NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN DÒNG

NGUYÊN LÝ  HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN DÒNG

Máy biến dòng (kí hiệu CT), là một loại “công cụ đo lường điện áp” được thiết kế nhằm mục đích tạo ra một dòng điện xoay chiều có cường độ tỷ lệ với cường độ dòng điện ban đầu.

Máy biến dòng, hay còn có tên gọi khác là máy biến điện áp, có chức năng làm giảm tải một dòng điện ở cường độ cao xuống cường độ thấp tiêu chuẩn hơn, đồng thời tạo ra chiều đối lưu an toàn nhằm kiểm soát cường độ dòng điện thực tế chạy trong đường dây dẫn, thông qua vai trò của một ampe kế tiêu chuẩn. Càng ngày máy biến dòng càng được cải tiến hơn, tuy nhiên nhìn chung thì chức năng cơ bản của chúng vẫn không lệch đi là mấy so với các thế hệ máy biến dòng truyền thống.

Hình 1 - Một loại máy biến dòng

Không giống như máy đo hiệu điện thế hay máy biến áp nguồn truyền thống, máy biến dòng hiện thời chỉ cấu tạo gồm một hoặc một số ít vòng dây so với số vòng dây trong các thiết kế cũ.

Những vòng dây truyền thống được thiết kế có thể ở dạng một đoạn dây dẫn dẹt quấn thành một vòng, hoặc một cuộn dây dẫn quấn nhiều vòng quanh lõi rỗng hoặc được nối thẳng đến chỗ cần nối mạch thông qua thiết bị có lỗ hổng trung tâm như đã minh họa trên hình. 

Và cũng do cách thiết kế này mà máy biến dòng thời trước thường được coi là một “chuỗi biến áp” có chức năng giống như một cuộn thứ cấp – thứ cũng có số vòng dây bao giờ cũng lớn hơn 1 và cũng hiếm có trường hợp mà chỉ có 1 vòng dây – cùng truyền tải cường độ dòng điện trong dây dẫn.

Cuộn thứ cấp có thể có một lượng lớn các cuộn cảm quấn quanh lõi thép lá nhằm giảm tối thiểu mức hao tốn lưỡng cực từ (từ tính trong vật liệu) của phần có tiết diện ( diện tích mặt cắt ngang), vì thế, độ cảm ứng từ được sử dụng ở mức thấp hơn tiết diện của dây dẫn,  dĩ nhiên, điều này cũng tùy thuộc vào độ lớn mà cường độ dòng điện cần được giảm xuống. Cuộn thứ cấp thường được mặc định ở mức 1 Ampere cho cường độ nhỏ hoặc ở mức 5 Ampere cho cường cường độ lớn.

Máy biến dòng (máy biến điện áp) hiện nay có 3 loại cơ bản:  “ dạng dây quấn”, “dạng vòng” và  “thanh khối”.

Máy biến dòng dạng dây quấn

Cuộn sơ cấp của máy biến dòng loại này sẽ được kết nối trực tiếp với các dây dẫn, có nhiệm vụ đo cường độ dòng điện chạy trong mạch. Cường độ dòng điện trong cuộn thứ cấp phụ thuộc vào tỷ số vòng dây quấn của máy biến dòng.

Máy biến dòng dạng vòng

“Vòng” sẽ không được cấu tạo ở cuộn sơ cấp. Thay vào đó, cường độ dòng điện chạy trong mạch sẽ được truyền và chạy thẳng qua  khe cửa hay lỗ hổng của “vòng” trong máy biến dòng. Một số máy biến dòng dạng vòng hiện nay đã được cấu tạo thêm chi tiết “chốt chẻ”, có tác dụng cho lỗ hổng hay khe cửa của máy biến dòng có thể mở ra, cài đặt và đóng lại, mà không cần phải ngắt mạch cố định.

Máy biến dòng dạng khối

Đây là một trong các loại của máy biến dòng hiện nay được ứng dụng trong các loại dây cáp, thanh cái của mạch điện chính, gần giống như cuộn sơ cấp, nhưng chỉ có một vòng dây duy nhất. Chúng hoàn toàn tách biệt với nguồn điện áp cao vận hành trong hệ mạch và luôn được kết nối với cường độ dòng điện tải trong thiết bị điện.

Máy biến dòng có thể dễ dàng giảm áp hoặc “thu phục” ngay dòng điện có cường độ cao từ hàng ngàn ampe xuống một mức độ tiêu chuẩn, thông thường, mức độ này dao động trong tỷ lệ  là từ 1 đến 5 ampe, nhằm giúp hệ mạch vẫn được vận hành bình thường. Như vậy,những thiết bị điện nhỏ, thiết bị chuyên đo lường và các vi điều khiển có thể sử dụng kèm  CT một cách bình thường, bởi vì chúng được cách ly hoàn toàn khỏi tác động của những dòng điện cao áp.  Hiện nay có hàng loạt các thiết bị ứng dụng đo lường và sử dụng máy biến dòng, ví dụ tiêu biểu như  thiết bị oát kế, máy đo hệ số công suất, đồng hồ đo chỉ số điện, rơ-le bảo vệ hoặc ví dụ như cuộn nhả trong bộ phận ngắt mạch từ. 

Cấu tạo cơ bản của máy biến dòng:

Nói chung máy biến áp hiện tại và ampe kế được sử dụng với nhau như một cặp song đôi, trong đó, thiết kế của máy biến dòng hiện nay nhằm cung cấp một dòng điện thứ cấp tiêu chuẩn, khi mà dù cường độ dòng điện này dù có đạt tới mức tối đa thì cũng không lệch khỏi phạm vi cường độ cho phép của ampe kế.  Trong hầu hết các máy biến dòng ngày nay, chúng có thiết kế để tạo ra một khoảng chênh lệch xấp xỉ giữa tỷ số vòng dây của hai cuộn sơ cấp và thứ cấp, mục đích là để nghịch đảo. Đó là lý do tại sao sự hiệu chỉnh của máy biến dòng nói chung lại là một loại hình riêng nhưng lại có đủ các đặc điểm đặc thù của một chiếc ampe kế.

Hầu hết các máy biến dòng hiện nay có tiêu chuẩn cho cuộn thứ cấp là 5 ampe, và tất nhiên là dòng điện sơ cấp sẽ được thể hiệnchênh lệch với dòng điện thứ cấp qua một con số tỷ lệ, ví dụ như 100/5.  Vậy, tỷ số chênh lệch này có ý nghĩa gì? Điều này có nghĩa rằng, cường độ dòng điện sơ cấp lớn hơn gấp 100 lần so với dòng điện thứ cấp, tức là khi 100 ampe chạy trong cuộn sơ cấp sẽ chuyển thành 5 ampe khi chạy tới cuộn thứ cấp, hoặc với tỷ lệ 500/5, thì chúng cũng sẽ cho kết quả là một dòng điện 5 ampe cho cuộn thứ cấp và 500 ampe cho cuộn sơ cấp, vv.

Bằng cách tăng số lượng vòng dây quấn của cuộn thứ cấp N2, dòng điện thứ cấp có thể được hạ áp thấp hơn nhiều so với dòng điện hiện tại trong mạch sơ cấp. Bởi vì, N2 tăng thì I2 giảm theo một tỷ lệ xác định. Nói cách khác, số vòng dây và cường độ dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp có mối quan hệ nghịch theo một tỷ lệ được xác định trước với nhau.

Chúng tôi có thể minh họa cho bạn mối liên quan giữa về máy biến dòng dạng dây quấn có tỷ số cường độ dòng điệnvà tỷ số vòng dây sơ cấp và thứ cấp là như nhau:

Từ đó, ta có, cường độ dòng điện thứ cấp:

Như trong cuộn sơ cấp thường bao gồm một hoặc hai vòng dây quấn trong khi cuộn thứ cấp lại cần tới một hoặc hàng trăm vòng, tỷ lệ số vòng dây giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp là khá lớn. Ví dụ, giả sử rằng cường độ dòng điện của cuộn sơ cấp là 100Ampe, thì có thể tính ngay giá trị tiêu chuẩn của cường độ dòng điện trong cuộn thứ cấp sẽ là khoảng 5Ampe. Thế là, tỷ lệ giữa dòng điện sơ cấp và dòng điện thứ cấp là 100A – 5A, hoặc 20/1. Nói cách khác, điện áp dòng điện sơ cấp lớn hơn điện áp dòng điện thứ cấp 20 lần.

 Tuy nhiên, cần lưu ý, hiện nay có một loại máy biến dòng tuy có hệ số 100/5 nhưng không phải là tỷ lệ điện áp là 20/1 hay 100/5. Mà tỷ lệ 100/5 đó thể hiện hiệu suất của dòng điện đầu vào và dòng điện đầu ra, chứ không phải là tỷ lệ giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Cũng nên lưu ý rằng, số vòng dây và điện thế trong cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp có mối liên quan tỷ lệ nghịch với nhau.

Nhưng, chúng ta có thể tạo ra thay đổi lớn về tỷ số vòng dâytrong một máy biến dòng bằng cách điều chỉnh số vòng dây của cuộn sơ cấp dẫn qua khe cửa của máy biến dòng. Đây là nơi mà cứ một vòng dây cuộn sơ cấp lại tương đương  với một đường truyền và kết quả là  hơn một đường truyền được thông qua khe cửa có mức điện suất được điều chỉnh.

Vì vậy, ví dụ, một máy biến dòng hiện tại dạng vòng, 300/5 Ampe có thể hiệu chỉnh sang 150/5 Ampe hoặc thậm chí lá 100/5 Ampe bằng việc truyền thẳng dòng điện sơ cấp qua khe cửa sổ 2 hoặc 3 lần như minh họa trên hình. Điều này cho phép một dòng điện có cường độ cao hơn xuất hiện nhằm cung cấp điện suất tối đa cho các ampe kê khi được gắn trực tiếp trên mạch sơ cấp, nhưng lại dùng điện thế thấp hơn.

Mối liên hệ giữa tỷ số vòng dây  và tỷ số điện áp trong máy biến dòng:

Ví dụ:  Với một máy biến dòng dạng thanh khối, có 1 vòng dây ở cuộn sơ cấp và 160 vòng dây ở cuộn thứ cấp, chúng được kết nối với một ampe kế có độ lớn tiêu chuẩn của điện trở trong là 0.2Ω. Các ampe kế được thiết lập để hiển thị sai số chính xác trong một phạm vi cho phép khi cuộn sơ cấp đạt tới mức 800 ampe. Hãy tính cường độ dòng điện tối đa và hiệu điện thế tối đa của cuộn thứ cấp trên ampe kế.

Giải đáp:

Cường độ dòng điện của cuộn thứ cấp: Secondary Current:

Hiệu điện thếcủa cuộn thứ cấp mà Ampe kế thể hiện:

Chúng ta có thể thấy từ các kết quả trên, khi cuộn thứ cấp của máy biến dòng được kết nối với các ampe kế có điện trở rất nhỏ, thì dòng điện thứ cấp sẽ bị sụt giảm 1,0 Volt hiệu điện thế so vớidòng điện sơ cấp. Nếu ampe kế được lấy ra, cuộn thứ cấp sẽ bị hở mạch và máy biến dòng giảm áp sẽ trở thành máy biến dòng tăng áp, do sự gia tăng đột ngột rất lớn các luồng từ tính phát tán mạnh mẽ từ lõi thứ cấp. Kết quả là một dòng điện áp cao được thụ cảm bởi cuộn thứ cấp, bằng tỷ lệ: Vp(Ns/Np), xuất hiện trong cuộn thứ cấp.

Vì vậy, giả sử như máy biến dòng trên được kết nối với một dòng điện 3 pha, có hiệu điện thế ở mức 480 volt. Kết quả sẽ là:

Chà, 76,8 kV !. Đấy chính là lý do tại sao các máy biến dòng hiện nay không bao giờ được để hở mạch hiêu hay kết nối với các đường truyền không cố định,chắc chắn. Trường hợp nếu hệ mạch không có gắn ampe kế, thì một đoạn mạch ngắn phải được nối xuyên qua từ đầu đến cuối cuộn thứ cấp để tránh nguy cơ “sốc” điện, tăng áp đột ngột.

Điều này là bởi vì khi dòng điện thứ cấp bị hở mạch, lõi sắt vận hành của máy biến dòng sẽ phải chịu một áp lực vận hành rất lớn thậm chí tới mức bão hòa, chúng sẽ phát ra một nguồn điện thứ cấp bất thường với điện áp rất lớn, và như trong ví dụ đơn giản trên của chúng tôi, nguồn điện này đã được tính toán ở mức 76,8 kV! Nguồn điện áp thứ cấp này có thể tàn phá dễ dàng lớp vở cách nhiệt bọc bên ngoài dây điện gây cháy nổ hoặc gây tai nạn điện giật nếu chúng ta vô tình chạm tay vào máy biến dòng.

Máy biến dòng cầm tay

Hiện nay các loại ứng dụng máy biến dòng khá đa dạng và có chất lượng tốt. Một loại máy biến dòng di động và phổ biến hiện nay được sử dụng để đo chỉ số điện tải trong mạch, được gọi là “Ampe kìm”.

Ampe kìm được thiết kế với cấu tạo mở, kích thước vừa tay,dễ dàng lắp ghép và tiện lợi khi di chuyển. Khi dùng, chúng ta ấn chốt để mở gọng kìm trên máy và để đường dây dẫn của mạch điện cần đo vào khoảng trống bên trong gọng kìm. Ampe kìm có khả năng đo lường chính xác điện áp của dòng điện bằng việc xác định và thụ cảm từ trường xung quanh nó. Kết quả đo lường sẽ hiển thị lập tức trên màn hình số mà không cần phải tháo gọng kìm ra hay ngắt mạch điện.

Cũng như các thiết bị biến áp CT cầm tay khác, lõi chẻ của máy biến dòng cầm tayđược thiết kế sẵn nhằm một đầu có thể tháo rời để ôm lấy dây dẫn hay thanh cái mà không cần phải ngắt nguồn để đưa máy biến dòng vào như các loại máy biến dòng  dạng vòng, cuộn truyền thống. Đây là một dụng cụ đo lường rất tiện lợi, kích thước gọng kìm trung bình chỉ từ 25 – 300mm, nhưng lại có để đo dòng điện từ 100 tới 5000 ampe.

Tóm lại, các máy biến dòng (CT) hiện nay là một công cụ biến áp và có chức năng đo lường, được sử dụng để biến chuyển điện áp cao trong dòng điện sơ cấp sang dòng thứ cấp có điện áp thấp hơn thông qua nguyên lý hoạt động từ tính của các vật liệu từ tính (là cuộn lõi của hai cuộn thứ cấp và sơ cấp). Cuộn thứ cấp sẽ luôn cung cấp một dòng điện có cường độ tiêu chuẩn, đủ lớn để dò và nhận dạng một dòng điện khác bị quá tải, dòng điện yếu, dòng điện cực đại hay đặc điểm của một dòng điện ở trạng thái bình thường.

Một cuộn cảm trong cuộn sơ cấp luôn được kết nối với hệ thống mạch chính làm tăng độ thụ cảm từ tính trong máy biến dòng. Dòng điện thứ cấp thông thường đạt ở ngưỡng từ 1 – 5 ampe trong các trường hợp đo lường.  Cấu tạo này thường ứng dụng trong loại máy biến dòng có cuộn sơ cấp có một vòng dây, ví dụ như máy biến dòng dạng vòng, dạng ống tròn và máy dạng thanh khối, hoặc một số ít các máy loại dây quấn. Tóm lại, cấu tạo này thường hay được sử dụng trong các máy mà cuộn thứ cấp có rất ít vòng dây.

Máy biến dòng (còn gọi là máy biến điện áp,) có xu hướng được ứng dụng như một dụng cụ biến đổi điện áp hơn là một dụng cụ đo điện thế. Vì thế, một dòng điện thứ cấp trong cuộn thứ cấp sẽ không bao giờ được tải vào mạch hở, cũng như một máy biến thế sẽ không bao giờ được gắn vào một đoạn mạch quán gắn.

Điện áp ở mức quá cao sẽ dẫn đến việc mạch thứ cấp bị hở khi khởi động CT do bị quá tải, vì thế các thiệt bị truyền tải điện cần có mạch ngắn trong trường hợp hệ thống mạch điện không có ampe kế, hay máy biến dòng không được khởi động trước khi vận hành hệ thống mạch điện.

Dựa trên nguyên tắc hoạt động, đó là những lưu ý của chúng tôi muốn đề cập đến bạn, nếu bạn muốn sử dụng một máy biến dòng cho mạng lưới điện của mình.!