Điều khiển dòng điện không đồng pha trong cầu chì điện áp cao

Khi hai phần của mạng điện có cùng điện áp hoạt động được kết nối, hiện tượng chuyển mạch lệch pha xảy ra nếu các nguồn tương đương của chúng có góc pha khác nhau, với một số hoặc tất cả các pha lệch pha 180°. Trong quá trình chuyển mạch, cầu chì gặp phải điện áp nguồn có góc pha khác nhau, dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện lệch pha trong kết nối. Các dòng điện này phải được ngắt một cách đáng tin cậy bởi cầu chì ở cả hai bên kết nối.

Cụ thể, sự khác biệt về góc pha giữa các vectơ quay đại diện cho điện áp nguồn dẫn đến dạng sóng điện áp tức thời không đồng bộ, gây ra dòng điện và điện áp tạm thời lớn tại thời điểm chuyển mạch. Đối với điện áp phục hồi tạm thời (TRV), nhiệm vụ chuyển mạch này được đặc trưng bởi nguồn điện năng hoạt động ở cả hai bên cầu chì, tăng độ phức tạp và thách thức của quá trình chuyển mạch.

Như được minh họa trong Hình 1, giả sử nguồn điện S1 và S2 đại diện cho hai nguồn có góc pha khác nhau. Khi cầu chì chuyển mạch giữa hai nguồn này, sự khác biệt về góc pha có thể dẫn đến sự gia tăng đáng kể của dòng điện tạm thời, đặt ra yêu cầu ngắt mạch cao hơn đối với cầu chì. Do đó, cầu chì phải có khả năng đủ để xử lý các điều kiện căng thẳng cao, đảm bảo việc chuyển mạch an toàn và đáng tin cậy.

Tóm tắt các điểm chính

• Chuyển mạch lệch pha: Xảy ra khi chuyển mạch giữa hai nguồn có góc pha khác nhau.

• Dòng điện tạm thời: Dòng điện tạm thời đáng kể được tạo ra do sự khác biệt về góc pha.

• Điện áp phục hồi tạm thời (TRV): Nhiệm vụ chuyển mạch liên quan đến nguồn điện năng hoạt động ở cả hai bên cầu chì, tăng độ phức tạp.

• Yêu cầu cầu chì: Cầu chì phải có khả năng xử lý các điều kiện căng thẳng cao để đảm bảo việc chuyển mạch an toàn và đáng tin cậy.

Trong các nhiệm vụ chuyển mạch lỗi đã thảo luận trước đó, thành phần điện áp phục hồi tạm thời (TRV) trên phía tải cuối cùng giảm về không. Tuy nhiên, trong chuyển mạch lệch pha, thành phần TRV trên phía S2 dần dần giảm về điện áp phục hồi tần số công suất (RV) của nguồn S2. Như được minh họa trong Hình 2, giả sử rằng sự khác biệt về góc pha giữa hai nguồn là 90°, và các cuộn cảm ngắn mạch có trở kháng bằng nhau.

Do đó, đặc điểm chính của việc chuyển mạch lệch pha là đỉnh TRV cực kỳ cao, trong khi tốc độ tăng điện áp tái kích (RRRV) và dòng điện vẫn ở mức vừa phải. Vì đỉnh TRV dưới điều kiện lệch pha là cao nhất trong tất cả các nhiệm vụ chuyển mạch, nó thường được sử dụng làm chuẩn mực để đánh giá các điều kiện chuyển mạch phức tạp khác, như dọn dẹp lỗi trên đường dây truyền tải xa hoặc xử lý lỗi trên đường dây bù series.

Tóm tắt các điểm chính:

• TRV phía tải: Trong tất cả các trường hợp, thành phần TRV trên phía tải giảm về không. TRV phía S2 trong chuyển mạch lệch pha: Giảm về điện áp phục hồi tần số công suất (RV) của nguồn S2.

• Đỉnh TRV: Cực kỳ cao dưới điều kiện chuyển mạch lệch pha.

• RRRV và Dòng điện: Vẫn ở mức vừa phải.

• Tiêu chuẩn tham chiếu: Đỉnh TRV dưới điều kiện lệch pha là cao nhất, khiến nó trở thành tiêu chuẩn tham chiếu phổ biến để đánh giá các điều kiện chuyển mạch phức tạp khác.

Đặc điểm của TRV trong chuyển mạch lệch pha

Trong các kịch bản chuyển mạch lỗi đã thảo luận trước đó, thành phần điện áp phục hồi tạm thời (TRV) trên phía tải luôn giảm về không. Tuy nhiên, trong chuyển mạch lệch pha, thành phần TRV trên phía S2 giảm về điện áp phục hồi tần số công suất (RV) của nguồn S2. Điều này được minh họa trong Hình 2, nơi giả định rằng sự khác biệt về góc pha giữa hai nguồn là 90°, và các cuộn cảm ngắn mạch được coi là bằng nhau.

Mô tả chi tiết

Trong các kịch bản chuyển mạch lỗi đã thảo luận trước đó, thành phần điện áp phục hồi tạm thời (TRV) trên phía tải luôn giảm về không. Tuy nhiên, trong chuyển mạch lệch pha, thành phần TRV trên phía S2 giảm về điện áp phục hồi tần số công suất (RV) của nguồn S2. Như được minh họa trong Hình 2, điều này giả định một sự khác biệt về góc pha 90° giữa hai nguồn điện và các cuộn cảm ngắn mạch bằng nhau.

Do đó, các đặc điểm chính của việc chuyển mạch lệch pha là:

• Đỉnh TRV rất cao: Các giá trị đỉnh của TRV cao hơn đáng kể so với các chế độ chuyển mạch khác.

• RRRV và Dòng điện vừa phải: Tốc độ tăng điện áp tái kích (RRRV) và mức dòng điện vẫn ở mức vừa phải, bất chấp các đỉnh TRV cao.

Vì đỉnh TRV dưới điều kiện lệch pha là cao nhất trong tất cả các chế độ chuyển mạch, kịch bản này thường được sử dụng làm tiêu chuẩn tham chiếu để đánh giá các điều kiện chuyển mạch đặc biệt khác, như:

• Xóa lỗi trên đường dây truyền tải dài

• Xử lý lỗi trên đường dây bù series

Tóm tắt các điểm chính:

• TRV phía tải: Luôn giảm về không trong tất cả các kịch bản chuyển mạch lỗi.

• S2-side TRV in Phase Displacement: Giảm về điện áp phục hồi tần số công suất (RV) của nguồn S2.

• Đỉnh TRV: Cực kỳ cao dưới điều kiện chuyển mạch lệch pha.

• RRRV và Dòng điện: Vẫn ở mức vừa phải.

• Tiêu chuẩn tham chiếu: Đỉnh TRV dưới điều kiện lệch pha là cao nhất, khiến nó trở thành tiêu chuẩn tham chiếu phổ biến để đánh giá các điều kiện chuyển mạch phức tạp khác.

Hình 3 minh họa hai kịch bản có thể dẫn đến điều kiện lệch pha. Trong kịch bản đầu tiên (ảnh bên trái), máy phát điện bị kết nối vào lưới điện bằng cầu chì ở góc pha không chính xác. Trong kịch bản thứ hai (ảnh bên phải), các phần khác nhau của mạng truyền tải mất đồng bộ, thường do sự cố ngắn mạch xảy ra ở đâu đó trong mạng.

Trong cả hai trường hợp, dòng điện lệch pha chảy qua mạng, cần phải được ngắt một cách đáng tin cậy bởi cầu chì. Những tình huống này đặt ra những thách thức lớn cho hệ thống điện, vì sự lệch pha có thể dẫn đến dòng điện và điện áp tạm thời cao, đòi hỏi cầu chì phải xử lý các điều kiện cực đoan này hiệu quả.

Tóm tắt các điểm chính:

• Kịch bản 1 (Ảnh bên trái): Máy phát điện được kết nối vào lưới điện ở góc pha không chính xác, dẫn đến lệch pha.

• Kịch bản 2 (Ảnh bên phải): Các phần khác nhau của mạng truyền tải mất đồng bộ, thường do sự cố ngắn mạch, gây ra lệch pha.

• Dòng điện lệch pha: Trong cả hai kịch bản, dòng điện lệch pha chảy qua mạng.

• Yêu cầu cầu chì: Cầu chì phải ngắt đáng tin cậy các dòng điện lệch pha để duy trì sự ổn định và an toàn của hệ thống.

Chuyển mạch giữa máy phát và hệ thống

Khi sử dụng biến áp tăng áp, việc chuyển mạch giữa máy phát và hệ thống điện có thể diễn ra ở phía điện áp cao (HV) hoặc phía điện áp trung bình (MV) của biến áp. Việc chuyển mạch này có thể xảy ra không chỉ trong trường hợp lỗi hệ thống hoặc sự cố nhà máy điện, mà còn trong các sự kiện đồng bộ và phi đồng bộ.

Mức độ nghiêm trọng của tình trạng lệch pha phụ thuộc vào:

• Sự khác biệt về góc pha: Sự khác biệt về góc pha giữa máy phát và lưới điện càng lớn, tình trạng lệch pha càng nghiêm trọng.

• Trạng thái kích từ rotor: Mức độ kích từ trong rotor máy phát cũng ảnh hưởng đến mức độ nghiêm trọng của tình trạng lệch pha. Thông thường, hệ thống kiểm soát kích từ sẽ nhanh chóng giảm cường độ từ trường của rotor để giảm thiểu tác động của tình trạng lệch pha.

Để giải quyết những thách thức này, các nhà máy điện được trang bị nhiều thiết bị bảo vệ và kiểm soát:

• Thiết bị bảo vệ mất đồng bộ: Các thiết bị này phát hiện và ngăn chặn máy phát mất đồng bộ với lưới điện.

• Thiết bị kiểm tra đồng bộ: Các thiết bị này đảm bảo rằng máy phát được kết nối với lưới điện ở góc pha chính xác, ngăn ngừa tình trạng lệch pha.

• Thiết bị kiểm soát đồng bộ: Các thiết bị này giúp đạt được sự đồng bộ mượt mà giữa máy phát và lưới điện.

Hình 4 minh họa bố cục điển hình, hiển thị kết nối giữa biến áp tăng áp, máy phát và hệ thống điện, cũng như cấu hình của các thiết bị bảo vệ và kiểm soát liên quan.

Tóm tắt các điểm chính:

• Vị trí chuyển mạch: Chuyển mạch giữa máy phát và hệ thống điện có thể diễn ra ở phía điện áp cao (HV) hoặc phía điện áp trung bình (MV) của biến áp tăng áp.

• Tình trạng lệch pha: Mức độ nghiêm trọng của tình trạng lệch pha phụ thuộc vào sự khác biệt về góc pha và trạng thái kích từ rotor.

• Thiết bị bảo vệ và kiểm soát: Các nhà máy điện được trang bị thiết bị bảo vệ mất đồng bộ, thiết bị kiểm tra đồng bộ và thiết bị kiểm soát đồng bộ để đảm bảo việc chuyển mạch an toàn và đáng tin cậy.

2-Chuyển mạch giữa hai hệ thống:

Chuyển mạch giữa hai hệ thống điện thường xảy ra trong các tình huống mất cân bằng điện năng và mất ổn định hệ thống. Ví dụ, các sự cố lớn trong hệ thống, các tình huống trong quá trình khôi phục hệ thống, và do sự vận hành sai lệch của hệ thống bảo vệ.

Các đường dây truyền tải quan trọng hơn có thể được trang bị tính năng chặn chuyển mạch lệch pha trong hệ thống bảo vệ của chúng, hoặc có thể áp dụng một hệ thống bảo vệ toàn hệ thống đặc biệt để ngăn chặn sự tách rời của các hệ thống dưới các điều kiện lệch pha nghiêm trọng.

Kết luận về hiện tượng lệch pha:

• Dòng điện lệch pha định mức đã được đề xuất là 25% của dòng điện ngắn mạch định mức. Vì lý do kinh tế và thống kê, các giá trị đỉnh tối thiểu từ phân tích TRV đã được đề xuất: RV là 2.0 p.u. và quá mức là 25%.

• Khi hệ thống tách rời đi kèm với việc cắt đứt loạt các đường dây trên không và do đó làm tăng trở kháng hệ thống, giá trị tối đa 25% của dòng điện ngắn mạch định mức dường như là hợp lý, ngay cả ngày nay. Giá trị tối đa của dòng điện lệch pha là một tham số quan trọng cho khả năng của cầu chì điện áp cao.

• Các sự cố lớn cho thấy góc lệch pha lớn hơn nhiều so với các giá trị 105 độ đến 115 độ liên quan đến đỉnh TRV trong các tiêu chuẩn. Điều này áp dụng cho cả mạng lưới xuyên tâm và lưới mắt cáo; tuy nhiên, các sự kiện lịch sử đã cho thấy rằng các góc lệch pha lớn có thể xảy ra cùng lúc với điện áp hoạt động thấp. Sự kết hợp của góc lệch pha lớn và điện áp hoạt động thấp tạo ra các đỉnh TRV tương tự như những giá trị được đề cập trong các tiêu chuẩn cho các tình huống có góc lệch pha tương đối thấp và điện áp định mức (điện áp hoạt động tối đa).

• Cầu chì hệ thống truyền tải dùng để kết nối hoặc ngắt các nhà máy điện truyền thống cũng có thể chịu ảnh hưởng của chuyển mạch lệch pha. Để ngắt các nhà máy điện trong các dao động điện năng không ổn định, các xem xét tương tự như cho việc tách rời hệ thống là áp dụng, mặc dù cần cẩn thận với khả năng rằng điều kiện thử nghiệm lỗi hạn chế bởi biến áp phải được quy định.

• Để ngắt các nhà máy điện do đồng bộ hóa sai, các điều kiện và yêu cầu tương tự như được mô tả cho cầu chì máy phát điện áp trung bình là áp dụng, và các mô phỏng là cần thiết để đánh giá xem một thiết kế có thể đáp ứng nhiệm vụ hay không. Các mô phỏng của các sự kiện này nên bao gồm thời gian phản hồi của hệ thống bảo vệ, hiện tượng sụt điện áp của máy phát, và sự tăng/giảm tốc của rotor để xác định xem dòng điện lệch pha và TRV sau khi đồng bộ hóa sai các máy phát có bao gồm các điều kiện được quy định bởi người dùng, ví dụ, 180 độ.