Trong khi tụ điện thường được liên kết với các ứng dụng shunt để hiệu chỉnh hệ số công suất , tụ điện nối tiếp được sử dụng rộng rãi trong các đường dây truyền tải để tăng cường điều chỉnh điện áp, tăng khả năng truyền tải điện và cải thiện hiệu suất hệ thống tổng thể. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giải thích lý do tại sao tụ điện được kết nối nối tiếp trong các đường dây truyền tải điện và những lợi ích và bất lợi là gì.

Một ngân hàng tụ điện được kết nối nối tiếp với đường dây truyền tải điện để bù cho điện kháng cảm ứng của đường dây. Nó làm giảm hiệu quả sự sụt áp dọc theo đường dây, tăng khả năng truyền tải điện và cải thiện khả năng điều chỉnh điện áp. Về cơ bản, công suất phản kháng của tụ điện chống lại điện kháng cảm ứng, cho phép hệ thống truyền tải điện hiệu quả hơn trên những khoảng cách xa.

Điện kháng cảm ứng trong đường dây truyền tải

Đường dây truyền tải điện áp cao vốn có độ tự cảm do đường kính, chiều dài và khoảng cách của dây dẫn. Độ tự cảm quá mức gây ra sụt áp dọc theo đường dây, hạn chế khả năng dẫn dòng, giảm khả năng truyền tải điện và làm giảm độ ổn định của hệ thống.

Độ tự cảm này tạo ra điện kháng cảm ứng (X_L = 2π f L), chống lại dòng điện xoay chiều (AC). Khi chiều dài của đường truyền tăng lên, điện kháng cảm ứng tăng lên, dẫn đến:

• Tăng điện áp rơi trên đường dây.
• Giảm hiệu suất truyền tải điện năng.
• Tăng độ lệch góc pha giữa điện áp đầu phát và đầu thu.

Để chống lại những tác động này, tụ điện được kết nối nối tiếp với đường dây truyền tải.

Vai trò của tụ điện nối tiếp trong truyền tải điện

Tụ điện được kết nối nối tiếp trong đường dây truyền tải điện chủ yếu để bù điện áp và tăng cường truyền tải điện. Thực hành này, được gọi là bù nối tiếp, giúp cải thiện hiệu suất và tính ổn định của truyền tải điện đường dài.

Tụ điện nối tiếp cung cấp khả năng bù công suất phản kháng bằng cách đưa vào điện kháng dung (X_C = 1 / (2π f C), giúp chống lại điện kháng cảm của đường dây. Điều này mang lại một số lợi ích:

1) Bù trừ điện kháng cảm ứng

Vì điện kháng cảm là dương và điện kháng dung là âm, chúng triệt tiêu lẫn nhau khi tụ điện được đặt nối tiếp. Điều này làm giảm tổng điện kháng hiệu dụng (Xeff) của đường truyền:

X_eff = X_L − X_C

Điện kháng hiệu dụng thấp hơn dẫn đến giảm sụt áp và tăng hiệu suất truyền tải.

Điện kháng cảm ứng quá mức gây ra sụt áp dọc theo đường dây, làm giảm khả năng truyền tải điện năng và làm giảm độ ổn định của hệ thống. Để chống lại hiệu ứng này, tụ điện nối tiếp được sử dụng để đưa vào điện kháng dung (X_C), được đưa ra bởi:

XC = 1/ωC = 1/2πfc

Trong đó “C” là điện dung và X_C là điện kháng dung kháng do tụ điện cung cấp.

2) Cải thiện khả năng truyền tải điện

Theo phương trình truyền tải điện năng:

Ở đâu,

• P = Công suất được truyền tải
• V1 = Điện áp gửi
• V2 = Điện áp nhận
• X_L = Điện kháng cảm ứng của đường dây truyền tải
• δ = Góc pha giữa V₁ và V₂

Bằng cách giảm điện kháng X_L quá mức, tụ điện nối tiếp làm tăng khả năng truyền tải điện năng của cùng một đường dây. Theo cách này, nó cho phép truyền tải nhiều điện năng hơn trên những khoảng cách xa hơn. Với tụ bù nối tiếp, khả năng truyền tải điện năng trở thành:

Với tụ bù nối tiếp, khả năng truyền tải điện năng được tăng cường vì điện kháng điện dung do tụ bù nối tiếp tạo ra triệt tiêu một phần điện kháng cảm ứng của đường truyền. Điều này làm giảm hiệu quả trở kháng ròng, tăng hiệu suất truyền tải điện năng. Do đó, có thể truyền tải thêm khoảng 50% điện năng khi sử dụng thiết bị bù nối tiếp.

3) Ổn định và điều chỉnh điện áp

Đường dây truyền tải có điện kháng cảm ứng vốn có do chiều dài của chúng và bản chất của các dây dẫn. Trong khi điện kháng cảm ứng quá mức gây ra sụt áp dọc theo đường dây, tụ điện được kết nối nối tiếp với đường dây truyền tải tạo ra điện kháng dung (-XC), giúp triệt tiêu một phần điện kháng cảm ứng (+XL). Điều này làm giảm trở kháng tổng thể của đường dây và cải thiện mức điện áp ở đầu nhận.

Theo cách này, tụ điện nối tiếp giúp duy trì mức điện áp trên khoảng cách truyền tải dài, đặc biệt là trong điều kiện tải cao. Nếu không bù, điện áp giảm do độ tự cảm của đường dây có thể dẫn đến mất ổn định và cung cấp điện không hiệu quả. Bằng cách chống lại sự sụt giảm điện áp cảm ứng, tụ điện nối tiếp tăng cường độ ổn định điện áp.

4) Cải thiện tính ổn định tạm thời

Trong quá trình nhiễu loạn (ví dụ, lỗi, thay đổi tải), các đường dây truyền tải trải qua dao động trong dòng điện. Tụ điện nối tiếp tăng cường độ ổn định tạm thời bằng cách tăng hệ số công suất đồng bộ, giảm khả năng mất ổn định hệ thống và mất điện.

Ngoài ra, dao động điện có thể xảy ra do nhiễu loạn hệ thống. Tụ điện nối tiếp giúp ổn định các dao động này bằng cách thay đổi động lực dòng điện và cải thiện độ ổn định tạm thời.

5) Giảm hiệu ứng Ferranti

Trong các đường dây truyền tải rất dài, điện áp đầu nhận có thể cao hơn điện áp đầu phát trong điều kiện tải nhẹ do dòng điện sạc quá mức và điện dung đường dây. Hiệu ứng này được gọi là “ Hiệu ứng Ferranti ”. Tụ điện nối tiếp bù đắp hiệu ứng này bằng cách cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống.

Trong trường hợp hiệu ứng Ferranti, các cuộn cảm và tụ điện thích hợp được thêm vào mạch để đưa giá trị điện áp ở đầu nhận trở lại bằng với điện áp ở đầu phát.

Để chống lại hiệu ứng Ferranti, các cuộn cảm và tụ điện thích hợp được thêm vào mạch để điều chỉnh điện áp ở đầu thu.

Ngược lại, khi điện áp đầu nhận thấp hơn điện áp đầu phát, tụ điện được sử dụng để tăng điện áp. Quá trình này được gọi là bù VAR tĩnh, trong đó một tụ điện cố định được kết nối song song với cuộn cảm để cải thiện hệ số công suất .

Ứng dụng của tụ điện nối tiếp trong đường dây truyền tải

Tụ điện nối tiếp thường được sử dụng trong:

• Đường dây truyền tải điện áp cực cao (EHV) và điện áp cực cao (UHV) (trên 220 kV).
• Đường dây truyền tải HVAC (Dòng điện xoay chiều cao áp) đường dài  để cải thiện hiệu quả truyền tải điện.
• FACTS (Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt) để bù động cho các biến động của hệ thống điện.

Nhược điểm của tụ điện nối tiếp

Mặc dù có nhiều ưu điểm, tụ điện nối tiếp cũng có một số nhược điểm sau:

• Điện áp quá độ cao: Dòng điện lỗi có thể gây ra điện áp quá độ cao trên tụ điện, đòi hỏi phải có mạch bypass. Định mức của tụ điện được kết nối nối tiếp phải đủ để liên tục mang dòng điện tải đầy đủ. Điều này là do điện áp rất cao được tạo ra trên tụ điện trong khi xóa dòng điện lỗi.
• Rủi ro quá áp: Những thay đổi đột ngột trong điều kiện hệ thống có thể gây ra quá áp trên tụ điện, đòi hỏi phải có các sơ đồ bảo vệ như Metal Oxide Varistor (MOV). Tụ điện định mức phải chịu được dòng điện ngắn mạch cho đến khi các thiết bị bảo vệ hoạt động bình thường để xóa lỗi. Điện áp cao trên tụ điện trong quá trình xóa lỗi có thể gây ra hỏng tụ điện.
• Sử dụng hạn chế trong Hệ thống DC: Do tụ điện có khả năng bị hỏng trong quá trình đoản mạch, tụ điện phân lưu được ưa chuộng hơn tụ điện nối tiếp. Tụ điện nối tiếp hiếm khi được sử dụng trong hệ thống DC để giảm thiểu các vấn đề liên quan đến độ tự cảm.
• Cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR): Tương tác giữa tụ điện nối tiếp và máy quay (như tua-bin và máy phát điện) có thể gây ra cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR), một hiện tượng trong đó cộng hưởng dưới tần số hệ thống (50/60 Hz) dẫn đến hư hỏng cơ học, chẳng hạn như nứt trục rô-to và cộng hưởng không mong muốn với các hiệu ứng hài.
• Yêu cầu bảo trì: Hệ thống tụ điện nối tiếp cần được theo dõi và bảo trì thường xuyên để tránh hỏng hóc.

‍