Bài giảng Cung cấp điện - Chương 5: Tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng

CHƯƠNG V TÍNH TOÁN TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG 10/10/2015 1 5.1 . KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG • Điện năng được truyền tải từ thanh cái các nhà máy điện tới hộ tiêu thụ qua các máy biến áp trung gian và đường dây . Các phần tử này có điện trở và điện kháng nên sẽ gây tổn thất công suất tác dụng trên điện trở và tổn thất công suất phản kháng trên điện kháng . • Năng lượng điện tổn hao do tổn thất công suất tác dụng gây phát nóng dây dẫn và máy biến áp . Mặc khác , để bù đắp vào số năng lượng bị tổn hao , cần đầu tư xây dựng thêm nguồn phát . Kết quả là vốn đầu tư vào nguồn tăng , đồng thời với việc tổn thất điện năng cao sẽ làm tăng giá thành sản phẩm , không đảm bảo các yêu cầu về kinh tế . • Tổn thất công suất phản kháng tuy không ảnh hưởng trực tiếp tới chi phí nhiên liệu nhưng sẽ gây tình trạng thiếu công suất phản kháng , làm điện áp tại các nút trong hệ thống giảm thấp , cần đầu tư nguồn phát công suất phản kháng Do đó cũng làm tăng giá thành tải điện . • Cần tính toán đúng các đại lượng tổn thất trong quá trình thiết kế cũng như vận hành để có biện pháp điều chỉnh , khắc phục nhằm giảm tổn thất tới mức thấp nhất . 10/10/2015 2 5.2 . TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY 5.2.1 Tổn thất công suất trên một đoạn của đường dây phân phối 1. Đường dây có một phụ tải Đối với mạng phân phối , có thể bỏ qua điện dung đường dây , điện áp tại các nút có thể lấy bằng định mức . 1 pha 2 dây 3 pha 3 dây P 2  Q 2 P  2I 2 R P  3I 2 R  R U 2 Q  2I 2 X 2  S  ΔP  3RI2  R    2 2  Udm  2 P  Q 2 Q  3I X  X P U 2  R. 2 2 10/10/2015Udm cosφ 3 2. Trường hợp đường dây liên thông 1 n P  (P 2  Q 2 )r  2  i i i . i i U dm i1 Si  Pi  jQ i  p m jq m 1 n m1 m1 Q  (P 2  Q 2 )x  2  i i i U dm i1 10/10/2015 4 3. Đường dây kiểu phân nhánh 1 n P  (P 2  Q 2 )r  2  i i i U dm i1 1 n Q  (P 2  Q 2 )x  2  i i i U dm i1 10/10/2015 5 4. Tổn thất công suất trên đường dây có phụ tải phân bố đều Đường dây có phụ tải đặt ở các khoảng cách gần bằng nhau với công suất gần bằng nhau ( ví dụ các máy biến áp phân phối 15 / 0,4 kV ở khu vực thành phố ), có thể coi là phụ tải phân bố đều . Dòng điện Ix tại vị trí cách đầu đường dây A một khoảng x Xét một đoạn dx của đường dây , Ix  i(L  x) điện trở của đoạn dx là R0dx , R0 là điện trở trên một đơn vị chiều dài đường dây I 2 i  dP  3R 0dxIx L L L 2 ΔP  dΔP  3R I dx 2   0 x 3R I L 0 0 0 3 ΔP   2 (L  x) L 3L 0 ΔP  3R i2 (L  x)2 dx  0 2 2 10/10/20150 ΔP  R0I L  RI 6 4. Tổn thất công suất trên đường dây có phụ tải phân bố đều • So sánh trường hợp tải tổng có giá trị bằng I nhưng tập trung ở cuối đường dây và tải tổng I nhưng phân bố đều dọc suốt đường dây 2 2 ΔPtaptrung  3RI ΔPphanbo  RI P tải tập trung =3 P tải phân bố Mạch tương đương để tính tổn thất công suất khi mạng có tải phân bố đều 10/10/2015 7 5. Đường dây có phụ tải tập trung và phân bố đều I1,i1 a b l  x Ix  Itt  Ipb l=1(ñvtñ) l x(ñvtñ) • Itt : dòng điện của tải tập trung dx(ñvtñ) • Ipb : dòng tổng của tải phân bố I 2 • L: chiều dài tổng đường dây I1 2 L  l  x ΔP  dΔP  3 I  I R dx    tt pb  0 0  l  2 R0L 2  3Ro  L Itt  3 Ipb  3R0  L Itt  Ipb  3  2 2 ΔP  3RItt  RIpb  3RItt  Ipb 10/10/2015 8 5. Đường dây có phụ tải tập trung và phân bố đều 2 2 ΔP  3RItt  RIpb  3RItt  Ipb Sơ đồ thay thế tương đương 10/10/2015 9 Điện năng tiêu thụ của phụt ải Điện năng tiêu thụ A n APt Pii  APTP  maxmax i1 Tmax: thời gian công suất cực đại, trong khoảng thời gian đó phụ tải cực đại Pmax tiêu thụ lượng điện năng đúng bằng lượng điện năng phụ tải thực tế tiêu thụ trong khoảng thời gian khảo sát T 10/10/2015 10 5.2.2 - Tổn thất điện năng trên đường dây  Nếu công suất tải không đổi thì tổn thất điện năng trong thời gian t được xác định 2 AIRtP 3 2 AIXtQ 3  Thực tế tải thay đổi vì vậy tổn thất điện năng sẽ phải tính gần đúng,có thể dựa vào phương pháp đồ thị phụ tải n ΔA  ΔP t  i i ΔA  τ.ΔPmax i1 2 2  T  Pi ti max  τ   0,124  4  .8760 τ  2  10  Pmax  (h/năm) : thời gian tổn thất công suất cực đại 10/10/2015 11 Bài tập Bài tập 1 Xác định tổn hao công suất tác dụng, phản kháng và tổn hao điện năng của đường dây 15kV chiều dài 2km, R01=0.208/km X01=0.079 /km. Thông số tải S=3+j1.3(MVA) và Tmax=2900h .Tính AP% Bài tập 2 Xác định tổn thất điện năng hàng năm trong mạng điện ba pha điện áp định mức 15 kV. Đoạn N –1 dùng dây A –150 có điện trở r0 = 0,21 /km, đoạn 1-2 dùng dây A-50 có r0 = 0,63 /km. Chiều dài các đoạn đường dây và phụ tải cực đại cho trên hình vẽ. Thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax = 2900 giờ/năm. Xác định phần trăm tổn thất điện năng theo điện năng tiêu thụ. A 2 km 1 1 km 2 (3+j2)MVA (2+j1)MVA 10/10/2015 12 5.3 Tổn thất công suất trong máy biến áp 5.3.1 Máy biến áp hai dây quấn Tổn thất sắt gần như không đổi và lấy bằng tổn hao không tải Tổn thất công suất phản kháng trong sắt coi như không đổi Tổn thất công suất tác dụng trong cuộn dây phụ thuộc vào công suất tải ΔP0  ΔPFe i0% UN % ΔQFe  SdmB ΔQ  S 100 Cu _dm dmB ΔPCu _dm  ΔPN 100 2  S   t  2 ΔP  ΔPFe  ΔPCu  ΔP0  ΔPN    ΔP0  ΔPN .K t  SdmB  u ΔQ  ΔQ  ΔQ  ΔQ  N% S K 2 Fe Cu Fe 100 dmB t 10/10/2015 13 5.3.2 Máy biến áp ba dây quấn i%S u %S ΔP  ΔP ;ΔQ  dmB ;ΔQ  N dmB Fe 0 Fe 100 Cu 100 ΔPMBA  ΔP0  ΔPCuC  ΔPCuT  ΔPCuH 2 2 2  S   S   S   C   T   H   ΔP0    ΔPNC    ΔPNT    ΔPNH  SdmB   SdmB   SdmB  ΔQMBA  ΔQ0  ΔQCuC  ΔQCuT  ΔQCuH 2 2 2  S  U %  S  U %  S  U %  C  NC  T  NT  H  NH  ΔQ0    SdmB    SdmB    SdmB  SdmB  100  SdmB  100  SdmB  100  S2 U %   S2 U %   S2 U %   C NC   T NT   H NH  ΔQMBA  ΔQ0   .    .    .   SdmB 100   SdmB 100   SdmB 100  10/10/2015 14 5.3.3 Máy biến áp tự ngẫu ' ' UC  UT α  ΔPCH ΔPTH U ΔPCH  2 ,ΔPTH  2 C α α i%S H H ΔP  ΔP ; ΔQ  dmB Fe 0 Fe 100 ΔPMBA  ΔP0  ΔPCuC  ΔPCuT  ΔPCuH 2 2 2  S   S   S   C   T   H   ΔP0    .ΔPNC    .ΔPNT    .ΔPNH  SdmB   SdmB   SdmB   S2 U %   S2 U %   S2 U %   C NC   T NT   H NH  ΔQMBA  ΔQ0   .    .    .   SdmB 100   SdmB 100   SdmB 100  10/10/2015 15 5.4 Xác định tổn thất điện năng trong máy biến áp Tính Tmax và  năm nếu không có ĐTPT  : thời gian tổn thất công suất cực đại, trong khoảng thời gian đó dòng cực đại Imax gây ra tổn hao điện năng đúng bằng lượng tiêu hao do dòng thực tế gây ra trong suốt thời gian khảo sát T 2  T  τ   0,124  max  .8760  104   (h/năm) : thời gian tổn thất công suất cực đại Nếu thời gian khảo sát nhỏ hơn 1 năm T  T P τ  2T  T  max *(1 min )2 max T 2P P 1 max  min max T Pmax 10/10/2015 16 5.4 Tổn hao điện năng trong một MBA 5.4.1 Máy biến áp hai dây quấn Tổn hao điện năng tác dụng 2 2  S  n  S   max   i  ΔAP  ΔP0 .t  ΔPN   .τ  ΔP0 .t  ΔPN   .ti  SdmB  1  Sdm  Tổn hao điện năng phản kháng 2 uN %  S  ΔQN  SdmB  max  100 ΔAQ  ΔQ0 .t  ΔQN   .τ  SdmB  i0% 2 ΔQ  S n  S  0 100 dmB  i   ΔQ0 .t  ΔQN   .ti S là công suất tả cực đại 1  Sdm  max i 10/10/2015 t : thời gian khảo sát 17 5.4.2 Tổn hao điện năng trong n MBA Tổn hao công suất trong n-MBA giống nhau làm việc song song Tổn hao công suất tác dụng 2 2  S  ΔP n  S   max  N  i  ΔAP  nΔP0 .t  nΔPN   .τ  nΔP0 .t    .ti  nSdmB  n 1  Sdm  Tổn hao công suất phản kháng 2  S   max  ΔAQ  nΔQ0 .t  nΔQN   .τ  nSdmB  2 ΔQ n  S  N  i   nΔQ0 .t    .ti n 1  Sdm  10/10/2015 18 5.4.3 Tổn hao điện năng trong máy biến áp ba dây quấn i%S ΔP  ΔP ; ΔQ  dmB Fe 0 Fe 100 2 2 2  S   S   S   Cmax   Tmax   Hmax  ΔAP  ΔP0 .t  ΔPNC   τC  ΔPNT   τT  ΔPNH   τ H  SdmB   SdmB   SdmB   S2 U %   S2 U %   Cmax NC   Tmax NT  ΔAQ _ MBA  ΔQ0t   . τC   . τT  SdmB 100   SdmB 100   S2 U %   Hmax NH    . τ H  SdmB 100  10/10/2015 19 5.4.4 Tổn hao điện năng trong máy UC  UT biến áp tự ngẫu α  UC i%SdmB ' ' ΔPFe  ΔP0; ΔQFe  ΔPCH ΔPTH 100 ΔPCH  2 ,ΔPTH  2 αH αH 2 2 2  S   S   S   Cmax   Tmax   Hmax  ΔAP  ΔP0 .t  ΔPNC   τC  ΔPNT   τT  ΔPNH   τ H  SdmB   SdmB   SdmB   S2 U %   S2 U %   Cmax NC   Tmax NT  ΔAQ _ MBA  ΔQ0t   . τC   . τT  SdmB 100   SdmB 100   S2 U %   Hmax NH    . τ H  SdmB 100  10/10/2015 20 Bài tập Bài tập 1 Cho một TBA có 2 MBA thông số 110/22 kV Sdm_MBA=16MVA, tải tính toán Pmax=20MW, cos=0.9, Tmax=5000 giờ. PNM=85 kW, P0=18 kW, I0=0.7%, UNM=10.5%. Xác định tổn hao công suất tác dụng, phản kháng và điện năng trong năm Bài tập 2 Đường dây 6 kV cung cấp điện trong mạng phân phối, có sơ đồ trong hình BT4.3. Tất cả các phụ tải trong mạng điện có cos=0,8 và đồ thị phụ tải hoàn toàn giống nhau. Toàn bộ ba phụ tải mỗi năm tiêu thụ 720000 kWh. Xác định tổn thất điện năng toàn mạng điện. c b 120 kW A 2km A-25 400 kW d 180 kW 10/10/2015 21 Bài tập 3 Cho MBA 15/0.4 kV Sdm_MBA=400 kVA, tải cực đại là 295 kVA, cos=0.8, Tmax=3500 giờ. PNM=5.5 kW, P0=1.08 kW, I0=2.1%, UNM=4.5% . 1. Xác định tổn hao công suất tác dụng, công suất phản kháng cực đại MBA 2. Xác định tổn hao điện năng tác dụng và phản kháng trong một năm của MBA. 3. Tính phần trăm tổn hao điện năng tác dụng của trạm biến áp . 10/10/2015 22 Bài tập 4 Cho trạm hạ áp chính gồm 2 MBA 15/0.4 kV vận hành song song Sdm_MBA=560 kVA, tải cực đại của trạm là 1000 kVA, cos=0.8. Thông số máy biến áp PNM=9.4 kW, P0=2.5 kW, I0=6%, UNM=5.5% . 1. Xác định tổn hao công suất tác dụng, công suất phàn kháng khi tải cực đại 2. Xác định tổn hao điện năng tác dụng và phản kháng trong một năm của MBA (bằng 2 cách ) 10/10/2015 23