Sự khác biệt giữa cuộn kháng nối tiếp và cuộn kháng song song là gì?

Sự khác biệt giữa cuộn kháng nối tiếp và cuộn kháng song song là gì?

Một cuộn kháng trong hệ thống điện về cơ bản là một cuộn cảm—một cuộn dây dẫn quấn quanh lõi từ hoặc lõi không khí—có tác dụng chống lại sự thay đổi dòng điện. Tuy nhiên, vị trí lắp đặt cuộn kháng trong mạch quyết định toàn bộ chức năng, kích thước và yêu cầu bảo vệ của nó. Cuộn kháng nối tiếp và cuộn kháng song song chia sẻ cùng một nguyên lý điện từ cơ bản nhưng đảm nhiệm những mục đích trái ngược nhau đối với độ ổn định của lưới điện.

Cấu trúc kết nối: Sự khác biệt nền tảng

Một cuộn kháng nối tiếp được kết nối nối tiếp với thiết bị được bảo vệ—thường là bộ ngắt mạch, một phần của thanh cái, một tổ hợp tụ điện hoặc một đường dây truyền tải. Dòng tải chảy liên tục qua cuộn kháng. Trở kháng của cuộn kháng giới hạn tốc độ tăng dòng điện trong trường hợp sự cố, từ đó làm giảm dòng sự cố cực đại mà bộ ngắt mạch phía hạ lưu phải cắt. Điều này cho phép sử dụng các bộ ngắt mạch có khả năng cắt thấp hơn, giúp giảm chi phí đầu tư ban đầu cho trạm biến áp. Một cuộn kháng nối tiếp có trở kháng định mức 6% trên một đường cấp điện 10 MVA, 11 kV giới hạn dòng sự cố dự kiến từ giá trị lý thuyết 40 kA xuống khoảng 25 kA.

Một cuộn kháng song song được kết nối song song—từ đường dây hoặc thanh cái đến đất, hoặc giữa các pha. Dưới điều kiện bình thường, không có dòng điện không tải chạy qua cuộn kháng. Thay vào đó, cuộn kháng song song hút công suất phản kháng từ hệ thống nhằm bù lại công suất phản kháng dung tính do các đường dây truyền tải dài và cáp ngầm sinh ra trong điều kiện tải nhẹ. Nếu không có bù song song, điện áp đầu cuối trên một đường dây 500 kV tải nhẹ có thể tăng lên tới 1,15 đơn vị hoặc cao hơn—vượt quá giới hạn phối hợp cách điện của máy biến áp và thiết bị đóng cắt được kết nối.

Thiết kế lõi và hành vi bão hòa

Các cuộn kháng nối tiếp không được bão hòa trong điều kiện dòng sự cố, bởi vì một cuộn kháng bão hòa sẽ mất chức năng hạn chế dòng điện đúng vào thời điểm chức năng này cần thiết nhất. Các cuộn kháng nối tiếp lõi không khí loại bỏ hoàn toàn nguy cơ bão hòa, do không khí có đường cong B-H hoàn toàn tuyến tính bất kể cường độ dòng điện. Đổi lại, kích thước vật lý tăng lên—một cuộn kháng lõi không khí cung cấp trở kháng 6% ở điện áp 11 kV chiếm thể tích khoảng ba lần so với thiết kế lõi sắt tương đương.

Các cuộn kháng nối tiếp lõi sắt có khe hở lõi đạt độ tự cảm cao hơn trên mỗi đơn vị thể tích nhưng đòi hỏi thiết kế cẩn thận đối với khe hở không khí nhằm duy trì tính tuyến tính đến giá trị dòng sự cố định mức. Khe hở được chế tạo từ vật liệu phi từ tính—thường là sợi thủy tinh tẩm epoxy—và độ dày của khe hở được tính toán sao cho mật độ từ thông cực đại không vượt quá 1,6 Tesla tại giá trị dòng sự cố bất đối xứng cực đại, có thể đạt tới 2,5 lần giá trị hiệu dụng dòng sự cố đối xứng.

Các cuộn kháng song song thường sử dụng cấu tạo lõi sắt có khe hở vì chúng vận hành liên tục ở điện áp định mức và yêu cầu về độ tuyến tính ít khắt khe hơn. Khe hở giúp ổn định độ tự cảm trước các biến thiên điện áp và ngăn hiện tượng bão hòa trong các quá điện áp tức thời—những hiện tượng mà các cuộn kháng song song được lắp đặt nhằm giảm thiểu.

Yêu cầu về bảo vệ

Các cuộn kháng nối tiếp yêu cầu bảo vệ vi sai để phát hiện các sự cố ngắn mạch giữa các vòng dây bên trong—một sự cố ngắn mạch trên cuộn dây làm bỏ qua vài vòng dây chỉ làm thay đổi trở kháng của cuộn kháng một phần rất nhỏ (vài phần trăm), điều mà các rơ-le quá dòng không thể phát hiện. Sơ đồ vi sai so sánh dòng điện tại cả hai đầu cực của cuộn kháng; bất kỳ sự chênh lệch nào vượt ngưỡng cài đặt sẽ kích hoạt bộ ngắt mạch tương ứng.

Các cuộn kháng song song trên hệ thống truyền tải cần được bảo vệ chống quá điện áp và thường bao gồm một cuộn kháng trung tính để đóng lại pha đơn trên các đường dây bù song song. Rơ-le Buchholz phát hiện sự tích tụ khí bên trong do cách điện bị đánh thủng — đây là biện pháp phòng thủ đầu tiên tiêu chuẩn cho các cuộn kháng song song ngâm dầu.

Tiêu chí lựa chọn ứng dụng

Việc lựa chọn một cuộn kháng nối tiếp đòi hỏi phải xác định dòng định mức (dòng tải liên tục), phần trăm trở kháng (mục tiêu giới hạn dòng sự cố) và định mức dòng nhiệt ngắn hạn (thường là 1 giây hoặc 3 giây tại dòng sự cố đã được giới hạn). Cuộn kháng phải chịu được cả lực nhiệt lẫn lực cơ học phát sinh từ sự cố gần nguồn mà không bị biến dạng.

Việc lựa chọn bộ kháng nối song song nghĩa là xác định điện áp định mức, công suất phản kháng định mức tính bằng MVAr và kiểu kết nối — kết nối sao với điểm trung tính nối đất chắc chắn cho các ứng dụng truyền tải, hoặc kết nối tam giác cho bù cuộn thứ cấp trên các máy biến áp công suất lớn. Công suất phản kháng định mức tính bằng MVAr được tính từ dòng sạc dung kháng của đường dây tại mức bù mục tiêu, thường là 60–80% đối với các bộ kháng được kết nối liên tục và 100% đối với các bộ kháng có thể đóng/ngắt.

Ví dụ: Việc tích hợp trang trại điện gió yêu cầu sử dụng cả hai loại bộ kháng

Một trang trại gió công suất 150 MW tại khu vực xa xôi được kết nối với lưới điện thông qua đường dây trên không 220 kV dài 45 km, gặp phải hai thách thức đồng thời: dòng sự cố cao tại điểm kết nối vượt quá định mức ngắn mạch của máy biến áp tăng áp cho tuabin gió, và độ tăng điện áp vượt quá 1,10 pu trong điều kiện gió yếu và tải thấp do dòng điện dung sạc của đường dây. Đội ngũ kỹ sư đã quy định lắp đặt một cuộn kháng nối tiếp tại thanh cái liên kết trạm biến áp thu gom để hạn chế dòng sự cố, và một cuộn kháng song song 20 MVAr tại điểm ghép nối chung nhằm hấp thụ công suất phản kháng dung tính. Việc lắp đặt kết hợp các cuộn kháng này, do một nhà sản xuất thiết bị điện tích hợp cung cấp, đã giải quyết cả hai ràng buộc trong một chu kỳ dự án duy nhất.

Các câu hỏi thường gặp

Liệu một cuộn kháng có thể thực hiện cả chức năng nối tiếp và song song?

Không. Thiết kế vật lý, phối hợp cách điện và yêu cầu bảo vệ về cơ bản là khác nhau. Một cuộn kháng nối nối tiếp hoặc nối song song chỉ thực hiện một chức năng duy nhất. Các hệ thống yêu cầu cả hai chức năng cần hai đơn vị cuộn kháng riêng biệt.

Điều gì xảy ra nếu một cuộn kháng nối nối tiếp bão hòa trong sự cố?

Cuộn kháng mất trở kháng hạn chế dòng điện, cho phép dòng sự cố tăng lên mức tiềm năng. Bộ ngắt mạch phía hạ lưu, được chọn kích thước dựa trên giả định rằng cuộn kháng hạn chế dòng, có thể không cắt được sự cố. Đây là lý do tại sao ngăn ngừa bão hòa là ràng buộc thiết kế chính đối với cuộn kháng nối nối tiếp.

Cuộn kháng nối song song được đóng và cắt như thế nào?

Các cuộn kháng song song cấp truyền tải được đóng cắt thông qua các bộ ngắt mạch chuyên dụng hoặc bộ chuyển mạch. Điện áp phục hồi quá độ khi đóng cắt rất nghiêm trọng vì dòng điện cảm ứng của cuộn kháng lệch pha gần 90 độ so với điện áp, khiến việc dập dòng tại các điểm zero tự nhiên trở nên khó khăn. Các bộ điều khiển đóng cắt đồng bộ giúp giảm thiểu ứng suất này.

Bộ phản kháng cần bảo trì những gì?

Các cuộn kháng kiểu khô, lõi không khí yêu cầu bảo trì tối thiểu — kiểm tra trực quan hàng năm để phát hiện hiện tượng bám bụi hoặc nhiễm bẩn trên bề mặt, và quét nhiệt tại các điểm nối. Các cuộn kháng ngâm dầu yêu cầu phân tích khí hòa tan hàng năm và kiểm tra điện môi của dầu mỗi 2–3 năm một lần, tương tự như đối với máy biến áp lực.

Trở kháng của cuộn kháng được quy định như thế nào?

Dưới dạng phần trăm của trở kháng cơ sở hệ thống tại điện áp định mức và MVA định mức. Một cuộn kháng 6% trên cơ sở 10 MVA, 11 kV tạo ra khoảng 0,73 ohm điện kháng. Các giá trị phần trăm cao hơn cung cấp khả năng hạn chế dòng ngắn mạch tốt hơn nhưng cũng làm tăng độ sụt áp trạng thái ổn định.

Cả hai loại bộ phản ứng này có thể được cung cấp từ một nhà cung cấp duy nhất ở đâu?

Các nhà sản xuất thiết bị điện tích hợp như Tập đoàn Liaoning Sinotech, cung cấp trọn gói trạm biến áp bao gồm máy biến áp, thiết bị đóng cắt và thiết bị bù, có thể cung cấp cả bộ phản ứng nối tiếp và bộ phản ứng song song từ một đội ngũ kỹ sư duy nhất—giúp đơn giản hóa việc phối hợp đặc tả kỹ thuật và hỗ trợ sau bán hàng.