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.

1 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. Bão hoà lõi từ và tác động giới hạn dòng 17 4.1. Biến dòng dùng thanh sơ cấp và dây cuốn sơ cấp 18 4.2. Tải quy đổi 20 eBook for You 2 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 eBook for You 3 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 bảo thấp hơn nhiều so với ngưỡng bão hoà. 2.1. Sai số biến điện áp Có 2 giá trị sai số quan trọng cần lưu ý. n : 1 Zp Ze Vp Zs Zb Vs eBook for You 4 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). Hình 2. Biến điện áp kiểu tụ (C1: tụ cao áp; C2: tụ hạ áp; T: biến áp dây quấn) C1 C2 L T Zb eBook for You 5 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. 2.4. Phản ứng quá độ của Phản ứng quá độ của CVT ít hơn so với VT và có những sai số do tác động của rất nhiều yếu tố. Một CVT có thể xem như mạch cộng hưởng nối tiếp. Ví dụ trong điểu kiện thay đổi điện áp sơ cấp đột ngột (suy giảm điện áp do sự cố) thường xảy ra các dao động (thường là 10kHz) do tương tác của điện dung nối tiếp và điện kháng từ hoá của biến áp trung gian. Các dao động ở mức 300Hz cũng xảy ra trong điều kiện tương tự do tương tác của điện kháng biến thiên nối C1 L Zb Vi = Vp C1 + C2 C = C1 + C2 eBook for You 6 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 tụ Cần 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 C Rp R m L m C m Rs Ls Zb Vs C1 Vi = Vp C1 + C2 eBook for You 7 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 trung gian eBook for You 8 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 (V A ) 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. C1 V C1 i C1 C2 V C2 L B V S V A B Công suất Bộ khuếch đại trước Bộ khuếch đại công suất V C3 C 3 V P eBook for You 9 Hình 7. Ví dụ về biến điện áp phân nấc Dạng 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. eBook for You 10 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 vòng.(ring-wound). Cấu trúc điển hình của dạng ring-wound được mô tả trên hình 9. V S E S X m R m Z P I P I P’ n : 1 Z S I S = I P’ /n eBook for You [...]... lên điện trở của biến dòng Điện áp này tuỳ thuộc vào phụ tải biến dòng trong điều kiện sự cố trầm trọng nhất Thông thường nên giới hạn điện áp cuộn dây không quá 1kV để đảm bảo mức an toàn phù hợp cho các cấp cách điện Khi sử dụng biến dòng phân nhánh cần kiểm tra để đảm bảo tác động tự ngẫu không gây quá áp cho cuộn biến dòng hở.Thông thường điện áp cuộn dây biến dòng 1A sẽ giảm nếu điện trở dây dẫn... điện áp thứ cấp sẽ cao hơn gấp 5 lần so với điện áp thứ cấp của biến dòng 5A Biến dòng bão hoà với hệ số giới hạn chính xác thấp thường được dùng cho các rơ-le nhiệt do nhiệt lượng tỷ lệ với bình phương dòng điện biến dòng 4.4 Các yêu cầu cách điện Khác biệt giữa 2 yêu cầu cách điện này là cách điện của cuộn nhất thứ không phụ thuộc vào định mức dòng thứ cấp Trong khi đó điểm uốn điện áp của biến dòng. .. thiết đối với biến dòng vì không đem lại hiệu quả vận hành trong khi giá thành tăng nhiều và kích thước cũng lớn hơn 3.7 Các chỉ dẫn cho sử dụng biến dòng Mối liên hệ giữa cấp chính xác biến dòng, dòng vận hành tối đa và phân loại bảo vệ Cấp chính xác, điện áp đầu ra, độ chính xác của CT được lựa chọn tuỳ theo dạng rơ-le bảo vệ, mức dòng sự cố và tỷ số X/R của nguồn cấp Các mạch bảo vệ điển hình có... 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... dụng cho biến dòng bảo vệ Biến dòng cấp 10P được sử dụng làm biến dòng bão hoà tốt hơn là biến dòng cấp 2.5P 4.1 Biến dòng dùng thanh sơ cấp và dây cuốn sơ cấp Biến dòng được chế tạo với các hình dáng, chủng loại và kích thước rất khác nhau Biến dòng dùng thanh sơ cấp hình thành từ một thanh dẫn sơ cấp do nhà chế tạo cung cấp hoặc từ dạng khung hay sứ xuyên được lắp đặt trên một thanh dẫn hoặc cáp có... của biến dòng khi đặt các biến dòng trong chân sứ hoặc máy cắt Các biến dòng 1A nhỏ hơn sẽ phù hợp với giải pháp này 22 eBook for You Trong các điều kiện vận hành thì điện áp cuộn dây có ý nghĩa quan trọng hơn Với cùng khả năng hoạt động khi quá độ điện trở dây dẫn biến dòng 1A có thể gấp 12,5 lần điện trở dây dẫn biến dòng 5A (điện trở rơ-le coi như không đáng kể so với điện trở dây dẫn) 4.7 Ứng dụng. .. 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 ohm: điện áp : 5 VA / 1 A = 5 V điện trở : 5 V/ 1 A = 5 ohm Còn đối với biến dòng 5 A điện áp: 5 VA / 5 A = 1 V 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. .. nhất phải được vận dụng khi xác định điện áp điểm uốn Tuy vậy yêu cầu được giảm bớt do khi rơle 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 áp ứng yêu cầu Trong nhiều trường hợp biến dòng sử dụng cho bảo vệ quá dòng sẽ đấu nối cả... điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp ở mức điện áp hệ thống, vf cách điện của cuộn thứ cấp để chịu được điện áp thứ cấp trong các điều kiện sự cố và thử nghiệm 4.5 Điện áp làm việc Với cùng một công suất truyền qua biến dòng giá trị điện áp sẽ tăng tỷ lệ với mức giảm dòng Điện áp trong nhiều hệ thống nhị thứ 5A được coi là mức cần thiết cao nhất Công suất cần thiết cho mạch nhị thứ với dòng thứ cấp nhỏ hơn... 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 . điểu kiện thay đổi điện áp sơ cấp đột ngột (suy giảm điện áp do sự cố) thường xảy ra các dao động (thường là 10kHz) do tương tác của điện dung nối tiếp và điện kháng từ hoá của biến áp trung gian kiện tương tự do tương tác của điện kháng biến thiên nối C1 L Zb Vi = Vp C1 + C2 C = C1 + C2 eBook for You 6 tiếp và điện dung cuộn dây của biến áp trung gian. Mạch thay thế đầy đủ cho CVT 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