1

Chương I:
TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐIỆN ÁP ĐO LƯỜNG
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1. CHỨC NĂNG VÀ VAI TRÒ CỦA BIẾN ĐIỆN ÁP ĐO LƯỜNG
1.1.1. Chức năng
- Biến điện áp (BU) dùng để biến đổi điện áp từ trị số lớn xuống trị số thích hợp
(110 kV hay 110/ kV ) dùng để cung cấp cho các dụng cụ đo lường, relay 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. 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 kV hay 110/ kV) để cung cấp cho đo lường, bảo vệ relay 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.
1.1.2.1. Ảnh hưởng của biến điện áp đo lường tác động lên relay 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 relay. Hiệu suất và độ chính xác của bảo vệ relay liên quan
trực tiếp đến trạng thái ổn định và hiệu suất quá trình quá độ của thiết bị đo lường.
Relay bảo vệ được thiết kế hoạt động trong vùng thời gian ngắn hơn thời gian quá
2

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 hoạt động của relay. 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

Hình 1.1 Tần số cơ bản bản của điện áp CVT phía sơ cấp khi so sánh với tỉ số
điện áp lý tưởng
CVT thoáng qua
Điện áp tỉ lệ
CVT thoáng qua
Ngõ vào CVT
Thời gian
Khoảng quá độ của CVT ở điện áp cơ bản
Trở kháng từ điện
áp tỉ lệ
Trở kháng từ ngõ ra CVT
Rơle bảo vệ khu vực
4

Hình 1.2 tổng trở biểu kiến điểm cuối của đường dây bị sự cố từ tỉ số điện áp

100

0.2
0.3
300
400
0.5
0.6
600
800
1
1.2
1200
1200
5

1.2. PHÂN LOẠI BIẾN ĐIỆN ÁP ĐO LƯỜNG
- Biến điện áp được phân chia 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 để lấy điện áp
trung gian rồi mới đưa vào biến điện áp. Điện áp lấy trên tụ C
2
bằng khoảng 10-

biến điện áp khác thì dùng các tấm tôn hình chữ nhật. Dây quấn được quấn nhiều
lớp trên những ống khung cách điện và được sơn tẩm bằng sơn dùng cho điện áp
pha. Các máy biến điện áp được nối với lưới bằng các đầu cực phân bố trên các sứ
và ba nêm cách điện.
1.2.1.2. Máy biến điện áp dầu.
- Thường được chế tạo với điện áp 35kV trở lên.
- Sở dĩ đối với mạng điện có điện áp cao U > 35kV thường sử dụng kiểu dầu
vì: Dầu vừa cách điện tốt, vừa làm mát tốt, hơn nữa dễ bảo quản khi xảy ra sự cố về
chạm chập dây. Tuy nhiên loại máy biến điện áp kiểu dầu có kết cấu hơi phức tạp vì
chúng thường có bình giãn dầu và trong quá trình làm việc cũng dễ gây ra cháy nổ.
Nhưng loại này phù hợp với cấp điện áp cao, vì thế cho nên đối với U > 35kv thì để
Nguồn điện cao thế
Tải
Cầu chì
Cầu chì
Nối đất an toàn
Độ chính xác
bước xuống tỉ lệ
Khoảng đo điện áp
Hình 1.3 Sơ đồ làm việc của BU điện từ
7

đảm bảo yêu cầu về mặt cách điện cũng như trong quá trình làm việc, người ta
thường chế tạo loại máy biến điện áp kiểu ngâm dầu.
- Mạch từ được ghép từ các lá tôn kỹ thuật điện dây quấn nhiều lớp được quấn
trên một ống cách điện: dây quấn cao áp có màn chắn tĩnh điện, các dây quấn cao
áp bao gồm một hoặc hai cuộn si để bảo vệ quá điện áp. Thùng máy biến điện áp
được hàn bằng tôn, thép phi từ tính bởi vì dùng trực tiếp với các thiết bị và được đặt
gần các thanh cái dẫn điện của các máy phát lớn. Các đầu ra của dây quấn của phần
lớn các máy biến điện áp được nối với đầu ra trên sứ đặt trên nắp máy.

- Cũng như BU điện từ, tuy nhiên nó làm việc ở cấp điện áp cao hơn, với việc
sử dụng 2 tụ phân áp để đưa điện áp đầu vào biến áp đã thấp hơn nhiều so với điện
áp lưới.

Hình 1.6 Biến điện áp kiểu tụ phân áp
- Đối với hệ thống điện áp cao đến 765kV, cũng có thể sử dụng máy biến điện
áp làm việc theo nguyên lý phân áp điện dung.
- 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.
Máy biến điện áp kiểu tụ phân áp cho điện áp cao có tính kinh tế hơn.
- Phân áp kiểu tụ cũng giống như phân áp kiểu điện từ, điện áp lấy ra ở một vị
trí phân áp nào đó phụ thuộc vào vị trí phân áp và tổng trở của phụ tải.
- Trong bộ phân áp kiểu tụ, tổng trở của nguồn mang tính dung kháng hình
đấu nối tiếp vào mạch phân áp. Nếu tụ điện và cuộn điện kháng không chứa thành
phần điện trở tác dụng thì về nguyên lý có thể bù hoàn toàn tổng trở nguồn và lấy ra
công suất tùy ý ở phía thứ cấp (hình 1.7)
Đầu nối điện áp cao
Đầu nối đất an toàn
MBA
Đầu nối thứ cấp
9

- 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 (hình 1.8). Nếu muốn lấy trực tiếp điện áp

ra BU
10

- Bộ phân áp gồm hai tụ C
1
và C
2
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 A
1x
, nối tiếp qua cuộn kháng (P) cộng hưởng với trị số tụ điện (C
1
+ C
2
)
và cuộn lọc cao tần đấu song song với tụ điện C
2
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.
- Nhược điểm chính của loại máy biến điện áp phân áp bằng tụ điện là có khả
năng sinh ra quá điện áp cao khi có hiện tượng cộng hưởng sắt từ. Vì cuộn kháng
phi tuyến kết hợp với tụ điện nên có khả năng xảy ra cộng hưởng không những với
sóng cơ bản mà còn với cả các sóng hài, vì vậy sẽ gây ra nguy hiểm với cách điện.
1.2.3. Máy biến điện áp kiểu mới
1.2.3.1. BU phân áp kiểu tụ điện có khuếch đại
- Loại BU kiểu này tránh được hiện tượng cộng hưởng sắt từ vì không sử
dụng máy biến áp điện từ sau khi phân áp mà dùng bộ khuếch đại. Sơ đồ nguyên lý

Trong đó: K
dq
- là hệ số điện quang, K
dq
=8,2.10
-6
(rad/v.m) đối với tinh thể
thạch anh
E (v) là cường độ điện trường trong tinh thể .
L (m) chiều dài đường đi của ánh sáng trong tinh thể .
Hình 1.11 Máy biến điện áp làm việc theo hiệu ứng POCKLS
- Bộ phận phân áp gồm tụ C
1
và phần tử POCKELS với điện dung C
2
được
đấu với điện áp cần đo U
s
. Điện áp đặt lên phần tử 2 tạo trong tinh thể một điện
12

trường E,tỷ lệ với điện áp cần đo. Chùm ánh sáng từ nguồn sáng 3 được đưa qua bộ
phân cực 4 để phân thành hai sóng quang lệch pha nhau một góc Π /2 và chúng
được chiếu qua phần tử 2.
- Dưới tác động của điện trường E trong tinh thể của phần tử hai sóng sẽ có
tốc độ lan truyền khác nhau và làm tăng góc lệch pha δ giữa chúng, sau đó sẽ đi qua
bản cực 5 có bề dày bằng bước sóng để tiếp tục làm lệch pha thêm trước khi đưa
đến bộ phận phân tích 6. Độ sáng đầu ra ở bộ phận 6 tỷ lệ với góc lệch pha δ, vì vậy
nó càng tỷ lệ với điện áp được đo. Điốt quang 7 có chức năng biến đổi cường độ
ánh sáng nhận được từ bộ phân tích 6 thành tín hiệu da, qua bộ khuếch đại 8 để cho Hình 2.1 Bộ biến áp đo lường phân áp bằng tụ
2.1.1. Cấu tạo: Một CVT cơ bản bao gồm hai bộ phận:
2.1.1.1. 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 tụ điện cách nhau 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.
2.1.1.2. Bộ điện từ:
- Bộ chia 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:
 Cuộn cảm bù.
14

- Thiết bị bảo vệ quá điện áp.
- Mạch triệt tiêu cộng hưởng sắt từ:
 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 2.2a và 2.2b
ĐO LƯỜNG HIỆN NAY.
2.2.1. 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 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. 18

2.2.2. Phương pháp bù động on-line
- J.Izykowski, B. Kasztenny, E.Rosolowski ,M.M. Saha, B. Hillstrom "Dynamic

Ta có: K
CVT
= U
1
/ U
2
- Hệ số của bộ CVT.
K
ED
= U
1
/ U
1C
- Hệ số của bộ chia áp.
K
VT
= U
VT
/ U
2
- Hệ số biến đổi của biến áp.
- Sai số toàn phần của CVT:V : ;
Suy ra:
(1)
- Trong đó: - là hệ số truyền tổng thể thực tín hiệu CVT.
- là góc lệch pha giữa U
2

1
, Zs
2
- tổng trở các cuộn dây VT. Trong đó tính cả trở thuần VT (R'
1
,R
2
) và trở
phân tán
 Z
DU
- trở toàn phần thiết bị DU (Thiết bị triệt tiêu cộng hưởng sắt từ )
 Z
H
= R
H
+ jX
H
- tổng trở tải của CVT
- Tìm tỉ số: như sau :

- Đặt: = 21 - Với:
/ / . / /
. . .
.( / / ).( / / )
//
C C PB BX S
VT
PB BX B
BX H DU
C PB BX
Z Z Z Z Z Z Z Z
U
Z Z K
U Z Z Z Z Z
Z Z Z
(3)
-

Trong đó:

' ' ' '
' ' '
12
1 1 1
' ' '
' ' ' ' ' '
2
22
' ' ' ' ' '
1 1 2 1 2 1 3
' ' ' ' ' ' ' ' '

Z
ZZ

22

' ' ' '
1 0 3 3
13
''
0 3 0 3
''
1 0 3
3
0
''
3 1 1
0
/ / .
'
''
. 1 . .
( / / ) .( / / ) ' / / / / '
''
.
/ / ' .( / / ) '
.
.
/ / ( / / ) '
DU
S PB BX

H BX
SS
PB BX
H DU BX
DU
Z
ZZ
Z Z Z
Z Z Z
ZZ
Z Z Z Z Z
(5)
- Từ (3)(4)(5) ta có:
'
1
1
22
1
'
3 1 1 3
30
''
3 1 1 3
302
''
. 1 . . 1 .
/ / ' ' ' ' '
'
. 1 . 1 .
/ / ' '

U
K
U
Z
Z
Z
K
Z
- Đặt:
12
2
''
'
ED
CC
XX
C
ZZ
K
Z

''
3 1 1 3
30
'
1
2
'
3 1 1 3
30

BX
U
V
X
Z Z Z Z
Z
Z Z Z Z Z Z
Z Z Z Z
Z
K
Z Z Z Z Z Z
K
f
Z Z Z
Z Z Z
U
KK
U
KK
Z
3
''
3 1 1 3
30
1
'
.1
''
sin
Im

lường biến điện áp kiểu dung ta khảo sát sai số của CVT lúc chưa bù, lúc bù sơ cấp,
bù thứ cấp và khi bù cả 2 phía.
3.2. Phương pháp nâng cao độ chính xác
- Ở trong luận văn này, tôi sẽ khảo sát các loại biến điện áp đo lường kiểu
dung để thông số cụ thể của nhà 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
CVT123kV, 220kV, 400kV và 500kV sẽ làm cơ sở cho các phương pháp đưa ra.
3.2.1. Thông số mô hình khảo sát
Hình 3.3 Sơ đồ khảo sát của máy biến áp đo lường
3.2.2. Nguyên lý bù nâng cao độ chính xác thiết bị
- Với mô hình CVT thì luôn có cuộn cảm bù L
C
dùng để tránh lệch pha giữa
điện áp V
i
và V
0
với quy tắc tổng trở vào bằng 0: L
c
C
th
ω
2
=1 tại ω =100π 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: ω .L
c

=1/ C
th

R
1
=540 Ω
C
2
=21.68 nF
L
T1
=2.15 H
L
T2
=0.23 mH
R
2
=750 Ω
R=15 kΩ
R
T1
=2.55 Ω
R
T2
=0.2 Ω
R
0
=23 Ω
L=384.138 H
L
m
=11.8 kH
L
* Khi K=1, δ=2
0
(R
PB
=15000Ω, L
PB
=384.138H, R
PH
=0Ω, L
PH
=0H )
- Với thông số của nhà chế tạo ta thấy sai số biên độ lúc này tại tần số 50Hz
là 0.9449% và sai số pha là 3.4591% (Bảng 3.1 – Phụ lục). Đồ thị trên biểu diễn sai
số biên độ và sai số pha theo tần số.

Trích đoạn Khảo sát CVT 220kV trong hệ thống điện cao thế. Khảo sát CVT 400kV trong hệ thống điện cao thế.

---