Nghiên cứu ảnh hưởng của đặc tính biên độ tần số và pha tần số lên độ chính xác của các bộ biến đổi điện áp kiểu dung

!" #$ % & !" ' ) * $ %3 / ) + 01 % #$ $2 ( , - + 62 7898 CƠNG TRÌNH ðƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ trường ðại học Bách Khoa , ðHQG Tp HCM ngày …… tháng ……… năm 2010 Thành phần Hội ñồng ñánh giá luận văn thạc sĩ gồm : Xác nhận Chủ tịch Hội ñồng ñánh giá Luận văn Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn ñã ñược sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ mơn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ðIỆN – ðIỆN TỬ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ðộc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc Tp HCM, ngày tháng năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: BÙI QUÝ THẠCH Phái: …Nam………… Ngày, tháng, năm sinh: 01/04/1967 Nơi sinh: TP HỒ CHÍ MINH Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ðIỆN MSHV: 01808319 1- TÊN ðỀ TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng đặc tính biên độ - tần số pha – tần số lên độ xác biến ñổi ñiện áp kiểu dung 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Xây dựng mơ hình tốn học phân áp kiểu dung tổng quát n phần tử, có xét đến ảnh hưởng thơng số điện trở rị, điện cảm, tụ ký sinh phân áp với ñất với cực cao áp Chứng minh mối quan hệ tín hiệu tín hiệu vào trường hợp tổng quát n phần tử - Xác ñịnh biểu thức hàm truyền, ñặc tính biên độ - tần số pha –tần số miền tần số phân áp kiểu dung tổng quát Khảo sát , nhận xét, ñánh giá ảnh hưởng thông số cấu thành phần tử phân áp kiểu dung đặc tính biên độ -tần số đặc tính pha –tần số từ xác định ảnh hưởng thơng số phần tử đến độ xác phép đo để ñề xuất biện pháp làm giảm sai số - Sử dụng phần mềm tin học (Matlab) để mơ nhằm thể trực quan ảnh hưởng ñặc tính biên độ - tần số , pha – tần số hàm truyền, tín hiệu vào phân áp, sai số tín hiệu tín hiệu mẫu đồ thị chiều hay chiều (theo thông số giá trị phần tử gây ảnh hưởng) Nhận dạng vùng ảnh hưởng phần tử cấu thành biến ñổi ñiện áp cao áp tới sai số phép ño - ðưa biện pháp, ñề xuất với nhà sản xuất thiết kế, chế tạo, sản xuất phân áp cao áp nhằm nâng cao độ xác, giảm sai số đo 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 25/01/2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/7/2010 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi ñầy ñủ học hàm, học vị ): .Tiến sĩ HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG Nội dung ñề cương Luận văn thạc sĩ ñã ñược Hội ðồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Hồ Văn Nhật Chương, ñã tận tụy hướng dẫn cụ thể bước nghiên cứu giải vấn ñề, giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầy giảng dạy Trường Bách Khoa TP HCM, thầy cô thuộc Khoa ðiện – ðiện tử ñã truyền ñạt kiến thức để tơi hồn thành nhiệm vụ Tơi xin cảm ơn gia đình, bạn hữu nguồn động viên, giúp đỡ tơi q trình học tập nghiên cứu Bùi Quý Thạch TÓM TẮT LUẬN VĂN Việc nghiên cứu thiết bị đo lường thơng số mạch điện cao áp cơng việc khó khăn, tốn Do ảnh hưởng mơi trường điện áp cao, thơng số điện trở rị, ñiện dung ký sinh … phần tử mạch tham gia vào q trình hoạt động gây sai số ñáng kể làm ảnh hưởng ñến việc đo lường, bảo vệ tồn hệ thống điện Khảo sát ảnh hưởng ñại lượng thực q trình khơng đơn giản Chúng ta có nhu cầu lớn việc nghiên cứu đề xuất biện pháp cho việc chế tạo, lựa chọn thiết bị, dụng cụ đo lường cho tín hiệu có sai số cho phép để đảm bảo hoạt ñộng an toàn , tin cậy cho hệ thống ñiện Luận văn nghiên cứu, xây dựng mơ hình toán học cho dạng phân áp tiêu biểu ñang ñược sử dụng thông dụng lưới ñiện Xây dựng biểu thức hàm truyền có xét ñến giá trị ký sinh mạch ñiện cao áp phân tích ảnh hưởng giá trị thơng số đến độ xác hay sai số phép đo Từ giúp định hướng chế tạo, sản xuất thiết bị, dụng cụ đo có độ xác cao Luận văn gồm chương Chương Các loại máy biến ñiện áp kiểu dung sử dụng hệ thống điện Chương trình bày vai trị, chức máy biến ñiện áp hệ thống ñiện, gồm nội dung: - Vai trò, chức máy biến ñiện áp ño lường - Các loại máy biến điện áp thơng dụng: cấu tạo, ngun lý, phân loại, thành phần - Các loại phân áp tiêu biểu - Mạch triệt tiêu cộng hưởng sắt từ - Cấp xác thiết bị Chương Phép biến ñổi Fourier phổ tần số tín hiệu Chương trình bày cơng cụ tốn học phép biến đổi Fourier để khảo sát dạng tín hiệu miền tần số, phương pháp nghiên cứu đặc tính biên độ - tần số, pha – tần số hàm truyền, tín hiệu vào liên quan ñến sai số ño Gồm : - Phép biến ñổi Fourier dạng biến ñổi - Tìm hiểu biến ñổi Fourier thuận áp dụng cho trường hợp tín hiệu liên tục - Tìm hiểu biến ñổi Fourier nghịch áp dụng cho trường hợp tín hiệu liên tục hay rời rạc - Áp dụng để nghiên cứu số phổ tín hiệu khơng chu kỳ có chu kỳ Chương Mơ hình tốn học biến đổi cao áp kiểu dung phương pháp đặc tính tần số Chương trình bày cách xây dựng mơ hình tốn học phân áp kiểu dung n phần tử, xác ñịnh biểu thức hàm truyền khảo sát ñặc tính tần số theo ảnh hưởng thơng số phần tử cấu thành Gồm nội dung: - Xác ñịnh hàm truyền phân áp - Xác ñịnh ñặc tính biên độ - tần số pha – tần số phân áp - Khảo sát ảnh hưởng đặc tính biên độ tần số pha tần số thơng số, trình bày đồ thị ñặc tính tần số dạng chiều chiều Chương Kết luận Các biện pháp Tổng kết Chương tổng kết từ nhận xét ảnh hưởng đặc tính tần số phân áp đến sai số phép ño ðề biện pháp khắc phục Kết mà luận văn ñạt ñược sau q trình nghiên cứu: - Xác định hàm truyền phân áp tiêu biểu n phần tử - Trên sở đồ thị đặc tính tần số dạng chiều chiều xây dựng chương trình Matlab , phân tích hàm truyền, phổ tín hiệu vào phân áp ảnh hưởng phần tử cấu thành ñến sai số phép ño ðề xuất cách khắc phục, chọn lựa thông số phù hợp cho phân áp ñể chế tạo thiết bị có sai số đo nằm giới hạn cho phép MỤC LỤC PHẦN MỞ ðẦU CHƯƠNG CÁC LOẠI MÁY BIẾN ÁP ðO LƯỜNG KIỂU DUNG SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG ðIỆN 1.1 Vai trò, chức máy biến ñiện áp ño lường 1.2 Phân loại 1.3 Giới thiệu số loại máy biến ñiện áp 1.3.1 Máy biến ñiện áp kiểu cảm ứng ñiện từ ………………………… 1.3.2 Máy biến ñiện áp kiểu tụ phân áp …………………………………8 1.3.3 Cấu tạo máy biến ñiện áp kiểu dung 1.4 Các loại phân áp ………………………………………………………… 10 1.5 1.4.1 Bộ phân áp ñiện trở ……………………………………………… 10 1.4.2 Bộ phân áp ñiện dung …………………………………………… 12 1.4.3 Bộ phân áp dung trở ………………………………………………15 1.4.4 Bộ phân áp ñiện cảm (L1 – L2) phân áp (Z1 – Z2) ………… 17 Mạch triệt tiêu tượng cộng hưởng sắt từ - Ferroresonance Suppression Circuit FSC ……………………………………………………………………18 1.6 Cấp xác máy biến ñiện áp ño lường cao áp ………… 19 CHƯƠNG PHÉP BIẾN ðỔI FOURIER VÀ PHỔ TẦN SỐ CỦA CÁC TÍN HIỆU CƠ BẢN 2.1 Biến ñổi Fourier …………………………………………………………… 20 20 2.1.1 Biến ñổi Fourier liên tục ………………………………………… 20 2.1.2 Chuỗi Fourier …………………………………………………… 21 2.1.3 Biến ñổi Fourier tín hiệu rời rạc DTFT ……………………….22 2.1.4 Chuỗi Fourier rời rạc …………………………………………… 23 2.1.5 Biến ñổi Fourier hữu hạn ………………………………………… 23 2.1.6 Biến ñổi Laplace ………………………………………………… 24 2.2 Tìm hiểu biến đổi Fourier thuận ………………………………………… 2.3 Tìm hiểu biến ñổi Fourier nghịch ………………………………………… 29 2.4 Phương pháp nghiên cứu đặc tính tần số …………………………………… 31 2.5 Nghiên cứu phổ tín hiệu …………………………………… 34 25 2.5.1 Xung dạng hàm mũ ………………………………………………34 2.5.2 Xung bước nhảy đơn vị ……………………………………… 2.5.3 Xung vng …………………………………………………… 37 36 2.5.4 Xung tăng tuyến tính cắt thời gian Tc …………………… Nghiên cứu phổ tín hiệu xoay chiều tần số công nghiệp …………… 38 40 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA BỘ BIẾN ðỔI CAO ÁP KIỂU DUNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ðẶC TÍNH TẦN SỐ 3.1 42 Xác ñịnh mối quan hệ ñiện áp vào ñiện áp biến ñổi cao áp kiểu dung Chứng minh mối quan hệ n số hạng …………………………………42 3.2 Xác định đặc tính biên ñộ - tần số ñặc tính pha – tần số biến ñổi ñiện áp kiểu dung ……………………………………………………………………… 48 3.3 Khảo sát ảnh hưởng đặc tính biên ñộ - tần số ñặc tính pha – tần số …51 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng độ rị ñiện tụ ñiện lên ñặc tính biên ñộ - tần số đặc tính pha - tần số ………………………………………………… 53 3.3.1.1 Trường hợp điện cảm khơng đáng kể L =0 …………………… 53 3.3.1.2 Trường hợp xét giá trị ñiện cảm L ≠ ……………………… 60 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng ñiện dung tụ ñiện dọc phân áp lên đặc tính biên độ - tần số pha –tần số ………………………………………… 69 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng ñiện dung tụ ký sinh phân áp cao áp với đất lên đặc tính biên độ - tần số pha –tần số …………………… 78 3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng ñiện dung tụ ñiện ký sinh phân áp với cực cao áp lên đặc tính biên độ - tần số pha –tần số ………………… 89 3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng qua lại thay ñổi giá trị ñiện dung tụ ký sinh so với ñất tụ ký sinh phân áp với cực cao áp lên ñặc tính biên độ - tần số pha –tần số ………………………………………… 99 3.4 Khảo sát phổ tín hiệu có ảnh hưởng đến đặc tính biên độ - tần số lên ñộ xác phép ño ………………………………………………………………………… 106 3.4.1 Khảo sát phổ tín hiệu xung thao tác 250/2500µs …………………107 3.4.2 Khảo sát phổ tín hiệu xung thao tác ảnh hưởng ñến ñặc tính biên ñộ tần số lên ñộ xác phép ño …………………………………… 109 3.4.3 Khảo sát phổ tín hiệu xung thao tác ảnh hưởng đến đặc tính pha tần số lên độ xác phép đo …………………………………… CHƯƠNG KẾT LUẬN CÁC BIỆN PHÁP PHẦN TỔNG KẾT TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TÀI LIỆU THAM KHẢO - PHỤ LỤC 113 117 Tài liệu tham khảo: [1] ðo lường xung ñiện áp cao – Hồ Văn Nhật Chương, Nhà xuất ðại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh – 2001 [2] Dr.Fernandes Jr., W.W.A Neves, J.C.A Vasconcelos ” Identification of Parameters for Coupling Capacitor Voltage Transformers ”, Proceedings of the ISPT 2001, pp 463 – 468, Rio de Janeiro, June 24-28, 2001 [3] Dr.Fernandes Jr., W.W.A Neves, J.C.A Vasconcelos, “ A Coupling Capacitor Voltage Transformer Representation for Electromabnetic Transient Studies”, International Conferences on Power Systems Transients –IPST 2003, New Orleans, USA [4] Y.C.Kang, T.Y Zheng,Y.H.Kim and S.I.Jang,”Compensation of the Secondary Voltage of a CCVT Considering Hysteresis Characteristics of the Core in Time Domain”, International Conference on Power Systems Transients IPST 2007, Lyon France [5] J.R Lucas, P.G McLaren, W.W.L Keerthipala and R.P.Jayasinghe, ”Improved Simulation Models for Current and Voltage Transformers in Relay Studies”, IEEE Trans On Power Delivery, Vol.7, No.1, pp 152 -159, January 1992 [6] I Izykowski, B.Kaszteny, E.Rosolowski, M.M Saha, and B Hill-strom, “Dynamic compensation of capacitive voltage transformers”, IEEE Trans Power Del., vol 13, no, I, pp 116-122, Jan, 1998 [7] Miloje Tanaskovic, Abdul Nabi, Slobodan Misur, Paolo Diamanti, Ross Mc Taggart, “Coupling Capacitor Voltage Transformers as Harmonics Distortion Monitoring Devices in Transmission Systems”, IPST’05 ,Montreal, Canada, June 19 -23 , 2005 [8] D.Hou , Jeff Roberts, “Capacitive Voltage Transformers: Transient Overreach Concerns And Solution For Distance Relaying”, Electrical and Computer Engineering, 1996 Canadian Conference on Volume 1, Issue , 26-29 May 1996 Page(s):119 - 125 vol.1 [9] Nguyễn Hữu Tình - Lê Tấn Hùng - Phạm Thị Ngọc Yến - Nguyễn Thị Lan Hương, Cơ sở Matlab & ứng dụng, NXB KH Kỹ thuật, 1999 [10] Nguyễn Hoài Sơn - ðỗ Thanh Việt - Bùi Xuân Lâm, Ứng dụng MATLAB tính tốn kỹ thuật, Tập 1, NXB ðHQG Tp HCM, 2000 [11] Mathematics of the Discrete Fourier Transform (DFT) by J.O Smith, CRMA, Stanford, Winter 2002 [12] Fourier Transform, V.J Deneberg, 1999 [13] High Voltage Engineering, - M.S Naidu, V Kamaraju, 1995 [14] E.Kuffeland M Abdullah 1970 High Voltage Engineering, USA [15] Advance Engineering Mathematics, Dean D.Duffy, CRC Press LLC, 1998 105 So sánh đồ thị đường đặc tính giá trị (C1+C2) = 400pF: DAC TINH PHA - TAN SO THEO THONG SO TONG C1+C2 -1.2655 -1.266 -1.2665 Phi (Rads) -1.267 -1.2675 -1.268 -1.2685 -1.269 C1=100 * C2 -1.2695 C1=10 * C2 -1.27 C1=C2 -1.2705 6.24 10 6.25 10 6.26 10 f = ω/2π (Hz) 6.27 10 Hình 3.65 : So sánh đặc tính pha - tần số giá trị tổng (C1+C2) theo tỉ lệ khác C1 C2 Nhận xét kết luận: - Tổng ñiện dung tụ ký sinh phân áp với ñất C1 ñiện dung tụ ký sinh phân áp cực cao áp C2 gây ảnh hưởng đến đặc tính tần số sau: tổng lớn độ lệch biên độ đặc tính biên độ - tần số góc lệch pha đặc tính pha – tần số lớn làm hẹp vùng phổ tần số ổn định - Có thể tăng vùng phổ tần số ổn ñịnh, giảm ñộ lệch biên độ cực đại đặc tính biên độ - tần số giảm giá trị góc lệch pha cực đại đặc tính pha – tần số để giảm suy giảm hay méo dạng tín hiệu so với tín hiệu vào nhằm nâng cao độ xác cách giảm nhỏ giá trị tổng C1 + C2 - Có thể thay đổi C1 để khử tác dụng C2 ngược lại - Thông thường giá trị ñiện dung C1 ký sinh với ñất lớn nhiều so với ñiện dung ký sinh với cực cao áp C2 Tỷ lệ C1 C2 có ảnh hưởng đặc tính sau khơng ñáng kể: tỉ lệ C1 / C2 tăng ñộ lệch biên ñộ ñặc tính biên ñộ giảm, góc lệch pha cực đại giảm, vùng phổ tần số ổn định tăng 106 3.4 Khảo sát phổ tín hiệu có ảnh hưởng đến đặc tính biên độ - tần số lên độ xác phép đo Từ phổ tín hiệu vào Vi(jω) hàm truyền H(jω) phân áp, ta xác định tín hiệu Gọi Vi=Vi (jω), Vo= Vo(jω), H(jω) hàm phức biểu diễn phổ tín hiệu vào, tín hiệu hàm truyền phân áp Vi = V ( jω ) ∠ϕ i (ω ) (3.4.1) Vo = Vo ( jω ) ∠ϕ o (ω ) (3.4.2) Theo ñịnh nghĩa hàm truyền : Vo H ( jω ) = = H ( jω ∠ϕ (ω ) (3.4.3) Vi Quan hệ tín hiệu vào, tín hiệu ra, hàm truyền: Vo = Vi ⋅ H ( jω ) (3.4.4) Vo ( jω ) = H ( jω ) × Vi ( jω ) (3.4.5) ϕo (ω ) = ϕ (ω ) + ϕi (ω ) (3.4.6) Nếu ký hiệu: Vom = Vom ∠ϕom (ω ) (3.4.7) tín hiệu phân áp mẫu có đặc tính biên độ hàm truyền số khơng đổi theo tần số: H m (ω ) = =const đặc tính pha hàm truyền K ϕ m (ω ) = vùng tần số tức góc lệch pha tín hiệu vào tín hiệu ln ðặc tính biên độ - tần số tín hiệu qua phân áp mẫu tính sau: Vom Vi = Vi ⇒ Vom = K K (3.4.8) đặc tính pha – tần số tín hiệu qua phân áp mẫu theo (3.4.6): ϕom (ω ) = ϕ m (ω ) + ϕi (ω ) = ϕi (ω ) (3.4.9) 107 Nhận xét: tín hiệu qua phân áp mẫu có ñặc tính pha – tần số trùng ñặc tính pha – tần số tín hiệu vào Xác định sai số tín hiệu tín hiệu vào phân áp phân áp mẫu sau: Sai số biên ñộ: εm = Vo − Vom × 100% Vom (3.4.10) Sai số pha: ε ϕ = ϕo (ω ) − ϕom (ω ) (3.4.11) Trong phần này, để khảo sát phổ tín hiệu có ảnh hưởng đến đặc tính biên độ - tần số phân áp lên độ xác phép đo, ta dùng phổ tín hiệu xung thao tác 250/2500µs 3.4.1 Khảo sát phổ tín hiệu xung thao tác 250/2500µ µs Biểu thức biểu diễn xung thao tác 250/2500µs miền thời gian có dạng:     U (t ) =  t   −t − U  e τ − e τ    với t