Chng 21: Tính toán bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất cho nhà máy I.1. Đặt vấn đề: Vấn đề sử dụng hợp lý và tiết kiệm điện năng trong các xí nghiệp công nghiệp có ý nghĩa rất lớn đối với nền kinh tế vì các xí nghiệp này tiêu thụ khoảng 55 tổng số điện năng đ-ợc sản xuất ra. Hệ số công suất cos là một trong các chỉ tiêu để đánh giá xí nghiệp dùng điện có hợp lý và tiết kiệm hay không. Nâng cao hệ số công suất cos là một chủ tr-ơng lâu dài gắn liền với mục đích phát huy hiệu quả cao nhất quá trình sản xuất, phân phối và sử dụng điện năng. Phần lớn các thiết bị tiêu dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Công suất tác dụng là công suất đ-ợc biến thành cơ năng hoặc nhiệt năng trong các thiết bị 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 phản kháng giữa náy phát và hộ tiêu dùng điện là một qúa 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. Việc tạo ra công suất phản kháng không đòi hỏi tiêu tốn năng l-ợng của động cơ sơ cấp quay máy phát điện. Mặt khác công suất phản kháng cung cấp cho hộ tiêu dùng điện không nhất thiết phải lấy từ nguồn. Vì vậy để tránh truyền tải một l-ợng Q khá lớn trên đ-ờng dây, ng-ời ta đặt gần các hộ tiêu dùng điện các máy sinh ra ra Q (tụ điện, máy bù đồng bộ, ) để cung cấp trực tiếp cho phụ tải, làm nh- vậy đ-ợc gọi là bù công suất phản kháng. Khi 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 cos của mạng đ-ợc nâng cao, giữa P, Q và góc có quan hệ sau: = Q P arctg Khi l-ợng P không đổi, nhờ có bù công suất phản kháng, l-ợng Q truyền tải trên đ-ờng dây giảm xuống, do đó góc giảm, kết quả là cos tăng lên. Hệ số công suất cos đ-ợc nâng cao lên sẽ đ-a đến những hiệu quả sau: * Giảm đ-ợc tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện. * Giảm đ-ợc tổn thất điện áp trong mạng điện. * Tăng khả năng truyền tải của đ-ờng dây và máy biến áp. * Tăng khả năng phát của các máy phát điện. Các biện pháp nâng cao hệ số công suất cos * Nâng cao hệ số công suất cos tự nhiên: là tìm các biện pháp để các hộ tiêu thụ điện giảm bớt đ-ợc l-ợng công suất phản kháng tiêu thụ nh-: hợp lý hoá các quá trình sản xuất, giảm thời gian chạy không tải của các động cơ, thay thế các động cơ th-ờng xuyên làm việc non tải bằng các động cơ có công suất hợp lý hơn, Nâng cao hệ số công suất cos tự nhiên rất có lợi vì đ-a lại hiệu quả kinh tế lâu dài mà không phải đặt thêm thiết bị bù. * Nâng cao hệ số công suất cos bằng biện pháp bù công suất phản kháng. Thực chất là đặt các thiết bị bù ở gần các hộ tiêu dùng điện để cung cấp công suất phản kháng theo yêu cầu của chúng, nhờ vậy sẽ giảm đ-ợc l-ợng CSPK phải truyền tải trên đ-ờng dây theo yêu cầu của chúng. I.2. Chọn thiết bị bù: Để bù công suất phản kháng cho các hệ thống cung cấp điện có thể sử dụng tụ điện tĩnh, máy bù đồng bộ, động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích thích, ở đây ta lựa chọn các bộ tụ điện tĩnh để làm thiết bị bù cho nhà máy. Sử dụng các bộ tụ điện có -u điểm là tiêu hao ít công suất tác dụng, không có phần quay nh- máy bù đồng bộ nên lắp rắp, vận hành và bảo quản dễ dàng. Tụ điện đ-ợc chế tạo thành từng đơn vị nhỏ, vì thế có thể tuỳ theo sự phát triển của các phụ tải trong quá trình sản xuất mà chúng ta ghép dần tụ điện vào mạng khiến hiệu suất sử dụng cao và không phải bỏ vốn đầu t- ngay một lúc. Tuy nhiên, tụ điện cũng có một số nh-ợc điểm nhất định. Trong thực tế với các nhà máy, xí nghiệp có công suất không thật lớn th-ờng dùng tụ điện tĩnh để bù công suất phản kháng nhằm mục đích nâng cao hệ số công suất. Vị trí đặt các thiết bị bù ảnh h-ởng rất nhiều đến hiệu quả bù. Các bộ tụ điện bù có thể đặt ở TPPTT, thanh cái cao áp, hạ áp của TBAPP , tại các tủ phân phối, tủ động lực hoặc tại đầu cực các phụ tải lớn. Để xác định chính xác vị trí và dung l-ợng đặt các thiết bị bù cần phải tính toán so sánh kinh tế kỹ thuật cho từng ph-ơng án đặt bù cho một hệ thống cung cấp điện cụ thể. Song theo kinh nghiệm thực tế, trong tr-ờng hợp công suất và dung l-ợng bù công suất phản kháng của các nhà máy, thiết bị không thật lớn có thể phân bố dung l-ợng bù cần thiết đặt tại thanh cái hạ áp của các TBAPX để giảm nhẹ vốn đầu t- và thuận lợi cho công tác quản lý, vận hành. I.3. Xác định và phân bố dung l-ợng bù: I.3.1. Xác định dung l-ợng bù: Dung l-ợng bù cần thiết cho nhà máy đ-ợc xác định theo công thức sau: Q bù = P ttnm . ( tg 1 - tg 2 ). Trong đó: P ttnm - phụ tải tác dụng tính toán của nhà máy (kW). 1 - góc ứng với hệ số công suất trung bình tr-ớc khi bù, cos 1 = 0,77 2 - góc ứng với hệ số công suất bắt buộc sau khi bù, cos 2 = 0,95 - hệ số xét tới khả năng nâng cao cos bằng những biện pháp không đòi hỏi đặt thiết bị bù, = 0,9 1 Với nhà máy đang thiết kế ta tìm đ-ợc dung l-ợng bù cần thiết: Q bù = P ttnm . ( tg 1 - tg 2 ). = 5792,16 ( 0,8 - 0,33 ).1 = 2722,3kVAr I.3.2.Phân bố dung l-ợng bù cho các trạm biến áp phân x-ởng: Từ trạm phân phối trung tâm về các máy biến áp phân x-ởng là mạng hình tia gồm 5 nhánh có sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế tính toán nh- sau: Hình 5.2 - Sơ đồ thay thế mạng cao áp để phân bố dung l-ợng bù. Công thức tính dung l-ợng bù tối -u cho các nhánh của mạng hình tia: Q bi = Q i - td i bu R R QQ . )( Q 5 Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 TPPTT R C5 R B5 R B4 R C4 R B3 R C3 R B2 R C2 R B1 R C1 Q b5 Q b4 Q b3 Q b2 Q b1 Trong đó: Q bi - công suất phản kháng cần bù đặt tại phụ tải thứ i [kVAr], Q i - công suất tính toán phản kháng ứng với phụ tải thứ i [ kVAr], Q = 5 1 i i Q - phụ tải tính toán phản kháng tổng của nhà máy, Q = 5742,74 kVAr R tđ =R b + R c R i - điện trở của nhánh thứ i [], R c = 1 21 1 11 n RRR - điện trở t-ơng đ-ơng của cáp, []. R b = 2 2 . 1000 dm dmN Sn UP Trong đó: R B :Điện trở các máy biến áp U đm : Điện áp định mức của máy biến áp S đm : Công suất định mức của máy biến áp Với máy biến áp B 1 ta có : R B1 = 042,3 1000 . 2 22.22.6,12 T-ơng tự ta có bảng: R B1 R B2 R B3 R B4 R B5 3,042 3,042 3,042 3,042 3,042 R tđ =R b + R c Tính toán các thông số ta có : TT §-êng d©y L,m F,mm 2 Lo¹i d©y R 0, Ω/km R, Ω 1 B 1 -PX 80 3*16 C¸p ®ång 1,47 3,101 B 2 -PX 40 3*16 C¸p ®ång 1,47 3,071 B 3 -PX 40 3*16 C¸p ®ång 1,47 3,071 B 4 -PX 40 3*16 C¸p ®ång 1,47 3,071 B 5 -PX 80 3*16 C¸p ®ång 1,47 3,101 Thay sè vµo ta cã: 1 21 1 11 n RRR Rc = 1 101,3 1 071,3 1 071,3 1 071,3 1 101,3 1 = 0,617 X¸c ®Þnh dung l-îng bï tèi -u cho tõng nh¸nh Q b1 = 1125 - (5742,74 –2722,3). 101,3 617,0 = 524 kVAr Q b2 = 990 - (5590,64 -3465,7). 071,3 617,0 = 381,16 kVAr Q b3 = 1331,8 - (5590,64 -3465,7). 071,3 617,0 = 722,24 kVAr Q b4 =1019,14 - (5590,64 -3465,7). 071,3 617,0 = 408,3 kVAr Q b5 = 1463 - (5590,64 -3465,7). 101,3 617,0 = 854,6 kVAr Kết quả phân bố dung l-ợng bù cho từng nhánh đ-ợc ghi trong bảng 5.4. Bảng 5.4 - Kết quả phân bố dung l-ợng bù trong nhà máy. T T Tuyến cáp R () Q tt (kVAr) Q bù (kVAr) Loại tụ Q tụ (kVAr ) Số l-ợn g 1 TPPTT- B 1 0,06 2 1125 524 KC2-0,38-50- 3Y3 50 11 2 TPPTT- B 2 0,07 4 765 381,16 KC2-0,38-50- 3Y3 50 8 3 TPPTT- B 3 0,06 6 1331,8 722,24 KC2-0,38-50- 3Y3 50 15 4 TPPTT- B 4 0,02 6 1019,1 4 408,3 KC2-0,38-50- 3Y3 50 9 5 TPPTT- B 5 0,07 0 1463 854,6 KC2-0,38-50- 3Y1 50 18 Kiểm tra lại cos sau khi bù : b Q =2722,3 kVAr Q bù = P ttnm . ( tg 1 - tg 2 ). = 5792,16.( 0,8 - 0,33 ).1 = 2722,3kVAr b Q =Q bù =2722,3 kVAr tg 2 =0,33; cos 2 =0,95 thỏa mãn điều kiện Hình 5.3 - Sơ đồ lắp rắp tụ bù cos cho trạm 2 máy biến áp Tñ bï cos Tñ ¸pt«m¸t tæng Tñ ph©n phèi cho c¸c PX Tñ ph©n phèi cho c¸c px Tñ ¸pt«m¸t ph©n ®o¹n Tñ bï cos Tñ ¸pt«m¸t tæng . cầu của chúng. I.2. Chọn thiết bị bù: Để bù công suất phản kháng cho các hệ thống cung cấp điện có thể sử dụng tụ điện tĩnh, máy bù đồng bộ, động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích thích,. không đòi hỏi tiêu tốn năng l-ợng của động cơ sơ cấp quay máy phát điện. Mặt khác công suất phản kháng cung cấp cho hộ tiêu dùng điện không nhất thiết phải lấy từ nguồn. Vì vậy để tránh truyền. định chính xác vị trí và dung l-ợng đặt các thiết bị bù cần phải tính toán so sánh kinh tế kỹ thuật cho từng ph-ơng án đặt bù cho một hệ thống cung cấp điện cụ thể. Song theo kinh nghiệm thực