Nghiên cứu các thông số đặc trưng của thiết bị đo lường bu (biến điện áp đo lường) để nâng cao độ chính xác của thiết bị

Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Với tình hình kinh tế–xã hội đang trên đà phát triển như hiện nay, ngành
điện sẽ ngày càng đóng một vai trò rất lớn. Nó có ảnh hưởng quyết định
đến sự tồn tại, mở rộng các loại hình công nghiệp, kinh tế, dịch vụ... Do
vậy, hệ thống điện Việt Nam phải ngày càng phát triển để đảm nhận tốt
vai trò của mình.
Trong quá trình vận hành hệ thống điện có thể xuất hiện những tình trạng
sự cố và chế độ làm việc không bình thường của thiết bị. Tình trạng sự cố
xảy ra có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị điện, mất điện gây tổn thất cho nền
kinh tế nói chung và ngành điện nói riêng. Do đó, trên hệ thống cần có
những thiết bị đo lường và bảo vệ nhằm phát hiện nhanh chóng sự cố,
cách ly sự cố, tránh mất điện. Những thiết bị đo lường đó là biến dòng
điện và biến điện áp. Các thiết bị này biến đổi điện áp và dòng điện từ trị
số lớn xuống trị số thích hợp để cung cấp cho các dụng cụ đo lường, bảo
vệ và tự động hóa. Biến điện áp thường có hai loại là kiểu điện từ và điện
dung.
Máy biến áp đo lường kiểu dung đươc sử dụng khá phổ biến trong mạng
truyền tải của hệ thống điện nói chung và lưới điện Việt Nam nói riêng.
Nguyên lý cơ bản của CVT là sự chính xác của điện áp đầu ra theo điện
áp đầu vào trong mọi điều kiện hoạt động của thiết bị. Trong điều kiện ổn
định, yêu cầu này có thể đạt được dựa trên thiết kế và sự điều chỉnh của
CVT. Tuy nhiên, độ chính xác của CVT giảm dưới điều kiện quá độ do
cảm ứng, tụ bù hay thành phần không tuyến tính. Do đó, tác động quá độ
của CVT cần được biết đến.
Hiện nay, do nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, việc đầu tư cho
hệ thống điện đòi hỏi nhiều kinh phí dẫn tới tình trạng thiếu hụt điện năng
và chất lượng điện năng suy giảm. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến các

thiết bị dùng điện, đặc biệt ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của các thiết bị
điện tử nhạy cảm như: hệ thống thông tin, điều khiển công nghiệp. Do đó,
việc nghiên cứu để làm giảm sai số trong các thiết bị đo lường cũng phần
nào làm giảm sự cố trên hệ thống điện.
Ngày nay, trên thế giới có nhiều thiết bị đo lường cao áp sử dụng kỹ thuật
cao. Do đó, độ chính xác của phép đo phải được nâng cao cho phù hợp.
Với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật và công nghệ ngày càng
phát triển, các thiết bị ghi nhận tín hiệu trực tiếp (như dao động ký, đồng
hồ đo kỹ thuật số...) có độ chính xác càng cao. Chính vì vậy, việc nâng
cao độ chính xác của thiết bị đo lường điện áp cao thế là một công việc


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

hết sức thiết yếu và thời sự trong lónh vực đo lường – đặc biệt là đo lường
trong vùng tần số công nghiệp.
Luận án giải quyết một phần quan trọng trong hàng loạt vấn đề làm thế
nào để nâng cao độ chính xác của thiết bị đo lường điện áp cao thế, đó là
nghiên cứu các thông số đặc trưng của thiết bị, từ đó xây dựng mô hình
thực tế của thiết bị.
Luận án ứng dụng thành tựu của các nhà sản xuất thiết bị là bù điện cảm
phía sơ cấp để nâng cao độ chính xác của thiết bị đo điện áp. Từ đó, đưa
ra những phương pháp mới để tăng độ chính xác bằng cách bù phía thứ
cấp hay bù cả hai phía sơ và thứ cấp. Trong đó, các thông số đặc trưng
cũng như cấu trúc của biến điện áp để điều chỉnh, áp dụng trong từng
vùng tần số để đạt được độ sai số mong muốn. Điều này có ý nghóa quan
trọng cho các nhà chế tạo, bởi khi xác định những thông số có thể ảnh
hưởng đến sai số thiết bị mà chế tạo để đạt độ chính xác yêu cầu.

Đề tài thực hiện bao gồm 5 chương, có thể tóm tắt như sau:
Chương 1: Vai trò của biến điện áp đo lường trong hệ thống điện
Đưa ra các mô hình CVT thực tế, các thông số, các mô hình CVT hiện có
và các phương pháp nâng cao độ chính xác của thiết bị đo lường hiện tại.
Từ đó làm cơ sở để nghiên cứu phương pháp mới.
Chương 2: Bộ phân áp đo lường
Chương 2 sẽ đưa một vài bộ phân áp có trên thực tế cùng ưu, khuyết điểm
của nó. Ở đây sẽ đặc biệt làm rõ mô hình bộ phân áp được sử dụng nhiều
cho thiết bị CVT là bộ phân áp điện dung.
Chương 3: Xây dựng biểu thức toán học và khảo sát một vài loại CVT
trong hệ thống điện cao thế
Từ sơ đồ mạch tương đương của CVT, chương này sẽ thực hiện việc xây
dựng các mô hình toán học của sai số thiết bị qua các thông số CVT, từ đó
khảo sát một số loại CVT bằng phần mềm Matlab, kết luận phương pháp
tối ưu nhằm giảm sai số, nâng cao độ chính xác của chúng.
Chương 4: Khảo sát sự thay đổi sai số của một mô hình CVT theo góc
lệch pha δ
Khi góc lệch pha giữa điện áp cao thế và điện áp phía hạ thế nhận được
sẽ có những thay đổi về sai số biên độ và sai số pha. Chương này sẽ làm
rõ mối quan hệ đó và đưa ra những kết luận cần thiết.
Chương 5: Kết luận
Chương này sẽ đưa ra kết luận những kết quả cụ thể. Từ đó, hướng phát
triển cho tương lai và mở rộng đề taøi.


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

MỤC LỤC

Chương 1

-------------------------------------------------------------------------------------------1.1

VAI TRÒ CỦA BIẾN ĐIỆN ÁP ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN -----1.1
1.1

CHỨC NĂNG VÀ CÁC THÔNG SỐ CHÍNH ----------------------------------1.1

1.1.1

Chức năng ----------------------------------------------------------------------------1.1

1.1.2

Phân loại ------------------------------------------------------------------------------1.1

1.1.3

Hình dáng và các thông số chính của biến điện áp kiểu tụ (CVT) -----------1.1

1.1.4

Vai trò quan trọng của biến điện áp ----------------------------------------------1.5

1.2

CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA THIẾT BỊ ĐO
LƯỜNG HIỆN NAY ----------------------------------------------------------------1.7

1.2.1

Phương pháp ước lượng các thông số ---------------------------------------------1.7

1.2.2

Phương pháp bù động on-line------------------------------------------------------1.7

1.3

CẤP CHÍNH XÁC CỦA THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG HIỆN NAY ---------------1.8

1.4

CÁC MÔ HÌNH CVT---------------------------------------------------------------1.9

Chương 2

-------------------------------------------------------------------------------------------2.1

BỘ PHÂN ÁP ĐO LƯỜNG ------------------------------------------------------------------2.1
2.1

PHÂN LOẠI CÁC BỘ PHÂN ÁP ------------------------------------------------2.1

2.2

BỘ PHÂN ÁP ĐIỆN TRỞ ---------------------------------------------------------2.1

2.3

BỘ PHÂN ÁP ĐIỆN DUNG-------------------------------------------------------2.3

2.4

BỘ PHÂN ÁP DUNG – TRỞ -----------------------------------------------------2.4

2.5

BỘ PHÂN ÁP ĐIỆN CẢM (L1–L2) VÀ BỘ PHÂN ÁP (Z1–Z2) (R, L,
C) --------------------------------------------------------------------------------------2.5

Chương 3

-------------------------------------------------------------------------------------------3.1

XÂY DỰNG BIỂU THỨC TOÁN HỌC VÀ KHẢO SÁT MỘT VÀI LOẠI CVT
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CAO THẾ --------------------------------------------------3.1
3.1

THÀNH LẬP BIỂU THỨC TOÁN HỌC TÍNH SAI SỐ TỪ THÔNG SỐ
ĐẶC TRƯNG CỦA THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG CVT -----------------------------3.1

3.2

PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ------------------------------3.4

3.2.1

Thông số mô hình khảo sát:--------------------------------------------------------3.5

3.2.2

Nguyên lý bù nâng cao độ chính xác thiết bị------------------------------------3.5

3.2.3

Phương pháp làm giảm sai số CVT -----------------------------------------------3.5


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

3.3

KHẢO SÁT MỘT VÀI LOẠI CVT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CAO
THẾ -----------------------------------------------------------------------------------3.6

3.3.1

CVT 123kV:--------------------------------------------------------------------------3.6

3.3.2

CVT 220kV:------------------------------------------------------------------------ 3.20

3.3.3

CVT 400kV:------------------------------------------------------------------------ 3.33

3.3.4

CVT 500kV:------------------------------------------------------------------------ 3.46

3.4

KẾT LUẬN CHUNG ------------------------------------------------------------- 3.58

Chương 4

-------------------------------------------------------------------------------------------4.1

KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI SAI SỐ CỦA MỘT MÔ HÌNH CVT THEO GÓC
LỆCH PHA δ ------------------------------------------------------------------------------------4.1
4.1

THÔNG SỐ CỦA CVT 123KV ---------------------------------------------------4.1

4.2

KHẢO SÁT SAI SỐ CVT 123KV KHI BÙ PHÍA SƠ CẤP VỚI GÓC
LỆCH PHA δ THAY ĐỔI TỪ 00 ĐẾN 100 -------------------------------------4.2

4.3

BÙ PHÍA THỨ CẤP -------------------------------------------------------------- 4.15

4.4

BÙ CẢ HAI PHÍA SƠ CẤP VÀ THỨ CẤP ----------------------------------- 4.28

Chương 5

-------------------------------------------------------------------------------------------5.1

KẾT LUẬN --------------------------------------------------------------------------------------5.1
Tài liệu tham khảo
Phụ lục


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

Chương 1
VAI TRÒ CỦA BIẾN ĐIỆN ÁP ĐO LƯỜNG
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1

CHỨC NĂNG VÀ CÁC THÔNG SỐ CHÍNH

1.1.1 Chức năng
Biến điện áp (BU) dùng để biến đổi điện áp từ trị số lớn xuống trị số thích
hợp (110V hay 110V/√3) dùng để cung cấp cho các dụng cụ đo lường, rơle
và tự động hóa. Như vậy, các dụng cụ thứ cấp được tách ra khỏi mạch
điện cao áp nên rất an toàn cho người. Cũng vì vấn đề an toàn, một trong
những đầu ra của cuộn thứ cấp phải được nối đất. Các dụng cụ phía thứ
cấp của BU có điện trở rất lớn, nên có thể xem BU làm việc ở chế độ
không tải.

1.1.2 Phân loại
Biến điện áp được phân thành 2 loại: dầu và khô. Mỗi loại lại có thể phân
theo số lượng pha: biến điện áp 1 pha và 3 pha.
Biến điện áp khô chỉ dùng cho thiết bị phân phối trong nhà. Biến điện áp
khô một pha dùng ở cấp điện áp 6kV trở lại, còn biến điện áp khô ba pha
dùng cho điện áp đến 500V.
Biến điện áp dầu được chế tạo với điện áp 3kV trở lên và dùng cho thiết
bị phân phối cả trong nhà lẫn ngoài trời.
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 (C1 và C2) để lấy một phần điện áp cao rồi mới đưa và biến điện
áp. Điện áp lấy trên tụ C2 bằng khoảng 10-30kV, sau đó nhờ biến điện áp
1 pha hạ xuống điện áp thích hợp cho đo lường, rơ le và tự động hóa.
1.1.3 Hình dáng và các thông số chính của biến điện áp kiểu tụ (CVT)
1. Hình dáng

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

1.1

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

Hình 1.1: CVT và cấu tạo bên trong

CVT 72.5kV CVT 245kV

CVT 500kV

Hình 1.2: Các dạng CVT sử dụng trong hệ thống điện

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

1.2

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

Hình 1.3: Hình dạng CVT

2. Cấu tạo
Một CVT cơ bản gồm hai bộ phận:
(a) Bộ phân áp kiểu dung
Bộ phân áp kiểu dung bao gồm một hay hai bộ tụ, tập hợp thành mỗi
nhóm khác nhau. Mỗi bộ tụ bao gồm một lượng lớn các phần tử tụ điện
cách điện bằng dầu, mắc nối tiếp nhau. Các bộ tụ được ngâm trong dầu
tổng hợp, được giữ dưới một áp lực không đáng kể bằng thiết kế hệ thống
giản nở.
(b) Bộ điện từ
Bộ chia áp và bộ phận điện từ được nối với nhau bằng bushing bên trong,
thiết kế cần thiết cho việc ứng dụng với độ chính xác cao.

Bộ điện từ gồm có:
Cuộn cảm bù.
Biến áp giảm áp.
Mạch triệt tiêu hiện tượng cộng hưởng sắt từ (Ferroresonance
Suppression Circuit – FSC).
Thiết bị bảo vệ quá điện áp.
Mạch triệt tiêu hiện tượng cộng hưởng sắt từ:

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

1.3

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

Tất cả các biến điện áp kiểu dung cần kết hợp chặt chẽ với một số
mạch triệt tiêu hiện tượng cộng hưởng sắt từ, từ điện dung trong tụ chia
áp, mắc nối tiếp với điện cảm không tuyến tính của lõi sắt biến áp và
cuộn cảm bù, tạo thành một mạch có thể xảy ra cộng hưởng.
Mạch này có thể gây ra cộng hưởng, đó là sự bão hòa lõi sắt máy biến
áp bởi những nhiễu loạn khác nhau trong hệ thống. Hiện tượng này
cũng có thể gây quá nhiệt bộ phận điện từ hoặc dẫn đến chọc thủng
cách điện. Cấu tạo mạch triệt tiêu hiện tượng cộng hưởng sắt từ như
hình 1.4a và 1.4b.

Hình 1.4: Mô hình mạch FSC

3.

Các thông số chính của biến điện áp kiểu tụ

Hình 1.5: Sơ đồ điện nối điện cơ bản của CVT

Trong đó:
Các tụ điện chia áp C1, C2
Điện cảm LC dùng để tránh lệch pha giữa điện áp Vi và V0.
Biến điện áp trung thế cung cấp điện áp V0 cho đo lường và bảo vệ
rơle.
Mạch FSC (Ferroresonance suppression circuit)
Tải Zb.
Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

1.4

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

4. Các loại CVT có trên thị trường

1.1.4 Vai trò quan trọng của biến điện áp
Biến điện áp có vai trò quan trọng trong việc vận hành chính xác và tin
cậy của hệ thống điện cao thế. Nó biến đổi từ điện áp cao xuống điện áp

hạ thế (khoảng 110, 110/√3) để cung cấp cho đo lường, bảo vệ rơle và
thông tin PLC. Do đó, để hệ thống điện ngày càng ổn định và có độ tin
cậy cao thì độ chính xác của thiết bị đo ngày càng phải được cải tiến.
Trước hết, ta hãy xét những ảnh hưởng quan trọng của thiết bị đo lường
điện áp vào hoạt động của hệ thống điện.
1. Ảnh hưởng của biến điện áp đo lường tác động lên rơle kỹ thuật số
Như ta đã biết biến dòng và biến điện áp là những thiết bị đo lường tín
hiệu cung cấp cho bảo vệ rơle. Hiệu suất và độ chính xác của bảo vệ rơle
liên quan trực tiếp đến trạng thái ổn định và hiệu suất quá trình quá độ
của thiết bị đo lường. Rơle bảo vệ được thiết kế hoạt động trong vùng thời
gian ngắn hơn thời gian quá độ của nhiễu loạn trong suốt trạng thái sự cố
của hệ thống. Sai số quá độ của thiết bị đo lường lớn có thể trì hoãn hoặc
ngăn ngừa hoạt động của rơle. Do đó, có thể nói sai số của thiết bị đo
lường nói chung và biến điện áp nói riêng có ảnh hưởng lớn đến hoạt
động của rơle kỹ thuật số.
2. Ảnh hưởng của biến điện áp đo lường tác động lên rơle khoảng cách
(Rơle 21)
Sai số trong đo lường góc pha có thể gây nên hiện tượng dưới tầm hoặc
quá tầm không mong muốn trong bảo vệ khoảng cách. Độ chính xác và
tốc độ đáp ứng của rơle 21 cũng phụ thuộc vào đo lường độ lớn và góc
của pha.
Quá độ của CVT làm giảm thành phần cơ bản của điện áp sự cố và làm
cho rơle khoảng cách tính toán nhỏ hơn trị số tổng trở biểu kiến thật sự
đến điểm sự cố. Hình 9 cho thấy thành phần tần số cơ bản của điện áp
CVT phía sơ cấp khi so sánh với tỉ số điện áp lý tưởng. Hình 10 cho biết 2
Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

1.5

Học viên : Trần Thế Thoâng

Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

tổng trở biểu kiến được tính toán đến điểm cuối của đường dây bị sự cố từ
tỉ số điện áp lý tưởng và điện áp phía sơ cấp của CVT.

Do đó, đo lường chính xác điện áp và góc pha trong quá trình quá độ cũng
là một nhiệm vụ quan trọng không thể thiếu của thiết bị đo lường điện áp.
Việc nâng cao độ chính xác của thiết bị là một nhiệm vụ quan trọng, có
liên quan lớn đến việc vận hành an toàn hệ thống điện.

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

1.6

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

1.2

Luận án Cao Học

CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA THIẾT BỊ
ĐO LƯỜNG HIỆN NAY

1.2.1 Phương pháp ước lượng các thông số
D. Fernandes Jr., W.L.A Neves and J.C.A Vasconcelos, “Identification of
Parameters for Coupling Capacitor Voltage transformers”, Proceedings of
the IPST 2001, pp. 463-468, Rio de Janeiro, June 24-28, 2001, đưa ra một
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.
Phương pháp này thực hiện như sau:
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 để tính toán lại các thông số của 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 cho 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.
1.2.2 Phương pháp bù động on-line
J. Izykowski, B. Kasztenny, E. Rosolowski, M.M. Saha, B. Hillstrom,
“Dynamic Compensation of Capacitive Voltage Transformer”, IEEE
Transactions on Power Delivery, vol. 13, no. 1, January 1998, đưa ra
phương pháp giảm sai số quá độ bằng cách bù động on-line cho phía thứ
cấp của thiết bị. Phương pháp này hiện nay được nghiên cứu phổ biến ở

vài bài báo. Ưu điểm của phương pháp này là cho độ chính xác cao và
đáp ứng ở nhiều tần số khác nhau nhưng bù lại chi phí cho nó khá lớn.
Phương pháp này thực hiện như sau:
Đầu tiên đưa ra một mô hình CVT tiêu biểu.

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

1.7

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

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 việc đo lường tổng trở tốt hơn phục vụ cho rơle khoảng cách.
Với việc bù động cho CVT, vùng hoạt động tần số chính xác được mở
rộng và đo lường ở vùng tần số cao đạt hiệu quả hơn.
1.3

CẤP CHÍNH XÁC CỦA THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG HIỆN NAY
Căn cứ vào sai số của BU mà người ta đặt tên cho cấp chính xác của nó.

Cấp chính xác của BU là sai số điện áp lớn nhất khi nó làm việc trong
điều kiện: tần số 50Hz, điện áp sơ cấp biến thiên trong khoảng U1 = (0,9 ÷
1,1)U1đm, còn phụ tải thứ cấp thay đổi trong giới hạn từ 0,25 đến định mức
và cosϕ = 0,8. Biến điện áp được chế tạo với các cấp chính xác 0,2; 0,5;
1,0 và 3,0.
Trên lưới Việt Nam hiện nay, các loại biến điện áp đang sự dụng hầu hết
là biến điện áp kiểu tụ, chúng ta chọn lựa theo tiêu chuẩn IEC 186, IEC
358, với các cấp chính xác như sau:
Cho đo lường:

0,5

Cho bảo vệ:

3P

Thiết bị CVT do các hãng nổi tiếng trên thế giới chế tạo hiện nay như:
ABB, Trench, Ritz… có cấp chính xác theo các tiêu chuẩn sau:

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

1.8

Học viên : Trần Thế Thoâng


Trường Đại Học Bách Khoa

1.4

Luận án Cao Học

CÁC MÔ HÌNH CVT

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

1.9

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

Luận án Cao Học

1.10

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

Luận án Cao Học

1.11

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

Chương 2
BỘ PHÂN ÁP ĐO LƯỜNG
2.1

PHÂN LOẠI CÁC BỘ PHÂN ÁP
Hiện nay trên thế giới thường sử dụng các loại phân áp như sau: Bộ phân
áp điện trở, bộ phân áp điện dung, bộ phân áp dung – trở, bộ phân áp
điện cảm, bộ phân áp Z1 – Z2 … Tùy từng yêu cầu cụ thể mà sử dụng bộ
phân áp nào thích hợp. Sau đây là cấu tạo các bộ phân áp:
1. Bộ phân áp điện trở: phần tử cao thế của bộ phân áp này là những điện
trở. Chúng không được sử dụng với bất cứ một biện pháp che chắn nào.
2. Bộ phân áp điện dung: phần tử cao thế của bộ phân áp này là những tụ
điện.
3. Bộ phân áp dung - trở: các phần tử của bộ phân áp này là các điện trở
và tụ điện. Chúng được ghép song song hoặc nối tiếp….
Các phần tử điện áp thấp đối với bất kỳ loại phân áp nào cần phải có
những đặc tính tương tự với các đặc tính của các phần tử điện áp cao, có
nghóa là khi chế tạo các phần tử điện áp thấp cần phải sử dụng các điện
trở, điện dung cùng một loại với các phần tử điện áp cao.

2.2

BỘ PHÂN ÁP ĐIỆN TRỞ

Các bộ phân áp điện trở có thể được chế tạo từ các điện trở làm bằng chất
lỏng, chẳng hạn như các dung dịch CuSO4, HCl, NaCl, hoặc các chất lỏng
đặc biệt với điện trở suất cao. Trong thực tế, các loại điện trở loại này rất
dễ chế tạo, tuy nhiên thường ít được sử dụng bởi vì điện trở của chất lỏng
thay đỗi nhiều theo nhiệt độ, theo điện áp đặt vào chúng… Thông thường
thì người ta vẫn sử dụng loại điện trở dây quấn với điện trở suất cao
(chẳng hạn như Crôm, Constantan…). Khuyết điểm của các loại dây quấn
là tồn tại điện cảm đáng kể. Để giảm giá trị điện cảm này, người ta sử
dụng các cách quấn dây khác nhau (kiểu quấn dây Wener, kiểu quấn dây
kép…). Các dây quấn điện trở được quấn trên một lõi cách điện có đường
kính không lớn lắm (khoảng 50-80mm) (xem hình 2.1). Tùy theo cấp điện
áp của bộ phân áp mà các điện trở này có thể chế tạo theo dạng khô hoặc
nhúng trong một ống cách điện chứa dầu.

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

2.1

Học viên : Trần Thế Thoâng


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

Hình 2.1: Các cấu trúc khác nhau của bộ phân áp điện trở với các cách
quấn khác nhau của điện trở cao thế.

Mô hình của bộ phân áp điện trở có dạng:

R1
u1 (t)
R2

u2 (t)

Hình 2.2
Ưu điểm: của bộ phân áp này là đơn giản, với hệ số phân áp như sau:
K=

R1 + R2
R2

( R2 〈〈 R1 )

Khuyết điểm: khi đo điện áp với biên độ rất lớn sẽ xuất hiện điện dung
ký sinh C trên các phần tử điện trở ở nhánh cao áp và nhánh hạ áp,
nên điện áp trên các bộ phân áp không đều, để khắc phục điều này
cần sử dụng bộ phân áp điện trở có màn che.

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

2.2

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

Hình 2.3: Dạng chung của bộ phân áp điện trở
2.3

BỘ PHÂN ÁP ĐIỆN DUNG
Bộ phân áp điện dung được sử dụng rộng rãi bởi vì chế tạo đơn giản và có
độ tin cậy cao trong vận hành.

C1
u1 (t)
C2 u2 (t)

Hình 2.4
Hệ số phân áp:
K=

C1 + C 2
C2

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

2.3

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

Khi điện áp cao thường thì ở nhánh cao áp dùng các điện dung nối tiếp
nhau.
Ưu điểm: chế tạo đơn giản và có độ tin cậy cao trong vận hành, thời
gian truyền ngắn.
Khuyết điểm: Do tồn tại điện cảm L và điện trở r của cáp đo nối với
dao động ký nên khi r bé thì điện cảm L xác định tần số và dao động
riêng của bộ phân áp. Để làm giảm dao động này, người ta đặt thêm
vào điện trở đệm Rđệm. Ngoài ra còn mắc thêm điện trở R ở đầu vào
của dao động kí để giải thoát các điện tích tự do (các ion hoặc điện tử)
tích lũy ở tụ điện cực dưới của tụ điện cao thế. Điện trở này có giá trị
tối ưu khoảng 10MΩ. Khi điện áp càng cao thì số lượng tụ điện nối
tiếp sẽ tăng lên và như vậy sẽ làm tăng điện dung ký sinh của các
phần tử đối với đất, khi đó, xung đo được sẽ méo dạng lớn. Để cải
thiện phân bố điện áp giữa các phần tử tụ điện thì cần phải tăng điện
dung của chúng và như thế sẽ tăng điện dung đầu vào của bộ phân áp.
Để khắc phục hiện tượng trên ở đây ta sử dụng kết hợp hai loại bộ phân
áp dung, trở trên.
2.4

BỘ PHÂN ÁP DUNG – TRỞ

R

C

R

C

u1(t)

u2(t)
CH

RH

Hình 2.5

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

2.4

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

Điện dung ký sinh C phân bố dọc theo bộ phân áp điện trở đối với đất làm
xấu đi đặc tính của hàm quá độ của bộ phân áp. Điều này có thể được hạn
chế bằng cách nối những tụ điện song song với các điện trở của bộ phân
áp. Như vậy bộ phân áp dung – trở được cấu thành bởi hai bộ phân áp
điện trở và điện dung ghép song song. Để ghi lại xung tốt hơn, người ta
thực hiện cân bằng hệ số phân áp của hai bộ phân áp gheùp chung.
R1 + R2 C1 + C 2
=
R2
C1
⇒ R1C1 = R2 C 2

(Hằng số thời gian của hai nhánh cao thế và hạ thế của bộ phân áp bằng
nhau)
Người ta chứng minh được khi kết hợp lại thành bộ phân áp dung – trở thì
các đặc tính biên độ – tần số và đặc tính pha – tần số của bộ phân áp
dung – trở trở nên ổn định. Tuy nhiên sự ổn định còn phụ thuộc vào tính
không đồng đều của các phần tử điện trở và điện dung.
2.5

BỘ PHÂN ÁP ĐIỆN CẢM (L1–L2) VÀ BỘ PHÂN ÁP (Z1–Z2) (R, L, C)

Z1

L1
u1 (t)

u1 (t)
Z2

u2 (t)

BPA điện cảm
Hình 2.6

L2

u2 (t)

BPA (Z1-Z2)
Hình 2.7

Trong lónh vực đo lường xung điện áp cao, rất ít khi sử dụng các bộ phân
áp này do các hiên tượng từ trễ, tương hổ xuất hiện trong mạch và đối với
bộ phân áp (Z1–Z2) còn có thêm hiện tượng cộng hưởng gây nên dao động
riêng. Các hiện tượng này ảnh hưởng nhiều đến hàm truyền đạt của bộ
phân áp. Do đó, sẽ gây nên nhiều sai số.
Khuyết điểm của bộ phân áp Dung – Trở là nó có điện dung lớn và do đó
có ảnh hưởng lớn đến mạch thử nghiệm.

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

2.5

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

Chương 3
XÂY DỰNG BIỂU THỨC TOÁN HỌC VÀ KHẢO SÁT
MỘT VÀI LOẠI CVT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CAO THẾ
3.1

THÀNH LẬP BIỂU THỨC TOÁN HỌC TÍNH SAI SỐ TỪ THÔNG
SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG CVT
Cùng với việc nâng cao điện áp lưới truyền tải, kích thước và giá thành
của biến điện áp đo lường cũng tăng cao. Hiệu quả hơn trong việc đo
lường là biến điện áp xây dựng trên nguyên tắc dung gồm các thành phần

tụ điện C1, C2 và biến áp cảm ứng VT nối với tụ chia áp C2.
Để nhận được biến áp đo lường CVT với độ chính xác cần thiết, với các
thành phần bù cảm ứng được nối vào từ phía cao áp và hạ áp (PB và PH).
Mô tả nguyên lý làm việc của CVT và phương pháp bù sai số của nó bằng
thành phần bù cảm ứng PB thể hiện ở các phần sau. Phân tích phương
pháp bù, kết quả sai số nhận được sẽ thực hiện cụ thể.
Chọn những công thức tính toán CVT. Định nghóa 1 số hệ số truyền CVT
theo hiệu điện thế như sau:
CVT
K HT
= U 1 U 2 - Hệ số của bộ CVT (tham số cho trước).
ED
K HT
= U 1 U 1ED - Hệ số của bộ chia áp ED.

VT
K HT
= U 1VT U 2 - Hệ số biến đổi của biến áp VT.
CVT
ED
VT
= K HT
.K HT
Giữa các hệ số tồn tại biểu thức: K HT

Uht

U1

C1

PB

PH

U1C

ED
C2

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

VT

3.1

DU

ZH

U2

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

Sai số của CVT được xác định bằng cách so sánh điện áp thực tại đầu ra

OT
của CVT là U2 với điện áp thực của biến áp đo mẫu (OT) U 2OT = U 1 K HT
,
OT
CVT
trong đó, K HT
= K HT
. Sai số tổng thể toàn phần của CVT được tính theo
công thức sau:
ε&CVT

U& 2 − U& 2OT
U& 2
=
=
−1
U& 2OT
U& 2OT
U&

U&

1
1
; U 2OT = CVT
Maø U& 2 = & CVT
KD
K HT

K CVT

K CVT

K CVT

− 1 = HT
cos δ − 1 + j HT
sin δ = f CVT + jδ CVT
=> ε&CVT = & HT
CVT
CVT
&
KD
K& DCVT
KD

(1)

Trong đó, K& DCVT = U& 1 U& 2 - là hệ số truyền tổng thể thực tín hiệu CVT.
δ = δ 2 − δ 1 - góc chuyển dịch giữa U1 và U2 quay 1800.
f CVT - sai số điện áp của CVT.

δ CVT - sai số góc của CVT.

Sẽ tính K& DCVT đối với sơ đồ thay thế ở hình 3.2. Trong đó, các tham số được
qui đổi về phía thứ cấp U2.
C1' , RC' 1 , C 2' , RC' 2 - là các tham số của tụ ED;
'
Z PB
, Z PH - tổng trở của thành phần bù phía sơ cấp và thứ cấp (PB và PH);

'
CVT
- dung lượng tương đương của VT;

Z 0' - tổng trở vòng từ của VT;
Z S' 1 , Z S 2 - tổng trở các cuộn dây VT. Trong đó tính cả từ trở thuần VT

( R1' , R2 ) và trở phân tán.

ZDU – trở toàn phần của thiết bị DU (Thiết bị triệt tiêu cộng hưởng sắt từ).
ZH = RH + jXH – trở tổng tải của CVT.
Từ hình 3.2 ta tìm tỉ số K& DCVT = U& 1 U& 2 nhö sau:
UB =

U2
(Z S 2 + Z PH + Z H // Z DU )
Z H // Z DU

Đặt Z K .3 = (Z S 2 + Z PH + Z H // Z DU )

(

)

UB
Z S' 1 + Z 0' // Z K .3
Z // Z K .3
U2
=
Z K .3 .( Z S' 1 + Z 0' // Z K .3 )

'
( Z H // Z DU )( Z 0 // Z K .3 )
UC
'
'
UD = '
.( Z PB
+ Z CVT
//( Z S' 1 + Z 0' // Z K .3 )
'
'
Z CVT //( Z S1 + Z 0 // Z K .3 )

UC =

'
0

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

3.2

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

=

Luận án Cao Học

(

)

U 2 .Z K .3 Z S' 1 + Z 0' // Z K .3
'
'
( Z PB
)
+ Z BX
'
( Z H // Z DU )( Z 0' // Z K .3 ) Z BX

'
'
Với Z BX
= Z CVT
//( Z S' 1 + Z 0' // Z K .3 )

U& 1' =

Z

'
C2
'
C1

UD

'
'
.( Z C' 1 + Z C' 2 //( Z S' 1 + Z PB
+ Z BX
)
'
'
//( Z PB + Z BX )

(

)

(

)

'
'
+ Z C' 2 // Z PB
+ Z BX
U 2 .Z K .3 Z S' 1 + Z 0' // Z K .3
'
'
( Z PB
+ Z BX
)
.
'
'

'
'
'
Z C 2 // Z PB + Z BX
( Z H // Z DU )( Z 0 // Z K .3 ).Z BX
Z K .3 Z S' 1 + Z 0' // Z K .3
U& ' Z ' + Z ' // Z ' + Z '
'
'
( Z PB
+ Z BX
) (2)
=> 1 = C1 ' C 2 ' PB ' BX .
'
'
&
U2
Z C 2 // Z PB + Z BX
( Z H // Z DU )( Z 0 // Z K .3 ).Z BX
U&
Maø U& 1' = 1
h
U&
w
Với K BVT = VT = 1
w2
U&

=

Z

(

)

(

(

)

)

(

)

2

U&
U&
= VT 1
U& 2 K B .U& 2
'
'
+ Z BX
Z K .3 Z S' 1 + Z 0' // Z K .3
U& 1 Z C' 1 + Z C' 2 // Z PB
'

'
=
( Z PB
+ Z BX
) K BVT
Từ (2) ta coù:
.
'
'
'
'
'
&
U2
Z C 2 // Z PB + Z BX
( Z H // Z DU )( Z 0 // Z K .3 ).Z BX
'
1

=>

(

(

)

)

(

)

(3)
Trong đó:

(

=1+

Z C' 1
Z

'
C2

+

Với Z C 3 =

(Z

(

)

'
'
+ Z BX
Z C' 1 + Z C' 2 // Z PB

Z C' 1
Z C' 1
Z C' 1
=
1
+
=
+
+1
'
'
'
'
+ Z BX
+ Z BX ) Z PB
+ Z BX Z C' 2
Z C' 2 // Z PB
Z C' 2 //( Z PB

)

Z C' 1
Z

'
PB

.

+ Z BX Z

Z C' 2
'
C1

+Z

'
C2

.

Z C' 1 + Z C' 2
Z

'
C2

⎛
Z C' 1
⎜
= ⎜1 + '
ZC2
⎝

⎞⎛
Z
⎟⎜1 + ' C 3
⎟⎜
Z PB + Z BX

⎠⎝

Z C' 1 .Z C' 2
Z C' 1 + Z C' 2

)

'
+ Z 0' // Z K .3 ⎛ Z K .3 .( Z PB
+ Z BX ) ⎞ ⎛
⎜
⎟ = ⎜1 +
'
( Z 0 // Z K .3 ) ⎜⎝ Z H // Z DU .Z BX ⎟⎠ ⎜⎝
'
'
⎛ Z K .3
Z S' 1 Z 0' + Z K .3 ⎞⎛ Z PB
+ Z BX
⎜
⎟
⎜
+ '
.=⎜
'
⎟⎜
Z BX
⎝ Z H // Z DU Z 0 ( Z H // Z DU ) ⎠⎝

⎞⎛ Z K .3

⎟⎜
'
Z 0 // Z K .3 ⎟⎠⎜⎝ Z H // Z DU
⎞
⎟
⎟
⎠
'
'
'
'
⎛ Z K .3
⎞
Z S1
Z
Z K .3 ⎞⎛ Z PB
+ Z BX
⎟⎜
⎟
+
+ S'1 .
. = ⎜⎜
'
⎟
⎟⎜
Z BX
⎠
⎝ Z H // Z DU ( Z H // Z DU ) Z 0 Z H // Z DU ⎠⎝
'
'

'
'
⎛
Z K .3
Z
Z ⎞⎛ Z + Z ⎞
⎜1 + S 1 + S'1 ⎟⎜ PB ' BX ⎟
(5)
.=
⎟
⎜
Z H // Z DU ⎝
Z K .3 Z 0 ⎟⎠⎜⎝
Z BX
⎠

.

'
S1

⎞
⎟ (4)
⎟
⎠

(

)

Z S' 1

'
'
⎞⎛ Z PB
+ Z BX
⎟⎟⎜
'
⎜
Z BX
⎠⎝

⎞
⎟
⎟
⎠

Từ (3), (4) và (5) ta có:

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

3.3

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

⎛
Z ' ⎞ Z K .3
Z'
Z ' ⎞⎛ Z ' + Z ' ⎞⎛
Z
U& 1 ⎛
⎜1 + S 1 + S'1 ⎟⎜ PB ' BX ⎟⎜1 + ' C 3 '
= ⎜⎜1 + C' 1 ⎟⎟
⎟⎜
Z K .3 Z 0 ⎟⎠⎜⎝
U& 2 ⎝
Z C 2 ⎠ Z H // Z DU ⎜⎝
Z BX
Z PB + Z BX
⎠⎝
'
'
'
'
⎛
⎛
Z ⎞ Z K .3
Z
Z ⎞⎛
Z
Z ⎞
⎜1 + S1 + S'1 ⎟⎜1 + C' 3 + PB
⎟h
= ⎜⎜1 + C' 1 ⎟⎟
'

⎟
⎜
⎜
⎟
Z
//
Z
Z
Z
Z
Z
Z
H
DU ⎝
K .3
0 ⎠⎝
C2 ⎠
BX
BX ⎠
⎝
Z ' + Z C' 2
ED
Đặt K XX
= C1
ZC2
⎛
⎞
Z K .3
Z'
Z ' ⎞⎛

Z
U& 1
ED
⎜1 + S 1 + S'1 ⎟⎜1 + ' C 3 ' ⎟
= K BVT K XX
Z H // Z DU ⎜⎝
Z K .3 Z 0 ⎟⎠⎜⎝
U& 2
Z PB + Z BX ⎟⎠
⎞
Z K .3 ⎛
Z S' 1 Z S' 1 ⎞⎛
Z
CVT
VT
ED
⎜1 +
=> K D = K B .K XX
+ ' ⎟⎟⎜⎜1 + ' C 3 ' ⎟⎟
⎜
Z H // Z DU ⎝ Z K .3 Z 0 ⎠⎝ Z PB + Z BX ⎠

f CVT = Re(ε&CVT ) =

K . cos δ

Z K .3
Z H // Z DU

⎛

Z'
Z ' ⎞⎛
Z'
⎜1 + S 1 + S'1 ⎟⎜1 + C' 3
⎜ Z
Z 0 ⎟⎠⎜⎝ Z BX
K .3
⎝

⎞
⎟
⎟
⎠

⎞
⎟h
⎟
⎠

−1

'
Với Z C' 3 = Z C 3 + Z PB

δ CVT = Im(ε&CVT ) =

Trong đó: K =

C'1 R'C1

U'1

K . sin δ
Z K .3
Z H // Z DU

⎛
Z'
Z ' ⎞⎛
Z'
⎜1 + S1 + S'1 ⎟⎜1 + C' 3
⎜ Z
Z 0 ⎟⎠⎜⎝ Z BX
K .3
⎝

⎞
⎟
⎟
⎠

CVT
K HT
ED
K BVT .K XX

Z'PB
D

R'C2

ZPH
C

C'VT

Z'S1

B

ZS2

Z'0

ZDU

ZH

U2

C'2
Hình 3.2

Bằng phần mềm Matlab lập trình tính toán, mô phỏng sai số của thiết bị
đo lường biến điện áp kiểu dung ta khảo sát sai số của CVT lúc chưa bù,
lúc bù phía sơ cấp, thứ cấp và khi bù cả hai phía.
3.2

PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC
Ở trong phạm vi luận văn này, để có tính thuyết phục, tôi sẽ khảo sát các

loại biến điện áp đo lường kiểu dung để từ các thông số cụ thể của nhà

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

3.4

Học viên : Trần Thế Thông


Trường Đại Học Bách Khoa

Luận án Cao Học

sản xuất, đưa ra phương án bù nhằm làm tăng độ chính xác của thiết bị.
Các mô hình sẽ thực hiện trong phần chính là mô hình CVT 123kV,
220kV, 400kV và mô hình CVT 500kV sẽ đưa làm cơ sở minh chứng cho
các phương pháp đưa ra.
3.2.1 Thông số mô hình khảo sát:

3.2.2 Nguyên lý bù nâng cao độ chính xác thiết bị
Với mô hình CVT thì luôn có cuộn cảm bù LC dùng để tránh lệch pha giữa
điện áp Vi và V0 với qui tắc tổng trở vào bằng 0:
LcCthw2 = 1 tại w=2π50 rad/s.
Như vậy, để đảm bảo góc pha của điện áp sơ cấp và thứ cấp không thay
đổi lớn thì điện cảm bù phải tuân theo qui tắc:
Lc =

1
C th w 2

3.2.3 Phương pháp làm giảm sai số CVT
Từ việc bù để tránh lệch pha điện áp và và áp ra, ở đây tôi đưa ra phương
pháp vừa tránh lệch pha vừa làm giảm sai số CVT bằng cách tăng hoặc
giảm điện trở của cuộn cảm bù, thực hiện chuyển bù sang phía thứ cấp
của CVT hay bù cả hai phía sơ cấp và thứ cấp mà độ chính xác được nâng
lên đáng kể. Từ mô hình ở phần trên, tôi chứng minh phương pháp của
mình bằng các kết quả sau, với việc trợ giúp của phần mềm Matlab.

Thầy HD: TS. Hồ Văn Nhật Chương

3.5

Học viên : Trần Thế Thoâng