Công nghệ mới nhất cho máy cắt tụ

      Trong hệ thống điện để cân bằng công suất phản kháng Q giữa nguồn phát điện và phụ tải là một việc  không đơn giản và không dễ thực hiện. Khi truyền tải một lượng điện năng tới phụ tải qua rất nhiều cấp điện áp tương ứng với nhiều cấp biến đổi qua MBA làm suy giảm công suất phản kháng. Và trong các phụ tải lại có các phụ tải tiêu thụ Q. Việc bù công suất phản kháng trong hệ thống điện không chỉ đảm bảo cho việc cân bằng công suất phản kháng mà còn làm giảm tổn thất công suất và điện năng cũng như để ổn định điện áp tại các điểm nút đặt thiết bị bù. Để thực hiện, tại các điểm nút lưới 110kV và  lưới trung áp người ta lắp các dàn tụ bù ngang để bù Q cho hệ thống.
     Trong các dàn tụ bù ngang, việc đóng xung điện vào các dàn tụ, các tụ điện được nạp điện và sẽ sinh ra các đại lượng điện thay đổi đột biến gây ra dao động cho lưới về quá dòng đột ngột và quá điện áp đột ngột làm chọc thủng cách điện của các thiết bị điện trong hệ thống và làm hỏng các thiết bị . Đặc biệt với các trạm vận hành  hai dàn tụ song song thì các dao động điện sinh ra khi đóng các dàn tụ (back to back switching) là có biên độ lớn hơn và nguy hiểm hơn cho các thiết bị trong hệ thống.   
      Hiện nay, trong hệ thống điện của Việt Nam, để ngăn chặn các dao động điện khi đóng xung điện cho các dàn tụ làm ảnh hưởng tới hệ thống bằng việc thiết kế dàn tụ mắc nối tiếp với kháng điện khô có giá thành đắt bằng hoặc thậm chí đắt hơn bộ máy cắt cùng cấp điện áp để cản dịu biên độ xung của các dao động này. Để bảo vệ cho máy cắt không bị xếp chồng cộng hưởng quá điện áp khi đóng máy cắt cho dàn tụ, phải lựa chọn thời điểm đóng qua điểm có trị số điện áp 0 vôn cho tất cả 3 pha của máy cắt. Việc này có thể thực hiện được bằng cách điều chỉnh độ lệch thời gian đóng giữa các pha của máy cắt  bằng cách sử dụng rơ le đồng bộ điều khiển lựa chọn thời điểm đóng từng pha máy cắt dàn tụ. Gía thành một rơ le đồng bộ điều khiển lựa chọn đóng cho dàn tụ cũng đắt gần bằng một bộ máy cắt cùng cấp điện áp.
      Để thiết kế cho một dàn tụ bù ngang 110kV theo hiện tại thì phải bỏ ra một diện tích đất cho ngăn lộ lớn hơn diện tích đất đối với một ngăn lộ bình thường. Như đã biết khi lắp các kháng điện khô  đòi hỏi phải có một khoảng không gian xung quanh tương đối lớn để đảm bảo an toàn không làm ảnh hưởng đến các thiết bị xung quanh do từ trường của kháng điện khô sinh ra. Khi thiết kế lắp đặt kháng điện thì phải trang bị các chống sét bảo vệ cho cả 3 pha, giá thành chống sét cũng không rẻ hơn nhiều so với máy cắt .
      Vận hành dàn tụ bù ngang 110kV theo hiện có trên hệ thống đang vận hành trên lưới sẽ phải chi phí đầu tư rất lớn về mua sắm thiết bị điện và phải đầu tư một diện tích đất khá lớn. Để khắc phục các nhược điểm này trên thế giới đã có công nghệ mới cho máy cắt tụ do hãng Southern State (COELME) chế tạo.

II. Giới thiệu công nghệ mới cho máy cắt tụ
     Với công nghệ chế tạo máy cắt (MC) này, việc thi công một ngăn lộ tụ bù ngang sẽ tiện lợi rất nhiều về các mặt: thi công nhanh, đầu tư thấp (không phải thêm 3 bộ kháng khô và 3 bộ chống sét van). Không phải sử dụng diện tích đất lớn để thi công lắp đặt. Khi đóng dàn tụ bằng máy cắt này thì việc lựa chọn thời điểm đóng tại điểm có điện áp bằng 0 V được thực hiện tin cậy đơn giản hơn so với việc sử dụng rơ le lựa chọn đồng bộ đóng.   
     Máy cắt với buồng dập hồ quang bằng khí SF6, cơ cấu truyền động lò xo, điện trở đóng trước làm cản dịu các quá trình dao động điện sinh ra khi đóng MC các dàn tụ. Máy cắt có thể chế tạo với các cấp điện áp từ 36kV- 170 kV, dòng điện đóng cắt dàn tụ lên tới 650A.  

Hình 1. Dàn tụ  không có kháng điện

 

Hình 2. Kích thước MC tụ 123-145kV

 

Hình 3. Qúa trình quá độ khi đóng dàn tụ không lắp kháng điện

    Khi thiết kế máy cắt với điện trở đóng trước, tại thời điểm đóng tụ các dao động điện sẽ được triệt tiêu và được giới hạn quá điện áp có trị số biên độ với 1,2 U định mức. Còn dòng điện thì chỉ dao động ở biên độ rất nhẹ.

 
Hình 4. Quá trình quá độ khi đóng dàn tụ bằng máy cắt có điện trở đóng trước

    Khi đóng máy cắt, mạch tiếp điểm điện trở sẽ được thực hiện tiếp xúc trước trong khoảng thời gian 5-15 ms, sau đó mạch tiếp điểm làm việc mới tiếp xúc. Sử dụng nguyên lý này các dòng điện xung được giới hạn tới 90%.

 

        Hình 5. Vận hành với một dàn tụ hoặc hai dàn tụ song song

     Máy cắt tụ được thiết kế hợp bộ với độ tin cậy cao, cho phép hạn chế dao động khi đóng tụ không quá 20% quá điện áp, giảm dòng điện quá độ tới 90%, thiết kế nhỏ gọn đơn giản, dễ lắp đặt.
    Về nguyên lý máy cắt tụ là một máy cắt SF6 có bộ truyền động cơ khí kiểu lò xo. Qúa trình đóng được sử dụng bằng năng lượng tích năng của lò xo đóng do động cơ điện tự động tích năng sau mỗi lần thao tác đóng MC. Trong quá trình đóng đồng thời tích năng năng lượng cho lò xo cắt, năng lượng cắt được sử dụng bằng năng lượng tích năng của lò xo cắt.
    Điểm khác biệt quan trọng nhất so với máy cắt thông thường là trụ cực máy cắt gồm hai phần, phần dưới là buồng sứ cách điện, buồng trên là buồng cắt với cơ cấu hai mạch dẫn điện: mạch điện trở đóng trước và mạch làm việc.
    Điện trở đóng là khối tổ hợp của các phần tử điện trở hình đĩa tròn xếp chồng xen kẽ với các lá tròn bằng nhôm để phân chia dòng. Chúng được ép chặt bằng lò xo và được đặt ở vị trí trên nóc của trụ cực máy cắt, một đầu được nối tới đầu cực cao áp trên của MC. Đầu dưới được nối với điện trở trượt, tiếp điểm chính, tiếp điểm động. Trong trụ cực được nạp khí SF6 để dập hồ quang và tăng cường cách điện.

 

Hình 8. Các phần tử của điện trở đóng

 

 

Điện áp cực đại (50/60 HZ)	36kV	52kV	72,5kV	123kV	145kV	170kV
Điện áp xung sét BIL (kV)	200	250	350	550	650	750
Dung lượng dàn tụ max (MVAR)	36	48	72	130	155	181
Dòng điện liên tục đóng tụ	600 A			650 A
Chu kỳ thao tác	CO- 5min- CO- 5min- CO- 60 min
Gía trị điện trở đóng	8Ω, 20Ω, 40Ω, 80Ω			37,5Ω, 75Ω, 150Ω, 300Ω
Dòng ngắn mạch chịu được	40kA/1 sec			63kA/ 18 cycle 40kA/1 sec
Dòng đóng không đối xứng	104 kA peak			163 kA peak
Dòng mở cắt ngắn mạch	25 kA / 30 time			40 kA/ 10 time
Tốc độ mở ngắt	5 cycle			3 cycle
Dải đóng sự cố	10 time 40 kA			2 time 63kA 10 time 40kA
Tuổi thọ chịu được lâu dài	10.000  thao tác đóng/ cắt
Dải nhiệt độ môi trường	-40/ +50 0C

   
      Ngoài ra trụ cực MC còn có tầng sứ đỡ cách điện, bên trong được nạp khí SF6 và có thanh truyền động cách điện. Các bộ phận khác như tủ truyền động trong có các cơ cấu  truyền động cơ khí lò xo gồm các lò xo tích năng đóng, lò xo tích năng cắt, các trục truyền động, các cánh tay đòn, các chốt hãm, các bộ tiếp điểm phụ, động cơ tích năng lò xo đóng, hộp truyền động, các thiết bị điện điều khiển MC như rơ le, khởi động từ, cuộn đóng, cuộn cắt, khoá chế độ, nút thao tác tại chỗ/từ xa, hàng kẹp, áp tô mát cấp nguồn AC, DC. Các chỉ thị tín hiệu trạng thái máy cắt, trạng thái tích năng lò xo. Các cơ cấu nạp và lưu giữ SF6 như van nạp các đường ống dẫn khí, đồng hồ áp lực và các tiếp điểm giới hạn cảnh báo áp lực.

    Với việc sử dụng máy cắt tụ với công nghệ chế tạo sử dụng điện trở đóng trước để hạn chế các dao động điện đột ngột sinh ra khi đóng dàn tụ về điện áp và dòng điện, mở ra một trang mới cho việc thiết kế- lắp đặt- vận hành dàn tụ bù trung áp từ 36-170 kV .
    Đây là một công nghệ mới cho máy cắt tụ mang lại độ tin cậy cao cho vận hành. Mang lại nhiều lợi ích về kinh tế cho việc đầu tư và xây dựng. Tiến độ thiết kế nhanh, thi công nhanh và đơn giản hoá trong đầu tư mua sắm thiết bị. Giảm thiểu diện tích đất sử dụng cho lắp đặt. Tiện lợi cho việc vận hành và thí nghiệm thiết bị.
    Sản phẩm công nghệ MC này đã được áp dụng trên thế giới và đã được kiểm định qua thực tế với những tịên ích ưu việt vượt trội của nó đã và đang được nhiều nước sử dụng.