Biến áp điện lực là thiết bị điện tĩnh dùng để truyền tải và phân phối điện năng xoay chiều giữa các cấp điện áp khác nhau, hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ và giữ nguyên tần số. Thiết bị có thể nâng điện áp tại đầu nguồn để giảm tổn thất khi truyền tải đi xa, sau đó hạ điện áp xuống mức phù hợp cho nhà máy, khu công nghiệp, tòa nhà và các phụ tải điện.
Cấu tạo biến áp điện lực gồm các bộ phận chính như lõi thép, dây quấn sơ cấp và thứ cấp, hệ thống cách điện, hệ thống làm mát, vỏ máy và các phụ kiện bảo vệ. Tùy phương thức cách điện và tản nhiệt, máy thường được chia thành biến áp điện lực ngâm dầu và biến áp điện lực khô.
Biến áp điện lực cũng có thể được phân loại theo công suất, cấp điện áp, số pha và chức năng tăng áp hoặc hạ áp. Mỗi loại có phạm vi ứng dụng, điều kiện lắp đặt, mức độ an toàn và yêu cầu bảo trì khác nhau.
Trong bài viết dưới đây, FUSHIN sẽ lần lượt giải thích biến áp điện lực là gì, nguyên lý hoạt động, cấu tạo, thông số định mức, các loại biến áp điện lực và ứng dụng thực tế trong hệ thống điện.
Biến áp điện lực (power transformer) là thiết bị điện từ tĩnh dùng để truyền điện năng xoay chiều từ mạch điện này sang mạch điện khác bằng nguyên lý cảm ứng điện từ. Thiết bị làm thay đổi điện áp và dòng điện nhưng giữ nguyên tần số của nguồn điện.
Trong hệ thống điện, máy biến áp điện lực thực hiện hai nhiệm vụ chính là nâng điện áp tại đầu nguồn phát điện và hạ điện áp tại các trạm điện hoặc khu vực tiêu thụ. Khi truyền cùng một công suất, điện áp càng cao thì dòng điện trên đường dây càng nhỏ. Vì tổn thất trên dây dẫn tỷ lệ với bình phương dòng điện theo công thức ΔP = I²R, việc nâng điện áp giúp giảm đáng kể tổn thất khi truyền tải điện đi xa.
Vì vậy, hệ thống điện thường sử dụng các cấp điện áp cao như 110 kV, 220 kV hoặc 500 kV cho mạng truyền tải, sau đó hạ dần qua nhiều cấp biến áp trước khi điện năng được đưa đến phụ tải.
Biến áp điện lực hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi dòng điện xoay chiều chạy qua dây quấn sơ cấp, dòng điện tạo ra từ thông biến thiên trong lõi thép. Từ thông này tiếp tục cảm ứng suất điện động trên dây quấn thứ cấp, nhờ đó điện năng được truyền từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp.
Tỷ số biến đổi điện áp của máy phụ thuộc vào số vòng dây của hai cuộn theo công thức:
U1/U2 = N1/N2
Trong đó, U1 và U2 là điện áp sơ cấp và thứ cấp; N1 và N2 là số vòng dây tương ứng. Dựa vào tỷ số vòng dây, máy có thể thực hiện hai chức năng chính:
Dù điện áp và dòng điện thay đổi, tần số phía sơ cấp và thứ cấp vẫn bằng nhau. Nếu bỏ qua tổn thất, công suất biểu kiến giữa hai phía gần tương đương, vì vậy khi điện áp tăng thì dòng điện giảm tương ứng và ngược lại.
Cần lưu ý rằng máy biến áp không biến đổi điện xoay chiều thành điện một chiều và cũng không tự tạo ra điện năng.
Công suất định mức của biến áp điện lực là công suất biểu kiến mà máy được thiết kế để cung cấp liên tục trong điều kiện làm việc quy định mà không vượt quá giới hạn nhiệt độ cho phép. Công suất thường được biểu thị bằng kVA hoặc MVA.
Điện áp định mức là điện áp thiết kế của dây quấn sơ cấp và thứ cấp, chẳng hạn 22/0,4 kV hoặc 110/22 kV.
Khi lựa chọn biến áp điện lực, một số thông số trên nhãn máy cần được kiểm tra đồng thời gồm:
Các thông số này là cơ sở để xác định máy có phù hợp với hệ thống điện và phụ tải thực tế hay không. Máy có công suất quá nhỏ dễ bị quá tải và làm tăng nhiệt độ dây quấn, trong khi chọn công suất quá lớn có thể làm tăng chi phí đầu tư và tổn thất không tải.
Cấu tạo biến áp điện lực gồm bốn nhóm bộ phận chính: lõi thép, hệ thống dây quấn, hệ thống cách điện và làm mát, cùng vỏ máy và các phụ kiện bảo vệ. Các bộ phận này phối hợp với nhau để truyền năng lượng, cách điện, kiểm soát nhiệt độ và bảo vệ thiết bị trong quá trình vận hành.
Có thể hiểu chức năng của từng nhóm như sau:
Ở biến áp điện lực ngâm dầu, cấu tạo còn có thùng dầu, cánh tản nhiệt, bình giãn dầu và các phụ kiện liên quan. Trong khi đó, biến áp khô sử dụng dây quấn đúc nhựa hoặc vật liệu cách điện chịu nhiệt và làm mát chủ yếu bằng không khí.
Lõi thép máy biến áp là mạch từ dẫn từ thông giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp, giúp truyền năng lượng với tổn thất thấp. Lõi thường được ghép từ nhiều lá thép kỹ thuật điện mỏng có lớp cách điện giữa các lá.
Việc chia lõi thành nhiều lá thép mỏng giúp hạn chế dòng điện xoáy và giảm nhiệt phát sinh trong lõi. Thép silic có đặc tính từ phù hợp cũng giúp giảm tổn thất từ trễ và dòng không tải.
Các lá thép thường được ép chặt bằng khung kẹp và được thiết kế mối ghép phù hợp để tạo đường dẫn từ thông liên tục. Chất lượng vật liệu và phương pháp chế tạo lõi thép ảnh hưởng trực tiếp đến tổn thất không tải và độ ồn của máy biến áp.
Dây quấn sơ cấp là cuộn dây nhận điện năng từ nguồn, còn dây quấn thứ cấp là cuộn dây cung cấp điện năng cho phía tải. Hai dây quấn có thể khác nhau về số vòng dây, tiết diện dây dẫn và cấp điện áp làm việc.
Thông thường, phía điện áp cao có số vòng dây nhiều hơn và dòng điện nhỏ hơn, trong khi phía điện áp thấp có số vòng dây ít hơn nhưng phải chịu dòng điện lớn hơn.
Một số đặc điểm chính của dây quấn máy biến áp gồm:
Cấu trúc và tổ đấu dây ảnh hưởng đến điện áp đầu ra, độ lệch pha, dòng điện làm việc và khả năng đáp ứng tải của máy. Vì vậy, đây là thông số cần xác định rõ ngay từ bước thiết kế và lựa chọn thiết bị.
Hệ thống cách điện của biến áp điện lực có nhiệm vụ ngăn phóng điện giữa các phần mang điện và giữa dây quấn với lõi hoặc vỏ máy. Vật liệu có thể gồm giấy cách điện, vật liệu ép cách điện, nhựa epoxy, dầu cách điện hoặc các vật liệu chuyên dụng khác.
Hệ thống làm mát giúp truyền nhiệt sinh ra trong lõi và dây quấn ra môi trường bên ngoài để duy trì nhiệt độ trong giới hạn thiết kế.
Một số phương pháp làm mát thường gặp gồm:
Phương thức làm mát phải phù hợp với công suất, nhiệt độ môi trường và chế độ vận hành của máy. Trên các máy công suất lớn, hệ thống giám sát nhiệt độ và các thiết bị bảo vệ nhiệt thường được sử dụng để hạn chế nguy cơ quá nhiệt dây quấn.
Ngoài các bộ phận chính, biến áp điện lực còn có thể được trang bị sứ xuyên, bình giãn dầu, rơ le khí, van an toàn, bộ đổi nấc điện áp, nhiệt kế và bộ hút ẩm tùy cấu hình thiết kế.
Biến áp điện lực có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau. Nếu xét theo phương thức cách điện và làm mát, hai nhóm phổ biến là biến áp điện lực ngâm dầu và biến áp điện lực khô.
Ngoài ra, thiết bị còn có thể được phân loại theo:
Việc lựa chọn loại biến áp phù hợp cần dựa trên công suất tải, cấp điện áp, điều kiện môi trường, vị trí lắp đặt, yêu cầu phòng cháy và phương án bảo trì của hệ thống.
Biến áp điện lực ngâm dầu là loại có lõi thép và dây quấn được đặt trong thùng chứa dầu cách điện. Dầu vừa có chức năng cách điện vừa truyền nhiệt từ phần ruột máy ra thùng và hệ thống tản nhiệt.
Loại máy này thường được sử dụng cho các hệ thống yêu cầu công suất lớn hoặc lắp đặt ngoài trời nhờ khả năng tản nhiệt tốt và phạm vi công suất rộng.
Các đặc điểm chính của biến áp ngâm dầu gồm:
Dầu khoáng được sử dụng phổ biến trong nhiều thiết kế, trong khi một số hệ thống có thể sử dụng dầu este hoặc loại chất lỏng cách điện khác tùy yêu cầu an toàn và môi trường.
Biến áp điện lực khô là loại không sử dụng dầu cách điện. Dây quấn thường được đúc nhựa epoxy hoặc sử dụng vật liệu cách điện chịu nhiệt, còn nhiệt được truyền ra môi trường bằng không khí tự nhiên hoặc cưỡng bức.
Do không sử dụng dầu, biến áp khô phù hợp với nhiều vị trí yêu cầu hạn chế nguy cơ rò rỉ chất lỏng cách điện và yêu cầu cao về an toàn cháy.
Các vị trí thường ứng dụng biến áp khô gồm:
Khi lựa chọn biến áp khô, cần tính toán công suất tải, khả năng thông gió và nhiệt độ môi trường để bảo đảm thiết bị làm việc trong giới hạn nhiệt độ của hệ thống cách điện.
Biến áp dầu có lợi thế về khả năng tản nhiệt và phạm vi công suất lớn, trong khi biến áp khô phù hợp hơn với những khu vực yêu cầu cao về an toàn cháy và hạn chế sử dụng dầu cách điện.
Bảng dưới đây tóm tắt một số điểm khác nhau giữa hai loại:
| Tiêu chí | Biến áp ngâm dầu | Biến áp khô |
|---|---|---|
| Cách điện | Giấy cách điện kết hợp dầu | Nhựa epoxy hoặc vật liệu cách điện chịu nhiệt |
| Làm mát | Dầu và hệ thống tản nhiệt, có thể kết hợp quạt | Không khí tự nhiên hoặc cưỡng bức |
| Phạm vi công suất | Rộng, phù hợp cả công suất lớn | Thường áp dụng cho công suất nhỏ đến trung bình tùy thiết kế |
| Vị trí lắp đặt | Ngoài trời hoặc khu vực có giải pháp chứa dầu và phòng cháy phù hợp | Phù hợp lắp trong nhà và khu vực yêu cầu an toàn cháy cao |
| Bảo trì | Cần kiểm tra dầu và hệ thống cách điện | Chủ yếu kiểm tra bụi, thông gió và cách điện |
| Nguy cơ rò rỉ dầu | Có | Không |
Khi lựa chọn giữa biến áp dầu và biến áp khô, không nên chỉ so sánh giá mua ban đầu mà cần xem xét đồng thời công suất, tổn thất điện năng, chi phí bảo trì, vị trí lắp đặt, yêu cầu phòng cháy và tổng chi phí vận hành trong suốt vòng đời thiết bị.
Biến áp điện lực và biến áp phân phối khác nhau chủ yếu ở vị trí trong hệ thống điện, cấp điện áp, công suất và đặc điểm phụ tải. Biến áp điện lực thường phục vụ các khâu truyền tải hoặc trạm điện công suất lớn, trong khi biến áp phân phối có nhiệm vụ hạ điện áp để cấp trực tiếp cho khu vực tiêu thụ.
Có thể phân biệt hai nhóm thiết bị theo các tiêu chí cơ bản:
Khi thiết kế hoặc lựa chọn thiết bị, ngoài công suất và điện áp còn cần xem xét tổn thất không tải, tổn thất có tải, độ ồn, chế độ vận hành, điều kiện môi trường và các yêu cầu kỹ thuật áp dụng cho dự án.
Biến áp tăng áp là máy có điện áp thứ cấp cao hơn điện áp sơ cấp. Loại này thường được sử dụng tại đầu nguồn phát điện để nâng điện áp trước khi đưa điện năng lên lưới truyền tải.
Biến áp hạ áp có điện áp thứ cấp thấp hơn điện áp sơ cấp và được sử dụng để đưa điện áp từ cấp cao xuống mức phù hợp với hệ thống phân phối hoặc phụ tải.
Hai loại sử dụng cùng nguyên lý cảm ứng điện từ nhưng khác nhau chủ yếu ở tỷ số vòng dây, cấp điện áp và vị trí sử dụng trong hệ thống. Vì vậy, khi đặt hàng cần xác định rõ điện áp đầu vào, điện áp đầu ra, công suất và chiều làm việc dự kiến.
Biến áp điện lực được sử dụng tại nhà máy điện, trạm biến áp, khu công nghiệp, nhà máy sản xuất, tòa nhà và nhiều hệ thống hạ tầng cần biến đổi điện áp ở công suất lớn.
Một số ứng dụng tiêu biểu gồm:
Với mỗi ứng dụng, biến áp điện lực cần được lựa chọn dựa trên công suất phụ tải, điện áp đầu vào và đầu ra, chế độ vận hành, điều kiện lắp đặt và yêu cầu bảo vệ của hệ thống.
Khi lựa chọn biến áp điện lực, cần xác định đồng thời công suất, điện áp, loại cách điện, phương thức làm mát và điều kiện vận hành thay vì chỉ dựa vào một thông số riêng lẻ.
Các thông tin cần xác định trước khi chọn máy gồm:
Việc tính toán đúng các thông số ngay từ đầu giúp hạn chế tình trạng quá tải, giảm chi phí đầu tư không cần thiết và bảo đảm biến áp vận hành phù hợp với hệ thống điện thực tế.
