Đối với các kỹ sư trong ngành điện, việc hiểu sâu rộng về các khái niệm và đặc tính cơ bản của máy biến áp là vô cùng quan trọng. Quá trình mua sắm và vận hành máy biến áp đòi hỏi nguồn đầu tư lớn, và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả cũng như độ tin cậy của toàn bộ hệ thống phân phối điện.
Chính vì vậy, việc nắm vững các khái niệm này và hợp tác chặt chẽ với nhà sản xuất ngay từ giai đoạn đầu để xác định thông số kỹ thuật phù hợp sẽ đảm bảo quá trình mua sắm máy biến áp không chỉ đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật mà còn tối ưu về mặt kinh tế. Điều này giúp tối đa hóa hiệu suất hoạt động cũng như nâng cao độ tin cậy của hệ thống phân phối điện.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết 10 phần mà các kỹ sư cần lưu tâm khi làm việc với máy biến áp, bao gồm: dịch pha, tổn thất không tải, tổn thất có tải, trở kháng, bộ đổi nấc, loại máy biến áp (khô hoặc dầu), tỷ số vòng dây, tăng nhiệt, đánh dấu các pha và bồn bảo quản dầu. Việc hiểu rõ những khái niệm này sẽ giúp các kỹ sư đưa ra những quyết định đúng đắn trong quá trình thiết kế, lắp đặt và vận hành máy biến áp, đảm bảo hiệu quả, an toàn và tuổi thọ của thiết bị.
10 Phần Quan Trọng Của Máy Biến Áp Kỹ Sư Cần Lưu Ý – Phần 2
Tổn thất không tải
Tổn thất không tải trong máy biến áp là do dòng điện từ hóa cần thiết để cung cấp năng lượng cho lõi máy biến áp gây ra và không thay đổi theo tải của máy biến áp. Chúng luôn luôn tồn tại, 24 giờ một ngày, 365 ngày một năm, bất kể tải, do đó được gọi là tổn thất không tải.
Các tổn thất này có thể được phân thành năm thành phần: tổn thất do trễ từ trong các lớp lõi, tổn thất dòng điện xoáy trong các lớp lõi, tổn thất do dòng điện không tải I2R, tổn thất dòng điện xoáy lạc trong các kẹp lõi, bu lông và các thành phần lõi khác, và tổn thất điện môi.
Tổn thất do trễ từ và tổn thất dòng điện xoáy chiếm hơn 99% tổn thất không tải, trong khi tổn thất dòng điện xoáy lạc, tổn thất điện môi và tổn thất I2R do dòng điện không tải là nhỏ và do đó thường bị bỏ qua. Việc sử dụng các lớp lá lõi thép mỏng hơn sẽ giảm tổn thất dòng điện xoáy.
Thành phần lớn nhất gây ra tổn thất không tải là tổn thất do trễ từ. Tổn thất do trễ từ xuất phát từ trở kháng của các phân tử trong các lớp lá lõi khi bị từ hóa và khử từ bởi trường từ thay đổi. Trở kháng của các phân tử gây ra ma sát và tạo ra nhiệt. Từ “hysteresis” trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là “trễ” và đề cập đến thực tế là từ thông bị chậm lại so với lực từ. Lựa chọn kích thước và loại vật liệu lõi sẽ giúp giảm tổn thất do trễ từ.
Tổn thất có tải
Tổn thất có tải thay đổi theo tải của máy biến áp. Chúng bao gồm tổn thất nhiệt và dòng điện xoáy trong các dây dẫn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp.
Tổn thất nhiệt, hay tổn thất I2R, trong các vật liệu dây quấn đóng góp phần lớn nhất vào tổn thất có tải. Chúng được tạo ra bởi sự cản trở của dây dẫn đối với dòng điện hoặc electron. Chuyển động của các electron làm cho các phân tử của dây dẫn di chuyển, tạo ra ma sát và nhiệt. Năng lượng sinh ra bởi chuyển động này có thể được tính bằng công thức:
Watts = (volts)(amperes) hay VI.
Theo định luật Ohm, V = RI, tức là hiệu điện thế trên một điện trở bằng lượng điện trở trong điện trở đó, R, nhân với dòng điện, I, chạy qua điện trở. Do đó, tổn thất nhiệt bằng (I)(RI) hay I2R.
Thiết kế máy biến áp không thể thay đổi I, tức là phần dòng điện trong tổn thất I2R, vì chúng được xác định bởi yêu cầu tải. Họ chỉ có thể thay đổi phần điện trở hay R của tổn thất I2R bằng cách sử dụng vật liệu có điện trở thấp trên mỗi diện tích cắt ngang mà không làm tăng đáng kể chi phí của máy biến áp. Hầu hết các nhà sản xuất máy biến áp nhận thấy đồng là dây dẫn tốt nhất xét về trọng lượng, kích thước, chi phí và điện trở của dây dẫn. Các nhà thiết kế cũng có thể giảm điện trở của dây dẫn bằng cách tăng diện tích cắt ngang của dây dẫn.
Trở kháng của Máy biến áp
Trở kháng của máy biến áp, được ký hiệu là Z ở Bắc Mỹ và u_k % ở Châu Âu, đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện. Hiểu rõ các khía cạnh của trở kháng máy biến áp là điều cần thiết đối với các kỹ sư và kỹ thuật viên làm việc với máy biến áp.
Ở Bắc Mỹ, trở kháng của máy biến áp được biểu thị dưới dạng đơn vị tỷ lệ hoặc phần trăm so với công suất cơ sở (MVA) của máy biến áp. Cách tiếp cận này đơn giản hóa các phép tính bằng cách chuẩn hóa các giá trị trên các kích thước và mức công suất khác nhau của máy biến áp. Ví dụ, một máy biến áp với công suất cơ sở là 10 MVA và trở kháng là 0,1 đơn vị tỷ lệ sẽ có trở kháng là 10%. Phương pháp chuẩn hóa này cho phép so sánh và tính toán dễ dàng trong lưới điện.
Ở Châu Âu, khái niệm trở kháng máy biến áp được biểu thị dưới dạng u_k %, đại diện cho sự sụt giảm điện áp xảy ra trong một ngắn mạch. Mặc dù thuật ngữ khác nhau, nguyên lý cơ bản vẫn giống nhau. Phần trăm trở kháng chỉ ra sự cản trở của máy biến áp đối với dòng điện ngắn mạch. Trở kháng càng cao sẽ dẫn đến sự sụt giảm điện áp lớn hơn trong quá trình ngắn mạch, hạn chế dòng điện ngắn mạch và giảm nguy cơ hư hỏng cho máy biến áp và thiết bị kết nối.
Trên thực tế, trở kháng của máy biến áp ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh của vận hành hệ thống điện, bao gồm điều chỉnh điện áp, tính toán mức ngắn mạch và ổn định hệ thống. Ví dụ, trong phân tích ngắn mạch, trở kháng xác định độ lớn của dòng điện ngắn mạch, rất quan trọng cho việc thiết kế rơle bảo vệ và máy cắt.
Hơn nữa, trở kháng của máy biến áp ảnh hưởng đến việc điều chỉnh điện áp bằng cách tác động đến sự sụt giảm điện áp dưới tải. Một máy biến áp với trở kháng cao hơn sẽ có sự sụt giảm điện áp lớn hơn khi cung cấp tải, điều này phải được tính đến trong thiết kế hệ thống để đảm bảo cung cấp điện ổn định và tin cậy.
Bộ Đổi Nấc Máy Biến Áp
Máy biến áp điều chỉnh nấc, bao gồm máy điều chỉnh nấc có tải (OLTC) và máy điều chỉnh nấc không tải (NLTC), đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định điện áp trong các hệ thống điện bằng cách điều chỉnh tỷ lệ điện áp của máy biến áp. Điều này giúp điều tiết mức điện áp và bù đắp các biến động trong nguồn cung cấp điện, đảm bảo phân phối năng lượng ổn định và tin cậy.
Máy Điều Chỉnh Nấc Không Tải (NLTC): Máy điều chỉnh nấc không tải yêu cầu máy biến áp phải được ngắt điện trước khi thực hiện bất kỳ thay đổi nấc nào. Quá trình này bao gồm việc ngắt kết nối máy biến áp khỏi nguồn điện, điều chỉnh thủ công cài đặt nấc, và sau đó kết nối lại máy biến áp. Thiết kế đơn giản này thường được sử dụng trong các ứng dụng nhỏ, ít quan trọng, nơi mà điều chỉnh không thường xuyên là đủ
Máy Điều Chỉnh Nấc Có Tải (OLTC): Máy điều chỉnh nấc có tải cho phép điều chỉnh điện áp khi máy biến áp vẫn đang hoạt động, đảm bảo không gián đoạn cung cấp điện. OLTC thường được sử dụng trong các mạng lưới phân phối điện lớn, đảm bảo ổn định điện áp dưới các điều kiện tải thay đổi. OLTC sử dụng trình tự chuyển đổi “make-before-break” để đảm bảo dòng điện không bị gián đoạn. Chúng thường được trang bị cơ chế dẫn động bằng động cơ hoặc lò xo để tự động điều chỉnh nấc theo sự thay đổi của tải
Trong các máy biến áp công suất lớn, OLTC thường có phạm vi điều chỉnh điện áp ±10% với các bước nhỏ 0.625%, trong khi NLTC thường có các bước điều chỉnh lớn hơn, khoảng 2.5%.