Bài giảng Tính chọn tiết diện dây dẫn, dây chảy, cáp hạ áp

cung cấp điện cho hai xí nghiệp (hình 1-4) Biết số giờ sử dụng công suất cực đại Tmax = 3800h, tổn thất điện áp cho phép là 5%, cũng cho biết là đường dây dự định dùng dây nhôm với khoảng cách trung bình hình học giữa các dây là D = 1m. Hãy xác định tiết diện dây dẫn. Bài giải: Dòng làm việc trên các đoạn đường dây: I01= = = =101A I12 = =36A 4 Km 2Km 900 kW 500kW cosj = 0,8 cosj = 0,8 Hình 1-4 Đường dây của ví dụ 1-5 Lấy x0 = 0,35 W /km tính được DU” = x0 å Iij lịj sin j ij = .0,35 (101 . 4 + 36 . 2) 0,6 = 172V DU’ = DUcp -DU” = 500 - 172 = 328V Trị số mật độ dòng không đổi. I = = = 1,25A/mm2 Từ Tmax = 3800h và dây nhôm tra được Ikt =1,1A/mm2 Vì Jkt < J nên tiết diện dây dẫn xác định theo Jkt F01 = = = 9,2mm2 Chọn dây A-95 có dòng cho phép theo phát nóng 325A F12 = = = 33mm2 Chọn dây A-35 có dòng theo phát nóng là 170A Tổn thất điện áp trên đường dây không cần kiểm tra lại bởi vì Jkt < J 2. LỰA CHỌN DÂY CHẢY Việc lựa chọn cầu chì cần phải đảm bảo hai yêu cầu: Trong trạng thái làm việc bình thường phải đảm bảo dẫn điện liên tục và an toàn. Lúc có sự cố phải lập tức cắt mạch điện và chỉ cắt mạch điện ở nơi có sự cố mà thôi. Để thỏa mãn yêu cầu thứ nhất, phải lựa chọn cầu chì sao cho : Icc ³ Ilv (2-1) Nghĩa là dòng điện định mức của cầu chì ít nhất phải bằng hoặc lớn hơn dòng điện làm việc của Ilv của mạng điện. Nếu nhánh cầu chì bảo vệ có động cơ thì động cơ mở máy dòng điện có tăng lên cao nhưng cầu chì không được đứt, và qua kinh nghiệm lúc chọn phải thỏa mãn thêm điều kiện : Icc. ³ (2-2a) đối với điều kiện mở máy nhẹ như máy công cụ, thời gian mở máy từ 8-10 giây. Hay Icc ³ (2-2b) đối với điều kiện mở máy nặng nề như cần trục, thời gian mở máy đến 40 giây. Trong đó Imm là dòng điện mở máy của động cơ. Trị số dòng điện mở máy của động cơ do nhà chế tạo cho. Thông thường đối với động cơ lồng sóc thì dòng điện mở máy Imm bằng 4 đến 7 lần dòng điện định mức của độüng cơ. Từ hai biểu thức (2-1) và (2-2) tìm được hai giá trị Icc lớn hơn để chọn lựa dòng điện định mức của dây chảy tiêu chuẩn. Dòng điện làm việc của động cơ được tính như sau: Ilv = Trong đó : P: Công suất định mức của độüng cơ (kW) Uđm: Là điện áp định mức của động cơ (V) b: Là hệ số phụ tải của động cơ , bằng tỷ số giữa công suất yêu cầu của máy công cụ và công suất định mức của động cơ Cos j : Là hệ số công suất của động cơ với phụ tải thực của nó. h: Hiệu suất của động cơ. Đối với đường dây chính thì chọn cầu chì vẫn theo biểu thức (2-1) và (2-2) với: Ilv= m. Trong đó là tổng dòng điện làm việc của tất cả các động cơ thuộc đường dây chính đó, m là hệ số đồng thời, xét đến điều kiện không phải là tất cả các độüng cơ đều làm việc đồng thời và: Imm∑ = m. .+ Imm Nghĩa là coi (n -1) độüng cơ vẫn làm việc bình thường và chỉ có 1 động cơ mở máy . Dòng điện mở máy của độüng cơ phải lấy đối với động cơ nào có hiệu số (Imm-Ilv) là lớn nhất. Nên nhớ rằng động cơ có công suất bé nhưng có bội số dòng điện mở máy lớn có thể có trị số (Imm-Ilv) lớn hơn động cơ cở lớn , nhưng có bội số dòng điện mở máy bé. Nếu số động cơ do cùng một đường dây chính dẫn điện tới quá 10 thì không cần xét tới điều kiện (1-2) nữa. Để thỏa mãn yêu cầu thứ hai phải: Khi thiết kế , quyết định đặt cầu chì cho đúng chổ, thông thường tốt hơn cả là mỗi phụ tải có một cầu chì riêng của nó . Cầu chì của dây chính phải lớn hơn1 đến 2 cấp so với cầu chì của dây nhánh (lớn hơn 1 cấp khi I bé, 2 cấp khi I lớn) 3. CHỌN TIẾT DIỆN DÂY DẪN VÀ DÂY CÁÚP PHỐI HỢP VỚI CẦU CHÌ BẢO VỆ: Chúng ta khảo sát phương pháp lựa chọn tiết diện dây dẫn và dây cáp theo điều kiện phát nóng cho phép của mạng điện có phối hợp với cầu chì bảo vệ, ví dụ trên sơ đồ hình (2-1) Mạng điện động lực và thắp sáng nhận điện từ bảng phân phối A. Các động cơ điện Đ1.Đ2,Đ3,Đ4 được nối vào dây cáp của các tủ điện 1 và 2. Đầu tiên cần phải bố trí vị trí đặt cầu chì bảo vệ và xác định dòng điện định mức Icc của các dây chảy của các cầu chì đó. Về yêu cầu và cách tính toán cầu chì đã nêu ở phần trên. CC6 CC7 CC5 A Phụ tải CC1 CC2 CC3 CC4 Thắp sáng Hình 2-1. Sơ đồ mạng điện thắp sáng Tiếp theo tiến hành lựa chọn tiết diện dây dẫn và dây cáp theo điều kiện phát nóng cho phép. Nhớ rằng dòng điện cho phép ở đây là dòng điện cho phép của dây dẫn trong điều kiện làm việc thực tế của nó nghĩa là có xét đến một số hệ số hiệu chỉnh do nhiệt độü làm việc, số cáp trong 1 rãnh. Điều cần chú ý là trong việc lựa chọn tiết diện dây dẫn và cáp cần phải phối hợp với cầu chì đã lựa chọn ở trên, nếu không sẽ vấp phải nhiều điều bất lợi trong vận hành. Ví dụ nếu chỉ chú trọng tới dây dẫn sao cho dây dẫn có thể chịu được dòng điện làm việc lớn nhất, nghĩa là chỉ chú trọng tới điều kiện Icp³ Ilv mà không để ý phối hợp với cầu chì thì có khi dòng điện trên thực tế chưa đạt đến trị số Icp của dây dẫn nhưng cầu chì đã đứt rồi, thế là vừa không đảm bảo liên tục cung cấp điện, lại vừa không kinh tế vì tiết diện của dây dẫn không được lợi dụng triệt để, ngược lại nếu chọn cầu chì có Icc quá lớn(Icc>Icp) thì tránh được tình trạng trên nhưng như vậy rấït nguy hiểm vì dòng điện làm việc có thể lên cao quá trị số Icp của dây dẫn mà cầu chì vẫn chưa đứt, tóm lại dây dẫn có thể bị cháy, gây tai nạn. Như vậy ta chia ra làm 3 trường hợp sau đây để xét: a.Mạng thắp sáng, mạng sinh hoạt, nhà ở công cộng và tư nhân, cửa hàng và nhà hội họp ... Đối với các hộ dùng điện loại này, phụ tải không nhất định và rất khó khống chế. Vì vậy dây dẫn và dây cáp phải được bảo vệ không những khỏi dòng điện ngắn mạch mà còn khỏi dòng điện quá tải lớn hơn dòng điện cho phép của chúng. Như vậy quan hệ giữa dòng điện cho phép Icp của dây dẫn và dòng điện định mức Icc của dây phải thỏa mãn: Icp ³ 1,25 Icc (3-1) Hay nói rõ hơn là dòng điện cho phép của dây dẫn và dây cáp có thể bằng hay lớn hơn dòng điện thí nghiệm nhỏ nhất của dây chảy, nghĩa là dây dẫn ta chọn thỏa mãn quan hệ (3-1) thì được bảo vệ không những ngắn mạch mà cả quá tải . b.Mạng thắp sáng trong xí nghiệp nhà máy: Việc thắp sáng trong xí nghiệp, nhà máy nói chung đều đã qua thiết kế tính toán cẩn thận, thắp sáng bao nhiêu đều đã được qui định hẳn hoi, không phải bất kỳ lúc nào cũng có quyền tự ý thay đổi. Trong trường hợp này cầu chì không bảo vệ quá tải mà chỉ bảo vệ ngắn mạch mà thôi và dòng điện cho phép của dây dẫn có thể bé hơn hoặc bằng dòng điện định mức của dây chảy cầu chì. Icp £ Icc (3-2) Quan hệ giữa dây dẫn và cầu chì thỏa mãn (3-2) sẽ tận dụng được triệt để dây dẫn mà vẫn an toàn. Điều này rất quan trọng vì rằng mạng thắp sáng của xí nghiệp công nghiệp tốn rất nhiều kim loại màu, vật liệu cách điện... c. Các hộ động lực bao gồm nhiều động cơ lớn bé khác nhau. Trong trường hợp này cầu chì chỉ bảo vệ ngắn mạch, vì rằng mạng điện không có khả năng quá tải do việc nối thêm các phụ tải mới vào mà không có sự quyết định của nhân viên kỹ thuật. Vậy tiết diện dây dẫn phải chọn theo hai điều kiện: - Dòng điện cho phép của dây dẫn phải bằng hay lớn hơn dòng điện làm việc lâu dài của động cơ. Icp ³ Ilv (3-3) Tiết diện của dây dẫn phải tương ứng với dòng điện định mức của dây chảy cầu chì: Icp ³ (3-4) Sở dĩ có biểu thức (1-6) vì: Với các động cơ không đồng bộ kiểu lồng sóc có dòng điện mở máy Imm bé hơn hoặc bằng 7,5 lần dòng điện định mức của động cơ đó: Imm £ 7,5 Iđmđc Với điều kiện mở máy nhẹ nhàng, như ở trên đã nêu trong biểu thức (2-2). Imm £ 2,5 Icc Cân bằng hai biểu thức náy có : Iđmđc ³ Coi rằng dòng diện định mức của động cơ là dòng điện cho phép của dây dẫn. Vậy có : Icp ³ Ví dụ: Trong một phân xưởng của một điểm cơ khí ở địa phương, dự định thiết kế đặt 4 động cơ và một đường dây chính chuyên cung cấp cho đèn thắp sáng. Điện áp của mạng là 380/220 V. Phụ tải đèn thắp sáng tổng cộng là 12,5 kW. Các số liệu của động cơ được ghi rõ ở bảng dưới. A C B Thắp sáng Hình 1-2 Sơ đồ mạng điện áp thấp Đoạn đưòng dây từ dây cái A đến dây cái B có hệ số đồng thời m= 0,85, các đoạn còn lại m=1. Nhiệt độü cao nhất trong xưởng vào mùa hè là +250c. Từ A tới B dùng cáp đồng đặt trong rãnh nổi. Nhiệt độ trong rãnh vào mùa hè là +300c. Từ B đến C cũng dùng cáp đồng nhưng đặt dọc theo tường của phân xưởng. Đường dây cung cấp cho phụ tải thắp sáng và các động cơ đều dùng loại dây đồng bọc cách điện .Dây cung cấp điện cho thắp sáng , cho động cơ Đ1,và Đ2 đều đặt nổi trên tường, còn dây cung cấp cho động cơ Đ3 và Đ4 đặt trong ống. Tất cả đường dây đều đặt cầu chì bảo vệ loại dây có dung lượng nhiệt bé. Xác định dòng điện định mức của cầu chì và tiết diện dây dẫn dây cáp. Đặc tính của động cơ Động cơ Đ1 Đ2 Đ3 Đ4 Công suất 12,5 12 20,5 20,5 Kiểu động cơ Dây quấn Lồng sóc Dây quấn Lồng sóc Tỷ số 1,6 7,0 2,5 2,5 Cos φ đm 0,86 0,87 0,88 0,88 Hiệu suất ŋ 0,88 0,88 0,85 0,85 Hãû säú phuû taíi 0,8 1 1 1 Baìi giaíi: Træåïc hãút xaïc âënh vë trê âàût cáöu chç nhæ hçnh veî (1-3) A C CC4 l4 CC6 l6 l5 B CC5 CC3 l3 Â CC1 CC0 CC2 Thàõp saïng Hçnh 1-3 Så âäö maûng âiãûn aïp tháúp coï cáöu chç baío vãû Choün cáöu chç vaì dáy cho nhaïnh I1 Doìng âiãûn laìm viãûc cuía âäüng cå Â1 laì: Ilvl = = = 20A Dòng điện mở máy của động cơ Đ1: Imm1 = Iđm1 .1,6 = = = 40A Chọn cầu chì cc1 theo 2 điều kiện : Icc ³ Ilv và Icc ³ Vậy : Icc ³ 20 và Iccl ³ Lấy trị số Icc =20 A để chọn cầu chì tiêu chuẩn. Vậy để bảo vệ cho đoạn dây l1, chọnü cầu chì tiêu chuẩn CC1 - 20 Theo bảng 1 phụ lục 2, với dòng điện làm việc là 20 A có thể chọn dây M-1,5 có dòng điện cho phép là Icp = 23 A. Ở dây không phải hiệu chỉnh vì dây làm việc theo điều kiện nhiệt độ giống tiêu chuẩn. Kiểm tra theo điều kiện : Icp ³ Thay trị số vào có: 23 > Kết luận : Nhánh I1 chọn cầu chì CC1 -20 Và chọn dây dẫn M-1,5. 2. Chọn cầu chì và dây cho nhánh l2: Dòng điện làm việc và mở máy của động cơ Đ2 là : Ilv2 = = 25 A Imm2= Iđm2 .7 = 25.7 = 175 A Chọn cầu chì CC2 Icc2 ³ 25 Icc2 ³ = 70 A Vậy chọn tiêu chuẩn 80 A Theo bảng 2 phụ lục 2 với dòng điện làm việc là 25A chọn dây đồng M-2,5 có Icp= 30 A Kiểm tra điều kiện: Icp ³ 30 ³ Vậy nhánh l2 chọn cầu chì CC2 -80 Và chọn dây dẫn M- 2,5 3.Chọn cầu chì và dây dẫn cho nhánh phụ tải thắp sáng: Ilv = = = 19A Chọn cầu chì cc0 Icc0 ³ Ilv0 ³ 19A Chọn cầu chì tiêu chuẩn 20A : CC0 -20 Chọn dây đồng M-1,5 có Icp = 23 A Chọn cầu chì và dây dẫn cho nhánh đến động cơ Đ3 và Đ4 Ilv3 = = 40 A Imm3 = 40. 2,5 = 100A Chọn cầu chì cc3 theo điều kiện: Icc3 ³ 40 A Icc3 ³ Vậy chọn cầu chì cc3 có dòng điện định mức tiêu chuẩn là 60 A. Với dòng điện làm việc là 40 A, chọn dây đồng bọc có tiết diện là 6mm2 , với dây này (3 dây đặt trong 1 ống) có dòng điện cho phép là 42A. Kiểm tra điều kiện: Icp ³ 42 ³ Vậy với đường dây l3 chọn cầu chì CC3 - 60 và chọn dây dẫn M-6 Đường dây l4 có kết quả cũng giống như đường dây l3 Chọn cầu chì và dây cáp cho đường l5: Dòng điện làm việc của đường dây l5: Ilv5 = m.= 1 (40+40) = 80 A Dòng điện mở máy trên đường dây 5 : Imm5= m.+ Imm = 40 +100=140A Chọn cầu chì cho đường dây 5 là: Icc5 ³ 80 Icc5 ³ Vậy chọn cầu chì tiêu chuẩn 80 A Đoạn này dùng cáp đồìng đặt nổi dọc theo tường nhà. Theo bảng 3 phụ lục 2, với dòng điện làm việc là 80 A chọn cáp có tiết diện 16 mm2 có dòng điện cho phép là 80 A Kiểm tra theo điều kiện : Icp ³ 80 ³ Vậy với đường dây l5 chọn cầu chì CC5- 80 và chọn cáp đồng M-16. Chọn cầu chì và cáp cho đường dây chính l6: Dòng điện làm việc trên đường dây chính là: Ilv6 = m. .= 0,85(20+25+19+40+40) = 122,5 A Dòng điện mở máy trên đường dây chính là: Imm6 = m. .+ Imm = 0,85.(20+19+40+40) + 175 = 276,2A Chọn cầu chì đường dây chính: Icc6 ³ 122,5A Icc6 ³ = 110A Vậy chọn cầu chì tiêu chuẩn 125 A Đường dây chính dùng cáp đồng 4 lõi, với dòng điện làm việc là 122,5A chon cáp M-50 Cáp M-50 có Icp =145 A (bảng 2phụ lục 3) Cáp đặt nổi trong rãnh nhiệt độ là 300C, vậy hệ số hiệu chỉnh a = 0,95 (bảng3 phụ lục 3) I’cp = Icp = 0,95.145 = 138A Kiểm tra theo điều kiện : ICP ³ 138³ Vậy chọn cầu chì CC6-125 Và chọn dây cáp M-50 cho đường dây chính là bảo đảm. 4-XÁC ĐỊNH TỔN THẤT ĐIỆN ÁP TRÊN ĐƯỜNG DÂY 3 PHA CÓ DÂY TRUNG TÍNH Để cung cấp cho các hộ tiêu thụ thắp sáng và sinh hoạt, người ta dùng mạng điện 3 pha 4 dây điện áp 380/220V và đôi khi là 220/127 V gồm có 3 dây pha và một đây trung tính. Các đèn và dụng cụ sinh hoạt sử dụng điện áp pha tức là đấu giữa dây pha và dây trung tính.. Người ta cố gắng phân bố đều các đèn và dụng cụ sinh hoạt giữa các pha, nhưng điều đó không phải luôn luôn thực hiện được, vì vậy phụ tải của các pha không đều nhau. Như vậy khi phụ tải các pha A B C O I0 IC IB IA Hình 4-1 Mạng 3pha 4 dây có phụ tải các pha không đều nhau không đối xứng thì dây trung tính sẽ có dòng điện I0 chạy qua ( hình 4-1). Tổn thất điện áp trong từng pha cũng không giống nhau. Vậy ta cần phải tính được tổn thất điện áp của pha tải nặng nhất để kiểm tra chất lượng điện, hoặc để lựa chọn tiết diện dây dẫn.v.v. Mạng điện 3 pha 4 dây điện áp thấp có cảm kháng tương đối bé và làm việc với phụ tải có hệ số công suất cao (gần bằng 1), Tất cả điều đó cho phép ta khi tính toán các mạng điện này không cần xét đến thành phần phản kháng của điện áp rơi, tức là coi D U’’ = = X.I.Sin j ≈ 0 Các pha được chọn cùng một tiết diện F. Vì dòng điện chạy trong dây trung tính bé hơn dòng điện trong các dây pha, nên tiết diện của dây trung tính được chọn bé hơn tiết diện của dây pha, nhưng không bé hơn 50% tiết diện dây pha. Hình 4-2 Đồ thị véc tơ của điện áp và dòng điện của mạng 4 dây phụ tải không đối xứng. Trên hình (4-2 ) biểíu diễn đồ thị vectơ của dòng điện và điện áp của mạng điện 4 dây khi phụ tải tác dụng không cân bằng giữa các pha (cosj =1). Các điện áp pha ở đầu mạng điện được biểu thị bằng các đoạn OA, OB, OC bằng nhau: UA =UB =Uc Giả thiết rằng dòng điện IA trong pha A lớn hơn dòng điện IB và Ic trong các pha B và C. Trên dây trung tính có dòng điện không đối xứng I0 chạy qua và bằng tổng hình học dòng điện trong các pha: I0=IA + IB + IC (5-1) Dòng điện không đối xứng đó gây nên trên dây trung tính một tổn thất điện áp: OO’ = DU0= I0r0 hay có thể viết: D U0= IAr0 +IBr0 + IC ro D U0= D U0A + D U0B + D U0C r0 là điện trở dây trung tính Tổn thất điện áp trong các dây pha là: DUPA = IAr , DUPB = IBr , DUPC = ICr Tổn thất này trên đồ thị vectơ (hình 4-2) biểu thị bằng đoạn AA’, BB’, CC’. Các đoạn A’O’, B’O’, C’O’ là các điện áp pha U’A,, U’B, U’C ở đầu cực của các hộ tiêu thụ điện. Tổn thất điện áp toàn phần của 1 pha gồm có tổn thất điện áp trong dây pha và dây trung tính. Trong trường hợp đang xét, tổn thất điện áp toàn phần lớn nhất xảy ra ở pha A và được xác định bằng hiệu số đại số của điện áp UA và U’A . Theo đồ thị véctơ (Hình 4-2) hiệu số điện áp có thể xác định một cách gần đúng như sau: ∆UA = UA -U’A ≈ ∆UPA + ∆U’0 (4-2) Trong đó : ∆UpA Là tổn thất điện áp trên dây pha A có điện trở là r và dòng điện là IA ∆U’0 là hình chiếu của vectơ ∆U0 lên phương AO Theo đồ thị đó có thể viết : ∆U’0 = ∆U0 cos a =I0r0 cos a = (IA- IB cos 600 - IC cos 600) r0 = (IA - 0,5IB - 0,5Ic) r0 Thay giá trị của ∆U0 vào biểu thức (4-2) có tổn thất điện áp toàn phần trong pha A là: ∆UA = IA r + ( IA  - 0,5 IB - 0,5 Ic ) r0 = IA(r+r0) - 0,5 (IB + Ic)r0 (4-4) = ∆UPA + ∆U0A - ( ∆U0B + ∆U0C) Khi biểu diễn phụ tải của mỗi pha bằng công suất tác dụng pA, pB, pc thì công thức (4-4) có thể biểu diễn như sau: ∆UA = (r+r0) - (pB + pC) r0 Hay biểu diễn r và r0 qua tiết diện và chiều dài ta có: ∆UA = (+) - (pB + pC) Tương tự cũng có : ∆UB = (+) - (pA + pc) (4-5) ∆UC = (+) - (pA + pB) Trong đó :Uđm là điện áp pha định mức. Nếu đường dây có n phụ tải bất kỳ và vị trí mắc bất kỳ ta vẫn có thể dùng công thức (4-5) để tính, và coi rằng tổn thất điện áp toàn phần của pha A bằng tổng số tổn thất điện áp từng đoạn riêng rẽ của mạng. Giả thiết này cho phép biểu diễn tổn thất điện áp toàn phần của mỗi pha như sau: ∆UA = (+) - (å pBm Lm + å pcm Lm) ∆UB = (+) - (å pAm Lm + å pCm Lm) (4-6) ∆UC = (+) - (å pAm Lm + å pBm Lm) Ví dụ 5-1 : Xác định tổn thất điện áp trong tất cả 3 pha của mạng điện thắp sáng (hình 4-3). Các dụng cụ thắp sáng có công suất 240 W được mắc vào cứ 100m một cái. Dây dẫn bằng đồng, dây pha tiết diện là 10 mm2 và dây trung tính là 6mm2. Điện áp định mức của mạng là 220/127V Bài giải : Tổn thất điện áp toàn phần trong pha A theo biểu thức (4-6) là: ∆UA = (+) - (å pBm Lm + åpcm Lm) = (+ ) - ( 240 . 200 + +240. 500 + 240 . 300 + 240 . 600) = 0,89V và ∆UA % = 100 = 0,7 % 240 240 240 240 240 240 100 100 100 100 100 100 O C B A Hình 4-3Mạng điện có phụ tải các pha không đối xứng Tổn thất điện áp trong pha B là: ∆UB = (+) - (å pAM Lm + å pcm Lm) = (+) - ( 240 .100 + +240 . 400 + 240 . 300 + 240 . 600) = 2,80V và ∆UB % = 2,2 % Tổn thất điện áp trong pha C là: ∆UC = (+) - (å pAM Lm + å pBm Lm) = (+ ) - (240 .100 + +240. 400 + 240. 200 + 240. 500) = 5V va ì ∆UC % = 3,94 % Đấu phụ tải giữa các pha như hình (4-3) thì tổn thất điện áp của pha C là lớn nhất. Công thức (4-6) còn có thể dùng để tính toán các mạng điện mà sơ đồ như hình (4-4a) và hình (4-4b). Thắp sáng trong nhà Thắp sáng ngoài trời Thắp sáng trong nhà Thắp sáng ngoài trời a) b) Hình 4-4 Sơ đồ mạng điện cung cấp cho phụ tải sinh hoạt và thắp sáng đường phố Trong những thành phố và những thị trấn không lớn, để tiết kiệm vật liệu dây dẫn, các đèn thắp sáng ở ngoài trời được nối vào một dây trung tính chung. Các dây pha thắp sáng đường phố được đăt riêng biệt và qua cầu dao C có thể tùy ý cắt phụ tải này ra khỏi mạng mà vẫn đảm bảo cung cấp điện cho các pha còn lại. Sơ đồ hình (4-4b) cho phép cắt một nữa thắp sáng ở ngoài. Vào buổi tối tất cả các đèn được đóng vào, về đêm nhu cầu ánh sáng ít và có thể cắt bớt đi một nữa. Khi xác định tổn thất điện áp trong mạng điện (hình 4-5), tính toán mạng điện thắp sáng ở ngoài đường và ở trong nhà phải được tiến hành riêng rẽ. Khi tính momen phụ tải của dây trung tính phải xét cả phụ tải thắp sáng ở trong và ở ngoài. Phân tích biểu thức (4-6) ta thấy rằng để tổn thất điện áp trong từng pha bằng nhau, thì phải có sự cân bằng các mômen phụ taỉ đối với các pha đó. Kết luận này rất quan trọng để giải quyết vấn đề trình tự nối phụ tải vào mạng. Khi trình tự nối phụ tải vào mạng không đúng sẽ làm cho một pha có tổn thất điện áp lớn, còn các pha kia tương đối bé hơn. a ba Hình (4-5) Sơ đồ mạng điện thắp sáng đường phố Trong mạng điện hình (4-5a), hộ dùng điện được mắc trình tự theo hình U, thì tổn thất điện áp trong cả 3 sẽ gần như nhau. Còn như trong mạng điện hình (4-5b) thì tổn thất điện áp trong pha C sẽ lớn hơn pha A rất nhiều. Điều kiện làm việc của các hộ dùng điện trong mạng này xấu hơn trong mạng hình (4-5a) Ví dụ : Đường dây điện xoay chiều 3 pha 380/220 đi trên đường phố cung cấp cho thắp sáng ngoài trời và ở trong nhà (hình 4-6). Thắp sáng ở ngoài được mắc giữa dây trung tính và dây riêng lấy từ pha A của mạng. Thắp sáng ở trong nhà được mắc vào cả 3 pha tạo thành phụ tải các pha cân bằng. Các dây pha của mạng điện thắp sáng trong nhà là A-16, còn dây trung tính là A-10. Các dây pha của thắp sáng ngoài đường là A-10 Trên hình vẽ (4-6) các phụ tải của mạng cho là W và chiều dài các đoạn tính là mét Xác định tổn thất điện áp: Của toàn bộ đường dây khi chỉ khi thắp sáng ở trong nhà (khi đã cắt hết thắp sáng ở ngoài đường) Của toàn bộ đường dây của đèn thắp sáng trong nhà khi có thêm cả thắp sáng ở ngoài đường. Của toàn bộ đường dây của đèn thắp sáng ngoài đường. 2400 1200 1800 1200 2400 1800 1200 40 40 40 30 50 50 30 200 ABCN 200 200 200 Hình 4-6 Mạng điện xoay chiều 3 pha 5 dây Bài giải: 1) Tổn thất điện áp đến đèn cuối cùng của thắp sáng trong nhà khi không có đèn thắp sáng ngoài đường đóng vào, được tính toán theo công thức của mạng điện đối xứng ( Vì phụ tải thắp sáng trong nhà của A,C,B đều bằng nhau.) như sau: ∆U= Vậy : ∆U = (2400.40+1200.80+1800.120+1200.150 +2400.200+1800.250+1200.280) = 9,62V ∆U% = 2,53% 2) Khi đóng phụ tải thắp sáng ở ngoài vào, trên dây trung tính sẽ có dòng điện của đèn thắp sáng ở ngoài chạy qua. Phân tích công thức (4-6) và đồ thị vec tơ (4-2) ta thấy rằng tổn thất điện áp trong pha A của dây đèn thắp sáng ở trong nhà lúc này sẽ bị tăng lên. Trị số tăng lên đó là do tổn thất điện áp trên dây trung tính gây ra: ∆U0 = (200.40+200.120+200.200+200.280) = 1,86 V Vậy tổn thất điện áp toàn phần trong pha A của dây đèn thắp sáng ở trong nhà là: ∆UA = +∆U0 = +1,86 =7,4V ∆UA% = 3,36% Trong biểu thức trên ∆UA= 9,62% phải chia cho để tính tổn thất điện áp pha. Và cũng phân tích công thức (4-6) và đồ thị vectơ (4-2) cho ta thấy rằng lúc này, trong pha B và C tổn thất điện áp sẽ bị giảm đi một trị số bằng một nữa tổn thất điện áp trên dây trung tính. Do đó tổn thất điện áp toàn phần trên pha B và C là: ∆UB = ∆Uc = - 0,5.1,86 = 4,6V ∆UB % = ∆UC%= 2,1% 3.Tổn thất điện áp đến đèn cuối cùng của thắp sáng đường phố được xác định bằìng tổn thất điện áp trên dây pha và dây trung tính. Vì rằng các tổn thất điện áp đó gây nên bởi cùng một dòng điện nên chúng có thể cộng đại số. Tiết diện của dây pha của thắp sáng đường phố cũng bằng tiết diện dây trung tính, vì vậy tổn thất điện áp trong dây pha của thắp sáng đường phố cũng bằng 1,86V Vậy tổn thất điện áp toàn phần của dây điện thắp sáng đường phố là: ∆UA1 = ∆UPA1 +∆U0 = 1,86 + 1,86 = 3,72 V ∆UA1 % = 1,7% Từ kết quả tính toán ta thấy rằng khi đóng phụ tải thắp sáng ở ngoài, tổn thất điện áp trong pha mà có thắp sáng ngoài đóng vào, sẽ tăng lên. Điều kiện làm việc của đèn thắp sáng ở trong nhà nối vào pha đó bị xấu đi. Đối với đèn thắp sáng ở trong nhà mà nối vào 2 pha kia thì điều kiện làm việc lại tốt lên. 5. TÁC HẠI VẬN HÀNH MẠNG 3 PHA 4 DÂY KHÔNG ĐỐI XỨNG- CÂN PHA ĐO DÒNG ĐIỆN. Như trên ta đã biết nguyên nhân của mạng ba pha 4 dây điện áp thấp vận hành mất đối xứng là do phụ tải 3 pha không cân bằng, pha có phụ tải nhiều, pha có phụ tải ít. Tác hại của vận hành mạng 3 pha 4 dây không đối xứng là: Tổng véc tơ của dòng điện 3 pha khác không, nên trên dây trung tính xuất hiện dòng điện I0 : Dòng điện I0 đi trong dây trung tính gây tổn thất điện áp trên dây trung tính: DU0 = I0 r0 r0 là điện trở của dây trung tính và gây tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên dây trung tính DP0 = I02. R0 DA0 = D P0. T Pha nào có nhiều phụ tải nhất thì pha đó có dòng làm việc lớn hơn định mức và điện áp thấp hơn định mức nên phụ tải một pha của pha đó như bóng đèn giảm độ sáng, động cơ quay chậm hơn định mức nên dòng lớn gây nóng động cơ, cách điện già cỗi, tuổi thọ động cơ giảm. Phụ tải 3 pha như động cơ 3 pha đấu vào mạng 3 pha không đối xứng sẽ gây từ trường bậc cao, nên động cơ nóng quá mức làm già cỗi cách điện, tuổi thọ giảm. Cách khắc phục: Phân bố phụ tải ở 3 pha cho cân bằng, thường gọi là cân pha. Khi thiết kế và lắp đặt phụ tải cho một mạng điện 3 pha 4 dây phải chú ý đến việc phân bố phụ tải cho cân bằng giữa các pha. Sau đó trong quá trình vận hành, quản lý mạng điện ngày, người quản lý phải thường xuyên theo dõi tính đối xứng của phụ tải các pha.Tiện lợi nhất là dùng Ampe kìm đo dòng điện cả 3 pha để biết trị số các pha .Nếu có hiện tượng mất đối xứng nhiều, phải phân bố lại phụ tải cho hợp lý. 6. TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG VÀ NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT 5.4.1. Đặt vấn đề Điện năng là năng lượng chủ yếu của các xí nghiệp công nghiệp. Các xí nghiệp này tiêu thụ khoảng trên 70 tổng số điện năng được sản xuất ra, vì thế vấn đề sử dụng hợp lý và tiết kiệm điện năng trong các xí nghiệp công nghiệp có ý nghĩa rất lớn. Về mặt sản xuất điện năng vấn đề đặt ra là phải tận dụng hết khả năng của nhà máy phát điện để sản xuất ra được nhiều điện nhất; đồng thời về mặt dùng điện phải hết sức tiết kiệm, giảm tổn thất điện năng đến mức nhỏ nhất, phấn đấu để 1 kWh điện ngày càng làm ra nhiều sản phẩm hoặc chi phí điện năng cho một đơn vị sản phẩm ngày càng giảm. Tính chung trong toàn hệ thống điện thường có 10 - 15 năng lượng được phát ra bị mất mát trong quá trình chuyển tải và phân phối. Bảng 12 - 1 phân tích tổn thất điện năng trong hệ thống điện (chỉ xét đến đường dây và máy biến áp). Từ bảng phân tích chúng ta thấy rằng tổn thất điện năng trong mạng có U= 0,1-10KV (tức mạng trong các xí nghiệp) chiếm tới 64,4 tổng số điện năng bị tổn thất. Sở dĩ như vậy, bởi vì mạng xí nghiệp thường dùng điện áp tương đối thấp, đường dây lại dài phân tán đến từng phụ tải nên gây ra tổn thất điện năng lớn. Vì thế việc thực hiện các biện pháp tiết kiệm điện trong xí nghiệp công nghiệp có ý nghĩa rất quan trọng, không những có lợi cho bản thân các xí nghiệp, mà còn có lợi chung cho nền kinh tế quốc dân. Bảng 12-1 Phân tích tổn thất điện năng trong hệ thống điện Mạng có điện áp Tổn thất điện năng () của Đường dây Máy biến áp Tổng U110KV 13,3 12,4 25,7 U=35KV 6,9 3,0 9,9 U=0,1¸10KV 47,8 16,6 64,4 Tổng cộng 68,0 32,0 100 Hệ số công suất cosj là một chỉ tiêu để đánh giá xí nghiệp dùng điện có hợp lý và tiết kiệm hay không. Do đó nhà nước đã ban hành các chính sách để khuyến khích các xí nghiệp phấn đấu nâng cao hệ số công suất cosj. Hệ số công suất cosj của các xí nghiệp nước ta hiện nay nói chung còn thấp (khoảng 0,6-0,7), chúng ta cần phấn đấu để nâng cao dần lên (đến trên 0,9). Cần thấy rằng việc thực hiện tiết kiệm và nâng cao hệ số công suất cosj không phải là biện pháp tạm thời, mà phải coi đó là một chủ trương lâu dài gắn với mục đích phát huy hiệu quả cao nhất quá trình sản xuất, phân phối và sử dụng điện năng. Mặt khác cũng không vì thấy chi phí về điện năng chỉ chiếm phần rất nhỏ trong giá thành sản phẩm (khoảng 2trừ các sản phẩm được sản suất bằng phương pháp điện phân) mà coi thường vấn đề tiết kiệm điện. Ý nghĩa của việc tiết kiệm điện không những giảm giá thành sản phẩm, có lợi cho bản thân xí nghiệp, mà còn ở chỗ có thêm điện để sản suất ngày càng nhiều, có lợi chung cho nền kinh tế quốc dân. Tất nhiên trong lúc thực hiện các biện pháp tiết kiệm điện và nâng cao hệ số công suất cosj chúng ta cần chú ý không gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng và số lượng sản phẩm hoặc làm xấu điều kiện làm việc bình thường của công nhân. 5.4.2 Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cosj Nâng cao hệ số công suất cosj là một trong những biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện năng. Sau đây chúng ta sẽ phân tích hiệu quả do việc nâng cao hệ số công suất đem lại. Phần lớn các thiết bị dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản kháng là: Động cơ không đồng hồ, chúng tiêu thụ khoảng 60-65% tổng công suất phản kháng của mạng. Máy biến áp tiêu thụ khoảng 20-25%. Đường dây trên không, điện kháng và thiết bị điện khác tiêu thụ khoảng 10%. Như vậy động cơ không đồng bộ và máy biến áp là hai loại máy điện tiêu thụ nhiều công suất phản kháng nhất. Công suất tác dụng P là công suất được biến thành cơ năng trong các máy dùng điện; còn công suất phản kháng Q là công suất từ hoá trong các máy điện xoay chiều, nó không sinh ra công. Quá trình trao đổi công suất giữa máy phát điện và hộ dùng điện là quá trình dao động. Mỗi chu kỳ của dòng điện, Q đổi chiều bốn lần, giá trị trung bình của Q trong 1/2 chu kỳ của dòng điện bằng không. Cho nên việc tạo ra công suất phản kháng không đòi hỏi tiêu tốn năng lượng của động cơ sơ cấp quay máy phát điện. Mặc khác, công suất phản kháng cung cấp cho hộ dùng điện không nhất thiết phải lấy từ nguồn (máy phát điện). Vì vậy để tránh truyền tải một lượng Q khá lớn trên đường dây, người ta đặt gần các hộ dùng điện các máy sinh ra Q (tụ điện, máy bù đồng hồ) để cung cấp trực tiếp cho phụ tải, làm như vậy được gọi là bù công suất phản kháng. Khi có bù công suất phản kháng thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch sẽ nhỏ đi, do đó hệ số công suất cosj của mạng được nâng cao, giữa P, Q và góc j có quan hệ sau: Khi lượng P không đổi, nhờ có bù công suất phản kháng, lượng Q truyền tải trên đường dây giảm xuống, do đó góc j giảm, kết quả là cosj tăng lên. Hệ số công suất cosj được nâng lên sẽ đưa đến những hiệu quả sau đây: 1. Giảm được tổn thất công suất trong mạng điện. Chúng ta đã biết tổn thất công suất trên đường dây được tính như sau: Khi giảm Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần tổn thất công suất do Q gây ra. 2. Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện. Tổn thất điện áp được tính như sau : giảm lượng Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần do Q gây ra. 3. Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp. Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng, tức phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp được tính như sau: Biểu thức này chứng tỏ rằng với cùng một tình trạng phát nóng nhất định của đường dây và máy biến áp (tức I=const) chúng ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng P của chúng bằng cách giảm công suất phản kháng Q mà chúng phải tải đi. Vì thế khi vẫn giữ nguyên đường dây và máy biến áp, nếu cosj của mạng được nâng cao (Tức giảm lượng Q phải truyền tải) thì khả năng truyền tải của chúng sẽ được nâng lên. Ngoài ra việc nâng cao hệ số công suất cosj còn đưa đến hiệu quả là giảm được chi phí kim loại màu, góp phần làm ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện của máy phát điện v.v... Vì những lý do trên mà việc nâng cao hệ số công suất cosj, bù công suất phản kháng đã trở thành vấn đề quan trọng, cần phải được quan tâm đúng mức trong khi thiết kế cũng như vận hành hệ thống cung cấp điện. 5.4.3 Các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosj 5.4.3.1 Các định nghĩa về hệ số công suất cosj 1. Hệ số công suất tức thời là hệ số công suất tại một điểm nào đó, đo được nhờ dụng cụ đo cosj hoặc nhờ các dụng cụ đo công suất điện áp và dòng điện. (12.1) Do phụ tải luôn biến động nên cosj tức thời cũng luôn luôn biến đổi theo. Vì thế cosj tức thời không có giá trị trong tính toán. 2. Hệ số công suất trung bình là cosj trung bình trong một khoảng thời gian nào đó (1ca, 1ngày đêm, 1 tháng v.v...), hoặc (12.2) 3.Hệ số công suất tự nhiên là hệ số cosj trung bình tính cho cả năm khi không có thiết bị bù. Hệ số cosj tự nhiên được dùng làm căn cứ để tính toán nâng cao hệ số công suất và bù công suất phản kháng. 5.4.3.2 Các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosj Các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosj được chia ra làm hai nhóm chính: nhóm các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosj tự nhiên (không dùng thiết bị bù) và nhóm các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosj bằng cách bù công suát phản kháng. 1.Nâng cao hệ số công suất cosj tự nhiên .Nâng cao hệ số công suất cosj tự nhiên là tìm các biện pháp để các hộ dùng điện giảm bớt được lượng công suất phản kháng Q tiêu thụ như: áp dụng các quá trình công nghệ tiên tiến, sử dụng hợp lý các thiết bị điện v.v... Như vậy nâng cao hệ số công suất cosj tự nhiên rất có lợi vì đưa lại hiệu quả kinh tế mà không phải đặt thêm thiết bị bù. Vì thế khi xét đến vấn đề nâng cao hệ số công suất cosj bao giờ cũng phải xét tới các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosj tự nhiên trước tiên, sau đó mới xét tới biện pháp bù công suất phản kháng . 2.Nâng cao hệ số công suất cosj bằng phương pháp bù. Bằng cách đặt các thiết bị bù ở gần các hộ tiêu dùng điện để cung cấp công suất phản kháng cho chúng, ta giảm được lượng công suất phải truyền tải trên đường dây do đó nâng cao được hệ số cosj của mạng. Biện pháp bù không giảm được lượng công suất phản kháng tiêu thụ của các hộ dùng điện mà chỉ giảm được công suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây mà thôi. Vì thế chỉ sau khi thực hiện các biện pháp nâng cao cosj tự nhiên mà vẫn không đạt yêu cầu thì chúng ta mới xét đến phương pháp bù . Nói chung hệ số cosj tự nhiên của các xí nghiệp cao nhất cũng không đạt tới 0,9 (thường vào khoảng 0,7-0,8), vì thế ở các xí nghiệp hiện đại bao giờ cũng đặt thêm thiết bị bù. Cần chú ý rằng bù công suất phản kháng Q ngoài mục đích chính là nâng cao hệ số công suất cosj để tiết kiệm điện còn có tác dụng không kém phần quan trọng là điều chỉnh và ổn định điện áp của mạng cung cấp. Bù công suất phản kháng đưa lại hiệu quả kinh tế như trên đã phân tích nhưng phải tốn kém thêm về mua sắm thiết bị bù và chi phí vận hành chúng. Vì vậy quyết định phương án bù phải dựa trên cơ sở tính toán và so sánh kinh tế - kỹ thuật. 5.4.4 Các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosj tự nhiên 1.Thay đổi và cải tiến quy trình công nghệ để các thiết bị điện làm việc ở chế độ hợp lý nhất. Căn cứ vào điều kiện cụ thể cần sắp xếp quy trình công nghệ một cách hợp lý nhất. Việc giảm bớt các động tác, những nguyên công thừa và áp dụng các phương pháp gia công tiên tiến v.v...đều đưa tới hiệu quả tiết kiệm điện, giảm bớt điện năng tiêu thụ cho một đơn vị sản phẩm. Ví dụ, phương pháp đúc tiên tiến cho phép giảm độ dư của phôi do đó giảm bơtï được các nguyên công cắt gọn. Phương pháp gia công cắt gọt tốc độ cao hoặc phương pháp gia công nhiều dao có thể rút gắn thời gian gia công và giảm được điện năng tiêu hao. Trong xí nghiệp, các thiết bị có công suất lớn thường là nơi tiêu thụ nhiều điện năng nhất, vì thế cần nghiên cứu để các thiết bị đó vận hành ở chế độ kinh tế và tiết kiệm điện nhất. Ở các nhà máy cơ khí lớn , máy nén khí thường tiêu thụ 30-40 điện năng cung cấp cho toàn nhà máy. Vì vậy định chế độ vận hành hợp lý cho máy nén khí có ảnh hưởng lớn đến vấn đề tiết kiệm điện. Theo kinh nghiệm vận hành khi hệ số phụ tải của máy nén khí gần bằng 1 thì điện năng tiêu hao cho một đơn vị sản phẩm sẽ giảm tới mức tối thiểu. Vì vậy cần bố trí sao cho máy nén khí luôn luôn làm việc đầy tải; lúc phụ tải của xí nghiệp nhỏ (ca 3) thì nên cắt bớt máy nén khí. Máy bơm và máy quạt cũng là những hộ tiêu thụ nhiều điện. Khi có nhiều máy bơm hay máy quạt làm việc song song thì phải điều chỉnh tốc độ, lưu lượng của chúng để đạt được phương thức vận hành kinh tế và tiết kiệm điện nhất. Các loại lò điện (điện trở, điện cảm, hồ quang) thường có công suất lớn và vận hành liên tục trong thời gian dài. Vì thế cần sắp xếp để chúng làm việc phân bố đều trong ba ca, tránh tình trạng làm việc cùng một lúc gây tình trạng căng thẳng về phương diện cung cấp điện. 2.Thay thế động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng động cơ có công suất nhỏ hơn. Khi làm việc động cơ không đồng bộ tiêu thụ lượng công suất phản kháng bằng: Q = Q0+ (Qdm-Q0)k2pt (12-3) trong đó: Q0 - Công suất phản kháng lúc động cơ làm việc không tải. Qdm - Công suất phản kháng lúc động cơ làm việc định mức. kpt  - hệ số phụ tải. Công suất phản kháng không tải Q0 thường chiếm khoảng 60-70 công suất phản kháng định mức Qdm. Hệ số công suất của động cơ được tính theo công thức sau: (12.4) Từ các công thức trên chúng ta dễ thấy rằng nếu động cơ làm việc non tải ( bé) thì cosj sẽ thấp. Ví dụ, nếu một động cơ có cosj =0,8 thì =1 khi =0,5 thì cosj =0,65 và khi = 0,3, thì cosj =0,51. Rõ ràng rằng thay thế bằng động động cơ làm việc non tải băng động cơ có công suất nhỏ hơn ta sẽ tăng được hệ số phụ tải ,do đó nâng cao được cosj của động cơ. 3.Giảm điện áp của những động cơ làm việc non tải. Biện pháp này được dùng khi không có điều kiện thay thế động cơ làm việc non tải bằng động cơ có công suất nhỏ hơn. Công suất phản kháng mà động cơ không đồng bộ tiêu thụ được tính như sau: (12.5) trong đó : k - hằng số; U - điện áp trên cực động cơ; m - hệ số dẫn từ; f - tần số của dòng điện; V - thể tích mạch từ. Từ biểu thức (12.5) chúng ta thấy rằng công suất phản kháng Q tỉ lệ với bình phương điện áp U thì Q giảm đi rõ rệt và do đó cosj của động cơ được nâng lên. Trong thực tế người ta thường dùng các biện pháp sau đây để giảm điện áp đặt lên các động cơ không làm việc non tải: Đổi nối dây quấn stato từ tam giác sang sao; Thay đổi cách phân nhóm của dây quấn stato; Thay đổi đầu phân áp của máy biến áp để hạ thấp điện áp của mạng phân xưởng. Khi đổi nối dây quấn stato từ tam giác sang sao (D®Y) thì điện áp đặt lên một pha của động cơ sẽ giảm đi lần, do đó cosj và hiệu suất của động cơ đều được nâng lên. Đồng thời mômen cực đại của động cơ sẽ giảm đi ba lần so với trước, vì vậy chúng ta phải kiểm tra lại khả năng mở máy và làm việc ổn định của động cơ. Biện pháp này thường được dùng cho động cư có U<400V và hệ số phụ tải nằm trong khoảng 0,35 - 0,4. Biện pháp thay đổi cách phân nhóm của dây quấn stato thường được dùng đối với động cơ công suất lớn có nhiều mạch nhánh song song trong một pha. Biện pháp này khó thực hiện vì phải tháo động cơ ra mới thay đổi được cách đấu dây của stato. Biện pháp thay đổi đầu phân áp của máy biến áp để giảm điện áp của mạng phân xưởng chỉ được phép thực hiện khi tất cả các động cơ trong phân xưởng đều được làm non tải và phân xưởng không có các thiết bị yêu cầu cao về mức điện áp. Trong thực tế biện pháp này ít khi được dùng. 4. Hạn chế động cơ chạy không tải. Các máy công cụ, trong quá trình gia công thường nhiều lúc phải chạy không tải, chẳng hạn như khi di chuyển từ động tác gia công này sang động tác gia công khác, khi chạy lùi dao hoặc rà máy v.v...Cũng có thể do thao tác của công nhân không hợp lý mà nhiều lúc máy phải chạy không tải. Nhiều thống kê cho thấy rằng đối với máy công cụ, thời gian chạy không tải chiếm khoảng 35-65 toàn bộ thời gian làm việc. Chúng ta đã biết khi động cơ chạy non tải thì cosj của nó rất thấp. Vì thế hạn chế động cơ chạy không tải là một trong những biện pháp tốt để nâng cao cosj của động cơ. Biện pháp hạn chế động cơ chạy không tải được thực hiện theo hai hướng: - Hướng thứ nhất là vận động công nhân hợp lý hoá các thao tác, hạn chế đến mức thấp nhất thời gian máy chạy không tải. -Hướng thứ hai là đặt bộ hạn chế chạy không tải trong sơ đồ khống chế động cơ. Thông thường nếu động cơ chạy không tải quả thời gian chỉnh định t0 nào đó thì bị cắt ra khỏi mạng. 5. Dùng động cơ đồng bộ thay thế động cơ không đồng bộ. Ở những máy sản xuất có công suất tương đối lớn và không yêu cầu điều chỉnh tốc độ như máy bơm, máy quạt, máy nén khí vv... ta nên dùng động cơ đồng bộ - Vì động cơ đồng bộ có những ưu điểm rõ rệt sau đây so với động cơ không đồng bộ: - Hệ số công suất cao, khi cần có thể cho làm việc ở chế độ quá khích từ để trở thành một máy bù cung cấp thêm công suất phản kháng cho mạng. -Mômen quay tỷ lệ bậc nhất với điện áp của mạng, vì vậy ít phụ thuộc vào sự dao động của điện áp. Khi tần số của nguồn không đổi, tốc độ quay của động cơ không phụ thuộc vào phụ tải, do đó năng suất làm việc của máy cao. Khuyết điểm của động cơ không đồng bộ là cấu tạo phức tạp, giá thành đắt. Chính vì vậy động cơ đồng bộ mới chỉ chiếm khoảng 20 tổng số động cơ dùng trong công nghiệp. Ngày nay nhờ chế tạo những động cơ tự kích từ giá thành hạ và giải công suất tương đối rộng nên người ta có xu hướng sử dụng ngày càng nhiều động cơ đồng bộ. 6. Năng cao chất lượng sưả chửa động cơ. Do chất lượng sửa chữa động cơ không tốt nên sau khi sửa chữa các tính năng của động cơ thường kém trước:tổn thất trong động cơ tăng lên, cosj giảm v.v. Vì thế cần chú trọng đến khâu nâng cao chất lượng sửa chữa động cơ góp phần giải quyết vấn đề cải thiện hệ số cosj của xí nghiệp. 7. Thay thế những máy biến áp làm việc non tải bằng những máy biến áp có dung lượng nhỏ hơn. Máy biến áp là một trong những máy điện tiêu thụ nhiều công suất phản kháng (sau động cơ không đồng bộ), Vì vậy, nếu trong tương lai tương đối dài mà hệ số phụ tải của máy biến áp không có khả năng vượt quá 0,3 thì nên thay nó bằng máy có dung lượng nhỏ hơn. Đứng về mặt vận hành mà xét thì trong thời gian phụ tải nhỏ (ca ba) nên cắt bớt các máy biến áp non tải, biện pháp này cũng có tác dụng lớn để nâng cao hệ số cosj tự nhiên của xí nghiệp. 5.4.5 Dùng phương pháp bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất cosj 1. Đương lượng kinh tế của công suất phản kháng Việc bù công suất phản kháng sẽ đưa lại hiệu quả là nâng cao hệ số cosj và giảm được tổn thất công suất tác dụng trong mạng. Để đánh giá hiệu quả của việc giảm tổn thất công suất tác dụng chúng đưa ra một chỉ tiêu gọi là đương lượng kinh tế của công suất phản kháng kkt. Đương lượng kinh tế của công suất phản kháng kkt là lượng công suất tác dụng (KW) tiết kiệm được khi bù KVAR công suất phản kháng. Như vậy nếu biết được kkt và lượng công suất bù Qbù thì chúng ta tính được công suất tác dụng tiết kiệm được do bù là: P tiết kiệm = kkt . Qbù (12.6) Sau đây chúng ta sẽ phân tích thêm đương lượng kinh tế của công suất phản kháng phụ thuộc vào những yếu tố nào. Chúng ta biết rằng tổn thất công suất tác dụng trên đường dây được tính theo công thức sau: Sau khi bù do lượng tổn thất DP giảm nên công suất tác dụng truyền tải trên đường dây cũng giảm, do đó lượng tổn thất giảm. Song lượng thay đổi này không đáng kể nên ta có thể bỏ qua, mà chỉ quan tâm đến thành phần tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra: mà thôi. Trước khi bù, thành phần tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra là: Sau khi bù một lượng Qbù, thành phần tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra là: Vậy lượng công suất tiết kiệm được là: Theo định nghĩa: (12.7) từ công thức trên chúng ta nhận xét rằng: - Nếu dung lượng Qbù nhỏ hơn nhiều so với công suất phản kháng truyền tải trên đường dây Q (điều này thường xảy ra trong thực tế), tức là có thể coi , lúc này đương lượng kinh tế của công suất phản kháng được tính theo công suất đơn giản sau (12.8) - Nếu Q và R càng lớn thì kkt càng lớn, nghĩa là nếu phụ tải phản kháng càng lớn và càng ở xa nguồn thì việc bù càng có hiệu quả kinh tế. Giá trị của kkt thường nằm trong khoản 0,02-0,12 KW/KVAR. Trong tính toán có thể lấy các giá trị như sau đối với các loại hộ dùng điện. Hộ dùng điện do máy phát điện cung cấp kkt = 0,02 - 0,04 - Hộ dùng điện qua một lần biến áp kkt = 0,04 - 0,06 - Hộ dùng điện qua hai lần biến áp kkt = 0,05 - 0,07 - Hộ dùng điện qua ba lần biến áp kkt = 0,08 - 0,12 2. Xác định dung lượng bù. Dung lượng bù được xác định theo công thức sau: (12.9) Trong đó: P - phụ tải tính toán của hộ tiêu thụ điện KW; j1 - góc ứng với hệ số công suất trung bình (cosj1) trước khi bù; j2 - góc ứng với hệ số công suất (cosj2) muốn đạt được sau khi bù; a = 0,9 -1 - hệ số xét tới khả năng nâng cao cosj bằng những phương pháp không đòi hỏi đặt thiết bị bù. Hệ số công suất cosj2 nói ở trên thường lấy bằng hệ số công suất do cơ quan quản lý hệ thống điện quy định cho mỗi hộ tiêu thụ phải đạt được, thường nằm trong khoảng cosj = 0,8 -0.95. Cần chú ý rằng đứng về mặt tổn thất công suất tác dụng của hộ dùng điện, thì dung lượng bù có thể xác định theo quan điểm tối ưu sau đây: Do bù có thể tiết kiệm được một lượng công suất tác dụng là: DPtk = kktQbù - kbùQbù = Qbù( kkt - kbù), trong đó: kkt _ đương lượng kinh tế của công suất phản kháng, KW/KVAR kbù _ suất tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù, KW/KVAR. Như vậy DPtk = f(Qbù), từ đó chúng ta có thể tìm được dung lượng bù tối ưu ứng với DPtk đạt cực đại là: Q bù . t ưu = Q - Từ công thức (12-8) rút ra thành phần và thay vào công thức trên, chúng ta có: Q bù . t ưu = Q (1 - ) (12-10) Q bù t.ưu không nhất thiết trùng với Qbù được tính theo công thức (12-9). Đứng về nội bộ hộ tiêu thụ mà nói thì nên bù 1 lượng bằng Q bù t .ưu là kinh tế hơn cả. Song do lợi ích chung của toàn hệ thống điện, thường nhà nước qui định hệ số công suất tiêu chuẩn mà các hộ nhất thiết phải đạt được, mặc dù đối với từng hộ dùng điện cụ thể cosj tiêu chuẩn đó chưa phải là tốt nhất. Vì vậy, trong thực tế thường người ta tính dung lượng bù theo công thức (12-9) Bảng 12-2 Suất tổn hao công suất tác dụng của các loại thiết bị bù Loại thiết bị bù kbù KW/KVAR Tụ điện Máy bù đồng bộ S = 500-30.000 KVA Máy bù đồng bộ S < 5000 KVA Động cơ dây quấn được đồng bộ hóa Máy phát đồng bộ dùng làm máy bù Máy phát đồng bộ dùng làm máy bù không tháo động cơ sơ cấp 0,003 - 0,005 0,002-0,027 0,03-0,05 0,02-0,08 0,1-0,15 0,15-0,3 3. Chọn thiết bị bù: Thiết bị bù phải được chọn trên cơ sở tính toán so sánh về kinh tế kỹ thuật. Bảng 12-2 trình bày các loại thiết bị bù và suất tổn hao công suất tác dụng của chúng. 1.Tụ điện là loại thiết bị điện tĩnh, làm việc với dòng điện vượt trước điện áp, do đó nó có thể sinh ra công suất phản kháng Q cung cấp cho mạng. Tụ điện có nhiều ưu điểm như suất tổn hao công suất tác dụng bé, không có phần quay nên lắp ráp bảo quản dễ dàng. Tụ điện được chế tạo thành từng đơn vị nhỏ, vì thế có thể tùy theo sự phát triển của phụ tải trong quá trình sản suất mà chúng ta ghép dần tụ điện vào mạng, khiến hiệu suất sử dụng cao và không phải bỏ nhiều vốn đầu tư ngay một lúc. Nhược điểm của tụ điện là nhạy cảm với sự biến động của điện áp đặt lên cực tụ điện ( Q do tụ sinh ra tỷ lệ với bình phương của điện áp). Tụ điện cấu tạo kém chắc chắn, dễ bị phá hỏng khi xảy ra ngắn mạch, khi điện áp tăng đến 110%Uđm thì tụ điện dễ bị chọc thủng, do đó không được phép vận hành. Khi đóng tụ điện vào mạng trong mạng sẽ có dòng điện xung, còn khi cắt tụ điện ra khỏi mạng, trên cực của tụ điện vẫn còn điện áp dư có thể gây nguy hiểm cho nhân viên vận hành. 2. Máy bù đồng bộ: là một động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ không tải. Do không có phụ tải trên trục nên máy bù đồng bộ được chế tạo gọn nhẹ và rẻ hơn so với động cơ đồng bộ cùng công suất. Ở chế độ quá kích thích máy bù sản suất ra công suất phản kháng cung cấp cho mạng, còn ở chế độ thiếu kích thích máy bù tiêu thụ công suất phản kháng của mạng. Vì vậy ngoài công dụng bù công suất phản kháng máy bù còn là thiết bị rất tốt để điều chỉnh điện áp, nó thường được đặt ở những điểm cần điều chỉnh điện áp trong hệ thống. Nhược điểm của máy bù là có phần quay nên lắp ráp, bảo quản và vận hành khó khăn.Để cho kinh tế máy bù thường được chế tạo với công suất lớn, do đó máy bù đồng bộ thường được dùng ở những nơi cần bù tập trung với dung lượng lớn. 3. Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn được đồng bộ hóa. Khi cho dòng 1 chiều vào rôto của động cơ không đồng bộ dây quấn, động cơ sẽ làm việc như 1 động cơ đồng bộ với dòng điện vượt trước điện áp. do đó nó có thể sinh ra công suất phản kháng Q cung cấp cho mạng. Nhược điểm của loại động cơ này là tổn thất công suất khá lớn, khả năng quá tải lớn, vì vậy thường động cơ chỉ được phép làm việc với 75% công suất định mức. Với những lý do trên, Động cơ không đồìng bộ rôto dây quấn được đồng bộ hóa được coi là thiết bị bù kém nhất, nó chỉ được dùng khi không có sẵn các thiết bị bù khác. Ngoài các thiết bị bù kể trên, còn có thể dùng động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích từ hoặc dùng máy phát điện làm việc ở chế độ bù để làm máy bù. Ở các xí nghiệp có nhiều tổ máy diezen, máy phát làm nguồn dự phòng, khi chưa dùng đến có thể lấy làm máy bù đồng bộ. Theo kinh nghệm thực tế, việc chuyển máy phát thành máy bù đồng bộ không phiền phức lắm, vì vậy biện pháp này cũng được nhiều xí nghiệp ưa dùng. Phụ lục 1 Dòng điện cho phép của dây không bọc (dây trần) (A) Dây đồng Dây nhôm Dây nhôm lõi thép Tiết diện mm2 Dòng điện cho phép (A) Tiết diện mm2 Dòng điện cho phép (A) Mã hiệu dây dẫn Dòng điện cho phép (A) khi đặt ngoài trời Đặt trong nhà Đặt ngoài trời Đặt trong nhà Đặt ngoài trời 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 50 70 95 130 180 220 270 340 415 485 25 35 60 100 140 175 220 280 340 405 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 75 105 135 170 215 265 325 375 440 500 610 55 80 110 135 170 215 260 310 370 425 AC-16 AC-25 AC-35 AC-50 AC-70 AC-95 AC-120 AC-150 AC-185 AC-240 AC-300 AC-400 ACY-300 ACY-400 105 135 170 220 275 335 380 445 515 610 700 800 710 865 Phụ lục 2 Bảng 1: Dòng điện cho phép của dây dẫn ruột đồng có cách điện bằng cao su và policlovinin (A) Tiết diện lõi mm2 Dây dẫn để lộ ở ngoài Dây một lõi đặt trong cùng một ống Hai dây Ba dây Bốn dây 0,5 0,75 1 1,5 2,5 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 - 11 15 17 23 30 44 50 80 100 140 170 245 270 330 385 440 510 605 695 890 - - 16 19 27 38 46 70 85 115 135 185 225 270 315 360 - - - - - - 15 17 25 35 42 60 80 100 125 170 210 255 290 330 - - - - - - 14 16 25 30 40 50 75 90 115 150 185 225 260 - - - - - Khi xác định số dây dẫn đặt trong cùng một ống thì không tính đến dây trung trính của hệ thống xoay chiều ba pha Bảng 2: Dòng điện cho phép của dây dẫn ruột nhôm có cách điện bằng cao su và policlovinin (A) Tiết diện lõi mm2 Dây dẫn để lộ ở ngoài Dây một lõi đặt trong cùng một ống Hai dây Ba dây Bốn dây 2,5 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 24 32 30 55 80 105 130 165 210 255 295 345 390 465 535 645 20 28 36 50 60 85 100 140 175 215 245 275 - - - - 19 28 32 47 60 80 95 130 165 200 220 255 - - - - 19 23 30 39 55 70 85 120 140 175 200 - - - - - Khi xác định số dây dẫn đặt trong cùng một ống thì không tính đến dây trung trính của hệ thống xoay chiều ba pha bốn dây Phụ lục 3 Bảng 1: Dòng điện cho phép của cáp ruột đồng có cách điện bằng giấy tẩm nhựa thông và nhựa không chảy có vỏ chì hay nhôm đặt trong đất, (A) Tiết diện ruột, mm2 Cáp 3 ruột Cáp 4 ruột 6 kV 10 kV Dưới 1 kV Nhiệt độ cho phép của ruột cáp 0C 65 60 80 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 200 - - 80 105 135 160 200 245 295 340 390 440 510 - - - 95 120 150 180 245 265 310 355 400 460 50 60 85 115 150 175 215 265 310 350 395 150 - Bảng 2: Dòng điện cho phép của cáp ruột đồng có cách điện bằng giấy tẩm nhựa thông và nhựa không chảy có vỏ chì hay nhôm đặt trong không khí, (A) Tiết diện ruột, mm2 Cáp 3 ruột Cáp 4 ruột 6 kV 10 kV Dưới 1 kV Nhiệt độ cho phép của ruột cáp 0C 65 60 80 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 - - 55 65 90 110 145 175 215 250 290 325 375 - - - 60 85 105 135 165 200 240 270 305 350 35 45 60 80 100 120 145 185 215 260 300 340 -