Nghiên cứu các quá trình điện từ của cuộn kháng bù ngang trong lưới điện cao áp - ĐHBK Hà Nội

Tài liệu nghiên cứu Luận án nghiên cứu các quá trình điện từ của cuộn kháng bù ngang dùng trong lưới điện cao áp, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về

• Tác giả: Phạm Minh Tú
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Đức Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Các Quá Trình Điện Từ Của Cuộn Kháng Bù Ngang Dùng Trong Lưới Điện Cao Áp
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU
• 1. Lý do chọn đề tài
• 2. Mục đích của luận án
• 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 4. Đối tượng nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu
• 5. Phương pháp nghiên cứu.
• 6. Các đóng góp mới của luận án
• 7. Cấu trúc nội dung của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CKBN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Vai trò của cuộn kháng trong hệ thống điện
• 1.3. Cuộn kháng bù ngang
• 1.3.1. Phân loại CKBN
• 1.3.2. Thông số kỹ thuật của CKBN
• 1.4. Những nghiên cứu ở trong và ngoài nước về CKBN
• 1.4.1. Những nghiên cứu trong nước
• 1.4.2. Những nghiên cứu ngoài nước
• 1.5. Những vấn đề còn tồn tại và đề xuất hướng nghiên cứu
• 1.6. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH MẠCH TỪ CKBN
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Trường điện từ và hệ phương trình Maxwell
• 2.3. Vật liệu làm mạch từ
• 2.3.1. Đặc điểm của thép kỹ thuật điện
• 2.3.2. Đặc tính tuyến tính
• 2.4. Vai trò của khe hở trên trụ của CKBN
• 2.5. Cấu trúc của CKBN
• 2.5.1. Cấu trúc mạch từ
• 2.5.2. Cấu trúc dây quấn
• 2.6. Từ trường trong CKBN
• 2.7. Mô hình mạch từ tương đương
• 2.7.1. Từ trở phần lõi thép
• 2.7.2. Từ trở phần khe hở trên trụ
• 2.8. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH VÀ THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CKBN
• 3.1. Giới thiệu chung
• 3.2. Tổng quan về công cụ Ansys Maxwell
• 3.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 3.2.2. Phần mềm Ansys Maxwell
• 3.3. Mô hình hóa và mô phỏng CKBN
• 3.3.1. Đối tượng mô phỏng
• 3.3.2. Thiết lập và dựng mô hình mô phỏng
• 3.3.3. Phân tích kết quả
• 3.4. Xác định thông số kích thước CKBN
• 3.4.1. Mô hình giải tích
• 3.4.2. Mô hình mô phỏng
• 3.5. Nghiên cứu xác định điện cảm rò trong CKBN
• 3.6. Kết luận chương
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ KHE HỞ ĐẾN ĐẶC TÍNH ĐIỆN TỪ CỦA CKBN
• 4.1. Giới thiệu chung
• 4.2. Nghiên cứu phân bố từ cảm các kiểu ghép lá thép trụ CKBN
• 4.2.1. Các kiểu ghép lá thép trụ và hệ tọa độ tương ứng
• 4.2.2. Mô hình nghiên cứu các kiểu ghép lá thép trụ
• 4.2.3. Phân tích phân bố từ cảm với các kiểu ghép lá thép trụ
• 4.3. Nghiên cứu lực điện từ trên các khối trụ
• 4.3.1. Xác định lực điện từ
• 4.3.2. Phân tích kết quả phân bố lực điện từ
• 4.4. Nghiên cứu xác định số lượng khe hở trên trụ
• 4.4.1. Mô hình nghiên cứu theo số lượng khe hở trên trụ
• 4.4.2. Phân tích kết quả
• 4.5. Nghiên cứu khoảng cách giữa các khe hở trên trụ
• 4.5.1. Mô hình nghiên cứu các trường hợp kích thước và khoảng cách khe hở khác nhau
• 4.5.2. Phân tích ảnh hưởng của khoảng cách giữa các khe hở tới thông số điện cảm
• 4.6. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Cuộn Kháng Bù Ngang trong Lưới Điện Cao Áp

Cuộn kháng bù ngang (CKBN) đóng vai trò then chốt trong việc duy trì ổn định điện áp cho lưới điện cao áp, đặc biệt là trong điều kiện non tải. Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan về CKBN, bao gồm vai trò, phân loại và các thông số kỹ thuật quan trọng. CKBN được mắc song song với lưới điện để hấp thụ công suất phản kháng dư thừa do dung dẫn đường dây gây ra. Việc sử dụng CKBN giúp ngăn ngừa hiện tượng quá áp và đảm bảo chất lượng điện năng. Các loại CKBN phổ biến bao gồm cuộn kháng khô và cuộn kháng dầu. Cuộn kháng khô thường được sử dụng cho các ứng dụng hạn chế dòng ngắn mạch, trong khi cuộn kháng dầu thích hợp cho các ứng dụng bù ngang trong lưới điện cao áp. Các thông số kỹ thuật quan trọng của CKBN bao gồm công suất phản kháng định mức, điện áp định mức, điện kháng và điện cảm. Việc hiểu rõ các thông số này là rất quan trọng để lựa chọn và vận hành CKBN một cách hiệu quả. Cuộn kháng bù ngang không chỉ là một thiết bị mà là một giải pháp quan trọng cho hệ thống điện.

1.1. Vai Trò Của Cuộn Kháng Bù Ngang Trong Hệ Thống Điện

CKBN có vai trò quan trọng trong việc ổn định điện áp và cải thiện hiệu suất lưới điện. Trong điều kiện non tải, đường dây truyền tải điện cao áp có xu hướng sinh ra công suất phản kháng dư thừa, gây ra hiện tượng quá áp. CKBN được sử dụng để hấp thụ công suất phản kháng này, giúp duy trì điện áp ở mức ổn định. Ngoài ra, CKBN còn có thể giúp giảm tổn thất điện năng và nâng cao độ tin cậy của lưới điện. Việc sử dụng CKBN hợp lý là yếu tố then chốt để đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả cho hệ thống điện.

1.2. Phân Loại Cuộn Kháng Bù Ngang Ưu Và Nhược Điểm

CKBN có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm loại vật liệu cách điện (khô hoặc dầu), cấu trúc mạch từ (kiểu trụ hoặc kiểu bọc), và số pha (một pha hoặc ba pha). Mỗi loại CKBN có những ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Cuộn kháng khô thường có kích thước nhỏ gọn và dễ bảo trì, nhưng khả năng chịu quá tải thấp hơn cuộn kháng dầu. Cuộn kháng kiểu trụ có cấu trúc đơn giản và giá thành thấp, nhưng hiệu quả tản nhiệt kém hơn cuộn kháng kiểu bọc. Việc lựa chọn loại CKBN phù hợp cần dựa trên các yêu cầu cụ thể của hệ thống điện.

1.3. Các Thông Số Kỹ Thuật Quan Trọng Của Cuộn Kháng

Các thông số kỹ thuật của CKBN cần được xem xét kỹ lưỡng khi lựa chọn thiết bị. Các thông số quan trọng nhất bao gồm công suất phản kháng định mức (MVAr), điện áp định mức (kV), dòng điện định mức (A), điện kháng (Ω) và tổn hao công suất (kW). Ngoài ra, cần chú ý đến cấp cách điện, kiểu làm mát và các tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng. Việc lựa chọn CKBN có các thông số phù hợp sẽ đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định và hiệu quả trong điều kiện vận hành thực tế. Đặc biệt, chú ý đến ảnh hưởng của sóng hài đến hoạt động của CKBN.

II. Thách Thức Nghiên Cứu Quá Trình Điện Từ trong Cuộn Kháng

Nghiên cứu quá trình điện từ trong CKBN đối mặt với nhiều thách thức do sự phức tạp của cấu trúc và điều kiện vận hành. Cấu trúc của CKBN bao gồm các thành phần mạch từ và dây quấn, tương tác lẫn nhau tạo ra một hệ thống điện từ phức tạp. Điều kiện vận hành của CKBN trong lưới điện cao áp thường xuyên thay đổi, gây khó khăn cho việc mô phỏng và dự đoán chính xác các đặc tính điện từ. Bài viết này sẽ đi sâu vào các thách thức chính trong nghiên cứu quá trình điện từ của CKBN, bao gồm mô hình hóa mạch từ, phân tích từ trường và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài.

2.1. Mô Hình Hóa Mạch Từ Với Khe Hở Không Khí

Mô hình hóa mạch từ của CKBN là một thách thức do sự hiện diện của khe hở không khí. Khe hở không khí được thêm vào mạch từ để tăng từ trở và giảm dòng điện từ hóa, nhưng đồng thời cũng làm phức tạp quá trình phân tích từ trường. Các phương pháp mô hình hóa truyền thống thường bỏ qua ảnh hưởng của từ trường tản trong khe hở, dẫn đến sai số trong kết quả tính toán. Do đó, cần phát triển các phương pháp mô hình hóa chính xác hơn, có thể tính đến ảnh hưởng của từ trường tản và các hiệu ứng phi tuyến của vật liệu từ.

2.2. Phân Tích Từ Trường 3D Phức Tạp Trong Cuộn Kháng

Phân tích từ trường trong CKBN là một bài toán phức tạp do cấu trúc 3D của thiết bị và sự phân bố không đồng đều của dòng điện và vật liệu từ. Các phương pháp phân tích truyền thống thường dựa trên các giả thiết đơn giản hóa, không thể mô tả chính xác các hiệu ứng điện từ phức tạp. Để giải quyết vấn đề này, cần sử dụng các phương pháp số tiên tiến, chẳng hạn như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), để mô phỏng từ trường 3D một cách chính xác. Các kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế của CKBN và nâng cao hiệu suất hoạt động.

2.3. Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Và Tần Số Đến Đặc Tính Điện Từ

Nhiệt độ và tần số là hai yếu tố quan trọng có ảnh hưởng đến đặc tính điện từ của CKBN. Nhiệt độ cao có thể làm giảm từ thẩm của vật liệu từ và tăng điện trở của dây quấn, dẫn đến giảm hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị. Tần số cao có thể gây ra tổn thất do dòng điện xoáy và hiệu ứng bề mặt, làm tăng nhiệt độ và giảm hiệu suất. Để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của CKBN, cần tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số trong quá trình thiết kế và vận hành. Các giải pháp tản nhiệt hiệu quả và vật liệu có đặc tính ổn định theo nhiệt độ cần được sử dụng.

III. Phương Pháp Mô Hình Hóa và Mô Phỏng Quá Trình Điện Từ CKBN

Để nghiên cứu quá trình điện từ của CKBN một cách hiệu quả, cần sử dụng các phương pháp mô hình hóa và mô phỏng phù hợp. Các phương pháp này cho phép phân tích và đánh giá các đặc tính điện từ của CKBN trong các điều kiện vận hành khác nhau. Bài viết này trình bày các phương pháp mô hình hóa và mô phỏng phổ biến, bao gồm phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp mạch tương đương và phương pháp hybrid.

3.1. Mô Hình Phần Tử Hữu Hạn FEM Ưu Điểm Và Ứng Dụng

FEM là một phương pháp số mạnh mẽ để giải các bài toán điện từ phức tạp. Phương pháp này chia đối tượng nghiên cứu thành các phần tử nhỏ và giải các phương trình điện từ trên từng phần tử. FEM có thể mô phỏng chính xác các hiệu ứng điện từ phức tạp, chẳng hạn như từ trường tản, hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng phi tuyến. FEM được sử dụng rộng rãi để thiết kế và phân tích CKBN, giúp tối ưu hóa cấu trúc, giảm tổn thất và nâng cao hiệu suất hoạt động. Các phần mềm như Ansys Maxwell thường được sử dụng.

3.2. Phương Pháp Mạch Tương Đương Đơn Giản Hóa Mô Hình

Phương pháp mạch tương đương là một phương pháp đơn giản hóa để mô hình hóa CKBN. Phương pháp này thay thế CKBN bằng một mạch điện tương đương, bao gồm các phần tử điện trở, điện cảm và điện dung. Phương pháp mạch tương đương không thể mô phỏng chính xác các hiệu ứng điện từ phức tạp, nhưng có ưu điểm là đơn giản và dễ tính toán. Phương pháp này thường được sử dụng để phân tích các đặc tính cơ bản của CKBN, chẳng hạn như điện kháng và tổn thất.

3.3. Phương Pháp Hybrid Kết Hợp FEM Và Mạch Tương Đương

Phương pháp hybrid kết hợp ưu điểm của FEM và phương pháp mạch tương đương. Phương pháp này sử dụng FEM để mô phỏng các vùng phức tạp của CKBN, chẳng hạn như khe hở không khí, và sử dụng phương pháp mạch tương đương để mô phỏng các vùng đơn giản hơn. Phương pháp hybrid cho phép mô phỏng chính xác các đặc tính điện từ của CKBN với chi phí tính toán thấp hơn so với FEM thuần túy. Việc mô phỏng quá trình điện từ có thể thực hiện trên các công cụ như MATLAB/Simulink.

IV. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Khe Hở Đến Đặc Tính Điện Từ Cuộn Kháng

Khe hở không khí đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đặc tính điện từ của CKBN. Chiều dài và hình dạng của khe hở ảnh hưởng đến từ trở, từ trường tản và tổn thất của thiết bị. Bài viết này trình bày các nghiên cứu về ảnh hưởng của khe hở đến đặc tính điện từ của CKBN, bao gồm phân tích phân bố từ trường, tính toán lực điện từ và tối ưu hóa kích thước khe hở.

4.1. Phân Bố Từ Trường Trong Khe Hở Và Ảnh Hưởng Tới Điện Cảm

Phân bố từ trường trong khe hở không đồng đều và phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của khe hở. Từ trường tản trong khe hở làm giảm điện cảm của CKBN và gây ra tổn thất. Để giảm ảnh hưởng của từ trường tản, cần tối ưu hóa hình dạng và kích thước khe hở. Các giải pháp như sử dụng nhiều khe hở nhỏ thay vì một khe hở lớn hoặc sử dụng vật liệu có từ thẩm cao để bao quanh khe hở có thể được áp dụng.

4.2. Lực Điện Từ Tác Dụng Lên Lõi Thép Và Dây Quấn Cuộn Kháng

Từ trường trong CKBN tạo ra lực điện từ tác dụng lên lõi thép và dây quấn. Lực điện từ có thể gây ra rung động, tiếng ồn và thậm chí là hư hỏng cơ học cho thiết bị. Để giảm lực điện từ, cần tối ưu hóa cấu trúc của CKBN, sử dụng vật liệu có độ bền cao và áp dụng các biện pháp giảm rung. Cần bảo vệ cuộn kháng bù ngang khỏi những tác động cơ học này.

4.3. Tối Ưu Hóa Kích Thước Khe Hở Để Đạt Hiệu Suất Cao

Tối ưu hóa kích thước khe hở là một bước quan trọng trong thiết kế CKBN. Kích thước khe hở cần được lựa chọn sao cho đạt được hiệu suất cao, giảm tổn thất và đảm bảo độ bền cơ học cho thiết bị. Các phương pháp tối ưu hóa số, chẳng hạn như thuật toán di truyền, có thể được sử dụng để tìm ra kích thước khe hở tối ưu. Các yếu tố như tần số, điện áp và dòng điện cũng cần được xem xét trong quá trình tối ưu hóa.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và Đánh Giá Hiệu Quả Cuộn Kháng Bù Ngang

CKBN được sử dụng rộng rãi trong lưới điện cao áp để cải thiện ổn định điện áp, giảm tổn thất và nâng cao hiệu quả truyền tải điện. Bài viết này trình bày các ứng dụng thực tiễn của CKBN và đánh giá hiệu quả của thiết bị trong các điều kiện vận hành khác nhau.

5.1. Ổn Định Điện Áp Trong Lưới Truyền Tải Điện Cao Áp

CKBN được sử dụng để ổn định điện áp trong lưới truyền tải điện cao áp, đặc biệt là trong điều kiện non tải hoặc khi có sự cố xảy ra. CKBN hấp thụ công suất phản kháng dư thừa, giúp duy trì điện áp ở mức cho phép và ngăn ngừa quá áp. Việc sử dụng CKBN giúp cải thiện độ tin cậy và chất lượng điện năng.

5.2. Giảm Tổn Thất Điện Năng Trong Lưới Điện Phân Phối

CKBN có thể giúp giảm tổn thất điện năng trong lưới điện phân phối bằng cách cải thiện hệ số công suất. CKBN cung cấp công suất phản kháng cần thiết để bù cho công suất phản kháng tiêu thụ bởi các thiết bị điện, giúp giảm dòng điện và tổn thất trên đường dây. Việc sử dụng CKBN giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành.

5.3. Đánh Giá Hiệu Quả Kinh Tế Của Việc Sử Dụng Cuộn Kháng

Việc sử dụng CKBN mang lại nhiều lợi ích kinh tế, bao gồm giảm tổn thất điện năng, cải thiện độ tin cậy và giảm chi phí bảo trì. Để đánh giá hiệu quả kinh tế của việc sử dụng CKBN, cần so sánh chi phí đầu tư và vận hành với lợi ích đạt được. Các yếu tố như giá điện, chi phí bảo trì và tuổi thọ của thiết bị cần được xem xét.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Về Cuộn Kháng

Nghiên cứu về CKBN tiếp tục là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điện. Bài viết này kết luận các điểm chính của nghiên cứu hiện tại và đề xuất các hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Quan Trọng

Các nghiên cứu về CKBN đã đạt được nhiều tiến bộ, bao gồm phát triển các phương pháp mô hình hóa và mô phỏng chính xác hơn, tối ưu hóa thiết kế và đánh giá hiệu quả kinh tế. Các kết quả nghiên cứu này đã góp phần nâng cao hiệu suất, độ tin cậy và tính kinh tế của CKBN.

6.2. Các Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai

Các hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai bao gồm phát triển các vật liệu mới có đặc tính tốt hơn, thiết kế các CKBN thông minh có khả năng tự điều chỉnh và nghiên cứu các ứng dụng mới của CKBN trong lưới điện thông minh. Việc thiết kế cuộn kháng bù ngang với các vật liệu mới sẽ giúp cải thiện hiệu suất. Nghiên cứu cũng có thể tập trung vào điều khiển cuộn kháng bù ngang để thích ứng với các điều kiện lưới điện thay đổi.

6.3. Thúc Đẩy Ứng Dụng Cuộn Kháng Trong Lưới Điện Hiện Đại

Việc thúc đẩy ứng dụng CKBN trong lưới điện hiện đại là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về điện năng và đảm bảo chất lượng điện năng. Các chính sách hỗ trợ và các tiêu chuẩn kỹ thuật cần được phát triển để khuyến khích việc sử dụng CKBN. Hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất và nhà cung cấp điện là cần thiết để đưa các kết quả nghiên cứu vào thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CKBN 1.1 Giới thiệu chung Trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, cuộn kháng có thể được mắc nối tiếp trên đường dây hoặc mắc song song tùy thuộc vào vị trí, công dụng như: CKBN, cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch, cuộn kháng hạn chế dòng xả của các bộ tụ trên lưới điện, cuộn kháng lọc sóng hài… Trong nội dung của chương này, luận án tập trung giới thiệu tổng quan về vai trò, vị trí, tầm quan trọng của CKBN sử dụng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp, đây là đối tượng nghiên cứu của luận án. Các CKBN được mắc song song với lưới điện cao áp và siêu cao áp để hấp thụ lượng công suất phản kháng dư thừa được sinh ra bởi dung dẫn đường dây khi đường dây quá non tải hoặc không tải, tránh quá áp dọc tuyến đường đây. Trên cơ sở tổng hợp, phân tích và đánh giá các nghiên cứu trong và ngoài nước về CKBN, tác giả phân tích những vấn đề còn tồn tại, đề ra hướng nghiên cứu cho luận án.2 Vai trò của cuộn kháng trong hệ thống điện Cuộn kháng điện được sử dụng phổ biến và có vai trò quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, được mắc nối tiếp hay mắc song song với lưới điện hoặc nối với thiết bị khác theo từng ứng dụng cụ thể. Các cuộn kháng trên hệ thống điện có thể kể đến như CKBN, cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch, cuộn kháng hạn chế dòng xả, cuộn kháng lọc sóng hài, cuộn kháng dập hồ quang, cuộn kháng dùng để điều chỉnh phân phối công suất từng nhánh và trong nhiều ứng dụng khác.

- Cuộn kháng bù ngang: là thiết bị điện từ đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lưới truyền tải điện cao áp và siêu cao áp [2], [6]– [9]. Các CKBN này được mắc song song với lưới điện như Hình 1.1 [10], thường tại thanh cái của các trạm biến áp hoặc tại các trạm bù trên đường dây. Khi hệ thống vận hành ở chế độ quá non tải hoặc không tải, đặc biệt là khi cắt tải đột ngột ở một phía đường dây, sẽ xuất hiện hiện tượng tăng điện áp trên dọc tuyến đường dây. CKBN được sử dụng để cân bằng lượng công suất phản kháng dư thừa sinh ra Hình 1.1 Sơ đồ kết nối CKBN bởi dung dẫn giữa dây dẫn với đất, giúp duy trong lưới truyền tải điện [10] trì ổn định điện áp ở mức quy định.

6 - Cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch: Được mắc nối tiếp trên đường dây truyền tải hoặc phân phối điện năng như mô tả trên Hình 1. Sử dụng cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch giúp giới hạn dòng điện ngắn mạch ở mức phù hợp với độ bền cơ điện của các thiết bị trên hệ thống và phối hợp lựa chọn máy cắt có dòng cắt ngắn mạch nhỏ hơn với giá thành thấp hơn. Cũng với vai trò giảm dòng điện, cuộn kháng nối tiếp còn Hình 1.2 Sơ đồ kết nối cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch [11] được sử dụng để giảm dòng điện khởi động khi khởi động động cơ công suất lớn Tụ điện gọi là cuộn kháng khởi động. - Cuộn kháng hạn chế dòng xả: Nhằm nâng cao khả năng truyền tải và tăng tính ổn định MOV của hệ thống, thường sử dụng cùng với các Cuộn kháng Khe hở bộ tụ điện bù dọc mắc nối tiếp trên đường dây cao áp.

Khi đó, cuộn kháng được sử dụng để hạn chế dòng xả của các bộ tụ này [12]. Máy cắt bypass - Cuộn kháng lọc sóng hài: dùng với các bộ Hình 1.3 Kết nối cuộn kháng hạn chế tụ để làm giảm, chặn hoặc lọc các thành phần dòng xả cùng tụ bù dọc [12] sóng hài bậc cao như bậc 3, 5, 7…gây ra bởi các thiết bị chuyển mạch điện tử công suất, các phụ tải phi tuyến trong hệ thống điện. Cuộn kháng này thường được mắc nối tiếp với các bộ tụ bù ngang. - Cuộn kháng dùng để điều chỉnh phân phối công suất: Cuộn kháng được mắc nối tiếp trên đường dây để tối ưu hóa và điều chỉnh tổng trở của đường dây, đảm bảo cân bằng công suất từng nhánh, tránh quá tải trên các hệ thống được kết nối với nhau.

- Cuộn kháng nối đất trung tính: Là các cuộn kháng một pha được nối giữa trung tính của MBA hay máy phát điện với đất nhằm hạn chế dòng ngắn mạch ở giá trị mong muốn khi sự cố ngắn mạch pha - đất xảy ra.3 Cuộn kháng bù ngang 1.1 Định nghĩa Cuộn kháng điện là thiết bị điện từ tĩnh bao gồm cuộn dây dùng để tạo ra giá trị điện kháng và tích lũy năng lượng từ trường trên đó. CKBN là cuộn kháng điện 7 được nối giữa pha với đất, pha với trung tính hoặc nối giữa các pha để bù cho dòng điện dung trong hệ thống điện cao áp hoặc siêu cao áp.2 Phân loại CKBN Cuộn kháng điện nói chung có nhiều cách phân loại khác nhau, có thể phân loại theo vai trò trong hệ thống điện như đã đưa ra ở trên; Phân loại theo chức năng, theo vị trí; Phân loại theo cấp điện áp như hạ áp, trung áp, cao áp và siêu cao áp; Phân loại theo số pha: một pha, ba pha và nhiều pha; Phân loại theo cuộn kháng dùng trong hệ thống truyền tải điện áp một chiều hay xoay chiều; Phân loại theo cuộn kháng không điều khiển hay có điều khiển; Phân loại theo thông số kỹ thuật, phân loại theo đặc điểm cấu tạo và cách thức cách điện, làm mát; Phân loại theo môi trường lắp đặt trong nhà hay ngoài trời… Hay với CKBN cũng vậy, cũng có nhiều cách phân loại khác nhau.4 dưới đây phân CKBN thành hai loại chính là cuộn kháng khô và cuộn kháng dầu. CKBN Cuộn kháng Cuộn kháng khô ngâm dầu Lõi không khí Lõi sắt từ CK kiểu trụ (Core-form) CK kiểu bọc (Shell-form) Hình 1.4 Phân loại CKBN Cuộn kháng khô bao gồm cuộn kháng khô lõi không khí và cuộn kháng khô lõi sắt từ, có môi trường làm mát là không khí tự nhiên. Cuộn kháng khô lõi không khí là loại cuộn kháng không dùng vật liệu sắt từ làm lõi trong dây quấn, không ngâm trong dầu cách điện mà dây quấn được cố định và được đúc trong cách điện thể rắn.5 mô tả cuộn kháng khô lõi không khí của hãng Trench [13].

Cuộn kháng khô lõi không khí ngoài cách mắc song song với lưới điện trong vai trò của CKBN, còn được mắc nối tiếp trên đường dây trong ứng dụng hạn chế dòng ngắn 8 mạch. Cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch đều là cuộn kháng khô lõi không khí, không dùng lõi sắt từ do dòng điện sự cố lớn sẽ gây bão hòa mạch từ và giảm giá trị điện kháng. Thường cuộn kháng khô lõi không khí được chế tạo có bán kính cuộn dây lớn, chiều cao dây quấn nhỏ hơn so với dây quấn của MBA qua đó giảm chiều dài trung bình đường sức từ, tăng giá trị từ cảm, tăng năng lượng tích trữ. Khác với cuộn kháng khô, Hình 1.5 Cuộn kháng khô lõi không khí của với cuộn kháng dầu luôn có dây hãng Trench [13] quấn và mạch từ làm bằng vật liệu sắt từ.

Toàn bộ phần tác dụng gồm dây quấn và mạch từ được đặt trong thùng chứa dầu cách điện, dầu cách điện còn có vai trò làm mát, truyền nhiệt từ các bộ phận, chi tiết trong máy do tổn hao trên mạch từ và dây quấn ra ngoài vỏ máy.6 mô tả cuộn kháng dầu của hãng Siemens [14]. Cuộn kháng dầu được chia làm hai loại theo kiểu mạch từ, bao gồm cuộn kháng kiểu trụ và cuộn kháng kiểu bọc. Mặc dù có cùng cách phân loại và cùng tên gọi kiểu trụ hay kiểu bọc như ở MBA, nhưng cấu trúc mạch từ và dây quấn có một số khác biệt so với MBA. Lựa chọn cuộn kháng khô hay cuộn kháng dầu, kiểu ba pha hay tổ ba cuộn kháng một pha thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố như công suất phản kháng hay cấp điện áp của Hình 1.6 Cuộn kháng ba pha ngâm dầu của lưới điện.

Trong hệ thống truyền tải hãng Siemens [14] và phân phối điện năng tại Việt Nam, lưới truyền tải có cấp điện áp cao áp (110 kV, 220 kV) và cấp siêu cao áp 500 kV còn lưới phân phối điện năng có cấp trung áp (6, 10, 15, 22 và 35 kV) và hạ áp 0,4 kV. 9 Theo tiêu chuẩn IEEE C37.015 [15], CKBN sử dụng cho lưới điện có điện áp dưới 60 kV có thể là cuộn kháng khô hoặc cuộn kháng dầu kiểu ba pha ba trụ. Với lưới điện có điện áp từ 60 kV đến 245 kV phổ biến là cuộn kháng dầu ba pha ba trụ hoặc năm trụ, với mạch từ có khe hở trên trụ và dây quấn kiểu xoáy ốc liên tục hoặc kiểu dây quấn đan xen. Với lưới điện có điện áp từ 300 kV đến 500 kV thường cuộn kháng ngâm dầu là loại ba pha ba trụ hay năm trụ hoặc tổ ba cuộn kháng một pha.

Kiểu cấu trúc ba pha được sử dụng phổ biến ở các nước Châu Âu còn tổ ba cuộn kháng một pha được ưu chuộng hơn ở các nước Châu Mỹ. Tại cấp điện áp cao hơn, 735 kV hoặc 765kV đều là cuộn kháng một pha, có cấu trúc giống cuộn kháng một pha ở cấp điện áp 500 kV, tạo thành tổ cuộn kháng ba pha từ ba cuộn kháng một pha.3 Thông số kỹ thuật của CKBN Các thông số kỹ thuật của CKBN được quy định cụ thể trong các tiêu chuẩn như tiêu chuẩn IEC60076-6 [16] về CKBN, các CKBN được tính toán thiết kế và chế tạo với chế độ làm việc dài hạn, có các thông số định mức thể hiện trên nhãn máy, một số thông số chính như: - Số pha: m, thường lưới điện ba pha có thể dùng cuộn kháng ba pha hoặc tổ ba cuộn kháng một pha. - Công suất phản kháng định mức: Qđm (MVAr) là giá trị công suất phản kháng mà cuộn kháng nhận từ lưới điện tại điện áp và tần số định mức. Công suất thực tế khi hoạt động sẽ phụ thuộc vào điện áp lưới điện.

- Điện áp định mức: Uđm (kV) - Điện áp làm việc lớn nhất: Umax (kV), là giá trị điện áp lớn nhất cho phép đặt vào CKBN. CKBN có đặc tính tuyến tính trong dải điện áp tới giá trị điện áp lớn nhất này. Tương ứng với điện áp Umax khi đó công suất phản kháng mà CKBN nhận từ lưới điện sẽ là Qmax.