hình tròn. "Bước" này là một kỹ thuật tối ưu hóa cho phép lõi có tiết diện gần đúng hình tròn trong khung hình vuông, tối đa hóa diện tích hiệu dụng cho từ thông đồng thời giảm thiểu lượng vật liệu và chiều dài trung bình của một vòng quay, nhờ đó nâng cao hiệu quả. Các khớp nối giữa các lớp được đặt so le hoặc xen kẽ một cách chính xác để giảm thiểu khe hở không khí ở các góc, đảm bảo đường dẫn từ liên tục và ngăn từ thông thoát ra ngoài, điều này có thể gây ra tổn thất bổ sung và tiếng ồn có thể nghe được.

Đây là lúc khía cạnh "ngâm dầu" trở nên quan trọng. Lõi cùng với các cuộn dây được ngâm trong dầu khoáng được thiết kế đặc biệt bên trong thùng máy biến áp. Loại dầu này phục vụ nhiều chức năng hiệp đồng, tất cả đều quan trọng đối với tuổi thọ và hiệu suất của lõi. Thứ nhất, nó hoạt động như một chất làm mát hiệu quả cao. Phần lõi, mặc dù được thiết kế hiệu quả nhưng vẫn bị tổn thất năng lượng do tạo ra nhiệt. Dầu lưu thông tự nhiên hoặc thông qua máy bơm, hấp thụ nhiệt này từ lõi và cuộn dây rồi truyền đến các lá tản nhiệt của máy biến áp, nơi nhiệt này được tiêu tán vào khí quyển. Điều này giúp lõi không bị quá nóng, có thể làm suy giảm lớp phủ cách điện trên các lớp mỏng và cuối cùng dẫn đến hỏng hóc nghiêm trọng.

Thứ hai, dầu mang lại khả năng cách nhiệt vượt trội. Trong khi lõi được nối đất, trường điện từ cường độ cao và điện áp cao hiện diện đòi hỏi phải có sự cách nhiệt mạnh mẽ giữa lõi, cuộn dây và bản thân thùng chứa. Độ bền điện môi cao của dầu ngăn ngừa phóng điện và đánh thủng điện. Cuối cùng, dầu đóng vai trò như một hàng rào bảo vệ, che chắn các lớp thép silicon được hoàn thiện chính xác khỏi hai kẻ thù bất lợi: độ ẩm và oxy. Việc tiếp xúc với các nguyên tố này sẽ gây ra sự ăn mòn và oxy hóa nhanh chóng, làm hỏng lớp phủ cách điện mỏng manh và làm thay đổi tính chất từ ​​của thép, dẫn đến tổn thất lõi tăng mạnh và giảm hiệu suất tổng thể.

Về bản chất, lõi máy biến áp ngâm trong dầu là một kiệt tác của kỹ thuật điện từ và vật liệu. Nó là một thành phần cân bằng hoàn hảo, trong đó các đặc tính của thép silicon, sự đổi mới của kết cấu nhiều lớp và môi trường bảo vệ của dầu điện môi hội tụ cho một mục đích duy nhất: tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển đổi năng lượng điện hiệu quả cao và đáng tin cậy. Nó hoạt động âm thầm trong bể dầu, khuất khỏi tầm nhìn, nhưng lại là nền tảng tuyệt đối của truyền tải và phân phối điện, cho phép điện truyền đi khoảng cách xa từ nhà máy điện đến nhà của chúng ta với hiệu suất vượt trội. Thiết kế bền bỉ của nó là lý do chính khiến chúng ta có thể dựa vào dòng năng lượng liên tục định hình nên nền văn minh hiện đại.