Đặc điểm hiệu suất và thiết kế cấu trúc của cầu chì chân không gắn cột ngoài trời

Từ năm 2009 đến 2010, Mạng lưới điện quốc gia đang trong giai đoạn thí điểm của kế hoạch lưới điện thông minh, tập trung vào việc phát triển kế hoạch phát triển lưới điện thông minh mạnh mẽ, nghiên cứu và phát triển các công nghệ then chốt, sản xuất thiết bị, và thực hiện các dự án thí điểm trong nhiều lĩnh vực. Giai đoạn từ 2011 đến 2015 đánh dấu giai đoạn xây dựng toàn diện, trong đó hệ thống kiểm soát vận hành và dịch vụ tương tác cho lưới điện thông minh được hình thành ban đầu, và đã đạt được những đột phá quan trọng về công nghệ và thiết bị, dẫn đến việc áp dụng rộng rãi của chúng. 

Từ 2016 đến 2020, nó bước vào giai đoạn dẫn dắt và nâng cấp, với một lưới điện thông minh thống nhất và mạnh mẽ được xây dựng hoàn chỉnh, và công nghệ và thiết bị đạt đến mức tiên tiến quốc tế. Đến lúc đó, khả năng tối ưu hóa phân bổ tài nguyên của lưới điện sẽ được cải thiện đáng kể. Để đáp ứng mục tiêu phát triển của lưới điện thông minh quốc gia, các cầu chì chân không cắm ngoài trời được lắp đặt trên các lưới điện chính cần đạt được bảo vệ thông minh dựa trên máy tính với độ nhạy cao, điều này có nghĩa là giá trị dòng điện hoạt động sơ cấp nhỏ nhất thấp. 

Do đó, ngoài việc mỗi trong ba giai đoạn được trang bị biến áp riêng biệt để bảo vệ sai lệch, các cầu chì chân không cắm ngoài trời cũng cần được trang bị biến áp dòng dư để bảo vệ bằng máy tính, cung cấp bảo vệ rò rỉ chính xác cho máy tính. Các biến áp dòng dư truyền thống có kích thước lớn, trọng lượng nặng và độ chính xác thấp. 

Bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như không gian lắp đặt hạn chế và mạch dây thứ cấp dài, chúng khó có thể đáp ứng yêu cầu ứng dụng của bảo vệ bằng máy tính cho các cầu chì chân không cắm ngoài trời. Hiện tại, tất cả các cầu chì ngoài trời có thể đáp ứng yêu cầu của lưới điện thông minh quốc gia đều được sản xuất bởi các doanh nghiệp có vốn nước ngoài, dẫn đến chi phí cao. Để thích ứng với yêu cầu phát triển của lưới điện thông minh quốc gia, cần phải phát triển các cầu chì ngoài trời đáp ứng nhu cầu của lưới điện thông minh quốc gia. 

Hiện nay, thách thức kỹ thuật chính mà chúng ta cần giải quyết là phát triển biến áp dòng dư cho bảo vệ bằng máy tính có thể sử dụng kết hợp với các cầu chì này, đáp ứng yêu cầu lắp đặt trong không gian nhỏ, bảo vệ rò rỉ nhạy cảm cao và hoạt động chính xác, và trước tiên đạt được sự bản địa hóa của biến áp dòng dư cho bảo vệ bằng máy tính.

Ứng dụng và Yêu cầu Hiệu suất của Biến Áp Dòng Dư cho Bảo Vệ Bằng Máy Tính

Biến áp dòng dư (biến áp dòng thứ tự zero) là một loại biến áp chuyên dụng được thiết kế để biến đổi dòng dư (dòng thứ tự zero). Nó được sử dụng cho bảo vệ tiếp đất đơn pha trong các hệ thống cách ly trung tính. Ba dây dẫn pha cùng đi qua cửa sổ lõi của biến áp, đóng vai trò như cuộn dây sơ cấp của biến áp.

 Khi hệ thống hoạt động bình thường, tổng vectơ của ba dòng pha là zero, và không có tín hiệu ra từ phía thứ cấp của biến áp dòng dư. Khi xảy ra lỗi tiếp đất đơn pha trên một đường dây nào đó, dòng sơ cấp của biến áp dòng dư đạt đến dòng điện hoạt động tối thiểu của rơle hoặc bảo vệ bằng máy tính, kích hoạt thiết bị bảo vệ. 

Ngược lại, nó vẫn không hoạt động. Trong các biến áp dòng dư truyền thống, phía thứ cấp được kết nối trực tiếp với rơle. Do số vòng cuộn dây sơ cấp của biến áp thường là 1, số vòng cuộn dây thứ cấp rất ít. Dòng điện hoạt động sơ cấp tối thiểu của các biến áp dòng dư truyền thống chủ yếu nằm trong khoảng từ 2.4A đến 10A, và dòng điện sơ cấp định mức của các biến áp dòng dư truyền thống thường được chọn trong khoảng từ 15A đến 300A. Để đáp ứng yêu cầu về độ chính xác, diện tích cắt ngang lõi biến áp được thiết kế tương đối lớn, dẫn đến kích thước lớn, trọng lượng nặng, độ chính xác thấp và tải thứ cấp nhỏ.

 Khi dòng điện lỗi nhỏ hơn 2.4A, dòng điện ra từ biến áp truyền thống không đủ để kích hoạt rơle, tạo ra "khu vực chết." Do đó, để cho phép biến áp cung cấp bảo vệ chính xác cho máy tính trong một phạm vi rộng của dòng điện hoạt động mà không có khu vực chết, cần thiết kế một biến áp dòng dư đặc biệt có thể sử dụng kết hợp với bảo vệ bằng máy tính.

Bị hạn chế bởi không gian lắp đặt của cầu chì, biến áp dòng dư đặc biệt dùng với bảo vệ bằng máy tính không chỉ cần phải nhỏ gọn và nhẹ cân, mà còn yêu cầu đầu ra thứ cấp chính xác và tải thứ cấp lớn. Thông thường, dòng điện hoạt động sơ cấp của biến áp yêu cầu nằm trong khoảng từ 0.2A đến 10A. Nếu biến áp có thể đảm bảo độ tuyến tính và độ nhạy tốt dưới điều kiện đầu ra tải thứ cấp lớn, nó có thể đáp ứng yêu cầu của bảo vệ bằng máy tính và tránh sự xuất hiện của "khu vực chết."

Thiết kế Cấu trúc của Biến Áp Dòng Dư cho Bảo Vệ Bằng Máy Tính

Lựa Chọn Tham Số Tải Định mức của Biến Áp

Các cầu chì chân không cắm ngoài trời thường được lắp đặt ngoài trời và xa các thiết bị tự động hóa hỗ trợ. Tuy nhiên, tải yêu cầu bởi bảo vệ bằng máy tính rất thấp. Khi thiết kế biến áp dòng dư, tải định mức chủ yếu xem xét tải của mạch dây thứ cấp của biến áp. Do thiết bị bảo vệ bằng máy tính thường xa cầu chì cắm ngoài trời được lắp đặt ngoài trời, tải định mức của biến áp thường được chọn tương đối lớn, với mức tối đa khoảng 200Ω (tải này có thể được xác định theo tình hình thực tế của người dùng).

Lựa Chọn Số Vòng Cuộn Dây Sơ cấp và Thứ cấp, Hình dạng và Chất liệu Lõi

Biến áp dòng dư cho bảo vệ bằng máy tính yêu cầu độ nhạy cực kỳ cao và phải phản ứng nhanh chóng và chính xác. Độ nhạy đề cập đến khả năng của cuộn dây thứ cấp của biến áp để phản ứng với dòng rò rỉ, có thể được mô tả như sau: dưới một lượng dòng rò rỉ nhất định, càng cao điện thế cảm ứng của các biến áp khác nhau, thì độ nhạy của chúng càng cao. 

Độ nhạy liên quan đến số vòng cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của biến áp. Số vòng cuộn dây thứ cấp càng nhiều, độ nhạy càng cao. Biến áp dòng dư được lắp trực tiếp trên ba dây dẫn sơ cấp, và dây dẫn sơ cấp là đường dây được bảo vệ, với số vòng cuộn dây sơ cấp là 1. Việc tăng số vòng cuộn dây sơ cấp không thực tế.

Điện thế cảm ứng của cuộn dây thứ cấp, U2=4.44f⋅N2⋅μ⋅I1⋅S, trong đó:

• I1đại diện cho dòng điện sơ cấp định mức.

• S là diện tích cắt ngang của lõi sắt.

• muis độ thẩm thấu từ.

• f là tần số.

• N2 là số vòng cuộn dây thứ cấp.

Như có thể thấy từ công thức, do hạn chế của vị trí lắp đặt của biến áp, kích thước bên ngoài của biến áp không thể quá lớn. Do đó, diện tích cắt ngang của lõi sắt của biến áp tương đối nhỏ. Để tăng cường độ nhạy của biến áp, cần phải tăng số vòng cuộn dây thứ cấp hoặc cải thiện độ thẩm thấu từ của lõi sắt của biến áp.

Dòng điện sơ cấp định mức của các cầu chì ngoài trời cơ bản là 630A hoặc ít hơn. Với diện tích cắt ngang của lõi sắt của biến áp nhỏ, để đảm bảo độ nhạy cao, thông qua các thí nghiệm, số vòng cuộn dây thứ cấp thường được đặt ban đầu trong khoảng từ 1500 đến 2000 vòng. Số vòng cụ thể có thể được xác định theo tải thứ cấp và điện áp đầu ra thứ cấp của biến áp yêu cầu bởi máy tính.

Một khi diện tích cắt ngang của lõi sắt, số vòng, và tải thứ cấp được xác định, tham số ảnh hưởng đến điện thế cảm ứng thứ cấp (tức là độ nhạy) của

biến áp chỉ liên quan đến độ thẩm thấu từ của lõi sắt. Do đó, việc xác định chất liệu của lõi sắt sử dụng trong biến áp là rất quan trọng. Độ tuyến tính và đặc tính dư của biến áp được đề cập sau cũng liên quan chặt chẽ đến chất liệu của lõi sắt.

Phân tích dữ liệu trong Bảng 1, cả hợp kim nano tinh thể và Metglas đều có độ thẩm thấu từ cao nhất. Tuy nhiên, Metglas có mật độ bão hòa từ tương đối thấp và cũng đắt đỏ trên thị trường. Xét tổng thể, chúng tôi ưu tiên chọn hợp kim nano tinh thể làm vật liệu.Độ nhạy của biến áp không chỉ tỷ lệ thuận với độ thẩm thấu từ của lõi sắt mà còn có mối quan hệ trực tiếp với hình dạng của lõi sắt và chiều dài của mạch từ.

Ngoài việc sử dụng vật liệu có độ thẩm thấu từ cao cho lõi sắt để tăng cường độ nhạy của biến áp, chúng ta cũng cố gắng rút ngắn mạch từ của lõi sắt càng nhiều càng tốt để giảm rò rỉ từ và đảm bảo tỷ lệ sử dụng của lõi sắt. Trong điều kiện bình thường, lõi sắt hình tròn có mạch từ ngắn nhất. Tuy nhiên, do ba dây dẫn sơ cấp của cầu chì cắm ngoài trời được sắp xếp cạnh nhau theo hàng, khi không gian cho phép, lõi sắt nên được thiết kế hình elip dựa trên hình dạng và khoảng cách giữa ba dây dẫn sơ cấp của cầu chì. Hình dạng của biến áp và mối quan hệ vị trí của nó với dây dẫn sơ cấp được hiển thị trong Hình 1.

Biến áp dòng dư nên có khả năng phản ứng nhanh với các trạng thái rò rỉ bất thường trong mạch và cung cấp tín hiệu điện áp có thể hành động cho thiết bị bảo vệ bằng máy tính. Biến áp phải có độ tuyến tính tốt để phản ánh chính xác trạng thái hoạt động của mạch. Độ tuyến tính đề cập đến tỷ lệ thay đổi của dòng điện đầu vào so với thay đổi của điện áp đầu ra của biến áp là hằng số, như được hiển thị trong Hình 2.

biến áp chỉ liên quan đến độ thẩm thấu từ của lõi sắt. Do đó, việc xác định chất liệu của lõi sắt sử dụng trong biến áp là rất quan trọng. Độ tuyến tính và đặc tính dư của biến áp được đề cập sau cũng liên quan chặt chẽ đến chất liệu của lõi sắt.

Trong mạch, dòng điện hoạt động sơ cấp tối thiểu của cầu chì thường yêu cầu dưới 10A. Do đó, thường yêu cầu rằng khi dòng điện sơ cấp của biến áp dưới 10A, tỷ lệ thay đổi của dòng điện đầu vào so với thay đổi của điện áp đầu ra của biến áp càng tuyến tính, càng đáp ứng yêu cầu sử dụng. Yêu cầu độ tuyến tính của biến áp cần được thử nghiệm lặp đi lặp lại.

Trong điều kiện độ thẩm thấu từ của lõi sắt và tải thứ cấp nhất định, điện áp đầu ra của biến áp được đảm bảo thay đổi tuyến tính bằng cách điều chỉnh diện tích cắt ngang của lõi sắt hoặc số vòng cuộn dây thứ cấp. Tuy nhiên, trong các mạch thực tế, thường có các yếu tố khác ảnh hưởng đến khả năng cung cấp tín hiệu điện áp chính xác cho thiết bị bảo vệ bằng máy tính của biến áp.

•  Khi biến áp được lắp đặt, nó cần được bao quanh ba dây dẫn sắp xếp cạnh nhau theo hàng. Khi dây dẫn sơ cấp đi qua dòng điện định mức, biến áp dòng dư sẽ bị can thiệp bởi các trường từ sinh ra bởi ba dòng pha đồng thời, và mật độ từ thông cục bộ của lõi sắt sẽ tăng lên. Nếu phần cục bộ của lõi sắt bị bão hòa, độ tuyến tính của biến áp sẽ xấu đi,严重影响了二次输出电压的大小，可能导致微机保护误动或拒动。 - 当实际运行中，剩余电流互感器受到大规模接地故障电流冲击后，在保护动作完成后恢复供电继续运行时，如果变压器的技术参数不能恢复到冲击前的状态，即变压器铁芯内存在剩磁，将严重影响下次漏电保护器的准确动作。 在设计这种剩余电流互感器时，应注意以下几点： - 铁芯应尽量选用饱和磁通密度高、磁导率高的材料。或者在空间允许的情况下，尽可能增大铁芯截面积，并缩短磁路长度，防止铁芯局部提前饱和。 - 二次绕组应均匀缠绕在铁芯上，同时应在铁芯或绕组外加屏蔽罩。屏蔽罩通常由非磁性材料制成，以屏蔽外部磁场或相邻相位对剩余电流互感器的干扰。 - 在设计过程中，应重点控制变压器的剩磁特性。根据运行经验，一般要求当三相同时施加从0到大于或等于额定一次电流的一次电流，并且变压器连接到规定的负载时，测得的二次侧残余电压不应超过15mV，这可以满足使用要求。（残余电压值也可以根据客户的特殊要求进行调整）。 铁芯优选磁导率高、剩磁低的纳米晶合金材料。该材料具有良好的过载特性，在过流冲击下容易恢复到初始磁状态。通过模拟一次侧各种接地故障电流的通过，可以控制和检测变压器的残余电压不会过大。然而，变压器的残余电压通常随着额定一次电流的增加而增加。但当铁芯达到磁饱和后，变压器二次侧的残余电压会急剧上升。 在设计变压器时，为了尽量减小一次电流对剩余电流互感器残余电压值的影响，在选择磁导率高、剩磁低的纳米晶合金制作铁芯的同时，可以采取适当增大铁芯截面积或减小二次绕组内阻等措施，共同降低剩余电流互感器的残余电压。 请注意，以上内容已翻译为越南语，但最后一段中的中文部分需要重新翻译。以下是完整的越南语翻译：

  Trong quá trình thiết kế biến áp, để giảm thiểu ảnh hưởng của dòng điện sơ cấp đến giá trị điện áp dư của biến áp dòng dư, khi chọn hợp kim nano tinh thể có độ thẩm thấu từ cao và độ từ dư thấp để làm lõi sắt, có thể áp dụng các biện pháp như tăng diện tích cắt ngang của lõi sắt hoặc giảm điện trở nội bộ của cuộn dây thứ cấp, nhằm giảm điện áp dư của biến áp dòng dư.