Bên cạnh đó, nhóm tác giả đã thực hiện mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như thành phần DC, tổng trở tải, và độ lớn dòng điện sự cố đến sai số, mức độ bão hòa của CT nhằm k[r]
(1)Lê Kim Hùng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 129 - 134
THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN MỨC ĐỘ BÃO HÒA CỦA BIẾN DÒNG ĐIỆN
Lê Kim Hùng1, Vũ Phan Huấn2*
1Trường ĐH Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; 2Công ty TNHH MTV Thí nghiệm điện Miền Trung TĨM TẮT
Mục đích báo đề xuất cách xây dựng mơ hình tốn học biến dịng điện (CT) phần mềm Matlab Simulink dựa sở khoa học trình bày Ủy ban rơle bảo vệ hệ thống điện IEEE (PSRC) kết thử nghiệm thực tế CT 22 kV loại 200/1A 5P20 20 VA Nhà máy thủy điện Tiên Thuận thiết bị Vanguard EZCT-2000 Bên cạnh đó, nhóm tác giả thực mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng yếu tố thành phần DC, tổng trở tải, độ lớn dòng điện cố đến sai số, mức độ bão hòa CT nhằm khuyến nghị dùng loại CT phù hợp, đặc biệt lĩnh vực rơle bảo vệ Kết báo giúp nhà nghiên cứu, vận hành có thơng tin dịng điện cố trực quan nhằm phục vụ cơng tác phân tích, báo cáo xác định nguyên nhân bão hòa CT mặt lý thuyết thực nghiệm
Từ khóa: Đường dây truyền tải điện;biến dịng điện; đặc tính từ hóa V-A; thành phần DC; Matlab Simulink
MỞ ĐẦU *
Độ tin cậy hệ thống rơle bảo vệ (RLBV) phụ thuộc vào làm việc xác thiết bị đo lường Trong đó, phần tử biến dịng điện (CT) thiết bị đóng vai trò quan trọng việc dùng để chuyển đổi dòng điện thứ có giá trị lớn sang dịng điện nhị thứ (định mức 1A, 5A) phù hợp cho cổng dòng đầu vào đồng hồ đo lường RLBV Các CT ngăn lộ lựa chọn dựa thông số kỹ thuật hãng sản xuất ghi nhãn, ví dụ hình Ngồi ra, CT cịn có tài liệu kỹ thuật thơng số đặc tính bão hịa V-A cuộn dây kèm để đơn vị quản lý vận hành thí nghiệm định kỳ suốt thời gian làm việc thiết bị Hầu hết CT thiết kế làm việc điều kiện mang tải bình thường, điểm làm việc nằm thấp điểm gãy đặc tính V-A Nếu cố có tham gia thành phần DC dịng điện thứ lớn làm tăng nhanh q trình bão hịa Khi CT bão hịa, điểm làm việc nằm đường cong phi tuyến đặc tính (cao điểm gãy), làm cho dịng điện thứ cấp bị méo dạng có sai số lớn [1]
*
Tel: 0983 421980, Email: vuphanhuan@gmail.com
Trong thực tế vận hành, phân tích đọc ghi cố từ RLBV câu hỏi đặt giá trị dịng thứ xác CT bị bão hòa Vấn đề này, chưa chuyên gia thí nghiệm giải đáp thỏa đáng, hạn chế mặt thiết bị thử nghiệm bơm dịng điện thứ có giá trị lớn cơng trường trạm biến áp, nhà máy Ví dụ CT 200/1 loại 5P20 yêu cầu thiết bị bơm kiểm tra giá trị dòng điện thứ > 4kA cho sai số > 5%
(2)Lê Kim Hùng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 129 - 134 characteristic”, “Core loss resistance and
initial flux” Cho nên hầu hết nghiên cứu công bố [2-3] dừng lại việc thay đổi tỷ số biến sử dụng lại CT ví dụ điển hình mà Matlab đưa nên chưa phù hợp với yêu cầu áp dụng vào thực tế Để giải vấn đề này, báo dựa kết thử nghiệm đặc tính V-A loại CT thực tế để xây dựng mơ hình tốn học CT phần mềm Matlab Simulink Sau đó, đánh giá ảnh hưởng yếu tố (phụ tải, thành phần DC, độ lớn dòng điện cố) đến cấp xác, tỷ số biến dịng từ hóa CT
THỬ NGHIỆM BIẾN DỊNG ĐIỆN
Hình Sơ đồ đấu nối thử nghiệm CT Trước đóng điện dưa vào vận hành, CT cần tiến hành thử nghiệm đánh giá chất lượng để xem đạt yêu cầu kỹ thuật theo chuẩn thiết kế hay khơng Do đó, thiết bị Cơng ty TNHH MTV Thí nghiệm điện Miền Trung (CPC ETC) chuẩn bị gồm có Mêgơm Kyoritsu 3121, Máy đo V-A EZCT-2000, Máy đo chiều OM16, máy thử cao AID70 nhằm phục vụ cho việc thực hạng mục đo điện trở cách điện 2,5 kVDC cho cuộn sơ cấp 500VDC cho cuộn
thứ cấp, kiểm tra đặc tính từ hóa, kiểm tra cực tính, đo điện trở chiều cuộn dây thứ cấp, đo tỷ số biến dòng, thử cao xoay chiều tần số 50Hz cho cuộn sơ cấp…
Giả sử với sơ đồ đấu nối đầu nhị thứ đầu vào thứ CT 5P20 200/1A 20VA cho EZCT-2000 xuất tuyến 22 kV NMTĐ Tiên Thuận, tỉnh Bình Định hình 2, tiến hành cài đặt thông số cho EZCT-2000 để thử nghiệm xuất kết thu máy in nhiệt với số liệu sau: Giá trị điểm gãy theo chuẩn IEC 10/50: Vpk = 203,88V, Ipk = 0,0206A
Tỷ số biến CT: 199,652/1A Sai số tỷ số biến: 0,174% Ex V = 123,7V, Ex I = 0,01A Góc pha: - 0,060
Cực tính CT: In Phase Điện trở cuộn dây: 2,91Ω
Bởi hạn chế thiết bị nên thí nghiệm đặc tính từ hóa, EZCT-2000 bơm dịng nhị thứ đến ngưỡng dòng 1A kết đường cong từ hóa biểu diễn mối quan hệ giá trị điện áp kích thích (ve) dịng điện
kích thích (ie) trình bày cụ thể bảng
1, hình
(3)Lê Kim Hùng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 189(13): 129 - 134 Bảng Kết kiểm tra CT
TT Curent [A] Voltage [V] Z [Ω]
1 0,001 6,51 6510,0
2 0,002 15,78 7890,0
3 0,004 39,39 9847,5
4 0,005 53,64 10728,0
5 0,008 100,86 12607,5
6 0,01 129,59 12959,0
7 0,02 201,70 10085,0
8 0,04 234,08 5852,0
9 0,05 241,04 4820,80
10 0,08 253,02 3162,75
11 0,1 257,83 2578,3
12 0,2 271,18 1355,9
13 0,4 281,61 704,02
14 0,5 284,64 569,28
15 0,8 290,73 363,41
16 1,0 293,66 293,66
MƠ HÌNH THAY THẾ BIẾN DỊNG ĐIỆN Mơ hình mạch điện thay CT
Mơ hình mạch điện thay CT Ủy ban rơle bảo vệ hệ thống điện IEEE (PSRC) trình bày cho hình gồm có: CT lý tưởng (cuộn dây sơ cấp P1-P2 có vịng dây nên bỏ qua tổng trở phía sơ cấp, cuộn thứ cấp có N vịng dây) nối song song với cuộn cảm phi tuyến đặc trưng mối quan hệ từ thơng móc vịng qua cuộn dây; đầu S1-S2 phụ tải (Đồng hồ, rơle, thị cố…)
Hình Mơ hình mạch điện thay CT Các ký hiệu bao gồm:
i1: dòng điện nhât thứ [A]
N: tỷ số biến dòng
is = i1/N: dòng điện thứ cấp lý tưởng [A]
i2 = is - ie: dòng điện thứ cấp [A]
Rw: điện trở cuộn dây [Ω]
Rb: điện trở tải [Ω]
Rt = Rw + Rb
Lb: điện kháng tải [H]
Tính tốn sai số CT thực theo bước sau:
Bước 1: Tìm độ dốc đặc tính 1/S
Hình Tìm độ dốc đặc tính CT Sau có đặc tính V-A thực tế CT, thực tìm độ dốc (1/S) đoạn đặc tính nằm phần đường cong bão hịa hình 5, xét từ điểm (0,1, 257,83) đến điểm (1,0, 293,66) theo cơng thức tính [4]:
Ve = Vs×Ie 1/S
(1) Trong đó: S định nghĩa nghịch đảo độ dốc 1/S cần tìm cho thỏa mãn điều kiện ràng buộc: 15 < S < 25
Như vậy, với Ve = 257,83V, Ie = 0,1A, Vs =
293,66V, ta có S = 18
Bước 2: Tính từ thơng liên kết λ
Mối quan hệ λ ve theo định luật
Faraday, bỏ qua điện trở không đáng kể cuộn dây thứ cấp Rw Ta có [4]:
1
1 | |
s
t e t s b
e S
b
di
R i R i L
d dt
v
dt L A S
(4)Lê Kim Hùng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 189(13): 129 - 134
e
v dt
(3)
Bước 3: Tính dịng điện từ hóa ie
Mối liên hệ đặc tính phi tuyến ie λ
được viết dạng [4]:
| | sin( )
S
S e
e
V
i A A t
(4)
Giá trị hiệu dụng tính được:
2
2 2S
0
2
1
sin ( )
2
S e
e e
V
I i dt A t dt
(5)
Từ (5), ta xác định hệ số A = 0,0181 thông qua điểm Ie = A, Ve = 293,66 V
Để đảm bảo tính đối xứng cho đặc tính ie λ
như hình S số lẻ, ta thêm vào biểu thức (4) dấu từ thông sgn(λ):
ie = sgn(λ)×|λ|S (6)
Hình Đặc tính từ hóa ie λ
Bước 4: Tính sai số CT
100%
e s
i e
i
(7)
Nhận xét: Công thức (2), (3), (6), (7) giúp hiểu biết đầy đủ nguyên nhân gây sai số CT:
- Dòng điện ie cao, sai số CT lớn
- Nếu điện trở tải tăng dòng điện thứ i1 tăng cao, dẫn đến ve tăng, làm cho ie
tăng, sai số CT tăng theo
Xây dựng mơ hình biến dịng điện Matlab Simulink
Hình 7a Mơ hình hệ thống điện mơ
Hình 7b Mơ hình biến dịng pha Mơ hình hóa CT mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng độ bão hịa CT làm ảnh hưởng đến hiệu làm việc RLBV Việc xây dựng mơ hình toán học CT dựa phần mềm Matlab Simulink cho phép người dùng sử dụng thư viên SimPower System dễ dàng tích hợp trực tiếp vào hệ thống điện nghiên cứu, ví dụ với cấu trúc hình gồm có phần tử: - Đường dây 22 kV
- Khối máy cắt pha
- Khối thu thập liệu dòng điện điện áp pha - Khối hiển thị: dạng sóng dịng điện, điện áp cố, is, i2, thành phần DC, sai số
- Khối cố ba pha: dòng điện cố hệ thống điện thực tế chứa đại lượng biến thiên thành phần DC phụ thuộc vào góc cố tỷ số X/R hệ thống Thành phần DC lớn góc khởi tạo cố -900
hoặc 900
DC thấp 00 1800 Khi tỷ số X/R hệ thống khối nguồn tăng lên thời gian làm cho thành phần DC suy giảm giá trị bị giữ lâu [5]
- Khối biến dòng ba pha đề xuất (CT Model) xây dựng từ công thức (1) đến (7) Giả sử CT có pha A, B, C chủng loại với đặc tính gần giống Cho nên, ta cần trình bày kết dạng sóng pha A KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
(5)Lê Kim Hùng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 189(13): 129 - 134 Vs > is×(Rw + Zb) (8)
Vs > (1 + X/R)×is×(Rw + Zb) (9)
Ta xét 04 trường hợp cố gây tượng bão hòa CT sau:
Trường hợp 1: xảy cố pha với dòng điện thứ 20 lần dòng thứ định mức (4 kA), thời điểm 0.105 s (thành phần DC có giá trị bé 4A), Zb = 15 + j2 Ω
Hình Kết cố trường hợp
Nhận xét: dạng sóng trình bày hình cho
thấy dịng điện i2 khơng bị méo dạng, gần
trùng với dòng điện is, CT có sai số < 3%
Trường hợp 2: xảy cố với dòng điện thứ 20 lần dòng thứ định mức (4 kA), thời điểm 0,1 s (thành phần DC có giá trị lớn 10,15 A), Zb = 15 + j2 Ω
Hình Kết cố trường hợp
Nhận xét: hình cho thấy dịng điện i2 bị méo
dạng so với dòng is có tham gia
thành phần DC tồn khoảng thời gian từ 0,1s đến 0,15s (tỷ số X/R = 10), làm cho sai số CT lớn 80%
Trường hợp 3: cố với dòng điện thứ 20 lần dòng thứ định mức (4kA),
tại thời điểm 0,1055 s (thành phần DC có giá trị bé A), Zb = 25 + j2 Ω
Hình 10 Kết cố trường hợp
Nhận xét: hình 10 cho thấy dòng điện i2 bị
méo dạng so với dòng is tác động tải
lớn, làm cho sai số CT lớn 30%
Hình 11 Kết cố trường hợp
Trường hợp 4: cố với dòng điện thứ 40 lần dòng thứ định mức (8 kA), thời điểm 0,105 s (thành phần DC có giá trị bé A), Zb = 15 + j2 Ω
Nhận xét: kết trình bày hình i1 cho thấy
dịng điện i2 bị méo dạng so với dòng is tác
động dòng điện cố lớn, làm cho sai số CT lớn 47%
KẾT LUẬN
(6)Lê Kim Hùng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 129 - 134 đến CT bị bão hòa dòng ngắn mạch chứa
thành phần tín hiệu DC lớn tổng trở tải lớn Khi CT bị bão hịa dạng sóng dịng điện i2 bị méo dạng bị sai khác so với dạng
sóng dịng is, sai số CT tăng lên Cho nên,
việc biết bão hòa mạch từ CT xảy nào, đường cong từ hóa CT cao hay thấp giúp biết loại CT dùng có phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế khơng Ngồi ra, kết nghiên cứu báo sử dụng làm sở để đánh giá ảnh hưởng bão hòa CT đến chức bảo vệ dòng, so lệch khoảng cách rơle bảo vệ nghiên cứu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 J Duncan Glover, Thomas Overbye, Mulukutla S Sarma (2012), “Power System Analysis and Design”, Cengage Learning
2 R P Pandey, R N Patel (2014), “A CT Saturation Detection Algorithm Using Secondary Current Third Difference Function”, International Journal of Engineering Development and Research, Volume 2, Issue 2, pp 2774 - 2779 Thilepa R, Yogaraj J, Vinoth Kumar C S, Santhosh P K (2016), “Saturation Analysis on Current Transformer”, International Journal of Future Innovative Science and Technology, Volume-2, Issue-2, May - 2016
4 IEEE Power System Relaying and Control Committee, CT Saturation Theory and Calculator, truy cập trang http://www.pes-psrc.org
5 Jan Machowski, Janusz Bialek, Jim Bumby (2008), “Power System Dynamics: Stability and Control”, John Wiley & Son Ltd
6 IEEE C37.110-2007, “IEEE Guide for the Application of Current Transformers Used for Protective Relaying Purposes”, IEEE Power Engineering Society, April 2008
ABSTRACT
TESTING AND EVALUATION OF FACTORS AFFECTING THE CURRENT TRANSFORMER SATURATION
Le Kim Hung1, Vu Phan Huan2,*
1
University of Science and Technology Da Nang;
2
Center Electrical Testing Company Limited The purpose of this paper proposes the building of a mathematical current transformer model (CT) in the Matlab Simulink software that based on the CT Saturation Theory and Calculator presented by the IEEE Power System Relaying and Control Committee (PSRC) and the practical testing results of CT 22kV 200/1A 5P20 20VA at Tien Thuan Power Plant by Vanguard EZCT-2000 device In addition, the authors perform favorable simulation, evaluating the effect of factors such as DC component, load burden, and fault current which make error ratio, CT saturation It recommends using appropriate CT, especially in the field of protection relay The results of the article can help researchers to have visual information about fault current value for analyzing, reporting and identifying the cause of CT saturation, both theoretically and practically
Keywords: Transmission line; Current transformer; Saturation characteristic V-A; DC component; Matlab Simulink
Ngày nhận bài: 12/11/2018; Ngày hoàn thiện: 27/11/2018; Ngày duyệt đăng: 30/11/2018
*