Các chế độ làm việc của trạm tụ bù trong môi trường họa tần tp hồ chí minh trường đại học bách khoa tp hồ chí minh, 2004 b

Để cải thiện hệ số công suất của mạng điện, cần một bộ tụ điện làm nguồn phát công suất phản kháng.. Tải mang tính cảm có hệ số công suất thấp sẽ nhận thành phần dòng điện phản kháng ch

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ QUỐC UY

ĐỀ TÀI:

CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TRẠM TỤ BÙ

TRONG MÔI TRƯỜNG HỌA TẦN

LUẬN VĂN CAO HỌC

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NĂM 2004

Trang 2

Chương 1:TỔNG QUAN VỀ TRẠM TỤ BÙ

I 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 90o) 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 90o) 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

Trang 3

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

U

B

b

Q

Trang 4

II Vị trí lắp đặt tụ bù

II.1 Bù tập trung

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

Bù tập trung

01

n

Trang 5

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 nhóm

II.3 Bù riêng

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

01

n

02

n

02

n

Trang 6

Nhận xét : dòng điện phản kháng có giá trị lớn sẽ không tồn tại trong mạng điện

Bù riêng

III Mức độ bù tối ưu

Việc tính toán mức bù tối ưu cho một mạng có thể thực hiện theo các yêu cầu 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 bù

01

n

02

n

02

n

Trang 7

Chương 2: SỬ DỤNG PHẦN MỀM ATP/EMTP ĐỂ PHÂN TÍCH QUÁ ĐỘ CỦA TRẠM TỤ BÙ

I 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

II.Hiện tượng quá độ trong hệ thống điện

II.1 Giới thiệu

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 R1=33mΩ,L1=2.1mHlà tổng trở ngắn mạch của nguồn 10kV,

1 2

C = μFlà điện dung tương đương của cáp nối từ nguồn đến tải cảm ứng (motor).L2 =30mH C, 2 =40nF là điện cảm và điện dung tương đương của tải cảm ứng (motor), tổn thất dây quấn của động cơ được thay thế bằng R2 =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

Trang 8

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 C2 sẽ xả qua L2 với tần số cộng hưởng

2

2 2

1

45942

L C

π

Aûnh hưởng của R2được bỏ qua

Trong lúc này C1 không ảnh hưởng đến điện thế nguồn, sẽ dao động khoảng giá trị đỉnh 2V s =8165kV

Tần số của dao động xấp xỉ

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

Trang 9

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 t=10ms 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

Trang 10

Ngắt công tắc 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

Trang 11

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

Trang 12

III.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 đây:

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:

20uH

2omh

t

Trang 13

Điện áp nguồn v:SCR và điện áp qua tụ C1 v:C1

Dòng điện qua tụ C1

Trang 14

Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2

Trang 15

Đóng ở 5ms:

Trang 16

Trang 17

Đóng ở 10ms:

Trang 18

Trang 19

Đóng ở 15ms:

Trang 20

Trang 21

III.2.2 Trường hợp U C2 =0.5Umax

- Đóng ở 0ms:

Trang 22

Điện áp nguồn và điện ap1 qua tụ C2

Trang 23

-Đóng ở 5ms:

Trang 24

Trang 25

Đóng ở 10ms:

Trang 26

-Đóng ở 15ms:

Trang 27

III.2.3 Trường hợp U C2 = −0.5Umax

- Đóng ở 0 ms:

Trang 28

- Đóng ở 5ms:

Trang 29

- Đóng ở 10ms:

Trang 30

- Đóng ở 15ms:

Trang 31

III.2.4 Trường hợp U C2 =Umax

Trang 32

Đóng ở 5ms:

Trang 33

Đóng ở 10ms:

Trang 34

Đóng ở 15ms:

III.2.5 Trường hợp U C2 = −Umax

Trang 35

Điện áp nguồn và điện qua tụ C1

Đóng ở 5ms:

Trang 36

Trang 37

Đóng ở 10ms:

Trang 38

Trang 39

III.3.Nhận xét :

III.3.1Bảng kết quả mô phỏng :

Điện áp trên tụ C1(kV)/ Dòng điện trên tụ C1(kA)

Thời gian đóng cắt

III.3.2 nhận xét:

-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 bằng zero

* Biện pháp:

-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

Trang 40

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

Trang 41

IV.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

IV.2.1 Trường hợp U C2 =0

- Đóng ở 0ms:

C2=10uF

•

110kV

14.3mH

350mHH

C1=0.4uF 2omh

t

Trang 42

Dòng qua tụ C2

Trang 43

Trang 44

IV.2.2 Trường hợp U C2 =0.5Umax

Đóng ở 0.5ms:

Trang 45

Trang 46

IV.2.3 Trường hợp U C2 =Umax

Trang 47

Trang 48

IV.2.3 Trường hợp U C2 = −0.5Umax

Trang 49

Dòng qua tụ C2

Trang 50

Trang 51

IV.2.3 Trường hợp U C2 =Umax

Trang 52

Trang 53

IV.3.Nhận xét

-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

* Biện pháp

- 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

Định dạng
Số trang	148
Dung lượng	1,57 MB