Tại sao hiện tượng từ hóa lõi lại gây ra hiện tượng ngắt rơle sai

Giới thiệu

Trong số các nguyên nhân gây ra sự cố khiến các rơle bảo vệ hoạt động sai trong hệ thống điện trung áp của các nhà máy công nghiệp, từ dư trong lõi — tức là từ thông dư còn lại bị giữ lại trong lõi sắt của biến dòng sau khi dòng điện sơ cấp đã ngừng — là hiện tượng thường bị hiểu lầm một cách có hệ thống nhất và cũng là nguyên nhân thường bị chẩn đoán sai nhất. Khi một nhà máy công nghiệp gặp phải sự cố ngắt bảo vệ giả không thể liên hệ với bất kỳ sự cố thực tế nào, quá trình điều tra thường tập trung vào các thông số cài đặt của rơle, phần cứng của rơle và hệ thống dây dẫn mạch thứ cấp. Lõi CT hiếm khi được kiểm tra. Tuy nhiên, trong một tỷ lệ đáng kể các trường hợp ngắt mạch giả không thể giải thích được — đặc biệt là những trường hợp xảy ra trong quá trình cấp điện cho máy biến áp, khởi động động cơ hoặc đóng lại mạch sau sự cố — từ thông dư của lõi CT là nguyên nhân gốc rễ, và không có bất kỳ sự điều chỉnh cài đặt rơle nào có thể ngăn chặn sự tái diễn cho đến khi tình trạng từ dư được xác định và khắc phục.

Câu trả lời trực tiếp là như sau: Tính từ dư của lõi CT gây ra hiện tượng ngắt rơle sai do từ thông dư còn lại trong lõi CT sau sự cố hoặc khi tiếp xúc với dòng điện một chiều làm dịch chuyển điểm hoạt động của lõi trên đường cong từ hóa B-H, khiến CT bão hòa sớm hơn và nghiêm trọng hơn trong quá trình chuyển tiếp cấp điện tiếp theo — tạo ra dạng sóng dòng điện thứ cấp bị biến dạng, chứa độ lệch DC lớn và các thành phần hài, mà các rơle bảo vệ chống hồ quang và quá dòng giải thích là dấu hiệu của dòng điện sự cố, từ đó kích hoạt quyết định ngắt mạch trên một mạch đang hoạt động bình thường.

Đối với các kỹ sư bảo vệ thiết bị công nghiệp, đội ngũ bảo trì hệ thống điện trung áp và các chuyên gia về hệ thống bảo vệ chống hồ quang đang khắc phục sự cố liên quan đến các hoạt động bất thường của rơle, tài liệu hướng dẫn này cung cấp giải thích kỹ thuật đầy đủ về cơ chế hình thành từ dư trong lõi, cách thức nó gây ra hiện tượng ngắt mạch sai, cũng như phương pháp chẩn đoán, khắc phục và phòng ngừa các sự cố hệ thống bảo vệ do từ dư gây ra.

Mục lục

• Tính từ dư lõi CT là gì và nó hình thành như thế nào trong các hệ thống điện áp trung bình của nhà máy công nghiệp?
• Tính từ dư của lõi gây ra hiện tượng bão hòa CT và hiện tượng ngắt rơle sai như thế nào?
• Làm thế nào để chẩn đoán hiện tượng báo động giả do từ dư gây ra trong các hệ thống bảo vệ nhà máy công nghiệp?
• Làm thế nào để khắc phục hiện tượng từ dư của lõi CT và ngăn ngừa sự tái diễn trong các hệ thống bảo vệ chống hồ quang điện áp trung bình?
• Các câu hỏi thường gặp về từ dư lõi CT và hiện tượng ngắt rơle giả trong các ứng dụng tại nhà máy công nghiệp

Tính từ dư lõi CT là gì và nó hình thành như thế nào trong các hệ thống điện áp trung bình của nhà máy công nghiệp?

Lõi sắt của một máy biến dòng là một vật liệu sắt từ, trong đó tính chất từ tính của nó được mô tả bởi đường cong từ hóa B-H — mối quan hệ giữa mật độ từ thông B trong lõi và lực từ hóa H tác dụng lên nó. Đường cong B-H của một vật liệu sắt từ không phải là một mối quan hệ tuyến tính đơn giản — đó là một vòng lặp từ trễ, có nghĩa là Mật độ từ thông trong lõi không chỉ phụ thuộc vào lực từ hóa hiện tại mà còn phụ thuộc vào lịch sử từ hóa trước đó¹.

Khi lực từ hóa H giảm xuống 0 — khi dòng điện sơ cấp ngừng chảy — mật độ từ thông B không trở về 0. Nó vẫn duy trì ở một giá trị dư được gọi là mật độ từ thông dư Br, có thể lên tới 70–80% mật độ từ thông bão hòa Bsat đối với thép silic định hướng hạt được sử dụng trong lõi biến áp². Dòng từ dư này — còn gọi là từ dư — bị khóa trong cấu trúc vùng từ của lõi và tồn tại vô thời hạn cho đến khi được loại bỏ một cách có chủ đích thông qua quá trình khử từ hoặc bị ghi đè bởi một lực từ hóa ngược chiều đủ mạnh.

Các cơ chế phát triển từ dư trong hệ thống điện trung áp của các nhà máy công nghiệp

Các hệ thống điện trung áp trong nhà máy công nghiệp khiến lõi CT phải chịu các điều kiện gây ra từ dư thường xuyên hơn nhiều so với các hệ thống phân phối điện thông thường — bởi vì sự kết hợp giữa tải động cơ lớn, các sự cố thường xuyên và hoạt động của hệ thống bảo vệ hồ quang tạo ra một chuỗi các điều kiện dòng điện khiến lõi CT dần dần chuyển sang trạng thái có từ dư cao.

Cơ chế 1: Độ lệch DC dòng sự cố không đối xứng

Nguồn từ dư đáng kể nhất trong các hệ thống CT tại các nhà máy công nghiệp. Khi xảy ra sự cố trên hệ thống điện trung áp, Dòng điện sự cố chứa một thành phần dịch chuyển DC, độ lớn của thành phần này phụ thuộc vào vị trí trên sóng nơi sự cố bắt đầu và tỷ số x/r của hệ thống³:

$i_{fault}(t) = I_{peak} \times \left[\sin(\omega t + \phi) – \sin(\phi) \times e^{-t/\tau}\right]$

Ở đâu $\phi$ là góc khởi đầu của vết nứt và $\tau = L/R$ là hằng số thời gian DC. Đối với các hệ thống điện trung áp trong nhà máy công nghiệp có tỷ số X/R từ 15 đến 30, hằng số thời gian DC là 48–95 ms — có nghĩa là thành phần lệch DC duy trì trong 5–10 chu kỳ tần số nguồn trước khi suy giảm xuống mức có thể bỏ qua.

Thành phần dòng điện một chiều của dòng điện sự cố đẩy điểm hoạt động của lõi CT dần dần về phía bão hòa theo một hướng trên đường cong B-H. Khi sự cố được loại bỏ bởi rơle bảo vệ — thường trong vòng 60–200 ms — từ thông do dòng điện một chiều tạo ra vẫn tồn tại trong lõi dưới dạng từ dư. Độ lớn của từ thông dư phụ thuộc vào độ lớn của độ lệch dòng điện một chiều và thời gian loại bỏ sự cố:

$B_{remanent} ≈ B_{sat} × (1 – e^(-t_{clearing} / τ_{core})) × sin(φ)$

Đối với góc khởi phát sự cố trong trường hợp xấu nhất ($\phi$ = 90°) với thời gian xả từ trường là 100 ms, từ thông dư có thể đạt 60–751 TP3T so với Bsat.

Cơ chế 2: Dòng ngắt mạch một chiều của rơle bảo vệ

Các rơle bảo vệ hồ quang và một số rơle quá dòng sử dụng dòng điện cuộn dây ngắt DC để kích hoạt cơ chế ngắt của cầu dao. Khi dòng điện cuộn dây ngắt chạy qua mạch thứ cấp của biến dòng — điều này có thể xảy ra do hiện tượng ghép cảm hoặc qua các kết nối đất chung trong một số cấu hình hệ thống dây điện tại các nhà máy công nghiệp — nó sẽ tạo ra một lực từ hóa DC tác động lên lõi biến dòng, khiến lõi này chuyển sang trạng thái từ dư, không phụ thuộc vào bất kỳ điều kiện dòng điện sơ cấp nào.

Cơ chế 3: Dòng điện khởi động của máy biến áp

Khi máy biến áp trung áp được cấp điện, dòng điện khởi động chứa một thành phần lệch DC lớn có thể tồn tại trong khoảng 0,5–2 giây — lâu hơn nhiều so với thành phần lệch DC của dòng điện sự cố. Đối với các CT được lắp đặt trên đường cấp nguồn sơ cấp của máy biến áp, sự tiếp xúc DC kéo dài này đẩy lõi đến mức từ dư gần bão hòa. Nếu máy biến áp sau đó bị ngắt điện và cấp điện trở lại — một tình huống thường gặp trong quá trình vận hành và bảo trì nhà máy công nghiệp — lõi CT sẽ tích lũy từ dư từ mỗi sự kiện cấp điện.

Cơ chế 4: Kiểm tra mạch thứ cấp bằng nguồn điện một chiều

Việc kiểm tra điện trở cách điện của mạch thứ cấp CT bằng máy đo điện trở DC 500 V hoặc 1.000 V sẽ áp dụng điện áp DC vào cuộn dây thứ cấp của CT. Nếu cuộn dây thứ cấp không bị ngắn mạch trong quá trình kiểm tra điện trở cách điện — một lỗi kiểm tra thường gặp — điện áp thử nghiệm DC sẽ tạo ra dòng điện từ hóa đi qua lõi CT, để lại trạng thái từ dư có thể không được nhận ra là hiện tượng giả do quá trình kiểm tra gây ra.

Các thông số kỹ thuật chính xác định từ dư của lõi CT:

Tham số	Định nghĩa	Giá trị điển hình	Ảnh hưởng đến hiệu suất
Mật độ từ thông dư (Br)	Giá trị dư B khi H = 0	0,8–1,4 T (60–801 TP3T của Bsat)	Dịch điểm hoạt động về phía trạng thái bão hòa
Mật độ dòng bão hòa (Bsat)	Giá trị B tối đa ở nồng độ H cao	1,8–2,0 T đối với thép silic	Xác định ngưỡng bắt đầu bão hòa
Lực cưỡng chế (Hc)	H cần thiết để đưa B về 0	10–50 A/m đối với thép lõi CT	Xác định dòng điện khử từ cần thiết
Hằng số thời gian DC (τ)	Dòng điện sự cố trong mạch L/R	20–100 ms đối với các hệ thống MV	Xác định thời gian duy trì độ lệch DC
Hệ số từ dư (Kr)	Br/Bsat	0,6–0,8 đối với lõi CT tiêu chuẩn	Tiêu chuẩn IEC 61869-2 quy định Kr ≤ 0,1 đối với lõi loại PR
Tiêu chuẩn áp dụng	IEC 61869-2 Loại PR	Thông số kỹ thuật lõi được bảo vệ khỏi hiện tượng từ dư	Giá trị Kr ≤ 0,1 đạt được nhờ khe hở không khí trong lõi

Tính từ dư của lõi gây ra hiện tượng bão hòa CT và hiện tượng ngắt rơle sai như thế nào?

Quá trình dẫn đến hiện tượng ngắt rơle giả do từ dư lõi bao gồm một chuỗi các sự kiện điện từ cụ thể xảy ra trong vài chu kỳ đầu tiên của dòng điện chính sau khi trạng thái từ dư đã được thiết lập — thường là trong quá trình cấp điện cho máy biến áp, khởi động động cơ hoặc đóng lại mạch sau khi sự cố đã được khắc phục.

Dãy từ trạng thái dư từ đến trạng thái bão hòa

Giai đoạn 1: Từ thông dư tạo ra điểm làm việc dịch chuyển

Sau một sự cố, lõi CT vẫn còn lưu giữ từ thông dư Br. Trên đồ thị B-H, điểm hoạt động của lõi nằm tại (H=0, B=Br) — bị dịch chuyển khỏi gốc tọa độ do từ thông dư. Biên độ dao động từ thông khả dụng trước khi bão hòa hiện là:

$\Delta B_{có sẵn} = B_{bão hòa} – B_{còn lại}$

Đối với một lõi có Bsat = 1,9 T và Bremanent = 1,3 T (68% so với Bsat), biên độ từ thông khả dụng chỉ là 0,6 T — so với 1,9 T đối với một lõi đã được khử từ hoàn toàn. Khả năng tái tạo dòng điện sơ cấp chính xác của CT tỷ lệ thuận với dao động từ thông có sẵn — một lõi có từ dư 68% chỉ có 32% công suất từ thông bình thường có sẵn để tái tạo dòng điện chính xác.

Giai đoạn 2: Quá trình kích thích tạm thời đẩy lõi đến trạng thái bão hòa

Khi mạch được cấp điện trở lại — cấp điện cho máy biến áp, khởi động động cơ hoặc đóng lại sau khi khắc phục sự cố — dòng điện sơ cấp chứa một thành phần bất đối xứng có độ lệch DC. Độ lệch DC làm cho từ thông trong lõi di chuyển cùng chiều với từ dư (trong trường hợp xấu nhất, khi cực tính của từ dư trùng khớp với hướng của độ lệch DC). Lõi đạt đến trạng thái bão hòa chỉ sau một phần nhỏ của nửa chu kỳ đầu tiên:

$t_{bão hòa} = \frac{B_{bão hòa} – B_{dư}}{dB/dt_{bình thường}}$

Đối với một lõi có từ dư 68%, hiện tượng bão hòa xảy ra sớm hơn khoảng 3 lần so với một lõi đã được khử từ hoàn toàn — có thể xảy ra trong vòng một phần tư chu kỳ đầu tiên của quá trình kích từ tạm thời.

Giai đoạn 3: Chụp CT bão hòa tạo ra dạng sóng thứ cấp bị biến dạng

Khi lõi CT bão hòa, điện cảm từ hóa sụt giảm — lõi không còn có thể chịu được từ thông ngày càng tăng, và dòng điện sơ cấp không còn được tái tạo trong cuộn thứ cấp. Thay vào đó, dòng điện thứ cấp giảm đột ngột về gần 0 trong khi dòng điện sơ cấp vẫn tiếp tục chạy. Hình dạng sóng thứ cấp bị biến dạng nghiêm trọng — xuất hiện các đỉnh lớn trong các đoạn chưa bão hòa của mỗi chu kỳ và dòng điện gần bằng 0 trong các đoạn bão hòa.

Đường sóng thứ cấp bị biến dạng bao gồm:

• Thành phần DC lớn: Từ mô hình bão hòa không đối xứng — CT bị bão hòa nghiêm trọng hơn trong một nửa chu kỳ so với nửa chu kỳ còn lại
• Nội dung sóng hài lẻ lớn: sóng hài thứ 3, thứ 5 và thứ 7 từ dạng sóng bị cắt
• Dao động di/dt cao: Sự chuyển đổi dòng điện nhanh chóng tại ranh giới giữa vùng bão hòa và vùng chưa bão hòa

Giai đoạn 4: Dòng điện thứ cấp bị biến dạng gây ra hiện tượng ngắt rơle sai

Dạng sóng dòng điện thứ cấp bị biến dạng được truyền đến rơle bảo vệ dưới dạng dòng điện sơ cấp đã đo. Phản ứng của rơle phụ thuộc vào thuật toán đo lường của nó:

• Rơle bảo vệ chống hồ quang (phát hiện ánh sáng + dòng điện): Rơle bảo vệ chống hồ quang sử dụng phương pháp đo dòng điện tức thời — chúng phản ứng với đỉnh của dạng sóng dòng điện thứ cấp. Các đỉnh có biên độ cao trong dạng sóng thứ cấp của biến dòng (CT) bị biến dạng trong các đoạn chưa bão hòa của mỗi chu kỳ có thể vượt quá ngưỡng dòng điện của rơle bảo vệ chống hồ quang, dẫn đến quyết định ngắt mạch ngay cả khi không có sự cố hồ quang
• Rơle quá dòng tức thời (50 phần tử): Phản ứng với dòng điện đỉnh ở phía thứ cấp — các đỉnh của dạng sóng bị méo có thể vượt quá ngưỡng kích hoạt tức thời, dẫn đến hiện tượng ngắt mạch tức thời sai
• Rơle thời gian-quá dòng (51 phần tử): Phản ứng với dòng điện hiệu quả — dạng sóng bị méo có thành phần hiệu quả tăng cao, có thể vượt quá ngưỡng kích hoạt và bắt đầu đếm thời gian dẫn đến ngắt mạch có độ trễ
• Rơle vi sai (87 phần tử): Rơle vi sai so sánh các dòng điện thứ cấp từ các biến dòng (CT) ở cả hai bên của thiết bị được bảo vệ; nếu chỉ có một CT bị ảnh hưởng bởi từ dư, dòng điện vi sai trong quá trình cấp điện sẽ chứa một thành phần lớn do sự bất đối xứng bão hòa gây ra bởi từ dư, có khả năng vượt quá ngưỡng kích hoạt của rơle vi sai

Mối quan hệ toán học giữa từ thông dư và xác suất kích hoạt sai:

$P_{false,trip} \propto \frac{B_{remanent}}{B_{sat} – B_{remanent}} \times \frac{I_{DC,offset}}{I_{rated}} \times \frac{1}{t_{relay,pickup} \times f}$

Mối quan hệ này cho thấy xác suất ngắt mạch sai tăng theo mức độ từ dư, theo độ lớn của độ lệch DC và theo tốc độ hoạt động của rơle — điều này giải thích tại sao các rơle bảo vệ chống hồ quang (thời gian hoạt động nhanh nhất: 5–10 ms) lại dễ bị ngắt mạch sai do từ dư gây ra nhất.

Ví dụ về dự án khách hàng — Trạm biến áp 11 kV tại nhà máy công nghiệp, ngành sản xuất ô tô, Trung Âu:
Một kỹ sư bảo vệ tại một nhà máy sản xuất ô tô đã liên hệ với Bepto Electric sau khi ghi nhận bảy lần rơle bảo vệ hồ quang hoạt động không rõ nguyên nhân trong vòng 14 tháng — tất cả đều xảy ra trong vòng 100 ms đầu tiên kể từ khi cấp điện cho máy biến áp 2 MVA cấp nguồn cho hệ thống thông gió của xưởng sơn. Mỗi lần ngắt nhầm này đều gây ra sự ngừng hoạt động của dây chuyền sản xuất, gây thiệt hại khoảng 45.000 € cho mỗi sự cố. Phân tích dao động đồ sau sự cố từ rơle bảo vệ hồ quang cho thấy rơle đã phát hiện cả ánh sáng (từ phóng điện corona trên ống lót máy biến áp trong quá trình cấp điện) và quá dòng — bộ phận quá dòng đã hoạt động trên dạng sóng dòng điện thứ cấp bị biến dạng với các đỉnh gấp 3,2 lần ngưỡng dòng điện của rơle. Kiểm tra đường cong kích thích CT cho thấy ba CT trên đường cấp nguồn sơ cấp của máy biến áp có mức từ dư lần lượt là 71%, 68% và 74% so với Bsat — tích lũy từ sáu sự cố trước đó trên đường cấp nguồn trong ba năm trước đó. Việc khử từ tất cả ba CT đã làm giảm từ dư xuống dưới 5% Bsat. Trong 18 tháng sau khi khử từ, không có sự cố ngắt bảo vệ hồ quang giả nào xảy ra trên đường cấp nguồn biến áp. Kỹ sư bảo vệ cho biết: “Bảy lần báo động giả, bảy lần ngừng sản xuất và tổng thiệt hại hơn 300.000 euro — tất cả đều do từ tính dư trong ba lõi CT gây ra, và phải mất bốn giờ để khử từ. Rơle bảo vệ hồ quang đã hoạt động chính xác theo thiết kế. Chính CT đã cung cấp thông tin sai lệch cho rơle.”

Làm thế nào để chẩn đoán hiện tượng báo động giả do từ dư gây ra trong các hệ thống bảo vệ nhà máy công nghiệp?

Sự ngắt mạch giả do hiện tượng dư từ tạo ra một dấu hiệu chẩn đoán đặc trưng giúp phân biệt nó với các nguyên nhân gây ngắt mạch giả khác — lỗi cài đặt rơle, sự cố mạch thứ cấp và các sự cố thực sự. Phương pháp chẩn đoán tuân theo một trình tự có cấu trúc, bắt đầu từ phân tích sự cố, tiếp theo là kiểm tra CT và kết thúc bằng việc xác nhận.

Bước 1: Phân tích bản ghi sự cố báo động giả

Bản ghi sự cố của rơle bảo vệ và bản ghi dao động cung cấp bằng chứng chẩn đoán ban đầu:

• Mối tương quan về thời gian: Các sự cố ngắt mạch giả do từ dư gây ra thường xảy ra trong vòng 1–5 chu kỳ đầu tiên của dòng điện sơ cấp — trong quá trình cấp điện cho máy biến áp, khởi động động cơ hoặc đóng lại mạch. Một sự cố ngắt mạch giả xảy ra sau hơn 200 ms kể từ khi mạch được cấp điện thì ít có khả năng là do từ dư gây ra
• Hình dạng sóng dòng điện thứ cấp: Hiện tượng bão hòa do từ dư gây ra tạo ra một dạng sóng bất đối xứng đặc trưng — các đỉnh lớn ở một nửa chu kỳ, và dạng sóng bị suy giảm hoặc bị cắt ở nửa chu kỳ còn lại. Một dạng sóng bị biến dạng đối xứng cho thấy nguyên nhân khác
• Thành phần dòng điện một chiều trong dòng điện thứ cấp: Hiện tượng bão hòa do từ dư gây ra tạo ra một thành phần dòng điện một chiều đáng kể trong dạng sóng dòng điện thứ cấp — thể hiện trên bản ghi dao động dưới dạng một dạng sóng không cắt qua trục 0 một cách đối xứng
• Mối liên hệ với các sự cố chập mạch trước đó: Kiểm tra lịch sử sự cố của rơle bảo vệ trong khoảng thời gian 6–12 tháng trước khi xảy ra sự cố ngắt nhầm — hiện tượng dư từ tích tụ từ các sự cố chập mạch; việc xảy ra sự cố ngắt nhầm sau một giai đoạn tần suất chập mạch tăng cao phù hợp với giả thuyết hiện tượng dư từ là nguyên nhân

Bước 2: Thực hiện kiểm tra đường cong kích thích CT

Thử nghiệm đường cong kích thích là phương pháp chẩn đoán xác định đối với từ dư lõi CT:

1. Ngắt nguồn và cách ly CT: Thử nghiệm đường cong kích thích yêu cầu phải ngắt nguồn CT và ngắt mạch sơ cấp
2. Áp dụng điện áp xoay chiều vào cuộn thứ cấp: Tăng điện áp xoay chiều từ 0 lên đến điện áp điểm uốn trong khi đo dòng điện từ hóa; vẽ đồ thị B (tỷ lệ thuận với điện áp áp dụng) theo H (tỷ lệ thuận với dòng điện từ hóa)
3. So sánh với chứng chỉ kiểm tra của nhà máy: Một cuộn cảm CT bị ảnh hưởng bởi từ dư sẽ cho thấy đường cong kích thích bị dịch chuyển — điểm uốn xuất hiện ở mức điện áp áp dụng thấp hơn giá trị ghi trong chứng chỉ của nhà máy, và dòng điện từ hóa tại điểm uốn cao hơn giá trị của nhà máy
4. Tính toán mức từ dư: Sự thay đổi của điện áp tại điểm uốn của đường cong kích thích so với giá trị mặc định giúp ước tính mức từ dư:

$B_{remanent} ≈ B_{sat} × (1 – \frac{V_{knee,measured}}{V_{knee,factory}})$

Bước 3: Xác nhận bằng phép đo từ thông DC

Để có được kết quả đo từ dư chính xác, phương pháp từ thông một chiều cho phép đo trực tiếp mật độ từ thông dư:

1. Áp dụng một xung dòng điện một chiều có cường độ xác định vào cuộn thứ cấp theo hướng khiến lõi đạt trạng thái bão hòa dương
2. Đo sự thay đổi từ thông từ trạng thái dư từ đến trạng thái bão hòa bằng cách sử dụng bộ tích phân từ thông (đo bằng đơn vị volt-giây)
3. Lặp lại theo hướng âm để đo sự thay đổi từ thông từ trạng thái từ dư đến trạng thái bão hòa âm
4. Tính toán từ dư: Sự bất đối xứng giữa sự thay đổi từ thông dương và âm cho phép định lượng trực tiếp từ thông dư:

$B_{remanent} = \frac{(\Delta\Phi_{positive} – \Delta\Phi_{negative})}{2 \times A_{core}}$

Ở đâu $A_{core}$ là diện tích mặt cắt ngang lõi CT theo chứng chỉ kiểm tra của nhà sản xuất.

Ma trận quyết định chẩn đoán

Quan sát	Chỉ số từ dư	Nguyên nhân khác
Chế độ ngắt giả trong 3 chu kỳ đầu tiên sau khi cấp điện	Dấu hiệu rõ ràng	—
Dạng sóng thứ cấp không đối xứng có thành phần dòng điện một chiều	Dấu hiệu rõ ràng	Độ bão hòa CT do quá dòng
Báo động giả sau khi đã xảy ra sự cố trước đó	Dấu hiệu rõ ràng	—
Điểm uốn của đường cong kích thích bị dịch chuyển	Đã xác nhận	Thiệt hại cốt lõi (nếu chỉ số dịch chuyển >20%)
Sự kích hoạt giả bất cứ lúc nào, dạng sóng đối xứng	Chỉ báo yếu	Cài đặt rơle, sự cố mạch thứ cấp
Cảnh báo giả mà không có lịch sử sự cố trước đó	Chỉ báo yếu	Phần cứng rơle, lỗi cài đặt
Rơle hoạt động chỉ dựa trên việc phát hiện ánh sáng (rơle hồ quang)	Không có hiện tượng lưu giữ từ tính	Hiệu ứng corona bên ngoài, tia lửa điện

Làm thế nào để khắc phục hiện tượng từ dư của lõi CT và ngăn ngừa sự tái diễn trong các hệ thống bảo vệ chống hồ quang điện áp trung bình?

Quy trình khử từ lõi CT

Quá trình khử từ lõi CT — tức là việc loại bỏ có kiểm soát từ dư bằng cách đưa lõi qua các vòng từ tính ngày càng nhỏ hơn cho đến khi điểm hoạt động quay trở lại điểm gốc của đường cong B-H — là biện pháp khắc phục triệt để hiện tượng ngắt mạch giả do từ dư gây ra. Quy trình này yêu cầu ngắt nguồn và cách ly CT, nhưng không cần phải tháo dỡ thiết bị khỏi hệ thống lắp đặt.

Phương pháp giảm điện áp xoay chiều (Được khuyến nghị):

1. Kết nối một máy biến áp tự động có thể điều chỉnh với cuộn thứ cấp của CT trong khi mạch sơ cấp được ngắt; kết nối một điện trở giới hạn dòng điện nối tiếp để ngăn chặn dòng điện từ hóa quá mức
2. Tăng điện áp xoay chiều lên 120% so với điện áp tại điểm uốn của biến áp — điều này khiến lõi đạt trạng thái bão hòa theo cả hai hướng trong mỗi chu kỳ, tạo ra một vòng hysteresis đối xứng lớn để ghi đè lên từ thông dư
3. Từ từ giảm điện áp xoay chiều xuống 0 với tốc độ khoảng 5% mỗi giây — điều này giúp giảm dần kích thước vòng lặp trễ đồng thời duy trì tính đối xứng, đưa điểm hoạt động trở lại gốc của đường cong B-H
4. Kiểm tra quá trình khử từ: Lặp lại thử nghiệm đường cong kích thích — điện áp tại điểm uốn phải nằm trong khoảng ±5% so với giá trị trên chứng chỉ kiểm tra của nhà máy; dòng điện từ hóa tại điểm uốn phải nằm trong khoảng ±10% so với giá trị của nhà máy
5. Ghi chép quá trình khử từ: Ghi lại đường cong kích thích trước khi khử từ, các thông số của quy trình khử từ và đường cong kích thích sau khi khử từ vào sổ theo dõi bảo trì CT

Phương pháp đảo chiều dòng điện một chiều (phương án thay thế):

Đối với các máy biến áp (CT) mà việc cấp điện áp xoay chiều cho cuộn thứ cấp gặp khó khăn, phương pháp đảo chiều dòng điện một chiều áp dụng một chuỗi các xung dòng điện một chiều có cực tính xen kẽ và cường độ giảm dần — từ đó đạt được hiệu quả giảm dần vòng hysteresis tương tự như phương pháp sử dụng điện áp xoay chiều.

Phòng ngừa: Chỉ định lõi CT được bảo vệ khỏi hiện tượng dư từ

Đối với các hệ thống CT mới được lắp đặt trong các ứng dụng bảo vệ chống hồ quang tại nhà máy công nghiệp, nơi có nguy cơ gây ra hiện tượng ngắt mạch giả do từ dư, cần chỉ định lõi tuân theo tiêu chuẩn IEC 61869-2 Loại PR (Bảo vệ chống từ dư):

• Định nghĩa lớp PR: Hệ số từ dư Kr = Br/Bsat ≤ 0,10 — từ thông dư tối đa 10% sau bất kỳ quá trình từ hóa nào⁴
• Cách thức thực hiện: Một khe hở không khí nhỏ được tạo ra trong mạch từ của lõi CT; khe hở này tích trữ năng lượng, buộc từ thông quay trở về mức gần bằng không khi lực từ hóa được loại bỏ, từ đó giới hạn từ dư ở mức ≤10% so với Bsat
• Sự đánh đổi: Khoảng trống không khí làm giảm độ tự cảm từ hóa của CT, dẫn đến tăng dòng điện từ hóa và làm giảm nhẹ độ chính xác ở các mức dòng điện sơ cấp thấp; lõi loại PR thường chỉ được chỉ định cho các ứng dụng bảo vệ, không dùng cho đo lường tính cước
• Ứng dụng: Yêu cầu kỹ thuật bắt buộc đối với tất cả các lõi CT được kết nối với rơle bảo vệ chống hồ quang trong các hệ thống điện trung áp của nhà máy công nghiệp có tỷ số X/R lớn hơn 10

Các biện pháp phòng ngừa ở cấp hệ thống

Ngoài các yêu cầu kỹ thuật cơ bản về CT, các biện pháp ở cấp hệ thống giúp giảm tốc độ tích tụ từ dư trong các hệ thống bảo vệ chống hồ quang điện áp trung bình tại các nhà máy công nghiệp:

• Giảm thời gian xử lý sự cố: Hoạt động bảo vệ nhanh hơn giúp rút ngắn thời gian tiếp xúc với sai lệch dòng điện một chiều trong mỗi sự cố, từ đó giảm sự tích tụ từ dư trong mỗi sự cố; mục tiêu là thời gian xử lý sự cố dưới 80 ms đối với các ứng dụng bảo vệ chống hồ quang
• Áp dụng phương pháp chuyển mạch điểm trên sóng để cấp điện cho máy biến áp: Việc điều khiển quá trình chuyển mạch để cấp điện cho máy biến áp tại điểm giao cắt điện áp giúp giảm thiểu độ lệch DC trong dòng điện khởi động⁵, giúp giảm sự tích tụ từ dư từ mỗi lần cấp điện
• Lên lịch khử từ định kỳ cho CT: Đối với các hệ thống hiện có sử dụng lõi CT tiêu chuẩn (Kr = 0,6–0,8), cần lên lịch khử từ mỗi 3 năm hoặc sau bất kỳ sự cố nào khiến dòng điện sơ cấp vượt quá 50% của dòng điện ngắn hạn định mức — tùy theo điều kiện nào xảy ra trước
• Tách riêng các lõi CT bảo vệ chống hồ quang khỏi các lõi CT đo lường: Sử dụng các lõi CT chuyên dụng để đo dòng điện cho rơle bảo vệ chống hồ quang — những lõi có thể được khử từ mà không ảnh hưởng đến độ chính xác của đo lường điện năng

Những sai lầm thường gặp trong quản lý từ dư

• Chỉ khử từ các CT được xác định là bị ảnh hưởng bởi từ dư: Trong hệ thống ba pha, cả ba CT đều chịu tác động của cùng một lịch sử dòng điện sự cố; nếu một CT có từ dư đáng kể, cả ba CT đều cần được đánh giá và khử từ như một bộ
• Thực hiện kiểm tra độ chính xác tỷ số trước khi khử từ: Kết quả kiểm tra độ chính xác tỷ số trên một CT bị ảnh hưởng bởi từ dư không phản ánh đúng hiệu suất thực tế của lớp độ chính xác của CT; luôn phải khử từ trước khi tiến hành kiểm tra tỷ số
• Chỉ định lõi loại PR cho các ứng dụng đo lường doanh thu: Khe hở không khí giúp hạn chế từ dư trong lõi loại PR làm tăng dòng điện từ hóa và làm giảm độ chính xác ở các mức dòng điện sơ cấp thấp; loại PR là tiêu chuẩn dành cho lõi bảo vệ — việc đo lường doanh thu yêu cầu sử dụng các lõi tiêu chuẩn loại 0.2S hoặc 0.5 không có khe hở không khí
• Điều chỉnh cài đặt rơle bảo vệ chống hồ quang để tránh hiện tượng ngắt mạch sai mà không giải quyết vấn đề từ dư của biến dòng: Việc tăng ngưỡng dòng điện của rơle bảo vệ chống hồ quang nhằm tránh hiện tượng ngắt mạch sai do từ dư gây ra sẽ làm giảm độ nhạy của rơle đối với các sự cố hồ quang dòng điện thấp thực sự — tức là đánh đổi việc ngăn ngừa ngắt mạch sai lấy việc không phát hiện được các sự cố thực sự

Kết luận

Dư từ của lõi CT là yếu tố ẩn ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống bảo vệ điện áp trung thế trong các nhà máy công nghiệp — không thể phát hiện qua kiểm tra nhãn hiệu, không thể phát hiện qua các thử nghiệm vận hành tiêu chuẩn, và không thể phát hiện qua các tính toán cài đặt rơle, nhưng hoàn toàn có khả năng khiến các rơle bảo vệ hồ quang và rơle quá dòng hoạt động dựa trên các dạng sóng dòng điện thứ cấp bị biến dạng, vốn không có mối liên hệ nào với dòng điện sơ cấp thực tế trong những chu kỳ đầu tiên quan trọng khi mạch được cấp điện. Cơ chế này đã được hiểu rõ, phương pháp chẩn đoán rất đơn giản, và biện pháp khắc phục — khử từ lõi CT — là hoạt động bảo trì kéo dài bốn giờ giúp loại bỏ hoàn toàn tình trạng từ dư. Trong các hệ thống bảo vệ hồ quang điện áp trung bình tại các nhà máy công nghiệp, nơi một sự ngắt mạch giả gây thiệt hại hàng chục nghìn euro do mất sản lượng và một sự cố hồ quang thực sự bị bỏ qua có thể gây tử vong, việc đánh giá từ dư và khử từ lõi CT không phải là hoạt động bảo trì tùy ý — đó là nền tảng kỹ thuật của một hệ thống bảo vệ có thể tin cậy để hoạt động chính xác và chỉ chính xác khi cần thiết nhất.

Câu hỏi thường gặp về từ dư lõi CT và hiện tượng ngắt rơle giả

1. “Hiệu ứng từ tính”, https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_hysteresis. Trình bày các nguyên lý vật lý cơ bản giải thích cách các vật liệu sắt từ duy trì mật độ từ thông dư sau khi lực từ hóa tác dụng lên chúng được loại bỏ. Vai trò của bằng chứng: cơ chế; Loại nguồn: nghiên cứu. Hỗ trợ: Xác nhận rằng hành vi từ tính B-H trong các lõi CT sắt từ phụ thuộc vào lịch sử từ hóa trước đó, chứ không chỉ vào lực từ hóa hiện tại. ↩

2. “Các sai số của biến dòng và dòng khởi động của biến dòng được đo bằng cảm biến quang”, https://www.idc-online.com/technical_references/pdfs/electrical_engineering/Current_Transformer_Errors_and_Transformer_Inrush.pdf. Báo cáo dữ liệu khảo sát từ dư của CT cho thấy mức độ từ dư phân bố lên đến 80% so với mật độ từ bão hòa thiết kế trên các mẫu được lấy. Vai trò của bằng chứng: thống kê; Loại nguồn: ngành công nghiệp. Hỗ trợ: Các tài liệu cho thấy mật độ từ dư trong lõi CT bằng thép silic tiêu chuẩn có thể đạt 70–80% so với mật độ từ bão hòa. Ghi chú về phạm vi: Kết quả khảo sát thay đổi tùy theo loại lõi và lịch sử sử dụng. ↩

3. “DC Offset là gì? Hãy hỏi Chris”, https://relaytraining.com/what-is-dc-offset-ask-chris/. Giải thích cách thành phần dịch chuyển DC của dòng điện sự cố bị chi phối bởi góc khởi phát sự cố trên dạng sóng điện áp và tỷ số X/R của hệ thống. Vai trò của bằng chứng: cơ chế; Loại nguồn: công nghiệp. Hỗ trợ: Xác nhận rằng độ lớn của dịch chuyển DC dòng điện sự cố phụ thuộc vào vị trí trên dạng sóng tại thời điểm khởi phát sự cố và các đặc tính cảm ứng của nguồn. ↩

4. “IEC 61869-2:2012 Biến áp đo lường — Phần 2: Các yêu cầu bổ sung đối với biến áp dòng điện”, https://webstore.iec.ch/en/publication/6050. Xác định phạm vi tiêu chuẩn quốc tế cho các biến dòng cảm ứng, bao gồm các thông số kỹ thuật về lõi được bảo vệ chống từ dư thuộc Loại PR. Vai trò bằng chứng: general_support; Loại nguồn: tiêu chuẩn. Hỗ trợ: Thiết lập thông số kỹ thuật Loại PR yêu cầu hệ số từ dư Kr ≤ 0,10 đối với các biến dòng thuộc loại bảo vệ có từ dư thấp. ↩

5. “Các quy trình cấp điện có kiểm soát cho máy biến áp điện”, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142061521007900. Bài báo nghiên cứu phân tích việc giảm dòng điện khởi động của máy biến áp thông qua việc đóng ngắt công tắc ngắt mạch điều khiển theo điểm trên sóng trong các cấu hình ba pha khác nhau. Vai trò của bằng chứng: cơ chế; Loại nguồn: nghiên cứu. Kết quả: Xác nhận rằng việc đóng ngắt có điều khiển đồng bộ với dạng sóng điện áp giúp giảm độ lệch DC và dòng điện khởi động trong quá trình cấp điện cho máy biến áp. ↩