Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của lò hồ quang điện đến chất lượng điện năng ở các khu công nghiệp và tính toán lựa chọn thiết bị khắc phục pdf

Bên cạnh việc nghiên cứu tính toán các phương án cấp điện tối ưu, giảm suất sự cố trên lưới điện để cung cấp điện cho khách hàng liên tục, ổn định thì công tác nghiên cứu, tìm tòi các gi

Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của lò hồ quang điện đến chất lượng điện năng ở các khu công nghiệp và tính toán lựa chọn thiết bị khắc phục

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản thuyết minh luận văn này do tôi thực hiện Các số liệu sử dụng trong thuyết minh, các kết quả phân tích và tính toán hoàn toàn trung thực Toàn

bộ nội dung bản thuyết minh của luận văn chưa được công bố

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 4

Lời nói đầu 5

Chương I: Tổng quan về chất lượng điện năng và lưới điện có thiết bị lò hồ quang điện hoạt động 6

I.1 Tổng quan về chất lượng điện năng 6

I.2 Các thông số về chất lượng điện năng 7

I.21 Chất lượng điện năng chất lượng điện áp 7

I.2.2 Quá độ 8

I.2.3 Độ lệch điện áp thời gian dài 9

I.2.4 Độ lệch điện áp thời gian ngắn 10

I.2.5 Mất cân bằng điện áp 11

I.2.6 Độ méo dạng sóng 12

I.2.7 Dao động điện áp 14

I.2.8 Độ lệch tần số 14

I.3 Lưới điện có lò hồ quang hoạt động 14

I.3.1 Lò hồ quang 14

I.3.2 Ảnh hưởng của lò hồ quang điện đến lưới điện 15

I.4 Hiện trạng sử dụng lò hồ quang ở các khu công nghiệp Thái Nguyên 20

I.4.1 Tóm tắt chung 20

I.4.2 Hiện trạng sử dụng lò hồ quang ở lưới điện tỉnh Thái Nguyên 21

I.4.3 Khảo sát đặc tính của lò hồ quang điện 22

I.4.4 Các ảnh hưởng đến lưới điện khi lò hồ quang điện hoạt động 23

Chương II: Khảo sát, mô phỏng lưới điện có lò hồ quang điện hoạt động 28

II.1 Giới thệu chương trình mô phỏng ATM- EMTP 28

II.2 Nguyên tắc, khả năng và các modul của chương trình ATP. 29

II.2.1 Nguyên tắc chung. 29

II.2.2 Khả năng ứng dụng của chương trình. 29

II.3 Các phần tử chính của ATPDraw phục vụ nghiên cứu 33

II.4 Mô phỏng lò hồ quang trong hệ thống điện. 38

Chương III: Lựa chọn giải pháp nâng cao chất lượng điện năng 43

III.1 Nguyên lý bù SVC. 43

III.2 Tính toán thông số của bộ SVC trong hệ thống điện. 61

III.2.1 Hiện trạng hệ thống cung c ấp điện Công ty Diezen. 61

III.2.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện sử dụng SVC. 62

III.2.3 Tính toán thông số của bộ SVC trong hệ thống điện. 64

Chương IV: Đánh giá hiệu quả sau khi thực hiện các biện pháp nâng cao chất lượng điện năng 82

IV.1 Đánh giá mô hình SVC trong chế độ xác lập 82

IV.2 Mô hình SVC trong chế độ xác lập 86

IV.3 Khả năng ứng dụng và hiệu quả SVC 88

IV.4 Đánh giá mô hình bài toán bù SVC theo phân tích kinh tế 92

Kết luận 96

Hướng phát triển đề tài 98

Tài liệu tham khảo 99

Phụ lục

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Chữ viết

1 CLĐN Chất lượng điện năng

3 EMTP Electro Magnetic Transients

Program

Chương trình nghiên cứu quá độ

điện từ

4 IEEE Istitute of Electrical and

Electronic Engineers Bộ tiêu chuẩn về điện

7 PCC Poin of Common Coupling Điểm đấu nối công cộng

9 TCR Thyristor Controlled Reactor Điện kháng có điều khiển

LỜI NÓI ĐẦU

Vài thập năm trở lại đây, Việt Nam là quốc gia thường được nhắc đến như một hiện tượng phát triển ở khu vực Đông Nam Á với tốc độ tăng trưởng liên tục ở mức cao và giữ ổn định Sự phát triển càng trở nên mạnh mẽ hơn khi nước ta ra nhập Tổ chức Kinh tế thế giới WTO đã thúc đẩy các ngành kinh tế, văn hoá, giáo dục nói chung và ngành công nghiệp nói riêng phát triển Đặc biệt, nhu cầu điện năng phục vụ cho một đất nước phát triển nhanh, yêu cầu đặt ra cho ngành điện lực không những đáp ứng đủ nhu cầu điện năng cho khách hàng mà còn đảm bảo chất lượng điện năng theo các tiêu chuẩn hiện hành

Bên cạnh việc nghiên cứu tính toán các phương án cấp điện tối ưu, giảm suất sự cố trên lưới điện để cung cấp điện cho khách hàng liên tục, ổn định thì công tác nghiên cứu, tìm tòi các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng cũng như các tác động từ các phụ tải có tính chất điển hình ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng điện năng cũng là một nhiệm vụ hết sức quan trọng

Trên các cơ sở thực tế trên với đề tài: ”Nghiên cứu ảnh hưởng của lò hồ quang điện đến chất lượng điện năng ở các khu công nghiệp và tính toán lựa chọn thiết bị khắc phục” đề cập đến các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng cũng như các ảnh hưởng từ lò hồ quang điện đến các thông số lưới điện

Tác giả xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đối với thầy giáo T.S Trần Văn Tớp Bộ

môn hệ thống điện-Trường ĐHBK Hà Nội đã tận tình hướng dẫn suốt thời gian qua Xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô trong Bộ môn Hệ thống điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Các thầy các cô Khoa Điện-Trường Đại học Công Ngiệp Thái Nguyên và gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Vì thời gian nghiên cứu có hạn, lĩnh vực nghiên cứu mới mẻ nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót, nên rất mong các Thầy, Cô và các bạn góp ý để nội dung của đề tài được hoàn thiện hơn

Thái Nguyên, ngày 01 tháng 05 năm 2008

Tác giả

Hà Trung Hƣng

Chương I TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ LƯỚI ĐIỆN CÓ LÕ

HỒ QUANG ĐIỆN HOẠT ĐỘNG I.1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

Mấy thập niên trở lại đây, thuật ngữ “chất lượng điện năng” luôn được các nhà hoạch định chính sách năng lượng, các công ty điện lực và cả các khách hàng sử dụng điện quan tâm hàng đầu khi đặt vấn đề liên quan đến sản xuất, truyền tải, phân phối điện và sử dụng điện Thuật ngữ “Chất lượng điện năng” đã được nhắc đến bởi nghiên cứu của U.S Navy xuất bản năm 1968 Cuốn sách này đưa ra cái nhìn tổng quan về chất lượng điện năng, cách sử dụng các thiết bị giám sát và các hiện tượng trong sản xuất và truyền tải điện Sau đó một vài nhà xuất bản khác xuất hiện tiếp tục sử dụng các định nghĩa về chất lượng điện năng trong mối tương quan giữa hiện tượng với truyền tải hệ thống điện Các định nghĩa về chất lượng điện năng được giải thích theo nhiều cách và khó có thể cho rằng định nghĩa nào là đầu định nghĩa đầu tiên

Các nguyên nhân chính cho ngày càng sử dụng các định nghĩa về chất lượng điện năng rộng rãi với những lý do chính sau:

1 Nhu cầu sử dụng liên tục tăng cao, quan hệ cung cầu ngày càng trở nên gay gắt hơn đồng thời khách hàng sử dụng điện đòi hỏi ngày càng cao số lượng cũng như về chất lượng điện

2 Sự phát triển các thiết bị mới kèm theo công nghệ tiên tiến hơn được đưa vào sử dụng như bù cos cho các động cơ, các hệ thống biến đổi điện từ một chiều thành xoay chiều và ngược lại, các hệ thống sử dụng công nghệ biến tần để nâng hiệu suất của thiết bị sử dụng điện đã phát sinh các nguyên nhân ảnh hưởng đến chất lượng điện Công nghệ bán dẫn phát triển mạnh đã làm thay đổi tính chất các phụ tải truyền thống Các thiết bị điện và điện tử bị ảnh hưởng bởi mất cân bằng điện áp nhiều hơn so với trước đây

3 Quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối điện kết hợp với nhiều nguồn phát điện đóng đồng bộ vào lưới do đó đòi hỏi các công ty điện lực phải nâng cao chất lượng điện năng có thể đồng bộ giữa các nguông có cùng một tiêu chuẩn chất lượng điện

và tiết kiệm chi phí vận hành, giảm sự cố để cấp điện liên tục và thiết kế các hệ

thống với độ tin cậy cung cấp điện với giá thành tới hạn là nhiệm vụ kỹ thuật yêu cầu trong ngành công nghiệp hiện nay

4 Chất lượng điện năng có khả năng đo lường được Nhờ vào sự phát triển của thiết

bị đo lường số thì các thiết bị có thể đo các tham số về chất lượng điện năng cũng như thể hiện các dạng sóng đã làm tăng sự quan tâm đến chất lượng điện năng Với các nước có nền công nghiệp năng lượng phát triển trên thế giới (Mỹ , Nhật, Anh, khối Liên xô cũ ) thì các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng đã được ban h ành rất sớm Đối với nước ta chất lượng điện điện năng bắt đầu được chú trọng vì yêu cầu

về nguồn với hệ thống cung cấp điện ngày càng tăng cũng như những yêu cầu vận hành của thiết bị điện nhập khẩu vào nước ta phải tuân thủ theo các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng đang lưu hành trên thế giới như các bộ tiêu chuẩn IEE519 -1992 quy định về các sóng hài

Hình 1.1: Thống kê tần suất sử dụng định nghĩa chất lượng điện năng từ cơ sở dữ

liệu INSPEC từ năm 1968 đến 2004

I.2 CÁC THÔNG SỐ VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG

I.2.1 Chất lƣợng điện năng- Chất lƣợng điện áp

Chất lượng điện năng trong hầu hết các trường hợp là chất lượng điện áp vì về mặt kỹ thuật, công suất là định mức của năng lượng cung cấp và là tích số của dòng điện và điện áp Thông thường, hệ thống cung cấp công suất chỉ có thể điều chỉnh chất lượng điện áp cung cấp cho tải chính vì vậy các tiêu chuẩn nâng cao chất lượng điện năng chủ yếu giành cho điều chỉnh điện áp trong các giới hạn cho phép Hệ thống điện

Số lượng tạp chí sử dụng

xoay chiều khi thiết kế cho điện áp hình sin có tần số cơ bản là 50Hz hoặc 60Hz Do vậy, bất kỳ độ lệch về biên độ, dạng sóng hay tần số của điện áp đều ảnh hưởng đến chất lượng điện năng

Khi tính toán thiết kế hệ thống điện, người ta thường tính toán máy phát điện làm việc ở chế độ xác lập hình sin nhưng dòng điện qua các tải với nhiều thành phần như tải điện trở, tải điện kháng, các tải phi tuyến và nhiều nguyên nhân khác đã làm thay đổi dạng sóng dòng điện

Một nguyên nhân khác như quá trình đóng cắt tải, tụ bù, sóng sét cũng làm biến dạng sóng sin của dòng điện

Với các lý do trên đồng thời với sự hỗ trợ của các thiết bị ngày càng chính xác

để đo các thông số về chất lượng điện năng, người ta đưa ra các khái niêm, thuật ngữ

để để đánh giá chất lượng điện năng như sau:

I.2.2 Quá độ (Tr ansient)

Quá độ là thuật ngữ thường xuyên sử dụng trong các bài toán phân tích hệ thống điện Đó là sự chuyển tiếp từ trạng thái ổn định điện này sang trạng thái ổn định khác Trong vấn đề chất lượng điện năng thì định nghĩa trên dùng miêu tả các trạng thái bất bình thường xảy ra đối với hệ thống điện đó là quá độ xung và qua độ dao động

Quá độ xung ( Impulsive Transient)

Quá độ xung thường chỉ sự thay đổi đột ngột về tần số của điện áp áp hay dòng điện hoặc theo cả hai hướng của cực(hoặc cực âm hoặc cực dương)

Hình 1.2: Quá độ xung do sét

Đặc trưng của quá độ xung là độ dốc của xung và và thời gian tắt, ví dụ điện áp của hệ thống điện đột ngột tăng cao từ vài chục vôn đến hàng nghìn vôn trong thời gian một vài mili giây sau đó giảm dần biên độ và tắt

Nguyên nhân thường do sét trực tiếp tác động và hệ thống điện và giảm biên độ dọc theo đường dây Quá độ xung thường kích thích các tần số cơ bản của hệ thống điện gây ra quá độ dao động

Quá độ dao động (Oscillatory Transient)

Quá độ dao động thường xảy ra thay đổi đột ngột tần số điện áp, tần số dòng điện hoặc cả hai theo hai cực dương và âm của nguồn điện Khi quá độ dao động xảy ra, điên áp và dòng điện có giá trị tức thời theo cực xảy ra rất nhanh

Hình 1.3: Xung dòng quá độ dao động bởi đóng cắt giàn tụ

- Quá độ tần số cao: Quá độ mà các dao động có thành phần 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

- Quá độ tần trung bình: Quá độ mà thành phần tần số chính giữa 5kHz và 500kHz được định nghĩa là quá độ tần số trung bình Các quá độ này thường là kết quả của đáp ứng hệ thống với xung quá độ

- Quá độ tần thấp: Quá độ mà thành phần tần số chính nhỏ hơn 5kHz đến 500kHz thường gặp trong truyền tải và phân phối gây bởi nhiều nguyên nhân

- Ngoài ra còn các quá độ dao động nhỏ hơn tần số 300kHz do hiện tượng cộng hưởng sắt từ, do các dàn tụ mắc nối tiếp vv sinh ra

I.2.3 Độ lệch điện áp thời gian dài (Long-duration Vontage Varitions)

Độ lệch điện áp thời gian dài có thể và thấp điện áp hoặc quá điện áp Các hiện tượng trên thường do nhiều nguyên nhân gây ra như sự cố lưới điện hoặc do sự tăng giảm tải của hệ thống, đôi khi người ta còn thấy cả ở khi phục hồi sự cố hệ thống điện

Độ lệch điện áp thời gian dài thường được chia ra dưới các dạngsau:

Hình 1.4:Độ lệch điện áp thời gian dài

Quá điện áp (Over Voltage)

Điện áp tại điểm khảo sát đột ngột tăng quá 110% điên áp định mức trong thời gian lớn hơn 1 phút Quá điện áp thường do đóng một bộ tụ lớn vào hệ thống hay sa thải phụ tải lớn ra khỏi hệ thống làm cho điện áp của hệ thống dâng lên trên điện áp định mức

-Thấp điện áp (Under Voltage)

Điện áp tại điểm khảo sát đột ngột giảm nhỏ hơn 90% điên áp định mức tại tần

số công nghiệp trong thời gian lớn hơn 1 phút Các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này là do ngược với các nguyên nhân gây nên quá điện áp trên

Gián đoạn duy trì (Sustained Interruptions)

Điện áp giảm về giá trị không trong thời gian lớn hơn 1 phút Nguyên nhân thường do sự cố hệ thống lưới điện và theờng được con ngươi phục hồi lại tình trạng lưới điện

I.2.4 Độ lệch điện áp thời gian ngắn ( Sort – duration Voltage Variations)

Độ lệch điện áp thời gian ngắn là do tình trạng khởi động các phụ tải lớn, yêu cầu cung cấp ngay một dòng điện lớn từ hệ thống hay đôi khi chỉ là các tình trạng hệ thống bị sự cố ví dụ: ngắn mạch thoáng qua Đặc trưng của độ lệch điện áp dưới các dạng sau:

Mất điện áp (Interruptions)

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

Sụt giảm điện áp ( Sag)

Sụt giảm điện áp là sự giảm điện áp trong khoảng từ 10% đến 90% giá trị điện áp hoặc dòng điện tại tần số công nghiệp trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ đến 1 phút

Hình 1.4: Sự sụt giảm điện áp

Tăng cao điện áp ( Swell)

Là sự tăng điện áp từ 110% đến 180% giá trị điện áp hiệu dụng hay dòng điện tại tần số công nghiệp tại tần số công nghiệp trong kho khoảng thời gian từ nửa chu kỳ đên 1 phút

Cũng tương tự như sụt giảm điện áp, tăng cao điện áp chủ yế u có nguyên nhân

do sự biến đổi hệ thống

I.2.5 Mất cân bằng điện áp (Votage Unblance)

Là độ biến đổi lớn nhất khỏi giá trị trung bình của điện áp hay dòng điện 3 pha

cả về giá trị và góc pha

Một hệ thống điện 3 pha thường được biểu thị dưới dạng :

Pha A : ua( t ) Ua sin( t a) (1.1) Pha B : u b(t) U b sin( t 1200 b) (1.2) Pha C : uc( t ) Uc sin( t 1200 c) (1.3) Trong đó : a, b , c là các góc lệch pha tương ứng.

Một hệ thống như trên ta gọi là hệ thống điện áp đối xứng, Hệ thống không đối xứng ta có thể chia là điện áp thứ tự thuận, điện áp thứ tự nghịch, và điện áp thứ tự không

0 2 1

U U U

3

1

1111

1

2 2

a a

a a

c b a

U U

Hệ số không cân bằng Un tính toán và xác định bởi công thức :

631

4

4 4

4

ca cb

ab

ca bc

ab

U U

U

U U

U

(1.7)

Tỷ lệ giữa thành phần thứ tự nghịch hoặc thứ tự không với thành phần thứ tự thuận có thể sử dụng để xác định phần trăn mất cân bằng điện áp Phương pháp thứ tự nghịch gần đây hay được sử dụng để xác định theo các tiêu chuẩn về chất lượng điệ n năng mấy năm gần đây

Hình 1.5: Mất cân bằng điện áp

I.2.6 Độ méo dạng sóng(Warreform Distotion)

Là sự biến đổi trạng thái từ một dạng sóng sin lý tưởng của tần số cơ bản Độ méo sóng được thể hiện bởi thành phần phổ của biến đổi đó được thể hiện dư ới các dạng

- Một chiều (DC Offset)

Là sự có mặt của thành phần một chiều trong hệ thống điện xoay chiều Dòng điện một chiều trong hệ thống điện xoay chiều làm bão hoà lõi thép máy biến áp gây phát

nóng máy biến áp và công suất mang tải của máy biến áp không đạt công suất theo thiết kế

Sóng hài (Harmonic)

Là các điện áp hay dòng điện hình sin có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản Nguyên nhân gây ra các thành phần sóng hài trong dòng điện là bởi các tải phi tuyến đấu nối vào hệ thống Một phụ tải phi tuyến có thành phần sóng dòng điện khác với sóng điện áp Khi đó, sự biến đổi không sin của điện áp kéo theo sự biến đổi không sin của dòng điện trong điện kháng tải Các dạng sóng điện đều có thể phân tích thành tổng của tần số cơ bản và sóng hài

Đa hài (Inter Harmonic)

Điện áp và dòng điện có thành phần tần số không phải của bội số nguyên của tần số cơ bản gọi là đa hài Người ta phát hiện đa hài xuất hiện hầu hết ở các dạng điện

áp của hệ thống điện truyền tải, đa hài gây nên bởi các biến đổi tần số như các thiết bị biến tần, các bộ chuyển đổi, các thiết bị phát hồ quang

Tạp âm trong hệ thống điện được phát sinh bởi các thiết bị điện, điện tử sử dụng công nghệ điện tử công suất gây ra Các thiết bị sử dụng cong nghệ chỉnh lưu một chiều, các lò hồ quang điện cũng chính là các thiết bị gây nhiễu điện áp trong hệ thống điện

I.2.7 Dao động điện áp (Voltage Fluctuation)

Dao động điện áp hoặc dòng điện biến đổi nhanh liên tục trong các dòng tải một cách liên tục trong khoảng 90% đến 110% điện áp định mức Một dạng của dao động

điện áp là điên áp nhấp nháy (flicker) Điện áp nhấp nháy tác động lên bóng đèn sợi

đốt mà mắt người có thể quan sát được

I.2.8 Độ lệch tần số (Power Frequency Variation)

Độ lệch tần số được định nghĩa như sự biến đổi của tần số cơ bản có giá trị thông thường (50Hz hoặc 60Hz) Tần số của hệ thống điện liên quan trực tiếp điến tốc

độ quay của máy phát điện

Khi độ lệch tần số quá các giới hạn tiêu chuẩn cho phép có thể gây sụp đổ hệ thống điện ( rã lưới)

I.3 LƯỚI ĐIỆN CÓ LÕ HỒ QUANG ĐIỆN HOẠT ĐỘNG

I.3.1 Lò hồ quang:

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

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

Lịch sử lò hồ quang điện:

Lò hồ quang được nghiên cứu và chế tạo kể từ sau khi Humphrey Davy khoảng năm 1800 khám phá ra nhiệt lượng của dòng hồ quang điện có thể nung chảy thép và các một số kim loại Sau đó các lò hồ quang được xây dựng theo qui mô công nghiệp hàng loạt ở Mỹ vào năm 1907 Vào những năm cuối của thế kỷ 20, số lượng các lò hồ quang tăng đáng kể trong các quốc gia có nền công nghiệp sản xuất thép như Pháp, Mỹ, Nhật Do có tính chất nhiệt lượng và dễ điều chỉnh nhiệt lượng để có thể luyện được các sản phẩm thép có chất lượng cao theo yêu cầu, vận hành tương đối đơn giản đồng thời một nguyên nhân nữa lò hồ quang chiếm ưu thế ở trong vấn đề tái chế kim loại, cải tạo môi trường nên ngày càng chế tạo lò có công suất lớn đến vài trăm

MVA Lò hồ quang thường lắp đặt ở những nơi có nguồn điện dồi dào, công suất nguồn cung cấp điện ít hạn chế

Các lò hồ quang điện thường dùng trực tiếp lưới điện trung thế có cấp điện áp

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

bộ điều chỉnh dòng điện thường có kết cấu của bộ điều áp dưới tải Các bộ điều khiển này sẽ bao gồm bộ điều khiển tỷ số biến áp, và bộ đổi nấc cuộn cảm cao áp nối tiếp với điện cực

Phân loại:

Theo dòng điện sử dụng ta chia làm 2 loại:

Lò hồ quang điện sử dụng một chiều

Lò hồ quang điện sử dụng nguồn 3 pha xoay chiều

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

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

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

và các kim loại dùng để nấu chảy

Theo đặc điểm chất liệu vào lò:

Lò chất liệu từ đỉnh xuống nhờ gầu chất liệu

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

I.3.2 Ảnh hưởng của lò hồ quang điện đến lưới điện

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

là phụ tải lớn và có tính chất điển hình tải phi tuyến trên hệ thống điện

Lò hồ quang điện xoay chiều là phụ tải xung kích với tính chất phụ tải phi tuyến đặc biệt Khi lò hồ quang điện vận hành, dòng điện gây ra dòng hồ quang liên tục thay đổi theo kim loại nóng chảy, đồng thời do quá trình vận hành bị sập liệu, khi điều chỉnh các điện cực, khi thổi ôxy vao lò cũng luôn làm cho dòng hồ quang biến đổi nhanh trong phạm vi rộng và không ổn định Qua phân tích thực tế cho thấy dòng điện của lò hồ quang điện chứa nhiều sóng hài và còn có dòng điện tần số thấp Chính dòng điện tần số thấp này sẽ tác động tới dao động điện áp ở hệ thống điện cung cấp làm cho điện áp lưới điện liên tục dao động

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

Máy biến áp phục vụ lò thường xuyên làm việc ở chế độ thay đổi liên tục từ hở mạch đến ngắn mạch, nhất là giai đoạn khởi động lò nên ảnh hưởng rất nhiều đến điện

áp của luới cung cấp Sự biến thiên rất nhanh của dòng điện và công suất phản kháng

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

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

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

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

bộ thời gian một chu trình

Để đảm bảo công suất nấu chảy, ngọn lửa hồ quang cần phải cháy ổn định Khi cháy điện cực bị ăn mòn dần, khoảng cách giữa điện cực và kim loại tăng lên Để duy trì hồ quang điện cực cần phải được điều chỉnh vào gần kim loại Lúc đó dễ xảy ra hiện tượng điện cực chạm vào kim loại gọi là quá trình điều chỉnh và gây ra ngắn mạch làm việc Ngắn mạch làm việc tuy xảy ra trong thời gian ngắn nhưng lại hay xảy

ra nên các thiết bị điện trong mạch độg lực thường phải làm việc ở điều kiện nặng nề Đây là đặc điểm cần lưu ý khi tính toán và chọn thiết bị cho lò hồ quang

Ngắn mạch làm việc cũng có thể gây ra do sụt lở các thành phần của hố vật liệu bao quang đầu điện cực tạo ra trong liệu hoặc sự nóng chảy của các mẩu liệu cũng có thể phá huỷ ngọn lửa hồ quang do tăng chiều dài ngọn lửa Lúc đó phải tiến hành mồi lại bằng cách hạ điện xuống cho chạm vào kim loại rồi nâng lên tạo hồ quang

Trong giai đoạn này số lần ngắn mạch làm việc có thể tới 100 lần hoặc hơn Mỗi lần xảy ra ngắn mạch làm việc công suất hữu ích giảm mạnh và có khi tới bằng không với tổn hao cực đại, thời gian cho phép của một lần ngắn mạch làm việc là 2 3s

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

mm đến 10 15mm Do vậy trong giai đoạn này công suất ra của biến áp lò lớn nhất

Giai đoạn đoạn 2 (Giai đoạn Oy hoá)

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

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

Giai đoạn 3 (Giai đoạn hoàn nguyên)

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

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

Giai đoạn này công suất tiêu thụ vô cùng nhỏ và có thể bỏ qua Thành phần phụ tải ở giai đoạn này có thể coi như phụ tải công nghiệp bình thường khác Quá trình luyên thép lại từ đầu

Mạch điện chính

A A

A CK

BAL 4mc

3mc

2mc

TI1

1mc CL

khèi hiÓn thÞ ®o l-êng

§KBV

Hình 1.7: Sơ đồ mạch điện chính của lò hồ quang

1 Giới thiệu chung :

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

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

- Máy cắt 1MC dùng để bảo vệ lò hồ quang khỏi ngắn mạch sự cố Nó được chỉnh định để không tác động khi ngắn mạch làm việc , đồng thời nó cũng dùng để đóng cắt mạch lực dưới tải

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

ổn định sự cháy của hồ quang Khi bắt đầu nấu luyện hay xảy ra ngắn mạch làm việc, lúc ngắn mạch làm việc máy cắt 2MC mở ra để cuộn kháng CK tham gia vào mạch hạn chế dòng ngắn mạch Khi liệu chảy hết, lò cần công suất nhiệt lớn để nấu luyện, 2MC đóng lại để ngắn mạch cuộn kháng CK ở giai đoạn hoàn nguyên công suất lò yêu cầu ít hơn thì 2MC lại mở ra để đưa CK vào mạch làm giảm công suất cấp cho lò Với những lò có công suất lớn hơn nhiều thì không có cuộn kháng CK, việc ổn định hồ quang và hạn chế dòng ngắn mạch làm việc do các phần tử cảm kháng của sơ đồ lò đảm nhiệm

- Biến áp lò BAL dùng để hạ áp và điều chỉnh điện áp, việc đổi nối cuộn sơ cấp thành hình tam giác hay hình sao thực hiện nhờ các máy cắt 3MC, 4MC Cuộn thứ cấp của biến áp lò nối với các điện cực của lò qua một mạch ngắn MN không phân nhánh Phía sơ cấp biến áp lò có đặt rơ le dòng cực đại để tác động lên cuộn ngắt máy cắt 1MC Rơ le này có duy trì thời gian , thời gian duy trì này giảm khi bội số quá tải dòng tăng , nhờ vậy 1MC ngắt mạch lực của lò hồ quang khi chỉ có ngắn mạch sự cố và khi ngắn mạch làm việc keó dài mà không xử lý được Với ngắn mạch làm việc trong một thời gian tương đối ngắn 1MC không cắt mạch mà chỉ có tín hiệu đèn báo và chuông Phía sơ cấp biến áp lò còn có các dụng cụ đo lường kiểm tra như: Vôn kế, Ampe kế, điện kế …

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

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

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

lò

- Cuộn thứ cấp biến áp lò thường đấu tam giác vì dòng ngắn mạch được phân ra hai pha và như vậy điều kiện làm việc của các cuộn dây sẽ nhẹ hơn Máy biến áp lò thường phải làm việc trong tình trạng ngắn mạch và phải có khả năng quá tải nên thường chế tạo to, nặng hơn các MBA động lực cùng công suất

b Mạch ngắn

Mạch ngắn hay dây dẫn dòng thứ cấp có dòng điện làm việc rất lớn tới hàng chục, đôi khi tới hàng trăm nghìn ampe

Tổn hao công suất ở mạch ngắn chiếm tới 70% tổn hao trong toàn bộ thiết bị lò

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

Ngoài ra đối với lò hồ quang ba pha, mạch ngắn còn phải bảo đảm sự cân bằng điện trở, điện kháng (Rmn, Xnm) giữa các pha để có các thông số điện (công suất, điện áp và dòng điện) tương đương nhau

Khi 3 pha mạch ngắn phân bố đối xứng thì hỗ cảm giữa hai pha bất kỳ sẽ bằng nhau và sức điện động hỗ cảm bằng không

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

hồ quang sẽ tăng lên Hiện tượng trên gây nên sự mất đối xứng về điện áp giữa các hồ quang, sự phân bố công suất không đồng đều giữa các pha, giảm hiệu suất lò và với lò công suất càng lớn thì sự mất đối xứng điện từ ở mạch ngắn sẽ càng lớn

Kết luận:

Lò hồ quang điện xoay chiều có các kết cấu đặc biệt và có tính chất phụ tải đặc biệt đối với lưới điện Khi lò hồ quang điện hoạt động chắc chắn ảnh hưởng đến chất lượng điện năng cho lưới cung cấp

1.4 HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG LÕ HỒ QUANG Ở CÁC KHU CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

II.4.1 Tóm tắt chung

Ở nước ta hiện nay do nhu cầu thép xây dựng tăng cao, lượng thép sản xuất trong nước hiện chỉ đáp ứng khoảng 30% nhu cầu, phần còn lại chủ yếu là sử dụng thép nhập khẩu Do vậy, các nhà máy luyện thép trong nước hoạt động hết công suất thiết kế để đáp ứng nhu cầu thị trường

Sự hoạt động tối đa công suất của các lò luyện thép kết hợp với nguồn điện đang thiếu đã ảnh hưởng trực tiếp đến các phụ tải lân cận vì lý do:

1 Các lò hồ quang điện sử dụng ở các khu công nghiệp chủ yếu sử dụng ở lưới điện trung áp từ 6kV đến 35kV Trên địa bàn còn tồn tại hàng loạt các lò hồ quang điện có công nghệ lạc hậu Tại các lưới điện khu công nghiệp hầu hết cung cấp cho nhiều loại phụ tải gồm có cả các nhà máy sản xuất sản phẩm công nghệ cao đan xen

2 Các khu công nghiệp đang có nhà máy luyện thép đa số chưa có quy hoạch tập trung cho luyện thép do vậy công suất nguồn cung cấp chưa đủ đáp ứng cho phụ tải kiểu lò điện Các nhà máy liên tục mở rộng quy mô sản xuất khiến công suất c ủa hệ thống điện thường xuyên quá tải

3 Hệ thống quy chuẩn về thiết bị, tiêu chuẩn chất lượng điện chưa kịp thời cập nhật Chế tài ràng buộc đối với khách hàng sử dụng điện đang trong giai đoạn hoàn thiện Chính sách chưa khuyến khích được khách hàng tự giác mua sắm thiết bị để nâng cao chất lượng điện năng do đó khách hàng thường sử dụng thiết bị cũ, lạc hậu

về công nghệ để giảm đầu tư, mau thu hồi vốn

Với các nguyên nhân nêu trên đã làm cho chất lượng điện năng tại các khu công nghiệp bị ảnh hưởng đáng kể ví dụ:

- Với các khách hàng sử đụng điện đòi hỏi chất lượng điện năng cao: Không hoạt động được hoặc hoạt động không đạt công suất như mong muốn

- Đối với các khách hàng luyện thép: Yêu cầu công ty Điện lực phải cung cấp nguồn phải cung cấp cho cho đủ nguồn khi nhà máy hoạt động ở công suất tối đa (Pmax) trong khi chính công suất của hệ thống đang thiếu

- Đối với công ty điện lực: Luôn chịu áp lực thiếu nguồn điện, các thiết bị vận hành quá tải, chất lượng điện năng giảm xuống Sự xuống cấp của hệ thống truyền tải, các xuất sự cố lưới điện tăng hơn nhiều so với định mức

I.4.2 Hiện trạng lò hồ quang điện hoạt động ở lưới điện tỉnh Thái Nguyên

Để đánh giá thực trạng hoạt động lò hồ quang điện tại Thái Nguyên, ta thống kê các đơn vị có tham gia luyện thép trên địa bàn Thái Nguyên và sử dụng các công nghệ nấu luyện thép:

Bảng 1-1: Thống kê đơn vị tham gia luyện thép

1 Công ty cán luyện thép Gia sàng Lò hồ quang 10 MVA

4 Nhà máy Luyện thép Sông Công Lò trung tần 6,3MVA

8 Công ty Cổ phần thép Thái Hà Lò trung tần 2,5MVA

10 Doanh nghiệp cán kéo thép Hiệp Linh Lò trung tần 2,3MVA

Khác với công nghệ lò hồ quang điện, công nghệ lò trung tần sử dụng luyện thép thường có nguyên lý sau:

Biến đổi dòng điện có tần số thấp lên tần số trung và được chạy qua cuộn dây xoắn tròn tạo ra dòng điện Fuco có hướng vào tâm của cuộn dây Phía trong cuộn dây

là vách lò có chứa kim loại cần nấu luyện, lúc này nhiệt độ liên tục được tăng cao cho đến thời điểm kim loại bị chảy lỏng hoàn toàn Trong qúa trình kim loại nóng ch ảy, người ta bổ xung thêm vào các thành phần hóa học đã được tính toán và định lượng sẵn để được kim loại khi đúc có cấu trúc và thành phần hóa học theo yêu cầu

Do đặc điểm lò trung tần nêu trên do vậy trong quá trình hoạt động, các lò trung tần thường có công suất tác dụng và công suất phản kháng tương đối ổn định, hệ số công suất cos tương đối cao, các giá trị dòng điện và điện áp ít thay đổi do vậy các lò trung tần không gây ảnh hưởng đến chất lượng điện năng so với lò sử dụng công nghệ

hồ quang điện

I.4.3 Khảo sát đặc tính của lò hồ quang điện

Lò hồ quang điện hầu hết đều là phụ tải lớn ở khu công nghiệp nói riêng hay cả khu vực nói chung Để nghiên cứu ảnh hưởng ta tìm hiểu đặc tính dòng - áp của hồ quang điện.Thông số đặc trưng của lò hồ quang như sau

Trở kháng dòng hồ quang

Điện áp, dòng điện của dòng hồ quang

Công suất hữu công và công suất phản kháng ở các chế độ vận hành

Hệ số công suất của lò

Hình 1.8: Đặc tuyến dòng - áp của lò hồ quang

Quan hệ dòng điện và điện áp của lò hồ quang bởi công thức:

a at

a

I D

C l

V

V ( ) (1.8) Trong đó: Va là điện áp hồ quang

l là chiều dài hồ quang

Va(t) là ngưỡng điện áp duy trì

Ia là điện áp hồ quang

C, D là các hệ số phụ thuộc dòng điện

Từ

kA D kW C

dt dI

kA D kW C

dt dI

a a

5

; 39 0

5

; 190 0

a a

I D

C l

V I

Va0 chính là ngướn điện áp của hồ quang khi chiều dài của hồ quang l0=39cm Và:

Vat( l ) A Bl (1.11)

A là điện áp rơi giữa catốt và anốt của lò hồ quang A = 40V

B là tỷ số giữa điện áp và chiều dài hồ quang (B = 40V/cm)

0

0 ) (

) (

Bl A

Bl A l

V

l V K

at

K là tỷ số giữa ngưỡng điện áp hồ quang tính toán so với ngưỡng điện áp khảo sát

Sự biến thiên nhanh chóng dòng điện của lò hồ quang có liên quan đến chiều dài của hồ quang và kết quả là điện trở của hồ quang là một tham số phụ thuộc theo thời gian và xác định bằng công thức:

)(

)()(

t I

t V t R

a a

Kết quả thu được do biến thiên hồ quang gây ra các ảnh hưởng đến lưới điện

I.4.4 Các ảnh hưởng đén lưới điện khi lò hồ quang hoạt động

Sụt giảm điện áp do hồ quang khởi động

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

để tạo ngọn lửa hồ quang Điện áp thứ cấp của máy biến áp lò sụt giảm gần về không hoặc gần về không Dòng điện tăng đột ngột thông qua biến áp lò gây sụt giảm ở lưới điện cung cấp Quá trình gây ngắn mạch điện cực khoảng từ 0.5s đến 2 0s và được kết thúc sau khi dòng hồ quang ổn định ở một giá trị đã được tính toán thiết kế trước

Hình 1-9: Sụt giảm điện áp do khởi động lò hồ quang

Quá độ điện áp do hồ quang

Khi hồ quang đang trong giai đoạn nấu chảy kim loại , do tác động nhiệt các nguyên liệu hoặc phế liệu nóng chảy bị sụt xuống lò là tan chảy, dòng hồ quang giảm đột ngột và có thể ngắt Tại thời điểm này máy biến áp lò hở mạch, thông qua biến áp

lò hệ thống cung cấp cũng dao động tăng điện áp và có các tính chất quá độ điện áp

Sóng hài phát sinh từ lò hồ quang

Vấn đề sóng hài đã được quan tâm từ rất sớm Ngay từ những năm 70 các chuyên gia về năng lượng điện đã phát hiện ra ra và nghiên cứu về nó Sóng hài là một vấn đề khó khi nó lại nằm chính trong tần số cơ bản lưới điện Sóng hài được sinh ra mạnh khi các lò hồ quang điện hoạt động Điện áp đưa vào lò điện có sóng hình sin tuy nhiên dòng điện của loại phụ tải này biến dạng bởi các sóng hài

Độ méo điện áp và méo dạng sóng dòng điện

Khi lưới điện có độ méo dòng điện hoặc điện áp lớn thì một số thiết bị có yêu cầu chất lượng điện năng không thể khởi động và hoath động theo công suất thiết kế được

Các tác động của sóng hài

- Sóng hài gây nên các tổn thất phụ của động cơ làm cho động cơ rung, lắc trong quá trình vận hành tạo ra tiếng ồn và quá áp sóng hài

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

Phép đo sóng hài

Độ méo điều hoà tổng THD (Total Harmonic Distortion ) là số đo ccủa độ méo tần

số gây ra bởi sóng hài trong hệ thống và xác định bởi công thức sau:

1 1 2

M

M THD

MAX h

h h

Trong đó: Mh Là biên độ của thành phần bậc h

M1 Là biên độ của thành phần cơ bản

Ngo ài ra, người ta đưa thêm định nghĩa về độ méo yêu cầu tổng TDD( total Demand Distortion) và được xá định bằng công thức:

L

h

h h

I

I TDD

MAX

1 2

Trong đó IL là đỉnh hoặc giá trị max dòng tải yêu cầu tại tần số cơ bản, có thể tính toán như giá trị trung bình của dòng yêu cầu lớn nhất trong 12 tháng trước đó, với tải mới thì được tính toán trên giá trị của tải, các độ méo THD, TDD có thể gặp tại các tiêu chuẩn quy định về độ méo dòng điện như IEE 519-1992

Dao động nhấp nháy điện áp (Flicker)

Lò hồ quang điện hoạt động thì dao động điện áp về giá trị biên +5% và -10% điện áp thông thường vẫn đảm bảo nhưng dao động điện áp kiểu nhấp nháy có mật độ cao trong khoảng thời gian dài nếu như không có thiết bị lọc

Hình 1-10: Hiện tượng nhấp nháy điện áp do hoạt dộng của lò hồ quang

Sai số giá trị điện áp:

V V2pk V1pk (1.13)

Giá trị hiệu dụng trung bình:

V

222

22

1 2

pk pk pk

pk

V V V

V

(1.14)

Tỷ lệ dao động diện áp tính theo phần trăm:

% 100 (%)

1 2

1 2

pk pk

pk pk

V V

V V V

dV

(1.15)

Biến đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng tại lò hồ quang

Căn cứ vào đồ thị vòng công suất của lò hồ quang cho ta nhận xét:

Công suất tác dụng và công suất phản kháng thay đổi trong phạm vi lớn trong chế

độ vận hành bình thường của lò Trên độ thị vòng công suất của lò khi thay đổi từ điểm ngắn mạch đến vận hành điểm bìng thường thì công suất phản kháng Q giảm từ

Q2 đến Q1 và cô ng suất tác dụng tăng từ P1 đến P2

Với sự tài trợ của Công ty điện lực Mỹ BPA (Bonnerille Power Adminitration) chương trình EMTP đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi từ đầu những năm 1970 EMTP được chính thức thương mại hoá từ năm 1984 Tại châu Âu, câu lạc bộ EMTP

đã ra đời và đóng trụ sở tại Bỉ

Khi mới phát triển, EMTP chỉ bao gồm những mô đun đơn giản chủ yếu dùng để tính toán quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện Theo thời gian, EMTP đã phát triển nhanh chóng với sự đóng góp của nhiều nhà khoa học trên thế giới Ngày nay EMTP cho phép tính toán các quá trình quá độ điện cơ cùng với những mô đun tính toán xác lập, tương đương hoá hệ thống và các phần tử phi tuyến khác nhau

EMTP được ứng dụng khá rộng rãi trong phân tích hệ thống điện vì đó là một dụng cụ linh hoạt và có hiệu quả EMTP cho phép tính toán các thông số hệ thống điện trong chế độ quá độ ở miền thời gian Các bài toán sau đây thường được giải quyết nhờ chương trình EMTP:

- Hành vi các thiết bị điều khiển trong hệ thống điện

- Đóng cắt điện kháng, máy biến áp và tụ điện

- Đóng và tự đóng lại đường dây

- Đóng cắt máy cắt đồng thời hoặc không đồng thời

- Đóng điện dung

- Ổn định quá độ

- Sa thải phụ tải

- Phân tích sóng hài, cộng hưởng lõi từ, dao động sắt từ

- Chống sét

- Quá điện áp thao tác, quá điện áp khí quyển, quá điện áp phục hồi

- Nghiên cứu quá điện áp bằng xác suất thống kê

- Kiểm tra các thiết bị rơle bảo vệ

- Quá trình quá độ thao tác và ngắn mạch

- Mô phỏng máy điện, khởi động động cơ

- Mô phỏng các thiết bị FACTS như : SVC, STATCOM, TCSC

- Ứng dụng điện tử công suất mô phỏng hệ thống điều khiển,…

Ngo ài ra EMTP còn có khả năng chuyển các kết quả ở miền thời gian về miền tần

số và phân tích hệ thống nhiều pha ở chế độ xác lập

II.2 NGUYÊN TẮC, KHẢ NĂNG VÀ CÁC MODUL CỦA CHƯƠNG TRÌNH ATP

II.2.1 Nguyên tắc chung.

Chương trình ATP nghiên cứu sự biến thiên của các thông số trong hệ thống điện theo thời gian, đặc biệt là trong các quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện Dựa trên quy tắc tích phân hình thang, các phương trình vi phân của hệ thống được giải trong một khoảng thời gian Điều kiện ban đầu có thể xác định tự động bằng cách giải bài toán ở chế độ xác lập hoặc được đưa vào bởi người sử dụng đối với các phần tử đơn giản

II.2.2 Khả năng ứng dụng của chương trình

ATP có nhiều mô hình mô phỏng bao gồm máy điện quay, máy biến áp, chống sét van, đường dây và cáp truyền tải Chuơng trình này có khả năng kết nối với chương trình phân tích quá độ của hệ thống điều khiển - Transients Analysis of Control Systems (TACS) và ngôn ngữ mô phỏng MODELS cho phép mô phỏng hệ thống điều khiển của các phần tử

Chương trình cho phép mô phỏng các chế độ vận hành và chế độ sự cố đối xứng

và không đối xứng như ngắn mạch, phóng điện sét và các loại thao tác đóng cắt gây nên quá điện áp nội bộ

Trong thư viện của ATP bao gồm những thành phần sau đây:

- Mạch đơn hay kép tuyến tính được thay bằng những thông số tập trung R,L,C

- Đường dây tải điện trên không và cáp có thông số phân bổ rải

- Điện trở và điện cảm tuyến tính

- Những phần tử phi tuyến: Máy biến áp có kể tới hiện tượng bão hoà và từ trễ, chống sét van (có hoặc không có khe hở)

- Thiết bị đóng cắt (máy cắt) phụ thuộc thời gian hay điện áp, đóng cắt thống kê

- Van (Diot, Thyristors, Triacs) điều khiển đóng cắt

- Nguồn: Bước, dốc, hình sin, hàm số mũ (quá áp khí quyển), mô hình TACS

- Máy điện quay: máy đồng bộ 3 pha

- Những phần tử do người dùng định nghĩa bao gồm MODELS tương tác

1 Những chương trình tương hỗ với ATP

ATP là phần mềm kết hợp kèm theo, nó là nhiều mô đun và các chương trình hỗ trợ như :

+ ATP control center : phần mềm trung tâm điều khiển các thành phần

+ ATPdraw : chương trình chạy trên nền Windows với giao diện đồ hoạ trực quan,

dễ sử dụng, là phần mềm để tạo mạch mô phỏng quá độ Trong đó có rất nhiều mô phỏng sẵn có về các phần tử trong hệ thống điện Ngoài ra người sử dụng còn có thể tạo ra được các mô phỏng mới nhờ ngôn ngữ MODELS của chương trình

Hình 2-1:Phần mềm tương hỗ với ATP

+ GTPPlot là phần mềm tính toán dữ liệu xuất ra từ ATPdraw nhưng thực thi trên nền DOS

+ PlotXY: chương trình vẽ đồ thị trên nền Win32 Có khả năng mô phỏng kết quả

đo và tính toán của chương trình ATP-EMTP trước đó và có thể vễ tối đa 8 đường cong dòng điện, điện áp… trên cùng một đồ thị bằng các phép tính đại số hay phân tích chuỗi Furiê

Ngoài ra còn có một số chương trình đồ hoạ kèm theo chạy trên nền DOS hay Windows từ dữ liệu tạo bởi chương trình ATPdraw

2 Những môđun mô phỏng tổng hợp trong ATP

MODELS trong ATP là một ngôn ngữ mô tả mạch điều khiển bất kỳ có sự hỗ trợ

bằng những công cụ mô phỏng trong việc thiết kế hay nghiên cứu các tham số điện của

hệ thống biến thiên theo thời gian:

- Mô tả mỗi mô hình có sử dụng các định dạng tự do, các phần tử do chương trình có sẵn

- MODELS trong ATP cho phép thiết lập những phần tử không có trong thư viện

mà do người dụng tự định dạng

- Như một công cụ được lập trình đa dụng, MODELS có thể mô phỏng những kết quả trong miền tần số hay trong miền thời gian

TACS là một môđun mô phỏng trong miền thời gian của những hệ thống điều

khiển với những đối tượng sau:

- Điều khiển bộ biến đổi HVDC

- Hệ thống kích từ của máy phát đồng bộ

- Các linh kiện điện tử và truyền dẫn

- Góc điện bao gồm máy cắt và góc sự cố

Supporting routines là các tiện ích mà chương trình có thể hỗ trợ để nhập các

thông số cho các phần tử trong hệ thống điện hay các mạch điện khác, cho tới việc tính toán những thông số cho đường dây truyền tải trên không và cáp và mô phỏng kích thước hình học của chúng một cách trực quan Những mô đun hỗ trợ trong ATP bao gồm:

- Tính toán các tham số điện của đường dây truyền tải trên không và cáp bằng mô đun LINE CONSTANTS, CABLE CONSTANTS và CABLE PARAMETERS

- Tần số nguồn phụ thuộc các loại đường dây và thông số nhập có thể là ( Semlyen,

ma trận J.Marti, mô hình nhánh-nút Noda line)

- Tính toán thông số máy biến áp loại (XFORMER, BCTRAN)

- Biến đổi phù hợp với bão hoà từ và từ trễ

- Dữ liệu cơ sở (khi sử dụng định dạng $INCLUDE)

Có thể chia các phần tử được mô phỏng của hệ thống điện thành các bộ phận chính là: nguồn, nhánh, mạch ngắt, mạch điều khiển và máy điện

Chương trình EMTP cho phép mô phỏng các hệ thống điện lớn, phức tạp với quy

mô kích thước cực đại như bảng sau (đối với phiên bản hiện tại) :

Bảng 2.1 Khả năng mô phỏng của ATP

Số lượng phần tử phi tuyến 2250

Hình 2-2: Các tiện ích trong ATP

II.3 CÁC PHẦN TỬ CHÍNH CỦA ATPDRAW PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU

- Phần tử đo lường ( Probes & 3-phase):

- Phần tử đo lường điện áp nút, nhánh, dòng điện và theo dõi TACS

- Đường dây trên không/cáp ( Lines/Cables).

- Thông số tập trung hình (kiểu 1,2…) và nhánh RL nối tiếp (kiểu 51, 52…)

- Thời gian và điện áp điều khiển, chuyển mạch điều khiển thời gian 3 pha

- Diot, thyristor, triac

- TACS đơn điều khiển đóng, cắt

- Chuyển đổi đo lường

- Chuyển đổi hệ thống và thống kê

- Nguồn (Sources)

Chương trình ATPDraw sử dụng hai loại nguồn là nguồn điện tĩnh và nguồn điện động Nguồn điện tĩnh là dạng nguồn điện cho trước giá trị biên độ (điện áp hoặc dòng điện), góc pha, thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc Nguồn điện động là các dạng máy điện quay (đồng bộ hay không đồng bộ)

- Nguồn một chiều và xoay chiều, 3 pha xoay chiều

- Nguồn hình thang

- Nguồn dạng răng cưa (Ramp function)

- Nguồn sét (Surge sources)

- Nguồn điều khiển TACS

Bảng 2.8

- Máy biến áp điện lực (Transformers)

- Máy biến áp 1 pha và 3 pha lý tưởng

- Máy biến áp một pha

- Máy biến áp 3 pha hai cuộn dây và ba cuộn dây

- Máy biến áp tự ngẫu một pha, 3 pha 2 và 3 cuộn dây

Bảng 2.9

- Phần tử tần số (Frequency compornent)

- Nguồn sóng hài, cho việc nghiên cứu tần số quét sóng hài

- Nguồn tần số một pha và ba pha phụ thuộc tải định dạng CIGRÉ

- Phần tử RLC một pha với tần số phụ thuộc tham số

Bảng 2.10

Kết luận :

- Chương trình mô phỏng ATP-EMTP là một công cụ tính toán và phân tích hệ

thống một cách chính xác, linh hoạt và hiệu quả chế độ làm việc bình thường hay chế

độ quá độ của một hay nhiều phần tử trong hệ thống điện Ngoài ra chương trình còn

có khả năng phân tích các các linh kiện, hay mạch điện tử bất kỳ bằng những modul

được thiết lập sẵn trong chương trình

- Ngoài các Modul được lập trình sẵn, thì người sử dụng còn có thể đưa vào

chương trình những phần tử mới (do người dùng đặt)

- Giao tiếp giữa người và máy qua chương trình bằng các công cụ, menu, hộp

thoại hay cửa sổ nên chương trình tương đối linh hoạt và thân thiện với người dùng

- Các hiện tượng vật lý trong hệ thống điện được ATP-EMTP tính toán và mô

phỏng gần như với thực tế, nên chương trình này có vai trò rất quan trọng trong công

tác tính toán, phân tích, thiết kế và vận hành hệ thống điện

II.4 MÔ PHỎNG LÕ HỒ QUANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Đối tượng khảo sát:

Lò hồ quang điện của Công ty Diezen Sông Công Tỉnh Thái Nguyên

Lưới điện khu công nghiệp Sông Công khi có hoạt động của lò hồ quang hoạt

động

Hình 2-3 :Sơ đồ mô phỏng lò hồ quang điện

Điện kháng hạn dòng

Điện kháng máy biến áp lò

Nguồn Biến áp

115/23/6kV

Biến áp lò 6/0,28kV

Phần nguồn:

1 Hệ thống cung cấp điện 110 kV Thái Nguyên -Gò Đầm

2 Máy biến áp trung gian Trạm 110 kV Gò Đầm có các thông số:

Công suất định mức: 25.000kVA (25MVA)

Điện áp định mức: 115/26/6,6kV có điều chỉnh điện áp dưới tải

Dòng điện không tải: 0,805 %

Tổn hao ngắn mạch Điện áp ngắn mạch

PN HV/IV = 99,43KW Uk HV/IV = 18,95%

PN IV/LV = 88,37KW Uk IV/LV = 7,83%

PN HV/LV = 156,1KW Uk HV/LV = 30,26%

Trung tính nối đất: Cuộn cao thế và trung thế

Mô phỏng máy biến áp trung gian như sau

Hình 2-4 : Cửa sổ nhập liệu máy biến áp 115/23/6kV

Các thông số của biến áp lò điện nhƣ sau:

Lò điện hồ quang 6 tấn, biến áp 4.000 kVA, điện áp ngắn mạch xem bảng sau: