Giáo trình Bảo vệ Rơle và tự động hóa - Chương 11: Tự động điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng

159

Chương 11: TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN

ÁP VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

I. Khái niệm chung:

Duy trì điện áp bình thường là một trong những biện pháp cơ bản để đảm bảo chất

lượng điện năng của hệ thống điện. Điện áp giảm thấp quá mức có thể gây nên độ trượt

quá lớn ở các động cơ không đồng bộ, dẫn đến qúa tải về công suất phản kháng ở các

nguồn điện. Điện áp giảm thấp cũng làm giảm hiệu quả phát sáng của các đèn chiếu sáng,

làm giảm khả năng truyền tải của đường dây và ảnh hưởng đến độ ổn định của các máy

phát làm việc song song. Điện áp tăng cao có thể làm già cỗi cách điện của thiết bị điện

(làm tăng dòng rò) và thậm chí có thể đánh thủng cách điện làm hư hỏng thiết bị.

Điện áp tại các điểm nút trong hệ thống điện được duy trì ở một giá trị định trước

nhờ có những phương thức vận hành hợp lí, chẳng hạn như tận dụng công suất phản

kháng của các máy phát hoặc máy bù đồng bộ, ngăn ngừa quá tải tại các phần tử trong hệ

thống điện, tăng và giảm tải hợp lí của những đường dây truyền tải, chọn tỷ số biến đổi

thích hợp ở các máy biến áp ...

Điện áp cũng có thể được duy trì nhờ các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK)

của các máy phát điện và máy bù đồng bộ, các thiết bị tự động thay đổi tỷ số biến đổi của

máy biến áp, các thiết bị tự động thay đổi dung lượng của các tụ bù tĩnh ...

II. Thiết bị TĐK:

Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) được sử dụng để duy trì điện áp theo một

đặc tính định trước và để phân phối phụ tải phản kháng giữa các nguồn cung cấp trong

tình trạng làm việc bình thường của hệ thống điện.

II.1. Các nguyên tắc thực hiện tự động điều chỉnh kích từ:

Máy phát được đặc trưng bằng sức điện động E_Fvà điện kháng X_F(hình 11.5). Áp

đầu cực máy phát được xác định theo biểu thức :

.

U_F= E_F− jI_FX _F

(11.2)

Nếu E_F= const, khi I_Fthay đổi thì U_Fthay đổi, để giữ U_F= const thì phải thay đổi

E_Ftức là thay đổi kích từ máy phát.

Theo nguyên tắc tác động, thiết bị tự động điều chỉnh điện áp được chia thành 3

nhóm:

Điều chỉnh điện áp theo độ lệch của đại lượng được điều chỉnh (ví dụ, theo độ

lệch của U_F).

Điều chỉnh điện áp tùy thuộc vào tác động nhiễu (ví dụ, theo dòng điện của máy

phát I_F, theo góc ϕ giữa điện áp và dòng điện của máy phát, ...).

160

Điều chỉnh điện áp theo độ lệch của đại lượng được điều chỉnh và theo tác động

nhiễu.

Hình 11.5 : Sơ đồ thay thế và đồ thị véctơ điện áp của máy phát

Đối với các máy phát điện dùng máy kích thích một chiều, các thiết bị điều chỉnh

điện áp có thể chia thành 2 nhóm:

a) Thay đổi kích từ máy phát nhờ thay đổi R_KTtrong mạch cuộn kích từ W_KTcủa

máy kích thích KT một cách từ từ nhờ con trượt (hình 11.6 a) hoặc nối tắt một phần R_KT

theo chu kỳ (hình 11.6 b).

Hình 11.6 : Thay đổi kích từ máy phát nhờ thay đổi R_KT

b) Thay đổi kích từ máy phát nhờ dòng kích từ phụ I_KTftỷ lệ với ∆U hoặc I_Fhoặc cả

2 đại lượng ∆U và I_F. Dòng kích từ phụ có thể đưa vào cuộn kích từ chính W_KT(hình

11.7 a) hoặc cuộn kích từ phụ W_KTf(hình 11.7 b) của máy kích thích.

161

Hình 11.7 : Thay đổi kích từ máy phát nhờ dòng kích từ phụ

II.2. Compun dòng điện:

Thiết bị compun dòng điện tác động theo nhiễu dòng điện I_Fcủa máy phát. Sơ đồ

cấu trúc của thiết bị compun kích từ máy phát như hình 11.8. Dòng thứ cấp I₂của BI tỷ lệ

với dòng I_F. Dòng này biến đổi qua máy biến áp trung gian BTG, được chỉnh lưu và được

đưa vào cuộn kích từ W_KTcủa máy kích thích. Dòng đã được chỉnh lưu I_Kgọi là dòng

compun đi vào cuộn W_KTcùng hướng với dòng I_KTtừ máy kích thích. Như vậy dòng

tổng (I_KT+ I_K) trong cuộn kích từ W_KTcủa máy kích thích phụ thuộc vào dòng I_Fcủa

máy phát.

Biến áp BTG để cách ly mạch kích từ của máy kích thích với mạch thứ BI có điểm

nối đất, ngoài ra nhờ chọn hệ số biến đổi thích hợp có thể phối hợp dòng thứ I₂của BI với

dòng compun I_K.

Biến trở đặt R_đđể thay đổi một cách đều đặn dòng I_Kkhi đưa thiết bị compun vào

làm việc, cũng như khi tách nó ra.

Hình 11.8 : Sơ đồ cấu trúc của thiết bị compun kích từ máy phát

162

Hình 11.9 : Đặc tính thay đổi điện áp U_F

của máy phát ứng với các cosϕ khác nhau

Ưu điểm của thiết bị compun là đơn giản, tác động nhanh. Nhưng có một số nhược

Compun tác động theo nhiễu, không có phản hồi để kiểm tra và đánh giá kết

điểm:

quả điều chỉnh.

Đối với sơ đồ nối compun vào cuộn kích từ W_KTcủa máy kích thích như hình

11.7a, khi I_F< I_Fminthì U_Fthay đổi giống như trường hợp không có compun (hình 11.9).

Dòng I_Fmingọi là ngưỡng của compun. Thường I_Fmin= (10 ÷ 30)%I_Fđm. Tuy nhiên máy

phát thường không làm việc với phụ tải nhỏ như vậy nên nhược điểm này có thể không

cần phải quan tâm.

Compun không phản ứng theo sự thay đổi của điện áp và cosϕ, do vậy không thể

duy trì một điện áp không đổi trên thanh góp điện áp máy phát. Trên hình 1.19 là đặc tính

thay đổi điện áp U_Ftheo I_F. Ta thấy với cùng một giá trị I_F, thiết bị compun sẽ điều chỉnh

điện áp U_Fđến những giá trị khác nhau ứng với các trường hợp cosϕ khác nhau.

Hình 11.10 : Sơ đồ cấu trúc của correctơ điện áp

163

II.3. Correctơ điện áp:

Correctơ điện áp là thiết bị tự động điều chỉnh kích từ tác động theo độ lệch điện

áp, thường được dùng kết hợp với thiết bị compun kích từ để điều chỉnh điện áp ở đầu

cực máy phát một cách hiệu quả.

Hình 11.10 là sơ đồ cấu trúc của correctơ điện áp, trong đó bao gồm: bộ phận đo

lường ĐL và bộ phận khuyếch đại KĐ. Bộ phận đo lường ĐL nối với máy biến điện áp

BU qua tự ngẫu đặt TNĐ. Khi điện áp thay đổi, bộ phận đo lường ĐL sẽ phản ứng và

điều khiển sự làm việc của bộ phận khuyếch đại KĐ. Tự ngẫu đặt TNĐ để thay đổi mức

điện áp máy phát cần phải duy trì bởi correctơ. Bộ phận khuyếch đại KĐ cũng được cung

cấp từ BU và đưa dòng correctơ đã được chỉnh lưu I_Cvào cuộn kích từ phụ W_KTfcủa máy

kích thích. Dòng I_Cđi qua cuộn kích từ phụ cùng hướng với dòng trong cuộn kích từ

chính W_KTcủa máy kích thích.

Bộ phận đo lường gồm 2 phần tử (hình 11.11a): phần tử tuyến tính TT và phần tử

không tuyến tính KTT. Phần tử tuyến tính TT tạo nên dòng điện tuyến tính I_TTtỷ lệ với

điện áp U_Fcủa máy phát, phần tử không tuyến tính KTT tạo nên dòng điện I_KTTphụ

thuộc một cách không tuyến tính vào điện áp U_Fcủa máy phát (hình 11.11b).

Hình 11.11 : Bộ phận đo lường

a) Sơ đồ khối chức năng b) Đặc tính quan hệ của dòng I_TTvà I_KTTvới áp đầu vào

Bộ phận đo lường làm việc theo nguyên tắc so sánh dòng I_TTvà I_KTT. Từ đặc tính

trên hình 11.11b ta thấy rằng: khi U_F= U₀(U₀là một điện áp xác định trên thanh góp nối

máy phát), dòng I_TT= I_KTT, lúc ấy sẽ có dòng I_Cminnhỏ nhất đưa ra từ correctơ. Khi U_F

giảm, ví dụ giảm đến U₁thì I_TT> I_KTTvà tín hiệu từ bộ phận đo lường ĐL sẽ điều khiển

bộ phận khuyếch đại KĐ làm tăng dòng I_Cđưa vào cuộn kích từ phụ W_KTfcủa máy kích

thích để tăng U_Flên.

Khi điện áp U_Ftăng, ví dụ tăng tới U₂thì I_KTT> I_TT, lúc này cũng xuất hiện dòng I_C

> I_Cminlàm tăng U_Fthêm nữa. Để ngăn ngừa correctơ tác động không đúng như vậy,

trong sơ đồ của correctơ có bố trí một phần tử khóa khi I_KTT>I_TT.

Đặc tính của correctơ là quan hệ giữa dòng I_Cvới điện áp trên thanh góp nối máy

phát như hình 11.12.

Điểm a, tương ứng với khi I_C= I_{C max}, xác đinh khả năng tăng cường kích từ lớn

nhất có thể đảm bảo bởi correctơ. Dòng I_{C min}tại điểm d xác định khả năng giảm kích từ

164

thấp nhất khi U_Ftăng. Sự giảm thấp của đặc tính ở đoạn ac là do điện áp nguồn cung cấp

cho correctơ bị giảm thấp cùng với sự giảm thấp U_F. Đoạn de nằm ngang do tác dụng của

phần tử khóa khi I_KTT> I_TT.

Sơ đồ correctơ đã khảo sát trên là

loại một hệ thống. Đầu ra của correctơ

một hệ thống thường nối như thế nào

để I_Cđi qua cuộn kích từ phụ W_KTf

thuận chiều với dòng I_KTtrong cuộn

kích từ chính W_KT. Correctơ nối như

vậy được gọi là correctơ thuận. Trong

một số trường hợp người ta nối đầu ra

của correctơ thế nào để dòng I_Cđi qua

cuộn W_KTfngược hướng với dòng I_KT

trong cuộn kích từ

Correctơ nối như vậy được gọi là

correctơ nghịch.

chính W_KT.

Hình 11.12 : Đặc tính của correctơ

Ở những máy phát thủy điện công suất lớn, người ta dùng correctơ 2 hệ thống (hình

11.13a) bao gồm 2 correctơ một hệ thống. Một hệ thống là correctơ thuận đưa dòng vào

cuộn W_KTf1thuận chiều với dòng trong cuộn W_KT. Hệ thống thứ 2 là correctơ nghịch đưa

dòng vào cuộn W_KTf2theo hướng ngược lại.

Đặc tính của correctơ 2 hệ thống (hình 11.13b) được lựa chọn thế nào để khi U_F

giảm thì correctơ thuận làm việc, còn khi U_Ftăng thì correctơ nghịch làm việc.

Hình 11.13 : Sơ đồ nguyên lí của correctơ 2 hệ thống

CP : thiết bị compun

a) Sơ đồ nối

TNĐ : tự ngẫu đặt

b) Đặc tính của correctơ

II.4. Compun pha:

Phần tử chính của compun pha là một máy biến áp đặc biệt có từ hóa phụ BTP

(hình 11.14). Trên lõi của BTP bố trí 2 cuộn sơ cấp (cuộn dòng W_Ivà cuộn áp W_U), một

cuộn thứ cấp W_Tvà một cuộn từ hóa phụ W_P.

165

Từ thông của cuộn W_Itỷ lệ I_F, còn của cuộn W_Utỷ lệ U_F. Do đó, dòng trong cuộn

W_Ktỷ lệ với tổng các thành phần này. Dòng này được chỉnh lưu và đưa vào cuộn kích từ

của máy kích thích.

Như vậy, compun pha thực hiện việc điều chỉnh kích từ máy phát không chỉ theo

dòng điện, mà còn theo điện áp và góc lệch pha giữa chúng. Nhờ đó đảm bảo hiệu quả

điều chỉnh cao.

Tuy nhiên compun pha là một thiết bị tác động theo nhiễu nên không thể giữ không

đổi điện áp của máy phát, do đó cần có hiệu chỉnh phụ. Việc hiệu chỉnh điện áp được

thực hiện nhờ correctơ cung cấp dòng I_Ccho cuộn từ hóa phụ W_Pcủa BTP.

Hình 11.14 : Sơ đồ cấu trúc của comun pha

III. Điều chỉnh và phân phối công suất phản kháng giữa

các máy phát điện làm việc song song:

Khi thay đổi kích từ của máy phát

điện làm việc song song với các máy phát

khác, công suất phản kháng của nó cũng

thay đổi theo. Vì vậy vấn đề điều chỉnh

kích từ của máy phát có liên quan chặt

chẽ với vấn đề điều chỉnh và phân phối

công suất phản kháng trong hệ thống điện

lực. Điều chỉnh điện áp có thể được thực

hiện theo đặc tính độc lập hoặc đặc tính

phụ thuộc (hình 11.15). Dưới đây ta sẽ

xét đến một số trường hợp sử dụng TĐK

để tự động hóa quá trình điều chỉnh điện

1 - độc lập 2 - phụ thuộc

Hình 11.15 : Đặc tính điều chỉnh điện áp

166

áp và công suất phản kháng.

Hình 11.16 : Hai máy phát làm việc song song tại thanh góp điện áp máy phát

a) Sơ đồ b) Đặc tính điều chỉnh

III.1. Trường hợp 2 máy phát làm việc song song nối chung ở thanh

góp điện áp máy phát:

Giả thiết các máy phát có đặc tính điều chỉnh như hình 11.16, hai máy phát có

chung U’_Fứng với I’_F1và I’_F2. Khi tải tăng thì U_Fgiảm đến U”_Fứng với I”_F1và I”_F2. Để

đảm bảo giữ không đổi sự phân phối công suất phản kháng giữa các máy phát làm việc

song song theo một tỷ lệ định trước thì điều kiện cần và đủ là ở điểm nối chung các máy

phát phải có đặc tính điều chỉnh phụ thuộc.

∆I _F1tgα₁K _PT1

=

∆I _F2tgα₂K _{PT 2}

K_PT: Hệ số phụ thuộc, đặc trưng cho độ dốc của đặc tính. K_PTnhỏ thì độ dốc đặc

tính ít và ∆I_Flớn, tức công suất phản kháng phân phối tỷ lệ nghịch với K_PT

III.2. Trường hợp hai máy phát làm việc song song nối chung qua máy

biến áp:

Nếu các máy phát làm việc song song nối chung qua máy biến áp (hình 11.17) thì mặc dù

đặc tính điều chỉnh của chúng là độc lập, tỷ lệ phân phối công suất phản kháng giữa

chúng vẫn ổn định vì ở điểm nối chung đặc tính điều chỉnh của chúng là phụ thuộc.

U_F1= U_F2= hằng số

U_TG= U_F1- I_F1.X_B1= U_F2- I_F2.X_B2≠ hằng số

167

Khi công suất phản kháng thay đổi, tức khi I_F∑và tương ứng I_F1và I_F2thay đổi thì

U_TGthay đổi, do vậy chỉ cần tại điểm nối chung của các máy phát có đặc tính phụ thuộc

thì sự phân bố công suất phản kháng giữa chúng là ổn định.

Hình 11.17 : Hai máy phát làm việc song song nối chung qua máy biến áp

IV. Điều chỉnh điện áp trong mạng phân phối:

Điện áp trên thanh góp hạ áp của trạm (hình 11.18) là:

⎛

⎞

Pr + Qx 1

U_B= ⎜U_F−

⎟

U^'_B

k

⎝

⎠

trong đó: U_F: điện áp trên thanh góp đầu cực của máy phát.

U’_B: điện áp trên thanh góp cao áp của trạm.

r , x : tổng điện trở tác dụng, phản kháng của đường dây và máy biến áp.

k

: tỷ số biến đổi của máy biến áp.

Từ biểu thức trên có thể kết luận rằng, việc điều chỉnh điện áp U_Bcung cấp cho các

hộ tiêu thụ có thể thực hiện được bằng cách:

- thay đổi U_F(nhờ sử dụng TĐK).

- thay đổi tỷ số biến đổi k của máy biến áp

- thay đổi công suất phản kháng Q truyền trên đường dây bằng cách điều chỉnh

kích từ của máy bù hay động cơ đồng bộ, hoặc đóng cắt bộ tụ bù ở trạm.

168

Hình 11.18 : Sơ đồ mạng để giải thích nguyên tắc điều chỉnh điện áp

* Tự động điều khiển bộ tụ bù ở trạm:

Xét một sơ đồ điều chỉnh điện áp bằng bộ tụ bù đặt ở trạm giảm áp. Việc điều khiển

các bộ tụ được thực hiện theo một chương trình định trước, ví dụ nhờ đồng hồ điện. Trên

hình 11.20, khi tiếp điểm của đồng hồ điện ĐH đóng vào một thời điểm đặt trước thì rơle

thời gian 1RT tác động đóng tiếp điểm 1RT₁, cuộn đóng CĐ có điện, máy cắt đóng lại

đưa bộ tụ bù vào làm việc.

Khi đóng máy cắt thì các tiếp điểm phụ liên động của nó cũng chuyển mạch để mở

mạch cuộn dây rơle 1RT và đóng mạch cuộn dây rơle 2RT sẵn sàng cho thao tác cắt bộ tụ

ra sau đó.

Hình 11.20 : Sơ đồ tự động đóng cắt bộ tụ bù

Đến thời điểm công suất phản kháng tiêu thụ giảm xuống thì tiếp điểm ĐH lại khép,

rơle thời gian 2RT làm việc và máy cắt sẽ cắt ra.

Hai rơle thời gian 1RT và 2RT cần có thời gian đóng trễ nhằm mục đích mỗi lần

đóng tiếp điểm ĐH chỉ kèm theo một thao tác đóng hoặc cắt bộ tụ.

Khi bảo vệ BV của bộ tụ tác động thì rơle RG có điện, tiếp điểm RG₂đóng lại để tự

giữ, tiếp điểm RG₃mở mạch cuộn đóng CĐ của máy cắt, tiếp điểm RG₁đóng đưa điện

vào cuộn cắt CC và máy cắt sẽ cắt bộ tụ ra. Nút ấn N để giải trừ tự giữ của rơle RG.

169