Chương 3 TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG - Khi truyền tải điện năng từ nguồn đến hộ tiêu thụ do mỗi phần tử của mạng điện đều có tổng trở nên đều gây ra tổn thất công suất và điện áp. Bất kì một phần tử nào nối vào hệ thống đều gây ra tổn thất công suất, ngoài ra cách lắp đặt không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cũng sẽ gây ra tổn thất công suất như các mối nối hoặc do sự già hóa vật liệu thiết bị. Tổn thất công suất do nhiều yếu tố và nguyên nhân gây ra nhưng đường dây và MBA là hai phần tử trong hệ thống gây tổn thất công suất lớn nhất. Trong lưới phân phối tổng chiều dài đường dây và số lượng MBA rất lớn, hơn nửa lưới phân phối có cấp điện áp thấp nên tổn thất công suất trên lưới phân phối là con số không nhỏ.Tổn thất công suất bao gồm tổn thất công suất tác dụng (chủ yếu là đường dây) và tổn thất công suất phản kháng (chủ yếu là MBA). Tổn thất công suất gây tình trạng thiếu hụt điện năng tại nơi tiêu thụ, hiệu suất truyền tải thấp, làm tăng giá thành sản xuất cũng như truyền tải điện và đưa đến hiệu quả kinh tế kém.Vì vậy phân tích tổn thất công suất trên lưới phân phối có ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật rất lớn.

3.1. Tổn thất công suất trên đường dây có phụ tải tập trung Tổn thất công suất trên tổng trở khi có dòng điện ba pha chạy qua

3.2. Đường dây có phụ tải phân bố đều

3.2. Đường dây có phụ tải phân bố đều Tổn thất công suất trên đường dây được biểu diễn: Stập trung = 3. Sphân bố đều

3.3. Tổn thất công suất khi tải không đối xứng. Điện áp và dòng điện: Với toán tử quay pha Thành phần thứ tự thuận Thành phần thứ tự nghịch Thành phần thứ tự không - Khi tải không đối xứng sẽ dẫn đến dòng điện và điện áp cũng không đổi cả về biên độ và góc pha(ở đây chỉ xét biên độ). Để thuận tiện trong việc tính toán,người ta sẽ phân tích các thành phần không đối xứng thành các thành phần đối xứng. Đó là các thành phần thứ tự thuận , thứ tự nghịch và thứ tự không .

3.3. Tổn thất công suất khi tải không đối xứng. Giả sử công suất của nguồn phát là đối xứng . . Từ đó công suất của các thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không được phân tích như sau: Trong thực tế người ta không dùng trị số dòng điện để tính tổn thất công suất mà dùng trị số của công suất để tính toán

3.3. Tổn thất công suất khi tải không đối xứng. GIẢ SỬ Hệ thống điện áp của nguồn cung cấp phải đối xứng và không phụ thuộc vào phụ tải đang xét. Trị số không đối xứng bé => dòng phụ tải có thể xác định theo điện áp định mức. Tất cả các phần tử của hệ thống được xem là tuyến tính. Tất cả các phần tử còn lại của lưới điện (ngoài phụ tải không đối xứng đang xét) có các thông số pha giống nhau. Mức độ không đối xứng của các thông số chủ yếu được xác định theo mức không đối xứng =>

3.3. Tổn thất công suất khi tải không đối xứng. Phương pháp xếp chồng ứng với từng thành phần thứ tự. Giả sử: Trên sơ đồ nguyên lí ta có công suất truyền từ A là , qua các nút tải không đối xứng B, C có công suất . Lập sơ đồ thay thế theo thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không. . Sơ đồ thay thế thứ tự thuận dạng thông thường được dùng trong tính toán chế độ đối xứng. Các giá trị của các phần tử trong chế độ thứ tự thuận đều tương ứng với trị số của chúng trong chế độ đối xứng. Vì vậy tổn thất công suất được xác định như trong chế độ đối xứng. Sơ đồ thứ tự thuận

3.3. Tổn thất công suất khi tải không đối xứng. Sơ đồ thay thế thứ tự nghịch (b) Ta có: Tổng trở thay thế của đường dây thứ tự nghịch Sơ đồ thay thế thứ tự nghịch thì tất cả các phụ tải đều được thay thế bởi các nhánh tổng trở cho trước. Trị số dòng thứ tự nghịch tính toán được dựa vào sơ đồ. Đối với các phần tử của lưới điện có hỗ cảm giữa các pha và không phụ thuộc vào thứ tự pha thì điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch giống nhau như đường dây trên không, cáp, kháng điện, tụ điện, MBA… Trong động cơ và máy phát dòng thứ tự nghịch tạo nên từ trường quay của stator ngược chiều với rotor, do vậy điện kháng thứ tự nghịch (X2) được tính khác với điện kháng thứ tự thuận (X1). Đồng thời điện dung của đường dây trên không và cáp có thể bỏ qua trong sơ đồ thay thế. Sơ đồ thay thế thứ tự không được thành lập tương tự. Đối với lưới điện phân phối, điện áp khoảng 35KV nên sơ đồ đấu dây của MBA thường không nối đất trung tính và được nối /Y hay Y/ nên dòng thứ tự không rất bé, do vậy tổn thất này thường được bỏ qua.

3.3. Tổn thất công suất khi tải không đối xứng. Tổn thất công suất trên đoạn 2: Công suất đầu đoạn 2: Công suất cuối đoạn 1:

3.3. Tổn thất công suất khi tải không đối xứng. Tổn thất công suất trên đoạn 1: Tổng tổn thất công suất của thành phần thứ tự nghịch:

Sơ đồ thay thế thứ tự không (c) 3.3. Tổn thất công suất khi tải không đối xứng. Sơ đồ thay thế thứ tự không (c) Tính tổn thất công suất của thành phần thứ tự không cũng giống như cách tính tổn thất của thành phần thứ tự nghịch. Nếu không đòi hỏi độ chính xác cao thì có thể bỏ qua tổn thất của thành phần thứ tự không bởi dòng thứ tự không rất bé. Đối với lưới điện phân phối, điện áp khoảng 35KV nên sơ đồ đấu dây của MBA thường không nối đất trung tính và được nối /Y hay Y/ nên dòng thứ tự không rất bé, do vậy tổn thất này thường được bỏ qua.

3.3. Tổn thất công suất khi tải không đối xứng. Vậy tổn thất do tải không đối xứng gây ra như sau: Ta thấy tổn thất do tải không đối xứng gây ra trên hệ thống là rất lớn, có thêm cả thành phần thứ tự nghịch và thành phần thứ tự không. Vì vậy cần phải có biện pháp khắc phục sự không đối xứng của tải. Có nhiều biện pháp để khắc phục sự không đối xứng của tải tuy nhiên phạm vi luận văn này không trình bày vấn đề này.

3.5. Tổn thất công suất trong máy biến áp Tổn thất công suất không tải (tổn thất trong lõi thép hay tổn thất sắt) Tổn thất khi có tải (tổn thất trong dây quấn hay tổn thất đồng). - Tổn thất công suất trên mỗi MBA chiếm vài phần trăm so với công suất biến áp của nó. Trong hệ thống điện nói chung và lưới phân phối nói riêng số lượng MBA áp rất lớn vì thế tổn thất trên phần tử MBA áp là con số không nhỏ. Vậy ngoài vấn đề tổn thất công suất trên đường dây cần phải tính đến tổn thất công suất trong MBA. - Nhu cầu công suất phản kháng ở MBA công suất nhỏ là 10% Sđm của chúng, MBA lớn là 3% Sđm, còn các MBA ở siêu cao thế có thể từ 8%-10% (để hạn chế dòng ngắn mạch).

3.5. Tổn thất công suất trong máy biến áp 3.5.1. MBA một cuộn dây. Thành phần tổn thất trong lõi thép không thay đổi khi phụ tải thay đổi và bằng tổn thất không tải. Không có tổn thất tải với chưa có nối vào tải

3.5. Tổn thất công suất trong máy biến áp 3.5.2. MBA hai cuộn dây. Khi tải định mức Tổn thất công suất tác dụng Tổn thất công suất phản kháng, nếu RMBA << XMBA =>

3.5. Tổn thất công suất trong máy biến áp Khi tải bất kỳ (Spt): Cần chú ý đến hệ số tải Tổn thất trong MBA

3.5. Tổn thất công suất trong máy biến áp Tổng quát:

3.5. Tổn thất công suất trong máy biến áp 3.5.2 MBA ba cuộn dây và MBA tự ngẫu. Có hai cách: tính theo dòng công suất cung cấp Cách theo theo các đại lượng định mức và hệ số tải

3.5. Tổn thất công suất trong máy biến áp Cách 1:

3.5. Tổn thất công suất trong máy biến áp Cách 2: Tính tổn thất công suất trong cuộn dây 2 và 3 theo phụ tải tương ứng trung và hạ áp Chú ý: Ở đây các điện áp và tổng trở tương ứng đã quy đổi về điện áp cao.

3.5. Tổn thất công suất trong máy biến áp Công suất cuối cuộn dây 1 (cao áp): Tổn thất công suất trong cuộn 1: Tổn thất trong MBA:

3.6. Tổn thất điện năng Tổn thất công suất P của phần tử sẽ gây ra tổn thất điện năng trong thời gian t là: Nếu phụ tải không thay đổi thời gian: Phụ tải thay đổi theo thời gian Trên cơ sở tính tổn thất công suất trên đường dây và MBA, bây giờ tính tổn thất điện năng của chúng trong thời gian sử dụng điện năng t.

3.6. Tổn thất điện năng Xác định P bằng 2 phương pháp: Phương pháp dòng điện đẳng trị: P(t) và Q(t) nhiều khi rất khó biểu diễn được dạng công thức giải tích. Khi đó có thể xác địng điện năng gần đúng bằng cách bậc thang hóa đường cong P(t) vá Q(t) và lấy trị số bằng điện áp định mức. Phương pháp này trong nhiều trường hợp không làm được vì ta không biết trước đồ thị P(t) và Q(t).

3.6. Tổn thất điện năng Phương pháp xác định tổn thất điện năng theo thời gian tổn thất công suất lớn nhất: Hoặc phương pháp này cho ta dễ dàng xác định được tổn thất điện năng nếu biết được thời gian sử dụng công suất lớn nhất Tmax, thời gian tổn thất công suất lớn nhất max và phụ tải cực đại Smax. kdt: hệ số đồng thời tại thời điểm đạt max của PI(t).

3.6. Tổn thất điện năng Xác định Hoặc

3.6. Tổn thất điện năng Xác đinh Hoặc Một công thức thực nghiệm khác nếu biết P(t) có Pmin và Pmax, biết Tmax

3.7. Tổn thất điện năng trên đường dây Tổn thất điện năng trên đường dây và phụ tải tập trung, phân bố đều được tính như sau:

3.7. Tổn thất điện năng trên đường dây Trường hợp cos của nhiều phụ tải giống nhau. Có cosφb= cosφc= cosφd Tb = Tc =Td => giống nhau (1)

3.7. Tổn thất điện năng trên đường dây b) Trường hợp cos của nhiều phụ tải khác nhau. Trong đó: Do Cos, Tmax khác nhau Nếu cos và Tmax của các phụ tải khác nhau nhiều thì phải tính riêng rẽ tổn thất trên từng đoạn dây:

3.7. Tổn thất điện năng trên đường dây b) Trường hợp cos của nhiều phụ tải khác nhau. Nếu cos  sai khác nhau ít =>Tmax => thế vào công thức (1) Nếu cos và Tmax của các phụ tải khác nhau nhiều thì phải tính riêng rẽ tổn thất trên từng đoạn dây:

3.8. Tổn thất điện năng trong máy biến áp. Tổn thất điện năng trong MBA 2 cuộn dây được xác định như sau: Khi n máy biến áp Ngoài ra, khi có đồ thị phụ tải

3.8. Tổn thất điện năng trong mba. Tổn thất điện năng trong MBA 3 cuộn dây được xác định như sau: Khi có n máy biến áp:

BT3.3. Yêu cầu xác định tổn thất công suất và tổn thất điện năng 1 năm trên ĐDK – 10 (kV) cấp điện cho 2 phụ tải (hình BT3.2). Biết c = 103 (đ/kWh).

Mục lục 4.1. Bù công suất phản kháng bằng tụ bù trung thế. 4.2. Ổn định điện áp dùng máy điều áp.

4.1. Bù công suất phản kháng bằng tụ bù trung thế. Có hai cách để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng trong HTĐ: Cưỡng bức phụ tải mà chủ yếu là xí nghiệp công nghiệp phải đảm bảo cos ở mức cho phép. Đặt tụ bù công suất phản kháng trong HTĐ để giải quyết phần còn thiếu, cách này thực hiện một cách chủ động có tầm quan trọng nhất.

4.1. Bù công suất phản kháng bằng tụ bù trung thế. Định nghĩa: Tụ bù trung thế là phần tử thụ động với dòng qua nó vượt trước điện áp một góc 90. Dùng để bù công suất phản kháng (công suất vô công), được dùng trong các mạch lọc sóng hài bậc cao và cải thiện được tình trạng sụt áp trên các đường dây phân phối.

4.1. Bù công suất phản kháng bằng tụ bù trung thế. Tác dụng: Bù công suất phản kháng cần thiết. Giảm tổn thất công suất, từ đó nâng cao công suất cung cấp cho tải. Giảm bớt dòng tải trên đường dây, do đó giảm bớt sự quá tải của các thiết bị lắp đặt và giảm bớt độ sụt áp, giảm tổn thất. Nâng cao hệ số công suất của hệ thống.

4.1. Bù công suất phản kháng bằng tụ bù trung thế. Tác dụng: Cải thiện được điện áp của đường dây khi kết hợp tụ bù với các bộ phận điều khiển đóng cắt tự động theo một thông số đặt trước (như điện áp, dòng điện, hệ số công suất, nhiệt độ, thời gian . . . ) ở các vị trí thích hợp (từ 2%4%) trong lưới phân phối. Nâng cao hiệu quả kinh tế của lưới thông qua việc nâng cao khả năng cung cấp công suất của đường dây.

4.1. Bù công suất phản kháng bằng tụ bù trung thế. Ưu điểm: Tổn thất công suất tác dụng trên bản thân tụ điện rất bé(0,0025 kW/kVAr  0,005kW/kVAr ). Không có phần quay nên lắp ráp, bảo quản dễ dàng. Tụ điện được chế tạo thành đơn vị nhỏ, vì thế tùy theo sự phát triển của phụ tải trong quá trình sản xuất mà chúng ta ghép dần tụ điện vào hệ thống, làm cho hiệu suất sử dụng cao và không cần phải bỏ vốn đầu tư ngay một lúc. Sử dụng trực tiếp ở nhiều cấp điện áp.

4.1. Bù công suất phản kháng bằng tụ bù trung thế. Nhược điểm: Tụ điện nhạy cảm với sự biến động của điện áp đặt lên cực tụ điện theo quan hệ biểu thức sau: Q = U2.2fC Tụ điện có cấu tạo kém chắc chắn, dễ bị phá hỏng khi xảy ra ngắn mạch, khi điện áp tăng 110% Uđm thì tụ điện dễ bị chọc thủng. Nhạy cảm với độ méo của điện áp cung cấp.

4.1. Bù công suất phản kháng bằng tụ bù trung thế. Nhược điểm: Khi đóng tụ vào hệ thống , trong hệ thống sẽ xuất hiện dòng điện xung, còn khi cắt tụ điện ra khỏi hệ thống, trên cực của tụ điện vẫn còn điện áp dư có thể gây nguy hiểm cho nhân viên vận hành. Công suất phản kháng phát ra theo bậc không thể thay đổi điều chỉnh trơn nhuyễn được.

4.1. Bù công suất phản kháng bằng tụ bù trung thế. Các hình thức đặt tụ bù gồm có: Bù riêng: được nối trực tiếp vào các thiết bị dùng điện ở điện áp thấp Bù tập trung: được đặt vào các tủ phân phối Bù nhóm: nối vào thanh cái cao áp của trạm biến áp phân phối

4.1. Bù công suất phản kháng bằng tụ bù trung thế. Có hai hình thức để lắp đặt tụ bù vào hệ thống điện: Bù dọc (mắc tụ nối tiếp):

4.1. Bù công suất phản kháng bằng tụ bù trung thế. Áp dụng: chủ yếu cho lưới truyền tải nhằm tăng khả năng truyền tải của đường dây là chủ yếu.

4.1. Bù công suất phản kháng bằng tụ bù trung thế. Bù ngang (mắc tụ song song): được áp dụng chủ yếu cho lưới phân phối nhằm bù công suất phản kháng và giảm tổn thất, đồng thời điều chỉnh điện áp.

4.1. Bù công suất phản kháng bằng tụ bù trung thế. Khi chưa có bù ngang (hình a): Sau khi có bù ngang (hình b): Theo hình (c) và (d): Khi chưa có bù ngang: Sau khi bù ngang:

4.2. Ổn định điện áp dùng máy điều áp. Máy điều áp có hai loại: MĐA dưới tải (MĐADT) MĐA không điều áp dưới tải (KĐADT). Trong đó: Chỉ hoạt động được nếu trong hệ thống điện có đủ công suất phản kháng. Thay cho MĐADT có bộ điều chỉnh pha thyristor để điều chỉnh góc pha của điện áp.

4.2. Ổn định điện áp dùng máy điều áp. Có hai loại điều áp: Điều chỉnh modul điện áp nhằm phân bố lại công suất phản kháng, giữ mức điện áp yêu cầu trên lưới điện. Điều chỉnh pha nhằm thay đổi dòng công suất tác dụng trên các đường dây tải điện trong các lưới điện kín. Hai loại điều chỉnh trên có thể được thực hiện bằng hai MBA riêng, cũng có thể làm chung vào một MBA.

4.2. Ổn định điện áp dùng máy điều áp. Ngoài ra: Điều chỉnh dòng công suất tác dụng cũng có thể thực hiện nhờ kháng điện mắc nối tiếp, hoặc tụ điện có điều khiển bằng cơ học hay thyristor mắc nối tiếp với đường dây. Ngoài MĐADT trong các MBA lực, còn các MBA riêng chỉ để điều chỉnh điện áp, đó là MBA điều chỉnh đường dây và MBA bổ trợ.