nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình thí nghiệm đường dây truyền tải điện

Dựa vào bộ thí nghiệm này, sinh viên có thể áp dụng cho việc định tính và định lượng các bài thí nghiệm trên đường dây truyền tải điện như kiểm tra tổn thất điện áp, tổn thất công suất,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2009

S 0 9

S 0 5

S KC 0 0 2 5 5 7

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM



ĐỀ TÀI NCKH (CẤP BỘ/CẤP TRƯỜNG/SINH VIÊN)

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN

TP HỒ CHÍ MINH – 2009

MỤC LỤC

A THÔNG TIN CHUNG 1

B TÓM TĂT NỘI DUNG CÔNG TRÌNH 1

1 Tóm tắt nội dung .1

2 Kết quả đạt được 1

3 Điểm mới - điểm sáng tạo 1

4 Hậu quả kinh tế - xã hội 1

5 Khả năng và triển vọng ứng dụng .1

C MÔ TẢI NỘI DUNG CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI 2

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2

2 MỤC TIÊU, NHIÊM VỤ CỦA CÔNG TRÌNH .2

2.1 Mục tiêu: .2

2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu:……… 3

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3

4.1 Ý nghĩa của việc xây dựng sơ đồ .3

4.2 Các giả thiết 4

4.3 Các thông số của dây dẫn 4

4.3.1 Sơ đồ mạch tương đương 4

4.3.2 Sự tồn tại các thông số 6

4.3.3 Tính toán các giá trị thông số 7

4.3.4 Sơ đồ thay thế các phân tử……… 8

4.4 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐƯỜNG DÂY……….10

4.4.1 CÁC ĐẶC TÍNH SỬ DỤNG Ở CHẾ ĐỘ XÁC LẬP……….10

4.4.1.1 Sử dụng tải thích hợp……… 10

4.4.1.2 Đặc tính khi vận hành không tải……….12

4.4.2 TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN ÁP……… 13

4.4.2.1 Tổn thất công suất………13

4.4.2.2 Tổn thất điện áp……… 13

4.5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM………… ……… 14

4.5.1 Giới thiệu các modules được xây dựng……….14

4.5.2 Tỷ lệ và an toàn trong thí nghiệm……….15

4.5.3 Module đường dây……….… 15

4.5.4 Tụ đường dây……….… 18

4.5.5 Tải thuần trở……….… 19

4.5.6 Tải thuần cảm……….….20

4.5.7 Tải thuần dung……… 21

4.6 BÀI TẬP THÍ NGHIỆM……….… 22

4.6.1 Thí nghiệm ở chế độ không tải……… 22

4.6.2 Thí nghiệm ở chế độ tải thuần trở……….24

4.6.3 Thí nghiệm ở chế độ tải cảm - điện trở……….26

4.6.4 Thí nghiệm ở chế độ tải dung - trở……… 28

4.6.5 Thí nghiệm ở chế độ tải cảm - dung - trở……….……30

4.6.7 THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH KHÔNG ĐỐI XỨNG……… 34

4.6.7.1 Thí nghiệm ngắn mạch hai pha có và không có chạm đất……… 35

4.6.7.2 Thí nghiệm ngắn mạch một pha……… 35

4.7 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM………35

4.7.1 Thí nghiệm ở chế độ không tải……… 35

4.7.2 Thí nghiệm ở chế độ tải thuần trở……… 36

4.7.3 Thí nghiệm ở chế độ tải cảm - điện trở……….37

4.7.4 Thí nghiệm ở chế độ tải dung - trở……… …38

4.7.5 Thí nghiệm ở chế độ tải cảm - dung - trở………39

4.7.6 THÍ NGHIỆM Ở CHẾ ĐỘ NGẮN MẠCH BA PHA……….40

4.7.7 THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH KHÔNG ĐỐI XỨNG……….……40

4.7.7.1 Thí nghiệm ngắn mạch hai pha có và không có chạm đất………40

4.7.7.2 Thí nghiệm ngắn mạch một pha………41

D KẾT LUẬN……….42

E HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI………42

F TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 43

A THÔNG TIN CHUNG

1 Tên công trình: Nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình thí nghiệm đường dây truyền tải điện

2 Lĩnh vực: Điện công nghiệp

3 Nhóm dự thi: Nguyễn Thới (0955.63.60.61), Nguyễn Hữu Trí (0909.377.664)

B TÓM TẮT NỘI DUNG CÔNG TRÌNH

1 Tóm tắt nội dung

Cho đến nay, giáo dục được coi là quốc sách hàng đầu, các trường dạy nghề, trung cấp chuyên nghiệp, cao đẳng, đại học được thành lập nên rất nhiều Song song với vần đề này

là thiết bị, phương tiện dạy học và thực hành cần phải được trang bị thêm, đổi mới

Công trình trình bày cách xây dựng và xây dựng các modules cho mô hình thí nghiệm đường dây truyền tải điện để phục vụ cho công tác dạy học thực hành ngành điện công nghiệp Dựa vào bộ thí nghiệm này, sinh viên có thể áp dụng cho việc định tính và định lượng các bài thí nghiệm trên đường dây truyền tải điện như kiểm tra tổn thất điện áp, tổn thất công suất, tăng áp, ngắn mạch, mất pha, bù công suất phản kháng cũng như mất cân bằng tải Nội dung công việc cụ thể:

 Khảo sát, nghiên các sơ đồ đường dây truyền tải và các loại tải;

 Thiết kế và thi công module đường dây truyền tải;

 Thiết kế và thi công module tải thuần trở;

 Thiết kế và thi công module tải thuần cảm;

 Thiết kế và thi công module tải thuần dung;

 Thiết kế và thi công module tụ đường dây;

 Ghi nhận các thông số, số liệu thí nghiệm từ mô hình và giải thích

 Lập bảng hướng dẫn chi tiết cho từng nội dung

 Xây dựng các bài thực tập dựa trên mô hình đã thi công

2 Kết quả đạt được

- Sản phẩm: bao gồm 6 modules:

- Tài liệu: Các bài tập hướng dẫn thí nghiệm và kết quả thí nghiệm

3 Điểm mới - điểm sáng tạo

 Đề tài sử dụng các linh kiện và vật liệu có sẵn ở thị trường Việt Nam

 Các bộ tải cảm và cảm kháng trên đường dây được xây dựng tuyến tính

 Các modules được thiết kế đẹp, rõ ràng

 Có các bộ phận bảo vệ như cầu chì, máy cắt có thể thay thế nhanh nếu bị hư hỏng

 Có bộ phận giải nhiệt cho các linh kiện bên trong mô hình

4 Hậu quả kinh tế - xã hội

 Sản phẩm sử dụng các linh kiện và vật liệu có sẵn ở thị trường Việt Nam

 Chi phí thực hiện và giá cả trên một modules rẻ rất hơn nhiều so với sản phẩm xuất xứ

từ nước ngoài nhưng chất lượng sản phẩm như nhau Đây cũng chính là điểm cần nhấn mạnh của đề tài

C MÔ TẢI NỘI DUNG CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hệ thống điện là bao gồm tập hợp tất cả các thiết bị điện dùng để sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng, tức là hệ thống điện bao gồm tất cả các nhà máy, trạm biến áp, đường dây và các hộ tiêu dùng điện Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng Mỗi bộ phận cấu thành hệ thống điện được gọi là phần tử của hệ thống

Mục đích chính của việc nghiên cứu, thiết kế và xây dựng hệ thống cung cấp điện là truyền tải và phân phối điện năng với chất lượng tốt nhất cho các đối tượng tiêu thụ, đáp ứng nhu cầu tiêu thụ liên tục, an toàn của họ Điện năng được phát ra, truyền tải cho đến nơi tiêu thụ phải trải qua nhiều cấp phân phối, mạng phân phối

Mạng điện là tập hợp các trạm biến áp, các trạm phấn phối, đường dây trên không, đường dây cáp.v.v… có nhiệm vụ tiếp nhận, biến đổi từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác cho phù hợp và phân phối điện năng cho các hộ tiêu dùng điện Cấu trúc của mạng điện được phân loại như mạng điện hở, mạng điện kín, mạng điện hình tia, v.v…

Các quá trình vật lý diễn biến trong hệ thống rất phức tạp, cần tìm hiểu, tính toán kỹ lưỡng để có thể giải thích, đưa ra phướng án thiết kế, sửa chữa trong công tác vận hành và quản lý hệ thống điện Trong giảng đường và cũng như thực tế, không thể nào nhìn nhận tất

cả các quá trình xảy ra trên hệ thống bằng tri giác Trên đường dây dẫn được đặc trưng bởi các thông số như: điện trở, điện kháng, điện dung và điện dẫn rải đều trên toàn bộ dây dẫn Việc tính toán toán chính xác mức độ ảnh hưởng của các thông số đường dây cũng như của máy biến áp trở nên phức tạp, khó khăn Khi thiết kế, việc tính toán là rất quan trọng Do vậy, việc mô hình hóa các phần tử của hệ thống điện góp phần đơn giản hóa việc tính toán, lựa chọn các thiết bị trong mạng Nhờ việc mô hình hóa các phần tử nên đơn giản và dễ dàng hơn trong việc tính toán tổn hao công suất, điện năng, độ sụt áp hay tăng áp Những phần tử chính của mạng điện bao gồm đường dây, máy biến áp, phụ tải và nguồn Sơ đồ tương đương của các phần tử trong hệ thống điện là sơ đồ thay thế cho các quá trình vật lý xảy ra trong mạng điện, dùng trong quá trình tính toán lưới cung cấp điện, trên đó người ta đã thay thế các phần

tử của lưới điện bằng các đại lượng đặc trưng cho quá trình truyền tải điện Từ sơ đồ, chúng ta xây dựng các công thức tính toán cho các thông số, công thức tính toán tổn thất…Sơ đồ thay thế bao gồm sơ đồ thay thế đường dây tải điện, sơ đồ thay thế máy biến áp

Mô hình là phương tiện trực quan nhằm cung cấp những kinh nghiệm giả tạo qua việc phản ánh cấu trúc không gian thực tế của đối tượng cần nghiên cứu Từ đó đi sâu vào nghiên cứu bản chất bên trong sự vật Hệ thống điện là một hệ thống lớn về qui mô, phức tạp về việc kết nối Mô hình hệ thống điện thuộc loại mô hình phỏng tạo, tức là được kết hợp giữa một số vật thực và một số bộ phận biến đổi để nhấn mạnh những đặc điểm hoạt động của hệ thống Trong mô hình hệ thống điện này thể hiện các phần tử chính tướng ứng với các thông số của

nó Dựa vào mô hình, chúng ta có thể thí nghiệm để thấy rõ các quá trình xảy ra như tổn thất công suất, tổn thất điện áp, độ tăng áp; các sự cố có thể xảy ra như ngắn mạch, mất pha, mất cân bằng tải; các trường hợp khác như bù công suất phản kháng

Nhờ vào sử dụng sơ đồ thay thế cũng như thí nghiệm trên mô hình giả tạo, chúng ta mới có nắm vững lý luận và thực tiễn Từ việc tính toán đó, chúng ta dễ dàng đưa ra phương

án thiết kế và lắp đặt tốt nhất cả về kỹ thuật, kinh tế, giá thành …và tìm ra các biện pháp làm giảm bớt tổn thất, điều chỉnh điện áp, lựa chọn dây dẫn, thiết bị, nâng cao năng suất, hiệu quả

để đáp ứng nhu cầu tối đa về điện cho nhân dân

Chính vì nhũng yếu tố trên, nhóm nghiên cứu đi đến quyết định tìm hiểu về sơ đồ tương đương và thiết kế, thi công mô hình của hệ thống truyền tải phục vụ cho thí nghiệm

2 MỤC TIÊU, NHIÊM VỤ CỦA CÔNG TRÌNH

2.1 Mục tiêu:

Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình đường dây truyền tải nhằm phục

vụ cho việc huấn luyện sinh viên ngành điện hình thành kỹ năng vận hành đường dây truyền

tải điện Bên cạnh đó, bộ thí nghiệm giúp người vận hành có thao tác đúng đắn, hiều rõ các quá trình vật lý xảy ra trên đường dây đang hoạt động cũng như các sự cố có thể gặp Từ đó

có thể áp dụng cho việc định tính và định lượng các bài toán về tổn thất điện áp, tổn thất công suất, tăng áp, ngắn mạch, mất pha, bù công suất phản kháng cũng như mất cân bằng tải Ngoài mô hình dùng làm bộ thí nghiệm còn có bộ tài liệu hướng dẫn cách thực tập, làm bài thí nghiệm Tài liệu này có thể dùng cho việc nghiên cứu và huấn luyện sinh viên trong quá trình thực tập môn cung cấp điện Đồng thời có thể làm tài liệu tham khảo cho các đề tài

nghiên cứu thi công các thiết bị dạy học cho học sinh – sinh viên

2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Tìm hiểu các kiến thức về đường dây truyền tải, phân phối, cáp ngầm

 Các công thức tính toán có liên quan

 Các quá trình vật lý trên hệ thống điện, xác định các thông số cần thiết

- Xây dựng mô hình đường dây truyền tải và các phép tính có liên quan;

- Thiết kế và thi công mô hình đường dây, tụ đường dây, tải R, L, C;

- Tìm hiểu các quan hệ giữa các đại lượng vật lý trên đường dây tải điện thô qua các khảo sát thực nghiệm trên mô hình đường dây;

- Kiểm tra độ sụt áp, tổn thất công suất và các hiệu ứng thay đổi tải;

- Thí nghiệm ngắn mạch và bù công suất phản kháng;

- Xây dựng các bài tập thí nghiệm, thực hành:

 Lắp đặt thí nghiệm theo sơ đề chỉ dẫn;

 Đo mức sụt áp, tổn thất công suất tác dụng và phản kháng trên đường dây; tương ứng với chiều dài đường dây và tải;

 Các đặc tuyến điện áp cuối đường dây theo các loại tải có tính thuần trở, tính kháng và tính dung;

 Các bảng câu hỏi và nhận xét

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Việc nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình hệ thống điện truyền tải và phân phối thuộc loại nghiên cứu ứng dụng bởi lẽ việc nghiên cứu nhằm tạo ra sản phẩm nhằm phục vụ cho thí nghiệm trong đào tạo nguồn nhân lực Toàn bộ nội dung đề tài được nghiên cứu theo phương pháp tham khảo tài liệu và phương pháp thực nghiệm Quá trình nghiên cứu theo trình tự sau:

 Phân tích và tổng hợp lý thuyết: tìm hiểu các quá trình thông số của các phần tử

trong hệ thống cũng như các công thức tính toán liên quan

 Hình thành các thông số ứng với một số giá trị thực tế: từ các công thức tính toán

các giá trị của các thông số như điện trở, điện kháng, điện dẫn, dung dẫn của đường dây cũng thông số tải

 Tiến hành xác định vật tư cần thiết: từ thông số trên, tiến hành tính toán dòng và

áp định mức Từ đó, chọn dây dẫn, vật liệu sắt từ, board…

 Xây dựng mô hình: từ vật liệu tiến hành xây dựng mô hình đồng thời với việc thử

nghiệm

 Kiểm tra hoạt động của mô hình, vận hành thử

 Tiến hành thí nghiệm

 Từ số liệu đã thí ngiệm, phân tích và giải thích bằng lý truyết đã tìm hiểu trước

 Xây dựng bài tập thí nghiệm

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

4.1 Ý nghĩa của việc xây dựng sơ đồ

Những phần tử chính của mạng điện bao gồm đường dây, máy biến áp, phụ tải và nguồn Sơ đồ tương đương của các phần tử trong hệ thống điện là sơ đồ thay thế cho các quá trình vật lý xảy ra trong mạng điện, dùng trong quá trình tính toán lưới cung cấp điện, trên đó người ta đã thay thế các phần tử của lưới điện bằng các đại lượng đặc trưng cho quá trình truyền tải điện Sơ đồ thay thế bao gồm sơ đồ thay thế đường dây tải điện, sơ đồ thay thế máy biến áp

Mô hình là phương tiện trực quan nhằm cung cấp những kinh nghiệm giả tạo qua việc phản ánh cấu trúc không gian thực tế của đối tượng cần nghiên cứu Từ đó đi sâu vào nghiên cứu bản chất bên trong sự vật Hệ thống điện là một hệ thống lớn về qui mô, phức tạp về việc kết nối Mô hình hệ thống điện thuộc loại mô hình phỏng tạo, tức là được kết hợp giữa một số vật thực và một số bộ phận biến đổi để nhấn mạnh những đặc điểm hoạt động của hệ thống

Việc truyền tải và phân phối trong hệ thống điện với đích cuối cùng là mạng điện đến những nơi tiêu thụ với hiệu quả tốt nhất Khi xây dựng, thiết kế hệ thống cần tính toán rất kỹ lưỡng và chính xác Các quá trình vật lý xảy ra trong hệ thống mạng phức tạp Trên đường dây dẫn được đặc trưng bởi các thông số như: điện trở, điện kháng, điện dung và điện dẫn rải đều trên toàn bộ dây dẫn Việc tính toán toán chính xác mức độ ảnh hưởng của các thông số đường dây cũng như của máy biến áp trở nên phức tạp, khó khăn Khi thiết kế, việc tính toán

là rất quan trọng Do vậy, việc mô hình hóa các phần tử góp phần đơn giản hóa việc tính toán, lựa chọn các thiết bị trong mạng Nhờ việc mô hình hóa các phần tử nên đơn giản và dễ dàng hơn trong việc tính toán tổn hao công suất, điện năng, độ sụt áp… Bởi lẽ, việc nghiên cứu, tính toán các tổn thất rất quan trọng vì có nắm vững lý luận mới có thể tính toán được các tổn thất ấy Cũng nhờ đó mà việc tính toán tổng công suất phụ tải, xác định nhu cầu điện cũng như khi tính toán thiết kế; lựa chọn dây dẫn, thiết bị; điều chỉnh điện áp.v.v…chính xác và phù hợp nhất Từ việc tính toán đó, chúng ta dễ dàng đưa ra phương án thiết kế và lắp đặt tốt nhất cả về kỹ thuật, kinh tế, giá thành …và tìm ra các biện pháp làm giảm bớt tổn thất, nâng cao năng suất, hiệu quả - một vấn đề cấp bách, thời sự đối với người thiết kế cũng như người quản lý vận hành lưới điện - để đáp ứng nhu cầu tối đa về điện cho nhân dân

4.3 Các thông số của dây dẫn

4.3.1 Sơ đồ mạch tương đương

Mạng điện 3 pha thực với 3 dây pha và 1 dây trung tính được biểu diễn như hình 3.a

TảiPha A

Pha BDây trung tính Upn

Up

Pha C

a)

Trong chế độ đối xứng, điện áp 3 pha ở nguồn như nhau Nếu phụ tải đối xứng thì dòng điện trong dây trung tính coi như bằng 0, dòng điện I trên 3 pha đều bằng nhau Vì vậy, tổn thất điện áp, tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên mỗi pha đều bằng nhau và điện

áp trên phụ tải cũng bằng nhau

Vì tính đối xứng như vậy nên khi tính toán chỉ cần 1 pha là đủ Do đó, sơ đồ thay thế chỉ cần một pha như hình 1.b Khi tính toán tổn thất cũng không vẽ thêm dây trung tính vì trên dây trung tính dòng điện bằng 0, không có tổn thất điện áp và công suất trên đường dây này nên cũng có thể bỏ qua dây trung tính trong sơ đồ như hình 1.c

Trên đây là sơ đồ đơn giản mô tả hệ thống mạng lưới Thực chất các quá trình vật lý xảy ra trên đường dây rất phức tạp Hơn thế nữa, mạng điện thực tế không thể đối xứng như mong muốn Do ảnh hưởng của trường điện từ xung quanh dây dẫn cũng như vật liệu tạo nên dây dẫn mà trên đường dây xuất hiện điện kháng, điện dung và điện trở Các thông số này của dây dẫn rải đều trên toàn chiều dài đường dây Nếu cứ để như thế mà toán thì rất khó khăn Trong quá trình nghiên cứu cần phải mô hình hóa và xây dựng một sơ đồ tương đương,

sơ đồ tính toán có đủ các phần tử phục vụ cho việc nghiên cứu, mô phỏng, tính toán các giá trị cần thiết

Mô hình đầy đủ của đường dây được đặc trưng bởi các thông số như điện trở, điện kháng, điện dung và dung dẫn Sơ đồ tương đương có thể hiện các thông số đường dây được thể hiện ở hình 2 Khi một đường dây truyền tải vận hành với dòng điện ba pha, tổn hao rò (G) và sự phân bố các thuộc tính điện cảm và điện dung ( L và C), cũng như điện trở của vật liệu dẫn điện (R) phải được đưa ra xem xét Vì những giá trị này phân bố dọc theo đường dây truyền tải dưới dạng một trị số trên đơn vị chiều dài, sơ đồ mạch tương đương sau với những thành phần mạch tập trung chỉ áp dụng cho đường dây ngắn, trung bình

R E

R R R

L E

L L

ở tần số định mức Điện kháng cảm ứng cùng độ lớn đối với cáp và đường dây dẫn trên không; giá trị ở đường dây trên không có phần cao hơn, vì khoảng cách dây dẫn lớn hơn

Các điện dung đường dây CE và CL mô tả từ trường được tạo ra khi có một điện áp ở tần số định mức đặt vào Vài điểm khác nhau cơ bản phải được đưa ra xem xét ở đây :

Điện dung của cáp lớn hơn đáng kể so với đường dây trên không, vì khoảng

cách của các dây dẫn gần với nhau, và vì vật liệu cách điện Điều này giới hạn nghiêm ngặt các khu vùng mà cáp có thể được sử dụng

Hơn nữa, câu hỏi liệu mỗi dây dẫn trong cáp có màn chắn riêng (cáp một dây dẫn) hoặc liệu có phải tất cả ba dây dẫn có một màn chung (cáp ba dây dẫn), có một vai trò quan trọng về phương diện này Mặt khác, ở những đường dây điện lực trên không, điện dung giữa các dây dẫn (CL) và điện dung giữa dây dẫn và đất (CE) luôn luôn hiện hữu (xem hình 2) Theo lý thuyết điện dung giữa những dây dẫn cũng thường được coi như những điện dung ghép nối

Trong thực tế, người ta cố gắng để xây dựng các điện dung đối xứng ở các đường dây truyền tải trên không Khi ba dây dẫn được bố trí theo dạng tam giác đều, các khoảng cách giữa chúng bằng nhau, nhưng khoảng cách từ mỗi dây dẫn đến mặt đất thì không Sự đối xứng đối với đất có được bằng cách hoán vị tuần hoàn các dây dẫn ở các khoảng nhất định Trong trường hợp sự cố không đối xứng (và tải cũng không đối xứng) dòng điện không chỉ chạy qua ba dây dẫn ở phía ngoài mà còn chạy ngược về đường dây qua đất và có thể qua một dây tiếp đất hoặc lớp vỏ bọc cáp truyền dẫn Đường dây về này có đặc tính của một điện trở cảm ứng Trong sơ đồ mạch tương đương ở hình 2 nói về đường dây về đất được đại diện bởi một điện trở RE và điện cảm LE

Việc xác định những giá trị điện của một đường dây qua tính toán thì rất phức tạp, như vật liệu dây dẫn, hình dạng hình học và trong vài trường hợp, vật liệu cách điện bao gồm các phương trình Dưới đây giải thích sự tồn tại và trình bày các xác định các thông số đặc trưng của đường dây

4.3.2 Sự tồn tại các thông số

Thông số của dây dẫn đặc trưng cho quá trình vật lý xảy ra trong dây dẫn khi có điện

áp xoay chiều đặt trên dây dẫn hoặc khi có dòng điện xoay chiều đi qua Mô hình đầy đủ đường dây phân phối khi có điện áp hoặc dòng điện xoay chiều đi qua được đặc trưng bởi các thông số như: điện trở, điện kháng, điện dung và điện dẫn ứng với 4 quá trình vật lý xảy ra trên dây dẫn

1- Dây dẫn phát nóng do hiệu ứng Joule Một phần công suất qua lưới tải bị mất để làm nóng dây dẫn và một phần điện áp cũng bị tổn hao do hiện tượng này Quá trình này được đặc trưng bởi điện trở của dây dẫn r0

2- Dòng điện xoay chiều gây ra từ trường tự cảm của từng dây dẫn và hổ cảm giữa các dây dẫn với nhau Từ trường gây ra tổn thất công suất phản kháng và tổn thất điện áp và được đặc trưng bởi điện kháng x0

3- Điện áp xoay chiều gây ra điện trường giữa các dây dẫn và giữa các dây dẫn với đất vì giữa các dây dẫn với nhau và giữa các dây dẫn và đất có sự chênh lệch điện áp tương đối lớn xem như các bản của một tụ điện Điện trường này gây ra dòng điện điện dung có tác dụng làm triệt tiêu một phần dòng điện cảm (của phụ tải) chạy trong dây dẫn Quá trình này được đặc trưng bởi dung dẫn b0 hoặc là công suất phản kháng dung tính q0 (kVar/km) của đường dây, công suất này có giá trị đáng kể ở các đường dây có điện áp định mức từ 110 kV trở lên

4-Điện áp cao gây trên bề mặt dây dẫn cường độ điện trường, nếu cường độ điện trường này lớn hơn một mức nào đó sẽ gây ion hóa không khí quanh dây dẫn gọi là hiện tượng "vầng quang" Vầng quang điện làm tổn thất một phần điện năng gọi là tổn thất vầng quang

Điện áp cao cũng gây ra dòng điện rò trên cách điện của cáp và trên bề mặt cách điện khác làm tổn thất một phần điện năng Các tổn thất này được đặc trưng bởi điện dẫn g0

Điện dẫn g0 chỉ được tính khi đường dây điện có điện áp định mức từ 330 kV trở lên

vì điện áp thấp hơn nên tổn thất vầng quang và rò điện rất nhỏ

Các thông số của dây dẫn rải đều trên toàn độ dài của dây

Hình 3 Đường dây cao áp

4.3.3 Tính toán các giá trị thông số

- Điện trở của dây dẫn

Điện trở đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của một vật dẫn Khi dòng điện một chiều đi qua dây dẫn, thì dòng điện được phân bố đều trên toàn tiết diện dây Do đó điện trở tác dụng của của 1 km dây dẫn ở nhiệt độ tiêu chuẩn ở 200C được xác định theo biểu thức:

:điện dẫn suất của dây dẫn (m/mm2)

F :tiết diện dây dẫn (mm2)

Điện trở thay đổi theo nhiệt độ, khi nhiệt độ môi trường khác 200C thì điện trở có giá trị :

Rt = r0 [1 +  (t -20)] (/km) (2) Trong đó : r0 :điện trở ở nhiệt độ tiêu chuẩn (/km)

 :hệ số nhiệt của điện trở (C-1)

Đối với các dây đồng và nhôm  = 0,004(1/ 0C)

Điện trở tác dụng của dây dẫn đối với dòng điện xoay chiều lớn hơn điện trở đối với dòng điện 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 thì sự khác nhau đó không đáng kể Vì vậy có thể lấy điện trở của dòng điện xoay chiều bằng điện trở của dòng điện một chiều Điện trở của dây dẫn có thể tra bảng điện trở của các loại dây dẫn

- Cảm kháng của đường dây

Dây dẫn tải điện xoay chiều, xung quanh mỗi sợi dây xuất hiện từ trường xoay chiều,

có từ thông biến đổi nên phải xét đến độ tự cảm L Dây dẫn của ba pha đặt gần nhau nên có

hỗ cảm M Như vậy ta phải nhắc đến cảm kháng x của đường dây

Tùy theo cách bố trí dây mà việc tính toán cảm kháng khác nhau

Điện cảm trung bình trên một kilômét chiều dài đường dây ba pha được xác định theo công thức:

:hệ số từ dẫn của vật liệu chế tạo dây dẫn Đối với kim loại màu, độ dẫn

từ của chúng không thay đổi và được lấy bằng độ dẫn từ của không khí (  0)

- Điện dung của dây tải điện ba pha đối xứng (điện dẫn phản kháng )

Hình 4 Khoảng cách giữa các dây pha Tương tự như trường hợp đường dây một pha, điện dung giữa dây pha và dây trung tính được tính:

Can = CE = 0, 0242

Dlg( )r (F/km) (4)

4.3.4 Sơ đồ thay thế các phân tử

Khi thiết kế, lắp đặt, người thực hiện cần tính toán kỹ lưỡng để thiết lập được các phương án tối ưu cả vế kinh tế, kỹ thuật như chọn dây dẫn, tính tổn hao công suất… Muốn vậy, ta phải có sơ đồ thay thế của dây dẫn

Bất cứ hệ thống điện nào khi vận hành đều mong muốn chúng làm việc ở chế độ đối xứng, ba điện áp và dòng bằng nhau và lệch 1200

trong vận hành bình thường Như vậy, điện

áp, dòng điện cũng như tổn thất ở mỗi pha đều bằng nhau về độ lớn Chính vì vậy, chúng ta

sử dụng mô hình một pha thay cho 3 pha

Theo lý thuyết bốn cực, hệ thống này được xem như một hình Π - chuẩn đối xứng Chú ý rằng điện áp pha cũng luôn luôn được thể hiện trong một pha, ví dụ điện áp xuất hiện giữa một pha và đất

Tất cả các giá trị công suất tính toán cho theo một pha phải được nhân bởi một hệ số

ba chuyển chúng về hệ thống ba pha Điện trở và điện cảm của một đường dây do số lượng đưa ra R, G và L, như trong sơ đồ mạch tương đương ba pha Điện dung vận hành C = CB

được giới thiệu ở đây như một số lượng tương đương để bao gồm những điện dung giữa các dây dẫn và giữa dây dẫn và đất (Xem hình 2)

Điện dung vận hành cần phải có cùng hiệu quả như hai điện dung nói trên, ví dụ, cần phải tiêu thụ cùng công suất phản kháng Với điện dung CE và CL trong sơ đồ mạch tương đương ba pha và yêu cầu công suất bằng nhau trong cả hai, ứng dụng phương trình sau :

C = CB = CE + 3.CL (5) Điện dung vận hành và độ dẫn điện ngang trong sơ đồ mạch tương đương một pha được chia bằng nhau giữa điểm đầu và điểm cuối của đường dây, để tránh thêm nút ở phần giữa đường dây

Như đã nói trước đó, điện trở, độ dẫn điện ngang, điện cảm và điện dung trong thực tế phân bố trên toàn bộ chiều dài của đường dây dưới dạng trị số trên một đơn vị chiều dài (trị số trên đơn vị chiều dài đã cho có thể thay đổi theo những tác động bên ngoài) Để tạo ra một mô hình chính xác, thật cần thiết để hình thành một đường dây với chiều dài l từ một số lượng phần tử vô hạn với chiều dài vi phân dl Các tính toán này rất cần thiết cho tính toán chính xác đường dây truyền tải dài Tuy nhiên, trong trường hợp này thì có thể giảm sự thể hiện phức tạp khi tính toán các thông số đường dây

Các thông số của dây dẫn rải đều trên toàn chiều dài đường dây Nếu cứ để như thế

mà toán thì rất khó khăn Vì thế với các đường dây cao áp không quá dài đến 300 km và đường dây trung, hạ áp người ta thay các thông số rải này bằng các thông số tập trung tương ứng Các thông số là: R, X, G, B, tổng trở và tổng dẫn của đường dây được tính như sau:

G : điện dẫn của đoạn đường dây

B : dung dẫn của đoạn đường dây

r0 : điện trở của đường dây trên một đơn vị chiều dài (Ω/km)

x0 : cảm kháng đường dây trên một đơn vị chiều dài (Ω/km)

b0:dung dẫn của đường dây trên một đơn vị chiều dài (Ω/km)

g0: điện dẫn của đường dâytrên một đơn vị chiều dài (Ω/km) Tổng dẫn được chia đôi đặt hai bên tổng trở

Để tránh tính toán phức tạp, thường sử dụng bảng tham khảo, gồm dữ liệu thông thường cho một kilômet chiều dài đường dây cho hầu hết các cấu trúc đường dây trên không

Đối với đường dây mạng điện cung cấp ( mạng khu vực), điện áp 110 – 220 kV, đã chú ý đến tiết diện tối thiểu hạn chế vầng quang điện, nên trên sơ đồ thay thế thường bỏ qua tham số điện dẫn G (hình 5b ) Thành phần G chỉ tính cho đường dây có điện áo rất cao từ

330 kV trở lên Trên hình b, thay vì tại vị trí vẽ B/2, ta vẽ mũi tên đặc trưng cho công suất phản kháng Qc/2 cung cấp cho mạng (do dòng điên điện dung của đường dây sinh ra)

Hình 5

Đối với đường dây của mạng điện phân phối (mạng điện địa phương), vì điện áp thấp (U 35 kV), công suất nhỏ, ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của G và B (hình 5c)

Đối với đường cáp 6 – 10 kV và thấp hơn, vì trị số cảm kháng rất nhỏ thường bỏ qua,

do đó sơ đồ thay thế đơn giản chỉ có thuần điện trở R Đối với đường dây mạng một chiều, vì

xo và ro đều bằng không nên sơ đồ thay thế cũng thuần điện trở và có sơ đồ thay thế ở hình 5d

4.4 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐƯỜNG DÂY

4.4.1 CÁC ĐẶC TÍNH SỬ DỤNG Ở CHẾ ĐỘ XÁC LẬP

4.4.1.1 Sử dụng tải thích hợp

Hình 6 Sơ đồ thay thế đường dây 3 pha

Xét mạng điện đơn giản có điện áp Ud  220 kV và các đường dây có chiều dài l  250 - 300

km

Xét đường dây 3 pha đối xứng có một phụ tải như hình 6 Trong đó:

Dòng điện đầu đường dây I1



; Dòng điện cuối đường dây (dòng điện phụ tải) I2



; Dòng điện chạy trên đường dây I12



; Dòng điện dung ở đầu đường dây I10



; Dòng điện dung ở cuối đường dây I20



; Điện áp đầu đường dây U1



, điện áp cuối đường dây U2



; Tổng trở và tổng dẫn của đường dây Z R jX

  ) Do vậy, dòng điện và điện

áp ở cuối đường dây đã biết và tính chế độ được tính từ cuối đến đầu đường dây

Dòng điện dung ở cuối đường dây được tính:

là điện áp pha ở cuối đường dây

Dòng điện chạy trên đường dây có giá trị:

Quan hệ giữa dòng điện và điện áp ở hai đầu dây được biễu diễn bằng đồ thị vector như hình

7 Đồ thị được xây dựng theo các công thức trên

trùng với trục thực, dòng điện I2p

Để xác định điện áp dây, ta nhân 3 vào các giá trị điện áp pha

Khi đó giá trị điện áp giữa các pha ở đầu đường dây là:

Phân tích tương tự cho các loại tải khác

- Tải mang tính dung: 0 < φ 2 < 90 0

Hình 8 Giản đồ vector khi tải mang tính dung

- Tải thuần dung: φ 2 = 90 0

+1 I2

I10

I1

I20

I12

Hình 10 Giản đồ vector khi tải thuần trở

4.4.1.2 Đặc tính khi vận hành không tải

Trong trường hợp vận hành không tải, không tải ở cuối đường dây, tức là I2



= 0 Do vậy, trên đường dây chỉ có dòng điện dung

Điện áp rơi trên các các phần tử R và X trên đường dây lần lượt là: I20

Từ đồ thị vector hình 11, ta thấy rằng ở chế độ không tải mođun điện áp ở cuối đường dây lớn hơn mođun điện áp ở đầu đường dây hay U2p> U1p Tức là trong chế độ không tải có xảy ra hiện tượng tăng cao điện áp ở cuối đường dây Như đồ thị trên, ta thấy sự gia tăng điện áp phụ thuộc vào dòng điện dung I20



ở cuối đường dây hay nói cách khác sự gia tăng điện áp là

do điện dung đường dây gây ra Hiện tượng này thường xảy ra ở đường dây trên không có điện áp từ 220 kV trở lên và các đường cáp điện có điện áp từ 110 kV trở lên

4.4.2 TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN ÁP

Hình 12 Sơ đồ thay thế đường dây truyền tải

Công suất của tải (tại nút 2): S2 P2 jQ2



Công suất do điện dung ở cuối đường dây sinh ra (công suất điện dung của đường dây) được

U

 là thành phần ngang của điện áp (hình chiếu lên trục ảo của vector U



 )

I12Z

I12R0

Hình 13 Giản đồ vector khi tính tổn thất điện áp



Đối với đường dây có điện áp Udđ ≤ 110kV thì thành phần ngang của điện áp giáng rất nhỏ

Vì vậy có thể bỏ qua Un Tổn thất điện áp trên đường dây lúc này bằng:

U

 =Ud = 12b 12b

2

P R Q XU



(28)

4.5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

4.5.1 Giới thiệu các modules đƣợc xây dựng

Nhiệm vụ chính trong đề tài này là nghiên cứu, thiết kế và thi công 6 mô hình sau:

4.5.2 Tỷ lệ và an toàn trong thí nghiệm

Với mục đích mô hình hoá hệ thống điện ngoài thực tế để hiểu rõ hơn về các đặc tính xảy ra của nó, trong mô hình thí nghiệm dòng và áp sẽ được giảm đến một giá trị an toàn với một tỷ lệ nào đó Bởi lẽ, giá trị điện áp thật không thể áp dụng trong thí nghiệm vì tính nguy hiểm của nó cho người thí nghiệm cũng như thiết bị sử dụng trong mô hình

Như vậy công suất dùng MW ( Mêgaoat : 106

- Thông số cơ bản trên 1 kilômet chiều dài

 Đường dây truyền tải trên không 380kV (Hệ thống 1) trên trụ treo, tiết diện ngang 4x240 / 40 mm2

dây nhôm/lõi thép

- Dữ liệu Điện (trên đơn vị chiều dài):

3 Điện dung dây dẫn - dây dẫn C’L = 2,78 nF / km

8 Điện trở thuần đường dây về RE’ = 0,031 Ω/ Km

 Dữ liệu cho đường dây truyền trên không 110kV và cáp 110kV được cung cấp để so sánh

- Đường dây truyền trên không 110 kV, tiết diện ngang 240/40 mm2 Nhôm / Thép

Dữ liệu điện (số lượng /đơn vị chiều dài):

4 Trở kháng đặc tính Zw = 366 Ω

- Cáp 110kV, tiết diện ngang 185 mm2 dây đồng

Dữ liệu điện (số lượng /đơn vị chiều dài):

- Thông số đường dây

Mô hình đường dây truyền tải sử dụng những phần tử tập trung đóng vai như một đường dây

có điện áp 380 kV với ba độ dài khác nhau: 144 km, 216 km và 360 km

Số liệu kỹ thuật như sau:

Điện trở R được chọn là loại điện trở sứ tương ứng với các giá trị của nó

Để bảo đảm những thuộc tính đối xứng của đường dây, những mạch tương tự được thiết lập trên tất cả ba pha Những kết nối cần thực hiện cho những chiều dài riêng lẻ được chỉ

rõ ở bên dưới

Trở kháng của đường dây trung tính gồm có điện trở RE = 11 Ω và cuộn cảm LE = 250

mH Giá trị này phù hợp cho toàn bộ chiều dài đường dây 360 km

Như vậy, thí nghiệm kéo theo những điều kiện vận hành không đối xứng (ví dụ: những sự cố không đối xứng) có thể chỉ được thực hiện sử dụng chính xác toàn bộ chiều dài Điều này cũng ứng dụng cho điện dung của đường dây

Cuộn kháng với được thiết kế chịu dòng điện 1A; cho phép quá tải trong thời gian ngắn cho những phép đo ngắn mạch

Những cuộn cảm với lõi sắt có đặc tuyến không tuyến tính nhất định; mà những thuộc tính điện của chúng thay đổi theo khi một hàm của dòng điện chảy qua chúng

Vì điều này, và vì những ảnh hưởng của nhiệt độ và sai số trong sản xuất, độ lệch lên hơn 10% giá trị danh định của R và L có thể xuất hiện Quy trình xây dựng điện cảm L được trình bày ở mục c

- Xây dựng cuộn cảm L

+) Thông số

Thành phần này cũng được thiết kế cho 3 dây pha và một dây trung tính Cuộn cảm

ở mỗi dây pha có 4 đầu ra từ 0 mH đến 290 mH, còn cuộn cảm cho dây trung tính có hai đầu

ra 0 mH và 250 mH Sau đây là các giá trị sử dụng ở các đầu ra ngoại trừ đầu ra 0 mH:

 Dùng bộ nguồn 3 pha cung cấp điện cuộn dây trên cùng với đồng hồ đo V, A Dùng nút xoay và theo dõi giá trị áp và dòng tăng từ 0 V đến 220 V Cần chú ý đến dòng

đo được trên đồng hồ và giá trị dòng chịu đựng của cuộn dây

 Kết quả thu được:

tự nhau (cùng một lõi thép)

 Tính toán số liệu: Sau khi thấy được kết quả thử nghiệm và quy luật của nó Tiến hành tính toán số vòng dây quấn cho từng giá trị đầu ra của tải cảm cho cả 3 pha và dây trung tính (4 lõi thép như nhau) Kết quả tính toán:

tính(250mH)

445 Module đường dây được thiết kế và xây dựng như hình sau

TẢI THUẦN CẢM

MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI

Hình 14a Module đường dây truyền tải - bản vẽ

Hình 14b Module đường dây truyền tải -Module thật

Nếu cả hai điện dung đường dây được sử dụng cùng với những điện dung của mô hình đường dây truyền tải, có thể mô hình như thật về sự tiêu thụ công suất phản kháng chính xác trong đường dây cáp ngầm

Module tụ đường dây được thiết kế và xây dựng như hình sau:

4.5.5 Tải thuần trở

Tải thuần trở được thiết kế ba pha, gồm có ba điện trở có thể thay đổi được có điện trở R = 0 - 1000 Ω Những điện trở đơn vị này có thể tải được dòng điện cực đại 2,5 A và có cầu chì bảo vệ phù hợp Tải được thay đổi bằng cách xoay nút trên mô hình tải Một nút xoay chung cho cả 3 pha

Mạch điều khiển dùng relay lấy tín hiệu điều khiển từ nút xoay và được cấp nguồn

DC 12V từ bộ nguồn ADC Sử dụng cầu nối để liên kết những điện trở riêng lẻ của tải để có

thể nối thành cấu hình đenta hoặc sao Trong phạm vi bài thí nghiệm, chỉ được nối hình sao

Module tải thuần trở được thiết kế và xây dựng như hình sau: