BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------VŨ QUANG ĐĂNG
Vũ Quang Đăng
HỆ THỐNG ĐIỆN
NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC ĐÁNH GIÁ
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI
LUẬN VĂN THẠC SỸ HỆ THỐNG ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
KHÓA 2007-2009
TS. Bạch Quốc Khánh
Hà Nội - 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Vũ Quang Đăng
NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC ĐÁNH GIÁ CHẤT
LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI
Chuyên ngành: Hệ thống điện
LUẬN VĂN THẠC SỸ HỆ THỐNG ĐIỆN
1.2.3.6. Lắp đặt thêm các thiết bị tự động đóng lại tại các điểm giữa dọc đường dây 16
1.2.3.7. Chỉ ngắt pha bị sự cố thay vì ngắt cả 3 pha ....................................................17
1.2.3.8. Thay đổi đường đặc tính của thiết bị bảo vệ để phù hợp với điều kiện hiện tại
của hệ thống điện..........................................................................................................17
1.3 Kết luận...........................................................................................................................17
CHƯƠNG 2 – SỤT ÁP VÀ CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ......................................................18
2.1. Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy cung cấp điện trong lưới phân phối............................18
2.1.1. Tần suất mất điện trung bình - SAIFI.....................................................................18
2.1.2. Thời gian mất điện trung bình- SAIDI...................................................................18
2.1.3. Tần suất khách hàng bị mất điện trung bình- CAIFI .............................................18
2.1.4. Thời gian trung bình khách hàng bị mất điện- CAIDI ...........................................19
2.1.5. Mức độ sẵn sàng trung bình của hệ thống -ASAI...................................................19
2.2. Các chỉ tiêu đánh giá sụt áp trong lưới phân phối .........................................................19
2.2.1. SARFI – Tần suất biến thiên điện áp trung bình ...................................................19
2.2.1.1. Chỉ số SARFIx ..................................................................................................20
2.2.1.2. Đường cong SARFI.........................................................................................21
2.2.2. ASIDI – Thời gian mất điện trung bình ..................................................................25
2.3 Kết luận...........................................................................................................................26
CHƯƠNG 3 – MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SỤT ÁP TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ............27
3.1. Thông tin về sụt áp trong lưới điện trong quá khứ ........................................................27
3.2. Mô phỏng phân bố sự cố ...............................................................................................28
3.3. Sơ đồ khối tính toán sụt áp trong lưới phân phối ..........................................................29
3.4 Kết luận...........................................................................................................................30
CHƯƠNG 4 – TÍNH TOÁN SỤT ÁP TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN TÁC
ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BẢO VỆ............................................................................................31
4.1. Lưới điện nghiên cứu.................................................................................................31
4.2. Thông số vận hành tại chế độ xác lập .......................................................................37
4.3. Sụt áp và chỉ số SARFIX của trạm E17 lưới trung tính cách đất – đặc tính bảo vệ rất
dốc ....................................................................................................................................38
4.3.1. Sụt áp và SARFIx khi xảy ra ngắn mạch tại các MBA phân phối trên lộ 474.......39
Abstract.....................................................................................................................................80
Danh mục tham khảo................................................................................................................81
Trang 4
Trường đại học BKHN
Nghiên cứu các vấn đề ảnh hưởng đến việc đánh giá
chất lượng điện năng trong lưới phân phối
MỞ ĐẦU
Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước hiện nay, điện
năng chính là một trong các nguồn lực quan trọng để thực hiện nhiệm vụ này:
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG - SỤT ÁP
1.1. Giới thiệu chung
Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước hiện nay, điện
năng chính là một trong các nguồn lực quan trọng để thực hiện nhiệm vụ này:
Điện – đường – trường – trạm. Xét trên khía cạnh thị trường, điện năng là hàng
hóa mà toàn dân đều có nhu cầu sử dụng và đang sử dụng hàng ngày. Đã là hàng
hóa được mua bán thì cần phải tuân theo và đảm bảo về yêu cầu chất lượng. Tuy
nhiên hiện nay tồn tại nhiều định nghĩa về chất lượng điện năng mà mỗi định
nghĩa này lại được xây dựng theo các tiêu chí khác nhau bởi đối tượng đang
quan tâm đến chất lượng điện năng như: các công ty điện lực, các khách hàng sử
dụng điện, các nhà sản xuất thiết bị,... Như vậy chất lượng điện năng là một vấn
đề hoàn toàn được xem xét hướng theo người “sử dụng cuối cùng”.
Tại Việt Nam, chất lượng điện năng đã được luật hóa trong Điều 26 của
Luật điện lực như sau: “Đơn vị phát điện, truyền tải điện, phân phối điện phải
bảo đảm điện áp, tần số dòng điện phù hợp với Tiêu chuẩn Việt Nam, công suất,
điện năng và thời gian cung cấp điện theo hợp đồng. Trường hợp không bảo
đảm tiêu chuẩn điện áp, tần số dòng điện, công suất, điện năng và thời gian cung
cấp điện theo hợp đồng đã ký mà gây thiệt hại cho bên mua điện thì bên bán
điện phải bồi thường cho bên mua điện theo quy định của pháp luật. Bên mua
điện có trách nhiệm bảo đảm các trang thiết bị sử dụng điện của mình hoạt động
an toàn để không gây ra sự cố cho hệ thống điện, không làm ảnh hưởng đến chất
lượng điện áp của lưới điện” [1]. Quy đinh này có thể được hiểu như sau: “Độ
sai lệch cho phép đối với điện áp, tần số dòng điện danh định, sóng hài và thời
gian có điện được gọi là chất lượng điện năng”. Điện năng sử dụng trong sản
xuất, sinh hoạt nói chung đòi hỏi phải đáp ứng độ sai lệch cho phép đối với điện
áp, tần số dòng điện. Chất lượng điện năng không những phụ thuộc vào công
nghệ phát điện (như hệ số công suất và khả năng phát công suất phản kháng, số
rò; ii) Tắt máy tính; iii) Gây hỏng máy tính và các thiết bị điện tử; iv) Mất dữ
liệu; v) Chập chờn, nhấp nháy hoặc mờ ánh sáng; vi) Mất đồng bộ các thiết bị
xử lý; vii) Gây ra sự cố cho các động cơ và các thiết bị quá trình; viii) Hỏng cho
các động cơ và các thiết bị quá trình; ix) Nhiễu âm các đường dây thông tin; x)
Các rơ le và các công tắc tơ tác động nhầm; xi) Phát nóng MBA và dây cáp.
Trang 7
Trường đại học BKHN
Nghiên cứu các vấn đề ảnh hưởng đến việc đánh giá
chất lượng điện năng trong lưới phân phối
1.1.3. Các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng
Để nâng cao chất lượng điện năng có nhiều biện pháp khác nhau. Mỗi
biện pháp có những ưu nhược điểm khác nhau và cũng phù hợp với từng khách
hàng, thiết bị điện. Trong một nghiên cứu của Viện Đồng Châu Âu (European
Copper Institute) tại 1.400 địa điểm trên 8 quốc gia cho thấy rằng có trên 50%
khách hàng sử dụng điện đã áp dụng 3 biện pháp: bảo vệ xung tăng áp, bộ lưu
điện (UPS) và đo lường giá trị hiệu dụng. Từ đó có thể nhận định rằng đây chính
là 3 biện pháp hữu hiệu tại Châu Âu để nâng cao chất lượng điện năng.
Bảo vệ xung tăng áp
Bộ lưu điện (UPS)
Đo lường giá trị
hiệu dụng
Giảm số lượng TBĐ
Các mạch điện
chuyên dụng
Mắc lại đường
dây điện
1.2 Sụt áp và mất điện
1.2.1. Khái niệm chung về sụt áp và mất điện
Hai hiện tượng điển hình, phổ biến liên quan đến chất lượng điện năng là
sụt áp và mất điện, do các sự cố trong hệ thống điện và các hoạt động đóng cắt
để cách ly vùng sự cố. Biểu hiện của chính của sụt áp và mất điện là biên độ
điện áp nằm ngoài dải điện áp làm việc bình thường [4].
Sụt áp (voltage sag) là hiện tượng có biên độ điện áp hay dòng điện ở tần
số định mức giảm về giá trị hiệu dụng (rms) trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kì
đến 1 phút. Hai đặc tính đặc trưng của sụt áp chính là biên độ sụt áp và khoảng
thời gian sụt áp.
Biên độ sụt áp là giá trị hiệu dụng (rms) của điện áp khi xảy ra sụt áp
được tính bằng phần trăm của điện áp danh định. Ví dụ nói sụt áp 75% tại lưới
điện 35 kV tức điện áp khi xảy ra sụt áp còn 26,25 kV.
Thời gian sụt áp là khoảng thời gian mà biên độ điện áp giảm xuống thấp
hơn điện áp ngưỡng bằng 90% điện áp danh định.
Trang 9
Trường đại học BKHN
Nghiên cứu các vấn đề ảnh hưởng đến việc đánh giá
chất lượng điện năng trong lưới phân phối
Trong lưới điện 3 pha: i) biên độ sụt áp là biên độ thấp nhất trong 3 pha so
với điện áp danh định; ii) thời gian sụt áp là khoảng thời gian sụt áp kéo
dài nhất trong 3 pha.
Hình 1.2 – Sụt áp của hệ thống điện mạch kép khi Hình 1.3 – Biểu diễn quá trình sụt áp đến
một mạch bị ngắn mạch
Vùng hoạt động bình
90%-100%
80%-90%
70%-80%
60%-70%
50%-60%
40%-50%
30%-40%
20%-30%
10%-20%
0%-10%
V80-90%
V70-80%
V60-70%
V40-50%
V30-40%
V20-30%
V10-20%
V
n
áp
sản xuất công nghiệp thì thấy rằng có 3
nguồn chính gây sụt áp là: sự cố trong
mạch song song (46%), lưới điện
Lưới
truyền tải
31%
truyền tải (31%) và lưới điện nội bộ
của chính cơ sở sản xuất đó (23%).
Hình 1.5 – Các nguồn gây sụt áp và mất điện
Để có thể khai thác hiệu quả thiết bị
điện trong điều kiện cung cấp điện hiện
tại của khách hàng thì cần phải có
thông tin đầy đủ về sụt áp. Khi đó sẽ
giúp cho vận hành thiết bị tối ưu nhờ
hợp lý hóa giữa đặc tính hệ thống cung cấp điện và hoạt động của thiết bị.
Hình1.6 – Đường cong chịu đựng sụt áp của thiết bị điện
Trang 11
Nghiên cứu các vấn đề ảnh hưởng đến việc đánh giá
chất lượng điện năng trong lưới phân phối
Trường đại học BKHN
Dự toán các phương án khác nhau để cải thiện chất lượng điện năng
Trang 12
Trường đại học BKHN
Nghiên cứu các vấn đề ảnh hưởng đến việc đánh giá
chất lượng điện năng trong lưới phân phối
Mô tả các giải pháp thay thế bao gồm các loại chi phí và tính hiệu quả của
từng phương án
Thực hiện phân tích so sánh kinh tế của các phương án
Trong các phương án thay thế cần xem xét cả chi phí đầu tư, vận hành và bảo
dưỡng và thanh lý các đồ không sử dụng, chi phí về đất đai và thuế, chi phí hoạt
động hàng năm. Sau đây là ví dụ về chi phí đầu tư và suất chi phí O&M để khắc
phục sụt áp [4].
Bảng 1.2 – Chi phí đầu tư và suất chi phí O&M khắc phục sự cố sụt áp
STT
I
Phương án thay thế
Chi phí
đầu tư
Chi phí vận
hành và bảo
dưỡng hàng
năm (O&M)
Bảo vệ các thiết bị (10-300 kVA)
2.1
Bộ lưu điện (UPS)
$500/kVA
15%
2.2
Bánh đà (flywheel)
$500/kVA
7%
2.3
Thiết bị điều chỉnh sụt áp động
$200/kVA
5%
III
Bảo vệ nhà máy (2-10 MVA)
5%
V
Bộ chuyển đổi nhanh (10 MVA)
$150.000
5%
Trang 13
Trường đại học BKHN
Nghiên cứu các vấn đề ảnh hưởng đến việc đánh giá
chất lượng điện năng trong lưới phân phối
Các công ty điện lực có hai biện pháp cơ bản để giảm số lượng sự cố và
tính nghiêm trọng của sự cố sụt áp gây ảnh hưởng đến hệ thống điện: i) Ngăn
ngừa các sự cố; ii) Cải tiến các biện pháp loại trừ sự cố. Các công ty điện lực sẽ
thu được nhiều lợi ích từ việc ngăn ngừa sự cố: giúp cho khách hàng hài lòng
mà còn ngăn ngừa các hư hỏng lớn đối với các thiết bị. Các hoạt động ngăn
ngừa sự cố gồm có: chặt cây gần đường dây truyền tải điện, đặt thêm các chống
sét đường dây, vệ sinh cách điện, bố trí các hàng rào ngăn ngừa động vật. Tại
lưới truyền tải cần tính toán nối đất cột điện để giải phóng năng lượng sét càng
nhanh càng tốt. Tại khu vực cây cối rậm rạp cần quan tâm kế hoạch chặt cây
hợp lý. Các biện pháp loại trừ sự cố bổ sung gồm có lắp đặt thêm các thiết bị
đóng lại đường dây, cắt nhanh sự cố, cải tiến thiết kế các xuất tuyến, nhờ đó có
thiết bị tự động đóng lại sẽ tác động.
Thiết bị đóng lại đường dây bố trí tại cột giữa chiều dài tuyến: hoạt động
bằng cơ chế thủy lực hoặc điện tử
Cầu chì đặt tại điểm cuối của các xuất tuyến chính
1.2.3.2. Lắp đặt cầu chì
Thiết bị bảo vệ quá dòng cơ bản nhất trong hệ thống điện chính là cầu chì: khá
rẻ tiền và không cần bảo dưỡng. Chúng được sử dụng rất rộng rãi trong lưới
phân phối để bảo vệ các máy biến áp riêng lẻ và các đường nhánh.
Nhiệm vụ cơ bản nhất của cầu chì là tác động khi có các sự cố lâu dài và cách ly
khu vực sự cố. Khi phát hiện quá dòng, thành phần cầu chì thường được làm từ
kim loại như thiếc hay bạc sẽ tan chảy do dòng hồ quang khi đó sẽ loại trừ dòng
sự cố.
Có 2 loại công nghệ cơ bản của cầu chì trong hệ thống điện là: Cầu chì nổ và
Cầu chì giới hạn dòng điện.
1.2.3.3. Lắp đặt cầu chì giới hạn dòng điện
Cầu chì giới hạn dòng điện thường được sử dụng để các khu vực có sự cố có
cường độ dòng điện lớn, có thể gây hư hỏng nghiêm trọng (2.000-3.000 A). Cầu
chì này sẽ được lắp đặt tại nhánh cuối, nơi có khả năng có dòng sự cố lớn gần
các trạm biến áp để giúp giảm số lượng các lần sụt áp gây ảnh hưởng đến các
quá trình công nghiệp.
1.2.3.4. Bố trí thiết bị tự động đóng lại
Bởi vì hầu hết các sự cố trên đường dây trên không đều là sự cố thoáng qua cho
nên điện năng có thể sẽ lại đươc tiếp tục cung cấp chỉ sau vài chu kỳ dòng điện
Trang 15
Trường đại học BKHN
Nghiên cứu các vấn đề ảnh hưởng đến việc đánh giá
chất lượng điện năng trong lưới phân phối
Trường đại học BKHN
Nghiên cứu các vấn đề ảnh hưởng đến việc đánh giá
chất lượng điện năng trong lưới phân phối
1.2.3.7. Chỉ ngắt pha bị sự cố thay vì ngắt cả 3 pha
Hầu hết các thiết bị đóng cắt và thiết bị tự động đóng lại là thiết bị 3 pha. Tuy
nhiên nếu như trong mạch có nhiều phụ tải một pha có thể khuyến nghị xem xét
phương án lắp đặt thiết bị tự động đóng lại 1 pha để chỉ ngắt pha bị sự cố nhằm
giảm thiểu số lượng khách hàng bị mất điện.
1.2.3.8. Thay đổi đường đặc tính của thiết bị bảo vệ để phù hợp với điều
kiện hiện tại của hệ thống điện
Do điều kiện làm việc của lưới điện sẽ thay đổi theo thời gian hoạt động nên cần
thiết điều chỉnh /thay đổi đường đặc tính của thiết bị bảo vệ giúp bảo vệ quá
dòng tốt hơn.
1.3 Kết luận
Ngày nay chất lượng điện năng ngày càng được các công ty điện lực và/hoặc
khách hàng sử dụng điện quan tâm và áp dụng nhiều biện pháp nhằm nâng cao
chất lượng điện năng. Trong đó hai hiện tượng sụt áp và mất điện được chú ý
nhiều do chúng gây ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động và tuổi thọ của
thiết bị điện. Chương 1 chủ yếu tập trung giới thiệu chung về định nghĩa, khái
niệm, biểu hiện và các biện pháp nhằm giảm thiểu sự cố sụt áp. Chương 2 sẽ
nghiên cứu sâu về các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng trong lưới phân
phối hiện nay đang được hầu hết các quốc gia trên thế giới sử dụng.
SAIDI=
Tổng số lượng khách hàng
Theo Tiêu chuẩn IEEE 1366-1998, tại Bắc Mỹ SAIDI =1,50 giờ.
2.1.3. Tần suất khách hàng bị mất điện trung bình- CAIFI
Chỉ tiêu CAIFI biểu thị tần suất khách hàng bị mất điện trung bình của hệ thống
điện.
Trang 18
Trường đại học BKHN
Nghiên cứu các vấn đề ảnh hưởng đến việc đánh giá
chất lượng điện năng trong lưới phân phối
Số lượng khách hàng bị mất điện
Tổng số lượng khách hàng bị ảnh hưởng
2.1.4. Thời gian trung bình khách hàng bị mất điện- CAIDI
Chỉ tiêu CAIDI biểu thị thời gian trung bình khách hàng bị mất điện của hệ
thống điện.
∑ Tổng thời gian khách hàng bị mất điện
CAIFI=
Tổng số lượng khách hàng bị mất điện
Theo Tiêu chuẩn IEEE 1366-1998, tại Bắc Mỹ SAIDI =1,36 giờ
CAIFI=
2.1.5. Mức độ sẵn sàng trung bình của hệ thống -ASAI
Chỉ tiêu ASAI biểu thị thời gian sẵn sàng phục vụ khách hàng trên tổng thời
gian khách hàng có nhu cầu phục vụ (thường tính trong 1 năm là 8760 giờ).
∑ Tổng thời gian sẵn sàng phục vụ khách hàng
CAIFI= Tổng thời gian khách hàng có nhu cầu phục vụ
- Ni: số lượng khách hàng bị ảnh hưởng trong sự kiện thứ i
- NT: số lượng khách hàng trong khu vực tính toán
Chỉ số SARFI có thế được tính toán cho từng nút hoặc cho cả hệ thống:
SARFI(j) tính toán cho nút thứ (j) còn SARFI tính toán cho toàn hệ thống.
nn
SARFI =
∑ N .SARFI
i =1
j
( j)
NT
Trang 19
Nghiên cứu các vấn đề ảnh hưởng đến việc đánh giá
chất lượng điện năng trong lưới phân phối
Trường đại học BKHN
Trong đó:
- nn: số lượng nút trong hệ thống
- Nj: số lượng khách hàng được cấp điện từ nút j
- SARFI(j): tính toán cho nút thứ (j)
- NT: số lượng khách hàng trong toàn hệ thống
Có hai dạng thể hiện SARFI là chỉ số SARFIx và đường cong SARFI.
i
Trong đó N là số nút trong lưới điện đang xét.
Trang 20
Trường đại học BKHN
Nghiên cứu các vấn đề ảnh hưởng đến việc đánh giá
chất lượng điện năng trong lưới phân phối
2.2.1.2. Đường cong SARFI
Chỉ số SARFIx đặc trưng cho một ngưỡng
điện áp nhất định thì đường cong SARFI
với mỗi lần sụt áp thì cặp thông số biên độ
sụt áp và thời gian sụt áp có nằm ngoài
đường cong chịu đựng của thiết bị không.
Nếu cặp thông số nằm ngoài đường cong
chịu đựng thì thiết bị có thể sẽ bị ảnh
hưởng tiêu cực. Khi xảy ra sự cố, nếu năng lượng cấp cho thiết bị thiếu hụt so
với nhu cầu thì sẽ xảy ra sụt áp.
Hình 2.2 – Đường cong CBEMA
Dựa vào đường cong chịu đựng điện áp người ta xây dựng lên 3 đường cong
CBEMA, ITIC và SEMI.
Đường cong CBEMA thể hiện khả năng chịu
đựng của máy tính xét riêng về biên độ và
thời gian biến thiên điện áp. Đường cong
Hình 2.4 – Đường cong SEMI
Thời gian sụt áp sẽ phụ thuộc vào thời gian cắt của thiết bị bảo vệ để loại trừ sự
cố. Theo tiêu chuẩn IEC 255-4(BS 142) có ba (03) đường cong đặc tính thời
gian phụ thuộc bảo vệ quá dòng: dốc tiêu chuẩn, rất dốc và cực dốc sẽ tương
ứng thời gian cắt sẽ lâu dần theo các công thức sau đây:
Phân loại thiết bị bảo vệ
theo đường đặc tính
Dốc tiêu chuẩn
Phương trình thời gian cắt sự cố
0,14
t=
Rất dốc
Cực dốc
I
) 0,02 − 1
I kd
P
13,5
t=
I
−1
Trường đại học BKHN
Nghiên cứu các vấn đề ảnh hưởng đến việc đánh giá
chất lượng điện năng trong lưới phân phối
Hình : Đặc tính thời gian phụ thuộc rất dốc
Trang 24
Trường đại học BKHN
Nghiên cứu các vấn đề ảnh hưởng đến việc đánh giá
chất lượng điện năng trong lưới phân phối
Hình : Đặc tính thời gian phụ thuộc cực dốc
2.2.2. ASIDI – Thời gian mất điện trung bình
ASIDI – Thời gian mất điện trung bình (Average system interruption duration
Index): Chỉ số ASIDI biểu thị thời gian mất điện cho mỗi sự kiện trong một
khoảng thời gian. Đơn vị: giờ/năm. Chỉ số ASIDI cho phép đánh giá độ tin cậy
cho lưới điện phân phối.
Trang 25
Copyright: Tài liệu đại học ©