Các chế độ làm việc của trạm tụ bù trong môi trường họa tần tp hồ chí minh trường đại học bách khoa tp hồ chí minh, 2004 b

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ QUỐC UY

ĐỀ TÀI:
CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TRẠM TỤ BÙ
TRONG MÔI TRƯỜNG HỌA TẦN

LUẬN VĂN CAO HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NĂM 2004


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Chương 1:TỔNG QUAN VỀ TRẠM TỤ BÙ
I. Tại sao phải bù?
Để cải thiện hệ số công suất của mạng điện, cần một bộ tụ điện làm nguồn
phát công suất phản kháng. Cách giải quyết này gọi là bù công suất phản
kháng.
Tải mang tính cảm có hệ số công suất thấp sẽ nhận thành phần dòng điện
phản kháng ( chậm pha so với điện áp một góc 90o ) từ máy phát đưa qua hệ
thống tryền tải/ phân phối. Do đó kéo theo tổn thất công suất và hiện tượng sụt
áp.
Khi mắc tụ song song với tải ( hay còn gọi là bù ngang), dòng điện có tính
dung của tụ sẽ có cùng hướng đi như thành phần cảm kháng của dòng tải. Dòng

điện qua tụ này ( nhanh pha hơn điện áp nguồn 90o ) ngược pha với thành phần
phản kháng của dòng tải I L . Nếu thành phần dòng điện này triệt tiêu lẫn nhau
I L = I C thì không còn tồn tại dòng phản kháng đi qua phần lưới phía trước vị trí

đặt tụ bù.
I L − IC

IC
C

IL

R

L

Tải

Trong hệ thống điện phần lớn các hộ tiêu thụ điện có cuộn dây như: động
cơ điện, khí cụ điện, đồng hồ đo lường điện... thì ngoài việc tiêu thụ công suất
tác dụng (P) còn tiêu thụ công suất phản kháng (Q). Do đó trong hệ thống điện
phải sản xuất và chuyên tải cả công suất tác dụng và công suất phản kháng.
Nếu phụ tải tiêu thụ nhiều công suất phản kháng thì tổng công suất chuyên
tải trên đường dây tăng lên làm cho tổn thất điện áp tổn thất dòng điện tăng
dẫn đến tổn thất điện năng tăng lên.
Để đảm bảo tổn thất điện áp và tổn thất điện năng trong lưới điện nằm
trong phạm vi cho phép thì một trong những biện pháp có hiệu quả cao là giảm
công suất phản kháng chuyên tải trên đường dây bằng cách: đặt thiết bị bù để
sản xuất công suất phản kháng tại chỗ cung cấp cho hộ tiêu thụ điện.
Vậy công dụng của thiết bị bù là sử dụng công suất tác dụng nhỏ trực tiếp

sản xuất ra lượng công suất phản kháng lớn cung cấp tại chỗ cho hộ tiêu thụ.
Nhờ đó mà lượng công suất chuyên tải trên đường dây giảm xuống, làm cho

Trang 1


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

tổn thất điện áp, tổn thất điện năng giảm và dòng điện chuyên tải trên đường
dây cũng giảm xuống.
Ví dụ: một đường dây tải điện cung cấp cho một hộ tiêu thụ 1 lượng công
suất tác dụng P và công suất phản kháng Q như hình
A

B P,Q

P,Q

U

Khi chưa đặt thiết bị bù
A

P,Q=( Q − Qb )

B P,Q
Qb

U

Khi có đặt thiết bị bù

• Khi chưa đặt thiết bị bù:
Tổn thất điện áp trên đường dây
P.R + Q. X
U

ΔU =

Tổn thất điện năng trên đường dây
ΔA =

P2 + Q2
R.t
U2

Dòng điện chuyên tải trên đường dây
I=

S
=
3U

P2 + Q2
3U

• Nếu tại thanh góp B có đặt thiết bị bù để cung cấp công suất phản kháng
trực tiếp cho hộ tiêu thụ một lượng Qb thì công suất phản kháng Q cần

chuyên tải trên đường dây chỉ còn:
Q = Q − Qb
'

như vậy tổn thất điện áp , tổn thất điện năng và dòng chuyên tải trên đường
dây là:
ΔU ' =

P.r + Q ' . X P.R + (Q − Qb ). X
=
U
U

Trang 2


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc
ΔA' =

P 2 + (Q − Qb ) 2
.R.t
U2

I' =

S'
=
3U

HVTH: Lê Quốc Uy

P 2 + (Q − Qb ) 2
3U

Kết quả trên ta thấy
ΔU ' < ΔU
ΔA' < ΔA
I' < I

So sánh kết quả ta thấy tổn thất điện áp, tổn thất điện năng trên đường dây
khi có đặt thiết bị bù nhỏ hơn khi chưa đặt thiết bị bù, do đó dòng điện chuyên
tải trên đường dây cũng nhỏ đi.
II. Vị trí lắp đặt tụ bù
II.1 Bù tập trung
Bù tập trung áp dụng khi tải liên tục và ổn định.
Nguyên lý: bộ tụ bù đấu vào thanh góp hạ áp của trạm phân phối chính và
được đóng trong thời gian tải hoạt động.
Ưu điểm: bù tập trung : làm giảm giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công
suất phản kháng, làm giảm công suất biểu kiến yêu cầu, làm nhẹ tải cho máy
biến áp và do đó nó có khả năng phát triểm thêm các phụ tải khi cần thiết.
Nhận xét: dòng điện phản kháng tiếp tục đi vào tất cả các lộ phân phối
chính của mạng hạ thế; do đó kích cỡ của dây dẫn, công suất tổn hao trong dây
không được cải thiện với chế độ bù tập trung.

n 01

M

M

Bù tập trung

Trang 3

M

M


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

II.2 Bù từng nhóm ( bù phân đoạn)
Bù từng nhóm nên sử dụng khi mạng điện quá lớn và khi chế độ tải tiêu thụ
theo thời gian của các phân đoạn thay đổi khác nhau.
Nguyên lý: bộ tụ bù được đấu vào tủ phân phối khu vực. Hiệu quả do bù
nhóm mang lại cho các dây dẫn xuất phát từ tủ phân phối chính đến các tủ
phân phối khu vực có đặt tụ được thể hiện rõ nhất.
Ưu điểm:làm giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng, làm
giảm công suất phản kháng yêu cầu, kích thước dây cáp đi đến các tủ phân
phối khu vực sẽ giảm đi hoặc với cùng dây cáp trên có thể tăng thêm phụ tải
cho tủ phân phối khu vực, tổn hao trên dây cáp sẽ giảm.
Nhận xét: dòng điện phản kháng tiếp tục đi vào tất cả các dây dẫn xuất
phát từ các tủ phân phối khu vực, do đó kích thước và công suất tổn hao trong
dây dẫn nói trên không được cải thiện với chế độ bù nhóm. Khi có sự thay đổi
đáng kể của phụ tải luôn luôn tồn tại nguy cơ bù dư và kèm theo hiện tượng
quá điện áp.

n 01

n0 2

M

n0 2

M

M

M

Bù nhóm
II.3 Bù riêng
Bù riêng được xét đến khi công suất động cơ đáng kể so với công suất của
mạng điện.
Nguyên lý: bộ tụ mắc trực tiếp vào đầu dây nối của thiết bị dùng điện có
tính cảm. Bù riêng nên được xét đến khi công suất của động cơ là đáng kể so
với công suất của mạng điện. Bộ tụ định mức ( KVAr) đến khoảng 25% giá trị
công suất (KW) của động cơ. Bù bổ sung tại đầu nguồn điện cũng có thể mang
lại hiệu quà tốt.
Ưu điểm: làm giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng,
giảm công suất biểu kiến yêu cầu, giảm kích thước và tổn hao dây dẫn đối với
tất cả dây dẫn.

Trang 4


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Nhận xét : dòng điện phản kháng có giá trị lớn sẽ không tồn tại trong mạng
điện.

n 01

n0 2

M

n0 2

M

M

Bù riêng

M

III. Mức độ bù tối ưu
Việc tính toán mức bù tối ưu cho một mạng có thể thực hiện theo các yêu
cầu sau:
- Tiền điện trước khi đặt tự bù.
- Tiền điện tương lai sau khi lắp đặt tụ bù.
- Các chi phí bao gồm: mua tụ bù và mạch điều khiển, lắp đặt và bảo trì,
tổn thất trong tụ và tổn thất ttên dây cáp, máy biến áp sau khi lắp đặt tụ
bù.

Trang 5


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Chương 2: SỬ DỤNG PHẦN MỀM ATP/EMTP
ĐỂ PHÂN TÍCH QUÁ ĐỘ CỦA TRẠM TỤ BÙ
I. Giới thiệu phần mềm ATP/EMTP
The Alternative Transients Program (ATP) là một phiên bản của phần mềm
phân tích quá độ điện từ ( EMTP: Electromagentic transients Program). EMTP
có thể dự đoán sự thay đổi điện áp, dòng điện... của hệ thống điện như là một
hàm theo thời gian, đóng cắt trạm tụ bù là một là một trong các chức năng mà
ATP có thể thục hiện được.
II.Hiện tượng quá độ trong hệ thống điện
II.1 Giới thiệu
Trong phần này chỉ giới thiệu chung các hiện tượng quá độ, nguồn gốc và
hậu quả của quá độ trong mạch một pha và ba pha. So sánh với trạng thái sát
lập của hệ thống ở một tần số, nơi mà hệ thống có thể được mô tả dễ dàng
bằng một phương trình phức tạp, một công thức toán của đáp ứng của thiết bị
riêng biệt hoặc của một hệ thống ít phức tạp hơn, bởi vì ở trạng thái sát lập đáp
ứng của hệ thống liên quan đến một dãi tần số. Vì thế, hiểu được bản chất của
quá trình quá độ là rất quan trọng.
1. Quá độ gấp đôi tần số (Double Frequency transients).
Trường hợp đơn giản nhất của quá độ gấp đôi tần số đươc xét đến là mở
máy cắt trong mạch 10kV như hình vẽ.

Trong đó R1 = 33mΩ, L1 = 2.1mH là tổng trở ngắn mạch của nguồn 10kV,

C1 = 2μ F là điện dung tương đương của cáp nối từ nguồn đến tải cảm ứng

(motor). L2 = 30mH , C2 = 40nF là điện cảm và điện dung tương đương của tải
cảm ứng (motor), tổn thất dây quấn của động cơ được thay thế bằng R2 = 0.47Ω .
R1 = ω L1 , R2 = ω L2 . Khi mở khóa hai nửa của mạch độc lập với nhau. Trước

khi mở khóa điện áp tần số 50Hz điện áp sẽ chia tương ứng trên những điện
cảm, vì vậy điện áp xấp xỉ của tụ sẽ là
VC =

L2
1
VS bởi vì L2 ? L1 ,
? ω L2
L1 + L2
ω (C1 + C2 )

Trang 6


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Khi dòng qua điểm không, công tắc sẽ mở ra và điện áp trên công tắc sẽ là
điện áp đỉnh bởi gì mạch có tính cảm. Tiếp theo dòng ngắt C2 sẽ xả qua L2 với
tần số cộng hưởng
f2 =

1

= 4594 Hz
2π L2C2

nh hưởng của R2 được bỏ qua.
Trong lúc này C1 không ảnh hưởng đến điện thế nguồn, sẽ dao động
khoảng giá trị đỉnh

2Vs = 8165kV .

Tần số của dao động xấp xỉ
f1 =

1
=2453Hz.
2π L1C1

Điện áp quá độ phiá nguồn và phía tải

Điện áp quá độ qua công tắc
II.2 Quá độ trong mạch ba pha
Hệ thống ba pha có thể nối đất ở trung tính, có thể cô lập với đất hoặc có
thể nối đất ở trung tính qua tổng trở. Trong hệ thống, trung tính được nối đất ba
pha hầu như độc lập và tương tự như ba mạch một pha nếu tổng trở nối đất của
mạch không đáng kể. Vì thế nếu máy cắt mở để giải trừ sự cố ở pha a, thì dòng

Trang 7


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

ngắt trong các pha b, c độc lập với dòng qua điểm không. Điện áp quá độ tìm
được qua máy cắt hoặc tải có thể tìm theo phương pháp một pha.
Trường hợp khác khi trung tính nối đất, hoặc nối đất qua tổng trở, ví dụ nối
đất qua cuộn dập hồ quang thì điện cảm của nó dạng cộng hưởng song song với
điện dung mỗi pha. Giả sử ta cắt trạm tụ bù ba pha đấu sao như hình vẽ. Trạm
15MVA nối với nguồn 10kV. Điểm trung tính của trạm tụ nối đất qua tụ 1nF.

điều kiện xác lập khi trạm tụ bù được nạp, sự đối xứng của mạch sẽ là
nguyên nhân điểm trung tính N của trạm tụ trở thành điện thế đất. Giả sử rằng
khi công tắc mở, pha A ngắt đầu tiên. Dòng điện I A sẽ bằng không khi VA đạt
giá trị đỉnh.

Hình trên ta có thể thấy, dạng sóng điện áp và dòng điện của tụ ở pha A.
dòng ở pha A được ngắt ở t=10ms. Hai pha B, C được đóng duy trì. Khi tụ ở pha
A đã ngắt, không có nơi nào để điện tích trên C A di chuyển, và tụ sẽ đạt giá trị
đỉnh V peak . Pha B,C bây giờ là các mạch độc lập trong đó I = I B = − I C . Sự không
đối xứng của mạch làm cho điện thế điểm trung tính N tăng lên. Vì thế điện áp
của trung tính là điện áp đỉnh V peak .
Khi điểm trung tính không không bị ảnh hưởng của nối đất, sau khi ngắt pha
A, B,C cùng thời điểm dạng sóng của nó như hình bên dưới.

Trang 8


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Ngắt công tắc ba pha
Khi ngắt hoàn toàn trạm tụ bù ta sẽ có được điện áp của tụ đến đất và điện
áp của trung tính

Điện áp pha của trạm tụ bù và điện áp của trung tính sau khi ngắt ba pha
Nếu trạm tụ bù ba pha mà trung tính trực tiếp nối đất, chúng ta sẽ phân tích
từng pha của mạch ba pha.

Trạm tụ bù ba pha trung tính trực tiếp nối ñaát

Trang 9


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Dòng ngắt ba pha của tụ

Điện áp pha của trạm tụ bù
Dòng của mỗi tụ được ngắt ở thời điểm không của dòng pha độc lập. Điện
áp sẽ đạt giá trị đỉnh khi dòng qua giá trị không, điện áp trên cả ba pha sẽ duy
trì ở giá trị đỉnh sau khi cắt bởi gì nó giữ lại điện tích đã nạp.

Trang 10


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

III.Hiện Tượng Back-To-Back
III.1 Phân tích hiện tượng :
Hiện tượng Back-To-Back là hiện tượng khi đóng một giàn tụ vào lưới
có những giàn tụ khác đang hoạt động . Khi đóng trong trường hợp này thì biên
độ và tần số của dòng điện xung phải lớn hơn trường hợp chỉ có một giàn tụ .
Tần số quá độ của dòng điện xung này cũng có thể vượt quá tần số quá độ hiện
thời của thiết bị đóng cắt . Nó cũng có thể làm hỏng các thiết bị bảo vệ như cầu
chì hay các relay.
Điển hình của hiện tượng Back- To- Back được trình bày trong hình dưới
14.3mH
đây:
t
•
20uH
40uH
110kV
C1=10uF

2omh

III.2 Kết quả mô phỏng:
Sơ đồ mô phỏng sử dụng phần mềm ATP/EMTP

Ứng với các trường hợp đóng cắt ta có điện áp qua tụ C1 (V) và dòng
điện chảy vào giàn tụ C1 (A) như sau:
III.2.1Trường hợp UC2=0
-Đóng ở 0 ms

Trang 11

GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Điện áp nguồn v:SCR và điện áp qua tụ C1 v:C1

Dòng điện qua tụ C1

Trang 12


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2

Dòng điện qua tụ C2

Trang 13


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Đóng ở 5ms:

Điện áp nguồn v:SCR và điện áp qua tụ C1 v:C1

Dòng điện qua tuï C1
Trang 14


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2

Dòng điện qua tụ C2

Trang 15


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Đóng ở 10ms:

Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1

Dòng điện qua tụ C1
Trang 16


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2

Dòng điện qua tụ C2

Trang 17


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Đóng ở 15ms:

Điện áp nguồn v:SCR và điện áp qua tụ C1 v:C1

Dòng điện qua tuï C1
Trang 18


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2

Dòng điện qua tụ C2

Trang 19


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

III.2.2 Trường hợp U C 2 = 0.5U max
-

Đóng ở 0ms:

Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1

Trang 20


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Điện áp nguồn và điện ap1 qua tụ C2

Dòng điện qua tụ C2

Trang 21


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

-Đóng ở 5ms:

Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1

Dòng điện qua tụ C1
Trang 22


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C2

Dòng điện qua tụ C2

Trang 23


GVHD: TS.Nguyễn Hữu Phúc

HVTH: Lê Quốc Uy

Đóng ở 10ms:

Điện áp nguồn và điện áp qua tụ C1

Trang 24