Trong hệ thống điện, việc đo lường chính xác dòng điện và điện áp là yếu tố then chốt để đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả và ổn định. Đó là lý do máy biến áp đo lường – thiết bị giúp “thu nhỏ” các đại lượng điện lớn về mức an toàn – luôn đóng vai trò không thể thiếu. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng của thiết bị này, đồng thời điểm qua những thương hiệu uy tín như Thibidi, Shihlin, MBT, HBT.
Ngoài ra, việc nắm được ưu – nhược điểm của máy biến áp đo lường cũng là chìa khóa để bạn chọn đúng sản phẩm phù hợp với nhu cầu thực tế.
Máy biến áp đo lường là gì? Tại sao lại cần thiết?
Máy biến áp đo lường (Instrument Transformer) là một loại máy biến áp đặc biệt được thiết kế không phải để truyền tải công suất lớn như máy biến áp lực, mà để biến đổi các giá trị dòng điện hoặc điện áp lớn trong lưới điện xuống các giá trị tiêu chuẩn, an toàn và phù hợp cho các dụng cụ đo lường (như ampe kế, vôn kế, công tơ điện) và các rơ le bảo vệ.
Tại sao chúng ta cần chúng?
- An toàn: Đo trực tiếp dòng điện hàng trăm, hàng nghìn Ampe hay điện áp hàng chục, hàng trăm Kilovolt là cực kỳ nguy hiểm và không thực tế. Máy biến áp đo lường cách ly mạch đo lường khỏi mạch điện chính có điện áp cao, đảm bảo an toàn cho người vận hành và thiết bị.
- Tiêu chuẩn hóa: Các thiết bị đo lường và bảo vệ thường được sản xuất để hoạt động với các giá trị dòng điện (thường là 1A hoặc 5A) và điện áp (thường là 100V, 110V, 120V) tiêu chuẩn. Máy biến áp đo lường giúp đưa các giá trị thực tế về đúng dải đo này.
- Kinh tế: Sản xuất các dụng cụ đo có khả năng chịu được dòng điện, điện áp lớn sẽ rất tốn kém và cồng kềnh. Sử dụng máy biến áp đo lường cho phép dùng các thiết bị đo tiêu chuẩn, nhỏ gọn và chi phí thấp hơn.
Tổng quan về một máy biến áp đo lường thông dụng trong hệ thống điện công nghiệp
Phân loại máy biến áp đo lường phổ biến
Dựa vào đại lượng cần đo, máy biến áp đo lường được chia thành hai loại chính:
1. Máy Biến Dòng (Current Transformer – CT)
- Chức năng: Biến đổi dòng điện lớn ở phía sơ cấp (mạch chính) thành dòng điện nhỏ tiêu chuẩn (thường là 1A hoặc 5A) ở phía thứ cấp để cung cấp cho các ampe kế, công tơ điện, cuộn dòng của rơ le bảo vệ.
- Đặc điểm: Cuộn sơ cấp có ít vòng dây (thường chỉ là 1 hoặc vài vòng, đôi khi là chính thanh cái hoặc dây dẫn xuyên qua lõi thép) và được mắc nối tiếp với mạch điện cần đo dòng. Cuộn thứ cấp có nhiều vòng dây hơn và luôn phải được nối với phụ tải (thiết bị đo, rơ le) hoặc nối ngắn mạch. Tuyệt đối không được để hở mạch thứ cấp của CT khi mạch sơ cấp đang có dòng điện chạy qua vì sẽ gây ra điện áp rất cao ở cuộn thứ cấp, nguy hiểm cho người và thiết bị.
2. Máy Biến Điện Áp (Voltage Transformer – VT hoặc Potential Transformer – PT)
- Chức năng: Biến đổi điện áp cao ở phía sơ cấp thành điện áp thấp tiêu chuẩn (thường là 100V, 110V, 120V) ở phía thứ cấp để cung cấp cho vôn kế, công tơ điện, cuộn áp của rơ le bảo vệ.
- Đặc điểm: Cuộn sơ cấp có nhiều vòng dây, được mắc song song với mạch điện cần đo điện áp. Cuộn thứ cấp có ít vòng dây hơn. Khác với CT, mạch thứ cấp của VT có thể bị hở mạch mà không gây nguy hiểm.
Theo Kỹ sư Châu Hoài Anh, chuyên gia trong lĩnh vực thiết bị điện cho biết: “Việc lựa chọn đúng loại máy biến áp đo lường, dù là CT hay VT, và đảm bảo các thông số kỹ thuật như tỷ số biến, cấp chính xác phù hợp là nền tảng cho sự vận hành chính xác và an toàn của toàn bộ hệ thống bảo vệ và đo lường.”
3. Máy biến áp đo lường nguyên lý hoạt động
Vậy, Máy Biến áp đo Lường Nguyên Lý Hoạt động dựa trên cơ sở nào? Câu trả lời nằm ở một hiện tượng vật lý quen thuộc: cảm ứng điện từ.
Nền tảng cốt lõi: hiện tượng cảm ứng điện từ
Nguyên lý hoạt động của cả máy biến áp lực và máy biến áp đo lường đều dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faraday. Định luật này phát biểu rằng: khi từ thông xuyên qua một mạch kín biến thiên theo thời gian, trong mạch đó sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng.
Trong máy biến áp:
- Dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn dây sơ cấp tạo ra một từ thông biến thiên trong lõi thép.
- Lõi thép dẫn từ thông này xuyên qua cuộn dây thứ cấp.
- Từ thông biến thiên này lại gây ra một suất điện động cảm ứng (điện áp) xoay chiều trên cuộn dây thứ cấp.
Tỷ số giữa điện áp (hoặc dòng điện) ở cuộn sơ cấp và thứ cấp phụ thuộc vào tỷ số giữa số vòng dây của hai cuộn.
Ảnh minh họa máy biến dòng điện.
Nguyên lý hoạt động của máy biến dòng (ct)
- Dòng điện sơ cấp (I₁) rất lớn chạy qua số vòng dây ít (N₁) tạo ra một sức từ động lớn trong lõi thép.
- Để cân bằng sức từ động này, phía thứ cấp sẽ sinh ra một dòng điện (I₂) chạy qua số vòng dây nhiều hơn (N₂).
- Theo định luật bảo toàn năng lượng (bỏ qua tổn hao), ta có mối quan hệ xấp xỉ: I₁N₁ ≈ I₂N₂.
- Do đó, tỷ số biến dòng định mức (Kᵢ) được xác định: Kᵢ = I₁ / I₂ ≈ N₂ / N₁.
- Dòng điện thứ cấp I₂ tỷ lệ nghịch với dòng điện sơ cấp I₁ theo tỷ số biến Kᵢ. Ví dụ, một CT có tỷ số 100/5A nghĩa là khi dòng sơ cấp là 100A thì dòng thứ cấp là 5A.
- Lưu ý quan trọng: Mạch thứ cấp CT phải luôn kín (nối với tải hoặc ngắn mạch) để dòng I₂ có thể tồn tại và tạo ra sức từ động ngược lại, giữ cho từ thông trong lõi không bị bão hòa và điện áp thứ cấp không tăng vọt nguy hiểm.
Nguyên lý hoạt động của máy biến điện áp (vt)
- Điện áp sơ cấp (U₁) rất cao đặt vào cuộn sơ cấp có nhiều vòng dây (N₁).
- Theo nguyên lý cảm ứng điện từ, một suất điện động cảm ứng (U₂) sẽ xuất hiện ở cuộn thứ cấp có ít vòng dây hơn (N₂).
- Tỷ số biến áp định mức (Kᵤ) được xác định: Kᵤ = U₁ / U₂ ≈ N₁ / N₂.
- Điện áp thứ cấp U₂ tỷ lệ thuận với điện áp sơ cấp U₁ theo tỷ số biến Kᵤ. Ví dụ, một VT có tỷ số 15kV/110V nghĩa là khi điện áp sơ cấp là 15kV (15000V) thì điện áp thứ cấp là 110V.
- Do VT làm việc ở chế độ gần như không tải (tổng trở của các dụng cụ đo nối vào thứ cấp rất lớn), dòng điện thứ cấp rất nhỏ, nên hoạt động của nó gần giống với máy biến áp lực khi không tải.
Cấu tạo cơ bản của máy biến áp đo lường
Mặc dù có chức năng khác nhau, cả CT và VT đều có cấu tạo cơ bản tương tự máy biến áp thông thường, gồm hai thành phần chính:
Lõi Thép (Magnetic Core)
- Thường được làm từ các lá thép kỹ thuật điện (có hàm lượng silic cao) ghép lại với nhau để giảm tổn hao do dòng điện xoáy (eddy current).
- Hình dạng lõi thép có thể là hình xuyến (toroidal) đối với CT loại xuyến, hoặc dạng EI, UI đối với các loại CT khối và VT.
- Chất lượng vật liệu và thiết kế lõi thép ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của máy biến áp đo lường.
Dây Quấn (Windings)
- Gồm cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp, được quấn bằng dây đồng hoặc nhôm có tráng lớp cách điện.
- Số vòng dây của mỗi cuộn được tính toán chính xác để đảm bảo tỷ số biến mong muốn.
- Cách bố trí và cách điện giữa các cuộn dây, giữa cuộn dây và lõi thép là rất quan trọng, đặc biệt với VT làm việc ở điện áp cao. Các vật liệu cách điện phổ biến bao gồm giấy cách điện, epoxy, dầu biến áp (đối với loại ngâm dầu), sứ…
Các thông số kỹ thuật quan trọng cần lưu ý
Khi lựa chọn và sử dụng máy biến áp đo lường, cần quan tâm đến các thông số sau:
- Tỷ số biến định mức (Rated Transformation Ratio): Tỷ số giữa giá trị định mức của đại lượng sơ cấp (dòng điện hoặc điện áp) và giá trị định mức của đại lượng thứ cấp. Ví dụ: CT 200/5A, VT 22kV/110V.
- Cấp chính xác (Accuracy Class): Cho biết sai số tối đa cho phép của máy biến áp đo lường trong điều kiện làm việc xác định. Cấp chính xác càng nhỏ thì máy càng chính xác. Có các cấp chính xác khác nhau cho mục đích đo lường (ví dụ: 0.2, 0.5, 1) và mục đích bảo vệ (ví dụ: 5P, 10P).
- Dung lượng định mức (Rated Burden): Là tổng trở của mạch ngoài (thiết bị đo, dây dẫn) nối vào cuộn thứ cấp mà tại đó máy biến áp đo lường vẫn đảm bảo cấp chính xác. Đơn vị là VA (Volt-Ampe).
- Điện áp định mức (Rated Voltage – đối với CT): Điện áp cách điện của CT.
- Dòng điện giới hạn nhiệt (Rated thermal limiting current – đối với CT): Dòng điện sơ cấp lớn nhất mà CT có thể chịu được liên tục mà không bị quá nhiệt.
- Dòng điện giới hạn động (Rated dynamic limiting current – đối với CT): Giá trị đỉnh của dòng điện sơ cấp lớn nhất mà CT có thể chịu được về mặt cơ học khi có ngắn mạch.
- Hệ số an toàn (Safety Factor – FS – đối với CT đo lường): Tỷ số giữa dòng điện giới hạn an toàn sơ cấp và dòng điện định mức sơ cấp. Đảm bảo lõi thép bão hòa khi dòng sơ cấp vượt quá giá trị này để bảo vệ thiết bị đo.
- Hệ số giới hạn chính xác (Accuracy Limit Factor – ALF – đối với CT bảo vệ): Tỷ số giữa dòng điện giới hạn chính xác sơ cấp và dòng điện định mức sơ cấp. Đảm bảo CT vẫn giữ được cấp chính xác khi có dòng sự cố lớn để rơ le hoạt động đúng.
Kỹ sư Châu Hoài Anh nhấn mạnh: “Đọc hiểu và áp dụng đúng các thông số kỹ thuật là chìa khóa để khai thác hiệu quả máy biến áp đo lường. Sai lầm trong việc chọn cấp chính xác hay dung lượng có thể dẫn đến đo lường sai lệch hoặc hệ thống bảo vệ hoạt động không chính xác.”
Ứng dụng thực tế của máy biến áp đo lường
Máy biến áp đo lường là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống điện, từ nhà máy điện, trạm biến áp, đến các tủ phân phối điện trong công nghiệp và tòa nhà lớn. Các ứng dụng chính bao gồm:
- Đo lường điện năng: Cung cấp tín hiệu dòng và áp cho công tơ điện để tính toán điện năng tiêu thụ hoặc sản xuất.
- Giám sát hệ thống: Cung cấp tín hiệu cho các đồng hồ Ampe, Volt, Watt kế… giúp người vận hành theo dõi tình trạng hoạt động của lưới điện.
- Bảo vệ rơ le: Cung cấp tín hiệu dòng và áp cho các rơ le bảo vệ (quá dòng, quá áp, chạm đất, so lệch…) để phát hiện sự cố và ra lệnh cắt máy cắt kịp thời, cô lập phần tử bị lỗi, bảo vệ thiết bị và hệ thống.
- Điều khiển và Tự động hóa: Tín hiệu từ máy biến áp đo lường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển, SCADA để tự động điều chỉnh hoặc giám sát từ xa.
Các thương hiệu như Thibidi, Shihlin, MBT, HBT đều cung cấp đa dạng các dòng sản phẩm máy biến áp đo lường khô và dầu, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe và phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong lưới điện Việt Nam.
Kết luận
Máy biến áp đo lường nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, đóng vai trò thiết yếu trong việc chuyển đổi an toàn và chính xác các giá trị dòng điện, điện áp lớn về mức tiêu chuẩn cho các thiết bị đo lường và bảo vệ. Hiểu rõ về hai loại chính là máy biến dòng (CT) và máy biến điện áp (VT), cùng các thông số kỹ thuật quan trọng như tỷ số biến, cấp chính xác, dung lượng là nền tảng để lựa chọn và sử dụng đúng thiết bị, đảm bảo sự tin cậy và an toàn cho toàn bộ hệ thống điện.
Tại website “Máy Biến Áp”, chúng tôi tự hào cung cấp các sản phẩm máy biến áp đo lường chất lượng cao từ các thương hiệu hàng đầu như Thibidi, Shihlin, MBT, HBT, cùng với sự tư vấn chuyên nghiệp giúp bạn tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào hoặc cần hỗ trợ lựa chọn máy biến áp đo lường phù hợp, đừng ngần ngại liên hệ với đội ngũ chuyên gia của chúng tôi!
(FAQ) – Câu hỏi thường gặp
- Máy biến áp đo lường khác máy biến áp lực như thế nào?
- Mục đích chính của máy biến áp lực là truyền tải công suất lớn với hiệu suất cao, còn máy biến áp đo lường dùng để biến đổi tín hiệu dòng/áp với độ chính xác cao, công suất rất nhỏ. Cấu tạo và vật liệu cũng được tối ưu cho mục đích riêng.
- Tại sao không được để hở mạch thứ cấp của máy biến dòng (CT)?
- Khi hở mạch thứ cấp, không có dòng I₂ tạo ra sức từ động kháng lại sức từ động của dòng sơ cấp I₁. Toàn bộ sức từ động sơ cấp dùng để từ hóa lõi thép, gây bão hòa từ và cảm ứng ra điện áp rất cao ở cuộn thứ cấp (hàng ngàn Volt), cực kỳ nguy hiểm cho người và có thể phá hủy cách điện của CT.
- Cấp chính xác của máy biến áp đo lường có ý nghĩa gì?
- Là chỉ số thể hiện sai số tối đa cho phép của máy biến áp. Ví dụ, cấp 0.5 nghĩa là sai số về tỷ số biến và góc pha không vượt quá giới hạn quy định cho cấp 0.5 tại các điều kiện vận hành tiêu chuẩn. Cấp chính xác càng nhỏ, máy càng chính xác.
- Làm thế nào để chọn đúng tỷ số biến cho máy biến áp đo lường?
- Tỷ số biến được chọn sao cho dòng điện/điện áp định mức thứ cấp phù hợp với thiết bị đo/bảo vệ (thường là 1A/5A cho CT, 100V/110V/120V cho VT) và dòng điện/điện áp định mức sơ cấp phải lớn hơn một chút so với dòng/áp làm việc lớn nhất của mạch điện cần đo.
- Máy biến áp đo lường khô và dầu khác nhau ra sao?
- Chủ yếu khác nhau ở môi trường cách điện và làm mát. Loại khô sử dụng vật liệu rắn (epoxy, nhựa) hoặc không khí làm cách điện. Loại dầu sử dụng dầu khoáng cách điện. Loại khô thường dùng trong nhà, an toàn cháy nổ hơn, còn loại dầu có khả năng làm mát tốt hơn, thường dùng ngoài trời hoặc cho điện áp cao.
- Có cần kiểm định máy biến áp đo lường định kỳ không?
- Có. Máy biến áp đo lường, đặc biệt là loại dùng cho mục đích đo đếm điện năng thương mại, cần được kiểm định định kỳ theo quy định để đảm bảo độ chính xác, tránh sai sót trong thanh toán tiền điện.
- Các thương hiệu Thibidi, Shihlin, MBT, HBT có uy tín không?
- Đây đều là những thương hiệu lớn và có uy tín lâu năm trong lĩnh vực sản xuất thiết bị điện, bao gồm máy biến áp đo lường tại Việt Nam và khu vực, sản phẩm thường đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế và trong nước.
