A Biến dòng điện (CT) chuyển đổi dòng điện sơ cấp lớn thành dòng điện thứ cấp nhỏ hơn, được chuẩn hóa để các thiết bị đo lường và rơ-le bảo vệ có thể đo lường một cách an toàn. Sự đơn giản rõ rệt của nó che giấu những lựa chọn thiết kế quan trọng: kết cấu, tỷ số, cấp chính xác, tải định mức, hiệu suất bão hòa và cực tính lắp đặt đều ảnh hưởng đến kết quả. Hướng dẫn này giải thích các loại và cấu trúc của biến dòng điện, sau đó hướng dẫn cách định mức kỹ thuật cho biến dòng điện dùng trong đo lường và bảo vệ bên trong máy biến áp và thiết bị đóng cắt.

Biến dòng điện là gì?

Biến dòng điện là một máy biến áp đo lường được mắc nối tiếp với mạch điện. Cuộn sơ cấp có thể là cáp, thanh cái hoặc một cuộn dây chuyên dụng. Dòng điện xoay chiều ở sơ cấp sinh ra từ thông trong lõi, cảm ứng ra một dòng điện thứ cấp tỷ lệ thuận. Các định mức thứ cấp thông thường là 5 A hoặc 1 A, tùy thuộc vào hệ thống và tiêu chuẩn.

Máy biến dòng cung cấp khả năng điều tỷ lệ đo lường và cách ly điện, nhưng nó không tái tạo hoàn hảo mọi dòng điện. Sai số tỷ số, độ lệch pha, tổn hao lõi thép và hiện tượng bão hòa phải nằm trong giới hạn cho phép đối với nhiệm vụ dự kiến.

Nguyên lý hoạt động của máy biến dòng

Trong một máy biến dòng điện (CT) lý tưởng, số ampe-vòng sơ cấp bằng số ampe-vòng thứ cấp. Nếu một CT dạng thanh dẫn sơ cấp có một vòng dây sơ cấp và 200 vòng dây thứ cấp, dòng điện sơ cấp 1.000 A về lý tưởng sẽ tạo ra dòng điện thứ cấp 5 A. Các CT thực tế đòi hỏi dòng điện từ hóa, do đó việc lựa chọn dựa trên các cấp chính xác được tiêu chuẩn hóa và gánh định mức.

Không bao giờ để hở mạch cuộn thứ cấp của biến dòng đang mang điện. Không có dòng điện thứ cấp chống lại từ thông sơ cấp, điện áp lõi có thể tăng lên mức nguy hiểm và làm hỏng lớp cách điện hoặc gây nguy hiểm cho nhân viên. Các liên kết nối tắt và khối thử nghiệm nên được trang bị để các thiết bị đo hoặc rơ-le có thể được tháo dỡ một cách an toàn bởi nhân viên có chuyên môn.

Cutaway current transformer showing magnetic core, primary conductor and secondary winding — Một máy biến dòng (CT) sử dụng một lõi từ và cuộn dây thứ cấp quấn xung quanh đường dẫn dòng điện sơ cấp.

Bảng so sánh và lựa chọn nhanh

Sử dụng bảng này như một phần tóm tắt nhanh về các quyết định kỹ thuật và mua sắm chính được giải thích trong bài viết.

Khu vực quyết định	Ý nghĩa thực tiễn	Cần xác minh những gì
Biến dòng điện là gì?	Biến dòng điện là một máy biến áp đo lường được mắc nối tiếp với mạch điện lực.	Phần tử chính có thể là cáp, thanh cái hoặc một dây quấn chuyên dụng.
Nguyên lý hoạt động của máy biến dòng	Trong một máy biến dòng lý tưởng, số AT sơ cấp bằng số AT thứ cấp.	Nếu một máy biến dòng thanh dẫn có một vòng dây sơ cấp và 200 vòng dây thứ cấp, dòng điện sơ cấp 1.000 A theo lý tưởng sẽ tạo ra dòng điện thứ cấp 5 A.
Cấu tạo biến dòng điện	Các thành phần chính gồm có lõi từ, cuộn thứ cấp cách điện, đường dẫn dòng điện sơ cấp, các cực, hệ thống cách điện và vỏ bọc.	Vật liệu lõi và tiết diện ảnh hưởng đến dòng điện từ hóa và hiện tượng bão hòa.
Các loại máy biến dòng chính	Biến dòng cửa sổ có một lỗ mở để cáp hoặc thanh cái đi qua.	Dây dẫn đó tạo thành một cuộn sơ cấp một vòng.
BI đo lường so với BI bảo vệ	Biến dòng đo lường được tối ưu hóa độ chính xác xung quanh tải bình thường và thường được thiết kế để bão hòa trước khi dòng sự cố quá mức đến được các thiết bị đo được kết nối.	Biến dòng bảo vệ phải tái tạo dòng điện sự cố cao với độ chính xác đủ để rơ-le hoạt động bình thường.

Cấu tạo biến dòng điện

Các thành phần chính là lõi từ, cuộn dây thứ cấp cách điện, đường dẫn dòng điện sơ cấp, các đầu cực, hệ thống cách điện và vỏ bọc. Vật liệu lõi và tiết diện ảnh hưởng đến dòng điện từ hóa và hiện tượng bão hòa. Cuộn dây thứ cấp sử dụng nhiều vòng dẫn điện bằng đồng được phân bố để kiểm soát từ thông rò. Các biến dòng trung thế cũng yêu cầu một hệ thống cách điện được định mức cho điện áp mạng lưới và mức xung.

Một số biến dòng (CT) trong tủ điện có chứa nhiều lõi. Một lõi có thể cung cấp cho thiết bị đo lường doanh thu hoặc vận hành, trong khi các lõi bảo vệ riêng biệt cung cấp cho các rơ-le quá dòng, chạm đất hoặc so lệch. Mỗi lõi có tỷ số biến dòng, cấp chính xác và gánh (burden) riêng của mình và chỉ được đấu nối với mạch được chỉ định cho nó.

Các loại máy biến dòng chính

Biến dòng dạng cửa sổ hoặc dạng vòng

Biến dòng dạng cửa sổ có một lỗ mở để cáp hoặc thanh cái đi qua. Dây dẫn đó tạo thành một cuộn sơ cấp một vòng. Kết cấu nhỏ gọn, dễ lắp đặt và được sử dụng rộng rãi trong các tủ điện. Biến dòng lõi tách có thể được lắp đặt xung quanh một dây dẫn hiện hữu để giám sát, nhưng các lõi có khớp nối có thể có độ chính xác khác nhau và không nên mặc nhiên cho là phù hợp cho mục đích bảo vệ nếu chưa được kiểm chứng.

Biến dòng sơ cấp thanh cái

Một máy biến dòng dạng thanh cái (bar CT) bao gồm một dây dẫn chính cố định xuyên qua lõi của nó. Các đầu cực kết nối thanh cái trực tiếp vào mạch điện. Nó cung cấp cấu trúc cơ và điện có kiểm soát cho thiết bị đóng cắt nhưng phải được định mức cho dòng điện liên tục và lực ngắn mạch.

Biến dòng sơ cấp kiểu thanh dẫn

Máy biến dòng sơ cấp nhiều vòng có một số vòng sơ cấp chính và hữu ích cho các tỷ lệ dòng sơ cấp thấp hơn, nơi mà một vòng sơ cấp đơn lẻ không đạt được hiệu suất phù hợp. Cả cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp đều yêu cầu cách điện và các đầu nối, làm cho cấu trúc trở nên phức tạp hơn.

Biến dòng dạng sứ và dạng cáp

Biến dòng dạng sứ (bushing CT) được lắp xung quanh sứ của máy biến áp hoặc máy cắt. Biến dòng dạng cáp (cable CTs) được lắp xung quanh cáp điện và có thể được sử dụng để đo dòng điện pha hoặc dòng điện chạm đất. Biến dòng cân bằng lõi (core-balance CT) bao quanh tất cả các dây dẫn pha sao cho tổng dòng điện véc-tơ bình thường gần bằng không; dòng điện dư xuất hiện trong sự cố chạm đất.

Three ring current transformers installed around switchgear power cables — Biến dòng dạng cửa sổ và dạng vòng được lắp đặt xung quanh một thanh cái hoặc cáp tạo thành dây dẫn sơ cấp.

BI đo lường so với BI bảo vệ

Biến dòng đo lường được tối ưu hóa về độ chính xác xung quanh tải bình thường và thường được thiết kế để bão hòa trước khi dòng sự cố quá mức đến được các thiết bị đo. Biến dòng bảo vệ phải tái tạo dòng sự cố lớn một cách đủ chính xác để rơ-le hoạt động bình thường. Do đó, điện áp điểm khuỷu, đường đặc tính từ hóa hoặc cấp sai số tổng hợp của nó có thể quan trọng hơn độ chính xác tinh vi ở tải bình thường.

Không đặt rơ-le bảo vệ và đồng hồ đo độ chính xác trên cùng một lõi trừ khi thiết kế thể hiện rõ ràng rằng gánh nặng và độ bão hòa đáp ứng cả hai yêu cầu. Các lõi riêng biệt giúp hiệu suất và việc kiểm tra trở nên rõ ràng hơn.

Hiểu về tỷ lệ CT

Tỷ lệ chẳng hạn như 600/5 A nghĩa là dòng điện sơ cấp 600 A tương ứng với dòng điện thứ cấp 5 A về mặt danh định. Tỷ lệ này là 120:1. Nếu mạch thứ cấp đo được 3 A, dòng điện sơ cấp hiển thị là khoảng 360 A trước khi áp dụng các hiệu chỉnh thiết bị đo.

Dòng điện định mức sơ cấp được chọn phải đáp ứng được tải liên tục tối đa dự kiến mà không làm cho dòng điện làm việc bình thường trở nên quá nhỏ so với độ chính xác hữu ích. Các biến dòng (CT) nhiều tỷ lệ cung cấp các đầu vòi (tap), nhưng các đầu cực không sử dụng và tỷ lệ kết nối thực tế phải được lập tài liệu rõ ràng.

Cấp chính xác, Gánh nặng và Bão hòa

Tải định mức là tổng trở hoặc tải VA được nối với cuộn thứ cấp ở dòng điện định mức. Nó bao gồm điện kế hoặc rơ-le, công tắc thử nghiệm, các đầu cực và điện trở dây dẫn. Tải định mức quá mức làm tăng sai số và có thể gây bão hòa sớm hơn. Cuộn thứ cấp 1 A thường làm giảm tải dây dẫn trên các tuyến cáp dài vì tổn thất công suất thay đổi theo bình phương dòng điện.

Các cấp chính xác đo lường quy định sai số tỷ số và pha cho phép trong một dải dòng điện. Các cấp bảo vệ quy định hiệu suất ở dòng điện giới hạn chính xác định mức hoặc xác định các yêu cầu về điểm uốn và điện trở cuộn dây thứ cấp. Các tiêu chuẩn sử dụng các ký hiệu cấp khác nhau, do đó thông số kỹ thuật mua hàng phải trích dẫn phiên bản hiện hành và cấp đầy đủ - chứ không chỉ là một con số.

Current transformers connected to factory ratio and accuracy test equipment — Sai số tỷ số, sai số pha, gánh nặng và đặc tính từ hóa phải phù hợp với nhiệm vụ đo lường hoặc bảo vệ.

Cách chọn kích thước Biến dòng

Xác nhận điện áp tối đa của hệ thống và mức cách điện yêu cầu.
Tính toán dòng điện bình thường, dòng điện sự cố và dòng điện cực đại trong tương lai.
Chọn một tỷ lệ chính tiêu chuẩn cung cấp độ phân giải hữu ích mà không bị quá tải.
Chọn dòng điện thứ cấp 1 A hoặc 5 A để phù hợp với rơ-le, đồng hồ đo và khoảng cách đi dây.
Tính toán tổng tải từ các thiết bị và điện trở dây dẫn.
Chọn cấp chính xác đo lường hoặc bảo vệ dựa trên ứng dụng và tiêu chuẩn quản lý.
Kiểm tra khả năng chịu dòng điện ngắn hạn và dòng điện động lực đối với nghiên cứu sự cố.
Xác nhận kích thước cửa sổ, bố trí dây dẫn, các đầu cực, cực tính và cách lắp đặt.

Biến dòng trong bảo vệ tủ điện và máy biến áp

Trong Tủ điện trung thế KYN28A-12, các CT cung cấp chức năng đo lường và bảo vệ nhánh rẽ xung quanh đường cáp hoặc thanh cái. Các tổ hợp điện áp cao hơn chẳng hạn như Tủ điện trung thế KYN61-40.5 yêu cầu cách điện và kích thước của máy biến dòng phù hợp với cấp điện áp.

Bảo vệ so lệch máy biến áp so sánh dòng điện ở mỗi phía sau khi tính toán tỷ số và độ lệch pha của nhóm đấu dây. Tỷ số, cực tính, độ bão hòa của máy biến dòng (CT) và bù của rơ-le đều phải được phối hợp với nhau. Đối với một dự án sử dụng Máy biến áp ngâm dầu 35 kV, the transformer data and fault study should be supplied with the switchgear CT schedule. For a separate distribution-transformer example and its single-phase ratings, see the single-phase transformer fundamentals guide. For residual-current sensing and relay matching, see the core balance CT selection guide.

Danh mục kiểm tra lắp đặt và thử nghiệm

Xác minh tỷ số, cấp chính xác, gánh nặng và ký hiệu đầu cực của nhãn máy.
Xác nhận cực tính P1/P2 và S1/S2 so với bản vẽ bảo vệ.
Nối đất mạch thứ cấp tại một điểm đơn đã định.
Kiểm tra xem tất cả các dây dẫn chính có đi qua máy biến dòng cân bằng lõi theo đúng hướng hay không.
Thực hiện các phép thử tỷ số, cực tính, cách điện và dòng kích thích như đã quy định.
Kiểm chứng dòng phun thứ cấp và toàn bộ chuỗi tác động từ rơ-le đến máy cắt.
Giữ cho các mạch thứ cấp được nối tắt trước khi ngắt kết nối thiết bị đã kết nối.

Máy biến dòng (CT) có đo được dòng điện một chiều (DC) không?

Biến dòng từ tính thông thường yêu cầu từ thông xoay chiều và không thể đo dòng một chiều (DC) tĩnh. Việc đo dòng điện DC sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall, bộ chuyển đổi cổng từ (fluxgate) hoặc điện trởshunt. Một thiết bị được thương mại hóa là “biến dòng một chiều” thường sử dụng các linh kiện điện tử chủ động và nên được thông số hóa bằng băng thông, độ chính xác, khả năng cách ly và nhu cầu nguồn phụ trợ của nó.

Gánh nặng, độ chính xác và điểm uốn của máy biến dòng (CT)

Tải trọng của máy biến dòng (CT burden) là tổng trở kháng của các điện kế, rơ-le, dây dẫn và các đầu cọc. Tải trọng dư thừa làm tăng sai số và có thể đẩy lõi thép vào trạng thái bão hòa. Các CT đo lường chú trọng độ chính xác ở dòng điện định mức bình thường; các CT bảo vệ phải tái tạo lại dòng điện sự cố lớn đủ lâu để rơ-le hoạt động. Dữ liệu về điểm gối (knee-point) hoặc dữ liệu từ hóa đặc biệt quan trọng trong các sơ đồ trở kháng cao và so lệch.

Cực tính của biến dòng (CT) và an toàn phía thứ cấp

Các dấu phân cực xác định hướng được sử dụng bởi các chức năng công suất, vi sai và định hướng. Xác minh việc nhận diện đầu cực và việc nối đất thứ bản điểm đơn so với bản vẽ đã được phê duyệt. Không bao giờ để hở mạch thứ cấp của máy biến dòng (CT) đang mang điện: từ thông lõi và điện áp thứ cấp có thể tăng lên mức nguy hiểm. Sử dụng các đầu nối ngắn mạch trước khi tháo rơ-le hoặc đồng hồ đo.

Tài liệu kỹ thuật và đọc thêm

Các nguồn độc lập sau đây hỗ trợ các tiêu chuẩn, thuật ngữ, phép tính và bối cảnh an toàn được thảo luận trong hướng dẫn này:

Tiêu chuẩn máy biến áp lực IEC 60076-1 — Phạm vi, thuật ngữ, định mức, ký hiệu kết nối, thử nghiệm, an toàn và các yêu cầu chung đối với máy biến áp lực.
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ: Máy biến áp phân phối — Các định nghĩa chính thức, yêu cầu hiệu suất, quy trình thử nghiệm và tài liệu quy định đối với máy biến áp phân phối.
các yêu cầu về truyền tải và phân phối điện năng của OSHA — Các yêu cầu về an toàn liên quan đến xây dựng và công việc xung quanh thiết bị truyền tải và phân phối điện năng.