MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP VÀ BIẾN DÒNG ĐIỆN SỬ DỤNG TRONG RƠLE BẢO VỆ

Các rơle bảo vệ phải thực hiện đo lường trong các giai đoạn quá độ ngay sau sự cố nên độ chính xác và khả năng đáp ứng quá độ của biến dòng có vai trò rất quan trọng. Sai số đầu ra của biến dòng, biến áp có thể làm trễ hoạt động của bảo vệ hoặc dẫn đến tác động sai.

MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP VÀ BIẾN DÒNG ĐIỆN

SỬ DỤNG TRONG RƠLE BẢO VỆ

NỘI DUNG

1 Giới thiệu chung 3

2 Biến điện áp (CVT) 3

2.1 Sai số biến điện áp 3

2.2 Phản ứng quá độ của biến điện áp 4

2.3 Biến điện áp kiểu tụ 4

2.4 Phản ứng quá độ của 5

2.5 Cộng hưởng sắt từ 6

2.6 CVT có độ chính xác cao 7

2.7 Biến điện áp kiểu khác 8

3 Biến dòng điện (CT) 10

3.1 Cấu tạo của CT 10

3.2 Thiết kế CT 11

3.3 Tải của CT 13

3.4 Sai số biến dòng 13

3.5 Yêu cầu kỹ thuật của biến dòng 14

3.6 Ứng dụng 15

3.7 Các chỉ dẫn cho sử dụng biến dòng 17

4.3 Lựa chọn biến dòng 20

4.4 Các yêu cầu cách điện 21

4.5 Điện áp làm việc 22

4.6 Quá trình quá độ 22

4.7 Ứng dụng thực tế 23

4.8 Vấn đề an toàn 23

1 Giới thiệu chung

Trên hệ thống điện các giá trị điện áp và dòng điện thường rất lớn nên không thể

đấu nối trực tiếp các thiết bị đo lường hay bảo vệ Việc đấu nối phải thực hiện

với các biến dòng, biến áp – các thiết bị này được thiết kế để tạo ra một đại

lượng đầu vào đã được giảm tỷ lệ chính xác

Các rơ-le bảo vệ phải thực hiện đo lường trong các giai đoạn quá độ ngay sau sự

cố nên độ chính xác và khả năng đáp ứng quá độ của biến dòng có vai trò rất

quan trọng Sai số đầu ra của biến dòng, biến áp có thể làm trễ hoạt động của

bảo vệ hoặc dẫn đến tác động sai

2 Biến điện áp (CVT)

Mạch điện thay thế của một biến điện áp điện từ được mô tả trên hình 1

Hình 1 Mạch điện thay thế của máy biến điện áp

Điện áp lưới Vp đặt lên cuộn sơ cấp và điện áp thứ cấp Vs được tạo ra trên phụ

tải Zb Yêu cầu đặt ra là giá trị Vs không được phụ thuộc vào Zb trong một

phạm vi thay đổi nhất định của Zb

Một giải pháp để đạt được yêu cầu này là tạo ra các cuộn dây có tổng trở Zp và

Zs càng thấp càng tốt Ngoài ra mật độ từ thông danh định của lõi từ phải đảm

n : 1Zp

ZeVp

Zs

Thứ nhất là sai số tỷ số được xác định bằng (n * Vs – Vp)/Vp * 100% Nếu sai

số dương điện áp thứ cấp vượt quá giá trị danh định Tỷ số vòng dây không nhất

thiết phải là số nguyên, việc bù vòng dây thường được áp dụng để đảm bảo sai

số dương khi tải thấp và sai số âm khi tải cao

Sai số pha là độ lệch pha giữa các vectơ điện áp sơ cấp và thứ cấp Giới hạn sai

số cho phép là +/-3% đối với tỷ số và +/-2% đối với pha

Theo tiêu chuẩn biến điện áp phải đáp ứng giới hạn sai số trong dải điện áp từ 80

– 120% và tải từ 25 – 100% Đối với rơ-le bảo vệ, độ chính xác có vai trò quan

trọng khi điện áp bị suy giảm đáng kể trong quá trình sự cố Do vậy biến điện áp

dùng cho bảo vệ phải đáp ứng giới hạn mở rộng từ 5 – 80% điện áp định mức và

trong một số ứng dụng thậm chí cả từ 120 – 190%

2.2 Phản ứng quá độ của biến điện áp

Các sai số quá độ gây nên một số khó khăn trong việc sử dụng VT mặc dù

không phổ biến Nếu điện áp tăng lên đột ngột sẽ xuất hiện xung kích quá độ

như đối với máy biến áp lực Tuy nhiên ảnh hưởng ít hơn so với máy biến áp lực

vì VT được thiết kế với mật độ từ thông thấp Khi mất nguồn sơ cấp VT (ngắt

mạch sơ cấp) lõi từ vẫn còn từ thông nên tạo ra một dòng điện suy giảm dần trên

phụ tải Hiện tượng này cần phải được phân biệt rõ với hiện tượng giảm điện áp

sơ cấp do sự cố kéo theo suy giảm điện áp thứ cấp

2.3 Biến điện áp kiểu tụ

Với cấp điện áp từ 132kV trở lên giá thành VT cuộn dây thông thường là quá

cao do kích thước thiết bị tỷ lệ với điện áp định mức Trong tình huống này giải

pháp CVT hiệu quả và kinh tế hơn (mô tả trên hình 2)

Về cơ bản thiết bị này là một bộ chia điện áp kiểu tụ Phía điện áp thấp của thiết

bị được đầu với biến áp dây quấn T Có vài phương án khác nhau cho mạch điện

cơ bản này Cuộn cảm L có thể là một phần tử riêng biệt hoặc được tích hợp

dưới dạng điện kháng rò trong biến áp trung gian T Mạch điện thay thế

Thevenin được mô tả trên hình 3

Hình 3 Mạch điện thay thế Thevenin của biến điện áp kiểu tụ

Có thể nhận thấy rằng ở tần số danh định của hệ thống khi C và L cộng hưởng

và triệt tiêu thì mạch điện có vai trò tương tự như một VT thông thường Tuy

nhiên ở tần số khác thành phản kháng tồn tại và làm thay đổi sai số Nếu điện áp

phản kháng trên C và L không quá lớn so với Vi, sự thay đổi của sai số theo tần

số là không lớn Trong thiết kế điển hình khi C = 2000pF và Vi = 12kV thì thay

đổi trong sai số pha theo tần số (trong giới hạn tần số định mức) ở mức tải

150VA là khoảng 15/20/40 phút cho CVT 400/275/132kV

tiếp và điện dung cuộn dây của biến áp trung gian Mạch thay thế đầy đủ cho

CVT được thể hiện trên hình 4

Hình 4 Mạch thay thế đầy đủ cho biến điện áp kiểu tụCần lưu ý rầng hệ số công suất của phụ tải ảnh hưởng đáng kể đến các phản ứng

quá độ Hệ số này có thể tác động đến phản ứng của CVT, cho phép cùng một

CVT có thể có các phản ứng quá độ khác nhau với hai phụ tải khác nhau Nói

chung việc tăng phụ tải điện trở dẫn đến các quá độ biên độ lớn hơn nhưng suy

giảm nhanh hơn Còn phụ tải điện kháng tạo ra mạch hiệu chỉnh sâu hơn và tạo

ra các chế độ dao động mới có thể kéo dài đến vài chu kỳ ở mức tần số hệ thống

Nhìn chung thì hệ số công suất càng cao càng tốt

2.5 Cộng hưởng sắt từ

Khi đóng điện CVT có thể tạo ra cộng hưởng sắt từ tần số thấp duy trì giữa điện

cảm của diện trở kích thích và điện dung của bộ chia điện áp Một tình huống

khá phổ biến để duy trì mức hài 1/3 ổn định Phụ tải điện trở có xu hướng giảm

khả năng xuất hiện các dao động dạng này và thông thường các thiết bị đặc biệt

chống cộng hưởng sắt từ được tích hợp và sử dụng các mạch hiệu chỉnh song

song Tuy nhiên đôi khi cần có sự cận nhắc cần thiết vì các thiết bị này có xu

hướng làm suy yếu phản ứng quá độ

L

Rm

Lm

Cm

ZbVs

2.6 CVT có độ chính xác cao

Việc CVT không phản ứng nhanh với các thay đổi trong điện áp sơ cấp đã được

thừa nhận trong thực tế Mặt khác bộ chia tụ (như mô tả trên hình 5) sẽ khắc

phục những bất lợi trọng phản ứng quá độ của CVT bằng cách đưa vào một bộ

khuếch đại trung gian giữa bộ chia và phụ tải

Hình 5 Bộ khuếch đại trung gian cho bộ chia tụ

Giải pháp này bảo toàn tính đồng nhất của bộ chia và cho phép nó phản ứng

chính xác trong một dải tần số rộng Về lý thuyết có thể chế tạo một CVT dạng

này nhưng về góc độ kinh tế thì chưa khả thi

Một giải pháp nữa cho phản ứng của bộ chia tụ có thể thực hiện bằng cách sửa

đổi CVT thông thường để tạo ra một đầu ra của bộ chia tụ bên cạnh đầu ra thông

thường của biến điện áp trung gian như mô tả trên hình 6

C1

C2

Bộ khuếch

đại trunggian

Hình 6 Biến áp kiểu tụ dùng bộ khuếch đại

Tụ C3 được đưa vào mạch CVT để toàn bộ dòng tụ iC chạy qua và do đó thể

hiện được điện áp VC1 Dung lượng C3 lớn hơn nhiều so với C1 và C2 và

không ảnh hưởng tới đặc tính quá độ hay vận hành của đầu ra điện áp thứ cấp

Vs thông thường Với phương án này đầu ra Vs ít chính xác hơn của CVT thông

thường có thể được sử dụng cho đo đếm, đo xa, bảo vệ dự phòng,… còn đầu ra

chính xác cao (VA) của bộ chia tụ được dùng cho rơ-le khoảng cách tác động

nhanh

2.7 Biến điện áp kiểu khác

Bộ chia điện trở cao áp là một phương án thích hợp nếu xét về khía cạnh quá độ,

tuy nhiên chi phí rất cao và có sai số tỷ lệ phụ thuộc vào phụ tải Phương án thực

tế hơn là biến điện áp phân nấc có phản ứng tần số và quá độ tốt hơn so với CVT

thông thường Nguyên lý được thể hiện trên hình 7

Bộ khuếch đại trước

Bộ khuếch đại công suất

Hình 7 Ví dụ về biến điện áp phân nấcDạng VT thông thường có cuộn dây sơ cấp đơn, giải pháp cách điện cho cuộn

dây này ở cấp điện áp từ 132kV trở lên rất phức tạp VT phân nấc khắc phục

được vấn đề này bằng cách chia điện áp sơ cấp thành các phần và các cấp riêng

biệt Tổng thể VT được làm từ nhiều biến điện áp riêng rẽ có cuộn sơ cấp đấu

nối tiếp Mỗi lõi từ có cuộn sơ cấp P ở hai phía đối diện và cuộn thứ cấp S bao

gồm cuộn dây đơn chỉ có ở cấp cuối cùng.Cuộn ghép nối C nối thành cặp giữa

các cấp, tạo ra mạch tổng trở thấp để truyền phụ tải ampe-vòng giữa các cấp và

đảm bảo phân bố điện áp đồng đều trên các cuộn sơ cấp Cuồn sơ cấp và cuộn

ghép nối được nối lõi tại những điểm đã chọn và tàon bộ các cấp được ghép

trong khối thẳng đứng ngâm dầu và được bao bọc bằng bằng ni-tơ để cho phép

giãn nở khi nhiệt độ thay đổi Các thiết bị phân nấc này hiện rất đắt, nhưng do có

các phản ứng quá độ hoàn hảo nên có khả năng sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn

trong tương lai

3 Biến dòng điện (CT)

Cuộn sơ cấp của CT được mắc nối tiếp vào mạch điện Mạch điện thay thế của

biến dòng giống như đối với bất kỳ máy biến áp nào khác (như mô tả trên hình

8) Yêu cầu đối với biến dòng là:

(a) ảnh hưởng tối thiểu tới mạch điện, nghĩa là Zp và Zs phải được thiết kế rất

nhỏ,

(b) dòng Is phản ánh trung thực giá trị Ip

Hình 8 Mạch điện thay thế của biến dòng điện

3.1 Cấu tạo của CT

Biến dòng điện thường được thiết kế với cuộn sơ cấp là đoạn dây dẫn xuyên qua

một vòng sắt mang cuộn thứ cấp Hầu hết biến dòng được chế tạo theo dạng này

và được gọi là biến dòng có thanh sơ cấp (bar-primary) hoặc có dây cuốn

Hình 9 Cấu trúc điển hình của biến dòng điện

Các tấm lá thép được uốn để tạo thành lõi và được bao phủ cách điện Cuộn thứ

cấp được cuốn quanh lõi này và có số vòng cần thiết để tạo ra tỷ số mong muốn

với tiết diện vòng dây thích hợp cho phép cuộn dây mang dòng định mức, bên

ngoài có một lớp cách điện nữa bao phủ cuộn thứ cấp Khi lắp ráp dây sơ cấp

được đưa qua tâm vòng dây

3.2 Thiết kế CT

Để dùng cho bảo vệ thì các yêu cầu đối với biến dòng thường được thể hiện

dưới dạng điểm uốn của điện trường Điểm uốn của đường cong kích thích được

xác định tại điểm mà để tăng cường độ điện trường thứ cấp lên 10% thì phải

tăng dòng kích thích lên 50% (hình 10) Với các điện áp cao hơn điểm uốn thì

việc bão hoà xảy ra rất nhanh

Cấu trúc lõi từ

Vỏ cách điện Lõi Lớp cách Cuộn dây

Hình 10 Xác định điểm uốn của đường cong từ hoá

Từ thông thay đổi từ 0 đến giá trị tối đa trong ¼ chu kỳ nền tốc độ thay đổi từ

thông là

(Φ – 0)/(1/4) = 4Φ weber/chu kỳ

Và với tần số là “f” chu kỳ/s thì tốc độ là 4Φf weber

Khi đó cuộn dây N vòng sẽ tạo ra một điện áp cảm ứng trung bình là Vav = 4Φf

Mật độ từ thông của lá thép lõi từ là khoảng 1.5 Tesla tại điểm uốn Đối với biến

dòng với tỷ số đã biết có thể ước lượng được giá trị điện áp điểm uốn nếu có

Với tần số hệ thống là 50Hz điện áp điểm uốn là

V = 4.44 x 0.0009 x 200 x 50 = 40V

3.3 Tải của CT

Tải của CT có thể được biểu diễn bằng VS hoặc điện trở Giá trị VA được tính

theo dòng thứ cấp danh định, Ví dụ tải 5 VA của biến dòng 1A sẽ có điện trở 5

Tất cả tải được đấu nối tiếp và việc tăng điện trở sẽ làm tăng tải của biến dòng

Biến dòng không mang tải khi cuộn thứ cấp được nối tắt vì trong điều kiện này

tải VA bằng 0 do điện áp bằng 0 Sai số biến đổi phụ thuộc vào góc của tải và

giá trị điện trở của tải

3.4 Sai số biến dòng

Bên cạnh sai số tỷ số và sai số pha cần phải xem xét cả sai số tổng hợp Sai số

tổng hợp được xác định bằng giá trị hiệu dụng của sai lệch giữa dòng thứ cấp lý

tưởng và dòng thứ cấp thực tế (gồm cả ảnh hưởng của dịch pha và các hài trong

dòng kích thích) Vói những CT mà từ thông rò không đáng kể và không có hiệu

chỉnh số vòng (tỷ lệ số vòng đúng bằng tỷ lệ dòng danh định) sai số tổng hợp

tương ứng với giá trị dòng kích thích (thường được thể hiện bằng phần trăm

pha trên hình 11 thể hiện điều này Có thể thấy dòng kích thích Ie có trong thành

phần mọi sai số

Hình 11 Sơ đồ vector của biến dòng điện

Thành phần Ir của Ie và đồng pha với Is là yêu tố gây nên sai số tỷ số, còn thành

phần Iq vuông góc với Is gây ra sai số pha θ Vấn đề nảy sinh là Ie cũng phụ

thuộc vào hệ số công suất của tải Khi tải có độ cảm vừa phải, các dòng Is và Ie

gần như trùng pha, sai số pha sẽ nhỏ và thành phần kích thích là thành phần

chính của sai số tỷ số Có thể bù từng phần sai số tỷ số bằng cách giảm 1 hoặc 2

vòng dây thứ cấp

Với giả thiết tỷ số biến đổi là 1/1 dòng Is = Ip – Ie Dòng kích thích phụ thuộc

vào cường độ điện trường cảm ứng Es có giá trị xấp xỉ bằng Is(Zs + Zb) và vào

cả tổng trở kích thích Ze Nếu Ze tuyến tính, dòng Ie sẽ là sai số tổng hợp Trên

thực tế Ze là phi tuyến và nếu Ie co các thành phần hài ở tần số cơ bản thì các

hài này sẽ làm tăng giá trị hiệu dụng của dòng Ie và do vậy sai số tổng hợp cũng

tăng theo Đây là điều cần lưu ý trong yêu cầu bão hoà

3.5 Yêu cầu kỹ thuật của biến dòng

cấp IP: dòng sơ cấp IS: dòng thứ cấp

β: sai số pha Φ; từ thông

ISR1: sụt áp do điện trở thứ cấp

I S X 1 : sụt áp do điện kháng thứ cấp

Ie: dòng kích thích

Ir, Iq: các thành phần dòng kích thích đồng pha và vuông góc với Is

Các giá trị tiêu chuẩn của tải định mức là2.5, 5, 7.5, 10, 15 và 30VA.

Hai cấp chính xác là 5P và 10P thể hiện sai số tổng hợp tương ứng là 5% và

10% ở giới hạn chính xác định mức

Các hệ số giới hạn chính xác tiêu chuẩn là 5, 10, 15, 20 và 30

Máy biến dòng được mô tả như sau: 15VA cấp 5P20, theo đó biến dòng có tải

định mức là 15VA và sai số không quá 5% ở dòng điện gấp 20 lần định mức

Để thuận tiện thì giá trị điện áp có ích tối đa thương được sử dụng.Điểm uốn của

đường cong từ hoáđược xác định tại điểm mà việc tăng 10% điện áp thứ cấp sẽ

làm tăng dòng từ lên 50% Các yêu cầu thiết kế biến dòng sử dụng cho bảo vệ

thường được thể hiện bằng điện áp điểm uốn, dòng từ tại điểm uốn hoặc ở điểm

khác, và điện trở thứ cấp

3.6 Ứng dụng

Đối với biến dòng điện phải xem xét các phụ tải đấu nối và chế độ vận hành

trong môi sliên hệ không những chỉ với các dạng thiết bị được đấu nối mà cả dải

biến thiên tổng trở trong phạm vi chỉnh định của rơ-le Chẳng hạn tải bình

thường của một le quá dòng là 3VA ở mức chỉnh định Dải chỉnh định của

rơ-le là từ 50% đến 200% dòng danh định Như vậy rơ-rơ-le 1A được chỉnh định ở

mức 50% sẽ có dòng chỉnh định 0.5 A và điện áp trên cuộn dây ở mức dòng này

20 x 6 V = 120 V đối với chỉnh định 50% hoặc

20 x 1.5 V = 30 V đối với chỉnh định 200%

Yêu cầu thứ nhất đòi hỏi cao hơn nên mức chỉnh định thấp nhất phải được vận

dụng khi xác định điện áp điểm uốn Tuy vậy yêu cầu được giảm bớt do khi

rơ-le hoạt động với dòng gấp 20 lần mức chỉnh định thì sẽ bão hoà từ và tổng trở sẽ

giảm.Đối với rơ-le quá dòng mức giảm là khoảng một nửa tổng trở ở mức chỉnh

định, nghĩa là trong ví dụ trên mức điện áp điểm uốn 60V sẽ đáp ứng yêu cầu

Trong nhiều trường hợp biến dòng sử dụng cho bảo vệ quá dòng sẽ đấu nối cả

với rơ-le chống sự cố chạm đất Rơ-le quá dòng chạm đất có chỉnh định tối thiểu

29% sẽ có điện áp ở mức chỉnh định là

3 VA / 0.2 A = 15 V và tổng trở

15 V / 0.2 A = 75 ohm

Có thể giới hạn mức sự cố với đất, chẳng hạn ở 2 lần dòng sơ cấp định mức tức

là 10 lần dải chỉnh định Điện áp điểm uốn phải lớn hơn 10 x 15 V = 150 V,

hoặc 75 V nếu tính đến bão hoà

Trong trường hợp này thì thông số biến dòng được xác định theo rơ-le quá dòng

chạm đất Biến dòng phù hợp là 7.5 VA cấp 5P10 Với các thông số này điện áp

tại dòng định mức sẽ là 7.5 V khi nối với tải 7.5 ohm và sẽ chỉ có sai số 5% ở 10

lần dòng định mức hay là điện áp 10 x 7.5 V = 75 V

Từ các yêu cầu kỹ thuật 7.5 VA 5P10 có thể ước tính được điện áp điểm uốn

Nếu biến dòng có cuộn thứ cấp 5 A thì sẽ tạo ra điện áp 1.5 V vơi stải định mức

và 22.5 V với dòng gấp 15 lần định mức Một cách gần đúng thì điện áp điểm

uốn là tích của tải VA định mức nhân với hệ số giới hạn chính xác rồi chia cho

dòng thứ cấp định mức

Cấp chính xác 5P sử dụng cho những yêu cầu ổn định sự cố pha và phân cấp

thời gian chính xác Trong các trường hợp khác cấp 10P là phù hợp

Trong trường hợp nhiều rơ-le cùng đấu nối với một nhóm biến dòng thì phải

tính mức tải toàn bộ Nói chung có thể cộng tải theo cách số học nhưng cần lưu

ý rằng có thể đơn giản hoá bằng cách cộng các vec-tơ tải nếu có khó khăn trong