Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng lên độ chính xác của máy biến điện áp cao thế kiểu dung

- Trên lưới điện Việt Nam hiện nay, các loại biến điện áp đang sử dụng hầu hết là biến điện áp kiểu tụ, chúng ta chọn lựa theo tiêu chuẩn IEC 186,IEC 358, với các cấp chính xác như sau:

an toàn cho người Cũng vì vấn đề an toàn, một trong những đầu ra của cuộn thứ cấp phải được nối đất Các dụng cụ phía thứ cấp của BU có điện trở rất lớn, nên có

thể xem BU làm việc ở chế độ không tải

1.1.2 Vai trò quan trọng của biến điện áp

- Biến điện áp có vai trò quan trọng trong việc vận hành chính xác và tin cậy của hệ thống điện cao thế Nó biến đổi từ điện áp cao xuống điện áp hạ thế khoảng (110 kV hay 110/ kV) để cung cấp cho đo lường, bảo vệ relay và thông tin PLC

Do đó để hệ thống điện ngày càng ổn định và có độ tin cậy cao thì độ chính xác của thiết bị đo ngày càng phải được cải tiến Trước hết, ta hãy xét những ảnh hưởng quan trọng của thiết bị đo lường điện áp vào hoạt động của hệ thống điện

1.1.2.1 Ảnh hưởng của biến điện áp đo lường tác động lên relay kỹ thuật số

- Như ta đã biết biến dòng và biến điện áp là những thiết bị đo lường tín hiệu cung cấp cho bảo vệ relay Hiệu suất và độ chính xác của bảo vệ relay liên quan trực tiếp đến trạng thái ổn định và hiệu suất quá trình quá độ của thiết bị đo lường Relay bảo vệ được thiết kế hoạt động trong vùng thời gian ngắn hơn thời gian quá

độ của nhiễu loạn trong suốt trạng thái sự cố của hệ thống Sai số quá độ của thiết bị

đo lường lớn có thể trì hoãn hoặc ngăn hoạt động của relay Do đó, có thể nói sai số của thiết bị đo lường nói chung và biến điện áp nói riêng có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của relay kỹ thuật số

1.1.2.2 Ảnh hưởng của biến điện áp đo lường tác động lên relay khoảng cách (Relay 21)

- Sai số trong đo lường góc pha có thể gây nên hiện tượng dưới tầm hoặc quá

tầm không mong muốn trong bảo vệ khoảng cách Độ chính xác và tốc độ đáp ứng

của Relay 21 cũng phụ thuộc vào đo lường độ lớn và góc của pha

- Quá độ của CVT làm giảm thành phần cơ bản của điện áp sự cố và làm cho relay khoảng cách tính toán nhỏ hơn trị số tổng trở biểu kiến thật sự đến điểm sự cố Hình 1.1 cho thấy thành phần tần số cơ bản của điện áp CVT phía sơ cấp khi so sánh với tỉ số điện áp lý tưởng Hình 1.2 cho biết tổng trở biểu kiến được tính toán đến điểm cuối của đường dây bị sự cố từ tỉ số điện áp lý tưởng và điện áp phía sơ cấp của CVT

Hình 1.1 Tần số cơ bản bản của điện áp CVT phía sơ cấp khi so sánh với tỉ số

điện áp lý tưởng

CVT thoáng qua

Điện áp tỉ lệ

CVT thoáng qua

Khoảng quá độ của CVT ở điện áp cơ bản

Trở kháng từ điện

áp tỉ lệ

Trở kháng từ ngõ ra CVT Rơle bảo vệ khu vực

Hình 1.2 tổng trở biểu kiến điểm cuối của đường dây bị sự cố từ tỉ số điện áp

lý tưởng và điện áp phía sơ cấp của CVT

- Do đó, đo lường chính xác điện áp và góc pha trong quá trình quá độ cũng là một nhiệm vụ quan trọng không thể thiếu của thiết bị đo lường điện áp Việc nâng cao độ chính xác của thiết bị là một nhiệm vụ quan trọng, có liên quan đến việc vận hành an toàn hệ thống điện

1.1.3 Cấp chính xác của thiết bị đo lường hiện nay

- Căn cứ vào sai số của BU mà người ta đặt tên cho cấp chính xác của nó

- Cấp chính xác của BU là sai số điện áp lớn nhất khi nó làm việc trong điều kiện: tần số 50Hz, điện áp sơ cấp biến thiên trong khoảng U1 = (0.9÷1.1)U1đm, còn phụ tải thứ cấp thay đổi trong giới hạn từ 0.25 đến định mức và cosφ = 0,8 Biến điện áp được chế tạo với các cấp chính xác 0.2; 0.5; 1.0 và 3.0

- Trên lưới điện Việt Nam hiện nay, các loại biến điện áp đang sử dụng hầu hết là biến điện áp kiểu tụ, chúng ta chọn lựa theo tiêu chuẩn IEC 186,IEC 358, với các cấp chính xác như sau:

 Cho đo lường: 0.5

 Cho bảo vệ : 3P

- Thiết bị CVT do các hãng nổi tiếng trên thế giới chế tạo hiện nay như: ABB, Trench, Ritz có cấp chính xác theo tiêu chuẩn sau:

Cấp chính xác Công suất tối đa (VA)

1.2 PHÂN LOẠI BIẾN ĐIỆN ÁP ĐO LƯỜNG

- Biến điện áp được phân chia thành 2 loại: dầu và khô Mỗi loại lại có thể phân theo số lượng pha: biến điện áp 1 pha và 3 pha

- Biến điện áp khô chỉ dùng cho thiết bị phân phối trong nhà Biến điện áp khô một pha dùng ở cấp điện áp 6kV trở lại, còn biến điện áp khô ba pha dùng cho điện

- Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, máy biến điện áp đã được cải tiến rất nhiều về kiểu loại, kết cấu, vật liệu chế tạo cũng như tính năng làm việc

- Trong hệ thống điện hiện nay có thể có 3 loại máy biến điện áp:

Loại cảm ứng điện từ

Loại tụ điện phân áp

Các máy biến điện áp kiểu mới

1.2.1 Biến điện áp điện từ

- BU điện từ hay là VT (Voltage Transformer) là một máy biến áp điện từ sử dụng cho mục đích đo lường hay bảo vệ trên đường dây cao thế, chủ yếu là cấp điện

áp 22KV trở xuống

- Để đo trực tiếp điện áp cao là rất nguy hiểm, nên việc sử dụng BU với một tỷ

số chính xác đưa điện áp về mức an toàn và cách ly với các thiết bị trên lưới sẽ nâng cao thêm sự an toàn trong việc đo lường hệ thống

1.2.1.1 Máy biến điện áp điện từ kiểu khô

- Máy biến điện áp khô được chế tạo với điện áp định mức 24kv Vật liệu cách điện là epoxy

- Mạch từ của máy biến điện áp được ghép từ các lá tôn kỹ thuật điện Đối với mạch từ kiểu HOC-05 thì dùng các tấm tôn dập hình chữ E, còn các kiểu máy biến điện áp khác thì dùng các tấm tôn hình chữ nhật Dây quấn được quấn nhiều lớp trên những ống khung cách điện và được sơn tẩm bằng sơn dùng cho điện áp pha Các máy biến điện áp được nối với lưới bằng các đầu cực phân bố trên các sứ

và ba nêm cách điện

1.2.1.2 Máy biến điện áp dầu

- Thường được chế tạo với điện áp 35kV trở lên

- Sở dĩ đối với mạng điện có điện áp cao U > 35kV thường sử dụng kiểu dầu vì: Dầu vừa cách điện tốt, vừa làm mát tốt, hơn nữa dễ bảo quản khi xảy ra sự cố về chạm chập dây Tuy nhiên loại máy biến điện áp kiểu dầu có kết cấu hơi phức tạp vì chúng thường có bình giãn dầu và trong quá trình làm việc cũng dễ gây ra cháy nổ Nhưng loại này phù hợp với cấp điện áp cao, vì thế cho nên đối với U > 35kv thì để

Cầu chì Cầu chì

Nối đất an toàn

Độ chính xác bước xuống tỉ lệ Khoảng đo điện áp

Hình 1.3 Sơ đồ làm việc của BU điện từ

đảm bảo yêu cầu về mặt cách điện cũng như trong quá trình làm việc, người ta thường chế tạo loại máy biến điện áp kiểu ngâm dầu

- Mạch từ được ghép từ các lá tôn kỹ thuật điện dây quấn nhiều lớp được quấn trên một ống cách điện: dây quấn cao áp có màn chắn tĩnh điện, các dây quấn cao

áp bao gồm một hoặc hai cuộn si để bảo vệ quá điện áp Thùng máy biến điện áp được hàn bằng tôn, thép phi từ tính bởi vì dùng trực tiếp với các thiết bị và được đặt gần các thanh cái dẫn điện của các máy phát lớn Các đầu ra của dây quấn của phần lớn các máy biến điện áp được nối với đầu ra trên sứ đặt trên nắp máy

1.2.1.3 Máy biến điện áp nối tầng

- Với điện áp lớn hơn 35kv để giảm kích thước cách điện, người ta dùng kiểu biến áp nối tầng, mỗi tầng chịu một điện áp nhất định Với điện áp 110kv, thường dùng kiểu hai tầng, mỗi tầng chịu một nửa điện áp như hình 1.5 Mỗi tầng kiểu này

có mạch từ riêng (I) và (II), có cuộn dây cao áp riêng, mỗi cuộn chịu một nửa điện

áp pha, cuộn dây cao áp (BH) của mạch từ MII có đầu vào nối với điện áp pha, phía cuối nối với mạch từ và cách điện với MI Đầu cao áp của cuộn dây ở mạch từ

MI nối với phía cuối của mạch từ MII và có điện áp bằng 1/2 điện áp pha Phía cuối của cuộn dây cao áp BH ở mạch từ MI được nối đất cùng với MI Phía hạ áp

HH có hai cuộn dây a-x và aγ-xγ, một cuộn dùng cho đo lường, một cuộn dùng cho bảo vệ Hai cuộn bù (CB1 ) và (CB2) dùng để phân bố điện áp đều trên hai cuộn cao

- Sơ đồ trên hình 1.5 hiện đại hơn và có nhiều ưu điểm so với sơ đồ ở hình 1.4, loại này có một mạch từ, cách ly với đất các cuộn dây được cuốn trên hai trụ của mạch từ

1.2.2 Biến điện áp kiểu tụ phân áp CVT (Capacitor voltage transformer)

- Cũng như BU điện từ, tuy nhiên nó làm việc ở cấp điện áp cao hơn, với việc

sử dụng 2 tụ phân áp để đưa điện áp đầu vào biến áp đã thấp hơn nhiều so với điện

áp lưới

Hình 1.6 Biến điện áp kiểu tụ phân áp

- Đối với hệ thống điện áp cao đến 765kV, cũng có thể sử dụng máy biến điện

áp làm việc theo nguyên lý phân áp điện dung

- Máy biến điện áp điện dung có thể được nối với các dụng cụ đo lường thông thường và rơle bảo vệ Chúng cũng có thể được phép dùng trong mục đích đo đếm tiền điện

- Kích thước của máy biến điện áp kiểu điện từ tỷ lệ với điện áp sơ cấp của

nó Khi điện áp tăng, giá thành loại BU kiểu điện từ tăng nhanh vì cách điện cao Máy biến điện áp kiểu tụ phân áp cho điện áp cao có tính kinh tế hơn

- Phân áp kiểu tụ cũng giống như phân áp kiểu điện từ, điện áp lấy ra ở một vị trí phân áp nào đó phụ thuộc vào vị trí phân áp và tổng trở của phụ tải

- Trong bộ phân áp kiểu tụ, tổng trở của nguồn mang tính dung kháng hình đấu nối tiếp vào mạch phân áp Nếu tụ điện và cuộn điện kháng không chứa thành phần điện trở tác dụng thì về nguyên lý có thể bù hoàn toàn tổng trở nguồn và lấy ra công suất tùy ý ở phía thứ cấp (hình 1.7)

Đầu nối điện áp cao

Đầu nối đất an toàn

MBA

Đầu nối thứ cấp

- Trên thực tế các cuộn kháng đều chứa thành phần điện trở tác dụng nên công suất đầu ra của bộ phân áp bị hạn chế (hình 1.8) Nếu muốn lấy trực tiếp điện áp thứ cấp bằng điện áp thứ cấp danh định của BU, chẳng hạn bằng 100v, thì để đạt công suất phụ tải danh định, trị số của tụ phân áp phải rất lớn Để giảm dung lượng của tụ phân áp và đảm bảo công suất đầu ra của BU, người ta sử dụng sơ đồ có máy biến áp điện từ trung gian

Hình 1.7 Nguyên lý bù hoàn

toàn tổng trở nguồn lấy ra

công suất tùy ý

Hình 1.8 Nguyên lý bù hoàn toàn tổng trở nguồn lấy ra công

suất bị hạn chế

Hình 1.9 Sơ đồ máy biến áp điện từ trung gian để đảm bảo công suất đầu

ra BU

- Bộ phân áp gồm hai tụ C1 và C2 có thiết bị tải ba (TB) kết hợp truyền tin trong lưới điện Để cung cấp đủ công suất cho đầu ra, người ta dùng một biến áp có cuộn sơ cấp A1x, nối tiếp qua cuộn kháng (P) cộng hưởng với trị số tụ điện (C1+ C2)

và cuộn lọc cao tần đấu song song với tụ điện C2 với điện áp khoảng 4kV đến 12kV Đầu ra có hai cuộn dây: cuộn (a-x) dùng cho mạch đo lường và bảo vệ, còn cuộn (a’-x’) dùng để cản dịu chống cộng hưởng sắt từ và ảnh hưởng của quá trình quá

độ

- Nhược điểm chính của loại máy biến điện áp phân áp bằng tụ điện là có khả năng sinh ra quá điện áp cao khi có hiện tượng cộng hưởng sắt từ Vì cuộn kháng phi tuyến kết hợp với tụ điện nên có khả năng xảy ra cộng hưởng không những với sóng cơ bản mà còn với cả các sóng hài, vì vậy sẽ gây ra nguy hiểm với cách điện

1.2.3 Máy biến điện áp kiểu mới

1.2.3.1 BU phân áp kiểu tụ điện có khuếch đại

- Loại BU kiểu này tránh được hiện tượng cộng hưởng sắt từ vì không sử dụng máy biến áp điện từ sau khi phân áp mà dùng bộ khuếch đại Sơ đồ nguyên lý của loại này được cho ở hình 1.10 điện áp sơ cấp Us được bộ tụ phân áp giảm xuống trị số Us/Ku ,với Ku -là tỷ số phân áp và đặt vào đầu vào của bộ tiền khuếch đại 1

Hình 1.10 Sơ đồ BU phân áp kiểu điện từ có khuếch đại

- Điện áp đầu ra của bộ tiền khuếch đại 1 sẽ được dẫn theo cáp đồng trục 2 đến

bộ khuếch đại công suất 3, với nguồn nuôi 4 Đầu ra của bộ khuếch đại 3 được nối

với phía sơ cấp của máy biến áp cách ly 5, còn phía thứ cấp có hai cuộn dây, một cuộn dùng cho đo lường, một cuộn dùng cho bảo vệ, với tổng công suất khoảng vài chục vôn – ampe

- Ưu điểm của loại biến áp này là kết cấu đơn giản, làm việc trong quá trình quá độ tương đối tốt Hạn chế chính của loại này là công suất của đầu ra thấp nên chỉ được dùng cho các rơle số hoặc rơle tĩnh có công suất tiêu thụ bé BU kiểu tụ phân áp có khuếch đại đã được chế tạo và được sử dụng nhiều năm trong lưới điện cao áp

1.2.3.2 Máy biến điện áp làm việc theo hiệu ứng POCKLS

- Khi cho hai sóng ánh sáng chạy qua một tinh thể khúc xạ kép được đặt dưới tác dụng của một điện trường E, ta có thể đo được góc lệch pha δ giữa hai sóng

này theo hiệu ứng điện quang tuyến tính POCKELS:

δ = K dq E.L

Trong đó: Kdq - là hệ số điện quang, Kdq=8,2.10-6 (rad/v.m) đối với tinh thể thạch anh

E (v) là cường độ điện trường trong tinh thể

L (m) chiều dài đường đi của ánh sáng trong tinh thể

Hình 1.11 Máy biến điện áp làm việc theo hiệu ứng POCKLS

- Bộ phận phân áp gồm tụ C1 và phần tử POCKELS với điện dung C2 được đấu với điện áp cần đo Us Điện áp đặt lên phần tử 2 tạo trong tinh thể một điện

trường E,tỷ lệ với điện áp cần đo Chùm ánh sáng từ nguồn sáng 3 được đưa qua bộ phân cực 4 để phân thành hai sóng quang lệch pha nhau một góc Π /2 và chúng được chiếu qua phần tử 2

- Dưới tác động của điện trường E trong tinh thể của phần tử hai sóng sẽ có tốc độ lan truyền khác nhau và làm tăng góc lệch pha δ giữa chúng, sau đó sẽ đi qua bản cực 5 có bề dày bằng bước sóng để tiếp tục làm lệch pha thêm trước khi đưa đến bộ phận phân tích 6 Độ sáng đầu ra ở bộ phận 6 tỷ lệ với góc lệch pha δ, vì vậy

nó càng tỷ lệ với điện áp được đo Điốt quang 7 có chức năng biến đổi cường độ ánh sáng nhận được từ bộ phân tích 6 thành tín hiệu da, qua bộ khuếch đại 8 để cho điện áp Ur tỷ lệ với điện áp Us

- Loại máy biến điện áp kiểu này có cấu trúc khá phức tạp nên phạm vi ứng dụng còn hạn chế

Chương II:

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG

2.1 MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ CỦA BỘ BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG PHÂN ÁP BẰNG TỤ (CVT)

Hình 2.1 Bộ biến áp đo lường phân áp bằng tụ

2.1.1 Cấu tạo: Một CVT cơ bản bao gồm hai bộ phận:

2.1.1.1 Bộ phân áp kiểu dung:

- Bộ phân áp kiểu dung bao gồm một hay hai bộ tụ, tập hợp thành mỗi nhóm khác nhau Mỗi tụ điện cách nhau bằng dầu, mắc nối tiếp nhau Các bộ tụ được ngâm trong dầu tổng hợp, được giữ dưới một áp lực không đáng kể bằng thiết kế hệ thống giản nở

- Thiết bị bảo vệ quá điện áp

- Mạch triệt tiêu cộng hưởng sắt từ:

 Tất cả các biến điện áp kiểu dung cần kết hợp chặt chẽ với một số mạch triệt tiêu hiện tượng cộng hưởng sắt từ, từ điện dung trong tụ chia áp, mắc nối tiếp với điện cảm không tuyến tính của lõi sắt biến áp và cuộn cảm bù, tạo thành một mạch

có thể xảy ra cộng hưởng

 Mạch này có thể gây ra cộng hưởng, đó là sự bão hòa lõi sắt máy biến áp bởi những nhiễu loạn khác nhau trong hệ thống Hiện tượng này cũng có thể gây quá nhiệt bộ phận điện từ hoặc dẫn đến chọc thủng cách điện Cấu tạo mạch triệt tiêu hiện tượng cộng hưởng sắt từ như hình 2.2a và 2.2b

Hình 2.2 Mô hình mạch FSC

- Mạch khử cộng hưởng sắt từ

Mạch khử tích cực

+ Mạch khử cộng hưởng sắt từ tích cực (AFSC) gồm có một mạch chỉnh song song LC với tải thuần trở Mạch chỉnh LC sẽ xảy ra cộng hưởng ở tần số hệ thống và có tổng trở lớn ở điện áp cơ bản Tải thuần trở của nó được nối với điểm giữa của cuộn kháng để tăng tổng trở cộng hưởng của mạch

+ Với các tần số khác tần số hệ thống, tổng trở cộng hưởng mạch song song

LC giảm từ từ về điện trở của tải thuần trở và giảm dần năng lượng của các điện áp

ở các tần số đó

Mạch khử thụ động

+ Mạch khử cộng hưởng sắt từ thụ động (PFSC) có tải cố định Rf, một cuộn kháng bão hoà Lf, và một tải thuần trở khe hở R Trong điều kiện bình thường, điện

áp phía sơ cấp sẽ không đủ lớn để phóng qua khe hở không khí G và tải R không ảnh hưởng đến hoạt động của CVT

+ Nhưng khi xuất hiện dao động cộng hưởng sắt từ, điện áp cảm ứng sẽ phóng qua khe G và nối tắt tải R để giảm dao động năng lượng Lf được thiết kế để bão hoà ở khoảng 150% và lớn hơn điện áp định mức ngăn cản cộng hưởng kéo dài

2.1.2 Các mô hình CVT

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA THIẾT BỊ

ĐO LƯỜNG HIỆN NAY

2.2.1 Phương pháp ước lượng các thông số

- D.Fernandes Jr.,W.L.A Neves and J.C.A Vasconcelos,"Identification of Parameters for Coupling Capacitor Voltage transformers", Proceedings of the IPST

2001, pp.463-468, Rio de Janeiro, June 24-28, 2001, đưa ra một phương pháp nâng cao độ chính xác của thiết bị CVT bằng cách dùng phương pháp Newton đầy đủ để ước lượng thông số CVT qua đường đặc tính đáp ứng tần số

* Phương pháp này thực hiện như sau:

 Ước lượng các dạng thông số (điện trở, điện cảm và giá trị tụ điện) từ đường đáp ứng tần số Để đạt được điều này, đo lường biên độ và pha của đáp ứng tần số trong phạm vi 10Hz đến 10KHz được thực hiện trong phòng thí nghiệm với biến điện áp kiểu dung 230kV

 Dùng phương pháp cực tiểu hàm không tuyến tính và phương pháp Newton đầy đủ tính toán lại các thông số CVT

 Sự hội tụ cho mỗi nhóm số liệu ước lượng ban đầu xa với giá trị cuối Mặc

dù có sự khác biệt xảy ra với những thông số mạch được tính toán lại,nhưng mỗi nhóm số liệu ước lượng thu được từ việc phân tích dạng sóng của đáp ứng tần số cũng gần giống nhau

 Lấy giá trị các thông số với sai số giảm dần

- Như vậy, phương pháp này tính toán lại các thông số của CVT, từ đó đưa ra những thông số mới, khác xa thông số cũ nhưng đáp ứng tần số cũng gần giống nhau Phương pháp này sai số giảm bằng cách khảo sát qua đáp ứng tần số, tuy nhiên sai số không giảm nhiều và phải thay đổi lại thông số thiết kế ban đầu của nhà sản xuất

2.2.2 Phương pháp bù động on-line

- J.Izykowski, B Kasztenny, E.Rosolowski ,M.M Saha, B Hillstrom "Dynamic Compensation of Capacitive Voltage Transformer ", IEEE Transactions on Power Delivery, vol.13, no 1, January 1998, đưa ra phương pháp giảm sai số quá độ bằng cách bù động on-line cho phía thứ cấp của thiết bị Phương pháp này hiện nay được nghiên cứu phổ biến Ưu điểm của phương pháp này là cho độ chính xác cao và đáp ứng ở nhiều tần số khác nhau nhưng bù lại chi phí cho nó khá lớn

* Phương pháp này được thực hiện như sau:

 Đầu tiên đưa ra một mô hình CVT tiêu biểu

 Kế tiếp, thực hiện thuật toán bù dựa trên việc nghịch đảo hàm truyền giản đơn của CVT

 Phân tích trong miền tần số và định lượng bù phía trên

 Dùng ATP-EMTP mô phỏng cho thấy việc cải tiến giá trị đo lường cung cấp cho bảo vệ tiêu chuẩn với kết quả bù động cho CVT

- Phương pháp này chủ yếu là bù động để nâng cao độ chính xác thiết bị đo khi

đo lường tín hiệu quá độ của hệ thống điện Ưu điểm của phương pháp này là giúp việc đo lường tổng trở tốt hơn phục vụ cho relay khoảng cách Với việc bù động cho CVT, vùng tần số chính xác được mở rộng và đo lường ở vùng tần số cao đạt hiệu quả hơn

KVT = UVT / U2 - Hệ số biến đổi của biến áp

- Sai số toàn phần của CVT:

Suy ra:

(1)

- Trong đó: - là hệ số truyền tổng thể thực tín hiệu CVT

- là góc lệch pha giữa U2 và U1 quay 1800

- sai số điện áp của CVT

- sai số góc của CVT

Hình 3.2 Sơ đồ thay thế của máy biến áp đo lường

Tính toán đối với sơ đồ mạch tương đương thay thế Trong đó các tham số được qui đổi về phía thứ cấp U2

 C'1, R'c1, C'2, R'c2 - là các tham số của tụ ED

 Z'rs, Zrn - tổng trở của thành phần bù phía sơ cấp và thứ cấp (PB và PH )

 C'VT – điện dung tương đương của VT;

VT B

U K

Z

B C

X

VT C

B C

K U

Z

Z

Z

K Z

1

sinIm

- Bằng phần mềm Matlab lập trình tính toán, mô phỏng sai số của thiết bị đo lường biến điện áp kiểu dung ta khảo sát sai số của CVT lúc chưa bù, lúc bù sơ cấp,

bù thứ cấp và khi bù cả 2 phía

3.2 Phương pháp nâng cao độ chính xác

- Ở trong luận văn này, tôi sẽ khảo sát các loại biến điện áp đo lường kiểu dung để thông số cụ thể của nhà sản xuất, đưa ra phương án bù nhằm làm tăng độ chính xác của thiết bị Các mô hình sẽ thực hiện trong phần chính là mô hình CVT123kV, 220kV, 400kV và 500kV sẽ làm cơ sở cho các phương pháp đưa ra

3.2.1 Thông số mô hình khảo sát

Hình 3.3 Sơ đồ khảo sát của máy biến áp đo lường

3.2.2 Nguyên lý bù nâng cao độ chính xác thiết bị

- Với mô hình CVT thì luôn có cuộn cảm bù LC dùng để tránh lệch pha giữa điện áp Vi và V0 với quy tắc tổng trở vào bằng 0: L c C th ω 2 =1 tại ω =100π rad/s

- Như vậy, để đảm bảo góc pha của điện áp sơ cấp và thứ cấp không thay đổi lớn thì điện cảm bù phải tuân theo qui tắc: ω L c =1/ C th ω

3.2.3 Phương pháp làm giảm sai số CVT

- Từ việc bù để tránh lệch pha điện áp vào và điện áp ra Ở đây ta sử dụng phương pháp vừa tránh lệch pha vừa làm giảm sai số CVT bằng cách tăng hoặc giảm điện trở của cuộn cảm bù, thực hiện chuyển bù sang phía thứ cấp của CVT

hay bù cả hai phía sơ cấp và thứ cấp mà độ chính xác được nâng lên đáng kể Từ

mô hình ở phần trên và sử dụng chương trình Matlab ta có được kết quả khảo sát sau

3.3 Khảo sát một vài loại CVT trong hệ thống điện cao thế

3.3.1 Khảo sát CVT 123kV trong hệ thống điện cao thế

Dữ liệu về CVT 123kV

 Điện áp thứ cấp: 123/ kV; Điện áp trung gian: 22/ kV;

 Điện áp phía sơ cấp: 110 kV hay 110/ kV;

Hình 3.4 Đồ thị sai số pha và sai số biên độ khi K=1,δ=2 0 (R PB =15000Ω,

L PB =384.138H, R PH =0Ω, L PH =0H), với tần số thay đổi từ 0-200Hz

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =15000Ω, L PB =384.138H, R PH =0Ω, L PH =0H )

- Với thông số của nhà chế tạo ta thấy sai số biên độ lúc này tại tần số 50Hz

là 0.9449% và sai số pha là 3.4591% (Bảng 3.1 – Phụ lục) Đồ thị trên biểu diễn sai

số biên độ và sai số pha theo tần số

- Ở đây ta sử dụng phương pháp giảm sai số bằng cách thay đổi thông số cuộn cảm bù theo hướng tăng hoặc giảm trở khi bù phía sơ cấp để sai số biên độ đầu giảm đáng kể

Hình 3.5 Đồ thị sai số pha và sai số biên độ khi K=1, δ=2 0 (R PB =7500Ω,

L PB =384.138H, R PH =0Ω, L PH =0H), với tần số thay đổi từ 0-200Hz

- Bảng kết quả cho thấy khi điện trở cuộn cảm bù giảm thì sai số biên độ

giảm đáng kể, tại tần số 50Hz sai số biên độ lúc này là 0.722% (Bảng 3.2 – Phụ

lục) Như vậy có thể nói, khi điều chỉnh giá trị cuộn cảm thì bù phía sơ cấp vẫn cải thiện được sai số

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =500 Ω, L PB =384.138H, R PH =0Ω, L PH =0H )

Hình 3.6 Đồ thị sai số pha và sai số biên độ khi K=1, δ=2 0 (R PB =500 Ω,

L PB =384.138H, R PH =0Ω, L PH =0H ), với tần số thay đổi từ 0-200Hz

- Khi điện trở cuộn cảm bù giảm còn 500Ω thì sai số biên độ giảm còn 0.51% tại tần số 50Hz

- Vậy khi bù phía sơ cấp ta có kết luận:

 Cùng với thông số CVT của nhà sản xuất,chúng ta có thể tăng độ chính xác biên độ đầu vào bằng cách làm giảm điện trở cuộn cảm bù sơ cấp, với

cách này sai số biên độ giảm từ 0.95% xuống còn 0.51% (Bảng 3.3 – Phụ lục)

tại tần số 50Hz

 Tuy nhiên để sai số giảm nhỏ (<0.02% chẳng hạn) thì gần như khó thực hiện được, từ đó ta có thể thực hiện việc bù phía thứ cấp để xem xét việc này có làm giảm tối đa sai số hay không?

3.3.1.2 Bù phía thứ cấp :

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =0 Ω, L PB =0, R PH =0.375 Ω, L PH =0.0096 H )

Hình 3.7 Đồ thị sai số pha và sai số biên độ khi K=1, δ=2 0 (R PB =0 Ω,L PB =0,

R PH =0.375 Ω, L PH =0.0096 H), với tần số thay đổi từ 0-200Hz

- Ta thấy khi bù phía thứ cấp đối với CVT loại này thì sai số lại tăng, sai số

biên độ lúc này là 1.39% (Bảng 3.4 – Phụ lục) Ta điều chỉnh điện trở cuộn cảm bù

và khảo sát sai số đạt được

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =0 Ω, L PB =0, R PH =0.96 Ω, L PH =0.0096 H )

Hình 3.8 Đồ thị sai số pha và sai số biên độ Khi K=1, δ=2 0 (R PB =0 Ω, L PB =0,

R PH =0.96 Ω, L PH =0.0096 H ), với tần số thay đổi từ 0-200Hz

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =0 Ω, L PB =0, R PH =1.824 Ω, L PH =0.0096 H )

Hình 3.9 Đồ thị sai số pha và sai số biên độ khi K=1,δ=2 0 (R PB =0 Ω, L PB =0,

R PH =1.824 Ω, L PH =0.0096 H ), với tần số thay đổi từ 0-200Hz

- Kết quả khi tăng giá trị điện trở cuộn cảm thì sai số giảm đáng kể từ 0.83%

xuống còn 0.0096% (Bảng 3.6 – Phụ lục) Ta thấy việc bù phía thứ cấp có lợi hơn

về độ chính xác vì ta có thể điều chỉnh sai số tương đối dễ dàng

- Tiếp tục ta khảo sát độ chính xác của biến điện áp đo lường kiểu dung khi

bù cả hai phía sơ cấp và thứ cấp sẽ thay đổi như thế nào

3.3.1.3 Bù cả phía sơ cấp và thứ cấp:

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =3750 Ω, L PB =96.03, R PH =0.28Ω, L PH =0.0072 H )

Hình 3.10 Đồ thị sai số pha và sai số biên độ khi K=1,δ=2 0 (R PB =3750 Ω,

L PB =96.03, R PH =0.28Ω, L PH =0.0072 H ), với tần số thay đổi từ 0-200Hz

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =7500 Ω, L PB =192.7, R PH =0.187Ω, L PH =0.00478 H ) Đồ thị sai số biên độ và sai số pha (Hình 3.11 - Bảng phụ lục)

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =11250 Ω, L PB =288.1, R PH =0.093Ω, L PH =0.0024 H ) Đồ thị sai số biên độ và sai số pha (Hình 3.12 - Bảng phụ lục)

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =12000 Ω, L PB =307.31, R PH =0.075Ω, L PH =0.00192 H ) Đồ thị sai số biên độ và sai số pha (Hình 3.13 - Bảng phụ lục)

- Từ các bảng số liệu: Với những tỉ lệ bù giữa sơ cấp và thứ cấp khác nhau, gọi

x là tỉ lệ bù điện cảm phần sơ cấp so với giá trị điện cảm cần bù để tránh lệch pha (khi chưa qui về thứ cấp) thì sai số là như sau:

 Bù sơ cấp bằng 1/4 dung lượng cảm cần bù (RPB=3750Ω, LPB=96.03,

RPH=0.28Ω, LPH=0.0072 H) thì sai số tại tần số 50Hz: Sai số biên độ là 0.7791% và sai số pha là 3.5193% (Bảng 3.7 – Phụ lục)

 Bù sơ cấp bằng 1/2 dung lượng cảm cần bù (RPB=7500Ω, LPB=192.7,

RPH=0.187Ω, LPH=0.00478 H ) thì sai số tại tần số 50Hz: Sai số biên độ là 0.1823%

và sai số pha là 3 4984% (Bảng 3.8 – Phụ lục)

 Bù sơ cấp bằng 3/4 dung lượng cảm cần bù (RPB=11250Ω, LPB=288.1,

RPH=0.093Ω, LPH=0.00478 H ) thì sai số tại tần số 50Hz: Sai số biên độ là 0.39% và sai số pha là 3.4785% (Bảng 3.9 – Phụ lục)

 Bù sơ cấp bằng 4/5 dung lượng cảm cần bù (RPB=12000Ω, LPB=307.31,

RPH=0.075Ω, LPH=0.00192 H) thì sai số tại tần số 50Hz: Sai số biên độ là 0.5032%

và sai số pha là 3.4745% (Bảng 3.10 – Phụ lục)

- Ta thấy trường hợp giá trị cuộn cảm bù phía sơ cấp và thứ cấp đều bằng 1/2 dung lượng cảm cần bù thì sai số biên độ ở mức thấp nhất và sai số pha ở trong mức thấp

- Với phần cảm không đổi trong trường hợp giá trị cuộn cảm bù phía sơ cấp và thứ cấp đều bằng 1/2 dung lượng cảm cần bù, ta điều chỉnh bản thân cuộn cảm theo hướng thay đổi điện trở thì giá trị sai số cũng thay đổi đáng kể

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =10500 Ω, L PB =192.71, R PH =0.26Ω, L PH =0.00478 H )

3.3.1.4 Kết luận

* Khi bù phía sơ cấp:

 Cùng với thông số CVT của nhà chế tạo, chúng ta có thể tăng độ chính xác biên độ đầu ra bằng cách làm giảm điện trở cuộn cảm

 Tuy nhiên để sai số giảm nhỏ thì gần như khó thực hiện được, từ đó ta có thể thực hiện khi bù phía sơ cấp, khảo sát bù phía thứ cấp để xem xét việc này có thể làm giảm sai số tối đa hay không?

* Khi bù phía thứ cấp:

 Tuy sai số không giảm so với bù phía sơ cấp (với cùng giá trị bù phía sơ cấp nhưng quy về thứ cấp) nhưng sai số chế tạo vẫn chấp nhận được (< 2%) Ở đây luận văn đưa ra phương pháp bù phía thứ cấp để giảm sai số biên độ và tránh lệch pha

Hình 3.14 Đồ thị sai số pha và sai số biên độ khi K=1, δ=2 0 (R PB =10500 Ω,

L PB =192.71, R PH =0.26Ω, L PH =0.00478 H ), với tần số thay đổi từ 0-200Hz

giữa điện áp vào và ra của CVT từ đó là cơ sở cho việc bù cả 2 phía sơ và thứ cấp

mà độ chính xác của thiết bị được nâng cao đáng kể, gần tiến đến 0%

 Với tỉ số giữa R và L của cuộn cảm bù như khi bù phía sơ cấp thì sai số tăng,tuy nhiên khi điều chỉnh điện trở thì sai số giảm đáng kể

 Vậy khi bù phía thứ cấp ta vừa có lợi về giảm khối lượng chế tạo cuộn cảm

bù, vừa có thể điều chỉnh sao số khi tăng điện trở cuộn cảm

* Khi bù cả 2 phía sơ cấp và thứ cấp:

 Khi bù cả 2 phía sơ cấp và thứ cấp thì sai số đầu ta thiết bị đo lường giảm đáng kể Tuy nhiên tùy theo từng tỉ lệ khác nhau giữa điện cảm bù phía sơ cấp và

 Với phần cảm không đổi, ta điều chỉnh bản thận cuộn cảm theo hướng giảm

điện trở thì giá trị sai số giảm đáng kể, sai số biên độ có thể giảm xuống 0.02%

=>> Như vậy, khi bù cả 2 phía sơ cấp và thứ cấp thì sai số giảm nhiều và có khả năng điều chỉnh sai số theo giá trị bù Tuy nhiên, phải làm nhiều cuộn cảm khác nhau cho cả 2 phía, do đó việc bù phía sơ cấp hay thứ cấp hoặc cả 2 phía sẽ do nhà sản xuất xem xét và quyết định sao cho có lợi nhất và đạt độ chính xác nhất cho thiết bị đo lường

3.3.2 Khảo sát CVT 220kV trong hệ thống điện cao thế

Dữ liệu về CVT 220kV

 Điện áp thứ cấp: 220/ kV;

 Điện áp trung gian: 22/ kV;

 Điện áp phía sơ cấp: 110 kV hay 110/ kV;

 Điện dung: C1= 1200 pF và C2= 10850 pF;

 Tần số 50Hz

C1= 1.2 nF CVT=0.144 nF RFE=31.73 MΩ R1=1100 Ω

C2= 10.85 nF LT1= 4.25 H LT2= 0.45 mH R2= 1500 Ω R= 20 kΩ RT1= 4.98 Ω RT2= 0.446 Ω R0= 45 Ω

L= 841.69 H Lm= 23.2 kH L1= 3.32 H L0= 0.33 H

3.3.2.1 Bù phía sơ cấp:

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =20000Ω, L PB =841.69H, R PH =0Ω, L PH =0H )

Hình 3.15 Đồ thị sai số pha và sai số biên độ khi K=1, δ=2 0 (R PB =20000Ω,

L PB =841.69H, R PH =0Ω, L PH =0H ), với tần số thay đổi từ 0-200Hz

- Với thông số của nhà chế tạo ta thấy sai số biên độ lúc này tại tần số 50Hz là

0.88% và sai số pha là 3.461% (Bảng 3.12 – Phụ lục)

- Đồ thị trên biểu diễn sai số biên độ và sai số pha theo tần số

- Ở đây ta sử dụng phương pháp giảm sai số bằng cách thay đổi thông số cuộn cảm bù theo hướng tăng hoặc giảm trở khi bù phía sơ cấp để sai số biên độ đầu giảm đáng kể

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =10000 Ω, L PB = 841.69 H, R PH = 0 Ω, L PH = 0 H )

Hình 3.16 Đồ thị sai số pha và sai số biên độ khi K=1, δ=2 0 (R PB =10000 Ω, L PB =

841.69 H, R PH = 0 Ω, L PH = 0 H ), với tần số thay đổi từ 0-200Hz

- Bảng kết quả cho thấy khi điện trở cuộn cảm bù giảm thì sai số biên độ giảm

đáng kể, tại tần số 50Hz sai số biên độ lúc này là 0.7239% (Bảng 3.13 – Phụ lục)

Như vậy có thể nói, khi điều chỉnh giá trị cuộn cảm thì bù phía sơ cấp vẫn cải thiện được sai số

* Khi K= 1, δ= 2 0 (R PB =500 Ω, L PB =841.69 H, R PH = 0 Ω, L PH =0H )

Hình 3.17 Đồ thị sai số pha và sai số biên độ khi K=1, δ=2 0 (R PB =500 Ω,

L PB =841.69 H, R PH = 0 Ω, L PH =0H ), với tần số thay đổi từ 0-200Hz

- Khi điện trở cuộn cảm bù giảm còn 500Ω thì sai số biên độ giảm còn 0.5729% tại tần số 50Hz

- Vậy khi bù phía sơ cấp ta có kết luận:

 Cùng với thông số CVT của nhà sản xuất, chúng ta có thể tăng độ chính xác biên độ đầu vào bằng cách làm giảm điện trở cuộn cảm bù sơ cấp, với

cách này sai số biên độ giảm từ 0.88% xuống còn 0.57% (Bảng 3.14 – Phụ lục) tại

3.3.2.2 Bù phía thứ cấp :

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =0Ω, L PB =0H, R PH =0.5Ω, L PH =0.021H )

Hình 3.18 Đồ thị sai số pha và sai số biên độ khi K=1, δ=2 0 (R PB =0Ω, L PB =0H,

R PH =0.5Ω, L PH =0.021H ), với tần số thay đổi từ 0-200Hz

- Ta thấy khi bù phía thứ cấp đối với CVT loại này thì sai số lại tăng, sai số

biên độ lúc này là 1.77 % (Bảng 3.15 – Phụ lục) Ta điều chỉnh điện trở cuộn cảm

bù và khảo sát sai số đạt được

* Khi K=1,δ=2 0 (R PB = 0 Ω, L PB = 0 H, R PH = 2.1 Ω, L PH = 0.021 H ) Đồ thi sai sô biên độ và sai số pha (Hình 3.19 – Bảng phụ lục)

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB = 0 Ω, L PB = 0 H, R PH =3.85 Ω, L PH = 0.021H )

Hình 3.20 Đồ thị sai số pha và sai số biên độ khi K=1, δ=2 0 (R PB = 0 Ω, L PB = 0 H,

R PH =3.85 Ω, L PH = 0.021H ), với tần số thay đổi từ 0-200Hz

- Kết quả khi tăng giá trị điện trở cuộn cảm thì sai số giảm đáng kể từ 1.76% xuống còn 0.0044% (Bảng 3.17 – Phụ lục) Ta thấy việc bù phía thứ cấp có lợi hơn

về độ chính xác vì ta có thể điều chỉnh sai số tương đối dễ dàng

- Tiếp tục ta khảo sát độ chính xác của biến điện áp đo lường kiểu dung khi

bù cả hai phía sơ cấp và thứ cấp sẽ thay đổi như thế nào

3.3.2.3 Bù cả phía sơ cấp và thứ cấp:

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB = 5000 Ω, L PB = 210.42 H, R PH = 0.375 Ω, L PH = 0.01578 H)

Hình 3.21 Đồ thị sai số pha và sai số biên độ khi K=1, δ=2 0 (R PB = 5000 Ω,

L PB = 210.42 H, R PH = 0.375 Ω, L PH = 0.01578 H ), với tần số thay đổi từ

0-200Hz

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =10000Ω, L PB =420.845H, R PH =0.25Ω, L PH =0.0105H ) Đồ thi sai sô biên độ và sai số pha (Hình 3.19 – Bảng phụ lục)

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =15000Ω, L PB =631.2675H, R PH =0.125Ω, L PH =0.0052H )

Đồ thi sai sô biên độ và sai số pha (Hình 3.20 – Bảng phụ lục)

* Khi K=1, δ=2 0 (R PB =16000 Ω,L PB =637.35 Ω, R PH =0.10 Ω, L PH =0.0042 H ) Đồ thi sai sô biên độ và sai số pha (Hình 3.21 – Bảng phụ lục)