Cách chọn bộ kết hợp phù hợp để bảo vệ máy biến áp

Giới thiệu

Việc bảo vệ máy biến áp trong các hệ thống phân phối điện trung áp đòi hỏi một kiến trúc thiết bị đóng cắt phải đồng thời đáp ứng ba yêu cầu kỹ thuật trái ngược nhau: ngắt mạch sự cố đáng tin cậy trong toàn bộ dải dòng điện sự cố của máy biến áp, đóng cắt tải an toàn cho các hoạt động cấp và ngắt điện bình thường, cùng khả năng cách ly có thể quan sát được để tiếp cận bảo trì — tất cả đều phải nằm trong các giới hạn về mặt vật lý của tủ thiết bị đóng cắt trung áp và các giới hạn kinh tế của ngân sách đầu tư nâng cấp lưới điện. Thiết bị kết hợp — một cụm lắp ráp tích hợp gồm công tắc ngắt tải trong nhà, cầu chì cao áp và công tắc nối đất — tồn tại chính xác vì không có thiết bị chuyển mạch nào đáp ứng đồng thời cả ba yêu cầu này. Việc lựa chọn bộ thiết bị kết hợp phù hợp để bảo vệ máy biến áp không chỉ đơn thuần là việc chọn sản phẩm từ danh mục: đây là một quyết định kỹ thuật dựa trên bốn thông số, đòi hỏi phải xác định rõ công suất định mức của máy biến áp, mức độ sự cố của hệ thống, nguyên tắc phối hợp bảo vệ và dự báo tải khi nâng cấp lưới điện trước khi có thể lập bản vẽ kỹ thuật cho bộ thiết bị kết hợp. Đối với các kỹ sư nâng cấp lưới điện, nhà thiết kế trạm biến áp và quản lý mua sắm chịu trách nhiệm lựa chọn thiết bị bảo vệ máy biến áp, cẩm nang lựa chọn này cung cấp một khung kỹ thuật toàn diện — từ cơ sở tiêu chuẩn IEC cho thiết kế thiết bị kết hợp cho đến quy trình đánh giá ứng dụng từng bước nhằm xác định các thông số định mức chính xác cho từng vị trí bảo vệ máy biến áp.

Mục lục

• Thiết bị kết hợp là gì và kiến trúc của nó đáp ứng các yêu cầu bảo vệ máy biến áp trung áp như thế nào?
• Ba thành phần chính của một thiết bị kết hợp tương tác với nhau như thế nào để bảo vệ máy biến áp trung áp?
• Làm thế nào để lựa chọn các thông số bộ kết hợp phù hợp cho từng ứng dụng bảo vệ máy biến áp?
• Những yếu tố nào liên quan đến vòng đời và nâng cấp lưới điện quyết định độ tin cậy lâu dài của tổ máy kết hợp?

Thiết bị kết hợp là gì và kiến trúc của nó đáp ứng các yêu cầu bảo vệ máy biến áp trung áp như thế nào?

Thiết bị kết hợp trung áp là một thiết bị đóng cắt được lắp ráp tại nhà máy và đã qua thử nghiệm kiểu, tích hợp ba thành phần có chức năng riêng biệt vào một thiết bị duy nhất gắn trên bảng điều khiển: một công tắc ngắt tải trong nhà (LBS) dùng để đóng cắt và cách ly tải trong điều kiện bình thường, một bộ cầu chì hạn chế dòng điện cao áp để bảo vệ chống quá dòng và ngắn mạch, và một công tắc nối đất để đảm bảo an toàn cho nhân viên khi thực hiện bảo trì. Việc tích hợp ba thành phần này vào một cụm đã được kiểm định là đặc điểm nổi bật giúp phân biệt thiết bị kết hợp với một tập hợp các thiết bị được chỉ định riêng lẻ — kiểm định kiểu xác nhận sự tương tác giữa các thành phần trong điều kiện sự cố, chứ không chỉ hiệu suất riêng lẻ của từng yếu tố.

Tại sao hệ thống bảo vệ máy biến áp cần có cả ba thành phần

Hệ thống bảo vệ biến áp trong các hệ thống điện trung áp phải đối phó với dải dòng sự cố mà không có thiết bị đóng cắt nào có thể xử lý một cách đáng tin cậy trên toàn bộ phạm vi đó:

• Dải dòng tải (hoạt động bình thường): 10–100% dòng điện định mức của máy biến áp — được xử lý bởi hệ thống LBS trong nhà, có chức năng đóng và ngắt dòng tải trong quá trình cấp và ngắt điện bình thường
• Dải quá tải (110–600% so với dòng điện định mức): Quá tải nhiệt và các sự cố nhỏ — được xử lý bởi cầu chì cao áp, có chức năng bảo vệ quá dòng theo thời gian đảo ngược¹ phù hợp với đường cong chịu nhiệt của máy biến áp
• Dải dòng ngắn mạch (600–40.0001 TP3T dòng định mức): Các sự cố bên trong máy biến áp và các sự cố bên ngoài do chốt bu lông — được xử lý bởi cầu chì hạn chế dòng điện cao áp, có khả năng ngắt dòng điện sự cố lên đến công suất ngắt định mức trong nửa chu kỳ đầu tiên, từ đó hạn chế năng lượng truyền qua xuống mức mà máy biến áp và thiết bị đóng cắt có thể chịu đựng được

Công tắc nối đất đảm nhận chức năng nối đất an toàn mà cả LBS lẫn cầu chì đều không thể đáp ứng — giúp xác nhận việc ngắt nguồn mạch và bảo vệ nhân viên bảo trì đang làm việc trên máy biến áp hoặc các thiết bị phía sau.

Các tiêu chuẩn IEC về thiết kế và thử nghiệm thiết bị kết hợp

Tiêu chuẩn	Phạm vi	Các yêu cầu chính đối với các đơn vị kết hợp
IEC 62271-1052	Bộ công tắc-cầu chì dòng điện xoay chiều	Thử nghiệm kiểu đối với tương tác giữa cầu chì LBS, hoạt động của chốt kích hoạt, chuyển giao công tác phối hợp hiện tại3
IEC 62271-103	Công tắc ngắt tải	Dòng điện định mức LBS, độ bền chuyển mạch tải, hiệu suất dập tắt hồ quang
IEC 60282-1	Cầu chì cao áp	Điện áp định mức, khả năng ngắt mạch và đặc tính thời gian-dòng điện của cầu chì giới hạn dòng điện
IEC 62271-102	Công tắc nối đất	Phân loại nguyên nhân sự cố, độ bền cơ học, yêu cầu về liên động
IEC 62271-200	Tủ điện có vỏ bọc kim loại	Tích hợp bảng điều khiển, phân loại hồ quang bên trong, sơ đồ liên động

Yêu cầu quan trọng theo tiêu chuẩn IEC 62271-105: Thử nghiệm loại thiết bị kết hợp phải xác minh rằng khi cầu chì hoạt động trong điều kiện sự cố, cơ chế chốt kích hoạt phải kích hoạt thiết bị ngắt mạch LBS một cách đáng tin cậy để ngắt cả ba pha cùng lúc — nhằm ngăn chặn tình trạng cấp điện một pha hoặc hai pha nguy hiểm có thể xảy ra nếu thiết bị ngắt mạch LBS vẫn đóng sau khi cầu chì một pha hoạt động.

Các biến thể kiến trúc của thiết bị kết hợp

Kiến trúc	Các thành phần	Đơn đăng ký	Giới hạn
LBS + cầu chì (không có công tắc nối đất)	LBS, cầu chì cao áp	Các hệ thống lắp đặt có không gian hạn chế, tần suất bảo trì thấp	Không có hệ thống nối đất tích hợp — cần phải lắp đặt hệ thống nối đất riêng biệt
LBS + cầu chì + công tắc nối đất	LBS, cầu chì cao áp, công tắc nối đất	Bảo vệ biến áp tiêu chuẩn — phổ biến nhất	Kích thước tiêu chuẩn
LBS + cầu chì + công tắc nối đất + thiết bị chống sét	LBS, cầu chì cao áp, công tắc nối đất, thiết bị chống sét MOV	Máy biến áp cấp điện qua đường dây trên không, tiếp xúc với sét	Diện tích lớn hơn
Bộ điều khiển LBS có động cơ + cầu chì + công tắc nối đất	Bộ ngắt mạch LBS điều khiển bằng động cơ, cầu chì cao áp, công tắc nối đất	Trạm biến áp nâng cấp lưới điện tích hợp hệ thống SCADA	Cần nguồn điện phụ

Ba thành phần chính của một thiết bị kết hợp tương tác với nhau như thế nào để bảo vệ máy biến áp trung áp?

Hiệu suất bảo vệ của một thiết bị kết hợp không phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật riêng lẻ của ba thành phần cấu thành, mà phụ thuộc vào sự tương tác phối hợp giữa chúng — cụ thể là sự phối hợp giữa đặc tính thời gian-dòng điện của cầu chì cao áp với các đường cong dòng điện khởi động và dòng điện sự cố của máy biến áp, cũng như việc truyền tải đáng tin cậy năng lượng từ chốt kích hoạt cầu chì đến cơ chế ngắt mạch LBS.

Thành phần 1: Hệ thống LBS trong nhà — Chuyển mạch tải và cách ly

Hệ thống LBS trong nhà trong một thiết bị tích hợp thực hiện ba chức năng riêng biệt trong suốt vòng đời bảo vệ máy biến áp:

Chế độ chuyển mạch thông thường: Quyết định khả năng đóng và ngắt dòng điện từ hóa và dòng điện tải đầy tải của máy biến áp trong quá trình cấp và ngắt điện. Dòng điện đột biến khi từ hóa của máy biến áp — thường gấp 8–12 lần dòng điện định mức của máy biến áp trong chu kỳ đầu tiên — nằm trong phạm vi công suất dòng điện đóng định mức của LBS, nhưng không được nhầm lẫn với dòng điện sự cố. LBS không được thiết kế để ngắt dòng điện sự cố; chức năng này thuộc riêng về cầu chì cao áp.

Cách nhận bóng khi tiền đạo bị vấp ngã: Khi cầu chì cao áp hoạt động trong điều kiện sự cố, chốt kích hoạt sẽ giải phóng năng lượng cơ học tích trữ để kích hoạt cơ chế ngắt của LBS, từ đó ngắt cả ba pha trong thời gian ngắt định mức của LBS (thường là 30–60 ms). Việc ngắt ba pha là bắt buộc — tình trạng ngắt một pha trên đường cấp điện của máy biến áp sẽ gây ra sự mất cân bằng điện áp nguy hiểm và có thể dẫn đến hiện tượng cộng hưởng từ.

Hàm cách ly: Sau khi công tắc LBS đã mở — dù là do chuyển mạch thông thường hay do chốt kích hoạt — nó sẽ tạo ra khoảng cách cách ly có thể quan sát được theo yêu cầu của tiêu chuẩn IEC 62271-102 để đảm bảo khả năng tiếp cận bảo trì cho máy biến áp. Công tắc nối đất chỉ có thể được đóng lại sau khi đã xác nhận công tắc LBS đã mở, điều này được đảm bảo nhờ cơ chế khóa liên động cơ học giữa hai thiết bị.

Thành phần 2: Cầu chì giới hạn dòng điện cao áp — Ngắt mạch khi có sự cố

Cầu chì giới hạn dòng điện cao áp là bộ phận ngắt mạch sự cố của bộ kết hợp. Việc lựa chọn cầu chì này tuân theo hai giới hạn xác định mức định mức cầu chì phù hợp cho từng ứng dụng biến áp:

Giới hạn dưới — dòng điện đứt mạch tối thiểu ($I_{min}$):
Cầu chì phải hoạt động đáng tin cậy đối với tất cả các dòng điện sự cố có giá trị lớn hơn dòng điện ngắt tối thiểu. Đối với việc bảo vệ máy biến áp, giới hạn này được xác định bởi dòng điện sự cố ở phía thứ cấp của máy biến áp được phản xạ sang phía sơ cấp:

$I_{min_primary} = \frac{I_{fault_secondary}}{n_{transformer}} \times \frac{1}{Z_{transformer}}$

Dòng điện ngắt tối thiểu của cầu chì phải nhỏ hơn giá trị này — nhằm đảm bảo rằng các sự cố bên trong máy biến áp sẽ tạo ra dòng điện sơ cấp đủ lớn để kích hoạt cầu chì.

Giới hạn trên — dòng điện đứt mạch tối đa ($I_{max}$):
Cầu chì phải ngắt dòng điện sự cố lên đến mức dòng điện sự cố dự kiến của hệ thống tại điểm lắp đặt mà không làm vượt quá giới hạn năng lượng truyền qua của máy biến áp và thiết bị đóng cắt. Cầu chì hạn chế dòng điện sẽ ngắt trong nửa chu kỳ đầu tiên, hạn chế dòng điện truyền qua đỉnh ở mức:

$I_{cho_qua} = k × √I_{tiềm_năng_sự_cố}$

Ở đâu $k$ là cầu chì yếu tố hạn chế dòng điện⁴ (thường là 2,0–3,5 đối với cầu chì giới hạn dòng điện HV tiêu chuẩn).

Điều phối dòng khởi động của máy biến áp: Đặc tính thời gian-dòng điện của cầu chì không được kích hoạt trong quá trình dòng điện khởi động của máy biến áp. Đường cong dòng điện khởi động như sau:

$i_{inrush}(t) = I_{inrush_peak} × e^(-t/τ)$

Ở đâu $I_{đỉnh dòng khởi động}$ thường gấp 8–12 lần dòng điện định mức của máy biến áp và $\tau$ là hằng số thời gian suy giảm dòng khởi động (thường là 0,1–0,5 giây đối với máy biến áp phân phối). Cầu chì phải có thời gian nóng chảy tối thiểu dài hơn thời gian tồn tại của dòng khởi động ở mức cường độ dòng khởi động đó — đây là yêu cầu phối hợp quyết định mức định mức tối thiểu của cầu chì cho từng kích cỡ máy biến áp.

Thành phần 3: Công tắc nối đất — Nối đất đảm bảo an toàn cho nhân viên

Công tắc nối đất trong bộ thiết bị kết hợp được liên động cơ học với LBS thông qua một cơ cấu liên kết cơ học trực tiếp — công tắc nối đất không thể đóng trừ khi LBS ở vị trí mở hoàn toàn, và LBS không thể đóng khi công tắc nối đất đang ở vị trí đóng. Cơ chế liên động này là một hạn chế cơ học vật lý, không phải là liên động điện — nó hoạt động độc lập với nguồn điện phụ và không thể bị vô hiệu hóa do sự cố mạch điều khiển.

Phân loại nguyên nhân sự cố đối với công tắc nối đất bảo vệ máy biến áp:

Công tắc nối đất trong bộ kết hợp bảo vệ máy biến áp phải có định mức cho Khả năng gây lỗi E1⁵ (IEC 62271-102) — không phải E0. Lý do là hiện tượng phản hồi điện áp từ cuộn thứ ba của máy biến áp: ngay cả khi mạch LBS phía sơ cấp bị ngắt và cầu chì cao áp vẫn còn nguyên vẹn, một máy biến áp có cuộn thứ ba được nối với thanh cái mang điện vẫn có thể duy trì điện áp trên cuộn sơ cấp thông qua hiện tượng ghép điện từ. Một công tắc nối đất loại E0 đóng vào điện áp phản hồi này sẽ bị hỏng. Công tắc nối đất E1 được thiết kế để đóng vào điều kiện sự cố này và vẫn hoạt động bình thường.

Một trường hợp khách hàng minh họa hậu quả của sự phân biệt giữa E0 và E1: Một kỹ sư dự án nâng cấp lưới điện tại một công ty phân phối điện ở Philippines đã liên hệ với Bepto sau khi công tắc nối đất bị hỏng trong quá trình thực hiện các thao tác chuyển mạch bảo trì máy biến áp tại một trạm biến áp 33 kV. Bộ thiết bị kết hợp này được trang bị công tắc nối đất E0 — do nhà thầu EPC chỉ định mà không có đánh giá rủi ro cấp ba về dòng điện ngược. Khi công tắc nối đất được đóng sau khi LBS mở, cuộn dây cấp ba của máy biến áp (được kết nối với thanh cái 11 kV đang mang điện) duy trì điện áp 33 kV ở cuộn sơ cấp thông qua hoạt động của máy biến áp tự động. Bộ tiếp điểm của công tắc nối đất E0 đã bị hỏng khi đóng. Bepto đã cung cấp các thiết bị kết hợp thay thế loại E1 cho tất cả sáu vị trí nguồn cấp biến áp trong trạm biến áp và cung cấp mẫu đánh giá rủi ro cấp nguồn ngược thứ ba cho tiêu chuẩn kỹ thuật của công ty điện lực.

Làm thế nào để lựa chọn các thông số bộ kết hợp phù hợp cho từng ứng dụng bảo vệ máy biến áp?

Việc lựa chọn các thông số của đơn vị kết hợp tuân theo quy trình đánh giá tuần tự gồm năm bước — mỗi bước sẽ xác định một bộ thông số trước khi chuyển sang bước tiếp theo. Việc bỏ qua các bước hoặc xác định các thông số không theo thứ tự sẽ dẫn đến các thông số kỹ thuật có vẻ đầy đủ nhưng lại chứa đựng những sai sót về sự phối hợp tiềm ẩn.

Bước 1: Xác định các thông số định mức của máy biến áp

Hãy thu thập các dữ liệu về máy biến áp sau đây trước khi bắt đầu lựa chọn thiết bị kết hợp:

• Công suất định mức (kVA hoặc MVA)
• Điện áp định mức sơ cấp (kV)
• Dòng điện định mức sơ cấp (A): $I_{định mức} = \frac{S_{định mức}}{\sqrt{3} \times U_{cấp một}}$
• Trở kháng máy biến áp (% trên cơ sở MVA định mức)
• Nhóm Vector (Dyn11, Yyn0, v.v.) — xác định nguy cơ phản hồi thứ cấp
• Hệ số dòng điện khởi động (× dòng điện định mức) và hằng số thời gian suy giảm (giây)
• Đường cong chịu nhiệt — cần thiết để xác minh sự phối hợp của cầu chì

Bước 2: Xác định mức độ sự cố hệ thống tại điểm lắp đặt

Dòng điện sự cố dự kiến của hệ thống tại điểm lắp đặt thiết bị kết hợp quyết định:

• Dòng điện chịu đựng trong thời gian ngắn theo định mức (Ik) yêu cầu đối với LBS — LBS phải chịu được dòng điện sự cố cho đến khi cầu chì cao áp ngắt
• Dung lượng ngắt tối đa yêu cầu của cầu chì cao áp — phải lớn hơn dòng điện sự cố dự kiến của hệ thống
• Dòng điện chịu đựng trong thời gian ngắn định mức của công tắc nối đất bắt buộc — phải bằng hoặc cao hơn mức định mức LBS

Tính toán dòng điện sự cố hệ thống:

$I_{lỗi} = \frac{U_{hệ thống}}{\sqrt{3} \times Z_{tổng}}$

Ở đâu $Z_{tổng}$ bao gồm trở kháng nguồn, trở kháng máy biến áp và trở kháng cáp đến điểm lắp đặt thiết bị kết hợp. Đối với các dự án nâng cấp lưới điện, hãy sử dụng mức sự cố sau khi nâng cấp — các dự án nâng cấp lưới điện làm tăng công suất nguồn sẽ làm tăng mức sự cố tại tất cả các điểm phía hạ lưu.

Bước 3: Chọn mức định mức của cầu chì cao áp

Định mức cầu chì cao áp là yếu tố đòi hỏi kỹ thuật cao nhất trong thông số kỹ thuật của thiết bị kết hợp — nó phải đồng thời đáp ứng bốn yêu cầu sau:

Điều kiện ràng buộc	Yêu cầu	Phương pháp xác minh
Dòng điện đứt mạch tối thiểu	Dòng sự cố phía sơ cấp của máy biến áp dưới mức dòng sự cố tối thiểu phía thứ cấp	Tính toán trở kháng cuộn cảm
Điều phối dòng điện khởi động	Thời gian nóng chảy tối thiểu > thời gian dòng điện khởi động tại dòng điện khởi động	Đồ thị chồng lớp thời gian-dòng điện
Bảo vệ quá tải	Cầu chì sẽ hoạt động trước khi biến áp bị hư hỏng do quá nhiệt ở mức quá tải 150–200%	Đồ thị chồng lớp đường cong chịu nhiệt của máy biến áp
Khả năng chịu tải tối đa	Dòng điện sự cố dự kiến của hệ thống	Nghiên cứu mức độ lỗi hệ thống

Bảng chọn định mức cầu chì tiêu chuẩn cho các kích cỡ máy biến áp thông dụng:

Công suất biến áp	Điện áp đầu vào	Dòng điện định mức của máy biến áp	Dòng điện định mức khuyến nghị của cầu chì	Kiểm tra sự phối hợp dòng điện khởi động
315 kVA	11 kV	16,5 A	25 A	Kiểm tra ở mức định mức 8×, 0,1 giây
630 kVA	11 kV	33 A	50 A	Kiểm tra ở mức định mức 10×, 0,1 giây
1.000 kVA	11 kV	52,5 A	80 A	Kiểm tra ở mức định mức 10×, 0,15 giây
1.600 kVA	11 kV	84 A	125 A	Kiểm tra ở mức định mức 12×, 0,2 giây
2.000 kVA	33 kV	35 A	50 A	Kiểm tra ở mức định mức 10×, 0,15 giây
5.000 kVA	33 kV	87,5 A	125 A	Kiểm tra ở mức định mức 12×, 0,2 giây

Lưu ý quan trọng: Đây là những khuyến nghị ban đầu — việc lựa chọn cầu chì phải được kiểm tra dựa trên đặc tính thời gian-dòng điện cụ thể của máy biến áp và mức độ sự cố cụ thể của hệ thống. Các bảng thông số kỹ thuật chung về cầu chì không thể thay thế cho nghiên cứu phối hợp.

Bước 4: Chọn các thông số được đánh giá theo LBS

Sau khi xác định được mức định mức của cầu chì, các thông số LBS được xác định như sau:

• Dòng điện định mức: ≥ 1,25 lần dòng điện định mức sơ cấp của máy biến áp — đảm bảo biên độ an toàn 25% cho sự gia tăng tải và sự gia tăng tải do nâng cấp lưới điện
• Dòng điện chịu đựng trong thời gian ngắn định mức (Ik): ≥ Dòng điện sự cố dự kiến của hệ thống tại điểm lắp đặt — LBS phải chịu được dòng điện sự cố trong thời gian trước khi phát tia lửa và trong thời gian phát tia lửa của cầu chì (thường là 20–50 ms đối với cầu chì hạn chế dòng điện)
• Dòng điện định mức (Ip): ≥ 2,5 × Ik (tỷ lệ X/R tiêu chuẩn) — LBS phải chịu được dòng khởi động của máy biến áp mà không bị hiện tượng dao động tiếp điểm
• Loại độ bền cơ học: M1 (1.000 lần thao tác) dành cho các đường dây phân phối biến áp tiêu chuẩn có < 2 lần thao tác đóng/mở mỗi tuần; M2 (2.000 lần thao tác) dành cho các đường dây phân phối có tần suất đóng/mở cao

Bước 5: Kiểm tra phân loại công tắc nối đất và hệ thống khóa liên động

• Lớp gây lỗi: E1 là yêu cầu bắt buộc đối với tất cả các vị trí đường dây phân phối của máy biến áp — Không chấp nhận mức E0 ở những nơi có nguy cơ bị dòng điện ngược từ hệ thống thứ cấp
• Khả năng chịu đựng trong thời gian ngắn theo định mức: Phải phù hợp với xếp hạng LBS Ik — công tắc nối đất phải chịu được mọi dòng điện sự cố xuất hiện sau khi đóng mạch vào mạch bị cấp ngược
• Khóa liên động cơ khí: Kiểm tra xem cơ chế liên động giữa công tắc LBS và công tắc nối đất có phải là cơ cấu liên kết cơ học trực tiếp hay không — chứ không phải là cơ chế liên động điện có thể bị vô hiệu hóa do mất nguồn cấp điều khiển
• Quy định về khóa móc: Xác nhận rằng chốt khóa nối đất có thể lắp được chốt khóa đa điểm tối thiểu 6 chốt dành cho các đội bảo trì gồm nhiều người

Bảng tóm tắt danh sách đầy đủ

Tham số lựa chọn	Dữ liệu nguồn	Tính toán / Tiêu chí	Giá trị thông số kỹ thuật
Điện áp định mức LBS	Điện áp hệ thống	≥ điện áp tối đa của hệ thống Um	Bản ghi
Dòng điện định mức theo LBS	Dòng điện định mức của máy biến áp	≥ 1,25 × dòng điện định mức cuộn sơ cấp của máy biến áp	Bản ghi
LBS xếp hạng Ik	Nghiên cứu mức độ lỗi hệ thống	≥ dòng điện sự cố dự kiến tại thời điểm lắp đặt	Bản ghi
Điện áp định mức của cầu chì HV	Điện áp hệ thống	= Điện áp định mức LBS	Bản ghi
Dòng định mức của cầu chì HV	Định mức máy biến áp + phối hợp dòng khởi động	Theo bảng ở Bước 3 + nghiên cứu phối hợp	Bản ghi
Khả năng ngắt mạch của cầu chì HV	Mức độ lỗi hệ thống	≥ dòng điện sự cố dự kiến	Bản ghi
Loại công tắc nối đất dễ gây sự cố	Đánh giá rủi ro về hiện tượng phản hồi điện áp trong hệ thống điện cấp ba	E1 là yêu cầu bắt buộc đối với các đường dây cấp điện từ máy biến áp	E1
Công tắc nối đất Ik	LBS Ik	= Được xếp hạng LBS Ik	Bản ghi
Sự phối hợp giữa các chốt	Thử nghiệm kiểu theo tiêu chuẩn IEC 62271-105	Yêu cầu có Giấy chứng nhận thử nghiệm kiểu tại nhà máy	Xác minh

Một trường hợp khách hàng khác minh họa rõ giá trị của toàn bộ quy trình tuyển chọn. Một kỹ sư thiết kế trạm biến áp tại một nhà thầu EPC ở Đông Nam Á đang tiến hành lựa chọn các bộ kết hợp cho một trạm biến áp nâng cấp lưới điện 33 kV gồm 12 ô, phục vụ cho các máy biến áp phân phối có công suất 2.000 kVA và 5.000 kVA. Thông số kỹ thuật ban đầu đã chọn một loại thiết bị kết hợp duy nhất cho tất cả 12 vị trí — cầu chì 125 A cho toàn bộ, dựa trên máy biến áp lớn nhất. Đội ngũ kỹ thuật của Bepto đã thực hiện quy trình lựa chọn năm bước cho mỗi khoang: 6 vị trí biến áp 2.000 kVA yêu cầu sử dụng cầu chì 50 A (không phải 125 A) — cầu chì 125 A sẽ không hoạt động đối với các sự cố nội bộ của biến áp tạo ra dòng sự cố định mức dưới 40% trên các đơn vị 2.000 kVA, dẫn đến khoảng trống bảo vệ đối với các sự cố nội bộ có trở kháng cao. Thông số kỹ thuật khác biệt — cầu chì 50 A cho các vị trí 2.000 kVA, cầu chì 125 A cho các vị trí 5.000 kVA — không làm tăng chi phí (cầu chì nhỏ hơn có giá rẻ hơn) trong khi loại bỏ lỗ hổng bảo vệ do việc định mức quá cao đồng nhất đã tạo ra.

Những yếu tố nào liên quan đến vòng đời và nâng cấp lưới điện quyết định độ tin cậy lâu dài của tổ máy kết hợp?

Ảnh hưởng của quá trình nạp tải trong quá trình nâng cấp lưới điện đối với các thông số của tổ máy kết hợp

Các dự án nâng cấp lưới điện làm tăng tải trọng của máy biến áp hoặc thay thế máy biến áp bằng các thiết bị có công suất định mức cao hơn sẽ làm thay đổi điểm hoạt động của mọi thiết bị kết hợp trong hành lang đường dây phân phối bị ảnh hưởng. Các thông số của thiết bị kết hợp cần được kiểm tra lại sau khi nâng cấp lưới điện bao gồm:

• Dòng điện định mức của LBS: Nếu công suất định mức của máy biến áp tăng lên, hãy kiểm tra xem dòng điện định mức của LBS có ≥ 1,25 × dòng điện định mức sơ cấp của máy biến áp mới hay không — nếu không, cần phải thay thế LBS
• Dòng định mức của cầu chì HV: Việc thay đổi công suất định mức của máy biến áp đòi hỏi phải lựa chọn lại toàn bộ các cầu chì theo Bước 3 — cầu chì đã được phối hợp chính xác với máy biến áp ban đầu có thể không còn phù hợp với thiết bị thay thế
• Mức độ lỗi tăng: Việc nâng cấp lưới điện nhằm tăng công suất nguồn sẽ làm tăng cường độ dòng điện sự cố dự kiến — cần kiểm tra xem các giá trị định mức Ik của LBS và công tắc nối đất vẫn phải cao hơn mức sự cố mới

Yêu cầu về việc lựa chọn lại cầu chì trong quá trình nâng cấp lưới điện là nội dung thường bị bỏ qua nhất trong quá trình rà soát các thông số của thiết bị kết hợp. Một cầu chì có định mức phù hợp với máy biến áp 1.000 kVA có thể có định mức quá cao đối với thiết bị thay thế 630 kVA (dẫn đến lỗ hổng trong hệ thống bảo vệ) hoặc có định mức quá thấp đối với thiết bị thay thế 2.000 kVA (không đảm bảo sự phối hợp với dòng điện khởi động và gây ra hiện tượng ngắt mạch không mong muốn trong quá trình cấp điện).

Lịch bảo trì theo chu kỳ cho các thiết bị kết hợp

Hoạt động bảo trì	Khoảng thời gian	Phương pháp	Tiêu chí chấp nhận
Đo điện trở tiếp xúc LBS	Cứ 3 năm một lần	Máy đo điện trở vi ohm ≥ 100 A DC	≤ 150% so với mức cơ sở khi đưa vào vận hành
Kiểm tra bằng mắt thường cầu chì HV	Hàng năm	Hình thức — kiểm tra xem có bị phồng, đổi màu hay không, cũng như tình trạng nắp đậy	Không có hư hỏng vật lý; thay thế nếu phát hiện bất thường
Kiểm tra điện trở cầu chì HV	Cứ 3 năm một lần	Máy đo milliohm nối qua thân cầu chì	Trong phạm vi ±10% so với giá trị cầu chì mới
Kiểm tra hoạt động của công tắc nối đất	Hàng năm	3 chu kỳ đóng-mở	Hoạt động trơn tru, hiển thị vị trí chính xác
Thử nghiệm cơ chế chốt chốt	Cứ 5 năm một lần	Thử nghiệm chức năng theo tiêu chuẩn IEC 62271-105	LBS mở ra trong thời gian định mức khi bộ kích hoạt được kích hoạt
Kiểm tra chức năng liên kết	Hàng năm	Chuỗi năm bài kiểm tra	Tất cả các bài kiểm tra đều đạt
Hình ảnh nhiệt	Hàng năm	Hồng ngoại ở dòng điện định mức	≤ 65 K so với nhiệt độ môi trường tại các điểm tiếp xúc của cầu chì và LBS
Điện trở cách điện	Cứ 3 năm một lần	Máy đo điện trở cách điện 5 kV DC	> Điện trở pha-đất 500 MΩ

Các cơ chế kích hoạt thay thế cầu chì HV

Các cầu chì HV trong các bộ kết hợp phải được thay thế — không được kiểm tra rồi đưa vào sử dụng lại — trong các trường hợp sau:

• Sau bất kỳ sự cố nào: Một cầu chì đã ngắt dòng điện sự cố đã cạn kiệt khả năng hấp thụ năng lượng — ngay cả khi bề ngoài vẫn còn nguyên vẹn, đặc tính thời gian-dòng điện của nó đã thay đổi và cần phải được thay thế
• Sau các sự cố dòng điện khởi động của máy biến áp vượt quá dòng điện phối hợp khởi động định mức: Các sự cố dòng điện khởi động cường độ cao lặp đi lặp lại (ví dụ: do việc cấp điện cho máy biến áp thường xuyên) gây ra hiện tượng nóng chảy một phần trong phần tử cầu chì — làm suy giảm đặc tính thời gian-dòng điện mà không có dấu hiệu bên ngoài rõ ràng
• Trong thời gian sử dụng theo quy định của nhà sản xuất: Các cầu chì giới hạn dòng điện cao áp có tuổi thọ định kỳ từ 15 đến 20 năm, bất kể số lần hoạt động — cần thay thế khi hết tuổi thọ định kỳ, ngay cả khi chưa xảy ra sự cố nào
• Sau khi xảy ra bất kỳ hư hỏng vật lý nào: Nắp đầu phình ra, thân cầu chì bị đổi màu hoặc sứ bị nứt là những dấu hiệu cho thấy cầu chì bị hư hỏng bên trong và cần phải thay thế ngay lập tức

Việc điều chỉnh công suất theo điều kiện môi trường đối với các thiết bị kết hợp trong các ứng dụng nâng cấp lưới điện

Yếu tố môi trường	Ảnh hưởng đến thiết bị kết hợp	Hành động cần thực hiện
Nhiệt độ môi trường > 40°C	Cần phải giảm công suất định mức của LBS và cầu chì	Áp dụng các hệ số giảm công suất theo nhiệt độ theo tiêu chuẩn IEC 62271-1 — tăng mức dòng điện định mức
Độ cao > 1.000 m	Sự suy giảm độ bền điện môi	Áp dụng hệ số giảm công suất theo độ cao theo Điều 2.1 của Tiêu chuẩn IEC 62271-1 — kiểm tra các mức điện áp định mức
Độ ẩm cao (> 95% RH)	Nguy cơ phóng điện bề mặt trên lớp cách nhiệt	Chỉ định lớp phủ cách điện chống theo dõi hoặc phiên bản cách điện bằng SF6
Không khí ven biển / công nghiệp	Sự ăn mòn gia tốc của nắp đầu cầu chì và các điểm tiếp xúc LBS	Chỉ định sử dụng phụ kiện bằng thép không gỉ và lớp mạ tiếp xúc chống ăn mòn

Kết luận

Việc lựa chọn bộ kết hợp phù hợp để bảo vệ máy biến áp trung áp là một quy trình kỹ thuật gồm năm bước, lần lượt xác định các thông số định mức của máy biến áp, mức sự cố hệ thống, sự phối hợp của cầu chì cao áp, các thông số định mức của LBS và phân loại công tắc nối đất — trong đó mỗi bước cung cấp dữ liệu đầu vào cho bước tiếp theo. Giá trị của bộ kết hợp như một giải pháp bảo vệ máy biến áp nằm chính xác ở sự tương tác đã được kiểm chứng tại nhà máy giữa ba thành phần của nó: LBS xử lý việc chuyển mạch và cách ly bình thường, cầu chì hạn chế dòng điện cao áp ngắt dòng điện sự cố mà LBS không thể ngắt, và công tắc nối đất cung cấp nối đất an toàn cho nhân viên với khả năng tạo sự cố E1 để bảo vệ chống ngược dòng thứ ba của máy biến áp. Thực hiện đầy đủ quy trình lựa chọn năm bước cho từng vị trí bảo vệ máy biến áp một cách độc lập; kiểm tra lại tất cả các thông số của thiết bị kết hợp sau mỗi lần nâng cấp lưới điện làm thay đổi công suất định mức của máy biến áp hoặc mức độ sự cố hệ thống; quy định phân loại công tắc nối đất E1 mà không có ngoại lệ đối với các vị trí đường dây cấp nguồn của máy biến áp; và xác minh sự phối hợp của chốt kích hoạt thông qua chứng chỉ thử nghiệm loại IEC 62271-105 trước khi chấp nhận bất kỳ thiết bị kết hợp nào vào ứng dụng bảo vệ máy biến áp — bởi vì thiết bị kết hợp được chỉ định chính xác sẽ bảo vệ máy biến áp, còn thiết bị không được chỉ định chính xác sẽ là điểm hỏng hóc đơn lẻ nguy hiểm nhất của máy biến áp.

Câu hỏi thường gặp về việc lựa chọn thiết bị kết hợp để bảo vệ máy biến áp

1. Một đặc tính bảo vệ trong đó thời gian hoạt động giảm khi cường độ dòng điện tăng lên. ↩

2. Quy định các yêu cầu về tương tác và thử nghiệm đối với các tổ hợp công tắc-cầu chì dùng cho dòng điện xoay chiều. ↩

3. Xác định dòng điện tối đa mà công tắc ngắt tải phải ngắt khi cầu chì hoạt động. ↩

4. Một hằng số được sử dụng để tính toán dòng điện đi qua cực đại trong trường hợp sự cố ngắn mạch. ↩

5. Cho biết khả năng của công tắc có thể đóng an toàn vào điểm sự cố hai lần mà không bị hỏng. ↩