Các Loại Rơ Le Bảo Vệ Máy Biến Áp: Hướng Dẫn Toàn Diện

Một máy biến áp là trái tim của hệ thống truyền tải và phân phối điện, nhưng cũng là một trong những tài sản đắt đỏ nhất. Bất kỳ sự cố nào cũng có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng và mất điện trên diện rộng. Đây là lúc rơ le bảo vệ máy biến áp phát huy vai trò tối quan trọng của mình.

Bài viết này sẽ đi sâu vào các loại rơ le bảo vệ chính, nguyên lý hoạt động và tầm quan trọng của chúng trong việc đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.

Rơ le bảo vệ máy biến áp là gì?

Rơ le bảo vệ máy biến áp là thiết bị giám sát thông minh (dòng điện, nhiệt độ, áp suất) để phát hiện sự cố. Khi có lỗi, nó sẽ tự động gửi tín hiệu ngắt máy cắt (CB), giúp cô lập máy biến áp khỏi hệ thống điện để tránh hư hỏng nghiêm trọng.

Rơ le bảo vệ máy biến áp là một thiết bị thông minh (dạng điện từ, tĩnh hoặc kỹ thuật số) liên tục giám sát các thông số vận hành như dòng điện, điện áp, nhiệt độ và áp suất dầu.

Khi phát hiện dấu hiệu bất thường (như quá dòng, chạm chập), nó sẽ gửi tín hiệu đi ngắt aptomat (CB) (máy cắt), cô lập máy biến áp khỏi hệ thống trước khi hư hỏng nặng xảy ra.

Để lắp đặt chính xác, rơ le cần được kết nối với các thiết bị đo lường như biến dòng (CT) và biến áp đo (PT). Việc kiểm tra định kỳ các kết nối này là rất quan trọng để tránh lỗi vận hành.

Nguyên lý hoạt động của rơ le bảo vệ máy biến áp

Rơ le hoạt động bằng cách liên tục nhận tín hiệu (dòng, áp) từ cảm biến và so sánh chúng với giá trị cài đặt an toàn. Nếu tín hiệu đo được vượt ngưỡng (ví dụ: dòng điện quá cao), rơ le sẽ kích hoạt tiếp điểm để gửi tín hiệu “CẮT” (Trip) đến máy cắt hoặc “BÁO ĐỘNG” (Alarm).

Về cơ bản, rơ le bảo vệ hoạt động như một người canh gác mẫn cán. Nó tuân theo nguyên tắc hoạt động của máy biến áp và các định luật vật lý điện.

Rơ le sử dụng điện áp và cường độ dòng điện từ các CT/PT để tạo ra lực điện từ hoặc xử lý tín hiệu số. Khi các đại lượng này vượt ngưỡng cài đặt, rơ le sẽ kích hoạt tiếp điểm đầu ra.

Quy trình hoạt động cơ bản gồm 3 bước:

• Nhận tín hiệu: Liên tục đo lường dòng, áp, nhiệt độ từ cảm biến.
• So sánh: Đối chiếu giá trị đo được với các ngưỡng đã cài đặt trước.
• Tác động: Nếu phát hiện bất thường (vượt ngưỡng), rơ le gửi tín hiệu “TRIP” (cắt) đến máy cắt hoặc “ALARM” (báo động) đến người vận hành.

Để hiệu chỉnh (calibration) rơ le, kỹ sư phải sử dụng thiết bị thử nghiệm chuyên dụng (như Omicron). Đây là một phần quan trọng của dịch vụ thí nghiệm điện định kỳ để đảm bảo rơ le hoạt động chính xác.

Các loại rơ le bảo vệ máy biến áp phổ biến

Các loại rơ le phổ biến nhất bao gồm: Rơ le hơi (Mã 63) bảo vệ sự cố bên trong thùng dầu; Rơ le so lệch (Mã 87T) bảo vệ chống chạm chập cuộn dây; Rơ le quá dòng (Mã 50/51) bảo vệ quá tải và ngắn mạch; và Rơ le nhiệt độ (Mã 49, 26) bảo vệ chống quá nhiệt cho cuộn dây và dầu.

Có nhiều loại máy biến áp khác nhau (máy biến áp dầu, máy biến áp khô), và mỗi loại có thể được trang bị các loại rơ le bảo vệ chuyên biệt. Dưới đây là các loại phổ biến nhất, được phân loại theo mã ANSI (Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ).

Bảng so sánh các rơ le bảo vệ máy biến áp chính:

Rơ le hơi (Buchholz – Mã 63)

Rơ le hơi (Buchholz) là rơ le cơ học chỉ dùng cho máy biến áp dầu. Nó phát hiện khí sinh ra (do sự cố hồ quang, chạm chập) tích tụ trong dầu. Nó có 2 cấp: Cấp 1 (báo động) khi khí tích tụ chậm và Cấp 2 (cắt) khi có dòng dầu mạnh (sự cố nghiêm trọng, ví dụ cháy dầu) đi qua.

Rơ le hơi là bảo vệ cơ học đặc trưng cho máy biến áp dầu. Nó phát hiện khí sinh ra do sự cố bên trong thùng dầu. Khi có sự cố (như hồ quang, chạm chập), dầu cách điện sẽ bị phân hủy và sinh ra khí.

• Vị trí: Được lắp trên ống nối giữa thùng dầu chính và bình dầu phụ (bình dãn nở).
• Cấp 1 (Báo động): Khi khí tích tụ từ từ (sự cố nhẹ), khí sẽ đẩy phao trên xuống, đóng tiếp điểm báo động.
• Cấp 2 (Cắt): Khi có sự cố nghiêm trọng (như ngắn mạch lớn, cháy dầu máy biến áp), một dòng dầu mạnh xô đẩy phao dưới, gây cắt máy cắt ngay lập tức.

Khí thu được từ rơ le này thường được mang đi phân tích khí hòa tan (DGA) để chẩn đoán chính xác nguyên nhân sự cố. Nếu rơ le báo động giả, cần xả khí và xem xét lọc dầu máy biến áp nếu chất lượng dầu kém.

Rơ le bảo vệ so lệch (Mã 87T)

Rơ le so lệch (87T) là bảo vệ chính, nhạy nhất cho sự cố chạm chập bên trong cuộn dây. Nó hoạt động bằng cách so sánh dòng điện đi vào và đi ra khỏi máy biến áp. Nếu dòng vào khác dòng ra (lệch), rơ le sẽ tác động cắt máy ngay lập tức.

Đây là bảo vệ quan trọng nhất và nhạy nhất cho các sự cố chạm chập bên trong vùng bảo vệ (giữa các CT đầu vào và đầu ra).

Rơ le 87T hoạt động dựa trên nguyên lý so sánh vector dòng điện đi vào và đi ra khỏi máy biến áp. Ở điều kiện bình thường, hai dòng này (sau khi qua CT) phải triệt tiêu lẫn nhau (bằng 0).

Nếu có sự chênh lệch (ví dụ do chạm chập bên trong cuộn dây), dòng điện không cân bằng sẽ xuất hiện và đi vào rơ le, khiến nó tác động tức thì.

Rơ le bảo vệ quá dòng và cắt nhanh (Mã 50/51)

Rơ le 50/51 bảo vệ máy khỏi quá tải và ngắn mạch. Chức năng 51 (Quá dòng) tác động có trễ (theo đặc tuyến) để bảo vệ quá tải. Chức năng 50 (Cắt nhanh) tác động tức thì khi dòng điện cực cao (ngắn mạch), ví dụ 7-10 lần dòng định mức.

Loại rơ le này bảo vệ máy khỏi tình trạng quá tải và ngắn mạch bên ngoài.

• Chức năng 51 (Quá dòng có thời gian): Bảo vệ chống quá tải. Rơ le sẽ tác động sau một khoảng thời gian trễ, thời gian này phụ thuộc vào đặc tuyến quá tải (đường cong ngắt). Điều này cho phép máy chịu quá tải nhẹ trong thời gian ngắn.
• Chức năng 50 (Quá dòng cắt nhanh): Bảo vệ chống ngắn mạch. Khi dòng điện vượt ngưỡng rất cao (ví dụ 7-10 lần dòng định mức), rơ le tác động ngay lập tức không có thời gian trễ.

Rơ le bảo vệ quá nhiệt cuộn dây (Mã 49)

Rơ le 49 giám sát trực tiếp nhiệt độ cuộn dây (điểm nóng nhất). Nó có nhiều cấp: Cấp 1 (ví dụ 95°C) để khởi động quạt làm mát; Cấp 2 (ví dụ 110°C) để báo động (Alarm); và Cấp 3 (ví dụ 120°C) để cắt (Trip) máy biến áp, bảo vệ lớp cách điện khỏi bị phá hủy do quá nhiệt.

Cuộn dây là nơi phát nhiệt chính khi máy biến áp mang tải. Rơ le 49 (thường là cảm biến RTD hoặc loại nhiệt mô phỏng) đo trực tiếp nhiệt độ cuộn dây. Đây là yếu tố giới hạn tuổi thọ của máy.

Rơ le này thường được cài đặt nhiều cấp để xử lý các nguyên nhân gây tăng nhiệt độ máy biến áp quá mức:

• Cấp 1 (ví dụ 95°C): Khởi động hệ thống làm mát máy biến áp (chạy quạt, bơm dầu).
• Cấp 2 (ví dụ 110°C): Gửi tín hiệu báo động (Alarm).
• Cấp 3 (ví dụ 120°C): Gửi tín hiệu cắt (Trip) máy biến áp.

Rơ le nhiệt độ dầu (Mã 26)

Rơ le 26 đo nhiệt độ của dầu cách điện trong thùng máy biến áp. Tương tự rơ le 49, nó có 2 cấp tác động (thường 1 cấp báo động, 1 cấp cắt) để bảo vệ máy khi nhiệt độ dầu tăng cao, giúp phát hiện sớm các sự cố về dầu hoặc quá tải kéo dài.

Tương tự rơ le 49, nhưng rơ le 26 đo nhiệt độ của dầu cách điện trong thùng chính. Nhiệt độ dầu tăng chậm hơn nhiệt độ cuộn dây nhưng cũng là một chỉ số quan trọng về tình trạng tải và sức khỏe của máy.

Nó cũng có các cấp tác động (thường 2 cấp) để báo động hoặc cắt máy. Khi vận hành, cần thường xuyên kiểm tra mức dầu để tránh báo giả và phát hiện sớm các dấu hiệu hỏng dầu máy biến áp.

Tầm quan trọng của việc bảo trì và giám sát rơ le

Bảo trì và giám sát rơ le là tối quan trọng vì rơ le là tuyến phòng thủ cuối cùng. Việc bảo trì máy biến áp (bao gồm thử nghiệm rơ le) đảm bảo chúng sẽ hoạt động chính xác khi có sự cố, giúp giảm tới 90% thời gian mất điện, kéo dài tuổi thọ máy và tránh các chi phí sửa chữa thảm khốc.

Sử dụng đúng các loại rơ le bảo vệ máy biến áp là giải pháp then chốt để cách ly sự cố, giảm thiểu thiệt hại, kéo dài tuổi thọ tài sản và đảm bảo hệ thống điện vận hành liên tục (giảm tới 90% thời gian mất điện do sự cố).

Tuy nhiên, rơ le sẽ vô dụng nếu không được kiểm tra và cài đặt đúng.

Việc bảo trì máy biến áp định kỳ, bao gồm kiểm tra rơ le, là yêu cầu bắt buộc. Kết hợp với các hệ thống giám sát bảo dưỡng máy biến áp hiện đại (như giám sát online) giúp phát hiện sớm nhất các nguy cơ, cho phép lên kế hoạch sửa chữa trước khi sự cố nghiêm trọng xảy ra.