Lựa chọn máy biến áp cho các dự án khai thác mỏ: Các yếu tố quan trọng cần xem xét đối với các địa điểm ngoài lưới và kết nối lưới

Độ tin cậy của nguồn điện cho mỏ ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn sản xuất và hiệu quả vận hành. Là thiết bị cốt lõi dùng để chuyển đổi điện năng, việc lựa chọn máy biến áp quyết định liệu toàn bộ hệ thống điện khai thác có thể vận hành ổn định hay không. Tuy nhiên, các mỏ hoạt động độc lập với lưới điện và các mỏ được kết nối với lưới điện có sự khác biệt cơ bản về cấu trúc nguồn điện cũng như chế độ vận hành, do đó trọng tâm khi lựa chọn máy biến áp cũng khác nhau. Bài viết này nêu ra những điểm then chốt trong việc lựa chọn máy biến áp cho cả hai tình huống.

Một mỏ hoạt động độc lập với lưới điện hoàn toàn phụ thuộc vào các nguồn điện riêng (máy phát điện diesel, pin quang điện mặt trời, hệ thống lưu trữ năng lượng, v.v.) và không được nối với lưới điện bên ngoài. Hệ thống phải tự cân bằng giữa phát điện và tiêu thụ điện theo thời gian thực. Điều này có nghĩa là các dao động nguồn điện (ví dụ như tính chất gián đoạn của pin quang điện mặt trời) phải được hệ thống lưu trữ năng lượng và máy phát điện dự phòng hấp thụ, từ đó đặt ra yêu cầu cao hơn đối với tính liên tục của nguồn cung cấp.

Một mỏ nối lưới được kết nối với lưới điện bên ngoài, vốn đóng vai trò là nguồn cung cấp điện chính hoặc dự phòng và đảm bảo hỗ trợ ổn định về điện áp và tần số. Mỏ có thể mua điện từ lưới và, trong điều kiện cho phép, tự cung cấp một phần thông qua phát điện tái tạo. Hệ thống này tương đối ít phức tạp.

Việc lựa chọn máy biến áp cho một dự án khai thác mỏ trước hết phụ thuộc vào mức độ an toàn của vị trí lắp đặt.

Biến áp Ngâm dầu sử dụng dầu cách điện làm môi chất làm mát và cách điện. Chúng có khả năng chịu quá tải mạnh và khả năng tản nhiệt tốt, do đó phù hợp với các trạm biến áp mặt đất, khu vực mỏ lộ thiên và các tình huống ít rủi ro nhưng tải nặng khác. Chi phí mua sắm thấp hơn, công nghệ chín muồi và mang lại hiệu quả kinh tế cao trong điều kiện cung cấp điện công suất lớn. Tuy nhiên, dầu cách điện tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ và cháy, đồng thời chất lượng dầu phải được kiểm tra định kỳ.

Biến áp khô sử dụng công nghệ đúc bằng nhựa epoxy để cách điện. Chúng không chứa dầu, chống cháy và chịu lửa, do đó phù hợp cho các đường hầm ngầm và các mặt làm việc có nồng độ khí cao hoặc không gian kín. Chúng có kích thước nhỏ gọn, chống bụi và chống ẩm, với bảo trì định kỳ đơn giản. Nhược điểm là chi phí mua cao hơn và khả năng quá tải tương đối hạn chế.

Tóm lại: ưu tiên chọn loại khô cho các khu vực ngầm có rủi ro cao; loại ngâm dầu có thể được ưu tiên cho các ứng dụng trên mặt đất và các tình huống có rủi ro thấp.

So sánh kịch bản ứng dụng

1. Khả năng thích ứng với sự dao động của nguồn điện. Các hệ thống ngoài lưới thường sử dụng cấu hình lai gồm "máy phát diesel + pin quang điện mặt trời (PV) + lưu trữ năng lượng." Sự dao động đầu ra của PV và việc khởi động/dừng máy phát diesel đều gây ra những thay đổi về điện áp và tần số. Máy biến áp cần có khả năng điều chỉnh điện áp tốt; mẫu có bộ điều chỉnh đầu ra dưới tải (on-load tap-changing) có thể là bắt buộc để xử lý thường xuyên các thay đổi ở phía nguồn điện.

2. Khả năng chịu đựng ảnh hưởng từ tải. Các thiết bị lớn như máy nghiền và máy nghiền bi trong mỏ có thể tiêu thụ dòng điện khởi động cao gấp nhiều lần giá trị định mức. Hệ thống ngoài lưới thiếu sự hỗ trợ mạnh mẽ từ lưới điện, do đó máy biến áp cần có đủ dự phòng quá tải nhằm ngăn điện áp hệ thống giảm mạnh khi các động cơ khởi động. Việc lựa chọn công suất cần dựa trên đường cong tải thực tế cùng với mức dự phòng hợp lý.

3. Điều kiện vận chuyển và lắp đặt. Các tuyến đường dẫn đến các mỏ khai thác xa xôi thường bị hạn chế, do đó cần xem xét kích thước, trọng lượng của máy biến áp và khả năng lắp ráp tại hiện trường. Nếu máy biến áp ngâm dầu yêu cầu đổ dầu tại hiện trường, thì thiết bị xử lý dầu và điều kiện thực hiện cũng phải sẵn có.

1. Phù hợp trở kháng ngắn mạch. Trong quá trình vận hành nối lưới, trở kháng ngắn mạch của máy biến áp phải được phối hợp với dung lượng ngắn mạch của lưới điện. Trở kháng quá thấp sẽ dẫn đến dòng ngắn mạch quá lớn, làm gia tăng tải trọng lên thiết bị đóng cắt; trở kháng quá cao sẽ gây ra điều chỉnh điện áp quá mức. Việc kiểm tra xác nhận cần dựa trên dòng ngắn mạch dự kiến do lưới điện cung cấp.

2. Lựa chọn nhóm véc-tơ. Tải khai thác bao gồm tỷ lệ cao các thiết bị phi tuyến như bộ biến tần và bộ khởi động mềm; dòng hài có thể ảnh hưởng đến hoạt động của máy biến áp. Nhóm véc-tơ Dyn11 hoạt động tốt hơn Yyn0 trong việc chống lại sóng hài và ức chế hài bậc ba, do đó thường được lựa chọn làm máy biến áp phân phối cho các mỏ nối lưới điện.

3. Cấu hình công suất và dự trữ cho mở rộng. Tăng trưởng tải tại các mỏ nối lưới điện thường tương đối ổn định. Công suất máy biến áp có thể được thiết lập ở mức "tải thực tế × 1,1–1,2", đồng thời dự trữ không gian mở rộng dựa trên kế hoạch vòng đời của mỏ. Công suất quá lớn không chỉ làm tăng tổn thất khi không tải mà còn làm giảm hệ số công suất.

Đối với dự án mỏ than Nishbash tại Uzbekistan, chúng tôi đã cung cấp ba trạm biến áp tiền chế kiểu châu Âu, kết nối với lưới điện, công suất 3150 kVA, điện áp 10/0.4 kV. Thiết bị đóng cắt điện áp cao, thiết bị đóng cắt điện áp thấp và máy biến áp bên trong các trạm biến áp này đều do chúng tôi sản xuất. Đối với dự án này, chúng tôi đã lựa chọn thiết bị phù hợp nhất dựa trên đặc điểm riêng của mỏ, cùng với các yếu tố khác như độ cao so với mực nước biển, nhiệt độ và độ ẩm.

Đặc biệt, khi lựa chọn máy biến áp, chúng tôi đã xem xét đầy đủ các yêu cầu kết nối với lưới điện. Cuối cùng, chúng tôi đã chọn máy biến áp ngâm dầu có nhóm véc-tơ Dyn11 và trở kháng ngắn mạch 5,5%.

Q1. Máy biến áp dùng trong khai thác mỏ có bắt buộc phải là loại chuyên dụng cho khai thác mỏ không?

Tại các khu vực dưới lòng đất và các khu vực có nguy cơ nổ, bắt buộc phải sử dụng máy biến áp đạt tiêu chuẩn khai thác mỏ (loại chung hoặc loại chống nổ). Các trạm biến áp mặt đất và khu vực mỏ lộ thiên có thể sử dụng máy biến áp công nghiệp tiêu chuẩn, nhưng phải đáp ứng yêu cầu về cấp bảo vệ và khả năng chống ăn mòn.

Q2. Máy biến áp khô có thể được sử dụng ở ngoài trời không?

Có, nhưng cần có một vỏ bọc bảo vệ, thường có cấp độ bảo vệ từ IP54 trở lên, để chịu được điều kiện nhiều bụi và ẩm ướt.

Q3. Một mỏ hoạt động độc lập với lưới điện có thể sử dụng biến áp nối lưới tiêu chuẩn không?

Không khuyến khích. Đặc tính nguồn điện và mô hình ảnh hưởng của tải trong các hệ thống hoạt động độc lập với lưới điện khác biệt đáng kể so với các hệ thống nối lưới. Một biến áp nối lưới tiêu chuẩn có thể không xử lý được các dao động điện áp thường xuyên và các xung dòng khởi động.

Sự khác biệt cốt lõi trong việc lựa chọn biến áp cho mỏ hoạt động độc lập với lưới điện và mỏ nối lưới nằm ở những yêu cầu khác nhau mà đặc tính nguồn điện đặt ra đối với biến áp . Các tình huống hoạt động độc lập với lưới điện đòi hỏi máy biến áp có khả năng thích ứng điện áp tốt hơn và dự phòng quá tải lớn hơn để xử lý các dao động từ nguồn điện tự xây dựng cũng như ảnh hưởng của tải. Các tình huống kết nối với lưới điện tập trung nhiều hơn vào việc phối hợp trở kháng, ức chế sóng hài và đồng bộ với hệ thống bảo vệ lưới điện. Trong cả hai tình huống, mức độ an toàn luôn là ranh giới đầu tiên phân biệt giữa máy biến áp ngâm dầu và máy biến áp khô — loại khô được lắp đặt dưới lòng đất, còn loại ngâm dầu được lắp đặt trên mặt đất. Nguyên tắc này không thay đổi bất kể mỏ hoạt động độc lập với lưới điện hay kết nối với lưới điện.