Một máy biến áp bao gồm cuộn dây điện áp thấp (LV) và cuộn dây điện áp cao (HV) được bố trí cẩn thận để đảm bảo hiệu suất và an toàn.
Một thiết kế phổ biến là đặt cuộn dây LV gần lõi.
Cuộn dây LV được đặt gần lõi vì cách bố trí này mang lại:
- Giảm yêu cầu cách điện,
- Giảm điện kháng rò rỉ,
- Thuận tiện cho việc bố trí bộ đổi nấc ở phía ngoài cuộn dây HV.
Bài viết này thảo luận về ý nghĩa cơ bản của việc đặt cuộn dây LV gần lõi.
Cuộn dây LV là gì?
Cuộn dây LV của máy biến áp là cuộn dây nối với phía điện áp thấp, được chế tạo với số lượng ít dây dẫn nhưng có tiết diện lớn để truyền dòng điện cao ở điện áp thấp.
Nó thường được đặt gần lõi để cải thiện cách điện và cung cấp điện áp sử dụng cho tải.
Cuộn dây HV là gì?
Trong máy biến áp, cuộn dây HV là cuộn dây nối với phía điện áp cao.
Nó có số vòng lớn với dây dẫn nhỏ hơn để xử lý điện áp cao và dòng điện thấp.
Vì lý do cách điện, cuộn dây HV thường được lắp phía ngoài cuộn dây LV và cấp (hoặc nhận) điện ở mức điện áp truyền tải hoặc phân phối.
Cấu tạo cuộn dây LV (Điện áp thấp)
Cuộn dây LV của máy biến áp được thiết kế để mang dòng điện lớn ở điện áp thấp.
Cấu tạo máy biến áp phụ thuộc vào điện áp định mức, khả năng chịu dòng và mục đích sử dụng.
Vị trí cuộn dây LV
Cuộn dây LV luôn được đặt gần lõi máy biến áp.
Điều này giúp giảm yêu cầu cách điện vì chênh lệch điện áp giữa lõi (ở thế đất) và cuộn LV nhỏ hơn nhiều so với phía HV.
Kích thước dây dẫn
Do mang dòng điện lớn, cuộn dây LV có dây dẫn dày hơn và tiết diện lớn hơn. Điều này giúp giảm tổn hao điện trở và hiện tượng quá nhiệt.
Cách bố trí cuộn dây
Trong thiết kế đồng tâm, cuộn dây LV được quấn trực tiếp lên lõi, còn cuộn dây HV được quấn phía ngoài.
Trong thiết kế dạng đĩa hoặc xen kẽ, cuộn LV được bố trí xen kẽ với cuộn HV để tăng khả năng ghép từ và điều khiển điện áp.
Ứng dụng
Cuộn dây LV cung cấp điện áp sử dụng cho tải (ví dụ: 415 V, 230 V trong máy biến áp phân phối). Thiết kế này đảm bảo giám sát dòng điện ổn định, đồng thời duy trì hiệu suất và an toàn.
Sự khác biệt giữa cuộn dây HV và LV trong máy biến áp
Để hiểu tại sao cuộn dây LV được đặt gần lõi, trước tiên hãy phân biệt các đặc điểm cơ bản của cuộn dây máy biến áp.
Máy biến áp ba pha có cuộn sơ cấp và thứ cấp quấn quanh lõi.
Dây dẫn dùng cho cuộn HV có tiết diện nhỏ hơn so với cuộn LV.
Nguyên nhân là khi truyền cùng một công suất từ sơ cấp sang thứ cấp, điện áp thứ cấp giảm xuống, làm tăng dòng điện ở phía LV.
Do đó, cuộn LV cần dây dẫn lớn hơn để mang dòng điện cao, trong khi cuộn HV mang dòng nhỏ hơn nên dùng dây dẫn nhỏ hơn.
| Khía cạnh | Cuộn dây HV (Điện áp cao) | Cuộn dây LV (Điện áp thấp) |
|---|---|---|
| Kích thước dây dẫn | Tiết diện nhỏ hơn (dây dẫn mỏng) | Tiết diện lớn hơn (dây dẫn dày) |
| Mức dòng điện | Mang dòng điện thấp | Mang dòng điện cao |
| Mức điện áp | Nối với phía điện áp cao | Nối với phía điện áp thấp |
| Vị trí | Thường quấn bên ngoài cuộn LV | Đặt gần lõi (bên trong) |
| Lý do | Cần cách điện tốt hơn với môi trường xung quanh | Đặt gần lõi để giảm yêu cầu cách điện |
Điện kháng rò rỉ trong cuộn dây máy biến áp
Khi cuộn sơ cấp của máy biến áp được cấp điện, dòng điện tạo ra từ trường cảm ứng từ thông trong lõi.
Lý tưởng nhất, từ thông này phải được liên kết hoàn toàn với cuộn thứ cấp.
Tuy nhiên, thực tế có một phần từ thông không liên kết với cuộn thứ cấp, gọi là từ thông rò.
Sự tồn tại của từ thông rò gây ra điện kháng rò (hoặc cảm kháng rò), xuất hiện nối tiếp với cả cuộn sơ cấp và thứ cấp.
Điện kháng rò cao làm cho khả năng điều chỉnh điện áp của máy biến áp kém hơn.
Tại sao cuộn LV được đặt gần lõi?
Có 2 lý do chính để đặt cuộn điện áp thấp (LV) gần lõi máy biến áp:
- Giảm yêu cầu cách điện
Vì lõi ở thế đất, đặt cuộn LV gần lõi sẽ giảm lượng cách điện cần thiết. - Giảm điện kháng rò
Vị trí gần hơn làm giảm khoảng cách giữa các cuộn dây, cải thiện ghép từ và giảm từ thông rò.
Yêu cầu cách điện cho cuộn HV và LV
Trong thiết kế cuộn dây đồng tâm, cuộn LV được đặt gần lõi, còn cuộn HV quấn bên ngoài. Thiết kế này:
- Cuộn LV cần ít cách điện hơn (do gần lõi).
- Đảm bảo cuộn HV, vốn cần cách điện nhiều hơn, được đặt bên ngoài để dễ duy trì cách điện.
- Thường tích hợp bộ đổi nấc trên cuộn HV để điều chỉnh điện áp đầu ra.
Nếu cuộn HV được đặt ngay sát lõi, sẽ cần cách điện lớn hơn giữa cuộn HV và lõi nối đất, làm tăng kích thước và chi phí máy biến áp.
Vị trí cuộn dây trong máy biến áp lõi và vỏ
- Máy biến áp kiểu lõi (Core-Type): Cuộn LV luôn đặt gần lõi, cuộn HV quấn bên ngoài.
- Máy biến áp kiểu vỏ (Shell-Type): Cuộn HV và LV được xen kẽ để giảm điện kháng rò và cải thiện ghép từ.
Ví dụ: Tính toán yêu cầu cách điện
Xét máy biến áp định mức 110/33 kV:
- Cuộn LV (33 kV) đặt gần lõi.
- Cuộn HV (110 kV) đặt bên ngoài cuộn LV.
Trường hợp 1: Cuộn LV đặt gần lõi
Nếu cuộn LV (33 kV) đặt gần lõi và cuộn HV (110 kV) quấn bên ngoài:
Cách điện cần cho LV = cách điện giữa (LV & lõi) + cách điện giữa HV & LV.
→ Cách điện yêu cầu = 33 kV + (110 – 33) kV = 110 kV
Thiết kế này giảm yêu cầu cách điện, giúp máy biến áp nhỏ hơn và rẻ hơn.
Trường hợp 2: Cuộn HV đặt gần lõi
Nếu cuộn HV (110 kV) đặt gần lõi và cuộn LV (33 kV) bên ngoài:
Cách điện cần cho HV = cách điện giữa HV & lõi + cách điện giữa LV & HV.
→ Cách điện yêu cầu = 110 kV + 33 kV = 143 kV
Thiết kế này đòi hỏi cách điện lớn hơn, làm tăng kích thước, chi phí và độ phức tạp.
Kết luận
Trong máy biến áp, cuộn LV luôn đặt gần lõi để giảm yêu cầu cách điện, giảm điện kháng rò, giảm chi phí và tăng hiệu suất.
Thiết kế này đảm bảo hiệu suất ổn định đồng thời giảm giá thành máy biến áp.
