Bài viết phân tích nguyên lý làm việc của máy biến áp tạo trung tính Zigzag, từ cấu tạo lõi thép, cách bố trí và đấu nối cuộn dây đến cơ chế hình thành điểm trung tính trong hệ thống điện ba pha. Nội dung giải thích vai trò của dòng điện thứ tự không khi xảy ra sự cố chạm đất, cách biến áp Zigzag phối hợp với rơ-le bảo vệ và các phương pháp nối đất trung tính phổ biến như nối đất trực tiếp hoặc qua điện trở. Đồng thời, bài viết so sánh cấu hình Zigzag với phương pháp sao–tam giác, làm rõ các thông số kỹ thuật cần xem xét khi lựa chọn và vận hành thiết bị, giúp kỹ sư điện hiểu đúng nguyên lý, nâng cao độ tin cậy và đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.
Nguyên lý làm việc của máy biến áp tạo trung tính Zigzag dựa trên cách bố trí mỗi pha thành hai nửa cuộn dây quấn ngược chiều trên hai trụ lõi thép khác nhau. Nhờ đó, thiết bị có trở kháng rất lớn với dòng thứ tự thuận và nghịch nên gần như không tiêu thụ công suất khi vận hành bình thường. Thiết bị lại có trở kháng rất nhỏ với dòng điện thứ tự không nên tạo đường về thuận lợi cho dòng chạm đất. Đặc biệt, đây là cách hiệu quả để hình thành điểm trung tính nhân tạo cho lưới ba pha không có trung tính sẵn.
Về cấu tạo và cách đấu dây, máy biến áp tạo trung tính Zigzag gồm lõi thép ba trụ và sáu nửa cuộn dây, trong đó mỗi pha có hai nửa cuộn đặt trên hai trụ khác nhau và nối nối tiếp theo chiều ngược nhau. Ba đầu cuối của ba pha được nối chung tại điểm trung tính. Bên cạnh đó, một số thiết kế bổ sung cuộn thứ cấp tự dùng, ký hiệu tổ đấu dây như ZNyn hoặc ZNd.
Về ứng dụng và lựa chọn thiết bị, máy biến áp Zigzag được dùng trong lưới trung áp nối tam giác, trạm biến áp, nhà máy điện mặt trời, điện gió và lưới công nghiệp cần nối đất trung tính. Hơn nữa, khi lựa chọn, kỹ sư cần xác định điện áp hệ thống, dòng điện trung tính định mức, thời gian chịu dòng sự cố, trở kháng thứ tự không và phương pháp nối đất.
Sau đây, bài viết lần lượt giải thích định nghĩa, cấu tạo, nguyên lý đấu dây, cơ chế tạo điểm trung tính, nguyên lý khi vận hành bình thường và khi chạm đất. Bài viết cũng phân tích khả năng giới hạn dòng chạm đất, các lưu ý vận hành, so sánh với cấu hình sao-tam giác và thông số cần xác định khi lựa chọn.
Máy biến áp tạo trung tính Zigzag là loại máy biến áp ba pha chuyên dụng, có cuộn dây nối kiểu Zigzag (chữ chi), dùng để tạo điểm trung tính nhân tạo phục vụ nối đất cho hệ thống điện ba pha không có trung tính, đồng thời dẫn dòng điện thứ tự không khi xảy ra sự cố chạm đất.
Cụ thể hơn, thiết bị còn được gọi là máy biến áp nối đất Zigzag, Zigzag grounding transformer hoặc neutral grounding transformer. Khác với máy biến áp lực dùng để truyền tải công suất, máy biến áp Zigzag thường không mang tải ở phía thứ cấp. Nhiệm vụ chính của nó là nối đất và dẫn dòng sự cố, nên lõi thép, cuộn dây và thông số định mức được thiết kế theo yêu cầu riêng.
Trong hệ thống điện ba pha nối tam giác hoặc sao cách ly, không tồn tại điểm trung tính để nối đất trực tiếp. Khi đó, máy biến áp tạo trung tính Zigzag được đấu song song vào thanh cái, và điểm nối chung của ba cuộn dây chính là điểm trung tính của hệ thống. Điểm này có thể nối đất trực tiếp hoặc qua điện trở nối đất trung tính hay cuộn kháng, tùy phương án thiết kế.
Vai trò tổng quát của máy biến áp nối đất Zigzag gồm ba nhóm chức năng:
Cấu tạo máy biến áp Zigzag gồm ba bộ phận chính: lõi thép ba trụ, hệ thống cuộn dây Zigzag bố trí hai nửa cuộn trên hai trụ khác nhau, và cuộn thứ cấp tự dùng cùng tổ đấu dây đi kèm nếu thiết kế có yêu cầu.
Để hiểu rõ hơn, mỗi bộ phận có chức năng riêng và cùng quyết định đặc tính trở kháng của thiết bị. Phần dưới đây phân tích lần lượt từng bộ phận.
Lõi thép máy biến áp Zigzag thường là lõi ba trụ, ghép từ các lá tôn silic cách điện để giảm tổn hao dòng xoáy và tổn hao từ trễ. Điểm đặc biệt là mỗi trụ mang các nửa cuộn dây của hai pha khác nhau, thay vì mỗi trụ chỉ mang một pha như máy biến áp ba pha thông thường.
Cách bố trí này quyết định cơ chế từ thông của thiết bị. Với dòng thứ tự thuận và nghịch, từ thông khép kín qua các trụ như trong máy biến áp thông thường nên có từ kháng lớn. Với dòng thứ tự không, sức từ động của hai nửa cuộn trên cùng một trụ triệt tiêu lẫn nhau, nên từ thông thứ tự không gần như bằng 0. Đây là cơ sở tạo nên trở kháng thứ tự không rất thấp.
Mỗi pha của cuộn dây Zigzag gồm hai nửa cuộn có số vòng bằng nhau, đặt trên hai trụ khác nhau, nối nối tiếp và quấn theo chiều ngược nhau. Mỗi nửa cuộn chịu điện áp bằng điện áp pha chia căn bậc hai của 3, tức là bằng một phần ba điện áp dây.
Cụ thể, nếu gọi điện áp dây hệ thống là U, mỗi nửa cuộn dây được thiết kế cho điện áp U/3. Khi hai nửa cuộn nối ngược chiều và lệch pha 120 độ điện, tổng vector của chúng cho điện áp pha U/√3 tại đầu ra. Cách bố trí này làm cho cuộn dây Zigzag cần số vòng dây nhiều hơn khoảng 15 phần trăm so với cuộn nối sao cùng điện áp, đây cũng là lý do thiết bị được dùng chuyên cho mục đích nối đất.
Tổ đấu dây của máy biến áp Zigzag được ký hiệu bằng chữ Z hoặc Zn cho cuộn Zigzag (n nghĩa là đầu trung tính được đưa ra ngoài), kèm ký hiệu cuộn thứ cấp như yn hoặc d. Ví dụ ZNyn và ZNd là hai ký hiệu thường gặp.
Một số thiết kế có thêm cuộn thứ cấp nối sao hoặc tam giác để cấp nguồn tự dùng cho trạm, với công suất nhỏ hơn công suất định mức của cuộn Zigzag. Một số thiết kế khác chỉ có một cuộn Zigzag, không có thứ cấp, nhằm tối giản cấu tạo và chi phí. Cuộn tam giác trong cấu hình có thứ cấp còn giúp ổn định điện áp và hỗ trợ khép kín từ thông thứ tự không. Việc chọn có hay không cuộn thứ cấp phụ thuộc vào nhu cầu cấp nguồn tự dùng và yêu cầu của dự án.
Nguyên lý đấu dây của máy biến áp Zigzag là chia mỗi pha thành hai nửa cuộn dây đặt trên hai trụ khác nhau, nối nối tiếp và quấn ngược chiều, sau đó nối ba đầu cuối của ba pha lại thành điểm trung tính chung.
Cụ thể hơn, các bước nối dây diễn ra theo trình tự sau. Nửa cuộn pha A trên trụ 1 nối nối tiếp với nửa cuộn pha B trên trụ 2 theo chiều ngược. Tương tự, nửa cuộn pha B trên trụ 2 nối với nửa cuộn pha C trên trụ 3, và nửa cuộn pha C trên trụ 3 nối với nửa cuộn pha A trên trụ 1. Ba đầu ra của ba pha nối vào lưới, còn ba đầu cuối còn lại nối chung tại điểm trung tính.
Giản đồ vector giúp hiểu rõ nguyên lý này. Hai điện áp của hai nửa cuộn lệch pha nhau 120 độ điện. Do một nửa cuộn quấn ngược chiều, điện áp của nó đảo dấu, nên hai vector hợp nhau góc 60 độ và cộng lại cho điện áp pha tại đầu ra. Đây là lý do mỗi nửa cuộn chỉ cần chịu điện áp bằng khoảng 57,7 phần trăm điện áp pha.
Cách đấu dây này tạo ra hai đặc tính trở kháng trái ngược nhau, thể hiện trong bảng so sánh dưới đây. Bảng này mô tả mức trở kháng của máy biến áp Zigzag đối với từng thành phần đối xứng của dòng điện:
| Thành phần dòng điện | Trạng thái từ thông | Trở kháng của máy biến áp Zigzag |
|---|---|---|
| Thứ tự thuận | Từ thông khép kín qua lõi thép | Rất lớn (trở kháng từ hóa) |
| Thứ tự nghịch | Từ thông khép kín qua lõi thép | Rất lớn (trở kháng từ hóa) |
| Thứ tự không | Sức từ động hai nửa cuộn triệt tiêu | Rất nhỏ (chỉ còn trở kháng tản) |
Máy biến áp Zigzag tạo điểm trung tính bằng cách đấu song song ba pha vào thanh cái hệ thống và dùng điểm nối chung của ba cuộn Zigzag làm điểm trung tính nhân tạo, có thể nối đất trực tiếp hoặc qua điện trở, cuộn kháng.
Trước hết, cần hiểu vấn đề cần giải quyết. Lưới ba pha nối tam giác hoặc sao cách ly không có điểm trung tính để nối đất. Nếu không có điểm nối đất, khi một pha chạm đất dòng sự cố chỉ là dòng điện dung nhỏ, khó phát hiện bằng rơ-le thông thường và có thể gây quá điện áp trên hai pha còn lại.
Về cơ chế, ba cuộn Zigzag tạo ra một điểm có điện thế bằng điện thế trọng tâm của ba pha. Khi ba điện áp pha đối xứng, điểm này ở điện thế bằng 0 so với đất. Do đó, nối điểm này xuống đất không gây ra dòng điện đáng kể trong chế độ làm việc bình thường, dòng chạy qua thiết bị chỉ là dòng từ hóa.
Điểm trung tính nhân tạo có thể được nối đất theo ba cách:
Khi vận hành bình thường, máy biến áp Zigzag chỉ tiêu thụ dòng từ hóa rất nhỏ, xấp xỉ dòng không tải, vì trở kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch của nó rất lớn. Do đó thiết bị gần như trong suốt đối với lưới điện.
Cụ thể, trong chế độ đối xứng, lưới chỉ có thành phần thứ tự thuận. Từ thông do hai nửa cuộn dây trên mỗi trụ sinh ra khép kín qua lõi thép và hợp thành từ thông chính. Lúc này máy biến áp hoạt động như một cuộn kháng từ hóa với trở kháng lớn, nên dòng điện từ lưới vào thiết bị rất bé. Dòng điện chạy qua điểm trung tính xấp xỉ bằng 0 vì ba dòng pha lệch nhau 120 độ và triệt tiêu nhau tại điểm này.
Điều này có ý nghĩa quan trọng trong vận hành. Thiết bị không làm thay đổi điện áp lưới, không gây tổn hao đáng kể và không ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Tuy nhiên, khi lưới mất đối xứng nhẹ, một dòng điện thứ tự không nhỏ có thể xuất hiện ở điểm trung tính, và rơ-le cần được chỉnh định để không tác động nhầm với mức dòng mất cân bằng này. Mức trở kháng ở từng thành phần đã được tóm tắt trong bảng ở phần nguyên lý đấu dây.
Khi xảy ra sự cố chạm đất, trong lưới xuất hiện dòng điện thứ tự không chạy cùng chiều trong ba pha. Máy biến áp Zigzag có trở kháng thứ tự không rất nhỏ nên dòng này chạy qua cuộn dây về điểm trung tính và khép kín qua đất.
Cụ thể hơn, hai nửa cuộn dây trên cùng một trụ mang dòng thứ tự không ngược chiều nhau do được quấn ngược. Sức từ động của chúng triệt tiêu, từ thông thứ tự không gần như bằng 0, và trở kháng thứ tự không chỉ còn là trở kháng tản của cuộn dây. Đây là lý do máy biến áp Zigzag tạo đường về thuận lợi cho dòng sự cố.
Dòng điện chảy qua điểm trung tính bằng ba lần dòng thứ tự không của mỗi pha (In = 3I0). Mức dòng này được quyết định bởi điện áp hệ thống, trở kháng thứ tự không của máy biến áp và trở kháng nối đất trung tính (nếu có).
Dòng điện thứ tự không đi từ điểm chạm đất qua đất, vào điểm trung tính của máy biến áp Zigzag, chia đều thành ba nhánh chạy ngược lên ba pha rồi về nguồn tại điểm sự cố. Trong mỗi trụ, hai nửa cuộn dây mang dòng ngược chiều nhau nên từ thông triệt tiêu.
Để minh họa, giả sử hệ thống 22 kV có điện áp pha khoảng 12,7 kV, và điểm trung tính nối đất qua điện trở NGR để giới hạn dòng chạm đất ở 400 A. Bỏ qua trở kháng tản nhỏ của máy biến áp, giá trị điện trở khoảng 31,8 ôm. Dòng 400 A tại điểm trung tính chia thành ba dòng thứ tự không, mỗi dòng khoảng 133 A, chạy trong ba pha của cuộn Zigzag. Đây chỉ là ví dụ giả định để làm rõ nguyên lý, thông số thực tế phải theo tính toán hệ thống.
Máy biến áp Zigzag hỗ trợ rơ-le bảo vệ chạm đất bằng cách tạo ra dòng chạm đất đủ lớn và có hướng xác định tại điểm trung tính, giúp các rơ-le như 50N/51N hoặc 67N phát hiện sự cố nhanh và chọn lọc.
Bên cạnh đó, biến dòng thường được lắp ở dây nối điểm trung tính xuống đất để đo dòng sự cố, đồng thời có thể lắp biến dòng tổng trên ba pha để đo dòng thứ tự không. Việc phối hợp thời gian giữa rơ-le ở điểm trung tính và rơ-le trên các lộ ra là yếu tố quan trọng để đảm bảo tính chọn lọc. Thời gian cắt phải ngắn hơn thời gian chịu dòng định mức của máy biến áp để thiết bị không bị quá nhiệt.
Không, máy biến áp Zigzag không tự động giới hạn dòng chạm đất. Mức dòng sự cố phụ thuộc vào trở kháng thứ tự không của chính thiết bị, trở kháng nối đất trung tính và cấu hình hệ thống điện.
Cụ thể hơn, vì trở kháng thứ tự không của máy biến áp Zigzag rất nhỏ nên nếu nối đất trực tiếp, dòng chạm đất có thể rất lớn, tương đương dòng ngắn mạch một pha. Để giới hạn dòng, thiết kế thường bổ sung điện trở nối đất trung tính hoặc cuộn kháng nối đất vào dây trung tính.
Có hai phương án chính, khác nhau về mức dòng sự cố và ứng suất lên thiết bị:
Cần lưu ý rằng máy biến áp Zigzag chỉ chịu được dòng sự cố trong thời gian giới hạn, ví dụ 10 giây hoặc 1 phút theo thiết kế. Nếu bảo vệ cắt chậm hơn thời gian này, cuộn dây có thể bị quá nhiệt và hư hỏng. Vì vậy, việc chọn phương pháp nối đất luôn phải đi cùng tính toán phối hợp bảo vệ.
Khi vận hành máy biến áp Zigzag cần lưu ý bốn nhóm thông số: điện áp hệ thống và điện áp định mức cuộn dây, dòng điện sự cố định mức ở trung tính, thời gian chịu dòng ngắn hạn, và yêu cầu phối hợp với bảo vệ và thiết bị nối đất.
Để hiểu rõ hơn, từng nhóm thông số có ý nghĩa riêng:
Về tiêu chuẩn tham chiếu, các thông số cơ bản của máy biến áp được định nghĩa trong IEC 60076-1:2011, làm căn cứ khi xác lập điều kiện làm việc, nhiệt độ và thử nghiệm.
Máy biến áp Zigzag được ứng dụng trong lưới trung áp nối tam giác, trạm biến áp, nhà máy điện mặt trời và điện gió, lưới nhà máy công nghiệp cần nối đất trung tính để bảo vệ chạm đất và đảm bảo an toàn hệ thống điện.
Ngoài ra, ở các nhà máy năng lượng tái tạo, máy biến áp thường có phía trung áp nối tam giác nên cần máy biến áp nối đất để tạo điểm trung tính cho bảo vệ. Phần dưới đây trả lời hai truy vấn mở rộng thường gặp.
Máy biến áp Zigzag thắng về trở kháng thứ tự không rất thấp và kích thước gọn khi chỉ dùng nối đất, còn cấu hình sao-tam giác tốt hơn khi cần cuộn tam giác thứ cấp cấp nguồn công suất lớn.
Bảng dưới đây so sánh hai giải pháp tạo điểm trung tính theo ba tiêu chí chính:
| Tiêu chí | Máy biến áp Zigzag | Cấu hình sao-tam giác |
|---|---|---|
| Cấu tạo | Mỗi pha có hai nửa cuộn trên hai trụ | Một cuộn sao và một cuộn tam giác |
| Kích thước, trọng lượng | Gọn hơn khi chỉ dùng nối đất | Lớn hơn cùng công suất nối đất |
| Phạm vi dùng | Chuyên nối đất, ít mang tải | Vừa nối đất vừa cấp tải nếu cần |
Khi lựa chọn máy biến áp tạo trung tính Zigzag, cần xác định điện áp hệ thống, tần số, dòng điện trung tính định mức, thời gian chịu dòng, trở kháng thứ tự không và phương pháp nối đất.
Bên cạnh đó, cần xác định có cần cuộn thứ cấp tự dùng hay không và điều kiện lắp đặt như trong nhà hay ngoài trời, ngâm dầu hay kiểu khô. Đội ngũ kỹ thuật FUSHIN sẵn sàng tư vấn giải pháp phù hợp với hệ thống điện thực tế. Liên hệ hotline 0902 384 199 để trao đổi nhu cầu về máy biến áp và giải pháp kỹ thuật.
