Để tạo ra một phần hoặc toàn bộ quá trình tự động trong sản xuất, các thiết bị điện quan trọng trong nhà máy thường được tích hợp từ các phần tử điều khiển điện, điện tử, các thiết bị đó có thể là các bộ điều khiển vi xử lý, máy vi tính, robot công nghiệp, các hệ truyền động có điều khiển tốc độ, các thiết bị điều khiển trong hệ thống thông tin công nghiệp.v.v.
Tuy nhiên các thiết bị này rất nhạy cảm với các nhiễu loạn điện áp do các biến cố trên lưới điện gây nên như: Hài điện áp, điện áp mất đối xứng, quá độ điện áp... mà đặc biệt là lõm điện áp là những yếu tố nghiêm trọng, gây nên sự dừng máy móc, thiết bị trong các xí nghiệp công nghiệp và hậu quả cuối cùng là tổn thất về mặt tài chính. Những vẫn đề đó đã trở nên thách thức đối với nhà cung cấp năng lượng điện và cả phía khách hàng là các xí nghiệp công nghiệp.
4.1.1 Ảnh hưởng của lõm điện áp đến thiết bị điện công nghiệp
Các thiết bị điện tử đòi hỏi chất lượng điện cao hơn so với hầu hết các tải khác, nó nhạy cảm với các các nhiễu loạn điện áp, đặc biệt là lõm điện áp, chỉ cần nhiễu loạn điện áp đủ lớn, ngắn từ 0,5 chu kỳ cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của tải điện tử nhạy cảm.
Bên cạnh đó những thiết bị đã có từ lâu như động cơ cảm ứng, máy biến áp, thiết bị chiếu sáng...cũng không tránh khỏi sự tác động từ lõm điện áp. Các phân tích cụ thể sau đây về ảnh hưởng của lõm điện áp đến các nhóm thiết bị quan trọng và thường gặp trong các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp hiện nay.
96
Hệ truyền động điều khiển dòng xoay chiều
Các mạch truyền động này thông thường nhất là các bộ biến đổi tần số hình 4.1. Khi xuất hiện suy giảm điện áp tức thời do lõm điện áp gây ra trong lưới cung cấp, dẫn đến điện áp ra của bộ biến tần cũng bị ảnh hưởng giảm điện áp. Sự giảm điện áp này phụ thuộc vào điện dung của tụ điện của biến tần, sự tiêu thụ năng lượng qua động cơ và độ sâu giảm điện áp.
Hình 4.1 Sơ đồ hệ truyền động động cơ xoay chiều bằng biến tần [2,63]
Sự giảm điện áp qua bộ biến đổi trung gian có thể gây ra tác động của mạch bảo vệ thấp áp của hệ thống và gây ngừng hoạt động động cơ. Sự giảm điện áp cũng có thể là nguyên nhân thay đổi tốc độ góc động cơ, như vậy trong một số áp dụng có thể gây hỏng sản phẩm. Do sự tích năng lượng của tụ điện sau khi kết thúc giảm áp xảy ra sự tiêu thụ dòng điện lớn, như vậy có thể gây tác động (các phần tử) bảo vệ dòng quá tải và làm ngừng hoạt động mạch truyền động.
Các kết quả nghiên cứu đã công bố cho thấy sự nhạy cảm rất lớn của mạch truyền động có bộ biến đổi với sự giảm điện áp [14]. Trong một số trường hợp các mạch truyền động này còn nhạy cảm hơn các thiết bị điện tử thỏa mãn các yêu cầu quy định bởi các đặc tính của tiêu chuẩn CBEMA hoặc ITIC.
Đã có nhiều đề xuất cho phương pháp tăng khả năng chống giảm điện áp. Các phương pháp thường dùng nhất là:
- Tăng điện dung của tụ điện trong mạch trung gian bộ biến tần. Nhưng, phương pháp này có thể không kinh tế đối với mạch truyền động công suất lớn.
- Mắc cuộn chặn nối tiếp trên đầu vào mạch có giá trị 3%-5%.
- Cải tiến hệ chỉnh lưu sao cho có thể tích lũy bổ sung năng lượng cho tụ điện trong khi giảm điện áp.
Hệ truyền động điều khiển dòng một chiều
Sơ đồ mạch truyền động một chiều cung cấp từ bộ chỉnh lưu có điều khiển được trình bày ở hình 4.2.
Hình 4.2 Sơ đồ mạch truyền động điện một chiều với động cơ kích thích độc lập, [2].
Lõm điện áp ảnh hưởng đối với các bộ truyền động kiểu này còn hơn các bộ mạch truyền động dòng xoay chiều cung cấp từ các bộ biến đổi trung gian như trường hợp trên.
Sự giảm điện áp dẫn đến sự giảm tức thời từ thông, do hằng số thời gian cuộn kích thích là lớn, việc trở về của điện áp sau khi giảm gây ra dòng lớn trong mạch cuộn dây phần ứng và
BBĐ AC/DC
Nguồn
BBĐ DC/AC
Tụ DC
Bộ lọc AC
BBĐ AC/DC
BBĐ AC/DC_KT Nguồn
97
thay đổi đột ngột tốc độ. Ngoài ra có thể dẫn đến phát hiện nhầm điểm chuyển mạch tự nhiên, như vậy kết quả là có thể dẫn đến hoạt động chuyển mạch không đúng, thậm chí có thể làm hỏng bộ biến đổi. Thiết bị được cung cấp từ các bộ chỉnh lưu cũng có thể nhạy cảm với sự thay đổi điện áp DC gây ra sự giảm điện áp nguồn. Trong trường hợp bất lợi nhất có thể dẫn đến ngắt mạch thiết bị này bởi hệ thống bảo vệ.
Các động cơ cảm ứng cấp nguồn trực tiếp từ lưới
Đối với các động cơ cảm ứng kết nối trục tiếp từ lưới điện, khi lõm xảy ra sự suy giảm điện áp tức thời dẫn đến sự thay đổi tốc độ góc, dòng điện lớn và sự thay đổi đột ngột mô men quay, vì mômen của động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp. Yếu tố ảnh hưởng bổ sung vào sự thay đổi của động cơ là sự không đối xứng của nguồn trong khi giảm điện áp và thời điểm xảy ra giảm áp do chuyển pha điện áp qua không. Các mạch truyền động này thể hiện sự nhạy cảm đặc biệt từ việc khởi động qua các hệ thống khởi động mềm (softstart), hoặc chuyển đổi sao–tam giác. Các điều kiện làm việc của động cơ trong khi giảm gần với trạng thái khởi động trực tiếp và các dòng điện có thể vượt quá nhiều lần so với dòng điện cho phép. Trong nhiều công trình cũng khẳng định ảnh hưởng xấu của sự thay đổi pha điện áp nguồn đến hoạt động của động cơ không đồng bộ. Các động cơ đồng bộ cũng bị nhạy cảm với sự giảm điện áp.
Sự xuất hiện không cân bằng trong điện áp nguồn gây ra mômen bổ sung liên quan đến thành phần thứ tự ngược của điện áp. Điều này gây ra sự giảm mô men có ích trên trục động cơ, sự tỏa nhiệt tăng trong các cuộn dây và tăng tổn hao công suất liên quan đến các dòng điện cảm ứng trong phần tĩnh và phần động. Trong các điều kiện như thế dòng điện động cơ có thể lớn hơn dòng điện danh định nhiều lần (phụ thuộc vào mức độ không đối xứng). Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm khẳng định rằng các động cơ không đồng bộ chịu đựng được sự không đối xứng liên tục tới 2%, theo[14].
Ảnh hưởng đến thiết bị đo lường điện tử, tự động công nghiệp và thiết bị văn phòng
Trong các thiết bị kiểu này hệ thống nguồn có phần mạch chỉnh lưu không điều khiển với tụ điện một chiều. Như vậy, nhạy cảm với sự suy giảm điện áp tức thời từ lõm điện áp liên quan đến lượng năng lượng được tích trữ trong tụ điện và sự tiêu thụ tức thời năng lượng này bởi thiết bị. Với mục tiêu đảm bảo hoạt động đúng quy định để nhiễu loạn điện áp không gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị, quan trọng là đảm bảo được các đặc tính của ITIC [20] (Information Technology Industry Coucil), CBEMA (Computer Business Manufacturers Association) và SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International Group) [27].
Theo các báo cáo khác nhau, với các hệ PLC (programmable logic controller) thì giá trị điện áp trong thời gian giảm có thể từ 50% đến 60% . Tuy nhiên đó là các giá trị điển hình, nhưng một số thiết bị có thể có độ nhạy cảm lớn hơn. Các hiệu ứng khác nhau của sự giảm điện áp là làm nhiễu hoạt động hệ thống qua việc thay đổi một hoặc nhiều trạng thái logic.
Sự giảm điện áp cũng có thể gây ra ngắt mạch các tiếp điểm của công tằc tơ. Sự giảm điện áp dưới 90% giá trị định mức trong thời gian dài hơn một chu kỳ có thể gây hở tiếp điểm.
Ngoài ra, một số thiết bị chính xác như các rôbốt công nghiệp yêu cầu điện áp nguồn một chiều có sai số rất nhỏ. Sự thay đổi điện áp này do giảm điện áp dẫn đến ngắt mạch các thiết bị này qua mạch bảo vệ. Một số lượng lớn thiết bị đo lường được định chuẩn trong điều kiện điện áp nguồn hình sin. Như vậy, việc cung cấp điện áp thiếu và méo dạng sẽ dẫn đến tăng lỗi đo của các thiết bị đó.
98
Ảnh hưởng đến các biến áp năng lượng
Sự xuất hiện giảm điện áp nguồn trên cuộn sơ cấp của biến áp dẫn đến xuất hiện thành phần từ thông một chiều. Giá trị của nó phụ thuộc vào thời điểm xảy ra sự giảm trên đường cong điện áp. Như vậy, việc trở lại của điện áp có thể dẫn đến tăng giá trị tức thời từ thông trên giá trị tối đa đối với phần đường đặc tính từ hóa, như vậy, máy biến áp sẽ đi vào trạng thái bão hòa [23].
Ảnh hưởng đến các đèn phóng điện và sợi nung
Các đèn cao áp hơi và thủy ngân đòi hỏi giá trị điện áp cực tiểu nhất định để duy trì khả năng tạo phóng hồ quang. Giá trị điện áp đó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và khó đưa ra một giá trị cụ thể. Trong tài liệu thông thường nhất đưa ra 45% điện áp danh định trong thời gian dài hơn hai chu kỳ. Nhưng, một số kiểu đèn đã tắt khi điện áp giảm dưới 80%
điện áp danh định . Sự đóng lại nguồn cho đèn đòi hỏi thời gian từ một đến vài phút để nguội và nung nóng trở lại. Các dữ liệu rất chi tiết có thể tìm thấy trong công bố các kết quả thử nghiệm các đèn có khí. Sự dao động điện áp cũng có ảnh hưởng nhất định đến cường độ ánh sáng tạo ra bởi các đèn đó [23].
4.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của lõm điện áp đối với một xí nghiệp công nghiệp điển hình.
Để có những kết quả phản ánh sát thực hơn về những ảnh hưởng của lõm điện áp đối với các ngành công nghiệp trên thế giới cũng như ở Việt Nam, đồng thời để có những giải pháp cho các xí nghiệp công nghiệp trước sự tác động của các biến cố điện áp trên lưới, một khảo sát thực tế về các biến cố điện áp đối với một xí nghiệp công nghiệp điển hình là điều rất cần thiết cho nghiên cứu áp dụng trong luận án này. Khảo sát được lựa chọn thực hiện tại hệ thống cung cấp điện của một xí nghiệp công nghiệp điển hình thuộc ngành xi măng, đó là nhà máy xi măng Hoàng Mai thuộc tĩnh Nghệ An.
Nhà máy xi măng Hoàng Mai sử dụng dây chuyền sản xuất xi măng, trong đó có nhiều thiết bị làm việc với yêu cầu về chất lượng điện áp theo tiêu chuẩn châu Âu. Tính từ đầu năm 2008 đến nay nhà máy bị dừng hoạt động khoảng 150 lần, với mỗi lần dừng lò tổn thất lên đến từ 100.000000 đồng VN đến 120.000000 đồng VN, tài liệu [13]. Những biến cố từ lưới điện đã làm một số thiết bị điện nhạy cảm quan trọng trong nhà máy ngừng hoạt động, đặc biệt trong đó có động cơ quạt ID 142 kết nối biến tần, được dùng để tạo áp suất âm trong hệ thống lò nung Clinker bị liên tục ngừng hoạt động, dẫn đến các công đoạn khác trong dây chuyền sản xuất cũng bị dừng theo. Các sản phẩm của nhà máy vì thế mà bị kém chất lượng, trở thành phế phẩm, quá trình sản xuất của nhà máy bị đình trệ và cuối cùng là những tổn thất về tài chính đối với nhà máy là rất lớn.
Cuộc khảo sát được bắt đầu từ tháng 5 năm 2008 đến tháng 12 năm 2012 và được chia làm hai giai đoạn, với các nội dung như sau.
- Khảo sát đánh giá thực trạng hệ thống lưới điện của nhà máy.
- Khảo sát tìm nguyên nhân dẫn đến các biến cố điện áp trên lưới điện tác động đến hoạt động của thiết bị nhà máy.
Mục tiêu của cuộc khảo sát là để:
- Xác định hiện trạng lưới điện hiện tại của nhà máy. Chỉ ra nguyên nhân, đặc điểm và mức độ ảnh hưởng của biến cố điện áp trên lưới điện, gây dừng máy ở một số thiết bị điện nhạy cảm quan trọng, tác động đến hoạt động bình thường của toàn nhà máy.
- Đưa ra các giải pháp giảm thiểu tác động của các nhiễu loạn điện áp, trong đó đề xuất giải pháp nghiên cứu áp dụng DVR để khôi phục điện áp trên tải nhạy cảm quan trọng tại lưới điện Hoàng Mai.
99
4.1.2.1 Mô tả hệ thống và kết quả khảo sát
Mô tả hệ thống cấp điện thông qua sơ đồ vị trí địa lí, các sơ đồ của các tuyến đường dây, các trạm biến áp trong hệ thống cung cấp điện được giới hạn khảo sát từ trạm 220kV Nghi Sơn Thanh Hóa đến trạm nhà máy xi măng Hoàng Mai, được tác giả thống kê đưa vào phụ lục 2 của luận án này, tài liệu [13].
Kết quả khảo sát bao gồm.
- Thống kê các số liệu kỹ thuật của hệ thống bao gồm tham số các tuyến đường dây, các trạm biến áp, hệ thống tụ bù và tham số tải nhạy cảm điển hình là động cơ quạt ID-142.
- Thống kê các biến cố điện áp trên lưới điện Hoàng Mai ở vị trí có cấp điện áp 110kV.
Tất cả các kết quả khảo sát được tác giả tổng hợp cho ở phần phụ lục 2 của luận án này.
Sau đây hiện trang của lưới điện 220kV Nghi Sơn và lưới điện Hoàng Mai được xác định thông qua kết quả khảo sát thực tế.
4.1.2.2 Hiện trạng lưới điện 220/110kV Nghi Sơn và các biến cố điện áp trên lưới điện Hoàng Mai
Hiện trạng của lưới điện 220kV Nghi Sơn và lưới điện nhà máy xi măng Hoàng Mai đã được tác giả khảo sát tổng hợp từ số liệu thực tế cũng như nắm bắt thông tin từ các kỹ thuật viên đang vận hành hệ thống để đưa ra các kết quả sau đây.
Về trạm nguồn và lưới 220kV. Trạm 220kV Nghi Sơn Thanh Hóa là trạm nguồn cấp điện cho trạm 110 kV của nhà máy xi măng Hoàng Mai, 5 trạm của 5 huyện phía bắc Nghệ An và 3 trạm của 3 huyện phía nam Thanh Hóa. Đến năm 2009 trạm Nghi Sơn đã mang tải là 95% và thường quá tải trong những giờ cao điểm, đến đầu năm 2010 đã bị quá tải 10%.
Về các trạm và lưới điện 110kV. Các trạm 110kV Quỳnh Lưu, Diễn Châu đã bị quá tải, các trạm khác không bị quá tải, dây dẫn của các tuyến vẫn được đảm bảo. Điện áp trên lưới điện 110kV thường xuyên thiếu ổn định đặc biệt vào các giờ cao điểm trong ngày, điện áp thay đổi trong phạm vi từ 82,5kV đến 118 kV. Hệ thống tụ bù lắp đặt và bù phía 110kV của trạm nguồn Nghi Sơn và được sữ dụng thường xuyên vào những giờ cao điểm.
Về các trạm và lưới điện nhà máy xi măng Hoàng Mai. Các trạm và các tuyến đường dây của nhà máy không bị quá tải. Điện áp phía 110kV tại trạm nguồn của nhà máy thường xuyên xuất hiện các nhiễu loạn điện áp gây ngừng các thiết bị quan trọng của nhà máy.
Xuất hiện những nhiễu loạn điện áp trên lưới 110kV. Có thể phân ra ba dạng nhiễu loạn điển hình thường xuyên xuất hiện trên lưới 110kV như sau:
- Thay đổi điện áp trên hệ thống lưới điện, nguyên nhân đầu tiên là trạm nguồn Nghi Sơn Thanh Hóa bị quá tải dẫn đến tại các giờ cao điểm điện áp lưới bị giảm xuống. Thứ hai là do các thao tác của nhà vận hành lưới điện như: đóng cắt điều chỉnh phụ tải, chuyển đổi nấc trên máy biến áp để điều chỉnh điện áp dưới tải hay thay đổi các lộ phụ tải trên lưới với mục đích đảm bảo điện áp của lưới và giảm quá tải tại những giờ cao điểm do nhu cầu dùng điện. Điện áp trên các trạm 110kV thường bị thay đổi từ 82,5kV đến 118 kV.
- Dao động và thay đổi điện áp tại thời điểm đóng hoặc cắt hệ thống tụ bù tại trạm Nghi Sơn. Hệ thống tụ bù tại đầu ra cấp 110kV (hạ áp) được đưa vào hoạt động tại các giờ cao điểm. Tuy nhiên hoạt động của hệ thống tụ bù ở đây lại không hợp lý, việc đóng cắt hệ thống tụ bù chỉ ở một cấp duy nhất dẫn đến tại thời điểm đóng hoặc cắt tụ bù gây ra chênh lệch và xáo trộn điện áp lưới lớn, cụ thể là gây dao động điện áp lưới với sự xuất hiện các hài có tần số cao hơn tần số cơ bản thường là hài bậc 3 và bậc 5, gây nên méo dạng điện áp lớn. Chênh lệch điện áp từ 8,25kV đến 16,5kV và thời gian dao động khoảng 1,5s.
- Lõm (sag) điện áp mà nguyên nhân đặc trưng là do ngắn mạch hoặc khởi động các phụ tải công suất lớn, hoặc do thao tác vận hành đóng cắt trên lưới điện, chuyển đổi nấc