Trong các hệ thống điện công nghiệp và dân dụng, việc đo lường chính xác dòng điện là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn và vận hành hiệu quả. Tuy nhiên, với dòng điện lớn, việc đo trực tiếp không chỉ nguy hiểm mà còn không khả thi về mặt kỹ thuật. Đây là lúc biến dòng đo lường phát huy vai trò quan trọng. Vậy biến dòng đo lường là gì, hoạt động theo nguyên lý nào và ứng dụng ra sao trong thực tế? Bài viết dưới đây của Bảo An sẽ giúp bạn hiểu rõ từ khái niệm cơ bản đến hướng dẫn chọn thiết bị phù hợp.
Biến dòng đo lường là một thiết bị điện chuyên dùng để chuyển đổi dòng điện lớn trong mạch chính thành dòng điện nhỏ hơn, thường ở mức chuẩn như 5A hoặc 1A, nhằm phục vụ cho việc đo lường, giám sát và điều khiển hệ thống điện. Nhờ đó, các thiết bị đo như ampe kế, watt kế, công tơ điện có thể hoạt động an toàn và chính xác mà không cần tiếp xúc trực tiếp với dòng điện cao áp.
Có hai loại biến dòng phổ biến trong thực tế: biến dòng đo lường và biến dòng bảo vệ. Điểm khác biệt nằm ở mục đích sử dụng:
Hiện nay, biến dòng đo lường được ứng dụng rộng rãi trong:
Tủ điện trung thế và hạ thế
Hệ thống đo đếm công suất tại các nhà máy, khu công nghiệp
Trạm biến áp, trung tâm điều khiển
Hệ thống SCADA, BMS, và các hệ thống điện thông minh
Để đảm bảo khả năng chuyển đổi dòng điện chính xác và an toàn, biến dòng đo lường được thiết kế với cấu tạo đơn giản nhưng rất hiệu quả. Một biến dòng điển hình bao gồm 3 thành phần chính:
Lõi từ (Core): Lõi từ được chế tạo từ vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép silic hoặc hợp kim sắt-niken. Nhiệm vụ chính của lõi từ là dẫn từ thông từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp với tổn hao thấp nhất có thể. Hình dáng của lõi có thể là hình tròn, hình chữ nhật hoặc dạng xuyến tùy theo ứng dụng và kiểu lắp đặt.
Cuộn sơ cấp (Primary winding):Cuộn sơ cấp có nhiệm vụ tiếp nhận dòng điện cần đo. Thông thường, cuộn sơ cấp chỉ có một hoặc vài vòng dây lớn, hoặc đôi khi chính dây dẫn thanh cái đi qua biến dòng cũng đóng vai trò là cuộn sơ cấp. Dòng điện chạy qua cuộn này sẽ sinh ra từ trường tương ứng.
Cuộn thứ cấp (Secondary winding):Cuộn thứ cấp gồm nhiều vòng dây đồng mảnh, được quấn quanh lõi từ và cách điện cẩn thận. Dòng điện cảm ứng tạo ra ở cuộn thứ cấp sẽ tỷ lệ thuận với dòng sơ cấp theo đúng tỷ số biến dòng (ví dụ: 100/5A). Cuộn này thường được nối đến các thiết bị đo lường hoặc rơ-le bảo vệ.
Ngoài ba bộ phận chính trên, một số biến dòng đo lường hiện đại còn có thêm:
Vỏ cách điện: làm bằng nhựa hoặc composite để bảo vệ thiết bị khỏi va đập và ảnh hưởng của môi trường.
Thanh đấu nối: giúp kết nối nhanh chóng với hệ thống đo.
Biến dòng đo lường hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn sơ cấp – là dây dẫn chính hoặc thanh cái, nó tạo ra một từ trường biến thiên. Từ trường này cảm ứng lên cuộn dây thứ cấp quấn quanh lõi từ, từ đó sinh ra một dòng điện cảm ứng tỷ lệ với dòng điện ban đầu.
Tỷ lệ giữa dòng điện sơ cấp và dòng thứ cấp phụ thuộc vào số vòng dây của cuộn sơ và cuộn thứ cấp. Theo nguyên lý, số vòng dây tỷ lệ nghịch với cường độ dòng điện – tức là nếu số vòng dây ở cuộn thứ cấp nhiều gấp 20 lần cuộn sơ cấp, thì dòng điện thứ cấp sẽ nhỏ hơn 20 lần.
Hai chế độ làm việc của biến dòng đo lường:
Tỷ số biến dòng và thông số định danh:
Đấu nối biến dòng với đồng hồ ampe:
Khi đấu nối biến dòng đo lường với ampe kế, cần đảm bảo rằng:
Cuộn sơ cấp được mắc nối tiếp với tải.
Cuộn thứ cấp được nối với đầu vào của đồng hồ đo (A hoặc 5A).
Cuộn thứ cấp không được để hở - nên gắn điện trở hoặc thiết bị đo ngay cả khi không sử dụng để tránh phát sinh điện áp cao.
Biến dòng đo lường dạng vuông hoặc tròn được thiết kế với một cuộn dây thứ cấp quấn quanh lõi từ, trong khi cuộn sơ cấp là dây dẫn chính đi xuyên qua phần lỗ rỗng ở giữa lõi. Toàn bộ cụm lõi và cuộn dây được đặt cố định trong khuôn cách điện chắc chắn nhằm đảm bảo an toàn điện và độ bền cơ học.
Vật liệu bao bọc bên ngoài thường là nhựa kỹ thuật hoặc epoxy đúc, có khả năng cách điện cao và chống chịu môi trường tốt. Các đầu nối (vòi đấu dây) được thiết kế sẵn để dễ dàng kết nối với thiết bị đo. Loại biến dòng này thường được sử dụng trong các tủ điện hạ thế và trung thế, nơi có không gian lắp đặt giới hạn nhưng cần độ chính xác cao.
Tại vị trí lỗ rỗng ở giữa lõi, dây dẫn chính (sơ cấp) sẽ đi qua để dòng điện được cảm ứng sang cuộn thứ cấp phục vụ cho mục đích đo lường.
Biến dòng dạng thanh có cấu trúc gồm một thanh đồng hoặc nhôm đặc (busbar) xuyên qua lõi từ. Đây chính là phần dẫn dòng sơ cấp và luôn được cố định trong cấu trúc của biến dòng. Loại này có ưu điểm là chịu được dòng điện rất lớn và dòng sự cố cao, nên thường được sử dụng trong hệ thống yêu cầu dòng tải cao và độ ổn định cơ học mạnh.
Tuy nhiên, khi lắp đặt biến dòng dạng thanh, cần đảm bảo không để các ruột dẫn khác nằm sát cạnh để tránh ảnh hưởng bởi lực điện từ sinh ra trong quá trình vận hành. Thiết bị này thường được ứng dụng trong các tủ điện hoặc thanh cái hạ thế và trung thế, đặc biệt phổ biến tại các trạm có điện áp dưới 25kV.
Biến dòng dạng quấn / hình trụ có đặc điểm nhận dạng rõ nhất là cả cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp đều được quấn trực tiếp quanh lõi từ, theo nhiều lớp cách điện khác nhau. Cuộn sơ cấp trong loại này thường được quấn từ một đến vài vòng, sử dụng dây đồng tiết diện lớn, và được mắc nối tiếp với mạch mang dòng điện cần đo.
Thiết kế này cho phép kiểm soát chính xác tỷ số biến dòng và đảm bảo ổn định dòng thứ cấp đầu ra. Biến dòng dạng quấn thường được sử dụng trong các trạm biến áp, nơi có yêu cầu cao về tính ổn định, và thường kết hợp với thiết bị giám sát SCADA hoặc rơ-le bảo vệ.
| Tiêu chí | Biến dòng hạ thế | Biến dòng trung thế | Biến dòng cao thế |
| Dải điện áp làm việc | Dưới 1 kV (thường là 220V/380V) | 1 kV – 35 kV (thường 6 kV, 22 kV, 35 kV) | Trên 35 kV (66 kV, 110 kV, 220 kV, 500 kV...) |
| Ứng dụng | Tủ điện dân dụng, xưởng nhỏ, toà nhà | Trạm biến áp trung thế, nhà máy công nghiệp | Hệ thống truyền tải điện quốc gia, trạm 500 kV |
| Kiểu cách điện | Cách điện nhựa hoặc epoxy cơ bản | Cách điện epoxy đúc, đôi khi có dầu | Cách điện bằng dầu, khí SF6 hoặc sứ cách điện |
| Kết cấu thiết bị | Nhỏ gọn, dễ lắp | Trung bình, cần không gian kỹ thuật | Cồng kềnh, yêu cầu kết cấu chịu điện cao và cách ly lớn |
| Hình thức lắp đặt | Trong tủ điện hoặc dạng vòng kẹp dây | Lắp đặt trong trạm, khối tủ thiết bị | Đặt ngoài trời, trên cột hoặc khung thép |
| Cấp chính xác phổ biến | 0.2, 0.5, 1.0 | 0.5, 1.0, 5P10 | 0.5, 1.0, 5P, 10P, 0.2S (cấp chính xác cao) |
| Mục đích sử dụng chính | Đo lường và giám sát cơ bản | Đo lường kết hợp bảo vệ | Đo lường, bảo vệ và phục vụ SCADA/hệ thống truyền tải |
| Chi phí thiết bị | Thấp, phổ biến rộng rãi | Trung bình, phụ thuộc theo cấp điện áp | Rất cao, do yêu cầu về cách điện và độ bền |
| Yêu cầu kỹ thuật & an toàn | Dễ lắp đặt, bảo trì đơn giản | Cần nhân sự kỹ thuật chuyên môn | Rất cao, đòi hỏi kỹ sư chuyên ngành, quy trình nghiêm ngặt |
Biến dòng đo lường đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác và an toàn cho hệ thống điện, đặc biệt là trong môi trường có dòng điện lớn như nhà máy, trạm biến áp, và tòa nhà công nghiệp. Các công dụng nổi bật bao gồm:
Đo lường dòng điện trong hệ thống điện trung và cao thế: Trong các hệ thống điện có dòng điện lớn, việc đo trực tiếp bằng thiết bị thông thường là không khả thi. Biến dòng đo lường giúp chuyển đổi dòng lớn thành dòng nhỏ chuẩn (thường là 5A hoặc 1A), phù hợp với các thiết bị đo như ampe kế, công tơ điện, đồng hồ đo năng lượng... giúp ghi nhận và kiểm soát thông số vận hành một cách chính xác.
Kết nối với thiết bị bảo vệ và điều khiển: Ngoài đo lường, biến dòng còn kết nối với rơ-le bảo vệ để phát hiện dòng ngắn mạch, quá tải hoặc sự cố trong hệ thống. Khi dòng vượt ngưỡng, rơ-le nhận tín hiệu từ biến dòng và đưa ra lệnh ngắt mạch, từ đó bảo vệ an toàn cho cả thiết bị và người vận hành.
Tăng độ an toàn cho con người: Thay vì đo trực tiếp trên mạch mang dòng lớn – tiềm ẩn nguy cơ giật điện hoặc cháy nổ – biến dòng đo lường cho phép các kỹ thuật viên đo gián tiếp thông qua cuộn thứ cấp có dòng nhỏ hơn nhiều. Điều này làm giảm đáng kể nguy cơ tai nạn khi thao tác trên tủ điện hoặc thiết bị điện.
Giảm công suất hao phí trong mạch đo: Việc sử dụng biến dòng giúp cách ly thiết bị đo khỏi nguồn dòng điện lớn, từ đó giảm sụt áp, giảm tổn hao công suất và nâng cao hiệu suất đo lường. Mạch đo cũng được đơn giản hóa, hoạt động ổn định và ít hỏng hóc hơn.
Kết luận: Hiểu rõ về biến dòng đo lường, từ khái niệm, nguyên lý hoạt động đến công dụng thực tế, sẽ giúp bạn lựa chọn và sử dụng thiết bị hiệu quả hơn trong hệ thống điện. Đây là giải pháp tối ưu để đảm bảo an toàn, nâng cao độ chính xác trong đo lường và góp phần bảo vệ thiết bị điện. Khi chọn mua biến dòng đo lường, hãy ưu tiên sản phẩm chất lượng, phù hợp với thông số kỹ thuật của hệ thống để đạt hiệu quả cao nhất.
Câu 1. Biến dòng đo lường là gì?
Biến dòng đo lường (Current Transformer – CT) là thiết bị dùng để chuyển đổi dòng điện lớn thành dòng nhỏ hơn (thường là 5A hoặc 1A) nhằm đo lường và bảo vệ trong hệ thống điện.
Câu 2. Biến dòng đo lường khác gì với biến dòng bảo vệ?
Biến dòng đo lường ưu tiên độ chính xác cao để phục vụ đo đạc, giám sát; trong khi biến dòng bảo vệ được thiết kế để hoạt động ổn định trong điều kiện sự cố, đảm bảo tín hiệu kích hoạt rơ-le bảo vệ chính xác và kịp thời.
Câu 3. Khi nào cần dùng biến dòng đo lường hạ thế và trung thế?
Biến dòng đo lường hạ thế thường dùng cho hệ thống điện dưới 1kV như tủ điện dân dụng, nhà xưởng nhỏ. Biến dòng đo lường trung thế áp dụng trong hệ thống từ 1kV đến 35kV như trạm biến áp nội bộ, nhà máy công nghiệp, khu công nghiệp.
Câu 4. Biến dòng 100/5A có nghĩa là gì?
Nó có nghĩa là dòng điện sơ cấp là 100A, và dòng điện thứ cấp được biến đổi thành 5A – mức an toàn và tiêu chuẩn để kết nối với các thiết bị đo như ampe kế, công tơ, rơ-le.
Câu 5. Biến dòng có thể để hở cuộn thứ cấp không?
Không! Việc để hở cuộn thứ cấp khi biến dòng đang hoạt động là rất nguy hiểm. Nó có thể sinh ra điện áp cảm ứng rất cao, gây hỏng thiết bị và nguy cơ điện giật cho người thao tác.
Câu 6. Cách chọn biến dòng đo lường phù hợp?
Cần dựa vào các yếu tố:
Dòng điện tải thực tế
Tỷ số biến dòng phù hợp
Cấp chính xác (class) theo yêu cầu đo lường
Khả năng chịu quá dòng và điều kiện môi trường lắp đặt (hạ thế, trung thế, cao thế)
