Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của lò hồ quang điện đến chất lượng điện năng ở các khu công nghiệp và tính toán lựa chọn thiết bị khắc phục

Chia sẻ: Nguyen Bao Ngoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:100

Thêm vào BST

Báo xấu

168
lượt xem 42
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vài thập năm trở lại đây, Việt Nam là quốc gia thường được nhắc đến như một hiện tượng phát triển ở khu vực Đông Nam Á với tốc độ tăng trưởng liên tục ở mức cao và giữ ổn định. Sự phát triển càng trở nên mạnh mẽ hơn khi nước ta ra nhập Tổ chức Kinh tế thế giới WTO đã thúc đẩy các ngành kinh tế, văn hoá, giáo dục.. nói chung và ngành công nghiệp nói riêng phát triển. Đặc biệt, nhu cầu điện năng phục vụ cho một đất nước phát triển nhanh, yê u cầu đặt r a cho...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của lò hồ quang điện đến chất lượng điện năng ở các khu công nghiệp và tính toán lựa chọn thiết bị khắc phục

Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của lò hồ quang điện đến chất lượng điện năng ở các khu công nghiệp và tính toán lựa chọn thiết bị khắc phục
- Trang: 1 - LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản thuyết minh luận văn này do tôi thực hiện. Các số liệu sử dụng trong thuyết minh, các kết quả phân tích và tính toán hoàn toàn trung thực. Toàn bộ nội dung bản thuyết minh của luận văn chưa được công bố. S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 2 - MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .......................................................................................................... 4 Lời nói đầu .........................................................................................................................................................................5 Chƣơng I: Tổng quan về chất lƣợng điện năng và lƣới điện có thiết bị lò hồ quang điện hoạt động ..............................................................................................................................6 I.1. Tổng quan về c hất l ượng điện n ăng .............................................................................................................. ...6 I.2 C ác thô ng số về chất lư ợng điện năng......................................................................................................... .. .7 I.21. Chất lư ợng điện năng ch ất lượng đ iện áp ..................................................................................... ...7 I.2.2 Q uá độ .................................................................................................................................................................. ...8 I.2.3 . Độ lệch đ iện áp t hời gian d ài .............................................................................................................. 9 I.2.4 . Độ lệch đ iện áp thời gian ng ắn......................................................................................................... 10 I.2.5 . Mất c ân b ằng điện áp .............................................................................................................................. 11 I.2.6 . Độ méo dạng sóng .................................................................................................................................... 12 I.2.7 . Dao đ ộng điện áp ....................................................................................................................................... 14 I.2.8 . Độ lệch tần số ............................................................................................................................................... 14 I.3 Lư ới điện có lò hồ quang ho ạt đ ộng ............................................................................................................. 14 I.3.1 Lò hồ quang ..................................................................................................................................................... 14 I.3.2 Ảnh hưởng của lò hồ quang đ iện đến lưới điện ....................................................................... 15 I.4 Hiện tr ạng s ử dụng lò hồ quang ở các khu c ô ng nghiệp Th ái Nguyên ................................. 20 I.4.1 Tóm tắt c hung ................................................................................................................................................. 20 I.4.2 Hiện trạng s ử dụng lò hồ quang ở lưới điện tỉnh Th ái N guyê n..................................... 21 I.4.3 K hảo s át đ ặc tính của lò hồ quang điện ......................................................................................... 22 I.4.4 C ác ảnh hưởng đến l ưới đ iện khi lò hồ quang điện ho ạt đ ộng ...................................... 23 Chƣơng II: Khảo s át, mô phỏng lƣới điện có lò hồ quang điện hoạt động ....................... 28 II.1. Giới thệu c hươ ng trình mô phỏng ATM - EMTP .............................................................................. 28 II.2. Nguyên tắc, khả năng và các modul của chương trình ATP. ..................................................... 29 II.2.1. Nguyên tắc chung. ..................................................................................................................................... 29 II.2.2. Khả năng ứng dụng của chương trình. ........................................................................................ 29 S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 3 - II.3. Các phần tử chính của ATPDraw phục vụ nghiên cứu. ................................................................. 33 II.4. Mô phỏng lò hồ quang trong hệ t hống điện. ......................................................................................... 3 8 Chƣơng III: Lựa c họn giải pháp nâng cao chất lƣợng điện năng ............................................ 4 3 III.1 . Nguyên l ý bù S VC . .............................................................................................................................................. 4 3 III.2 Tính toán thô ng số của bộ S VC trong hệ t hống điện. ..................................................................... 6 1 III.2 .1 Hiện trạng hệ t hống c ung c ấp điện Cô ng ty Diezen. ......................................................... 61 III.2 .2 Sơ đồ nguyê n lý của hệ thống điện sử d ụng S VC. .............................................................. 62 III.2 .3 Tính toán t hô ng số của bộ S VC trong hệ thống điện. ...................................................... 64 Chƣơng IV: Đánh gi á hiệu quả sau khi thực hiện các biện pháp nâng cao chất l ƣợng điện năng ........................................................................................................................................ 82 IV.1 . Đ ánh giá mô hình S VC trong chế độ xác lập ..................................................................................... 82 IV.2 . Mô hình S VC trong chế đ ộ xác l ập ........................................................................................................... 86 IV.3 . K h ả năng ứng dụng và hiệu quả S VC .................................................................................................... 8 8 IV.4 . Đ ánh giá mô hình bài toán bù S VC theo ph ân tích kinh tế ....................................................... 92 Kết l uận ................................................................................................................................................................................ 9 6 Hƣớng ph át tri ển đề tài ............................................................................................................................................... 98 Tài liệu tham khảo .......................................................................................................................................................... 99 P hụ lục ................................................................................................................................................................................ S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 4 - D ANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết Ý nghĩa S TT Chú thích tắt CLĐN Chất lượng điện năng 1 Lò hồ quang điện 2 E AF Electric Arc Furnace Chương trình nghiên cứu quá độ Electro Magnetic Transients 3 EMTP điện từ. P rogram Istitute of Electrical and Bộ tiêu chuẩn về đ iện 4 IEEE Electronic Engineers LHQĐ Lò hồ quang điện 5 Đơn vị tính theo phần trăm 6 p.u P er unit Điểm đấu nối cô ng c ộng 7 P CC P oin of Commo n Coupling 8 S VC Static Var Compensator Bù SVC Điện kháng có điều khiển 9 TCR Thyristor Controlled Reactor Tổng độ méo 10 THD Total H armonic Distortion Đặc tính Vôn- Ampe 11 V_A Đặc tính Vôn- Giây 12 V- S S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 5 - LỜI NÓI ĐẦU Vài thập năm trở lại đây, Việt Nam là quốc gia thường được nhắc đến như một hiện tượng phát triển ở khu vực Đông Nam Á với tốc độ tăng trưởng liên tục ở mức cao và giữ ổn định. Sự phát triển càng trở nên mạnh mẽ hơn khi nước ta ra nhập Tổ chức Kinh tế thế giới WTO đã thúc đẩy các ngành kinh tế, văn hoá, giáo dục.. nói chung và ngà nh công nghiệp nói riêng phát triển. Đặc biệt, nhu cầu điện năng phục vụ cho một đất nước phát triển nhanh, yêu cầu đặt ra cho ngành điện lực không những đáp ứng đủ nhu cầu điện năng cho khách hàng mà còn đảm bảo chất lượng điện năng theo các tiêu chuẩn hi ện hành. Bên cạnh việc nghiên cứu tính toán các phương án cấp điện tối ưu, giảm suất sự cố trên lưới điện để cung cấp điện cho khách hàng liên tục, ổn định thì công tác nghiên cứu, tìm tòi các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng cũng như các tác động t ừ các phụ tải có tính chất điển hình ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng điện năng cũng là một nhiệm vụ hết sức quan trọng. Trên các cơ sở thực tế trên với đề tài: ”Nghiên cứu ảnh hưởng của lò hồ quang điện đến chất lượng điện năng ở các khu công nghiệp và tính toán lựa chọn thiết bị khắc phục” đề cập đến các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng cũng như các ảnh hưởng từ lò hồ quang điện đến các thông số lưới điện. Tác giả xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đối với thầy giáo T.S Trần Văn Tớp Bộ môn hệ thống đ iện- Trường ĐHBK Hà Nội đã tận tình hướng dẫn suốt thời gian qua. Xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô trong Bộ môn Hệ thống điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Các thầy các cô Khoa Điện- Trường Đại học Công Ngiệp Thái Nguyên và gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Vì thời gian nghiên cứu có hạn, lĩnh vực nghiên cứu mới mẻ nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót, nên rất mong các Thầy, Cô và các bạn góp ý để nội dung của đề tài được hoàn thiện hơn. Thái Nguyên, ngày 01 tháng 05 năm 2008 Tác giả Hà Trung Hƣng S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 6 - Chƣơng I TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ LƢỚI ĐIỆN CÓ LÕ HỒ QUANG ĐIỆN HOẠT ĐỘNG I.1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG. Mấy thập niên trở lại đây, thuật ngữ “chất lượng điện năng” luôn được các nhà hoạch định chính sách năng lượng, các công ty điện lực và cả các khách hàng sử dụng điện quan tâm hàng đầu khi đặt vấn đề liên quan đến sản xuất, truyền tải, phân phối điện và sử dụng điện. Thuật ngữ “Chất lượng điện năng” đã được nhắc đến bởi nghiên cứu của U.S Navy xuất bản năm 1968. Cuốn sách này đưa ra cái nhìn tổng quan về chất lượng điện năng, cách sử dụng các thiết bị giám sát và các hiện tượng trong sản xuất và truyền tải điện. Sau đó một vài nhà xuất bản khác xuất hiện tiếp tục sử dụng các định nghĩa về chất lượng điện năng trong mối tương quan giữa hiện tượng với truyền tải hệ thống điện. C ác định nghĩa về chất lượng điện năng được giải thích theo nhiều cách và khó có thể cho rằng định nghĩa nào là đầu định nghĩa đầu tiên. C ác nguyên nhân chính cho ngày càng sử dụng các định nghĩa về chất lượng điện năng rộng rãi với những lý do chính sau: 1. Nhu cầu sử dụng liên tục tăng cao, quan hệ cung cầu ngày càng trở nên gay gắt hơn đồng thời khách hàng sử dụng điện đòi hỏi ngày càng cao số lượng cũng như về chất lượng điện. 2. Sự phát triển các thiết bị mới kèm theo công nghệ tiên tiến hơn được đưa vào sử dụng như bù cos cho các động cơ, các hệ thống biến đổi điện từ một chiều thành xoay chiều và ngược lại, các hệ thống sử dụng công nghệ biến tần để nâng hiệu suất của thiết bị sử dụng điện đã phát sinh các nguyên nhân ảnh hưởng đến chất lượng điện. Công n ghệ bán dẫn phát triển mạnh đã làm thay đổi tính chất các phụ tải truyền thống. Các thiết bị điện và điện tử bị ảnh hưởng bởi mất cân bằng điện áp nhiều hơn so với trước đây. 3. Quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối điện kết hợp với nhiều nguồn phát điện đóng đồng bộ vào lưới do đó đòi hỏi các công ty điện lực phải nâng cao chất lượng điện năng có thể đồng bộ giữa các nguông có cùng một tiêu chuẩn chất lượng điện và tiết kiệm chi phí vận hành, giảm sự cố để cấp điện liên tục và thiết kế các hệ S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 7 - thống với độ tin cậy cung cấp điện với giá thành tới hạn là nhiệm vụ kỹ thuật yêu cầu trong ngành công nghiệp hiện nay. 4. Chất lượng điện năng có khả năng đo lường được. Nhờ vào sự phát triển của thiết bị đo lường số thì các thiết bị có thể đo các tham số về chất lượn g điện năng cũng như thể hiện các dạng sóng đã làm tăng sự quan tâm đến chất lượng điện năng. Với các nước có nền công nghiệp năng lượng phát triển trên thế giới (Mỹ , Nhật, Anh, khối Liên xô cũ ..) thì các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng đã được ban h ành rất sớm. Đối với nước ta chất lượng điện điện năng bắt đầu được chú trọng vì yêu cầu về nguồn với hệ thống cung cấp điện ngày càng tăng cũng như những yêu cầu vận hành của thiết bị điện nhập khẩu vào nước ta phải tuân thủ theo các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng đang lưu hành trên thế giới như các bộ tiêu chuẩn IEE519 -1992 quy định về các sóng hài. Số lượng tạp chí sử dụng Hình 1.1: Thống kê tần suất sử dụng định nghĩa chất lượng điện năng từ cơ sở dữ liệu INSPEC từ năm 1968 đến 2004 . I.2 C ÁC TH ÔNG SỐ VỀ C H ẤT LƢỢNG Đ IỆ N N ĂNG I.2.1 Chất lƣợng điện năng - C hất lƣợng điện áp. Chất lượng điện năng trong hầu hết các trường hợp là chất lượng điện áp vì về mặt kỹ thuật, công suất là định mức của năng lượng cung cấp và là tích số của dòng điện và điện áp. Thông thường, hệ thống cung cấp công suất chỉ có thể điều chỉnh chất lượng điện áp cung cấp cho tải chính vì vậy các tiêu chuẩn nâng cao chất lượng điện năng chủ yếu giành cho điều chỉnh điện áp trong các giới hạn cho phép. Hệ thống điện S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 8 - xoay chiều khi thiết kế cho điện áp hình sin có tần số cơ bản là 50Hz hoặc 60Hz. Do vậy, bất kỳ độ lệch về biên độ, dạng sóng hay tần số của điện áp đều ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Khi tính toán thiết kế hệ thống điện, người ta thường tính toán máy phát điện làm việc ở chế độ xác lập hình sin nhưng dòng điện qua các tải với nhiều thành phần như tải điện trở, tải điện kháng, các tải phi tuyến và nhiều nguyên nhân khác đã làm thay đổi dạng sóng dòng điện. Một nguyên nhân khác như quá trình đóng cắt tải, tụ bù, sóng sét cũng làm biến dạng sóng sin của dòng điện. Với các lý do trên đồng thời với sự hỗ trợ của các thiết bị ngày càng chính xác để đo các thông số về chất lượng điện năng, người ta đưa ra các khái niêm, thuật ngữ để để đánh giá c hất lượng đ iện năng như sau: I.2.2 Quá độ (Tr ansient). Quá độ là thuật ngữ thường xuyên sử dụng trong các bài toán phân tích hệ thống điện. Đó là sự chuyển tiếp từ trạng thái ổn định điện này sang trạng thái ổn định khác. Trong vấn đề chất lượng điện năng thì định nghĩa trên dùng miêu tả các trạng t hái bất bình thường xảy ra đối với hệ thống điện đó là quá độ xung và qua độ dao động. Quá độ xung ( Impulsive Transient) Quá độ xung thường chỉ sự thay đổi đột ngột về tần số của điện áp áp hay dòng điện hoặc theo cả hai hướng của cực(hoặc cực âm hoặc cự c dương). Hình 1.2: Quá độ xung do sét . Đặc trưng của quá độ xung là độ dốc của xung và và thời gian tắt, ví dụ điện áp của hệ thống điện đột ngột tăng cao từ vài chục vôn đến hàng nghìn vôn trong thời gian một vài mili giây sau đó giảm dần biên độ và t ắt. S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 9 - Nguyên nhân thường do sét trực tiếp tác động và hệ thống điện và giảm biên độ dọc theo đường dây. Quá độ xung thường kích thích các tần số cơ bản của hệ thống điện gây ra quá độ dao động. Quá độ dao động (Oscillatory Transient) Quá độ dao động thường xảy ra thay đổi đột ngột tần số điện áp, tần số dòng điện hoặc cả hai theo hai cực dương và âm của nguồn điện. Khi quá độ dao động xảy ra, điên áp và dòng điện có giá trị tức thời theo cực xảy ra rất nhanh. Hình 1.3: Xung dòng quá độ dao động bởi đóng cắt giàn tụ. - Quá độ tần số cao: Quá độ mà các dao động có thành phần chính cao hơn 500kHz được coi là quá độ tần số cao. Các quá độ này thường là kết quả của đáp ứng hệ thống cục bộ với xung quá độ. - Quá độ tần trung bình: Quá độ mà thành phần tần số c hính giữa 5kHz và 500kHz được định nghĩa là quá độ tần số trung bình. Các quá độ này thường là kết quả của đáp ứng hệ thống với xung quá độ. - Quá độ tần thấp: Quá độ mà thành phần tần số chính nhỏ hơn 5kHz đến 500kHz thường gặp trong truyền tải và phân phối gây bởi nhiều nguyên nhân. - Ngoài ra còn các quá độ dao động nhỏ hơn tần số 300kHz do hiện tượng cộng hưởng sắt từ, do các dàn tụ mắc nối tiếp ..vv. sinh ra. I.2.3 Độ lệch điện áp thời gian dài (Long -duration Vontage Varitions) Độ lệch điện áp thời gian dài có thể và thấp điện áp hoặc quá điện áp. Các hiện tượng trên thường do nhiều nguyên nhân gây ra như sự cố lưới điện hoặc do sự tăng giảm tải của hệ thống, đôi khi người ta còn thấy cả ở khi phục hồi sự cố hệ thống điện. Độ lệch điện áp thời gian dài t hường được chia ra dưới các dạngsau: S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 10 - Hình 1.4:Độ lệch điện áp thời gian dài . Quá điện áp (Over Voltage) Điện áp tại điểm khảo sát đột ngột tăng quá 110% điên áp định mức trong thời gian lớn hơn 1 phút. Q uá điện áp thường do đóng một bộ tụ lớn vào hệ t hống hay sa thải phụ tải lớn ra khỏi hệ thống làm cho điện áp của hệ thống dâng lên trên điện áp định mức. - Thấp điện áp (Under Voltage) Điện áp tại điểm khảo sát đột ngột giảm nhỏ hơn 90% điên áp định mức tại tần số công nghiệp trong thời gian lớn hơn 1 phút. Các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này là do ngược với các nguyên nhân gây nên quá điện áp trên. Gián đoạn duy trì (Sustained Interruptions) Điện áp giảm về giá trị không trong thời gian lớn hơn 1 phút. Nguyên nhân thường do sự cố hệ thống lưới đ iện và theờng được con ngươi phục hồi lại tình trạng lưới điện. I.2.4 Độ lệch điện áp thời gian ngắn ( Sort – d uration Voltage Variations) Độ lệch điện áp thời gian ngắn là do tình trạng khởi động các phụ tải lớn, yêu cầu cung cấp ngay một dòng điện lớn từ hệ thống hay đôi khi chỉ là các tình trạng hệ thống bị sự cố ví dụ: ngắn mạch thoáng qua. Đặc trưng của độ lệch điện áp dưới các dạng sau: Mất điện áp (Interruptions) Hiện tượng được coi là mất điện áp khi dòng tải hoặc nguồn cung cấp giảm thấp hơn 10% giá trị định mức trong thời gian không quá 1 phút. S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 11 - Sụt giảm điện áp ( Sag) Sụt giảm điện áp là sự giảm điện áp trong khoảng từ 10% đến 90% giá trị điện áp hoặc dòng điện tại tần số công nghiệp trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ đến 1 phút. Hình 1.4: Sự sụt giảm điện áp . Tăng cao điện áp ( Swell) Là sự tăng điện áp từ 110% đến 180% giá trị điện áp hiệu dụng hay dòng điện tại tần số công nghiệp tại tần số công nghiệp trong kho khoảng thời gian từ nửa chu kỳ đên 1 phút. C ũng tương tự như s ụt giảm điện áp, t ăng cao đ iện áp chủ yế u có nguyê n nhân do sự biến đổi hệ thống. I.2.5 M ất cân bằng đi ện áp ( Votage U nblance) Là độ biến đổi lớn nhất khỏi giá trị trung bình của điện áp hay dòng điện 3 pha cả về giá trị và góc pha. Một hệ thống điện 3 pha thường được biểu thị dưới dạng : u a (t ) U a sin( t ) P ha A : (1.1) a 1200 ub (t ) U b sin( t ) P ha B : (1.2) b 1200 uc (t ) U c sin( t ) (1.3) P ha C : c Trong đó : c là các góc lệ ch pha tương ứng. a, b, Một hệ thống như trên ta gọi là hệ thống điện áp đối xứng, Hệ thống không đối xứng ta có thể chia là điện áp thứ tự thuận, điện áp thứ tự nghịch, và điện áp thứ tự không. Ua a2 U1 1 a 1 0 Ub 1 a2 e j120 ) (1.4) U2 a (a 3 Uc U0 1 1 1 S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 12 - Hệ số không cân bằng Un tính toán và xác định bởi công thức : U2 Un 100% (1.5) U1 Ngoài ra cũng có thể x ác định hệ số mất cân bằng Un qua các giá trị của điện áp dây bằng công thức : 1 3 6 Un 100% (1.6) 1 3 6 Hệ số ỏ khi đó được xác định theo công thức : 4 4 4 U ab U bc U ca (1.7) 2 4 4 4 U ab U cb U ca Tỷ lệ giữa thành phần thứ tự nghịch hoặc thứ tự không với thành phần thứ tự thuận có thể sử dụng để xác định phần trăn mất cân bằng điện áp. Phương pháp thứ tự nghịch gần đây hay được sử dụng để xác định theo các tiêu chuẩn về chất lượng điệ n năng mấy năm gần đây. Hình 1.5: Mất cân bằng điện áp . I.2.6 Độ méo dạng sóng(Warreform Distotion) Là sự biến đổi trạng thái từ một dạng sóng sin lý tưởng của tần số cơ bản. Độ méo sóng được thể hiện bởi thành phần phổ của biến đổi đó. được thể hiện dư ới các dạng - Một chiều (DC Offset). Là sự có mặt của thành phần một chiều trong hệ thống điện xoay chiều. Dòng điện một chiều trong hệ thống điện xoay chiều làm bão hoà lõi thép máy biến áp gây phát S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 13 - nóng máy biến áp và công suất mang tải của máy biến áp kh ông đạt công suất theo thiết kế. Sóng hài (Harmonic) Là các điện áp hay dòng điện hình sin có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản. Nguyên nhân gây ra các thành phần sóng hài trong dòng điện là bởi các tải phi tuyến đấu nối vào hệ thống. Một phụ tải phi tuyến có thành phần sóng dòng điện khác với sóng điện áp. Khi đó, sự biến đổi không sin của điện áp kéo theo sự biến đổi không sin của dòng điện trong điện kháng tải. Các dạng sóng điện đều có thể phân tích thành tổng của tần số cơ bản và sóng hài. Đa h ài (Inter Harmonic) Điện áp và dòng điện có thành phần tần số không phải của bội số nguyên của tần số cơ bản gọi là đa hài. Người ta phát hiện đa hài xuất hiện hầu hết ở các dạng điện áp của hệ thống điện truyền tải, đa hài gây nên bởi các biến đổi tần số như các thiết bị biến tần, các bộ chuyển đổi, các thiết bị phát hồ quang. Notching. L à sự nhiễu loạn điện áp theo chu kỳ gây ra bởi hoạt động bình thường của các thiết bị điện tử khi dòng điện các pha giao hoán lẫn nhau gây nên. Sự nhiễu loạn liên tiếp đôi khi cũng được thể hiện qua hình ảnh của sóng hài điện áp tuy nhiên nó không thể mô tả và đo lường được bằng các thiết bị sử dụng cho sóng hài. Hình 1.6: Sự nhiễu loạn điện áp gây ra bởi chỉnh lưu - Tạp âm (Noise) Tín hiệu điện không mong muốn tì m thấy ở dây pha hay dây trung tính với thành phần dải tần số thấp hơn 200kHz trên cùng điện áp hoặc dòng điện trên các pha, hoặc có thể tìm thấy ở dây trung tính. S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 14 - Tạp âm trong hệ thống điện được phát sinh bởi các thiết bị điện, điện tử sử dụng công nghệ điện tử công suất gây ra. Các thiết bị sử dụng cong nghệ chỉnh lưu một chiều, các lò hồ quang điện cũng chính là các thiết bị gây nhiễu điện áp trong hệ thống điện. I.2.7 Dao động điện áp (Voltage Fluctuation) Dao động điện áp hoặc dòng điện biến đổi nha nh liên tục trong các dòng tải một cách liên tục trong khoảng 90% đến 110% điện áp định mức. Một dạng của dao động điện áp là điên áp nhấp nháy (flicker). Điện áp nhấp nháy tác động lên bóng đèn sợi đốt mà mắt người có thể quan sát được. I.2.8 Độ lệch tần số (Power Frequency Variation) Độ lệch tần số được định nghĩa như sự biến đổi của tần số cơ bản có giá trị thông thường (50Hz hoặc 60Hz). Tần số của hệ thống điện liên quan trực tiếp điến tốc độ quay của máy phát điện. Khi độ lệch tần số quá các giới hạn tiêu chuẩn cho phép có thể gây sụp đổ hệ thống điện ( rã lưới). I.3 LƢỚI ĐIỆN CÓ LÕ HỒ QUANG ĐIỆN HOẠT ĐỘNG. I.3.1 Lò hồ quang: Lò hồ quang điện sử dụng nhiệt lượng để nung chảy kim loại được tạo ra do sự phóng điện giữa các điện cực hoặc giữa một điện cực và vật liệu kim loại để nóng chảy. Các lò thuộc loại này được sử dụng chính cho cho công nghệp sản xuất gang, thép. Lịch sử lò hồ quang điện: Lò hồ quang được nghiên cứu và chế tạo kể từ sau khi Humphrey Davy khoảng năm 1800 khám phá ra nhiệt lượng của dòng hồ quang điện có thể nung chảy thép và các một số kim loại. Sau đó các lò hồ quang được xây dựng theo qui mô công nghiệp hàng loạt ở Mỹ vào năm 1907. Vào những năm cuối của thế kỷ 20, số lượng các lò hồ quang tăng đáng kể trong các quốc gia có nề n công nghiệp sản xuất thép như P háp, Mỹ, Nhật. Do có tính chất nhiệt lượng và dễ điều chỉnh nhiệt lượng để có thể luyện được các sản phẩm thép có chất lượng cao theo yêu cầu, vận hành tương đối đơn giản đồng thời một nguyên nhân nữa lò hồ quang chiếm ưu thế ở trong vấn đề tái chế kim loại, cải tạo môi trường nên ngày càng chế tạo lò có công suất lớn đến vài trăm S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 15 - M VA. Lò hồ quang thường lắp đặt ở những nơi có nguồn điện dồi dào, công suất nguồn cung cấp điện ít hạn chế. Các lò hồ quang điện thường dùng trự c tiếp lưới điện trung thế có cấp điện áp từ 6 kV dến 35 kv hạ xuống điện áp của lò dưới 1kV tuỳ theo từng công nghệ lò. Các bộ điều chỉnh dòng điện thường có kết cấu của bộ điều áp dưới tải. Các bộ điều khiển này sẽ bao gồm bộ điều khiển tỷ số biến áp, và bộ đổi nấc cuộn cảm cao áp nối tiếp với điện cực. P hân loại: Theo dòng điện sử dụng ta chia làm 2 loại: Lò hồ quang điện sử dụng một chiều. Lò hồ quang điện sử dụng nguồn 3 pha xoay chiều. Theo cách cháy của ngọn lửa dòng hồ quang chia làm 2 loại: Lò nun g nóng gián tiếp: Nhiệt của ngọn lửa hồ quang xảy ra giữa các điện cực trong lò hồ quang. Lò nung nóng trực tiếp: Nhiệt của ngọn lửa hồ quang xảy ra giữa các điện cực và các kim loại dùng để nấu chảy. Theo đặc điểm chất liệu vào lò: Lò chất liệu từ đỉnh xuống nhờ gầu chất liệu. Lò chất liệu vào bên sườn lò, có thể bằng thủ công, bằng máng hay bán tự động. I.3.2 Ảnh hƣởng của lò hồ quang điện đến lƣới điện. P hần lớn lò hồ quang điện có công suất lớn từ vài chục MVA đến hàng trăm M VA (trừ các lò nhỏ trong phòng thí nghiệm) do đó, hầu hết các lò hồ quang điện đều là phụ tải lớn và có tính chất điển hình tải phi tuyến trên hệ thống điện. Lò hồ quang điện xoay chiều là phụ tải xung kích với tính chất phụ tải phi tuyến đặc biệt. Khi lò hồ quang điện vận hành, dòng điện gây ra dòng hồ quang liên tục thay đổi theo kim loại nóng chảy, đồng thời do quá trình vận hành bị sập liệu, khi điều chỉnh các điện cực, khi thổi ôxy vao lò cũng luôn làm cho dòng hồ quang biến đổi nhanh trong phạm vi rộng và không ổn định. Qua phân tích thực tế cho thấy dòng điện của lò hồ quang điện chứa nhiều sóng hài và còn có dòng điện tần số thấp. Chính dòng điện tần số thấp này sẽ tác động tới dao động điện áp ở hệ thống điện cung cấp làm cho điện áp lưới điện liên tục dao động. S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 16 - Lò hồ quang điện cũng tiêu thụ điện năng tác dụng và điện năng phản kháng của luới điện. Đặc trưng chính của lò hồ quang đôi với hệ thống điện là Qxung kích. Các yếu tố này kết hợp với nhau gây ảnh hưởng xấu đến điện áp nói riêng và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của hệ thống điện nói chung. Máy biến áp phục vụ lò thường xuyên làm việc ở chế độ thay đổi liên tục từ hở mạch đến ngắn mạch, nhất là giai đoạn khởi động lò nên ảnh hưởng rất nhiều đến điện áp của luới cung cấp. Sự biến thiên rất nhanh của dò ng điện và công suất phản kháng là nguyên nhâ n cơ bản phát sinh sóng hài. C ác gi ải pháp hạn chế tác dụng của lò hồ quang g ây ra thường là đắt. Chu trình làm việc của lò hồ quang điện gồm 3 giai đoạn chính: Giai đoạn 1 (G iai đoạn nung nóng liệu và nấu chả y kim loại). Trong giai đoạn này lò cần công suất nhiệt lớn nhất, điện năng tiêu thụ chiếm khoảng 60 – 80% năng lượng toàn mẻ nấu và thời gian của nó chiếm 50 60% toàn bộ thời gian một chu trình . Để đảm bảo công suất nấu chảy, ngọn lửa hồ quang cần phải cháy ổn định. Khi cháy điện cực bị ăn mòn dần, khoảng cách giữa điện cực và kim loại tăng lên. Để duy trì hồ quang điện cực cần phải được điều chỉnh vào gần kim loại. Lúc đó dễ xảy ra hiện tượng điện cực chạm vào kim loại gọi là quá trình điều chỉnh v à gây ra ngắn mạch làm việc. Ngắn mạch làm việc tuy xảy ra trong thời gian ngắn nhưng lại hay xảy ra nên các thiết bị điện trong mạch độg lực thường phải làm việc ở điều kiện nặng nề. Đây là đặc điểm cần lưu ý khi tính toán và chọn thiết bị cho lò hồ quang . Ngắn mạch làm việc cũng có thể gây ra do sụt lở các thành phần của hố vật liệu bao quang đầu điện cực tạo ra trong liệu hoặc sự nóng chảy của các mẩu liệu cũng có thể phá huỷ ngọn lửa hồ quang do tăng chiều dài ngọn lửa. Lúc đó phải tiến hành mồi lại b ằng cách hạ điện xuống cho chạm vào kim loại rồi nâng lên tạo hồ quang . Trong giai đoạn này số lần ngắn mạch làm việc có thể tới 100 lần hoặc hơn. Mỗi lần xảy ra ngắn mạch làm việc công suất hữu ích giảm mạnh và có khi tới bằng không với tổn hao cực đại, thời gian cho phép của một lần ngắn mạch làm việc là 2 3s. Tóm lại: Giai đoạn nấu chảy là giai đoạn hồ quang cháy kém ổn định nhất, công suất nhiệt của hồ quang dao động mạnh và ngọn lửa hồ quang rất ngắn thường từ vài mm đến 10 15mm. Do vậy tron g giai đoạn này công suất ra của biến áp lò lớn nhất . S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 17 - Giai đoạn đoạn 2 (Giai đoạn Oy hoá) Trong giai đoạn này người ta giữ dòng điện ổn định, nhưng điện áp khá cao, để có thể tạo năng lượng lớn nhất. Khe hở hồ quang thường khá lớn. Giai đoạn này dòng điệ n và điện áp tương đối ổn định. Quá trình này là để tinh luyện chất lượng thép theo yêu cầu, là gia đoạn khử C, sự cháy hoàn toàn các bon gây nóng chảy kim loại, phần lớn nhiệt lượng dùng để bù tổn hao nhiệt. Năng lượng giai đoạn này chiếm khoảng 60% năng lượng tiêu thụ của giai đoạn đầu tiên. Giai đoạn 3 (Giai đoạn hoàn nguyên) Ở giai đoạn này dòng điện được duy trì không đổi, điện áp trên các điện cực khá thấp, vì trong quá trình điều khiển có thể đưa điện cực nhúng sâu hơn vào kim loại lỏng do vậy trở k háng nhỏ hơn. Tuy nhiên, công suất vẫn thay đổi khá nhiều. Năng lượng chiếm 30% năng lượng so với giai đoạn 1, là giai đoạn để khử oxy, khử khí sunfua và hợp kim hoá kim loại. Giai đoạn 4 (Giai đoạn lấy sản phẩm thành phẩm, vệ sinh lò). Giai đoạn này công suất tiêu thụ vô cùng nhỏ và có thể bỏ qua. Thành phần phụ tải ở giai đoạn này có thể coi như phụ tải công nghiệp bình thường khác. Quá trình luyên thép lại từ đầu. Mạch điện chính CL 1mc v A A w TI1 A 2mc KWh CK 3mc khèi hiÓn thÞ ®o l-êng §KBV 4mc BAL A v v Hình 1.7 : Sơ đ ồ mạch điện chính của l ò hồ quang . S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 18 - 1. Giới thiệu chung : - Điện cấp cho lò hồ quang lấy từ trạm biến áp lò . - Cầu dao cách ly CL dùng để phân cách mạch động lực của lò với lưới khi cần thiết. - Máy cắt 1MC dùng để bảo vệ lò hồ quang khỏi ngắn mạch sự cố . Nó được chỉnh định để không tác động khi ngắn mạch làm việc , đồng thời nó cũng dùng để đóng cắt mạch lực dưới tải . - Cuộn kháng CK dùng để hạn chế dòng điện khi xảy ra ngắn mạch làm việc và ổn định sự cháy của hồ quang. Khi bắt đầu nấu luyệ n hay xảy ra ngắn mạch làm việc , lúc ngắn mạch làm việc máy cắt 2MC mở ra để cuộn kháng CK tham gia vào mạch hạn chế dòng ngắn mạch . Khi liệu chảy hết, lò cần công suất nhiệt lớn để nấu luyện, 2MC đóng lại để ngắn mạch cuộn kháng CK. ở giai đoạn hoàn nguyên công suất lò yêu cầu ít hơn thì 2MC lại mở ra để đưa CK vào mạch là m giảm công suất cấp cho lò . Với những lò có công suất lớn hơn nhiều thì không có cuộn kháng CK, việc ổn định hồ quang và hạn chế dòng ngắn mạch làm việc do các phần tử c ảm kháng của sơ đồ lò đảm nhiệm. - Biến áp lò BAL dùng để hạ áp và điều chỉnh điện áp, việc đổi nối cuộn sơ cấp thành hình tam giác hay hình sao thực hiện nhờ các máy cắt 3MC, 4MC. Cuộn thứ cấp của biến áp lò nối với các điện cực của lò qua một mạch ngắn MN không phân nhánh. P hía sơ cấp biến áp lò có đặt rơ le dòng cực đại để tác động lên c uộn ngắt máy cắt 1MC. Rơ le này có duy trì thời gian , thời gian duy trì này giảm khi bội số quá tải dòng tăng , nhờ vậy 1MC ngắt mạch lực của lò hồ quang khi chỉ có ngắn mạch sự cố và khi ngắn mạch làm việc keó dài mà không xử lý được. Với ngắn mạch làm v iệc trong một thời gian tương đối ngắn 1MC không cắt mạch mà chỉ có tín hiệu đèn báo và chuông. P hía sơ cấp biến áp lò còn có các dụng cụ đo lường kiểm tra như: Vôn kế, Ampe kế, điện kế … - P hía thứ cấp cũng có các máy biến dòng 2Ti nối với các ampe kế đo dòng hồ quang. S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
- Trang: 19 - 2. Một số thiết bị chính a. Máy biến áp lò : Máy biến áp lò dùng cho lò hồ quang phải làm việc trong những điều kiện đặc biệt nặng nề nên có các đặc điểm sau : - Công suất thường rất lớn (có thể tới hàng chục MW) và dòng điện thứ cấp r ất lớn (có khi tới hàng trăm kA) - Điện áp ngắn mạch lớn để hạn chế dòng ngắn mạch dưới 2,54 lần dòng điện định mức (Iđm). - Có độ bền cơ học cao để chịu được các lực điện từ phát sinh trong các cuộn dây, thanh dẫn khi có ngắn mạch . - Có khả năng điều chỉnh điện áp sơ cấp dưới tải trong một giới hạn rộng. - P hải làm mát tốt vì dòng lớn, hay có ngắn mạch và vì BA đặt ở nơi kín lại gần lò. - Cuộn thứ cấp biến áp lò thường đấu tam giác vì dòng ngắn mạch được phân ra hai pha và như vậy điều kiện làm việc của các cuộn dây sẽ nhẹ hơn. Máy biến áp lò thường phải làm việc trong tình trạng ngắn mạch và phải có khả năng quá tải nên thường chế tạo to, nặng hơn các MBA động lực cùng công suất . b. Mạch ngắn Mạch ngắn hay dây dẫn dòng thứ cấp có dòng điện làm việc rất lớn tới hàng chục, đôi khi tới hàng trăm nghìn ampe. Tổn hao công suất ở mạch ngắn chiếm tới 70% tổn hao trong toàn bộ thiết bị lò hồ quang. Do vậy yêu cầu cơ bản của mạch ngắn là phải ngắn nhất trong điều kiện có thể (biến áp lò phải đạt rất gần lò) để giảm bớt tổn hao, đồng thời được ghép từ các tấm đồng lá thành các thanh mềm để có thể uốn dẻo lên xuống theo các điện cực . Ngoài ra đối với lò hồ quang ba pha, mạch ngắn còn phải bảo đảm sự cân bằng điện trở, điện kháng (Rmn, Xnm) giữa các pha để có c ác thông số điện (công suất, điện áp và dòng điện) tương đương nhau. Khi 3 pha mạch ngắn phân bố đối xứng thì hỗ cảm giữa hai pha bất kỳ sẽ bằng nhau và sức điện động hỗ cảm bằng không. S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn