Khảo sát các hiện tượng xảy ra khi đóng bộ tụ điện bù tĩnh vào lưới điện có một bộ tụ khác ghép song song đang hoạt động

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 294 KHẢO SÁT CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA KHI ĐÓNG BỘ TỤ ĐIỆN BÙ TĨNH VÀO LƯỚI ĐIỆN CÓ MỘT BỘ TỤ KHÁC GHÉP SONG SONG ĐANG HOẠT ĐỘNG AN INVESTIGATION INTO THE EFFECTS PRODUCED BY SWITCHING A CAPACITOR IN THE POWER SYSTEM WITH A PARALLEL OPERATING CAPACITOR Đinh Thành Việt Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Bành Quốc Hùng Công ty Điện lực Bình Định 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 điện và hệ thống mà nó được đấu nối. Để khảo sát các hiện tượng này, đặc biệt là trường hợp khi có một bộ tụ bù khác ghép song song đang hoạt động sẵn, 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 đóng điện vào lưới điện trong các trường hợp khác nhau tại những thời điểm đóng khác nhau với giá trị điện áp trên tụ khác nhau. Kết quả mô phỏng cho phép xác định được các giá trị biên độ điện áp và dòng điện, phân tích được các tình huống nguy hiểm khi xuất hiện quá điện áp và quá dòng đối với tụ điện. ABSTRACT In switching a power capacitor in the operating power system, the voltage and inrush current with great amplitude may cause phenomena affecting the capacitor and other connected components of the power system. This paper presents the application of the ORCAD software (PSPICE) in simulation and an analysis of the phenomena which may appear when a capacitor is connected to the power system with a parallel operating capacitor at different switching times and different values of voltage on the capacitor. The simulation results in determining voltage and current and analyzing possibly dangerous conditions of overvoltage and overcurrent to a power capacitor. 1. Đặt vấn đề Khi một bộ tụ điện bù tĩnh được nạp hay phóng điện trong hệ thống lưới điện, điện áp và dòng điện với biên độ lớn có thể gây ra các hiện tượng ảnh hưởng đến bộ tụ và hệ thống mà nó được đấu nối như quá điện áp, phóng điện hồ quang... dẫn đến có thể làm hư hỏng đến các thiết bị hay gây ra tác động sai lệch cho mạch điều khiển, bảo vệ... [1, 3, 4]. Đặc biệt cần xét đến trường hợp hay gặp trong lưới điện là đã có sẵn 1 bộ tụ điện bù tĩnh đang hoạt động song song. 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. Dòng điện xung kích có thể có 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. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 295 2. Giải quyết vấn đề 2.1. Mô phỏng đóng điện cho 1 bộ tụ điện bù tĩnh vào lưới điện có một bộ tụ điện bù tĩnh khác ghép song song đang hoạt động: Giả thiết bộ tụ điện bù tĩnh C2 được đóng vào lưới điện khi có bộ tụ điện bù tĩnh C1 cùng công suất bằng 50MVAr ghép song song đang hoạt động với điện áp nguồn ( ) ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−+= 2 sin115 πϕψω uttu ở tần số 50Hz có sơ đồ như ở hình 1: Hình 1. Sơ đồ mô phỏng đóng điện cho bộ tụ bù vào lưới điện khi có một bộ tụ khác ghép song song đang hoạt động trong đó: V1 = 115kV: điện áp nguồn, L1 = 17,2mH: điện cảm nguồn với điện kháng nguồn XL = 5,4Ω, L2 = 20mH: điện cảm nối giữa hai bộ tụ C1 và C2, R1 = 1Ω: điện trở nguồn, C1 = C2 = 12µF: điện dung của hai bộ tụ bù có cùng công suất bằng 50MVAr, điện áp 115kV, V, I: điện áp và dòng điện đo được khi đóng MC, IC: điện áp trên bộ tụ C2 trước khi đóng MC. Kết quả khảo sát dòng điện và điện áp trên bộ tụ bù của chương trình mô phỏng bằng phần mềm ORCAD (phần PSPICE) [2] khi đóng điện cho bộ tụ bù C2 vào lưới điện khi có bộ tụ bù C1 ghép song song đang hoạt động cho các trường hợp khi điện áp trên tụ UC2 = 0, 50%, 100%U m-nguồn tại các thời điểm đóng ở 0ms, 5ms, 10ms, 15ms ứng với giá trị điện áp tức thời của nguồn ở biên độ cực đại. Các đồ thị kết quả mô phỏng điển hình cho trường hợp ví dụ khi đóng bộ tụ bù lúc điện áp trên tụ Uc = 100%Unguồn tại các thời điểm nói trên được thể hiện ở bên dưới: + Đóng ở 0 ms: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 296 Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn: Time 0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms V(L1:1) V(U1:1) -240KV -160KV -80KV 0V 80KV 160KV 240KV Dòng điện chạy vào bộ tụ: Time 0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms -I(C1) -5.0KA -2.5KA 0A 2.5KA 5.0KA + Đóng ở 5 ms: Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn: Time 0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms V(L1:1) V(U1:1) -150KV -100KV -50KV 0V 50KV 100KV 150KV Dòng điện chạy vào bộ tụ: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 297 Time 0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms -I(C1) -800A -400A 0A 400A 800A + Đóng ở 10 ms: Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn: Time 0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms V(L1:1) V(U1:1) -240KV -160KV -80KV 0V 80KV 160KV 240KV Dòng điện chạy vào bộ tụ: Time 0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms -I(C1) -5.0KA -2.5KA 0A 2.5KA 5.0KA + Đóng ở 15 ms: Điện áp trên bộ tụ và điện áp nguồn: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 298 Time 0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms V(L1:1) V(U1:1) -400KV -300KV -200KV -100KV 0V 100KV 200KV 300KV 400KV Dòng điện chạy vào bộ tụ: Time 0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms -I(C1) -8.0KA -6.0KA -4.0KA -2.0KA 0A 2.0KA 4.0KA 6.0KA 8.0KA 2.2. Tổng hợp kết quả mô phỏng Biên độ cực đại điện áp / Biên độ cực đại dòng điện trên bộ tụ C2 (kV/kA) Thời điểm đóng tụ (ms) Điện áp trên tụ UC 0 5 10 15 0 1,156/1,64 1,96/9,49 1,17/2,23 1,97/10,27 50% Um nguồn 1,5/5,26 1,48/5,1 1,43/5,8 2,4/14,46 100% Um nguồn 1,9/9,14 1,12/1,55 1,76/10 2,8/17,7 Trong bảng kết quả trên, giá trị biên độ cực đại điện áp và dòng điện trên bộ tụ C2 ghi nhận được trong chương trình mô phỏng so sánh với điện áp định mức và dòng điện xác lập qua tụ C2, với: + Điện áp định mức của tụ: kVU dm 115= . + Biên độ dòng điện xác lập qua tụ C2: 2 2 C m xlC X U I = TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 299 với Ω=×== − 4,26531410.12 11 6 2 2 ϖCX C kAX UI C m xlC 433,04,265 10.115 3 2 2 ===⇒ 2.2. Nhận xét Theo tính toán khi đóng bộ tụ bù C1 vào lưới điện trong trường hợp 3.1 mà 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 C1 bằng: 037,3 1 1 1 == L CUI mmC xk (kA) Khi máy cắt đóng bộ tụ C2 vào lưới điện có bộ tụ C1 ghép song song đã được đóng điện trước đó thì bộ tụ C1 sẽ phóng điện qua bộ tụ C2. Dòng điện xung kích từ hệ thống và bộ tụ C1 có biên độ lớn chạy vào bộ tụ C2 để cân bằng điện áp của hệ thống lưới điện và điện áp trên bộ tụ. Biên độ của dòng điện xung kích chạy vào bộ tụ C2 được tính như sau. Theo công thức (3.10), biên độ của dòng điện xung kích chạy bộ tụ C2 là: 2 2 L CUI TmmC = , với điện dung tương đương: ( )FCCT 61 10.242122 −=×== nên: Biên độ dòng điện xung kích: ( )kAI mC 410.20 10.24115 3 6 2 ≈= − − Theo kết quả mô phỏng, biên độ của dòng điện xung kích chạy qua bộ tụ C2: ImC2xk = 4,11 (kA). Qua kết quả khi đóng bộ tụ bù C2 vào lưới điện mà 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 vào bộ tụ C2 có giá trị lớn hơn khi đóng bộ tụ C1 có cùng công suất được đóng vào hệ thống lưới điện trước đó. Quá điện áp trong trường hợp này có biên độ rất lớn (khoảng 2 lần điện áp định mức của bộ tụ) với khoảng thời gian bằng 0,16s có thể gây hư hỏng cách điện của bộ tụ. 3. Kết luận Trong quá trình đóng một bộ tụ bù vào lưới điện khi có một bộ tụ bù khác ghép song song đang hoạt động tại những thời điểm đóng khác nhau với giá trị điện áp trên tụ khác nhau nhận được các giá trị biên độ điện áp và dòng điện theo kết quả mô phỏng như sau: + Khi bộ tụ điện được đóng vào lưới điện mà điện áp tức thời của nguồn và điện áp trên tụ cùng biên độ cực đại nhưng ngược pha, lúc đó điện áp trên tụ tăng lên 2,8 lần so với điện áp định mức và dòng điện có thể tăng lên đến 17-18 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 điện áp tức thời của nguồn ở biên độ cực đại và điện áp trên tụ bằng không lúc đó điện áp trên tụ là 1,96 lần so với điện áp định mức và dòng điện tăng lên đến 9-10 lần so với dòng điện xác lập qua tụ. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 300 + Khi bộ tụ điện được đóng vào lưới điện mà điện áp tức thời của nguồn và điện áp trên 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. Qua kết quả khảo sát như trên, khi đóng điện cho bộ tụ bù vào hệ thống lưới điện nên chọn thời điểm lúc giá trị tức thời của điện áp hệ thống lưới điện và điện áp trên bộ tụ bù cùng biên độ và cùng pha hoặc cùng bằng giá trị không sẽ ít gây nguy hiểm cho bộ tụ. Ngoài ra, để khắc phục khi dòng điện xung kích vượt quá giới hạn cho phép thường thực hiện các biện pháp như sau: + Nối điện kháng XL trong mạch để giảm biên độ và tần số dao động của dòng điện xung kích. + Khi đóng cắt các bộ tụ có công suất lớn vào lưới điện nên đóng cắt từng phần công suất của bộ tụ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bành Quốc Hùng, Khảo sát quá trình quá độ khi đóng cắt bộ tụ điện bù tĩnh, 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.