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 tƣợng này là sự dao động điện áp khỏi ngƣỡng hoạt động bình thƣờng của điện áp hệ thống. Sụt giảm điện áp là một quá trình diễn ra trong thời gian ngắn (thông thƣờng 0.5 đến 30 chu kỳ), nguyên nhân bởi sự cố trong hệ thống hoặc khởi động của các tải lớn, nhƣ động cơ. Mất điện áp tức thời (thƣờng nhỏ hơn 2 đến 5s) thƣờng là kết quả của các hoạt động để tách sự cố quá độ trong hệ thống, hiện tƣợng mất điện áp có thời gian lâu hơn 1 phút thƣờng là do các sự cố xác lập gây ra. [8]
Công ty điện lực đang phải đối mật với sự phàn nàn về chất lƣợng điện do hiện tƣợng sụt giảm và mất điện áp gây ra cho khách hàng. Các khách hàng ngày càng có nhiều tải dễ bị ảnh hƣởng bởi sự cố trong hệ thống. Các máy tính điều khiển mất bộ nhớ, các qui trình ngày càng phức tạp cũng mất nhiều thời gian để khởi động lại. Các ngành công nghiệp phải dựa nhiều vào các thiết bị tự động để đạt đƣợc hiệu suất lớn nhất để duy trì sức cạnh tranh. Chính vì vậy, các hiện tƣợng này có tác động rất lớn về mặt kinh tế.
Đánh giá hiện tƣợng sụt giảm điện áp của nguồn cung cấp để các thiết bị có thể đƣợc thiết kế và phát triển các thông số kỹ thuật nhằm tối ƣu hoạt động của chúng. Trong các qui trình sản xuất, để đảm bảo sự tƣơng thích giữa đặc điểm nguồn và hoạt động của hệ thống thì phải chú ý:
Xác định số lƣợng và đặc điểm của hiện tƣợng sụt giảm điện áp do sự cố trong hệ thống truyền tải.
Xác định số lƣợng và đặc điểm của hiện tƣợng sụt giảm điện áp do sự cố trong hệ thống phân phối.
Xác định ảnh hƣởng của thiết bị với hiện tƣợng sụt giảm điện áp. Điều này sẽ xác định đƣợc hiệu suất thực tế của các qui trình sản xuất dựa trên việc tính toán sự sụt giảm điện áp theo hai bƣớc 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.
a, Sự sụt giảm điện áp ảnh hƣởng tới thiết bị
Các thiết bị sử dụng điện có thể có nhiều ảnh hƣởng khác nhau với hiện tƣợng sụt giảm điện áp, chúng phụ thuộc vào loại tải, hệ thống điều khiển và các ứng dụng. Do đó, thƣờng khó để nhận biết đƣợc đặc điểm của hiện tƣợng sụt giảm điện áp gây mất hoạt động cho các thiết bị. Đặc điểm chung thƣờng đƣợc 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 trƣờng hợp giảm thấp điện áp… Thông thƣờng, sự sụt giảm điện áp ảnh hƣởng với các thiết bị có thể chia thành ba nhóm:
+ Các thiết bị ảnh hƣởng với biên độ của sụt giảm điện áp: Nhóm thiết bị này bao gồm các thiết bị nhƣ rơ le thấp áp, các bộ điều khiển quy trình, điều khiển truyền động cơ, và các loại máy tự động. Các thiết bị trong nhóm này thƣờng ảnh hƣởng 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 hƣởng với cả biên độ và thời gian của sụt giảm điện áp: Nhóm thiết bị này bao gồm các thiết bị sử dụng trong các nguồn cung cấp điện tử. các thiết bị này sẽ mất hoạt động hoặc sự cố khi điện áp đầu ra giảm xuống dƣới 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 dƣới ngƣỡng định mức.
+ Các thiết bị ảnh hƣởng với các đặc điểm khác của sự sụt giảm điện áp: Nhóm thiết bị này chịu ảnh hƣởng bởi các đặc điểm khác của sự sụt giảm điện áp nhƣ mất cân bằng pha, các quá độ xuất hiện trong quá trình mất ổn định…Các đặc điểm này thƣờng khó thấy hơn biên độ và thời gian, tác động của chúng cũng khó để nhận biết. [18]
Các khách hàng đƣợc 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. [16]
3.1.2. Các giải pháp làm giảm sụt điện áp và mất điện áp
Một số cách có thể đƣợc thực hiện bởi nguồn, tải, và các nhà sản xuất thiết bị để giảm số lƣợng, tính khắc nghiệt của sự sụt giảm điện áp và giảm bớt sự ảnh hƣởng của thiết bị với sụt giảm điện áp. Thƣờng càng giải quyết đƣợc vấn đề tại mức độ thấp vì sẽ càng tiết kiệm đƣợc chi phí.
Khi mức độ yêu cầu không thực hiện đƣợc, có thể sử dụng một hệ thống lƣu điện (UPS- Uninterruptible power supply) hoặc một vài loại điều hòa công suất khác cho các thiết bị điều khiển. Điều này sẽ thích hợp khi các thiết bị có thể chống lại sụt giảm hoặc mất điện áp nhƣng các thiết bị điều khiển sẽ tự ngắt chúng. [16]
* Các giải pháp ở mức thiết bị
Các giải pháp để tăng độ tin cậy và các hiệu suất của các qui trình hoặc của các thiết bị có thể đƣợc chấp nhận tại nhiều mức độ khác nhau. Các công nghệ khác nhau có thể đƣợc tính toán dựa trên các yêu cầu riêng của các qui trình để xác định giải pháp tối ƣu cho việc cải thiện sự sụt giảm điện áp. Các giải pháp có thể đƣợc thực hiện theo các mức độ khác nhau:
+ Bảo vệ cho các tải nhỏ (ví dụ nhƣ nhỏ hơn 5kVA). Điều này thƣờng bao gồm bảo vệ cho các thiết bị điều khiển, các máy cá nhân nhỏ hoặc nhiều khi là các tải một pha cần đƣợc bảo vệ.
+ Bảo vệ cho các thiết bị riêng hoặc nhóm các thiết bị tới khoảng 300kVA. Tuy rằng không phải mọi tải trong nhóm thiết bị này cần bảo vệ, nhƣng 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 đƣợc 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 đƣợc bảo vệ tại một vị trí thuận lợi. Các công nghệ hiện đại có thể đƣợc xem xét khi một nhóm lớn các tải cần đƣợc bảo vệ.
+ Bảo vệ tại mức độ điện áp trung bình hoặc tại nguồn cung cấp. Nếu toàn bộ thiết bị cần đƣợc bảo vệ hoặc tăng chất lƣợng điện năng, các giải pháp tại điện áp trung bình có thể đƣợc xem xét.
Mục tiêu chính của quá trình loại trừ sự cố trong hệ thống điện, bên cạnh đảm bảo an toàn, là để hạn chế sự hƣ hại của hệ thống phân phối. Chính vì vây, việc xác định sự cố và loại trừ sự cố phải đƣợc thực hiện với tốc độ có thể lớn nhất mà không gây ra mất hoạt động trong quá trình quá độ thông thƣờng. Hai quan tâm lớn nhất cho hƣn hỏng thƣờng là: hồ quang điện gây ra cho dây dẫn, các thanh cái và hƣ hỏng của các máy biến áp trong các trạm. Một hệ thống lƣới phân phối hình tia đƣợc thiết kế cho chỉ riêng thiết bị ngắt sự cố đƣợc hoạt động để loại trừ sự cố. Với các sự cố xác lập, các thiết bị ngắt sự cố sẽ hoạt động để tách các đƣờng dây, sự cố sẽ đƣợc cách ly và công suất có thể đƣợc phục hồi. [2]
3.1.3. Quá điện áp quá độ a. Nguyên nhân a. Nguyên nhân
Hiện tƣợng quá điện áp quá độ là do quá trình đóng cắt thiết bị hoặc do hiện tƣợng sét. Quá điện áp quá độ có thể xảy ra ở tần số cao, trung bình hoặc thấp.
b. Đóng cắt tụ
Tụ thƣờng đƣợc sử dụng để cung cấp công suất phản kháng nhằm nâng cao khả năng tải cho đƣờng dây, giảm tổn thất và cung cấp điện áp cho hệ thống điện. Sử dụng tụ mang lại hiểu quả kinh tế cao. Trong khi các phƣơng pháp khác nhƣ sử dụng máy điện quay hoặc sử dụng các thiết bị bù tĩnh điện đều có giá thành cao và bảo dƣỡng tốn kém hơn nên hiện nay việc sử dụng tụ trong thệ thống điện là phổ biến nhất.
Tuy nhiên nhƣợc điểm của tụ là gây ra quá độ trong quá trình đóng cắt. Một số tụ đƣợc cung cấp năng lƣợng toàn bộ thời gian tuy nhiên một số khác đóng cắt theo tải. Chính điều này đã làm xuất hiện các sự thay đổi các thông số hệ thống nhƣ điện áp, dòng điện, công suất phản kháng…
c. Sét
Hệ thống lƣới điện và các trạm biến áp hầu hết đƣợc xây dựng ngoài trời với các đƣờng dây tải điện hàng trăm, hàng ngàn km. Quá điện áp khí quyển không chỉ gây nên phóng điện trên cách điện đƣờng dây mà còn truyền sóng vào trạm biến áp gây sự cố hƣ hỏng cách điện trong trạm. Quá điện áp khí quyển có thể do sét đánh thẳng lên đƣờng dây hoặc mặt đất gần đƣờng dây sẽ sinh ra sóng điện từ truyền dọc đƣờng dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện của đƣờng dây. Khi cách điện của đƣờng dây bị hỏng sẽ gây nên ngắn mạch pha- đất hoặc ngắn mạch pha-pha buộc các thiết bi bảo vệ đầu đƣờng dây phải làm việc. Với những hệ thống đƣờng dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy có thể gây mất ổn định hệ thống, nếu hệ thống tự động của các nhà máy làm việc không nhanh thì có thể gây nên sự cố rã lƣới.
Sóng sét còn có thể truyền từ đƣờng dây vào trạm biến áp hoặc dánh thẳng vào trạm biến áp đều gây nên phóng điện trên cách điện trạm biến áp, điều này rất nguy hiểm vì nó tƣơng đƣơng với ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố trầm trọng. Mặt khác khi có sóng sét truyền vào trạm biến áp, nếu chống sét van đầu cực máy biến áp làm việc không hiệu quả thì cách điện của máy biến áp sẽ bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùng lớn. Nhìn chung, khi bảo vệ chống sét đƣờng dây không phải là loại trừ hoàn toàn khả năng sự cố do sét mà chỉ giảm sự cố đến mức giới hạn hợp lý mà thôi.
d. Cộng hƣởng sắt từ
Cộng hƣởng sắt từ là một loại cộng hƣởng đặc biệt bao gồm điện dung và điện cảm của lõi sắt. Nó gây ra mất cân bằng khi điện kháng từ hóa của một máy biến áp đƣợc đặt nối tiếp với tụ hệ thống. Điều này xảy ra trong đƣờng dây hở mạch một pha. Dƣới dạng điều khiển, cộng hƣởng sắt từ có thể đƣợc sử dụng hữu ích nhƣ một MBA.
Cộng hƣởng sắt từ khác cộng hƣởng trong các phần tử hệ thống tuyến tính. Cộng hƣởng tuyến tính là hiện tƣợng xảy ra sau khi có sự khuếch đại của sóng hài trong hệ thống điện. Trong hệ thống tuyến tính, cộng hƣởng dẫn đến điện áp và dòng điện sin cao theo tần số cộng hƣởng, trong khi đó cộng hƣởng sắt từ thì dạng sóng thƣờng không theo quy luật. Các nguyên nhân chính dấn đến cộng hƣởng sắt từ là:
Đóng cắt không tải, đƣờng dây cáp, MBA 3 pha với chỉ một pha đóng. Đóng cắt không tải, đƣờng dây cáp, MBA 3 pha với một pha hở.
Cầu chì 1 hoặc 2 cực hỏng để máy biến áp với 1 hoặc 2 pha mở. Các tự động đóng lại 1 pha cũng có thể gây ra tình trạng này.
Tuy nhiên không phải những sự kiện trên đều gây ra cộng hƣởng sắt từ. Tình trạng hệ thống mà làm tăng sự xuất hiện của cộng hƣởng sắt từ bao gồm:
+ Hệ thống điện áp phân phối cao hơn, đặc biệt là nhóm điện áp 22 và 35kV. + Đóng cắt tải nhẹ hoặc các máy biến áp không tải.
+ Cách đấu dây phía sơ cấp máy biến áp; Mạch cáp ngầm quá dài.
+ Hƣ hỏng cáp và thiết bị đóng cắt trong quá trình xây dựng hệ thống cáp ngầm. + Hệ thống yếu, dòng ngắn mạch thấp.
+ Các MBA tổn thất nhỏ; Hệ thống 3 pha với thiết bị đóng cắt chỉ một pha. Sự xuất hiện của cộng hƣởng sắt từ có thể xuất hiện tại nhiều mức độ điện áp khác nhau. Tỷ lệ của tổn thất, điện kháng từ khóa và điện dụng tại mức độ thấp có thể giới hạn đƣợc tác dụng của cộng hƣởng sắt từ nhƣng nó vẫn xuất hiện.
Có một vài loại của cộng hƣởng sắt từ với sự biến đổi vật lý và điện khác nhau. Một số có điện áp và dòng điện rất cao, một số khác lại có điện áp gần với giá trị bình
thƣờng. Chính vì vậy, rất khó để nói rằng cộng hƣởng sắt từ trừ khi có bằng chứng hoặc sử dụng các thiết bị đo chất lƣợng điện năng.
e. Quá độ do nguyên nhân đóng cắt khác
Quá độ đƣờng dây thƣờng xuất hiện khi một dao cách ly đóng nối đƣờng dây vào hệ thống điện. Khi đó chúng thƣờng sinh ra một thành phần tần số cao hơn quá độ do đóng cắt tụ. Quá trình quá độ này là kết quả của sự kết hợp của sóng mang, điện dung của đƣờng dây và điện cảm của nguồn.
Các quá độ trong mạch điện phân phối thƣờng bao gồm kết quả của quá độ đƣờng dây, đặc điểm dòng khởi động máy biến áp và đặc điểm khởi động của tải. Quá độ đƣờng dây không thƣờng xuyên là vấn đề với các thiết bị sử dụng. Các thiết bị sử dụng có thể đƣợc bảo vệ với thành phần tần số cao bằng các thiết bị nếu cần thiết.
Một nguyên nhân khác của quá áp là do sự cố chạm đất một pha. Trong một hệ thống có trở kháng thứ tự không cao sẽ xuất hiện điện áp cao trong suốt quá trình xảy ra sự cố. Sự quá áp này chỉ là tạm thời và nó sẽ biến mất sau khi sự cố bị loại trừ. Hiện tƣợng này thƣờng không gây ra vấn đề quá lớn trừ khi sự cố bị loại trừ. Hiện tƣợng này thƣờng không gây ra vấn đề quá lớn trừ khi quá trình loại trừ sự cố lâu. Nói chung, sự tác động lớn hay nhỏ của hiện tƣợng quá áp này phụ thuộc vào đấu nối của MBA. Với MBA đấu sao-sao-đất, điện áp sẽ đƣợc biến đổi trực tiếp trong khi với MBA đấu tam giác sẽ giúp bảo vệ đƣợc thiết bị khỏi quá điện áp trong quá trình sự cố.
3.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh chất lƣợng điện áp 3.2.1. Các phƣơng pháp điều chỉnh điện áp nói chung
Các biện pháp điều chỉnh chất lƣợng điện áp nhằm đảm bảo các chỉ tiêu chất lƣợng điện áp đã trình bày ở trên có thể chia thành 2 nhóm:
1 - Điều chỉnh để chống giảm áp và quá áp dài hạn: giảm áp và quá áp dài hạn do biến thiên phụ tải điện hàng ngày gây ra. Các biện pháp điều chỉnh này đƣợc thực hiện tổng quát ở mọi lƣới phân phối bằng các giải pháp thực hiện trong cấu trúc chính của lƣới điện. Khi thiết kế lƣới phải thực hiện các biện pháp điều chỉnh điện áp này.
2 - Điều chỉnh chống các biển thiên nhanh, ngắn hạn, dao động điện áp, không đối xứng và sóng hài: là các biện pháp mang tính địa phƣơng, tùy thuộc vào sự xuất hiện các hiện tƣợng này và có các thiết bị dùng điện nhạy cảm với các hiện tƣợng này.
Đối với Điện lực các huyện thì vấn đề chính phải quan tâm chính là độ giảm áp hoặc quá áp dài hạn. Do đó dƣới đây sẽ trình bày kỹ các biện pháp điều chỉnh này.