Các vấn đề về chất lượng điện năng

Chia sẻ: Chung Pham The | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:41

Thêm vào BST

Báo xấu

412
lượt xem 160
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nguyên nhân của sự sụt giảm điện áp và mất điện áp là do sự cố trong hệ thống và các thao tác đóng cắt để tách sự cố. Đặc điểm của hiện tượng này là sự dao động điện áp khỏi ngưỡng hoạt động bình thường của điện áp hệ thống. Sụt giảm điện áp là một quá trình diễn ra trong thời gian ngắn (thông thường 0,5 tới 30 chu kỳ), nguyên nhân bởi sự cố trong hệ thống hoặc khởi động của các tải lớn, như động cơ....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Các vấn đề về chất lượng điện năng

Tài Liệu Các vấn đề về chất lượng điện năng 1
Mục Lục CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG ..................................... 4 Sụt giảm điện áp và mất điện áp [6] ................................................................................... 4 2.1.1 Đánh giá hiện tượng sụt giảm điện áp ................................................................. 4 2.1.1.2 Sụt giảm điện áp trong hệ thống truyền tải ............................................................. 6 2.1.1.3 Sụt giảm điện áp trong hệ thống phân phối ............................................................ 6 2.1.2 Các giải pháp giảm sụt giảm và mất điện áp ....................................................... 6 2.1.2.1Các giải pháp ở mức thiết bị .................................................................................... 7 Các máy ổn áp ..................................................................................................................... 7 Các bộ tổng hợp từ tính....................................................................................................... 8 Hệ thống bánh đà lưu giữ năng lượng .............................................................................. 10 Các thiết bị lưu giữ năng lượng từ siêu dẫn ...................................................................... 11 2.1.2.2Các giải pháp loại trừ sự cố hệ thống nguồn.......................................................... 12 2.2 Quá điện áp quá độ [6] .......................................................................................... 15 2.2.1 Nguyên nhân ..................................................................................................... 15 .1.1 Đóng cắt tụ ................................................................................................................. 15 .1.2 Sét .............................................................................................................................. 15 .1.3 Cộng hưởng sắt từ ...................................................................................................... 16 .1.4 Quá độ do nguyên nhân đóng cắt khác ...................................................................... 17 .2 Nguyên lý bảo vệ và các thiết bị bảo vệ quá điện áp................................................ 18 .2.1 Nguyên lý bảo vệ ....................................................................................................... 18 .2.2 Thiết bị bảo vệ quá điện áp ........................................................................................ 18 Các bộ triệt quá áp (TVVSs- Transient Voltage surge suppressors) ................................ 18 2.3.1 Khái niệm chung về sóng hài ................................................................................ 21 2.3.1.1 Khái niệm .............................................................................................................. 21 2.3.1.2 Độ méo điện áp và độ méo dòng điện................................................................... 22 2.3.1.3 Sóng hài và quá độ ................................................................................................ 23 2.3.1.4 Phép đo sóng hài ................................................................................................... 23 Độ méo yêu cầu tổng(Total demand Distortion) .............................................................. 24 2.3.2 Các nguồn tạo sóng hài ......................................................................................... 24 2.3.2.2 Nguồn sóng hài từ tải công nghiệp (Harmonics Sources from Industrial Loads) 26 Các bộ biến đổi công suất 3 pha (Three phase power converters).................................... 26 2.3.3 Ảnh hưởng của sóng hài ....................................................................................... 28 2.3.3.1 Tác động tới tụ ...................................................................................................... 28 2.3.3.2 Tác động tới máy biến áp ...................................................................................... 28 2.3.3.3 Tác động tới động cơ ............................................................................................ 29 2.3.3.4 Tác động tới các rơ le bảo vệ ................................................................................ 29 2.3.3.5 Tác động tới các thiết bị đóng cắt ......................................................................... 30 2.3.3.6 Tác động tới các dụng cụ đo ................................................................................. 30 2.3.3.7 Tác động tới các thiết bị khác ............................................................................... 30 2.3.4 Nguyên tắc điều khiển sóng hài ............................................................................ 31 Giảm dòng điều hoà tạo trong tải. ..................................................................................... 32 Lọc .................................................................................................................................... 32 Điều chỉnh đáp ứng tần số hệ thống.................................................................................. 32 2
2.3.5 Khắc phục sóng hài ............................................................................................... 33 Dao động điện áp [6]......................................................................................................... 34 2.4.1 Nguyên tắc của điều chỉnh điện áp. ...................................................................... 34 2.4.2 Thiết bị cho điều chỉnh điện áp .............................................................................. 35 2.4.2.1 Điều chỉnh điện áp tại nguồn ................................................................................ 36 2.4.2.2 Máy ổn áp ............................................................................................................. 37 Hình 2.8: Đặc điểm ổn định tĩnh của máy ổn áp ........................................................... 37 2.4.2.3 Các thiết bị điều chỉnh đầu phân áp ngắt mạch điện tử ........................................ 37 2.4.2.4 Hệ thống lưu điện trực tiếp (UPS online) ............................................................. 37 2.4.2.5 Hệ thống động cơ-máy phát .................................................................................. 38 2.4.2.6 Các bộ tụ bù tĩnh (Static Var Compensators) [4] .................................................. 38 2.4.3 Các ứng dụng điều chỉnh điện áp nguồn ............................................................... 38 2.4.3.1 Bù sụt giảm điện áp đường dây (Line drop Compensator) .................................. 39 2.4.3.2 Điều chỉnh nối tiếp ................................................................................................ 39 2.4.4 Các bộ tụ cho điều chỉnh điện áp .......................................................................... 40 2.4.4.1 Các bộ tụ rẽ nhánh ................................................................................................ 40 2.4.4.2 Các bộ tụ nối tiếp ................................................................................................. 40 2.4.5 Điều chỉnh điện áp bằng nguồn phân phối ........................................................... 41 2.4.6 Dao động thoáng qua ............................................................................................ 42 2.4.6.1 Nguồn của dao động thoáng qua ........................................................................... 42 3
CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG Sụt giảm điện áp và mất điện áp [6] Nguyên nhân của sự sụt giảm điện áp và mất điện áp là do sự cố trong hệ thống và các thao tác đóng cắt để tách sự cố. Đặc điểm của hiện tượng này là sự dao động điện áp khỏi ngưỡng hoạt động bình thường của điện áp hệ thống. Sụt giảm điện áp là một quá trình diễn ra trong thời gian ngắn (thông thường 0,5 tới 30 chu kỳ), nguyên nhân bởi sự cố trong hệ thống hoặc khởi động của các tải lớn, như động cơ. Mất điện áp tức thời (thường nhỏ hơn 2 đến 5s) thường xảy ra khi thực hiện việc tách sự cố quá độ trong hệ thống. Hiện tượng mất điện áp có thời gian lâu hơn 1 phút thường là do các sự cố xác lập gây ra. Các công ty Điện lực đang phải đối mặt với sự phàn nàn về chất lượng điện năng do hiện tượng sụt giảm và mất điện áp gây ra cho khách hàng. Các khách hàng ngày càng có nhiều tải dễ bị ảnh hưởng bởi sự cố trong hệ thống. Các máy tính điều khiển mất bộ nhớ, các qui trình ngày càng phức tạp cũng mất rất nhiều thời gian để khởi động lại. Các ngành công nghiệp phải dựa nhiều vào các thiết bị tự động để đạt được hiệu suất lớn nhất để duy trì sức cạnh tranh. Chính vì vậy, các hiện tượng này có tác động rất lớn về mặt kinh tế.[5],[8] 2.1.1 Đánh giá hiện tượng sụt giảm điện áp Đánh giá hiện tượng sụt giảm điện áp của nguồn cung cấp để các thiết bị có thể được thiết kế và phát triển các thông số kỹ thuật nhằm tối ưu hoạt động của chúng. Trong các quy trình sản xuất, để đảm bảo sự tương thích giữa đặc điểm nguồn và hoạt động của hệ thống cần chú ý: Xác định số lượng và đặc điểm của hiện tượng sụt giảm điện áp do sự cố trong hệ thống truyền tải. Xác định số lượng và đặc điểm của hiện tượng sụt giảm điện áp do sự cố trong hệ thống phân phối. 4
Xác định ảnh hưởng của thiết bị với hiện tượng sụt giảm điện áp. Điều này sẽ xác định được hiệu suất thực tế của các quy trình sản xuất dựa trên việc tính toán sự sụt giảm điện áp theo hai bước trên, Đánh giá kinh tế theo các giải pháp tăng hiệu suất khác nhau, hoặc ở mức hệ thống cung cấp (ít sụt giảm điện áp hơn) hoặc trong các thiết bị. 2.1.1.1 Ảnh hưởng của thiết bị với sụt giảm điện áp Các thiết bị sử dụng có thể có nhiều ảnh hưởng khác nhau với hiện tượng sụt giảm điện áp, chúng phụ thuộc vào loại tải, hệ thống điều khiển và các ứng dụng[8]. Do đó, thường khó để nhận biết được đặc điểm của hiện tượng sụt giảm điện áp gây mất hoạt động cho các thiết bị. Đặc điểm chung thường được sử dụng là thời gian và biên độ của sự sụt giảm. Ít sử dụng hơn là sự thay đổi pha và mất cân bằng, mất điện áp, mất cân bằng điện áp 3 pha trong trường hợp giảm thấp điện áp... Thông thường, các thiết bị ảnh hưởng với sự sụt giảm điện áp có thể chia thành ba nhóm: Các thiết bị chỉ ảnh hưởng với biên độ của sụt giảm điện áp. Nhóm thiết bị này bao gồm các thiết bị như rơle thấp áp, các bộ điều khiển quy trình, điều khiển truyền động động cơ, và các loại máy tự động. Các thiết bị trong nhóm này thường ảnh hưởng với biên độ nhỏ nhất (hoặc lớn nhất) của điện áp xuất hiện trong quá trình sụt giảm điện áp. Với nhóm thiết bị này, thời gian trong các dao động là quan trọng bậc hai sau biên độ. Các thiết bị ảnh hưởng với cả biên độ và thời gian của sụt giảm điện áp. Nhóm thiết bị này bao gồm các thiết bị sử dụng các nguồn cung cấp điện tử. Các thiết bị này sẽ mất hoạt động hoặc sự cố khi điện áp đầu ra giảm xuống duới giá trị danh định. Chính vì vậy, đặc điểm quan trọng của các thiết bị này là thời gian mà điện áp định mức bị giảm xuống dưới ngưỡng định mức. Các thiết bị ảnh hưởng với các đặc điểm khác của sụt giảm điện áp. Nhóm thiết bị này chịu ảnh hưởng bởi các đặc điểm khác của sự sụt giảm điện áp như mất cân bằng pha, hoặc các quá độ xuất hiện trong quá trình mất ổn định... Các đặc điểm này thường khó thấy hơn biên độ và thời gian, và các tác động của chúng cũng khó để nhận biết. 5
2.1.1.2 Sụt giảm điện áp trong hệ thống truyền tải Sự sụt giảm điện áp sẽ phụ thuộc vào khách hàng được cung cấp từ hệ thống lưới truyền tải hay lưới phân phối. Nếu khách hàng được cung cấp từ lưới truyền tải thì sự sụt giảm điện áp chỉ phụ thuộc vào lưới truyền tải. Còn nếu khách hàng được cung cấp từ lưới phân phối thì sự sụt giảm điện áp sẽ phụ thuộc vào cả hệ thống truyền tải và phân phối. Sự cố đường dây truyền tải và tác động của thiết bị bảo vệ ít khi gây ra sự mất điện áp cho các khách hàng bởi sự liên thông trong hệ thống lưới truyền tải. Tuy nhiên, các sự cố đó có thể gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp. Tuỳ thuộc vào sự ảnh hưởng của các thiết bị, các thiết bị có thể sẽ tách ra khỏi hệ thống, gây ra những tổn thất về kinh tế đáng kể. Chính vì vậy, khả năng tính toán sự sụt giảm điện áp tại thiết bị là hết sức quan trọng. 2.1.1.3 Sụt giảm điện áp trong hệ thống phân phối Các khách hàng được cung cấp từ mức độ điện áp phân phối chịu tác động của sự cố trong cả hệ thống truyền tải và phân phối. Sự sụt giảm điện áp tại các thiết bị là tổng sự sụt giảm điện áp trong hệ thống truyền tải và phân phối. Các tính toán tại mức độ phân phối phải bao gồm cả sự mất điện áp tạm thời do các thiết bị bảo vệ hoạt động để loại trừ sự cố.[10] 2.1.2 Các giải pháp giảm sụt giảm và mất điện áp Một số cách có thể được thực hiện bởi nguồn, tải, và các nhà sản xuất thiết bị để giảm số lượng, tính khắc nghiệt của sự sụt giảm điện áp và giảm bớt sự ảnh hưởng của thiết bị với sụt giảm điện áp. Thường càng giải quyết được vấn đề tại mức độ thấp thì sẽ càng tiết kiệm được chi phí. Khi mức độ yêu cầu không thực hiện được, có thể sử dụng một hệ thống lưu điện (UPS- Uninterruptible power supply) hoặc một vài loại điều hoà công suất khác cho các thiết bị điều khiển. Điều này sẽ thích hợp khi các thiết bị có thể chống lại sụt giảm hoặc mất điện áp nhưng các thiết bị điều khiển sẽ tự động ngắt chúng. 6
2.1.2.1Các giải pháp ở mức thiết bị Các giải pháp để tăng độ tin cậy và hiệu suất của các qui trình hoặc của các thiết bị có thể được chấp nhận tại nhiều mức độ khác nhau. Các công nghệ khác nhau có thể được tính toán dựa trên các yêu cầu riêng của các qui trình để xác định giải pháp tối ưu cho việc cải thiện sự sụt giảm điện áp. Các giải pháp có thể được thực hiện theo các mức độ khác nhau: Bảo vệ cho các tải nhỏ (ví dụ như nhỏ hơn 5kVA). Điều này thường bao gồm bảo vệ cho các thiết bị điều khiển, các máy cá nhân nhỏ hoặc nhiều khi là các tải một pha cần được bảo vệ. Bảo vệ cho các thiết bị riêng hoặc nhóm các thiết bị tới khoảng 300 kVA. Tuy rằng không phải mọi tải trong nhóm thiết bị này cần bảo vệ, nhưng đây có thể là một giải pháp hết sức kinh tế cho việc đối xử với các tải tới hạn, đặc biệt là khi sự bảo vệ cho các tải này được ghi rõ trên thiết kế. Bảo vệ cho nhóm các tải lớn hoặc toàn bộ thiết bị tại mức độ điện áp thấp. Thỉnh thoảng khi một phần lớn của các thiết bị trong trạng thái tới hạn hoặc cần bảo vệ, điều này thích hợp để tính toán cho một nhóm lớn các thiết bị cần được bảo vệ tại một vị trí thuận lợi. Các công nghệ hiện đại có thể được xem xét khi một nhóm lớn các tải cần được bảo vệ. Bảo vệ tại mức độ điện áp trung bình hoặc tại nguồn cung cấp. Nếu toàn bộ thiết bị cần được bảo vệ hoặc tăng chất lượng điện năng, các giải pháp tại điện áp trung bình có thể được xem xét. Phạm vi của các nhóm trên là không cố định và rất nhiều các công nghệ khác nhau có thể được áp dụng trên phạm vi đó. Sau đây là các công nghệ chính và mức độ chúng có thể áp dụng. Các máy ổn áp Các máy ổn áp có thể điều khiển được hầu hết sự sụt giảm điện áp. Các máy ổn áp đặc biệt hiệu quả cho các tải cân bằng công suất thấp. Các máy ổn áp về cơ bản là máy biến áp 1:1 được kích thích cao trên đường cong bão hoà. Chính điều này đã tạo ra một điện áp đầu ra không bị tác động bởi điện áp đầu vào. 7
Các bộ tổng hợp từ tính Nguyên lý hoạt động của các bộ tổng hợp từ tính tương tự như các máy ổn áp ngoại trừ chúng là các thiết bị ba pha và có thuận lợi với từ tính ba pha để tăng điện áp và điều chỉnh tải ba pha. Chúng có thể sử dụng cho các tải có công suất từ 15 đến 200 kVA và thường được sử dụng cho các tải của hệ thống máy tính lớn nơi sụt giảm điện áp hoặc dao động điện áp tĩnh gây ra hậu quả quan trọng. Sự truyền năng lượng và cách điện đường dây được hoàn thiện qua việc sử dụng các cuộn cảm kháng phi tuyến. Điều này loại trừ được các vấn đề như tiếng ồn (noise) đường dây. Dạng sóng đầu ra xoay chiều được tạo thành bằng cách kết hợp các xung điện áp từ các máy biến áp bão hoà. Năng lượng dạng sóng được lưu giữ trong các máy biến áp bão hoà và các bộ tụ như dòng điện và điện áp. Sự lưu giữ năng lượng này cho phép đầu ra của một dạng sóng sạch với một chút dao động điều hoà nhỏ. a. Các bộ bù nối tiếp hoạt động(Active series compensators) Sự phát triển trong kỹ thuật điện tử công suất đã tạo ra những lựa chọn mới cho việc cải thiện sụt giảm điện áp chống lại các tải giới hạn. Một trong các lựa chọn quan trọng là một thiết bị có thể tăng điện áp bằng cách đẩy điện áp nối tiếp với điện áp yêu cầu trong suốt quá trình sụt giảm điện áp. Đây là các thiết bị bù nối tiếp hoạt động. Chúng có thể sử dụng cho các thiết bị một pha nhỏ (1 đến 5kVA) đến các thiết bị rất lớn (lớn hơn 2MVA) sử dụng trong hệ thống trung áp. b. Các hệ thống lưu điện Hệ thống trực tiếp (On-line UPS) Hình 2.1 miêu tả một hệ thống lưu điện trực tiếp. §uêng d©y TB. chØnh luu tb. BiÕn ®æi T¶i Hình 2.1: Hệ thống lưu điện trực tiếp Trong trường hợp này, tải luôn được cung cấp qua một hệ thống UPS. Công suất ¾c Quy xoay chiều đầu vào được chỉnh lưu thành một chiều và được nạp bằng một bộ ắc quy. Công suất một chiều này sau đó được biến đổi lại thành xoay chiều để cung cấp cho tải. Nếu công suất xoay chiều đầu vào hỏng, bộ biến đổi sẽ được cấp từ ắc quy và tiếp tục 8
cung cấp đến tải. Trong trường hợp mất công suất, nguồn sẽ cung cấp riêng cho các tải không bị ảnh hưởng của tình trạng mất cân bằng công suất đường dây. Tuy nhiên, hoạt động trực tiếp làm tăng tổn thất và có thể không cần thiết cho bảo vệ của rất nhiều tải. Hệ thống dự phòng (Standby UPS) Một hệ thống dự phòng (hình 2.2) được sử dụng để cung cấp công suất cho các thiết bị cho đến khi sự nhiễu loạn được xác định và chuyển mạch sẽ chuyển tải tới các bộ biến đổi ngược. Một hệ thống dự trữ công suất thường không cung cấp bảo vệ quá độ và điều chỉnh điện áp như các hệ thống trực tiếp. §uêng d©y TB. chØnh luu tb. BiÕn ®æi T¶i ¾c Quy Hình 2.2: Hệ thống dự phòng Đặc điểm kỹ thuật của các hệ thống lưu điện bao gồm công suất KVA, điều chỉnh điện áp tĩnh và động, dao động điều hoà của dòng điện vào và điện áp ra, các bảo vệ sóng, và sự suy giảm tạp âm. Các đặc điểm kỹ thuật này thường được chỉ rõ bởi các nhà cung cấp. Hệ thống gián tiếp (Hybrid UPS) Tương tự thiết kế như hệ thống trực tiếp, hệ thống gián tiếp sử dụng một bộ điều chỉnh điện áp trong đầu ra để cung cấp điều chỉnh cho tải khi có sự chuyển từ hệ thống bình thường sang hệ thống lưu điện. Hình 2.3 miêu tả một hệ thống UPS gián tiếp. §uêng d©y TB. chØnh luu tb. BiÕn ®æi æn ¸p T¶i ¾c Quy Hình 2.3: Hệ thống gián tiếp c. Hệ thống động cơ- máy phát(Motor- Generators sets) Đây là một hệ thống hữu ích cho việc cách ly các tải giới hạn khỏi sự sụt giảm và mất điện áp trong hệ thống điện. Một hệ thống động cơ- máy phát được miêu tả như trong hình 2.4 9
§éng c¬ m¸y ph¸t B¸nh ®μ §uêng d©y t¶i Hình 2.4: Hệ thống động cơ- máy phát Một động cơ được cung cấp công suất từ đường dây truyền động cho máy phát cung cấp công suất cho tải. Bánh đà đồng trục tạo ra quán tính lớn để tăng thời gian đi qua. Khi đường dây chịu ảnh hưởng của mất cân bằng, quán tính của các máy và bánh đà sẽ điều chỉnh công suất trong vòng vài giây. Điều này cũng có thể tách được các tải ra khỏi các sự mất cân bằng khác như dao động điều hoà và quá độ chuyển mạch. Tuy nhiên, hệ thống này cũng có một số bất lợi cho một vài loại tải như: Có nhiều tổn thất liên quan đến các máy. Tiếng ồn, và một số loại tải phải được bảo dưỡng. Tần số và điện áp giảm xuống trong suốt quá trình mất điện áp. Hệ thống bánh đà lưu giữ năng lượng Hệ thống động cơ- máy phát chỉ có tính chất để khai thác năng lượng lưu giữ trong các bánh đà. Một hệ thống năng lượng bánh đà sử dụng các bánh đà tốc độ cao và các thiết bị điện tử công suất để vượt qua sụt giảm và mất điện áp từ 10s đến 2 phút. Trong khi hệ thống động cơ- máy phát thường hoạt động mở và thường là đối tượng của tổn thất ma sát khí động học thì các bánh đà hoạt động trong môi trường chân không và sử dụng trục từ tính để giảm tổn thất dự trữ. Các thiết kế với các rô to thép có thể quay tại tốc độ khoảng 10.000 rpm, trong khi với các rô to composite có thể quay với tốc độ cao hơn. Khi lượng năng lượng lưu trữ tương ứng với bình phương của tốc độ, một lượng lớn năng lượng có thể được lưu giữ trong một không gian nhỏ. Roto hoạt động như một thiết bị lưu giữ năng lượng liền khối, động cơ và máy phát. Để lưu giữ năng lượng. rôto được quay tới tốc độ như động cơ. Khi năng lượng đã đạt yêu cầu, thì rôto và phần ứng lại hoạt động như một máy phát. 10
Các thiết bị lưu giữ năng lượng từ siêu dẫn Một thiết bị lưu giữ năng lượng từ siêu dẫn được sử dụng để giảm sự sụt giảm và mất điện áp. Năng lượng lưu giữ được bằng cách lưu giữ năng lượng trong dòng điện chạy trong nam châm siêu dẫn. Khi cuộn dây tổn thất, năng lượng có thể được giải phóng. Qua các bộ điều chỉnh điện áp và các bộ biến đổi, năng lượng này có thể được đẩy vào bảo vệ hệ thống điện trong thời gian nhỏ hơn 1 chu kỳ để bù cho điện áp mất đi trong quá trình sụt giảm điện áp. Hệ thống này có một vài thuận lợi hơn hệ thống lưu điện dựa trên các bình ắc quy là: Với cùng một năng lượng lưu trữ và khả năng phát công suất, hệ thống này nhỏ hơn nhiều. Năng lượng được lưu trữ có thể được truyền nhanh vào hệ thống để bảo vệ khi có sự cố. Hệ thống hầu như không giới hạn về chu kỳ nạp và phóng điện. Các chu kỳ này có thể được thực hiện hàng ngàn lần mà không làm giảm phẩm chất của các nam châm siêu dẫn. d. Các bộ chuyển mạch tĩnh và chuyển mạch động Có một số lựa chọn để bảo vệ cho toàn bộ các thiết bị dễ bị ảnh hưởng bởi sụt giảm điện áp. Chúng bao gồm các máy hồi phục điện áp lực (dynamic voltage restorers- DVRs) và các hệ thống lưu điện UPS sử dụng công nghệ tương tự như miêu tả trên nhưng tại mức độ điện áp trung bình. Một giải pháp khác được sử dụng tại điện áp thấp hoặc điện áp trung bình là các bộ chuyển mạch tự động. Các bộ chuyển mạch tự động có thể sử dụng các công nghệ khác nhau, từ thông thường đến các bộ chuyển mạch tĩnh. Các bộ chuyển mạch thường sẽ chuyển mạch từ nguồn sơ cấp tới nguồn dự phòng trong vài giây. Các bộ chuyển mạch động sử dụng kỹ thuật ngắt chân không có thể chuyển mạch chỉ trong khoảng 2 chu kỳ. Điều này có thể đủ nhanh để bảo vệ các tải dễ bị ảnh hưởng. Các bộ chuyển mạch tĩnh sử dụng các chuyển mạch điện tử công suất để thực hiện các sự chuyển mạch trong khoảng một phần tư chu kỳ điện. Điều chú ý nhất đối với các bộ chuyển mạch cho bảo vệ các tải dễ bị ảnh hưởng là chúng yêu cầu hai nguồn cung cấp độc lập tới. Ví dụ như cả hai nguồn cấp đến từ một 11
thanh cái trạm, khi đó cả hai sẽ cùng bị đặt vào cùng một sự sụt giảm điện áp khi có sự cố xảy ra trong hệ thống nguồn. Nếu một phần trăm đáng kể của các hiện tượng tác động đến các thiết bị, gây ra bởi sự cố trong hệ thống truyền tải, các bộ chuyển mạch động sẽ có ít lợi ích cho bảo vệ các thiết bị. 2.1.2.2Các giải pháp loại trừ sự cố hệ thống nguồn Các công ty Điện lực có hai lựa chọn cơ bản để giảm số lượng và tính khắc nghiệt của sự cố trong hệ thống. Đó là ngăn ngừa sự cố hoặc thực hiện các biện pháp điều chỉnh loại trừ sự cố. Việc ngăn ngừa sự cố không chỉ tăng sự hài lòng của khách hàng, mà còn ngăn ngừa những hư hại lớn cho các thiết bị điện. Các hoạt động ngăn ngừa sự cố bao gồm: tỉa cây, đặt chống sét đường dây, đặt thiết bị bảo vệ động vật... Cách điện của đường dây không thể loại trừ được mọi sự cố do sét gây ra, chính vì vậy cần chú ý xem xét hiện tượng các đường dây chịu tác động với sự cố do sét. Trong đường dây truyền tải, các dây chống sét có thể được tính toán để giảm sự cố do sét. Trong lưới phân phối, các dây chống sét cũng có thể là một lựa chọn khi các chống sét đặt dọc theo đường dây. Ngoài ra, một trong những vấn đề trên đường dây là hiện tượng đổ cây vào đường dây. Trong các vùng mà thực vật phát triển nhanh, việc tỉa cây để tránh đổ vào đường dây cũng là một nhiệm vụ cần chú ý. Nâng cao biện pháp loại trừ sự cố có thể bao gồm: đặt thêm các tự động đóng lại đường dây, tính toán nhả nhanh, tăng thêm mạch vòng hoặc điều chỉnh thiết kế đường dây. Các biện pháp này có thể giảm số lượng hoặc thời gian của các ngắt mạch tạm thời và sự sụt giảm điện áp, nhưng sự cố hệ thống sẽ không bao giờ có thể tính toán trọn vẹn. Nguyên lý phối hợp quá dòng Rất quan trọng để hiểu sự hoạt động của hệ thống trong suốt quá trình sự cố. Có các giới hạn tự nhiên để ngắt sự cố dòng điện và phục hồi công suất. Các vị trí này thường yêu cầu nhỏ trong tải. Trong một số trường hợp việc thực hiện phía hệ thống nguồn để nâng cao chất lượng điện năng sẽ tốt hơn phía tải. Chính vì vậy, chúng ta sẽ nêu ra các giải pháp để loại trừ sự cố với cả hai phía nguồn và tải. Các chế độ làm việc của hệ thống điện được chia làm hai loại chính: chế độ xác lập và chế độ quá độ. Chế độ xác lập là các chế độ trong đó các thông số của hệ thống 12
không thay đổi, hoặc trong những khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xung quanh các trị số định mức. Chế độ làm việc bình thường, lâu dài của hệ thống điện thuộc về chế độ xác lập (còn gọi là chế độ xác lập bình thường). Chế độ sau sự cố, hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập (còn gọi là chế độ xác lập sau sự cố). Ở các chế độ xác lập sau sự cố thông số ít biến thiên nhưng có thể lệch khỏi trị số định mức tương đối nhiều, cần phải nhanh chóng khắc phục. Ngoài chế độ xác lập còn diễn ra các quá trình quá độ trong hệ thống điện. Đó là các chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Chế độ quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao tác đóng cắt các phần tử đang mang công suất (những kích động lớn). Chế độ quá độ được gọi là bình thường nếu nó tiến đến chế độ xác lập mới. Trong trường hợp này các thông số hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở về gần định mức và tiếp theo ít thay đổi. Ngược lại, có thể diễn ra chế độ quá độ với thông số hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0. Chế độ quá độ khi đó được gọi là chế độ quá độ sự cố. Nói chung, với mọi hệ thống điện yêu cầu nhất thiết là phải đảm bảo cho các chế độ quá độ diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang chế độ xác lập mới, bởi chế độ quá độ chỉ có thể là tạm thời, chế độ xác lập mới là chế độ cơ bản làm việc của hệ thống điện.[3] Mục tiêu chính của quá trình loại trừ sự cố trong hệ thống điện, bên cạnh đảm bảo an toàn, là để hạn chế sự hư hại của hệ thống phân phối. Chính vì vậy, việc xác định sự cố và loại trừ sự cố phải được thực hiện với tốc độ có thể lớn nhất mà không gây ra mất hoạt động trong quá trình quá độ thông thường. Hai quan tâm lớn nhất cho hư hỏng thường là: hồ quang điện gây ra cho dây dẫn, các thanh cái và hư hỏng các máy biến áp trong các trạm. Một hệ thống lưới phân phối hình tia được thiết kế cho chỉ riêng thiết bị ngắt sự cố được hoạt động để loại trừ sự cố. Với các sự cố xác lập, các thiết bị ngắt sự cố sẽ hoạt động để tách các đường dây. Chính vì vậy, sự cố sẽ được cách ly và công suất có thể được phục hồi. Các thiết bị bảo vệ quá dòng điện xuất hiện nối tiếp dọc theo các đường dây. Với sự cố xác lập, các thiết bị hoạt động tăng chậm dần từ cuối đường dây tới trạm biến áp. Điều này giúp đảm bảo chính xác các phần của đường dây nên chỉ cách ly phần bị sự cố. Thứ tự các thiết bị bảo vệ quá dòng trên đường dây thường bao gồm:[1] 13
Các máy cắt có trang bị tự đóng lại: Đây là loại máy cắt nhẹ tác động nhanh được trang bị bảo vệ quá dòng, phần tử lôgic để cắt và đóng trở lại máy cắt có bộ phận đếm số lần tác động và chỉ trạng thái của máy cắt. Số lần tự đóng lại có thể được đặt trước, nếu đóng lại không thành công, máy cắt sẽ giữ ở trạng thái cắt, chờ nhân viên vận hành xử lý. Máy cắt có trang bị tự động đóng lại có loại 3 pha hoặc 1 pha, ngày nay người ta sử dụng máy cắt chân không hoặc SF6 thay cho máy cắt ít dầu thường dùng trước đây để giảm trọng lượng của thiết bị, cho phép dễ dàng lắp đặt trên cột đường dây phân phối, nâng cao độ an toàn và tin cậy của thiết bị. Bộ phận điều khiển lô gích cắt và tự động đóng lại, đếm chu trình và thời gian tác động do một microprocessor thực hiện cho phép kết nối với hệ thống điều khiển xa và hiển thị trạng thái máy cắt trong sơ đồ tự động của lưới phân phối. Các dao cách ly tự động: Là loại dao cách ly được trang bị bộ truyền động có thể điều khiển từ xa tác động phối hợp với máy cắt có trang bị tự đóng lại để thực hiện việc tách và cách ly phần tử bị sự cố trong khoảng thời gian không điện trong chu trình tự đóng lại. Dao cách ly tự động không có khả năng cắt dòng điện lớn, vì vậy trong quá trình xử lý sự cố cần phối hợp chính xác tác động giữa nó và máy cắt. Rơle quá dòng: Được trang bị kèm theo máy cắt tự động đóng lại, có đặc tính thời gian phụ thuộc, đôi khi được sử dụng kết hợp với bộ khoá điện áp thấp để tăng độ nhạy của bảo vệ hoặc bộ phận định hướng công suất (trong các mạch vòng). Các bộ phận chỉ thị sự cố: Thời gian phát hiện phần tử bị sự cố quyết định mức độ kéo dài của quá trình xử lý sự cố. Bộ phận chỉ thị sự cố sẽ tác động khi có dòng điện sự cố chạy qua nó, nó chỉ cảnh báo chứ không tác động cắt máy cắt. Các bộ phận chỉ thị sự cố được lắp đặt ở đầu tất cả các đường dây, kể cả đường dây rẽ nhánh giúp cho việc xác định đường đi của dòng điện sự cố và từ đó xác định vị trí điểm sự cố được dễ dàng và nhanh chóng. Có rất nhiều loại chỉ thị sự cố được chế tạo theo nhiều nguyên tắc khác nhau từ loại điện từ thường dùng trước đây với hệ thống trở về điều khiển bằng tay đến các loại thiết bị điện 14
tử hiện đại với các hệ thống trở về khác nhau, có thể lắp đặt trong nhà hoặc trên cột, dùng cho đường dây trên không hoặc cáp ngầm. Cầu chảy cao áp: Cầu chảy (cầu chì) là loại thiết bị đơn giản nhất dùng trong lưới phân phối với đặc tính bảo vệ quá dòng có thời gian phụ thuộc. Có nhiều loại cầu chảy cao áp khác nhau, những loại thường gặp trong lưới phân phối là: Cầu chảy tự rơi, cầu chảy chứa thạch anh, cầu chảy chứa chất lỏng dập hồ quang và cầu chảy chứa chân không hoặc chứa khí SF6. 2.2 Quá điện áp quá độ [6] 2.2.1 Nguyên nhân Hiện tượng quá điện áp quá độ là do quá trình đóng cắt thiết bị hoặc do hiện tượng sét. Quá điện áp quá độ có thể xảy ra ở tần số cao, trung bình hoặc thấp. .1.1 Đóng cắt tụ Tụ thường được sử dụng để cung cấp công suất phản kháng nhằm nâng cao khả năng tải cho đường dây, giảm tổn thất và cung cấp điện áp cho hệ thống điện. Sử dụng tụ mang lại hiệu quả kinh tế cao. Trong khi các phương pháp khác như sử dụng máy điện quay hoặc sử dụng các thiết bị bù tĩnh điện đều có giá thành và bảo dưỡng tốn kém hơn nên hiện nay việc sử dụng tụ trong hệ thống điện là phổ biến nhất. Tuy nhiên nhược điểm của tụ là gây ra quá độ trong quá trình đóng cắt. Một số tụ được cung cấp năng lượng toàn bộ thời gian tuy nhiên một số khác đóng cắt theo tải. Chính điều này đã làm xuất hiện các sự thay đổi các thông số hệ thống như điện áp, dòng điện, công suất phản kháng... .1.2 Sét Hệ thống lưới điện và các trạm biến áp hầu hết được xây dựng ngoài trời với các đường dây tải điện hàng trăm, hàng ngàn km. Quá điện áp khí quyển không chỉ gây nên phóng điện trên cách điện dường dây mà còn truyền sóng vào trạm biến áp gây sự cố hư hỏng cách điện trong trạm. Quá điện áp khí quyển có thể do sét đánh thẳng lên đường dây hoặc mặt đất gần đường dây sẽ sinh ra sóng điện từ truyền dọc đường dây, gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện của đường dây. Khi cách điện của đường dây bị hỏng sẽ 15
gây nên ngắn mạch pha-đất hoặc ngắn mạch pha-pha buộc các thiết bị bảo vệ đầu đường dây phải làm việc. Với những hệ thống đường dây truyền tải công suất lớn, khi máy cắt nhảy có thể gây mất ổn định hệ thống, nếu hệ thống tự động của các nhà máy làm việc không nhanh thì có thể gây nên sự cố rã lưới. Sóng sét còn có thể truyền từ đường dây vào trạm biến áp hoặc đánh thẳng vào trạm biến áp đều gây nên phóng điện trên cách điện trạm biến áp, điều này rất nguy hiểm vì nó tương đương với ngắn mạch trên thanh góp và dẫn đến sự cố trầm trọng. Mặt khác khi có sóng sét truyền vào trạm biến áp, nếu chống sét van đầu cực máy biến áp làm việc không hiệu quả thì cách điện của máy biến áp sẽ bị chọc thủng gây thiệt hại vô cùng lớn. Nhìn chung, khi bảo vệ chống sét đường dây không phải là loại trừ hoàn toàn khả năng sự cố do sét mà chỉ giảm sự cố đến mức giới hạn hợp lý mà thôi. .1.3 Cộng hưởng sắt từ Cộng hưởng sắt từ là một loại cộng hưởng đặc biệt bao gồm điện dung và điện cảm của lõi sắt. Nó gây ra hiện tượng mất cân bằng khi điện kháng từ hoá của một máy biến áp được đặt nối tiếp với tụ hệ thống. Điều này xảy ra trong đường dây hở mạch một pha. Dưới trạng thái điều khiển, cộng hưởng sắt từ có thể được sử dụng hữu ích như một máy ổn áp. Cộng hưởng sắt từ khác cộng hưởng trong các phần tử hệ thống tuyến tính. Cộng hưởng tuyến tính là hiện tượng xảy ra sau khi có sự khuếch đại của sóng hài trong hệ thống điện. Trong hệ thống tuyến tính, cộng hưởng dẫn đến điện áp và dòng điện sin cao theo tần số cộng hưởng, trong khi đó cộng hưởng sắt từ thì dạng sóng thường không theo quy luật. Các nguyên nhân chính dẫn đến cộng hưởng sắt từ là: Đóng cắt không tải, đường dây cáp, máy biến áp 3 pha với chỉ một pha đóng. Đóng cắt không tải, đường dây cáp, máy biến áp ba pha với một pha hở. Cầu chì 1 hoặc 2 cực hỏng để máy biến áp với 1 hoặc 2 pha mở. Các tự động đóng lại 1 pha cũng có thể gây ra tình trạng này. 16
Tuy nhiên không phải những sự kiện trên đều gây ra cộng hưởng sắt từ. Có các hệ thống cáp ngầm cả chục năm mà không xuất hiện cộng hưởng. Tình trạng hệ thống mà làm tăng sự xuất hiện của cộng hưởng sắt từ bao gồm: Hệ thống điện áp phân phối cao hơn, đặc biệt là nhóm hệ thống điện áp 22 và 35kV. Đóng cắt tải nhẹ hoặc các máy biến áp không tải. Cách đấu dây phía sơ cấp máy biến áp. Mạch cáp ngầm quá dài. Hư hỏng cáp và các thiết bị đóng cắt trong suốt quá trình xây dựng hệ thống cáp ngầm. Hệ thống yếu, dòng ngắn mạch thấp. Các máy biến áp tổn thất nhỏ. Hệ thống 3 pha với thiết bị đóng cắt chỉ một pha. Sự xuất hiện của cộng hưởng sắt từ có thể xuất hiện tại nhiều mức độ điện áp khác nhau. Tỷ lệ của tổn thất, điện kháng từ hoá và điện dung tại mức độ thấp có thể giới hạn được tác dụng của công hưởng sắt từ nhưng nó vẫn xuất hiện. Có một vài loại của cộng hưởng sắt từ với sự biến đổi vật lý và điện khác nhau. Một số có điện áp và dòng điện rất cao, một số khác lại có điện áp gần với giá trị bình thường. Chính vì vậy, rất khó để nói rằng có cộng hưởng sắt từ trừ khi có bằng chứng hoặc sử dụng các thiết bị đo chất lượng điện năng. .1.4 Quá độ do nguyên nhân đóng cắt khác Quá độ đường dây thường xuất hiện khi một dao cách ly đóng nối đường dây vào hệ thống điện. Khi đó chúng thường sinh ra một thành phần tần số cao hơn quá độ do đóng cắt tụ. Quá trình quá độ này là kết quả của sự kết hợp của sóng mang, điện dung của đường dây và điện cảm của nguồn. Các quá độ trong mạch điện phân phối thường bao gồm kết quả của quá độ đường dây, đặc điểm dòng khởi động máy biến áp và đặc điểm khởi động của tải. Quá độ đường dây không thường xuyên là vấn đề với các thiết bị sử dụng. Các thiết bị sử dụng có thể được bảo vệ với thành phần tần số cao bằng các thiết bị nếu cần thiết. 17
Một nguyên nhân khác của quá áp là do sự cố chạm đất một pha. Trong một hệ thống có trở kháng thứ tự không cao sẽ xuất hiện điện áp cao trong suốt quá trình xảy ra sự cố. Sự quá áp này chỉ là tạm thời và nó sẽ biến mất sau khi sự cố bị loại trừ. Hiện tượng này thường không gây ra vấn đề quá lớn trừ khi quá trình loại trừ sự cố lâu. Nói chung, sự tác động lớn hay nhỏ của hiện tượng quá áp này phụ thuộc vào đấu nối của máy biến áp. Với máy biến áp đấu sao-sao-đất, điện áp sẽ được biến đổi trực tiếp trong khi với máy biến áp đấu tam giác sẽ giúp bảo vệ được thiết bị khỏi quá điện áp trong quá trình sự cố. .2 Nguyên lý bảo vệ và các thiết bị bảo vệ quá điện áp .2.1 Nguyên lý bảo vệ Nguyên lý cơ bản của bảo vệ quá điện áp các thiết bị là: Giới hạn điện áp qua các cách điện dễ bị tác động bởi quá áp. Làm lệch hướng dòng xung qua tải. Ngăn dòng xung vào tải. Nối đất liên kết giữa các thiết bị. Giảm, hoặc ngăn dòng xung chạy giữa các nối đất. Tạo ra một bộ lọc tần thấp sử dụng nguyên lý ngăn ngừa và giới hạn quá điện áp. .2.2 Thiết bị bảo vệ quá điện áp Các bộ triệt quá áp (TVVSs- Transient Voltage surge suppressors) Các bộ triệt quá áp dùng để bảo vệ thiết bị khỏi quá điện áp quá độ bằng cách giới hạn điện áp lớn nhất qua thiết bị. Tuy nhiên các bộ triệt quá điện áp thường liên kết với các thiết bị được sử dụng tại tải. Một bộ triệt quá điện áp thường có giới hạn xung lớn hơn một bộ chống sét. Các yếu tố tạo thành các thiết bị này có thể được chia thành hai loại có chức năng hoạt động khác nhau là crowbar(đẩy) và clamping(kẹp). 18
Nhóm các thiết bị đẩy(crowbar) là các thiết bị thường dẫn dòng trong suốt quá trình quá độ điện áp. Điện áp đường dây sẽ giảm gần tới không trong suốt quá trình xảy ra ngắn mạch. Các thiết bị này thường được cấu tạo với một khe hở chứa không khí hoặc gas đặc biệt. Tuy nhiên nhóm thiết bị này có bất lợi là điện áp sẽ giảm xuống không hoặc giá trị rất thấp trong ít nhất nửa chu kỳ. Điều này sẽ làm cho một số tải sa thải đường dây không cần thiết. Nhóm các thiết bị kẹp (clamping) thường là các điện trở phi tuyến (biến trở) mà cho phép dẫn một lượng rất nhỏ dòng điện cho đến khi có quá điện áp. Khi có quá áp chúng dẫn điện rất tốt và trở kháng giảm nhanh chóng theo sự tăng của điện áp. Các thiết bị này hoạt động tăng lượng dòng điện dẫn để giới hạn sự tăng điện áp của sóng. Các máy biến áp cách ly (Isolation Transformers) Nguyên nhân chính của các máy biến áp cách ly được tải ra khỏi hệ thống khi xảy ra quá độ là do độ tự cảm rò của các máy biến áp này. Nhờ vậy mà các tạp âm tần số cao và quá độ bị giữ lại không ảnh hưởng đến tải và không tác động tới hệ thống điện. Các xung đóng cắt và xung sét có thể bị ngăn chặn. Hình 2.5 thể hiện một sơ đồ của máy biến áp cách ly sử dụng để ngăn ngừa các tạp âm tần số cao và quá độ qua máy biến áp đến tải. C S¬ cÊp thó cÊp §uêng D©y T¶i C Hình 2.5: Máy biến áp cách ly a. Các bộ lọc tần thấp (low-pass fillters) 19
Các bộ lọc tần thấp bao gồm một mạch LC. Mạch LC này bao gồm các điện cảm nối tiếp và các tụ điện mắc song song. Mạch LC này cung cấp một trở kháng thấp cho các tần số cộng hưởng lựa chọn. Trong mục đích bảo vệ xung, các thiết bị giữ điện áp được đặt song song với các tụ. Trong một vài thiết kế, sẽ không có tụ trong mạch LC này. Hình 2.6 là một bộ bảo vệ gián tiếp bao gồm hai bộ triệt quá áp và một bộ lọc tần thấp. Bộ bảo vệ sử dụng một thiết bị phóng điện khe hở để tác động với các quá độ năng lượng lớn. Bộ lọc tần thấp giới hạn các quá độ cao tần. Các chống sét được sử dụng để ngăn ngừa các quá độ cao tần và đẩy vào trong bộ triệt quá áp. Tụ sẽ giới hạn sự tăng trong khi chống sét sẽ giảm bớt điện áp tại thiết bị bảo vệ. Một dạng khác của thiết kế này sẽ yêu cầu chống sét được đặt ở cả hai đầu của bộ lọc và có thể có nhiều bộ tụ. §uêng D©y ®Õn §Z ®· b¶o vÖ §uêng D©y ®Õn §Z ®· b¶o vÖ BV. kiÓu khe hë Bé läc tÇn thÊp Chèng sÐt Hình 2.6: Bộ lọc tần thấp BV. kiÓu khe hë Bé läc tÇn thÊp Chèng sÐt b. Điều hoà công suất trở kháng thấp (low-impedance power conditioners) Các thiết bị điều hoà công suất trở kháng thấp thường được sử dụng phía sơ cấp để phân cách với các nguồn công suất kiểu đóng cắt trong các thiết bị điện tử. Khác với các máy biến áp cách ly, các thiết bị này có trở kháng thấp hơn rất nhiều và có một bộ lọc (hình 2.7). Các bộ lọc được đặt phía đầu ra và bảo vệ chống lại tần số cao, và các mất ổn định. §uêng D©y T¶i trung tÝnh trung tÝnh §Êt §Êt Hình 2.7: Điều hoà công suất trở kháng thấp c. Chống sét 20