Máy biến áp Amorphous: Công dụng, cấu tạo, ưu nhược điểm

Lê Hồng Phong

Vật liệu vô định hình có ít tổn thất lõi nên có thể thay thế tốt cho thép silicon khi sản xuất máy biến áp phân phối. Máy biến áp vô định hình giúp tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường hiệu quả. Tổng hợp những kiến ​​thức về Máy biến áp vô định hình được KTH ELECTRIC nhắc đến trong bài viết dưới đây.

Máy biến áp vô định hình là gì?

Máy biến áp vô định hình (AMT) là dòng máy biến áp tiết kiệm năng lượng, được lắp đặt trên hệ thống truyền tải điện. Lõi từ của máy biến áp này được làm từ kim loại sắt từ vô định hình. Vật liệu điển hình được sử dụng là hợp kim của sắt với boron, silicon và phốt pho được cán mỏng và làm nguội nhanh sau khi nấu chảy để ngăn kim loại kết tinh. So với thép thông thường (thép CRGO – thép silicon), thép vô định hình chỉ mỏng khoảng 25µm so với 0,25 mm đến 0,35 mm.

Sự hóa rắn nhanh chóng của kim loại ở tốc độ 106K/s làm cho kim loại trở nên thủy tinh hóa với cấu trúc nguyên tử vô định hình. Vì vậy, thép vô định hình có từ tính cao, độ kháng từ thấp, khả năng chịu nhiệt cao, cảm ứng bão hòa thấp hơn và thường có ma sát từ cao hơn thép điện tinh thể sắt-silic trong máy biến áp thông thường. Tuy nhiên, nhược điểm của loại vật liệu này là giòn và cứng gấp 4 lần thép thông thường nên dễ gãy và khó sửa chữa.

Cấu trúc máy biến áp vô định hình

Máy biến áp vô định hình có cấu tạo tương tự như máy biến áp thông thường, điểm khác biệt lớn nhất nằm ở vật liệu lõi thép. Mạch từ gồm các cuộn dây 1 pha được lắp ráp sẵn, được ủ ở nhiệt độ 3500 độ C. Trong máy biến áp AMT, các cuộn dây có cấu trúc hình chữ nhật bao quanh lõi thép. Phần này của mạch từ có khả năng chống lại ứng suất ngắn mạch. Sau khi lắp đặt, mạch từ sẽ cứng chắc, đóng vai trò hỗ trợ cơ học cho các phần tử khác trong máy biến áp.

Lõi thép vô định hình rất mỏng nên cần có quy trình ngăn chặn các mảnh vụn trong lõi trong quá trình vận hành:

• Phủ lớp epoxy lên cả hai mặt của lõi ngoại trừ vị trí mở cuộn dây. Các lớp lõi riêng lẻ trở thành một khối vững chắc, giữ nguyên vị trí. Tấm thép CRGO được phủ cụm lõi để tăng độ bền cơ học.
• Đặt lớp cách điện FRP (nhựa composite) giữa cuộn dây hạ thế và lõi máy để giảm lực tác dụng lên cuộn dây lõi khi vận hành máy biến áp.

Quy trình sản xuất máy biến áp vô định hình

Các bước cơ bản khi chế tạo máy biến áp vô định hình như sau:

• Bước 1: Quấn các cuộn dây đồng (gồm lõi sơ cấp và lõi thứ cấp) tương ứng với công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật theo thiết kế. Song song đó, các tấm thép vô định hình được uốn cong tạo thành các khối cho lõi từ. Sau đó chế tạo bồn biến áp AMT.
• Bước 2: Đấu nối mạch dây đồng vào thanh cái, để đầu ra chờ.
• Bước 3: Nối thủ công các tấm thép vô định hình ôm chặt lấy lõi đồng, tạo hình dựa trên cuộn dây định hình.
• Bước 4: Kẹp chặt tấm thép vô định hình vào cuộn dây đồng.
• Bước 5: Làm khô lõi đồng.
• Bước 6: Đặt lõi vào thùng máy biến áp, sau đó hút bụi, lọc bụi, hơi ẩm. Sau đó kết nối hoàn toàn các mạch đầu vào và đầu ra. Cuối cùng bơm dầu làm mát vào máy biến áp, kiểm tra hệ thống.

Thay vì cắt thép silicon như thông thường, máy biến áp vô định hình sẽ uốn các tấm thép thành khối. Mặt khác, việc đi dây diễn ra ngay sau khi uốn tấm thép.

Khi chế tạo máy biến áp AMT, các vị trí các lõi đều có ngăn riêng biệt. Khi các mảnh vụn hình thành, nó sẽ được thu gom vào các ngăn và không trôi nổi trong dầu làm mát.

Tổng chi phí sản xuất máy biến áp vô định hình cao hơn 20 – 30% so với máy biến áp thông thường do yêu cầu đặc biệt về vật liệu lõi và kết cấu khoang.

Ưu điểm của máy biến áp vô định hình

Máy biến áp vô định hình đang trở thành xu hướng tại Việt Nam và nhiều nước tiên tiến trên thế giới nhờ những ưu điểm sau:

• Ưu điểm đầu tiên của máy biến áp vô định hình là tổn thất không tải nhỏ hơn một nửa tổn thất không tải của máy biến áp thông thường có cùng công suất.
• Ưu điểm thứ hai của máy biến áp AMT là lượng nhiệt sinh ra trong quá trình vận hành thấp hơn so với máy biến áp CRGO do tổn thất không tải thấp.
• Ưu điểm thứ ba của máy biến áp AMT là khả năng chịu sóng hài thấp hơn so với máy biến áp thông thường. Vì vậy, máy biến áp vô định hình rất thích hợp lắp đặt tại các nhà máy điện mặt trời để kiểm soát các dao động điều hòa.
• Ưu điểm cuối cùng của máy biến áp vô định hình là khả năng phát thải CO2 của nó chỉ bằng khoảng một nửa so với máy biến áp CRGO. Với xu hướng công nghiệp xanh, giảm phát thải và thuế tín dụng carbon, dòng máy biến áp này là sự lựa chọn lý tưởng cho các quốc gia hướng tới phát triển xanh bền vững.

Xem thêm: Máy biến áp khô: Đặc điểm chi tiết và ứng dụng

Nhược điểm của máy biến áp vô định hình

Ngoài ưu điểm về vận hành, máy biến áp vô định hình còn có nhiều nhược điểm khi so sánh với máy biến áp truyền thống:

• Giới hạn công suất tối đa là 10MVA do công nghệ sản xuất hiện tại chỉ cho phép chiều rộng tấm thép vô định hình tối đa là 213,4 mm. Trong khi đó, thép tấm cán nguội trong máy biến áp thường có chiều rộng lên tới 1000 mm.
• Kích thước của máy biến áp AMT lớn hơn máy biến áp CRGO do cần thể tích đồng lớn hơn cho lá thép vô định hình. Bên cạnh đó, bên trong máy AMT cần tới 5 trụ thép, lớn hơn so với máy CRGO chỉ có 3 trụ.
• Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn khoảng 1,2 – 1,4 lần so với máy biến áp thông thường có cùng công suất do 3 yếu tố: Sản xuất vật liệu thép vô định hình khó hơn thép silicon; sử dụng lượng đồng cao hơn; vỏ máy biến áp lớn hơn.
• Khả năng chịu tải kém do máy biến áp vô định hình hoạt động hiệu quả ở mức tải 80%. Trong khi đó, giới hạn phụ tải của máy biến áp thông thường lên tới 120% công suất.
• Khả năng chịu ngắn mạch kém do đặc tính cuộn dây quấn có hình chữ nhật thay vì hình tròn, làm giảm khả năng phân bổ lực.
• Tạo ra tiếng ồn lớn khi vận hành do liên kết lỏng lẻo của lõi thép vô định hình và khe hở lớn giữa các tấm thép.
• Chi phí bảo trì cao và khó sửa chữa do tính chất sinh ra nhiều cặn bẩn trong lõi từ, làm giảm khả năng cách điện của dầu làm mát, đồng thời lõi từ vô định hình dễ bị hỏng hoàn toàn khi có sự cố, buộc phải loại bỏ.
• Tuổi thọ thấp hơn máy biến áp CRGO do cần hoạt động ở mức công suất ổn định nhưng đặc tính tiêu thụ điện năng phụ tải có giờ cao điểm – thấp điểm. Theo kinh nghiệm của Indonesia, tuổi thọ của máy biến áp AMT là khoảng 20 năm nếu vận hành dưới 65% công suất và khoảng 14 năm nếu vận hành ở 65% – 75% công suất. Trong khi đó, tuổi thọ trung bình của một máy biến áp CRGO có cùng công suất là khoảng 20 – 25 năm.

Xem thêm: Máy biến áp dầu: Cấu tạo, ứng dụng, cách phân biệt

Ứng dụng của máy biến áp vô định hình

Máy biến áp vô định hình chủ yếu được sử dụng làm máy biến áp phân phối hoặc truyền tải cho lưới điện có công suất trong khoảng 50 – 1000 kVA. Đường dây biến áp này chạy 24/24 với hệ số phụ tải thấp. Nhìn chung, tổn thất không tải của AMT chiếm một phần đáng kể trong tổng tổn thất của mạng lưới phân phối điện. Ngoài ra, vật liệu thép vô định hình còn được sử dụng rộng rãi trong các động cơ điện chuyên dụng, hoạt động ở tần số cao từ 350Hz.

Mặc dù có nhiều nhược điểm lấn át ưu điểm khi so sánh với máy biến áp silicon thông thường nhưng máy biến áp vô định hình vẫn được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng giảm lượng khí thải CO2. Tuy nhiên, do chi phí dài hạn cao hơn so với máy biến áp thông thường nên các nước trên thế giới chỉ sử dụng loại máy biến áp này ở quy mô nhỏ.

Xem thêm các loại máy biến áp tại: https://btb-electric.com/vi/tin-tuc/kien-thuc-nganh/kien-thuc-tram-bien-ap/