Ảnh Hưởng Của Saturation Trong Máy Biến Áp Dòng Đến Bảo Vệ Máy Biến Áp và Bảo Vệ Dòng Điện

2025-03-19

Giới thiệu

Biến áp dòng điện (CT) có vai trò quan trọng trong các hệ thống điện, đặc biệt là trong các ứng dụng bảo vệ và đo lường. Tuy nhiên, khi xảy ra sự cố ngoài hệ thống, dòng điện cao có thể gây ra hiện tượng bão hòa trong CT, làm ảnh hưởng đến cơ chế bảo vệ và tiềm ẩn nguy cơ gây mất an toàn hệ thống. Việc kiểm tra và xác định điểm bão hòa của CT giúp đảm bảo rằng hệ thống bảo vệ vẫn hoạt động chính xác khi có sự cố. Bài viết này phân tích các đặc tính của CT, cách xác định điểm bão hòa và các biện pháp khắc phục.

Xác định Điểm Bão Hòa của Biến Áp Dòng Điện

Phương pháp trực tiếp nhất để phát hiện bão hòa của CT là nạp tải cho mạch thứ cấp và cho dòng điện qua mạch sơ cấp, sau đó quan sát dòng điện thứ cấp để xác định điểm bão hòa. Tuy nhiên, đối với CT bảo vệ, nơi điểm bão hòa có thể vượt quá 10-20 lần dòng điện định mức, việc thực hiện bài kiểm tra này tại hiện trường có thể gặp khó khăn.

Một phương pháp khác để xác định điểm bão hòa của CT là kiểm tra đặc tính điện áp-dòng điện (V-I). Như đã đề cập, bão hòa CT xảy ra khi mật độ từ trường trong lõi vượt qua ngưỡng nhất định. Điểm bão hòa này có thể được phản ánh trong sức điện động (EMF) do CT tạo ra. Bằng cách vẽ đồ thị đặc tính V-I và xác định điện áp bão hòa, dòng điện bão hòa tương ứng có thể được tính toán. Kiểm tra V-I bao gồm việc áp dụng dòng điện vào mạch thứ cấp của CT trong khi mạch sơ cấp được giữ mở và đo độ giảm điện áp trên cuộn dây thứ cấp. Vì không có hiệu ứng khử từ từ dòng điện sơ cấp, lõi CT dễ bị bão hòa dưới dòng điện nhỏ hơn. Phương pháp này dễ thực hiện tại hiện trường vì không cần giá trị dòng điện lớn.

Dưới điều kiện hoạt động bình thường, từ trường của CT không bị bão hòa. Trong trạng thái này, trở kháng tải và dòng điện kích từ đều thấp, và trở kháng kích từ cao, đảm bảo rằng tiềm năng từ trường trong cả cuộn sơ cấp và thứ cấp được cân bằng. Tuy nhiên, khi mật độ từ trường trong lõi tăng lên và gần đạt đến điểm bão hòa, trở kháng kích từ (Zm) giảm nhanh chóng, phá vỡ mối quan hệ tuyến tính giữa dòng điện kích từ và dòng điện cảm ứng. Bão hòa thường xảy ra do dòng điện quá mức hoặc tải cao, điều này làm tăng điện áp thứ cấp và do đó làm tăng mật độ từ trường trong lõi.

Đặc Tính của Biến Áp Dòng Điện Bão Hòa

Khi một CT bị bão hòa, các hiệu ứng sau có thể xảy ra:

Dòng điện thứ cấp giảm đáng kể.
Dạng sóng dòng điện bị méo mạnh, thể hiện các thành phần hài bậc cao.
Điện trở trong của CT giảm gần bằng không.
Trong trường hợp sự cố, nếu dạng sóng dòng điện vượt qua không, CT vẫn có thể truyền dòng điện theo tuyến tính.
Quá trình bão hòa thường trễ khoảng 5 giây sau khi sự cố xảy ra.

Thêm vào đó, mạch thứ cấp của CT không bao giờ được để hở trong khi vận hành. Nếu mạch thứ cấp mở, dòng điện sơ cấp chuyển thành dòng điện kích từ, dẫn đến sự tăng nhanh mật độ từ trường, gây ra hiện tượng bão hòa trong CT. Bão hòa dẫn đến việc tạo ra điện áp cao có thể làm hỏng cách điện của cả mạch sơ cấp và thứ cấp, gây ra nguy cơ an toàn nghiêm trọng.

Ảnh Hưởng của Bão Hòa Đến Bảo Vệ Máy Biến Áp và Các Biện Pháp Khắc Phục

Máy biến áp thường có công suất nhỏ và độ tin cậy cao, được lắp đặt phổ biến trên các tuyến 10kV hoặc 35kV. Dòng ngắn mạch ở phía cao áp của máy biến áp thường tương tự như dòng ngắn mạch của hệ thống, trong khi phía thấp áp lại gặp dòng ngắn mạch lớn hơn. Việc bảo vệ máy biến áp không đủ sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn vận hành của máy biến áp và toàn bộ hệ thống.

Phương pháp bảo vệ truyền thống sử dụng thiết bị bảo vệ dựa trên cầu chì, giúp bảo vệ đáng tin cậy nhưng ngày càng không đủ khi tự động hóa hệ thống và công suất ngắn mạch tăng lên. Đối với các trạm biến áp mới hoặc đã nâng cấp, thiết bị bảo vệ máy biến áp và thiết bị chuyển mạch thường được cấu hình tương tự như bảo vệ tuyến 10kV, nhưng vấn đề bão hòa của CT thường bị bỏ qua.

Do công suất nhỏ và dòng điện sơ cấp tương đối thấp của máy biến áp, thường sử dụng các CT chia sẻ. Để đảm bảo đo đếm chính xác, tỷ lệ CT được giảm xuống. Tuy nhiên, khi có sự cố trong máy biến áp, CT có thể bị bão hòa, làm giảm dòng điện thứ cấp và ngăn cản hành động bảo vệ thích hợp. Nếu sự cố xảy ra ở phía cao áp, bảo vệ dự phòng có thể loại bỏ sự cố. Tuy nhiên, nếu sự cố xảy ra ở phía thấp áp, dòng ngắn mạch tạo ra có thể không đạt giá trị yêu cầu để kích hoạt bảo vệ dự phòng, gây ra nguy cơ máy biến áp bị cháy và ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn hệ thống.

Ảnh Hưởng Của Bão Hòa Dòng Điện Và Các Biện Pháp Khắc Phục

Khi CT bị bão hòa, dòng điện tương đương thứ cấp giảm, dẫn đến các sự cố bảo vệ. Trong trường hợp điện trở của đường dây cao hoặc khoảng cách từ nguồn điện xa, dòng ngắn mạch tại điểm đầu ra của đường dây có thể nhỏ hơn. Tuy nhiên, khi hệ thống mở rộng, dòng ngắn mạch có thể tăng lên, có thể đạt đến hàng trăm lần dòng điện sơ cấp của CT, gây ra bão hòa cho CT. Thêm vào đó, sự cố ngắn mạch là tạm thời và chứa nhiều thành phần tần số khác nhau, làm tăng tốc quá trình bão hòa.

Ví dụ, khi sự cố ngắn mạch xảy ra trên một tuyến 10kV, bão hòa CT có thể làm giảm dòng điện thứ cấp, khiến các thiết bị bảo vệ không hoạt động. Việc cô lập các thanh cái hoặc phía thấp áp của máy biến áp chính có thể kéo dài thời gian sự cố và mở rộng khu vực bị ảnh hưởng, làm giảm độ tin cậy cung cấp điện và tiềm ẩn nguy cơ an toàn thiết bị.

Để giảm thiểu các vấn đề này, nỗ lực cần tập trung vào việc giảm điện trở tải của CT, tránh sử dụng các CT chia sẻ, và tăng diện tích mặt cắt dây cáp cũng như chiều dài. Tỷ lệ CT không nên quá nhỏ, và cần xem xét các vấn đề bão hòa do sự cố ngắn mạch.

Kết luận

Việc thiết kế và vận hành CT cần phải tính đến các hiệu ứng bão hòa, vì chúng trực tiếp ảnh hưởng đến cả hệ thống bảo vệ máy biến áp và bảo vệ dòng điện. Bằng cách lựa chọn CT có kích thước phù hợp và thực hiện các biện pháp phòng ngừa, rủi ro bão hòa có thể được giảm thiểu, đảm bảo các cơ chế bảo vệ hoạt động đúng cách và an toàn của hệ thống điện được đảm bảo.

Sản phẩm liên quan: