Sơ đồ đấu dây bảo vệ rơ-le cho máy biến áp tạo trung tính là bản vẽ nguyên lý thể hiện cách nối biến dòng (CT), rơ-le bảo vệ chạm đất, mạch cắt và máy cắt với điểm trung tính của hệ thống điện. Đặc biệt, sơ đồ này giúp phát hiện dòng điện thứ tự không khi sự cố chạm đất một pha, đồng thời phát tín hiệu cảnh báo hoặc lệnh cắt để cô lập sự cố kịp thời.
Cụ thể hơn, sơ đồ bảo vệ máy biến áp tạo trung tính không chỉ là cách đấu dây rơ-le. Đây là một hệ thống phối hợp gồm nhóm đo lường (CT), nhóm bảo vệ (rơ-le), nhóm tác động (máy cắt, rơ-le khóa) và nhóm hỗ trợ (nguồn điều khiển DC, giám sát mạch cắt). Bên cạnh đó, máy biến áp tạo trung tính (Neutral Grounding Transformer) có nhiệm vụ tạo điểm trung tính nhân tạo cho lưới Delta, từ đó tạo đường khép kín cho dòng chạm đất.
Tiếp theo, việc đấu dây rơ-le bảo vệ được thực hiện theo trình tự: CT, mạch dòng thứ cấp, đầu vào rơ-le, tiếp điểm đầu ra, mạch cắt và máy cắt. Quan trọng hơn, mạch dòng thứ cấp CT không được để hở mạch và chỉ được nối đất tại một điểm, vì đây là yêu cầu an toàn bắt buộc.
Sau đây, bài viết lần lượt giải thích khái niệm sơ đồ bảo vệ, cách đấu dây từng phương pháp (50N/51N, REF 87N, CT thứ tự không), nguyên lý bảo vệ chạm đất, các phương pháp bảo vệ, yêu cầu thiết kế và quy trình chỉnh định, kiểm tra. Ngoài ra, phần bổ sung sẽ đặt bảo vệ máy biến áp tạo trung tính trong tương quan với máy biến áp lực để người đọc phân biệt rõ hơn.
Sơ đồ đấu dây bảo vệ rơ-le cho máy biến áp tạo trung tính là sơ đồ nguyên lý mô tả liên kết giữa CT, rơ-le bảo vệ chạm đất, mạch cắt và máy cắt, nhằm phát hiện và loại trừ sự cố chạm đất trong hệ thống có sử dụng điểm trung tính nhân tạo.
Để hiểu rõ hơn, cần phân biệt máy biến áp tạo trung tính với máy biến áp lực. Máy biến áp tạo trung tính được nối vào thanh cái của lưới không có trung tính (thường là lưới Delta), tạo ra điểm trung tính để nối đất trực tiếp hoặc qua điện trở nối đất trung tính (NGR). Khi xảy ra chạm đất một pha, dòng điện thứ tự không chạy qua máy biến áp này, và rơ-le bảo vệ dựa vào đó để tác động.
Sơ đồ nguyên lý một sợi (single-line diagram) thường thể hiện các phần tử sau:
Lưu ý rằng không có một sơ đồ duy nhất phù hợp với mọi máy biến áp tạo trung tính. Sơ đồ thực tế phụ thuộc vào cấu hình cuộn dây, phương pháp nối đất, vị trí CT, loại rơ-le và sơ đồ thanh cái. Các sơ đồ trong bài mang tính minh họa nguyên lý; việc đấu nối thực tế phải theo hồ sơ thiết kế được phê duyệt.
Máy biến áp tạo trung tính Zigzag có trở kháng thứ tự không rất thấp nhờ cuộn dây chia đôi và đấu ngược chiều trên cùng một trụ từ, còn cấu hình Sao–Tam giác tạo đường khép kín cho dòng thứ tự không qua cuộn Tam giác. Cụ thể, máy biến áp Zigzag chỉ cần một bộ cuộn dây nên gọn hơn, trong khi cấu hình Sao–Tam giác hở cần thêm cuộn thứ cấp.
Trong khi đó, về mặt bảo vệ, cả hai cấu hình đều cần bảo vệ chạm đất ở dây trung tính hoặc theo phương pháp dòng điện dư. Điểm khác biệt nằm ở vị trí đặt CT và dòng không cân bằng khi đóng điện. Cấu hình có cuộn Tam giác kín cần chú ý thêm dòng tuần hoàn trong cuộn dây khi chọn ngưỡng chỉnh định.
Một sơ đồ bảo vệ hoàn chỉnh gồm bốn nhóm thành phần: nhóm đo lường, nhóm bảo vệ, nhóm tác động và nhóm hỗ trợ, được phân loại theo chức năng trong chuỗi phát hiện và cô lập sự cố.
Dưới đây là phân loại chi tiết:
Như vậy, chỉ khi bốn nhóm này phối hợp đúng, sự cố chạm đất mới được phát hiện chính xác và cắt đúng thời điểm.
Sơ đồ đấu dây rơ-le bảo vệ được thực hiện theo trình tự: CT, mạch dòng thứ cấp, đầu vào rơ-le, tiếp điểm đầu ra, mạch cắt và máy cắt, với yêu cầu đúng cực tính CT, không hở mạch thứ cấp và nối đất một điểm.
Cụ thể, đầu cực CT được ký hiệu P1, P2 (phía sơ cấp) và S1, S2 (phía thứ cấp). Quy ước cực tính quyết định hướng dòng đi vào rơ-le, nên đấu sai cực tính có thể làm rơ-le không tác động khi có sự cố hoặc tác động nhầm. Nguồn DC điều khiển được cấp qua cầu dao hoặc aptomat riêng, tiếp điểm trip nối vào cuộn cắt, tiếp điểm cảnh báo nối về tủ tín hiệu.
Những lưu ý khi đấu mạch dòng thứ cấp CT:
Sơ đồ này đặt một CT trên đường nối từ điểm trung tính xuống đất hoặc xuống NGR, và đấu cuộn thứ cấp CT vào đầu vào dòng của rơ-le quá dòng chạm đất 50N/51N. Khi chạm đất, dòng chạy qua trung tính vượt ngưỡng chỉnh định, rơ-le tác động.
Ưu điểm của phương pháp là sơ đồ đơn giản, dễ lắp đặt và dễ chỉnh định, đồng thời cho phép đo trực tiếp dòng chạm đất. Tuy nhiên, phương pháp này không phân biệt được sự cố nằm trong hay ngoài vùng máy biến áp, nên cần phối hợp thời gian với bảo vệ các lộ xuất tuyến để đảm bảo tính chọn lọc.
Bảo vệ so lệch chạm đất hạn chế (REF – 87N) đấu ba CT pha song song để tạo dòng dư, rồi so sánh với dòng từ CT dây trung tính. Khi sự cố chạm đất nằm trong cuộn dây, hai dòng này lệch nhau và rơ-le tác động nhanh.
Quan trọng hơn, vùng bảo vệ của REF giới hạn giữa các CT, tức chỉ bao gồm cuộn dây máy biến áp, nên rơ-le tác động chọn lọc và tức thời. Đặc biệt, các CT dùng cho REF cần có tỷ số và đặc tính giống nhau để hạn chế dòng không cân bằng khi sự cố ngoài vùng. Cực tính CT trung tính và CT pha phải được kiểm tra cẩn thận trước khi đưa vào vận hành.
CT thứ tự không (core-balance CT) là CT dạng vòng, ba lõi cáp pha cùng luồn qua một vòng từ. Khi hệ thống cân bằng, từ thông tổng bằng không; khi có dòng thứ tự không, CT xuất tín hiệu cho rơ-le bảo vệ chạm đất.
Lưu ý khi lắp trên cáp có vỏ kim loại: dây nối đất của vỏ cáp phải được luồn ngược qua CT nếu vỏ cáp được nối đất phía đầu cáp, nhằm triệt tiêu dòng chạy trên vỏ gây sai số. Phương pháp này cho độ nhạy cao, phù hợp ứng dụng trong trạm trung áp có đường cáp từ thanh cái đến máy biến áp.
Nguyên lý bảo vệ chạm đất dựa trên việc phát hiện dòng điện thứ tự không chạy qua điểm trung tính khi có chạm đất một pha, sau đó rơ-le so sánh với ngưỡng chỉnh định để phát cảnh báo hoặc ra lệnh cắt máy cắt.
Cụ thể, chuỗi tác động diễn ra như sau: sự cố chạm đất, dòng thứ tự không khép kín qua máy biến áp tạo trung tính, CT truyền tín hiệu, rơ-le xử lý, tiếp điểm trip đóng, cuộn cắt kích hoạt, máy cắt mở. Nếu hệ thống dùng NGR, dòng sự cố bị giới hạn theo giá trị thiết kế, nên rơ-le phải có độ nhạy và dải chỉnh định phù hợp với dòng sự cố dự kiến.
Dòng điện thứ tự không là thành phần dòng điện có cùng biên độ và cùng pha trên cả ba pha, xuất hiện khi hệ thống mất cân bằng do chạm đất. Đây là cơ sở của bảo vệ chạm đất.
Bên cạnh đó, dòng thứ tự không có mối liên hệ trực tiếp với dòng dư (residual current), bằng tổng vectơ ba dòng pha. Trong hệ thống cân bằng, giá trị này gần bằng không; khi chạm đất, giá trị này tăng đột biến. Việc theo dõi dòng thứ tự không giúp phát hiện sự cố mà bảo vệ quá dòng pha có thể không đủ nhạy để nhận biết.
Rơ-le bảo vệ phối hợp với máy cắt qua hai cấp logic: cấp cảnh báo (alarm) cho sự cố nhẹ và cấp cắt (trip) cho sự cố vượt ngưỡng, có thể kèm thời gian trễ để đảm bảo chọn lọc.
Hơn nữa, rơ-le khóa 86 giữ trạng thái cắt cho đến khi người vận hành reset, tránh đóng lại khi sự cố chưa được xử lý. Rơ-le giám sát mạch cắt 74TC liên tục kiểm tra tính liên tục của cuộn cắt, nhằm phát hiện đứt mạch trước khi sự cố xảy ra. Ngoài ra, thời gian tác động phải được phối hợp với bảo vệ phía nguồn và các lộ xuất tuyến để chỉ phần tử sự cố bị cô lập.
Có sáu nhóm phương pháp bảo vệ chính cho máy biến áp tạo trung tính, phân loại theo đại lượng bảo vệ: quá dòng chạm đất, so lệch chạm đất hạn chế, quá dòng pha, quá áp thứ tự không, bảo vệ cơ khí và giám sát NGR.
Dưới đây là các nhóm phương pháp:
CT dây trung tính đo trực tiếp dòng tại điểm trung tính, CT thứ tự không có độ nhạy cao nhất trên đường cáp, còn đấu dòng điện dư tận dụng ba CT pha sẵn có, nên chi phí thấp nhưng dễ ảnh hưởng bởi sai số CT.
Bảng dưới đây so sánh ba phương pháp theo nguyên lý đo, vị trí lắp, độ nhạy và điều kiện áp dụng:
| Tiêu chí | CT dây trung tính | CT thứ tự không | Đấu dòng điện dư |
|---|---|---|---|
| Nguyên lý đo | Đo dòng tại điểm trung tính | Đo tổng từ thông ba pha qua vòng từ | Cộng vectơ dòng thứ cấp ba CT pha |
| Vị trí lắp | Trên dây trung tính hoặc trước NGR | Quanh cáp ba pha | Trên ba pha tại tủ máy cắt |
| Độ nhạy | Tốt, phù hợp dòng chạm đất vừa | Rất cao, phù hợp dòng sự cố nhỏ | Trung bình, phụ thuộc sai số CT |
| Ưu điểm | Đơn giản, đo trực tiếp | Chính xác, ít ảnh hưởng dòng tải | Tận dụng CT sẵn có |
| Hạn chế | Không phân biệt vùng sự cố | Cần cáp luồn qua vòng từ | Dòng không cân bằng khi bão hòa CT |
Do đó, nên chọn phương pháp theo cấu hình hệ thống: ưu tiên CT thứ tự không khi cần độ nhạy cao, CT dây trung tính khi cần sơ đồ đơn giản, và đấu dòng điện dư khi hạn chế về không gian lắp đặt.
Bảo vệ quá dòng chạm đất phù hợp làm bảo vệ chính và dự phòng cho sự cố trong và ngoài vùng, còn bảo vệ so lệch REF phù hợp khi cần tác động nhanh và chọn lọc với sự cố trong cuộn dây.
Cụ thể, 50N/51N có sơ đồ đơn giản nhưng cần phối hợp thời gian trễ. Ngược lại, REF 87N tác động tức thời trong vùng bảo vệ nhưng cần CT đồng bộ và sơ đồ đấu phức tạp hơn. Trong thực tế, nhiều thiết kế dùng kết hợp cả hai: REF làm bảo vệ nhanh, 50N/51N làm bảo vệ dự phòng.
Khi thiết kế và đấu dây bảo vệ rơ-le cần lưu ý bốn nhóm yêu cầu: đặc tính CT, đặc tính rơ-le, cáp điều khiển và an toàn thi công, tất cả phải bám theo hồ sơ thiết kế được phê duyệt.
Cụ thể, về CT, cần xác định cấp chính xác, tỷ số biến, công suất tải thứ cấp (burden) và điểm bão hòa; các yêu cầu này được tham chiếu theo bộ tiêu chuẩn IEC 61869 ở mức khái quát. Về rơ-le, cần kiểm tra dải chỉnh định, đặc tính thời gian xác định hoặc đảo ngược, theo hướng dẫn của IEC 60255 và tài liệu nhà sản xuất. Về cáp điều khiển, cần chọn tiết diện phù hợp cho mạch dòng, đầu nối chắc chắn và nhãn dây thống nhất với bản vẽ.
Quan trọng hơn, việc đấu nối, chỉnh định và thử nghiệm phải do người có chuyên môn thực hiện, tuân thủ quy trình an toàn điện và bản vẽ đã phê duyệt.
Sai số và bão hòa CT làm méo dạng dòng thứ cấp khi dòng sự cố lớn, dẫn đến rơ-le tác động sai hoặc không tác động, nhất là với sơ đồ so lệch REF và đấu dòng điện dư.
Để khắc phục, cần chọn CT có điểm bão hòa đủ cao, giảm burden bằng cách dùng cáp tiết diện lớn hoặc rút ngắn đường cáp, và chọn rơ-le có đặc tính chống bão hòa. Ngoài ra, cần lưu ý dòng từ hóa đột biến (inrush) khi đóng điện máy biến áp, vì dòng này có thể tạo dòng dư tạm thời trong sơ đồ đấu ba CT pha, và thường được xử lý bằng thời gian trễ hoặc chức năng hãm.
Không, không thể dùng một sơ đồ bảo vệ chung cho mọi máy biến áp tạo trung tính, vì sơ đồ phụ thuộc vào cấu hình cuộn dây, phương pháp nối đất và yêu cầu bảo vệ của từng hệ thống.
Ba lý do chính:
Do đó, sơ đồ cần được thiết kế riêng cho từng dự án và đối chiếu với tài liệu rơ-le của nhà sản xuất.
Chỉnh định và kiểm tra mạch bảo vệ gồm bốn bước chính: xác định thông số chỉnh định, kiểm tra trước vận hành, thử nghiệm chức năng rơ-le và lập biên bản hồ sơ, nhằm đảm bảo rơ-le tác động đúng khi có sự cố.
Bước 1, chỉnh định: Ngưỡng dòng khởi động, thời gian trễ và đặc tính thời gian được xác định dựa trên dòng sự cố dự kiến (nhất là khi có NGR) và yêu cầu phối hợp với bảo vệ các lộ xuất tuyến. Ngưỡng cần đủ nhạy để phát hiện chạm đất nhưng không bị tác động nhầm bởi dòng không cân bằng hoặc dòng inrush.
Bước 2, kiểm tra trước vận hành: Kiểm tra cực tính và tỷ số CT, đo điện trở cách điện cáp thứ cấp, kiểm tra thông mạch và đối chiếu logic trip với bản vẽ.
Bước 3, thử nghiệm chức năng: Bơm dòng thứ cấp vào rơ-le để kiểm tra ngưỡng và thời gian tác động; bơm dòng sơ cấp để kiểm tra toàn chuỗi CT, rơ-le, mạch cắt; thử trip thực tế máy cắt.
Bước 4, hồ sơ: Ghi nhận kết quả vào biên bản thử nghiệm, lưu bảng thông số chỉnh định để phục vụ bảo trì và đối chiếu sau này.
Như vậy, thực hiện đủ bốn bước giúp mạch bảo vệ vận hành tin cậy và hạn chế tác động nhầm ngay khi đưa vào hoạt động.
Bảo vệ máy biến áp tạo trung tính ưu tiên bảo vệ chạm đất và bảo vệ cơ khí, vì thiết bị này không mang tải công suất chính mà chỉ mang dòng sự cố chạm đất trong thời gian ngắn, trong khi máy biến áp lực cần thêm bảo vệ so lệch pha (87T) cho tải liên tục.
Cụ thể hơn, hai loại máy biến áp khác nhau về chức năng, dòng làm việc bình thường, dòng sự cố và bảo vệ chính. Máy biến áp tạo trung tính gần như không có dòng làm việc ở chế độ bình thường, nên bảo vệ quá tải ít được đặt nặng, còn yêu cầu dòng định mức ngắn hạn lại rất quan trọng.
Bảo vệ chạm đất có chọn lọc phát hiện dòng thứ tự không nhỏ với độ nhạy riêng, còn bảo vệ quá dòng pha tập trung vào dòng ngắn mạch lớn giữa các pha. Dòng chạm đất thường nhỏ hơn nhiều so với dòng ngắn mạch pha, nhất là khi có NGR, nên rơ-le chạm đất cần chỉnh định ngưỡng thấp hơn và dùng CT chuyên dụng. Hai nhóm bảo vệ có vùng bảo vệ, thời gian tác động và chỉnh định độc lập, nên được cài đặt riêng, không thay thế cho nhau.
Nối đất trực tiếp cho dòng chạm đất lớn và điện áp pha lành tăng thấp, còn nối đất qua NGR giới hạn dòng chạm đất ở mức thiết kế nhưng làm điện áp pha lành tăng cao hơn. Với NGR, dòng sự cố nhỏ nên rơ-le cần độ nhạy cao, CT cần chọn lại tỷ số phù hợp và ngưỡng chỉnh định phải thấp hơn. Ngược lại, nối đất trực tiếp có dòng lớn nên chú ý khả năng chịu dòng của thiết bị và nguy cơ bão hòa CT.
Liên hệ FUSHIN để được tư vấn 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.
