Trong hệ thống điện, biến dòng điện đóng vai trò không thể thiếu, đặc biệt trong các ứng dụng bảo vệ relay. Thiết bị này cho phép đo lường chính xác dòng điện, từ đó giúp relay phát hiện và xử lý kịp thời các sự cố quá tải, ngắn mạch, đảm bảo an toàn cho toàn bộ hệ thống. Việc hiểu rõ về biến dòng là điều cần thiết cho các kỹ sư điện.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá 7 điều quan trọng nhất về biến dòng điện mà mọi kỹ sư cần biết. Những kiến thức này không chỉ giúp bạn hiểu về các phần quan trọng nhất của biến dòng mà còn mở ra cơ hội phát triển sự nghiệp trong lĩnh vực của mình.

Bạn có thể quan tâm:

Tại Sao Relay Bảo Vệ Quá Dòng 50/51 thường làm bảo vệ chính cho lưới điện

Khám Phá Aptomat Là Gì và Các Thông Số Tiêu Chuẩn Cần Biết

Tìm hiểu Relay bảo vệ quá dòng 50/51

1 – Nguyên lý hoạt động cơ bản của biến dòng điện

Biến dòng điện (Current Transformer – CT) là một thiết bị quan trọng trong các hệ thống điện, được sử dụng để đo dòng điện cao và biến đổi nó thành dòng điện nhỏ hơn có thể đo lường và kiểm soát được.

Biến dòng điện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, khi dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp, nó tạo ra một từ trường biến đổi theo dòng điện, từ trường này sẽ cảm ứng vào cuộn thứ cấp và tạo ra một dòng điện trong cuộn thứ cấp. Nguyên lý tương tự như một máy biến áp. Nó có hai cuộn dây chính:

Cuộn sơ cấp (Primary Winding): Được nối tiếp với dây dẫn mang dòng điện cần đo.

Cuộn thứ cấp (Secondary Winding): Kết nối với các thiết bị đo lường như ampe kế, đồng hồ đo hoặc rơle bảo vệ.

2 – Cấp chính xác của máy biến dòng (CT)

Là yếu tố then chốt đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của hệ thống điện. Các lớp độ chính xác khác nhau của CT được phân loại để phù hợp với yêu cầu chính xác của từng ứng dụng cụ thể, từ các hệ thống phân phối đến các trạm biến áp lớn.

Việc đảm bảo CT hoạt động chính xác trong mọi điều kiện vận hành là vô cùng quan trọng. Các yếu tố như nhiệt độ môi trường, tải hệ thống, sự cố, tần số điện áp, sự có mặt của thành phần hài và các nhiễu điện từ đều có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo dòng điện.

Một CT hoạt động chính xác là nền tảng để hệ thống bảo vệ hoạt động hiệu quả. Nhờ đó, các thiết bị bảo vệ như rơle quá dòng, rơle tiếp địa có thể nhanh chóng phát hiện và phản ứng trước các sự cố như ngắn mạch, quá tải, mất pha, giúp hạn chế thiệt hại về người và tài sản, đồng thời đảm bảo tính liên tục của nguồn điện.  

Theo các tiêu chuẩn IEC và IEEE, cấp chính xác cho biến dòng bảo vệ được phân loại như sau:

IEC

5P: Đây là lớp độ chính xác cho biến dòng bảo vệ, cho phép sai số tỷ lệ không vượt quá 1% ở dòng điện định mức. P được dùng làm chỉ danh cho Relay bảo vệ.

10P: Đây là lớp độ chính xác, cho phép sai số tỷ lệ không vượt quá 3% ở dòng điện định mức.

Sai số tổng hợp: Bao gồm tất cả các loại sai số có thể xảy ra trong máy biến dòng, chẳng hạn như sai số do biến thiên nhiệt độ, độ méo dạng sóng, và các yếu tố khác ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.

 Dòng điện sơ cấp giới hạn độ chính xác định mức: Đây là dòng điện lớn nhất mà máy biến dòng có thể đo lường với độ chính xác nằm trong giới hạn quy định. Đối với lớp chính xác 5P, giới hạn này là 5%, còn đối với lớp 10P, giới hạn là 10%.

IEEE

C 100: Đây là lớp độ chính xác cho biến dòng bảo vệ, cho phép sai số tỷ lệ không vượt quá 3% ở dòng điện danh định và 10% tại 20 lần đòng điện định mức. Các điện áp đầu ra thứ cấp tiêu chuẩn được chỉ định là 100 V, 200 V, 400 V, và 800 V.

C 200: Tương tự như C 100 nhưng với khả năng duy trì độ chính xác đến 200 V.

C 400: Tương tự như C 100 nhưng với khả năng duy trì độ chính xác đến 400 V.

C 800: Tương tự như C 100 nhưng với khả năng duy trì độ chính xác đến 800 V.

3 – Tỷ lệ dòng điện, ký hiệu và cực tính.

Tỷ lệ dòng điện chuẩn trên máy biến dòng cho biết mức độ mà dòng điện lớn từ phía sơ cấp được giảm xuống thành dòng điện nhỏ hơn ở phía thứ cấp. Ví dụ, tỷ lệ 600:5 có nghĩa là một dòng điện 600 Ampere ở phía sơ cấp sẽ được chuyển đổi thành 5(1) Ampere ở phía thứ cấp. Các tiêu chuẩn khác nhau sử dụng ký hiệu khác nhau để chỉ các đầu nối: IEEE dùng H1, H2, còn IEC dùng P1, P2.

Đầu nối thứ cấp là các điểm kết nối trên máy biến dòng mà tại đó bạn có thể đo hoặc lấy ra dòng điện thứ cấp. Mỗi tỷ lệ dòng điện sẽ tương ứng với một bộ đầu nối thứ cấp riêng. Ví dụ, các đầu nối X2-X3, X1-X2, X1-X3 hoặc s1, s2 theo tiêu chuẩn IEC là những điểm mà bạn có thể kết nối thiết bị đo để đo dòng điện thứ cấp

4 – Biểu đồ đặc tính từ hóa của biến dòng

Biểu đồ đặc tính từ hóa của các biến dòng điện loại C (IEEE) minh họa mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện từ hóa cho các tỷ lệ biến dòng khác nhau. Biểu đồ này bao gồm các đường cong đại diện cho từng loại biến dòng, từ 100:5 đến 1200:5, và cung cấp thông tin quan trọng về tỷ lệ vòng dây và điện trở thứ cấp.

Đường chéo 45 độ trên biểu đồ giúp xác định giới hạn trên và dưới của điện áp và dòng kích từ, đảm bảo các biến dòng điện hoạt động trong phạm vi an toàn và hiệu quả. Biểu đồ này là công cụ hữu ích cho việc đánh giá và lựa chọn biến dòng điện phù hợp với yêu cầu hệ thống bảo vệ. Ví dụ, nếu hệ thống yêu cầu điểm hoạt động tối ưu trong điều kiện điện áp từ hóa khoảng 30V và dòng từ hóa không vượt quá 0.1A, biến dòng điện loại 600:5 là phù hợp.

5- Kết nối Máy biến dòng

 Kết nối kiểu Wye: Trong kết nối kiểu Wye (Hầu hết trong bảo vệ Relay), một CT được đặt ở mỗi pha với các relay quá dòng thời gian (Device 51) được đặt trong hai hoặc ba cuộn thứ cấp CT để phát hiện các lỗi pha.

Trên các hệ thống bốn dây nối đất, một relay quá dòng thời gian (Device 51N) trong dây chung của CT được gọi là relay kết nối dư phát hiện bất kỳ lỗi nào ở pha hoặc dòng tải trung tính. Nếu dòng tải trung tính không được phát hiện bởi relay Device 51N như dòng lỗi chạm đất, một CT thứ tư được đặt trong dây trung tính để hủy bỏ dòng tải trung tính.

Kết nối kiểu Vee: Một kết nối kiểu Vee về cơ bản là một kiểu Wye bỏ đi một chân, chỉ sử dụng hai CT. Được áp dụng như trong hình, kết nối này phát hiện các lỗi pha và các lỗi 2 pha chạm nhau. Một CT thứ tự không  và một relay quá dòng đất (Device 50G hoặc Device 51G) được yêu cầu để phát hiện dòng chạm đất. Tất cả các dây dẫn ba pha và dây trung tính (nếu có) phải đi qua CT.

Kết nối kiểu Delta: Một kết nối kiểu Delta sử dụng ba CT với các thứ cấp được kết nối kiểu Delta trước khi kết nối với các relay. Kết nối Delta như trong hình thường được sử dụng cho bảo vệ sơ lệch máy biến áp lực trong các hệ thống mà máy biến áp lực có cuộn dây nối kiểu Delta-Wye. Các CT trên phía Delta được kết nối kiểu Wye, và các CT trên phía Wye được kết nối kiểu Delta.

Kết nối kiểu Delta cũng được sử dụng cho bảo vệ quá dòng của các máy biến áp nối đất khi việc lọc ra dòng điện sóng hài thứ ba là mong muốn. Khi được kết nối kiểu Delta, dòng trong các relay xấp xỉ bằng 1.732 lần dòng thứ cấp của CT. Thực tế này nên được xem xét khi lựa chọn các tỷ lệ chính của CT và các tỷ lệ thứ cấp của các relay kết nối Delta.

6 – Các loại biến dòng phổ biến

Biến dòng kiểu đứng: Biến dòng này có dạng đứng với nhiều tầng cách điện, thường được làm từ sứ hoặc vật liệu composite. Phía trên cùng có các cực nối và phần cách điện.

Thường được sử dụng trong các hệ thống điện cao áp, ngoài trời hoặc trong các trạm biến áp. Chúng được thiết kế để chịu được các điều kiện thời tiết khắc nghiệt và môi trường ngoài trời.

Biến dòng vòng xuyến: Biến dòng này có dạng vòng tròn, thường có một lỗ tròn ở giữa để dây dẫn đi qua. Vỏ ngoài thường được làm từ nhựa hoặc vật liệu composite với hai đầu cực để kết nối.

Thường được sử dụng trong các hệ thống điện hạ áp hoặc trung áp, trong các tủ điện công nghiệp hoặc thương mại. Thích hợp cho các môi trường trong nhà hoặc trong các thiết bị bảo vệ.

Biến dòng thứ tự không: ZCT thường có dạng vòng tròn với một lỗ tròn ở giữa để các dây dẫn của hệ thống đi qua giống biến dòng vòng xuyến.

Biến dòng ZCT được thiết kế để phát hiện dòng điện rò rỉ hoặc dòng điện sự cố khi có sự cố chạm đất xảy ra. Được sử dụng trong các hệ thống bảo vệ chạm đất hoặc các hệ thống bảo vệ quá dòng để ngắt mạch khi phát hiện sự cố, giúp bảo vệ thiết bị và người sử dụng.

7- Các thông số quan trọng khác của máy biến dòng điện cho bảo vệ theo IEC và IEEE

Công suất định mức : Khả năng chịu tải của máy biến dòng tính theo VA đối với IEC là 1 VA, 2.5 VA, 5 VA, 10 VA, 15 VA, 30  và C100-25VA, C200-50VA, C400-100VA, C800-200VA đối với IEEE.

Điện áp cách điện (Insulation Level): Khả năng cách điện của máy biến dòng, được biểu thị bằng điện áp chịu được ở tần số công nghiệp và điện áp xung.

Dòng ngắn mạch định mức (Rated Short-time Thermal Current, Ith): Dòng điện ngắn mạch mà máy biến dòng có thể chịu đựng trong thời gian ngắn (thường là 1 giây).