Nguồn điều khiển bảo đảm tính liên tục của các mạch bảo vệ, cảnh báo, giám sát và vận hành từ xa trong hệ thống đóng cắt. Khi xảy ra sự cố, nguồn điều khiển đáng tin cậy giúp rơle bảo vệ kích hoạt thao tác cắt máy cắt nhanh chóng, khoanh vùng sự cố kịp thời, hạn chế thiệt hại thiết bị và ngăn chặn sự lan truyền của sự cố trên diện rộng. Nếu nguồn điều khiển không đảm bảo, mọi phương án bảo vệ trở nên vô nghĩa, lưới điện đối mặt với nguy cơ mất kiểm soát toàn diện.
Trong quá trình vận hành thực tế, các sự cố mất nguồn điều khiển là nguyên nhân chính gây ra các sự cố lớn, thậm chí dẫn đến cháy nổ thiết bị, mất điện diện rộng hoặc tổn thất kinh tế nghiêm trọng cho nhà máy và lưới điện.
Xem thêm
5 kiểm tra quan trọng nhất cho hệ thống điện
Tại sao relay quá dòng 50/51 thường dùng làm bảo vệ chính cho lưới điện hình tia?
Các thành phần quan trọng trong bảo vệ hệ thống điện
10 phần quan trọng của máy biến áp kỹ sư cần lưu ý – Phần 1
Các loại nguồn điều khiển trong thiết bị đóng cắt trung thế
Nguồn điều khiển trong thiết bị đóng cắt trung thế bao gồm hai loại chính là nguồn một chiều (DC) và nguồn xoay chiều (AC). Đối với hệ thống điều khiển DC, nguồn phổ biến là bộ ắc quy dự phòng với điện áp định mức thường gặp là 24V, 48V, 125V và 250V. Bộ ắc quy DC có ưu điểm lớn là không phụ thuộc vào nguồn lưới, vẫn cung cấp năng lượng ngay cả khi toàn bộ lưới điện bị mất nguồn.
Đối với hệ thống điều khiển AC, nguồn được lấy từ biến áp điều khiển (control transformer) hoặc tủ phân phối chiếu sáng 230V. Tuy nhiên, nguồn AC có điểm hạn chế là khi lưới điện mất điện hoàn toàn thì hệ thống bảo vệ sẽ không còn năng lượng để thao tác máy cắt.
Để khắc phục, kỹ sư thường sử dụng thêm bộ tụ trip (capacitor trip device) cho phép dự trữ một lượng điện năng đủ để kích hoạt cuộn cắt ngay cả khi nguồn AC bị mất, đáp ứng tiêu chí bảo vệ tối thiểu.
Yêu cầu kỹ thuật và dải điện áp vận hành nguồn điều khiển
Các tiêu chuẩn kỹ thuật, chẳng hạn theo NEMA (National Electrical Manufacturers Association), đã xác định các giá trị điện áp danh định và dải vận hành cho nguồn điều khiển dùng trong thiết bị đóng cắt. Theo bảng tiêu chuẩn (NEMA Table 7.9), điện áp điều khiển thông dụng gồm DC 24V, 48V, 125V, 250V, AC 115V, 230V, mỗi mức có dải vận hành riêng để đảm bảo cuộn đóng/cắt máy cắt hoạt động ổn định khi điện áp dao động.
Chẳng hạn, với DC 125V, dải vận hành của cuộn cắt là từ 70V đến 140V, đảm bảo ngay cả khi điện áp có giảm do sụt áp trên đường dây, cuộn cắt vẫn thực hiện chức năng bảo vệ.
Ngoài ra, tổng công suất của nguồn điều khiển phải được tính toán dựa trên tổng số máy cắt thao tác đồng thời, số thiết bị phụ, và hệ số dự phòng. Đảm bảo rằng tổng dòng cực đại trong các thao tác đồng thời không vượt quá khả năng của nguồn.
Phân tích các phương pháp cấp nguồn cho chức năng cắt máy cắt
Chức năng cắt (tripping) là thao tác quan trọng nhất trong bảo vệ lưới điện, cần nguồn điều khiển cực kỳ tin cậy. Phổ biến nhất là dùng bộ ắc quy DC, truyền năng lượng trực tiếp tới cuộn trip coil qua tiếp điểm của rơle bảo vệ. Điều này đảm bảo khả năng thao tác kể cả khi lưới điện bị mất hoàn toàn.
Khi không có bộ ắc quy, có thể dùng bộ tụ trip (capacitor trip device). Thiết bị này gồm tụ điện được nạp từ nguồn AC thông qua mạch chỉnh lưu. Khi cần thao tác cắt, năng lượng từ tụ phóng qua cuộn trip coil. Đây là giải pháp thường dùng cho các trạm ngoài trời hoặc nơi số lượng máy cắt ít.
Nếu hệ thống sử dụng nguồn AC cho thao tác cắt, cần đảm bảo rằng dòng qua các biến dòng (CT) trong mọi tình huống sự cố luôn đủ lớn để cuộn trip coil hoạt động hiệu quả. Trường hợp này thường áp dụng với mạch cắt kiểu shunt trip hoặc mạch rơle mở mạch.
Sơ đồ mạch thao tác trip bằng nguồn ắc quy DC như sau: tiếp điểm của rơle bảo vệ nối trực tiếp tới cuộn trip coil, nguồn cung cấp là bộ ắc quy DC. Nếu dùng capacitor trip, tụ điện được nạp đầy nhờ nguồn AC, đến khi có tín hiệu trip, tụ sẽ xả năng lượng qua cuộn trip coil, kích hoạt thao tác cắt máy cắt.
Phân tích các phương pháp cấp nguồn cho chức năng đóng máy cắt
Chức năng đóng (closing) máy cắt có thể được thực hiện bằng nguồn DC hoặc nguồn AC, tùy theo cấu hình hệ thống. Đối với mạch đóng bằng nguồn DC, bộ ắc quy cấp nguồn cho động cơ lên dây cót hoặc cuộn đóng.
Nếu dùng nguồn AC, có thể lấy từ biến áp điều khiển hoặc bảng điện chiếu sáng 230V. Việc lựa chọn phương pháp đóng phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu tự động hóa, độ tin cậy, điều kiện vận hành và chi phí đầu tư.
Cơ cấu đóng bằng stored-energy mechanism thường sử dụng năng lượng lò xo được nạp trước, năng lượng này có thể cấp bằng động cơ DC, AC hoặc thủ công. Khi cần thao tác đóng, năng lượng từ lò xo được giải phóng thông qua mạch cuộn đóng hoặc solenoid. Ngoài ra, các hệ thống có thể sử dụng solenoid-operated mechanism với nguồn DC hoặc AC để thực hiện đóng máy cắt tự động.
Việc đánh giá và lựa chọn nguồn đóng cần cân nhắc các yếu tố như khả năng đóng khi hệ thống bị mất nguồn, chi phí bảo trì nguồn, không gian lắp đặt và nhu cầu mở rộng về sau.