KHẢO SÁTCÁC HIỆN TƯỢNGXẢYRAKHI ĐÓNG BỘTỤĐIỆNBÙTĨNHVÀOLƯỚIĐIỆN AN INVESTIGATION OF THE EFFECTS PRODUCED WHEN CLOSE A CAPACITOR TO POWER SYSTEM TÓM TẮT Khibộtụđiệnbùtĩnh được đóngvàolưới điện, điện áp và dòngđiện xung kích với biên độ lớn có thể gây racáchiệntượng ảnh hưởng đến bộtụ và hệ thống mà nó được đấu nối. Để khảo sátcáchiệntượng này, trong bài báo sử dụng phần mềm ORCAD (phần PSPICE) mô phỏng và phân tích cáchiệntượng có thể xảyra trên bộtụđiệnbùtĩnhkhi thao tác đóngđiện cho bộtụđiệnbùtĩnhvàolưới điện. ABSTRACT When a power capacitor participates in the operating power system, the voltage and inrush current with great amplitude might cause the phenomena affecting the capacitor and other connected components of the power system. This paper presents the application of the software ORCAD (PSPICE) in simulation and an analysis of the phenomena which might appear when capacitor is connected to the power system. 1. Đặt vấn đềKhibộtụ được đóngvàolưới điện, một dòngđiện xung kích sẽ chạy vào bên trong bộtụđể cân bằng điện áp của lướiđiện và điện áp trên bộ tụ. Nếu hai điện áp này bằng nhau tại thời điểm đóng thì không có dòngđiện xung kích chạy vàobộ tụ. Nếu hai điện áp này không bằng nhau tại thời điểm đóng thì sẽ có dòngđiện xung kích với tần số dao động và biên độ lớn. Hiệntượng quá điện áp có thể xảyra trong trường hợp này. Cáchiệntượng này cần được nghiên cứu khảo sát, nhất là đối với cáctụđiện có công suất lớn đặt tạicác trạm biến áp 110kV trở lên trong hệ thống điện. 2. Giải quyết vấn đề 2.1. Mô phỏng đóngđiện cho bộtụbùvàolướiđiện Giả thiết bộtụbù 50MVAr được đóngvào thanh cái với điện áp nguồn ( ) −−+= 2 sin115 π ϕψω u ttu (kV) ở tần số 50Hz có sơ đồ mô phỏng trên phần mềm ORCAD như hình vẽ bên dưới, trong đó: V1 = 115kV: điện áp nguồn; L1 = 17,2mH: điện cảm nguồn với điện kháng nguồn XL = 5,4Ω; R1 = 1Ω: điện trở nguồn; C1 = 12µF: điện dung của bộtụđiện với công suất 50MVAr điện áp 115kV; V, I: điện áp và dòngđiện đo được khiđóng máy cắt; VC: điện áp trên tụ trước khiđóng máy cắt. Thực hiện khảo sátdòngđiện và điện áp trên bộtụbù nhờ mô phỏng trên phần mềm ORCAD khiđóngđiện cho bộtụbùvàolướiđiện cho các trường hợp khi giá trị điện áp tức thời trên tụ U c = 0, 50%, -50%, 100%, -100%U m-nguồn tạicác thời điểm đóng t = 0ms, 10ms ứng với giá trị điện áp tức thời của nguồn bằng không và t = 5ms, 15ms ứng với giá trị điện áp tức thời của nguồn ở biên độ cực đại. Các đồ thị kết quả mô phỏng được thể hiện ở bên dưới: Điện áp trên bộtụ và điện áp nguồn khiđóng ở 0 ms: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms V(C1:2) V(L1:1) -150KV -100KV -50KV 0V 50KV 100KV 150KV Dòngđiện chạy vàobộtụkhiđóng ở 0 ms: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms -I(C1) -1.00KA -0.75KA -0.50KA -0.25KA 0A 0.25KA 0.50KA 0.75KA 1.00KA Điện áp trên bộtụ và điện áp nguồn khiđóng ở 5 ms: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms V(C1:2) V(L1:1) -240KV -160KV -80KV 0V 80KV 160KV 240KV Dòngđiện chạy vàobộtụkhiđóng ở 5 ms: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms -I(C1) -3.2KA -2.4KA -1.6KA -0.8KA 0A 0.8KA 1.6KA 2.4KA 3.2KA Điện áp trên bộtụ và điện áp nguồn khiđóng ở 10 ms: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms V(L1:1) V(C1:2) -150KV -100KV -50KV 0V 50KV 100KV 150KV Dòngđiện chạy vàobộtụkhiđóng ở 10 ms: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms -I(C1) -900A -600A -300A -0A 300A 600A 900A Điện áp trên bộtụ và điện áp nguồn khiđóng ở 15 ms: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms V(L1:1) V(C1:2) -240KV -160KV -80KV 0V 80KV 160KV 240KV Dòngđiện chạy vàobộtụkhiđóng ở 15 ms:: Time 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms -I(C1) -3.2KA -2.4KA -1.6KA -0.8KA 0A 0.8KA 1.6KA 2.4KA 3.2KA 2.2. Tổng hợp kết quả mô phỏng Điện áp tức thời trên tụ U C (kV) Biên độ cực đại điện áp / Biên độ cực đại dòngđiện qua tụ (kV/kA) Thời điểm đóngtụ (ms) 0 5 10 15 0 1,12/1,85 1,84/6,91 1,12/1,84 1,84/6,91 50% U m nguồn 1,43/4,18 1,4/4,16 1,47/4,11 2,37/9,9 - 50% U m nguồn 1,42/4,36 2,37/9,9 1,43/4,18 1,4/4,16 100% U m nguồn 1,78/7,23 1,001/1,11 1,89/7,43 2,83/13,25 - 100% U m nguồn 1,88/7,52 2,83/13,73 1,82/6,59 1,001/1,11 Giá trị biên độ cực đại điện áp và dòngđiện qua tụ ghi nhận được trong mô phỏng sẽ được so sánh với điện áp định mức và dòngđiện xác lập qua tụ (điện áp định mức của tụ: U đm = 115kV). Dòngđiện xác lập qua tụ: ϕψ ϕ ψ −∠= ∠ ∠ == • • u mum xlC z U z U Z U I 1 trong đó tổng trở: ( ) 2 1 11 CL XXRz −+= và 1 11 R XX arctg CL − = ϕ với: Ω= × == − 4,265 31410.12 11 6 1 1 ϖ C X C ; Ω=×== − 4,531410.2,17 3 1 1 ω LX L nên: ( ) Ω=−+= 2604,2654,51 2 z và 0 90 1 4,2654,5 −≈ − = arctg ϕ Biên độ dòngđiện xác lập qua tụ: kA z U I m xlC 44,0 260 10.115 3 1 === . 2.3. Nhận xét Khiđóngbộtụbùvàolướiđiện có sơ đồ mô phỏng như đã nêu trên mà giá trị điện áp tức thời của nguồn ở biên độ cực đại ( 0 =− ϕψ u ) và điện áp trên tụ bằng 0 thì biên độ dòngđiện xung kích chạy qua bộ tụ: 037,3 10.2,17 10.12 115 3 6 1 1 1 ≈== − − L C UI mmC xk (kA); tần số dao động: 350 10.1210.2,172 1 2 1 63 11 = × == −− π π CL f (Hz) Theo kết quả mô phỏng trên ORCAD, biên độ của dòngđiện xung kích chạy qua bộtụ I mC1xk = 3,042 kA và tần số dao động 357 0028,0 11 === T f (Hz). Qua kết quả mô phỏng khiđóngbộtụbùvàolướiđiện mà giá trị điện áp tức thời của nguồn và điện áp trên tụ bằng 0 thì dòngđiện xung kích với biên độ và tần số dao động lớn (I mC1xk = 3,042 kA và tần số f = 357 Hz) chạy vàobộtụđể cân bằng điện áp của lướiđiện và điện áp trên bộ tụ. Do điện áp trên tụ bằng không nên sẽ tăng tức thời từ giá trị không đến biên độ cực đại của điện áp nguồn, do đó trong quá trình thay đổi điện áp tức thời này sẽ có hiệntượng quá điện áp xảyra trên bộtụ bù. Từ kết quả mô phỏng ta có một số nhận xét như sau: - Khibộtụđiện được đóngvàolướiđiện mà giá trị điện áp tức thời của nguồn và điện áp trên bộtụ cùng biên độ cực đại nhưng ngược pha, lúc đó điện áp trên tụ tăng lên 2,3 lần so với điện áp định mức và dòngđiện có thể tăng lên đến 13-14 lần so với dòng xác lập qua tụ. Đây là trường hợp nguy hiểm nhất khiđóngtụvào trong lưới điện. - Khibộtụđiện được đóngvàolướiđiện mà giá trị điện áp tức thời của nguồn ở biên độ cực đại và điện áp trên bộtụ bằng không, lúc đó điện áp trên tụ là 1,84 lần so với điện áp định mức và dòngđiện tăng lên đến 6-7 lần so với dòng xác lập qua tụ. - Khibộtụđiện được đóngvàolướiđiện mà giá trị điện áp tức thời của nguồn và điện áp trên bộtụ cùng biên độ và cùng pha hoặc cùng bằng giá trị không thì lúc đó quá điện áp trên bộtụ hầu như không xảyra còn dòngđiện xung kích chạy vàobộtụ với biên độ rất nhỏ. 3. Kết luận Khi thao tác đóngđiện cho bộtụbù trong lướiđiện thì tùy theo thời điểm đóng mà quá trình quá độ trên bộtụ sẽ khác nhau. Nếu tại thời điểm đóng mà có sự chênh lệch giữa giá trị điện áp tức thời của nguồn và điện áp tức thời trên bộtụbù thì quá trình quá độ xảyra với quá điện áp và dòngđiện xung kích qua bộtụ có biên độ lớn và sự chênh lệch này càng lớn thì biên độ quá điện áp và dòngđiện xung kích sẽ càng lớn. Nếu tại thời điểm đóng mà không có sự chênh lệch giữa giá trị điện áp tức thời của nguồn và điện áp tức thời trên bộtụbù thì quá trình quá độ sẽ tiến nhanh đến quá trình xác lập. Khiđóngđiện cho bộtụvàolưới điện, dòngđiện xung kích chạy vào bên trong bộtụđể cân bằng điện áp của nguồn và điện áp trên bộ tụ. Quá điện áp trên bộtụ có biên độ lớn nhất khiđiện áp tức thời của nguồn điện và điện áp trên bộtụ cùng biên độ cực đại nhưng ngược pha nhau. Quá điện áp trên bộtụ có biên độ nhỏ nhất hoặc có thể không xảyrakhiđiện áp tức thời của nguồn và điện áp trên bộtụ cùng biên độ và cùng pha với nhau hoặc cùng bằng giá trị 0 tại thời điểm đóng. Thời điểm đóngbộtụvàolướiđiện tối ưu nhất là lúc giá trị điện áp tức thời của hệ thống và điện áp tức thời trên bộtụbù cùng biên độ và cùng pha hoặc cùng bằng giá trị không vì khi đó sẽ ít gây nguy hiểm cho bộ tụ. Kết quả mô phỏng cho thấy khiđóngbộtụvàolướiđiện mà điện áp tức thời trên tụ bằng không thì biên độ của quá điện áp trên bộtụ sẽ không quá 2 lần điện áp định mức của bộtụ nhưng biên độ của dòngđiện xung kích lớn gấp nhiều lần biên độ dòngđiện xác lập qua tụ nếu đóngtại thời điểm giá trị điện áp tức thời của nguồn ở biên độ cực đại ứng với t = 5ms, 15ms. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bành Quốc Hùng, Khảo sát quá trình quá độ khiđóng cắt bộtụđiệnbù tĩnh, Luận văn Thạc sĩ, Đà Nẵng, 2005. [2] Phạm Quang, Nguyễn Phương Quang, Vẽ phân tích và mô phỏng mạch điện với ORCAD 9.0, NXB Thống kê, 2002. [3] Green Wood, Electrical transients in power systems, 1993. [4] Power capacitor seminar tổ chức tại Mỹ (1996) và tại Nha Trang (2003), hãng Cooper Power systems. . TÓM TẮT Khi bộ tụ điện bù tĩnh được đóng vào lưới điện, điện áp và dòng điện xung kích với biên độ lớn có thể gây ra các hiện tượng ảnh hưởng đến bộ tụ và. vấn đề Khi bộ tụ được đóng vào lưới điện, một dòng điện xung kích sẽ chạy vào bên trong bộ tụ để cân bằng điện áp của lưới điện và điện áp trên bộ tụ.