Nghiên cứu thiết kế bộ lọc tích cực để hạn chế sóng hài cho lưới điện nhà máy đúc gang cầu thiên phát

Một trong các phương pháp lọc sóng hài là sử dụng bộ lọc tích cực để cải thiện hiệu suất của EAF và các vấn đề về chất lượng điện của hệ thống điện để nâng cao chất lượng và giảm thiểu ả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Ngô Văn Thái

Ngovanthai200671@gmail.com thainv@vinhthanhltd.vn

L ỜI CẢM ƠN

Qua bài luận văn này, tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới

PGS TS B ạch Quốc Khánh - GVHD, các thầy, cô giáo giảng viên bộ môn Hệ

Thống Điện, Viện Điện, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã luôn tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức hay giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình

thực hiện luận văn này

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, tập thể lớp 18BKTĐ.KH, ban lãnh đạo công ty TNHH Thương Mại và Dịch Vụ Vinh Thành cùng các công ty đối tác luôn tạo điều kiện về thời gian, tài liệu để tác giả có thể hoàn thành tốt bài luận văn

H ọc viên

Ngô Văn Thái

M ỤC LỤC

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài 1

1.2 Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được): 1

1.3 Tên đề tài: 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu: 2

1.6 Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết: 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP L ỌC SÓNG HÀI 4

2.1 Sóng hài 4

2.2 Các nguồn sinh ra sóng hài 5

2.2.1 Máy biến áp 5

2.2.2 Máy điện quay 6

2.2.3 Thiết bị hồ quang 7

2.2.4 Bộ biến đổi công suất tĩnh 8

2.3 Ảnh hưởng của sóng hài đến hệ thống điện 9

2.3.1 Ảnh hưởng của sóng hài đến cách điện của các thiết bị điện 9

2.3.2 Trở kháng của hệ thống 13

2.3.3 Dung kháng của tụ điện 15

2.3.4 Một số ảnh hưởng cụ thể khác của sóng điều hòa bậc cao 15

2.4 Các biện pháp giảm sóng hài bậc cao 19

2.4.1 Máy biến áp 19

2.4.2 Máy điện quay 19

2.4.3 Sử dụng các bộ lọc công suất 20

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA LÒ HỒ QUANG ĐẾN LƯỚI ĐIỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LÒ HỒ QUANG 24

3.1 Lò hồ quang điện 24

3.1.1 Khái quát về lò hồ quang điện 24

3.1.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động 24

3.2 Ảnh hưởng của lò hồ quang đến lưới điện 28

3.2.1 Sụt giảm điện áp do khởi động lò hồ quang 28

3.2.2 Quá điện áp do hồ quang 29

3.2.3 Phát sinh sóng hài 29

3.2.4 Méo dạng sóng điện áp và dòng điện 29

3.2.5 Dao động điện áp và flicker 29

3.3 Một số phương pháp mô mô phỏng lò hồ quang 29

3.3.1 Phương pháp phân tích trên miền thời gian 30

3.3.2 Phương pháp sử dụng mạch điện tương đương khảo sát trên miền thời gian (DTEC) 34

3.3.3 Phương pháp phân tích trên miền tần số 35

3.3.4 Kết quả mô phỏng 36

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT CÔNG SUẤT TỨC THỜI VÀ MÔ HÌNH B Ộ LỌC TÍCH CỰC 3 PHA 3 DÂY 41

4.1 Đặt vấn đề 41

4.2 Các phương pháp điều khiển bộ lọc tích cực 41

4.2.1 Phương pháp dựa trên miền tần số 41

4.2.2 Phương pháp dựa trên miền thời gian 43

4.3 Mô hình hoá hệ thống bộ lọc tích cực dựa trên lý thuyết công suất tức thời 46 CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA LÒ HỒ QUANG VÀ BỘ L ỌC TÍCH CỰC ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NHÀ MÁY ĐÚC GANG C ẦU THIÊN PHÁT 49

5.1 Khái quát 49

5.2 Xây dựng mô hình tải lò hồ quang 49

5.3 Giới thiệu phần mềm Matlab/Simulink 52

5.3.1 Cấu trúc thư viện simulink 52

5.3.2 Cấu trúc thư viện Simpowersystems 56

5.4 Mô phỏng hiện tượng chớp nháy điện áp do lò hồ quang gây ra 59

5.5 Mô phỏng bộ lọc sóng hài sử dụng cho lưới điện nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát 62

5.6 Đánh giá hiệu quả sử dụng bộ lọc tích cực trong việc giảm thiểu sóng hài cho lưới điện nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát 64

5.6.1 Giới thiệu hợp bộ thí nghiệm đánh giá chất lượng điện năng 64

5.6.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá tác động của bộ lọc tích cực trong việc giảm thiểu sóng hài 66

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 81

PH Ụ LỤC

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Đồ thị thay đổi các sóng hài bậc cao 4

Hình 2.2 Đồ thị dòng điện bão hoà của máy biến áp 6

Hình 2.3 Đồ thị các thành phần dòng điện từ hóa của máy biến áp 6

Hình 2.4 Ví dụ về từ trường của máy điện quay 7

Hình 2.5 Ví dụ sóng hài dòng điện sinh ra bởi động cơ đồng bộ 1 pha 7

Hình 2.6 Mức độ điện áp và dòng điện điều hòa trong lò điện hồ quang 8

Hình 2.7 Dạng sóng điện áp của hồ quang điện 8

Hình 2.8 Dạng đường cong điện áp có chu kỳ hình sin (a), dạng nhọn (b) và dạng bằng đầu (c) có cùng điện áp tác động 10

Hình 2.9 Đồ thị đường cong điện áp biến thiên theo biên độ 𝜂3R và pha đầu tiên 𝜓332T 11

Hình 2.10 Quan hệ giữa trở kháng và tần số trong hệ thống có tính cảm 14

Hình 2.11 Lọc tích cực kiểu song song 21

Hình 2.12 Lọc tích cực kiểu nối tiếp 22

Hình 3.1 Sơ đồ mạch điện chính của lò hồ quang 27

Hình 3.2 Sụt giảm điện áp do khởi động lò hồ quang 29

Hình 3.3 Đặc tính V-I model 1 31

Hình 3.4 Đặc tính V-I Model 2 32

Hình 3.5 Đặc tính V-I model 3 33

Hình 3.6 Sơ đồ mạch điện tương đương model 4 34

Hình 3.7 Sơ đồ mạch điện thay thế model 5 35

Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện thay thể ở tần số cơ bản 36

Hình 3.9 Sơ đồ mạch thay thế nguồn sóng hài điện áp 36

Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống cấp điện cho lò hồ quang 37

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng 6 model đề xuất 38

Hình 4.1 Phương pháp tính toán FFT 42

Hình 4.2 Nguyên lý hoạt động mạch lọc tích cực song song 3 pha 43

Hình 4.3 Các khối thuật toán điều khiển bộ lọc tích cực kiểu song song 45

Hình 4.4 Sơ đồ bộ lọc tích cực mắc song song 3 pha 3 dây 46

Hình 4.5 Sơ đồ khối lưới điện thử nghiệm 47

Hình 5.1 Thư viện khối nguồn 53

Hình 5.2 Thư viện khối Sink 54

Hình 5.3 Thư viện khối Signal Routing 55

Hình 5.4 Thư viện khối các phép toán 56

Hình 5.5 Thư viện khối nguồn điện 58

Hình 5.6 Sơ đồ mạch điện tương đương lò hồ quang ba pha 59

Hình 5.7 Mô hình điện dẫn pha A của lò hồ quang ba pha 60

Hình 5.8 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 61

Hình 5.9 Sơ đồ mô phỏng hệ thống 61

Hình 5.10 Hợp bộ thí nghiệm chất lượng điện năng C.A 8336 65

Hình 5.11 Cấu tạo C.A 8336 66

Hình 5.12 Mô phỏng Simulink lưới điện mẫu và giải pháp sử dụng bộ lọc tích cực 66

Hình 5.13 Điện áp hiệu dụng tại PCC 67

Hình 5.14 Điện dẫn, điện áp, dòng điện của EAF và điện áp pha A của PCC 67

Hình 5.15 Đặc tính điện áp - dòng điện hồ quang điện pha A 67

Hình 5.16 Biên dạng sóng dòng điện cấp điện áp 0,4kV 68

Hình 5.17 Biên dạng sóng điện áp cấp điện áp 0,4kV 68

Hình 5.18 Biên dạng sóng dòng điện của hệ thống tại thanh cái 110kV 68

Hình 5.19 Biên dạng sóng điện áp của hệ thống tại thanh cái 110kV 69

Hình 5.20 Biên dạng sóng dòng điện pha A cấp điện áp 22kV 69

Hình 5.21 Biên dạng sóng điện áp giữa pha B và pha C cấp điện áp 22kV 70

Hình 5.22 Sóng hài dòng điện của cấp điện áp 0,4kV 70

Hình 5.23 Sóng hài điện áp của cấp điện áp 0,4kV 71

Hình 5.24 Sóng hài của dòng điện cấp điện áp 110kV 71

Hình 5.25 Sóng hài điện áp của cấp điện áp 110kV 71

Hình 5.26 Kết quả đo thực tế biên dạng sóng tại nhà máy 72

Hình 5.27 Kết quả đo thực tế phổ sóng hài dòng điện khi chưa lắp bộ lọc 73

Hình 5.28 Mô hình lưới điện nhà máy khi có bộ lọc sóng hài tích cực 73

Hình 5.29 Điện áp hiệu dụng tại PCC sau khi lắp bộ lọc sóng hài 74

Hình 5.30 Đặc tính v-i pha A của EAF sau khi lắp bộ lọc 74

Hình 5.31 Điện dẫn, điện áp, dòng điện của EAF và điện áp pha A của PCC sau khi lắp bộ lọc 74

Hình 5.32 Biên dạng sóng dòng điện của hệ thống tại thanh cái 110kV sau khi lắp bộ lọc 75

Hình 5.33 Biên dạng sóng dòng điện của hệ thống tại thanh cái 110kV sau khi lắp bộ lọc 75

Hình 5.34 Biên dạng sóng dòng điện của hệ thống tại thanh cái 0,4kV sau khi lắp bộ lọc 75

Hình 5.35 Biên dạng sóng điện áp của hệ thống tại thanh cái 0,4kV sau khi lắp bộ lọc 76

Hình 5.36 Sóng hài dòng điện của cấp điện áp 110kV sau khi lắp bộ lọc 76

Hình 5.37 Sóng hài điện áp của cấp điện áp 110kV sau khi lắp bộ lọc 77

Hình 5.38 Sóng hài dòng điện của cấp điện áp 0,4kV sau khi lắp bộ lọc sóng hài 77Hình 5.39 Sóng hài dòng điện của cấp điện áp 0,4kV sau khi lắp bộ lọc 78Hình 5.40 Kết quả đo thực tế biến dạng sóng và sóng hài dòng điện sau khi lắp

bộ lọc 78

DANH M ỤC BẢNG

Bảng 2.1 Giá trị đường cong điện áp biến thiên theo biên độ 𝜂3R và pha đầu tiên

𝜓3 của sóng hài điện áp bậc 3 11

Bảng 3.1 Các thông số mô phỏng thống cung cấp điện cho lò hồ quang 37

Bảng 3.2 So sánh các thành phần sóng hài giữa các Model 39

Bảng 3.3 Bảng tóm tắt các phương pháp mô phỏng 40

Bảng 5.1 Thông số hệ thống điện thử nghiệm 62

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

equation

1

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Ngày nay, cùng sự phát triển của xã hội là tốc độ tăng trưởng về kinh tế kéo theo sự phát triển về cơ sở hạ tầng và lĩnh vực xây dựng mà tốc độ tăng trưởng

của ngành sản xuất gang, thép càng trở nên phát triển Giá điện tại Việt Nam còn

thấp đồng nghĩa với việc nhiều doanh nghiệp đưa lò hồ quang điện (EAF) vào hệ

thống phân phối gây ra nhiều vấn đề về chất lượng điện như dao động điện áp, sóng hài và mất cân bằng điện áp

Chính sách pháp luật của nhà nước đưa ra yêu cầu về cung cấp điện và đảm

vảo cung cấp điện với chất lượng ngày càng nâng cao từ phía khách hàng cũng như EVN thông qua các quy định rất cụ thể về độ tin cậy, chất lượng điện áp, tần

số… thúc đấy quá trình tìm kiếm các giải pháp nhằm khắc phục các vấn đề này Dòng điện hài là dòng năng lượng không sử dụng được với các thiết bị trên lưới, thành phần này chuyển hoá sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao

Bản chất phi tuyến tính và thời gian thay đổi của lò hồ quang điện (EAF)

tạo ra nhấp nháy điện áp, sóng hài và sự mất cân bằng điện áp/ dòng điện Tại

Việt Nam, nghiên cứu về các vấn đề chất lượng điện liên quan đến EAF vẫn còn thiếu dẫn đến thiếu các giải pháp hiệu quả để giảm thiểu các vấn đề chất lượng điện do EAF gây ra đã thúc đẩy nghiên cứu này Một điều quan trọng là đưa ra được một số giải pháp nhằm khắc phục ảnh hưởng của EAF đến hệ thống điện phân phối

Việc sử dụng các thiết bị để lọc bỏ thành phần sóng hài, đã và đang được quan tâm trong những năm gần đây Một trong các phương pháp lọc sóng hài là

sử dụng bộ lọc tích cực để cải thiện hiệu suất của EAF và các vấn đề về chất lượng điện của hệ thống điện để nâng cao chất lượng và giảm thiểu ảnh hưởng

của EAF đến chất lượng điện của hệ thống điện

Đề tài tập trung nghiên cứu và xây dựng mô hình về lò hồ quang điện và

mạch lọc tích cực sóng hài cho hệ thống điện Thiết kế bộ lọc tích cực cho lưới điện của nhà máy để giảm thiểu sóng hài nâng cao chất lượng điện

1.2 M ục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được):

Trình bày các ảnh hưởng của sóng hài đến hệ thống điện

Phân tích các giải pháp hạn chế ảnh hưởng của sóng hài giúp nâng cao CLĐN

Đưa ra được mô hình mô phỏng của lò hồ quang điện

Nghiên cứu bộ lọc tích cực và thuật toán bù sóng hài

Nghiên cứu, thiết kế bộ lọc sóng hài nhằm hạn chế sóng hài cho lưới điện,

cụ thể là lưới điện của nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát, KCN Đại Đồng – Hoàn Sơn, Tiên Du, Bắc Ninh

So sánh, đánh giá giữa kết quả mô phỏng và kết quả kiểm tra thực tế tại nhà máy

2

1.3 Tên đề tài:

“Nghiên c ứu thiết kế bộ lọc tích cực để hạn chế sóng hài cho lưới điện nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát”

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Bài luận văn nghiên cứu tập trung về lò hồ quang điện và bộ lọc tích cực 3 pha 3 dây dùng cho tải phi tuyến là lò hồ quang điện trên lưới điện phân phối của

một nhà máy sản xuất gang thép

1.5 Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết về sóng hài và các biện pháp giảm sóng hài

Nghiên cứu lý thuyết về lò Hồ quang điện

Thực hiện mô phỏng lò hồ quang điện và bộ lọc tích cực trên phần mềm Matlab/Simulink để phân tích, đánh giá

1.6 N ội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:

Trình bày tổng quan về sóng hài và ảnh hưởng của sóng hài đến chất lượng điện

Trên cơ sở lý thuyết về bộ lọc sóng hài, xây dựng mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực

Trình bày tổng quan về lò hồ quang điện, xây dựng mô hình mô phỏng của

lò hồ quang

Trên cơ sở mô hình mô phỏng về lò hồ quang điện và bộ lọc đã xây dựng,

áp dụng cụ thể cho hệ thống điện của nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát Từ đó rút ra đánh giá và kết luận

Cấu trúc luận văn bao gồm:

Chương 2: Tổng quan về sóng hài và các phương pháp lọc sóng hài

Trình bày tổng quan về sóng hài, nguyên nhân gây ra sóng hài và trình bày

một số ảnh hưởng của sóng hài đến chất lượng điện Đưa ra một số biện pháp

nhằm giảm thiểu và hạn chế sóng hài nâng cao chất lượng điện trong hệ thống điện

Chương 3: Ảnh hưởng của lò hồ quang đến lưới điện và các phương pháp mô phỏng lò hồ quang

Trình bày lý thuyết cơ bản về công suất tức thời, phương pháp điều khiển

p-q, nghiên cứu về mạch lọc tích cực cho hệ thống điện ba pha ba dây và đưa ra mô hình mô phỏng của mạch lọc tích cực cho lưới điện phân phối ba pha ba dây

Chương 5: Mô phỏng ảnh hưởng của lò hồ quang và bộ lọc tích cực đến chất lượng của hệ thống điện của nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát

Đưa ra phương pháp và cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình lò hồ quang điện trên phần mềm Matlab/Simulink Trình bày một số lý thuyết cơ bản về phần

mềm Matlab/Simulink Xây dựng mô hình mô phỏng lò hồ quang điện, bộ lọc tích cực Đưa ra mô hình mô phỏng của lưới điện nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát và đánh giá ảnh hưởng của lò hồ quang, bộ lọc tích cực đến chất lượng điện

của lưới điện nhà máy So sánh, đánh giá giữa kết quả mô phỏng và số liệu đo đạc thực tế để đánh giá tác động của bộ lọc sóng hài tích cực đến chất lượng lưới điện của nhà máy

K ết luận và kiến nghị

Luận văn đã nêu ra một số lý thuyết cơ bản về sóng hài, nguyên nhân sinh

ra và các biện pháp giảm thiểu sóng hài Một loại hình phụ tải đang được sử dụng

rộng rãi và phổ biến trong ngành công nghiệp năng lượng có ảnh hưởng xấu đến

chất lượng điện năng là lò hồ quang Để nghiên cứu ảnh hưởng của nó đến lưới điện luận văn đã nêu ra một số phương pháp mô phỏng lò hồ quang và đưa ra

một phương pháp mới để mô phỏng ảnh hưởng của lò hồ quang ba pha đến lưới điện, đặc biệt là hiện tượng sóng hài

Luận văn đã mô phỏng thành công hiện tượng sóng hài do lò hồ quang ba pha gây ra cho lưới điện bằng công cụ Matlab/Simulink và mô phỏng được bộ

lọc tích cực nhằm khắc phục hiện tượng này Để đề tài có thể phát triển trở thành

một công cụ hiệu quả trong việc tính toán thiết kế các thiết bị để khắc phục hiện tượng nhấp nháy điện áp sóng hài và một số chỉ tiêu khác liên quan tới các vấn

đề về chất lượng điện năng

T ài liệu tham khảo

Phụ lục

dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số của tần số cơ bản

Để đánh giá sự méo dạng sóng điều hòa do dòng điện hài gây ra ta sử dụng thông số quan trọng đó là hệ số méo dạng THD (Total Harmonic Distortion) được xác định bằng biểu thức sau:

Từ (2.1) ta có thể đáng giá độ méo dòng điện và điện áp qua hệ số méo

dạng dòng điện và hệ số méo dạng điện áp

Việc sai lệch điện áp trên các lưới phân phối ở trong hệ thống chủ yếu là do các sóng hài của dòng điện không tải các máy biến áp, cũng như do các bộ biến đổi van Đó là do không có việc chuyển mạch cũng như nhờ có các thiết bị điều

chỉnh điện áp tự động tại các nhà máy điện và độ ổn định điện áp tại các nhà máy điện của hệ thống điện năng Tại đây, người ta lắp đặt các thiết bị bù đồng bộ có thiết bị điều chỉnh điện áp tự động

Hình 2.1 giới thiệu về các đồ thị thay đổi các sóng hài bậc cao chủ yếu của điện áp pha A và sóng hài bậc 3 của pha B ở mạng 6kV Ở đó không có các bộ

biến đổi van Sóng hài điện áp các pha A và B được đo trong các ngày khác nhau Độ lớn phụ tải ít ảnh hưởng đến cấp độ của sóng hài bậc cao của điện áp

Hình 2.1 Đồ thị thay đổi các sóng hài bậc cao

5

2.2 Các ngu ồn sinh ra sóng hài

Ngày nay, trong hệ thống điện phân phối, các loại sóng điều hòa dòng điện

và điện áp có xu hướng gia tăng cao cả về cường độ và số lượng sóng điều hòa tham gia vào hệ thống Một lý do quan trọng là sự tăng nhanh của các thiết bị, mà các thiết bị này lại sinh ra sóng hài chẳng hạn như các thiết bị biến đổi điện, các

lò hồ quang điện, các nhà máy hàn điện… Bộ điện kháng điều khiển bằng Thysistor là một ví dụ khác nhau về thành phần của hệ thống điện có phát ra sóng hài Các thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để điều khiển điện

áp, điều khiển tốc độ, thay đổi tần số và biến đổi công suất Việc gia tăng sử dụng

tụ bù ngang trong những năm gần đây để cải thiện hiệu quả vận hành của hệ

thống và giảm chi phí cũng có ảnh hưởng đáng kể vào mức sóng hài Các bộ tụ điện không phát ra các sóng hài, nhưng tạo cho các mạch vòng điều kiện cộng hưởng toàn thể hay cục bộ Nghiên cứu để biết đầy đủ về sóng hài và ảnh hưởng

của sóng hài đối với tụ điện là cần thiết để có cách sử dụng thích hợp tụ điện trên lưới điện

Có nhiều nguồn sóng hài trên hệ thống điện Nói chung các thiết bị có đặc tính vận hành phi tuyến phát ra sóng hài như máy biến áp, các máy điện quay, các thiết bị hàn hồ quang, các lò điện hồ quang, các thiết bị được điều khiển bằng bán dẫn, chẳng hạn như các bộ điều khiển điện áp, chỉnh lưu, hệ thống bù tĩnh (SVC)

Với điều kiện vận hành tải đối xứng, các sóng hài có thể phân chia thành các thành phần thứ tự thuận, nghịch và không:

- Thành phần thứ tự thuận: các sóng hài 1, 4, 7,…

- Thành phần thứ tự nghịch: các sóng hài 2, 5, 8…

- Thành phần thứ tự không: các sóng hài 3, 6, 9…

Đối với các điều kiện không đối xứng trong các pha, chẳng hạn như điện

áp, tổng trở hệ thống không đối xứng, mỗi sóng hài có thể xảy ra 1 trong 3 thành

phần thứ tự nói trên

2.2.1 Máy biến áp

Để duy trì điện áp sin thì từ thông sin phải được tạo ra từ dòng từ hoá Khi biên độ của điện áp (và từ thông) đủ lớn để rơi vào trường hợp không tuyến tính,

sẽ dẫn đến dòng điện từ lớn bị méo dạng và chứa sóng hài

Sự bão hòa của máy biến áp gây ra sự không sin mà là dạng xung nhọn đầu

của dòng điện từ hóa máy biến áp trên hình 2.2 Khi đặt một điện áp lớn hơn điện

áp định mức của máy biến áp, các thành phần điều hòa của dòng điện từ hóa có

thể tăng đáng kể trên hình 2.3 Ở hình này là một ví dụ về thành phần điều hòa

của dòng từ hóa là hàm số của điện áp sử dụng

6

Trên đồ thị hình 2.3 ta thấy biên độ sóng hài bậc 3 tỉ lệ thuận với việc tăng điện áp nguồn Trong khi đó biên độ sóng hài bậc 5 và bậc 7 có xu hướng giảm

dần

Hình 2.2 Đồ thị dòng điện bão hoà của máy biến áp

Hình 2.3 Đồ thị các thành phần dòng điện từ hóa của máy biến áp

2.2.2 Máy điện quay

Các sóng hài được phát sinh bởi máy điện quay liên quan chủ yếu tới biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở roto và stato của máy Các máy điện đồng

bộ có thể sản sinh ra các sóng hài, bởi vì dạng của từ trường hình sin, sự bão hòa trong các mạch từ chính, các mạch từ tản và do các dây quấn cản dịu không đối

xứng

7

Hình 2.4 Ví dụ về từ trường của máy điện quay Trên hình 2.4 biểu diễn các dạng từ trường của các máy cực lồi và cực ẩn

của máy điện quay

Do không sử dụng máy biến áp đấu tam giác, động cơ đồng bộ 1 pha sẽ sinh ra sóng hài dòng điện bậc 3 có giá trị khoảng 10% Hình 2.5 chỉ ra dạng sóng dòng điện không sin sinh ra bởi động cơ đồng bộ 1 pha

Hình 2.5 Ví dụ sóng hài dòng điện sinh ra bởi động cơ đồng bộ 1 pha

2.2.3 Thiết bị hồ quang

Các thiết bị hồ quang điện thường gặp nhất trong hệ thống điện lực công nghiệp

là các lò điện hồ quang, các máy hàn và các thiết bị chiếu sáng dựa trên nguyên

lý hồ quang điện nhiều hơn Ngày nay với sự phát triển của các đô thị lớn, số lượng đèn cho hệ thống chiếu sáng công cộng, các bãi đậu xe, đèn huỳnh quang cho các văn phòng lớn ngày càng nhiều Đây là các ví dụ điển hình về các tải hồ quang phân bố có dung lượng tổng đáng kể Các loại đèn này có tính chất vật lý

giống như lò điện hồ quang và cũng phát ra phổ dòng điều hòa giống nhau Độ méo dòng điện điều hòa thường là 10%

Hình 2.7 Dạng sóng điện áp của hồ quang điện

2.2.4 Bộ biến đổi công suất tĩnh

Các biến đổi công suất tĩnh được sử dụng rộng rãi do có hiệu quả cao trong

vận hành Các bộ chỉnh lưu ba pha được sử dụng rộng rãi và được phân chia thành ba loại:

Bộ biến đổi AC/ DC điển hình được sử dụng trong việc cung cấp nguồn cho các động cơ DC, các ắc quy hay trong công nghệ chế biến hóa học ( điện phân,

mạ điện ) và truyền tải một chiều

9

Bộ AC/ DC/ AC thông thường biến đổi từ AC sang DC, rồi lại từ DC trở về

AC nhằm mục đích điều khiển tốc độ của các động cơ đồng bộ hay không đồng

bộ có tần số khác với tần số cơ bản 50Hz ( hoặc 60Hz)

Chuyển đổi từ AC sang DC thường được thực hiện bằng các thiết bị công

suất như Diode, Thysistor Chất lượng nguồn chỉnh lưu phụ thuộc vào số xung

chỉnh lưu như 3, 6, 12, 24 xung và hơn nữa Số xung phản ánh số thiết bị đóng

ngắt trạng thái được sử dụng

Chuyển đổi từ DC sang AC thường được thực hiện bằng các bộ biến đổi công suất như Thysistor, IGBT Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuât, các bộ biến đổi công suất có thể chịu được điện áp cao và dòng điện lớn

Có thể đáp ứng hầu hết các dải công suất từ vài W tới hàng MW

Bộ biến đổi DC/ AC thường được sử dụng cho tải sử dụng tập trung nguồn

1 chiều, nghịch lưu ra điện áp AC để điều khiển động cơ, trong truyền tải 1 chiều

2.3 Ảnh hưởng của sóng hài đến hệ thống điện

Sóng hài bậc cao trong hệ thống cung cấp điện của các xí nghiệp công nghiệp như đã nêu trên, không có lợi cho hàng loạt nguyên nhân sau: sinh ra các

tổn thất phụ trong các máy điện, máy biến áp và trong lưới điện: gây trở ngại cho

việc bù công suất phản kháng; rút ngắn tuổi thọ của cách điện trong các bộ phận

của máy điện; làm giảm chất lượng làm việc của hệ thống rơle bảo vệ, aptomat, điều khiển từ xa, liên kết và ảnh hưởng đến hàng loạt vấn đề khác

2.3.1 Ảnh hưởng của sóng hài đến cách điện của các thiết bị điện

Sự biến dạng của đường cong điện áp gây ảnh hưởng đến sự phát sinh và duy trì các quá trình ion hóa trong cách điện của máy điện và máy biến áp

Khi sử dụng máy cắt có khí, trong các bộ đóng ngắt xuất hiện các ion, mà

bản chất của nó là sự hình thành các điện tích tổng và sự tác động điện tích Sự tác động điện tích liên quan đến năng lượng khuếch tán Do đó xuất hiện tác động cơ, hóa, điện lên điện môi xung quanh Kết quả của quá trình ion hóa là làm tăng các suy giảm cục bộ trong cách điện, làm giảm độ bền điện của vật liệu điện, làm tăng tổng tổn thất điện môi và rút ngắn thời gian vận hành

Số lần phóng điện mỗi khi đóng điện máy cắt khí trong khoảng thời gian

bằng chu kỳ của đường cong tương đương bằng 8, 16, 4 Mối liên quan giữa các

hệ số tổn thất điện môi tgσlà 1:2,25:0,23

Các nghiên cứu cho thấy, trong trường hợp biên độ của các đường cong

giống nhau như hình 2.8 - a, b, c thì tgϭ sẽ lớn khi đường cong dạng nhọn và sẽ

nhỏ khi đường cong ở dạng bằng đầu so với đường hình sin, mặc dù sự khác nhau không đáng kể, kể cả khi có giá trị tác động giống nhau

Hình 2.9- a, e đưa ra đường cong điện áp biểu diễn bằng phương trình:

Trong bảng 2.1 đưa ra các giá trị η3 và Ψ3 và mối liên hệquy định sự tăng

tgσ của cách điện ( nhựa cánh kiến Micaphon) để tính sóng hài điện áp bậc 3 Các giá trị kσ có được nhờ thí nghiệm Các thí nghiệm khẳng định rằng

sự suy giảm cách điện trong thiết bị điện phần lớn là do dòng điện có khí Qua

bảng 2.1 và hình 2.9 cho thấy tgσ có giá trị lớn hơn khi đường cong điện áp

dạng nhọn Đặc biệt, cả khi có sự sai lệch điện áp không lớn, xấp xỉ với chuẩn

quốc gia cho phép hình 2.9- b, d các độ lệch này tính được trong khoảng ± 20% Nghiên cứu các dạng đường cong điện áp trên lưới phân phối cho thấy ở

phần lớn các trường hợp tính sóng hài bậc cao, các đường cong điện áp ở dạng

11

nhọn hơn so với đường hình sin Cho nên sự có mặt của sóng hài bậc cao trên các lưới này dẫn đến giảm tuổi thọ của cách điện của các máy điện và máy biến áp Khi có sóng hài trong đường cong điện áp, quá trình lão hóa điện môi của

tụ điện diễn ra nhanh hơn so với trường tụ điện làm việc với điện áp hình sin Điều này chứng tỏ quá trình lão hóa điện môi của chúng tăng lên rõ khi có tần số điện trường cao Tương tự, ảnh hưởng điện tích xung bổ sung tạo nên sóng hài

bậc cao của dòng điện

Để đánh giá sự phát triển của quá trình lão hóa trong điện môi của các tụ điện mà quá trình đó quyết định sự thay đổi hàng loạt các thông số của cách điện

ta sử dụng một tiêu chuẩn tổng quát đó là sự thay đổi hệ số tổn thất điện môi Giá

trị này thay đổi theo thời gian và có thể viết dưới dạng:

Hình 2.9 Đồ thị đường cong điện áp biến thiên theo biên độ 𝜂3Rvà pha đầu tiên 𝜓3

Bảng 2.1 Giá trị đường cong điện áp biến thiên theo biên độ 𝜂3 R và pha đầu tiên

𝜓3 của sóng hài điện áp bậc 3

Đường cong

theo hình 2.9

Giá trị tương quan

của biên độ và sóng hài điện áp bậc 3: 𝜂3

Pha đầu tiên của sóng hài bậc 3: Ψ3 Sự thay đổi tổn thất điện môi: kσ%

𝑓𝑓(𝑘𝑘𝐻𝐶; 𝑡𝑡) = −0,0031(𝑡𝑡𝑘𝑘𝐻𝐶)2+ 0,1236(𝑡𝑡𝑘𝑘𝐻𝐶) + 1 (2.5)

Dựa trên công thức (2.5), có thể kết luận, ví dụ khi kHC = 5%, sau 2 năm

vận hành tgσ của tụ điện tăng lên gấp đôi

Đặc biệt là tăng tgσ rõ rệt sau khi đóng mạch các tụ điện với điện áp không hình sin Lúc này do ảnh hưởng của sự tăng điện áp so với tiêu chuẩn điện áp

dạng hình sin- tgσkhi tăng các tụ điện vận hành hơn 1 năm Tất nhiên, với các tụ điện sản xuất ở các nhà máy khác nhau, dạng hàm số f(kHC;t) có thể khác nhau, song chúng đều phản ánh quá trình lão hóa giống nhau hoàn toàn

Như vậy, sự có mặt sóng hài bậc cao trong đường cong điện áp, kể cả trong

thời hạn cho phép, dẫn đến việc làm tăng quá trình lão hóa điện môi ở các tụ điện

và rút ngắn tuổi thọ của chúng

Điện áp tăng cho phép giới hạn giá trị này ở 10% Song nếu các tụ điện vận hành quá lâu trong điều kiện này thì tuổi thọ bị rút ngắn Trong các điều kiện của

xí nghiệp công nghiệp, theo thường lệ các tụ điện thường định kì mới rơi vào chế

độ gần với sự cộng hưởng ở tần số của sóng hài bậc thấp

Hiện nay ở các nước có lắp đặt các bộ biến đổi van có công suất lớn, không

có trường hợp nào lại không sử dụng các biến áp đặc biệt để bảo vệ tránh ảnh hưởng sóng hài bậc cao Kết quả là giảm hệ số công suất thiết bị điện trong xưởng và nhà máy, làm giảm chỉ tiêu kinh tế của hệ thống cấp điện cho các xí nghiệp

Lưới điện áp không sin, sẽ làm tăng sự lão hóa cách điện của cáp lực Để làm sáng tỏ điều này, thí nghiệm tiến hành so sánh kết quả đo dòng tổn thất của cáp lực vận hành trong cùng điều kiện môi trường; một bộ phận của cáp vận hành với điện áp hình sin, một bộ phận khác vận hành trong điều kiện có sóng hài bậc cao với THD = 60.85% (có sóng hài bậc 5 và bậc 7) Dòng tổn thất ở trường hợp thứ 2 (hoạt động trong điều kiện có sóng hài) lớn hơn trường hợp 1 (hoạt động trong điều kiện sóng nguồn dạng sin) như sau: sau 2,5 năm vận hành trung bình khoảng 36% và sau 3.5 năm là 43%

13

2.3.2 Trở kháng của hệ thống

Ở tần số cơ bản, các hệ thống điện trước hết là có tính cảm ứng và trở kháng tương đương đôi khi được gọi một cách đơn giản là điện kháng ngắn mạch Ảnh hưởng của dung kháng ở các hệ thống điện phân phối và điện công nghiệp thường được bỏ qua Một trong số những đại lượng được sử dụng thường xuyên

nhất trong phân tích sóng hài trong hệ thống điện đó là trở kháng ngắn mạch tính

tới điểm đặt một tụ điện Nếu giá trị đó không có sẵn, nó có thể được tính toán từ

những kết quả nghiên cứu về ngắn mạch Những kết quả đó cũng cho ta biết về công suất ngắn mạch (MVA) và dòng điện ngắn mạch như sau:

ZSC là đại lượng tính theo pha, bao gồm hai thành phần điện kháng và điện

trở Tuy nhiên nếu dữ liệu về ngắn mạch không có thông số tính theo pha, ta phải

giả sử rằng tổng trở hoàn toàn có tính cảm kháng Đây là một giả thuyết khá tốt đối với hệ thống điện công nghiệp và hệ thống điện tiêu dùng Khi không phải là các trường hợp đó, chúng ta phải xác định một giá trị điện trở đáng tin cậy hơn

bởi vì nó sẽ ảnh hưởng đến kết quả tính toán một khi phải tính đến các tụ điện Thành phần cảm kháng của tổng trở thay đổi không tuyến tính với tần số

Những người mới làm thường gặp các lỗi phổ biến trong phân tích sóng hài đó là quên điều chỉnh điện kháng theo tần số Điện kháng tại sóng hài bậc h được xác định từ điện kháng cơ bản X1 theo công thức sau:

Trong hầu hết các hệ thống điện, một cách tổng quát có thể giả định rằng

trở kháng không thay đổi đáng kể khi nghiên cứu ảnh hưởng của sóng hài khi có

bậc nhỏ hơn 9 Đối với những đường dây và cáp điện, trở kháng thay đổi xấp xỉ theo căn bậc hai của tần số khi những hiệu ứng mặt ngoài trở nên quan trọng đối

với vật dẫn ở những tần số cao Đối với máy biến áp thì quy luật này là một ngoại lệ Bởi vì tổn thất do dòng điện xoáy, trở kháng biểu kiến của máy biến áp

có thể thay đổi gần như tỷ lệ thuận với tần số Điều này có thể mang lại những

hiệu ứng có lợi đối với việc chống rung khi có cộng hưởng tần số chúng ta sẽ

thấy dưới đây Đối với các máy biến áp nhỏ, dưới 100kVA, trở kháng của cuộn dây thường lớn hơn so với các điện kháng khác nên nó làm mất tác dụng của

14

dòng điện xoáy và có sự thay đổi nhỏ trong tổng trở kháng biểu kiến cho đến khi

tần số lên tới 500Hz

Tất nhiên là những máy biến áp nhỏ này có tỉ số X/R từ 1.0 đến 2.0 tại tần

số cơ bản trong khi đó ở những máy biến áp lớn thì tỉ số này thường từ 20 đến

30 Nếu thanh cái đang nghiên cứu bị chi phối bởi trở kháng của máy biến áp hơn

là trở kháng đường dây, mô hình trở kháng của hệ thống nên được nghiên cứu kỹ càng và cẩn thận Bỏ qua thành phần điện trở có thể dẫn đến những dự đoán bảo

thủ về sự biến dạng sóng hài

Tại những điện áp sử dụng như là hệ thống điện công nghiệp, điện kháng tương đương của hệ thống thường được chi phối bởi trở kháng của máy biến áp đang vận hành Một cách gần đúng có thể coi XSC bằng trở kháng của máy biến

Công thức trên đã giả định trở kháng bằng điện kháng Thí dụ một máy biến

áp 1500kVA, điện kháng 6%, điện kháng tương đương ở phía 480V là:

Xtx=� 𝑘𝑘𝑉𝑉𝜙𝜙𝜙𝜙2

𝑀𝑉𝑉𝐴3𝜙𝜙�∗ 𝑍𝑍𝑡𝑡𝑒𝑒(%) =�0,481,52�∗ 0,06 = 0,0092 (2.10)

Đồ thị của trở kháng và tần số của một hệ thống có tính cảm kháng ( không

có tụ điện) như trên hình 2.10

Các hệ thống điện thực tế không hoàn toàn thể hiện như trên Những mô hình đơn giản này đã bỏ qua dung kháng khi nghiên cứu thành phần sóng hài

Hình 2.10 Quan hệ giữa trở kháng và tần số trong hệ thống có tính cảm

15

Mối quan hệ giữa trở kháng và tần số trong hệ thống có tính cảm là tuyến tính

2.3.3 Dung kháng của tụ điện

Những tụ bù ngang tại phụ tải để nâng hệ số công suất hoặc tại các hệ thống điện tiêu dùng, làm thay đổi rất lớn trở kháng của hệ thống khi tần số thay đổi

Tụ điện không tạo ra sóng hài nhưng sự biến dạng lớn của sóng hài đôi khi là thuộc tính của tụ điện Trong khi điện kháng tỉ lệ thuận với tần số còn dung kháng lại tỉ lệ nghịch với tần số:

Xc = 1 2𝜋∗𝑓∗𝐶

(2.11)

Trong đó: C là điện dung tính bằng Farads (F)

Đại lượng này ít khi có sẵn đối với các tụ điện và thường được thể hiện

bằng khái niệm kVar hoặc MVar tại một điện áp cụ thể Dung kháng tương đương của đường dây với đất tại tần số cơ bản với một bộ tụ điện có thể được xác định bằng công thức sau:

Xc = �𝑀𝑉𝑉𝐴𝑅𝑅𝑘𝑘𝑉𝑉2 � = �1000𝑘𝑘𝑉𝑉𝑘𝑘𝑉𝑉𝐴𝑅𝑅2� 2) (2.1Đối với tụ điện 3 pha, sử dụng điện áp dây và công suất dung kháng 3 pha Đối với thiết bị 1 pha, sử dụng điện áp và công suất dung kháng 1 pha Ví dụ, đối

với bộ tụ điện 3 pha, 1200kVar, 13.8kV, dung kháng thứ tự thuận tính bằng Ohm như sau:

Xtx=�𝑀𝑉𝑉𝐴𝑅𝑅𝑘𝑘𝑉𝑉2 � =�13,81,22� = 158,7 Ω (2.13) Ngoài ra, ảnh hưởng của các thành phần điều hòa lên các bộ tụ điện đó là tác nhân gây nên sự suy giảm cách điện và làm tăng điện môi Tiêu chuẩn ANSI/IEEE 18 quy định các giới hạn về điện áp, dòng điện và công suất phản kháng cho các tụ điện, nó được dùng để xác định các mức điều hòa tối đa cho phép Tiêu chuẩn này cho biết tụ điện có thể được sử dụng trong các giới hạn sau đây, bao gồm các thành phần điều hòa:

2.3.4 Một số ảnh hưởng cụ thể khác của sóng điều hòa bậc cao

Các sóng hài ảnh hưởng đến tất cả các thiết bị trên hệ thống điện Nói chung, chúng gây nên sự tăng nhiệt độ trong thiết bị và ảnh hưởng đến cách điện

16

Trong một số trường hợp ảnh hưởng lớn, thiết bị sẽ bị hư hỏng hay bị giảm tuổi

thọ

2.3.4.1 Các máy biến áp

Ảnh hưởng của các sóng hài trên máy biến áp là các sóng điều hòa gây nên

sự gia tăng tổn hao đồng và tổn hao do từ thông tản Các sóng điều hòa gây nên

sự gia tăng tổn thất sắt Ảnh hưởng toàn bộ là làm tăng nhiệt độ máy biến áp Tiêu chuẩn IEC 57.12.00 đưa ra giới hạn đối với các sóng hài dòng điện tải trong máy biến áp Giới hạn được cho là 5% đối với sóng điều hòa dòng điện Tiêu chuẩn của trị số quá điện áp hiệu dụng cực đại mà máy biến áp có thể chịu đựng ở trạng thái xác lập là 5% ở tải định mức và 10% ở không tải

Trị số hiệu dụng tổng của các thành phần điều hòa trong điện áp sử dụng không được vượt quá các định mức này

Điều cần lưu ý là các tổn thất máy biến áp gây nên bởi các điện áp điều hòa

và các dòng điện điều hòa là phụ thuộc vào tần số Các tổn thất gia tăng cùng với

sự gia tăng tần số Do vậy các thành phần điều hòa tần số cao hơn sẽ quan trọng hơn các thành phần điều hòa tần số thấp hơn trong việc gây nên sự phát nóng trong máy biến áp

2.3.4.2 Các máy điện quay

Cũng như các thiết bị khác, vấn đề quan tâm trước tiên về các sóng điều hòa dòng điện và điện áp là sự tăng nhiệt do tổn thất sắt và tổn thất đồng tại các tần

số điều hòa Các thành phần điều hòa cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất máy

và momen quay

Sự tác động khác nhau giữa các từ cảm được tạo bởi các dòng điện điều hòa trong động cơ không đồng bộ 3 pha khi điện áp cung cấp không sin có thể làm phát ra tiếng ồn Các sóng điều hòa cũng sinh ra sự phân bố từ thông tổng hợp trong khe hở không khí, trong các điều kiện cụ thể có thể dẫn đến hiện tượng gọi

là cogging (từ chối khởi động) hay crauling (tốc độ dưới đồng bộ) trong các động

cộng hưởng cao có thể phát triển Mặc dù không có các tiêu chuẩn về các giới dòng điện hay điện áp điều hòa cho các động cơ, một số nhà thiết kế đề xuất giới

hạn là 5% cho các điện áp điều hòa để dùng cho các động cơ cảm ứng trong việc xem xét sự gia nhiệt trong máy điện

17

2.3.4.3 Cá c thiết bị đóng ngắt

Cũng như với hầu hết các thiết bị khác, các dòng điện bậc cao có thể làm tăng nhiệt và các tổn hao trong thiết bị đóng ngắt Ngoài các ảnh hưởng của việc tăng nhiệt, các thành phần điều hòa trong sóng dòng điện có thể làm ảnh hưởng đến khả năng cắt dòng của thiết bị đóng ngắt Vấn đề là các thành phần điều hòa

có thể đưa đến việc biên độ di/dt cao tại các điểm không của dòng điện làm cho

việc cắt khó khăn hơn

Các máy cắt không cắt được dòng điện do cuộn cắt không có khả năng vận hành thích hợp trong các điều kiện các sóng hài đạt trị số lớn Khi cuộn cắt tác động, thời gian cắt bị kéo dài, hồ quang điện sinh ra cũng bị kéo dài, hậu quả dẫn đến làm hỏng máy cắt Các vấn đề tương tự cũng có thể xảy ra trong các thiết bị đóng cắt dòng điện khác

Không có tiêu chuẩn xác định được công bố trong công nghiệp về mức của các dòng điện mà các thiết bị đóng cắt được yêu cầu để cắt Tất cả các thí nghiệm

về sự cắt đều được thực hiện tại tần số định mức của nguồn cung cấp

2.3.4.4 Cầu chì

Cầu chì của thiết bị điện cũng là các phần tử chịu ảnh hưởng của sóng điều hòa Sự gia tăng đáng kể sóng hài dòng điện trong lưới điện có thể dẫn đến các

trạng thái vận hành không mong muốn của cầu chì Trong trường hợp các sự cố

có biên độ thấp, biên độ dòng điện các sóng hài có thể thấp hơn mức chảy tối thiểu của cầu chì nhiều lần

2.3.4.5 Các rơ le bảo vệ

Các sóng hài hệ thống ảnh hưởng đến các rơ le bằng nhiều cách, làm cho rơle có thể tác động sai Các rơle làm việc phụ thuộc vào đỉnh của điện áp và dòng điện, hay các điểm không của điện áp vận hành Do vậy chúng bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự méo do các điều hòa Sự hiện diện quá mức của dòng điều hòa bậc 3 có thể làm cho rơle chạm đất tác động sai Ảnh hưởng của các sóng hài đối với sự vận hành của các rơle như sau:

Các rơle được chế tạo có khuynh hướng vận hành ở các giá trị chậm hoặc các giá trị tác động cao, hơn là việc vận hành nhanh hoặc có giá trị tác động thấp Các rơle tĩnh tần số thấp nhạy cảm đối với những thay đổi lớn của các đặc tính vận hành

Tùy theo nhà sản xuất, các rơle quá dòng và quá áp được bố trí nhiều loại khác nhau về đặc tính vận hành

Tùy theo số lượng sóng hài tham gia, các momen quay của các rơle có thể

bị đảo ngược

Số lần vận hành có thể thay đổi như là một hàm của tần số

Các sóng hài có thể làm suy yếu sự vận hành của tốc độ cao của các rơle so

lệch Ngày nay, nhiều thí nghiệm đã cho thấy rằng, các rơle được bố trí nhằm

hạn chế hoàn toàn những vấn đề trên Nói chung, việc nghiên cứu các mức điều hòa làm cho rơle vận

18

hành sai thường được quan tâm nhiều hơn việc xem xét hạn chế cho các thiết bị khác

2.3.4.6 Các dụng cụ đo

Đo lường và trang thiết bị dụng cụ đo thường bị ảnh hưởng lớn do các phần

tử điều hòa bậc cao Gây ra nhiễu trên thiết bị: hiển thị sai, tác động nhầm Đặc

biệt, nếu các điều kiện cộng hưởng tồn tại dẫn đến xuất hiện các điện áp điều hòa trong mạch thì sự ảnh hưởng càng lớn hơn nhiều Các thiết bị có đĩa cảm ứng như các điện kế và các rơle quá dòng thông thường chỉ làm việc với tần số cơ

bản, nhưng khi điện áp pha không đối xứng gây nên sự méo điện áp do các điều hòa, tạo nên sai số cho các thiết bị này Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng, cả sai số dương và sai số âm đều có thể xảy ra với sự hiện diện của sự méo điều hòa tùy theo loại của đồng hồ xem xét Nói chung độ méo phải lớn ( thông thường THD > 20%) thì các sai số đáng kể mới được phát hiện

2.3.4.7 Thiết bị điện tử công suất

Thiết bị điện tử trong nhiều trường hợp, ngoài là nguồn đáng kể của các dòng điều hòa nó cũng dễ vận hành sai do sự méo của các dòng điều hòa Thiết

bị này thường phụ thuộc sự xác định chính xác điện áp qua điểm không hay điểm

mà tại đó một điện áp dây của pha đang sử dụng trở nên lớn hơn điện áp dây của pha khác Cả hai điểm này là điểm tới hạn của nhiều loại thiết bị điều khiển mạch điện tử và là điểm dẫn đến thiết bị vận hành sai do xuất hiện sóng điều hòa

- Các hệ thống dẫn để điều khiển từ xa các thiết bị cũng có thể vận hành sai,

nếu có các sóng hài có tần số tín hiệu truyền dẫn Hệ thống truyền dẫn điều khiển theo thời gian và điều khiển khi thấp điểm của phụ tải là hai hệ

thống bị ảnh hưởng nhiều nhất

- Các sóng hài có thể làm cho lõi của các máy biến áp đo lường bị lão hóa,

do vậy làm tăng sai số khi đo đếm Trong trường hợp này, máy biến dòng điện dường như ít bị ảnh hưởng đến tỉ số biến dòng, nhưng góc pha bị ảnh hưởng làm cho việc đo công suất và điện năng có thể bị ảnh hưởng theo

Sự hiện diện của các sóng hài, chẳng hạn như sóng hài bậc 3 trong các thiết

bị nối đất trung tính, cũng làm ảnh hưởng đến sự vận hành của hệ thống điện, vì

vậy cũng cần phải giảm bớt các thiết bị này

Tiếng kêu trong thiết bị điều khiển do các sóng hài gây ra cũng có thể dẫn đến điểm vận hàng sai của các thiết bị điều khiển

Các nhà sản xuất máy tính thiết lập các hạn chế nghiêm ngặt về số sóng hài trong các điện áp cung cấp

19

Các sóng hài có thể làm méo các tín hiệu truyền thanh và truyền hình Sự méo có thể dẫn đến các thay đổi trên độ sáng và kích thước của hình ảnh trên màn hình, âm thanh bị méo, có những tiến lạ đi cùng

Sóng hài còn làm ảnh hưởng và dẫn đến hư hỏng cáp ngầm cao thế đến 35kV

Các máy X quang chụp không rõ cũng do các sóng hài trong nguồn cung

cấp

2.4 Các bi ện pháp giảm sóng hài bậc cao

2.4.1 Máy biến áp

Dùng máy biến áp đấu Y/ Yo

Dùng máy biến áp Y/ D việc sử dụng cuộn đấu D của máy biến áp sẽ khử được sóng hài bậc cao xuất hiện trong các cuộn dây máy biến áp truyền từ sơ cấp sang thứ cấp, và ngược lại

Sử dụng các thiết bị đóng cắt tốt hơn và sử dụng cầu chì

Chỉ dùng các thiết bị đóng cắt một cực tại vị trí máy biến áp và các thiết bị

3 pha đóng cắt từ xa

Giữ tỉ lệ XC/ XL ( 10 hoặc lớn hơn 1) để tránh các trường hợp cộng hưởng

có thể xảy ra

Lắp điện trở ở trung tính máy biến áp

Dùng tải giả để hạn chế quá điện áp do cộng hưởng sắt

Đảm bảo phải có tải trên lưới khi thao tác

Dùng các máy biến áp có công suất lớn hơn thay cho các máy biến áp có

hiện tượng quá tải lâu dài

Hạn chế độ dài cáp trong việc lắp đặt các thiết bị 3 pha, vì dây cáp dài dễ

2.4.2 Máy điện quay

Khi thiết kế cần lắp đặt các cuộn dây cản dịu, chúng sẽ khử được các sóng hài dòng điện xoáy

Giảm khe hở không khí giữa roto và stato đến giới gạn cho phép để giảm từ thông sinh ra

Điều chỉnh việc phân bố dây quấn có thể làm tăng hay giảm mức độ sóng hài trong máy điện đồng bộ

20

2.4.3 Sử dụng các bộ lọc công suất

Việc sử dụng các bộ lọc sóng hài bậc cao ngày nay là một phương pháp rất

có triển vọng Hệ thống điện được tính toán đánh giá và sau đó đưa ra một thiết

bị bù thích hợp Phương pháp dùng bộ lọc cho hệ thống có ưu điểm là có thể lắp đặt vào hệ thống khá dễ dàng, thuận tiện cho việc nâng cấp công suất để đáp ứng

sự thay đổi của tải

2.4.3.1 Sử dụng bộ lọc thụ động

Gồm các phần tử R, L, C được ghép nối tiếp nhau và được tính toán, lựa

chọn cho một tần số lọc nhất định Nguyên lý làm việc của bộ lọc là tạo ra một đường dẫn có tổng trở xấp xỉ bằng không đối với sóng điều hoà cần lọc, để nó

chảy ra khỏi hệ thống

Bộ lọc thụ động có thể được thiết kế để giảm được các điều hòa bậc cao Vị trí lắp đặt cũng như kiểu bộ lọc và thông số kết cấu của nó đều phải thay đổi tùy vào từng trường hợp cụ thể của hệ thống điện

Phân loại bộ lọc thụ động theo cách mắc như sau:

- Bộ lọc thụ động mắc nối tiếp ( Passive Series Filter)

- Bộ lọc thụ động mắc song song hay mắc rẽ nhánh (Passive Shunt Filter)

2.4.3.2 Sử dụng bộ lọc tích cực

Dựa trên nền tảng của các bộ biến đổi van công suất lớn, bộ lọc tích cực có nguyên lý làm việc hoàn toàn khác so với bộ lọc thụ động, cũng như có nhiều ưu điểm và tính năng hơn

Tác dụng của mạch lọc tích cực

Bù công suất phản kháng: Bộ lọc tích cực có khả năng bù công suất phản kháng để nâng cao cosφ

Bù sóng hài điện áp: Thường không được chú ý nhiều trong hệ thống điện

vì điện áp tiêu thụ tại điểm đấu dây chung thường duy trì trong phạm vi giới hạn

cơ bản đối với các sự cố tăng, giảm áp Vấn đề bù điện áp chỉ được xem xét khi

tải nhạy với sự xuất hiện của sóng hài điện áp bậc cao trong lưới nguồn như các thiết bị bảo vệ hệ thống điện

Bù sóng hài dòng điện: Có ý nghĩa quan trọng đối với các tải có công suất

vừa và nhỏ Việc giảm thành phần sóng hài dòng điện trong lưới còn có tác dụng làm giảm độ méo dạng điện áp tại điểm đấu dây trung tính

Phạm vi công suất của bộ lọc tích cực

Đối với công suất thấp: Là các ứng dụng có công suất nhỏ hơn 100kVA,

chủ yếu phục vụ cho các khu dân cư, các toà nhà kinh doanh, bệnh viện, các hệ

thống truyền động công suất nhỏ và vừa Tính chất của các hệ thống tải này đòi

hỏi hệ thống mạch lọc tương đối phức tạp, có đáp ứng động học cao, thời gian đáp ứng nhanh hơn nhiều mạch lọc tích cực ở các dải công suất cao hơn, thay đổi trong khoảng chục µs đến vài ms

Đối với công suất rất lớn: Dải công suất lớn thường gặp trong hệ thống truyền tải hoặc truyền động động cơ DC công suất rất lớn hoặc hệ thống truyền

tải điện

Mạch bù, lọc tích cực cho phạm vi công suất rất lớn rất tốn kém vì đòi hỏi

phải sử dụng các van công suất có khả năng đóng cắt dòng điện rất lớn

Đối với sử dụng bộ lọc tích cực có 2 phương pháp, phân loại theo cách mắc vào hệ thống:

L ọc tích cực mắc song song (Shunt active power filter)

Mục đích của lọc tích cực kiểu song song trên hình 2.11 là loại bỏ sóng hài

ở tải chảy về nguồn Nó cũng có thể phân phối bù công suất phản kháng và cân

bằng dòng điện 3 pha Trong cấu hình này lọc tích cực hoạt động giống một nguồn dòng phun thành phần sóng hài sinh ra bởi tải nhưng có biên độ bằng với biên độ sóng hài và lệch pha so với chúng 180 độ Nguyên lí này có thể ứng dụng cho bất kì kiểu tải nào được xem xét giống như nguồn sóng hài Hơn thế nữa, cùng với một sơ đồ điều khiển phù hợp, lọc tích cực cũng có thể bù được hệ số công suất tải Trong cách này, hệ thống phân phối điện nhìn tải phi tuyến và lọc tích cực giống như một điện trở Đặc tính bù dòng điện của bộ lọc tích cực mắc song song được trình bày ở hình 2.11

Hình 2.11 Lọc tích cực kiểu song song Trên hình 2.11 ta thấy dòng điện tải IL có dạng điều hoà không sin Bộ lọc tích cực được mắc song song với tải và đưa ra dòng bù IC có biên độ bằng với biên độ dòng hài bậc cao của tải nhưng có độ lệch pha là 180 độ với dòng hài này Khi đó ta thu được dòng điện nguồn IS có dạng điều hoà hình sin

Lọc kiểu song song có lợi thế là có thể phun dòng điện bù với một lượng

nhỏ dòng điện làm việc ở tần số cơ bản để bù cho tổn thất của hệ thống Nó có

22

thể kết nối một vài mạch lọc song song với nhau để phục vụ cho việc bù các dòng điện cao hơn, điều này làm cho nó phù hợp với một dải công suất rất rộng

L ọc tích cực kiểu mắc nối tiếp (Series active power filter)

Đặc điểm của mạch lọc tích cực nối tiếp trên hình 2.12 là bù sóng điều hoà

bậc cao, điều chỉnh và cân bằng điện áp ở điểm đấu nối

Lọc tích cực kiểu nối tiếp là bộ lọc được đặt nối tiếp ở giữa nguồn và tải (hoặc nguồn sóng hài) để cưỡng bức dòng điện nguồn trở thành hình sin Ở trong cách này lọc tích cực kiểu nối tiếp được hiện diện như một trở kháng cao đối với sóng hài dòng điện, tạo ra sự cách ly sóng hài bậc cao giữa tải và nguồn lưới thông qua việc tạo ra một điện áp tương đương dọc đường dây phía thứ cấp máy

biến áp, do đó ngăn cản sóng hài dòng điện chảy từ tải đến nguồn và từ phía nguồn về tải

Điện áp dọc đường dây do bộ lọc tạo ra ngược pha với tổng sóng điều hoà điện áp bậc cao và triệt tiêu thành phần này, đảm bảo dạng sóng nguồn hình sin

Hình 2.12 Lọc tích cực kiểu nối tiếp

Ở hình 2.12 ta thấy bộ lọc tích cực được đặt ở giữa, mắc nối tiếp với tải phi tuyến Khi đó bộ lọc trở thành nguồn sinh ra sóng hài cưỡng bức sóng hài sinh ra

từ tải, trả về dạng sin cho lưới Lọc tích cực trong cấu hình này sinh ra sóng điện

áp PWM để cộng hoặc trừ giá trị tức thời điện áp nguồn cung cấp để duy trì sóng điện áp đến tải là hình sin chuẩn

Lợi ích chính của kiểu lọc tích cực mắc nối tiếp so với kiểu lọc mắc song song là nó lý tưởng cho việc loại bỏ sóng hài điện áp và cân bằng được điện áp

ba pha Điều này trên thực tế có nghĩa rằng loại lọc này được dùng để cải thiện

chất lượng của hệ thống điện áp cho các lợi ích của tải Nó cung cấp cho tải một điện áp thuần sin, điều này là hết sức quan trọng cho các thiết bị nhạy cảm với điện áp

K ết luận: Chương này tổng hợp và cho người đọc thấy được những vến đề

nổi trội và trình bày tổng quan về sóng hài, nguyên nhân gây ra sóng hài và

24

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA LÒ HỒ QUANG ĐẾN LƯỚI ĐIỆN VÀ

CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LÒ HỒ QUANG 3.1 Lò hồ quang điện

3.1.1 Khái quát về lò hồ quang điện

Lò hồ quang điện sử dụng nhiệt lượng để nung chảy kim loại được tạo ra do

sự phóng điện giữa các điện cực hoặc giữa một điện cực và vật liệu kim loại để nóng chảy Các lò thuộc loại này được sử dụng chính cho cho công nghệp sản

xuất gang, thép

L ịch sử lò hồ quang điện:

Lò hồ quang được nghiên cứu và chế tạo kể từ sau khi Humphrey Davy khoảng năm 1800 khám phá ra nhiệt lượng của dòng hồ quang điện có thể nung

chảy thép và các một số kim loại Sau đó các lò hồ quang được xây dựng theo qui

mô công nghiệp hàng loạt ở Mỹ vào năm 1907 Vào những năm cuối của thế kỷ

20, số lượng các lò hồ quang tăng đáng kể trong các quốc gia có nền công nghiệp

sản xuất thép như Pháp, Mỹ, Nhật Do có tính chất nhiệt lượng và dễ điều chỉnh nhiệt lượng để có thể luyện được các sản phẩm thép có chất lượng cao theo yêu

cầu, vận hành tương đối đơn giản đồng thời một nguyên nhân nữa lò hồ quang chiếm ưu thế ở trong vấn đề tái chế kim loại, cải tạo môi trường nên ngày càng

chế tạo lò có công suất lớn đến vài trăm MVA Lò hồ quang thường lắp đặt ở

những nơi có nguồn điện dồi dào, công suất nguồn cung cấp điện ít hạn chế Các lò hồ quang điện thường dùng trực tiếp lưới điện trung thế có cấp điện

áp từ 6 kV dến 35 kV hạ xuống điện áp của lò dưới 1kV tuỳ theo từng công nghệ

lò Các bộ điều chỉnh dòng điện thường có kết cấu của bộ điều áp dưới tải Các

bộ điều khiển này sẽ bao gồm bộ điều khiển tỷ số biến áp, và bộ đổi nấc cuộn

cảm cao áp nối tiếp với điện cực

Phân lo ại:

Theo dòng điện sử dụng ta chia làm 2 loại:

- Lò hồ quang điện sử dụng nguồn một chiều

- Lò hồ quang điện sử dụng nguồn 3 pha xoay chiều

Theo cách cháy của ngọn lửa dòng hồ quang chia làm 2 loại:

- Lò nung nóng gián tiếp: Nhiệt của ngọn lửa hồ quang xảy ra giữa các điện

cực trong lò hồ quang

- Lò nung nóng trực tiếp: Nhiệt của ngọn lửa hồ quang xảy ra giữa các điện

cực và các kim loại dùng để nấu chảy

Theo đặc điểm chất liệu vào lò:

- Lò chất liệu vào từ đỉnh xuống nhờ gầu chất liệu

- Lò chất liệu vào bên sườn lò, có thể bằng thủ công, bằng máng hay bán tự động

3.1.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động

Phần lớn lò hồ quang điện có công suất lớn từ vài chục MVA đến hàng trăm MVA (trừ các lò nhỏ trong phòng thí nghiệm) do đó, hầu hết các lò hồ

liệu, khi điều chỉnh các điện cực, khi thổi ôxy vao lò cũng luôn làm cho dòng hồ quang biến đổi nhanh trong phạm vi rộng và không ổn định Qua phân tích thực

tế cho thấy dòng điện của lò hồ quang điện chứa nhiều sóng hài và còn có dòng điện tần số thấp Chính dòng điện tần số thấp này sẽ tác động tới dao động điện

áp ở hệ thống điện cung cấp làm cho điện áp lưới điện liên tục dao động

Lò hồ quang điện cũng tiêu thụ điện năng tác dụng và điện năng phản kháng của luới điện Đặc trưng chính của lò hồ quang đôi với hệ thống điện là Qxung kích Các yếu tố này kết hợp với nhau gây ảnh hưởng xấu đến điện áp nói riêng và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của hệ thống điện nói chung

Máy biến áp phục vụ lò thường xuyên làm việc ở chế độ thay đổi liên tục từ

hở mạch đến ngắn mạch, nhất là giai đoạn khởi động lò nên ảnh hưởng rất nhiều đến điện áp của luới cung cấp Sự biến thiên rất nhanh của dòng điện và công

suất phản kháng là nguyên nhân cơ bản phát sinh sóng hài Các giải pháp hạn chế tác dụng của lò hồ quang gây ra thường là đắt

Chu trình làm vi ệc của lò hồ quang điện gồm 3 giai đoạn chính:

Giai đoạn 1 (Giai đoạn nung nóng liệu và nấu chảy kim loại)

Trong giai đoạn này lò cần công suất nhiệt lớn nhất, điện năng tiêu thụ chiếm khoảng 60 - 80% năng lượng toàn mẻ nấu và thời gian của nó chiếm 50- 60% toàn bộ thời gian một chu trình

Để đảm bảo công suất nấu chảy, ngọn lửa hồ quang cần phải cháy ổn định Khi cháy điện cực bị ăn mòn dần, khoảng cách giữa điện cực và kim loại tăng lên Để duy trì hồ quang điện cực cần phải được điều chỉnh vào gần kim loại Lúc

đó dễ xảy ra hiện tượng điện cực chạm vào kim loại gọi là quá trình điều chỉnh

và gây ra ngắn mạch làm việc Ngắn mạch làm việc tuy xảy ra trong thời gian

ngắn nhưng lại hay xảy ra nên các thiết bị điện trong mạch động lực thường phải làm việc ở điều kiện nặng nề Đây là đặc điểm cần lưu ý khi tính toán và chọn thiết bị cho lò hồ quang Ngắn mạch làm việc cũng có thể gây ra do sụt lở các thành phần của hố vật liệu bao quanh đầu điện cực tạo ra trong liệu hoặc sự nóng

chảy của các mẩu liệu cũng có thể phá huỷ ngọn lửa hồ quang do tăng chiều dài

ngọn lửa Lúc đó phải tiến hành mồi lại bằng cách hạ điện cực xuống cho chạm vào kim loại rồi nâng lên tạo hồ quang Trong giai đoạn này số lần ngắn mạch làm việc có thể tới 100 lần hoặc hơn Mỗi lần xảy ra ngắn mạch làm việc công

suất hữu ích giảm mạnh và có khi tới bằng không với tổn hao cực đại, thời gian cho phép của một lần ngắn mạch làm việc là 2 - 3s

Tóm lại: Giai đoạn nấu chảy là giai đoạn hồ quang cháy kém ổn định nhất, công suất nhiệt của hồ quang dao động mạnh và ngọn lửa hồ quang rất ngắn

26

thường từ vài mm đến 10-15mm Do vậy trong giai đoạn này công suất ra của

biến áp lò lớn nhất

Giai đoạn 2 (Giai đoạn Oxy hoá)

Trong giai đoạn này người ta giữ dòng điện ổn định, nhưng điện áp khá cao,

để có thể tạo năng lượng lớn nhất Khe hở hồ quang thường khá lớn Giai đoạn này dòng điện và điện áp tương đối ổn định Quá trình này là để tinh luyện chất lượng thép theo yêu cầu, là gia đoạn khử Cacbon, sự cháy hoàn toàn Cacbon gây nóng chảy kim loại, phần lớn nhiệt lượng dùng để bù tổn hao nhiệt Năng lượng giai đoạn này chiếm khoảng 60% năng lượng tiêu thụ của giai đoạn đầu tiên

Giai đoạn 3 (Giai đoạn hoàn nguyên)

Ở giai đoạn này dòng điện được duy trì không đổi, điện áp trên các điện cực khá thấp, vì trong quá trình điều khiển có thể đưa điện cực nhúng sâu hơn vào kim loại lỏng do vậy trở kháng nhỏ hơn Tuy nhiên, công suất vẫn thay đổi khá nhiều Năng lượng chiếm 30% năng lượng so với giai đoạn 1, là giai đoạn để khử oxy, khử khí sunfua và hợp kim hoá kim loại

Giai đoạn 4 (Giai đoạn lấy sản phẩm thành phẩm, vệ sinh lò)

Giai đoạn này công suất tiêu thụ vô cùng nhỏ và có thể bỏ qua Thành phần

phụ tải ở giai đoạn này có thể coi như phụ tải công nghiệp bình thường khác Quá trình luyên thép lại từ đầu

Sơ đồ mạch điện chính của lò hồ quang được thể hiện ở hình 3.1

Giới thiệu chung:

Điện cấp cho lò hồ quang lấy từ trạm biến áp lò

Cầu dao cách ly CL dùng để phân cách mạch động lực của lò với lưới khi

cần thiết

Máy cắt 1MC dùng để bảo vệ lò hồ quang khỏi ngắn mạch sự cố Nó được

chỉnh định để không tác động khi ngắn mạch làm việc, đồng thời nó cũng dùng

để đóng cắt mạch lực dưới tải

Cuộn kháng CK dùng để hạn chế dòng điện khi xảy ra ngắn mạch làm việc

và ổn định sự cháy của hồ quang Khi bắt đầu nấu luyện hay xảy ra ngắn mạch làm việc, lúc ngắn mạch làm việc máy cắt 2MC mở ra để cuộn kháng CK tham gia vào mạch hạn chế dòng ngắn mạch Khi liệu chảy hết, lò cần công suất nhiệt

lớn để nấu luyện, 2MC đóng lại để ngắn mạch cuộn kháng CK Ở giai đoạn hoàn nguyên công suất lò yêu cầu ít hơn thì 2MC lại mở ra để đưa CK vào mạch làm

giảm công suất cấp cho lò Với những lò có công suất lớn hơn nhiều thì không có

cuộn kháng CK, việc ổn định hồ quang và hạn chế dòng ngắn mạch làm việc do các phần tử cảm kháng của sơ đồ lò đảm nhiệm

27

Hình 3.1 Sơ đồ mạch điện chính của lò hồ quang

Biến áp lò BAL dùng để hạ áp và điều chỉnh điện áp, việc đổi nối cuộn sơ

cấp thành hình tam giác hay hình sao thực hiện nhờ các máy cắt 3MC, 4MC

Cuộn thứ cấp của biến áp lò nối với các điện cực của lò qua một mạch ngắn MN không phân nhánh Phía sơ cấp biến áp lò có đặt rơ le dòng cực đại để tác động lên cuộn ngắt máy cắt 1MC Rơ le này có duy trì thời gian, thời gian duy trì này

giảm khi bội số quá tải dòng tăng , nhờ vậy 1MC ngắt mạch lực của lò hồ quang khi chỉ có ngắn mạch sự cố và khi ngắn mạch làm việc keó dài mà không xử lý được Với ngắn mạch làm việc trong một thời gian tương đối ngắn 1MC không

cắt mạch mà chỉ có tín hiệu đèn báo và chuông Phía sơ cấp biến áp lò còn có các

dụng cụ đo lường kiểm tra như: Vôn kế, Ampe kế, điện kế

Phía thứ cấp cũng có các máy biến dòng 2Ti nối với các ampe kế đo dòng điện hồ quang

Các thi ết bị chính

Máy biến áp lò: Máy biến áp lò dùng cho lò hồ quang phải làm việc trong

những điều kiện đặc biệt nặng nề nên có các đặc điểm sau:

- Công suất thường rất lớn (có thể tới hàng chục MW) và dòng điện thứ cấp

rất lớn (có khi tới hàng trăm kA)

- Điện áp ngắn mạch lớn để hạn chế dòng ngắn mạch dưới 2,54 lần dòng điện định mức

28

- Có độ bền cơ học cao để chịu được các lực điện từ phát sinh trong các

cuộn dây, thanh dẫn khi có ngắn mạch

- Có khả năng điều chỉnh điện áp sơ cấp dưới tải trong một giới hạn rộng

- Phải làm mát tốt vì dòng lớn, hay có ngắn mạch và vì BA đặt ở nơi kín lại

gần lò

- Cuộn thứ cấp biến áp lò thường đấu tam giác vì dòng ngắn mạch được phân ra hai pha và như vậy điều kiện làm việc của các cuộn dây sẽ nhẹ hơn Máy biến áp lò thường phải làm việc trong tình trạng ngắn mạch và phải có

khả năng quá tải nên thường chế tạo to, nặng hơn các MBA động lực cùng công suất

Mạch ngắn: Mạch ngắn hay dây dẫn dòng thứ cấp có dòng điện làm việc rất

lớn tới hàng chục, đôi khi tới hàng trăm nghìn ampe Tổn hao công suất ở mạch

ngắn chiếm tới 70% tổn hao trong toàn bộ thiết bị lò hồ quang Do vậy yêu cầu

cơ bản của mạch ngắn là phải ngắn nhất trong điều kiện có thể (biến áp lò phải đạt rất gần lò) để giảm bớt tổn hao, đồng thời được ghép từ các tấm đồng lá thành các thanh mềm để có thể uốn dẻo lên xuống theo các điện cực Ngoài ra đối với

lò hồ quang ba pha, mạch ngắn còn phải bảo đảm sự cân bằng điện trở, điện kháng (Rmn, Xnm) giữa các pha để có các thông số điện (công suất, điện áp và dòng điện) tương đương nhau Khi 3 pha mạch ngắn phân bố đối xứng thì hỗ cảm

giữa hai pha bất kỳ sẽ bằng nhau và sức điện động hỗ cảm bằng không Trường

hợp nếu khoảng cách giữa các pha không như nhau, hỗ cảm giữa các pha sẽ khác không Trong một pha nào đó sẽ xuất hiện sức điện động phụ ngược chiều dòng điện trong pha đó và tạo ra một sụt áp phụ trên điện trở thuần pha đó dẫn đến điện trở thuần pha này tăng lên , gây ra tổn hao công suất phụ và công suất hồ qua ng của pha này sẽ giảm đi so với các pha khác Đồng thời ở một pha khác

sức điện động phụ lại cùng chiều với dòng điện nên điện trở tác dụng của pha này giảm và công suất hồ quang sẽ tăng lên Hiện tượng trên gây nên sự mất đối

xứng về điện áp giữa các hồ quang, sự phân bố công suất không đồng đều giữa các pha, giảm hiệu suất lò và với lò công suất càng lớn thì sự mất đối xứng điện

từ ở mạch ngắn sẽ càng lớn

3.2 Ảnh hưởng của lò hồ quang đến lưới điện

3.2.1 Sụt giảm điện áp do khởi động lò hồ quang

Khi các điện cực của lò hồ quang khởi động, các điện cực được gây ngắn

mạch để tạo ngọn lửa hồ quang Điện áp thứ cấp của máy biến áp lò sụt giảm

gần về không hoặc về không Dòng điện tăng đột ngột thông qua biến áp lò gây

sụt giảm ở lưới điện cung cấp Quá trình gây ngắn mạch điện cực khoảng từ 0.5s đến 20s và được kết thúc sau khi dòng hồ quang ổn định ở một giá trị đã được tính toán thiết kế trước

29

Hình 3.2 Sụt giảm điện áp do khởi động lò hồ quang

3.2.2 Quá điện áp do hồ quang

Khi hồ quang đang trong giai đoạn nấu chảy kim loại, do tác động nhiệt các nguyên liệu hoặc phế liệu nóng chảy bị sụt xuống lò là tan chảy, dòng hồ quang

giảm đột ngột và có thể ngắt Tại thời điểm này máy biến áp lò hở mạch, thông qua biến áp lò hệ thống cung cấp cũng dao động tăng điện áp và có các tính chất quá độ điện áp

Tạo ra tổn thất phụ cho các máy biến áp vì các máy biến áp được thiết kế để phát nguồn điện yêu cầu tới tải với tổn thất nhỏ nhất trong tần số cơ bản Sóng hài làm tăng nhiệt độ máy biến áp

3.2.4 Méo dạng sóng điện áp và dòng điện

Do đặc tính phi tuyến của lò hồ quang làm méo dạng sóng của dòng điện và điện áp khiến cho chúng không còn dạng sóng sin nữa Khi lưới điện có độ méo dòng điện hoặc điện áp lớn thì một số thiết bị có yêu cầu chất lượng điện năng không thể khởi động và hoạt động theo công suất thiết kế được

3.2.5 Dao động điện áp và flicker

Trong quá trình hoạt động, lò hồ quang gây ra dao động điện áp có mật độ cao trong thời gian dài dẫn đến hiện tượng flicker gây ảnh hưởng đến các thiết bị chiếu sáng làm cho nguồn sáng không ổn định gây tổn hại đến thị lực của con người

3.3 M ột số phương pháp mô mô phỏng lò hồ quang

Lò hồ quang là tải không cân bằng, phi tuyến, thay đổi liên tục từ chế độ hở

mạch đến chế độ ngắn mạch vì vậy ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điện năng

một mô hình chính xác cho tải lò hồ quang Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động

của lò hồ quang bao gồm: trở kháng lò hồ quang, điện áp dòng điện của lò, đặc điểm của quá trình nung chảy hay luyện kim, công suất tác dụng và phản kháng ở các chế độ vận hành, vị trí các điện cực, điện áp của nguồn cung cấp Mô hình hóa một lò hồ quang điện phụ thuộc và các yếu tố: điện áp, dòng điện, chiều dài

hồ quang (được xác định bằng vị trí giữa các điện cực)

Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng lò hồ quang dựa trên các thông số trên và mối tương quan giữa chúng Hiện nay có rất nhiều phương pháp mô

phỏng lò hồ quang 3 pha Một cách tổng quát có thể phân thành 2 loại:

- Phương pháp phân tích trên miền thời gian

- Phương pháp phân tích trên miền tần số

Phân loại một cách chi tiết, các mô hình lò hồ quang có thể được phân loại như sau:

- Đặc tính V-I

- Mô hình mạch điện phi tuyến tương đương dựa trên miền thời gian

- Mô hình nguồn sóng hài điện áp

- Phương trình vi phân phi tuyến

- Phương pháp quá trình ngẫu nhiên

Phương pháp đặc tính V-I là phương pháp đơn giản và trực tiếp, có thể đáp ứng ở một điều kiện vận hành nhất định, việc đơn giản hóa đặc tính V-I là yếu tố chính của sự chính xác Phương pháp sử dụng mạch tương đương trên miền thời gian dựa vào đặc tính V-I đơn giản hơn so với phương pháp sử dụng đặc tính V-

I Phương pháp sử dụng nguồn điện áp sóng hài dựa trên cơ sở các nghiên cứu về sóng hài của một sóng điện áp hồ quang đã biết Phương pháp dựa trên công thức

thực nghiệm cho một kết quả tốt Phương pháp phân tích trên miền sóng hài dựa trên phương trình vi phân phi tuyến phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống và điều kiện

hoạt động Phương pháp quá trình ngẫu nhiên có thể phản ánh hoạt động của lò

hồ quang, mô hình này chủ yếu để nghiên cứu hiện tượng chập chờn điện áp

3.3.1 Phương pháp phân tích trên miền thời gian

3.3.1.1 Phương pháp đặc tính V-I (VIC)

Model này được xây dựng dựa trên các phương trình toán học mô tả đặc tính điện áp- dòng điện của lò hồ quang Hình 3.3 giới thiệu một đặc tính dòng áp điển hình của một lò hồ quang Giả thiết điện áp Vig là điện áp mồi hồ quang, khi điện áp giữa các điện cực giảm xuống một giá trị nào đó thì hồ quang bị tắt, giả

sử điện áp khi hồ quang bị tắt là Vex Các giá trị trên được xác định bởi chiều dài hồ quang trong quá trình hoạt động, R1 & R2 là độ dốc của đường OA và AB

1 1 ex 2