Phụ tải Trung áp | Bảo vệ Nhanh 10ms cho Máy biến áp

Mạch bảo vệ dòng điện trung thế có giới hạn dòng điện chủ yếu được sử dụng để bảo vệ tải như biến áp và động cơ. Mạch bảo vệ là thiết bị khi dòng điện vượt quá một giá trị nhất định trong thời gian đủ dài, sẽ ngắt mạch bằng cách làm tan chảy một hoặc nhiều thành phần được thiết kế đặc biệt. Mạch bảo vệ dòng điện có thể gặp khó khăn trong việc xử lý các giá trị dòng điện trung gian (quá tải từ 6 đến 10 lần dòng điện định mức), do đó chúng thường được sử dụng kết hợp với các thiết bị chuyển mạch.

Mạch bảo vệ dòng điện trung thế hoạt động bằng cách đưa một dây dẫn kim loại (phần tử cầu chì) vào chuỗi với mạch. Khi dòng điện quá tải hoặc ngắn mạch đi qua phần tử, nhiệt sinh ra do tự sưởi nóng sẽ làm nó tan chảy khi dòng điện vượt quá giá trị định mức, do đó mở mạch. Do đó, cầu chì có độ kháng tương đối cao, dẫn đến sự sinh nhiệt đáng kể dưới dòng điện định mức. Ví dụ, cầu chì 125A sinh ra khoảng 93W nhiệt, cầu chì 160A sinh ra 217W, và cầu chì 200A tạo ra 333W. Trên thị trường, cầu chì 12kV có sẵn với dòng điện định mức lên đến 355A, dẫn đến sự tiêu thụ công suất thậm chí còn cao hơn.

Trong các ứng dụng thực tế của thiết bị chuyển mạch, dòng điện định mức của cầu chì nên khoảng 1,25 lần dòng điện vận hành lâu dài của tải. Khi cầu chì được lắp đặt trong tủ ba pha kín hoặc được chứa riêng trong ống bọc nhựa epoxy, không gian hạn chế của ngăn cầu chì không thể tỏa nhiệt hiệu quả. Sự sinh nhiệt vượt quá 100W có thể khiến nhiệt độ tăng vượt quá giới hạn chấp nhận được, đòi hỏi phải giảm công suất của cầu chì.

Ngoài ra, do hạn chế về kích thước trong các tủ phân phối vòng (RMUs), đường kính ngăn cầu chì trong RMUs nhỏ gọn cách điện khí thường khoảng 90 mm, cho phép lắp đặt cầu chì lên đến 160A (thông thường dùng đến 125A). Điều này hạn chế bảo vệ cho các biến áp lên đến khoảng 1250 kVA. Các biến áp lớn hơn 1250 kVA cần bảo vệ thông qua công tắc cắt. Tương tự, đối với các mạch F-C (cầu chì - tiếp điểm) được sử dụng để bảo vệ động cơ, giải pháp thường giới hạn cho động cơ lên đến 1250 kW. Động cơ lớn hơn yêu cầu kiểm soát và bảo vệ thông qua công tắc cắt.

Trong các ứng dụng điều khiển động cơ, tổ hợp F-C sử dụng cầu chì giới hạn dòng điện trung thế làm thiết bị bảo vệ dự phòng. Trong mạch F-C, khi dòng điện lỗi bằng hoặc nhỏ hơn công suất cắt của tiếp điểm chân không, rơle bảo vệ tích hợp nên hoạt động, gây ngắt tiếp điểm. Cầu chì chỉ hoạt động khi dòng điện lỗi vượt quá cài đặt của rơle hoặc nếu tiếp điểm chân không không hoạt động.

Bảo vệ ngắn mạch được cung cấp bởi cầu chì. Cầu chì thường được chọn với dòng điện định mức cao hơn dòng điện toàn tải của động cơ để chịu đựng dòng khởi động, nhưng nó không thể đồng thời cung cấp bảo vệ quá tải. Do đó, cần các rơle thời gian nghịch đảo hoặc thời gian xác định để bảo vệ chống quá tải. Các thành phần như tiếp điểm, biến dòng, cáp, động cơ và thiết bị mạch khác có thể bị hỏng do quá tải kéo dài hoặc năng lượng đi qua vượt quá khả năng chịu đựng của chúng.

Bảo vệ động cơ khỏi dòng điện quá tải do quá tải, mất pha, khóa rotor hoặc khởi động lặp lại được cung cấp bởi rơle thời gian nghịch đảo hoặc thời gian xác định, điều khiển tiếp điểm. Đối với các lỗi pha-pha hoặc pha-đất với dòng điện nhỏ hơn công suất cắt của tiếp điểm, bảo vệ được cung cấp bởi rơle. Đối với dòng điện lỗi vượt quá công suất cắt của tiếp điểm lên đến mức chịu đựng tối đa, bảo vệ được cung cấp bởi cầu chì.

Thiết bị chuyển mạch kết hợp cầu chì chủ yếu được sử dụng để bảo vệ biến áp. Các ứng dụng điển hình bao gồm mạch cấp điện cho biến áp trong các tủ phân phối vòng (RMUs), nơi công tắc tải SF6 được kết hợp với cầu chì để đạt được thiết kế nhỏ gọn, không cần bảo dưỡng. Một cấu hình khác là giải pháp xe đẩy rút, trong đó tổ hợp cầu chì - công tắc tải được tích hợp vào thiết bị chuyển mạch trung thế (ví dụ: thiết bị chuyển mạch bọc kim loại), cho phép rút ra thuận tiện để bảo dưỡng và thay cầu chì.

Khi sử dụng các thiết bị kết hợp để bảo vệ biến áp, một sơ đồ bảo vệ hai giai đoạn được thiết lập bằng cách kết hợp bảo vệ rơle. Đối với các tình huống quá tải hoặc dòng điện quá tải vừa phải, rơle gửi lệnh ngắt đến công tắc tải để xóa lỗi. Đối với các lỗi ngắn mạch nghiêm trọng, cầu chì hoạt động và kích hoạt công tắc để ngắt, do đó ngắt mạch.

Khi xảy ra lỗi nội bộ như ngắn mạch trong biến áp, hồ quang sinh ra phân hủy dầu cách điện thành khí. Khi lỗi tiếp tục, áp suất nội bộ tăng nhanh, có thể dẫn đến vỡ hoặc nổ bình. Để ngăn chặn sự hỏng hóc của bình, lỗi phải được xóa trong 20 miligiây (ms). Tuy nhiên, thời gian ngắt tổng cộng của công tắc cắt - bao gồm thời gian hoạt động của rơle, thời gian ngắt cố hữu và thời gian hồ quang - thường không ít hơn 60 ms, không đủ để bảo vệ biến áp hiệu quả. Ngược lại, cầu chì giới hạn dòng điện cung cấp sự ngắt mạch cực kỳ nhanh, có thể xóa lỗi trong 10 ms, do đó cung cấp bảo vệ rất hiệu quả cho biến áp.