Mô phòng và nhận dạng các hiện tượng quá độ khi đóng cắt các bộ tụ bù, phân tích phổ của sóng hài quá độ thu được trong quá trình đóng cắt các bộ tụ và đề ra các biện pháp giảm thiểu

TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG VÀ NHẬN DẠNG CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ KHI ĐÓNG CẮT CÁC BỘ TỤ BÙ, PHÂN TÍCH PHỔ CỦA SÓNG HÀI QUÁ ĐỘ THU ĐƯỢC TRONG QUÁ TRÌNH ĐÓNG CẮT CÁC BỘ TỤ VÀ ĐỀ RA CÁC BIỆN PHÁP

Trang 1

LUẬN ÁN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Người chấm nhận xét 1:

Người chấm nhận xét 2:

Luận án cao học được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN ÁN CAO HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM ngày tháng năm 200

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Trường đại Học Bách Khoa TP.HCM Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo -

NHIỆM VỤ LUẬN ÁN CAO HỌC

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Khóa: 2001

I TÊN ĐỀ TÀI:

MÔ PHỎNG VÀ NHẬN DẠNG CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ KHI ĐÓNG CẮT CÁC BỘ TỤ BÙ,

PHÂN TÍCH PHỔ CỦA SÓNG HÀI QUÁ ĐỘ THU ĐƯỢC TRONG QUÁ TRÌNH ĐÓNG CẮT CÁC BỘ TỤ VÀ ĐỀ RA CÁC BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tổng quan về các trạm tụ bù phân phối, truyền tải

2 Mô phỏng và nhận dạng các hiện tượng quá độ trên lưới điện khi đóng cắt thiết bị

3 Phân tích phổ sóng hài của các dạng sóng quá độ trong quá trình đóng cắt bộ tụ bù

4 Đề ra biện pháp khắc phục

5 Kết luận

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

VI HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ NHẬN XÉT 1: -

VII HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ NHẬN XÉT 2: -

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2

Nội dung và Đề cương Luận án Cao học đã được thông qua Hội đồng Chuyên Ngành

PHÒNG QUẢN LÝ KHOA HỌC - SĐH Ngày tháng năm 2003 CHỦ NHIỆM NGÀNH

Trang 3

Lời Cảm ơn:

Trước tiên, tôi xin được trân trọng bày tỏ sự tri ân sâu sắc nhất đối với TS Nguyễn Hữu Phúc, người thầy đã tận tụy dìu dắt và hướng dẫn tôi thực hiện hoàn tất Luận án này

Xin dâng hương hồn ông Ngoại quá cố của tôi, người luôn dạy tôi phải biết vươn lên trong cuộc sống

Xin cảm ơn Cha, Mẹ đã vất vả, nhọc nhằn nuôi dạy con khôn lớn và được học hành cho đến ngày hôm nay

Xin cảm ơn các bạn bè trong và ngoài lớp Cao học KTĐI-12 đặc biệt là Thạc sĩ Phạm Quang Minh Và Thạc sĩ Lê Phong Phú, các đồng nghiệp và lãnh đạo của Công ty Điện lực 2 đã tạo điều kiện giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình học tập và thực hiện Luận án này

TP Hồ Chí Minh, ngày 29/12/2003

Lê Trường Vũ

Trang 4

Luận Văn Cao Học Thầy hướng dẫn : TS Nguyễn Hữu Phúc

Ngành Kỹ Thuật Điện Học Viên: Lê Trường Vũ

Trang 1

MỤC LỤC

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI………

I Đặt vấn đề………

II Nhiệm vụ và mục tiêu của luận án………

III Phạm vi nghiên cứu………

IV Điểm mới của luận án………

V Giá trị thực tiễn của đề tài………

VI Nội dung luận án:………

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC TRẠM TỤ BÙ PHÂN PHỐI, TRUYỀN TẢI

1 Các vấn đề bù công suất phản kháng

2 Kết cấu bộ tụ bù

3 Các hiện tượng xảy ra trong bộ tụ

4 Các hiện tượng xảy ra khi đóng cắt tụ

5 Kết luận

CHƯƠNG II : MÔ PHỎNG VÀ NHẬN DẠNG CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ TRÊN LƯỚI ĐIỆN KHI ĐÓNG CẮT THIẾT BỊ

I Giới thiệu chung về phần mềm mô phỏng để khảo sát các hiện tượng quá độ

trong quá trình đóng cắt

II Mô phỏng và nhận dạng các hiện tượng khi đóng cắt các bộ tụ bù trên lưới điện

500/230/115kV:

1 Hiện tượng xảy ra khi đóng 1 bộ tụ cách ly vào lưới điện

2 Hiện tượng khi đóng một bộ tụ vào lưới khi trên lưới có một bộ tụ khác ghép song song (hiện tượng Back to Back)

3 Hiện tượng phóng điện trước (hiện tượng Prestrike)

4 Hiện tượng phóng điện sau (hiện tượng Restrike)

III Nhận xét và kết luận

CHƯƠNG III : PHÂN TÍCH PHỔ SÓNG HÀI CỦA CÁC DẠNG SÓNG QUÁ ĐỘ TRONG QUÁ TRÌNH ĐÓNG CẮT BỘ TỤ BÙ

I Giới thiệu phương pháp và các phần mềm hỗ trợ cho việc phân tích sóng hài

quá độ

II Thực hiện việc phân tích phổ sóng hài cho các dạng sóng quá độ trong quá

trình đóng cắt bộ tụ bù như đã mô phỏng ở Chương II (đóng một bộ tụ cách ly, hiện tượng Back to Back, hiện tượng Prestrike, hiện tượng Restrike)

III Nhận xét và kết luận

Trang 5

Trang 2

CHƯƠNG IV : ĐỀ RA BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

I Ảnh hưởng của sóng hài đến định mức dung lượng bù:

II Lập mô hình mô phỏng để nhận dạng dạng sóng khi nối tiếp cuộn kháng triệt

sóng hài khi đóng cắt các bộ tụ bù

Trang 6

Trang 3

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

I Đặt vấn đề………

II Nhiệm vụ và mục tiêu của luận án………

III Phạm vi nghiên cứu………

IV Điểm mới của luận án………

V Giá trị thực tiễn của đề tài………

VI Nội dung luận án:………

Trang 7

Trang 4

I Đặt vấn đề :

Để nâng cao chất lượng điện năng, các Công ty Điện lực trực thuộc Tổng Công ty Điện lực Việt Nam (EVN) đã cho xây dựng nhiều trạm tụ bù trên lưới Theo thống kê có trên 70 trạm tụ bù với công suất từ (30 – 50) MVAR được xây dựng mới tại các Công ty Điện lực 2 và 3

Với nền kinh tế phát triển, ngày càng gia tăng của các ngành sản xuất như ximăng, sắt thép, dệt may,… các bộ điều khiển công suất dùng linh kiện bán dẫn, các thiết bị có đặc tính làm việc phi tuyến càng xuất hiện nhiều trên lưới phân phối của Việt Nam Việc phát triển này đã làm cho chất lượng của lưới điện phân phối bị ảnh hưởng

vì các bộ điều khiển công suất chính là nguồn tạo ra sóng hài bơm vào lưới điện của chúng ta

Sóng hài tác động lên mọi thiết bị của hệ thống, qua nghiên cứu ta thấy sóng hài gây ra việc tăng nhiệt trong thiết bị, làm gia tăng ứng suất của cách điện Riêng đối với tụ bù sóng hài sẽ gây ra sự phát nóng phụ và ứng suất điện môi cao hơn Các tác động của sóng hài lên tụ bù thường thấy rõ nhất ở các bộ tụ mắc Shunt, chúng sẽ gây

ra các sự cố nổ cầu chì, hư tụ… Nguyên nhân là do các bộ tụ tạo nên mạch vòng làm khuyếch đại các thành phần sóng hài, kết quả là điện áp sóng hài sẽ cao hơn tại tụ điện

Trước thực tế trên, việc nghiên cứu tác động của sóng hài lên các bộ tụ bù là một vấn đề rất cần thiết và cấp bách nhằm nâng cao chất lượng điện năng của lưới điện chúng ta Vấn đề này tuy khá mới mẻ ở Việt Nam nhưng đã được quan tâm nghiên cứu ở các nước phát triển trong nhiều năm qua Nhiều Công ty, Viện nghiên cứu và cá nhân đã có nhiều nghiên cứu bổ ích và sâu sắc được đăng trên tạp chí IEEE, ví dụ như: nghiên cứu của Công ty Cooper Power Systems đăng vào ngày 21/01/2002, nghiên cứu của Công ty Powell Electrical MFG Co đăng vào ngày 09/03/2001 nhất là nghiên cứu mới đây Power Designers đăng vào 21/01/2003 sẽ hỗ trợ chúng ta rất nhiều trong việc nghiên cứu vấn đề đặt ra

II/ Nhiệm vụ và mục tiêu của luận án:

Từ các lý do trên đây chúng tôi thực hiện việc mô phỏng, nhận dạng các hiện tượng quá độ và phân tích sóng hài của điện áp, dòng điện qua bộ tụ bụ trong quá trình đóng tụ nhằm để giải quyết các vấn đề sau:

− Có cái nhìn tổng quan về các dạng sóng trên bộ tụ trong quá trình đóng điện

− Khái quát về sóng hài và nghiên cứu ảnh hưởng của nó trên các trạm tụ bù

− Xây dựng mô hình trên phần mềm mô phỏng để nghiên cứu

Trang 8

Trang 5

III/ Phạm vi nghiên cứu:

- Sử dụng chủ yếu các tài liệu về Tụ bù và sóng hài của hãng Cooper Power Systems/USA, các bài báo trên tạp chí IEEE, sách Electrical Power Systems Quality của các tác giả Roger C Dugan, Mark R McGranaghan, H Wayne Beaty

- Sử dụng các tài liệu của các phần mềm mô phỏng Matlab 6.0 và Micrsoft Excel

- Nhận dạng phổ sóng hài của các dạng sóng quá độ trong quá trình đóng cắt các bộ tụ bù

Với thời gian ngắn, mục tiêu của luận án là cố gắng xây dựng được một mô hình lý thuyết mang tính cơ bản Hy vọng với một thời gian nghiên cứu lâu hơn cũng như được sự hỗ trợ của các chuyên gia về kỹ thuật điện nhất là các chuyên gia về phần mềm mô phỏng cũng như có được những phần mềm mô phỏng chuyên dùng cho việc việc phân tích sóng hài ở quá độ, mô hình nhận dạng và phân tích sóng hài sẽ mở rộng áp dụng cho lưới điện truyền tải giúp cho việc nâng cao chất lượng điện năng của lưới

IV/ Điểm mới của luận án:

- Việc mô phỏng, nhận dạng các hiện tượng quá độ khi đóng cắt các bộ tụ bù nhất là các hiện tượng Prestrike và Restrike rất cần thiết cho việc lựa chọn thiết bị bảo vệ hợp lý cho hệ thống điện

- Việc nghiên cứu về sóng hài thông qua mô hình mô phỏng sẽ trở thành một yếu tố quan trọng trong việc phân tích và thiết kế hệ thống điện

- Nghiên cứu này cũng nhằm giúp cho người đọc có một khái niệm mạch lạc về lý thuyết cũng như một minh họa thực tế cho việc đánh giá tác động của sóng hài

V/ Giá trị thực tiễn của đề tài:

- Trong thực tế lưới điện hiện nay có nhiều trạm tụ bù được xây dựng mới và các thiết bị về điện tử công suất cũng hiện hữu ngày càng nhiều trên lưới điện, điều đó là một vấn đề đặt ra cho những người quản lý, điều hành hệ thống điện Đề tài này được xem như là một mô hình thực tế hóa hệ thống điện để phân tích các tác động của sóng quá độ lên các phần tử của hệ thống đặc biệt là trạm tụ bù

Trang 9

Trang 6

- Mô hình nghiên cứu này sẽ giúp cho người thiết kế hệ thống điện có cái nhìn

sơ phác về việc vận hành của hệ thống trong tương lai trước khi vào tính toán cụ thể

- Hổ trợ cho việc xây dựng các tiêu chuẩn, giới hạn khi sử dụng tụ bù trong môi trường sóng hài

VI/ Nội dung luận án:

Luận án này được chia thành cấu trúc như sau:

- GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

- CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ TRẠM TỤ BÙ PHÂN PHỐI, TRUYỀN TẢI

- CHƯƠNG II : MÔ PHỎNG VÀ NHẬN DẠNG CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ TRÊN LƯỚI ĐIỆN KHI THỰC HIỆN ĐÓNG CẮT CÁC THIẾT BỊ

- CHƯƠNG III : PHÂN TÍCH PHỔ SÓNG HÀI CỦA CÁC DẠNG SÓNG QUÁ ĐỘ TRONG QUÁ TRÌNH ĐÓNG CẮT CÁC BỘ TỤ BÙ

- CHƯƠNG IV : ĐỀ RA BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

- KẾT LUẬN

- TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trang 10

Ngành Kỹ Thuật Điện Học Viên : Lê Trường Vũ

Trang 7

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ TRẠM TỤ BÙ PHÂN PHỐI, TRUYỀN TẢI

Trang 11

Trang 8

CHƯƠNG I

I TỔNG QUAN VỀ TRẠM TỤ BÙ PHÂN PHỐI, TRUYỀN TẢI

1 CÁC VẤN ĐỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

Sự phát triển nhanh chóng của các phụ tải điện trong hệ thống điện quốc gia nói chung cũng đồng thời kéo theo sự tiêu thụ nhiều công suất trên lưới cả công suất hữu công và công suất vô công Công suất tác dụng được phát tại các nhà máy điện trong khi đó công suất phản kháng có thể được cung cấp từ nhà máy điện hoặc các bộ tụ điện

Khi công suất phản kháng được cung cấp chỉ bằng các nhà máy điện thì mỗi phần tử hệ thống phải gia tăng dung lượng, các bộ tụ điện có thể làm giảm nhẹ các điều kiện này bằng cách giảm nhu cầu công suất phản kháng từ nó đến các máy phát Các dòng điện được giảm nhẹ từ vị trí lắp đặt các bộ tụ đến các máy phát Kết quả là giảm tổn thất và phụ tải được giảm nhẹ trên các đường dây phân phối, các trạm biến áp, các đường dây truyền tải Tuỳ thuộc vào hệ số công suất chưa hiệu chỉnh của hệ thống, việc lắp đặt các bộ tụ điện có thể làm gia tăng công suất của các máy phát và trạm biến áp ít nhất là 30% và làm gia tăng khả năng của mạch vào khoảng 30% – 100% theo quan điểm điều chỉnh điện áp hơn nữa việc giảm dòng điện trong máy biến áp, thiết bị phân phối và các đường dây làm giảm tải giới hạn trên các phần tử này và có thể trì hoãn việc lắp đặt mới các thiết bị

Nhìn chung việc bù công suất phản kháng rất cần thiết cho quá trình truyền tải và phân phối điện năng, nhằm nâng cao hệ số công suất, nâng cao tính ổn định cho lưới điện, tăng dung luợng truyền tải công suất tác dụng của lưới, giảm tổn hao trên đường dây truyền tải và cải thiện sự sụt áp …

2 KẾT CẤU BỘ TỤ BÙ :

2.1 Khái niệm về tụ điện và các dạng đấu nối trong các trạm tụ bù:

Trang 12

Sơ đồ bảo vệ tụ hoạt động như sau:

− Một sự ngắn mạch qua điện môi sẽ làm chảy cầu chì;

− Dòng điện đạt giá trị lớn hơn mức bình thường nhưng chưa đủ làm chảy cầu chì do xuất hiện dòng nhỏ trong lớp màng điện môi Các “sự cố” đó thường

bị bịt kín lại do tác dụng nhiệt bởi dòng rò Lúc đó, ta nói tụ “tự phục hồi” Nếu dòng điện rò duy trì tiếp tục, sự cố trên có thể phát triển dẫn đến hiện tượng ngắn mạch và làm chảy cầu chì Chất khí xuất hiện do hiện tượng bốc hơi kim loại tại điểm có sự cố sẽ dần dần làm tăng áp lực bên trong vỏ và kết quả là tạo nên ngắn mạch làm cho cầu chì tụ điện bị đứt Tụ điện chế tạo từ vật liệu chứa hai lớp cách điện, vì thế tụ không cần nối đất

2.1.2 Cấu trúc của một dàn tụ điện:

Đối với bộ tụ bù, hai nhóm tụ điện nối tiếp sẽ được đặt chung trong một dàn lắp đặt như hình 1.1 dưới đây Nói chung người ta thiết kế tối đa 18 tụ điện mắc song song trong mỗi nhóm nối tiếp

Hình 1.1: Dàøn tụ điện một khung chứa 2 phần tử tụ điện

Nếu cần nối thêm các nhóm tụ nối tiếp nữa, người ta xếp chồng lên trên nhưng thêm chất cách điện giữa các khối như minh họa ở hình 1.2 dưới đây

Các khối tụ điện này có thể được xếp theo chiều đứng hoặc nằm ngang tùy theo các sứ xuyên (bushing) sẽ đặt thẳng góc hoặc song song với mặt đất

Trang 9

Trang 13

Hình 1.2 : Các loại cách điện của dàn tụ

Trang 10

Trang 14

Hình 1.3: Cấu trúc dàn tụ bù 3 pha

2.2 Các kiểu đấu nối bộ tụ ba pha :

Bộ tụ điện ba pha trên xuất tuyến phân phối có thể được đấu nối Δ, Y 0 hay Y, Kiểu đấu nối được sử dụng phụ thuộc vào :

- Kiểu hệ thống: như hệ thống nối đất hay không nối đất

- Các yêu cầu về dây chảy

- Vị trí lắp đặt bộ tụ điện

- Các quan tâm về nhiễu thông tin

Hình 1.4: Hệ thống cung cấp điện bị hở mạch một pha.

Trong các bộ tụ được đấu nối Δ và Y (trung tính không nối đất ) có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng, khi có một hay hai đường dây bị sự cố hở mạch xảy ra về phía nguồn của bộ tụ điện và bộ tụ điện này vẫn còn điện áp trên pha hở mạch, mạch này còn đuợc cung cấp trở lại bằng các máy biến áp nào đó về phía phụ tải của dây dẫn hở ngang qua tụ điện nối tiếp Kết quả là ở điều kiện này máy biến áp phân phối đơn pha trên hệ thống 4 dây có thể bị hư hỏng

Trang 11

Trang 15

Trang 12

Thông thường các bộ tụ điện nối Y 0 chỉ được sử dụng trên các hệ thống sơ cấp ba pha

4 dây Ngoài ra nếu một bộ tụ điện nối Y 0 đuợc sử dụng trên hệ thống ba pha 3 dây không nối đất, nó cung cấp nguồn dòng đất có thể gây nhiễu cho các relay cảm ứng dòng rò

Trong các bộ tụ được đấu Y- Y: Gồm hai hình Y đơn kết nối giống nhau ghép 3 pha và trung tính, có dùng bảo vệ dòng mất cân bằng ở dây trung tính chung Sơ đồ này tăng cường bảo vệ mất cân bằng, có độ nhạy cao phát hiện dòng điện mất cân bằng đảm bảo cho dòng điện chỉ làm việc ở 3 pha đối xứng, nhạy cảm trong việc phát hiện các đơn vị tụ điện bị hư hỏng, sử dụng cho các lưới có yêu cầu về cân bằng 3 pha nhất là trong hệ thống bộ tụ điện có dung lượng lớn

3 CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA TRONG BỘ TỤ:

3.1 Quá điện áp giáng lên tụ bù:

Khi một trạm tụ bù đang hoạt động trong hệ thống lưới điện có điện áp cao thì hiện tượng quá điện áp cần được quan tâm trong từng thời điểm

Phụ tải giảm công suất phản kháng tiêu thụ thì điện áp sẽ tăng Trong trường hợp tụ điện không kịp điều chỉnh lượng công suất phát ra cho hệ thống, lúc này hiện tượng quá điện áp trên tụ có thể xảy ra và gây nguy hiểm cho hệ thống tụ

Trạm tụ kết cấu có cầu chì bảo vệ, khi cầu chì bị đứt Lúc này năng lượng từ được tích tụ trong điện cảm của hệ thống có thể lên đến hàng ngàn joule, năng lượng này đủ khả năng làm hỏng thiết bị liên quan

Trạm tụ bị sự cố một trong ba pha thì điện áp giáng lên hai pha còn lại bằng điện áp lưới lúc này có thể gây hư hỏng cho tụ bù

3.2 Năng luợng tích lũy song song:

Một bộ tụ được ghép từ các nhóm song song, do vậy khi có sự cố nào đó trong hệ thống tụ như thiết bị bảo vệ bị hư hỏng thì tất cả năng lượng tích luỹ trữ trong các nhóm song song có thể phóng điện xuyên qua chỗ bị hỏng dẫn đến có thể phá vỡ tụ điện do vượt quá mức dung lượng năng lượng tích trữ hoặc nhiệt năng định mức của một tụ điện và dây chì

3.3 Cộng hưởng:

Mặc dù các tụ không phát ra sóng hài nhưng nó bị ảnh hưởng đến biên độ của các sóng điều hoà điện áp và dòng điện xảy ra trong hệ thống Tính chất này có thể gây nên sự khuếch đại sóng hài và được gọi là cộng hưởng

Trang 16

Một mạch điện cảm–điện dung (LC) sẽ gây ra cộng hưởng sắt từ khi dung kháng bằng với cảm kháng Cộng hưởng sắt từ gây ra bởi tác động bên trong của các tụ điện với điện cảm phi tuyến của máy biến áp, các phần tử điện dung và điện cảm tạo nên mạch cộng hưởng nối tiếp gây quá điện áp có thể làm hư hỏng thiết bị của hệ thống

4 CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA KHI ĐÓNG CẮT TỤ:

Khi một tụ điện nạp hay xả điện trong hệ thống, xuất hiện sự quá độ điện áp và dịng điện ảnh hưởng đến tụ và hệ thống được nối vào đĩ Khảo sát trường hợp nạp điện cho bộ tụ điện cách li với lưới điện

Hình 1.5 : Sơ đồ mạch tương đương nạp tụ điện từ một nguồn chu kỳ

Khi tiếp điểm đĩng vào, một dịng điện cĩ biên độ lớn và tần số cao sẽ được nạp vào tụ

để cân bằng điện áp tụ điện và hệ thống Nếu hai điện áp này cân bằng vào thời điểm đĩng, sẽ khơng cĩ dịng điện chảy vào tụ Nếu cĩ sự chênh lệch điện áp vào thời điểm đĩng, dịng điện đi vào tụ sẽ cĩ biên độ và tần số:

I pk =│E s – E c │

L C

f = 1/2π L C

trong đĩ E s = điện áp tức thời của hệ thống

E c = điện áp tức thời của tụ điện

Nạp tụ điện đấu Y khơng nối đất cĩ quá điện áp cao hơn trường hợp trên một ít, quá điện

áp này sinh ra do việc đĩng khơng đồng thời các tiếp điểm Nĩi chung, quá điện áp này cũng cĩ những đặc điểm tương tự như đĩng cắt tụ đấu Y nối đất

Trang 13

Trang 17

Quá điện áp động:

Việc nạp tụ điện và một máy biến áp cùng lúc cĩ thể gây ra quá điện áp động, ảnh hưởng đến máy biến áp, tụ điện, cầu chì, và chống sét van Quá điện áp này sẽ làm hỏng tụ và chảy cầu chì Đồng thời:

Dịng điện xung kích (inrush current ) trong máy biến áp sẽ được khuếch đại do hệ thống

cĩ tần số tự nhiên gần với tần số của các hài dịng điện Dịng xung kích (inrush current ) bao gồm các sĩng hài cơ bản như bậc 2, 3, 4, 5, v.v Biên độ lớn nhất là ở sĩng hài bậc bé nhất Nếu điện cảm tương đương của hệ thống ở các tần số này là lớn, điện áp ở điểm này cũng sẽ rất cao Đĩng tụ vào sẽ gây ra hiện tượng cộng hưởng Đây là một dạng quá điện

áp dài hạn kéo dài trong nhiều chu kì, thậm chí đến vài giây

Vì chống sét van khơng bảo vệ hiệu quả quá điện áp động, nên tụ điện và máy biến áp khơng nên được đĩng cùng lúc

Khuếch đại điện áp

Hình 1.6: Bộ tụ đóng vào nguồn điện áp cao

Trong thực tế, tụ điện hiếm khi được cách li hồn tồn với hệ thống, do vậy các ảnh hưởng khác sẽ xảy ra Trường hợp khuếch đại điện áp xung là một ví dụ Điều này thường xảy ra khi đĩng tụ điện vào hệ thống cao áp, sự khuếch đại của xung điện áp xảy ra trên hệ thống hạ áp cĩ hai điện cảm- tụ điện Nếu tần số cộng hưởng

C L.

Nếu hiện tượng này xảy ra, các thiết bị và chống sét van rất dễ bị hư hỏng Các biện pháp dùng để hạn chế hiện tượng này như sau:

- Thay đổi mạch điện bằng cách thay đổi dung lượng tụ điện

- Sử dụng điện trở để hạn chế biên độ điện áp xung

Trang 14

Trang 18

- Khơng nối đất bộ tụ ở xa

- Đĩng cắt từng phần một tụ lớn

Vấn đề này cần phải được quan tâm vì việc đĩng cắt tụ điện là một việc xảy ra thường xuyên Các xung điện áp lặp đi lặp lại cĩ thể làm hư hỏng thiết bị và nhiệm vụ của chống sét van trở nên khĩ khăn hơn

Cách điện pha – pha

Nạp tụ điện song song cĩ thể gây ra quá điện áp trên các thiết bị khác của hệ thống, đặc biệt với máy biến áp đấu Δ

Xung được tạo ra bởi việc nạp điện cho tụ được lan truyền trên đường dây đến máy biến

áp và được nhân đơi Nĩ cĩ thể đạt đến 2 p.u trên một pha và –2 p.u trên pha khác Như vậy, điện áp giữa pha này và pha kia là 4 p.u Đây là một vấn đề lớn đối vớI cách điện của máy biến áp

Đóng một bộ tụ vào lưới khi trên lưới có một bộ tụ khác ghép song song (hiện tượng Back-to-Back):

Khi đóng điện cho một tụ điện gần một tụ điện khác đang hoạt động, một dòng điện quá độ tần số cao sẽ xuất hiện giống như trường hợp đóng điện cho một tụ điện riêng rẽ Tuy nhiên, điện kháng ở đây là điện kháng giữa các tụ hơn là điện kháng của hệ thống Vì vậy, biên độ và tần số của dòng điện này lớn hơn nhiều so với dòng điện quá độ khi đóng một tụ riêng rẽ

Hình 1.10: Dạng điện áp trong trường hợp đóng tụ điện Back-to-back

Hiện tượng phóng điện trước (Prestrike): Một hiện tượng khác xảy ra trong quá trình nạp

điện cho một bộ tụ cách li, liên quan đến việc các máy cắt ngắt dịng điện tại điểm 0 của dòng điện, khi đó dòng điện xung kích (inrush current ) tần số cao hay tần số công nghiệp có thể khảo sát qua mạch điện sau

Trang 15

Trang 19

Hình 1.7: Sơ đồ mạch tương đương nạp tụ điện từ một nguồn chu kỳ

Khi tụ điện nạp điện, một vầng quang được tạo ra bên trong máy cắt trước khi các tiếp điểm đĩng lại hồn tồn Hiện tượng này gọi là hiện tượng phóng điện trước (prestrike) Khi một prestrike xảy ra, xuất hiện dịng xung kích tần số cao Máy cắt thơng thường cĩ thể ngắt dịng điện này tại điểm 0 của nĩ Khi máy cắt ngắt dịng xung kích (inrush current ) này, điện áp cao sẽ xuất hiện do các điện tích chứa trong tụ Hiện tượng phóng điện trước xuất hiện trong tiếp điểm đĩng cắt Điện áp cĩ thể tăng từ 1.89 p.u đến 3.65 p.u, chống sét van phải hoạt động Hơn nữa, dịng điện xung kích (inrush current ) khi nạp điện cho bộ tụ cũng sẽ tăng lên, gây hư hỏng cầu chì

Hình 1.8: Bộ tụ nạp điện nhưng có phóng điện trước

Trang 16

Trang 20

Nạp điện các tụ kế tiếp nhau

Hình 1.9: Mạch thao tác song song

Khi tụ điện nạp điện gần một tụ điện đã được nạp điện trước đĩ, xuất hiện thêm các đặc điểm mới Dịng xung kích(inrush current) tần số cao xuất hiện khi tụ nạp điện

Dịng điện này cĩ thể vượt quá mức chịu đựng của tiếp điểm đĩng cắt Nĩ cĩ thể gây ra tác động nhầm của các relay hay cầu chì Điện áp của máy biến dịng ở trung tính của tụ điện Y nối đất cũng cĩ thể tăng lên Để tránh hư hỏng, máy biến dịng được chọn cĩ điện áp định mức gấp 1.2 lần điện áp hiệu dụng dây định mức

Nếu dịng xung kích (inrush current) vượt quá mức, cĩ thể ứng dụng một hoặc kết hợp nhiều biện pháp sau

- Thêm vào trong mạch cuộn kháng dịng để giảm dao động dòng đỉnh và tần số quá độ của dòng xung kích

- Thêm các điện trở vào trước mạch thao tác Các điện trở này được thiết kế để ngăn chặn các dao động và cho phép tụ điện nạp điện trước khi tiếp điểm chính được đóng

Nếu tụ cố định là tụ gắn vào thanh cái hoặc điện dung của dây dẫn (trong trường hợp tụ đĩng vào lớn hơn nhiều so với điện dung cố định), xung điện áp đạt lớn nhất là 2p.u cho

tụ chưa nạp điện và 3 lần cho tụ nạp điện trái dấu Những xung điện áp này cĩ thể được nhân lên thêm trong hệ thống Nếu gặp một điểm hở, chúng được nhân lên gấp đơi, và như vậy cĩ thể khiến chống sét van phải làm việc

Trang 17

Trang 21

Hiện tượng phóng điện lại (restrike) :

Khi thao tác để cắt điện một bộ tụ điện, tại thời điểm dòng điện qua điểm 0 Nếu dịng điện cĩ tính dung, điện áp lúc đĩ sẽ đạt max Theo lý thuyết việc ngắt dịng điện của mạch điện cĩ tính dung là một việc dễ dàng vì dịng điện này tương đối nhỏ so với dịng ngắn mạch Dịng điện này cĩ thể được ngắt khi tiếp điểm của máy cắt mới vừa hở

Tuy nhiên việc ngắt thành cơng dựa vào máy cắt cĩ chất điện mơi chịu được điện áp phục hồi hay khơng? Có thể khảo sát qua đặc tính sau:

Hình 1.10: Phóng điện của một bộ tụ điện với thiết bị đóng cắt phóng điện trở lại

Hình vẽ trên cho thấy ½ chu kì sau khi ngắt, điện áp gấp 2 lần đặt lên hai tiếp điểm Nếu restrike xuất hiện lúc này, tụ điện sẽ phục hồi điện áp đến điện áp đỉnh nhưng trái dấu, vì vậy xảy ra sự vượt ngưỡng Dịng điện lúc này sẽ là dịng xung kích (inrush current) Nếu dịng điện được ngắt tại điểm 0, điện áp 3 p.u sẽ đặt lên tụ và restrike cĩ thể xuất hiện ở những điện áp cao hơn

Tụ điện Y khơng nối đất cĩ thể cĩ điện áp phục hồi cao hơn 2 p.u của bộ tụ nối đất, phụ thuộc vào thiết bị đĩng cắt:

- 2.5 p.u trên pha thứ nhất khi hai pha kia mở ở điểm 0 kế tiếp của dịng

- 3.0 p.u trên pha đầu tiên khi hai pha kia chưa mở

Trang 18

Trang 22

- 4.1 p.u trên pha đầu tiên khi một trong hai pha kia chưa mở

Nếu restrike xảy ra trên pha thứ nhất ở 2.5 p.u, điện áp phục hồi của một trong hai pha kia

sẽ là 6.4 p.u do điện áp được thiết lập thơng qua điểm trung tính của tụ điện Điện áp này

sẽ gây ra restrike thứ hai, như vậy là restrike xuất hiện trên hai pha Khi restrike này xảy

ra, điện áp trên tụ sẽ tăng lên, dẫn đến điện áp phục hồi trên các tiếp điểm sẽ lớn hơn, và như vậy tăng khả năng dẫn đến hiện tượng phĩng điện sau khi tiếp điểm mở

5 KẾT LUẬN :

Trong quá trình truyền tải và phân phối điện năng , việc bù công suất phản kháng cho hệ thống là cần thiết Tuy nhiên khi bù công suất phản kháng thì quá trình đóng cắt tụ xẩy ra , đồng thời các dao động cũng xảy ra và gây bất lợi cho hệ thống và thiết bị

Vì vậy việc khắc phục vấn đề trên là cần thiết Vấn đề trên được khảo sát trong chương II với mục tiêu khảo sát thời gian đóng của bộ tụ tối ưu

Trang 19

Trang 23

CHƯƠNG II

MÔ PHỎNG, NHẬN DẠNG CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ TRÊN LƯỚI ĐIỆN

KHI ĐÓNG CẮT THIẾT BỊ

I Tổng quang về các quá trình quá độ trong việc đóng các bộ tụ bù

II Mô phỏng, nhận dạng các quá trình quá độ khi đóng cắt các bộ tụ bù trên lưới 500/230/115kV

1 Hiện tượng xảy ra khi đóng một tụ cách ly vào lưới

2 Hiện tượng đóng một bộ tụ vào lưới khi trên lưới có một bộ tụ khác ghép song song (Back to Back)

3 Hiện tượng phóng điện trước (Prestrike)

4 Hiện tượng phóng điện lại (Restrike)

Trang 24

I TỔNG QUAN VỀ CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ TRONG QUÁ TRÌNH ĐÓNG CẮT BỘ TỤ BÙ:

Việc quá độ điện áp trong hệ thống điện do quá trình đóng cắt tụ là một trong hai nguồn chính sinh ra quá độ điện áp trong hệ thống (hiện tượng còn lại là hiện tượng sét đánh) Như đã phân tích trong chương 1 thì việc bù công suất phản kháng là vấn đề rất cần thiết cho quá trình truyền tải và phân phối điện năng Tuy nhiên, khi thực hiện các phương pháp bù bằng bộ tụ điện, thường có các hiện tượng xảy

ra như:

Để nhận dạng các hiện tượng quá độ trên ta dùng phần mềm mô phỏng Matlab 6.0 để xây dựng mô hình lưới điện từ 500/230/115 kV phục vụ cho việc khảo sát

Trang 25

II MÔ PHỎNG, NHẬN DẠNG CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ TRÊN LƯỚI

PHÂN PHỐI 500/230/115 kV TRONG QUÁ TRÌNH ĐÓNG CẮT BỘ TỤ BÙ: 1/ Mô hình xây dựng :

Chúng ta xây dựng bằng phần mềm mô phỏng Matlab Simulink mô hình mạng điện như hình 1 dưới đây Mạng điện lấy nguồn 500kV từ nguồnphát điện, Máy biến áp 500/230/115kV có dung lượng 450MVA

Các bộ tụ bù được đóng cắt nhờ các máy cắt 3 pha có thể định thời gian cắt hoặc mở mạch theo nhu cầu

2/ Các hiện tượng quá độ trong quá trình đóng, cắt các bộ tụ bù:

a Đóng điện cho tụ điện riêng rẽ:

Khi đóng trạm tụ bù vào lưới, một dòng điện quá độ với tần số và biên độ lớn đổ vào tụ điện nhằm cân bằng điện áp của tụ điện và điện áp của hệ thống Nếu hai điện áp này bằng nhau tại thời điểm đóng máy cắt, dòng điện quá độ sẽ không xuất hiện Nếu có sự chênh lệch điện áp giữa hai tiếp điểm của máy

Trang 26

cắt tại thời điểm đóng tụ, biên độ và tần số của dòng điện quá độ sẽ được tính theo công thức :

Ipk=│Es – Ec │

L C

f = 1/2π L C

C = điện dung (F)

L = điện cảm của hệ thống (H)

Trong trường hợp tụ điện là tụ điện cách li, cảm kháng là cảm kháng của hệ thống Giá trị dịng điện lúc này cĩ thể từ 5 – 15 lần dịng điện định mức của tụ Khi đĩng tiếp điểm cũng cĩ thể tạo ra quá độ điện áp Nếu cơng tắc đĩng vào thời điểm điện áp đạt mức cao nhất, điện áp của tụ ngay tức thời sẽ tăng lên từ điểm zero (nếu trước đĩ tụ đã được xả) lên đến biên độ điện áp Biên độ điện áp xung này (đối với tụ điện cách li nối đất đấu Y) lớn nhất là bằng 2 p.u (xét trong hệ tương đối)

Trang 27

Nạp tụ điện đấu Y khơng nối đất cĩ quá điện áp cao hơn trường hợp trên một ít, quá điện áp này sinh ra do việc đĩng khơng đồng thời các tiếp điểm Nĩi chung, quá điện áp này cũng cĩ những đặc điểm tương tự như đĩng cắt tụ đấu Y nối đất Kết quả mô phỏng từ sơ đồ mạch Hình 1 khi chỉ đóng bộ tụ bù vào lưới với thời gian tác động của CB là t=0.04s

3 0 0 0 M V A 5 0 0 k V

A B C

S w itc h

A B C

3 -P h a s e C B 4

A B C

H ình 2.1 : M ô hình m ạch đe å n ghie ân cứu hiện

tư ơ ïn g đ o ùn g 1 bo ä tu ï cách ly vào lư ơ ùi

Trang 28

Ta thu được các dạng sóng mô phỏng như sau:

- 3

3

0.08 0.07

0.06 0.05

Trang 29

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

Trang 30

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Ic(pu)

t(s)

Hình 2.4 : Dạng sóng dòng điện trên tụ điện trong trường hợp đóng 01 bộ tụ cách ly vào lưới

Trang 31

Chúng ta sử dụng tài liệu Cooper để so sánh với việc mô phỏng trên

Hình 2.5: Dạng sóng điện áp khi đóng bộ tụ cách li vào lưới điện theo tài liệu

của hãng Cooper Power Systems

Trang 32

0.06 0.05

0.04 0.03

0.02

Trang 33

Trong hai trường hợp trên cho thấy dạng sóng dao động của điện áp có kết quả gần giống nhau

Như vậy, kết quả của quá trình mô phỏng có giá trị tương đương với kết quả của tài liệu Cooper về dạng sóng điện áp

b Đóng một bộ tụ vào lưới khi trên lưới có một bộ tụ khác ghép song song (hiện

tượng Back-to-Back):

Khi đóng điện cho một tụ điện gần một tụ điện khác đang hoạt động, một dòng điện quá độ tần số cao sẽ xuất hiện giống như trường hợp đóng điện cho một tụ điện riêng rẽ Tuy nhiên, điện kháng ở đây là điện kháng giữa các tụ hơn là điện kháng của hệ thống Vì vậy, biên độ và tần số của dòng điện này lớn hơn nhiều so với dòng điện quá độ khi đóng một tụ riêng rẽ

Dòng điện tần số cao này có thể vượt quá tần số quá độ của máy cắt Nó cũng làm tác động sai các thiết bị bảo vệ hay cầu chì Điện áp của máy biến dòng

Trang 34

máy biến dòng, ta nên chọn một máy biến dòng có điện áp định mức bằng 1.2 lần điện áp dây hiệu dụng

Khi dòng điện quá độ vượt quá giới hạn cho phép, người ta thực hiện một hay nhiều các biện pháp sau đây:

chống rung, chống dao động và cho phép tụ điện về mặt bản chất được nạp đến điện áp hệ thống trước khi các tiếp điểm chính của máy cắt đóng lại

khi sử dụng máy cắt có điện trở đặt trước như loại McGraw-Edison VCR để đóng cắt tụ điện thì dòng điện quá độ không còn nguy hiểm nữa Máy cắt VCR được thiết kế sao cho nhiều tụ điện có thể nối vào thanh cái cùng lúc mà không bị ảnh hưởng của hiện tượng Back-to-Back

Trang 35

Ta sẽ nghiên cứu hiện tượng Back-to-Back qua mô hình dưới đây: CB1 sẽ đóng bộ tụ phía hạ áp (115kV) vào hệ thống với thời gian trễ là 0.02s

3 0 0 0 M V A 5 0 0 k V

A B C

S w i t c h

A B C

3 - P h a s e C B 4

A B C

S w i t c h

A B C

3 - P h a s e C B 3

A B C

S w i t c h

A B C

3 - P h a s e C B 2

A B C

S w i t c h

A B C

3 - P h a s e C B 1

A B C

Trang 36

Ta thu được các dạng sóng mô phỏng như sau:

Hình 2.8: Dạng sóng điện áp trên thanh cái trong trường hợp đóng điện Back to back

5.08 pu -3

-1 -2

0.15

Trang 37

-3 -2 -1 0 1 2

Trang 38

Nhận xét:

Độ vọt lố của điện áp khi đóng bộ tụ trong trường hợp này là 5.08 pu rất cao so với độ vọt lố điện áp khi đóng một bộ tụ riêng lẻ (1.98 pu) Do vậy cần phải có biện pháp khắc phục:

dòng xung kích (inrush current)

Trong quá trình đóng một bộ tụ vào lưới khi trên lưới có một bộ tụ khác ghép song song (back to back), hầu hết các hiện tượng quá độ có tần số dao động tăng tại thời điểm bắt đầu xảy ra quá đo, nhưng vẫn dao động giống dạng sóng của nguồn Qua đó, cho thấy khi đóng bộ tụ vào lưới điện sẽ xuất hiện quá trình trao đổi năng lượng Sự trao đổi năng lượng giữa thông số điện dung của bộ tụ với điện cảm của đường dây và hệ thống

Trang 39

Quá trình quá độ kết thúc nhanh hay chậm phụ thuộc vào giá trị điện trở có trong mạch và thời hằng của mạch điện

Trong thực tế, trường hợp đóng bộ tụ vào lưới điện ở điện áp cao khi trên lưới đang có bộ tụ khác hoạt động ở điện áp thấp và trường hợp đóng điện cho bộ tụ hoạt động song song thường xảy ra Vì vậy, cần phải chọn thời điểm đóng bộ tụ vào lưới điện hợp lý

Trang 40

Chúng ta sử dụng tài liệu của hãng Cooper Power Systems/USA để so sánh với việc mô phỏng trên

Hình 2.10: Dạng sóng điện áp trong trường hợp đóng tụ back-to-back theo tài liệu của hãng Cooper Power Systems

Định dạng
Số trang	125
Dung lượng	4,43 MB