Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất trong tất cả các lĩnh vực hoạt động kinh tế và đời sống của con nguời.Điện năng được sản xuất trong các nhà máy điện. Căn cứ vào nguồn năng lượng sơ cấp dùng để sản xuất điện năng, các nhà máy điện được phân thành: các nhà máy nhiệt điện, nhà máy thuỷ điện, nhà máy điện nguyên tử...Nguồn năng lượng sơ cấp dùng trong các nhà máy nhiệt điện là nhiên liệu hữu cơ (than, dầu...), trong các nhà máy thuỷ điện là sức nước, còn trong nhà máy điện nguyên tử là năng lượng hạt nhân.Ngoài các nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện, điện nguyên tử còn có các loại nhà máy điện khác với năng lượng sơ cấp là: gió, mặt trời, địa nhiệt, thuỷ triều,...tuy nhiên công suất của các nhà máy này thường không lớn.Phần điện của các nhà máy điện có các thiết bị chính và phụ. Các thiết bị chính như: Các máy phát điện đồng bộ, các hệ thống thanh góp, các thiết bị đóng cắt, các dao cách ly và các thiết bị tự dùng. Các thiết bị chính được dùng để sản xuất và phân phối điện năng, đóng và cắt các mạch điện...Các thiết bị phụ được sử dụng để thực hiện các chức năng đo lường, phát tín hiệu, bảo vệ, tự động...Hệ thống điện gồm có các nhà máy điện, các mạng điện và các hộ tiêu thụ điện, được liên kết với nhau thành một hệ thống để thực hiện quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng.
CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Khái niệm về mạng và hệ thống điện Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất trong tất cả các lĩnh vực hoạt động kinh tế và đời sống của con nguời. Điện năng được sản xuất trong các nhà máy điện. Căn cứ vào nguồn năng lượng sơ cấp dùng để sản xuất điện năng, các nhà máy điện được phân thành: các nhà máy nhiệt điện, nhà máy thuỷ điện, nhà máy điện nguyên tử Nguồn năng lượng sơ cấp dùng trong các nhà máy nhiệt điện là nhiên liệu hữu cơ (than, dầu ), trong các nhà máy thuỷ điện là sức nước, còn trong nhà máy điện nguyên tử là năng lượng hạt nhân. Ngoài các nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện, điện nguyên tử còn có các loại nhà máy điện khác với năng lượng sơ cấp là: gió, mặt trời, địa nhiệt, thuỷ triều, tuy nhiên công suất của các nhà máy này thường không lớn. Phần điện của các nhà máy điện có các thiết bị chính và phụ. Các thiết bị chính như: Các máy phát điện đồng bộ, các hệ thống thanh góp, các thiết bị đóng cắt, các dao cách ly và các thiết bị tự dùng. Các thiết bị chính được dùng để sản xuất và phân phối điện năng, đóng và cắt các mạch điện Các thiết bị phụ được sử dụng để thực hiện các chức năng đo lường, phát tín hiệu, bảo vệ, tự động Hệ thống điện gồm có các nhà máy điện, các mạng điện và các hộ tiêu thụ điện, được liên kết với nhau thành một hệ thống để thực hiện quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng. 1 Hệ thống điện (HTĐ) là một phần của hệ thống năng lượng. Trên hình 1- 1 là sơ đồ nguyên lý của một hệ thống điện. Mạng điện là một tập hợp gồm có các trạm biến áp, trạm đóng cắt, các đường dây trên không và các đường dây cáp. Mạng điện được dùng để truyền tải và phân phối điện năng từ các nhà máy điện đến các hộ tiêu thụ. Đường dây truyền tải có điện áp lớn hơn 1 kV là đường dây điện áp cao, đường dây có điện áp nhỏ hơn 1 kV là đường dây điện áp thấp. Truyền tải điện năng từ các nhà máy điện được thực hiện bằng các đường dây truyền tải điện áp từ 100kV trở lên, các trạm được sử dụng để biến đổi điện áp và phân phối điện năng. Trong các trạm có các máy biến áp, các thanh góp, các thiết bị đóng cắt, và các thiết bị phụ để bảo vệ, tự động hoá, đo lường. Các 2 10 kV ~ MF 18 kV B 220 kV 110 kV 20 kV 0,4 kV 0,4 kV Hình 1-1: Sơ đồ của hệ thống trạm điện được dùng để liên kết các máy phát điện và các hộ tiêu thụ điện với các đường dây truyền tải điện và cũng như để liên kết các phần riêng biệt của hệ thống điện. Hộ tiêu thụ điện bao gồm các thiết bị sử dụng điện riêng biệt hay là tập hợp tất cả các thiết bị đó. Thiết bị sử dụng điện là các động cơ điện đồng bộ, động cơ không đồng bộ, các lò điện cảm, máy hàn điện, các thiết bị chiếu sáng Phụ tải điện là một đại lượng đặc trưng cho công suất tiêu thụ của các hộ dùng điện. Dựa vào yêu cầu liên tục cung cấp điện, các hộ tiêu thụ được phân thành 3 loại: Hộ loại I: Là những hộ tiêu thụ điện quan trọng, nếu như ngừng cung cấp điện có thể gây ra nguy hiểm đến tính mạng và sức khoẻ của con người, gây thiệt hại nhiều về nền kinh tế quốc dân, hư hỏng thiết bị, làm hỏng hàng loạt sản phẩm, rối loạn các quá trình công nghệ kỹ thuật phức tạp (ví dụ như các lò luyện kim, thông gió trong hầm lò và trong các nhà máy sản xuất hoá chất độc hại ). Hộ loại II: Là các hộ tiêu thụ nếu như ngừng cung cấp điện chỉ gây thiệt hại kinh tế do qúa trình sản xuất bị gián đoạn (ví dụ như các nhà máy công cụ, nhà máy dệt ). Hộ loại III: Là tất cả các hộ tiêu thụ không thuộc hai loại trên (ví dụ như sinh hoạt dân dụng, các phân xưởng sản xuất không theo dây chuyền ) 1.2 Điện áp danh định của mạng điện 3 Mỗi mạng điện được đặc trưng bằng điện áp danh định U dđ , điện áp danh định là điện áp chuẩn mực để thiết kế lưới điện và các thiết bị phân phối cũng như các thiết bị dùng điện (máy biến áp, máy phát điện, đường dây ). Điện áp danh định đảm bảo cho các thiết bị hoạt động bình thường và đem lại hiệu quả kinh tế tốt nhất. Vì phụ tải tiêu thụ luôn luôn thay đổi, cho nên điện áp ở bất kỳ điểm nào trong mạng đều có thể lệch khỏi giá trị danh định. Độ lệch điện áp làm giảm chất lượng điện năng, và do đó gây ra thiệt hại kinh tế. Đồng thời trong nhiều trường hợp điện áp đầu đường dây U 1 có thể lớn hơn điện áp cuối đường dây U 2 , bởi vì dòng điện trên đường dây gây ra tổn thất điện áp ∆U = U 1 -U 2 (hình 1-2a). Do đó để cho điện áp ở hộ tiêu thụ U 2 gần với điện áp danh định của mạng điện U dd và để đảm bảo chất lượng điện ở cuối đường dây, điện áp danh ®Þnh của máy phát U ddF phải lớn hơn 5% so với điện áp danh định của mạng (hình 1-2b). Điện áp danh định cuộn dây thứ cấp của máy biến áp cao hơn từ (5 ÷10)% điện áp danh định của mạng điện. Đối với đường dây dài siêu cao áp, điện áp cuối đường dây có thể cao hơn điện áp đầu đường dây, điều đó phụ thuộc vào chế độ làm việc, các tham số và điện áp của đường dây. Đối với các mạng điện áp thấp (U<1000 V) điện áp danh định giữa các pha và điện áp pha được dùng cho các mạng điện và thiết bị tiêu thụ: 220/127 V, 380/220 V, 660/380 V; đối với các nguồn: 230/133 V, 440/230 V, 690/400 V. 4 ~ ~ U d®F U d® U d® = H×nh 1-2: Sù thay ®æi ®iÖn ¸p däc ®êng d©y. a, b, U d®F U’ 1 U 1 ∆U Các giá trị điện áp danh định và điện áp làm việc lớn nhất của mạng trung áp (6 ÷35 kV); cao áp (110 ÷ 220 kV) và siêu cao áp (từ 330 kV trở lên) cho ở bảng 1. Bảng 1: Điện áp danh định của các phần tử trong mạng điện ba pha (theo tiêu chuẩn Liên Xô cũ) Mạng điện và các thiết bị điện ( kV ) Máy phát và máy bù đồng bộ ( kV ) Máy biến áp lực và máy biến áp tự ngẫu Điện áp làm việc lớn nhất ( kV ) Không điều chỉnh dưới tải Điều chỉnh dưới tải Cuộn sơ cấp ( kV ) Cuộn thứ cấp ( kV ) Cuộn sơ cấp ( kV ) Cuộn thứ cấp ( kV ) 6 10 20 6,3 10,5 20 6;6,3 10;10,5 20 6,3; 6,6 10,5; 11 22 6; 6,3 10;10,5 20; 21 6,3;6,6 10,6;11 22 7,2 12 24 5 35 110 220 330 500 750 21,1 - - - - - 35 - - 330 500 750 38,5 121 242 347 525 787 35;36;37 110;115 220; 230 330 500 750 38,5 115;121 230;242 330 - - 40,5 126 252 363 525 787 1.3 Sơ đồ mạng và hệ thống điện 1.3.1 Hệ thống điện Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ ). Đường dây được nối liền với nhau thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng. Tập hợp các bộ phận của hệ thống điện (HTĐ) gồm các đường dây tải điện và các trạm biến áp được gọi là lưới điện. Trên hình 1-3 là sơ đồ cấu trúc HTĐ. HTĐ có cấu trúc phức tạp gồm nhiều loại nhà máy điện, nhiều loại lưới điện có điện áp khác nhau trải rộng trong không gian. HTĐ phát triển không ngừng trong không gian và thời gian để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của phụ tải. Để nghiên cứu qui hoạch và phát triển HTĐ cũng như để quản lý, vận hành, HTĐ được phân chia thành các phần hệ thống tương đối độc lập với nhau. Về mặt quản lý và vận hành, HTĐ được phân thành: - Các nhà máy điện do các nhà máy điện tự quản lý. 6 - Lưới hệ thống siêu cao (U ≥220 kV) và trạm khu vực do các công ty truyền tải quản lý. - Lưới truyền tải và phân phối do các công ty lưới điện quản lý, dưới nó là các điện lực. Về mặt qui hoạch, HTĐ chia thành 2 cấp: - Nguồn điện, lưới hệ thống, các trạm khu vực được qui hoạch trong tổng sơ đồ. - Lưới truyền tải và lưới phân phối được qui hoạch riêng. Về mặt điều độ, HTĐ chia thành 3 cấp: - Điều độ trung ương (A 0 ). 7 TPP NMĐ NĐ TĐ TBK TKV TKV TKV TTG TPP Phụ tải TA Phụ tải HA LTH 110-220-500 kV LTT 35-110-220 kV LPP 6-10-15-20- 35 kV HA 0,4 kV Hình 1-3: Sơ đồ cấu trúc HTĐ - Điều độ địa phương: Điều độ các nhà máy điện, điều độ các trạm khu vực, điều độ các công ty điện. - Điều độ các điện lực. Về mặt nghiên cứu tính toán, HTĐ được chia thành: - Lưới hệ thống. - Lưới truyền tải (35; 110 ; 220)kV. - Lưới phân phối trung áp (6; 10; 15; 22; 35)kV. - Lưới phân phối hạ áp (0,4 / 0,22)V. Điện áp 35kV có thể dùng cho lưới truyền tải và lưới phân phối. Mỗi loại lưới điện có các tính chất vật lý và qui luật hoạt động khác nhau, do đó các phương pháp tính được sử dụng khác nhau, các bài toán đặt ra để nghiên cứu cũng khác nhau. 1.3.2 Lưới điện 1.3.2.1 Lưới hệ thống: Lưới hệ thống bao gồm các đường dây truyền tải và trạm biến áp khu vực, nối liền các nhà máy điện tạo thành HTĐ, có đặc điểm: - Lưới có nhiều mạch vòng kín để khi ngắt điện sửa chữa đường dây hay sự cố 1 hoặc 2 đường dây vẫn đảm bảo liên lạc hệ thống. - Vận hành kín để đảm bảo liên lạc thường xuyên và chắc chắn giữa các nhà máy điện với nhau và với phụ tải. - Điện áp từ 110kV đến 500kV. - Lưới được thực hiện chủ yếu bằng các đường dây trên không. 8 - Phải bảo dưỡng định kỳ hàng năm. Khi tính toán chế độ làm việc của lưới hệ thống có thể mở rộng phạm vi tính toán tới các trạm trung gian. 1.3.2.2 Lưới truyền tải. Lưới truyền tải làm nhiệm vụ tải điện từ các trạm khu vực đến các trạm trung gian (TTG). 1.3.2.3 Lưới phân phối. Làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian (hoặc trạm khu vực, hoặc thanh cái nhà máy điện) cho các phụ tải. 1.4 Các yêu cầu đối với mạng điện 1.4.1 Đảm bảo liên tục cung cấp điện Tuỳ thuộc vào tính chất của hộ tiêu thụ mà mức độ đòi hỏi cao hay thấp. Ví dụ với hộ phụ tải loại I, yêu cầu tính cung cấp điện liên tục cao vì nếu mất điện sẽ gây thiệt hại về người hoặc thiệt hại lớn đối với nền kinh tế quốc dân , với hộ phụ tải loại II, nếu cung cấp điện không liên tục gây nguy hiểm đến tính mạng con người hoặc làm ngưng trệ sản xuất gây thiệt hại cho nền kinh tế quốc dân , với phụ tải loại III, gây gián đoạn sản xuất, không ảnh hưởng nhiều đến tính mạng con người 1.4.2 Đảm bảo chất lượng điện năng Gồm có chất lượng điện áp và chất lượng về tần số 1.4.2.1 Chất lượng về tần số. Chất lượng về tần số được đánh giá bằng: 9 - Độ lệch tần số so với tần số danh định: ∆f% = f 100). ff ( ®d ®d - - Độ dao động tần số: Đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tần số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ hơn 1% s. Ví dụ: Theo tiêu chuẩn của Nga [9] ( GOCT - 13109 - 67 ), độ lệch tần số trung bình trong 10 phút phải trong khoảng ± 0,1, ngắn hạn cho phép đến ± 0,2 Hz, còn độ dao động tần số không được lớn hơn 0,2 Hz. Còn theo tiêu chuẩn [12] ( GOCT - 13109 - 87 ) thì độ lệch tần số cho phép là ± 0,2 Hz với xác suất 95%, độ lệch tối đa tần số cho phép là 0,5 Hz và ± 1 Hz cho chế độ sau sự cố. Theo tiêu chuẩn của Singapo [30], độ lệch tần số cho phép là 1%, tức là ± 0,5 Hz. 1.4.2.2 Chất lượng điện áp: Chất lượng điện áp gồm bốn chỉ tiêu: - Độ lệch điện áp so với điện áp danh định của lưới điện δU = 100 U U - U ®d ®d % V Trong đó U là điện áp thực tế trên cực các thiết bị dùng điện. δU phải thoả mãn điều kiện δU- ≤ δU ≤ δU+ (δU- và δU+ là giới hạn dưới và trên của độ lệch điện áp). - Độ dao động điện áp: Sự biến thiên nhanh của điện áp được cho bởi công thức: 10 [...]... thêm tổn thất sắt từ trong động cơ, tổn thất điện môi trong cách điện, tăng tổn thất trong lưới điện và thiết bị dùng điện, giảm chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của hệ thống cung cấp điện, gây nhiễu sóng radio, TV và các thiết bị điện tử, điều khiển khác 1.5 Cấu trúc đường dây truyền tải điện năng Căn cứ vào cấu trúc của đường dây truyền tải điện năng có thể phân thành đường dây trên không, đường dây cáp... tải của lưới điện và tăng tổn thất điện năng - Độ không sin Các thiết bị dùng điện có đặc tính phi tuyến như máy biến áp không tải, bộ chỉnh lưu làm biến dạng đường đồ thị điện áp, khiến nó không là hình sin nữa và xuất hiện các sóng hài bậc cao Uj, Ij Các sóng hài bậc cao này góp phần làm giảm điện áp trên đèn điện và thiết bị sinh nhiệt, làm tăng thêm tổn thất sắt từ trong động cơ, tổn thất điện môi... của các phần tử trong mạng điện ba pha? 3 Trình bày sơ đồ mạng điện và hệ thống điện? 4 Nêu các yêu cầu đối với mạng điện? 5 Trình bày cấu trúc của đường dây tải điện? 21 CHƯƠNG 2 TỔNG TRỞ, TỔNG DẪN CỦA CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠNG ĐIỆN 2.1 Tổng trở, tổng dẫn và sơ đồ thay thế của đường dây 2.1.1 Sơ đồ thay thế Các thông số điện trở tác dụng R, cảm kháng X, điện dẫn tác dụng G, và điện dẫn phản kháng B phân... = 0,0041 1/oC) ro : Điện trở của dây dẫn ở nhiệt độ tiêu chuẩn Điện trở tác dụng của dây dẫn đối với dòng điện xoay chiều lớn hơn điện trở một chiều Đó là do hiệu ứng bề mặt của dòng điện xoay chiều Nhưng đối với dòng điện xoay chiều ở tần số 50 Hz và với dây dẫn kim loại màu, sự khác nhau đó không đáng kể (khoảng 1%) vì vậy có thể lấy điện trở xoay chiều bằng điện trở một chiều Điện trở trên một km... dụng: Tổn thất công suất do dòng điện rò qua cách điện và tổn thất do vầng quang Các dòng điện rò qua cách điện rất nhỏ do đó có thể bỏ qua tổn thất này Đối với các đường dây trên không có điện áp 110 kV trở lên trong các điều kiện nhất định, cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn tăng và lớn hơn cường độ điện trường tới hạn E gh (cường độ điện trường bắt đầu phóng điện vầng quang), không khí xung... s Dao động điện áp gây dao động ánh sáng, gây hại mắt người lao động, gây nhiễu radio, ti vi và các thiết bị điện tử - Độ không đối xứng Phụ tải các pha không đối xứng là một nguyên nhân dẫn đến điện áp các pha không đối xứng, sự không đối xứng này được đặc trưng bởi thành phần thứ tự nghịch U2 của điện áp Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi thọ của thiết bị dùng điện, giảm khả... đến sự phân bố đều của điện trở tác dụng, cảm kháng, điện dẫn tác dụng và điện dẫn phản kháng dọc theo chiều dài đường dây 2.1.2 Tổng trở, tổng dẫn của đường dây 2.1.2.1 Điện trở tác dụng Điện trở tác dụng của một km đường dây (điện trở đơn vị) đối với dòng điện một chiều ở nhiệt độ tiêu chuẩn (t = +20 o C) được xác định theo công thức: ro = ρ 1000 E γF Ω/km (2-1) Trong đó: ρ: Là điện trở suất của vật... tác dụng Vầng quang chỉ xuất hiện trên các đường dây có điện áp 110 kV trở lên Đối với các dây nhôm lõi thép thường dùng, cường độ điện trường giới hạn E gh nằm trong khoảng (30 ÷ 32) kV/cm Khi cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn lớn hơn cường độ điện trường giới hạn E gh thì xuất hiện vầng quang trên toàn bộ đường dây, do đó để không xuất hiện vầng quang, cường độ điện trường E trên 32 bề mặt... thể tính theo công thức Điện dẫn tác dụng của đường dây được tính theo biểu thức: G = go.l (S) (2-19) Trong khi phân tích chế độ xác lập của các mạng điện có điện áp đến 220kV thường không xét đến điện dẫn tác dụng của đường dây 2.1.2.4 Điện dẫn phản kháng Điện dẫn phản kháng hay là dung dẫn của đường dây được sinh ra bởi điện dung giữa các dây dẫn của các pha khác nhau và điện dung giữa các dây dẫn... chỉ cần thiết trong khi tính toán chế độ xác lập của đường dây siêu cao áp, còn đối với đường dây điện áp U ≥ 110kV có chiều dài l ≤ 250 km thường không xét đến sự phân bố đều của các thông số, đồng thời có thể dùng thông số tập trung là điện trở tác dụng R, cảm kháng X, điện dẫn tác dụng G và điện dẫn phản kháng B của đường dây trong khi phân tích chế độ xác lập của mạng điện Các đường dây điện áp . Sơ đồ mạng và hệ thống điện 1.3.1 Hệ thống điện Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo. dây chuyền ) 1.2 Điện áp danh định của mạng điện 3 Mỗi mạng điện được đặc trưng bằng điện áp danh định U dđ , điện áp danh định là điện áp chuẩn mực để thiết kế lưới điện và các thiết bị phân phối. toán đặt ra để nghiên cứu cũng khác nhau. 1.3.2 Lưới điện 1.3.2.1 Lưới hệ thống: Lưới hệ thống bao gồm các đường dây truyền tải và trạm biến áp khu vực, nối liền các nhà máy điện tạo thành