Nghiên ứu ảnh hưởng ủa á thiết bị bù đến sự làm việ ủa bảo vệ khoảng áh

Ngoài ra ở đường dõy siờu cao ỏp chiều dài lớn trị số của cảm khỏng cú ảnh hưởng xấu đến phõn bố điện ỏp trờn đường dõy khi cụng suất truyền tải thay đổi và làm giảm khả năng tải của đườ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ ĐẾN SỰ LÀM

1.1 Những nguyên tắc chung trong việc đo tổng trở 4

1.1.2 Trường hợp sự cố pha pha không chạm đất – 6

1.3 Chọn tổng trở khởi động và thời gian làm việc của các

cấp bảo vệ khác nhau của rơ le khoảng cách.

11

1.4 Cấu trúc logic để xác định đặc tính khởi động của rơ le

khoảng cách

14

CHƯƠNG II: ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT BỊ BÙ SỬ DỤN G TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN , ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ LÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI

ĐIỆN

16

2.1 Vai trò của các thiết bị bù trong hệ thống điện 16

2.2.1 Bù dung dẫn của đường dây(bù ngang) 19

2.2.2 Bù cảm kháng trên đường dây (bù dọc) 29

CHƯƠNG III: ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ BÙ ĐẾN VIỆC LỰA

CHỌN ĐẶC TÍNH CỦA RƠ LE

43

4.1.2 Tính toán chỉnh định bảo vệ khoảng cách. 68

4.2.1 Các số liệu cần thiết cho việc tính toán, phân tích: 75

4.2.2 Phân tích khả năng điều chỉnh điện áp của SVC và khả

năng điều chỉnh điện áp của nhóm tụ bù ngang – kháng bù

ngang cố định tại nút Phú Lâm

Lời cam đoan

Luận văn thạc sỹ cao học về đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng của các thiết bị

-Bách Khoa Hà Nội thực hiện dưới sự hướng dẫn của VS GS Trần Đình Long

Người cam đoan

Ngô Thị Ngọc Anh

LỜI MỞ ĐẦU

Cũng như công suất tác dụng, công suất phản kháng trong hệ thống điện

cần phải được điều chỉnh để giữ trạng thái cân bằng( giữa công suất phát và

chất lượng điện áp không đảm bảo, tăng tổn thất, hệ thống mất ổn định Một

đặc điểm khác về yêu câu giữ cân bằng công suất phản kháng (so với công

cung cấp cần phải có thêm các nguồn công suất phản kháng khác, như máy bù

đồng bộ, tụ điện tĩnh, kháng điện, Ngoài ý nghĩa trên, các thiết bị bù còn có

tác dụng cải thiện thông số, đặc biệt đối với các đường dây siêu cao, tác dụng

điều khiển nâng cao tính ổn định

Trước đây các thiết bị bù thường không có tự động điều chỉnh, hoặc có điều

vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt kỹ thuật điện tử công

suất với các thiết bị thyristor công suất lớn đã cho phép thực hiện các thiết bị

bù điều chỉnh nhanh Thực tế các thiết bị bù dùng thyristor có thể thay đổi

Nhờ thế các thiết bị bù hiện đại có hiệu quả rất cao và mở rộng các ứng dụng

sang nhiều mục đích

Cùng với việc đảm bảo chất lượng và hiệu quả truyền tải điện, việc bảo vệ

các thiết bị điện trong các điều kiện sự cố cũng rất quan trọng Sử dụng thiết

bị bù làm thay đổi thông số của đường dây, cụ thể là cảm kháng của đường

dây Điều này ảnh hưởng đến sự làm việc của thiết bị bảo vệ khoảng cách

dùng để bảo vệ cho đường dây Bảo vệ khoảng cách đã và đang được sử dụng

làm bảo vệ chính rất hữu hiệu trên các đường dây cao áp và siêu cao áp Bảo

vệ khoảng cách làm việc dựa trên nguyên tắc đo tổng trở tại điểm đặt rơ le

Tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ trong chế độ làm việc bình thường (bằng

thương số của điện áp chỗ đặt bảo vệ với dòng điện phụ tải) cao hơn nhiều so

với tổng trở đo được trong chế độ sự cố Số đo tổng trở trong chế độ sự cố

bằng tổng trở từ chỗ đặt rơ le đến vị trí điểm sự cố Khi trên đường dây có đặt

các thiết bị bù, trở đo được của bảo vệ khoảng cách sẽ thay đổi, nhất là với

các thiết bị bù có điều khiển, giá trị cảm kháng thay đổi phụ thuộc vào rất

nhiều yếu tố Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thiết bị bù đến sự làm việc

của bảo vệ khoảng cách là rất cần thiết, vì vậy tác giả đã chọn đề tài ″ Nghiên

làm đề tài cho bản luận văn của mình Bản luận văn được trình bày trong 4

chương:

Chương I: Phép đo tổng trở của rơ le khoảng cách

Chương II: Đặc tính của thiết bị bù sử dụng trong hệ thống điện, ảnh

hưởng của nó lên đường dây tải điện

Chương III: Ảnh hưởng của thiết bị bù đến việc lựa chọn đặc tính của rơ le

khoảng cách

Chương IV: Ví dụ áp dụng

Tác giả xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đối với VS.GS.TSKH Trần Đình

Long đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian qua Xin trân trọng cảm ơn

các thầy cô và bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả hoàn thành bản luận văn

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

khó tránh khỏi thiếu sót Tác giả chân thành mong đợi những nhận xét, đánh

giá, góp ý của người đọc

Xin trân trọng cảm ơn!

chơng I phép đo tổng trở của rơ le khoảng cách

1.1 Những nguyờn tắc chung trong việc đo tổng trở

1.1.1 Cỏc loại sự cố chạm đất

Trong hỡnh 1, pha A bị ngắn mạch chạm đất tại một điểm trờn đường dõy

cỏch đặt ở hai đầu đường dõy Ta tập trung phõn tớch phớa bờn trỏi đường dõy

khi sự cố xảy ra trờn đường dõy với nguồn cung cấp ở hai đầu

m

Vị trí điểm sự cố Chỗ đặt rơle

c V

b V

V a

I b b

Hỡnh 1.1

pha với nhau Ta cú điện ỏp pha A tại nơi đặt bảo vệ phớa bờn trỏi:

Số hạng ở bên phải đẳng thức (1.2) gồm tổng trở tương hỗ Zlm có thể dễ

từ sự kết hợp dòng điện pha sự cố với tổng dòng điện các pha không sự cố

Tương tự cho trường hợp sự cố pha B hoặc pha C chạm đất

Tín hiệu nhận đựợc trường hợp Pha A chạm đất

và Ires = Ia + Ib + Ic (1.11)

Ires là 3 lần thành phần dòng điện thứ tự không tại vị trí bảo vệ

pha A và tín hiệu tổng hợp từ dòng điện pha A và dòng điện dư tại chỗ đặt

Tương tự với trường hợp pha B hoặc pha C chạm đất

Trong trường hợp pha A chạm đất VA Ia + IresZlm/Z1

Trường hợp pha B chạm đất VB Ib + IresZlm/Z1

Trong trường hợp pha C chạm đất VC Ia + IresZlm/Z1

Ở mỗi pha, phép đo được giới hạn bởi tổng trở thứ tự thuận

sự tham gia của tổng trở thứ tự nghịch

Cấu hình lưới điện giống như trường hợp trên nhưng ở đây là sự cố hai

pha b và c, giả thiết khoảng cách từ chỗ đặt bảo vệ đến điểm sự cố là m

Iaa

I c c

Hình 1.2 Bắt đầu với điện áp pha B tại chỗ đặt bảo vệ và xác định thành phần điện

Phép đo tổng trở thứ tự thuận giữa vị trí đặt bảo vệ và điểm sự cố trong

trường hợp này được thực hiện theo tín hiệu (Vb – Vc) và (Ib –Ic)

Tương tự sự cố pha A C và sự cố pha A – – B:

Sự cố 2 pha A – B (Va– Vb) (Ia –Ic)

Sự cố 2 pha B – C (Vb – Vc) (Ib –Ic)

Sự cố 2 pha C - A (Vc – Va) (Ic –Ia)

Như vậy, sử dụng rơ le khoảng cách với 6 mạch vòng tác động với điện

le tính toán tổng trở biểu kiến của mạch vòng sự cố rồi so sánh với giới hạn

kháng và trở đã được xác định cài đặt ở rơ le

Đ iều đáng chú ý là tổng trở sự cố Z = Ua/Ia trong các tr ờng hợp sự ư

cố là ối xứng, còn trong các tr ờng hợp khác sẽ được xác ịnh nh đ ư đ ư

bảng1.1

Bảng 1.1

PhaC - Đất Uc/ (Ic + k0Ir)

Trong bảng 1.1 Ua, Ub, Uc là các điện áp pha o tại iểm ặt r le: kđ đ đ ơ 0

là hệ số; k0 = (Z0 – Z1)/3Z1 với Zo và Z1 là tổng trở thứ tự không và tổng

trở thứ tự thuận từ chỗ ặt rđ ơ le đến điểm sự cố; Ir = 3I0 là dòng tổng 3 pha đo

tại điểm ặt r đ ơle

1.2 Đặc tính cắt của bảo vệ khoảng cách

Đối với các hệ thống truyền tải, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ trong

chế độ làm việc bình thường ( bằng thương số của điện áp chỗ đặt bảo vệ với

dòng điện phụ tải) cao hơn nhiều so với tổng trở đo được trong chế độ sự cố

Rơ le khoảng cách làm việc dựa trên phép đo tổng trở tại điểm đặt rơ le

khoảng cách từ chỗ đặt rơ le đến vị trí điểm sự cố (hình 1.3)

Trong chế độ làm việc bình thường, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ

phụ thuộc vào trị số và góc pha của dòng điện phụ tải Trên mặt phẳng phức

mặt phẳng tổng trở phức (hình 1.3,b)

trở tác dụng R) phụ thuộc vào tương quan giữa điện kháng của đường dây

XAB và điện trở tác dụng của đường dây RAB, ta có:

ϕD = arctan (XAB/ RAB)

Khi ngắn mạch trực tiếp xảy ra tại điểm N trên đường dây, tổng trở đo

được tại chỗ đặt bảo vệ:

Trị số của tổng trở đo được sẽ giảm đột ngột, nhưng độ nghiờng của vec

tơ tổng trở khụng thay đổi

D

ϕ ϕ

N N

RAB

AN Z Z'AN

N' qđ

R

AB Z

XAB

jX

B

R A'

D

ϕ

0 A

Vùng tổng trở phụ tải

Vùng khởi động của bộ phận khoảng cách

ZABkđ

Z

jX B

ϕ <0

ϕ >0

R Amax

trong điều kiện sự cố; d) Đặc tớnh khởi động của bộ phận khoảng cỏch

Khi ngắn mạch qua điện trở trung gian( thường là do điện trở của hồ

Z‘AN = RAN +jXAN+Rqđ

Tổng trở đo được tại chỗ sự cố lớn hơn nhưng gúc nghiờng của vec tơ

tổng trở sẽ giảm đi (hỡnh 1.3,c)

Đối với bảo vệ khoảng cỏch làm việc khụng cú thời gian, để trỏnh tỏc

động nhầm khi cú ngắn mạch ở đầu phần tử tiếp theo, tổng trở khởi động của

bộ phận khoảng cỏch phải chọn bộ hơn tổng trở của đường dõy:

Zkđ = K.ZD

-Hệ số K thường chọn trong khoảng (0,8 0,85) có xét đến sai số của máy

biến dòng điện, máy biến điện áp và một số ảnh hưởng gây sai số khác.Trên

hình 1.4 trình bày đặc tính khởi động của bộ phận khoảng cách có xét đến ảnh

hưởng của điện trở quá độ tại chỗ ngắn mạch Những rơ le tổng trở đã được

chế tạo và sử dụng trong hệ thống điện có đặc tính khởi động rất đa dạng

nhằm đáp ứng tốt hơn điều kiện vận hành của hệ thống

Hình 1.4 dưới đây là những đặc tính tổng trở thường gặp

ϕ

0

R D

ϕ

jX d)

Hình 1.4 Đặc tính làm việc của bảo vệ khoảng cách phối hợp với hệ thống trở

kháng trong điều kiện bình thường và sự cố sẽ quyết định được sự làm việc

của rơ le Kết quả là rơ le có đặc tính phù hợp nhất cho những ứng dụng cụ

thể sẽ được lựa chọn

Với rơ le khoảng cách của một số hãng, chẳng hạn hãng SEL (Mỹ) các

đặc tuyến pha được xét riêng biệt với đặc tính khoảng cách đất

có giá trị nhỏ nên đặc tuyến khoảng cách pha thường dùng loại hình tròn Mho

cho phép giảm thời gian tính toán vì rơ le chỉ cần một sơ đồ so sánh trong

trường hợp này Đặc tính cắt Mho với điện áp phân cực có thể được miêu tả

bởi sơ đồ so sánh pha 2 đại lượng S1 và S2 như sau:

V1rmem: điện áp nhớ thứ tự thuận

Đối với các sự cố chạm đất, điện trở tại chỗ sự cố có thể có giá trị lớn

hơn khi ngắn mạch pha-đất (do phải tính thêm điện trở chân cột), nên việc

chọn đặc tuyến tứ giác để tránh hiện tượng hụt vùng (underreach) thường hay

xảy ra khi có sự cố ở mỗi vùng khoảng cách Các đặc tuyến này thường có 4

vùng, trong đó 3 vùng tương tự như khoảng cách 3 cấp thông thường, còn

vùng thứ tư là vùng có hướng ngược để ngăn bảo vệ phía xa không tác động

khi điểm sự cố gần rơ le và rơi ra ngoài đường dây được bảo vệ( dùng cho

bảo vệ từ xa) Vùng có hướng ngược này được coi là vùng III, còn vùng IV là

kiểu vùng III thông thường Các tham số điện kháng đặt cho các vùng của đặc

tuyến tứ giác đất được tính bằng độ dài các vùng khoảng cách pha Mho, còn

điện trở thì phải tính riêng rẽ

1.3 Chọn tổng trở khởi động và thời gian làm việc của các cấp

bảo vệ khác nhau của rơ le khoảng cách

Rơ le khoảng cách dùng để bảo vệ đường dây tải điện thường có nhiều

vùng tác động, chẳng hạn ba vùng cho phía trước và một vùng cho phía sau

(hiểu theo hướng tác động từ thanh góp vào đường dây tại nơi đặt rơ le

khoảng cách)

Các vùng tác động phía trước làm nhiệm vụ dự phòng cho nhau và cho

bảo vệ liền kề Độ chênh lệch về thời gian làm việc các vùng ( cấp) bảo vệ

80-90% chiều dài đường dâyđược bảo vệ, nghĩa là tổng trở khởi động ZI

A của vùng thứ nhất của bảo vệ đặt ở đầu A trên đường dây AB được chọn theo

biểu thức:

ZI

A =kat ZI

AB

Ở đây hệ số an toàn kat<1 có xét đến sai số của các mạch đo lường

(dòng điện, điện áp) c a bản thân rơle khoảng cách và của việc xác định ủ

Với các rơ le điện cơ có thể lấy kat = 0,8, các rơ le có độ chính xác cao

vì các trị số lấy ở tài liệu tra cứu) và sử dụng rơ le số thì hệ số an toàn có thể

lấy kat = 0,9

Tổng trở khởi động của vùng II của bảo vệ đầu A cần được phối hợp với

vùng thứ hai của bảo vệ đoạn tiếp theo(đầu B) theo biểu thức:

ZII

A =kat (ZAB + ZI

B)

đoạn đường dây tiếp theo

vùng thứ hai của bảo vệ A và B liền kề

Tương tự như vậy có thể tính tổng trở khởi động của vùng thứ ba:

ZIII

A =kat Z[ AB + kat (ZBC + ZI

C) ]

đoạn đường dây liền kề với đường dây tiếp theo

Nếu thanh cái cuối đường dây có nhiều đường dây ra thì đường dây có

chiều dài ngắn nhất được chọn để phối hợp với tổng trở vùng thứ hai của

đường dây đang xét Thông thường tổng trở khởi động cấp II ít nhất cũng bao

trùm được 20% chiều dài đoạn đường dây tiếp theo để làm dự phòng chống

các hư hỏng trên thanh góp cuối đường dây

Vùng khởi động thứ ba thường bao lấy toàn bộ chiều dài đường dây thứ

A

IIIt

tIIB

B

IIIt

tIIC C

It C B

A

tIB A

Hình 1.5.Phối hợp tổng trở khởi động và đặc tính thời gian giữa 3 vùng

tác động của bảo vệ khoảng cách

Khả năng bảo vệ cho nhau giữa các vùng bảo vệ và giữa các bảo vệ

khoảng cách liền kề có thể thấy rõ trên hình 1.5 Khi ngắn mạch trên đường

sẽ cắt máy cắt MCA với thời gian cấp I là tI

chối thì vùng ba sẽ cắt MCA với thời gian tIII

A

1.4 Cấu trúc logic để xác định đặc tính khởi động của rơ le

khoảng cách

Rơ le khoảng cách kỹ thuật số có đặc tính khởi động với hình dáng rất

phức tạp, nhưng việc phối hợp giữa các khâu logic được thực hiện khá dễ

dàng Trên hình 1.6 dưới đây cho ví dụ đặc tính khởi động của rơ le khoảng

cách hình tứ giác có 2 vùng tác động với thời gian tI = 0 và tII tương ứng

RR(n) > - R®

(n) R

a (n) >-h R

X R R (n)

XR(n)< X - h R (n) b a R

b (n)< R R

X

C¾t

R a b (n)< X - h R (n) R

X

XR(n)< Rb

t >t

XCX

j

bX

XR R

bR

R

Rca0

d

- R

cb

0 0

I I I I

b)

II

Hình 1.6 Đặc tính khởi động của rơ le khoảng cách(a) và cấu trúc

lô gích của rơ le(b)

Trên hình 1.6,b giới thiệu một trong những cấu trúc lôgic có thể để tạo

Tương tự như vậy, khâu (2) kiểm tra điều kiện điện kháng của rơ le đo được

kiện tác động của vùng thứ hai với thời gian tác động tII

chơng ii đặc tính của thiết bị bù sử dụng trong hệ thống

điện , ảnh hởng của nó lên đờng dây tải điện

2.1 Vai trũ của cỏc thiết bị bự trong hệ thống điện

Ta biết rằng cỏc thụng số đường dõy ảnh hưởng rất lớn đến khả năng tải

cũng như hiệu suất truyền tải của đường dõy Để tăng khả năng tải cũng như

tăng hiệu suất truyền tải trờn đường dõy phải tỡm biện phỏp để thay đổi thụng

số của đường dõy Thụng số ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng tải của đường

dõy đú chớnh là điện khỏng đường dõy, vỡ vậy người ta thường dựng cỏc thiết

bị bự để bự điện khỏng đường dõy Ngoài ra ở đường dõy siờu cao ỏp chiều

dài lớn trị số của cảm khỏng cú ảnh hưởng xấu đến phõn bố điện ỏp trờn

đường dõy khi cụng suất truyền tải thay đổi và làm giảm khả năng tải của

đường dõy theo điều kiện ổn định của hệ thống Để tăng khả năng tải và cải

bự thớch hợp để cú chế độ như mong muốn

Điện ỏp là một trong những chỉ tiờu của chất lượng điện năng Trong quỏ

trỡnh vận hành bỡnh thường mức điện ỏp ở từng nỳt của hệ thống điện phải

được giữ trong giới hạn cho phộp Trị số thực tế của điện ỏp ở mỗi nỳt của hệ

thống điện luụn thay đổi theo chế độ vận hành của hệ thống và cõn bằng cụng

suất phản khỏng ở từng nỳt phụ tải

Cõn bằng cụng suất phản khỏng phải được thỏa món ứng với cỏc thụng

điện Điện trở tỏc dụng của cỏc phần tử lưới điện thường cú trị số khụng lớn

lắm, cũn điện khỏng thỡ phụ thuộc vào khoảng cỏch pha, tức là phụ thuộc vào

cấp điện ỏp của lưới điện Nếu kể cả điện khỏng của mỏy biến ỏp thỡ điện

khỏng tổng của hệ thống cú thể lớn hơn điện trở tổng hàng chục lần

Vì vậy, nếu vận chuyển công suất phản kháng từ chỗ này sang chỗ khác

của hệ thống sẽ gây tổn thất điện áp rất lớn trên các phần tử của hệ thống

điện áp của hệ thống điện, vì vậy, vấn đề điều chỉnh điện áp và công suất

phản kháng trong hệ thống điện mang tính cục bộ( địa phương) rất rõ rệt Nếu

xét tổng thể hệ thống điện thì ở từng phần tử khác nhau, phương pháp và

phương tiện điều chỉnh điện áp và công suất phản khác rất khác nhau

Điện áp trên thanh góp nhà máy điện và trong lưới cung cấp (truyền tải)

có thể được điều chỉnh bằng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) của

máy phát điện Các máy phát điện đồng bộ có thể:

- Phát công suất phản kháng trong chế độ quá kích thích

- Tiêu thụ công suất phản kháng trong chế độ thiếu kích thích

- Thay đổi điện áp và công suất phản kháng một cách liên tục

Các máy bù đồng bộ (MBĐB), động cơ đồng bộ cỡ lớn hoặc máy bù

tĩnh(SVC – Static VAR Compensator) cũng có thể thực hiện những chức

năng phát và tiêu thụ công suất phản kháng tương tự như máy phát điện

đồng bộ Các thiết bị này thường được đặt ngay ở nút phụ tải hoặc ở đầu

cuộn dây thứ ba(hạ áp) của các máy biến áp liên lạc, giữa hai cấp điện áp

truyền tải khác nhau(chẳng hạn 220kV và 500kV)

- Trong các hệ thống truyền tải điện siêu cao áp(>=330kV) với công suất

phản kháng do điện dung đường dây phát ra thường khá lớn, trong chế độ

không tải hoặc non tải lượng công suất phản kháng thừa nàycó thể gây quá

điện áp lớn Để tiêu thụ bớt công suất phản kháng các đường dây siêu cao áp

này có thể được nối cố định vào đường dây, nối qua máy cắt điện hoặc có

công suất tiêu thụ có thể điều khiển được

- Ở các đường dây siêu cao áp chiều dài lớn trị số của cảm kháng có ảnh

hưởng xấu đến phân bố điện áp trên đường dây khi công suất truyền tải thay

đổi và làm giảm khả năng tải của đường dây theo điều kiện ổn định của hệ

thống Để tăng khả năng tải và cải thiện điều kiện phân bố điện áp trên

đường dây người ta đặt các bộ tụ điện bù dọc (C1,C2)

L3 C2

500 - 750kV

L2

BTN1

T§K T§K 110kV

T§T1

§ 0,4 kV

Hình 2.1 Bè trÝ c¸c ph¬ng tiÖn ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p trong hÖ thèng ®iÖn

- Để bù công suất phản kháng các nút phụ tải (từ 0,4kV đến 110kV) người

ta sử dụng rộng rãi các bộ tụ điện tĩnh(TĐT) Những bộ tụ điện tĩnh khi làm

việc phối hợp với các kháng điện có điều khiển (trơn) có thể tạo nên các

máy bù tĩnh(SVC) công suất phản kháng Ngày nay các SVC thường được

sử dụng ở cấp trung áp (6 – 35kV) với nhiều ưu việt hơn hẳn các máy bù

đồng bộ đã sử dụng trước đây

Khả năng điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng của các phần tử

khác nhau trong hệ thống điện (bảng 2.1)

Bảng 2.1

Điều chỉnh trơn (liên tục)

Điều chỉnh nhảy cấp(gián đoạn)

Phát công suất phản

kháng

Máy phát điện, máy bù (đồng bộ, tĩnh), động cơ đồng bộ (quá kích thích), kháng điện có điều khiển(liên tục) kết hợp với tụ điện

kháng điện không điều khiển

thay đổi luồng công

suất phản kháng giữa

các lưới điện có cấp

điện áp khác nhau

máy biến áp có trang bị

bộ thay đổi đầu phân áp dưới tải

2.2 Các phương pháp bù

2.2.1 Bù dung dẫn của đường dây(bù ngang)

Trong chế độ không tải hoặc non tải dòng điện điện dung chạy qua dung

dẫn của đường dây tạo nên một lượng công suất phản kháng QC bơm vào

L – chiều dài đường dây, km

Với cấp điện áp siêu cao lượng công suất phản kháng do đường dây phát

ra lớn Chẳng hạn, với đường dây 500kV, công suất phản kháng do 1km phát

ra khoảng 1MVAR/km Ở chế độ không tải lượng công suất phản kháng này

có thể gây quá điện áp nguy hiểm ở đầu đường dây bị hở mạch.(ở chế độ

không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạch thì nguồn phát vẫn phải

phát công suất tác dụng để bù vào tổn thất điện trở của đường dây và máy

ta phải đặt kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây Trong chế độ non

tải (Ptải<PTN), công suất phản kháng trên đường dây thừa và đi về hai phía của

kháng bù ngang ở đầu đường dây để tiêu thụ công suất phản kháng Thông

Để minh họa, ta giả thiết dung dẫn của đường dây được đặt tập trung ở

đầu của đường dây bị hở mạch ( hình 2.2)

áp U2 ở cuối đường dây Nếu đầu đường dây được nối với nguồn có U1=Udđ

thì điện áp cuối đường dây U2 lớn hơn rất nhiều so với Udđ

Để khử ảnh hưởng của dung dẫn đường dây, giảm mức quá áp ở cuối

đường dây ta có thể đặt tại đây 1 kháng điện K còn được gọi là kháng bù

dây không tải sẽ có dòng điện IC-IL nhỏ hơn rất nhiều IC, điện áp giáng ∆U’ =

(IC-IL) Z sẽ bé hơn và chênh lệch điện áp giữa U1 và U2sẽ giảm đi

KL = QK/ QC.100%

Tùy theo kết cấu của kháng điện và cách đấu nối kháng điện vào đường

dây mà ta có hệ số bù ngang cố định hoặc thay đổi

Nếu công suất của kháng điện không thay đổi và đấu cứng vào đường

dây (không qua máy cắt điện ) thì hệ số bù ngang sẽ không thay đổi hay còn

gọi là bù cố định Nhược điểm của phương pháp bù cố định là không thể giữ

điện áp tại nút bù không thay đổi khi chế độ tải công suất của đường dây thay

đổi Để có thể điều chỉnh điện áp tại các nút bù luôn nằm trong giới hạn cho

phép khi công suất tải trên đường dây thay đổi (từ không tải P=0 đến tải cực

bù ngang có thể thay đổi nhẩy cấp hoặc liên tục Khi điều khiển nhấy cấp các

kháng và tụ bù ngang được chia thành nhiều nhóm( có thể 3 hoặc 4 nhóm)và

đấu vào nút bù thông qua thiết bị đóng cắt (hình 2.3)

Ở chế độ không tải tất cả các kháng được đóng vào đường dây, tất cả các

tụ được cắt ra Khi công suất tải càng tăng sẽ lần lượt cắt kháng điện ra khỏi

đường dây và đưa dần các nhóm tụ điện vào Ở chế độ tải cực đại tất cả các tụ

điện được đóng vào, còn tất cả các kháng điện được cắt ra

3

K

K 2 1

K

2

C C 3 1

C

U

Hình 2.3: Điều chỉnh nhảy cấp dung lượng của thiết bị bù

Ngày nay công nghiệp đã có thể chế tạo các máy bù tĩnh(SVC – Static

Hình 2.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC

SVC là thiết bị bù ngang dùng tiêu thụ công suất phản kháng có thể điều

chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyrisstor, được tổ hợp từ hai

thành phần cơ bản:

- Thành phần thay đổi CSPK (có thể phát hay tiêu thụ CSPK tùy theo

chế độ vận hành)

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử công suất như

thyristor, các cửa đóng mở (GTO – Gate turn off)

SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm:

Reactor) có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu

thụ

+ Kháng đóng mở bằng thyristor – TSR (Thyistor Switched Reactor): có

chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng

thyristor

+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor – TSC (Thyistor Switched Capacitor):

có chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng

thyristor

Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách

đáng kể với chất lượng điều chỉnh tốt hơn nhiều so với tụ điện tĩnh hay máy

bù đồng bộ Các chức năng chính của SVC bao gồm:

- Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù

- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải,

ngắn mạch ) trong HTĐ

- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn

mạch, mất tải đột ngột

Ngoài ra SVC còn có chức phụ mang lại hiệu quả khá tốt trong quá trình

vận hành hệ thống điện như:

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh

- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

dây

Sơ đồ nguyên lý hoạt động SVC:

a Nguyên lý

Trên thực tế, SVC thường được kết hợp giữa TCR và TSC Sự phối hợp

điều chỉnh CSPK giữa hai loại thiết bị này có thể làm cho SVC vận hành khá

linh hoạt và hiệu quả trong các chế độ làm việc khác nhau

Sơ đồ điều khiển SVC được mô tả trên hình 2.5

§iÒu kiÓn ref

- Bộ lọc cao tần F; có chức năng loại bỏ tín hiệu cao tần

- Máy biến áp cung cấp: có chức năng tạo ra điện áp thích hợp cho

SVC

- Hệ thống điều khiển: có chức năng điều chỉnh góc mở của các

thyristor hay đóng mở chúng

b Tụ đóng mở bằng thyristor TSC ( Thyistor Switched Compacitor)

TSC được cấu tạo từ 3 thành phần chính

- LH: Cuộn điện kháng hãm; có chức năng giới hạn dòng đi qua

thyristor và chống lại sự cộng hưởng với HTĐ

đặt vào cực điều khiển G của thyristor

Qua đó ta thấy thực chất TSC là bộ tụ điện được đóng mở bằng 2

thyristor nối ngược chiều nhau Việc tác động tín hiệu xung sẽ làm thay đổi

giá trị điện dung C

Do đó, TSC có đặc điểm sau:

- Điều chỉnh nhảy bậc được giá trị XC nhờ thay đổi góc mở α

- Làm cân bằng phụ tải, do các TCR có thể điều chỉnh độc lập trên từng

Hình 2.7: Đặc tính điều chỉnh nhảy bậc của TSC

c Đặc tính điều chỉnh

Nguyên lý làm việc của SVC được đặc trưng bởi nguyên lý làm việc của

phần tử TCR theo sơ đồ nguyên lý của TCR và TSC, khi thay đổi góc mở α

dẫn đến việc thay đổi công suất phản kháng phát ra hay thu vào của SVC Do

SVC kết hợp từ TCR, TSC và TSR nên mặc dù TSR điều chỉnh nhảy bậc nên

SVC vẫn điều chỉnh liên tục trong quá trình điều khiển Các phần tử của SVC

được nối vào mạng điện thông qua các van Thyistor mà không dùng các máy

cắt Nhờ vậy mà SVC có tốc độ điều chỉnh rất cao ( 40m sec), gần như ≤

không có thời gian quá độ

d Đặc tính công suất của SVC trong sơ đồ điều chỉnh điện áp

Như phần trên đã nêu, dòng điện đi qua TCR không phải là dạng hình

Sin mà có dạng hàm chu kỳ với tần số bằng với tần số của nguồn áp đặt vào

50Hz

Tùy theo cấu tạo của SVC bao gồm phần tử chính là TCR và có hay

không có hai phần TSR, TSC mà chúng có đặc tính điều chỉnh phát CSPK và

điện áp khác nhau Cụ thể:

Hoạt động của hệ thống điều khiển hoạt động của SVC trong hệ thống

điện được mô tả như sau:

BC Uref2 Q≤ SVC B≤ L Uref2

Với BL: Giá trị dung dẫn khi TSC bị cắt hoàn toàn

- Dòng CSPK của SVC:

QSVC= U (U-Uref) XSL

Hình 2.10 Đặc tính điều chỉnh điện áp SVC

a Khi SVC có tính cảm kháng b Khi SVC có tính cảm và dung kháng

2.2.2 Bù cảm kháng trên đường dây (bù dọc)

2.2.2.1 Sự cần thiết phải bù cảm kháng của đường dây dài

Công suất phản kháng xuất hiện đồng thời khi ta truyền công suất tác

khó khăn trong việc truyền tải điện năng xoay chiều đi xa Qúa trình truyền

tải điện xoay chiều trên đường dây siêu cao áp là quá trình truyền sóng điện

từ dọc theo đường dây Trong quá trình này công suất phản kháng gây nên sự

thay đổi các thông số chế độ hệ thống, đặc biệt về điện áp Các quá trình diễn

ra làm thay đổi lượng công suất phản kháng đều có ảnh hưởng đến điện áp

đường dây Công suất phản kháng sinh ra và tiêu tán trên đường dây đều do

quá trình điện trường và từ trường của đường dây gây ra Thường thì điện

trường của đường dây ít thay đổi trong quá trình vận hành vì điện áp trên

đường dây được giữ trong giới hạn cho phép (thường không quá ± 10 %

dòng điện chạy trong dây dẫn, dòng điện này lại biến thiên trong một dải rộng

theo sự thay đổi của phụ tải

Chính sự biến thiên của các chế độ tải mà lượng công suất phản kháng

trên đường dây cũng thay đổi theo chế độ vận hành Để thấy hết được điều

này ta xét hai chế độ khác nhau trong quá trình vận hành đường dây siêu cao

áp:

+ Chế độ thứ nhất là chế độ làm việc không tải của đường dây hay còn

gọi là chế độ hở mạch một đầu đường dây Lúc này điện trường sinh ra một

lượng công suất phản kháng tương đương như trong các chế độ khác, nhưng

lượng công suất phản kháng do từ trường sinh ra có trị số rất bé do không có

dòng điện phụ tải chạy trong dây dẫn Trị số công suất phản kháng do đường

dây sinh ra là hiệu công suất phản kháng do điện trường và từ trường sinh ra

Do đó trong trường hợp này công suất phản kháng do đường dây sinh ra có

trị số rất lớn Chính lượng công suất phản kháng này làm ảnh hưởng đến điện

áp của đường dây, cụ thể làm điện áp cuối đường dây tăng cao

+ Chế độ thứ hai được xét đến là chế độ tải nặng của đường dây Trong

chế độ này lượng công suất phản kháng do điện trường sinh ra không đổi,

nhưng lượng công suất phản kháng do từ trường sinh ra lại rất lớn Chính vì

thế công suất phản kháng do đường dây sinh ra trong trường hợp này rất nhỏ,

cho nên ở chế độ này điện áp cuối đường dây bị giảm thấp

Mặt khác khi thay đổi chế độ vận hành trên đường dây truyền tải sẽ làm

thay đổi lượng công suất phản kháng sinh ra trên đường dây Để khắc phục

hiện tượng này phải dùng các biện pháp làm giảm lượng công suất phản

kháng do đường dây sinh ra bị thừa trong chế độ vận hành không tải, ngược

lại ở chế độ tải nặng phải tăng lượng công suất phản kháng để bù lại công suất

phản kháng tổn thất trên đường dây

Ta biết rằng các thông số đường dây ảnh hưởng rất lớn đến khả năng tải

cũng như hiệu suất truyền tải của đường dây Để tăng khả năng tải cũng như

tăng hiệu suất truyền tải trên đường dây phải tìm biện pháp để thay đổi thông

số của đường dây Phương pháp này được gọi là phương pháp bù thông số

Thông số ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng tải của đường dây đó chính là

điện kháng đường dây, vì vậy người ta thường dùng các thiết bị bù để bù

điện kháng đường dây Ngoài ra ở đường dây siêu cao áp ta nhận thấy chỉ ở

một vài chế độ đặc biệt mới có khả năng tải tối ưu Chính vì thế người ta

thường chọn những thông số bù thích hợp để có chế độ như mong muốn

Trong số các phương pháp bù thông số cho đường dây thì bù dọc là một

Thiết bị bù dọc thường được sử dụng để giảm tổng trở của đường dây

nhằm giảm góc lệch pha giữa các véc tơ điện áp ở đầu và cuối đường dây,

tăng khả năng tải của đường dây, cải thiện điều kiện phân bố điện áp dọc

đường dây, giảm tổn thất trên đường dây

Thiết bị bù dọc có ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật– của

đường dây và cả lưới điện nói chung, ảnh hưởng đến chế độ vận hành của

lưới điện

2.2.2.2 Tác dụng của việc bù dọc

Điện kháng đường dây siêu cao áp thường rất cao do chiều dài đường

dây lớn, trị số điện kháng làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt các chỉ tiêu kinh

tế – kỹ thuật quan trọng của đường dây như: Góc lệch pha giữa điện áp ở đầu

và cuối đường dây thay đổi trong phạm vi rộng, tổn thất công suất phản kháng

trên đường dây lớn, giảm khả năng tải của đường dây Bù dọc chính là giải

điện, giải pháp này được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào

đường dây ở những vị trí thích hợp Sau đây là những tác dụng khác nhau của

tụ bù dọc:

1 Giảm độ lệch điện áp

Khi mắc thêm tụ điện nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng đường

góc lệch pha δ giữa véc tơ điện áp đầu đường dây và cuối đường dây giảm

xuống đáng kể Trên đồ thị hình 2.11 ta thấy trước khi mắc tụ bù dọc thì điện

áp đầu đường dây là U1 và góc lệch pha so với U2 là δ, sau khi mắc tụ bù

1 và góc lệch pha so với U2 là δ’ Ta nhận thấy

δ’ < δ, ∆U’ < ∆U

Trong đó: ∆U = U1 – U2 (2.1)

U∆ ’ = U’

1 – U2

2 Nâng cao khả năng tải của đường dây

Khả năng tải giới hạn của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh được

đánh giá theo công thức:

Trong đó:

U1, U2 : Tương ứng điện áp đầu và cuối đường dây

XL: Điện kháng đường dây truyền tải

δ: Góc lệch giữa điện áp đầu đường dây U1 và điện áp cuối

đường dây U2 Khi có bù dọc trên đường dây ta thấy rõ rằng:

đường dây sẽ tăng lên do điện kháng đường dây và góc truyền tải δ giảm

xuống

3 Giảm tổn thất công suất phản kháng

Ta thấy khi có dòng điện phụ tải chạy qua tụ bù dọc sẽ sinh ra một lượng

công suất phản kháng Công suất phản kháng này sẽ bù lại phần tổn thất công

suất phản kháng tiêu thụ trên điện kháng đường dây khi có dòng điện chạy

qua Cả hai lượng công suất phản kháng trên đều phụ thuộc vào dòng điện

cho nên tụ bù dọc có khả năng tự điều chỉnh làm giảm bớt sự thừa và thiếu

công suất phản kháng ở các chế độ tải khác nhau

4 Tăng độ dự trữ ổn định tĩnh của hệ thống điện

Khi đường dây được bù dọc, từ công thức (2.3) ta có:

C L

2 1 max

XX

UUP

P

PP

Ta nhận thấy rằng khi bù dọc cho đường dây siêu cao thì Pgh sẽ tăng nên

2.2.2.3 Chế độ làm việc của thiết bị bù dọc

1 Vị trí đặt thiết bị bù

Trong thực tế, tụ điện bù dọc có thể được đặt tập trung hoặc là phân tán

dọc theo chiều dài đường dây Tuỳ theo mức độ bù và vị trí đặt bù của bộ tụ

mà tổng trở đo được ở đầu đường dây sẽ khác nhau Vị trí đặt thiết bị bù có

hưởng đến hoạt động của các bảo vệ đường dây và chi phí lắp đặt Ngoài ra vị

trí đặt của tụ bù dọc còn ảnh hưởng nhiều đến độ tin cậy của tụ bù dọc

Trong thực tế khi lựa chọn vị trí đặt thiết bị bù dọc người ta thường xét

3 tiêu chuẩn sau:

+ Mức độ phân bố điện áp dọc theo đường dây

+ Trị số dòng điện ngắn mạch qua bộ tụ

+ Thuận tiện cho việc trông nom và bảo quản bộ tụ

Theo kinh nghiệm vận hành cho thấy tụ bù dọc thường được đặt tại các

vị trí như sau:

+ ở cuối đường dây (Hình 2.12 b)

+ ở khoảng cách 1/3 và 2/3 tổng chiều dài đường dây (Hình 2.12e)

Thực tế cho thấy khi đặt tụ bù dọc trên đường dây truyền tải tại những vị

trí khác nhau thì sự phân bố điện áp trên đường dây là khác nhau Cụ thể ta

xét các trường hợp tụ bù dọc được đặt tại các vị như trên và với mức bù dọc

như trong hình 2.12

Hình 2.12: Các vị trí đặt tụ bù dọc trên đường dây

a) Không đặt tụ bù dọc

b) Tụ bù dọc đặt đầu đường dây với X C = 0.5X L

c) Tụ bù dọc đặt cuối đường dây với X C = 0.5X L

d) Tụ bù dọc đặt hai đầu đường dây với X C = 0.25.X L mỗi đầu

e) Tụ bù dọc đặt ở giữa đường dây với X C =0.5.X L

f) Tụ bù dọc đặt ở vị trí 1/3 và 2/3 tổng chiều dài đường dây

∆U

2.Mức độ bù dọc

Như đã nói, nhiệm vụ chính của tụ bù dọc là duy trì điện áp, tăng khả

năng tải và tăng khả năng ổn định của hệ thống tải điện Tụ bù dọc làm giảm

điện kháng đường dây, nói cách khác, tụ bù dọc làm giảm tổng trở sóng

đường dây Hiệu quả của việc bù dọc phụ thuộc vào số lượng trạm bù, công

suất một trạm và vị trí đặt bù( đầu, giữa, cuối ) Sơ đồ đường dây kép cũng

thuật trên cơ sở so sánh nhiều phương án

Thông thường để đánh giá lượng bù dọc của đường dây, người ta đưa ra

XL: Cảm kháng đường dây

Trong thực tế thường chọn hệ số bù dọc nằm trong giới hạn từ (25 –

75)% Trong chế độ vận hành bình thường, nhất là ở chế độ tải nặng hệ số bù

dọc càng lớn thì giới hạn truyền tải càng cao Nhưng nếu chọn hệ số bù dọc

quá lớn thì có thể kéo theo hàng loạt các hậu quả xấu Một trong những hậu

quả xấu này là gây ra hiện tượng tự kích thích ở các máy phát điện Khi cắt tải

đột ngột hoặc không tải thì lượng công suất phản kháng do đường dây phát ra

rất lớn làm cho tải của máy phát mang tính chất điện dung Như đã biết khi

tải máy phát mang tính chất điện dung thì dòng tải chạy trong stato gây ra từ

thông cùng chiều với từ thông của dòng kích từ chạy trong rotor làm xuất

hiện hiện tượng phản hồi dương dẫn đến máy phát điện tự kích thích, quá

trình này sẽ làm cho điện áp đầu cực máy phát tăng vọt Ngược lại nếu chọn

hệ số bù dọc quá nhỏ (KC <25%) thì ảnh hưởng và hiệu quả của tụ bù dọc là

không đáng kể

Một vấn đề nữa là nếu công suất cần bù nhỏ thì chỉ cần đặt ở một vị trí

trên đường dây Nếu bù nhiều (trên 50% điện kháng đường dây) thì nên đặt ở

nhiều vị trí Nếu đặt bù tại một điểm có công suất bù lớn sẽ làm tăng quá điện

áp nội bộ và gây khó khăn cho việc bảo vệ

Hiện nay trong thực tế có một phương án tối ưu cho việc chọn thiết bị bù

dọc là dùng các bộ tụ bù tĩnh có điều khiển (TCSC) Lúc này tuỳ theo chế độ

vận hành hoặc tình huống sự cố xảy ra khác nhau mà ta điều chỉnh lượng bù

dọc tối ưu tương ứng Nhờ vậy có thể điều chỉnh một lượng bù dọc lớn hơn

75% trong chế độ tải nặng và vẫn có thể điều chỉnh một lượng bù hợp lý để

tránh hiện tượng tự kích thích trong chế độ không tải hoặc cắt tải đột ngột

dây và hoạt động trong điều kiên ổn định của hệ thống điện Nó được tổ hợp

từ một hay nhiều modul TCSC, mỗi modul bao gồm hai thành phần cơ bản:

thiết bị ( có thể thay đổi được nhở bộ điều chỉnh van thyristor)

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiét bị điện tử công suất như van

các sóng hài bậc cao, thiết bị đóng ngắt phục vụ các chế độ vận hành

của TCSC trong các chế độ khác nhau của HTĐ Sơ đồ nguyên lý cấu

tạo và hoạt động của TCSC như hình 2 – 13

Một modul TCSC bao gồm các tụ mắc song song với một thyristor đóng

giá trị Xđt của TCSC thay đổi được trong phạm vi từ Xmin đến Xmax

TCSC có 3 chế độ làm việc bao gồm: