Chương 9 giảm tổn thất điện năng trong hệ thống điện

345 Chương GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 9.1 MỞ ĐẦU Năng lượng nguồn chủ yếu phát triển kinh tế xã hội điện chiếm vai trò quan trọng Tầm cỡ cấu trúc hệ thống điện thay đổi nhiều từ nước sang nước khác Trong trình cung cấp điên đến nơi tiêu thụ, hệ thống điện phải gánh chòu tổn thất cấp sản xuất, truyền tải phân phối điện Tổn thất khâu sản xuất thay đổi khoảng đến 6% tổng sản lượng điện tùy theo loại nhà máy (thủy điện hay nhiệt điện) Các khảo sát gần cho thấy, tổn thất truyền tải phân phối khoảng 10% tổng sản lượng điện sản xuất mức tổn thất tối ưu kinh tế đạt 5% Tổn thất lớn truyền tải phân phối toán quan trọng mà công ty điện lực hầu phát triển phải đối đầu Các thống kê gần cho biết khoảng 48% 25 nước phát triển đạt mức tổn thất 15% sản lượng điện Tổn thất chia làm tổn thất kỹ thuật tổn thất phi kỹ thuật Hình 9.1 trình bày tổn thất phần hệ thống điện Các tổn thất kỹ thuật bao gồm: (a) Tổn thất đường dây điện trở dây dẫn; (b) Tổn thất máy biến áp máy điều chỉnh; (i) Tổn thất có tải (trong đồng); (ii) Tổn thất không tải (trong sắt) (c) Tổn thất vầng quang đường dây cao áp siêu cao áp; (d) Tổn thất điện môi đường dây cáp ngầm hay tụ điện tónh; (e) Tổn hao điện kế; (f) Tổn hao hệ số công suất thấp; (g) Các tổn thất kỹ thuật khác Các tổn thất phi kỹ thuật bao gồm: (a) Trộm điện khách hàng có đặt điện kế; (i) Câu trước điện kế; (ii) Làm điện kế chạy chậm; (iii) Không thực hợp đồng (b) Ăn cắp điện: khách hàng điện kế, câu điện bất hợp pháp; (c) Điện kế hoạt động sai; 346 CHƯƠNG (d) Sự làm việc không nhân viên điện lực việc ghi số công tơ thu tiền điện Hình 9.1: Tổn thất điện hệ thống 9.2 TỔN THẤT HỆ THỐNG TIÊU BIỂU Khoảng 9÷10% điện sản xuất nhiều hệ thống điện bò mát Vì đầu tư phải thực công trình để cung cấp bù vào tổn thất này, công trình cần xem xét kỹ lưỡng thiết kế Sự hiểu biết tổn thất không bỏ qua việc so sánh phương án phải nghiên cứu đầy đủ trường hợp cụ thể 347 GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Tổn thất kỹ thuật hệ thống tiêu biểu Nguồn tổn thất Phần trăm Máy biến áp tăng nhà máy 0,375 Đường dây truyền tải sơ cấp 0,750 Trạm sơ cấp 0,375 Đường dây truyền tải thứ cấp 1,700 Trạm thứ cấp 0,375 Đường dây phân phối sơ cấp 3,000 Trạm phân phối sơ cấp 0,375 Đường dây phân phối thứ cấp 4,000 Đường rẽ đến khách hàng 0,375 Thiết bò đo đếm 1,500 Tổng: 12,622% 9.3 NGUYÊN TẮC PHÂN TÍCH TỔN THẤT Tổn thất thường đánh giá theo thành phần điện thành phần công suất chúng xem phụ tải yêu cầu Một khảo sát quan trọng việc qui hoạch thiết kế hệ thống điện phát triển phí tổn tổn thất công suất, điện công suất phản kháng Nói chung, tổn thất giảm thiểu đầu tư nhiều đường dây thiết bò Điều cần thiết phải xác đònh liệu xem việc giảm chi phí tổn thất có xứng đáng với việc tăng đầu tư hay không Phí tổn tổn thất công suất kể đến tổn thất làm tăng phụ tải đỉnh hay nhiều thành phần hệ thống Phụ tải đỉnh tăng dẫn đến việc tăng khả mang tải phần tử hệ thống sản xuất truyền dẫn công suất đến điểm mà tổn thất xảy Phí tổn tổn thất công suất tác dụng tổn thất đánh giá phí tổn khả tải hệ thống tương lai Khả tải yêu cầu để cung cấp cho tổn thất phải kể vào khả dự trữ dành ưu tiên cho phụ tải đỉnh Bất kỳ đầu tư khả tải phụ thêm tương lai phải bao gồm phí tổn đầu tư nguyên vật liệu chi phí bảo quản Chi phí hàng năm tổn thất công suất bao gồm chi phí cố đònh vốn đầu tư yêu cầu để cung cấp cho tổn thất cộng với chi phí vận hành bảo quản Chi phí vận hành bảo quản tỷ lệ với khả tải Phí tổn thành phần điện tổn thất phải kể đến tổn thất làm tăng chi phí sản xuất điện bán hay điện mua Tổng quát, chi phí tổn thất điện tích số điện tổn thất thiết bò với giá đơn vò điện nguồn Phí tổn tổn thất công suất phản kháng phải xét đến chúng có tác dụng đáng kể Tổn thất phản kháng tính toán phụ tải yêu cầu cực đại phần hệ thống xét Chi phí tổn thất phản kháng chi phí hàng năm thiết bò bù công suất phản kháng thiết đặt phần hệ thống nhằm tạo phí tổn việc cung cấp phản kháng 348 CHƯƠNG Hệ số tổn thất tỷ số tổn thất công suất trung bình với tổn thất công suất lúc phụ tải đỉnh Ktt = FLS = ∆Ptb ∆Pmax Với phụ tải cho, hệ số tổn thất giá trò khoảng hệ số phụ tải bình phương hệ số phụ tải: (Kpt)2 ≤ Ktt ≤ Kpt Phương trình thường dùng để xác đònh Ktt hệ thống có dạng: Ktt = a × Kpt + (1 – a) K2pt Trong phần lớn tổn thất, việc dùng hệ số tổn thất thường đủ Đôi việc dùng số tương đương tổn thất xác đònh tổn thất điện Số tương đương τ tổn thất thời kỳ tổn thất điện thời kỳ chia cho tổn thất công suất lúc phụ tải cực đại Số tương đương τ số tổng giai đoạn khảo sát nhân với hệ số tổn thất Từ suy biểu thức tổn thất tính điện năng: ∆A = ∆Ptb Τ = (Ktt ∆Pmax) T = (Ktt T) ∆Pmax = τ ∆Pmax T: tổng số giai đoạn khảo sát, ví dụ 8760 giờ/năm τ: số tương đương (còn gọi thời gian tổn thất công suất cực đại), τ = KttT 9.4 SỰ PHÂN TÁN, CÔNG SUẤT DỰ TRỮ VÀ TỔN THẤT TRÊN TỔN THẤT Do phân tán, tổn thất công suất cực đại thành phần hệ thống không trùng với phụ tải đỉnh toàn hệ thống Vì công suất yêu cầu từ tổn thất đỉnh xảy đồng thời với phụ tải đỉnh phần hệ thống đó, cần đưa hệ số dự phần vào đỉnh toàn hệ thống Tổn thất không đổi, tổn thất sắt máy biến áp, coi trùng với phụ tải đỉnh tất phần hệ thống Đối với tổn thất điện trở, tổn thất đồng máy biến áp hệ số dự phần đỉnh tổn thất bình phương hệ số dự phần đỉnh phụ tải cung cấp qua máy biến áp Việc tính toán đưa vào hệ số đồng thời hệ số dự phần đỉnh đỉnh không ổn đònh thời gian dài Hệ số đồng thời ước lượng từ tỷ số hệ số phụ tải phần tử hệ thống xét với hệ số phụ tải toàn hệ thống Lấy ví dụ, hệ số phụ tải tải tiêu thụ 15% hệ số phụ tải hệ thống 50% Hệ số đồng thời phụ tải cho bởi: 15/50 = 0,30 Bình phương hệ số đồng thời gần với hệ số dự phần đỉnh tổn thất: (0,3)2 = 0,09 Đối với phần tử hệ thống, tổn thất công suất tính toán phụ tải cực đại phần tử hệ thống xét Việc tăng công suất tải phần khác hệ thống yêu cầu để bù vào tổn thất lượng phụ tải tăng thêm tổn thất xem phần phụ tải tổng phần tử hệ thống vào thời gian có phụ tải đỉnh Tổn thất điện (kWh) tính với hệ thống xét cách nhân tổn thất công suất (kW) lúc phụ tải cực đại với hệ số tổn thất tổng số khoảng thời gian tính tổn thất tổn thất công suất (kW) lúc phụ tải cực với số tương đương τ Đối 349 GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN với tổn thất không đổi liên tục, tổn thất sắt máy biến áp kWh tổn thất điện tổn thất kW không đổi nhân với tổng số giai đoạn Đầu tư cho tổn thất đỉnh kể vào công suất dự trữ tính phần trăm phụ tải đỉnh Tổn thất xảy phần hệ thống điện, gây phụ tải phụ thêm phần khác hệ thống ngược trở lại nguồn Giá trò thành phần công suất điện phải bao gồm tác dụng tích lũy số gia tổn thất gọi “tổn thất tổn thất” thành phần qua phần hệ thống điện Bảng sau cho ví dụ điển hình tổn thất tổn thất tổn thất (theo phần trăm) Phần hệ thống Tổn thất (%) Tổn thất tổn thất (%) Truyền tải trạm 2,25 2,25 – – – Phân phối sơ cấp 2,00 4,25 2,0 – – Máy biến áp phân phối 0,50 4,75 2,5 0,5 – Phân phối thứ cấp 3,0 7,75 5,5 3,5 3,0 Đoạn cung cấp cho khách hàng điện kế 1,0 8,75 6,5 4,5 4,0 8,75 Bảng hiểu sau: kW tổn thất phân phối sơ cấp làm xuất 1,0225 kW tổn thất phần truyền tải kW tổn thất phần phân phối thứ cấp làm xuất 1,0475 kW tổn thất phần phía trước Càng nhiều tổn thất phía khách hàng gây nhiều tổn thất tổn thất phần hệ thống ngược phía nguồn 9.5 TÍNH KINH TẾ CỦA VIỆC GIẢM TỔN THẤT, LI ÍCH CHO CÔNG TY 9.5.1 Tổn thất truyền tải phân phối Trong trình phân phối điện từ nhà máy đến phụ tải, tổn thất không tránh khỏi tính chất điện việc đo lường điện hệ thống điện Tổn thất bao gồm tổn thất truyền tải phân phối (tổn thất T D) Đònh nghóa suất tổn thất điện phần trăm tổn thất điện đònh nghóa sau: ∆A% = ∆A tổn thất A truyền tải − A bán 100% = 100% A truyền tải A truyền tải điện truyền tải A điện lại sau trừ tổng điện phát với điện tự dùng nhà máy Tổn thất T D chia làm tổn thất truyền tải trạm từ đầu truyền tải đến đầu phân phối tổn thất phân phối từ đầu phân phối đến đầu tiêu thụ (H.9.2): 9.5.2 Đánh giá đơn giản công tác giảm tổn thất Hình 9.2 Cần thiết phải liệt kê tác dụng công tác giảm tổn thất điện để 350 CHƯƠNG đánh giá lợi ích kinh tế giảm tổn thất mang lại Vì phụ tải có ảnh hưởng đến tổn thất cố đònh, tổn thất điện giảm thông qua việc áp dụng hệ số phụ tải để giảm tổn thất điện vào lúc phụ tải đỉnh Có nhiều phương pháp để tính toán việc giảm tổn thất điện có lẽ phương pháp hợp lý đánh giá chi phí nhiên liệu việc cung cấp điện Ví dụ lượng điện bán 56310 triệu kWh, điện tổn thất 3509 triệu kWh, phần trăm tổn thất điện ∆A% = 3509 100% = 5,87% trước có biện pháp giảm tổn thất Nếu thực giảm 56310 + 3509 tổn thất 0,01% tổn thất điện năng, nghóa ∆A% = 5,77% tương ứng với tổn thất điện = 56310 − 56310 = 3448 triệu kWh, tiết kiệm 3509 – 3488 = 61 trieäu kWh − 0, 0577 Qui đổi lượng điện tổn thất đầu phát (đầu sản xuất) với giả thiết tổn thất 5,87% cấp truyền tải phân phối 5,64% tự dùng nhà máy Có kết sau: 61 triệu kWh × 1 x = 69 trieäu kWh − 0, 0587 − 0, 0564 Giảm tổn thất 0,1% có nghóa giảm điện sản xuất 69 triệu kWh từ giảm chi phí nhiên liệu sản xuất 9.6 CÁC BIỆN PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG Công tác chống tổn thất tiến hành thông qua việc phân tích tổn thất hệ thống, thiết lập biện pháp phòng chống tổn thất đánh giá tác dụng biện pháp Công ty điện lực tổ chức giám sát mặt kỹ thuật hành Các nhiệm vụ chủ yếu bao gồm: a) Phân tích đánh giá tổn thất; b) Kiểm soát tổn thất hệ thống; c) Chống ăn cắp điện Tác dụng việc chống tổn thất thông qua hoạt động nói tóm lược sau 9.6.1 Chống tổn thất thông qua cải tạo lưới điện a) Phát triển trục hệ thống truyền tải Xây dựng đường dây truyền tải xuyên qua vùng nước có cấp điện áp 110 kV, 154 kV, 220 kV, 345 kV, 500 kV b) Xây dựng nhà máy trạm trung tâm phụ tải Phần lớn điện cung cấp từ nhà máy xa trung tâm phụ tải Xây dựng nhà máy nhiệt điện lớn gần tâm phụ tải cải thiện cân đối việc điều độ hệ thống Điều làm giảm phân chia công suất đường dây dài, góp phần giảm tổn thất truyền tải phân phối c) Đơn giản hóa cấp điện áp Chẳng hạn miền Nam cấp điện áp 66 kV thay cấp 110 kV cấp điện áp 110 kV, 220 kV lưới truyền tải nhằm mục đích giảm tổn thất d) Thay đường dây phân phối trung áp hạ áp biến đổi hệ thống phân phối pha thành ba pha GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 351 Các đường dây cũ bò tải phụ tải phát triển thay dây dẫn có đường kính lớn cải thiện đường dây ba pha 220 V thành điện áp 380 V Các đường dây pha mạng nông thôn khoảng cách dài nên gây sụt áp tổn thất điện chuyển đổi thành đường dây ba pha e) Đặt tụ bù để nâng cao cosϕ đường dây Hệ số công suất thấp gây phụ tải động cảm ứng, với tính cảm đường dây Điều gây sụt áp lớn tổn thất điện nhiều đường dây Tụ điện bù ngang đường dây dùng nơi cần điều chỉnh cosϕ cao sở việc đo hệ số công suất đường dây phân phối Các nơi tiêu thụ có động bắt buộc phải đặêt tụ điện lực, cosϕ cuối đường dây yêu cầu từ 0,85 đến 0,95, phụ tải có cosϕ thấp bò phạt với giá tiền điện cao Gần đây, đồ điện gia dụng có hệ số công suất thấp, chẳng hạn đèn huỳnh quang đặt tụ điện bù cosϕ từ nơi sản xuất Tuy vậy, vấn đề đặt cho máy phát điện có cosϕ dung (cosϕ sớm) vào lúc phụ tải cực tiểu, kết hợp với dòng điện điện dung đường dây truyền tải cao áp siêu cao áp dẫn đến tự kích máy phát vấn đề cần nghiên cứu f) Giảm tổn thất máy biến áp phân phối Tổn thất sắt máy biến áp phân phối chiếm phần lớn tổng tổn thất Việc dùng máy biến áp có tổn thất sắt thấp (lõi sắt cuốn) thay cho máy biến áp cũ làm giảm tổn thất đáng kể 9.6.2 Chống tổn thất thông qua cải thiện điều kiện vận hành a) Giảm tổn thất thông qua điều độ kinh tế hệ thống Với khả dự trữ sẵn có nhà máy điện để đảm bảo chất lượng điện điện áp tần số, việc điều độ hệ thống thực điều độ trung tâm điều độ đòa phương Tác dụng vận hành kinh tế hệ thống điện giảm tổn thất điện (một ràng buộc vận hành) qua việc trì điện áp ổn đònh hệ thống, điều khiển máy phát nhằm cân công suất hệ thống, cực tiểu công suất phản kháng phát nhà máy b) Cung cấp trực tiếp điện áp cao đến phụ tải Các phụ tải công suất lớn có số lượng ngày tăng kết kinh tế phát triển nhanh khuyến khích nhận điện trực tiếp từ điện áp cao qua trạm biến áp phân phối đặt nơi tiêu thụ Điều làm giảm tổn thất tránh tổn thất điện cung cấp qua nhiều cấp điện áp, chẳng hạn phát triển cấp điện áp 110 kV, 35 kV, để dễ dàng nối đến phụ tải lớn cấp diện áp thay cung cấp từ cấp điện áp 6, 10, 15, 22 kV c) Giảm tổn thất thông qua cải thiện hệ số phụ tải Hệ số phụ tải gọi hệ số điền kín phụ tải Khi hệ số phụ tải hệ thống thấp, khả phát để cung cấp cho phụ tải cực đại lớn Điều có nghóa phải đầu tư nhiều cho nguồn lưới tổn thất công suất tỷ lệ với bình phương cường độ dòng điện từ mà tăng lên Hệ số phụ tải cải thiện nâng lên làm cho đồ thò phụ tải phẳng 352 CHƯƠNG cách hạn chế sử dụng điện vào cao điểm chuyển sang sử dụng vào thấp điểm, thay đổi qui trình sản xuất phụ tải công nghiệp để có đồ thò phụ tải hợp lý Điều dễ dàng làm theo ý muốn công ty điện lực, có cách điều chỉnh lại giá bán điện theo nghóa bán giá cao vào lúc phụ tải đỉnh giá thấp vào lúc phụ tải cực tiểu để người tiêu thụ điện ý thức kế hoạch sử dụng điện cho họ d) Giảm diện tích trung bình phân phối điện kWh điện phụ tải yêu cầu tăng lên Trong vùng cho trước, việc tăng công suất tiêu thụ có nghóa giảm khoảng cách tải điện truyền tải diện tích vùng phân phối cho kWh điện cung cấp xây dựng thêm nhiều trạm biến áp vùng giảm tổn thất điện Tất nhiên điều khó đạt cố gắng công ty điện lực nhằm giảm tổn thất điện Đây kiểu giảm tổn thất tự nhiên mà yếu tố giảm tổn thất yêu cầu sử dụng điện tăng lên nhanh chóng Với lý mà trạm biến áp phân phối đặt nơi thích hợp có tác dụng giảm tổn thất tương tự 9.6.3 Công tác giảm tổn thất tổn thất phi kỹ thuật Tổn thất phi kỹ thuật bao gồm ăn cắp điện, tổn thất khác thời điểm đo lường, tổn thất sai số việc tính toán tổn thất hệ thống phân phối a) Chống ăn cắp điện Vấn đề quan trọng tổn thất phi kỹ thuật cần có biện pháp mặt kỹ thuật hành Có thể nâng chiều cao đoạn dây nối từ đường dây vào nhà, dùng xà dài để tránh câu móc điện dùng dây cáp bọc từ chỗ nối đến điện kế để tránh móc điện trái phép phía trước công tơ, dùng loại công tơ chống quay ngược Công tơ điện lắp đặt bên thay bên nhà b) Kiểm tra chặt chẽ điện kế Để quản lý bán buôn không bò sai sót, biện pháp tích cực thực trước hết chỉnh đònh lại điện kế chạy sai, thay công tơ hoạt động sai Thứ hai giám sát đònh kỳ công tơ điện, kiểm tra máy biến dòng đặt phụ tải lớn, đặt đèn tín hiệu để báo đứt dây chì máy biến điện áp đo lường, kiểm tra đấu nối vào công tơ để tránh mắc sai đầu dây vào công tơ, kiểm tra điện kế tiến hành nơi tiêu thụ mà trạm điện, nhà máy điện để tránh sai sót phân tích tổn thất 9.7 NÂNG CAO cosϕ ϕ ĐƯỜNG DÂY Phụ tải mạng điện phần lớn động không đồng có cosϕ thấp Với công suất tác dụng cung cấp cho phụ tải, hệ số công suất thấp công suất kháng tải đường dây lớn tạo tổn thất công suất tác dụng phản kháng đáng kể Ví dụ mạng điện H.9.3 với phụ tải P + jQ 353 GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Hình 9.3 Tổn thất công suất tác dụng phản kháng: ∆P = P2 + Q2 U2 R ∆Q = P2 + Q2 U2 X (9.1) Bây đặt phụ tải tụ điện tónh hay máy bù đồng để phát lượng công suất phản kháng Qbù công suất kháng tải đường dây giảm xuống Q –Qbù theo H.9.4 Hình 9.4 Tổn thất công suất tác dụng phản kháng sau đặt tụ bù: ∆P = P2 + (Q − Q buø )2 U R ∆Q = P2 + (Q − Q buø )2 U2 X (9.2) Sau bù cosϕ đường dây nâng cao cosϕ phụ tải cũ không nâng cao Tụ bù ngang hệ thống cung cấp điện có nhiệm vụ sau: - Đảm bảo công suất kháng cung cấp cho vùng phụ tải từ nguồn phát điện giữ giới hạn hợp lý; - Tránh tải đường dây hay máy biến áp nguồn nơi đặt tu;ï - Nâng cao hệ số công suất phần mạng điện nguồn nơi đặt tụ; - Giảm tải máy phát; - Giảm tổn thất công suất tác dụng tổn thất điện năng; - Giảm tổn thất phản kháng; - Giảm tổn thất điện áp Tụ điện thiết bò bù công suất phản kháng nâng cao hệ số công suất hệ thống Việc cải thiện thực máy bù đồng hay máy bù tónh Máy bù đồng thường đặt đầu nhận đường dây tải điện dài, có khả phát hay thu công suất kháng Trong mạng phân phối dùng tụ bù phổ biến tổn thất tụ nhỏ (từ đến watt/kVAr tùy theo nhà chế tạo), lắp đặt đơn giản, bảo trì Tác dụng nâng cao hệ số công suất Xét mạch điện phân phối hình tia đơn giản (H.9.5): 354 CHƯƠNG Hình 9.5: Đường dây hình tia – Ảnh hưởng hệ số công suất đến sụt áp đường dây Bù ngang cách mắc song song tụ điện đầu nhận nhằm nâng cao hệ số công suất đầu nhận (cũng nâng cao cosϕ đường dây) trình bày H.9.6: Hình 9.6: Tác dụng nâng cao cosϕ đường dây tụ bù ngang Giả thiết điện áp đầu nhận giữ không đổi cách thay đổi điện áp đầu phát Điện áp pha đầu phát cho phương trình: U 2P = (U N cos ϕN + RI)2 + (U N sin ϕN + X L I)2 Toån thất công suất tác dụng: ∆P = RI2 10–3 kW = PN2 U 2N R cos ϕN 10−3 kW (9.3) (9.4) (9.5) đó: P N (kW) công suất tác dụng đầu nhận UN (kV) điện áp đầu nhận Từ đồ thò vectơ phương trình có nhận xét sau: a) Sụt áp - Ảnh hưởng sụt áp cảm kháng đáng kể tỷ số X/R đường dây lớn hệ số công suất phụ tải nhỏ Ảnh hưởng giảm hệ số công suất lớn - Nếu hệ số công suất trở nên sớm, trò số điện áp đầu phát UP giảm xuống với góc hệ số công suất sớm lớn (cosϕ sớm nhỏ) UP nhỏ điện áp đầu nhận UN Tuy nhiên, điện áp đầu nhận không cao đầu phát khoảng – 6% hệ số công suất đầu nhận nhiều tính dung b) Tổn thất công suất Tổn thất công suất đường dây giảm cosϕN tăng cuối giảm đến trò số:  PN2 ∆P =   U R  R.10−3   kW 376 CHƯƠNG ∂ (Giảm∆A ) ∂c Từ x =1 = có c = k’pt (9.93) - Công suất tụ bù: QC = k’pt Qtt (9.94) 9.12.4 Giảm tổn thất điện có xét chi phí đặt tụ bù Xét đoạn đường dây có đặt vò trí tụ bù Tổng tiền tiết kiệm sau đặt tụ bù (chẳng hạn năm): Σ$ = tiết kiệm giảm tổn thất điện năm + tiết kiệm chi phí vận hành năm nguồn phát để bù vào tổn thất công suất tính theo phần trăm tiền đầu tư nguồn phát - Chi phí vận hành hàng năm tụ bù tính theo phần trăm tiền đầu tư tụ bù = 3RI12cx[(2–x)k’pt + xλk’pt –c].T.K1 + 3RI12cx[(2–x) + xλ – c ] K2 – c.QmaxΣ.K3 = RQ2max U + ' cx  (2 − x)k 'pt + xλk pt − c  T.K RQ2max U2 (9.95) cx [ (2 − x) + xλ − c ] K – cQmax.K3 (9.96) Xác đònh vò trí tối ưu đặt tụ bù cách lấy đạo hàm bậc cho không: RQ2max ∂ (Σ$) RQ2max ' '   = T K 2k ( λ − ) x + 2k − c + K [ 2(λ − 1) x + − c ] = 1 pt pt  ∂x U2 U2 ⇔ 2(1–λ)x.[TK1.k’pt + K2] = [TK1.k’pt + K2] – c [TK1 + K2 ] (9.97) Suy vò trí đặt tụ: x= c[TK + K ] − ' − λ 2(1 − λ)[TK k pt + K2] (9.98) Tương tự công suất tối ưu tụ bù (hệ số bù c) cho bởi: ∂ (Σ$) RQ2max ' = TK x  (2 − x).k 'pt + xλk pt − c  − cx ∂c U2 { + ⇔ RQ 2max U2 } K {x [ (2 − x) + xλ − c ] − cx} − K 3Q max = (9.99) RQ max  ' ' ' −TK k pt + TK 1λk pt − K + K λ x + 2(TK k pt − TK 1c + K − K c).x  − K =  U2  ( ) vò: U – kV, Qmax – kVAr, R – ohm, K1 – $/kWh: tiền điện, K2 năm kW công suất nguồn phát – đơn $/kW: chi phí vận hành hàng K3 – $/kVAr: chi phí vận hành hàng năm kVAr công suất tụ bù Lưu ý nhân thêm RQ max U2 cho 10–3 để phù hợp đơn vò (9.100) Giải đồng thời hai phương trình (9.98) (9.100) để tìm x c Trình tự giải sau: - Phương trình (9.98): 377 GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Đặt: A= B= 1−λ TK + K ' 2(1 − λ )[TK k pt + K2 ] Phương trình (9.98) có dạng x = A – B.c (9.101) - Phương trình (9.100)): Đặt: C = – TK1k’pt + TK1λk’pt – K2 + K2λ D = TK1k’pt + K2 E = TK1 + K2 F= K U 103 R.Q max (9.100) coù daïng: Cx2 + 2(D –E.c)x –F = (9.102) Thay (9.101) vào (9.102) có được: C(A–Bc)2 + 2(D–Ec)(A–Bc) – F = C(A2 – 2ABc + B2c2) + 2[AD – (AE + BD)c + EBc2] – F = Saép xếp lại thành phương trình bậc hai theo c: (B2C + 2EB)c2 – 2(ABC + AE + BD)c + (A2C + 2AD – F) = hay c2 –2Gc + H = với G= ABC + AE + BD B2C + 2EB H= A 2C + 2AD − F B2C + 2EB Giải phương trình bậc hai: ∆ ’ = G2 – H ta có hai nghiệm: c1 = G – ∆ ' vaø c2 = G + ∆' Chọn nghiệm c thỏa mãn điều kiện < c < Có c thay vào (9.101) để có x Trường hợp c < có nghóa không cần bù Trường hợp c >1 chọn c = tính kiểm lại cosϕ đầu đoạn đường dây không vượt 0,95 * Nếu giải x > chọn lại x = (tụ đặt cuối đoạn) tìm c từ ∂ (Σ$) = với x =1 có ∂c được: ∂ (Σ$) RQ max 10−3 ' ' (− TK k pt = + TK k pt λ − K + K λ) + 2(TK k 'pt − TK 1c + K − K c)  − K =  ∂c U2 hay RQ max 10−3 U Suy ra: 2.(TK + K ).c = RQ max 10−3 U ( −TK k ' pt ) ' ' + TK 1λk pt − K + K λ + 2TK k pt + 2K − K 378 CHƯƠNG c= (TK k 'pt + K )(1 + λ ) 2(TK + K ) − K U 103 2(TK + K ).RQ max (9.103) * Nếu λ = (chỉ có phụ tải tập trung), tụ đặt cuối đoạn cho λ = vào biểu thức (9.103) vừa tính được: c= ' TK k pt + K2 TK + K − K U 103 2(TK + K ).RQ max (9.104) Ví dụ 9.6: Một phát tuyến phân phối 22 kV, dây AC–120 có r0 = 0,27 Ω/km, dài 10 km Phụ tải phân bố suốt đường dây có tổng công suất 8000 kVA cosϕ = 0,8 Phụ tải tập trung cuối đường dây có công suất 3000 kVA cosϕ = 0,8 Hệ số phụ tải phản kháng k’pt = 0,7 Hãy xác đònh công suất vò trí đặt tụ bù nhằm giảm tổn thất điện Cho biết thời gian đóng tụ T = 8760 giờ/năm, tiền điện 0,05 $/kWh, tiền kW công suất nguồn phát để bù vào tổn thất 300 $/kW, tiền kVAr tụ bù 5$/kVAr Chi phí hàng năm cho nguồn phát tụ điện 10% tiền đầu tư Giải Công suất kháng phụ tải tập trung: Qtt = 3000 0,6 = 1800 kVAr Công suất kháng phụ tải phân bố: Qpb = 8000 0,6 = 4800 kVAr Tổng công suất kháng đầu phát tuyến: QmaxΣ = Qtt + Qpb = 1800 + 4800 = 6600 kVAr Suy ra: λ= Q tt 1800 = = 0, 2727 Qpb + Q tt 6600 Các chi phí: K1 = 0,05 $/kWh ; K2 = 0,1 300 = 30 $/kW/naêm K3 = 0,1 = 0,5 $/kVAr/năm Điện trở toàn đường dây: R = 0,27 10 = 2,7 Ω Dùng phương trình từ (9.100) đến (9.103) có được: A = 1,38 ; B = 0,96 ; C = –244,8 ; D = 336,6 ; E = 468 ; F = 13,58 ; G = 0,96 ; H = 0,67 Giải c1 = 0,459 ; c2 = 1,459 Choïn c = c1 = 0,459 Vò trí đặt tụ: x = 0,946 hay x = 0,946 10 = 9,46 km Công suất tụ bù: QC = c QmaxΣ = 0,459 6600 = 3029,4 kVAr 9.13 PHÂN BỐ DUNG LƯNG BÙ TRONG MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP Trong mạng điện xí nghiệp, yêu cầu phải nâng cao hệ số công suất đường dây cung cấp nhằm giảm tổn thất công suất điện từ cosϕ1 lên cosϕ2 Hệ số công suất cosϕ2 379 GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN thường lấy hệ số công suất công ty điện lực qui đònh thường khoảng từ 0,8 đến 0,95 Dung lượng bù xác đònh theo công thức: Qbù,Σ = P(tgϕ1 – tgϕ2) kVAr (9.105) P – kW, công suất tính toán toàn xí nghiệp Sau tính toán dung lượng bù, vấn đế bố trí thiết bò bù mạng điện cho hiệu Tụ điện đặt mạng điện áp cao (trung áp) hay mạng điện áp thấp (hạ áp) - Tụ điện điện áp cao (10, 15, 22 kV) đặt tập trung trạm biến áp trung gian trạm biến áp phân phối hay trạm biến áp phân xưởng Việc đặt tập trung có ưu điểm dễ vận hành, thuận tiện tự động hóa điều khiển, tận dụng hết khả thiết bò bù có nhược điểm không bù công suất phản kháng mạng điện áp thấp không giảm tổn thất công suất tổn thất điện áp mạng điện áp thấp - Tụ điện điện áp thấp (0,4 kV) đặt theo ba cách: đặt tập trung điện áp thấp trạm biến áp phân xưởng, đặt thành nhóm tủ phân phối động lực hay đặt phân tán đến thiết bò điện Đặt phân tán đến thiết bò điện có lợi giảm tổn thất điện thiết bò nghỉ làm việc tụ điện nghỉ theo nên hiệu sử dụng không cao, khó quản lý Đặt tụ điện thành nhóm tủ phân phối động lực dùng nhiều hiệu suất sử dụng cao, giảm tổn thất mạng điện áp cao lẫn điện áp thấp Nhược điểm khó theo dõi vận hành thực tự động hóa điều chỉnh dung lượng bù Đặt tập trung điện áp thấp trạm biến áp phân xưởng có ưu điểm giảm tổn thất qua máy biến áp, thích hợp dung lượng bù lớn dễ thực tự động điều chỉnh dung lượng bù để ổn đònh điện áp Nhược điểm phương pháp không giảm tổn thất mạng điện áp thấp Phân phối dung lượng bù mạng hình tia biết tổng dung lượng bù Bài toán đặt là, mạng điện hình tia có n nhánh (H.9.25), tổng dung lượng cần bù Qbù,Σ, phân phối dung lïng bù tổng đến phụ tải nhánh cho tổn thất công suất tác dụng mạng Hình 9.25 Gọi Qbù1, Qbù2, , Qbùn công suất kháng cần bù, r1, r2, , rn điện trở nhánh tia Tổn thất công suất tác dụng công suất phản kháng gây tính sau: ∆P = (Q1 − Q bu1 )2 U2 r1 + (Q2 − Q bu2 )2 U2 r2 + + (Qn − Q bun )2 U2 rn = f(Qbuø1, Qbuø2, , Qbuø,n) (9.106) Cực tiểu hàm f với điều kiện ràng buộc: ϕ(Qbù1, Qbuø2, , Qbuøn) = Qbuø1 + Qbuø2 + + Qbùn – QbùΣ = (9.107) Để tìm cực tiểu hàm f dùng phương pháp thừa số Lagrange gọi λ với hàm mục tiêu: F = f(Qbuø1, Qbuø2, , Qbuøn) + λϕ(Qbuø1, Qbuø2, , Qbuøn) (9.108) 380 CHƯƠNG Điều kiện để ∆P cực tiểu thỏa điều kiện ràng buộc đạo hàm riêng F theo Qbù,I phải không: 2(Q1 − Q bù1 ) ⋅ r1 ∂F =− +λ =0 ∂Q buø U2     2(Q2 − Q buø ) ⋅ r2 ∂F =− + λ =  ∂Q buø2 U    2(Qn − Q buø ,n ) ⋅ rn  ∂F =− + λ = 0 ∂Q bù , n U  (9.109) Giải hệ phương trình có được: λ 2(Q1 − Q bù1 )  =  r1 U2  λ 2(Q2 − Q buø )  =  r2 U2    λ 2(Qn − Q buø ,n )  =  rn U2  (9.110) Cộng phương trình (9.110) vế với vế: 1 1 λ  + + +  = ( Q1 + Q + + Q n ) − ( Q buø1 + Q buø + + Q buø ,n )  rn  U  r1 r2 = Suy ra: đó: λ= U2 U2 ( QΣ − Q buøΣ ) ( QΣ − Q buΣ ) Rtñ (9.111) (9.112) QΣ = Q1 + Q2 + + Qn : tổng công suất kháng phụ tải QbùΣ: tổng dung lượng bù −1 1 1 Rtđ =  + +  : điện trở tương đương n nhánh hình tia rn   r1 r2 Thay (9.112) vào (9.109) có được: ( QΣ − Q bùΣ )  R tđ  r1  ( QΣ − Q buøΣ )  Q buø = Q2 − R tñ  r2     Q buø n = Qn − ( QΣ − Q buøΣ ) R tđ  rn  Q bù = Q1 − (9.113) Ví dụ 9.7: Cho mạng điện xí nghiệp 10 kV cung cấp cho năm phân xưởng có sơ đồ thay hình tia H.9.26 Mỗi phụ tải cung cấp từ trạm phân phối trung tâm qua đường cáp trạm biến áp phân xưởng 10/0,4 kV 381 GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Phụ tải tính toán phân xưởng điện trở máy biến áp phân xưởng cho bảng: Tên trạm Phụ tải phân xưởng, Stt RB (kVA) (Ω Ω) B1 600 + j400 1,5 B2 450 + j600 1,5 B3 500 + j500 1,5 B4 400 + j300 B5 300 + j300 Điện trở đường cáp điện trở tổng nhánh tia cho bảng: Nhánh RB (Ω Ω) RC (Ω Ω) R= RB + RC 1,5 0,0368 1,5368 1,5 0,0515 1,5515 1,5 0,0735 1,5735 0,0588 3,0588 0,0882 3,0882 Hình 9.26 Hãy xác đònh dung lượng cần bù trạm biến áp phân xưởng để nâng cosϕ xí nghiệp lên 0,95 Giải Công suất tính toán cosϕ toàn xí nghiệp: Stt = 2250 + j2100 kVA cosϕ1 = buø: 2250 22502 + 21002 = 0, 73 Để nâng cao hệ số công suất từ cosϕ1 = 0,73 lên cosϕ2 = 0,95, tổng công suất kháng cần QbùΣ = Ptt(tgϕ1 – tgϕ2) = 2250(0,935 – 0,33) = 1350 kVAr 382 CHƯƠNG Điện trở tương đương toàn mạng: Rtđ = = 0,389 Ω 1 1 + + + + R1 R R R R AÙp dụng công thức (9.113) xác đònh dung lượng bù trạm biến áp phân xưởng: Qbù1 = 400 – (2100 – 1350) 0, 389 = 210 kVAr 1, 5368 Qbuø2 = 600 – (2100 – 1350) 0, 389 = 412 kVAr 1, 5515 Qbuø3 = 500 – (2100 – 1350) 0, 389 = 315 kVAr 1, 5735 Qbuø4 = 300 – (2100 – 1350) 0, 389 = 206 kVAr 3, 0588 Qbuø5 = 300 – (2100 – 1350) 0, 389 = 207 kVAr 3, 0882 Kieåm tra lại Qbù1 + Qbù2 + Qbù3 + Qbù4 + Qbù5 = Q bùΣ = 1350 kVAr Phân phối dung lượng bù mạng hình tia liên thông biết tổng dung lượng cần bù Giả thiết có mạng hình tia liên thông gồm ba phụ tải H.9.27 Tổng dung lượng cần bù Qbù,Σ phân bố đến phụ tải cho tổn thất công suất mạng Hình 9.27 Hình 9.28 Hình 9.29 Vì tổn thất đoạn R01 không đổi phương án đặt thiết bò bù nên vẽ sơ đồ thay H 9.28 nút với giả thiết điện áp nút phụ tải m (đẳng thế) với R’đt1 = [(R23 + R3) // R2 ] + R12 (9.114) 383 GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Áp dụng công thức tính dung lượng bù cho mạng hình tia có được: [(q1 + q + q ) − Q bΣ ].R dt1 R1 Qb1 = q1 – (9.115) đó: Rđt1 = R’đt1 // R1 Sau tính dung lượng bù cho phụ tải tổn thất công suất đoạn 12 không phụ thuộc vào phương án phân bố dung lượng bù tổng (QbΣ – Qb1) cho phụ tải và tương tự có sơ đồ thay hình tia nút (H.9.29) Áp dụng công thức tính dung lượng bù cho mạng hình tia có được: [(q + q ) − (Q bΣ − Q b1 )].Rdt2 R2 Qb2 = q2 – ñoù R’ñt2 = R23 + R3, (9.116) Rñt2 = R’ñt2 // R2 Cuối cùng: Qb3 = q3 – [(q + q ) − (Q bΣ − Q b1 )].Rñt2 R 'ñt2 = QbΣ – (Qb1 + Qb2) (9.117) 9.14 PHÂN BỐ KINH TẾ CÔNG SUẤT TRONG MẠNG ĐIỆN KÍN Giả sử mạng điện kín H.9.30 Công suất phân bố tự nhiên đoạn cho bởi: * * S1* Sb (Z2 + Z3 ) + Sc Z3 = Z1 + Z2 + Z3 S*3 Sc (Z1 + Z2 ) + Sb Z1 = (dấu * số phức liên hiệp) Z1 + Z2 + Z3 (9.118) vaø: * * (9.119) Với mạng điện không đồng (tỷ số r0/x0 khác đoạn đường dây) phân bố công suất tự nhiên khác với phân bố công suất kinh tế Phân bố công suất kinh tế ứng với tổn thất công suất tác dụng mạng Tổn thất công suất tác dụng mạng điện cho bởi: ∆P = ∆P = S12 U2 R1 + P12 + Q12 U2 S22 U2 R2 + R1 + S23 U2 P22 + Q 22 U2 R3 R2 + P32 + Q32 U2 R3 Thay: P2 = P1 – p b ; Q2 = Q1 – qb P3 = – (P1 – pb – pc) ; Q3 = – (Q1 – qb – qc) vào biểu thức ∆P ∆P = P12 + Q12 U2 R1 + (P1 − p b )2 + (Q1 − q b )2 U2 R2 + (P1 − p b − pc )2 + (Q1 − q b − q c )2 Toån thất công suất tác dụng mạng khi: U2 R3 384 CHƯƠNG 2(P1 − p b ) 2(P1 − p b − p c ) ∂∆P 2P1 = R1 + R2 + R3 = ∂P1 U U U2 2(Q1 − q b ) 2(Q1 − q b − q c ) ∂∆P 2Q1 = R1 + R2 + R3 = ∂Q1 U U U2 Giải hệ phương trình có được: và: P1,ktế = p b (R2 + R3 ) + pc R R1 + R + R (9.120) Q1,kteá = q b (R2 + R3 ) + q c R R1 + R + R (9.121) S1,ktế = P1,ktế + jQ1,ktế Đó điều kiện phân bố kinh tế công suất mạng điện Nếu tổng trở đường dây điện trở hay mạng điện đồng (tỷ số r0/x0 giống đoạn đường dây) phân bố công suất tự nhiên trùng với phân bố công suất kinh tế Đối với mạng điện không đồng để chuyển phân bố tự nhiên phân bố kinh tế mạch vòng kín phải đặt thêm sức điện động phụ để tạo dòng công suất cân Scb chạy luân lưu mạch vòng kín Hình 9.30: Phân bố công suất mạng điện kín Scb = S1,ktế − S1 (9.122) Nếu tổng trở mạch vòng kín Z = Z1 + Z2 + Z3 = R + jX để tạo dòng công suất cân cần phải có sức điện động bằng: , ecb ∗ S cb Z (Pcb − jQcb )(R + jX ) = = = e'cb ± je''cb (tính theo điện áp dây) Udm Udm (9.123) e’cb thành phần pha với điện áp gọi sức điện động doïc e'cb = Pcb R + Qcb X Udm (9.124) e’’cb thành phần lệch pha với điện áp mạng điện góc +900 hay –900 gọi sức điện động ngang e''cb = Pcb X − Qcb R U dm (9.125) Mặt khác, viết dòng điện cân sau: Icb = ecb 3Z = e'cb ± je''cb 3Z (9.126) Đối với đường dây tải điện cao áp, dây dẫn có tiết diện lớn, thường R nhỏ nhiều so với X, viết gần sau: Icb = e'cb ± je''cb jX (9.127) 385 GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Biểu thức (9.127) cho thấy mạng điện kín R