Điện điện tử - Chương 2: Quá độ điện áp trong HTĐ

Quá độ điện áp trong HTĐ Chương hai  Hiện tượng  Nguyên nhân  Các giải pháp 1 Transient Overvoltages Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Quá độ điện áp : Hiện tượng quá độ điện áp:  Quá độ trong khoảng thời gian ngắn hơn vài mili giây  Có chu kz hoặc không chu ky & tắt nhanh  là khi điện áp dây vượt quá ngưỡng cho phép của thiết bị Phân loại quá độ điện áp theo IEC 60071-1 2 Hiện tượng Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Nguyên nhân: Đóng/cắt các bộ tụ  Quá độ với tần số trung bình hoặc thấp Sét đánh  Quá độ tần số cao Đóng/cắt một số thiết bị điện tử công suất 3 Nguyên nhân – Quá độ điện áp Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Đóng/cắt các bộ tụ  Là thao tác thường gặp trong HTĐ Quá độ điện áp thường diễn ra tại thời gian điểm giống nhau hàng ngày (đóng/cắt bằng các đồng hồ hẹn giờ) Quá độ điện áp: 12 *pu+ (phổ biến 1.3-1.4pu) Quá áp 2pu: có thể chưa nguy hiểm cho cách điện, nhưng ảnh hưởng đến các bộ biến tần Dao động quá độ có thể ảnh hưởng đến thời điểm đóng/mở van thyristor 4 Nguyên nhân – Quá độ điện áp 134% Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Đóng/cắt các bộ tụ Hiện tượng khuyến đại dao động  Mặt tiêu cực của việc bù cos phi tại phụ tải: tăng ảnh hưởng của quá độ điện áp tới phụ tải do hiện tượng cộng hưởng  Gây quá áp tại phụ tải: có thể giới hạn bằng các van chống quá áp 5 Nguyên nhân – Quá độ điện áp Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Đóng/cắt các bộ tụ Hiện tượng khuyến đại dao động  Giới hạn quá áp bằng các chống sét van phù hợp  Sử dụng bộ tụ như các bộ lọc sóng hài: lắp đặt thêm kháng nối tiếp  Bù cos phi  Lọc sóng hài  Hạn chế quá áp  Mắc nối tiếp kháng với các phụ tải quạn trọng (biến tần): hạn chế quá áp tần số cao 6 Nguyên nhân – Quá độ điện áp Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Sét đánh Sét đánh vào đường dây có thể gây phóng điện  Quá độ điện áp lan truyền  Sự cố  sụt áp, mất điện  Quá độ điện áp có thể lan truyền qua máy biến áp thông qua điện dung giữa các cuộn dây 7 Nguyên nhân – Quá độ điện áp Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Đóng điện đường dây Có thể xảy ra quá độ điện áp với tần số có thể cao hơn khi đóng bộ tụ Quá điện áp là tổ hợp của hiện tượng sóng lan truyền, tương tác giữa điện dung đường dây và trở kháng hệ thống Các quá độ này thường suy giảm trong 0.5 chu kz 8 Nguyên nhân – Quá độ điện áp Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Chống sét van và thiết bị chống quá độ điện áp Bảo vệ các thiết bị bằng cách giới hạn điện áp dư lớn nhất Thiết bị chống quá độ điện áp: sử dụng tại phụ tải Chống sét van có khả năng tản dòng lớn hơn 9 Thiết bị bảo vệ chống quá độ điện áp Thiết bị chống quá độ điện áp Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Chống sét van 10 Thiết bị bảo vệ chống quá độ điện áp Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Sử dụng các biến áp cách ly Gồm 02 cuộn dây riêng biêt Thường có màn chắn từ giữa hai cuộn dây.  Sử dụng bộc lọc thông tần thấp Có tác dụng với quá độ điện áp (quá độ tần số cao) 11 Thiết bị bảo vệ chống quá độ điện áp Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Đóng/cắt bộ tụ: quá độ điện áp Sử dụng máy cắt có điện trở (100-400Ω) dập dao động Dùng máy cắt đóng/cắt có điều khiển đồng bộ: chọn thời điểm đóng để không gây đột biến điện áp. 12 Thiết bị bảo vệ - Đóng cắt bộ tụ Sóng hài trong hệ thống điện Chương ba  Hiện tượng  Nguyên nhân  Các giải pháp 13 Harmonics in Power System Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Sóng hài: Sóng hài là các dòng điện hoặc điện áp có tần số là bội số nguyên tần số cơ bản (50Hz) Số bậc sóng hài thể hiện tần số: bậc 1: 50Hz; bậc 3: 150Hz... Sinh ra do các phụ tải phi tuyến trong HTĐ Do thiết bị điện tử công suất sử dụng nhiều  làm tăng mức độ méo sóng 14 Miêu tả hiện tượng Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Phân tách sóng hài: Tất cả các sóng chu ky với hình dáng bất kz: có thể phân tách thành các thành phần cơ bản và hài Sử dụng phân tích chuỗi Fourier 15 Miêu tả hiện tượng Phổ tần Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Sóng hài và các thành phần đối xứng: Khái niệm thành phần đối xứng có thể áp dụng với các sóng hài Quan hệ giữa bậc sóng hài và các thành phần đối xứng tương ứng 16 Miêu tả hiện tượng Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Sóng hài và các thành phần đối xứng: Sóng hài bậc 3 có tính chất tương tự dòng điện thứ tự không Tương tự: bậc 5 có thứ tự pha A-C-B  thứ tự nghịch 17 Miêu tả hiện tượng Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Tiêu chuẩn cơ bản đánh giá hiện tượng méo sóng 18 Chỉ số đánh giá mức độ méo sóng Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Tiêu chuẩn cơ bản đánh giá hiện tượng méo sóng (tiếp) 19 Chỉ số đánh giá mức độ méo sóng Tổng lượng méo sóng Hệ số méo sóng tổng Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Các nhóm thiết bị có thể phát sinh sóng hài được chia thánh 3 nhóm: Các thiết bị có lõi từ: MBA, động cơ, máy phát  Lò hồ quang và hàn hồ quang Các thiết bị điện tử và điện tử công suất 20 Các nguyên nhân gây sóng hài Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Máy biến áp Đặc tính từ hóa của lõi thép MBA: phi tuyến Khi làm việc ở vùng bão hòa: dòng từ hóa bị méo dạng sóng MBA được thiết kế hoạt động tại vùng tuyến tính của đường cong từ hóa  dòng từ hóa 1-2% Idanh định Tuy nhiên khi điện áp tăng  điểm làm việc rơi vào vùng phi tuyến  dòng từ hóa tăng mạnh & bị méo dạng sóng  nguồn phát sóng hài Điện áp tăng có thể do:  Non tải – với mạng cáp  Đóng cắt các nguồn CSPK lớn: tụ, kháng 21 Các nguyên nhân gây sóng hài Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Máy biến áp Thành phần hài bậc 3 tăng tới 50% Ảnh hưởng của tổ đấu dây MBA  Lưới truyền tải Y0/Y0: sóng hài của dòng từ hóa gây ảnh hưởng mạnh (méo sóng) đến phía thứ cấp (thành phần bậc 3 lan truyền qua cuộn Y0)  Lưới phân phối Y/Δ: cuộn tam giác ngăn cản thành phần bậc 3 phân tán sang phía thứ cấp  loại trừ ảnh hưởng của thành phần sóng hài phổ biến nhất 22 Các nguyên nhân gây sóng hài Dòng từ hóa Phổ tần Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Động cơ & Máy phát Tương tự MBA: các động cơ có thể trở thành nguồn phát sóng hài Biên độ sóng hài: nhỏ hơn do MAB sinh ra Đặc tính lõi từ: tuyến tính hơn so với Mba do có khe hở không khí  Máy phát Có thể vẫn gây ra một mức độ sóng hài nhất định Do các cuộn dây stato không thể phân bố tuyệt đối đều về mặt không gian Sóng hài phổ biến là bậc 3 23 Các nguyên nhân gây sóng hài Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Lò hồ quang  Có hệ số cos phi thấp  Yêu cầu công suất tụ bù lớn  Dễ gây hiện tượng cộng hưởng  Dạng sóng sinh ra thay đổi tùy thuộc nhiều yếu tố 24 Các nguyên nhân gây sóng hài Dòng điện khi bắt đầu nấu chảy thép Phổ tần: a. Khi bắt đầu nấu chảy thép b. Trong giai đoạn tinh luyện Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Đèn huznh quang Chấn lưu điện tử được sử dụng phổ biến thay thế loại chấn lưu sắt từ Phát sinh sóng hài  đưa vào nguồn cấp 25 Các nguyên nhân gây sóng hài Dạng dòng điện của đèn compact và phổ tần Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Thiết bị điện tử & điện tử công suất Các bộ nguồn xung:  Sử dụng phổ biến trong hầu hết các thiết bị  Giảm kích thước, trọng lượng  Tuy nhiên dòng điện lấy từ nguồn bị méo dạng xung  thành nguồn phát sóng hài (chủ yếu bậc 3) 26 Các nguyên nhân gây sóng hài Nguyên l{ bộ nguồn xung Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Thiết bị điện tử & điện tử công suất Các bộ nguồn xung: Chỉnh lưu ba pha  Sử dụng trong hầu hết các thiết bị nghịch lưu, biến tần, nguồn UPS  Sinh ra thành phần dòng với bậc 6n±1 27 Các nguyên nhân gây sóng hài Dạng sóng của hầu hết thiết bị điện tử gia dụng hiện nay Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Thiết bị điện tử & điện tử công suất Chỉnh lưu ba pha  Tên gọi khác cầu chỉnh lưu 6 xung  Sinh ra thành phần dòng với bậc 6n±1 28 Các nguyên nhân gây sóng hài Cầu chỉnh lưu 6 xung Cầu chỉnh lưu 12 xung Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội Ngưỡng giới hạn sóng hài: tùy thuộc mức độ nhạy cảm của tải  Các thiết bị như bóng đèn đỏ, lò sưởi: ít chịu ảnh hưởng của sóng hài  Các thiệt điện tử bị ảnh hưởng nhiều với sóng hài  Quá tải dây pha và dây trung tính  Sóng hài có thể gây phát nóng quá mức với cáp  Với lưới hạ áp: bị ảnh hưởng mạnh của méo sóng do các tải phi tuyến ngày càng nhiều  Sóng hài bậc 3: chạy qua dây trung tính (tương tự thành phần TTK)  gây quá tải dây trung tính (có thể tới 170%) 29 Ảnh hưởng của sóng hài Tải cân bằng Tải không cân bằng Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Quá tải dây pha và dây trung tính  Sóng hài bậc 3: chạy qua dây trung tính (tương tự thành phần TTK)  gây quá tải dây trung tính (có thể tới 170%)  Khảo sát trong các khu văn phòng: có thể có mức dòng trong dây trung tính từ 150-210% 30 Ảnh hưởng của sóng hài Dòng trên dây trung tính của phòng có 20 máy tính Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Động cơ & Máy phát  Tăng tổn hao công suất trong lõi và cuộn dây tăng phát nóng  Làm giảm tuổi thọ cách điện  Sinh ra các mô men hài tương tác với mô men chính của động cơ  dao động mô men  Máy biến áp  Tổn hao sắt (khoảng 10% tổng tổn hao khi đầy tải): tăng tỷ lệ với bình phương của bậc sóng hài  Tăng nhiệt MBA  giảm tuổi thọ Ví dụ: MBA đầy tải đang cung cấp cho các phụ tải là máy tính  tổng tổn thất có thể gấp 2 lần so với khi tải tuyến tính  Hệ số hiệu chỉnh công suất theo sóng hài K (theo chuẩn châu Âu): máy biến áp phải giảm tải K lần để đảm bảo tổng tổn thất khi có sóng hài không vượt quá tổn thất khi chỉ có tần số cơ bản 31 Ảnh hưởng của sóng hài Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Các bộ tụ  Là thiết bị chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của sóng hài  Sóng hài tùy theo góc pha tăng giá trị điện áp tức thời cực đại: làm ảnh hưởng đến cách điện (phóng điện cục bộ) gây nguy hiểm cho bộ tụ  Với bộ tụ điện áp lớn nhất cho phép <110%  Do tổng trở bộ tụ tỷ lệ nghịch với tần số: các sóng hài bậc cao gây dòng điện lớn đáng kể qua bộ tụ  quá tải, cháy cầu chì, giảm tuổi thọ cách điện Ví dụ: sóng hài bậc bảy với độ lớn 0.15pu  dòng điện sinh ra tới 105% dòng cơ bản  Bộ tụ trở thành nơi hút sóng hài trong HTĐ 32 Ảnh hưởng của sóng hài Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Bộ nghịch lưu và các thiết bị điện tử  Thay đổiđến thời điểm điện áp đi qua giá trị không (0)  Nhiều thiết bị có bộ điều khiển lựa chọn thời điểm điện áp đi qua không để đóng cắt tải.  Khi có sóng hài: tốc độ biến thiên điện áp tại thời điểm qua 0 cao hơn  khó xác định chính xác  Có thể có nhiều thời điểm qua 0 trong một chu kz: hoạt động nhầm  Làm thay đổi góc mở của các thyristor  Ảnh hưởng tới các tụ điện trong mạch 33 Ảnh hưởng của sóng hài Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Các thiết bị đo  Được thiết kế chế tạo & hiệu chỉnh: bằng dòng điện hình sin tiêu chuẩn  Trong môi trường có sóng hài: có thể gây sai số phép đo  Sai số về phía (+) hoặc (-): phụ thuộc nhiều yếu tố  Các thiết bị bảo vệ rơle  Các rơle cơ chịu ảnh hưởng của sóng hài nhiều hơn so với rơle tĩnh và số  Các ảnh hưởng của sóng hài đến rơle được nghiên cứu và công bố qua các bài báo, kết luận chính: 34 Ảnh hưởng của sóng hài Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Các thiết bị bảo vệ rơle  Hoạt động của rơle thay đổi mạnh trong môi trường sóng hài  Sự thay đổi tùy thuộc nhiều yếu tố:  Thiết kế của rơle  Bậc của sóng hài  Góc pha của các sóng hài... Tuy nhiên, hầu hết các rơle đều ít bị ảnh hưởng khi tổng độ méo sóng hài nhỏ hơn 20% (THD<20%) Với các bảo vệ quá dòng:  Sóng hài ít có ảnh hưởng đến dòng điện sự cố  rơle hoạt động đúng  Sóng hài có thể gây ảnh hưởng ở chế độ bình thường hoặc khi quá tải Với các rơle tần số thấp (sa thải phụ tải)  Nếu đo tần số bằng cách đếm số lần tín hiệu qua 0: nhiều thời điểm tín hiệu qua 0 (do sóng hài)  rơle có thể xác định như tần số đang cao  không sa thải phụ tải 35 Ảnh hưởng của sóng hài Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Giảm hàm lượng sóng hài do các tải phi tuyến:  Sử dụng các cuộn kháng nối tiếp với các mạch chỉnh lưu, nghịch lưu  Sử dụng các mạch chỉnh lưu nhiều xung 36 Các giải pháp - Sóng hài Ảnh hưởng của cuộn kháng tới độ méo sóng và THD Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Sử dụng cuộn kháng nối tiếp  Sử dụng các mạch chỉnh lưu nhiều xung 37 Các giải pháp - Sóng hài Ảnh hưởng của cuộn kháng tới dạng sóng của bộ chỉnh lưu Chỉnh lưu nhiều xung Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội  Sử dụng các bộ lọc thụ động, chủ động và hỗn hợp 38 Các giải pháp - Sóng hài Phân loại bộ lọc sóng hài Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội Bộ lọc cộng hưởng  Là loại phổ biến nhất trong công nghiệp  Có tổng trở rất thấp tại tần số cộng hưởng  Có thể bù CSPK  Hệ số chất lượng Q của bộ lọc (1580) (tính tại tần số cộng hưởng) 39 Các giải pháp - Sóng hài Tổng trở của bộ lọc theo bậc sóng hài Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội Các bộ lọc sóng hài thụ động (Passive Filters) – Đặc điểm  Dễ xảy ra hiện tượng cộng hưởng dao động  phải tính toán phân tích đặc tính tần của hệ thống  Hoạt động tin cậy, rẻ tiền, công suất có thể tới MVAR  Có thể cung cấp công suất phản kháng cho bù cos phi  Hiệu quả của bộ lọc phụ thuộc tổng trở nguồn  Hiệu quả tốt với các sóng hài đã tính toán, với các sóng hài lân cận khác  hiệu quả lọc kém. 40 Các giải pháp - Sóng hài Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội Các bộ lọc sóng hài chủ động (Active Filters)  Bộ lọc song song  Bộ lọc nối tiếp  Các bộ lọc công suất thấp (<100kVA): dùng cho các mục đích dân dụng, nhà máy nhỏ, bệnh viện  Các bộ lọc công suất vừa (100kVA -10MVA): dùng cho lưới phân phối  Các bộ lọc công suất lớn (>10MVA): dùng cho các hệ thống truyền tải điện một chiều, lưới truyền tải... 41 Các giải pháp - Sóng hài Kiểu song song Kiểu nối tiếp Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội Các bộ lọc sóng hài chủ động (Active Filters) – Nguyên lý làm việc  Bộ lọc song song 42 Các giải pháp - Sóng hài Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội Các bộ lọc sóng hài chủ động (Active Filters) – Nguyên lý làm việc  Bộ lọc nối tiếp 43 Các giải pháp - Sóng hài Bộ lọc hoạt động như một tổng trở động Tổng trở bằng không tại tần số cơ bản Tổng trở rất lớn với các tần số sóng hài Source Important load DVR Nonlinear load Source Important load DVR Nonlinear load Tại tần số cơ bản Tại tần số cao hơn (hài) Bộ lọc Bộ lọc Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội Các bộ lọc sóng hài hỗn hợp (Hybrid Active Filters)  Giảm chi phí  Hiệu quả lọc tương tự như với trường hợp sử dụng bộ lọc chủ động  Có thể kết hợp cả bộ lọc nối tiếp và song song (UPQC) 44 Các giải pháp - Sóng hài Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội Các bộ lọc chủ động (Active Filters) – Hiệu quả 45 Các giải pháp - Sóng hài Trước khi có bộ lọc Sau khi co bộ lọc Nguyễn Xuân Tùng Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà Nội Các máy biến áp cách ly (Isolation Transformer)  Sóng hài bậc 3 chạy quẩn trong cuộn tam giác  có nhiệm vụ cách ly sóng hài  Có thể gây thêm tổn thất  Công suất cuộn tam giác cần được lựa chọn tính tới sóng hài  Hiện tượng tự loại trừ sóng hài:  Khi các tải phi tuyến được cấp từ các máy biến áp có tổ đấu dây khác nhau  Do hiệu ứng dịch pha của tổ dấu dây: các sóng hài có thể tự loại trừ  Hiện tượng này phổ biến ở lưới hạ áp 46 Các giải pháp - Sóng hài