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

1 Chương I: TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐIỆN ÁP ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1. CHỨC NĂNG VÀ VAI TRÒ CỦA BIẾN ĐIỆN ÁP ĐO LƯỜNG 1.1.1. Chức năng - Biến điện áp (BU) dùng để biến đổi điện áp từ trị số lớn xuống trị số thích hợp (110 kV hay 110/ kV ) dùng để cung cấp cho các dụng cụ đo lường, relay và tự động hóa. Như vậy, các dụng cụ thứ cấp được tách ra khỏi mạch điện cao áp nên rất 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 2 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. 3 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 Ngõ vào CVT Thời gian 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 4 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 U 1 = (0.9÷1.1)U 1đm , 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) IEC IEEE 50Hz - IEC 60Hz - IEEE 0.1 100 0.2 0.3 300 400 0.5 0.6 600 800 1 1.2 1200 1200 5 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 áp đến 500V. - Biến điện áp dầu được chế tạo với điện áp 3kV trở lên và dùng cho thiết bị phân phối cả trong nhà lẫn ngoài trời. - Đối với điện áp 110kV trở lên, để giảm bớt kích thước và làm nhẹ cách điện, người ta dùng biến điện áp kiểu dung (CVT - Capacitor Voltage Transformer). Trong biến điện áp này, người ta dùng bộ phân chia điện áp bằng tụ để lấy điện áp trung gian rồi mới đưa vào biến điện áp. Điện áp lấy trên tụ C 2 bằng khoảng 10- 30kV, sau đó nhờ biến điện áp 1 pha hạ xuống điện áp thích hợp cho đo lường, relay và tự động hóa. - 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. 6 - 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 Nguồn điện cao thế Tải 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 7 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 a γ -x γ , một cuộn dùng cho đo lường, một cuộn dùng cho bảo vệ. Hai cuộn bù (CB 1 ) và (CB 2 ) dùng để phân bố điện áp đều trên hai cuộn cao áp khi mạch thứ cấp có tải. Hình 1.4 Sơ đồ máy biến điện áp kiểu nối tầng Hình 1.5 Sơ đồ máy biến điện áp kiểu nối tầng hiện đại 8 - 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 9 - 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 10 - Bộ phân áp gồm hai tụ C 1 và C 2 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 A 1x , nối tiếp qua cuộn kháng (P) cộng hưởng với trị số tụ điện (C 1 + C 2 ) và cuộn lọc cao tần đấu song song với tụ điện C 2 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 U s được bộ tụ phân áp giảm xuống trị số U s /K u ,với K u -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 [...]... 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... 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 13 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... 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 19 Chương III: GIẢI TÍCH MÔ HÌNH BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG 3.1 Biểu thức toán học để tính sai số của thiết bị đo lường Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy biến áp đo lường Ta có: KCVT = U1 / U2 - Hệ số của bộ CVT KED = U1 / U1C - Hệ số của bộ chia áp KVT = UVT / U2 - Hệ số biến đổi của biến. .. thông số CVT qua đường đặc tính áp 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 áp ứng tần số Để đạt được điều này, đo lường biên độ và pha của áp 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... biến áp - Sai số toàn phần của CVT: V : ; 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 20 Hình 3.2 Sơ đồ thay thế của máy biến áp đo lường đối với sơ đồ mạch tương đương thay thế Trong đó các tham số được qui Tính toán đổi về phía thứ cấp U2  C'1, R'c1, C'2, R'c2 - là các tham số của tụ... 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... 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 áp 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. .. thị sai số pha và sai số biên độ khi K=1, δ=20 (RPB=20000Ω, LPB=841.69H, RPH=0Ω, LPH=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 36 - Ở đây ta sử dụng phương pháp giảm sai số bằng cách thay đổi thông số cuộn cảm... 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 16 17 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH... 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 áp 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 . 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. 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. 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.