Ch ơng VII
Bù công suất phản kháng
7.1 Khái niệm chung và ý nghĩa của việc nâng cao hệ số
công suất:
Nhu cầu dùng điện ngày một cao

ngày càng phải tận dụng hết các khả
năng của các nhà máy điện. Về mặt sử dụng phải hết sức tiết kiệm, sử
dụng hợp lý TB. điện, giảm tổn thất điện năng đến mức nhỏ nhất, phấn đấu
để 1 kWh điện năng ngày càng làm ra nhiều sản phẩm. Toàn bộ hệ thống
CCĐ. có đến 10
ữ
15 % năng lợng điện bị tổn thất qua khâu truyền tải và
phân phối, trong đó mạng xí nghiệp chiếm khoảng 60% lợng tổn thất đó. Vì
vậy việc sử dụng hợp lý và khai thác hiệu quả TB. điện có thể đem lại
những lợi íc to lớn.
1) bản chất của hệ số công suất::
Trong mạng điện tồn tại hai loại công suất:
+ Công suất tác dụng: P Đặc trng cho sự sinh ra công, liên quan đến quá
trình động lực. Gây ra moment qua cho các động cơ. Một phần nhỏ bù vào
các tổn hao do phát nong dây dẫn, lõi thép .ở nguồn P trực tiếp liên quan
đến tiêu hao năng lợng đầu vào nh Than, hơi nớc, lợng nớc .v.v Tóm lại
P đặc trng cho quá trình chuyển hoá năng lợng.
+ Công suất phản kháng: Q ngợc lại không sinh ra công. Nó đặc trng cho
quá trình tích phóng năng lợng giữa nguồn và tải, Nó liên quan đến quá
trình từ hoá lõi thép BA., động cơ, gây biến đổi từ thông để tạo ra sđđ. phía
thứ cấp. Nó đặc trng cho khâu tổn thất từ tản trong mạng. ở nguồn nó liên
quan đến sđđ. của máy phát (liên quan đến dòng kích từ máy phát). Nh
vậy để chuyển hoá đợc P cần phải có hiện diện của Q. Giũa P & Q lại liên
hệ trực tiếp với nhau, mà đặc trng cho mối quan hệ đó là hệ số công suất.



cũng đồng nghĩa với việc giảm đòi hỏi về Q ở các hộ
phụ tải.
2) ý nghĩa của việc nâng cao hệ số cos

:
a) Giảm tổn thất công suất và điện năng trên tất cả các phần tử (đờng dây
và BA.)

)()(
.
QP
2
2
2
2
2
2
PPR
U
Q
R
U
P
R
U
S
P
+=+==


22
+
=
Trong khi công suất tác dụng là một đại lợng xác định công suất đã làm ra
hay năng lợng đã truyền tải đi trong 1 đơn vị thời gian, thì công suất S và
Q không xác định công đã làm hay năng lợng đã truyền tải đi trong 1 đơn
vị thời gian (Quá trình trao đổi công suât phản kháng giữa máy phát điện
và hộ tiêu thụ là một quá trình giao động. Mỗi chu kỳ p(t) đổi chiều 4 lần,
giá trị trung bình trong ẵ chu kỳ là bằng không). Nhng tơng tự nh khái niệm
của công suất tác dụng, trong kỹ thuật điện năng ta cũng qui ớc cho công
suất phản kháng 1 ý nghĩa tơng tự và côi nó là công suất phát ra, tiêu thụ
hoặc tuyền tải một đại lợng qui ớc gọi là năng lợng phản kháng W
p


Q =
w
p
/t [VArh].
Nh vậy trong mạng điện ta sẽ coi những phụ tải cảm kháng với
Q>0 là một phụ tải tiêu thụ công suất phản kháng. Còn những phụ tải
dung kháng với Q<0 là nguồn phát ra công suất phản kháng. Trong mạng
xí nghiệp công suất phản kháng phân bổ nh sau:
60
ữ
65 % ở các động cơ không đồng bộ.
20
ữ
25 % ở các máy biến áp.
10

35
ữ
110 kV
6
ữ
10 kV
6
ữ
10 kV
0,4 kV
~
HV thể hiện một số vị trí bù thực tế:
+ Vì các phụtải là các đại lợng biến đổi liên tục theo thời gian nên trị số của
cos

cũng biến động theo thời gian. Trong tính toán thờng dùng trị số trung
bình của cos

.
cos

tb
=
tb
tb
t
t
t
t
P

=
;
12
tb
tt
A
P

=

Các xí nghiệp của ta có cos

tb
còn khá thấp chỉ vào 0,5
ữ
0,6 cần phải
phấn đấu để cos

= 0,9. ở một số nớc tiên tiến cos

có thể đạt tới 0,92
ữ
0,95.
7.2 Các biện pháp nâng cao hệ số công suất:
Thực chất của việc nâng cao hệ số công suất là nhằm giảm lợng
công suất phản kháng phải truyền tải trên đờng dây của mạng. Để làm
điều này tông tại 2 phơng pháp.
+ Nâng cao hệ số cos

tự nhiên: (biện pháp tự nhiên) đây là nhóm phơng

70 % so với
Q
dm
) và có thể xác định theo công thức:
Q
kt



ktdm
IU3
(I
kt
dòng không tải của ĐC).
k
pt
=
dm
P
P
- hệ số mang tải của ĐC.

Q
dm
lợng gia tăng Q khi ĐC. mang tải định mức so với khi không tải.


Q
dm
= Q

P
S
P








+
+
=
+
=
.
.

Do đó ta thấy rằng k
pt
giảm

cos

cũng sẽ giảm.
Ví dụ: một ĐC. có cos

= 0,8 khi k
pt

Giảm điện áp đặt vào ĐC thờng xuyên làm việc non tải:
Biện pháp này thực hiện khi không có điều kiện thay ĐC có công
suất nhỏ hơn. Ta biết rằng công suất phản kháng đòi hỏi từ 1 ĐC không
đồng bộ có thể viết dới biểu thức sau:

Vf
U
KQ
2
.;
à
=

K hăng số.
U - điện áp đặt vào ĐC.
à
- hệ số dẫn từ của mạch từ.
f - tần số dòng điện.
V - thể tích mạch từ.
Để giảm U thực tế thờng tiến hành nh sau:
+ Đổi nối dây quấn stato từ đấu



Y .
+ Thay đổi cách phân nhóm dây cuốn stato.
+ Thay đổi đầu phân áp của BA hạ áp.
Chú ý: Kinh nghiệm cho thấy rằng biện pháp này chỉ thực hiện tốt đối với
các ĐC. U<1000 V và khi k
pt

chế t
0
.
+ Đặt bộ hạn chế chạy không tải.
+

Dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ:
ở những nơi qui trình công nghệ cho phép, máy có công suất lớn
không yêu cầu điều chỉnh tốc độ nh máy bơm, quạt gió, máy nén khí v.v..
việc thay thế sẽ có u điểm.
+ Hệ số công suất cao hon, khi cần có thể làm việc ở chế độ quá kích từ để
trở thành máy bù công suất phản kháng, góp phần sự ổn định của hệ
thống.
+ Momen quay tỷ lệ với bậc nhất của điện áp

ít ảnh hởng đến dao động
điện áp. Khi tần số nguồn thay đổi, tôcd độ quay không phụ thuộc vào phụ
tải

năng suất làm việc cao.
+ Khuyết điểm: cấu tạo phức tạp, giá thành cao, số lợng mới chỉ chiếm
20% tổng số ĐC. Nhờ những tiến bộ mới nên có nhiều xu hớng sử dụng
ngày càng nhiều.
Ngoài ra cong một số biện pháp khác nh nâng cao chất lợng sửa
chữa ĐC. thay thế máy BA non tải, vận hành kinh tế trạm BA (đặt nhiều
máy cho một trạm), áp đặt các qui trình công nghệ mới nhằm giảm giờ máy
chạy không tải hoặc tiết kiệm điện năng.
7.3 Bù công suất phản kháng: (phơng pháp nhân tạo nâng cao
hệ số cos


chỉ đợc dùng ở phía hạ áp (6-10 kV) của các tram trung gian.
Vị trí đặt thiết bị bù trong xí nghiệp:
Có thể đặt đợc ở nhiều điển khác nhau nh HV.
+ Đặt tập trung: đặt ở thanh cái hạ áp trạm BA-PX (0,4 kV) hoặc thanh cái
trạm BA trung tâm (6-10 kV), u điểm dễ quản lý vận hành, giảm vốn đầu t.
+ Đặt phân tán: TB. bù đợc phân nhỏ thành từng nhóm đặt tại các tủ động
lực trong phân xởng. Trờng hợp động cơ công suất lớn, tiêu thụ nhiều Q có
thể đặt ngay tại các ĐC. đó.
Khi đặt TB. bù tại điểm nào đó thì sẽ giảm đợc lợng tổn thất

P và

A do
đó phải truyền tải Q. Tuy nhiên việc đặt TB. bù ở phía hạ áp không phải
lúc nào cũng có lợi, bởi giá tiền 1 kVAr tụ hạ áp thờng đắt gấp 2 lần 1 kVAr
tụ ở 6-10 kV. Ngay cả việc phân nhỏ dung lợng bù để đặt theo nhóm riêng
lẻ cũng không phải luôn luôn có lợi, bởi vì lúc đó có làm giảm thêm đợc

A
nhiều hơn, Xong lại làm tăng chi phí lắp đặt, quản lý và vận hành.
7.4 Xác định dung l ợng bù kinh tế tại các hộ tiêu thụ:
(hộ tiêu thụ có thể là các xí nghiệp, các trạm trung gian, các hộ dùng điện
khác). Chúng ta đều biết khi đặt TB. bù sẽ giảm đợc

A. Tuy nhiên cũng
Đ
Đ
Đ
6
ữ


Trong đó:
Z
1
thành phần chi phí liên quan đến vốn đầu t.
Z
1
= (a
vh
+ a
tc
). k
0
.Q
bu
a
vh
hệ số vận hành (khấu hao).
a
tc
- hệ số hiệu quả kinh tế của việc thu hồi vốn đầu t.
k
0
- giá tiền đơn vị công suất đặt TB. bù [đ/1kVAr].
Q
bu
dung lợng bù (mà chung ta đang cần tìm) [kVAr].
Z
2
- Thành phần liên quan đến tổn thất điện năng do TB bù tiêu tốn.



=

R - Điện trở của mạng.
U - điện áp của mạng.
Q - Công suất phản kháng yêu cầu của hộ tiêu thụ.

- Thời gian tổn thất công suất cực đại.
Nh vậy ta đã xây dựng đợc Z = f(Q
bu
)

Q
kt


Z
min
.

2
bu
2
bu0bu0tcvh
QQ
U
RC
CTQPQkaaZ )(
..


++
+=
Tơng tự ta có thể lập biểu thức hàm chi phí tính toán và tình dung lợng bù
kinh tế cho mạng đờng dây chính CC. cho một số họ phụ tải. Lúc đó ta có
Z = f(Q
bu1
; Q
bu2
; .).
Z= (a
vh
+ a
tc
).k
0
.(Q
bu1
+ Q
bu2
+ .) + C.T.

P
0
.(Q
bu1
+ Q
bu2
+ )


HV-95. Giả sử đã tính đợc điện trở các đoạn đờng dây 10 kV là 2 và 3

.
Hãy xác định dung lợng bù kinh tế tại thanh cái 10 kV của 2 xí nghiệp.
Tại mỗi xí nghiệp 1; 2 ta đặt Q
b1
; Q
b2
sau đó thành lập hàm chi phí tính
toán theo biến số đó:
Z = (a
vh
+ a
tc
).(Q
b1
+ Q
b2
).k
0
+ C.T.

P
0
(Q
b1
+Q
b2
) +
2

3
n
Q
1
; Q
bu1
Q
2
; Q
bu2
Q
3
; Q
bu3
Q
n
; Q
bun
Q
01
; Q
bu01
Q
12
; Q
bu12
Q
23
; Q
bu23

..
.)(

++=


)(
..
.)(
2b2
2
12
00tcvh
2b
QQ
U
RC2
PCTkaa
Q
Z

0QQQQ
U
RC2
2b1b21
2
1N
=+
)(
..

xia nghiệp 2 với dung lợmg 2900 kVAr.
9.5 Phân phối thiết bị bù trong mạng điện xí nghiệp:
Công suất TB. bù đặt tại xí nghiệp tìm đợc bằng cách giải bài toán bù kinh
tế nh tiết trớc thông thờng không đợc chấp nhận, vì nh vậy có thể dẫn đến
cos

của xí nghiệp chỉ cần đạt tới 0,7 hoặc thấp hơn. Và nh thế xí nghiệp
vẫn cần một lợng Q khá lớn yêu cầu từ lới điện

dẫn tới những tổn thất to
lớn (phần thuộc về nhà nớc)

vì vậy thông thờng ngời ta sẽ tiết hành bù
để nâng hệ số công suất từ một giá trị nào đó lên một mức theo yêu cầu
của nhà nớc. Từ HV cho ta thấy có thể xác định đợc Q
b
.

)(
21tbb
tgtgPQ

=
Trong đó: P
tb
công suất tác dụng trung bình của hộ tiêu thụ.
tg

hành tìm cực trị của hàm Z với ràng buộc:


=
=

b
n
1i
bi
QQ

Q
b

- Tổng dung lợng bù xác định theo công thức trên.
Trên thực tế kích cỡ của bài toán này sẽ có kích thớc khá lớn, đặc biệt là
các xí nghiệp cỡ trung và lớn, vì trong các xí nghiệp này sẽ cùng một lúc
tồn tại nhiều cấp điện áp khác nhau, mà giá trung bình 1 kVAr tụ bù ở các
cấp điện áp khác nhau lại khác nhau khá nhiều. Vì vậy ngời ta thờng chi
nhỏ ra làm 2 bớc: trớc hết tìm dung lợng bù đặt ở phía cao và hạ áp, sau
đó đem phân phối dung lợng bù tìm đợc cho mạng cao và hạ áp.
1) Xác định dung l ợng bù hợp lý ở phía cao hạ áp của trạm BA:
Xét mạng điện nh HV.:
Q
bc
; Q
bh
- dung lợng bù đặt tại thanh cái cao và hạ áp của trạm BA.
R

với ràng buộc nh trên, đồng thời với đặc thù của bài toán này
(chỉ phân phối 1 lợng Q
b

cố định), nên có thể bỏ qua không xét đến thành
phần Z
2
(thành phần liên quan đến tổn thất bên trong của tụ).
Nếu gọi k
c
& k
h
giá tiền 1 kVAr tụ bù ở phía cao và hạ của trạm.
Lúc đó ta có:
Z=(a
vh
+a
tc
)(Q
bc
k
c
+Q
bh
k
h
)+
2
B
U

bh
Q
bc
N
Q
bc
R
d
R
B
(Q - Q
bh
)