Biến dòng và biến áp trong đo lường điện: Sự khác biệt bạn cần biết!

Trong thế giới của điện năng, việc đo lường chính xác các thông số như dòng điện (Ampe) và điện áp (Volt) là vô cùng quan trọng, đặc biệt đối với hệ thống công suất lớn. Tuy nhiên, các thiết bị đo trực tiếp thường không thể chịu được dòng điện hoặc điện áp quá cao. Đây chính là lúc biến dòng (Current Transformer – CT) và biến áp (Voltage Transformer – VT) – còn gọi là máy biến điện áp (Potential Transformer – PT) – phát huy vai trò không thể thiếu.

Mặc dù cả hai đều là “biến” và phục vụ mục đích đo lường, nhưng biến dòng và biến áp lại có những sự khác biệt cốt lõi về nguyên lý hoạt động, cấu tạo và mục đích sử dụng. Hiểu rõ những điểm này không chỉ giúp bạn lựa chọn đúng thiết bị mà còn đảm bảo an toàn và độ chính xác cho hệ thống điện của mình.

1. Máy biến áp đo lường là gì? Tại sao cần phân biệt chúng?

Máy biến áp đo lường, hay còn gọi là biến áp dụng cụ (Instrument Transformer), là một nhóm thiết bị đặc biệt được thiết kế để biến đổi các giá trị dòng điện hoặc điện áp lớn trong lưới điện cao áp hoặc trung áp xuống các giá trị tiêu chuẩn, an toàn hơn (thường là 1A, 5A cho dòng điện và 100V, 110V, 120V cho điện áp). Mục đích chính của chúng là cung cấp tín hiệu đầu vào cho các thiết bị đo lường (như ampe kế, vôn kế, công tơ điện, oát kế) và các rơ le bảo vệ. Việc hiểu rõ máy biến áp đo lường sự khác nhau giữa các loại là cực kỳ quan trọng, bởi lẽ mỗi loại có chức năng, cấu tạo và cách đấu nối riêng biệt. Nhầm lẫn giữa chúng có thể dẫn đến đo lường sai lệch, hư hỏng thiết bị, thậm chí là gây nguy hiểm cho người vận hành và toàn bộ hệ thống. Để hiểu rõ hơn về [máy biến áp đo lường nguyên lý hoạt động], bạn có thể tham khảo bài viết chi tiết của chúng tôi, nơi các khái niệm cơ bản được giải thích cặn kẽ.

Sự phân biệt này không chỉ dừng lại ở lý thuyết. Trong thực tế, các kỹ sư thường xuyên phải làm việc với cả CT và PT. Ông Trần Bảo Tiến, một chuyên gia với 20 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết bị điện, chia sẻ:

“Tôi đã chứng kiến không ít trường hợp sự cố xảy ra chỉ vì lắp đặt nhầm hoặc vận hành sai quy cách giữa CT và PT. Việc nắm vững bản chất của từng loại là bài học đầu tiên và quan trọng nhất.”

2. Đi sâu vào “trái tim” của hệ thống: Biến dòng (CT Current Transformer).

Biến dòng, thường được gọi tắt là CT, là một thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống điện từ trạm biến áp đến các tủ phân phối.

Khái niệm và vai trò của biến dòng (CT)

Biến dòng (Current Transformer – CT) là một loại máy biến áp đo lường được sử dụng để biến đổi dòng điện có giá trị lớn ở phía sơ cấp (mạch lực) thành dòng điện có giá trị nhỏ hơn ở phía thứ cấp, theo một tỷ lệ nhất định. Dòng điện thứ cấp này sau đó được đưa vào các dụng cụ đo lường (ampe kế, công tơ) hoặc các rơ le bảo vệ.

Vai trò chính của CT:

• Đo lường: Cung cấp dòng điện tỷ lệ cho các thiết bị đo như ampe kế, công tơ điện, giúp giám sát dòng tải.
• Bảo vệ: Cung cấp tín hiệu dòng điện cho các rơ le bảo vệ (quá dòng, so lệch, chạm đất…) để phát hiện sự cố và cách ly phần tử bị lỗi ra khỏi hệ thống.
• Cách ly: Tạo sự cách ly an toàn giữa mạch điện cao áp/dòng điện lớn với các thiết bị đo lường và bảo vệ, vốn thường hoạt động ở điện áp thấp.

Nguyên lý hoạt động của biến dòng

Nguyên lý hoạt động của biến dòng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Cuộn dây sơ cấp của CT được mắc nối tiếp với mạch điện cần đo dòng. Dòng điện sơ cấp chạy qua sẽ tạo ra một từ thông biến thiên trong lõi thép. Từ thông này cảm ứng một sức điện động lên cuộn dây thứ cấp, tạo ra dòng điện thứ cấp tỷ lệ với dòng sơ cấp. Tỷ số giữa dòng sơ cấp và dòng thứ cấp được gọi là tỷ số biến dòng (K_i = I1/I2).

Điều quan trọng cần nhớ là mạch thứ cấp của CT không bao giờ được để hở mạch khi phía sơ cấp đang có dòng điện chạy qua. Nếu hở mạch thứ cấp, toàn bộ dòng sơ cấp sẽ trở thành dòng từ hóa, gây ra từ thông rất lớn trong lõi thép, dẫn đến quá áp nguy hiểm ở hai đầu cuộn thứ cấp (có thể lên đến vài kV), phá hủy cách điện và gây nguy hiểm cho người vận hành.

Cấu tạo cơ bản của một biến dòng

Một biến dòng điển hình bao gồm các bộ phận chính:

• Lõi thép (Core): Thường làm bằng thép kỹ thuật điện đặc biệt (ví dụ: tôn silic, permalloy) có độ từ thẩm cao, tổn hao thấp, được ghép từ các lá thép mỏng hoặc dạng hình xuyến.
• Cuộn dây sơ cấp (Primary Winding): Có số vòng dây ít (thường là 1 hoặc vài vòng), tiết diện dây lớn, được mắc nối tiếp với mạch điện chính. Đối với CT kiểu xuyên, dây dẫn của mạch chính đi qua tâm lõi thép đóng vai trò là cuộn sơ cấp 1 vòng.
• Cuộn dây thứ cấp (Secondary Winding): Có số vòng dây nhiều hơn, tiết diện dây nhỏ hơn, được quấn quanh lõi thép và nối với các thiết bị đo lường, bảo vệ.
• Vỏ máy và vật liệu cách điện: Bảo vệ các bộ phận bên trong và đảm bảo cách điện giữa các cuộn dây, giữa cuộn dây với lõi thép và với đất. Vật liệu cách điện có thể là epoxy, giấy tẩm dầu, sứ…

Phân loại biến dòng phổ biến

Có nhiều cách để phân loại biến dòng, ví dụ:

• Theo cấu trúc:
  • CT dạng dây quấn (Wound type): Cả cuộn sơ cấp và thứ cấp đều được quấn trên lõi thép.
  • CT dạng thanh dẫn (Bar type): Cuộn sơ cấp là một thanh dẫn đi xuyên qua lõi.
  • CT dạng xuyên tâm (Window type/Toroidal type): Không có cuộn sơ cấp cố định, dây dẫn mạch lực được luồn qua cửa sổ của lõi thép.
• Theo môi trường lắp đặt: CT trong nhà, CT ngoài trời.
• Theo cấp điện áp: CT hạ áp, CT trung áp, CT cao áp.
• Theo mục đích sử dụng: CT đo lường, CT bảo vệ.

Những lưu ý “vàng” khi sử dụng biến dòng

• Không được hở mạch thứ cấp: Đây là quy tắc an toàn tối quan trọng. Luôn đảm bảo mạch thứ cấp được nối với tải (ampe kế, rơ le) hoặc được ngắn mạch trước khi tháo thiết bị đo ra khỏi mạch.
• Nối đất một đầu cuộn thứ cấp: Để đảm bảo an toàn, một đầu của cuộn thứ cấp CT và vỏ kim loại của nó thường được nối đất.
• Chọn đúng tỷ số biến và cấp chính xác: Phù hợp với dòng điện định mức của mạch và yêu cầu độ chính xác của thiết bị đo/bảo vệ.
• Kiểm tra phụ tải (burden): Tổng trở của mạch thứ cấp (bao gồm dây dẫn và các thiết bị đo/bảo vệ) không được vượt quá dung lượng định mức của CT để đảm bảo độ chính xác.

3. “Người bạn đồng hành” không thể thiếu: Biến điện áp (PT/VT – Potential/Voltage)

Song song với biến dòng, biến điện áp đóng một vai trò không kém phần quan trọng trong việc giám sát và bảo vệ hệ thống điện.

Khái niệm và chức năng của biến điện áp (PT/VT)

Biến điện áp (Potential Transformer – PT, hoặc Voltage Transformer – VT) là một loại máy biến áp đo lường được sử dụng để biến đổi điện áp cao ở phía sơ cấp (mạch lực) thành điện áp thấp hơn, an toàn và tiêu chuẩn ở phía thứ cấp, theo một tỷ lệ nhất định. Điện áp thứ cấp này được cung cấp cho các thiết bị đo lường (vôn kế, công tơ, oát kế) và các rơ le bảo vệ (quá áp, kém áp, tần số).

Chức năng chính của PT/VT:

• Đo lường: Cung cấp điện áp tỷ lệ cho vôn kế, công tơ điện để giám sát điện áp lưới.
• Bảo vệ: Cung cấp tín hiệu điện áp cho rơ le bảo vệ để phát hiện các điều kiện điện áp bất thường.
• Đồng bộ hóa: Cung cấp tín hiệu điện áp cho các thiết bị hòa đồng bộ.
• Cách ly: Tương tự CT, PT tạo sự cách ly an toàn giữa mạch cao áp và các thiết bị đo lường, bảo vệ.

Nguyên lý làm việc của biến điện áp

Nguyên lý hoạt động của biến điện áp cũng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, tương tự như máy biến áp lực thông thường. Cuộn dây sơ cấp của PT được mắc song song với mạch điện cần đo điện áp. Điện áp sơ cấp đặt vào cuộn sơ cấp tạo ra từ thông biến thiên trong lõi thép, cảm ứng sức điện động lên cuộn thứ cấp. Tỷ số giữa điện áp sơ cấp và điện áp thứ cấp được gọi là tỷ số biến áp (K_u = U1/U2).

Khác với CT, mạch thứ cấp của PT không bao giờ được ngắn mạch. Nếu ngắn mạch thứ cấp PT, dòng điện thứ cấp sẽ rất lớn, gây quá nhiệt và cháy cuộn dây thứ cấp, thậm chí có thể lan sang cuộn sơ cấp và gây sự cố nghiêm trọng cho hệ thống.

Cấu tạo đặc trưng của biến điện áp

Cấu tạo của PT tương tự như máy biến áp lực loại nhỏ, bao gồm:

• Lõi thép: Làm từ các lá thép kỹ thuật điện có tính từ dẫn tốt, tổn hao thấp.
• Cuộn dây sơ cấp: Có số vòng dây nhiều, tiết diện dây nhỏ, được cách điện cẩn thận để chịu được điện áp cao của lưới.
• Cuộn dây thứ cấp: Có số vòng dây ít hơn, tiết diện dây lớn hơn (so với cuộn sơ cấp PT nhưng vẫn nhỏ hơn cuộn thứ cấp CT), cung cấp điện áp tiêu chuẩn cho thiết bị.
• Vỏ máy và cách điện: Tùy thuộc vào cấp điện áp và môi trường lắp đặt, có thể là cách điện khô (epoxy) hoặc cách điện dầu, sứ cách điện. Nhiều PT cao áp và siêu cao áp sử dụng thiết kế kiểu tụ điện dung (CVT – Capacitor Voltage Transformer). Công nghệ chế tạo lõi từ cũng ảnh hưởng đến hiệu suất; ví dụ, để hiểu rõ hơn về một loại vật liệu tiên tiến, bạn có thể tìm hiểu về [máy biến áp Amorphous nguyên lý hoạt động] và cách nó tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.

Các loại biến điện áp thường gặp

• Theo số pha: PT một pha, PT ba pha.
• Theo loại cách điện: PT cách điện khô (đúc epoxy), PT ngâm dầu.
• Theo cấu trúc:
  • PT kiểu cảm ứng (Electromagnetic VT): Hoạt động thuần túy dựa trên cảm ứng điện từ.
  • PT kiểu tụ (Capacitor VT – CVT): Sử dụng một bộ chia điện áp bằng tụ điện kết hợp với một biến áp cảm ứng trung gian, thường dùng cho cấp điện áp rất cao.
• Theo mục đích sử dụng: PT đo lường, PT bảo vệ.

Điểm quan trọng cần nhớ khi vận hành biến điện áp

• Không được ngắn mạch thứ cấp: Đây là quy tắc an toàn hàng đầu. Luôn có cầu chì bảo vệ ở cả phía sơ cấp và thứ cấp của PT.
• Nối đất một đầu cuộn thứ cấp: Tương tự CT, một đầu cuộn thứ cấp và vỏ kim loại của PT phải được nối đất an toàn.
• Chọn đúng tỷ số biến và cấp chính xác: Phù hợp với điện áp lưới và yêu cầu của thiết bị.
• Kiểm tra phụ tải (burden): Tổng công suất biểu kiến của các thiết bị nối vào mạch thứ cấp không được vượt quá dung lượng định mức (VA) của PT.

Bà Trần Lâm Thảo, một kỹ sư thiết kế hệ thống điện tự động hóa, nhấn mạnh:

“Trong thiết kế, việc lựa chọn đúng thông số kỹ thuật cho CT và PT là bước đầu tiên đảm bảo độ tin cậy của hệ thống đo lường và bảo vệ. Sai một ly, đi một dặm là câu nói rất đúng trong trường hợp này.”

Đối với các thiết bị yêu cầu độ tin cậy cao và hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, việc xem xét các yếu tố như [máy biến áp dầu chứng chỉ chất lượng] cũng cung cấp những hiểu biết giá trị về tiêu chuẩn và độ bền, ngay cả khi áp dụng các nguyên tắc tương tự cho máy biến áp đo lường loại khô hay các loại khác.

4. So sánh chi tiết:  Máy biến áp đo lường và sự khác nhau giữa CT và PT

Để bạn đọc có cái nhìn trực quan và dễ dàng ghi nhớ máy biến áp đo lường sự khác nhau giữa hai loại thiết bị này, chúng tôi xin tổng hợp các điểm khác biệt chính trong bảng sau:

Hiểu rõ những khác biệt này là chìa khóa để sử dụng máy biến áp đo lường một cách chính xác và an toàn.

Cấu tạo chi tiết máy biến áp đo lường trên thị trường.

5. Làm thế nào để lựa chọn máy biến áp đo lường phù hợp?

Việc lựa chọn CT và PT phù hợp đòi hỏi phải xem xét nhiều yếu tố kỹ thuật:

1. Tỷ số biến (Transformation Ratio):
   • Đối với CT: Chọn tỷ số sao cho dòng điện thứ cấp định mức (1A hoặc 5A) tương ứng với dòng điện sơ cấp tối đa hoặc định mức của mạch.
   • Đối với PT: Chọn tỷ số sao cho điện áp thứ cấp định mức (100V, 110V…) tương ứng với điện áp sơ cấp định mức của lưới.
2. Cấp chính xác (Accuracy Class):
   • CT/PT cho mục đích đo lường (ví dụ, dùng với công tơ mua bán điện) yêu cầu cấp chính xác cao (ví dụ: 0.2, 0.5, 0.2S, 0.5S).
   • CT/PT cho mục đích bảo vệ (dùng với rơ le) có thể có cấp chính xác thấp hơn (ví dụ: 5P, 10P – P là Protection), nhưng phải đảm bảo giới hạn sai số trong vùng dòng sự cố.
3. Dung lượng/Phụ tải (Burden – VA):
   • Là công suất biểu kiến tối đa mà mạch thứ cấp của CT/PT có thể cung cấp mà vẫn đảm bảo cấp chính xác. Phải tính toán tổng dung lượng của các thiết bị (ampe kế, vôn kế, rơ le, dây dẫn…) nối vào thứ cấp và chọn CT/PT có dung lượng lớn hơn hoặc bằng.
4. Điện áp/Dòng điện định mức: Phù hợp với điện áp hệ thống và dòng tải của mạch.
5. Điều kiện làm việc: Môi trường lắp đặt (trong nhà, ngoài trời), nhiệt độ, độ ẩm, mức độ ô nhiễm (ảnh hưởng đến lựa chọn vật liệu cách điện).
6. Tiêu chuẩn áp dụng: IEC, ANSI, TCVN…

6. Các thương hiệu máy biến áp đo lường uy tín trên thị trường

Trên thị trường Việt Nam hiện nay, có nhiều thương hiệu máy biến áp đo lường (cả CT và PT) đã khẳng định được chất lượng và uy tín, bao gồm:

• Thibidi (Công ty Cổ phần thiết bị điện Thibidi): Một thương hiệu hàng đầu Việt Nam, nổi tiếng với các sản phẩm máy biến áp lực và cả máy biến áp đo lường chất lượng cao.
• Shihlin (Shihlin Electric – Đài Loan): Thương hiệu quốc tế quen thuộc, cung cấp đa dạng các thiết bị điện công nghiệp, bao gồm CT, PT với độ tin cậy cao.
• MBT (Công ty Cổ phần thiết bị điện MBT): Cũng là một nhà sản xuất trong nước có uy tín, cung cấp các giải pháp máy biến áp đa dạng.
• HBT (Công ty Cổ phần chế tạo biến thế và vật liệu điện Hà Nội): Có lịch sử lâu đời, chuyên sản xuất các loại máy biến thế và thiết bị điện.

Ngoài ra còn có các thương hiệu khác như EMIC, ABB, Schneider Electric, Siemens… Việc lựa chọn thương hiệu phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của dự án, ngân sách và các yếu tố kỹ thuật.

Kết luận

Việc nắm vững máy biến áp đo lường sự khác nhau giữa biến dòng (CT) và biến điện áp (PT/VT) không chỉ là kiến thức chuyên môn cần thiết mà còn là yếu tố then chốt đảm bảo an toàn và hiệu quả trong vận hành hệ thống điện. Từ nguyên lý hoạt động, cấu tạo, cách đấu nối đến những lưu ý khi sử dụng, mỗi chi tiết đều đóng vai trò quan trọng. Hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn những thông tin hữu ích và toàn diện. Nếu bạn cần tư vấn thêm về lựa chọn hoặc các vấn đề kỹ thuật liên quan đến máy biến áp đo lường từ các thương hiệu như Thibidi, Shihlin, MBT, HBT, đừng ngần ngại liên hệ với đội ngũ chuyên gia của “Máy Biến Áp”.

FAQ – Câu hỏi thường gặp

1. Máy biến áp đo lường là gì?
Máy biến áp đo lường là thiết bị dùng để biến đổi dòng điện hoặc điện áp từ giá trị cao ở mạch sơ cấp xuống giá trị tiêu chuẩn, an toàn ở mạch thứ cấp, phục vụ cho mục đích đo lường và bảo vệ trong hệ thống điện.

2. Sự khác biệt cơ bản nhất giữa CT và PT là gì?
CT (Biến Dòng) đo dòng điện, được mắc nối tiếp với tải, và thứ cấp không được hở mạch. PT (Biến Điện Áp) đo điện áp, được mắc song song với tải, và thứ cấp không được ngắn mạch.

3. Tại sao không được để hở mạch thứ cấp của CT khi có dòng sơ cấp?
Khi hở mạch thứ cấp CT, toàn bộ dòng sơ cấp trở thành dòng từ hóa, gây bão hòa lõi thép và cảm ứng điện áp rất cao ở hai đầu cuộn thứ cấp, có thể phá hủy cách điện và gây nguy hiểm.

4. Tại sao không được ngắn mạch thứ cấp của PT?
Ngắn mạch thứ cấp PT sẽ gây ra dòng điện rất lớn trong cuộn thứ cấp (do trở kháng cuộn dây thấp), dẫn đến quá nhiệt, cháy cuộn dây và có thể gây hỏng hóc nghiêm trọng cho PT.

5. Làm thế nào để chọn đúng tỷ số biến cho CT và PT?
Đối với CT, chọn tỷ số sao cho dòng thứ cấp (1A hoặc 5A) tương ứng với dòng định mức hoặc dòng tải lớn nhất của mạch sơ cấp. Đối với PT, chọn tỷ số sao cho điện áp thứ cấp (100V, 110V…) tương ứng với điện áp định mức của lưới sơ cấp.

6. Cấp chính xác của máy biến áp đo lường có ý nghĩa gì?
Cấp chính xác cho biết sai số tối đa của máy biến áp đo lường trong điều kiện làm việc định mức. Cấp chính xác càng nhỏ (ví dụ 0.2) thì máy đo càng chính xác, thường dùng cho mục đích đo đếm thương mại.

7. “Burden” của máy biến áp đo lường là gì?
Burden là tổng công suất biểu kiến (VA) mà mạch thứ cấp của CT hoặc PT có thể cung cấp cho các thiết bị đo lường và bảo vệ mà vẫn đảm bảo cấp chính xác đã quy định. Không nên kết nối tải vượt quá burden định mức.