- Tính ổn định của khối tuabin máy phát thay đổi.
ĐẶC ĐIỂM CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRÊN ĐƯỜNG SẮT CHẠY ĐIỆN
4.2 Nguyên nhân và ảnh hưởng CLĐN bởi giao thông ĐSCĐ 1 Điện áp
4.2.1 Điện áp
Điện áp định mức: trong hệ thống giao thông ĐSCĐ các cấp điện áp được
sử dụng ngày nay đã được thiết lập cụ thể, nhằm đáp ứng khả năng tiêu thụ công suất đặc trưng của từng loại giao thông điện tiếp xúc. Đối với hệ thống DC, hầu như không có tác động đáng kể đến điện áp trong CLĐN.
Tiêu chuẩn điện áp cho hoạt động của ĐSCĐ trên thế giới theo tiêu chuẩn:
Tiêu chuẩn Châu Âu - European Norm (EN) 50163 và Tiêu chuẩn Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế - International Electrotechnical Commission (IEC) 60850 được thể hiện ở bảng 4.1.
Bảng 4.1: Điện áp định mức và giới hạn điện áp hoạt động của giao thông đường sắt chạy điện theo Tiêu chuẩn Châu Âu EN 50163 và Tiêu chuẩn Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC 60850.
Nguồn cung cấp �� V ���� � V ���� � V ���� � V ���� � V ���� � V DC 600V 600 400 720 800 DC 750V 750 500 900 1000 1270 DC 1.5kV 1500 1000 1800 1950 2540 DC 3.0kV 3000 2000 3600 3900 5075 AC 15kV 16.7Hz 15000 11000 12000 17250 18000 24300 AC 25kV 50Hz 25000 17500 19000 27500 29000 38750
Trong đó:
�� Điện áp định mức
���� � Điện áp thấp nhất dài hạn,
���� � Điện áp thấp nhất ngắn hạn, thời gian cho phép tối đa 2 phút, ���� � Điện áp cao nhất dài hạn,
���� � Điện áp cao nhất ngắn hạn, thời gian cho phép tối đa 5 phút, ���� � Quá áp, thời gian tối đa cho phép 20 giây
Các hiện tượng sai lệch điện áp:
Sự thay đổi phụ tải, đóng cắt các phần tử tiêu thụ điện (mọi hoạt động của đầu tầu – ĐTCĐ) kết nối vào mạng tiếp xúc là nguyên nhân làm thay đổi điện áp, gây nên sự mất ổn định điện áp. Tác động tải đột ngột như khởi động, tăng tốc, dừng hoặc phải tiêu thụ công suất dự phòng vào giờ cao điểm khi các ĐTCĐ cùng hoạt động là một trong những nguyên nhân chính gây nên hiện tượng sai lệch điện áp. Các đầu tầu - ĐTCĐ sử dụng các ĐCKĐB ba pha có công suất khá lớn, ví dụ như là: ETR 450 của Ý sử dụng 16 động cơ mỗi động cơ có công suất 312.5kw �16 � 312.5�� � 5000���, ICE 3 của Đức sử dụng 10 � 1200�� � 1200�� hay TGV-TMST của Pháp sử dụng 12 � 1200�� � 14400��. Công suất ĐTCĐ có thể từ 4,000kw – 14.40kw hoặc lớn hơn. Sự sai lệch điện áp có thể do các yếu tố tự nhiên hoặc đặc thù của phụ tải như là:
- Quá áp: do quá trình quá độ (cộng hưởng áp, sấm sét…) gây ảnh hưởng thiết bị.
- Sụt áp: có thể là ngắn hạn hoặc dài hạn, do dòng khởi động lớn, tổng trở đường dây tiếp xúc. Giảm vận tốc.
Tuy nhiên hiện tượng sụt áp và cao áp là thường xuyên xảy ra nhất trên hệ thống giao thông ĐSCĐ.
Giả sử, xét mạch điện đơn giản của mạch cung cấp hệ thống giao thông ĐSCĐ như hình vẽ 4.1.
���: điện áp giữa hai dây pha của lưới truyền tải ba pha tại điểm kết nối trạm điện kéo dùng MBA một pha,
���, ���: điện trở và điện kháng của mạng truyền tải ba pha phía thứ cấp MBA,
k: hệ số máy biến áp trạm điện kéo, �� tải tầu,
���, ���: điện trở và điện kháng tản dây quấn thứ cấp MBA trạm điện kéo, ��, ��: điện trở và điện kháng dây dẫn phân đoạn chạy tầu,
��: điện áp giữa đường dây trên không (mạng tiếp xúc) và ray,
��: dòng mạng điện kéo (phía thứ cấp MBA trạm điện kéo), �� dòng điện tầu,
Hình 4.1: Sơ đồ đơn giản mạch cung cấp điện cho giao thông ĐSCĐ 25kV
Trong trường hợp MBA gần như lý tưởng, các công thức qui đổi của điện trở, điện kháng R, X và tổng trở Z trên phân đoạn chạy tầu có chiều dài l (phía thứ cấp MBA) được viết như sau:
��� � ��đ� ���đ (4.1)
��đ � 2������� ��� � ��� (4.2a) ��đ� 2������� ��� � ��� (4.2b)
Trên cơ bản hình 4.1, sơ đồ mạch tương đương được vẽ lại như hình 4.2 và mạch Thevenin như hình 4.3 sau:
Hình 4.2: Sơ đồ tương đương các thành phần trong mạch cung cấp điện kéo Trị hiệu dụng (rms) điện áp ��� là giá trị
rms của điện áp phía thứ cấp máy biến áp trạm điện kéo (xem như đầu phát) trong điều kiện hở mạch được viết:
��� � �. ���� (4.3)
Biểu diễn các thành phần trong mạch giao thông ĐSCĐ bởi sơ đồ Fresnel hình 4.4.
Thực hiện phép chiếu trên trực thực và ảo, viết cho các phương trình sau: ��������� � ��đ������ � ��đ������ � �� (4.4)
Hình 4.3: Sơ đồ mạch Thevenin tương đương
��������� � ������ � ������ � �� (4.5)
Hình 4.4: Sơ đồ các thành phần vec - tơ trong mạch giao thông ĐSCĐ đơn giản Giả sử góc θ là rất nhỏ, sai lệch điện áp định mức là rất nhỏ, thì độ sụt áp xấp xỉ được viết lại như sau:
∆� � ������ �� � ��đ������ � ��đ������ (4.6)
Hoặc: ∆� � ������ �� � ��đ��
��� ��đ��
�� (4.7)
Với �� � ��������, �� � �������� là công suất kháng và công suất tác dụng của tổng phụ tải các đoàn tầu, trong đó ��dòng điện kéo của trạm điện và �� là điện áp mạng tiếp xúc của trạm.
Hiện tượng cao áp (tăng cao điện áp): do sự giảm tải đột ngột (non tải), hiện tượng này thường xuyên xuất hiện trong hành trình di chuyển của đầu tầu - ĐTCĐ. Ví dụ: thời gian chuẩn bị dừng trạm lúc này tầu cắt tải, hoặc là sự cố mất tiếp xúc, chập chờn (gián đoạn) do nhiều yếu tố (thiên tai, sự cố hỏng hóc) hoặc do chuyển phân đoạn. Ngược lại hiện tượng sụt áp hay thấp áp thường xuyên xảy ra do dòng khởi động và dòng tăng tốc ĐTCĐ là rất lớn.
Theo giả định, điện áp ���� là hằng số, từ các phương trình trên trong trường hợp công suất tiêu thụ lớn bởi dòng điện kéo, sụt áp đường dây trên không mạng tiếp xúc lớn và có thể giảm đến mức tối thiểu 19kV (������ được áp đặt bởi tiêu chuẩn theo bảng 4.1. Trong trường hợp cao áp thời gian ngắn hạn tối đa cho phép 5 phút với điện áp 29kV (������. Như vậy, trong các trạm biến áp cung cấp cho các tuyến giao thông ĐSCĐ để đảm bảo điện áp cho đầu tầu – ĐTCĐ hoạt động, bắt buộc phải được lắp đặt các thiết bị bù công suất kháng hoặc thiết bị tăng áp.
Giải pháp khắc phục:
- Tăng cường dây tiếp xúc,
- Bù dọc trên mạng tiếp xúc ̶˃ Dùng XC giảm Z,
- Bù ngang tại trạm điện kéo ̶˃ Cấp QC ̶˃ Giảm I trong hệ thống điện, - Dùng điều khiển kBA của MBA trên đầu máy,
- Các thiết bị bảo vệ cao áp, quá áp,
Ngày nay, thiết bị FACST – truyền tải linh hoạt điện xoay chiều, đã được ứng dụng giải quyết nhiều trong vấn đề ổn định hệ thống điện. Tuy nhiên, vài năm gần đây thiết bị FACST là một xu hướng mới cho việc giải quyết ổn định điện áp trong hệ thống giao thông ĐSCĐ AC 25kV tần số công nghiệp và cả hệ thống cung cấp ngoài cho trạm điện kéo. Vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết ở chương 5 trong luận văn này.