Hiệu chỉnh hệ số công suất: Định cỡ tụ bù, sóng hài và bảo vệ

Để định cỡ một hệ thống điện hạ thế tụ bù công suất phản kháng, hãy tính toán công suất phản kháng cần thiết để chuyển từ hệ số công suất đo được sang hệ số công suất mục tiêu, sau đó đối chiếu kết quả đó với tải tối thiểu, phổ hài, chu kỳ đóng cắt, dòng ngắn mạch khả dụng và giới hạn nhiệt độ của tủ điện. Phép tính này đưa ra yêu cầu kvar lý thuyết. Bản thân nó không chọn ra được tụ bù, khởi động từ, cuộn kháng, cầu chì hoặc máy cắt điện an toàn.

Phép tính cốt lõi là:

Qc = P x (tan phi1 - tan phi2)

ở những nơi:

• Qc là công suất phản kháng dung cần thiết tính bằng kvar;
• P là công suất tác dụng đại diện tính bằng kW;
• phi1 là góc pha tương ứng với hệ số công suất dịch chuyển hiện tại;
• phi2 là góc pha tương ứng với hệ số công suất dịch chuyển mục tiêu.

Thiết kế cuối cùng phải duy trì trạng thái trễ nhẹ trong phạm vi vận hành đã công bố, trừ khi đơn vị điện lực hoặc nghiên cứu hệ thống yêu cầu đặc tính khác. Không tự động đặt mục tiêu hệ số công suất là 1.00 và không lắp đặt bộ tụ điện tiêu chuẩn trên lưới điện có nhiều sóng hài mà không kiểm tra rủi ro cộng hưởng.

Tóm tắt quyết định kỹ thuật

• Tính toán giá trị kvar cần thiết từ công suất tác dụng đo được và hệ số công suất dịch chuyển tại các điều kiện vận hành tiêu biểu, không chỉ dựa trên tải kết nối.
• Kiểm tra các chế độ vận hành tải tối thiểu và máy phát điện để đảm bảo các bước tụ cố định hoặc quá cỡ không làm hệ thống chuyển sang hệ số công suất vượt trước.
• Đo lường các điều kiện sóng hài trước khi chọn tụ điện tiêu chuẩn, cuộn kháng khử điều hưởng, bộ lọc điều hưởng hoặc thiết bị giảm sóng hài chủ động; không có tỷ lệ THD phổ quát nào quyết định cho mọi dự án.
• Phối hợp tụ điện, cuộn kháng, thiết bị đóng cắt, thiết bị bảo vệ, dây dẫn, linh kiện xả điện và hệ thống thông gió thành một tổ hợp thống nhất.
• Coi việc tính toán này là định cỡ sơ bộ. Việc xác minh cuối cùng phải sử dụng dữ liệu dòng sự cố của dự án, bảng ứng dụng của nhà sản xuất và các yêu cầu lắp ráp IEC hiện hành.

Các đầu vào thiết kế cần thiết trước khi định cỡ

Việc lựa chọn hợp lý bắt đầu từ dữ liệu vận hành thực tế, không chỉ dựa trên kVA của máy biến áp, công suất động cơ được kết nối, hay hệ số công suất thấp nhất ghi nhận được trên hóa đơn tiền điện.

Đầu vào	Tại sao nó quan trọng	Bằng chứng ưu tiên
Điện áp hệ thống, tần số, số pha và sơ đồ nối đất	Xác định các yêu cầu về kết nối, cách điện, đóng cắt và bảo vệ tụ điện	Sơ đồ đơn tuyến và đo đạc tại hiện trường
Biểu đồ công suất tác dụng tính bằng kW	Xác định tải thực tế cần bù công suất	Công tơ đo đếm theo khoảng thời gian hoặc thiết bị ghi lại chất lượng điện năng trong một chu kỳ tiêu biểu
Hệ số công suất dịch chuyển hiện hữu	Điều khiển việc tính toán kvar tần số cơ bản	Đồng hồ đo có khả năng báo cáo PF dịch chuyển, nếu có
Hệ số công suất thực và phổ hài	Tiết lộ sự méo dạng mà chỉ riêng tụ điện có thể không khắc phục được	Máy phân tích chất lượng điện năng tại điểm đấu nối dự kiến
Tải tối thiểu, bình thường và tối đa	Ngăn ngừa bù dư trong các giai đoạn tải nhẹ	Hồ sơ phụ tải đã ghi nhật ký, không phải là một giá trị đọc tức thời
Hệ số công suất mục tiêu	Thiết lập mục tiêu hiệu chỉnh	Biểu giá điện năng, thỏa thuận đấu nối, hoặc yêu cầu của dự án
Danh mục phụ tải phi tuyến	Chỉ báo rủi ro cộng hưởng và dòng điện hài	Thông số định mức và chế độ vận hành của VFD, hệ thống UPS, bộ chỉnh lưu, máy hàn, bộ sạc xe điện (EV) và các phụ tải tương tự
Thông số định mức và trở kháng của máy biến áp	Ảnh hưởng đến độ bền ngắn mạch và cộng hưởng mạng lưới	Nhãn máy biến áp và dữ liệu nghiên cứu
Dòng điện ngắn mạch khả dụng	Cần thiết cho việc phối hợp thiết bị bảo vệ và lắp ráp	Nghiên cứu sự cố hoặc giá trị thiết kế đã được xác minh
Điều kiện lắp đặt	Ảnh hưởng đến khả năng làm mát, khoảng cách an toàn, cấp bảo vệ vỏ tủ và tuổi thọ linh kiện	Nhiệt độ môi trường, độ cao, thông gió, mức độ ô nhiễm và dữ liệu vỏ tủ

Nếu người đọc chỉ cần thuật ngữ và nguyên lý hoạt động, hãy sử dụng nội dung hiện có Dạng đầy đủ và hướng dẫn vận hành APFC. Trang này bắt đầu từ nơi định nghĩa đó kết thúc: chuyển đổi dữ liệu công trường thành bảng thông số kỹ thuật sơ bộ.

Hệ số công suất dịch chuyển không phải lúc nào cũng là hệ số công suất thực

Đối với một hệ thống gần như hình sin, hệ số công suất thường được biểu diễn là cos phi, cosin của góc pha giữa điện áp và dòng điện. Trong một mạng lưới cung cấp các tải phi tuyến, sự méo dạng dòng điện tạo thêm một hiệu ứng khác.

• Hệ số công suất dịch chuyển mô tả mối quan hệ pha giữa điện áp cơ bản và dòng điện cơ bản.
• Hệ số công suất thực là công suất tác dụng chia cho công suất biểu kiến sử dụng các dạng sóng RMS hoàn chỉnh.

Tụ điện bù song song cung cấp công suất phản kháng ở tần số cơ bản và có thể cải thiện hệ số công suất dịch chuyển. Nó không triệt tiêu dòng điện hài được tạo ra bởi bộ chỉnh lưu, biến tần, UPS hoặc bộ nguồn xung. Do đó, một cơ sở có thể cho thấy hệ số công suất dịch chuyển được cải thiện trong khi hệ số công suất thực vẫn bị hạn chế bởi sự méo dạng.

Sự khác biệt này làm thay đổi quyết định thiết kế. Nếu hệ số công suất thấp chủ yếu do công suất phản kháng cảm ứng gây ra, thì bộ tụ bù có thể phù hợp. Nếu sự méo dạng là yếu tố đóng góp chính, dự án có thể cần thêm cuộn kháng, bộ lọc cộng hưởng, bộ lọc hài tích cực hoặc thay đổi các tải phi tuyến. Giải pháp phải dựa trên dạng sóng đo được và nghiên cứu lưới điện thay vì chỉ dựa vào một giá trị PF tổng.

Tính toán công suất kvar cần thiết cho bộ tụ bù

Bước 1: Chọn công suất tác dụng đại diện

Sử dụng công suất tác dụng liên quan đến trạng thái vận hành mà hệ thống bù dự kiến phục vụ. Một bộ tụ bù cố định kết nối với một động cơ tải liên tục có thể sử dụng dữ liệu vận hành đã công bố của động cơ đó, tuân theo các giới hạn của nhà sản xuất động cơ. Một bộ tụ bù tự động trung tâm thường nên dựa trên biểu đồ phụ tải bao gồm các giai đoạn vận hành tối thiểu, bình thường và cao điểm.

Bước 2: Chuyển đổi hệ số công suất sang các hệ số công suất phản kháng

Đối với mỗi hệ số công suất:

tan phi = sqrt(1 - PF^2) / PF

Sau đó tính toán:

Qc = P x (tan phi1 - tan phi2)

Công thức và các tính toán bổ sung cho tủ điện cũng được tóm tắt trong VIOX các công thức điện cho thiết kế tủ điện hạ thế.

Tính toán kvar cho bộ tụ bù bằng công cụ VIOX

Sử dụng Công cụ tính toán và hiệu chỉnh hệ số công suất VIOX để nhập công suất tác dụng, hệ số công suất hiện tại, hệ số công suất mục tiêu, điện áp và cách bố trí pha. Công cụ này tính toán nhu cầu bù sơ bộ và so sánh công suất biểu kiến cùng dòng điện đường dây trước và sau khi hiệu chỉnh.

Công cụ tính toán mô hình hóa một điểm vận hành cân bằng sử dụng mối quan hệ tam giác công suất. Kết quả kvar thu được không phải là thông số kỹ thuật cuối cùng của bộ tụ bù vì nó không mô hình hóa sự thay đổi tải, các bước đóng cắt thực tế, cộng hưởng hài, dung sai tụ điện, phối hợp thiết bị bảo vệ hoặc sự gia tăng nhiệt độ tủ điện. Hãy tiếp tục thực hiện các bước kiểm tra dưới đây trước khi chọn thiết bị.

Ví dụ minh họa: 400 kW từ 0.75 đến 0.95 PF

Giả sử một tải ba pha cân bằng với:

• công suất tác dụng: P = 400 kW;
• hệ số công suất dịch chuyển hiện tại: PF1 = 0.75 trễ;
• hệ số công suất dịch chuyển mục tiêu: PF2 = 0.95 trễ;
• điện áp hệ thống: 400 V điện áp dây;
• sự phù hợp với sóng hài vẫn chưa được xác định.

tan phi1 = sqrt(1 - 0.75^2) / 0.75 = 0.882
tan phi2 = sqrt(1 - 0.95^2) / 0.95 = 0.329

Qc = 400 x (0.882 - 0.329)
Qc = xấp xỉ 221 kvar

Do đó, yêu cầu lý thuyết là khoảng 221 kvar tại điểm vận hành đã nêu.

Công suất biểu kiến và dòng điện đường dây phía nguồn cũng thay đổi:

Tình trạng	Công suất biểu kiến	Dòng điện đường dây xấp xỉ tại 400 V
Trước khi hiệu chỉnh, PF 0.75	400 / 0.75 = 533 kVA	533,000 / (sqrt 3 x 400) = 770 A
Sau khi hiệu chỉnh, PF 0.95	400 / 0.95 = 421 kVA	421,000 / (sqrt 3 x 400) = 608 A

Sự sụt giảm này áp dụng cho phía thượng nguồn của điểm kết nối bù. Nó không làm giảm dòng điện bên trong các cuộn dây động cơ hoặc loại bỏ tổn thất bên trong chính tải đó.

Không chuyển đổi trực tiếp 221 kvar thành đơn đặt hàng. Bộ tụ bù danh định được chọn và các cấp của nó phải phù hợp với cấu hình tải, các mức công suất tiêu chuẩn hiện có, dung sai điện áp, dung sai tụ điện, tải hài, thiết kế cuộn kháng, hoạt động của bộ điều khiển và rủi ro về hệ số công suất vượt ngưỡng tại tải tối thiểu.

Chọn kiến trúc hiệu chỉnh

Vị trí và phương pháp đóng cắt quyết định phần nào của hệ thống điện nhận được lợi ích giảm tải dòng điện và cách thức hoạt động của bộ tụ bù khi tải thay đổi.

Kiến trúc	Phù hợp nhất	Ranh giới thiết kế chính
Bù tĩnh riêng lẻ	Một tải cảm kháng ổn định hoạt động trong thời gian dài	Phải được khóa liên động với tải và duy trì trong phạm vi kvar cho phép của nhà sản xuất thiết bị
Bù nhóm	Một vài tải khởi động và dừng cùng nhau	Trạng thái hoạt động của nhóm phải có thể dự đoán được
Tủ bù tự động tập trung	Tải cơ sở biến đổi với nhiều tổ hợp vận hành	Bộ điều khiển, CT, độ phân giải cấp bù, tốc độ đóng cắt, sóng hài và đặc tính khi tải nhẹ phải được phối hợp đồng bộ
Bù nhanh bằng thyristor	Các tải biến đổi nhanh nơi việc đóng cắt bằng khởi động từ quá chậm hoặc gây mài mòn quá mức	Yêu cầu thiết kế chuyên biệt về nhiệt, bán dẫn, sóng hài và bảo vệ cho từng ứng dụng

Bù tự động tập trung thường mang tính thực tiễn vì nó phục vụ toàn bộ tải phía sau và tập trung công tác bảo trì tại một vị trí. Nó không loại bỏ dòng điện phản kháng từ các nhánh cấp nguồn nằm sau tủ bù. Bù riêng lẻ có thể giảm tải cho nhiều nhánh cấp nguồn hơn nhưng đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ hơn với từng tải.

Kiểm tra các chế độ vận hành của máy phát điện và máy biến áp

Một bộ tụ điện được thiết kế dựa trên vận hành lưới điện có thể không phù hợp khi hệ thống điện chuyển sang máy phát điện có khả năng chịu ngắn mạch thấp hơn hoặc khả năng cung cấp công suất phản kháng khác biệt. Hãy xác định xem bộ tụ điện cần được khóa, giới hạn hoặc điều khiển khác đi trong quá trình vận hành bằng máy phát điện hay không. Ngoài ra, hãy đánh giá các máy biến áp non tải: một bộ tụ điện được kết nối cố định có thể tạo ra công suất phản kháng sớm (leading) khi không có tải cảm chính.

Chọn kích thước bước tụ mà không tạo ra hệ số công suất sớm (leading)

Đối với một bộ tụ điện tự động, tổng số kvar chỉ là một biến số thiết kế. Bước tụ nhỏ nhất kiểm soát độ phân giải, trong khi trình tự các bước kiểm soát mức độ bám sát tải của bộ tụ điện.

Sử dụng hồ sơ công suất phản kháng đã ghi lại để trả lời bốn câu hỏi:

1. Thay đổi nhỏ nhất có thể lặp lại về kvar cảm ứng cần kích hoạt một bước tụ là bao nhiêu?
2. Mức tải thấp nhất mà tại đó bộ tụ điện vẫn duy trì trạng thái hoạt động là bao nhiêu?
3. Bước tụ nhỏ nhất được kết nối có tạo ra hệ số công suất sớm tại mức tải tối thiểu hay không?
4. Tần suất đóng cắt của mỗi bước tụ trong một chu kỳ sản xuất bình thường là bao nhiêu?

Một bộ tụ bù 225 kvar minh họa có thể được chia thành các cấp bằng nhau hoặc không bằng nhau, nhưng không thể chỉ dựa vào tổng kvar để chọn trình tự chính xác. Cấp đầu tiên nhỏ hơn sẽ cải thiện độ phân giải nhưng làm tăng số lượng thiết bị đóng cắt, bảo vệ, hệ thống dây dẫn, nhiệt lượng, chi phí và các điểm bảo trì. Một bộ điều khiển có chức năng luân phiên sử dụng các cấp có thể phân bổ tải vận hành, nhưng chương trình đóng cắt của nó phải phù hợp với định mức của từng cấp vật lý.

Độ trễ phản hồi của bộ điều khiển cũng rất quan trọng. Độ trễ ngắn có thể dẫn đến việc đuổi theo các thay đổi tải tức thời và làm tăng tốc độ mài mòn tiếp điểm. Độ trễ dài có thể khiến tải thay đổi nhanh không được bù đủ. Đối với các loại tải thay đổi nhanh hơn khả năng đáp ứng của bộ tụ bù sử dụng khởi động từ, hãy cân nhắc sử dụng hệ thống tĩnh hoặc hệ thống lai thay vì chỉ giảm độ trễ của bộ điều khiển.

Sóng hài có thể biến một phép tính kvar chính xác thành một bộ tụ bù bị lỗi

Điện cảm của lưới điện phía trên và điện dung được thêm vào tạo thành một hệ thống cộng hưởng. Nếu tần số tự nhiên của hệ thống nằm gần một sóng hài hiện diện trong lắp đặt, điện áp và dòng điện có thể bị khuếch đại. Hậu quả có thể bao gồm quá dòng tụ điện, đứt cầu chì, hư hỏng khởi động từ, quá nhiệt cuộn kháng, nhảy aptomat không mong muốn hoặc méo dạng điện áp quá mức.

Tiêu chuẩn IEC 61642 cung cấp hướng dẫn cho các bộ lọc và tụ điện bù song song trong các lưới điện AC công nghiệp bị ảnh hưởng bởi sóng hài. Hướng dẫn kỹ thuật của ABB cũng giải thích rằng có thể chọn một cuộn kháng nối tiếp sao cho tổ hợp tụ điện-cuộn kháng được điều chỉnh dưới mức sóng hài đáng kể thấp nhất, từ đó giảm nguy cơ cộng hưởng với lưới điện.

Không sử dụng một ngưỡng THD phổ quát duy nhất

Một tuyên bố như “sử dụng cuộn kháng khi THD trên 5%” không phải là quy tắc lựa chọn hoàn chỉnh. Rủi ro phụ thuộc vào:

• biên độ của từng sóng hài và mối quan hệ pha;
• độ bền ngắn mạch của hệ thống điện và trở kháng máy biến áp;
• công suất kvar của bộ tụ bù và số lượng các cấp tụ được kết nối;
• vị trí của các tải phi tuyến và bộ tụ bù;
• những thay đổi trong cấu trúc liên kết mạng lưới và vận hành máy phát điện;
• các bộ lọc, cáp và các tụ điện khác hiện có.

Đo phổ hài tại điểm đấu nối dự kiến trong các trạng thái vận hành tiêu biểu. Ampe kìm đo giá trị true-RMS có thể xác định dòng điện tụ điện bất thường, nhưng cần có máy phân tích chất lượng điện năng và nghiên cứu hệ thống để xác định bậc hài, nguy cơ cộng hưởng và thiết kế giảm thiểu hợp lý.

Chọn đáp ứng hài, không chỉ điện áp tụ điện

Tình trạng mạng lưới	Hướng dẫn sơ bộ	Yêu cầu xác minh
Tải chủ yếu là tải tuyến tính, độ méo đo được thấp, không xác định thấy nguy cơ cộng hưởng	Tụ bù tiêu chuẩn có thể phù hợp	Xác nhận các thông số định mức của tụ điện, thiết bị đóng cắt, thiết bị bảo vệ và bộ lắp ráp
Tải phi tuyến tính đáng kể và nguy cơ cộng hưởng	Bộ tụ bù có cuộn kháng lọc sóng hài	Nghiên cứu về phổ sóng hài, tần số lọc, ứng suất điện áp trên tụ điện, định mức nhiệt của cuộn kháng và cấu trúc liên kết
Một hoặc nhiều bậc hài cần được hấp thụ có chủ đích	Bộ lọc thụ động được điều hưởng	Nghiên cứu bộ lọc theo từng trường hợp cụ thể bao gồm dung sai linh kiện và các thay đổi của lưới điện
Phổ hài rộng hoặc thay đổi trong đó bù công suất phản kháng và kiểm soát méo dạng là các nhu cầu riêng biệt	Giải pháp chủ động hoặc lai có thể phù hợp	Nghiên cứu chất lượng điện năng, các yêu cầu động và tính tương thích của thiết bị

Một cuộn kháng điều hưởng không mặc nhiên là một bộ lọc hài. Mục đích chính của nó trong một bộ tụ bù PFC thường là để chuyển dịch cộng hưởng nối tiếp xuống dưới bậc hài đáng kể thấp nhất và hạn chế sự khuếch đại. Một bộ lọc thụ động được điều hưởng được thiết kế có chủ đích để cung cấp trở kháng thấp xung quanh một bậc hài đã chọn. Các chức năng này không được quy định thay thế cho nhau.

Việc bổ sung cuộn kháng cũng làm tăng điện áp tần số cơ bản trên tụ điện. Do đó, điện áp định mức của tụ điện phải được phối hợp với việc điều chỉnh cuộn kháng, điện áp hệ thống, dung sai và các điều kiện hài. Việc chỉ chọn tụ điện dựa trên điện áp thanh cái danh định có thể không phù hợp trong một bộ tụ bù có cuộn kháng lọc sóng hài.

Phối hợp toàn bộ tủ bù công suất phản kháng (PFC)

Dòng điện danh định của tụ điện cho một bộ tụ ba pha cân bằng là:

Ic = 1000 x Qc / (sqrt 3 x U)

Đối với ví dụ 225 kvar, 400 V:

Ic = 1000 x 225 / (sqrt 3 x 400)
Ic = xấp xỉ 325 A

Đây là dòng điện tần số cơ bản danh định, không phải là định mức của máy cắt điện, cầu chì, khởi động từ, cáp hoặc thanh cái. Định mức của các thành phần phải tính đến dung sai tụ điện áp dụng, biến động điện áp, dòng điện hài, quá độ đóng cắt, điều kiện môi trường, việc nhóm thiết bị và thiết kế lắp ráp đã được kiểm nghiệm hoặc xác minh.

Tụ điện và cuộn kháng

Chỉ định tiêu chuẩn tụ điện, điện áp định mức, công suất phản kháng định mức (kvar) tại điện áp vận hành thực tế, tần số, dung sai, dòng điện tối đa cho phép, cơ cấu xả điện, cấp nhiệt độ và cơ chế an toàn khi kết thúc vòng đời. Đối với bộ tụ bù có cuộn kháng lọc sóng hài, hãy chỉ định tổ hợp tụ điện-cuộn kháng tương ứng, dữ liệu điều chỉnh, tổn hao cuộn kháng, cấp chịu nhiệt, bảo vệ nhiệt độ và hệ thống thông gió yêu cầu.

Thiết bị đóng cắt

Việc cấp điện cho tụ điện tạo ra dòng điện xung kích tần số cao. Một khởi động từ thông dụng chỉ được chọn dựa trên dòng điện trạng thái ổn định có thể không phù hợp. Hãy chỉ định khởi động từ chuyên dụng cho tụ điện hoặc thiết bị đóng cắt khác có khả năng đóng cắt tụ điện đã được công bố, có kiểm soát dòng xung kích phù hợp và phối hợp với thiết bị bảo vệ ngắn mạch. Danh mục sử dụng khởi động từ theo tiêu chuẩn IEC AC-6b liên quan đến việc đóng cắt bộ tụ điện; VIOX hướng dẫn về danh mục sử dụng khởi động từ giải thích lý do tại sao danh mục sử dụng lại quan trọng.

Khi tải yêu cầu đóng cắt nhanh, hãy xác minh xem việc sử dụng bộ đóng cắt thyristor có hợp lý hay không. Thiết bị đóng cắt bán dẫn làm thay đổi thiết kế về nhiệt, cách điện, sự cố và điều khiển; đây không đơn thuần là thiết bị thay thế nhanh hơn cho khởi động từ.

Bảo vệ ngắn mạch và quá tải

Hệ thống bảo vệ phải giải quyết được dòng sự cố khả dụng cũng như đặc tính vận hành liên tục và quá độ của bộ tụ điện. Xác nhận:

• dòng điện ngắn mạch dự kiến tại điểm đấu nối bộ tụ;
• khả năng đóng cắt của thiết bị bảo vệ;
• khả năng chịu nhiệt của dây dẫn và thanh cái;
• dòng điện RMS của tụ điện và cuộn kháng theo phổ hài đã công bố;
• dòng điện khởi động khi đóng mạch mà không gây tác động sai;
• phối hợp với từng cấp và thiết bị đầu vào của bộ tụ;
• các yêu cầu về cách ly và bảo trì an toàn;
• bảng phối hợp của nhà sản xuất hoặc bằng chứng lắp ráp đã được kiểm chứng.

Không áp dụng hệ số nhân cho máy cắt điện hoặc cầu chì một cách phổ quát mà không kiểm tra tụ điện, cuộn kháng, thiết bị đóng cắt, đường cong đặc tính của thiết bị bảo vệ và tiêu chuẩn áp dụng đã chọn. VIOX cung cấp các tài nguyên sản phẩm riêng biệt cho MCCBs và Cầu chì hạ thế, nhưng định mức cuối cùng phải dựa trên sự kết hợp đã được thiết kế thay vì tỷ lệ chung chung trên blog.

Kiểm soát xả điện và năng lượng tích trữ

Tụ điện có thể duy trì điện áp nguy hiểm sau khi ngắt kết nối. Hãy chỉ định các thiết bị xả điện và xác minh hiệu suất điện áp dư và thời gian xả theo yêu cầu của tiêu chuẩn áp dụng và dự án. Thiết kế cũng phải ngăn chặn việc kết nối lại trước khi điện áp dư giảm xuống mức cho phép. Độ trễ của bộ điều khiển không thể thay thế cho một cơ cấu xả điện đã được kiểm chứng.

Bố trí bộ điều khiển và CT

Bộ điều khiển tự động cần thông tin về điện áp và dòng điện đại diện cho cả tải và tác động của bộ tụ điện. Trong cách bố trí trung tâm phổ biến, máy biến dòng được lắp đặt ở phía nguồn của tải và điểm kết nối bộ tụ để bộ điều khiển thấy được sự trao đổi công suất phản kháng thực tế với nguồn. Vị trí chính xác, phân pha, tỷ số, cực tính và tham chiếu pha của bộ điều khiển phải tuân theo sơ đồ của nhà sản xuất.

Cực tính hoặc sự kết hợp pha của CT không chính xác có thể khiến bộ điều khiển thêm tụ điện khi lẽ ra phải loại bỏ nó. Hãy xem lại các nguyên lý đo lường trong Máy biến dòng so với Máy biến điện áp và xác minh màn hình hiển thị của bộ điều khiển so với trạng thái tải đã biết trong quá trình chạy thử.

Thiết kế vỏ tủ và nhiệt học

Tụ điện, cuộn kháng, khởi động từ, thiết bị bảo vệ, dây dẫn và thanh cái đều tỏa nhiệt. Cuộn kháng có thể yêu cầu luồng khí chuyên dụng hoặc khoảng cách vật lý với các tụ điện nhạy cảm với nhiệt độ. Thiết kế tủ điện phải xác minh:

• nhiệt độ môi trường và độ cao;
• độ tăng nhiệt bên trong và đường thông gió;
• khoảng cách giữa các linh kiện và quy tắc định hướng của nhà sản xuất;
• khả năng mang dòng của thanh cái và dây dẫn;
• khoảng cách cách điện và khoảng cách rò bề mặt;
• cấp bảo vệ của vỏ tủ và điều kiện ô nhiễm;
• bộ điều nhiệt cuộn kháng, bộ điều nhiệt tủ điện, điều khiển quạt, và chiến lược cảnh báo khi được sử dụng;
• tiếp cận để kiểm tra, xác minh xả điện an toàn, và thay thế.

Bản đồ tiêu chuẩn cho đặc tính kỹ thuật định hướng theo IEC

Chuẩn	Phạm vi liên quan trong thiết kế này
IEC 61921	Các bộ tụ điện bù công suất phản kháng AC hạ thế dùng để hiệu chỉnh hệ số công suất, bao gồm các bộ tụ có tích hợp thiết bị đóng cắt và điều khiển
IEC 60831-1	Các đơn vị và bộ tụ điện bù tự phục hồi cho hệ thống AC lên đến và bao gồm 1,000 V; hiệu suất, định mức, an toàn, lắp đặt và vận hành
IEC 61642	Ứng dụng bộ lọc thụ động và tụ bù song song trong các lưới điện AC công nghiệp bị ảnh hưởng bởi sóng hài
IEC 61439-1 và phần tiêu chuẩn tủ điện áp dụng	Kiểm chứng toàn bộ tủ điện hạ thế và thiết bị đóng cắt điều khiển khi có áp dụng
Bộ tiêu chuẩn IEC 60947	Các thiết bị đóng cắt, điều khiển, cách ly và bảo vệ liên quan theo phạm vi sản phẩm của chúng

Một linh kiện mang tham chiếu IEC không làm cho tủ điện hoàn thiện trở nên tuân thủ. Nhà sản xuất tủ điện phải kiểm chứng thiết kế hoàn chỉnh theo tiêu chuẩn tủ điện áp dụng và các điều kiện vận hành đã công bố. Các quy định của đơn vị điện lực khu vực, quy phạm lắp đặt quốc gia và thông số kỹ thuật của dự án có thể bổ sung các yêu cầu.

Trình tự chạy thử

Việc chạy thử cần chứng minh chuỗi đo lường, logic đóng cắt, phản ứng điện và đặc tính nhiệt thay vì chỉ cho thấy tất cả các bước có thể đóng lại.

1. Cách ly tủ điện, xác minh tình trạng không có điện áp và đảm bảo tất cả tụ điện đã được xả hết trước khi kiểm tra.
2. Kiểm tra định mức linh kiện, kích thước dây dẫn, hồ sơ lực siết, tiếp địa, khoảng cách an toàn, sự phù hợp giữa cuộn kháng và tụ điện, và sự phối hợp của các thiết bị bảo vệ.
3. Xác minh các tham chiếu điện áp bộ điều khiển, tỷ số CT, cực tính CT, phân pha và các khóa liên động của máy phát hoặc thiết bị ngoại vi.
4. Cấp điện cho mạch điều khiển và xác nhận các cảnh báo cũng như đầu vào nhiệt độ trước khi cho phép chuyển đổi bước tự động.
5. Chuyển đổi từng bước một và xác nhận sự thay đổi dự kiến của dòng điện pha, kvar, hướng hệ số công suất và chỉ báo trên bộ điều khiển.
6. Kiểm tra để đảm bảo không có bước nào gây ra hệ số công suất vượt ngưỡng (leading) tại tải vận hành tối thiểu đã công bố.
7. Ghi lại dòng điện của tụ điện và cuộn kháng bằng thiết bị đo true-RMS và so sánh với các định mức đã công bố và nghiên cứu thiết kế.
8. Đo sóng hài điện áp và dòng điện khi các tải phi tuyến tiêu biểu đang vận hành.
9. Xác minh tần số đóng cắt, bước xoay, độ trễ xả/tái kết nối, thông gió và các cảnh báo nhiệt độ bất thường.
10. Thực hiện đánh giá nhiệt khi có tải sau khi hệ thống đạt đến điều kiện vận hành ổn định và lưu giữ các kết quả cơ sở để bảo trì.

Bất kỳ hiện tượng quá dòng không rõ nguyên nhân, cầu chì tác động nhanh, khởi động từ kêu lạch cạch, tiếng ồn bất thường từ cuộn kháng, quá nhiệt hoặc sự gia tăng méo dạng điện áp đều cần được kiểm tra trước khi tiếp tục vận hành tự động.

Danh mục kiểm tra RFQ cho tủ tụ bù

Cung cấp cho nhà cung cấp hoặc đơn vị lắp ráp tủ điện các thông tin sau:

• điện áp hệ thống, tần số, số pha, sơ đồ nối đất và điểm đấu nối;
• biểu đồ tải kW/kvar tối thiểu, bình thường và tối đa;
• hệ số công suất dịch chuyển và hệ số công suất thực hiện tại và mục tiêu;
• phổ hài và điểm đo lường;
• danh mục tải phi tuyến và lịch vận hành;
• kVA máy biến áp, trở kháng và các chế độ vận hành của máy phát điện;
• dòng điện ngắn mạch khả dụng và định mức ngắn mạch yêu cầu của cụm thiết bị;
• kvar bù được tính toán và cấu trúc cố định/tự động/nhanh ưu tiên;
• độ phân giải bước yêu cầu và tần suất đóng cắt dự kiến;
• quyết định thiết kế loại tiêu chuẩn, khử điều hưởng, bộ lọc điều hưởng, chủ động hoặc lai;
• định mức tụ điện và cuộn kháng, dữ liệu điều hưởng và bảo vệ nhiệt;
• chế độ làm việc của thiết bị đóng cắt và bằng chứng phối hợp ngắn mạch;
• các yêu cầu về bảo vệ đầu vào và phân cấp, cách ly, và xả điện;
• các chức năng của bộ điều khiển, chi tiết CT, truyền thông, cảnh báo, và khóa liên động;
• cấp bảo vệ IP của vỏ tủ, nhiệt độ môi trường, độ cao, thông gió, lối vào cáp, và không gian khả dụng;
• các tiêu chuẩn IEC áp dụng, quy định quốc gia, tài liệu, kiểm tra định kỳ, và hồ sơ chạy thử.

Để được hỗ trợ lựa chọn, hãy cung cấp cho VIOX điện áp hệ thống, hồ sơ tải đo được, hệ số công suất (PF) hiện tại và mục tiêu, báo cáo sóng hài, dữ liệu máy biến áp, mức sự cố, các yêu cầu phân cấp, và điều kiện vỏ tủ. Những thông tin đầu vào này là cần thiết trước khi phối hợp các khởi động từ, thiết bị bảo vệ mạch, linh kiện phân phối, và phần cứng tủ điện.

Những Câu Hỏi Thường

Có nên chọn kích thước bộ tụ bù để đạt hệ số công suất 1.00 không?

Không mặc định như vậy. Sự thay đổi của tải và phép đo có thể biến mục tiêu hệ số công suất bằng 1 thành hệ số công suất vượt trước trong quá trình vận hành tải nhẹ. Hãy sử dụng mục tiêu của đơn vị điện lực hoặc dự án và duy trì biên độ trễ phù hợp trừ khi nghiên cứu hệ thống có quy định khác.

Tụ điện có thể hiệu chỉnh hệ số công suất sóng hài không?

Tụ điện hiệu chỉnh công suất phản kháng ở tần số cơ bản. Chúng không triệt tiêu dòng điện sóng hài từ các tải phi tuyến. Do đó, hệ số công suất thực có thể vẫn thấp hơn hệ số công suất dịch pha sau khi hiệu chỉnh.

Khi nào thì tủ tụ bù tự động tốt hơn tủ tụ bù cố định?

Tủ tụ bù tự động theo cấp thường phù hợp hơn khi lượng kvar cảm kháng thay đổi đáng kể trong chu kỳ vận hành. Tủ tụ bù cố định chỉ thích hợp khi tải được bù và trạng thái vận hành của nó đủ ổn định và tủ tụ không thể duy trì kết nối nếu không có tải đó.

Cuộn kháng lọc sóng hài có loại bỏ sóng hài không?

Không nhất thiết. Trong tủ bù công suất phản kháng (PFC), cuộn kháng lọc sóng hài thường được sử dụng để dịch chuyển cộng hưởng tụ điện-cuộn kháng xuống dưới bậc sóng hài đáng kể thấp nhất và giảm nguy cơ khuếch đại. Bộ lọc thụ động được thiết kế có chủ đích xung quanh một bậc sóng hài đã chọn.

Biến dòng (CT) của bộ điều khiển APFC nên được lắp đặt ở đâu?

Vị trí lắp đặt phải cho phép bộ điều khiển đo được tải thực và hiệu ứng của tủ tụ bù. Trong cách bố trí trung tâm thông thường, điều đó có nghĩa là lắp đặt ở phía nguồn của cả tải và tủ tụ, nhưng pha, cực tính và hệ thống dây điện chính xác phải tuân theo sơ đồ của nhà sản xuất bộ điều khiển.

Nguồn và Tiêu chuẩn

• IEC 61921:2017 – Tụ điện công suất: Tủ bù công suất phản kháng hạ thế
• IEC 60831-1:2014 – Self-healing shunt power capacitors up to 1,000 V
• IEC 61642:1997 – Mạng điện AC công nghiệp bị ảnh hưởng bởi sóng hài
• ABB – Bù công suất phản kháng và lọc sóng hài trong các nhà máy điện
• Eaton – Bù công suất phản kháng: Hướng dẫn dành cho kỹ sư nhà máy
• Schneider Electric – Hướng dẫn thiết kế và sản xuất tủ bù công suất phản kháng hạ thế