Tài liệu hệ thống điện docx

 Chi phí đầu tư lớn: chuyển đổi AC - DC - AC  Chỉ dùng trong những trường hợp đặc biệt sau:  Khỏang cách truyền tải đường dây trên không lớn > 750 km  khỏang cách truyền công suất dà

HỆ THỐNG

ĐIỆN I

Bài giảng: TS Trần Trung Tính

Chương III:

CÁC THÔNG

SỐ CỦA ĐƯỜNG DÂY

 Năm 1937ở Mỹ: California, the Los Angeles Department of Power vận hành hệ thống

50 Hz và chuyển đổi từ 50 sang 60 Hz khi nối với hệ thống Hoover Dam

 Năm 1949ở Mỹ: Southerm California Edison thì cũng chuyển đổi từ 50 sang 60 Hz

 Ngày nay: có 2 tần số chuẩn trên toàn thế giới là 50 (Europe, Liên Xô cũ, Nam Mỹ trừ Brazil, Japan, Việt Nam, v.v…), 60 Hz (Mỹ, Canada, Brazil, Japan, v.v…)

 Thuận lợi hệ thống 60 Hz: Generators, Motors, transformers tổng quát có kích thước nhỏ hơn hệ thống 50 Hz có cùng đặc tính

 Thuận lợi hệ thống 50 Hz: Những đường dây truyền tải, máy biến áp có điện kháng nhỏ hơn hệ thống 60 Hz

 Chi phí đầu tư lớn: chuyển đổi AC - DC - AC

 Chỉ dùng trong những trường hợp đặc biệt sau:

 Khỏang cách truyền tải (đường dây trên không) lớn (> 750 km)

 khỏang cách truyền công suất dài và dưới nước

 Cung cấp cho những hệ thống điện không đồng bộ tức là những hệ thống điện khác nhau: Bắc – Nam Nhật Bản

V

NP = 120f

Các Đại Lượng Vật Lý Của Đường

Điện dung (dung dẫn B0)

Dòng điện rò trong cách điện (điện dẫn

G0)

Vầng quang: V cao→cường độ điện trường cao→ion hóa không khí quanh

dây dẫn

NỘI DUNG TẬP TRUNG THẢO LUẬN

 Điện trở nối tiếp (series resistance)

 Điện kháng nối tiếp (series inductance)

 Điện dung (shunt capacitance)

 Dung dẫn (shunt conductance)

Điện trở nối tiếp là nguyên nhân gây ra tổn thất (RI2) trên đường dây với đơn vị là Ohmic ( Ω )

Điện kháng nối tiếp là nguyên nhân gây ra sụt áp dọc theo

đường dây

Điện dẫn là nguyên nhân gây ra tổn thất (V2G) do những dòng điện rò giữa các dây dẫn hoặc giữa dây dẫn với đất Dung dẫn trên đường dây trên không thì thường được bỏ qua.

Điện dung là nguyên nhân làm triệt tiêu một phần dòng điện

cảm ứng (của phụ tải) chạy trong dây dẫn

Những phần chính trong hệ thống

truyền tải

ACSR (Aluminum Conductors Steel Reinforced)

AAC (All-Aluminum Conductor)

AAAC (All-Aluminum-Alloy Conductor)

ACAR (Aluminum Conductor Aluminum - Alloy

Reinforced)

ACSR 26/7

Tính toán điện trở của đường dây

 Điện trở DC của vật dẫn rắn

 Những sợi dây dẫn được quấn theo hình xoán ốc thì nó làm thay đổi hướng, tăng chiều dài dây dẫn từ 1-2% so với chiều dài thực tế Do đó, điện trở dc của sợi dây dẫn có giá trị lớn hơn thực tế 1-2%

Ω

= . ,

A

l

T dc

2

t T

t

T R

R

+

+

=

R1, R2: điện trở dây dẫn tại nhiệt độ t1, t2 (0C)

T: nhiệt độ không đổi phụ thuộc vào vật liệu chế tạo dây dẫn, dây nhôm T ≈ 228

Tính toán điện trở của đường dây (tt)

 Điện trở dây dẫn tốt nhất là xác định dựa theo thông số của nhà sản xuất

 Điện trở dây dẫn đối với dòng điện xoay chiều ac được xác định

dòng điện ở tâm dây nhỏ hơn bề mặt dây dẫn do hiệu ứng bề mặt (skin effect)

 Do đó điện trở đối với dòng điện ac lớn hơn đối với dòng điện dc chiều Tuy nhiên với tần số 50 Hz và dây dẫn kim lọai màu với tiết diện không lớn thì sự khác nhau

đó không đáng kể (cỡ 1%)

= Η

Giới thiệu về từ tính (tt)

 H và dl là vector trong không gian

θ cos

Trong đó θ là góc giữa H và dl Chúng ta bỏ khái niệm vector để chỉ giá trị vô

hướng Hướng dòng điện i e có quan hệ hướng của vòng kín Γ được xác định theo quy tắc bàn tay phải

 Mật độ từ trường cách tâm dây một đoạn là x được xác định

với đơn vị là webers-vòng

 Từ thông tổng bằng tổng của từ thông

Trong đó φi là từ thông nối vòng thứ i của cuộn dây

Giới thiệu về từ tính (tt)

Điện cảm được xác định là quan hệ tuyến tính giữa từ thông móc vòng

và dòng điện Bởi vì, từ thông móc vòng sinh ra trên đoạn dây dẫn tỉ lệ thuận với từ cảm B Mặt khác, từ cảm B được sinh ra và tỉ lệ thuận với dòng điện và được xác định như sau

Li

=

λ

Giới thiệu về từ tính (tt)

Từ thông móc vòng của dây dẫn thẳng dài vô hạn

Giả sử dây dẫn thẳng dài vô hạn có bán kính r, mật độ điện phân bố đều trong dây dẫn và có tổng dòng điện là i Theo tính chất vật lý cơ bản chúng ta biết

những đường từ thông có dạng những đường tròn đồng tâm Giả sử dòng điện trong dây dẫn đi ra ngoài của mặt trang giấy Hướng của từ thông như trình bày ở Hình 3 11

Từ thông móc vòng trên một mét chiều dài của

dây bằng tổng từ thông móc vòng bên ngoài và

bên trong dây dẫn

r

R i

ln 4

λ

λ

Giới thiệu về từ tính (tt)

Từ thông móc vòng đối với dây cáp nhiều sợi

 Khảo sát tính toán từ thông móc vòng

của sợi 1 tới bán kính R1 từ góc tọa độ

 Sợi 1 bị ảnh hưởng bởi sợi 2, 3, …, n

 Tất cả từ thông tạo ra bởi dòng điện i k đi

qua giữa điểm b và điểm c của trục x

 Từ thông móc vòng của sợi 1 chịu ảnh hưởng

bởi dòng điện ik được xác định như sau

k

k

k k

d

R i

r

d

R i

d

R i

r

R i

1 12

2 2

1

1 1

µ λ

i r

i

1 12

2 ,

1 1

0 1

1 ln

1 ln

1 ln

µ λ

Trong đó bán kính đẳng trị của dây dẫn

4

/ 1

+ +

=

kn

n k

k k

k

d

i r

i d

i ln 1 ln 1 ln 1

1 1

π

µ λ

(*)

Ví dụ

Cho đường dây truyền tải 3 pha có khoảng cách các đường dây bằng nhau D và bán kính r của sợi Giả sử có như trình bày ở hình bên dưới Tính độ từ cảm trên 1m chiều dài của mỗi pha trong hệ thống 3 pha trên

Sử dụng công thức (*) cho pha a ta có

,

0 ,

0 ,

2

1 ln

1 ln 2

1 ln

1 ln

1 ln

D i

D

i r

i D

i D

i r

ia b c a a a

a

π

µ π

µ π

0 ln 2 10 ln

D r

D i

Hỗ cảm của pha a chỉ phụ thuộc vào dòng điện trên pha a Điều này cũng

Đường dây truyền tải phân pha

Để giảm hỗ cảm → chúng ta cố gắng

giảm khoảng cách giữa những đường

dây và tăng bán kính cáp → Khi giảm

khoảng cách giữa các pha nên chú ý

đến sự đánh thủng cách điện do quá

điện áp Nói cách khác, chi phí đầu tư,

trọng lượng và sự mềm dẻo của cáp

cũng là vấn đề cần quan tâm khi tăng

bán kính cáp Trong thực tế điện áp từ

220 kV trở lên thì đường dây truyền

tải được phân pha, nghĩa là đường

dây truyền tải của từng pha được chia

làm nhiều cáp có bán kính r đặt cách

nhau một khoảng a và đặt trên 1

khung định vị → để giảm tổn thất vầng

quang, giảm điện kháng X0, tăng khả

năng tải đường dây

Đường dây truyền tải phân pha (tt)

b b

a

R

D R

D

l

2 4

7 0

≈

π µ

GMR phải được xác định phù hợp với sợi cáp phân pha trong búi dây Giả sử co

b sợi cáp trong búi dây, Rb được xác định như sau

2

) ,

,

Đường dây truyền tải phân pha (tt)

a) Nếu chúng ta xem búi dây tương đương với một cáp rỗng bên trong, nhằm làm tăng bán kính của cáp

b) Đối với đường dây cao áp (từ 220 kV trở lên) thì trường điện từ sinh ra lớn xung quanh cáp Nếu trường điện từ này đủ lớn sẽ gây ra hiện tượng ion

hóa vùng không khí đó Điều không mong muốn này gọi là hiện tượng

corona Hiện tượng corona cũng là một trong những nguyên nhân gây ra tổn thất trên đường dây truyền tải, nhiễu radio và gây ồn Nếu bán kinh dây dẫn lớn sẽ làm giảm từ trường sinh ra xung quanh bề mặt dây dẫn Trong thực

tế, người ta dùng đường dây phân pha cho hệ thống truyền tải cao áp nhằm làm tăng bán kính dây dẫn

c) So với hệ thống truyền tải dùng một cáp có cùng diện tích mặt cắt ngang của búi dây nhiều sợi cáp thì diện tích tiếp xúc dây dẫn với không khí sẽ lớn hơn nên giải nhiệt tốt hơn, do đó có thể truyền tải dòng điện lớn hơn giới hạn

nhiệt của cáp

Tính toán điện kháng của dây dẫn

] H/m [

ln

10 2

ln 2

7 0

b

m b

m

R

D R

D

π µ

Cảm kháng

Điện cảm kháng

] mi /

[

=

Tính toán điện kháng của dây dẫn (tt)

 Hỗ cảm phụ thuộc độ dài, khoảng cách giữa các dây dẫn, do đó hỗ cảm giữa các dây dẫn khác nhau là khác nhau Điều náy sẽ gây ra không đối xứng về dòng điện, điện áp trong lưới điện Do đó, khắc phục nhược điểm náy người ta hoán vị dây dẫn sao cho mỗi pha của 1 đường dây lần lượt ở 3 vị trí khác nhau

Tính toán điện dẫn

 Xác định điện dung

] mi /

[

ln

[ .

r

D ln

10 1,779

1

− Ω

X C

Tổn thất vầng quang

 Tổn thất vầng quang → cường độ điện trường vượt qua ngưỡng nhất định →ion hóa không khí xung quanh dây dẫn → điện năng thoát ra ngoài không khí →phát ra tiếng ồn và ánh sáng

 Tổn thất vầng quang → xác định bằng thực nghiệm trên các đường dây →phụ thuộc vào thời tiết và cấu trúc đường dây

 Trong tính toán sơ bộ phục vụ quy hoạch → dùng công thức thực nghiệm

Công thức Mayer là một trong những công thức được dùng

5 VQ

3 , 2 )(

(

.

=

∆

r f

E E

E E

r f k n

E

E

E = −

) / ln(

. tđ

f tb

r D r

f: tần số [Hz]

r: bán kính dây [cm]

EVQ: cường độ điện trường bắt đầu phát sinh vầng quang

Etđ: cường độ điện trường tương đương có trị số bằng a: khỏang cách trung bình giữa các dây trong một pha, [cm]

D: khỏang cách trung bình giữa các pha, [cm]

k: hệ số ảnh hưởng của thời tiết

Khi thời tiết tốt k = 44 và EVQ = 17 [kV/cm]

Khi thời tiết xấu k = 35,1 và EVQ = 11 [kV/cm]

Tổn thất vầng quang (tt)

Tóm lại

Z

jX R

Z  = +

jB G

Y  = +

2 /

1 Series resistance R: Conductor resistivity

2 Shunt conductance G: tổn thất do dòng điện rò dọc theo chuổi cách điện, vầng quang điện, ảnh hưởng nhỏ và có thể bỏ qua

3 Series inductance L: do từ trường xung quanh dây dẫn gây nên, phụ thuộc vào

từ thông móc vòng Điện kháng của 3 pha là khác nhau nếu khoảng cách giữa chúng khác nhau Người ta đổi pha để cân bằng điện kháng

4 Shunt capacitance C: điện tích giữa các dây dẫn, dây dẫn với đất

Tóm lại (tt)

Từ trường Điện trường

jX R

Z  = +

jB G

Tổng trở nối tiếp

Tổng dẫn song song

R: điện trở dây dẫnX: cảm kháng dây dẫnB: dung dẫn (dung kháng) dây dẫnG: điện dẫn tác dụng

Ví dụ 1

Cho đường dây 3 pha lộ đơn 220 kV, 50 Hz có chiều dài 160 km, các pha được bố trí trên trụ như hình vẽ Đường dây sử dụng là AC-240 (28 sợi nhôm, 7 sợi thép) với đường kính ngoài là 21,6 mm, điện trở dây dẫn 0,132 Ω/km Giả sử đường dây được hoán vị đầy đủ và điện dẫn g0 = 0

1 Tính tổng trở của đường dây

2 Tính tổng dẫn của toàn đường dây

2,6 m

4,8 m 2,8 m

5,5 m a

Ví dụ 1 (tt)

2,6 m

4,8 m 2,8 m

5,5 m a

7

= DabDbcDca

D

Ví dụ 1 (tt)

1 Tổng trở của đường dây

 Điện cảm mỗi pha

H/km

10 348 ,

1 10

294 ,

8

027 ,

7 ln

10

2 '

ln 10

 Cảm kháng mỗi pha

/km

423 ,

0 10

348 ,

1 314

= +

= +

jX r

Z

Ví dụ 1 (tt)

2 Tổng dẫn của đường dây

 Điện dung mỗi pha

F/km

10 576 , 8 10

8 , 10

027 , 7 ln 10

18

1 ln

10 18

3

6 6

 Dung dẫn của đường dây

4

6 160 4 , 31 10 90 10

694 ,

2 )

Y

Ví dụ 2(bài tập về nhà)

15' 15'

Đường dây truyền tải 138 kV được đặt trên trụ như

hình vẽ Dây sử dụng là loại Linnet (nhôm) Al/St là

26/7, đường kính ngoài là 0,721 in, RAC tại 500C là

0,3006 Ω/mi,

Bài Tập 2(bài tập về nhà)

Cho đường dây 3 pha lộ đơn 220 kV, 50 Hz có chiều dài 140 km, các pha được bố trí trên trụ như hình vẽ Đường dây sử dụng là AC-240 (28 sợi nhôm, 7 sợi thép) với đường kính ngoài là 21,6 mm, điện trở dây dẫn 0,132

Ω /km Giả sử đường dây được hoán vị đầy đủ và điện dẫn g0 = 0.

2, 4 m

4, 6 m

2, 6 m

5, 0 m a

1.Tính tổng trở của đường dây

2.Tính tổng dẫn của toàn đường dây

NHỮNG NỘI DUNG CẦN NHỚ

1 Tính điện trở của đường dây

2 Tính cảm kháng của đường dây

3 Tính dung kháng của đường dây

4 Tính tổng dẫn của đường dây

5 Tính tổng trở của đường dây

6 Tại sao phải phân pha?

7 Tại sao phải đảo pha?