BÁO CÁO ĐỀ TÀI "KHẢO SÁT CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA KHI ĐÓNG BỘ TỤ ĐIỆN BÙ TĨNH VÀO LƯỚI ĐIỆN"

KHẢO SÁT CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA
KHI ĐÓNG BỘ TỤ ĐIỆN BÙ TĨNH VÀO LƯỚI ĐIỆN
AN INVESTIGATION OF THE EFFECTS PRODUCED WHEN CLOSE A
CAPACITOR TO POWER SYSTEM
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 và hệ thống mà nó được đấu nối. Để khảo
sát các hiện tượng này, 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 thao tác đóng điện cho bộ
tụ điện bù tĩnh vào lưới điện.
ABSTRACT
When a power capacitor participates in the operating power system, the voltage and inrush
current with great amplitude might cause the phenomena affecting the capacitor and other
connected components of the power system. This paper presents the application of the software
ORCAD (PSPICE) in simulation and an analysis of the phenomena which might appear when
capacitor is connected to the power system.
1. Đặt vấn đề
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. Nếu hai điện áp này bằng nhau tại
thời điểm đóng thì không có dòng điện xung kích chạy vào bộ tụ. Nếu hai điện áp này không
bằng nhau tại thời điểm đóng thì sẽ có dòng điện xung kích với 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.
2. Giải quyết vấn đề
2.1. Mô phỏng đóng điện cho bộ tụ bù vào lưới điện
Giả thiết bộ tụ bù 50MVAr được đóng vào thanh cái với điện áp nguồn
( )







−−+=
2
sin115
π
ϕψω
u
ttu
(kV) ở tần số 50Hz có sơ đồ mô phỏng trên phần mềm ORCAD
như hình vẽ bên dưới, trong đó: V1 = 115kV: điện áp nguồn; L1 = 17,2mH: điện cảm nguồn
với điện kháng nguồn XL = 5,4Ω; R1 = 1Ω: điện trở nguồn; C1 = 12µF: điện dung của bộ tụ
điện với công suất 50MVAr điện áp 115kV; V, I: điện áp và dòng điện đo được khi đóng máy
cắt; VC: điện áp trên tụ trước khi đóng máy cắt.
Thực hiện khảo sát dòng điện và điện áp trên bộ tụ bù nhờ mô phỏng trên phần mềm
ORCAD khi đóng điện cho bộ tụ bù vào lưới điện cho các trường hợp khi giá trị điện áp tức
thời trên tụ U
c
= 0, 50%, -50%, 100%, -100%U
m-nguồn
tại các thời điểm đóng t = 0ms, 10ms ứng
với giá trị điện áp tức thời của nguồn bằng không và t = 5ms, 15ms ứng với giá trị điện áp tức
thời của nguồn ở biên độ cực đại. Các đồ thị kết quả mô phỏng được thể hiện ở bên dưới:
Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn khi đóng ở 0 ms:
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms
V(C1:2) V(L1:1)
-150KV
-100KV

-50KV
0V
50KV
100KV
150KV
Dòng điện chạy vào bộ tụ khi đóng ở 0 ms:
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms
-I(C1)
-1.00KA
-0.75KA
-0.50KA
-0.25KA
0A
0.25KA
0.50KA
0.75KA
1.00KA
Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn khi đóng ở 5 ms:
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms
V(C1:2) V(L1:1)
-240KV
-160KV
-80KV
0V
80KV
160KV
240KV
Dòng điện chạy vào bộ tụ khi đóng ở 5 ms:

Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms
-I(C1)
-3.2KA
-2.4KA
-1.6KA
-0.8KA
0A
0.8KA
1.6KA
2.4KA
3.2KA
Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn khi đóng ở 10 ms:
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms
V(L1:1) V(C1:2)
-150KV
-100KV
-50KV
0V
50KV
100KV
150KV
Dòng điện chạy vào bộ tụ khi đóng ở 10 ms:
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms
-I(C1)
-900A
-600A
-300A

-0A
300A
600A
900A
Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn khi đóng ở 15 ms:
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms
V(L1:1) V(C1:2)
-240KV
-160KV
-80KV
0V
80KV
160KV
240KV
Dòng điện chạy vào bộ tụ khi đóng ở 15 ms::
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms
-I(C1)
-3.2KA
-2.4KA
-1.6KA
-0.8KA
0A
0.8KA
1.6KA
2.4KA
3.2KA
2.2. Tổng hợp kết quả mô phỏng
Điện áp

tức thời
trên tụ
U
C
(kV)
Biên độ cực đại điện áp / Biên độ cực đại dòng điện qua tụ (kV/kA)
Thời điểm đóng tụ (ms)
0 5 10 15
0 1,12/1,85 1,84/6,91 1,12/1,84 1,84/6,91
50% U
m nguồn
1,43/4,18 1,4/4,16 1,47/4,11 2,37/9,9
- 50% U
m nguồn
1,42/4,36 2,37/9,9 1,43/4,18 1,4/4,16
100% U
m nguồn
1,78/7,23 1,001/1,11 1,89/7,43 2,83/13,25
- 100% U
m nguồn
1,88/7,52 2,83/13,73 1,82/6,59 1,001/1,11
Giá trị biên độ cực đại điện áp và dòng điện qua tụ ghi nhận được trong mô phỏng sẽ
được so sánh với điện áp định mức và dòng điện xác lập qua tụ (điện áp định mức của tụ: U
đm
= 115kV). Dòng điện xác lập qua tụ:
ϕψ
ϕ
ψ
−∠=
∠

∠
==
•
•
u
mum
xlC
z
U
z
U
Z
U
I
1

trong đó tổng trở:
( )
2
1
11
CL
XXRz −+=
và
1
11
R
XX
arctg
CL

−
=
ϕ
với:
Ω=
×
==
−
4,265
31410.12
11
6
1
1
ϖ
C
X
C
;
Ω=×==
−
4,531410.2,17
3
1
1
ω
LX
L
nên:
( )

Ω=−+=
2604,2654,51
2
z
và
0
90
1
4,2654,5
−≈
−
=
arctg
ϕ
Biên độ dòng điện xác lập qua tụ:
kA
z
U
I
m
xlC
44,0
260
10.115
3
1
===
.
2.3. Nhận xét
Khi đóng bộ tụ bù vào lưới điện có sơ đồ mô phỏng như đã nêu trên mà giá trị điện áp

tức thời của nguồn ở biên độ cực đại (
0
=−
ϕψ
u
) và điện áp trên tụ bằng 0 thì biên độ dòng
điện xung kích chạy qua bộ tụ:
037,3
10.2,17
10.12
115
3
6
1
1
1
≈==
−
−
L
C
UI
mmC
xk
(kA); tần số dao
động:
350
10.1210.2,172
1
2

1
63
11
=
×
==
−−
π
π
CL
f
(Hz)
Theo kết quả mô phỏng trên ORCAD, biên độ của dòng điện xung kích chạy qua bộ tụ
I
mC1xk
= 3,042 kA và tần số dao động
357
0028,0
11
===
T
f
(Hz).
Qua kết quả mô phỏng khi đóng bộ tụ bù vào lưới điện mà giá trị điện áp tức thời của
nguồn và điện áp trên tụ bằng 0 thì dòng điện xung kích với biên độ và tần số dao động lớn
(I
mC1xk
= 3,042 kA và tần số f = 357 Hz) chạy vào bộ tụ để cân bằng điện áp của lưới điện và
điện áp trên bộ tụ. Do điện áp trên tụ bằng không nên sẽ tăng tức thời từ giá trị không đến biên
độ cực đại của điện áp nguồn, do đó trong quá trình thay đổi điện áp tức thời này sẽ có hiện

tượng quá điện áp xảy ra trên bộ tụ bù.
Từ kết quả mô phỏng ta có một số nhận xét như sau:
- Khi bộ tụ điện được đóng vào lưới điện mà giá trị điện áp tức thời của nguồn và điện
áp trên bộ tụ cùng biên độ cực đại nhưng ngược pha, lúc đó điện áp trên tụ tăng lên 2,3 lần so
với điện áp định mức và dòng điện có thể tăng lên đến 13-14 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 điện mà giá trị điện áp tức thời của nguồn ở biên
độ cực đại và điện áp trên bộ tụ bằng không, lúc đó điện áp trên tụ là 1,84 lần so với điện áp
định mức và dòng điện tăng lên đến 6-7 lần so với dòng xác lập qua tụ.
- Khi bộ tụ điện được đóng vào lưới điện mà giá trị điện áp tức thời của nguồn và điện
áp trên bộ 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 còn dòng điện xung kích chạy vào bộ tụ với biên độ rất nhỏ.
3. Kết luận
Khi thao tác đóng điện cho bộ tụ bù trong lưới điện thì tùy theo thời điểm đóng mà quá
trình quá độ trên bộ tụ sẽ khác nhau. Nếu tại thời điểm đóng mà có sự chênh lệch giữa giá trị
điện áp tức thời của nguồn và điện áp tức thời trên bộ tụ bù thì quá trình quá độ xảy ra với quá
điện áp và dòng điện xung kích qua bộ tụ có biên độ lớn và sự chênh lệch này càng lớn thì biên
độ quá điện áp và dòng điện xung kích sẽ càng lớn. Nếu tại thời điểm đóng mà không có sự
chênh lệch giữa giá trị điện áp tức thời của nguồn và điện áp tức thời trên bộ tụ bù thì quá trình
quá độ sẽ tiến nhanh đến quá trình xác lập.
Khi đóng điện cho bộ tụ vào lưới điện, dòng điện xung kích chạy vào bên trong bộ tụ để
cân bằng điện áp của nguồn và điện áp trên bộ tụ. Quá điện áp trên bộ tụ có biên độ lớn nhất