Nghiên cứu đánh giá hiện trạng và đề xuất một số giải pháp cải thiện chất lượng điện áp trong lưới điện trung áp tỉnh Thái Nguyên

Nghiên cứu đánh giá hiện trạng và đề xuất một số giải pháp cải thiện chất lượng điện áp trong lưới điện trung áp tỉnh Thái Nguyên

Mở đầu

Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, tốc độ độ công nghiệp hoá tăng nhanh, nhu cầu về điện năng ngày càng lớn đòi hỏi ngành Điện phải đi trước một bước để tạo cơ sở cho sự phát triển của nền kinh tế Cùng với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân là những yêu cầu ngày càng khắt khe của khách hàng về chất lượng điện năng Ngành Điện phải thực hiện những kế hoạch phát triển nguồn và lưới phù hợp với nhu cầu của phụ tải và cải tạo nâng cấp những khu vực hiện có, đề ra những biện pháp vận hành hợp lý để nâng cao chất lượng điện năng, tăng công suất truyền dẫn để có thể đáp ứng ngày càng tốt hơn những đòi hỏi ngày càng cao về sản lượng cũng như chất lượng điện năng đồng thời tiết kiệm chi phí, giảm tổn thất và nâng cao hiệu quả kinh tế cung cấp và sử dụng điện Đó là một nhiệm vụ hết sức khó khăn, trong đó việc nâng cao chất lượng điện năng ở lưới điện phân phối có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng điện năng và chỉ tiêu kinh tế chung của toàn hệ thống

Với lưới điện phân phối việc đáp ứng những yêu cầu về chất lượng điện năng gặp không ít khó khăn, đặc biệt đối với lưới điện 6kV và 10kV xuất phát từ các trạm trung gian 35/6kV và 35/10kV không có hệ thống điều áp dưới tải Sự phát triển mạnh mẽ của phụ tải điện ảnh hưởng đến chất lượng điện năng trong lưới điện phân phối biểu hiện dễ nhận thấy là chất lượng điện áp

Với đề tài “ Nghiên cứu đánh giá hiện trạng và đề xuất một số giải pháp cải thiện chất lượng điện áp trong lưới điện trung áp tỉnh Thái

cứu của mình vào việc đảm bảo chỉ tiêu chất lượng điện áp trong lưới điện phân phối có nhiều cấp điện áp nhưng không có hệ thống điều áp dưới tải tại các trạm trung gian

Luận văn bao gồm 4 chương, trong đó tại Chương 1 tác giả giới thiệu tổng quát về hiện trạng và triển vọng phát triển cùng với những yêu cầu xuất phát từ thực tế về chất lượng điện năng của lưới điện tỉnh Thái Nguyên,

Chương 2 trình bày lý thuyết chung về chất lượng điện năng, các chỉ tiêu chất lượng điện năng tại một số quốc gia và của Việt Nam, chú trọng phân tích chỉ tiêu độ lệch điện áp, diễn biến của điện áp trong lưới điện phân phối và các phương pháp điều chỉnh độ lệch điện áp

Chương 3 tiến hành khảo sát, đánh giá thực trạng chất lượng điện áp tại một số nút chính trong lưới điện phân phối tỉnh Thái Nguyên Trong chương này luận văn cũng nghiên cứu các phương pháp tính toán đánh giá chất lượng điện áp (CLĐA) tại các nút phụ tải theo chỉ tiêu tổng quát (CTTQ) cùng với các giải pháp cải thiện chất lượng điên áp phù hợp với đặc điểm của lưới điện phân phối tỉnh Thái Nguyên

Trên cơ sở các phương pháp tính toán tác giả đã thành lập các thuật toán để tính toán kiểm tra CLĐA tại các nút của lưới điện phân phối đơn giản và trình bày những nét cơ bản của chương trình phần mềm Conus sẽ được sử dụng tại Chương 4 khảo sát các sơ đồ lưới điện phân phối phức tạp trong thực tế vận hành

Chương 4 nghiên cứu áp dụng chương trìnhConus để tính toán khảo sát CLĐA và đề xuất một số giải pháp cải thiện CLĐA trong lưới điện phân phối tỉnh Thái Nguyên

Tác giả chân thành gửi lời cảm ơn tới TS Nguyễn Mạnh Hiến và các thầy cô của Bộ môn Hệ thống điện trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo giúp tác giả hoàn thành luận văn Cảm ơn các đồng nghiệp đã giúp đỡ trong công việc để tác giả có thời gian học tập, thu thập số liệu viết luận văn

Do thời gian có hạn và kiến thức còn nhiều hạn chế nên luận văn chắc chắn còn nhiều khiếm khuyết Tác giả chân thành mong muốn nhận được sự chỉ bảo góp ý của thầy cô và các đồng nghiệp cùng bạn đọc quan tâm đến nội dung luận văn này

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC THÁI NGUYÊN

1.1-Cấu trúc hiện tại của lưới điện Thái Nguyên và phương hướng phát triển trong tương lai

Thái nguyên là một tỉnh miền núi trung du, nằm trong vùng trung du và miền núi Bắc bộ, diện tích tự nhiên 3.562,82 km2, dân số hiện nay là 1.046.000 người Thái Nguyên là một tỉnh không lớn, chiếm 1,13% diện tích và 1,41% dân số so với cả nước Thái Nguyên tiếp giáp với tỉnh Bắc Cạn ở phía bắc, phía tây giáp Vĩnh Phúc và Tuyên Quang, phía đông giáp các tỉnh Lạng Sơn và Bắc Giang và phía nam giáp Thủ đô Hà Nội Thái Nguyên có địa hình đa dạng bao gồm các khu vực trung du và các vùng núi

Thái Nguyên là một thành phố công nghiệp, tỷ trọng điện tiêu thụ trong sản xuất công nghiệp chiếm khoảng 70% so với tổng điện năng tiêu thụ Lưới điện phân phối hiện nay ở Thái Nguyên là lưới điện có điện áp dưới 110kV, sử dụng các cấp điện áp thông dụng như 35, 22, 10, 6kV có trung tính cách ly, trung tính nối đất trực tiếp hoặc gián tiếp qua máy biến áp tạo trung tính hoặc cuộn dập hồ quang ( cuộn Pertecxen) Lưới điện phân phối vận hành theo chế độ mạng điện hở (hình tia hoặc phân nhánh) hoặc mạch vòng nhưng vận hành hở, độ dài mỗi xuất tuyến thường không đến 100km Nguồn cấp cho các xuất tuyến phân phối chủ yếu do các trạm 110kV hoặc 220kV và các trạm trung gian 35/10kV, 35/6kV cung cấp Do các điều kiện về địa lý, kinh tế, mức độ yêu cầu cung cấp điện của phụ tải nên lưới phân phối ở các khu vực khác nhau rất khác nhau về mật độ phụ tải, chiều dài đường dây, công suất truyền dẫn cũng như tổn thất điện áp, điện năng và độ tin cậy cung cấp điện

Lưới điện phân phối ở khu vực Thái Nguyên có thể đại diện cho lưới phân phối nói chung vì nó gồm nhiều khu vực có tính chất phụ tải đa dạng: phụ tải công nghiệp tập trung, phụ tải sinh hoạt và sản xuất nhỏ ở đô thị, phụ tải nông thôn, phụ tải sinh hoạt miền núi Lưới 35kV và 22kV được cấp trực tiếp

từ các trạm 110kV hoặc 220kV Với cấp điện áp 10kV và 6kV, một số đường dây được cấp trực tiếp từ các trạm 110kV cho các phụ tải cao áp hoặc khu công nghiệp tập trung, phần còn lại từ các trạm trung gian 35/6kV hoặc 35/10kV

Nguồn cấp điện khu vực Thái Nguyên hiện tại là 7 trạm 110kV, 01 trạm 220kV và nhà máy nhiêt điện Cao Ngạn công suất 100MW (xem H 1.1 - Sơ đồ lưới điện 220-110kV) Các trạm 110kV và 220kV đều có hệ thống điều áp dưới tải, điện áp đầu nguồn của các xuất tuyến phân phối thường giữ cố định Ngoài các trạm 110kV và 220kV còn có 10 trạm trung gian 35/6kV hoặc 35/10kV cấp điện cho các phụ tải hỗn hợp và một số trạm trung gian chuyên dùng cấp cho các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp (xem H 1.2 - Sơ đồ lưới điện trung áp) Các trạm trung gian đều không có hệ thống điều áp dưới tải, điện áp thanh cái đầu ra của các trạm trung gian phụ thuộc phụ tải và điện áp đầu nguồn cấp từ các trạm 110kV Phụ tải của các trạm 110kV rất đa dạng, do các đường dây cấp cho các khu vực có tính chất khác nhau như phụ tải sinh hoạt, phụ tải sản xuất ban ngày, phụ tải sản xuất 3 ca nên biểu đồ phụ tải của các đường dây rất khác nhau Hơn nữa, do quy định tính giá điện vào các giờ cao điểm ngày, cao điểm đêm và thấp điểm chênh lệch nhau lớn nên các xí nghiệp, nhà máy sử dụng công suất lớn thường sản xuất vào giờ thấp điểm để giảm giá thành, vì vậy giá trị Pmax và Pmin của các đường dây chênh lệch lớn song đồ thị phụ tải toàn trạm khu vực hoặc toàn tỉnh tương đối bằng phẳng

Do nhu cầu sản xuất phát triển nên lưới điện tỉnh Thái Nguyên có mức tăng trưởng khá lớn, bình quân trong 5 năm gần đây là 21% mỗi năm Với mức độ tăng trưởng như vậy và căn cứ nhu cầu sử dụng điện của các dự án đang và sẽ triển khai, từ nay đến năm 2010 sẽ phải xây dựng thêm 03 trạm biến áp 110kV so với 7 trạm hiện có và tăng thêm công suất của nhà máy điện Thái Nguyên để đáp ứng yêu cầu của phụ tải Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện, ngành điện đang tiến hành hiện đại hoá các trạm khu vực ở cấp điện áp 110, 220kV bằng cách thay thế các

thiết bị cũ bằng những thiết bị có công nghệ tiên tiến như máy cắt khí SF6, máy cắt chân không và các rơ le bảo vệ kỹ thuật số Điện áp trung thế cũng có sự thay đổi vê cấp điện áp, sẽ chú trọng phát triển lưới điện trung áp ở cấp điện áp 35kV và 22kV hạn chế xây dựng các đường dây 6kV hoặc 10kV Cấp điện áp 6kV và 10kV sẽ chỉ dùng để cấp điện cho các phụ tải cao áp như động cơ cao áp, lò điện hồ quang hoặc các nhà máy công nghiệp nặng

1.2-Các thông số vận hành của lưới điện thành phố Thái Nguyên

Bảng 1.1 Thông số phụ tải tỉnh Thái Nguyên 6 tháng đầu năm 2007:

Điện năng tiêu thụ ngày cao nhất 3.452.630 kWh Điện năng tiêu thụ trung bình ngày 2.728.382 kWh Điện năng tiêu thụ ngày thấp nhất 2.257.530 kWh

Tổng công suất tiêu thụ trong toàn tỉnh thay đổi theo mùa và theo các ngày trong tuần do ảnh hưởng của thời tiết và sản xuất Vào các ngày thứ bảy và chủ nhật, công suất tiêu thụ giảm do các nhà máy, xí nghiệp, công sở giảm công suất Các ngày làm việc công suất tiêu thụ tăng do ảnh hưởng của sản xuất công nghiệp Cũng do ảnh hưởng của sản xuất công nghiệp nên cao điểm ngày vào khoảng 10h00 tăng mạnh và lớn hơn cao điểm tối Do có nhiều cơ sở sản xuất làm 3 ca nên biểu đồ phụ tải ngày toàn tỉnh tương đối bằng phẳng

Những nhận xét trên được rút ra từ các số liệu thu thập tại trạm 220kV Thái Nguyên (xem H 1.3 - Sơ đồ trạm 220kV Thái Nguyên), trên các đường dây xuất tuyến của trạm và tại các trạm trung gian 35/6kV, trạm hạ áp

35/0,4kV và 6/0,4kV trên một số đường dây của trạm 220kV Quan Triều Thông số đo đạc tại trạm 220kV Quan Triều được thể hiện ở các trang sau

Sơ đồ lưới 110kV

Sơ đồ trạm Quan Triều

Sơ đồ đz 381

Sơ đồ TG Chùa Hang

Bảng 1.2 Phụ tải trung bình tỉnh Thái Nguyên tháng 6/2007 Giờ Ptb CN và thứ 7 Ptb thứ 2,3,4 Ptb thứ 5,6

Đồ thị phụ tải trung bình tỉnh Thái nguyên tháng 6/2007

123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Ptb CN và thứ 7Ptb thứ 2,3,4Ptb thứ 5,6

Bảng 1 3THÔNG SỐ PHỤ TẢI TRUNG BÌNH CÁC ĐƯỜNG DÂY CỦA TRẠM 220(110)kV QUAN TRIỀU TRONG THÁNG 6/2007

giờ U35 kV Quan Triều Quan Triều (MW) Tổng P 35kV I 381 (A) I 372 (A) I 373 (A)

Th«ng sè trung b×nh c¸c DZ ®o t¹i tr¹m 220(110)KV Quan triÒu th¸ng7/2007

12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24-50.00100.00150.00200.00250.00300.00350.00400.00450.00

U35KV Quán triềuTổng P 35KV Quán triềuI 381(A)

I 372(A)I 373(A)

TRẠM TRUNG GIAN CHÙA HANG TRONG THÁNG 6/2007

U6kV (kV) I 631 (A) I675 (A) I 673 (A) I 677(A)

6.50 115.23 63.00 5.54 45.93 6.50 115.12 63.50 5.54 45.64 6.50 115.08 63.86 5.00 45.68 6.50 115.14 63.25 5.36 45.25 6.30 115.11 150.71 5.64 45.57 6.30 260.46 150.75 20.86 90.96 6.30 260.86 150.36 20.57 90.71 6.30 260.82 150.07 20.68 90.43 6.30 260.50 150.64 20.14 90.75 6.30 260.75 150.32 20.96 90.68 6.30 260.18 150.11 20.75 90.39 6.30 260.86 150.93 20.71 90.18 6.30 260.39 150.04 20.68 90.21 6.30 260.32 150.00 20.61 90.68 6.30 260.61 150.96 20.54 90.11 6.30 260.89 150.86 20.54 90.57 6.30 260.39 150.39 20.29 90.57 6.30 345.07 210.07 25.36 110.75 6.30 345.93 210.93 25.00 110.21 6.30 345.46 210.68 25.79 110.89 6.40 345.36 210.43 25.71 110.68 6.50 345.71 210.43 25.71 110.00 6.50 130.93 70.25 5.68 55.93 6.50 130.18 70.46 5.00 55.61

1.3-Đánh giá tình hình vận hành của lưới điện Thái Nguyên

Qua các thông số đo đạc ở trên và ở phần phụ lục ta có nhận xét sau: -Độ chênh lệch giữa Pmax và Pmin trên các đường dây khá lớn Tỷ số Pmin/Pmax của các đường dây dao động từ 15% 25%

-Chế độ max của các đường dây có tính chất công nghiệp thường trùng với chế độ min của các đường dây có tính chất sinh hoạt, công sở

-Đồ thị phụ tải đầu nguồn các trạm 220(110)kV tương đối bằng phẳng

-Công suất sử dụng cũng như điện năng tiêu thụ vào các ngày nghỉ như thứ 7 và chủ nhật có giảm so với các ngày làm việc từ thứ 2 đến thứ sáu nhưng không đáng kể

-Tổn thất điện áp trên đường dây 35kV khá nhỏ

-Chất lượng điện áp tại các điểm cuối đường dây 6kV vào thời điểm max không đạt yêu cầu thể hiện ở đường dây 675 trạm trung gian Chùa Hang, tổn thất điện áp trên lộ 675 Chùa Hang quá lớn

Các kết quả đo đạc thực tế trên một số đường dây cũng phù hợp với các số liệu thống kê thông số vận hành của toàn bộ lưới điện khu vực Thái Nguyên Ta nhận thấy chất lượng điện năng không đồng đều ở các khu vực khác nhau

Các khu công nghiệp nặng như Gang thép, khu công nghiệp Sông Công, Gò Đầm hầu hết đạt yêu cầu về độ lệch điện áp nhưng có hiện tượng dao động điện áp, sóng hài trên một số đường dây hoặc trạm

Các khu vực phụ tải sinh hoạt đô thị, công sở như thành phố Thái Nguyên, trung tâm các thị xã, thị trấn chất lượng điện năng đạt yêu cầu

Khu vực nông thôn, miền núi, phụ tải chủ yếu là sinh hoạt, chất lượng điện năng không đạt yêu cầu, biểu hiện ở độ lệch điện áp thường vượt ra ngoài tiêu chuẩn

Các khu vực sản xuất công nghiệp nặng do vận hành lò hồ quang, lò trung tần, khởi động những động cơ công suất lớn sinh ra dao động điện áp, sóng hài, độ không sin và biến đổi tần số ở một số đường dây và trạm biến áp

Đường dây cấp điện cho các phụ tải này thường ngắn, có sơ đồ hình tia và xuất phát trực tiếp từ các trạm 110kV có điều áp nên độ lệch điện áp đạt yêu cầu Nhưng cũng do trở kháng đường dây nhỏ, dung lượng máy biến áp không lớn nên dao động điện áp trên các đường dây có phụ tải đặc biệt dễ gây ảnh hưởng đến điện áp của các phụ tải nối chung thanh cái thứ cấp trạm 110kV

Khu vực thành phố Thái Nguyên và trung tâm các thị xã, thị trấn, chất lượng điện năng đạt yêu cầu ở hầu hết các trạm phân phối do đường dây ngắn, phụ tải ít chênh lệch giữa cao điểm và thấp điểm Các đường dây cấp cho các phụ tải này thường xuất phát trực tiếp từ các trạm 220(110kV) Tuy nhiên trên một số đường dây hạ áp có hiện tượng dao động điện áp do những phụ tải của các xưởng sản xuất nhỏ gây nên khi sử dụng máy hàn hoặc khởi động động cơ Những đường dây dài, cấp điện cho các phụ tải hỗn hợp gồm những xí nghiệp sản xuất một ca, sinh hoạt, công sở và các đường dây cấp điện cho các khu vực nông thôn, miền núi độ lệch điện áp không đạt yêu cầu Nguyên nhân do điện áp đầu nguồn các trạm 220(110)kV thường duy trì ở một giá trị cố định nhưng giữa phụ tải chế độ max và phụ tải chế độ min có độ chênh lệch lớn Đầu phân áp ở các trạm phân phối thường được đặt theo kinh nghiệm nên thường chỉ đạt độ lệch điện áp theo yêu cầu với mức tải trung bình nhưng không đáp ứng được chỉ tiêu độ lệch điện áp trong chế độ max hoặc min Điều này cũng xảy ra cả với những trạm biến áp cấp điện cho phụ tải đô thị và công nghiệp

Ở các đường dây có sử dụng máy biến áp trung gian không có điều áp dưới tải (33/10kV hoặc 35/6kV) thì độ lệch điện áp hầu hết không đạt yêu cầu Với những đoạn đường dây vận hành ở cấp điện áp 35kV thì tổn thất điện áp trên đường dây không lớn, độ lệch điện áp không đảm bảo chủ yếu do giá trị điện áp đầu nguồn các trạm có điều áp dưới tải 220(110)kV không phù hợp ở các chế độ max, min, nhưng với cấp điện áp 6kV và 10kV tổn thất điện áp trên đường dây có giá trị đáng kể, đặc biệt với với những đường dây dài Hơn nữa,

máy biến áp trung gian tạo thành một trở kháng tương đương khá lớn nối tiếp trên đường dây làm tăng tổng trở tương đương của đường dây dẫn từ trạm khu vực có điều áp (220kV hoặc 110kV) đến phụ tải 0.4kV, vì vậy làm trầm trọng hơn độ chênh lệch điện áp tương đối giữa chế độ max và min

Để đảm bảo chất lượng điện năng cần phải nghiên cứu chi tiết rất nhiều vấn đề Trong các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng thì độ lệch điện áp ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu kinh tế của lưới điện Với cấu trúc phức tạp của lưới điện phân phối và những diễn biến đa dạng của độ lệch điện áp cần phải có sự nghiên cứu kỹ lưỡng trước khi tiến hành những hiệu chỉnh cần thiết để nâng cao chỉ tiêu chất lượng, tiết kiệm kinh phí đầu tư Đáp ứng những đòi hỏi xuất phát từ thực tế vận hành lưới điện phân phối, luận văn này sẽ nghiên cứu các phương pháp đánh giá chất lượng điện năng của lưới điện, xây dựng chương trình tính toán trên máy tính, áp dụng nghiên cứu chất lượng điện áp ở lưới phân phối có nhiều cấp điện áp [110kV 35kV 6(10)kV 0.4kV] và đề xuất các biện pháp cải tạo để nâng cao chất lượng điện áp

CHƯƠNG 2

LÝ THUYẾT CHUNG VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ ĐIỀU CHỈNH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

2.1 Chất lượng điện năng

Lưới điện được đánh giá theo 4 tiêu chuẩn chính: 1-An toàn điện

2-Chất lượng điện năng 3-Độ tin cậy cung cấp điện 4-Hiệu quả kinh tế

Chất lượng điện áp là một chỉ tiêu trong tiêu chuẩn chất lượng điện năng, nó được đánh giá bởi các chỉ tiêu sau:

1-Độ lệch điện áp trên cực của thiết bị dùng điện so với điện áp định mức 2-Độ dao động điện áp

H 2.1: Dạng sóng điện áp lý tưởng và các thay đổi của điện áp

a Dạng sóng điện áp lý tưởng

b Các dạng thay đổi của sóng điện áp

Các xung nhọn, xung tuần hoàn và nhiễu tần số cao có tính chất khu vực Nó được sinh ra một số do quá trình phóng điện của các thu lôi, do tác động đóng cắt của các van điện tử công suất, do hồ quang của các điện cực vì vậy chỉ có thể lan truyền trong phạm vi và thời điểm nhất định Cũng như vậy sự biến đổi tần số thường do các lò trung, cao tần sinh ra và mức độ lan truyền cũng không lớn Đối với hiện tượng điện áp thấp và điện áp cao thì có thể xảy ra ở mọi nơi và xuất hiện dài hạn

Để ngăn ngừa các hiệu ứng có hại cho thiết bị của hệ thống cung cấp trong một mức độ nhất định, luật và các quy định khác nhau đã tồn tại trong các vùng khác nhau để chắc rằng mức độ của điện áp cung cấp không được ra ngoài dung sai đã quy định Các đặc tính của điện áp cung cấp được chỉ rõ trong các tiêu chuẩn chất lượng điện áp thường được mô tả bởi tần số, độ lớn, dạng sóng và tính đối xứng của điện áp 3 pha Trên thế giới có sự dao động tương đối rộng trong việc chấp nhận các dung sai có liên quan đến điện áp Các tiêu chuẩn luôn luôn được phát triển hợp lý để đáp lại sự phát triển của kỹ thuật, kinh tế và chính trị

Bởi vì một vài tình tiết ảnh hưởng đến điện áp cung cấp là ngẫu nhiên trong thời gian và không gian (vị trí) nên một vài đặc trưng có thể được mô tả trong các tiêu chuẩn với các tham số tĩnh để thay thế cho các giới hạn đặc biệt Một khía cạnh quan trọng trong việc áp dụng các tiêu chuẩn là để xem xét ở nơi nào và ở đâu trong mạng cung cấp, các đặc tính của điện áp là định mức Tiêu chuẩn châu Âu EN50160 chỉ rõ các đặc điểm của điện áp ở các đầu cuối cung cấp cho khách hàng dưới các điều kiện vận hành bình thường Các đầu cuối cung cấp được định nghĩa là điểm kết nối của khách hàng nối vào hệ thống cộng cộng

EN50160 chỉ ra rằng, trong các thành viên của Eropean Communities - Cộng đồng Châu Âu, dải biến đổi giá trị hiệu dụng (RMS) của điện áp cung cấp trong 10 phút (điện áp pha hoặc điện áp dây) là Vn ± 10% với 95% thời gian trong tuần Với hệ thống 3 pha 4 dây, Vn = 230 V giữa pha và trung tính Nói đúng ra, điều này có nghĩa là mỗi tuần có hơn 8 giờ không có giới hạn cho giá trị của điện áp cung cấp Cũng có một số chỉ trích rằng dung sai điện áp Vn ± 10% là quá rộng Đến năm 2006, điện áp danh định và dung sai có thể sẽ khác, các giá trị đã bắt đầu cao hơn phù hợp hơn với HD472S1 Trong thời gian chuyển tiếp, các vùng có hệ thống 220/380V có thể sẽ đưa ra điện áp 230/400 V +6%/-10%, các vùng khác có hệ thống 240/415V sẽ đưa ra điện áp 230/400 V +10%/-6%

Tần số của hệ thống cung cấp phụ thuộc sự tương tác giữa các máy phát và phụ tải, giữa dung lượng các máy phát và nhu cầu của phụ tải Điều này có nghĩa là sẽ khó khăn hơn cho các hệ thống nhỏ, cô lập, để duy trì chính xác tần số so với các các hệ thống nối liền đồng bộ với một hệ thống lân cận Trong Eropean Communities - Cộng đồng Châu Âu tần số danh định (định mức) của điện áp cung cấp được quy định là 50Hz Theo EN50160 giá trị trung bình của tần số cơ bản đo được trong thời gian hơn 10s với hệ thống phân phối nối liền đồng bộ với một hệ thống lân cận là 50Hz±1% trong suốt 95% thời gian trong

tuần và 50Hz+4% /-6% trong 100% thời gian trong tuần Hệ thống phân phối không nối liền đồng bộ với một hệ thống lân cận có dải dung sai tần số là ±2% Dung sai tần số của EN50160 cũng giống với quy định hiện thời của các nước thành viên

Trong một series nghiên cứu về sự mức độ thay đổi điện áp ở khách hàng, một công ty điện lực Anh đã ghi lại các giá trị điện áp cực đại và cực tiểu của một số khách hàng mỗi giờ một lần Từ các thông tin giá trị trung bình của điện áp cực đại và cực tiểu trên khách hàng vẽ được đồ thị như hình H 2.2:

H 2.2: Sự thay đổi của điện áp trên phụ tải trong ngày

Từ đồ thị biểu diễn trên ta nhận thấy sự phụ thuộc của giá trị điện áp vào các thời điểm trong ngày, hay nói khác hơn là phụ thuộc vào quy luật hoạt động của phụ tải

Tại Việt Nam, chất lượng điện năng được quy định trong Luật Điện lực, Quy phạm Trang bị điện và Tiêu chuẩn kỹ thuật điện (TCKTĐ) như sau:

1-Về điện áp:

Trong điều kiện vận hành bình thường, điện áp được phép dao động trong khoảng 5% so với điện áp danh định và được xác định tại phía thứ cấp của máy biến áp cấp điện cho bên mua hoặc tại vị trí khác do hai bên thỏa thuận trong hợp đồng khi bên mua đạt hệ số công suất (cos ) 0,85 và thực hiện đúng biểu đồ phụ tải đã thỏa thuận trong hợp đồng

Trong trường hợp lưới điện chưa ổn định, điện áp được dao động từ +5% đến -10%

2-Về tần số: trong điều kiện bình thường, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi 0,2Hz so với tần số định mức là 50Hz Trường hợp hệ thống chưa ổn định, cho phép độ lệch tần số là 0,5Hz

3-Trong trường hợp bên mua cần chất lượng điện năng cao hơn tiêu chuẩn quy định tại các khoản 1 và 2, điều này, các bên phải thỏa thuận trong hợp đồng

Với các quy định trên ta nhận thấy tiêu chuẩn chất lượng điện năng của nước ta khá cao so với tiêu chuẩn của cộng đồng châu Âu

Lưới điện khu vực Thái Nguyên có tất cả những biến động của điện áp như đã mô tả ở trên Điện áp thấp thường thấy ở các khu vực cuối các đường dây dài cấp điện cho các khu vực nông thôn, vùng núi Điện áp cao xuất hiện tại các phụ tải gần đầu nguồn do điều áp dưới tải không phù hợp, do đặt đầu phân áp chưa hợp lý, hoặc do vận hành quá bù ở các trạm phân phối gần đâu nguồn Dao động điện áp, xung điện áp, sóng hài, thường xuất hiện tại các khu vực công nghiệp Gò Đâm, Sông Công, Gang Thép do quá tải các máy biến áp phân phối, do vận hành các lò hồ quang điện, lò trung tần để sản xuất thép

2.2 Độ lệch điện áp

2.2.1 Độ lệch điện áp tại phụ tải

Điện áp thực tế trên cực của các thiết bị điện so với điện áp định mức V

U là điện áp thực tế trên cực thiết bị điện Độ lệch điện áp phải thoả mãn điều kiện:

là giới hạn trên và giới hạn dưới của độ lệch điện áp

Tiêu chuẩn về độ lệch điện áp của các nước khác nhau là khác nhau Luật Điện lực, Quy phạm Trang bị điện và Tiêu chuẩn kỹ thuật điện quy định điện áp (thường được xác định tại điểm đo đếm) dao động ±5% so với điện áp định mức trong chế độ vận hành bình thường và +5%, -10% so với điện áp định mức với lưới chưa ổn định

Vậy độ lệch điện áp trong chế độ vận hành bình thường là:

2.2.2 Độ lệch điện áp trong lưới hạ áp

Lưới phân phối hạ áp cấp điện cho hầu hết thiết bị điện Trong lưới phân phối hạ áp chỗ nào cũng có thể đấu nối thết bị sử dụng điện, vì vậy trong toàn bộ lưới phân phối hạ áp và trong mọi thời gian, điện áp phải thoả mãn tiêu chuẩn:

δU- xt

với x - địa điểm; t- thời gian

Song ta thấy rằng có hai vị trí và hai thời điểm mà ở đó chất lượng điện áp đáp ứng yêu cầu thì tất cả các vị trí còn lại và trong mọi thời gian sẽ đảm bảo đạt yêu cầu về độ lệch điện áp Đó là điểm đầu lưới (điểm B) và điểm cuối lưới (điểm A) trong hai chế độ max và min của phụ tải

Phối hợp các điều kiện trên ta lập thành 4 tiêu chuẩn, trong đó quy ước số 1 chỉ chế độ max, số 2 chỉ chế độ min:

UUB 2

Ta biết rằng:

Miền CLĐA Trạm phân phối Lưới hạ áp

A B

UH2

UH1

1 3

2

Chuyển UH1 và UH2sang hai vế:

Ta nhận thấy nếu 2 bất phương trình trên thoả mãn vế trái thì 2 bất phương trình sau cũng thoả mãn, còn nếu 2 bất phương trình sau thoả mãn vế phải thì 2 phương trình trên cũng thoả mãn, do đó tiêu chuẩn CLĐA chỉ còn là:

UU

thể rút ra cách thức cải thiện điện áp Ví dụ với đường 2 điện áp không đạt yêu cầu song ta có thể cải thiện bằng cách thay đổi đầu phân áp cố định của máy biến áp phân phối, cụ thể là dùng nấc điện áp ra cao hơn, đường điện áp sẽ tịnh tiến lên trên và đi vào miền CLĐA Trong trường hợp của đường 3 thì không thể thay đổi đầu phân áp cố định để cải thiện CLĐA được vì nếu đạt trong chế độ max thì chế độ min sẽ quá áp, nếu đạt trong chế độ min thì chế độ max điện áp sẽ thấp Trong trường hợp này ta chỉ có thể dùng biện pháp xoay ngang đường điện áp bằng các biện pháp như điều áp dưới tải ở các trạm biến áp, dùng tụ có điều chỉnh, hoặc tăng tiết diện dây dẫn để giảm tổn thất điện áp

2.2.3-Diễn biến của điện áp trong lưới điện

Xét lưới điện phân phối như trên H 2.5

H 2.5: Diễn biến điện áp dọc theo lưới điện

Ở chế độ max, nhờ bộ điều áp dưới tải ở các trạm 110kV nên điện áp đầu nguồn đạt độ lệch E1 so với điện áp định mức Khi truyền tải trên đường dây

trung áp, điện áp sụt giảm một lượng là UTA làm điện áp thanh cái đầu vào máy biến áp phân phối giảm xuống (đường 1), nhưng tại máy biến áp phân phối có các đầu phân áp cố định nên điện áp có thể tăng lên (hoặc giảm, tuỳ theo vị trí đầu phân áp) đến điện áp Ep1, ở đầu ra của máy biến áp phân phối điện áp giảm xuống do tổn thất điện áp UB1 trong máy biến áp phân phối Đến điểm A ở cuối lưới phân phối hạ áp điện áp giảm xuống thấp hơn nữa do tổn thất UH1 trên lưới hạ áp

Ở chế độ min cũng tương tự, ta có đường biểu diễn điện áp là đường 2 Nếu đường điện áp nằm trọn trong miền chất lượng điện áp (miền gạch chéo) thì CLĐA đạt yêu cầu, ngược lại là không đạt, cần phải có các biện pháp điều chỉnh

Áp dụng tiêu chuẩn (1) ta có thể đánh giá được chất lượng điện áp tại các nút cung cấp điện cho phụ tải và có thể chọn được đầu phân áp thích hợp với cấu trúc lưới phân phối và các thông số vận hành cho trước Song với tiêu chuẩn này ta không so sánh được hiệu quả của các biện pháp điều chỉnh điện áp và không thể lập mô hình tính toán để giải trên máy tính điện tử Để khắc phục ta đưa ra tiêu chuẩn tổng quát sau:

Từ sơ đồ trên ta có thể lập các biểu thức tính toán:

U

Tiêu chuẩn (5) cho phép đánh giá chất lượng điện áp của toàn lưới hạ áp tại điểm B là thanh cái ra của máy biến áp hạ áp khi đã biết tổn thất điện áp trong lưới hạ áp ở chế độ max ΔU1 và chế độ min ΔU2

Tiêu chuẩn này được vẽ trên hình H 2.7 với trục ngang là độ lệch điện áp ΔUB1 chất lượng điện áp được đảm bảo khi UB1 nằm trong miền gạch chéo giữa

U- + ΔU1 + ε và U+ - ε

2.3 Các phương pháp điều chỉnh độ lệch điện áp

Trong các công thức (4) ta nhận thấy tất cả các thành phần đều có thể thay đổi để điều chỉnh chất lượng điện áp

Để điều chỉnh điện áp ta có thể áp dụng các phương pháp sau:

1-Điều chỉnh điện áp đầu nguồn E1 và E2 bằng cách điều áp dưới tải tự động hoặc bằng tay ở các trạm 110(220)kV

2-Đặt đúng đầu phân áp cố định của máy biến áp phân phối để đạt độ tăng thêm điện áp Ep

3-Lựa chọn tiết diện dây dẫn hợp lý để điều chỉnh tổn thất điện áp trên lưới trung áp và hạ áp U trên lưới trung áp và hạ áp phải nhỏ hơn tổn thất điện áp cho phép tương ứng UTACP và UHACP

Đó là 3 biện pháp chính được phối hợp sử dụng để điều chỉnh điện áp Trong những trường hợp riêng mà các biện pháp này không đạt hiệu quả thì có thể áp dụng các biện pháp phụ thêm là:

4-Bù công suất phản kháng ở phụ tải 5-Bù dọc trên đường dây trung áp

6-Dùng các máy biến áp chuyên dùng để tự động điều chỉnh điện áp Bộ các đại lượng E, Ep và UTACP, UTACP quyết định chất lượng điện áp, chúng được xác định đồng bộ với nhau Ở mỗi hệ thống điện, theo điều kiện riêng, các đại lượng này có giá trị khác nhau

CHƯƠNG 3:

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN

PHÂN PHỐI TỈNH THÁI NGUYÊN

Trong chương này luận văn sẽ tìm hiểu và đánh giá lại điện áp một số nút chính trên lưới điện phân phối tỉnh Thái Nguyên, nghiên cứu các phương pháp tính toán đánh giá chất lượng điện áp và các giải pháp cải thiện chất lượng điện áp phù hợp với đặc điểm của lưới điện tỉnh Thái Nguyên Trong chương này luận văn cũng giới thiệu về ứng dụng phần mền tính toán lưới điện Conus vào việc tính toán lưới điện khảo sát

3.1 Kiểm tra độ lệch điện áp của các trạm hạ áp trên lưới Thái Nguyên

Với phương pháp tính truyền thống về diễn biến điện áp trên lưới trung áp đã trình bày ở trước, ta có thể xét các chỉ tiêu chất lượng điện áp trên các nút như sau:

Do đo đạc và tính toán ta biết: E1, E2, UTA1, UTA2, UH1, UH2, UB1, UB2, Pmin, Pmax Từ các số liệu này tính UB1, UB2 sau đó xây dựng đồ thị chất lượng điện áp

Miền chất lượng điện áp bị chặn trên bởi U+

và chặn dưới bởi đường nối hai điểm: UUH2, Pmin và UUH1, Pmax

Xác định điểm UB2, Pmin và UB1, Pmax , nối lại ta được đường điện áp Dựa trên đường điện áp này để phân tích kết quả và rút ra kết luận điều chỉnh

Với giả thiết rằng lưới phân phối hạ áp là tốt, và tổn thất điện áp lưới hạ áp là:

H

Ta sẽ nghiên cứu riêng lưới phân phối trung áp và đề ra các biện pháp nhằm đáp ứng độ lệch điện áp là 5% trên phụ tải

Vậy tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điện áp là:

Bảng 3.1 ĐIỆN ÁP TRÊN THANH CÁI HẠ ÁP CÁC TRẠM HẠ ÁP (35/0,4 kV) KHU VỰC VÕ NHAI TẠI CÁC CHẾ ĐỘ PHỤ TẢI CỰC ĐẠI VÀ CỰC TIỂU (cos = 0,8)

Bảng 3.2 ĐIỆN ÁP TRÊN THANH CÁI HẠ ÁP CÁC TRẠM HẠ ÁP KHU VỰC ĐỒNG HỶ Ở CÁC CHẾ ĐỘ PHỤ TẢI CỰC ĐẠI VÀ CỰC TIỂU (cos = 0,78)

Bảng 3.3

Tên trạm

Điện áp 0,4kV ở chế

độ min (%)

Điện áp 0.4kV ở chế

độ max (%)

Dòng điện chế độ max (A)

Điện năng (kWh)

H 3.1 Đồ thị chất lượng điện áp của một số trạm đo tại thanh cái hạ áp

Từ đồ thị ta nhận thấy trạm Đồng ruộng đạt yêu cầu chất lượng điện áp so với quy định của TCKTĐ

Các trạm còn lại không đạt yêu cầu khi vận hành ở chế dộ max song ta có thể cải thiện bằng cách thay đổi nấc phân áp của máy biến áp phân phối, điện áp sẽ đạt yêu cầu

Đặc biệt trạm Na Mọ điện áp đạt yêu cầu ở chế độ min nhưng ở chế độ max điện áp quá thấp Với trạm này thay đổi đầu phân áp không đạt kết quả mong muốn do đường đặc tính quá dốc, có thể cải thiện điện áp bằng các đặt một thiết bị bù ở phụ tải

Một số trạm cấp điện hạ áp phục vụ phụ tải hỗn hợp sinh hoạt và công sở, các phụ tải được đấu nối ở mọi nơi trên đường dây 0,4kV Vi vậy phải xét đến tổn thất điện áp trên lưới hạ áp Với giả thiết sụt áp trên lưới hạ áp UH1 = 5%; UH2 = 2,5%; ta lập đồ thị chất lượng điện áp ở một số trạm sinh hoạt khu vực Đồng Hỷ

Bảng 3.4

Tên trạm

Điện áp 0,4kV ở chế

độ min(%)

Điện áp 0.4kV ở chế

độ max (%)

Dòng điện chế độ max (A)

Điện năng (kWh)

Tr¹m Khe qu©nTr¹m NhÞ Hßa 2Tr¹m T©n ThÞnh

Tr¹m Trung t©m s«ng CÇu

Tr¹m ThÞ trÊn 3

H 3.2 Đồ thị chất lượng điện áp của một số trạm sinh hoạt

Các trạm 35/0.4kV đều không đạt yêu cầu chất lượng điện áp so với quy định của TCKTĐ

Điện áp ở chế độ min đạt yêu cầu nhưng ở chế độ max điện áp quá thấp Với các trạm này thay đổi đầu phân áp chỉ có tác dụng một phần và cần kết hợp với các phương pháp khác để đạt được kết quả mong muốn

Đồ thị chất lượng điện áp của một số trạm hạ áp trên đường dây 675 (Bảng 3.5) được xây dựng như sau:

Bảng 3.5 ĐIỆN ÁP TRÊN THANH CÁI HẠ ÁP CÁC TRẠM HẠ ÁP (6/0,4 kV) TRÊN ĐƯỜNG DÂY 675 TẠI CÁC CHẾ ĐỘ PHỤ TẢI CỰC ĐẠI VÀ CỰC TIỂU

độ min(%)

Điện áp 0.4kV ở chế

độ max (%)

Dòng điện chế độ max (A)

Tr¹m Xi m¨ng BTTr¹m S«ng cÇu 1

Tr¹m BÖnh viÖnPmax

Tr¹m Minh lý

H 3.3 Đồ thị chất lượng điện áp của một số trạm đo tại thanh cái hạ áp

Từ đồ thị ta nhận thấy trạm Bệnh viện đạt yêu cầu chất lượng điện áp

Trạm Xi măng BT không đạt yêu cầu khi vận hành ở chế dộ max, có thể cải thiện bằng thay đổi nấc phân áp của máy biến áp phân phối

Các trạm Sông cầu 1, Minh lý điện áp đạt yêu cầu ở chế độ min nhưng ở chế độ max điện áp quá thấp Với các trạm này thay đổi đầu phân áp không đạt kết quả

Với trạm cấp điện hạ áp phục vụ phụ tải hỗn hợp sinh hoạt và công sở đấu nối đường dây 0,4kV, ta xét đến tổn thất điện áp trên lưới hạ áp Với giả thiết sụt áp trên lưới hạ áp UH1 = 5%; UH2 = 2,5%; ta lập đồ thị chất lượng điện áp ở một số trạm sinh hoạt trên đường dây 381 Quan Triều và 675 Chùa Hang:

Bảng 3.7

Tên trạm Thị trấn 1 Thị trấn 3 Thị trấn 4 Loại máy biến áp 320-35/0,4 180-35/0,4 250-6/0,4 Điện áp 0.4kV ở chế độ min (%) 104.8 104.9 101.8

Điện năng (kWh) 570,720.0 261,432.0 284,000.0

Tr¹m ThÞ trÊn 43%

Tr¹m ThÞ trÊn 1Tr¹m ThÞ trÊn 3

H 3.4 Đồ thị chất lượng điện áp của một số trạm sinh hoạt

Kết luận: Đường đặc tính điện áp của các trạm trên cùng đường dây rất

khác nhau, không thể áp dụng chung một biện pháp điều chỉnh Vì vậy cần thiết phải tính toán toàn bộ đường dây khảo sát và phân tích đề ra các biện pháp điều chỉnh phù hợp

3.2 Các phương pháp tính toán và kiểm tra chất lượng điện áp trên lưới trung áp

3.2.1 Tính toán thông số các phần tử trên lưới phân phối

Trên lưới phân phối, các phần tử chủ yếu là máy biến áp và đường dây, nên ta chỉ xét hai phần tử này trong tính toán thông số phần tử và sơ đồ thay thế 1 Tính toán các thông số của đường dây và sơ đồ thay thế:

Trong lưới trung áp hầu hết chỉ sử dụng máy biến áp hai cuộn dây, vì vậy ta chỉ phân tích các thông số của loại máy biến áp này

Máy biến áp hai cuộn dây được thay thế bằng sơ đồ hình với các tham số Rb, Xb, Gb, Bb theo sơ đồ trên hình vẽ:

H 3.5 Sơ đồ thay thế hình

Theo cấu trúc sơ đồ hình h.11 ta có:

Zb = Rb + jXbYb = Gb + jBb

Các thông số được xác định như sau:

a, Điện trở tác dụng Rb

Tổn thất công suất tác dụng trong các cuộn dây máy biến áp được xác định từ thí nghiệm ngắn mạch:

Với Rb - tổng trở tác dụng của cuộn dây sơ và thứ cấp đã quy đổi về phía điện

21 rr

Công suất định mức của máy biến áp :

33 dm dm

Vậy

kVAkV,kW,, 1032

b, Điện kháng Xb:

Điện áp giáng trên điện kháng của máy biến áp tính theo phần trăm điện áp định mức:

Trong đó Xb - tổng điện kháng của bên sơ cấp và thứ cấp đã quy đổi về phía

21 XX

Uf - điện áp pha định mức phía cao áp Vậy ta có:

kVAkV,, 10

Điện áp ngắn mạch phần trăm so với điện áp định mức được xác định từ công thức:

22N UrUx

Nhưng với các máy biến áp công suất lớn, thành phần điện áp giáng trên điện trở rất nhỏ so với thành phần điện áp giáng trên điện kháng (UrUx), do đó

thường không xét đến Ur và lấy Ux = UN Vì vậy điện kháng của máy biến áp hai cuộn dây là:

kVAkV,, 10

c, Điện dẫn tác dụng Gb:

Tổn thất tác dụng khi không tải của máy biến áp là:

bdmGUP0 2 .

Vì vậy, điện dẫn tác dụng của máy biến áp là:

kVkW,,

d, Điện dẫn phản kháng Bb:

Vì điện dẫn tác dụng Gb rât nhỏ so với điện dẫn phản kháng nên có thể cho rằng dòng điện không tải I0chỉ chạy qua điện dẫn phản kháng Bb Khi đó công suất từ hoá máy biến áp bằng:

Qdm kV,100

Trong đó I0 là dòng điện không tải phần trăm so với dòng định mức Hơn nữa, công suất từ hoá bằng:

Nên:

kVkW,,

Điện áp trong mạng điện sai lệch không nhiều so với điện áp định mức nên ta

có thể dùng sơ đồ thay thế của máy biến áp hai cuộn dây như hình h.12 :