Giải thích về việc nối đất điểm trung tính của máy biến áp: So sánh giữa nối đất trực tiếp, nối đất qua điện trở và nối đất kiểu zig-zag

Lịch trình tủ đóng cắt quy định nối đất điện trở cao ở mức 5 A với điện trở chịu tải trong 10 giây. Nhà thầu đã lắp đặt đúng như vậy. Không ai đo dòng điện sạc của hệ thống, vốn trên cáp 5 kV có lớp chắn, bộ chống sét và bộ lọc đầu vào bộ biến tần tại nhà máy đó đạt khoảng 6,8 A. Trong sự cố chạm đất pha đầu tiên, điện trở phải chịu toàn bộ dòng điện dung, rơ-le cảm biến không phát hiện được sự gia tăng nào, và nhà máy vẫn vận hành trong hai ngày với một pha bị chạm đất. Sự cố thứ hai, xảy ra trên một pha khác, đã biến sự cố gây phiền toái thành vụ nổ hồ quang pha–pha. Toàn bộ hệ thống đều được xây dựng đúng theo bản vẽ. Tuy nhiên, phương án nối đất vẫn sai.

Nối đất điểm trung tính của biến áp là quyết định thiết kế xác định cường độ dòng điện chảy qua khi cách điện bị hỏng, việc bảo vệ sẽ ngắt mạch hay chỉ phát tín hiệu cảnh báo, và mức độ dòng điện đó mà máy biến áp, cáp và thiết bị đóng cắt phải chịu đựng được. Quyết định này được thực hiện một lần duy nhất ở giai đoạn thiết kế và thường chỉ chiếm một dòng trong đặc tả kỹ thuật.

Bốn phương pháp bao quát gần như mọi hệ thống công nghiệp, hệ thống của đơn vị cung cấp điện và trung tâm dữ liệu: nối đất trực tiếp, nối đất bằng điện trở thấp, nối đất bằng điện trở cao, và nối đất thông qua máy biến áp nối đất kiểu zig-zag hoặc kiểu sao–tam giác. Mỗi phương pháp trả lời một câu hỏi khác nhau, và câu trả lời đúng phụ thuộc vào mục tiêu vận hành của hệ thống khi xảy ra sự cố chạm đất đầu tiên.

 

Những điều mà Việc Nối Đất Điểm Trung Tính Máy Biến Áp Quyết Định

Một sự cố chạm đất hoàn tất mạch giữa một dây pha và mặt đất. Dòng điện chạy qua được xác định bởi trở kháng của đường dẫn trở về, và đường dẫn này được tạo ra nhờ kết nối giữa điểm trung tính của hệ thống và hệ thống điện cực nối đất. Thay đổi kết nối sẽ làm thay đổi dòng sự cố, tốc độ phát hiện và mức độ hư hại do sự cố gây ra trong suốt thời gian sự cố đang được loại bỏ.

Hai tài liệu tham khảo đáng được nêu tên trong đặc tả. IEEE Std 3003.1-2019 quy định về nối đất hệ thống cho các hệ thống điện công nghiệp và thương mại, và là phiên bản hiện đại kế thừa họ tài liệu Green Book; IEEE Std C62.92.1-2016 quy định về nối đất điểm trung tính cho các hệ thống điện lưới có cấp điện áp trên 1.000 V. Cả hai tiêu chuẩn đều dựa trên cùng một sự đánh đổi: dòng sự cố chạm đất phải đủ lớn để có thể phát hiện một cách đáng tin cậy, đồng thời cũng phải đủ nhỏ nhằm tránh phá hủy thiết bị.

Bảng dưới đây tóm lược bốn phương pháp.

Phương pháp	Dòng sự cố điển hình	Triết lý phát hiện	Vị trí phù hợp
Nối đất chắc chắn	Lên đến giá trị ngắn mạch ba pha cứng	Dòng điện tức thời quá tải, ngắt mạch	480 V và thấp hơn, phân phối điện áp thấp
Nối đất điện trở thấp (LRG)	100 A – 1.000 A, thường là 200 A – 400 A	Rơ-le quá dòng, phối hợp chọn lọc	Phân phối điện áp trung áp trong công nghiệp, yêu cầu ngắt mạch chọn lọc
Nối đất điện trở cao (HRG)	5 A – 25 A	Rơ-le nhạy, cảnh báo trước rồi mới ngắt	Nhà máy sử dụng nhiều bộ biến tần, quy trình liên tục, trung tâm dữ liệu
Máy biến áp nối đất kiểu zig-zag	Được thiết lập bởi điện trở hoặc thiết kế máy biến áp	Rơ-le nhạy	Hệ thống delta, không có điểm trung tính dễ tiếp cận

 

Nối đất cứng: Chi phí thấp nhất và dòng sự cố cao nhất

Trên hệ thống nối đất cứng, điểm trung tính được nối trực tiếp với hệ thống điện cực nối đất. Không có gì giới hạn dòng điện, do đó sự cố pha-đất có thể đạt gần giá trị ba pha ngắn mạch tại vị trí đó — lên tới hàng chục kiloampere trên một thiết bị 2.000 kVA ở điện áp 480 V. Đây không phải là khuyết tật thiết kế; đây chính là mục đích. Sự cố có cường độ lớn, mọi thiết bị bảo vệ đều phát hiện được và sự cố sẽ được loại bỏ trong vài chu kỳ.

Hóa đơn đến nơi khác. Việc gia cố xe buýt, định mức ngắt mạch của bộ ngắt mạch và phép tính năng lượng sự cố trong nghiên cứu chấn động hồ quang đều tỷ lệ thuận với dòng điện đó. Việc nối đất chắc chắn vẫn là lựa chọn thực tiễn cho phần lớn hệ thống 480 V, bởi vì điện áp pha–đất duy trì ở mức 277 V và yêu cầu cách điện cũng như bộ chống sét vẫn ở mức vừa phải. Việc nối đất chắc chắn trở nên thiếu hợp lý ở cấp điện áp trung bình, nơi cùng lập luận này lại tạo ra dòng sự cố mà máy biến áp, cáp và thiết bị đóng cắt không mong muốn gặp phải.

Một hệ quả gây bất ngờ cho nhiều người. Trên hệ thống nối đất chắc chắn, phần lớn sự cố bắt đầu dưới dạng sự kiện chạm đất một pha và được loại bỏ trước khi leo thang. Còn trên hệ thống không nối đất hoặc nối đất qua điện trở cao, sự cố đầu tiên thường hoàn toàn không được loại bỏ.

 

Nối đất bằng điện trở: Điện trở thấp so với điện trở cao

Việc nối một điện trở giữa dây trung tính và dây tiếp đất biến một triết lý thiết kế thành một giá trị số. Việc nối đất với điện trở thấp thường giới hạn dòng sự cố xuống vài trăm ampe – khoảng 200 A đến 400 A là phổ biến ở cấp điện áp trung bình – mức này vẫn đủ để các rơ-le quá dòng tiêu chuẩn phát hiện và phối hợp bảo vệ. Vì vậy, phương pháp LRG được áp dụng khi nhà máy yêu cầu chỉ nhánh bị sự cố ngắt mạch một cách chọn lọc thay vì ngắt toàn bộ hệ thống.

Việc nối đất với điện trở cao tiến xa hơn nữa và giới hạn dòng sự cố tiếp đất ở mức 5 A, 10 A hoặc 25 A. Ở những mức này, sự cố thường chỉ kích hoạt báo động thay vì ngắt mạch, nhờ đó nhà máy tiếp tục vận hành trong khi bộ phận bảo trì xác định vị trí sự cố. Các hệ thống công nghiệp sử dụng nhiều bộ biến tần, các nhà máy vận hành liên tục không thể chấp nhận việc ngắt mạch đột ngột, cũng như hệ thống phân phối điện áp trung bình cho trung tâm dữ liệu đều dựa vào phương pháp này. Máy biến áp và cáp không còn phải chịu đựng sự kiện ngắn mạch lên tới hàng kiloampe, đồng thời mức độ nguy cơ chấn thương do hồ quang điện từ sự cố tiếp đất cũng giảm theo dòng sự cố.

Đây là phần mà hầu hết người mua bỏ sót. Một hệ thống nối đất có điện trở cao chỉ hoạt động hiệu quả nếu dòng điện đi qua điện trở lớn hơn dòng điện sạc của hệ thống. Dòng điện sạc từ cáp được bọc giáp, bộ chống sét và bộ lọc đầu vào bộ biến tần là dòng điện thực tế; trong trường hợp chạm đất, dòng này chảy đồng thời qua điện trở và điểm chạm đất. Nếu dòng điện qua điện trở nhỏ hơn dòng đó, rơ-le sẽ không thể phân biệt được giữa sự cố và dòng điện dung bình thường — điều này chính xác đã xảy ra trong ví dụ mở đầu bài viết này. Trình tự đúng là: đo dòng điện dung của lắp đặt thực tế, chọn giá trị dòng điện qua điện trở cao hơn giá trị đo được với một khoảng dự phòng, sau đó mới thiết lập thời gian định mức.

 

 

Máy biến áp nối đất kiểu Zig-Zag: Tạo điểm trung tính ở nơi không có trung tính

Tất cả những điều trên đều giả định một điểm trung tính mà bạn có thể nối một điện trở vào. Một nguồn đấu tam giác (delta) hoặc một máy biến áp có điểm trung tính của cuộn thứ cấp không được đưa ra ngoài sẽ không cung cấp cho bạn điểm như vậy. Một bộ biến áp dạng zig-zag giải quyết vấn đề này. Các cuộn dây của nó tạo ra trở kháng thấp đối với dòng thứ tự zero, do đó chủ động hình thành một đường dẫn trở về cho dòng sự cố chạm đất, đồng thời lại tạo ra trở kháng cao đối với dòng thứ tự dương và thứ tự âm, nên thiết bị gần như không mang dòng tải trong chế độ vận hành bình thường. Một bộ biến áp dạng sao–tam giác (wye-delta) cũng thực hiện cùng chức năng ấy nhưng với cách bố trí cuộn dây khác.

Hành vi đó là lý do vì sao một máy biến áp tiếp địa được quy định từ một bảng dữ liệu hoàn toàn khác với máy biến áp tải. Các giá trị cần thống nhất là dòng điện trung tính trong thời gian ngắn và thời gian duy trì dòng này — 10 giây và 1 phút là các mức định mức phổ biến — cộng thêm khả năng chịu dòng điện trung tính liên tục do sự mất cân bằng trong vận hành bình thường gây ra, vốn thường chỉ chiếm vài phần trăm giá trị dòng điện trong thời gian ngắn đối với bộ nối dạng zig-zag. Nếu chỉ quy định theo giá trị dòng điện trong thời gian ngắn thì sự mất cân bằng kéo dài sẽ làm thiết bị quá nhiệt. Còn nếu quy định như đối với máy biến áp tải thì bạn sẽ mua lượng đồng mà thực tế chẳng bao giờ sử dụng.

Trên các hệ thống có nhiều bộ điều khiển tốc độ (drive), bộ nối dạng zig-zag thường được ghép nối với một điện trở. Điện trở xác định dòng điện cho phép đi qua; còn máy biến áp cung cấp điểm trung tính mà điện trở cần.

 

Kích thước của điện trở: Bốn thông số quyết định hiệu quả hoạt động

Điện trở nối đất trung tính là thiết bị vận hành trong thời gian ngắn, với số lượng thông số định mức quan trọng rất hạn chế. Bốn thông số sau đây quyết định việc sơ đồ này có vận hành hiệu quả trong thực tế hay không:

• Dòng điện dung đo được. Đo giá trị thực tế tại vị trí lắp đặt thực tế, ở điện áp thực tế. Các giá trị trong bảng chỉ là điểm khởi đầu, không phải câu trả lời cuối cùng.
• Dòng điện đi qua. 5 A, 10 A hoặc 25 A đối với nối đất có điện trở cao; 200 A đến 400 A đối với nối đất có điện trở thấp. Trong cả hai trường hợp, giá trị này phải lớn hơn dòng điện dung đo được, với một khoảng dự phòng.
• Thời gian chịu tải. Thời gian điển hình là mười giây và một phút. Một điện trở 400 A, chịu tải trong mười giây trên hệ thống 13,8 kV sẽ tiêu tán công suất khoảng 3,2 MW khi mang dòng sự cố — tương đương khoảng 32 MJ năng lượng trong mười giây. Nếu để sự cố tồn tại trên hệ thống, hệ thống sẽ bị phá hủy.
• Điện áp định mức và cấp cách điện. Trong trường hợp sự cố chạm đất, điện trở phải liên tục chịu toàn bộ điện áp pha-đất của hệ thống trong suốt thời gian xảy ra sự cố.

Hai yếu tố khác cũng cần được xem xét đồng thời nhưng không xuất hiện trên bảng thông số kỹ thuật của điện trở: sơ đồ phát hiện — tức là rơ-le xử lý dòng điện đo được như thế nào, và liệu nó chỉ báo động hay cắt mạch — cũng như (đối với nối đất có điện trở thấp) việc kiểm tra phối hợp bảo vệ còn hiệu lực hay không sau khi dòng điện đã bị giới hạn.

 

Ryan Electric hỗ trợ thiết kế nối đất cho các đơn hàng tùy chỉnh như thế nào

Thiết kế nối đất bắt đầu từ máy biến áp, vì cấu hình dây quấn quyết định việc có tồn tại điểm trung tính hay không. Trên một máy biến áp ba pha tùy chỉnh máy biến áp có thứ cấp nối sao (wye), chúng tôi đưa điểm trung tính ra ngoài thông qua bộ cách điện được đánh giá phù hợp với dòng sự cố chạm đất theo yêu cầu của báo cáo nghiên cứu; đồng thời cung cấp dữ liệu về cấu hình dây quấn và nhóm véc-tơ cần thiết cho các nghiên cứu nối đất và phối hợp bảo vệ. Trong trường hợp sơ đồ của khách hàng yêu cầu nối đất qua điện trở hoặc nối đất kiểu zig-zag, chúng tôi xác nhận phương án bố trí điểm trung tính ngay từ giai đoạn báo giá thay vì đợi đến giai đoạn kiểm tra nghiệm thu tại nhà máy. Việc này chỉ mất khoảng mười lăm phút trao đổi ngay từ đầu, nhưng nếu bỏ sót thì sẽ dẫn đến lệnh sửa chữa lại.

Chúng tôi sản xuất tại cơ sở có diện tích 120.000 mét vuông, trang bị hơn 180 bộ thiết bị sản xuất và kiểm tra, cùng 37 bằng sáng chế; đồng thời chúng tôi đạt chứng nhận UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS và CE. Kể từ năm 2023, Ryan Electric hoạt động với tư cách là đối tác liên doanh chính thức của Eaton. Báo cáo kiểm tra định kỳ đi kèm mỗi thiết bị bao gồm dữ liệu điện trở cuộn dây và tỷ số biến áp — những thông tin cần thiết để đội ngũ vận hành xác nhận kết nối điểm trung tính và tiếp đất tại hiện trường.

 

Gửi sơ đồ tiếp đất kèm yêu cầu báo giá máy biến áp (RFQ)

Vui lòng gửi cho chúng tôi sơ đồ một dây, phương pháp tiếp đất, dòng điện trung tính và thời gian chịu tải dự kiến, cũng như công suất định mức của máy biến áp. Đội kỹ sư của chúng tôi sẽ cung cấp giải pháp nối đất điểm trung tính máy biến áp phù hợp với phân tích kỹ thuật — bao gồm cả đầu ra điểm trung tính — nhằm giúp kỹ sư vận hành xác nhận thiết kế thay vì phải tự tìm hiểu trong quá trình triển khai. Việc chuẩn bị nền tảng đúng ngay từ giai đoạn báo giá không tốn chi phí nào. Nhưng nếu phát hiện sai sót sau sự cố chạm đất đầu tiên, hệ thống sẽ phải ngừng hoạt động.

 

Giới Thiệu Tác Giả: Bài viết này do đội kỹ thuật của Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) biên soạn, một nhà sản xuất máy biến áp kiểu đổ resin, ngâm dầu và lắp trên nền bê tông, phục vụ khách hàng trong lĩnh vực điện lực, trung tâm dữ liệu, phát điện tái tạo và công nghiệp kể từ năm 2007. Đội ngũ này làm việc hàng ngày với các yêu cầu IEEE C57 và IEC 60076, đồng thời hỗ trợ các nhà phát triển và nhà thầu EPC trong suốt quá trình lập đặc tả, kiểm tra tại nhà máy và đưa vào vận hành tại hiện trường.