Máy biến áp điện lực dùng để làm gì? Thiết bị này dùng để tăng hoặc giảm điện áp xoay chiều giữa các cấp của lưới điện, giúp truyền tải điện năng đi xa với tổn thất thấp và phân phối điện đến nơi sử dụng ở mức điện áp an toàn. Đặc biệt, máy biến thế điện lực giữ nguyên tần số dòng điện, nên các thiết bị đầu cuối vận hành ổn định.
Về ứng dụng thực tế, máy biến áp điện lực có mặt ở mọi khâu của hệ thống truyền tải và phân phối điện: nhà máy phát điện, trạm biến áp, khu công nghiệp, nhà máy sản xuất và công trình dân dụng. Bên cạnh đó, mỗi vị trí lắp đặt đòi hỏi loại máy biến áp, cấp điện áp và công suất riêng.
Ngoài ra, nhiều người thường nhầm máy biến áp với máy ổn áp, hoặc phân vân giữa máy biến áp dầu và máy biến áp khô. Quan trọng hơn, hiểu đúng chức năng của từng thiết bị giúp doanh nghiệp chọn đúng giải pháp cấp điện cho nhà máy.
Sau đây, bài viết làm rõ khái niệm, nguyên lý, công dụng, cách phân loại, ứng dụng thực tế và tiêu chí lựa chọn máy biến áp điện lực.
Máy biến áp điện lực là thiết bị điện từ tĩnh, hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp xoay chiều từ cấp này sang cấp khác mà giữ nguyên tần số. Tên gọi “máy biến thế” là cách gọi quen thuộc của cùng thiết bị này.
Cụ thể hơn, từ “điện lực” chỉ nhóm máy biến áp có công suất lớn, làm việc trực tiếp trong lưới điện truyền tải và phân phối, khác với máy biến áp nguồn công suất nhỏ trong thiết bị điện tử. Công suất định mức của máy biến áp điện lực tính bằng kVA hoặc MVA, cấp điện áp từ 0,4 kV đến hàng trăm kV. Nhờ vậy, đây là thiết bị trung tâm của mọi trạm biến áp. Khi tìm hiểu máy biến áp là gì hay máy biến thế là gì, bạn nên nắm hai nội dung nền tảng: cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
Máy biến áp điện lực gồm lõi thép, cuộn dây sơ cấp, cuộn dây thứ cấp, hệ thống cách điện và vỏ máy. Dưới đây là vai trò từng bộ phận:
Nguyên lý biến đổi điện áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ giữa hai cuộn dây quấn chung một lõi thép. Cụ thể, dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp tạo ra từ thông biến thiên trong lõi thép. Từ thông này đi qua cuộn thứ cấp và cảm ứng ra một sức điện động ở đầu ra.
Tỷ số biến đổi điện áp được xác định bằng công thức U1/U2 = N1/N2, trong đó U1, U2 là điện áp sơ cấp, thứ cấp và N1, N2 là số vòng dây tương ứng. Do đó, cuộn thứ cấp có số vòng dây ít hơn cuộn sơ cấp thì máy hạ áp, nhiều hơn thì máy tăng áp. Từ nguyên lý này, ta hiểu rõ công dụng của máy biến áp điện lực trong hệ thống điện.
Máy biến áp điện lực dùng để tăng hoặc giảm điện áp nhằm truyền tải và phân phối điện năng an toàn, hiệu quả từ nhà máy phát điện đến nơi tiêu thụ. Ngoài ra, thiết bị còn cách ly các cấp điện áp, điều chỉnh điện áp và phân bổ công suất cho phụ tải.
Để hiểu rõ hơn chức năng của máy biến áp, hãy xem từng nhóm công dụng sau.
Máy biến áp tăng áp nâng điện áp lên mức cao để truyền tải điện đi xa với tổn thất thấp. Cụ thể, với cùng công suất truyền tải, điện áp càng cao thì dòng điện chạy trên dây càng nhỏ. Tổn thất công suất trên đường dây tỷ lệ với bình phương dòng điện (I²R), nên giảm dòng điện là cách hiệu quả nhất để giảm tổn thất.
Ví dụ, điện áp đầu cực máy phát thường chỉ ở mức vài kV đến vài chục kV. Máy biến áp tăng áp sẽ nâng lên 110 kV, 220 kV hoặc 500 kV để đưa lên đường dây truyền tải. Nhờ đó, nhà máy điện có thể truyền tải công suất lớn qua hàng trăm km mà vẫn dùng dây dẫn có tiết diện hợp lý, giảm chi phí đầu tư đường dây. Đây là vai trò cốt lõi của máy biến áp truyền tải điện.
Máy biến áp hạ áp giảm điện áp từ cao áp, trung áp xuống cấp phù hợp để phân phối cho người dùng. Cụ thể, điện năng được hạ dần qua nhiều cấp: từ 220 kV, 110 kV xuống 35 kV, 22 kV hoặc 10 kV, rồi xuống 0,4 kV (380/220V) tại trạm phân phối.
Mức điện áp thấp là mức mà động cơ, thiết bị sản xuất, hệ thống chiếu sáng và thiết bị sinh hoạt có thể sử dụng trực tiếp. Hơn nữa, việc hạ áp đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị đầu cuối. Máy biến áp phân phối điện vì vậy là mắt xích cuối cùng đưa điện năng từ lưới đến từng nhà máy, tòa nhà và hộ gia đình.
Ngoài tăng áp và hạ áp, máy biến áp điện lực còn đảm nhận ba chức năng bổ trợ quan trọng:
Không, máy biến áp điện lực không làm thay đổi tần số và hầu như không làm thay đổi công suất truyền qua. Có ba lý do chính:
Quan trọng hơn, máy biến áp điện lực có hiệu suất rất cao, thường trên 98% ở các máy công suất lớn. Vì thế, đây là thiết bị biến đổi điện áp kinh tế nhất trong hệ thống điện.
Máy biến áp tăng áp có số vòng dây thứ cấp nhiều hơn sơ cấp và đặt ở đầu nguồn để truyền tải. Máy biến áp hạ áp có số vòng dây thứ cấp ít hơn sơ cấp và đặt ở đầu tải để phân phối điện.
Để minh họa, bảng dưới đây so sánh hai loại theo các tiêu chí vị trí lắp đặt, tỷ số vòng dây, điện áp, dòng điện và vai trò trong hệ thống:
| Tiêu chí | Máy biến áp tăng áp | Máy biến áp hạ áp |
|---|---|---|
| Vị trí lắp đặt | Nhà máy điện, trạm tăng áp | Trạm trung gian, trạm phân phối, nhà máy, khu dân cư |
| Tỷ số vòng dây | N2 > N1 | N2 < N1 |
| Điện áp thứ cấp so với sơ cấp | Cao hơn | Thấp hơn |
| Dòng điện thứ cấp so với sơ cấp | Nhỏ hơn | Lớn hơn |
| Vai trò | Truyền tải điện đi xa, giảm tổn thất | Phân phối điện, đưa điện áp về mức an toàn |
Tuy nhiên, về nguyên lý, cùng một máy biến áp có thể vận hành theo chiều tăng hoặc hạ tùy cách đấu nối giữa nguồn và tải. Trong thực tế, nhà sản xuất thiết kế cách điện, tiết diện dây và bộ đổi nấc theo chiều làm việc chính, nên người dùng cần chọn đúng loại cho từng vị trí trong lưới.
Theo chức năng sử dụng trong lưới điện, máy biến áp điện lực gồm 4 nhóm chính: máy biến áp tăng áp, máy biến áp truyền tải, máy biến áp phân phối và máy biến áp công nghiệp chuyên dụng. Tiêu chí phân loại là vị trí và vai trò của máy trong hệ thống.
Cụ thể, từng nhóm có đặc điểm như sau:
Bên cạnh đó, máy biến áp còn được phân theo số pha (một pha, ba pha). Máy ba pha chiếm ưu thế trong lưới điện, còn máy một pha dùng cho tải nhỏ hoặc ghép thành bộ ba pha ở công suất rất lớn. Nhìn chung, nhóm máy biến áp trong trạm biến áp và máy biến áp công nghiệp là hai nhóm doanh nghiệp sản xuất tiếp xúc nhiều nhất.
Máy biến áp điện lực được ứng dụng thực tế ở bốn nhóm bối cảnh chính: nhà máy phát điện, hệ thống truyền tải và phân phối điện, trạm biến áp, và nhà máy, khu công nghiệp, công trình dân dụng.
Sau đây là chi tiết ứng dụng của máy biến thế ở từng bối cảnh.
Trong nhà máy phát điện, máy biến áp tăng áp được lắp ngay sau máy phát để nâng điện áp trước khi hòa lên lưới. Cụ thể, thiết bị này có mặt ở nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện mặt trời và điện gió. Với điện mặt trời và điện gió, máy biến áp nâng điện áp từ cấp thấp của inverter hoặc tuabin lên trung áp, rồi tiếp tục lên cao áp để hòa lưới. Nhờ đó, điện năng tạo ra được đưa vào hệ thống truyền tải với tổn thất thấp.
Trong hệ thống truyền tải và phân phối điện, máy biến áp là điểm chuyển cấp điện áp giữa các khâu. Chuỗi điện năng diễn ra theo thứ tự: phát điện, tăng áp, truyền tải, hạ áp tại trạm trung gian, phân phối, rồi đến người dùng.
Cụ thể hơn, tại mỗi điểm chuyển cấp, máy biến áp điều chỉnh điện áp phù hợp với đoạn lưới kế tiếp. Nếu thiếu một khâu, điện năng hoặc bị tổn thất lớn khi truyền tải, hoặc không đạt mức điện áp an toàn khi đến tay người dùng. Đây là ứng dụng quan trọng nhất của máy biến áp điện lực trên quy mô quốc gia.
Trong trạm biến áp, máy biến áp là thiết bị chính quyết định công suất và cấp điện áp của trạm. Với trạm 110 kV, máy biến áp chính hạ điện áp từ 110 kV xuống 35 kV hoặc 22 kV. Với trạm phân phối 22/0,4 kV, máy biến áp hạ xuống 0,4 kV để cấp cho khu dân cư và cơ sở sản xuất.
Ngoài ra, máy biến áp trong trạm biến áp có nhiều hình thức lắp đặt như trạm treo, trạm kiosk và trạm phòng. Tùy theo mật độ phụ tải và điều kiện mặt bằng, đơn vị thiết kế sẽ chọn hình thức phù hợp.
Trong nhà máy và khu công nghiệp, máy biến áp công nghiệp cấp điện cho dây chuyền sản xuất, động cơ, máy CNC, hệ thống nén khí, làm mát và chiếu sáng. Do đó, chất lượng và công suất của máy biến áp nhà máy ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định sản xuất.
Ở công trình dân dụng, máy biến áp cấp điện cho tòa nhà cao tầng, trung tâm thương mại, bệnh viện, trường học và hạ tầng đô thị. Đặc biệt, bệnh viện và trung tâm dữ liệu cần nguồn điện liên tục, nên thường dùng nhiều máy biến áp dự phòng cho nhau.
Không, hệ thống điện không thể vận hành hiệu quả nếu thiếu máy biến áp vì ba lý do: không truyền tải điện đi xa kinh tế được, không đưa điện áp về mức an toàn cho thiết bị được, và không kết nối được các cấp điện áp trong lưới.
Cụ thể, nếu truyền tải ở điện áp thấp, dòng điện lớn sẽ gây tổn thất công suất rất cao và đòi hỏi dây dẫn có tiết diện khổng lồ. Ngược lại, nếu đưa thẳng điện cao áp đến nơi sử dụng, thiết bị và con người đều không an toàn. Máy biến áp giải quyết cả hai vấn đề này bằng cách thay đổi điện áp ở đúng vị trí cần thiết.
Hơn nữa, thiết bị này mang lại các lợi ích sau:
Tóm lại, máy biến áp điện lực là mắt xích không thể thay thế trong hệ thống truyền tải và phân phối điện.
Chọn máy biến áp điện lực cho nhà máy cần xem xét 6 tiêu chí: công suất định mức, cấp điện áp sơ cấp và thứ cấp, tổ đấu dây, tổn thất không tải và có tải, điều kiện lắp đặt, và khả năng chịu quá tải.
Dưới đây là ý nghĩa từng tiêu chí:
Ngoài ra, yêu cầu kỹ thuật chung của máy biến áp điện lực được quy định trong tiêu chuẩn quốc tế IEC 60076-1:2011. Vì thế, nên chọn đơn vị cung cấp có hồ sơ thử nghiệm đầy đủ để đảm bảo máy đáp ứng yêu cầu vận hành lâu dài.
Máy biến áp điện lực khác máy ổn áp ở mục đích sử dụng, và khác nhau giữa các loại như máy biến áp dầu với máy biến áp khô ở môi trường cách điện và làm mát.
Cụ thể, hai so sánh dưới đây giúp người đọc phân biệt rõ.
Máy biến áp điện lực đổi cấp điện áp theo tỷ số cố định, còn máy ổn áp giữ điện áp đầu ra ổn định khi điện áp đầu vào dao động. Cụ thể, cần máy biến áp khi phải chuyển điện áp từ cấp này sang cấp khác, ví dụ 22 kV xuống 0,4 kV. Cần máy ổn áp khi điện áp lưới không ổn định, gây hỏng hoặc dừng thiết bị. Trong nhà máy, hai thiết bị thường dùng kết hợp: máy biến áp hạ áp từ lưới, máy ổn áp giữ điện áp ổn định cho dây chuyền nhạy cảm.
Máy biến áp dầu dùng dầu khoáng để cách điện và làm mát, còn máy biến áp khô dùng không khí và cuộn dây đúc nhựa epoxy. Cụ thể, máy biến áp dầu phù hợp trạm ngoài trời, công suất lớn, chi phí đầu tư thấp hơn nhưng cần quan tâm phòng cháy và bảo trì dầu. Máy biến áp khô an toàn cháy nổ hơn, ít bảo trì, phù hợp tòa nhà, bệnh viện, nhà máy trong nhà, nhưng giá thành cao hơn ở cùng công suất. Tùy theo vị trí lắp đặt và yêu cầu an toàn, doanh nghiệp chọn loại phù hợp.
