Nghiên cứu các quá trình điện từ của cuộn kháng bù ngang dùng trong lưới điện cao áp

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CKBN 6

Trong chương này, luận án trình bày tổng quan về cuộn kháng trong hệ thống điện, đặc biệt là vai trò của cuộn kháng bão hòa (CKBN) trong lưới điện cao áp Nghiên cứu sẽ thực hiện tổng hợp, phân tích và đánh giá các công trình nghiên cứu liên quan đến CKBN cả trong nước và quốc tế Dựa trên những vấn đề còn tồn tại từ các nghiên cứu trước, luận án sẽ đề xuất hướng nghiên cứu mới nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng của CKBN trong hệ thống điện.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH MẠCH TỪ CKBN 19

Luận án trình bày về cơ sở lý thuyết trường điện từ với hệ phương trình

Trong chương này, luận án phân tích đặc tính điện từ của CKBN dựa trên đặc điểm phi tuyến của vật liệu chế tạo mạch từ, đảm bảo CKBN có đặc tính tuyến tính ở điện áp tối đa của lưới điện Ngoài ra, vai trò của khe hở trong mạch từ CKBN cũng được xem xét, cùng với việc thực hiện phân tích mô hình mạch từ tương đương Các phương pháp xác định từ trở của phần lõi thép và khe hở được trình bày, với sự chú ý đến ảnh hưởng của từ trường tản xung quanh khe hở Cuối cùng, công thức xác định từ dẫn phản ứng với từ thông tản xung quanh khe hở giữa các khối trụ có tiết diện tròn được đưa ra, cùng với việc xác định điện cảm qua mô hình mạch từ hoặc các thành phần năng lượng.

THIẾT LẬP MÔ HÌNH VÀ THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CKBN 39

Bài viết trình bày tổng quan về các phương pháp phân tích bài toán điện từ, bao gồm phương pháp giải tích và các phương pháp số Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng bằng phương pháp PTHH cho CKBN ba pha có công suất 91 MVAr do hãng ABB chế tạo, với các kết quả kỹ thuật được so sánh với giá trị đo thực nghiệm để khẳng định tính chính xác của mô hình Thông qua mô hình giải tích và mô phỏng, bài viết xác định các thông số kích thước mạch từ và dây quấn của các CKBN một pha với công suất khác nhau, phục vụ cho lưới điện cao áp và siêu cao áp theo tổ ba cuộn kháng một pha Cuối cùng, luận án phân tích mối quan hệ giữa tỷ lệ giá trị điện cảm rò so với điện cảm tổng ứng với các giá trị công suất tại từng cấp điện áp cao áp và siêu cao áp, cùng với hệ số hình dáng dây quấn k w khác nhau.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ KHE HỞ ĐẾN ĐẶC TÍNH ĐIỆN TỪ CỦA CKBN 65

Áp dụng phương pháp số để phân tích và đánh giá phân bố từ cảm trên các kiểu ghép lá thép trong khối trụ của CKBN, nghiên cứu này xác định mối quan hệ giữa ứng suất lực và giá trị từ cảm Điều này cung cấp cơ sở cho các nhà thiết kế lựa chọn kiểu ghép mạch từ và vật liệu cho các tấm ngăn cách Nghiên cứu còn phân tích quan hệ giữa điện cảm tản và điện cảm tổng với số lượng khe hở khác nhau Đặc biệt, việc chia khe hở lớn thành nhiều khe hở nhỏ trên trụ được xem xét kỹ lưỡng, nhằm tối ưu hóa số lượng và phân bố khe hở để giảm từ trường tản, điện cảm tản và điện cảm tổng, từ đó cải thiện công suất phản kháng của CKBN.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CKBN

Trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, cuộn kháng (CKBN) có vai trò quan trọng trong việc hạn chế dòng ngắn mạch và dòng xả của các bộ tụ, cũng như lọc sóng hài Luận án này tập trung vào việc trình bày vị trí và tầm quan trọng của CKBN trong lưới điện cao áp và siêu cao áp CKBN được mắc song song với lưới điện để hấp thụ công suất phản kháng dư thừa, giúp tránh quá áp dọc tuyến đường dây khi đường dây không tải hoặc quá non tải Tác giả cũng phân tích các nghiên cứu hiện có về CKBN, chỉ ra những vấn đề tồn tại và đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án.

1 2 Vai trò của cuộn kháng trong hệ thống điện

Cuộn kháng điện là thành phần quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, được kết nối theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể Các loại cuộn kháng bao gồm CKBN, cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch, cuộn kháng hạn chế dòng xả, cuộn kháng lọc sóng hài, và cuộn kháng dập hồ quang, cũng như cuộn kháng dùng để điều chỉnh phân phối công suất cho từng nhánh Những cuộn kháng này đóng vai trò thiết yếu trong việc tối ưu hóa hiệu suất và bảo vệ hệ thống điện.

- Cuộn kháng bù ngang: là thiết bị điện từ đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lưới truyền tải điện cao áp và siêu cao áp [2], [6]–

Các CKBN được mắc song song với lưới điện, thường tại thanh cái của các trạm biến áp hoặc các trạm bù trên đường dây Khi hệ thống hoạt động ở chế độ quá non tải hoặc không tải, đặc biệt khi có sự cắt tải đột ngột, hiện tượng tăng điện áp có thể xảy ra dọc theo tuyến đường dây CKBN giúp cân bằng công suất phản kháng dư thừa từ dung dẫn giữa dây dẫn và đất, góp phần duy trì ổn định điện áp ở mức quy định.

Hình 1 1 Sơ đồ kết nối CKBN trong lưới truyền tải điện [10]

Cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch được lắp đặt nối tiếp trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, giúp giới hạn dòng điện ngắn mạch ở mức an toàn cho độ bền cơ điện của thiết bị Việc sử dụng cuộn kháng này cho phép lựa chọn máy cắt có dòng cắt ngắn mạch nhỏ hơn, từ đó giảm chi phí đầu tư cho hệ thống.

Cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch được kết nối để kiểm soát dòng điện, đồng thời cuộn kháng nối tiếp cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm dòng điện khởi động khi khởi động động cơ công suất lớn, được gọi là cuộn kháng khởi động.

- Cuộn kháng hạn chế dòng xả: Nhằm nâng cao khả năng truyền tải và tăng tính ổn định

MOV (Metal Oxide Varistor) là một thành phần quan trọng trong hệ thống điện, thường được sử dụng kết hợp với các bộ tụ điện bù dọc mắc nối tiếp trên đường dây cao áp Trong trường hợp này, cuộn kháng sẽ được sử dụng để đảm bảo hiệu suất và ổn định cho hệ thống.

Cuộn kháng Khe hở để hạn chế dòng xả của các bộ tụ này [12]

- Cuộn kháng lọc sóng hài: dùng với các bộ tụ để làm giảm, chặn hoặc lọc các thành phần

Cuộn kháng hạn chế dòng xả kết hợp với tụ bù dọc có tác dụng giảm thiểu sóng hài bậc cao như bậc 3, 5, 7, phát sinh từ thiết bị chuyển mạch điện tử công suất và các phụ tải phi tuyến trong hệ thống điện Thông thường, cuộn kháng này được mắc nối tiếp với các bộ tụ bù ngang để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

Cuộn kháng là thiết bị quan trọng được sử dụng để điều chỉnh phân phối công suất trong hệ thống điện Bằng cách mắc nối tiếp trên đường dây, cuộn kháng giúp tối ưu hóa và điều chỉnh tổng trở, đảm bảo sự cân bằng công suất giữa các nhánh Điều này không chỉ giúp tránh tình trạng quá tải mà còn nâng cao hiệu suất cho các hệ thống kết nối.

Cuộn kháng nối đất trung tính là các cuộn kháng một pha được kết nối giữa trung tính của máy biến áp (MBA) hoặc máy phát điện với mặt đất Chúng có chức năng hạn chế dòng ngắn mạch đến mức mong muốn khi xảy ra sự cố ngắn mạch pha - đất.

Cuộn kháng điện, hay còn gọi là CKBN, là một thiết bị điện từ tĩnh quan trọng, bao gồm cuộn dây có chức năng tạo ra giá trị điện kháng và tích lũy năng lượng từ trường.

Bảy loại nối được sử dụng để kết nối giữa các pha với đất, giữa các pha với trung tính, hoặc giữa các pha với nhau nhằm bù đắp cho dòng điện dung trong hệ thống điện cao áp và siêu cao áp.

Cuộn kháng điện có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm vai trò trong hệ thống điện, chức năng, vị trí, cấp điện áp (hạ áp, trung áp, cao áp, siêu cao áp), số pha (một pha, ba pha, nhiều pha), và loại cuộn kháng sử dụng trong hệ thống truyền tải điện áp một chiều hay xoay chiều Ngoài ra, cuộn kháng còn được phân loại theo việc có điều khiển hay không, theo thông số kỹ thuật, đặc điểm cấu tạo và cách thức cách điện, làm mát, cũng như môi trường lắp đặt (trong nhà hay ngoài trời) Đối với cuộn kháng biến áp (CKBN), cũng có nhiều cách phân loại, trong đó có hai loại chính là cuộn kháng khô và cuộn kháng dầu.

Lõi không khí Lõi sắt từ CK kiểu trụ

CK kiểu bọc (Shell-form)

Cuộn kháng khô bao gồm hai loại chính: cuộn kháng khô lõi không khí và cuộn kháng khô lõi sắt từ, với môi trường làm mát bằng không khí tự nhiên Cuộn kháng khô lõi không khí không sử dụng vật liệu sắt từ trong dây quấn, không ngâm trong dầu cách điện, mà dây quấn được cố định và đúc trong cách điện thể rắn.

Cuộn kháng khô lõi không khí của hãng Trench được sử dụng trong hệ thống điện với vai trò là CKBN, có thể mắc song song với lưới điện hoặc nối tiếp trên đường dây để hạn chế dòng ngắn mạch Loại cuộn kháng này không sử dụng lõi sắt từ, vì dòng điện sự cố lớn có thể gây bão hòa mạch từ, làm giảm giá trị điện kháng Để cải thiện hiệu suất, cuộn kháng khô lõi không khí thường được thiết kế với bán kính cuộn dây lớn và chiều cao dây quấn nhỏ hơn so với dây quấn của MBA, giúp giảm chiều dài trung bình đường sức từ, tăng giá trị từ cảm và nâng cao năng lượng tích trữ.

Khác với cuộn kháng khô, với cuộn kháng dầu luôn có dây