Biến áp điện lực là một phần tử quan trọng cấu thành lưới điện. Nguyên lý hoạt động của máy biến áp điện lực vẫn giữ nguyên không đổi kể từ khi máy biến áp ba pha đầu tiên được chế tạo vào năm 1899. Tuy vậy tính năng của nó được hoàn thiện và phát triển liên tục trong suốt hơn 100 năm qua. Cho đến những năm trước 1980, người ta vẫn chỉ tập trung vào việc tìm cách nâng cao công suất và điện áp của máy biến áp, chỉ có trong vài thập kỷ gần đây việc phát triển máy biến áp điện lực mới đi sâu vào các khía cạnh kinh tế và sinh thái.
Các nhà chế tạo và người sử dụng máy biến áp điện lực, máy biến thế đã phối hợp chặt chẽ với nhau để tìm cách giảm thiểu tiếng ồn và các tổn hao trong máy, đồng thời họ cũng tìm cách nâng cao độ tin cậy trong vận hành. Với sự phát triển của kỹ thuật vi tính, những phương tiện thiết kế tiên tiến ra đời giúp họ có thể nắm vững hơn các đặc tính của máy biến áp trong bất kỳ điều kiện hoạt động nào. Điều này giảm thiểu đáng kể các dung sai và tính bấp bênh trong quá trình thiết kế, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tối ưu hoá bản thiết kế về cả hai tiêu chí: độ tin cậy và giá sản phẩm.
Dưới áp lực ngày càng tăng của khách hàng đòi nâng cao chất lượng sản phẩm và rút ngắn thời gian chờ đợi (tức thời gian từ khi ký hợp đồng đến khi nhận được máy – ND), công nghệ chế tạo máy biến áp cần phải được tiêu chuẩn hoá. Cái khó nhất ở đây là việc tiêu chuẩn hoá phải làm sao thoả mãn được mọi yêu cầu mà một khách hàng có thể đề ra, chính vì vậy mà nó phải đề cập toàn diện về các khái niệm chuyên môn, về cách lắp ráp biến áp cũng như các mảng rời của nó, và cả về cách nâng cao độ tin cậy của biến áp.
Ngoài ra, việc giám sát thường xuyên trong vận hành cũng có một vai trò nhất định trong việc giảm thiểu chi phí bảo dưỡng.
Các phương pháp tính toán tiên tiến
Nhờ khả năng ngày càng cao của kỹ thuật vi tính, người ta đã sản xuất được khá nhiều kiểu biến áp có tính năng tổng hợp. Ngày nay, mối tương tác giữa các ràng buộc về cách điện, về nhiệt và về cơ đã được tính toán với độ chính xác cao hơn nhiều. Kinh nghiệm thu được trong những năm gần đây nhờ các phương tiện và phương pháp tính toán mới đã được vận dụng vào các quy tắc thiết kế tối ưu, nhờ đó mà ta có thể tập trung giải quyết các vấn đề thiết yếu như giảm thiểu dung sai thiết kế và thu nhỏ kích thước thiết bị mà vẫn bảo đảm các tính năng như cũ.
Máy biến áp trong đã được thiết kế và thử nghiệm ở nhiệt độ tăng cao 65K mà vẫn dùng giấy cách điện thông thường thay vì các chất cách điện rắn. Trọng lượng toàn bộ biến áp được giới hạn dưới 37.200 kg. Để đạt được thành tích này, người ta đã tiến hành nhiều nghiên cứu tổng hợp về điện môi và mạch từ để tối ưu hoá bản thiết kế.
Dòng dầu lưu chuyển bên trong cuộn dây được mô phỏng hoá và nhiệt độ bên trong các bánh dây cũng thu được bằng tính toán. Nhiệt độ điểm nóng của cuộn dây được tính toán dựa vào các tổn hao trong từng phân đoạn và sự trao đổi nhiệt ứng với nhiệt độ tối đa. Để có thể thực hiện việc mô phỏng, dòng dầu đi từ bộ làm mát đến cuộn dây được mô hình hoá, các tổn hao đều được tính toán và mô hình hoá trong từng phân đoạn một. Tại miền này tổn hao rò là lớn nhất và do đó cũng là miền có nhiệt độ cao nhất. Bằng cách này ta có thể ấn định được chính xác lượng dầu thích hợp cần cho qua giữa các cuộn dây và biết rõ được tiết diện những kênh làm mát giữa các phân đoạn có đủ lớn hay không. Ngoài ra cũng có thể mô phỏng nhiều điều kiện vận hành biến áp khác nhau để kiểm tra xem cuộn dây có bị phát nóng quá mức hay không. Từ các dữ liệu nói trên ta có thể tối ưu hoá các kênh làm mát và phương thức làm mát để đạt hiệu quả cao nhất, nhằm giảm bớt số điểm nóng trên cuộn dây và ngăn ngừa hiện tượng lão hoá sớm của máy trong vận hành.
Phát triển các vật liệu tính năng cao
Để nâng cao chất lượng máy biến áp, vật liệu sử dụng phải luôn luôn được cải tiến. Điều này được thể hiện qua chất lượng vật liệu dùng làm lõi thép biến áp. Mục tiêu cuối cùng của nhà thiết kế là dùng lõi thép càng nhỏ càng tốt, nhưng phải bảo đảm mật độ từ thông cao bên trong lõi, với số lượng vòng quấn tối thiểu. Cấu trúc này giúp ta chế tạo được các biến áp nhỏ gọn (compac), nhưng dòng điện kích thích, tổn hao không tải và tạp âm của nó lại lớn lên. Muốn giảm các thông số này phải làm lõi lớn, do đó tốn nhiều vật liệu và giá thành đắt. Tóm lại, việc tối ưu hoá máy biến áp bao giờ cũng là một sự cân nhắc giữa một bên là trọng lượng của máy, một bên là tổn hao không tải của nó. Được cái này, mất cái kia. Vật liệu dùng làm lõi thường là loại thép cán có hạt định hướng. Tổn hao trong lõi chủ yếu là tổn hao từ trễ và tổn hao dòng điện xoáy. Tổn hao từ trễ phụ thuộc vào chất lượng vật liệu, còn tổn hao dòng điện xoáy phụ thuộc vào bề dầy và hàm lượng silic chứa bên trong vật liệu đó. Nhược điểm của tôn mỏng là không thể chế tạo bằng cách cán nguội và tốn nhiều nhân công trong khâu cắt gọt và ráp thành lõi.
Tạp âm chủ yếu gây ra do sự rung động của lõi biến áp, tạo nên bởi quá trình biến đổi từ thông trong vận hành (hiện tượng từ giảo). Vật liệu làm lõi loại Hi -B có tính định hướng mạnh và được xử lý bề mặt theo phương pháp đặc biệt, nó có khả năng giảm thiểu không những tổn hao mà còn giảm thiểu cả tạp âm. Việc giảm tạp âm này ngày càng có ý nghĩa quan trọng đối với các máy biến áp dùng tại những vùng đông dân cư. Loại vật liệu xử lý bằng la de ít được dùng hơn do phải dùng phương pháp la de để gia công bề mặt, gây tốn kém.
Kỹ thuật chèn kín máy biến áp điện lực
Trong quá trình vận hành, dầu biến áp trở thành bão hoà với oxy do tiếp xúc với không khí trong bình chứa dầu của máy biến áp. Mặc dù đã có bình thở chứa đầy silicagen, dầu trong máy vẫn hấp thụ thêm một ít hơi ẩm trong không khí bên ngoài. Việc dùng túi cao su cũng không thể bảo đảm tốt việc cách ly dầu với không khí vì cơ cấu này hay bị hỏng. Thực ra máy biến áp có thể được chèn thật kín để cách ly dầu với môi trường bên ngoài nhằm ngăn ngừa các quá trình nêu trên, giảm bớt hiện tượng “khử trùng hợp” do việc hấp thụ thêm nước. Cách này đã áp dụng thành công đối với các máy biến áp phân phối trong một thời gian dài. Trong trường hợp này thùng máy (vỏ máy) chứa toàn bộ thể tích dầu, một đại lượng luôn biến đổi. Tuy vậy kiểu cấu trúc nói trên không thể áp dụng cho máy biến áp điện lực bởi vì thể tích dầu ở đây biến đổi quá lớn. Ngoài ra, thùng máy cần phải kín một cách tuyệt đối. Để bảo đảm thể tích dầu có thể thay đổi được mà không cần dùng bình chứa dầu truyền thống, người ta đã nghĩ ra một cơ cấu có tên là “bộ tản nhiệt giãn nở”. Cơ cấu này đã được cấp bằng phát minh. Với cách hàn điện đặc biệt, bộ tản nhiệt có thể đảm nhiệm đồng thời cả hai chức năng: vừa tản nhiệt lại vừa giãn nở mà không ảnh hưởng gì đến độ bền cơ khí của nó. Trong quá trình giãn nở, nó không hề gây trở ngại cho sự lưu chuyển của dòng không khí phía bên trong, một yếu tố cần thiết cho việc làm mát máy. Độ ổn định dài hạn của cơ cấu kiểu hàn điện này đã được kiểm chứng sau một đợt thử nghiệm dài hạn, máy chạy toàn tải, phù hợp với tiêu chuẩn quy định cho máy biến áp phân phối.
Thông thường bình chứa dầu được nối với một cửa rẽ nhánh, vì đối với các máy biến áp truyền thống có bộ điều áp dưới tải (ĐADT), lúc đóng ngắt tiếp điểm hay phát sinh ra khí. Để thực hiện được ý tưởng “giãn nở khép kín” nói trên, người ta dùng một kiểu ĐADT không cần bảo dưỡng, có trang bị các công tắc chân không, loại này khi đóng ngắt không phát sinh khí như các loại thông dụng. Bộ ĐADT và thùng máy, cả hai được nối với một bộ phận gom khí nhằm phát hiện các loại khí phát sinh do sự cố và với một van an toàn nhằm bảo vệ biến áp trong trường hợp biến áp sự cố. (Lời bình của người dịch: Cải tiến này có ưu điểm là bảo vệ dầu khỏi bị lão hoá nhưng lại đòi hỏi thêm quá nhiều thiết bị phụ trợ. Liệu có ưu việt nếu xét theo quan điểm kinh tế )
Độ tin cậy và khâu bảo dưỡng
Độ tin cậy của các thiết bị hoạt động trên lưới điện là một tiêu chí ngày càng quan trọng trong lĩnh vực cung cấp điện, mặc dù mỗi nước trên thế giới có một chính sách năng lượng khác nhau. Điều thiết yếu ở đây là thiết bị phải luôn luôn sẵn sàng để truyền tải điện năng. Máy biến áp cũng là một đối tượng ngày càng hay bị quá tải ngắn hạn và chu kì bảo dưỡng nhiều khi cũng bị rút ngắn. Để thực hiện chủ trương mới này, nhất thiết phải có một cuốn “cẩm nang quản lý thiết bị” để dùng cho những người chuyên trách các máy biến áp điện lực. Tài liệu tổng hợp này phải đồng thời vừa cung cấp các kiến thức cần thiết trong việc quản lý và kéo dài tuổi thọ thiết bị, vừa hướng dẫn cách nâng cao độ sẵn sàng và độ tin cậy của thiết bị thông qua phương pháp chẩn đoán liên tục trong vận hành. Việc chẩn đoán liên tục có thể tiến hành bằng các hệ thống giám sát hiện đại. Việc đo lường các thông số biến đổi như điện áp, dòng điện, nhiệt độ, đặc điểm bộ ĐADT và đặc tính dầu biến áp sẽ cho ta các thông tin chính xác về trạng thái của thiết bị. Việc đo liên tục các thông số này còn giúp ta nắm vững chất lượng hoạt động của máy biến áp hoặc dự đoán được các khiếm khuyết và sự cố có thể xẩy ra trong tương lai. Hệ thống giám sát được dùng để quản lý tuổi thọ biến áp, đánh giá mức độ lão hoá và đưa ra những thông tin tư vấn khi cần. Hệ thống này thường xuyên phân tích các sự kiện xẩy ra trong quá khứ và chế độ vận hành hiện tại, giúp ta có cơ sở mô phỏng mối liên quan giữa mức lão hoá thực tế của biến áp với mức lão hoá bình thường khi biến áp bị quá tải. Hệ thống giám sát biến áp cũng có thể được hợp nhất với hệ thống giám sát trạm, thường xuyên giám sát tất cả các thiết bị trong trạm như: máy ngắt, cầu dao cách ly, biến áp v.v. và có thể được truy cập bằng môđem…
Hiện nay hệ thống giám sát MS 2000 đang được lắp đặt tại vài trăm máy biến áp trên toàn thế giới, giúp ta có thể giám sát và vận hành một cách tối ưu đối với các thiết bị trong trạm.
Nguồn: Internet
