Hệ thống điện - Chương 1: Giới thiệu chung về cung cấp điện

ố điểm hay một số nhánh của sơ đồ đang xét. Tùy thuộc mục đích tính toán mà các đại lượng trên có thể được tính ở một thời điểm nào đó hay diễn biến của chúng trong suốt cả quá trình quá độ. Những tính toán như vậy cần thiết để giải quyết các vấn đề sau:  So sánh, đánh giá, chọn lựa sơ đồ nối điện.  Chọn các khí cụ, dây dẫn, thiết bị điện. 40  Thiết kế và chỉnh định các loại bảo vệ.  Nghiên cứu phụ tải, phân tích sự cố, xác định phân bố dòng... Trong hệ thống điện phức tạp, việc tính toán ngắn mạch một cách chính xác rất khó khăn. Do vậy tùy thuộc yêu cầu tính toán mà trong thực tế thường dùng các phương pháp thực nghiệm, gần đúng với các điều kiện đầu khác nhau để tính toán ngắn mạch. Chẳng hạn để tính chọn máy cắt điện, theo điều kiện làm việc của nó khi ngắn mạch cần phải xác định dòng ngắn mạch lớn nhất có thể có. Muốn vậy, người ta giả thiết rằng ngắn mạch xảy ra lúc hệ thống điện có số lượng máy phát làm việc nhiều nhất, dạng ngắn mạch gây nên dòng lớn nhất, ngắn mạch là trực tiếp, ngắn mạch xảy ra ngay tại đầu cực máy cắt Để giải quyết các vấn đề liên quan đến việc chọn lựa và chỉnh định thiết bị bảo vệ rơle thường phải tìm dòng ngắn mạch nhỏ nhất, lúc ấy tất nhiên cần phải sử dụng những điều kiện tính toán hoàn toàn khác với những điều kiện nêu trên. 6.1.4. Tính toán ngắn mạch Trong tính toán ngắn mạch, kết quả thu được là gần đúng, mức độ chính xác phụ thuộc vào cách thức thiết lập sơ đồ thay thế để tính toán và độ chính xác của phương tiện tính toán. Ví dụ: Nếu không kể đến phụ tải và các phần tử khác thì giá trị dòng ngắn mạch tính toán sẽ lớn hơn 2-7% so với giá trị chính xác. Nếu không kể đến điện trở và phụ tải (khi tính toán chính xác sức điện động), thì dòng ngắn mạch ba pha sẽ lớn hơn giá trị thực khoảng 20%. Nếu chỉ không lưu ý đến sự khác nhau về module và argument của sức điện động (xem các máy phát điện là như nhau và có sức điện động bằng 1,05E) thì giá trị tính toán dòng điện ngắn mạch ba pha sẽ nhỏ hơn khoảng 10% so với giá trị chính xác. Nếu không kể đến sự khác nhau về module và argument của sức điện động (sức điện động bằng 1,05E), đồng thời không kể đến sự khác nhau của phụ tải, thì dẫn đến kết quả dòng điện ngắn mạch ba pha nhỏ hơn so với giá trị chính xác khoảng 5-8%. Nếu dùng định lý máy phát điện tương đương (Thevenin) để tính toán thì dòng ngắn mạch sẽ là: knm k sun U I Z Z   Trong đó:  Uk: điện áp của thanh góp sự cố ở chế độ làm việc trước khi phát sinh ngắn mạch.  Zk: tổng trở tương đương của sơ đồ thứ tự thuận được nhìn từ chỗ sự cố.  Zsun: tổng trở mạch sun tương đương của chỗ sự cố. Sự sai lệch của dòng điện ngắn mạch tính toán so với giá trị thực tế nằm trong phạm vi trên có thể chấp nhận được khi nghiên cứu một số phạm trù tính toán như việc xác định công suất dòng điện ngắn mạch của máy cắt điện. Tuy nhiên trong việc tính toán, lựa chọn đặc tính cho các bảo vệ khoảng cách, so lệchcần phải tính toán dòng ngắn mạch một cách chính xác. Để tính toán dòng ngắn mạch có thể áp dụng các phương pháp thực dụng gần đúng như phưong giải tích và phương pháp đường cong tính toán, khi cần độ chính xác cao phương pháp dùng ma trận và máy tính được dùng.  Phương pháp giải tích.  Phương pháp đường cong tính toán. 41  Phương pháp dùng ma trận và máy tính để tính toán. 6.2. Các phương tính toán gần đúng dòng điện ngắn mạch: Các phương pháp tính thông thường đều phải tuần tự thực hiện các bước sau: Xây dựng các giả thiết, các giả thiết phù hợp với phương pháp tính, mục đích tính ngắn mạch, phù hợp với từng trường hợp cụ thể Chọn hệ đơn vị tương đối. Thành lập sơ đồ thay thế và thực hiện các phép biến đổi để có thể tính được điện kháng từ nguồn đến điểm ngắn mạch. Tính các thành phần của dòng ngắn mạch cần thiết. Sau đây sẽ giới thiệu khái quát hai phương pháp tính gần đúng dòng ngắn mạch là phương pháp giải tích và phương pháp đường cong tính toán. 6.2.1. Phương pháp giải tích: 6.2.1.1. Xây dựng các giả thiết: Khi xảy ra ngắn mạch sự cân bằng công suất từ điện, cơ điện bị phá hoại, trong hệ thống điện đồng thời xảy ra nhiều yếu tố làm các thông số biến thiên mạnh và ảnh hưởng tương hỗ nhau. Nếu kể đến tất cả những yếu tố ảnh hưởng, thì việc tính toán ngắn mạch sẽ rất khó khăn. Do đó, trong thực tế người ta đưa ra những giả thiết nhằm đơn giản hóa vấn đề để có thể tính toán. Mỗi phương pháp tính toán ngắn mạch đều có những giả thiết riêng của nó. Ở đây ta chỉ nêu ra các giả thiết cơ bản chung cho việc tính toán ngắn mạch. - Mạch từ không bão hòa: giả thiết này sẽ làm cho phương pháp phân tích và tính toán ngắn mạch đơn giản rất nhiều, vì mạch điện trở thành tuyến tính và có thể dùng nguyên lý xếp chồng để phân tích quá trình. - Bỏ qua dòng điện từ hóa của máy biến áp. - Hệ thống điện 3 pha là đối xứng. - Bỏ qua dung dẫn của đường dây: giả thiết này không gây sai số lớn, ngoại trừ trường hợp tính toán đường dây cao áp tải điện đi cực xa thì mới xét đến dung dẫn của đường dây. - Bỏ qua điện trở tác dụng: nghĩa là sơ đồ tính toán có tính chất thuần kháng. Giả thiết này dùng được khi ngắn mạch xảy ra ở các bộ phận điện áp cao, ngoại trừ khi bắt buộc phải xét đến điện trở của hồ quang điện tại chỗ ngắn mạch hoặc khi tính toán ngắn mạch trên đường dây cáp dài hay đường dây trên không tiết diện bé. Ngoài ra lúc tính hằng số thời gian tắt dần của dòng điện không chu kỳ cũng cần phải tính đến điện trở tác dụng. - Xét đến phụ tải một cách gần đúng: tùy thuộc giai đoạn cần xét trong quá trình quá độ có thể xem gần đúng tất cả phụ tải như là một tổng trở không đổi tập trung tại một nút chung. - Các máy phát điện đồng bộ không có dao động công suất: nghĩa là góc lệch pha giữa sức điện động của các máy phát điện giữ nguyên không đổi trong quá trình ngắn mạch. Nếu góc lệch pha giữa sức điện động của các máy phát điện tăng lên thì dòng trong nhánh sự cố giảm xuống, sử dụng giả thiết này sẽ làm cho việc tính toán đơn giản hơn và trị số dòng điện tại chỗ ngắn mạch là lớn nhất. Giả thiết này không gây sai số lớn, nhất là khi tính toán trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ (0,1 ÷ 0,2 sec). 6.2.1.2. Chọn đơn vị tương đối: Bất kỳ một đại lượng vật lý nào cũng có thể biểu diễn trong hệ đơn vị có tên hoặc trong hệ đơn vị tương đối. Trị số trong đơn vị tương đối của một đại lượng vật lý nào đó là tỷ số giữa nó với một đại lượng vật lý khác cùng thứ nguyên được chọn làm đơn vị đo lường. 42 Đại lượng vật lý chọn làm đơn vị đo lường được gọi đại lượng cơ bản. Như vậy, muốn biểu diễn các đại lượng trong đơn vị tương đối trước hết cần chọn các đại lượng cơ bản. Khi tính toán đối với hệ thống điện 3 pha người ta dùng các đại lượng cơ bản sau: Scb: công suất cơ bản 3 pha. Zcb: tổng trở pha cơ bản. Ucb: điện áp dây cơ bản. tcb: thời gian cơ bản. Icb: dòng điện cơ bản. ωcb: tốc độ góc cơ bản. Các đại lượng này liên hệ với nhau qua các biểu thức sau: 1 3. . 3. và U S U I Z t I     Do đó thông thường chọn ba đại lượng cơ bản là Scb, Ucb, ωcb các đại lượng còn lại được tính từ các biểu thức trên. Scb: thường được chọn bằng 100MVA, 1000MVA hay có thể chọn bằng công suất định mức của một trong các nguồn cung cấp. Ucb: lấy theo thang điện áp trung bình định mức: 500; 330; 230; 115; 37; 22; 18; 15,75; 13,8; 6,3; 3,15 và 0,4kV. Sau khi đã có các đại lượng cơ bản, có thể tính các đại lượng tương đối từ các đại lượng thực theo các công thức sau: *( ) *( ); cb cb cb cb E U E U U U   *( ) *( ); cb cb cb cb S I S I S I   *( ) 2 3. . .cb cbcb cb cb cb I SZ Z Z Z Z U U    Một số tính chất của hệ đơn vị tương đối: - Các đại lượng cơ bản dùng làm đơn vị đo lường cho các đại lượng toàn phần cũng đồng thời dùng cho các thành phần của chúng. Ví dụ: Scb dùng làm đơn vị đo lường chung cho S, P, Q; Zcb - cho Z, R, X. - Trong đơn vị tương đối điện áp pha và điện áp dây bằng nhau, công suất 3 pha và công suất 1 pha cũng bằng nhau. - Một đại lượng thực có thể có giá trị trong đơn vị tương đối khác nhau tùy thuộc vào lượng cơ bản và ngược lại cùng một giá trị trong đơn vị tương đối có thể tương ứng với nhiều đại lượng thực khác nhau. - Thường tham số của các thiết bị được cho trong đơn vị tương đối với lượng cơ bản là định mức của chúng (Sđm, Uđm, Iđm). Lúc đó: *( ) 2 3. . .dm dmdm dm dm dm I SZ Z Z Z Z U U    - Đại lượng trong đơn vị tương đối có thể được biểu diễn theo phần trăm, ví dụ như ở kháng điện, máy biến áp... *( ) 3. % 100. . .100 3. % . .100 % dm K dm K dm dm B B N dm I X X X U I X X U U     6.2.1.3. Thành lập sơ đồ thay thế và biến đổi sơ đồ: Sơ đồ thay thế là sơ đồ cho phép thế các mạch liên hệ nhau bởi từ trường bằng một mạch điện tương đương bằng cách qui đổi tham số của các phần tử ở các cấp điện áp khác nhau về một cấp được chọn làm cơ 43 sở. Các tham số của sơ đồ thay thế có thể xác định trong hệ đơn vị có tên hoặc hệ đơn vị tương đối, đồng thời có thể tính gần đúng hoặc tính chính xác. Trình tự qui đổi như sau:  Chọn công suất cơ bản Scb chung cho tất cả các đoạn trên sơ đồ.  Trên mỗi đoạn lấy Uđm = Utb của cấp điện áp tương ứng.  Tính đổi tham số của các phần tử ở mỗi đoạn sang đơn vị tương đối theo các biểu thức gần đúng. Bảng 6.2. Công thức tính quy đổi cho các phần tử. Sau khi đã quy đổi, thực hiện các phép biến đổi để có thể tính toán điện kháng từ nguồn đến vị trí ngắn mạch. Các phép biến đổi: Các phép biến đổi sơ đồ thay thế được sử dụng trong tính toán ngắn mạch nhằm mục đích biến đổi những sơ đồ thay thế phức tạp của hệ thống điện thành một sơ đồ đơn giản nhất tiện lợi cho việc tính toán, còn gọi là sơ đồ tối giản. Sơ đồ tối giản có thể bao gồm một hoặc một số nhánh nối trực tiếp từ nguồn sức điện động đẳng trị E∑ đến điểm ngắn mạch thông qua một điện kháng đẳng trị (tổng hợp) X∑. . K x?E? - Nhánh đẳng trị: Phép biến đổi này được dùng để ghép song song các nhánh có nguồn hoặc không nguồn thành một nhánh tương đương. Trong đó: 1 1 1 . 1 ; n k k k dt dtn n k k k k E Y E X Y Y         Với 1 k k Y X  là điện dẫn nhánh k. 44 + Biến đổi Y - Δ: Biến đổi sơ đồ thay thế có dạng hình sao gồm 3 nhánh (hình a) thành tam giác (hình b) theo các biểu thức sau: Ngược lại, biến đổi sơ đồ có dạng hình tam giác sao thành hình sao dùng các biểu thức sau: + Tách riêng các nhánh tại điểm ngắn mạch: Nếu ngắn mạch trực tiếp 3 pha tại điểm nút có nối một số nhánh, thì có thể tách riêng các nhánh này ra khi vẫn giữ ở đầu mỗi nhánh cũng ngắn mạch như vậy. Sơ đồ nhận được lúc này không có mạch vòng sẽ dễ dàng biến đổi. Tính dòng trong mỗi nhánh khi cho ngắn mạch chỉ trên một nhánh, các nhánh ngắn mạch khác xem như phụ tải có sức điện động bằng không. Dòng qua điểm ngắn mạch là tổng các dòng đã tính ở các nhánh ngắn mạch riêng rẽ. Phương pháp này thường dùng khi cần tính dòng trong một nhánh ngắn mạch nào đó. + Lợi dụng tính chất đối xứng của sơ đồ: Lợi dụng tính chất đối xứng của sơ đồ ta có thể ghép chung các nhánh một cách đơn giản hơn hoặc có thể bỏ bớt một số nhánh mà dòng ngắn mạch không đi qua. 6.2.1. 4. Tính toán ngắn mạch: Sau khi đã tính được điện kháng tổng hợp và sức điện động siêu quá độ, lần lượt tính: + Dòng điện ngắn mạch siêu quá độ tương đối: * * "i E x    + Dòng điện ngắn mạch:  . "N cbI I i kA + Dòng điện xung kích:  . 2.xk xk Ni k I kA 6.2.2. Phương pháp đường cong tính toán: 45 Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng một số đường cong đặc biệt, có thể xác định giá trị chu kỳ của dòng điện tại bất kỳ thời điểm nào tùy theo điện kháng tính toán của sơ đồ. Đường cong tính toán là đường cong biểu diễn trị số tương đối của thành phần chu kỳ trong dòng ngắn mạch tại những thời điểm tùy ý của quá trình quá độ phụ thuộc vào một điện kháng - điện kháng tính toán * " tt d Nx x x  và  * * ,ckt ttI f x t Cấu trúc của đường cong được vẽ dựa trên sơ đồ đơn giản (hình vẽ) và các giả thiết: Trước lúc ngắn mạch, máy phát điện mang tải định mức với cosφ= 0,8 và điện áp ở định mức, tương ứng với giả thiết là phụ tải không đổi 0,8 0.6 136 8optZ j   . Nhánh bị ngắn mạch 3 pha tại điểm N có điện kháng xN không mang tải trước khi xảy ra ngắn mạch. Cho xN các giá trị khác nhau, theo các biểu thức đã biết hoặc bằng mô hình tính Ick tại điểm ngắn mạch ở các thời điểm khác nhau. Từ kết quả tính được, xây dựng họ đường cong  * * ,ckt ttI f x t . Các tham số đều tính trong đơn vị tương đối với lượng cơ bản là định mức của máy phát: Ucb = Utb và Scb = SđmF. Đường cong tính toán được xây dựng riêng cho các máy phát nhiệt điện và thủy điện Các bước tính toán ngắn mạch theo phương pháp đường cong tính toán: Tính toán theo một biến đổi còn gọi là tính toán theo biến đổi chung. Phương pháp này sử dụng khi khoảng cách giữa các máy phát đến điểm ngắn mạch gần như nhau, lúc đó sự tắt dần của thành phần chu kỳ trong dòng ngắn mạch của các máy phát là gần như nhau, cho nên có thể nhập chung tất cả các máy phát thành một máy phát đẳng trị có công suất tổng để tính toán. Trình tự tính toán như sau:  Lập sơ đồ thay thế trong đơn vị tương đối theo phép qui đổi gần đúng (với các lượng cơ bản Scb, Ucb = Utb): - Điện kháng của máy phát lấy bằng x”d. - Không cần đặt bất kỳ sức điện động nào trong sơ đồ. - Phụ tải có thể bỏ đi, trừ trường hợp những động cơ cỡ lớn nối trực tiếp vào điểm ngắn mạch thì tính toán như máy phát có cùng công suất.  Biến đổi sơ đồ thay thế, đưa nó về dạng đơn giản nhất để tính điện kháng đẳng trị x*Σ của sơ đồ đối với điểm ngắn mạch.  Tính đổi về điện kháng tính toán: * *tt dm cb x x S S   Trong đó: SđmΣ - tổng công suất định mức của các máy phát. Từ điện kháng tính toán x*tt và thời điểm t cần xét, tra đường cong tính toán sẽ tìm được I*ckt. Tính đổi về đơn vị có tên (nếu cần) với lượng cơ bản lúc này là SđmΣ và Utb: 46 * * . . 3. ckt ckt ckt dm dm tb I I I S I U    6.3. Khái quát về sử dụng máy tính trong tính toán ngắn mạch Máy vi tính đã được sử dụng ngày càng nhiều trong việc nghiên cứu các chế độ của hệ thống điện. Nếu máy tính đủ mạnh nó có thể tính toán các bài toán với số lượng vài chục nút chỉ trong vài phút. Để tính toán các bài toán của hệ thống điện bằng máy tính, đầu tiên phải xây dựng các ma tổng dẫn (Y) hay tổng trở (Z), sau đó giải bài toán (I)= (Y)(U) hay (U)= (Z)(I) bằng phương pháp lặp Seidel Gauss. 6.4. Phương pháp tính ngắn mạch trong mạng điện áp thấp đến 1000V: Tính ngắn mạch trong mạng điện dưới 1000V thường là để lựa chọn các khí cụ điện và các bộ phận có dòng điện đi qua. Đối với mạng này không thể bỏ qua thành phần điện trở khi tính toán ngắn mạch vì nếu bỏ qua sai số sẽ rất lớn. Điện trở của các phần tử trong mạch như máy biến áp, dây dẫn, thanh dẫn, biến dòng điện, biến điện áp đo lường đều phải được kể đến. Tính toán ngắn mạch trong mạng hạ áp có thể giả thiết điện áp phía sơ cấp máy biến áp là không đổi khi xảy ra ngắn mạch và nên dùng đơn vị có tên để đơn giản vì chỉ có một cấp điện áp: Z (R, X) [mΩ]; U [kV, V]; I [kA, A]; S [kVA]. 6.4.1. Tính điện kháng: - Tính điện kháng hệ thống:   3 2 3 cat cat .10 .10 3. ht tb tb dmdm X U U m SI    Trong đó: tbU là điện áp trung bình (0,23; 0,4; 0,525; 0,69 kV). cat dmI , cat dmS : dòng điện và công suất định mức cắt của máy cắt điện đặt ở phía cao áp máy biến áp, tính bằng kA và kVA. - Điện trở và điện kháng máy biến áp:   2 3 2 . .10 ,k dmT dm P U R m S      2%. .10,x dmT dm U U X m S   Trong đó: kP tổn thất ngắn mạch của máy biến áp (W). dmU , dmS : điện áp và công suất định mức máy biến áp (kV, kVA) %xU thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch, tính theo 2 2% % %x k rU U U  , với: %kU là % điện áp ngắn mạch và thành phần tác dụng của nó: 3 % .100 10. 10 . k k r dm dm P P U S S     - Điện trở và điện kháng đường dây hạ áp: Đối với đường dây hạ áp, một cách gần đúng có thể lấy xo= 0,3[Ω/km] cho đường dây trên không và xo= 0,07[Ω/km] cho cáp. Điện trở 0 1 . ,[ / ]r km F   . 47 - Điện trở và điện kháng các thành phần khác: như cuộn dòng điện của áp-tô-mát, cuộn sơ cấp của máy biến dòng, điện trở tiếp xúc của các tiếp điểmcó thể tra ở các cẩm nang. 6.4.2. Tính dòng điện ngắn mạch: Sau khi đã xác định được điện kháng và điện trở tổng hợp của mạch điện ngắn mạch, tính được: Thành phần chu kỳ của dòng điện ngắn mạch: (3) 2 2 1000. ,[ ] 3. tb ck U I A r x    Dòng điện xung kích: .2.xk xk cki k I với 0,01 1 ; . aT xk a x k e T r       . Câu hỏi ôn tập chương 6 Câu 1. Ngắn mạch là gì ? Phân tích các trạng thái ngắn mạch trong hệ thống cung cấp điện và chỉ ra trạng thái ngắn mạch nguy hiểm nhất ? Câu 2. Mục đích, yêu cầu và các phương pháp tính toán ngắn mạch trong hệ thống cung cấp điện ? Câu 3. Bài tập tính toán ngắn mạch mạng điện hạ áp ? 48 Chương 7 LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN Trong điều kiện vận hành các khí cụ điện, sứ cách điện và các bộ phân dẫn điện khác có thể ở một trong ba chế độ: - Chế độ làm việc lâu dài: các thiết bị điện sẽ làm việc tin cậy nếu chúng được chọn theo đúng điện áp và dòng điện định mức. - Chế độ quá tải: dòng điện qua các thiết bị cao hơn bình thường, thiết bị còn tin cậy nếu giá trị và thời gian điện áp hay dòng tăng cao còn nhỏ hơn giá trị cho phép. - Chế độ ngắn mạch: các thiết bị còn tin cậy nếu trong quá trình lựa chọn thiết bị có xét đến điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt. Riêng đối với máy cắt điện còn phải lựa chọn thêm khả năng cắt của nó. Việc lựa chọn các thiết bị và bộ phận dẫn điện còn phải thỏa mãn yêu cầu hợp lý về kinh tế - kỹ thuật. 7.1. Khái quát chung 7.1.1. Điều kiện chung để chọn thiết bị điện 7.1.1.1. Chọn theo điện áp định mức: Điện áp định mức thiết bị điện thường được ghi trên nhãn thiết bị, ngoài ra thiết bị thường được chế tạo để có thể chịu được một quá điện áp nhất định. Do đó thiết bị được chọn thỏa: UđmKCĐ + ΔUđmKCĐ ≥ Uđm mạng + ΔUđm mạng Trong đó: UđmKCĐ là điện áp định mức khí cụ điện. ΔUđmKCĐ: độ tăng điện áp cho phép của khí cụ điện. Uđm mạng: điện áp định mức mạng điện nơi thiết bị làm việc. ΔUđm mạng: độ lệch điện áp so với điện áp định mức. Bảng 7.1. Trị số độ lệch điện áp cho phép tương đối của một số thiết bị. Cáp điện lực: 1,1Uđm Chống sét: 1,25Uđm Sứ cách điện: 1,15Uđm Dao cách ly: 1,1Uđm Máy cắt điện: 1,25Uđm Kháng điện: 1,15Uđm Máy biến dòng điện: 1,1Uđm Máy biến điện áp: 1,1Uđm Cầu chì: 1,1Uđm Riêng trường hợp khi các thiết bị đặt ở độ cao hơn 1000m so với thì điện áp cho phép chỉ được lấy bằng điện áp định mức. 7.1.1.2. Chọn theo dòng điện định mức: Dòng điện định mức khí cụ điện IđmKCĐ do nhà chế tạo cho sẵn. Chọn dòng điện định mức sẽ đảm bảo cho các bộ phận của nó không bị đốt nóng nguy hiểm khi làm việc lâu dài định mức. Như vậy, chọn thiết bị có IđmKCĐ ≥ Ilv max (dòng làm việc cực đại). Dòng định mức các khí cụ điện được giả thiết khi vận hành ở nhiệt độ môi trường xung quanh là 35 oC. Trường hợp nhiệt độ khác thì phải hiệu chỉnh: Nếu θxq > 35 o C thì. cp xq cp - -35    Nếu θxq < 35 oC thì I’cp có thể tăng lên 0,005. cho mỗi độ (không quá 0,2 IđmKCĐ). 49 7.1.2. Các điều kiện kiểm tra thiết bị khi xảy ra ngắn mạch: 7.1.2.1. Kiểm tra ổn định lực điện động: Khi xảy ra ngắn mạch thiết bị có dòng ngắn mạch đi qua sẽ chịu một lực điện động lớn hơn bình thường nhiều. Mỗi khí cụ điện có dòng điện cực đại cho phép, chọn Imax ≥ Ixk, dòng ngắn mạch xung kích. 7.1.2.2. Kiểm tra ổn định nhiệt: Dây dẫn và khí cụ điện sẽ bị nóng lên vì có các tổn thất công suất. Các tổn thất này phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng chủ yếu phụ thuộc vào bình phương dòng điện, do đó khi ngắn mạch dòng điện tăng cao làm cho thiết bị phát nóng rất nhanh. Khi nhiệt độ khí cụ điện và dây dẫn quá cao sẽ làm cho chúng bị hư hỏng hay giảm thời gian phục vụ. Do đó, các thiết bị được quy định nhiệt độ làm việc cho phép khi làm việc bình thường cũng như khi xảy ra ngắn mạch. 7.2. Lựa chọn máy cắt điện: 7.2.1. Lựa chọn và kiểm tra máy cắt điện điện áp cao hơn 1000V: Máy cắt điện là thiết bị dùng trong mạng điện áp cao để đóng, cắt dòng điện phụ tải và cắt dòng điện ngắn mạch. Bảng 7.2. Các điều kiện chọn và kiểm tra máy cắt: Thứ tự Đại lượng lựa chọn và kiểm tra Ký hiệu Công thức để chọn và kiểm tra 1 Điện áp định mức (kV) UđmMCĐ UđmMCĐ ≥ Uđm mạng 2 Dòng điện định mức (A) IđmMCĐ IđmMCĐ ≥ Ilv max 3 Dòng điện ổn định lực điện động (kA) Imax Imax ≥ Ixk 4 Dòng điện ổn định nhiệt (A) Iôđn Iôđn ≥ ôdn . gtt I t  5 Công suất cắt định mức (MVA) Sđmcắt Sđmcắt ≥ SN(tN) Chú thích: Dòng ổn định nhiệt của máy cắt trong lý lịch máy cho ứng với thời gian 1; 5 và 10s. Công suất ngắn mạch tại thời điểm cắt SN(tN) có thể xem là công suất tại thời điểm máy cắt hoạt động. 7.2.2. Lựa chọn và kiểm tra máy cắt phụ tải: Máy cắt phụ tải là thiết bị đóng cắt đơn giản và rẻ tiền hơn máy cắt. Nó gồm bộ phận đóng cắt điều khiển bằng tay và cầu chì, trong đó cầu chì đóng vai trò cắt dòng ngắn mạch. Bảng 7.3. Các điều kiện chọn và kiểm tra máy cắt phụ tải: Thứ tự Đại lượng lựa chọn và kiểm tra Ký hiệu Công thức để chọn và kiểm tra 1 Điện áp định mức (kV) UđmMCPT UđmMCPT ≥ Uđm mạng 2 Dòng điện định mức (A) IđmMCPT IđmMCPT ≥ Ilv max 3 Dòng điện ổn định lực điện động (kA) Imax Imax ≥ Ixk 50 4 Dòng điện ổn định nhiệt (A) Iôđn Iôđn ≥ ôdn . gtt I t  5 Dòng điện định mức cầu chì(A) IđmCC IđmCC ≥ Ilv max 6 Công suất cắt định mức cầu chì (MVA) Sđmcắt CC Sđmcắt ≥ S” Chú thích: S”= 3 .I”. Uđm mạng, với I” là giá trị hiệu dụng ban đầu của thành phần chu kỳ dòng điện ngắn mạch. 7.3. Lựa chọn cầu chì, dao cách ly: 7.3.1. Lựa chọn dao cách ly: Nhiệm vụ chủ yếu của dao cách ly là tạo ra khoảng hở cách điện trông thấy được giữa bộ phận đang mang điện và bộ phận cắt điện. Dao cách ly chỉ để đóng cắt khi không có dòng điện. Dao cách ly được chế tạo với nhiều cấp điện áp khác nhau, một pha hay ba pha, lắp đặt trong nhà và ngoài trời. Dao cách ly được chọn các điều kiện định mức: dòng và áp cùng điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt. 7.3.2. Lựa chọn cầu chì: Cầu chì là khí cụ điện để bảo vệ mạch điện khi ngắn mạch. Thời gian cắt của cầu chì phụ thuộc vào vật liệu làm dây chảy. Cầu chi là thiết bị bảo vệ đơn giản, rẻ tiền nhưng độ nhạy kém nó chỉ tác động khi dòng lớn hơn định mức nhiều lần (chủ yếu là dòng ngắn mạch). Bảng 7.4. Các điều kiện chọn và kiểm tra cầu chì: Thứ tự Đại lượng lựa chọn và kiểm tra Ký hiệu Công thức để chọn và kiểm tra 1 Điện áp định mức (kV) UđmCC UđmCC ≥ Uđm mạng 2 Dòng điện định mức (A) IđmCC IđmCC ≥ Ilv max 3 Công suất cắt định mức cầu chì (MVA) Sđmcắt CC Sđmcắt ≥ S” Lưu ý: Khi chọn cầu chì dùng để bảo vệ động cơ điện thì dòng định mức phải thỏa mãn hai điều kiện là dòng làm việc bình thường và dòng mở máy. 7.4. Lựa chọn và kiểm tra sứ cách điện: Sứ có tác dụng vừa làm giá đỡ cho các bộ phận mang điện vừa cách điện chúng với đất. Do đó sứ cách điện phải có độ bền cả về cơ và điện. Sứ được phân thành sứ đỡ, sứ treo các thanh cái, dây dẫn và các bộ phận mang điện. Ngoài ra còn có xứ xuyên dùng để dẫn thanh cái hay dây dẫn xuyên qua tường nhà hay vỏ thiết bị. Bảng 7.5. Các điều kiện chọn và kiểm tra sứ: Thứ tự Đại lượng lựa chọn và kiểm tra Ký hiệu Công thức để chọn và kiểm tra 1 Điện áp định mức (kV) Uđm sứ Uđm sứ ≥ Uđm mạng 2 Dòng điện định mức đối với sứ xuyên và sứ đầu ra (A) Iđm sứ Iđm sứ ≥ Ilv max 3 Lực cho phép tác dụng lên đầu sứ Fcp Fcp ≥ F’tt= k.Ftt 4 Dòng điện ổn định nhiệt cho phép Iôđn Iôđn ≥ I∞ 51 đối với sứ xuyên và sứ đầu ra Trong đó: Fcp: lực cho phép tác dụng lên đầu sứ, Fcp= 0,6.Fph, với Fph là lực phá hỏng sứ. F’tt= lực tác dụng lên đầu sứ. k: hệ số hiệu chỉnh. 7.5. Lựa chọn thanh dẫn: Thanh dẫn có thể bằng đồng, nhôm hay thép tùy theo cường độ cũng như môi trường làm việc sẽ được chọn thích hợp. Tiết diện S của các thanh dẫn thường được chọn theo mật độ dòng kinh tế (tra bảng), đồng thời phải kiểm tra các điều kiện phát nóng và ổn định động. 7.6. Lựa chọn dây dẫn và cáp: Có nhiều loại cáp dùng cho các cấp điện áp khác nhau. Lõi cáp thường bằng đồng hoặc nhôm gồm một, hai, ba hay bốn lõi. Ở cấp 110 – 220kV cách điện cáp thường là dầu hay khí. Cáp trên 10kV thường được chế tạo từng sợi riêng lẻ trong khi cáp dưới 10kV có thể gồm ba pha bọc chung một vỏ chì. Cáp dưới 1000V thường có cách điện bằng giấy tẩm dầu hoặc bằng nhựa. Dây dẫn trên không thường là dây trần một hay nhiều sợi, đặc hay rỗng ruột. Trong mạng điện xí nghiệp dây dẫn và cáp thường được chọn theo hai điều kiện: + Chọn theo điều kiện phát nóng. + Chọn theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép. Khi chọn tiết diện dây dẫn theo điều kiện này thì kiểm tra lại bằng điều kiện kia. Ngoài ra còn có thể chọn tiết điện dây dẫn theo mật độ dòng kinh tế. Sau đây giới thiệu phương pháp chọn tiết diện dây theo điều kiện phát nóng. Lựa chọn dây dẫn theo điều kiện phát nóng: Nhiệt độ cho phép của dây dẫn và cáp thường trong khoảng 55 – 80oC, tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường và điều kiện làm việc. Do đó, tiết diện dây dẫn và cáp được chọn thỏa điều kiện: k.Icp ≥ Ilv max Trong đó: k: hệ số điều chỉnh khi nhiệt độ môi trường khác 25oC (tra sổ tay kỹ thuật). Icp: dòng điện cho phép ứng với dây dẫn được chọn. 7.7. Lựa chọn các thiết bị khác: 7.7.1. Lựa chọn và kiểm tra kháng điện: Kháng điện là cuộn dây điện cảm không lõi thép có điện kháng lớn hơn điện trở rất nhiều. Điện kháng dùng để hạn chế dòng điện ngắn mạch hay hạn chế dòng điện mở máy của các động cơ điện. Kháng điện được chọn theo điện áp định mức, dòng điện định mức và giá trị điện kháng xk%, cuối cùng được kiểm tra ổn định động và ổn định nhiệt. 7.7.2. Lựa chọn và kiểm tra biến dòng điện: Máy biến dòng điện có nhiệm vụ biến đổi dòng điện có trị số lớn xuống trị số nhỏ để cung cấp cho các dụng cụ đo lường, bảo vệ rơle và tự động hóa. Cuộn sơ cấp của BI được mắc nối tiếp với mạng điện và có số vòng dây rất nhỏ (thường chỉ vài vòng), cuộn dây thứ cấp có nhiều vòng hơn. Dòng điện định mức thứ cấp của máy biến dòng là 5A, trường hợp đặc biệt là 1 hay 10A. 52 Máy biến dòng được chọn theo điện áp định mức, dòng điện sơ cấp định mức, phụ tải định mức. Ngoài ra, người ta còn kiểm tra lực ổn định động và ổn định nhiệt khi có dòng ngắn mạch chạy qua. 7.7.3. Lựa chọn và kiểm tra biến điện áp: Máy biến điện áp có nhiệm vụ biến đổi điện áp từ trị số cao xuống trị số thấp phục vụ cho đo lường, bảo vệ rơle và tự động hóa. Điện áp thứ cấp của máy biến điện áp chỉ khoảng 100V không kể điện áp sơ cấp định mức là bao nhiêu. Nguyên lý làm việc tương tự như máy biến áp thông thường chỉ khác là công suất của nó rất nhỏ chỉ hàng chục hay vài trăm VA. Tổng trở mạch ngoài của máy biến điện áp rất lớn. Máy biến điện áp thường được chế tạo thành loại một pha, ba pha hoặc ba pha năm trụ ở nhiều cấp điện áp. Máy được chọn theo loại, điện áp, cấp chính xác và công suất thứ cấp. Câu hỏi ôn tập chương 7 Câu 1. Những điều kiện chung để lựa chọn thiết bị điện. Tại sao phải lựa chọn thiết bị bảo vệ trong các mạng điện ? Câu 2. Trình bày phương pháp lựa chọn và kiểm tra máy cắt, máy cắt phụ tải và cầu chì ? Câu 3. Nêu các phương pháp lựa chọn dây dẫn trong mạng điện hạ áp và trung áp ? Câu 4. Bài tập tính toán lựa chọn tiết diện dây dẫn ? 53 Chương 8 BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN Trong quá trình vận hành hệ thống điện có thể xuất hiện tình trạng sự cố và chế độ làm việc không bình thường của các phần tử. Các sự cố thường kéo theo hiện tượng dòng điện tăng cao và điện áp giảm thấp. Điều này làm rối loạn hoạt động bình thường của hệ thống. Muốn duy trì hoạt động bình thường của hệ thống và hộ tiêu thụ cần nhanh chóng phát hiện sự cố và cách ly nó ra khỏi hệ thống. Thiết bị bảo vệ rơle là loại thiết bị tự động bảo vệ có chức năng thực hiện nhiệm vụ trên. Ngoài ra hệ thống điện còn có thể bị hư hại nghiêm trọng khi bị sét đánh, hệ thống chống sét có nhiệm vụ giảm thiểu các hư hỏng khi có sét đánh vào các phần tử điện. 8.1. Bảo vệ relay: 8.1.1. Các yêu cầu đối với hệ thống bảo vệ rơle: Các bảo vệ rơle cần phải thỏa mãn một số chỉ tiêu kỹ thuật nhất định: - Tính nhanh chóng: nhằm cắt nhanh vùng sự cố khỏi hệ thống, giảm thiểu các hư hỏng. - Tính lựa chọn: cắt đúng vùng sự cố khỏi hệ thống. - Tính đảm bảo: bảo vệ phải tác động khi cần, không tác động sai hoặc tác động không đúng lúc. - Độ nhạy: tác động gần với trị số được chỉnh định sẽ hoạt động, trị số tác động càng sát chỉnh định thì độ nhạy càng cao. - Độc lập với các điều kiện vận hành: bảo vệ phải hoạt động đúng trong các điều kiện vận hành khác nhau. Ngoài ra, hệ thống bảo vệ phải đạt yêu cầu về kinh tế, gọn nhẹ, linh hoạt trong việc thay đổi tính năng Theo lịch sử phát triển từ các rơle điện cơ đến rơle điện tử và ngày nay là sự kết hợp với sự điều khiển của máy tính các hệ thống bảo vệ ngày càng được hoàn thiện. 8.1.2. Những bảo vệ chính bằng rơle: 8.1.2.1. Bảo vệ dòng điện: tác động trong trường hợp dòng điện của mạch bảo vệ tăng lên do quá tải hay ngắn mạch. Rơle sẽ tác động khi dòng điện trong mạch tăng quá một giá trị được xác định, gọi là dòng điện khởi động – ký hiệu IkđBv, dòng này phải lớn hơn dòng định mức cũng như dòng phụ tải cực đại của mạch. Như vậy dòng khởi động rơle CT kdBv kdR I I n  với nCT là tỷ số biến dòng điện. 8.1.2.2. Bảo vệ điện áp: bảo vệ điện áp cực tiểu và cực đại là hai loại rơle bảo vệ điện áp. - Bảo vệ điện áp cực tiểu: là bảo vệ sẽ tác động trong trường hợp điện áp giảm đi do xuất hiện dòng ngắn mạch hay có sự cố. Bảo vệ sẽ tác động khi điện áp của mạch nhỏ hơn điện áp khởi động bảo vệ UkđBv, điện áp này nhỏ hơn điện áp định mức và điện áp nhỏ nhất của mạng. Điện áp khởi động rơle PT kdBv kdR U U n  với nPT là tỷ số biến điện áp. 54 - Bảo vệ điện áp cực đại: là bảo vệ sẽ tác động trong trường hợp điện áp tăng quá điện áp khởi động của bảo vệ, ít sử dụng chủ yếu ở các nhà máy thủy điện và các đường dây điện áp rất cao. 8.1.2.3.Bảo vệ có hướng: kết hợp với các bảo vệ khác nhằm tăng tính chọn lọc cho các bảo vệ. Hoạt động nhờ xác định độ lệch pha giữa vectơ dòng điện và điện áp. 8.1.2.4. Bảo vệ so lệch: bảo vệ này tác động khi xuất hiện sự sai lệch giữa những giá trị của dòng điện từ hai đầu của vùng được bảo vệ. Ở trạng thái làm việc bình thường, hiệu dòng điện qua hai biến dòng bằng 0, nếu ngắn mạch xảy ra trong vùng bảo vệ thì hiệu này sẽ khác 0 và rơle sẽ tác động bảo vệ. 8.1.2.5. Bảo vệ khoảng cách: bảo vệ này thực hiện bằng rơle tổng trở, rơle tác động khi tổng trở của mạch bảo vệ được bảo vệ bị giảm. Bình thường tổng trở mạch cao, khi có ngắn mạch thì điện thế giảm trong khi dòng điện lại tăng do đó tỷ lệ Z= U/I giảm một cách đáng kể, khi đó rơle tổng trở sẽ tác động. 8.1.2.6. Bảo vệ bằng rơle nhiệt: khi nhiệt độ tăng cao thường khi có ngắn mạch hay quá tải đối với các phần tử điện, rơle nhiệt sẽ tác động, thường được dùng cho các động cơ điện. 8.1.2.7. Bảo vệ bằng rơle hơi: là rơle thường được trang bị cho các máy biến áp dầu công suất lớn. Rơle này lắp trên đường ống nối giữa máy biến áp và thùng dầu phụ. Khi có sự cố trong máy biến áp thì tốc độ hơi dầu đi qua trong ống nối tăng có thể làm nghiên rơle có thể gây đóng các tiếp điểm đặt trên rơle, nếu nhẹ thì đóng tiếp điểm báo động trường hợp nặng đi tác động cắt máy biến áp. Hình 8.1. Bảo vệ máy biến áp bằng rơle hơi Bảng 8.1. Bảng giới thiệu mã số của một số rơle thông dụng Mã số Rơle Mã số Rơle 21 Bảo vệ khoảng cách 51 Bảo vệ quá dòng có thời gian 27 Bảo vệ điện áp giảm 67 Bảo vệ quá dòng có hướng 32 Rơle định hướng công suất 79 Tự động đóng trở lại (TĐL) 40 Rơle bảo vệ mất từ trường 81 Rơle tần số 49 Bảo vệ quá nhiệt 87 Bảo vệ so lệch 50 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh 96B Rơle khí Buchholz 8.2. Chống sét và nối đất: 8.2.1. Quá điện áp thiên nhiên và đặc tính của sét: Sét là sự phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và đất, hay giữa các đám mây mang điện tích trái dấu. 55 Hai tham số quan trọng của dòng điện sét là biên độ Is và độ dốc đầu sóng a. Biên độ Is thường không quá 200 – 300kA và thường gặp < 100kA. Trong tính toán thiết kế thường chọn mức độ 50 – 100kA và độ dốc chọn a= 30kA/µs. Quá điện áp khí quyển phát sinh khi sét đánh trực tiếp vào các vật đặt ngoài trời (đường dây tải điện, thiết bị phân phối) cũng như khi sét đánh gần các công trình. Quá điện áp khí quyển xảy ra trong thời gian ngắn với điện áp tăng cao làm phá hủy cách điện của thiết bị điện, do đó cần phải thực hiện chống sét cho các công trình nói chung và công trình điện nói riêng. Để thực hiện chống sét cho một công trình phải thực hiện 6 điểm sau: - Đầu thu sét (dây thu sét): đặt trên cao tại những vị trí mong muốn. - Dây dẫn dòng sét từ đầu thu sét xuống đất. - Tiêu tán năng lượng dòng sét vào đất nhờ hệ thống nối đất. - Thực hiện lưới nối đất đẳng thế để loại trừ các chênh lệch điện thế. - Bảo vệ thiết bị khỏi sét lan truyền theo đường dây tải điện. - Bảo vệ thiết bị khỏi sét lan truyền theo các đường dây tín hiệu. Sau đây giới thiệu công tác phòng chống sét cho trạm và đường dây tải điện: 8.2.2. Bảo vệ sét đánh trực tiếp đối với trạm biến áp: Để bảo vệ sét đánh thẳng vào trạm người ta dùng các cột thu lôi cao có đỉnh nhọn bằng kim loại (đôi khi kết hợp với cả dây chống sét) và được nối đến hệ thống nối đất. Phạm vi bảo vệ được phụ thuộc vào chiều cao cột thu sét, số cột thu sét. Sau khi bố trí một số cột thu và chiều cao nhất định, người ta tính toán kiểm tra phạm vi bảo vệ có thể đã bảo vệ hết các thiết bị cần bảo vệ chưa? Nếu chưa, thì có thể đặt thêm các cột bổ sung hoặc nâng cao cột thu sét và tính toán kiểm tra lại. Tuy nhiên sét đánh theo xác suất và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, do vậy rất khó để đảm bảo đã bảo vệ hoàn toàn trạm. 8.2.3. Bảo vệ chống sét đường dây tải điện: Trong vận hành, sự cố cắt điện do sét đánh vào đường dây tải điện trên không là khá lớn. Do đó cần thiết phải bảo vệ sét đánh vào đường dây trên không. Để bảo vệ chống sét cho đường dây, có thể treo dây chống sét trên toàn tuyến (khá tốn kém) và thường chỉ dùng cho đường dây 110 – 220kV cột sắt và cột bê tông cốt sắt. Đường dây 35kV thường ít được bảo vệ toàn tuyến, thường dùng kết hợp các biện pháp như: nối đất cột, đặt chống sét ống tại một số cột, tăng thêm bát sứ ở những nơi cách điện yếu ở những cốt vượt cao. Tùy theo cách bố trí dây dẫn trên cột có thể treo một hay hai dây chống sét. Các dây chống sét được treo bên trên đường dây tải điện sao cho dây dẫn của cả ba pha đều nằm trong phạm vi bảo vệ của dây chống sét. 8.2.4. Bảo vệ chống sét lan truyền theo đường dây vào trạm: Để bảo vệ các thiết bị trong trạm biến áp tránh sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào phải dùng các thiết bị chống sét. Các thiết bị chống sét này sẽ hạ thấp biên độ sóng quá điện áp đến trị số an toàn cho cách điện cần được bảo vệ. Thiết bị chống sét lan truyền cho trạm chủ yếu là chống sét van (CSV), chống sét ống (CSO) và khe hở phóng điện. - Khe hở phóng điện: là thiết bị chống sét đơn giản nhất, gồm có hai điện cực: một điện cực nối với mạch điện, còn điện cực kia nối đất. 56 - Chống sét ống: khe hở phóng điện được đặt trong ống làm bằng vật liệu sinh khí, khi xảy ra phóng điện hồ quang sinh ra làm nóng ống, ống sinh ra nhiều khí làm tăng áp suất trong ống và thổi tắt hồ quang. - Chống sét van: gồm có hay không khe hở phóng điện và điện trở phi tuyến. Khi có quá điện áp chọc thủng các khe hở không khí và đi qua điện trở phi tuyến xuống đất. Để bảo vệ sét lan theo đường dây thường kết hợp đặt chống sét ống cho đoạn dây gần vào trạm và chống sét van ngay trước máy biến áp. 8.2.5. Nối đất cho trạm và đường dây: Để chống sét đạt hiệu quả cao thì hệ thống nối đất cho trạm và đường dây phải đạt một số điều kiện nhất định (xem thêm mục 4.5) như: - Đối với trạm có trung tính nối đất trực tiếp điện áp từ 110kV trở lên thì Rđ ≤0,5Ω. - Đối với trạm có trung tính cách điện, điện áp dưới 110kV thì Rđ ≤4Ω. - Đối với trạm có bé thì Rđ ≤10Ω. Câu hỏi ôn tập chương 8 Câu 1. Trình bày các dạng sự cố trong trạm biến áp, trên đường dây tải điện ? Câu 2. Vì sao phải đặt các thiết bị bảo vệ bằng rơle? Nêu các yêu cầu cơ bản đối với thiết bị bảo vệ rơle ? Câu 3. Trình bày các hình thức bảo vệ rơle trong hệ thống cung cấp điện ? Câu 4. Xây dựng sơ đồ bảo vệ rơle bảo vệ trạm biến áp và đường dây tải điện ? Câu 5. Trong hệ thống cung cấp điện có những hình thức nối đất nào ? Vì sao phải tính toán nối đất cho trạm biến áp và đường dây tải điện ? Câu 6. Bài tập tính toán bảo vệ rơle ? 57 S P Q φ Chương 9 NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT Hiện nay chất lượng điện năng ngày càng được quan tâm. Chất lượng điện năng được đánh giá trên hai chỉ tiêu là chất lượng điện áp và chất lượng tần số. Chất lượng điện áp: đánh giá chất lương điện áp thông qua 5 đại lượng: độ lệch điện áp, độ dao động điện áp, độ không hình sin của sóng điện áp, độ không đối xứng của điện áp và độ lệch trung tính. Chất lượng tần số: được đánh giá qua đại lượng là độ lệch tần số và độ dao động tần số. 9.1. Hệ số công suất và ý nghĩa việc nâng hệ số công suất: 9.1.1. Hệ số công suất: Các đại lượng biểu diễn công suất có liên quan mật thiết với nhau qua tam giác công suất: Hình 9.1. Tam giác công suất trong đó: S là công suất toàn phần. P: công suất tác dụng. Q: công suất phản kháng. φ: góc giữa S và P. Trong thực tế tính toán khái niệm hệ số công suất cosφ được dùng. Khi cosφ càng nhỏ thì lượng công suất phản kháng tiêu thụ hoặc truyền tải càng lớn và công suất tác dụng càng nhỏ và ngược lại. 9.1.2. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất: Nâng cao hệ số công suất là một trong những biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện năng. Do động cơ không đồng bộ, máy biến áp cùng với đường dây trên không là những thiết bị chủ yếu tiêu thụ công suất phản kháng Q của hệ thống điện. Để tránh truyền tải một lượng Q lớn trên đường dây, các thiết bị bù được đặt ở gần phụ tải để cung cấp Q trực tiếp cho phụ tải và được gọi là bù công suất phản kháng, làm nâng cao hệ số công suất cosφ. Việc nâng cao hệ số công suất đưa đến các hiệu quả: - Giảm được tổn thất công suất trong mạng điện, do 2 2 2 . U P Q P R    (9.1) - Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện, do . . U P R Q X U    (9.2) - Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp, do khả năng truyền tải phụ thuộc vào tình trạng phát nóng và tỷ lệ với bình phương dòng điện, 2 2 3U P Q I   (9.3) Ngoài ra, nó còn dẫn đến giảm được chi phí kim loại màu, góp phần ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện của máy phát 58 9.2. Các giải pháp bù cosφ: 9.2.1. Các giải pháp bù cosφ tự nhiên: - Thay động cơ thường xuyên non tải bằng động cơ có công suất bé hơn. - Giảm điện áp cho những động cơ làm việc non tải. - Hạn chế động cơ chạy không tải. - Dùng dộng cơ đồng bộ thay thế động cơ không đồng bộ. - Nâng cao chất lượng sửa chữa động cơ. - Thay thế những máy biến áp làm việc non tải bằng những máy biến áp dung lượng nhỏ hơn. 9.2.2. Các thiết bị bù: Thiết bị để phát Q thường dùng trên lưới điện là máy bù và tụ bù. Máy bù hay còn gọi là máy bù đồng bộ và tụ bù. Máy bù thường chỉ dùng ở các trung tâm điện để duy trì ổn định cho hệ thống điện. Tụ bù dùng cho lưới điện xí nghiệp, dịch vụ và dân dụng. Mục đích bù cosφ cho xí nghiệp sao cho cosφ lớn hơn 0,85. Tụ có thế nối tiếp hay song song vào mạng điện. Bù dọc: mắc nối tiếp tụ vào đường dây, biện pháp này nhằm cải thiện thông số đường dây, giảm tổn hao điện áp. Lúc này thông số đường dây:  L CZ R j X X   (9.4) Bù ngang: mắc song song tụ vào đường dây, có nhiệm vụ cung cấp Q vào hệ thống, làm nâng cao điện áp cũng như cosφ. Dễ thấy lúc này tổn thất điện áp giảm xuống:  bù. . U P R Q Q X U     (9.5) 9.3. Bù công suất cho lưới điện xí nghiệp: Công suất cần bù cho xí nghiệp để nâng hệ số công suất từ cosφ1 lên hệ số công suất cosφ2:  bù 1 2Q P tg tg   (9.6) Các vị trí có thể đặt tụ bù trong mạng điện xí nghiệp: - Đặt tụ bù phía cao áp xí nghiệp: tuy giá tụ cao áp rẻ nhưng chỉ giảm tổn thất điện năng từ phía cao áp ra lưới. - Đặt tụ bù tại thanh cái hạ áp của trạm biến áp xí nghiệp giúp giảm điện năng trong trạm biến áp. - Đặt tụ bù tại các tủ động lực: làm giảm được tổn thất điện áp trên đường dây từ tủ đến trạm phân phối và trong trạm. - Đặt tụ bù cho tất cả các động cơ: phương pháp này có lợi nhất về giảm tổn thất điện năng nhưng tăng chi phí đầu tư, vận hành và bảo dưỡng tụ. Trong thực tế việc tính toán phân bố bù tối ưu cho xí nghiệp là phức tạp và tùy theo quy mô và kết cấu lưới điện xí nghiệp có thể được thực hiện theo kinh nghiệm như sau: - Với một xưởng sản xuất hoặc xí nghiệp nhỏ nên tập trung tụ bù tại thanh cái hạ áp của trạm biến áp xí nghiệp. - Với xí nghiệp loại vừa có 1 trạm biến áp và một số phân xưởng công suất khá lớn cách xa trạm nên đặt tụ bù tại các tủ phân phối phân xưởng và tại cực các động cơ có công suất lớn (vài chục kW). 59 - Đối với xí nghiệp có quy mô lớn gồm nhiều phân xưởng lớn, có trạm phân phối chính và các trạm phân xưởng. Việc bù thường thực hiện tại tất cả các thanh cái hạ áp của trạm phân xưởng. - Đôi khi có thể thực hiện bù cho cả cao và hạ áp tùy vào giá thành của tụ. Câu hỏi ôn tập chương 9 Câu 1. Trình bày các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosφ ? để bù công suất phản kháng người ta sử dụng những loại thiết bị nào. Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của tụ bù và máy bù đồng bộ ?. Câu 2. Nêu, giải thích ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cosφ? Vì sao khi truyền tải điện năng đi xa người ta phải bù công suất phản kháng ?. Câu 3. Bài tập tính toán dung lượng bù và bù tối ưu cho mạng điện ?. 60 Chương 10 TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG Trong bất kỳ nhà máy xí nghiệp nào, ngoài chiếu sáng tự nhiên còn phải sử dụng chiếu sáng nhân tạo. Hiện nay người ta thường dùng đèn điện để chiếu sáng nhân tạo bởi vì chúng có những ưu điểm: Thiết bị đơn giản, sử dụng thuận tiện, giá thành rẻ, tạo được ánh sáng gần ánh sáng tự nhiên. Trong các nhà máy xí nghiệp, các phân xưởng nếu không đủ ánh sáng sẽ gây trạng thái căng thẳng cho mắt, hại sức khỏe... và kết quả làm giảm năng suất lao động, gây ra phế phẩm. Vì vậy ánh sáng đã được nghiên cứu trên nhiều lĩnh vực chuyên sâu: Nguồn sáng, chiếu sáng công nghiệp và dân dụng. 10.1. Khái niệm chung: 10.1.1. Khái niệm và phân loại: Chiếu sáng đóng vai trò hết sức quan trọng. Có nhiều cách phân loại các hình thức chiếu sáng: Căn cứ vào đối tượng cần chiếu sáng: chiếu sáng dân dụng và chiếu sáng công nghiệp. Căn cứ vào mục đích chiếu sáng: chiếu sáng chung, chiếu sáng cục bộ và chiếu sáng sự cố. Ngoài ra còn có thể phân thành chiếu sáng trong nhà, chiếu sáng ngoài trời, chiếu sáng trang trí, chiếu sáng bảo vệ Mỗi hình thức chiếu sáng có yêu cầu riêng, đặc điểm riêng dẫn đến phương pháp tính toán cách sử dụng các loại đèn và bố trí khác nhau. 10.1.2. Một số đại lượng dùng trong tính toán: 10.1.2.1. Quang thông: là năng lượng của ngồn sáng phát ra qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. 0 . .F V e d      . Đơn vị của quang thông là Lumen (lm). Trong đó:  : bước sóng. V : độ rõ của bước sóng. e : hàm phân bố năng lượng. 10.1.2.2. Cường độ ánh sáng: nếu có một nguồn sáng S bức xạ theo mọi phương, trong góc dω (steradian) nó truyền đi một lượng quang thông dF thì cường độ ánh sáng của nguồn sáng dF I d  , (cd). Bảng 10.1. Cường độ sáng của một số nguồn sáng thông dụng: Nguồn sáng Cường độ sáng (cd) Ghi chú Ngọn nến 0,8 Theo mọi hướng Đèn sợi đốt 40W/220V 35 Theo mọi hướng Đèn sợi đốt 300W/220V có bộ phản xạ 400 1500 Theo mọi hướng Ở giữa chùm tia Đèn iot kim loại 2kW có bộ phản xạ 14800 250000 Theo mọi hướng Ở giữa chùm tia 61 10.1.2.3. Độ rọi: người ta định nghĩa mật độ quang thông rơi trên bề mặt là độ rọi, có đơn vị là lux: dF E dS  (1 lux=1 lm/m 2 ). Bảng 10.2. Quy định về độ rọi cho một số khu vực (t/c Pháp): Đối tượng chiếu sáng Độ rọi (lx) Đối tượng chiếu sáng Độ rọi Phòng làm việc 400 ÷ 600 Phòng học, thí nghiệm 300 ÷ 500 Nhà ở 150 ÷ 300 Phòng vẽ, siêu thị 750 Đường phố 20 ÷ 50 Công nghiệp màu 1000 Cửa hàng, kho tàng 100 Công việc với các chi tiết rất nhỏ >1000 Phòng ăn 200 300 10.1.3. Các loại đèn: 10.1.3.1. Đèn sợi đốt: còn gọi là đèn dây tóc được dùng rộng rải do cấu tạo đơn giản, dễ lắp đặt. - Ưu điểm: nối trực tiếp vào lưới, kích thước nhỏ, rẻ tiền, cosφ cao, sáng nhanh - Khuyết điểm: tốn điện, phát nóng, tuổi thọ phụ thuộc điện áp. 10.1.3.2. Đèn huỳnh quang: - Ưu điểm: hiệu suất quang học lớn, diện tích phát quang, tuổi thọ cao, quang thông ít bị ảnh hưởng khi điện áp dao động trong phạm vi cho phép. - Khuyết điểm: chế tạo phức tạp, giá thành cao, cosφ thấp, khi đóng điện đèn không sáng ngay. Ngoài ra còn có các loại đèn khác như đèn khí Natri áp suất cao, áp suất thấp, đèn halogen kim loại 10.1.3.3. Các loại chao đèn: Chao đèn bao bọc ngoài bóng đèn, dùng để phân phối lại quang thông của của bóng đèn một cách hợp lý và theo các nhu cầu nhất định. Có thể phân thành: chao đèn trực tiếp, phản xạ và khuếch tán. 10.1.4. Nội dung thiết kế chiếu sáng: Nội dung thiết kế chiếu sáng bao gồm ba bước chính sau: - Lựa chọn loại đèn, công suất, số lượng bóng đèn. - Bố trí đèn trong không gian cần chiếu sáng. - Thiết kế lưới điện chiếu sáng (sơ đồ nguyên lý lưới chiếu sáng, chọn dây dẫn, CB, cầu chì) Việc chọn dây dẫn sẽ theo điều kiện phát nóng cho phép của dây dẫn, K1.K2.Icp ≥ Itt. Trong đó: K1: hệ số điều chỉnh nhiệt độ (so với môi trường chế tạo và sử dụng). K2: hệ số điều chỉnh khi kể đến số dây đi trong một ống. Icp: dòng cho phép của dây dẫn được chọn. CB và cầu chì được lực chọn theo các điều kiện: điện áp, dòng định mức làm việc và định mức cắt (chương 7). 62 10.2. Thiết kế chiếu sáng dân dụng: Chiếu sáng dân dụng là chiếu sáng cho các khu vực như: nhà ở, hội trường, trường học, cơ quan, văn phòng, siêu thị, bệnh viện Các khu vực này không yêu cầu thật chính xác về độ rọi cũng như các thông số kỹ thuật khác. Tùy theo kinh phí mà thiết kế có thể đạt yêu cầu mỹ quan cũng như đa dạng các loại đèn được sử dụng. Trình tự thiết kế chiếu sáng như sau: - Chọn suất phụ tải chiếu sáng Po (W/m 2) phù hợp đối tượng cần chiếu sáng, tính được tổng công suất chiếu sáng cho khu vực thiết kế: Pcs= Po.S. - Chọn loại đèn, công suất đèn Pđ, xác định lượng đèn cần: cs d P P n  . - Bố trí vị trí đèn theo mặt bằng cần chiếu sáng. - Vẽ sơ đấu dây và sơ đồ nguyên lý cho thiết kế. - Lựa chọn và kiểm tra các phần tử trên sơ đồ (CB, cầu chì, thanh cái, dây dẫn). 10.3. Thiết kế chiếu sáng công nghiệp: Đối với các nhà xưởng thường đã thiết kế chung kèm với chiếu sáng tăng cường tại điểm cần chiếu sáng cục bộ. Thiết kế có yêu cầu khá chính xác về độ rọi tại mặt bằng công tác. Phương pháp hệ số sử dụng thường được dùng, trình tự tính toán như sau: - Xác định độ treo cao đèn: H= h – h1 – h2 trong đó: h là độ cao của nhà xưởng. h1: khoảng cách từ trần đến bóng đèn. h2: độ cao mặt bằng làm việc. - Xác định khoảng cách L giữa hai đèn kề nhau theo tỷ số L/H: Bảng 10.3. Khoảng cách L giữa hai đèn kề nhau theo tỷ số L/H Loại đèn và nơi sử dụng L/H bố trí nhiều dãy L/H bố trí một dãy Chiều rộng giới hạn của nhà xưởng khi bố trí một dãy Tốt nhất Max cho phép Tốt nhất Max cho phép Nhà xường dùng chao mờ hoặc sắt tráng men 2,3 3,2 1,9 2,5 1,3H Nhà xưởng dùng chao vạn năng 1,8 2,5 1,8 2,0 1,2H Chiếu sáng cơ quan văn phòng 1,6 1,8 1,5 1,8 1,0H - Căn cứ vào sự bố trí đèn, xác định hệ số phản xạ của trần và tường ρtr, ρtư (%). - Xác định chỉ số của phòng (có kích thước a.b):   a.b H. a+b   - Từ ρtr, ρtư và  tra bảng tìm hệ số sử dụng Ksd. - Xác định quanh thông của đèn, sd K.E.S.Z n.K ttF  Trong đó: K: hệ số dự trữ, tra bảng. E: độ rọi theo yêu cầu của nhà xưởng (lx). S: diện tích nhà xưởng (m2). 63 Z: hệ số tính toán (chọn 0,8 – 1,4). n: số bóng đèn. - Tra sổ tay tìm công suất bóng có F ttF - Vẽ sơ đồ cấp điện chiếu sáng trên mặt bằng. - Vẽ sơ đồ nguyên lý chiếu sáng. - Lựa chọn các phần tử trên sơ đồ nguyên lý. Câu hỏi ôn tập chương 10 Câu 1. Phân loại các hình thức chiếu sáng trong công nghiệp? Trình bày các phương pháp tính toán chiếu sáng ?. Câu 2. Vì sao trong chiếu sáng công nghiệp người ta thường sử dụng thiết bị chiếu sáng là đèn sợi đốt, so sánh ưu nhược điểm của đèn sợi đốt với đèn huỳnh quang ?. Câu 3. Bài tập tính toán chiếu sáng ?. 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ngô Hồng Quang (2007), Giáo trình cung cấp điện, Nhà xuất bản Giáo Dục. [2]. Nguyễn Xuân Phú (2006), Cung cấp điện, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật. [3]. Dương Vũ Văn - Trần Hoàng Lĩnh – Lê Thanh Hoa (2006), Hướng dẫn thiết kế chống sét và thiết kế phần điện cho Nhà máy điện, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia. [4]. Lê Kim Hùng - Đoàn Ngọc Minh Tú (2009), Ngắn mạch trong hệ thống điện, ĐH Bách Khoa Đà Nẵng. [5]. Lê Kim Hùng (2007), Bảo vệ các phần tử trong hệ thống điện, ĐH Bách Khoa Đà Nẵng. [6]. Patrick Vandeplanque (2000), Kỹ thuật chiếu sáng, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật.