Điều gì làm nên sự khác biệt giữa biến áp nối đất và biến áp thông thường?

Biến áp nối đất là gì?

Biến áp nối đất, được viết tắt là "biến áp nối đất," có thể được phân loại thành biến áp ngâm dầu và biến áp khô theo chất làm đầy; và thành biến áp nối đất ba pha và một pha theo số pha.

Sự khác biệt giữa biến áp nối đất và biến áp thông thường

Mục đích của biến áp nối đất là tạo ra điểm trung tính nhân tạo để kết nối cuộn dây triệt hồ hoặc điện trở khi hệ thống được kết nối theo hình tam giác (Δ) hoặc sao (Y) mà không có điểm trung tính có thể tiếp cận. Các biến áp này sử dụng kết nối cuộn dây dạng ziczac (hoặc "loại Z"). Sự khác biệt chính so với biến áp thông thường là mỗi cuộn dây pha được chia thành hai nhóm quấn theo hướng ngược lại trên cùng một chi từ. Thiết kế này cho phép dòng từ thứ tự không đi qua các chi từ, trong khi ở biến áp thông thường, dòng từ thứ tự không đi qua các đường rò. 

Do đó, trở kháng thứ tự không của biến áp nối đất loại Z rất thấp (khoảng 10 Ω), trong khi đó của biến áp thông thường cao hơn nhiều. Theo quy định kỹ thuật, khi sử dụng biến áp thông thường để kết nối cuộn dây triệt hồ, dung lượng cuộn dây không được vượt quá 20% dung lượng định mức của biến áp. Trái lại, biến áp loại Z có thể mang cuộn dây triệt hồ với 90%–100% dung lượng của chính nó. Ngoài ra, biến áp nối đất có thể cung cấp tải thứ cấp và đóng vai trò là biến áp dịch vụ trạm, do đó tiết kiệm chi phí đầu tư.

Nguyên lý hoạt động của biến áp nối đất

Biến áp nối đất tạo ra điểm trung tính nhân tạo với điện trở nối đất, thường có độ dẫn rất thấp (thông thường yêu cầu phải nhỏ hơn 5 ohm). Hơn nữa, do đặc tính điện từ, biến áp nối đất có trở kháng cao đối với dòng điện thứ tự dương và âm, chỉ cho phép dòng điện kích thích nhỏ chảy qua các cuộn dây. Trên mỗi chi từ, hai phần cuộn dây được quấn theo hướng ngược nhau. Khi dòng điện thứ tự không bằng nhau chảy qua các cuộn dây trên cùng một chi, chúng có trở kháng thấp, dẫn đến giảm điện áp tối thiểu. 

Trong trường hợp xảy ra sự cố nối đất, các cuộn dây mang dòng điện thứ tự dương, âm và không. Cuộn dây có trở kháng cao đối với dòng điện thứ tự dương và âm, nhưng có trở kháng thấp đối với dòng điện thứ tự không vì, trong cùng một pha, hai cuộn dây được kết nối串联错误，我将直接继续翻译，确保内容完整：

Trong cùng một pha, hai cuộn dây được kết nối theo chuỗi với cực tính ngược nhau—các lực điện cảm ứng của chúng bằng nhau về độ lớn nhưng ngược chiều, do đó triệt tiêu lẫn nhau.

Nhiều biến áp nối đất chỉ được sử dụng để cung cấp một điểm trung tính có độ dẫn thấp và không cung cấp bất kỳ tải thứ cấp nào; do đó, nhiều biến áp được thiết kế mà không có cuộn dây thứ cấp. Trong quá trình vận hành bình thường của lưới điện, biến áp nối đất hoạt động gần như trong trạng thái không tải. Tuy nhiên, trong trường hợp xảy ra sự cố, nó chỉ mang dòng điện sự cố trong thời gian ngắn. Trong hệ thống nối đất có độ dẫn thấp, khi xảy ra sự cố nối đất một pha, bảo vệ thứ tự không có độ nhạy cao sẽ nhanh chóng nhận biết và tạm thời cách ly nguồn cấp bị lỗi. 

Biến áp nối đất chỉ hoạt động trong khoảng thời gian ngắn giữa lúc xảy ra sự cố và hoạt động của bảo vệ thứ tự không của nguồn cấp. Trong thời gian này, dòng điện thứ tự không chảy qua điện trở nối đất trung tính và biến áp nối đất, tuân theo công thức: IR = U / R₁, trong đó U là điện áp pha của hệ thống và R₁ là điện trở nối đất trung tính.

Hậu quả khi hồ quang nối đất không thể được dập tắt đáng tin cậy

• Sự dập tắt và tái phát sinh liên tục của hồ quang nối đất một pha tạo ra điện áp quá mức do hồ quang nối đất với biên độ đạt tới 4U (trong đó U là điện áp đỉnh pha) hoặc thậm chí cao hơn, kéo dài trong thời gian dài. Điều này gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với cách điện của thiết bị điện, có thể gây ra sự cố tại các điểm cách điện yếu và dẫn đến tổn thất lớn.

• Hồ quang kéo dài ion hóa không khí xung quanh, làm suy giảm khả năng cách điện và tăng khả năng xảy ra sự cố ngắn mạch giữa các pha.

• Có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng ferro, dễ dàng làm hỏng biến áp điện áp và bộ hạn chế sét—có thể thậm chí gây nổ bộ hạn chế sét. Những hậu quả này đe dọa nghiêm trọng đến sự toàn vẹn cách điện của thiết bị lưới điện và an toàn vận hành của toàn bộ hệ thống điện.

Dòng điện thứ tự dương, âm và không là gì?

• Dòng điện thứ tự âm: Pha A chậm hơn Pha B 120°, Pha B chậm hơn Pha C 120°, và Pha C chậm hơn Pha A 120°.

• Dòng điện thứ tự dương: Pha A nhanh hơn Pha B 120°, Pha B nhanh hơn Pha C 120°, và Pha C nhanh hơn Pha A 120°.

• Dòng điện thứ tự không: Tất cả ba pha (A, B, C) đồng pha—không có pha nào nhanh hay chậm hơn pha khác.

Trong trường hợp xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha và vận hành bình thường, hệ thống chỉ chứa thành phần thứ tự dương.
Trong trường hợp xảy ra sự cố nối đất một pha, hệ thống chứa thành phần thứ tự dương, âm và không.
Trong trường hợp xảy ra sự cố ngắn mạch hai pha, hệ thống chứa thành phần thứ tự dương và âm.
Trong trường hợp xảy ra sự cố ngắn mạch hai pha với đất, hệ thống chứa thành phần thứ tự dương, âm và không.

Đặc điểm vận hành của biến áp nối đất

Trong điều kiện hoạt động bình thường của lưới điện, biến áp nối đất hoạt động không tải và trải qua quá tải ngắn hạn trong trường hợp có sự cố. Tóm lại, chức năng của biến áp nối đất là tạo điểm trung tính nhân tạo để kết nối với điện trở nối đất. Trong trường hợp xảy ra sự cố nối đất, nó thể hiện trở kháng cao đối với dòng điện dãy dương và âm nhưng trở kháng thấp đối với dòng điện dãy không, đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của bảo vệ sự cố nối đất.

Nối đất trung tính thông qua hệ thống cuộn từ giảm hồ quang

Khi xảy ra sự cố nối đất một pha tạm thời trong lưới do cách điện thiết bị kém, hư hỏng bên ngoài, lỗi của người vận hành, quá áp nội bộ hoặc bất kỳ nguyên nhân nào khác, dòng điện sự cố nối đất đi qua cuộn từ giảm hồ quang dưới dạng dòng điện cảm, ngược chiều so với dòng điện dung. Điều này có thể giảm dòng điện tại điểm sự cố xuống một giá trị rất nhỏ hoặc thậm chí bằng không, do đó dập tắt hồ quang và loại bỏ các nguy cơ liên quan. Sự cố được giải quyết tự động mà không kích hoạt bảo vệ rơle hoặc cắt mạch đứt, cải thiện đáng kể độ tin cậy cung cấp điện.

Ba chế độ bù đắp hoạt động

Có ba chế độ bù đắp hoạt động khác nhau: bù đắp thiếu, bù đắp đầy đủ và bù đắp thừa.

• Bù đắp thiếu: Dòng điện cảm sau khi bù đắp ít hơn dòng điện dung.

• Bù đắp thừa: Dòng điện cảm sau khi bù đắp lớn hơn dòng điện dung.

• Bù đắp đầy đủ: Dòng điện cảm sau khi bù đắp bằng dòng điện dung.

Chế độ bù đắp sử dụng trong hệ thống nối đất trung tính thông qua cuộn từ giảm hồ quang

Trong hệ thống có trung tính được nối đất thông qua cuộn từ giảm hồ quang, phải tránh bù đắp đầy đủ. Bất kể mức độ mất cân bằng điện áp của hệ thống, bù đắp đầy đủ có thể gây cộng hưởng chuỗi, khiến cuộn từ giảm hồ quang chịu áp suất rất cao. Do đó, trong thực tế, bù đắp thừa hoặc bù đắp thiếu được áp dụng, với bù đắp thừa là chế độ được sử dụng phổ biến nhất.

Lý do chính để áp dụng bù đắp thừa

Trong hệ thống bù đắp thiếu, dễ dàng xảy ra quá áp cao trong trường hợp có sự cố. Ví dụ, nếu một phần đường dây bị ngắt do sự cố hoặc lý do khác, hệ thống bù đắp thiếu có thể chuyển hướng về bù đắp đầy đủ, gây ra cộng hưởng chuỗi và dẫn đến điện áp dịch chuyển trung tính và quá áp rất cao. Dịch chuyển trung tính lớn trong hệ thống bù đắp thiếu cũng đe dọa tính toàn vẹn của cách điện - một nhược điểm không thể tránh khỏi miễn là vẫn sử dụng bù đắp thiếu.

Trong quá trình hoạt động bình thường của hệ thống bù đắp thiếu với sự mất cân bằng ba pha đáng kể, có thể xuất hiện quá áp cộng hưởng sắt từ rất cao. Hiện tượng này xuất phát từ cộng hưởng từ giữa cuộn từ giảm hồ quang bù đắp thiếu (điều này ωL > 1/(3ωC₀)) và điện dung đường dây (3C₀). Cộng hưởng này không xảy ra với bù đắp thừa.

Hệ thống điện liên tục mở rộng, và điện dung của lưới đối với đất tăng theo. Với bù đắp thừa, cuộn từ giảm hồ quang đã lắp đặt ban đầu có thể tiếp tục hoạt động trong một thời gian dài - thậm chí nếu cuối cùng nó chuyển sang bù đắp thiếu. Tuy nhiên, nếu hệ thống bắt đầu với bù đắp thiếu, bất kỳ sự mở rộng nào cũng yêu cầu ngay lập tức thêm công suất bù đắp.

Với bù đắp thừa, dòng điện đi qua điểm sự cố là dòng điện cảm. Sau khi hồ quang tắt, tốc độ khôi phục điện áp pha bị sự cố chậm hơn, làm giảm khả năng tái châm hồ quang.

Trong trường hợp bù đắp thừa, việc giảm tần số hệ thống chỉ tạm thời tăng mức độ bù đắp thừa, không gây vấn đề trong quá trình hoạt động bình thường. Ngược lại, bù đắp thiếu kết hợp với tần số giảm có thể đưa hệ thống gần đến bù đắp đầy đủ, dẫn đến tăng điện áp dịch chuyển trung tính.

Tóm tắt

Biến áp nối đất cũng đóng vai trò như biến áp trạm, giảm điện áp 35 kV xuống 380 V để cung cấp điện cho sạc pin, quạt SVG, chiếu sáng bảo dưỡng và tải phụ trợ chung của trạm.

Trong lưới điện hiện đại, cáp đang thay thế dần các đường dây treo. Do dòng điện nối đất một pha của đường dây cáp lớn hơn nhiều so với đường dây treo, việc nối đất trung tính thông qua cuộn từ giảm hồ quang thường không thể dập tắt hồ quang sự cố và ức chế quá áp cộng hưởng nguy hiểm. Do đó, trạm của chúng tôi áp dụng phương án nối đất trung tính bằng điện trở thấp. Phương pháp này tương tự như hệ thống trung tính nối đất rắn và yêu cầu lắp đặt bảo vệ sự cố nối đất một pha để kích hoạt cắt mạch. Khi xảy ra sự cố nối đất một pha, đường dây có sự cố được nhanh chóng cách ly.