Để đảm bảo tổn thất điện áp và tổn thất điện năng trong lưới điện nằm trong phạm vi cho phép thì một trong những biện pháp có hiệu quả cao là giảm công suất phản kháng chuyên tải trên đư
QUAN VỀ TRẠM TỤ BÙ
Tại sao phải bù?
Để cải thiện hệ số công suất của mạng điện, cần một bộ tụ điện làm nguồn phát công suất phản kháng Cách giải quyết này gọi là bù công suất phản kháng
Tải mang tính cảm có hệ số công suất thấp sẽ nhận thành phần dòng điện phản kháng ( chậm pha so với điện áp một góc 90 o ) từ máy phát đưa qua hệ thống tryền tải/ phân phối Do đó kéo theo tổn thất công suất và hiện tượng sụt áp
Khi mắc tụ song song với tải ( hay còn gọi là bù ngang), dòng điện có tính dung của tụ sẽ có cùng hướng đi như thành phần cảm kháng của dòng tải Dòng điện qua tụ này ( nhanh pha hơn điện áp nguồn 90 o ) ngược pha với thành phần phản kháng của dòng tải I L Nếu thành phần dòng điện này triệt tiêu lẫn nhau
I =I thì không còn tồn tại dòng phản kháng đi qua phần lưới phía trước vị trí đặt tụ bù
Trong hệ thống điện phần lớn các hộ tiêu thụ điện có cuộn dây như: động cơ điện, khí cụ điện, đồng hồ đo lường điện thì ngoài việc tiêu thụ công suất tác dụng (P) còn tiêu thụ công suất phản kháng (Q) Do đó trong hệ thống điện phải sản xuất và chuyên tải cả công suất tác dụng và công suất phản kháng Nếu phụ tải tiêu thụ nhiều công suất phản kháng thì tổng công suất chuyên tải trên đường dây tăng lên làm cho tổn thất điện áp tổn thất dòng điện tăng dẫn đến tổn thất điện năng tăng lên Để đảm bảo tổn thất điện áp và tổn thất điện năng trong lưới điện nằm trong phạm vi cho phép thì một trong những biện pháp có hiệu quả cao là giảm công suất phản kháng chuyên tải trên đường dây bằng cách: đặt thiết bị bù để sản xuất công suất phản kháng tại chỗ cung cấp cho hộ tiêu thụ điện
Vậy công dụng của thiết bị bù là sử dụng công suất tác dụng nhỏ trực tiếp sản xuất ra lượng công suất phản kháng lớn cung cấp tại chỗ cho hộ tiêu thụ Nhờ đó mà lượng công suất chuyên tải trên đường dây giảm xuống, làm cho
L R tổn thất điện áp, tổn thất điện năng giảm và dòng điện chuyên tải trên đường dây cũng giảm xuống
Ví dụ: một đường dây tải điện cung cấp cho một hộ tiêu thụ 1 lượng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q như hình
Khi chưa đặt thiết bị bù
Khi có đặt thiết bị bù
• Khi chưa đặt thiết bị bù:
Tổn thất điện áp trên đường dây
Tổn thất điện năng trên đường dây
Dòng điện chuyên tải trên đường dây
• Nếu tại thanh góp B có đặt thiết bị bù để cung cấp công suất phản kháng trực tiếp cho hộ tiêu thụ một lượng Q b thì công suất phản kháng Q cần chuyên tải trên đường dây chỉ còn:
Q = −Q Q b như vậy tổn thất điện áp , tổn thất điện năng và dòng chuyên tải trên đường dây là:
= Kết quả trên ta thấy
So sánh kết quả ta thấy tổn thất điện áp, tổn thất điện năng trên đường dây khi có đặt thiết bị bù nhỏ hơn khi chưa đặt thiết bị bù, do đó dòng điện chuyên tải trên đường dây cũng nhỏ đi.
Vị trí lắp đặt tụ bù
Bù tập trung áp dụng khi tải liên tục và ổn định
Nguyên lý: bộ tụ bù đấu vào thanh góp hạ áp của trạm phân phối chính và được đóng trong thời gian tải hoạt động Ưu điểm: bù tập trung : làm giảm giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng, làm giảm công suất biểu kiến yêu cầu, làm nhẹ tải cho máy biến áp và do đó nó có khả năng phát triểm thêm các phụ tải khi cần thiết Nhận xét: dòng điện phản kháng tiếp tục đi vào tất cả các lộ phân phối chính của mạng hạ thế; do đó kích cỡ của dây dẫn, công suất tổn hao trong dây không được cải thiện với chế độ bù tập trung
II.2 Bù từng nhóm ( bù phân đoạn)
Bù từng nhóm nên sử dụng khi mạng điện quá lớn và khi chế độ tải tiêu thụ theo thời gian của các phân đoạn thay đổi khác nhau
Nguyên lý: bộ tụ bù được đấu vào tủ phân phối khu vực Hiệu quả do bù nhóm mang lại cho các dây dẫn xuất phát từ tủ phân phối chính đến các tủ phân phối khu vực có đặt tụ được thể hiện rõ nhất Ưu điểm:làm giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng, làm giảm công suất phản kháng yêu cầu, kích thước dây cáp đi đến các tủ phân phối khu vực sẽ giảm đi hoặc với cùng dây cáp trên có thể tăng thêm phụ tải cho tủ phân phối khu vực, tổn hao trên dây cáp sẽ giảm
Nhận xét: dòng điện phản kháng tiếp tục đi vào tất cả các dây dẫn xuất phát từ các tủ phân phối khu vực, do đó kích thước và công suất tổn hao trong dây dẫn nói trên không được cải thiện với chế độ bù nhóm Khi có sự thay đổi đáng kể của phụ tải luôn luôn tồn tại nguy cơ bù dư và kèm theo hiện tượng quá điện áp
Bù riêng được xét đến khi công suất động cơ đáng kể so với công suất của mạng điện
Nguyên lý: bộ tụ mắc trực tiếp vào đầu dây nối của thiết bị dùng điện có tính cảm Bù riêng nên được xét đến khi công suất của động cơ là đáng kể so với công suất của mạng điện Bộ tụ định mức ( KVAr) đến khoảng 25% giá trị công suất (KW) của động cơ Bù bổ sung tại đầu nguồn điện cũng có thể mang lại hiệu quà tốt Ưu điểm: làm giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng, giảm công suất biểu kiến yêu cầu, giảm kích thước và tổn hao dây dẫn đối với tất cả dây dẫn
Nhận xét : dòng điện phản kháng có giá trị lớn sẽ không tồn tại trong mạng ủieọn
Mức độ bù tối ưu
Việc tính toán mức bù tối ưu cho một mạng có thể thực hiện theo các yêu caàu sau:
- Tiền điện trước khi đặt tự bù
- Tiền điện tương lai sau khi lắp đặt tụ bù
- Các chi phí bao gồm: mua tụ bù và mạch điều khiển, lắp đặt và bảo trì, tổn thất trong tụ và tổn thất ttên dây cáp, máy biến áp sau khi lắp đặt tụ buứ
SỬ DỤNG PHẦN MỀM ATP/EMTP
Giới thiệu phần mềm ATP/EMTP
The Alternative Transients Program (ATP) là một phiên bản của phần mềm phân tích quá độ điện từ ( EMTP: Electromagentic transients Program) EMTP có thể dự đoán sự thay đổi điện áp, dòng điện của hệ thống điện như là một hàm theo thời gian, đóng cắt trạm tụ bù là một là một trong các chức năng mà ATP có thể thục hiện được.
Hiện tượng quá độ trong hệ thống điện
Trong phần này chỉ giới thiệu chung các hiện tượng quá độ, nguồn gốc và hậu quả của quá độ trong mạch một pha và ba pha So sánh với trạng thái sát lập của hệ thống ở một tần số, nơi mà hệ thống có thể được mô tả dễ dàng bằng một phương trình phức tạp, một công thức toán của đáp ứng của thiết bị riêng biệt hoặc của một hệ thống ít phức tạp hơn, bởi vì ở trạng thái sát lập đáp ứng của hệ thống liên quan đến một dãi tần số Vì thế, hiểu được bản chất của quá trình quá độ là rất quan trọng
1 Quá độ gấp đôi tần số (Double Frequency transients)
Trường hợp đơn giản nhất của quá độ gấp đôi tần số đươc xét đến là mở máy cắt trong mạch 10kV như hình vẽ
Trong đó R 1 3mΩ,L 1 =2.1mHlà tổng trở ngắn mạch của nguồn 10kV,
C = μFlà điện dung tương đương của cáp nối từ nguồn đến tải cảm ứng (motor).L 2 0mH C, 2 @nF là điện cảm và điện dung tương đương của tải cảm ứng (motor), tổn thất dây quấn của động cơ được thay thế bằng R 2 =0.47Ω
R = ωL R = ωL Khi mở khóa hai nửa của mạch độc lập với nhau Trước khi mở khóa điện áp tần số 50Hz điện áp sẽ chia tương ứng trên những điện cảm, vì vậy điện áp xấp xỉ của tụ sẽ là
Khi dòng qua điểm không, công tắc sẽ mở ra và điện áp trên công tắc sẽ là điện áp đỉnh bởi gì mạch có tính cảm Tiếp theo dòng ngắt C 2 sẽ xả qua L 2 với tần số cộng hưởng
= Aûnh hưởng của R 2 được bỏ qua
Trong lúc này C 1 không ảnh hưởng đến điện thế nguồn, sẽ dao động khoảng giá trị đỉnh 2V s 65kV
Tần số của dao động xấp xỉ
= $53Hz Điện áp quá độ phiá nguồn và phía tải Điện áp quá độ qua công tắc
II.2 Quá độ trong mạch ba pha
Hệ thống ba pha có thể nối đất ở trung tính, có thể cô lập với đất hoặc có thể nối đất ở trung tính qua tổng trở Trong hệ thống, trung tính được nối đất ba pha hầu như độc lập và tương tự như ba mạch một pha nếu tổng trở nối đất của mạch không đáng kể Vì thế nếu máy cắt mở để giải trừ sự cố ở pha a, thì dòng ngắt trong các pha b, c độc lập với dòng qua điểm không Điện áp quá độ tìm được qua máy cắt hoặc tải có thể tìm theo phương pháp một pha
Trường hợp khác khi trung tính nối đất, hoặc nối đất qua tổng trở, ví dụ nối đất qua cuộn dập hồ quang thì điện cảm của nó dạng cộng hưởng song song với điện dung mỗi pha Giả sử ta cắt trạm tụ bù ba pha đấu sao như hình vẽ Trạm 15MVA nối với nguồn 10kV Điểm trung tính của trạm tụ nối đất qua tụ 1nF Ơû điều kiện xác lập khi trạm tụ bù được nạp, sự đối xứng của mạch sẽ là nguyên nhân điểm trung tính N của trạm tụ trở thành điện thế đất Giả sử rằng khi công tắc mở, pha A ngắt đầu tiên Dòng điện I A sẽ bằng không khi V A đạt giá trị đỉnh
Hình trên ta có thể thấy, dạng sóng điện áp và dòng điện của tụ ở pha A dòng ở pha A được ngắt ở tms Hai pha B, C được đóng duy trì Khi tụ ở pha
A đã ngắt, không có nơi nào để điện tích trên C A di chuyển, và tụ sẽ đạt giá trị đỉnh V peak Pha B,C bây giờ là các mạch độc lập trong đó I =I B = −I C Sự không đối xứng của mạch làm cho điện thế điểm trung tính N tăng lên Vì thế điện áp của trung tính là điện áp đỉnh V peak
Khi điểm trung tính không không bị ảnh hưởng của nối đất, sau khi ngắt pha
A, B,C cùng thời điểm dạng sóng của nó như hình bên dưới
Ngaét coâng taéc ba pha
Khi ngắt hoàn toàn trạm tụ bù ta sẽ có được điện áp của tụ đến đất và điện áp của trung tính Điện áp pha của trạm tụ bù và điện áp của trung tính sau khi ngắt ba pha
Nếu trạm tụ bù ba pha mà trung tính trực tiếp nối đất, chúng ta sẽ phân tích từng pha của mạch ba pha
Trạm tụ bù ba pha trung tính trực tiếp nối đất
Dòng ngắt ba pha của tụ Điện áp pha của trạm tụ bù
Dòng của mỗi tụ được ngắt ở thời điểm không của dòng pha độc lập Điện áp sẽ đạt giá trị đỉnh khi dòng qua giá trị không, điện áp trên cả ba pha sẽ duy trì ở giá trị đỉnh sau khi cắt bởi gì nó giữ lại điện tích đã nạp.
Hiện Tượng Back-To-Back
III.1 Phân tích hiện tượng :
Hiện tượng Back-To-Back là hiện tượng khi đóng một giàn tụ vào lưới có những giàn tụ khác đang hoạt động Khi đóng trong trường hợp này thì biên độ và tần số của dòng điện xung phải lớn hơn trường hợp chỉ có một giàn tụ Tần số quá độ của dòng điện xung này cũng có thể vượt quá tần số quá độ hiện thời của thiết bị đóng cắt Nó cũng có thể làm hỏng các thiết bị bảo vệ như cầu chì hay các relay Điển hình của hiện tượng Back- To- Back được trình bày trong hình dưới ủaõy:
III.2 Kết quả mô phỏng:
Sơ đồ mô phỏng sử dụng phần mềm ATP/EMTP Ứng với các trường hợp đóng cắt ta có điện áp qua tụ C1 (V) và dòng điện chảy vào giàn tụ C1 (A) như sau:
2omh t Điện áp nguồn v:SCR và điện áp qua tụ C1 v:C1
Dòng điện qua tụ C1 Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2
Dòng điện qua tụ C2 Đóng ở 5ms: Điện áp nguồn v:SCR và điện áp qua tụ C1 v:C1
Dòng điện qua tụ C1 Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2
Dòng điện qua tụ C2 Đóng ở 10ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
Dòng điện qua tụ C1 Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2
Dòng điện qua tụ C2 Đóng ở 15ms: Điện áp nguồn v:SCR và điện áp qua tụ C1 v:C1
Dòng điện qua tụ C1 Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2
- Đóng ở 0ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1 Điện áp nguồn và điện ap1 qua tụ C2
-Đóng ở 5ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
Dòng điện qua tụ C1 Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2
Dòng điện qua tụ C2 Đóng ở 10ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
-Đóng ở 15ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
- Đóng ở 0 ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
- Đóng ở 5ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
- Đóng ở 10ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
- Đóng ở 15ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
III.2.4 Trường hợp U C 2 =U max Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
Dòng điện qua tụ C1 Đóng ở 5ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1 Đóng ở 10ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
Dòng điện qua tụ C1 Đóng ở 15ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
III.2.5 Trường hợp U C 2 = −U max Điện áp nguồn và điện qua tụ C1 Đóng ở 5ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
Dòng điện qua tụ C1 Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
Dòng điện qua tụ C1 Đóng ở 10ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
III.3.1Bảng kết quả mô phỏng : Điện áp trên tụ C1(kV)/ Dòng điện trên tụ C1(kA)
-Khi đóng giàn tụ mà độ chênh lệch giữa điện áp tức thời của nguồn và điện áp của tụ trước khi đóng là lớn nhất thì biên độ của độ vọt lố điện áp sau khi đóng là lớn nhất
-Trường hợp nguy hiểm nhất xảy ra khi ngay tại thời điểm đóng giàn tụ, điện áp nguồn đạt cực đại hay cực tiểu và điện áp của tụ đóng vào mang giá trị trái dấu với điện áp nguồn
-Trường hợp an toàn nhất xảy ra khi ngay tại thời điểm đóng giàn tụ, điện áp nguồn và điện áp trên giàn tụ đạt giá trị cực đại, hoặc cực tiểu, hoặc cùng baèng zero
-Khi dòng điện quá độ vượt quá giới hạn cho phép, người ta thực hiện một trong các biện pháp sau:
-Nối thêm điện kháng để giảm biên độ và tần số của dòng quá đo
-Sử dụng thêm điện trở đặt trước máy cắt, các điện trở này được thiết kế chống rung , chống dao động và cho phép tụ điện về cơ bản được nạp đến điện áp hệ thống trước khi các tiếp điểm chính của máy cắt đóng lại
-Đóng cắt tụ có công suất MVAR nhỏ hơn
Khi sử dụng máy cắt có điện trở đặt trước như loại McGraw-Edison VCR để đóng cắt tụ điện thì dòng điện quá độ không còn nguy hiểm nữa Máy cắt VCR được thiết kế sao cho nhiều tụ điện có thể nối vào một thanh cái cùng lúc mà không bị ảnh hưởng của hiện tượng back-to-back.
Hiện tượng khuếch đại điện áp
IV.1.Phân tích hiện tượng
Trong thực tế, một giàn tụ hiếm khi nằm tách biệt với hệ thống mà nó chịu ảnh hưởng của các giàn tụ khác vì vậy nhiều hiện tượng phức tạp hơn có thể xảy ra Sự khuếch đại điện áp là một ví dụ Đây là trường hợp thường xảy ra khi một giàn tụ được đóng vào ở điện áp cao của hệ thống và sự khuếch đại độ vọt lố điện áp xảy ra trên giàn tụ cố định
Nếu tần số cộng hưởng của hai nhánh xấp xỉ bằng nhau (L1*C1=L2*C2) thì sự khuếch đại điện áp sẽ rất cao vì mạch ở cấp điện áp thấp được bơm vào một nguồn điện áp tại tần số cộng hưởng
Khuếch đại điện áp càng lớn khi tụ điện đóng vào lớn hơn nhiều so với tụ cố định ở phía điện áp thấp Sự khuếch đại điện áp này có thể gây hư hỏng các thiết bị , hư bộ chống sét van, gây rối nhiễu các thiết bị điện năng
IV.2.Kết quả mô phỏng
Sơ đồ tương đương dùng ATP/EMTP
C1=0.4uF 2omh t Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2
Dòng qua tụ C2 Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
IV.2.2 Trường hợp U C 2 =0.5U max Đóng ở 0.5ms: Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2
Dòng điện qua tụ C2 Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
IV.2.3 Trường hợp U C 2 =U max Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2
Dòng điện qua tụ C2 Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
IV.2.3 Trường hợp U C 2 = −0.5U max Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2
Dòng qua tụ C2 Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
IV.2.3 Trường hợp U C 2 =U max Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2
Dòng điện qua tụ C2 Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1
-Khi đóng giàn tụ ở điện áp cao vào lưới thì ở cả hai giàn tụ đều xảy ra quá áp và quá dòng Tương tự như trường hợp đóng trạm tụ độc lập vào lưới khi độ chênh lệch điện áp của tụ được đóng vào và điện áp tức thời của nguồn là lớn nhất thì sự quá áp và quá dòng trong giai đoạn quá độ là lớn nhất và ngược lại
-Đối với cả hai giàn tu, trường hợp nguy hiểm nhất xảy ra khi ngay tại thời điểm đóng giàn tụ điện áp tức thời của nguồn đạt cực đại còn điện áp của giàn tụ đóng vào là cực tiểu hay ngược lại, trường hợp ít nguy hiểm nhất là khi ngay tại thời điểm đóng giàn tụ điện áp tức thời của nguồn và điện áp của giàn tụ đóng vào là bằng nhau
-Sự quá áp và quá dòng xảy ra trên giàn cố định lớn hơn rất nhiều so với dòng đóng vào Tức là mức độ nguy hiểm chủ yếu xảy ra trên giàn cố định So với trường hợp đóng giàn tụ độc lập vào lưới điện thì độ vọt lố điện áp và xung dòng điện lớn hơn rất nhiều, do đó trường hợp này còn nguy hiểm hơn nhiều
- Độ khuếch đại điện áp này thường làm hỏng thiết bị và phải chống sét trên phạm vi rộng trong suốt quá trình đóng cắt giàn tụ Vấn đề này thường co ùthể được khắc phục như sau:
-Làm thay đổi mạch bằng cách thay đổi cỡ giàn tụ hay di chuyển giàn tụ
- Sử dụng điện trở lồng vào trong máy cắt để giới hạn biên độ độ vọt lố điện áp
- Không nối đất giàn tụ ở xa
- Đóng cắt nhiều cấp đối với những giàn tụ lớn.
Giàn tụ nằm tách biệt với lưới
- Khi thực hiện việc đóng giàn tụ vào lưới, một dòng điện có tần số cao và biên độ lớn chảy vào giàn tụ để cân bằng điện áp hệ thống và điện áp giàn tụ
- Nếu hai điện áp này bằng nhau tại thời điểm đóng vào thì không có dòng điện xung kích chảy vào giàn tụ
- Nếu hai điện áp này không bằng nhau ngay tại thời điểm đóng thì tồn tại dòng điện xung có tần số và độ lớn như sau: pk S C
U s : Điện áp tức thời của hệ thống (KV)
U c : Điện áp tức thời trên giàn tụ(KV)
Trong trường hợp này, giá trị dòng điện có thể lớn gấp 5 đến 15 lần dòng định mức của giàn tụ Khi đóng giàn tụ vào lưới, một điện áp đột ngột cũng sinh ra Nếu khóa K được đóng ngay tại điện áp đỉnh, thì giá trị điện áp trên giàn tụ từ giá trị bằng không đột ngột tăng lên bằng điện áp đỉnh của hệ thống trong quá trình tăng đó sẽ gây nên hiện tượng quá áp
- Khi một giàn tụ được đóng (hay ngắt) vào hệ thống thì các hiệ tượng quá độ dòng điện và điện áp xảy ra Điều này có thể ảnh hưởng đến giàn tụ laón heọ thoỏng
- Gây quá điện áp trên các tụ thành phần và có thể làm nổ chúng, nếu có nhiều tụ thành phần bị hỏng thì có thể làm hỏng cả giàn tụ
- Dòng điện xung rất lớn có thể làm hỏng máy cắt
- Làm cho hệ thống relay và các thiết bị bảo vệ tác động sai
V.2 Kết quả mô phỏng quá trình quá độ dùng phần mềm ATP
Sơ đồ mô phỏng trên ATP:
V.2.1Trường hợp U C =0 Đóng ở t=0ms Điện áp nguồn và điện áp giàn tụ
Dòng điện qua tụ Đóng ở t=5ms
Dòng điện qua tụ Đóng ở tms Điện áp nguồn và điện áp qua tụ
Dòng điện qua tụ Đóng ở tms Điện áp nguồn và điện áp qua tụ
V.2.2 Trường hợp U C =0, 5U max Đóng ở t=0ms Điện áp nguồn và điện áp qua tụ
Dòng điện qua tụ Đóng ở tms Điện áp nguồn và điện áp qua tụ
Khi đóng ở tms Điện áp nguồn và điện áp hệ thống
V.2.3 Trường hợp U C = −0, 5U max Điện áp nguồn và điện áp qua tụ
Dòng điện qua tụ Đóng ở t=0,5ms Điện áp nguồn và điện áp qua tụ
Dòng điện qua tụ Đóng ở tms Điện áp nguồn và điện áp qua tụ
Dòng điện qua tụ Đóng ở tms Điện áp nguồn và điện áp qua tụ
V.2.4 Trường hợp U C =U max đóng ở t=5ms
Dòng điện qua tụ Đóng ở t=5ms Điện áp nguồn và điện áp qua tụ
Dòng điện qua tụ Đóng ở tms Điện áp nguồn và điện áp qua tụ
Dòng điện qua tụ Đóng ở tms Điện áp nguồn và điện áp qua tụ
Dòng điện qua tụ Đóng ở t=5ms Điện áp nguồn và điện áp qua tụ
Dòng điện qua tụ Đóng ở tms Điện áp nguồn và điện áp qua tụ
Dòng điện qua tụ Đóng ở tms Điện áp nguồn và điện áp qua tụ
Hầu như tất cả các trường hợp đóng (cắt) giàn tụ vào lưới điện đều gây ra quá áp vá quá dòng Mức độ quá áp và quá dòng phụ thuộc vào thời điểm đóng cắt giàn tụ và giá trị điện áp ban đầu của giàn tụ
Trường hợp nguy hiểm nhất xảy ra khi tại thời điểm đóng (cắt) mà điện áp nguồn cực đại và điện áp trên giàn tụ cực tiểu Ở thời điểm đóng tụ vào mạch mà chênh lệch điện áp tức thời của nguồn và điện áp của giàn tụ là nhỏ nhất thì xung điện áp và dòng điện quá độ là nhỏ nhất, thậm chí khi điện áp tức thời của nguồn bằng với điện áp giàn tụ mà ta tiến hành đóng vào mạch thì quá trình quá độ hầu như không xảy ra.
SỐ VẤN ĐỀ TỔNG QUANG VỀ HỌA TẦN
Định Nghĩa Họa Tần Trong Hệ Thống Điện
Giả sử có một tín hiệu điện áp hình sin, vì một lý do nào đó (ví dụ tải sử dụng là các thiết bị điện tử công suất, lò hồ quang, đèn huỳnh quang ) dạng sóng của tính hiệu này đã bị méo dạng, người ta định nghĩa họa tần là nhiễu dòng hay áp có chu kỳ cố định và một hàm có chu kỳ T cố định được phân tích Fourier nhử sau:
Hàm số có thể được biễu diễn dưới dạng sau: f t a a h h t b h h t h
2 0 1 ω 0 ω 0 ω 0 = 2 π / T Ta có thể biễu diễn lại như sau: f t c c h h t h h
Phương trình điện áp và dòng điện có thể được biễu diễn:
Trị hiệu dụng áp và dòng được tính như sau:
Q 1 = V I 1 1 sin( θ δ 1 − 1 ) là công suất phản kháng ở họa tần cơ bản h = 1
Heọ soỏ coõng suaỏt : pf P
= S Độ méo dạng tổng do họa tần: Để xác định số lượng họa tần méo dạng người ta sử dụng thông số tổng hoạ tần méo dạng THD
Sự méo dạng sóng khi có họa tần bậc 3, THD≈30%
Sự méo dạng sóng khi có hoạ tân bật 3,5,7,9,11,13
Hệ số méo dạng: hệ số méo dạng của bất kỳ dạng sóng nào là tỷ số giữa giá trị đỉnh trên giá trị hiệu dụng Hệ số méo dạng của sóng hình sin là1,414 Hệ số méo dạng khác 1,414 thì dạng sóng sẽ khác sin
Dạng sóng có hệ số méo dạng cao
Thứ tự pha của họa tần
Ta đã biết trong một mạng ba pha cân bằng, thứ tự thuận, nghịch và thứ tự không được xác định bởi góc lệch pha giữa các pha như bảng sau:
Bảng 1.1: Thứ tự pha trong hệ thống ba pha cân bằng
Trong đó V 0 : biên độ điện áp của ba pha (do cân bằng)
Tương tự khi phân tích họa tần điện áp, hệ thống ba pha cân bằng có được thứ tự pha như sau:
Bảng 1.2: Thứ tự của hoạ tần trong hệ thống ba pha cân bằng Điều này là do điện áp khi phân tích họa tần như sau :
Bậc họa tần Thứ tự pha
Với h=1, V a 1 = 2V 1 ∠θ 1 ` , V b 1 = 2V 1 ∠(θ 1 −120 0 ),V b 1 = 2V 1 ∠(θ 1 +120 0 ) Với h=3, V a 3 = 2V 1 ∠θ 3 , V b 3 = 2V 3 ∠(θ 3 −120 0 ),V b 3 = 2V 1 ∠(θ 3 +120 0 ) Tương tự cho các bậc họa tần khác
Các Thiết Bị Gây Ra Họa Tần
Họa tần gây ra chủ yếu bởi cacù tải không tuyến tính, điển hình lá các thiết bị công suất, các bộ biến đổi AC/dc,AC/AC,DC/AC và các thiết bị khác Một cách chi tiết nó bao gồm:
Trong các hộ gia đình
Loại thiết bị này gồm có Lò Hồ Quang, Hàn Hồ Quang, và các thiết bị chiếu sáng ( đèn Huỳnh Quang, đèn Thuỷ Ngân ) Hồ quang về cơ bản là một là một nguồn điện áp nối tiếp với nối tiếp với một điện trở hạn dòng để đạt giá trũ nhaỏt ủũnh Hỡnh 1
Hình 1: sơ đồ tương đương của thiết bị hồ quang Đường cong đặc tính điện áp, dòng điện của hồ quang điện là không tuyến tính Trong các thiết bị hồ quang điện áp giảm khi dòng điện tăng và được giới hạn bởi tổng trở hệ thống
Hình 2 cho thấy dòng điện và phổ hoạ tần của đèn Huỳnh Quang Dạng súng này cũng tương tự như dạng súng mà tải là lo ứhồ quang cũng như cỏc thiết bị hồ quang khác
Hình 2:Dòng điện của đèn huỳnh quang và phổ họa tần
Các thiết bị này gồm có máy biến áp, các thiết bị điện từ có lõi thép, và các động cơ Họa tần được sinh ra vì các đường cong phi tuyến của lõi thép Hình 3
Hình 3:Đường cong từ tính máy biến áp
Máy biến áp được thiết kế trong điều kiện hoạt động bình thường ở điểm thấp hơn điểm “knee” của đường cong từ tính của lõi thép Mật độ từ thông của máy biến được chọn dựa trên những yếu tố cơ bản : giá trị lõi thép, tổn hao không tải,tiếng ồn và các hệ số khác
Mặc dù dòng điện máy biến áp tồn tại các họa tần bậc cao khi điện áp hoạt động bình thường Hình 4 Đây là loại dòng ít hơn 1% dòng định mức đầy tải Máy biến áp thì không liên quan đến họa tần nhiều như các thiết bị biến đổi công suất và các thiết bị hồ quang( dòng họa tần 20% dòng định mức hoặc cao hơn) Tuy nhiên ảnh hưởng của nó thì rất đáng chú ý, trong hệ thống phân phối với hàng trăm máy biến áp Thông thường người ta chỉ chú ý đến sự tăng đáng kể của dòng họa tần bậc 3 lúc sáng sớm khi mà tải giảm và điện áp tăng Dòng kích thích máy biến áp tăng lên rõ rệt sau đó bởi vì không có đủ tải để tiêu tán nó và áp tăng cũng là nguyên nhân làm tăng dòng Điện áp méo dạng do máy biến áp quá kích thích chỉ xuất hiện trong điều kiện các tải là tải chiếu sáng
Hình 4: đường cong từ hoá máy biến áp và phổ họa tần
- Các Bộ Nguồn Một Pha Các tải của các bộ biến đổi công suất điện tử với khả năng có thể sản sinh ra các dòng điện hài tạo thành lớp quan trọng nhất của các tải phi tuyến trong hệ thống điện Các tiến bộ trong công nghệ các thiết bị bán dẫn đã tạo nên một cuộc cách mạng về điện tử công suất trong thập niên qua, và chúng ta thấy nó đang có chiều hướng tiếp tục phát triển Các thiết bị này bao gồm các động cơ có thể điều chỉnh tốc độ, các nguồn cung cấp điện điện tử, các động cơ
DC, các bộ sạc accu, ballast điện tử, và rất nhiều các bộ chỉnh lưu, nghịch lưu
Các hài quan trọng liên quan đến các ứng dụng thương mại là các nguồn cung cấp điện cho các thiết bị điện tử một pha tạo ra quá nhiều sự méo dạng Dòng điện trực tiếp cấp điện cho các thiết bị điện tử hiện đại và các bộ vi xử lý các bộ chỉnh lưu cầu đi ốt toàn sóng Số lượng phần trăm tải chứa các nguồn cung cấp điện điện tử đang gia tăng một cách nhanh chóng, với sự gia tăng của các máy tính các nhân trong mọi lĩnh vực thương mại
Có hai loại nguồn cung cấp một pha chính được dùng phổ biến Các kỹ thuật ngày xưa sử dụng phương pháp điều khiển điện áp phía AC, như là các máy biến áp, để làm giảm điện áp đến mức cần cho thanh cái DC Điện cảm của máy biến áp tạo nên một tác động có lợi bằng cách làm min dạng sóng dòng điện đầu vào, làm giảm các thành phần hài Các kỹ thuật mới, nhưng các bộ nguồn vận hành theo chế độ đóng cắt (Hình 5) sử dụng các kỹ thuật biến đổi DC/DC để có được điện áp DC đầu ra mịn với các thành phần hài nhỏ Cầu đi ốt phía đầu vào được kết nối trực tiếp đến dường dây AC, ngoại trừ máy biến áp Điều này tạo nên một điện áp DC được điều chỉnh thô trên tụ Điện áp
Dc này sau đó được chuyển ngược thành AC ở một tần số rất cao bởi bộ đóng cắt và dần dần được được chỉnh lưu một lần nữa Các máy tính cá nhân, máy in, máy phô to copy và hầu hết các thiết bị điện tử một pha khác hầu như lấy nguồn từ các bộ nguồn loại này Ưu điểm quan trọng là chúng có kích thước nhẹ, gọn, vận hành hiệu quả và ít khi cần máy biến áp Chúng thường chịu sự thay đổi rất lớn ở điện áp đầu vào
Hình 5: Bộ nguồn vận hành theo chế độ đóng cắt
Do không có điện kháng lớn phía AC, dòng điện vào phía nguồn đi vào theo từng xung ngắn vào tụ C1, vào nạp điện lại cho nó sau mỗi nửa chu kỳ Hình 6 thể hiện dạng sóng dòng điện và phổ của một mạch cung cấp cho rất nhiều thiết bị điện tử với nguồn cung cấp vận hành theo chế độ đóng cắt (SMPS) Đặc tính đặc biệt của các nguồn loại này là chúng mang lượng hài bậc ba rất lớn trong dòng điện Do đó các thành phần dòng điện hài bậc ba này cộng thêm vào trung tính của một hệ thống ba pha, việc sử dụng các bộ nguồn này ngày càng nhiều tạo nên các vấn để liên quan đến quá tải dây trung tính, đặc biệt là đối với các hệ thống cũ nơi các dây trung tính được lắp với kích thước nhỏ Vấn đề về hiện tượng phát nhiệt của máy biến áp cũng quan trọng khi tải có một số lượng bộ nguồn vận hành theo chế độ đóng cắt đáng kể
Hình 6: Dòng và phổ sóng hài của SMPS
Các bộ nguồn vận hành theo chế độ đóng cắt cũng bắt đầu tìm thấy các ứng dụng của chúng trong các ballast điện tử cho các hệ thống chiếu sáng đèn huỳnh quang Điện áp tần số cao, đầu ra có thể điều chỉnh được có trong các bộ nghịch lưu dùng transitor làm tăng hiệu suất của đèn huỳnh quang, và cho phép điều khiển tinh vi hơn, như kỹ thuật làm mờ Các dòng hài được bơm vào bởi nhiều ballast điện tử thì rất giống như các nguồn cung cấp được sử dụng trong các máy vi tính và các thiết bị điện tử khác Việc tạo ra các hài ngày một tăng từ các đèn huỳnh quang có thể rất quan trọng vì các tải chiếu sáng thường chiếm từ 40 đến 60 phần trăm các tải dùng trong thương mại Nhiều nhà cung cấp đã đưa ra những thiết kế tạo ra những dạng sóng sạch hơn nhiều
- Bộ biến đổi công suất 3 pha Những bộ biến đổi công suất 3 pha có điểm khác biệt chủ yếu so với bộ biến đổi công suất 1 pha là không phát ra dòng họa tần bậc 3, đây là ưu điểm lớn nhất Tuy nhiên, bộ biến đổi 3 pha vẫn tồn tại họa tần bậc cao , như được trình bày ở hình 7 Đây là loại nguồn dòng đặc trưng của ASD Phổhọa tần bậc cao cho trên hình 7 cũng là đặc trưng cho dòng ngõ vào điều khiển động cơ DC Những phương pháp điều khiển ngịch lưu nguồn áp ( chẳng hạn điều khiển độ rộng xung PWM) có thể tạo ra độ méo sóng họa tần cao hơn (hình 8)
Hình 7:dòng và phổ họa tần đối với CSI lọai ASD
Hình 8: Dòng và phổ họa tần đối với PWM loại ASD
Aûnh Hưởng Của Họa Tần Đến Các Thiết Bị Điện
III.1 Ảnh hưởng đến tụ điện:
Tiêu chuẩn ANSI/IEEE 18-1980 xác định:
• 110% điện áp định mức (gồm cả họa tần không kể quá độ)
• 180% dòng điện định mức (bao gồm thành phần cơ bản và họa tần)
• 120% điện áp xung (bao gồm cả họa tần) Bảng 1.3 tóm tắt một ví dụ đánh giá tụ điện sử dụng bảng tính trong máy tính được thiết kế để đánh giá
Bảng 1.3 Ví dụ đánh giá tụ điện
Dung lượng định mức 1200 kvar Điện áp định mức 13800 V (dây) Điện áp làm việc 13800 V (dây)
Dung lượng bù 1200 Kvar Dòng điện định mức (cơ bản)
Tần số cơ bản 60 Hz Điện kháng 158.700 Ω
Nhiễu họa tần của điện áp nút:
Bậc họa tần Tần số Biên độ điện áp Vh
(% so với cơ bản) Biên độ điện áp V h (V) Dòng điện dây Ih
Nhiễu điện áp: 5.00% Điện áp hiệu dụng trên tụ: 7977.39V
Nhiễu dòng điện qua tụ: 29%
Dòng điện hiệu dụng qua tụ: 52.27A
Các thông số giới hạn của tụ:
Giới hạn (%) Vượt quá giớ hạn Điện áp đỉnh 107.0 120 Không Điện áp hiệu dụng 100.1 110 Không
Dòng điện hiệu duùng 104.1 180 Khoõng kvar 104.3 135 Khoâng
Dòng điện đầy tải cố định của tụ 1200kvar được xác định theo công thức:
Tụ điện chịu đựng hai họa tần chủ yếu: họa tần bậc 5 và họa tần bậc 7 Nhiễu điện áp gồm có 4% từ họa tần bậc 5 và 3% từ họa tần bậc 7 Nhiễu điện áp này tạo ra 20% dòng điện họa tần bậc 5 và 21% dòng điện họa tần bậc 7 Từ bảng trên ta thấy trong trường hợp này tất cả các kết quả gây ra này đều ở dưới mức tieõu chuaồn
III.2 Ảnh hưởng đến máy biến áp
Máy biến áp được thiết kế để chuyển tải công suất cho phụ tải sao cho tổn thất bên trong nó là thấp nhất ở tần số làm việc không đổi Trong một số trường hợp nào đó, nhiễu họa tần của dòng điện cũng như điện áp sẽ góp phần làm tăng nhiệt của máy biến áp Để thiết kế máy biến áp thích nghi khi làm việc với tần số cao hơn, người thiết kế phải thay đổi thiết kế đồng thời sử dụng cáp chuyển vị (cáp xoắn) thay cho dây dẫn đặc và đặt cáp trong các ống làm lạnh tốt Theo nguyên tắc chung, một máy biến áp mà dòng điện nhiễu vượt quá 5% thì chúng ta phải tìm cách giảm họa tần xuống
Có 3 hiệu ứng làm tăng nhiệt máy biến áp khi dòng điện phụ tải có chứa các thành phần họa tần:
1 Dòng điện hiệu dụng Nếu công suất máy biến áp nằm trong khoảng kVA mà tải đòi hỏi, dòng điện họa tần có thể làm cho dòng điện hiệu dụng trong máy biến áp cao hơn hơn dòng mức của nó Dòng điện hiệu dụng tổng tăng lêm làm cho tổn thất trong dây dẫn tăng theo
2 Tổn thất dòng điện xoáy Đây là các dòng điện cảm ứng trong máy biến áp gây ra bởi từ thông Các dòng điện cảm ứng này chạy trong dây quấn, lõi từ và trong các phần dẫn điện khác chịu tác động của từ trường máy biến áp và làm tăng nhiệt máy biến áp Thành phần tổn thất này tỉ lệ với bình phương tần số của dòng điện sinh ra dòng điện xoáy
Nhiễu họa tần của dòng điện phụ tải máy biến áp
Tần số (Hz) Dòng điện (pu) I 2 I 2 ×h 2
5.3 Độ giảm tiêu chuẩn (ANSI/IEEE C57.110-1986): 0.87pu Hệ số tổn thất dòng điện xoáy giả định (P EC.R ) = 8%
3 Tổn thất lõi từ Sự gia tăng tổn thất lõi khi có họa tần phụ thuộc vào ảnh hưởng của họa tần đối với điện áp đặt vào và kiểu thiết kế lõi từ của máy biến áp Sự gia tăng nhiễu điện áp có thể làm tăng dòng điện xoáy trong các tấm lõi từ Các ảnh hưởng này phụ thuộc vào độ dày của các tấm lõi từ và chất lượng của thép Sự gia tăng loại tổn thất này khi có họa tần nói chung không mạnh mẽ như hai loại tổn thất trên
Các kết quả minh họa trong bảng 1.4 ở trên có thể được tóm tắt như sau:
Tổn thất tải P LL , gồm hai thành phần: tổn thất I 2 R và tổn thất dòng điện xoáy
Tổn thất I 2 R tỉ lệ trực tiếp với giá trị hiệu dụng dòng điện Tuy nhiên, tổn thất dòng điện xoáy tỉ lệ với bình phương dòng điện và tần số:
P EC = K EC × I 2 × h 2 (5.14) trong đó KEC = hằng số tỷ lệ Tổn thất tải trong hệ đơn vị tương đối trong điều kiện dòng điện có thành phần họa tần:
P =∑ + ∑ × − (5.15) trong đó P EC-R = hệ số tổn thất dòng điện xoáy trong điều kiện định mức
Hệ số K thường gặp trong tài liệu về máy biến áp có thể được xác định như sau:
K I (5.16) sau đó, tính được dòng điện nhiễu:
∑ (5.17) trong đó P EC-R = hệ số tổn thất dòng điện xoáy h = bậc họa tần
Như vậy, máy biến áp có thể được ước đoán bởi hệ số tổn thất dòng điện xoáy (pu) Hệ số này có thể được xác định bằng cách:
1 Tìm được từ người thiết kế máy biến áp
2 Sử dụng số liệu thử nghiệm máy biến áp và tiêu chuẩn ANSI/IEEE C57.110
3 Các giá trị đặc trưng dựa theo chủng loại và kích thước máy biến áp (xem bảng 1.5)
Bảng 1.5 Các giá trị P EC-R điển Hình
Chủng loại MVA Điện áp %P EC-R
Một số ngoại lệ Thường có một số trường hợp một số máy biến áp không thấy xuất hiện các vấn đề họa tần theo các tiêu chuẩn ở trên, nhưng bị phát nóng hoặc hư hỏng do một lý do nào đó giống như quá tải Một trường hợp thường xảy ra với máy biến áp đấu sao trung tính nối đất là dòng điện dây chứa 8% họa tần bậc 3, trị số này là tương đối thấp, nhưng máy biến áp bị quá nhiệt trong khi mức tải còn thấp hơn định mức Tại sao các máy biến áp này đã trải qua các cuộc thử nghiệm vệ nhiệt, thử nghiệm về quá tải trong nhà máy nhưng lại bị hư hỏng khi vận hành trong các điều kiện như vậy trong thực tế Có một số khả năng như sau:
1 Từ thông thứ tự không xuất hiện đối với máy biến áp ba pha có mạch từ chung (loại này thường gặp trong các máy biến áp phân phối) Điều này được minh họa trong Hình 12
Hình 12: Từ thông thứ tự không trong lỏi thép máy biến áp ba pha
Các họa tần bậc 3, 9, 15, v.v… chủ yếu là thành phần thứ tự không Vì thế nếu cách nối dây quấn cho phép dòng điện thứ tự không chạy qua, từ thông thứ tự không sẽ làm tăng nhiệt vỏ máy biến áp, lõi từ,… Dòng điện dây chứa 8% họa tần nói ở trên sẽ chuyển thành dòng điện họa tần bậc ba ở dây trung tính bằng 24% trị số dòng điện pha
2 Thành phần một chiều cũng tạo ra từ thông trong lõi thép Lõi từ trở nên sớm bị bão hòa
3 Có thể do một số phần dẫn điện đặt quá gần từ trường Ở tần số cơ bản thì không ảnh hưởng gì, tuy nhiên, khi có hoạ tần nó có thể bị phát nóng.
Ảnh hưởng đến động cơ
Động cơ cũng bị ảnh hưởng đáng kể bởi điện áp nhiễu họa tần Điện áp nhiễu họa tần ở nguồn cấp cho động cơ sẽ chuyển thành từ thông họa tần trong động cơ Từ thông họa tần không ảnh hưởng nhiều đến moment quay của động cơ, nhưng nó quay ở tần số khác với tần số đồng bộ, đồng thời cảm ứng ra dòng điện tần số cao bên rôto Ảnh hưởng này cũng giống như ảnh hưởng của dòng điện thứ tự nghịch ở tần số cơ bản: từ thông do nó sinh ra nhỏ nhưng tổn thất lớn
V Aûnh hưởng đến các thiết bị khác
Tải khi dòng méo dạng lớn cũng cho một hệ số công suất thấp cũng vì lý do này người ta sử dụng một công suất lớn hơn khả năng của họ và dẫn đến quá tải Điện áp họa tần không chỉ ảnh hưởng lên các tải điện tử nhạy cảm mà còn ảnh hưởng lên động cơ và trạm tụ bù Trong động cơ điện họa tần bậc 5,11,17 gọi là thứ tự ngịch bởi vì nó đối xứng với tần số cơ bản
Hoạ tần bậc 5 đối xứng vớ họa tần cơ bản
Aûnh hưởng của họa tần lên trạm tụ bù cũng là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ,tổn thất và làm giảm tuổi thọ chất điện môi Tăng tổn hao vì L=∑ 2 ∏ f n C (tan δ ) n V n 2 , n= 2 đến ∞
Họa tần làm tăng dòng tải dẫn đến nhiệt độ tăng cũng là nguyên nhân làm cầu chì chảy khi không có sư cố
Họa tần có thể ảnh hưởng đến khả năng cắt của máy cắt Các thành phần của họa tần có thể là nguyên nhân làm tăng biên độ dòng di/dt ở thời điểm 0 làm cho khả năng cắt khó khăn hơn
VI Tieõu Chuaồn Cuỷa IEEE-519 1992
Theo tiêu chuẩn này, giới hạn điện áp họa tần được tính trên toàn bộ hệ thống, còn giới hạn dòng họa tần thì được tính tại các bus mà ở đó cáckhách hàng riêng lẻ sử dụng Các giới hạn này được tính ở điểm nối bình thường trên lưới ( point of common couling –PCC) , điểm phân cách giữa nhà cung cấp và nhà tiêu thụ
Aùp tại thanh cái – điểm Méo dạng áp họa tần Méo dạng áp
PCC (V n ) độc lập(%) tổngTHD vn (%) kV
Bảng1.6: Giới hạng méo dạng họa tần n h h
V h = Độ lớn của thành phần hài h = Hài bậc h
V n = Giá trị điện áp định mức hệ thống
Chú ý rằng đánh giá tiêu chuẩn này hơi khác so với chỉ số họa tần đã nêu ở trên là : chỉ số họa tần đã đưa là hàm của độ lớn điện áp ở tần số cơ bản tại thời điển đo đạc (V 1 ) còn tiêu chuẩn ở đây sử dụng một điện áp cố định so với V 1 la điện áp định mức của hệ thống (V n )
2 Giới hạn méo dạng dòng
Dòng họa tần từ một hộ tiêu thụ đơn lẻ được tính tại điểm phân cách giữa nhà cung cấp và nhà và người tiêu thụ (PCC), ở đó nhà cung cấp có thể cung cấp cho nhiều người sử dụng khác nhau Giới hạn này phụ thuộcvào công suất tải tiêu thụ trong mối quan hệ với khả năng chịu ngắn mạch của hệ thống tại PCC Tất cả các giới hạn cho dưới dạng phần trăm của dòng tải nhu câù lớn nhaát trung bình I L
Bảng 1.7 Giới hạn méo dạng dòng họa tần(I h )so vớiI L ( tính theo %)
Chú ý : Tất cả các thiết bị ứng dụng nguồn điện đều giới hạn bởi các giá trị trên, bất chấp hệ số ngắn mạch I SC /I L
I SC Dòng ngắn mạch tại PCC
I L Dòng tải nhu cầu cực đại tại PCC
TDD: Tổng méo dạng ( Total Demand Distortion)
I h = Độ lớn thàn phần họa tần đơn lẻ h= Họa tần bậc h
VII Những Vấn Đề Cần Xem Xét Khi Mô Phỏng
Khi mô phỏng mạng điện cần mô phỏng tất cả các thành phần trên đó để tính toán được chính xác, càng mô phỏng chính xác các thành phần trên lưới caág có các kết quả gần với thực thế Dưới cách nhìn của phân tích họa tần, một lưới điện bao gồmhai thành phần: thành phần sinh họa tần và thành phần không sinh họa tần
VII.1 Phân Tích Họa Tần Trong Miền Tần Số
Sau khi khi đánh giá bài toán một cách chi tiết, ta sẽ sử dụng các phương pháp phân tích họa tần để tính toán các chiû số họa tần, từ đó đánh giá theo tiêu chuẩn đã đưa ở phần trên Đối với luận án này chúng ta sẽ sử dụng phương pháp : Quét Tần Số ( Frequency scan) và phân bốtải họa taàn ( harmonic load flow)
Phương pháp được sử dụng trong mô hình ma trận tổng trở dựa trên lý thuyết mạng đa cửa Ma trận thứ tự thuận được xây dựng dựa trên thông số tổng dẫn của mạng hai cửa Mô hình nhiều pha được tương tự xây dựng từ thông số tổng dẫn nhiều cửa Hình 13 cho thấy một mô hình đa cửa nói chung với các thông số đầu ra được định nghĩa một cách gần đúng
Mạng vừa nêu chỉ bao gồm các phần tử thụ động Tuy nhiên nó cũng có thể là nguồn dòng độc lập
Phương trình dưới dạng ma trận cho mạng này là:
N i j N i ii ij iN j ji jj jN
Trong trường hợp mạng có xét đến nút chuẩn:
Y ij =∑ Tất cả điện dẫn nối giữa nút và j
Y ii =∑ Tất cả điện dẫn nối đến nút i
VII.1.2 Phương pháp quét tần số (frequency scan)
Phương pháp này khảo sát sự thay đổi của tổng trở hệ thống đối với các tần số khác nhau Giới hạn quét bắt đầu từ giá trị tần số cơ bản f 0 đến giá trị tần số cần tìm f F Phân tích quét tần số được thực hiện bằng cách giải lặp lại hệ (1) với ma trận tổng dẫn được thành lập với các tần số quan
Trong đó h là tần số họa tần (Hz)
Kết quả quét tần số của một mạng
VII.1.3 Phương pháp bơm nguồn dòng vào hệ thống (Current Source
Phương pháp bơm nguồn dòng thường được sử dụng nhất để phân tích họa tần Thủ tục phân tích tương tự như phương pháp quét tần số nhưng đối với phương pháp bơm nguồn dòng các tải phi tuyến được mô tả như là các phổ của biên độ và góc pha của dòng họa tần Phương pháp này tính toán qua 3 bướcsau:
Bước 1: Tính ma trận tổng dẫn của cả hệ thống bao gồm tất cả các nguồn và tất cả các tải tuyến tính Tần số nên thích hợp với một trong những tần số khai triển fourier vector dòng đối với tải không tuyến tính
Bước 2: Xây dựng ma trận vectơ dòng (1) bằng cách khai triển các xấp xỉ tần số từ vectơ dòng họa tần của tải không tuyến tính
Bước 3: Giải hệ phương trinh (1) để tính điện áp tại tất cả các bus
Ví dụ phổ biên độ điện áp
VII.2 Phân bố công suất họa tần ( Harmonic Power Flow)
Thuật toán phân bố công suất họa tần kết hợp phương pháp bơm nguồn dòng với thuật toán phân bố công suất thông thường Có hai thay đổi cơ bản của phương pháp phân bố công suất họa tần là nó được sử dụng rộng rãi hơn và được mô tả:
• Ơ tần số cơ bản phương pháp phân bố công suất họa tần mô hình tuyến tính đối với tất cả các thiết bị và tải phân phối, kết quả ở tần số cơ bản các điện áp tải đầu cuối được tự động biến đổi thành vectơ dòng họa tần tải không tuyến tính
• Tất cả ( hoặc một số) phổ dòng họa tần của tải không tuyến tính được biểu diễn dưới dạng (3)
DỤNG PHẦN MỀM EASYPOWER
Giới thiệu chương trình
Easypower là một phần mềm để tính toán ngắn mạch phân bố công suất họa tần bậc cao của hệ thống điện bằng việc nhập cơ sở dữ liệu trên sơ đồ đơn tuyến Easypower giúp bạn làm việc như đang làm việc thực tế: đó là làm việc trực tuyến trên sơ đồ đơn tuyến Easypower được thiết kế chạy trên môi trường
WINDOWS nên có giao diện quen thuộc và rất dễ sử dụng
Easypower được thiết kế bằng các kỹ thuật phân tích mạng mới nhất với các giải thuật tối ưu nhất mà các phần mềm khác không có
II Mô hỏng một số trạm Điện Lực Phú Thọ
Vb[%] Vc[%] Ia[%] Ib[%] Ic[%]
THDv[%] THDv[%] THDi[%] THDi[%] THDi[%]
Khi chửa gaộn tuù buứ
Sau khi gaộn tuù buứ
Dòng qua tụ khi chưa có họa tần
Dòng qua tụ khi có họa tần
Tổng méo dạng tại các Bus
II.2 Ngân Hàng Phương Nam
Vb[%] Vc[%] Ia[%] Ib[%] Ic[%]
THDv[%] THDv[%] THDi[%] THDi[%] THDi[%]
Khi chửa gaộn tuù buứ
Sau khi gaộn tuù buứ
Dòng qua tụ khi chưa có tụ họa tần
Dòng qua tụ khi có tụ họa tần
Tổng méo dạng tại các Bus
Vb[%] Vc[%] Ia[%] Ib[%] Ic[%]
0.01 0.00 2.39 2.59 1.87 0.27 0.30 2.28 2.25 1.58 0.01 0.05 2.18 2.51 1.69 0.04 0.02 2.03 1.81 1.45 0.03 0.04 1.65 1.59 1.27 0.18 0.33 1.75 1.83 1.37 0.05 0.12 1.62 1.63 1.32 0.42 0.50 1.04 2.07 0.91 0.03 0.15 1.67 1.24 1.17 0.12 0.04 1.74 1.30 1.20 0.08 0.16 1.36 1.20 1.03 0.06 0.35 1.34 1.18 0.99 0.05 0.02 1.42 1.16 0.89 0.28 0.20 1.22 1.22 0.93 0.04 0.04 0.98 1.10 0.89 0.05 0.02 1.19 1.05 0.92 0.03 0.01 1.09 1.04 0.84 0.02 0.05 0.94 1.09 0.78 0.01 0.03 1.06 1.05 0.80 0.04 0.04 1.06 1.04 0.78 0.01 0.01 1.00 0.91 0.79 0.02 0.00 0.97 0.92 0.73 0.01 0.01 1.06 0.97 0.74 0.01 0.03 0.98 0.93 0.72 0.00 0.02 0.93 0.96 0.76 0.01 0.02 0.91 0.81 0.72 0.01 0.01 0.88 0.85 0.72 0.01 0.01 0.87 0.87 0.69 0.01 0.02 0.82 0.85 0.66 0.01 0.03 0.86 0.86 0.67 0.02 0.01 0.82 0.75 0.64 0.01 0.01 0.84 0.81 0.67 0.01 0.01 0.81 0.80 0.64 0.01 0.03 0.83 0.79 0.61 0.01 0.01 0.81 0.80 0.63 0.01 0.01 0.76 0.72 0.59 0.01 0.01 0.77 0.75 0.63 0.00 0.01 0.73 0.77 0.62 THDv[%] THDv[%] THDi[%] THDi[%] THDi[%] 0.86 1.06 30.90 28.00 29.38
Khi chửa gaộn tuù buứ Điện áp tại bus 2 sau khi gắn tụ bù
Dòng qua tụ sau khi chưa có họa tần
Dòng qua tụ sau khi có họa tần
Tổng méo dạng qua các Bus
II.4 Siêu Thị Sài Gòn
Bậc hài Freq[Hz]Va[%] Vb[%] Vc[%] Ia[%] Ib[%] Ic[%]
THDv[%] THDv[%] THDv[%] THDi[%] THDi[%] THDi[%]
Khi chửa gaộn tuù buứ
Sau khi gaộn tuù buứ
Dòng qua tụ khi chưa có họa tần
Sau khi có thông số họa tần
Tổng méo dạng tại các Bus II.4 Xí Nghiệp Giày Sài Gòn
Bậc hài Freq[Hz]Va[%] Vb[%] Vc[%] Ia[%] Ib[%] Ic[%]
49 2450 0.02 0.01 0.01 0.79 0.75 0.79 THDv[%] THDv[%] THDv[%] THDi[%] THDi[%] THDi[%] 2.77 2.80 2.77 26.34 26.45 27.03
Khi chửa gaộn tuù buứ
Sau khi gaộn tuù buứ
Dòng điện qua tụ khi chưa có họa tần
Dòng điện qua tụ khi có họa tần
Tổng méo dạng tại các bus
Nhận xét : Sau khi khảo sát tại đo họa tần tại các vị trí trên lưới điện phú thọ
TT điều hành di động
Trạm Trường đua(580) Điện toán Bach Khoa
Chung cư Ngô Gia Tự
Trạm Hùng Vương(Hồng Bàng)
Trạm Hùng Vương(Hùng Vương)
Và lựa chon những vị trí có họa tần cao nhất, sử dụng phần mềm Easypower để phân tích ta nhận thấy điện áp tại các bus, dòng điện qua tụ không vượt quá tiêu chuẩn cho phép của IEEE 519, do đó ở lưới điện Phú Thọ với tính chất tải ít họa tần, thì hoạ tần hầu như không ảnh hưởng đến trạm tụ buứ
Các tụ điện là các thiết bị mang tính dung tuyến tính, và do đó chúng không tạo nên sóng hài Tuy nhiên việc lắp đặt các tụ điện vào trong hệ thống điện ( với tổng trở mang tính cảm) có thể gây cộng hưởng hoàn toàn hoặc cộng hưởng riêng với một số các sóng hài : Ta nhận thấy rằng điện áp tại các bus sẽ tăng lên khi gắn trạm tụ bù vào hệ thống và dẫn đến hện tượng quá điện áp đối với các phần tử nối vào bus đó
Trong những trường hợp như vậy, cần tiến hành các biện pháp để thay đổi tần số riêng đến một giá trị mà nó không thể công hưởng với bất cứ thành phần sóng hài nào trong hệ thống Điều này được thực hiện bằng cách thêm vào cuộn cảm triệt sóng hài mắc nối tiếp với bộ tụ điện
Tụ bù đặt ở thanh cái hạ áp ở trạm biến áp phân phối thì công suất bù bị hạn chế bởi công thức
Trong đó h là chỉ số của sóng hài bậc cao được xét đến
Ví dụ: máy biến áp 400KVA có U N %=6, 2%, để chống cộng hưởng với sóng hài bậc 7 thì 400 100 2 131
Khảo Sát Họa Tần Trên Lưới Điện Bình Dương
III.1 Nhà Máy Thép Suorstell
Khi chưa có tụ bù
Dòng điện qua tụ khi chưa có nguồn họa tần
Dòng qua tụ khi có họa tần Điện áp tại Bus 2 khi có họa tần
Tổng méo dạng tại các Bus
Nhận xét: Các tụ điện thường rất nhạy với sóng hài của nguồn cung cấp do dung kháng của tụ giảm dần khi tần số tăng lên Trong thực tế, điều này có nghĩa là một giá trị nhỏ của sóng hài điện áp có thể tạo nên dòng điện lớn đi qua mạch chứa tụ
Sự hiện diện của các thành phần sóng hài làm méo dạng điện áp hoặc dòng điện khác với dạng cơ bản của nó ( thường là dạng sin); hàm lượng sóng hài càng nhiều, mức độ méo càng lớn
Ta nhận thấy điện áp méo dạng tại Bus 2 là 69,99% và dòng điện qua tụ là 419,13% vượt qua tiêu chuẩn cho phép của IEEE 519 là tổng meó dạng áp là 5% và dòng qua tụ là 180% Để hạn chế hiện tượng này chúng ta có thể sử dụng các bộ lọc sóng hài (filter)
Từ các hình vẽ trên trên ta nhận thấy dòng ở họa tần bậc 7 khá lớn, phải thiết kế bộ lọc hoạ tần bậc 7 thụ động RLC nối tiếp, trong đó R là điện trở trong của cuộn cảm để khử hoa tầnù:
- Tổng công suất phản kháng ở Bus 2 là 3,2MVAr, ta chọn công suất bộ lọc 1,44 lần công suất của Bus 2 có nghĩa là 3,2*1,44=4,68MVAr, ( ta chọn 1,56MVAr/pha)
- Điện áp trên bộ lọc bằng 1.2 lần điện áp pha hiệu dụng
- Tần số cộng hưởng ta chọn bằng 4.7 đến 5 lần tần số cơ bản
- Điện trở R chọn từ X/R xấp xỉ bằng 30 đến 50, suy ra R=0.5mΩ
Sau khi gắn bộ lọc
Tổng méo dạng tại các bus
Dòng điện qua tụ sau khi gắn bộ lọc
Nhận xét: ta nhận thấy sau khi gắn bộ lọc dòng điện qua tụ và điện áp méo dạng tại các bus đã thõa tiêu chuan IEEE 519
III.2 Nhà Máy Thép Povina
Các thông số họa tần
Sau khi gaộn tuù buứ
Dòng điện qua tụ khi chưa có họa tần
Tổng méo dạng tại các Bus sau khi có hoa tần
Dòng điện qua tụ khi có họa tần
Tổng méo dạng sau khi gắn bộ lọc
Dòng qua tụ sau khi gắn bộ lọc
Nhận xét: khi chưa gắn bộ lọc dòng qua tụvà áp tại Bus cónguồn họa tần vượt quá tiêu chuẩn IEEE 519 Sau khi gắn bộ lọc thì thông số họa tần giảm đi rất nhiều và thõa tiêu chuẩn IEEE 519
Kết luận: Tuy còn nhiều vấn đề chưa giải quyết được triệt để tuy nhiên với những kiến thức được trình bày trong luận án này, em hy vọng sẽ đưa ra những khái niệm về họa tần cũng như biết được ảnh hưởng của họa tần lên trạm tụ bù, đồng thời đánh giá được chất lượng điện năng trong một hệ thống điện, từ đó góp phần nâng cao chất lượng điện năng ở nước ta Ơû nước ta hiện nay chất lượng điện năng đã được các Điện Lực dần dần quan tâm và đã đến lúc chất lượng điện phải được quan tâm đúng mức hơn nữa
Chương 1:TỔNG QUAN VỀ TRẠM TỤ BÙ 1
II Vị trí lắp đặt tụ bù 3
II.2 Bù từng nhóm ( bù phân đoạn) 4
III Mức độ bù tối ưu 5
Chương 2: SỬ DỤNG PHẦN MỀM ATP/EMTP 6 ĐỂ PHÂN TÍCH QUÁ ĐỘ CỦA TRẠM TỤ BÙ 6
I Giới thiệu phần mềm ATP/EMTP 6
II.Hiện tượng quá độ trong hệ thống điện 6
II.2 Quá độ trong mạch ba pha 7
III.Hiện Tượng Back-To-Back 11
III.1 Phân tích hiện tượng : 11
III.2 Kết quả mô phỏng: 11
IV.Hiện tượng khuếch đại điện áp 40
IV.1.Phân tích hiện tượng 40
IV.2.Kết quả mô phỏng 40
V Giàn tụ nằm tách biệt với lưới 53
V.2 Kết quả mô phỏng quá trình quá độ dùng phần mềm ATP 54
Chương 3:MỘT SỐ VẤN ĐỀ TỔNG QUANG VỀ HỌA TẦN 74
I Định Nghĩa Họa Tần Trong Hệ Thống Điện 74
II Thứ tự pha của họa tần 77
III.Aûnh Hưởng Của Họa Tần Đến Các Thiết Bị Điện 86
III.1 Ảnh hưởng đến tụ điện: 86
III.2 Ảnh hưởng đến máy biến áp 88
IV Ảnh hưởng đến động cơ 91
V Aûnh hưởng đến các thiết bị khác 92
VI Tieõu Chuaồn Cuỷa IEEE-519 1992 92
VII Những Vấn Đề Cần Xem Xét Khi Mô Phỏng 94
VII.1 Phân Tích Họa Tần Trong Miền Tần Số 94
VII.2 Phân bố công suất họa tần ( Harmonic Power Flow) 96
Chương 4:SỬ DỤNG PHẦN MỀM EASYPOWER 109 ĐỂ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN HỌA TẦN 109