Máy biến áp nối đất: Khi nào cần chỉ định đơn vị kiểu zigzag và cách định mức chính xác

Mùa xuân năm ngoái, một kỹ sư nhà máy tại Ohio đã gửi email cho chúng tôi về một mạch vòng 13,8 kV cấp điện cho ba tòa nhà sản xuất. Một sự cố chạm đất pha đã lan truyền trong hệ thống đó suốt hai tuần — các rơ-le bảo vệ gần như không phát hiện được gì, bởi vì mạch vòng là một hệ thống không nối đất và không có đường dẫn thành phần thứ tự zero để dòng sự cố quay trở lại. Đến lúc nhà thầu của ông ấy tìm ra mối nối cáp bị cháy, hai bộ điều khiển động cơ công suất 500 mã lực đã hỏng trên các pha còn lành mạnh. Giải pháp khắc phục mà ông ấy đặt hàng là một máy biến áp loại 15 kV máy biến áp tiếp địa có cuộn dây kiểu zigzag. Câu hỏi của ông ấy gửi đến chúng tôi rất ngắn gọn: "Tôi nên ghi trị số dòng điện định mức nào vào đơn đặt hàng — trong 10 giây hay liên tục?"

Câu hỏi này xuất hiện thường xuyên hơn mức cần thiết, và đây chính xác là điểm mà các đặc tả kỹ thuật thường sai lệch. Dưới đây là những điều chúng tôi thông báo cho người mua khi câu hỏi này xuất hiện trong dự án của họ.

 

 

Chức năng thực tế của một máy biến áp nối đất

Đây không phải là một máy biến áp phân phối theo nghĩa thông thường. Một đơn vị nối đất như thế này gần như không mang tải trong điều kiện vận hành bình thường. Nhiệm vụ của nó là tạo ra một điểm trung tính nhân tạo trên một hệ thống không có điểm trung tính — thường là hệ thống nối tam giác (delta), hoặc hệ thống nối sao (wye) mà cực đầu ra trung tính không khả dụng hoặc không được phép nối đất cứng.

Khi xảy ra sự cố chạm đất một pha trên hệ thống không nối đất, dòng sự cố không có nơi nào để lưu thông ngoại trừ qua điện dung phân bố của cáp và dây quấn, vốn rất nhỏ. Do đó, thiết bị bảo vệ không thể loại bỏ sự cố, và hệ thống tiếp tục vận hành với một pha ở điện thế bằng điện thế đất, trong khi các pha còn lại tăng lên mức điện áp dây-dây đầy đủ — khoảng 1,73 lần điện áp pha bình thường, kèm theo khả năng quá áp tạm thời trong trường hợp hồ quang đứt quãng. Động cơ và cáp trên các pha lành chịu ứng suất, dẫn đến hư hỏng cách điện, thường xảy ra sau vài tuần và ở vị trí xa địa điểm sự cố thực tế.

Kết nối một bộ biến áp kiểu răng cưa với điểm trung tính được nối đất, và sơ đồ thay đổi. Cuộn dây tạo ra đường dẫn thứ tự không có trở kháng thấp, dòng sự cố quay trở lại qua biến áp, và các thiết bị bảo vệ cuối cùng có thể phát hiện dòng này để ngắt mạch. Trong cuộn dây kiểu răng cưa (sao liên kết), mỗi pha chịu khoảng một phần ba dòng sự cố thứ tự không, vì vậy các bộ biến áp này có kích thước vật lý nhỏ so với tải mà chúng bảo vệ.

 

Răng cưa so với sao–tam giác: Cuộn dây nào phù hợp với đặc tả của bạn?

Các khách hàng thường hỏi chúng tôi về hai cách phổ biến để chế tạo một máy biến áp tiếp địa bộ biến áp: kiểu răng cưa và kiểu sao–tam giác.

So sánh	Răng cưa (sao liên kết)	Sao–tam giác
Dòng tải bình thường	Gần bằng không — chỉ còn dòng từ hóa	Cũng có thể cấp điện cho tải tam giác phụ nếu được yêu cầu cụ thể
Trở kháng thứ tự không	Thấp, có thể kiểm soát được theo thiết kế	Thấp, được xác định bởi hình học của cuộn dây
Kích thước vật lý	Nhỏ gọn, chi phí thấp nhất	Lớn hơn, chi phí cao hơn
Sử dụng điển hình	Chỉ dùng để nối đất trên các hệ thống 480 V đến 34,5 kV	Nối đất kết hợp với tải phụ trợ hoặc tải phục vụ trạm
Các mức định mức phổ biến	400 A trong 10 giây; liên tục cho chế độ nối đất trở kháng cao (HRG)	Thường được định mức liên tục

Đối với một dự án chỉ cần điểm trung tính, thì biến áp kiểu zigzag gần như luôn là lựa chọn đúng đắn — nó nhỏ hơn, rẻ hơn và dễ lắp đặt hơn bên trong tủ ngoài trời. Chúng tôi sản xuất cả hai loại tại nhà máy của mình, nhưng khoảng chín trên mười đơn hàng nối đất mà chúng tôi giao đều là các bộ biến áp kiểu zigzag. Chỉ quy định kiểu sao–tam giác khi thiết bị cũng phải cấp điện cho tải phụ, ví dụ như bảng điều khiển dịch vụ trạm ở phía tam giác.

 

Định mức liên tục so với định mức ngắn hạn: Quyết định đặc tả quan trọng nhất

Đây là quyết định đã khiến kỹ sư ở Ohio gọi điện, và cũng là quyết định mà phần lớn người mua thường chọn sai.

Một máy biến áp tiếp địa hoạt động cùng hệ thống nối đất điện trở thấp được thiết kế để làm việc ở chế độ ngắn hạn . Điện trở nối đất trung tính của hệ thống trung tính (NGR) giới hạn dòng sự cố chạm đất ở một giá trị đã đặt — thường là 400 A, đôi khi là 200 A hoặc 600 A — và hệ thống bảo vệ loại bỏ sự cố trong vòng vài giây. Do đó, máy biến áp được định mức để chịu đựng dòng điện này trong một khoảng thời gian xác định, thường là 10 giây, theo quy trình thử nghiệm IEEE C57.32. Việc định mức một thiết bị chịu tải ngắn hạn là "liên tục" sẽ gây lãng phí chi phí đồng và lõi; còn việc định mức một thiết bị làm việc liên tục là "10 giây" lại tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn.

Trên một nối đất trở kháng cao hệ thống (HRG), dòng điện chủ động bị giới hạn ở mức khoảng 5 A hoặc 10 A và hệ thống tiếp tục vận hành trong khi sự cố vẫn tồn tại, cho đến khi bộ phận bảo trì xác định được vị trí sự cố. Thiết bị này phải được định mức liên tục vì nó phải mang dòng điện vô thời hạn. Việc nhầm lẫn hai loại này trong bản đặc tả là lỗi phổ biến nhất mà chúng tôi gặp trong các yêu cầu báo giá (RFQ) — một khách hàng ghi "máy biến áp nối đất, 400 A" nhưng quên nêu chu kỳ làm việc, dẫn đến nhà máy cung cấp báo giá sai thiết bị.

 

Nối đất hệ thống trước tiên: không nối đất, nối đất trực tiếp, nối đất trở kháng thấp hoặc nối đất trở kháng cao

Trước khi bất kỳ ai có thể đánh giá một thiết bị nối đất, triết lý nối đất hệ thống phải được xác định trước, bởi vì triết lý này sẽ quy định dòng điện, chế độ làm việc và sơ đồ bảo vệ.

• Các hệ thống không nối đất được phép theo nhiều quy chuẩn công nghiệp — Điều 250.21 của NEC vẫn cho phép sử dụng — nhưng chúng chịu đựng sự cố đầu tiên một cách âm thầm và làm thiết bị còn hoạt động tốt chịu điện áp quá mức. Đây là cấu hình thường khiến người mua quyết định lắp thêm thiết bị nối đất về sau.
• Các hệ thống sao nối đất cứng không cần thiết bị nối đất nếu điểm trung tính sẵn có và được phép sử dụng. Các thiết bị zigzag xuất hiện khi điểm trung tính không tiếp cận được hoặc không được phép nối đất cứng.
• Các hệ thống nối đất bằng điện trở thấp (thường ở dải 200–800 A, thời gian chịu tải 10 giây) là lựa chọn tiêu chuẩn cho hệ thống phân phối công nghiệp trung thế. Một tổ hợp zigzag cộng với NGR mang lại khả năng phát hiện sự cố đáng tin cậy đồng thời hạn chế thiệt hại tại vị trí xảy ra sự cố.
• Nối đất bằng điện trở cao các hệ thống (5–10 A, liên tục) giữ cho nhà máy vận hành bình thường ngay cả khi xảy ra một sự cố đơn lẻ, kèm theo cảnh báo; phương pháp này phổ biến trong các quy trình 480 V không thể chấp nhận việc ngừng hoạt động ngoài kế hoạch. NEC 250.36 quy định về nối đất điện trở cao (HRG) đối với các hệ thống từ 480 V đến 1000 V.

Để tham khảo, phương pháp nối đất xác định xem giải pháp nào trong số này phù hợp với nhà máy của bạn được mô tả trong Thực hành khuyến nghị IEEE 142 về nối đất các hệ thống điện công nghiệp và thương mại , mà chúng tôi coi là tiêu chuẩn cơ sở mỗi khi khách hàng yêu cầu chúng tôi rà soát triết lý thiết kế hệ thống của họ.

 

Những thông tin bắt buộc phải có trên bảng thông số kỹ thuật

Khi bạn gửi yêu cầu báo giá (RFQ) cho một máy biến áp tiếp địa , bảng thông số đầy đủ cần trả lời những mục sau — và kỹ sư báo giá có thể nhận ra ngay khi nào các mục này bị thiếu:

1. Điện áp dây-dây và tần số của hệ thống (ví dụ: 13,8 kV, 60 Hz), cùng cấp độ BIL yêu cầu cho hệ thống cách điện.
2. Phương pháp nối đất điểm trung tính : nối đất điện trở thấp với dòng điện và thời gian của bộ nối đất điện trở trung tính (NGR) (400 A, 10 s), hoặc nối đất điện trở cao (HRG) ở chế độ làm việc liên tục (5 A hoặc 10 A).
3. Công suất liên tục hoặc công suất ngắn hạn, được nêu rõ ràng — tuyệt đối không để người đọc suy luận.
4. Việc có hay không điện trở nối đất trung tính và giá trị điện trở (tính bằng ohm), bởi vì cuộn dây zigzag riêng lẻ không giới hạn dòng điện.
5. Vỏ bọc và môi trường: trong nhà, ngoài trời, kiểu đặt trên bệ hoặc lắp trên khung trạm biến áp, kèm theo cấp nhiệt độ.
6. Tiêu chuẩn thử nghiệm áp dụng — chúng tôi chế tạo và thử nghiệm theo IEEE C57.32 , tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu, thuật ngữ và quy trình thử nghiệm đối với thiết bị nối đất trung tính, bao gồm cả thử nghiệm tăng nhiệt và thử nghiệm dòng điện ngắn hạn.
7. Cách bố trí cuộn dây dạng delta hoặc zigzag, và việc thiết bị có phải chịu tải phụ nào hay không.

Một biến áp kiểu zigzag đối với hệ thống cấp điện áp 15 kV, dòng 400 A trong 10 giây là một thiết bị nhỏ và nhẹ so với các máy biến áp phân phối xung quanh. Tuy nhiên, ‘nhỏ’ không có nghĩa là đơn giản — trở kháng thứ tự không, phối hợp cách điện tại điểm trung tính và khả năng chịu nhiệt ngắn hạn đều phải được thiết kế kỹ lưỡng, chứ không thể tùy tiện.

 

Quy trình Chế Tạo và Thử Nghiệm Thiết Bị Nối Đất của Ryan

 

 

Kể từ năm 2023, chúng tôi hoạt động với tư cách là đối tác liên doanh chính thức của Eaton, và sự hợp tác này định hình cách chúng tôi xử lý các thiết bị chuyên dụng như sản phẩm này — những thiết bị này trải qua quy trình kiểm soát nghiêm ngặt tương tự như dây chuyền phân phối chính của chúng tôi, chứ không phải là công việc phụ. Nhà máy rộng 120.000 m² của chúng tôi vận hành hơn 180 bộ thiết bị, và các biến áp nối đất chỉ được xuất xưởng sau khi có báo cáo kiểm tra tại nhà máy bao gồm các thử nghiệm: tỷ số vòng dây, điện trở cách điện, điện áp thử nghiệm đặt vào và điện áp thử nghiệm cảm ứng, cũng như thử nghiệm dòng ngắn mạch trong thời gian ngắn (nếu yêu cầu kỹ thuật bắt buộc), với sự chứng kiến trực tiếp của đội kiểm soát chất lượng (QA) của chúng tôi.

Một thói quen từ khu vực kiểm tra: khi yêu cầu báo giá (RFQ) của khách hàng chỉ ghi "biến áp nối đất" mà không nêu thêm thông tin nào khác, chúng tôi luôn gọi điện trao đổi trước khi lập báo giá. Trong năm qua, chúng tôi đã phát hiện ra các thông số kỹ thuật có thể dẫn đến việc giao nhầm một thiết bị được định mức liên tục cho ứng dụng có thời gian làm việc chỉ 10 giây, hoặc đặt nhầm biến áp zigzag cho hệ thống thực tế lại cần loại wye-delta kèm tải phụ. Việc trao đổi qua điện thoại chỉ mất năm phút nhưng giúp tránh được hàng tháng trời rắc rối về sau.

 

Tóm lại dành cho người mua

Nếu cơ sở của bạn vận hành hệ thống điện áp trung thế không nối đất hoặc hệ thống delta mà không có điểm trung tính chắc chắn, thì một máy biến áp tiếp địa máy biến áp kiểu zigzag là giải pháp thực tiễn — thiết bị này cung cấp đường dẫn thứ tự zero cho bảo vệ, giới hạn mức quá điện áp tác động lên thiết bị còn hoạt động tốt và giúp rơ-le cuối cùng phát hiện được sự cố chạm đất. Hãy chọn kiểu quấn dây dựa trên việc bạn có cần khả năng tải phụ hay không, đồng thời chọn chu kỳ làm việc phù hợp với phương pháp nối đất của bạn: định mức 10 giây đối với hệ thống nối đất điện trở thấp có giới hạn bởi NGR, định mức liên tục đối với hệ thống nối đất điện trở cao (HRG).

Hãy gửi cho chúng tôi điện áp hệ thống, triết lý nối đất và giá trị dòng sự cố mục tiêu của bạn; chúng tôi sẽ xác nhận định mức trước khi bạn quyết định đầu tư. Gửi email đến [email protected]hoặc yêu cầu báo giá qua trang liên hệ — việc rà soát thông số kỹ thuật là miễn phí và đây chính là bước then chốt nhằm ngăn hệ thống không nối đất biến thành sự cố ngừng hoạt động ngoài kế hoạch.

 

Về tác giả

Ryan Electric là một nhà sản xuất máy biến áp tại Trung Quốc, được thành lập năm 2007, phục vụ các công ty điện lực, trung tâm dữ liệu và khách hàng công nghiệp trên khắp Bắc Mỹ, Đông Nam Á và Trung Đông. Bài viết này do đội ngũ kỹ thuật và nội dung của chúng tôi thực hiện, dựa trên kinh nghiệm kiểm tra tại nhà máy và phản hồi thực tế từ các dự án máy biến áp được giao trên toàn thế giới.