Một nghiên cứu sơ bộ về cấu hình bảo vệ biến áp phân phối 10KV

1. Hình thức đấu dây của Ring - Main Unit
1.1 Cấu tạo của Ring - Main Unit

Ring - Main Unit (RMU) được cấu tạo từ các ngăn. Thông thường, nó có ít nhất ba ngăn, bao gồm hai ngăn cho cáp vòng vào và ra và một ngăn cho mạch biến áp.

1.2 Cấu hình chế độ bảo vệ cho Ring - Main Unit

Cả các ngăn cấp điện cáp vòng và các ngăn cấp điện biến áp đều sử dụng công tắc tải, thường là công tắc tải ba vị trí có chức năng đóng, cắt và nối đất. Các ngăn cấp điện biến áp cũng được trang bị cầu chì giới hạn dòng điện dự phòng có khả năng cắt lớn để bảo vệ. Thực tế hoạt động đã chứng minh rằng đây là một phương pháp phân phối điện đơn giản, đáng tin cậy và kinh tế.

1.3 Đặc điểm của cấu hình bảo vệ cho Ring - Main Unit

Công tắc tải được sử dụng để chuyển mạch dòng điện tải định mức. Nó có đặc điểm như cấu trúc đơn giản và chi phí thấp, nhưng không thể cắt đứt dòng điện ngắn mạch. Cầu chì giới hạn dòng điện dự phòng có khả năng cắt lớn đóng vai trò là yếu tố bảo vệ và có thể cắt đứt dòng điện ngắn mạch. Việc kết hợp hai yếu tố này một cách hữu cơ có thể đáp ứng yêu cầu vận hành và bảo vệ của hệ thống phân phối điện trong các chế độ hoạt động bình thường và sự cố. Việc xác định thông số của cầu dao và thiết kế và sản xuất cấu trúc của nó được thực hiện theo đúng tiêu chuẩn.

Nó có cả chức năng vận hành và bảo vệ, do đó cấu trúc của nó phức tạp và chi phí cao, khiến việc sử dụng đại trà không thực tế. Trong các ring - main unit, một số lượng lớn thiết bị kết hợp công tắc tải và cầu chì dự phòng có khả năng cắt lớn được sử dụng. Chức năng vận hành và bảo vệ cho thiết bị điện, không hoàn toàn giống nhau, được thực hiện bởi hai thành phần đơn giản và giá rẻ. Đó là, công tắc tải được sử dụng để thực hiện nhiều lần chuyển mạch tải, trong khi cầu chì giới hạn dòng điện dự phòng có khả năng cắt lớn được sử dụng để bảo vệ thiết bị nơi hiếm khi xảy ra ngắn mạch. Điều này giải quyết tốt vấn đề, tránh sử dụng cầu dao phức tạp và đắt tiền trong khi vẫn đáp ứng yêu cầu vận hành thực tế.

• Cầu dao có tất cả các chức năng bảo vệ và vận hành, nhưng chúng đắt tiền.

• Công tắc tải có hiệu suất cơ bản giống như cầu dao, nhưng không thể cắt đứt dòng điện ngắn mạch.

• Kết hợp công tắc tải và cầu chì giới hạn dòng điện dự phòng có khả năng cắt lớn có thể cắt đứt dòng điện ngắn mạch. Khả năng cắt của một số cầu chì thậm chí còn cao hơn so với cầu dao. Do đó, việc sử dụng kết hợp này không kém hiệu quả so với việc sử dụng cầu dao, nhưng chi phí có thể giảm đáng kể.

1.4 Ưu điểm của sự kết hợp giữa công tắc tải và cầu chì dự phòng có khả năng cắt lớn

Sự kết hợp giữa công tắc tải và cầu chì có khả năng cắt lớn có những ưu điểm sau:

1.4.1 Hiệu suất tốt khi chuyển mạch biến áp không tải

Hầu hết các tải trong ring - main unit là các biến áp phân phối. Thường thì dung lượng không vượt quá 1250 KVA, và trong trường hợp hiếm hoi, nó đạt 1600 KVA. Dòng điện không tải của biến áp phân phối thường khoảng 2% dòng điện định mức, và dòng điện không tải của biến áp phân phối lớn hơn nhỏ hơn. Khi ring - main unit chuyển mạch dòng điện nhỏ của biến áp không tải, nó hoạt động tốt và không tạo ra điện áp quá cao.

1.4.2 Bảo vệ hiệu quả biến áp phân phối

Đặc biệt đối với biến áp ngâm dầu, việc sử dụng công tắc tải với cầu chì dự phòng có khả năng cắt lớn là hiệu quả hơn so với việc sử dụng cầu dao. Đôi khi,后者甚至可能无法提供有效的保护。相关信息显示，当油浸式变压器发生短路故障时，电弧产生的压力上升，由油汽化形成的气泡会占据原本属于油的空间。油会将压力传递到变压器油箱。随着短路持续，压力进一步增加，导致油箱变形和开裂。 为了避免损坏油箱，必须在20毫秒内清除故障。如果使用断路器，由于继电保护的存在，加上其自身操作时间和灭弧时间，总分闸时间通常不少于60毫秒，无法有效保护变压器。然而，高分断能力后备限流熔丝具有快速分断功能。结合其限流功能，可以在10毫秒内清除故障并限制短路电流，有效保护变压器。因此，应尽可能使用高分断能力后备限流熔丝来保护电气设备，而不是使用断路器。即使负载是干式变压器，熔丝保护动作迅速，也比使用断路器更好。 1.4.3 在继电保护配合方面

在大多数情况下，环网柜中不需要使用断路器。这是因为环网配电网络前端（即110KV或220KV变电站中的10KV馈线断路器）的断路器保护设置通常是：瞬时保护时间为0s，过流保护时间为0.5s，零序保护时间为0.5s。如果环网柜中使用断路器，即使设定时间为0s操作，由于断路器本身操作时间的分散性，难以保证环网柜中的断路器先于上级断路器动作。

1.4.4 高分断能力后备限流熔丝可以为下游设备提供保护

如电流互感器、电缆等。高分断能力后备限流熔丝的保护范围可以从最小熔断电流（通常是熔丝额定电流的2-3倍）到最大分断能力。限流熔丝的电流-时间特性通常是一个陡峭的反时限曲线。发生短路后，它可以在很短的时间内熔断并清除故障。如果使用断路器进行保护，必然会大大增加其他电气元件如电缆、电流互感器和变压器套管的热稳定要求，增加电气设备和工程成本。这里需要指出的是，在使用负荷开关与高分断能力后备熔丝组合时，两者应协调好。当熔丝三相不熔断时，熔丝的撞击器应立即跳开负荷开关，防止单相运行。

2. 终端用户高压室接线形式

GB14285-1993《继电保护和安全自动装置技术规程》规定，选择配电变压器保护开关设备时，当容量等于或大于800 KVA时，应选用带有继电保护装置的断路器。这一规定可以从以下两个方面的需求来理解：

• 当配电变压器容量达到800 KVA及以上时，过去大多数是油浸式变压器，并配备气体继电器。使用断路器可以与气体继电器配合，有效保护变压器。

• 对于设备容量大于800 KVA的用户，由于各种原因，单相接地故障可能导致零序保护动作，使断路器跳闸隔离故障，不至于引起主变电站馈线断路器动作，影响其他用户的正常供电。此外，标准还明确规定，即使单台变压器未达到此容量，但如果用户配电变压器总容量达到800 KVA，也应满足这一要求。目前，大多数用户高压开关室的接线方案是一种基本接线方式，在此基础上可以派生出一主一备进线或双进线母线分段等接线方式。

3. 结论

10kV配电变压器的保护配置主要包括断路器、负荷开关或负荷开关与熔丝组合。综合考虑技术、经济性能及运行管理因素，无论是在10kV环网柜还是终端用户高压配电单元中，负荷开关与高分断能力后备限流熔丝组合的保护配置不仅能够提供额定负荷电流，还能切断短路电流，并具有切换空载变压器的性能，可以有效保护配电变压器。因此，推荐负荷开关与高分断能力后备限流熔丝组合作为配电变压器保护的模式。

1.4.3 Về phối hợp bảo vệ rơle

Trong hầu hết các trường hợp, không cần sử dụng cầu dao trong ring - main unit. Điều này là vì các cài đặt bảo vệ của cầu dao ở đầu mạng phân phối vòng (tức là cầu dao nguồn cấp 10KV trong trạm biến áp 110KV hoặc 220KV) thường là: thời gian bảo vệ tức thì là 0s, thời gian bảo vệ quá dòng là 0.5s, và thời gian bảo vệ dòng không cân bằng là 0.5s. Nếu sử dụng cầu dao trong ring - main unit, ngay cả khi thời gian cài đặt là 0s cho hoạt động, do sự phân tán thời gian hoạt động tự nhiên của cầu dao, rất khó đảm bảo rằng cầu dao trong ring - main unit, chứ không phải cầu dao cấp trên, sẽ hoạt động trước.

1.4.4 Cầu chì giới hạn dòng điện dự phòng có khả năng cắt lớn có thể bảo vệ thiết bị hạ nguồn

Như biến dòng, cáp, v.v. Phạm vi bảo vệ của cầu chì giới hạn dòng điện dự phòng có khả năng cắt lớn có thể từ dòng điện tan chảy tối thiểu (thường là 2-3 lần dòng điện định mức của cầu chì) đến khả năng cắt lớn nhất. Đặc tính dòng điện-thời gian của cầu chì giới hạn dòng điện thường là đường cong nghịch thời gian dốc. Sau khi xảy ra ngắn mạch, nó có thể tan chảy và loại bỏ sự cố trong thời gian rất ngắn. Nếu sử dụng cầu dao để bảo vệ, điều này sẽ làm tăng đáng kể yêu cầu ổn định nhiệt của các thành phần điện khác như cáp, biến dòng, và cổng biến áp, làm tăng chi phí thiết bị điện và chi phí công trình. Tại đây, cần lưu ý rằng khi sử dụng sự kết hợp giữa công tắc tải và cầu chì dự phòng có khả năng cắt lớn, hai thành phần này nên được phối hợp tốt. Khi cầu chì không tan chảy trong ba pha, bộ đánh của cầu chì nên ngay lập tức mở công tắc tải để tránh hoạt động một pha.

2. Hình thức đấu dây của buồng cao áp cho người dùng cuối

Tiêu chuẩn GB14285-1993 "Quy phạm kỹ thuật cho thiết bị bảo vệ rơle và tự động an toàn" quy định rằng khi chọn thiết bị bảo vệ rơle cho biến áp phân phối, khi dung lượng bằng hoặc lớn hơn 800 KVA, nên chọn cầu dao có thiết bị bảo vệ rơle. Quy định này có thể được hiểu dựa trên hai nhu cầu sau:

• Khi dung lượng của biến áp phân phối đạt 800 KVA và hơn, trong quá khứ, hầu hết là biến áp ngâm dầu và được trang bị rơle khí. Sử dụng cầu dao có thể phối hợp với rơle khí để bảo vệ hiệu quả biến áp.

• Đối với người dùng có dung lượng thiết bị lớn hơn 800 KVA, do nhiều lý do, sự cố chạm đất một pha có thể gây ra rơle dòng không cân bằng hoạt động, khiến cầu dao nhảy và tách sự cố, để không ảnh hưởng đến nguồn cung cấp điện bình thường của người dùng khác. Ngoài ra, tiêu chuẩn cũng quy định rõ ràng rằng ngay cả khi một biến áp đơn lẻ không đạt dung lượng này, nhưng nếu tổng dung lượng của biến áp phân phối của người dùng đạt 800 KVA, yêu cầu này cũng phải được đáp ứng. Hiện nay, sơ đồ đấu dây của hầu hết buồng cao áp của người dùng là một sơ đồ đấu dây cơ bản, và dựa trên đó, có thể dẫn xuất các sơ đồ đấu dây như đường vào chính và đường dự phòng hoặc hai đường vào với đoạn bus.

3. Kết luận

Các cấu hình bảo vệ cho biến áp phân phối 10kV chủ yếu bao gồm cầu dao, công tắc tải, hoặc công tắc tải kết hợp với cầu chì. Xem xét tổng thể về hiệu suất kỹ thuật, kinh tế và quản lý vận hành, dù là trong ring - main unit 10kV hay đơn vị phân phối điện cao áp cho người dùng cuối, cấu hình bảo vệ của công tắc tải kết hợp với cầu chì dự phòng có khả năng cắt lớn không chỉ có thể cung cấp dòng điện tải định mức mà còn có thể cắt đứt dòng điện ngắn mạch và có hiệu suất chuyển mạch biến áp không tải, có thể bảo vệ hiệu quả biến áp phân phối. Do đó, cấu hình bảo vệ của công tắc tải kết hợp với cầu chì dự phòng có khả năng cắt lớn được khuyến nghị là chế độ bảo vệ cho bảo vệ biến áp phân phối.