Máy biến áp là một thiết bị điện quan trọng, được sử dụng để truyền và phân phối điện năng ở các mức điện áp khác nhau. Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng từ, tức là khi có dòng điện chạy qua cuộn dây nó sẽ tạo ra từ trường thay đổi theo thời gian, và từ trường này sẽ cảm ứng ra điện áp và dòng điện ở các phía khác.
Tuy nhiên, khi máy biến áp được kết nối với nguồn điện, có thể xảy ra hiện tượng dòng điện xung kích, tức là dòng điện cực lớn được hút từ nguồn vào máy biến áp trong một khoảng thời gian ngắn. Hiện tượng này có thể gây ra nhiều hậu quả tiêu cực, như làm giảm tuổi thọ của máy biến áp, gây TRIP relay cho các thiết bị bảo vệ, gây nhiễu cho các thiết bị điện tử, và làm giảm chất lượng của điện năng. Vậy tại sao lại có hiện tượng dòng điện đột biến trong máy biến áp, trong bài viết này chúng ta sẽ tìm hiểu.
Nguyên nhân của dòng xung kích máy biến áp
Để hiểu tại sao dòng điện trong máy biến áp có thể bất ngờ tăng vọt, chúng ta cần xem xét tính chất từ của lõi máy biến áp. Lõi máy biến áp làm từ một loại vật liệu có thể bị ảnh hưởng bởi từ trường xung quanh. Khi từ trường này thay đổi, lõi máy biến áp sẽ phản ứng lại, tạo ra một lực từ tương ứng với từ trường bên trong và bên ngoài lõi. Mối quan hệ giữa lực từ này được mô tả qua đường cong hysteresis, hay còn gọi là đường cong từ hóa.
Đường cong này cho thấy khi lực từ bên ngoài tăng lên, lực từ bên trong lõi cũng tăng theo nhưng có độ trễ, không tăng ngay lập tức. Khi lực từ bên ngoài giảm xuống, lực từ bên trong cũng giảm nhưng không về 0 ngay, mà còn lại một lượng nhỏ không giảm đi được, gọi là lực từ dư kí hiệu là Br. Quá trình này tiếp tục lặp lại tạo ra hình dạng đặc trưng như một đường cong như hình chiếc lá.
Điều quan trọng cần nhớ là khi lực từ trong lõi đạt đến một giới hạn nhất định, mà chúng ta gọi là điểm bão hòa, thì dù lực từ bên ngoài có tăng thêm bao nhiêu đi nữa, lực từ bên trong cũng không tăng thêm được nhiều, chỉ dao động quanh một giá trị cố định. Điều này có nghĩa là khi lõi máy biến áp đạt tới điểm bão hòa, từ trường bên trong không thể tăng thêm và dòng điện cần thiết để duy trì từ trường đó trở nên rất lớn.
Giải thích nguyên nhân dòng điện tăng dựa trên sơ đồ sóng hình Sin
Từ thông dư (): Trước khi máy biến áp được kết nối với nguồn điện, một số từ thông dư trong lõi từ hoạt động trước đó. Đây là đặc tính của các vật liệu từ tính, trong đó từ trường bên trong của vật liệu không chỉ phụ thuộc vào từ trường hiện tại mà còn phụ thuộc vào các trạng thái từ trường trước đó mà vật liệu đã trải qua. Mức độ và hướng của từ thông dư này phụ thuộc vào một số yếu tố như cường độ của dòng điện cuối cùng, chu kỳ từ hóa, tính chất của lõi.
Góc Chuyển Mạch (): Thời điểm trong chu kỳ điện AC mà máy biến áp được nhận nguồn điện áp rất quan trọng. Dạng sóng điện áp được biểu diễn bởi sin(+). Trong đó dòng khởi động cực đại thường xảy ra khi máy biến áp được nhận điện gần tại điểm không (Zero-Crossing Point) điều này là do chu kỳ hình sin điện áp, điểm không nằm tại các góc 0 và 180 độ. Điều này khiến từ thông mới và từ thông dư phát triển theo cùng hướng làm tổng từ thông tăng đáng kể.
Bão hòa lõi : Trong máy biến áp xảy ra khi từ thông tổng hợp trong lõi vượt quá khả năng từ hóa của vật liệu lõi. Điều này xảy ra do sự kết hợp của từ thông dư còn sót lại trong lõi từ các chu kỳ trước và từ thông mới được tạo ra khi máy biến áp được nhận điện trở lại tại một điểm nhất định trong chu kỳ điện áp.
Nếu tổng từ thông này vượt qua giới hạn bão hòa của lõi, được biểu diễn bởi các giá trị và − trên đồ thị, lõi máy biến áp không còn đủ khả năng từ hóa để hỗ trợ sự tăng thêm này. Điều này dẫn đến một tình trạng bão hòa, làm giảm đáng kể tính chất từ tính của lõi, gây ra một dòng khởi động rất cao khi các cuộn dây cố gắng chống lại sự thay đổi nhanh chóng và lớn về từ thông.
Dựa trên sóng hình sinh chúng ta có công thức khi máy biến áp nhận điện.
Trong đó:
- Vp= giá trị cực đại của điện áp
- θ= góc mà tại đó điện áp được nhận
- i0= giá trị tức thời của dòng từ hóa
- ϕm= giá trị tức thời của từ thông tại bất kỳ thời điểm t nào
- R1= điện trở cuộn dây sơ cấp
- N1 = số vòng cuộn dây sơ cấp.
Giá trị tức thời của từ thông tại bất kỳ thời điểm
Khi giải đạo hàm của một phương trình liên quan đến đặc tính từ tuyến tính và bỏ qua tổn thất lõi, cách tiếp cận trở nên khá đơn giản. Cụ thể, giải pháp được tìm ra dựa trên điều kiện ban đầu là tại thời điểm t=0, từ thông ϕm bằng ±ϕr. Phương trình sau đây mô tả quá trình này:
Ở đây, θ=0 và dòng từ thông dư là +ϕr. Hình dạng sóng của từ thông (mật độ từ thông) được thể hiện rõ trong hình bên dưới. Qua phương trình trên, chúng ta thấy rằng sóng từ thông có một thành phân DC tạm thời giảm dần theo thời gian, tốc độ giảm được xác định bởi hằng số thời gian của cuộn cảm chính (tức là -R1/L1), và một thành phần AC ổn định là -ϕmp cos(ωt+θ).
Trong thực tế, hằng số thời gian R / L của mạch không phải là không đổi; giá trị của L thay đổi tùy thuộc vào giá trị mật độ từ thông. Trong vài chu kỳ đầu tiên, lõi có thể ở trạng thái bão hòa sâu và do đó L nhỏ. Vì vậy, tốc độ giảm ban đầu của dòng khởi động cao. Khi tổn thất ở cuộn dây và lõi giảm bớt mạch và mật độ từ thông giảm, L tăng lên làm chậm tốc độ giảm.
Do đó, quá trình giảm bắt đầu với tốc độ cao ban đầu và dần dần giảm, hiện tượng này kéo dài vài giây. Các máy biến áp nhỏ hơn có tốc độ giảm nhanh hơn do hằng số thời gian nhỏ hơn. Nói chung, dòng khởi động trong máy biến áp ít hiệu quả hơn (tổn thất cao) có tốc độ giảm cao.
Ước tính độ lớn của đỉnh đầu tiên
Trong một máy biến áp, từ thông là một yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả của việc truyền tải điện năng. Khi một máy biến áp được kết nối lưới điện, từ thông trong lõi máy biến áp tăng lên, dẫn đến phát sinh dòng khởi động. Để hiểu điều này, chúng ta cân xem xét mật độ từ thông bão hòa, định nghĩa là giới hạn mà tại đó lõi máy biến áp không thể hấp thụ thêm từ thông. Giả sử mật độ từ thông bão hòa là , lượng từ thông có thể chứa trong lõi máy biến áp được xác định bởi diện tích ròng của lõi.
Tuy nhiên, không phải tất cả từ thông đều được giữ lại trong lõi. Một phần từ thông tràn ra ngoài lõi và quay trở lại qua một đường dẫn không từ tính có điện trở từ cảm lớn. Điều này đòi hỏi một lượng ampere-vòng lớn để tạo ra dòng từ trong không khí, đủ lớn để coi như nó cũng tạo ra mật độ từ thông trong lõi.
Từ thông trong không khí này quan trọng vì nó đóng vai trò như một phần của tổng từ thông mà máy biến áp cần tạo ra để hoạt động. Để duy trì một mức từ thông nhất định bên trong lõi (bao gồm cả phần từ thông trong không khí), máy biến áp cần một lượng dòng điện nhất định chạy qua cuộn dây của nó. Tuy nhiên, do điện trở từ cảm của không khí cao hơn nhiều so với điện trở từ cảm trong lõi từ tính, việc tạo ra từ thông trong không khí đòi hỏi một lượng lớn ampere-vòng hơn so với việc tạo ra từ thông trong lõi từ tính.
Khi máy biến áp được nhận điện khi điện áp qua điểm không – mức từ thông trong lõi từ cực kỳ thấp, trong khi nhu cầu về từ thông (bao gồm cả từ thông trong không khí) vẫn cao. Điều này dẫn đến việc máy biến áp cần rút một dòng điện rất lớn từ nguồn để tạo ra đủ từ thông, dẫn đến dòng khởi động cao (đỉnh đầu tiên). Dòng khởi động này không chỉ phụ thuộc vào giá trị từ thông cần tạo ra mà còn phụ thuộc vào điện trở từ cảm của đường dẫn mà từ thông đi qua, bao gồm cả phần trong không khí.
Từ thông trong không khí có thể được mô tả qua công thức:
Trong đó Aw là diện tích trung bình bao quanh bởi một vòng dây. Từ đó, giá trị cực đại của dòng khởi động (tức là đỉnh đâu tiên), i0 max, có thể được tính toán cho máy biến áp một pha dựa trên số vòng dây N1 và chiều cao hw của cuộn dây qua công thức:
H = N1 × i0max/hw
Công thức ước tính dòng điện xung kích đỉnh đầu tiên với tất cả các yếu tố ảnh hưởng:
Trong đó:
- i0max : Dòng khởi động cực đại được máy biến áp.
- hw : Chiều cao của cuộn dây trong máy biến áp.
- H : Cường độ từ trường, được tính toán dựa trên số ampere-vòng trên mỗi đơn vị chiều dài .
- N1 : Số vòng dây.
- ϕmp và ϕr : Từ thông tối đa và từ thông dư, tương ứng.
- 1.5Ac : Tổng từ thông mà lõi máy biến áp có thể chứa, với 1.5T là mật độ từ thông bão hòa và Ac là diện tích ròng của lõi.
- μ0 : Hằng số từ thông trong chân không (4π×10^(-7) H/m).
- Aw : Diện tích trung bình bao quanh bởi một vòng dây.
Phương trình trên cho thấy dòng khởi động cực đại phụ thuộc vào một số yếu tố: diện tích ròng của lõi (Ac ), chiều cao cuộn dây (hw ), số vòng dây (N1 ), và mật độ từ thông bão hòa.
Điều này giúp người vận hành máy biến áp có cái nhìn rõ ràng hơn về cách thức và lý do dòng khởi động phát sinh, cũng như cách để ước lượng giá trị cực đại của nó.
Dòng điện xung kích khi máy biến áp có thể gây ra những hậu quả đáng kể, đặc biệt là việc trip các relay bảo vệ, dẫn đến việc mất điện không cần thiết. Khi dòng khởi động cao vượt quá giới hạn cài đặt của relay, hệ thống sẽ nhận định rằng có sự cố, như là sự ngắn mạch hoặc quá tải, và kích hoạt relay để ngắt kết nối máy biến áp với mạng điện, nhằm bảo vệ hệ thống. Điều này không chỉ gây ra sự gián đoạn trong cung cấp điện mà còn có thể dẫn đến tác động tiêu cực đến các thiết bị và máy móc đang hoạt động phụ thuộc vào nguồn điện đó.
Để ngăn chặn sự cố này, việc thay đổi thông số của relay bảo vệ trước khi máy biến áp nhận điện là rất quan trọng. Việc điều chỉnh các cài đặt như thời gian độ trễ và dải ngưỡng cảm biến của relay có thể giúp chống lại việc trip không cần thiết do dòng khởi động. Một số giải pháp bao gồm cài đặt chức năng khởi động mềm hoặc sử dụng các hệ thống kiểm soát thông minh hơn, có khả năng phân biệt giữa dòng khởi động bình thường và sự cố thực sự. Những biện pháp này không chỉ giúp giảm thiểu mất điện không cần thiết mà còn tăng cường độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống điện toàn diện.