Giảm tổn thất điện năng trong máy biến áp động lực ở lưới truyền tải và phân phối điện năng

Tổn thất điện năng và ảnh hưởng tiêu cực của nó

Tổn thất điện năng

Vấn đề tổn thất điện năng trong máy biến áp động lực là một trong những vấn đề then chốt của ngành năng lượng. Các máy biến áp là khâu không thể thiếu của hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, chúng đảm bảo chuyển đổi và phân phối điện năng đến các tải tiêu thụ điện. Tuy nhiên, trong quá trình làm việc của các máy biến áp thì không tránh khỏi việc tổn thất điện năng, điều này dẫn đến giảm hiệu quả cung cấp điện năng; tăng chi phí và tác động tiêu cực đến môi trường.

Tổn thất điện năng trong máy biến áp có thể chia thành hai dạng:

- Tổn thất không tải xảy ra do sự đảo chiều từ hóa của lõi thép máy biến áp, mức độ tổn thất này phụ thuộc chất lượng thép kỹ thuật điện; thuộc tính từ của nó và kiểu thiết kế-chế tạo mạch từ. Tổn thất không tải chiếm khoảng 65% tổng tổn thất điện nâng trong máy biến áp (hình 1);

- Tổn thất có tải xảy ra do xuất hiện dòng điện trong cuộn dây máy biến áp. Mức độ tổn thất này được quyết định bởi giá trị điện trở của cuộn dây; mật độ của dòng điện và các hiệu ứng xảy ra bởi sự phân bố không đồng đều của dòng điện trên mặt cắt ngang của dây dẫn (các hiệu ứng, có thể là hiệu ứng bề mặt; hiệu ứng lân cận). Tổn thất có tải chiếm khoảng 35% tổng tổn thất điện năng trong máy biến áp (hình 1).

Hình 1. Tỷ lệ % của hai loại tổn thất trong tổng tổn thất điện năng ở máy biến áp động lực

Ảnh hưởng tiêu cực của tổn thất điện năng

Tổng tổn thất điện năng trong máy biến áp động lực có thể đạt từ 2% đến 3% của công suất điện năng được truyền tải. Thoạt nhìn thì giá trị tổn thất này có vẻ không đáng kể, tuy nhiên chỉ cần giảm tổn thất này đi 1% cũng sẽ mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể nếu xét trên quy mô của hệ thống năng lượng.

Các tổn thất điện năng trong máy biến áp động lực dẫn đến gia nhiệt bổ sung của thiết bị, điều này làm giảm độ tin cậy và tuổi thọ của nó. Sự gia tăng nhiệt độ cuộn dây và mạch từ làm tăng tốc độ lão hóa lớp cách điện, qua đó tăng nguy cơ hỏng hóc; cháy nổ và vì thế đòi hỏi cao hơn về giải nhiệt, điều này cũng đòi hỏi tăng chi phí.

Về mặt môi trường thì tổn thất điện năng trong máy biến áp động lực kéo theo sự tăng phát thải khí nhà kính, bởi để bù tổn thất điện năng thì cần tăng sản lượng điện năng tại các nhà máy điện có sử dụng nhiên liệu hóa thạch để chạy các tổ hợp máy phát điện.

Vì vậy, việc giảm tổn thất điện năng trong máy biếp áp động lực ở hệ thống truyền tải và phân phối điện năng là một trong những nhiệm vụ quan trọng, nó có tầm quan trọng lớn về kinh tế và môi trường. Giải quyết vấn đề này đòi hỏi mộ cách tiếp cận tổng hợp, bao gồm: sử dụng vật liệu có nội trở trong mạch từ và mạch điện cuộn dây càng nhỏ càng tốt (tiến tới vật liệu siêu dẫn); tối ưu hóa thiết kế; và sử dụng các phương pháp vận hành hiệu quả.

Giải pháp kỹ thuật giảm tổn thất điện năng

Từ cách phân loại tổn thất điện năng trong máy biến áp động lực, cũng có thể chia các giải pháp giảm tổn thất điện năng trong máy biến áp động lực thành hai nhóm giải pháp chính: giải pháp giảm tổn thất không tải và giải pháp giảm tổn thất có tải.

Giải pháp giảm tổn thất không tải

- Sử dụng các vật liệu chất lượng cao để chế tạo lõi từ. Thép kỹ thuật điện hiện đại với hạt định hướng; thép hợp kim vô định hình và thép tinh thể nano có tổn thất riêng nhỏ khi đảo ngược từ hóa so với các vật liệu truyền thống khác. Trên hình 2 trình bày so sánh tổn thất riêng của các vật liệu khác nhau được dùng làm lõi từ;

Hình 2. So sánh tổn thất riêng trong các vật liệu lõi từ khác nhau

- Tối ưu hóa thiết kế lõi từ (mạch từ). Thiết kế-chế tạo lõi từ gồm nhiều lớp, mỗi lớp là một tấm thép kỹ thuật điện mỏng, điều này giúp giảm tổn thất do dòng điện xoáy gây ra. Ngoài ra, kết cấu lõi từ được tối ưu hóa ở các thanh lõi từ và ách, điều này giúp bảo đảm sự phân bố từ thông được đồng đều và giảm tổn thất cục bộ;

- Giảm mức độ cảm ứng trong lõi thép từ. Tăng tiết diện lõi từ cho phép giảm cảm ứng từ trường trong lõi thép từ, điều này dẫn đến giảm tổn thất riêng do đảo chiều từ hóa gây ra. Tuy nhiên, cách này lại tăng kích thước; khối lượng của máy biến áp động lực, vì thế phải kết hợp thêm tối ưu hóa tiêu chí kinh tế.

Giải pháp giảm tổn thất có tải

- Sử dụng dây đồng có tiết diện lớn hơn so với định mức của tải để chế tạo cuộn dây. Cuộn dây có tiết diện dây tăng sẽ giảm điện trở trong của cuộn dây và do đó sự phát nhiệt khi có dòng điện (tức có tải chạy) với giá trị tương ứng tiết diện dây quấn khi chưa tăng sẽ giảm đi. Hình 3 trình bày sự phụ thuộc của tổn thất điện năng trong cuộn dây vào tiết diện của dây quấn ở một giá trị của dòng điện tải;

Hình 3. Sự phụ thuộc của tổn thất trong cuộn dây vào tiết diện dây quấn

- Sử dụng chuyển vị lõi từ và dây quấn. Sử dụng các lõi từ chuyển vị và chuyển vị liên tục các vòng dây quấn của cuộn dây sẽ cho phép thực hiện được sự cân bằng tốt hơn của dòng điện theo tiết diện dây quấn và giảm các tổn thất liên quan đến hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lân cận;

- Tối ưu hóa hệ thống giải nhiệt. Viêc thoát nhiệt từ lõi thép từ và cuộn dây một cách có hiệu quả sẽ cho phép giảm nhiệt độ làm việc của lõi thép từ và cuộn dây, đồng thời cũng giảm được các tổn thất liên quan đến tăng giá trị điện trở của cuộn dây do nhiệt tăng. Việc sử dụng tuần hoàn dầu giải nhiệt trực tiếp cho lõi thép từ và cuộn dây; cùng tối ưu hóa vị trí lắp và hình dạng bộ giải nhiệt dầu cũng góp thêm khả năng giải nhiệt lõi thép từ và cuộn dây;

- Ứng dụng thiết bị điều chỉnh điện áp theo mức tải. Khi ứng dụng bộ điều chỉnh này sẽ cho phép thay đổi tỷ số biến áp trong một dải giới hạn nhất định, đảm bảo sự hoạt động tối ưu của máy biến áp khi tải thay đổi. Điều này giúp tối thiểu hóa các tổn thất liên quan đến độ lệch điện áp so với giá trị định mức của máy biến áp.

Biện pháp tổ chức vận hành máy biến áp để giảm tổn thất

Cùng với các giải pháp kỹ thuật nêu trên, các biện pháp tổ chức tổ chức liên quan đến tối ưu hóa chế độ làm việc của máy biến áp, cũng đóng vai trò quan trọng để giảm tổn thất điện năng trong máy biến áp. Việc tính chọn đúng công suất định mức và số lượng máy biến áp làm việc song song với nhau có tính đến biểu đồ phụ tải, sẽ cho phép các máy biến ấp làm việc với hiệu suất Eff cao nhất. Thông thường, máy biến áp làm việc có hiệu suất cao nhất khi chịu tải ở mức 60% đến 70% công suất tải định mức.

Hình 4 là đồ thị hiệu suất của máy biến áp theo hệ số tải, nó cho biết sự phụ thuộc điển hình của Eff của máy biến áp vào hệ số tải.

Hình 4. Sự phụ thuộc điển hình của Eff vào hệ số tải

Tối ưu hóa các chế độ làm việc của máy biến áp động lực có tính đến sự thay đổi tải theo mùa và các khoảng thời gian trong 24h; tổ chức bảo trì hợp lý và chẩn đoán kỹ thuật chính xác cũng giúp giảm tổn thất điện năng và tăng Eff hoạt động của máy biến áp động lực.

Việc giảm tổn thất điện năng trong máy biến áp động lực là một bài toán kinh tế-kỹ thuật phức tạp, nó đòi hỏi có cách tiếp cận mang tính hệ thống và sử dụng các giải pháp kỹ thuật hiện đại.

Việc phân tích bài toán về giảm tổn thất này cho thấy một số hậu quả tiêu cực bởi tổn thất này gây ra, điển hình:

- Giảm hiệu suất truyền tải và phân phối điện năng;

- Tăng chi phí để bù tổn thất;

- Tăng tốc độ hao mòn của các thiết bị sưởi ấm do phải tăng công suất của chúng;

- Tăng phát thải khí nhà kính do tăng công suất sản xuất điện năng để bù tổn thất.

Điều quan trọng cần lưu ý là việc giải bài toán giảm tổn thất điện năng trong máy biến áp không chỉ giới hạn ở việc sử dụng các giải pháp-biện pháp giảm tổn thất ở các hệ thống truyền tải và phân phối điện năng hiện có, mà còn phải phát triển và triển khai thế hệ máy biến áp mới có đặc tính tiết kiệm năng lượng và thiết kế của các máy biến áp này cần được tối ưu hóa về tối thiểu hóa tổn thất điện năng, ngay từ khâu ban đầu.

Hiện nay, các nhà chế tạo máy biến áp hàng đầu đều đang tích cực làm việc theo hướng tối ưu hóa tổn thất điện năng trong máy biến áp dựa trên việc sử dụng các phần mềm thiết kế thông minh; các vật liệu tiên tiến; công nghệ chế tạo được đổi mới. Việc tạo ra máy biến áp “thông minh” với tối ưu hóa tổn thất, được trang bị hệ thống giám sát và chẩn đoán thông minh là một trong những hướng phát triển được ưu tiên của ngành kỹ thuật điện.

Kết luận

Việc giảm tổn thất điện năng trong máy biến áp thuộc hệ thống truyền tải và phân phối điện năng là một bài toán cần giải vì tính quan trọng và cấp bách của nó, lời giải bài toán phải được xuất phát từ cách tiếp cận mang tính hệ thống ở tất cả các bước, từ thiết kế-chế tạo-vận hành-đến bảo trì máy biến áp.

Việc sử dụng vật liệu tiên tiến; tối ưu hóa cấu trúc; hệ thống giải nhiệt và điều khiển hiện đại; tổ chức vận hành để máy biến áp làm việc tối ưu nhất, có thể giảm đáng kể tổn thất điện năng trong nó và tăng Eff của máy biến áp. Điều này mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể, cải thiện độ làm việc tin cậy của hệ thống truyền tải và phân phối điện năng và giảm tác động tiêu cực đến môi trường.

Việc phát triển và hoàn thiện hơn nữa các loại máy biến áp động lực có thuộc tính là tổn thất điện năng trong chúng ở mức thấp, luôn là một lĩnh vực nghiên cứu khoa học và phát triển kỹ thuật đầy triển vọng. Việc tạo ra được các máy biến áp “thông minh” mới, trong đó chúng được trang bị hệ thống giám sát và chẩn đoán (từ xa) sẽ mở ra những cơ hội mới để tối ưu hóa đa tiêu chí hoạt động của mạng truyền tải và phân phối điện năng - tức có được “Smart Grid”.

Vì thế, việc giảm tổn thất điện năng trong máy biến áp không chỉ là thách thức kỹ thuật, mà còn là bước quan trọng hướng tới nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng từ thiên nhiên trong sản xuất điện năng; tăng độ tin cậy và sự thân thiện môi trường của ngành điện lực trong tương lai. Những nỗ lực tổng hợp của các nhà khoa học, kỹ sư, nhà chế tạo máy điện và công ty năng lượng đều phải nhằm tới hiện thực hóa mục tiêu chiến lược - giảm tổn thất điện năng trong máy biến áp động lực.

Tài liệu tham khảo

1. Cинельников А. Ф., Штерн Ю. С., Скрипилева Т. В., Савинцев Ю. М. Потери мощности и энергии в электрических сетях: анализ и опыт снижения. — М.: Энергопрогресс, 2006. — 104 с.
2. Кононенко Е. В., Кононенко К. Е. Железо для электротехники: атлас. — Москва: Sokol Publishers, 2021. — 170 с.
3. Электротехнический справочник: В 4 т. Т. 1. Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под общ. ред. профессоров МЭИ В. Г. Герасимова и др. (гл. ред. А. И. Попов). — 9-е изд., стер. — М.: Издательство МЭИ, 2003. — 440 с.

Nguyễn Tiến Dũng - BMSTU, VAA