Biến áp điện lực tăng áp là máy biến áp nâng điện áp từ máy phát (6,3 đến 15,75 kV) lên cấp truyền tải 110 đến 500 kV, đặt tại nhà máy điện để giảm tổn thất khi truyền tải điện năng đi xa.
Biến áp điện lực hạ áp là máy biến áp giảm điện áp giữa các cấp lưới tại trạm trung gian như 500/220 kV, 220/110 kV hay 110/35 kV, đưa điện về gần khu vực tiêu thụ.
Biến áp phân phối là máy biến áp hạ điện áp trung thế 10, 22 hoặc 35 kV xuống 0,4 kV để cấp trực tiếp cho nhà máy, tòa nhà và khu dân cư. Ba loại biến áp này khác nhau ở điện áp sơ cấp, điện áp thứ cấp, tỷ số biến áp và vị trí lắp đặt.
Biến áp điện lực tăng áp là máy biến áp có điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp, đặt ở đầu nguồn để nâng điện áp từ máy phát lên cấp truyền tải. Phần này giải thích khái niệm máy biến áp điện lực, rồi xét vị trí đặt và ứng dụng của biến áp điện lực tăng áp.
Về nguyên lý, biến áp tăng áp có cuộn thứ cấp nhiều vòng dây hơn cuộn sơ cấp (N₂ > N₁), nên điện áp ra tăng theo tỷ lệ vòng dây. Vì công suất gần như bảo toàn (U₁I₁ ≈ U₂I₂), điện áp tăng thì dòng điện thứ cấp giảm tương ứng.
Máy biến áp điện lực là thiết bị điện tĩnh hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Máy biến đổi điện áp và dòng điện xoay chiều từ cấp này sang cấp khác, giữ nguyên tần số, nhằm truyền tải và phân phối điện năng.
Theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 60076-1:2011, máy biến áp điện lực là thiết bị tĩnh có hai hay nhiều cuộn dây, biến đổi hệ thống điện áp và dòng điện xoay chiều thành hệ thống khác, thường với giá trị khác nhau, cùng tần số, để truyền tải năng lượng điện.
Chức năng của máy biến áp điện lực gồm ba nhiệm vụ chính:
Với cùng công suất truyền tải, nâng điện áp lên 10 lần làm dòng điện giảm 10 lần và tổn thất I²R trên đường dây giảm khoảng 100 lần. Đây là cơ sở kỹ thuật để máy biến áp điện lực nâng điện áp trước khi truyền tải.
Về nguyên lý, dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn sơ cấp tạo từ thông biến thiên trong lõi thép từ. Từ thông này cảm ứng sang cuộn thứ cấp một suất điện động, và điện áp thứ cấp tỉ lệ thuận với số vòng dây của cuộn đó. Theo vai trò trong hệ thống, máy biến áp điện lực chia thành biến áp tăng áp, biến áp hạ áp và biến áp phân phối.
Biến áp tăng áp đặt ngay sau máy phát tại nhà máy điện như thủy điện, nhiệt điện, điện mặt trời và điện gió. Điện áp thường nâng từ 6,3 đến 15,75 kV lên 110, 220 hoặc 500 kV.
Máy phát điện chỉ sinh ra điện áp tương đối thấp vì giới hạn về cách điện cuộn dây. Nếu truyền tải ở điện áp đó, dòng điện lớn sẽ gây tổn thất nghiêm trọng. Nâng điện áp lên 10 lần làm tổn thất I²R giảm khoảng 100 lần, nên cấp điện áp truyền tải ngày càng cao khi khoảng cách và công suất tăng.
Biến áp tăng áp mở đầu chuỗi truyền tải: nhà máy điện, trạm nâng áp của nguồn năng lượng tái tạo và trạm hòa lưới.
Trong hệ thống truyền tải điện, máy biến áp tăng áp đảm nhiệm hai vai trò. Thứ nhất, nâng điện áp để đưa điện năng đi xa với tổn thất thấp. Thứ hai, đồng bộ cấp điện áp của nguồn phát với lưới điện quốc gia. Các nhà máy điện mặt trời và điện gió cũng cần trạm nâng áp để hòa vào lưới trung áp hoặc cao áp.
Biến áp điện lực hạ áp là máy biến áp có điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp, dùng để giảm điện áp từ cấp truyền tải xuống cấp thấp hơn, đưa điện về gần khu vực tiêu thụ. Khác với biến áp tăng áp, máy hạ áp có N₂ < N₁ và dòng thứ cấp lớn, còn máy tăng áp có N₂ > N₁ và dòng thứ cấp nhỏ.
Về nguyên lý, biến áp hạ áp có cuộn sơ cấp nhiều vòng dây hơn cuộn thứ cấp. Điện áp ra giảm, đổi lại dòng điện thứ cấp tăng, nên cuộn thứ cấp dùng dây có tiết diện lớn hơn. Theo nghĩa rộng, “biến áp hạ áp” gồm cả biến áp trạm trung gian và biến áp phân phối. Theo nghĩa hẹp, chỉ các biến áp hạ cấp trong lưới truyền tải và trung gian.
Hai loại này giống nhau ở nguyên lý cảm ứng điện từ, giữ nguyên tần số và công suất gần như bảo toàn. So sánh biến áp tăng áp và hạ áp vì vậy tập trung vào cấu tạo cuộn dây, dòng điện và vị trí lắp đặt, được phân tích ở các phần dưới đây.
Biến áp hạ áp dùng ở các trạm biến áp trung gian, với các cấp phổ biến 500/220 kV, 220/110 kV, 110/35 kV và 110/22 kV.
Những trạm này nối các cấp lưới. Điện năng từ lưới 500 kV hoặc 220 kV được hạ dần xuống 110 kV, sau đó xuống 35 kV hoặc 22 kV để phân phối đến các khu vực. Cách hạ áp theo từng cấp giúp lưới điện linh hoạt và dễ kiểm soát hơn.
Biến áp hạ áp ứng dụng chủ yếu tại trạm 110 kV để cấp điện cho khu công nghiệp, đô thị và lưới trung áp.
Biến áp hạ áp còn đảm bảo chất lượng điện áp ở đầu ra, nhờ nấc phân áp hoặc bộ điều áp dưới tải. Các thiết bị này giúp duy trì điện áp ổn định khi phụ tải thay đổi trong ngày. Những trạm này thường có công suất lớn và vận hành liên tục.
Biến áp tăng áp có cuộn thứ cấp nhiều vòng và dây nhỏ, còn biến áp hạ áp có cuộn thứ cấp ít vòng nhưng tiết diện dây lớn.
Ở biến áp tăng áp, cuộn cao áp là thứ cấp, có nhiều vòng dây tiết diện nhỏ và yêu cầu cách điện cao. Ở biến áp hạ áp, cuộn cao áp là sơ cấp, còn cuộn thứ cấp có ít vòng nhưng dây to để chịu dòng lớn. Cấp cách điện, khoảng cách điện và cách bố trí nấc phân áp cũng khác nhau, vì nhà sản xuất thiết kế máy theo chiều truyền công suất.
Công suất hai phía gần như bằng nhau (U₁I₁ ≈ U₂I₂), nên điện áp tăng thì dòng giảm và ngược lại.
Ví dụ, máy biến áp tăng áp nâng điện áp lên 10 lần thì dòng thứ cấp chỉ còn khoảng một phần mười dòng sơ cấp. Ngược lại, máy hạ áp giảm điện áp 10 lần thì dòng thứ cấp tăng khoảng 10 lần. Phần chênh lệch nhỏ giữa công suất vào và ra là tổn thất không tải và tổn thất có tải của máy.
Về nguyên lý, có, vì máy biến áp có tính thuận nghịch. Tuy nhiên không nên đảo chiều tùy tiện.
Nhà sản xuất tối ưu máy theo chiều vận hành: nấc phân áp thường đặt ở phía cao áp, mức cách điện tính theo điện áp từng cuộn, và tổ đấu dây phù hợp chiều truyền công suất. Đảo chiều có thể làm sai lệch điện áp ra, tăng dòng khởi động khi đóng điện và ảnh hưởng đến bảo vệ rơ le. Muốn đảo chiều, cần kiểm tra lại với nhà sản xuất.
Biến áp phân phối là máy biến áp hạ áp ở cuối chuỗi cấp điện, đưa điện áp trung thế xuống 0,4 kV (400/230 V) để cấp trực tiếp cho phụ tải như nhà máy, tòa nhà và khu dân cư. Khác với biến áp tăng áp đặt ở nhà máy điện và biến áp hạ áp đặt ở trạm trung gian, biến áp phân phối nằm gần phụ tải nhất.
Về bản chất, đây là dạng biến áp hạ áp, thuộc nhóm máy biến áp điện lực. Trong hệ thống phân phối điện, loại này thường vận hành liên tục 24/7. Các cấp điện áp thường gặp là 10/0,4 kV, 22/0,4 kV và 35/0,4 kV, công suất phổ biến tính bằng kVA. Đặc điểm tải của biến áp phân phối thay đổi theo giờ trong ngày nên cần tối ưu tổn thất không tải. Các phần dưới đây phân tích các loại biến áp phân phối, tiêu chí phân biệt với biến áp tăng áp, hạ áp và cách chọn loại phù hợp.
Có, biến áp phân phối là dạng biến áp hạ áp, vì điện áp thứ cấp thấp hơn sơ cấp. Loại này chuyên dùng ở cấp phân phối, hạ trung áp xuống 0,4 kV.
Cần phân biệt hai nhóm “hạ áp”. Hạ áp truyền tải có công suất lớn, hoạt động ở cấp 110 đến 500 kV tại trạm trung gian. Hạ áp phân phối có công suất nhỏ hơn, hạ từ trung áp xuống 0,4 kV tại điểm gần phụ tải. Do đó, hai khái niệm có quan hệ bao hàm: biến áp phân phối là hạ áp, nhưng không phải biến áp hạ áp nào cũng là biến áp phân phối.
Biến áp phân phối chia thành ba nhóm theo ba tiêu chí: môi chất làm mát, số pha và kiểu lắp đặt. Ba nhóm gồm:
Cả ba nhóm đều phải đáp ứng yêu cầu chung của IEC 60076-1:2011 về mức tăng nhiệt, cách điện và thử nghiệm. Về kiểu lắp đặt, trạm treo và trạm giàn thích hợp khu vực dân cư thưa, trạm kiosk gọn và lắp nhanh, còn trạm phòng dùng cho công trình lớn cần bảo vệ thiết bị tốt hơn.
Máy biến áp phân phối ứng dụng ở mọi nơi cần cấp điện hạ áp: nhà máy, tòa nhà, khu dân cư, trung tâm thương mại và hạ tầng.
Đây là mắt xích cuối cùng đưa điện từ lưới trung áp đến thiết bị sử dụng. Khi chọn loại này, cần xét công suất kVA, tổn thất, tổ đấu dây và điều kiện lắp đặt thực tế. Với phụ tải công nghiệp có nhiều động cơ, nên dự phòng công suất để máy không vận hành quá tải kéo dài.
Có bốn tiêu chí chính để phân biệt các loại máy biến áp điện lực: chiều biến đổi điện áp, cấp điện áp sơ cấp và thứ cấp, vị trí lắp đặt trong hệ thống và dải công suất.
Hai khái niệm nền tảng cần nắm trước. Điện áp sơ cấp là điện áp đặt vào cuộn dây nối với nguồn cấp. Điện áp thứ cấp là điện áp lấy ra ở cuộn dây nối với tải hoặc với cấp lưới tiếp theo. So sánh hai giá trị này cho biết ngay máy đang tăng hay hạ điện áp. Bốn tiêu chí gồm:
Tỷ số biến áp là cách nhận biết nhanh nhất. Công thức tính: k = U₁/U₂ = N₁/N₂, trong đó U₁, N₁ là điện áp và số vòng dây phía sơ cấp, U₂, N₂ là phía thứ cấp. Khi k < 1 máy là biến áp tăng áp, khi k > 1 máy là biến áp hạ áp. Ví dụ, máy 10,5/121 kV có k ≈ 0,087 nên là biến áp tăng áp, còn máy 110/22 kV có k = 5 nên là biến áp hạ áp.
Bảng dưới đây so sánh ba loại máy biến áp điện lực theo bảy tiêu chí: chức năng, điện áp sơ cấp, điện áp thứ cấp, tỷ số biến áp, vị trí trong hệ thống, công suất điển hình và ứng dụng. Các giá trị là điển hình, thực tế thay đổi theo từng dự án.
| Tiêu chí | Biến áp tăng áp | Biến áp hạ áp (trạm trung gian) | Biến áp phân phối |
|---|---|---|---|
| Chức năng | Nâng điện áp để truyền tải xa | Hạ điện áp giữa các cấp lưới | Hạ điện áp xuống mức dùng trực tiếp |
| Điện áp sơ cấp | Thấp (6,3 đến 15,75 kV) | Cao (500, 220, 110 kV) | Trung áp (10, 22, 35 kV) |
| Điện áp thứ cấp | Cao (110 đến 500 kV) | Thấp hơn (220, 110, 35, 22 kV) | Hạ áp 0,4 kV |
| Tỷ số biến áp | k < 1 | k > 1 | k > 1, thường lớn |
| Vị trí | Sau máy phát, tại nhà máy điện | Trạm biến áp trung gian | Gần phụ tải |
| Công suất điển hình | Hàng chục đến hàng trăm MVA | Hàng chục đến hàng trăm MVA | Từ vài chục đến vài nghìn kVA |
| Ứng dụng | Nhà máy điện, trạm hòa lưới | Nối các cấp lưới | Nhà máy, tòa nhà, khu dân cư |
Như vậy, chỉ cần biết vị trí lắp đặt và so sánh hai cấp điện áp là có thể xác định ngay loại máy biến áp.
Tổ đấu dây quyết định lệch pha giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp, đồng thời ảnh hưởng đến sóng hài, tải không cân bằng và điểm trung tính.
Biến áp phân phối thường dùng tổ Dyn11, cho phép lấy điểm trung tính ở phía 0,4 kV và chịu tải không cân bằng tốt hơn. Biến áp tăng áp nối với máy phát thường dùng tổ YNd11, với cuộn tam giác phía máy phát giúp hạn chế dòng sóng hài bậc ba. Cách chọn tổ đấu dây phụ thuộc cấu hình lưới và phương thức nối đất của từng hệ thống.
Nên chọn biến áp tăng áp cho nhà máy điện, biến áp hạ áp cho trạm trung gian và biến áp phân phối cho điểm cấp điện trực tiếp đến phụ tải. Vị trí lắp đặt quyết định loại máy.
Bảng dưới đây liên hệ ba vị trí trong hệ thống điện với loại biến áp và cấp điện áp tương ứng.
| Vị trí trong hệ thống | Loại biến áp nên chọn | Cấp điện áp điển hình |
|---|---|---|
| Nhà máy điện, trạm nâng áp nguồn tái tạo | Biến áp tăng áp | 6,3 đến 15,75 kV lên 110 đến 500 kV |
| Trạm biến áp trung gian | Biến áp hạ áp | 500/220, 220/110, 110/35, 110/22 kV |
| Điểm cấp điện cho phụ tải | Biến áp phân phối | 10, 22, 35 kV xuống 0,4 kV |
Khi phân loại và chọn biến áp điện lực, cần tránh một số sai lầm thường gặp:
Công suất định mức và ký hiệu tổ đấu dây là hai thông số bắt buộc trên nhãn máy theo IEC 60076-1:2011, nên cần đối chiếu chúng với phụ tải thực trước khi mua. Với nhu cầu phân phối điện cho nhà máy và công trình, nên chọn máy biến áp có công suất, cấp điện áp và tổ đấu dây khớp với phụ tải thực tế. FUSHIN là doanh nghiệp sản xuất và thương mại thiết bị điện, có các dòng máy biến áp và ổn áp phục vụ nhu cầu này, đội ngũ kỹ thuật sẵn sàng tư vấn lựa chọn theo từng công trình.
