Biến dòng bảo vệ là gì? Cách chọn CT cho rơ-le bảo vệ

Biến dòng bảo vệ là loại current transformer được thiết kế để cung cấp tín hiệu dòng điện cho rơ-le bảo vệ khi hệ thống xảy ra quá dòng, ngắn mạch hoặc sự cố chạm đất. Khác với CT đo lường chỉ cần chính xác tốt quanh vùng dòng tải bình thường, CT bảo vệ phải tiếp tục truyền được giá trị dòng sự cố đủ chính xác để rơ-le nhận biết tình trạng bất thường và phát lệnh cắt đúng thời điểm.

Vì vậy, khi chọn biến dòng bảo vệ PCT, chỉ biết tỷ số 100/5A, 400/5A hay 800/5A là chưa đủ. Kỹ sư còn phải kiểm tra cấp bảo vệ 5P hoặc 10P, hệ số giới hạn chính xác ALF, burden của toàn mạch thứ cấp, dòng ngắn mạch dự kiến, input 1A/5A của rơ-le và đặc tính của chức năng bảo vệ.

Nếu mục tiêu chính là đo dòng, đo điện năng hoặc kết nối công tơ, nên tham khảo biến dòng 5A hoặc bài chọn biến dòng cho công tơ điện. Bài này tập trung riêng vào CT dùng trong mạch bảo vệ.

Biến dòng bảo vệ là gì?

Biến dòng bảo vệ, thường được gọi là Protection Current Transformer hay PCT, là CT biến đổi dòng điện sơ cấp lớn thành dòng thứ cấp tiêu chuẩn, phổ biến là 1A hoặc 5A, để cung cấp cho rơ-le bảo vệ.

Về nguyên lý điện từ, PCT vẫn thuộc nhóm biến dòng CT. Điểm khác biệt quan trọng nằm ở đặc tính của lõi từ và yêu cầu chính xác khi dòng sơ cấp tăng lên nhiều lần dòng danh định.

Khi xảy ra ngắn mạch, dòng điện có thể tăng rất nhanh lên 5 lần, 10 lần, 20 lần hoặc cao hơn dòng danh định. Nếu CT bão hòa quá sớm, dạng sóng và biên độ dòng thứ cấp bị sai lệch. Rơ-le khi đó có thể nhìn thấy dòng nhỏ hơn thực tế, làm chậm tác động hoặc ảnh hưởng đến phối hợp chọn lọc giữa các cấp bảo vệ.

Do đó, mục tiêu của PCT không phải đơn thuần là “đo dòng thật chính xác” ở điều kiện bình thường mà là truyền đủ chính xác dòng sự cố trong vùng thiết kế của hệ thống bảo vệ.

Biến dòng bảo vệ dùng cho những chức năng nào?

Bảo vệ quá dòng

Rơ-le quá dòng so sánh dòng điện nhận được từ CT với giá trị pickup đã cài đặt. Khi dòng vượt ngưỡng đủ lâu theo đặc tuyến bảo vệ, rơ-le phát tín hiệu trip đến máy cắt.

Chuỗi tín hiệu có thể hình dung:

Dòng tải → PCT → 1A/5A → Overcurrent Relay → Trip Circuit → Máy cắt

Bảo vệ ngắn mạch

Ngắn mạch thường tạo dòng điện lớn hơn nhiều dòng vận hành. Đây chính là vùng mà khả năng chống bão hòa và ALF của biến dòng bảo vệ trở nên đặc biệt quan trọng.

Một CT đo lường hoạt động tốt ở 100% dòng tải không đồng nghĩa CT đó vẫn phản ánh đúng dòng khi sự cố đạt 10–20 lần dòng định mức.

Bảo vệ chạm đất

Bảo vệ chạm đất có thể sử dụng tín hiệu dòng dư được tính từ ba CT pha hoặc sử dụng riêng biến dòng ZCT. Khi yêu cầu phát hiện dòng chạm đất nhỏ, ZCT/Core Balance CT thường là phương án nhạy hơn vì đo trực tiếp tổng dòng đi qua toàn bộ các dây dẫn mang dòng của mạch.

CT đo lường và CT bảo vệ khác nhau như thế nào?

Vì hai loại CT có mục đích khác nhau, không nên chỉ nhìn thấy cùng tỷ số 400/5A rồi cho rằng có thể thay thế cho nhau.

Nếu nhu cầu là đo lường trong tủ 0,4kV, xem bài biến dòng hạ thế. Nếu CT trực tiếp tham gia chuỗi trip bảo vệ, cần ưu tiên thông số protection class theo yêu cầu của rơ-le và thiết kế bảo vệ.

Cấp chính xác 5P và 10P của biến dòng bảo vệ

Ký hiệu 5P và 10P không giống Class 0.5 của biến dòng đo lường.

Chữ P thể hiện CT dùng cho protection. Con số phía trước liên quan đến giới hạn sai số tổng hợp tại dòng giới hạn chính xác của CT.

Trong cùng điều kiện danh định, 5P có yêu cầu độ chính xác chặt hơn 10P. Tuy nhiên, không nên chọn CT chỉ theo tư duy “5P luôn tốt hơn”. Class, ALF, burden và khả năng đáp ứng dòng sự cố phải được kiểm tra theo yêu cầu cụ thể của rơ-le.

ALF là gì? Hiểu đúng 5P10, 5P20 và 10P10

ALF – Accuracy Limit Factor là hệ số giới hạn chính xác của CT bảo vệ. Có thể hiểu đơn giản:

ALF = dòng giới hạn chính xác / dòng sơ cấp danh định

Ví dụ:

5P10: class bảo vệ 5P, ALF = 10.

5P20: class bảo vệ 5P, ALF = 20.

10P10: class bảo vệ 10P, ALF = 10.

Với CT 400/5A – 5P10, dòng giới hạn chính xác danh định tương ứng khoảng:

400A × 10 = 4.000A

Với CT 400/5A – 5P20:

400A × 20 = 8.000A

Điều này không có nghĩa 5P10 sẽ hỏng khi dòng vượt 4.000A. Ý nghĩa là nhà sản xuất chỉ đảm bảo đặc tính chính xác theo class đã công bố đến vùng dòng giới hạn tương ứng, trong điều kiện burden danh định quy định.

Burden của CT bảo vệ quan trọng như thế nào?

Burden là tải mà mạch thứ cấp của CT phải cấp. Tổng burden không chỉ gồm rơ-le mà còn có dây dẫn, terminal, test block và các thiết bị nối tiếp khác.

Có thể hình dung:

Burden tổng = burden rơ-le + burden dây dẫn + burden các phần tử khác

Với dây dẫn thứ cấp, tổn hao biểu kiến có thể ước tính:

S = I² × R

Trong đó I là dòng thứ cấp và R là điện trở vòng dây.

Ví dụ CT thứ cấp 5A

Giả sử:

Burden của rơ-le = 0,5VA.
Điện trở toàn bộ vòng dây thứ cấp = 0,12Ω.
Dòng thứ cấp danh định = 5A.

Burden dây:

5² × 0,12 = 3VA

Tổng tối thiểu đã khoảng:

3 + 0,5 = 3,5VA

Nếu CT chỉ có burden danh định 2,5VA thì cấu hình này rõ ràng cần xem lại.

Vì sao CT 1A phù hợp khi dây thứ cấp dài?

Với cùng điện trở vòng dây 0,12Ω nhưng dòng thứ cấp chỉ 1A:

1² × 0,12 = 0,12VA

Do tổn hao trên dây phụ thuộc bình phương dòng điện, hệ thống CT 1A có lợi thế rất lớn khi rơ-le nằm xa CT. Đây là lý do nhiều hệ thống bảo vệ hiện đại sử dụng input CT 1A thay cho 5A.

Tuy nhiên, CT 1A hay 5A phải khớp với input thực tế của relay. Không được đấu CT 5A vào input 1A nếu nhà sản xuất không cho phép.

PCT và ZCT khác nhau như thế nào?

PCT và ZCT đều có thể tham gia hệ thống bảo vệ nhưng nguyên lý ứng dụng khác nhau.

Biến dòng bảo vệ chạm đất ZCT hoạt động như thế nào?

ZCT thường bao quanh toàn bộ các dây mang dòng đi vào tải. Trong điều kiện bình thường, tổng vectơ dòng điện đi và về gần bằng 0 nên từ thông tổng hợp trong lõi ZCT cũng gần bằng 0.

Khi một phần dòng điện đi ra khỏi đường trở về bình thường và chạy xuống đất, xuất hiện dòng dư. ZCT phát hiện thành phần này và đưa tín hiệu đến rơ-le chạm đất.

Hệ ba pha ba dây

L1, L2 và L3 cùng đi xuyên qua ZCT.

L1 + L2 + L3 → ZCT → Earth Fault Relay

Hệ ba pha bốn dây

Nếu tải sử dụng neutral, cả L1, L2, L3 và N phải đi xuyên qua cửa sổ ZCT để ZCT đo đúng dòng dư của mạch.

L1 + L2 + L3 + N → ZCT

Dây PE không đi xuyên qua ZCT.

Khi nào dùng PCT, khi nào dùng ZCT?

Nếu mục tiêu là bảo vệ quá dòng pha hoặc ngắn mạch, lựa chọn cơ bản là PCT cho từng pha.

Nếu mục tiêu là bảo vệ chạm đất có độ nhạy cao, đặc biệt cần phát hiện dòng dư nhỏ hơn đáng kể so với dòng tải, ZCT kết hợp earth fault relay thường phù hợp hơn.

Một relay số cũng có thể tính dòng dư từ ba CT pha:

3I0 = IA + IB + IC

Tuy nhiên, khi cần bảo vệ chạm đất nhạy, sai số giữa ba CT pha và hiện tượng bão hòa không đồng đều có thể ảnh hưởng đến giá trị dòng dư tính toán. ZCT đo trực tiếp tổng dòng trong một lõi nên là phương án đáng xem xét cho các chức năng earth leakage/earth fault nhạy.

Cách chọn tỷ số biến dòng bảo vệ

Tỷ số PCT trước hết phải phù hợp với dòng tải danh định, nhưng không nên dừng lại ở bước này.

Bước 1 – Xác định dòng vận hành lớn nhất

CT cần đủ khả năng mang dòng liên tục của tải. Không nên chọn tỷ số quá thấp khiến CT thường xuyên chịu quá dòng, nhưng cũng không nên chọn quá lớn chỉ để “dư tải” vì sẽ ảnh hưởng đến độ nhạy của bảo vệ.

Bước 2 – Xác định input của rơ-le

Kiểm tra relay dùng input 1A hay 5A. Đây là thông tin bắt buộc trước khi đặt CT.

Bước 3 – Xác định dòng ngắn mạch lớn nhất

Từ kết quả tính toán ngắn mạch tại vị trí CT, xác định dòng sự cố có thể lớn gấp bao nhiêu lần dòng sơ cấp danh định.

Ví dụ:

Dòng tải danh định: 350A.
Chọn sơ bộ CT: 400/5A.
Dòng ngắn mạch cực đại dự kiến: 8kA.

Bội số dòng sự cố:

8.000 / 400 = 20 lần

Trong trường hợp này cần đặc biệt kiểm tra CT 5P20 hoặc đặc tính tương đương theo yêu cầu relay thay vì mặc định chọn 5P10.

Bước 4 – Kiểm tra class và ALF

Đối chiếu yêu cầu protection class của relay với 5P10, 5P20, 10P10 hoặc class khác.

Bước 5 – Tính burden thực tế

Tổng relay + dây dẫn + terminal + test block phải nằm trong điều kiện thiết kế của CT. Burden thực tế còn ảnh hưởng đến ALF thực tế và thời điểm CT bắt đầu bão hòa.

Bước 6 – Kiểm tra kích thước cơ khí

Cuối cùng mới chốt đường kính cáp, kích thước thanh cái, loại CT vòng, primary wound hoặc CT đúc epoxy phù hợp điện áp hệ thống.

Cách đọc thông số PCT 400/5A – 10VA – 5P20

Như vậy, thông tin “400/5A” một mình chưa đủ để chọn biến dòng bảo vệ. Khi yêu cầu báo giá hoặc thay thế PCT, nên cung cấp nguyên cụm thông số trên nameplate.

Đấu nối biến dòng bảo vệ vào rơ-le

Giữ đúng cực tính P1/P2 và S1/S2

P1/P2 xác định chiều sơ cấp; S1/S2 xác định cực tính phía thứ cấp. Đấu sai cực tính có thể ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng trong bảo vệ so lệch, bảo vệ công suất có hướng hoặc các chức năng cần quan hệ pha chính xác.

Không để hở mạch thứ cấp CT

Đây là nguyên tắc an toàn quan trọng đối với cả CT đo lường và biến dòng bảo vệ. Khi phía sơ cấp đang có dòng, không được tùy tiện tháo dây S1/S2 làm mạch thứ cấp bị hở.

Trước khi tháo relay hoặc thiết bị khỏi mạch CT, cần sử dụng terminal shorting/test block phù hợp để short mạch thứ cấp CT theo đúng quy trình kỹ thuật.

Không lắp cầu chì tùy tiện trên mạch CT

Một fuse bị đứt có thể tạo tình trạng hở thứ cấp CT. Mạch thứ cấp bảo vệ phải được thiết kế theo hướng dẫn của relay, CT và quy trình của hệ thống.

Nối đất thứ cấp đúng thiết kế

Trong nhiều hệ thống, mạch thứ cấp CT được nối đất tại một điểm để giữ điện thế tham chiếu và tăng an toàn. Không nên tự ý tạo nhiều điểm nối đất vì có thể sinh dòng vòng và gây sai số.

Có dùng Seneca TAA hoặc TAC làm biến dòng bảo vệ được không?

Đây là điểm cần phân biệt rõ.

Seneca TAA là CT lõi mở 5A có Class 0.5 và được dùng chủ yếu cho mục đích đo dòng, power meter hoặc chuyển đổi tín hiệu.

Seneca TAC là CT lõi kín 5A với các phiên bản Class 0.5 hoặc Class 1 tùy model, cũng tập trung vào ứng dụng đo lường.

Do đó, không nên mặc định dùng TAA/TAC làm biến dòng bảo vệ cho relay chỉ vì cùng có đầu ra 5A.

Nếu chức năng bảo vệ yêu cầu CT 5P10, 5P20, 10P10 hoặc một đặc tính bảo vệ cụ thể thì CT phải có thông số tương ứng được nhà sản xuất công bố và đáp ứng bài toán saturation/burden.

Nếu nhu cầu chỉ là giám sát dòng AC rồi đưa tín hiệu về PLC, tham khảo cảm biến dòng AC hoặc tổng quan cảm biến dòng điện AC/DC thay vì dùng CT bảo vệ.

Những lỗi thường gặp khi chọn biến dòng bảo vệ

Chỉ chọn theo tỷ số dòng

Chọn đúng 400/5A nhưng bỏ qua 5P10, 5P20 và burden có thể khiến CT không đáp ứng khi xảy ra sự cố.

Cho rằng Class 0.5 tốt hơn 5P vì con số nhỏ hơn

Hai ký hiệu phục vụ hai mục tiêu khác nhau. Class 0.5 của CT đo lường không thể dùng để suy luận rằng CT sẽ tốt hơn protection class 5P trong vùng dòng ngắn mạch.

Không tính burden dây dẫn

Đây là lỗi đáng chú ý ở CT thứ cấp 5A và đường dây dài vì burden dây tăng theo bình phương dòng thứ cấp.

Dùng ZCT nhưng luồn sai dây

Chỉ luồn ba pha nhưng để dây neutral của cùng tải chạy ngoài ZCT trong hệ 3P4W có thể tạo ra tín hiệu residual không đúng. Ngược lại, dây PE không được đưa xuyên qua lõi cùng các dây mang dòng.

Mở S1/S2 khi hệ thống đang mang tải

Đây vừa là lỗi vận hành vừa là vấn đề an toàn nghiêm trọng. Mạch CT phải được short đúng quy trình trước khi tháo relay hoặc thiết bị nhận.

Checklist thông tin cần có trước khi chọn PCT

Để chọn đúng biến dòng bảo vệ PCT, nên chuẩn bị tối thiểu các thông tin sau:

Điện áp hệ thống và vị trí lắp CT.
Dòng tải danh định và dòng vận hành lớn nhất.
Dòng ngắn mạch cực đại dự kiến tại điểm lắp.
Tỷ số CT yêu cầu.
Input relay 1A hay 5A.
Protection class yêu cầu: 5P, 10P hoặc class khác.
ALF yêu cầu: 10, 20 hoặc theo relay study.
Burden của relay.
Chiều dài và tiết diện dây thứ cấp.
Đường kính cáp hoặc kích thước thanh cái.
Chức năng bảo vệ: quá dòng, ngắn mạch, chạm đất hay chức năng chuyên dụng khác.

Nếu thiếu các dữ liệu về dòng ngắn mạch, class hoặc ALF, không nên chọn một CT bất kỳ chỉ dựa vào tỷ số dòng.

Tài liệu tham khảo về CT bảo vệ

Để kiểm tra sâu hơn về yêu cầu current transformer, có thể tham khảo IEC 61869-2 – Additional requirements for current transformers. IEC 61869-2 là tiêu chuẩn hiện hành cho CT và thay thế IEC 60044-1 trước đây.

ABB cũng có tài liệu kỹ thuật giải thích chi tiết mối quan hệ giữa protection class, ALF, burden thực tế và hiện tượng CT bão hòa: ABB – Calculation of the Current Transformer Accuracy Limit Factor.

Câu hỏi thường gặp về biến dòng bảo vệ

5P10 nghĩa là gì?

5P10 là CT protection class 5P có ALF danh định bằng 10. Trong điều kiện burden danh định, CT phải đáp ứng giới hạn sai số tổng hợp của class tại dòng giới hạn tương ứng khoảng 10 lần dòng sơ cấp danh định.

5P20 có tốt hơn 5P10 không?

5P20 có vùng giới hạn chính xác danh định cao hơn 5P10, nhưng không thể chỉ dựa vào ALF để kết luận một CT “tốt hơn”. Cần đối chiếu dòng sự cố, burden, yêu cầu relay và toàn bộ bài toán bảo vệ.

10P10 có dùng cho rơ-le quá dòng được không?

Có thể, nếu thông số của CT đáp ứng yêu cầu do nhà sản xuất relay và thiết kế bảo vệ quy định. Class 5P có giới hạn chính xác chặt hơn 10P nhưng việc chọn phải dựa trên ứng dụng thực tế.

PCT khác ZCT như thế nào?

PCT chủ yếu lấy dòng từng pha cho relay bảo vệ. ZCT đo dòng dư/tổng vectơ các dây mang dòng và thường kết hợp relay bảo vệ chạm đất hoặc earth leakage relay.

CT 5A có phải luôn là biến dòng bảo vệ?

Không. 5A chỉ là dòng thứ cấp. CT đo lường và CT bảo vệ đều có thể có output 5A nhưng accuracy class, saturation và mục đích sử dụng khác nhau.

Có thể thay CT Class 0.5 bằng 5P10 không?

Không nên thay trực tiếp chỉ dựa trên tỷ số. Nếu CT phục vụ đo lường, cần kiểm tra accuracy metering. Nếu phục vụ relay, cần protection class. Một hệ thống có thể sử dụng CT nhiều lõi, trong đó một lõi đo lường và một lõi bảo vệ riêng.

Chịu trách nhiệm nội dung:

Lê Quân Đạt – Kỹ sư Tự động hóa

Phụ trách biên soạn và kiểm tra nội dung kỹ thuật về cảm biến đo lường, biến dòng, xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu trong công nghiệp.

• Điện thoại: 0886 088 496
• Email: datle.huphaco@gmail.com
• Website: Chuyendoitinhieu.vn