MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP VÀ BIẾN DÒNG ĐIỆN SỬ DỤNG TRONG RƠLE BẢO VỆ

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
11
Hình 9. Cấu trúc điển hình của biến dòng điện
Các tấm lá thép được uốn để tạo thành lõi và được bao phủ cách điện. Cuộn thứ
cấp được cuốn quanh lõi này và có số vòng cần thiết để tạo ra tỷ số mong muốn
với tiết diện vòng dây thích hợp cho phép cuộn dây mang dòng định mức, bên
ngoài có một lớp cách điện nữa bao phủ cuộn thứ cấp. Khi lắp ráp dây sơ cấp
được đưa qua tâm vòng dây.
3.2. Thiết kế CT
Để dùng cho bảo vệ thì các yêu cầu đối với biến dòng thường được thể hiện
dưới dạng điểm uốn của điện trường. Điểm uốn của đường cong kích thích được
xác định tại điểm mà để tăng cường độ điện trường thứ cấp lên 10% thì phải
tăng dòng kích thích lên 50% (hình 10). Với các điện áp cao hơn điểm uốn thì
việc bão hoà xảy ra rất nhanh.
Cấu trúc lõi từ
Vỏ cách điện
Lõi Lớp cách Cuộn dây
từ điện thứ cấp
eBook for You
12
Hình 10. Xác định điểm uốn của đường cong từ hoá
Từ thông thay đổi từ 0 đến giá trị tối đa trong ¼ chu kỳ nền tốc độ thay đổi từ
thông là
(Φ – 0)/(1/4) = 4Φ weber/chu kỳ
Và với tần số là “f” chu kỳ/s thì tốc độ là 4Φf weber.
Khi đó cuộn dây N vòng sẽ tạo ra một điện áp cảm ứng trung bình là Vav = 4Φf

N.
Giá trị hiệu dụng của điện áp điểm uốn là
V = 1.1Vav = 4.44Φf N
Thay thế từ thông Φ = mật độ từ thông B (tesla) x tiết diện lõi từ s (m
2
)
V = 4.44BsfN
Mật độ từ thông của lá thép lõi từ là khoảng 1.5 Tesla tại điểm uốn. Đối với biến
dòng với tỷ số đã biết có thể ước lượng được giá trị điện áp điểm uốn nếu có
thông tin về kích thước lõi từ. Chẳng hạn CT 200/1 với tiết diện lõi 30x20mm sẽ
có từ thông điểm uốn là
1.5 x 30 x 20 x 10
-6
= 0.0009 weber
eBook for You
13
Với tần số hệ thống là 50Hz điện áp điểm uốn là
V = 4.44 x 0.0009 x 200 x 50 = 40V
3.3. Tải của CT
Tải của CT có thể được biểu diễn bằng VS 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
điện trở: 1 V/5 A = 0.2 ohm
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 áp bằng 0. Sai số biến đổi phụ thuộc vào góc của tải và

giá trị điện trở của tải.
3.4. Sai số biến dòng
Bên cạnh sai số tỷ số và sai số pha cần phải xem xét cả sai số tổng hợp. Sai số
tổng hợp được xác định bằng giá trị hiệu dụng của sai lệch giữa dòng thứ cấp lý
tưởng và dòng thứ cấp thực tế (gồm cả ảnh hưởng của dịch pha và các hài trong
dòng kích thích). Vói những CT mà từ thông rò không đáng kể và không có hiệu
chỉnh số vòng (tỷ lệ số vòng đúng bằng tỷ lệ dòng danh định) sai số tổng hợp
tương ứng với giá trị dòng kích thích (thường được thể hiện bằng phần trăm
dòng sơ cấp).
Do vậy các biến dòng được thiết kế để tạo ra từ trở càng cao càng tốt. Vấn đề
này liên quan đến cả chất lượng của lõi từ. Giá trị dòng Ie càng gần 0 độ chính
xác càng cao, nhưng không thể loại trừ được cả sai số tỷ số và sai số pha. Sơ đồ
eBook for You
14
pha trên hình 11 thể hiện điều này. Có thể thấy dòng kích thích Ie có trong thành
phần mọi sai số.
Hình 11. Sơ đồ vector của biến dòng điện
Thành phần Ir của Ie và đồng pha với Is là yêu tố gây nên sai số tỷ số, còn thành
phần Iq vuông góc với Is gây ra sai số pha θ. Vấn đề nảy sinh là Ie cũng phụ
thuộc vào hệ số công suất của tải. Khi tải có độ cảm vừa phải, các dòng Is và Ie
gần như trùng pha, sai số pha sẽ nhỏ và thành phần kích thích là thành phần
chính của sai số tỷ số. Có thể bù từng phần sai số tỷ số bằng cách giảm 1 hoặc 2
vòng dây thứ cấp.
Với giả thiết tỷ số biến đổi là 1/1 dòng Is = Ip – Ie. Dòng kích thích phụ thuộc
vào cường độ điện trường cảm ứng Es có giá trị xấp xỉ bằng Is(Zs + Zb) và vào
cả tổng trở kích thích Ze. Nếu Ze tuyến tính, dòng Ie sẽ là sai số tổng hợp. Trên
thực tế Ze là phi tuyến và nếu Ie co các thành phần hài ở tần số cơ bản thì các
hài này sẽ làm tăng giá trị hiệu dụng của dòng Ie và do vậy sai số tổng hợp cũng
tăng theo. Đây là điều cần lưu ý trong yêu cầu bão hoà.
3.5. Yêu cầu kỹ thuật của biến dòng

Các yêu cầu của biến dòng được xác định cho tải định mức, cấp chính xác và
giới hạn chính xác.
I
S
R
1
θ

E
S
I
S
X
1
I
S
V
S
I
P
I
e
I
q
I
r
Φ
Es: sức điện động cảm
ứng thứ cấp
Vs: điện áp đầu ra thứ

cấp
IP: dòng sơ cấp
IS: dòng thứ cấp
β: sai số pha
Φ; từ thông
I
S
R
1
: sụt áp do điện trở
thứ cấp
I
S
X
1
: sụt áp do điện
kháng thứ cấp
I
e
: dòng kích thích
I
r
, I
q
: các thành phần
dòng kích thích đồng
pha và vuông góc với
Is
eBook for You
15

Các giá trị tiêu chuẩn của tải định mức là2.5, 5, 7.5, 10, 15 và 30VA.
Hai cấp chính xác là 5P và 10P thể hiện sai số tổng hợp tương ứng là 5% và
10% ở giới hạn chính xác định mức.
Các hệ số giới hạn chính xác tiêu chuẩn là 5, 10, 15, 20 và 30.
Máy biến dòng được mô tả như sau: 15VA 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 hoặc ở điểm
khác, và điện trở thứ cấp.
3.6. Ứng dụng
Đối với biến dòng điện phải xem xét các phụ tải đấu nối và chế độ vận hành
trong môi sliên hệ không những chỉ với các dạng thiết bị được đấu nối mà cả dải
biến thiên tổng trở trong phạm vi chỉnh định của rơ-le. Chẳng hạn tải bình
thường của một rơ-le quá dòng là 3VA ở mức chỉnh định. Dải chỉnh định của rơ-
le là từ 50% đến 200% dòng danh định. Như vậy rơ-le 1A được chỉnh định ở
mức 50% sẽ có dòng chỉnh định 0.5 A và điện áp trên cuộn dây ở mức dòng này
là
3 VA / 0.5 A = 6 V
Và tổng trở là
6 V / 0.5 A = 12 ohm
Với mức chỉnh định 200% dòng chỉnh định là 2 A, điện áp là
3 VA / 2 A =1.5 V
Và tổng trở là
1.5 V / 2 A = 0.75 ohm
Nếu đặc tính của rơ-le được duy trì tới 20 lần chỉnh định, điện áp điểm uốn phải
lớn hơn
eBook for You
16

20 x 6 V = 120 V đối với chỉnh định 50% hoặc
20 x 1.5 V = 30 V đối với chỉnh định 200%
Yêu cầu thứ nhất đòi hỏi cao hơn nên mức chỉnh định thấp nhất phải được vận
dụng khi xác định điện áp điểm uốn. Tuy vậy yêu cầu được giảm bớt do khi rơ-
le 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 đáp ứng yêu cầu.
Trong nhiều trường hợp biến dòng sử dụng cho bảo vệ quá dòng sẽ đấu nối cả
với rơ-le chống sự cố chạm đất. Rơ-le quá dòng chạm đất có chỉnh định tối thiểu
29% sẽ có điện áp ở mức chỉnh định là
3 VA / 0.2 A = 15 V và tổng trở
15 V / 0.2 A = 75 ohm
Có thể giới hạn mức sự cố với đất, chẳng hạn ở 2 lần dòng sơ cấp định mức tức
là 10 lần dải chỉnh định. Điện áp điểm uốn phải lớn hơn 10 x 15 V = 150 V,
hoặc 75 V nếu tính đến bão hoà.
Trong trường hợp này thì thông số biến dòng được xác định theo rơ-le quá dòng
chạm đất. Biến dòng phù hợp là 7.5 VA cấp 5P10. 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 của tải VA định mức nhân với hệ số giới hạn chính xác rồi chia cho
dòng thứ cấp định mức.
Cấp chính xác 5P sử dụng cho những yêu cầu ổn định sự cố pha và phân cấp
thời gian chính xác. Trong các trường hợp khác cấp 10P là phù hợp.
Trong trường hợp nhiều rơ-le cùng đấu nối với một nhóm biến dòng thì phải
tính mức tải toàn bộ. Nói chung có thể cộng tải theo cách số học nhưng cần lưu
ý rằng có thể đơn giản hoá bằng cách cộng các vec-tơ tải nếu có khó khăn trong
thiết kế.

eBook for You
17
Theo kinh nghiệm thực tế không cần đưa ra yêu cầu quá cao trên mức cần 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 thể chia thành 2 dạng: (i) cắt chậm và (ii) cắt
nhanh với độ chính xác cao.
(i). Mạch bảo vệ cắt chậm
Đây là những mạch bảo vệ với thời gian trể được đặt từ 0.2s trở lên. Với những
mạch này không cần yêu cầu đối với phản ứng quá độ vì mức bão hoà khởi đầu
tại dòng sự cố tối đa không ảnh hưởng nhiều đến cơ chế đếm thời gian của rơ-le.
Nói chung CT cấp 10P đáp ứng yêu cầu sử dụng cho mạch bảo vệ cắt chậm và
điện áp đầu ra được chọn để kiểm soát dòng sự cố duy trì tối đa chạy qua mạch
đấu nối rơ-le và dây dẫn phía thứ cấp.
(ii) Mạch bảo vệ tác động nhanh
Các mạch này được dùng cho những ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao cho các
ngưỡng chỉnh định và thời gian tác động, hoặc phải đảm bảo tính ổn định trong
quá trình sự cố, hoặc cả hai.
Ứng dụng điển hình trong lưới phân phối là các sơ đồ bảo vệ so lệch tổng trở
cao
4. Bão hoà lõi từ và tác động giới hạn dòng
Trên thực tế việc bão hoà lõi từ thường được dùng để giới hạn dòng thứ cấp
nhằm ngăn ngừa mức dòng cao có thể gây hư hỏng thiết bị đấu nối trong mạch
nhị thứ.
eBook for You

18
Biến dòng đo lường với cấp chính xác không cao có thể được thiết kế như một
biến dòng có đặc tính bão hoà hiệu quả hơn một biến dòng đo lường với cấp
chính xác cao.
Giả sử xem xét một biến dòng cấp 5 (5%), với sai số dòng điện cho phép là
tương đối cao và không có giới hạn sai số pha.
Tại mức dòng sơ cấp bằng 125% định mức lõi từ có thể vận hành với mật độ từ
thông khá cao.
Khi tăng dòng sơ cấp lên trên 125% một chút sẽ khiến điểm vận hành của đường
cong từ hoá rơi vào vùng bão hoà và xuất hiện tác động giới hạn dòng.
Đối với biến dòng cấp chĩnh xác cao, chẳng hạn cấp 0.5 (0.5%) có lõi từ được
chế tạo từ cùng loại vật liệu mật độ từ thông ở mức dòng 125% định mức phải
thấp hơn giá trị tương ứng của đường cong từ hoá để đảm bảo giũ nguyên sai số
tỷ số và sai số pha.
Lõi từ vận hành ở dải thấp của đoạn tuyến tính trên đường cong từ hoá và để
tăng dòng điện lên tới mức bão hoà sẽ phải thay đổi mức từ hoà rất nhiều.
Nguyên lý này cũng áp 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 sẵn (hình 12).
eBook for You
19
Hình 12. Biến dòng sơ cấp
Bản chất cuộn sơ cấp là một dây dẫn thẳng không bị uốn vòng quanh lõi nhưng
vẫn tạo thành 1 vòng dây đơn.
Dạng biến dòng này rất đơn giản cả về mặt cơ khí và điện. Khi được thiết kế

chuẩn xác nó có thể chịu được các lực điện từ mạnh và hiệu ứng nhiệt của
những sự cố ngắn mạch nghiêm trọng.
Nhờ vào tính giản đơn và tin cậy loại biến dòng này được ưu tiên sử dụng trừ
khi dòng sơ cấp không đủ lớn để tạo thành đại lượng đầu ra, độ chính xác hay
đặc tính hoạt động một cách kinh tế.
Biến dòng dùng cuộn dây sơ cấp tạo ra thêm số lượng ampe vòng bằng cách cho
dòng sơ cấp chạy qua cuộn dây có số vòng định trước.
Giải pháp đơn giản để tăng độ chính xác cũng như đại lượng đầu ra này có một
nhược điểm. Trong trường hợp ngắn mạch trên hệ thống, lực cơ học trên dây
dẫn sơ cấp sẽ tỷ lệ thuận với số vòng dây.
Dạng biến dòng này không có khả năng chịu sự cố với dòng ngắn mạch lớn.
Một nhược điểm nữa là tải nội bộ của biến dòng sẽ tăng lên do tổng trở của các
cuộn dây tăng
Giới hạn điển hình cho một biến dòng 500/5 thông thường như sau:
Dòng định mức 500A
eBook for You
20
Dòng giới hạn nhiệt 1000A
Dòng giới hạn chính xác 10000A
Dòng định mức ngắn hạn50000A
4.2. Tải quy đổi
Tải quy đổi của biến dòng bảo vệ thương xấp xỉ bằng tải định mức của biến
dòng đo lường.
Do biến dòng được thiết kế dựa trên khả năng hoạt động tại giới hạn chính xác
của dòng sơ cấp nên tải cũng phải được xác định ở giới hạn chính xác cảu dòng
sơ cấp.
Đối với rơ-le điện từ thì tải thể hiện bằng đơn vị điện trở (ohm) ở mức dòng gấp
20 lần chỉnh định thường thấp hơn đáng kể so với tải ở mức dòng chỉnh định do
ảnh hưởng của đường cong bão hoà lõi từ rơ-le.
Khi lựa chọn biến dòng cho bảo vệ yếu tố quan trọng nhất là tổng trở tối đa của

tải ở giới hạn chính xác.
Tải quy đổi
=
Giới hạn chính xác của điện áp tham chiếu
thứ cấp
Dòng thứ cấp định mức x Hệ số giới hạn
chính xác
4.3. Lựa chọn biến dòng
Tải của rơ-le thường được lấy theo thông số kỹ thuật của nhà chế tạo dưới dạng
VA ở các dòng chỉnh định khác nhau.
Mức VA này cần được quy đổi về mức VA ở dòng thứ cấp định mức. Sau đó lựa
chọn tải định mức cho biến dòng.
Đường cong đặc tính rơ-le do nhà chế tạo cung cấp là một yếu tố tiên quyết cho
việc xác định hệ số giới hạn chính xác của biến dòng tương ứng.
eBook for You
21
Chẳng hạn nếu dải hoạt động của rơ-le lên đến 20 lần dòng vận hành bình
thường thì biến dòng cũng phải có hệ số giới hạn chính xác là 20.
Khi sử dụng rơ-le 1A thay cho loại 5A thì 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
Có 2 yếu tố cần xem xét là cách 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.
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 1A sẽ lớn gấp 5 lần điện áp điểm uốn của biến dòng 5A có cùng lõi từ như
nhau và điện áp vòng dây

Khi không cần điẹn áp điểm uốn cao tiết diện lõi từ có thể giảm dẫn đến giảm
điện áp vòng dây.
Vấn đề đặt ra là cần thiết kế hệ thống nhị thứ trên cơ sở phối hợp cách điện của
các rơ-le , cáp nối, hàng kẹp,….
Ngoại trừ những trường hợp đặc biệt việc chế tạo biến dòng có dòng thứ cấp
danh định trên 5A vừa không thuận tiện vừa không kinh tế. Rơ=le được thiết kế
để chịu được dòng sự cố tới 29 lần giá trị định mức. Do vậy biến dòng có dòng
thứ cấp lớn sẽ dẫn đến những dòng nhị thứ cực lớn.
Các mức dòng thứ cấp thấp còn cho phép sử dụng mạch điện nhị thứ có tổng trở
dây dẫn cao. Với cùng một cỡ dây tổng trở dây của mạch điện 1A chỉ bằng 4%
mạch 5A.
Điều này cũng đem lại hiệu quả kinh tế nhờ giảm tiết diện lõi từ và dây dẫn.
eBook for You
22
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 sẽ có xu hướng
giảm do giảm được tổn thất đồng trong dây dẫn. Các rơ-le bán dẫn hiện đại chỉ
đòi hỏi công suất 0.;5 – 1VA so với mức 3VA của rơ-le điện từ.
Ngưỡng bão hoà từ (điểm uốn của đường cong từ hoá) trong các biến dòng với
mức nhị thứ 1A thường cao hơn so với biến dòng 5A song điều này không dẫn
đến các ảnh hưởng đang kể. Giá trị điện áp của điểm uốn thường chỉ thể hiện
trong các thử nghiệm kích thích và điện áp này được đặt lên điện trở của biến
dòng.
Trong các điều kiện vận hành thì điện áp cuộn dây có ý nghĩa quan trọng hơn.
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 R
L
lớn hơn 20% tải của rơ-le ở dòng điện
định mức.
4.6. Quá trình quá độ
Khi cần đảm bảo thời gian tác động thích hợp cho rơ-le biến dòng phải co hệ số
bão hoà K
S
lớn.
Hệ số bão hoà là mối quan hệ giữa điện áp điểm uốn đường cong từ hoá với điện
áp nhị thứ tối đa cần có trong điều kiện bình thường. Hệ số này càng cao thì hoạt
động của biến dòng càng ổn định trong quá trình quá độ.
Biến dòng không được bão hoà ngay cả trong các sự cố không đối xứng tối đa.
Yêu cầu này có thể dẫn đến những trở ngại về kích thước vật lý 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.
eBook for You
23
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 thực tế
Nếu sử dụng hệ thống nhị thứ 5A sẽ gặp những bất lợi về vật tư dự phòng và
khả năng chuyển đổi.
Tuy nhiên việc sử dụng hệ thống 5A hiện nay cũng không có thêm trở ngại nào
khác. Nhiều rơ-le hiện đại có thể hoạt động với cả 2 mức dòng nhị thứ.
Các biến dòng đảo chiều cũng có thể cho phép sử dụng đồng thời cả 2 mức dòng
nhị thứ.

4.8. Vấn đề an toàn
Điện áp hở mạch của biến dòng 1A cao hơn so với biến dòng 5A tương đương.
Song các yêu cầu an toàn thì nhất quán cho tất cả các biến dòng và mức độ nguy
hiểm không nhất thiết phải xem xét tương ứng.
Các biến dòng 1A có những ưu điểm:
- nâng cao khả năng hoạt động trong quá trình quá độ
- giảm kích thước dây dẫn
- giảm quá điện áp trong một số ứng dụng
Trong mọi tình huống các ưu điểm sẽ được phát huy nêu tỷ lệ điện trở rơ-le so
với điện trở dây dẫn được giảm xuống.
Dù dòng nhị thứ 5A vẫn được sử dụng cho phía thứ cấp trên lưới cao áp khi cần
tỷ số biến đổi lớn, cần phải có các đánh giá kỹ thuật đối với các thông số cơ bản
của thiết bị liện quan đến việc lắp đặt.
eBook for You
24
TÀI LIỆU THAM KHẢO
“Power System Protection – short course program”, Victoria University of
Technology, Australia, 1994
eBook for You