Dòng chạm đất là dòng điện rò từ một điểm trong mạch đến đất. Sự cố này thường xảy ra khi cách điện bị hư hỏng hoặc khi có tiếp xúc không mong muốn với đất. Trong hệ thống ba pha không đối xứng, dòng ngắn mạch chạm đất có thành phần thứ tự không, gây ra dao động điện áp và mất cân bằng lưới.
Để phát hiện dòng chạm đất, hệ thống cần đo dòng không cân bằng. Hai phương pháp được sử dụng phổ biến là tính toán phần dư của dòng pha hoặc đo trực tiếp dòng chạm đất tại trung tính. Mỗi phương pháp này tạo ra một cấu hình rơle riêng biệt: bảo vệ kiểu N (neutral) và bảo vệ kiểu G (ground).
Nguyên lý hoạt động của bảo vệ N (neutral)
Trong hệ thống điện ba pha, khi mọi thứ hoạt động bình thường, dòng điện trong ba pha luôn cân bằng. Điều này có nghĩa là tổng dòng điện của ba pha tại một điểm bất kỳ luôn gần bằng 0.
Tuy nhiên, nếu có sự cố như chạm đất tại một pha, dòng điện bị rò xuống đất sẽ làm cho hệ thống mất cân bằng. Khi đó, tổng dòng của ba pha sẽ không còn bằng 0 nữa. Sự mất cân bằng này tạo ra một đại lượng đặc biệt gọi là thành phần thứ tự không – được ký hiệu là I0. Đây chính là dấu hiệu để phát hiện sự cố kiểu chạm đất.
Để mô tả dòng điện trong điều kiện mất cân bằng, người ta sử dụng mô hình thành phần thứ tự, trong đó dòng điện mỗi pha được phân tích thành ba phần:
-
Thành phần thứ tự thuận (I1) mô tả hệ thống ba pha quay đúng chiều.
-
Thành phần thứ tự nghịch (I2) mô tả sự mất cân bằng do sự cố không đối xứng.
-
Thành phần thứ tự không (I0) đại diện cho phần dòng bằng nhau ở cả ba pha, xuất hiện khi có dòng rò xuống đất.
Biểu thức toán học để phân tích dòng điện thứ tự không như sau:
Đây là công thức rất quan trọng. Khi hệ thống hoạt động bình thường, tổng dòng ba pha gần bằng 0 nên I0 gần như bằng 0. Nhưng nếu có sự cố rò đất, tổng dòng sẽ khác không và khi đó I0≠0
Trong bảo vệ kiểu N – tức bảo vệ quá dòng thứ tự không (50N) – người ta không đo trực tiếp dòng rò đất, mà tính dòng dư từ ba CT dòng của pha A, B, C. Dòng dư đó được gọi là IresI.
Rơle bảo vệ sẽ giám sát giá trị IresI. Nếu dòng này vượt quá giá trị ngưỡng đã cài đặt, rơle sẽ hiểu là đang có sự cố chạm đất và thực hiện hành động: cảnh báo hoặc cắt tải để bảo vệ thiết bị.
Như vậy, dòng I0 tuy là một khái niệm toán học, nhưng có ý nghĩa vật lý rất rõ ràng: nó cho thấy dòng điện đang bị rò xuống đất và hệ thống không còn cân bằng. Bằng cách giám sát dòng dư này, rơle bảo vệ N có thể phát hiện các sự cố chạm đất một cách hiệu quả, đặc biệt là trong các hệ thống không nối đất hoặc nối đất qua trở kháng – nơi mà dòng chạm đất thường nhỏ và khó đo trực tiếp.
Nguyên lý hoạt động của bảo vệ G (ground)
Trong bảo vệ kiểu 50G, dòng chạm đất được đo trực tiếp qua CT đặt tại trung tính máy biến áp hoặc tại vị trí nối đất tổng.
Bảo vệ G (ground) rất phù hợp cho hệ thống nối đất trực tiếp hoặc nối đất qua trở kháng nhỏ. Trong những cấu hình này, dòng chạm đất có giá trị lớn và ngắn hạn, cần được phát hiện tức thời để ngăn hư hỏng thiết bị.
Ngoài ra, 50G có thể sử dụng trong hệ thống có khả năng chịu sự cố đất một pha ngắn hạn như mạng trung thế 22kV dạng vòng hở. Tại đây, việc đo dòng tại trung tính giúp cô lập chính xác điểm sự cố và tránh tác động sai vùng.