Một số vấn đề về chất lượng điện năng khi điện khí hóa đường sắt ở việt nam

Ngành điện phải đối mặt với nhiều thử thách trong giai đoạn tái cơ cấu ngành điện: đáp ứng đủ nhu cầu tải điện, xây dựng cơ sở hạ tầng truyền tải, lưới phân phối, an ninh hệ thống, chất

Chương 1 GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu chung

Hiện nay, nhu cầu phát triển của các hộ tiêu thụ điện trong nước ngày càng

đa dạng và phong phú Ngành điện phải đối mặt với nhiều thử thách trong giai đoạn tái cơ cấu ngành điện: đáp ứng đủ nhu cầu tải điện, xây dựng cơ sở hạ tầng truyền tải, lưới phân phối, an ninh hệ thống, chất lượng điện năng và cạnh tranh giá cả…Tất cả những thử thách này nhằm đáp ứng cho sự phát triển bền vững và toàn diện của hệ thống Việt Nam Trong khi đó, sự phát triển của các loại hình phụ tải hiện đại ngày càng nhiều, đều rất nhạy cảm với chất lượng điện năng hoặc cũng chính nó là tác nhân gây nên sự suy giảm chất lượng điện năng khi kết nối lưới

Trong những năm gần đây, sự phát triển của thyristor điện tử công suất lớn

đã góp phần đáng kể đến giải pháp nâng cao ổn định hoạt động truyền tải điện năng Hơn thế nữa, một trong số những ứng dụng của thyristor công suất lớn đó là tạo dựng nên thế hệ thiết bị Hệ thống truyền tải linh hoạt xoay chiều hay còn gọi tắt là thiết bị FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) FACTS được biết đến là thiết bị bù tĩnh có điều khiển, đáp ứng nhanh công suất lớn, triệt tiêu sóng điều hòa, cản diệu dao động điện áp hoặc phục hồi điện áp động… Thế hệ thiết bị FACTS có thể phân thành hai: thế hệ sử dụng thyristor (ví dụ: Cuộn kháng được điều khiển bởi thyristor – Thyristor Controlled Reactor (TCR), Giàn tụ được điều khiển bởi thyristor - Thyristor Controlled Capacitors (TSC)…) và thế hệ dựa trên bộ biến đổi nguồn (ví dụ: Bộ bù đồng bộ - Static Synchronous Compensator (STATCOM), Bộ bù đồng bộ nối tiếp - Static Synchronous Series Compensator (SSSC), Điều khiển hợp nhất dòng công suất -Unified Power Flow Controller (UPFC), Phục hồi điện áp động - Dynamic Voltage Restors (DVR)…) Cả hai thế

hệ đều có thể đáp ứng được yêu cầu sử dụng khi ở cả ba trạng thái hoạt động của hệ thống như là: trạng thái xác lập, trạng thái sự cố và sau sự cố Tuy nhiên, ở thế hệ

dựa trên bộ biến đổi nguồn tối ưu hơn: tác động nhanh hơn, phạm vi ứng dụng và tác động của mỗi thiết bị chính xác hơn…

Trong luận văn này do đặc thù của phụ tải (giao thông đường sắt chạy điện)

và yêu cầu cải thiện tác động của phụ tải đến hệ thống Vì vậy, việc chọn lựa thiết

bị để nâng cao chất lượng điện năng được so sánh đánh giá trên khả năng vượt trội hơn so với các thiết bị cùng thế hệ và những thiết bị đã được sử dụng cho cùng mục đích này Do đó, thiết bị Bộ bù đồng bộ - Static Synchronous Compensator (STATCOM) là thiết bị kỹ thuật có nguyên lý làm việc như một máy bù đồng bộ dựa trên bộ biến đổi nguồn Chính nhờ khả năng này nên STATCOM có khả năng trao đổi công suất kháng hoặc công suất tác dụng dễ dàng nếu cần, thông qua việc điều khiển STATCOM có thể làm thay đổi các tham số hệ thống điện

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Theo quyết định gần nhất của Thủ tướng Chính phủ Việt Nam số 06/2011/QĐ – TTg ngày 24/01/2011 và dự thảo trình Chính phủ Việt Nam tháng 9/2012, 10/2013 cho các nghiên cứu phát triển giao thông đường sắt Việt Nam giai đoạn trước 2020, giai đoạn 2020 đến 2030 và tầm nhìn 2030 – 2050, với hàng loạt các dự án đường sắt chạy điện dự kiến thi công và đang thi công sẽ được đưa vào hoạt động trước năm 2020 đối với các tuyến đường sắt đô thị trên cả nước Ở Thủ

Đô Hà Nội có: Nhổn – ga Hà Nội – Hoàng Mai, Ngọc Hồi – ga Hà Nội – Yên Viên – Như Quỳnh, Cát Linh – Hà Đông (dự kiến 2015 vận hành kỹ thuật), Đông Anh –

Mê Linh Ở Thành phố Hồ Chí Minh có: Bến Thành – Suối Tiên (dự kiến 2017),

An Sương – Bến Thành – Thủ Thiêm, Quốc lộ 13 – Bến xe Miền Đông – Tân Kiên, cầu Bến Cát – Nguyễn Văn Linh, Bà Quẹo – Phú Lâm, cầu Sài Gòn – Bến xe Cần Giuộc… Đặc biệt, trên cả nước còn có các dự án đường sắt tốc độ cao (trong giai đoạn nghiên cứu tiền khả thi), riêng ở phía Nam có Nha Trang - Tp.HCM, Tp.HCM

- Cần Thơ, Biên Hoà – Vũng Tàu, Sài Gòn - Lộc Ninh, phía Bắc có Yên Viên – Phả Lại – Hạ Long – Cái Lân, Lào Cai – Hà Nội – Hải Phòng Tất cả các tuyến

đường sắt tốc độ cao này dự kiến hoạt động ở cấp điện áp 25kV/50Hz Như vậy tương lai phát triển của đường sắt chạy điện là rất tiềm năng

Hiện nay, trên thế giới giao thông đường sắt chạy điện được phân thành hai loại: một chiều (DC – 750, 1500, 3000V) và xoay chiều (AC – 15kV/16,7Hz hay 25Hz và 25kV/50Hz hay 60Hz) Đối với hệ thống giao thông sức kéo điện DC chủ yếu được cung cấp bởi hệ thống lưới điện AC chuyển đổi thành DC qua bộ chỉnh lưu điện tử công suất Giao thông sức kéo điện AC được hạ áp trực tiếp từ lưới điện cao áp (220kV hoặc 110kV/25kV, 50Hz hay 60Hz) là một trong những phụ tải đặc biệt được quan tâm bởi chúng gây nên các vấn đề ảnh hưởng đến chất lượng điện năng như: mất đối xứng pha trong lưới điện ba pha cung cấp, lan truyền sóng hài bậc cao, mất ổn định điện áp, tần số v.v

Nếu như trước đây ở Việt Nam chất lượng điện năng được quan tâm chủ yếu

là tại nhà máy điện và phụ tải công nghiệp nặng (các xí nghiệp, nhà máy được trang

bị thiết bị điện tử công suất lớn: lò hồ quang điện, nhà máy thép, xi mạ…) Thì nay, loại hình phụ tải mới (giao thông đường sắt chạy điện) đi vào hoạt động tại Việt Nam sẽ là một thử thách lớn cho những kỹ sư ngành điện đang quan tâm đến vấn đề chất lượng điện năng Tại Việt Nam, hiện chưa có nhiều công trình nghiên cứu về loại hình phụ tải này và đặc biệt hơn là các vấn đề về ảnh hưởng của chúng đối với

hệ thống điện

Ảnh hưởng của tải giao thông đường sắt chạy điện đến chất lượng điện năng

là mục tiêu cần phải sớm được nghiên cứu trước khi xem xét các dự án giao thông đường sắt chạy điện nhằm đưa ra giải pháp, định hướng đầu tư khoa học kỹ thuật,

cơ sở hạ tầng thích hợp nhất, sớm nhất có lợi cho quốc gia trong việc nâng cao CLĐN khi điện khí hoá đường sắt ở Việt Nam

1.3 Mục tiêu

Phân tích các vấn đề về chất lượng điện năng khi điện khí hóa đường sắt tại Việt Nam Ưu tiên giải quyết vấn đề mất đối xứng ba pha trên hệ thống cung cấp

nguồn khi kết nối tải giao thông đường sắt chạy điện 25kV AC tần số công nghiệp, bằng biện pháp sử dụng STATCOM dựa trên bộ biến đổi nguồn áp

1.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Tổng quan về chất lượng điện năng trên hệ thống điện như là hiện tượng ảnh hưởng, nguyên nhân và giải pháp hạn chế sự ảnh hưởng của chúng đối với thiết bị,

hệ thống

Trình bày tổng quan hệ thống giao thông đường sắt chạy điện (ĐSCĐ) một chiều (DC) và xoay chiều (AC) Trên cơ sở đó, phân tích các vấn đề về chất lượng điện năng trên đường sắt chạy điện AC tần số công nghiệp (điện áp, đối xứng ba pha, sóng điều hòa bậc cao và tần số)

Nghiên cứu giải quyết vấn đề mất đối xứng ba pha do kết nối tải ĐSCĐ xoay chiều một pha tần số công nghiệp vào hệ thống điện STATCOM là thiết bị được chọn lựa sử dụng với mục đích giảm mất đối xứng ba pha

Mô phỏng ứng dụng STATCOM được sử dụng bởi phần mềm Matlab/Simulink 7.11 và so sánh với các chỉ tiêu về chất lượng điện năng

1.5 Giá trị thực tiễn của đề tài

Giới thiệu về quan điểm khoa học dựa trên nghiên cứu nâng cao chất lượng điện năng (CLĐN) Kết quả nghiên cứu có tính khoa học ứng dụng cao trong bối cảnh tại Việt Nam, khi một số dự án đường sắt tốc độ cao sử dụng nguồn điện xoay chiều 25kV tần số công nghiệp đang được nghiên cứu xây dựng tại Việt Nam Ứng dụng STATCOM giải quyết được các vấn đề về CLĐN trong hệ thống điện, đảm bảo được các tiêu chuẩn cho phép về CLĐN và đáp ứng được xu hướng phát triển chung của khoa học kỹ thuật nâng cao được CLĐN trong hệ thống điện Giải pháp đưa ra là lời giải đáp tối ưu cho những khúc mắc về ảnh hưởng của tải đến CLĐN

hệ thống điện là hướng đi tích cực cho việc thúc đẩy đầu tư, xây dựng và phát triển

hệ thống giao thông ĐSCĐ xoay chiều trong tương lai gần nhất

1.6 Kết cấu đề tài

Đề tài được thực hiện gồm có các chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Những vấn đề về chất lượng điện năng trên hệ thống điện

Chương 3: Tổng quan về giao thông đường sắt chạy điện

Chương 4: Đặc điểm chất lượng điện năng trên giao thông đường sắt chạy điện

Chương 5: Giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trên đường sắt chạy điện - bù mất đối xứng dựa trên STATCOM và khả năng ứng dụng ở Việt Nam

Chương 6: Kết luận chung

2.1 Những vấn đề chung về chất lượng điện năng

2.1.1 Chất lượng điện năng và yêu cầu nâng cao chất lượng điện năng

Chất lượng điện năng (CLĐN) có thể được xác định từ hai quan niệm khác nhau, tuỳ thuộc vào yêu cầu cung cấp hoặc tiêu thụ điện CLĐN tại các nhà máy phát thường quan tâm đến khả năng của máy phát để tạo ra điện tại tần số yêu cầu (50Hz hoặc 60Hz) ít biến đổi nhất, trong khi CLĐN ở truyền tải và phân phối quan tâm đến giới hạn điện áp cho phép biến đổi ± 5% CLĐN gần đây trong hệ thống phân phối chủ yếu nhấn mạnh vào các vấn đề như: dạng sóng sin tuyệt đối, không

có bất kỳ sự biến động nào về điện áp

Trong những thập niên gần đây, sự phát triển đa dạng các thiết bị công nghệ hiện đại sử dụng điện đã làm thay đổi đáng kể quan niệm về CLĐN Cung cấp CLĐN cho nhu cầu thế kỷ 21 là một trong những yếu tố quan trọng trong tổng thể

lưới điện hiện đại Quan niệm CLĐN đã dần thay đổi không chỉ đối với kỹ sư điện

mà đối với cả người tiêu dùng điện Trên cơ bản nguồn điện năng được gọi là

“sạch” khi đảm bảo được không có bất kỳ biến dạng nào của sóng sin dòng điện và điện áp trên tần số cơ bản Đây là dạng sóng được sản xuất tại nhà máy điện bởi máy phát điện, nhưng việc truyền tải, phân phối và tiêu thụ trong lưới điện về mặt chủ quan cũng như khách quan đã tác động đến nó Các nguyên nhân làm ảnh hưởng xấu CLĐN cụ thể như là kết nối lưới với các máy phát, thiết bị điện, điện tử (thiết bị điện tử vi xử lý, công nghiệp tự động hoá, máy chuẩn đoán y khoa…) Các hiện tượng có thể có như là: quá độ, gián đoạn, thấp áp, cao áp, dao động điện áp, méo dạng sóng, biến đổi tần số và mất đối xứng… Chính các vấn đề này nếu không được giải quyết triệt để sẽ là nguyên nhân trực tiếp tác động trở lại các thiết bị tiêu thụ điện khác với yêu cầu CLĐN cao Mức độ cung cấp CLĐN có thể từ “tiêu chuẩn” đến cấp độ “cao cấp” tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng Chất lượng điện kém gây ra tổn thất không riêng về kỹ thuật công nghệ, tổn thất kinh tế mà còn ảnh hưởng đến môi trường truyền tín hiệu Ngày nay, mục tiêu về CLĐN càng trở nên

cụ thể hơn bởi các ràng buộc (kinh tế, kỹ thuật hoặc hình phạt) liên quan giữa phía cung cấp và bên sử dụng dựa trên những tiêu chuẩn đánh giá chất lượng

Mối quan tâm nâng cao CLĐN trong môi trường điện bao gồm các cấp: truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện, thông thường 40% các vấn đề CLĐN liên quan đến cung cấp điện từ các phụ tải dân dụng, 60% liên quan đến phụ tải công nghiệp và công cộng Hiện nay, bốn yếu tố hình thành sự gia tăng về nhu cầu giải quyết và ngăn ngừa các vấn đề về CLĐN: sự gia tăng các thiết bị sử dụng điện nhạy cảm với CLĐN, gia tăng các thiết bị điện gây nên các vấn đề về CLĐN, kết nối lưới hay kết nối các hệ thống điện và phát triển của thị trường điện cạnh tranh Do đó, vấn đề CLĐN trở thành mối quan tâm đối với các nhà nghiên cứu và thiết kế Nó bắt đầu từ việc khảo sát, đo lường đến giải pháp và ứng dụng những thiết bị công nghệ mới nhằm đưa ra giải pháp tối ưu có thể

2.1.2 Một số hiện tượng trong vấn đề CLĐN

2.1.2.1 Quá độ

Thường được coi là nguy hiểm nhất trong sự xáo trộn điện năng, có hai loại quá độ: quá độ xung và quá độ dao động

- Quá độ xung: nguyên nhân do sét, thời gian 5 nano giây (ns) đến 50ns Làm

hư hỏng thiết bị điện

- Quá độ dao động: nguyên nhân gây ra thường là do đáp ứng cục bộ hoặc do

đóng cắt giàn tụ lớn Dao động tần số 5KHz đến 5MHz, thời gian gian 5micro giây đến 50ms

2.1.2.2 Gián đoạn

Gián đoạn được định nghĩa là sự mất hoàn toàn điện áp hoặc dòng cấp cho tải Tuỳ thuộc vào thời gian của nó, có thể phân thành như sau:

- Gián đoạn điện áp ngắn hạn: do đóng mở các thiết bị tự động bảo vệ

trong lưới điện, do sự cố sứ cách điện, chống sét van Thời gian khoảng vài mili giây đến 1 hoặc 2 giây

- Gián đoạn điện áp dài hạn: do sự cố lỗi thiết bị mạng lưới, thiên tai, lỗi

sự cố do con người hoặc hư hỏng thiết bị bảo vệ Thời gian lớn hơn 2 giây (có thể lên đến 2 phút và lớn hơn 2 phút thường là gián đoạn duy trì) Hậu quả là ngừng tất cả các thiết bị

2.1.2.3 Võng điện áp - Thấp điện áp

- Võng điện áp: do do lỗi hệ thống và thường cũng là do chuyển đổi tải

hoặc dòng khởi động tải lớn, mức độ giảm trong khoảng 0.1 đến 0.9 giá trị định mức Thời gian 0.5 đến 30 chu kỳ, ngắn hạn 30 chu kỳ (0.5 giây) đến 3 giây và dài hạn có thể từ 3 giây kéo dài đến 1 phút Các ảnh hưởng như là hệ thống tạm dừng, mất dữ liệu, tắt máy

- Thấp điện áp: do lỗi hệ thống và thường cũng là do chuyển đổi hoặc

khởi động dòng tải lớn, thời gian xảy ra lớn hơn 1 phút, sự sụt giảm từ

0.8 đến 0.9 giá trị định mức Các ảnh hưởng như là hệ thống tạm dừng, mất dữ liệu, tắt máy Đặc biệt ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ động cơ điện, tải phi tuyến do phát nhiệt

2.1.2.4 Tăng cao điện áp - Quá điện áp

- Tăng cao điện áp: do trở kháng lớn kết nối trung tính, đột ngột giảm tải

(đặc biệt là lớn) và lỗi một pha trên hệ thống ba, gia tăng tức thời từ 1.1 đến 1.8pu giá trị điện áp AC xảy trong một thời gian 0.5 đến 30 chu kỳ, ngắn hạn 30 chu kỳ (0.5 giây) đến 3 giây (1.1pu – 1.4pu) và dài hạn có thể từ 3 giây kéo dài đến 1 phút (1.1pu – 1.2pu) Ảnh hưởng có thể xảy ra như là lỗi dữ liệu, giảm tuổi thọ vật liệu cách điện, công tắc điện, linh kiện bán dẫn, nhấp nháy ánh sáng…

- Quá điện áp: là một hình thức của tăng cao điện áp với thời gian duy trì

lớn hơn 1 phút, tăng 1.1 đến 1.2pu giá trị điện áp AC ở tần số cơ bản Các nguyên nhân có thể do sa thải phụ tải có tính cảm ứng lớn như là động cơ

AC, máy biến áp hoặc đóng giàn tụ lớn vào hệ thống một cách đột ngột Ảnh hưởng đến máy cắt phía hạ thế, phát nóng, hư hỏng thiết bị…

2.1.2.5 Dao động điện áp

Là sự sự biến đổi dị thường của dạng sóng điện áp ở tần số thấp, thường nhỏ hơn 25Hz, tăng giảm một cách ngẫu nhiên từ 95 – 105% điện áp định mức Ảnh hưởng đến một số thiết bị nhạy cảm trong y khoa, làm nhấp nháy ánh sáng mắt thường có thể quan sát được

2.1.2.6 Méo dạng sóng

Là sự biến đổi trạng thái từ một dạng sóng sin cơ bản lý tưởng ở tần số cơ bản sang dạng tuần hoàn không sin Nguyên nhân là do tải phi tuyến, tồn tại năm loại méo dạng sóng như sau: Một chiều, sóng hài, đa hài, nhiễu loạn và tạp âm

2.1.2.7 Biến đổi tần số

Biến đổi tần số hay dao động tần số là hiện tượng cực kỳ hiếm trong hệ thống điện ổn định, đặc biệt là hệ thống hoà lưới chung trên một hệ thống mạng lưới điện Tần số định mức trong hệ thống điện là 50Hz (60Hz) Dao động cho phép trong phạm vi ±0,2Hz tần số cơ bản trong điều kiện bình thường và ±0,5Hz trong điều kiện chưa ổn định, thời gian cho phép dưới 10 giây Tần số có liên quan trực tiếp đến tốc độ động cơ Trong trường hợp vượt qua giới hạn cho phép có thể gây ra sụp đổ hệ thống hay thác tần số

2.1.2.8 Mất đối xứng ba pha

Mất đối xứng là do biến đổi điện áp (dòng điện) lệch ra khỏi trạng thái cân bằng, trong trường hợp đối xứng thì ba pha điện áp cân bằng về cả biên độ (mô-đun) và góc lệch pha 120° Mất đối xứng không phải là một loại của méo dạng sóng, tuy nhiên nó là một vấn đề nghiêm trọng trong CLĐN cần phải nghiên cứu Các nguyên nhân chính trong lưới điện ba pha đối xứng là do sự cố đường dây, sử dụng tải một pha như lò hồ quang điện, giao thông sức kéo điện xoay chiều tần số công nghiệp Tác hại đến động cơ không đồng bộ, đồng bộ, đường dây và các phần

tử khác, giảm hiệu suất nguồn

2.1.3 Hệ thống tiêu chí đánh giá CLĐN

Sự phát triển của ngành công nghiệp điện và thị trường tiêu thu điện năng (khách hàng) cần có một thoả thuận chung về chất lượng phục vụ điện Đó là lý do chính yếu để đưa ra các tiêu chuẩn chất lượng cho tất cả các vấn đề về CLĐN Các

tổ chức chịu trách nhiệm cho sự phát triển tiêu chuẩn CLĐN trên thế giới bao gồm:

Uỷ ban Kỹ thuật Điện quốc tế (IEC), Tiêu chuẩn Châu Âu (EN), Tiêu chuẩn Nam Phi (ESKOM), các tổ chức của Hoa Kỳ: Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử (IEEE), Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ (ANSI), Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ (NIST), Hiệp hội các nhà sản xuất điện Quốc gia (NEMA), Viện nghiên cứu Điện lực (EPRI) Dưới đây là các bảng biểu giới thiệu các tiêu chuẩn cho các vấn đề CLĐN:

Bảng 2.1 Các chủ đề Tiêu chuẩn CLĐN IEC [4][tltk PQP ch2/385p]

Giới hạn - Giới hạn bức xạ và miễn cảm

Kiểm tra và đo lường - Kỹ thuật kiểm tra IEC 1000-4

Lắp đặt và cải thiện

- Hướng dẫn lắp đặt

- Phương pháp cải thiện

- Thiết bị cải thiện

Bảng 2.2 Các Tiêu chuẩn IEEE, IEC và EN về một số vấn đề CLĐN

Tiêu chuẩn ICE

và EN

Quá độ xung

Quá độ dao động

ANSI/IEEE C62.41-45 IEEE 1100

ICE 1000-2-5 ICE 1000-3-3/4

EN 61000-3-3

Võng điện áp Tăng cao điện áp

IEEE P1346, 1100,1159 493,446 /ANSI C84.1

ICE 1000-2/3- 4

EN 61000-4-3

Gián đoạn điện áp ANSI/IEEE C62.41-45 ICE 1000-3-3

EN 61000-3-2 Thấp điện áp

Quá điện áp

ANSI C84.1 IEEE 1159

ICE 1000-2-3

EN 61000-4-3

Méo dạng sóng

ANSI/IEEE 519, 929 ANSI/IEEE 1001,1035 ANSI/IEEE C37,57

IEC 1000-2-1/2 IEC 1000-3-2/4

Sơ đồ 2.1: Các bước cơ bản liên quan đến quy trình đánh giá CLĐN []

Vấn đề CLĐN bao gồm hàng loạt các hiện tượng khác nhau như đã mô tả trên phần [2.1.2], mỗi một hiện tượng có thể có một hoặc nhiều nguyên nhân khác nhau gây nên Do đó, các giải pháp khác nhau có thể được sử dụng để nâng cao CLĐN và hiệu suất sử dụng thiết bị Tuy nhiên, một cách hữu ích khi quan sát, đánh giá các bước theo một trình tự, từ việc điều tra những vấn đề này, đặc biệt nếu các

Điện áp quy định/

Mất cân bằng

Thấp điện áp/

Quá áp/

Gián đoạn

Chập chờn Quá độ

Biến dạng điều hoà

QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

Đo/ Thu thập dữ liệu

Nguyên nhân Các đặc trưng Tác động thiết bị

Các hệ thống truyền tải

Các hệ thống phân phối

Tương tác người dùng đầu cuối

Hệ thống người dùng đầu cuối

Thiết kế thiết bị/ Thông số

kỹ thuật

Mô hình/ Quy trình phân tích

Đánh giá kỹ thuật lựa chọn thay thế

Đánh giá kinh tế của các giải pháp có thể

bước có liên quan giữa các hệ thống nguồn và đa dạng các thiết bị của khách hàng Trong sơ đồ 2.1, đưa ra một số bước chung trong yêu cầu một vấn đề CLĐN, cùng với việc cân nhắc giải quyết từng bước Một quy trình chung được xem xét để đánh giá các hiện tượng xuất hiện, đến một kết quả được đề xuất có hay không việc thiết

kế mới hoặc thay đổi được đưa vào hệ thống Việc đo lường giữ một vai trò quan trọng trong bất kỳ mối quan tâm về CLĐN Các phương án đưa ra phải thoả mãn yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế được xem xét, và loại dần những giải pháp kém khả thi hơn cho đến khi (giải pháp) còn lại là duy nhất Mỗi loại hiện tượng trong CLĐN sẽ có giải pháp kinh tế và kỹ thuật thích hợp

2.2 Điện áp trong chất lượng điện năng

2.2.1 Khái niệm và nguyên nhân

Trong hệ thống điện được có hai khái niệm về điện áp: điện áp định mức và điện áp vận hành (điện áp làm việc) Điện áp định mức là điện áp chuẩn mực để thiết kế các thiết bị điện, các cấp điện áp như là: hạ áp, trung áp, cao áp và siêu cao

áp Điện áp vận hành là điện áp thực tế tại điểm của lưới điện làm việc hay điện áp đặt vào phụ tải Do tổn hao không thể giữ điện áp bằng tại tất cả mọi điểm của lưới điện thông thường điện áp đầu đầu (phát) cao hơn điện áp cuối (nhận)

Độ lệch điện áp được định nghĩa:

2.2.2 Tác động của chất lượng điện áp

Chất lượng điện áp rõ ràng sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của các thiết bị sử dụng điện, đặc biệt thường xảy ra là khi điện áp thấp

- Các thiết bị phát nhiệt: sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều theo điện áp

+ Nhiệt độ phát ra giảm 10% khi điện áp giảm 10%,

+ Điện áp tăng cao -> quá nhiệt: gây hỏa hoạn, ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị,

- Các động cơ điện: Hoạt động của các động cơ điện sẽ bị ảnh hưởng khi có sự thay đổi điện áp,

+ Ảnh hưởng đến quá trình khởi động động cơ,

+ Điện áp giảm sẽ làm dòng động cơ tăng: quá tải, quá nhiệt,

+ Điện áp giảm làm mô – men quay của động cơ giảm, ví dụ: Mô-men điện từ của động cơ không đồng bộ giảm xấp xỉ 20% khi điện áp giảm 10%,

+ Ảnh hưởng đến quá trình vận hành động cơ do các thiết bị bảo vệ điện áp hoạt động,

- Các thiết bị điện tử: tivi, máy tính, đầu thu,… bị ảnh hưởng khi điện áp thay

Độ sụt áp phần trăm của đầu nhận:

Hiệu suất truyền tải: � � ��

�� � ��

�������� �����

������� (2.9) Góc lệch pha giữa �� �à ��

��� � √�������� �√������� �

���√������� � �√������� �� ��

Đo lường và kiểm tra chất lượng điện áp: các tiêu chuẩn EN 50160, IEC 038

và EN 61000-4-11, 61000-4-34 được áp dụng cho việc đánh giá chất lượng trên các tham số và giới hạn điện áp đặt lên thiết bị đầu cuối trên lưới điện trung thế và hạ áp

2.2.4 Các giải pháp nâng cao chất lượng điện áp

Có rất nhiều giải pháp cho phép cải thiện chất lượng điện áp, cụ thể gồm:

- Thay đổi dòng kích từ máy phát và đầu phân áp máy biến áp,

- Tăng tiết diện dây dẫn (giảm tổng trở lưới điện),

- Tăng điện áp hệ thống,

- Lắp đặt bù cố định hoặc bù linh hoạt trên đường dây (bù ngang, bù dọc),

- Xây dựng thêm trạm mới, lắp đặt thiết bị điều chỉnh điện áp,

2.3 Đối xứng điện áp và dòng điện trong CLĐN

Máy phát đồng bộ là nguồn của điện áp ba pha trong hệ thống điện truyền tải Điện áp ba pha tại đầu ra của máy phát là cân bằng về cả độ lớn (mô – đun) và

độ lệch pha 1200 Vec – tơ hệ thống này được gọi là đối xứng, ngược lại là mất đối xứng Tuy nhiên trong thực tế không thể tránh được tình trạng làm việc không đối xứng Sự mất đối xứng có thể xảy ra chỉ đối với mô-đun giá trị điện áp và dòng trong ba pha không bằng nhau, hoặc chỉ xảy ra đối với độ lệch giữa các pha liên tiếp không bằng nhau Trong thực tế thường gặp trường hợp cả mô – đun và pha

2.3.1 Thành phần đối xứng - nguyên nhân mất đối xứng điện áp và dòng điện

Thành phần đối xứng:

Định nghĩa của mất cân bằng điện áp và (hoặc) dòng điện đều dựa trên sự biểu diễn của hệ thống ba pha từ các thành phần đối xứng Theo lý thuyết Charles Legeyt Fortescue, mất cân bằng ba pha [��� , ��� , ���� phần tử phức được chia ra làm thành ba thành phần đối xứng hoá với tên gọi tương ứng: thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không là [��� , ��� , ��� � Thông thường thứ tự pha trong hệ thống quy ước theo chiều thuận kim đồng hồ là ABC, thì thứ tự thuận sẽ là ABC và thứ tự nghịch là ACB Nếu [��� , ��� , ��� ] là các đại lượng điện áp ban đầu thì: [����, ����, ����� là thành phần điện áp thứ tự thuận (0�, �120�, 120��, [����, ����, ����� là thành phần điện áp thứ tự nghịch (0�, 120�, �120�� và [����, ����, ����� là thành phần điện áp thứ tự không (0�, 0�, 0��, được biểu diễn như hình 2.1

Các thành phần đối xứng trong hệ thống được viết với hàm toán tử a, với

a � ����� �

� ���� �√�� , a� � ����� �

� ���� �√�� , với (a=1∠120��,

Các phụ tải đặc biệt công suất lớn như là lò hồ quang điện, giao thông đường sắt chạy điện một pha AC tần số công nghiệp (công suất từ vài MVA đến hàng trăm MVA) chủ yếu sử dụng một pha trung áp, gây nên dòng điện tải mất đối xứng

Mất đối xứng cũng có thể xảy ra trong truyền tải ba pha, thông thường với đường dây trên không Nguyên nhân chính là do sự cố đứt một đường dây ba pha chạm đất, hoặc trong sự cố sửa chữa một pha, hai pha làm việc Hoặc trong một vài trường hợp truyền tải đặc biệt như: “hai dây dẫn – đất”, “hai dây dẫn – ray” sơ đồ này hay dùng trong các sơ đồ cung cấp điện cho các khu vực hai bên đường sắt chạy điện đi qua, và “hai dây dẫn – đường ống”

2.3.2 Ảnh hưởng của mất đối xứng

Mất đối xứng trong lưới điện ba pha đối xứng, sinh ra dòng thứ tự nghịch và thứ tự không chảy trong hệ thống điện kết quả gây ra là:

- Gia tăng tổn thất công suất, năng lượng của nguồn và lưới

- Gia tăng phát nóng, hệ quả của nó là giới hạn khả năng truyền tải của dòng thứ tự thuận;

- Mất cân bằng điện áp tại nút mạng lưới điện;

Mất đối xứng điện áp ảnh hưởng xấu đến hoạt động của tải: động cơ không đồng bộ, máy phát đồng bộ, bộ chỉnh lưu và các phần tử khác (gồm đường dây, máy biến áp, kháng điện, thiết bị rơ – le bảo vệ)

2.3.3 Các hệ số, đo lường và tiêu chuẩn của không đối xứng dòng và áp

Đo lường mất đối xứng, hệ số không đối xứng “K” được sử dụng, đó là tỉ số

giữa thành phần thứ tự không và thứ thự thuận hoặc thành phần thứ tự nghịch và thứ tự thuận của thành phần điện áp, dòng điện trên pha bất kỳ được xác định:

Trong trường hợp phụ tải nhiều pha thành phần thứ tự nghịch tạo ra là rất nghiêm trọng trong vấn đề mất đối xứng Thành phần thứ tự không thông thường chỉ xuất hiện trong lưới điện hạ thế và kết nối tam giác của cuộn dây máy biến áp có thể ngăn ngừa sự lan truyền của nó lên lưới điện áp cao hơn Hệ số không đối xứng của thành phần thứ tự nghịch được xác định như sau:

Đo lường, tiêu chuẩn và giới hạn:

Giả định điện áp pha A được đặt trên trục thực, các giá trị phức của điện áp pha có thể viết lại như sau:

��� � ��, ��� � ������ , ��� � ���������� (2.26) Với � là góc giữa ��� và ���, β là góc giữa ��� và ��� Góc α và β được xác định theo công thức sau:

� � ������ �������������

����� � và � � ������ �������������

����� � (2.27) Mối quan hệ để xác định các yếu tố mất đối xứng trong thực tế được cho bởi biểu thức tính theo trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện dây hoặc pha Công thức xác định thành phần mất đối xứng theo tiêu chuẩn quốc tế được thể hiện trong bảng 2.3

Bảng 2.3 Công thức xác định thành phần mất đối xứng theo các tiêu chuẩn []

Tiêu chuẩn Công thức tính hệ số và thành phần mất đối xứng

��� là công suất lúc ngắn mạch tại điểm kết nối

Bảng 2.4 Giới hạn giá trị mất đối xứng trong tiêu chuẩn quốc tế

IEC 61000-2-5 ��� � 2% , cấp độ 1

��� � 3% , cấp độ 2 IEC61000-2-12

EN 50160 ��� � 2% , trong một điều kiện đặc biệt có thể lên đến 3% GOST 13109-97 ��� � 2%,

��� � 4%, tối đa cho phép trong trường hợp đặc biệt

��� � 1%, cho trường hợp lưới cao áp

��� � 2%, trong một vài trường hợp cụ thể,

- Giải pháp 2: Sử dụng thiết bị bù

Nguyên lý của giải pháp bù:

Gọi: ����, ����, ���� là dòng tải, ����, ����, ���� là dòng được đưa vào từ thiết bị bù, , cho kết quả đối xứng được thiết lập như nguồn ���, ���, ���, được mô tả như hình (2.2) Sau đây phương trình sau thỏa:

��� � ����� ����

��� � ����� ���� � a����� (2.34)

��� � ����� ���� � a���

Dòng chảy trong lưới điện được thiết lập đối xứng, do đó thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch bằng “0”

��� ��

������ a����� a���� � 0 (2.35)

��� ��

������ ���� ���� � 0 (2.36) Phương trình (2.35) và (2.36) trên được xác định cho tất cả mọi trường hợp đối xứng

Thiết bị bù:

Bù tĩnh song song: sử dụng bộ bù tĩnh SVC để điều chỉnh công suất kháng, dẫn đến điều chỉnh điện áp SVC bao gồm thyristor điều khiển cuộn kháng và tụ điện Các thành phần trong mạch bù gồm có:

- Cuộn kháng được điều khiển bởi thyristor (TCR),

- Tụ dung được điều khiển bởi thyristor (TSC),

sẽ được chọn làm giải pháp nâng cao CLĐN và vấn đề này sẽ được trình bày trong chương 5 của luận văn

Bù tĩnh nối tiếp: sử dụng nguyên lý thay đổi biên độ điện áp, có thể ứng dụng vào nguồn mất đối xứng Bằng cách sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

2.4 Méo hình sin của điện áp và dòng trong CLĐN

2.4.1 Hiện tượng và nguyên nhân gây méo điện áp

Hiện tượng:

Sóng điện áp sin được tạo ra tại các nhà máy điện là sóng sin cơ bản với tần

số định mức, theo chu kỳ nhất định Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải (cuối nguồn), đặc biệt khi các phụ tải phi tuyến càng nhiều thì dạng sóng càng bị méo khác sóng sin, ví dụ hình 2.3 mô tả cho hiện tượng méo dạng sóng sin do tồn tại của

các sóng điều hòa Sóng điều hòa (sóng hài) có thể coi như là tổng của các dạng

sóng sin mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản Biểu diễn dưới dạng

toán học có dạng (2.37):

� � �� � �������sin��� � ��� � �������sin�2�� � ��� � �������sin�3�� �

Trong đó:

- ��: thành phần một chiều, ��, là biên độ của thành phần cơ bản và

��, ��, �� lần lượt là biên độ của thành phần sóng điều hòa bậc 2, 3 và n

- φ là góc lệch pha tương đối, ω =2πf là tần số góc, chu kỳ T = 1/f, f tần số cơ bản

Phương trình (2.37) được viết lại như sau:

� � ��� ∑� ��������� � ���������

Với ��, �� là các hệ số của từng thành phần sóng điều hòa riêng lẽ,

do dòng điều hòa �����) Điện áp rơi này chính là nguyên nhân của méo điện áp tại các điểm kết nối của tải điều hòa nhạy cảm Độ méo điện áp gia tăng theo chiều dài

đường dây khi gia tăng tải phi tuyến

Hình 2.3: Mô tả hiện tượng méo dạng sóng bởi các thành phần sóng điều hòa

��� � ��������� ∆������ ∆����� (2.40)

Vậy ��� điện áp tại điểm kết nối chung bị méo

Nguồn phát sinh dòng điều hòa: dòng điều hòa được sinh ra từ các tải phi tuyến, một số thiết bị là nguyên nhân sinh ra dòng điều hòa như:

- Thiết bị lõi sắt từ: Máy biến áp, động cơ điện, máy phát điện, v.v…

- Lò hồ quang điện, máy hàn điện, các loại đèn cao áp, v.v…

- Các thiết bị điện tử và điện tử công suất

Trong hệ thống ba pha đối xứng sự biểu diễn các thành phần thứ tự cũng được áp dụng cho các thành phần điều hòa Nếu thành phần ��� được biểu diễn dưới dạng chuổi Fourier theo công thức, góc lệch pha ���:

������ � ∑� ��������� � ����

Dựa trên mối tương quan;

Hình 2.4: Ảnh hưởng của điện áp rơi ∆�����- méo điện áp tại điểm kết nối chung

Trong đó: n là bậc điều hòa (n = 1, 2, 3…, h)

Trong một hệ thống đối xứng hoàn toàn, từ công thức (3.41), (3.42) và (3.43), với các thành phần đối xứng của pha luôn biến đổi theo một chu kỳ tuần tự, các bậc điều hòa thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không đều được xác định và

được tóm tắt như bảng 2.5

Bảng 2.5 Mối liên hệ các thành phần đối xứng và các sóng hài bậc cao

Mối liên hệ thành phần đối xứng và bậc sóng hài

2.4.2 Cách tính toán các thành phần cao tần, các thành phần đặc trưng

và các chỉ số giới hạn của méo dòng (điện áp) và tiêu chuẩn

Trị hiệu dụng của tổng các sóng điện áp phức tạp cho bởi phương trình (2.44) và (2.45)

Bảng 2.6 Giới hạn bậc sóng điều hòa điện áp tại điểm nguồn (tính đến thứ 25)

Không bội số của 3 Bội số của 3

Điều hòa

thứ n

Điều hòa điện áp (%)

Điều hòa thứ n

Điều hòa điện áp (%)

Điều hòa thứ n

Điều hòa điện áp (%)

19 1.5

Bảng 2.7 Giới hạn méo điện áp

Điện áp tại thanh cái

điểm kết nối chung

2.4.3 Ảnh hưởng của méo điện áp và dòng

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài đó là việc làm tăng giá trị hiệu

dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ qua công thức

Mạch lọc tích cực: sử dụng bộ biến đổi nguồn dòng hoặc bộ biến đổi nguồn

áp được ứng dụng trong rộng rãi trong phạm vi công suất từ 100KVA trở lên

2.5 Tần số trong CLĐN

Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, đường dây, trạm biến áp là một thể thống nhất Nếu như Chất lượng điện năng trong truyền tải được đánh giá bởi hai thông số kỹ thuật là điện áp và tần số, thì trong đó điện áp có tính chất cục bộ, tần

số mang tính hệ thống hay nói cách khác là tần số có giá trị như nhau tại mỗi nút

trong hệ thống điện Độ lệch tần số ảnh hưởng đến hoạt động của tất cả các thiết bị trong hệ thống điện

Nước ta cũng như hầu hết các nước trên thế giới đều sử dụng dòng điện với tần số 50Hz, trừ Mỹ và một phần nước Nhật là sử dụng dòng điện tần số 60Hz

2.5.1 Nguyên nhân gây biến động tần số

Nguyên nhân của sự thay đổi tần số là do sự không cân bằng giữa công suất phát (��) và công suất tiêu thụ (��)

Các yếu tố tác động biến đổi tải: Ngày trong tuần, giờ trong ngày, thời tiết, chính sách về giá điện theo giờ, yếu tố ngẫu nhiên do sự cố…

- Đối với kết nối các hệ thống đồng bộ giới hạn cho phép:

+ 50Hz ± 1% (49.5 – 50.5Hz) cho 95% trong năm, + 50Hz +4%/-6% (47 – 52Hz) 100% trong toàn thời gian,

- Đối với hệ thống kết nối không đồng bộ giới hạn cho phép:

+ 50Hz ± 2% (49 – 51Hz) cho 95% trong năm, + 50Hz ± 15% (42.5 – 57.5Hz) 100% trong toàn thời gian,

2.5.3 Ảnh hưởng của biến động tần số

Đối với hộ tiêu thụ:

Khi có sự thay đổi về tần số thì có thể gây ra một số hậu quả xấu vì:

- Các thiết bị được thiết kế và tối ưu ở tần số định mức Biến đổi tần số dẫn đến giảm năng suất làm việc của các thiết bị

- Làm giảm hiệu suất của thiết bị ví dụ như: động cơ, thiết bị truyền động

- Ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình sản xuất

Đối với hệ thống điện:

- Biến đổi tần số ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị tự dùng trong các nhà máy điện, có nghĩa là ảnh hưởng đến chính độ tin cậy cung cấp điện Tần số suy giảm có thể dẫn đến ngừng một số bơm tuần hoàn trong nhà máy điện, tần số giảm nhiều có thể dẫn đến ngừng tổ máy

- Thiết bị được tối ưu hóa ở tần số 50 Hz (60Hz), đặc biệt là các thiết bị có cuộn dây từ hóa như máy biến áp

- Làm thay đổi trào lưu công suất trong hệ thống Tần số giảm thường dẫn đến tăng tiêu thụ công suất phản kháng, đồng nghĩa với thay đổi trào lưu công suất tác dụng và tăng tổn thất trên các đường dây truyền tải

- Tính ổn định của khối tua-bin máy phát thay đổi

tự động điều chỉnh máy phát (khôi phục lý tưởng ∆� � 0, ∆� � 0) Đưa tần số trở

lại định mức, phân bổ lại trào lưu công suất, phân bổ lại công suất theo kinh tế Sa thải phụ tải là biện pháp cuối cùng khi các biện pháp trên không đáp ứng được

2.6 Kết luận chương

Như vậy tổng quan các vấn đề CLĐN đã được nêu lên như trên cho thấy rằng giữa chúng có mối tương quan với nhau Mối quan hệ đó như là sự yếu kém về chất lượng mỗi thành phần điều gây nên sự xáo trộn chung của hệ thống, hoặc CLĐN kém sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến thiết bị đầu cuối hoặc người tiêu dùng điện,

và ngược lại thiết bị sử dụng đầu cuối cũng trực tiếp tác động ngược lại đến CLĐN

hệ thống điện, tùy vào cấp độ tiêu thụ của tải và phụ tải kết nối nguồn Qua phân tích trên, cho thấy mọi thất bại của thiết bị và sự yếu kém về chất lượng không còn

là vấn đề “bí ẩn” nữa, mà nó đã được phân tích cụ thể trên các tiêu chí và tiêu chuẩn cho từng trường hợp cụ thể, nhằm đánh giá đúng những ảnh hưởng của thiết bị kết nối nguồn và tìm ra giải pháp cụ thể Mỗi giải pháp đưa ra cần phải được xem xét đánh giá được khả năng giải quyết cho từng trường hợp cụ thể hoặc tương quan giữa các ràng buộc này một cách tốt nhất Để làm được điều này, trước tiên cần phải

am hiểu và đánh giá được tổng thể những vấn đề mà phụ tải hay thiết bị đầu cuối có thể gây nên cho hệ thống điện

Như đã biết, ngày nay sự phát triển đa dạng của phụ tải là nguyên nhân ảnh hưởng lớn đến CLĐN hệ thống điện Đối với một phụ tải (thiết bị đầu cuối) cụ thể nào đó cũng có thể gây nên một hoặc nhiều các vấn đề về CLĐN Do đó, chương tiếp theo của luận văn sẽ giới thiệu tổng quan về phụ tải giao thông Đường Sắt Chạy Điện Trong đó, sẽ phân tích các yếu tố về nguồn cung cấp và điểm kết nối nguồn, mà cụ thể một số vấn đề như là: Tổng quát về hệ thống giao thông đường sắt chạy điện, nguồn công suất giao thông đường sắt chạy điện DC và AC, sơ đồ kết nối máy biến áp trong trạm điện kéo… là cơ sở để phân tích các nguyên nhân gây nên sự xáo trộn của phụ tải đến CLĐN hệ thống điện

Chương 3 TỔNG QUAN VỀ GIAO THÔNG ĐƯỜNG SẮT CHẠY ĐIỆN

3.1 Giới thiệu chung về giao thông điện

Lịch sử tầu sắt chạy điện xuất hiện từ năm 1835 là một kiểu mẫu xe điện chạy bằng pin và được triển lãm trước công chúng bởi T.Davenport Nhưng lần đầu tiên được chạy thực tế vào năm 1879 với điện áp 150V DC, động cơ 2.2kw, vận tốc tối đa 12km/h ở triển lãm thương mại tại Berlin Đến năm 1881, Siemens Halske xây dựng đường sắt chạy điện đầu tiên tại Lichterfelde Đến năm 1898 – 1902 đầu tầu chạy điện dùng nguồn AC đầu tiên xuất hiện tại Valtellina, nguồn cung cấp ba pha, 3.0kV/15Hz AC, động cơ AC, vận tốc đoàn tầu đạt 70km/h được thiết kế bởi công ty Kálmán Kandó Ganz, Hungary

Giao thông điện có thể phân thành loại: tiếp xúc và tự hành Phổ biến và phát triển nhất là loại giao thông điện tiếp xúc, tức là đầu tầu điện hoặc đoàn tầu chạy điện (ĐTCĐ) nhận điện từ mạng tiếp xúc bởi hệ thống cung cấp điện kéo

Bảng 3.1 Các dạng giao thông điện hiện có

- Đoàn tầu chạy điện Công nghiệp khai

khoáng - Xe tải đặc biệt [*]

Tự

hành

Đường sắt

- Đầu máy, đoàn tầu Diesel

- Đầu máy chạy khí

- Đoàn tầu Diesel Không ray

-Vận tải điện bánh hơi -Vận tải hàng bánh hơi -Vận tải đặc biệc[**]

[*] Được sử dụng hai nguồn năng lượng là diesel – điện và điện tiếp xúc,

[**]Vận tải khai khoáng, chuyên dụng dùng kết hợp tự hành và điện tiếp xúc,

Sơ đồ khái quát nguồn cung cấp giao thông ĐSCĐ mạng tiếp xúc:

Hình 3.1: Sơ đồ đơn giản nguồn cung cấp cho giao thông ĐSCĐ AC mạng tiếp xúc

Tất cả các loại giao thông điện tiếp xúc sử dụng trong các lĩnh vực đều có chung một cơ sở nguyên lý sử dụng nguồn điện có thể được mô tả khái quát bằng sơ đồ hình vẽ 3.1 sau:

Hệ thống điện khí hoá đường sắt được phân loại bởi ba đặc trưng chính:

Bảng 3.2 Ba thế hệ của điện khí hoá đường sắt: hệ thống và tiêu chuẩn

11kV/25Hz , 16kV/50Hz [D] 15kV/16 �

���, 15kV, 25kV/15Hz Thế hệ III [E] Không có 25kV, 50Hz hoặc 60Hz [F] Ghi chú:

A – Hiện tại hoạt động điện áp 700 đến 750V DC,

B – Chỉ hoạt động trong một thời gian ngắn 1989 – 1903 với ba pha tần số 15Hz,

về sau hoạt động 3.0kV - 3.6kV/16�

�Hz (1/3 tần số 50Hz) đến 1976

C – Chỉ duy nhất thế hệ thứ hai cấp điện áp 1500V , 3000V DC sử dụng ngày nay

D – Hiện tại hoạt động điện áp 25kV hoặc 2 � 12.5��AC/25Hz hoặc 50Hz/60Hz

và 15kV/16.7Hz Ngày 19 tháng 10 năm 1995, chính thức chuyển đổi từ 1/3 tần số 50Hz (50Hz = 16����) thành 16.7Hz

E, F – Thế hệ thứ 3 được xây dựng mới từ sau Chiến tranh Thế giới thứ II: đầu những năm 1950 tại châu Âu và Nga, những năm 1960 tại Nhật, những năm đầu thập niên 1980 tại Bắc Mỹ Thế hệ này sử dụng tần số công nghiệp: 60Hz tại Bắc

Mỹ và 50Hz hầu hết trên thế giới và tồn tại đến nay, một số được chuyển đổi từ hệ thống 11kV/25Hz sang 12.5kV/50Hz hoặc 60Hz

Hiện nay, trên thế giới các quốc gia có hệ thống ĐSCĐ phát triển như là: Pháp, Tây Ban Nha, Ý, Anh, Bỉ, Nhật, Trung Quốc, Nga, Ấn Độ, Thổ Nhĩ Kỳ, Netherlands – Vương quốc Hà Lan,…, chủ yếu hoạt động dưới dạng điện áp 25kV chiếm tỉ lệ 40.5% (2003) Năm 2003 trên toàn thế giới có 930,000 km đường sắt trong đó chạy điện chiếm 239,378km (26%) Theo thống kê gần đây của Hiệp hội đường sắt quốc tế (UIC) và Ngân hàng thế giới (WB) đến 3 - 2013 trên thế giới có 1,134,429km đường sắt, chạy điện chiếm 332,443.7 km (29,3%) tăng 93,064.7km Bảng 3.3 Hệ thống nguồn cấp tầu sắt chạy điện trên thế giới và chiều dài điện khí hoá đường sắt thống kê theo nguồn UIC và WB

Loại nguồn cung cấp

Trên toàn cầu

biểu

Quốc, Ấn Độ, Đức, Nam Phi,

AC 15kV 50/3Hz 35,461 15 34,949 14.6

Ngày nay, giao thông điện sử dụng phổ biến với hai loại động cơ kéo cơ bản:

� Động cơ DC

� Động cơ không đồng bộ AC

Việc sử dụng động cơ điện đã đáp ứng được sự linh hoạt trong việc điều khiển mô – men quán tính của trục động cơ, do đó dễ dàng thay đổi được tốc độ đoàn tầu một cách linh hoạt hơn, đáp ứng nhanh hơn, công suất và hiệu suất lớn hơn Đó là lý do để giao thông điện phát triển phổ biến

Những thuận lợi chính của giao thông sức kéo điện là: nguồn năng lượng đa dạng, phong phú Công suất lớn thay đổi linh hoạt, tăng tốc nhanh, lực kéo lên dốc linh hoạt Không mang theo nhiên liệu nên trọng lượng tầu nhẹ hơn, ít tốn năng lượng vận chuyển Hiệu suất cao hơn Ít bảo dưỡng, sửa chữa Tiết kiệm hiệu quả: năng lượng thu hồi khi hãm nhờ bộ hãm tái sinh Kết hợp với điện khí hóa khu vực đường sắt đi qua Bảo vệ môi trường: không khí thải, ít tiếng ồn

Những bất lợi chính như là nguồn tài chính cho trang thiết bị hệ thống giao thông ĐSCĐ là rất cao, hầu hết là cho đường dài Đối với tuyến tầu điện đô thị