Cấu tạo biến dòng: 5 bộ phận và nguyên lý hoạt động CT

Cấu tạo biến dòng gồm lõi từ, phần sơ cấp, cuộn thứ cấp, hệ cách điện và vỏ bảo vệ. Với CT xuyên tâm, dây tải hoặc thanh cái đi qua cửa sổ chính là sơ cấp; bên trong thiết bị chủ yếu chứa lõi từ và cuộn thứ cấp. Đây là điểm dễ nhầm khi quan sát CT từ bên ngoài.

Cấu tạo biến dòng CT với sơ cấp xuyên tâm, lõi từ và cuộn thứ cấp — *CT liên kết dòng sơ cấp với mạch thứ cấp thông qua lõi từ và cảm ứng điện từ.*

Bài viết giải thích từng bộ phận và nguyên lý hoạt động của biến dòng cảm ứng dùng cho AC. Nếu cần tổng quan khái niệm và các nhóm thiết bị, xem bài biến dòng là gì.

Hiểu nhanh cấu tạo CT

Dây sơ cấp mang dòng tải; lõi từ dẫn từ thông; cuộn thứ cấp tạo tín hiệu cho mạch đo. Hai mạch liên kết bằng từ trường và được cách điện với nhau. CT thứ cấp 1 A/5 A phải có mạch thứ cấp khép kín khi sơ cấp mang dòng.

Nội dung chính

Cấu tạo biến dòng gồm những bộ phận nào?

Để hiểu cấu tạo biến dòng, nên quan sát một mô hình cắt lớp thay vì chỉ nhìn vỏ. Từ ngoài vào trong là vỏ bảo vệ, lớp cách điện, dây quấn thứ cấp và lõi từ. Đường dây sơ cấp đi qua cửa sổ hoặc được quấn thành cuộn riêng, tùy thiết kế.

Hình cắt cấu tạo biến dòng gồm sơ cấp, lõi từ, cuộn thứ cấp, cách điện và vỏ — *Mô hình cắt lớp minh họa vị trí các bộ phận; không phải bản vẽ cấu tạo của một model cụ thể.*

Lõi từ: đường dẫn từ thông

Lõi từ tạo đường đi có từ trở thấp cho từ thông liên kết sơ cấp và thứ cấp. Vật liệu thường là thép kỹ thuật điện hoặc vật liệu từ phù hợp với yêu cầu của nhà sản xuất. Lõi có thể dạng vòng, hình chữ nhật, liền khối về đường từ hoặc chia thành các phần mở được.

Trong cấu tạo biến dòng, vật liệu và tiết diện lõi ảnh hưởng đến dòng kích từ, sai số và khả năng làm việc trước bão hòa. Không thể kết luận hai CT có đặc tính giống nhau chỉ vì cùng kích thước vỏ hoặc cùng tỷ số ghi trên tem.

Phần sơ cấp: nơi dòng cần đo chạy qua

Sơ cấp thuộc mạch tải. Ở CT xuyên tâm, nó là đoạn cáp hoặc thanh cái xuyên qua cửa sổ. Ở CT sơ cấp quấn, dây sơ cấp được nhà sản xuất bố trí thành cuộn và đưa ra các đầu nối để mắc nối tiếp với tải.

Như vậy, cấu tạo biến dòng không phải lúc nào cũng có hai cuộn dây nhìn thấy được. Một đoạn dây thẳng đi qua lỗ vẫn tạo tác dụng từ liên kết với lõi, dù không có hình dạng xoắn như cuộn thứ cấp.

Cuộn thứ cấp: đưa dòng về thiết bị đo

Cuộn thứ cấp được quấn quanh lõi và cách điện giữa các vòng. Hai đầu thường ký hiệu S1, S2, nối với đầu vào dòng của đồng hồ hoặc thiết bị tương thích. Với CT giảm dòng, số vòng thứ cấp thường lớn hơn số vòng sơ cấp.

Trong cấu tạo biến dòng, cuộn thứ cấp không nhận dòng điện truyền trực tiếp từ dây tải. Năng lượng truyền qua liên kết từ. Dòng thứ cấp chạy trong một vòng kín gồm cuộn dây, dây nối và đầu vào dòng của thiết bị đo.

Hệ cách điện và vỏ bảo vệ

Cách điện ngăn tiếp xúc điện giữa các vòng dây, giữa sơ cấp với thứ cấp và với những phần liên quan. Tùy cấp điện áp, thiết kế có thể dùng vật liệu cách điện và phương pháp đúc khác nhau. Vỏ giữ ổn định kết cấu, bảo vệ cuộn dây và tạo vị trí lắp đặt.

Khi đánh giá cấu tạo biến dòng, cần phân biệt cách điện của thiết bị với lớp bọc cáp đi xuyên qua. Có lỗ đủ lớn không đồng nghĩa CT dùng được ở mọi cấp điện áp. Trường hợp lắp trong tủ 0,4 kV có thể tham khảo thêm bài biến dòng hạ thế.

Sơ cấp của CT xuyên tâm nằm ở đâu?

Trong cấu tạo biến dòng xuyên tâm, sơ cấp nằm ngay trên đường dây tải đi qua lỗ. Một dây xuyên qua cửa sổ một lần được tính là một vòng sơ cấp liên kết với lõi, thường viết N₁ = 1. Không cần quấn dây thành vòng tròn bao quanh toàn bộ thân CT.

Dây tải xuyên cửa sổ CT một lần tạo thành một vòng sơ cấp — Ở CT xuyên tâm, đoạn dây hoặc thanh cái xuyên cửa sổ đóng vai trò sơ cấp một vòng.

Quan sát theo chiều đường dây: nguồn → đoạn dây xuyên cửa sổ → tải. Dây tiếp tục mang dòng tải như trước; CT không lấy 100 A rồi chỉ cho 5 A đi tiếp đến động cơ. Giá trị 5 A thuộc một mạch thứ cấp riêng.

Nếu cùng một dây được luồn qua cửa sổ nhiều lần theo cùng chiều liên kết từ, số vòng sơ cấp hiệu dụng tăng. Tỷ số đo khi đó thay đổi. Đây là hệ quả của nguyên lý của biến dòng, không phải cách điều chỉnh tùy ý cho mọi model; cần kiểm tra hướng dẫn hãng và cấu hình thiết bị nhận.

Nếu luồn cả dây đi và dây về của cùng tải qua CT, tác dụng từ của hai dòng ngược chiều gần triệt tiêu khi dòng cân bằng. CT đo dòng tải vì thế thường chỉ ôm một dây cần đo. Phép đo dòng dư là ứng dụng khác, không được nhầm với cách đo dòng một pha.

Nguyên lý hoạt động của biến dòng CT

Nguyên lý hoạt động của biến dòng dựa trên cảm ứng điện từ và sự cân bằng gần đúng giữa ampere-vòng sơ cấp với ampere-vòng thứ cấp. Có thể theo dõi cơ chế qua ba quá trình liên hệ với nhau dưới đây.

Dòng sơ cấp tạo từ trường biến thiên

Khi dòng AC chạy qua sơ cấp, nó tạo sức từ động làm xuất hiện từ thông trong lõi. Do dòng thay đổi theo thời gian, từ thông cũng biến thiên. Lõi từ giúp liên kết từ thông đó với các vòng dây thứ cấp.

Cấu tạo biến dòng tập trung đường từ quanh cửa sổ; dây tải không cần tiếp xúc điện với lõi. Đây là lý do CT xuyên tâm có thể đo dòng qua cáp còn nguyên lớp cách điện phù hợp.

Từ thông biến thiên tạo điện áp cảm ứng

Theo định luật Faraday, điện áp cảm ứng tức thời ở cuộn thứ cấp có thể biểu diễn: e₂ = −N₂ × dΦ/dt. N₂ là số vòng thứ cấp, Φ là từ thông liên kết mỗi vòng; dấu âm thể hiện chiều cảm ứng theo định luật Lenz.

Có điện áp cảm ứng chưa có nghĩa luôn có dòng thứ cấp. Mạch ngoài phải khép kín thì dòng mới chạy. Trong chế độ đo bình thường, điện áp thứ cấp đáp ứng sụt áp trên dây quấn, dây nối và đầu vào thiết bị đo.

Dòng thứ cấp tạo tác dụng từ đối kháng

Khi dòng thứ cấp xuất hiện, sức từ động của nó đối kháng phần lớn sức từ động sơ cấp. Phần chênh lệch duy trì kích từ và các tổn hao trong lõi. Vì vậy, không nên mô tả nguyên lý của biến dòng chỉ bằng câu “dòng lớn tạo từ trường lớn rồi sinh dòng nhỏ”.

Ở vùng làm việc phù hợp, cân bằng ampere-vòng làm dòng thứ cấp bám gần theo tỷ lệ dòng sơ cấp. Nếu lõi bão hòa hoặc tải thứ cấp vượt điều kiện thiết kế, quan hệ này sai lệch. Hiểu cấu tạo biến dòng giúp lý giải vì sao chỉ nhìn tỷ số chưa đủ để bảo đảm phép đo.

Nguyên lý biến dòng với dòng sơ cấp, từ thông biến thiên và dòng thứ cấp trong mạch kín — *Dòng thứ cấp tạo sức từ động đối kháng phần lớn sức từ động sơ cấp khi CT làm việc đúng điều kiện.*

Tỷ số vòng dây và tỷ số dòng điện liên hệ thế nào?

Với mô hình lý tưởng, bỏ qua dòng kích từ và tổn hao, xét độ lớn dòng điện: N₁ × I₁ ≈ N₂ × I₂, suy ra I₁/I₂ ≈ N₂/N₁. Dòng điện tỷ lệ nghịch với số vòng dây; đây là quan hệ nền tảng khi phân tích cuộn sơ cấp và thứ cấp CT.

Ví dụ CT lý tưởng 100/5 A, sơ cấp một vòng, có tỷ số dòng 20:1. Mô hình tương ứng N₂/N₁ = 20; khi I₁ = 60 A thì I₂ ≈ 3 A. Con số 20 vòng chỉ minh họa mô hình lý tưởng, không phải xác nhận số vòng thực tế bên trong một sản phẩm cụ thể.

CT thực có dòng kích từ, sai số tỷ số và sai số góc pha. Nhà sản xuất cũng có thể áp dụng biện pháp bù. Khi sử dụng, lấy thông số đã công bố và cấu hình đúng tỷ số, không suy đoán số vòng rồi tự thay đổi kết cấu.

Phần cấu tạo biến dòng chỉ cần ví dụ này để hiểu cơ chế. Bảng tỷ số và cách lựa chọn theo dòng tải được trình bày riêng trong bài biến dòng 5A.

Cấu tạo CT lõi kín, lõi mở và sơ cấp quấn

Cần tách hai tiêu chí khi phân loại cấu tạo biến dòng: lõi kín/lõi mở mô tả đường từ và cách lắp; xuyên tâm/sơ cấp quấn mô tả phần sơ cấp. Một CT sơ cấp quấn vẫn có thể dùng lõi kín. Ba kiểu minh họa dưới đây không phải ba nhóm loại trừ nhau về mọi đặc điểm.

Ảnh thật Seneca TAC xuyên tâm, TAA lõi mở và TAC-0000 sơ cấp quấn — *Ảnh sản phẩm minh họa kiểu sơ cấp và cơ cấu lõi; không suy ra cấu tạo bên trong chỉ từ vỏ ngoài.*

Kiểu minh họa	Đặc điểm cấu tạo	Hệ quả khi lắp
TAC xuyên tâm, lõi kín	Cửa sổ cố định; dây hoặc thanh cái là sơ cấp	Phải bố trí đường luồn qua cửa sổ
TAA xuyên tâm, lõi mở	Đường từ có mặt ghép để mở quanh dây	Giảm nhu cầu tháo đầu cáp; phải đóng lõi đúng
TAC-0000 sơ cấp quấn	Có cuộn sơ cấp tích hợp và đầu nối riêng	Mắc sơ cấp nối tiếp mạch cần đo

Lõi kín: đường từ cố định

Trong cấu tạo biến dòng lõi kín xuyên tâm, lõi và cuộn thứ cấp nằm cố định quanh cửa sổ. Không có cơ cấu mở lõi phục vụ lắp quanh dây. Seneca TAC dạng xuyên tâm minh họa cho kiểu kết cấu này.

Kiểu lắp phù hợp lúc thi công mới hoặc khi có thể tháo đầu cáp an toàn. Cần kiểm tra cả kích thước cáp, đầu cos, thanh cái và khoảng trống thao tác, không chỉ đường kính ruột dẫn.

Lõi mở: mặt ghép quyết định đường từ

Seneca TAA minh họa cấu tạo biến dòng lõi mở. Khi lắp, các phần lõi mở ra rồi đóng quanh dây hiện hữu. Khi đo, đường từ phải được khép lại đúng thiết kế.

Mặt ghép bẩn, lệch hoặc khóa chưa hết hành trình có thể làm tăng từ trở và sai số. “Lõi mở” chỉ khả năng mở cơ khí, không có nghĩa vận hành với lõi mở. Khả năng kẹp quanh dây cũng không mặc nhiên cho phép thao tác trên mạch đang mang điện.

Sơ cấp quấn: có đầu nối dòng tải

Theo catalogue CT TAA/TAC của Seneca, nhóm TAC-0000 thuộc loại sơ cấp quấn, có các phiên bản 20/5 A, 25/5 A và 30/5 A. Loại này phù hợp minh họa khác biệt với CT chỉ có cửa sổ luồn dây.

Đường dòng tải đi qua cuộn sơ cấp tích hợp. Cấu tạo biến dòng dạng này đòi hỏi phân biệt đầu sơ cấp với đầu thứ cấp ngay khi đọc sơ đồ. Không dùng ảnh TAC xuyên tâm rồi thêm đầu cực tưởng tượng để minh họa TAC-0000.

Vì sao không được hở mạch thứ cấp khi CT đang mang dòng?

Trong cấu tạo biến dòng 1 A/5 A, mạch thứ cấp khép kín là một phần của điều kiện vận hành. Khi ngắt dây S1 hoặc S2, dòng thứ cấp mất đi, trong khi dòng sơ cấp vẫn do tải quyết định. Tác dụng từ đối kháng từ thứ cấp vì thế không còn như bình thường.

Lõi có thể bị kích từ mạnh, bão hòa và xuất hiện điện áp thứ cấp nguy hiểm, có thể ở dạng xung nhọn. Mức điện áp phụ thuộc CT và điều kiện vận hành; không có một giá trị cố định cho mọi thiết bị. Hậu quả có thể gồm điện giật, hỏng cách điện, nóng lõi và thay đổi đặc tính do từ dư.

So sánh CT có mạch thứ cấp kín và hở khi sơ cấp đang mang dòng — *Mất dòng thứ cấp làm mất tác dụng từ đối kháng tương ứng và có thể gây điện áp nguy hiểm.*

Lưu ý: Không tháo dây thứ cấp CT khi sơ cấp đang mang dòng. Ưu tiên cô lập nguồn trước khi làm việc. Trường hợp bảo trì theo quy trình cho phép, người có chuyên môn phải dùng cầu đấu ngắn mạch CT đúng thiết kế, bảo đảm thứ cấp được ngắn mạch trước khi tách thiết bị đo.

Không áp dụng quy tắc ngắn mạch này tùy tiện cho cảm biến có ngõ ra điện áp hoặc điện tử. Cảnh báo đang nói đến CT cảm ứng thứ cấp dòng điện. Đây là khác biệt cần nhớ khi đối chiếu cấu tạo biến dòng với current transducer.

Vì sao CT cảm ứng thông thường không đo được DC ổn định?

Nguyên lý hoạt động của biến dòng cần từ thông biến thiên để tạo điện áp cảm ứng liên tục. Khi dòng DC đã ổn định, từ thông không còn biến thiên theo cách cần thiết cho phép đo này; dΦ/dt xấp xỉ bằng không nên thứ cấp không tạo tín hiệu tỷ lệ duy trì.

Ở thời điểm đóng, ngắt hoặc thay đổi dòng DC có thể xuất hiện đáp ứng quá độ. Điều đó không biến CT AC thành cảm biến đo được giá trị DC ổn định. Thành phần DC còn có thể làm lệch điểm làm việc và gây bão hòa lõi.

Vì thế, không lựa chọn chỉ dựa trên cấu tạo biến dòng có lỗ xuyên dây. Với ắc quy, bộ sạc hoặc DC bus, cần công nghệ phù hợp như Hall. Xem giải pháp cảm biến dòng DC và sản phẩm Seneca T201DC.

CT cảm ứng đo AC biến thiên nhưng không đo được dòng DC ổn định — *CT cảm ứng cần từ thông biến thiên; cảm biến đo DC sử dụng nguyên lý phù hợp khác, chẳng hạn Hall.*

Liên hệ cấu tạo biến dòng với lựa chọn thiết bị

Từ cấu tạo biến dòng, có thể bắt đầu chọn theo ba câu hỏi: dòng AC hay DC, có thể luồn dây hay cần mở lõi, thiết bị nhận dùng 5 A hay tín hiệu analog. Sau đó mới đối chiếu tỷ số, đặc tính đo và điều kiện lắp.

Tủ mới đo AC: đánh giá TAC xuyên tâm nếu đường dây phù hợp.
Bổ sung phép đo trên dây hiện hữu: đánh giá TAA và phương án cô lập nguồn để lắp.
Đo dòng nhỏ bằng sơ cấp tích hợp: đối chiếu TAC-0000 theo mã cụ thể.
PLC nhận 4–20 mA từ CT: xem Seneca Z201-H; không nối 5 A trực tiếp vào AI 4–20 mA.

Với hệ thống đo điện năng, xem cách chọn biến dòng cho công tơ điện và nối đúng mạch thứ cấp theo sơ đồ thiết bị.

Để chọn cấp chính xác và tải thứ cấp, đọc bài biến dòng đo lường. Để nhận biết chiều và cực tính, xem ký hiệu biến dòng P1/P2, S1/S2. Khi cần chọn toàn bộ chuỗi đo về hệ điều khiển, tham khảo cảm biến dòng điện AC/DC.

Cần chọn CT phù hợp với tủ điện?

Gửi dòng tải AC/DC, kích thước cáp hoặc thanh cái, khả năng tháo đầu dây và ngõ vào thiết bị đo. Chuyendoitinhieu.vn sẽ hỗ trợ đối chiếu kiểu CT và bộ chuyển tín hiệu phù hợp.

Hotline: 0886 0884 96 Gửi yêu cầu kỹ thuật

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, xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu trong công nghiệp.

BÀI VIẾT LIÊN QUAN

Biến dòng đo lường là gì? Cấp chính xác, tỷ số CT và cách chọn

Biến dòng đo lường hay Metering Current Transformer là loại CT được thiết kế để biến đổi dòng điện AC lớn trên dây dẫn hoặc thanh cái thành dòng thứ cấp nhỏ, tiêu chuẩn và tỷ lệ với dòng sơ cấp. Giá trị thứ cấp phổ biến là 5A hoặc 1A để đưa vào ampe […]

Biến dòng hạ thế – Cách chọn biến dòng đo lường cho tủ điện 0,4 kV

Biến dòng hạ thế được sử dụng để đo dòng điện xoay chiều trong các tủ điện 0,4 kV, tủ phân phối, máy biến áp hạ thế, máy phát điện, động cơ và các nhánh tải công nghiệp. Thiết bị giúp giảm dòng điện lớn trên dây nguồn hoặc thanh cái về dòng thứ cấp […]

Biến dòng trung thế là gì? Cách chọn CT đo lường và bảo vệ

Biến dòng trung thế là một trong những thiết bị đo lường quan trọng trong tủ RMU, switchgear và các hệ thống phân phối điện trung thế. CT không chỉ giúp biến đổi dòng sơ cấp lớn thành dòng thứ cấp tiêu chuẩn để đo lường mà còn cung cấp tín hiệu dòng cho relay […]

Biến dòng dạng kẹp – Đo dòng không cần tháo dây

Biến dòng dạng kẹp là lựa chọn đặc biệt hữu ích khi tủ điện đã hoàn thiện, dây nguồn hoặc thanh cái đang được đấu cố định nhưng cần bổ sung chức năng đo dòng. Thay vì tháo đầu cáp để luồn qua một CT lõi kín, kỹ thuật viên có thể mở phần lõi […]