Hệ thống điện hoạt động như một dàn nhạc giao hưởng lớn, với các thành phần khác nhau phối hợp nhịp nhàng để cung cấp năng lượng. Tuy nhiên, giống như một dàn nhạc có thể gặp phải những nốt nhạc lạc điệu, hệ thống điện cũng phải đối mặt với các sự cố gây rối. Khi ngắn mạch hoặc sự cố chạm đất xảy ra trong mạng điện — tương tự như những tiếng ồn chói tai làm gián đoạn một buổi biểu diễn âm nhạc — chúng có thể làm gián đoạn hoạt động, làm hỏng thiết bị và tạo ra các mối nguy hiểm về an toàn. Để nhanh chóng phát hiện và loại bỏ những xáo trộn này, các hệ thống bảo vệ vi sai đã được phát triển, với các máy biến dòng điện phân pha đóng vai trò là các thành phần quan trọng của chúng.

Máy biến dòng điện phân pha là các thiết bị chuyên dụng chủ yếu được sử dụng trong bảo vệ vi sai hệ thống điện. Không giống như các máy biến dòng điện thông thường, chúng có hai cuộn dây hoặc cuộn độc lập, mỗi cuộn nhận tín hiệu dòng điện từ một pha của hệ thống điện. Bằng cách so sánh dòng điện từ các cuộn dây này, hệ thống có thể phát hiện các bất thường bao gồm sự cố chạm đất, ngắn mạch pha-pha hoặc suy giảm hiệu suất. Khi phát hiện các bất thường, hệ thống bảo vệ sẽ kích hoạt ngay lập tức để cách ly mạch bị lỗi, bảo vệ cả thiết bị và nhân viên.

Máy biến dòng điện phân pha hoạt động dựa trên Định luật dòng điện Kirchhoff. Trong điều kiện bình thường, dòng điện chạy qua cả hai cuộn dây vẫn bằng nhau về độ lớn nhưng ngược chiều, dẫn đến dòng điện vi sai bằng không. Khi các lỗi bên trong xảy ra — chẳng hạn như sự cố chạm đất — sự cân bằng dòng điện giữa các cuộn dây bị phá vỡ, tạo ra dòng điện vi sai có thể đo được. Hệ thống bảo vệ phân tích độ lớn và hướng của dòng điện này để xác định loại và vị trí lỗi, sau đó phát ra các lệnh ngắt để ngắt kết nối mạch bị ảnh hưởng.

Cụ thể, các máy biến áp này hoạt động kết hợp với các rơ le vi sai, kích hoạt khi dòng điện vi sai vượt quá ngưỡng xác định trước, kích hoạt các bộ ngắt mạch. Để tăng cường độ nhạy và độ tin cậy, các biện pháp bổ sung như rơ le vi sai phần trăm thường được sử dụng, tính đến các lỗi tỷ lệ máy biến áp và dòng điện xung kích.

Máy biến dòng điện phân pha có hai cấu hình chính:

• Loại cửa sổ: Có thiết kế hình tròn hoặc hình chữ nhật với một lỗ mở trung tâm, cho phép cáp điện hoặc thanh cái đi trực tiếp qua. Cấu trúc nhỏ gọn, đơn giản của chúng tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt và bảo trì dễ dàng trên nhiều mức điện áp và dung lượng dòng điện khác nhau.
• Loại thanh: Kết hợp một thanh dẫn làm cuộn dây sơ cấp, thiết kế này làm tăng dòng điện định mức và khả năng chịu đựng trong thời gian ngắn của máy biến áp, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng dòng điện cao.

Các máy biến áp này đóng vai trò quan trọng trong toàn bộ mạng điện, bao gồm:

• Bảo vệ máy phát: Bảo vệ chống lại các lỗi cuộn dây bao gồm ngắn mạch pha-pha, lỗi vòng-vòng và lỗi chạm đất
• Bảo vệ máy biến áp: Phát hiện các lỗi cuộn dây và lỗi thùng
• Bảo vệ thanh cái: Xác định ngắn mạch và lỗi chạm đất trên thanh cái điện
• Bảo vệ động cơ: Ngăn ngừa hư hỏng do lỗi cuộn dây bên trong

Thiết kế, sản xuất và thử nghiệm máy biến dòng điện phân pha phải tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế và trong nước để đảm bảo hiệu suất và an toàn. Các tiêu chuẩn chính bao gồm:

• CSA (Hiệp hội Tiêu chuẩn Canada)
• IEC (Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế)
• NEMA (Hiệp hội các nhà sản xuất điện quốc gia)
• IEEE (Viện Kỹ sư Điện và Điện tử)

Các thông số kỹ thuật này chi phối các thông số quan trọng bao gồm điện áp/dòng điện định mức, cấp chính xác, dòng điện chịu đựng trong thời gian ngắn, độ bền cách điện và độ tăng nhiệt độ, cùng với các phương pháp thử nghiệm tương ứng.

Việc lựa chọn máy biến dòng điện phân pha phù hợp đòi hỏi phải xem xét nhiều yếu tố:

• Điện áp và định mức dòng điện của hệ thống
• Cấp chính xác cần thiết cho các sơ đồ bảo vệ
• Khả năng chịu đựng ngắn mạch phù hợp với yêu cầu của hệ thống
• Các ràng buộc về lắp đặt và cấu hình vật lý
• Các nhu cầu môi trường đặc biệt (nhiệt độ cao, độ ẩm, môi trường dễ nổ)

Nhiều nhà sản xuất sử dụng công nghệ đóng gói bằng nhựa epoxy cho các máy biến áp này, mang lại:

• Các đặc tính cách điện vượt trội ngăn ngừa sự cố điện áp cao
• Độ bền cơ học tăng cường bảo vệ các thành phần bên trong
• Khả năng chống ẩm và bụi hiệu quả, cải thiện độ tin cậy
• Khả năng chống cháy trong các công thức chọn lọc

Cơ sở hạ tầng điện đã cũ thường yêu cầu nâng cấp máy biến áp do hiệu suất giảm hoặc nhu cầu bảo vệ ngày càng tăng. Các cân nhắc chính bao gồm:

• Khả năng tương thích với các hệ thống bảo vệ hiện có liên quan đến tỷ lệ, độ chính xác và hệ thống dây điện
• Độ tin cậy và sự ổn định trong vận hành
• Tính hiệu quả về chi phí trong khi đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật

Khi lưới điện thông minh và trạm biến áp kỹ thuật số phát triển, máy biến dòng điện phân pha phải đối mặt với những cơ hội và thách thức mới. Các xu hướng mới nổi bao gồm:

• Chuyển đổi tín hiệu số để tăng cường xử lý dữ liệu
• Các tính năng thông minh như tự chẩn đoán và hiệu chuẩn thích ứng
• Thiết kế nhỏ gọn bằng vật liệu tiên tiến
• Các giải pháp bảo vệ tích hợp kết hợp nhiều chức năng

Là các thành phần cơ bản của hệ thống bảo vệ vi sai, máy biến dòng điện phân pha đóng vai trò không thể thiếu trong việc duy trì sự ổn định và an toàn của lưới điện. Những tiến bộ công nghệ sẽ tiếp tục thúc đẩy sự phát triển của chúng theo hướng các giải pháp kỹ thuật số, thông minh, nhỏ gọn và tích hợp, đảm bảo hoạt động của hệ thống điện đáng tin cậy trong nhiều năm tới.