Với các dòng máy biến áp 3 pha làm mắt bằng dầu sử dụng cho nhà máy điện mặt trời, LE thường sử dụng công nghệ mạ kẽm nhúng nóng để tăng khả năng ứng chịu thời tiết khắc nghiệt.

Máy biến áp 3 pha ngâm dầu hiện được sử dụng phổ biến tại Việt Nam. Tuy là thiết bị quen thuộc với nhiều người nhưng vai trò và cấu tạo máy biến áp không phải ai cũng rõ. Bài viết này sẽ đem tới cho người đọc những thông tin cơ bản về loại thiết bị này.

1. Tại sao máy biến áp đóng vai trò quan trọng?

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ và dùng để biến đổi (tăng hoặc giảm) điện áp nhưng không làm thay đổi tần số của dòng điện. Máy biến áp đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải, phân phối điện năng.

Máy biến áp có tác dụng làm giảm tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải và phân phối. Chúng ta đã biết công thức R = ρ.l/S, trong đó độ lớn của trở kháng tỷ lệ thuận với chiều dài dây dẫn và tỷ lệ nghịch với tiết diện dây. Coi tiết diện dây dẫn và trở suất là giống nhau, đường truyền càng dài thì trở kháng càng lớn, cường độ I càng giảm. Do vậy để duy trì hoặc tăng/hạ điện áp, cách tốt nhất là thông qua máy biến áp.

- Giả sử điện áp đầu vào là 1000 V, tạo ra công suất là 5000 W, đường dây từ nguồn đến tải sẽ phải mang cường độ dòng điện là 5 A;

- Nếu chúng ta tăng điện áp ban đầu lên 10.000 V để cùng tạo ra công suất 5000 W, đường dây từ nguồn đến tải chỉ phải mang cường độ dòng điện 0.5 A;

- Giả sử cosφ = 1, vậy ta tính được công suất tổn hao là P = U*I = I².R. Trong điều kiện chiều dài đường dây và tiết diện dây dẫn không đổi, độ lớn trở suất ρ không đổi thì R coi như giữ nguyên. Khi cường độ dòng điện truyền tải/phân phối giảm thì điện áp tổn hao bởi quá trình truyền tải/phân phối giảm, từ đó làm giảm tổn thất điện năng.

Giảm tổn thất điện năng còn có tác dụng tăng tuổi thọ hệ thống đường dây tải điện. Khi điện trở không đổi, thời gian truyền tải không đổi, cường độ dòng điện càng giảm càng hạ nhiệt độ sinh ra bởi quá trình truyền dẫn điện, qua đó giảm tối đa nguy cơ thay đổi tính chất cơ - lý của dây truyền tải.

2. Cấu tạo bên trong của máy biến áp 3 pha làm mát bằng dầu của LE

Máy biến áp có 2 thành phần chính là lõi thép và dây cuốn

2.1. Lõi thép

- Lõi thép của máy biến áp được chế tạo bằng vật liệu có độ dẫn từ cao dùng để dẫn từ thông;

- Vật liệu chế tạo lõi thép là thép kỹ thuật điện (tôn silic);

- Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy, lõi từ không làm thành khối liền mà dùng các lá thép với chiều dày từ 0,3 mm - 0,5 mm có phủ cách điện;

- Lõi thép sau khi được ghép có hình dạng khác nhau như hình chữ nhật, hình xuyến, hình trụ …;

- Lõi thép được chia làm hai phần. Trụ từ là nơi để đặt dây quấn; Gông từ là phần khép kín mạch từ giữa các trụ. Trụ từ và gông từ tạo thành mạch từ khép kín.

Mạch từ khép kín trên máy biến áp 3 pha gọi là máy biến áp 3 pha có mạch từ liên quan. Theo đó, có 3 trụ từ và dây quấn ba pha quấn trên 3 trụ.

Cấu tạo lõi dây cuốn trên máy biến áp 3 pha.

2.2. Dây cuốn

- Tại Công ty CP Sản xuất chế tạo thiết bị điện Hà Nội (LE), dây quấn máy biến áp thường được sử dụng là dây đồng. Tiết diện dây hình tròn hoặc dạng bản (đồng lá). Giữa các lớp dây có phủ cách điện. Vật liệu cách điện giữa các lớp dây được LE sử dụng bằng giấy phủ nhựa epoxy;

- Dây cuốn gồm nhiều vòng bao quanh trụ từ. Dây cuốn và trụ từ được ngăn cách nhau bởi vật liệu cách điện;

- Máy biến áp thường có 2 lớp dây cuốn: Dây cuốn nhận điện áp vào gọi là cuộn dây sơ cấp; Dây cuốn đưa điện áp ra gọi là cuộn dây thứ cấp.

Ký hiệu dây cuốn của máy biến áp ba pha:

- Dây cuốn cao áp: Pha A (A,X), pha B (B, Y), pha C (C, Z);

- Dây cuốn hạ áp: Pha A (a, x), pha B (b, y), pha C (c, z);

- Dây cuốn trung áp (nếu có): Pha A (Am, Xm), pha B (Bm, Ym), pha C (Cm, Zm).

2.3. Nguyên lý làm việc của máy biến áp

Khi có điện áp xoay chiều đặt vào cuộn sơ cấp W1, trong cuộn sơ cấp sẽ có dòng điện I₁ chạy qua. Dòng I₁ cảm ứng trong lõi thép 1 tạo ra từ thông Φ1. Từ thông Φ1 móc vòng qua cuộn dây thứ cấp W2 sinh ra sức điện động cảm ứng. Do cuộn dây thứ cấp của máy biến áp có trở kháng nên tại cuộn dây thứ cấp xuất hiện 1 điện áp giáng U₀, lúc này sức điện động: E₂ = I₂ (Z₀ + Z₂) = I₂Z₀ x I₂Z₂  = U₀ + U₂

Trong đó:

- U₀ là điện áp giáng trên nội bộ cuộn dây W₂;

- U₂ là điện áp giáng trên phụ tải mạch ngoài Z₂.

Mỗi máy biến áp đều có một công suất định mức làm nhiệm vụ cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải. Máy biến áp cũng đóng vai trò trung gian phân phối nguồn điện. Trong quá trình vận hành, mỗi máy biến áp sẽ tiêu thụ một lượng công suất không tải P₀ và công suất ngắn mạch P_N.

Cấu tạo bên ngoài của máy biến áp 3 pha làm mát bằng dầu.

3. Cấu tạo bên ngoài của máy biến áp 3 pha dầu

Ngoài các thành phần chính có bên trong thiết bị như đã trình bày ở phần 1, để hoạt động, máy biến áp còn cần các phụ kiện bên ngoài. Với máy làm mát bằng dầu có các thành phần sau: (1). Vỏ máy; (2) Cánh tản nhiệt; (3) Thùng dầu chính; (4) Thùng dầu phụ; (5) Thanh chỉ thị/đồng hồ hiển thị mức dầu; (6) Bình hút ẩm; (7) Ống phòng nổ.

Thùng (vỏ) máy biến áp 3 pha ngâm dầu.

3.1. Vỏ máy và cánh tản nhiệt

Vỏ máy biến áp được chế tạo bằng thép. Vỏ máy gồm 2 phần là thùng và nắp máy. Tại LE, thép dùng làm vỏ máy nhập khẩu trực tiếp từ Nippon Steel. Các lá thép được cắt gọt (theo bản vẽ thiết kế) bằng máy cắt laser nên có độ chính xác tuyệt đối. Sau khi trải qua quá trình gia công, các lá thép được ghép nối tạo thành thùng máy. Thùng máy và cánh tản nhiệt có kết cấu liền mảng. Bên trong cánh tản nhiệt là khoang rỗng chứa dầu làm mát. Nắp máy bằng thép có hình dạng gần giống tấm phẳng. Trên nắp có các lỗ để lắp đặt và kết nối các phụ kiện của máy biến áp cũng như là nơi tiếp nhận nguồn điện vào và cấp điện ra. Toàn bộ vỏ máy được sơn cách điện theo quy trình nghiêm ngặt. Với các dòng máy biến áp sử dụng cho nhà máy điện mặt trời, LE thường sử dụng công nghệ mạ kẽm nhúng nóng để tăng khả năng ứng chịu thời tiết khắc nghiệt. Điều này hết sức có ý nghĩa với các nhà máy điện mặt trời ở nước ta hiện nay vì phần lớn các nhà máy này tập trung ở vực Nam Trung Bộ, khu vực ráp biển nên khí hậu khắc nghiệt hơn những vùng khác.

3.2. Thùng dầu chính

Thùng dầu chính của máy biến áp chính là bộ phần thùng máy, nơi đặt lõi từ và cuộn dây. Dầu sử dụng cho máy biến áp có 2 tác dụng, vừa để tán nhiệt vừa là chất cách điện giữa lõi từ - cuộn dây với vỏ máy. Dầu máy sản xuất từ dầu gốc khoáng, được chưng cất phân đoạn và pha trộn thêm một số phụ gia giúp tăng khả năng bôi trơn, chống oxi hóa. Máy biến áp sử dụng một thời gian (tùy theo khuyến cáo của nhà sản xuất) sẽ làm tăng độ nhớt của dầu, qua đó giảm khả năng tản nhiệt.

Dầu biến áp có 4 chỉ số cần lưu ý:

3.2.1. Điểm chớp cháy

Điểm chớp cháy còn gọi là nhiệt độ chớp cháy. Khi nhiệt độ của dầu tăng lên tới một mức nhất định thì sẽ tự bốc cháy. Ta gọi nhiệt độ đó là điểm chớp cháy. Quy định tiêu chuẩn nhiệt độ chớp cháy dầu biến áp là 135^oC. Dầu kém chất lượng hoặc dầu bị hoá già thì nhiệt độ chớp cháy giảm dưới 135^oC. Nếu máy biến áp 3 pha dầu có dầu làm mát rơi vào tình trạng này thì buộc đơn vị sử dụng phải dừng vận hành máy biến áp.

3.2.2. Hàm lượng acid và kiềm trong dầu

Dầu bẩn hoặc dầu bị oxy hoá sẽ có một lượng acid và kiềm (KOH) hoà tan trong dầu. Thành phần này xuất hiện sẽ làm cho dầu già hoá nhanh. Dầu mới không được có acid và kiềm hoà tan. Thành phần kiềm trong dầu cho phép không vượt quá 0,1 mg KOH.

3.2.3. Tạp chất cơ giới

- Muội than tạo ra bởi sự kết hợp giữa nhiệt độ sản sinh trong quá trình vận hành máy biến áp với các chất cặn/bụi bẩn;

- Các lớp tạp chất cơ giới bám phủ trên bề mặt cuộn dây sẽ làm suy giảm khả năng cách điện, tạo ra sự phân cực, làm suy giảm độ chớp cháy và độ cách điện của dầu máy biến áp.

3.2.4. Hàm lượng nước trong dầu

Nước có trong dầu làm suy giảm độ cách điện. Nước nằm dưới đáy thùng dầu không gây nguy hiểm cho dầu, nhưng các hạt nước nằm lơ lửng trong dầu dễ bị nối cầu điện tích gây phóng điện. Nước còn kết hợp với một số thành phần khác tạo nên khả năng ăn mòn và phá hỏng vỏ máy. Quy định tiêu chuẩn về hàm lượng nước trong dầu mới (chưa sử dụng) không được vượt quá 0,001%. Hàm lượng nước của dầu biến áp khi sử dụng không được vượt quá 0,025%.

Thùng dầu phụ của máy biến áp dầu.

3.3. Thùng dầu phụ

Thùng dầu phụ đặt trên thùng dầu chính và kết nối với thùng dầu chính qua một ống dẫn. Ống dẫn này có nhiệm vụ bổ sung dầu thường xuyên cho thùng dầu chính, bảo đảm cho lõi máy biến áp luôn ngập trong dầu. Khi thiết bị vận hành, dầu bị tăng nhiệt và giãn nở, lên xuống tự do trong thùng dầu phụ. Dung tích dầu chứa trong thùng dầu phụ bằng khoảng 10% dung tích dầu chứa trong thùng dầu chính. Những máy biến áp có công suất dưới 100 kVA không cần thùng dầu phụ.

3.4. Hiển thị mức dầu

Thanh chỉ thị mức dầu/đồng hồ đo dầu có tác dụng báo cho người vận hành biết lượng dầu chứa trong máy có đủ hay không. Thanh chỉ thị mức dầu thường được làm bằng ống tuýp thuỷ tinh trong suốt và được lắp đặt ngang thùng dầu phụ. Đáy của thanh chỉ thị kết nối với thùng dầu phụ theo nguyên tắc bình thông nhau. Phương đặt thanh chỉ thị vuông góc với bề mặt đặt máy biến áp. Vì dầu có tính chất giãn nở nên thanh chỉ thị dầu làm việc theo nguyên tắc nhiệt độ môi trường bao nhiêu thì đồng hồ báo mức bấy nhiêu. Khi đổ dầu bổ sung phải căn cứ vào nhiệt độ môi trường tại thời điểm đổ dầu để xác định mức dầu. Nếu mức dầu vượt quá mức vạch theo khuyến cáo của nhà sản xuất thì phải rút bớt dầu trong điều kiện nhiệt độ ở mức cao nhất. Nếu bổ sung dầu mà mức dầu không thay đổi thì cần tiến hành kiểm tra thanh chỉ thị. Nếu kiểm tra phát hiện thanh chỉ thị bị tắc đường ống dẫn thì cần liên hệ với nhà sản xuất để được xử lý, hoặc sau khi ống dẫn dầu đã được xử lý tắc nghẽn mà mức dầu vẫn báo vượt quá điểm khuyến cáo, đơn vị sử dụng cần tiến hành kiểm tra các thành phần khác của máy biến áp để đảm bảo sự ổng định và an toàn khi vận hành thiết bị.

Bình hút ẩm của máy biến áp làm mát bằng dầu.

3.5. Bình hút ẩm

Thùng dầu kết nối với môi trường bên ngoài qua bình hút ẩm. Bình hút ẩm có dạng hình trụ. Bên trong bình chứa đầy hạt sillica gel. Mức dầu dưới đáy bình hút ẩm phải thấp dưới hạt hút ẩm. Không khí qua bình hút ẩm sẽ được lọc sạch. Sillica gel có màu xanh nhạt hoặc màu trắng đục. Nếu Sillica gel có màu hồng hoặc trong suốt là dấu hiệu cho biết Sillica gel đã bị bão hoà và cần được thay thế. Nếu không có bình hút ẩm thì tốc độ già hóa bị đẩy nhanh, làm giảm khả năng cách điện, gia tăng nguy cơ sự cố máy biến áp.

Vị trí ống phóng nổ của máy biến áp dầu.

3.6. Ống phóng nổ

Ống phòng nổ có tác dụng làm giảm áp suất bên trong thùng máy nếu lượng áp suất sinh ra bởi nhiệt vượt quá ngưỡng quy định. Ống phòng nổ được làm bằng kim loại, đường kính khoảng 150 đến 200 mm. Một đầu ống kết nối với thùng máy, một đầu có nắp đậy bằng kính tròn, được lắp gioăng chống nước và có vị trí cao hơn thùng máy. Khi áp lực và/hoặc nhiệt độ bên trong thùng máy tăng cao đột ngột (quá mức khuyến nghị của nhà sản xuất), ống phòng nổ sẽ giải phóng áp lực/nhiệt độ bên trong thùng máy nhằm cân bẳng áp suất giữa thùng máy với môi trường bên ngoài.

4. Thông số kỹ thuật của máy biến áp do Việt Nam sản xuất

Các thông số kỹ thuật thường đi kèm với máy biến áp bao gồm:

- Sđm (kVA): Dung lượng định mức của máy biến áp;

- U_đm1, U_đm2 (kV): Điện áp định mức của cuộn dây phía sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp;

- I_đm1, I_đm2 (A): Dòng điện định mức của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp;

- U_n (%): Điện áp ngắn mạch tính theo % (còn gọi là U_k%);

- I₀%: Khi máy biến áp kết nối với nguồn điện, cuộn dây thứ cấp của máy để hở mạch, cuộn sơ cấp sẽ có dòng điện không tải chạy qua. Dòng điện không tải được ký hiệu là I₀­. Khi máy biến áp vận hành không tải sẽ xuất hiện từ thông khép kín chạy trong lõi thép. Do có từ trở nên lõi thép bị phát nóng gây ra tổn hao không tải. Tổn hao không tải được xác định gián tiếp qua số đo của dòng điện Io. Dòng điện I₀ cho biết mức độ tổn hao không tải của máy biến áp. Dòng điện không tải thường được tiêu chuẩn hoá với từng nhà sản xuất nhưng không nằm ngoài các quy phạm của đơn vị quản lý điện lực và các tiêu chuẩn do quốc tế ban hành. Độ lớn của dòng điện không tải phụ thuộc vào: (1) Độ thẩm từ của thép silic dùng làm mạch từ; (2) Độ dày của lõi thép; (3) Chất lượng cách điện của lá thép; (4) Công nghệ chế tạo (đột dập, lắp ghép mạch từ ...). Dòng điện không tải còn được gọi là dòng điện từ hoá. I₀ được tính theo phần trăm (%) dòng điện định mức của cuộn dây sơ cấp. Công thức tính I₀% = I₀/I_1đm x 100. Thường I₀ <= 10% I_1đm;

- P₀ (kW): Tổn thất không tải là một trị số không đổi với mỗi máy biến áp. P_o không phụ thuộc vào tình trạng vận hành mang tải của máy biến áp;

- P_k (kW): Tổn hao có tải của máy biến áp;

- F (Hz): Tần số nguồn điện;

- Trọng lượng toàn bộ của máy biến áp (kG);

- Trọng lượng của dầu máy biến áp (kG).

Trên đây là những thông tin căn bản về cấu tạo của máy biến áp 3 pha làm mát bằng dầu. Với kinh nghiệm và sự đầu tư bài bản, Công ty CP Sản xuất thiết bị điện Hà Nội (LE) hiện là số ít đơn vị có khả năng kiểm nghiệm chất lượng độc lập các máy biến áp theo tiêu chuẩn Vilas. Toàn bộ sản phẩm do đơn vị sản xuất đều đạt các tiêu chuẩn quốc tế và của EVN hiện đang áp dụng. LE cũng là đơn vị duy nhất của Việt Nam được KERI - Hàn Quốc chứng nhận đạt tiêu chuẩn thử nghiệm ngắn mạch cho các dòng máy biến áp phân phối.

BBT LE