KHẢO SÁT CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA KHI ĐÓNG BỘ TỤ ĐIỆN BÙ TĨNH VÀO LƯỚI ĐIỆN CÓ MỘT BỘ TỤ KHÁC GHÉP SONG SONG ĐANG HOẠT ĐỘNG KHẢO SÁT CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA KHI ĐÓNG BỘ TỤ ĐIỆN BÙ TĨNH VÀO LƯỚI ĐIỆN CÓ MỘT BỘ TỤ KHÁC GHÉP SONG SONG ĐANG HOẠT ĐỘNG KHẢO SÁT CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA KHI ĐÓNG BỘ TỤ ĐIỆN BÙ TĨNH VÀO LƯỚI ĐIỆN CÓ MỘT BỘ TỤ KHÁC GHÉP SONG SONG ĐANG HOẠT ĐỘNG KHẢO SÁT CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA KHI ĐÓNG BỘ TỤ ĐIỆN BÙ TĨNH VÀO LƯỚI ĐIỆN CÓ MỘT BỘ TỤ KHÁC GHÉP SONG SONG ĐANG HOẠT ĐỘNG
Trang 1KHẢO SÁT CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA KHI ĐÓNG BỘ TỤ ĐIỆN BÙ TĨNH VÀO LƯỚI ĐIỆN CÓ MỘT BỘ TỤ KHÁC GHÉP SONG SONG
ĐANG HOẠT ĐỘNG
AN INVESTIGATION INTO THE EFFECTS PRODUCED BY SWITCHING A CAPACITOR IN THE POWER SYSTEM WITH A PARALLEL OPERATING
CAPACITOR
Đinh Thành Việt
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Bành Quốc Hùng
Công ty Điện lực Bình Định
TÓM TẮT
Khi bộ tụ điện bù tĩnh được đóng vào lưới điện, điện áp và dòng điện xung kích với biên độ lớn có thể gây ra các hiện tượng ảnh hưởng đến bộ tụ điện và hệ thống mà nó được đấu nối Để khảo sát các hiện tượng này, đặc biệt là trường hợp khi có một bộ tụ bù khác ghép song song đang hoạt động sẵn, trong bài báo sử dụng phần mềm ORCAD (phần PSPICE) mô phỏng và phân tích các hiện tượng có thể xảy ra trên bộ tụ điện bù tĩnh khi đóng điện vào lưới điện trong các trường hợp khác nhau tại những thời điểm đóng khác nhau với giá trị điện áp trên tụ khác nhau Kết quả mô phỏng cho phép xác định được các giá trị biên độ điện áp và dòng điện, phân tích được các tình huống nguy hiểm khi xuất hiện quá điện áp và quá dòng đối với tụ điện
ABSTRACT
In switching a power capacitor in the operating power system, the voltage and inrush current with great amplitude may cause phenomena affecting the capacitor and other connected components of the power system This paper presents the application of the ORCAD software (PSPICE) in simulation and an analysis of the phenomena which may appear when a capacitor
is connected to the power system with a parallel operating capacitor at different switching times and different values of voltage on the capacitor The simulation results in determining voltage and current and analyzing possibly dangerous conditions of overvoltage and overcurrent to a power capacitor
1 Đặt vấn đề
Khi một bộ tụ điện bù tĩnh được nạp hay phóng điện trong hệ thống lưới điện, điện áp và dòng điện với biên độ lớn có thể gây ra các hiện tượng ảnh hưởng đến bộ tụ
và hệ thống mà nó được đấu nối như quá điện áp, phóng điện hồ quang dẫn đến có thể làm hư hỏng đến các thiết bị hay gây ra tác động sai lệch cho mạch điều khiển, bảo vệ [1, 3, 4] Đặc biệt cần xét đến trường hợp hay gặp trong lưới điện là đã có sẵn 1 bộ tụ điện bù tĩnh đang hoạt động song song Khi bộ tụ được đóng vào lưới điện, một dòng điện xung kích sẽ chạy vào bên trong bộ tụ để cân bằng điện áp của lưới điện và điện áp trên bộ tụ Dòng điện xung kích có thể có tần số dao động và biên độ lớn Hiện tượng quá điện áp có thể xảy ra trong trường hợp này Các hiện tượng này cần được nghiên cứu khảo sát, nhất là đối với các tụ điện có công suất lớn đặt tại các trạm biến áp 110kV trở lên trong hệ thống điện
Trang 22 Giải quyết vấn đề
2.1 Mô phỏng đóng điện cho 1 bộ tụ điện bù tĩnh vào lưới điện có một bộ tụ điện bù tĩnh khác ghép song song đang hoạt động:
Giả thiết bộ tụ điện bù tĩnh C2 được đóng vào lưới điện khi có bộ tụ điện bù tĩnh
C1 cùng công suất bằng 50MVAr ghép song song đang hoạt động với điện áp nguồn
⎠
⎞
⎜
⎝
=
2 sin
u t t
Hình 1 Sơ đồ mô phỏng đóng điện cho bộ tụ bù vào lưới điện
khi có một bộ tụ khác ghép song song đang hoạt động
trong đó:
V 1 = 115kV: điện áp nguồn,
L1 = 17,2mH: điện cảm nguồn với điện kháng nguồn XL = 5,4Ω,
L2 = 20mH: điện cảm nối giữa hai bộ tụ C1 và C2,
R1 = 1Ω: điện trở nguồn,
C1 = C2 = 12µF: điện dung của hai bộ tụ bù có cùng công suất bằng 50MVAr, điện áp 115kV,
V, I: điện áp và dòng điện đo được khi đóng MC,
IC: điện áp trên bộ tụ C2 trước khi đóng MC
Kết quả khảo sát dòng điện và điện áp trên bộ tụ bù của chương trình mô phỏng bằng phần mềm ORCAD (phần PSPICE) [2] khi đóng điện cho bộ tụ bù C2 vào lưới điện khi có bộ tụ bù C1 ghép song song đang hoạt động cho các trường hợp khi điện áp trên tụ UC2 = 0, 50%, 100%U m-nguồn tại các thời điểm đóng ở 0ms, 5ms, 10ms, 15ms ứng với giá trị điện áp tức thời của nguồn ở biên độ cực đại Các đồ thị kết quả mô
Trang 3Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn:
Time
-240KV
-160KV
-80KV
0V
80KV
160KV
240KV
Dòng điện chạy vào bộ tụ:
Time
-I(C1)
-5.0KA
-2.5KA
0A
2.5KA
5.0KA
+ Đóng ở 5 ms:
Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn:
Time
-150KV
-100KV
-50KV
0V
50KV
100KV
150KV
Dòng điện chạy vào bộ tụ:
Trang 4Time
-I(C1)
-800A
-400A
0A
400A
800A
+ Đóng ở 10 ms:
Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn:
Time
V(L1:1) V(U1:1)
-240KV
-160KV
-80KV
0V
80KV
160KV
240KV
Dòng điện chạy vào bộ tụ:
Time
-I(C1)
-5.0KA
-2.5KA
0A
2.5KA
5.0KA
+ Đóng ở 15 ms:
Trang 5Time
-400KV
-300KV
-200KV
-100KV
0V
100KV
200KV
300KV
400KV
Dòng điện chạy vào bộ tụ:
Time
-I(C1)
-8.0KA
-6.0KA
-4.0KA
-2.0KA
0A
2.0KA
4.0KA
6.0KA
8.0KA
2.2 Tổng hợp kết quả mô phỏng
Biên độ cực đại điện áp / Biên độ cực đại dòng điện trên bộ tụ C 2 (kV/kA)
Thời điểm đóng tụ (ms) Điện áp trên tụ
100% Um nguồn 1,9/9,14 1,12/1,55 1,76/10 2,8/17,7 Trong bảng kết quả trên, giá trị biên độ cực đại điện áp và dòng điện trên bộ tụ
C2 ghi nhận được trong chương trình mô phỏng so sánh với điện áp định mức và dòng
điện xác lập qua tụ C2, với:
+ Điện áp định mức của tụ: U dm =115kV
+ Biên độ dòng điện xác lập qua tụ C2:
2
2
C
m xl
U
Trang 6với = Ω
×
=
314 10
12
1 1
6 2
X
U I
C
m xl
4 , 265
10
115 3 2
2.2 Nhận xét
Theo tính toán khi đóng bộ tụ bù C1 vào lưới điện trong trường hợp 3.1 mà điện
áp tức thời của nguồn ở biên độ cực đại (ψu −ϕ =0) và điện áp trên tụ bằng 0 thì biên
độ dòng điện xung kích chạy qua bộ tụ C1 bằng: 3,037
1
1
L
C U
Khi máy cắt đóng bộ tụ C2 vào lưới điện có bộ tụ C1 ghép song song đã được đóng điện trước đó thì bộ tụ C1 sẽ phóng điện qua bộ tụ C2 Dòng điện xung kích từ hệ thống và bộ tụ C1 có biên độ lớn chạy vào bộ tụ C2 để cân bằng điện áp của hệ thống lưới điện và điện áp trên bộ tụ Biên độ của dòng điện xung kích chạy vào bộ tụ C2 được tính như sau
Theo công thức (3.10), biên độ của dòng điện xung kích chạy bộ tụ C2 là:
2 2
L
C
U
m
mC = , với điện dung tương đương: C T C 6( )F
Biên độ dòng điện xung kích: I mC 4( )kA
10 20
10 24
6
Theo kết quả mô phỏng, biên độ của dòng điện xung kích chạy qua bộ tụ C2:
ImC2xk = 4,11 (kA)
Qua kết quả khi đóng bộ tụ bù C2 vào lưới điện mà điện áp tức thời của nguồn ở biên độ cực đại (ψu −ϕ =0) và điện áp trên tụ bằng 0 thì biên độ dòng điện xung kích chạy vào bộ tụ C2 có giá trị lớn hơn khi đóng bộ tụ C1 có cùng công suất được đóng vào hệ thống lưới điện trước đó Quá điện áp trong trường hợp này có biên độ rất lớn (khoảng 2 lần điện áp định mức của bộ tụ) với khoảng thời gian bằng 0,16s có thể gây
hư hỏng cách điện của bộ tụ
3 Kết luận
Trong quá trình đóng một bộ tụ bù vào lưới điện khi có một bộ tụ bù khác ghép song song đang hoạt động tại những thời điểm đóng khác nhau với giá trị điện áp trên tụ khác nhau nhận được các giá trị biên độ điện áp và dòng điện theo kết quả mô phỏng như sau:
+ Khi bộ tụ điện được đóng vào lưới điện mà điện áp tức thời của nguồn và điện
áp trên tụ cùng biên độ cực đại nhưng ngược pha, lúc đó điện áp trên tụ tăng lên 2,8 lần
so với điện áp định mức và dòng điện có thể tăng lên đến 17-18 lần so với dòng xác lập
Trang 7+ Khi bộ tụ điện được đóng vào lưới điện mà điện áp tức thời của nguồn và điện
áp trên tụ cùng biên độ và cùng pha hoặc cùng bằng giá trị không thì lúc đó quá điện áp trên bộ tụ hầu như không xảy ra
Qua kết quả khảo sát như trên, khi đóng điện cho bộ tụ bù vào hệ thống lưới điện nên chọn thời điểm lúc giá trị tức thời của điện áp hệ thống lưới điện và điện áp trên bộ tụ bù cùng biên độ và cùng pha hoặc cùng bằng giá trị không sẽ ít gây nguy hiểm cho bộ tụ
Ngoài ra, để khắc phục khi dòng điện xung kích vượt quá giới hạn cho phép thường thực hiện các biện pháp như sau:
+ Nối điện kháng X L trong mạch để giảm biên độ và tần số dao động của dòng điện xung kích
+ Khi đóng cắt các bộ tụ có công suất lớn vào lưới điện nên đóng cắt từng phần công suất của bộ tụ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bành Quốc Hùng, Khảo sát quá trình quá độ khi đóng cắt bộ tụ điện bù tĩnh,
Đà Nẵng, 2005
[2] Phạm Quang, Nguyễn Phương Quang, Vẽ phân tích và mô phỏng mạch điện với ORCAD 9.0, NXB Thống kê, 2002
[3] Green Wood, Electrical transients in power systems, 1993
[4] Power capacitor seminar tổ chức tại Mỹ (1996) và tại Nha Trang (2003), hãng
Cooper Power systems
