Máy biến áp lõi thép vô định giải pháp đột phá tiết kiệm điện

MÁY BIẾN ÁP LÕI THÉP VÔ ĐỊNH GIẢI PHÁP ĐỘT PHÁ TIẾT KIỆM ĐIỆN 1. Từ lõi thép silic tinh thể định hướng cán nguội đến lõi thép vô định hình Trong MBA có hai loại tổn hao công suất: - Tổn hao đồng là tổn hao phát nhiệt do dòng điện trong các dây quấn sơ cấp và thứ cấp gây ra. Tổn hao đồng tỷ lệ với bình phương của hệ số tải. - Tổn hao sắt từ là tổn hao do hiện tượng dòng điện xoáy và hiện tượng từ trễ trong lõi thép gây ra. Dù MBA không tải hay non tải tổn hao sắt từ vẫn không đổi, không phụ thuộc vào hệ số tải. Để giảm tổn hao sắt người ta chế tạo lõi thép của MBA bằng các lá tôn silic cán nguội có chiều dày (0,16-0,3) mm ghép lại. H1 Quan niệm vật liệu vô định hình Các MBA phân phối có hiệu suất rất cao, vào khoảng 98-99% khi đầy tải. Theo tính toán sơ bộ riêng tại Hoa Kỳ, tổn hao sắt từ của các MBA phân phối hàng năm vào khoảng 50 TWh, tương đương với 1,5 tỷ USD. Các giải pháp nâng cao hiệu suất MBA chủ yếu là nâng cao chất lượng vật liệu từ, thiết kế MBA có kích thước tối ưu để sử dụng tốt vật liệu, phối hợp cách điện... Ngày 13-4-1982 Công ty điện lực Duke ở Bắc Caroline Hoa Kỳ đã tiến hành thí nghiệm MBA sử dụng vật liệu từ vô định hình do General Electric chế tạo. Các vật liệu từ thông thường có kết cấu tinh thể gồm các nguyên tử bố trí đều đặn (hình 1a). Để chế tạo vật liệu vô định hình người ta cho làm lạnh nhanh kim loại đang nóng chảy với tốc độ 105 K/s. Để giảm nhiệt độ nhanh thép phải được cán thành băng mỏng có chiều dày 0,02-0,05 mm. Kết quả là vật liệu trở nên có kết cấu vô định hình gồm các nguyên tử phân bố gần như ngẫu nhiên, lộn xộn (hình 1b). Lõi từ vô định hình dễ dàng từ hoá và khử từ, có các đặc tính từ hơn hẳn so với lá thép silic tinh thể cán nguội: - Điện trở suất tăng gần 3 lần. - Tổn hao sắt từ giảm 70-80%. - Chiều dày lá thép giảm đi 10 lần. - Lực khử từ rất nhỏ 0,8 A/m, đường cong từ trễ hẹp, do đó tổn hao từ trễ có thể bỏ qua. Bảng 1 tóm tắt các tính năng so sánh của lá tôn silic cán nguội tinh thể định hướng và lá thép vô định hình Bảng 1 Tính năng so sánh của lá tôn cán nguội tinh thể định hướng và lá thép vô định hình Tính năng so sánh của MBA vô định hình và MBA truyền thống 25 kVA của Viện EPRI Hoa Kỳ được cho trong bảng 2. Bảng 2 Tính năng so sánh của MBA 25 kVA, 15/0,4 KV vật liệu từ vô định hình và lá tôn silic cán nguội định hướng 2. Công nghệ chế tao MBA vật liệu từ vô định hình. Các MBA phấn phối vật liệu từ vô định hình có thể có dạng khô, đổ epôxy hay ngâm dầu, kết cấu kiểu trụ hay kiểu bọc. Đặc điểm khác biệt của việc ghép mạch từ so với MBA truyền thống là mạch từ được tổ hợp từ nhiều lá mỏng 0,03 mm, được cắt bằng plasma với mối ghép xen kẽ, được tổ hợp và băng lại như hình 2. Hình 2 Tổ hợp mạch từ vật liệu vô định hình Các máy biến áp (MBA) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện. Điện áp từ máy phát điện đến các hộ tiêu thụ phải biến đổi qua nhiều cấp nên tổng công suất các MBA thường bằng 7-8 lần tổng công suất các máy phát điện. Để giảm tổn hao công suất, các MBA hiện đại thường sử dụng lá thép silic tinh thể định hướng cán nguội. Việc ứng dụng lõi thép bằng vật liệu từ vô định hình là giải pháp đột phá nhằm nâng cao hiệu suất của các MBA. Bài viết sau đây điểm qua công nghệ mới này. Hình 3 Cấu tạo của MBA vật liệu vô định hình Hình 3 trình bày cấu tạo của MBA mạch từ vô định hình. Bảng 3 là thông số kỹ thuật của một số MBA vô định hình do Trung Quốc sản xuất Bảng 3 Thông số kỹ thuật của MBA vô định hình do Trung Quốc chế tạo 3. Xu hướng phát triển tất yếu của MBA vật liệu từ vô định hình Do có hiệu suất cao, hơn hẳn MBA lõi tôn silic cán nguội định hướng, các MBA phân phối sử dụng vật liệu vô định hình đang được phát triển rộng rãi ở nhiều nước và được coi là chìa khoá trong việc giảm tổn hao điện năng, tiết kiệm điện. Đến nay 1.250.000 MBA phân phối vô định hình được chế tạo và lắp đặt trên toàn thế giới. Dẫn đầu là Hoa Kỳ, EU và Nhật Bản. Từ năm 2005 Trung Quốc và Ấn độ đã khởi động chương trình chế tạo hàng loạt MBA lõi từ vô định hình, tiềm năng tiết kiệm từ 25-30 TWh hàng năm, giảm chi phí đầu tư 6-8 GW, giảm 20-30 triệu tấn CO2 nhờ ứng dụng công nghệ này. Ở Việt Nam, bộ môn Thiết bị điện - điện tử, Viện Điện, Trường ĐHBK phối hợp với Công ty Vật liệu điện đã chế tạo thành công MBA vật liệu từ vô định hình 50 kVA có tổn hao sắt từ giảm 70% so với MBA sử dụng lõi tôn silic truyền thống. Chương trình thiết kế, chế tạo một số MBA sử dụng vật liệu từ vô định hình công suất đến 250 kVA đang được khởi động. Đây sẽ là giải pháp tiết kiệm điện quan trọng góp phần vào việc thực hiện chiến lược quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.q