Bài giảng Hệ thống cung cấp điện - Chương 3: Thông số các phần tử trong mạng điện

Chương 3 Thông số các phần tử trong mạng điện 28/09/2015 1 3.1 Dây dẫn 3.1.1 Cấu tạo của đường dây tải điện trên không Đường dây cao áp hầu như sử dụng dây nhôm vì lý do kinh tế . Phần lớn dây dẫn làm bằng nhôm lõi thép(AC, ACSR) , almelec (hợp kim của nhôm) và bằng almelec lõi thép , ít khi sử dụng nhôm tinh chất . Dây nhôm được chế tạo dưới dạng cáp nhiều sợi vặn xoắn. Cáp 1+ 6 sợi = 7 sợi đường kính ngoài 3d Cáp 7 + 12 sợi = 19 sợi đường kính ngoài 5d Cáp 19 + 18 sợi = 37 sợi đường kính ngoài 7d Cáp 37 + 24 sợi = 61 sợi đường kính ngoài 9d Cáp 61+ 30 sợi = 91 sợi đường kính ngoài 11d ... với d là đường kính của một sợi. Tiết diện lớn hơn thường dùng cáp có sợi nhôm và sợi thép không cùng đường kính, cho phép thay đổi tỷ lệ giữa tiết diện phần nhôm với tiết diện phần thép để đảm bảo sức bền cơ và độ dẫn điện của dây dẫn . Phần thép tăng cường sức bền cơ còn phần nhôm làm nhiệm vụ dẫn điện . 28/09/2015 2 3.1.2 Ký hiệu dây dẫn a) Dây của Pháp Dây hợp kim nhôm có tên Almelec được chuẩn hóa bằng ký hiệu AGS/L Bảng số liệu dây cho biết về tiết diện định mức , số sợi nhôm , sợi thép b) Dây của Nga Ký hiệu : M: đồng ; A: nhôm ; AC: nhôm lõi thép ; ACY: nhôm lõi thép tăng cường ; C: thép. Ví dụ : AC-120 là dây nhôm lõi thép , tiết diện phần nhôm dẫn điện là 120 mm2. c) Dây theo hệ của Mỹ Tiết diện dây được đo bằng Circular mil (cmil hay CM) 1 inch = 2,54 cm; 1 mil = 0,001 inch = 2,54xl0-3 cm 1 cm = 0,3937 inch = 393,7 mil 1 mile = 1609 m = 1,609 km; 1 km = 0,6214 mile (dặm ) 1 foot = 30,48 cm = 3,048 dm; 1 m = 3,281 foot ; 1 foot = 12 inch Circular mil (CM) ứng với tiết diện tròn có đường kính bằng 1 mil 1 CM = 5,067x10-4 mm2 ~ 5xl0-4 mm2 ; 1 MCM = 1000 CM = 0.5 mm2 Ví dụ : Dây nhôm lõi thép tăng cường ACSR-759 MCM có tiết diện 759.000 CM ; 759x0,5 = 379,5 mm2 tương đương với 28/09/2015 dây ACO-400 hay ACY-400 3 3.1.3 .Cáp ngầm Cáp ngầm có một hay nhiều lõi có vỏ bọc bảo vệ (thường là vỏ chì hay vỏ nhôm). Các dây dẫn pha đươc cách điện với nhau và cách điện với vỏ Lõi cáp được làm bằng dây đồng hay nhôm nhiều sợi vặn xoắn . Cáp 1 lõi có tiết diện tròn , cáp nhiều lõi có các dây pha có tiết diện hình quạt hay bầu dục để tận dụng khoảng không gian trong vỏ cáp Cáp một lõi cách điện bằng giấy , vỏ chì 28/09/2015 4 3.1.4. Sơ đồ thay thế pha - đất của đường dây tải điện U>110 kV 1kV<U<=110 kV Z=R U1 U2 U< = 1 kV 28/09/2015 5 3. 1.5 . Điện kháng của đường dây dẫn điện a. Điện kháng đường dây một pha D D L  (4,6log  0,5μ)104 (H / km) r D  ωL  0,145log (Ω / km) Xpha r r : bán kính dây (mm) D: khoảng cách pha (mm)  : hệ số từ dẫn của vật liệu chế tạo dây(~1) 28/09/2015 6 b. Điện kháng đường dây đơn ba pha đối xứng A D x  0,145log tb (Ω / km) D D o r C B D r D x  x  x  0,0029f log tb (Ω / km) o s m r dây dẫn có bán kính bằng nhau : ra = rb = rc = r và khoảng cách giữa các pha bằng nhau : Dab= Dbc= Dac= D . Xs : cảm kháng tự thân của 1 dây Xm : cảm kháng hỗ cảm giữa các pha 28/09/2015 7 c . Điện kháng đường dây đơn ba pha hoán vị Nếu đường dây ba pha bố trí không đối xứng , xaa , xbb , xcc và xab , xbc , xca sẽ không đối xứng . Điều này sẽ khiến sụt áp trên các pha Uao, Ubo , Uco cũng sẽ không đối xứng và điện áp ba pha phía tải là không đối xứng. Để khắc phục hiện tượng này , cần thực hiện việc hoán vị . Điều này làm cho điện áp cảm ứng trên toàn bộ chiều dài đường dây là đối xứng . b c a a c a b b a b c c L/3 L/3 L/3 Đường dây 3 pha hoán vị 28/09/2015 8 c . Điện kháng đường dây đơn ba pha hoán vị 3 D .D .D x = 0,0029f log ab bc ca ( / km) o r' D x = 0,145log tb ( / km) o r' D  3 . . tb Dab Dbc Dca f : tần số (Hz); r’ : bán kính trung bình nhân của 1 dây Dtb : khoảng cách trung bình hình học giữa các pha Trường hợp ba pha bố trí nằm ngang cách nhau khoảng D D D D  3 . .  3 D.D.2D  1,26D tb Dab Dbc Dca 28/09/2015 9 3. 1.5 . Điện kháng của đường dây dẫn điện Để tăng bán kính dây dẫn của 1 pha , có thể chia nhỏ dây pha thành nhiều sợi , giải pháp này gọi là phân pha 1 dây dẫn phân pha gồm nhiều sợi , ảnh hưởng của từ thông mắc vòng bên trong được xét đến bằng cách dùng bán kính trung bình hình học ký hiệu là GMR hay Ds • Bán kính trung bình hình học của 1 dây dẫn phân pha 16 ' 4 Ds  (r .D.D.D 2) • Mỗi dây dẫn có bốn khoảng cách . r’ : bán kính trung bình nhân của 1 dây . D ; D2 : Khoảng cách đến ba dây còn lại - Bốn dây dẫn nên có 4 x 4 =16 khoảng cách 28/09/2015 10 e. Dùng bảng tra cảm kháng đường dây Dtb xo  0,0029f log (Ω / km) :1pha,3pha Ds 3 Dtb xo  4,657.10 f log (Ω / mile) Ds Dtb : khoảng cách trung bình nhân giữa các dây dẫn (GMD) Ds: bán kính trung bình nhân giữa các nhóm dây cùng một pha (GMR) Ví dụ Một đường dây ba pha dùng dây ACSR 300 MCM bố trí trên mặt phẳng ngang, khoảng cách giữa các pha là 4m , tần số lưới điện 50 Hz. Tính cảm kháng đơn vị của đường dây ACSR 300 MCM  AC-150 ; d=2r = 15.8 mm Tra bảng tìm X0 D=4m D=4m Hoặc tính theo công thức 3 Dtb = D .D .2D = 1,26D = 1,26.4 = 5(m) 28/09/2015 11 3.1.6 . Điện dung của đường dây tải điện a. Điện dung đơn vị đường dây một pha r 0,0242 D C  C  (μF / km) 0 an D log r ra = rb =r : bán kính dây dẫn 1 5 D XC   1,315.10 log (Ω / km) 2πfCab r D X  0,1315.log (MΩ / km) C r 28/09/2015 12 b.Điện dung của đường dây ba pha đối xứng • Tần số 50 Hz , dung kháng trên một đơn vị chiều dài 1 5 Dtb Dtb XC   1,315.10 log (Ω / km)  0,1315.log (MΩ / km) 2πfCab r r • Dung dẫn đường dây 1 7,6.10 -6 b   ωC  (1/ Ω.km) 0 X an D c log r • Công suất kháng do điện dung sinh ra trên toàn đường dây 2 Qc = U .b0 .l(MVar) 1 U(kV),b ( ) 0 Ω.km 28/09/2015 13 c.Tóm tắt trị số gần đúng của đường dây ba pha đơn, 50 Hz 1- XL0 = 0,4  / km đối với đường dây trên không , U ≥ 110 kV 2- XC0 khoảng 0,350,4 M/km, C0  0,008 đến 0,01 F/km, -6 1 dung dẫn bo khoảng 2,5.10 .km 3- Công suất kháng do điện dung phát ra trên ba pha mỗi 100 km đường dây q = 0,25U2 K var c ( 100km) U là điện áp dây (kV) Đường dây 110 KV , qc khoảng 3 MVAr mỗi 100 km. Đường dây 220 KV , qc khoảng 13 MVAr mỗi 100 km. L đường dây dài L (km) Q = 0,25.U2 (K var) c 100 28/09/2015 14 3.1.7.Điện trở của đường dây tải điện a. Điện trở dây dẫn ρL R  (F là tiết diện dây ) F R của các loại dây có thể tra ở các bảng số liệu về dây dẫn . Tính điện trở theo công thức thì kết quả không hoàn toàn giống ở bảng mà sẽ có giá trị bé hơn vì : 1.Hiệu ứng bề mặt khi tải dòng điện xoay chiều ,dòng điện phân bố nhiều hơn ở quanh bề mặt dây chứ không phân bố đều trên tiết diện như khi tải điện một chiều . Do đó làm tăng điện trở suất của dây dẫn . 2. Nhiều dây mang tải lớn đặt gần nhau làm cho mật độ dòng điện phân bố trong dây dẫn không đều. Đó là hiệu ứng gần . 3. Phần lớn các loại dây đều thuộc loại dây vặn xoắn nên chiều dài thực tế lớn hơn 2%-3.%. 4. Nhiệt độ thay đổi cũng làm điện trở thay đổi . Khi nhiệt độ tăng thì điện trở của dây dẫn sẽ tăng và ngược lại .Đối với đường dây trên không, do có đối lưu gió nên tản nhiệt tốt , thường không cần xét tới yếu tố nhiệt độ 28/09/2015 15 Rt  R 20 1 α0 (t  20) 0 0 Rt là điện trở ở t C, R20 là điện trở ở 20 C 0  0 là hệ số nhiệt độ ở 20 C của dây dẫn 0 0 0dây đồng = 0,00393/ C và 0dây nhôm = 0,00403 / C Các số liệu cần nhớ Điện một chiều , điện trở suất  2 2 Cu = 18 .mm / km và Al = 29,5 .mm / km Điện xoay chiều 2 2 Cu = 18,8 .mm / km và Al = 31,5 .mm / km km km Điện dẫn suất :  = 1/  γ  53 ;γ  31,7 Cu Ω.mm 2 Al Ω.mm 2 Giá trị của điện trở chịu ảnh hưởng nhiều đối với yếu tố 3 , 4 còn yếu tố 1, 2 không đáng kể . 28/09/2015 16 b.Tổn hao vầng quang của đường dây tải điện - Điện dẫn tác dụng đường dây 1. Hiện tượng vầng quang và tổn hao do vầng quang Vầng quang điện xảy ra khi điện trường quanh bề mặt dây dẫn vượt quá sức bền về điện của không khí khoảng 21 kV (hiệu dụng) /cm. Ở điện trường này, không khí bị ion hóa mạnh và độ bền về điện của nó ở vùng quanh dây dẫn xem như triệt tiêu, vùng không khí này coi như dẫn điện, điều này làm cho dây dẫn trở nên có điện trở lớn. Do đó, tổn hao đường dây bị tăng lên. Vầng quang điện xuất hiện thành các vầng sáng xanh quanh dây dẫn, nhất là ở chỗ bề mặt dây dẫn bị xù xì và đồng thời có tiếng ồn và tạo ra khí ozone, nếu không khí ẩm thì phát sinh axit nitric; ozone và axit nitric ăn mòn kim loại và vật liệu cách điện . 28/09/2015 17 2. Điện áp tới hạn phát sinh vầng quang (ứng với điện trường tới hạn E = 21KV/cm ) D U = 21,1.m. ..r.2,303log (kV) 0 0 r D = 84m .r.log (kV) 0 r m0 là hệ số kể đến ảnh hưởng của bề mặt dây =1 đối với dây dẫn tròn nhẵn . = 0,93  0,98 đối với dây xù xì = 0,8  0,87 đối với dây bện .  : thừa số mật độ không khí 3,92b  = b : áp suất không khí (cmHg) 273+ t t : nhiệt độ môi trừơng (độ C) Dây bố trí nằm ngang hay thẳng đứng thì U0 giảm 4% cho dây pha giữa và tăng 6% cho hai pha bìa 28/09/2015 18 Nâng cao điện áp tới hạn phát sinh vầng quang : Tăng khoảng cách D giữa các dây dẫn Tăng bán kính dây hoặc phân pha (phân mỗi dây pha thành nhiều dây nhỏ )để tăng bán kính biểu kiến của dây pha Tăng D là không kinh tế vì nhiều lý do như phải tăng kích thước cột , nhưng cũng không làm giảm E đáng kể vì D đứng sau dấu log. Biện pháp thường áp dụng nhất là tăng r . Bảng giới hạn đường kính dây dẫn ứng với các cấp điện áp để tránh phát sinh hiện tượng vầng quang Điện áp định mức (KV) Đường kính dây dẫn cho Mã hiệu dây dẫn Số dây dẫn trên một pha phép nhỏ nhất (mm) 110 11,3 AC-70 150 1dây/1pha 15,2 AC-120 220 21,6 AC-240 330 1dây/1pha 33,1 ACO-600 2dây/1pha 2x21,6 2xACO-240 500 2dây/1pha 2x37,1 2xACO-700 3dây/1pha 3x27,2 3xACO-400 28/09/2015 19 b. Điện dẫn tác dụng đường dây Tổn thất công suất tác dụng do vầng quang điện được phản ảnh trên sơ đồ thay thế bằng trị số điện dẫn của đường dây . ΔP ΔP  U2 .g (MW / km / 3pha) ⇒g  0 0 U2 U : Điện áp dây định mức g : điện dẫn đường dây  1  0    Ωkm  28/09/2015 20 3.1.8. Thông số của đường dây cáp ngầm Tổng trở nối tiếp gồm cảm kháng và điện trở đường dây , tổng dẫn so với đất gồm điện dẫn và dung dẫn . Các dây cáp ngầm được bố trí gần hơn so với đường dây trên không . Tiết dây dẫn thường không tròn mà có dạng hình quạt . Các dây dẫn được bao bọc bởi phần tử kim loại như vỏ chì , ống thép Giữa các dây dẫn thường là vật liệu cách điện ở thể rắn , phức hợp . Vì những lý do trên nên việc xác định các thông số trở nên phức tạp .  R0 ( Ω/km hoặc mΩ/m ) được cho bởi nhà sản xuất  X0 = 0,1  0,12 (Ω/km hoặc mΩ/m ) khi xét đường dây trung thế 2  X0 = 0,08 Ω/km ( mΩ/m) khi xét đường dây hạ thế có tiết diện ≥ 50mm 2  X0 = 0 khi xét đường dây hạ thế có tiết diện < 50mm 28/09/2015 21 Bài tập 1 , 2 1. Đường dây 3 pha , 50 Hz , bố trí như hình Giả sử dây được hoán vị đầy đủ , dây dẫn hình trụ , đặc ruột . Tính cảm kháng trên một đơn vị chiều dài đường dây . Dây AC-185 5m 5m 8m 2. Một đường dây 3 pha có dây dẫn bố trí trên 3 đỉnh tam giác đều , cạnh 3 m .Đường dây được bố trí lại trên mặt phẳng ngang . Các dây dẫn được hoán vị đầy đủ . Tìm khoảng cách giữa các dây dẫn được bố trí trên mặt phẳng ngang sao cho cảm kháng đơn vị trong hai trường hợp không thay đổi . 28/09/2015 22 3.2. Máy biến áp 2 cuộn dây Thông số kỹ thuật Sđm (kVA; MVA) ; KB=U1/U2 ; uN% ; P0 (W;kW) ; PN (W;kW) ; i0 % I’2 I1 U1 N1 I2 U1 U’2 K = = = Zn=Rn+jXn B U2 N2 I1 G jB U1 U’2 S1 S2 Zn=Rn+jXn (b) Sơ đồ thay thế qui về 1 cấp điện áp PFe + jQFe 28/09/2015 23 3.2.Máy biến áp 2 cuộn dây I 2 N 2 I'2 = = I 2 . U1 U’2 K B N1 Zn=Rn+jXn N1 U1 U'2 = U 2 .K B = U 2 . = U 2 (c) Sơ đồ thay thế gần đúng N 2 U 2 2 P .U đm R = R = N ×103 () B n 2 PFe 3 1 S đm G = 10 ( ) 2 B 2 U .U đm U đm  Z = Z = N% ×10() Q 1 B n S B = Fe 10 3 ( ) đm B U2  X = X = 2 _ 2 đm B n ZB RB i .S Q = 0% đm (K var) Fe 100 • Uđm=Udâyđịnhmức (KV) ; Sđm= S3phađm (KVA) • PFe = P0 (kW) :tổn hao không tải ; • PN(kW) : tổn hao ngắn mạch hay tổn hao đồng U N% Q N = S đm (K var) 28/09/2015 100 24 3.3.Máy biến áp 3 cuộn dây Thí nghiệm ngắn mạch U N(1-2)% , U N(2-3)% , U N(3-1)% PN(1-2) , P N(2-3) , P N (3-1) Thí nghiệm không tải : i 0% và P0 28/09/2015 25 3.3.1. Điện trở các cuộn dây trong máy biến áp 3 cuộn dây ΔPN(CT)  ΔPN(CH)  ΔPN(TH) ΔPNC  2 •P N(C-T)= P NC + P NT ΔPN(CT)  ΔPN(TH)  ΔPN(CH) •P = P % + P ΔP  N(T-H) NT NH NT 2 •P N(C-H)= P NH + P NC ΔP  ΔP  ΔP ΔP  N(TH) N(CH) N(CT) NH 2 2 ΔPN .U đm 3 • P (kW) RB  Rn  2 10 (Ω) S đm • U (kV) 2 • S (kVA ) UN% .U đm ZB  Zn  10(Ω) Sđm X  X  2 _ 2 (Ω) B n ZB RB 28/09/2015 26 3.3.2.Điện kháng các cuộn dây trong máy biến áp 3 cuộn dây UN(CT)%  UN(CH)%  UN(TH)% UNC%  •UN(C-T)%= UX(C-T)% = UNC% + UNT% 2 •UN(T-H)%= UX(T-H)% = UNT% + UNH% UN(CT)%  UN(TH)%  UN(CH)% UNT%  •UN(C-H)%= UX(C-H)% = UNH% + UNC% 2 UN(TH)%  UN(CH)%  UN(CT)% UNH %  Qui tất cả tham số về 2 cùng một cấp điện áp UC 2 UNC%.U Cdm U (kV) XC  .10(Ω) Sdm S ( KVA) 2 UNT%.U Cdm XT  .10(Ω) Sdm 2 UNH %.U Cdm XH  .10(Ω) Sdm 28/09/2015 27 Bài tập 3 , 4 3. Xác định tham số (qui về sơ cấp và thứ cấp )và vẽ sơ đồ thay thế máy biến áp 2 dây quấn sau : SđmB= 630 (KVA); 10/0,4 (KV) ; PN=8,5(KW), P0 =1,65(KW),UN%=5,5% , i0%=3% ĐS :qui về cao áp RB = 2,14 , XB = 8,46 qui về hạ áp RB = 3,43m , XB = 13,5.m 4. Xác định tham số (qui về cao áp )và vẽ sơ đồ thay thế máy biến áp 3 dây quấn sau : SđmB= 40000 (KVA); 220/38,5/11 (KV) ; công suất 3 cuộn dây bằng nhau . PN(C-T) =PN(C-H)=PN(T-H) =220(KW), P0 =55(KW),UN(C-H)%=22% , UN(T- H)%=9,5%, UN(C-T)%=12,5% , i0%=1,1% ĐS : RB© = RB(T) = RB(H) =3,64  , XB© = 165 XB(T) = 0 , XB(H) = 126 28/09/2015 28 3.4. Máy biến áp tự ngẫu Hệ số có lợi  của MBA tự ngẫu 1 U (1 )  α  1 T K UC Công suất cuộn hạ được thiết kế theo công suất mạch từ Hệ số có lợi  càng bé , chế tạo máy biến áp càng có lợi vì MBA có thể tải công suất Sđm từ cấp điện áp cao sang trung trong khi S  .S các cuộn dây và lõi sắt của nó chỉ cần thiết H ñm kế với Stc = Sđm. Số liệu thí nghiệm ngắn mạch : P' PN(C-T) và U N(C-T)% ứng với SđmB (CH) P’ , U % ứng với S P(CH)  N(T-H) N(T-H) tc  2 P’ N (C-H) , U N(C-H)% ứng với Stc vì điện trở trong sơ đồ tương đương phải P'(TH) được tính ở cùng công suất nên các P’ N(T-H) P(TH)  vàP’N (C-H) cần qui đổi về SđmB và tính tổn 2 thất trên từng cuộn dây  28/09/2015 29 3.4.1. Điện trở các cuộn dây máy biến áp tự ngẫu 3 cấp điện áp P(CT)  P(CH)  P(TH) P  P'(CH) Cu(C) 2 P  (CH)  2 P  P  P P  (CT) (TH) (CH) P' Cu(T) 2 (TH) P(TH)  2 P  P  P  P  (CH) (TH) (CT) Cu(H) 2 2 PCu(C) .U C 3 R (C)  2 .10 () Sñm 2 Qui tất cả tham số về PCu(T) .U C 3 cùng một cấp điện áp UC R (T)  2 .10 () U (kV) Sñm S ( KVA) 2 PCu(H) .U C 3 R (H)  2 .10 () 28/09/2015 Sñm 30 3.4.2. Điện kháng các cuộn dây trong máy biến áp tự ngẫu •UN(C-T)%= UX(C-T)% = UNC% + UNT% UN(CT)%  UN(CH)%  UN(TH)% •U %= U % = U % + U’ % UNC%  N(T-H) X(T-H) NT NH 2 •UN(C-H)%= UX(C-H)% = U’NH% + UNC% U %  U %  U % U %  N(CT) N(TH) N(CH) NT 2 vì điện kháng trong sơ đồ tương U %  U %  U % đương phải được tính ở cùng công N(TH) N(CH) N(CT) UNH %  suất nên các U’N(T-H) và U’N (C-H) cần 2 qui đổi về SđmB ' 2 U N(CH) UNC%.U Cdm UN(CH)  XC  .10(Ω) α Sdm ' U N(TH) 2 UNT%.U Cdm UN(TH)  X  .10(Ω) α T Sdm Qui tất cả tham số về cùng một cấp 2 U %.U Cdm điện áp UC NH XH  .10(Ω) U (kV) ; S ( KVA) Sdm 28/09/2015 31 Bài tập 5 , 6 5 . Xác định tham số (qui về cao áp )và vẽ sơ đồ thay thế máy biến áp tự ngẫu sau : SđmB= 240(MVA); 220/121/11 (KV) ; PN(C-T) =560(KW) ,P’N(C- H)=260(KW) , P’N(T-H) =250(KW), P0 =130(KW), U’N(C-H)%=29,6% , U’N(T- H)%=24%, UN(C-T)%=9,6% , i0%=0,5% . Công suất cuộn hạ bằng 0,4 công suất định mức của máy biến áp. 6 . Máy biến áp 1 pha 2 cuộn dây : SđmB= 9 (KVA); 120/100 (V) ; máy này được đấu lại thành máy biến áp tự ngẫu cấp cho tải có Uđm =120 (V) từ nguồn 220 (V) . Tìm công suất KVA có thể cung cấp cho tải mà không vượt quá dòng định mức của các cuộn dây ( 19,8 KVA) 28/09/2015 32 Bài tập 1. Tính điện trở và cảm kháng (qui về cao áp ) của máy biến áp tự ngẫu giảm áp 3 pha 220/121/24 (KV) Sđm=60(MVA) .Điện áp ngắn mạch đã được qui về công suất định mức như sau : U N(C-T)%=8% ,UN(T-H)%=28% , UN(C-H)% =18% Tổn thất ngắn mạch : PN(C-T) =180 (KW) ,P’ N(T-H) =150 (KW) ,P’ N (C-H) =150(KW) 28/09/2015 33