Thử nghiệm và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ bão hòa của biến dòng điện

Lê Kim Hùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 129 - 134 
129 
THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN MỨC ĐỘ 
BÃO HÒA CỦA BIẾN DÒNG ĐIỆN 
Lê Kim Hùng
1, Vũ Phan Huấn2* 
1Trường ĐH Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; 
2Công ty TNHH MTV Thí nghiệm điện Miền Trung 
TÓM TẮT 
Mục đích của bài báo là đề xuất cách xây dựng mô hình toán học biến dòng điện (CT) trong phần 
mềm Matlab Simulink dựa trên cơ sở khoa học được trình bày bởi Ủy ban rơle bảo vệ hệ thống 
điện của IEEE (PSRC) và kết quả thử nghiệm thực tế CT 22 kV loại 200/1A 5P20 20 VA tại Nhà 
máy thủy điện Tiên Thuận bằng thiết bị Vanguard EZCT-2000. Bên cạnh đó, nhóm tác giả đã thực 
hiện mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như thành phần DC, tổng trở tải, và độ lớn 
dòng điện sự cố đến sai số, mức độ bão hòa của CT nhằm khuyến nghị dùng loại CT phù hợp, đặc 
biệt trong lĩnh vực rơle bảo vệ. Kết quả bài báo sẽ giúp các nhà nghiên cứu, vận hành có được 
thông tin dòng điện sự cố trực quan nhằm phục vụ công tác phân tích, báo cáo và xác định đúng 
nguyên nhân bão hòa CT về mặt lý thuyết và thực nghiệm. 
Từ khóa: Đường dây truyền tải điện;biến dòng điện; đặc tính từ hóa V-A; thành phần DC; 
Matlab Simulink 
MỞ ĐẦU * 
Độ tin cậy của hệ thống rơle bảo vệ (RLBV) 
phụ thuộc vào sự làm việc chính xác của thiết 
bị đo lường. Trong đó, phần tử biến dòng điện 
(CT) là thiết bị đóng vai trò quan trọng trong 
việc dùng để chuyển đổi dòng điện nhất thứ có 
giá trị lớn sang dòng điện nhị thứ (định mức 
1A, hoặc 5A) phù hợp cho cổng dòng đầu vào 
của đồng hồ đo lường và RLBV. Các CT ngăn 
lộ được lựa chọn dựa trên thông số kỹ thuật cơ 
bản của hãng sản xuất ghi trên nhãn, ví dụ như 
hình 1. Ngoài ra, CT còn có tài liệu kỹ thuật về 
thông số đặc tính bão hòa V-A của từng cuộn 
dây đi kèm để đơn vị quản lý vận hành thí 
nghiệm định kỳ trong suốt thời gian làm việc 
của thiết bị. Hầu hết các CT được thiết kế làm 
việc ở điều kiện mang tải bình thường, điểm 
làm việc nằm thấp hơn điểm gãy của đặc tính 
V-A. Nếu sự cố có sự tham gia của thành phần 
DC trong dòng điện nhất thứ càng lớn thì sẽ 
làm tăng nhanh quá trình bão hòa. Khi CT bão 
hòa, điểm làm việc nằm trên đường cong phi 
tuyến của đặc tính (cao hơn điểm gãy), làm 
cho dòng điện thứ cấp bị méo dạng và có sai số 
lớn [1]. 
*
 Tel: 0983 421980, Email: vuphanhuan@gmail.com 
Trong thực tế vận hành, khi phân tích và đọc 
bản ghi sự cố từ RLBV thì câu hỏi đặt ra là 
giá trị dòng nhất thứ chính xác bằng bao 
nhiêu thì CT bị bão hòa. Vấn đề này, cho đến 
nay vẫn chưa được các chuyên gia thí nghiệm 
giải đáp thỏa đáng, do còn hạn chế về mặt 
thiết bị thử nghiệm bơm dòng điện nhất thứ 
có giá trị lớn ngay tại công trường là trạm 
biến áp, nhà máy. Ví dụ CT 200/1 loại 5P20 
thì yêu cầu thiết bị bơm kiểm tra giá trị dòng 
điện nhất thứ > 4kA sẽ cho sai số > 5%. 
Hình 1. Thông số biến dòng điện MERLIN GERIN 
Bên cạnh đó, các tài liệu mô phỏng khối CT 
bão hòa (Saturable Transformer) trong thư 
viện “Simulink Library/Simscape/Simpower 
System/Element” chưa được hãng phần mềm 
Matlab giải thích rõ ràng và cụ thể về cách tính 
chọn thông số cài đặt như “Saturation 
Lê Kim Hùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 129 - 134 
130 
characteristic”, và “Core loss resistance and 
initial flux”. Cho nên hầu hết các nghiên cứu 
đã công bố trong [2-3] chỉ dừng lại ở việc thay 
đổi tỷ số biến hoặc sử dụng lại chính CT trong 
ví dụ điển hình mà Matlab đưa ra nên chưa 
phù hợp với yêu cầu áp dụng vào thực tế. 
Để giải quyết vấn đề này, bài báo dựa trên kết 
quả thử nghiệm đặc tính V-A của từng loại 
CT trong thực tế để xây dựng mô hình toán 
học CT bằng phần mềm Matlab Simulink. 
Sau đó, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố 
(phụ tải, thành phần DC, độ lớn dòng điện sự 
cố) đến cấp chính xác, tỷ số biến dòng và từ 
hóa của CT. 
THỬ NGHIỆM BIẾN DÒNG ĐIỆN 
Hình 2. Sơ đồ đấu nối thử nghiệm CT 
Trước khi đóng điện dưa vào vận hành, CT 
cần được tiến hành thử nghiệm đánh giá chất 
lượng để xem đạt yêu cầu kỹ thuật theo chuẩn 
thiết kế hay không. Do đó, các thiết bị được 
Công ty TNHH MTV Thí nghiệm điện Miền 
Trung (CPC ETC) chuẩn bị gồm có Mêgôm 
Kyoritsu 3121, Máy đo V-A EZCT-2000, 
Máy đo 1 chiều OM16, và máy thử cao thế 
AID70 nhằm phục vụ cho việc thực hiện các 
hạng mục như đo điện trở cách điện ở 2,5 
kVDC cho cuộn sơ cấp và 500VDC cho cuộn 
thứ cấp, kiểm tra đặc tính từ hóa, kiểm tra cực 
tính, đo điện trở một chiều cuộn dây thứ cấp, 
đo tỷ số biến dòng, thử cao thế xoay chiều tần 
số 50Hz cho cuộn sơ cấp. 
Giả sử với sơ đồ đấu nối các đầu ra nhị thứ và 
đầu vào nhất thứ của CT 5P20 200/1A 20VA 
cho bộ EZCT-2000 tại xuất tuyến 22 kV ở 
NMTĐ Tiên Thuận, tỉnh Bình Định như hình 
2, chúng ta tiến hành cài đặt thông số cho bộ 
EZCT-2000 để thử nghiệm và xuất kết quả 
thu được ra máy in nhiệt với các số liệu sau: 
Giá trị điểm gãy theo chuẩn IEC 10/50: 
Vpk = 203,88V, Ipk = 0,0206A 
Tỷ số biến CT: 199,652/1A 
Sai số tỷ số biến: 0,174% 
Ex V = 123,7V, Ex I = 0,01A 
Góc pha: - 0,06
0
Cực tính CT: In Phase 
Điện trở cuộn dây: 2,91Ω 
Bởi vì hạn chế của thiết bị nên khi thí nghiệm 
đặc tính từ hóa, EZCT-2000 chỉ bơm dòng 
nhị thứ đến ngưỡng dòng 1A và kết quả 
đường cong từ hóa biểu diễn mối quan hệ giá 
trị của điện áp kích thích (ve) và dòng điện 
kích thích (ie) được trình bày cụ thể trên bảng 
1, và hình 3. 
Hình 3. Đặc tính từ hóa CT thử nghiệm
Lê Kim Hùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 129 - 134 
131 
Bảng 1. Kết quả kiểm tra CT 
TT Curent [A] Voltage [V] Z [Ω] 
1 0,001 6,51 6510,0 
2 0,002 15,78 7890,0 
3 0,004 39,39 9847,5 
4 0,005 53,64 10728,0 
5 0,008 100,86 12607,5 
6 0,01 129,59 12959,0 
7 0,02 201,70 10085,0 
8 0,04 234,08 5852,0 
9 0,05 241,04 4820,80 
10 0,08 253,02 3162,75 
11 0,1 257,83 2578,3 
12 0,2 271,18 1355,9 
13 0,4 281,61 704,02 
14 0,5 284,64 569,28 
15 0,8 290,73 363,41 
16 1,0 293,66 293,66 
MÔ HÌNH THAY THẾ BIẾN DÒNG ĐIỆN 
Mô hình mạch điện thay thế CT 
Mô hình mạch điện thay thế CT do Ủy ban 
rơle bảo vệ hệ thống điện của IEEE (PSRC) 
trình bày cho ở hình 4 gồm có: CT lý tưởng 
(cuộn dây sơ cấp P1-P2 có 1 vòng dây nên có 
thể bỏ qua tổng trở phía sơ cấp, cuộn thứ cấp 
có N vòng dây) nối song song với cuộn cảm 
phi tuyến đặc trưng bởi mối quan hệ giữa từ 
thông chính móc vòng qua các cuộn dây; đầu 
ra S1-S2 và phụ tải (Đồng hồ, rơle, bộ chỉ thị 
sự cố). 
Hình 4. Mô hình mạch điện thay thế CT 
Các ký hiệu bao gồm: 
i1: dòng điện nhât thứ [A] 
N: tỷ số biến dòng 
is = i1/N: dòng điện thứ cấp lý tưởng [A] 
i2 = is - ie: dòng điện thứ cấp [A] 
Rw: điện trở cuộn dây [Ω] 
Rb: điện trở tải [Ω] 
Rt = Rw + Rb 
Lb: điện kháng tải [H] 
Tính toán sai số CT được thực hiện theo các 
bước sau: 
Bước 1: Tìm độ dốc đặc tính 1/S 
Hình 5. Tìm độ dốc trên đặc tính CT 
Sau khi có được đặc tính V-A thực tế của CT, 
chúng ta thực hiện tìm độ dốc (1/S) của đoạn 
đặc tính nằm ở phần trên của đường cong bão 
hòa như hình 5, được xét từ điểm (0,1, 
257,83) đến điểm (1,0, 293,66) theo công 
thức tính [4]: 
Ve = Vs×Ie
1/S
 (1) 
Trong đó: S được định nghĩa là nghịch đảo 
của độ dốc 1/S cần tìm sao cho thỏa mãn điều 
kiện ràng buộc: 15 < S < 25 
Như vậy, với Ve = 257,83V, Ie = 0,1A, Vs = 
293,66V, ta có S = 18. 
Bước 2: Tính từ thông liên kết λ 
Mối quan hệ giữa λ và ve theo định luật 
Faraday, bỏ qua điện trở không đáng kể của 
cuộn dây thứ cấp Rw. Ta có [4]: 
11 | |
s
t e t s b
e S
b
di
R i R i L
d dtv
dt L A S

 
 (2) 
Lê Kim Hùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 129 - 134 
132 
ev dt (3) 
Bước 3: Tính dòng điện từ hóa ie 
Mối liên hệ đặc tính phi tuyến giữa ie và λ 
được viết dưới dạng [4]: 
2
| | sin( )
S
S e
e
V
i A A t 

 (4) 
Giá trị hiệu dụng tính được: 
2 2
2 2S
0 0
21 1
sin ( )
2 2
S
e
e e
V
I i dt A t dt

  
 (5) 
Từ (5), ta xác định được hệ số A = 0,0181 
thông qua điểm Ie = 1 A, Ve = 293,66 V. 
Để đảm bảo tính đối xứng cho đặc tính ie và λ 
như ở hình 6 khi S là số lẻ, ta thêm vào biểu 
thức (4) dấu của từ thông sgn(λ): 
ie = A×sgn(λ)×|λ|
S
 (6) 
Hình 6. Đặc tính từ hóa ie và λ 
Bước 4: Tính sai số CT 
100%e
s
i
e
i
 (7) 
Nhận xét: Công thức (2), (3), (6), (7) giúp 
chúng ta hiểu biết đầy đủ về nguyên nhân gây 
ra sai số CT: 
- Dòng điện ie càng cao, sai số CT càng lớn. 
- Nếu điện trở tải tăng hoặc dòng điện nhất 
thứ i1 tăng cao, dẫn đến ve tăng, làm cho ie 
tăng, và sai số của CT tăng theo. 
Xây dựng mô hình biến dòng điện bằng 
Matlab Simulink 
Hình 7a. Mô hình hệ thống điện mô phỏng 
Hình 7b. Mô hình biến dòng 3 pha 
Mô hình hóa CT mang ý nghĩa đặc biệt quan 
trọng vì độ bão hòa CT làm ảnh hưởng đến 
hiệu quả làm việc của RLBV. Việc xây dựng 
mô hình toán học CT dựa trên phần mềm 
Matlab Simulink cho phép người dùng sử dụng 
thư viên SimPower System dễ dàng tích hợp 
trực tiếp vào hệ thống điện nghiên cứu, ví dụ 
với cấu trúc như ở hình 7 gồm có các phần tử: 
- Đường dây 22 kV. 
- Khối máy cắt 3 pha 
- Khối thu thập dữ liệu dòng điện và điện áp 3 pha. 
- Khối hiển thị: dạng sóng dòng điện, điện áp 
sự cố, is, i2, thành phần DC, và sai số. 
- Khối sự cố ba pha: dòng điện sự cố trong hệ 
thống điện thực tế luôn chứa các đại lượng 
biến thiên thành phần DC phụ thuộc vào góc 
sự cố và tỷ số X/R của hệ thống. Thành phần 
DC lớn nhất khi góc khởi tạo sự cố là -900 
hoặc 900 và DC thấp nhất là 00 hoặc 1800. Khi 
tỷ số X/R của hệ thống trong khối nguồn tăng 
lên thì thời gian làm cho thành phần DC suy 
giảm về giá trị 0 sẽ bị giữ lâu hơn [5]. 
- Khối biến dòng ba pha đề xuất (CT Model) 
được xây dựng từ công thức (1) đến (7). Giả 
sử CT có 3 pha A, B, C cùng chủng loại với 
đặc tính gần giống nhau. Cho nên, ta chỉ cần 
trình bày kết quả dạng sóng của pha A. 
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 
Mục đích chính của mô phỏng tình trạng sự 
cố trong hệ thống điện nhằm tạo ra dòng điện 
nhất thứ sự cố ba pha có giá trị lớn, và để 
kiểm tra, đánh giá mô hình toán học CT đã 
được xây dựng theo tiêu chuẩn IEEE C37. 
110-2007 đối với các tình huống xảy ra, nhằm 
tránh bị bão hòa AC và DC theo các phương 
trình (8), (9) tương ứng dưới đây [6]: 
Lê Kim Hùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 129 - 134 
133 
Vs > is×(Rw + Zb) (8) 
Vs > (1 + X/R)×is×(Rw + Zb) (9) 
Ta xét 04 trường hợp sự cố gây ra hiện tượng 
bão hòa CT như sau: 
Trường hợp 1: xảy ra sự cố pha với dòng 
điện nhất thứ bằng 20 lần dòng nhất thứ định 
mức (4 kA), tại thời điểm 0.105 s (thành phần 
DC có giá trị bé 4A), Zb = 15 + j2 Ω. 
Hình 8. Kết quả sự cố trong trường hợp 1 
Nhận xét: dạng sóng trình bày trên hình 8 cho 
thấy dòng điện i2 không bị méo dạng, gần 
trùng với dòng điện is, CT có sai số < 3%. 
Trường hợp 2: xảy ra sự cố với dòng điện 
nhất thứ bằng 20 lần dòng nhất thứ định mức 
(4 kA), tại thời điểm 0,1 s (thành phần DC có 
giá trị lớn 10,15 A), Zb = 15 + j2 Ω. 
Hình 9. Kết quả sự cố trong trường hợp 2 
Nhận xét: hình 9 cho thấy dòng điện i2 bị méo 
dạng so với dòng is do có sự tham gia của 
thành phần DC tồn tại trong khoảng thời gian 
từ 0,1s đến 0,15s (tỷ số X/R = 10), và làm cho 
sai số CT lớn nhất 80%. 
Trường hợp 3: sự cố với dòng điện nhất thứ 
bằng 20 lần dòng nhất thứ định mức (4kA), 
tại thời điểm 0,1055 s (thành phần DC có giá 
trị bé 4 A), Zb = 25 + j2 Ω. 
Hình 10. Kết quả sự cố trong trường hợp 3 
Nhận xét: hình 10 cho thấy dòng điện i2 bị 
méo dạng so với dòng is do tác động của tải 
lớn, và làm cho sai số CT lớn nhất 30%. 
Hình 11. Kết quả sự cố trong trường hợp 4 
Trường hợp 4: sự cố với dòng điện nhất thứ 
bằng 40 lần dòng nhất thứ định mức (8 kA), 
tại thời điểm 0,105 s (thành phần DC có giá 
trị bé 4 A), Zb = 15 + j2 Ω. 
Nhận xét: kết quả trình bày ở hình i1 cho thấy 
dòng điện i2 bị méo dạng so với dòng is do tác 
động của dòng điện sự cố lớn, và làm cho sai 
số CT lớn nhất 47%. 
KẾT LUẬN 
Trong quá trình vận hành thực tế, dòng điện 
nhất thứ CT thay đổi từ dòng tải bình thường 
đến dòng sự cố mang giá trị lớn. Để tránh 
hiện tượng bão hòa, CT được thiết kế và tính 
chọn sao cho điểm làm việc luôn nằm trong 
đoạn tuyến tính của đặc tuyến V-A. Bài báo 
đã phân tích và mô phỏng cho CT 22 kV tại 
NMTĐ Tiên Thuận trong trường hợp xảy ra 
sự cố với nhiều nguyên nhân khác nhau dẫn 
Lê Kim Hùng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 129 - 134 
134 
đến CT bị bão hòa như dòng ngắn mạch chứa 
thành phần tín hiệu DC lớn hoặc tổng trở tải 
lớn. Khi CT bị bão hòa thì dạng sóng dòng 
điện i2 bị méo dạng và bị sai khác so với dạng 
sóng dòng is, sai số CT tăng lên. Cho nên, 
việc biết được bão hòa mạch từ CT xảy ra khi 
nào, đường cong từ hóa của CT cao hay thấp 
sẽ giúp chúng ta biết được loại CT dùng có 
phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế không. Ngoài 
ra, kết quả nghiên cứu của bài báo có thể 
được sử dụng làm cơ sở để đánh giá ảnh 
hưởng bão hòa CT đến chức năng bảo vệ quá 
dòng, so lệch và khoảng cách của rơle bảo vệ 
trong các nghiên cứu tiếp theo. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. J. Duncan Glover, Thomas Overbye, Mulukutla 
S. Sarma (2012), “Power System Analysis and 
Design”, Cengage Learning. 
2. R. P. Pandey, R. N. Patel (2014), “A CT 
Saturation Detection Algorithm Using Secondary 
Current Third Difference Function”, International 
Journal of Engineering Development and 
Research, Volume 2, Issue 2, pp. 2774 - 2779. 
3. Thilepa R, Yogaraj J, Vinoth Kumar C S, 
Santhosh P K (2016), “Saturation Analysis on 
Current Transformer”, International Journal of 
Future Innovative Science and Technology, 
Volume-2, Issue-2, May - 2016. 
4. IEEE Power System Relaying and Control 
Committee, CT Saturation Theory and Calculator, 
truy cập tại trang  
5. Jan Machowski, Janusz Bialek, Jim Bumby 
(2008), “Power System Dynamics: Stability and 
Control”, John Wiley & Son Ltd. 
6. IEEE C37.110-2007, “IEEE Guide for the 
Application of Current Transformers Used for 
Protective Relaying Purposes”, IEEE Power 
Engineering Society, 7 April 2008. 
ABSTRACT 
TESTING AND EVALUATION OF FACTORS AFFECTING THE CURRENT 
TRANSFORMER SATURATION 
Le Kim Hung
1
, Vu Phan Huan
2,* 
1University of Science and Technology Da Nang; 
2Center Electrical Testing Company Limited 
The purpose of this paper proposes the building of a mathematical current transformer model (CT) in 
the Matlab Simulink software that based on the CT Saturation Theory and Calculator presented by the 
IEEE Power System Relaying and Control Committee (PSRC) and the practical testing results of CT 
22kV 200/1A 5P20 20VA at Tien Thuan Power Plant by Vanguard EZCT-2000 device. In addition, the 
authors perform favorable simulation, evaluating the effect of factors such as DC component, load 
burden, and fault current which make error ratio, CT saturation. It recommends using appropriate CT, 
especially in the field of protection relay. The results of the article can help researchers to have visual 
information about fault current value for analyzing, reporting and identifying the cause of CT 
saturation, both theoretically and practically. 
Keywords: Transmission line; Current transformer; Saturation characteristic V-A; DC component; 
Matlab Simulink 
Ngày nhận bài: 12/11/2018; Ngày hoàn thiện: 27/11/2018; Ngày duyệt đăng: 30/11/2018 
*
 Tel: 0983 421980, Email:vuphanhan@gmail.com