MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH CÁC QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ XẢY RA KHI THAO TÁC ĐÓNG CẮT BỘ TỤ BÙ Ở TBA 110 kV SỬ DỤNG PHẦN MỀM ATP

PHÂN BAN B2. Truyền tải và phân phối điện

MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH CÁC QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ
XẢY RA KHI THAO TÁC ĐÓNG CẮT BỘ TỤ BÙ
Ở TBA 110 kV SỬ DỤNG PHẦN MỀM ATP
Phan Xuân Tưởng
Trường Cao đẳng Điện lực miền Trung
Tóm tắt: Mô phỏng và phân tích các hiện tượng của quá trình quá độ khi thao tác
đóng cắt bộ tụ điện bù tĩnh trong lưới điện là một khía cạnh trong công tác thiết kế,
lắp đặt vận hành bộ tụ bù. Các hiện tượng này có thể làm hư hỏng cách điện của bộ
tụ và các thiết bị khác trong trạm, gây tác động sai lệch cho mạch bảo vệ, mạch điều
khiển và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng. Dựa vào các
kết quả mô phỏng từ phần mềm ATP để từ đó nhà chế tạo và người vận hành đưa ra
các giải pháp nhằm hạn chế mức thấp nhất quá điện áp khi thao tác đóng bộ tụ bù tại
trạm biến áp 110 kV.
Các trường hợp đóng cắt bộ tụ bù tại trạm biến áp 110 kV sử dụng phần mềm ATP để
mô phỏng bao gồm: mô phỏng các quá trình quá độ xảy ra khi đóng cắt trạm tụ độc
lập, đóng cắt trạm tụ song song 1. Ngoài ra còn mô phỏng hiện tượng phóng điện
trước của máy cắt khi đóng bộ tụ và hiện tượng phóng điện trở lại của máy cắt khi cắt
bộ tụ.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1, 2, 3, 4
Khi một bộ tụ điện 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 rất lớn. Hiện tượng quá điện áp có thể xảy ra và gây hỏng cách điện cho bộ
tụ, làm cho bảo vệ tác động sai lệch, ảnh hưởng đến việc cung cấp điện và chất lượng điện năng.
Các hiện tượng quá độ này cần được nghiên cứu khảo sát bằng phần mềm chuyên dụng ATP.
2.GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
2.1. Mô phỏng đóng điện trạm tụ bù độc lập
2.1.1. Các số liệu cần mô phỏng
Giả sử có bộ tụ bù cao áp dung lượng 50 Mvar, được đóng vào thanh góp có biểu thức điện áp:

u(t )  115 sin(314t   u )kV
Dung kháng của bộ tụ bù C1:

1


HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2014

X C1 

2
U Cdm
115 2

 264,5
Q
50

Điện dung của bộ tụ C1:

C1 

1
1

 12F
. X C1 314.264,5

Giả sử nguồn tại thanh góp có điện trở và điện kháng tương đương:
Điện cảm của nguồn:

Lng = 17,2 mH
Cảm kháng của nguồn:

X Lng  Lng .  17,2.10 3.314  5,4
Điện trở của nguồn:
ng

=1

Biên độ điện áp nguồn tại thanh góp:

U m  115kV
Các số liệu tính toán:
Dòng điện xác lập qua bộ tụ C1:

I xlC1 

Um

z

  arctg

Um
R  ( X Lng  X C1 ) 2
2
ng

 440 A

2,795  242
 90 0
1

Dòng điện xung kích qua bộ tụ C1:

I xkC1  U m .

C1
 3037 A
Lng

Tần số dao động:

f0 

2

1
2 Lng C1



1
2 17,2.10 3.12.10 6

 350( Hz)


PHÂN BAN B2. Truyền tải và phân phối điện

2.1.2. Sơ đồ mô phỏng

Hình 1. Sơ đồ mô phỏng dạng ATP khi đóng bộ tụ độc lập
2.1.3. Kết quả mô phỏng

a. Điện áp nguồn tại thanh góp và điện áp quá độ của bộ tụ C1 khi đóng MC1 tại thời
điểm 5 ms

Điện áp quá độ của bộ tụ C1

Điện áp tại TG

b. Dòng điện xung kích qua bộ tụ khi đóng MC1 tại thời điểm 5 ms

3


HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2014

2.1.4. Nhận xét kết quả mô phỏng
Khi bộ tụ điện được đóng độc lập vào lưới điện tại thời điểm mà điện áp tức thời của nguồn tại
thanh góp và điện áp trên bộ tụ cùng biên độ nhưng ngược pha, lúc đó điện áp đỉnh của bộ tụ
tăng lên 2,86 lần so với biên độ điện áp nguồn tại thanh góp và dòng điện xung kích đỉnh qua bộ
tụ tăng lên khoảng 13 lần so với dòng xác lập qua bộ tụ. Cụ thể là điện áp đỉnh đặt vào bộ tụ C1
là 329 kV, còn dòng điện xung kích đỉnh chạy qua bộ tụ C1 là 6024 A.
2.2. Mô phỏng đóng điện trạm tụ bù song song
2.2.1. Các số liệu cần mô phỏng
Giả sử có bộ tụ bù cao áp C1 đang làm việc, dung lượng 50 Mvar, bộ tụ bù C2 được đóng vào
làm việc song song với bộ tụ C1 tại thanh góp có biên độ điện áp 115 kV. Điện áp định mức bộ
tụ là 115 kV, tần số nguồn 50Hz.

Điện dung của bộ tụ C2:

C2 

1
1

 12F
. X C 2 314.264,5

Giả sử điện kháng của dây nối giữa bộ tụ C1 và C2:
Lnt = 20 mH
Các số liệu tính toán:
Dòng điện xác lập qua bộ tụ C2:

I xlC 2 

U m 115000

 434,78 A
X C2
264,5

Dòng điện xung kích qua bộ tụ C2:

4


PHÂN BAN B2. Truyền tải và phân phối điện

I xkC 2  U m .

CT
C1  C 2
 Um
 3983,72 A
Lnt
Lnt

2.2.2. Sơ đồ mô phỏng

Hình 2. Sơ đồ mô phỏng dạng ATP khi đóng bộ tụ song song
2.3. Kết quả mô phỏng
2.3.1. Điện áp nguồn tại thanh góp và điện áp quá độ của bộ tụ C2 khi đóng MC2
tại thời điểm 5 ms
Điện áp quá độ của bộ tụ C2

Điện áp tại TG

2.3.2. Dòng điện xung kích qua bộ tụ C2 khi đóng MC2 tại thời điểm 5 ms

5


HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2014

2.3.3. Điện áp quá độ của bộ tụ C1 và điện áp quá độ của bộ tụ C2 khi đóng MC2
tại thời điểm 5 ms

Điện áp quá

độ của tụ C1

Điện áp quá độ của tụ C2

2.3.4. Dòng điện xung kích qua bộ tụ C1 và C2 khi đóng MC2 tại thời điểm 5 ms

Dòng xk qua
tụ C1

Dòng xung kích qua bộ tụ C2

6


PHÂN BAN B2. Truyền tải và phân phối điện
2.4. Nhận xét kết quả mô phỏng
Qua kết quả mô phỏng cho thấy, khi đóng bộ tụ C2 vào lưới điện điện áp tức thời của nguồn ở
biên độ cực đại (u -  = 0 ) và điện áp tức thời trên bộ tụ bằng 0 thì biên độ dòng điện xung
kích chạy vào bộ tụ C2 có trị số lớn hơn dòng xung kích chạy vào bộ tụ C1 khi mà đóng độc lập
bộ tụ C1 vào lưới có cùng công suất với bộ tụ C2.Cụ thể là điện áp đỉnh của bộ tụ C1 là 194,98
kV, điện áp đỉnh của bộ tụ C2 là 222,14 kV. Dòng xung kích đỉnh qua bộ tụ C1 là 2986 A, còn
dòng xung kích đỉnh qua bộ tụ C2 là 4251 A.
3. MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN TRƯỚC CỦA MÁY CẮT
3.1. Phân tích hiện tượng
Khi máy cắt đóng điện trạm tụ bù, hiện tượng phóng điện trước có thể xảy ra trong buồng cắt
của máy cắt, hồ quang phát sinh ngay cả trước khi hai tiếp điểm chính tiếp xúc với nhau. Dòng
điện hồ quang có tần số rất cao nên khi qua trị số zero thì nó sẽ bị dập tắt và điện áp trên tụ vẫn
giữ nguyên giá trị mà nó nhận được ở lần phóng điện đầu tiên cho đến khi hai tiếp điểm tiếp xúc
lại hoàn toàn, điện áp trên bộ tụ mới bắt đầu dao động.
3.2. Các số liệu cần mô phỏng

t1 = 5 ms: Thời điểm đóng máy cắt bộ tụ bù
t2 = 6 ms: Thời điểm xảy ra phóng điện hồ quang
t3 = 15 ms: Thời điểm hai tiếp điểm chính của máy cắt tiếp xúc nhau.

3.3. Sơ đồ mô phỏng

Hình 3. Sơ đồ mô phỏng ATP với hiện tượng phóng điện trước
3.4. Kết quả mô phỏng
3.4.1. Điện áp nguồn tại thanh góp và điện áp quá độ của bộ tụ khi đóng bộ tụ bù

7


HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2014

Điện áp
nguồn tại TG

Điện áp quá độ của bộ tụ C1

3.4.2. Dòng điện xung kích qua bộ tụ khi đóng bộ tụ bù

3.4.3. Điện áp giữa hai đầu cực máy cắt tại thời điểm xảy ra phóng điện hồ quang

8


PHÂN BAN B2. Truyền tải và phân phối điện
3.5. Nhận xét kết quả mô phỏng
Qua kết quả mô phỏng cho thấy, khi máy cắt đóng điện trạm tụ bù, hiện tượng phóng điện trước

xuất hiện làm cho quá điện áp của bộ tụ tăng lên gấp 3,7 lần và dòng điện xung kích qua bộ tụ
tăng gấp 19,3 lần so với biên độ điện áp và dòng điện ở chế độ xác lập. Điện áp giữa hai đầu cực
máy cắt tại thời điểm xảy ra phóng điện hồ quang cũng tăng lên rất lớn (khoảng 4,6 lần) so với
biên độ điện áp nguồn. Cụ thể điện áp đỉnh của bộ tụ C1 là 428,44 kV, dòng điện xung kích
đỉnh qua bộ tụ C1 là 8531 A. Điện áp giữa hai tiếp điểm chính của máy cắt là 527,37 kV.
4. MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN TRỞ LẠI CỦA MÁY CẮT
4.1. Phân tích hiện tượng
Khi máy cắt cắt điện trạm tụ bù ra khỏi lưới, hiện tượng phóng điện trở lại có thể 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
(RRV) giữa hai tiếp điểm của máy cắt.
4.2. Các số liệu cần mô phỏng
t1 = 45 ms: Thời điểm máy cắt cắt bộ tụ bù
t2 = 55 ms: Thời điểm xảy ra phóng điện trở lại
t3 = 56 ms: Thời điểm kết thúc quá trình phóng điện
4.3. Sơ đồ mô phỏng

Hình 4. Sơ đồ mô phỏng ATP với hiện tượng phóng điện trở lại của MC
4.4. Kết quả mô phỏng
4.4.1. Điện áp nguồn tại thanh góp và điện áp quá độ của bộ tụ khi cắt bộ tụ bù

9


HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2014

Điện áp nguồn tại
TG

Điện áp quá độ của bộ tụ
C1

4.4.2. Dòng điện xung kích qua bộ tụ khi cắt bộ tụ bù

4.4.3. Điện áp giữa hai đầu cực máy cắt

4.5. Nhận xét kết quả mô phỏng
Qua kết quả mô phỏng cho thấy, khi máy cắt cắt bộ tụ đang làm việc ra khỏi lưới, hiện tượng
phóng điện trở lại làm cho quá điện áp của bộ tụ tăng lên gấp 2,9 lần và dòng điện xung kích
qua bộ tụ tăng gấp 13 lần so với biên độ điện áp và dòng điện ở chế độ xác lập của tụ. Điện áp

10


PHÂN BAN B2. Truyền tải và phân phối điện
giữa hai đầu cực máy cắt cũng tăng lên rất lớn (khoảng 7 lần) so với biên độ điện áp nguồn tại
thanh góp. Cụ thể điện áp đỉnh của bộ tụ C1 là 331,79 kV, dòng điện xung kích đỉnh qua bộ tụ
C1 là 5974 A. Điện áp giữa hai tiếp điểm chính của máy cắt là 821,7 kV.
5. KẾT LUẬN


Khi bộ tụ điện được đóng độc lập vào lưới điện tại thời điểm mà điện áp tức thời của nguồn
tại thanh góp và điện áp trên bộ tụ cùng biên độ nhưng ngược pha, lúc đó điện áp đỉnh của
bộ tụ tăng lên 2,86 lần so với biên độ điện áp nguồn tại thanh góp và dòng điện xung kích
đỉnh qua bộ tụ tăng lên khoảng 13 lần so với dòng xác lập qua bộ tụ. Đây là trường hợp nguy
hiểm nhất. Cho nên không được đóng bộ tụ vào lưới trong trường hợp này;

 Khi đóng thêm một bộ tụ vào làm việc song song với một bộ tụ đang làm việc thì điện áp
đỉnh của bộ tụ mới có trị số lớn hơn điện áp đỉnh của bộ tụ đang làm việc (tăng 1,14 lần)
và dòng điện xung kích đỉnh của bộ tụ mới cũng tăng lên 1,42 lần so với dòng xung kích
đỉnh qua bộ tụ đang làm việc. Điều này được giải thích là do phóng điện từ bộ tụ đang

làm việc sang bộ tụ mới được đóng vào làm việc song song với nó;
 Hiện tượng phóng điện trước khi đóng MC tụ bù và hiện tượng phóng điện trở lại khi cắt
MC tụ bù, qua mô phỏng cũng cho thấy quá điện áp và dòng xung kích đã tăng lên rất lớn
so với chế độ xác lập. Đặc biệt là quá điện áp giữa hai tiếp điểm MC khi MC cắt bộ tụ
(tăng lên khoảng 7 lần so với điện áp định mức bộ tụ);
 Phần mềm ATP 5 là công cụ hữu ích để mô phỏng và tính toán các quá trình quá độ xảy
ra khi thao tác đóng cắt bộ tụ bù trong lưới điện. Thực tế thì mỗi hệ thống và mỗi bộ tụ
thì khác nhau, cho nên người thiết kế phải biết phân tích, mô phỏng nhằm đưa ra các kết
quả để từ đó lựa chọn giải pháp phù hợp nhất để đóng cắt bộ tụ bù nhằm mang lại hiệu
quả cao. Hiện nay với kỹ thuật đóng MC qua điện trở trước được xem là giải pháp hiệu
quả nhất. Điều này được kiểm chứng thông qua mô phỏng trên phần mềm ATP.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

Đinh Thành Việt – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, “Khảo sát các hiện tượng xảy ra khi đóng
bộ tụ điện vào lưới điện có một bộ tụ khác ghép song song đang hoạt động sử dụng
phần mềm ORCAD(phần PSPICE)”.

[2]

NEPSI,Northeasr Power Systems Inc “Capacitor Bank Switching Transients”.

[3]

MF,Iizarry, PREPA T.E, “Mitigation of Back to Back Capacitor Switching Transients on
Distribution Circuits”.

[4]

Govind Gopakumar, Huihua Yan “Shunt Capacitor Bank Switching Transients, A Tutorial
and Case Study ”.

[5]

László Prikler, Hans Kristian Høidalen, “Users' Manual ATPDRAW”, Version 5.0p7 for
Windows 9x/NT/2000/XP, Norway.

11


HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2014

12


13