Một số vấn đề về chất lượng điện năng khi điện khí hóa đường sắt ở việt nam

1

Chương 1
GIỚI THIỆU
1.1

Giới thiệu chung
Hiện nay, nhu cầu phát triển của các hộ tiêu thụ điện trong nước ngày

càng đa dạng và phong phú. Ngành điện phải đối mặt với nhiều thử thách trong
giai đoạn tái cơ cấu ngành điện: đáp ứng đủ nhu cầu tải điện, xây dựng cơ sở hạ
tầng truyền tải, lưới phân phối, an ninh hệ thống, chất lượng điện năng và
cạnh tranh giá cả…Tất cả những thử thách này nhằm đáp ứng cho sự phát triển
bền vững và toàn diện của hệ thống Việt Nam. Trong khi đó, sự phát triển của
các loại hình phụ tải hiện đại ngày càng nhiều, đều rất nhạy cảm với chất lượng
điện năng hoặc cũng chính nó là tác nhân gây nên sự suy giảm chất lượng điện
năng khi kết nối lưới.
Trong những năm gần đây, sự phát triển của thyristor điện tử công suất
lớn đã góp phần đáng kể đến giải pháp nâng cao ổn định hoạt động truyền tải điện
năng. Hơn thế nữa, một trong số những ứng dụng của thyristor công suất lớn
đó là tạo dựng nên thế hệ thiết bị Hệ thống truyền tải linh hoạt xoay chiều hay
còn gọi tắt là thiết bị FACTS (Flexible Alternatng Current Transmission System).
FACTS được biết đến là thiết bị bù tĩnh có điều khiển, đáp ứng nhanh công suất
lớn, triệt têu sóng điều hòa, cản diệu dao động điện áp hoặc phục hồi điện áp
động…. Thế hệ thiết bị FACTS có thể phân thành hai: thế hệ sử dụng thyristor (ví
dụ: Cuộn kháng được điều khiển bởi thyristor – Thyristor Controlled Reactor (TCR),
Giàn tụ được điều khiển bởi thyristor - Thyristor Controlled Capacitors (TSC)…) và
thế hệ dựa trên bộ biến đổi nguồn (ví dụ: Bộ bù đồng bộ - Static Synchronous
Compensator (STATCOM), Bộ bù đồng bộ nối tiếp - Static Synchronous Series
Compensator (SSSC),

Điều khiển hợp nhất dòng công suất -Unified Power

Flow Controller (UPFC), Phục hồi điện áp động - Dynamic Voltage Restors (DVR)
…). Cả hai thế hệ đều có thể đáp ứng được yêu cầu sử dụng khi ở cả ba trạng thái
hoạt động của hệ thống như là: trạng thái xác lập, trạng thái sự cố và sau sự cố.
Tuy nhiên, ở thế hệ


2

dựa trên bộ biến đổi nguồn tối ưu hơn: tác động nhanh hơn, phạm vi ứng dụng
và tác động của mỗi thiết bị chính xác hơn….
Trong luận văn này do đặc thù của phụ tải (giao thông đường sắt chạy
điện) và yêu cầu cải thiện tác động của phụ tải đến hệ thống. Vì vậy, việc chọn
lựa thiết bị để nâng cao chất lượng điện năng được so sánh đánh giá trên khả
năng vượt trội hơn so với các thiết bị cùng thế hệ và những thiết bị đã được sử
dụng cho cùng mục đích này. Do đó, thiết bị Bộ bù đồng bộ - Static Synchronous
Compensator (STATCOM) là thiết bị kỹ thuật có nguyên lý làm việc như một máy
bù đồng bộ dựa trên bộ biến đổi nguồn. Chính nhờ khả năng này nên STATCOM
có khả năng trao đổi công suất kháng hoặc công suất tác dụng dễ dàng nếu cần,
thông qua việc điều khiển STATCOM có thể làm thay đổi các tham số hệ thống
điện.
1.2

Tính cấp thiết của đề tài
Theo quyết định gần nhất của Thủ tướng Chính phủ Việt Nam số

06/2011/QĐ – TTg ngày 24/01/2011 và dự thảo trình Chính phủ Việt Nam tháng
9/2012, 10/2013 cho các nghiên cứu phát triển giao thông đường sắt Việt Nam
giai đoạn trước 2020, giai đoạn 2020 đến 2030 và tầm nhìn 2030 – 2050, với

hàng loạt các dự án đường sắt chạy điện dự kiến thi công và đang thi công sẽ
được đưa vào hoạt động trước năm 2020 đối với các tuyến đường sắt đô thị
trên cả nước. Ở Thủ Đô Hà Nội có: Nhổn – ga Hà Nội – Hoàng Mai, Ngọc Hồi – ga
Hà Nội – Yên Viên
– Như Quỳnh, Cát Linh – Hà Đông (dự kiến 2015 vận hành kỹ thuật), Đông Anh –
Mê Linh. Ở Thành phố Hồ Chí Minh có: Bến Thành – Suối Tiên (dự kiến 2017),
An Sương – Bến Thành – Thủ Thiêm, Quốc lộ 13 – Bến xe Miền Đông – Tân Kiên,
cầu Bến Cát – Nguyễn Văn Linh, Bà Quẹo – Phú Lâm, cầu Sài Gòn – Bến xe Cần
Giuộc… Đặc biệt, trên cả nước còn có các dự án đường sắt tốc độ cao (trong
giai đoạn nghiên cứu tiền khả thi), riêng ở phía Nam có Nha Trang - Tp.HCM,
Tp.HCM
- Cần Thơ, Biên Hoà – Vũng Tàu, Sài Gòn - Lộc Ninh, phía Bắc có Yên Viên – Phả
Lại – Hạ Long – Cái Lân, Lào Cai – Hà Nội – Hải Phòng. Tất cả các tuyến


3

đường sắt tốc độ cao này dự kiến hoạt động ở cấp điện áp 25kV/50Hz. Như
vậy tương lai phát triển của đường sắt chạy điện là rất tiềm năng.
Hiện nay, trên thế giới giao thông đường sắt chạy điện được phân thành
hai loại: một chiều (DC – 750, 1500, 3000V) và xoay chiều (AC – 15kV/16,7Hz
hay
25Hz và 25kV/50Hz hay 60Hz). Đối với hệ thống giao thông sức kéo điện DC chủ
yếu được cung cấp bởi hệ thống lưới điện AC chuyển đổi thành DC qua bộ
chỉnh lưu điện tử công suất. Giao thông sức kéo điện AC được hạ áp trực tiếp từ
lưới điện cao áp (220kV hoặc 110kV/25kV, 50Hz hay 60Hz) là một trong những
phụ tải đặc biệt được quan tâm bởi chúng gây nên các vấn đề ảnh hưởng đến
chất lượng điện năng như: mất đối xứng pha trong lưới điện ba pha cung cấp,
lan truyền sóng hài bậc cao, mất ổn định điện áp, tần số v.v...
Nếu như trước đây ở Việt Nam chất lượng điện năng được quan tâm chủ

yếu là tại nhà máy điện và phụ tải công nghiệp nặng (các xí nghiệp, nhà máy được
trang bị thiết bị điện tử công suất lớn: lò hồ quang điện, nhà máy thép, xi mạ…).
Thì nay, loại hình phụ tải mới (giao thông đường sắt chạy điện) đi vào hoạt
động tại Việt Nam sẽ là một thử thách lớn cho những kỹ sư ngành điện đang quan
tâm đến vấn đề chất lượng điện năng. Tại Việt Nam, hiện chưa có nhiều công
trình nghiên cứu về loại hình phụ tải này và đặc biệt hơn là các vấn đề về ảnh
hưởng của chúng đối với hệ thống điện.
Ảnh hưởng của tải giao thông đường sắt chạy điện đến chất lượng điện
năng là mục têu cần phải sớm được nghiên cứu trước khi xem xét các dự án giao
thông đường sắt chạy điện nhằm đưa ra giải pháp, định hướng đầu tư khoa học
kỹ thuật, cơ sở hạ tầng thích hợp nhất, sớm nhất có lợi cho quốc gia trong việc
nâng cao CLĐN khi điện khí hoá đường sắt ở Việt Nam.
1.3

Mục tiêu
Phân tích các vấn đề về chất lượng điện năng khi điện khí hóa đường sắt tại

Việt Nam. Ưu tiên giải quyết vấn đề mất đối xứng ba pha trên hệ thống cung
cấp


4

nguồn khi kết nối tải giao thông đường sắt chạy điện 25kV AC tần số công nghiệp,
bằng biện pháp sử dụng STATCOM dựa trên bộ biến đổi nguồn áp.
1.4

Nội dung nghiên cứu của đề tài
Tổng quan về chất lượng điện năng trên hệ thống điện như là hiện tượng

ảnh hưởng, nguyên nhân và giải pháp hạn chế sự ảnh hưởng của chúng đối với
thiết bị, hệ thống.
Trình bày tổng quan hệ thống giao thông đường sắt chạy điện (ĐSCĐ) một
chiều (DC) và xoay chiều (AC). Trên cơ sở đó, phân tích các vấn đề về chất lượng
điện năng trên đường sắt chạy điện AC tần số công nghiệp (điện áp, đối xứng
ba pha, sóng điều hòa bậc cao và tần số).
Nghiên cứu giải quyết vấn đề mất đối xứng ba pha do kết nối tải ĐSCĐ xoay
chiều một pha tần số công nghiệp vào hệ thống điện. STATCOM là thiết bị được
chọn lựa sử dụng với mục đích giảm mất đối xứng ba pha.
Mô phỏng ứng dụng STATCOM được sử dụng bởi phần mềm
Matlab/Simulink 7.11 và so sánh với các chỉ tiêu về chất lượng điện năng.
1.5

Giá trị thực tiễn của đề tài
Giới thiệu về quan điểm khoa học dựa trên nghiên cứu nâng cao chất lượng

điện năng (CLĐN). Kết quả nghiên cứu có tính khoa học ứng dụng cao trong bối
cảnh tại Việt Nam, khi một số dự án đường sắt tốc độ cao sử dụng nguồn điện
xoay chiều 25kV tần số công nghiệp đang được nghiên cứu xây dựng tại Việt Nam.
Ứng dụng STATCOM giải quyết được các vấn đề về CLĐN trong hệ thống điện,
đảm bảo được các têu chuẩn cho phép về CLĐN và đáp ứng được xu hướng phát
triển chung của khoa học kỹ thuật nâng cao được CLĐN trong hệ thống điện. Giải
pháp đưa ra là lời giải đáp tối ưu cho những khúc mắc về ảnh hưởng của tải đến
CLĐN hệ thống điện là hướng đi tích cực cho việc thúc đẩy đầu tư, xây dựng và
phát triển hệ thống giao thông ĐSCĐ xoay chiều trong tương lai gần nhất.


5

1.6

Kết cấu đề tài

Đề tài được thực hiện gồm có các chương như sau:
Chương 1: Giới thiệu
Chương 2: Những vấn đề về chất lượng điện năng trên hệ thống
điện
Chương 3: Tổng quan về giao thông đường sắt chạy
điện
Chương 4: Đặc điểm chất lượng điện năng trên giao thông đường sắt
chạy điện
Chương 5: Giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trên đường sắt
chạy điện - bù mất đối xứng dựa trên STATCOM và khả năng ứng dụng ở
Việt Nam
Chương 6: Kết luận chung


6

CHƯƠNG 2

NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN
Quan niệm về chất lượng điện năng (CLĐN), đối với M.M. Morcos và J.C.
Gomez xem vấn đề CLĐN là hàng loạt các vấn đề của sự xuất hiện các yếu tố bất
thường về sự sai lệch điện áp cũng như tần số gây nên sự thiệt hại đến thiết bị
sử dụng điện của khách hàng. T.J. Browne và G.T. Heydt xem CLĐN như các hệ
thống nguồn công suất điện cung cấp cho bất kỳ tải tiêu thụ điện của khách
hàng mà không hề có bất kỳ sự thất bại nào. R.C. Dugan, Mc. Granaghan, S.
Santoso và H.W. Beaty minh hoạ cho CLĐN bởi những đặc điểm của hoạt động

phân phối liên quan đến điện áp, dòng điện và tần số mà hậu quả gây nên hư
hỏng hoặc rối loạn thiết bị đầu cuối. Đối với Barry W. Kennedy và A.Baggini thì
CLĐN được cụ thể hơn trên các hiện tượng và nguyên nhân gây ảnh hưởng
CLĐN và kinh tế CLĐN bên cạnh những giải pháp.
2.1

Những vấn đề chung về chất lượng điện năng
2.1.1 Chất lượng điện năng và yêu cầu nâng cao chất lượng điện năng
Chất lượng điện năng (CLĐN) có thể được xác định từ hai quan niệm khác

nhau, tuỳ thuộc vào yêu cầu cung cấp hoặc tiêu thụ điện. CLĐN tại các nhà
máy phát thường quan tâm đến khả năng của máy phát để tạo ra điện tại tần số
yêu cầu (50Hz hoặc 60Hz) ít biến đổi nhất, trong khi CLĐN ở truyền tải và phân phối
quan tâm đến giới hạn điện áp cho phép biến đổi ± 5%. CLĐN gần đây trong hệ
thống phân phối chủ yếu nhấn mạnh vào các vấn đề như: dạng sóng sin tuyệt
đối, không có bất kỳ sự biến động nào về điện áp.
Trong những thập niên gần đây, sự phát triển đa dạng các thiết bị công
nghệ hiện đại sử dụng điện đã làm thay đổi đáng kể quan niệm về CLĐN.
Cung cấp CLĐN cho nhu cầu thế kỷ 21 là một trong những yếu tố quan trọng
trong tổng thể


7

lưới điện hiện đại. Quan niệm CLĐN đã dần thay đổi không chỉ đối với kỹ sư điện
mà đối với cả người tiêu dùng điện. Trên cơ bản nguồn điện năng được gọi
là “sạch” khi đảm bảo được không có bất kỳ biến dạng nào của sóng sin dòng điện
và điện áp trên tần số cơ bản. Đây là dạng sóng được sản xuất tại nhà máy điện
bởi máy phát điện, nhưng việc truyền tải, phân phối và tiêu thụ trong lưới điện
về mặt chủ quan cũng như khách quan đã tác động đến nó. Các nguyên nhân

làm ảnh hưởng xấu CLĐN cụ thể như là kết nối lưới với các máy phát, thiết bị
điện, điện tử (thiết bị điện tử vi xử lý, công nghiệp tự động hoá, máy chuẩn đoán
y khoa…). Các hiện tượng có thể có như là: quá độ, gián đoạn, thấp áp, cao áp,
dao động điện áp, méo dạng sóng, biến đổi tần số và mất đối xứng… Chính các
vấn đề này nếu không được giải quyết triệt để sẽ là nguyên nhân trực tếp tác
động trở lại các thiết bị tiêu thụ điện khác với yêu cầu CLĐN cao. Mức độ cung
cấp CLĐN có thể từ “tiêu chuẩn” đến cấp độ “cao cấp” tuỳ thuộc vào nhu cầu sử
dụng. Chất lượng điện kém gây ra tổn thất không riêng về kỹ thuật công nghệ,
tổn thất kinh tế mà còn ảnh hưởng đến môi trường truyền tín hiệu. Ngày nay,
mục tiêu về CLĐN càng trở nên cụ thể hơn bởi các ràng buộc (kinh tế, kỹ thuật
hoặc hình phạt) liên quan giữa phía cung cấp và bên sử dụng dựa trên những têu
chuẩn đánh giá chất lượng.
Mối quan tâm nâng cao CLĐN trong môi trường điện bao gồm các cấp:
truyền tải, phân phối và têu thụ điện, thông thường 40% các vấn đề CLĐN liên
quan đến cung cấp điện từ các phụ tải dân dụng, 60% liên quan đến phụ tải công
nghiệp và công cộng. Hiện nay, bốn yếu tố hình thành sự gia tăng về nhu cầu giải
quyết và ngăn ngừa các vấn đề về CLĐN: sự gia tăng các thiết bị sử dụng điện nhạy
cảm với CLĐN, gia tăng các thiết bị điện gây nên các vấn đề về CLĐN, kết nối lưới
hay kết nối các hệ thống điện và phát triển của thị trường điện cạnh tranh. Do
đó, vấn đề CLĐN trở thành mối quan tâm đối với các nhà nghiên cứu và thiết kế.
Nó bắt đầu từ việc khảo sát, đo lường đến giải pháp và ứng dụng những thiết bị
công nghệ mới nhằm đưa ra giải pháp tối ưu có thể.
2.1.2 Một số hiện tượng trong vấn đề CLĐN


8

2.1.2.1

Quá độ

Thường được coi là nguy hiểm nhất trong sự xáo trộn điện năng, có hai
loại quá độ: quá độ xung và quá độ dao động.
- Quá độ xung: nguyên nhân do sét, thời gian 5 nano giây (ns) đến 50ns. Làm
hư hỏng thiết bị điện
- Quá độ dao động: nguyên nhân gây ra thườ ng là do đáp ứng cục bộ hoặc
do đóng cắt giàn tụ lớn. Dao động tần số 5KHz đến 5MHz, thời gian
gian
5micro giây đến 50ms.
2.1.2.2

Gián đo

ạn

Gián đoạn được định nghĩa là sự mất hoàn toàn điện áp hoặc dòng cấp
cho tải. Tuỳ thuộc vào thời gian của nó, có thể phân thành như sau:
- Gián đoạn điện áp ng ắn hạn: do đóng mở các thiết bị tự động bảo vệ
trong lưới điện, do sự cố sứ cách điện, chống sét van. Thời gian
khoảng vài mili giây đến 1 hoặc 2 giây .
- Gián đoạn điện áp dà i hạn: do sự cố lỗi thiết bị mạng lưới, thiên tai, lỗi
sự cố do con người hoặc hư hỏng thiết bị bảo vệ. Thời gian lớn hơn
2 giây (có thể lên đến 2 phút và lớn hơn 2 phút thường là gián đoạn
duy trì). Hậu quả là ngừng tất cả các thiết bị.
2.1.2.3

Võng điện áp - Thấp điện áp

- Võng điện áp: do do lỗi hệ thống và th ường cũng là do chuyển đổi tải
hoặc dòng khởi động tải lớn, mức độ giảm trong khoảng 0.1 đến 0.9

giá trị định mức. Thời gian 0.5 đến 30 chu kỳ, ngắn hạn 30 chu kỳ (0.5
giây) đến 3 giây và dài hạn có thể từ 3 giây kéo dài đến 1 phút. Các ảnh
hưởng như là hệ thống tạm dừng, mất dữ liệu, tắt máy.
- Thấp điện áp: do lỗi hệ thống và thườ ng cũng là do chuyển đổi hoặc
khởi động dòng tải lớn, thời gian xảy ra lớn hơn 1 phút, sự sụt giảm
từ


9

0.8 đến 0.9 giá trị định mức. Các ảnh hưởng như là hệ thống tạm
dừng, mất dữ liệu, tắt máy. Đặc biệt ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ động
cơ điện, tải phi tuyến do phát nhiệt.
2.1.2.4

Tăng cao điện áp - Quá điện áp

- Tăng cao điện áp: do trở kháng lớn kết nối

trung tính, đột ngột giảm tải

(đặc biệt là lớn) và lỗi một pha trên hệ thống ba, gia tăng tức thời từ
1.1 đến 1.8pu giá trị điện áp AC xảy trong một thời gian 0.5 đến 30 chu
kỳ, ngắn hạn 30 chu kỳ (0.5 giây) đến 3 giây (1.1pu – 1.4pu) và dài hạn
có thể từ 3 giây kéo dài đến 1 phút (1.1pu – 1.2pu). Ảnh hưởng có thể
xảy ra như là lỗi dữ liệu, giảm tuổi thọ vật liệu cách điện, công tắc
điện, linh kiện bán dẫn, nhấp nháy ánh sáng…
- Quá điện áp: là một hình thức của tăn g cao điện áp với thời gian duy trì
lớn hơn 1 phút, tăng 1.1 đến 1.2pu giá trị điện áp AC ở tần số cơ bản.
Các nguyên nhân có thể do sa thải phụ tải có tính cảm ứng lớn như là

động cơ AC, máy biến áp hoặc đóng giàn tụ lớn vào hệ thống một cách
đột ngột. Ảnh hưởng đến máy cắt phía hạ thế, phát nóng, hư hỏng thiết
bị…
2.1.2.5

Dao động điện áp

Là sự sự biến đổi dị thường của dạng sóng điện áp ở tần số thấp, thường
nhỏ hơn 25Hz, tăng giảm một cách ngẫu nhiên từ 95 – 105% điện áp định mức.
Ảnh hưởng đến một số thiết bị nhạy cảm trong y khoa, làm nhấp nháy ánh sáng
mắt thường có thể quan sát được.
2.1.2.6

Méo dạng sóng

Là sự biến đổi trạng thái từ một dạng sóng sin cơ bản lý tưởng ở tần số
cơ bản sang dạng tuần hoàn không sin. Nguyên nhân là do tải phi tuyến, tồn tại
năm loại méo dạng sóng như sau: Một chiều, sóng hài, đa hài, nhiễu loạn và tạp
âm.
2.1.2.7

Biến đổi tần số


10

Biến đổi tần số hay dao động tần số là hiện tượng cực kỳ hiếm trong
hệ thống điện ổn định, đặc biệt là hệ thống hoà lưới chung trên một hệ thống
mạng lưới điện. Tần số định mức trong hệ thống điện là 50Hz (60Hz). Dao động
cho phép trong phạm vi ±0,2Hz tần số cơ bản trong điều kiện bình thường và

±0,5Hz trong điều kiện chưa ổn định, thời gian cho phép dưới 10 giây. Tần số có
liên quan trực tiếp đến tốc độ động cơ. Trong trường hợp vượt qua giới hạn cho
phép có thể gây ra sụp đổ hệ thống hay thác tần số.
2.1.2.8

Mất đối xứng ba pha

Mất đối xứng là do biến đổi điện áp (dòng điện) lệch ra khỏi trạng thái cân
bằng, trong trường hợp đối xứng thì ba pha điện áp cân bằng về cả biên độ
(mô- đun) và góc lệch pha 120°. Mất đối xứng không phải là một loại của méo
dạng sóng, tuy nhiên nó là một vấn đề nghiêm trọng trong CLĐN cần phải nghiên
cứu. Các nguyên nhân chính trong lưới điện ba pha đối xứng là do sự cố đường
dây, sử dụng tải một pha như lò hồ quang điện, giao thông sức kéo điện xoay
chiều tần số công nghiệp. Tác hại đến động cơ không đồng bộ, đồng bộ, đường
dây và các phần tử khác, giảm hiệu suất nguồn.
2.1.3 Hệ thống tiêu chí đánh giá CLĐN
Sự phát triển của ngành công nghiệp điện và thị trường tiêu thu điện năng
(khách hàng) cần có một thoả thuận chung về chất lượng phục vụ điện. Đó là lý do
chính yếu để đưa ra các tiêu chuẩn chất lượng cho tất cả các vấn đề về CLĐN. Các
tổ chức chịu trách nhiệm cho sự phát triển tiêu chuẩn CLĐN trên thế giới bao
gồm: Uỷ ban Kỹ thuật Điện quốc tế (IEC), Tiêu chuẩn Châu Âu (EN), Tiêu chuẩn
Nam Phi (ESKOM), các tổ chức của Hoa Kỳ: Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử
(IEEE), Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ (ANSI), Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ
(NIST), Hiệp hội các nhà sản xuất điện Quốc gia (NEMA), Viện nghiên cứu
Điện lực (EPRI). Dưới đây là các bảng biểu giới thiệu các tiêu chuẩn cho các vấn đề
CLĐN:


11

Bảng 2.1. Các chủ đề Tiêu chuẩn CLĐN IEC [4][tltk PQP ch2/385p]
Chủ đề

Mô tả

Số hiệu IEC[*]

Tổng quan

- Nguyên tắc cơ bản
- Định nghĩa
- Thuật ngữ

IEC 1000-1

Môi trường

- Mô tả
- Phân loại
- Giới hạn khả năng tươn g thích

IEC 1000-2

Giới hạn

- Giới hạn bức xạ và miễ n cảm
- Tiêu chuẩn chung

Kiểm tra và đo lường
Lắp đặt và cải thiện

- Kỹ thuật kiểm tra
- Hướng dẫn lắp đặt
- Phương pháp cải thiện
- Thiết bị cải thiện

IEC 1000-3
IEC 1000-4
IEC 1000-5

[*]Từ năm 2003, số hiệu IEC-2003 thay đổi thành 61000 bằng cách thêm vào số 6
trước các số hiệu, ví dụ: IEC 1000-4-30 -> IEC 61000-4-30.
Việt Nam sử dụng phổ biến tiêu chuẩn IEC và một số trường hợp sử
dụng tiêu chuẩn EN, IEEE. Các quốc gia trên thế giới áp dụng tuỳ ý các tiêu chuẩn,
ví dụ như Nam Phi kết hợp các tiêu chuẩn IEEE, EN và IEC để đưa ra tiêu chuẩn
riêng.


12

Bảng 2.2. Các Tiêu chuẩn IEEE, IEC và EN về một số vấn đề CLĐN
Dạng sóng

Các vấn đề
CLĐN

Quá độ xung

Quá độ dao động

Tiêu chuẩn ICE
Tiểu chuẩn IEEE
và EN

ANSI/IEEE
C62.41-45

ICE 1000-2-5
ICE 1000-3-3/4
EN 61000-3-3

IEEE 1100

Võng điện áp

IEEE P1346, 1100,1159

Tăng cao điện áp

493,446 /ANSI C84.1

Gián đoạn điện áp

ANSI/IEEE C62.41-45

Thấp điện áp

ANSI C84.1

ICE 1000-2-3

Quá điện áp

IEEE 1159

EN 61000-4-3

Méo dạng sóng

Dao động điện áp

2.1.4 Quy trình đánh giá CLĐN

ICE 1000-2/3- 4
EN 61000-4-3
ICE 1000-3-3
EN 61000-3-2

ANSI/IEEE 519, 929

IEC 1000-2-1/2

ANSI/IEEE 1001,1035

IEC 1000-3-2/4

ANSI/IEEE C37,57

EN 61000-3-2

ANSI/IEEE C84.1

ICE 1000-3-3

IEEE 141, 519

EN 61000-3-3


QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
XÁC ĐỊNH
LOẠI HÌNH

ĐẶC ĐIỂM VẤN
ĐỀ

XÁC ĐỊNH
PHẠM VI GIẢI
PHÁP

ĐÁNH GIÁ
GIẢI PHÁP

GIẢI PHÁP TỐI
ƯU

Điện áp
quy định/
Mất cân
bằng

Thấp
điện
áp/ Quá
áp/
Gián
đoạn

Chập
chờn

Đo/ Thu thập dữ
liệu

Các hệ
thống
truyền
tải

Tương
tác
Các hệ
người
thống
dùng
phân phối
đầu
cuối

Mô hình/ Quy

trình phân
tích

Quá độ

Biến dạng
điều hoà

Nguyên nhân
Các đặc trưng
Tác động thiết bị
Hệ
thống
người
dùng
đầu
cuối

Thiết kế
thiết bị/
Thông số
kỹ thuật

Đánh giá kỹ thuật
lựa chọn thay
thế

Đánh giá kinh tế của các giải pháp có thể

Sơ đồ 2.1: Các bước cơ bản liên quan đến quy trình đánh giá CLĐN []

Vấn đề CLĐN bao gồm hàng loạt các hiện tượng khác nhau như đã mô tả
trên phần [2.1.2], mỗi một hiện tượng có thể có một hoặc nhiều nguyên nhân khác
nhau gây nên. Do đó, các giải pháp khác nhau có thể được sử dụng để nâng cao
CLĐN và hiệu suất sử dụng thiết bị. Tuy nhiên, một cách hữu ích khi quan sát, đánh
giá các bước theo một trình tự, từ việc điều tra những vấn đề này, đặc biệt nếu
các


bước có liên quan giữa các hệ thống nguồn và đa dạng các thiết bị của khách
hàng. Trong sơ đồ 2.1, đưa ra một số bước chung trong yêu cầu một vấn đề CLĐN,
cùng với việc cân nhắc giải quyết từng bước. Một quy trình chung được xem xét
để đánh giá các hiện tượng xuất hiện, đến một kết quả được đề xuất có hay
không việc thiết kế mới hoặc thay đổi được đưa vào hệ thống. Việc đo lường giữ
một vai trò quan trọng trong bất kỳ mối quan tâm về CLĐN. Các phương án đưa
ra phải thoả mãn yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế được xem xét, và loại dần những
giải pháp kém khả thi hơn cho đến khi (giải pháp) còn lại là duy nhất. Mỗi
loại hiện tượng trong CLĐN sẽ có giải pháp kinh tế và kỹ thuật thích hợp.
2.2

Điện áp trong chất lượng điện năng
2.2.1 Khái niệm và nguyên nhân
Trong hệ thống điện được có hai khái niệm về điện áp: điện áp định mức và

điện áp vận hành (điện áp làm việc). Điện áp định mức là điện áp chuẩn mực
để thiết kế các thiết bị điện, các cấp điện áp như là: hạ áp, trung áp, cao áp và siêu
cao áp. Điện áp vận hành là điện áp thực tế tại điểm của lưới điện làm việc hay
điện áp đặt vào phụ tải. Do tổn hao không thể giữ điện áp bằng tại tất cả mọi điểm
của lưới điện. thông thường điện áp đầu đầu (phát) cao hơn điện áp cuối (nhận).
Độ lệch điện áp được định nghĩa:
��% �

���đ�
� đ�

100%

(2.1)

Trong đó: U: Điện áp đặt vào phụ tải (điện áp thự tế), �đ� Điện áp định
mức của lưới điện (hoặc điện áp định mức của phụ tải được thiết kế đề làm việc),
Các hiện tượng và nguyên nhân của sai lệch điện áp: sụt áp, cao áp và quá
áp tổng quan bởi các nguyên nhân sau: Tự nhiên và loại tải; thiết kế lắp đặt
điện và thiết bị điện; bảo dưỡng hệ thống và vận hành thiết bị điện; kích thước và
chiều dài đường dây kết nối tải


2.2.2 Tác động của c

hất lượng điện áp

Chất lượng điện áp rõ ràng sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của các thiết bị
sử dụng điện, đặc biệt thường xảy ra là khi điện áp thấp.
- Các thiết bị phát nhiệt: sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều theo điện áp.
+ Nhiệt độ phát ra giảm 1 0% khi điện áp giảm 10%,
+ Điện áp tăng cao -> qu á nhiệt: gây hỏa hoạn, ảnh hưởng đến tuổi
thọ thiết bị,
- Các động cơ điện: Hoạ t động của các động cơ điện sẽ bị ảnh hưởng khi có sự
thay đổi điện áp,
+ Ảnh hưởng đến quá trìn h khởi động động cơ,
+ Điện áp giảm sẽ làm dò ng động cơ tăng: quá tải, quá nhiệt,

+ Điện áp giảm làm mô – men quay của động cơ giảm, ví dụ: Mô-men
điện từ của động cơ không đồng bộ giảm xấp xỉ 20% khi điện áp giảm
10%,
+ Ảnh hưởng đến quá trì nh vận hành động cơ do các thiết bị bảo
vệ điện áp hoạt động,
- Các thiết bị điện tử: tv i, máy tính, đầu thu,… bị ảnh hưởng khi điện áp thay
đổi.
+ Điện áp thấp làm giảm chất lượng các thiết bị: màu sắc, âm thanh,
+ Ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của các thiết bị,
2.2.3 Các đại lượng

xác định tổn thất và tiêu chí đánh giá chất lượng

điện áp
Gọi �� là điện áp đầu phát, điện áp đầu nhận cuối là �� , điện áp dây,
công suất 3 pha, bỏ qua thành phần sụt áp vuông góc với �� , có thể viết như sau:
�� � �� � �ụ� á� đườ�� �â� �∆��
� �� � √3�������� � ������ � � �� �

� � � ��� �
��

� �� � ∆� (2.2)


Độ sụt áp phần trăm của đầu nhận:
∆�% �

�� ���
��

100%

(2.3)

Tổn thất công suất trên đường dây:
Tổn thất tác dụng: ∆� � 3�� � �
�

∆� � 2�

�� ���
�

�
��

�

� ��� ����

� ��ộ� ��� ��� �â��

Tổn thất công suất kháng: ∆� � 3� � � �
�

∆� � 2�

�� ���
�

�
��

�

��
��

�

��

(2.5)

� ��� ���� (2.6)

� ��ộ� ��� ��� �â�� (2.7)

Công suất phát: �� � �� � ∆�, �� � �� � ∆�
Hiệu suất truyền tải: � �

(2.4)

�

�� �����

�� ���

�� �����

(2.8)
(2.9)

Góc lệch pha giữa �� �à ��
��� �

√�������� �√��������

�

�� �√�������� �√��������

��
�� �∆�

(2.10)

Đo lường và kiểm tra chất lượng điện áp: các tiêu chuẩn EN 50160, IEC 038
và EN 61000-4-11, 61000-4-34 được áp dụng cho việc đánh giá chất lượng trên các
tham số và giới hạn điện áp đặt lên thiết bị đầu cuối trên lưới điện trung thế và
hạ áp.
2.2.4 Các giải pháp

nâng cao chất lượng điện áp

Có rất nhiều giải pháp cho phép cải thiện chất lượng điện áp, cụ thể gồm:
- Thay đổi dòng kích từ m áy phát và đầu phân áp máy biến áp,
- Tăng tiết diện dây dẫn

- Tăng điện áp hệ thống,

(giảm tổng trở lưới điện),


- Lắp đặt bù cố định hoặ c bù linh hoạt trên đường dây (bù ngang, bù dọc),
- Xây dựng thêm trạm m ới, lắp đặt thiết bị điều chỉnh điện áp,
2.3

Đối xứng điện

áp và dòng điện trong CLĐN

Máy phát đồng bộ là nguồn của điện áp ba pha trong hệ thống điện
truyền tải. Điện áp ba pha tại đầu ra của máy phát là cân bằng về cả độ lớn (mô –
0

đun) và độ lệch pha 120 . Vec – tơ hệ thống này được gọi là đối xứng, ngược lại là
mất đối xứng. Tuy nhiên trong thực tế không thể tránh được tình trạng làm việc
không đối xứng. Sự mất đối xứng có thể xảy ra chỉ đối với mô-đun giá trị điện
áp và dòng trong ba pha không bằng nhau, hoặc chỉ xảy ra đối với độ lệch giữa các
pha liên tếp không bằng nhau. Trong thực tế thường gặp trường hợp cả mô – đun
và pha.
2.3.1 Thành phần đ

ối xứng - nguyên nhân mất đối xứng điện áp và

dòng điện
Thành phần đối x

ứng:

Định nghĩa của mất cân bằng điện áp và (hoặc) dòng điện đều dựa trên
sự biểu diễn của hệ thống ba pha từ các thành phần đối xứng. Theo lý thuyết
Charles Legeyt Fortescue, mất cân bằng ba pha [�� , �� , �� � phần tử phức được
chia ra làm
thành ba thành phần đối xứng hoá với tên gọi tương ứng: thứ tự thuận, thứ
tự
nghịch và thứ tự không là [�� , �� , ���. Thông thường thứ tự pha trong hệ thống
quy ước theo chiều thuận kim đồng hồ là ABC, thì thứ tự thuận sẽ là ABC và
thứ tự
nghịch là ACB. Nếu [�� , �� , �� ] là các đại lượng điện áp ban đầu thì:
[��� , ��� , ��� � là thành phần điện áp thứ tự thuận (0�, �120� , 120� �,
[��� , ��� , ��� � là thành phần điện áp thứ tự nghịch (0� , 120�, �120� � và
[���, ��� , ��� � là thành phần điện áp thứ tự không (0�, 0� , 0��, được biểu diễn
như hình 2.1.


Các thành phần đối xứng trong hệ thống được viết với hàm toán tử a, với
�

�

a � ����� � � �� �

√�
�

�

�

√�

� � � � , với (a=1∠120��,
, a� � ����� �
�


- Thành phần thứ tự thuậ n hệ thống:
�

��

� �� , ��� � a� ��, ��� � a��

(2.11)

Hình 2.1: Tổng hợp các thành phần vec –tơ điện áp đối xứng và thành
phần không đối đối xứng của nó
Thành phần thứ tự nghịch của hệ thống:
�

��

� �� , ��� � a�� , ��� � a� ��

(2.12)

- Thành phần thứ tự khôn g của hệ
thống:
�

�� �

��� � ��� � ��

(2.13)

Phương trình tương ứng cho các thành phần đối xứng theo các đại lượng
pha không đối xứng có thể được viết lại như sau:
�

�

� ��� � ��� � ��� � �� � �� � ��

�

�

� ��� � ��� � ��� � a� �� � a�� � ��

�

�

� ��� � ��� � ��� � a�� � a� �� � ��

(2.14)

Tương tự, ta có thể viết phương trình cho thành dòng điện:
�

�

� ��� � ��� � ��� � �� � �� � ��

�

�

� ��� � ��� � ��� � a� �� � a�� � ��

�

�

� ��� � ��� � ��� � a�� � a� �� � ��

(2.15)

Viết lại phương trình (2.14) dưới dạng ma trận:

�

�� 1 1 1 ��
�� � � �1 a� � � ��� �

(2.16)

�

��

1 � a ��

Thực hiện phép biến đổi đại số đơn giản trên các phương trình trên ta
được mối quan hệ như phương trình điện áp cho các thành phần thứ tự, viết dưới
dạng ma
trận, được gọi là phép chuyển đổi Fortescue:

�

��
1 1 1 ��
�
� ��� �
�� � � �1� a a �
��

1 a

�

(2.17)

a ��

Tương tự, ta viết được phương trình cho dòng điện:


20

�

��
1 1 1 ��
�
� ��� �
�� � � �1� a a �
��

1 a

�

(2.18)

a ��

Nguyên nhân:
Mất đối xứng trong hệ thống điện mà nguyên nhân chính bởi hoạt động
của tải không cân bằng. Hầu hết tải điện áp thấp và điện áp trung ví dụ như: động
cơ sức kéo điện, các thiết bị một pha công suất lớn…, hoạt động của các thiết bị đó
trong lưới điện ba pha kết quả là dòng điện tải không cân bằng. Do đó, điện áp
rơi trên từng pha riêng lẻ của hệ thống cung cấp là “không” cân bằng, nên điện
áp tại mỗi nút của mạng lưới trở nên mất đối xứng.
Các phụ tải đặc biệt công suất lớn như là lò hồ quang điện, giao thông

đường sắt chạy điện một pha AC tần số công nghiệp (công suất từ vài MVA đến
hàng trăm MVA) chủ yếu sử dụng một pha trung áp, gây nên dòng điện tải mất đối
xứng.
Mất đối xứng cũng có thể xảy ra trong truyền tải ba pha, thông thường với
đường dây trên không. Nguyên nhân chính là do sự cố đứt một đường dây ba
pha chạm đất, hoặc trong sự cố sửa chữa một pha, hai pha làm việc. Hoặc trong
một vài trường hợp truyền tải đặc biệt như: “hai dây dẫn – đất”, “hai dây dẫn –
ray” sơ đồ này hay dùng trong các sơ đồ cung cấp điện cho các khu vực hai
bên đường sắt chạy điện đi qua, và “hai dây dẫn – đường ống”.
2.3.2 Ảnh hưởng củ

a mất đối xứng

Mất đối xứng trong lưới điện ba pha đối xứng, sinh ra dòng thứ tự nghịch
và thứ tự không chảy trong hệ thống điện kết quả gây ra là:
- Gia tăng tổn thất công s uất, năng lượng của nguồn và lưới
- Gia tăng phát nóng, hệ quả của nó là giới hạn khả năng truyền tải
của dòng thứ tự thuận;
- Mất cân bằng điện áp tạ i nút mạng lưới điện;


Mất đối xứng điện áp ảnh hưởng xấu đến hoạt động của tải: động cơ không
đồng bộ, máy phát đồng bộ, bộ chỉnh lưu và các phần tử khác (gồm đường
dây, máy biến áp, kháng điện, thiết bị rơ – le bảo vệ)....
2.3.3 Các hệ số, đo lường và tiêu chuẩn của không đối xứng dòng và áp
Các hệ số:
Các thành phần đối xứng của điện áp như là một hàm của điện áp pha
được xác định từ phương trình 2.17.
�

�

�
�

�

��

�

�

��
�� �
� � ��
� �

�

��
� a� �� a�
� �

(2.19)

�� �

� ���� � a ��� � a�� �
�

Tương tự, viết cho thành phần dòng:
�

��

�

��

�

�
�

��
�� �
� � ��
� �
��
� a� �� a�
� �

�
�
� � ���� � a

(2.20)

�� �

�� � a�� �

Đo lường mất đối xứng, hệ số không đối xứng “K” được sử dụng, đó là tỉ số
giữa thành phần thứ tự không và thứ thự thuận hoặc thành phần thứ tự nghịch
và
thứ tự thuận của thành phần điện áp, dòng điện trên pha bất kỳ được xác định:
�

�
��

��
��

100% hoặc � ���

��
��

100%

(2.21)

Viết cho dòng điện:
�

�
��

��
��

100% hoặc � ���

��
��

100%

(2.22)


Trong trường hợp phụ tải nhiều pha thành phần thứ tự nghịch tạo ra là rất
nghiêm trọng trong vấn đề mất đối xứng. Thành phần thứ tự không thông
thường chỉ xuất hiện trong lưới điện hạ thế và kết nối tam giác của cuộn dây máy
biến áp có thể ngăn ngừa sự lan truyền của nó lên lưới điện áp cao hơn. Hệ số
không đối xứng
của thành phần thứ tự nghịch được xác định như sau:
�� ����� ���� � 100%
� ��� � � ���
�

�����

(2.23)

�

Thực hiện phép cộng a � a � � 1 � 0 vào công thức (2.23), ta được công thức

cho điện áp dây:
�

��

��� �����

��

� 100%

(2.24)

��� ��� ���

Tương tự, viết cho dòng điện:
�

�
��

�� ��� �� ����

�

�� ����

��� �

�

� 100%, ��� � �

Đo lường, têu chuẩn

��� �����

� 100%

��� ��� ���

(2.25)

và giới hạn:

Giả định điện áp pha A được đặt trên trục thực, các giá trị phức của điện
áp pha có thể viết lại như sau:
�

�

� �� , �

�

� �� � ��� ,

�� � �� � �������

(2.26) Với � là

góc giữa � � và �� , β là góc giữa �� và �� . Góc α và β được xác
định theo công thức sau:
� � ������ �

�
�
�� � ��
��
� ��
�
��� ��

và � � ������ �

� ��
� � ��
� ��
��
�
��� ��

(2.27)

Mối quan hệ để xác định các yếu tố mất đối xứng trong thực tế được cho
bởi biểu thức tính theo trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện dây hoặc pha. Công
thức xác định thành phần mất đối xứng theo têu chuẩn quốc tế được thể hiện
trong bảng
2.3.

Bảng 2.3. Công thức xác định thành phần mất đối xứng theo các tiêu chuẩn []
Tiêu chuẩn
IEC 61000-2-12

Công thức tính hệ số và thành phần mất đối xứng
� ��
�
����������
�� �
�2
���� ���� ���� �

��� � �

�������
100%,
�����

��� � �
��

IEC 61000-4-30,
IEEE P1159.1

(2.28)

với � �

�

�
�
�� � ��
�� ��
�� ���

���

�������

��� � �

�
�
�
��� ��
�� ����

��
�

�

100%, với � �

�������

(2.29)

��
�

�� ��
� ��
���� ����� ��
��

�

(2.30)

�

GOST 13109-97

�� � �

�

�

�

��� ����

�
�� √3��� � �4���
��

��

�

�
�
��
� �� ��
� �(2.31)

� ��� � � � �

�

��
���

���
�
�

�� � ��� ��√3��� � �4���� � �

�
� � ��
��

��

���

�

� ��� � � � �

�

��
�
� �� ���
�
���

�
�

�(2.32)

Cho trường hợp một pha có công suất S:
ER P29

����

�
���

100%,

(2.33)

��� là công suất lúc ngắn mạch tại điểm kết nối.

Bảng 2.4. Giới hạn giá trị mất đối xứng trong tiêu chuẩn quốc tế
Tiêu chuẩn
IEC 61000-2-5

Giới hạn giá trị cho phép
��� � 2% , cấp độ 1
��� � 3% , cấp độ 2

IEC61000-2-12
EN 50160
GOST 13109-97

��� � 2% , trong một điều kiện đặc biệt có thể lên đến 3%
��� � 2%,


��� � 4%, tối đa cho phép trong trường hợp đặc biệt
ANSI

��� � 2%

ER P29

��� � 2%
��� � 1%, cho hệ thống 33 – 132kV
��� � 1.3%, cho hệ thống dưới 33kV

UIE

��� � 2%,
��� � 1%, cho trường hợp lưới cao áp
��� � 2%, trong một vài trường hợp cụ thể,
��� � 4%, giá trị lớn nhất

UNIPEDE

��� � 2%,

2.3.4 Các giải pháp khắc phục hiện tượng mất đối xứng
Giải pháp khắc phục mất đối xứng:
- Giải pháp 1: Mắc các p hụ tải một pha luân phiên vào các pha sao cho dòng
điện trên lưới mất đối xứng ít nhất. Đối với phụ tải là giao thông ĐSCĐ một
pha biện pháp này được trình bày trong chương 4 mục 4.3 của luận văn.
- Giải pháp 2: Sử dụng th iết bị bù
Nguyên lý của giải pháp bù:
Gọi: ��� , ��� , ��� là dòng tải, ��� , ��� , ��� là dòng được đưa vào từ thiết bị
bù, , cho kết quả đối xứng được thiết lập như nguồn �� , �� , �� , được mô tả
như hình (2.2). Sau đây phương trình sau thỏa:
�

�

� ��� � ���

�

�

� ��� � ��� � a����

�

�

� ��� � ��� � a��

(2.34)