Hệ Giới Hạn Dòng Điện Siêu Nhanh (FCL): Giải Pháp Cách Mạng Với Tính Năng Ngắt Trong Vòng Mili giây và Lợi ích Kinh tế

Tổng quan: Đổi mới về Tốc độ và Kinh tế trong Bảo vệ Mạch ngắn

Giải pháp này tập trung vào thiết bị hạn chế dòng điện mạch ngắn siêu nhanh, được thiết kế để giải quyết căn bản thách thức ngày càng tăng của dòng điện mạch ngắn quá mức và đảm bảo an toàn cho lưới điện và thiết bị.

1.1 Đặc điểm chính

Tốc độ ngắt siêu nhanh: Phát hiện sự cố và hạn chế dòng điện trong 1 miligiây, hiệu quả kiềm chế dòng điện mạch ngắn trước khi đạt đỉnh dự kiến.
Năng lực ngắt cao:

Phù hợp với hệ thống 12kV/17.5kV: Năng lực ngắt tối đa 210kA (RMS).
Áp dụng cho hệ thống 24kV/36kV/40.5kV: Năng lực ngắt tối đa 140kA (RMS).

1.2 Ưu điểm chính

Hiệu quả kinh tế: Hoạt động song song với cuộn cảm hạn chế dòng điện để cung cấp giải pháp hạn chế tiết kiệm nhất. Tránh việc thay thế toàn bộ bảng điều khiển hoặc biến áp do tăng dòng điện mạch ngắn, giảm đáng kể đầu tư vào trạm biến áp mới hoặc nâng cấp.
Tương thích rộng rãi: Tối ưu cho việc kết nối thiết bị phân phối và trạm biến áp; trong nhiều trường hợp (ví dụ, vận hành song song nhiều biến áp), đây là giải pháp kỹ thuật duy nhất khả thi.
Độ tin cậy vượt trội:

Trên 60 năm kinh nghiệm hoạt động toàn cầu (được phát minh vào năm 1955), đã được kiểm chứng trong hàng nghìn dự án trên toàn thế giới.
Thống kê từ gần 4.000 đơn vị cho thấy tần suất hoạt động trung bình chỉ một lần mỗi bốn năm, chứng tỏ hiệu suất ổn định và đáng tin cậy.

Câu hỏi và trả lời kỹ thuật chính

STT	Câu hỏi chính	Trả lời chính
1	Dòng điện mạch ngắn đỉnh là gì?	Giá trị tức thời lớn nhất trong chu kỳ đầu tiên sau khi xảy ra sự cố mạch ngắn, do sự chồng chập của các thành phần tuần hoàn và không tuần hoàn. Nó tạo ra lực điện từ rất lớn (kiểm tra độ ổn định động) và nhiệt (kiểm tra độ ổn định nhiệt).
2	Tại sao phải hạn chế dòng điện mạch ngắn đỉnh?	Dòng điện đỉnh vượt quá thông số chịu đựng của thiết bị có thể gây hư hỏng thiết bị phân phối, công tắc cắt, biến dòng, và đầu nối cáp thông qua lực điện từ mạnh.
3	Làm thế nào để thích ứng với vận hành song song nhiều biến áp?	Đối với thiết bị phân phối có khả năng chịu đựng 2Ik, trong hệ thống có bốn biến áp (4Ik) chạy song song, có thể thích ứng hoàn hảo bằng cách lắp đặt thiết bị hạn chế dòng điện nhanh giữa các đoạn bus (ví dụ, giữa đoạn 1-2 và 3-4).
4	Tiêu chí ngắt là gì? Làm thế nào để tránh ngắt sai?	Đơn vị điều khiển đồng thời theo dõi dòng điện tức thời (I) và tốc độ tăng dòng điện (di/dt). Chỉ khi cả hai đều vượt quá ngưỡng đặt, ngắt mới được kích hoạt. Tiêu chí kép này đảm bảo chỉ ngắt các dòng điện mạch ngắn nguy hiểm, trong khi các sự cố thông thường được xử lý bởi công tắc cắt hạ lưu.
5	Làm thế nào để bảo dưỡng sau khi hoạt động?	Thành phần hoạt động chính (cầu dẫn) có thiết kế mô-đun và có thể được gửi đi sửa chữa. Chỉ cần thay thế lõi dẫn, vật liệu dẫn từ và cầu chì song song; các thành phần khác có thể tái sử dụng, đảm bảo chi phí bảo dưỡng rất thấp.

Chức năng và giá trị cốt lõi

3.1 Chức năng cốt lõi

Phát hiện và hạn chế sự cố trong giai đoạn tăng ban đầu của dòng điện mạch ngắn (trong 1ms), hiệu quả ngăn chặn thiệt hại cho thiết bị điện do thiếu độ ổn định động và nhiệt. Nó bù đắp hoàn hảo cho những hạn chế cố hữu của công tắc cắt truyền thống - "chậm phản ứng và không thể ức chế đỉnh dòng điện nửa sóng đầu tiên."

3.2 Ưu điểm so sánh

Đối tượng so sánh	Chi tiết ưu điểm
Công tắc cắt truyền thống	Công tắc cắt mất vài chục miligiây để ngắt, không thể tránh tác động của đỉnh dòng điện đầu tiên. Thiết bị hạn chế này phản ứng trong 1ms, hạn chế dòng điện mạch ngắn thực tế ở mức thấp hơn.
Cuộn cảm hạn chế dòng điện	Tránh giảm điện áp, tổn thất chủ động (tổn thất đồng) và tổn thất phản kháng liên quan đến cuộn cảm hoạt động liên tục. Cũng loại bỏ nhu cầu giải quyết vấn đề điều chỉnh máy phát do tích hợp cuộn cảm.

3.3 Các kịch bản áp dụng

Nhà máy điện
Trạm biến áp lưới công nghiệp lớn
Các mạch/key cụ thể: Mạch cấp nguồn biến áp/máy phát, đoạn nối bus, ứng dụng bypass cuộn cảm, và điểm kết nối giữa lưới và nguồn điện độc lập.

Cấu trúc và thiết kế

4.1 Thành phần tổng thể

Thiết bị hạn chế dòng điện nhanh hệ thống ba pha bao gồm:

3 cơ sở cầu dẫn
3 cầu dẫn
3 biến dòng tương thích
1 đơn vị điều khiển

4.2 Chi tiết thành phần chính

Tên thành phần	Thành phần / Đặc điểm	Tham số / Quy tắc chính
Cơ sở cầu dẫn	Bao gồm tấm gắn, cách điện, biến áp xung, và kết nối nhanh	- Dòng định mức ≥2500A và điện áp 12/17.5kV: Kết nối bằng vít. - Biến áp xung: ≤17.5kV (chỉ lắp ở dưới); ≥24kV (lắp ở cả trên và dưới để cách ly đáng tin cậy).
Cầu dẫn	Lõi dẫn và vật liệu dẫn từ được bọc trong vỏ cách điện	Khi ngắt, vật liệu dẫn từ được kích hoạt, đẩy lõi dẫn nhanh chóng gãy tại điểm cắt sẵn; dòng điện sau đó chuyển sang cầu chì song song.
Biến dòng tương thích	Loại bushing hoặc khối, nối tiếp trong mạch chính	Có lõi có khe hở (hệ số dòng điện quá tải cao, từ tính còn lại thấp) và cuộn sơ cấp/ thứ cấp được che chắn (độ trở thấp) để đảm bảo độ chính xác và tốc độ đo.
Đơn vị điều khiển	Bao gồm nguồn điện, điều khiển, chỉ báo, và đơn vị chống nhiễu	- Kích thước: 600mm (W) × 1450mm (H) × 300mm (D); trọng lượng: 100kg. - Đơn vị chỉ báo: 5 rơle cờ (chỉ báo ngắt 3 pha + giám sát sẵn sàng + giám sát nguồn điện).

Nguyên lý hoạt động: Đạt được hạn chế dòng điện trong 1ms

5.1 Thành phần cốt lõi

Thiết bị này về cơ bản là một tổ hợp song song thông minh của hai thành phần:

"Công tắc cực nhanh (cầu dẫn)": Mang dòng định mức trong hoạt động bình thường và mở tức thì khi có sự cố.
"Cầu chì có năng lực ngắt cao": Cuối cùng ngắt dòng điện cao sau khi công tắc mở.

5.2 Thứ tự hoạt động

Phát hiện: Biến dòng tương thích (CTs) liên tục thu thập tín hiệu dòng điện; đơn vị điều khiển tính toán dòng điện tức thời (I) và tốc độ tăng dòng điện (di/dt).
Đánh giá: Khi cả I và di/dt vượt quá giá trị đặt, đơn vị điều khiển ngay lập tức phát lệnh ngắt (đánh giá và kích hoạt độc lập cho từng pha).
Ngắt: Cầu tụ phóng điện vào biến áp xung, kích hoạt vật liệu dẫn từ trong cầu dẫn. Điều này tạo ra khí áp suất cao, khiến lõi dẫn gãy tại điểm cắt sẵn trong 1ms.
Hạn chế dòng điện: Kháng hồ quang tăng nhanh, chuyển dòng điện sang cầu chì song song. Cầu chì bắt đầu hạn chế trong 0.5ms và dập tắt hồ quang hoàn toàn tại điểm zero dòng điện tiếp theo, làm sạch sự cố.

5.3 Đơn vị hỗ trợ

Đơn vị nguồn điện: Cung cấp nguồn DC 150V để sạc cầu tụ và cấp nguồn cho các thành phần điện tử. Bao gồm mạch canh gác để theo dõi sức khỏe hệ thống.
Đơn vị chống nhiễu: Tất cả dây dẫn bên ngoài đi qua đơn vị này, cung cấp bảo vệ hiệu quả chống nhiễu điện từ bên ngoài và ngăn chặn hoạt động sai.

Khởi động và thử nghiệm

6.1 Yêu cầu thử nghiệm

Yêu cầu thử nghiệm chức năng định kỳ, có thể được thực hiện bởi người dùng hoặc kỹ sư dịch vụ ABB.

6.2 Thiết bị chuyên dụng

Mô phỏng: Thay thế tạm thời cầu dẫn trong quá trình thử nghiệm. Đèn neon tích hợp sáng lên khi nhận xung ngắt, chỉ báo hoạt động đúng.
Ổ cắm thử nghiệm & Thiết bị thử nghiệm: Sử dụng để kiểm tra điện áp đầu ra ngắt và chức năng tổng thể. Giao diện thân thiện và dễ sử dụng (kích thước: 400×215×320mm; trọng lượng: 11kg).

Phạm vi cung cấp và tham số

7.1 Mô hình cung cấp

Loại mô hình	Kịch bản áp dụng	Cấu hình cốt lõi
Thành phần rời	Cho việc lắp đặt trong thiết bị phân phối hiện có	3 cơ sở + 3 cầu dẫn + 3 CTs + 1 đơn vị điều khiển
Tủ rút	Cho thiết bị phân phối kim loại	Cầu dẫn được gắn trên xe rút (có chức năng công tắc cách ly); CTs cố định; đơn vị điều khiển được lắp trong khoang điện áp thấp
Tủ cố định	- Cho hệ thống 12/17.5/24kV - Bắt buộc cho hệ thống 36/40.5kV	Tất cả thành phần cố định bên trong tủ. Đối với hệ thống 36/40.5kV, đơn vị điều khiển thường được lắp trong hộp điều khiển riêng.

7.2 Tham số kỹ thuật chính (Ví dụ: Thành phần rời)

Lưu ý: ¹ chỉ cần làm mát bằng không khí ép; tương thích với tần số 50/60Hz.

Tham số kỹ thuật	Đơn vị	12kV	17.5kV	24kV	36/40.5kV
Điện áp định mức	V	12000	17500	24000	36000/40500
Dòng định mức	A	1250-5000¹	1250-4000¹	2500-4000¹	1250-3000¹
Dòng ngắt mạch ngắn định mức (tối đa.)	kA RMS	210	210	210	140

Các kịch bản áp dụng điển hình

Kịch bản áp dụng	Vấn đề cốt lõi	Giá trị giải pháp
Vận hành song song hệ thống	Dòng điện mạch ngắn từ nhiều biến áp chạy song song vượt quá giới hạn thiết bị phân phối	1. Cho phép giảm trở kháng hệ thống, giảm thiểu giảm điện áp. 2. Tối ưu hóa phân phối tải biến áp, giảm tổn thất. 3. Cho phép chuyển tải không gián đoạn trong sự cố, cải thiện độ tin cậy cung cấp.
Kết nối lưới - nguồn điện độc lập	Vận hành máy phát độc lập gây ra dòng điện mạch ngắn quá mức tại điểm kết nối chung	Giải pháp duy nhất hợp lý. Có thể được trang bị ngắt theo hướng (yêu cầu CT tại trung tính máy phát) để đảm bảo hoạt động chỉ cho sự cố phía lưới.
Bypass cuộn cảm hạn chế dòng điện	Cuộn cảm hoạt động liên tục gây tổn thất và giảm điện áp	Bypass cuộn cảm trong hoạt động bình thường (không có tổn thất, không có giảm điện áp); ngắt nhanh chóng trong sự cố mạch ngắn, chuyển dòng điện sang cuộn cảm để hạn chế.
Ứng dụng chọn lọc nhiều đơn vị	Yêu cầu vận hành chọn lọc khi lắp nhiều thiết bị hạn chế trên các đoạn bus nhiều phần	Sử dụng tiêu chí "tổng vectơ dòng điện" để đảm bảo chỉ thiết bị hạn chế gần nhất với sự cố hoạt động. Hỗ trợ tới 5 biến áp chạy song song (sử dụng 4 thiết bị hạn chế).