KHẢO SÁT CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA KHI ĐÓNG BỘ TỤ ĐIỆN BÙ TĨNH VÀO LƯỚI ĐIỆN CÓ MỘT BỘ TỤ KHÁC GHÉP SONG SONG ĐANG HOẠT ĐỘNG

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

294
KHẢO SÁT CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA KHI ĐÓNG BỘ TỤ ĐIỆN BÙ
TĨNH VÀO LƯỚI ĐIỆN CÓ MỘT BỘ TỤ KHÁC GHÉP SONG SONG
ĐANG HOẠT ĐỘNG
AN INVESTIGATION INTO THE EFFECTS PRODUCED BY SWITCHING A
CAPACITOR IN THE POWER SYSTEM WITH A PARALLEL OPERATING
CAPACITOR

Đinh Thành Việt
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Bành Quốc Hùng
Công ty Điện lực Bình Định

TÓM TẮT
Khi bộ tụ điện bù tĩnh được đóng vào lưới điện, điện áp và dòng điện xung kích với
biên độ lớn có thể gây ra các hiện tượng ảnh hưởng đến bộ tụ điện và hệ thống mà nó được
đấu nối. Để khảo sát các hiện tượng này, đặc biệt là trường hợp khi có một bộ tụ bù khác ghép
song song đang hoạt động sẵn, trong bài báo sử
dụng phần mềm ORCAD (phần PSPICE) mô
phỏng và phân tích các hiện tượng có thể xảy ra trên bộ tụ điện bù tĩnh khi đóng điện vào lưới
điện trong các trường hợp khác nhau tại những thời điểm đóng khác nhau với giá trị điện áp
trên tụ khác nhau. Kết quả mô phỏng cho phép xác định được các giá trị biên độ điện áp và
dòng điện, phân tích được các tình huống nguy hiểm khi xuất hiệ
n quá điện áp và quá dòng đối
với tụ điện.
ABSTRACT
In switching a power capacitor in the operating power system, the voltage and inrush
current with great amplitude may cause phenomena affecting the capacitor and other connected
components of the power system. This paper presents the application of the ORCAD software

(PSPICE) in simulation and an analysis of the phenomena which may appear when a capacitor
is connected to the power system with a parallel operating capacitor at different switching times
and different values of voltage on the capacitor. The simulation results in determining voltage
and current and analyzing possibly dangerous conditions of overvoltage and overcurrent to a
power capacitor.

1. Đặt vấn đề
Khi một bộ tụ điện bù tĩnh được nạp hay phóng điện trong hệ thống lưới điện,
điện áp và dòng điện với biên độ lớn có thể gây ra các hiện tượng ảnh hưởng đến bộ tụ
và hệ thống mà nó được đấu nối như quá điện áp, phóng điện hồ quang dẫn đến có thể
làm hư hỏng đến các thiết bị hay gây ra tác động sai lệch cho mạch điều khiển, bảo vệ
[1, 3, 4]. Đặc biệt cần xét đến trường hợp hay gặp trong lưới điện là đã có sẵn 1 bộ tụ
điện bù tĩnh đang hoạt động song song. Khi bộ tụ được đóng vào lưới điện, một dòng
điện xung kích sẽ chạy vào bên trong bộ tụ để cân bằng điện áp của lưới điện và điện áp
trên bộ tụ. Dòng điện xung kích có thể có tần số dao động và biên độ lớn. Hiện tượng
quá điện áp có thể xảy ra trong trường hợp này. Các hiện tượng này cần được nghiên
cứu khảo sát, nhất là đối với các tụ điện có công suất lớn đặt tại các trạm biến áp 110kV
trở lên trong hệ thống điện.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

295
2. Giải quyết vấn đề
2.1. Mô phỏng đóng điện cho 1 bộ tụ điện bù tĩnh vào lưới điện có một bộ tụ điện bù
tĩnh khác ghép song song đang hoạt động:
Giả thiết bộ tụ điện bù tĩnh C
2
được đóng vào lưới điện khi có bộ tụ điện bù tĩnh
C
1
cùng công suất bằng 50MVAr ghép song song đang hoạt động với điện áp nguồn

()
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−−+=
2
sin115
π
ϕψω
u
ttu ở tần số 50Hz có sơ đồ như ở hình 1:

Hình 1. Sơ đồ mô phỏng đóng điện cho bộ tụ bù vào lưới điện
khi có một bộ tụ khác ghép song song đang hoạt động
trong đó:
V
1
= 115kV: điện áp nguồn,
L
1
= 17,2mH: điện cảm nguồn với điện kháng nguồn X
L
= 5,4Ω,
L
2
= 20mH: điện cảm nối giữa hai bộ tụ C
1

và C
2
,
R
1
= 1Ω: điện trở nguồn,
C
1
= C
2
= 12µF: điện dung của hai bộ tụ bù có cùng công suất bằng 50MVAr,
điện áp 115kV,
V, I: điện áp và dòng điện đo được khi đóng MC,
IC: điện áp trên bộ tụ C
2
trước khi đóng MC.
Kết quả khảo sát dòng điện và điện áp trên bộ tụ bù của chương trình mô phỏng
bằng phần mềm ORCAD (phần PSPICE) [2] khi đóng điện cho bộ tụ bù C
2
vào lưới
điện khi có bộ tụ bù C
1
ghép song song đang hoạt động cho các trường hợp khi điện áp
trên tụ U
C2
= 0, 50%, 100%U
m-nguồn
tại các thời điểm đóng ở 0ms, 5ms, 10ms, 15ms
ứng với giá trị điện áp tức thời của nguồn ở biên độ cực đại. Các đồ thị kết quả mô
phỏng điển hình cho trường hợp ví dụ khi đóng bộ tụ bù lúc điện áp trên tụ U

c
=
100%U
nguồn
tại các thời điểm nói trên được thể hiện ở bên dưới:
+ Đóng ở 0 ms:
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

296
Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn:
Time
0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms
V(L1:1) V(U1:1)
-240KV
-160KV
-80KV
0V
80KV
160KV
240KV

Dòng điện chạy vào bộ tụ:
Time
0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms
-I(C1)
-5.0KA
-2.5KA
0A
2.5KA
5.0KA

+ Đóng ở 5 ms:
Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn:
Time
0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms
V(L1:1) V(U1:1)
-150KV
-100KV
-50KV
0V
50KV
100KV
150KV

Dòng điện chạy vào bộ tụ:
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

297
Time
0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms
-I(C1)
-800A
-400A
0A
400A
800A

+ Đóng ở 10 ms:
Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn:
Time

0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms
V(L1:1) V(U1:1)
-240KV
-160KV
-80KV
0V
80KV
160KV
240KV

Dòng điện chạy vào bộ tụ:
Time
0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms
-I(C1)
-5.0KA
-2.5KA
0A
2.5KA
5.0KA

+ Đóng ở 15 ms:
Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn:
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

298
Time
0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms
V(L1:1) V(U1:1)
-400KV
-300KV

-200KV
-100KV
0V
100KV
200KV
300KV
400KV

Dòng điện chạy vào bộ tụ:
Time
0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms
-I(C1)
-8.0KA
-6.0KA
-4.0KA
-2.0KA
0A
2.0KA
4.0KA
6.0KA
8.0KA

2.2. Tổng hợp kết quả mô phỏng
Biên độ cực đại điện áp / Biên độ cực đại dòng điện trên bộ tụ C
2
(kV/kA)
Thời điểm đóng tụ (ms) Điện áp trên tụ
U
C

0 5 10 15
0 1,156/1,64 1,96/9,49 1,17/2,23 1,97/10,27
50% U
m nguồn
1,5/5,26 1,48/5,1 1,43/5,8 2,4/14,46
100% U
m nguồn
1,9/9,14 1,12/1,55 1,76/10 2,8/17,7
Trong bảng kết quả trên, giá trị biên độ cực đại điện áp và dòng điện trên bộ tụ
C
2
ghi nhận được trong chương trình mô phỏng so sánh với điện áp định mức và dòng
điện xác lập qua tụ C
2
, với:
+ Điện áp định mức của tụ:
kVU
dm
115
=
.
+ Biên độ dòng điện xác lập qua tụ C
2
:
2
2
C
m
xlC
X

U
I =

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

299
với Ω=
×
==
−
4,265
31410.12
11
6
2
2
ϖ
C
X
C
kA
X
U
I
C
m
xlC
433,0
4,265
10.115

3
2
2
===⇒
2.2. Nhận xét
Theo tính toán khi đóng bộ tụ bù C
1
vào lưới điện trong trường hợp 3.1 mà điện
áp tức thời của nguồn ở biên độ cực đại ( 0
=
−
ϕ
ψ
u
) và điện áp trên tụ bằng 0 thì biên
độ dòng điện xung kích chạy qua bộ tụ C
1
bằng:
037,3
1
1
1
==
L
C
UI
mmC
xk
(kA)
Khi máy cắt đóng bộ tụ C

2
vào lưới điện có bộ tụ C
1
ghép song song đã được
đóng điện trước đó thì bộ tụ C
1
sẽ phóng điện qua bộ tụ C
2
. Dòng điện xung kích từ hệ
thống và bộ tụ C
1
có biên độ lớn chạy vào bộ tụ C
2
để cân bằng điện áp của hệ thống
lưới điện và điện áp trên bộ tụ. Biên độ của dòng điện xung kích chạy vào bộ tụ C
2
được
tính như sau.
Theo công thức (3.10), biên độ của dòng điện xung kích chạy bộ tụ C
2
là:
2
2
L
C
UI
T
mmC
=
, với điện dung tương đương:

()
FCC
T
6
1
10.242122
−
=×== nên:
Biên độ dòng điện xung kích:
()
kAI
mC
4
10.20
10.24
115
3
6
2
≈=
−
−

Theo kết quả mô phỏng, biên độ của dòng điện xung kích chạy qua bộ tụ C
2
:
I
mC2xk
= 4,11 (kA).
Qua kết quả khi đóng bộ tụ bù C

2
vào lưới điện mà điện áp tức thời của nguồn ở
biên độ cực đại ( 0=−
ϕ
ψ
u
) và điện áp trên tụ bằng 0 thì biên độ dòng điện xung kích
chạy vào bộ tụ C
2
có giá trị lớn hơn khi đóng bộ tụ C
1
có cùng công suất được đóng
vào hệ thống lưới điện trước đó. Quá điện áp trong trường hợp này có biên độ rất lớn
(khoảng 2 lần điện áp định mức của bộ tụ) với khoảng thời gian bằng 0,16s có thể gây
hư hỏng cách điện của bộ tụ.

3. Kết luận
Trong quá trình đóng một bộ tụ bù vào lưới điện khi có một bộ tụ bù khác ghép
song song đang hoạt động tại những thời điểm đóng khác nhau với giá trị điện áp trên tụ
khác nhau nhận được các giá trị biên độ điện áp và dòng điện theo kết quả mô phỏng
như sau:
+ Khi bộ tụ điện được đóng vào lưới điện mà điện áp tức th
ời của nguồn và điện
áp trên tụ cùng biên độ cực đại nhưng ngược pha, lúc đó điện áp trên tụ tăng lên 2,8 lần
so với điện áp định mức và dòng điện có thể tăng lên đến 17-18 lần so với dòng xác lập
qua tụ. Đây là trường hợp nguy hiểm nhất khi đóng tụ vào trong lưới điện.
+ Khi bộ tụ điện được đóng vào lưới đ
iện mà điện áp tức thời của nguồn ở biên
độ cực đại và điện áp trên tụ bằng không lúc đó điện áp trên tụ là 1,96 lần so với điện áp
định mức và dòng điện tăng lên đến 9-10 lần so với dòng điện xác lập qua tụ.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

300
+ Khi bộ tụ điện được đóng vào lưới điện mà điện áp tức thời của nguồn và điện
áp trên tụ cùng biên độ và cùng pha hoặc cùng bằng giá trị không thì lúc đó quá điện áp
trên bộ tụ hầu như không xảy ra.
Qua kết quả khảo sát như trên, khi đóng điện cho bộ tụ bù vào hệ thống lưới
điện nên chọn thời điểm lúc giá trị
tức thời của điện áp hệ thống lưới điện và điện áp
trên bộ tụ bù cùng biên độ và cùng pha hoặc cùng bằng giá trị không sẽ ít gây nguy
hiểm cho bộ tụ.
Ngoài ra, để khắc phục khi dòng điện xung kích vượt quá giới hạn cho phép
thường thực hiện các biện pháp như sau:
+ Nối điện kháng X
L
trong mạch để giảm biên độ và tần số dao động của dòng
điện xung kích.
+ Khi đóng cắt các bộ tụ có công suất lớn vào lưới điện nên đóng cắt từng phần
công suất của bộ tụ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bành Quốc Hùng, Khảo sát quá trình quá độ khi đóng cắt bộ tụ điện bù tĩnh,
Đà Nẵng, 2005.
[2]
Phạm Quang, Nguyễn Phương Quang, Vẽ phân tích và mô phỏng mạch điện với
ORCAD 9.0, NXB Thống kê, 2002.
[3]
Green Wood, Electrical transients in power systems, 1993.
[4]

Power capacitor seminar tổ chức tại Mỹ (1996) và tại Nha Trang (2003), hãng
Cooper Power systems.