Các bộ phận chính của một động cơ hay máy phát bao gồm cuộn dây stator, cuộn dây rotor và ổ đỡ. Theo khảo sát của viện nghiên cứu năng lượng điện - EPRI thực hiện năm 1980 với 7500 động cơ cảm ứng cỡ lớn, 37% sự cố của động cơ có nguyên nhân ban đầu liên quan đến cuộn dây stator, 10% liên quan đến cuộn dây rotor. Ngoài ra, theo một nghiên cứu của IEEE, 40% sự cố của máy phát thuỷ điện có nguyên nhân từ cách điện cuộn dây stator.

Việc đánh giá tình trạng của cách điện cuộn dây stator cũng như phát hiện các lỗi của cuộn dây ở giai đoạn sớm đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc bảo trì, kéo dài tuổi thọ của động cơ, máy phát, giảm thiểu các sự cố nghiêm trọng xảy ra. Nắm bắt được những nguyên nhân cơ bản và dấu hiệu của quá trình suy giảm cách điện cuộn dây sẽ góp phần nâng cao độ chính xác trong việc phát hiện lỗi, đánh giá được mức độ nghiêm trọng của lỗi và nâng cao độ chính xác khi lên kế hoạch bảo trì.

Trong quá trình hoạt động bình thường, cuộn dây stator của những động cơ lớn hoặc máy phát luôn phải chịu những tác động từ những yếu tố bên trong (nhiệt, lực điện từ…) và những yếu tố bên ngoài (bụi bẩn, độ ẩm, nhiệt độ môi trường…). Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến xuống cấp, hư hỏng cách điện, trong đó có một số nguyên nhân chính sau:

Xuống cấp cách điện do nhiệt độ: Nhiệt độ là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến quá trình xuống cấp cách điện, nếu như nhiệt độ hoạt động của cuộn dây tăng 10 độ C, tuổi thọ của cách điện sẽ giảm đi một nửa (theo IEEE 43-2013). Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ cuộn dây bao gồm cả yếu tố bên ngoài lẫn yếu tố bên trong như: Quá tải, mất cân bằng điện áp, sóng hài cao, bụi bẩn, hệ thống làm mát không đủ…. Quá trình xuống cấp cách điện do nhiệt độ sẽ kèm theo sự tăng lên của điện dung cách điện, độ tổn hao điện môi và phóng điện cục bộ theo thời gian.

Thay đổi tải: Quá trình thay đổi tải thường xuyên và đột ngột cũng góp phần làm hư hỏng cách điện của cuộn dây. Trong một số stator loại lớn (dài hơn 2m), sự thay đổi đột ngột dòng điện sẽ dẫn đến thay đổi nhiệt độ của cuộn dây một cách nhanh chóng. Quá trình giãn nở theo chiều dài không đều của dây dẫn và cách điện sẽ tạo ra các ứng suất lực lớn tại vị trí hai đầu cuối cuộn dây, dần dần, quá trình này dẫn đến hư hỏng cách điện, kèm theo đó là hiện tượng phóng điện cục bộ.

Tẩm cách điện không tốt: Với các cuộn dây trung thế, tẩm sấy là một công đoạn rất quan trọng, mục đích của công đoạn này là loại bỏ hoàn toàn các lỗ khí trong cách điện, đồng thời tăng độ dẫn nhiệt và hạn chế sự dịch chuyển cuộn dây trong quá trình hoạt động. Nếu như quá trình tẩm sấy không tốt, nhiệt độ cuộn dây trong lúc hoạt động có thể tăng cao, làm cách điện xuống cấp do nhiệt; hoặc dịch chuyển cuộn dây có thể xảy ra, dẫn đến mòn cách điện. Tuy nhiên vấn đề chính của quá trình tẩm cách điện không tốt là hiện tượng phóng điện cục bộ với sự xuất hiện các lỗ khí bên trong cách điện.

Lỏng cuộn dây trong khe từ (lỏng nêm): Cuộn dây động cơ, máy phát lúc hoạt động chịu một lực từ rất lớn, lực từ này có tần số gấp 2 lần tần số dòng điện và có độ lớn tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện. Nếu cuộn dây hay thanh dẫn được giữ chặt, dù hoạt động ở điều kiện đầy tải, lực từ này chỉ gây tác dụng nhỏ lên cuộn dây. Tuy nhiên, nếu tình trạng ngược lại xảy ra, cuộn dây không được giữ chặt, chúng sẽ bắt đầu rung động, cách điện cuộn dây bắt đầu có sự di chuyển tương đối với lõi stator, lớp cách điện dần dần bị mòn do ma sát. Nếu như 30% độ dày lớp cách điện bị mòn, sự cố ngắn mạch sẽ xảy ra. Ngoài ra, quá trình này cũng kèm theo hiện tượng phóng điện cục bộ. Nếu như không được phát hiện sớm, cuộn dây sẽ nhanh chóng bị phá huỷ trong vòng vài tháng đến vài năm.

Hư hỏng lớp bán dẫn: Với các cuộn dây trung thế, phần dây dẫn được đặt trong khe từ sẽ được sơn hoặc quấn 1 lớp bán dẫn mỏng ở mặt ngoài lớp cách điện. Lớp bán dẫn này có tác dụng tránh tình trạng lỗ khí được tạo ra bởi mặt ngoài của cách điện và phần tiếp địa của động cơ, máy phát (lúc này lớp bán dẫn chính là phần tiếp địa). Quá trình hoạt động do bị mòn do rung động, hoặc do quá trình sản xuất không tốt, lớp bán dẫn này sẽ dần dần bị hư hỏng, điện trở của lớp bán dẫn sẽ tăng lên, nghiêm trọng hơn làlớp bán dẫn này có thể bị mất đi. Điều này đồng nghĩa với việc xuất hiện các lỗ khí giữa cách điện và phần tiếp địa (lõi stator), gây ra hiện tượng phóng điện cục bộ.

Hư hỏng lớp tản điện trường: Để hạn chế các hư hỏng do phóng điện cục bộ trong cuộn dây, lớp bán dẫn mặt ngoài cách điện sẽ được kết thúc cách rảnh từ vài cm về phía vị trí cuối cuộn dây. Tuy nhiên, với việc kết thúc lớp bán dẫn này, điện trường cao sẽ tập trung tại vị trí kết thúc bán dẫn. Để khắc phục điều này, vị trí này sẽ được phủ thêm một lớp bán dẫn có tính chất thay đổi điện trở theo điện trường (điện trở thấp khi điện trường cao và điện trở cao khi điện trường thấp). Nhờ vậy hiện tượng phóng điện cục bộ do điện trường tập trung sẽ không xảy ra. Một số trường hợp trong quá trình sản xuất, vị trí chồng lên nhau của lớp tản điện trường và lớp bán dẫn không đủ tiêu chuẩn, hoặc lớp bán dẫn không đảm bảo tính chất vật lý cần thiết, theo thời gian, lớp tản điện trường này sẽ mất dần vai trò của mình, hiện tượng phóng điện cục bộ sẽ xảy ra.

Xung điện áp: Một động cơ, máy phát khi hoạt động sẽ chịu ảnh hưởng bởi các xung có điện áp cao từ bên ngoài, như sét lan truyền, ngắn mạch từ hệ thống, máy cắt hay biến tần… Những xung điện áp này lặp đi lặp lại nhiều lần với biên độ cao, sẽ ảnh hưởng đến cách điện của các vòng dây, cách điện giữa các pha cách điện giữa pha với vỏ cũng như lớp bán dẫn mặt ngoài cuộn dây.

Tấn công hoá học: Động cơ, máy phát hoạt động trong môi trường có axit, dầu, các chất dung môi hoặc các chất hoá học khác sẽ có nguy cơ bị các yếu tố này xâm nhập. Một khi cách điện bị tấn công bởi các chất hoá học, điện trở cách điện sẽ giảm xuống, đồng thời, các liên kết hoá học trong cách điện sẽ bị bẻ gãy, cách điện sẽ mềm đi và dần dần xuống cấp.

Khoảng cách giữa các pha ở vị trí cuối cuộn dây (end-winding): Trong những stator lớn, tại vị trí cuối cuộn dây, khoảng cách của các cuộn dây kế tiếp nhau phải đủ lớn để đảm bảo nhiệt độ tản nhiệt. Ngoài ra, một điều quan trọng là tại những vị trí này, bề mặt ngoài cách điện không được phủ lớp bán dẫn, nếu khoảng cách giữa các cuộn dây nhỏ và hiệu điện thế giữa 2 cuộn dây lớn, hiện tượng cục bộ sẽ xảy ra, dần dần làm hỏng cách điện.

Rung động cuối cuộn dây: Cũng giống như lỏng cuộn dây trong khe từ, nếu đầu cuối cuộn dây không được giữ một cách chắc chắn, hiện tượng rung động bởi lực từ lớn sẽ xảy ra, các dây dẫn có nguy cơ cọ xát với các vật cố định nó, dần dần cách điện sẽ bị mòn và dẫn đến ngắn mạch. Nguyên nhân của quá trình này có thể là do thiết kế của nhà sản xuất, dòng khởi động quá lớn, cuộn dây duy trì nhiệt độ cao trong thời gian dài. Ngoài ra, sự có mặt của dầu, mỡ bôi trơn (do rò rỉ) tại vị trí này cũng góp phần làm cho hiện tượng rung động này xảy ra.

Rò rỉ hệ thống làm mát: Với những stator của máy phát lớn, hệ thống làm mát stator trực tiếp bằng nước được sử dụng. Nếu trong quá trình chế tạo cuộn dây stator hoặc trong quá trình bảo trì, lớp Teflon không được dán một cách chính xác, hiện tượng rò rỉ nước sẽ xảy ra. Sự hiện diện của nước sẽ làm tăng dòng rò, và nhanh chóng làm xuống cấp cách điện.

 

Trên đây là một số nguyên nhân chủ yếu dẫn đến xuống cấp, hư hỏng cuộn dây stator. Nếu như chúng ta nắm bắt được những nguyên nhân này, kết hợp với việc sử dụng các công nghệ trong bảo trì chẩn đoán như kiểm tra, giám sát phóng điện cục bộ online, giám sát rung động…phát hiện kịp thời và đưa ra giải pháp hợp lý. Khi đó quá trình xuống cấp của cách điện stator sẽ chậm lại, tuổi thọ động cơ, máy phát sẽ được kéo dài cũng như các sự cố nghiêm trọng sẽ giảm đi, nâng cao tính ổn định của nhà máy, giảm chi phí bảo trì và chi phí dừng máy không kế hoạch.