Máy biến áp nối đất - Hướng dẫn thực hành cho kỹ sư và chuyên gia

MỘT Máy biến áp nối đất (nối đất) tạo ra một trung tính an toàn, có thể điều khiển được cho các hệ thống điện vốn không có trung tính này. Dù được sử dụng để bảo vệ thiết bị, ổn định điện áp hay cung cấp tham chiếu cho rơle bảo vệ, máy biến áp nối đất được chỉ định phù hợp là một thiết bị nhỏ có tác động lớn đến độ an toàn và độ tin cậy. Bài viết này giải thích chức năng của máy biến áp nối đất, cách chế tạo và ứng dụng chúng, cách xác định kích thước và lựa chọn máy biến áp cũng như các mẹo thực tế để lắp đặt, thử nghiệm và bảo trì — được viết cho các kỹ sư, nhóm mua sắm và người vận hành nhà máy cần một tài liệu tham khảo hữu ích, thân thiện với SEO.

Tại sao bạn cần một máy biến áp nối đất

Nhiều mạng công nghiệp và tiện ích (đặc biệt là các hệ thống kết nối tam giác hoặc kết nối biến tần nhất định) không có sẵn điểm trung tính. Nếu không có dây trung tính, các lỗi một đường dây nối đất sẽ hoạt động không thể đoán trước và thiết bị bảo vệ không thể phát hiện chúng một cách đáng tin cậy. Máy biến áp nối đất:

• Tạo ra một điểm trung tính xác định cho rơle bảo vệ và đo sáng.

• Kiểm soát cường độ dòng điện chạm đất (khi sử dụng với điện trở hoặc cuộn kháng).

• Giúp giảm quá điện áp thoáng qua khi có sự cố nối đất.

• Cải thiện sự an toàn của nhân viên và thiết bị bằng cách cung cấp đường quay trở lại mặt đất đã biết.

Tóm lại: nếu hệ thống của bạn phải phát hiện hoặc hạn chế các sự cố chạm đất hoặc nếu bộ điều chỉnh/tiêu chuẩn yêu cầu trung tính nối đất thì máy biến áp nối đất là công cụ phù hợp.

Các loại và cấu trúc liên kết - chọn hình học phù hợp

Có ba cấu hình thực tế phổ biến:

Máy biến áp Zig-zag (Z) — Nhỏ gọn và hiệu quả. Nó sử dụng các cuộn dây đan xen trên lõi ba nhánh để tổng hợp dây trung tính mà không mang dòng điện tải bình thường. Các đơn vị zig-zag là lựa chọn phổ biến nhất khi cần điều khiển trở kháng trình tự không.

Máy biến áp nối đất tam giác mở (hai pha) - Được chế tạo từ hai thiết bị một pha được nối dây theo bố trí tam giác mở. Đơn giản hơn về mặt khái niệm, đôi khi được sử dụng cho các công việc trang bị thêm trong đó việc thay thế toàn bộ ba pha là không mong muốn.

Cuộn dây trung tính sao Wye — Được cung cấp dưới dạng cuộn dây trung tính riêng biệt trên máy biến áp phân phối lớn hơn hoặc dưới dạng bộ phận nối sao chuyên dụng. Sự sắp xếp này có thể thích hợp hơn khi một máy biến áp duy nhất đã phục vụ được nhiều chức năng.

Mỗi cấu trúc liên kết hoạt động khác nhau về trở kháng thứ tự 0, dòng điện từ hóa, kích thước và chi phí. Các đơn vị zig-zag thường cung cấp sự cân bằng tốt nhất giữa độ nén và hiệu suất không có trình tự.

Triết lý nối đất: rắn, điện trở, lò phản ứng, cộng hưởng

Việc lựa chọn chiến lược nối đất cũng quan trọng như việc lựa chọn máy biến áp:

• Nối đất vững chắc - trung tính gắn trực tiếp với đất; dòng điện sự cố bằng giá trị kỳ vọng của hệ thống. Đơn giản nhưng tạo ra dòng điện chạm đất cao.

• Nối đất bằng điện trở (NGR) - trung tính được kết nối thông qua điện trở nối đất trung tính để hạn chế dòng điện sự cố ở giá trị thiết kế. Được sử dụng rộng rãi để hạn chế ứng suất nhiệt/cơ học và giảm thiệt hại.

• Nối đất phản kháng (lò phản ứng nối đất/cuộn dây Petersen) - trung tính thông qua một cuộn cảm để chống lại dòng điện sự cố điện dung; làm giảm dòng điện duy trì hồ quang trong một số mạng nhất định.

• Nối đất cộng hưởng - giá trị lò phản ứng được điều chỉnh theo điện dung của mạng để giảm dòng điện sự cố xuống mức rất thấp; được sử dụng trong các hệ thống phân phối chọn lọc.

Máy biến áp nối đất thường được ghép nối với NGR hoặc lò phản ứng nối đất để đạt được đặc tính dòng điện chạm đất mong muốn.

Cách xác định kích thước và đặc tính của máy biến áp nối đất

Một cách tiếp cận có cấu trúc tránh thiết bị quá khổ hoặc hoạt động kém:

1. Thu thập dữ liệu hệ thống : điện áp hệ thống, tần số, mức độ lỗi ba pha tại điểm kết nối, trở kháng hệ thống và giới hạn địa điểm (môi trường xung quanh, độ cao).

2. Quyết định dòng điện chạm đất tối đa cần thiết ( I_limit ) dựa trên độ nhạy của rơle, xếp hạng thiết bị và các quy tắc an toàn.

3. Xác định yêu cầu NGR/cuộn kháng : nếu sử dụng nối đất bằng điện trở thì tính giá trị điện trở R_n = V_phase-to-neutral/I_limit . (Sử dụng các giá trị điện áp pha-trung tính tuyệt đối.)

4. Chọn trở kháng thứ tự không : điện kháng thứ tự không của máy biến áp cộng với bất kỳ cuộn kháng nào sẽ xác định sự phân bố dòng điện sự cố và phản ứng nhất thời. Chỉ định X0 (hoặc Z0) tính bằng ohm hoặc phần trăm.

5. Chọn máy biến áp KVA : đảm bảo định mức nhiệt trong thời gian ngắn đủ cho năng lượng sự cố dự kiến ​​và đặc tính từ hóa ngăn ngừa bão hòa trong điều kiện nhất thời. Kích thước KVA điển hình bao gồm nhiệm vụ lỗi hơn là tải liên tục.

6. Xác định các yêu cầu về cơ học & môi trường : vỏ bọc trong nhà/ngoài trời, xếp hạng IP, hạn chế địa chấn, điểm nâng và bố trí thiết bị đầu cuối.

7. Bảo vệ và giám sát danh sách : RTD, giảm áp suất, mức dầu/DGA cho các bộ phận dầu, khối đầu cuối trung tính và các điều khoản để lắp NGR.

Đưa các tiêu chuẩn bắt buộc và tài liệu kiểm tra tại nhà máy vào quá trình mua sắm (ví dụ: kiểm tra định kỳ, loại và kiểm tra ngắn mạch; xác minh cách điện và tỷ lệ).

Cân nhắc lựa chọn ví dụ

• Đối với hệ thống phân phối cấp nguồn tam giác 11 kV trong đó rơle phải nhìn thấy các lỗi chạm đất nhưng bạn muốn hạn chế dòng điện sự cố ở mức 200 A, hãy chỉ định một máy biến áp nối đất zig-zag có kích thước X0 để đáp ứng nhất thời phối hợp và NGR có kích thước 200 A liên tục trong khoảng thời gian bù trừ.

• Đối với các hệ thống dễ bị hồ quang kéo dài (ví dụ: mạng cáp dài có điện dung lớn), hãy xem xét nối đất bằng lò phản ứng hoặc nối đất cộng hưởng thay vì nối đất bằng điện trở thuần túy.

(Nếu bạn muốn có một ví dụ bằng số hoạt động với các phép tính KVA điện trở và máy biến áp từng bước, hãy cho tôi biết điện áp hệ thống của bạn và mục tiêu I_limit và tôi sẽ tính toán nó ở đây.)

Thực hành tốt nhất về cài đặt, thử nghiệm và vận hành

• Trước khi giao hàng : xem xét báo cáo thử nghiệm của nhà máy máy biến áp (tỷ lệ, cực tính, điện trở cuộn dây, cách điện).

• Lắp đặt cơ khí : lắp chắc chắn, nối đất chính xác cho thùng/khung và đầu nối trung tính có thể tiếp cận để kết nối NGR/lò phản ứng.

• Kết nối điện : tuân theo các thông số kỹ thuật mô-men xoắn cho đầu nối ống lót/đầu cuối; sử dụng các điểm kết thúc được đánh dấu theo pha.

• Các thử nghiệm vận hành : điện trở cách điện, kiểm tra độ phân cực/tỷ lệ và thử nghiệm chức năng của NGR hoặc lò phản ứng trong các điều kiện được kiểm soát.

• Phối hợp bảo vệ : xác minh rằng ngưỡng thu rơ-le mặt đất và cài đặt thời gian phát hiện chính xác dòng điện chạm đất giảm khi có NGR.

Luôn cách ly và gắn thẻ thiết bị trong quá trình bảo trì; mạch trung tính vẫn có thể gây nguy hiểm nếu xử lý không đúng cách.

Ghi chú bảo trì và vòng đời

• Kiểm tra trực quan định kỳ : tính toàn vẹn của vỏ, độ kín của thiết bị đầu cuối, dấu hiệu quá nhiệt và thông gió.

• Kiểm tra định kỳ : điện trở cách điện, kiểm tra RTD và lấy mẫu DGA/dầu cho các bộ phận dầu.

• Bảo trì NGR : điện trở cần được kiểm tra và thử tải mỗi lần khuyến nghị của nhà sản xuất máy biến áp .

• Lưu giữ hồ sơ : ghi lại tất cả các lỗi, chuyến đi và hành động bảo trì để xác định xu hướng và phòng ngừa các hư hỏng.

Ưu, nhược điểm và khi nào cần tránh máy biến áp nối đất

Ưu điểm : đưa ra hành vi chạm đất có thể dự đoán được, cho phép bảo vệ các hệ thống không nối đất, thiết kế zig-zag nhỏ gọn.
Nhược điểm : tăng thêm chi phí và độ phức tạp của thiết bị; loại chứa đầy dầu yêu cầu xử lý dầu và kiểm tra định kỳ.
Khi nào cần tránh : nếu hệ thống đã được nối đất chắc chắn ở máy biến áp chính hoặc nếu các hạn chế về địa điểm cấm bổ sung thêm một máy biến áp khác và có thể đạt được bố trí trung tính bằng các phương tiện khác.

Danh sách kiểm tra mua sắm nhanh

• Điện áp và tần số hệ thống

• Giới hạn dòng điện chạm đất mong muốn hoặc triết lý nối đất

• Cấu trúc liên kết máy biến áp (zig-zag / open-delta / star)

• Đánh giá KVA và yêu cầu chịu đựng thời gian ngắn

• Cách điện (BIL), ống lót và bố trí thiết bị đầu cuối

• Loại làm mát và bao vây (khô và dầu, trong nhà/ngoài trời)

• Giám sát và phụ kiện (RTD, ống thở, liên kết trung tính cho NGR)

• Báo cáo thử nghiệm bắt buộc và tiêu chuẩn áp dụng

Phần kết luận

Máy biến áp nối đất là giải pháp nhắm mục tiêu chính xác để tạo trung tính và kiểm soát sự cố chạm đất trong các hệ thống thiếu điểm trung tính tự nhiên. Lựa chọn phù hợp — cân bằng trở kháng máy biến áp, chiến lược nối đất, các ràng buộc vật lý và phối hợp bảo vệ — ngăn ngừa hư hỏng thiết bị, giảm thời gian ngừng hoạt động và giữ an toàn cho nhân viên. Với dữ liệu hệ thống rõ ràng trước mắt, bạn có thể chọn một thiết bị nhỏ gọn, đáng tin cậy, tích hợp trơn tru với triết lý bảo vệ và kế hoạch bảo trì dài hạn của bạn.