Ứng dụng của tụ bù dọc và mô phỏng thiết bị bù có điều khiển bằng chương trình EMTP

Tuy nhiên đường dây truyền tải có sử dụng tụ bù dọc sẽ đạt được đường đặc tính tổng trở gần với đường đặc tính tối ưu, do vậy có thể thay đổi các thông số hệ thống và giảm tổn thất đến m

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

HỌ VÀ TÊN: TRẦN TUẤN ANH

ỨNG DỤNG CỦA TỤ BÙ DỌC VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ BÙ

CÓ ĐIỀU KHIỂN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH EMTP

CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THANH LIÊM

Hà nội: 12-2004

Chương I các ứng dụng của tụ bù dọc

I.1 Giới thiệu chung

I.2 Tác dụng của tụ bù dọc

I.3 Vị trí đặt bù

I.4 Đường dây hình tia

I.5 Thiết bị bù dọc có điều khiển

Chương II Vấn đề cộng hưởng tần số thấp

II.1 Các khái niệm

II.2 Lựa chọn các biện pháp bảo vệ cộng hưởng tần số thấp

50

56

Chương III Chương trình mô phỏng hệ thống điện EMTP

III.1 Giới thiệu chương trình EMTP

III.2 Ví dụ về chương trình mô phỏng bằng EMTP

III.3 Một số điểm cần chú ý về chương trình EMTP

IV.2 Mô phỏng bài toán bằng chương trình ATP

IV.3 Mô phỏng các phần tử của mô hình

IV.4 Kết quả mô phỏng

LỜI MỞ ĐẦU

Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến trên thế giới hiện nay, nó có mặt trong mọi lĩnh vực của xã hội Nhu cầu sử dụng điện trên thế giới phục vụ cho các hoạt động lao động sản xuất, văn hóa của con người ngày càng tăng Nghiên cứu các vấn đề thuộc lĩnh vực điện lực là yêu cầu cấp bách để vừa đáp ứng được các nhu cầu tiêu dùng điện ngày càng tăng vừa tiết kiệm trong truyền tải, sản xuất điện năng cũng như các yêu cầu về sử dụng hợp lý các nguồn nguyên, nhiên liệu sơ cấp phục vụ cho sản xuất điện

Trong lĩnh vực điện lực, việc bù dọc trên các đường dây truyền tải là giải pháp tốt để nâng cao hiệu quả truyền tải điện trên đường dây Tuy nhiên, bên cạnh những

ưu điểm do việc bù dọc còn xuất hiện các hiệu ứng khác ảnh hưởng đến hệ thống điện như các dạng cộng hưởng tần số thấp đòi hỏi chúng ta phải có những hiểu biết

để hạn chế và ngăn chặn Vấn đề bù dọc có phạm vi ảnh hưởng khá rộng lớn và vẫn

là vấn đề thu hút được sự quan tâm, nghiên cứu trong lĩnh vực điện lực

Nội dung luận văn đề cập đến các các ứng dụng của tụ bù dọc trong hệ thống điện và mô phỏng thiết bị bù có điều khiển bằng chương trình EMTP, bao gồm các chương mục:

- Chương I, đề cập đến các ứng dụng của tụ bù dọc, phạm vi ảnh hưởng, nêu tính toán chọn lựa vị trí bù

- Chương II, nêu lên một hiện tượng phát sinh do việc sử dụng tụ bù dọc đường dây, đó là hiện tượng cộng hưởng tần số thấp

- Chương III, giới thiệu về chương trình mô phỏng lưới điện EMTP

- Chương IV, trình bày bài toán mô phỏng thiết bị bù có điều khiển bằng chương trình EMTP

Tác giả xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đối với thầy giáo TS Nguyễn

Thanh Liêm đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian qua Xin chân thành cảm

ơn các thầy, cô và bạn bè đã tận tình giúp đỡ tác giả hoàn thành bản luận văn này

Vì thời gian có hạn, vấn đề nghiên cứu vẫn còn khá mới mẻ nên bản luận văn không

khỏi còn những thiếu sót và hạn chế Tác giả rất mong nhận được nhiều góp ý của các thầy cô giáo và các bạn

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

I.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Từ lâu tụ bù dọc đã được lựa chọn là một trong các giải pháp giải quyết các vấn đề liên quan đến truyền tải công suất trên đường dây Các tụ bù dọc hiện đại ngày nay đã được trang bị nhiều kỹ thuật tiên tiến nhằm đơn giản hoá việc lắp đặt và nâng cao độ tin cậy Do vậy chúng có thể chịu đựng được các tác động của điện áp cao trong quá trình vận hành Những tiến bộ trong kỹ thuật đã giúp cho việc lắp đặt tụ bù dọc đơn giản hơn trước đây, đồng thời nâng cao độ tin cậy và dễ dàng trong bảo trì, bảo dưỡng

Trong tương lai, tụ bù dọc sẽ có khả năng thay đổi mức độ bù một cách tự động hoặc được điều khiển từ trung tâm điều độ Tụ bù có điều khiển sẽ mở

ra những hướng nghiên cứu mới trong việc ứng dụng chúng vào hệ thống điện

Nội dung phần này sẽ đề cập đến những ứng dụng cơ bản của tụ bù dọc trong hệ thống điện cũng như những hạn chế cần lưu ý khi sử dụng Tiếp theo

sẽ xem xét các vị trí đặt bù tối ưu Sau cùng sẽ đề cập đến một số phương pháp đóng mở tụ bù dọc, đặc biệt là phương pháp sử dụng Thyristor có điều khiển TCSC

I.2 TÁC DỤNG CỦA TỤ BÙ DỌC

Tụ bù dọc có ưu điểm nổi bật với công tác vận hành hệ thống, khác hẳn các tụ bù ngang Nhiều vấn đề của hệ thống điện có liên quan đến tổng trở đường dây, có thể dẫn đến sụt áp lớn trên đường dây, gây mất ổn định máy điện đồng bộ, gây các nhiễu loạn điện áp hoặc làm mất ổn định hệ thống Có

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

thể khắc phục vấn đề tổng trở đường dây bằng cách sử dụng đường dây có nhiều mạch, tuy nhiên phương án này gây ra tốn kém lớn trong hệ thống Trong một số trường hợp, các vấn đề trên cũng có thể được hạn chế hay giải quyết bằng cách sử dụng các bộ bù ngang Tuy vậy bù ngang không thể giải quyết tận gốc của vấn đề, giải pháp này chỉ có tính chất tạm thời Với các trường hợp này giải pháp tốt hơn là sử dụng các bộ tụ bù dọc, giải quyết các nhược điểm căn bản của đường dây không có bù

Các tụ bù ngang thường luôn ở trạng thái đóng, bởi vì lượng công suất bù yêu cầu luôn phụ thuộc vào phụ tải Điều này làm tăng giá thành và vấn đề lắp đặt tụ bù ngang cũng trở nên phức tạp Hơn nữa việc bảo trì bảo dưỡng để đảm bảo cho tụ luôn luôn hoạt động tốt cũng đòi hỏi nhiều biện pháp kỹ thuật phức tạp khác

Trái lại, tụ bù dọc lại có khả năng điều chỉnh công suất bù một cách tự động khi phụ tải thay đổi Điều này thông thường sẽ làm giảm hoặc loại bỏ những chi phí không cần thiết do việc luôn luôn đóng tụ gây ra Các bộ Varistor bảo vệ tụ cũng ít khi phải bảo dưỡng, các bộ tụ hiện đại đang được

sử dụng rộng rãi cho thấy hầu như không phải bảo dưỡng sau khi lắp đặt và vận hành thành công Trong phần lớn trường hợp, các cuộc kiểm tra định kỳ

là đủ đảm bảo sự hoạt động tin cậy của tụ bù dọc Do tụ bù dọc không điều khiển chỉ đóng vào những thời điểm cần thiết nên việc bảo dưỡng thiết bị đóng cắt cũng không cần phải tiến hành thường xuyên Thời gian đáp ứng lại các tác động hệ thống của tụ bù dọc cũng ngắn hơn so với tụ bù ngang Mặt khác, tụ bù dọc không bị ảnh hưởng bởi độ trễ của các thiết bị đóng cắt có thời gian hay độ trễ của hệ thống điều khiển trong các thiết bị điều khiển Các tụ bù dọc cũng ít yêu cầu về mặt vận hành vì hầu hết chúng được thiết

kế để hoạt động mà không cần có sự can thiệp của nhân viên vận hành trong điều kiện làm việc bình thường Thậm chí, các tụ bù dọc còn có thể được vận

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

hành để điều khiển dòng công suất, để tránh hiện tượng cộng hưởng tần số thấp và để hạn chế quá độ đường dây

I.2.1 TỐI ƯU CÔNG SUẤT TRUYỀN TẢI

Ta biết rằng điều kiện tối ưu tổng trở (nối tiếp) đường dây là một hàm phụ thuộc các thông số hệ thống Khó có thể thiết kế đường dây truyền tải đáp ứng được các đặc tính tối ưu Tuy nhiên đường dây truyền tải có sử dụng tụ bù dọc

sẽ đạt được đường đặc tính tổng trở gần với đường đặc tính tối ưu, do vậy có thể thay đổi các thông số hệ thống và giảm tổn thất đến mức thấp nhất Nếu như nguyên tắc này được áp dụng tại tất cả các đường dây truyền tải thì mạng điện sẽ vận hành trong điều kiện gần tối ưu tại mọi thời điểm

Tụ bù ngang rất có tác dụng trong việc tối ưu hoá các thông số chế độ đáp ứng lại những thay đổi của phụ tải Việc bù ngang có thể giữ cho điện áp các nút hệ thống tại giá trị mong muốn Tuy nhiên, bù ngang không có tác dụng thay đổi tổng trở lưới và thậm chí có khi làm cho điểm làm việc càng xa điểm tối ưu Chỉ đối với cấu trúc đường dây dài, tác dụng này của bù ngang mới thực sự có hiệu quả Do đó bù dọc đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc thay đổi thông số hệ thống giúp cho hệ thống điện đạt đến hệ thống tối ưu (hay đạt được điểm làm việc tối ưu)

I.2.2 CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH

Đối với các hệ thống truyền tải lớn nối các trung tâm phụ tải và nguồn ở các vị trí rất xa, công suất truyền tải trên đường dây thông thường bị giới hạn bởi các điều kiện giới hạn ổn định Bù dọc là một trong các cách để cải thiện

ổn định hệ thống Bù dọc có tác dụng giảm tổng trở hai đầu đường dây, cho phép nâng cao công suất truyền tải trên đường dây, nâng cao dự trữ công suất đường dây

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Ở một số hệ thống, ngay cả các hệ thống có tính liên kết cao, cũng xuất hiện các vấn đề về ổn định điện áp hoặc ở dạng dao động điện áp hoặc ở dạng sụp đổ điện áp Tụ bù dọc có tác dụng giải quyết các vấn đề ổn định điện áp nêu trên Tác dụng của bù dọc trong việc ổn định hệ thống là do tụ bù dọc làm giảm điện kháng của đường dây Do đó làm tăng công suất truyền trên đường dây với góc  cho trước Tụ bù dọc cũng cung cấp công suất phản kháng (vào

hệ thống) để đáp ứng lại yêu cầu của hệ thống

I.2.3 TÁC DỤNG ĐỐI VỚI ĐƯỜNG DÂY DÀI

Bù dọc là một phương tiện hiệu quả đối với các đường dây dài để giữ điện áp tại các nút ở giá trị mong muốn (so với các đường dây không bù) Trong lý thuyết đường dây dài, ta biết rằng giới hạn truyền công suất thực tế xẩy ra với đường dây có chiều dài 1/4 bước sóng (1500 km) Chiều dài của đường dây 1/4 bước sóng tỉ lệ nghịch với hệ số thay đổi pha của sóng điện áp

và dòng điện khi truyền qua một đơn vị chiều dài đường dây có đơn vị là rad.km-1 (hoặc độ điện.km-1), ký hiệu 0 Ta biết rằng chiều dài bước sóng

I.2.4 ĐIỀU KHIỂN DÒNG CẢM ỨNG TỪ ĐỊA

Hiện tượng cảm từ địa (Geomagnetically Induced Currents - GIC) có ảnh hưởng lớn đến hệ thống điện ở khu vực vĩ tuyến bắc trong suốt thời kỳ hoạt động mạnh của mặt trời Thời kỳ hoạt động mạnh nhất của mặt trời diễn ra theo chu kỳ khoảng 11 năm/lần Sự kiện đã từng xảy ra vào ngày 13/03/1989 gây mất điện toàn bộ hệ thống thuỷ điện QueBec, thiệt hại 21.000MW công suất

Người ta cho rằng ảnh hưởng của bão từ là nguyên nhân chính dẫn đến bão hoà máy biến áp, làm suy giảm và nhiễu loạn điện áp Dòng điện cảm ứng

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

từ địa chạy trong đất và các phần nối vỏ thiết bị như các máy biến áp Các dòng điện này có tần số rất thấp từ 0,0008 đến 0,006 Hz Do vậy chúng được xem là các dòng điện thứ tự không tần số rất thấp có ảnh hưởng gây bão hoà mạch từ các máy biến áp có trung tính nối đất cũng như có các điều kiện cần thiết cho dòng một chiều chạy qua Dòng GIC chạy qua các máy biến áp nối đất trong hệ thống truyền tải siêu cao áp Các máy biến áp bão hoà gây ra các dòng điện kích thích mỗi nửa chu kỳ có biên độ lớn gây phát nóng bên trong

do từ thông tản, do dòng điện quá bão hoà và do các sóng điều hoà chẵn, lẻ bậc cao Rõ ràng dòng GIC sẽ bị ngăn chặn từ đường dây truyền tải nếu trên đường dây có mắc các bộ tụ bù dọc

I.2.5 CÁC HẠN CHẾ CỦA TỤ BÙ DỌC

Việc sử dụng bù dọc đường dây cũng làm xuất hiện ba vấn đề mà đường dây không bù không tồn tại Các vấn đề đó là: cộng hưởng tần số thấp; bảo vệ đường dây truyền tải và các yêu cầu về điện áp phục hồi chuyển tiếp đối với các thiết bị đóng cắt

Khi mới xuất hiện lần đầu, cộng hưởng tần số thấp - SSR là một vấn đề khó khăn và phần nào cản trở hoạt động hệ thống điện Thời gian qua vấn đề cộng hưởng tần số thấp đã được tìm hiểu thấu đáo và đã có các thiết bị bảo vệ

hệ thống điện khỏi hiện tượng trên Với việc sử dụng các thiết bị bảo vệ SSR cùng với sự hiểu biết kỹ lưỡng về SSR, chúng ta có thể phân tích và điều khiển hệ thống điện hoạt động an toàn khỏi tác động của SSR Các thiết bị bảo vệ có hiệu quả tốt trong việc ngăn chặn các sự cố tuabin- máy phát do SSR gây nên Mặc dù hệ thống điện phải chi phí cho các thiết bị bảo vệ SSR nhưng bù dọc vẫn là một biện pháp đem lại hiệu quả cao cả về kỹ thuật lẫn kinh tế

Bảo vệ đường dây truyền tải có bù dọc là một vấn đề khó khăn nhưng cũng đầy lý thú đặc biệt đối với bảo vệ rơle hoạt động theo nguyên tắc bảo vệ khoảng cách và bảo vệ có hướng Điều này là do khi tụ bù dọc đặt gần rơle

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

bảo vệ sẽ làm cho rơle tác động sai Ban đầu để tránh hiện tượng tác động sai của rơle, người ta đặt tụ bù xa vị trí đặt rơle chẳng hạn như đặt tại tâm của đường dây được bảo vệ Nhờ đó các rơle có thể tác động chính xác và tin cậy Các rơle hiện đại được thiết kế đặc biệt sử dụng trên đường dây bù dọc, có thể được lắp đặt tại bất kỳ vị trí nào mà không phải tính đến vị trí của tụ bù Nhờ

đó mà vấn đề bảo vệ đường dây có bù dọc đã được giải quyết mà không làm giảm hiệu quả của tụ bù

Sử dụng bù dọc trên đường dây siêu cao áp có thể tạo ra điện áp quá độ trên thiết bị đóng cắt khi các thiết bị này tác động và điện áp quá độ có thể vượt qua các tiêu chuẩn của điện áp hệ thống Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng các thiết bị đóng cắt chịu được điện áp quá độ hoặc

sử dụng các thiết bị đóng cắt thông thường cùng với thiết bị làm giảm điện áp quá độ TRV đến điện áp danh định của thiết bị đóng cắt Sử dụng thiết bị TRV là lựa chọn tối ưu bởi giá thành các thiết bị này ở mức chấp nhận được Như vậy là bên cạnh những hiệu quả đem lại đối với hệ thống điện, tụ bù dọc cũng gây ra các hiện tượng cần quan tâm Khi các vấn đề trên được tìm hiểu cặn kẽ, ta sẽ có các biện pháp để hạn chế, khắc phục chúng Từ khi xuất hiện cho đến nay, các vấn đề cộng hưởng tần số thấp, bảo vệ đường dây, quá điện áp quá độ đã được quan tâm nghiên cứu và cho đến nay đã tìm ra được các biện pháp thích hợp để giải quyết Do đó các hiện tượng trên không còn là vấn đề quá lớn so với những lợi ích mà các tụ bù dọc đem lại

I.3 VỊ TRÍ ĐẶT BÙ

Đối với đường dây chỉ cần một vị trí đặt bù thì bộ bù dọc sẽ có hiệu quả tốt nhất khi được đặt tại tâm của đường dây truyền tải (điểm giữa hai đầu đường dây) Điều này đã được xác nhận ngay từ thời kỳ đầu khi phát triển các

bộ tụ bù dọc và cũng đã được chứng minh là hiệu quả ở các hệ thống điện của Thụy Điển và Canada

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Tuy vậy cũng tồn tại một số vị trí lắp đặt bộ bù dọc khác, chẳng hạn ở các lưới điện miền Tây Hoa Kỳ, các bộ tụ được lắp đặt tại điểm cuối của đường dây nhằm tận dụng vị trí trạm sẵn có và đội ngũ nhân viên của trạm Trong một số các trường hợp khác, người ta đặt bù tại hai vị trí trên đường dây, chia đường dây làm ba phần bằng nhau Trường hợp khác lại chỉ đặt bù tại một vị trí cách điểm cuối 1/3 chiều dài đường dây

Việc xác định vị trí đặt bù có ý nghĩa rất quan trọng vì vị trí bù có liên quan đến các yếu tố sau:

- Thứ nhất, hiệu quả của tụ bù dọc theo đường dây truyền tải là hàm số phụ thuộc vị trí đặt bù

- Thứ hai, vị trí đặt bù ảnh hưởng đến hình dáng đường cong phân bố điện áp dọc theo đường dây

- Thứ ba, vị trí đặt bù có ảnh hưởng đến các phương thức bảo vệ bộ bù

- Thứ tư, vị trí đặt bù quyết định cách thức bảo trì/ bảo dưỡng các bộ tụ

- Cuối cùng, nếu các bộ bù bảo vệ bằng MOV (metal oxide varistor) thì năng lượng cung cấp cho MOV cũng phụ thuộc vị trí đặt bù

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Hình 1.1 Đường dây với 1 vị trí bù

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

I.3.1 ĐƯỜNG DÂY VỚI MỘT VỊ TRÍ BÙ

Hình 1.1 thể hiện đường dây truyền tải với một vị trí bù Đường dây được chia làm hai phần, mỗi phần được mô tả bởi các thông số ABCD Trên hình vẽ đường dây được thay thế bằng hai đoạn sơ đồ hình , phân tách bởi

bộ tụ bù dọc Trên sơ đồ cũng bao gồm các tụ bù ngang có các thông số được thể hiện trong các ma trận A, B, C, D

Ta có quan hệ dòng áp đầu và cuối đường dây theo tham số hệ thống như sau:

L L S

S

I

V D C

B A

2 2 1

1

1 1

1 0

1

D C

B A jX D

C

B A D

C

B

L L

L L

(1.2) Khai triển( 1.2) ta được:

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Kx= Re(A1D2) (1.4)

hay: Kx= Recoshs.cosh(l-s)] (1.5)

Trong đó: s: là khoảng cách từ điểm nguồn đến vị trí đặt bù

l: là chiều dài đường dây

Từ (1.5) ta thấy Kx là hàm số của khoảng cách s Quan hệ Kx= f(s) đối với một số đường dây truyền tải cho trên hình vẽ (1.2)

Qua hình vẽ ta thấy rõ ràng rằng đối với các đường dây có chiều dài càng lớn thì việc xác định vị trí bù càng quan trọng, tuy nhiên đối với các đường dây chỉ có một vị trí bù thì khoảng cách bù tối ưu luôn luôn là điểm giữa của đường dây Cũng từ hình vẽ 1.2 ta cũng so sánh được hiệu quả của việc chọn

vị trí bù ở tâm đường dây với việc đặt bù tại điểm đầu/ cuối đường dây Sự khác biệt này thể hiện qua bảng 1.1

Hình 1.2 Hiệu quả bù đối với đường dây 1 vị trí bù

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Bảng 1.1 Hiệu quả bù giữa các vị trí Chiều dài

(km)

Bù tại đầu đường dây

Bù tại điểm giữa

Mức độ sai khác

0,935 0,899 0,857 0,809 0,776 0,699 0,638

0,065 0,101 0,143 0,187 0,264 0,301 0,362

Qua bảng 1.1 ta thấy rằng mức độ sai khác giữa việc đặt bù tại điểm giữa và điểm đầu/ cuối đường dây càng tăng lên khi chiều dài đường dây càng tăng; có nghĩa là với những đường dây có chiều dài càng lớn thì việc bù tại điểm giữa mang lại hiệu quả càng cao so với việc đặt bù tại điểm đầu/ cuối Với những đường dây có chiều dài trên 800 km thì mức độ sai khác này lớn hơn 25% (xem bảng 1.1) Như vậy với đường dây ngắn thì không có lý do nào bắt buộc vị trí bù phải nằm tại điểm giữa đường dây Quả thật cũng có nhiều lý do để lựa chọn các vị trí đặt bù khác Một vài đường dây tại Thụy Điển được lắp đặt bù tại vị trí cách nguồn 1/3 chiều dài dây do những lợi ích riêng mà vị trí bù này mang lại Một điều cũng hết sức quan trọng khi tiến hành đặt bù tại các đầu đường dây là tận dụng được đất đai và đội ngũ nhân viên sẵn có tại các trạm Trong nhiều trường hợp lợi ích của lý do này đem lại được đánh giá cao hơn việc đặt bù tại điểm giữa đường dây Cuối cùng việc xác định vị trí đặt bù cần phải được nhìn nhận từ nhiều góc độ khác nhau và

vị trí bù tối ưu cần dung hoà được nhiều yếu tố

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

I.3.2 ĐƯỜNG DÂY VỚI HAI VỊ TRÍ BÙ

Trên nhiều đường dây truyền tải người ta tiến hành bù dọc tại hai vị trí Các nghiên cứu về hai vị trí bù trên đường dây đã được tiến hành rộng rãi Có hai sơ đồ cho loại hình này Thứ nhất, là đặt bù tại hai vị trí chia đường dây làm 3 đoạn bằng nhau Sơ đồ thứ hai bố trí bù tại hai điểm đầu và điểm cuối của đường dây Cả hai sơ đồ này sẽ được phân tích dưới đây

Sơ đồ vị trí bù tại các điểm chia đường dây thành 3 đoạn bằng nhau cho trên hình 1.3

B A jX D

C

B A jX D

C

B A D

C

B

A

L L

L L

1 0

1 1

0

1

(1.6) H×nh 1.4 Bï 2 vÞ trÝ t¹i 2 ®Çu ®-êng d©y

H×nh 1.3 Bï 2 vÞ trÝ t¹i 1/3 ®-êng d©y

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

X j BCD AD

D A ABC (

X j ) BD C B ABD B

2 2

2

2 2

(1.8) Thành phần đầu tiên B0 là thành phần B của đường dây khi chưa có bù Thành phần thứ hai là lượng tăng thêm do tụ bù nối tiếp cung cấp, và là thành phần cần quan tâm Với chú ý rằng A = D nên ta có thể viết:

4

2

C A X j ABC A

( jX

( R

e

Sơ đồ vị trí bù tại hai đầu đường dây thể hiện trên hình (2.4)

Sơ đồ này được lắp đặt rộng rãi tại Hoa Kỳ nhằm tận dụng vị trí sẵn có

ở hai đầu đường dây

Trong trường hợp này hệ thức ABCD được xác định như sau:

1 1

0

D C

B A jX D

C

B

A

L L

L L

Khai triển hệ thức trên cho tham số B ta được:

BL = B - jX (A + D - jXC ) (1.12)

BL = B0 + B Kết hợp với (1.7) và chú ý rằng A=D ta có:

4

C X ) j A ( X j -

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Hiệu quả bù được xác định:

) C X j A ( R

Hình 1.5 Hiệu quả bù trên đường dây có 2 vị trí bù

Qua đó ta thấy được hiệu quả bù khi đặt bù tại các vị trí 1/3 chiều dài đường dây cao hơn so với đặt bù tại hai đầu đường dây Sự khác biệt này càng tăng với những đường dây có chiều dài trên 800km Với đường dây có chiều

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

dài 800km và mức độ bù dọc là 70% thì hiệu quả bù khi đặt bù tại vị trí 1/3 chiều dài đường dây bằng 0,7715 so với 0,6411 khi đặt bù tại hai đầu đường dây, đặc biệt là khi chiều dài đường dây càng tăng Tuy nhiên sự khác biệt về hiệu quả bù tại hai vị trí trên đối với đường dây ngắn là không đáng kể so với một số lý do về địa lý hay vận hành, bảo dưỡng Ví dụ với đường dây dài 300

km thì sự khác biệt chỉ là 10% Việc đặt bù tại hai đầu đường dây thường được lựa chọn khi đường dây có chiều dài không lớn hoặc khi việc đặt bù tại các vị trí khác là không thích hợp vì một số lý do So sánh hình vẽ (1.2) và hình (1.5) ta thấy rằng hiệu quả bù khi đặt tổng dung lượng bù tại một điểm giữa đường dây cũng xấp xỉ đặt bù tại hai điểm 1/3 đường dây (tổng dung lượng là không thay đổi)

I.3.3 NGUYÊN TẮC TỐI ƯU TỔN THẤT

Hình 1.6 Mắc song song đường dây số 2 vào hệ thống

Một ví dụ đơn giản sau đây sẽ minh hoạ cho nguyên tắc tối ưu hoá tổn thất cũng như trình bày một trong các ưu điểm khi điều khiển dòng công suất phản kháng trên đường dây truyền tải Xét sơ đồ trên hình 1.6 Trong đó đường dây #1 là đường dây hiện có với các thông số đường dây là R1, X1 Giả

sử cần xây dựng đường dây #2 song song với đường #1 Cần xác định các thông số đường dây số #2 sao cho tổn thất của hệ thống (bao gồm cả hai

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

đường dây) là nhỏ nhất với dòng công suất truyền tải đã xác định Điện trở đường dây #2 không nhất thiết phải là hằng số, mà có thể thay đổi trong giới hạn bằng các lựa chọn tiết diện dây dẫn hợp lý Để có thể thay đổi diện kháng đường dây #2, ta tiến hành bù dọc trên đường dây này Mục đích là lựa chọn giá trị điện trở và mức độ bù trên đường dây số #2

Giả sử dòng điện phụ tải IR không đổi và điện áp VR giữ ở giá trị định mức Khi đó dòng IR là hàm của điện áp và công suất phụ tải

R

R

V

jQ P

I Z Z

Z I

Z I

R

) X X ( ) R R (

) X X ( j ) R (R ) jX R ( I ) X X ( j ) R

R

(

jX R

2 1 2

2 1 2

1 2

1

2 1

R 1

) X X ( ) R (R

) X X ( R ) R R ( X j ) X X ( X ) R R

2 1 2 2 1 2

1 2 2 1

2 2 1 2 2 1 2 2 2 1 2 2 1 2 2

1

) (

) (

) (

) (

X ) (

) (

R

R

I X

X R

R

X X R R R X

X X R R I

2 2 2

Tương tự với đường dây #2, ta có:

2 2 2 1 2 2 1

2 1 2

2

) X X ( ) R R

(

X R

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Tổng tổn thất công suất tác dụng trên hai đường dây là:

2 2 2 1 2 2 1

2 1 2 1 2 2 2 2 2 2

2 2 2 1

1

) X X ( ) R R (

) X R ( R ) X R ( R I R I R

2 1 2 1 2 2 2 2 2 2

1 2

2 1 2 2

) X R ( R ) X R ( R ) X X ( ) X X ( ) R R ( X

1 2 2

phù hợp với tỉ số của mạch ban đầu Chú ý rằng kết quả thu được không phụ thuộc vào công suất truyền tải hay dòng phụ tải IR

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Hình 1.7 Tổn thất trên đường dây song song có tỉ số X/R=10

Giả sử đường dây #1 có tỉ số X/R =10 Với tiết diện dây đã xác định cho đường dây #2, ta có thể tính toán tổn thất theo các giá trị X2 như trên hình 1.7 Chú ý rằng giá trị tổn thất chỉ phụ thuộc vào công suất phụ tải và các điện trở của hai đường dây Trong trường hợp minh hoạ, phụ tải được giữ là hằng số Đường cong tổn thất biến đổi theo X2 và đạt cực tiểu tại giá trị thỏa mãn điều kiện (1.30) Ví dụ R2=0,03 thì tổn thất nhỏ nhất bằng 0,075 khi X2= 0,39 đảm bảo X/R=10)

Hình 1.7 cũng chỉ ra một đặc điểm quan trọng khác của đường cong tổn thất là các đường cong này không đột biến Điều này rất may mắn vì tổn thất

sẽ không biến thiên lớn nếu tỉ số X/R của đường dây thứ #2 không chính xác bằng giá trị tối ưu Các đường dây truyền tải có tỉ số X/R rất lớn, đặc biệt ở đường dây siêu cao áp (EHV) Quan sát trên hình vẽ ta thấy rằng khi X2 biến đổi ta mong muốn điểm tổn thất di chuyển bên phải nhỏ hơn nhiều so với phía bên trái

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

I.4 ĐƯỜNG DÂY HÌNH TIA

I.4.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Bù dọc là một biện pháp đúng đắn được sử dụng trên các lưới truyền tải liên thông điện áp cao Phần lớn các bộ tụ bù dọc được lắp đặt trên các đường dây loại này và hiệu quả mà nó đem lại đã được ghi nhận Tuy nhiên tụ bù dọc cũng được sử dụng trên lưới có cấp điện áp thấp hơn Lưới điện áp thấp duy nhất sử dụng bù dọc có hiệu quả là các lưới hình tia Các đường dây loại này có thể là các lộ phân phối; các mạch điện TBA hình tia truyền công suất đến các trạm phân phối; hoặc là các mạch điện cung cấp cho các tải đặc biệt Trong mọi trường hợp, đường dây được nối trực tiếp với nguồn tại một điểm duy nhất

Tụ bù ngang được sử dụng rộng rãi trên các lưới phân phối Lợi ích do các tụ bù ngang đem lại không chỉ quan trọng đối với các lộ phân phối, nơi mắc tụ, mà chúng (các tụ bù ngang) còn góp phần cải thiện hệ số công suất đem lại lợi ích chung cho toàn hệ thống Mặc dù các tụ bù dọc không phát huy hết ưu điểm trên đường dây hình tia nhưng chúng cũng đem lại những lợi ích to lớn trong một số vấn đề tương tự

Hơn nữa tụ bù dọc có thể có những tác động đúng trong các tình huống

mà tụ bù ngang không có hiệu quả Khi ứng dụng tụ bù ngang thì công suất danh định và vị trí đặt bù là rất quan trọng, và nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để đạt được các hiệu quả tối ưu của tụ bù ngang Việc ứng dụng tụ bù dọc vào đường dây hình tia cũng đòi hỏi phải có những nghiên cứu kỹ lưỡng, đặc biệt là về đặc tính phụ tải và vị trí đặt bù

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Các tụ bù dọc đã được sử dụng trên lưới phân phối từ nhiều năm nay, tuy nhiên số lượng lưới phân phối có sử dụng tụ bù dọc lại không nhiều Bù dọc thường được áp dụng trên lưới phân phối cấp điện đến các phụ tải động cơ lớn

và ở xa, chẳng hạn như các nhà máy gỗ-cưa, khai thác mỏ hay những phụ tải khác tương tự Các phụ tải này thường nằm xa nguồn và được cấp điện bằng các lộ có chiều dài lớn Hơn nữa chúng cũng có thể được cấp điện từ các trạm phân phối với tổng trở nguồn lớn Các điều kiện kết hợp trên làm cho tụ bù dọc là sự lựa chọn hoàn hảo trong việc hạn chế sự thay đổi điện áp tại các phụ tải được cấp điện bằng đường dây hình tia; cải thiện chế độ làm việc của các phụ tải động cơ và cải thiện hệ số công suất của nguồn

Trước đây, tụ bù dọc được bảo vệ bằng các thiết bị tương đối đơn giản

và đòi hỏi nhiều công sức trong bảo trì/bảo dưỡng Tuy nhiên, thời gian gần đây, các hãng sản xuất thiết bị điện đã bắt đầu đưa ra các bộ thiết bị bù dọc có các bộ bảo vệ hiện đại Bảo vệ tụ vẫn luôn là vấn đề lớn trong hệ thống điện Những tiến bộ gần đây sẽ khuyến khích việc áp dụng tụ bù dọc hơn nữa trên các đường dây hình tia

I.4.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG DÂY HÌNH TIA

Mắc tụ bù dọc vào mạch hình tia sẽ làm giảm điện kháng của mạch Trong các trường hợp thông thường, với hệ số công suất của phụ tải, việc mắc thêm tụ bù dọc sẽ làm giảm điện áp giáng từ nguồn đến các phụ tải Vì vậy đầu tiên có thể xem tụ bù dọc như là một thiết bị điều chỉnh điện áp, có khả năng làm tăng điện áp tại vị trí đặt bù, tỉ lệ với biên độ dòng điện và góc hệ số công suất Hơn nữa việc điều chỉnh tăng điện áp xảy ra tức thời và liên tục, đặc biệt hiệu quả đối với những phụ tải có tính thay đổi nhanh Điều này khác

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

biệt cơ bản so với tác động đóng mở tụ bù ngang, không đáp ứng được sự thay đổi nhanh của phụ tải Nếu dòng điện tăng cao đến giá trị quá độ gây sụt giảm điện áp thì công suất phản kháng do tụ bù ngang sinh ra cũng giảm theo,

có nghĩa là khả năng duy trì điện áp của tụ bù ngang cũng giảm Do vậy tụ bù ngang có thể làm cho họat động điều chỉnh điện áp trở nên kém hơn trong quá trình quá độ đối với đường dây mang tải nặng Tuy nhiên tụ bù dọc lại vẫn có tác dụng tăng điện áp trong điều kiện dòng điện tăng đến dòng quá độ Hơn nữa, như sẽ trình bày dưới đây, khi hệ số công suất của phụ tải càng thấp, điện

áp giáng trong mạch điện cảm càng lớn thì hiệu quả của tụ bù dọc càng rõ rệt

Hình 1.8 Đường dây hình tia điển hình

Ta xem xét mạch điện hình 1.8, là mạch điện hình tia điển hình bao gồm điện trở và điện cảm dọc đường dây Tổn thất điện áp trên đường dây được tính là:



cos I L X L I L R

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004





sin

cos

L LD

L LD

I V Q

I V P





(1.32) Kết hợp (1.31) và (1.32) ta có:

LD

L

V

QX PR

Đối với đường dây hình tia có bù dọc, thành phần cảm kháng trong các biểu thức (1.31) đến (1.33) có thể được thay bằng điện kháng của lưới là X,

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

cần lưu ý rằng bù thừa được sử dụng rất có hiệu quả trong một số mục đích đặc biệt

Hình 1.8 thể hiện rõ tác dụng của tụ bù dọc đối với các phụ tải có tính cảm Với những phụ tải có tính dung thì điện áp sẽ tăng từ đầu đường dây tới cuối đường dây Bù dọc thường được sử dụng trên các đường dây nối tới tải

có tính cảm, đặc biệt đối với những tải mà phụ tải tăng đột ngột như các tải hàn hay các tải động cơ lớn Với những tải này, tụ bù dọc có khả năng tăng điện áp tức thời và liên tục tỉ lệ theo sự tăng điện áp trên tụ Các tụ bù ngang được điều khiển có tốc độ đáp ứng không đủ nhanh so với các tụ bù dọc đối với các phụ tải loại này Các đường dây hình tia nối tới các phụ tải mang tính cảm có hệ số công suất từ 70% đến 90% đều có thể sử dụng được tụ bù dọc

Đối với các phụ tải có hệ số công suất lớn hơn, thành phần sin trong biểu

thức (1.31) có giá trị nhỏ khiến cho việc lựa chọn giá trị bù là vấn đề vẫn còn tranh cãi

Đối với các phụ tải có hệ số công suất thấp, sử dụng tụ bù ngang có hiệu quả tốt hơn so với tụ bù dọc, ít nhất là ở bước đầu tiên Tuy nhiên với các tải này, tụ bù dọc vẫn có tác dụng và phụ thuộc vào công suất phụ tải

Tác dụng chính của tụ bù ngang là cải thiện hệ số công suất dẫn đến cải thiện điện áp và giảm tổn thất Công suất danh định lựa chọn cho tụ phụ thuộc vào phụ tải và mức độ yêu cầu cải thiện điện áp

Tác dụng chính của tụ bù dọc là làm giảm tổng trở nguồn cũng như cải thiện hệ số công suất Thông thường công suất danh định của tụ bù dọc nhỏ hơn nhiều so với các tụ bù ngang với cùng một cấp điện áp

Tụ bù dọc cung cấp công suất phản kháng vào lưới tỉ lệ với bình phương dòng điện, điều đó có nghĩa là nó cung cấp phần lớn nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải Trong khi đó, ngược lại, tụ bù ngang lại cung cấp ít nhất công suất phản kháng cho phụ tải

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

I.4.2.1 CÔNG SUẤT DANH ĐỊNH CỦA TỤ BÙ DỌC

Công suất danh định của tụ bù dọc phụ thuộc dòng điện danh định trên đường dây và giá trị dung kháng (tính bằng ) yêu cầu để đạt được sự điều khiển điện áp như mong muốn Phương pháp sử dụng biểu thức Maxwell được dùng để xác định công suất danh định của tụ Từ mạch điện hình (1.9), viết phương trình điện áp cho vòng kín:

L C L LD

+ IL là dòng điện pha trong mạch, A

Hình 1.9 Ví dụ về bù thừa trên đường dây hình tia





Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Nhấn 2 vế của (1.35) với dòng điện phức liên hợp, ta có biểu thức xác định công suất pha như sau:

) ( )]

( [R j X X I2 VA jQ

P jQ

Công suất 3 pha:

) ( )]

( [ 3 ) (

3 ) (

Ta giả thiết lưới điện được thiết kế trên cơ sở phụ tải đã biết tại điện áp danh định, và do đó (1.38) hoàn toàn xác định hoặc được tính toán trên các tham số của lưới thiết kế Chia (1.37) cho (1.38) ta được:

L

L C L

L L L

L LD

S

V

I X j V

I X j V

I R S

S 3  3  3. .  3  3 (1.39)

Tiếp tục chia (1.35) cho điện áp pha V L/ 3 ta được:

L

L C L

L L L

L L

LD L

S

V

I X j V

I X j V

I R V

V V

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

nghĩa là khi đầy tải tụ điện cung cấp 30% công suất danh định và điện áp rơi trên 2 cực của tụ là 30% điện áp danh định Chú ý

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

V I

X I

R I

X C. Lsin  Lcos L Lsin   (1.41)

Nhân các thành phần (1.41) với các hằng số 100 3 /V Lđể chuyển sang tỉ

lệ phần trăm, ta được:

V X

cot 1

R X

g

L C

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Giả thiết rằng công suất danh định, MVA, được xác định theo phụ tải mà mạch điện cung cấp Cũng giả sử tỉ số XL/R đã biết Với các tham số như vậy, công suất danh định của tụ được xác định theo tỉ lệ % cảm kháng và hệ số công suất phụ tải phù hợp với các chỉ tiêu tổn thất điện áp Trong hầu hết các trường hợp công thức xấp xỉ này (công thức 1.43) là đủ để xác định dung lượng bù theo yêu cầu phù hợp với chỉ tiêu tổn thất điện áp trong các điều kiện xác định Công thức xấp xỉ trên dựa theo (1.31) Nếu yêu cầu độ chính xác cao hơn thì trong (1.35) thành phần IL được viết thành:

Trong đó:  là góc trễ pha của dòng IL so với điện áp VLD

Thay (1.44) vào (1.35) ta được:

] sin cos

) [(

] sin ) (

cos [V R  X X  j X X  R 

L

L L L

V

I X

L

L C C

V

I X

X * . (1.46)

Nếu điện áp phụ tải được giữ bằng 1 trong đơn vị tương đối thì từ (1.45)

ta có:

) cos

2 1 ( sin sin V2 2 R R2X

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Thay (1.48) và (1.49) vào (1.47) ta có:

) cos

2 1 ( sin ) 1 (

2 2

2

h

X h

X V

X

L

Hình 1.10 và 1.11 cho ta lời giải biểu thức (1.50) tương ứng với các hệ

số công suất là 80% và 90% với các giá trị V khác nhau Chú ý rằng các đường cong là phi tuyến

Xem xét một ví dụ sử dụng hình 1.10 và 1.11 để giải: mạch có công suất danh định là 10MVA; cảm kháng danh định là 30%; tỉ số XL/R=3 Nếu hệ số công suất là 80% và giới hạn mức điều chỉnh điện áp là 5%, ta sử dụng hình 1.10(a) Trên trục X, tìm giao điểm của đường 30% với đường cong 5% rồi dóng sang trục Y ta được giá trị dung kháng danh định khoảng 35% Chú ý rằng nếu tỉ số XL/R của mạch điện càng thấp thì yêu cầu giá trị dung kháng càng lớn mới đáp ứng được chỉ tiêu điều chỉnh điện áp đặt ra Nếu phạm vi điều chỉnh điện áp là 10% thì ta tìm trên hình 1.10(b) tương ứng được giá trị dung kháng danh định khoảng 27% Tuy nhiên nếu hệ số công suất là 90% để đáp ứng mức điều chỉnh điện áp là 5% thì dung kháng danh định phải cần ở mức 42%, xem hình 1.11(a)

Các thử nghiệm trên hình (1.10) và (1.11) cũng chỉ ra rằng với những đường dây có tỉ số XL/R thấp, để đạt được phạm vi điều chỉnh điện áp là 5%

và 10% thì cần phải tiến hành bù thừa Điều này cho thấy các đường dây có điện trở lớn gây khó khăn cho việc bù dọc bởi vì bù thừa thường gây ra những ảnh hưởng xấu tới hệ thống

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

I.4.2.2 PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP TRÊN ĐƯỜNG DÂY CÓ BÙ DỌC

Phân bố điện áp trên đường dây hình tia phụ thuộc vào các tham số mạch điện, hệ số công suất của phụ tải và công suất tải Phân bố này biến đổi theo từng giờ khi phụ tải thay đổi trong chế độ xác lập và có thể biến đổi từng giây khi đóng cắt tải hay khi khởi động động cơ Thông thường sự thay đổi điện áp khi phụ tải cực đại là đáng quan tâm nhất vì khi đó điện áp phân bố từ nguồn đến phụ tải biến động lớn nhất Ví dụ sau đây sẽ minh họa hiệu quả tích cực của tụ bù dọc đến sự phân bố điện áp ở chế độ xác lập và đến điện áp quá độ trong thời gian khởi động động cơ

Hình 1.12 Mạch thử nghiệm với đường dây có bù dọc

Xem xét đường dây 23kV hình tia như trên hình 1.12

Đường dây này cấp điện cho các phụ tải A, B, C dọc theo đường dây Phụ tải thứ tư đặt tại cuối đường dây và là tải động cơ lớn Thông số phụ tải

A, B, C được cho trên bảng 1.2 và vị trí các phụ tải so với nguồn được cho trên hình 1.12 Tổng trở đường dây được cho trong hệ đơn vị tương đối với các lượng cơ bản là S=10MVA và V=23kV cho trong bảng 1.3 Chú ý khi động cơ khởi động, hệ số công suất là rất thấp

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Hình 1.13 Phân bố điện áp trên đường dây trước khi khởi động

Sử dụng chương trình tính toán dòng công suất để thiết lập các điều kiện đầu tồn tại trước khi khởi động động cơ Sau đó ta tính toán phân bố điện áp dọc đường dây trước khi động cơ được khởi động, kết quả tính toán cho trên hình 1.13 Cả 2 điều kiện là hệ thống cực đại và cực tiểu đều được thể hiện trên hình vẽ và phân bố áp khi có và không có bù dọc trong 2 chế độ trên cũng được minh họa trên hình 1.13 Các phụ tải được mô hình dưới dạng hằng số của P và Q

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Hình 1.14 Phân bố điện áp trên đường dây trong chế độ cực tiểu

Sau khi tính toán các điều kiện đầu, quá trình khởi động động cơ có thể được thực hiện bằng chương trình ổn định quá độ cho phép theo dõi sự biến đổi của điện áp trong miền thời gian Để cho đơn giản, ta chỉ tính điện áp tại nút 2 (phụ tải C) vì phụ tải C sẽ có điện áp thấp nhất so với các phụ tải A, B trên đường dây Kết quả phân bố điện áp tại nút C trong miền thời gian ở 2 chế độ hệ thống cực đại và cực tiểu được thể hiện trên hình 1.14

Bảng 1.2 Đặc tính phụ tải của hệ thống trên hình 1.12

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Bảng 1.3 Tổng trở đường dây trong đơn vị tương đối Đoạn dây Tổng trở

Đoạ

n dây

Tổng trở

Nguồn cực đại

Nguồn cực tiểu

7-6 6-5

0.038+j0.132 0.132+j0.378 0.049+j0.115 0.049+j0.115

5-4 4-3 3-2 2-1

0.000+j0.210 0.033+j0.077 0.033+j0.077 0.033+j0.077

Trong hình 1.14 đường cong phía trên và đường cong phía dưới tương ứng khi có bù dọc và khi không có bù Chú ý rằng điều kiện đầu được chọn theo điện áp tại nút 2 (phụ tải C) khi bắt đầu quá trình quá độ Trong điều kiện

hệ thống cực đại, điện áp sau thời gian quá độ là chấp nhận được nếu có bù dọc trên đường dây Điện áp này đạt 0.95 điện áp tiêu chuẩn nhưng để đạt được điều này thì điện áp đầu trạm phải đạt 1.02 pu bằng các biện pháp khác nhau Chẳng hạn nếu trạm biến áp đầu nguồn vẫn có thể thay đổi các đầu phân áp thì có thể đảm bảo điện áp đặt như mong muốn Một cách khác để thực hiện mục đích trên là đặt tụ bù ngang trên lộ đường dây

Các điểm cực tiểu của điện áp trong 4 điều kiện cũng thể hiện rõ ràng trên hình vẽ Thậm chí có thời điểm điện áp xuống rất thấp, tuy nhiên thời gian tồn tại nhỏ hơn 10ms nên vẫn đảm bảo để các thiết bị bảo vệ không tác động cắt mạch

Điện áp tăng trên tụ khi có bù dọc gần như tỉ lệ với dòng điện và mức tăng này đôi khi lớn hơn trong các điều kiện làm tăng dòng điện chẳng hạn như trong quá trình khởi động động cơ Điều gợi ý này chỉ ra rằng cần xem

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

xét kỹ vị trí đặt bù để điện áp tại các nút tải được cải thiện đủ ở mức cho phép

so với khi không có bù mà vẫn không gây ra hiện tượng quá điện áp Điện áp quá cao gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng ví dụ như gây bão hòa các máy biến áp phân phối Chú ý rằng bảo vệ quá điện áp cho tụ phải được đặt ở giá trị đủ lớn để tụ bù dọc không bị nối tắt (do tác động của thiết bị bảo vệ) trong quá trình khởi động động cơ

I.4.2.3 VỊ TRÍ BÙ DỌC TRÊN ĐƯỜNG DÂY HÌNH TIA

Nếu đường dây hình tia chỉ cung cấp điện cho 1 phụ tải thì phụ tải này sẽ được đặt ở cuối đường dây Trong trường hợp này điều chỉnh điện áp và tác động làm giảm tổn thất là độc lập với vị trí đặt bù Vị trí đặt bù tốt nhất trong trường hợp này là đặt bù tại cuối đường dây, ngay tại phụ tải Vị trí này làm giảm đến mức thấp nhất ảnh hưởng của các sự cố lên tụ bù dọc và do đó cho phép thiết kế các bộ tụ và thiết bị bảo vệ (thiết bị nối tắt) ít tốn kém hơn

Nếu trên đường dây hình tia có 1 số lộ khác nối vào hoặc đường dây cung cấp cho 1 số phụ tải dọc đường dây thì việc xác định vị trí bù tối ưu sẽ trở nên khó khăn hơn nhiều Quy tắc chung để xác định vị trí bù trong trường hợp này là đặt bù trên đoạn đường dây mà tổn thất điện áp trên đoạn đường dây đó bằng từ 1/3 đến 1/2 tổn thất điện áp trên toàn lưới hình tia Do đó điện

áp tất cả các tải nối sau tụ bù dọc sẽ được tăng lên và đồng thời làm giảm hiện tượng biến động điện áp Trong khi xác định vị trí đặt bù, cần chú ý hạn chế mức độ tăng điện áp sao cho điện áp tại tất cả các nút trong mạch nhỏ hơn 110% điện áp danh định Điều này sẽ tránh được các vấn đề về cộng hưởng sắt từ có liên quan đến máy biến áp

Nếu một tụ bù dọc vẫn không thỏa mãn các yêu cầu điều chỉnh điện áp trên đường dây thì ta có thể sử dụng thêm các tụ bù Cũng có thể lựa chọn kết hợp tụ bù dọc với tụ bù ngang trên cùng một đường dây

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

cố đến nguồn được tính theo sơ đồ hình 1.15 Tổng trở phụ tải nút 6 đủ lớn do

đó có thể bỏ qua tổng trở nhánh song song khi sự cố Tổng tổng trở sự cố được tính:

) ( 2 48 204 0 152 0 136

Dòng sự cố 3 pha được tính: 5 15 ( )

204 0

05 1

pu

Và điện áp trên tụ: V CAP 5 15  0 21  1 08 pu 14 34kV (1.53)

Con số này được so sánh với điện áp danh định trên tụ, có giá trị bằng 2 lần điện áp lớn nhất trong chế độ bình thường đặt trên tụ Nếu ta lấy dòng lớn nhất trong chế độ bình thường là dòng khởi động động cơ, trong trường hợp này có giá trị 3.65kA, thì ta có:

kV pu

V

pu kA

I

CAP

MAX

54 40 05

3 21 0 54 14

54 14 65

3

cố tăng lên nhưng không thích hợp khi để toàn bộ dòng sự cố này đi qua tụ vì khi đó tụ phải được chọn với điện áp danh định rất cao, chính vì thế một hệ thống nối tắt bảo vệ tụ là yêu cầu cần thiết

Häc viªn: TrÇn TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004

Các công thức trên tính toán dòng và áp (của tụ) khi có dòng sự cố chạy qua tụ bù Dòng điện này dùng để xác định dòng danh định tức thời của bộ tụ Giá trị dòng sự cố không được sử dụng để thiết kế bộ tụ Điện áp của bộ tụ thiết kế phải dựa trên dòng điện tức thời chạy qua tụ khi có sự cố Điện áp này được tính như sau:

)

Hình 1.15 Sơ đồ thay thế ngắn mạch 3 pha tại nút 4

Trong phần lớn các trường hợp sẽ rất là không kinh tế nếu thiết kế tụ bù dọc thỏa mãn điện áp quá độ nguy hiểm nhất, vì điện áp này phụ thuộc vào dòng điện sự cố Giải pháp cho vấn đề này (điện áp quá độ nguy hiểm) là sử dụng thiết bị bảo vệ nối tắt, là chức năng chính của bảo vệ quá áp Khi sự cố xảy ra, thiết bị bảo vệ quá áp sẽ nối tắt tụ ngay lập tức, nối tắt toàn bộ hay một phần bộ tụ tùy thuộc vào dạng thiết bị nối tắt được sử dụng Nếu dạng nối tắt toàn bộ được sử dụng, chẳng hạn như khe hở phóng điện, thì sẽ hạn chế được dòng sự cố nhờ việc tăng nhanh tổng trở của mạch Dạng nối tắt một phần có được bằng cách sử dụng biến trở (varistor) Khi sử dụng dạng nối tắt bằng biến trở khiến cho việc phân tích dòng qua biến trở và điện áp trên tụ sẽ trở nên khó khăn hơn, đòi hỏi phải sử dụng chương trình EMTP để xác định các thời điểm dẫn dòng qua biến trở và các lượng định mức của biến trở