Máy biến điện áp kiểu tụ(CVT)

Mục lục
Giới thiệu chung .......................................................................................................... 3

I.

Cấu tạo và nguyên lý ............................................................................................... 4

II.

1. Bộ phân áp kiểu dung: ................................................................................................................ 4
2. Bộ điện từ: ....................................................................................................................................... 6


Điện kháng bù : ...................................................................................................... 7



Máy biến áp giảm áp .............................................................................................. 7



Mạch triệt tiêu cộng hưởng sắt từ (FSC) ............................................................... 7

*. Nguyên lý làm việc : ..................................................................................................................... 8
III.

Ứng dụng của CVT ............................................................................................... 10

1. Ứng dụng .................................................................................................................................... 10
2. Ảnh hưởng của quá độ CVT ............................................................................................... 10
IV.

Các phương pháp nâng cao độ chính xác của CVT ........................................... 11

1. Phương pháp ước lượng các thông số : Phương pháp nâng cao độ chính xác của
thiết bị CVT bằng cách dùng phương pháp Newton đầy đủ để ước lượng thông số CVT
qua đường đặc tính đáp ứng tần số. ............................................................................................. 11
2. Phương pháp bù động on-line, đưa ra phương pháp giảm sai số quá độ bằng
cách bù động on-line cho phía thứ cấp của thiết bị. ................................................................ 11

1


Lời mở đầu
Máy biến điện áp là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện .Để vận hành
hệ thống điện được an toàn ta cần phải đo lường và bảo vệ để biết được các thông số của
nó rồi từ đó có phương pháp điều chỉnh hợp lý,cũng như tránh được thiệt hại khi có sự cố
xẩy ra.Việc thực hiện đo điện áp xoay chiều với điện áp cao thì dụng cụ thông thường
không thể đáp ứng được vì điện trở cách điện của thiết bị không cho phép,còn nếu thiết kế
chế tạo thiết bị đo lường và bảo vệ với điện áp cao thì rất tốn kém và không an toàn cho
người dùng.Vì vậy để đo lường và bảo vệ ở điện áp cao người ta phải dùng một thiết bị
trung gian để giảm điện áp xuống thiết bị này được gọi là máy biến điện áp .
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
đề tài này nhóm em xin trình bầy về nguyên lý , cấu tạo cũng như các ứng dụng của máy
biến điện áp điện dung (CVT) .

2


I.

Giới thiệu chung

Hình 1: Ví dụ về CVT ở 3 cấp điện áp
- 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.
- 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 vì kích
thước tỷ lệ với điện áp định mức , do vậy máy biến điện áp kiểu tụ phân áp cho điện áp cao
có tính kinh tế hơn

3


II. Cấu tạo và nguyên lý

Hình 2 : Cấu tạo cơ bản của một CVT
Một CVT cơ bản bao gồm hai bộ phận chính : Bộ phân áp kiểu dung ở phía trên và
bộ điện từ ở phía dưới
1. Bộ phân áp kiểu dung:
Bộ phân áp kiểu dung nằm phía trên bộ điện từ , gồm các trụ sứ rỗng nối tiếp chồng
nhau, số lượng các sứ phụ thuộc vào cấp điện áp . Phía trong có chứa các tụ điện, các tụ
điện này được chế tạo từ các lá nhôm, giữa có giấy cách điện thấm điện môi , điện môi này
được đổ đầy bằng loại dầu có điện trở suất cao và độ tổn hao điện môi thấp . Các tụ điên
này được ép chặt xuống bằng lò xo nén phía trên , làm cho các tụ điện được ổn định. Phía

trên cùng có thùng kim loại, trong có khoảng trống giãn nở được nạp một lượng khí N2.
Sự giãn nở dầu do nhiệt độ môi trường , được bù bằng một bộ bù kim loại. Giám sát
mức dầu bên trong bộ chia điện áp thông qua mắt nhìn chỉ thị mức dầu bên ngoài .
Vỏ sứ cách điện được làm bằng gốm có độ bền độ cách điện cao, chịu được tác động
của môi trường và thường có màu nâu hoặc xám .

4


Các tụ điện phân áp của CVT có chức năng như một bộ chia áp giảm điện áp đường
dây xuống điện áp trung gian
+ Tụ điện áp cao (C1 ): là tụ điện được nối giữa đầu nối điện áp cao và đầu nối điện áp
trung gian .Tụ điện áp cao gồm các miếng tụ điện ghép nối tiếp với nhau bên trong một
ống sứ để đạt được giá trị C1 thích hợp .
+ Tụ điện áp trung gian (C2) : là tụ điện được nối giữa đầu nối điện áp trung gian và đầu
nối đất .Tụ điện áp trung gian gồm các miếng tụ điện ghép nối tiếp với nhau bên trong một
ống sứ để đạt được giá trị C2 thích hợp .
Tỷ số phân áp :
𝑎=

5

𝑉1 (𝑡)
𝐶2
=1+
𝑉2 (𝑡)
𝐶1


2. Bộ điện từ:

Hình 3 : Cấu tạo cơ bản của CVT
- Bộ phân áp và bộ phận điện từ được nối với nhau bằng ống cách điện bên trong, thiết kế
cần thiết cho việc ứng dụng với độ chính xác cao.
- Bộ điện tử gồm có:
+ Điện kháng bù.
+ Máy biến áp giảm áp
+ Thiết bị bảo vệ quá điện áp.
+ Mạch triệt tiêu cộng hưởng sắt từ
Bộ điện từ là một thùng có vỏ làm bằng kim loại , thùng này được chế tạo đảm bảo độ
kín. Trong có chứa bộ phận điện từ . Nó có hai hộp nhỏ ở bên sườn một hộp chứa các đầu
ra của cuộn thứ cấp một hộp chứa đầu ra của các cuộn điều chỉnh .
Thùng kim loại này sau khi được làm kín, được tiến hành nạp đầy dầu cách điện, dầu
này được nén nhẹ bằng khí N2 , ngăn không khí ẩm bên ngoài xâm nhập vào bên trong
biến điện áp, đảm bảo an toàn và tin cậy trong quá trình vận hành

6


 Điện kháng bù :
Kháng bù sẽ triệt tiêu dung kháng của các tụ điện phân áp ở tần số hệ thống, tránh lệch
pha giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp của CVT
 Máy biến áp giảm áp
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 . 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

Máy biến áp giảm áp

Bộ phân áp gồm hai tụ C1 và C2 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 A1x, nối tiếp qua cuộn kháng (P) cộng hưởng với trị số tụ điện (C1+ C2) và cuộn
lọc cao tần đấu song song với tụ điện C2 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.
Cuộn dây của biến áp cảm ứng và cuộn kháng được làm bằng dây đồng tráng men , lót
giữa các lớp dây bằng giấy cách điện , quấn phân bổ xung quanh lõi từ . Các đầu thứ cấp
được đưa ra hộp nối bên ngoài tiện lợi cho việc đấu nối
 Mạch triệt tiêu cộng hưởng sắt từ (FSC)
Lõi thép của Kháng bù và BGA được làm từ sắt từ. Ngoài các tổn thất trong dây quấn
đồng và lõi thép thì trong Kháng bù và BGA còn xuất hiện cộng hưởng sắt từ do đặc tính
7


không tuyến tính của các lõi sắt từ. Hiện tượng này cũng có thể gây quá
nhiệt bộ phận điện từ hoặc dẫn đến chọc thủng cách điện
Chính vì vậy, các CVT luôn được trang bị một mạch giải trừ hiện tượng cộng hưởng
sắt từ (FSC). Mạch FSC thường được mắc ở phía thứ cấp của BGA để tránh nguy hiểm và
tránh bị phá huỷ do quá điện áp gây ra bởi cộng hưởng sắt từ
Có 2 loại mạch FSC:
-

Mạch khử tích cực (AFSC) :

Mạch khử cộng hưởng sắt từ tích cực (AFSC) gồm có một mạch chỉnh song song LC
với tải thuần trở. Mạch chỉnh LC sẽ xảy ra cộng hưởng ở tần số hệ thống và có tổng trở lớn
ở điện áp cơ bản. Tải thuần trở của nó được nối với điểm giữa của cuộn kháng để tăng tổng
trở cộng hưởng của mạch. Với các tần số khác tần số hệ thống, tổng trở cộng hưởng mạch

song song LC giảm từ từ về điện trở của tải thuần trở và giảm dần năng lượng của các điện
áp ở các tần số đó.

-

Mạch khử thụ động ( PFSC ) :

Mạch khử cộng hưởng sắt từ thụ động (PFSC) có tải cố định Rf, một cuộn kháng bão
hoà Lf, và một tải thuần trở khe hở R. Trong điều kiện bình thường, 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.
*. Nguyên lý làm việc :
Biến điện áp kiểu tụ có nguyên lý làm việc dựa vào nguyên lý biến đổi mạch điện xoay
chiều từ mạch sơ cấp sang mạch thứ cấp .
8


Khi đưa vào cuộn sơ cấp điện áp cao, dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp tạo
ra một từ thông khép vòng trong lõi thép và cảm ứng sang các cuộn thứ cấp . Biến điện áp
kiểu tụ làm việc ở chế độ hở mạch thứ cấp hoặc có tải với trở kháng cao

Hình 4: Cấu tạo của một CVT
Sự làm việc của máy biến điện áp :
-

-

-

Các tụ điện C1 , C2 được mắc nối tiếp điện áp phân bố trên các tụ điện tỷ lệ nghich
với điện dung :
𝐶1
𝑈2 = 𝑈𝑙ướ𝑖 ×
𝐶1 + 𝐶2
Cuộn sơ cấp của máy biến áp (3) được nối tiếp qua cuộn kháng (9) . Cuộn kháng
(9) có chức năng bù góc lệch pha của thành phần điện dung của các tụ điện gây ra .
Máy biến áp điện từ trung gian (3) có chức năng giảm dung lượng của tụ phân áp
và đảm bảo công suất đầu ra của BU . Do các cuộn kháng đều có điện trở nên điện
áp đầu ra bị hạn chế .
Cộng hưởng sắt từ ở tần số cơ bản được giới hạn bởi 1 cuộn thứ cấp của máy biến
áp và được nối tiếp với thiết bị triệt tiêu cộng hưởng sắt từ (5)
9


-

-

Thiết bị bảo vệ quá điện áp (8) có chức năng bảo vệ
CVT thường dung kết hợp với hệ thống thông tin tải ba vì vậy tiếp điểm điện áp
thấp HF(7) dùng để truyền , nhận tín hiệu tải ba truyền qua . Cuộn kháng (12) có tác
dụng ngăn sự dò rỉ của tín hiệu tải ba xuống đất . Nó được bảo vệ bởi 1 chống sét
khe hở và khi không sử dụng thì cầu dao (11) phải được đóng nối đất
Cuối cùng là tiếp điểm nhị thứ (10) là đầu ra cho các thiết bị đo lường , rơ le .

III. Ứng dụng của CVT
1. Ứng dụng
Biến điện áp làm nhiệm vụ biến đổi điện áp cao áp giúp cho các thiết bị đo lường , đo

đếm , rơ le bảo vệ không phải nối trực tiếp vào mạng điện cao áp . Tránh gây nguy hiểm
cho người và thiết bị , bởi các thiết bị đó không phải chế tạo với mức cách điện chịu được
điện áp cao .
Biến điện áp kiểu tụ ( CVT ) có ứng dụng cơ bản là cung cấp tín hiệu cho các rơ le bảo
vệ trên các đường dây truyền tải cao áp , với yêu cầu tác động nhanh và chính xác .
Chúng còn được dùng để biến đổi điện áp cao thành điện áp thứ cấp có trị số bé , cung
cấp mạch điện cho các thiết bị đo lường , đo đếm , và rơle bảo vệ .

2. Ảnh hưởng của quá độ CVT
CVT có đáp tuyến kém và khoảng cách vượt ngưỡng tác động sẽ đem đến những mối
lo ngại nghiêm trọng đối với bảo vệ đường dây tốc độ cao. Những rơle mạch bán dẫn và vi
xử lý có thể đáp ứng quá độ của CVT do tốc độ tác động nhanh và độ nhạy cao.
Đối với các sự cố làm suy giảm mạnh điện áp pha thì điện áp thứ cấp của CVT có thể
sẽ không phản ánh đúng điện áp sơ cấp do các phần tử tích năng lượng bên trong CVT.
Bởi vì các phần tử này cần một thời gian nhất định để thay đổi năng lượng tích trữ của
chúng nên gây ra quá độ điện áp thứ cấp của CVT khi có một thay đổi đáng kể điện áp sơ
cấp.
Quá độ CVT làm giảm thành phần cơ bản của điện áp sự cố kéo theo sự giảm tổng trở
tính toán. Nếu thành phần điện áp cơ bản giảm đủ lớn thì tổng trở vùng I nằm ngoài phạm
vi bảo vệ một cách không mong muốn.
Nếu sự cố xảy ra trong phạm vi bảo vệ của vùng I, thì tổng trở tính toán giảm do quá
độ của CVT có thể được chấp nhận, bảo vệ rơle sẽ tác động. Tuy nhiên, nếu sự cố xảy ra
bên ngoài phạm vi bảo vệ của vùng I nhưng quá độ của CVT gây hiểu lầm là sự cố trong
vùng I (do tổng trở đo được giảm xuống) thì không thể bỏ qua được quá độ của CVT.
10


IV. Các phương pháp nâng cao độ chính xác của
CVT
1. Phương pháp ước lượng các thông số : Phương pháp nâng cao độ chính xác của

thiết bị CVT bằng cách dùng phương pháp Newton đầy đủ để ước lượng thông số
CVT qua đường đặc tính đáp ứng tần số.
Các bước thực hiện :
-

-

-

Ước lượng các dạng thông số (điện trở, điện cảm và giá trị tụ điện) từ đường
đáp ứng tần số. Để đạt được điều này, đo lường biên độ và pha của đáp 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 Newton
đầy đủ tính toán 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 đáp 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 số mới, khác xa thông số cũ nhưng đáp ứng tần số cũng gần giống nhau. Phương
pháp này sai số giảm bằng cách khảo sát qua đáp ứng tần số, tuy nhiên sai số không giảm
nhiều và phải thay đổi lại thông số thiết kế ban đầu của nhà sản xuất.
2. Phương pháp bù động on-line, đưa ra phương pháp giảm sai số quá độ bằng cách
bù động on-line cho phía thứ cấp của thiết bị.
Các bước thực hiện :
-

Đầu tiên đưa ra một mô hình CVT tiêu biểu
Kế tiếp, thực hiện thuật toán bù dựa trên việc nghịch đảo hàm truyền giản
đơn của CVT.
Phân tích trong miền tần số và định lượng bù phía trên.
Dùng ATP-EMTP mô phỏng cho thấy việc cải tiến giá trị đo lường cung cấp cho
bảo vệ tiêu chuẩn với kết quả bù động cho CVT.

→ Phương pháp này chủ yếu là bù động để nâng cao độ chính xác thiết bị đo khi
đo lường tín hiệu quá độ của hệ thống điện. Ưu điểm của phương pháp này là giúp
11


việc đo lường tổng trở tốt hơn phục vụ cho relay 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.

12


Tài liệu tham khảo
[1] Phạm Hồng Thịnh, 2016. Đo lường cao áp và Thử nghiệm không phá hủy.
[2] Lương Thành, 2010. Quy trình vận hành và bảo dưỡng máy biến điện áp OTCF-123IM
. Tổng công ty truyền tải điện quốc gia.
[3] Siemens, Capacitor Voltage Transformer
D. Fernandes Jr , 2010. Identification of Parameters for Coupling Capacitor Voltage

Transformers

13