Thiết kế hệ thống bù COS tự động cho trạm trung gian quỳnh côi 35 - 10KV huyện quỳnh phụ thái bình

Các thiết bị bù cosϕ cho phép tạo ra công suất phản kháng cung cấp trực tiếp cho phụ tải để tránh truyền tải một lượng Q khá lớn trên đường dây do đó nâng cao được hệ số cosϕ của mạng..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

   

VŨ THỊ THÙY LAN

TRẠM TRUNG GIAN QUỲNH CÔI 35/10KV HUYỆN QUỲNH PHỤ - THÁI BÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Điện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và hoàn toàn chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Tôi cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ để thực hiện luận văn này đã được cảm

ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Vũ Thị Thùy Lan

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này tôi đã nhận được sự hướng dẫn rất nhiệt tình của thầy giáo PGS.TSKH Trần Hoài Linh cùng với những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy giáo, cô giáo Bộ môn Cung cấp điện cũng như các thày giáo, cô giáo Khoa cơ điện, Viện Đào tạo Sau đại học của Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới những sự giúp đỡ quý báu đó

Tôi xin chân thành cảm ơn Điện lực Quỳnh Phụ- Thái Bình đã tạo điều kiện cho tôi trong việc thu thập số liệu và những thông tin cần thiết cho việc nghiên cứu luận văn

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè những người đã luôn bên tôi giúp đỡ về vật chất cũng như tinh thần trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Tác giả

Vũ Thị Thùy Lan

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN

1.2.1 Khái niệm về bù công suất phản kháng 6 1.2.2 Ý nghĩa của bù công suất phản kháng 7 1.3 CÁC GIẢI PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƯỚI

1.4.3 Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia 12

CHƯƠNG 2: NHIỆM VỤ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TẠI TRẠM

2.1 GIỚI THIỆU TRẠM TRUNG GIAN QUỲNH CÔI 35/10kV 16

2.2.2 Giải pháp bù hiện nay 22 2.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ MỘT SỐ TỒN TẠI TRONG NHIỆM VỤ

3.3 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN DUNG LƯỢNG BÙ

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÙ COSẾẾ TỰ ĐỘNG 30

4.1.1 Giới thiệu chung vi điều khiển AT89C51 31

4.1.3 Cấu trúc phần cứng của mạch điều khiển cơ cấu chấp hành 38

DANH MỤC BẢNG

3.1 Dung lượng cần bù và các tụ được lựa chọn 28

DANH MỤC HÌNH

4.5 Mô phỏng mạch điều khiển cơ cấu chấp hành 38 4.6 Lưu đồ giải thuật của chương trình chính 40 4.7 Lưu đồ thuật toán đọc dữ liệu ADC về vi điều khiển 41

4.9 Kết quả chạy khi biến trở ở vị trí 0% - tất cả các tụ tắt 43 4.10 Kết quả chạy khi biến trở ở vị trí 50% - các tụ 3, 4 và 8 được đóng vào 44 4.11 Kết quả chạy khi biến trở ở vị trí 75% - các tụ 7 và 8 được đóng vào 44 4.12 Kết quả chạy khi biến trở ở vị trí 90% - các tụ 1, 3, 4, 7 và 8 được

4.13 Kết quả chạy khi biến trở ở vị trí 100% - các tụ 1, 3, 6, 7 và 8 được

4.15 Kết quả chạy của mạch khi biến trở ở vị trí 0% - các led đều tắt ứng

4.16 Kết quả chạy của mạch khi biến trở ở vị trí 50% - các led ứng với các

LỜI NÓI ĐẦU

Bài toán bù cosϕ là một trong những bài toán cơ bản của hệ thống điện Các thiết bị bù cosϕ cho phép tạo ra công suất phản kháng cung cấp trực tiếp cho phụ tải

để tránh truyền tải một lượng Q khá lớn trên đường dây do đó nâng cao được hệ số

cosϕ của mạng Các hệ thống bù cosϕ hiện tại chủ yếu được thực hiện trên một dàn

tụ được mắc nối tiếp Dung lượng bù sẽ được tính toán tự động từ cosϕ của tải và sau đó được triển khai trên dàn tụ này

Tuy nhiên thực tế sử dụng một hệ các tụ có dung lượng giống nhau, nếu có thay đổi thì chỉ thay đổi số lượng tụ được đấu song song vào mạch Do đó dung lượng bù thực tế chỉ có thể nhận các giá trị bội số của một tụ dẫn tới nhiều trường hợp sai số bù lớn Việc sử dụng dàn tụ có dung lượng khác nhau sẽ cho phép ta lựa chọn được dung lượng bù sát hơn với dung lượng đặt ở đầu vào Điều này sẽ cho phép cải thiện được chất lượng của thiết bị bù và cải thiện được chất lượng điện năng của hệ thống Chính vì những lý do đã nêu trên tôi tiến hành nghiên cứu, lựa chọn và xây dựng chương trình thiết kế hệ thống bù cosϕ tự động cho trạm trung gian Quỳnh Côi 35/10kV huyện Quỳnh Phụ - Thái Bình

1 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài:

– Cơ sở khoa học: Đề tài tìm hiểu phương pháp bù công suất phản kháng trên lưới phân phối để nâng cao chất lượng điện Đồng thời, tìm hiểu phần mềm vi xử lý

để mô phỏng bù cosϕ tự động

– Tính thực tiễn: Đưa ra giải pháp bù cosϕ tự động

2 Mục tiêu của đề tài:

– Nghiên cứu phương pháp bù cosϕ tự động, kiểm chứng trên phần mềm mô

phỏng và mạch thiết bị mô phỏng bù cosϕ tự động

3 Phương pháp nghiên cứu:

– Về lý thuyết: Nghiên cứu phương pháp bù cosϕ tự động và tìm hiểu phần

mềm mô phỏng

– Về thực nghiệm: Mô phỏng bù cosϕ tự động

Nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

– Chương 1: Tổng quan về bù công suất phản kháng trên lưới phân phối – Chương 2: Nhiệm vụ bù công suất phản kháng tại trạm Trung gian Quỳnh Côi 35/10kV

– Chương 3: Đề xuất giải pháp bù tự động

– Chương 4: Thiết kế hệ thống bù cosϕ tự động

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN

KHÁNG TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI

1.1 SỰ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

1.1.1 Khái niệm về công suất phản kháng

Để cho việc bù công suất đạt được hiệu quả, trước hết chúng ta cần tìm hiểu ý

nghĩa vật lý của đại lượng này và biểu diễn dưới dạng công thức toán học

Giả sử dòng điện hình sin trong mạch được biểu diễn bằng một hàm điều hòa:

i t = I ωt+φ (1.3) Theo lý thuyết kỹ thuật điện ta có phản ứng một nhánh nối tiếp R-L-C đối với kích thích điều hòa ở chế độ xác lập:

φ = − = − = (1.7) Với tam giác tổng trở ta có quan hệ:

Z = R +X ; arctg X

R

φ = (1.8) cos ;

R=Z φ X =Zsinφ (1.9)

Hình 1.1: Mạch điện đơn giản R,L

Chúng ta xem xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện đơn giản có tải

là điện trở và điện kháng (hình 1.1) Mạch điện được cung cấp bởi điện áp:

sin ( )

m

u=U ωt V Dòng điện i lệch pha với điện áp u một góc φ:

Q = ⋅ ⋅U I ϕ gọi là công suất phản kháng

Hình 1.2: Quan hệ giữa công suất P và Q

Từ công thức trên ta có thể viết:

Vậy công suất tác dụng là công suất có hiệu lực biến năng lượng điện thành

ra các dạng năng lượng khác và sinh ra công Còn công suất phản kháng là thành

phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên điện dung của mạch điện

1.1.2 Sự tiêu thụ công suất phản kháng

Trên lưới điện, công suất phản kháng được tiêu thụ ở: Động cơ không đồng

bộ, máy biến áp, kháng điện trên đường dây tải điện và ở các phần tử, thiết bị có liên quan đến từ trường

Yêu cầu về công suất phản kháng chỉ có thể giảm đến mức tối thiểu chứ không thể triệt tiêu được vì nó cần thiết để tạo ra từ trường, yếu tố trung gian cần thiết trong quá trình chuyển hóa điện năng

a) Động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ là thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng chính trong lưới điện, chiếm khoảng 60 – 65%;

Công suất phản kháng của động cơ không đồng bộ gồm hai thành phần:

– Một phần nhỏ công suất phản kháng được sử dụng để sinh ra từ trường tản trong mạch điện sợ cấp

– Phần lớn công suất phản kháng còn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở

b) Máy biến áp

Máy biến áp tiêu thụ khoảng 22 đến 25% nhu cầu công suất phản kháng tổng của lưới điện, nhỏ hơn nhu cầu của các động cơ không đồng bộ do công suất phản

kháng dùng để từ hóa lõi thép máy biến áp không lớn so với động cơ không đồng

bộ, vì không có khe hở không khí Nhưng do số thiết bị và tổng dung lượng lớn, nên nhu cầu tổng công suất phản kháng của máy biến áp cũng rất đáng kể

Công suất phản kháng tiêu thụ bởi máy biến áp gồm hai thành phần:

– Công suất phản kháng được dùng để từ hóa lõi thép

– Công suất phản kháng tản từ máy biến áp

c) Đèn huỳnh quang

Thông thường các đèn huỳnh quang vận hành có một chấn lưu để hạn chế dòng điện Tuy theo điện cảm của chấn lưu, hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh cosφ của chấn lưu nằm trong khoảng 0,3 đến 0,5

Các đèn huỳnh quang hiện đại có bộ khởi động điện từ, hệ số công suất chưa được hiểu chỉnh cosφ thường gần bằng 1 Do vậy không cần hiệu chỉnh hệ số công suất của thiết bị này Tuy nhiên, khi các thiết bị điện tử này khởi động thì sinh ra các sóng hài

1.2 BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

1.2.1 Khái niệm về bù công suất phản kháng

Phần lớn các thiết bị dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q Những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản kháng là: động cơ không đồng bộ (tiêu thụ khoảng 60-65% tổng công suất phản kháng của mạng), máy biến áp (tiêu thụ khoảng 20-25%), đường dây trên không, điện kháng và các thiết bị điện khác tiêu thụ khoảng 10% Như vậy động cơ không đồng bộ và máy biến áp là hai loại máy điện tiêu thụ nhiều công suất phản kháng nhất Công suất tác dụng P là công suất được biến thành cơ năng hoặc nhiệt năng trong các máy dùng điện, còn công suất phản kháng Q là công suất từ hóa trong các máy điện xoay chiều, nó không sinh ra công Cho nên việc tạo ra công suất phản kháng không đòi hỏi tiêu tốn năng lượng của động cơ sơ cấp quay máy phát điện Mặt khác công suất phản kháng cung cấp cho hộ dùng điện không nhất thiết phải lấy từ nguồn (máy phát điện) Vì vậy tránh truyền tải một lượng Q khá lớn trên đường dây, người ta đặt gần các hộ dùng điện các máy sinh ra Q (tụ điện, máy bù đồng bộ) để cung cấp trực tiếp cho phụ tải, làm như vậy được gọi là bù công suất phản kháng Khi có bù công suất phản kháng thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch sẽ nhỏ

đi, do đó hệ số công suất cosϕ của mạng được nâng cao Khi lượng P không đổi, nhờ có bù công suất phản kháng, lượng Q truyền tải trên đường dây giảm xuống, do

đó góc ϕ giảm, kết quả là cosϕ tăng lên

1.2.2.Ý nghĩa của bù công suất phản kháng

Nâng cao hệ số công suất cosϕ là một trong những biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện năng Khi hệ số công suất cosϕ được nâng lên sẽ đưa đến những hiệu quả sau đây:

• Giảm được tổn thất công suất trong mạng điện: Tổn thất công suất trên đường

dây được tính như sau:

Công suất tác dụng tiết kiệm được do bù là:

tk kt bù

P =k Q (1.13) Tổn thất công suất tác dụng trên đường dây:

Vậy lượng công suất tác dụng tiết kiệm được là:

2 2

trên đường dây Q (thường xảy ra trong thực tế), tức là có thể coi Q bù 0

Q ≈ , lúc này đương lượng kinh tế của công suất phản kháng được tính theo công thức đơn giản sau:

2

2

kt

QR k

U

= (1.16) Nếu Q và R càng lớn thì kkt càng lớn, nghĩa là nếu phụ tải phản kháng càng lớn và càng ở xa nguồn thì việc bù càng có hiệu quả kinh tế

• Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện: Tổn thất điện áp được tính như

• Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp: Khả năng truyền tải

của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng, tức phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp được tính như sau:

chúng sẽ được tăng lên

Ngoài ra việc nâng cao hệ số công suất cosϕ còn đưa đến hiệu quả là giảm được chi phí kim loại màu, góp phần làm ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện của máy phát điện Vì những lý do trên mà việc nâng cao hệ số cosϕ, bù công suất phản kháng đã trở thành vấn đề quan trọng, cần phải được quan tâm đúng mức trong khi thiết kế cũng như khi vận hành hệ thống cung cấp điện

1.3 CÁC GIẢI PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI HIỆN NAY

Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện là rất hạn chế, do cosφn của các nhà máy điện từ 0,8 – 0,9 hoặc cao hơn nữa Vì lý do kinh tế người ta không chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều công suất phản kháng cho phụ tải Các máy phát chỉ đảm đương một phần nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải, phần còn lại do các thiết bị bù đảm trách (Máy bù đồng bộ, tụ điện)

Ngoài ra trong hệ thống điện nói chung, phải kể đến một nguồn phát công suất phản kháng nữa, đó là các đường dây tải điện, đặc biệt là các đường cáp và đường dây siêu cao áp Tuy nhiên ở đây ta chỉ xét đến lưới phân phối, do vậy chỉ lưu ý đến các trường hợp đường dây 35 kV dài và các đường cáp ngầm Tuy nhiên công suất phản kháng phát ra từ các phần tử này cũng không đáng kể nên nguồn phát công suất phản kháng chính trong lưới phân phối vẫn là tụ điện, động cơ đồng bộ và máy bù

1.3.1 Tụ điện

Là loại thiết bị điện tĩnh, làm việc với dòng điện vượt trước điện áp, do đó nó

có thể sinh ra công suất phản kháng Q cung cấp cho mạng Tụ điện có nhiều ưu điểm như tổn thất công suất tác dụng bé, không có phần quay nên lắp ráp bảo quản

dễ dàng Tụ điện được chế tạo thành từng đơn vị nhỏ, vì thế có thể tùy theo sự phát triển của phụ tải trong quá trình sản xuất mà chúng ta ghép dần tụ điện vào mạng, khiến hiệu suất sử dụng cao và không phải bỏ nhiều vốn đầu tư ngay một lúc

Tụ điện được dùng rộng rãi nhất là ở các xí nghiệp trung bình và nhỏ, đòi hỏi dung lượng bù không lớn lắm Thông thường nếu dung lượng bù nhỏ hơn 5000kVAr thì người ta dùng tụ điện, còn nếu lớn hơn thì cần phải so sánh giữa tụ điện và máy bù đồng bộ Tụ điện được sản xuất để dùng ở cấp điện áp 6÷15kV và 0,4kV

bù còn là thiết bị rất tốt để điều chỉnh điện áp, nó thường được đặt ở những điểm cần điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện Để cho kinh tế, máy bù thường được chế tạo với công suất lớn, do đó máy bù đồng bộ thường được dùng ở những nơi cần bù tập trung với dung lượng lớn

1.3.3 Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn được đồng bộ hóa

Khi cho dòng một chiều vào động cơ không đồng bộ rotor dây quấn, động

cơ sẽ làm việc như một động cơ đồng bộ với dòng điện vượt trước điện áp Do đó

nó có khả năng sinh ra công suất phản kháng cung cấp cho mạng Nhược điểm của loại động cơ này là tổn thất công suất khá lớn, khả năng quá tải kém, vì vậy thường động cơ chỉ được phép làm việc với 75% công suất định mức Với những lý do trên, động cơ không đồng bộ rotor dây quấn được đồng bộ hóa được coi là loại thiết bị bù kém nhất, nó chỉ được dùng khi không có sẵn các thiết bị bù khác

Ngoài các thiết bị bù kể trên, còn có thể dùng động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích từ hoặc dùng máy phát điện làm việc ở chế độ bù để làm máy bù Ở các xí nghiệp có nhiều tổ máy diezen- máy phát làm nguồn dự phòng, khi chưa dùng đến có thể lấy làm máy bù đồng bộ, biện pháp này cũng được nhiều xí nghiệp ưa dùng

1.4 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN KHI TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

trong đó: P - phụ tải tính toán của hộ tiêu thụ điện, kW

ϕ1 - góc ứng với hệ số công suất trung bình (cosϕ1) trước khi bù

ϕ2 - góc ứng với hệ số công suất trung bình (cosϕ2) muốn đạt được

sau khi bù

α - hệ số xét tới khả năng nâng cao cosϕ bằng những phương pháp

không đòi hỏi đặt thiết bị bù (thường chọn trong khoảng 0,9 ÷ 1)

Hệ số công suất cosϕ2 nói trên thường lấy bằng hệ số công suất do cơ quan quản lý hệ thống điện quy định cho mỗi hộ tiêu thụ phải đạt được, thường nằm trong khoảng cosϕ =0,8 ÷ 0,95

1.4.2 Vị trí bù trong mạng điện

Sau khi tính dung lượng bù và chọn loại thiết bị bù thì vấn đề quan trọng là bố trí thiết bị bù vào trong mạng sao cho đạt hiệu quả kinh tế nhất Thiết bị bù có thể được đặt ở phía điện áp cao (lớn hơn 1000V) hoặc ở phía điện áp thấp (nhỏ hơn 1000V), nguyên tắc bố trí thiết bị bù là làm sao đạt được chi phí tính toán nhỏ nhất Máy bù đồng bộ, vì có công suất lớn nên thường được đặt tập trung ở những điểm quan trọng của hệ thống điện Ở xí nghiệp lớn, máy bù nếu có thường được đặt ở phía điện áp cao của trạm biến áp trung gian

Tụ điện có thể được đặt ở mạng điện áp cao hoặc ở mạng điện áp thấp Tụ điện điện áp cao (6-15kV) được đặt tập trung ở thanh cái của trạm biến áp trung gian hoặc trạm phân phối Nhờ đặt tập trung nên việc theo dõi vận hành các tụ điện

dễ dàng và có khả năng thực hiện việc tự động hóa điều chỉnh dung lượng bù Bù tập trung ở mạng điện áp cao còn có nhiều ưu điểm nữa là tận dụng được hết khả năng của tụ điện, nói chung các tụ điện vận hành liên tục nên chúng phát ra công suất bù tối đa Nhược điểm của phương án này là không bù được công suất phản kháng ở mạng điện áp thấp, do đó không có tác dụng giảm tổn thất điện áp và công suất ở mạng điện áp thấp

Tụ điện điện áp thấp (0,4kV) được đặt theo ba cách: đặt tập trung ở thanh cái phía điện áp thấp của trạm biến áp phân xưởng, đặt thành nhóm ở tủ phân phối động lực và đặt phân tán ở từng thiết bị dùng điện Đứng về mặt giảm tổn thất điện năng thì việc đặt phân tán các tụ bù ở từng thiết bị điện có lợi hơn cả Song với cách đặt này khi thiết bị điện nghỉ thì tụ điện cũng nghỉ theo, do đó hiệu suất sử dụng không cao Phương án này chỉ được dùng để bù cho những động cơ không đồng bộ có công suất lớn Phương án đặt tụ điện thành nhóm ở tủ phân phối động lực hoặc đường dây chính trong phân xưởng được dùng nhiều hơn vì hiệu suất sử dụng cao, giảm được tổn thất cả trong mạng điện áp cao lẫn mạng điện áp thấp Vì các tụ được đặt thành từng nhóm nhỏ (khoảng 30-100kVAr) nên chúng không chiếm diện tích

lớn, có thể đặt trong những tủ như tủ phân phối động lực hoặc trên xà nhà các phân xưởng Nhược điểm của phương pháp này là các nhóm tụ điện nằm phân tán khiến việc theo dõi chúng trong khi vận hành không thuận tiện và khó thực hiện việc tự động điều chỉnh dung lượng bù Phương án đặt tụ điện tập trung ở thanh cái điện áp thấp của trạm biến áp phân xưởng được dùng trong trường hợp dung lượng bù khá lớn hoặc khi có yêu cầu tự động điều chỉnh dung lượng bù để ổn định điện áp của mạng Nhược điểm của phương án này là không giảm được tổn thất trong mạng phân xưởng Trong thực tế tùy tình hình cụ thể mà chúng ta phối hợp cả ba phương

án đặt tụ điện kể trên

1.4.3 Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia

Hình 1.3: Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia

Bài toán đặt ra là trong một mạng hình tia có n nhánh, tổng dung lượng bù là

Qbù, hãy phân phối dung lượng bù trên các nhánh sao cho tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra là nhỏ nhất để hiệu quả bù đạt được lớn nhất Giả sử dung lượng bù được phân phối trên các nhánh là Qbù1, Qbù2…Qbù n Phụ tải phản kháng và điện trở của các nhánh lần lượt là Q1, Q2 …Qn và r1, r2…rn (hình 1-3)

Tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra được tính theo biểu thức sau:

với điều kiện ràng buộc về cân bằng công suất bù là

(Q bù 1, Q bù 2 Q bù n) Q bù 1 Q bù 2 Q bù n Q bù 0

Để tìm cực tiểu của hàm ∆P = f(Qbù 1,Qbù 2,…,Qbù n) chúng ta có thể dùng phương pháp nhân tử Lagrangiơ

Chọn nhân tử λ bằng

2

2L U

trong đó L – là hằng số sẽ được xác định sau

Theo phương pháp nhân tử Lagrangiơ, điều kiện để ∆P có cực tiểu là các đạo hàm riêng của hàm:

bï bï

bï bï

1.4.4 Điều chỉnh dung lượng bù

Việc điều chỉnh tự động dung lượng bù của tụ điện thường chỉ được đặt ra trong trường hợp bù tập trung với dung lượng lớn

Có bốn cách điều chỉnh tự động dung lượng bù: điều chỉnh dung lượng bù theo nguyên tắc điện áp, theo thời gian, theo dòng điện phụ tải và theo hướng đi của

công suất phản kháng

– Điều chỉnh dung lượng bù của tụ điện theo điện áp: Căn cứ vào điện áp trên

thanh cái của trạm biến áp để tiến hành điều chỉnh tự động dung lượng bù Nếu điện

áp của mạng sụt xuống dưới định mức, có nghĩa là thiếu công suất phản kháng thì cần phải đóng thêm tụ điện vào làm việc Ngược lại khi điện áp quá giá trị định mức thì cần cắt bớt tụ điện, lúc này mạng thừa công suất phản kháng Phương pháp điều chỉnh tự động dung lượng theo điện áp vừa giải quyết được yêu cầu bù công suất phản kháng, nâng cao hệ số công suất cosϕ vừa có tác dụng ổn định điện áp nên

được dùng phổ biến

– Điều chỉnh dung lượng bù theo nguyên tắc thời gian: Căn cứ vào sự biến

đổi của phụ tải phản kháng trong một ngày đêm mà người ta đóng hoặc cắt bớt tụ điện Phương pháp này được dùng khi đồ thị phụ tải phản kháng hàng ngày biến đổi theo một quy luật tương đối ổn định và người vận hành nắm vững đồ thị đó

– Điều chỉnh tự động dung lượng bù theo dòng điện phụ tải: được dùng trong

trường hợp phụ tải thường biến đổi đột ngột Khi dòng điện phụ tải tăng cần đóng thêm tụ vào làm việc, khi dòng điện phụ tải giảm cần cắt bớt tụ điện đi

– Điều chỉnh dung lượng bù theo hướng đi của công suất phản kháng: thường

được dùng khi trạm biến áp ở cuối đường dây và xa nguồn Nếu công suất phản kháng chạy từ nguồn đến phụ tải, chứng tỏ phụ tải cần công suất phản kháng của nguồn, chúng ta cần đóng thêm tụ điện vào làm việc, nếu ngược lại cần cắt bớt tụ điện

Trong bốn phương pháp điều chỉnh dung lượng bù trên luận văn đề xuất giải pháp điều chỉnh dung lượng bù theo điện áp

1.5 Kết luận chương 1

Nghiên cứu tổng quan về bù công suất phản kháng qua đó hiểu được ý nghĩa

của bù công suất phản kháng và lợi ích khi đặt bù Trên có sở đó lựa chọn các phương pháp bù phù hợp sao cho đạt hiệu quả nhất

CHƯƠNG 2: NHIỆM VỤ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

TẠI TRẠM TRUNG GIAN QUỲNH CÔI 35/10kV

2.1 GIỚI THIỆU TRẠM TRUNG GIAN QUỲNH CÔI 35/10kV

Trạm biến áp trung gian 35/10kV Quỳnh Côi huyện Quỳnh Phụ- Thái Bình

được xây dựng từ năm 1983 và bắt đầu vận hành năm 1985 với dung lượng 2x6300kVA lấy điện từ đường dây 371- E3.3 qua cầu dao cách ly 373-7 Trạm biến

áp xây dựng theo kiểu nửa trong nhà nửa ngoài trời Các thiết bị đóng cắt bảo vệ phía 35kV và máy biến áp được lắp đặt ngoài trời, thiết bị đóng cắt bảo vệ phía 10kV được lắp đặt trong nhà trạm, diện tích nhà 3,1mx28m

Trạm biến áp trung gian 35/10kV Quỳnh Côi được thiết kế để cấp điện cho 4

lộ đường dây 10kV: 971, 972, 973, 974 khu vực phía Nam của huyện Sơ đồ lưới điện được thể hiện ở hình 2.1

Về phía 35kV, sử dụng một hệ thống thanh cái, hai máy biến áp chính T1 và T2 được nối với thanh cái 35kV qua cầu dao liên động 331-1, 332-1 và các cầu chì

tự rơi Máy biến áp tự dùng nối với thanh cái 35kV qua cầu dao 35kV và cầu chì SI 35kV Chống sét van 35kV bảo vệ chung trạm được đặt sau cầu dao 35kV của máy biến áp tự dùng

Về phía 10kV, sử dụng 2 hệ thống thanh cái TC1 và TC2 được nối với nhau bằng cầu dao cách ly 912 Máy biến áp T1 được nối với hệ thống thanh cái TC1 qua cầu dao cách ly 931-1 cấp điện cho 2 lộ đường dây: 971-1 và 973-1 Máy biến áp T2 được nối với hệ thống thanh cái TC1 qua cầu dao cách ly 931-2 cấp điện cho 2

lộ đường dây: 972-2 và 974-2 Phía 10kV xây các ngăn lộ trong lắp các thiết bị đóng cắt Cụ thể gồm các ngăn sau :

1 Ngăn máy cắt tổng 931:

– Máy cắt ít dầu của Nhật Bản loại HF 515-630A : 1 cái

– 2 biến dòng điện 400/5A

– Công tơ hữu công, công tơ vô công

2 Ngăn máy cắt lộ 971 :

– Máy cắt ít dầu của Nhật Bản loại HF 515-630A : 1 cái

– Cầu dao cách ly của Việt Nam sản xuất : 1 bộ

– 2 biến dòng điện 300/5A loại EMIC

– Công tơ hữu công, vô công

3 Ngăn máy cắt lộ 973:

– Máy cắt ít dầu của Trung Quốc loại SN 10-630A : 1 cái

– Cầu dao cách ly của Việt Nam sản xuất : 2 bộ

– 2 biến dòng điện 200/5A loại EMIC

– Công tơ hữu công, vô công

4 Ngăn đo lường, chống sét TU91

– Biến điện áp : Dùng 3 biến điện áp 1 pha loại HOM-10, tỷ số biến 10000/100V do Trung Quốc sản xuất

– Chống sét van dùng loại PBC- 10 kV

– Cầu dao cách ly của Việt Nam sản xuất : 1 bộ

– Cầu chì ống sứ : 1 bộ

5 Cầu dao liên lạc 912:

Cầu dao của Việt Nam sản xuất lắp trên tường ngăn giữa 2 gian lộ

6 Ngăn tủ đo lường, chống sét TU 92:

– Biến điện áp: Dùng 3 biến điện áp 1 pha loại HOM- 10, tỷ số biến 10000/100V do Việt Nam sản xuất

– Chống sét van dùng loại PBC – 10kV

– Cầu dao cách ly của Việt Nam sản xuất: 1 bộ

– Cầu chì dây trần: 1 bộ

7 Ngăn máy cắt lộ 974:

– Máy cắt ít dầu của Nhật Bản loại HF 515- 630A : 1 cái

– Cầu dao cách ly của Việt Nam sản xuất : 1 bộ

– 2 biến dòng điện 200-400/5A loại EMIC

– Công tơ hữu công, vô công

8 Ngăn máy cắt tổng 932:

– Máy cắt ít dầu của Nhật Bản loại HF 515-630A : 1 cái

– 2 biến dòng điện 400/5A

– Công tơ hữu công, vô công

9 Ngăn tủ hợp bộ máy cắt lộ 972:

– Máy cắt ít dầu của Nhật Bản loại HF 515- 630A : 1 cái

– Cầu dao cách ly của Việt Nam sản xuất : 1 bộ

– 2 biến dòng điện 75/5A

– Công tơ hữu công, vô công

Bảng thống kê các máy biến áp tiêu thụ cho trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Bảng điều tra các MBA

5 B Cây Trồng 50 Việt Nam

15 B.Q.Nguyên 100 Việt Nam

19

971

B.Q.Chầu 180 Việt Nam

20 M Hoàng 100 Việt Nam

21 Phương Quả 250 Việt Nam

27 Khu IV.TTQC 560 Việt Nam

30

972

Khu 3B 320 Việt Nam

44

973

B.Q.Hội 100 Việt Nam

45 Lương Mỹ 180 Việt Nam

69

974

An Lộng 250 Việt Nam

70 B.Q.Lưu 100 Việt Nam

2.2 NHIỆM VỤ BÙ VÀ GIẢI PHÁP HIỆN NAY

2.2.1 Nhiệm vụ bù

Ngăn đóng cắt tụ điện 952-2 gồm: Tổ tụ điện được đặt trên giá bằng thép có

dung lượng 3x(3x100) kVAR, máy cắt ít dầu Trung Quốc loại SN10-630A, cầu dao cách ly của Việt Nam sản xuất, 2 biến dòng điện 100/5A và công tơ vô công đo đếm Tổ tụ có nhiệm vụ bù vô công cho lưới 10kV của trạm

2.2.2 Giải pháp bù hiện nay

Sử dụng máy cắt + cầu dao cách ly để đóng cắt tụ theo quy trình điện áp lưới

dưới 10kV thì đóng tụ vận hành, khi điện áp lưới đến 11kV thì cắt tụ khỏi vận hành

2.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ MỘT SỐ TỒN TẠI TRONG NHIỆM VỤ BÙ CỦA TRẠM

2.3.1 Ưu và nhược điểm trong nhiệm vụ bù

Về ưu điểm:

– Kết cấu gọn nhẹ, dễ lắp đặt và thao tác

– Giá thành rẻ

Bên cạnh những ưu điểm trên thì vẫn còn một số nhược điểm sau:

– Phải kiểm tra thường xuyên điện áp lưới nếu không dễ dẫn đến sự cố nổ tụ – Có thể bù ngược dẫn đến tổn thất không đáng có

o Điều kiện về nhiệt độ: phải giữ cho nhiệt độ không khí xung quanh tụ

điện không vượt quá +350C Khi tụ điện làm việc, do có tổn thất công suất tác dụng nên bản thân nó nóng lên nếu nhiệt độ của tụ điện vượt quá nhiệt độ cho phép, dầu sẽ bốc hơi làm phình tụ điện, làm hỏng giấy cách điện, gây ngắn mạch và có thể dẫn tới làm nổ tụ điện

o Điều kiện về điện áp: phải giữ cho điện áp trên cực của tụ điện không

vượt quá 110% điện áp định mức Khi điện áp đặt lên tụ điện vượt quá giá trị định

mức khiến cường độ điện trường trong tụ điện vượt quá giới hạn cho phép Khi đó trong tụ điện phát sinh hiện tượng ion hóa dầu cách điện dẫn đến sự cố ngắn mạch

do cách điện bị chọc thủng Vì vậy, khi điện áp của mạng vượt quá giới hạn cho phép nói trên thì phải cắt tụ ra khỏi mạng

Với điều kiện thứ nhất là đảm bảo nhiệt độ thì tại trạm đã đảm bảo an toàn Bộ

tụ được thiết kế đặt trong phòng riêng, có biện pháp chống cháy và nổ Trong phòng

sử dụng đèn chiếu sáng tránh cho tụ điện bị nắng chiếu trực tiếp Phòng đặt tụ điện được thông gió tốt nên nhiệt độ không khí trong phòng không vượt quá 350C Còn với điều kiện thứ hai là đảm bảo về điện áp trên cực của tụ điện thì phụ thuộc vào nhân viên vận hành trạm Vào giờ thấp điểm, điện áp đặt lên tụ điện có thể vượt quá giá trị định mức khi đó nhân viên vận hành trạm phải cắt tụ ra khỏi lưới Việc đóng

và cắt tụ ra khỏi lưới hoàn toàn phụ thuộc vào nhân viên vận hành trạm Do đó, nếu như không thường xuyên kiểm tra, theo dõi các thông số trạm để cắt tụ thì sự cố nổ

tụ chắc chắn sẽ xẩy ra

Ứng với mỗi trị số phụ tải Q có một dung lượng bù tối ưu Vì vậy cần phải điều chỉnh dung lượng bù của tụ điện cho phù hợp với phụ tải phản kháng để đạt được hiệu quả kinh tế cao nhất Song vì phụ tải luôn luôn biến đổi mà phương pháp

bù hiện tại là chỉ có thể đóng hết các tụ điện hoặc cắt hết các tụ ra khỏi lưới nên việc điều chỉnh liên tục dung lượng bù là khó có thể thực hiện Việc điều chỉnh dung lượng bù nhảy cấp như vậy có khuyết điểm là sẽ có những thời điểm bù thừa nên vào giờ thấp điểm mạng thừa công suất phản kháng nếu không cắt tụ đúng thời điểm thì sẽ dẫn đến tổn thất không đáng có

Như vậy, để khắc phục tồn tại thay vì đóng, cắt tụ như hiện nay thì giải pháp đưa ra là có thể đóng hay cắt tụ một cách tự động

2.4 Kết luận chương 2

Tìm hiểu về hệ thống bù cosϕ hiện tại của trạm Với hệ thống bù cosϕ hiện

tại thì chưa đạt được yêu cầu điều chỉnh liên tục dung lượng bù Yêu cầu này sẽ được đề cập và giải quyết trong chương 4

CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP BÙ TỰ ĐỘNG

3.1 GIẢI PHÁP BÙ BẰNG TỤ

Tụ điện là một đơn vị hoặc một dãy đơn vị tụ nối với nhau và nối song song với phụ tải theo sơ đồ hình sao hoặc tam giác, với mục đích sản xuất ra công suất phản kháng cung cấp trực tiếp cho phụ tải, điều này làm giảm công suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây

Tụ bù cũng thường được chế tạo không đổi (nhằm giảm giá thành) Khi cần điều chỉnh điện áp có thể dùng tụ điện bù đóng cắt được theo cấp, đó là biện pháp kinh tế nhất cho việc sản xuất ra công suất phản kháng

Tụ điện cũng như máy bù đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích công suất phản kháng trực tiếp cấp cho hộ tiêu thụ, giảm được lượng công suất phản kháng truyền tải trong mạng, do đó giảm được tổn thất điện áp

Công suất phản kháng do tụ điện phát ra được tính theo biểu thức sau:

trong đó: U- điện áp (kV), f – tần số (Hz) và C- điện dung (µF)

Khi sử dụng tụ điện cần chú ý phải đảm bảo an toàn vận hành, cụ thể khi cắt tụ

ra khỏi lưới phải có điện trở phóng điện để dập điện áp

Các tụ điện bù được dùng rộng rãi để hiệu chỉnh hệ số công suất trong các hệ thống phân phối điện như: hệ thống phân phối điện công nghiệp, thành phố, khu đông dân cư và nông thôn Một số các tụ bù cũng được đặt ở các trạm truyền tải

Tụ điện là loại thiết bị điện tĩnh, làm việc với dòng điện vượt trước điện áp

Do đó có thể sinh ra công suất phản kháng Q cung cấp cho mạng

So với máy bù đồng bộ thì tụ điện có những ưu điểm sau:

– Chi phí tính theo một VAR của tụ điện rẻ hơn máy bù đồng bộ, ưu điểm này càng nổi bật khi dung lượng càng tăng

– Tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện rất nhỏ, khoảng 0,1 đến 0,05 W/kVAR; trong khi đó máy bù đồng bộ tương đối lớn hơn khoảng 32 đến 15 W/kVAR tùy theo công suất định mức của máy

– Tụ điện vận hành đơn giản, độ tin cậy cao hơn máy bù đồng bộ

– Không có phần quay nên lắp ráp bảo quản dễ dàng, có thể phân ra nhiều cụm

để lắp rải trên lưới phân phối, hiệu quả là cải thiện tốt hơn đường cong phân

bố điện áp

– Tụ điện tĩnh được chế tạo thành từng đơn vị nhỏ, vì thế có thể tùy theo sự phát triển của phụ tải trong quá trình sản xuất mà điều chỉnh dung lượng cho phù hợp

Song tụ điện tĩnh cũng có một số nhược điểm sau:

– Nhược điểm chủ yếu của chúng là cung cấp được ít công suất phản kháng khi

có rối loạn hoặc thiếu điện, bởi vì dung lượng của công suất phản kháng tỷ lệ bình phương với điện áp:

– Khi đóng tụ điện vào mạng có dòng điện xung, còn khi cắt tụ khỏi mạng, nếu không có thiết bị phóng điện thì sẽ có điện áp dư trên tụ

– Bù bằng tụ điện sẽ khó khăn trong việc tự động điều chỉnh dung lượng bù một cách liên tục Máy bù đồng bộ có thể điều chỉnh trơn còn tụ điện điều chỉnh theo từng cấp

– Máy bù có thể phát ra hay tiêu thụ công suất phản kháng, tụ điện chỉ phát ra công suất phản kháng

– Tụ điện được chế tạo dễ dàng ở cấp điện áp 6 - 10 kV và 0,4 kV Thông thường nếu dung lượng bù nhỏ hơn 5 MVAr thì người ta dùng tụ điện, còn nếu lớn hơn phải so sánh với máy bù đồng bộ

Với những ưu và nhược điểm trên thì việc sử dụng tụ điện để bù công suất phản kháng cho trạm phân phối trung áp vẫn là hợp lý

3.2 TÍNH TOÁN RA DUNG LƯỢNG BÙ

Lượng công suất phản kháng cần bù được xác định dựa vào tổn thất điện áp trên lưới như sau:

Trước khi bù:

( i i i i)

đm

P R Q X U

U

+

∆ = ∑ với Σlấy cho toàn đường dây

Sau khi bù tổn thất điện áp giảm đi một lượng là:

b i b

với Σ lấy đến điểm đặt bù

Vậy sau khi bù tổn thất điện áp là:

X – điện kháng từ đầu đường dây đến điểm đặt bù (Ω)

∆ là độ lệch điện áp giữa điện áp định mức và điện áp thực tế đo được

Uđm =11kV là điện áp định mức của đường dây

Qua điều tra thu thập và xử lý số liệu, điện áp trung bình vào giờ cao điểm đo được là 9,7kV và điện áp trung bình vào giờ thấp điểm đo được là 10,6kV