Cấu trúc hình học và đặc tính vật liệu máy biến áp lực

loại vô định hình (Amorphous) đang được 
ứng dụng trên các máy biến áp phân phối. 
Khác với tôn silic CRGO, các lá Amorphous 
rất mỏng (bằng 1/10 tôn silic CRGO). Mạch từ 
Amorphous thường là dạng quấn (wound core), 
được cấu thành từ dạng chữ C, ghép thành hình 
chữ nhật bo tròn ở góc. Chi tiết minh họa cho 
cấu trúc này được thể hiện ở hình 4.
Amorphous có thể giảm thiểu tổn thất không 
tải đến tầm 70-80% so với lõi tôn silic CRGO 
chuẩn M4; tuy nhiên, kim loại Armorphous bão 
hòa sớm hơn tôn silic CRGO. Do đó, máy biến 
áp sử dụng công nghệ Amorphous cần phải có 
kích thước mạch từ to hơn, cuộn dây lớn hơn 
và nhiều dầu hơn. Tổng chi phí cho máy biến áp 
Amorphous có thể cao hơn đến 40% so với máy 
biến áp thông thường [2]. Chính điều này khiến 
cho phạm vi ứng dụng công nghệ Amorphous 
hiện chỉ giới hạn ở cấp MBA phân phối.
B. Cuộn dây
Các cuộn dây 
MBA có dây dẫn 
được chế tạo từ 
dây đồng dạng 
tròn hoặc dạng chữ 
nhật. Với MBA có 
dòng định mức cao, 
các dây đồng có tiết 
diện hình chữ nhật, 
được bện chung 
và hoán vị liên 
tục (Continuously 
Transposed Conductor - CTC), xem hình 5, để 
tránh sinh ra dòng quẩn. Các vòng dây được 
bọc quanh bởi giấy cách điện và quấn liên tục 
dọc theo trụ của lõi thép. Cuộn hạ áp (Low 
Voltage - LV) hoặc cuộn cân bằng (Tertiary 
Voltage - TV) thường được quấn trong cùng; 
cuộn cao áp (High Voltage – HV) được quấn 
bọc phía ngoài cùng. MBA kiểu vỏ có cách bố 
trí cuộn dây dạng bánh sandwich (cuộn HV và 
LV được quấn với cùng đường kính, xen kẽ và 
kẹp vào nhau).
Trong các cuộn dây có điện áp định mức dưới 
110 kV, các dây dẫn quấn kiểu xoắn ốc (helical) 
và dây quấn kiểu lớp (layer) được sử dụng tương 
đối phổ biến. Điểm chung của hai kiểu quấn dây 
này là các vòng dây được quấn quanh trụ lõi thép 
theo phương thẳng đứng tạo thành lớp; cuộn dây 
kiểu lớp sẽ có nhiều lớp so với kiểu xoắn ốc (xem 
hình 6a, b và d). Đối với các cuộn dây có điện áp 
định mức 110 kV, 220 kV hay cao hơn, cấu trúc 
kiểu đĩa thường được sử dụng; cuộn dây kiểu này 
gồm nhiều đĩa xếp chồng lên nhau dọc theo trụ 
từ, mỗi đĩa có nhiều vòng dây quấn theo phương 
ngang (xem hình 6b). 
Đối với các cuộn dây kiểu đĩa, phân bố điện 
áp quá độ dọc theo cuộn dây không đều khi 
có các quá điện áp lan truyền đến MBA. Điều 
này được giải thích thông qua các mô phỏng sử 
dụng mô hình thông số rải của cuộn dây để tính 
toán quá điện áp tức thời dọc theo cuộn dây. 
Theo đó, khi có quá điện áp xung với biên độ 
U lan truyền đến đầu cuộn dây có chiều dài L, 
điện áp tức thời Uo ở vị trí x từ đầu cuộn dây sẽ 
là [5]: 
Hình 4 – Cấu trúc mạch từ bằng tôn silic CRGO (trái) và 
kim loại Amorphous (phải) phổ biến [3]
Hình 5. Dây dẫn hoán vị liên 
tục (CTC) [4]
Hình 6. Minh họa các kiểu quấn dây thông dụng
Bảng 2. Một số chuẩn tôn silic CRGO phổ biến trên thị trường [2]
Vật liệu tôn silic CRGO thông dụng Vật liệu HI-B Vật liệu HI-B bức xạ laser
M6 – 0,35 mm MOH – 0,27 mm ZDMH -95- 0,27 mm
M5 – 0,30 mm MOH – 0,23 mm ZDMH -90- 0,27 mm
M4 – 0,27 mm ZDMH -90- 0,23 mm
M3 – 0,23 mm ZDMH -85- 0,23 mm
 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 15
Trong phương trình (1), C và C tương 
ứng là điện dung tương đương của cuộn dây 
so với đất (shunt/ground capacitance) và điện 
dung dọc tương đương (series capacitance) của 
cuộn dây. Hình 7 minh họa các phân bố biên độ 
điện áp quá độ dọc theo cuộn dây tương ứng với 
các trường hợp hệ số khác nhau (hình trái) và 
các thành phần của điện dung dọc và điện dung 
so với với (điện thế) đất của một cuộn dây khảo 
sát (hình phải). Điện thế đất là điện thế của vỏ 
MBA đã được nối đất (nếu xét cuộn dây ngoài 
cùng) hay là điện thế của lõi thép nối đất (nếu 
xét cuộn dây bên trong cùng).
Theo hình 7, khi càng lớn, điện áp quá độ 
sẽ đặt lên phần đầu cuộn dây càng cao. Do cuộn 
dây quấn theo kiểu đĩa liên tục có hệ số α lớn, 
từ 5 đến 30 [5], các nhà sản xuất đã có một số 
giải pháp như:
- Sử dụng màn chắn tĩnh điện (static 
rings).
- Sử dụng cuộn chắn quấn trong đĩa 
(shield coils), với 3 phương án đấu nối (xem 
hình 8a, b và c)
- Sử dụng kiểu đĩa quấn xen kẽ 
(interleaved), xem hình 8d.
Giải pháp quấn kiểu đĩa xen kẽ sẽ làm cuộn 
dây có giá trị điện dung dọc tương đương lớn 
nhất, nhưng độ phức tạp về công nghệ trong 
quá trình sản xuất cũng là cao nhất. Giải pháp 
sử dụng cuộn chắn thì đơn giản hơn, đôi khi 
cũng có thể áp dụng cho kiểu đĩa xen kẽ [6]. 
Khi xét đến tính hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, giải 
pháp sử dụng kiểu đĩa thường và tăng cường 
cách điện ở đầu cuộn dây vẫn được áp dụng 
rộng rãi, xem hình 9. 
C. Hệ thống cách điện
Hệ thống cách điện trong MBA bao gồm 
phần cách điện của từng (vòng dây, đĩa hay lớp) 
cuộn dây, cách điện giữa các cuộn dây với nhau 
và cách điện giữa từng cuộn dây với vỏ máy/lõi 
thép. Khi xét một MBA hai cuộn dây, hệ thống 
cách điện này đặc trưng bởi các điện dung:
- Điện dung tương đương ba pha giữa 
cuộn HV bên ngoài với vỏ máy (nối đất): CHG
- Điện dung tương đương ba pha giữa 
cuộn LV bên trong với lõi thép (nối đất): CLG
- Điện dung tương đương ba pha giữa 
cuộn HV và cuộn LV: CHL
- Điện dung dọc tương đương cuộn dây 
(trên từng pha): tổ hợp của điện dung giữa các 
vòng dây lân cận và điện dung giữa các đĩa/lớp 
lân cận: C
Các giá trị điện dung CHG, CLG và CHL 
minh họa ở hình 10 có thể được xác định bằng 
các phép đo điện dung thông thường, nhưng 
riêng giá trị điện dung dọc cuộn dây C là 
không thể đo lường trực tiếp. Để xác định giá 
trị này, cần phải có thông tin chi tiết về cấu trúc 
hình học của dây quấn và thông số đặc tính vật 
liệu cách điện để tính toán giải tích, hoặc thông 
qua mô phỏng kết hợp với các phép đo không 
trực tiếp [7]. Ngoài ra, tổn hao của các tổ hợp 
cách điện này có thể được biểu diễn trong các 
sơ đồ điện tương đương của MBA bởi thông số 
điện dẫn tương ứng, được ký hiệu bởi GHG, GLG 
và GHL.
Hình 7. Minh họa phân bố điện áp quá độ dọc theo cuộn 
dây (trái) và các điện dung của cuộn dây (phải)
Hình 8. Các giải pháp thông dụng để cải thiện điện dung 
dọc tương đương cuộn dây và hệ số 
Hình 9. Hình ảnh thực tế các cuộn dây MBA 110/22 kV
 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 201916
Để tính toán được các giá trị điện dung đề 
cập ở trên, cần phải biết thành phần của các tổ 
hợp cách điện; đối với MBA có cách điện lỏng 
(ngâm dầu), có hai loại cách điện chính là cách 
điện rắn (giấy cách điện là chủ yếu) và dầu 
cách điện. Đối với tổ hợp cách điện giữa các 
cuộn dây, phần cách điện rắn bao gồm các màn 
chắn (barrier) và các lớp chêm (spacer), được 
làm bằng giấy cứng cách điện tẩm dầu. Thông 
thường, giấy cứng có mật độ khối cao (1,1 - 1,3 
g/cm3) được sử dụng làm cách điện chính giữa 
các cuộn dây, còn giấy cứng mật độ thấp hơn 
(0,9 g/cm3) được dùng làm cách điện giữa cuộn 
dây bên trong cùng với lõi thép. Dầu cách điện 
trong MBA vừa đóng vai trò là môi chất cách 
điện, và cũng đồng thời là chất làm mát. Các 
loại dầu cách điện hiện đang được sử dụng là 
các loại dầu khoáng (mineral oil), dầu silicone 
hay các ester tự nhiên hay tổng hợp nhân tạo.
III. ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU
Phần này sẽ giới thiệu các thông số đặc tính 
vật liệu của bộ lõi thép – cuộn dây và hệ thống 
cách điện giấy – dầu giữa các cuộn dây, là cơ 
sở cho các phân tích về sau trong các phép thí 
nghiệm chẩn đoán nâng cao. 
A. Lõi thép – cuộn dây
Thông số vật liệu chính của hệ thống lõi 
thép – cuộn dây là độ từ thẩm (μ), đặc trưng 
cho khả năng tạo ra và khuếch đại (năng lượng) 
từ trường bên trong vật liệu. Trong thực tế, độ 
từ thẩm cần được biểu diễn dưới dạng phức, 
trong đó, phần thực biểu diễn khả năng tạo ra 
từ trường của vật liệu, còn phần ảo biểu thị cho 
tổn hao:
 (2)
Tổn hao lõi thép MBA bao gồm tổn hao do 
dòng Foucault, tổn hao từ trễ và tổn hao định 
hướng từ, có thể được xác định theo phương 
trình (3) [8]:
 (3)
o Pc là tổng tổn hao sắt từ (W/kg) ở tần số 
(Hz)
o Ph, Pe, Pa lần lượt là tổn hao từ trễ, tổn hao 
do dòng Foucault và tổn hao định hướng từ (W)
o B là cường độ từ trường (Tesla)
o ke, ka là các hằng số phụ thuộc vào cấu 
trúc hình học và điện trở suất khối của vật liệu
Khi phân tích đặc tính độ từ thẩm trong 
miền tần số, hiệu ứng bề mặt (skin effect) 
đóng vai trò rất quan trọng. Theo phương pháp 
giải tích, độ từ thẩm của những lá thép mỏng 
(laminations) được tính theo công thức (4), phụ 
thuộc theo hiệu ứng bề mặt trong phân bố mật 
độ từ trường [8, 9]:
 (4)
o là độ sâu hiệu ứng bề mặt (skin depth), 
tính theo công thức (5)
o D là bề dày của lá thép (mm)
o là hệ số lấp đầy của lá thép so với khi 
có lớp cách điện
o là độ từ thẩm tương đối của vật liệu 
(phần thực của từ thẩm phức)
Độ sâu hiệu ứng bề mặt được xác định: 
 (5)
o là tần số (Hz)
o là độ từ thẩm (phần thực) của vật liệu 
(H/m)
o là điện dẫn suất của vật liệu (S/m)
Hình 11 biểu diễn phần thực ( ) và phần ảo 
( ) của độ từ thẩm theo công thức (4) với các 
thông số: lá thép mỏng có bề dày 0,35 mm, điện 
dẫn 5x106 S/m, độ từ thẩm tương đối là 500 và 
hệ số lấp đầy 0,92. Do hiệu ứng bề mặt thay đổi 
mạnh theo tần số, độ từ thẩm do đó cũng thay 
đổi tương ứng; ở tần số cao, độ từ thẩm giảm 
mạnh và lõi thép không có tác dụng.
Hình 10 – Các điện dung tương đương trong một MBA 
hai cuộn dây
Hình 11. Đặc tính theo tần số của độ từ thẩm lá thép 
 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 17
Đối với cuộn dây MBA, hiệu ứng bề mặt 
cũng có tác dụng đáng kể đối với phân bố mật 
độ dòng điện bên trong dây dẫn: khi tần số càng 
cao thì mật độ điện tích bên trong lõi dây dẫn 
càng giảm khiến cho điện trở xoay chiều (AC) 
càng tăng cao so với điện trở một chiều (DC). 
Ngoài ra, từ trường gây ra bởi các (vòng) dây 
dẫn lân cận cũng ảnh hưởng đến sự phân bố 
dòng điện trong dây dẫn (hiệu ứng lân cận – 
proximity effect), qua đó góp phần gia tăng tổn 
hao cuộn dây, được xác định theo phương trình 
(6) [8]:
 (6)
 PW là tổng tổn hao đồng (W)
 PDC là tổn hao do điện trở một chiều 
(W)
 Pskin,Pproximity tương ứng là tổn hao do 
hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lân cận (W)
B. Hệ thống cách điện
Thông số vật liệu chính của hệ thống cách 
điện là hằng số điện môi (ε), đặc trưng cho các 
khả năng phân cực của vật liệu cách điện (điện 
môi) dưới tác dụng của điện trường. Khi hệ 
thống cách điện được đặt dưới điện trường E, 
mật độ dòng điện J xuất hiện bên trong hệ thống 
là tổng của các thành phần dòng điện dịch và 
dòng điện dẫn, biểu trưng bởi hằng số điện môi 
dạng phức . Tương tự như độ từ 
thẩm phức của vật liệu từ, phần thực của hằng 
số điện môi phức biểu thị cho các hiện tượng 
phân cực, còn phần ảo đặc trưng cho tổn thất 
do điện dẫn suất của môi chất và tổn thất do 
phân cực điện môi [10]. Các đại lượng này đều 
phụ thuộc vào tần số.
 (7)
o là tần số góc (rad/s)
o là hằng số điện môi ở tần số cao 
(F/m)
o là hằng số điện môi của chân không 
(F/m)
o và tương ứng là phần thực và ảo 
của đại lượng nhạy cảm điện (susceptibility)
o là điện dẫn suất của điện môi (S/m)
Hằng số điện môi của dầu khoáng cách điện 
có phần thực là hằng số, còn phần ảo phụ thuộc 
vào điện dẫn suất, nhiệt độ và tần số, được xác 
định theo phương trình (8). Khi nhiệt độ cao, 
dẫn suất tăng nên hệ số tổn hao điện môi sẽ 
càng lớn.
 (8)
Hằng số điện môi phức của giấy cách điện 
có phần thực hầu như không phụ thuộc đáng 
kể vào tần số và hàm lượng nước (ở nhiệt độ 
xác định) trong vùng tần số từ hàng chục Hz 
trở đi (xem hình 12a). Trong khi đó, phần ảo 
của hằng số điện môi lại thay đổi đáng kể theo 
tần số và hàm lượng nước (xem hình 12b) và cả 
nhiệt độ [10].
Để phân tích đặc tính tần số của hệ thống 
cách điện giấy – dầu giữa các cuộn dây trong 
MBA, mô hình X-Y trong hình 16 đã được chấp 
nhận áp dụng rộng rãi. Theo đó, hằng số điện 
môi phức của hệ thống cách điện được tính 
theo công thức (9):
 (9)
o X là tỉ lệ của bề dày các lớp chắn so 
với tổng bề dày của các lớp chắn – chêm theo 
phương xuyên tâm hệ thống
o Y là tỉ lệ của bề rộng của các miếng chêm 
so với tổng bề rộng của các lớp chêm – dầu theo 
chu vi hệ thống
o tương ứng là hằng số 
điện môi phức của giấy cách điện dùng làm 
miếng chêm và màn chắn
o là hằng số điện môi phức của dầu 
cách điện
Hình 14 minh họa vùng ảnh hưởng của dầu 
và giấy cứng cách điện lên hằng số điện môi 
phức của hệ thống cách điện trong một MBA 
thực tế. Theo đó, hằng số điện môi của giấy/dầu 
Hình 12. Hằng số điện môi phức của giấy cứng chứa các 
hàm lượng nước khác nhau ở 50°C [10]
Hình 13. Cấu trúc hệ thống cách điện giữa các cuộn dây 
và mô hình X-Y [10]
 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 201918
có ảnh hưởng riêng lẻ đến đáp ứng điện môi của tổ hợp cách điện trong từng vùng tần số cục bộ: 
trong khoảng tần số từ 0,01 Hz đến 10 Hz, dầu cách điện có ảnh hưởng mạnh, trong khi ở dải tần 
số thấp hơn (10 Hz), cấu trúc hình học X-Y và hàm lượng nước trong giấy 
cách điện lại có ảnh hưởng chi phối [11].
IV. KẾT LUẬN
Bài viết đã giới thiệu tổng quan cấu trúc hình học và đặc tính vật liệu trong phần tích cực và hệ 
thống cách điện chính của máy biến áp lực. Những thông tin này có thể được sử dụng để xây dựng 
các mô hình vật lý (sơ đồ mạch điện tương đương) cho máy biến áp lực nhằm ứng dụng phân tích 
các phép thí nghiệm chẩn đoán nâng cao hiện đang được triển khai tại các công ty thí nghiệm điện.
V. TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Transformer#/media/File:Vermogentransformator_1.GIF
[2] Indrajit Dasgupta, “Power Transformers Quality Assurance,” New Age International Ltd., India, 2009.
[3] 
[4] Bernard Hochart, “Power Transformer Handbook,” 1989.
[5] S.V Kulkarni, S.A. Khaparder, “Transformer Engineering – Design and Practice,” Marcel Denker, Inc, 2004.
[6] James H. Harlow, “Electric Power Transformer Engineering,” 3rd ed., CRC Press, 2012.
[7] N. T. Tran et. al., “Capacitances in a physical distributed circuit of ablack-box power transformer for Frequency 
Response Analysis at medium frequencies,” 2016 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and 
Application (ICHVE), 2016.
[8] Nilanga Abeywickrama, “Effect of Dielectric and Magnetic Material Characteristics on Frequency Response of 
Power Transformers,” PhD dissertation, Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden, 2007.
[9] A. Shintemirov, W. H. Tang, and Q. H. Wu, “Transformer Core Parameter Identification Using Frequency Response 
Analysis,” IEEE Trans. Magnetics, Vol. 46, No.1, 2010.
[10] “Frequency Response of Oil Impregnated Pressboard and Paper Samples for Estimating Moisture in Transformer 
Insulation,” IEEE Trans. Power Delivery, Vol. 21, No. 3, July 2006.
[11] Sivaji Chakravorti, Debangshu Dey, Biswendu Chatterjee, “Recent Trends in the Condition Monitoring of 
Transformers: Theory, Implementation and Analysis,” Springer, 2013.
Hình 14. Đáp ứng tần số hằng số điện môi phức của tổ hợp cách điện giấy – dầu trong một MBA thực tế