Từ phân loại đến sơ đồ đấu dây, đây là lời giải thích toàn diện nhất về máy biến áp nối đất.

Lưới điện 6kV, 10kV và 35kV trong hệ thống điện thường áp dụng chế độ vận hành không nối đất trung tính. Phía hạ áp của máy biến áp chính trong lưới điện thường được đấu nối theo kiểu tam giác, và không có điểm trung tính nào có thể nối đất. Khi xảy ra sự cố chạm đất một pha trong hệ thống không nối đất trung tính, tam giác điện áp đường dây vẫn đối xứng. Hệ thống điện có thể tiếp tục cung cấp điện cho người dùng trong 1 đến 2 giờ, và dòng điện dung tương đối nhỏ (dưới 10A), sẽ không gây ra hiện tượng phóng điện hồ quang gián đoạn. Một số sự cố chạm đất thoáng qua có thể tự biến mất, điều này rất hiệu quả trong việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và giảm thiểu tai nạn mất điện. Tuy nhiên, với sự mở rộng liên tục của lưới điện đô thị và sự gia tăng liên tục của các đường dây cáp ra, dòng điện dung của hệ thống xuống đất tăng mạnh, và dòng điện dung chảy qua điểm sự cố sau khi chạm đất một pha là rất lớn (trên 10A).

Hồ quang khó dập tắt, dễ gây ra hiện tượng quá áp cộng hưởng từ và tạo ra quá áp nối đất do hồ quang gián đoạn, có thể gây hư hỏng cách điện, làm ngắt mạch và dẫn đến sự cố nghiêm trọng hơn.

Cụ thể:

Việc dập tắt và tái phát hồ quang nối đất một pha không liên tục sẽ tạo ra quá áp hồ quang nối đất với biên độ lên đến 4U (U là giá trị đỉnh của điện áp pha bình thường) hoặc cao hơn và kéo dài, gây hại nghiêm trọng đến lớp cách điện của thiết bị điện và gây ra sự cố tại các điểm cách điện yếu; dẫn đến tổn thất lớn.

Sự phân ly không khí do hồ quang liên tục gây ra phá hủy lớp cách điện của không khí xung quanh và dễ dẫn đến hiện tượng ngắn mạch giữa các pha.

Hiện tượng quá áp do cộng hưởng từ có thể dễ dàng làm cháy biến áp và gây hư hỏng cho thiết bị chống sét, thậm chí có thể dẫn đến nổ thiết bị chống sét. Những hậu quả này sẽ đe dọa nghiêm trọng đến khả năng cách điện của thiết bị lưới điện và gây nguy hiểm cho hoạt động an toàn của lưới điện.

Để giảm dòng điện dung xuống đất trong trường hợp sự cố chạm đất một pha, cần phải lắp đặt cuộn triệt tiêu hồ quang và các thiết bị bù khác tại điểm trung tính của máy biến áp. Do đó, cần phải xác định thủ công điểm trung tính để có thể kết nối cuộn triệt tiêu hồ quang tại điểm trung tính nhằm giảm dòng điện ngắn mạch khi chạm đất và nâng cao độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện.

■ Hiện đang được sử dụng trong và ngoài nước

Máy biến áp tiếp địa ở Trung Quốc thường sử dụng kiểu đấu dây Z (hoặc đấu dây hình zigzag). Để tiết kiệm vốn đầu tư và không gian trạm biến áp, người ta thường thêm một cuộn dây thứ ba vào máy biến áp tiếp địa để thay thế máy biến áp dùng để cung cấp điện cho các thiết bị trong trạm biến áp. Theo tiêu chuẩn quốc gia về cuộn cảm, phương thức tiếp địa của máy biến áp tiếp địa có thể được chia thành tiếp địa trực tiếp; tiếp địa thông qua cuộn cảm, điện trở và cuộn triệt tiêu hồ quang. Tiếp địa trực tiếp chưa được sử dụng rộng rãi ở Trung Quốc, nhưng một số bộ phận nghiên cứu điện lực đã bắt đầu thảo luận về khía cạnh này. Máy biến áp tiếp địa ở nước ngoài thường sử dụng kiểu đấu dây Z, được sử dụng cho hệ thống không tiếp địa 10kV và cấu thành hệ thống bảo vệ tiếp địa của mạng lưới phân phối. Khi hệ thống xảy ra sự cố tiếp địa, máy biến áp tiếp địa có trở kháng cao đối với dòng điện thứ tự thuận và thứ tự nghịch, và điện trở thấp đối với dòng điện thứ tự không, giúp hệ thống bảo vệ tiếp địa hoạt động đáng tin cậy.

■ Máy biến áp nối đất ba pha

Máy biến áp nối đất ba pha Loại máy biến áp này sử dụng kiểu đấu dây Z (hoặc đấu dây zigzag). Điểm khác biệt so với máy biến áp thông thường là mỗi cuộn dây pha được chia thành hai nhóm và quấn ngược chiều trên cực từ của pha đó. Ưu điểm của kiểu đấu dây này là từ thông thứ tự không có thể chảy dọc theo cực từ, trong khi từ thông thứ tự không của máy biến áp thông thường chảy dọc theo mạch rò rỉ từ. Do đó, trở kháng thứ tự không của máy biến áp nối đất kiểu Z rất nhỏ (khoảng 10 Ω), trong khi đó của máy biến áp thông thường lớn hơn nhiều. Theo quy định, công suất của máy biến áp thông thường có cuộn triệt tiêu hồ quang không được vượt quá 20% công suất của máy biến áp. Máy biến áp kiểu Z có thể được trang bị cuộn triệt tiêu hồ quang với công suất từ ​​90% đến 100%. Ngoài cuộn triệt tiêu hồ quang, máy biến áp nối đất cũng có thể được trang bị tải thứ cấp, có thể thay thế máy biến áp trạm, do đó tiết kiệm chi phí đầu tư.

■ Máy biến áp nối đất một pha

Máy biến áp nối đất một pha chủ yếu được sử dụng cho máy phát điện có điểm trung tính và tủ điện trở nối đất điểm trung tính của máy biến áp Saton để giảm chi phí và kích thước của tủ điện trở.

■ Đặc điểm hoạt động

(1) Trở kháng thứ tự không thấp để đảm bảo đầu ra dòng điện thứ tự không;

(2) Trở kháng kích thích cao để giảm dòng điện không tải;

(3) Tổn thất không tải thấp để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho hoạt động hàng ngày.

■ Chế độ đấu dây

Kết nối YNyn

Máy biến áp với kiểu đấu nối này thường sử dụng lõi sắt ba pha ba cột, và điểm trung tính ở phía cao áp có thể được nối với cuộn triệt tiêu hồ quang để thực hiện nối đất. Tuy nhiên, khi dòng điện một pha nối đất thứ tự không chạy qua cuộn dây phía cao áp, điện thế từ thứ tự không sinh ra không thể cân bằng với điện thế từ thứ cấp, và từ thông thứ tự không cùng chiều không thể tạo thành vòng kín trong lõi sắt ba cột, do đó một lượng lớn từ thông thứ tự không chỉ có thể đi qua kẹp, dầu và thân thùng dầu để tạo thành vòng kín, gây ra tổn thất bổ sung trong thùng dầu và kẹp, dẫn đến quá nhiệt cục bộ, làm hạn chế khả năng sử dụng công suất của máy biến áp. Các quy định vận hành liên quan của ngành điện Trung Quốc đã đưa ra các quy định sau về trạng thái hoạt động của cuộn triệt tiêu hồ quang đấu nối điểm trung tính của máy biến áp kiểu đấu nối YNyn:

(1) Công suất của cuộn dây triệt hồ quang không được vượt quá 20% công suất định mức của máy biến áp;

(2) Độ sụt điện áp thứ tự không do dòng điện thứ tự không chạy qua cuộn dây triệt tiêu hồ quang trong máy biến áp tạo ra không được vượt quá 10% điện áp pha định mức;

Chế độ đấu nối của máy biến áp nối đất YNd và cuộn triệt tiêu hồ quang XL có đặc điểm là đấu nối tam giác ở phía thứ cấp có thể tạo ra đường dẫn kín cho dòng điện thứ tự không, do đó điện kháng thứ tự không nhỏ. Ngoài ra, vì điện thế từ thứ tự không của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp trên mỗi cột lõi được cân bằng, nên rò rỉ từ thứ tự không cũng nhỏ. Tuy nhiên, khi cuộn dây nối YN nằm bên ngoài, tổn thất bổ sung thứ tự không gây ra trong thùng dầu và các bộ phận khác không thể tránh khỏi hoàn toàn. Khi được đấu nối với cuộn triệt tiêu hồ quang, việc sử dụng công suất của nó vẫn bị hạn chế. Nghiên cứu thử nghiệm nước ngoài cho thấy chế độ hoạt động cho phép của máy biến áp nối đất YNd là:

(1) Khi tải thứ cấp đầy đủ bình thường, công suất của cuộn dây triệt tiêu hồ quang được kết nối ở phía YN không được vượt quá 50% công suất định mức của máy biến áp;

(2) Khi tải thứ cấp chỉ bằng 50% công suất của máy biến áp trong thời gian bình thường, công suất cuộn dây triệt hồ quang có thể bằng công suất định mức của máy biến áp.

Mặc dù phía thứ cấp của kết nối này có thể cung cấp điện cho các phụ tải khu vực hoặc chính trạm biến áp, nhưng ứng dụng của nó sẽ bị hạn chế rất nhiều vì kết nối hình tam giác khó có thể cung cấp điện đồng thời cho người dùng điện hỗn hợp và chiếu sáng.

Kiểu đấu nối YN, d hở được kết nối với cuộn dây triệt tiêu hồ quang XL, tương tự như kiểu đấu nối YNd. Kiểu đấu nối d hở có thể được kết nối với một điện trở hoặc cuộn cảm ở phía tam giác hở để điều chỉnh điện kháng thứ tự không của máy biến áp, và việc kết nối điện trở cũng có thể triệt tiêu cộng hưởng từ của mạng. Nếu sử dụng lõi sắt năm cột ba pha, giá trị trở kháng thứ tự không cũng có thể tăng lên đáng kể, thậm chí có thể bỏ qua cuộn dây triệt tiêu hồ quang, nhưng cấu trúc phức tạp và chi phí tăng lên. Ngoài ra, việc sử dụng thứ cấp kiểu đấu nối tam giác hở không đáp ứng được nhu cầu cung cấp điện cho phụ tải khu vực và điện tự sử dụng, vì vậy phương pháp này không được sử dụng rộng rãi.

Máy biến áp nối ZN, yn được kết nối với cuộn triệt tiêu hồ quang XL, đây là kiểu kết nối phổ biến cho máy biến áp nối đất. Bởi vì điện thế từ trường thứ tự không trong nửa cuộn dây trên và nửa cuộn dây dưới trên cùng một cột lõi sắt của phương pháp nối zigzag có cùng độ lớn và hướng ngược nhau, triệt tiêu lẫn nhau, nên từ thông rò rỉ thứ tự không được giảm xuống giá trị rất nhỏ, do đó giá trị điện kháng thứ tự không của nó rất nhỏ, và công suất của nó có thể bằng công suất của cuộn triệt tiêu hồ quang được kết nối.

Máy biến áp nối đất được sử dụng rộng rãi trong và ngoài nước chủ yếu được đấu nối theo cách này. Do phương pháp đấu nối YN được áp dụng ở phía hạ áp, nó có thể cung cấp điện cục bộ hoặc điện tự sử dụng cho trạm biến áp cùng một lúc. Công suất phía hạ áp thường nhỏ hơn công suất phía cao áp. Trong hầu hết các trường hợp, công suất phía hạ áp nằm trong khoảng 80-200kVA.

Mặc dù công suất định mức của phía cao áp có thể bằng công suất của cuộn dây triệt tiêu hồ quang được kết nối, nhưng kiểu đấu nối hình chữ Z sẽ có số vòng dây nhiều hơn 1,15 lần so với kiểu đấu nối hình chữ Y, do đó công suất thực tế của máy biến áp nối đất phải bằng 1,15 lần công suất của cuộn dây triệt tiêu hồ quang.

■ Nguyên lý hoạt động

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy biến áp nối đất trong trường hợp sự cố một pha trong hệ thống được minh họa bằng sơ đồ đấu dây ZNyn thông thường. Khi máy biến áp nối đất chạy qua một dòng điện thứ tự không có cường độ nhất định trong quá trình hoạt động, dòng điện chạy qua hai cuộn dây một pha trên cùng một lõi sắt sẽ ngược chiều nhau và có cường độ bằng nhau, do đó điện thế từ trường sinh ra bởi dòng điện thứ tự không sẽ triệt tiêu lẫn nhau, vì vậy trở kháng thứ tự không cũng rất nhỏ.

Khi máy biến áp nối đất bị hỏng, dòng điện bù có thể chạy qua điểm trung tính. Do trở kháng thứ tự không nhỏ, khi dòng điện thứ tự không chạy qua, độ sụt điện áp do trở kháng tạo ra phải càng nhỏ càng tốt để đảm bảo an toàn cho hệ thống. Vì máy biến áp nối đất có đặc tính trở kháng thứ tự không thấp, khi xảy ra sự cố chạm đất một pha ở pha C, dòng điện chạm đất pha C I chạy vào điểm trung tính thông qua đất, và được chia thành ba phần bằng nhau để chạy vào máy biến áp nối đất. Vì ba dòng điện ba pha chạy vào máy biến áp nối đất bằng nhau, độ dịch chuyển của điểm trung tính N vẫn không thay đổi, và điện áp đường dây ba pha vẫn đối xứng.

Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất, số vòng dây và kích thước hình học của các cuộn dây trên và dưới của cuộn dây cao áp không thể hoàn toàn bằng nhau, điều này khiến cho điện thế từ trường do dòng điện thứ tự không tạo ra không thể được bù trừ chính xác theo hướng ngược lại, và vẫn tạo ra một trở kháng thứ tự không nhất định, thường khoảng 6-10 Ω. So với trở kháng thứ tự không của máy biến áp nối sao là 600 Ω, ưu điểm của nó là hiển nhiên. Ngoài ra, máy biến áp nối đất hình zigzag cũng có thể làm cho dòng điện không tải và tổn hao không tải nhỏ nhất có thể. So với máy biến áp nối sao thông thường, lõi sắt mỗi pha của máy biến áp nối đất hình zigzag được cấu tạo từ các cuộn dây của hai cột lõi sắt. Theo sơ đồ vectơ của nó, khi so sánh với máy biến áp nối sao thông thường, nó cần được quấn nhiều hơn 1,16 lần khi điện áp không đổi. Biên độ của trở kháng thứ tự không và trở kháng thứ tự thuận của mạng lưới phân phối đô thị với nối đất một pha theo chế độ nối đất điện trở điểm trung tính khác nhau rất nhiều. Khi dòng điện ba pha thuận và nghịch chạy qua, điện thế từ trên mỗi trụ lõi sắt của máy biến áp nối đất là tổng các vectơ điện thế từ của hai cuộn dây khác pha trên trụ lõi sắt đó. Điện thế từ trên ba trụ lõi sắt là một nhóm các đại lượng cân bằng ba pha với độ lệch pha 120°. Từ thông sinh ra có thể tạo thành một vòng trên ba trụ lõi sắt. Điện trở từ của mạch từ nhỏ, từ thông lớn và điện thế cảm ứng lớn, cho thấy trở kháng thuận và nghịch lớn; do đó, máy biến áp nối đất có đặc điểm trở kháng thuận và nghịch lớn và trở kháng không nhỏ.

■ Các thông số kỹ thuật chính

Để đáp ứng nhu cầu bù nối đất cuộn dây dập hồ quang trong mạng lưới phân phối, đồng thời đáp ứng nhu cầu tải điện và chiếu sáng của trạm biến áp, người ta lựa chọn máy biến áp đấu nối kiểu Z, và cần thiết lập các thông số chính của máy biến áp nối đất một cách hợp lý.

(1) Công suất phía sơ cấp của máy biến áp tiếp đất có công suất định mức phải phù hợp với công suất của cuộn dây triệt tiêu hồ quang. Theo thông số kỹ thuật công suất của cuộn dây triệt tiêu hồ quang hiện có, nên đặt công suất của máy biến áp tiếp đất bằng 1,05-1,15 lần công suất của cuộn dây triệt tiêu hồ quang. Ví dụ, công suất của máy biến áp tiếp đất được trang bị một cuộn dây triệt tiêu hồ quang 200kVA là 215kVA.

(2) Tổng dòng điện chạy qua điểm trung tính của máy biến áp trong trường hợp lỗi một pha của dòng điện bù điểm trung tính:

Ở đâu:

U là điện áp đường dây của mạng phân phối (V); Zx là trở kháng của cuộn dây dập tắt hồ quang (Ω);

Zd là trở kháng thứ tự không sơ cấp của máy biến áp nối đất (Ω/pha);

Zs là trở kháng của hệ thống (Ω);

Thời gian hoạt động của dòng điện bù điểm trung tính phải giống với thời gian hoạt động của cuộn dây dập tắt hồ quang, tức là 2 giờ theo quy định.

(3) Trở kháng thứ tự không Trở kháng thứ tự không là một thông số quan trọng của máy biến áp nối đất, có ảnh hưởng quan trọng đến việc bảo vệ rơle để hạn chế dòng ngắn mạch nối đất một pha và triệt tiêu quá áp. Đối với máy biến áp nối đất kiểu zigzag (kiểu Z) và kiểu sao/tam giác hở không có cuộn dây thứ cấp, chỉ có một trở kháng duy nhất, đó là trở kháng thứ tự không, do đó bộ phận sản xuất có thể đáp ứng các yêu cầu của bộ phận điện lực.

(4) Tổn thất là một thông số hiệu suất quan trọng của máy biến áp nối đất. Đối với máy biến áp nối đất có cuộn dây thứ cấp, tổn thất không tải của nó có thể giống như máy biến áp cuộn dây kép có cùng công suất. Đối với tổn thất tải, khi phía thứ cấp hoạt động ở chế độ tải đầy đủ, tổn thất tải của phía sơ cấp ít hơn so với máy biến áp cuộn dây kép có cùng công suất ở phía thứ cấp do tải nhẹ của phía sơ cấp.

(5) Theo tiêu chuẩn quốc gia, mức tăng nhiệt độ của máy biến áp nối đất như sau:

1) Sự tăng nhiệt độ dưới dòng điện định mức liên tục phải tuân thủ các quy định của tiêu chuẩn quốc gia về máy biến áp khô dùng trong ngành điện, nhưng chủ yếu áp dụng cho các máy biến áp nối đất có tải thường xuyên ở phía thứ cấp;

2) Khi thời gian dòng điện tải ngắn hạn nhỏ hơn 10 giây (chủ yếu khi điểm trung tính được nối với điện trở), độ tăng nhiệt phải tuân thủ các quy định của tiêu chuẩn quốc gia về giới hạn tăng nhiệt độ đối với máy biến áp điện trong điều kiện ngắn mạch;

3) Sự tăng nhiệt độ của máy biến áp nối đất và cuộn dây triệt tiêu hồ quang khi hoạt động cùng nhau phải tuân thủ các quy định về sự tăng nhiệt độ của cuộn dây triệt tiêu hồ quang: nhiệt độ cuộn dây khi dòng điện định mức liên tục chảy qua là 80K, chủ yếu áp dụng cho máy biến áp nối đất kiểu sao/tam giác hở; Đối với cuộn dây có thời gian chảy tối đa của dòng điện định mức được quy định là 2 giờ, nhiệt độ quy định là 100K.