GIÁO TRÌNH VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN

- Cho khả năng sử dụng triệt để công suất đặt của các nhà máy điện trong hệ thống điện, do đồ thị phụ tải của hệ thống điện hợp nhất có các chỉ tiêu tốt hơn so với đồ thị phụ tải của từn

TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

PGS-TS PHẠM VĂN HÒA

ThS NGUYỄN TUẤN HOÀN

LỜI NÓI ĐẦU

GIÁO TRÌNH

VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN

HTĐ có dự phòng chung và được điều khiển chung Bộ phận của hệ thống điện gồm các đường dây tải điện và các trạm biến áp được gọi là lưới điện Điện năng truyền tải đến hộ tiêu thụ phải thoả mãn các tiêu chuẩn chất lượng phục vụ ( gồm chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện) và có chi phí sản xuất, truyền tải

Các chữ viết tắt trên sơ đồ hệ thống điện hình 1.1 là như sau:

NMĐ - Nhà máy điện LTT - Lưới truyền tải TKV - Trạm khu vực

NĐ - Nhiệt điện LPP - Lưới phân phối TTG - Trạm trung gian

TĐ - Thuỷ điện TA - Trung áp TPP - Trạm phân phối

TBK - Tua bin khí HA - Hạ áp Thiết bị dùng điện trực tiếp LHT - Lưới hệ thống

3) Hệ thống điện hợp nhất

Nhiều hệ thống điện tập trung nối với nhau bởi các đường dây tải điện dài thành

hệ thống điện hợp nhất hay hệ thống điện quốc gia

Việc hợp nhất hệ thống điện và sử dụng các đường dây dài cho các lợi ích sau:

- Sử dụng kinh tế nhất các nguồn nhiên liệu khác nhau nhằm giảm chi phí sản xuất điện năng đến mức thấp nhất bằng cách phân bố tối ưu công suất giữa các nhà máy điện Các nhà máy thuỷ điện được khai thác tốt nhất và các nhà máy nhiệt điện trích hơi được vận hành hợp lý nhất

- Các nhà máy điện được đảm bảo chế độ hợp lý nhất trong mọi điều kiện vận hành

- Giảm được dự trữ công suất trong hệ thống điện Dự trữ công suất chung của

hệ thống điện hợp nhất nhỏ hơn nhiều so với tổng công suất dự trữ của các hệ thống

TKV

TKV

TKV

LTT 35-110 -220 kV

TTG

TA 6-10-15 -22-35 kV

HA 0,38/0,22 kV

TPP phụ tải phụ tải

điện con hoạt động độc lập Cho phép xây dựng các tổ máy có công suất lớn có chỉ tiêu kinh tế cao

- Có thể sử dụng các loại nguyên liệu có nhiệt dung thấp, rẻ ở các địa phương để sản xuất điện và phát lên hệ thống điện Nếu vận chuyển loại nhiên liệu này thì không kinh tế

- Cho phép xây dựng các nhà máy điện xa các đô thị, tránh gây ô nhiễm môi trường

- Cho khả năng sử dụng triệt để công suất đặt của các nhà máy điện trong hệ thống điện, do đồ thị phụ tải của hệ thống điện hợp nhất có các chỉ tiêu tốt hơn so với đồ thị phụ tải của từng hệ thống điện riêng

- Nâng cao độ tin cậy cung cấp điện

- Cho phép tăng năng suất lao động trong hệ thống điện

Hệ thống điện hợp nhất có hai loại: hợp nhất chặt thành hệ thống điện duy nhất

và hợp nhất lỏng Hệ thống điện hợp nhất chặt là các HTĐ con liên hệ chặt thành một hệ thống duy nhất và chịu sự điều khiển và vận hành chung; còn Hệ thống điện hợp nhất lỏng là các HTĐ con có thể nối liên kết với nhau nhưng vận hành riêng tuỳ theo chế độ vận hành cụ thể, hệ thống điện này còn gọi là hệ thống điện phân đoạn

Hệ thống điện còn được phân loại theo tỷ lệ giữa công suất các nhà máy điện: Thuỷ điện, nhiệt điện; Nếu hệ thống điện có trên 50% công suất thuỷ điện thì gọi là

hệ thống điện thuỷ điện

4) Cấu trúc của hệ thống điện

Cấu trúc của hệ thống điện bao gồm:

- Số lượng và chất lượng các phần tử

- Sơ đồ nối với các phần tử thành hệ thống

Cấu trúc của hệ thống điện có đặc điểm sau:

- Có rất nhiều phần tử thuộc nhiều chủng loại khác nhau

- Sơ đồ rất phức tạp, trải rộng trong không gian

Cấu trúc tổng thể của hệ thống điện bao gồm tất cả các phần tử Để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện thì cấu trúc tổng thể của hệ thống điện là cấu trúc thừa có dự phòng lớn về: số lượng phần tử, khả năng làm việc của phần tử và sơ đồ có khả năng đổi nối

Trong hệ thống điện hiện đại cấu trúc thừa còn để phục vụ các mục tiêu kinh tế như: giảm chi phí do tổn thất điện năng, giảm chi phí sản xuất điện năng

Trong vận hành, trong mỗi khoảng thời gian nhất định chỉ cần một bộ phận của cấu trúc tổng thể tham gia, gọi là cấu trúc vận hành

Một bộ phận các phần tử phải bảo dưỡng định kỳ, sửa chữa do sự cố Một bộ phận khác ở trạng thái dự phòng vì lý do kinh tế

Cấu trúc vận hành tối ưu là cấu trúc cho hiệu quả vận hành cao nhất

Chọn cấu trúc vận hành tối ưu là vấn đề quan trọng nhất trong vận hành hệ thống điện Cấu trúc của hệ thống điện có độ linh hoạt càng cao thì hệ thống điện càng có khả năng thích ứng với các tình huống vận hành và cho hiệu quả kinh tế cao

Do tính chất phức tạp của cấu trúc hệ thống điện nên hệ thống điện được phân cấp để thuận tiện trong công tác quản lý, vận hành và qui hoạch phát triển

1.1.2 Phụ tải điện

1) Định nghĩa phụ tải điện

Phụ tải điện là công suất tác dụng và công suất phản kháng yêu cầu tại một điểm nào đó của lưới điện ở điện áp định mức (điểm đặt hay điểm đấu phụ tải) Phụ tải điện bao gồm công suất yêu cầu của các thiết bị dùng điện được cấp điện từ điểm đấu này và tổn thất công suất trên lưới điện nối điểm đấu với các thiết bị dùng điện Phụ tải còn dùng để chỉ chung các hộ dùng điện và các thiết bị dùng điện

Trên hình 1.3 giới thiệu một số thể hiện của phụ tải điện:

- (a) trong tính toán coi phụ tải điện là các hộ dùng điện đấu vào lưới 0,4 kV hay nói tắt là phụ tải 0,4 kV

- (b) trong tính toán coi phụ tải điện bao gồm toàn bộ lưới 0,4 kV và phụ tải của nó

- (c) trong tính toán coi phụ tải điện bao gồm cả máy biến áp phân phối, lưới 0,4

kV và phụ tải của lưới 0,4 kV

Phụ tải là thông số cần thiết để qui hoạch thiết kế các phần tử của hệ thống điện

và để lập kế hoạch vận hành Biết chính xác phụ tải sẽ thiết kế được hệ thống điện tối ưu, có chi phí sản xuất và chi phí phân phối điện nhỏ nhất, trong vận hành sẽ đạt được chi phí vận hành nhỏ nhất Để qui hoạch, thiết kế lưới điện, hệ thống điện thì cần phải biết phụ tải của các hộ dùng điện trong tương lai Điều này chỉ có thể dự

(a) các hộ dùng điện

Lưới trung áp (10KV) 10/0,4 KV Lưới hạ áp (0,4 KV)

10/0,4 KV

phụ tải (b)

phụ tải (c)

Hình 1.3 Một số thể hiện phụ tải điện

báo, tính toán nhờ phương pháp thống kê rút ra từ vận hành các phụ tải cùng loại trong quá khứ

2) Đặc điểm của phụ tải điện

Phụ tải có các đặc điểm sau:

1- Biến thiên theo thời gian, theo qui luật ngày đêm do qui luật của sinh hoạt và sản xuất, tạo ra đồ thị phụ tải ngày đêm Các phụ tải có tính chất giống nhau thì có

đồ thị phụ tải ngày đêm giống nhau Cùng một phụ tải nhưng trong những ngày khác nhau có đồ thị phụ tải ngày đêm khác nhau Người ta phân biệt đồ thị phụ tải ngày đêm của các ngày làm việc (thứ 3, 4, 5, 6), ngày nghỉ và các ngày trước, sau ngày nghỉ

2- Tại một thời điểm, phụ tải trong các ngày đêm khác nhau biến thiên ngẫu nhiên quanh giá trị trung bình, theo phân phối chuẩn

3- Phụ tải có tính chất mùa: trong những tháng khác nhau có đồ thị phụ tải khác nhau

4- Phụ tải biến thiên mạnh theo thời tiết, đặc biệt là nhiệt độ môi trường, mưa hoặc khô

5- Phụ tải biến đổi theo tần số và điện áp tại điểm đấu

Tính chất thứ 5 của phụ tải rất quan trọng trong vận hành hệ thống điện

Phụ tải cơ sở được xác định ở Uđm và fđm Khi điện áp và tần số lệch khỏi định mức thì giá trị của phụ tải sẽ biến đổi theo

Giá trị sử dụng thực tế của phụ tải phụ thuộc vào điện áp tai điểm đấu và tần số của hệ thống điện theo quan hệ sau:

qf qv q

pf pv p

f.U.KQ

f.U.KP





(1.1)

trong đó: Kp, Kq - hệ số, phụ thuộc vào giá trị định mức của phụ tải P, Q

pv, qv và pf, qf - các đại lượng thống kê đặc trưng cho các loại thiết bị dùng điện, giá trị của chung như sau:

1,6 1,2

2 0,2 0,1

0

3

0 1,6 0,6

0

- 1

0 1,5 2,8

0 2,8

0

- 0,3 1,8

3) Phân loại phụ tải điện

Hình dáng của đồ thị phụ tải phụ thuộc vào tính chất của phụ tải, tức là phụ thuộc vào qui luật hoạt động của các phụ tải thành phần tạo nên phụ tải đó Trong qui hoạch và thiết kế lưới điện, người ta phân biệt phụ tải đô thị, nông nghiệp và công nghiệp Các loại phụ tải này có đặc trưng riêng và lưới điện trung, hạ áp cấp

điện cho phụ tải này cũng có các đặc trưng riêng gọi là lưới đô thị, lưới nông nghiệp

và lưới công nghiệp

- Lưới đô thị: lưới cấp điện cho sinh hoạt, cho công sở, các cơ sở phục vụ đô thị, dịch vụ là chính, phần công nghiệp cũng có nhưng tỷ lệ nhỏ Lưới đô thị có mật độ phụ tải (kVA/km2) rất cao, do đó lưới điện ngắn, tiết diện dây lớn, mật độ trạm nguồn và trạm phân phối dày đặc Lưới đô thị thường là lưới cáp ngầm

- Lưới nông nghiệp: lưới cấp điện cho sinh hoạt và dịch vụ, công nghiệp nhỏ phục vụ nông nghiệp, do đó lưới dài, mật độ trạm thưa Lưới nông nghiệp thường là lưới trên không

- Lưới công nghiệp: lưới cấp điện cho các xí nghiệp và lưới nội bộ trong xí nghiệp Lưới công nghiệp có đặc điểm là có công suất lớn, lưới tập trung trong diện tích hẹp, phụ tải cố định, các trạm phân phối đặt rất gần nhau Các xí nghiệp nhỏ được cấp điện bằng đường dây trung áp chung với lưới đô thị hoặc với lưới nông nghiệp tạo ra lưới điện hỗn hợp Các xí nghiệp lớn được cấp điện bằng đường dây trung áp hoặc cao áp riêng Lưới bên trong xí nghiệp thường là lưới cáp ngầm Trong tính toán phụ tải, các hộ phụ tải có quy luật hoạt động giống nhau tạo thành một loại phụ tải có phương pháp tính toán riêng Từ đó có các loại phụ tải sau: sinh hoạt, thương mại, dịch vụ, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông

Mỗi loại phụ tải có đồ thị đặc trưng riêng được đưa vào cẩm nang để phục vụ

công tác thiết kế và vận hành

4) Đồ thị phụ tải và các đặc trưng của phụ tải

Phụ tải thay đổi không ngừng theo thời gian, theo qui luật sinh hoạt của cuộc sống và sản xuất, qui luật này được đặc trưng bởi đồ thị ngày đêm và đồ thị kéo dài

a) Đồ thị phụ tải ngày đêm công suất tác dụng

Diễn tả công suất tác dụng trong từng giờ của ngày đêm

Trên hình 1.4a giới thiệu đồ thị phụ tải tác dụng ngày đêm của các trạm phân phối hoặc trạm trung gian Ta thấy đồ thị phụ tải ngày đêm có có hai điểm cực đại gọi là các đỉnh Trong đồ thị phụ tải ngày đêm thành phố và nông thôn thì đỉnh tối thường là lớn hơn và trùng với đỉnh của đồ thị phụ tải toàn hệ thống và gọi là công suất đỉnh Thời gian xảy ra công suất đỉnh gọi là thời gian cao điểm, gọi tắt là cao điểm ( thường vào từ 19  21 h) Trong đồ thị phụ tải ngày đêm công nghiệp thì đỉnh ngày có thể lớn hơn đỉnh tối Công suất min xảy ra vào giờ thấp điểm nửa đêm

và sáng

Đồ thị ngày đêm có nhiều loại, dùng cho các mục đích khác nhau như:

- Đồ thị phụ tải trung bình: là trung bình cộng các đồ thị phụ tải trong năm, mùa hoặc tháng hay tuần dùng để tính nhu cầu điện năng và lập kế hoạch cung cấp điện năng

- Đồ thị phụ tải ngày đêm các ngày điển hình: ngày làm việc, chủ nhật, ngày trước và sau chủ nhật , của từng mùa, tháng để lập kế hoạch sản xuất, tính toán điều áp

Từ đồ thị phụ tải ngày đêm lập ra nhờ tính toán và đo đạc, tính ra các đại lượng dẫn xuất đặc trưng sau:

- Công suất lớn nhất Pmax: là công suất đỉnh của đồ thị phụ tải ngày đêm

- Công suất trung bình Ptb:

24

dt)

t(PP

24

0 tb

cao điểm sáng

cao điểm tối

24

t(h) t(h)

trong đó P(t) là hàm thời gian của phụ tải

Ptb thường được cho bằng hệ số điền kín đồ thị phụ tải Kđk ( còn gọi là hệ số sử dụng công suất tác dụng Ksd):

Kđk =

P

Pmax

tb

do đó Ptb= Kđk.Pmax (1.3)

Pmax của phụ tải chưa biết, phải tính toán từ cấu trúc của phụ tải, nhưng Kđk hoặc

Ksd là các đặc trưng của đồ thị phụ tải của các loại phụ tải thì được tính toán theo các số liệu thống kê cho trong sách tra cứu

b) Đồ thị phụ tải công suất phản kháng

Đồ thị công suất phản kháng phụ thuộc vào đồ thị phụ tải tác dụng nhưng có khác ít nhiều về hình dạng Công suất phản kháng cũng được đặc trưng bởi Qmax, hệ

c) Đồ thị phụ tải kéo dài

Dùng để xét sự diễn biến của phụ tải trong một khoảng thời gian dài như tuần, tháng, quí hay năm người ta sử dụng đồ thị kéo dài (hình 1.4b) Đó là các đồ thị phụ tải ngày đêm trong khoảng thời gian xét được sắp xếp lại Công suất được sắp xếp theo thứ tự giảm dần từ Pmax tại gốc toạ độ cho đến Pmin ứng với kết thúc khoảng thời gian xét, mà mỗi giá trị công suất có thời gian dài bằng tổng thời gian kéo dài của chúng trong thực tế (hình 1.4,b)

Ví dụ, đồ thị phụ tải ngày điển hình cho cả năm dạng bảng như sau:

Công suất 18 sẽ có số giờ là : 365x5 = 1 825;

Công suất 14 sẽ có số giờ là : 365x4 = 1 460;

Công suất 12 sẽ có số giờ là : 365x4 = 1 460;

Công suất 10 sẽ có số giờ là : 365x11 = 4 015

A = 8760

0

dt)

t(

P (1.5)

d) Các đại lƣợng đặc trƣng đơn giản của phụ tải

Trong thực tế tính toán không phải trường hợp nào cũng cần đến đồ thị phụ tải

mà chỉ cần đến một số đặc trưng là đủ

Trong nhiều bài toán chỉ cần biết 4 đặc trưng: Pmax, Qmax (hoặc cos), Tmax và

Kđk Người ta tính sẵn Tmax và Kđk đặc trưng cho hình dáng của đồ thị phụ tải, vì thế chúng được thống kê trong cẩm nang để tra cứu; Còn Pmax và Qmax thì trực tiếp từ phụ tải cần được cung cấp điện

Ngoài đồ thị phụ tải kéo dài như trên hình 1.4b, còn loại đồ thị phụ tải kéo dài nữa mà ở đó tính từ Pmax của các ngày trong năm để tính độ tin cậy và tính từ Pmaxtháng để tính công suất dự trữ bảo quản Trên hình 2.4c là đồ thì phụ tải kéo dài max ngày để tính độ tin cậy

§1.2 CÁC CHẾ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 1.2.1 Các chế độ

Tập hợp các quá trình điện xảy ra trong một thời điểm hoặc trong khoảng thời gian vận hành gọi là chế độ của HTĐ Đặc trưng chế độ là các thông số chế độ như:

U, I, P, Q Các thông số này luôn biến đổi theo thời gian, là hàm số của thời gian Tuỳ theo sự biến đổi của các thông số chế độ theo thời gian, ta chia các chế độ của HTĐ thành các loại chế độ sau:

1) Chế độ xác lập (CĐXL): là chế độ trong đó các thông số chế độ biến thiên rất

nhỏ quanh giá trị trung bình, có thể coi như là hằng số

Trong CĐXL còn chia ra thành CĐXL bình thường, CĐXL sau sự cố và chế độ

sự cố xác lập

CĐXL bình thường là chế độ làm việc bình thường của HTĐ HTĐ được thiết

kế để làm việc với các chế độ xác lập này Với CĐXL bình thường đòi hỏi phải thoả mãn các chỉ tiêu sau:

1 Chất lượng điện năng

2 Độ tin cậy cung cấp điện

3 Hiệu quả về kinh tế (chi phí sản xuất điện năng nhỏ nhất)

4 An toàn cho người và thiết bị

CĐXL sau sự cố cũng là chế độ đã được tính đến trước, vì sự cố là không thể tránh khỏi trong vận hành HTĐ Các chỉ tiêu trên được giảm đi

Chế độ sự cố xác lập: ví dụ như chạm đất duy trì ở lưới điện 6, 10, 35 kV, chế

độ này không được phép gây hại và duy trì quá thời hạn cho phép

2) Chế độ quá độ (CĐQĐ): là chế độ trong đó các thông số chế độ biến thiên

mạnh theo thời gian Có hai loại chế độ:

1 CĐQĐ bình thường: xảy ra thường xuyên khi HTĐ chuyển từ CĐXL này sang CĐXL khác Yêu cầu đối với chế độ này là kết thúc nhanh và các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép

2 CĐQĐ sự cố: xảy ra khi có sự cố trong HTĐ Yêu cầu đối với chế độ này là không gây hại cho HTĐ và được loại trừ nhanh nhất có thể

Trong các chế nêu trên, trong vận hành hàng ngày người ta quan tâm nhiều nhất đến chế độ xác lập bình thường Sau đây sẽ giới thiệu chi tiết hơn về chế độ này

1.2.2 Chế độ xác lập bình thường

1) Điều kiện tồn tại

a) Điều kiện cần

Điều kiện cần để CĐXL bình thường tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng

và công suất phản kháng trong mọi thời điểm Công suất phát của nguồn điện phải luôn cân bằng với công suất yêu cầu của phụ tải:

PF = Pyc = Ppt + P (1.6)

QF = Qyc = Qpt + Q (1.6a)

QFi = Qyci = Qpti + Qi (1.6b) trong đó: PF, QF - công suất phát của nguồn điện;

Pyc, Qyc - công suất yêu cầu đối với nguồn điện;

Ppt, Qpt - công suất của phụ tải;

P,Q - tổn thất công suất tác dụng và tổn thất công suất phản kháng trên lưới điện

i là chỉ số của nút hoặc khu vực

Cân bằng công suất tác dụng là cân bằng cơ điện trên trục của máy phát điện, một bên là công suất cơ của tuabin, một bên là công suất điện của phụ tải

Cân bằng công suất phản kháng là cân bằng điện từ giữa công suất phản kháng của các máy phát điện do dòng kích từ gây ra và công suất phản kháng của phụ tải

do yêu cầu của từ trường trong các thiết bị dùng điện và các máy biến áp

Sự cân bằng công suất trong HTĐ luôn xảy ra một cách tự nhiên, có nghĩa là các nhà máy điện sản xuất ra bao nhiêu thì các thiết bị điện sẽ sử dụng hết bấy nhiêu

Công suất tác dụng được coi là cân bằng nếu tần số nằm trong giới hạn cho phép Nếu tần số thấp hơn giá trị min cho phép thì có nghĩa là HTĐ thiếu công suất tác dụng, nếu tần số cao hơn trị số max cho phép thì HTĐ thừa công suất tác dụng Công suất phản kháng được xem là cân bằng nếu điện áp nằm trong giới hạn cho phép Nếu điện áp thấp hơn giá trị min cho phép thì có nghĩa là HTĐ thiếu công suất phản kháng, nếu điện áp cao hơn giá trị max cho phép thì HTĐ thừa công suất phản kháng