Chất lượng điện năng

Mất điện ỏp cú thể là kết quả của sự cố trong hệ thống điện, sự khụng hoạt động của thiết bị và cỏc sự cố trong điều khiển.. Sụt giảm điện ỏp là một quỏ trỡnh diễn ra trong thời gian ngắ

TRẦN HỮU THĂNG

CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYẤN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

HÀ NỘI - 2005

TRẦN HỮU THĂNG

CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYẤN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS – TS TRẦN BÁCH

HÀ NỘI - 2005

Trang phụ bìa

Mở đầu

Chơng 1: Tổng quan về chất lợng điện năng

1.2 Chất lợng điện năng, chất lợng điện áp 8

1.3 Tổng quan về chất lợng điện năng 9 Chơng 2: Các vấn đề về chất lợng điện năng

2.1 Sụt giảm điện áp và mất điện áp 21

2.2 Quá điện áp quá độ 34

2.3 Sóng hài 41

2.4 Dao động điện áp 56

Chơng 3: sử dụng EMTP (ElectroMagnetic transients program) Mô phỏng hệ thống điện

3.1 Giới thiệu về chơng trình ATP- EMTP 70

3.2 Mô phỏng hệ thống điện sử dụng ATP- EMTP 74

3.3 Ví dụ mô phỏng hệ thống điện sử dụng ATP- EMTP 82

3.4 Một số điểm cần chú ý khi sử dụng chơng trình ATP- EMTP 83

Chơng 4: đIều chỉnh đIện áp sử dụng thiết bị bù có đIều khiển tcr 4.1 Mô hình bài toán 85

4.2 Mô phỏng các phần tử của mô hình sử dụng ATP- EMTP 89

4.3 Kết quả mô phỏng 108 Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

M Ở ĐẦ U

1 Lý do ựa chọ đề à i

Ch ất lượ ng i đ ện năng ngày nay đã trở thành m ột v ấ đề n quan tâm c ả trong

h th ệ ống nguồn và tải của hệ ố th ng i đ ện Từ nh ững năm 1980 đến nay, ch t l ấ ượng

đ ệ i n n ng ã là m t t thông d ng trong công nghi p n ng lượng ă đ ộ ừ ụ ệ ă

Cùng v i s gia t ng c a vi ớ ự ă ủ ệc sử ụ d ng các hệ ố th ng thi t b ế ị ế ệ th h m ớ i, các máy phát phân ph ối, sự xu ấ t hi n c ệ ủa các thiế ị t b có th ể đ o lườ ng ch t l ấ ượng i đ ện

n ng Vi ă … ệc nghiên cứu về chất lượ ng i đ ện năng, các yếu tố tác động và các giải pháp để nâng cao chất lượ ng i đ ện nă ng, độ tin cậy cung cấ đ ện là một vấ đề ết p i n h

s ức cầ n thi t ế

2 Đối tượng v à p hạm v i ng iên cứu

Đố i tượng c a lu n v n là t p trung nghiên c u v các nhóm v n đề chính ủ ậ ă ậ ứ ề ấ liên quan đến chất lượng i đ ện nă ng bao g m: S ồ ụt gi ả m i đ ệ n áp và m ất đ ệ i n áp, quá

đ ệ i n áp quá , sóng hài và dao ng i n áp độ độ đ ệ

Qua các nghiên c u v ứ ề các nhóm v n ấ đề liên quan n ch t l đế ấ ượng i đ ệ n n ăng

để tìm ra các gi i pháp h n ch các v n liên quan n ch t lượng i n n ng, ả để ạ ế ấ đề đế ấ đ ệ ă nâng cao tin c y cung c p i n độ ậ ấ đ ệ

Bên c ạ nh đ ó, lu n v ậ ăn xây dựng mộ t mô hình tính toán thi t b ế ị bù có i u đ ề khi ển TCR ử ụng ch ng trình EMTP s d ươ (Electromagnetic Transients Program) để tính toán tác ng c độ ủa TCR trong việc đ ề i u ch ỉ nh i đ ệ n áp khi c t t i trong h ắ ả ệ th ng ố

đ ệ i n

3 Bố cục của L u n v n

Ngoài ph ần mở đầ u và k t lu n, lu ế ậ ận vă đượ n c chia thành 4 ch ương vớ ết i k

c u c ấ ủa các chươ ng nh sau: ư

Ch ng 1: T ng quan v ươ ổ ề chấ ượ t l ng i n n ng đ ệ ă

Ch ng 2: Các v n v ươ ấ đề ề chấ ượ t l ng i n n ng đ ệ ă

Ch ương 3: Sử ụng EMTP (ElectroMagnetic Transients Program) mô d

ph ng h ỏ ệ thố ng i n đ ệ

Ch ng 4: i u ch nh i n áp s d ng thi ươ Đ ề ỉ đ ệ ử ụ ết bị bù có i đ ều khiể n TCR

Tác gi xin trân tr ả ọng bày t lòng bi ỏ ế ơ đố t n i vớ i th y giáo PGS TS Tr ầ ần Bách, B ộ môn H th ng i n- Trường HBKHN ã tậ ệ ố đ ệ Đ đ n tình h ướng dẫ n trong su ốt

th ời gian qua Xin chân thành cả ơn các thầy cô giáo Trườ m ng Đại học Bách khoa

Hà N i, Trung tâm ào t o sau ộ đ ạ đại họ c, B ộ môn H th ng i n trường HBKHN, ệ ố đ ệ Đ Phòng Quy ho ạch Lưới đ ệ i n- Vi n Năng lượ ệ ng, gia đình và các bạn bè đồ ng nghi ệp

đ ã giúp đỡ tôi hoàn thành lu n v n này ậ ă

Vì th i gian có h n, v ờ ạ ấ đề n nghiên c ứu vẫn còn khá m i m ớ ẻ nên b n lu ả ận

v ăn không tránh khỏi còn những thiếu sót và hạn chế Tác giả ất mong nhậ được r n nhi u góp ý c ề ủa các thầ y cô giáo và các b n ạ

Chương 1: Tổng quan về chất lượng điện năng 1.1 Tại sao chúng ta phải quan tâm đến chất lượng điện năng [7]

Gần đây chất lượng điện năng đã trở thành vấn đề quan trọng, nhưng trong quá khứ chất lượng điện năng cũng đã được quan tâm Các công ty điện lực trên toàn thế giới trong các thập kỷ gần đây đã hoạt động trong sự phát triển của những gì được định nghĩa là chất lượng điện năng như ngày nay Định nghĩa đầu tiên của “chất lượng điện năng” được biết đến bởi nghiên cứu của U.S Navy xuất bản năm 1968 Cuốn sách này đưa ra một cái nhìn tổng quan về chất lượng điện năng, bao gồm cách sử dụng thiết bị giám sát và các hiện tượng giả thiết sử dụng dao cách ly chuyển dịch tĩnh Sau đó là một vài xuất bản khác xuất hiện, chúng sử dụng định nghĩa về chất lượng điện năng trong mối quan hệ tương quan với truyền tải hệ thống điện Trong những năm 1970 “Chất lượng điện áp cao” đã được quan tâm như là một mục đích

của thiết kế hệ thống điện công nghiệp, cùng với “độ an toàn’’ “độ tin c, ậy phục vụ’’ và “Chi phí cho hoạt động khởi đầu thấp’’ Cùng thời gian định

nghĩa về chất lượng điện năng đã được sử dụng tại các nước thuộc khối Scandinavian và các nước thuộc khối Liên Xô cũ, chủ yếu là sự xem xét sự biến đổi chậm trong biên độ của điện áp

Các định nghĩa về chất lượng điện năng gần đây được giải thích bằng nhiều cách, khó có thể nói được định nghĩa nào có đầu tiên Các nguyên nhân chính cho sự tăng quan tâm đối với chất lượng điện năng đó là:

 Các thiết bị ảnh hưởng nhiều hơn với mất cân bằng điện áp

Các thiết bị điện và điện tử bị ảnh hưởng bởi mất cân bằng điện

áp nhiều hơn so với trước đây Không chỉ có các thiết bị bị ảnh hưởng

mà các công ty cũng bị ảnh hưởng về tổn thất của thời gian sản xuất kéo theo sự giảm chi phí khi xảy ra mất cân bằng điện áp Hậu quả

dẫn đến một sự mất cung cấp nguồn điện sẽ rất lớn Trong thị trường nội địa, điện năng đã được coi như một quyền lợi cơ bản phải luôn được thực hiện

 Các thiết bị gây ra mất cân bằng điện áp

Thiết bị thường phản ứng nhanh với mất cân bằng của điện áp cung cấp Các thiết bị điện tử hiện tại không chỉ chịu ảnh hưởng của mất cân bằng điện áp mà còn gây ra mất cân bằng với các tải khác trong hệ thống Sự gia tăng việc sử dụng của các thiết bị truyền động-biến đổi đã gia tăng sự mất cân bằng điện áp Vấn đề chính ở đây là các dòng không sin của các bộ chỉnh lưu và bộ đổi điện Dòng vào không chỉ chứa các thành phần tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz) mà còn các thành phần sóng hài với tần số tương đương là bội số của tần

số cơ bản Dao động điều hoà của dòng điện dẫn đến thành phần hài trong nguồn cung cấp Các thiết bị tạo ra dao động điều hoà, nhưng gần đây khi số lượng các bộ biến đổi điện tử tăng mạnh, không chỉ các

bộ truyền động có thể điều chỉnh tốc độ lớn mà kể cả các thiết bị điện

tử nhỏ, đã gây ra một lượng lớn các dao động điện áp điều hoà

 Sự gia tăng cần thiết cho tiêu chuẩn hoá và các tiêu chuẩn thực hiện

Trước đây khi các khách hàng dùng điện không được chú ý, mất điện áp và các mất cân bằng điện áp khác là một phần của thoả thuận của khách hàng với các công ty Điện lực, và khách hàng sẽ quyết định đâu là nguyên nhân Bất kỳ khách hàng nào không hài lòng với độ tin cậy và chất lượng điện năng thì đều phải trả cho công ty cung cấp để tăng khả năng cung cấp

Ngày nay khi tầm quan trọng của khách hàng tăng lên, ngay cả khi các công ty Điện lực không cần làm giảm lượng mất cân bằng điện

áp thì vẫn phải xác định nó bằng cách này hay cách khác Điện năng được xem như một sản phẩm với các đặc điểm xác định có thể đo lường, dự báo, đảm bảo, phát triển Đây là yếu tố xúc tiến cho chiều hướng tư nhân hoá và bãi bỏ quy định của ngành công nghiệp điện Trong quá khứ một khách hàng sẽ có một hợp đồng với ngành điện để nhận được năng lượng điện với chất lượng và độ tin cậy Ngày nay, các khách hàng có thể lựa chọn các nhà cung cấp điện năng có chất lượng Chỉ cần khách hàng có hợp đồng với công ty cung cấp điện địa phương, nơi có thể đảm bảo cung cấp điện với chất lượng và

độ tin cậy Bên cạnh đó sự đáp ứng cũng phải có trong các hợp đồng

để các công ty cung cấp sẽ đảm bảo sự đáp ứng chất lượng và tin cậy

 Các công ty điện lực muốn cung cấp sản phẩm chất lượng

Hầu hết các công ty điện lực đều muốn cung cấp sản phẩm có chất lượng đến khách hàng, và đã tận tâm thực hiện điều này trong các thập kỷ gần đây Thiết kế hệ thống với độ tin cậy cung cấp điện lớn, với giá thành giới hạn, là một nhiệm vụ kỹ thuật yêu cầu trong ngành công nghiệp điện hiện nay và triển vọng trong tương lai

 Điện năng cung cấp đảm bảo chất lượng cao

Các hiện tượng như sụt giảm điện áp và dao động điều hoà phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng của nguồn cung cấp Trong hầu hết các nước công nghiệp (Châu Âu, Bắc Mỹ, Đông Á) thì sự gián đoạn cung cấp điện trong thời gian lớn là ít khi xảy ra Tại các nước sự cung cấp điện năng có độ không sẵn sàng cao, khoảng 2h một ngày, chất lượng điện năng không được xem như là một vấn đề lớn

 Chất lượng điện năng có thể đo lường được

Khả năng của các thiết bị điện tử có thể đo và thể hiện dạng sóng

đã làm tăng sự quan tâm đến chất lượng điện năng Trước đây các

thông số đo lường như điện áp, tần số, sự mất điện áp trong thời gian dài… bị xem xét một cách hạn chế thì ngày nay chúng là các yếu tố của chất lượng điện năng

độ Bất kỳ sự lệch đáng kể nào trong biên độ dạng sóng, tần số sẽ gây ra vấn

 Dòng điện dao động từ các tải tạo ra sóng hài cũng làm méo các điện áp khi chúng qua trở kháng của hệ thống Chính vì vậy sẽ làm

xuất hiện các dao động điện áp tại các thiết bị sử dụng khác trong hệ thống điện

Bởi các lý do trên, trong khi quan tâm nghiên cứu chất lượng điện áp đồng thời ta cũng phải lưu ý đến hiện tượng trong dòng điện để có thể hiểu được cơ bản các vấn đề của chất lượng điện năng

1.3 Tổng quanvề chất lượng điện năng[6]

Định nghĩa về chất lượng điện năng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện Sự gia tăng ứng dụng của các thiết bị điện tử và các máy phát phân phối đã làm tăng sự quan tâm đến chất lượng điện năng trong những năm gần đây và đi cùng là sự phát triển của các thuật ngữ để miêu tả các hiện tượng này Ở đây sẽ miêu tả các thuật ngữ được sử dụng để miêu tả về chất lượng điện năng

1.3 1 Quá độ (Transient)

Định nghĩa quá độ đã được sử dụng từ lâu trong tính toán phân tích sự biến đổi của hệ thống điện để hiển thị một sự kiện không mong muốn và thoáng qua trong trạng thái tự nhiên

Định nghĩa khác cũng thường được sử dụng là “sự chuyển tiếp từ trạng thái hoạt động ổn định này sang trạng thái hoạt động khác” Tuy nhiên, định nghĩa này cũng được sử dụng để miêu tả về những điều bất bình thường xẩy ra trong hệ thống điện

Nói chung, quá độ có thể chia thành hai nhóm là xung và dao động Các định nghĩa này theo dạng sóng của dòng điện và điện áp quá độ

 Quá độ xung (Impulsive Transient)

Quá độ xung là sự thay đổi tần số đột ngột của điện áp, dòng điện hoặc cả hai theo một hướng của cực (hoặc cực âm hoặc cực

dương) Các quá độ xung thường đặc trưng bởi độ tăng và thời gian phân rã của chúng Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này là do sét Hình 1.1 thể hiện một dạng sóng quá độ xung dòng gây bởi sóng sét

Hình 1.1: Quá độ xung do sét

Bởi bao gồm tần số cao, hình dạng của quá độ xung có thể thay đổi nhanh chóng bởi các thành phần của mạch điện và có thể có các đặc điểm giá trị khác nhau khi xem xét từ các phần khác nhau của hệ thống Quá độ xung thường không xa nguồn nơi xung vào hệ thống Quá độ xung có thể kích thích tần số cơ bản của mạch điện và tạo ra xung dao động

 Quá độ dao động (Oscillatory Transient)

Quá độ dao động là một sự thay đổi tần số đột ngột của điện áp, dòng điện hoặc cả hai theo cả giá trị cực âm và cực dương Một quá

độ dao động bao gồm điện áp và dòng điện có giá trị tức thời thay đổi theo cực rất nhanh Dạng xung dòng quá độ dao động nguyên nhân bởi đóng cắt tụ được thể hiện như hình 1.2

Hình 1.2: Xung dòng quá độ dao động

Các quá độ dao động với thành phần tần số chính cao hơn 500kHz được coi là quá độ tần số cao Các quá độ này thường là kết quả của đáp ứng hệ thống cục bộ với xung quá độ

Một quá độ với thành phần tần số chính giữa 5 và 500kHZ được

định nghĩa là một quá độ tần số trung bình Các quá độ này cũng có

thể là kết quả của đáp ứng hệ thống với xung quá độ

Một quá độ với thành phần tần số chính nhỏ hơn 5kHZ được

định nghĩa là một quá độ tần số thấp Nhóm các hiện tượng này

thường bắt gặp trong hệ thống truyền tải và phân phối và do nhiều nguyên nhân khác nhau

Các quá độ dao động với tần số cơ bản nhỏ hơn 300Hz cũng có thể tìm thấy trong hệ thống phân phối Chúng thường liên kết với hiện tượng cộng hưởng sắt từ và hoạt động của máy biến áp Quá độ bao gồm các bộ tụ nối tiếp cũng có thể thuộc nhóm này Chúng xuất hiện khi hệ thống đáp ứng với thành phần tần số thấp của dòng khởi động

máy biến áp hoặc một tình trạng không bình thường gây bởi cộng hưởng sắt từ

1.3 2 Độ lệch điện áp thời gian dài (Long-duration Voltage Variations)

Độ lệch điện áp thời gian dài có thể là quá điện áp hoặc thấp điện áp Quá áp và thấp áp không thường là kết quả của sự cố hệ thống, nhưng chúng cũng có thể là do sự biến đổi tải và hoạt động chuyển mạch trong hệ thống

 Quá điện áp (Overvoltage)

Quá điện áp là sự tăng điện áp lên quá 110% điện áp định mức [6] tại tần số công nghiệp trong thời gian lớn hơn một phút Quá điện

áp thường là kết quả của chuyển mạch tải (ngắt tải lớn khỏi hệ thống hoặc hoạt động một bộ tụ) Điều chỉnh đầu phân áp máy biến áp không đúng cũng gây ra hiện tượng quá điện áp trong hệ thống điện

 Thấp điện áp (Undervoltage)

Thấp điện áp là sự giảm của điện áp nhỏ hơn 90% điện áp định mức [6] tại tần số công nghiệp trong thời gian lớn hơn 1 phút Nguyên nhân của sự giảm thấp điện áp ngược lại với nguyên nhân gây ra quá điện áp Một tải đóng vào hệ thống hoặc ngắt một bộ tụ ra khỏi hệ thống có thể gây ra hiện tượng giảm thấp điện áp cho đến khi thiết bị điều chỉnh điện áp đưa điện áp trong hệ thống về lại giá trị cho phép Mạch điện quá tải cũng có thể gây ra hiện tượng giảm thấp điện áp

 Gián đoạn duy trì (Sustained interruptions)

Khi điện áp cung cấp về 0 trong một chu kỳ thời gian hơn 1 phút, biến đổi điện áp thời gian dài được định nghĩa là gián đoạn duy trì Gián đoạn điện áp hơn 1 phút thường yêu cầu sự can thiệp của con người để phục hồi tình trạng hoạt động của hệ thống

1.3 3 Độ lệch điện áp thời gian ngắn (Short-duration Voltage Variations)

Nguyên nhân gây ra độ lệch điện áp thời gian ngắn là do tình trạng sự

cố trong hệ thống, hoạt động của các tải lớn yêu cầu dòng khởi động cao, hoặc do sự kết nối gián đoạn trong hệ thống dây dẫn Tuỳ thuộc vào vị trí sự

cố và tình trạng của hệ thống, sự cố có thể gây ra hoặc hiện tượng sụt giảm điện áp (sags), tăng điện áp (swells) hoặc mất điện áp hoàn toàn (interruptions) Tình trạng sự cố có thể gần hoặc xa điểm quan tâm Trong các trường hợp khác nhau, sự tác động tới điện áp trong suốt quá trình sự cố là các biến đổi thời gian ngắn cho đến khi các thiết bị bảo vệ hoạt động để loại trừ sự cố

 Mất điện áp (Interruptions)

Hiện tượng mất điện áp xảy ra khi nguồn cung cấp hoặc dòng tải giảm thấp hơn 10% giá trị định mức trong thời gian không vuợt quá 1 phút

Mất điện áp có thể là kết quả của sự cố trong hệ thống điện, sự không hoạt động của thiết bị và các sự cố trong điều khiển Mất điện

áp được đo bởi thời gian từ khi biên độ của điện áp nhỏ hơn 10% giá trị danh định Thời gian của mất điện áp theo sự cố trong hệ thống được định nghĩa bởi thời gian hoạt động của thiết bị bảo vệ Tự đóng lại tức thời sẽ có thể giới hạn mất điện áp gây bởi các sự cố vĩnh cửu giảm dưới 30 chu kỳ Sự trì hoãn việc tự động đóng lại của các thiết bị bảo vệ có thể gây ra sự mất điện áp Thời gian của mất điện áp theo sự

cố thiết bị hoặc đứt dây có thể không theo quy luật

Có thể xuất hiện hiện tượng sụt giảm điện áp trước khi có mất điện áp do sự cố trong hệ thống Sự sụt giảm điện áp xuất hiện giữa thời gian của sự cố và hoạt động của thiết bị bảo vệ

 Sụt giảm điện áp(Sags)

Sụt giảm điện áp là sự giảm điện áp khoảng 10% đến 90% giá trị điện áp hoặc dòng điện tại tần số công nghiệp trong thời gian từ 0.5 chu kỳ đến 1 phút (hình 1.3)

Hình 1.3: Sụt giảm điện áp do sự có chạm đất một pha

Nguyên nhân của sự sụt giảm điện áp thường liên quan đến sự cố trong hệ thống nhưng cũng có thể do bởi hoạt động của tải nặng, hoặc

sự khởi động của một động cơ lớn (hình 1.4)

Hình 1.4: Sụt giảm điện áp do sự khởi động của động cơ lớn

 Quá điện áp(Swells)

Quá điện áp được định nghĩa từ sự tăng điện áp từ 110% đến 180% so với giá trị định mức của dòng điện hoặc điện áp tại tần số công nghiệp trong thời gian từ 0.5 chu kỳ đến 1 phút

Cũng giống như hiện tượng sụt giảm điện áp, quá điện áp cũng liên quan đến sự cố hệ thống, nhưng chúng không phổ biến như sụt giảm điện áp Sự tăng điện áp được đặc điểm bằng biên độ và thời gian của chúng Hình 1.5 thể hiện sự quá áp nguyên nhân bởi sự cố chạm đất một pha trong hệ thống

Hình 1.5: Quá điện áp do sự cố chạm đất một pha

1.3 4 Mất cân bằng điện áp (Voltage Imbalance)

Mất cân bằng điện áp được định nghĩa là độ biến đổi lớn nhất khỏi giá trị trung bình của điện áp hoặc dòng điện ba pha Hình 1.6 là một dạng sóng của hiện tượng mất cân bằng điện áp

Hình 1.6: Mất cân bằng điện áp

Tỷ lệ giữa thành phần thứ tự nghịch hoăc thứ tự không với thành phần thứ tự thuận có thể sử dụng để xác định phần trăm mất cân bằng điện áp Các tiêu chuẩn gần đây xác định rằng phương pháp thứ tự nghịch được sử dụng

Nguyên nhân chính của mất cân bằng điện áp nhỏ hơn 2% là tải đơn pha trong mạch điện 3 pha Mất cân bằng điện áp cũng có thể là nguyên nhân

do cầu chì trong một pha của bộ tụ ba pha Một vài mất cân bằng điện áp (lớn hơn 5%) có thể gây bởi tình trạng đơn pha

1.3 5 Độ méo dạng sóng(Waveform Distortion)

Độ méo dạng sóng được định nghĩa như là sự biến đổi trạng thái ổn định từ một dạng sóng sin lý tưởng của tần số cơ bản Độ méo dạng sóng được thể hiện bởi thành phần phổ của biến đổi

DC offset Sự có mặt của dòng và áp một chiều trong hệ thống điện xoay chiều được định nghĩa là DC offset Điều này có thể xuất hiện như là kết quả của sự nhiễu loạn từ tính hoặc tính không đối xứng của các bộ biến đổi công suất điện tử Dòng điện một chiều trong hệ thống điện xoay chiều có thể gây bất lợi, làm bão hoà lõi thép máy biến áp trong tình trạng hoạt động bình thường Điều này làm phát nóng và giảm tuổi thọ của máy biến áp Các dòng điện một chiều cũng có thể gây sự ăn mòn điện phân của các điện cực nối đất hoặc các thiết bị kết nối

Sóng hài Sóng hài là các điện áp và dòng điện hình sin có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản của hệ thống Các dạng sóng dao động có thể phân tích thành tổng của tần số cơ bản và sóng hài Các dao động điều hoà bắt nguồn từ đặc điểm không đối xứng của thiết bị và tải trong hệ thống điện

Các mức độ dao động điều hoà dược miêu tả bởi hình ảnh của hài đầy

đủ với biên độ và góc pha của mỗi thành phần điều hoà riêng biệt Tổng độ méo điều hoà (THD-Total harmonic distortion) là phép đo giá trị tác dụng của

độ méo điều hoà Dạng sóng và dạng phổ của sóng hài lần lượt được thể hiện trong hình 1.7 và 1.8 cho dòng điện vào của bộ truyền động có thể điều chỉnh tốc độ

Hình 1.7: Dạng sóng của dòng điện

Hình 1.8: Dạng phổ của dòng điện

Đa hài Điện áp và dòng diện có thành phần tần số mà không phải là

bội số nguyên của tần số cơ bản được gọi là đa hài Chúng có thể xuất hiện như là tần số riêng rẽ hoặc hình ảnh dải rộng

Đa hài có thể tìm thấy trong hệ thống của tất cả các nhóm điện áp Nguyên nhân chính của độ méo dạng sóng đa hài là các biến đổi tần số tĩnh, các bộ biến đổi chu trình, các lò cảm ứng, các thiết bị hồ quang Các tín hiệu mang cũng có thể miêu tả như là đa hài

Notching Notchinh là sự nhiễu loạn điện áp theo chu kỳ gây bởi hoạt động bình thường của các thiết bị điện tử công suất khi dòng điện được giao hoán giữa pha này với pha kia

Khi sự nhiễu loạn điện áp xuất hiện liên tiếp, nó có thể được thể hiện qua hình ảnh sóng hài của điện áp tác dụng Tuy nhiên nó thường được xem như một hiện tượng đặc biệt Thành phần tần số liên quan với sự nhiễu loạn điện áp có thể rất cao và có thể không dễ dàng mô tả bằng các thiết bị đo lường thông thường sử dụng cho tính toán sóng hài Hình 1.9 là một ví dụ về nhiễu loạn điện áp từ một thiết bị biến đổi ba pha

Hình 1.9: Dạng sóng nhiễu loạn điện áp

Tạp âm (Noise) Tạp âm được định nghĩa như là tín hiệu điện không

mong muốn với thành phần dải thấp hơn 200kHz trên cùng điện áp hoặc dòng điện trong pha dẫn, hoặc tìm thấy trong dây dẫn trung tính hoặc đường dây tín hiệu

Tạp âm trong hệ thống điện có thể bởi các thiết bị điện tử công suất, các mạch điện điều khiển, các thiết bị hồ quang, tải và các bộ chỉnh lưu một chiều, và chuyển mạch nguồn cung cấp Vấn đề tạp âm thường tăng lên bởi nối đất không đúng dẫn đến tạp âm phát triển trong hệ thống điện Cơ bản, tạp

âm bao gồm bất kỳ dao động không mong muốn nào của tín hiệu công suất

mà không giống như sóng hài hay quá độ Tạp âm làm nhiễu loạn các thiết bị

ví dụ như các máy tính và các chương trình điều khiển Vấn đề này có thể hạn chế bằng cách sử dụng các bộ lọc, các máy biến áp cách ly và điều hoà đường dây

1.3 6 Dao động điện áp (Voltage Fluctuation)

Dao động điện áp là sự biến đổi có hệ thống của điện áp hoặc nối tiếp các sự thay đổi điện áp ngẫu nhiên (hình 1.10)

Hình 1.10: Dao động điện áp do hồ quang gây ra

Sự biến đổi nhanh, liên tiếp trong biên độ dòng tải có thể gây ra biến đổi diện áp thoáng qua Để chính xác, dao động điện áp là một hiện tượng điện từ trong khi dao động thoáng qua là một kết quả không mong muốn của dao động điện áp trong một số tải Tuy nhiên, hai định nghĩa này thường được nối với nhau trong cùng tiêu chuẩn Chính vì vậy, ta cũng sẽ sử dụng định nghĩa dao động điện áp thoáng qua để miêu tả như dao động điện áp

1.3 7 Độ lệch tần số (Power frequency variations)

Độ lệch tần số được định nghĩa như là biến dổi của tần số cơ bản hệ thống điện từ giá trị thông thường của nó(50Hz hoặc 60Hz)

Tần số hệ thống có mối quan hệ trực tiếp với tốc độ quay của máy phát cung cấp cho hệ thống Mức độ thay đổi tần số và thời gian thay đổi tuỳ thuộc vào đặc điểm của tải và đáp ứng của hệ thống điều khiển máy phát với

sự thay đổi của tải Hệ thống điện càng lớn, yêu cầu về độ chính xác của điều chỉnh tần số càng cao vì độ lệch tần số sẽ ảnh hưởng đến trào lưu công suất giữa nhiều nhà máy và giữa các khu vực khác nhau của hệ thống

Độ lệch tần số nếu ra ngoài giới hạn cho phép của hoạt động ổn định bình thường của hệ thống có thể sẽ gây ra sự cố trong hệ thống truyền tải Trong chế độ làm việc bình thường của hệ thống, các thiết bị tự động điều chỉnh tần số và công suất tác dụng có nhiệm vụ duy trì tần số trong giới hạn cho phép Khi xảy ra sự cố hư hỏng các tổ máy phát, tần số có thể giảm ngoài

sự kiểm soát của hệ thống điều chỉnh tần số Hiện tượng thác (sụp đổ) tần số

và điện áp có thể xảy ra rất nhanh (từ vài giây đền vài chục giây) và kéo theo những hậu quả hết sức nghiêm trọng: cắt hàng loạt phụ tải, tan rã hệ thống

Chương 2: Các vấn đề về chất lượng đIện năng2.1 Sụt giảm điện áp và mất điện áp [6]

Nguyên nhân của sự sụt giảm điện áp và mất điện áp là do sự cố trong

hệ thống và các thao tác đóng cắt để tách sự cố Đặc điểm của hiện tượng này

là sự dao động điện áp khỏi ngưỡng hoạt động bình thường của điện áp hệ thống

Sụt giảm điện áp là một quá trình diễn ra trong thời gian ngắn (thông thường 0.5 tới 30 chu kỳ), nguyên nhân bởi sự cố trong hệ thống hoặc khởi động của các tải lớn, như động cơ Mất điện áp tức thời (thường nhỏ hơn 2 đến 5s) thường là kết quả của các hoạt động để tách sự cố quá độ trong hệ thống, Hiện tượng mất điện áp có thời gian lâu hơn 1 phút thường là do các sự

cố xác lập gây ra

Các công ty Điện lực đang phải đối mặt với sự phàn nàn về chất lượng điện năng do hiện tượng sụt giảm và mất điện áp gây ra cho khách hàng Các khách hàng ngày càng có nhiều tải dễ bị ảnh hưởng bởi sự cố trong hệ thống Các máy tính điều khiển mất bộ nhớ, các qui trình ngày càng phức tạp cũng mất rất nhiều thời gian để khởi động lại Các ngành công nghiệp phải dựa nhiều vào các thiết bị tự động để đạt được hiệu suất lớn nhất để duy trì sức cạnh tranh Chính vì vậy, các hiện tượng này có tác động rất lớn về mặt kinh tế.[5],[8]

2.1.1 Đánh giá hiện tượng sụt giảm điện áp

Đánh giá hiện tượng sụt giảm điện áp của nguồn cung cấp để các thiết

bị có thể được thiết kế và phát triển các thông số kỹ thuật nhằm tối ưu hoạt động của chúng Trong các quy trình sản xuất, để đảm bảo sự tương thích giữa đặc điểm nguồn và hoạt động của hệ thống thì phải chú ý:

 Xác định số lượng và đặc điểm của hiện tượng sụt giảm điện áp

do sự cố trong hệ thống truyền tải

 Xác định số lượng và đặc điểm của hiện tượng sụt giảm điện áp

do sự cố trong hệ thống phân phối

 Xác định ảnh hưởng của thiết bị với hiện tượng sụt giảm điện áp Điều này sẽ xác định được hiệu suất thực tế của các quy trình sản xuất dựa trên việc tính toán sự sụt giảm điện áp theo hai bước trên,

 Đánh giá kinh tế theo các giải pháp tăng hiệu suất khác nhau, hoặc ở mức hệ thống cung cấp (ít sụt giảm điện áp hơn) hoặc trong các thiết bị

2.1.1.1 Ảnh hưởng của thiết bị với sụt giảm điện áp

Các thiết bị sử dụng có thể có nhiều ảnh hưởng khác nhau với hiện tượng sụt giảm điện áp, chúng phụ thuộc vào loại tải, hệ thống điều khiển và các ứng dụng[8] Do đó, thường khó để nhận biết được đặc điểm của hiện tượng sụt giảm điện áp gây mất hoạt động cho các thiết bị Đặc điểm chung thường được sử dụng là thời gian và biên độ của sự sụt giảm Ít sử dụng hơn

là sự thay đổi pha và mất cân bằng, mất điện áp, mất cân bằng điện áp 3 pha trong trường hợp giảm thấp điện áp Thông thường, các thiết bị ảnh hưởng với sự sụt giảm điện áp có thể chia thành ba nhóm:

 Các thiết bị chỉ ảnh hưởng với biên độ của sụt giảm điện áp

Nhóm thiết bị này bao gồm các thiết bị như rơle thấp áp, các bộ điều khiển quy trình, điều khiển truyền động động cơ, và các loại máy tự động Các thiết bị trong nhóm này thường ảnh hưởng với biên độ nhỏ nhất (hoặc lớn nhất) của điện áp xuất hiện trong quá trình sụt giảm điện áp Với nhóm thiết bị này, thời gian trong các dao động là quan trọng bậc hai sau biên độ

 Các thiết bị ảnh hưởng với cả biên độ và thời gian của sụt giảm điện áp Nhóm thiết bị này bao gồm các thiết bị sử dụng các nguồn

cung cấp điện tử Các thiết bị này sẽ mất hoạt động hoặc sự cố khi điện áp đầu ra giảm xuống duới giá trị danh định Chính vì vậy, đặc điểm quan trọng của các thiết bị này là thời gian mà điện áp định mức

bị giảm xuống dưới ngưỡng định mức

 Các thiết bị ảnh hưởng với các đặc điểm khác của sụt giảm điện

áp Nhóm thiết bị này chịu ảnh hưởng bởi các đặc điểm khác của sự sụt giảm điện áp như mất cân bằng pha, hoặc các quá độ xuất hiện trong quá trình mất ổn định Các đặc điểm này thường khó thấy hơn biên độ và thời gian, và các tác động của chúng cũng khó để nhận biết

2.1.1.2 Sụt giảm điện áp trong hệ thống truyền tải

Sự sụt giảm điện áp sẽ phụ thuộc vào khách hàng được cung cấp từ hệ thống lưới truyền tải hay lưới phân phối Nếu khách hàng được cung cấp từ lưới truyền tải thì sự sụt giảm điện áp chỉ phụ thuộc vào lưới truyền tải Còn nếu khách hàng được cung cấp từ lưới phân phối thì sự sụt giảm điện áp sẽ phụ thuộc vào cả hệ thống truyền tải và phân phối

Sự cố đường dây truyền tải và tác động của thiết bị bảo vệ ít khi gây

ra sự mất điện áp cho các khách hàng bởi sự liên thông trong hệ thống lưới truyền tải Tuy nhiên, các sự cố đó có thể gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp Tuỳ thuộc vào sự ảnh hưởng của các thiết bị, các thiết bị có thể sẽ tách ra khỏi

hệ thống, gây ra những tổn thất về kinh tế đáng kể Chính vì vậy, khả năng tính toán sự sụt giảm điện áp tại thiết bị là hết sức quan trọng

2.1.1.3 Sụt giảm điện áp trong hệ thống phân phối

Các khách hàng được cung cấp từ mức độ điện áp phân phối chịu tác động của sự cố trong cả hệ thống truyền tải và phân phối Sự sụt giảm điện áp tại các thiết bị là tổng sự sụt giảm điện áp trong hệ thống truyền tải và phân

phối Các tính toán tại mức độ phân phối phải bao gồm cả sự mất điện áp tạm thời do các thiết bị bảo vệ hoạt động để loại trừ sự cố.[10]

2.1.2 Các giải pháp giảm sụt giảm và mất điện áp

Một số cách có thể được thực hiện bởi nguồn, tải, và các nhà sản xuất thiết bị để giảm số lượng, tính khắc nghiệt của sự sụt giảm điện áp và giảm bớt sự ảnh hưởng của thiết bị với sụt giảm điện áp Thường càng giải quyết được vấn đề tại mức độ thấp thì sẽ càng tiết kiệm được chi phí

Khi mức độ yêu cầu không thực hiện được, có thể sử dụng một hệ thống lưu điện (UPS- Uninterruptible power supply) hoặc một vài loại điều hoà công suất khác cho các thiết bị điều khiển Điều này sẽ thích hợp khi các thiết bị có thể chống lại sụt giảm hoặc mất điện áp nhưng các thiết bị điều khiển sẽ tự động ngắt chúng

2.1.2.1Các giải pháp ở mức thiết bị

Các giải pháp để tăng độ tin cậy và hiệu suất của các qui trình hoặc của các thiết bị có thể được chấp nhận tại nhiều mức độ khác nhau Các công nghệ khác nhau có thể được tính toán dựa trên các yêu cầu riêng của các qui trình để xác định giải pháp tối ưu cho việc cải thiện sự sụt giảm điện áp Các giải pháp có thể được thực hiện theo các mức độ khác nhau:

 Bảo vệ cho các tải nhỏ (ví dụ như nhỏ hơn 5kVA) Điều này

thường bao gồm bảo vệ cho các thiết bị điều khiển, các máy cá nhân nhỏ hoặc nhiều khi là các tải một pha cần được bảo vệ

 Bảo vệ cho các thiết bị riêng hoặc nhóm các thiết bị tới khoảng

300 kVA Tuy rằng không phải mọi tải trong nhóm thiết bị này cần bảo

vệ, nhưng đây có thể là một giải pháp hết sức kinh tế cho việc đối xử với các tải tới hạn, đặc biệt là khi sự bảo vệ cho các tải này được ghi

rõ trên thiết kế

 Bảo vệ cho nhóm các tải lớn hoặc toàn bộ thiết bị lại mức độ điện áp thấp Thỉnh thoảng khi một phần lớn của các thiết bị trong

trạng thái tới hạn hoặc cần bảo vệ, điều này thích hợp để tính toán cho một nhóm lớn các thiết bị cần được bảo vệ tại một vị trí thuận lợi Các công nghệ hiện đại có thể được xem xét khi một nhóm lớn các tải cần được bảo vệ

 Bảo vệ tại mức độ điện áp trung bình hoặc tại nguồn cung cấp

Nếu toàn bộ thiết bị cần được bảo vệ hoặc tăng chất lượng điện năng, các giải pháp tại điện áp trung bình có thể được xem xét

Phạm vi của các nhóm trên là không cố định và rất nhiều các công nghệ khác nhau có thể được áp dụng trên phạm vi đó Sau đây là các công nghệ chính và mức độ chúng có thể áp dụng

a Các máy ổn áp

Các máy ổn áp có thể điều khiển được hầu hết sự sụt giảm điện áp Các máy ổn áp đặc biệt hiệu quả cho các tải cân bằng công suất thấp Các máy ổn áp về cơ bản là máy biến áp 1:1 được kích thích cao trên đường cong bão hoà Chính điều này đã tạo ra một điện áp đầu ra không bị tác động bởi điện áp đầu vào

b Các bộ tổng hợp từ tính

Nguyên lý hoạt động của các bộ tổng hợp từ tính tương tự như các máy ổn áp ngoại trừ chúng là các thiết bị ba pha và có thuận lợi với từ tính ba pha để tăng điện áp và điều chỉnh tải ba pha Chúng có thể sử dụng cho các tải

có công suất từ 15 đến 200 kVA và thường được sử dụng cho các tải của hệ thống máy tính lớn nơi sụt giảm điện áp hoặc dao động điện áp tĩnh gây ra hậu quả quan trọng

Sự truyền năng lượng và cách điện đường dây được hoàn thiện qua việc sử dụng các cuộn cảm kháng phi tuyến Điều này loại trừ được các vấn

đề như tiếng ồn (noise) đường dây Dạng sóng đầu ra xoay chiều được tạo thành bằng cách kết hợp các xung điện áp từ các máy biến áp bão hoà Năng lượng dạng sóng được lưu giữ trong các máy biến áp bão hoà và các bộ tụ như dòng điện và điện áp Sự lưu giữ năng lượng này cho phép đầu ra của một dạng sóng sạch với một chút dao động điều hoà nhỏ

c Các bộ bù nối tiếp hoạt động(Active series compensators)

Sự phát triển trong kỹ thuật điện tử công suất đã tạo ra những lựa chọn mới cho việc cải thiện sụt giảm điện áp chống lại các tải giới hạn Một trong các lựa chọn quan trọng là một thiết bị có thể tăng điện áp bằng cách đẩy điện

áp nối tiếp với điện áp yêu cầu trong suốt quá trình sụt giảm điện áp Đây là các thiết bị bù nối tiếp hoạt động Chúng có thể sử dụng cho các thiết bị một pha nhỏ (1 đến 5kVA) đến các thiết bị rất lớn (lớn hơn 2MVA) sử dụng trong

hệ thống trung áp

d Các hệ thống lưu điện

 Hệ thống trực tiếp (On-line UPS)

Hình 2.1 miêu tả một hệ thống lưu điện trực tiếp

Hình 2.1: Hệ thống lưu điện trực tiếp

Trong trường hợp này, tải luôn được cung cấp qua một hệ thống UPS Công suất xoay chiều đầu vào được chỉnh lưu thành một chiều và được nạp bằng một bộ ắc quy Công suất một chiều này sau đó được biến đổi lại thành xoay chiều để cung cấp cho tải Nếu công suất xoay chiều đầu vào hỏng, bộ

T¶ i

¾c Quy

TB c hØnh l uu

biến đổi sẽ được cấp từ ắc quy và tiếp tục cung cấp đến tải Trong trường hợp mất công suất, nguồn sẽ cung cấp riêng cho các tải không bị ảnh hưởng của tình trạng mất cân bằng công suất đường dây Tuy nhiên, hoạt động trực tiếp làm tăng tổn thất và có thể không cần thiết cho bảo vệ của rất nhiều tải

 Hệ thống gián tiếp (Hybrid UPS)

Tương tự thiết kế như hệ thống trực tiếp, hệ thống gián tiếp sử dụng một bộ điều chỉnh điện áp trong đầu ra để cung cấp điều chỉnh cho tải khi có

sự chuyển từ hệ thống bình thường sang hệ thống lưu điện

Hình 2.3 miêu tả một hệ thống UPS gián tiếp

Hỡnh 2.3: Hệ thống giỏn tiếp

e Hệ thống động cơ- mỏy phỏt(Motor Generators sets)-

Đõy là một hệ thống hữu ớch cho việc cỏch ly cỏc tải giới hạn khỏi sự sụt giảm và mất điện ỏp trong hệ thống điện Một hệ thống động cơ- mỏy phỏt được miờu tả như trong hỡnh 2.4

Tuy nhiờn, hệ thống này cũng cú một số bất lợi cho một vài loại tải như:

 Cú nhiều tổn thất liờn quan đến cỏc mỏy

 Tiếng ồn, và một số loại tải phải được bảo dưỡng

 Tần số và điện ỏp giảm xuống trong suốt quỏ trỡnh mất điện ỏp

f Hệ thống bỏnh đà lưu giữ năng lượng

Hệ thống động cơ- mỏy phỏt chỉ cú tớnh chất để khai thỏc năng lượng lưu giữ trong cỏc bỏnh đà Một hệ thống năng lượng bỏnh đà sử dụng cỏc bỏnh đà tốc độ cao và cỏc thiết bị điện tử cụng suất để vuợt qua sụt giảm và

Bá n h đà

má y phá t

Đ ộ n g c ơ

mất điện áp từ 10s đến 2 phút Trong khi hệ thống động cơ máy phát thường - hoạt động mở và thường là đối tượng của tổn thất ma sát khí động học thì các bánh đà hoạt động trong môi trường chân không và sử dụng trục từ tính để giảm tổn thất dự trữ Các thiết kế với các rô to thép có thể quay tại tốc độ khoảng 10.000 rpm, trong khi với các rô to composite có thể quay với tốc độ cao hơn Khi lượng năng lượng lưu trữ tương ứng với bình phương của tốc

độ, một lượng lớn năng lượng có thể được lưu giữ trong một không gian nhỏ Roto hoạt động như một thiết bị lưu giữ năng lượng liền khối, động cơ và máy phát Để lưu giữ năng lượng rôto được quay tới tốc độ như động cơ Khi năng lượng đã đạt yêu cầu, thì rôto và phần ứng lại hoạt động như một máy phát

g Các thiết bị lưu giữ năng lượng từ siêu dẫn

Một thiết bị lưu giữ năng lượng từ siêu dẫn được sử dụng để giảm sự sụt giảm và mất điện áp Năng lượng lưu giữ được bằng cách lưu giữ năng lượng trong dòng điện chạy trong nam châm siêu dẫn Khi cuộn dây tổn thất, năng lượng có thể được giải phóng Qua các bộ điều chỉnh điện áp và các bộ biến đổi, năng lượng này có thể được đẩy vào bảo vệ hệ thống điện trong thời gian nhỏ hơn 1 chu kỳ để bù cho điện áp mất đi trong quá trình sụt giảm điện

 Hệ thống hầu như không giới hạn về chu kỳ nạp và phóng điện Các chu kỳ này có thể được thực hiện hàng ngàn lần mà không làm giảm phẩm chất của các nam châm siêu dẫn

h Các bộ chuyển mạch tĩnh và chuyển mạch động

Có một số lựa chọn để bảo vệ cho toàn bộ các thiết bị dễ bị ảnh hưởng bởi sụt giảm điện áp Chúng bao gồm các máy hồi phục điện áp lực (dynamic voltage restorers- DVRs) và các hệ thống lưu điện UPS sử dụng công nghệ tương tự như miêu tả trên nhưng tại mức độ điện áp trung bình Một giải pháp khác được sử dụng tại điện áp thấp hoặc điện áp trung bình là các bộ chuyển mạch tự động

Các bộ chuyển mạch tự động có thể sử dụng các công nghệ khác nhau,

từ thông thường đến các bộ chuyển mạch tĩnh Các bộ chuyển mạch thường sẽ chuyển mạch từ nguồn sơ cấp tới nguồn dự phòng trong vài giây Các bộ chuyển mạch động sử dụng kỹ thuật ngắt chân không có thể chuyển mạch chỉ trong khoảng 2 chu kỳ Điều này có thể đủ nhanh để bảo vệ các tải dễ bị ảnh hưởng Các bộ chuyển mạch tĩnh sử dụng các chuyển mạch điện tử công suất

để thực hiện các sự chuyển mạch trong khoảng một phần tư chu kỳ điện

Điều chú ý nhất đối với các bộ chuyển mạch cho bảo vệ các tải dễ bị ảnh hưởng là chúng yêu cầu hai nguồn cung cấp độc lập tới Ví dụ như cả hai nguồn cấp đến từ một thanh cái trạm, khi đó cả hai sẽ cùng bị đặt vào cùng một sự sụt giảm điện áp khi có sự cố xảy ra trong hệ thống nguồn Nếu một phần trăm đáng kể của các hiện tượng tác động đến các thiết bị, gây ra bởi sự

cố trong hệ thống truyền tải, các bộ chuyển mạch động sẽ có ít lợi ích cho bảo

vệ các thiết bị

2.1.2.2Các giải pháp loại trừ sự cố hệ thống nguồn

Các công ty Điện lực có hai lựa chọn cơ bản để giảm số lượng và tính khắc nghiệt của sự cố trong hệ thống Đó là ngăn ngừa sự cố hoặc thực hiện các biện pháp điều chỉnh loại trừ sự cố

Việc ngăn ngừa sự cố không chỉ tăng sự hài lòng của khách hàng, mà còn ngăn ngừa những hư hại lớn cho các thiết bị điện Các hoạt động ngăn ngừa sự cố bao gồm: tỉa cây, đặt chống sét đường dây, đặt thiết bị bảo vệ động vật Cách điện của đường dây không thể loại trừ được mọi sự cố do sét gây ra, chính vì vậy cần chú ý xem xét hiện tượng các đường dây chịu tác động với sự cố do sét Trong đường dây truyền tải, các dây chống sét có thể được tính toán để giảm sự cố do sét Trong lưới phân phối, các dây chống sét cũng có thể là một lựa chọn khi các chống sét đặt dọc theo đường dây Ngoài

ra, một trong những vấn đề trên đường dây là hiện tượng đổ cây vào đường dây Trong các vùng mà thực vật phát triển nhanh, việc tỉa cây để tránh đổ vào đường dây cũng là một nhiệm vụ cần chú ý

Nâng cao biện pháp loại trừ sự cố có thể bao gồm: đặt thêm các tự động đóng lại đường dây, tính toán nhả nhanh, tăng thêm mạch vòng hoặc điều chỉnh thiết kế đường dây Các biện pháp này có thể giảm số lượng hoặc thời gian của các ngắt mạch tạm thời và sự sụt giảm điện áp, nhưng sự cố hệ thống sẽ không bao giờ có thể tính toán trọn vẹn

Nguyên lý phối hợp quá dòng

Rất quan trọng để hiểu sự hoạt động của hệ thống trong suốt quá trình

sự cố Có các giới hạn tự nhiên để ngắt sự cố dòng điện và phục hồi công suất Các vị trí này thường yêu cầu nhỏ trong tải Trong một số trường hợp việc thực hiện phía hệ thống nguồn để nâng cao chất lượng điện năng sẽ tốt hơn phía tải Chính vì vậy, chúng ta sẽ nêu ra các giải pháp để loại trừ sự cố với cả hai phía nguồn và tải

Các chế độ làm việc của hệ thống điện được chia làm hai loại chính: chế độ xác lập và chế độ quá độ Chế độ xác lập là các chế độ trong đó các thông số của hệ thống không thay đổi, hoặc trong những khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xung quanh các trị số định mức Chế độ làm việc bình thường, lâu dài của hệ thống điện thuộc về chế độ xác lập (còn gọi là chế độ xác lập bình thường) Chế độ sau sự cố, hệ thống được phục hồi

và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập (còn gọi là chế độ xác lập sau sự cố) Ở các chế độ xác lập sau sự cố thông số ít biến thiên nhưng có thể lệch khỏi trị số định mức tương đối nhiều, cần phải nhanh chóng khắc phục

Ngoài chế độ xác lập còn diễn ra các quá trình quá độ trong hệ thống điện Đó là các chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác Chế độ quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao tác đóng cắt các phần tử đang mang công suất (những kích động lớn) Chế độ quá

độ được gọi là bình thường nếu nó tiến đến chế độ xác lập mới Trong trường hợp này các thông số hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở về gần định mức và tiếp theo ít thay đổi Ngược lại, có thể diễn ra chế độ quá độ với thông số hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0 Chế độ quá độ khi đó được gọi là chế độ quá độ sự cố Nói chung, với mọi hệ thống diện yêu cầu nhất thiết là phải đảm bảo cho các chế độ quá độ diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang chế độ xác lập mới, bởi chế độ quá độ chỉ có thể là tạm thời, chế độ xác lập mới là chế độ cơ bản làm việc của hệ thống điện.[3]

Mục tiêu chính của quá trình loại trừ sự cố trong hệ thống điện, bên cạnh đảm bảo an toàn, là để hạn chế sự hư hại của hệ thống phân phối Chính

vì vậy, việc xác định sự cố và loại trừ sự cố phải được thực hiện với tốc độ có thể lớn nhất mà không gây ra mất hoạt động trong quá trình quá độ thông

thường Hai quan tâm lớn nhất cho hư hỏng thường là: hồ quang điện gây ra cho dây dẫn, các thanh cái và hư hỏng các máy biến áp trong các trạm

Một hệ thống lưới phân phối hình tia được thiết kế cho chỉ riêng thiết

bị ngắt sự cố được hoạt động để loại trừ sự cố Với các sự cố xác lập, các thiết

bị ngắt sự cố sẽ hoạt động để tách các đường dây Chính vì vậy, sự cố sẽ được cách ly và công suất có thể được phục hồi

Các thiết bị bảo vệ quá dòng điện xuất hiện nối tiếp dọc theo các đường dây Với sự cố xác lập, các thiết bị hoạt động tăng chậm dần từ cuối đường dây tới trạm biến áp Điều này giúp đảm bảo chính xác các phần của đường dây nên chỉ cách ly phần bị sự cố Thứ tự các thiết bị bảo vệ quá dòng trên đường dây thường bao gồm:[1]

 Các máy cắt có trang bị tự đóng lại: Đây là loại máy cắt nhẹ tác

động nhanh được trang bị bảo vệ quá dòng, phần tử lôgic để cắt và đóng trở lại máy cắt có bộ phận đếm số lần tác động và chỉ trạng thái của máy cắt Số lần tự đóng lại có thể được đặt trước, nếu đóng lại không thành công, máy cắt sẽ giữ ở trạng thái cắt, chờ nhân viên vận hành xử lý Máy cắt có trang bị tự động đóng lại có loại 3 pha hoặc 1 pha, ngày nay người ta sử dụng máy cắt chân không hoặc SF6 thay cho máy cắt ít dầu thường dùng trước đây để giảm trọng lượng của thiết

bị, cho phép dễ dàng lắp đặt trên cột đường dây phân phối, nâng cao

độ an toàn và tin cậy của thiết bị Bộ phận điều khiển lô gích cắt và tự động đóng lại, đếm chu trình và thời gian tác động do một microprocessor thực hiện cho phép kết nối với hệ thống điều khiển xa

và hiển thị trạng thái máy cắt trong sơ đồ tự động của lưới phân phối

 Các dao cách ly tự động: Là loại dao cách ly được trang bị bộ

truyền động có thể điều khiển từ xa tác động phối hợp với máy cắt có trang bị tự đóng lại để thực hiện việc tách và cách ly phần tử bị sự cố

trong khoảng thời gian không điện trong chu trình tự đóng lại Dao cách ly tự động không có khả năng cắt dòng điện lớn, vì vậy trong quá trình xử lý sự cố cần phối hợp chính xác tác động giữa nó và máy cắt

 Rơle quá dòng: Được trang bị kèm theo máy cắt tự động đóng

lại, có đặc tính thời gian phụ thuộc, đôi khi được sử dụng kết hợp với

bộ khoá điện áp thấp để tăng độ nhạy của bảo vệ hoặc bộ phận định hướng công suất (trong các mạch vòng)

 Các bộ phận chỉ thị sự cố: Thời gian phát hiện phần tử bị sự cố

quyết định mức độ kéo dài của quá trình xử lý sự cố Bộ phận chỉ thị

sự cố sẽ tác động khi có dòng điện sự cố chạy qua nó, nó chỉ cảnh báo chứ không tác động cắt máy cắt Các bộ phận chỉ thị sự cố được lắp đặt ở đầu tất cả các đường dây, kể cả đường dây rẽ nhánh giúp cho việc xác định đường đi của dòng điện sự cố và từ đó xác định vị trí điểm sự cố được dễ dàng và nhanh chóng Có rất nhiều loại chỉ thị sự

cố được chế tạo theo nhiêu nguyên tắc khác nhau từ loại điện từ thường dùng trước đây với hệ thống trở về điều khiển bằng tay đến các loại thiết bị điện tử hiện đại với các hệ thống trở về khác nhau, có thể lắp đặt trong nhà hoặc trên cột, dùng cho đường dây trên không hoặc cáp ngầm

 Cầu chảy cao áp: Cầu chảy (cầu chì) là loại thiết bị đơn giản

nhất dùng trong lưới phân phối với đặc tính bảo vệ quá dòng có thời gian phụ thuộc Có nhiều loại cầu chảy cao áp khác nhau, những loại thường gặp trong lưới phân phối là: Cầu chảy tự rơi, cầu chảy chứa thạch anh, cầu chảy chứa chất lỏng dập hồ quang và cầu chảy chứa chân không hoặc chứa khí SF6

2.2 Quá điện áp quá đ ộ[6]

2.2.1 Nguyên nhân

Hiện tượng quá điện áp quá độ là do quá trình đóng cắt thiết bị hoặc

do hiện tượng sét Quá điện áp quá độ có thể xảy ra ở tần số cao, trung bình hoặc thấp

Tuy nhiên nhược điểm của tụ là gây ra quá độ trong quá trình đóng cắt Một số tụ được cung cấp năng lượng toàn bộ thời gian tuy nhiên một số khác đóng cắt theo tải Chính điều này đã làm xuất hiện các sự thay đổi các thông số hệ thống như điện áp, dòng điện, công suất phản kháng

2.2 1.2 Sét

Hệ thống lưới điện và các trạm biến áp hầu hết được xây dựng ngoài trời với các đường dây tải điện hàng trăm, hàng ngàn km Quá điện áp khí quyển không chỉ gây nên phóng điện trên cách điện dường dây mà còn truyền sóng vào trạm biến áp gây sự cố hư hỏng cách điện trong trạm Quá điện áp khí quyển có thể do sét đánh thẳng lên đường dây hoặc mặt đất gần đường dây sẽ sinh ra sóng điện từ truyền dọc đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện của đường dây Khi cách điện của đường dây bị hỏng sẽ gây nên ngắn mạch pha-đất hoặc ngắn mạch pha pha buộc các thiết bị bảo vệ -đầu đường dây phải làm việc Với những hệ thống đường dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy có thể gây mất ổn định hệ thống, nếu hệ thống tự động của các nhà máy làm việc không nhanh thì có thể gây nên sự cố rã lưới

Sóng sét còn có thể truyền từ đường dây vào trạm biến áp hoặc đánh thẳng vào trạm biến áp đều gây nên phóng điện trên cách điện trạm biến áp, điều này rất nguy hiểm vì nó tương đương với ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố trầm trọng Mặt khác khi có sóng sét truyền vào trạm biến áp, nếu chống sét van đầu cực máy biến áp làm việc không hiệu quả thì cách điện của máy biến áp sẽ bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùng lớn Nhìn chung, khi bảo vệ chống sét đường dây không phải là loại trừ hoàn toàn khả năng sự cố

do sét mà chỉ giảm sự cố đến mức giới hạn hợp lý mà thôi

2.2 1.3 Cộng hưởng sắt từ

Cộng hưởng sắt từ là một loại cộng hưởng đặc biệt bao gồm điện dung

và điện cảm của lõi sắt Nó gây ra hiện tượng mất cân bằng khi điện kháng từ hoá của một máy biến áp được đặt nối tiếp với tụ hệ thống Điều này xảy ra trong đường dây hở mạch một pha Dưới trạng thái điều khiển, cộng hưởng sắt từ có thể được sử dụng hữu ích như một máy ổn áp

Cộng hưởng sắt từ khác cộng hưởng trong các phần tử hệ thống tuyến tính Cộng hưởng tuyến tính là hiện tượng xảy ra sau khi có sự khuếch đại của sóng hài trong hệ thống điện Trong hệ thống tuyến tính, cộng hưởng dẫn đến điện áp và dòng điện sin cao theo tần số cộng hưởng, trong khi đó cộng hưởng sắt từ thì dạng sóng thường không theo quy luật

Các nguyên nhân chính dẫn đến cộng hưởng sắt từ là:

 Đóng cắt không tải, đường dây cáp, máy biến áp 3 pha với chỉ một pha đóng

 Đóng cắt không tải, đường dây cáp, máy biến áp ba pha với một pha hở

 Cầu chì 1 hoặc 2 cực hỏng để máy biến áp với 1 hoặc 2 pha mở Các tự động đóng lại 1 pha cũng có thể gây ra tình trạng này

Tuy nhiên không phải những sự kiện trên đều gây ra cộng hưởng sắt

từ Có các hệ thống cáp ngầm cả chục năm mà không xuất hiện cộng hưởng Tình trạng hệ thống mà làm tăng sự xuất hiện của cộng hưởng sắt từ bao gồm:

 Hệ thống điện áp phân phối cao hơn, đặc biệt là nhóm hệ thống điện áp 22 và 35kV

 Đóng cắt tải nhẹ hoặc các máy biến áp không tải

 Cách đấu dây phía sơ cấp máy biến áp

 Hệ thống 3 pha với thiết bị đóng cắt chỉ một pha

Sự xuất hiện của cộng hưởng sắt từ có thể xuất hiện tại nhiều mức độ điện áp khác nhau Tỷ lệ của tổn thất, điện kháng từ hoá và điện dung tại mức

độ thấp có thể giới hạn được tác dụng của công hưởng sắt từ nhưng nó vẫn xuất hiện

Có một vài loại của cộng hưởng sắt từ với sự biến đổi vật lý và điện khác nhau Một số có điện áp và dòng điện rất cao, một số khác lại có điện áp gần với giá trị bình thường Chính vì vậy, rất khó để nói rằng có cộng hưởng sắt từ trừ khi có bằng chứng hoặc sử dụng các thiết bị đo chất lượng điện năng

2.2 1.4 Quá độ do nguyên nhân đóng cắt khác

Quá độ đường dây thường xuất hiện khi một dao cách ly đóng nối đường dây vào hệ thống điện Khi đó chúng thường sinh ra một thành phần tần số cao hơn quá độ do đóng cắt tụ Quá trình quá độ này là kết quả của sự kết hợp của sóng mang, điện dung của đường dây và điện cảm của nguồn

Các quá độ trong mạch điện phân phối thường bao gồm kết quả của quá độ đường dây, đặc điểm dòng khởi động máy biến áp và đặc điểm khởi động của tải Quá độ đường dây không thường xuyên là vấn đề với các thiết

bị sử dụng Các thiết bị sử dụng có thể được bảo vệ với thành phần tần số cao bằng các thiết bị nếu cần thiết

Một nguyên nhân khác của quá áp là do sự cố chạm đất một pha Trong một hệ thống có trở kháng thứ tự không cao sẽ xuất hiện điện áp cao trong suốt quá trình xảy ra sự cố Sự quá áp này chỉ là tạm thời và nó sẽ biến mất sau khi sự cố bị loại trừ Hiện tượng này thường không gây ra vấn đề quá lớn trừ khi quá trình loại trừ sự cố lâu Nói chung, sự tác động lớn hay nhỏ của hiện tượng quá áp này phụ thuộc vào đấu nối của máy biến áp Với máy biến áp đấu sao-sao-đất, điện áp sẽ được biến đổi trực tiếp trong khi với máy biến áp đấu tam giác sẽ giúp bảo vệ được thiết bị khỏi quá điện áp trong quá trình sự cố

2.2 2 Nguyên lý bảo vệ và các thiết bị bảo vệ quá điện áp

2.2 2.1 Nguyên lý bảo vệ

Nguyên lý cơ bản của bảo vệ quá điện áp các thiết bị là:

 Giới hạn điện áp qua các cách điện dễ bị tác động bởi quá áp

 Làm lệch hướng dòng xung qua tải

 Ngăn dòng xung vào tải

 Nối đất liên kết giữa các thiết bị

 Giảm, hoặc ngăn dòng xung chạy giữa các nối đất

 Tạo ra một bộ lọc tần thấp sử dụng nguyên lý ngăn ngừa và giới hạn quá điện áp

2.2 2.2 Thiết bị bảo vệ quá điện áp

a Các bộ triệt quá áp (TVVSs- Transient Voltage surge suppressors)