Nghiên cứu quá trình quá độ trên lưới điện cao thế khi đóng cắt tụ bù ngang tại trạm biến áp 220kv sóc sơn

Kết quả nghiên cứu của đề tài này có thể dùng làm tài liệu tham khảo, một phần kết quả có thể được sử dụng vào trong thực tế, từ đó có thể tư vấn cho đơn vị sử dụng các phương pháp làm g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đại Nam 1

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 4

LỜI CẢM ƠN 5

DANH MỤC BẢNG 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ TỤ BÙ NGANG TRONG LƯỚI ĐIỆN CAO THẾ 9

1.1 Vai trò của tụ bù ngang trong lưới điện cao thế 9

1.1.1 Cung cấp công suất phản kháng 10

1.1.2 Điều khiển điện áp 10

1.1.3 Tăng khả năng tải của hệ thống 11

1.1.4 Giảm được tổn thất công suất của hệ thống 12

1.1.5 Giảm gánh nặng về công suất nói chung 12

1.2 Các phương pháp lắp đặt tụ bù ngang 12

1.2.1 Các kiểu điều khiển dùng cho tụ bù ngang đóng cắt 13

1.2.2 Các kiểu đấu nối bộ tụ bù ngang ba pha 13

1.2.3 Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor (SVC – Static Var Compensator) 14

1.3 Giới thiệu tụ bù ngang đặt tại trạm biến áp 220kV Sóc Sơn 15

1.4 Kết luận 18

CHƯƠNG 2 : CÁC QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ XẢY RA KHI ĐÓNG CẮT TỤ BÙ NGANG 19

2.1 Cơ sở lý thuyết cơ bản của quá trình quá độ khi đóng cắt tụ điện độc lập 19

2.2 Hiện tượng xảy ra khi đóng cắt tụ bù ngang 21

2.2.1 Đóng điện cho một bộ tụ bù ngang độc lập 21

Đại Nam 2

2.2.2 Trường hợp xảy ra quá điện áp động học 22

2.2.3 Trường hợp có sự khuếch đại điện áp 23

2.2.4 Quá điện áp pha – pha 24

2.2.5 Trường hợp phóng điện trước xảy ra trong thiết bị chuyển mạch 24

2.2.6 Trường hợp xảy ra khi đóng cắt bộ tụ bù ngang ghép song song 25

2.2.7 Phóng điện trở lại của bộ tụ bù ngang 25

2.3 Một số phương pháp hạn chế quá điện áp gây ra bởi quá trình đóng cắt tụ bù ngang trên lưới điện cao thế 26

2.3.1 Sử dụng điện trở đặt trước để làm giảm biên độ quá điện áp và dòng điện tràn 26

2.3.2 Sử dụng điện cảm đặt trước hoặc điện cảm cố định để làm giảm biên độ quá điện áp và dòng điện tràn 29

2.4 Ảnh hưởng của việc chuyển mạch tụ bù ngang tới lưới điện cao thế và các biện pháp hạn chế quá điện áp 30

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ KHI THAO TÁC CHUYỂN MẠCH TỤ BÙ NGANG TẠI TRẠM BIẾN ÁP 220KV SÓC SƠN BẰNG PHẦN MỀM ATP-EMTP 32

3.1 Giới thiệu về chương trình ATP-EMTP 32

3.1.1 Ứng dụng của chương trình 32

3.1.2 Kết hợp các modules tính toán trong ATP 33

3.2 Mô phỏng quá trình chuyển mạch tụ bù trong hệ thống điện thực hiện bằng phần mềm ATP-EMTP 34

3.2.1 Đặc điểm hệ thống mô phỏng 34

3.2.2 Nhập số liệu các phần tử hệ thống điện trong ví dụ mô phỏng 37 3.2.2.1 Nguồn điện 37

3.2.2.2 Đường dây 38

Đại Nam 3

3.2.2.3 Máy biến áp AT1, AT2 39

3.2.2.4 Bộ tụ bù ngang 40

3.2.2.5 Phụ tải 41

3.2.3 Kết quả tính toán, mô phỏng 42

3.2.3.1 Tính toán, mô phỏng quá trình đóng bộ tụ bù 42

a Đóng tụ trực tiếp 42

b Đóng máy cắt qua cuộn kháng 53

c Đóng máy cắt qua điện trở 57

d Tách cuộn kháng sau khi đóng máy cắt 65

e Tách điện trở sau khi đóng máy cắt 69

3.2.3.2 Tính toán, mô phỏng quá trình cắt bộ tụ bù ngang 73

3.3.Đánh giá, nhận xét các kết quả tính toán và mô phỏng 77

3.3.1 Đóng máy cắt trực tiếp bộ tụ bù ngang 77

3.3.2 Đóng máy cắt bộ tụ bù ngang thông qua cuộn kháng và điện trở 78

3.3.2.1 Đóng cuộn kháng và điện trở cố định 78

3.3.2.2 Tách cuộn kháng và điện trở sau khi đóng máy cắt bộ tụ 79

3.3.3 Quá trình cắt bộ tụ 80

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

Đại Nam 4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi Nội dung, số liệu được tập hợp từ nhiều nguồn khác nhau Thuyết minh, mô phỏng và kết quả tính toán được bản thân tôi thực hiện

Hà Nội, ngày 10 tháng 04 năm 2016

Khóa CH2014B

Đại Nam 5

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Hệ Thống Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, cán bộ công nhân viên thuộc Trạm biến áp 220kV Sóc Sơn và bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện hoàn thành luận văn này Đặc biệt tôi xin bày

tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Lê Đức Tùng – thầy đã tận tình quan tâm hướng dẫn giúp đỡ tôi xây dựng và hoàn thành luận văn này

Vì thời gian và kiến thức còn hạn chế nên bản luận văn này không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp để bản luận văn này ngày càng hoàn thiện

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Bảng 3.1 Bảng giá trị điện áp và dòng điện trường hợp đóng tụ trực tiếp khi trị

số điện áp tức thời pha A cực đại

Đại Nam 7

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC

Hình 2.1 Sơ đồ biểu diễn đóng cắt tụ điện độc lập vào hệ thống

Hình 2.2 Mạch tương đương cho trường hợp nạp điện bằng nguồn cảm ứng chu kì

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống xảy ra quá điện áp động học

Hình 2.4 Bộ tụ đóng vào nguồn điện cao

Hình 2.5 Hệ thống mô tả quá điện áp trên tụ khi đóng cắt tụ

Hình 2.6 Điện áp trên tụ khi đóng cắt tụ tại thời điểm t=0,02s

Hình 2.7 Dòng điện tràn qua tụ khi đóng cắt tụ tại thời điểm t=0,02s

Hình 2.8 Hệ thống mô tả đóng cắt tụ điện khi có điện trở đặt trước

Hình 2.9 Điện áp trên tụ điện khi có điện trở đặt trước

Hình 2.10 Dòng điện tràn qua tụ điện khi có điện trở đặt trước

Hình 2.11 Hệ thống mô tả đóng cắt tụ điện khi có điện cảm đặt trước

Hình 2.12 Điện áp trên tụ điện khi có điện cảm đặt trước

Hình 2.13 Dòng điện tràn qua tụ điện khi có điện cảm đặt trước

Hình 3.1 Tổng quan về các modules trong ATP-EMTP

Hình 3.2 Sơ đồ một sợi trạm biến áp 220kV Sóc Sơn

Hình 3.3 Mô hình và nhập số liệu cho nguồn điện AC 3 pha

Hình 3.4 Mô hình và nhập số liệu cho đường dây

Hình 3.5 Mô hình và nhập số liệu cho máy biến áp AT1, AT2

Hình 3.6 Mô hình và nhập số liệu cho tụ bù ngang

Hình 3.7 Mô hình và nhập số liệu cho phụ tải

Hình 3.8 Mô hình thay thế trạm biến áp 220kV Sóc Sơn

Đại Nam 8

MỞ ĐẦU

Việc thao tác đóng cắt tụ bù ngang là thao tác rất thường xuyên trên lưới điện, quá trình thao tác này luôn gây ra ảnh hưởng đến sự vận hành lưới điện trong đó có vấn đề quá điện áp Để giữ ổn định điện áp tại một nút điện áp, người ta đặt một bộ tụ bù ngang ở nút đó Do vậy việc nghiên cứu quá trình quá độ đóng cắt tụ bù ngang và hiện tượng quá điện áp gây ra bởi quá trình này

là rất cần thiết trong việc thiết kế lắp đặt và vận hành tụ bù ngang trên lưới điện cao thế

Mục đích nghiên cứu đề tài này của tác giả là đưa ra cho người đọc một số hiện tượng quá trình quá độ và các giải pháp thiết kế lắp đặt thiết bị hỗ trợ làm giảm, hạn chế hiện tượng quá độ trên bằng các phương pháp đóng cắt tụ bù ngang khác nhau bằng phần mềm mô phỏng ATP-EMTP, rồi từ đó đưa ra các nhận xét, đánh giá và kiến nghị

Trong luận văn này, đối tượng được tác giả chọn để nghiên cứu quá trình đóng cắt máy cắt bộ tụ bù ngang là trạm biến áp 220kV Sóc Sơn thuộc Công ty truyền tải điện 1 – Tổng công ty truyền tải điện quốc gia

Kết quả nghiên cứu của đề tài này có thể dùng làm tài liệu tham khảo, một phần kết quả có thể được sử dụng vào trong thực tế, từ đó có thể tư vấn cho đơn vị sử dụng các phương pháp làm giảm thiểu ảnh hưởng của quá trình thao tác như: chọn thời điểm đóng cắt, bộ trở đóng cắt, tuy nhiên kết quả nghiên cứu còn đơn giản vì lược bỏ đi nhiều yếu tố, sơ đồ mô tả trạm còn đơn giản ( sơ đồ đơn và ko nhiều thanh cái, bỏ qua điện dung của các đường dây truyền tải cũng như điện dung của các thanh cái )

Nội dung của luận văn này được trình bày trong 3 chương :

Chương 1 : Tổng quan về tụ bù ngang trong lưới điện cao thế

Chương 2 : Các quá trình quá độ xảy ra khi đóng cắt tụ bù ngang

Chương 3 : Mô phỏng quá trình quá độ khi thao tác chuyển mạch tụ bù ngang tại trạm biến áp 220kV Sóc Sơn bằng phần mềm ATP-EMTP

Đại Nam 9

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ TỤ BÙ NGANG TRONG LƯỚI

ĐIỆN CAO THẾ

1.1 Vai trò của tụ bù ngang trong lưới điện cao thế

Đa số các phụ tải hệ thống điện và các thông số chính của hệ thống ( ví

dụ như đường dây và máy biến áp ) về bản chất đều có tính cảm, do vậy chúng vận hành tại một hệ số công suất thấp Khi vận hành tại một hệ số công suất thấp như vậy, một hệ thống điện đòi hỏi công suất phản kháng thêm vào, nếu không nó sẽ làm giảm khả năng tải của hệ thống, tăng tổn thất công suất và điện năng trong hệ thống, và giảm điện áp của hệ thống

Bảng 1.1 cho ta một bảng tóm tắt lợi ích đem lại từ tụ bù ngang khi chúng được đặt trong hệ thống truyền tải và phân phối Hỗ trợ công suất phản kháng và điều khiển điện áp là các lợi ích đầu tiên đối với một hệ thống truyền tải trong khi lợi ích trong lưới điện phân phối có thể thay đổi phụ thuộc vào việc có hay không lợi ích sinh ra trong hệ thống khi lắp đặt tụ bù, hay khách hàng sử dụng điện

Bảng 1.1 Bảng tóm tắt lợi ích khi ứng dụng các tụ bù ngang

truyền tải

Hệ thống phân phối

1 – Lợi ích đầu tiên

2 – Lợi ích thứ hai

Đại Nam 10

1.1.1 Cung cấp công suất phản kháng

Cung cấp công suất phản kháng bao gồm nhiều lợi ích khác nhau như cải thiện điều khiển điện áp, giảm tổn thất công suất và công suất phản kháng yêu cầu tại máy phát, và tăng giới hạn ổn định tĩnh Dung lượng VAr được tiêu chuẩn hoá kích cỡ và lắp đặt tại các trạm truyền tải và phân phối để cung cấp công suất phản kháng cho tải hay để cung cấp hỗ trợ ở giữa các mạch truyền tải nặng

1.1.2 Điều khiển điện áp

Ứng dụng các bộ tụ bù ngang trong hệ thống sẽ làm tăng điện áp từ điểm lắp đặt đến nguồn Trong một hệ thống với hệ số công suất thấp, tụ bù ngang

có thể giảm dòng điện cảm truyền tải trên hệ thống, do vậy sẽ làm giảm điện áp rơi trên hệ thống điện

Có một số công thức có thể được sử dụng để tính ước lượng độ tăng điện

áp khi các tụ được sử dụng, một công thức thường được sử dụng là :

.10

X

U

Q L

Trong đó :

V là độ tăng điện áp phần trăm tại vị trí lắp đặt tụ

U là điện áp pha – pha của hệ thống không có tụ vận hành

Q là công suất phản kháng 3 pha của tụ bù

XL là điện kháng của hệ thống từ điểm lắp đặt tụ, Ohm

Tụ bù ngang thường được lắp đặt trên đường dây truyền tải tại các thanh cái để hỗ trợ điều chỉnh điện áp ở khoảng rộng Chúng được lắp đặt trên các thanh cái phân phối và trực tiếp trên các thanh cái của khách hàng để cung cấp

sự hỗ trợ điện áp ở khoảng nhỏ hơn và bù công suất cho khách hàng riêng

Tụ bù ngang lắp đặt để điều chỉnh điện áp được thường được đóng trong giai đoạn đỉnh của tải hay điều kiện điện áp thấp và được cắt trong giai đoạn non tải hay các điều kiện điện áp cao

Đại Nam 11

1.1.3 Tăng khả năng tải của hệ thống

Tăng khả năng tải của hệ thống là lợi ích lớn nhất khi lắp đặt tụ bù ngang trên lưới truyền tải Nó đặc biệt đáng kể khi tải được cung cấp bởi một

hệ thống được tăng trưởng rất nhanh Việc lắp thêm các bộ tụ bù ngang sẽ làm giảm công suất phản kháng tải trên hệ thống, do vậy tạo ra khả năng tải nó có thể cung cấp cho phụ tải tăng trưởng sau này

Hệ số công suất tối ưu cho hệ thống khi chỉ lưu ý đến khả năng tải, có thể ước lượng gần đúng bằng cách sử dụng công thức sau :

PF = 1-(C

S )

2

Trong đó :

C là chi phí trên một kilovar của tụ

S là chi phí trên kilovolamperes của thiết bị hệ thống

PF là hệ số công suất tối ưu

Để tính toán công suất phản kháng cần thiết để điều chỉnh đến một hệ số công suất cao hơn phải bù một lượng công suất bằng công suất phản kháng ở

hệ số cũ trừ đi lượng công suất ở hệ số mới Công thức sau đây được sử dụng

để xác định công suất này :

Q = P.[ tan (cos-1 PFcũ) - tan (cos-1 PFmới)]

Trong đó :

P là công suất kilowatt của hệ thống

Q là lượng công suất phản kháng lắp đặt thêm

Một cách đơn giản tìm hàng tương ứng với hệ số công suất hiện tại của

hệ thống và cột tương ứng là hệ số công suất mới Số tại vị trí cắt hàng và cột được nhân với công suất kilowatt của hệ thống để tính được tổng lượng công suất phản kháng cần thiết để điều chỉnh hệ số công suất

Đại Nam 12

1.1.4 Giảm được tổn thất công suất của hệ thống

Trên một hệ thống truyền tải và phân phối nào đó, việc lắp đặt các bộ tụ

bù ngang có thể đem lại sự giảm tổn thất công suất đáng kể

Việc lắp đặt các dãy tụ bù ngang có thể giảm được dòng điện chạy qua

hệ thống từ nguồn đến điểm lắp đặt tụ Từ đó tổn thất công suất tỉ lệ trực tiếp với bình phương của dòng điện, một lượng giảm của dòng điện sẽ làm giảm một lượng lớn tổn thất công suất

1.1.5 Giảm gánh nặng về công suất nói chung

Từ việc áp dụng các bộ tụ bù ngang có thể làm giảm bớt công suất tác dụng của phụ tải, điều này có thể dẫn đến giảm các chi phí chung khác

Lượng chi phí phát sinh theo kilowatt có thể tính toán theo nhiều cách khác nhau, bao gồm các phương pháp sau đây:

a Lượng tiền cố định cho mỗi kilowatt cộng với lượng tiền cố định cho mỗi kilovar

b Lượng tiền nào đó cho mỗi kilowatt tại hay cao hơn một hệ số công suất nào đó, cộng với chi phí từ mỗi kVAR từ việc vượt quá của lượng yêu cầu bởi một hệ số công suất nhỏ nhất

c Một chi phí trên kilowatt đòi hỏi được nhân với một hệ số tăng với việc giảm hệ số công suất

d Một chi phí cố định trên đỉnh công suất tác dụng

1.2 Các phương pháp lắp đặt tụ bù ngang

Các bộ tù bù ngang có thể lắp đặt ngay trên các thanh cái của các trạm biến áp, trạm bù Thao tác đóng cắt tụ có thể thực hiện bằng cầu dao, cầu chì đối với các tụ có dung lượng hạn chế, đối với các tụ có dung lượng lớn có thể thực hiện thao tác bằng máy cắt Trong mạng điện các phụ tải lớn hiện nay đã

sử dụng các thiết bị bù tĩnh SVC có điều khiển bằng thyristor

Đại Nam 13

1.2.1 Các kiểu điều khiển dùng cho tụ bù ngang đóng cắt

Quá trình đóng cắt các tụ bù ngang có thể thực hiện bằng cách điều khiển bằng tay hay tự động bằng cách sử dụng một số kiểu điều khiển thông minh Các loại điều khiển thông minh có thể được sử dụng trong điều khiển tự động bao gồm : đóng cắt theo thời gian, điện áp, dòng điện, điện áp – thời gian, điện áp – dòng điện, nhiệt độ Các loại điều khiển phổ thông nhất là : điều khiển theo thời gian, điện áp, điện áp – dòng

1.2.2 Các kiểu đấu nối bộ tụ bù ngang ba pha

Bộ tụ bù ngang ba pha có thể được đấu nối , Yo hay Y Kiểu đấu nối được sử dụng phụ thuộc vào :

a Chế độ làm việc của điểm trung tính

b Các yêu cầu về dây chảy

c Vị trí lắp đặt bộ tụ điện

d Ảnh hưởng đến hệ thống thông tin

Thông thường các bộ tụ bù nối Yo chỉ được sử dụng trên các hệ thống sơ cấp ba pha bốn dây

Tụ điện nối Y không dùng trong các điều kiện sau đây [1] :

- Trên các xuất tuyến có các máy cắt đơn pha sử dụng ở phía nguồn cung cấp

- Đối với các bộ tụ bù ngang cố định

- Trên các phân đoạn, ở phía trước cầu chì phân đoạn hay các thiết

bị cắt đơn pha

- Trên các xuất tuyến có sự chuyển tải công suất đột xuất

Tuy nhiên các bộ tụ bù ngang nối Y sẽ được sử dụng nếu có một hay các điều kiện sau đây [1] :

- Các dòng điện hài bậc cao trong trung tính máy biến áp của trạm được loại bỏ

- Các nhiễu điện thoại có thể được giảm tối thiểu

Đại Nam 14

- Việc lắp đặt bộ tụ bù ngang có thể được thực hiện với các thiết bị đóng cắt bằng hai thiết bị đơn pha với các thiết bị đóng cắt bằng

ba thiết bị đơn pha

1.2.3 Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor (SVC – Static Var

Compensator)

SVC là thiết bị bù ngang dùng để thay đổi công suất phản kháng trên lưới, có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:

- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng ( có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành )

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor, các cửa đóng mở ( GTO – Gate turn off )…

SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính :

+ Kháng điều chỉnh bằng thyristor – TCR (Thyristor Controlled Reactor) có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ

+ Kháng đóng mở bằng thyristor – TSR (Thyristor Switched Reactor) có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng

+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor – TSC (Thyristor Switched Capacitor) có chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong vận hành Các chức năng chính của SVC bao gồm :

+ Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện

áp

+ Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù

Hình 1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC

1.3 Giới thiệu tụ bù ngang đặt tại trạm biến áp 220kV Sóc Sơn

Tụ bù ngang T101 đặt tại trạm biến áp 220kV Sóc Sơn được đóng điện chính thức đưa vào vận hành ngày 23/10/2001, việc này đã giúp cho giảm bớt tổn hao công suất và nâng cao hệ số cosj trong quá trình truyền tải điện năng trên

hệ thống

Đại Nam 17

Bảng 1.4 Thông số các bình BÌNH

Đại Nam 19

CHƯƠNG 2 : CÁC QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ XẢY RA KHI ĐÓNG

CẮT TỤ BÙ NGANG

Khi một bộ tù bù ngang nạp hay phóng điện, các quá độ về dòng điện và điện áp có thể ảnh hưởng đến bộ tụ bù ngang và hệ thống mà nó được đấu nối

2.1 Cơ sở lý thuyết cơ bản của quá trình quá độ khi đóng cắt tụ điện độc lập

Trong quá trình đóng cắt một tụ điện riêng lẻ, quá độ chuyển mạch có thể được phân tích bởi mạch 1 pha như trong hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ biểu diễn đóng cắt tụ điện độc lập vào hệ thống

Trong hình 2.1, C là điện dung của tụ điện, Ls là điện cảm của hệ thống,

Lc là điện cảm của cuộn kháng nối tiếp, R là điện trở của mạch

Tổng điện cảm L của mạch trong hình 2.1 là L= Ls + Lc Thông thường, điện trở của mạch tương đối nhỏ do vậy điều kiện dao động

2

R < 4L

C có thể bắt gặp Như vậy trong quá trình quá độ đóng tụ bù, dòng điện tràn

là dòng điện dao động tắt dần và dòng điện này được xác định bằng phương trình

L di

dt + (1/C)i dt + R.i = Em sin(w t + q) (2.1)

ê ê

ù û

üý

þ (2.3)

Biểu thức (2.3) chỉ ra biên độ của dòng điện tràn được xác định bởi 2 hệ số; một là góc q, là góc pha của điện áp nguồn, thông số khác là điện cảm và điện kháng của mạch Nếu các thông số của mạch là cố định, sẽ xuất hiện dòng lớn nhất tại thời điểm điện áp nguồn đạt giá trị đỉnh của nó Tại thời điểm này,

q=p/ 2, và biểu thức (2.3) được thay thế bằng biểu thức:

i=Im(sinwt- at

w .sinw0.t) (2.4) Giá trị lớn nhất của dòng điện là :

s

w )=Im(1+ 1

w LC) (2.5)

Trong quá trình quá độ chuyển mạch, điện áp trên tụ điện được thể hiện bằng biểu thức sau :

ïîï

üý

0.

w , và nó sẽ không vượt quá 2 ECm nếu điện áp ban đầu của tụ là bằng không

2.2 Hiện tượng xảy ra khi đóng cắt tụ bù ngang

2.2.1 Đóng điện cho một bộ tụ bù ngang độc lập

Hình 2.2 biểu diễn một mạch tương đương trong đóng nguồn vào tụ bằng nguồn cảm ứng chu kỳ ( bỏ qua điện trở nhỏ ) :

Hình 2.2 Mạch tương đương cho trường hợp nạp điện bằng nguồn cảm ứng

chu kì

Đại Nam 22

Khi đóng thiết bị chuyển mạch, một dòng điện có biên độ lớn và tần số cao chạy vào bên trong tụ để làm điện áp tụ và hệ thống bằng nhau Nếu hai điện áp này bằng nhau vào thời điểm đóng cầu dao thì không có dòng điện tràn ( inrush current ) chạy vào

Nếu thiết bị được đóng tại đỉnh của điện áp, điện áp trên tụ sẽ tăng từ không đến điện áp nguồn Trong quá trình thay đổi điện áp này, một quá điện

áp có thể được sinh ra bằng với lượng thay đổi điện áp đạt được Điện áp này cũng có cùng tần số cao như dòng điện tràn và nhanh hơn rất nhiều so với điện

áp hệ thống Biên độ của xung điện áp này có thể lên đến 2 p.u đối với tụ được nối Y

Quá trình nạp điện cho một bộ tụ bù ngang hình sao không nối đất có thể gây ra quá điện áp quá độ lớn do việc đóng không đồng thời giữa các cực Thông thường, quá điện áp quá độ sinh ra khi đóng cắt bình thường tương tự như quá điện áp đối với các dãy tụ nối đất

2.2.2 Trường hợp xảy ra quá điện áp động học

Nạp điện cho một biến áp và một bộ tụ bù ngang ( hình 2.3 ) có thể gây nên quá điện áp động học làm ảnh hưởng đến biến áp, tụ điện và các trang bị chống sét Bằng chứng là các hỏng hóc tụ và làm đứt cầu chì

Bản chất của vấn đề này là việc có điện áp cao gây ra bởi dòng điện tràn của máy biến áp được gia tăng trong môi trường sóng hài bởi một hệ thống mà tần số cơ bản gần với một trong những tần số của sóng hài Dòng điện tràn của máy biến áp bao gồm các lượng đáng kể về biên độ của các thành phần điều hoà Biên độ lớn nhất có khuynh hướng xảy ra đối với các điều hoà có bậc thấp nhất Nếu tổng trở tương đối của hệ thống tại một hay các tần số này cao thì điện áp tại điểm đó sẽ cao ( U= I.Z ) Điều này có khuynh hướng xảy ra đối với

tụ bù ngang gây nên cộng hưởng song song với hệ thống Vấn đề này được thể hiện trong dạng quá điện áp kéo dài, nó có một thành phần sóng hài cao, lâu dài trong nhiều chu kỳ

Đại Nam 23

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống xảy ra quá điện áp động học

Bởi vì chống sét không thể hoạt động hiệu quả ngăn chặn quá điện áp ổn định hay động học, không nên đóng mạch máy biến áp và tụ điện gần nhau từ khi có nghiên cứu thể hiện rằng quá điện áp sẽ không vượt quá giới hạn cho phép Kiểu chuyển mạch này thường gặp trong mạch phân phối nơi mà thành phần điện trở của tải thường dập tắt hiệu quả kiểu quá điện áp quá độ này

2.2.3 Trường hợp có sự khuếch đại điện áp

Trong thực tế, bộ tụ bù ngang ít khi cách ly hoàn toàn với hệ thống và các ảnh hưởng khác có thể xảy ra, sự khuếch đại xung điện áp là một ví dụ Điều này thường xảy ra khi một bộ tụ bù ngang được đóng vào hệ thống có điện áp cao và sự khuếch đại của xung điện áp được xảy ra trên hệ thống điện cảm nối bộ tụ bù ngang ở điện áp thấp Hình 2.4a minh hoạ một hệ thống có đặc tính như trên, còn hình 2.4b biểu thị mạch tương đương Có hai mạch điện cảm – điện dung, nếu các tần số cộng hưởng của hai mạch vòng này gần giống nhau, nghĩa là L1C1 = L2C2 , sự khuếch đại điện áp có thể xảy ra bởi vì mạch điện áp thấp hơn được bơm vào với một nguồn điện áp tại tần số cộng hưởng

Đại Nam 24

a

b Hình 2.4 Bộ tụ đóng vào nguồn điện áp cao

2.2.4 Quá điện áp pha – pha

Việc nạp điện của bộ tụ bù ngang có thể làm quá điện áp pha – pha cho các thiết bị khác trên các máy biến điện, đặc biệt là đối với các máy biến áp nối tam giác Một hệ thống có thể xảy ra vấn đề này

Xung điện áp sinh ra bởi năng lượng của dãy tụ sẽ truyền xuống đường dây máy biến áp và nhân đôi tại điểm đó Nó có thể lên đến +2,0 p.u trên một pha và là -2,0 p.u trên pha khác Điều này có thể gây qua điện áp pha pha lên đến 4 p.u ( điện áp so sánh theo đơn vị là điện áp đỉnh định mức của điện áp pha đất ) Điều này có thể gây ra vấn đề đối với máy biến áp được đặt trong hệ thống

2.2.5 Trường hợp phóng điện trước xảy ra trong thiết bị chuyển mạch

Khi máy cắt đóng điện trạm tụ, hiện tượng phóng điện trước có thể xuất hiện trong buồng cắt, hồ quang phát sinh ngay cả trước khi 2 tiếp điểm tiếp xúc với nhau Khi phóng điện trước xảy ra, dòng điện tần số rất cao tràn qua Máy

Đại Nam 25

cắt nào đó có thể ngắt dòng điện tần số cao này tại điểm không Khi máy cắt phát sinh hồ quang một lần nữa, điện áp quá độ và dòng điện xuất hiện gây ra bởi quá trình nạp trên tụ bù Mức độ ảnh hưởng của hiện tượng này là một hàm của thời gian trễ trước khi nó xảy ra một lần nữa và số lần nó xảy ra

2.2.6 Trường hợp xảy ra khi đóng cắt bộ tụ bù ngang ghép song song

Khi một bộ tụ bù ngang được nạp điện tới trạng thái gần đến mức của một tụ được nạp điện trước sẽ phát sinh một số vấn đề cần phải được xem xét Một dòng điện tràn ở tần số cao chạy vào bộ tụ bù ngang, điện cảm là điện cảm giữa các bộ tụ bù ngang hơn là điện cảm của hệ thống Biên độ và tần số của dòng điện tràn này cao hơn so với dòng điện tràn của một bộ tụ bù ngang riêng

lẻ Nó cũng là nguyên nhân gây nên các tác động sai của rơ le bảo vệ hay các cầu chì quá điện áp đối với biến dòng trong điểm trung tính hay pha của dãy tụ nối Yo

Biên độ và tần số của dòng điện tràn được xác định sao cho đảm bảo việc vận hành thích hợp cho thiết bị đóng cắt cũng như rơ le, cầu chì v.v… Khi các dòng điện tràn vượt quá mức, cần thực hiện một hoặc tổ hợp các bước sau :

+ Thêm các điện kháng hạn chế dòng để giảm dao động dòng đỉnh và tần

số quá độ của dòng tràn

+ Bổ sung điện trở đưa vào trước mạch thao tác Các điện trở này được thiết kế để giảm dao động mạnh, ngăn chặn các dao động và cho phép tụ điện trở thành nạp điện trước đến điện áp dây trước khi các tiếp điểm của thiết bị đóng ngắt đóng

+ Thao tác tụ điện ở các mức nhỏ

+ Điều khiển các thiết bị chuyển mạch để đóng tại điểm điện áp đặt trên thiết bị chuyển mạch bằng không

2.2.7 Phóng điện trở lại của bộ tụ bù ngang

Khi thao tác để cắt một bộ tụ bù tại thời điểm dòng bằng không, do dòng điện là hoàn toàn điện dung nên điện áp tại thời điểm đó đạt giá trị đỉnh Việc

có thể gây quá điện áp lớn nhất) t=0,02s, sơ đồ hệ thống như sau :

Hình 2.5 Hệ thống mô tả quá điện áp trên tụ khi đóng cắt tụ

Đại Nam 27

Quá điện áp xuất hiện trên tụ là :

Hình 2.6 Điện áp trên tụ khi đóng cắt tụ tại thời điểm t=0,02s

Hình 2.7 Dòng điện tràn qua tụ khi đóng cắt tụ tại thời điểm t=0,02s Khi đặt trước 01 điện trở 100W vào mạch đóng cắt tụ bù như hình vẽ sau :

Hình 2.8 Hệ thống mô tả đóng cắt tụ điện khi có điện trở đặt trước

Đại Nam 28

Sử dụng 2 thiết bị chuyển mạch để mô tả quá trình đóng cắt tụ bù ngang khi thêm vào điện trở đặt trước : chuyển mạch 1 đóng ở thời gian 0,02s (đỉnh điện áp nguồn) và cắt sau 3 chu kì tại thời điểm là 0,08s, chuyển mạch 2 đóng mạch tại 0,08s (điện trở đặt trước đã được đưa ra khỏi mạch)

Ta xem xét quá điện áp trên tụ và dòng điện tràn đi qua tụ điện:

Hình 2.9 Điện áp trên tụ điện khi có điện trở đặt trước

Hình 2.10 Dòng điện tràn qua tụ điện khi có điện trở đặt trước

Đại Nam 29

Như vậy việc sử dụng điện trở đặt trước đã làm giảm đáng kể biên độ quá điện

áp Sử dụng điện trở thích hợp có thể giảm các quá điện áp và quá dòng điện đến giá trị không gây nguy hiểm trong quá trình vận hành khi thao tác đóng cắt tụ điện

2.3.2 Sử dụng điện cảm đặt trước hoặc điện cảm cố định để làm giảm biên độ quá điện áp và dòng điện tràn

Trong nghiên cứu này, một điện cảm đặt được đưa vào trong quá trình đóng điện của dãy tụ Khi đặt 1 điện kháng có giá trị 60mH trong quá trình đóng cắt tụ bù ngang như hình vẽ dưới đây, ta xem xét quá điện áp trên tụ và dòng điện tràn đi qua tụ điện

Hình 2.11 Hệ thống mô tả đóng cắt tụ điện khi có điện cảm đặt trước

Hình 2.12 Điện áp trên tụ điện khi có điện cảm đặt trước

Đại Nam 30

Hình 2.13 Dòng điện tràn qua tụ điện khi có điện cảm đặt trước

Như vậy việc sử dụng điện cảm đặt trước hoặc điện cảm cố định đã làm giảm đáng kể biên độ quá điện áp Sử dụng điện cảm thích hợp có thể giảm các quá điện áp và quá dòng điện đến giá trị không gây nguy hiểm trong quá trình vận hành khi thao tác đóng cắt tụ điện

2.4 Ảnh hưởng của việc chuyển mạch tụ bù ngang tới lưới điện cao thế và các biện pháp hạn chế quá điện áp

Quá trình quá độ năng lượng của tụ bù ngang là một trong những quá trình vận hành chuyển mạch hệ thống nhiều nhất Nó có thể sinh ra quá điện áp pha – pha trên cực của máy biến áp, kích thích mạch cộng hưởng gây ra khuếch đại điện áp trong mạng điện áp nhị thứ hay gây ra vấn đề đối với các thiết bị nhạy cảm trong lưới điện cao thế Các dấu hiệu ảnh hưởng đến chất lượng điện

áp liên quan đến quá trình chuyển mạch của các tụ bù ngang bao gồm : hư hỏng thiết bị điện của khách hàng ( gây ra bởi quá điện áp lớn ) ; ngắt điện gây thiệt hại, điều chỉnh tốc độ quay động cơ hay ngừng các thiết bị xử lý ( do quá điện

áp thanh cái DC ) : hư hỏng các thiết bị chống quá điện áp ; phát sinh sóng hài trên lưới điện, gây nhiễu thiết bị thông tin và các vấn đề về mạng máy tính

Đại Nam 31

Các giải pháp hạn chế quá điện áp phát sinh do quá trình đóng cắt tụ bù ngang : Các biện pháp giảm quá điện áp sinh ra bởi quá trình đóng cắt tụ bù ngang bằng các sử dụng các điện cảm cố định, đặt trước các điện trở và điện cảm, đóng đồng bộ các thiết bị chuyển mạch

3.1 Giới thiệu về chương trình ATP-EMTP

ATP-EMTP là một trong những chương trình được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn thế giới cho việc tính toán các hiện tượng trong hệ thống điện Được phát triển và ứng dụng rộng rãi từ những năm 1970 với sự tài trợ của công ty điện lực Bonneville Power Administration (BPA), cho đến năm 1984 EMTP đã chính thức thương mại hoá bởi hiệp hội phát triển EMTP và Viện nghiên cứu năng lượng điện tại Palo Alto, California

EMTP cho phép tính toán các quá trình quá độ điện từ cùng với những module tính toán xác lập, tương đương hoá hệ thống và các phần tử phi tuyến khác nhau EMTP là một trong những dụng cụ phân tích hệ thống rất linh hoạt

và hiệu quả Trong nhiều trường hợp, nó có khả năng thay thế mô hình vật lý với những thiết bị rất đắt tiền

 Tính toán sóng hài, cộng hưởng hệ thống

 Kiểm tra các thiết bị rơ le bảo vệ

Ngoài ra EMTP còn có khả năng chuyển các kết quả ở miền thời gian về miền tần số và phân tích hệ thống nhiều pha ở chế độ xác lập

3.1.2 Kết hợp các modules tính toán trong ATP

ATP có rất nhiều các mô phỏng bao gồm các máy điện quay, máy biến

áp, chống sét, đường dây truyền tải và cáp ngầm Khả năng kết hợp với các chương trình như tính toán quá độ của hệ thống điều khiển (TACS-Transient Analysis of Control Systems) và MODELS (một ngôn ngữ tính toán) có thể mô phỏng được hệ thống điều khiển và các thành phần với đặc điểm không tuyến tính

MODELS (ngôn ngữ mô phỏng) trong ATP cho phép mô tả mạch điều khiển bất kì, các phần tử của hệ thống điện với đặc tính phi tuyến, cung cấp một giao diện đơn giản kết nối với những chương trình hay những mô hình tới ATP Như một công cụ lập trình được, những mô hình này có thể sử dụng để

xử lý kết quả mô phỏng khác trong phạm vi tần số hay thời gian

TACS là một module mô phỏng trong phạm vi thời gian của hệ thống điều khiển Nó đã phát triển mô phỏng của hệ thống điều khiển biến đổi hệ thống điện xoay chiều thành hệ thống điện một chiều HVDC TACS có thể được sử dụng để mô phỏng cho các trường hợp sau :

 Hệ thống điều khiển biến đổi điện xoay chiều thành một chiều

 Hệ thống kích từ của máy phát điện đồng bộ

 Các thiết bị điện tử và thiết bị truyền dẫn

Đại Nam 34

 Các thiết bị đóng cắt

Giao điện giữa hệ thống điện và TACS được thực hiện bằng sự trao đổi giữa các tín hiệu như điện áp nút, dòng điện đóng cắt, tình trạng đóng cắt, biến trở, nguồn áp hoặc nguồn dòng

Hình 3.1 Tổng quan về các modules trong ATP-EMTP

3.2 Mô phỏng quá trình chuyển mạch tụ bù trong hệ thống điện thực hiện

bằng phần mềm ATP-EMTP

Trong phần này chúng ta thực hiện mô phỏng hiện tượng quá điện áp, dòng điện tràn phát sinh khi đóng cắt tụ bù trên lưới điện cao thế thực tại trạm biến áp truyền tải điện 220kV Sóc Sơn, TP Hà Nội

3.2.1 Đặc điểm hệ thống mô phỏng

Trạm biến áp 220kV Sóc Sơn (E1.19) là một đơn vị thuộc Công ty truyền tải điện 1 (PTC1) - Tổng công ty truyền tải điện quốc gia (NPT) Là 1 trạm biến áp truyền tải điện phục vụ và đáp ứng nhu cầu sử dụng điện của người dân

Đại Nam 35

cũng như các doanh nghiệp trên địa bàn tại khu vực Hà Nội, Vĩnh Phúc, Bắc Giang, Thái Nguyên Chi tiết sơ đồ một sợi đường dây và trạm thể hiện trong hình vẽ sơ đồ một sợi đường dây và trạm thể hiện như hình 3.2

Hình 3.2 Sơ đồ một sợi trạm biến áp 220kV Sóc Sơn

Đại Nam 36

 Thông số đường dây :

- Đường dây 220kV Trạm biến áp 500kV Hiệp Hòa – 220kV Sóc Sơn có chiều dài 8,9km sử dụng dây ACSR520

 Thông số thiết bị trạm biến áp 220kV Sóc sơn :

- Trạm biến áp 220kV Sóc Sơn gồm 2 máy biến áp AT1, AT2 có thông số :

- Phụ tải :

Cosφ = 0.94 Điện áp định mức : 115kV

Đại Nam 38

3.2.2.2 Đường dây

Để đơn giản trong việc tính toán và đường dây cũng không quá dài nên ta

sử dụng mô hình thay thế thông số tập trung LINEPI_3

Hình 3.4 Mô hình và nhập số liệu cho đường dây