Làm thế nào để thực hiện quy trình khử từ cho máy biến dòng sau sự cố?

Một sự cố trong hệ thống phân phối điện trung áp không chỉ khiến cầu dao ngắt mạch — nó còn có thể để lại những hậu quả tiềm ẩn nhưng nguy hiểm bên trong lõi biến dòng của bạn: từ dư. Dòng từ dư bị giữ lại trong lõi CT sau một sự cố hoặc hiện tượng dao động do lệch DC sẽ trực tiếp làm giảm độ chính xác của hiện tượng cảm ứng điện từ, gây ra hiện tượng bão hòa lõi sớm, và có thể dẫn đến việc rơle bảo vệ hoạt động sai hoặc hiện tượng bảo vệ không đủ mức độ trong sự cố tiếp theo. Đối với các kỹ sư điện và đội ngũ bảo trì chịu trách nhiệm về độ tin cậy của trạm biến áp, việc nắm vững cách khử từ lõi CT một cách chính xác không chỉ là kiến thức bảo trì thông thường — mà còn là nhiệm vụ bảo đảm tính toàn vẹn của hệ thống bảo vệ tuyến đầu. Bài viết này trình bày chi tiết về nguyên lý vật lý của từ dư, quy trình khử từ tại hiện trường từng bước, cũng như các tiêu chí lựa chọn giúp xác định liệu lõi CT của bạn có dễ bị ảnh hưởng bởi hiện tượng từ dư hay không.

Mục lục

• Dòng từ dư là gì và tại sao nó lại hình thành trong lõi CT?
• Tính từ dư ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất và độ tin cậy của cảm ứng CT?
• Làm thế nào để thực hiện quy trình khử từ tại hiện trường đối với một biến dòng điện?
• Những sai lầm phổ biến nào dẫn đến việc khử từ không thành công ở các biến dòng điện áp trung bình?

Dòng từ dư là gì và tại sao nó lại hình thành trong lõi CT?

Dòng từ dư — còn được gọi là từ tính dư hoặc độ từ dư — là mật độ dòng từ còn lại bên trong cấu trúc thép silic định hướng hạt của lõi CT sau khi lực từ hóa đã được loại bỏ. Để hiểu tại sao hiện tượng này lại hình thành, chúng ta cần xem xét sơ lược về Đường cong từ trễ b-h¹ quy định toàn bộ hành vi của lõi từ tính.

Khi một máy biến áp dòng điện (CT) gặp phải dòng điện sự cố có thành phần lệch DC đáng kể, dòng điện sơ cấp sẽ không dao động đối xứng quanh giá trị không. Thay vào đó, nó sẽ đẩy từ thông lõi dọc theo đường cong từ trễ vào vùng có từ thông cao mật độ từ thông². Khi sự cố được khắc phục và dòng điện giảm đột ngột xuống mức không — như khi ngắt mạch bằng cầu dao — từ thông trong lõi không trở về mức không. Nó vẫn duy trì ở mức Mật độ từ thông dư (Br), đối với thép silic định hướng hạt có thể đạt tới 60–80% của mật độ dòng bão hòa³ (Bsat).

Các đặc tính kỹ thuật chính của từ dư lõi CT:

• Độ nhạy của vật liệu lõi: Thép silic định hướng hạt (được sử dụng trong các cuộn cảm có độ chính xác cao) có độ từ thẩm cao nhưng cũng có độ từ dư cao. Các lõi hợp kim niken-sắt có mức độ từ dư còn cao hơn nữa.
• Lõi có khe hở không khí: Các cuộn cảm (CT) được thiết kế với khe hở không khí nhỏ có chủ đích trong lõi (loại TPY và TPZ theo tiêu chuẩn IEC 61869-2) có từ dư thấp hơn đáng kể — thường dưới 10% so với Bsat — vì khe hở không khí đóng vai trò như một cơ chế khôi phục từ tính.
• Các sự kiện kích hoạt: Dòng điện sự cố lệch DC, sự cố hở mạch ở phía thứ cấp của CT và quá trình khử từ không đúng cách sau khi thử nghiệm là ba nguyên nhân chính dẫn đến sự tích tụ từ thông dư đáng kể.

Loại lõi	Mức độ từ dư	Lớp IEC	Ứng dụng điển hình
Thép silic định hướng hạt (không có khe hở không khí)	60–80% Bsat	5P, 10P, TPS	CT bảo vệ tiêu chuẩn
Hợp kim niken-sắt (không có khe hở không khí)	Lên đến 90% Bsat	Lớp X, TPS	Bảo vệ vi sai độ nhạy cao
Lõi có khe hở (khe hở nhỏ)	<10% Bsat	TPY	Các phương án bảo vệ tự động đóng lại
Lõi có khe hở không khí lớn	~0% Bsat	TPZ	Bảo vệ tốc độ cao, hiệu suất quá độ

Loại lõi được lắp đặt trong tủ phân phối điện của bạn sẽ quyết định trực tiếp mức độ rủi ro từ dư của hệ thống — cũng như việc quy trình khử từ là bắt buộc định kỳ hay chỉ mang tính phòng ngừa.

Tính từ dư ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất và độ tin cậy của cảm ứng CT?

Dòng điện dư không gây ra sự cố có thể nhận thấy ngay lập tức — đây là một cơ chế suy giảm tiềm ẩn, âm thầm làm suy yếu độ tin cậy của hệ thống bảo vệ cho đến khi sự cố tiếp theo bộc lộ nó một cách thảm khốc. Tác động này diễn ra thông qua một cơ chế chính: giảm biên độ dao động dòng từ trước khi bão hòa.

Một lõi CT chỉ có thể chịu được sự thay đổi có giới hạn của mật độ từ thông trước khi đạt đến trạng thái bão hòa. Biên độ dao động từ thông tối đa là:
$\Delta B = B_{\text{sat}} – B_{r}$

Nếu Br đã đạt mức 70% của Bsat do từ dư, thì lõi chỉ còn 30% công suất từ thông bình thường để sử dụng cho đợt dòng điện sự cố tiếp theo. Điều này có nghĩa là CT sẽ bão hòa sớm hơn nhiều so với mức mà Hệ số Giới hạn Độ chính xác (ALF) định mức dự kiến, dẫn đến hình dạng sóng dòng điện thứ cấp bị biến dạng nghiêm trọng mà các rơle bảo vệ không thể giải mã chính xác.

Hậu quả thực tế của dòng từ dư chưa được xử lý:

• Khoảng cách tiếp sức không đạt yêu cầu: Dòng ra CT bão hòa khiến rơle nhận thấy trở kháng biểu kiến cao hơn so với thực tế, dẫn đến khả năng không kích hoạt khi xảy ra sự cố trong vùng
• Sự cố trong hệ thống bảo vệ vi sai: Sự bão hòa không đối xứng giữa các bộ chuyển đổi dòng điện (CT) ở hai bên đối diện của vùng được bảo vệ tạo ra dòng điện chênh lệch giả, dẫn đến hiện tượng ngắt mạch không mong muốn
• Chế độ hoạt động chậm trễ của rơle quá dòng: Dạng sóng thứ cấp bị biến dạng làm kéo dài thời gian hoạt động của rơle vượt quá các đường cong ngắt định mức
• Sai số trong đo lường năng lượng: Ngay cả ở mức dòng tải bình thường, lõi bị bão hòa một phần cũng gây ra sai số về tỷ số và góc pha vượt quá giới hạn của Loại 0,5

Trường hợp khách hàng — Nhà thầu điện, Dự án nâng cấp trạm biến áp 35kV, Trung Đông: Một nhà thầu điện đang quản lý dự án nâng cấp trạm biến áp 35kV tại Ả Rập Xê Út đã báo cáo về các sự cố ngắt mạch không mong muốn lặp đi lặp lại trên hệ thống bảo vệ vi sai đường cấp điện sau khi xảy ra sự cố trên thanh cái gần đó. Sau khi tham khảo ý kiến của đội ngũ kỹ thuật Bepto, phân tích dạng sóng thứ cấp của CT đã phát hiện tình trạng bão hòa bất đối xứng nghiêm trọng, phù hợp với từ thông dư cao ở hai trong số sáu CT trong vùng vi sai. Sau khi thực hiện quy trình khử từ có hệ thống trên cả sáu thiết bị, tính ổn định của hệ thống bảo vệ vi sai đã được khôi phục hoàn toàn — chấm dứt ba tuần ngắt mạch giả định ngắt quãng vốn trước đó bị nhầm lẫn là do cài đặt rơle.

Làm thế nào để thực hiện quy trình khử từ tại hiện trường đối với một biến dòng điện?

Quy trình khử từ hoạt động bằng cách điều khiển lõi CT đi qua các vòng từ trễ ngày càng nhỏ hơn cho đến khi từ thông dư hội tụ về gần bằng không. Có hai phương pháp thực địa được chấp nhận — cấp điện áp xoay chiều và cấp dòng điện một chiều có đảo chiều — mỗi phương pháp phù hợp với các điều kiện hiện trường và thiết kế CT khác nhau.

Bước 1: Tách và chuẩn bị mạch CT

• Ngắt nguồn mạch chính và kiểm tra xem mạch đã được cách ly hoàn toàn chưa bằng máy đo điện áp
• Nối tắt tất cả các cuộn thứ cấp của CT không được sử dụng Trước khi bắt đầu — các cực thứ cấp ở trạng thái hở mạch trong bất kỳ điều kiện từ thông dư nào cũng có thể tạo ra điện áp cảm ứng nguy hiểm
• Ngắt kết nối rơle bảo vệ và thiết bị đo lường khỏi các cực thứ cấp đang được khử từ
• Ghi chép các thông số trên bảng hiệu máy CT: tỷ số định mức, cấp độ chính xác, điện áp điểm uốn (Vk) và dòng điện từ hóa (Imag)

Bước 2: Chọn phương pháp khử từ

Phương pháp	Thiết bị cần thiết	Phù hợp nhất cho	Giới hạn
Tiêm điện áp xoay chiều (Xóa từ)	Nguồn điện xoay chiều có thể điều chỉnh (Variac), ampe kế	Lõi thép silic tiêu chuẩn 5P/10P	Yêu cầu có nguồn điện áp biến đổi
Tiêm dòng điện một chiều có đảo chiều	Bộ nguồn một chiều, công tắc đảo chiều, ampe kế	TPY / lõi có khe hở, cuộn cảm có độ tự cảm cao	Yêu cầu trình tự đảo chiều dòng điện phải được thực hiện cẩn thận
Máy phân tích CT chuyên dụng	Máy phân tích CT có chức năng khử từ tích hợp	Tất cả các loại lõi — đáng tin cậy nhất	Chi phí thiết bị; không phải lúc nào cũng có sẵn tại chỗ

Bước 3: Quy trình khử từ bằng dòng điện xoay chiều (Phương pháp thực địa phổ biến nhất)

1. Kết nối một nguồn điện xoay chiều biến thiên⁴ (Variac) nối giữa các cực thứ cấp của cuộn cảm CT (S1–S2)
2. Từ từ tăng điện áp xoay chiều từ mức 0 cho đến khi dòng điện từ hóa đạt khoảng 120–150% của dòng điện từ hóa tại điểm uốn định mức — điều này khiến lõi đạt đến trạng thái bão hòa, từ đó xác định được điểm khởi đầu đã biết trên đường cong từ tính
3. Từ từ và liên tục giảm điện áp xoay chiều về mức 0 — không được dừng lại hoặc lùi lại; việc giảm tốc phải diễn ra từ từ và liên tục trong khoảng 30–60 giây
4. Dòng từ trong lõi tạo thành các vòng từ trễ ngày càng nhỏ, hội tụ về mức từ dư gần bằng không khi điện áp tiến gần về không
5. Đo dòng điện từ hóa ở điện áp thử nghiệm ban đầu — so sánh với giá trị tham chiếu trước khi khử từ để xác nhận mức giảm từ thông

Bước 4: Kiểm tra xem quá trình khử từ đã thành công hay chưa

• Chụp CT đường cong kích thích⁵ kiểm tra (đặc tính V-I) và so sánh với đường cong từ hóa của nhà sản xuất
• Một lõi đã được khử từ thành công sẽ cho thấy dòng điện từ hóa nằm trong khoảng ±5% so với mức cơ sở ban đầu tại cùng mức điện áp được áp dụng
• Đối với các biến áp bảo vệ (CT), hãy kiểm tra xem điện áp tại điểm gối (Vk) đã được khôi phục về mức quy định trên nhãn hiệu hay chưa
• Ghi chép tất cả kết quả thử nghiệm vào sổ theo dõi bảo trì trạm biến áp theo các yêu cầu vận hành ban đầu của tiêu chuẩn IEC 61869-2

Bước 5: Khôi phục các mạch phụ

1. Kết nối lại rơle bảo vệ và thiết bị đo lường theo cực tính chính xác (hướng S1→S2)
2. Chỉ được tháo các liên kết ngắn mạch phụ sau khi đã xác nhận tất cả các kết nối tải
3. Nạp lại năng lượng cho mạch sơ cấp và theo dõi đầu ra thứ cấp của CT trong chu kỳ tải đầu tiên
4. Kiểm tra xem các tín hiệu đầu vào dòng điện của rơle bảo vệ có khớp với các giá trị dự kiến hay không, dựa trên dòng điện tải chính và tỷ số biến dòng

Những sai lầm phổ biến nào dẫn đến việc khử từ không thành công ở các biến dòng điện áp trung bình?

Quá trình khử từ là một quy trình đòi hỏi độ chính xác cao — những sai sót nhỏ trong quá trình thực hiện có thể để lại từ thông dư đáng kể trong lõi hoặc, tệ hơn nữa, tạo ra từ dư mới với cực tính khác. Đây là những sai sót nghiêm trọng nhất thường gặp trong các hoạt động bảo trì trạm biến áp trung áp.

Những lỗi nghiêm trọng cần tránh

• Ngừng giảm điện áp giữa chừng trong quá trình thực hiện: Việc ngắt quá trình quét điện áp xoay chiều tại bất kỳ mức nào khác không bằng không sẽ làm đóng băng lõi tại một điểm từ dư mới — có thể còn tệ hơn so với trạng thái ban đầu. Quá trình giảm điện áp phải diễn ra liên tục và không bị gián đoạn cho đến khi về 0.
• Áp dụng điện áp ban đầu quá cao: Việc đẩy dòng điện từ hóa tại điểm uốn vượt quá 150% có thể gây ra ứng suất cách điện trên cuộn dây thứ cấp. Luôn tính toán giới hạn điện áp nạp an toàn trước khi khởi động.
• Khử từ khi tải phụ vẫn được kết nối: Trở kháng của rơle kết nối làm thay đổi điện cảm hiệu dụng của mạch, khiến lõi không thể hoàn thành các vòng từ tính đầy đủ. Luôn ngắt kết nối tải trước khi thực hiện quy trình.
• Bỏ qua việc kiểm tra đường cong kích thích: Kiểm tra bằng mắt thường không thể xác nhận việc khử từ đã thành công. Chỉ có thử nghiệm đặc tính V-I sau quy trình so sánh với đường cong tiêu chuẩn của nhà sản xuất mới cung cấp bằng chứng khách quan.
• Bỏ qua các lõi CT liền kề trong các đơn vị đa lõi: Trong các bộ biến áp hai lõi, việc khử từ một lõi có thể gây ra sự thay đổi từ thông trong lõi liền kề thông qua hiện tượng ghép từ. Cả hai lõi đều phải được kiểm tra và khử từ theo thứ tự.

Danh sách kiểm tra sau thủ thuật

1. ✔ Đường cong kích thích nằm trong phạm vi ±5% so với giá trị chuẩn của nhà sản xuất
2. ✔ Điện áp tại điểm đầu gối đã được khôi phục về giá trị ghi trên nhãn hiệu
3. ✔ Đã kiểm tra các dấu hiệu phân cực thứ cấp trước khi nối lại tải
4. ✔ Tất cả các điểm ngắn mạch đã được loại bỏ sau khi nối lại tải
5. ✔ Kết quả kiểm tra được ghi chép trong hồ sơ bảo trì

Kết luận

Dòng từ dư trong lõi biến dòng là một mối đe dọa thầm lặng đối với độ tin cậy, thường xuyên được tạo ra bởi các sự cố và thường bị các đội bảo trì bỏ qua. Quy trình khử từ — dù bằng cách quét điện áp xoay chiều hay đảo chiều dòng điện một chiều — giúp khôi phục toàn bộ biên độ dao động từ trường khả dụng của lõi, đảm bảo các rơle bảo vệ hoạt động trong giới hạn độ chính xác thiết kế khi sự cố tiếp theo xảy ra. Đối với các hệ thống phân phối điện trung áp, nơi độ tin cậy của hệ thống bảo vệ là điều không thể thỏa hiệp, khử từ không phải là một biện pháp khắc phục — mà là một bước vận hành bắt buộc sau sự cố. Tại Bepto Electric, các CT của chúng tôi được sản xuất theo tiêu chuẩn IEC 61869-2 với tài liệu đầy đủ về đường cong kích thích tại nhà máy, cung cấp cho đội ngũ bảo trì của bạn dữ liệu cơ bản cần thiết để xác minh việc khử từ thành công mỗi lần.

Câu hỏi thường gặp về quy trình khử từ CT

1. Hiểu cách các vật liệu sắt từ duy trì từ tính thông qua chu trình từ trễ. ↩

2. Các định nghĩa kỹ thuật về mật độ từ thông và vai trò của nó đối với hiệu suất của lõi máy biến áp. ↩

3. Giới hạn vật lý của từ thông mà lõi biến áp có thể chịu được trước khi bão hòa. ↩

4. Cách thức máy biến áp tự điều chỉnh (Variacs) điều khiển điện áp trong các thử nghiệm điện. ↩

5. Hướng dẫn giải thích đường cong đặc tính V-I để đánh giá tình trạng hoạt động của biến áp đo lường. ↩