Bài giảng Cung cấp điện - Chương 5: Tính toán về điện trong hệ thống cung cấp điện - Trường đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST)

Lê Việt Tiến EPSD, SEE, HUST CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Giới thiệu chung 2. Sơ đồ thay thế của lưới điện NỘI DUNG 3. Tính toán về điện trong các lưới điện hở. 4. Tính toán về điện trong lưới điện kín đơn giản CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1. Giới thiệu chung • Chúng ta làm gì? Xác định các thông số chế độ của hệ thống cung cấp điện và tính toán ảnh hưởng đến các hệ thống cung cấp điện và trong thiết kế. • Tính toán cái gì? – Tính toán điện áp tại các nút và dòng công suất trên tất cả các nhánh của sơ đồ cung cấp điện. – Tính toán lựa chọn thiết diện dây dẫn và cáp. – Kiểm tra tổn thất điện áp, điều chỉnh điện áp và bù công suất phản kháng trong lưới và các bài toán khác. • Sơ đồ thay thế hệ thống và đáng giá các thông số chế độ. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Sơ đồ thay thế của lưới điện 2.1. Sơ đồ thay thế dây dẫn • Thông số đường dây đặc trưng cho quá trình vật lý xảy ra trong dây dẫn khi có điện áp đặt lên hoặc dòng điện xoay chiều đi qua. – Phát nóng do hiệu ứng Joule: Điện trở – Dòng điện XC gây nên từ trường tự cảm của từng dây dẫn và hỗ cảm giữa các dây dẫn với nhau. Điện kháng – Điện áp cao áp gây ra điện trường lớn trên bề mặt dây dẫn (hiện tượng ion hóa không khí quanh dây dẫn, hiện tượng vầng quang) gây ra tổn hao: Điện dẫn – Điện áp xoay chiều gây nên điện trường giữa các dây dẫn với nhau và với đất như các bản tụ điện: Dung dẫn. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Sơ đồ thay thế của lưới điện 2.1. Sơ đồ thay thế dây dẫn • Điện trở – Điện trở một chiều (Ω): F ρ Rdc = ρ : Điện trở suất của dây dẫn (Ω.m) – Điện trở thay đổi theo nhiệt độ: – Điện trở xoay chiều: mật độ dòng điện phân bố không đều do hiệu ứng bề mặt, Rxc > Rdc. Ở tần số 50Hz, sự khác nhau không đáng kể (~1%) nêu coi Rxc~Rdc F : Thiết diện dây dẫn (m2) )]tα(t[1RR 00t −+= t0 : Nhiệt độ thiết kế(20oC) R0 : Điện trở khi t0 (Ω) α : Hệ số nhiệt của điện trở CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Điện kháng 0.779r D ln102 r D 4ln1 8 µ L m4m0 −×=      + pi = µ0 : Hệ số dẫn từ của vật liệu chế tạo dây (4pi.10-4H/km) r: Bán kính ngoài của dây dẫn (m) 0.779r D ln0.1213fL2X mL ×=pi= (H/km) (Ω/km) Dm : Khoảng cách trung bình hình học giữa các dây dẫn(m) Dab, Dbc, Dac : Khoảng cách pha với pha ( )1/3acbcabm DDDD ××= r Dbc a b c r Dbc cba Dab Dac DDDm 26.123 == DDm = CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Dung dẫn r D ln18 10 r D ln ε2 C m 9 m 0 × = pi = − ε0 : Khoảng cách không gian ( F/m) r: Bán kính ngoài của dây dẫn (m) fC2 1 Xc pi =(F/km) ; (Ω/km) 90 1036 1 ε ×pi× = Dm : Khoảng cách trung bình hình học giữa các dây dân (GMD) (m) • Điện dẫn 2 0 n c U PG ∆= ∆Pc0 : Suất tổn thất vầng quang (W/km) Un : Điện áp định mức (kV) (1/Ωkm) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Sơ đồ thay thế của lưới điện 2.1. Sơ đồ thay thế dây dẫn • Các dạng sơ đồ thay thế của dây dẫn – Mạng 2 cửa hình pi
Hình pi
Tổng trở: Z=R+jX=(r0+jx0).l R L G 2 G 2 C 2 C 2
Tổng dẫn: Y=G+jB=(g0+jb0).l; (l: Chiều dài, km) – Hệ thống phân phối (ngắn hơn 80km)
Đường dây trên không hoặc cáp U≤22kV, l≤5km: Dung dẫn và điện dẫn có thể bỏ qua. Sơ đồ thay thế bởi tổng trở nối tiếp.
Đối với đường dây dài U>22kV: Chỉ bỏ qua điện dẫn. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2. Sơ đồ thay thế của lưới điện 2.1. Sơ đồ thay thế máy biến áp • Sơ đồ thay thế của máy biến áp – Tổng dẫn máy biến áp (ZT) – Sơ đồ thay thế 2 2 . r lT S UPR ∆= r rI r I TT S Uu I uZX 2%. ==≈ RT XT 2 0 c I PR ∆= I UX rm = r RcXm ZT= RT+ jXT ∆S0 r 0 RT, XL: Điện trở và điện kháng vòng dây Rc: Điện trở do tổn thất trong các cuộn dây Xm: Điện kháng do từ trường Sr , Ur: Dung lượng MBA và điện áp ∆PI, ∆P0: Tổn thất có tải và không tải uI: Điện áp ngắn mạch (%) I0: Dòng điện không tải (từ trường) rUjIPQjPS 00000 +∆=∆+∆=∆ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Máy biến áp 3 cuộn dây – Sơ đồ thay thế ZP ∆S0 ZS1 ZS2 )ZZ(ZZ )ZZ(ZZ )ZZ(ZZ SPSSSPS SSSPSPP 22111 2121 1 2 1 2 1 −−− −−− −−− −+= −+= −+= Tổng trở cuộn dây SPSSSPS 12122 2 r rSP r rSP SPSPSP S %.Uuj S .U∆PjXRZ 2 1 2 2 1 111 −− −−− +=+= RP-S1, XP-S1: Tổng trở cuộn sơ cấp – thứ cấp thứ 1 Sr , Ur: Dung lượng MBA và điện áp ∆PI, uI : Tổn thất có tải và điện áp có tải khi cuộn sơ cấp và thứ cấp thứ 1 kết nối với hệ thống. Cuộn thứ cấp thứ 2 mở. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Tổn thất điện áp và công suất 3.1. Tổn thất điện áp • Tổn thất điện áp trên đường dây )Im()Re().(3 ZIjZIjXRIVVV LS +=+=−=∆ &&&& V QXPR V QXPRXRIZIV +≅+=θ+θ=≅∆ )sincos(3)Re( rL R, X: Tổng trở một pha Vr: Điện áp dây (L-L) VS: Điện áp nguồn (L-L) VL: Điện áp phụ tải (L-L) I: Dòng tải P, Q: công suất tải 3 pha kW và kVar PL+jQL R+jX VLVS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Tổn thất điện áp và công suất 3.1. Tổn thất điện áp • Hệ số tổn thất Kd : Tổn thất điện áp phần trăm (∆V%) trên đường dây tính với 1 km đường dây và cấp cho tải 3 pha 1 kVA. )sincos(100100 2 θθ XRVV VKd +≅× ∆ =       kmkVA. % Kd Tra cứu trong sổ tay tra cứu (hệ số công suât). rr • Tổn thất điện áp trên đường dây đối với đường dây nhiều phụ tải ( )∑ = +=∆ n i iiii r XQRP V V 1 1 Ri Xi: Tổng trở trên đoạn đường dâythứ i Vr: Điện áp (L-L) Pi, Qi: Công suất tác dụng kW và phản kháng kVar chạy trên đoạn đường dây thứ i. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Tổn thất điện áp và công suất 3.1. Tổn thất điện áp • Tổn thất điện áp đối với đường dây có phụ tải phân bố đều Xác định tổn thất điện áp do công suất tác dụng gây trên đoạn đường dây dx tại chiều dài đường dây x từ cuổi l xdx dxrxPdRP .... Nguồn L / 2 L / 2 P = P0.l rr xx Px VV Vd 00==∆ rr l r P V RP V lrP V dxxrPV .2 . .2 ..... 2 00 0 00 ===∆ ∫ Tổng tổn thất điện áp do công suất tác dụng Tương tự, r Q V XQV .2 . =∆ r QP V XQRPVVV .2 .. + =∆+∆=∆⇒ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Tổng thất công suất trên đường dây R V SRIP L L L ×      ×=≅∆ 2 2 3 3..3 PL+jQL R+jX VLVS – Tổn thất công suất tác dụng: 3. Tổn thất điện áp và công suất 3.1. Tổn thất công suất và điện năng X V QPQ r LL × + =∆ 2 22 R, X: Tổng trở 1 pha Vr: Điện áp dây VS: Điện áp nguồn VL: Điện áp tải IL: Dòng điện tải P, Q: Công suất tác dung và phản kháng của phụ tải 3 pha R V QPR V S r LL L L × + ≅×= 2 22 2 2 – Tổn thất công suất phản kháng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3. Tổn thất điện áp và công suất 3.1. Tổn thất công suất và điện năng • Tổn thất công suất của đường dây có phụ tải phân bố đều Mật độ phụ tải I0 (A/m), chiều dài l (m) – Tổn thất công suất trên vi phân dx của đường dây dxrxIRIPd xxx ..)..(3..3)( 0202 ==∆ – Tổn thất trên toàn tuyến: RIlrIdxxrIP l .......3 230 2 0 0 2 0 2 0 ===∆ ∫ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Phân bố tải trên lưới – Dòng điện ( ) và tổng trở (Z=z0.l) – Phân bố hình chữ nhật : Tải phân bố tại vị trí 1/3 chiều       ×=∆ 2 3 13 TIZP r T .V3 D.l.w I = dài đường dây – Phân bố hình tam giác : Tải phân bố tại vị trí 8/15 trong khoảng cách từ đỉnh đến dáy của tam giác.       ×=∆ 2 15 83 TIZP CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Tổn thất công suất trong máy biến áp – Tổn thất công suất tác dụng và phản kháng I r P S S n PnP ∆×      ×+∆×=∆ 2 max 0 1 3. Tổn thất điện áp và công suất 3.1. Tổn thất công suất và điện năng r IT S Su n SI nQ 100 %1 100 % 2max0 ××+××=∆ Sr : Dung lượng máy biến áp Smax: Công suất tải cực đại của trạm biến áp. ∆PI, ∆P0: Tổn thất ngắn mạch và không tải uI: Điện áp ngắn mạch (in %) I0: Dòng điện không tải (%) n: Số máy biến áp trong trạm (làm việc song song) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Tính toán tổn thất điện năng – Định nghĩa (∆A) : ∫∆=∆ T dttPA 0 )( ∆P(t) :Tổn thất công suất của lưới điệnT: Khoảng thời gian trên đồ thị phụ tải 3. Tổn thất điện áp và công suất 3.1. Tổn thất công suất và điện năng – Tổn thất điện năng: τ×∆=∆ maxPA ∆Pmax: Tổn thất công suất cực đại τ : Thời gian tổn thất công suất lớn nhất CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Tính thời gian tổn thất công suất lớn nhất (τ) – Sử dụng biểu đồ phụ tải cực đại – Tm Quan hệ giữa τ và Tm 8760)10124.0( 24 ×+=τ −T 3. Tổn thất điện áp và công suất 3.1. Tổn thất công suất và điện năng m ∫== T m dttPPP AT 0maxmax )(1 1 : Đồ thị phụ tải hệ thống 2 : vùng giao giữa Pmax và Tm Tm: Tra trong sổ tay thiết kế. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TTP A P PF avS τ = ×∆ ∆ = ∆ ∆ = maxmax ∆Pav : Tổn thất công suất trung bình – Sử dụng hệ số tổn thất (Fs) ×=τ 3. Tổn thất điện áp và công suất 3.1. Tổn thất công suất và điện năng TFS⇒ – Tính hệ số tổn thất công suất (Fs) Quan hệ giữa FS và FL 2)1( LLS FcFcF ×−+×= FL : Hệ số phụ tải c = 0.2 (Anh và Úc) c = 0.3 (Mỹ, đô thị) c = 0.16 (Mỹ, nông nghiệp) FL: Tra trong sổ tay thiết kế. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Tổn thất điện năng của đường dây τ∆=∆ .maxPA ∆Pmax: Tổn thất công suất cực đại τ : Thời gian tổn thất công suất lớn nhất Tổn thất điện năng trong trạm biến áp 3. Tổn thất điện áp và công suất 3.1. Tổn thất công suất và điện năng TFP s..max∆= • TFP S S n PnP S S n TPnA sI r I r         ∆      +∆=τ∆      +∆=∆ ...1....1.. 2 max 0 2 max 0 Sr : Công suất của máy biến áp Smax: Công suất cực đại của trạm. ∆PI, ∆P0:Tổn thất có tải và không tải n : Số lượng máy biến áp trong trạm (làm việc song song) T : Thời gian đóng điện máy biến áp (1 năm: 8760h) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ví dụ 2. Xét trạm biến áp trung gian có 2 máy biến áp với các thông số SđmB = 10MVA, cấp điện áp 132/11kV. Tổn thất không tải 18kW và có tải 60kW, điện áp ngắn mạch % là 10.5%, dòng điện không tải % là 0.9%. Xác định tổn thất công suất và tổn thất điện năng của trạm biến áp với phụ tải 12+j7.2MVA, Tm=5000h/năm. Đáp án: Máy biến áp làm việc song song )(75.9460 10 2.712 2 1182..1. 2 222 max 0 kWPS S n PnP I r =×      + +×=∆      +∆=∆ 10)2.712(5.10110109.0%1% 32232 ×+×××.Su.SI )(1208 kVAr= 341160 10 2.712 2 18760182...1.. 2 222 max 0 ××      + +××=τ∆      +∆=∆ I r P S S n TPnA )(34118760)105000124.0(8760)10124.0( 2424 hTm =+=+=τ −− x )(5083854 kWh= 10.1002100 2 .100100 . max0 ×+×=+=∆ r IT S . n nQ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Đặc điểm lưới điện hở – Lưới điện có một nguồn cấp, – Sơ đồ có dạng hình tia, liên thông (phân nhánh) hoặc hỗn hợp. • Số liệu ban đầu 4. Tính toán dòng công suất 4.1. Thiết lập bài toán – Sơ đồ lưới điện, – Các thông số của đường dây và máy biến áp, – Điện áp nguồn Uo – Công suất các nút phụ tải. • Nhiệm vụ tính toán – Dòng điện và công suất chạy trên các nhánh – Tổn thất công suất trên các nhánh – Tổn thất điện áp các nhánh và điện áp các nút trên lưới. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Tính toán lưới điện không xét đến tổng dẫn đường dây (lưới phân phối điện) – Các giả thiết tính toán:
Sơ đồ thay thế chỉ xét thành phần điện trở và điện kháng đường dây (đường dây trên không trung và hạ áp U<110kV, cáp điện hạ áp U<22kV) 4. Tính toán dòng công suất 4.2. Phương pháp gần đúng
Khi xác định phân bố dòng công suất tác dụng và phản kháng, không tính đến tổn thất công suất trên các phần tử lưới điện.
Khi xác định tổn thất công suất và tổn thất điện áp, coi điện áp các nút bằng điện áp định mức của lưới điện. – Trình tự tiến hành:
Lập sơ đồ thay thế
Tính phân bố dòng công suất trên các nhánh
Tính tổn thất công suất và tổn thất điện áp trên các nhánh
Tính điện áp tại các nút. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ví dụ 3. – Sơ đồ thay thế – Dòng công suất trên các nhánh: V0 S1 . S2 . S5 . S6 . S7 . S3 . S4 . 10 2 3 4 5 6 7 323 SS && = 424 SS && = 4322422212 SSSSSSS &&&&&&& ++=++= 656 SS && = 757 SS && = 7655756515 SSSSSSS &&&&&&& ++=++= 76543211512101 SSSSSSSSSSS &&&&&&&&&&& ++++++=++= – Tổn thất công suất và điện áp trên các đoạn đường dây: ( ) ( )ijij2 r 2 ij 2 ij ijij2 r 2 ij ijijij j.XR.U QP j.XR. U S Qj.∆PS∆ + + =+=∆+=& r ijijijij ij U .XQ.RP ∆U + = – Điện áp nút: ijij ∆UUU −= CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Tính toán lưới điện hở có xét đến dung dẫn đường dây – Các giả thiết tính toán:
Sơ đồ thay thế có xét thành phần điện trở, điện kháng và dung dẫn (đường dây trên không U=110kV và cáp U=22- 36kV) 4. Tính toán dòng công suất 4.2. Phương pháp gần đúng
Khi xác định phân bố dòng công suất, coi điện áp các nút bằng điện áp định mức của lưới điện. – Trình tự tính toán:
Tính phân bố công suất trên các nhánh
Xác định tổn thất điện áp và điện áp tại các nút. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ví dụ 4. – Sơ đồ thay thế – Dòng công suất và tổn thất trên các nhánh i j 2 Q j ij iS& ijS & ' ijS& jS& 2 Q j ij ijS∆ & ijZ 2 Q jSS ijj ' ij −= && 2 rijij .UBQ = ij ' ijij S∆SS &&& += )j.X.(R U QP )j.X.(R U )S( S∆ ijij2 2 ij 2 ij ijij2 2' ij ij + + =+= & & ; ; rr 2 Q jSS ijiji −= && – Tổn thất điện áp trên các nhánh và điện áp tại các nút 0 01010101 0 01010101 01 U .RQ.XP j U .XQ.RP U∆ − + + = & 0101 U∆UU &&& −=⇒ i ijijijij i ijijijij ij U .RQ.XP j U .XQ.RP U∆ − + + = & ijij U∆UU &&& −=⇒ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Tính toán về điện trong lưới điện kín đơn giản 4. Tính toán dòng công suất 4.2. Phương pháp gần đúng 0.ZI.ZI.ZI 020212120101 =−+ &&& 0101 SSI ∗∗ ≅=& 02SI ∗ ≅& 12SI ∗ ≅& – Dòng công suất trên các nhánh Trong đó ; ; Áp dụng luật Kirchhoff xác định điện áp: 0 1 2 1S& 2S& 01S& 02S& 12S& r0 01 U3U3 ∗ 0.ZS.ZS.ZS 020212120101 =−+⇒ ∗∗∗ r 02 U3 r 12 U3 0 1 2 0’01 S& 02S&12S& 1S& 2S& (1) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 0SSS 11201 =−− &&& 0SSS 21202 =−+ &&& Tính dòng điện theo Kirchhoff tại nút phụ tải 1 và 2 4. Tính toán dòng công suất 4.2. Phương pháp gần đúng (2) (3) 021201 02202121 01 ZZZ ZS)ZZ(S S ˆˆˆ ˆˆˆ ++ ×++× = && & 021201 01112012 02 ZZZ ZS)ZZ(S S ˆˆˆ ˆˆˆ ++ ×++× = && & 20210112 SSSSS &&&&& +=−= Từ (1), (2) và (3), ta có ; CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt