Hướng dẫn Thiết kế Biến dòng cho Bảo vệ và Đo lường

Hướng dẫn Thiết kế Biến dòng cho Bảo vệ và Đo lường

Các biến dòng (CT) là những thiết bị chính xác, chuyển đổi dòng điện sơ cấp thành các giá trị thứ cấp tiêu chuẩn phục vụ cho rơ-le và đồng hồ đo. Việc thiết kế một CT đòi hỏi phải cân bằng giữa hiệu suất từ tính, giới hạn nhiệt và độ bền cơ học để đáp ứng yêu cầu về độ chính xác trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Định nghĩa nhanh: Thiết kế biến dòng là quá trình kỹ thuật lựa chọn vật liệu lõi, cấu hình cuộn dây và hệ thống cách điện nhằm tái tạo chính xác dòng điện sơ cấp ở mức giá trị thứ cấp được thu nhỏ.

Các điểm chính cần lưu ý từ dự án

• Thiết kế CT phải phù hợp với các tiêu chuẩn IEC 61869-2 và IEEE C57.13 về độ chính xác, an toàn và thử nghiệm.
• Hiện tượng bão hòa lõi, kích cỡ tải và hiệu suất nhiệt quyết định độ tin cậy của CT trong các sự cố.
• Enwei Electric cung cấp các biến dòng được thiết kế chuyên biệt cho các ứng dụng bảo vệ, đo lường và trạm biến áp số.
• Các tài liệu tham khảo bên ngoài từ IEC, IEEE và NERC hướng dẫn các thông số kỹ thuật, quy trình thử nghiệm và bảo trì.

Xác định Mục tiêu Thiết kế

Các nhà thiết kế trước tiên cần làm rõ biến dòng phục vụ mục đích bảo vệ, đo lường hay cả hai chức năng. Biến dòng bảo vệ ưu tiên hiệu suất quá độ và điện áp điểm gối cao để tránh bão hòa trong trường hợp sự cố. Biến dòng đo lường tập trung vào độ chính xác trong suốt dải tải. Điều kiện môi trường, giới hạn lắp đặt và khả năng tích hợp với thiết bị đóng cắt ảnh hưởng đến hình dạng và lựa chọn cách điện.

Nguyên lý Mạch Từ

Lõi biến dòng tạo thành một mạch từ dẫn luồng từ thông phát sinh bởi dòng điện sơ cấp. Diện tích mặt cắt ngang của lõi và chiều dài đường đi từ ảnh hưởng đến dòng từ hóa và đặc tính bão hòa. Các nhà thiết kế sử dụng vật liệu có độ từ thẩm cao để giảm thiểu dòng từ hóa, đảm bảo dòng thứ cấp bám sát dạng sóng dòng sơ cấp.

Khe hở không khí, thường là điều không mong muốn, có thể được đưa vào một cách chủ đích trong các máy biến dòng đặc biệt để kiểm soát sự bão hòa. Tuy nhiên, khe hở làm tăng dòng từ hóa và giảm độ chính xác, do đó chúng phải được mô hình hóa cẩn thận.

Phù hợp với tiêu chuẩn và tài liệu tham khảo

• IEC 61869-2:2012 — Cung cấp các cấp chính xác, giới hạn nhiệt và quy trình thử nghiệm. Nguồn: IEC
• IEEE C57.13-2016 — Quy định các yêu cầu về máy biến đổi đo lường tại Bắc Mỹ. Nguồn: IEEE
• NERC PRC-005 — Nêu rõ các khoảng thời gian bảo trì đối với các thành phần của hệ thống bảo vệ. Nguồn: NERC

Việc tuân thủ đảm bảo máy biến dòng đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác toàn cầu và các yêu cầu kiểm toán quy định.

Tính toán thiết kế lõi

Các kỹ sư thiết kế tính toán diện tích mặt cắt ngang của lõi dựa trên mật độ từ thông tối đa cho phép của vật liệu đã chọn, đồng thời tính đến dòng sơ cấp, tỷ số vòng dây và tần số. Mật độ từ thông phải duy trì dưới ngưỡng bão hòa trong điều kiện sự cố cực đại.

Điện áp điểm gãy được tính toán dựa trên các đặc tính lõi và tỷ số vòng, đảm bảo biến dòng bảo vệ duy trì đầu ra khi mạch thứ cấp chịu tải cao. Các kỹ sư cũng xác định dòng từ hóa và các đường cong kích thích để kiểm tra độ chính xác trong các cấp đã quy định.

Các yếu tố xem xét về cuộn dây và tải

Thiết kế cuộn dây thứ cấp bao gồm việc chọn tiết diện dây dẫn và số vòng dây để đạt được tỷ số mong muốn đồng thời chịu được tải nhiệt. Điện trở cuộn dây và điện kháng rò góp phần vào tổng tải và cần được giảm thiểu.

Tính toán tải bao gồm các thiết bị kết nối — đồng hồ đo, rơ le — cộng với điện trở dây nối. Tổng tải phải luôn thấp hơn giá trị định mức để duy trì độ chính xác. Một số thiết kế tích hợp nhiều cuộn dây thứ cấp cho các mạch bảo vệ và đo lường riêng biệt.

Lựa chọn vật liệu lõi và cuộn dây

Máy biến dòng bảo vệ thường sử dụng thép silicon định hướng hoặc vật liệu vô định hình nano để có mật độ từ thông bão hòa cao. Máy biến dòng đo lường có thể dùng hợp kim vô định hình để cải thiện độ chính xác ở dòng điện thấp. Cách điện cuộn thứ cấp sử dụng dây đồng phủ men, được bổ sung thêm các lớp epoxy, Mylar hoặc Nomex tùy theo cấp điện áp.

Thiết kế cơ khí bao gồm các kết cấu đỡ, khung kẹp và bọc nhựa để chịu được lực ngắn mạch. Máy biến dòng ngoài trời yêu cầu vỏ bọc chống chịu thời tiết, trong khi máy biến dòng trong nhà được tích hợp với buồng thiết bị đóng cắt.

Hiệu suất Nhiệt và Cơ học

Máy biến dòng sinh nhiệt do tổn hao đồng và trễ từ tính lõi. Mô hình hóa nhiệt đảm bảo mức tăng nhiệt độ nằm trong giới hạn của IEC. Kỹ sư thiết kế có thể sử dụng vỏ bọc epoxy đúc hoặc ngâm dầu để tản nhiệt hiệu quả.

Lực ngắn mạch có thể vượt quá vài kN, đặc biệt trong các ứng dụng dòng cao. Khung máy biến dòng, giá đỡ và cách điện phải chịu được ứng suất cơ học để tránh biến dạng hoặc hư hỏng cách điện.

Kiểm thử và Xác nhận

Các biến dòng mẫu được thực hiện các thử nghiệm định kỳ, thử nghiệm kiểu và thử nghiệm đặc biệt: kiểm tra độ chính xác tỷ số, kiểm tra cực tính, thử nghiệm cách điện, khả năng chịu dòng ngắn mạch trong thời gian ngắn và đo phóng điện cục bộ. Các đường cong kích từ xác nhận điện áp điểm gãy, trong khi các thử nghiệm tăng nhiệt độ xác minh thiết kế nhiệt.

Các công cụ mô hình hóa số, như phân tích phần tử hữu hạn (FEA), hỗ trợ xác minh phân bố từ thông và ứng suất cơ học trước khi thử nghiệm thực tế. Phòng thí nghiệm của Enwei Electric thu thập dữ liệu để chứng nhận sự phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của khách hàng và các tiêu chuẩn quốc tế.

Bảng kiểm kỹ sư cho thiết kế biến dòng

• Xác định ứng dụng: bảo vệ, đo lường hoặc kết hợp.
• Chọn vật liệu lõi và xác định diện tích tiết diện ngang để tránh bão hòa.
• Tính toán tỷ số vòng dây, điện áp điểm gãy và dòng từ hóa.
• Đánh giá tải thứ cấp bao gồm các thiết bị nối và dây dẫn.
• Thiết kế cách điện, quản lý nhiệt và giá đỡ cơ khí phù hợp với môi trường vận hành.
• Lên kế hoạch thử nghiệm xác nhận theo IEC 61869-2 và IEEE C57.13.

Chuyên môn Thiết kế CT của Enwei Electric

Enwei Electric sản xuất các biến dòng trung áp và hạ áp với tỷ số, cấp chính xác và hệ thống cách điện có thể tùy chỉnh. Khám phá các lựa chọn sản phẩm tại https://www.enweielectric.com/products/current-transformers. Việc tích hợp với tủ đóng cắt ( https://www.enweielectric.com/products/switchgear) và máy biến áp ( https://www.enweielectric.com/products/transformers) đảm bảo hiệu suất hệ thống đồng bộ.

Câu hỏi thường gặp về Kỹ thuật Thiết kế Biến dòng

Làm thế nào để ngăn ngừa bão hòa biến dòng trong sự cố?

Thiết kế với điện áp điểm gối cao bằng cách chọn vật liệu lõi phù hợp, tăng số vòng dây và quản lý tải để duy trì trong giới hạn định mức.

Một biến dòng đơn có thể phục vụ cả bảo vệ và đo lường không?

Có, với hai cuộn dây thứ cấp được thiết kế cho các cấp chính xác khác nhau, nhưng cần quản lý tải cẩn thận để tránh ảnh hưởng lẫn nhau.

Enwei Electric cung cấp những hỗ trợ thiết kế nào?

Enwei Electric cung cấp kỹ thuật ứng dụng, lựa chọn tỷ số và kiểm tra xác nhận để cung cấp biến dòng phù hợp với yêu cầu bảo vệ hoặc đo lường.

Hành động ngay: Thiết kế biến dòng chính xác cùng Enwei Electric

Thiết kế biến dòng robust là yếu tố thiết yếu để đảm bảo đo lường chính xác và bảo vệ đáng tin cậy. Hợp tác cùng Enwei Electric để có các giải pháp biến dòng được thiết kế kỹ lưỡng, thử nghiệm và hỗ trợ tích hợp hệ thống. Liên hệ Enwei Electric ngay hôm nay để đẩy nhanh tiến độ dự án thiết kế biến dòng của bạn.

Ứng dụng dự án

Xem các ví dụ triển khai thực tế và điểm nổi bật trong bộ sưu tập tại các trung tâm sản phẩm của Enwei Electric:

• Giải pháp máy biến áp cho các dự án phân phối và công nghiệp.
• Các dòng thiết bị đóng cắt bao gồm các phòng điều khiển trung áp và hạ áp.
• Dải biến dòng hỗ trợ đo lường chính xác và bảo vệ.
• Trạm biến áp tiền chế tích hợp máy biến áp, thiết bị đóng cắt và tủ điện.