Hệ thống điện tam giác (Delta) cần máy biến áp tạo trung tính vì cấu hình Delta ba dây không có điểm trung tính tự nhiên. Trong khi đó, nối đất hệ thống, tạo đường đi cho dòng điện thứ tự không và bảo vệ chạm đất đều cần một điểm trung tính. Cụ thể, máy biến áp tạo trung tính cung cấp điểm trung tính nhân tạo để rơ-le bảo vệ chạm đất phát hiện sự cố và để hạn chế quá điện áp khi chạm đất một pha.
Máy biến áp tạo trung tính (neutral grounding transformer, hay grounding transformer) là thiết bị ba pha không cấp tải thông thường, thường dùng cấu hình Zigzag. Thiết bị có trở kháng thứ tự thuận cao nên dòng từ hóa rất nhỏ khi vận hành bình thường, nhưng trở kháng thứ tự không thấp nên dòng sự cố chạm đất đi qua dễ dàng. Để hiểu rõ hơn, bài viết sẽ đi từ nguyên lý hoạt động đến các cấu hình phổ biến và cách thiết bị phối hợp với hệ thống bảo vệ.
Tuy nhiên, không phải mọi hệ thống Delta đều bắt buộc phải lắp máy biến áp tạo trung tính. Nhu cầu phụ thuộc vào sơ đồ nối đất, yêu cầu bảo vệ, đặc tính lưới điện và tiêu chuẩn thiết kế. Khi lựa chọn, kỹ sư cần xem xét điện áp hệ thống, dòng sự cố, thời gian chịu dòng và yêu cầu phối hợp bảo vệ.
Sau đây, bài viết lần lượt phân tích đặc điểm của hệ thống Delta, hậu quả của sự cố chạm đất khi không có nối đất, cấu tạo của máy biến áp tạo trung tính, các trường hợp áp dụng và tiêu chí lựa chọn. Phần cuối so sánh hệ thống Delta không nối đất với hệ thống nối đất trung tính.
Hệ thống điện Delta (đấu tam giác) là hệ thống ba pha trong đó ba cuộn dây hoặc ba nhánh nguồn nối đầu cuối thành một vòng kín. Cấu hình Delta ba dây không có điểm trung tính để đưa ra ngoài sử dụng.
Để hiểu rõ hơn, cần xem lại cách đấu dây tam giác và điểm khác biệt về điện áp, dòng điện so với cấu hình sao (Wye). Hiểu đúng hai khái niệm này giúp làm rõ vì sao hệ thống Delta cần giải pháp tạo trung tính riêng.
Không, hệ thống Delta ba dây không có điểm trung tính. Có ba lý do chính:
Ngược lại, hệ thống đấu sao có điểm nối chung của ba cuộn dây. Điểm này có thể nối đất trực tiếp hoặc qua điện trở, cuộn kháng. Vì vậy hệ thống đấu sao có điểm trung tính tự nhiên, còn hệ thống Delta ba dây thì không.
Trong hệ thống Delta, điện áp dây bằng điện áp pha, còn dòng điện dây bằng √3 lần dòng điện pha. Hệ thống Wye thì ngược lại: điện áp dây bằng √3 lần điện áp pha, dòng điện dây bằng dòng điện pha.
Cụ thể hơn, điện áp đặt lên mỗi cuộn dây Delta chính là điện áp dây của lưới. Khái niệm điện áp pha so với trung tính không tồn tại vì không có điểm trung tính để làm gốc đo.
Hệ quả thực tế:
Cả ba hệ quả đều dẫn đến câu hỏi chính của bài viết, được trả lời ở phần tiếp theo.
Hệ thống điện Delta cần máy biến áp tạo trung tính để tạo điểm trung tính nhân tạo phục vụ nối đất, thiết lập đường đi cho dòng điện thứ tự không, giúp rơ-le bảo vệ chạm đất tác động và hạn chế quá điện áp khi chạm đất một pha.
Cụ thể, bốn lý do này xuất phát từ một thực tế: lưới Delta thuần không có đường về nào cho dòng sự cố chạm đất ngoài điện dung rất nhỏ của lưới. Từng lý do được phân tích dưới đây.
Máy biến áp tạo trung tính cung cấp điểm trung tính nhân tạo để nối đất hệ thống điện đấu tam giác. Không có điểm này, hệ thống không có điểm tham chiếu với đất.
Nối đất trung tính cố định điện thế của hệ thống so với đất. Nhờ đó điện áp pha-đất của ba pha ổn định và đối xứng, tránh hiện tượng điện thế trôi do điện dung phân bố không đều. Điểm trung tính nhân tạo có thể nối đất trực tiếp hoặc qua điện trở nối đất trung tính hay cuộn kháng, tùy mức dòng sự cố mà thiết kế cho phép.
Máy biến áp tạo trung tính tạo đường đi cho dòng điện thứ tự không bằng trở kháng thứ tự không thấp. Thành phần thứ tự không là thành phần dòng (hoặc áp) có cùng biên độ và cùng pha trên cả ba pha, chỉ xuất hiện khi có dòng chạm đất.
Hệ thống Delta thuần không có đường về cho dòng thứ tự không. Khi lắp máy biến áp tạo trung tính, dòng này đi từ điểm chạm đất xuống đất, qua điểm trung tính nhân tạo, chia đều vào ba cuộn dây rồi trở về pha sự cố qua nguồn. Dòng sự cố nhờ đó đủ lớn và có hướng xác định để thiết bị bảo vệ nhận biết.
Máy biến áp tạo trung tính giúp rơ-le bảo vệ chạm đất phát hiện sự cố bằng cách tạo ra dòng sự cố đủ lớn và có chủ đích. Trong lưới Delta không nối đất, dòng chạm đất chỉ là dòng điện dung nhỏ, thường thấp hơn ngưỡng khởi động của rơ-le quá dòng thông thường.
Khi có điểm trung tính nhân tạo, dòng thứ tự không chạy qua điểm này được đo bằng biến dòng đặt ở dây trung tính hoặc biến dòng thứ tự không. Rơ-le bảo vệ chạm đất dựa trên tín hiệu đó để tác động, cô lập đúng phần tử sự cố theo thời gian đã chỉnh định.
Nối đất qua máy biến áp tạo trung tính giúp hạn chế quá điện áp khi chạm đất một pha. Trong hệ thống không nối đất, khi một pha chạm đất, điện áp hai pha còn lại so với đất có thể tăng lên bằng điện áp dây, tức khoảng √3 lần điện áp pha bình thường.
Quá điện áp quá độ cũng có thể xuất hiện khi chạm đất kiểu hồ quang chập chờn. Hiện tượng này gây áp lực lên cách điện của cáp, máy biến áp, động cơ và thiết bị đóng cắt. Lưu ý kỹ thuật: mức hạn chế quá điện áp phụ thuộc vào phương án nối đất cụ thể. Nối đất trực tiếp, nối đất qua điện trở hay qua cuộn kháng cho mức giảm khác nhau.
Sự cố chạm đất trong hệ thống Delta không nối đất gây ba vấn đề chính: dòng sự cố rất nhỏ khó phát hiện, điện áp hai pha còn lại so với đất tăng cao, và nguy cơ phát triển thành sự cố hai pha chạm đất. Cả ba vấn đề đều ảnh hưởng đến độ an toàn và tuổi thọ cách điện của hệ thống.
Để hiểu rõ hơn, ba vấn đề này được phân tích riêng để thấy vì sao nhiều lưới Delta cần bổ sung máy biến áp tạo trung tính.
Khi chạm đất một pha ở lưới Delta, dòng sự cố chỉ chạy qua điện dung đối đất của lưới và rất nhỏ, còn điện áp hai pha lành so với đất tăng lên. Độ lớn của dòng này phụ thuộc vào tổng chiều dài cáp, đường dây và điện dung của thiết bị.
Cụ thể, điện áp dây giữa ba pha vẫn giữ nguyên nên tải ba pha vẫn nhận điện bình thường. Hệ thống có thể tiếp tục vận hành tạm thời dù đang có sự cố. Đây là ưu điểm về độ liên tục cung cấp điện của hệ thống không nối đất, nhưng cũng là nguồn gốc của rủi ro khi sự cố không được phát hiện.
Vận hành lâu với sự cố chạm đất chưa được phát hiện có thể dẫn đến sự cố hai pha chạm đất, hư hại cách điện và khó định vị điểm sự cố.
Thiết bị bảo vệ truyền thống khó phát hiện chạm đất ở lưới Delta vì dòng sự cố nhỏ hơn nhiều so với ngưỡng tác động của rơ-le quá dòng thông thường. Rơ-le quá dòng được chỉnh định theo dòng tải và dòng ngắn mạch nên không phản ứng với dòng điện dung vài ampe.
Rơ-le bảo vệ chạm đất cần dòng thứ tự không đủ lớn và có đường đi rõ ràng để làm việc. Điều kiện này chỉ được đáp ứng khi hệ thống có điểm trung tính nối đất, mà với lưới Delta thì điểm đó do máy biến áp tạo trung tính cung cấp.
Máy biến áp tạo trung tính là thiết bị ba pha tạo điểm trung tính nhân tạo cho hệ thống không có trung tính. Thiết bị có trở kháng thứ tự không thấp để dẫn dòng chạm đất và trở kháng thứ tự thuận cao nên gần như không tiêu thụ công suất khi vận hành bình thường.
Tiếp theo, ba nội dung dưới đây giải thích định nghĩa, nguyên lý Zigzag và dòng điện chạy trong thiết bị khi có sự cố.
Máy biến áp tạo trung tính (grounding transformer) là loại máy biến áp chuyên dụng tạo điểm trung tính nhân tạo cho hệ thống ba pha không có trung tính, như lưới Delta ba dây. Thiết bị đấu vào thanh cái ba pha và đưa điểm trung tính ra để nối đất.
Đặc điểm nổi bật:
Máy biến áp tạo trung tính Zigzag hoạt động dựa trên cấu hình cuộn dây trong đó mỗi pha gồm hai nửa cuộn đặt trên hai trụ lõi khác nhau và quấn ngược chiều. Nhờ vậy từ thông thứ tự không triệt tiêu lẫn nhau, tạo trở kháng thứ tự không rất thấp.
Cụ thể hơn, ở chế độ bình thường, điện áp thứ tự thuận chỉ cảm ứng từ thông tương hỗ trên lõi, và thiết bị chỉ cần dòng từ hóa nhỏ như một máy biến áp không tải. Khi có sự cố chạm đất, dòng thứ tự không chạy cùng chiều trong ba pha. Trên mỗi trụ lõi, hai nửa cuộn thuộc hai pha khác nhau có sức từ động ngược chiều nên triệt tiêu nhau, từ thông thứ tự không gần như bằng không và trở kháng chỉ còn là điện trở và điện kháng tản của cuộn dây.
Nguyên lý máy biến áp tạo trung tính Zigzag với hai nửa cuộn dây quấn ngược chiều
Khi chạm đất, dòng sự cố đi từ pha sự cố xuống đất, qua điểm trung tính nhân tạo, chia đều vào ba cuộn dây rồi trở về pha sự cố qua nguồn. Mỗi pha của máy biến áp tạo trung tính mang khoảng một phần ba dòng điện chạy qua điểm trung tính.
Dòng này đi qua điện trở hoặc cuộn kháng nối đất nếu thiết kế có lắp. Biến dòng đặt ở dây trung tính đo dòng thứ tự không để cấp tín hiệu cho rơ-le bảo vệ. Sau khi rơ-le tác động và máy cắt cắt sự cố, dòng này về không và thiết bị trở về trạng thái từ hóa nhỏ.
Máy biến áp tạo trung tính có ba cấu hình chính theo cách đấu cuộn dây và chức năng: kiểu Zigzag (Zn), kiểu Wye-Delta nối đất, và loại có cuộn dây phụ cấp điện tự dùng. Mỗi loại khác nhau về cấu tạo, kích thước và mức độ ứng dụng.
Dưới đây là đặc điểm của từng cấu hình để kỹ sư chọn được phương án phù hợp với lưới điện.
Máy biến áp tạo trung tính kiểu Zigzag (Zn) là cấu hình phổ biến nhất vì có trở kháng thứ tự không thấp, kích thước gọn và chỉ cần một bộ cuộn dây.
Ưu điểm:
Cấu hình Wye-Delta nối đất dùng cuộn đấu sao có điểm sao nối đất kết hợp cuộn tam giác khép kín. Cuộn tam giác cho dòng thứ tự không tuần hoàn, nên thiết bị cũng có trở kháng thứ tự không thấp.
Điểm khác biệt so với Zigzag nằm ở cấu tạo: cấu hình này cần hai bộ cuộn dây nên thường nặng và đắt hơn. Cần phân biệt với dạng “tam giác hở” (broken delta), thường dùng cho biến điện áp đo điện áp thứ tự không trong hệ thống không nối đất, chứ không phải để dẫn dòng sự cố.
Một số máy biến áp tạo trung tính có thêm cuộn thứ cấp phụ để cấp nguồn tự dùng cho trạm, như chiếu sáng, quạt làm mát và sạc ắc quy.
Khi chọn loại này cần xác định dung lượng cuộn phụ, mức điện áp thứ cấp và điều kiện làm việc đồng thời với chức năng tạo trung tính. Tải của cuộn phụ phải được tính vào thiết kế để không ảnh hưởng đến khả năng chịu dòng sự cố.
Máy biến áp tạo trung tính phối hợp với hệ thống bảo vệ bằng cách cung cấp điểm trung tính để lắp biến dòng đo dòng thứ tự không, qua đó rơ-le bảo vệ chạm đất tác động. Điện trở hoặc cuộn kháng nối đất đi kèm giúp hạn chế dòng sự cố.
Cụ thể, ba phần dưới đây trình bày vai trò của rơ-le, điện trở nối đất trung tính và cuộn kháng.
Rơ-le bảo vệ chạm đất nhận tín hiệu dòng thứ tự không từ biến dòng đặt tại điểm trung tính nhân tạo, rồi tác động cắt máy cắt khi dòng vượt ngưỡng chỉnh định.
Điện trở nối đất trung tính (NGR) nối giữa điểm trung tính và đất, giới hạn dòng chạm đất ở mức an toàn cho thiết bị. Dòng này vẫn đủ lớn để rơ-le chạm đất nhận biết.
Lưu ý: bản thân máy biến áp tạo trung tính không tự động giới hạn dòng sự cố. Giá trị dòng sự cố phụ thuộc vào phương án nối đất và các phần tử đi kèm, trong đó NGR là phần tử quyết định. Nếu không có NGR hoặc cuộn kháng, hệ thống gần như nối đất trực tiếp, dòng sự cố do trở kháng nguồn và trở kháng thứ tự không của thiết bị quyết định.
Cuộn kháng nối đất giới hạn dòng chạm đất bằng điện kháng thay vì điện trở. Phương án này thường chọn khi cần giảm tổn hao công suất ở điểm trung tính hoặc khi hệ thống có yêu cầu riêng về quá độ.
Khác với điện trở, cuộn kháng không tiêu tán năng lượng nhiều khi có sự cố nhưng ít hiệu quả hơn trong việc làm tắt quá điện áp quá độ. Việc chọn điện trở hay cuộn kháng do kỹ sư thiết kế quyết định dựa trên tính toán dòng sự cố và đặc tính lưới.
Hệ thống Delta cần máy biến áp tạo trung tính khi lưới yêu cầu nối đất để phát hiện và cô lập chạm đất nhanh, khi cần điểm tham chiếu đất và khi cần hạn chế quá điện áp. Không phải mọi hệ thống Delta đều bắt buộc phải lắp thiết bị này.
Để phân biệt rõ, phần dưới đây nêu các trường hợp cần lắp và các trường hợp không cần hoặc có phương án thay thế.
Máy biến áp tạo trung tính thường cần thiết ở ba nhóm ứng dụng sau:
Máy biến áp tạo trung tính không cần thiết khi hệ thống đã có phương án nối đất hoặc giám sát chạm đất phù hợp.
Khi lựa chọn máy biến áp tạo trung tính cần xem xét ba nhóm tiêu chí: điện áp định mức, dòng sự cố cùng thời gian chịu dòng, và phương án nối đất cùng yêu cầu phối hợp bảo vệ. Các tiêu chí này quyết định thiết bị làm việc đúng chức năng khi sự cố xảy ra.
Cụ thể, từng nhóm tiêu chí được trình bày dưới đây.
Điện áp định mức của máy biến áp tạo trung tính phải phù hợp cấp điện áp lưới và mức cách điện của hệ thống. Khi chạm đất một pha, điện áp trên cuộn dây của hai pha lành tăng đáng kể, nên mức cách điện cần tính cho điều kiện này.
Dòng điện định mức trong sự cố và thời gian chịu dòng là thông số quan trọng nhất để chọn thiết bị. Thời gian chịu dòng thường được quy định theo thiết kế bảo vệ, ví dụ 10 giây hoặc làm việc liên tục, và dòng này phải lớn hơn dòng sự cố cực đại có thể xảy ra tại điểm trung tính.
Trở kháng thứ tự không cũng cần được xác định vì nó quyết định dòng sự cố khi hệ thống nối đất không qua điện trở. Hai thông số trên phải được kiểm tra cùng với thời gian cắt sự cố của rơ-le và máy cắt.
Phương án nối đất (trực tiếp, qua điện trở hoặc qua cuộn kháng) quyết định dòng sự cố và quá điện áp, nên phải được chốt trước khi chọn máy biến áp tạo trung tính. Yêu cầu phối hợp với rơ-le và các thiết bị bảo vệ khác cũng cần xác định từ giai đoạn thiết kế.
Về tiêu chuẩn kỹ thuật, các yêu cầu chung cho máy biến áp điện lực có thể tham chiếu IEC 60076-1:2011. Nhà thiết kế cần xác nhận các yêu cầu bổ sung riêng cho máy biến áp tạo trung tính theo điều kiện từng dự án.
Hệ thống Delta không nối đất vận hành được khi có chạm đất một pha nhưng dòng sự cố nhỏ và quá điện áp cao, còn hệ thống nối đất qua máy biến áp tạo trung tính cho dòng sự cố đủ lớn để cô lập chọn lọc và hạn chế quá điện áp.
Bảng dưới đây so sánh hai phương án theo các tiêu chí vận hành chính:
| Tiêu chí | Delta không nối đất | Delta nối đất qua máy biến áp tạo trung tính |
|---|---|---|
| Dòng chạm đất một pha | Rất nhỏ, chỉ là dòng điện dung | Đủ lớn, được thiết kế có chủ đích |
| Quá điện áp pha-đất ở pha lành | Có thể tăng lên điện áp dây | Được hạn chế tùy phương án nối đất |
| Khả năng phát hiện sự cố | Cần thiết bị giám sát riêng | Rơ-le bảo vệ chạm đất tác động trực tiếp |
| Tiếp tục vận hành khi sự cố | Có thể trong thời gian ngắn | Thường cắt sự cố ngay |
| Chi phí và độ phức tạp | Thấp hơn | Cao hơn do thêm thiết bị và bảo vệ |
Máy biến áp tạo trung tính chỉ có chức năng tạo điểm trung tính và dẫn dòng sự cố, còn biến áp đấu Wye nối đất thông thường cấp điện cho tải. Máy biến áp tạo trung tính có trở kháng thứ tự không thấp, kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp hơn khi chỉ cần chức năng nối đất.
Máy biến áp tạo trung tính tạo đường đi cho dòng sự cố đủ lớn để rơ-le tác động, còn cuộn Petersen bù dòng điện dung để dập tắt hồ quang chạm đất. Cuộn Petersen thường dùng ở lưới trung áp nối đất qua cộng hưởng, nơi chạm đất gián đoạn và quá điện áp do hồ quang là vấn đề chính.
Cần tư vấn thông số máy biến áp tạo trung tính cho hệ thống điện thực tế? Liên hệ FUSHIN qua hotline 0902 384 199 để trao đổi nhu cầu và giải pháp kỹ thuật phù hợp.
