Ứng dụng của tụ bù dọc và mô phỏng thiết bị bù có điều khiển bằng chương trình EMTP

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------

HỌ VÀ TÊN: TRẦN TUẤN ANH

ỨNG DỤNG CỦA TỤ BÙ DỌC VÀ MƠ PHỎNG THIẾT BỊ BÙ
CĨ ĐIỀU KHIỂN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH EMTP

CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THANH LIÊM

Hà nội: 12-2004


Mục lục
Trang
lời Mở đầu
Chương I. các ứng dụng của tụ bù dọc

I.1. Giới thiệu chung

1

I.2. Tác dụng của tụ bù dọc

1

I.3. Vị trí đặt bù

6

I.4. Đường dây hình tia

16

I.5. Thiết bị bù dọc có điều khiển

31

I.6. Tóm tắt chương

49

Chương II. Vấn đề cộng hưởng tần số thấp

II.1. Các khái niệm

50

II.2. Lựa chọn các biện pháp bảo vệ cộng hưởng tần số thấp

56

Chương III. Chương trình mơ phỏng hệ thống điện EMTP

III.1. Giới thiệu chương trình EMTP

63

III.2. Ví dụ về chương trình mơ phỏng bằng EMTP

77

III.3. Một số điểm cần chú ý về chương trình EMTP

78

Chương IV. Mơ phỏng thiết bị bù có điều khiển TCR

IV.1. Đặt vấn đề

79

IV.2. Mơ phỏng bài tốn bằng chương trình ATP

79

IV.3. Mơ phỏng các phần tử của mơ hình

84

IV.4. Kết quả mơ phỏng
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

103


LỜI MỞ ĐẦU
Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến trên thế giới
hiện nay, nó có mặt trong mọi lĩnh vực của xã hội. Nhu cầu sử dụng điện trên thế
giới phục vụ cho các hoạt động lao động sản xuất, văn hóa... của con người ngày
càng tăng. Nghiên cứu các vấn đề thuộc lĩnh vực điện lực là yêu cầu cấp bách để
vừa đáp ứng được các nhu cầu tiêu dùng điện ngày càng tăng vừa tiết kiệm trong
truyền tải, sản xuất điện năng cũng như các yêu cầu về sử dụng hợp lý các nguồn
nguyên, nhiên liệu sơ cấp phục vụ cho sản xuất điện.
Trong lĩnh vực điện lực, việc bù dọc trên các đường dây truyền tải là giải pháp
tốt để nâng cao hiệu quả truyền tải điện trên đường dây. Tuy nhiên, bên cạnh những
ưu điểm do việc bù dọc còn xuất hiện các hiệu ứng khác ảnh hưởng đến hệ thống
điện như các dạng cộng hưởng tần số thấp địi hỏi chúng ta phải có những hiểu biết
để hạn chế và ngăn chặn. Vấn đề bù dọc có phạm vi ảnh hưởng khá rộng lớn và vẫn
là vấn đề thu hút được sự quan tâm, nghiên cứu trong lĩnh vực điện lực.
Nội dung luận văn đề cập đến các các ứng dụng của tụ bù dọc trong hệ thống
điện và mơ phỏng thiết bị bù có điều khiển bằng chương trình EMTP, bao gồm các
chương mục:
-

Chương I, đề cập đến các ứng dụng của tụ bù dọc, phạm vi ảnh hưởng, nêu
tính tốn chọn lựa vị trí bù.

-

Chương II, nêu lên một hiện tượng phát sinh do việc sử dụng tụ bù dọc
đường dây, đó là hiện tượng cộng hưởng tần số thấp.

-

Chương III, giới thiệu về chương trình mơ phỏng lưới điện EMTP.

-

Chương IV, trình bày bài tốn mơ phỏng thiết bị bù có điều khiển bằng
chương trình EMTP.

Tác giả xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đối với thầy giáo TS. Nguyễn
Thanh Liêm đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm
ơn các thầy, cơ và bạn bè đã tận tình giúp đỡ tác giả hồn thành bản luận văn này.
Vì thời gian có hạn, vấn đề nghiên cứu vẫn cịn khá mới mẻ nên bản luận văn không


khỏi cịn những thiếu sót và hạn chế. Tác giả rất mong nhận được nhiều góp ý của
các thầy cơ giáo và các bạn.


1
bù dọc trong hệ thống điện

Ch-ơng I. CC NG DC CỦA TỤ BÙ DỌC

I.1. GIỚI THIỆU CHUNG.
Từ lâu tụ bù dọc đã được lựa chọn là một trong các giải pháp giải quyết
các vấn đề liên quan đến truyền tải công suất trên đường dây. Các tụ bù dọc
hiện đại ngày nay đã được trang bị nhiều kỹ thuật tiên tiến nhằm đơn giản hoá
việc lắp đặt và nâng cao độ tin cậy. Do vậy chúng có thể chịu đựng được các
tác động của điện áp cao trong quá trình vận hành. Những tiến bộ trong kỹ

thuật đã giúp cho việc lắp đặt tụ bù dọc đơn giản hơn trước đây, đồng thời
nâng cao độ tin cậy và dễ dàng trong bảo trì, bảo dưỡng.
Trong tương lai, tụ bù dọc sẽ có khả năng thay đổi mức độ bù một cách tự
động hoặc được điều khiển từ trung tâm điều độ. Tụ bù có điều khiển sẽ mở
ra những hướng nghiên cứu mới trong việc ứng dụng chúng vào hệ thống
điện.
Nội dung phần này sẽ đề cập đến những ứng dụng cơ bản của tụ bù dọc
trong hệ thống điện cũng như những hạn chế cần lưu ý khi sử dụng. Tiếp theo
sẽ xem xét các vị trí đặt bù tối ưu. Sau cùng sẽ đề cập đến một số phương
pháp đóng mở tụ bù dọc, đặc biệt là phương pháp sử dụng Thyristor có điều
khiển TCSC.

I.2. TÁC DỤNG CỦA TỤ BÙ DỌC.
Tụ bù dọc có ưu điểm nổi bật với công tác vận hành hệ thống, khác hẳn
các tụ bù ngang. Nhiều vấn đề của hệ thống điện có liên quan đến tổng trở
đường dây, có thể dẫn đến sụt áp lớn trên đường dây, gây mất ổn định máy
điện đồng bộ, gây các nhiễu loạn điện áp hoặc lm mt n nh h thng. Cú
Học viên: Trần Tuấn Anh - Líp CH 2002-2004


2
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

thể khắc phục vấn đề tổng trở đường dây bằng cách sử dụng đường dây có
nhiều mạch, tuy nhiên phương án này gây ra tốn kém lớn trong hệ thống.
Trong một số trường hợp, các vấn đề trên cũng có thể được hạn chế hay giải
quyết bằng cách sử dụng các bộ bù ngang. Tuy vậy bù ngang không thể giải
quyết tận gốc của vấn đề, giải pháp này chỉ có tính chất tạm thời. Với các
trường hợp này giải pháp tốt hơn là sử dụng các bộ tụ bù dọc, giải quyết các
nhược điểm căn bản của đường dây khơng có bù.

Các tụ bù ngang thường ln ở trạng thái đóng, bởi vì lượng công suất bù
yêu cầu luôn phụ thuộc vào phụ tải. Điều này làm tăng giá thành và vấn đề lắp
đặt tụ bù ngang cũng trở nên phức tạp. Hơn nữa việc bảo trì bảo dưỡng để
đảm bảo cho tụ ln ln hoạt động tốt cũng địi hỏi nhiều biện pháp kỹ thuật
phức tạp khác.
Trái lại, tụ bù dọc lại có khả năng điều chỉnh công suất bù một cách tự
động khi phụ tải thay đổi. Điều này thông thường sẽ làm giảm hoặc loại bỏ
những chi phí khơng cần thiết do việc ln ln đóng tụ gây ra. Các bộ
Varistor bảo vệ tụ cũng ít khi phải bảo dưỡng, các bộ tụ hiện đại đang được
sử dụng rộng rãi cho thấy hầu như không phải bảo dưỡng sau khi lắp đặt và
vận hành thành công. Trong phần lớn trường hợp, các cuộc kiểm tra định kỳ
là đủ đảm bảo sự hoạt động tin cậy của tụ bù dọc. Do tụ bù dọc khơng điều
khiển chỉ đóng vào những thời điểm cần thiết nên việc bảo dưỡng thiết bị
đóng cắt cũng không cần phải tiến hành thường xuyên. Thời gian đáp ứng lại
các tác động hệ thống của tụ bù dọc cũng ngắn hơn so với tụ bù ngang. Mặt
khác, tụ bù dọc không bị ảnh hưởng bởi độ trễ của các thiết bị đóng cắt có
thời gian hay độ trễ của hệ thống điều khiển trong các thiết bị điều khiển.
Các tụ bù dọc cũng ít yêu cầu về mặt vận hành vì hầu hết chúng được thiết
kế để hoạt động mà khơng cần có sự can thiệp của nhân viên vận hành trong
điều kiện làm việc bình thường. Thậm chí, các tụ bù dọc cịn có thể được vận
Häc viên: Trần Tuấn Anh - Lớp CH 2002-2004


3
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

hành để điều khiển dịng công suất, để tránh hiện tượng cộng hưởng tần số
thấp và để hạn chế quá độ đường dây.
I.2.1. TỐI ƯU CÔNG SUẤT TRUYỀN TẢI
Ta biết rằng điều kiện tối ưu tổng trở (nối tiếp) đường dây là một hàm phụ

thuộc các thơng số hệ thống. Khó có thể thiết kế đường dây truyền tải đáp ứng
được các đặc tính tối ưu. Tuy nhiên đường dây truyền tải có sử dụng tụ bù dọc
sẽ đạt được đường đặc tính tổng trở gần với đường đặc tính tối ưu, do vậy có
thể thay đổi các thông số hệ thống và giảm tổn thất đến mức thấp nhất. Nếu
như nguyên tắc này được áp dụng tại tất cả các đường dây truyền tải thì mạng
điện sẽ vận hành trong điều kiện gần tối ưu tại mọi thời điểm.
Tụ bù ngang rất có tác dụng trong việc tối ưu hố các thơng số chế độ đáp
ứng lại những thay đổi của phụ tải. Việc bù ngang có thể giữ cho điện áp các
nút hệ thống tại giá trị mong muốn. Tuy nhiên, bù ngang khơng có tác dụng
thay đổi tổng trở lưới và thậm chí có khi làm cho điểm làm việc càng xa điểm
tối ưu. Chỉ đối với cấu trúc đường dây dài, tác dụng này của bù ngang mới
thực sự có hiệu quả. Do đó bù dọc đóng vai trị hết sức quan trọng trong việc
thay đổi thông số hệ thống giúp cho hệ thống điện đạt đến hệ thống tối ưu
(hay đạt được điểm làm việc tối ưu).
I.2.2. CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH
Đối với các hệ thống truyền tải lớn nối các trung tâm phụ tải và nguồn ở
các vị trí rất xa, công suất truyền tải trên đường dây thông thường bị giới hạn
bởi các điều kiện giới hạn ổn định. Bù dọc là một trong các cách để cải thiện
ổn định hệ thống. Bù dọc có tác dụng giảm tổng trở hai đầu đường dây, cho
phép nâng cao công suất truyền tải trên đường dây, nâng cao dự trữ công sut
ng dõy.
Học viên: Trần Tuấn Anh - Lớp CH 2002-2004


4
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

Ở một số hệ thống, ngay cả các hệ thống có tính liên kết cao, cũng xuất
hiện các vấn đề về ổn định điện áp hoặc ở dạng dao động điện áp hoặc ở dạng
sụp đổ điện áp. Tụ bù dọc có tác dụng giải quyết các vấn đề ổn định điện áp

nêu trên. Tác dụng của bù dọc trong việc ổn định hệ thống là do tụ bù dọc làm
giảm điện kháng của đường dây. Do đó làm tăng cơng suất truyền trên đường
dây với góc  cho trước. Tụ bù dọc cũng cung cấp công suất phản kháng (vào
hệ thống) để đáp ứng lại yêu cầu của hệ thống.
I.2.3. TÁC DỤNG ĐỐI VỚI ĐƯỜNG DÂY DÀI.
Bù dọc là một phương tiện hiệu quả đối với các đường dây dài để giữ
điện áp tại các nút ở giá trị mong muốn (so với các đường dây không bù).
Trong lý thuyết đường dây dài, ta biết rằng giới hạn truyền công suất thực tế
xẩy ra với đường dây có chiều dài 1/4 bước sóng (1500 km). Chiều dài của
đường dây 1/4 bước sóng tỉ lệ nghịch với hệ số thay đổi pha của sóng điện áp
và dòng điện khi truyền qua một đơn vị chiều dài đường dây có đơn vị là
rad.km-1 (hoặc độ điện.km-1), ký hiệu 0. Ta biết rằng chiều dài bước sóng


2
, với 0 = 0,06 độ điệnkm-1 thì   6000 km. Khi thêm tụ bù dọc, hệ số
0

thay đổi pha giảm dẫn đến tăng chiều dài bước sóng.
I.2.4. ĐIỀU KHIỂN DÒNG CẢM ỨNG TỪ ĐỊA
Hiện tượng cảm từ địa (Geomagnetically Induced Currents - GIC) có ảnh
hưởng lớn đến hệ thống điện ở khu vực vĩ tuyến bắc trong suốt thời kỳ hoạt
động mạnh của mặt trời. Thời kỳ hoạt động mạnh nhất của mặt trời diễn ra
theo chu kỳ khoảng 11 năm/lần. Sự kiện đã từng xảy ra vào ngày 13/03/1989
gây mất điện toàn bộ hệ thống thuỷ điện QueBec, thiệt hại 21.000MW công
suất.
Người ta cho rằng ảnh hưởng của bão từ là ngun nhân chính dẫn đến
bão hồ máy biến áp, làm suy giảm và nhiễu loạn điện áp. Dũng in cm ng
Học viên: Trần Tuấn Anh - Lớp CH 2002-2004

5
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

từ địa chạy trong đất và các phần nối vỏ thiết bị như các máy biến áp. Các
dịng điện này có tần số rất thấp từ 0,0008 đến 0,006 Hz. Do vậy chúng được
xem là các dịng điện thứ tự khơng tần số rất thấp có ảnh hưởng gây bão hồ
mạch từ các máy biến áp có trung tính nối đất cũng như có các điều kiện cần
thiết cho dòng một chiều chạy qua. Dòng GIC chạy qua các máy biến áp nối
đất trong hệ thống truyền tải siêu cao áp. Các máy biến áp bão hồ gây ra các
dịng điện kích thích mỗi nửa chu kỳ có biên độ lớn gây phát nóng bên trong
do từ thơng tản, do dịng điện q bão hồ và do các sóng điều hồ chẵn, lẻ
bậc cao. Rõ ràng dòng GIC sẽ bị ngăn chặn từ đường dây truyền tải nếu trên
đường dây có mắc các bộ tụ bù dọc.
I.2.5. CÁC HẠN CHẾ CỦA TỤ BÙ DỌC
Việc sử dụng bù dọc đường dây cũng làm xuất hiện ba vấn đề mà đường
dây không bù không tồn tại. Các vấn đề đó là: cộng hưởng tần số thấp; bảo vệ
đường dây truyền tải và các yêu cầu về điện áp phục hồi chuyển tiếp đối với
các thiết bị đóng cắt.
Khi mới xuất hiện lần đầu, cộng hưởng tần số thấp - SSR là một vấn đề
khó khăn và phần nào cản trở hoạt động hệ thống điện. Thời gian qua vấn đề
cộng hưởng tần số thấp đã được tìm hiểu thấu đáo và đã có các thiết bị bảo vệ
hệ thống điện khỏi hiện tượng trên. Với việc sử dụng các thiết bị bảo vệ SSR
cùng với sự hiểu biết kỹ lưỡng về SSR, chúng ta có thể phân tích và điều
khiển hệ thống điện hoạt động an tồn khỏi tác động của SSR. Các thiết bị
bảo vệ có hiệu quả tốt trong việc ngăn chặn các sự cố tuabin- máy phát do
SSR gây nên. Mặc dù hệ thống điện phải chi phí cho các thiết bị bảo vệ SSR
nhưng bù dọc vẫn là một biện pháp đem lại hiệu quả cao cả về kỹ thuật lẫn
kinh tế.
Bảo vệ đường dây truyền tải có bù dọc là một vấn đề khó khăn nhưng

cũng đầy lý thú đặc biệt đối với bảo vệ rơle hoạt động theo nguyên tắc bảo vệ
khoảng cách và bảo vệ có hướng. Điều này là do khi t bự dc t gn rle
Học viên: Trần TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004


6
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

bảo vệ sẽ làm cho rơle tác động sai. Ban đầu để tránh hiện tượng tác động sai
của rơle, người ta đặt tụ bù xa vị trí đặt rơle chẳng hạn như đặt tại tâm của
đường dây được bảo vệ. Nhờ đó các rơle có thể tác động chính xác và tin cậy.
Các rơle hiện đại được thiết kế đặc biệt sử dụng trên đường dây bù dọc, có thể
được lắp đặt tại bất kỳ vị trí nào mà khơng phải tính đến vị trí của tụ bù. Nhờ
đó mà vấn đề bảo vệ đường dây có bù dọc đã được giải quyết mà khơng làm
giảm hiệu quả của tụ bù.
Sử dụng bù dọc trên đường dây siêu cao áp có thể tạo ra điện áp quá độ
trên thiết bị đóng cắt khi các thiết bị này tác động và điện áp quá độ có thể
vượt qua các tiêu chuẩn của điện áp hệ thống. Vấn đề này có thể được giải
quyết bằng cách sử dụng các thiết bị đóng cắt chịu được điện áp q độ hoặc
sử dụng các thiết bị đóng cắt thơng thường cùng với thiết bị làm giảm điện áp
quá độ TRV đến điện áp danh định của thiết bị đóng cắt. Sử dụng thiết bị
TRV là lựa chọn tối ưu bởi giá thành các thiết bị này ở mức chấp nhận được.
Như vậy là bên cạnh những hiệu quả đem lại đối với hệ thống điện, tụ bù
dọc cũng gây ra các hiện tượng cần quan tâm. Khi các vấn đề trên được tìm
hiểu cặn kẽ, ta sẽ có các biện pháp để hạn chế, khắc phục chúng. Từ khi xuất
hiện cho đến nay, các vấn đề cộng hưởng tần số thấp, bảo vệ đường dây, quá
điện áp quá độ đã được quan tâm nghiên cứu và cho đến nay đã tìm ra được
các biện pháp thích hợp để giải quyết. Do đó các hiện tượng trên khơng cịn là
vấn đề quá lớn so với những lợi ích mà các tụ bù dọc đem lại.

I.3. VỊ TRÍ ĐẶT BÙ.
Đối với đường dây chỉ cần một vị trí đặt bù thì bộ bù dọc sẽ có hiệu
quả tốt nhất khi được đặt tại tâm của đường dây truyền tải (điểm giữa hai đầu
đường dây). Điều này đã được xác nhận ngay từ thời kỳ đầu khi phát triển các
bộ tụ bù dọc và cũng đã được chứng minh là hiệu quả ở các hệ thống điện của
Thụy Điển và Canada.
Häc viªn: TrÇn Tn Anh - Líp CH 2002-2004


7
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

Tuy vậy cũng tồn tại một số vị trí lắp đặt bộ bù dọc khác, chẳng hạn ở
các lưới điện miền Tây Hoa Kỳ, các bộ tụ được lắp đặt tại điểm cuối của
đường dây nhằm tận dụng vị trí trạm sẵn có và đội ngũ nhân viên của trạm.
Trong một số các trường hợp khác, người ta đặt bù tại hai vị trí trên đường
dây, chia đường dây làm ba phần bằng nhau. Trường hợp khác lại chỉ đặt bù
tại một vị trí cách điểm cuối 1/3 chiều dài đường dây.
Việc xác định vị trí đặt bù có ý nghĩa rất quan trọng vì vị trí bù có liên
quan đến các yếu tố sau:
- Thứ nhất, hiệu quả của tụ bù dọc theo đường dây truyền tải là hàm số
phụ thuộc vị trí đặt bù.
- Thứ hai, vị trí đặt bù ảnh hưởng đến hình dáng đường cong phân bố
điện áp dọc theo đường dây.
- Thứ ba, vị trí đặt bù có ảnh hưởng đến các phương thức bảo vệ bộ bù.
- Thứ tư, vị trí đặt bù quyết định cách thức bảo trì/ bảo dưỡng các bộ tụ.
- Cuối cùng, nếu các bộ bù bảo vệ bằng MOV (metal oxide varistor) thì
năng lượng cung cấp cho MOV cũng phụ thuộc vị trí đặt bự.

Học viên: Trần Tuấn Anh - Lớp CH 2002-2004

8
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

Hình 1.1 Đường dây với 1 v trớ bự

Học viên: Trần Tuấn Anh - Lớp CH 2002-2004


9
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

I.3.1. ĐƯỜNG DÂY VỚI MỘT VỊ TRÍ BÙ.
Hình 1.1 thể hiện đường dây truyền tải với một vị trí bù. Đường dây
được chia làm hai phần, mỗi phần được mô tả bởi các thông số ABCD. Trên
hình vẽ đường dây được thay thế bằng hai đoạn sơ đồ hình , phân tách bởi
bộ tụ bù dọc. Trên sơ đồ cũng bao gồm các tụ bù ngang có các thơng số được
thể hiện trong các ma trận A, B, C, D.
Ta có quan hệ dịng áp đầu và cuối đường dây theo tham số hệ thống như
sau:
VS  A L B L  VR 
I   C D  I 
 S   L L  R 

(1.1)

Trong đó:
 AL BL   A1 B1  1  jX C   A2 B2 
C D   C D  0

1  C2 D2 
 L L   1 1 

(1.2)

Khai triển( 1.2) ta được:
Al = A0 - jXcA1A2
Bl = B0 - jXcA1D2 = B0 + B

( 1.3)

Cl = C0 - jXcC1C2
Dl = D0 - jXcC1D2
Trong đó các tham số có ký hiệu ”0” là các tham số của đường dây khi
chưa có tụ bù dọc. Hiệu quả bù được xác định bằng tỉ số chuyển từ tính cảm
kháng sang tính dung kháng của thông số đường dây. Từ (1.3) ta thấy cảm
kháng của đường dây khi khơng có bù chính là phần ảo của B 0. Cảm kháng
này bị suy giảm đúng bằng phần ảo của B. Do đó hiệu quả bự c th hin
qua biu thc:
Học viên: Trần Tuấn Anh - Líp CH 2002-2004


10
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

Kx= Re(A1D2)

(1.4)

hay:

Kx= Recoshs.cosh(l-s)]

(1.5)

Trong đó:

s: là khoảng cách từ điểm nguồn đến vị trí đặt bù.
l: là chiều dài đường dây.

Từ (1.5) ta thấy Kx là hàm số của khoảng cách s. Quan hệ Kx= f(s) đối
với một số đường dây truyền tải cho trên hình vẽ (1.2)
Qua hình vẽ ta thấy rõ ràng rằng đối với các đường dây có chiều dài càng
lớn thì việc xác định vị trí bù càng quan trọng, tuy nhiên đối với các đường
dây chỉ có một vị trí bù thì khoảng cách bù tối ưu ln ln là điểm giữa của
đường dây. Cũng từ hình vẽ 1.2 ta cũng so sánh được hiệu quả của việc chọn
vị trí bù ở tâm đường dây với việc đặt bù tại điểm đầu/ cuối đường dây. Sự
khác biệt này thể hiện qua bảng 1.1.

Hình 1.2 Hiệu quả bù đối với đường dây 1 v trớ bự
Học viên: Trần Tuấn Anh - Lớp CH 2002-2004


11
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

Bảng 1.1 Hiệu quả bù giữa các vị trí
Chiều dài

Bù tại

Bù tại

Mức độ

(km)

đầu đường dây

điểm giữa

sai khác

400

0,869

0,935

0,065

500

0,799

0,899

0,101

600

0,714

0,857

0,143

700

0,622

0,809

0,187

800

1,512

0,776

0,264

900

0,397

0,699

0,301

1000

0,275

0,638

0,362

Qua bảng 1.1 ta thấy rằng mức độ sai khác giữa việc đặt bù tại điểm
giữa và điểm đầu/ cuối đường dây càng tăng lên khi chiều dài đường dây càng
tăng; có nghĩa là với những đường dây có chiều dài càng lớn thì việc bù tại
điểm giữa mang lại hiệu quả càng cao so với việc đặt bù tại điểm đầu/ cuối.
Với những đường dây có chiều dài trên 800 km thì mức độ sai khác này lớn
hơn 25% (xem bảng 1.1). Như vậy với đường dây ngắn thì khơng có lý do
nào bắt buộc vị trí bù phải nằm tại điểm giữa đường dây. Quả thật cũng có
nhiều lý do để lựa chọn các vị trí đặt bù khác. Một vài đường dây tại Thụy
Điển được lắp đặt bù tại vị trí cách nguồn 1/3 chiều dài dây do những lợi ích
riêng mà vị trí bù này mang lại. Một điều cũng hết sức quan trọng khi tiến
hành đặt bù tại các đầu đường dây là tận dụng được đất đai và đội ngũ nhân
viên sẵn có tại các trạm. Trong nhiều trường hợp lợi ích của lý do này đem lại
được đánh giá cao hơn việc đặt bù tại điểm giữa đường dây. Cuối cùng việc
xác định vị trí đặt bù cần phải được nhìn nhận từ nhiều góc độ khác nhau và
vị trí bù tối u cn dung ho c nhiu yu t.
Học viên: Trần TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004


12
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

I.3.2. ĐƯỜNG DÂY VỚI HAI VỊ TRÍ BÙ.
Trên nhiều đường dây truyền tải người ta tiến hành bù dọc tại hai vị trí.
Các nghiên cứu về hai vị trí bù trên đường dây đã được tiến hành rộng rãi. Có
hai sơ đồ cho loại hình này. Thứ nhất, là đặt bù tại hai vị trí chia đường dây
làm 3 đoạn bằng nhau. Sơ đồ thứ hai bố trí bù tại hai điểm đầu và điểm cuối
của đường dây. Cả hai sơ đồ này sẽ được phân tích dưới đây.
Sơ đồ vị trí bù tại các điểm chia đường dây thành 3 đoạn bằng nhau cho
trên hỡnh 1.3.

Hình 1.3. Bù 2 vị trí tại 1/3 đ-ờng dây

Hình 1.4. Bù 2 vị trí tại 2 đầu đ-ờng d©y
Để xác định mức độ bù, trước hết ta tiến hành tính ma trận tổng trở:
 AL BL   A B  1  jX   A B  1  jX   A B 
C D   C D 0
1  C D 0
1  C D

L L

Học viên: Trần Tuấn Anh - Líp CH 2002-2004

(1.6)


13
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

Trong đó ta đặt: X 

Xc
; điện kháng tại mỗi vị trí đặt bù bằng một nửa
2

điện kháng bù trên toàn đường dây. Tham số cần quan tâm trong (1.6) là B L
biểu diễn tổng trở nối tiếp của đường dây. Từ (1.6) ta tách riêng BL thành:
B L  (A 2 B  ABD  B 2 C  BD 2 )  j

Xc
X
(ABC  A 2 D  AD 2  BCD  j c ACD)
2
2

 B 0  B

(1.8)
Thành phần đầu tiên B0 là thành phần B của đường dây khi chưa có bù.
Thành phần thứ hai là lượng tăng thêm do tụ bù nối tiếp cung cấp, và là thành
phần cần quan tâm. Với chú ý rằng A = D nên ta có thể viết:
B  jX c ( A 3  ABC  j

X c .A 2 .C
4

(1.9)

Vì B là số phức, mà ta chỉ quan tâm đến phần thực, do đó hiệu quả bù
được xác định:

K X  R e (A 3  ABC  j

X c .A 2 .C
4

(1.10)

Sơ đồ vị trí bù tại hai đầu đường dây thể hiện trên hình (2.4)
Sơ đồ này được lắp đặt rộng rãi tại Hoa Kỳ nhằm tận dụng vị trí sẵn có
ở hai đầu đường dây.
Trong trường hợp này hệ thức ABCD được xác định như sau:
 AL BL  1  jX   A B  1  jX 
C D   0
1  C D 0
1 
 L L 

(1.11)

Khai triển hệ thức trên cho tham số B ta được:
BL = B - jX (A + D - jXC )

(1.12)

BL = B0 + B
Kết hợp với (1.7) và chú ý rằng A=D ta có:
B - jX c (A j)

X c .C
4

Học viên: Trần Tuấn Anh - Líp CH 2002-2004

(1.13)


14
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

Hiệu quả bù được xác định:
K  R e (A  j

X c .C
)
4

(1.14)

Trong đó Xc là tổng dung kháng nối tiếp của đường dây. Đẳng thức
(1.10) và (1.14) được sử dụng để tính tốn với đường dây 500kV tiêu chuẩn
với các chiều dài và mức độ bù khác nhau. Các kết quả được minh hoạ trên
hình (1.5).

Hình 1.5 Hiệu quả bù trên đường dây có 2 vị trí bù
Qua đó ta thấy được hiệu quả bù khi đặt bù tại các vị trí 1/3 chiều dài
đường dây cao hơn so với đặt bù tại hai đầu đường dây. Sự khác biệt này càng
tăng với những đường dây có chiều dài trên 800km. Với đường dõy cú chiu
Học viên: Trần Tuấn Anh - Lớp CH 2002-2004

15
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

dài 800km và mức độ bù dọc là 70% thì hiệu quả bù khi đặt bù tại vị trí 1/3
chiều dài đường dây bằng 0,7715 so với 0,6411 khi đặt bù tại hai đầu đường
dây, đặc biệt là khi chiều dài đường dây càng tăng. Tuy nhiên sự khác biệt về
hiệu quả bù tại hai vị trí trên đối với đường dây ngắn là khơng đáng kể so với
một số lý do về địa lý hay vận hành, bảo dưỡng. Ví dụ với đường dây dài 300
km thì sự khác biệt chỉ là 10%. Việc đặt bù tại hai đầu đường dây thường
được lựa chọn khi đường dây có chiều dài khơng lớn hoặc khi việc đặt bù tại
các vị trí khác là khơng thích hợp vì một số lý do. So sánh hình vẽ (1.2) và
hình (1.5) ta thấy rằng hiệu quả bù khi đặt tổng dung lượng bù tại một điểm
giữa đường dây cũng xấp xỉ đặt bù tại hai điểm 1/3 đường dây (tổng dung
lượng là không thay đổi).
I.3.3. NGUYÊN TẮC TỐI ƯU TỔN THẤT.

Hình 1.6 Mắc song song đường dây số 2 vào hệ thống
Một ví dụ đơn giản sau đây sẽ minh hoạ cho nguyên tắc tối ưu hoá tổn
thất cũng như trình bày một trong các ưu điểm khi điều khiển dịng cơng suất
phản kháng trên đường dây truyền tải. Xét sơ đồ trên hình 1.6. Trong đó
đường dây #1 là đường dây hiện có với các thơng số đường dây là R 1, X1. Giả
sử cần xây dựng đường dây #2 song song với đường #1. Cần xác định các
thông số đường dây số #2 sao cho tổn tht ca h thng (bao gm c hai
Học viên: Trần TuÊn Anh - Líp CH 2002-2004


16
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

đường dây) là nhỏ nhất với dịng cơng suất truyền tải đã xác định. Điện trở

đường dây #2 không nhất thiết phải là hằng số, mà có thể thay đổi trong giới
hạn bằng các lựa chọn tiết diện dây dẫn hợp lý. Để có thể thay đổi diện kháng
đường dây #2, ta tiến hành bù dọc trên đường dây này. Mục đích là lựa chọn
giá trị điện trở và mức độ bù trên đường dây số #2.
Giả sử dịng điện phụ tải IR khơng đổi và điện áp VR giữ ở giá trị định
mức. Khi đó dịng IR là hàm của điện áp và cơng suất phụ tải.
IR 

PR  jQR
VR

(1.22)

Trong đó: véctơ VR được lấy làm mốc với góc pha bằng 0. Dịng điện
trên hai nhánh song song có giá trị:
I1 

Z2
IR ;
Z1  Z 2

I2 

Z1
IR
Z1  Z 2

(1.23)

Biến đổi để dòng I1 là hàm số phụ thuộc IR, ta được:

I1 

=

R 2  jX 2
(R  jX 2 )(R1  R 2 )  j(X1  X 2 )
 IR  1
 IR
(R1  R 2 )  j(X1  X 2 )
(R1  R 2 ) 2  (X1  X 2 ) 2

(R 2 (R1  R 2 )  X 2 (X1  X 2 )  jX 2 (R1  R 2 )  R 2 (X1  X 2 )  I
(R1  R 2 ) 2  (X1  X 2 ) 2

R

(1.24)

Tương tự với dòng I2.
Để tính tổn thất cơng suất, ta bình phương biên độ dịng điện. Từ (1.24)
ta có:
I12 

R 2 (R1  R2 )  X 2 ( X 1  X 2 )2  X 2 (R1  R2 )  R2 ( X 1  X 2 )2 I 2

(R  R )
1

2

2

 ( X 1  X 2 ) 2

R 22  X 22
 I 2R
=
2
2
( R1  R 2 )  ( X 1  X 2 )



2

R

(1.25)

Tương tự với đường dây #2, ta có:
R12  X12
I 
 I 2R
2
2
( R1  R 2 )  ( X 1 X 2 )
2
2

Học viên: Trần Tuấn Anh - Líp CH 2002-2004

(1.26)


17
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

Tổng tổn thất cơng suất tác dụng trên hai đường dây là:
Pl  R1 I12  R 2 I 22 

R1 (R 22  X 22 )  R 2 (R12  X12 ) 2
 IR
( R1  R 2 ) 2  ( X 1  X 2 ) 2

(1.27)

Trong đó IR là hằng số bất kỳ.
Để xác định điều kiện tổn thất nhỏ nhất ta đạo hàm (1.27) theo X 2 và
cho bằng 0.









dPl 2R1X 2 (R1  R 2 ) 2  (X1  X 2 ) 2  2(X1  X 2 ) R1 (R 22  X 22 )  R 2 (R12  X12 )


0
2
dX2
(R1  R 2 ) 2  (X1  X 2 ) 2





(1.28)
Vậy điều kiện tối ưu tổn thất theo điện trở và điện kháng của hai đường dây
song song là:









2R1X2 (R1  R2 )2  (X1  X2 )2  2(X1  X2 ) R1 (R22  X22 )  R2 (R12  X12 ) (1.29)

Hay:

X 2 X2

R2 R1

(1.30)

Như vậy không phụ thuộc trị số điện trở đường dây #2, tổn thất công
suất hệ thống là cực tiểu khi tỉ số X/R của hai đường dây song song là như
nhau. Do đó với một giá trị R2 xác định, mức độ bù dọc có thể được điều
chỉnh để đảm bảo tổn thất của hệ thống là cực tiểu bằng cách điều chỉnh X 2
phù hợp với tỉ số của mạch ban đầu. Chú ý rằng kết quả thu được không phụ
thuộc vào công suất truyn ti hay dũng ph ti IR.

Học viên: Trần Tuấn Anh - Líp CH 2002-2004


18
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

Hình 1.7 Tổn thất trên đường dây song song có tỉ số X/R=10
Giả sử đường dây #1 có tỉ số X/R =10. Với tiết diện dây đã xác định cho
đường dây #2, ta có thể tính tốn tổn thất theo các giá trị X2 như trên hình 1.7.
Chú ý rằng giá trị tổn thất chỉ phụ thuộc vào công suất phụ tải và các
điện trở của hai đường dây. Trong trường hợp minh hoạ, phụ tải được giữ là
hằng số. Đường cong tổn thất biến đổi theo X2 và đạt cực tiểu tại giá trị thỏa
mãn điều kiện (1.30). Ví dụ R2=0,03 thì tổn thất nhỏ nhất bằng 0,075 khi X2=
0,39 đảm bảo X/R=10).
Hình 1.7 cũng chỉ ra một đặc điểm quan trọng khác của đường cong tổn
thất là các đường cong này không đột biến. Điều này rất may mắn vì tổn thất
sẽ khơng biến thiên lớn nếu tỉ số X/R của đường dây thứ #2 khơng chính xác
bằng giá trị tối ưu. Các đường dây truyền tải có tỉ số X/R rất lớn, đặc biệt ở
đường dây siêu cao áp (EHV). Quan sát trên hình vẽ ta thấy rằng khi X 2 biến
đổi ta mong muốn điểm tổn thất di chuyển bên phải nh hn nhiu so vi phớa
bờn trỏi.
Học viên: Trần Tuấn Anh - Líp CH 2002-2004

19
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

I.4. ĐƯỜNG DÂY HÌNH TIA
I.4.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Bù dọc là một biện pháp đúng đắn được sử dụng trên các lưới truyền tải
liên thông điện áp cao. Phần lớn các bộ tụ bù dọc được lắp đặt trên các đường
dây loại này và hiệu quả mà nó đem lại đã được ghi nhận. Tuy nhiên tụ bù
dọc cũng được sử dụng trên lưới có cấp điện áp thấp hơn. Lưới điện áp thấp
duy nhất sử dụng bù dọc có hiệu quả là các lưới hình tia. Các đường dây loại
này có thể là các lộ phân phối; các mạch điện TBA hình tia truyền cơng suất
đến các trạm phân phối; hoặc là các mạch điện cung cấp cho các tải đặc biệt.
Trong mọi trường hợp, đường dây được nối trực tiếp với nguồn tại một điểm
duy nhất.
Tụ bù ngang được sử dụng rộng rãi trên các lưới phân phối. Lợi ích do
các tụ bù ngang đem lại không chỉ quan trọng đối với các lộ phân phối, nơi
mắc tụ, mà chúng (các tụ bù ngang) cịn góp phần cải thiện hệ số cơng suất
đem lại lợi ích chung cho tồn hệ thống. Mặc dù các tụ bù dọc không phát
huy hết ưu điểm trên đường dây hình tia nhưng chúng cũng đem lại những lợi
ích to lớn trong một số vấn đề tương tự.
Hơn nữa tụ bù dọc có thể có những tác động đúng trong các tình huống
mà tụ bù ngang khơng có hiệu quả. Khi ứng dụng tụ bù ngang thì cơng suất
danh định và vị trí đặt bù là rất quan trọng, và nhiều nghiên cứu đã được tiến
hành để đạt được các hiệu quả tối ưu của tụ bù ngang. Việc ứng dụng tụ bù
dọc vào đường dây hình tia cũng địi hỏi phải có những nghiên cứu kỹ lưỡng,
đặc biệt là về đặc tính phụ tải và vị trí đặt bự.
Học viên: Trần Tuấn Anh - Lớp CH 2002-2004

20
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

Các tụ bù dọc đã được sử dụng trên lưới phân phối từ nhiều năm nay, tuy
nhiên số lượng lưới phân phối có sử dụng tụ bù dọc lại không nhiều. Bù dọc
thường được áp dụng trên lưới phân phối cấp điện đến các phụ tải động cơ lớn
và ở xa, chẳng hạn như các nhà máy gỗ-cưa, khai thác mỏ hay những phụ tải
khác tương tự. Các phụ tải này thường nằm xa nguồn và được cấp điện bằng
các lộ có chiều dài lớn. Hơn nữa chúng cũng có thể được cấp điện từ các trạm
phân phối với tổng trở nguồn lớn. Các điều kiện kết hợp trên làm cho tụ bù
dọc là sự lựa chọn hoàn hảo trong việc hạn chế sự thay đổi điện áp tại các phụ
tải được cấp điện bằng đường dây hình tia; cải thiện chế độ làm việc của các
phụ tải động cơ và cải thiện hệ số công suất của nguồn.
Trước đây, tụ bù dọc được bảo vệ bằng các thiết bị tương đối đơn giản
và đòi hỏi nhiều cơng sức trong bảo trì/bảo dưỡng. Tuy nhiên, thời gian gần
đây, các hãng sản xuất thiết bị điện đã bắt đầu đưa ra các bộ thiết bị bù dọc có
các bộ bảo vệ hiện đại. Bảo vệ tụ vẫn luôn là vấn đề lớn trong hệ thống điện.
Những tiến bộ gần đây sẽ khuyến khích việc áp dụng tụ bù dọc hơn nữa trên
các đường dây hình tia.

I.4.2. PHÂN TÍCH ĐƯỜNG DÂY HÌNH TIA
Mắc tụ bù dọc vào mạch hình tia sẽ làm giảm điện kháng của mạch.
Trong các trường hợp thông thường, với hệ số công suất của phụ tải, việc mắc
thêm tụ bù dọc sẽ làm giảm điện áp giáng từ nguồn đến các phụ tải. Vì vậy
đầu tiên có thể xem tụ bù dọc như là một thiết bị điều chỉnh điện áp, có khả
năng làm tăng điện áp tại vị trí đặt bù, tỉ lệ với biên độ dịng điện và góc hệ số
cơng suất. Hơn nữa việc điều chỉnh tăng điện áp xảy ra tức thời và liên tục,
đặc biệt hiệu quả đối với những phụ tải có tính thay đổi nhanh. Điều ny khỏc
Học viên: Trần Tuấn Anh - Lớp CH 2002-2004

21
bï däc trong hƯ thèng ®iƯn

biệt cơ bản so với tác động đóng mở tụ bù ngang, khơng đáp ứng được sự
thay đổi nhanh của phụ tải. Nếu dòng điện tăng cao đến giá trị quá độ gây sụt
giảm điện áp thì cơng suất phản kháng do tụ bù ngang sinh ra cũng giảm theo,
có nghĩa là khả năng duy trì điện áp của tụ bù ngang cũng giảm. Do vậy tụ bù
ngang có thể làm cho họat động điều chỉnh điện áp trở nên kém hơn trong quá
trình quá độ đối với đường dây mang tải nặng. Tuy nhiên tụ bù dọc lại vẫn có
tác dụng tăng điện áp trong điều kiện dòng điện tăng đến dòng quá độ. Hơn
nữa, như sẽ trình bày dưới đây, khi hệ số công suất của phụ tải càng thấp, điện

b


b


áp giáng trong mạch điện cảm càng lớn thì hiệu quả của tụ bù dọc càng rõ rệt.
Hình 1.8 Đường dây hình tia điển hình
Ta xem xét mạch điện hình 1.8, là mạch điện hình tia điển hình bao gồm
điện trở và điện cảm dọc đường dây. Tổn thất điện áp trên đường dây được
tính là:
V  R.I L cos  X L .I L sin 

Công suất truyền tải trên đường dây c xỏc nh:
Học viên: Trần Tuấn Anh - Lớp CH 2002-2004

(1.31)