Trong các hệ thống điện ngày nay, cứ mỗi KW công suất nguồn điện cần phải có khoảng 5 – 6KVA công suất máy biến áp. Tổng thất điện năng trong các máy biến áp chiếm tới gần 30% toàn bộ tổn thất điện năng trong các lưới điện. Do đó máy biến áp là một trong các thành phần chủ yếu của các hệ thống điện, có ý nghĩa quyết định tới tính kinh tế của chúng.
Đến những năm cuối của thế kỷ 20 hầu như tất các các máy biến áp đều thuộc loại máy biến áp dầu, trong đó dầu đóng vai trò vừa hỗ trợ làm mát các cuốn dây, vừa làm tăng độ bền cách điện của chúng.
Chất lượng dầu ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy, tuổi thọ của máy biến áp. Trong quá trình vận hành cần phải thường xuyên theo dõi tình trạng dầu để kịp thời phát hiện những thay đổi tính chất của dầu thông qua việc xác định hàng loạt các chỉ tiêu quan trọng như tạp chất cơ khí và carbon lơ lửng, độ bền cách điện, chỉ số acid, nhiệt độ chớp cháy của dầu, độ nhớt, độ trong, độ ổn định, góc tổn thất điện môi… Để quản lý chất lượng dầu cần phải trang bị nhiều phương tiện kỹ thuật, cần có các cán bộ quản lý, cán bộ kỹ thuật giỏi, biến chế công nhân đông đảo với tay nghề cao… Mặt khác, với số lượng lớn máy biến áp dầu thì nguy cơ cháy, nổ luôn luôn thường trực, đe doạ sự cố thiết bị và gây tai nạn cho người, ô nhiễm môi trường xung quanh.
Vào những năm 50 của thế kỷ trước, một số nước đã chuyển sang sử dụng một số loại dầu chống cháy, nổ. Trong số đó phần lớn là loại dầu sô vốn rất độc hại và không bị phân huỷ. Từ năm 1970 loại dầu nói trên đã bị cấm sử dụng do độc tố của nó ảnh hưởng rất xấu tới sức khoẻ con người và môi trường, ngay cả khi hàm lượng dầu sô vốn rất nhỏ lẫn trong dầu máy biến áp thông thường.
Xu thế tất yếu của sự phát triển máy biến áp khô
Nhược điểm quan trọng của máy biến áp dầu như đã nêu trên là nguy cơ cháy, nổ. Do đó một vấn đề tất yếu đặt ra là phải tìm cách loại bỏ nguy cơ tiềm tàng đó: chế tạo loại máy biến áp không có dầu, mà các chuyên gia quen gọi là máy biến áp khô.
Thực ra ý tưởng chế tạo máy biến áp khô đã có từ nửa đầu thế kỷ trước, nhưng vào thời kỳ đó các vật liệu dẫn điện, cách điện, thép từ… các trang bị bảo vệ, đo lượng, điều khiển còn lạc hậu không cho phép phát triển máy biến áp khô như những năm gần đây. Ngày nay, máy biến áp khô được sử dụng ngày càng nhiều vì những yếu tố sau:
– Nhờ việc chế tạo ra tôn silic có tổn hao dòng điện Fuko thấp kết hợp với việc sử dụng bối dây cuốn bằng đồng lá, lõi thép xếp kiểu bậc thang, khe hở nhỏ nên độ ồn thấp không gây ô nhiễm môi trường như các máy biến áp dầu hiện hành (tiếng ồn của các máy biến áp dầu ở khoảng cách 1m thường xấp xỉ 80db gây tác hại đến sức khoẻ nhân dân xung quanh). Việc thiết kế tối ưu các phần tử máy biến áp khô trên máy tính đã bổ sung thêm các ưu việt của nó: tiết kiệm điện năng đáng kể nhờ giảm được tổn thất thép từ (tổn thất không tải dòng Fuko và tổn thất đồng, tổn thất có tải), máy biến áp vận hành với độ ồn thấp.
– Nhờ thiết kế trên máy tính, việc lựa chọn các thông số được tối ưu hoá, công nghệ chế tạo thép silic, sơn tẩm ngày càng hiện đại, hệ thống đo lường, điều khiển, bảo vệ ngày càng hoàn thiện nên độ tin cậy và tuổi thọ của máy biến áp khô rất cao.
– Máy biến áp khô đạt được các tiêu chuẩn môi trưởng HD484 của EU về điều kiện khí hậu (C0, C1, C2), môi trường (E0, E1, E2) và chịu lửa (F0, F1, F2).
– Công suất của máy biến áp khô khá lớn. Các máy biến áp khô dùng cho hệ thống phân phối được chế tạo với công suất từ 50 đến 2.500KVA, các máy biến áp khô điện lực (dry power transformer) có công suất từ 10.000 đến 20.000KVA/35KV và trong tương lai công suất sẽ còn lớn hơn.
– Máy biến áp khô được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống phân phối điện, hệ thống tự dùng của các nhà máy điện, hệ thống kích từ, hệ thống cung cấp điện đầu máy chạy trên đường sắt, xe điện ngầm, nhà máy điện nguyên tử. Máy biến áp khô còn được sử dụng phổ biến cho các khách sạn, sân vận động, xí nghiệp hoá dầu, sân bay, dàn khoan và đặc biệt sử dụng ở nơi có yêu cầu phòng hoả nghiêm ngặt.
– Máy biến áp khô có khả năng chịu quá tải. Đối với những nơi phụ tải không đồng đều trong ngày như điện chiếu sáng, khu văn hoá, máy điều hoà nheịet độ… có thể chọn công suất của các máy biến áp khô nhỏ hơn phụ tải để tận dụng khả năng chịu quá tải của chúng. Thời gian vận hành chính của máy biến áp sẽ ở trạng thái quá tải hoặc quá tải ít. Khi sử dụng máy biến áp khô có thể giảm bớt công suất dự phòng của chúng hoặc giảm số máy biến áp khô dự phòng.
Nói về máy biến áp khô thì về cơ bản nguyên lý làm việc và cách bố trí cuộn dây không có gì khác máy biến áp dầu.
1. Máy biến áp khô cuộn dây cách điện bằng Epoxy (cuộn dây được đúc hoặc tẩm Epoxy)
2. Máy biến áp khô làm mát bằng không khí tự nhiên (AN) hoặc không khí thổi cưỡng bức bằng quạt AN/AF). Do đó không cần có vỏ thùng để chứa dầu như máy biến áp dầu.
3. Về lõi tôn máy biến áp khô thì tương tự như chế tạo máy biến áp dầu thôi.
Hiện nay tiêu chuẩn riêng về MBA khô Việt Nam chưa ban hành. Tuy nhiên các thông số tổn hao vẫn lấy theo TCVN. Đây là thôgn số tổn hao của máy 1600kVA (22+/- 2*2.5%)/0,4kV.
Io=1% + 30%
Po=2200W + 15%
Pk= 16000W +15%
Uk=6% +/-10%
– Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1984-1994: Yêu cầu chung và các thông số tổn hao của MBA
– Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 60036-1,2,3,4,5. Được dịch lại từ IEC 60076.
Tuy nhiên có các tiêu chuẩn IEC về MBA khô như:
– IEC 60076-1,2,3,4,5. Dành chung cho MBA
– IEC 60076-11. Dành riêng cho MBA khô
– IEC 826. Dành riêng cho MBA khô
Máy biến áp khô, sự thay thế tôt cho loại dùng chất lỏng cách điện
Công nghệ máy biến áp (MBA), cũng như các công nghệ khác, đã phát triển trong hơn 50 năm qua. Tuy nhiên, các MBA chứa chất lỏng (đặc biệt là chứa PCB) đã gây ra những vấn đề về môi trường do sự rò rỉ, và những vấn đề khác khiến các nhà đầu tư phải tìm kiếm những loại thay thế MBA loại khô, dùng dầu thô, silicon là một số loại được chọn để thay thế cho các MBA chứa PCB.
Tiêu chuẩn để lựa chọn MBA
Do chi phí cáp và bus trong lĩnh vực hạ áp khá cao, hiện nay đang có xu hướng chuyển các đường dây cao áp về gần với phụ tải. Nhờ đó lượng các MBA được đặt ở những nơi đông dân cư, nơi rủi ro cháy nổ có thể được giảm đến mức tối thiểu. Hơn nữa, do nguy cơ cháy nổ cao nên trong các ngành công nghiệp khai khoáng và hoá chất nhất thiết phải dùng các thiết bị không bắt lửa, do đó trước hết các chất lỏng đã được sử dụng.
Để giảm thiểu nguy cơ cháy, chất làm mát thường là chất khó cháy có điểm cháy và phát quang thấp. Thêm nữa, nếu bắt lửa thì nó phải có tốc độ lan truyền lửa chậm. Nhà máy Mutual đang đảm nhận việc tập trung nghiên cứu về tốc độ dẫn và giải phóng nhiệt bức xạ khi các MBA xảy ra cháy. Tốc độ giải phóng nhiệt sẽ xác định các vật liệu bao quanh bắt lửa nhanh như thế nào. Hiển nhiên là chúng ta trông chờ một tốc độ chậm nhất có thể.
Các MBA khô với công suất 500 kVA và lớn hơn, thường được thiết kế với các hệ thống cách điện 200 oC ở đó loại giấy Aramid, Nomex là chất cách điện chính. Nomex có độ nén và ứng suất cách điện cao. Để đạt nhiều lợi ích hơn, lõi và dây quấn loại khô được bảo vệ chống lại độ ẩm bằng việc thấm áp suất chân không với polyester hay sơn epoxy. Các vật liệu cách điện có độ bền cao này, cùng với quá trình thấm, đã nâng cao độ bền cơ khi xảy ra ngắn mạch so với các MBA làm mát bằng chất lỏng. Đặc tính cách điện của không khí làm mát hạn chế phạm vi các MBA khô mới chỉ đến cấp điện áp 44 kV và 250 BIL.
Việc sử dụng MBA khô với chi phí năng lượng ngày càng tăng, sự giới hạn về không gian, những tổn hao và kích cỡ của MBA là yếu tố sống còn. Những bước tiến về công nghệ trong lắp đặt MBA loại khô sẽ dẫn đến việc giảm đáng kể các kích thước. Mặc dù lõi và dây quấn loại khô lớn hơn so với MBA làm mát bằng chất lỏng cùng công suất, các chiều nói chung của MBA loại khô là nhỏ hơn. Do đó, các MBA khô không đòi hỏi nhiều không gian cho bộ tản nhiệt.
Các tổn hao không tải trong MBA làm mát bằng chất lỏng có xu hướng thấp hơn một chút so với loại khô. Tuy nhiên, sự khác biệt thực sự chỉ xuất hiện khi ở chế độ có tải. Các MBA khô có thể vận hành ở nhiệt độ cao hơn, vì vậy có thể giảm tổn hao và điện trở nhiệt cũng nhiều hơn.
Công tác bảo dưỡng
MBA đòi hỏi mức độ bảo dưỡng thấp. Các MBA loại khô đòi hỏi kiểm tra định kỳ và lau sạch bụi hàng năm. Các MBA làm mát bằng chất lỏng cũng đòi hỏi kiểm tra rò rỉ và ôxy hoá định kỳ. Các chất lỏng làm mát cần phải được giám sát và thay thế khi cần thiết. Hoạt động làm việc của quạt và các bộ đo cần phải kiểm tra từng năm. Ngày nay, các MBA đã được lắp ráp từ những bộ phận có độ tin cậy cao. Tuy nhiên, trong trường hợp khó khăn, các MBA khô có thể dễ dàng kiểm tra và sửa chữa trực tiếp tại khu vực.
Với các MBA làm mát bằng chất lỏng, lõi sắt và dây quấn cần phải tháo khỏi thùng khi kiểm tra. Điều này sẽ gây ra chi phí tốn kém và việc sửa chữa ngay tại khu vực khó thực hiện được. Việc lắp ráp lõi sắt và dây quấn trong MBA chứa dầu phải được cách li khỏi tiếp xúc với không khí khi thùng chứa được hàn kín; không khí chỉ được đưa qua ống thông gió trong loại MBA cho không khí đi vào. Chi phí chỉ tăng nhẹ với loại MBA dầu trong nhà, do đó các loại MBA chứa dầu thường được ứng dụng cho lắp đặt ở ngoài trời. Các MBA khô cũng phù hợp với các ứng dụng ngoài trời theo chỉ dẫn của EEMAC và NEMA loại 3R và 4. Tuy nhiên, chúng cũng đòi hỏi chi phí cao hơn loại MBA lắp đặt trong nhà.
Kết luận
Hiện nay, giải pháp duy nhất là các MBA làm mát bằng chất lỏng trên 35 MVA và trên 250 kV BIL. Nói chung với các loại ứng dụng ngoài trời, nếu không cần quan tâm tới yếu tố môi trường thì các MBA chứa dầu là có chi phí đầu tư thấp nhất. Với loại ứng dụng có điện áp cao hơn ở những nơi có nguy cơ về cháy, các MBA silicone thường được lựa chọn, nhưng ta phải xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường.
Tuy nhiên, với các ứng dụng trong nhà hay ngoài trời, lên tới 250kV BIL hay 35 MVA (45 MVA cho loại có quạt làm mát bổ sung), các MBA khô mang lại một giải pháp hiệu quả kinh tế nhất với nhiều lợi thế về mặt thiết kế, và gần như không có nguy cơ tác động đến môi trường hay sức khỏe/Views/Files/.
