Đăng ký thành viên

Tăng độ dẻo dai của máy biến áp để xây dựng một tương lai năng lượng sạch

Khi Mỹ chuẩn bị đẩy mạnh sản xuất máy biến áp và các thành phần lưới điện khác, trọng tâm phải là chất lượng chứ không chỉ số lượng.

Chi phí năng lượng gia tăng, quá trình chuyển dịch sang năng lượng tái tạo, các hiện tượng thời tiết cực đoan, các mối lo ngại về an ninh quốc gia, v.v., đã tạo ra sự tập trung mới vào các công nghệ lưới điện quan trọng và độ tin cậy tổng thể của lưới điện. Hành động điều hành gần đây của Nhà Trắng viện dẫn Đạo luật Sản xuất Quốc phòng (DPA) để thúc đẩy sản xuất trong nước là một trong những phản ứng mới nhất đối với sự cần thiết phải củng cố lưới điện quốc gia để chuẩn bị cho tương lai.

Lời viện dẫn này ủy quyền cho Bộ Năng lượng (DOE) đẩy nhanh việc sản xuất máy biến áp và các thành phần lưới điện khác, chẳng hạn như tấm pin mặt trời, máy bơm nhiệt, chất cách điện và máy điện phân, pin nhiên liệu và kim loại bạch kim - cuối cùng nhằm giải quyết nhu cầu về năng lượng sạch và tăng cường năng lượng trong nước nói chung khi các mối đe dọa mới phát sinh.

Theo dữ liệu của chính phủ, tình trạng mất điện ở Mỹ đã tăng 50% trong 20 năm qua. Chỉ riêng trong năm 2020, các vụ mất điện đã tăng 73% do thời tiết cực đoan, đồng thời tần suất và thời gian mất điện của những lần mất điện này cũng đang gia tăng. Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ (EIA) báo cáo rằng, trung bình, khách hàng đã phải trải qua hơn 8 giờ bị mất điện trong năm 2020, nhiều nhất kể từ khi EIA bắt đầu thu thập dữ liệu về độ tin cậy điện trong năm 2013. Năm 2018, DOE ước tính việc mất điện đã gây thiệt hại 150 tỷ USD một năm cho nền kinh tế Mỹ - và con số đó nhiều khả năng đã tăng lên.

Với nhiệt độ đang tăng lên, các hiện tượng thời tiết cực đoan và nhu cầu toàn cầu về năng lượng sạch, nhu cầu về các sản phẩm và linh kiện thiết yếu cho cơ sở hạ tầng lưới điện bền vững và đáng tin cậy hơn là cần thiết. Tuy nhiên, không thể xem nhẹ chất lượng và tình trạng của các tài sản điện quan trọng. Việc thích ứng và hiện đại hóa cơ sở hạ tầng lưới điện ngày nay mang đến cả cơ hội và thách thức cho các nhóm công ty điện lực.

Khi ngành điện tiếp tục phát triển và sản xuất các công nghệ mới, điều thiết yếu là phải đảm bảo chất lượng và các năng lực của các tài sản này - cả hiện đại và mới - được đánh giá và bảo trì đúng cách.

Chế tạo lưới điện

Mở rộng và duy trì tình trạng vận hành tốt của cơ sở hạ tầng quan trọng ví dụ như máy biến áp, là thiết yếu cho một mạng lưới điện hiệu quả. Trong điều kiện lý tưởng, dự kiến máy biến áp có thể vận hành trong khoảng 40 năm, nhưng tuổi thọ của máy biến áp công nghiệp có thể chỉ từ 20 năm đến 25 năm. Tuy nhiên, những ước tính tuổi thọ này không phải là những con số tùy tiện. Chúng phụ thuộc vào cách công ty điện lực theo dõi và chăm sóc các tài sản.

Trong suốt thời gian vận hành, máy biến áp bị phơi nhiễm các ứng suất điện, nhiệt và hóa chất có thể làm suy giảm dầu cách điện và chất cách điện rắn, dẫn đến ăn mòn và oxy hóa, đồng thời tạo điều kiện cho các sự cố mới phát sinh, làm giảm tuổi thọ của thiết bị. Thiết kế không phù hợp, phụ tải tăng cao và không bảo trì đúng cách những tài sản này đều có thể dẫn đến lão hóa sớm và cuối cùng là thay thế sớm.

Sự cố máy biến áp có thể gây thiệt hại cả về tài chính và môi trường cũng như gây ra gián đoạn lớn cho các doanh nghiệp và cộng đồng phụ thuộc vào máy biến áp. Chi phí lắp đặt máy biến áp mới đã tăng trung bình 5,5% mỗi năm trong 20 năm qua. Việc chế tạo các tài sản mới cũng tạo ra phát thải cacbon lớn và việc thải bỏ thiết bị cũ sẽ gây thiệt hại vì các máy biến áp thường chứa đầy dầu và cacbon.

Ngoài ra, khi một máy biến áp sắp hết tuổi thọ, do tự nhiên hoặc hỏng hóc, việc rút điện và thay thế một máy biến áp này bằng một máy biến áp khác có thể là một quá trình gây gián đoạn dẫn đến thời gian mất điện kéo dài. Theo Công ty cung cấp các giải pháp bảo hiểm rủi ro Willis Risk Solutions (Vương quốc Anh), vụ tổn thất máy biến áp lớn nhất được ghi nhận xảy ra tại một nhà máy điện, dẫn đến chi phí gián đoạn kinh doanh hơn 86 triệu USD. Khi ngành điện chuyển sang các trường hợp sử dụng năng lượng tái tạo và giảm phát thải cacbon tổng thể, việc đánh giá tình trạng của những tài sản này sẽ chỉ trở nên quan trọng hơn để giảm thiểu sự cố không lường trước được.

Thiết kế và sản xuất bền lâu

Mặc dù sắc lệnh hành pháp gần đây sẽ tăng cường việc chế tạo và cung cấp máy biến áp cũng như các thành phần khác của lưới điện, nhưng điều quan trọng là phải đánh giá đúng các thiết kế và quy định kỹ thuật của máy biến áp để đảm bảo công suất vận hành lâu dài. 

Tiến hành rà soát thiết kế chính thức có thể đảm bảo nhà chế tạo đang thi công một tài sản phù hợp với ứng dụng dự kiến ​​và các quy định kỹ thuật của máy biến áp đó. Rà soát thiết kế là đặc biệt quan trọng để thử nghiệm mạch từ, các dây quấn và cách điện, trở kháng và tổn hao, khả năng tương tác, tính năng nhiệt và khả năng chịu ngắn mạch - các yếu tố cần xem xét đặc biệt đối với máy biến áp tái tạo và các yếu tố dành riêng cho lưới điện siêu nhỏ nơi mà ảnh hưởng của sóng hài có thể nghiêm trọng và số lần đóng điện cao hơn đáng kể so với các máy biến áp truyền tải và phân phối truyền thống.

Ngoài ra, thử nghiệm nghiệm thu tại nhà máy, bao gồm các thanh tra lõi và cuộn dây, các thanh tra trước giai đoạn hóa hơi… có thể đảm bảo máy biến áp được chế tạo đúng cách. Các cuộc kiểm tra này, dù được thực hiện trực tiếp hay trực tuyến, có thể ngăn ngừa việc mất thêm thời gian để đảm bảo tài sản hoạt động theo cách nó cần cũng như ngăn ngừa hư hại, hoạt động kém hiệu quả và hỏng hóc sớm trong tương lai.

Khi Mỹ chuẩn bị đẩy mạnh sản xuất cơ sở hạ tầng quan trọng, điều quan trọng là ngành điện phải duy trì các tiêu chuẩn về chất lượng thay vì chỉ tập trung vào số lượng.

Kéo dài tuổi thọ máy biến áp

Nếu như người vận hành thực hiện đúng các bước, máy biến áp lão hóa có thể vận hành an toàn và hiệu quả ngoài tuổi thọ thiết kế của chúng. Mặc dù không có phương pháp nào có thể kéo dài tuổi thọ của tài sản mãi mãi, nhưng việc bảo trì chủ động và chẩn đoán nâng cao có thể phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng và kéo dài tuổi thọ của tài sản.

Theo dõi chung việc sử dụng, bao gồm phân tích khí hòa tan (DGA) và theo dõi nhiệt độ, là rất quan trọng để đánh giá tình trạng tổng thể của máy biến áp. DGA đo nồng độ của một số loại khí chủ yếu hòa tan trong dầu và tốc độ tạo khí, cung cấp một chỉ dẫn chung tốt về tình trạng của thiết bị máy biến áp. Các cảm biến và máy dò tiên tiến đánh giá dầu máy biến áp và mức hydro theo thời gian thực có thể chỉ ra và cảnh báo những bất thường, cho phép các nhóm phát hiện ra các vấn đề trước khi chúng trở nên tồi tệ hơn. Tuy nhiên, một mình DGA sẽ không phát hiện ra tất cả các vấn đề tiềm ẩn. Theo dõi liên tục phụ tải và điện áp, theo dõi trực tuyến tình trạng của sứ xuyên và cách điện, phân tích phóng điện cục bộ, tình trạng của bộ điều chỉnh điện áp, v.v. cần là một phần trong chiến lược theo dõi tình trạng lớn hơn của mọi nhóm công ty điện lực.

Để đưa ra các quyết định chiến lược liên quan đến bảo trì máy biến áp dựa trên tình trạng thì đòi hỏi phải có những đánh giá chính xác. Tuy nhiên, việc quản lý khối lượng dữ liệu có thể quá mức và phức tạp, đặc biệt là khi không có siêu dữ liệu theo ngữ cảnh. Việc có các giải pháp phù hợp để điều hướng và cung cấp thông tin chuyên sâu về dữ liệu từ DGA, phân tích chất lượng dầu và sự xuống cấp của giấy, chất lỏng cách điện, khí thoát ra, lưu huỳnh ăn mòn, sự xuống cấp của giấy/cellulose, v.v. ở một chỗ, cho phép các nhóm giải thích liệu nguy cơ sự cố có tăng lên hay không và những biện pháp can thiệp chủ động nào là cần thiết.

Dữ liệu vận hành trên một tài sản, bao gồm công suất đang chạy qua thiết bị là bao nhiêu và ở điện áp nào, cũng có thể cung cấp cho các nhóm thông tin có giá trị cần thiết để đưa ra các quyết định sáng suốt và tự tin. Dữ liệu về sử dụng điện áp là đặc biệt quan trọng để theo dõi các máy biến áp năng lượng tái tạo phải có khả năng xử lý và ứng phó với các ứng suất điện áp hay thay đổi.

Vai trò ngày càng tăng của Lưới điện siêu nhỏ

Một khía cạnh quan trọng khác đang diễn ra là nhu cầu ngày càng tăng về độc lập năng lượng và các nguồn năng lượng đa dạng. Với các vụ mất điện, phát thải và sử dụng điện tăng vọt, lưới điện siêu nhỏ đang nhanh chóng có được chỗ đứng như một cách để cung cấp năng lượng tái tạo đồng thời tránh mất điện kéo dài.

Các lưới điện siêu nhỏ, chứa các phần tử cần thiết để hoạt động độc lập với lưới điện chính, bao gồm phát điện, tích trữ và nhu cầu phụ tải, có thể hoạt động như một nguồn điện khẩn cấp (dự phòng) và cung cấp an ninh điện tăng cao. Chúng được tạo thành từ một kết hợp đa dạng các nguồn điện phân tán - chẳng hạn như tuabin gió, tấm pin mặt trời, pin nhiên liệu và nhiên liệu sinh khối - tất cả chúng đều có thể cung cấp năng lượng suốt ngày đêm nếu được hỗ trợ bởi bộ tích trữ điện bằng acquy. Lưới điện siêu nhỏ cũng trao đổi năng lượng với lưới điện chính, mang lại sự linh hoạt về phụ tải và phát điện, đồng thời cung cấp cho khách hàng chi phí năng lượng thấp nhất.

Việc sử dụng lưới điện siêu nhỏ đang ngày càng tăng, đặc biệt là ở những khu vực đòi hỏi độ tin cậy điện tăng cao, chẳng hạn như các căn cứ quân sự của Mỹ. Tuy nhiên, khả năng tương tác giữa các chức năng của lưới điện và máy biến áp là thiết yếu để duy trì chất lượng điện năng, độ tin cậy và độ dẻo dai của lưới điện nhằm phát triển lưới điện siêu nhỏ tiên tiến. Các máy phát của lưới điện siêu nhỏ phải được điều chỉnh về điện áp phù hợp nhưng cũng phải có khả năng tương tác với chính lưới điện khi có sẵn hoặc đôi khi tích hợp với các lưới điện siêu nhỏ khác ở cùng tần số và điện áp. Điều này có nghĩa là mở rộng năng lực của lưới điện siêu nhỏ lên điện áp cao hơn và bổ sung thêm nhiều máy biến áp hơn khi cần thiết.

Cần lưu ý các cân nhắc khác khi vận hành máy biến áp trong lưới điện siêu nhỏ, đặc biệt khi nó liên quan đến năng lượng tái tạo. Các lưới điện siêu nhỏ phát ra sóng hài có thể làm biến dạng dòng điện trong lưới điện và tạo ra các mức điện áp và nhiệt độ cao hơn bên trong máy biến áp. Đặc biệt là trong các mạng lưới trang trại gió, cộng hưởng sắt từ - ​​là cộng hưởng sóng hài liên quan đến điện kháng từ hóa của máy biến áp và điện dung của cáp - cũng có thể làm tăng đột biến các mức điện áp. Đặc biệt đối với các máy biến áp cũ hơn không được thiết kế cho các ứng dụng này, việc theo dõi tình trạng hư hại và bảo trì là cần thiết.

Tuân thủ các tiêu chuẩn như IEEE 2030.9-2019 (Tiêu chuẩn liên quan đến lập kế hoạch và thiết kế Lưới điện siêu nhỏ) và IEC TS 62898-1:2017 (Tiêu chuẩn liên quan đến lập kế hoạch và phân loại lưới điện siêu nhỏ), áp dụng sàng lọc phù hợp, và cân nhắc hợp lý trong quá trình thiết kế hệ thống và vận hành nhà máy có thể giúp ngăn ngừa thiệt hại tài sản có thể tránh được các sự cố gây thiệt hại và hậu quả cho tài sản.

Tương lai Lưới điện

Đầu tư vào sản xuất công nghệ năng lượng sạch là một bước quan trọng đi đúng hướng để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu, củng cố sự độc lập về năng lượng và chuẩn bị cho tương lai. Tuy nhiên, thiết kế có chủ ý và thanh tra cũng như theo dõi tình trạng toàn diện và chủ động là chìa khóa để hợp lý hóa chi phí, giảm thiểu sự gián đoạn và duy trì hiệu quả của các máy biến áp.

Bảo vệ độ tin cậy của các hạng mục vốn lớn này là kết quả của các quy trình kỹ thuật cẩn thận và các cân nhắc như một phần của một chiến lược lớn hơn nhằm thu được tối đa từ các tài sản này. Đảm bảo tình trạng vận hành tốt và tính năng tối ưu của máy biến áp và cơ sở hạ tầng quan trọng mới là hành động cần thiết để tạo nên một tương lai năng lượng sạch hơn.

Biên dịch: Chu Thanh Hải

Theo “T&D”, số tháng 1/2023