Mạch điện nhị thứ trong trạm biến áp : Chức năng và nguồn DC

Trong mọi trạm biến áp, từ cấp 22 kV trung áp đến cấp 500 kV siêu cao áp, hệ thống điện được chia thành hai lớp hoạt động: mạch nhất thứ và mạch nhị thứ. Nếu mạch nhất thứ là “cơ thể” mang điện năng lớn, thì mạch điện nhị thứ trong trạm biến áp chính là “hệ thần kinh” điều phối, bảo vệ và giám sát toàn bộ quá trình vận hành. Hiểu đúng và đầy đủ về mạch nhị thứ là yêu cầu bắt buộc đối với mọi kỹ sư thiết kế, thi công, thí nghiệm và vận hành hệ thống điện.

Mạch nhất thứ là mạch điện tiếp nhận nguồn điện cao áp đưa vào trạm, thực hiện biến đổi điện áp qua các máy biến áp lực và phân phối điện đến các phụ tải. Trong mạch nhất thứ bao gồm cáp dẫn điện đến và đi (cáp trên không hoặc cáp ngầm), thanh cái (thanh góp), máy cắt điện, dao cách ly, máy biến áp lực, biến dòng điện (TI), biến điện áp (TU), chống sét van, cầu chì cao áp, tụ bù và máy biến áp tự dùng. Mạch nhất thứ làm việc ở điện áp cao, điển hình là các cấp 22 kV, 35 kV, 66 kV, 110 kV, 220 kV và 500 kV.

Mạch điện nhị thứ (còn được gọi là mạch điện kiểm soát) gồm các mạch điện có chức năng kiểm soát sự vận hành của mạch điện nhất thứ, bao gồm điều khiển, chỉ thị trạng thái, đo đếm thông số điện và bảo vệ mạch điện nhất thứ. Mạch điện nhị thứ bao gồm các cáp nhị thứ, các dây dẫn điện, các thiết bị nhị thứ như thiết bị đo đếm điện, thiết bị điều khiển, rơle bảo vệ, được nối mạch theo một trình tự nhất định. Mạch nhị thứ làm việc ở điện áp thấp (không vượt quá 220 V), trong đó nguồn điện một chiều chiếm phần lớn và nguồn xoay chiều chiếm phần nhỏ.

Mạch điện nhị thứ được lắp đặt trong các tủ bảng điện, trong các tủ truyền động điều khiển thiết bị điện, trong mương cáp, ống cáp và hộp cáp. Ngoài mạch nhị thứ chính, trong trạm biến áp còn có các mạch điện hạ áp khác bao gồm mạch điện chiếu sáng và mạch điện thiết bị thông tin liên lạc.

Về mặt vật lý, hệ thống mạch nhị thứ trong một trạm biến áp 110 kV điển hình bao gồm các thành phần sau:

Các cáp điều khiển (cáp nhị thứ) thường là cáp nhiều lõi, tiết diện nhỏ (0,5 mm² đến 2,5 mm²), cách điện bằng PVC hoặc XLPE, được đi trong mương cáp chuyên dụng tách biệt với cáp nhất thứ. Các thiết bị điều khiển bao gồm công tắc, nút nhấn, khóa điều khiển và các rơle trung gian. Các thiết bị đo đếm bao gồm đồng hồ đo ampe (A), vôn (V), công suất tác dụng (W), công suất phản kháng (VAR), tần số (Hz), hệ số công suất (cos φ) và các công tơ điện năng. Các rơle bảo vệ, từ loại rơle điện cơ truyền thống cho đến các rơle kỹ thuật số (IED) hiện đại tuân theo chuẩn IEC 61850. Các tủ phân phối nguồn AC và DC, hệ thống ắc quy và tủ nạp (chỉnh lưu).

Mạch điện nhị thứ dùng để điều khiển sự làm việc của các thiết bị điện nhất thứ. Đây là loại mạch điều khiển trực tiếp. Cụ thể, mạch điều khiển đóng và cắt máy cắt điện là mạch điện có vị trí trung tâm, vì máy cắt là thiết bị đóng cắt quan trọng nhất trong trạm. Bên cạnh đó còn có mạch điều khiển đóng và mở dao cách ly, mạch điều khiển các thiết bị làm mát máy biến áp (quạt thổi và bơm dầu) và mạch điều khiển bộ điều áp dưới tải (OLTC) của máy biến áp.

Nguồn cấp điện cho mạch điều khiển đóng, cắt máy cắt và dao cách ly thường dùng nguồn một chiều cung cấp độc lập từ các dàn ắc quy với các mức điện áp phổ biến là 48 V, 110 V và 220 V đặt tại trạm. Chỉ có một số ít trường hợp đặc biệt mới sử dụng nguồn xoay chiều cho mạch điều khiển.

Mạch điện nhị thứ dùng để đo và đếm các thông số vận hành điện của mạch nhất thứ. Có hai loại mạch điện thực hiện chức năng này, đó là mạch biến dòng điện và mạch biến điện áp. Hai mạch này tồn tại riêng rẽ, không được nối điện với nhau, mặc dù có thể cùng cấp tín hiệu dòng và áp cho một thiết bị đo đếm.

Mạch dòng điện được mắc nối tiếp từ cuộn dây thứ cấp của máy biến dòng điện (TI) đến các cuộn dây dòng điện mắc nối tiếp của các thiết bị đo đếm. Mạch biến điện áp được mắc song song, từ cuộn dây thứ cấp của máy biến điện áp (TU) nối đến các cuộn dây điện áp của các thiết bị đo đếm.

Các đại lượng cần đo và đếm bao gồm:

• Cường độ dòng điện (A, kA) của các đường dây nhận điện và phát điện trong trạm.
• Điện áp (V, kV) trên các thanh cái và trên các đường dây.
• Công suất tác dụng (kW, MW) và công suất phản kháng (kVAR, MVAR) của máy biến áp và đường dây.
• Tần số dòng điện (Hz) và hệ số công suất (cos φ).
• Điện năng tác dụng (kWh, MWh) và điện năng phản kháng (kVARh, MVARh) truyền tải qua máy biến áp, điện năng nhận hoặc phát của các đường dây.

Đây là chức năng có tầm quan trọng đặc biệt trong vận hành hệ thống điện. Mạch bảo vệ rơle dùng để bảo vệ mạch điện nhất thứ, bằng cách liên tục cung cấp các thông số vận hành (tín hiệu dòng điện và điện áp) cho các rơle bảo vệ, để các rơle tác động cắt các máy cắt điện, loại trừ các phần tử mạch điện nhất thứ bị sự cố ra khỏi lưới điện trong khi đang vận hành, đảm bảo cho các phần tử khác tiếp tục vận hành bình thường.

Mạch rơle bảo vệ gồm có mạch biến dòng điện và mạch biến điện áp cấp tín hiệu cho rơle, tiếp điểm của rơle nối mạch điện tác động cắt máy cắt. Các rơle bảo vệ kiểu điện từ cần có mạch điện cấp nguồn nuôi riêng biệt. Mạch biến dòng mắc nối tiếp cuộn dây thứ cấp của máy biến dòng qua các cuộn dây dòng điện của rơle bảo vệ. Mạch điện áp nối song song cuộn dây thứ cấp của máy biến điện áp với các cuộn dây điện áp của rơle bảo vệ.

Mạch tác động của rơle được nối từ tiếp điểm của rơle đến mạch điều khiển cắt máy cắt điện để tự động cắt máy cắt khi có sự cố. Trong đó mạch dòng và áp là loại mạch cấp tín hiệu xoay chiều cho rơle, còn mạch cấp nguồn nuôi cho rơle là mạch dùng điện một chiều cấp từ dàn ắc quy của trạm.

Mạch này dùng để chỉ thị trạng thái làm việc của các thiết bị điện nhất thứ khi vận hành bình thường (mạch chỉ thị trạng thái) và báo hiệu khi xảy ra sự cố (mạch điện báo sự cố).

Mạch điện chỉ thị trạng thái thường dùng đèn báo trạng thái làm việc của thiết bị theo quy ước màu sắc chuẩn:

• Trạng thái máy cắt điện “đóng”: đèn đỏ sáng. Trạng thái “cắt”: đèn xanh sáng.
• Đèn chỉ thị trạng thái “đóng” hoặc “cắt” của dao cách ly.
• Đèn chỉ thị chế độ làm việc của thiết bị làm mát máy biến áp.
• Tại các trạm hiện đại, một số vị trí bổ sung đèn trắng hoặc đèn vàng để chỉ thị trạng thái “cắt tự động do rơle bảo vệ tác động”.

Mạch báo hiệu sự cố dùng âm thanh như chuông điện và còi điện để báo động khi có sự cố trong trạm biến áp, chẳng hạn sự cố làm rơle bảo vệ tác động cắt máy cắt, hoặc sự cố của thiết bị nhất thứ như máy biến áp và máy cắt. Đồng thời, mạch này dùng đèn báo sự cố để chỉ thị rõ thiết bị đang có sự cố và pha bị sự cố (A, B hoặc C).

Mạch truyền tín hiệu xa có chức năng truyền các tín hiệu bảo vệ và tín hiệu đo lường đến các trung tâm điều khiển và giám sát từ xa. Đây là thành phần then chốt trong hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) được triển khai rộng rãi tại các trạm biến áp hiện đại của Việt Nam. Trong mô hình vận hành trạm biến áp không người trực 110 kV, chức năng này đóng vai trò sống còn khi toàn bộ việc điều khiển và giám sát được thực hiện từ Trung tâm điều độ hệ thống điện miền (Mức 1) hoặc Trung tâm điều khiển khu vực (Mức 2).

Ở các trạm áp dụng tiêu chuẩn IEC 61850, giao tiếp giữa các thiết bị điện tử thông minh (IED) được chuẩn hóa theo giao thức GOOSE và Sampled Values, giúp việc truyền tín hiệu bảo vệ và đo lường đạt độ trễ dưới 4 ms, đáp ứng yêu cầu bảo vệ nhanh cho lưới điện cao áp.

Đây là câu hỏi mang tính nền tảng về triết lý thiết kế hệ thống điện trong trạm biến áp. Nếu mạch nhị thứ dùng nguồn điện xoay chiều thì khi xảy ra sự cố mất điện toàn trạm hoặc mất điện tự dùng, sẽ không còn nguồn điện nào cung cấp cho mạch. Đây là kịch bản nguy hiểm nhất, vì chính trong thời điểm xảy ra sự cố nghiêm trọng, hệ thống bảo vệ và điều khiển lại bị mất điện và không thể hoạt động để cô lập phần tử bị hỏng.

Hãy hình dung một sự cố ngắn mạch xảy ra trên đường dây trung áp cấp nguồn cho trạm, và đồng thời nguồn tự dùng xoay chiều cũng mất theo. Nếu mạch điều khiển và bảo vệ đều phụ thuộc vào nguồn xoay chiều này, toàn bộ hệ thống rơle bảo vệ sẽ không thể tác động, không có lệnh cắt máy cắt được thực hiện, và sự cố có thể lan rộng ra toàn lưới điện, gây hậu quả nghiêm trọng về an toàn và kinh tế.

Nguồn điện một chiều tại trạm biến áp được cung cấp từ dàn bình ắc quy, có tính chất ổn định và độ tin cậy cao. Khi trạm mất nguồn điện xoay chiều, điện một chiều từ ắc quy vẫn tiếp tục làm nhiệm vụ bảo vệ và điều khiển mà không gây nguy hiểm cho trạm. Nguồn DC từ ắc quy hoàn toàn độc lập với trạng thái vận hành của lưới điện xoay chiều, đây chính là đặc tính then chốt tạo nên sự ưu việt của nó.

Theo quy định vận hành trạm biến áp 110 kV của các đơn vị điện lực Việt Nam, dung lượng bình ắc quy được tính toán sao cho hệ thống ắc quy có thể vận hành độc lập, cấp điện cho toàn bộ phụ tải một chiều của trạm biến áp với thời gian trên 8 giờ, trong điều kiện điện áp hệ thống một chiều không giảm xuống dưới 0,8 lần điện áp định mức. Dung lượng ắc quy phổ biến cho trạm 110 kV thường được chọn là 200 Ah.

Các mức điện áp một chiều phổ biến trong trạm biến áp bao gồm:

Dàn ắc quy có một giới hạn tự nhiên là dung lượng điện tích chứa hữu hạn. Nếu chỉ dựa vào ắc quy, sau một thời gian dài vận hành, dung lượng sẽ giảm và có lúc nguồn một chiều này không đủ khả năng cung cấp cho mạch nhị thứ. Vì vậy, máy nạp (tủ chỉnh lưu) tại trạm làm nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều để vừa cung cấp trực tiếp cho các phụ tải một chiều, vừa nạp điện duy trì dung lượng cho ắc quy.

Hệ thống làm việc theo nguyên tắc: khi nguồn AC tự dùng còn tốt, tủ chỉnh lưu chạy bình thường, vừa cấp tải DC vừa nạp bổ sung (floating charge) cho ắc quy. Khi nguồn AC mất, ắc quy tự động đảm nhận toàn bộ phụ tải DC mà không cần có bất kỳ thao tác chuyển đổi nào từ phía người vận hành. Khả năng chuyển đổi liền mạch và tức thời này là yêu cầu bắt buộc, vì thời gian tác động của rơle bảo vệ thường chỉ tính bằng phần trăm giây.

Điện áp vận hành của hệ thống tự dùng xoay chiều trong trạm thường nằm trong giới hạn 220/380±10%

Vôn theo quy định vận hành trạm biến áp 110 kV. Tủ chỉnh lưu nhận đầu vào là nguồn xoay chiều ba pha lấy từ máy biến áp tự dùng và xuất điện áp DC ổn định theo mức thiết kế (48 V, 110 V hoặc 220 V DC).

Toàn bộ mạch nhị thứ trong trạm biến áp sử dụng song song hai hệ thống nguồn điện với chức năng được phân chia rõ ràng gồm nguồn xoay chiều và nguồn 1 chiều.

Hệ thống mạch nguồn điện xoay chiều bao gồm các nguồn một pha và ba pha lấy từ máy biến áp tự dùng, cấp qua tủ phân phối điện xoay chiều đến các tủ điều khiển, các máy cắt và dao cách ly. Nguồn xoay chiều cung cấp cho các loại động cơ trong trạm như động cơ điều khiển dao cách ly, động cơ tích năng cho máy cắt, động cơ điều chỉnh nấc OLTC, quạt và bơm làm mát máy biến áp, bơm cứu hỏa.

Ngoài ra, nguồn xoay chiều còn được dùng để sấy, chiếu sáng trong tủ, cấp nguồn cho tủ chỉnh lưu và cấp nguồn cho hệ thống chiếu sáng trong nhà và ngoài trời. Nguồn xoay chiều cũng bao gồm tín hiệu xoay chiều từ máy biến dòng TI và máy biến điện áp TU cấp cho các cuộn dòng và cuộn áp của rơle bảo vệ.

Hệ thống mạch điện một chiều bao gồm nguồn DC thường có điện áp 220 V hoặc 48 V, lấy từ các hệ thống chỉnh lưu và ắc quy. Nguồn này đi qua tủ phân phối điện một chiều để cấp nguồn nuôi cho các thiết bị rơle, các hệ thống mạch điều khiển, bảo vệ, tín hiệu, thông tin và chiếu sáng sự cố.