Đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng của chất lượng điện áp tới các hộ dùng điện

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng của chất lượng điện áp tới các hộ dùng điện LỜI NÓI ĐẦU Điện lực giữ một vai trò then chốt trong sự ngjiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước. Từ khâu sản xuất, truyền tải đến phân phối điện năng đến các hộ tiêu thụ phải thực hiện đồng bộ, đúng quy hoạch theo chiến lược phát triển năng lượng của mỗi quốc gia. Nền kinh tế quốc dân ngày càng phát triển, do đó đòi hỏi ngày càng nhiều năng lượng điện. Điều đó đặt ra cho hệ thống cung cấp điện một nhiệm vụ khó khăn là vừa phải thoả mãn lượng điện năng tiêu thụ, vừa phải đảm bảo chất lượng của nó. Vì vậy chất lượng điện năng ảnh hưởng rất lớn đến chế độ làm việc của mạng và thiết bị điện. Trong phạm vi của đề tài chúng em đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của chất lượng điện áp tới các hộ dùng điện, từ đó đưa ra các giải pháp đảm bảo và nâng cao chất lượng điện áp. NỘI DUNG CHÍNH Chương I : Khái niệm chất lượng điện 1.1. Khái niệm chung 1.2. Các chỉ tiêu đánh giá 1.2.1. Chỉ tiêu điện áp 1.2.1.1. Độ lệch điện áp 1.2.1.2. Độ dao động điện áp 1.2.1.3. Độ không hình sin của dạng đường cong điện áp 1.2.1.4. Độ không đối xứng của điện áp 1.2.2. Chỉ tiêu tần số 1.2.2.1. Độ lệch tần số 1.2.2.2. Độ dao động tần số 1.3. Các phương pháp đánh giá chất lượng điện áp Chương II : Ảnh hưởng của chất lượng điện tới các hộ dùng điện 2.1. Ảnh hưởng của chất lượng tần số 2.2 Ảnh hưởng của chất lượng điện áp 2.2.1. Nguyên nhân gây biến động điện áp và ảnh hưởng của nó đến chế độ làm việc của mạng. 2.2.2. Quan hệ công suất phản kháng với điện áp Chương III: Các giải pháp nâng cao chất lượng điện áp 3.1. Các phương pháp điều chỉnh điện áp 3.2. Các thiết bị điều chỉnh 3.3. Tổn thất điện áp và biện pháp nâng cao điện áp vận hành của mạng điện Chương IV: Áp dụng Đối với trường ĐHSPKT Hưng Yên Chương I: KHÁI NIỆM CHẤT LƯỢNG ĐIỆN 1.1 Khái niệm chung Chất lượng điện năng có quan hệ tới nhiều yếu tố. Vì thế để giải quyết hợp lí vấn đề đảm bảo và nâng cao chất lương điện năng có lẽ là một trong những vấn đề khó khăn nhất khi thiết kế cung cấp điện. Chất lượng điện năng được đánh giá dựa trên hai chỉ tiêu là chất lượng điện áp và chất lượng tần số. Chất lượng điện năng là mức độ trùng hợp của điện áp và tần số so với giá trị chuẩn đã quy định. Chất lượng điện năng ảnh hưởng tới các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật của các hộ dùng điện. Các thiết bị dùng điện chỉ có thể làm việc với hiệu quả tốt trong trường hợp điện năng có chất lượng cao. * Với lưới điện ba pha xoay chiều người ta quy định chất lượng điện áp theo 5 đại lượng sau đây: 1. Độ lệch điện áp( khi tốc độ biến đổi của điện áp nhỏ hơn 1% trong 1 giây) so với giá trị định mức : qU = 2. Độ dao động điện áp ( khi tốc độ biến đổi của điện áp không nhỏ hơn 1% trong 1 giây) 3. Độ không hình sin của dạng đường cong điện áp : trong đó U - Điện áp thành phần cơ bản Khi thì dạng của đường cong điện áp thường chỉ cần tính đến bậc 13 là đủ. 4. Độ không đối xứng của điện áp : Trong đó - điện áp thứ tự nghịch a = ; Nếu điện áp có thì có thể xem thực tế như là đối xứng. 5. Độ lệch trung tính. Trong đó - điện áp thứ tự không * Chất lượng tần số được đánh giá theo 2 dại lượng sau đây : 1. Độ lệch tần số ( lấy trong khoảng thời gian là 10 phút) q 2. Độ dao động tần số ( khi tốc độ biến đổi của tần số nhỏ hơn 0.2 HZ trong thời gian một giây) p Ngoài ra, chất lượng điện năng còn được đánh giá bằng chỉ tiêu là độ tin cậy của hệ thống, tức là tính lien tục cung cấp điện. Giữ cho độ lệch và dao động của tần số nằm trong phạm vi cho phép là nhiệm vụ của các nhà máy phát điện, các hộ dùng điện ít ảnh hưởng tới tần số, vì vậy về sau này chúng ta sẽ không đề cập đến các biện pháp đảm bảo chất lượng tần số. Nâng cao chất lượng điện năng sẽ trực tiếp ảnh hưởng tới số lượng và chất lượng các sản phẩm làm ra. Vì vậy khi thiết kế, người thiết kế phải tìm hiểu kĩ quá trình công nghệ, xác định ảnh hưởng của chất lượng điện năng đối với chất lượng sản phẩm và sự làm việc bình thường của xí nghiệp. Trên cơ sở đó người thiết kế lựa chọn một cách hợp lí các biện pháp nâng cao chất lượng điện năng. Khi vận hành cần tuân thủ chặt chẽ các quy tình quy phạm để đảm bảo cho hệ thống cung cấp điện đạt được những chỉ tiêu đã xác định lúc thiết kế. 1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện 1.2.1. Chỉ tiêu điện áp 1.2.1.1 Độ lệch điện áp Độ lệch điện áp tại một điểm trong hệ thống cung cấp điện là độ chênh lệch giữa điện áp thực tế U và điện áp định mức Uđm với điều kiện lá tốc độ biến thiên của điện áp nhỏ hơn 1% Uđm/giây. Vậy qU= % = (1) Độ lệch điện áp có dấu âm khi điện áp thực tế nhỏ hơn điện áp định mức và có dấu dương trong trường hợp ngược lại. Thông thường có nhiều nguyên nhân gây ra độ lệch điện áp. Vì vậy độ lệch điện áp tại một điểm nào đó trong hệ thống cung cấp điện có thể được coi như là tổng đại số các độ lệch điện áp thành phần : (2) Trong đó - độ lệch điện áp do nguyên nhân thứ i gây ra được tính theo biểu thức (1). Chú ý khi tính phải được tính cùng một pha và cùng một thời điểm. Độ lệch điện áp cho phép ở mỗi nước khác nhau thì được quy định khác nhau. Ví dụ : * Ở Nga [6], tiêu chuẩn điện áp được quy định như sau : Đối với các thiết bị chiếu sang công nghiệp và công sở, đèn pha là từ -2,5% ÷ +5%; Đối với động cơ điện -5,5% ÷ +10%; Đối với các thiết bị điện khác ±5%; Trường hợp động cơ khởi động hoặc mạng ở tình trạng sau khi xảy ra sự cố -10% ÷ 20%. Các chỉ tiêu này pahỉ được thoả mãn với xác suất 95%. * Tiêu chuẩn Pháp [2], độ lệch điện áp cho lưới cáp trung và hạ áp là±5,5%, cho lưới trung áp trên không là ±7%, cho lưới hạ áp trên không là ±10%. * Tiêu chuẩn Singapo [2], độ lệch điện áp ±6%. Những quy định trên cần phải được đảm bảo chặt chẽ, bởi vì độ lệch điện áp có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc bình thừơng của các thiết bị điện. Ví dụ khi điện áp giảm 10%, thì mômen quay của động cơ không đồng bộ giảm 19%, độ trượt tăng 27,5%, dòng trong rôto tăng 14%, trong stato tăng 10%. Các thiết bị chiếu sáng rất nhạy cảm đối với điện áp. Khi điện áp giảm 25% thì quang thông của đèn dây tóc giảm 9%, còn khi điện áp tăng 10% thì tuổi thọ của nó giảm 30 - 35%. Chình vì vậy độ lệch điện áp cho phép đối với các thiết bị chiếu sáng được quy định nhỏ hơn so với các thiết bị điện khác. Để xác định độ lệch điện áp tại một điểm nào đó trong hệ thống cung cấp điện ta phải xác định tổn thất điện áp trên các phần tử từ nguồn đến điểm đó (chủ yêú là trên đường dây và máy biến áp), đồng thời phải kể đến việc nâng cao điện áp do chọn đầu phân áp của máy biến áp và các biện pháp điều chỉnh điện áp khác. Vậy % = (3) Trong đó - độ tăng điện áp do điều chỉnh đầu phân áp và các biện pháp điều chỉnh điện áp khác, - tổn thất điện áp trên máy biến áp. Chú ý rằng các điện áp trong công thức (3) phải được quy về cấp điện áp tại điểm xét. Hình 1 trình bày một ví dụ về phân bố điện áp dọc theo đường dây cung cấp điện và các độ lệch điện ápdo các phần tử trong hệ thống cung cấp điện gây ra. Trong đó = 5% - độ lệch điện áp trên thanh cái trạm biến áp khu vực; - độ lệch điện áp do đầu phân áp của máy biến áp gây ra. = 6% - tổn thất điện áp trên đường dây điện áp cao; - tổn thất điện áp trên máy biến áp; - tổn thất điện áp trên đường dây điện áp thấp. Từ hình 1 ta thấy rằng để duy trì điện áp trên cực của phụ tải nằm trong phạm vi cho phép chúng ta phải áp dụng các biện pháp điều chỉnh điện áp để bù vào các tổn thất điện áp do các phần tử trong hệ thống cung cấp điện gâp ra. Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn điện áp quan trọng nhất ảnh hưởng lớn đến giá thành hệ thống điện. 1.2.1.2. Độ dao động điện áp Dao động điện áp là sự biến thiên của điện áp xảy ra trong khỏang thời gian tương đối ngắn. Phụ tải chịu ảnh hưởng của dao động điện áp không những về biên độ dao động mà cả về tần số xuất hiện các dao động đó. Sự biến thiên nhanh của điện áp được tính theo công thức : Tốc độ biến thiên từ Uđến Ukhông nhỏ hơn 1%/s. Nguyên nhân chủ yếu gây ra dao động điện áp là do các phụ tải lớn làm việc đòi hỏi sự đột biến về tiêu thụ công suất tác dụng và phản kháng. Các lò điện hồ quang, các máy hàn, các máy cán thép cỡ lớn v.v… là các thiết bị thường gây ra dao động điện áp. Tuỳ theo biên độ và tần số dao động, người ta quy định những giá trị cho phép sau đây : - Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/giờ, - Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/phút, - Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/giây, Mức độ dao động điện áp phụ thuộc vào tỷ số giữa công suất nguồn và công suất của những phụ tải biến thiên. Nói chung khi tỷ số nói trên từ 10 trở lên thì biến thiên của phụ tải thực tế chỉ gây ra dao động điện áp cục bộ tại điểm phụ tải làm việc mà thôi. Tính tóan giá trị của biên độ dao động điện áp khá phức tạp vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố bất định. Có thể sử dụng các công thức gần đúng nhằm đánh giá sơ bộ dao động điện áp lúc thiết kế cung cấp điện sau đây : Dao động điện áp khi các dao động cơ làm việc có sự biến đổi phụ tải lớn được tính theo công thức : Dao động điện áp khi lò điện hồ quang làm việc Trong các cvông thức trên - lượng phụ tải phản kháng biến đổi của động cơ; - công suất của máy biến áp lò điện hồ quang: - công suất ngắn mạch tại điểm có phụ tải làm việc. Dao động điện áp gây ra dao động ánh sáng làm hại mắt người lao động, làm nhiễu máy thu thanh, máy thu hình và các thiết bị điện tử… Độ dao động điện áp được hạn chế trong miền cho phép. Ví dụ, tiêu chuẩn Nga [6] quy định dao động điện áp trên cực các thiết bị điện áp như sau : n- số dao động trong 1 giờ - thời gian trung bình giữa 2 dao động [phút] Theo tiêu chuẩn này, nếu 1 giờ có một dao động thì biên độ được phép 7%. Đối với các thiết bị có sự thay đổi đột ngột công suất trong vận hành chỉ cho phép đến 1,5%. Còn đối với các phụ tải khác không được chuẩn hoá, nhưng nếu > 15% sẽ dẫn đến hoạt động sai của khởi động từ các thiết bị điều khiển. Ở Pháp [2], người ta dùng đường cong quan hệ giữa và tần suất xuất hiện. Theo đó nếu một lần trong một giờ thì cho phép là 10%. Khi trong hệ thống cung cấp điện có những hộ tiêu thụ có sự biến đổi phụ tải thì người thiết kế phải áp dụng các biện pháp hạn chế dao động điện áp. 1.2.1.3. Độ không hình sin của đường cong điện áp và sóng điều hoà bậc cao Sóng điều hoà bậc cao của dòng điện và điện áp sẽ gây tổn hao phụ về năng lượng điện, làm phát nóng thiết bị điện, tăng nhanh quá trình già hoá của vật liệu cách điện, gây ảnh hưởng xấu đối với chế độ làm việc của các bộ biến đổi van (đổi chiều không hoàn toàn ), làm cho các thiết bị đo lưòng, bảo vệ, điều khiển trong hệ thống cung cấp điện tác động không chính xác. Nguồn gây ra sóng điều hoà bậc cao thường là do các bộ biến đổi van, lò điện hồ quang, máy hàn, tắcte của đèn ống v.v… Khi thiết kế cung cấp điện cũng như lúc vận hành phải xét tới các biện pháp hạn chế sóng điều hoà bậc cao. Khi trong hệ thống cung cấp điện có các bộ biến đổi van thì biện pháp hữu hiệu để chống sóng điều hoà bậc cao là dùng các sơ đồ chỉnh lưu nhiều pha ( 12,24,36,48 pha). Các bộ lọc cộng hưởng động lực cũng có tác dụng rất tốt để lọc các sóng điều hoà bậc cao. Bộ lọc được tạo thành từ điện kháng L và tụ điện C và được chỉnh để cộng hưởng với sóng điều hoà bậc cao muốn lọc. Ngoài nhiệm vụ hạn chế sóng điều hoà bậc cao, các tụ điện trong bộ lọc cộng hưởng còn có tác dụng bù công suất phản kháng. Tiêu chuẩn Nga quy định: với j = 3,5,7… U1- trị hiệu dụng của song hài bậc nhất của điện áp. Tần số được đảm bảo bằng cách điều khiển cân bằng công suất tác dụng chung trong toàn hệ thống điện và được thực hiện trong các nhà máy điện. 1.2.1.4. Độ không đối xứng Nếu trong mạng điện có các phụ tải một pha công suất lớn như: máy hàn, lò điện …thì chúng thường gây ra hiện tượng phụ tải không đối xứng do đó kéo theo điện áp không cân bằng làm lệch điểm trung tính của mạng điện. Để đánh giá mức độ phụ tải không cân bằng ncó thể dùng biểu thức sau: độ không cân bằng sẽ nằm trong phạm vi cho phép nếu có tỉ số: trong đó: SN –Công suất ngắn mạch tại điểm có các phụ tải một pha; S1fa là phụ tải một pha. Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi thọ của thiết bị dùng điện, giảm khả năng tải của lưới điện và tăng tổn thất điện năng. Tiêu chuẩn Nga [ 6] quy định, trên lưới điện sinh hoạt U2 không được vượt quá giá trị làm cho điện áp thực trên cực thiết bị dùng điện thấp hơn giá trị cho pheo. Trên cực thiết bị dùng điện ba pha đối xứng, U2 không được vượt quá 2% Uđm ; trên cực các động cơ không đồng bộ, U2 cho phép được xác định riêng theo điều kiện phát nóng và có thể lớn hơn 2%. Vì vậy để giảm độ không cân bằng chúng ta phải cố gắng phân đều phụ tải một pha lên ba pha của mạng điện, đồng thời phân định lịch vận hành của các phụ tải một pha sao cho chúng làm việc rải đều trong các ca sản xuất của xí nghiệp. 1.2.2. Tiêu chuẩn tần số 1.2.2.1. Độ lệch tần số Độ lệch tần số so với tần số định mức: Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép: min fmax Cũng có nghĩa là tần số phải luôn nằm trong giới hạn cho phép: fmin f fmax Trong đó: fmin = fđm - min fmax = fđm + fmax 1.2.2.2. Độ dao động tần số Độ dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tần số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0,1%. Độ dao động tần số không được lớn hơn giá trị cho phép. Ví dụ, theo 13109- 87[6] của Nga thì độ lệch tần số cho phép là ±0,2 Hz với xác suất 95% (22,8 h/ngày), độ lệch tối đa cho phép là ±0.4 Hz trong mọi thời gian và chế độ sự cố cho phép độ lệch ±0,5 ÷ 1 Hz với tổng độ kéo dài không quá 90 h/năm. Độ dao động tần số không vượt quá 0,2 Hz Theo tiêu chuẩn Singapo [2], độ lệch tần số cho phép là 1%, tức là ±0,5 Hz. 1.3. Các phương pháp đánh giá chất lượng điện áp: 1.3.1 Đánh giá chất lượng điện theo mô hình xác suất thống kê Xác suất chất lượng pCL là xác suất mà độ lệch điện áp v của mạng điện nằm trong giới hạn cho phép: pCL= ; F(x) – hàm Laplace; Với x1 = ; x2 = . Độ lệch chuẩn của độ lệch điện áp: Độ lệch chuẩn của điện áp: UM, Umin, Un - điện áp cực đại, điện áp cực tiểu và điện áp định mức của mạng điện. ; Giá trị điện áp trung bình có thể xác định: Utb = Trong đó: Ui – giá trị điện áp của phép đo thứ I; n - số phép đo. Hoặc Utb = Thời gian chất lượng: TCL = pCL.T Điện năng chất lượng: ACL = pCL.A A - tổng điện năng tiêu thụ trong thời gian xét T. Đánh giá độ đối xứng Phương pháp phân tích các thành phần đối xứng : Các thành phần đối xứng được xác định theo biểu thức: U1 = 1/3 ( UA + UB + UC ) U2 = 1/3 ( UA + a.UB + a.UC) Uo = 1/3 ( UA + a.UB + a.UC) Trong đó: UA, UB, UC - điện áp pha A, pha B và pha C; a - toán tử quay: a = . Hệ số phi đối xứng: kkđx = 1.3.2. Phương pháp giải tích Các thành phần đối xứng của dòng điện được xác định theo biểu thức: I1 = I2 = I3 = Với M1R = ( IA + IB + IC).cos ; M1X = ( IA + IB + IC).sin ; M2R = IA cos - ( IB + IC) cos + ( IB - IC) sin; M2X = IA sin - ( IB + IC) sin + ( IB - IC) cos; M0R = IA cos - ( IB + IC) cos - ( IB - IC) sin; M2X = IA sin - ( IB + IC) sin - ( IB - IC) cos; - Trong trường hợp mạng điện không có dây trung tính, tổng 3 vectơ dòng hoặc điện áp bằng 0. Giả sử ta có tổng các vectơ IA + IB + IC = 0, các thành phần đối xứng được xác định theo biểu thức: I1 = I2 = I0 = 0; Trong đó: b = Hệ số phi đối xứng: kkđx = CHƯƠNG II: ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP Diễn biến điện áp trong lưới điện. - Ở chế độ max, nhờ điều áp dưới tải ở hai trạm trung gian, điện áp đầu nguồn đạt độ lệch E1. Tổn thất điện áp làm điện áp trên thanh cái trung áp của trạm phân phối giảm xuống ( đường 1), nhưng nhờ có đầu phân áp cố định ở MBA phân phối nên điện áp tăng lên EP, ở đầu ra của MBA điện áp tụt xuống do tổn thất điện áp trong MBA phân phối , ở điểm A cuối lưới phân phối hạ áp điện áp thấp nữa do tổn thất điện áp trong lưới hạ áp . - Ở chế độ min tương tự như vậy ( đường 2). Độ tăng điện áp EP do đặt đầu phân áp cố định giữ nguyên giá trị cho chế độ min. - Nếu điện áp trong lưới hạ áp nằm gọn trong miền chất lượng điện áp (phần gạch chéo) thì chất lượng điện áp của lưới điện là tốt, ngược lại là không tốt cần phải thực hiện các biện pháp hiệu chỉnh. Từ sơ đồ ta có: Kết luận: Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn chính của chất lượng điện áp, nó ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc của lưới điện. II. Nguyên nhân gây biến động điện áp. Độ lệch điện áp được xác định như sau: Nếu điện áp đặt vào phụ tải không đúng với điện áp định mức của phụ tải yêu cầu thì ít nhiều tình trạng làm việc của phụ tải đó cũng trở nên không tốt. Hay độ lệch điện áp càng lớn thì chỉ tiêu kinh tế của các thiết bị dùng điện càng thấp. Sự biến động điện áp là do các nguyên nhân sau đây: 1.Nguyên nhân phát sinh ở bản thân các hộ tiêu thụ điện - Phụ tải của các hộ dùng điện luôn luôn thay đổi gây lên độ lệch điện áp. Vì phụ tải thay đổi khiến công suất chuyên trở trong mạng điện thay đổi, mức tổn thất điện áp trong mạng cũng thay đổi gây ra các độ lệch khác nhau về điện áp. Đây là các biến đổi tự nhiên và chậm. VD: Đèn điện thắp sáng vào ban ngày chỉ bằng 10-15% vào buổi tối. Các khu công nghiệp lớn, phụ tải đêm chỉ bằng 40-50% của phụ tải lớn nhất. - Khởi động các động cơ. - Sự thay đổi đột ngột của động cơ công suất lớn. 2. Nguyên nhân phát sinh do sự cố biến đổi về tình trạng vận hành của hệ thống điện - Phương thức vận hành của các nhà máy điện. VD: các nhà máy thuỷ điện nếu không có hồ chứa nước thì mùa nước sẽ vận hành mãn tải, còn tới mùa cạc nước thì phải cho dừng một số máy phát, giảm bớt phần cung cấp cho hệ thống. - Sự thay đổi trong cấu trúc lưới điện. VD: Thời kỳ đại tu phải cho một số máy dừng hoạt động. Những sự thay đổi này làm cho sự phân bố công suất trong toàn bộ hệ thống bị thay đổi, làm thay đổi mức tổn thất điện áp dẫn đến làm thay đổi độ lệch điện áp ở nơi tiêu thụ điện. III.Ảnh hưởng của chất lượng điện áp tới hộ dùng điện 1. Chất lượng điện năng của các hộ dùng điện không đạt yêu cầu - Đối với động cơ không đồng bộ: Khi điện áp trên cực động cơ bị giảm thấp thì mômen quay và tốc độ quay sẽ giảm, dòng điện trong stato tăng lên làm tăng phát nóng trong động cơ, động cơ khó khởi động, thời gian khởi động kéo dài. - Đối với máy công cụ: Do động cơ truyền động thì ảnh hưởng của điện áp còn liên quan đến phụ tải cơ, đến hiệu suất công tác của thiết bị. Cụ thể điện áp giảm ngắn mạch đến 15% thì khởi động từ có thể không giữ đuợc, gây cắt điện. Dòng khởi động ngắn hạn của động cơ KĐB ( có thành phần trở kháng là chủ yếu) có thể gây ra trên lưới điện có điện kháng cao ( thanh dẫn, đường dây trên không ) và kháng điện độ giảm áp lớn làm ảnh hưởng đến làm việc bình thường của động cơ đang làm việc hoặc đang khởi động. Nếu điện áp giảm thấp quá thì bản thân động cơ có thể khởi động không thành công. Hiện tượng này thường gặp ở các máy bơm nước phục vụ tưới tiêu. - Đối với thiết bị chiếu sáng: Khi điện áp giảm, quang thông của đèn nung nóng sẽ giảm. Điện áp giảm 5% thì quang thông giảm 10% dẫn đến giảm năng suất và chất lượng lao động, không đảm bảo an toàn lao động. Khi điện áp tăng cao, tuổi thọ của đèn sẽ giảm. Điện áp luôn tăng 1% so với điện áp định mức của đèn, tuổi thọ của đèn giảm 15% Khi điện áp luôn tăng 5%, tuổi thọ giảm một nửa. Khi điện áp luôn tăng 10-15%, bóng đèn sẽ bị cháy. VD: Đối với đèn huỳnh quang, điện áp tăng 10% tuổi thọ của đèn giảm 20-30%. Nếu điẹn áp của đèn giảm đèn khó khởi động. Khi điện áp giảm trên 30% đèn không khởi động được. Đối với đèn sợi tim ( hay đèn nung sáng) Ta có đặc tính của đèn như sau: Quang thông và thời gian phục vụ T của đèn phụ thuộc vào điện áp đặt vào. Điện áp càng tăng thì quang thông càng tăng nhưng thời gian T lại càng giảm. - Đối với các lò điện, sự biến đổi điện áp ảnh hưởng rất nhiều đến đặc tính kinh tế- kỹ thuật của các lò điện. VD: Khi điện áp ở các lò luyện kim giảm 10-15% thì thành phẩm có thể giảm từ 15-20% do hư hỏng và do thời gian bị kéo dài. - Đối với các dụng cụ đốt nóng, các bếp điện trở: Như vậy tổn thất công suất trong các hộ tiêu thụ loại này sẽ tỉ lệ thuận với bình phương điện áp đặt vào. Khi điện áp giảm, hiệu quả của các phần tử đốt nóng sẽ giảm xuống rõ rệt. 2. Ảnh hưởng xấu đến công tác của hệ thống điện - Điện áp tăng quá cao gây nguy hiểm cho thiết bị hệ thống điện. VD: Điện áp trên đường dây dài trong chế độ không tải, điện áp tăng rất cao gây nguy hiểm cho thiết bị và quá tải máy phát điện. - Điện áp thấp: làm giảm ổn định tĩnh, giảm khả năng ổn định động và ổn định tổng quát. Nếu thấp quá có thể gây mất ổn định phụ tải. VD: Đối với máy biến áp, khi điện áp tăng làm tăng tổn thất không tải, tăng tự cảm ứng trong lõi thép và có thể dẫn đến nguy hiểm do máy bị phát nóng cục bộ, khi điện áp tăng quá cao sẽ làm hỏng cách điện. Điện áp giảm sẽ làm giảm lượng công suất phản kháng do máy phát điện và các thiết bị bù sinh ra. 3. Thiệt hại của hộ tiêu thụ khi điện áp không đủ chất lượng. . Thiệt hại chất lượng điện áp gồm 2 thành phần: một phần tỉ lệ thuận với phương sai, nghĩa là độ lệch trung bình bình phương so với giá trị trung bình và phần kia là bình phương của độ lệch trung bình so với giá trị điện áp tối ưu U0. Như vậy để giảm thiệt hại cần phải giảm độ lệch điện áp so với giá trị trung bình ( giảm phương sai ) và giảm độ lệch của giá trị trung bình U so với mức tối ưu. 4. chỉ tiêu độ lệch điện áp: - Động cơ xí nghiệp công nghiệp -5% - Thiết bị chiếu sáng -2.5% - Các thiết bị dùng điện khác ở thành phố và xí nghiệp - Thiết bị dùng điện đấu vào mạng điện nông nghiệp Trong trạng thái sự cố cho phép tăng giới hạn trên thêm 2.5% và giảm giới hạn dưới thêm 5%. 5. Quan hệ công suất phản kháng với điện áp. Nhu cầu công suất phản kháng thay đổi gây ra sự biến đổi điện áp.Trong lưới hệ thống siêu cao áp, điện trở R của đường dây nhỏ hơn nhiều so với điện kháng X nên thành phần dọc trục hoàn toàn phụ thuộc vào công suất Q trên tải lưới. Khi điện pá tại một điểm nào đó nằm trong phạm vi cho phép thì công suất phản kháng của nguồn đủ đáp ứng yêu cầu của phụ tải tại điểm đó. Nếu điện áp cao thì là thừa công suất, còn điện áp thấp thì là thiếu công suất phản kháng. Công suất phản kháng thường thiếu trong chế độ phụ tải max cần phải có thêm nguồn, còn trong chế đọ min lại có nguy cơ thừa do điện dung của đường dây và cáp gây ra, cần phải có thiết bị tiêu thụ. Cân bằng công suất phản kháng vừa có tính chất hệ thống vừa có tính chất địa phương. Do đó điều chỉnh cân bằng công suất phản kháng phải thực hiện cả ở cấp hệ thống và cấp địa phương. Ở cấp hệ thống điều chỉnh ở mức điện áp trung bình của hệ thống, còn ở cấp địa phương điều chỉnh nhằm đạt được yêu cầu điện áp cụ thể của địa phương. Vấn đề đảm bảo chất lượng điện áp phải được quán triệt từ quá trình thiết kế đến vận hành mạng điện. Khi phụ tải thay đổi theo thời gian, cần phải kịp thời đề ra và thực hiện các biện pháp sao cho chất lượng điện áp luôn luôn đạt tiêu chuẩn quy định. 6. Ảnh hưởng của chất lượng điện năng đến sự làm việc của hộ tiêu thụ Tuỳ theo loại hộ tiêu thụ mà mà ảnh hưởng của chất lượng điện áp và tần số cũng có mức độ khác nhau. a. Các dụng cụ đốt nóng, các bếp điện trở: Tổn thất công suất đối với các dụng cụ một pha sẽ là: còn đối với hộ tiêu thụ ba pha: Như vậy tổn thất công suất trong các hộ tiêu thụ loại này sẽ tỉ lệ thuận với bình phương của điện áp đặt vào. Khi điện áp giảm, hiệu quả của các phần tử đốt nóng sẽ giảm xuống rõ rệt. b. Đèn sợi tim còn gọi là đèn nung sang: Quang thông và thời hạn phục vụ của đèn T phụ thuộc vào điện áp đặt vào, có thể xây dựng được bằng thực nghiệm cho ở bảng sau: Điện áp đặt vào % 90 95 100 105 110 Quang thông % 68 82 100 120 135 Thời hạn phục vụ của đèn sợi tim T 360 150 100 55 30 Với các đèn huỳnh quang, khi điện áp tăng lên 10% định mức thì tuổi thọ của đèn giảm 20 – 25%. Với các đèn có khí, khi điện áp giảm xuống quá 20% định mức thì nó sẽ tắt. Với các ống đèn hình, khi điện áp giảm nhỏ hơn 95% điện áp định mức thì chất lượng hình ảnh sẽ bị méo mó. Các đài phát hoặc thu vô tuyến, các thiết bị liên lạc bưu điện, các thiết bị tự động hoá rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp. Các Tivi nhạy cảm với cả điện áp và tần số. c. Tụ điện tĩnh Công suất phản kháng của tụ điện tĩnh tỉ lệ thuận với tần số và bình phuơng của điện áp đặt vào: Qbù = Động cơ điện : Như đã biết, tốc độ quay của từ trường trong động cơ điện xoay chiều đ CHƯƠNG III CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP 3.1 Các phương pháp điều chỉnh điện áp Để điều chỉnh điện áp ta có thể sử dụng các biện pháp sau đây: Điều chỉnh điện áp máy phát điện bằng cách điều chỉnh dòng điện kích thích. Điều chỉnh điện áp đầu ra của máy biến áp tăng áp và của máy biến áp giảm áp bằng cách đặt đầu phân áp cố định hoặc điều áp dưới tải. Điều chỉnh điện áp trên đường dây tải điện bằng máy biến áp điều chỉnh và máy biến áp bổ trợ. Đặt các thiết bị bù ngang có điều chỉnh để thay đổi tổn thất điện áp trên đương dây, có thể dùng bộ tụ điện, máy bù đồng bộ hoặc động cơ điện đồng bộ có điều chỉnh kích từ. Đặt thiết bị bù dọc trên đường dây để thay đổi điện kháng đường dây nhằm thay đổi tổn thất điện áp. Về địa điểm thực hiện điều chỉnh điện áp, có thể ở nhà máy điện, trên mạng điện khu vực và ở mạng điện địa phương hoặc đặt ngay tại thiết bị dùng điện. Theo bản chất vật lý, chỉ có hai phương pháp điều chỉnh điện áp, hoặc tăng thêm nguồn công suất phản kháng ( các phương pháp 1 và 4) hoặc phân bố lại công suất phản kháng trong mạng điện ( các phương pháp còn lại ), phương pháp sau chỉ có hiệu quả khi hệ thống điện có đủ công suất phản kháng. Khi hệ thống điện thiếu công suất phản kháng, phương pháp duy nhất để điều chỉnh điện áp là tăng thêm các nguồn công suất phản kháng. Để có thể điều chỉnh tốt điện áp, quá trình điều chỉnh được chia theo thời gian thành ba giai đoạn, mà hệ thống điều chỉnh điện áp của điện lực Pháp thực hiện có hiệu quả là: điều chỉnh sơ cấp, điều chỉnh thứ cấp và điều chỉnh cấp ba. 3.1.1. Điều chỉnh sơ cấp Điều chỉnh sơ cấp là quá trình đáp ứng nhanh và tức thời các biến đổi nhanh và ngẫu nhiên điện áp của thiết bị điều chỉnh điện áp máy phát và các máy bù tĩnh. Điều chỉnh sơ cấp thực hiện tự động trong thời gian vài chục phần trăm giây. Điều chỉnh sơ cấp nhằm mục đích giữ điện áp lưới điện ở mức an toàn, tránh nguy cơ suy áp trong chế độ vận hành bình thường và nhất là khi có sự cố. 3.1.2. Điều chỉnh thứ cấp Điều chỉnh thứ cấp để đối phó với các biến đổi chậm của điện áp. Điều chỉnh thứ cấp hiệu chỉnh lại các giá trị điện áp chỉnh định của các thiết bị điều chỉnh sơ cấp trong miền nó phụ trách và điều chỉnh các tụ bù, các kháng điện và các máy biến áp điều áp dưới tải trong từng miền. Quá trình này kết thúc trong vòng 3 phút. Hệ thống điện được chia thành từng miền tương đối độc lập về phương diện biến động điện áp, các miền có khả năng tự thoả mãn yêu cầu công suất phản kháng. Mức điện áp trong mỗi miền được điều chỉnh bằng một hệ thống điều chỉnh thứ cấp riêng. Hệ thống này tác động nhanh và có phối hợp với các nguồn công suất phản kháng trong miền. Hoạt động của hệ thống dựa trên sự theo dõi và điều chỉnh điện áp tại một điểm dặc biệt của miền gọi là điểm quan sát (hay gọi là điểm hoa tiêu). Thiết bị điều chỉnh đặt ở điều độ miền nhận giá trị điện áp đo tại điểm quan sát ( cứ 10 giây đo một lần) và so sánh với giá trị chỉnh định của điểm này đã được tính trứơc (là giá trị điện áp cần được giữ vững tại điểm quan sát), nếu có sai khác thì đưa ra lệnh điều khiển đến các nguồn công suất phản kháng và máy biến áp điều áp dưới tải ở trong miền. Lệnh này có thể là tăng thêm công suất phản kháng phát ra, cũng có thể là tiêu thụ công suất phản kháng thừa. Sự phân chia thành miền làm cho quá trình điều chỉnh nhanh và đáp ứng được các yêu cầu cục bộ. Tuy nhiên, chia hệ thống điện thành các miền độc lập không phải dễ, các miền vẫn có ảnh hưởng và phụ thuộc lẫn nhau, cho nên hệ thống điều khiển phối hợp với mức độ tự động hoá cao, ngay nay đã được phát triển và áp dụng để giải quyết vấn đề này. Gần đây các máy tính được sử dụng trong điều chỉnh các bộ tụ bù theo sát yêu cầu của phụ tải. 3.1.3. Điều chỉnh cấp 3 Điều chỉnh cấp 3 để điều hoà mức điện áp giữa các miền điều chỉnh thứ cấp, với mục đích tối ưu hoá mức điện áp của hệ thống điện theo tiêu chuẩn kinh tế và an toàn. Quá trình này có thể thực hiện bằng tay hay tự động. Thực hiện nhiệm vụ này do hệ thống điều độ trung tâm đảm nhiệm. Điều chỉnh điện áp miền có thể là điều chỉnh tập trung tại các trung tâm cung cấp điện ( các trạm biến áp khu vực), và cũng có thể là điều chỉnh cục bộ trực tiếp tại các hộ tiêu thụ. Tuỳ theo đặc điểm thay đổi của phụ tải, các phương thức điều chỉnh điện áp lại có thể chia ra theo các dạng sau. Ví dụ, phương thức điều chỉnh điện áp tập trung lại chia ra ba dạng điều chỉnh: ổn định điện áp, điều chỉnh hai bậc điện áp, điều chỉnh đối ứng điện áp. Điều chỉnh ổn định điện áp được thực hiện với hộ tiêu thụ thực tế phụ tải là không đổi, ví dụ như các xí nhiệp làm việc ba ca cần phải giữ mức điện áp không đổi. Đồ thị phụ tải ngày điêm của loại này cho ở hình a. Điều chỉnh hai bậc điện áp thườg được thực hiện với loại hộ tiêu thụ có đồ thị phụ tải hai bậc trên hình b, ví dụ như các xí nhiệp làm việc một ca. Khi đó chỉ cần giữ hai mức điện áp trong suốt ngày đêm tương ứng với đồ thị phụ tải. Còn trường hợp phụ tải thay đổi trong suốt ngày đêm như hình c thì ta phải thực hiện điều chỉnh đối ứng. Với một giá trị phụ tải sẽ có một trị số điện áp và tổn thất điện áp, tất nhiên bản thân điện áp sẽ biến đổi theo sự thay đổi của phụ tải. Để độ lệch điện áp không ra khỏi miền giá trị cho phép, cần phải điều chỉnh điện áp, ví dụ điều chỉnh điện áp theo sự thay đổi dòng điện phụ tải. Phụ tải biến đổi chỉ trong ngày đêm mà còn thay đổi trong suốt năm. Tuỳ theo vĩ độ của mỗi nước, như ở các nước cách xa đường xích đạo, phụ tải lớn nhất trong năm là vào thu đông và nhỏ nhất là vào mùa hè. Vậy điều chỉnh đối ứng bao gồm việc thay đổi điện áp theo phụ tải không chỉ trong ngày đêm mà còn theo mùa trong năm. Như vậy cần phải giữ điện áp tại thanh cái nhà máy điện và trạm biến áp cao hơn trong thời gian có phụ tải cao nhất và hạ thấp đến điện áp định mức trong thời gian phụ tải thấp nhất. 3.2 Các thiết bị điều chỉnh điện áp Các thiết bị sử dụng để điều chỉnh điện áp gồm có: Đầu phân áp của các máy biến áp. Máy biến áp điều áp dưới tải. Máy biến áp bổ trợ và máy biến áp điều chỉnh đường dây. Máy bù đồng bộ. Bộ tụ điện có điều chỉnh. Độnh cơ đồng bộ có điều chỉnh kích từ. 3.3 Tổn thất điện áp và biện pháp nâng cao điện áp vận hành của mạng điện 1. Giảm tổn thất U bằng cách chọn sơ đồ cung cấp điện hợp lý. VD: Dùng sơ đồ “dẫn sâu”, phân nhỏ công suất trạm biến áp và đưa chúng vào gần trung tâm phụ tải. Biện pháp này chủ yếu được dung trong giai đoạn thiết kế và có ảnh hưởng sâu sắc đến toàn bộ hệ thống cung cấp điện. 2. Thay đổi tiết diện dây dẫn. Biện pháp này được dùng với điện áp thấp, nơi cung cấp trực tiếp cho các phụ tải. Tuy nhiên biện pháp này làm tăng nhanh vốn đầu tưvà tác dụng điều chỉnh điện áp của nó rất hẹp, vì vậy thường chỉ áp dụng đối với các phụ tải quan trọng. 3. Điều chỉnh đồ thị phụ tải. Biện pháp này rất có hiệu quả và không đòi hỏi tăng vốn đầu tư. Nếu sắp xếp phụ tải một cách hợp lý sao cho đồ thị phụ tải tương đối bằng phẳng sẽ tránh được hiện tượng điện áp bị sụt quá mức khi phụ tải tăng vọt. 4. Điều chỉnh điện áp máy phát điện. Biện pháp này chỉ dùng đối với các nhà máy phát điện. 5. Dùng tụ điện tĩnh để điều chỉnh điện áp. Có hai cách mắc tụ điện tĩnh vào mạng điện: - Mắc song song hay còn gọi là biện pháp bù ngang Tổn thất điện áp trên đường dây được tính như sau: Rõ ràng bằng cách tăng hay giảm lượng Qbù sẽ thay đổi được tổn thất điện áp . Trong thực tế người ta thường những sơ đồ điều khiển tự động đóng cắt tụ điện theo mức điện áp của mạng. - Mắc nối tiếp Z = R+ j (XL – XC) . Như vậy tổng trở của đường dây giảm xuống khi mắc tụ vào, do đó giảm đựợc tổn thất điện áp. Biện pháp này hiện nay chưa được dùng rộng rãi vì còn một số vấn đề kỹ thuật chưa được giải quyết tốt như ổn định, bảo vệ. 6. Dùng máy bù đồng bộ Máy bù đồng bộ có thể bù thêm công suất phản kháng cho mạng điện để nâng cao điện áp, hoặc tiêu thụ bớt công suất phản kháng để hạ điện áp. Máy bù đồng bộ là một loại thiết bị tốt để điều chỉnh điện áp. Tuy nhiên vân hành nó rất phức tạp, giá thành cao, nó thường được sản suất với cỡ công suất lớn, vì thế nó được dùng để điều chỉnh điện áp tại các nút quan trọng của hệ thống điện. 7. Dùng máy biến áp có tự động điều chỉnh điện áp Trong đó U2 : Điện áp đầu ra của MBA U1 : Điện áp đầu vào của MBA K : Hệ số MAB Như vậy khi điện áp nguồng không đổi, thay đổi nhệ số k, ta có thể thay đổi điện áp đầu ra của MBA.