Nghiên cứu bù công thức phản kháng nâng cao chất lượng điện trong mạng phân phối

1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP I HÀ NỘI

---------

---------




ðOÀN VĂN ðIỆN


NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ðIỆN TRONG
MẠNG PHÂN PHỐI





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



Chuyên ngành: ðiện khí hóa nông nghiệp và sản xuất nông thôn
Mã số: 60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN QUANG KHÁNH




HÀ NỘI - 2007

2
MỞ ðẦU
ðặc ñiểm của ñiện năng là các ñặc tính của nó phụ thuộc ñồng thời vào việc
sản xuất, truyền tải, phân phối, các nhà chế tạo thiết bị và người vận hành sử dụng.
Chất lượng ñiện là một chủ ñề có ý nghĩa chiến lược ñối với toàn ngành ñiện, từ các
nhân viên kỹ thuật vận hành, khai thác bảo dưỡng, quản lý tới các nhà sản xuất và
chế tạo thiết bị… Do tính chất cạnh tranh của nền kinh tế ñòi hỏi chất lượng ñiện
phải ñược thường xuyên ñảm bảo tốt. Hơn nữa việc sử dụng ngày càng rộng rãi các
phụ tải nhạy cảm với chất lượng ñiện như máy tính, thiết bị ño lường ñiều khiển, hệ
thống thông tin liên lạc ñòi hỏi phải ñược cung cấp ñiện với chất lượng cao. Việc
suy giảm chất lượng ñiện làm cho thiết bị vận hành với hiệu suất thấp, tuổi thọ bị
giảm ảnh hưởng trực tiếp ñến kinh tế, tài chính không những của những hộ dùng
ñiện mà còn ảnh hưởng trực tiếp tới các Công ty sản xuất, quản lý và truyền tải ñiện
năng.
Phụ tải công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt, … của lưới phân phối thường
có hệ số công suất thấp. Vì vậy, ngoài công suất tác dụng lưới ñiện còn phải truyền
tải một lượng khá lớn công suất phản kháng. Việc truyền tải này làm tăng tổn thất
ñiện năng trên các phần tử của chúng như máy biến áp, ñộng cơ không ñồng bộ,
ñường dây, … ðiều ñó làm xấu các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật vận hành lưới ñiện và
làm xấu chất lượng ñiện áp ở các hộ tiêu thụ ñiện. Vì thế bài toán giảm lượng công
suất phản kháng truyền tải trong lưới ñiện nói chung và lưới ñiện các Công ty, Xí
nghiệp nói riêng luôn luôn ñược quan tâm khi thiết kế và vận hành. Một trong

những biện pháp giảm công suất phản kháng truyền tải trên lưới ñiện nâng cao chất
lượng ñiện năng là bù công suất phản kháng. Tuy nhiên, việc tính toán dung lượng
bù, vị trí lắp ñặt, phương pháp ñiều khiển dung lượng bù như thế nào ñể cân bằng
tải, cản dịu dao ñộng công suất, duy trì ñiện áp ñịnh mức và ñem lại hiệu quả kinh
tế cao nhất là những bài toán chưa có lời giải chính xác.
Trong khi ñó vấn ñề bù công suất phản kháng trong mạng ñiện phân phối ở
các ñịa phương trong cả nước hiện nay chưa ñược quan tâm một cách ñúng
mức.Việc lắp ñặt thiết bị bù thường chỉ là giải pháp tình thế, không có sự tính toán
3
hợp lý. Trạng thái làm việc trong quá trình ñóng cắt – quá trình thường dẫn tới phá
hỏng tụ do các xung quá ñiện áp và dòng ñiện. ðặc biệt hầu hết các thiết bị bù
không có cơ cấu tự ñộng ñiều chỉnh nên làm giảm hiệu quả bù, thậm chí có thể gây
thiệt hại do quá bù.
Mục ñích nghiên cứu của luận văn:
Trong phạm vi của luận văn này tác giả trình bày nghiên cứu tương tác của
thiết bị bù ñối với các phần tử trong mạng ñiện, mô phỏng các quá trình quá ñộ khi
ñóng cắt tụ bù, nghiên cứu vấn ñề bù công suất phản kháng nâng cao chất lượng
ñiện bằng phương pháp bù ứng ñộng, các phương pháp tính toán bù công suất phản
kháng, thuật toán và chương trình giải bài toán bù công suất phản kháng bằng máy
tính ñiện tử áp dụng cho lưới phân phối nói chung.
ðối tượng phạm vi nghiên cứu:
ðối tượng nghiên cứu chung của ñề tài là các lưới ñiện phân phối thuộc
phạm vi xây dựng, quản lý của các ñịa phương, có phương thức quản lý, vận hành
ñộc lập. Trong ñiều kiện thời gian hạn hẹp, chúng tôi tập trung nghiên cứu với lưới
ñiện phân phối ở khu vực miền Bắc, ñó là các lưới trung áp trên không cấp ñiện cho
các phụ tải thuộc khu vực công, nông nghiệp, có sơ ñồ mạng hở hoặc mạng kín vận
hành hở.
Ý nghĩa thực tiễn của luận văn:
Vấn ñề chất lượng ñiện trong lưới phân phối ñang là mối quan tâm của
không chỉ ngành ñiện mà còn của các hộ phụ tải yêu cầu chất lượng ñiện cao, hàm

lượng sóng hài ít, ñộ dao ñộng ñiện áp thấp. Việc áp dụng công nghệ bù ứng ñộng
vào lưới phân phối ñược triển khai ở nhiều nước trên thế giới ñã và ñang ñược sử
dụng rất hiệu quả. ðối với Việt Nam hầu như mới chỉ áp dụng trên lưới truyền tải,
trong khi ñó với sự xuất hiện của các phụ tải yêu cầu chất lượng ñiện áp cao ngày
càng nhiều, nhất là trong thời buổi thị trường ñiện cạnh tranh. Cùng với việc trong
tương lai xuất hiện thêm các phụ tải ñặc biệt như tàu ñiện ngầm nhà máy sản xuất
thiết bị ñiện tử, bán dẫn... Thì việc sử dụng công nghệ bù ứng ñộng cho lưới phân
4
phối là tất yếu. Kết quả nghiên cứu trong luận văn cũng góp phần hỗ trợ trong tính
toán dung lượng bù công suất phản kháng tối ưu trong mạng ñiện.
Nội dung luận văn:
Với mục tiêu nêu trên, luận văn ñược trình bày trong 6 chương:
Chương 1 Vai trò, ñặc ñiểm chung của lưới ñiện phân phối và sự tiêu thụ công
suất phản kháng.
Chương 2 Mục tiêu và lý thuyết cơ bản về bù công suất phản kháng cho phụ tải
– một số phương pháp tính toán.
Chương 3 Nghiên cứu ảnh hưởng qua lại giữa thiết bị bù và chế ñộ làm việc của
các phần tử mạng ñiện.
Chương 4 Ứng dụng công nghệ FACTS tự ñộng ñiều chỉnh dung lượng công
suất phản kháng.
Chương 5 Tính toán bù công suất phản kháng bằng máy tính ñiện tử.
Chương 6 ðánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật.
5
Chương 1
VAI TRÒ, ðẶC ðIỂM CHUNG CỦA LƯỚI ðIỆN PHÂN PHỐI
VÀ SỰ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
1.1. Vai trò, ñặc ñiểm chung của lưới phân phối
Ở Việt Nam, do lịch sử phát triển, lưới ñiện của các miền khác nhau và lưới
ñiện phân phối tồn tại ở nhiều cấp ñiện áp khác nhau như 6, 10, 15, 22 và 35 kV.
Trong ñó lưới 22 kV chiếm tỷ lệ lớn nhất 31,9%, tiếp ñến lưới 35 kV: 28,1%; lưới

15 kV: 20,2%; lưới 10 kV: 16% và lưới 6 kV chiếm 3,9%. Lưới 22 kV mới ñược
cải tạo lại hoặc xây dựng mới từ năm 1994 (theo quyết ñịnh số: 149 NL/KHKT
ngày 24/03/1993 của Bộ Năng lượng) nên vận hành tương ñối ổn ñịnh xác suất sự
cố xảy ra ít so với các cấp ñiện áp khác. Các ñường dây còn lại ña số ñược xây dựng
từ rất lâu, tiết diện dây dẫn nhỏ bán kính cung cấp lớn ñiển hình là các lưới 6 kV, 10
kV... không còn phù hợp với ñặc ñiểm và tình hình phụ tải hiện nay, chất lượng
ñiện áp cung cấp thấp sự cố thường xuyên xảy ra. Hiện nay các Công ty ðiện lực
trên toàn quốc ñang thực hiện các dự án nâng cấp cải tạo quy chuẩn về lưới 22 kV
và ñây sẽ là cấp ñiện áp phân phối chính. [13]

Hình 1.1 Cấu trúc lưới phân phối.
Nói chung lưới phân phối hiện nay của nước ta còn rất nhiều phức tạp,
phương thức cấp ñiện hỗn hợp cả hai mô hình một cấp ñiện áp phân phối, và hai cấp
ñiện áp phân phối. Việc phát triển lưới ñiện có tính chắp vá do khó khăn về tiền
6
vốn, phụ tải phát triển nhanh ña dạng và chưa có quy hoạch tổng thể. Tương tác
giữa phụ tải và hệ thống cung cấp chưa ñược quan tâm ñúng mức. Ví dụ các khu
công nghiệp ñóng tàu, luyện thép, các tòa nhà thương mại có sử dụng số lượng lớn
máy tính, ñiều hòa, máy photocopy, các làng nghề, ñầm nuôi tôm, và trong tương
lai là hệ thống các tàu ñiện ngầm… là những nơi có phụ tải làm ảnh hưởng trực tiếp
và suy giảm chất lượng cung cấp ñiện của hệ thống, các ñường dây cung cấp quá
dài, mang tải lớn vượt khả năng cung cấp của cấp ñiện áp ñang sử dụng. Ngoài ra
các thiết bị vận hành trên lưới phân phối cũng như phụ tải chưa có quy ñịnh về các
chỉ tiêu kỹ thuật ñể nâng cấp chất lượng lưới như: Các thông số kỹ thuật, hiệu suất
thiết bị, phụ tải ñiện chưa có quy ñịnh về hệ số công suất, chế ñộ làm việc, hàm
lượng sóng hài cũng như chưa có chương trình quản lý phụ tải ñưa ñến việc chất
lượng cung cấp kém.
Do vậy việc nghiên cứu tổng thể về lưới phân phối hiện nay là rất cần thiết
trong ñó việc nghiên cứu bù CSPK ñể giảm tổn thất công suất, giảm tổn thất ñiện
năng, cải thiện ñiện áp, hệ số công suất, cân bằng tải, hạn chế tối ña các dao ñộng

ñiện áp lớn do các phụ tải tiêu thụ CSPK thay ñổi nhiều và các nhiễu loạn trên lưới
do ảnh hưởng của sóng hài bậc cao nhằm cải thiện chất lượng cung cấp và tăng hiệu
quả kinh tế là một vấn ñề thời sự ñang ñược ngành ñiện quan tâm.
ðặc ñiểm chung của lưới phân phối:
1. Chế ñộ vận hành bình thường của lưới phân phối là vận hành hở, hình tia
hoặc dạng xương cá. ðể tăng cường ñộ tin cậy cung cấp ñiện một số khu vực cũng
có cấu trúc mạch vòng nhưng vận hành hở.
2. Trong mạch vòng các xuất tuyến ñược liên kết với nhau bằng dao cách ly
hoặc thiết bị nối mạch vòng các thiết bị này vận hành ở vị trí mở trong trường hợp
cần sửa chữa hoặc sự cố ñường dây thì việc cung cấp ñiện không bị gián ñoạn lâu
dài nhờ việc chuyển ñổi nguồn cung cấp bằng thao tác ñóng dao cách ly phân ñoạn
hoặc tự ñộng chuyển ñổi nhờ các thiết bị nối mạch vòng.
3. Phụ tải lưới phân phối ña dạng và phức tạp, các phụ tải sinh hoạt, dịch vụ,
tiểu thủ công nghiệp hầu hết cùng trong một hộ phụ tải.
7
So với mạng hình tia, mạch vòng có chất lượng ñiện tốt hơn, ñó chính là lý
do tồn tại mạch vòng, song lại gây phức tạp về vấn ñề bảo vệ Rơle. Cấu trúc mạch
vòng chỉ thích hợp cho những máy biến áp có công suất lớn và có số lượng trạm
trên mạch vòng ít. Mặt khác cùng với một giá trị ñầu tư thì hiệu quả khai thác mạch
vòng kín so với mạch hình tia là thấp hơn. Ngoài ra chất lượng phục vụ của mạng
hình tia ñã liên tục ñược cải thiện ñặc biệt là những thập niên gần ñây với sự xuất
hiện của các thiết bị có công nghệ mới và các thiết bị tự ñộng, việc giảm bán kính
cung cấp ñiện, tăng tiết diện dây dẫn và bù công suất phản kháng cho nên chất
lượng ñiện mạng hình tia ñã ñược cải thiện lên rất nhiều.
Kết quả của các nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành ñã ñưa ñến kết
luận nên vận hành lưới phân phối theo dạng hình tia bởi các lý do:
- Vận hành ñơn giản;
- Trình tự phục hồi lại lưới sau sự cố dễ dàng hơn;
- Ít gặp khó khăn trong việc lập kế hoạch cắt ñiện cục bộ.
Với các lý do trên nên trong phần tiếp theo của nội dung luận văn chúng tôi

chỉ tập trung ñi sâu tìm hiểu việc bù công suất phản kháng trên lưới phân phối hở và
các lợi ích của việc bù công suất phản kháng.
1.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng
Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch có ñiện trở và ñiện kháng:
Mạch ñược cung cấp bởi ñiện áp : u = U
m
sinωt; (1.1)
Dòng ñiện i lệch pha với u một góc ϕ:
i = I
m
sin(ωt - ϕ); hay i = I
m
(sinωt.cosϕ - sinϕ.cosωt); (1.2)
i = i
1
+ i
2
;
với: i
1
= I
m
sinωt.cosϕ;
i
2
= I
m
sinϕ.cosωt = I
m
sinϕ.sin(ωt-π/2).

Như vậy dòng ñiện i là tổng của 2
dòng ñiện thành phần:
i
1
: có biên ñộ I
m
cosϕ cùng pha với


Hình 1.2a Sơ ñồ cung cấp ñơn giản.

8
ñiện áp;
i
2
: có biên ñộ I
m
sinϕ chậm pha so với
ñiện áp một góc π/2.
Công suất tương ứng với hai thành
phần i
1
và i
2
là:
P = U.I.cosϕ: gọi là công suất tác dụng;

Hình 1.2b Quan hệ giữa P và Q.

Q = U.I.sinϕ: gọi là công suất phản kháng.

Ta cũng có thể viết:
P = U.I.cosϕ = Z.I.(Icosϕ) = ZI
2
.R/Z = R.I
2
; (1.3)
Q = U.I.sinϕ = Z.I.(Isinϕ) = ZI
2
.X/Z = X.I
2
; (1.4)
Như vậy:
CSTD là công suất có hiệu lực biến năng lượng ñiện thành các dạng năng
lượng khác và sinh ra công.
CSPK của một nhánh nói lên cường ñộ của quá trình dao ñộng năng lượng.
CSPK ñược tiêu thụ ở ñộng cơ KðB, MBA, ñường dây tải ñiện và mọi nơi có
từ trường. Yêu cầu CSPK chỉ có thể giảm ñến tối thiểu chứ không thể triệt tiêu ñược
vì nó cần thiết ñể tạo ra từ trường, yếu tố cần thiết trong quá trình chuyển hoá ñiện
năng.
Sự tiêu thụ CSPK trên lưới ñiện có thể ñược phân chia một cách gần ñúng
như sau:
- ðộng cơ không ñồng bộ tiêu thụ khoảng 60-65%;
- Máy biến áp tiêu thụ 22-25%;
- ðường dây tải ñiện và các phụ tải khác 10%.
Như vậy ñộng cơ không ñồng bộ và máy biến áp là hai loại máy ñiện tiêu thụ
nhiều CSPK nhất. Công suất tác dụng P là công suất ñược biến thành công như cơ
năng hoặc nhiệt năng trong các máy dùng ñiện, còn CSPK Q là công suất từ hoá
trong máy ñiện xoay chiều, nó không sinh ra công. Quá trình trao ñổi CSPK giữa
máy phát ñiện và phụ tải là quá trình dao ñộng. Việc tạo ra CSPK cung cấp cho các
9

phụ tải không nhất thiết phải lấy từ nguồn mà có thể cung cấp trực tiếp cho các phụ
tải từ tụ ñiện hay máy bù ñồng bộ…
Nhu cầu công suất phản kháng chủ yếu là ở các Công ty, Xí nghiệp công
nghiệp, cosϕ của chúng dao ñộng từ 0,5 ñến 0,8 nghĩa là cứ 1 kW công suất tác
dụng thì chúng yêu cầu từ 0,75 ñến 1,7 kVAr công suất phản kháng. Bởi vì, trong xí
nghiệp công nghiệp phụ tải chủ yếu là các ñộng cơ KðB và MBA... do vậy muốn
giảm công suất phản kháng phải chú ý ñến các phụ tải này.
Nhu cầu công suất phản kháng ở các hộ phụ tải sinh hoạt, dân dụng không
nhiều vì cosϕ của chúng thường lớn hơn 0,9.
Nhu cầu công suất phản kháng ở các MBA công suất nhỏ là 10% công suất
ñịnh mức của chúng, ở MBA lớn là 3%, còn các MBA siêu cao áp có thể là từ 8-
10% ñể hạn chế dòng ngắn mạch.
Ví dụ sau ñây minh họa ảnh hưởng của hệ số công suất ñến công suất toàn
phần:

Hình 1.3 Quan hệ giữa hệ số công suất và công suất toàn phần.
Bảng 1.1 Quan hệ giữa hệ số công suất và công suất toàn phần.
cosϕ = 1,0 cosϕ = 0,8 cosϕ = 0,7
P = 100 kW P = 100 kW P = 100 kW
Q = 0 Q = 75 kVAr Q=100kVAr
S = 100 kVA S = 125 kVA S = 141 kVA
1.3. Các nguồn phát công suất phản kháng
Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy ñiện là rất hạn chế do
cosϕ của các máy phát từ 0,8-0,85 và cao hơn nữa. Vì lý do kinh tế người ta không
chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều CSPK cho phụ tải. Các máy phát chỉ
ñảm ñương một phần nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải, phần còn lại do các
thiết bị bù ñảm nhiệm (máy bù ñồng bộ, tụ ñiện,…)
10
Trong hệ thống phải tính ñến một nguồn công suất phản kháng nữa, ñó là các
ñường dây, ñặc biệt là các ñường dây siêu cao áp.

Các ưu nhược ñiểm của các nguồn công suất phản kháng:
a) Ưu ñiểm của tụ ñiện:
- Chi phí tính theo 1VAr của tụ ñiện rẻ hơn máy bù ñồng bộ, ưu ñiểm này
càng nổi bật khi dung lượng càng tăng.
- Tổn thất công suất tác dụng trong tụ ñiện rất nhỏ, khoảng 0,05-0,1 W/kVAr;
trong khi ñó máy bù ñồng bộ tương ñối lớn, khoảng 3-15 W/kVAr tuỳ theo công
suất ñịnh mức của máy.
- Tụ ñiện vận hành ñơn giản, ñộ tin cậy cao hơn máy bù ñồng bộ.
- Tụ ñiện lắp ñặt ñơn giản, có thể phân ra nhiều cụm ñể lắp rải trên lưới phân
phối, hiệu quả là cải thiện tốt hơn ñường cong phân bố ñiện áp. Không cần người
trông nom vận hành. Việc bảo dưỡng, sửa chữa ñơn giản.
b) Nhược ñiểm của tụ ñiện so với máy bù ñồng bộ:
- Máy bù ñồng bộ có thể ñiều chỉnh trơn còn tụ ñiện ñiều chỉnh từng cấp.
- Máy bù có thể phát ra hay tiêu thụ CSPK, tụ ñiện chỉ phát ra CSPK.
- Công suất phản kháng do tụ ñiện phát ra phụ thuộc vào ñiện áp vận hành,
thời gian vận hành, tuổi thọ ngắn, dễ hư hỏng (khi bị ngắn mạch, quá áp).
c) Các nhược ñiểm của tụ ñiện ngày nay ñã ñược khắc phục:
- ðể ñiều chỉnh trơn dung lượng công suất phản kháng người ta sử dụng thiết
bị bù tĩnh SVC (Static VAr Compensator).
- ðể có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng người ta dùng SVC, tổ hợp
TSC và TCR (Thyristor Controlled Reactor).
- ðể bảo vệ quá áp và kết hợp ñiều chỉnh tụ bù theo ñiện áp người ta ñặt các
bộ ñiều khiển ñóng cắt tụ theo ñiện áp.
Với các ưu ñiểm vượt trội so với máy bù ñồng bộ, ngày nay người ta thường
dùng các bộ SVC ñể bù công suất phản kháng. Vấn ñề này xin ñược trình bày chi
tiết ở phần sau của nội dung ñề tài.

11
1.4 . Phối hợp công suất phản kháng
Trong hệ thống ñiện, bù công suất phản kháng phân ra làm hai loại: Bù

cưỡng bức hay bù kỹ thuật: là bù một lượng công suất phản kháng nhất ñịnh ñể ñảm
bảo cân bằng CSPK trong hệ thống ñiện. Công suất này có thể ñiều chỉnh ñể thích
ứng với các chế ñộ vận hành khác nhau của hệ thống ñiện. CSPK của các nhà máy
ñiện và các thiết bị bù (máy bù ñồng bộ, tụ ñiện) phải dư thừa so với yêu cầu của
phụ tải ở chế ñộ max ñể dự phòng cho sự cố. Một phần công suất bù, thường là
phần cố ñịnh có thể ñược phân tán xuống lưới truyền tải ñể giảm tổn thất trong lưới.
Tuy nhiên cần phải cân nhắc vì như vậy ñộ tin cậy của công suất bù này sẽ bị giảm
và ñể an toàn trong hệ thống ñiện phải tăng dự trữ công suất phản kháng lên.
Ngoài ra công suất phản kháng còn có thể thiếu cục bộ. Do vậy cần phải bù
trực tiếp và hơn nữa khi bù cưỡng bức, một lượng công suất phản kháng ñáng kể
vẫn phải lưu thông trong lưới phân phối, gây ra tổn thất công suất và tổn thất ñiện
năng khá lớn. ðể khắc phục các vấn ñề này người ta thực hiện bù kinh tế. Trong
những năm gần ñây, người ta lại càng quan tâm ñến việc tăng cường sự hoạt ñộng
của hệ thống ñiện như giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và tìm cách sử dụng tốt hơn các
thiết bị sẵn có trên lưới ñể hạn chế mua thiết bị mới.
Khi thực hiện bù kinh tế người ta tính toán ñể ñạt ñược các lợi ích, nếu lợi
ích thu ñược cho việc lắp ñặt thiết bị bù lớn hơn chi phí lắp ñặt thì việc bù kinh tế sẽ
ñược thực hiện.
Các lợi ích khi lắp ñặt bù:
- Giảm ñược công suất tác dụng yêu cầu ở chế ñộ max của hệ thống ñiện do
ñó giảm ñược dự trữ công suất tác dụng (hoặc tăng ñược ñộ tin cậy) của hệ thống
ñiện.
- Giảm nhẹ tải cho các máy biến áp trung gian và các ñường trục trung áp do
giảm chuyển tải công suất phản kháng và hiệu quả là thời gian cải tạo nâng dung
lượng, tăng tiết diện dây dẫn ñược kéo dài hơn.
- Giảm ñược tổn thất ñiện năng.
- Cải thiện ñược chất lượng ñiện áp cung cấp cho các phụ tải.
12
- Cải thiện hệ số công suất.
- Cân bằng tải.

Các yếu tố có liên quan là sự lạm phát, thiếu nhiên liệu và trượt giá, lãi suất
của vốn vay ñể ñầu tư nâng cấp lưới ñiện… ðể giải quyết vấn ñề này cần phải làm
tốt công tác quản lý công suất phản kháng.
Quản lý công suất phản kháng có thể ñược xác ñịnh như sau: ðiều khiển ñiện
áp máy phát, ñiều chỉnh nấc phân áp của các máy biến áp có ñiều áp dưới tải, chọn
nấc phân áp cho các biến áp phụ tải, bù công suất phản kháng và ñóng ngắt các
cuộn kháng, tụ ñiện bù ngang cũng như lắp ñặt thêm các cuộn kháng hay thay ñổi
công nghệ ñiều khiển bù sao cho giảm ñược tổn thất công suất và tổn thất ñiện năng
trên hệ thống hoặc ñiều khiển ñiện áp một cách tốt nhất.
Kết luận
Lưới phân phối hiện nay của nước ta còn tồn tại rất nhiều cấp ñiện áp, lưới
ñiện phát triển mang tính chắp vá, ñường dây dài mang tải lớn dẫn ñến tổn thất cao
và sự cố nhiều. Các Công ty ñiện lực ñang từng bước cải tạo ñưa ñiện áp lưới phân
phối về cấp ñiện áp chuẩn 22 kV.
Chế ñộ vận hành của lưới phân phối là vận hành hở, cùng 1 chi phí ñầu tư thì
hiệu quả khai thác lưới phân phối hở cao hơn mạng vòng kín; do lưới phân phối hở
vận hành ñơn giản, trình tự phục hồi lại kết cấu sau sự cố dễ dàng hơn.
Phần lớn các thiết bị ñiện trong quá trình làm việc ñều tiêu thụ một lượng
công suất phản kháng. Giá trị công suất phản kháng tiêu thụ bởi các thiết bị ñiện
phụ thuộc vào hệ số mang tải của chúng. Vì vậy ñể giảm ñến mức tối thiểu sự tiêu
thụ CSPK của thiết bị cần phải thiết lập quy trình vận hành hợp lý, chọn công suất
phù hợp làm tốt ñiều này sẽ mang lại những lợi ích kinh tế.
ðặt thiết bị bù CSPK là một trong những giải pháp quan trọng ñể nâng cao
chất lượng ñiện. Trong số các nguồn CSPK thì tụ ñiện tĩnh tỏ ra chiếm ưu thế về
kinh tế và kỹ thuật. Tuy nhiên tụ bù rất nhạy cảm ñối với sự thay ñổi của các tham
số chế ñộ cũng như tham số hệ thống. Vì vậy cần có sự nghiên cứu tính toán áp
dụng ñể nâng cao tính kinh tế kỹ thuật và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.
13
Chương 2
MỤC TIÊU VÀ LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ BÙ CSPK

CHO PHỤ TẢI - MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
2.1. Mục tiêu bù phụ tải và bù tự nhiên
2.1.1. Các mục tiêu trong việc bù phụ tải
Bù phụ tải là giảm CSPK chuyển tải trên xuất tuyến và ñể củng cố chất
lượng nguồn ñiện trong các hệ thống ñiện xoay chiều. Thuật ngữ “bù phụ tải” ñược
sử dụng khi việc quản lý CSPK cho một tải duy nhất hay một nhóm các phụ tải.
Trong bù phụ tải có 3 mục tiêu chính:
1. ðiều chỉnh hệ số công suất;
2. Củng cố việc ñiều áp;
3. Cân bằng phụ tải.
Việc ñiều chỉnh hệ số công suất thường là thực hiện việc cấp CSPK càng gần
tải càng tốt. Hầu hết các phụ tải công nghiệp và nông nghiệp có hệ số công suất trễ
tức là chúng tiêu thụ CSPK. Vì thế dòng tải có khuynh hướng lớn hơn dòng ñiện
cần thiết ñể cung cấp riêng cho công suất sinh công. ðiều này lãng phí do phải tăng
tiết diện dây dẫn, gây tổn thất ñiện áp.
ðiều áp là một vấn ñề quan trọng và ñặc biệt trong các lưới ñiện có các phụ
tải có nhu cầu CSPK luôn thay ñổi. Sự biến thiên về nhu cầu CSPK sẽ gây ra sự
biến thiên ñiện áp tại ñiểm cung cấp làm ảnh hưởng ñến hoạt ñộng của các phụ tải
ñấu nối vào ñiểm ñó và làm tăng nhiễu loạn của các phụ tải lân cận. Ở một số nước
người ta quy ñịnh ñộ thay ñổi ñiện áp trong khoảng ±5% trong thời gian vài phút
hoặc vài giờ. Nó ñặc biệt ảnh hưởng ñến các tải lớn biến thiên nhanh gây ra ñộ dốc
ñiện áp lớn. Có hại cho việc vận hành các thiết bị bảo vệ và hiện tượng chớp nháy
gây khó chịu mắt người. Trong trường hợp này thiết bị bù ñóng vai trò quan trọng
trong việc duy trì ñiện áp trong khoảng quy ñịnh.
ða số các hệ thống ñiện xoay chiều là 3 pha và ñược thiết kế vận hành ở chế
ñộ cân bằng. Hoạt ñộng không cân bằng làm tăng các thành phần thứ tự nghịch và
thứ tự không của dòng ñiện. Các thành phần này làm tăng các loại tổn thất trong
14
ñộng cơ và trong máy phát, gia tăng ñộ gợn sóng trong các bộ chỉnh lưu. Một số
thiết bị làm việc phụ thuộc vào việc vận hành cân bằng ñể hạn chế sóng hài.

Số lượng sóng hài trong sóng ñiện áp là thông số quan trọng của chất lượng
nguồn ñiện ñược ñặc trưng bởi phổ của các dao ñộng hoàn toàn trên phổ tần số công
nghiệp cơ bản.
2.1.2. Bù tự nhiên cho phụ tải
Như ñã nêu trên, mục tiêu của việc bù CSPK là ñể ñiều chỉnh hệ số công
suất, cải thiện ñiện áp và cân bằng phụ tải. Tiêu thụ CSPK không hợp lý làm cho hệ
số công suất giảm thấp, cấu trúc lưới và phương thức vận hành hệ thống không hợp
lý cũng làm cho ñiện áp xấu ñi và phụ tải các pha không ñối xứng cũng làm tăng tổn
thất và tiêu thụ CSPK lớn hơn so với yêu cầu thực tế, chính vì thế trước khi nghiên
cứu bù nhân tạo (sử dụng các thiết bị bù) chúng ta cần phải nghiên cứu bù tự nhiên
trước ñể khắc phục các thiếu sót trong quản lý, vận hành, phân phối, trong tiêu thụ
ñiện ñưa tới việc tiêu thụ CSPK quá mức sau ñó mới nghiên cứu bù nhân tạo.
Bù tự nhiên trong hệ thống ñiện bao gồm những vấn ñề sau:
- Nghiên cứu và thực hiện các biện pháp ñiều hòa phụ tải, nâng cao hệ số cao
thấp ñiểm và hệ số ñiền kín của phụ tải ñảm bảo cho các ñường dây và trạm biến áp,
không bị non tải, không tải hay quá tải.
- Nghiên cứu các phương thức vận hành tối ưu.
Bù tự nhiên trong các xí nghiệp tiêu thụ ñiện:
Bù tự nhiên trong các xí nghiệp tiêu thụ ñiện là nghiên cứu sắp xếp ñiều
chỉnh việc sản xuất trong xí nghiệp ñể ñảm bảo cho các thiết bị tiêu thụ ñiện (ñộng
cơ, máy biến áp, máy hàn…) không thường xuyên không tải hoặc non tải.
2.2. Lý thuyết cơ bản về bù công suất phản kháng cho phụ tải
Như ta ñã biết, ñể cải thiện hệ số công suất hay các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật
khác của mạng ñiện, cần một bộ tụ ñiện hay máy bù ñồng bộ làm nguồn phát công
suất phản kháng. Cách giải quyết này ñược gọi là bù công suất phản kháng.
Tải mang tính cảm có hệ số công suất thấp sẽ nhận thành phần dòng ñiện
phản kháng (chậm pha so với ñiện áp 1 góc 90
o
) từ máy phát ñưa ñến qua hệ thống
15

truyền tải/phân phối. Do ñó kéo theo tổn thất công suất và gây nên hiện tượng sụt
áp.
Mặt khác dòng ñiện qua tụ nhanh pha hơn ñiện áp nguồn 1 góc 90
o
ngược
pha với thành phần phản kháng của dòng tải I
L
. Nếu thành phần dòng ñiện này triệt
tiêu lẫn nhau I
C
= I
L
thì không còn tồn tại dòng phản kháng ñi qua phần lưới phía
trước vị trí ñặt tụ.

Hình 2.1 Nguyên lý bù công suất phản kháng.
trong ñó: R – phần tử tiêu thụ công suất tác dụng của tải;
L – phần tử tiêu thụ công suất phản kháng của tải;
C – phần tử có tính dung của thiết bị ñiều chỉnh hệ số công suất.
Từ giản ñồ hình 2.1b tụ C rõ
ràng ñã cung cấp toàn bộ dòng ñiện phản
kháng cho tải. Vì lý do ñó ñôi khi ta gọi
tụ C là máy phát CSPK. Ở hình 2.1c có
trình bày thêm thành phần dòng ñiện tác
dụng và ñối với hệ thống, tải dường như
có hệ số công suất bằng 1. Nói chung việc
bù hoàn toàn CSPK trong lưới ñiện là
không mang lại hiệu quả kinh tế.

Hình 2.2 Nguyên lý bù công suất Q
C
.

16
Hình 2.2 minh họa nguyên lý bù bằng cách giảm CSPK Q ñến giá trị nhỏ
hơn Q’ bằng các bộ tụ có CSPK Q
C
. Hệ quả là công suất biểu kiến S ñược giảm
xuống còn S’. ðiều này có nghĩa là hệ số công suất của lưới cũng tăng lên.
2.3. Một số phương pháp tính toán bù hiện có
ðể giải bài toán bù công suất phản kháng trong lưới ñiện hiện nay ñã có hàng
loạt phương pháp ñược soạn thảo. Tuy nhiên do cách ñặt vấn ñề. Mục tiêu ñặt ra và
các quan ñiểm khác nhau về các yếu tố ảnh hưởng ñến lời giải bài toán như sự biến
thiên theo thời gian của phụ tải, về kết cấu hình dáng lưới ñiện, về ñiện áp lưới ñiện,
về tính chất của các loại thiết bị bù… nên các phương pháp và thuật toán giải bài
toán bù công suất phản kháng trong lưới ñiện ñều có dạng và hiệu quả khác nhau.
Nội dung chủ yếu theo một số hướng cụ thể như sau:
2.3.1. Phương pháp xác ñịnh dung lượng bù theo biểu ñồ CSPK của phụ tải
Dung lượng tụ bù nền: Q
bnền
= Q
min
.

Dung lượng tụ ñiều khiển ñược xác ñịnh:
7,0
Q
QQ

max
dkbnÒn
≥
+
; (2.1)
2.3.2. Bù CSPK nâng cao hệ số cosϕ
ϕϕ
ϕ
Bằng cách ñặt các thiết bị bù tại
các hộ tiêu dùng ñiện ñể cung cấp CSPK
cho chúng, ta giảm ñược lượng CSPK
phải truyền tải trên ñường dây do ñó nâng
cao ñược hệ số cosϕ của mạng.



Hình 2.3 Bù ñóng cắt theo thời gian.

Dung lượng cần bù xác ñịnh theo công thức:
Q
b
= P(tgϕ
1
-tgϕ
2
).α, [kVAr]; (2.2)
α = 0,9 ÷1 – là hệ số xét ñến khả năng nâng cao cosϕ bằng những phương
pháp không ñòi hỏi ñặt thiết bị bù.
2.3.3. Mô hình tính bù CSPK theo ñiều kiện cực tiểu tổn thất công suất
Bằng việc giải tích mạng ñiện, tính toán phân bố công suất ứng với mỗi chế ñộ

xác lập, ta tính ñược ñiện áp tại các nút và tổn thất ∆P, ∆Q của lưới ñiện.
17
Khi ñặt một giá trị Q
bi
nào ñó vào nút i thì khi ñó hao tổn là:
10R
U
)
QQ
(
3
i
2
i
bii
2
2
i
i
−
⋅⋅
−
+
=
Ρ
∆Ρ
, [kW]; (2.3)
10X
U
)

QQ
(
Q
3
i
2
i
bii
2
2
i
i
−
⋅⋅
−
+
=
Ρ
∆
, [kW]; (2.4)
Bài toán bù tối ưu CSPK theo ñiều kiện cực tiểu tổn thất công suất tác dụng
ñược phát biểu như sau:
Cần xác ñịnh các giá trị Q
b1
, Q
b2
,…, Q
bn
sao cho:
F(Q

b1
, Q
b2
,…, Q
bn
) = ∆P(Q
b1
, Q
b2
,…, Q
bn
)→ min; (2.5)
với các ñiều kiện biên:
Q
min.bi
≤ Q
bi
≤ Q
max.bi
; (2.6)
g
j
(Q
b1
, Q
b2
,…, Q
bn
) =
∑

=
m
1j
j
I
= 0; (2.7)
Từ biểu thức, thành lập hàm Lagrange:
L(Q
b1
, Q
b2
,…, Q
bn
; λ
1
, λ
2
,…, λ
n
) = F(Q
b1
, Q
b2
,…, Q
bn
) +
+
∑
=
λ

m
1j
bn2b1b
j
j
)
Q
,...,
Q
,
Q
(
g
; (2.8)
2.3.4. Bài toán bù theo ñiều kiện ñiều chỉnh ñiện áp
Trước khi bù thì tổn thất ñiện áp trong mạng là:

( )
∑
+=∆
n
1
iiii
2
n
XQRP
U10
1
U
; (2.9)

Khi ñặt bù thì tổn thất ñiện áp giảm ñi một lượng là:
( )
∑
=∆
n
1
ibi
2
n
b
XQ
U10
1
U
, [%]; (2.10)
Như vậy sau khi ñặt bù thì tổn thất trên ñường dây còn lại là:
∆U
*
=∆U - ∆U
b
, [%]; (2.11)
18
Ta nhận thấy, ñể ñiện áp ở những ñiểm gần cuối của mạng ñạt yêu cầu thì ở
ñầu nguồn phải gia tăng thêm một lượng ñiện áp ∆E tương ñương với ∆U
b
.

∑
==
ib

2
n
b
XQ
U10
1
U E ∆∆
; (2.12)
Nếu biết ∆E ta tính ñược Q
b
, với ñường dây cùng tiết diện:
Χ
∆Ε⋅
=
U
10
Q
2
n
b
, [kVAr]; (2.13)
Với: X là ñiện kháng của ñường dây tính ñến ñiểm ñặt bù, Ω.
Nếu công suất cần bù quá lớn thì có thể chia ra làm nhiều ñiểm ñặt bù. Ta có
phương trình: Q
b1
.X
1
+ Q
b2
. X

2
+… = 10U
n
2
. ∆E ; (2.14)
2.3.5. Phương pháp bù theo ñiều kiện cực tiểu các chi phí
Xét mạng ñiện gồm n nút (không kể nút nguồn cung cấp), ñối với mỗi nút i,
ký hiệu công suất cực ñại của phụ tải S
ti
= P
ti
+ jQ
ti
, công suất bù Q
bi
, ñối với mỗi
nhánh i tổng trở nhánh Z
i
= R
i
+ jX
i
, công suất truyền tải ñến cuối ñường dây: S
i
=
P
i
+ jQ
i
(Vì mạng có sơ ñồ hở nên luôn có thể ký hiệu thứ tự nhánh theo số hiệu nút

cuối của nó).
Tổn thất công suất tác dụng trên nhánh thứ i xác ñịnh theo công thức:
∆P
i
= 3I
i
2
R
i
.10
-3
=
3
i
2
i
2
i
2
i
.10R
U
QP
−
+
= A
i
+ B
i
Q

i
2
, [kW]; (2.15)
với P
i
, Q
i
, U
i
ñều ñược tính ở cuối nhánh; Khi tính gần ñúng có thể lấy U
i

≈
U
n
(ñiện
áp ñịnh mức tại nút i). Tổn thất tổng trong toàn mạng sẽ là:
∆
P =
)QB(A
n
1i
2
iii
∑
=
+
, [kW]; (2.16)
trong ñó: A
i

, B
i
là những hằng số.
Gọi
τ
là thời gian tổn thất công suất lớn nhất, C
∆
là giá thành tổn thất
∆
A, lấy bằng
giá bán ñiện trung bình, ta tính ñược chi phí tổn thất tổng hàng năm:
C =
∆
P.
τ
.C
∆
, [ñồng/năm]; (2.17)
Vốn ñầu tư cho thiết bị bù ñặt tại nút i:
19
V
i
= k
0i
+ k
i
Q
bi
,

[ñồng]; (2.18)
trong ñó: k
i
là suất vốn ñầu tư tính cho một ñơn vị công suất bù, ñ/kVAr;
k
0i
là phần vốn không phụ thuộc vào dung lượng bù, ñồng/trạm.
Vốn ñầu tư tổng cho thiết bị bù:
V =
)Qk(kV
bii
n
1i
i0
n
1i
i
+=
∑∑
==
, [ñồng]; (2.19)
Dùng hàm mục tiêu là cực tiểu chi phí tính toán, ta có:
Z = a
tc
.V + C =
)]QB(A.C)Qky.(k[a
2
iii
n
1i

∆biii0tc
+τ++
∑
=
→ min; (2.20)
Cần chú ý k
0i
≠ 0 chỉ khi Q
bi
≠ 0, ngược lại k
0i
= 0. ðể thể hiện ñiều này,
trong hàm mục tiêu có sử dụng các biến nguyên y
i
với:
y
i
=



≠
=
0Qkhi1
0Qkhi0
bi
bi
; (2.21)
a
tc

- hệ số tiêu chuẩn thu hồi vốn ñầu tư ban ñầu.
ðây là trường hợp riêng của hàm phi tuyến, có chứa các ñiểm rời rạc tại gốc
toạ ñộ. Hệ ràng buộc cần thiết lập bao gồm:
- Mỗi nút có phương trình cân bằng CSPK dạng:
Q
i
+ Q
bi
- Q
ti
-
)]Q.D(C[Q
2
kkk
k
k
++
∑
= 0; (2.22)
Với i = 1, 2, ..., n;
Tổng k lấy ứng với các nhánh nối với nút i có hướng công suất ñi ra khỏi nút.
Các hệ số trong biểu thức xác ñịnh theo thông số nhánh:
C
k
=
k
X
U
P
2

n
2
k
; D
k
=
2
n
k
U
X
; (2.23)
- Giới hạn dung lượng bù tại các nút có thể viết dưới dạng:
Q
bi.min

≤
Q
bi

≤
Q
bi.max
;

i = 1, 2, 3, ..., n; (2.24)
- Giới hạn về tổng vốn ñầu tư cho thiết bị bù:

∑
=

<+
n
1i
Σbiii0
V)Q.k(k
; (2.25)
20
- Giới hạn về thời gian thu hồi vốn: V - (C - C
0
).T
th
< 0 . (2.26)
trong ñó: C
0
- chi phí tổn thất hàng năm khi chưa tính bù.
Bài toán ñược giải theo phương pháp quy hoạch phi tuyến xấp xỉ hoặc
phương pháp tuyến tính hoá, sai số của phép xấp xỉ có thể khống chế ñược theo yêu
cầu.
Xét hàm chi phí tổng khi ñặt bù: Z= Z
1
+ Z
2
+ Z
3
→
min; (2.27)
Tuy nhiên, với Q
bi
tìm ñược cần phải kiểm tra với các ñiều kiện ràng buộc sau:
∑Q

bi
=Q
b∑
; (2.28)
0
≤
Q
bi

≤
Q
bimax
; (2.29)
I < I
max
. (2.30)
2.3.6. Bù công suất phản kháng dựa trên chỉ tiêu tối ña hoá các tiết kiệm
ðiều yêu cầu là tối ưu dung lượng và vị trí lắp ñặt của n tụ bù trên một xuất
tuyến phân phối ba pha hình tia nhằm tối thiểu hoá tổn thất công suất và tổn thất
ñiện năng. Cụ thể hơn là chúng ta tìm các vị trí i (i = 1, 2, ..., n) và các kích cỡ Q
bi
(i
= 1, 2, ..., n) của các tụ bù ngang theo hình 2.4 ñể cực ñại hoá các tiết kiệm ròng
bằng tiền ñạt ñược cho chương trình lắp ñặt tụ.

Hình 2.4 Bù phân bố tại các ñiểm tải.
Các tiết kiệm ròng ñạt ñược từ việc giảm tổn thất công suất và tổn thất ñiện năng:
S = C
0
.DP + C

∆
.DA - K
c
ΣQ
bi
⇒ max; (2.31)
Với C
p
, C
∆
, K
c
là các hệ số kinh tế, giá của mỗi ñơn vị tổn thất công suất, tổn
thất ñiện năng và dung lượng tụ bù.
DP, DA - ðộ giảm công suất ñỉnh, ñộ giảm tổn thất ñiện năng do tác dụng
của n tụ bù ngang.
Mô hình này có thể giải bằng phương pháp lặp cho từng bài toán nhỏ, tìm biến
tối ưu cục bộ (vị trí, kích cỡ, thời gian ñóng cắt tối ưu) từ ñó xác ñịnh lời giải tối ưu
toàn cục.
21
Kết luận
Bù phụ tải là giảm công suất phản kháng chuyển tải trên xuất tuyến ñiều này
dẫn ñến giảm tổn thất trên ñường dây, có 3 mục tiêu chính:
- ðiều chỉnh hệ số công suất;
- Củng cố việc ñiều áp;
- Cân bằng phụ tải.
Có rất nhiều phương pháp tính toán bù công suất phản kháng ñược soạn thảo.
Mỗi phương pháp có ưu, nhược ñiểm riêng và thích hợp trong những trường hợp
tính toán nhất ñịnh, nhưng nhìn chung các mô hình ñều có hàm mục tiêu là chi phí
cho bù nhỏ nhất trên cơ sở ñảm bảo các ñiều kiện kỹ thuật của lưới ñiện, ñiện áp

của nút nằm trong giới hạn cho phép, giảm tổn thất ñiện năng.
Các phương pháp chủ yếu áp dụng ñối với mạng hình tia ñơn giản hoặc các
mạng có phụ tải nối trực tiếp trên ñường dây.
Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chỉ ñược xét ñến một cách ñộc lập ở từng phương
pháp.
Chính vì vậy, việc phân tích ñể ñi ñến lựa chọn một phương pháp tính toán
phù hợp với ñối tượng cụ thể là hết sức quan trọng và có ý nghĩa.
22
Chương 3
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG QUA LẠI GIỮA THIẾT BỊ BÙ VÀ
CHẾ ðỘ LÀM VIỆC CỦA CÁC PHẦN TỬ MẠNG ðIỆN
Các hệ thống tụ bù thường có dung lượng từ 20-50MVAR khi ñược mắc vào
lưới truyền tải và từ 50-1000kVAr khi mắc vào lưới phân phối. Tuy rằng các hiện
tượng quá ñộ trong quá trình ñiều khiển ñóng cắt tụ ñược mô tả bằng các phương
trình vi phân nhưng trong thực tế ñể xác ñịnh các thông số quá ñộ xung áp, xung
dòng ở các thời ñiểm khác nhau trong quá trình ñóng cắt là rất khó khăn. Hiện nay
có rất nhiều các phương pháp xác ñịnh các thông số tính toán của tác ñộng khi ñóng
cắt tụ. Trong khuôn khổ của nội dung luận văn tác giả chủ yếu sử dụng công cụ
Matlab & Simulink ñể mô phỏng và tính toán.
3.1. Tác ñộng quá ñộ trong quá trình ñóng cắt tụ
3.1.1. Quá ñộ khi ñóng ñiện vào trạm tụ làm việc ñộc lập
Khi ñóng ñiện vào trạm tụ bù chênh lệch giữa ñiện áp tức thời của lưới và
của tụ sẽ xuất hiện một xung dòng và xung ñiện áp có biên ñộ có thể rất lớn, phụ
thuộc vào thời ñiểm ñóng ñiện. Giá trị của xung dòng và tần số dao ñộng ñược tính
theo biểu thức:
L
C
UUI
CSpk
−=

;
LCπ2
1
f =
; (3.1)
trong ñó: U
S
: ñiện áp (pha) tức thời của hệ thống, kV;
U
C
: ñiện áp (pha) tức thời trên dàn tụ, kV;
C: ñiện dung trạm tụ, F;
L: ñiện cảm nguồn, H.
Kết quả thể hiện mô phỏng các quá trình quá ñộ cho trường hợp ñiện áp lưới
22 kV, tổng trở hệ thống 5 Ω, trạm tụ 500 kVAr với ñiều kiện ban ñầu U
C
(0) = 0
ñược ñóng vào các thời ñiểm khác nhau. Hình 3.1b và 3.1c cho thấy dạng sóng của
xung ñiện áp và xung dòng qua tụ trong trường hợp nguy hiểm nhất. Bảng 3.1 cho
thấy biên ñộ xung ñiện áp và xung dòng tính theo ñơn vị tương ñối (p.u) ứng với
các thời ñiểm ñóng ñiện khác nhau.
23

Hình 3.1a Sơ ñồ mô phỏng ñóng ñiện
vào dãy tụ làm việc ñộc lập.

Bảng 3.1 Giá trị biên ñộ xung áp và xung dòng.


t, ms

U
C
(0)
0 5 10 15
0 1,1/1,8 1,8/8,0 1,1/1,8 1,9/7,9
0,5pu 1,4/4,5 1,4/4,4 1,4/4,8 2,3/11,6
-0,5pu 1,4/4,8 2,3/11,6 1,4/4,5 1,4/4,4
1pu 1,8/8,2 1,0/1,0 1,7/8,5 2,8/15,3
-1pu 1,7/8,6 2,7/15,1 1,8/8,2 1,0/1,1

Hình 3.1b Dạng sóng ñiện áp trên tụ.

Hình 3.1c Dạng sóng dòng ñiện trên tụ.
Qua các số liệu có thể thấy, ứng với trường hợp U
C
(0) = 0 - trường hợp ñóng
ñiện thực tế, khi toàn bộ ñiện áp trên tụ trước khi ñóng ñiện ñã ñược xả qua các ñiện
trở phóng ñiện bên trong các ñơn vị tụ thì quá ñiện áp có thể lên tới 1,8-1,9 pu trong
khi xung dòng ñiện có thể lên tới 8,0 pu, khi ñóng ñiện ở thời ñiểm ñiện áp lưới và
ñiện áp trên tụ chênh lệch nhiều nhất (t = 5ms)
3.1.2. Quá ñộ khi ñóng ñiện vào trạm tụ song song
Khi ñóng một trạm tụ vào lưới ñang có những trạm tụ khác ñang làm việc.
Kết quả mô phỏng các quá trình quá ñộ cho trường hợp ñiện áp lưới là 22 kV, tổng
trở hệ thống 5 Ω, trạm tụ 500 kVAr ñược ñóng song song với trạm tụ khác 500
kVAr ñang làm việc trên lưới, với ñiều kiện ban ñầu U
C2
(0) = 0, ñược ñóng vào các
thời ñiểm khác nhau. Hình 3.2b và hình 3.2c cho thấy dạng sóng của xung ñiện áp
và xung dòng qua tụ trong trường hợp nguy hiểm nhất.
Bảng 3.2 cho thấy biên ñộ xung ñiện áp U

C1
tính theo ñơn vị tương ñối (pu),
ứng với các thời ñiểm ñóng ñiện khác nhau.
24

Hình 3.2a Sơ ñồ mô phỏng ñóng ñiện
vào dãy tụ mắc song song.

Bảng 3.2 Giá trị biên ñộ xung áp và xung dòng.


t, ms
U
C
(0)
0 5 10 15
0 1,1/1,79 1,5/4,3 1,1/1,9 1,3/43
0,5pu 1,2/5,27 1,3/2,7 1,2/3,1 1,6/6,6
-0,5pu 1,2/5,71 1,7/6,7 1,3/2,6 1,2/2,4
1pu 1,4/11,1 1,1/1,8 1,4/5,3 1,8/8,7
-1pu 1,4/11,3 1,9/8,9 1,4/4,3 1,1/1,9

Hình 3.2b Dạng sóng ñiện áp trên tụ.

Hình 3.2c Dạng sóng dòng ñiện trên tụ.
Quá ñiện áp có thể lên tới 1,48 pu, trong khi xung dòng ñiện lên ñến 4,33
pu, khi ñóng ñiện ở thời ñiểm ñiện áp lưới và ñiện áp trên tụ chênh lệch nhiều nhất
(t = 5ms)
3.1.3. Quá ñộ với hiện tượng phóng ñiện trước
Khi máy cắt ñóng ñiện trạm tụ, hiện tượng phóng ñiện trước có thể xuất hiện

trong buồng cắt, hồ quang phát sinh ngay trong cả trước khi hai tiếp ñiểm tiếp xúc
với nhau. Dòng ñiện hồ quang có tần số rất cao nên khi ñi qua giá trị 0 thì nó sẽ bị
tắt và ñiện áp trên tụ vẫn giữ nguyên giá trị mà nó nhận ñược ở lần phóng ñiện ñầu
tiên. ðến khi tiếp ñiểm ñóng lại hoàn toàn, ñiện áp trên tụ mới bắt ñầu dao ñộng. ðể
mô phỏng các quá trình xảy ra của hiện tượng phóng ñiện trước, dùng ba tiếp ñiểm
thể hiện ba giai ñoạn của hiện tượng xảy ra:
t1: thời ñiểm ñóng máy cắt;
t2: thời ñiểm xảy ra phóng ñiện;
t3: thời ñiểm hai tiếp ñiểm tiếp xúc nhau.
25

Hình 3.3a Sơ ñồ mô phỏng quá ñộ với
hiện tượng phóng ñiện trước.

Bảng 3.3 Giá trị biên ñộ xung áp và xung dòng
.
t, ms
U
C
(0)
t1=5, t2=6, t3=15
0 3,372/20,7
0,5pu 3,6/22,73
-0,5pu 2,99/17,53
-1pu 3,92/25,54
1pu 1,02/1,03

Hình 3.3b Dạng sóng ñiện áp.

Hình 3.3c Dạng sóng dòng ñiện.

Hình 3.3a mô phỏng hiện tượng trên với các số liệu của trạm tụ trong trường
hợp 1 cho thấy dạng sóng của xung ñiện áp và xung dòng qua tụ, với U
C
(0) = 0.
Quá ñiện áp có thể lên tới 3,37 pu, trong khi xung dòng lên tới 20,7 pu, khi ñóng
ñiện ở thời ñiểm ñiện áp lưới và ñiện áp trên tụ chênh lệch nhiều nhất (t1 = 5ms).
Bảng 3.3 cho thấy biên ñộ xung ñiện áp U
C
và xung dòng I
C
tính theo ñơn vị tương
ñối ứng với các thời ñiểm ñóng ñiện khác nhau.
3.1.4. Quá ñộ với hiện tượng phóng ñiện trở lại
Hiện tượng phóng ñiện trở lại xảy ra khi ñộ bền ñiện môi trong buồng cắt
của máy cắt thấp hơn so với tốc ñộ tăng của ñiện áp phục hồi giữa hai tiếp ñiểm
trong quá trình cắt trạm tụ bù ra khỏi lưới. Hình 3.4a của mô phỏng cho thấy giữa
hai nửa chu kỳ sau khi máy cắt cắt ra, ñiện áp phục hồi trên hai tiếp ñiểm lên ñến
hai lần ñiện áp (pha) của lưới, và nếu ñến 2,67 pu, và dòng xung có giá trị 14,93 pu
(Bảng 3.4). ðể mô tả quá trình xảy ra của hiện tượng phóng ñiện trở lại sử dụng 3
tiếp ñiểm cho 3 giai ñoạn:
t1: thời ñiểm ngắt máy cắt;
t2: thời ñiểm phóng ñiện trở lại;