Bộ bảo vệ điện áp hoạt động như thế nào?

Bộ bảo vệ điện áp là gì?

Định nghĩa về thiết bị bảo vệ điện áp

A Bộ bảo vệ điện áp là một thiết bị điện có chức năng giám sát điện áp nguồn và ngắt (tách rời) mạch chuyển mạch nối tiếp khi xảy ra tình trạng quá áp hoặc thiếu áp vượt quá giới hạn đã cài đặt sẵn. Thiết bị này sẽ kết nối lại tải khi điện áp trở về mức bình thường, có thể tự động sau thời gian trễ khởi động lại hoặc bằng tay, tùy thuộc vào từng mẫu.

Trong các cuộc trò chuyện về kỹ thuật, bạn cũng sẽ nghe thấy những cái tên liên quan như:

• Bộ bảo vệ quá áp/thiếu áp

• Rơle giám sát điện áp

• Rơle bảo vệ điện áp

• Rơle bảo vệ quá áp/thiếu áp

Nguyên lý chung là nhất quán: đo điện áp, so sánh với các ngưỡng và sử dụng tiếp điểm đầu ra để điều khiển kết nối tải.

Bộ bảo vệ điện áp hoạt động như thế nào?

Ở cấp độ chức năng, một thiết bị bảo vệ điện áp hoạt động theo một chu trình đơn giản: đo lường, ra quyết định, chuyển mạch, sau đó kiểm tra độ ổn định trước khi kết nối lại. Sự khác biệt thực sự về mặt kỹ thuật nằm ở cách thức đo lường (giá trị RMS thực so với cảm biến đơn giản), cách thức tránh các sự cố ngắt không mong muốn (thời gian trễ và độ trễ hồi phục), và cách thức chuyển mạch tải (rơle bên trong so với công tắc tơ bên ngoài).

Quy trình dưới đây mô tả cơ chế hoạt động chung của các thiết bị bảo vệ lắp trên thanh DIN hiện đại được sử dụng trong các bảng điều khiển, cũng như các rơle giám sát điện áp điều khiển các công tắc tơ trong tủ điều khiển công nghiệp.

Bước	Vai trò của người bảo vệ là gì	Tại sao điều này lại quan trọng trong lĩnh vực này
1	Đo điện áp đầu vào liên tục	Phát hiện sớm hiện tượng lệch hướng, sóng lớn và sụt áp
2	So sánh với ngưỡng trên và ngưỡng dưới	Xác định một khoảng thời gian rõ ràng và được chấp nhận
3	Áp dụng logic trễ thời gian và logic trễ hồi phục	Ngăn chặn các lần kích hoạt không mong muốn và hiện tượng rung rinh của rơle
4	Mở đầu ra rơle hoặc ngắt công tắc tơ	Cách ly vật lý tải khỏi nguồn điện bất thường
5	Chờ cho đến khi điện áp ổn định và hết thời gian trễ khởi động lại	Tránh hiện tượng chuyển đổi tần số nhanh, có thể gây hư hỏng thiết bị
6	Tự động khôi phục nguồn điện khi tình trạng trở lại bình thường	Khôi phục hệ thống về trạng thái hoạt động bình thường mà không cần can thiệp thủ công (nếu tính năng này được bật)

Giám sát điện áp đầu vào theo thời gian thực

Bên trong thiết bị, điện áp nguồn được hạ xuống mức mà các mạch điện tử có thể đo lường một cách an toàn. Quá trình này thường sử dụng mạch chia điện áp bằng điện trở, các linh kiện cách ly/xử lý tín hiệu và giai đoạn chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang số.

Các thiết bị chất lượng cao hơn đo điện áp RMS thực, phản ánh chính xác giá trị tương đương nhiệt thực tế ngay cả khi dạng sóng bị biến dạng do tải phi tuyến. Các thiết bị giá rẻ hơn có thể ước tính giá trị RMS bằng cách sử dụng phương pháp lấy mẫu đơn giản hóa và các giả định về hình dạng sóng. Sự khác biệt này trở nên quan trọng trong các môi trường có biến tần (VFD), bộ chỉnh lưu, bộ nguồn chuyển mạch hoặc máy phát điện — những nơi thường xuyên xảy ra hiện tượng biến dạng dạng sóng.

Vòng lặp đo lường hoạt động liên tục. Trên thực tế, thiết bị bảo vệ sẽ phát hiện hai kiểu hoạt động sau:

• Điện áp đã vượt quá giới hạn (quá cao hoặc quá thấp)

• Điện áp đã duy trì ở mức vượt quá giới hạn đó đủ lâu để cần phải có biện pháp can thiệp

Phát hiện các tình trạng quá áp và thiếu áp

Việc phát hiện dựa trên việc so sánh điện áp đo được với các giá trị cài đặt:

• Giá trị đặt trước quá áp: giới hạn trên mà vượt quá đó, hoạt động sẽ được coi là không an toàn

• Giá trị đặt trước điện áp thấp: giới hạn dưới mà dưới mức đó, việc vận hành được coi là không an toàn

Có hai khái niệm khác nữa xuất hiện trong hầu hết các thiết kế:

• Thời gian trễ: tình trạng bất thường phải duy trì trong một khoảng thời gian đã được cài đặt trước khi kích hoạt ngắt mạch

• Hiệu ứng trễ (chênh lệch thiết lập lại): điện áp phải quay trở lại trong dải cho phép với một biên độ nhất định trước khi thiết bị thiết lập lại

Nếu thiếu những yếu tố này, thiết bị bảo vệ sẽ phản ứng với mọi dao động nhỏ và có thể gây ra hiện tượng dao động xung quanh điểm ngắt. Hiện tượng dao động này không chỉ gây phiền toái mà còn có thể làm dính các tiếp điểm, làm quá nhiệt rơle và gây áp lực lặp đi lặp lại lên các tải phía sau.

Ngắt nguồn điện khi xảy ra hiện tượng điện áp bất thường

Khi thiết bị xác định điện áp ở mức bất thường và tình trạng này vẫn tiếp diễn, nó sẽ thay đổi trạng thái đầu ra của mình.

Tùy thuộc vào sản phẩm, kết quả đó có thể là:

• Một tiếp điểm rơle bên trong được nối tiếp với tải (thường thấy ở các tải nhỏ), hoặc

• Đầu ra rơle dùng để điều khiển một công tắc tơ bên ngoài (thường được sử dụng cho dòng điện lớn và các ứng dụng công nghiệp)

Trong cả hai trường hợp, kết quả đều giống nhau: tải được ngắt khỏi nguồn cấp. Thiết bị bảo vệ không hấp thụ năng lượng dư thừa do sự cố quá áp gây ra. Thiết bị này ngăn chặn điện áp bất thường tác động lên tải trong một khoảng thời gian kéo dài.

Từ góc độ thiết kế mạch, phần tử chuyển mạch là yếu tố hạn chế. Nếu dòng tải cao hoặc dòng khởi động lớn (động cơ, máy biến áp, máy nén), việc sử dụng rơle giám sát điện áp để điều khiển một công tắc tơ có định mức phù hợp thường là phương án đáng tin cậy hơn.

Tự động khôi phục nguồn điện sau khi điện áp trở lại bình thường

Nhiều thiết bị bảo vệ được trang bị chức năng tự động khôi phục (tự động đóng lại). Quy trình hoạt động thường yêu cầu phải đáp ứng hai điều kiện trước khi nối lại nguồn:

1. Điện áp trở lại trong phạm vi cho phép (thường tính đến hiện tượng trễ)

2. Điện áp vẫn ổn định trong suốt thời gian trễ khởi động lại (đôi khi được gọi là thời gian trễ kết nối lại)

Thời gian trễ khi khởi động lại này có vai trò rất quan trọng trong các hệ thống lắp đặt thực tế. Nếu nguồn điện không ổn định, việc kết nối lại ngay lập tức có thể dẫn đến hiện tượng khởi động-tắt liên tục. Đối với các tải do động cơ điều khiển và máy nén, hiện tượng khởi động-tắt liên tục có thể gây ra hiện tượng ngắt do quá tải nhiệt, áp lực khởi động nặng và hỏng hóc sớm.

Trong quá trình vận hành thử, độ trễ khởi động lại thường được điều chỉnh cho phù hợp với tải và quy trình. Tủ điều khiển cấp nguồn cho PLC có thể chấp nhận độ trễ ngắn, trong khi máy nén HVAC có thể cần độ trễ dài hơn để bảo vệ thiết bị.

Các thành phần chính của bộ bảo vệ điện áp là gì?

Mặc dù bao bì sản phẩm có thể khác nhau, nhưng hầu hết các thiết bị bảo vệ điện áp đều có chung các thành phần cấu tạo bên trong: một cơ chế cảm biến điện áp, một bộ điều khiển để ra quyết định, một bộ phận chuyển mạch điện và một giao diện người dùng để cài đặt thông số và hiển thị trạng thái.

Việc hiểu rõ các thành phần này sẽ giúp bạn đánh giá xem một thiết bị có phù hợp để sử dụng trong tủ điều khiển, tủ phân phối hay để bảo vệ ở cấp độ thiết bị hay không.

Mạch phát hiện điện áp

Mạch phát hiện điện áp có chức năng điều chỉnh và xử lý điện áp đầu vào để có thể đo lường một cách an toàn và nhất quán. Mạch này có thể bao gồm:

• Mạng chia tỷ lệ (bộ chia điện áp)

• Lọc để giảm nhiễu

• Các bộ phận cách ly hoặc bảo vệ nhằm ngăn chặn sự lan truyền của các sự cố vào hệ thống điện tử điều khiển

Trong các hệ thống ba pha, mạch phát hiện có thể đo điện áp giữa pha và trung tính, giữa các pha, hoặc cả hai, tùy thuộc vào mục đích thiết kế. Để đảm bảo khả năng bảo vệ chính xác, phương pháp cảm biến phải phù hợp với cách đấu dây của hệ thống. Việc chỉ đo tại một điểm trong hệ thống ba pha có thể bỏ sót một số sự cố.

Bộ điều khiển vi điều khiển

Bộ điều khiển thực thi logic bảo vệ. Các thiết kế dựa trên vi điều khiển cho phép thực hiện các tính năng vượt xa chức năng của một bộ so sánh đơn thuần:

• Các sự chậm trễ ngắt mạch riêng biệt do quá áp và thiếu áp

• Thời gian trễ khởi động lại có thể lập trình

• Xử lý hiện tượng trễ từ

• Đếm sự kiện hoặc bộ nhớ lỗi (tùy thuộc vào mô hình)

Logic của vi điều khiển cũng giúp duy trì các ngưỡng ổn định hơn trước những biến động về nhiệt độ và sự dao động của nguồn điện, với điều kiện phần đầu vào cảm biến được thiết kế tốt.

Rơle điện từ hoặc công tắc tơ

Đây là bộ phận thực sự ngắt kết nối tải.

• Rơle điện từ: thường được sử dụng trong các thiết bị bảo vệ nhỏ gọn gắn trên thanh DIN; phù hợp với dòng điện và tần số chuyển mạch ở mức vừa phải

• Rơle tiếp điểm: thường được sử dụng bên ngoài cho các tải có công suất lớn hơn, dòng khởi động cao hơn hoặc chu kỳ làm việc cao hơn

Một nguyên tắc thực tiễn là tách biệt “bộ não” khỏi “cơ bắp” khi tải lớn. Sử dụng rơle giám sát (bộ não) để điều khiển công tắc tơ (cơ bắp). Điều này giúp cải thiện khả năng bảo trì và giảm nguy cơ thiết bị bảo vệ trở thành điểm yếu trong hệ thống.

Giao diện hiển thị và cài đặt có thể điều chỉnh

Nhiều thiết bị bảo vệ điện áp cung cấp một giao diện đơn giản để cấu hình các giá trị cài đặt và thời gian trễ, cũng như hiển thị điện áp hiện tại và trạng thái.

Giao diện rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng quá trình vận hành thử. Nếu các thiết lập không rõ ràng, kỹ thuật viên có thể để nguyên các giá trị mặc định không phù hợp với thiết bị. Một giao diện tốt cần hiển thị rõ ràng và cho phép cấu hình các mục sau:

• Ngưỡng quá áp

• Ngưỡng điện áp thấp

• Chuyến đi bị trì hoãn

• Thời gian trễ khi khởi động lại (kết nối lại)

• Chế độ đặt lại (tự động so với thủ công, nếu được hỗ trợ)

Các câu hỏi thường gặp về thiết bị bảo vệ điện áp

Bộ bảo vệ điện áp có giúp chống lại hiện tượng tăng áp đột ngột không?

Bộ bảo vệ điện áp chủ yếu phản ứng với tình trạng quá áp và thiếu áp kéo dài bằng cách ngắt kết nối tải. Hầu hết các đợt tăng áp đột ngột đều là các hiện tượng thoáng qua diễn ra rất nhanh, tăng và giảm trong vòng vài microgiây, do đó thiết bị dựa trên cơ chế ngắt kết nối thường không thể phản ứng đủ nhanh để kìm hãm chúng. Nếu một đợt tăng áp gây ra sự cố kéo dài khiến điện áp vượt ra ngoài phạm vi cho phép, thiết bị bảo vệ có thể ngắt mạch, nhưng đó chỉ là hiện tượng phụ.

Bộ bảo vệ điện áp có thể ngăn ngừa hư hỏng thiết bị gia dụng không?

Đúng vậy, khi hư hỏng xảy ra do điện áp nguồn bất thường kéo dài đủ lâu để gây quá tải cho các linh kiện. Thiết bị bảo vệ điện áp sẽ ngắt kết nối tải trong trường hợp điện áp quá cao hoặc quá thấp kéo dài, từ đó có thể ngăn ngừa tình trạng quá nhiệt ở động cơ và quá tải ở các bộ nguồn điện tử. Thiết bị này phát huy hiệu quả cao nhất ở những khu vực thường xuyên xảy ra hiện tượng sụt áp, máy phát điện không ổn định hoặc các vấn đề về hệ thống dây điện gây ra sự dao động điện áp lặp đi lặp lại.

Sự khác biệt giữa quá áp và điện áp đột biến là gì?

Quá áp là tình trạng điện áp nguồn hiệu dụng (RMS) cao hơn mức bình thường trong một khoảng thời gian đáng kể, chẳng hạn như vài giây, vài phút hoặc lâu hơn. Tình trạng này thường do các vấn đề về điều chỉnh của mạng lưới điện, sự cố liên quan đến dây trung tính hoặc việc điều chỉnh máy phát điện không chính xác. Điện áp đột biến là một đỉnh điện áp thoáng qua diễn ra rất nhanh, thường do sét đánh hoặc các sự kiện chuyển mạch gây ra, và có thể chỉ kéo dài trong vài microgiây.

Tôi có cần cả bộ bảo vệ điện áp và bộ SPD không?

Thường thì đúng vậy, bởi vì chúng giải quyết các chế độ hỏng hóc khác nhau. Thiết bị bảo vệ điện áp sẽ ngắt kết nối thiết bị khi điện áp cao hoặc thấp kéo dài, giúp tránh tình trạng thiết bị hoạt động trong các điều kiện gây hư hỏng như sụt áp hoặc tăng áp đột ngột. Thiết bị SPD quản lý các dao động ngắn hạn, năng lượng cao bằng cách chuyển dòng điện đột biến sang hệ thống nối đất, từ đó hạn chế điện áp tác động lên thiết bị.

Bộ bảo vệ điện áp có tuổi thọ bao lâu?

Tuổi thọ thiết bị phụ thuộc vào tần suất đóng cắt và điều kiện môi trường. Các thiết bị dẫn dòng tải qua các tiếp điểm rơle bên trong có thể bị mòn nhanh hơn nếu phải đóng cắt thường xuyên, đặc biệt là khi có dòng khởi động của động cơ. Một thiết bị bảo vệ được sử dụng chủ yếu như rơle giám sát để điều khiển một công tắc tơ bên ngoài có thể có tuổi thọ cao hơn vì công tắc tơ sẽ chịu phần mài mòn do đóng cắt.

Các bài viết được đề xuất

Hướng dẫn nối dây từng bước để lắp đặt bộ bảo vệ điện áp

Cách chọn bộ bảo vệ quá áp và thiếu áp tốt nhất

Bộ ổn áp so với bộ chống sét: Sự khác biệt là gì?

Giải thích về bộ bảo vệ điện áp và dòng điện có thể điều chỉnh dành cho người mới bắt đầu

Bộ bảo vệ quá áp và thiếu áp: Hướng dẫn toàn diện