Lợi ích của máy biến áp tạo trung tính trong hệ thống chống sét nằm ở việc thiết lập điểm trung tính cho lưới điện không có trung tính, hỗ trợ nối đất trung tính, hạn chế quá áp tạm thời khi chạm đất và giúp rơ-le bảo vệ chạm đất tác động chính xác. Đặc biệt, thiết bị này không triệt tiêu xung sét mà đóng vai trò mắt xích hỗ trợ, phối hợp cùng chống sét van và hệ thống tiếp địa để nâng cao độ an toàn cho toàn hệ thống điện.
Máy biến áp tạo trung tính (neutral grounding transformer, hay grounding transformer) là loại máy biến áp chuyên dụng, thường đấu Zigzag, được lắp vào lưới điện trung áp dạng Delta hoặc trung tính cách ly để tạo ra điểm trung tính nhân tạo. Bên cạnh đó, thiết bị cung cấp đường dẫn cho dòng điện thứ tự không khi xảy ra sự cố chạm đất một pha, từ đó cho phép hệ thống bảo vệ nhận biết và xử lý sự cố.
Tuy nhiên, máy biến áp tạo trung tính không phải là thiết bị chống sét trực tiếp. Xung quá áp do sét được xử lý chủ yếu bởi chống sét van, hệ thống tiếp địa và liên kết đẳng thế. Quan trọng hơn, hiệu quả bảo vệ chỉ đạt được khi các thành phần này được thiết kế đồng bộ và phối hợp đúng.
Sau đây, bài viết lần lượt làm rõ khái niệm, bản chất, lợi ích, cơ chế hoạt động, cách phối hợp với các thiết bị bảo vệ, các phương án nối đất trung tính và tiêu chí lựa chọn, lắp đặt, bảo trì. Cuối cùng, phần mở rộng giúp phân biệt máy biến áp tạo trung tính với chống sét van và SPD để tránh nhầm lẫn khi thiết kế.
Máy biến áp tạo trung tính là thiết bị điện tạo điểm trung tính nhân tạo cho hệ thống điện chưa có điểm trung tính, như lưới Delta hay lưới trung tính cách ly, nhằm thực hiện nối đất trung tính và dẫn dòng thứ tự không khi có sự cố chạm đất.
Cụ thể hơn, thiết bị còn được gọi là máy biến áp nối đất, biến áp tạo điểm trung tính hay zigzag grounding transformer. Ở chế độ vận hành bình thường, máy gần như không mang tải mà chỉ có dòng từ hóa nhỏ chạy qua. Khi xảy ra chạm đất, máy trở thành đường về của dòng sự cố, giúp hệ thống bảo vệ có tín hiệu để tác động.
Cấu tạo của máy biến áp tạo trung tính gồm lõi thép, cuộn dây đấu Zigzag (hoặc sao đấu với tam giác hở), vỏ máy, hệ thống làm mát, sứ xuyên và đầu trung tính.
Máy biến áp Zigzag nối đất hoạt động dựa trên cách đấu dây làm triệt tiêu từ thông thứ tự không, nhờ đó trở kháng thứ tự không rất thấp và dòng sự cố chạm đất có đường về ổn định.
Thông số kỹ thuật của máy biến áp tạo trung tính gồm cấp điện áp, dòng sự cố định mức, thời gian chịu dòng sự cố, trở kháng thứ tự không và tổ đấu dây.
Ngoài ra, các yêu cầu chung về điều kiện làm việc, độ tăng nhiệt và thử nghiệm của máy biến áp lực có thể tham chiếu theo IEC 60076-1:2011.
Không, máy biến áp tạo trung tính không phải thiết bị chống sét trực tiếp vì ba lý do: nó không dẫn xung sét xuống đất, không hạn chế biên độ xung quá áp và chỉ hỗ trợ bảo vệ ở cấp hệ thống thông qua nối đất trung tính.
Cụ thể, thiết bị tác động trên dòng sự cố tần số công nghiệp, trong khi xung sét là hiện tượng quá độ cực nhanh với biên độ rất cao. Vì vậy, việc xác định đúng bản chất giúp người thiết kế không đặt kỳ vọng sai vào thiết bị và vẫn phải trang bị đầy đủ chống sét van, tiếp địa, liên kết đẳng thế.
Quá áp do sét là quá áp quá độ, xung nhanh, biên độ cao, tồn tại rất ngắn, còn quá áp do chạm đất là quá áp tạm thời ở tần số công nghiệp và kéo dài đến khi sự cố được loại trừ.
Máy biến áp tạo trung tính là một mắt xích hỗ trợ trong chuỗi bảo vệ tổng thể, không thay thế các thành phần chống sét chuyên dụng.
Lợi ích của máy biến áp tạo trung tính gồm sáu điểm chính: tạo điểm trung tính để nối đất, hạn chế quá áp tạm thời khi chạm đất, hỗ trợ phát hiện sự cố nhanh, giới hạn dòng sự cố, tăng ổn định vận hành và hỗ trợ phối hợp cách điện.
Sau đây, từng lợi ích được phân tích cụ thể trong bối cảnh hệ thống chống sét và bảo vệ chạm đất.
Máy biến áp tạo trung tính giải quyết vấn đề lưới Delta không có điểm trung tính để nối đất. Khi lắp thiết bị, điểm trung tính nhân tạo xuất hiện và có thể nối đất trực tiếp hoặc qua điện trở theo yêu cầu thiết kế. Nhờ đó, hệ thống có thể áp dụng các phương án nối đất trung tính thay vì vận hành ở trạng thái trung tính cách ly với nhiều rủi ro về quá áp.
Nối đất trung tính thông qua máy biến áp tạo trung tính giúp hạn chế điện áp các pha lành tăng cao khi một pha chạm đất. Do đó, áp lực lên cách điện của cáp, máy biến áp, máy cắt và thiết bị đầu cuối giảm đáng kể. Cần lưu ý đây là quá áp do chạm đất ở tần số công nghiệp, không phải quá áp do sét.
Khi có điểm nối đất xác định, dòng thứ tự không đủ lớn và ổn định để CT thứ tự không và rơ-le bảo vệ chạm đất (ANSI 50N/51N, 67N) tác động chọn lọc. Nhờ vậy, sự cố được cô lập nhanh, hạn chế lan rộng sang các lộ xuất tuyến khác và giảm thời gian mất điện.
Khi phối hợp với điện trở nối đất trung tính (NGR), dòng chạm đất được giới hạn ở mức thiết kế, thường từ vài chục đến vài trăm ampe tùy hệ thống. Kết quả là ứng suất nhiệt và ứng suất cơ lên thiết bị giảm, đồng thời điện áp bước và điện áp tiếp xúc tại điểm sự cố được kiểm soát tốt hơn, tăng an toàn cho người vận hành.
Hệ thống có nối đất trung tính rõ ràng giảm nguy cơ hư hỏng cách điện lan truyền, hạn chế gián đoạn sản xuất và bảo vệ thiết bị phía tải. Đặc biệt, với nhà máy và trạm biến áp công nghiệp, việc cô lập đúng lộ sự cố giúp các lộ còn lại tiếp tục vận hành, nâng cao độ tin cậy cấp điện.
Điện áp pha đối đất khi chạm đất quyết định mức cách điện cần thiết và điện áp làm việc liên tục của chống sét van. Vì vậy, phương án nối đất qua máy biến áp tạo trung tính ảnh hưởng trực tiếp đến việc chọn chống sét van phù hợp. Khi hệ số chạm đất được kiểm soát, người thiết kế có thể chọn chống sét van và cấp cách điện hợp lý, từ đó nâng cao hiệu quả phối hợp cách điện trước nguy cơ xung sét lan truyền.
Khi hệ thống có sét đánh gây phóng điện hoặc chạm đất, dòng thứ tự không chạy qua máy biến áp tạo trung tính và NGR về đất, CT thứ tự không ghi nhận dòng này và rơ-le ra lệnh cắt máy cắt.
Cụ thể, quá trình diễn ra theo chuỗi sau:
Quan trọng hơn, cần phân biệt đường đi của dòng xung sét (qua chống sét van và hệ thống tiếp địa) với đường đi của dòng sự cố chạm đất (qua máy biến áp tạo trung tính và NGR). Hai đường này phục vụ hai mục đích khác nhau và không thay thế nhau.
Sơ đồ nguyên lý máy biến áp tạo trung tính và hệ thống chống sét
Dòng điện thứ tự không là thành phần dòng điện có biên độ và pha giống nhau trong cả ba pha, chỉ xuất hiện đáng kể khi hệ thống mất cân bằng do chạm đất. Trở kháng thứ tự không của máy biến áp tạo trung tính và của mạch nối đất quyết định độ lớn dòng này. Vì vậy, đây là cơ sở để chỉnh định ngưỡng dòng và thời gian cho rơ-le bảo vệ chạm đất, bảo đảm tác động chọn lọc và không cắt nhầm khi vận hành bình thường.
Không trực tiếp. Máy biến áp tạo trung tính không phải thiết bị hạn chế xung sét. Tuy nhiên, thiết bị có tác dụng gián tiếp: ổn định điện áp pha đối đất khi chạm đất, nhờ đó điều kiện làm việc của chống sét van hợp lý hơn và việc chọn mức cách điện chính xác hơn. Bảo vệ khỏi quá áp do sét vẫn phải dựa vào chống sét van, tiếp địa và liên kết đẳng thế.
Máy biến áp tạo trung tính phối hợp với bốn nhóm thiết bị chính: chống sét van trung áp, hệ thống tiếp địa và liên kết đẳng thế, điện trở nối đất trung tính (NGR), CT thứ tự không cùng rơ-le bảo vệ chạm đất.
Để minh họa, bảng dưới đây tóm tắt chức năng của từng thành phần trong chuỗi bảo vệ, nhằm giúp bạn thấy rõ vai trò riêng và mối liên hệ giữa chúng:
| Thiết bị | Chức năng chính | Loại sự cố xử lý | Vị trí lắp đặt |
|---|---|---|---|
| Máy biến áp tạo trung tính | Tạo điểm trung tính, dẫn dòng thứ tự không | Chạm đất một pha | Thanh cái hoặc đầu lộ trung áp |
| Chống sét van trung áp | Hạn chế quá áp, dẫn xung xuống đất | Xung sét, quá áp quá độ | Đầu vào trạm, gần thiết bị cần bảo vệ |
| Hệ thống tiếp địa | Tiêu tán dòng xuống đất | Dòng sét, dòng sự cố | Toàn trạm |
| NGR | Giới hạn dòng sự cố | Chạm đất một pha | Giữa điểm trung tính và đất |
| CT thứ tự không và rơ-le | Phát hiện, ra lệnh cắt | Chạm đất một pha | Tủ bảo vệ |
Chống sét van trung áp dẫn xung sét xuống đất, còn máy biến áp tạo trung tính cố định điểm trung tính của lưới. Nhờ đó, người thiết kế xác định chính xác điện áp làm việc liên tục của chống sét van theo điện áp pha đối đất khi chạm đất, tránh chọn quá thấp gây già hóa sớm hoặc quá cao làm giảm mức bảo vệ.
Hệ thống tiếp địa cần đạt điện trở nối đất theo yêu cầu thiết kế, đồng thời kiểm soát điện áp bước và điện áp tiếp xúc. Bên cạnh đó, liên kết đẳng thế giữa tiếp địa chống sét và tiếp địa trung tính giúp giảm chênh lệch điện thế giữa các phần tử kim loại khi dòng sét hoặc dòng sự cố chạy qua.
NGR được tính chọn theo dòng sự cố cho phép và thời gian chịu dòng. Cụ thể, giá trị điện trở quyết định mức giới hạn dòng chạm đất, còn thời gian định mức phải lớn hơn thời gian loại trừ sự cố của bảo vệ. Việc đồng bộ NGR với máy biến áp tạo trung tính tránh hiện tượng quá tải nhiệt cho cả hai thiết bị.
CT thứ tự không thu tín hiệu dòng chạm đất, rơ-le bảo vệ chạm đất xử lý và ra lệnh cắt. Lưu ý, cần chỉnh định ngưỡng dòng và thời gian sao cho chọn lọc với các lộ xuất tuyến, đồng thời đủ nhạy với dòng đã bị giới hạn bởi NGR. Sơ đồ đấu dây CT và rơ-le phải đúng cực tính để tránh tác động sai.
Hệ thống điện trung áp có bốn phương án nối đất trung tính chính: nối đất trực tiếp, nối đất qua điện trở (NGR), nối đất qua cuộn dập hồ quang (cuộn Petersen) và trung tính cách ly, phân loại theo cách điểm trung tính liên kết với đất.
Sau đây, từng phương án được trình bày để giúp bạn thấy khi nào cần đến máy biến áp tạo trung tính.
Nối đất trực tiếp nối điểm trung tính với đất không qua trở kháng. Ưu điểm là điện áp các pha lành ít tăng khi chạm đất và rơ-le dễ phát hiện. Hạn chế là dòng sự cố rất lớn, gây ứng suất mạnh lên thiết bị và tăng điện áp bước tại điểm sự cố.
Nối đất qua điện trở là phương án phổ biến trong lưới công nghiệp, giới hạn dòng chạm đất ở mức an toàn nhưng vẫn đủ lớn để rơ-le tác động. Với lưới Delta, phương án này thường kết hợp máy biến áp tạo trung tính để có điểm trung tính nối qua NGR.
Cuộn dập hồ quang bù dòng điện dung khi chạm đất, thích hợp cho lưới có dòng điện dung chạm đất lớn như lưới cáp ngầm dài. Nhờ đó, nhiều sự cố chạm đất thoáng qua tự dập mà không cần cắt điện.
Trung tính cách ly không nối đất, dòng chạm đất nhỏ nên có thể tiếp tục vận hành trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, rủi ro là quá áp khi chạm đất không ổn định, hồ quang chập chờn và khó phát hiện sự cố. Vì lý do này, nhiều hệ thống chuyển sang phương án có nối đất qua máy biến áp tạo trung tính.
Cần, khi hệ thống không có điểm trung tính khả dụng, cần nối đất trung tính hoặc yêu cầu bảo vệ chạm đất chọn lọc, phổ biến ở lưới Delta trung áp và các trạm công nghiệp.
Cụ thể hơn, quyết định lắp đặt dựa trên sơ đồ lưới, yêu cầu bảo vệ và phương án nối đất đã chọn.
Khi hệ thống đã có trung tính sao nối đất đáp ứng yêu cầu bảo vệ, việc lắp thêm máy biến áp tạo trung tính thường không cần thiết. Tuy nhiên, vẫn nên tính toán dòng sự cố và phối hợp bảo vệ để xác nhận phương án hiện hữu đủ an toàn.
Khi lựa chọn, lắp đặt và bảo trì máy biến áp tạo trung tính, cần lưu ý ba nhóm việc: chọn đúng thông số kỹ thuật, kết nối chuẩn với hệ thống tiếp địa và kiểm tra định kỳ cách điện, NGR, rơ-le.
Để bắt đầu, phần dưới đây trình bày các tiêu chí theo thứ tự từ lựa chọn đến vận hành.
Vị trí lắp đặt cần thuận tiện cho kết nối thanh cái và đảm bảo khoảng cách an toàn. Dây nối đất phải đủ tiết diện chịu dòng sự cố, mối nối chắc chắn và chống ăn mòn. Sau lắp đặt, cần đo điện trở tiếp địa để xác nhận đạt yêu cầu thiết kế trước khi đóng điện.
Máy biến áp tạo trung tính bảo vệ hệ thống khi chạm đất, còn chống sét van bảo vệ thiết bị khi có xung sét, nên hai thiết bị bổ trợ chứ không thay thế nhau.
Để minh họa, bảng sau so sánh ba nhóm thiết bị theo chức năng, loại sự cố và đối tượng bảo vệ:
| Tiêu chí | Máy biến áp tạo trung tính | Chống sét van | SPD hạ áp |
|---|---|---|---|
| Chức năng chính | Tạo trung tính, dẫn dòng chạm đất | Hạn chế quá áp, dẫn xung xuống đất | Bảo vệ mạch hạ áp trước xung quá độ |
| Loại sự cố xử lý | Quá áp tạm thời, chạm đất một pha | Quá áp quá độ do sét, đóng cắt | Xung lan truyền vào mạch hạ áp |
| Đối tượng bảo vệ | Hệ thống và rơ-le bảo vệ | Cách điện thiết bị trung áp | Thiết bị điện, điện tử |
| Cấp điện áp | Trung áp | Trung áp | Hạ áp |
Máy biến áp tạo trung tính thiết lập điểm trung tính và dẫn dòng thứ tự không khi chạm đất, tác động ở tần số công nghiệp. Chống sét van dẫn xung sét hoặc dòng quá áp xuống hệ thống nối đất, giới hạn điện áp đặt lên cách điện thiết bị. Về vị trí, chống sét van đấu giữa pha và đất tại đầu vào trạm hoặc sát thiết bị, còn máy biến áp tạo trung tính đấu vào thanh cái trung áp. Trong thực tế, hai thiết bị cùng xuất hiện trong một hệ thống và phối hợp để chọn đúng điện áp làm việc của chống sét van.
Máy biến áp phân phối truyền công suất từ lưới đến tải, còn máy biến áp tạo trung tính hầu như không mang tải và chủ yếu dẫn dòng sự cố chạm đất. SPD bảo vệ mạch hạ áp và thiết bị điện tử khỏi xung quá độ, trong khi máy biến áp tạo trung tính hoạt động ở cấp trung áp phục vụ nối đất và bảo vệ chạm đất. Do đó, ba loại thiết bị có chức năng, cấp điện áp và vị trí lắp đặt khác nhau, không thể dùng thay thế cho nhau.
Liên hệ FUSHIN để được tư vấn giải pháp máy biến áp tạo trung tính phù hợp với sơ đồ nối đất và yêu cầu bảo vệ của hệ thống điện. Hotline: 0902 384 199.
