Hai loại biến áp đo chính trong hệ thống điện.

I. Biến áp điện áp (VT)

Biến áp điện áp (Potential Transformer, viết tắt là PT; Voltage Transformer, viết tắt là VT) là thiết bị điện dùng để biến đổi mức điện áp trong các mạch điện.

1. Nguyên lý hoạt động

Biến áp điện áp hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ và có cấu trúc tương tự như biến áp thông thường, bao gồm chủ yếu là cuộn dây sơ cấp, cuộn dây thứ cấp và lõi sắt. Cuộn dây sơ cấp được đấu song song với mạch điện áp cao cần đo và có số vòng quấn lớn.

Cuộn dây thứ cấp, với số vòng quấn ít hơn, được kết nối với các thiết bị đo, rơ-le bảo vệ và các tải khác. Trong điều kiện hoạt động bình thường, phía thứ cấp gần như ở trạng thái mạch hở. Theo định luật cảm ứng điện từ, tỷ lệ giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp bằng tỷ lệ số vòng quấn (U₁/U₂ = N₁/N₂). Điều này cho phép điện áp cao được giảm tỷ lệ xuống mức điện áp chuẩn thấp (thường là 100V hoặc 100/√3 V), làm cho nó an toàn và phù hợp cho các thiết bị đo và bảo vệ.

Ký hiệu điện của nó như sau:

2. Chức năng

• Đo điện áp: Giảm điện áp hệ thống cao xuống mức điện áp chuẩn thấp (ví dụ: 100V hoặc 100/√3 V) để sử dụng bởi đồng hồ voltmeter, đồng hồ đo năng lượng và các thiết bị đo khác, cho phép theo dõi điện áp hệ thống điện thực tế.
• Bảo vệ rơ-le: Cung cấp tín hiệu điện áp đáng tin cậy cho rơ-le bảo vệ cho các chức năng bảo vệ quá điện áp, thiếu điện áp và các chức năng bảo vệ khác. Khi xảy ra điều kiện điện áp bất thường, hệ thống bảo vệ phản ứng nhanh chóng, kích hoạt lệnh nhảy để cách ly mạch lỗi và đảm bảo an toàn cho hệ thống và thiết bị.
• Đo năng lượng và thanh toán: Làm việc cùng với đồng hồ đo năng lượng để đo chính xác mức tiêu thụ điện trong các mạch điện áp cao. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc tính phí và thanh toán năng lượng.

3. Đặc điểm

• Độ chính xác cao: Biến áp điện áp đo lường có độ chính xác cao (ví dụ: 0,2, 0,5) để đảm bảo đo lường điện áp và năng lượng chính xác. Biến áp điện áp bảo vệ ưu tiên phản ứng nhanh và có độ chính xác tương đối thấp hơn (ví dụ: 3P, 6P).
• Yêu cầu cách điện cao: Biến áp điện áp cao phải chịu được điện áp hoạt động cao và thường sử dụng cách điện ngâm dầu, khí SF₆ hoặc nhựa rắn để có hiệu suất ổn định và đáng tin cậy. Biến áp điện áp thấp chủ yếu là loại khô, có cấu trúc đơn giản và dễ bảo trì.
• Phía thứ cấp không được ngắn mạch: Một ngắn mạch trên phía thứ cấp có thể tạo ra dòng điện cực lớn, có thể gây nóng chảy và phá hủy cuộn dây. Do đó, mạch thứ cấp phải được bảo vệ bằng cầu chì hoặc aptomat nhỏ.

4. Môi trường ứng dụng

• Ứng dụng điện áp cao: Phù hợp cho các đường dây truyền tải và trạm biến áp có điện áp từ 1 kV trở lên (ví dụ: hệ thống 10 kV, 35 kV, 110 kV). Dùng để theo dõi điện áp busbar hoặc đường dây và cung cấp đầu vào cho hệ thống bảo vệ, đảm bảo vận hành lưới điện an toàn và ổn định.
• Ứng dụng điện áp thấp: Áp dụng cho các hệ thống phân phối dưới 1 kV (ví dụ: mạch điện dân dụng 220V, hệ thống công nghiệp 380V). Thường được lắp đặt trong tủ phân phối điện áp thấp để theo dõi điện áp phía người tiêu dùng hoặc kết nối với đồng hồ đo năng lượng để đo lường điện năng.

II. Biến áp dòng điện (CT)

Biến áp dòng điện (CT), còn được gọi là biến dòng, là một biến áp đo lường mà trong điều kiện hoạt động bình thường, tạo ra dòng điện thứ cấp tỷ lệ với dòng điện sơ cấp, với sai số pha gần như bằng không khi kết nối đúng.

1. Nguyên lý hoạt động

Biến áp dòng điện hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ và có cấu trúc tương tự như biến áp thông thường, bao gồm cuộn dây sơ cấp, cuộn dây thứ cấp và lõi sắt. Cuộn dây sơ cấp được đấu nối tiếp với mạch cần đo và có rất ít vòng quấn (đôi khi chỉ một vòng), mang dòng điện sơ cấp cao.

Cuộn dây thứ cấp, với nhiều vòng quấn hơn, được kết nối nối tiếp với các thiết bị đo, rơ-le bảo vệ và các tải khác, tạo thành một mạch kín. Trong điều kiện hoạt động bình thường, phía thứ cấp gần như ở trạng thái mạch ngắn. Theo nguyên lý cảm ứng điện từ, tỷ lệ giữa dòng điện sơ cấp và thứ cấp tỷ lệ nghịch với tỷ lệ số vòng quấn (I₁/I₂ = N₂/N₁). Điều này cho phép dòng điện lớn được giảm tỷ lệ xuống mức dòng điện chuẩn thấp (thường là 5A hoặc 1A), giúp đo lường, theo dõi và bảo vệ.

Ký hiệu điện của nó như sau:

Tỷ lệ giữa dòng điện định mức sơ cấp và thứ cấp của biến áp dòng điện được gọi là tỷ lệ biến đổi dòng điện (Ke). Công thức biểu diễn tỷ lệ biến đổi dòng điện là:

Lưu ý:

• W₁, W₂ là số vòng quấn của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của biến áp, tương ứng;
• I₁ₑ, I₂ₑ là dòng điện định mức của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, tương ứng;
• I₁, I₂ là dòng điện thực tế của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, tương ứng.

2. Chức năng

• Đo dòng điện: Giảm dòng điện sơ cấp cao xuống mức dòng điện thứ cấp chuẩn (ví dụ: 5A hoặc 1A), cho phép ampermet, đồng hồ đo năng lượng và các thiết bị khác theo dõi dòng điện tải thực tế.
• Bảo vệ rơ-le: Cung cấp tín hiệu dòng điện cho rơ-le bảo vệ cho các chức năng bảo vệ quá dòng, chênh lệch và khoảng cách. Khi xảy ra sự cố như ngắn mạch hoặc quá tải, hệ thống bảo vệ kích hoạt tín hiệu nhảy để ngắt nguồn điện, ngăn ngừa hỏng hóc thiết bị và mất ổn định hệ thống.
• Cách ly điện: Cung cấp cách ly điện giữa mạch sơ cấp có điện áp/dòng điện cao và mạch thứ cấp có điện áp thấp dùng để đo lường, kiểm soát và bảo vệ. Điều này đảm bảo an toàn cho nhân viên và thiết bị thứ cấp.

3. Đặc điểm

• Độ tin cậy cao: Phải chịu được các ứng lực cơ học và nhiệt trong các sự cố ngắn mạch. CT được thiết kế với độ ổn định động và nhiệt xuất sắc để giữ nguyên vẹn trong các điều kiện sự cố cực đoan.
• Thiết kế nhiều cuộn dây: Biến áp dòng điện cao thường có nhiều cuộn dây thứ cấp - một cuộn cho đo lường (độ chính xác cao, ví dụ: lớp 0,5) và một cuộn cho bảo vệ (phạm vi rộng và phản ứng nhanh, ví dụ: lớp 5P hoặc 10P). Biến áp dòng điện thấp thường có một hoặc hai cuộn dây để đáp ứng nhu cầu ứng dụng cơ bản.
• Phía thứ cấp không được mở mạch: Một mạch hở trên phía thứ cấp có thể tạo ra điện áp cực kỳ cao (lên đến vài kV) trên cuộn dây, gây nguy cơ hỏng cách điện, hỏng thiết bị và giật điện. Do đó, mạch thứ cấp phải luôn đóng trong quá trình hoạt động - việc mở mạch là tuyệt đối không được phép.

4. Môi trường ứng dụng

• Ứng dụng điện áp cao: Được sử dụng trong các đường dây truyền tải và trạm biến áp có điện áp từ 1 kV trở lên (ví dụ: hệ thống 10 kV, 35 kV, 110 kV). Được áp dụng rộng rãi trong việc theo dõi dòng điện và bảo vệ các thiết bị quan trọng như biến áp, cầu dao và busbar, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tin cậy và an toàn của lưới điện.
• Ứng dụng điện áp thấp: Được áp dụng trong các hệ thống phân phối dưới 1 kV (ví dụ: xưởng công nghiệp, tòa nhà thương mại, khu dân cư). Thường được lắp đặt trong tủ phân phối điện áp thấp hoặc bảng phân phối để theo dõi các nhánh mạch, đo lường năng lượng hoặc tích hợp với thiết bị chống dòng rò (RCDs) và đồng hồ thông minh để quản lý sử dụng điện an toàn và hiệu quả.