1) Quá độ khi đóng điện vào trạm tụ làm việc độc lập
Khi đóng điện vào trạm tụ bù chênh lệch giữa điện áp tức thời của lƣới và của tụ sẽ xuất hiện một xung dòng điện và xung điện áp có biên độ có thể rất lớn, phụ thuộc vào thời điểm đóng điện. Giá trị của xung dòng điện và tần số dao động đƣợc tính theo Biểu thức:
pk S C C I U U L ; (2.30) Trong đó: f 1 2 LC
- Us : điện áp (pha) tức thời của hệ thống (kV) - Uc : điện áp (pha) tức thời trên dàn tụ (kV) - C : điện dung trạm tụ (F)
- L : điện cảm nguồn (H)
Kết quả thể hiện mô phỏng các quá trình quá độ cho trƣờng hợp điện áp lƣới 35kV, tổng trở hệ thống 5Ω, trạm tụ 200kVAr với điều kiện ban đầu: Uc(0) = 0 đƣợc đóng vào các thời điểm khác nhau. Qua mô phỏng cho thấy dạng sóng của xung điện áp và xung dòng qua tụ trong trƣờng hợp nguy hiểm nhất, biên độ xung điện áp và xung dòng tính theo đơn vị tƣơng đối (p.u) ứng với các thời điểm đóng điện khác nhau.
Qua các số liệu có thể thấy, ứng với trƣờng hợp Uc(0) = 0 - trƣờng hợp đóng điện thực tế, khi toàn bộ điện áp trên tụ trƣớc khi đóng điện đã đƣợc xả qua các điện trở phóng điện bên trong các đơn vị tụ thì quá điện áp có thể lên tới 1,8÷1,9 pu trong khi xung dòng điện có thể lên tới 8,0 pu, khi đóng điện ở thời điểm điện áp lƣới và điện áp trên tụ chênh lệch nhiều nhất (t = 5 ms)
2) Quá độ khi đóng điện vào trạm tụ làm việc song song
Khi đóng một trạm tụ vào lƣới đang có những trạm tụ khác làm việc. Kết quả mô phỏng các quá trình quá độ cho trƣờng hợp điện áp lƣới là 35kV, tổng trở hệ thống 5Ω, trạm tụ 200kVAr đƣợc đóng song song với trạm tụ khác 200kVAr đang làm việc trên lƣới, với điều kiện ban đầu uc(0) = 0 đƣợc đóng vào các thời điểm khác nhau. Qua mô phỏng cho thấy dạng sóng của xung điện áp và xung dòng qua tụ trong trƣờng hợp nguy hiểm nhất. Biên độ xung điện áp và xung dòng tính theo đơn vị tƣơng đối (p.u) ứng với các thời điểm đóng điện khác nhau.
Quá điện áp có thể lên tới 1,5 pu, trong khi xung dòng điện lên đến 4,3 pu, khi đóng điện ở thời điểm điện áp lƣới và điện áp trên tụ chênh lệch nhiều nhất (5ms).
3) Quá độ với hiện tượng phóng điện trước
Khi máy cắt đóng điện trạm tụ, hiện tƣợng phóng điện trƣớc có thể xuất hiện trong buồng cắt, hồ quang phát sinh ngay trong cả trƣớc khi hai tiếp điểm tiếp xúc với nhau. Dòng điện hồ quang có tần số rất cao nên khi đi qua giá trị 0 thì nó sẽ bị tắt và điện áp trên tụ vẫn giữ nguyên giá trị mà nó nhận đƣợc ở lần phóng điện đầu tiên. Đến khi tiếp điện đóng lại hoàn toàn, điện áp trên tụ mới bắt đầu giao động. Để mô phỏng các quá trình xảy ra của hiện tƣợng phóng điện trƣớc, dùng ba tiếp điểm thể hiện ba giai đoạn của hiện tƣợng xảy ra:
t1 : thời điểm đóng máy cắt t2 : thời điểm xảy ra phóng điện
t3: thời điểm hai tiếp điểm tiếp xúc nhau
Kết quả thể hiện mô phỏng các quá trình quá độ cho trƣờng hợp điện áp lƣới 35kV, tổng trở hệ thống 5Ω, trạm tụ 200kVAr với điều kiện ban đầu: Uc(0) = 0 đƣợc đóng vào các thời điểm khác nhau. Qua mô phỏng cho thấy dạng sóng của xung điện áp và xung dòng qua tụ, với Uc(0) = 0. Quá điện áp có thể lên tới 3,7 pu, trong khi xung dòng lên tới 20,7 pu, khi đóng điện ở thời điểm điện áp lƣới và điện áp trên tụ chênh lệch nhiều nhất (t1 = 5ms).
4) Quá độ với hiện tượng phóng điện trở lại
Hiện tƣợng phóng điện trở lại xảy ra khi độ bền điện môi trong buồng cắt của máy cắt thấp hơn so với tốc độ tăng của điện áp phụ hồi giữa hai điểm trong quá trình cắt trạm tụ bù ra khoải lƣới. Kết quả mô phỏng cho thấy giữa nửa chu kỳ sau khi máy cắt ngắt ra, điện áp phục hồi trên hai tiếp điểm lên đến hai lần điện áp (pha) của lƣới và lên đến 5,67 pu, dòng xung có giá trị 14,93 pu.
Để mô phỏng các quá trình xảy ra của hiện tƣợng phóng điện trở lại sử dụng ba tiếp điểm cho ba giai đoạn:
t1 : thời điểm ngắt máy cắt t2 : thời điểm phóng điện trở lại
5) Quá độ trên lưới phân phối khi đóng trạm tụ bù
Các kết quả trên là cơ sở để tiến hành đánh giá tác động của việc đóng tụ bù trên lƣới phân phối đến các phụ tải công nghiệp.
Các kết quả mô phỏng thể hiện dạng sóng quá độ điện áp tại trạm tụ bù phía thanh cái, điểm nối chung, thanh cái hạ áp cấp điện cho các phụ tải công nghiệp là các bộ biến tần thay đổi tốc độ động cơ theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM ASD 100 HP có cuộn kháng 3% và không có cuộn kháng cho trƣờng hợp PWM ASD 25 HP. Các xung quá điện áp này rõ ràng sẽ có các ảnh hƣởng tiêu cực đến chế độ làm việc của các bộ PWM ASD, thậm chí có thể làm các thiết bị này dừng làm việc.
2.3.1.2. Ảnh hưởng cửa sóng hài lên các thiết bị điện
Sóng hài đƣợc đặc trƣng của dao động hoàn toàn trên phổ tần số công nghiệp cơ bản. Thành phần sóng hài trong nguồn AC đƣợc đinh nghĩa là thành phần sin của một chu kỳ sóng có tần số bằng số nguyên lần tần số cơ bản của hệ thống.
fh = h.fb (2.31)
Trong đó: h là số nguyên dƣơng
Sóng hài làm méo dạng điện áp lƣới có thể do các nguyên nhân sau:
- Các tải công nghiệp: các thiết bị điện tử công suất, lò hồ quang, máy hàn, bộ khởi động điện tử, đóng mạch máy biến áp công suất lớn...
- Các tải dân dụng: Đèn phóng điện chất khí, tivi, máy photocopy, máy tính, lò vi sóng...
Với nhiều biện pháp khác nhau, ngƣời ta có thể giảm một số sóng hài đến một giá trị nhỏ không đáng kể, việc khử bỏ hoàn toàn chúng tất nhiên không thể hoàn toàn thực hiện đƣợc.
Sóng hài gây nên sự gia tăng nhiệt độ trong thiết bị và ảnh hƣởng đến cách điện. Trong các trƣờng hợp khắc nghiệt có thể làm hƣ hỏng hay giảm tuổi thọ các thiết bị điện.
Những loại sóng này có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
Itổng=Im1.sinωt+ Im3.sin(3ωt-δ3)+ Im5.sin(5ωt-δ5)+…+ Imh.sin(hωt-δh) (2.32) Trong đó: Imh là biên độ của sóng hài bậc h, kết quả là:
Điều này chứng tỏ tổng của các sóng hình sin này tạo ra một sóng méo. Hay có thể coi sóng méo này là sự xếp chồng của thành phần sóng cơ bản với các sóng ở tần số và biên độ khác. Ta xét ảnh hƣởng của sóng hài đối với một số thiết bị điện đặc trƣng sau:
1) Máy biến áp
Ảnh hƣởng của các sóng hài trên các máy biến áp là các dòng điều hòa gây nên sự gia tăng tổn thất đồng và tổn thất từ thông tản, các sóng hài gây nên sự gia tăng tổn thất sắt. Ảnh hƣởng toàn bộ là sự gia tăng nhiệt độ máy biến áp. Theo tiêu chuẩn IEEE C57.15.00-1980 giá trị giới hạn đối với sóng hài dòng điện trong máy biến áp là 0,5 pu đối với hệ số điều hòa dòng điện. Tiêu chuẩn này cũng yêu cầu trị số quá điện áp hiệu dụng cực đại mà máy biến áp có thể chịu đựng ở trạng thái xác lập 5% khi tải định mức và 10% khi không tải.
Điều cần lƣu ý là các tổn thất máy biến áp bị gây nên bởi các điện áp điều hòa và các dòng điện điều hòa là phụ thuộc vào tần số. Các tổn thất gia tăng cùng với sự gia tăng tần số do vậy các thành phần điều hòa tần số cao hơn là quan trọng hơn các thành phần tần số thấp hơn trong việc gây nên sự nóng trong các máy biến áp.
2) Các máy điện quay
Cũng nhƣ các thiết bị điện khác, vấn đề quan tâm trƣớc tiên về các dòng điện và điện áp điều hòa trong máy điện quay là sự gia tăng nhiệt độ do các tổn thất sắt và tổn thất đồng tại các tần số điều hòa. Các thành phần điều hòa cũng có thể ảnh hƣởng đến hiệu suất máy và mômen.
Sự tác động khác nhau giữa các sóng và mật độ từ thông đƣợc phát ra bởi các dòng điện điều hòa trong một động cơ cảm ứng ba pha trên một điện áp cung cấp không sin có thể là phát sinh tiếng ồn. Các sóng hài cũng sinh ra sự phân bố từ thông tổng hợp trong khe hở không khí mà trong các điều kiện cụ thể có thể đƣa tới hiện tƣợng đƣợc gọi là Cogging (từ chối khởi động) hay Crauling (tốc độ dƣới đồng bộ) trong các môtơ cảm ứng.
Các cặp sóng hài chẳng hạn các cặp sóng hài bậc 5 và bậc 7 có thể tạo ra các dao động cơ khí gia tăng trong một tổ hợp máy phát - turbin. Các dao động cơ khí xảy ra khi các momen xoắn dao động gây ra bởi sự tác động lẫn nhau giữa các dòng điện
điều hòa và từ trƣờng tần số cơ bản kích thích một tần số cộng hƣởng cơ khí. Chẳng hạn một cặp điều hòa bậc 5 và bậc 7 đƣa đến kết quả một mômen xoắn trên roto máy phát tại điều hòa bậc 6 là 300 Hz. Nếu cặp tần số dao động cơ khí tồn tại gần với tần số kích thích điện thì các đáp ứng cơ khí cộng hƣởng cao có thể phát triển. Mặc dầu không có các tiêu chuẩn về giới hạn dòng điện hay điện áp điều hòa cho các động cơ, một số nhà thiết kế đề xuất một giới hạn là 5% cho các điện áp điều hòa để dùng cho các động cơ cảm ứng trong việc xem xét sự gia nhiệt trong máy điện.
3) Các thiết bị đóng cắt
Cũng nhƣ hầu hết các thiết bị khác, các dòng điện điều hòa có thể làm gia tăng nhiệt và các tổn thất trong các thiết bị đóng ngắt. Ngoài các ảnh hƣởng của việc gia tăng nhiệt, các thành phần điều hòa trong sóng dòng có thể ảnh hƣởng đến khả năng cắt dòng của các thiết bị đóng ngắt, vấn đề là các thành phần điều hòa có thể đƣa đến việc biên độ của di/dt cao tại các điểm không của dòng điện có thể làm cho việc cắt trở lên khó khăn hơn.
4) Các bộ tụ điện
Ảnh hƣởng của các thành phần điều hòa trên bộ tụ điện đó là tác nhân gây nên sự gia tăng nhiệt và ứng suất điện môi cao hơn. Tiêu chuẩn ANSI/IEEE 18-1980 quy định các giới hạn về điện áp, dòng điện và công suất phản kháng cho các bộ tụ điện, nó đƣợc dùng để xác định các mức điều hòa tối đa cho phép. Tiêu chuẩn này cho biết tụ điện có thể đƣợc sử dụng trong các giới hạn sau đây, bao gồm các thành phần điều hòa:
- 110% điện áp hiệu dụng định mức - 120% điện áp đỉnh định mức
- 180% dòng điện hiệu dụng định mức - 135% công suất phản kháng định mức
Nỗ lực này nhằm để sử dụng quá định mức các tụ điện trong các điều kiện không bình thuờng, chẳng hạn nhƣ trong điều kiện có các sóng hài. Các bộ tụ điện gây nên mạch cộng huởng do hậu quả phóng tại các thành phần điều hòa đặc biệt. Các điện áp điều hòa là cao nhất ở bộ tụ điện.
5) Cầu chì
Cầu chì của tụ bù ngang thuờng đƣợc biểu thị trƣớc tiên về các mức điều hòa vƣợt trƣớc. Một mức đáng kể của sóng hài dòng có thể đƣa đến các vận hành không mong muốn của các cầu chì và các thay đổi trong các đặc tính thời gian dòng điện của cầu chì. Trong trƣờng hợp các sự cố có biên độ thấp, các sóng hài có thể thấp hơn mức chảy tối thiểu nhiều lần.
6) Rơle bảo vệ
Các sóng hài hệ thống ảnh huởng đến các rơle phụ thuộc vào điện áp, dòng điện, do vậy chúng bị ảnh huởng một cách hiển nhiên bởi các sự méo điều hòa. Sự hiện diện quá mức của dòng điều hòa bậc 3 có thể gây lên việc các rơle bảo vệ chạm đất tác động chậm. Trong các tài liệu nghiên cứu cho thấy ảnh huởng của các sóng hài đối với sự vận hành của các rơle nhƣ sau:
- Các rơle đƣợc chế tạo có khuynh huớng vận hành ở các giá trị chậm hơn hay với các giá trị tác động cao hơn, hơn là việc vận hành nhanh hơn hay các giá trị tác động thấp hơn.
- Các rơle tần số thấp tĩnh nhạy cảm đối với những thay đổi lớn của các đặc tính vận hành.
- Tùy theo hàm lƣợng sóng hài, các mômen quay của các rơle có thể bị đảo ngƣợc.
- Số lần vận hành có thể bị thay đổi lớn nhƣ là một hàm số của tần số. - Các sóng hài có thể làm suy yếu sự vận hành tốc độ cao của các rơle lệch. Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra rằng các rơle có thể đƣợc bố trí để hạn chế hoàn toàn những vấn đề nêu trên. Nói chung các mức điều hòa để làm các rơle vận hành sai lớn hơn các mức mà đƣợc xem xét đế hạn chế cho các thiết bị khác. Các mức điều hòa khoảng 10% ÷ 40% thông thƣờng đƣợc yêu cầu đối với các vấn đề vận hành của rơle, ngoại trừ các tình huống không bình thƣờng.
7) Các dụng cụ đo
Đo lƣờng và sự trang bị các dụng cụ bị ảnh hƣởng bởi các phần tử điều hòa, đặc biệt nếu các điều kiện cộng hƣởng tồn tại có thể đƣa đến các điện áp điều hòa cao trên mạch. Các thiết bị đĩa cảm ứng nhƣ các điện kế và các rơle quá dòng thông thƣờng chỉ
làm việc với dòng cơ bản, nhƣng không cân bằng pha gây nên sự méo điều hòa, gây nên sai số của các thiết bị này. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cả sai số âm và sai số dƣơng đều có thể xảy ra với sự hiện diện của méo điều hòa tùy theo loại của đồng hồ đƣợc xem xét và các sóng hài. Nói chung độ méo phải lớn ( lớn hơn 20%) mới có thể các sai số đáng kể phát hiện.
8) Thiết bị điện tử công suất
Thiết bị điện tử trong nhiều trƣờng hợp là nguồn phát đáng kể các dòng điện điều hòa và nó cũng rất dễ bị vận hành sai do sự làm méo các sóng hài. Thiết bị này thƣờng phụ thuộc vào sự xác định chính xác điện áp qua điểm không hay điểm mà tại đó một điện áp dây trở nên lớn hơn điện áp dây khác. Cả hai điện áp là điểm tới hạn của nhiều loại điều khiển mạch điện tử vận hành sai.
9) Các thiết bị khác
Các sóng hài trên hệ thống điện cũng có thể ảnh hƣởng đến các loại thiết bị điện khác ngoài các loại đã nêu trên. Dƣới đây là một ví dụ:
- Các sóng hài cũng gây nên những hƣ hỏng các phân tử trong các bộ lọc đƣờng dây sử dụng trong các hệ thống tin tải ba.
- Các hệ thống truyền dẫn để điều khiển từ xa các thiết bị có thể vận hành sai nếu các sóng hài hiện hữu gần với tần số tín hiệu truyền dẫn. Hệ thống truyền dẫn điều khiển theo thời gian và thấp điểm của phụ tải là hai ví dụ.
- Chấn lƣu điện tử của đèn huỳnh quang hay đèn thủy ngân có tụ thì các tụ này cùng với điện cảm của chấn lƣu và của mạch đôi xảy ra cộng hƣởng tần số tạo nên sự tăng nhiệt độ và đƣa đến hỏng thiết bị.
- Các sóng hài có thể làm cho các lõi thép của máy biến áp bị bão hòa, do vậy làm tăng sai số. Trong trƣờng hợp biến dòng điện này dƣờng nhƣ ít ảnh hƣởng trên tỷ số biến. Tuy nhiên góc bị ảnh hƣởng và do đó công suất và điện năng có thể bị ảnh hƣởng.
- Sự ảnh hƣởng của các sóng hài chẳng hạn nhƣ sóng hài bậc ba trong các thiết