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
π
ϕψω
u
ttu 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 U
c =
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: kVUdm 115
=
.
+ Biên độ dòng điện xác lập qua tụ C2:
2
2
C
m
xlC X
U
I=