Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị hạn chế quá trình quá độ trong đóng cắt thiết bị bù động trên lưới điện phân phối

Bài viết giới thiệu một nghiên cứu ứng dụng bao gồm thiết kế, chế tạo một thiết bị hạn chế dao động quá độ sử dụng điện trở đóng trước khi đóng cắt các tụ bù hạ thế.

SCIENCE TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ HẠN CHẾ Q TRÌNH Q ĐỘ TRONG ĐĨNG CẮT THIẾT BỊ BÙ ĐỘNG TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI INVESTIGATE, DESIGN ANG FABRICATE REDUCED TRANSIENT PHENOMENA APPARATUS FOR CAPACITOR SWITCHING ON DISTRIBUTION NETWORK Trần Thanh Sơn TÓM TẮT Chất lượng điện yếu tố ảnh hưởng lớn tới tuổi thọ thiết bị chất lượng sản phẩm, đặc biệt thiết bị chứa linh kiện điện tử - phần tử nhạy cảm với điện áp nguồn điện Trên lưới điện phân phối có lắp đặt nhiều tụ bù theo cấp nên việc đóng cắt thiết bị thường xuyên gây trình độ, ảnh hưởng tới chất lượng điện áp gây hậu giảm tuổi thọ thiết bị làm giảm chất lượng sản phẩm Do báo giới thiệu nghiên cứu ứng dụng bao gồm thiết kế, chế tạo thiết bị hạn chế dạo động độ sử dụng điện trở đóng trước đóng cắt tụ bù hạ Các kết mô EMTP thực nghiệm hiệu thiết bị việc hạn chế mức độ điện áp đóng tụ bù Thiết bị từ ứng dụng rộng rãi lưới điện phân phối Việt Nam Từ khóa: Quá điện áp, chất lượng điện năng, đóng cắt tụ bù, điện trở đóng trước, EMTP ABSTRACT Power quality is an important factor that affects the life time of electrical devices and product quality, especially the devices within integrated electronic elements - which is sensitive to the voltage source Capacitors are usally installed in distribution network for reactive power compensation, so that transient phenomena appears frequently during capacitor switching As a result, the life time and the quality of product could be reduced due to the this dark side This paper presents an application study based on design and fabrication of a reduced transient phenomena apparatus using pre-inserted resistor for low voltage capacitor switching Simulation by EMTP and experimental results showed that overvoltages were suppressed by using this apparatus which can be therefore applied widely in Vietnam distribution network Keywords: Overvoltage, power quality, capacitor switching, pre-inserted resistor, EMTP Trường Đại học Điện lực Email: sontt@epu.edu.vn Ngày nhận bài: 18/2/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 15/4/2019 Ngày chấp nhận đăng: 25/4/2019 MỞ ĐẦU Với gia tăng số lượng dung lượng bù ngày tăng, việc đóng cắt trực tiếp thiết bị bù ảnh hưởng lớn đến chất lượng điện qua làm giảm tuổi thọ thiết bị kết nối vào lưới, đồng thời giảm độ tin cậy cung cấp điện Chất lượng điện độ tin cậy cung cấp điện hai vấn đề mà Tập đoàn Điện lực Việt Nam quan tâm để đảm bảo Thêm vào với gia tăng thiết bị nhạy cảm với điện áp, việc đảm bảo chất lượng điện áp ngày phải tập trung nghiên cứu Nhiều tác giả tập trung nghiên cứu vấn đề độ điện áp dòng điện lưới phân phối đóng cắt hệ thống tụ bù [1-4], kết ảnh hưởng lớn việc đóng cắt tới chất lượng điện Các tác giả nghiên cứu giải pháp để hạn chế q điện áp q dòng, ba giải pháp đưa sử dụng điện trở, sử dụng điện kháng đóng cắt dòng qua điểm Nghiên cứu ảnh hưởng đóng cắt tụ vị trí khác lưới phân phối tập trung điểm phụ tải chương trình độ điện từ EMTP (Electromagnetic Transient Program) báo cáo [5] Tuy nhiên nghiên cứu dừng lý thuyết mà chưa có ứng dụng thực tế Chính vậy, tác giả báo tiến hành nghiên cứu không giới hạn mặt lý thuyết mà thực công việc thiết kế, chế tạo thiết bị hạn chế q trình q độ đóng cắt tụ bù hạ Các kết nghiên cứu mô thực nghiệm hiệu thiết bị việc hạn chế điện áp đóng cắt tụ bù hạ Trên sở đó, thiết bị chế tạo sử dụng rộng rãi lưới điện phân phối hạ áp CẤU TẠO CỦA THIẾT BỊ HẠN CHẾ QUÁ ĐỘ KHI ĐÓNG CẮT TỤ BÙ 2.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị Thiết bị hạn chế tượng độ đóng tụ hạ chế tạo nghiên cứu sử dụng điện trở đóng trước Sự bổ sung điện trở đóng trước làm giảm độ lượng tiêu tán điện trở Mức tiêu thụ lượng cao điện trở làm giảm biên độ dòng áp độ dập tắt nhanh dao động Sơ đồ công nghệ thiết bị hạn chế dao động độ đóng tụ giới thiệu hình Số 51.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 19 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Lúc coi tụ C hợp với điện cảm L máy biến Các phần tử sơ đồ thiết kế sau:  Các bình tụ hạ áp ba pha, số lượng bình tụ tùy thuộc theo nhu cầu bù hệ số công suất yêu cầu;  Phần tử giám sát hệ số cơng suất, lấy tín hiệu dòng điện điện áp lưới điện;  PLC điều khiển đóng, cắt tụ điện trở đóng trước theo thuật tốn cài đặt;  Modem 3G để hiệu chỉnh cài đặt thơng số vận hành từ xa; Điện trở đóng trước A B C N Áptomát áp tạo thành mạch L-C có tổng trở sóng = ụ Điện trở đóng trước đặt nối tiếp với tụ điện chọn có giá trị tổng trở sóng mạch điện 2.3 Thiết kế thông số kỹ thuật Từ sơ đồ nguyên lý nêu trên, tủ tụ bù hạ dung lượng bù 60kVar tích hợp thiết bị hạn chế dao động độ đóng cắt tụ thiết kế, chế tạo với mục đích sử dụng cho trạm biến áp hạ phụ tải cần bù hệ số cơng suất Hình ảnh thiết bị giới thiệu hình Bảng giới thiệu thơng số phần tử tủ Phần tử đo hệ số công suất cấp tụ 15kVAr Modem 3G PLC Hình Sơ đồ cơng nghệ thiết bị hạn chế dao động độ đóng tụ bù hạ  Các khởi động từ điều khiển PLC để đóng cắt tụ điện trở đóng trước;  Điện trở đóng trước với trị số lựa chọn phù hợp với trị số điện dung bình tụ;  Áp tơ mát tổng 2.2 Lựa chọn giá trị điện trở đóng trước Kịch nguy hiểm cho vận hành đóng tụ điển hình lượng hóa tụ điện áp cực đại hệ thống Khi lượng hóa tụ điện áp đỉnh, điện áp độ đạt đến hai lần điện áp vận hành, nhiên tổn thất mang tính trở mạch điện làm giảm phần biên độ điện áp độ Hiện tượng dao động độ đóng tụ kết trao đổi lượng phần tử cảm kháng dung kháng mạch điện Năng lượng tích trữ phần tử tụ (1/2CU2) chảy qua phần tử mang tính cảm (1/2LI2) Sự dao động độ xuất trình đóng tụ có tần số tính theo cơng thức: (1) = Trong đó, LS điện cảm hệ thống, C điện dung tụ xem xét Trên thực tế, tụ bù hạ lắp đặt trạm biến áp phân phối mơ tả hình Hình Sơ đồ lắp đặt tụ bù hạ 20 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 51.2019 Hình Tủ tụ bù tích hợp thiết bị hạn chế dao động độ đóng cắt tụ Bảng Các phần tử để chế tạo tụ bù Phần tử Bình tụ ba pha hạ áp Điện trở đóng trước PLC Khởi động từ Áp tô mát Hãng sản xuất Nuintek Việt Nam Siemens LS LS Thơng số 15 kVar/bình 30 Ω/pha S1200 50 A 50 A Các thông số vận hành tủ tụ bù tích hợp thiết bị hạn chế dao động độ trình bày bảng Bảng Thông số vận hành tủ tụ bù tích hợp thiết bị hạn chế dao động độ đóng cắt tụ Thiết bị hạn chế trình q độ đóng cắt tụ bù Điện áp ba pha Tần số Dòng điện định mức Cơng suất tụ Đơn vị đo Giá trị V Hz A kVAr 380 50 50 60 SCIENCE TECHNOLOGY Số cấp tụ Hiệu hạn chế điện áp Tốc độ đóng cắt Tần suất đóng cắt Cấp Pu Ms Lần 10 000 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Tủ tụ bù tích hợp thiết bị hạn chế dao động độ đóng cắt tụ thử nghiệm phòng thí nghiệm sử dụng thiết bị kiểm tốn lượng Hioki PW3198 để kiểm chứng hiệu giải pháp Trị hiệu dụng điện áp dây (V) 420 415 Điện áp UAB đóng tụ trực tiếp 410 Điện áp UAB đóng tụ qua điện trở 405 400 395 390 385 380 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 Số lượng điểm lấy mẫu Hình Điện áp dây tủ tụ bù đóng tụ qua điện trở đóng trực tiếp Trước hết cần lưu ý thiết bị kiểm toán lượng cho phép đo lường trị số hiệu dụng điện áp dây theo thời gian Hình giới thiệu kết đo lường trị số hiệu dụng điện áp dây UAB thực thí nghiệm đóng trực tiếp bình tụ 15kVAr đóng bình tụ qua điện trở 30Ω Kết cho thấy trường hợp đóng tụ trực tiếp, đóng điện áp tăng từ 387V lên 410V (tăng khoảng 6%), sau khoảng thời gian ngắn trình độ kết thúc, điện áp ổn định mức 389V Trong ta thực đóng qua điện trở điện áp bị giảm từ 394V xuống 389V sau tăng lên 395V Trong trường hợp đóng qua điện trở mức độ dao động điện áp 1,7% Như trình bày trên, thiết bị đo Hioki PW3198 có hạn chế thời gian lấy mẫu đo giá trị hiệu dụng nên kết cho thấy phần tác dụng thiết bị thiết kế Trên thực tế, đóng trực tiếp điện áp có nhiều dao động với mức độ xung lớn nhiều so với giải pháp thiết kế [4,5] 18 Đóng qua điện trở 16 Đóng trực tiếp tụ UAB THD (%) 14 12 10 Bảng Hàm lượng hài bậc 3, bậc bậc đóng tụ trực tiếp đóng qua điện trở Bậc sóng hài Bậc Bậc Bậc Giá trị (%) Đóng qua điện trở Đóng trực tiếp tụ 8,79 14,9 8,79 14,8 8,82 15,6 Hơn nữa, thực phân tích phổ sóng hài bậc 3, bậc bậc điện áp dây UAB đóng tụ trực tiếp đóng tụ qua điện trở, ta nhận kết hình bảng Từ kết thấy thiết bị hạn chế trình độ đóng cắt tụ có hiệu việc loại trừ điện áp giảm hàm lượng sóng hài lưới điện xảy chuyển mạch tụ bù hạ áp KẾT LUẬN Thiết bị hạn chế q trình q độ đóng cắt tụ bù sử dụng điện trở đóng trước nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm Kết thực nghiệm cho thấy thiết bị giảm đáng kể dao động điện áp lượng sóng hài đóng tụ Thiết bị ứng dụng lưới điện phân phối hạ để nâng cao chất lượng điện năng, hiệu suất thiết bị nâng cao tuổi thọ tụ bù thiết bị điện khác vận hành lưới LỜI CẢM ƠN Tác giả báo trân trọng cảm ơn Vụ Khoa học Công nghệ - Bộ Cơng Thương hỗ trợ kinh phí đồng nghiệp TS Trần Anh Tùng, TS Phạm Mạnh Hải, TS Nguyễn Đức Quang, TS Vũ Thị Thu Nga TS Đặng Thu Huyền hỗ trợ thực nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D T Rizy, E W Gunther and M F McGranaghan, 1987 Transient and Harmonic Voltages Associated with Automated Capacitor Switching on Distribution Systems, in IEEE Transactions on Power Systems, vol 2, no 3, pp 713-723 [2] T E Grebe, 1996 Application of distribution system capacitor banks and their impact on power quality in IEEE Transactions on Industry Applications, vol 32, no 3, pp 714-719 [3] C J Dafis, C O Nwankpa and A Petropulu, 1999 A study on the prediction of capacitor-switching transient times 1999 IEEE Power Engineering Society Summer Meeting Conference Proceedings (Cat No.99CH36364), Edmonton, Alta., pp 806-811 vol.2 [4] Denis V Coury, Cláudio José dos Santos, Mário Oleskovicz, Maria Cristina Tavares, 2003 Transient analysis concerning capacitor bank switching in a distribution system Electric Power Systems Research, Volume 65, Issue 1, Pages 13-21, ISSN 0378-7796 [5] Durga Bhavani Mupparty, 20011 Capacitor Switching transient modelling and analysis on an electrical utility distribution system using Simulink software Master's theses Bậc Bậc Bậc Hình Phổ sóng hài điện áp dây UAB đóng tụ trực tiếp đóng tụ qua điện trở AUTHOR INFORMATION Tran Thanh Son Electric Power University Số 51.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 21 ... kết thấy thiết bị hạn chế trình độ đóng cắt tụ có hiệu việc loại trừ điện áp giảm hàm lượng sóng hài lưới điện xảy chuyển mạch tụ bù hạ áp KẾT LUẬN Thiết bị hạn chế q trình q độ đóng cắt tụ bù. .. bảng Bảng Thông số vận hành tủ tụ bù tích hợp thiết bị hạn chế dao động độ đóng cắt tụ Thiết bị hạn chế q trình q độ đóng cắt tụ bù Điện áp ba pha Tần số Dòng điện định mức Cơng suất tụ Đơn vị... TECHNOLOGY Số cấp tụ Hiệu hạn chế điện áp Tốc độ đóng cắt Tần suất đóng cắt Cấp Pu Ms Lần 10 000 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Tủ tụ bù tích hợp thiết bị hạn chế dao động độ đóng cắt tụ thử nghiệm phòng