Bài giảng môn học lưới điện

thường phải chọn rất lớn, dùng dây dẫn đặc biệt tiết diện lớn như vậy không kinh tế. Để giải quyết vấn đề này thường dùng dây dẫn phân pha (phân thành 2, 3 hay 4 dây song song với nhau). Biện pháp này vừa hạn chế được tổn thất vầng quang, vừa không phải dùng các dây dẫn có tiết diện quá lớn. Dây dẫn phân pha được dùng bắt đầu từ cấp điện áp 220 [kV] thông qua so sánh kinh tế kỹ thuật với dây dẫn đặc. Khi điện áp cao hơn 220 [kV] thì phải dùng dây phân pha. - Điện áp cao làm cách điện của các thiết bị rất phức tạp làm cho vốn đầu tư của các đường dây dài rất cao, hạn chế khả năng kinh tế của chúng. Biện pháp chính để giảm cách điện các HTĐ áp cao là nối đất trực tiếp trung tính của các máy biến áp, khi đó cách điện chỉ cần tính toán cho điện áp pha. Tuy nhiên hệ thống bị cắt điện khi chạm 165 đất một pha (thường là chạm đất thoáng qua), để khắc phục nhược điểm này có thể sử dụng thiết bị tự động hoá như: tự động đóng lại một pha trên các đường dây tải điện, tự động đóng nguồn dự phòng... - Khi đường dây dài làm việc không tải, xảy ra hiện tượng tăng cao điện áp ở cuối đường dây tải điện phía hở mạch lớn hơn điện áp cho phép (nếu đường dây dài 1000 [km] điện áp có thể tăng gấp 2 lần). Để khắc phục phải sử dụng các thiết bị bù để điều chỉnh điện áp. - Khi làm việc không tải, ở các máy phát điện nối với các các đường dây dài có thể xảy ra hiện tượng tự kích thích do điện dung của đường dây rất lớn. Máy phát không phát CSTD và mang phụ tải điện dung, dòng điện dung từ hoá stator của máy phát cùng chiều với với dòng điện kích thích từ hoá rotor. Dẫn đến dòng kích thích tự tăng lên làm điện áp tăng lên. - Hạn chế cơ bản nhất khi sử dụng điện áp cao xoay chiều để tải điện đi xa là vấn đề ổn định, tức là giữ vững chế độ làm việc đồng bộ của các máy phát làm việc song song. Để tải điện đi rất xa phải sử dụng các biện pháp đặc biệt để nâng cao ổn định, điều kiện để HTĐ ổn định là công suất tải trên đường dây dài không vượt quá công suất giới hạn. Công suất này thường nhỏ hơn công suất giới hạn lớn nhất khoảng (20¸50)%. Đường dây tải điện càng dài thì công suất giới hạn càng thấp, để khắc phục phải nâng cao điện áp và giảm điện kháng đường dây. Giải quyết những vấn đề trên làm giảm tính kinh tế của tải điện đi xa bằng dòng điện xoay chiều điện áp cao. 8.1.3 Truyền tải điện năng đi xa bằng dòng điện một chiều Những khó khăn phức tạp trong việc tải điện đi xa bằng dòng điện xoay chiều trên đây đã dẫn đến những nghiên cứu và thực hiện tải điện đi xa bằng dòng điện một chiều điện áp siêu cao. Hiện nay đã xuất hiện những đường dây tải điện một chiều điện áp (1500¸2000) kV. Sơ đồ nguyên lý của đường dây tải điện một chiều. Ở hai đầu đường dây tải điện đặt các trạm biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều và ngược lại. Truyền tải điện một chiều còn có nhiều thuận lợi như: - Khắc phục được các vấn đề phức tạp do tải điện xoay chiều gây ra. - Khả năng tải điện bằng dòng điện một chiều lớn hơn dòng điện xoay chiều, tuỳ thuộc vào công suất của các thiết bị biến đổi dòng điện. - Chỉ dùng hai dây dẫn do đó nếu tải điện cùng công suất thì vốn đầu tư về đường dây sẽ rẻ hơn. - Tổn thất vầng quang nhỏ hơn so với dòng điện xoay chiều do đó có thể chọn dây dẫn nhỏ hơn. - Cách điện đường dây dễ dàng hơn, việc dùng cáp đặc biệt thuận lợi hơn so với dòng điện xoay chiều vì cáp có thể chịu điện áp một chiều cao hơn nhiều lần điện áp xoay chiều. - Có thể dùng đất là dây dẫn trở về. Truyền tải điện một chiều hiện nay còn gặp những khó khăn sau đây: 166 - Các thiết bị biến đổi dòng điện đồng thời làm vai trò máy cắt điện làm cho các trạm ở hai đầu đường dây rất phức tạp và đắt tiền. - Vì dòng điện một chiều chỉ tải CSTD nên phải đặt các nguồn CSPK ở phía phụ tải của đường dây (ứng với 1 [kW] cần (1¸1,5) kVAr). - Phải có thiết bị để lọc các sóng điều hoà bậc cao bảo đảm dạng hình sin của điện áp xoay chiều sau khi biến đổi một chiều sang xoay chiều. - Chưa chế tạo được các thiết bị bảo vệ chống quá điện áp. 8.2 KHÁI NIỆM VỀ ĐƯỜNG DÂY DÀI 8.2.1 Định nghĩa Đường dây dài là đường dây có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng của dòng điện xoay chiều. Bước sóng được xác định theo biểu thức: T.v=l (8.1) Trong đó: v là vận tốc ánh sáng, v = 300000 [km/s]; T là chu kỳ của dòng điện xoay chiều, với tần số của lưới điện công nghiệp f = 50 [Hz], T được xác định là: 02,0 50 1 f 1T === [s]; l là chiều dài bước sóng [km], với lưới điện công nghiệp 600002,0.300000 ==l [km]. Đường dây dài thường được xác định khi chiều dài của đường dây lớn hơn 1/10 chiều dài bước sóng, do đó trong lưới điện công nghiệp đường dây dài được xác định khi 600 10 6000l =³ [km]. Thực tế thường vận dụng như sau: - Đường dây có l £ 80 [km] gọi là đường dây ngắn. Đường dây này khi tính toán dùng sơ đồ thay thế có thông số tập trung, đường dây có 2 tham số R và X. - Đường dây có l = (80¸240) km gọi là đường dây trung bình. Đường dây này khi tính toán dùng sơ đồ thay thế có thông số tập trung, đường dây có 3 tham số R, X và B. Kết quả tính toán tương đối chính xác. - Đường dây có l ³ 240 [km] gọi là đường dây dài. Đường dây này khi tính toán dùng sơ đồ thay thế có thông số rải, đường dây có 4 tham số R, X, B và G. Chú ý: - Đối với đường dây dài có thể dùng phương pháp sơ đồ thay thế, đường dây được chia thành các đoạn ngắn (100¸200)km với thông số tập trung rồi dùng phương pháp tính lặp. - Do các thông số B và G phụ thuộc rất lớn vào điện áp của mạng nên đường dây dài được xác định còn phụ thuộc vào điện áp của mạng. 167 8.2.2 Tham số của đường dây dài 8.2.2.1 Điện trở tác dụng, r0 Điện trở của một đơn vị chiều dài được xác định: ][ F. 1 F r0 Wg = r = (8.2) Trong đó: r là điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn, với vật liệu là Đồng (Cu) rcu = 18,8 [W.mm2/km], với vật liệu là Nhôm (Al) rAl = 31,5 [W.mm2/km]; g là điện dẫn suất của vật liệu làm dây dẫn, với vật liệu là Đồng (Cu) gcu = 53.103 [km/W.mm2], với vật liệu là Nhôm (Al) gAl = 31,5.103 [km/W.mm2]; F là tiết diện của dây dẫn [mm2]. Do hiệu ứng bề mặt nên điện trở của dây dẫn đối với dòng điện một chiều nhỏ hơn đối với dòng điện xoay chiều và phụ thuộc vào nhiệt độ. Tuy nhiên đối với dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp bỏ qua sự sai khác trên, do đó r0» = r0=. Nếu dây dẫn phân pha thành n dây dẫn: ][ n r 'r 00 W= (8.3) 12.2.2.2 Điện trở phản kháng, x0 Điện kháng của đường dây được xác định theo biểu thức: x0 = w.L0 [W/km] 016,0 r D lg.144,0x tb0 += [W/km] (8.4) Trong đó: Dtb là khoảng cách trung bình hình học của các dây pha, mm; r là đường kính của dây dẫn, mm. Nếu dây dẫn phân pha thành n dây dẫn: n 016,0 r D lg.144,0'x dt tb 0 += [W/km] (8.5) Trong đó: rdt là bán kính đẳng trị của dây dẫn n 1ntbdt a.rr -= [mm]; n là số dây phân nhỏ của 1 pha; r là bán kính thực của dây dẫn phân nhỏ, mm; atb là khoảng cách trung bình hình học giữa các dây phân nhỏ, mm. 8.2.2.2 Điện dẫn tác dụng, g0. Điện dẫn tác dụng trên một đơn vị chiều dài đường dây là: [ ]km./110. U P g 32 vq 0 W D = - hoặc [s/km] (8.6) Trong đó: DPvq là tổn thất do vầng quang và rò điện trên một đơn vị chiều dài đường dây, được xác định trong các bảng tra, [kW/km]. Với đường dây 500 [kV] tổn thất do vầng quang và rò điện khoảng 10 [kW/km]; U là điện áp của lưới điện, [kV]; s là đơn vị của điện dẫn (siemen), s = [1/W]. Chú ý: Với đường dây phân pha thành n dây dẫn g'0 = n.g0 [1/Wkm]. 8.2.2.3 Điện dẫn phản kháng, b0 Điện dẫn phản kháng trên một đơn vị chiều dài đường dây là: b0 = w.C0 [1/Wkm] 168 Trong đó: 6 tb 0 10. r D lg 58,7b -= [1/Wkm] (8.7) Trong đó: Dtb và r là khoảng cách trung bình hình học giữa các pha và bán kính của dây dẫn. Chú ý: Với đường dây phân pha thành n dây dẫn r được thay thế bằng rdt. 8.3 PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN VÀ QUÁ TRÌNH SÓNG CỦA ĐƯỜNG DÂY DÀI 8.3.1 Khái niệm chung Bản chất của quá trình truyền tải điện năng trên đường dây tải điện là quá trình sóng, trong đó các sóng điện áp và dòng điện không ngừng truyền năng lượng điện từ nguồn điện đến nơi tiêu thụ. Đối với các đường dây tải điện ngắn l = (200¸300) km và điện áp thấp U £ 220 [kV] việc tính toán các chế độ trên cơ sở giả thiết đơn giản hoá là đường dây có thông số tập trung. Khi đường dây dài và điện áp cao, việc tính toán bằng phương pháp trên có sai số không cho phép. Lúc này cần phải xét đến tính chất sóng của quá trình truyền năng lượng trên đường dây tải điện với các thông số rải đều trên toàn bộ chiều dài. 8.3.2 Phương trình cơ bản của đường dây dài 8.3.2.1 Phương trình vi phân cơ bản Giả thiết đường dây dài là đồng nhất (có các thông số rải đều trên toàn bộ đường dây) và mang tải đều trên ba pha. Xét một phần tử nhỏ của đường dây có độ dài dx ở cách điểm cuối đường dây, tức là điểm nhận điện năng, một độ dài x, hình 8.2. Hình 8.2 Sơ đồ thay thế đường dây dài Các thông số của phần tử đường dây gồm có: - Điện trở, r0dx [W] - Điện kháng, x0dx = wL0dx [W] - Điện dẫn tác dụng, g0dx [1/W] - Điện dẫn phản kháng, b0.dx = wC0.dx [1/W] r0dx x0dx u dx x u u ¶ ¶ + dx x i i ¶ ¶ + i g0dx b0dx dx 169 Trong đó: r0 là điện trở, [W/km]; x0 là điện kháng, [W/km]; L0 là độ tự cảm, [H/km]; g0 là điện dẫn tác dụng, [1/Wkm]; b0 là điện dẫn phản kháng (dung dẫn), [1/Wkm]; C0 là điện dung, [F/km]; f là tần số của dòng điện, Hz; Tốc độ góc w = 2Pf. Nếu điện áp pha và dòng điện ở phía cuối của phần tử đường dây là u và i. Do có điện áp giáng trên điện trở (i.r0.dx) và trên điện kháng ( t idx.L0 ¶ ¶ ) nên ở đầu phần tử đường dây điện áp là dx. x uu ¶ ¶ + và do có dòng điện rò chạy qua điện dẫn tác dụng (g0.dx.u) và dung dẫn ( t udx.C0 ¶ ¶ ) nên dòng điện ở đầu phần tử là dx. x ii ¶ ¶ + Theo định luật Kirchof II cho mạch vòng trên hình 8.2, ta có: 0dx t iLdx.i.rudx. x uu 00 =¶ ¶ --- ¶ ¶ + Giản ước phương trình ta có: t iLi.r x u 00 ¶ ¶ += ¶ ¶ (8.8) Theo định luật Kirchof I cho điểm nút ở cuối phần tử đường dây ta có: 0 t udx.Cdxg.uidx x ii 00 =¶ ¶ --- ¶ ¶ + Sau khi giải ước ta được: t uCg.u x i 00 ¶ ¶ -= ¶ ¶ (8.9) Các biểu thức (8.8) và (8.9) là các phương trình vi phân cơ bản xác định sự biến đổi của điện áp và dòng điện trên đường dây dài. 8.3.2.2 Phương trình xác định điện áp và dòng điện của đường dây dài Đường dây dài dùng để truyền tải điện năng đi xa với điện áp và dòng điện hình sin tần số 50 [Hz]. Do đó giải các phương trình vi phân với dòng điện và điện áp hình sin. Điện áp và dòng điện hình sin được diễn tả bằng các số phức như sau: )t(j u )t(j i u i e.II)tsin(Ii e.UU)tsin(Uu j+w j+w =®j+w= =®j+w= & & Đạo hàm của I& và U& theo t ta có: Uj dt Ud && w= và Ij dt Id && w= thay vào (8.8) và (8.9): I.ZI).jxr(I.jLI.r dx Ud 00000 &&&& & =+=w+= (8.10) U.YU)jbg(U.jCU.g dx Id 00000 &&&& & =+=w+= (8.11) Đạo hàm bậc hai của I& và U& theo x được: UUY.Z dx IdZUd 20002 2 dx && && g=== (8.12) 170 IIZ.Y dx UdYId 20002 2 dx && && g=== (8.13) Trong đó: eg=a+b=++==g j000000 ej)jbg)(jxr(YZ được gọi là hệ số truyền sóng. Biến đổi thu được các phương trình vi phân cơ bản của đường dây tải điện xoay chiều ba pha: 0U dx Ud 2 2 2 =g- & & 0I dx Id 2 2 2 =g- & & Phương trình trêncó nghiệm tổng quát cho điện áp tại điểm x tính từ cuối đường dây là eKeK x.2x.1xU g-g += &&& (8.14) và lấy đạo hàm theo x được: x. 2 x. 1 x eKeK dx Ud g-g g-g= && & (8.15) Thay vào (8.10) được: )eKeK( Z IeKeKI.Z x.2 x. 1 0 x x. 2 x. 1x0 g-gg-g - g =®g-g= &&&&&& Do đó: )eKeK( Z 1)eKeK( )jxr( )jbg( )eKeK( )jxr( )jbg)(jxr( I x. 2 x. 1 S x. 2 x. 1 00 00 x. 2 x. 1 00 0000 x g-gg-g g-g -=- + + = - + ++ = &&&& &&& (8.16) Trong đó qÐ=== + + = q S j S 0 0 00 00 S ZeZY Z )jbg( )jxr( Z gọi là tổng trở sóng của đường dây dài, ZS chỉ phụ thuộc vào các thông số của đường dây. g và ZS là hai thông số đặc trưng của đường dây dài. Các biểu thức (8.14) và (8.16) cho phép xác định véc tơ điện áp và dòng điện ở mọi điểm trên đường dây tải điện. Các hằng số 1K& và 2K& được xác định theo các điều kiện biên cho trước. Giả thiết biết điện áp 2U& và dòng điện 2I& ở điểm cuối đường dây tải điện, nghĩa là với x = 0, điện áp và dòng điện tại điểm bất kỳ của đường dây là: S 21 2 212 Z KK I KKU && & &&& - = += ® )ZIU( 2 1K )ZIU( 2 1K S222 S221 &&& &&& -= += (8.17) Thay vào biểu thức hàm số xác định điện áp và dòng điện tại điểm x bất kỳ tính từ cuối đường dây là: 171 2 ZI 2 U . 2 ZIU . 2 ZIU U eeee eeeKeK x.x. S2 x.x. 2 x.S22x.S22x. 2 x. 1x g-gg-g g-gg-g - + + = - + + =+= && &&&& & && (8.18) 2Z U 2 I . 2 ZIU . 2 ZIU Z 1)eKeK( Z 1I eeee ee x.x. S 2 x.x. 2 x.S22x.S22 S x. 2 x. 1 S x g-gg-g g-gg-g - + + = ú û ù ê ë é - - + =-= & & &&&& &&& (8.19) Chuyển về dạng lượng giác hyperbol với các quan hệ 2 xsh ee x.x. g-g + =g và 2 xch ee x.x. g-g - =g Ta được: ï î ï í ì g+g= g+g= xsh Z U xchII xshZIxchUU S 2 2x S22x & && &&& (8.20) Nếu xác định giá trị điện áp 1U& và dòng điện 1I& ở đầu phát điện của đường dây tải điện, thay x bằng độ dài l của đường dây tải điện vào hệ phương trình (8.20). ï î ï í ì g+g= g+g= l & l&& l&l&& sh Z U chII shZIchUU S 2 21 S221 (8.21) Tính toán tương tự có thể xác định điện áp và dòng điện khi biết điện áp 1U& và dòng điện 1I& ở đầu dây tải điện, khoảng cách x lấy từ đầu đường dây: ï î ï í ì g-g= g-g= xsh Z U xchII xshZIxchUU S 1 1x S11x & && &&& (8.22) Khi đó điện áp 2U& và dòng điện 2I& ở cuối đường dây được xác định khi thay x bằng chiều dài l của đường dây vào hệ phương trình (8.22): ï î ï í ì g-g= g-g= l & l&& l&l&& sh Z U chII shZIchUU S 1 12 S112 (8.23) Các phương trình này sử dụng cho điện áp pha, khi cần tính điện áp dây cần phải nhân thêm 3 vào số hạng của các hàm điện áp. 8.3.3 Hệ phương trình sóng Các hằng số 21 K,K && và tổng trở sóng ZS đều là các số phức do đó có thể viết dưới dạng modul và argumen. 172 qjj =qÐ==jÐ==jÐ= jSSS j 2222 j 1111 eZZZ;eKKK;eKKK 21 && Do đó: ï î ï í ì -= += q-j+a-b-q-j+ab j+a-b-j+ab ee Z K ee Z K eeKee jjxjx S 2jixix S 1 x 2jxj x 2 jxjx 1x 21 1 I KU & & Từ các hàm phức trên đây, theo các quy tắc đã trình bày trong cơ sở lý thuyết mạch dễ dàng lập được các hàm thực của điện áp và dòng điện, đó là các hàm biến thiên theo t và độ dài đường dây x là j=j+w jIe)tsin(I do đó: ï î ï í ì qj+a-w-qj+a+w= j+a-w+j+a+w= b-b b-b )- x t (sin e Z K 2 )- x t (sin e Z K 2 i ) x t (sin eK 2 ) x t (sin eK 2 u 2 x S 2 1 x S 1 tx, 2 x 21 x 1tx, (8.24) 8.3.4 Sóng dòng điện và điện áp trên đường dây tải điện Khảo sát hàm ux,t, để đơn giản, giả thiết j1 = j2 = 0, như vậy hàm ux,t gồm hai thành phần chứa sin(wt + ax) và sin(wt - ax). Xét thành phần điện áp chứa sin(wt + ax) ký hiệu là: ut = 2 K1ebx sin(wt + ax) Tại một thời điểm bất kỳ (t = 0), điện áp ut phân bố theo dạng sóng hình sin trên chiều dài đường dây tải điện, có biên độ tăng dần theo chiều tăng của x, hình 8.3. Hình 8.3 Sự biến thiên của sóng điện áp thuận Sóng hình sin này có bước sóng, tức là độ dài giữa hai điểm của đường dây mà điện áp ut ở các điểm đó trùng pha với nhau ký hiệu là l, thì góc biến thiên al giữa hai điểm cách nhau một độ dài sóng là 2P, do đó a P =l 2 với a là hệ số biến đổi góc pha. Lấy thời gian tăng lên một lượng là Dt, ta nhận thấy sóng hình sin vẫn giữ nguyên dạng nhưng dịch chuyển về phía trái theo chiều giảm đi của x một góc là w.Dt (đường 2). Như vậy, sau thời gian Dt sóng dịch chuyển được một góc w.Dt, góc này nếu tính theo độ dài đường dây x sẽ là a.Dx, như vậy: w.Dt = a.Dx. Từ đây tốc độ truyền sóng v tính được là a w = D D = t xv ebx l/4 l/2 3l/4 0 P/4 P/2 3P/4 2 1 u(t) wDt = aDx x ax Đầu đường dây Cuối đường dây 173 Với giả thiết ban đầu là x = 0 ứng với điểm cuối của đường dây, chiều truyền năng lượng là từ đầu đến cuối đường dây. Vậy sóng áp ut dịch chuyển theo chiều truyền năng lượng, có biên độ giảm dần ta gọi là sóng tới hay là sóng thuận. Tương tự như trên, sóng áp có dạng up = 2 K1e-bx sin(wt - ax) là sóng chuyển dịch theo chiều tăng của x, cũng với tốc độ như sóng thuận, tức là chuyển dịch ngược với chiều truyền năng lượng ta gọi là sóng phản xạ hay là sóng ngược. Sóng ngược cũng có biên độ giảm dần theo chiều truyền sóng hình 8.4. Hình 8.4 Sự biến thiên của sóng điện áp ngược Điện áp trên mọi điểm của đường dây tải điện là tổng của sóng thuận và sóng ngược: ux,t = ut + up Từ khảo sát trên ta thấy, thành phần b của hệ số truyền sóng có tác dụng làm giảm biên độ sóng ta gọi là hệ số suy giảm. a nói lên tốc độ biến thiên góc pha của sóng dọc theo toạ độ x của đường dây gọi là hệ số pha. Các hệ số suy giảm và hệ số pha phụ thuộc vào các thông số của đường dây và tần số của dòng điện. Đối với dòng điện quá trình truyền sóng cũng tương tự. 8.4 CÔNG SUẤT TỰ NHIÊN CỦA ĐƯỜNG DÂY DÀI 8.4.1 Khái niệm chung Chế độ vận hành với công suất tự nhiên của đường dây dài xảy ra khi tổng trở của phụ tải ở cuối đường dây bằng tổng sóng ZS, tức là: S 2 2 pt ZZ I U == & & Từ (8.17) biến đổi có 0K UK 2 21 = = & && Do 0K 2 =& thành phần sóng phản xạ của dòng điện và điện áp bằng 0. Sóng áp và dòng chỉ còn các sóng thuận. Do đó: ebx l/4 l/2 3l/4 0 P/4 P/2 3P/4 2 1 u(t) wDt = aDx x ax Đầu đường dây Cuối đường dây 174 ï î ï í ì == == q-abg abg jx.jx S 2x. S 2 x x.jx. 2 x. 2x e.e Z U e Z U e.eUeUU I && &&& & Nhận thấy, góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở mọi điểm đều bằng góc q của tổng trở sóng, góc pha giữa điện áp ở đầu 1U& và ở cuối đường dây 2U& bằng al. Công suất phụ tải cuối đường dây có tổng trở thay thế bằng tổng trở sóng gọi là công suất tự nhiên, được xác định: tntn S 2 2p * S 2 2p* 22ptn jQP)sinj(cosZ U3 Z U.3 IU3S +=q+q=== & &&& (8.25) Trong (8.25) điện áp lấy giá trị pha, khi tính theo điện áp dây thì: tntn S 2 2 * S 2 2* 22tn jQP)sinj(cosZ U3 Z U.3 IU3S +=q+q=== & &&& 8.4.2 Đặc điểm của đường dây khi vận hành với công suất tự nhiên Do không có sóng phản xạ, chế độ vận hành với công suất tự nhiên có các đặc điểm sau đây: - Phân bố điện áp trên đường dây là bằng phẳng nhất: Độ chênh lệch điện áp giữa các điểm của đường dây chỉ phụ thuộc vào hệ số suy giảm b mà không phụ thuộc vào sự giao thoa giữa sóng ngược và sóng thuận như ở các chế độ làm việc khác. Đặc biệt đối với các đường dây không tổn thất có r0 = 0, g0 = 0, khi đó có: a+=w=ww=g j0j.j.j CLCL 00000 và C L C L 0 0 0 0 0.S j jZ = w w = Hệ số suy giảm b = 0, do đó độ lớn của điện áp là hằng số trên toàn bộ đường dây và chỉ có góc pha thay đổi vì x.j2x e.UU a= && . Tổng trở sóng ZS là số thực do đó: e Z U x.j 0.S 2 xI a= && và dòng điện cũng có biên độ không đổi và trùng pha với điện áp. Công suất tự nhiên chính là công suất thuần tác dụng 0.S 2 2 tntn Z U PS == . Trong tính toán có thể thau U2 bằng Udm do đó 0.S 2 dm tntn Z U PS == và được dùng làm đặc trưng cho khả năng tải của đường dây với U là điện áp pha. - Hiện tượng tự bù của đường dây: Khi Zpt = ZS sẽ xảy ra hiện tượng tự bù trên đường dây tải điện, khi đó không cần có dòng điện từ nguồn để sinh ra các trường. Ở chế độ này dòng điện và điện áp luôn là hằng số và trùng pha với nhau. Hiện tượng trên có thể giải thích bằng sự cân bằng năng lượng giữa từ trường và điện trường trên từng phần tử của đường dây. Để sinh ra điện trường cần có năng 175 lượng 20 UC2 1 và để sinh ra từ trường cần có năng lượng 20IL2 1 . Ta thấy năng lượng điện trường gần như không đổi vì điện áp U thay đổi ít, còn năng lượng từ trường phụ thuộc vào dòng điện phụ tải I. Ở trạng thái cân bằng có: ILUC 2020 2 1 2 1 = ® Z C L S 0 0 I U == Tỷ số I U chính là tổng trở của phụ tải ở cuối đường dây tải điện. Vậy sẽ xảy ra hiện tượng tự bù trên đường dây tải điện khi Zpt = ZS. Khi công suất truyền tải của đường dây nhỏ hơn công suất tự nhiên, do giá trị I nhỏ nên CSPK do điện dung của đường dây sinh ra lớn hơn tổn thất CSPK trên điện cảm. Do đó, có dòng điện dung đến nguồn làm cho điện áp cuối đường dây cao hơn ở đầu nguồn. Khi công suất tải cao hơn công suất tự nhiên, CSPK do đường dây sinh ra không đủ bù vào tổn thất CSPK trên đường dây, do đó có dòng điện cảm chạy từ nguồn vào đường dây làm điện áp trên đường dây thấp hơn so với điện áp đầu nguồn. - Hiệu suất tải điện cao nhất: Khi chế độ khác chế độ công suất tự nhiên, do có sóng ngược nên một phần năng lượng truyền đến phụ tải phản xạ ngược trở lại mà không đi vào phụ tải. Hơn nữa do có sóng ngược nên điện áp trên đường dây sẽ tăng cao kéo theo tổn thất vầng quang cũng tăng theo. Vậy, ở các chế độ khác công suất tự nhiên hiệu suất truyền tải sẽ kém hơn chế độ công suất tự nhiên. Do có các đặc tính tốt trên đây, đặc biệt là đặc tính san bằng điện áp, chế độ vận hành với công suất tự nhiên là chế độ rất thuận lợi và công suất tự nhiên được coi là thông số đặc trưng cho khả năng tải của đường dây dài như bảng 8.1 Bảng 8.1 Công suất tự nhiên của đường dây tải điện xác định gần đúng bảng sau: Điện áp định mức [kV] 60 110 220 400 500 650 750 1000 Tổng trở sóng [W] 380 300 400 290 290 280 280 270 Công suất tự nhiên [MW] 10 30 120 550 850 1380 2190 4000 Đường dây trên không Tổng trở sóng [W] 40 40 40 40 Công suất tự nhiên [MW] 100 300 1200 5500 Đường dây cáp 8.5 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CỦA ĐƯỜNG DÂY 8.5.1 Đường dây không tổn thất Đường dây không tổn thất có r0 = 0 và g0 = 0, tổng trở sóng có giá trị thực, hệ số suy giảm b = 0, chỉ tồn tại hệ số pha a. Thực tế không tồn tại đường dây không tổn thất, tuy nhiên ở các đường dây tải điện đi xa điện áp cao, sử dụng dây dẫn tiết diện lớn và cách điện hoàn hảo nên các giá trị của r0 và g0 nhỏ hơn nhiều so với x0 và b0, do đó có thể bỏ qua ảnh hưởng của r0 và g0. 8.5.1.1 Biểu thức xác định điện áp và dòng điện Ký hiệu các thông số ở cuối đường dây tải điện là U2, Q2, P và ở đầu đường dây tải điện là U1, Q1, P. Như vậy cần xác định U1, Q1, phân bố điện áp trên đường dây Ux, 176 góc d giữa U1 và U2. Do không tổn thất nên CSTD ở đầu và ở cuối đường dây nh nhau và ký hiệu là P. Do r0 = 0, g0 = 0, theo các quy tắc của lượng giác hyperbol có: î í ì a=a=g a=a=g xsinjxshjxsh xcosxchjxch 000 000 Do đó biểu thức dòng áp: ï î ï í ì a+a= a+a= xsin Z U jxcosII xsinZIjxcosUU 0 S 2 02x 0S202x & && &&& (8.26) Xét hàm điện áp xU& trong (8.26) biểu thức trên viết cho điện áp pha, trong thực tế thường tính theo điện áp dây, do đó cần nhân thêm 3 . Lấy véc tơ 2U& trùng với trục thực và vẫn giữ nguyên các ký hiệu sau đó giản ước có: xsinZI3jxcosUU 0S202x a+a= && Biểu diễn Ux theo P, Q2 và U2 ở cuối đường dây, giả thiết Q2 mang tính cảm (lấy +, nếu Q2 mang tính dung lấy -), CSPK từ nguồn vào hệ thống nhận điện có 2 22 2 * 2 2 U3 jQP U3 S I - == & & và tổng trở sóng ZS có thể biểu diễn theo công suất tự nhiên Ptn và điện áp định mức Udm là tn 2 dm 0.S P U Z = . Điện áp Ux trở thành: )xsinPjkxsinQ.kx(cosU xsin U U . P U . U3 jQP .3jxcosUU *2*2 02 02 2 2 2 tn 2 dm 2 2 02x 2 a+a+a= a - +a=& Đặt tn 2* 2 tn 2* 2 2 dm P P P, P Q Q, U U k === có: )xsinPjkxsinQ.kx(cosUU 0 * 2 2 0 * 2 2 02x a+a+a=& Khi U2=Udm thì k = 1 khi đó điện áp trên mọi điểm của đường dây được xác định: )xsinjPxsinQx(cosUU 0 * 20 * 202x a+a+a=& Điện áp ở đầu đường dây được xác định khi thay x = l có: )sinjPsinQ(cosUU 0 * 20 * 2021 lll & a+a+a= (8.27) Trong đó l là độ dài đường dây tính bằng [km]. Dẫn xuất tương tự ta có dòng điện trên đường dây: )]xcosQkx(sinjxcosPk[ Z3 U I 0 * 2 2 00 * 2 2 S 2 x a-a+a=& (8.28) Khi U2=Udm thì k=1 khi đó dòng điện trên mọi điểm của đường dây xác định: 177 )]xcosQx(sinjxcosP[ Z3 U I 0 * 200 * 2 S 2 x a-a+a=& )]cosQ(sinjcosP[ Z3 U I 0 * 200 * 2 S 2 1 lll & a-a+a= (8.29) Hình 8.5 Giản đồ véc tơ điện áp Từ biểu thức xác định 1U& và hình 8.5, xác định góc lệch pha giữa 1U& và 2U& là: ú û ù ê ë é a+a a =d ll l 0 * 20 0 * 2 sinQcos sinP artg Tỷ số tuyệt đối giữa điện áp đầu và cuối đường dây được gọi là hệ số sụt áp: 2 0 * 2 2 0 * 20 2 1 )sinP()sinQ(cos U U k lll & a+a+a== Đặc biệt khi đường dây không tải 0Q,0P 22 == nên l& 021 cosUU a= Khi đó thấy rằng cosal £ 1 do đó U1 £ U2, điện áp cuối đường dây có thể lớn hơn điện áp cho phép. Vì vậy hệ số sụt áp có ý nghĩa quan trọng trong vận hành đường dây dài. Thực tế kU vào khoảng (0,8¸1,2). Khi đó, tổn thất điện áp được xác định: DU = (kU - 1).100 [%]. Trường hợp biết trước U1, Q1, P cần tính U2, Q2 biến đổi tương tự với vectơ 1U& trùng với trục thực ta được: ï î ï í ì a+a-a= a-a-a= )]xcosQx(sinjxcosP[ Z3 U I )xsinjPxsinQx(cosUU 0 * 100 * 1 S 1 x 0 * 10 * 101x & & (8.30) Thay x = l ta sẽ được dòng điện và điện áp tại cuối đường dây là: ï î ï í ì a+a-a= a-a-a= )]cosQ(sinjcosP[ Z3 U I )sinjPsinQ(cosUU 0 * 100 * 1 S 1 2 0 * 10 * 1012 lll& lll& (8.31) 8.5.1.2 Biểu thức xác định công suất Công suất ở điểm đầu của đường dây *111 I.U3S &&& = và công suất ở cuối của đường dây 2S& là * 222 I.U3S &&& = 2U& 1U& U2cosa0l U2Q*2sina0l jU2P*2sina0 l d 178 8.5.1.3 Khảo sát sự biến đổi điện áp dọc đường dây dài Biểu thức xác định điện áp là: )xsinjPxsinQx(cosUU 0 * 20 * 202x a+a+a=& Xét sự biến thiên của điện áp trên độ dài bước sóng là 6000 [km] trong các trường hợp sau: a) Khi không tải CSPK, Q*2 = 0 Nghĩa là phụ tải không yêu cầu CSPK, đường dây không tải CSPK khi đó )xsinjPx(cosUU 0 * 202x a+a=& - Khi CSTD bằng công suất tự nhiên P2 = Ptn có: )xsinjx(cosUU 002x a+a=& Nếu a0x biến thiên (0¸360)0 tương ứng với x biến thiên từ (0¸6000)km (đường dây trên không), đầu mút vectơ xU& vẽ nên đường tròn có bán kính U2 (đường 1 hình 8.6). Điện áp không thay đổi theo độ dài đường dây tải điện mà chỉ thay đổi góc pha. Hình 8.6 Biến thiên điện áp dọc đường dây - Khi công suất truyền tải khác công suất tự nhiên P*2 ¹1, véc tơ xU& sẽ vẽ nên các đường elíp: + Nếu P*2 > 1, công suất truyền tải lớn hơn công suất tự nhiên, trục chính cửa elíp sẽ nằm dọc (đường 2). Điện áp ở độ dài 3000 [km] và 6000 [km] luôn bằng điện áp ở đầu đường dây tải điện. Điện áp ở 3000 [km] thì lệch pha với điện áp ở đầu đường dây một góc 1800, còn điện áp ở 6000 [km] thì trùng pha với điện áp ở đầu đường dây. Điện áp ở các độ dài khác đều bị tăng lên. + Nếu P*2 < 1, công suất tải nhỏ hơn công suất tự nhiên, trục chính của elíp nằm ngang (đường 3), lúc này điện áp ở các độ dài đường dây khác 3000 [km] và 6000 [km] đều giảm đi so với điện áp U2. Vậy, khi công suất phụ tải khác công suất tự nhiên điện áp phân bố không đều dọc đường dây tải điện. b) Khi tải CSPK, Q*2 ¹ 0 Khi Q*2 ¹ 0, đầu mút véc tơ điện áp cũng vẽ nên các elíp nhưng các trục chính của chúng không trùng với trường hợp Q*2 = 0 (hình 8.6). Khi Q*2 > 0 trục chính của elíp nghiêng với trục thực một góc trong khoảng (0¸90)0 (đường 1 hình 8.7), khi Q*2 < 0 trục chính của elíp nghiêng với trục thực một góc khoảng (90¸180)0 (đường 2). P*>1 P*<1 P*=1 900 (1500 km) 3 2 2700 (4500 km) 3600 (6000 km) 1800 (3000 km) 00 U2 1 179 Hình 8.7 Đồ thị vectơ điện áp khi *2Q ¹ 0 Sự có mặt của Q2 là tăng thêm độ không đều của điện áp, ngay cả khi CSTD bằng công suất tự nhiên, tuy nhiên khi đó độ không đều của điện áp là nhỏ nhất. Việc tải CSPK trên đường dây dài còn bất lợi ở chỗ gây ra tổn thất điện năng trên đường dây. Vì vậy, để tránh tổn thất đó cosj trên đường dây dài đòi hỏi rất cao, khoảng (0,95¸1), nghĩa là sẽ bù CSPK nhờ thiết bị bù đặt tại các hộ tiêu thụ. 8.5.2 Đường dây có tổn thất 8.5.2.1 Phân bố điện áp khi bỏ qua G và B Thực tế đường dây dài có tỷ số giữa điện trở và điện kháng rất nhỏ (dưới 1/10) còn điện dẫn tác dụng rất nhỏ có thể bỏ qua (g0 = 0) mà không gây ảnh hưởng gì đáng kể đến phân bố điện áp trên đường dây tải điện. Thông số của đường dây được xác định: 0 0 S 0 0 0 0 0 00 S x r j1 x r j1 b x jb jxr Z Z -=÷÷ ø ö çç è æ -= + = 0 0 0 0 00 2 000 x r j1j x r j1bxjb).jxr( j -a=÷÷ ø ö çç è æ -=+=g Đại lượng 0 0 x r j1 - có thể phân thành chuỗi, chuỗi này hội tụ khi -1 0 0 x r <1. Do tỷ số 0 0 x r nhỏ nên ta chỉ lấy số hạng đầu của chỗi này, do đó ÷÷ ø ö çç è æ -»- 0 0 0 0 x.2 r j1 x r j1 ÷÷ ø ö çç è æ -=÷÷ ø ö çç è æ -= 0 0 0.S 0 0 0 0 S x.2 r j1 x.2 r j1. b x Z Z 000 0 0 0 0 00 jjx.2 r x.2 r j1.bxj a+b=a+a=÷÷ ø ö çç è æ -=g 900 (1500 km) 2 2700 (4500 km) 3600 (6000 km) 1800 (3000 km) x = 0 1 180 Trong đó: ZS.0 và a0 là tổng trở sóng và hệ số thay đổi pha khi đường dây không tiêu tán. Thay Z và g vào các hàm lượng giác Hyperbol ta có thể thực hiện các phép biến đổi gần đúng: xshj.x x.2 r shxchj.x x.2 r ch xjx x.2 r chxch 00 0 0 00 0 0 00 0 0 a÷÷ ø ö çç è æ a+a÷÷ ø ö çç è æ a= ÷÷ ø ö çç è æ a+a=g Với chjax = cosax, shjax = jsinax, tỷ số 0 0 x r rất nhỏ nên 1x x2 r ch 0 0 0 »÷÷ ø ö çç è æ a và x x2 r x x2 r sh 0 0 0 0 0 0 a»÷÷ ø ö çç è æ a . Vì vậy: xsin.x x.2 r jxcosxch 00 0 0 0 aa+a»g Tương tự: xsinjxcos.x x.2 r xjx x.2 r shxsh 000 0 0 00 0 0 a+aa»÷÷ ø ö çç è æ a+a=g Thay vào biểu thức tính điện áp, dòng điện và biến đổi về điện áp dây được: Các biểu thức này có thể biến đổi về dạng phụ thuộc vào công suất ở cuối đường dây khi biết điện áp 2U& là: ú û ù ê ë é a+aa-a+aa+ ú û ù ê ë é a+a+aa+a= * 2 0 0 0000 * 200 0 0 2 0 * 2 * 2 0 0 00002x Q x.2 r )xsinxcosx(xsinPxsinx x.2 r Uj xsinQP x.2 r )xsinxcos.x(xcosUU & && (8.32) Trong biểu thức trên *2 * 2 P ,Q là tỷ số giữa CSPK và CSTD với công suất cơ sở c 2 2 cs Z U P = . Vẽ đồ thị vectơ của Ux ta được hình xoắn ốc như hình 8.7. Hình 8.8 Biến thiên của điện áp trên đường dây 8.5.2.2 Phân bố điện áp trên đường dây có R ¹ 0 và G ¹ 0 Trong trường hợp này phải biến đổi chgx và shgx thành chuỗi: 1500 km 4500 km 6000 km 3000 km +1 +j 500 km 181 ( ) ( ) ( ) ( ) ... 120 x 6 xxxsh ... 24 x 2 x1xch 53 42 g + g +g=g g + g +=g Cũng có: g === 0 00 0 0 0 S Z YZ Z Y Z Z ® g == Y YZ Y Z Y Z 0 00 0 0 0 S 1 Thay các kết quả trên vào biểu thức tính điện áp và dòng điện nhận được hệ phương trình đường dây dài dưới dạng chuỗi, có thể tính toán dễ dàng: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ï ï þ ï ï ý ü ú û ù ê ë é +=++ú û ù ê ë é +++= ú û ù ê ë é +++ê ë é +ú û ù +++= gggg gggg KK KK & && &&& 1206 1x 3242 1 1206 1x3 242 1 xx YU xx II xx ZI xx UU 42 0 2 42 2x 22 02 4 2x (8.33) Trong đó: 0Z = r0 + jx0; 0Y = g0 + jb0; a+b==g jYZ 00 )bg)(xr( 2 1)gbxr( 2 1 2 0 2 0 2 0 2 00000 +++-=b )bg)(xr( 2 1)grxb( 2 1 2 0 2 0 2 0 2 00000 +++-=a 8.6 TÍNH CHẾ ĐỘ ĐẶC BIỆT CỦA ĐƯỜNG DÂY DÀI 8.6.1 Khái niệm chung Đường dây dài làm việc với những chế độ không phải là chế độ làm việc bình thường cũng không phải là chế độ sự cố, chế độ đó gọi là các chế độ đặc biệt. Các chế độ này có thể là chế độ xác lập hoặc quá độ, xảy ra trên đường dây ở trạng thái tốt nhưng có thể gây nguy hại đến HTĐ cần phải có các biện pháp ngăn chặn. Các chế độ đặc biệt gồm: - Chế độ đường dây dài làm việc không tải, lúc này đường dây trở thành nguồn CSPK lớn. Dòng công suất điện dung lớn làm cho phân bố điện áp trên đường dây không đều, làm quá tải các máy phát điện, gây khó khăn cho việc điều chỉnh điện áp ở phụ tải, có thể gây tự kích thích máy phát điện, làm mất ổn định các máy phát làm việc song song với đường dây... Khi không tải, hiện tượng hồ quang lặp lại trong máy cắt điện khi thao tác, ngắn mạch không đối xứng sẽ gây quá điện áp lớn. - Chế độ tự dao động tăng dần, chế độ không đồng bộ và hoà đồng bộ, chế độ không đối xứng… 182 8.6.2 Chế độ không tải xác lập Chế độ này xảy ra khi đóng điện áp để kiểm tra cách điện, trước khi hoà đồng bộ và kiểm tra tự đồng bộ các đường dây tải điện đi xa. Công suất điện dung do đường dây phát ra rất lớn làm tăng cao điện áp ở cuối đường dây hở mạch, trên cực của phụ tải dẫn đến làm hỏng cách điện, gây khó khăn cho hoà đồng bộ và điều chỉnh điện áp ở phụ tải. Công suất điện dung này còn gây quá tải máy phát điện. Để khắc phục các hiện tượng trên cần phải đặt kháng điện hoặc máy bù đồng bộ làm việc ở chế độ thiếu kích thích, cũng có thể đặt bù dọc bằng tụ điện tĩnh. 8.6.2.1 Tính toán công suất trên đường dây Khi coi điện áp trên toàn bộ đường dây là không đổi và bằng giá trị định mức, CSPK do đường dây sinh ra có thể tra trong các bảng tra hoặc xác định gần đúng theo biểu thức sau: l.b.UQ 0 2 dmC = Đối với điện áp (330¸750)kV có biểu thức gần đúng: x0.b0 = 1,15.106. Vì 0 00 S 0 0 S b bx Z b x Z =®= nên S 3 S 6 S 00 0 Z 10.07,1 Z 10.15,1 Z bx b -- === Do đó: l. Z 10.07,1.UQ S 3 2 dmc - = Do S 2 dm tn Z U P = nên tn 3 c P..10.07,1Q l -= Lượng CSPK trên đây sẽ bù một phần vào tổn thất CSPK trên đường dây, phần còn thừa là: l.xQQ - Q Q 0 dm 2 ccth U S ÷÷ ø ö çç è æ -=D= Ta có: 0 0 S b x Z = nên 00 0 S bx x Z = do đó S 3 0 Z.10.07,1x -= Công suất thừa là: ll ll ll .P. P S1,07.10 -.P1,07.10 .1,07.10 U Z .P. P S-.P1,07.10 ..Z1,07.10 . U -.P1,07.10 Q tn 2 tn 3- tn 3- 3- 2 dm S2 tn 2 tn tn 3- S 3- 2 dm 2 tn 3- th S ÷÷ ø ö çç è æ = ÷÷ ø ö çç è æ = = Đặt * tn P P S = do đó: )P1(Q)P1(.P1,07.10 .P.P.1,07.10 -.P1,07.10 Q 2* c 2* tn 3- tn 2*3- tn 3- th -=-= = l ll (8.34) Từ biểu thức (8.34) thấy rằng, nếu P* < 1 (P* = (0,4¸0,5) thì công suất thừa sẽ là Qth = (0,85¸0,75)Qc) điện áp ở cuối đường dây sẽ tăng cao đòi hòi phải đặt thiết bị bù 183 để tiêu thụ lượng công suất này trên đường dây. Có thể dùng các thiết bị bù đồng bộ hoặc kháng bù ngang. Nếu P* > 1 khi đó điện áp cuối đường dây giảm thấp vì vậy phải giảm CSPK chạy từ nguồn vào đường dây bằng máy bù đồng bộ hoặc bù tụ điện bù dọc để giảm thông số của đường dây. 8.6.2.2 Tính toán điện áp tăng cao cuối đường dây Ở chế độ không tải 0I 2 =& , do đó có 201 U.cosU &l& a= Với điện áp từ (330¸750)kV thì: ]km/[061,0]km/rad[10.07,1bx 03000 =»=a - (vì 3,14 rad = 1800 nên 1 rad = 570) Do đó: 21 U)..061,0cos(U &l& = (8.35) Hệ số sụt áp trên đường dây: ( )ll& & .061,0cos 1 cos 1 U 01 2U = a = Từ biểu thức trên thấy rằng, điện áp ở cuối đường dây hở mạch luôn cao hơn điện áp ở đầu đường dây. Độ tăng cao phụ thuộc vào độ dài đường dây. Độ tăng cao điện áp ở bất kỳ điểm nào trên đường dây được xác định theo biểu thức: ( ) l l 0 0 1 x cos xcos U U a -a = với x = 0,1,.., l (8.36) Theo (8.35) hoặc (8.36) có thể tính được: +) l = 500 [km], U2 = 1,16 U1. +) l = 700 [km], U2 = 1,36 U1. +) l = 1000 [km], U2 = 2,06 U1. +) l = 1200 [km], U2 = 3,46 U1. Trong khi đó khi quy trình chỉ cho phép U1, U2 £ 1,1. Udm. Để khắc phục hiện tượng điện áp tăng cao có thể đặt các thiết bị bù đồng bộ hoặc kháng điện bù ngang để giảm CSPK thừa hoặc bù dọc bằng tụ điện tĩnh để giảm điện kháng trên đường dây dẫn đến giảm a. 8.6.2.3 Tính toán quá tải máy phát điện Khi đường dây làm việc không tải Qth rất lớn gây tổn thất CSTD rất lớn trên đường dây và máy biến áp do dòng điện dung gây ra và tổn thất vầng quang. Vì vậy máy phát có thể bị quá tải. Công suất điện dung của đường dây có thể tính gần đúng theo biểu thức l. Z 10.07,1.UQ S 3 2 dmc - = hoặc bằng biểu thức l0 S 2 1 c tg. U Q Z a-= . Đã có l l l 0 0 0 cos sin tg a a =a và l021 cosUU a= 184 Do đó: l l ll 0 S 2 2 0 0 S 0 22 2 c 2sinZ2 U cos sin . )(cos.U Q Z a-= a aa -= Công suất điện dung máy phát phải chịu là: QF.c = Qc - DQB Trong đó: DQB là tổn thất CSPK trong MBA tăng áp. Dòng điện chạy trong stator của máy phát là: F c.F F U3 I Q= (8.37) Trong đó: UF = (U1 - DUB).kB là điện áp trên cực máy phát, kB là hệ số biến áp. Để khắc phục trường hợp quá tải máy phát điện phải đặt các máy bù đồng bộ, kháng điện bù ngang hoặc bù dọc bằng tụ điện tĩnh. 8.6.3 Tự kích thích các máy phát điện mang tải điện dung Đó là chế độ của máy phát điện, mà khi đó trên các cực máy phát hoặc trên đường dây xác lập một điện áp không tương ứng với dòng điện kích thích của máy phát, độ lớn của chúng ở một số điểm vượt quá trị số cho phép, gây nguy hiểm cho cách điện của đường dây hoặc máy biến áp. Trong qúa trình tự kích thích điện áp và dòng điện có thể tăng lên không chu kỳ hoặc chu kỳ. Tự kích thích không chu kỳ rất nguy hiểm đối với HTĐ vì biên độ dòng và áp tăng lên nhanh đến mức các thiết bị tự động điều chỉnh kích thích không đáp ứng kịp. Khi đóng máy phát điện vào đường dây không tải có thể xảy ra tự kích thích vì lúc này tổng trở đẳng trị của đường dây mang tính dung, dòng điện chạy trong máy phát vượt trước véc tơ sức điện động của máy phát. Trong một số điều kiện nhất định dòng điện này sẽ gây ra kích từ cùng chiều với dòng điện kích từ trong rotor, do đó làm cho điện áp tự động tăng lên gây ra hiện tượng tự kích từ. Máy bù đồng bộ, động cơ không đồng bộ đều có thể tự kích thích. Để hạn chế hiện tượng tự kích thích có thể dùng kháng điện bù ngang trên đường dây không tải. 8.7 KHẢ NĂNG TẢI CỦA ĐƯỜNG DÂY DÀI 8.7.1 Khái niệm chung Khả năng tải là công suất lớn nhất có thể tải được trên đường dây tải điện sau khi đã tính đến các yếu tố giới hạn. Chế độ vận hành với công suất tự nhiên là chế độ vận hành thuận lợi nhất cho nên trong nhiều trường hợp công suất tự nhiên được xem là khả năng tải của đường dây tải điện đi xa. Khả năng tải của đường dây được giới hạn bởi điều kiện ổn định tĩnh, tương ứng với góc lệch pha giữa điện áp tại 2 đầu đường dây là d. Xét đường dây không tổn thất, từ hình 8.5 xác định được góc d giới hạn theo biểu thức: 1 0 * 2 U sinP.U sin la =d Trong đó: 2 2 0.S 0.S 2 2tn * U Z.P )Z/U( P P PP === 185 Do đó: d=d a ===® a =d sinPsin sinZ UU PPP UU sinZ.P.U sin gh 00.S 21 21 1 2 2 00.S2 l l Nếu U2 = Uđm, U1 = aUU2 thì l00.S 21 gh sinZ UU P a = ® l00.S 2 dmU gh sinZ Ua P a = (8.38) Quan hệ giữa công suất giới hạn và chiều dài đường dây trên hình 8.9, cho thấy: - Khi đường dây không tổn thất công suất giới hạn luôn lớn hơn hoặc bằng công suất tự nhiên (nét liền), khi kể đến tổn thất thì có thể có trường hợp nhỏ hơn (nét đứt). Hình 8.9 Công suất tải điện phụ thuộc chiều dài đường dây - Đường dây ngắn khoảng (200¸300)km hoặc rất dài ngoài 2000 [km] thì công suất giới hạn rất cao, đặc biệt khi l = 0 hoặc l = 3000 [km] dẫn đến a0l = 1800, sina0l = 0 nên Pgh = ¥. - Đường dây dài khoảng (1000¸1700)km có công suất giới hạn rất thấp, đặc biệt khi l = 1500 hoặc l = 4500 [km] dẫn đến a0l = 900, sina0l = 1 nên Pgh thấp nhất. 8.7.2 Các phương pháp nâng cao khả năng tải của đường dây Từ phân tích trên, thấy rằng để nâng cao khả năng tải của đường dây có thể thực hiện các biện pháp sau: - Sử dụng thiết bị tự động điều chỉnh kích từ tác động mạnh để điều chỉnh điện áp, dẫn đến thay đổi khả năng tải. - Dùng các biện pháp bù để rút ngắn hoặc kéo dài nhân tạo chiều dài đường dây, tức là tác động vào thành phần a0. + Bù giảm a0 dẫn đến phải bù giảm điện kháng trên đường dây bằng tụ điện bù dọc và giảm điện dẫn trên đường dây bằng kháng điện bù ngang. Để không làm thay đổi ZS.0 cần giảm x0 và giảm b0 cùng một hệ số. Pgh l [km] 3000 6000 Ptn 1500 4500 a0l [0] 900 1800 2700 3600 186 + Bù tăng a0 dẫn đến phải bù tăng điện kháng trên đường dây bằng kháng điện bù dọc và tăng điện dẫn trên đường dây bằng tụ điện bù ngang, thực tế ít dùng phương pháp này. Để không làm thay đổi ZS.0 cần tăng x0 và tăng b0 cùng một hệ số. - Giảm tổng trở sóng ZS.0. Để không làm thay đổi a0 cần giảm x0 và tăng b0 cùng một hệ số, bằng cách đặt tụ điện bù dọc và tụ điện bù ngang hoặc đặt máy bù đồng bộ, máy bù tĩnh SVC. Vậy, khi đặt tụ điện bù dọc và kháng điện bù ngang vừa giảm được a0 đồng thời giảm được tổng trở sóng ZS.0, nên hiệu quả bù nâng cao khả năng tải của đường dây rất cao. Hiện nay, phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi, đường dây 500 [kV] Bắc Nam của Việt Nam cũng sử dụng phương pháp này với hệ số bù ngang là kb.N = 70% và kb.D = 60%. 8.8 BÙ TRÊN ĐƯỜNG DÂY DÀI 8.8.1 Khái niệm chung - Tụ điện hay kháng điện được nối như phụ tải tại một hay nhiều điểm trên đường dây gọi là bù ngang, bù song song hay bù CSPK. Tụ điện phát thêm CSPK vào đường dây hay kháng điện tiêu thụ CSPK trên đường dây. - Tụ điện hay kháng điện được nối nối tiếp như phụ tải tại một hay nhiều điểm trên đường dây gọi là bù dọc hay bù thông số đường dây. Tụ điện có tác dụng làm giảm tổng trở trên đường dây, kháng điện có tác dụng làm tăng tổng trở trên đường dây. - Máy bù đồng bộ được nối như phụ tải tại một hay nhiều điểm trên đường dây có tác dụng phát CSPK mang tính dung hoặc tính cảm phụ thuộc vào dòng điện kích từ. - Máy bù tĩnh SVC được nối như phụ tải tại một hay nhiều điểm trên đường dây có tác dụng phát CSPK mang tính dung hoặc tính cảm phụ thuộc tín hiệu điều chỉnh. 8.8.2 Phương thức vận hành thiết bị bù - Thiết bị bù được thiết kế làm việc chung cho mọi chế độ, nghĩa là các thiết bị bù được đặt cứng một lần và tính toán sao cho thoả mãn mọi chế độ vận hành, khi vận hành không phải điều chỉnh thiết bị bù. - Thiết bị bù được thiết kế cho làm việc theo từng chế độ, nghĩa là các thiết bị bù có thể điều chỉnh theo từng chế độ vận hành. Có thể điều chỉnh thiết bị bù theo các phương pháp sau: + Đóng cắt toàn bộ bằng tay hoặc từ xa. + Đóng cắt từng phần, điều chỉnh hữu cấp bằng tay hoặc tự động. + Điều chỉnh vô cấp. 8.8.3 Tính toán thiết bị bù trên đường dây dài 8.8.3.1 Sơ đồ bù ngang bằng kháng điện a) Đặc điểm - Điều chỉnh điện áp trên đường dây, đặc biệt trong chế độ hở mạch (không tải). - Điều chỉnh giảm dòng CSPK. 187 - Đảm bảo điều kiện làm việc khi hoà đồng bộ máy phát phía nguồn. - Điều chỉnh tránh hiện tượng quá tải máy phát. - Điều chỉnh tránh hiện tượng tự kích thích máy phát. - Điều chỉnh nâng cao khả năng tải của đường dây tải điện đi xa. - Kháng điện có thể đấu trực tiếp hay qua máy biến áp hạ áp. - Kháng điện thường sử dụng phương thức nối cứng hoặc điều chỉnh hữu cấp. b) Tính dung lượng của kháng điện bù ngang trong chế độ không tải của đường dây tải điện đi xa. Xét trường hợp bù ngang bằng kháng điện đặt ở cuối đường dây hình 8.10a. Hình 8.10 Sơ đồ bù trên đường dây Khi đường dây không tải thì 0I2 =& có: lll .cos.U.sin.Z.I.cos.UU 0200S2021 a=a+a= Tuy nhiên, khi sử dụng bù bằng Kháng điện như hình 8.10 thì sẽ có dòng qua cuộn kháng do đó: ll .sin.Z.Y.U.cos.UU 00SK2021 a+a= Kháng điện lựa chọn theo điều kiện giữ điện áp ở cuối đường dây nằm trong phạm vi cho phép, U2 £ [U] = aU.Udm. Trong đó aU là % độ lệch điện áp cho phép. Do đó: l l&& ll&ll&& 00.S 0dmU1 K 00.SK0dmU00.SK021 sinZ cos)]Ua/(U[Y )sinZY(cosUa)sinZY(cosUU a a-=® a+a=a+a= (8.39) Từ phương trình trên có điện kháng cần bù là: KK KK Y 1j jY 1jXZ = - == (8.40) Do đó CSPK cần bù là K 2 dm K X U Q = .Trong đó: U-[kV], XK - [W] thì QK - [MVAr]. * Chú ý: Nếu kháng điện đặt ở chỗ bất kỳ thì ta sẽ có sơ đồ ghép ba gồm hai đoạn đường dây hai bên và kháng điện ở giữa. 8.8.3.2 Sơ đồ bù dọc bằng tụ điện a) Đặc điểm. - Điều chỉnh điện áp đường dây có phụ tải lớn hoặc khi không tải. - Điều chỉnh nhằm giảm nguy cơ quá tải máy phát điện khi đường dây không tải. - Điều chỉnh nâng cao khả năng tải của đường dây. - Tụ điện thường sử dụng phương thức nối cứng hoặc điều chỉnh hữu cấp. 1U& 2U& XK a) 1U& 2U& XC b) 188 b) Tính dung lượng của tụ điện bù dọc trong chế độ không tải của đường dây tải điện đi xa. Xét trường hợp đường dây đặt tụ bù dọc với dung kháng Xc ở giữa đường dây, sơ đồ ghép nối giữa hai phần đường dây và điện kháng Xc như hình 8.10b. Tương tự như xét với kháng điện, có: [ ] l l&& ll&& 0 0dmU1 0.SC 0 C 0dmU1 sin cos)Ua/(U Z.2X )]sin( X [cosUaU a a- =® a+a= (8.41) Do đó CSPK cần bù là: C 2 dm C X U Q = (8.42) Trong đó: U - [kV], XK - [W] thì QK - [MVAr] * Chú ý: Nếu tụ điện đặt ở chỗ bất kỳ thì ta sẽ có sơ đồ ghép ba gồm hai đoạn đường dây hai bên và kháng điện ở giữa. 8.8.3.3 Sơ đồ bù ngang bằng tụ điện - Tụ điện bù ngang phát CSPK vào lưới để duy trì điện áp cần thiết và giảm tổn thất công suất khi đường dây mang tải lớn. Khi đó tổn thất CSPK lớn nên CSPK đường dây sinh ra không đủ cung cấp cho phụ tải dẫn đến điện áp cuối đường dây giảm thấp. - Có khả năng điều chỉnh kéo dài nhân tạo đường dây nhưng trong thực tế với đường dây cao áp và siêu cao áp không dùng tụ điện bù ngang để điều chỉnh kéo dài đường dây và phát CSPK. Nếu cần điều chỉnh dòng CSPK sử dụng máy bù tĩnh SVC. 8.8.3.4 Sơ đồ bù dọc bằng kháng điện - Điều chỉnh điện áp trên đường dây trong chế độ có tải. - Điều chỉnh nâng cao khả năng tải của đường dây dài bằng cách tăng nhân tạo chiều dài đường dây. - Kháng điện thường sử dụng phương thức nối cứng hoặc điều chỉnh hữu cấp. Thực tế, với đường dây cao áp và siêu cao áp không dùng kháng điện bù dọc để điều chỉnh điện áp và nâng cao khả năng tải của đường dây. 8.8.3.5 Sơ đồ kết hợp bù dọc bằng tụ điện và bù ngang bằng kháng điện a) Đặc điểm. - Điều chỉnh nâng cao khả năng tải của đường dây bằng cách giảm nhân tạo chiều dài đường dây. - Điều chỉnh giảm dòng CSPK khi nối tắt tụ điện. - Điều chỉnh điện áp bằng phương pháp thay đổi thông số đường dây khi hở mạch kháng điện. - Đảm bảo điều kiện làm việc khi hoà đồng bộ máy phát phía nguồn khi nối tắt tụ điện. - Điều chỉnh tránh hiện tượng quá tải máy phát khi nối tắt tụ điện. 189 - Điều chỉnh tránh hiện tượng tự kích thích máy phát khi nối tắt tụ điện. - Kháng điện có thể đấu trực tiếp hay qua máy biến áp hạ áp. - Tụ điện thường sử dụng phương thức nối cứng hoặc điều chỉnh hữu cấp. b) Tính dung lượng của kháng điện và tụ điện khi điều chỉnh nâng cao khả năng tải. Sơ đồ nối thiết bị bù như hình 8.11, dùng phương pháp giảm nhân tạo chiều dài đường dây, a0l. Hình 8.11 Sơ đồ bù hỗn hợp Giả thiết công suất giới hạn của đường dây là Pgh cần điều chỉnh nâng cao khả năng tải của đường dây là Pgh.yc. Đã có l00.S 2 dmU gh sinZ Ua P a = và khi chưa đặt thiết bị bù: 2 gh0.S 2 dmU LL gh0.S 2 dmU LL gh0.S 2 dmU 0 gh0.S 2 dmU 0 PZ Ua sinarBX PZ Ua sinarBX PZ Ua sinar PZ Ua sin ú ú û ù ê ê ë é ÷ ÷ ø ö ç ç è æ =®÷ ÷ ø ö ç ç è æ =® ÷ ÷ ø ö ç ç è æ =a®=a ll Khi có thiết bị bù: 2 yc.gh0.S 2 dmU KLTL PZ Ua sinar)YB).(XX( ú ú û ù ê ê ë é ÷ ÷ ø ö ç ç è æ =-- Đặt L K L T b B Y X X k == do đó: l0 yc.gh0.S 2 dmU LL yc.gh0.S 2 dmU b 2 yc.gh0.S 2 dmU2 bLL PZ Ua sinar BX PZ Ua sinar k1 PZ Ua sinar)k1(BX a ÷ ÷ ø ö ç ç è æ = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ =-® ú ú û ù ê ê ë é ÷ ÷ ø ö ç ç è æ =- ® l0 yc.gh0.S 2 dmU b PZ Ua sinar 1k a ÷ ÷ ø ö ç ç è æ -= (8.43) Vậy, khi xác định được kb dung lượng của kháng điện và tụ điện là: 1U& 2U& XC XC XK XK L, ZS 190 Lb K Bk 1X = (8.44) LbT X.kX = (8.45) 8.8.3.6 Sơ đồ kết hợp bù dọc và ngang bằng tụ điện a) Đặc điểm - Điều chỉnh nâng cao khả năng tải của đường dây bằng cách giảm tổng trở sóng. - Điều chỉnh giảm dòng CSPK trong chế độ tải lớn. - Điều chỉnh điện áp bằng phương pháp thay đổi thông số đường dây. - Tụ điện thường sử dụng phương thức nối cứng hoặc điều chỉnh hữu cấp. Thực tế, trong lưới điện cao và siêu cao áp sơ đồ này ít dùng. b) Tính dung lượng của tụ điện khi điều chỉnh nâng cao khả năng tải. Sơ đồ nối thiết bị bù như hình 8.12, dùng phương pháp giảm tổng trở sóng đường dây, ZS.0. Hình 8.12 Sơ đồ bù hỗn hợp bằng tụ điện Giả thiết công suất giới hạn của đường dây là Pgh cần điều chỉnh nâng cao khả năng tải của đường dây là Pgh.yc. Khi chưa đặt thiết bị bù: 2 0gh 2 dmU L L 0gh 2 dmU L L 0 0 0gh 2 dmU 0.S sinP Ua B X sinP Ua B X b x sinP Ua Z ÷ ÷ ø ö ç ç è æ a =® a ==® a = l ll Khi có thiết bị bù: 2 0yc.gh 2 dmU N.TL D.TL sinP Ua YB XX ÷ ÷ ø ö ç ç è æ a = + - l Đặt: L N.T L D.T b B Y X X k == Thay vào phương trình trên: 2 0yc.gh 2 dmU LbL LbL sinP Ua BkB XkX ÷ ÷ ø ö ç ç è æ a = + - l 1U& 2U& XCD XCD L, ZS XCN XCN 191 Do đó: 2 0yc.gh 2 dmU 00 2 0yc.gh 2 dmU 00 2 0yc.gh 2 dmU LL 2 0yc.gh 2 dmU LL b sinP Ua bx sinP Ua bx sinP Ua BX sinP Ua BX k ÷ ÷ ø ö ç ç è æ a + ÷ ÷ ø ö ç ç è æ a - = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ a + ÷ ÷ ø ö ç ç è æ a - = l l l l (8.46) Vậy, khi xác định được kb dung lượng của tụ điện bù ngang và dọc là: LbD.T XkX = (8.47) Lb N.T Bk 1X = (8.48) PHỤ LỤC