Điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện

LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa Đất nước. Các khu công nghiệp, nhà máy, xí nghiệp, khu dân cư, đô thị được xây dựng ngày càng nhiều. Cho nên nhu cầu sử dung điện năng là rất lớn khi đó chất lượng điện năng ngày càng được chú ý hơn. Do đó công tác điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện là công việc hết sức quan trọng và cần thiết cho sự phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa của khu vực cũng như của Đất nước. Do đó việc nghiên cứu, thực hiện đề tài điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện là một cơ hội để chúng em hiểu biết thêm về công tác điều chỉnh điện áp lưới điện để trang bị thêm những kiến thức phục vụ cho công tác sau này của chúng em. Chương I. GIỚI THIỆU CHUNG Duy trì điện áp bình thường là một trong những biện pháp cơ bản để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện. Điện áp giảm thấp quá mức có thể gây nên độ trượt quá lớn ở các động cơ không đồng bộ, dẫn đến quá tải về công suất phản kháng ở các nguồn điện. Điện áp giảm thấp cũng làm giảm hiệu quả phát sáng của các đèn chiếu sáng, làm giảm khả năng truyền tải của đường dây và ảnh hưởng đến độ ổn định của các máy phát làm việc song song. Điện áp tăng cao có thể làm già cỗi cách điện của thiết bị điện và thậm chí có thể đánh thủng cách điện làm hư hỏng thiết bị. Điện áp tăng cao sẽ làm giảm tuổi thọ của các đèn. Điện áp tại các điểm nút trong hệ thống điện được duy trì ở một giá trị định trước nhờ có những phương thức vận hành hợp lí, chẳng hạn như tận dụng công suất phản kháng của các máy phát hoặc máy bù đồng bộ, ngăn ngừa quá tải tại các phần tử trong hệ thống điện, tăng và giảm tải hợp lí của những đường dây truyền tải, chọn tỷ số biến đổi thích hợp ở các máy biến áp,… Điện áp cũng có thể được duy trì nhờ các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) của các máy phát điện và máy bù đồng bộ, các thiết bị tự động thay đổi tỷ số biến đổi của máy biến áp, các thiết bị tự động thay đổi dung lượng của các tụ bù tĩnh,... Nếu điện áp đặt và phụ tải không hoàn toàn đúng với điện áp định mức do phụ tải yêu cầu thì ít hay nhiều tình trạng làm việc của phụ tải cũng trở nên không tốt. Nói cách khác, độ lệch điện áp càng lớn thì chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của thiết bị dùng điện càng thấp. Theo định nghĩa độ lệch điện áp bằng: (V) Độ lệch điện áp tính theo phần trăm so với điện áp định mức bằng: Trong đó: U: điện áp thực tế đặt vào phụ tải (V) Uđm: điện áp định mức của mạng điện (V) Độ lệch điện áp sinh ra ở nơi tiêu thụ điện là do: Nguyên nhân phát sinh là ở bản thân các hộ dùng điện, phụ tải của hệ thống dùng điện luôn luôn thay đổi làm cho sự phân bố công suất trong mạng điện cũng thay đổi theo. Độ lệch điện áp cao nhất thường xuất hiện trong lúc sự cố dây đứt hoặc máy phát lớn nhất của nhà máy bị hỏng phải ngừng hoạt động. Do sự thay đổi tình trạng làm việc của hệ thống điện chẳng hạn như việc thay đổi phương thức vận hành của nhà máy điện hoặc sự thay đổi nào đó trong sơ đồ mạng điện cũng làm cho sự phân bố công suất trong mạng điện thay đổi theo làm ảnh hưởng đến tổn thất điện áp, tạo nên các độ lệch về điện áp khác nhau ở các nơi dùng điện. Trên thực tế không thể nào giữ được điện áp ở phụ tải luôn luôn đúng bằng định mức, nhưng nếu giữ được độ lệch điện áp tương đối nhỏ thì các phụ tải vẫn giữ được chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật tốt. Chương II. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP Các phương pháp điều chỉnh điện áp Để điều chỉnh điện áp ta có thể sử dụng các phương pháp sau đây: Điều chỉnh điện áp máy phát điện bằng điều chỉnh dòng điện kích từ máy phát. 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 đường 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 (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. Điều chỉnh sơ cấp Điều chỉnh sơ cấp là quá trình đáp ứng nhanh và tức thời các biến đổi nhanh và ngẫu nhiên của các 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 điều kiện vận hành bình thường và nhất là khi sự cố. 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. Điều chỉnh cấp 3 Điều chỉnh cấp 3 để điều hòa mức điện áp giữa các miền điều chỉnh thứ cấp, với mục đích tối ưu hóa 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 thục hiện. Chương III. CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP Việc điều chỉnh điện áp trong phạm vi cho phép là vấn đề phức tạp vì hệ thống liên kết nhiều nguồn với nhiều phụ tải ở mọi cấp bậc của hệ thống điện. Kết quả là giữ điện áp chỉ ở một điểm của hệ thống là chưa đủ mà trái lại phải giữ ở nhiều điểm ở mọi cấp bậc theo chiều ngang cũng như chiều dọc của hệ thống. Nói cách khác, vấn đề điều chỉnh điện áp là xuyên suốt toàn bộ hệ thống và đòi hỏi một số lượng lớn các thiết bị đặt trong hệ thống để phục vụ cho hệ thống này. Việc lựa chọn và phối trí các thiết bị điều áp là một trong những vấn đề lớn của kỹ thuật hệ thống điện. Các thiết bị sử dụng để điều chỉnh điện áp gồm có: Đầu phân áp của 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 Động cơ đồng bộ có điều chỉnh kích từ. 1. Đầu phân áp của máy biến áp Ở đầu dây cao áp của máy biến áp ngoài đầu ra chính còn có các đầu ra phụ gọi là đầu phân áp. Các đầu phân áp cho phép thay đổi số vòng dây của cuộn cao máy biến áp và do đó thay đổi hệ số biến áp của máy biến áp. 2. Máy biến áp điều áp dưới tải Máy biến áp điều áp dưới tải là loại máy biến áp có thể thay đổi đầu phân áp khi đang mang tải. Máy biến áp điều áp dưới tải khác các loại máy biến áp thông thường ở chổ là có bộ chuyển đổi đầu phân áp dưới tải, có đầu phân áp nhiều hơn và phạm vi điều áp rộng hơn. 3. Máy biến áp bổ trợ và máy biến áp điều chỉnh đường dây Máy biến áp bổ trợ cùng với máy biến áp động lực được sử dụng rộng rãi trong mạng điện để điều chỉnh điện áp dưới tải. Máy biến áp bổ trợ có một cuộn dây được nối tiếp với đường dây có thể thay đổi được điện áp. Cuộn dây này được cung cấp điện từ cuộn thứ cấp của máy biến áp phụ. Cuộn sơ cấp của máy biến áp phụ nhận điện từ mạng điện. Tùy theo cách đấu nối cuộn dây của máy biến áp bổ trợ và của máy biến áp phụ, ta có thể tạo được sức điện động phụ E lệch pha hoặc cùng pha với điện áp. Để điều chỉnh điện áp ngang thì điện áp đặt vào cuộn dây của máy biến áp bổ trợ phải vuông góc với pha đang khảo sát. Để điều chỉnh điện áp dọc thì cuộn sơ của máy biến áp phụ được nối vào cùng với pha đang khảo sát. Bộ điều chỉnh đường dây chỉ sử dụng có một máy biến áp. Cuộn thứ cấp của máy biến áp được nối nối tiếp trên đường dây, có thể làm tăng hoặc làm giảm điện áp trên đường dây đó. Các mạng điện công nghiệp, đại bộ phận điều dùng máy biến áp điều chỉnh đường dây. 4.Máy bù đồng bộ Máy bù đồng bộ là động cơ đồng bộ làm việc trong chế độ không tải – không có tải trên trục của nó. Nếu bỏ qua tổn thất không tải, có thể coi như máy bù đồng bộ không tiêu tốn công suất tác dụng mà chỉ sản xuất công suất phản kháng. So với động cơ đồng bộ thông thường thì máy bù đồng bộ có trục nhỏ hơn nên có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn. Máy bù đồng bộ là nguồn công suất phản kháng rất linh động vì công suất phản kháng của nó có thể thay đổi liên tục về độ lớn và về chiều từ công suất phản kháng sang công suất dung hầu nhưng rất đơn giản bằng cách thay đổi từ trường kích thích. Công suất phản kháng cung cấp bởi máy bù đồng bộ có khuynh hướng tăng khi điện áp thanh cái giảm, kết quả là máy bù đồng bộ vận hành tốt hơn tình trạng hệ thống có sự cố và giảm được nhấp nháy về ánh sáng. Máy bù đồng bộ có thể quá tải ngắn hạn bằng cách điều chỉnh kích thích và làm giảm được sự nhấp nháy về ánh sáng. Vì máy bù đồng bộ có thể sinh ra công suất phản kháng và cũng có thể tiêu thụ công suất phản kháng, nên máy bù đồng bộ có thể làm giảm hoặc làm tăng điện áp tại phụ tải. máy bù đồng bộ không chịu ảnh hưởng của điện áp mạng điện trong việc sản xuất ra công suất phản kháng, nó chỉ phụ thuộc chủ yếu vào dòng điện kích từ. Dùng máy bù đồng bộ có thể điều chỉnh được điện áp rất trơn (không bị nhảy cấp) và chính xác, vì dòng điện kích từ có thể điều chỉnh liên tục. Gia tiền của mỗi đơn vị dung lượng của máy bù đồng bộ thay đôi theo công suất định mức của nó, cho nên chỉ khi nào dung lượng trên 500 kVA, dùng máy bù đồng bộ mới đảm bảo kinh tế. Chương IV. CÁC LOẠI ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 1. Điều chỉnh điện áp bằng tay và tự động Các quá trình điều chỉnh đòi hỏi sự chỉnh định liên tục đáp ứng với sự thay đổi của điện áp, bao gồm điều chỉnh kích từ máy phát, máy bù đồng bộ, vị trí của các bộ điều chỉnh cảm ứng, nhảy nấc, bộ bù tĩnh,… Tất cả các phương thức điều chỉnh có thể được thực hiện bằng tay hay tự động. Các bộ điều chỉnh điện áp trên đường dây nhánh hay tụ bù ngang trong hệ thống phân phối thực tế được điều khiển tự động vì số lượng lớn các thiết bị điều chỉnh và không có người trực, máy phát hay máy bù đồng bộ có người trực có thể được điều chỉnh bằng tay. Tuy vậy, khi sự liên kết hệ thống ngày càng phát triển rộng lớn thì điều khiển tự động kích từ máy phát trở nên thông dụng vì tác dụng rất có lợi về ổn định trong hệ thống. 2. Cân bằng công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện Vì lý do kinh tế công suất nhà máy chỉ có thể đảm đương một phần yêu cầu công suất phản kháng của phụ tải nhưng phần quan trọng có thể đáp ứng tức thời các biến đổi nhanh công suất phản kháng của phụ tải trong chế độ làm việc bình thường cũng như sự cố phần còn lại phải dùng các thiết bị bù để cung cấp cho phụ tải. Ta thấy máy phát chỉ cung cấp khoảng 50% tổng yêu cầu công suất phản kháng của hệ thống phần còn thiếu được xử lý sau. Yêu cầu phụ tải công nghiệp nâng cosj lên 0,85.(tgj = 0,6179), công suất phản kháng được bù là: 0,7.(1,169 – 0,6197) = 0,3845 (kVAr) Phần công suất bù của xí nghiệp phụ thuộc vào cosj của phụ tải công nghiệp Phần còn lại do hệ thống phải bù là: 0,547 - 0,3845 = 0,1928 (kVAr) Như vậy ứng với 1 (kw) công suất phụ tải phải bù khoảng 0,2 (kVAr). Nếu tính đến lưới siêu cao áp thì công suất bù sẽ nhỏ hơn ta thấy công suất bù của hệ thống là để bù vào tổn thất công suất phản kháng trong máy biến áp và lưới điện điều này rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến vị trí đặt bù. Bù công suất phản kháng để phục vụ điều chỉnh điện áp do vậy điện áp trong chế độ vận hành là tiêu chuẩn kỹ thuật chính để chọn công suất bù. điều chỉnh điện áp trong tụ bù là thao tác các tụ bù cùng với điều chỉnh kích từ ở máy phát điện và điều chỉnh các dầu phân áp ở các biến áp có trang thiệt bị điều áp dưới tải. Phương thức điều chỉnh điện áp lựa chọn ảnh hưởng nhiều đến bài toán bù nó quyết định mục tiêu cũng như cách thức đặt bù ngượi lại cách thức đặt bù cũng ảnh hưởng lớn đến chất lượng điện áp do đó chúng liên hệ chặt chẽ với nhau dưới đây trình bày phương thức bù công suát phản kháng trên hệ thống điện sua đó sẽ nói vè điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện. 3. Bù công suất phản kháng trong hệ thống điện Cần xác định vi trí đặt bù điều chỉnh tụ bù tai mỗi vi trí sao cho điện áp tại mọi nút của hệ thống nằm trong phạm vi cho phép trong moi chế độ vận hành bình thường và sự cố. Chi phí cho bù nhỏ nhất nhưng vẫn đảm bảo: Điện áp mỗi nút lớn nhất trong giới hạn cho phép Điều kiện ổn định tĩnh và ổn định điện áp hệ thống được đảm bảo cao nhất trong mọi chế độ vận hành và sự cố. Có hai con đường cho sự cân bằng công suất cho hệ thống 1. Cưỡng bức phụ tải mà chủ yếu là xí nghiệp công nghiệp phải đảm bảo công suất của họ ở mức cho phép cách này chủ yếu làm giảm công suất phản kháng. 2. Đặt bù công suất phản kháng trong hệ thống điện để giải quyết phần thiếu còn lại. Cả hai cách đều được sử dụng đồng thời ,trong đó cách thứ 2 do hệ thống điện thực hiện một cách chủ động có tầm quan trọng lớn. Công suất bù thường được điều chỉnh theo bậc một cách tự động hoặc do nhân viên vận hành trong trường hợp cần thiết để điều chỉnh điện áp có thể sử dụng thiết bị bù được điểu chỉnh chơn, tức thời theo điện áp vận hành. Một phần công suất bù thường là phần cố định có thể được phân tán xuống lưới truyền tải để tranh thủ giảm tổn thất trong lưới này.Tuy nhiên phải cân nhắc vì như vậy độ tin cậy của công suất bù này sẽ bị giảm và để an toàn cho hệ thống điện phải tăng hệ số công suất phản kháng lên. Như vậy sau khi bù cưỡng bức một lượng công suất phản kháng đáng kể lưu thông qua lưới phân phối, lượng công suất phản kháng này được đặt trực tiếp ở nơi thiếu. Để giảm tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng trên lưới ta có thể thực hiện bù kinh tế. Bù kinh tế chỉ được thực hiện khi nó mang lại lợi ích kinh tế, nghĩa là lợi ích kinh tế mà nó mang lại lớn hơn chi phí đặt và trạm bù trong xí nghiệp công nghiệp công suất phản kháng phải bù cưỡng bức để đảm bảo cosj cũng được phân bố hợp lý nhằm giảm tối đa tổn thất điện năng. 4. Điều chỉnh điện áp đối ứng Chúng ta khảo sát cụ thể việc điều chỉnh điện áp đối ứng được sử dụng trên sơ đồ thay thế mô tả trên hình sau. Trên sơ đồ này, máy biến áp được biểu thị bằng hai phần tử là tổng trở máy biến áp và máy biến áp lý tưởng. Trong đó: U1 là điện áp trên thanh cái tại đầu nguồn cung cấp điện U2 là điện áp trên thanh cái điện áp sơ cấp (điện áp cao) của trạm biến áp khu vực UA là điện áp trên thanh cái điện áp thứ cấp (điện áp thấp) của trạm biến áp khu vực UB là điện áp tại cuối đường dây trung áp của mạng điện phân phối là tổn thất điện áp trên đường dây cao áp là tổn thất điẹn áp trên máy biến áp khu vực là tổn thất điện áp trên đường dây trung áp AB Điện áp tại thanh cái cao áp của trạm biến áp khu vực bằng: U2 = U1 - Điện áp trên thanh cái cao áp U2 và UA sai khác nhau một giá trị là tổn thất điện áp trong máy biến áp, và qua máy biến áp lý tưởng điện áp được giảm xuống UA tương ứng với hệ số biến áp mà ta cần phải xét đến khi lựa chọn đầu phân áp. Hình trên trình bày biểu đồ biến thiên điện áp trong hai chế độ phụ tải cực tiểu và phụ tải cực đại (ta dùng ký hiệu 1 để chỉ phụ tải cực tiểu và ký hiệu 2 để chỉ phụ tải cực đại). Trên trục ngang ghi các trị số độ lệch điện áp tính theo phần trăm điện áp định mức. Đường nét đứt cho thấy rõ nếu hệ số biến áp nT = 1 thì trong chế độ phụ tải cực tiểu, điện áp tại thanh cái thứ cấp A của trạm biến áp khu vực sẽ cao hơn, còn khi phụ tải cực đại lại thấp hơn trị số cho phép, nghĩa là độ lệch điện áp sẽ ra ngoài miền cho phép. Khi đó các phụ tải được đấu vào mạng trung áp (ví dụ tại điểm A và B) sẽ làm việc trong điều kiện không cho phép. Thay đổi hệ số biến áp nT của máy biến áp khu vực, tat hay đổi được UA, nghĩa là ta điều chỉnh được điện áp. Trong chế độ phụ tải cực tiểu, ta phải hạ thấp điện áp UA đến giá trị lớn hơn điện áp định mức Uđm một chút. Trường hợp này ta phải chọn tỷ số biến áp tiêu chuẩn nT lớn hơn để đạt được điều kiện sau: Trong chế độ phụ tải cực đại, ta phải tăng điện áp UA đến giá trị lớn hơn Uđm và bằng Trường hợp này ta phải chọn tỷ số biến áp tiêu chuẩn nT nhỏ hơn, để đạt được điều kiện sau: Như vậy điện áp tại các điểm trên đường dây trung áp, dù ở xa nguồn cũng như ở gần nguồn điều nằm trong giới hạn cho phép. Tóm lại khi phụ tải cực đại ta phải điều chỉnh tăng điện áp, còn khi phụ tải cực tiểu ta phải điều chỉnh giảm điện áp, việc điều chỉnh như vậy gọi là điều chỉnh đối ứng. 5. Điều chỉnh điện áp bằng cách đặt thiết bị bù ngang Thiết bị bù được sử dụng để điều chỉnh điện áp khi sử dụng các phương tiện khác không đảm bảo tiêu chuẩn về chất lượng điện năng. Thiết bị bù thường dùng là tụ điện tĩnh, máy bù đồng bộ hoặc các động cơ đồng bộ có thể điều chỉnh kích từ. Việc sử dụng thiết bị bù còn có lợi là nâng cao tính kinh tế của mạng điện. Ta xét sơ đồ như hình bên dưới, để đảm bảo điện áp yêu cầu ở thanh cái hạ áp UB, ta cần đặt ở đây thiết bị bù với dung lượng Qb Trước khi đặt thiết bị bù điện áp ở thanh cái UA có giá trị: Trong đó: UA là điện áp ở đầu nguồn UBo là điện áp ở thanh cái B qui đổi về phía cao áp P, Q là công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải X, R là thông số của đường dây và máy biến áp Sau khi đặt thiết bị bù ta có: Trong đó: UB là điện áp ở thanh cái B qui về phía cao áp Ta có: Ta suy ra: Ta có thể xem: Do đó ta có: Như vậy: Khi thay UB, UBo, X ở các chế độ phụ tải khác nhau ta xác định được dung lượng bù cần thiết ở mọi chế độ vận hành của mạng điện. Vì UB phụ thuộc vào hệ số biến áp của máy biến áp nên có thể đặt đầu phân áp hợp lý sao cho dung lượng bù cần đặt là bé nhất. Tiện ích của tụ bù ngang: Giảm độ sụt áp và sự thay đổi điện áp giữa cực tiểu và cực đại nếu dùng tụ điện tự động đóng theo tải ( tụ ứng động) . Mặt khác, đối với một độ sụt áp cho trước, khả năng tải của đường dây truyền tải phân phối được tăng lên. Đối với một phụ tải có công suất P cho trước, dòng điện và công suất biểu kiến S tỷ lệ nghịch với hệ số công suất. Do đó việc nâng cao hệ số công suất dẫn đến giảm dòng điện và công suất phụ tải yêu cầu. Giảm tổn thất công suất tác dụng (RI2), dẫn đến tiết kiệm chi phí vận hành và giảm được yêu cầu công suất tác dụng ở nguồn phát. Giảm tổn thất công suất phản kháng trên đường dây ( XI2) và giảm yêu cầu công suất phản kháng ở nguồn phát. 6. Điều chỉnh điện áp bằng cách đặt thiết bị bù dọc Tụ bù đuợc mắc nối tiếp trên đường dây truyền tải, ở khoảng giiữa tải và nguồn cấp dây. Điều này cải thiện ổn đinh tĩnh và ổn đinh động của hệ thống, giảm sụt áp ở phụ tải. Tụ bù dọc có công suất kháng thay đổi tùy theo tải của đường dây. Tác dụng của tụ bù dọc: Giảm sụt áp đầu nhận: Điện áp đầu nhận sau khi bù: Giảm dao động điện áp, nhấp nháy ánh sáng. Hiện tượng dao động điện áp thường xảy ra khi khởi động động cơ có công suất lớn, hàn điện, hồ quang điện. Tăng khả năng tải và giới hạn ổn định: Lượng công suất truyền tải của đương dây( giả sử không tổn hao), trước khi bù: Nếu VS và VR không đổi thì công suất truyền tải P phụ thuộc vào: Kháng trở XL của hệ thống giữa VS và VR Góc lệch Sau khi bù: Tụ bù được đưa vào để bù trở kháng của hệ thống: Tóm lại : Tụ bù dọc làm giảm độ sụt áp bằng cách bù một phần kháng trở đường dây. Bù dọc không có tác dụng đến hệ số công suất đầu nhận và ảnh hưởng ít đến tổn thất đường dây, nó chỉ làm giảm công suất phản kháng yêu cầu ở đầu phát bằng cách bù một phần tổn thất công suất phản kháng của đường dây. Một trở ngại đối với tụ bù dọc là cần có thiết bị bảo vệ cho tụ điện và nối tắt dòng điện lớn không cho qua tụ khi có ngắn mạch xảy ra. Ngoài ra, việc đưa vào tụ bù nối tiếp tạo ra mạch cộng hưởng có thể dao động ở tần số thấp hơn tần số dao động bình thường khi bị kích thích bởi các biến động. Hiện tượng này gọi là hiện tượng dao động dưới đồng hồ. Để điều chỉnh điện áp có thể đặt thiết bị bù dọc bằng cách mắc nối tiếp trên đường dây như hình bên dưới Trong đó: UB1 khi có đặt tụ bù dọc UB2 khi không có đặt tụ bù dọc Bộ tụ có tác dụng làm giảm điện kháng của đường dây, do đó cho tổn thất điện áp giảm đi. Trước khi đặt tụ bù dọc ta có tổn thất điện áp: Sau khi đặt thiết bị bù dọc ta có tổn thất điện áp: Rõ ràng tổn thất điện áp trên đường dây giảm xuống khi đặt tụ bù dọc. Qua hình trên ta thấy nơi đặt tụ có ảnh hưởng đến phân bố điện áp trên đường dây. Nếu mạng chỉ có một phụ tải thường đặt tụ ở ngay trạm biến áp phân phối. Khi mạng có nhiều phụ tải phân bố dọc đường dây thì cần phải cân nhắc lựa chọn điểm đặt tụ cho phù hợp. Nói chung điểm đặt càng gần về phía nguồn càng cần ít tụ điện và mức điện áp càng ổn định. Ta khảo sát đường dây như sau: Khảo sát một đường dây 15 kV dây dẫn AC-120 dài 6 km ,điện trở r0 = 0.27 Ω/km cảm kháng 0.327 Ω/km. Phụ tải ở cuối đường dây 6000 kVA ở hệ số công suất 0.8 trễ. Tính phần % sụt áp đến cuối đường dây . Xác định dung lượng tụ bù ngang để phần % sụt áp là 5%. Với phụ tải ban đầu , xác định dung kháng tụ bù dọc để phần % sụt áp là 5 %. Tính toán Phần % sụt áp Cosj = 0.8 => Sinj = 0.6 Hằng số sụt áp Phần % sụt áp đến cuối đường dây Δu %= k%* s* l = 0.0001832*6000*6= 6.59% Dung lượng tụ bù ngang Nếu sụt áp sau khi bù ngang là 5 % thì độ tăng điện áp do tụ bù là: RC = Δu = 0.0659 – 0.05 = 0.0159 Dung kháng một pha của tụ bù ( giả thuyết mắc Y) Với R= r0 l=0.27*6=1.62 Ω ; X= X0 l = 0.327*6 = 1.962 Ω Suy ra công suất ba pha của bộ tụ bù Bù dọc Nếu dùng tụ bù dọc để sụt áp là 5 % thì độ tăng điện áp do bù dọc là 0.0159 hay tính theo điện áp pha ,điện áp được tăng thêm. Biết rằng => dung kháng tụ bù dọc Một trạm phát điện ở khu vực khai thác mỏ cung cấp phụ tải đỉnh 600 kW ở hệ số công suất cosj = 0.8, phụ tải chủ yếu là động cơ đồng bộ dùng cho hầm mỏ. Đường dây đơn 3 pha 50 Hz , 35 kV, dài 50 km, dây dẫn AC-16, biết khoảng cách tương đương giữa các pha là 1.3 m . Máy biến áp đầu phát và đầu nhận 750 kVA mỗi máy và biết XB%= 6% Phụ tải và đường dây cho như hình vẽ ~ Phụ tải 600kW cosj=0.8 50 Hz, 50 Km 750 kVA 750 kVA Biết lúc khởi động thì dòng khởi động gấp 4 lần dòng làm việc bình thường và cosj= 0,3. Khi không có tụ bù: Điện trở và cảm kháng toàn đường dây: Dây AC-16 có các thông số như sau: r0=2,060 W/km d= 5,4 mm2 , số sợi :6/1, Icp=105A suy ra X0 = 0.408W/km. Điên trở và cảm kháng của toàn đường dây: R= 2.060 . 50 = 103W X= 0.408 . 50= 20,4W Điện kháng của máy biến áp qui về cao áp (35kV) XB1=XB2=10.352.6/750=98W Các khảo sát Sụt áp khi không có tụ bù ( tất cả qui về phía 35 kV) Dòng phụ tải bình thường Dòng khởi động Công suất lúc khởi động Sụt áp đường dây Trong đó : I dòng đường dây lúc bình thường I=12,372A R điện trở của hệ thống , R= 103 W XL= cảm kháng của hệ thống, XL=2XB+Xđường dây=216,4W Sụt áp bình thường : Sụt áp lúc khởi động: Rõ ràng sụt áp quá lớn , cần phải có biện pháp cải thiện sụt áp . Ta lần lượt khảo sát áp dụng hình thức bù ngang và bù dọc. Áp dụng tụ bù ngang Giả thiết do qui định , động cơ làm việc với tụ bù ngang sao cho hệ số công suất ở đầu nhận nâng lên 0,95 . Công suất kháng yêu cầu và tác dụng của tụ điện của nó đến hệ số công suất lúc khởi động được xác định như sau: Công suất tụ bù ngang để nâng lên hệ số công suất từ 0,8 lên 0,95 Công suất kháng của phụ tải khi khởi động ( không có tụ bù) Công suất kháng lúc khởi động khi có tụ bù 2862-253=2609 kVar Giả sử lúc khởi động P=900 kW không đổi , hệ số công suất lúc khởi động khi có tụ bù là Dòng điện khởi động với tụ bù ngang Sụt áp lúc khởi động khi có tụ bù ngang Điều này cho thấy việc dùng tụ bù ngang cải thiện hệ số công suất lúc khởi động nhưng giảm sụt áp không được bao nhiêu. Áp dụng tụ bù dọc Tính toán trên cho thấy sụt áp do cảm kháng của hệ thống chiếm phần quan trọng trong sụt áp tổng. Do đó, độ sụt áp sẽ cải thiện hơn nếu giảm cảm kháng hệ thống bằng tụ bù dọc. Độ bù dọc của tụ nối tiếp trong bất cứ trường hợp nào, giả sử ta bù với độ bù sao cho dung trở mỗi pha của tụ bù dọc là 150 W Cảm kháng tương đương khi có tụ bù dọc 216,4-150= 66,4W Sụt áp bình thường: Sụt áp lúc khởi động: => ta thấy có sự cải thiện độ sụt áp trong hai trường hợp 7. Điều chỉnh điện áp ở nhà máy điện a. Điều chỉnh điện áp ở máy phát điện Điện áp ở thanh cái máy phát có thể điều chỉnh được trong khoảng ± 5% so cới điện áp định mức của nó. Ở chế độ phụ tải cực đại do tổn thất trong mạng lớn nên để đảm bảo chất lượng điện năng điện áp ở máy phát cần giữ cao. Ngược lại trong chế độ phụ tải cực tiểu, tổn thất điện áp trong mạng điện nhỏ cần phải giảm thấp điện áp đầu cực máy phát. b. Điều chỉnh ở máy biến áp tăng áp Yêu cầu điện áp ở thanh cái cao áp của máy biến áp tăng áp được xác định bởi sự cân bằng công suất phản kháng của hệ thống điện trong các chế độ cực đại và cực tiểu. Để đảm bảo điện áp yêu cầu chúng ta cần phải chọn đầu phân áp thích hợp. Nếu ta đặt ở đầu vào của máy biến áp một giá trị bằng điện áp định mức của cuộn hạ áp UH thì điện áp ở đầu ra khi không tải là UPa và điện áp có tải là UPa - UB. Trong đó UPa là điện áp của đầu phân áp cần chọn và UB là tổn thất điện áp trong máy biến áp. Khi điện áp vào Uv(UF) khác với UH(UFđm) thì điện áp ra UR cũng khác đi với cùng một tỉ lệ. Ta có biểu thức: Từ đó ta suy ra được: Khi biết điện áp yêu cầu chính là UR trong các chế độ phụ tải và biết UB thì ta có thể lựa chọn đầu phân áp UPa phối hợp với UF để điều chỉnh điện áp. 8. Điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi đầu phân áp Tất cả các máy biến áp động lực được sản xuất và bán trên thị trường, dù với công suất nhỏ hay với công suất lớn, ngoài đầu phân áp chính còn có một số đầu phân áp phụ. Vì vậy việc tính toán, lựa chọn sử dụng đúng đầu phân áp đạt được yêu cầu điều áp là biện pháp quan trọng, tích cực và mang lại hiểu quả cao về kinh tế - kỹ thuật. Tùy theo vị trí và nhiệm vụ của trạm biến áp trong hệ thống điện, người ta có quy định yêu cầu chuẩn riêng về điều áp cho trạm đó. Ví dụ như ở trạm biến áp khu vực yêu cầu điều chỉnh điện áp nhằm đảm bảo điện áp yêu cầu ở đầu ra của nó, tức là đầu vào của mạng điện địa phương. Các yêu cầu về gia trị điện áp này được xác định theo điều kiện của mạng điện địa phương nhằm đảm bảo chất lượng điện áp ở các thiết bị dùng điện. Có hai loại yêu cầu điều áp ở đầu ra của các trạm biến áp khu vực cung cấp điện cho mạng điện địa phương là yêu cầu cao hay là yêu cầu khác thường và yêu cầu thấp hay là yêu cầu bình thường. Dưới đây ta sẽ khảo sát cụ thể cách tính toán lựa chọn đầu phân áp theo yêu cầu điều áp của các máy biến áp hai dây quấn và ba dây quấn. a. Chọn đầu phân áp của máy biến áp giảm áp hai dây quấn Đối với máy biến áp có đầu phân áp có thể vẽ theo sơ đồ thay thế gần đúng như hình trên. Đối với máy giảm áp có đầu phân áp UPa: điện áp đầu phân áp ghi trên nhãn máy Ukt,hạ: điện áp phía thứ cấp lúc không tải UPa / Ukt: tỷ số biến áp Với: UN%  7,5%, Ukt,hạ  = 1,1 Uđm,hạ UN% < 7,5%, Ukt,hạ  = 1,05 Uđm,hạ Mạch tương đương của máy biến áp giữa hai đầu a và b là mạch tương đương bao gồm tổng trở của máy biến áp nối tiếp với máy biến áp lý tưởng. Để chọn đầu phân áp (Upa) sao cho điện áp phía thứ cấp khi mang tải đạt được trị số yêu cầu (Ub,yc) có thể tiến hành như sau: Tính điện áp U’b là điện áp phía thứ cấp qui đổi về sơ cấp. Vì chọn đầu phân áp nên tạm thời qui đổi theo tỷ số định mức của máy biến áp và chấp nhận U’b như là điện áp qui đổi sao khi chọn đầu phân áp nghĩa là coi như ZB không thay đổi và như vậy: Quan hệ về tỷ số biến áp qua máy biến áp lý tưởng: Suy ra điện áp Upa cần chọn là: Upa = (UA - ). b. Chọn đầu phân áp của máy biến áp tăng áp hai dây quấn Phía hạ áp nối với máy phát điện, đầu phân áp đặt phía cuộn dây cao áp. Sơ đồ thay thế ở hình trên. Yêu cầu chọn đầu phân áp để điện áp phía cao áp khi máy biến áp mang tải là Ua,yc Điện áp định mức cuộn hạ áp là điện áp định mức của máy phát Suy ra: c. Chọn đầu phân áp máy biến áp ba pha ba dây quấn Với máy biến áp ba dây quấn, chỉ có đầu phân áp ở cuộn cao áp và cuộn trung áp, cuộn hạ không có đầu phân áp. Trước hết ta có đầu phân áp cuộn cao áp theo yêu cầu điện áp trên thanh góp hạ áp của máy biến áp: Suy ra: Tiếp theo ta tìm đầu phân áp cho cuộn trung áp Upa(C) đã chọn và điện áp yêu cầu phía trung áp UT(yc) Suy ra: 9. Điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi tổng trở đầu dây Điện áp tại hộ tiêu thụ điện phụ thuộc vào độ sụt áp trong mạng điện, và độ sụt áp này lại phụ thuộc vào tổng trở của đường dây. Ví dụ thành phần dọc trục của vectơ điện áp giáng trên đường dây được mô tả trên hình trên bằng: Trong đó: Pc12, Qc12, U2 là công suất và điện áp tại cuối đường dây R12, X12 là điện trở và điện kháng của đường dây 12 Trên hình sau ta thấy quan hệ giữa điện trở và điện kháng theo tiết diện dây dẫn của mạng điện phân phối và mạng điện cung cấp là khác nhau. Trong mạng điện phân phối, điện trở lớn hơn điện kháng, r0 > X0 Mạng điện phân phối Mạng điện cung cấp Khi thay đổi tiết diện dây dẫn trong mạng điện phân phối, thì r12 thay đổi, làm thay đổi tổn thất điện áp và thay đổi điện áp tại hộ tiêu thụ. Vì vậy trong mạng điện thường được lựa chọn dây dẫn theo tổn thất điện áp cho phép. Trong mạng điện cung cấp thì ngược lại x0 > r0, tổn thất chủ yếu là do kháng của đường dây, mà điện kháng của đường dây phụ thuộc rất ít vào tiết diện. Chọn tiết diện dây dẫn trong mạng điện cung cấp theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép là không hợp lý về kinh tế. Vậy ta có thể thay đổi điện kháng của đường dây để điều chỉnh điện áp. Để thay đổi điện kháng của đường dây, ta mắc nối tiếp vào đường dây các tụ điện. Trước khi đặt tụ điện vào đường dây thì sụt áp trên đường dây được xác định bằng biểu thức: Mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây gọi là bù dọc. Thiết bị bù dọc có thể làm giảm điện kháng đường dây và giảm được tổn thất điện áp trên đường dây. Tuy nhiên, dùng tụ bù dọc để nâng cao điện áp lại phụ thuộc vào trị số và góc pha của dòng điện chạy qua thiết bị bù dọc, do đó khả năng điều chỉnh liên tục tụ điện bị hạn chế nếu không muốn nói là không thực hiện được. Việc bù dọc chỉ được sử dụng chủ yếu tại đường dây hình tia bị quá tải. Với mục đích điều áp, bù dọc chỉ có lợi khi hệ số công suất cos của phụ tải tương đối thấp. Việc chọn vị trí đặt tụ điện cũng cần phải phân tích và cân nhắc kỹ. Nên đặt ở đầu, ở giữa hay ở cuối đường dây tùy thuộc vào vị trí các phụ tải trên đường dây và yêu cầu điện áp của từng phụ tải. Nếu công suất của tụ điện không lớn và điện áp của mạng điện không cao, những bộ tụ điện này có thể đặt ngay trên trụ điện của đường dây. Bộ tụ điện có công suất lớn và điện áp của đường dây từ 35 đến 500 kV, thì được đặt ở trạm. Với đường dây điện áp từ 220 đến 500 kV bù dọc bằng tụ điện tĩnh, mục đích chủ yếu để tăng khả năng tải của mạng điện mà không phải là điều chỉnh điện áp. 10. Điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi dòng công suất phản kháng Nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải biến đổi theo thời gian. Nguồn cung cấp công suất phản kháng thường xuyên là do các nhà máy điện và do các điện dung của các đường dây cao áp và cáp phát ra. Trong chế độ phụ tải cực đại, công suất phản kháng của các nguồn trên không đủ đáp ứng nên trong hệ thống phải đặt thêm các nguồn công suất phản kháng khác. Nhưng trong chế độ phụ tải cực tiểu, lại thừa công suất phản kháng do đó các nguồn công suất phản kháng phải điều chỉnh được; thậm chí khi đã giảm hết công suất phản kháng của nguồn, công suất phản kháng của một số điểm nào đó trên hệ thống điện vẫn thừa do công suất phản kháng do đường dây sinh ra quá lớn, làm điện áp tăng lên đến mức nguy hiểm, khi đó phải có thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng thừa này. Thực tế ngoài máy phát điện và máy bù đồng bộ, người ta còn dùng các nguồn công suất phản kháng sau: Nguồn phát: tụ điện, tụ điện điều khiển bằng tiristor Tiêu thụ: kháng điện tuyến tính, kháng điện bão hòa, kháng điện dùng dòng một chiều điều khiển bảo hòa (kháng điện bảo hòa có khả năng ổn áp cao, thích hợp với chế độ điện áp dao động nhanh), kháng điện điều khiển bằng tiristor, máy biến áp kháng lớn điều khiển bằng tiristor Nguồn phát và tiêu thụ: máy bù tĩnh, đó là tổ hợp tụ điện và kháng điện có điều khiển bằng tiristor. Chương V. XÁC ĐỊNH TỔN THẤT ĐIỆN ÁP CHO PHÉP TRONG MẠNG ĐIỆN PHÂN PHỐI THEO ĐỘ LỆCH ĐIỆN ÁP CHO PHÉP Trong các mạng điện phân phối thì tổn thất điện áp cho phép thường là điều kiện quyết định để lựa chọn tiết diện dây dẫn. Do đó việc xác định tổn thất điện áp cho phép trong mạng điện phân phối theo độ lệch điện áp cho phép là một khâu cần phải nắm vững khi thiết kế hệ thống cung cấp điện. Theo định nghĩa, độ lệch điện áp bằng: Độ lệch điện áp so với giá trị định mức không được vượt quá giá trị mà giới hạn kỹ thuật cho phép: Chương VI. SO SÁNH CÁC BIỆN PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP Trong các biện pháp điều áp đã khảo sát ở trên, thì biện pháp điều áp bằng máy biến áp điều áp dưới tải là biện pháp cơ bản, quan trọng và có hiệu quả nhất. Các biện pháp điều áp còn lại (điều áp bằng máy biến áp có đầu phân áp cố định, bằng máy phát điện của nhà máy điện, thay đổi tổng trở của đường dây, thay đổi dòng công suất phản kháng) đều không quan trọng và đều là biện pháp phụ. Các máy biến áp có đầu phân áp cố định chỉ được dùng trong các mạng điện áp không quá 35 kV. Với loại máy biến áp này không thể điều áp đối ứng được, vì hệ số biến áp của máy biến áp vẫn giữ nguyên trong suốt ngày đêm, trong khi chế độ phụ tải lại thay đổi. Loại máy biến áp này chỉ sử dụng được để điều chỉnh theo mùa. Nếu chuyển đổi đầu phân áp luôn luôn, trước hết phụ tải có thể không cho phép cắt điện, và phải đầu tư thiết bị đóng cắt, vận hành trở nên phức tạp và số lượng nhân viên phục vụ phải tăng thêm. Dùng máy biến áp điều áp dưới tải tại trạm biến áp khu vực, hoàn toàn có thể điều áp đối ứng vì có thể thay đổi được tỷ số biến áp và đầu phân áp trong lúc vẫn mang tải. Máy biến áp điều áp dưới tải đắt tiền hơn máy biến áp thường từ 20 đến 25%. Nhưng giá tiền của bộ chuyển đổi đầu phân áp dưới tải phụ thuộc rất ít vào công suất máy biến áp, nên với máy biến áp công suất nhỏ mà có điều áp dưới tải thì giá tiền sẽ đắt lên rất nhiều, có khi tới 70 đến 80% so với máy không có điều áp dưới tải. Máy biến áp điều áp dưới tải được sử dụng từ điện áp 35 kV trở lên. Máy biến áp điều chỉnh đường dây công suất nhỏ được sử dụng trong các mạng điện công nghiệp và nông nghiệp. Còn máy biến áp điều chỉnh đường dây công suất lớn được dùng ở các mạng điện cung cấp (mạng điện khu vực). Thiết bị bù giữ vai trò quan trọng không chỉ trong nhiệm vụ điều áp mà còn giữ vai trò hàng đầu trong việc đảm bảo cân bằng công suất phản kháng và giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng. Khi bù ngang công suất phản kháng tụ điện sinh ra Qc = U2cwC, tỷ lệ với bình phương điện áp Uc đặt vào tụ điện. Nếu điện áp đặt vào tụ điện Uc giảm xuống thì lượng công suất phản kháng tụ điện sinh ra giảm rất nhanh, do đó Uc lại càng giảm và cứ như thế theo nhau mà sụt xuống. Vì vậy khi Uc giảm, lập tức ta phải tăng thêm dung lượng của tụ điện tĩnh, hay là ta nối tắt một số tụ điện nối tiếp (C sẽ tăng lên) và khi Uc tăng lên lập tức ta phải giảm dung lượng của tụ điện tĩnh. Điều đó khiến công tác quản lý và vận hành trở nên phức tạp. Máy bù đồng bộ được đặt ở những trạm biến áp công suất lớn vì giá tiền của mỗi đơn vị dung lượng của máy bù đồng bộ thay đổi theo công suất của nó, cho nên dùng máy bù đồng bộ công suất lớn mới kinh tế. Tụ điện tĩnh thường được đặt tại những trạm công suất nhỏ trong mạng điện công nghiệp, nông nghiệp và thành phố. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Giáo trình Vận Hành Hệ Thống Điện – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng 2. Lưới Điện & Hệ Thống Điện – TRẦN BÁCH MỤC LỤC