Theo thời gian và sự phát triển của khoa học, nhiều loại biến áp đã ra đời. Ngoài cách làm mát bằng dầu khoáng, ngày nay máy biến áp 3 pha loại khô đang dần trở nên thịnh hành. Mỗi loại sẽ có những đặc điểm nổi bật riêng. Nội dung dưới đây giúp làm rõ ưu điểm cũng như nhược điểm của máy biến áp dầu và máy biến áp khô.
1. Sơ lược về máy biến áp dầu và máy biến áp khô
Máy biến áp dầu sử dụng dầu khoáng làm môi chất tản nhiệt và cách điện. Đây là thiết bị điện được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Hầu hết các máy biến áp trong hệ thống truyền tải điện hiện nay đều là máy làm mát bằng dầu.
Dầu làm mát theo nguyên lý nhiệt sinh ra bởi cuộn dây và lõi từ trong quá trình vận hành sẽ truyền sang dầu, nhiệt độ của dầu sẽ tản ra môi trường ngoài thông qua lớp vỏ bằng kim loại của máy biến áp.
Máy biến áp khô làm mát tự nhiên bằng không khí. Đặc điểm dễ nhận ra nhất đối với máy khô là lõi máy hoàn toàn để lộ ra ngoài thay vì nằm trong thùng kín như máy biến áp dầu. Có 4 loại máy biến áp khô: Loại [1] Open wound transformer [gọi tắt là máy biến áp mở]; Loại [2] Cast coil resin transformer - viết tắt là CRT; Loại [3] Vacuum pressure impregnation transformer - viết tắt là VPI; Loại [4] Vacuum Pressure Encapsulated - viết tắt là VPE. Trong 4 loại máy khô, loại CRT là được sử dụng phổ biến hơn cả, theo sau là VPI, hai loại VPE và máy biến áp khô dạng mở ít được sử dụng hơn.
Cast coil resin transformer, viết tắt là CRT.
CRT còn được gọi dưới cái tên là máy biến áp nhựa khô. Loại này thường được sử dụng trong điều kiện môi trường có độ ẩm cao nhờ vào cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được bọc nhựa epoxy. Công suất của loại máy này dao động từ 25 kVA đến 12.500 kVA.
Máy biến áp nhựa khô có ưu điểm: Khả năng chịu quá tải tốt; hạn chế phóng điện cục bộ nên hiệu suất tốt hơn các loại máy khô khác; hạn chế tối đa nguy cơ cháy nổ nhờ lớp cách điện bọc bên ngoài cuộn dây. Máy CRT có thể đặt ngoài trời với khả năng chống các vật thể rắn có kích thước lớn hơn 1.0 mm xâm nhập và chống nước từ vòi phun với tất cả các hướng. Cấp độ bảo vệ này tương ứng IP 45 [cấp độ bảo vệ có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuất].
Vacuum pressure impregnation transformer - viết tắt là VPI
VPI còn được gọi dưới cái tên là máy biến áp hút chân không. Cuộn dây của loại này được ngâm tẩm polyester trong môi trường chân không. Cuộn dây được thiết kế dưới dạng hình đĩa, hoặc nối tiếp hoặc song song với điện áp cao hơn, tùy theo mức công suất tương ứng với cấp điện áp. Công suất của loại này chỉ từ 5 kVA đến 30 kVA. Ưu điểm của VPI so với CRT chính là ở cấp độ bảo vệ. Thay vì mức bảo vệ IP 45, máy biến áp hút chân không thường đạt IP 56 [cấp độ bảo vệ có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuất]. Ở cấp độ này, máy có khả năng chống mọi loại bụi xâm nhập, đồng thời chống xâm nhập của những dòng nước lớn [ví dụ sóng biển]. Máy VPI sử dụng thích hợp cho tàu biển..
Máy biến áp khô hút chân không có ưu điểm: Độ bền cơ học cao, không hạn chế trong cách điện, an toàn với môi trường, nguy cơ hỏa hoạn thấp, thuận tiện bảo dưỡng, bảo trì.
Muốn so sánh tính ưu nhược điểm giữa máy dầu và máy khô, trước tiên chúng ta sẽ so sánh các thông số khi vận hành hai loại này.
2. So sánh thông số khi sử dụng máy biến áp dầu và máy biến áp khô
Để thuận tiện cho việc so sánh giữa các loại máy, ta lấy mức công suất chung là 2500 kVA.
STT kvA Máy biến áp làm mát bằng dầu Máy biến áp khô Nửa tải [W] Toàn tải [W] Nửa tải [W] Toàn tải [W] 1 500 2465 4930 5000 10000 2 750 3950 7900 7500 15000 3 1000 4360 8720 8200 16400 4 15000 6940 13880 11250 22500 5 20000 8155 16310 13200 26400
Bảng 1: Khi hoạt động ở cùng mức tải, máy biến áp khô với nhiều thành phần cách điện và nhiệt hơn so với máy dầu nên mức tổn thất cũng cao hơn.
STT Nội dung so sánh Máy biến áp dầu Máy CRT Máy VPI 1 Tổn thất khi tải 100% [kW] 16.38 21 18.52 2 Tổn thất không tải [kW] 2.66 7 7.55 3 Tổng tổn thất không tải và có tải 100% [kW] 19.04 28 28
Bảng 2: So sánh mức tổn hao khi tải 100% công suất.
STT Nội dung so sánh Máy biến áp dầu Máy CRT Máy VPI 1 Tổn thất khi tải 50% [kW] 4,1 4.63 5.25 2 Tổn thất không tải [kW] 2.66 7 7.55 3 Tổng tổn thất không tải và có tải 50% [kW] 6.76 12.18 12.25
Bảng 3: So sánh mức tổn hao khi tải 50% công suất.
Để so sánh chi phí tổn thất của 3 loại máy dầu, máy CRT và máy VPI:
- Ta lấy bình quân chi phí tiền điện ở cấp điện áp 22 kV: 2.500 VND/kWh [Giả sử mức chi phí này không đổi trong 10 năm];
- Số giờ vận hành tính cho 1 năm: 24 giờ/ngày x 365 ngày = 8760 giờ;
- Mức độ tải: 50% công suất.
STT Nội dung so sánh Máy biến áp dầu Máy CRT Máy VPI 1 Tổng tổn thất không tải và có tải 50% tính theo giờ [kW] 6.76 12.18 12.25 2 Số giờ sử dụng theo năm 8760 8760 8760 3 Tổng tổn thất không tải và có tải 50% tính theo năm [kW] 59.217,6 106.696,8 107.310 4 Đơn giá/kWh 2.500 VND 2.500 VND 2.500 VND 5 Chi phí tiền điện do tổn thất tính trong 1 năm [VND] 148.044.000 266.742.000 268.275.000 6 Chi phí tiền điện do tổn thất trong 1 năm so với máy dầu [VND] Mốc đối chiếu 118.698.000 120.231.000 7 Chi phí tiền điện do tổn thất trong 10 năm so với máy dầu [VND] Mốc đối chiếu 1.186.980.000 1.202.310.000
Bảng 4: So sánh mức chi phí do tổn thất giữa máy biến áp làm mát bằng dầu, máy CRT và máy VPI.
STT Nội dung so sánh Máy biến áp dầu Máy CRT Máy VPI 1 Giá trị [VND] có được từ thu gom dầu làm mát của máy cũ 11.500.000 0 0 2 Giá trị [VND] thu được từ lõi từ và cuộn dây 27.000.000 2.000.000 25.000.000 3 Giá trị [VND] thu được từ tái chế thùng máy và các phụ kiện khác 9.000.000 2.000.0000 9.000.000 4 Chi phí bỏ ra để xử lý rác thải 0 4.000.000 0 5 Tổng chi phí thu được = [1] + [2] + [3] - [4] 47.500.000 0 34.000.000
Bảng 5: So sánh giá trị tận dụng của 3 loại máy 3 pha dung lượng 2500 kVA cùng mức điện áp đầu vào.
Sau khi xem xét các thông số của máy khô và máy dầu, ta đúc kết được ưu điểm và nhược điểm của hai loại như sau:
Trong hệ thống truyền tải, vai trò của máy biến áp dầu là chưa thể thay thế.
2. Ưu điểm của máy biến áp dầu so với máy khô
- Chi phí mua sắm máy dầu thường thấp hơn máy khô từ 1.5 đến 2 lần cho cùng một mức công suất;
- Nhựa epoxy của máy khô có hiệu suất tản nhiệt kém hơn dầu khoáng;
- Nhìn chung tản nhiệt của máy khô kém hơn máy dầu nên công suất máy khô thường chỉ đáp ứng được nhu cầu phân phối điện năng từ trạm trung gian đến nơi tiêu thụ đầu cuối. Cũng vì điều này mà xét chung trên hệ thống lưới điện, máy dầu có tính đa dụng hơn [bao gồm cả máy truyền tải và máy phân phối];
- Máy khô thường phù hợp với mức điện áp dưới 35 kV trong khi máy dầu là không giới hạn;
- Việc giám sát nhiệt độ của máy biến áp khô phụ thuộc vào cảm biến nhiệt độ được gắn bên trong thân máy, do đó nhiệt độ thu được là nhiệt độ của một vị trí cụ thể, nhiệt độ được màn hình phản ánh không phải là nhiệt độ trung bình chính xác. Dầu cách điện của máy biến áp dẫn nhiệt tương đối đồng đều. Nhiệt độ do màn hình phản ánh có thể được coi là nhiệt độ trung bình;
- Vì kết cấu đúc nguyên khối của máy khô nên so về khả năng sửa chữa, phục hồi, tận dụng, máy dầu chiếm ưu thế hơn. Vật liệu cách điện của máy khô qua thời gian sẽ bị lão hóa và tích tụ khuyết tật. Trong trường hợp hỏng hóc, máy biến áp khô sẽ bị loại bỏ hoàn toàn. Các thành phần cấu tạo nên máy khô, bao gồm đồng [hoặc nhôm], lõi từ gần như không có khả năng tái chế.
Máy khô phù hợp cho các công trình tòa nhà, khách sạn hoặc những công trình ngầm ...
3. Nhược điểm của máy dầu so với máy khô
- Tuy có lợi thế về hiệu suất tản nhiệt nhưng dầu làm mát dễ gây cháy nổ. Nếu xảy ra sự cố quá áp, dầu máy tràn ra tạo nguy cơ ô nhiễm môi trường;
- Khi xây dựng trạm biến áp sử dụng máy dầu đòi hỏi:
+ Kết cấu không gian đặt máy biến áp ngâm dầu có những đòi hỏi khắt khe. Khoảng cách từ tường/hàng rào tới máy phải tuân thủ theo các tiêu chuẩn kỹ thuật. Với trạm trong nhà, chiều cao trần cho máy biến áp dầu thường cao hơn so với máy khô do nhiều loại máy dầu có thùng dầu phụ gắn bên ngoài;
+ Với công trình là tòa nhà, nếu đặt máy dầu trong công trình thì nơi đặt máy phải đáp ứng các yêu cầu về cấp chịu lửa theo tiêu chuẩn phòng chữa cháy của tòa nhà;
+ Công trình phải có các biện pháp ngăn chặn cháy lan;
+ Chi phí xây dựng trạm biến áp sử dụng máy dầu thường cao hơn chi phí sử dụng máy khô.
- So với máy biến áp dầu, máy khô có khả năng chống cháy cao hơn. Trong một số môi trường đặc biệt, ví dụ như bệnh viện, trung tâm thương mại, văn phòng, công trình ngầm, hoặc nơi có yêu cầu cao về phòng chống cháy nổ, máy khô được ưu tiên sử dụng hơn máy dầu.
- Theo đặc điểm kỹ thuật, ngoài máy biến áp, trong trạm biến áp còn có các thiết bị trung gian nhằm điều chỉnh và kiểm soát điện năng trước khi cung cấp cho thiết bị tiêu thụ. Với máy biến áp khô, các thiết bị này có thể đặt trong cùng một không gian, khác với máy dầu là chúng phải để tách biệt, nhờ đó không gian trạm biến áp sử dụng máy khô được tối ưu hơn sử dụng máy dầu. Ngoài ra, kết hợp với khả năng chống cháy nổ tốt hơn, kích thước nhỏ gọn hơn máy dầu [so sánh cùng dung lượng], sử dụng máy khô cho trạm biến áp giúp giảm chi phí đầu tư ngăn ngừa hỏa hoạn, qua đó tiết kiệm chi phí đầu tư xây dựng không gian đặt máy.
- Chi phí bảo trì máy khô được tiết giảm đáng kế do không cần kiểm tra định kỳ thể tích dầu, mức độ lão hóa dầu, thay dầu cũng như sự cố rò rỉ dầu.
Căn cứ theo ưu điểm và nhược điểm giữa máy biến áp làm mát bằng dầu và máy biến áp khô, tại Việt Nam, việc lựa chọn loại máy nào phù hợp với mục đích và vị trí sử dụng hoàn toàn phụ thuộc vào ý chỉ chủ quan của chủ đầu tư.
Trong khi chi phí mua sắm máy khô hiện còn ở mức cao, sản phẩm hầu hết là nhập ngoại nên chế độ bảo hành, bảo trì vẫn còn đó nhiều dấu hỏi. Với điều kiện thực tế của nước ta hiện nay, ngoài đề cao vấn đề bảo vệ môi trường, phòng chống cháy nổ thì hiệu quả của chi phí đầu tư tổng thể vẫn là yếu tố quan trọng nhất để đưa ra quyết định.