Máy biến áp đo lường

Trong công nghiệp, hầu hết các hệ thống đều vận hành với điện áp và dòng rất lớn. Các giá trị này nếu đưa trực tiếp vào thiết bị đo sẽ làm hỏng thiết bị đo, không an toàn cho người đo. Do đó các thiết bị này cần phải được nối gián tiếp với điện áp hoặc dòng điện cần đo thông qua các máy biến áp đo lường. Hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về loại máy biến áp đặc biệt này nhé!

1. Khái niệm chung về máy biến áp đo lường

Máy biến áp đo lường là một loại máy biến áp đặc biệt dùng để biến đổi các điện áp cao và dòng diện lớn thành những lượng nhỏ đo được bằng các dụng cụ đo tiêu chuẩn (1-100V hoặc 1-5A) hoặc dùng trong mạch bảo vệ.

Máy biến áp đo lường gồm có 2 loại là:

  • Máy biến điện áp.
  • Máy biến dòng điện.

Hình 1. Một số máy biến điện áp (PT).

Hình 2. Một số máy biến dòng điện (CT).

2. Máy biến điện áp (VT hay PT)

Ta hiểu các kí hiệu như sau:

  • VT: Voltage Transformer.
  • PT: Potential Transformer

2.1. Khái quát

PT là thiết bị dùng để biến đổi điện áp từ trị số lớn xuống trị số thích hợp (100V hay)

Hầu hết các máy biến điện áp trong đô lường đều là máy biến áp giảm áp.

Với PT có Usc ≤ 66kV thường được bảo vệ bằng cầu chì. Tuy nhiên ở cấp điện áp cao cầu chì không đảm bảo được dung lượng cắt ngắn mạch, vì vậy PT được nối trực tiếp vào điện áp sơ cấp. Phía thứ cấp của PT thường được bảo vệ bằng cầu chì hoặc aptomat ở ngay đầu ra. Bởi vì khi ngắn mạch phía thứ cấp, dòng ngắn mạch có thể vượt gấp nhiều lần dòng định mức.

Tổng trở của PT rất lớn nên PT làm việc ở trạng thái gần như không tải.

2.2. Phân loại, cấu tạo

– Phân loại theo cấu tạo:

Hình 3. Phân loại máy biến điện áp.

  • PT khô: thường được sử dụng ở cấp điện áp 35kV trở xuống.

Hình 4. Một số máy biến áp khô.

  • PT dầu: Sử dụng cho mọi yêu cầu.

Hình 5. Một số máy biến áp dầu.

– Với cấp điện áp cao người ta chế tạo theo kiểu phân cấp, phân áp.

  • Máy biến điện áp kiểu cảm ứng điện từ: Ký hiệu IVT (Inductive Voltage Transformer)
  • Máy biến điện áp kiểu tụ: Ký hiệu CVT (Capacitive Voltage Transformer).

2.3. Nguyên lý và hoạt động

PT hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ để biến đổi điện áp cao bên cuộn dây sơ cấp sang điện áp thấp bên cuộn dây thứ cấp. Nó được thiết kế sao cho điện áp thứ cấp ít thay đổi khi tải thay đổi từ lúc không tải đến đầy tải (tải định mức).

Hình 6. Nguyên lí hoạt động của máy biến điện áp.

Một PT lý tưởng, khi mắc các phụ tải (mắc song song) định mức vào phía thứ cấp, tỷ số điện áp phía sơ cấp và thứ cấp tỷ lệ thuận với tỷ số vòng dây. Nhưng trên thực tế, do tổn hao mạch từ, dây dẫn…dẫn đến sai số tỷ số về biên độ và góc pha.

Lưu ý: Khi sử dụng máy biến điện áp chú ý không được nối tắt mạch thứ cấp vì như vậy sẽ tương đương với nối tắt mạch sơ cấp, nghĩa là gây sự cố ngắn mạch ở lưới điện.

2.4. Các thông số cơ bản

Hệ số biến đổi điện áp Ku: Là tỷ số giữa điện áp sơ cấp danh định và điện áp thứ cấp danh định.

Độ lệch điện áp (ΔU) được cho bởi công thức:

Trong đó: N1 là số vòng dây quấn sơ cấp.

                 N2  là số vòng dây quấn thứ cấp.

Sai số góc pha (độ lệch pha δ­­v): 

– Theo tiêu chuẩn của Nga thì có 3 chính xác đối với PT là:

  • Cấp chính xác 1: ΔU = ±0,5%, δv = ±20’
  • Cấp chính xác 2: ΔU = ±1,0%, δv = ±40’
  • Cấp chính xác 3: ΔU = ±3,0%, δv không giới hạn.

2.5. Ứng dụng

  • Sử dụng trong mạch relay bảo vệ hoặc mạch đo lường
  • Được sử dụng để bảo vệ lưới điện

Hình 7. Ứng dụng của máy biến điện áp CVT.

  • Được sử dụng để bảo vệ trở kháng trong máy phát điện…

3. Máy biến dòng (CT: Current Transformer)

3.1. Khái quát

Máy biến dòng là một loại máy biến áp đặc biệt không thể thiếu trong hệ thống giám sát, đo lường. Được thiết kế để tạo ra một dòng điện xoay chiều ở cuộn dây thứ cấp tỷ lệ thuận với dòng điện đi qua cuộn sơ cấp. Nó biến đổi trị số dòng điện lớn về trị số dòng điện tiêu chuẩn ( thường là 5A) phù hợp với các thiết bị đo hoặc rơ-le để đảm bảo an toàn của thiết bị cũng như người sử dụng.

Tổng trở của máy biến dòng rất nhỏ và trạng thái làm việc của nó là trạng thái ngắn mạch.

Hình 8. Máy biến dòng trong công nghiệp và máy biến dòng hạ thế.

3.2. Cấu tạo

Máy biến dòng cũng giống như một máy biến áp cách ly thông thường gồm có lõi thép ghép từ các lá thép kỹ thuật điện, hai cuộn dây quấn sơ cấp và thứ cấp đặt trên lõi thép. Điểm đặc biệt của máy biến dòng nằm ở tiết diện và số vòng dây quấn cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Cuộn sơ cấp của máy biến dòng có số vòng rất nhỏ, có khi chỉ một hoặc vài vòng. Cuộn dây thứ cấp có số vòng nhiều hơn và luôn được nối đất để đề phòng cách điện giữa sơ cấp và thứ cấp bị chọc thủng gây nguy hại cho dụng cụ phía thứ cấp và người vận hành.

Hình 9. Cấu tạo của máy biến dòng.

3.3. Phân loại

Phân loại theo cấu tạo: máy biến dòng dạng dây quấn, dạng vòng và thanh khối.

Hình 10. Máy biến dòng dạng dây quấn.

Hình 11. Máy biến dòng dạng vòng và dạng thanh khối.

Hình 12. Máy biến dòng 110 kV.

Hình 13. Biến dòng analog 0-100A AC/DC.

3.4. Nguyên lí hoạt động

Biến dòng hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

Khi dòng điện xoay chiều chạy qua một dây dẫn, xung quanh nó sẽ xuất hiện một hiện một điện trường, điện trường này cảm ứng lên cuộn dây và sẽ xuất hiện một dòng điện trong đó.

Tỷ lệ dòng điện này được căn cứ vào số vòng dây của cuộn dây trên biến dòng.

Hình 14. Nguyên lí hoạt động của máy biến dòng.

Các tỷ lệ của biến dòng thường gặp là: 100/1, 100/5, 200/5, 500/5,..

Các chế độ hoạt động của biến dòng: chế độ ngắn mạch và chế độ hở mạch.

Lưu ý:

  • Khi sử sụng chú ý không được để dây quấn thứ cấp hở mạch vì như vậy dòng điện từ hóa rất lớn, lõi thép bão hoàn nghiêm trọng sẽ nóng lên và làm cháy dây quấn, hơn nữa khi bão hòa, từ thông bằng đầu sẽ sinh ra suất điện động nhọn đầu.
  • Do đó ở đầu dâu quấn thứ cấp có thể xuất hiện điện áp cao hàng nghìn vôn, không an toàn cho người sử dụng.

3.5. Các thông số cơ bản

Hệ số biến đổi điện áp KI: Là tỷ số giữa dòng điện trên cuộn sơ cấp và dòng điện trên cuộn thứ cấp.

Độ lệch điện áp (ΔI) được cho bởi công thức:

Sai số góc pha (độ lệch pha δi ):

Cấp chính xác và các giới hạn sai số cho phép đối với máy biến dòng theo tiêu chuẩn của Nga như sau:

  • Cấp chính xác 0,2: ΔI = 0,2%, δi  = 10’
  • Cấp chính xác 0,5: ΔI = 0,5%, δi  = 40’
  • Cấp chính xác 1: ΔI = 1,0%, δi  = 80’
  • Cấp chính xác 3: ΔI = 3%, δi  không giới hạn
  • Cấp chính xác 10: ΔI = 10%, δi  không giới hạn.

3.6. Sơ đồ đấu dây và quy ước cực tích của CT và PT

Hình 15. Sơ đồ cấu tạo và đấu dây của CT và PT.

Hình 16. Ký hiệu trên sơ đồ và quy ước cực tính PT, CT.

Cực tính PT, CT:

  • Trên các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp PT, CT bao gi cũng có ký hiệu qui định cực tính, các đầu trên cuộn sơ cấp và thứ cấp có cùng cực tính được đánh dấu “*”, “+” hay P1, S1.
  • Cực tính phụ thuộc vào chiều quấn của cuộn dây, đấu sai cực tính sẽ làm ảnh hưởng đến kết quả đo.

Cách xác định cực tính: Dùng VOM, để thang đo DC 50mA.

Hình 17. Cách xác định cực tính của CT, PT.

3.7. Ứng dụng

Biến dòng là thiết bị không thể thiếu trong hệ thống giám sát, đo lường điện năng. Nói một cách dễ hiểu thì máy biến dòng điện là thiết bị dùng để biến đổi dòng điện có trị số cao xuống dòng điện có trị số tiêu chuẩn. Để cung cấp điện áp an toàn cho mạch đo lường, điều khiển và bảo vệ.

Hình 18.Máy biến dòng trong tủ điện.

Các bạn có thể tham khảo thêm thông tin về máy biến dòng (CT).