Nghiên cứu ảnh hưởng lò hồ quang điện đến chất lượng điện năng và giải pháp khắc phục

Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của lò hồ quang điện đến chất lượng điện năng, mô phỏng và tính toán lựa chọn thiết bị khắc phục SVC hiệu quả.

• Tác giả: Hà Trung Hưng
• Người hướng dẫn: T.S Trần Văn Tớp
• Trường học: Đại học Công nghiệp Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hệ thống điện
• 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
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Khái niệm và Tầm quan trọng của Lò Hồ Quang Điện

Lò hồ quang điện (EAF - Electric Arc Furnace) là thiết bị công nghiệp quan trọng được sử dụng rộng rãi trong các khu công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực luyện thép và chế biến kim loại. Thiết bị này hoạt động bằng cách tạo ra cung điện (arc) giữa các điện cực để tạo nhiệt độ cao, đủ để nóng chảy kim loại. Tuy nhiên, quá trình hoạt động của lò hồ quang gây ra những tác động đáng kể đến chất lượng điện năng trong lưới điện. Những ảnh hưởng này bao gồm dao động điện áp, méo dạng sóng, mất cân bằng tải và sụt giảm điện áp. Việc nghiên cứu và hiểu rõ các ảnh hưởng của lò hồ quang điện là nền tảng để phát triển các giải pháp cải thiện hiệu quả cấp điện và đảm bảo ổn định hệ thống điện lực.

1.1. Cấu trúc và Nguyên tắc hoạt động

Lò hồ quang điện bao gồm các thành phần chính như điện cực cacbon, buồng luyện và hệ thống kiểm soát. Nguyên tắc hoạt động dựa trên việc điều chỉnh điện áp và dòng điện để duy trì cung điện ổn định. Độ cứng của cung điện hồ quang là phi tuyến tính, khiến cho tải này gây ra những biến động không mong muốn trong hệ thống điện.

1.2. Vai trò trong các khu công nghiệp

Ở các khu công nghiệp Thái Nguyên và các vùng công nghiệp khác, lò hồ quang là tải lớn tiêu tốn nhiều điện năng. Sự phát triển của các nhà máy luyện thép và sản xuất kim loại đòi hỏi cấp điện ổn định. Tuy nhiên, ảnh hưởng của lò hồ quang điện tới chất lượng điện năng là thách thức lớn cần được giải quyết để đảm bảo vận hành an toàn của toàn lưới điện.

II. Những Ảnh hưởng Chính của Lò Hồ Quang Điện

Lò hồ quang điện gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng của lưới điện. Các ảnh hưởng này bao gồm: sụt giảm điện áp tạm thời, dao động điện áp (flicker), méo dạng sóng điện áp, mất cân bằng ba pha, và sự biến động tần số. Đặc biệt, hiện tượng dao động điện áp là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất, gây ra sự nhấp nháy đèn và ảnh hưởng đến các thiết bị nhạy cảm. Độ méo dạng sóng tăng lên do dòng điện phi tuyến tính từ lò hồ quang gây ra các sóng hài bậc cao. Các ảnh hưởng này không chỉ làm giảm hiệu suất của các thiết bị tiêu thụ mà còn gây ra tổn thất điện năng và rủi ro cho hệ thống.

2.1. Dao động Điện áp Flicker và Sụt Giảm Điện áp

Dao động điện áp được tạo ra do lò hồ quang thay đổi độ dài cung điện liên tục, dẫn đến biến động dòng điện. Sự biến động này gây ra sụt giảm điện áp tạm thời trong lưới điện. Hiện tượng flicker gây ra sự nhấp nháy của đèn chiếu sáng, ảnh hưởng đến môi trường làm việc. Mức độ dao động phụ thuộc vào công suất lò hồ quang và độ cứng của lưới điện.

2.2. Méo Dạng Sóng và Sóng Hài

Lò hồ quang điện là tải phi tuyến tính, sinh ra dòng điện phi tuyến chứa các sóng hài bậc lẻ. Độ méo dạng sóng tăng lên làm suy giảm chất lượng điện năng. Các sóng hài này gây ra tổn thất nhiệt trong các thiết bị, làm giảm tuổi thọ và hiệu suất hoạt động. Chỉ số THD (Total Harmonic Distortion) là thông số quan trọng để đánh giá mức độ méo dạng sóng từ lò hồ quang.

III. Các Tiêu chuẩn Chất lượng Điện năng

Để đánh giá chất lượng điện năng, các tiêu chuẩn quốc tế như IEEE đã quy định các thông số và giới hạn cho phép. Các thông số chính bao gồm: độ lệch điện áp (trong thời gian dài và ngắn), mất cân bằng điện áp giữa các pha, độ méo dạng sóng, dao động điện áp, và độ lệch tần số. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này đảm bảo rằng lưới điện có thể cung cấp điện với chất lượng ổn định cho các khách hàng. Các khu công nghiệp sử dụng lò hồ quang phải giám sát liên tục các chỉ tiêu này để phát hiện và khắc phục kịp thời những sai lệch vượt quá giới hạn cho phép.

3.1. Thông số Điện áp và Cân bằng Ba pha

Độ lệch điện áp thời gian dài không vượt quá ±10% giá trị danh định. Mất cân bằng điện áp giữa ba pha được đo bằng tỷ lệ thành phần nghịch chiều với thành phần thuận chiều. Các tiêu chuẩn này đảm bảo hoạt động bình thường của các máy quay ba pha. Lò hồ quang điện do chỉ hoạt động trên một hoặc hai pha, thường gây ra mất cân bằng đáng kể trong lưới điện ba pha.

3.2. Độ Méo Dạng và Tần số

Độ méo dạng sóng được đo bằng chỉ số THD không vượt quá 5% giá trị cơ bản. Độ lệch tần số thường trong khoảng ±0,5 Hz so với tần số danh định 50 Hz. Các chỉ tiêu này quan trọng cho hoạt động ổn định của các thiết bị điều khiển, máy móc nhạy cảm và hệ thống bảo vệ trong lưới điện công nghiệp.

IV. Giải pháp Cải thiện Chất lượng Điện năng

Để khắc phục những ảnh hưởng tiêu cực từ lò hồ quang điện, nhiều giải pháp kỹ thuật đã được phát triển và ứng dụng. Bộ bù SVC (Static Var Compensator) là một trong những giải pháp hiệu quả nhất, có khả năng nhanh chóng điều chỉnh công suất phản kỳ để ổn định điện áp. Các giải pháp khác bao gồm lắp đặt bộ lọc hài, nâng cao độ cứng của lưới điện, sử dụng hệ thống điều khiển tải, và tối ưu hóa quy trình vận hành. Việc lựa chọn giải pháp phù hợp phụ thuộc vào điều kiện lưới điện hiện tại, công suất lò hồ quang, và yêu cầu chất lượng điện năng cụ thể.

4.1. Hệ thống Bù SVC và Nguyên tắc hoạt động

Bộ bù SVC hoạt động bằng cách điều chỉnh điện kháng có điều khiển (TCR) sử dụng các ty-ris-tơ để nhanh chóng cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kỳ. Hệ thống này có khả năng phản ứng nhanh (trong vài chu kỳ) với các dao động điện áp từ lò hồ quang. Bộ bù SVC được lắp đặt tại điểm đấu nối công cộng (PCC) để ổn định điện áp và giảm thiểu flicker hiệu quả.

4.2. Các Biện pháp Bổ sung Khác

Ngoài bộ bù SVC, các biện pháp khác bao gồm lắp đặt bộ lọc hài động để loại bỏ sóng hài, nâng cao mức độ ngắn mạch của lưới điện bằng cách lắp thêm nguồn cấp, và sử dụng hệ thống điều khiển phía tải (lò hồ quang được điều khiển để giảm biến động). Kết hợp nhiều giải pháp sẽ mang lại hiệu quả tối ưu cho hệ thống điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.

Các 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. Các 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. 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 nghệ 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. 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.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. 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 lượng 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 2004.2 CÁC THÔNG SỐ VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG I.1 Chất lƣợng điện năng- Chất 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.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 chất lượng điện năng như sau: I. 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.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 tắt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.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.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 chính 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 .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 thường được chia ra dưới các dạngsau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.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.

Quá điện áp thường do đóng một bộ tụ lớn vào hệ thống 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 điện và theờng được con ngươi phục hồi lại tình trạng lưới điện.4 Độ lệch điện áp thời gian ngắn ( Sort – duration 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.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.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.

Cũng tương tự như sụt giảm điện áp, tăng cao điện áp chủ yếu có nguyên nhân do sự biến đổi hệ thống.5 Mất cân bằng điện áp (Votage Unblance) 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 : Pha A : u a (t ) U a sin( t a ) (1.3) Trong đó : a, b, c là các góc lệch pha tương ứng. 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.4) 3 U0 1 1 1 Uc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn - Trang: 12 - Hệ số không cân bằng Un tính toán và xác định bởi công thức : U2 Un 100% (1.