Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Ngành: mạng và Hệ thống điện

Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động
điện áp trong lưới phân phối
của hệ thống điện

Nguyễn Ngọc Trung

Hà Nội 2006


Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động
điện áp trong lưới phân phối
của hệ thống điện
Ngành: mạng và Hệ thống điện
MÃ số: 02 - 06 - 07

Nguyễn Ngọc Trung


trình nào trước đây.

Người thực hiện

Nguyễn Ngọc Trung

Nguyễn ngọc trung - cao häc hT® 2004-2006


Mục lục
1
lời nói đầu
3
Liệt kê hình vẽ và bảng biểu
Liệt kê chữ viết tắt
5
Chương 1 Tổng quan về chất lượng điện năng và
chất lượng điện áp
6
1.1 Khái niệm chung.
6
1.2 Chất lượng điện áp
9
Chương 2 Các vấn đề về chất lượng đIện áp
20
2.1 Sụt giảm điện áp và mất điện áp
20
2.2 Quá điện áp quá độ
26
2.3 Sóng hài

Phụ lục
116
tài liệu tham khảo

Nguyễn ngọc trung - cao học hTđ 2004-2006


1

li núi u
Chất lượng điện thường được nói đến như giới hạn cho phép về độ lệch
điện áp, dao động điện áp, dạng sóng không hình sin của điện áp và dòng
điện, sự mất đối xứng điện áp trong lưới điện ba pha, độ lệch tần số. Trong các
tiêu chuẩn giới hạn đó thì giới hạn về dao động điện áp (nhất là sóng hài và
chớp nháy điện áp) là một trong những vấn đề lớn về chất lượng điện cần được
quan tâm, nhất là đối với các nước có nền công nghiệp phát triển và các nước
đang phát triển.
Lý do chọn đề tài:
Trong tiến trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước, việc nghiên
cứu dao động điện ¸p trong l­íi ®iƯn cã ý nghÜa rÊt lín. Nãi một cách khác, để
tồn tại và phát triển không ngừng nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp trong
cạnh tranh thị trường phải quan tâm đến vấn đề chất lượng điện năng, dao
động điện áp là một trong những vấn đề đó. Dao động điện áp qúa mức ảnh
hưởng rất xấu đến hoạt động của các thiết bị tiêu thụ điện nối vào lưới điện,
đến chất lượng sản phẩm, ảnh hưởng đến sinh hoạt và sức khoẻ của con người
như thị giác, thần kinh Tất cả những điều đó dẫn đến thiệt hại lớn cho nền
kinh tế quốc dân. Đối với những nhà máy điện ở gần phụ tải dao động xung,
dao động điện áp quá lớn do nguồn này gây ra luôn đi đôi với dao động công
suất có thể làm cho bộ phận điều chỉnh tuabin của máy phát điện phải hoạt
động liên tục ở chế độ công suất đó và kéo theo tình trạng dao động tần số.

Nghiên cứu dao động điện áp trong lưới phân
phối của hệ thống điện
Đối tượng nghiên cứu: Các nguyên nhân gây ra dao động điện áp, ảnh
hưởng của nó đến hệ thống điện và các biện pháp khắc phục. (đặc biệt là lò
điện hồ quang).
Phạm vi nghiên cứu: Lưới điện Khu công nghiệp Hưng Yên, ảnh hưởng
của lò điện hồ quang luyện thép của Công ty thép Hoà Phát đến các phụ tải
điện trong khu công nghiệp này.

Nguyễn ngọc trung - cao học hTđ 2004-2006


3

Liệt kê hình vẽ và bảng biểu
H×nh vÏ
H×nh 1.1: Sơt giảm điện áp do sự có chạm đất một pha
Hình 1.2: Sụt giảm điện áp do sự khởi động của động cơ lớn
Hình 1.3: Quá điện áp do sự cố chạm đất một pha
Hình 1.4 - Mất cân bằng điện áp
Hình 1.5 - Dạng sóng của dòng điện
Hình 1.6 - Dạng phổ của dòng điện
Hình 1.7 - Dạng sóng nhiễu loạn điện áp
Hình 1.8 - Dao động điện áp do hồ quang gây ra
Hình 1.9: Quá độ xung do sét
Hình 1.10: Xung dòng quá độ dao động
Hình 2.1: Máy biến áp cách ly
Hình 2.2: Bộ lọc tần số thấp
Hình 2.3: Điều hoà công suất trở kháng thấp
Hình 2.4: Đặc điểm ổn định tĩnh của máy ổn áp

Bảng
Bảng 2.1: Các thành phần thứ tự pha của sóng hài trong HT 3 pha cân bằng.
Bảng 3.1: Tính toán trị số R/X của các bộ phận cấu thành lưới điện.
Bảng 4.1: Giá trị (pu) của điện áp Uc và dòng điện Ic
Bảng 4.2: Giá trị (pu) của điện áp UC1 và dòng điện IC1
Bảng 4.3: Giá trị (pu) của điện áp Uc và dòng điện Ic
Bảng 4.4: Giá trị (pu) cđa Uc vµ Ic.

Ngun ngäc trung - cao häc hT® 2004-2006


5

Liệt kê chữ viết tắt

CSI

Current source Inverters

Bé biÕn ®ỉi ngn dòng

VSI

Voltage source Inverters

Bộ biến đổi nguồn áp

EMTP

ElectroMagnetic transients program

Thyristor Controlled Reactor

TCR

Bộ kháng điều khiĨn b»ng thyristor
Thyristor Switched Capacitor

TSC

Bé tơ ®ãng më b»ng thyristor
Thyristor Switched Reactor

TSR

Bộ kháng đóng mở bằng thyristor

Nguyễn ngọc trung - cao học hTđ 2004-2006

Bộ bảo vệ quá áp


6

Chương 1: tổng quan về chất lượng điện năng và cht lng in ỏp
Khái niệm chung.
Hiện nay, chất lượng điện năng đà trở thành vấn đề rất quan trọng.
ứng dụng cđa khoa häc kü tht trong ®iỊu khiĨn tù ®éng và các thiết bị điệnđiện tử ngày càng phát triển đà làm tăng sự quan tâm đến chất lượng điện
năng trong những năm gần đây và đi cùng là sự phát triển của các thuật ngữ để
miêu tả các hiện tượng này. ở đây sẽ miêu tả các thuật ngữ được sử dụng để
miêu tả về chất lượng điện năng. Định nghĩa đầu tiên của chất lượng điện

bằng điện áp. Vấn đề chính ở đây là các dòng không sin của các bộ chỉnh lưu
và bộ đổi điện. Dòng vào không chỉ chứa các thành phần tần số cơ bản (50Hz
hoặc 60Hz) mà còn các thành phần sóng hài với tần số tương ứng là bội số của
tần số cơ bản. Dao động điều hoà của dòng điện dẫn đến thành phần hài trong
nguồn cung cấp. Các thiết bị tạo ra dao động điều hoà, nhưng gần đây khi số
lượng các bộ biến đổi điện tử tăng mạnh, không chỉ các bộ truyền động có thể
điều chỉnh tốc độ lớn mà kể cả các thiết bị điện tử nhỏ, đà gây ra một lượng
lớn các dao động điện áp điều hoà.
Sự cần thiết phải tăng tiêu chuẩn hoá và các tiêu chuẩn thực hiện
Trước đây khi các khách hàng dùng điện không được chú ý, mất điện
áp và các mất cân bằng điện áp khác là một phần trong thoả thuận của khách
hàng với các công ty Điện lực. Bất kỳ khách hàng nào không hài lòng với độ
tin cậy và chất lượng điện năng thì đều phải trả cho công ty cung cấp để tăng
khả năng cung cấp.
Ngày nay khi tầm quan trọng của khách hàng tăng lên, ngay cả khi các
công ty Điện lực không cần làm giảm mất cân bằng điện áp thì vẫn phải xác
định nó bằng cách này hay cách khác. Điện năng được xem như một sản phẩm
với các đặc điểm xác định có thể đo lường, dự báo, đảm bảo, phát triển...Đây
là yếu tố xúc tiến cho chiều hướng tư nhân hoá và bÃi bỏ quy định của ngành
công nghiệp điện.

Nguyễn ngọc trung - cao häc hT® 2004-2006


8

Trong quá khứ một khách hàng sẽ có một hợp đồng với ngành điện để
nhận được năng lượng điện với chất lượng và độ tin cậy. Ngày nay, chỉ cần
khách hàng có hợp đồng với công ty cung cấp điện địa phương, nơi có thể đảm
bảo cung cấp điện với chất lượng và độ tin cậy. Bên cạnh đó, sự đáp ứng chất

Chất lượng điện năng trong hầu hết các trường hợp là chất lượng của

điện áp. Về mặt kỹ thuật, công suất là định mức của năng lượng cung cấp và
là tích số của dòng điện và điện áp. Hệ thống cung cấp công suất có thể chỉ
điều khiển chất lượng của điện áp, nó không điều khiển dòng điện. Chính vì
vậy các tiêu chuẩn chất lượng điện năng chủ yếu được giành cho điều chỉnh
điện áp cung cấp trong giới hạn cho phép. Hệ thống điện xoay chiều được
thiết kế để hoạt động với điện áp định mức có tần số cơ bản (50 hoặc 60Hz).
Bất kỳ sự sai lệch đáng kể nào trong biên độ dạng sóng, tần số sẽ gây ra vấn
đề về chất lượng điện áp.
Dĩ nhiên, thường có mối quan hệ gần giữa điện áp và dòng điện trong
bất kỳ hệ thống điện thực tế nào. Mặc dù các máy phát có thể cung cấp điện
áp sóng sin gần hoàn hảo nhưng dòng điện qua trở kháng của hệ thống có thể
gây ra các mất cân bằng lớn trong điện áp. Ví dụ:
Dòng điện ngắn mạch có thể gây cho điện áp sụt giảm hoặc mất điện
áp.
Dòng điện sét qua hệ thống điện sẽ gây ra điện áp xung cao thường
xuyên quá mức cách điện, ảnh hưởng đến các hiện tượng khác như ngắn
mạch.
Dòng điện dao động từ các tải tạo ra sóng hài cũng làm méo điện áp khi
chúng qua trở kháng của hệ thống. Chính vì vậy sẽ làm xuất hiện các dao
động điện áp tại các thiết bị sử dụng khác trong hệ thống điện.
Do đó, trong khi quan tâm nghiên cứu chất lượng điện áp đồng thời ta
cũng phải lưu ý đến các hiện tượng của dòng điện để có thể hiểu được cơ bản
các vấn đề của chất lượng điện năng.
1.2.1 Độ lệch điện áp thêi gian dµi (Long-duration Voltage Variations)

Ngun ngäc trung - cao häc hT® 2004-2006




Nguyễn ngọc trung - cao học hTđ 2004-2006


11

trạng sự cố có thể gần hoặc xa điểm quan tâm. Trong các trường hợp khác
nhau, sự tác động tới điện áp trong suốt quá trình sự cố là các biến đổi thời
gian ngắn cho đến khi các thiết bị bảo vệ hoạt động để loại trừ sự cố.
Mất điện áp (Interruptions)
Hiện tượng mất điện áp xảy ra khi nguồn cung cấp hoặc dòng tải giảm
thấp hơn 10% giá trị định mức trong thời gian không vuợt quá 1 phút.
Mất điện áp có thể là kết quả của sự cố trong hệ thống điện, sự không
hoạt động của thiết bị và các sự cố trong điều khiển. Mất điện áp được đo bởi
thời gian từ khi biên độ của điện áp nhỏ hơn 10% giá trị danh định. Thời gian
của mất điện áp theo sự cố trong hệ thống được định nghĩa bởi thời gian hoạt
động của thiết bị bảo vệ. Tự đóng lại tức thời sẽ có thể giới hạn mất điện áp
gây bởi các sự cố vĩnh cửu giảm dưới 30 chu kỳ. Sự trì hoÃn việc tự động đóng
lại của các thiết bị bảo vệ có thể gây ra sự mất điện áp. Thời gian của mất điện
áp theo sự cố thiết bị hoặc đứt dây cã thĨ kh«ng theo quy lt.
Cã thĨ xt hiƯn hiƯn tượng sụt giảm điện áp trước khi có mất điện áp
do sự cố trong hệ thống. Sự sụt giảm điện áp xuất hiện giữa thời gian của sự cố
và hoạt động của thiết bị bảo vệ.
Sụt giảm điện áp (Sags)
Sụt giảm điện áp là sự giảm điện áp khoảng 10% đến 90% giá trị điện
áp hoặc dòng điện tại tần số công nghiệp trong thời gian từ 0.5 chu kỳ đến 1
phút (hình 1.1).

Hình 1.1: Sụt giảm điện áp do sự có chạm đất một pha



Hình 1.4 - Mất cân bằng điện áp
Tỷ lệ giữa thành phần thứ tự nghịch hoặc thứ tự không với thành phần
thứ tự thuận có thể sử dụng để xác định phần trăm mất cân bằng điện áp. Các
tiêu chuẩn gần đây cho thấy rằng sử dụng phương pháp thứ tự nghịch có thể
đánh giá được mất cân bằng điện áp.
Nguyên nhân chính của mất cân bằng điện áp nhỏ hơn 2% là tải đơn
pha trong mạch điện 3 pha. Mất cân bằng điện áp cũng có thể là nguyên nhân
do đứt cầu chì trong mét pha cđa bé tơ ba pha. Mét vµi mất cân bằng điện áp
(lớn hơn 5%) có thể gây ra bởi tình trạng đơn pha.
1.2.4 Độ méo dạng sóng (Waveform Distortion)
Độ méo dạng sóng được định nghĩa như là sự biến đổi trạng thái ổn
định từ một dạng sóng sin lý tưởng của tần số cơ bản. Độ méo dạng sóng được

Nguyễn ngọc trung - cao học hTđ 2004-2006


14

thể hiện bởi thành phần phổ của biến đổi. Có 5 dạng chính của độ méo dạng
sóng:
Dòng, áp 1 chiều (DC offset)
Sóng hài
Đa hài
Nhiễu loạn (Notching)
Tạp âm (noise)
DC offset. Sự có mặt của dòng và áp một chiều trong hệ thống điện
xoay chiều được định nghĩa là DC offset. Điều này có thể xuất hiện như là kết
quả của sự nhiễu loạn từ tính hoặc tính không đối xứng của các bộ biến đổi
công suất ®iƯn tư. Dßng ®iƯn mét chiỊu trong hƯ thèng ®iƯn xoay chiều có thể

Notching. Notchinh là sự nhiễu loạn điện áp theo chu kỳ gây bởi hoạt
động bình thường của các thiết bị điện tử công suất khi dòng điện được giao
hoán giữa pha này với pha kia.

Nguyễn ngọc trung - cao häc hT® 2004-2006


16

Khi sự nhiễu loạn điện áp xuất hiện liên tiếp, nó có thể được thể hiện
qua hình ảnh sóng hài của điện áp tác dụng. Tuy nhiên nó thường được xem
như một hiện tượng đặc biệt. Thành phần tần số liên quan với sự nhiễu loạn
điện áp có thể rất cao và có thể không dễ dàng mô tả bằng các thiết bị đo
lường thông thường sử dụng cho tính toán sóng hài. Hình 1.7 là một ví dụ về
nhiễu loạn điện áp từ một thiết bị biến đổi ba pha.

Hình 1.7 - Dạng sóng nhiễu loạn điện áp
Tạp âm (Noise). Tạp âm được định nghĩa như là tín hiệu điện không
mong muốn với thành phần dải thấp hơn 200kHz trên cùng điện áp hoặc dòng
điện trong pha dẫn, hoặc tìm thấy trong dây dẫn trung tính hoặc đường dây tín
hiệu.
Tạp âm trong hệ thống điện có thể từ các thiết bị điện tử công suất, các
mạch điện điều khiển, các thiết bị hồ quang, tải và các bộ chỉnh lưu một chiều,
và chuyển mạch nguồn cung cấp. Vấn đề tạp âm thường tăng lên bởi nối đất
không đúng dẫn đến tạp âm phát triển trong hệ thống điện. Cơ bản, tạp âm bao
gồm bất kỳ dao động không mong muốn nào của tín hiệu công suất mà không
giống như sóng hài hay quá độ. Tạp âm làm nhiễu loạn các thiết bị ví dụ như
các máy tính và các chương trình điều khiển. Vấn đề này có thể hạn chÕ b»ng
c¸ch sư dơng c¸c bé läc, c¸c m¸y biÕn áp cách ly và điều hoà đường dây.


18

Quá độ xung (Impulsive Transient)
Quá độ xung là sự thay đổi tần số đột ngột của điện áp, dòng điện
hoặc cả hai theo một hướng của cực (hoặc cực âm hoặc cực dương).
Các quá độ xung thường đặc trưng bởi độ tăng và thời gian phân rà của
chúng. Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này là do sét. Hình 1.9
thể hiện một dạng sóng quá độ xung dòng gây bởi sóng sét.

Hình 1.9: Quá độ xung do sét
Bởi bao gồm tần số cao, hình dạng của quá độ xung có thể thay
đổi nhanh chóng bởi các thành phần của mạch điện và có thể có các
đặc điểm giá trị khác nhau khi xem xét từ các phần khác nhau của hệ
thống. Quá độ xung thường không xa nguồn nơi xung vào hệ thống.
Quá độ xung có thể kích thích tần số cơ bản của mạch điện và tạo ra
xung dao động.
Quá độ dao động (Oscillatory Transient)
Quá độ dao động là một sự thay đổi tần số đột ngột của điện áp,
dòng điện hoặc cả hai theo cả giá trị cực âm và cực dương. Một quá độ
dao động bao gồm điện áp và dòng điện có giá trị tức thời thay đổi
theo cực rất nhanh. Dạng xung dòng quá độ dao động nguyên nhân bởi
đóng cắt tụ được thể hiện như hình 1.10.

Nguyễn ngọc trung - cao häc hT® 2004-2006


19

Hình 1.10: Xung dòng quá độ dao động
Các quá độ dao động với thành phần tần số chính cao hơn 500kHz

sự dao động điện áp khỏi ngưỡng hoạt động bình thường của điện áp hệ thống.
Sụt giảm điện áp là một quá trình diễn ra trong thời gian ngắn (thông
thường 0.5 tới 30 chu kỳ), nguyên nhân bởi sự cố trong hệ thống hoặc khởi
động của các tải lớn, như động cơ. Mất điện áp tức thời (thường nhỏ hơn 2 đến
5s) thường là kết quả của các hoạt động để tách sự cố quá độ trong hệ thống,
Hiện tượng mất điện áp có thời gian lâu hơn 1 phút thường là do các sự cố xác
lập gây ra.
Các công ty Điện lực đang phải đối mặt với sự phàn nàn về chất lượng
điện năng do hiện tượng sụt giảm và mất điện áp gây ra cho khách hàng. Các
khách hàng ngày càng có nhiều tải dễ bị ảnh hưởng bởi sự cố trong hệ thống.
Các máy tính điều khiển mất bộ nhớ, các qui trình sản xuất ngày càng phức
tạp cũng mất rất nhiều thời gian để khởi động lại. Các ngành công nghiệp phải
dựa nhiều vào các thiết bị tự động để đạt được hiệu suất lớn nhất để duy trì sức
cạnh tranh. Vì vậy, các hiện tượng này có tác động rất lớn về mặt kinh tế.
2.1.1 Đánh giá hiện tượng sụt giảm điện áp
Đánh giá hiện tượng sụt giảm điện áp của nguồn cung cấp để các thiết bị
có thể được thiết kế và phát triển các thông số kỹ thuật nhằm tối ưu hoạt động
của chúng. Trong các quy trình sản xuất, để đảm bảo sự tương thích giữa đặc
điểm nguồn và hoạt động của hệ thống thì phải chú ý:
Xác định số lượng và đặc điểm của hiện tượng sụt giảm điện áp do sự
cố trong hệ thống truyền tải.
Xác định số lượng và đặc điểm của hiện tượng sụt giảm điện áp do sự
cố trong hệ thống phân phèi.

Ngun ngäc trung - cao häc hT® 2004-2006