Chế độ không đối xứng ủa lưới điện trung áp và giải pháp ung ấp điện không đối xứng

Đối với máy phát điện đồng bộ ba pha Để đánh giá cụ thể tác hại của chế độ không đối xứng đối với máy phát điện ba pha th-ờng dùng ph-ơng pháp thành phần đối xứng.. Do đó trong chế độ kh

trần xuân tuấn

Chế độ

Chế độ không đối xứng không đối xứng của l-ới điện không đối xứng của l-ới điện của l-ới điện

trung áp trung áp và giải pháp và giải pháp và giải pháp cung

cung cấp điện không cấp điện không cấp điện không đối xứng đối xứng đối xứng

Lời nói đầu

năm 2020 Việt Nam sẽ trở thành n-ớc công nghiệp hoá Để thực hiện mục tiêu đó của đất n-ớc ngành điện phải phát triển mạnh mẽ hơn ngang tầm thời

đại phải đi tr-ớc một b-ớc trong quá trình phát triển đất n-ớc Trong những năm gần đây nền kinh tế Việt Nam có những b-ớc phát triển v-ợt bậc, tăng tr-ởng liên tục khoảng 7% GDP hàng năm Đóng góp sự tăng tr-ởng kinh tế

đất n-ớc ngành điện đã đóng một vai trò không nhỏ Cùng sự tăng tr-ởng kinh

tế đất n-ớc sản l-ợng điện hàng năm tăng khoảng 15% Với nhu cầu sử dụng

điện ngày càng tăng thì hàng loạt nhà máy điện đã đ-ợc xây dựng cùng với hệ thống truyền tải điện rộng khắp đến mọi miền đất n-ớc Hệ thống truyền tải

điện không ngừng đ-ợc phát triển thể hiện rõ qua hệ thống điện hợp nhất bắc nam là đ-ờng dây 500kV Sắp tới đây mạch hai đ-ờng dây 500 kV bắc nam sẽ

đ-ợc xây dựng Điều này càng nâng cao khả năng cung cấp điện cũng nh- độ tin cậy của hệ thống điện Việt Nam

Luận văn đ-ợc thực hiện trong bối cảnh ngành điện đang thực hiện dịch chuyển cơ cấu quản lý nh-: cổ phần hoá các đơn vị quản lý kinh doanh, các

đơn vị sản xuất điện, thực hiện việc bán điện về tận tay ng-ời tiêu dùng tiến tới xoá bỏ độc quyền trong kinh doanh mua bán điện, cải tạo hệ thống l-ới

điện trung áp cũ kỹ nhằm giảm tổn thất điện năng, giảm tổn thất điện áp Với

đề tài luận văn: “ Chế độ không đối xứng trong l -ới trung áp và giải pháp cung

cấp điện không đối xứng “ Tác giả muốn đóng góp một ph-ơng pháp trong nhiều ph-ơng pháp tính toán cung cấp điện không đối xứng l-ới phân phối cho phụ tải điện vùng sâu, vùng xa, phụ tải phân tán Tuy nhiên cấp điện cho những vùng sâu vùng xa đòi hỏi những điều kiện cụ thể về kinh tế cũng nh-

kỹ thuật Vậy ph-ơng án cung cấp điện cụ thể cần nghiên cứu mang tính toàn diện hơn

Qua thời gian thực hiện và để hoàn thành luận văn này tác giả không thể không kể đến sự đóng góp giúp đỡ tận tình của PGS -TS Trịnh Hùng Thám Qua đây tác giả đặc biệt xin bày tỏ lòng biết ơn của mình đối với sự giúp đỡ của PGS -TS Trịnh Hùng Thám Xin chân thành cảm ơn GS-TS Lã văn t, úVS.GS-TS Trần đình Long, cùng toàn thể các thầy, các cô trong bộ môn Hệ thống điện tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình tham gia khoá học Xin chân thành cảm ơn Trung tâm đào tạo sau đại học, bạn bè đồng nghiệp, Trung tâm thí nghiệm điện nơi tôi công tác, Trung tâm điều độ HTĐ Quốc gia, Ban l-ới EVN, Điện lực Tây Hồ CTĐL Hà nội Đã giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này

Do còn hạn chế về trình độ ngoại ngữ, tin học, tham khảo tài liệu và với thời gian ch-a nhiều vậy cho nên luận văn còn có nhiều khiếm khuyết sai sót Tác giả mong nhận đ-ợc ý kiến đóng góp cũng nh- những lời khuyên hữu ích từ các thầy, các cô cùng các đồng nghiệp để có thể thấy rõ hơn nữa những điều cần nghiên cứu thêm kỹ càng hơn đầy đủ hơn để cho luận văn có thể hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn

Tác giả

Ch-ơng I Tổng quan về chế độ không đối xứng của HTĐ

điện mất đối xứng cả module và về góc pha

Trong hệ thống điện ba pha các véc tơ hay phức số F• 1 , F• 2 , F• 3 có thể là hệ

điện áp hay dòng điện của ba pha A,B,C và th-ờng ký hiệu là F• A, F• B ,F• C

Nếu nh- F• A = F• B = F• C và góc lệch pha liên tiếp giữa chúng

Trong hệ thống điện ba pha th-ờng gặp sự không đối xứng về cả module và về góc pha

1.2 Nguyên nhân gây mất đối xứng

Sự xuất hiện không đối xứng trong hệ thống điện do nhiều nguyên nhân nh-:

Do phụ tải: sự có mặt của phụ tải một pha, đây là phụ tải không đối xứng

điển hình nhất, thí dụ nh- lò điện, máy hàn, phụ tải vận tải điện, các thiết bị chiếu sáng và các phụ tải ánh sáng sinh hoạt Các lò hồ quang ba pha nói chung là phụ tải ba pha không đối xứng vì hồ quang trong ba pha th-ờng không đồng đều Sự phân chia phụ tải một pha không đồng đều cho các pha trên l-ới cũng là nguyên nhân gây mất đối xứng

Do bản thân các phần tử ba pha đ-ợc hoàn thành không đối xứng hoàn toàn nh- đ-ờng dây tải điện ba pha đặt đồng phẳng hay trên đỉnh của các tam giác không đều mà không hoán vị

Do áp dụng một số chế độ làm việc đặc biệt nh các đờng dây “hai pha -

đất”, “ pha đờng ray “ chế độ không toàn pha tức là đờng dây ba pha chỉ - truyền tải điện trên một hoặc hai pha

Do sự cố ngắn mạch không đối xứng: Ngắn mạch một pha với đất, hai pha với đất hay hai pha với nhau, đứt dây kèm theo ngắn mạch

Với những chế độ không đối xứng gây ra bởi ba nguyên nhân đầu gọi là không đối xứng lâu dài, bởi nguyên nhân sau cùng gọi là không đối xứng ngắn hạn và chỉ tồn tại trong một vài giây

1.3 Hậu qủa của chế độ không đối xứng trong hệ thống điện

Các thiết bị điện trong hệ thống điện đ-ợc chế tạo để làm việc trong chế độ

đối xứng tức là áp và dòng ba pha trên chúng phải t-ơng ứng bằng nhau về module, còn góc lệch pha liên tiếp bằng 1200 Nếu nh- làm việc với hệ áp và dòng điện mất đối xứng, trong quá trình vận hành sẽ gây nên những tác hại

đối với các thiết bị điện

1.3.1 Đối với máy phát điện đồng bộ ba pha

Để đánh giá cụ thể tác hại của chế độ không đối xứng đối với máy phát điện

ba pha th-ờng dùng ph-ơng pháp thành phần đối xứng

Hiện nay đại bộ phận các máy phát điện đồng bộ làm việc với l-ới có trung tính cách điện Do đó trong chế độ không đối xứng, trong máy phát điện không tồn tại thành phần dòng thứ tự không

Hệ dòng thứ tự thuận sinh ra từ tr-ờng quay đồng bộ với rotor nên không quét qua rotor và tác dụng của nó giống nh- lúc máy phát điện có phụ tải đối xứng bình th-ờng (trong rotor không có dòng cảm ứng xoay chiều mà chỉ có dòng kích thích một chiều )

Hệ dòng thứ tự nghịch sinh ra từ tr-ờng quay ng-ợc chiều rotor với vận tốc

đồng bộ do đó nó quét qua rotor với vận tốc bằng hai lần vận tốc đồng bộ, kết quả là trong các mạch rotor ( cuộn dây kích thích khi khép mạch, mạch cuộn cản, dòng xoáy trong lõi rotor ) có dòng cảm ứng tần số 100 Hz Dòng này gây nên tác dụng nhiệt và cơ đối với máy phát điện đồng bộ

Dòng có tần số 100 Hz chạy trong mạch rotor sẽ gây nên phát nóng phụ, nhất

là ở đây tần số cao 100 Hz, do hiệu ứng mặt ngoài lớn làm cho sự phát nóng trầm trọng hơn

Đối với các máy phát điện nhiệt điện (rotor khối) dòng tần số 100 Hz khá lớn gây ra phát nóng mạnh hơn, trong các máy phát thuỷ điện (rotor cực lồi ) dòng này có giá trị nhỏ hơn nên sự phát nóng không bằng so với các máy phát nhiệt

điện Dòng tần số 100 Hz gây nên mô men đập mạch ( đổi dấu ) Nh- vậy trong chế độ không đối xứng ngoài mô men cơ của tuabin có hai mô men điện tác dụng lên trục của rotor là: mô men không đổi của dòng thứ tự thuận nh- lúc có tải đối xứng bình th-ờng và mô men đổi dấu sinh ra bởi dòng thứ tự nghịch Mô men đổi dấu đập mạch với các tần số 100 Hz, 200 Hz, 300 Hz Thực tế ta chỉ xét đến mô men đập mạch tần số 100 Hz vì biên độ của các mô men có tần số càng cao càng nhỏ Mô men đập mạch khi thì cùng chiều, khi

thì ng-ợc chiều với mô men không đổi Kết quả là mô men đập mạch làm cho máy phát điện bị rung và gây nên những ứng suất phụ Đối với máy phát nhiệt

điện rotor khối có độ bền cao nên ảnh h-ởng của mô men đổi dấu không đáng

kể, còn máy phát thuỷ điện do rotor cực lồi đ-ợc lắp ghép từ nhiều cực với các lá thép nên ảnh h-ởng bởi mô men đổi dấu có tác dụng làm rung đáng kể

1.3.2 Đối với động cơ không đồng bộ

Cuộn dây ba pha phần tĩnh của động cơ không đồng bộ đ-ợc đấu tam giác hoặc sao không dây trung tính, do đó trong chế độ không đối xứng phần tĩnh của nó chỉ tồn tại các thành phần dòng thứ tự thuận và thứ tự nghịch

Tác dụng từ tr-ờng quay của hệ dòng thứ tự thuận đối với rotor là sinh mô men không đồng bộ nh- trong chế độ đối xứng bình th-ờng và khi đó dòng rotor có tần số f1s ( s ở đây là độ tr-ợt giữa vận tốc quay của rotor và vận tốc

đồng bộ, f1 tần số dòng phần tĩnh)

Từ tr-ờng quay của dòng thứ tự nghịch quay ng-ợc chiều với Rotor nên sinh dòng cảm ứng trong rotor với tần số ( 2-s )f1 Điện trở tác dụng t-ơng đối định mức của rotor động cơ không đồng bộ rất nhỏ ( R’

2 = 0,02 - 0,03 ), điện kháng tản từ của rotor cũng chỉ vào khoảng 0,1; trong khi đó điện kháng từ hoá của

nó lại rất lớn (Xm= 3-4) Do đó điện kháng thứ tự nghịch của động cơ không

đồng bộ rất nhỏ và có thể coi nh- bằng điện kháng ngắn mạch của nó

X2 = XN = 0,1- 0,3 tức là rất nhỏ so với điện kháng thứ tự thuận Nh- vậy ngay cả khi điện áp thứ tự nghịch đặt vào rất nhỏ thì trong động cơ không đồng bộ cũng có dòng thứ tự nghịch rất lớn

Trong chế độ không đối xứng đứt một pha phần tĩnh động cơ thì dòng hai pha còn lại gấp

3 lần dòng thứ tự thuận và nếu coi dòng này bằng định mức thì tổn thất công suất trong phần tĩnh hai pha còn lại tăng ba lần, tổn thất trong rotor tăng hai lần Vì vậy trong chế độ không đối xứng động cơ không đồng

bộ phát nóng rất mạnh Mô men cực đại của động cơ không đồng bộ trong chế

độ không đối xứng có thể giảm xuống đến hai lần

1.3.3 Đối với các phần tử tĩnh ( máy biến áp, đ-ờng dây, kháng điện, )

Có thể thấy rằng trong chế độ không đối xứng tổn thất trên đ-ờng dây và các phần tử tĩnh khác tăng lên Ví dụ nh-:

Trong chế độ đối xứng tổn thất đ-ờng dây ba pha có dòng điện I, điện trở R

là 3I2R Còn trong chế độ không đối xứng nếu dòng này trong pha giảm đi I, 

dòng trong pha kia tăng lên I, còn dòng trong pha thứ ba vẫn bằng I thì tổn 

thất trên đ-ờng dây khi đó là:

R[ ( I + I)2 + ( I - I)2 + I2 ] = R ( 3I2 + 2 I 2 )

Ngoài ra chế độ không đối xứng của đ-ờng dây tải điện có thể làm nhiễu các

đuờng dây thông tin ở gần

Trong máy biến áp không đối xứng chịu tác động từ hai phía: không đối xứng

về áp các pha tại điểm đấu nối phía sơ cấp và không đối xứng về dòng các pha gây ra bởi phụ tải không đều phía sau máy biến áp Không đối xứng về áp tại

điểm đấu nối sẽ gây không đối xứng điện áp đầu ra máy biến áp, làm tăng không đối xứng về dòng điện Nhiều tr-ờng hợp hệ thống rã tải khi có sự trùng lặp về không đối xứng trong cùng pha cả ở phía cấp cho phụ tải và phía

đấu nối máy biến áp Một số tr-ờng hợp không đối xứng làm cho máy biến áp khi vận hành bị rung, tổn hao lớn suy hao tuổi thọ Dòng trong các pha của máy biến áp không cân bằng gây nên sự chênh lệch nhiệt độ các cuộn dây pha riêng biệt Trong tr-ờng hợp không đối xứng về dòng điện làm cho nhiệt độ cuộn dây tăng quá giới hạn cho phép Nhiều khi gây ra cháy máy biến áp trong khi máy vẫn đang làm việc trong giới hạn tải cho phép

Chế độ không đối xứng có thể làm quá tải các tụ bù, tụ lọc các thiết bị chỉnh l-u, làm phức tạp bảo vệ rơ le và tự động hoá

y nhiên, tác hại chủ yếu của chế độ không đối xứng là đối với các máy Tu

điện quay, đặc biệt là với các động cơ không đồng bộ Vì những lý do trên trong tr-ờng hợp cần thiết phải thực hiện đối xứng hoá hệ thống, tức là làm cho hệ thống trở lại đối xứng

1.4 Kết luận

Qua phần trình bày trên đã cho thấy mặc dù tất cả các thiết bị điện cũng nh-

đ-ờng dây tải điện vốn dĩ đ-ợc hoàn thành đối xứng (ba pha có cấu trúc nh- nhau) để làm việc trong chế độ đối xứng (dòng và áp trong ba pha có module t-ơng ứng bằng nhau và góc lệch pha liên tiếp bằng 120 ) nh-ng trong vận 

hành không thể tránh khỏi tình trạng mất đối xứng do nhiều nguyên nhân khác nhau Chế độ không đối xứng gây nên những hậu quả không mong muốn Những hậu quả này có thể đ-ợc hạn chế bằng các biện pháp đối xứng hóa Các tính toán chứng tỏ rằng việc cung cấp điện không đối xứng cho các

hộ tiêu thụ vùng sâu, vùng xa bằng máy biến áp một pha tỏ ra hiệu quả và

đang đ-ợc triển khai Vì vậy việc nghiên cứu chế độ không đối xứng để nâng cao hiệu quả kinh tế, tăng độ tin cậy cung cấp điện và hạn chế tác dụng không mong muốn của nó hiện nay trở thành nhu cầu thiết thực

Ch-ơng II Các ph-ơng pháp nghiên cứu chế độ không đối xứng

Qua phần trình bày trên thấy nguyên nhân gây ra chế độ không đối xứng trong hệ thống điện rất nhiều và tác hại gây ra cũng lớn Vậy ta cần có những ph-ơng pháp nghiên cứu cụ thể, ứng dụng vào tính toán chế độ không đối xứng trong hệ thống điện Có thể liệt kê một số ph-ơng pháp nghiên cứu sau:

D-ới đây sẽ trình bày nội dung cơ bản của một vài ph-ơng pháp th-ờng dùng

và sẽ đ-ợc sử dụng trong tính toán luận văn

2.1 Ph-ơng pháp thành phần đối xứng

2.1.1 Nội dung cơ bản

Để giải bài toán không đối xứng có thể viết ph-ơng trình Kirchoff cho từng pha rồi giải phối hợp với nhau Tuy nhiên khi đó ta cần phải tính đến hỗ cảm giữa các pha trong chế độ không đối xứng, điều này làm cho bài toán trở lên phức tạp vì hỗ cảm giữa các pha phụ thuộc vào độ không đối xứng dòng trong

ba pha mà đây lại là những ẩn số cần tìm của bài toán Khi sử dụng ph-ơng pháp thành phần đối xứng ta sẽ tránh đ-ợc những khó khăn nêu trên

Nội dung cơ bản của ph-ơng pháp là phân tích một hệ không đối xứng thành

ba hệ đối xứng thành phần Có hệ F• A;F• B;F• C không đối xứng (có thể là dòng điện hoặc điện áp ) phân tích thành ba hệ đối xứng thành phần:

1/ Hệ thống đối xứng thành phần thứ tự thuận F• A 1;F• B 1;F• C 1 Đây là hệ tồn tại khi khi hệ thống điện làm việc bình th-ờng mà ta đã biết các tính chất của

nó

2/ Hệ thống đối xứng thành phần thứ tự nghịch F• A 2;F• B 2;F• C 2.Hệ này chỉ khác hệ thuận ở thứ tự pha là ng-ợc lại

3/ Hệ thống đối xứng thứ tự khôngF• A 0;F• B 0;F• C 0 Hệ này khác hẳn hai hệ trên là chúng có module bằng nhau và đồng pha nhau

Việc phân tích một hệ không đối xứng ra các hệ đối xứng thành phần phải

đảm bảo các điều kiện sau:

0 2 1

0 2 1

B B B B

A A A A

F F

F F

F F

F F

F F

F F

FFFF

Nếu lấy đại l-ợng pha A làm gốc, theo tính chất của các hệ đối xứng thành phần có thể viết nh- sau:

HÖ thuËn lÊy F• A 1 lµm gèc th×:

;

1 1

1

2 1

A C

A B

FaF

FaF

2 2

A C

A B

FaF

FaF

0 2 1

2

0 2 1

C

A A A

B

A A A A

FFaFaF

FFaFaF

FFFF

C B

111

2

2

aa

aa

C B A

1 1

C B A

1 1

13

2

aa

aa

C B

;0

2 2 2

1 1 1

C B A

FFF

FFF

Hệ tứ tự không là hệ đối xứng không cân bằng vì: 2/

0

3 0

0 0

•

FF

2.1.3 Quá trình năng l-ợng trong hệ thống không đối xứng

Xét một phụ tải không đối xứng là phụ tải một pha trên đó các thành phần áp

và dòng nh- sau:

U = 2U cos(t +) ; (2.8)

i = 2I cos(t+-) ; (2.9)

ở đây - góc pha ban đầu của điện áp ;

- góc lệch pha giữa áp và dòng đang xét

Công suất tác dụng tức thời của hệ thống một pha này đ-ợc xác định công nh- sau: P = u i= 2UI cos(t+)cos( t+-) =

= UI cos là thành phần không đổi theo thời gian ;

Re  U• I• = UI cos(2t+2- ) là thành phần đập mạch theo thời gian với tần số 100 Hz

Từ đó thấy rằng công suất tức thời của hệ thống một pha bao gồm hai thành phần không đổi và dao động (đập mạch ) với tần số 100 Hz

Trong hệ thống nhiều pha ( m pha ) công suất tác dụng tức thời xác định nh- sau:

đổi, còn trong hệ thống không đối xứng công suất tức thời gồm hai thành phần: không đổi và dao động với tần số 100 Hz

Vì vậy để một hệ thống đã bị mất đối xứng đ-ợc trở lại đối xứng phải triệt tiêu công suất dao động bằng cách dùng thiết bị sản sinh ra công suất dao động cùng giá trị nh-ng có chiều ng-ợc lại

Nếu xét đến cả công suất phản kháng thì công suất toàn phần trong mạch không đối xứng là: S~ = 

Thành phần thứ nhất bằng hằng số còn thành phần thứ hai dao động với tần số

100 Hz Trong hệ thống điện pha công suất dao động có thể biểu diễn theo

0 2 1

0 2 1

C C C C

B B B B

A A A A

UUUU

UUUU

UUUU

3 UA IA UA IA UA IA

N

Nh- vậy ta có thể thấy công suất dao động sinh ra do dòng và áp thứ tự nghịch và thứ tự không Do đó khử đ-ợc dòng và áp thứ tự nghịch, thứ tự không sẽ triệt tiêu công suất dao động Trong l-ới trung tính cách điện không tồn tại thành phần dòng thứ tự không Ngoài ra trong thực tế điện áp thứ tự nghịch rất nhỏ và trong một số tr-ờng hợp có thể bỏ qua Vậy trong tr-ờng hợp ta đang xét công suất dao động của hệ thống ba pha bằng: N •3U•1I•2

Vậy trong hệ thống mất đối xứng để đối xứng trở lại cần triệt tiêu thành phần dòng thứ tự nghịch

2.1.4 Mô hình toán học ph-ơng pháp thành phần đối xứng

Qua phần trình bày trên ta thấy rằng việc thay thế giải một bài toán ba pha không đối xứng thành ba bài toán với các đại l-ợng đối xứng thành phần đơn giản hơn, sau đó xếp chồng kết quả lại

Trong ph-ơng pháp thành phần đối xứng ta phân tích áp và dòng ra các thành phần đối xứng đó là: thứ tự thuận, thứ tự nghịch, thứ tự không Ta có biểu thức quan hệ giữa áp và dòng không đối xứng t-ơng ứng với áp và dòng đối xứng thành phần nh- sau:

;

0 0 0 2

2 2 1

B A C

B A C

2 2 1

1

A C

Qua trên ta lập đ-ợc quan hệ giữa dòng và áp của các thành phần t-ơng ứng

ở đây: X ; 1 X ; 2 X là điện kháng các phần tử đối xứng của hệ thống điện 0

đối với dòng t-ơng ứng (thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không) chứ

không phải là các điện kháng phân tích nh- phân tích dòng và áp không đối

xứng Hệ ph-ơng trình (2.15) chỉ đúng cho tr-ờng hợp l-ới chỉ có một chỗ

Nh- vậy để giải (2.15) cần phải lập thêm ba ph-ơng trình nữa căn cứ vào điều

kiện bờ (giới hạn) tại chỗ không đối xứng Hệ (2.15) cùng ba ph-ơng trình

viết theo điều kiện bờ, cho phép xác định đ-ợc các thành phần đối xứng của dòng và áp pha A Để tìm thành phần đối xứng của dòng và áp các pha khác,

sử dụng các công thức (2.3) và (2.4) Để tìm dòng và áp toàn phần trong các pha sử dụng công thức (2.5) Nh- vậy pha A đ-ợc gọi là pha tính toán (chỉ tính pha A rồi suy ra các pha còn lại ) Từ hệ ph-ơng trình (2.15) thấy dòng thứ tự nào gây nên áp giáng thứ tự đó

2.1.5 Tổng trở đối với dòng thứ tự nghịch và không của các phần tử trong

hệ thống điện

Tổng trở của các phần tử đối với dòng thành phần thứ tự thuận trong sơ đồ thay thế chính là tổng trở của chúng trong chế độ làm việc bình th-ờng đã biết

Thành phần thứ tự nghịch chỉ khác hệ thành phần thứ tự thuận ở thứ tự pha

Do đó đối với các phần tử tĩnh nh- máy biến áp, kháng điện, đ-ờng dây thì tổng trở thứ tự thuận bằng thứ tự nghịch vì hỗ cảm giữa các phần tử này không phụ thuộc vào thứ tự pha: Z2 = Z1

Với các phần tử quay nh- máy điện quay thì Z2 Z 1

Tổng trở đối với dòng thứ tự không Z0 nói chung khác Z1 và Z2 trừ khi giữa các pha không có hỗ cảm

2.1.5.1 Máy phát điện đồng bộ

Tổng trở thứ tự nghịch

Dòng thứ tự nghịch sinh ra từ tr-ờng quay ng-ợc với rotor nên nó có vận tốc t-ơng đối với rotor và bằng 2 ( -vận tốc đồng bộ ) Trong thực tế th-ờngchỉ

kể đến điện kháng thứ tự nghịch còn điện trở có thể bỏ qua

Đối với máy phát điện không cuộn cản : trong khi từ tr-ờng thứ tự nghịch quét rotor với vận tốc 2 thì từ trở đối với nó biến đổi không ngừng Khi trục từ thông thứ tự nghịch trùng với trục dọc thì X2 = X’

d và khi trùng trục ngang thì

máy phát điện không cuộn cản X2 = 1,45 Xd’

máy phát điện có cuộn cản X2 = 1,22 Xd’’

và bằng X0 = ( 0,15 0,6 ) X– d’ Trong tính toán nếu không kể đến sự bão hoà của lõi thép thì X0 và X2 của máy phát điện là hằng số

2.1.5.2 Phụ tải tổng hợp

Trong hệ thống điện động cơ không đồng bộ chiếm phần lớn trong phụ tải tổng hợp, cho nên coi điện kháng thứ tự nghịch của phụ tải tổng hợp là điện kháng của động cơ không đồng bộ và lấy giá trị bằng điện kháng ngắn mạch của nó Cuộn dây stator của động cơ không đồng bộ đ-ợc nối tam giác hoặc sao không dây trung tính nên I0 không tồn tại trong động cơ không đồng bộ, tức là đối với nó X0 = 

2.1.5.3 Máy biến áp

Điện kháng thứ tự nghịch của máy biến áp bằng điện kháng thứ tự thuận của

nó vì hỗ cảm giữa sơ cấp và thứ cấp không phụ thuộc vào thứ tự pha

Điện kháng thứ tự không của máy biến áp phụ thuộc vào tổ nối dây của chúng Có thể thấy cuộn dây nối sao không nối đất của máy biến áp có tổng trở thứ tự không bằng 

2.1.5.4 Đ -ờng dây tải điện

Điện kháng thứ tự nghịch của đ-ờng dây tải điện bằng điện kháng thứ tự thuận của nó vì hỗ cảm giữa các pha đ-ờng dây không phụ thuộc vào thứ tự pha Dòng thứ tự không chạy trong ba pha đồng pha với nhau nên hỗ cảm giữa các pha đ-ờng dây cũng đồng pha với nhau làm cho điện kháng thứ tự không của

nó lớn hơn so với điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch

Tổng trở thứ tự không còn phụ thuộc cả vào số mạch song song, vị trí điểm ngắn mạch, đ-ờng dây có dây chống sét hay không, tình trạng nối đất của dây chống sét

2.2 Ph-ơng pháp tọa độ pha

Để nghiên cứu chế độ không đối xứng trong hệ thống điện thực tế th-ờng dùng ph-ơng pháp thành phần đối xứng vì ph-ơng pháp này đơn giản, thuận tiện và dễ hiểu, nhất là khi trong hệ thống chỉ có một chỗ không đối xứng Tuy nhiên khi hệ thống có nhiều hơn một chỗ không đối xứng thì dùng ph-ơng pháp thành phần đối xứng trở nên khó khăn Đối với các đ-ờng dây siêu cao áp khi một pha bị cắt phải đ-ợc coi là có hai chỗ đứt mạch tức là có hai chỗ không đối xứng Tuy nhiên nếu dùng ph-ơng pháp dịch chuyển điểm

đứt hoặc ph-ơng pháp sơ đồ thứ tự thuận mở rộng bài toán sẽ trở nên đơn giản

2.2.1 Nội dung cơ bản

Trong ph-ơng pháp này coi tất cả các phần tử trong hệ thống là không đối xứng Đối xứng đ-ợc coi là một tr-ờng hợp đặc biệt của không đối xứng Do vậy ph-ơng pháp tọa độ pha là ph-ơng pháp mang tính tổng quát nhất nh-ng

mô hình toán học t-ơng đối phức tạp Trong ph-ơng pháp tọa độ pha không sử dụng khái niệm pha tính toán, mô hình toán học đ-ợc viết cho cả ba pha

2.2.2 Mô hình toán học của các phần tử hệ thống điện theo ph-ơng pháp

tọa độ pha

2.2.2.1 Đ -ờng dây tải điện

Xét phần tử đ-ờng dây nằm giữa nút i và k nh- hình 2.2

Zaa ik

Zbb ik

Zcc ik

Yab i

Ycak

Ybc k

Yab k

Zab

ik

Zbc ik

•

c k

I

•

c i

I

•

b i

I

•

a i

Yz ab

Yzaa

Yzcc

  Yz abc

  YS abc

2 1

  YS abc

Y120= Tabc120 Y abcs T120abc

Ma trận các thành phần đối xứng của dòng bơm vào nút i và j:

i

I120

•

= Tabc120 I•iabc k

1

2

2

aa

aa

111

2

2

aaaa

Quan hệ giữa áp và dòng đ-a vào các nút biểu diễn bởi ma trận sau:

z

z s

z

YY

Y

YY

Y

212

Trong tọa độ các thành phần đối xứng ta có:

z

z s

z

YY

Y

YY

Y

120 120

120

120 120

120

212

U

U

120 120

2

1

Ys 120

2

1Ys 120

l k l

l l k

YYY

YYY

YYY

2

1

z s abc

j i j

j j i

YYY

YYY

YYY21

Các thành phần nằm trên đ-ờng chéo chính là các tổng dẫn riêng, còn lại là các tổng dẫn t-ơng hỗ

Ma trận tổng dẫn trong không gian các thành phần đối xứng có thể biểu diễn tổng quát nh- sau:

Với các phần tử nối tiếp ta có:

z

Y120=3

1

2

2

aa

aa

l k l

l l k

YYY

YYY

YYY

111

2

2

aa

l k

l k

YY

YY

YY

20

0

00

00

T-ơng tự đối với các phần tử song song ta có:

S

Y1202

1 =

j i

j i

YY

YY

YY

20

0

00

00

Khi đó dòng đ-a vào các nút i và j nào đó xác định nh- sau:

z

z s

z

YY

Y

YY

Y

120 120

120

120 120

120

212

U

U

120 120

S~ = Pci  J Q ic

Coi tải là những dòng bơm vào các nút, với qui -ớc S~ U• I ta có:

i a

I• = i

a

i a

i a

U

QP

i b

i b i b

U

QP



i c

i c

i c i c

U

QP

Dßng ba pha viÕt d-íi d¹ng ma trËn:

i b

i a i

abc

II

II

I• = 3

1

2

2

aa

aa

i b

i a

II

i b

i a

i c

i b

i a

i c

i b

i a

III

IaIaI

IaIaI

2

2

31

20 22 21

10 12 11

YYY

YYY

YYY

n cc bb aa

Y Y Y Y

Y Y Y Y

m n m

m m n abc

YYY

YYY

YYYY

Trong không gian các thành phần đối xứng ta có:

1

2

2

aa

aa

m n m

m m n

YYY

YYY

YYY

111

2

2

aa

a

=3

m n

m n

YY

YY

YY

20

0

00

00

Từ đó ta có sơ đồ thay thế của máy phát điện đối với các thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch, thứ tự không nh- hình 2.6

Trong tính toán máy biến áp đ-ợc coi là phần tử đối xứng Xét một máy biến

áp ba pha có hai điện áp nh- hình 2.7

IIIIII

56 55 54 53 52 51

46 45 44 43 42 41

36 35 34 33 32 31

26 25 24 23 22 21

16 15 14 13 12 11

YYYYY

Y

YYYYYY

YYYYYY

YYYYYY

YYYYYY

UUUUUU

YPrim

Trong ma trận Yprim. thì Yii là tổng dẫn riêng của các cuộn dây, còn Yij làtổng dẫn t-ơng hỗ giữa chúng

Trong thực tế máy biến áp nối theo tổ nối dây nhất định Ta xét máy biến áp

Ub s

Ua s

U• và thứ cấp

a s

U• ,

b s

U• ,

c s

U• của các pha ký hiệu nh- hình vẽ Ma trận liên kết cho ta quan hệ giữa điện áp nhánh và nút C

UUUUUU

0

110001

000010

011000

000001

b s

a s

c p

b p

a p

UUUUUU

2.3 Ph-ơng pháp sơ đồ phức thay thế

Từ hệ ph-ơng trình cơ bản (2.14) lập đ-ợc sơ đồ thay thế đối với mỗi thành phần đối xứng nh- hình 2.1 Trong đó thể hiện dòng thứ tự nào đi trong mạch thứ tự đó và chỉ có sơ đồ thứ tự thuận có nguồn Ta trình bày lại d-ới dạng sơ

đồ khối hình 2.9, trong sơ đồ tách điểm không đối xứng trong các mạch

(thứ tự thuận, thứ tự nghịch, thứ tự không) với dòng tại chỗ không đối xứng Dựa trên quan hệ giữa các thành phần đối xứng thứ tự khác nhau của dòng và

áp tại chỗ không đối xứng có thể liên kết các sơ đồ thứ tự thuận, thứ tự nghịch, thứ tự không thành sơ đồ phức thay thế

2.3.1 Sơ đồ phức thay thế khi ngắn mạch không đối xứng

Khi xảy ra ngắn mạch không đối xứng trạng thái các pha xảy ra không giống nhau Để thuận tiện cho việc tính toán luôn chọn lấy pha A làm pha tính toán, khi đó pha tính toán phải là pha đặc biệt Với điều qui -ớc trên khi xảy ra ngắn mạch một pha cần chọn pha ngắn mạch là pha A, còn khi xảy ra ngắn mạch hai pha hoặc hai pha nối đất, pha ngắn mạch cần chọn là hai pha B và C nh- hình 2.10

IA IB

CB

BC

2.10.a) ngắn mạch hai pha với nhau;

2.10.b) Ngắn mạch một pha với đất 2.10.c) Ngắn mạch hai pha nối đất

2.3.1.1 Sơ đồ phức thay thế khi ngắn mạch hai pha với nhau ( N (2) )

Ta chọn ngắn mạch hai pha B và C hình 2.11.a, khi đó pha A trở thành pha

đặc biệt Tại chỗ ngắn mạch theo điều kiện giới hạn có:

;

;0

C B

C B

A

UU

II

03

III

Do đó U•A 0 0 jI•A 0 0 0;

Từ I•AI•A1I•A2I•A0

mà có I•A1 I•A2 ( 2.17)

;3

13

1

2 2

1

2 2

C B

A A

B A

C B

A A

UaaUU

aUaUU

UaaUU

aUaUU

1 1

2.3.1.2 Sơ đồ phức thay thế khi ngắn mạch một pha với đất

Ta xét ngắn mạch một pha (A) hình 2.10.b Khi đó pha tính toán A là pha đặc

biệt Tại chỗ ngắn mạch có:

.0

;0

;0

UI

I

( 2.21)

Phân tích theo các thành phần đối xứng đ-ợc:

.0

;31

0 2 1

0 2 1

A A

A A

UUU

II

1 1

A A

2

•I

1

•I

2.3.1.3 Sơ đồ phức thay thế khi ngắn mạch hai pha với đất

Khi ngắn mạch hai pha (B, C) với đất trên hình (2.10.c) có các điều kiện bờ:

.0

;0

;0

UU

0 2

1

31

A A A

A A

A A

III

UU

1

1 1

2.3.2 Sơ đồ phức thay thế khi sự cố đứt dây

Khi sự cố đứt dây, tại chỗ đứt dây sinh ra một hiệu áp và pha bị đứt không có dòng điện Ta cũng phân các hiệu áp và dòng tại chỗ đứt thành các thành phần

đối xứng Khi một hay hai pha bị đứt sơ đồ thay thế đối với các thành phần thứ

2 2 2

1 1 1 1

IU

IEU

2.3.2.1 Sơ đồ phức thay thế khi sự cố đứt dây một pha

Ta xét đứt dây của pha A thể hiện qua hai điểm P và Q nh- hình 2.15

Tõ h×nh 2.15 cã:

.0

;0

;0

IU

I

•

2 A

I

•

0 A

I

•

1 A

U

•

0 A

U

•

2 A

1 1

//

E

I ( 2.29)

2.3.2.2 Sơ đồ phức thay thế khi sự cố đứt dây hai pha

Xét sự cố đứt dây hai pha B, C giữa hai điểm P và Q nh- hình (2.17) ta có:

.0

;0

;0

UI

I (2.31)

U• A U• 1U• 2U• 0 0 (2.32)

ABC

2 1

EI

II

2 A

•

1 AI

2.4.2 Bài toán không đối xứng ngang ( ngắn mạch )

Chế độ ngắn mạch không đối xứng đ-ợc coi là sự xếp chồng của hai chế độ qui -ớc nh- sau:

Chế độ phụ tải tr-ớc ngắn mạch ( chế độ làm việc bình th-ờng)

Chế độ riêng sự cố ( chế độ phụ qui -ớc )

Trong chế độ phụ tải tr-ớc ngắn mạch, trong mạch điện có các sức điện động

và tại chỗ ngắn mạch có điện áp bằng điện áp phụ tải U• pt và tại nhánh này có dòng phụ tải bình th-ờng I•pt và đ-ơng nhiên là thành phần thứ tự thuận (trong chế độ tr-ớc ngắn mạch không tồn tại thàmh phần thứ tự nghịch và thứ

Trong chế độ sự cố riêng (hình 2.19.b) trong mạch điện không có sức điện

động, tại chỗ ngắn mạch đặt vào điện áp -U• pt có giá trị nh- tr-ớc lúc ngắn mạch nh-ng có chiều ng-ợc lại Điện áp -U• pt sinh ra dòng của chế độ sự cố riêng I•sc Khi xét ngắn mạch không đối xứng phải thêm vào chỗ ngắn mạch tổng trở phụ thêm Z(n) phụ thuộc vào loại ngắn mạch nh- sau:

Z(n) = 0 khi ngắn mạch ba pha N(3)

Z(n) = Z2  khi ngắn nmạch hai pha N(2)

Z(n) = Z2  // Z0  khi ngắn mạch hai pha với đất N(1,1)

Z(n) = Z2  + Z0  khi ngắn mạch 1pha N(1)