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 khi điện áp tức thời của nguồn điện và điện áp trên bộ tụ cùng biên độ cực đại nhưng ngược pha nhau. Quá điện áp trên bộ tụ có biên độ nhỏ nhất hoặc có thể không xảy ra khi điện áp tức thời của nguồn và điện áp trên bộ tụ cùng biên độ và cùng pha với nhau hoặc cùng bằng giá trị 0 tại thời điểm đóng. Thời điểm đóng bộ tụ vào lưới điện tối ưu nhất là lúc giá trị điện áp tức thời của hệ thống và điện áp tức thời trên bộ tụ bù cùng biên độ và cùng pha hoặc cùng bằng giá trị không vì khi đó sẽ ít gây nguy hiểm cho bộ tụ. Kết quả mô phỏng cho thấy khi đóng bộ tụ vào lưới điện mà điện áp tức thời trên tụ bằng không thì biên độ của quá điện áp trên bộ tụ sẽ không quá 2 lần điện áp định mức của bộ tụ nhưng biên độ của dòng điện xung kích lớn gấp nhiều lần biên độ dòng điện xác lập qua tụ nếu đóng tại thời điểm giá trị điện áp tức thời của nguồn ở biên độ cực đại ứng với t = 5ms, 15ms. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bành Quốc Hùng, Khảo sát quá trình quá độ khi đóng cắt bộ tụ điện bù tĩnh, Luận văn Thạc sĩ, Đà Nẵng, 2005. [2] Phạm Quang, Nguyễn Phương Quang, Vẽ phân tích và mô phỏng mạch điện với ORCAD 9.0, NXB Thống kê, 2002. [3] Green Wood, Electrical transients in power systems, 1993. [4] Power capacitor seminar tổ chức tại Mỹ (1996) và tại Nha Trang (2003), hãng Cooper Power systems. . 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. 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.