Tính toán tải thứ cấp của biến dòng

Giới thiệu

Trong các hệ thống bảo vệ điện áp trung thế, ngay cả một biến dòng được thiết kế hoàn hảo cũng có thể không cung cấp được tín hiệu sự cố đáng tin cậy nếu tải thứ cấp bị tính toán sai. Tải thứ cấp — tổng trở kháng được nối với các cực thứ cấp của CT — quyết định trực tiếp liệu CT của bạn có duy trì được độ chính xác trong các tình huống sự cố hay sẽ bị bão hòa và gửi tín hiệu bị sai lệch đến các rơle bảo vệ. Đối với các kỹ sư điện thiết kế các phương án bảo vệ điện áp trung thế và các nhà quản lý mua sắm tìm nguồn cung ứng biến dòng (CT) cho các trạm biến áp công nghiệp hoặc các đường dây phân phối điện, việc tính toán tải thứ cấp không chính xác là một trong những sai sót phổ biến nhất nhưng cũng gây hậu quả nghiêm trọng nhất trong lĩnh vực này. Hướng dẫn này cung cấp một phương pháp luận có cấu trúc, đạt tiêu chuẩn kỹ thuật để tính toán tải thứ cấp của biến dòng, bao quát mọi thành phần điện trở trong mạch thứ cấp, và chuyển đổi kết quả tính toán đó thành thông số kỹ thuật chính xác của biến dòng theo tiêu chuẩn IEC 61869-2.

Mục lục

• “Gánh nặng thứ cấp CT” là gì và bao gồm những gì?
• Làm thế nào để tính tổng chi phí phụ từng bước một?
• Tải trọng thứ cấp ảnh hưởng như thế nào đến việc lựa chọn CT để bảo vệ máy biến áp?
• Những lỗi tính toán tải phổ biến nhất trong mạch bảo vệ là gì?

“Gánh nặng thứ cấp CT” là gì và bao gồm những gì?

Gánh nặng thứ cấp do CT gây ra là trở kháng tổng (được biểu thị bằng VA hoặc Ω) tác động lên cuộn thứ cấp của CT bởi tất cả các thiết bị và dây dẫn được kết nối trong mạch thứ cấp. Đó không chỉ đơn thuần là trở kháng cuộn dây rơle — mà là tổng của mọi thành phần điện trở và điện dung mà dòng điện thứ cấp phải truyền qua.

Theo IEC 61869-2¹, tải định mức (Sₙ) của một CT bảo vệ được xác định tại dòng điện thứ cấp định mức (thường là 1A hoặc 5A) và hệ số công suất định mức (thường là cos φ = 0,8). CT phải duy trì cấp độ chính xác của mình cho đến giá trị tải này. Nếu vượt quá giá trị này, hệ số ALF hiệu dụng sẽ giảm — có thể xuống dưới mức yêu cầu về mức sự cố của hệ thống.

Các thành phần của gánh nặng thứ cấp do CT gây ra

Tổng gánh nặng thứ cấp bao gồm bốn yếu tố riêng biệt:

• Tải trọng rơle (S_relay): Dòng tiêu thụ VA của tất cả các rơle bảo vệ được kết nối — rơle quá dòng, rơle sự cố đất, rơle chênh lệch, rơle khoảng cách. Hiện đại rơle bảo vệ số² thường tiêu thụ 0,1–0,5 VA trên mỗi pha; rơle điện cơ có thể tiêu thụ 3–10 VA
• Tải trọng cáp (R_cable): Điện trở của hệ thống dây dẫn thứ cấp giữa các cực của CT và bảng rơle — thường là thành phần gây tải lớn nhất trong các hệ thống lắp đặt tại hiện trường
• Khối đầu cuối và điện trở kết nối (R_terminal): Con số này tuy nhỏ nhưng không thể bỏ qua trong các chuỗi thứ cấp dài; thông thường là 0,01–0,05 Ω cho mỗi cặp khối đầu nối
• Điện trở cuộn thứ cấp CT (R_ct): Điện trở cuộn dây bên trong của chính CT — không thuộc phần tải bên ngoài nhưng rất quan trọng đối với việc tính toán hệ số ALF; được đo ở nhiệt độ 75°C theo tiêu chuẩn IEC

Các thông số kỹ thuật chính cần xác nhận

• Dòng điện thứ cấp định mức: 1A hay 5A — sự lựa chọn này ảnh hưởng rất lớn đến tải trọng của dây cáp (dòng thứ cấp 5A gây ra sụt áp trên dây cáp gấp 25 lần so với dòng 1A khi có cùng mức điện trở)
• Hệ thống cách nhiệt: Đúc bằng nhựa epoxy, định mức 12 kV / 24 kV / 36 kV theo tiêu chuẩn IEC 61869
• Cấp độ chính xác: 5P hoặc 10P cho mạch bảo vệ
• Phạm vi tải định mức: Các giá trị tiêu chuẩn — 2,5VA, 5VA, 10VA, 15VA, 30VA
• Nhiệt độ hoạt động: Loại E (120°C) hoặc Loại F (155°C) — ảnh hưởng đến hệ số hiệu chỉnh Rct

Làm thế nào để tính tổng chi phí phụ từng bước một?

Việc tính toán gánh nặng thứ cấp một cách chặt chẽ được thực hiện theo quy trình bốn bước. Mỗi bước phải được hoàn tất trước khi xác định tiêu chuẩn CT — việc bỏ qua bất kỳ bước nào cũng có thể dẫn đến nguy cơ xác định tiêu chuẩn không đầy đủ.

Bước 1: Xác định tải của rơle

Lấy thông số tiêu thụ điện năng (VA) từ bảng dữ liệu kỹ thuật của nhà sản xuất rơle cho từng thiết bị được kết nối:

$S_{relay} = \sum_{i=1}^{n} S_{relay,i}$

Chuyển đổi VA sang điện trở ở dòng điện thứ cấp định mức:

$R_{relay} = \frac{S_{relay}}{I_{2n}^2}$

Ví dụ: Rơle quá dòng số = 0,3 VA, rơle sự cố đất = 0,2 VA, tổng cộng = 0,5 VA
Khi I₂ₙ = 5A: $R_{relay} = \frac{0,5}{25} = 0,02 \Omega$
Khi I₂ₙ = 1A: $R_{relay} = \frac{0,5}{1} = 0,5 , \Omega$

Bước 2: Tính toán điện trở của dây cáp

Đây là bước tính toán quan trọng nhất, đặc biệt đối với các hệ thống lắp đặt mà các biến dòng (CT) được đặt cách xa tủ rơle:

$R_{cable} = \frac{2 \times L \times \rho}{A}$

Địa điểm:

• $L$ = chiều dài cáp một chiều (mét)
• $\rho$ = điện trở suất của đồng³ = 0,0175 Ω·mm²/m (ở 20°C)
• $A$ = diện tích mặt cắt ngang của dây cáp (mm²)
• Yếu tố 2 bao gồm cả dây dẫn đi và dây dẫn về

Điều chỉnh nhiệt độ về 75°C:

$R_{cable,75} = R_{cable,20} × [1 + 0,00393 × (75 – 20)]$

$R_{cable,75} = R_{cable,20} × 1,216$

Ví dụ: Dây cáp dài 30m, đồng 2,5mm²:
$R_{cable,20} = \frac{2 \times 30 \times 0,0175}{2,5} = 0,42 \Omega$
$R_{cable,75} = 0,42 × 1,216 = 0,511 , \Omega$

Bước 3: Thêm điện trở đầu cuối và điện trở kết nối

Đối với một mạch thứ cấp điển hình có 6 cặp khối đầu nối:

$R_{terminal} = 6 × 0,03 = 0,18 , \Omega$

Bước 4: Tổng chi phí bên ngoài

$R_{tổng tải} = R_{rơle} + R_{dây cáp,75} + R_{đầu cuối}$

$R_{burden,total} = 0,02 + 0,511 + 0,018 = 0,549 , \Omega$

Chuyển đổi sang VA ở dòng điện thứ cấp định mức:

$S_{tải,tổng} = R_{tải,tổng} × I_{2n}^2 = 0,549 × 25 = 13,7 VA$

→ Chỉ định công suất định mức CT ≥ 15VA (giá trị tiêu chuẩn tiếp theo trên 13,7 VA)

So sánh tải: Mạch thứ cấp 1A so với 5A

Tham số	Lớp 1A Trung học cơ sở	Lớp 5A Trung học cơ sở
Tác động của điện trở dây cáp	Thấp (hiệu ứng I² ở mức tối thiểu)	Cao (mất VA gấp 25 lần)
Hệ số chuyển đổi (VA→Ω)	Điện trở (Ω) trên mỗi VA cao hơn	Giá trị Ω trên mỗi VA thấp hơn
Đường đi cáp được khuyến nghị	Tầm hoạt động thực tế lên đến 100m	Tốt nhất là giữ dưới 30m
Xếp hạng mức độ gánh nặng tiêu chuẩn	2,5VA–15VA (thông thường)	10VA–30VA (thông thường)
Kích thước lõi	Nhỏ hơn	Lớn hơn
Đơn đăng ký	Lắp đặt từ xa, đường dây cáp dài	Lắp đặt bảng điều khiển tại địa phương

Điểm chính cần lưu ý: Đối với các hệ thống CT cách bảng rơle hơn 20 mét, Ưu tiên hàng đầu là bằng tốt nghiệp trung học phổ thông — Tải trọng dây cáp ở cuộn thứ cấp 5A có thể tiêu thụ hết toàn bộ công suất định mức VA trước khi rơle nhận được tín hiệu.

Dự án khách hàng — Nhà thầu EPC hệ thống lưới điện, Trạm biến áp 33kV:
Một nhà thầu EPC tại Nam Á đã chỉ định sử dụng các biến dòng thứ cấp 5A cho một trạm biến áp ngoài trời 33kV, trong đó các hộp tập trung biến dòng được đặt cách bảng rơle chính 45 mét. Kết quả tính toán tải ban đầu (chỉ tính rơle) cho thấy 8VA — nằm hoàn toàn trong giới hạn tải định mức 15VA. Tuy nhiên, kỹ sư ứng dụng của Bepto đã tính toán lại bao gồm cả điện trở cáp: 45m × 2,5mm² đồng ở 75°C thêm vào 1,23 Ω = 30,7 VA đối với tải. Tổng tải vượt quá 38VA — gấp hơn hai lần mức định mức của CT. Thông số kỹ thuật đã được điều chỉnh sang sử dụng CT thứ cấp 1A với mức định mức tải 15VA, giải quyết vấn đề trước khi sản xuất. Chính phép tính này đã ngăn chặn được sự cố hỏng hóc toàn bộ hệ thống bảo vệ trên một đường dây phân phối đang hoạt động.

Tải trọng thứ cấp ảnh hưởng như thế nào đến việc lựa chọn CT để bảo vệ máy biến áp?

Sau khi tính toán được tổng tải thứ cấp, kết quả này sẽ trực tiếp quyết định ba thông số kỹ thuật của hệ thống CT: phân loại tải định mức, lựa chọn phân loại độ chính xác, và việc kiểm tra xem giá trị ALF thực tế có đáp ứng các yêu cầu về mức độ lỗi của hệ thống hay không.

Bước 1: Chọn loại tải định mức

Luôn chọn giá trị gánh nặng tiêu chuẩn tiếp theo cao hơn tổng gánh nặng đã tính của bạn:

• Gánh nặng tính toán = 13,7 VA → Chỉ định 15VA
• Tải trọng tính toán = 22VA → Chỉ định 30VA
• Không bao giờ nên chỉ định một CT có tải định mức bằng với tải tính toán — điều này sẽ khiến không còn dư địa nào

Bước 2: So sánh giá trị ALF thực tế với mức lỗi

Sau khi đã chọn tải định mức, hãy kiểm tra giá trị ALF thực tế bằng cách sử dụng:

$ALF_{thực tế} = ALF_{danh định} × \frac{R_{ct} + R_{tải,danh định}}{R_{ct} + R_{tải,thực tế}}$

Đảm bảo: $ALF_{thực tế} ≥ \frac{I_{sc,max}}{I_{1n}} \times 1,1$

Bước 3: Khuyến nghị về mức độ gánh nặng cụ thể cho từng ứng dụng

• Hệ thống phân phối điện trung áp công nghiệp (6–12 kV): 5A thứ cấp, 15VA, Loại 5P20 — dây cáp ngắn trong tủ MCC nhỏ gọn
• Trạm biến áp lưới điện (33–36 kV): 1 cuộn thứ cấp, 15VA, loại 5P30 — đường dây cáp dài dẫn đến các phòng rơle từ xa
• Hệ thống thu thập điện áp trung thế (33 kV) của trang trại năng lượng mặt trời: 1A thứ cấp, 10VA, Loại 10P10 — mức lỗi thấp hơn, tối ưu về chi phí
• Trạm biến áp vòng đô thị (12 kV): 1A thứ cấp, 5VA, Loại 5P20 — biến áp CT đúc epoxy nhỏ gọn, dành cho không gian hạn chế
• Nền tảng hàng hải / ngoài khơi: 1A thứ cấp, 10VA, Loại 5P20, bọc epoxy đạt tiêu chuẩn IP67 — môi trường ăn mòn

Ảnh hưởng của việc xác định chính xác tải trọng đối với độ tin cậy

• ✅ CT hoạt động trong vùng tuyến tính khi xảy ra sự cố → rơle nhận được tín hiệu dòng điện sự cố chính xác
• ✅ Rơle bảo vệ ngắt mạch theo đặc tính thời gian-dòng điện chính xác
• ✅ Hệ thống bảo vệ vi sai duy trì sự ổn định khi xảy ra sự cố xuyên qua
• ✅ Đảm bảo độ tin cậy và thời gian hoạt động của hệ thống trong mọi tình huống sự cố
• ❌ Các cảm biến CT quá tải → bộ chuyển mạch đo dòng sự cố không chính xác → ngắt mạch chậm trễ hoặc không ngắt được
• ❌ Mức đánh giá tải trọng không đủ chi tiết → hệ số an toàn thực tế (ALF) giảm → điểm mù về an toàn khi hệ số lỗi cao

Những lỗi tính toán tải phổ biến nhất trong mạch bảo vệ là gì?

Danh sách kiểm tra cài đặt và xác minh

1. Đo chiều dài thực tế của dây cáp — sử dụng bản vẽ hoàn công, không dùng bản vẽ thiết kế; việc định tuyến tại hiện trường làm tăng chiều dài tính toán thêm 15–25%
2. Lấy thông số tải của rơle từ bảng dữ liệu hiện tại — không dựa trên trí nhớ hay các thông số kỹ thuật của dự án trước đó; các mẫu rơle có sự khác biệt đáng kể
3. Áp dụng hiệu chỉnh nhiệt độ cho điện trở Rct và điện trở cáp — luôn tính toán ở nhiệt độ 75°C, không phải nhiệt độ môi trường
4. Liệt kê tất cả các khối đầu cuối — đặc biệt là tại các trạm phân luồng có nhiều dải đầu cuối trung gian
5. Kiểm tra bằng đồng hồ đo tải trong quá trình chạy thử — Đo điện trở vòng thứ cấp thực tế trước khi cấp điện
6. Kiểm tra xem có kết nối rơle song song không — Việc sử dụng nhiều rơle trên cùng một mạch thứ cấp của CT giúp giảm tải tổng thể nhưng đòi hỏi phải kiểm tra từng rơle riêng biệt

Những lỗi thường gặp dẫn đến sự cố hệ thống bảo vệ

• Sử dụng giá trị VA ghi trên nhãn kỹ thuật của rơle mà không điều chỉnh theo nhiệt độ — Điện trở của cuộn dây rơle điện cơ tăng đáng kể ở nhiệt độ hoạt động
• Bỏ qua điện trở của dây dẫn hồi — hệ số 2 trong công thức tính tải trọng cáp thường bị bỏ qua, khiến tải trọng cáp tính được giảm đi một nửa
• Giả sử tải trọng của rơle số bằng tải trọng của rơle điện cơ — Rơle số tiêu thụ công suất phản kháng (VA) ít hơn từ 10 đến 50 lần; việc chọn thông số quá cao gây lãng phí chi phí, nhưng việc chọn thông số quá thấp khi thay thế các rơle cũ lại dẫn đến sai sót
• Không tính toán lại tải sau khi di dời tủ phân phối — Việc thay đổi chiều dài cáp trong quá trình thi công là điều thường gặp và phải dẫn đến việc tính toán lại khối lượng công việc
• Xác định mức độ tải CT chỉ dựa trên khoảng cách đến phòng chuyển tiếp — không tính đến các hộp nối trung gian, các trạm tập trung và các khối đầu cuối thử nghiệm

Trường hợp khách hàng — Giám đốc mua sắm, Nhà máy hóa dầu công nghiệp:
Một giám đốc mua sắm tại một nhà máy hóa dầu ở Trung Đông đã đặt hàng các biến dòng thay thế dựa trên thông số kỹ thuật ban đầu của dự án năm 1995 — dòng thứ cấp 5A, 15VA, Loại 5P20. Bảng rơle đã được di dời trong quá trình mở rộng nhà máy năm 2018, khiến chiều dài đường cáp tăng từ 12m lên 38m. Không ai tính toán lại tải trọng. Sau khi thay thế CT, hệ thống bảo vệ quá dòng trên đường cấp điện động cơ 11kV đã không kích hoạt trong trường hợp sự cố chạm pha, gây hư hỏng cuộn dây động cơ. Phân tích sau sự cố cho thấy tải thực tế là 28,4VA — gần gấp đôi mức định mức 15VA của CT. Bepto hiện cung cấp Dịch vụ kiểm tra miễn phí việc tính toán gánh nặng thuế trong khuôn khổ tư vấn thay thế thuế thu nhập doanh nghiệp, đảm bảo tính chính xác của thông số kỹ thuật trước khi đặt hàng.

Kết luận

Việc tính toán tải thứ cấp của CT không chỉ là thủ tục hình thức — đây là một bước kỹ thuật nền tảng quyết định liệu toàn bộ hệ thống bảo vệ trung áp của bạn có hoạt động chính xác trong điều kiện sự cố hay không. Bằng cách tính toán một cách có hệ thống tải của rơle, điện trở cáp ở nhiệt độ hoạt động, điện trở khối đầu cuối, đồng thời đối chiếu kết quả với tải định mức của CT và các yêu cầu về hệ số ALF, các kỹ sư đảm bảo rằng các biến dòng điện (CT) sẽ cung cấp tín hiệu chính xác và đáng tin cậy khi hệ thống điện cần được bảo vệ nhất. Đối với hệ thống phân phối điện trung áp, trạm biến áp và các công trình công nghiệp, việc xác định đúng thông số tải là nền tảng của độ tin cậy bảo vệ.

Câu hỏi thường gặp về cách tính gánh nặng thứ cấp CT

1. Tiêu chuẩn quốc tế chính thức về các tiêu chí hiệu suất và độ chính xác của biến dòng. ↩

2. Các thiết bị kỹ thuật số hiện đại có mức tiêu thụ điện áp (VA) thấp hơn đáng kể so với các mẫu thiết bị điện cơ truyền thống. ↩

3. Hằng số vật lý tiêu chuẩn được sử dụng để tính toán sụt áp và tổn thất công suất trong hệ thống cáp thứ cấp. ↩

4. Thông số kỹ thuật quyết định khả năng duy trì độ chính xác của CT trong điều kiện dòng sự cố cao. ↩