Luận văn
Tính toán lựa chọn vị trí, số lượng,
dung lượng thiết bị bù hợp lý trong
lưới điện phân phối
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
MỞ ĐẦU
Cùng với quá trình Công nghiệp hoá và hiện đại hoá Đất nƣớc, nhu cầu phụ tải
không ngừng gia tăng. Sự xuất hiện của các khu công nghiệp đòi hỏi sự tiêu thụ
công suất phản kháng tăng lên nhanh chóng, điều đó làm tăng tổn thất điện năng,
công suất và chi phí truyền tải điện năng, giảm hiệu quả sử dụng mạng điện, đồng
thời làm giảm hệ số công suất cos và chất lƣợng điện năng. Sự tăng tổn thất do
suy giảm hệ số cos buộc các nhà kinh doanh điện năng phải áp dụng bảng giá phạt
đối với các hộ dùng điện có hệ số cos thấp. Chính vì vậy nhiệm vụ bù công suất
phản kháng đƣợc đặt ra không chỉ đối với hệ thống điện, mà cả các hộ dùng điện.
Đề tài “Tính toán lựa chọn vị trí, số lượng, dung lượng thiết bị bù hợp lý trong
lưới điện phân phối ” đƣợc thực hiện nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách nói trên.
Khác với công suất tác dụng, công suất phản kháng trong hệ thống điện đƣợc
sản sinh ra cũng nhƣ đƣợc tiêu thụ dƣới rất nhiều hình thức. Một số phần tử hệ
thống điện chỉ tiêu thụ công suất phản kháng, một số khác vừa tiêu thụ vừa có thể
sinh ra công suất này. Sự tiêu thụ và tạo ra công suất phản kháng thay đổi phụ thuộc
vào nhiều yếu tố khác nhau. Vấn đề “bù công suất phản kháng” là một vấn đề hết
sức phức tạp, liên quan đến rất nhiều tham số chế độ cũng nhƣ các tham số hệ
thống, mà không ngừng biến đổi theo thời gian. Đã có nhiều tác giả áp dụng các kết
quả nghiên cứu của các nƣớc khác nhau trong việc giải bài toán bù công suất phản
hoá. Tức là cùng với việc tiêu thụ một lƣợng công suất tác dụng để sinh công, các
thiết bị điện còn tiêu thụ một lƣợng công suất phản kháng. Lƣợng công suất phản
kháng mà các thiết bị điện tiêu thụ phụ thuộc vào đặc tính của chúng, các động cơ
không đồng bộ, máy biến áp vv… là những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản
kháng. Theo số liệu thống kê, thì lƣợng công suất phản kháng do động cơ không
đồng bộ tiêu thụ chiếm tỷ trọng lớn nhất (khoảng 65 75%), tiếp theo là máy biến áp
khoảng 15 20% và các đƣờng dây 5 8%.
Mức độ tiêu thụ công suất phản kháng đƣợc đánh giá bởi hệ số công suất, mà
đƣợc xác định bởi tỷ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất biểu kiến (S)
cos =P/S.
cos =
UI
P
S
P
3
; (1.1)
Trong thực tế vận hành giá trị cos thƣờng đƣợc xác định theo công thức
cos
tb
=
2
)(1
1
r
x
A
A
Trong đó:
r
+ P
x
(1.2)
Khi truyền tải điện năng trong mạng điện cao áp do điện trở phản kháng lớn
nên thành phần tổn hao công suất phản kháng thƣờng lớn hơn thành phần tổn thất
công suất tác dụng. Đặc biệt đối với máy biến áp thành phần tổn thất công suất phản
kháng chiếm tỷ lệ rất lớn. Chẳng hạn đối với máy 320 kVA 10/0,4 thì P%= 2,4
còn Q% = 3,2 .
b) Tăng tiết diện dây dẫn
Khả năng truyền tải của đƣờng dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện
phát nóng cho phép, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện
chạy qua dây dẫn và máy biến áp đƣợc xác định :
U
Q
P
U
S
I
33
2
2
(1.3)
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Từ biểu thức trên chúng ta nhận thấy: Với cùng một điều kiện phát nóng nhất
định của đƣờng dây và máy biến áp với P = const, nếu tăng lƣợng công suất phản
kháng Q buộc phải tăng tiết diện dây dẫn, do đó sẽ làm tăng chi phí của mạng điện.
UU
U
QXPR
U
(1.4)
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Thành phần tổn thất phản kháng U
x
tỷ lệ thuận với công suất phản kháng. Việc
tăng công suất Q sẽ làm tăng đáng kể tổn thất điện áp, do đó làm giảm chất lƣợng
điện. Điều đó làm tăng thêm chi phí do phải trang bị các cơ cấu điều chỉnh điện áp
trong hệ thống. Khi chất lƣợng điện giảm quá mức cho phép sẽ dẫn đến sự thay đổi
chế độ làm việc của các phần tử hệ thống điện. Sự thay đổi này có thể làm giảm
năng suất của các thiết bị gây thiệt hại về kinh tế cho các ngành sản xuất.
2. Hiện trạng bù công suất phản kháng:
2.1.Tình hình bù công suất phản kháng ở Việt Nam.
2.1.1. Lưới điện phân phối và hệ số công suất cos .
Sơ đồ mạng điện ở các địa phƣơng có dạng nhƣ trên hình 1.1. Nguồn cấp là từ
thanh cái trạm 110 kV, 220 kV hay thanh cái phía cao áp của nhà máy điện bằng
đƣờng dây tải điện theo cơ cấu mạch vòng hay hình tia dẫn điện đến khu vực phụ
tải điện áp đƣợc hạ xuống 35 kV, 22 kV hay 10 kV, 6 kV. Nếu là 35 kV thì tồn tại
các đƣờng dây 35 kV đi sâu tới phụ tải hơn và tại đó hạ xuống 22kV, 10 kV hay 6
kV. Từ thanh cái 22 kV, 10 kV, 6 kV hình thành các đƣờng dây phân phối hình tia,
cũng có thể là mạch vòng nhƣng khi vận hành vẫn để ở chế độ hình tia. Từ các
đƣờng dây này theo điểm phụ tải đấu đến các máy biến áp hạ xuống điện áp hạ thế
400/220 V để cấp điện cho các phụ tải hạ thế. Sau trạm hạ áp hình thành các đƣờng
dây hạ thế có cấu trúc hình tia dẫn điện đến từng hộ tiêu thụ.
Hình 1.1. Sơ đồ lưới điện
năng.
Các vấn đề trình bày về chất lƣợng điện năng nêu trên nói chung ít đƣợc quán
triệt ở các Điện lực và các chi nhánh, nên vấn đề bù công suất phản kháng rất ít
đƣợc quan tâm. Chỉ một vài Điện lực nhƣ Hà Nội, Hải Dƣơng, Nam Định v.v… các
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
lãnh đạo quan tâm tới vấn đề này thì công việc bù công suất phản kháng có đƣợc
thực thi tốt hơn, tuy chƣa triệt để; còn đại bộ phận các Điện lực tỉnh việc quan tâm
đến vấn đề bù công suất phản kháng là rất ít, hoặc có chăng thực thi một cách
“cƣỡng chế” do theo yêu cầu hoặc theo nghị định của Tập đoàn Điện lực Việt Nam.
- Các xí nghiệp sử dụng điện công suất lớn, điện áp trung-cao thế có hệ số
công suất cos thấp dƣới 0,85 (do qui định của Tập đoàn Điện lực Việt Nam )
thƣờng tiến hành lắp đặt tụ bù để tránh không bị phạt cos . Các xí nghiệp công suất
điện nhỏ hay khu cơ quan hành chính, khu dân cƣ hầu nhƣ không hề đề cập đến bù
công suất phản kháng vì ý thức và quan trọng hơn cả là họ không phải đóng tiền
tiêu thụ công suất phản kháng mà chỉ đóng tiền điện qua công tơ điện ( tức là chỉ
đóng tiền điện tiêu thụ công suất tác dụng).
Các nhận xét chung nêu trên về cos và bù công suất phản kháng nêu trên đựơc
thể hiện cụ thể qua điều tra thực tế. Trong phạm vi đề tài, tôi đã tiến hành khảo sát
tình hình cos và bù công suất phản kháng tại Điện lực tỉnh Hải Dƣơng.
2.1.2. Thực trạng làm việc của các thiết bị bù.
Nhìn chung, đại đa số các thiết bị bù công suất phản kháng hiện tại không có
cơ cấu tự động điều chỉnh, vì vậy ở một số nơi vào giờ thấp điểm có hiện tƣợng
dòng công suất phản kháng chạy ngƣợc, làm tăng tổn thất và quá áp cục bộ. Vị trí
đặt thiết bị bù thƣờng đƣợc chọn sao cho dễ vận hành chứ không xét đến hiệu quả
kinh tế của thiết bị, vì vậy chƣa tận dụng đƣợc hiệu quả làm việc của thiết bị, dẫn
đến sự lãng phí. Tuổi thọ của thiết bị bù thƣờng thấp hơn nhiều so với giá trị quy
định của nhà sản xuất vì điều kiện làm việc của thiết bị chƣa phù hợp. Đa số các
trƣờng hợp hỏng tụ do bị nổ một pha. Nguyên nhân chủ yếu là do phần lớn tụ bù
bù, tuy nhiên tổn thất trên đoạn từ thanh cái 1 đến các thiết bị dùng điện không giảm
vì ở đoạn này vẫn có dòng công suất phản kháng của phụ tải chạy qua. Thêm vào
đó, khi phụ tải phản kháng nhỏ thì có thể sẽ xẩy ra hiện tƣợng dƣ thừa công suất bù.
Vì vậy đối với phƣơng án này ngƣời ta thƣờng phải trang bị thêm hệ thống tự động
điều chỉnh dung lƣợng tụ bù.
2). Thiết bị bù tĩnh đặt trong tủ phân phối của nhóm thiết bị dùng điện (hình b).
Phƣơng án này cho phép giảm tổn thất trên đoạn dây từ thanh cái trạm biến áp đến
tủ phân phối của các nhóm thiết bị dùng điện, tuy nhiên hệ số công suất phụ thuộc
vào số lƣợng thiết bị dùng điện. Trong trƣờng hợp có ít động cơ trong nhóm thì vẫn a)
1
2
M
M
M
M
3b)
3
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
có khả năng dƣ thừa công suất phản kháng. Vì vậy đối với phƣơng án này cũng cần
phải trang bị thêm hệ thống tự động điều chỉnh dung lƣợng tụ bù.
3). Thiết bị bù tĩnh đóng cắt ngay trên đầu vào của các thiết bị dùng điện (hình
c). Theo phƣơng án này một công tắc tơ sẽ điều khiển cả động cơ và tụ bù. Khi
động cơ không làm việc thì tụ bù cũng sẽ đƣợc cắt khỏi mạng, do đó sẽ không cần
đến các thiết bị điều khiển.
Thƣờng thì các cụm tụ bù không điều chỉnh đƣợc áp dụng nếu công suất tụ chỉ
chiếm 15% công suất của máy biến áp, còn nếu công suất tụ lớn hơn 15% công suất
máy biến áp thì cần phải đặt thiết bị bù có tự động điều chỉnh
Để bảo vệ cho thiết bị bù ngƣời ta thƣờng dùng bộ lọc sóng hài lắp nối tiếp với
bộ tụ và các máy cắt để bảo vệ chống ngắn mạch.
Hiện nay đã có rất nhiều thiết bị tự động điều chỉnh dung lƣợng bù đƣợc áp
dụng. Một trong những hệ thống hiện đại dùng để điều chỉnh hệ số công suất cos
có tên gọi là Hershey. Hệ thống này cho phép khắc phục đƣợc hiện tƣợng thừa công
suất phản kháng khi phụ tải cực tiểu, do đó ổn định đƣợc giá trị điện áp và giảm tổn
thất trong mạng điện, giá trị của hệ số cos đƣợc duy trì ở mức 0,95 1. Khác với
các thiết bị bù thông thƣờng, hệ thống Hershey có trang bị thêm bộ lọc sóng hài.
Ngoài ra hệ thống Hershey còn đƣợc lắp đặt thiết bị tự chẩn đoán đặc biệt để cảnh
báo khi khi có sự cố bất thƣờng xẩy ra trong các ngăn tụ bù.
Thiết bị tự động điều chỉnh hệ số công suất AFPC (Automatic Power Factor
Controller) có tên gọi là POWERWARE đƣợc áp dụng khá rộng rãi ở các nƣớc tiên
tiến. Đây là loại thiết bị tự động điều chỉnh hệ số công suất có gắn bộ vi xử lý, cho
phép duy trì giá trị hệ số công suất cao nhất ở mọi thời điểm trong ngày.
Công ty lƣới điện Quốc gia NGC (National Grid Company) Hoa Kỳ đã tiến
A
= g
A
.A
Trong đó
C
cb
- tiền điện cơ bản;
C
A
- tiền điện trả theo mức tiêu thụ;
g
p
- đơn giá công suất tác dụng Yên/kW;
g
A
- đơn giá điện năng tác dụng Yên/kWh;
P – công suất đăng ký theo hợp đồng mua bán điện, kW ;
A - điện năng tiêu thụ, kWh.
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Nhƣ vậy có thể thấy đại đa số các nƣớc trên thế giới đều thu tiền sử dụng điện
năng phản kháng, tuy nhiên việc ấn định hệ số công suất làm cơ sở phạt tiền sử
dụng công suất phản kháng ở các nƣớc khác nhau rất khác nhau.
3. Kết luận:
1. Hiện nay vấn đề bù công suất phản kháng trong mạng điện phân phối ở các
địa phƣơng trong cả nƣớc chƣa đƣợc quan tâm một cách đúng mức.Việc lắp đặt
thiết bị bù thƣờng chỉ là giải pháp tình thế, không có sự tính toán hợp lý vì vậy hiệu
quả bù chƣa cao. Đặc biệt hầu hết các thiết bị bù không có cơ cấu tự động điều
U
QP
A
2
22
R
U
P
2
cos
2
2
(2.1)
Trong đó: - thời gian tổn thất công suất cực đại hàng năm, có thể biểu thị
dƣới dạng hàm phụ thuộc vào thời gian sử dụng công suất cực đại T
M
= ( 0,124 + T
M
.10
- 4
)
2
8760 (2.2)
R
U
QP
A
2
22
R
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0
2000
4000
6000
8000
0
1
2
3
4
cosfi
Ton that dien nang dA%=f(cosfi,Tm)
Tm, hr
dA,%
Hình 2.1. Biểu đồ phụ thuộc giữa tổn thất điện năng với hệ số cos và T
M
2.1.2. Quan hệ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn với hệ số công suất và T
M
Trƣớc hết ta xác định giá trị dòng điện chạy trên đƣờng dây
cos 3.3 U
P
U
I
F
(2.7)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0
2000
4000
6000
8000
0
5
10
15
20
25
cosfi
Ham chi phi Z=f(cosfi,Tm)
Tm, hr
Z, tr.VND/km
Hình 2.2. Biểu đồ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn với hệ số cos và T
M
Vốn đầu tƣ đƣờng dây đƣợc biểu thị bởi biểu thức
K= a+ bF (2.8)
với: a, b – các hệ số kinh tế cố định và thay đổi của đƣờng dây;
0,45<k
mt
<0,7 thì việc thay thế phải so sánh kinh tế kỹ thuật mới xác định đƣợc hiệu
quả kinh tế khi thay. Mối quan hệ hệ giữa hệ số mang tải k
mt
với hiệu suất và hệ
số công suất cos là phi tuyến, nếu động cơ đƣợc chọn với gam công suất thích hợp
thì không những đạt hiệu suất làm việc cao mà còn có tác dụng nâng cao cos của
lƣới.
* Thiết lập chế độ điện áp tối ưu: Ta dễ dàng nhận thấy công suất tiêu thụ Q tỷ
lệ với bình phƣơng của U, nếu giảm điện áp U thì Q sẽ giảm đi rõ rệt. Vì vậy có thể
nâng cao hệ số cos bằng cách giảm điện áp ở những động cơ làm việc non tải,
thƣờng ta đổi tổ nối dây của động cơ từ tam giác ra đấu sao.
* Thiết lập chế độ làm việc kinh tế của trạm biến áp
Đối với các trạm biến áp có nhiều máy cần xây dựng biểu đồ làm việc hợp lý.
Khi máy biến áp làm việc với phụ tải 30% công suất định mức thì nên tạm thời
chuyển phụ tải sang các máy khác và cắt khỏi mạng trong khoảng thời gian nhất
định. Lựa chọn các đầu phân áp tối ƣu.
18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
* Dùng động cơ đồng bộ thay thế động cơ không đồng bộ
Các động cơ đồng bộ tuy có giá thành đắt hơn so với động cơ không đồng bộ
nhƣng có hệ số cos cao, hơn nữa việc điều chỉnh dòng điện kích từ có thể cho
phép động cơ thay đổi chế độ làm việc dễ dàng vì đặc điểm của máy bù đồng bộ là
có thể tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng tuỳ thuộc vào chế độ kích từ.
* Dùng các thiết bị chỉnh lưu với hệ số công suất vượt trước
Đối với một số mạng điện cần có sự có mặt của dòng một chiều nên áp dụng
các thiết bị chỉnh lƣu có hệ số công suất vƣợt trƣớc, điều đó cho phép cải thiện hệ
số cos chung của toàn mạng điện.
19
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Bảng 2.1. Giá trị của hệ số k
q
phụ thuộc vào hệ số cos
1
hiện tại và hệ số cos
2
mong mưốn
Ví dụ với hệ số cos
1
=0,7, cần nâng lên giá trị cos
2
=0,9 thì ta tra bảng để xác
định hệ số k
q
=0,54. Nhƣ vậy công suất phản kháng cần thiết sẽ là Q=0,54P.
Biểu đồ véc tơ công suất trƣớc và sau khi đặt thiết bị bù cos biểu thị trên hình
2.3. và biểu đồ vectơ dòng điện khi có bù công suất phản kháng đƣợc thể hiện trên
hình 2.4. Phân tích biểu đồ vec tơ công suất ta thấy công suất biểu kiến sau khi bù
S
2
có giá trị nhỏ hơn công suất trƣớc khi bù S
1
, điều đó cho phép giảm dòng điện
chạy trong mạch và từ đó có thể giảm đƣợc chi phí đầu tƣ cho đƣờng dây, giảm tổn
thất điện năng, cuối cùng là giảm giá thành điện năng.
Nếu chọn dung lƣợng bù Q
b
bằng giá trị phụ tải phản kháng Q thì có thể loại
trừ đƣợc hoàn toàn thành phần tổn thất do công suất phản kháng gây nên và nhƣ vây
sẽ cải thiện đƣợc các tham số chế độ của mạng điện. Việc bù công suất phản kháng
đồng thời nâng cao hệ số công suất của mạng điện và tạo nên sự dự trữ công suất
phản kháng cho quá trình điều chỉnh điện áp.
Từ biểu thức (2.11) ta dễ dàng thấy rằng tổn thất công suất sẽ có giá trị nhỏ
nhất khi công suất phản kháng của phụ tải bằng công suất của các cụm bù, tức Q=
Q
b
và nó sẽ tăng trong cả hai trƣờng hợp Q > Q
b
và
Q < Q
b
. Nhƣ vậy nếu nhƣ hiện
tƣợng quá bù xẩy ra thì vẫn có dòng công suất phản kháng chạy trên đƣờng dây
12
S
1
S
2
I
C
I
L
I
lv
I
dd
I
R
I
X
21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
(theo chiều ngƣợc lại) và vẫn có sự tổn thất điện năng. Có nghĩa là “tiền mất tật
mang” chúng ta đã phí tiền cho việc đặt bù.
Thế còn đối với đại lƣợng tổn thất điện áp thì sao? Xét biểu thức (2.12) ta thấy
nếu Q < Q
b
thì thành phần U
x
sẽ mang dấu (-), có nghĩa là sự có mặt của các thiết
bị bù sẽ sinh ra một suất điện động (sđđ) mà có thể gây quá áp khi phụ tải cực tiểu.
Nhƣ vậy, nếu dung lƣợng bù lớn hơn công suất phản kháng của phụ tải thì, nhƣ con
dao hai lƣỡi, các cụm bù này sẽ gây tổn thất cho mạng điện cả về kinh tế và kỹ
thuật.
Từ những phân tích trên chúng ta thấy các tính năng ƣu việt của bù vô công chỉ
có thể có đƣợc khi chúng đƣợc sử dụng hợp lý. Nếu chọn dung lƣợng và vị trí bù
P
n
, Q
n
, U
n
– các giá trị phụ tải và điện áp định mức.
Khi điện áp nằm trong giới hạn 0,95 1,05 thì động cơ đồng bộ có thể làm việc
lâu dài với công suất phản kháng định mức. Khả năng phát công suất của động cơ
đồng bộ đƣợc xác định theo biểu thức
Q
M
= k
QM
Q
n
k
QM
– giá trị cực đại của hệ số mang tải phản kháng, nó phụ thuộc vào hệ số k
P
và giá trị điện áp, k
QM
= f(k
P
, U*).
Trong quá trình làm việc động cơ bị đốt nóng do tổn thất công suất tác dụng
gây nên. Lƣợng tổn thất này phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ
P = f(k
Trong đó: D
1
, D
2
– các hệ số phụ thuộc vào loại và đặc tính của động cơ đồng
bộ.
Đối với nhóm gồm N động cơ
])([
2
2
21
N
Q
Q
D
Q
NQ
D
NP
n
n
2
2
21
Q
NQ
D
Q
Q
25
(Q/P
n
).100, %
0
48
62
75
- Sự phụ thuộc giữa mômen quay vào dao động điện áp thấp (mômen quay của
động cơ đồng bộ tỷ lệ với điện áp theo hàm bậc nhất, trong khi đó ở động cơ không
đồng bộ – tỷ lệ theo bậc 2);
- Tốc độ quay của động cơ đồng bộ không phụ thuộc vào phụ tải do đó hiệu suất
làm việc cao;
- Tổn thất công suất tác dụng thấp hơn so với động cơ không đồng bộ vì hệ số
hiệu dụng cao.
* Nhược điểm
- Giá thành tƣơng đối cao, có nghĩa là suất vốn đầu tƣ bù công suất phản kháng
lớn (khoảng 12,5$/kVAr);
- Suất chi phí tổn thất công suất tác dụng lớn hơn nhiều so với tụ bù (khoảng
0,027 kW/kVAr, trong khi đó ở tụ khoảng 0,003-0,004 kW/kVAr);
- Chiếm diện tích rộng và khi làm việc gây tiếng ồn.
Chính vì những lý do đó mà động cơ đồng bộ thƣờng chỉ tận dụng ở các xí
nghiệp công nghiệp, chứ ít khi sử dụng ở các trạm biến áp.
2.3.2. Tụ điện
24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Tụ điện là thiết bị tĩnh, đƣợc sử dụng rộng rãi để bù công suất phản kháng
trong mạng điện, nó có thể đƣợc mắc ngay trên đầu của các hộ dùng điện, trên
thanh cái của các trạm biến áp hoặc tại các điểm nút của mạng điện (hình 1.5). Tụ
U – điện áp thực tế tại nơi đặt tụ
U
C
– điện áp định mức của tụ bù.
Nếu chia cả tử và mẫu của phân số trong ngoặc cho điện áp định mức của lƣới
U
n
ta sẽ đƣợc
2
*
)
*
(
c
n
U
U
QQ
(2.18)
S=P+jQ
Q
C
~
Copyright: Tài liệu đại học ©