CHƯƠNG 4 QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ KHI ĐÓNG CẮT TỤ BÙ VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC HIỆN TƯỢNG
4.1 QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ KHI ĐÓNG CẮT TỤ BÙ
Khi đóng điện vào trạm tụ bù (Hình 4.1) chênh lệch giữa điện áp tức thời của lưới và tụ sẽ làm xuất hiện một xung dòng và xung điện áp có biên độ có thể rất lớn, phụ thuộc vào thời điểm đóng điện. Giá trị của xung dòng và tần số dao động được tính theo biểu thức:
Ipk =
L U C US − C f = 2π LC
1 Trong đó:
US : điện áp (pha) tức thời của hệ thống (kV) UC : điện áp (pha) tức thời trên giàn tụ (kV) C : điện dung trạm tụ (F)
L : điện cảm của nguồn (H)
Kết quả thể hiện mô phỏng các quá trình quá độ cho trường hợp điện áp dây của lưới 110kV, tổng trở hệ thống 5 , trạm tụ 50MVAr với điều kiện ban Ω đầu UC(0)=0 được đóng vào các thời điểm khác nhau. Hình 4.2 cho thấy dạng sóng của xung điện áp và xung dòng qua tụ trong trường hợp nguy hiểm nhất.
Bảng 4.1 cho thấy biên độ xung điện áp và xung dòng t nh theo đơn vị tương í đối (p.u), ứng với các thời điểm đóng điện khác nhau. Qua các số liệu có thể thấy, ứng với trường hợp UC(0) = 0 : trường hợp đóng điện thức tế, khi toàn
bộ điện áp trên tụ trước khi đóng điện đã được xả qua các điện trở phóng điện bên trong các đơn vị tụ, quá điện áp có thể lên đến 1.8 - 1.9pu, trong khi xung dòng lên đến 8.0pu. Khi đóng
điện ở thời điểm điện áp lưới và điện áp trên tụ
chênh lệch nhiều nhất (t=5ms).
4.1.2 Quá độ khi đóng điện vào trạm tụ song song (back to back closing) Khi đóng một trạm tụ vào lưới có những trạm tụ khác đang làm việc (hình 4.3). Kết quả mô phỏng các quá trình quá độ cho trường hợp điện áp
t, ms
0 5 10 15
UC(0)
0 1.09/1.83 1.82/8.06 1.08/1.83 1.85/7.96 0.5pu 1.42/4.57 1.38/4.43 1.36/4.79 2.31/11.69 -0.5pu 1.36/4.79 2.27/11.69 1.42/4.56 1.42/4.42 1pu 1.81/8.25 1.02/1.08 1.74/8.57 2.75/15.33 -1pu 1.74/8.57 2.73/15.12 1.82/8.21 1.02/1.08
Hình 4.1: óng iĐ đ ện vào trạm tụ độc lập B ng 4.1: Giá tr ả ị(pu) củ đ ệa i n áp Uc và dòng iđ ện Ic
Hình 4.2: Xung quá đ ệi n áp và dòng i n qua t , Uc(0) =0, t = 5ms. đ ệ ụ
dây của lưới 110kV, tổng trở hệ thống 5 , trạm tụ 20MVAr được đóng song Ω song với trạm tụ 20MVAr đang làm việc trên lưới, với điều kiện ban đầu UC2(0)= 0, được đóng vào các thời điểm khác nhau.
Hình 4.4 cho thấy dạng sóng của xung điện áp UC1 và xung dòng IC1 (pu) ứng với các thời điểm khác nhau. Quá điện áp có thể lên đến 1.48pu, trong khi xung dòng lên đến 4.33pu (bảng 4.2), khi đóng điện ở thời điểm điện áp lưới và điện áp trên tụ chênh lệch nhiều nhất (t=5ms).
T, ms
0 5 10 15
UC2(0)
0 1.15/1.79 1.48/4.33 1.11/1.87 1.33/4.33 0.5pu 1.27/5.27 1.27/2.68 1.21/3.07 1.61/6.59 -0.5pu 1.27/5.71 1.69/6.69 1.25/2.59 1.21/2.41 1pu 1.45/11.13 1.11/1.82 1.43/5.32 1.82/8.73 -1pu 1.48/11.32 1.89/8.89 1.43/4.29 1.12/1.87
Hình 4.3: óng iĐ đ ện vào trạm tụ song song B ng 4.2: ả Giá trị (pu) củ đ ệa i n áp U C1 và dòng iđ ện IC1
Hình 4.4: Xung quá đ ệi n áp U C1 và dòng iđ ện IC1 qua t C1, Uụ C2 (0) =0, t = 5ms.
4.1.3 Quá độ với hiện tượng phóng điện trước (prestrike)
Khi máy cắt đóng điện trạm tụ, hiện tượng phóng điện trước có thể xuất hiện trong buồng cắt, hồ quang phát sinh ngay cả trước khi 2 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 được ở lần phóng điện đầu tiên. Đến khi tiếp điểm đóng lại hoàn toàn, điện áp trên tụ mới bắt đầu dao động. Để mô phỏng các quá trình xảy ra của hiện tượng phóng điện trước, dùng 3 tiếp điểm thể hiện 3 giai đoạn của hiện tượng xảy ra (hình 4.5).
t1: thời điểm đóng máy cắt
t2: thời điểm xảy ra phóng điện (xuất hiện hồ quang) t3: thời điểm 2 tiếp điểm tiếp xúc nhau
Hình 4.6 mô phỏng dạng sóng của xung điện áp và xung dòng qua tụ với các số liệu của trạm tụ trong trường hợp điện áp dây của lưới 110kV, tổng trở hệ thống 5 , trạm tụ 50MVAr với điều kiện ban đầu UΩ C(0)=0. Nhận thấy quá điện áp có thể lên đến 3.37pu, trong khi xung dòng lên đến 20.7pu, khi đóng điện ở thời điểm điện áp lưới và điện áp trên tụ chênh lệch nhiều nhất (t1 = 5 ms). Bảng 4.3 cho thấy xung điện áp UC và xung dòng IC (pu) ứng với các thời điểm đóng điện khác nhau.
t, ms
t1=5, t2=6, t3=15 UC(0)
0 3.372/20.7
-0.5pu 3.6/22.73
0.5pu 2.99/17.53
-1pu 3.92/25.54
1pu 1.02/1.03
Hình 4.5: Quá vđộ ới phóng i n trước đ ệ B ng 4.3: Giá tr ả ị(pu) củ đ ệa i n áp Uc và dòng iđ ện Ic
4.1.4 Quá độ với hiện tượng phóng điện trở lại (restrike)
Hiện tượng 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 phục hồi giữa 2 tiếp điểm trong quá trình cắt trạm tụ bù khỏi lưới. Mô phỏng trên hình 4.8 cho thấy 2 nửa chu kỳ sau khi tiếp điểm máy cắt ra, điện áp phục hồi trên 2 tiếp điểm lên đến 2 lần điện áp (pha) của lưới. Nếu hiện tượng phóng điện trở lại xảy ra khi đó, điện áp trên tụ sẽ tăng vọt đến giá trị này và sau đó tăng vọt lên đến 2.67pu và xung dòng có giá trị 14.93pu (bảng 4.4). Để mô tả quá trình xảy ra của hiện tượng phóng điện trở lại, sử dụng 3 tiếp điểm cho 3 giai đoạn (hình 4.7)
t1: thời điểm ngắt máy cắt t2: thời điểm phóng điện trở lại
t3: thời điểm kết thúc quá trình phóng điện
t, ms
t1=45, t2=55, t3=56 UC(0)
0 2.67/14.93
-0.5pu 2.7/15.13
0.5pu 2.66/14.77
-1pu 2.7/15.31
1pu 2.66/14.93
Hình 4.6: Xung quá đ ệi n áp và dòng i n qua t , Uc(0) =0, t1 = 5ms, t2=6ms, t3=15ms. đ ệ ụ
4.1.5 Quá độ trên lưới phân phối hạ áp khi đóng trạm tụ bù trên lưới phân phối
Các kết quả trên là cơ sở để tiến hành đánh giá tác động của việc đóng trạm tụ bù trên lưới phân phối đến các phụ tải công nghiệp. Mô phỏng được thực hiện với lưới phân phối có các thông số như trên hình 4.9, các kết quả trên hình thể hiện dạng sóng quá độ điện áp tại trạm tụ bù phía thanh cái 15kV, điểm nối chung PCC (poin of common coupling), 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 trường hợp PWM ASD 25 HP. Các xung quá điện áp này rõ ràng sẽ có các ảnh hưởng tiêu cựcđến chế độ làm việc của các bộ PWM ASD, thậm chí có thể làm các thiết bị này ngừng làm việc.
Hình 4.7: Quá vđộ ới hi n tượng phóng i n trở l i ệ đ ệ ạ B ng 4.ả 4: Giá trị (pu) của Uc và Ic
Hình 4.8: Xung quá đ ệi n áp và dòng i n qua t , Uc(0) =0, t1 =45ms, t2=55ms, t3=56ms. đ ệ ụ
4.1.6 Nhận xét
Các kết quả nhận được trên đây có các giá trị phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm với sai lệch trong khoảng 5 10%. Điều này cho thấy mức , - độ chính xác chấp nhận được của các mô hình khảo sát, đặc biệt cho các hiện tượng phức tạp như phóng điện trước, phóng điện trở lại. Chứng tỏ phương pháp mô phỏng các hiện tượng quá độ trên lưới sử dụng PSS/E có một ý nghĩa to lớn trong nghiên cứu cũng như thực tế.
Các mô hình được đề nghị để khảo sát các quá trình quá độ trong các điều kiện làm việc khác nhau của trạm tụ bù, các kết quả nhận được từ việc mô phỏng chi tiết có thể giúp người vận hành, thiết kế lưới điện có các cơ sở cần thiết trong việc lựa chọn định mức và mức độ cách điện cơ bản (BIL = basic insulation level) của các máy cắt phù hợp khi thiết kế các trạm tụ, cũng như lựa chọn các biện pháp thích hợp nhằm giảm thiểu các tác động xấu của
Hình 4.9: QĐA trên mạng h áp khi ạ đóng i n vào tr m t phía lđ ệ ạ ụ ưới phân phối
việc đóng cắt trạm tụ như đối với phụ tải (cuộn kháng nối tiếp trên mạch của PWM ASD) hay đối với lưới (điện trở hạn chế dòng cho trạm tụ bù có công suất không lớn, kỹ thuật đóng đồng bộ cho trạm tụ bù có công suất lớn) hay các chống sét thích hợp bảo vệ quá điện áp. Các kết quả về nghiên cứu dạng sóng quá độ này cũng là bước đầu cho các nghiên cứu áp dụng các kỹ thuật xử lý số các tín hiệu trong việc phân tích, nhận dạng, phát hiện sự cố quá điện áp do đóng cắt trên lưới điện trong tương lai.