Nghiên cứu sai số của biến dòng lõi từ trong điều kiện dòng điện không sin

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGÔ ĐỨC KIÊN

NGHIÊN CỨU SAI SỐ CỦA BIẾN DÒNG LÕI TỪ
TRONG ĐIỀU KIỆN DÒNG ĐIỆN KHÔNG SIN

Chuyên ngành :

KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG THIẾT BỊ ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHÙNG ANH TUẤN

Hà Nội – Năm 2011


LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Ngô Đức Kiên, học viên lớp Cao học kỹ thuật điện hướng thiết bị
điện 2009. Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Viện đào tạo sau đại học –
Đại học Bách khoa Hà Nội, tôi lựa chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu sai số
của biến dòng lõi từ trong điều kiện dòng điện không sin”.
Tôi xin cam đoan bản luận văn này được thực hiện bởi chính bản thân
mình dưới sự hướng dẫn của TS. Phùng Anh Tuấn cùng với các tài liệu đã được
trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo ở phần cuối của bản luận văn.
Hà Nội, ngày tháng năm 2011
Học viên

Ngô Đức Kiên

1


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN................................................................................................. 1
MỤC LỤC ............................................................................................................ 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .............................................................................. 7
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................... 10
CHƯƠNG 1 – TÌM HIỂU VỀ MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN................................ 11
1.1 Khái niệm về máy biến dòng:.................................................................. 11
1.2 Phân loại máy biến dòng: ........................................................................ 12
1.2.1 Theo tác dụng của máy biến dòng .................................................... 12
1.2.2 Theo nơi đặt máy biến dòng.............................................................. 12
1.2.3 Theo vật liệu cách điện giữa các cuộn dây máy biến dòng: ............. 12
1.2.4 Theo kết cấu máy biến dòng: ............................................................ 12
1.2.5 Theo tần số công tác máy biến dòng:................................................ 13
1.2.6 Theo số vòng dây của cuộn dây sơ cấp máy biến dòng:................... 13
1.3 Lõi thép và vật liệu từ chế tạo lõi thép máy biến dòng ........................... 14
1.3.1 Mạch từ (lõi thép): ............................................................................ 14
1.3.2 Vật liệu từ chế tạo lõi thép: ............................................................... 14
1.4 Kết cấu của một số loại máy biến dòng:.................................................. 18
1.4.1 Máy biến dòng một vòng dây sơ cấp: ............................................... 18
1.4.2 Máy biến dòng điện ngâm dầu T Φ H-35 với điện áp 35kV: ............ 19
1.4.3 Máy biến dòng điện ngâm dầu 400kV:............................................. 20
1.4.4 Máy biến dòng kiểu mới: .................................................................. 20

2


1.5 Kiểm tra, lựa chọn biến dòng: ................................................................. 23
1.6 Các bước cơ bản khi thực hiện thiết kế một máy biến dòng ................... 24
1.6.1 Xác định kích thước lõi thép ............................................................. 24
1.6.2 Xác định dây quấn: ........................................................................... 25
1.6.3 Xác định điện kháng trong máy biến dòng ....................................... 26
CHƯƠNG 2 – SÓNG HÀI VÀ DÒNG ĐIỆN KHÔNG SIN TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN.................................................................................................... 29
2.1. Nguồn gốc của dòng điện không sin: ...................................................... 29
2.2. Một số chỉ số đánh giá sóng hài: ............................................................. 30
2.2.1. Tổng độ biến dạng hài (hệ số méo):.................................................. 30
2.2.2. Tổng méo nhu cầu:............................................................................ 30
2.2.3. Hệ số ảnh hưởng viễn thông ............................................................. 31
2.2.4. Chỉ số V ⋅ T và I ⋅ T ........................................................................ 31
2.3. Một số dạng sóng hài dòng điện:............................................................. 31
2.3.1. Trong máy biến áp ............................................................................ 31
2.3.2. Trong mạch điện tử công suất........................................................... 33
2.3.3. Trong các thiết bị hồ quang............................................................... 34
2.4. Một số ảnh hưởng của sóng hài lên các thiết bị điện............................... 35
2.4.1. Đối với máy biến áp.......................................................................... 35
2.4.2. Đối với các máy điện quay................................................................ 35
2.4.3. Đối với các thiết bị đóng ngắt ........................................................... 36
2.4.4. Đối với các bộ tụ điện ....................................................................... 36
2.4.5. Đối với cầu chì .................................................................................. 37
2.4.6. Đối với rơle bảo vệ............................................................................ 37
2.4.7. Đối với các dụng cụ đo ..................................................................... 37

3


2.4.8. Đối với các thiết bị điện tử công suất ............................................... 38
2.4.9. Đối với các thiết bị khác ................................................................... 38
CHƯƠNG 3 – ĐỊNH LƯỢNG SAI SỐ CỦA BIẾN DÒNG KHI DÒNG ĐIỆN
KHÔNG SIN ...................................................................................................... 39
3.1. Thực nghiệm đo đạc trên một máy biến dòng thực tế ............................. 39
3.1.1. Thực nghiệm với mạch điện thường ................................................. 39
3.1.2. Thực nghiệm với mạch chỉnh lưu cầu một pha................................. 40
3.1.3. Thực nghiệm với mạch chỉnh lưu cầu ba pha ................................... 41
3.2. Phân tích lượng sóng hài dòng điện trong một số mạch điện.................. 42
3.2.1. Mô hình chỉnh lưu 1 pha sử dụng Diode: ......................................... 43
3.2.2. Mô hình chỉnh lưu 3 pha sử dụng Thyristor: .................................... 45
3.3. Mô hình hóa............................................................................................. 51
3.3.1. Mô phỏng với nguồn dòng hình sin có giá trị định mức I = 50A ..... 52
3.3.2. Mô phỏng với nguồn dòng không sin thu được từ mô hình chỉnh lưu
3 pha dùng Thyristor .................................................................................... 53
3.3.3. Mô phỏng với nguồn dòng không sin với thành phần hài bậc 3....... 56
3.3.4. Mô phỏng với nguồn dòng không sin với thành phần hài bậc 5....... 59
3.3.5. Mô phỏng với nguồn dòng không sin với thành phần hài bậc 7....... 62
3.4. Tổng hợp kết quả và kết luận .................................................................. 65
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 67

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
KCĐ

Khí cụ điện

THD

Tổng độ biến dạng sóng hài (hệ số méo)

TDD

Tổng méo nhu cầu

TIF

Hệ số ảnh hưởng viễn thông

FFT

Biến đổi Fourier

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 – Thông số một số loại tôn dùng chế tạo lõi thép máy biến dòng ........1
Bảng 1.2 – Mật độ dòng điện dây quấn của máy biến dòng dầu..........................1
Bảng 1.3 – Mật độ dòng điện dây quấn của máy biến dòng khô .........................1
Bảng 1.4 – Bảng trị số của Golstay ......................................................................1
Bảng 1.5 – Quan hệ giữa H và đường kính trong lõi hình xuyến d .....................1
Bảng 3.1 – Kết quả đo với nguồn thông thường ..................................................1
Bảng 3.2 – Kết quả đo với mạch điện chỉnh lưu cầu 1 pha..................................1

Bảng 3.4 – Kết quả đo với nguồn chỉnh lưu cầu 3 pha ........................................1
Bảng 3.5 – Kết quả đo mô phỏng với chỉnh lưu 3 pha.........................................1
Bảng 3.6 – Kết quả đo mô phỏng với thành phần hài bậc 3.................................1
Bảng 3.7 – Kết quả đo mô phỏng với thành phần hài bậc 5.................................1
Bảng 3.8 – Kết quả đo mô phỏng với thành phần hài bậc 7.................................1

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 – Sơ đồ đấu dây của máy biến dòng điện ..............................................1
Hình 1.2 – Một số loại máy biến dòng phổ biến ..................................................1
Hình 1.3 – Lõi thép máy biến dòng ......................................................................1
Hình 1.4 – Máy biến dòng một vòng dây sơ cấp..................................................1
Hình 1.5 – Máy biến dòng khô nhiều vòng dây sơ cấp........................................1
Hình 1.7 – Máy biến dòng điện 400kV, 2 tầng ...................................................1
Hình 1.6 – Máy biến dòng điện T Φ H-35 ...........................................................1
Hình 1.8 – Nguyên lý chuyển đổi điện - quang....................................................1
Hình 1.9 – Nguyên lý chuyển đổi từ - quang Faraday .........................................1
Hình 2.1 – Dòng điện trong máy biến áp một pha không kể tổn hao lõi thép .....1
Hình 2.2 – Dòng điện trong máy biến áp một pha khi kể đến tổn hao lõi thép ...1
Hình 2.3 – Chỉnh lưu cầu 1 pha tải R-L ...............................................................1
Hình 2.4 – Dạng sóng điện áp và dòng điện đầu vào:..........................................1
Hình 2.5 – Chỉnh lưu cầu 1 pha tải R-L ...............................................................1
Hình 2.6 – Dạng sóng điện áp và dòng điện đầu vào ...........................................1
Hình 2.7 – Dạng sóng điện áp và dòng điện hồ quang.........................................1
Hình 3.1 – Đo dòng điện với nguồn xoay chiều thông thường ............................1
Hình 3.2 – Đo dòng điện với mạch điện chỉnh lưu cầu 1 pha ..............................1
Hình 3.3 – Đo dòng điện với mạch điện chỉnh lưu cầu 3 pha ..............................1
Hình 3.4 – Mô hình chỉnh lưu cầu 1 pha dùng Diode ..........................................1

Hình 3.5 – Dòng và áp thu được qua mô hình chỉnh lưu 1 pha Diode.................1
Hình 3.6 – Phân tích sóng dòng điện chỉnh lưu 1 pha dùng Diode......................1
Hình 3.7 – Mô hình chỉnh lưu 3 pha dùng Thyristor............................................1

7


Hình 3.8 – Giá trị điện áp và dòng điện với góc điều khiển α = 00 ....................1
Hình 3.9 – Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA với α = 00 .................................1
Hình 3.10 – Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA với α = 300 .............................1
Hình 3.11 – Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA với α = 600 .............................1
Hình 3.12 – Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA với α = 900 .............................1
Hình 3.13 – Mô hình mô phỏng máy biến dòng lõi từ 50/5A ..............................1
Hình 3.14 – Kết quả mô phỏng với dòng điện sin định mức I = 50A..................1
Hình 3.15 – Phân bố từ cảm B trong lõi thép máy biến dòng ..............................1
Hình 3.16 – Kết quả mô phỏng với α = 00 , THD = 22,75% ...............................1
Hình 3.17 – Kết quả mô phỏng với α = 300 , THD = 27,10% .............................1
Hình 3.18 – Kết quả mô phỏng với α = 600 , THD = 28,70% .............................1
Hình 3.19 – Kết quả mô phỏng với α = 900 , THD = 29,22% .............................1
Hình 3.20 – Kết quả mô phỏng với dòng không sin có I1 = 50A, I3 = 5A ...........1
Hình 3.21 – Kết quả mô phỏng với dòng không sin có I1 = 50A, I3 = 10A .........1
Hình 3.22 – Kết quả mô phỏng với dòng không sin có I1 = 50A, I3 = 15A .........1
Hình 3.23 – Kết quả mô phỏng với dòng không sin có I1 = 50A, I3 = 20A .........1
Hình 3.24 – Kết quả mô phỏng với dòng không sin có I1 = 50A, I5 = 5A ...........1
Hình 3.25 – Kết quả mô phỏng với dòng không sin có I1 = 50A, I5 = 10A .........1
Hình 3.25 – Kết quả mô phỏng với dòng không sin có I1 = 50A, I5 = 15A .........1
Hình 3.26 – Kết quả mô phỏng với dòng không sin có I1 = 50A, I5 = 20A .........1
Hình 3.27 – Kết quả mô phỏng với dòng không sin có I1 = 50A, I7 = 5A ...........1
Hình 3.28 – Kết quả mô phỏng với dòng không sin có I1 = 50A, I7 = 10A .........1
Hình 3.29 – Kết quả mô phỏng với dòng không sin có I1 = 50A, I7 = 15A .........1

Hình 3.30 – Kết quả mô phỏng với dòng không sin có I1 = 50A, I7 = 20A .........1

8


Hình 3.31 – Sai số dòng điện theo chỉ số méo THD ............................................1

9


LỜI MỞ ĐẦU
Trong kỹ thuật điện việc xác định các thông số của một hệ thống điện là
cực kỳ quan trong, ảnh hưởng đến khả năng kiểm soát, bảo vệ, điều khiển hệ
thống. Một trong những thiết bị được dùng phổ biến đó là máy biến dòng điện,
là thiết bị đo dòng điện bằng cách qui chuẩn dòng điện về các giá trị tiêu chuẩn
với cấp chính xác cho phép.
Máy biến dòng làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, với dòng điện
lý tưởng dạng sóng hình sin. Tuy nhiên thực tế hiện nay trong hệ thống điện tồn
tại rất nhiều phần tử làm biến dạng dòng điện khiến dạng sóng dòng điện không
còn sin, điều này sẽ có ảnh hưởng đến sai số của máy biến dòng điện. Xuất phát
từ thực tế đó tôi đã chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu sai số của biến dòng
lõi từ trong điều kiện dòng điện không sin”.
Luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tìm hiểu về máy biến dòng điện
Chương 2: Sóng hài và dòng điện không sin trong hệ thống điện
Chương 3: Định lượng sai số của biến dòng khi dòng điện không sin
Trong quá trình thực hiện luận văn ngoài sự cố gắng của bản thân, tôi đã
nhận được sự giúp đỡ của đồng nghiệp, bạn bè, gia đình, sự hướng dẫn của TS.
Phùng Anh Tuấn. Do vậy tuy không tránh khỏi những thiếu sót, tôi đã hoàn
thành nhiệm vụ nghiên cứu.

Tôi xin cảm ơn Viện đào tạo sau đại học, Bộ môn thiết bị điện – điện tử,
khoa Điện trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện để tôi học tập và
nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn tới TS. Phùng Anh Tuấn đã hướng dẫn, kiểm
tra tận tình, sát sao; động viên, tạo điều kiện để tôi hoàn thành bản luận này.

10


CHƯƠNG 1
TÌM HIỂU VỀ MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN
1.1

Khái niệm về máy biến dòng:
Máy biến dòng là thiết bị biến đổi dòng điện có trị số lớn và điện áp cao

xuống dòng điện tiêu chuẩn 5A hoặc 1 A , điện áp an toàn cho mạch đo lường
và bảo vệ.
I1

ZT1

I2

w1

w2,r2,x2

ZT2

Hình 1.1 – Sơ đồ đấu dây của máy biến dòng điện
Tác dụng cơ bản của máy biến dòng:
-

Bảo vệ dụng cụ đo lường cà công nhân phục vụ khỏi điện thế cao của
lưới điện.

-

Cho phép đo lường năng lượng điện cao áp bằng dụng cụ đo lường hạ áp.

-

Nguồn dòng cung cấp cho rơle bảo vệ.
Về nguyên tắc làm việc cơ bản máy biến dòng giống máy biến áp nhưng

nó cũng có những đặc điểm khác:
-

Chế độ ngắn mạch là chế độ làm việc bình thường của máy biến dòng
trong khi đối với máy biến áp là sự cố.

-

Khi làm việc cuộn thứ dây thứ cấp của máy biến áp có thể để hở mạch,
còn của máy biến dòng không cho phép vì sẽ sinh ra điện thế cao nguy
hiểm cho công nhân phục vụ và cách điện của máy biến dòng.

-

Từ cảm của máy biến dòng thay đổi còn của máy biến áp là hằng số.

11


-

Dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp của máy biến dòng không phụ thuộc
vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào dòng điện sơ cấp, còn của máy biến áp
hoàn toàn phụ thuộc vào phụ tải.

-

Phụ tải và sai số của máy biến dòng có quan hệ với nhau.

1.2

Phân loại máy biến dòng:
Dựa theo kết cấu kết cấu và số vòng dây của máy biến dòng, có thể phân

ra được một số loại:
1.2.1 Theo tác dụng của máy biến dòng
-

Máy biến dòng đo lường

-

Máy biến dòng cung cấp cho mạch bảo vệ: bảo vệ so lệch, bảo vệ chạm
đất, bảo vệ thứ tự không,…

-

Máy biến dòng hỗn hợp: đo lường và bảo vệ

-

Máy biến dòng thí nghiệm:

-

Máy biến dòng trung gian:

1.2.2 Theo nơi đặt máy biến dòng
-

Máy biến dòng sử dụng trong nhà

-

Máy biến dòng sử dụng ở trạm ngoài trời

-

Máy biến dòng đặt ở các vị trí đặc biệt

1.2.3 Theo vật liệu cách điện giữa các cuộn dây máy biến dòng:
-

Sứ cách điện

-

Backelit

-

Không khí và khí

-

Giấy ngâm trong dầu

-

Nhựa đúc (êpocxy)

1.2.4 Theo kết cấu máy biến dòng:
-

Máy biến dòng kiểu ống dây

-

Máy biến dòng kiểu thanh góp

-

Máy biến dòng kiểu bình

-

Máy biến dòng kiểu số 8

12


-

Máy biến dòng kiểu chữ U

-

Máy biến dòng kiểu chữ C,…

1.2.5 Theo tần số công tác máy biến dòng:
-

Máy biến dòng tần số công nghiệp

-

Máy biến dòng tần số biến thiên sử dụng trên tàu thủy

-

Máy biến dòng tần số 400 – 800Hz,…

1.2.6 Theo số vòng dây của cuộn dây sơ cấp máy biến dòng:
-

Máy kiểu thanh hay một vòng dây:

-

Máy kiểu nhiều vòng dây:
Hiện nay sử dụng nhiều máy biến dòng kiểu thanh trong đó số vòng dây

sơ cấp bằng 1, gồm một số kiểu phổ biến sau:

(a)

(b)

(c)

(d)

Hình 1.2 – Một số loại máy biến dòng phổ biến
a,

Máy biến dòng kiểu thanh góp: cuộn dây sơ cấp là thanh dẫn hoặc ống
dài xuyên qua của sổ lõi thép:

b,

Máy biến dòng kiểu chữ U: cuộn dây sơ cấp có dạng chữ U với một
nhánh xuyên qua của sổ lõi thép:

c,

Máy biến dòng kiểu sứ xuyên: bản thân máy biến dòng không có cuộn
dây sơ cấp mà chỉ để sẵn lỗ cho sứ xuyên và thanh góp xuyên qua trong
khi lắp ráp tại trạm

d,

Máy biến dòng lắp trong thiết bị khác: cuộn dây thứ cấp là thanh sứ đầu
vào của máy ngắt hoặc máy biến áp,…

13


1.3

Lõi thép và vật liệu từ chế tạo lõi thép máy biến dòng

Hình 1.3 – Lõi thép máy biến dòng
1.3.1 Mạch từ (lõi thép):
Lõi thép của máy biến dòng có thể chia thành 2 kiểu cơ bản:
-

Kiểu dập: các lá tôn được dập với hình dạng khác nhau rồi ghép lại thành
khối.

-

Kiểu dải băng: các lá tôn được cắt thành những dải băng dài rồi quấn lại
thành hình xuyến hoặc hình elíp

1.3.2 Vật liệu từ chế tạo lõi thép:
Vật liệu chế tạo lõi thép máy biến dòng thường là các lá tôn mỏng
0,1 ÷ 0,35mm chứa hàm lượng silic khoảng 0,5 ÷ 4,8% ghép lại, chất lượng tôn

silic ảnh hưởng rất nhiều đến cấp chính xác của máy biến dòng, do đó các loại
tôn silic dùng để làm lõi máy biến dòng phải có những tính chất:

14


-

Với cường độ từ cảm nhỏ khoảng vài phần nghìn Tesla thì độ từ thẩm
phải cao, do đó sẽ cho phép máy biến dòng có sai số nhỏ đặc biệt đối với
những máy biến dòng đo lường.

-

Để đảm bảo cho máy biến dòng bảo vệ có bội số 10% lớn yêu cầu độ bão
hòa cao.

-

Độ từ thẩm lớn và không thay đổi trong một khoảng rộng (tuyến tính).

-

Tổn hao suất trong tôn nhỏ.

15

Một số loại tôn thường được sử dụng để chế tạo lõi thép máy biến dòng:

Ký
hiệu
Э41

Cường độ từ cảm (Tesla)

Độ
dày

Đặc tính cơ bản

Lĩnh vực sử dụng

mm
0,35

Tôn hợp kim cao, ở tần số
50Hz có tổn hao bình
thường

Э42

0,35

Tôn hợp kim cao, ở tần số
50Hz có tổn hao ít

Э45

0,35

Э47

Máy biến dòng đo
lường và bảo vệ khi yêu

ở

trường

yếu

(<0,01AV/cm) và trường
trung

bình

( 0,14 ÷ 10 AV/cm) độ từ

thước lớn

Máy biến dòng đo
lường khi các đặc tính
yêu cầu tăng cường

thẩm bình thường

Э46
Э48

0,35

B10

B25

B50

B100 B300

P10/

P15/

P77/

P7,5/

P10/

50

50

50

400

400

-

1,30 1,46 1,57 1,70 1,90

1,35

3,0

-

-

-

-

1,29 1,45 1,56 1,69 1,89

1,2

2,8

-

-

-

cầu không cao, kích

Tôn hợp kim cao cán
nóng,

B5

Tổn hao suất (W/kg)

Tôn hợp kim cao cán Máy biến dòng đo
nóng, ở trường yếu và lường khi các đặc tính


trung bình có độ từ cao
Э310 0,35

Tôn hợp kim tăng cường
cán nguội, ở 50Hz tổn hao
bình thường, trong điện
trường mạnh độ từ thẩm
bình thường

Э320 0,35

yêu cầu tăng cường
Máy biến dòng đo
lường và bảo vệ có cấp
chính xác cao, kích

1,60 1,75 1,83 1,91 1,98

0,8

1,75

2,5

-

-

-

1,65 1,80 1,87 1,92 2,00

0,7

1,5

2,2

-

-

-

1,70 1,85 1,90 1,95 2,00

0,6

1,3

1,9

-

-

thước nhỏ

Tôn hợp kim tăng cường
cán nguội, ở 50Hz tổn hao
ít, trong trường mạnh độ
từ thẩm cao

Э330 0,35

-

Tôn hợp kim tăng cường
cán nguội, ở 50Hz tổn hao
rất ít, trong trường mạnh

Máy biến dòng bảo vệ
có độ chính xác cao,
kích thước nhỏ

có độ từ thẩm cao

Bảng 1.1 – Thông số một số loại tôn dùng chế tạo lõi thép máy biến dòng

17


1.4

Kết cấu của một số loại máy biến dòng:

1.4.1 Máy biến dòng một vòng dây sơ cấp:
Mạch từ 1 được quấn dạng xuyến từ các lá tôn cán lạnh, đảm bảo dẫn từ
tốt. Cuộn dây thứ cấp w2 được quân rải đều trên mạch từ. Đây là loại biến dòng
kép, có hai mạch từ và hai cuộn thứ câp, có chung cuộn sơ cấp là thanh dẫn 4,
xuyên qua hai mạch từ. Cách điện rắn bằng nhưa êpoxy đảm bảo cách điện giữa
thanh cái và cuộn dây thứ cấp, đồng thời cố định khung lắp ráp 3. Loại biến
dòng này co cấu tạo đơn giản, chắc chắn, dùng cho mạch từ có dòng sơ cấp lớn,
400A trở lên. Nhược điểm là khi dòng điện bé sai số sẽ lớn.

1-mạch từ;

2-cuộn dây thứ cấp;
3-khung;
4-thanh cái (vòng sơ cấp);
5-cách điện êpoxy
Hình 1.4 – Máy biến dòng một vòng dây sơ cấp
1.2.1. Máy biến dòng khô nhiều
vòng dây sơ cấp:
Mạch từ hình chữ

, được

ghép từ các lá thép kỹ thuật điện.
Cuộn dây thứ cấp 2 cách điện với
cuộn dây sơ cấp nhiều vòng dây 1
bằng cách điện êpoxy 4. Dòng điện
sơ cấp được đưa vào các đầu nối

π 1 ; π 2 còn dòng thứ cấp được

Hình 1.5 – Máy biến dòng khô nhiều
vòng dây sơ cấp

18


lấy ra từ các đầu H1, H2. Có sai số bé khi dòng điện sơ cấp bé, nhưng vì số vòng
dây sơ cấp lớn hơn 1 nên khi bị ngắn mạch, lực điện động giữa chúng sẽ lớn.
1.4.2 Máy biến dòng điện ngâm dầu T Φ H-35 với điện áp 35kV:
Cuộn dây cao áp 1 có nhiều vòng có cách điện 35kV so với đất, nối vào
đầu 5; cuộn dây thứ cấp 2 cách điện với mạch từ 3 với điện áp thử nghiệm 2kV,
có một đầu nối đất. Cách điện giữa cuộn cao áp sơ cấp và cuộn thứ cấp 4 là giấy
cách điện dày 0,12mm ngâm trong dầu. Sứ cách điện 6 đảm bảo cách điện
ngoài.
Sau khi tẩm sấy chân không, dầu được nạp đầy, đảm bảo không có
không khí, hơi nước, với kết cấu kiểu này, biến dòng có thể đạt đến cấp điện áp
220kV.

Hình 1.6 – Máy biến dòng điện T Φ H-35
1-vòng điện dung; 2-mũ kim loại; 3-ống chỉ

mực dầu; 4-biến dòng thứ nhất; 5-cách điện
ngoài; 6-dầu biến áp; 7-biến dòng thứ hai; 8-đế
Hình 1.7 – Máy biến dòng điện 400kV, 2 tầng

19


1.4.3 Máy biến dòng điện ngâm dầu 400kV:
Với điện áp cao đến, máy biến dòng được chế tạo theo kiểu nối tầng, mỗi
tầng chịu một phần điện áp. Hình bên là máy biến dòng ngâm dầu 400kV kết
cấu 2 tầng.
1.4.4 Máy biến dòng kiểu mới:
Ngoài các loại biến dòng kinh điển làm việc theo nguyên lý điện từ với
cuộn dây thứ cấp nối trực tiếp với các thiết bị đo lường, bảo vệ, người ta còn
chế tạo biến dòng “kiểu mới” dùng cho các lưới điện siêu cao áp nhằm giảm chi
phí cho cách điện của biến dòng kinh điển. Hiện nay các biến dòng kiểu mới
được chế tạo theo hai nguyên lý: nguyên lý chuyển đổi điện - quang và nguyên
lý từ - quang Faraday.
a,

Nguyên lý loại chuyển đổi điện – quang:
BI 2

BI 1

Is

9

1

2
Mức điện thế cao

3
5

Cáp quang
Mức điện thế thấp

4
2

It
7

6

≈

8

Ut

Zpt

Hình 1.8 – Nguyên lý chuyển đổi điện - quang
Dòng điện sơ cấp được IS được biến đổi qua BI1 kinh điển, đưa qua bộ
điểu biến 1, chuyển thành đại lượng điện áp tỷ lệ dạng xung rời có độ rộng xung

20

thay đổi hoặc tần số tín hiệu xung thay đổi, tỷ lệ với trị số tức thời của dòng
điện sơ cấp. Qua bộ khuếch đại 2, tín hiệu điều khiển Diode phát quang và
Diode quang điện 4 hợp thành hệ thống ghép nối quang điện để truyền tín hiệu
quang từ các phần tử có điện áp cao đến các phần tử có điện áp thấp. Bước sóng
của tín hiệu quang khoảng 900mm được truyền qua cáp quang đến Diode quang
điện 4 để chuyển lại tín hiệu điện áp hình sin. Tín hiệu qua bộ biến đổi 6, bộ lọc
7 và bộ khuếch đại 8 đủ công suất cấp cho các thiết bị đo lường và bảo vệ. Biến
dòng BI2 cùng với thiết bị phụ 9 nạp điện cho bộ accqui nuôi hệ thống biến
dòng điện – quang.
b,

Nguyên lý loại chuyển đổi từ - quang Faraday:
is
ws
L1

L2
3A

2

Mức điện thế cao
Cáp quang
Mức điện thế thấp

IT
1

3B

wT

ZT

5A
5B

Hình 1.9 – Nguyên lý chuyển đổi từ - quang Faraday

21


Một chùm sáng được phát ra từ nguồn sáng 1 phía điện áp thấp, được cáp
quang dẫn đến bộ phân cực 2, chùm sáng sau khi được phan cực đi qua lăng
kính L1 để tới tinh thể thạch anh 3A, tại đó dưới tác dụng của từ trường do dòng
điện sơ cấp sinh ra, chùm ánh sáng sẽ bị phân cực quay với góc quay
δ = V .H .L

trong đó: V – hằng số Verdet (V = 5,23.10-6 rad/A.m đối với tinh thể thạch anh)
H – cường độ từ trường trong tinh thể thạch anh (đơn vị A)
L – chiều dài thanh tinh thể (đơn vị m)
Sau khi qua thanh thạch anh 3A và lăng kính L2, chùm sáng qua thanh
3B đặt ở phía điện áp thấp. Từ trường trong thanh thạch anh 3B được tạo nên
bởi dòng điện thứ cấp IT. Hướng của từ trường được chọn sao cho bù lại được
góc quay phân cực để cho I S w S = IT w T . Kết quả là góc quay δ1 được bù lại góc
quay δ 2 = −δ1 trong thanh thạch anh 3B. Mức ánh sáng nhận được của các bộ
cảm biến quang 5A, 5B giống nhau nên hiệu tín hiệu của bộ khuếch đại vi sai
bằng 0. Khi mặt phẳng phân cực bị quay, mức ánh sáng nhận được của các bộ

cảm biến 5A và 5B sẽ khác nhau làm xuất hiện tín hiệu đầu vào của bộ khuếch
đại vi sai và sinh ra dòng điện IT ở đầu ra, phản ánh đúng dòng sơ cấp IS.

22


1.5

Kiểm tra, lựa chọn biến dòng:
Máy biến dòng được lựa chọn theo điện áp, dòng điện phụ tải thứ cấp,

cấp chính xác, kiểu loại. Máy biến dòng được kiểm tra theo các điều kiện ổn
định lực điện động và ổn đinh định nhiệt khi có dòng điện ngắn mạch chạy qua:
-

Theo điện áp định mức

: Uđm.BI ≥ Uđmlưới

-

Theo dòng điện sơ cấp định mức

: I1đmBI ≥ Ilvmax

-

Theo phụ tải định mức ở phía thứ cấp

: S2đm.BI ≥ S2tt

Trong đó S2đmBI, S2tt là phụ tải định mức và phụ tải tính toán của cuộn
dây thứ cấp máy biến dòng tính bằng VA.
S2đm.BI = I22đm.Z2đm
với: I2đm là dòng điện định mức của cuộn dây thứ cấp
Z2đm là điện trở cho phép toàn phần của mạch ngoài được xác định
Z2đm =
với:

∑r

dc

+ rdd + rtx

∑r

: tổng trở các cuộn dây của các dụng cụ đo và rơle

rdd

: điện trở dây dẫn nối từ thứ cấp của BI đến các dụng cụ đo

rtc

: điện trở các chỗ tiếp xúc (thường lấy bằng 0,1 Ω )

dc

Ta cần căn cứ vào vị trí đặt, điện áp định mức của lưới điện, dòng điện

làm việc lớn nhất, cấp chính xác cần thiết để lựa chọn máy biến dòng. Sau đó,
dựa vào sơ đồ nối dây, các dụng cụ đo được mắc vào thứ cấp máy biến dòng mà
kiểm tra xem phụ tải thứ cấp có vượt quá phụ tải thứ cấp định mức không, rồi
kiểm tra ổn định điện động và ổn định nhiệt khi có dòng điện ngắn mạch đi qua
như sau:
-

Hệ số ổn định lực điện động:
kôđđ ≥

-

iXK
2 I1dmBI

Lực tác dụng cho phép lên đầu sứ của máy biến dòng phải lớn hơn lực
tác dụng lên đầu sứ khi có ngắn mạch:
2
Fcp ≥ Ftt = 0,88.10−2.iXK

23

l
a


trong đó a - là khoảng cách giữa các pha
l - là khoảng cách từ máy biến dòng đến sứ đỡ gần nhất
-

Hệ số ổn định nhiệt:
I ∞ t gt

kôđn ≥
1.6

I1dmBI todn

Các bước cơ bản khi thực hiện thiết kế một máy biến dòng

1.6.1 Xác định kích thước lõi thép
a,

Tính tiết diện lõi thép:
Q=

4,5.10−3.E2
w 2 .B

Trong đó: Q – tiết diện lõi thép
w2 – số vòng dây thứ cấp
B

– Mật độ từ cảm (mật độ từ thông), lấy trong khoảng

0, 05 ÷ 0, 08T

E2 – Sức điện động thư cấp, được tính
E2 = I 2

(r + R ) + ( x
2

2

pt

2

+ X pt )

2

Trong đó: r2; x2 là điện trở và điện cảm của cuộn dây thứ cấp
Rpt; Xpt là điện trở và điện cảm định mức của phụ tải.
b,

Chọn các kích thước và chiều dài lõi thép
Căn cứ vào tiết diện lõi thép đã tính được để chọn các kích thước và

chiều dày lõi thép:
-

Với lõi hình xuyến:
b=

Trong đó: b

Q
2 ( D − d ) .ke

– Chiều dày lõi thép

D; d – đường kính ngoài và trong của lõi thép
ke
-

– hệ số ép chặt các lá tôn, lấy trong khoảng 0,8 ÷ 0,85

Với lõi hình chữ nhật:

24