Các vấn đề về chất lượng điện năng

Tài Liệu Các vấn đề về chất lượng điện năng 1 Mục Lục Mục Lục CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG .4 Sụt giảm điện áp và mất điện áp [6] .4 2.1.1 Đánh giá hiện tượng sụt giảm điện áp .4 2.1.1.2 Sụt giảm điện áp trong hệ thống truyền tải .6 2.1.1.3 Sụt giảm điện áp trong hệ thống phân phối .6 2.1.2 Các giải pháp giảm sụt giảm và mất điện áp .6 2.1.2.1Các giải pháp ở mức thiết bị .7 Các máy ổn áp 7 Các bộ tổng hợp từ tính 8 Hệ thống bánh đà lưu giữ năng lượng .10 Các thiết bị lưu giữ năng lượng từ siêu dẫn 11 2.1.2.2Các giải pháp loại trừ sự cố hệ thống nguồn 12 2.2 Quá điện áp quá độ [6] 15 2.2.1 Nguyên nhân .15 .1.1 Đóng cắt tụ 15 .1.2 Sét 15 .1.3 Cộng hưởng sắt từ .16 .1.4 Quá độ do nguyên nhân đóng cắt khác .17 .2 Nguyên lý bảo vệ và các thiết bị bảo vệ quá điện áp .18 .2.1 Nguyên lý bảo vệ .18 .2.2 Thiết bị bảo vệ quá điện áp 18 Các bộ triệt quá áp (TVVSs- Transient Voltage surge suppressors) .18 Các máy biến áp cách ly (Isolation Transformers) 19 Nguyên nhân chính của các máy biến áp cách ly được tải ra khỏi hệ thống khi xảy ra quá độ là do độ tự cảm rò của các máy biến áp này. Nhờ vậy mà các tạp âm tần số cao và quá độ bị giữ lại không ảnh hưởng đến tải và không tác động tới hệ thống điện. Các xung đóng cắt và xung sét có thể bị ngăn chặn .19 Sóng hài [6] 21 2.3.1 Khái niệm chung về sóng hài .21 2.3.1.1 Khái niệm .21 2.3.1.2 Độ méo điện áp và độ méo dòng điện .22 2.3.1.3 Sóng hài và quá độ .22 2.3.1.4 Phép đo sóng hài .23 Độ méo yêu cầu tổng(Total demand Distortion) .24 2.3.2 Các nguồn tạo sóng hài 24 2.3.2.1 Nguồn sóng hài từ tải thương mại (Harmonics Sources from Commercial Loads).24 Nguồn một chiều 25 Ánh sáng huỳnh quang(Fluorescent Lighting) .25 Các bộ truyền động có thể điều chỉnh tốc độ .26 2.3.2.2 Nguồn sóng hài từ tải công nghiệp (Harmonics Sources from Industrial Loads) 26 Các bộ biến đổi công suất 3 pha (Three phase power converters) .26 Thiết bị hồ quang(Arcing devices) 27 Thiết bị bão hoà (Saturable devices) 27 2 2.3.3 Ảnh hưởng của sóng hài .28 2.3.3.1 Tác động tới tụ .28 2.3.3.2 Tác động tới máy biến áp .28 2.3.3.3 Tác động tới động cơ .29 2.3.3.4 Tác động tới các rơ le bảo vệ .29 2.3.3.5 Tác động tới các thiết bị đóng cắt 29 2.3.3.6 Tác động tới các dụng cụ đo 30 2.3.3.7 Tác động tới các thiết bị khác 30 2.3.4 Nguyên tắc điều khiển sóng hài .31 Giảm dòng điều hoà tạo trong tải .31 Lọc 32 Điều chỉnh đáp ứng tần số hệ thống 32 2.3.5 Khắc phục sóng hài 33 Dao động điện áp [6] 34 2.4.1 Nguyên tắc của điều chỉnh điện áp 34 2.4.2 Thiết bị cho điều chỉnh điện áp .35 2.4.2.1 Điều chỉnh điện áp tại nguồn .36 2.4.2.2 Máy ổn áp .36 2.4.2.3 Các thiết bị điều chỉnh đầu phân áp ngắt mạch điện tử 37 2.4.2.4 Hệ thống lưu điện trực tiếp (UPS online) 37 2.4.2.5 Hệ thống động cơ-máy phát .37 2.4.2.6 Các bộ tụ bù tĩnh (Static Var Compensators) [4] 38 2.4.3 Các ứng dụng điều chỉnh điện áp nguồn .38 2.4.3.1 Bù sụt giảm điện áp đường dây (Line drop Compensator) 38 2.4.3.2 Điều chỉnh nối tiếp .39 2.4.4 Các bộ tụ cho điều chỉnh điện áp .39 2.4.4.1 Các bộ tụ rẽ nhánh 40 2.4.4.2 Các bộ tụ nối tiếp 40 2.4.5 Điều chỉnh điện áp bằng nguồn phân phối 40 2.4.6 Dao động thoáng qua .42 2.4.6.1 Nguồn của dao động thoáng qua .42 3 CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG Sụt giảm điện áp và mất điện áp Sụt giảm điện áp và mất điện áp [6] Nguyên nhân của sự sụt giảm điện áp và mất điện áp là do sự cố trong hệ thống và các thao tác đóng cắt để tách sự cố. Đặc điểm của hiện tượng này là sự dao động điện áp khỏi ngưỡng hoạt động bình thường của điện áp hệ thống. Sụt giảm điện áp là một quá trình diễn ra trong thời gian ngắn (thông thường 0,5 tới 30 chu kỳ), nguyên nhân bởi sự cố trong hệ thống hoặc khởi động của các tải lớn, như động cơ. Mất điện áp tức thời (thường nhỏ hơn 2 đến 5s) thường xảy ra khi thực hiện việc tách sự cố quá độ trong hệ thống. Hiện tượng mất điện áp có thời gian lâu hơn 1 phút thường là do các sự cố xác lập gây ra. Các công ty Điện lực đang phải đối mặt với sự phàn nàn về chất lượng điện năng do hiện tượng sụt giảm và mất điện áp gây ra cho khách hàng. Các khách hàng ngày càng có nhiều tải dễ bị ảnh hưởng bởi sự cố trong hệ thống. Các máy tính điều khiển mất bộ nhớ, các qui trình ngày càng phức tạp cũng mất rất nhiều thời gian để khởi động lại. Các ngành công nghiệp phải dựa nhiều vào các thiết bị tự động để đạt được hiệu suất lớn nhất để duy trì sức cạnh tranh. Chính vì vậy, các hiện tượng này có tác động rất lớn về mặt kinh tế.[5],[8] 2.1.1 Đánh giá hiện tượng sụt giảm điện áp Đánh giá hiện tượng sụt giảm điện áp của nguồn cung cấp để các thiết bị có thể được thiết kế và phát triển các thông số kỹ thuật nhằm tối ưu hoạt động của chúng. Trong 4 các quy trình sản xuất, để đảm bảo sự tương thích giữa đặc điểm nguồn và hoạt động của hệ thống cần chú ý:  Xác định số lượng và đặc điểm của hiện tượng sụt giảm điện áp do sự cố trong hệ thống truyền tải.  Xác định số lượng và đặc điểm của hiện tượng sụt giảm điện áp do sự cố trong hệ thống phân phối.  Xác định ảnh hưởng của thiết bị với hiện tượng sụt giảm điện áp. Điều này sẽ xác định được hiệu suất thực tế của các quy trình sản xuất dựa trên việc tính toán sự sụt giảm điện áp theo hai bước trên,  Đánh giá kinh tế theo các giải pháp tăng hiệu suất khác nhau, hoặc ở mức hệ thống cung cấp (ít sụt giảm điện áp hơn) hoặc trong các thiết bị. 2.1.1.1 Ảnh hưởng của thiết bị với sụt giảm điện áp Các thiết bị sử dụng có thể có nhiều ảnh hưởng khác nhau với hiện tượng sụt giảm điện áp, chúng phụ thuộc vào loại tải, hệ thống điều khiển và các ứng dụng[8]. Do đó, thường khó để nhận biết được đặc điểm của hiện tượng sụt giảm điện áp gây mất hoạt động cho các thiết bị. Đặc điểm chung thường được sử dụng là thời gian và biên độ của sự sụt giảm. Ít sử dụng hơn là sự thay đổi pha và mất cân bằng, mất điện áp, mất cân bằng điện áp 3 pha trong trường hợp giảm thấp điện áp . Thông thường, các thiết bị ảnh hưởng với sự sụt giảm điện áp có thể chia thành ba nhóm:  Các thiết bị chỉ ảnh hưởng với biên độ của sụt giảm điện áp. Nhóm thiết bị này bao gồm các thiết bị như rơle thấp áp, các bộ điều khiển quy trình, điều khiển truyền động động cơ, và các loại máy tự động. Các thiết bị trong nhóm này thường ảnh hưởng với biên độ nhỏ nhất (hoặc lớn nhất) của điện áp xuất hiện trong quá trình sụt giảm điện áp. Với nhóm thiết bị này, thời gian trong các dao động là quan trọng bậc hai sau biên độ.  Các thiết bị ảnh hưởng với cả biên độ và thời gian của sụt giảm điện áp. Nhóm thiết bị này bao gồm các thiết bị sử dụng các nguồn cung cấp điện tử. Các thiết bị này sẽ mất hoạt động hoặc sự cố khi điện áp đầu ra giảm xuống duới giá trị danh định. Chính vì vậy, đặc điểm quan trọng của các thiết bị này là thời gian mà điện áp định mức bị giảm xuống dưới ngưỡng định mức. 5  Các thiết bị ảnh hưởng với các đặc điểm khác của sụt giảm điện áp. Nhóm thiết bị này chịu ảnh hưởng bởi các đặc điểm khác của sự sụt giảm điện áp như mất cân bằng pha, hoặc các quá độ xuất hiện trong quá trình mất ổn định . Các đặc điểm này thường khó thấy hơn biên độ và thời gian, và các tác động của chúng cũng khó để nhận biết. 2.1.1.2 Sụt giảm điện áp trong hệ thống truyền tải Sự sụt giảm điện áp sẽ phụ thuộc vào khách hàng được cung cấp từ hệ thống lưới truyền tải hay lưới phân phối. Nếu khách hàng được cung cấp từ lưới truyền tải thì sự sụt giảm điện áp chỉ phụ thuộc vào lưới truyền tải. Còn nếu khách hàng được cung cấp từ lưới phân phối thì sự sụt giảm điện áp sẽ phụ thuộc vào cả hệ thống truyền tải và phân phối. Sự cố đường dây truyền tải và tác động của thiết bị bảo vệ ít khi gây ra sự mất điện áp cho các khách hàng bởi sự liên thông trong hệ thống lưới truyền tải. Tuy nhiên, các sự cố đó có thể gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp. Tuỳ thuộc vào sự ảnh hưởng của các thiết bị, các thiết bị có thể sẽ tách ra khỏi hệ thống, gây ra những tổn thất về kinh tế đáng kể. Chính vì vậy, khả năng tính toán sự sụt giảm điện áp tại thiết bị là hết sức quan trọng. 2.1.1.3 Sụt giảm điện áp trong hệ thống phân phối Các khách hàng được cung cấp từ mức độ điện áp phân phối chịu tác động của sự cố trong cả hệ thống truyền tải và phân phối. Sự sụt giảm điện áp tại các thiết bị là tổng sự sụt giảm điện áp trong hệ thống truyền tải và phân phối. Các tính toán tại mức độ phân phối phải bao gồm cả sự mất điện áp tạm thời do các thiết bị bảo vệ hoạt động để loại trừ sự cố.[10] 2.1.2 Các giải pháp giảm sụt giảm và mất điện áp Một số cách có thể được thực hiện bởi nguồn, tải, và các nhà sản xuất thiết bị để giảm số lượng, tính khắc nghiệt của sự sụt giảm điện áp và giảm bớt sự ảnh hưởng của thiết bị với sụt giảm điện áp. Thường càng giải quyết được vấn đề tại mức độ thấp thì sẽ càng tiết kiệm được chi phí. Khi mức độ yêu cầu không thực hiện được, có thể sử dụng một hệ thống lưu điện (UPS- Uninterruptible power supply) hoặc một vài loại điều hoà công suất khác cho các 6 thiết bị điều khiển. Điều này sẽ thích hợp khi các thiết bị có thể chống lại sụt giảm hoặc mất điện áp nhưng các thiết bị điều khiển sẽ tự động ngắt chúng. 2.1.2.1Các giải pháp ở mức thiết bị Các giải pháp để tăng độ tin cậy và hiệu suất của các qui trình hoặc của các thiết bị có thể được chấp nhận tại nhiều mức độ khác nhau. Các công nghệ khác nhau có thể được tính toán dựa trên các yêu cầu riêng của các qui trình để xác định giải pháp tối ưu cho việc cải thiện sự sụt giảm điện áp. Các giải pháp có thể được thực hiện theo các mức độ khác nhau:  Bảo vệ cho các tải nhỏ (ví dụ như nhỏ hơn 5kVA). Điều này thường bao gồm bảo vệ cho các thiết bị điều khiển, các máy cá nhân nhỏ hoặc nhiều khi là các tải một pha cần được bảo vệ.  Bảo vệ cho các thiết bị riêng hoặc nhóm các thiết bị tới khoảng 300 kVA. Tuy rằng không phải mọi tải trong nhóm thiết bị này cần bảo vệ, nhưng đây có thể là một giải pháp hết sức kinh tế cho việc đối xử với các tải tới hạn, đặc biệt là khi sự bảo vệ cho các tải này được ghi rõ trên thiết kế.  Bảo vệ cho nhóm các tải lớn hoặc toàn bộ thiết bị tại mức độ điện áp thấp. Thỉnh thoảng khi một phần lớn của các thiết bị trong trạng thái tới hạn hoặc cần bảo vệ, điều này thích hợp để tính toán cho một nhóm lớn các thiết bị cần được bảo vệ tại một vị trí thuận lợi. Các công nghệ hiện đại có thể được xem xét khi một nhóm lớn các tải cần được bảo vệ.  Bảo vệ tại mức độ điện áp trung bình hoặc tại nguồn cung cấp. Nếu toàn bộ thiết bị cần được bảo vệ hoặc tăng chất lượng điện năng, các giải pháp tại điện áp trung bình có thể được xem xét. Phạm vi của các nhóm trên là không cố định và rất nhiều các công nghệ khác nhau có thể được áp dụng trên phạm vi đó. Sau đây là các công nghệ chính và mức độ chúng có thể áp dụng. Các máy ổn áp Các máy ổn áp có thể điều khiển được hầu hết sự sụt giảm điện áp. Các máy ổn áp đặc biệt hiệu quả cho các tải cân bằng công suất thấp. Các máy ổn áp về cơ bản là máy 7 biến áp 1:1 được kích thích cao trên đường cong bão hoà. Chính điều này đã tạo ra một điện áp đầu ra không bị tác động bởi điện áp đầu vào. Các bộ tổng hợp từ tính Nguyên lý hoạt động của các bộ tổng hợp từ tính tương tự như các máy ổn áp ngoại trừ chúng là các thiết bị ba pha và có thuận lợi với từ tính ba pha để tăng điện áp và điều chỉnh tải ba pha. Chúng có thể sử dụng cho các tải có công suất từ 15 đến 200 kVA và thường được sử dụng cho các tải của hệ thống máy tính lớn nơi sụt giảm điện áp hoặc dao động điện áp tĩnh gây ra hậu quả quan trọng. Sự truyền năng lượng và cách điện đường dây được hoàn thiện qua việc sử dụng các cuộn cảm kháng phi tuyến. Điều này loại trừ được các vấn đề như tiếng ồn (noise) đường dây. Dạng sóng đầu ra xoay chiều được tạo thành bằng cách kết hợp các xung điện áp từ các máy biến áp bão hoà. Năng lượng dạng sóng được lưu giữ trong các máy biến áp bão hoà và các bộ tụ như dòng điện và điện áp. Sự lưu giữ năng lượng này cho phép đầu ra của một dạng sóng sạch với một chút dao động điều hoà nhỏ. a. Các bộ bù nối tiếp hoạt động(Active series compensators) Sự phát triển trong kỹ thuật điện tử công suất đã tạo ra những lựa chọn mới cho việc cải thiện sụt giảm điện áp chống lại các tải giới hạn. Một trong các lựa chọn quan trọng là một thiết bị có thể tăng điện áp bằng cách đẩy điện áp nối tiếp với điện áp yêu cầu trong suốt quá trình sụt giảm điện áp. Đây là các thiết bị bù nối tiếp hoạt động. Chúng có thể sử dụng cho các thiết bị một pha nhỏ (1 đến 5kVA) đến các thiết bị rất lớn (lớn hơn 2MVA) sử dụng trong hệ thống trung áp. b. Các hệ thống lưu điện  Hệ thống trực tiếp (On-line UPS) Hình 2.1 miêu tả một hệ thống lưu điện trực tiếp. Hình 2.1: Hệ thống lưu điện trực tiếp 8 T¶i §uêng d©y tb. BiÕn ®æi ¾c Quy TB. chØnh luu Trong trng hp ny, ti luụn c cung cp qua mt h thng UPS. Cụng sut xoay chiu u vo c chnh lu thnh mt chiu v c np bng mt b c quy. Cụng sut mt chiu ny sau ú c bin i li thnh xoay chiu cung cp cho ti. Nu cụng sut xoay chiu u vo hng, b bin i s c cp t c quy v tip tc cung cp n ti. Trong trng hp mt cụng sut, ngun s cung cp riờng cho cỏc ti khụng b nh hng ca tỡnh trng mt cõn bng cụng sut ng dõy. Tuy nhiờn, hot ng trc tip lm tng tn tht v cú th khụng cn thit cho bo v ca rt nhiu ti. H thng d phũng (Standby UPS) Mt h thng d phũng (hỡnh 2.2) c s dng cung cp cụng sut cho cỏc thit b cho n khi s nhiu lon c xỏc nh v chuyn mch s chuyn ti ti cỏc b bin i ngc. Mt h thng d tr cụng sut thng khụng cung cp bo v quỏ v iu chnh in ỏp nh cỏc h thng trc tip. Hỡnh 2.2: H thng d phũng c im k thut ca cỏc h thng lu in bao gm cụng sut KVA, iu chnh in ỏp tnh v ng, dao ng iu ho ca dũng in vo v in ỏp ra, cỏc bo v súng, v s suy gim tp õm. Cỏc c im k thut ny thng c ch rừ bi cỏc nh cung cp. H thng giỏn tip (Hybrid UPS) Tng t thit k nh h thng trc tip, h thng giỏn tip s dng mt b iu chnh in ỏp trong u ra cung cp iu chnh cho ti khi cú s chuyn t h thng bỡnh thng sang h thng lu in. Hỡnh 2.3 miờu t mt h thng UPS giỏn tip. Hỡnh 2.3: H thng giỏn tip 9 ổn ápTB. chỉnh luu ắc Quy tb. Biến đổi Đuờng dây Tải TB. chỉnh luu ắc Quy tb. Biến đổi Đuờng dây Tải tải Đuờng dây Bánh đà máy phát Động cơ c. H thng ng c- mỏy phỏt(Motor- Generators sets) õy l mt h thng hu ớch cho vic cỏch ly cỏc ti gii hn khi s st gim v mt in ỏp trong h thng in. Mt h thng ng c- mỏy phỏt c miờu t nh trong hỡnh 2.4 Hỡnh 2.4: H thng ng c- mỏy phỏt Mt ng c c cung cp cụng sut t ng dõy truyn ng cho mỏy phỏt cung cp cụng sut cho ti. Bỏnh ng trc to ra quỏn tớnh ln tng thi gian i qua. Khi ng dõy chu nh hng ca mt cõn bng, quỏn tớnh ca cỏc mỏy v bỏnh s iu chnh cụng sut trong vũng vi giõy. iu ny cng cú th tỏch c cỏc ti ra khi cỏc s mt cõn bng khỏc nh dao ng iu ho v quỏ chuyn mch. Tuy nhiờn, h thng ny cng cú mt s bt li cho mt vi loi ti nh: Cú nhiu tn tht liờn quan n cỏc mỏy. Ting n, v mt s loi ti phi c bo dng. Tn s v in ỏp gim xung trong sut quỏ trỡnh mt in ỏp. H thng bỏnh lu gi nng lng H thng ng c- mỏy phỏt ch cú tớnh cht khai thỏc nng lng lu gi trong cỏc bỏnh . Mt h thng nng lng bỏnh s dng cỏc bỏnh tc cao v cỏc thit b in t cụng sut vt qua st gim v mt in ỏp t 10s n 2 phỳt. Trong khi h thng ng c- mỏy phỏt thng hot ng m v thng l i tng ca tn tht ma sỏt khớ ng hc thỡ cỏc bỏnh hot ng trong mụi trng chõn khụng v s dng trc t tớnh gim tn tht d tr. Cỏc thit k vi cỏc rụ to thộp cú th quay ti tc khong 10.000 rpm, trong khi vi cỏc rụ to composite cú th quay vi tc cao hn. Khi lng nng lng lu tr tng ng vi bỡnh phng ca tc , mt lng ln nng lng cú th c lu gi trong mt khụng gian nh. Roto hot ng nh mt thit b lu gi nng lng lin khi, ng c v mỏy phỏt. lu gi nng lng. rụto c quay ti 10 Bánh đà máy phát Động cơ Đuờng dây tải . CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG Sụt giảm điện áp và mất điện áp Sụt giảm điện áp và mất điện áp. Các vấn đề về chất lượng điện năng 1 Mục Lục Mục Lục CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG .4 Sụt giảm điện