Tìm hiểu các thiết bị bù công suất phản kháng

Do đó hệ số công suất cosϕ có giá trị nhỏ điều này ảnh hưởng rất lớn đến các tham số kinh tế kỹ thuật của mạng điện như: Giảm chất lượng điện áp, tăng tổn thất công suất và tăng đốt nón

LỜI NÓI ĐẦU

* * *

Cùng với quá trình phát triển kinh tế và xã hội của đất nước, nghành điện luôn phải đi

trước một bước trong công cuộc công nghiệp hóa Các nhà máy xí nghiệp, các khu công nghiệp ngày càng phát triển nhanh chóng đòi hỏi tiêu thụ công suất phản kháng càng tăng, điều này làm giảm hệ số cosϕ

Do đó hệ số công suất cosϕ

có giá trị nhỏ điều này ảnh hưởng rất lớn đến các tham số kinh tế kỹ thuật của mạng điện như: Giảm chất lượng điện áp, tăng tổn thất công suất và tăng đốt nóng dây dẫn, tăng tiết diện dây dẫn, hạn chế khả năng truyền tải công suất tác dụng, không sử dụng hết khả năng của động cơ sơ cấp, giảm chất lượng điện, tăng giá thành điện năng.

Vấn đề bù công suất phản kháng là giải pháp giảm tổn thất điện năng rất được coi trọng ở các nước tiên tiến Giải pháp này được quan tâm ngay từ khâu thiết kế, lựa chọn thiết bị và dây truyền công nghệ sản xuất.

Với đề tài: “Tìm hiểu các thiết bị bù công suất phản kháng”, nhóm em đã cố gắng

tìm kiếm, học hỏi và tổng hợp để hoàn thành một cách tốt nhất đề tài Song do kiến thức còn hạn chế nên bài làm của nhóm em không thể tránh khỏi những thiếu sót, do vậy nhóm em kính mong nhận được sự góp ý, bảo ban của thầy, cùng với sự giúp đỡ của các bạn để nhóm em có thể hoàn thiện đề tài của mình và hoàn thành tốt việc học tập trong nhà trường cũng như công việc sau này.

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

Tháng 9 năm 2014.

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

1.1 Cơ sở lý thuyết về công suất phản kháng

1.2 Sự tiêu thụ công suất phản kháng

1.3 Các nguồn phát công suất phản kháng

3.1.4 Chế độ làm việc của máy bù đồng bộ

3.1.5 Công suất và khả năng bù của MBĐB

3.2 Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn được đồng bộ hóa.

CHƯƠNG IV PHÂN PHỐI DUNG LƯỢNG BÙ TRONG MẠNG ĐIỆN

CHƯƠNG V – KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

1.1. Cơ sở lý thuyết về công suất phản kháng.

• Khái niệm công suất phản kháng : Công suất phản kháng (Công suất hư kháng, công suất ảo) Q là một khái niệm trong ngành kỹ thuật điện dùng để chỉ phần công

suất điện được chuyển ngược về nguồn cung cấp năng lượng trong mỗi chu kỳ do

sự tích lũy năng lượng trong cá thành phần cảm kháng và dung kháng, được tạo

ra bởi sự lệch pha giữa hiệu điện thế u(t) và dòng điện i(t).[1]

• Khi u(t),i(t) biến đổi theo đồ thị hàm sin thì :

Q = U.I.sinφ (1.1)

Trong đó : - U,I : Giá trị hiệu dụng của u(t),i(t).

- φ : Pha lệch giữa u(t),i(t).

• Công suất phản kháng Q là phần ảo của công suất biểu kiến S :

S = P + iQ (1.2)

• Đơn vị đo Q là VAr ( Volt Amperes ractive )

1.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng.

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

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

Yêu cầu về CSPK 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.

• Một phần nhỏ CSPK được sử dụng để sinh ra từ trường tản trong mạch điện sơ cấp

• Phần lớn CSPK còn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở.

b) Máy biến áp.

MBA tiêu thụ khoảng 22% - 25% nhu cầu CSPK tổng của lưới điện, nhỏ hơn nhu cầu

của các động cơ không đồng bộ do CSPK dùng để từ hóa lõi thép MBA 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 CSPK của MBA cũng rất đáng kể.

CSPK tiêu thụ bởi MBA gồm hai thành phần :

• Công suất phản kháng được sử dụng 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 có một chấn lưu để hạn chế dòng điện Tùy theo điện cảm của chấn lưu, hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh cosφ của chấn lưu nằm trong khoảng 0,3 - 0,5.

Các đèn huỳnh quang hiện đại có bộ khởi động điện từ, hệ số công suất chưa được hiệu 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

1.3. Các nguồn phát công suất phản kháng.

Khả năng phát CSPK của các nhà máy điện là rất hạn chế, do cosφ của nhà máy 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 CSPK cho phụ tải Các máy phát chỉ đảm đương một phần nhu cầu CSPK 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 CSPK 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 điện phân phối, do vậy chỉ lưu ý đến các trường hợp đường dây 35 kV dài và các đường cáp ngầm Nhưng CSPK phát ra từ các phần này

cũng không đáng kể nên nguồn CSPK chính trong lưới phân phối vẫn là tụ điện, động cơ

đồng bộ và máy bù.[2]

1.4. Bù công suất phản kháng

1.4.1 Tiêu chí kỹ thuật.

a) Yêu cầu về cosφ.

Phụ tải của các hộ gia đình thường có hệ số công suất cao, thường là gần bằng 1, do

đó mức tiêu thụ CSPK rất ít không thành vấn đề lớn cần quan tâm Trái lại, các xí nghiệp, nhà máy, phân xưởng…đại bộ dùng động cơ không đồng bộ, là nơi tiêu thụ chủ yếu CSPK.

Hệ số công suất của động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào điều kiện làm việc của động

cơ, các yếu tố chủ yếu như sau :

• Dung lượng của động cơ càng lớn thì hệ số công suất càng cao, suất tiêu thụ CSPK càng nhỏ.

• Hệ số công suất của động cơ phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ, nhất là đối với các động cơ nhỏ

• Hệ số công suất của động cơ không đồng bộ phụ thuộc rất nhiều vào hệ số phụ tải của động cơ, khi quay không tải lượng CSPK cần thiết cho động cơ không đồng bộ cũng đã bằng 60% – 70% lúc tải định mức.

b) Đảm bảo mức điện áp cho phép.

Khi có điện chạy trong dây dẫn thì bao giờ cũng có điện áp rơi, cho nên điện áp ở từng điểm khác nhau trên lưới không giống nhau Tất cả các thiết bị tiêu thụ điện đều được chế tạo để làm việc tối ưu với một điện áp đặt nhất định, nếu điện áp đặt trên đầu cực của thiết bị điện khác trị số định mức sẽ làm cho tình trạng làm việc của chúng xấu đi.

Vì các lý do trên, việc đảm bảo điện áp ở mức cho phép là một chỉ tiêu kỹ thuật rất quan trọng Trên thực tế không thể nào giữ được điện áp vào đầu cực của các thiết bị điện cố định bằng điện áp định mức mà chỉ có thể đảm bảo trị số điện áp thay đổi trong một

phạm vi nhất định theo tiêu chuẩn kỹ thuật đã cho phép mà thôi, thông thường điện áp đặt cho phép dao động ± 5% Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn điện áp quan trọng nhất ảnh hưởng lớn đến giá thành hệ thống điện.

Có thể thay đổi sự phân bố CSPK trên lưới, bằng cách đặt các máy bù đồng bộ hay tụ điện tĩnh, và cũng có thể thực hiện được bằng cách phân bố lại CSPK phát ra giữa các nhà máy điện trong hệ thống.

c) Giảm tổn thất công suất đến giới hạn cho phép.

Muốn nâng cao điện áp vận hành có nhiều phương pháp :

• Thay đổi đầu phân áp của MBA.

• Nâng cao điện áp của máy phát điện.

• Làm giảm hao tổn điện áp bằng các thiết bị bù.

1.4.2 Tiêu chí kinh tế.

Khi thực hiện bù kinh tế người ta tính toán để đạt được các lợi ích, nếu lợi ích thu được cho việc lắp đặt thiết bị bù lớn hơn chi phí lắp đặt thì việc bù kinh tế sẽ được thực hiện.

• Giảm được tổn thất điện năng.

• Cải thiện được chất lượng điện áp trong lưới phân phối.

b) Chi phí khi đặt bù.

• Vốn đầu tư và chi phí vận hành cho trạm bù.

• Tổn thất điện năng trong tụ bù.

Kết luận

Qua quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và phân tích chúng ta thấy được rằng :

CSPK là một phần không thể thiếu của MBA, động cơ điện, đèn huỳnh quang…

Tuy nhiên do truyền tải trên đường dây lại gây ảnh hưởng đến hao tổn điện năng, hao tổn điện áp, làm tăng công suất truyền tải dẫn đến tăng chi phí lắp đặt…, vì vậy phải

có những biện pháp để giảm lượng công suất này Một trong những biện pháp đơn giản

và hiệu quả nhất đó là bù CSPK, sau khi bù sẽ làm cải thiện được các nhược điểm trên Việc bù CSPK có thể được thực hiện bằng các nguồn bù khác nhau, tuy nhiên qua phân tích và với sự ứng dụng của khoa học kỹ thuật thì việc sử dụng tụ bù tĩnh là hiệu quả hơn, vì vậy mà nó được ứng dụng rộng rãi.

Khi tiến hành bù CSPK có thể phân chia thành 2 chỉ tiêu bù :

• Bù theo kỹ thuật tức là nhằm nâng cao điện áp nằm trong giới hạn cho phép

• Bù kinh tế nhằm giảm hao tổn điện năng trên đường dây từ đó sẽ đưa đến lợi ích kinh tế

Tuy nhiên trong quá trình thực hiện bù, không thể tách biệt 2 phương pháp này mà

nó hỗ trợ lẫn nhau.[2]

CHƯƠNG II

TỤ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

Tổn thất điện áp của lưới điện phụ thuộc rất nhiều vào công suất truyền tải và thông

số đường dây Khi vận hành phải đảm bảo sao cho sự thay đổi điện áp tại vị trí trên lưới

so với định mức nằm trông phạm vi điện áp cho phép.

Trong lưới truyền tải điện, chúng ta sử dụng các thiết bị bù (SVC, STATCOM, tụ bù ngang, tụ bù dọc, kháng bù ngang…) nhằm mục đích cải thiện điện áp các nút, ngoài ra việc bù CSPK còn có thêm ý nghĩa:

• Tăng khả năng tải của đường dây.

• Cải thiện tính ổn định của điện áp các nút.

• Phân bố lại CSPK trong hệ thống dẫn đến giảm tổn thất hệ thống.

Như vậy, với các đường dây truyền tải có điện dung pha-đất nhỏ thì việc nối rẽ nhánh

tụ công suất (bù ngang) tại đầu vào tải hoặc trạm phân phối sẽ giảm được sự sụt áp và giữ ổn định điện áp tại các nút phụ tải.

Sơ đồ thay thế như sau :

Hình 2.1 Sơ đồ thay thế.

Lúc này, tổn thất điện áp trên đường dây là :

sU = (2.1) Trong đó : - P là công suất tác dụng được truyền trên đường dây.

- R là thành phần điện trở của đường dây.

- Q là công suất phản kháng được truyền trên đường dây.

- X là thành phần điện kháng của đường dây.

- U là điện áp tại đầu đường dây.

Như vậy, sU sẽ giảm khi có Q bù , trong trường hợp tải P nhỏ hoặc không tải mà Q bù lớn thì sU < 0, điều đó có nghĩa là sẽ xảy ra sự dâng quá áp tại các nút có lắp đặt Q bù

2.1.2. Cấu tạo, đặc điểm.

Các bản cực tụ điện thường được làm bằng các lá kim loại được cách điện bởi các màng giấy mỏng tẩm dung môi và được cuốn lại với nhau thành các lớp xen kẽ và được nhúng trong dầu cách điện Để có các bộ tụ cao áp, người ta ghép nối nhiều ổ tụ nhỏ để chia đều điện áp đặt lên mỗi tổ tụ.

Đặc điểm của phương pháp dùng tụ bù ngang :

• Chỉ phát Q nên có tác dụng tăng điện áp.

• Điều chỉnh điện áp theo từng cấp cố định tùy theo dung lượng bù.

• Lượng Q phát ra phụ thuộc vào điện áp lưới.

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý.

c) Các bảo vệ chính như :

• Bảo vệ quá dòng : Tụ không chịu được dòng liên tục vượt quá dòng định mức theo

hệ số quy định.

• Bảo vệ kém dòng : Đề phòng điện dung của tụ bị giảm quá mức dẫn tới sự cố.

• Bảo vệ dòng không cần bằng : Không vượt quá 20% giá trị dòng vận hành.

• Bảo vệ quá áp : Không vượt quá 110% điện áp định mức.

d) Chú ý khi vận hành :

• Dòng không cần bằng đến 50% giá trị cắt tụ thì cần phải đo điện dung các bình tụ Nếu tụ nào có điện dung thay đổi hơn 10% giá trị ban đầu thì cần phải thay thế các bình tụ.

• Kiểm tra giá trị chỉnh định và sự làm việc hoàn hảo của các rơle bảo vệ.

• Sau khi đấu nối lại, dòng không cân bằng phải nhỏ hơn 20% giá trị tác động của bảo vệ.

• Kiểm tra bằng mắt các bình tụ không bị bẩn, hư hỏng, chảy dầu….Cần vệ sinh định

điện áp ở cuối đường dây sẽ nâng cao hơn đầu đường dây Để giảm bất lợi của điện dung này, người ta mắc rẽ nhánh một kháng điện để tiêu thụ bớt CSPK Qc Đối với đường dây siêu cao áp 500 kV, khoảng cách lớn nhất giữa hai điểm đặt kháng là 500 km.

• Sơ đồ nguyên lý :

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của kháng điện trên lưới.

2.2.2. Nguyên lý cấu tạo.

• Cuộn kháng có thể coi như một máy biến áp mà trong đó không có quận dây thứ cấp, tất cả dòng chảy vào quận kháng trở thành dòng kích từ (dòng không tải).

• Cấu trúc nguyên lý của cuộn kháng tương tự như của máy biến áp, nhưng vì tất cả dòng chảy vào quận kháng là dòng kích từ (dòng không tải) nên nếu dùng khung từ như máy biến áp thông thường, nó sẽ bão hòa rất nhanh, trở kháng của cuộn kháng sẽ rất lớn và dòng chảy qua quận kháng sẽ nhỏ.

• Trong quận kháng, đường khép mạch từ khác so với máy biến áp Mạch từ được khép kín qua khe hở của không khí (từ thông được khép vòng qua không khí) nhằm tránh bão hòa nhanh cho khung từ Muốn được như vậy trong phần ứng của cuộn kháng bằng thép, người ta tạo rất nhiều những khoảng trống

bằng nêm chèn vào trong lõi thép.[3]

Hình 2.4 Sơ đồ lắp đặt.

Các công việc bảo dưỡng kiểm tra :

• Thường xuyên kiểm tra bên ngoài của bề mặt kháng, làm sạch bụi bẩn.

• Kiểm tra dò dầu tại những điểm nối trong hệ thống dẫn dầu, nếu cần phải xiết lại.

• Kiểm tra bình silicagen: Khi 2/3 lượng silicagen đổi mầu thì phải thay thế.

• Kiểm tra mức dầu trên bình dầu phụ có phù hợp với bảng chỉ thị không.

• Kiểm tra nhiệt độ của dầu cách điện và cuộn dây.

• Thường xuyên kiểm tra và làm sạch bề mặt bộ phận làm mát, nếu cần thiết phải phun nước với áp lực cao.

• Với sứ cao áp: Thường xuyên làm sạch bụi bẩn Để tránh tăng nhiệt độ tại chỗ tiếp xúc điện, cần kiểm tra và xiết lại các bu lông, đai ốc tại đầu cốt Nếu có thể, dùng

camera quan sát nhiệt độ tại chỗ tiếp xúc.[3]

2.3. Tụ bù dọc.

2.3.1. Chức năng tác dụng

Như đã nói ở mục “Kháng bù ngang” : Trên các đường dây siêu cao áp có độ dài lớn, điện dung pha-đất và pha-pha là rất lớn, do đó khi không tải hoặc tải nhỏ thì điện áp cuối đường dây sẽ cao hơn đầu đường dây Vì vậy, kháng bù ngang, có tác dụng giảm sự tăng

áp này, giữ điện áp tại cuối đường dây ổn định bằng điện áp định mức Đối với tụ bù dọc chỉ có tác dụng giảm điện áp giáng trên đường dây (giảm tổn thất điện áp và công suất trên đường dây), dàn đều điện áp trên đường dây bằng với điện áp cho phép và tăng khả năng truyền tải đối với đường dây.

Đồ thị điện áp theo dọc đường dây như sau :

Đường 1: Khi không có tụ và kháng bù.

Sơ đồ mô phỏng đường dây khi có tụ bù dọc :

Hình 2.6 Sơ đồ mô phỏng đường dây.

Sau khi bù, điện kháng trên đường dây là : X ∑ = X – X bù (2.2) Điện áp rơi trên đường dây sẽ là : U = (2.3)

Như vậy, U sẽ giảm khi lắp thêm tụ bù dọc.[3]

2.3.3. Giới thiệu về tụ bù dọc tại trạm 500 kV Hà Tĩnh

a) Sơ đồ nguyên lý tổ hợp tụ bù dọc 1 pha :

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý tổ hợp tụ bù dọc(1 pha).

1 – Tụ điện 4 – Máy cắt.

2 – Khe hở phóng điện 5 – Mạch cảm dịu.

3 – Điện trở phi tuyến.

b) Chức năng của các thiết bị trên dàn tụ :

• Khe hở phóng điện : Làm việc dựa trên sự quá điện áp của khe hở, dùng để bảo vệ quá áp dàn tụ.

• Điện trở phi tuyến Varisto : Đấu song song với tụ là tổ hợp điện trở phi tuyến MOV,

ở điện áp làm việc, MOV có điện trở rất cao và không cho dòng chạy qua, khi có điện áp tới ngưỡng của MOV, điện trở của nó bằng không và dòng sẽ chạy qua nó MOV có tác dụng hạn chế điện áp của tổ hợp tụ trong trị số giới hạn (khi có ngắn mạch, dòng điện chạy qua tụ sẽ vượt nhiều lần so với dòng định mức của tụ hệ quả xuất hiện quá điện áp đột biến đối với các bình tụ).

• Mạch cảm dịu : Dùng để giới hạn và dập tắt dòng hồ quang phóng qua khe hở tới giá trị đảm bảo an toàn cho các thiết bị khác của tổ hợp tụ Mạch cảm dịu sẽ dập tắt các dao động phóng sao cho biên độ phóng lần thứ hai nhỏ hơn 50% lần phóng thứ nhất.

• Máy cắt tụ : Đấu song song với giàn tụ Khi máy cắt đóng, giàn tụ bị nối ngắn mạch

và bị tách ra khỏi vận hành Khi máy cắt mở sẽ đưa giàn tụ vào vận hành.

c) Các thông số kỹ thuật :

Thông số của cả dàn tụ :

• Điện áp hệ thống : 500 kV ● Số nhánh song song : 2.

• Tần số : 50 Hz ● Điện dung sai lệch cho phép ở 20º : ± 3%.

• Công suất : 91,5 MVAr ● Số bình tụ song song trong 1 pha: 5 + 5.

• Dóng định mức : 1000 A ● Số bình tụ nối tiếp trong 1 pha : 9.

• Dòng sự cố lớn nhất : 12,5 kA ● Điện dung định mức : 104 mF.

• Tổng số bình tụ trong 1 tổ hợp: (5+5)×9×3 = 270.

Chú ý : Công việc kiểm tra, bảo dưỡng giàn tụ thực hiện ba năm một lần Trước khi thực

hiện công việc kiểm tra, bảo dưỡng, cần phải nối đất vỏ tụ, sau đó nối tắt các đầu tụ rồi mới được tiến hành công việc.

Với các bình tụ :

• Đo điện dung : Điện dung của mỗi bình tụ không được thay đổi quá ± 5% giá trị xuất xưởng của nhà chế tạo.