Máy biến áp tạo trung tính Zigzag và Sao–Tam giác đều là thiết bị tạo điểm trung tính nhân tạo cho hệ thống ba pha không có trung tính sẵn. Zigzag nổi bật ở cấu tạo gọn và trở kháng thứ tự không thấp, còn Sao–Tam giác có cuộn tam giác khép kín và dễ mở rộng cuộn phụ. Đặc biệt, hai cấu hình này khác nhau rõ về cách bố trí cuộn dây, đường đi của dòng điện thứ tự không và kích thước thiết bị.
Để chọn đúng cấu hình, kỹ sư cần xác định điện áp hệ thống, phương pháp nối đất (trực tiếp, qua điện trở hoặc qua cuộn kháng), dòng sự cố chạm đất yêu cầu, thời gian chịu dòng và yêu cầu phối hợp rơ-le bảo vệ chạm đất. Bên cạnh đó, điều kiện lắp đặt và nhu cầu cấp nguồn tự dùng cũng ảnh hưởng trực tiếp đến quyết định.
Về cơ chế vận hành, cả hai loại chỉ tiêu thụ dòng từ hóa nhỏ ở chế độ bình thường. Khi xảy ra sự cố chạm đất một pha, chúng tạo đường khép kín cho dòng thứ tự không chạy về điểm trung tính, giúp hệ thống bảo vệ phát hiện và cô lập sự cố nhanh hơn.
Sau đây, bài viết lần lượt phân tích định nghĩa, nguyên lý, bảng so sánh, ưu nhược điểm, tiêu chí lựa chọn, ứng dụng và khả năng thay thế giữa hai cấu hình. Ngoài ra, phần mở rộng cuối bài giúp phân biệt máy biến áp tạo trung tính với máy biến áp lực thông thường.
Máy biến áp tạo trung tính (neutral grounding transformer, hay grounding transformer) là loại máy biến áp chuyên dụng tạo ra điểm trung tính nhân tạo cho lưới ba pha không có trung tính, thường là lưới đấu tam giác. Hai cấu hình phổ biến là Zigzag và Sao–Tam giác (star-delta grounding transformer).
Cụ thể hơn, thiết bị này không dùng để truyền tải công suất đến phụ tải như máy biến áp lực. Nhiệm vụ chính là cung cấp đường dẫn trở kháng thấp cho dòng điện thứ tự không khi chạm đất, từ đó cho phép nối đất trung tính trực tiếp hoặc qua điện trở, cuộn kháng. Quan trọng hơn, Zigzag và Sao–Tam giác là hai cấu hình cuộn dây khác nhau, không phải hai tên gọi của cùng một thiết bị.
Máy biến áp tạo trung tính Zigzag là máy biến áp ba pha có mỗi pha chia thành hai nửa cuộn dây đặt trên hai trụ từ khác nhau, quấn ngược chiều và nối nối tiếp theo kiểu zigzag. Điểm nối chung của ba nhánh là điểm trung tính. Ký hiệu tổ đấu dây thường là ZN.
Cụ thể, cấu tạo gồm các thành phần chính:
Hơn nữa, do chỉ có một bộ cuộn dây chính, cấu hình này thường được thiết kế gọn so với Sao–Tam giác cùng yêu cầu dòng nối đất.
Máy biến áp tạo trung tính Sao–Tam giác (YNd) là máy biến áp có cuộn sao đưa đầu trung tính ra ngoài để nối đất, kết hợp với cuộn tam giác nối kín bên trong. Cuộn tam giác tạo đường khép kín cho dòng tuần hoàn khi có thành phần thứ tự không.
Tiếp theo, cấu tạo cơ bản gồm:
Ngoài ra, khả năng xử lý dòng sự cố phụ thuộc vào thông số thiết kế và cách đấu nối thực tế, đặc biệt là kháng tản giữa cuộn sao và cuộn tam giác.
Cả hai loại tạo điểm trung tính bằng cách cung cấp đường trở kháng thấp cho thành phần thứ tự không. Ở chế độ bình thường chỉ có dòng từ hóa nhỏ chạy qua, còn khi chạm đất một pha, dòng thứ tự không chạy qua cuộn dây về điểm nối đất trung tính.
Để hiểu rõ hơn, cần nắm khái niệm trở kháng thứ tự không (Z0). Z0 càng thấp thì điểm trung tính càng “cứng”, điện áp pha lành khi chạm đất tăng càng ít. Tuy nhiên, Z0 thấp cũng làm dòng sự cố lớn hơn, nên khi cần giới hạn dòng người ta mắc thêm điện trở hoặc cuộn kháng nối đất trung tính.
Trong cấu hình Zigzag, hai nửa cuộn dây trên cùng một trụ quấn ngược chiều nên từ thông thứ tự không bị triệt tiêu. Vì vậy Z0 chỉ còn là kháng tản, có giá trị thấp.
Cụ thể, khi dòng thứ tự không chạy vào ba pha, dòng trong hai nửa cuộn dây trên mỗi trụ tạo ra sức từ động ngược chiều và bù trừ nhau. Từ thông thứ tự không không tồn tại trong lõi thép, nên thiết bị không bị bão hòa bởi thành phần này. Ngược lại, với thành phần thứ tự thuận và nghịch, hai nửa cuộn dây tạo từ thông bình thường, nên ở chế độ vận hành không sự cố dòng từ hóa vẫn rất nhỏ.
Quan trọng hơn, đường đi của dòng thứ tự không nằm hoàn toàn trong các nửa cuộn dây và đầu trung tính, không cần cuộn thứ hai hỗ trợ.
Với Sao–Tam giác, dòng thứ tự không chạy trong cuộn sao cảm ứng dòng tuần hoàn trong cuộn tam giác kín. Dòng này bù từ thông thứ tự không, giữ Z0 ở mức kháng tản giữa hai cuộn.
Cụ thể hơn, khi chạm đất, dòng thứ tự không có cùng pha và cùng biên độ trên ba pha của cuộn sao. Cuộn tam giác không cho dòng thứ tự không đi ra ngoài mà để nó quay vòng bên trong, từ đó cân bằng sức từ động. Bên cạnh đó, cuộn tam giác kín còn tạo đường khép kín cho dòng hài bậc ba, góp phần ổn định điện áp.
Z0 của cấu hình này phụ thuộc vào kháng tản giữa cuộn sao và cuộn tam giác, nên cần kiểm tra theo từng thiết kế cụ thể.
Zigzag thắng về độ gọn và vật liệu, Sao–Tam giác tốt về khả năng khép kín dòng hài và cấp tải phụ. Hai cấu hình còn khác nhau ở số cuộn dây, đường đi dòng thứ tự không và chi phí tổng thể.
Dưới đây là bảng so sánh tổng hợp các tiêu chí kỹ thuật chính giữa hai cấu hình. Bảng nêu đặc điểm điển hình, còn giá trị thực tế phụ thuộc vào thiết kế của từng nhà chế tạo.
| Tiêu chí | Zigzag | Sao–Tam giác |
|---|---|---|
| Cấu tạo cuộn dây | Một bộ cuộn dây chia nửa, nối zigzag | Hai bộ cuộn dây riêng: sao và tam giác |
| Nguyên lý xử lý dòng thứ tự không | Hai nửa cuộn ngược chiều triệt tiêu từ thông | Dòng tuần hoàn trong cuộn tam giác bù từ thông |
| Trở kháng thứ tự không | Thấp, chủ yếu là kháng tản | Phụ thuộc kháng tản giữa sao và tam giác |
| Dòng từ hóa | Nhỏ ở chế độ bình thường | Nhỏ ở chế độ bình thường |
| Kích thước, khối lượng | Thường gọn hơn | Thường lớn hơn |
| Cấp nguồn tự dùng | Cần thêm cuộn phụ | Có thể tận dụng cuộn tam giác |
| Độ phức tạp chế tạo | Cao hơn do cách quấn dây | Quen thuộc, phổ biến |
| Chi phí tổng thể | Thường thấp hơn | Thường cao hơn |
Bảng so sánh máy biến áp tạo trung tính Zigzag và Sao–Tam giác
Zigzag chỉ cần một bộ cuộn dây chia nửa, còn Sao–Tam giác cần hai bộ cuộn dây riêng biệt. Đây là khác biệt cơ bản nhất, kéo theo sự khác nhau về vật liệu và kích thước.
Cụ thể, ở Zigzag, mỗi trụ từ mang hai nửa cuộn dây thuộc hai pha, nên khi đấu nối phải liên kết chéo giữa các trụ theo đúng cực tính. Ở Sao–Tam giác, mỗi trụ mang đồng thời cuộn sao và cuộn tam giác, việc đấu nối đơn giản hơn nhưng tổng số vòng dây lớn hơn. Bên cạnh đó, cả hai thường dùng mạch từ ba trụ, nhưng Sao–Tam giác còn có thể dùng tổ ba máy một pha trong một số ứng dụng.
Cả hai cấu hình có Z0 thấp, nhưng giá trị cụ thể quyết định dòng sự cố chạm đất và điện áp pha lành. Zigzag có Z0 chủ yếu là kháng tản, Sao–Tam giác phụ thuộc kháng tản giữa hai cuộn.
Tuy nhiên, Z0 thấp không có nghĩa là dòng sự cố luôn lớn. Khi hệ thống cần giới hạn dòng, kỹ sư mắc thêm điện trở nối đất trung tính hoặc cuộn kháng nối đất trung tính ở đầu trung tính. Lúc này dòng sự cố chủ yếu do điện trở hoặc cuộn kháng quyết định, còn máy biến áp đóng vai trò tạo điểm trung tính. Do đó, khi so sánh cần xét cả tổ hợp máy biến áp và thiết bị nối đất, không chỉ xét riêng máy biến áp.
Với cùng yêu cầu dòng nối đất, Zigzag thường gọn và nhẹ hơn Sao–Tam giác vì chỉ cần một bộ cuộn dây. Đây là xu hướng chung, giá trị thực tế phụ thuộc thiết kế và nhà chế tạo.
Hơn nữa, ít vật liệu đồng và thép kỹ thuật điện hơn thường dẫn đến chi phí thấp hơn và diện tích lắp đặt nhỏ hơn. Ngược lại, Sao–Tam giác có thể bù lại bằng khả năng cấp tải phụ từ cuộn tam giác, giúp tận dụng thiết bị cho nhiều chức năng. Vì vậy chi phí nên được đánh giá trên toàn bộ vòng đời, không chỉ giá mua ban đầu.
Ưu điểm lớn nhất của Zigzag là Z0 thấp, cấu tạo gọn và tiết kiệm vật liệu. Nhược điểm là chế tạo phức tạp hơn, không có cuộn tam giác khép kín dòng hài và khó cấp tải phụ nếu thiếu cuộn thứ cấp riêng.
Sau đây là phân tích chi tiết từng nhóm.
Ưu điểm của Sao–Tam giác là cấu hình quen thuộc, cuộn tam giác khép kín dòng hài và có thể cấp tải phụ. Nhược điểm là dùng hai bộ cuộn dây nên kích thước, khối lượng lớn hơn và Z0 phụ thuộc kháng tản giữa hai cuộn.
Dưới đây là các điểm cần lưu ý.
Không có cấu hình nào tốt hơn tuyệt đối, lựa chọn phụ thuộc vào điều kiện hệ thống. Chọn Zigzag khi cần thiết bị gọn, Z0 thấp và không cần cấp tải phụ. Chọn Sao–Tam giác khi cần cuộn tam giác kín hoặc nguồn tự dùng.
Để dễ quyết định, hãy đối chiếu ba nhóm điều kiện dưới đây.
Zigzag phù hợp với hệ thống cần thiết bị nhỏ gọn, ưu tiên Z0 thấp và không có nhu cầu cấp tải phụ.
Sao–Tam giác phù hợp với hệ thống cần cuộn tam giác khép kín, cần cấp nguồn tự dùng, hoặc đơn vị vận hành đã quen cấu hình này.
Trước khi chọn, cần xác định đầy đủ các thông số hệ thống thay vì chỉ dựa vào tên cấu hình hay giá thành.
Ngoài ra, các yêu cầu chung về máy biến áp như công suất định mức, độ tăng nhiệt và thử nghiệm có thể tham chiếu IEC 60076-1:2011.
Máy biến áp tạo trung tính được ứng dụng chủ yếu trong hệ thống điện trung áp công nghiệp đấu tam giác, trạm biến áp, nhà máy và các hệ thống cần giới hạn dòng chạm đất hoặc tạo điểm nối đất cho bảo vệ.
Cụ thể, các nhóm ứng dụng gồm:
Để minh họa, xét một hệ thống trung áp 22 kV đấu tam giác cần giới hạn dòng chạm đất ở khoảng 400 A. Đây là ví dụ giả định để làm rõ cách tính, không phải số liệu dự án thực tế:
Với yêu cầu này, Zigzag thường được cân nhắc nếu ưu tiên gọn nhẹ. Sao–Tam giác được cân nhắc nếu cần tận dụng cuộn tam giác để cấp nguồn tự dùng. Như vậy, cấu hình được chọn phải dựa trên điện áp, dòng sự cố, phương pháp nối đất và yêu cầu vận hành cụ thể.
Không, hai cấu hình không phải lúc nào cũng thay thế trực tiếp được cho nhau. Việc thay thế chỉ khả thi khi Z0, công suất định mức ngắn hạn, thời gian chịu dòng và phối hợp bảo vệ của cấu hình mới đáp ứng yêu cầu hệ thống.
Cụ thể, cần kiểm tra các điểm sau trước khi thay thế:
Tóm lại, nên có tính toán kiểm tra và xác nhận của đơn vị thiết kế trước khi đổi cấu hình.
Máy biến áp tạo trung tính là thiết bị chuyên tạo điểm nối đất nhân tạo và làm việc ngắn hạn khi có sự cố. Máy biến áp lực truyền tải công suất liên tục đến phụ tải và đã có sẵn đầu trung tính ở cuộn sao.
Ngược lại với máy biến áp lực, thiết bị tạo trung tính thường không có tải thứ cấp, chỉ mang dòng từ hóa nhỏ ở chế độ bình thường và được định mức theo dòng sự cố trong thời gian ngắn. Vì vậy cùng công suất danh định, hai loại có thiết kế và kích thước khác nhau.
Có, khi được thiết kế cuộn thứ cấp riêng. Cuộn phụ này cấp nguồn tự dùng cho trạm, nhưng làm thay đổi công suất định mức và Z0, nên cần tính toán lại toàn bộ thiết kế.
Cụ thể, cấu hình Sao–Tam giác thuận lợi hơn vì cuộn tam giác có thể tận dụng để cấp tải phụ. Zigzag vẫn có thể tích hợp cuộn phụ, nhưng cấu tạo phức tạp hơn. Lưu ý, tải phụ chạy liên tục trong khi dòng sự cố chỉ xuất hiện ngắn hạn, nên cần xác định rõ công suất theo từng chế độ làm việc.
Chạm đất không liên tục (hồ quang chập chờn) trong hệ thống không nối đất có thể gây quá điện áp trên các pha lành, đe dọa cách điện thiết bị. Mỗi lần hồ quang tắt rồi bùng lại, điện tích tích tụ có thể làm điện áp pha lành tăng cao.
Ngược lại, khi dùng máy biến áp tạo trung tính để nối đất qua điện trở hoặc cuộn kháng, điện tích được xả qua điểm trung tính và hồ quang được dập nhanh hơn. Nhờ vậy mức quá điện áp giảm, đồng thời rơ-le bảo vệ chạm đất nhận được tín hiệu dòng rõ ràng để tác động. Bạn có thể tìm hiểu thêm trong bài viết về các phương pháp nối đất trung tính của hệ thống điện.
Liên hệ FUSHIN để được tư vấn cấu hình 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.
