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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.