Cách chọn biến áp có độ chính xác cao cho mục đích đo lường?

Hiểu về các cấp độ chính xác và tiêu chuẩn của biến dòng

Giải mã các cấp độ chính xác của biến dòng: 0,1; 0,2 và 0,5 theo IEC 61869-2

Các biến dòng điện được trang bị các cấp chính xác tiêu chuẩn được quy định trong hướng dẫn IEC 61869-2. Các cấp này về cơ bản là những con số như 0,1; 0,2 và 0,5, cho biết mức sai số cho phép khi đo dòng điện ở các tải khác nhau. Ví dụ, một biến dòng được ghi nhãn là Cấp 0,1 sẽ duy trì độ sai lệch trong khoảng ±0,1%, trong khi biến dòng Cấp 0,5 có thể sai lệch tối đa đến ±0,5%. Nói chung, con số càng nhỏ thì độ chính xác càng cao. Các thiết bị Cấp 0,1 thường được sử dụng tại những nơi chi phí là yếu tố quan trọng nhất, bởi vì ngay cả những sai số nhỏ cũng ảnh hưởng trực tiếp đến tính toán hóa đơn. Cấp 0,2 cung cấp độ chính xác đủ tốt cho các hệ thống bảo vệ quan trọng mà không làm tăng chi phí quá mức, trong khi Cấp 0,5 phù hợp hoàn toàn cho các nhiệm vụ giám sát thường ngày. Theo tiêu chuẩn, nhà sản xuất phải kiểm tra các thiết bị này trên toàn bộ dải từ 5% đến 120% công suất định mức để đảm bảo chúng hoạt động đúng trong điều kiện thực tế. Ngoài ra, họ còn phải kiểm tra không chỉ độ chính xác của phép đo mà còn cả các yếu tố khác, bao gồm khả năng xử lý góc pha và phản ứng với các thay đổi điều kiện tải.

Độ chính xác theo cấp độ xác định sai số tối đa cho phép ở điều kiện định mức

Lớp chính xác về cơ bản cho chúng ta biết sai số tối đa có thể xảy ra (bao gồm cả sai số tỷ lệ và sai số pha) khi mọi điều kiện đều lý tưởng trong môi trường phòng thí nghiệm. Chúng ta đang nói đến các phép đo được thực hiện ở tần số định mức, nhiệt độ tiêu chuẩn khoảng 20 độ Celsius và khi tải thứ cấp khớp chính xác với giá trị quy định. Lấy ví dụ về biến dòng (CT) lớp 0,2: thiết bị này chỉ duy trì sai số trong giới hạn 0,2 phần trăm nếu nó hoạt động ở dòng điện định mức đầy đủ và tải thứ cấp nằm trong phạm vi ±25% so với mức tải quy định. Tuy nhiên, khi các yếu tố thực tế bắt đầu tác động, hiệu suất của thiết bị nhanh chóng lệch khỏi yêu cầu kỹ thuật. Khi tải, cài đặt tải thứ cấp hoặc nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi — ngay cả những khác biệt nhỏ so với điều kiện lý tưởng — cũng có thể khiến thiết bị vận hành ngoài phạm vi đặc tính kỹ thuật đã công bố theo lớp chính xác. Nếu tải thứ cấp vượt quá dung sai cho phép, toàn bộ phân loại lớp chính xác sẽ không còn hiệu lực, và trong thực tế vận hành tại hiện trường, sai số đo lường có thể tăng lên trên 0,5 phần trăm.

Các Thông Số Điện Chính Quyết Định Độ Chính Xác Thực Tế Của Máy Biến Áp

Phù Hợp Tải và Trở Kháng Thứ Cấp: Ngăn Chặn Sự Giảm Độ Chính Xác

Việc xác định đúng tải định mức là rất quan trọng khi nói đến máy biến áp. Tải đặt lên cuộn thứ cấp thường là nguyên nhân gây ra những vấn đề sai số khó chịu mà chúng ta gặp phải trong thực tế. Nếu tải thực tế vượt quá giá trị định mức tính theo đơn vị VA, các sự cố sẽ nhanh chóng phát sinh. Lõi sắt bị bão hòa, dẫn đến sai lệch cả tỷ số biến đổi lẫn góc lệch pha. Chẳng hạn, với một máy biến dòng loại cấp chính xác 0,5, nếu tải vượt quá 40% so với tải định mức cho phép, đột nhiên thiết bị này sẽ hoạt động như một máy biến dòng cấp chính xác 0,8. Ngoài ra, cũng không được quên yếu tố trở kháng thứ cấp. Trở kháng cao hơn đồng nghĩa với sụt áp lớn hơn dọc theo dây nối và qua cuộn dây rơ-le, từ đó làm méo dạng chất lượng tín hiệu. Chúng tôi đã ghi nhận những trường hợp chỉ cần chênh lệch trở kháng 20% đã gây thêm khoảng 0,4% sai số riêng đối với đồng hồ đo điện thương mại. Mức độ sai lệch như vậy hoàn toàn làm mất hiệu lực yêu cầu tuân thủ cấp chính xác 0,2. Đối với bất kỳ ai đòi hỏi độ chính xác cao, việc lựa chọn tải định mức phù hợp một cách chính xác không còn chỉ là một thực hành tốt nữa — mà đã trở thành điều kiện bắt buộc nếu họ muốn thiết bị của mình duy trì tuân thủ tiêu chuẩn IEC 61869-2 trong điều kiện vận hành bình thường.

Dải dòng điện định mức so với thực tế: Tính tuyến tính và sai số ở tải thấp trong các biến áp đo lường

Các biến áp thường trở nên phi tuyến khi hoạt động ngoài dải dòng điện lý tưởng của chúng. Ở các giá trị dòng điện thấp hơn khoảng 5% so với dòng định mức, mức kích từ lõi đơn giản là không đủ, dẫn đến sai số đáng kể. Ngay cả những biến áp loại cao cấp như Class 0.5 cũng đôi khi có sai số vượt quá 1% khi vận hành ở tải nhẹ. Ở đầu cao, tình hình còn trở nên tồi tệ hơn. Khi dòng điện vượt quá 120% công suất định mức, hiện tượng bão hòa từ bắt đầu xảy ra và phá hủy hoàn toàn tính tuyến tính, thường khiến độ lệch tăng vọt lên trên 2%. Lấy ví dụ một biến dòng (CT) điển hình có định mức 100 A: thiết bị này hoạt động rất tốt trong khoảng từ khoảng 10 A lên đến 120 A, nhưng nếu giảm xuống còn khoảng 5 A thì đột nhiên sai số tăng vượt ngưỡng 2%. Để đảm bảo độ chính xác, kỹ sư cần lựa chọn biến áp sao cho dòng điện thực tế trong điều kiện vận hành nằm thoải mái ở phần giữa dải dòng định mức — chứ không chỉ đơn thuần nằm đâu đó giữa giá trị tối thiểu và tối đa. Cách tiếp cận này giúp tránh những sai số do tải nhẹ gây ra và ngăn ngừa các vấn đề bão hòa làm suy giảm độ nguyên vẹn của tín hiệu.

Các Yếu tố Mức Độ Môi Trường và Hệ Thống Ảnh Hưởng đến Hiệu Suất của Máy Biến Áp

Nhiệt độ, Tần số và Các Thành Phần Bậc Cao: Định Lượng Các Độ Lệch so với Độ Chính Xác Lý Tưởng

Các máy biến áp thường mất độ chính xác khi chịu tác động của các ứng suất môi trường và hệ thống vượt xa những điều kiện được quy định trong các bài kiểm tra phòng thí nghiệm. Khi nhiệt độ thay đổi, cả độ từ thẩm của lõi và điện trở dây quấn đều bị ảnh hưởng. Chẳng hạn, nếu nhiệt độ tăng cao hơn 8 độ Celsius so với dải nhiệt độ vận hành bình thường, hiện tượng này sẽ làm gia tốc quá trình lão hóa cách điện và gây ra những thay đổi đáng kể trong tỷ số đo lường theo tiêu chuẩn IEC 60076-7 năm 2023. Một vấn đề khác phát sinh từ sự bất ổn tần số lưới điện—đây là hiện tượng khá phổ biến ở các lưới điện yếu hoặc các hệ thống cô lập. Điều này dẫn đến sai số bão hòa lõi, đặc biệt khi tần số giảm xuống dưới mức bình thường. Các dạng méo hài cũng tạo ra một vấn đề phức tạp riêng. Các thành phần hài bậc ba và bậc năm với tổng mức méo hài (THD) vượt quá 10% thực tế làm biến dạng dạng sóng theo cách mà các xếp hạng độ chính xác tiêu chuẩn hoàn toàn không tính đến. Dòng điện lệch một chiều (DC offset) còn làm tình hình trầm trọng thêm bằng cách tạo ra từ dư trong lõi, từ đó làm sai lệch khả năng phát hiện các điểm cắt qua zero của dạng sóng. Kết quả kiểm tra thực tế cũng cho thấy một điều thú vị: các máy biến áp đạt chuẩn độ chính xác cấp 0,5 trong môi trường phòng thí nghiệm kiểm soát chặt chẽ thường chỉ đạt được độ chính xác khoảng cấp 1,0 khi vận hành trong điều kiện thực tế chịu đồng thời nhiều ứng suất kết hợp như nhiệt độ cao, méo hài và biến thiên tần số. Để khắc phục những vấn đề này, kỹ sư cần lên kế hoạch trước bằng cách giảm công suất tải khoảng 15–20% tại các vị trí lắp đặt có nhiệt độ cao và lắp đặt bộ lọc hài mỗi khi tổng mức méo hài (THD) vượt quá 8%.

Xác thực và Đặc tả Các Biến áp Độ chính xác Cao cho Các Ứng dụng Quan trọng

Nghiên cứu tình huống: Vì sao Biến áp Dòng điện Cấp 0,2 Lại Đạt Độ Chính xác Cấp 0,5 trong Việc Đo Lường Năng lượng tại Trạm Biến áp

Một dự án đo lường năng lượng tại trạm biến áp đã gặp phải những vấn đề nghiêm trọng về độ chính xác khi một biến dòng (CT) cấp chính xác 0,2 lại chỉ hoạt động ở mức độ chính xác 0,5. Sau khi điều tra kỹ lưỡng, chúng tôi phát hiện ra thực tế có ba vấn đề khác nhau tại hiện trường mà quá trình hiệu chuẩn trong nhà máy đã không xem xét đến. Thứ nhất, mức độ méo hài vượt xa ngưỡng 15% THD do ảnh hưởng của nhiều tải phi tuyến xung quanh, gây ra sai số góc pha mà các phép kiểm tra sai số tỷ lệ thông thường hoàn toàn không phát hiện được. Thứ hai là vấn đề nhiệt độ: thiết bị phải chịu đựng dải nhiệt dao động từ -10 °C đến cao nhất là 50 °C, dẫn đến sự thay đổi độ thẩm thấu từ của lõi và làm tăng thêm sai số tỷ lệ 0,1% ngoài giá trị đã được quy định. Và cuối cùng, phụ tải thứ cấp đo được là 4,5 VA — cao hơn 40% so với định mức 3,2 VA của biến dòng. Sự chênh lệch này gây ra sự gia tăng dịch chuyển pha 0,3 độ và ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác tổng thể. Tất cả những yếu tố trên cộng lại đã đẩy tổng sai số vượt quá giới hạn 0,2%. Bài học rút ra từ trường hợp này rất quan trọng: việc vượt qua các bài kiểm tra trong phòng thí nghiệm không đồng nghĩa với việc thiết bị sẽ vận hành hoàn hảo trong điều kiện thực tế. Khi thực hiện các phép đo điện năng quan trọng, các thông số kỹ thuật cần tính đến đặc trưng hài thực tế, dải nhiệt độ thực tế và giá trị phụ tải thực tế — thay vì chỉ dựa vào các thông số in trên nhãn thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

Các lớp chính xác của biến dòng (CT) là gì?
Các lớp chính xác của biến dòng (CT), chẳng hạn như 0.1, 0.2 và 0.5, chỉ mức sai số tối đa cho phép của biến dòng theo tiêu chuẩn IEC 61869-2. Con số càng nhỏ thì độ chính xác của phép đo càng cao.

Tại sao việc phối hợp tải (burden matching) lại quan trọng đối với biến dòng?
Việc phối hợp tải đảm bảo tải ở cuộn thứ cấp của biến dòng phù hợp với công suất định mức của nó, từ đó ngăn ngừa hiện tượng bão hòa lõi và duy trì độ chính xác.

Các yếu tố môi trường ảnh hưởng như thế nào đến độ chính xác của biến dòng?
Các yếu tố như biến đổi nhiệt độ, bất ổn tần số và méo hài có thể làm giảm độ chính xác của biến dòng bằng cách thay đổi độ thẩm từ của lõi và điện trở cuộn dây.