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

NGUYỄN HOÀI VŨ NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG LÊN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP CAO THẾ KIỂU DUNG... - Luận án giải quyết một phần quan trọng trong hàng loạt vấn đề làm thế nào để

NGUYỄN HOÀI VŨ

NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG LÊN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP CAO THẾ KIỂU DUNG

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ

TP HCM ngày … tháng … năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN HOÀI VŨ Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20/12/1978 Nơi sinh: Đồng Nai

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1181031094

I- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG LÊN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA

MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP CAO THẾ KIỂU DUNG II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xác định các khoản thông số điện dung ký sinh với vùng sai số cho phép

- Điện dung ký sinh gì, phương pháp tính toán như thế nào?

- Khảo sát, nghiên cứu sự ảnh hưởng của tải, điện dung ký sinh từ máy biến áp lên sai số thiết bị đo

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/06/2012

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/03/2013

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

Hồ Văn Nhật Chương

TP Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 06 năm 2013

BẢN CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: Nguyễn Hoài Vũ

Ngày sinh: 20 – 12 – 1978 Nơi sinh: Đồng Nai

Trúng tuyển đầu vào năm: 2012

Là tác giả luận văn:

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 60 52 02 02

Bảo vệ ngày: 10 Tháng 05 năm 2013

Điểm bảo vệ luận văn: 6,25

Tôi cam đoan chỉnh sửa nội dung luận văn thạc sĩ với đề tài trên theo góp ý của Hội đồng

đánh giá luận văn Thạc sĩ Các nội dung đã chỉnh sửa:

1/ Một số lỗi chính tả

2/ Trích dẫn tài liệu tham khảo

Người cam đoan Cán bộ Hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Hoài Vũ

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, tuy gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ sự hướng dẫn tận tình của TS Hồ Văn Nhật Chương, tôi đã hoàn thành luận văn đúng thời gian quy định Để hoàn thành cuốn luận văn này, tôi xin bày tỏa lòng biết ơn sâu sắc đối với

TS Hồ Văn Nhật Chương, thầy là người tận tâm hết lòng vì học viên, hướng dẫn nhiệt tình và cung cấp cho tôi những tài liệu vô cùng quý giá trong thời gian thực hiện luận văn

Xin chân thành cám ơn tập thể thầy cô giáo trường đại học Kỹ Thuật Công Nghệ

TP Hồ Chí Minh, đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi, giúp tôi học tập và nghiện cứu trong quá trình học cao học tại trường

Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý khoa học - Đào tạo sau đại học trường đại học Kỹ Thuật Công Nghệ TP Hồ Chí Minh, đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn cao học tại trường

Xin chân thành cảm ơn các anh, chị đồng nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn các anh, chị học viên cao học ngành “Kỹ thuật điện” đã đóng góp ý kiến cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

TP Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2013

Người Thực hiện

Nguyễn Hoài Vũ

- Trong quá trình vận hành hệ thống điện có thể xuất hiện những tình trạng

sự cố và chế độ làm việc không bình thường của thiết bị Tình trạng sự cố xảy ra có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị điện, mất điện gây tổn thất cho nền kinh tế nói chung

và ngành điện nói riêng Do đó, trên hệ thống cần có những thiết bị đo lường và bảo

vệ nhằm phát hiện nhanh các sự cố, cách ly sự cố, tránh mất điện Những thiết bị đo lường đó là biến dòng điện và biến điện áp Các thiết bị này biến đổi điện áp và dòng điện từ trị số lớn xuống trị số thích hợp để cung cấp cho các dụng cụ đo lường, bảo vệ và tự động hóa Biến điện áp thường có 2 loại là kiểu điện từ và điện dung

- Máy biến áp đo lường kiểu điện dung được sử dụng khá phổ biến trong mạng truyền tải của hệ thống điện nói chung và lưới điện Việt Nam nói riêng Nguyên lý cơ bản của CVT là sự chính xác của điện áp đầu ra theo điện áp đầu vào trong mọi điều kiện hoạt động của thiết bị Trong điều kiện ổn định, yêu cầu này có thể đạt được dựa trên thiết kế và sự điều chỉnh của CVT Tuy nhiên, độ chính xác của CVT giảm dưới điều kiện quá độ do cảm ứng, tụ bù hay thành phần không tuyến tính Do đó, tác động quá độ của CVT cần được biết đến

- Hiện nay, do nhu cầu về năng lượng điện càng tăng, việc đầu tư cho hệ thống điện yêu cầu nhiều kinh phí,dẫn tới tình trạng thiếu hụt điện năng và chất lượng điện năng suy giảm Điều này ảnh hưởng trực tiếp tới các thiết bị dùng điện, đặc biệt ảnh hưởng tới các thiết bị điện tử nhạy cảm như: hệ thống thông tin, điều khiển công nghiệp Do đó, việc nghiên cứu để làm giảm sai số trong các thiết bị đo lường cũng phần nào làm giảm sự cố trên hệ thống điện

- Ngày nay, trên thế giới có nhiều thiết bị đo lường cao áp, sử dụng kỹ thuật cao Do đó, độ chính xác của phép đo phải được nâng cao cho phù hợp Với sự tiến

bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật và công nghệ ngày càng phát triển, các thiết bị ghi nhận tín hiệu trực tiếp (như dao động ký, đồng hồ đo kỹ thuật số, ) có độ chính xác càng cao Chính vì vậy, việc nâng cao độ chính xác của thiết bị đo lường điện

áp cao thế là một công việc hết sức thiết yếu và thời sự trong lĩnh vực đo lường - đặc biệt là đo lường trong vùng tần số công nghiệp

- Luận án giải quyết một phần quan trọng trong hàng loạt vấn đề làm thế nào

để nâng cao độ chính xác của thiết bị đo lường điện áp cao thế, đó là nghiên cứu các thông số đặc trưng của thiết bị, từ đó xây dựng mô hình thực tế của thiết bị

- Luận án ứng dụng thành tựu của các nhà sản xuất thiết bị là bù điện cảm phía sơ cấp để nâng cao độ chính xác của thiết bị đo điện áp Từ đó, đưa ra những phương pháp mới để tăng độ chính xác bằng cách bù phía thứ cấp hay bù cả 2 phía

sơ và thứ cấp Trong đó, các thông số đặc trưng cũng như cấu trúc của biến điện áp

để điều chỉnh, áp dụng trong từng vùng tần số để đạt được sai số mong muốn Điều này có ý nghĩa quan trọng cho các nhà chế tạo, bởi khi xác định những thông số có ảnh hưởng đến sai số thiết bị mà chế tạo để đạt độ chính xác yêu cầu

- Luận văn thực hiện bao gồm 5 chương, có thể tóm tắt như sau:

Chương : Tổng quan về biến điện áp đo lường trong hệ thống điện

- Nêu ra chức năng, vai trò của biến điện áp đo lường trong hệ thống điện Phân loại các biến điện áp đo lường

Chương 2: Nghiên cứu mô hình biến áp đo lường CVT

- Chương 2 của luận văn sẽ đi sâu vào tìm hiểu mô hình của biến điện áp đo lường CVT Đưa một vài bộ phân áp có trên thực tế cùng ưu, khuyết điểm của nó Ở đây sẽ đặc biệt làm rõ mô hình bộ phân áp được sử dụng nhiều cho thiết bị CVT là

bộ phân áp điện dung

Chương 3: Xây dựng biểu thức toán học và khảo sát một vài loại CVT trong hệ thống điện cao thế

- Từ sơ đồ mạch tương đương của CVT, thực hiện việc xây dụng các mô hình toán học của sai số thiết bị qua các thông số CVT, từ đó khảo sát các loại CVT: 123kV, 220kV, 400kV, 500kV bằng phần mềm Matlab, kết luận phương pháp tối ưu nhằm giảm sai số, nâng cao độ chính xác của chúng

Chương 4: Khảo sát sự thay đổi sai số của một mô hình CVT theo phụ tải và điện dụng ký sinh

- Khi thay đổi giá trị điện trở và dung kháng của phụ tải hay thay đổi điện dung ký sinh sẽ nhận được những thay đổi về sai số biên độ và sai số pha Chương này sẽ làm rõ mối quan hệ đó và đưa ra những kết luận cần thiết

Chương 5: Kết luận

As the socio-economic situation is on the rise nowadays, EVN will play an increasingly important role It affects the existence, expansion of all types of industry, economic, and services etc Therefore, the Vietnamese power system must develop to fulfill its role

During the operation of the power system, the incident and the unusual working mechanism of devices may occur This can lead to damage the electrical equipments, and power failure causes the loss in the economy in general and the EVN in particular Therefore, the power system requires the measurement and protection devices to quickly detect the problem, isolate the problem, and prevent the blackouts The measuring equipment is current and voltage transformers These devices transform the voltage and current from large values to the appropriate values to provide for measurement, automation and protection Voltage transformers generally include electromagnetic and capacity

Capacitive measurement transformers are quite popular in the transmission grid power system network in general and in Vietnam in particular Basic principle of current and voltage transformers is the accuracy of the output voltage as the input voltage in all operating conditions of the equipment In stable conditions, this requirement can be achieved based on the design and adjustment of the current and voltage transformers However, the accuracy of the current and voltage transformers reduced under transient conditions by induction, capacitor banks or non-linear components Therefore, the transitional impact of current and voltage transformers should be known

Nowadays, the increasing demand for electrical energy and the investment in the power system requiring a lot of funds lead to power shortages and power quality deterioration This directly affects the electrical appliances, particularly affects sensitive electronic equipment such as: information systems, industrial control Therefore, this research is to reduce the errors in the measurement device and also somewhat reduces the power incident on the system

Today, the world has many high-voltage measuring devices with high technology Therefore, the accuracy of the measurement is enhanced accordingly With the progress of science and technology growth, the direct recorded signal devices such

as oscilloscope, digital gauges, etc has higher accuracy Therefore, improving the

accuracy of measuring voltage and high-voltage equipment is an essential task and hot events in the field of measurement, especially in the area of industrial frequency

The thesis solved an important part in a series of problems about how to enhance the accuracy of the measurement voltage and high-voltage equipment- the study of the characteristic parameters of the device, from which the research build the realistic model of the device

Thesis applied the achievements of application equipment manufacturers is to compensate the primary inductance to improve the accuracy of the voltage measurement device From this, the thesis comes up with new ways to increase accuracy by secondary side offset or compensate for the primary and secondary side In particular, the characteristic parameters as well as the structure of a voltage

to the variable frequency applied in each region to achieve the desired error This has important implications for manufacturers, by determining the parameters that affect the wrong number of devices designed to meet the accuracy requirements

The thesis includes five chapters and is summarized as follows:

Chapter 1: Overview of measuring voltage transformers in the power system

- Reveal the functions and the role of the measuring voltage transformers in the power system and classification of the measuring voltage transformer

Chapter 2: Research the model of measuring transformer current and voltage transformers

-In chapter 2: the thesis will further research the models of variable voltage measurement current and voltage transformers Use some real pressure on parts at its pros and cons This will particularly clarify the model widely used for pressure current equipment and voltage transformer called a capacitive differential pressure

Chapter 3: Building mathematical expressions and examine a few types of current and voltage transformers in the high voltage system

- Based on the equivalent circuit diagram of current and voltage transformers, the thesis set up the mathematical model of the device error through the current and voltage transformers and applied to survey the type current and

voltage transformers: 123kV, 220kV, 400kV, 500kV by using Matlab software This helps to draw the optimal method to reduce errors and improve the accuracy

Chapter 4: Investigation of changes in the error of a current and voltage transformers model under load and parasitic capacitance

- When changing the resistor value and the size of the load resistance and parasitic capacitance change will lead to the changes in the amplitude error and phase error This chapter will clarify this relationship and draw the necessary conclusions

Chapter 5: Conclusion

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn .ii

Tóm tắt luận văn iii

Abstract vii

Mục lục ix

Chương 1: Tổng quan về biến áp đo lường trong hệ thống điện 1

1.1 Chức năng và vai trò của biến điện áp đo lường 1

1.1.1 Chức năng 1

1.1.2 Vai trò quan trọng của biến điện áp 1

1.1.3 Cấp chính xác của thiết bị đo lường hiện nay 4

1.2 Phân loại biến áp đo lường 5

1.2.1 Biến điện áp điện từ 5

1.2.2 Biến điện áp kiểu tụ phân áp CVT 8

1.2.3 Biến điện áp kiểu mới 10

Chương 2: Nghiên cứu mô hình biến áp đo lường CVT 13

2.1 Mô hình các phần tử của bộ bù phân áp bằng tụ (CVT) 13

2.1.1 Cấu tạo 13

2.1.2 Các mô hình CVT 15

2.2 Các phương pháp nâng cao độ chính xác của thiết bị đo lường 17

2.2.1 Phương pháp ước lương các thông số 11

2.2.2 Phươngpháp bù động on-line 12

Chương 3: Giải tích mô hình biến áp đo lường 19

3.1 Biểu thức toán học để tính sai số của thiết bị đo lường 19

3.2 Phương pháp nâng cao độ chính xác 23

3.2.1 Thông số mô hình tham khảo 23

3.2.2 Nguyên lý bù nâng cao độ chính xác của thiết bị 23

3.2.3 Phương pháp làm giảm sai số của CVT 23

3.3 Khảo sát một vài loại CVT trong hệ thống điện cao thế 24

3.3.1 Khảo sát CVT 123kV trong hệ thống điện cao thế 24

3.3.2 Khảo sát CVT 220kV trong hệ thống điện cao thế 33

3.3.3 Khảo sát CVT 400kV trong hệ thống điện cao thế 40

3.3.4 Khảo sát CVT 500kV trong hệ thống điện cao thế 48

3.4 Khảo sát các giá trị bù và so sánh trên cùng một đồ thị 58

3.4.1 Khảo sát các giá trị và so sánh trên cùng một đồ thị CVT 123kV 58

3.4.2 Khảo sát các giá trị và so sánh trên cùng một đồ thị CVT 220kV 64

3.4.3 Khảo sát các giá trị và so sánh trên cùng một đồ thị CVT 400kV 69

3.4.4 Khảo sát các giá trị và so sánh trên cùng một đồ thị CVT 500kV 74

Chương 4: Khảo sát CVT khi thay đổi giá trị tải và điện dung ký sinh 80

4.1 Khảo sát CVT 123kV 80

4.1.1 Khảo sát CVT 123kV khi thay đổi giá trị tải 80 4.1.2 Khảo sát CVT 123kV khi thay đổi điện dung ký sinh đầu vào CVT 84

4.2 Khảo sát CVT 220kV 87 4.2.1 Khảo sát CVT 220kV khi thay đổi giá trị tải 87 4.2.2 Khảo sát CVT 220kV khi thay đổi điện dung ký sinh đầu vào CVT 91

Chương 7: Kết luận 94 Tài liệu tham khảo

Phụ lục

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:

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:

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

3 0 2

B C

X

VT C

B C

K U

Z

Z

Z

K Z

/ / '

' 1 1

cosRe

1

' 'sin

Im

' 1 1

K K

- 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