IV. Tổn thất điện năng trên đường dây và máy biến áp
3. Các giải pháp giảm tổn thất công suất
Có rất nhiều phương pháp để khắc phục tình trạng sụt áp trên lưới phân phối, hoặc giữ điện áp phân phối trong khoảng thay đổi cho phép. Nghĩa là nâng điện áp lên khi điện áp ở trạm giảm vượt ra ngoài định mức và ngược lại giảm điện áp xuống khi điện áp ở trạm tăng vượt định mức. Muốn giữ cho điện áp nằm trong phạm vi cho phép tốt nhất là kết hợp nhiều biện pháp điều chỉnh khác nhau:
Điều áp ngay tại máy phát.
Sử dụng thiết bị điều chỉnh điện áp dưới tải tại các trạm phân phối.
Đặt tụ bù tại các trạm phân phối.
Phân phối đều hơn các phụ tải trên các phát tuyến
Tăng tiết diện đường dây phân phối.
Chuyển một số các phụ tải qua các phát tuyến mới.
Xây dựng các trạm mới và các phát tuyến mới.
Nâng cao cấp điện áp phân phối.
Sử dụng máy điều áp dọc đường dây phân phối.
Đặc tụ bù song song trên các phát tuyến.
Đặt tụ bù nối tiếp trên các phát tuyến.
Tăng cấp điện áp.
Sự chọn lựa một hay kết hợp nhiều giải pháp với nhau tùy thuộc vào yêu cầu của từng phát tuyến. Tuy vậy trong thực tế giải pháp sử dụng máy điều áp tại các vị trí thích hợp tỏ ra là hữu hiệu và tiết kiệm.
a. Điều áp ở nhà máy điện:
Ơû các mạng điện nhỏ, chỉ có một nhà máy điện, ta có thể hoàn toàn dựa vào việc thay đổi điện áp ở các nhà máy điện đặt trong nhà máy đó để đạt tới mức điều chỉnh điện áp cần thiết phù hợp với yêu cầu của các hộ dùng điện, khi phụ tải lớn ta nâng điện áp của nhà máy phát điện lên, và ngược lại khi phụ tải nhỏ ta hạ điện áp ở nhà máy phát điện xuống. Nghĩa là luôn giữ điện áp ở phía phụ tải gần với điện áp định mức. Hoặc với một độ lệch điện áp tương đối nhỏ nào đó không vượt quá phạm vi cho phép.
Kinh nghiệm cho ta thấy ở mạng điện nhỏ, phương pháp điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi điện áp của máy phát ở nhà máy điện là thích đáng và thông thường giúp ta giữ được độ lệch điện áp ở các hộ tiêu thụ không vượt quá phạm vi cho phép.
điện áp khác nhau hoặc hệ thống điện gồm nhiều nhà máy điện kết nối lại với nhau.
b. Thiết bị điều chỉnh điện áp dưới tải:
Do tính chất kinh tế - kỹ thuật của các thiết bị tiêu thụ điện mà điện áp làm việc cho phép dao động trong một phạm vi hẹp, điện áp thấp nhất xảy ra trên các thiết bị điện khi phụ tải lớn nhất và điện áp cao nhất khi phụ tải bé nhất.
Một trong những biện pháp cơ bản để đảm bảo điện áp cần thiết trên thiết bị điện là chọn đúng đầu phân áp của máy biến áp, hay nói cách khác là ta thay đổi tỉ số k của máy biến áp để đạt được trị số yêu cầu của phụ tải.
Ví dụ: Cho sơ đồ hệ thống điện:
Trường hợp a:
Nếu hai biến áp có cùng tỉ số biến áp, do tổn thất điện áp trên đường truyền nên điện áp đặt lên cuộn sơ cấp hai máy là khác nhau, dẫn đến điện áp thứ cấp UB1, UB2 của máy TB cũng như UC1, UC2. của máy TC sẽ khác nhau và nhiều khi vượt quá giới hạn cho phép.
Trường hợp b:
Nếu tỉ số biến áp K của hai máy là khác nhau và được điều chỉnh một cách thích hợp thì điện áp ở phía thứ cấp của các máy biến áp sẽ có giá trị nằm trong giới hạn cho phép khi tải biến đổi max hay min.
Theo quy chuẩn thì tất cả các máy biến áp có công suất từ 5600KVA trở lên và có điện áp bên cao từ 35KV trở lên đều có 4 đầu phân áp phụ ở phía cuộn cao
T B C TB TC UB UC s Uc2 Ub1 Ub2 Uđm Uc1 Uđm A Ub1 Ub2 Uđm Uc1 Uđm B
Khi chuyển đầu phân áp này sang đầu phân áp bên cạnh, tỉ số biến đổi thay đổi được 2, 5%, nghĩa là điện áp cũng thay đổi được 2, 5% như vậy với máy biến áp có 4 đầu phân áp phụ thì có thể cho ta thay đổi điện áp trong phạm vi ±5% tức là với phạm vi biến thiên chung của độ lệch điện áp 10%.
Đối với máy biến áp có công suất bé hơn 5600KVA và điện áp bên cao áp bé hơn 35KV thì ngoài đầu chính còn có hai đầu phân áp phụ. Và khi chuyển từ đầu phân áp này sang đầu phân áp bên cạnh thì điện áp thay đổi được 5%.
Muốn thay đổi được đầu phân áp của các máy biến áp yêu cầu phải cắt MBA ra khỏi mạng để thao tác. Như vậy việc thao tác phải có thời gian và số lượng MBA trong hệ thống rất lớn. Vì những lý do trên mà ta không thể thay đổi thường xuyên đầu phân áp MBA được, mà cần tính toán sao cho để có thể chọn được một đầu phân áp thỏa mãn được yêu cầu về điện áp tại các hộ tiêu thụ trong các tình trạng làm việc khác nhau. -5% -2. 5% 0 +2. 5% +5% H C C H -5% 0 +5% a, b,
Hình 3.5: sơ đồ nguyên lý của MBA có đầu phân áp phụ
100V 90V 900vòn 100vòng Tă ng Ho
Theo sơ đồ hình 3.7 ta có: Vout=Vin(Tout/Tin) Tin=900+100=1000 vòng Vout=1000(900/1000) =900v Ta có Vout= Vin(Tuot/Tin) Tin=47+900=947 vòng Vout=1000(900/947)=950V. c. Giải pháp sử dụng tụ bù: Tổng quát:
Tụ bù là các phần tử thụ động với dòng qua nó sớm pha hơn điện áp một góc 900. Nhờ vậy tụ trung thế thường được dùng để bù công suất phản kháng, trong các mạch lọc các sóng bậc cao và cải thiện phần nào tình trạng sụt áp trên các đường dây phân phối.
Khi truyền công suất trên đường dây đến một phụ tải có yêu cầu công suất là: Spt=Ppt+jQpt. Dòng điện chạy trên đường dây khi đó là
U . 3 S
I pt , độ sụt áp và tổn thất công suất trên đường dây:
S3I2(RjX) 3.I(R jX). I . 3 S U
Ta thấy rằng S,U đều tỉ lệ thuận với dòng điện tải trên đường dây, và I tỉ lệ thuận với Spt, như vậy S,U nhỏ khi I giảm hay Spt giảm
Do yêu cầu công suất của phụ tải ở một thời điểm nào đó là không đổi, vậy để
950V 100V Tăng Hoặc giảm 900 vòng 47 vòng
Do tụ bù trung thế có thể cung cấp công suất phản kháng Q tại chỗ nên ta có thể thay vì truyền một lượng công suất Q đi trên đường dây người ta chỉ việc đặt tụ bù tại nơi cần bù một lượng Q. Với giải pháp sử dụng tụ bù mức độ cải thiện điện áp khoảng 3-4%Uđm
Các lợi điểm của việc dùng tụ bù:
Bù công suất phản kháng cần thiết
Cải thiện điện áp ở cuối đường dây.
Giảm bớt dòng tải trên đường dây, do đó giảm bớt dòng quá tải trên các thiết bị lắp đặt, giảm bớt độ sụt áp, giảm tồn thất.
Nâng cao hệ số công suất của hệ thống.
Nâng cao công suất cung cấp nhờ giảm bớt thành phần phản kháng trên đường dây, nâng cao hiệu quả kinh tế của lưới.
Ưu, khuyết điểm khi sử dụng tụ bù để bù công suất phản kháng và cải thiện điện áp so với các thiết bị bù khác như sau:
Ưu điểm:
Tổn thất công suất tác dụng trên bản thân tụ điện rất bé (0. 0025÷0. 005 Kw/Kvar)
Tụ điện được chế tạo thành đơn vị nhỏ nên rất linh động trong việc lắp ráp và mở rộng công suất
Sử dụng trực tiếp ở nhiều cấp điện áp khác nhau Nhược điểm:
Tụ điện nhạy cảm với sự biến động của điện áp đặt lên cực tụ điện theo một quan hệ như sau: Q=U2. 2. f. C
Khi điện áp tăng 110% Uđm tụ điện dễ bị chọc thủng.
Khi đóng tụ vào hệ thống, trong hệ thống sẽ xuất hiện dòng điện xung, ngược lại ngắt tụ điện ra khỏi hệ thống, trên cực tụ điện vẫn tồn tại điện áp.
Công suất phản kháng phát theo bậc không thể thay đổi điều chỉnh tinh được.
Hiệu ứng bù dọc và bù ngang:
Chức năng chính của tụ điện là để bù công suất phản kháng và cải thiện được điện áp tại điểm nó được lắp đặt. Tụ mắc nối tiếp (bù dọc) sẽ hiệu chỉnh trực tiếp cảm kháng của mạch mà nó được lắp đặt. Tụ mắc song song (bù ngang) cải thiện hệ số công suất và điều chỉnh điện áp.
Trước khi bù: Z=R+jXL Sau khi bù Z’=R+j(XL-XC)
Tổn thất điện áp trước khi bù: UIRcosIXLsin
. .
Tổn thất điện áp sau khi bù: U IRcosI(XLXC)sin
. .
'
Trong đó:
R: điện trở đường dây () XL: điện kháng đường dây () XC: điện dung đường dây (
1
) Cos: hệ số công suất.
Khi đặt tụ bù nối tiếp vào đường dây sẽ làm giảm và có thể triệt tiêu cảm kháng XL của đường dây. Nói cách khác tụ nối tiếp sẽ cung cấp một cảm kháng âm ngược lại với cảm kháng đường dây, do đó làm cho cảm kháng của mạch giảm xuống. Như vậy tụ nối tiếp có công dụng nâng điện áp và hệ số công suất đường dây thông qua dòng. Đối với tụ nối tiếp, điện áp sẽ tự động tăng khi tải tăng.
Rõ ràng nhận thấy U > U’ giảm tổn thất điện áp. Nhận xét:
- Khó khăn khi bù dọc nhất là đối với lưới phân phối.
- Cộâng hưởng sắt từ khi có cáp ngầm.
- Bảo vệ tụ điện chạm đất một pha rất khó do lưới phân phối thường xuyên có ngắn mạch một pha.
- Bù dọc ít ảnh hưởng đến cos
- Tăng điện áp lưới khi bù dọc, ngăn sụt áp trong hệ thống
- Gây ra hiện tượng dao động do tương tác bởi XC của tụ nối tiếp với XL
phi tuyến của máy biến áp.
- Khi máy biến áp hoạt động ở chế độ gần bảo hòa mạch từ, thì nếu có một sự dao động nhỏ về U sẽ gây ra giảm mạnh XL và nếu có bù dọc XC thì XL sẽ tiến tới gần bằng XC, dẫn tới quá điện áp trên thiết bị điện làm hỏng thiết bị điện. Bù ngang: XC IC I UR US R XL I’
Khi chưa bù ngang, tổn thất trên đường dây truyền tải ngắn có thể xấp xỉ bằng X L R . . I . X R . I Z . I U Khi bù ngang: C . . ' I I I ) X . I X . I ( R . I Z . I U 'R X L C C ' . ' '
Trong đó IC là thành phần dòng cảm kháng đi trước điện áp một góc 900
Bù ngang là những tụ điện mắc song song với những đường dây và được sử dụng rộng rãi trong hệ thống lưới phân phối. Tụ mắc song song cung cấp công suất phản kháng cho tải nhằm bù lượng công suất này cho nguồn, nó làm mất tác dụng thành phần phản kháng của dòng điện bù.Hay tụ song song là giảm đặc tính của tải bằng cách tạo ra dòng điện sớm pha, dòng điện này làm mất tác dụng một ít hay toàn bộ thành phần chậm pha của dòng tải phản kháng tại điểm đặt bù ngang.
Tính toán dung lượng cần bù theo yêu cầu cải thiện điện áp:
Đối với hình tia đơn giản, có thể dùng công thức sau để tìm dung lượng Kvar cần thiết để nâng cao điện áp tại điểm xem xét.
S 2 X V .% ) Kv ( 10 var K
kva: dung lượng của tụ bù. Kv: điện áp dây của hệ thống
%V: mức tăng điện áp mong muốn (tính bằng %) Xs: điện kháng tương đương của hệ thống
Xác định dung lượng bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất Cos:
Dung lượng bù để nâng cao hệ số công suất Cos được xác định theo công thức
1 RN, XN RD1, XD2 RD2, XD2 tải S 1(đvtđ) 2 3
1– góc ứng với hệ số công suất trung bình(Cos1) trước khi bù.
2– góc ứng với hệ số công suất (Cos2) muốn đạt được sau khi bù.
Hệ số công suất Cos2 thường lấy bằng hệ số công suất do cơ quan quản lý hệ thống điện qui định cho mỗi hệ tiêu thụ phải đạt được, thường nằm trong khoảng: Cos2 = 0,8 0,95.
Đứng về mặt tổn thất công suất tác dụng của hộ dùng điện, thì dung lượng bù có thể xác định theo quan điểm tối ưu sau đây:
Việc bù công suất phản kháng có thể tiết kiệm được một lượng công suất tác dụng là: ) k k ( Q Q . k Q k Pkt kt bù bù bù bù kt bù (3-2)
Trong đó: kkt– Đương lượng kinh tế của công suất phản kháng [ KW/KVAR}
) 2 ( . 2 bù Q Q U R Q Q P k bù kt [KW/KVAR] (3-3)
Giá trị của kkt thường nằm trong khoảng 0,02 0,12 KW/KVAR. Trong tính toán có thể lấy các giá trị như sau đối với các loại hộ dùng điện.
- Hộ dùng điện do máy phát điện cung cấp: kkt = 0,02 0,04
- Hộ dùng điện qua một lần biến áp: kkt = 0,04 0,06
- Hộ dùng điện qua 2 lần biến áp : kkt = 0,05 0,07
- Hộ dùng điện qua 3 lần biến áp: kkt = 0,08 0,12 Kbù – suất tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù [KW/KVAR] Như vậy Pkt = f(Qbù), từ đó chúng ta có thể tìm được dung lượng bù tối ưu ứng với Pkt đạt cực đại là:
bù ưu tối bù k R U Q Q 2 2 (3-4)
Qbù << Q thì có thể coi Qbù /Q0, lúc này đương lượng kinh tế của công suất phản kháng được tính theo công thức đơn giản sau:
2 2 U QR kkt (3-5) Thay vào (3-4) ta có : kt k Q R U 2 2
Từ công thức (3-5) ta thấy khi Q và R càng lớn thì kkt càng lớn, nghĩa là nếu phụ tải phản kháng càng lớn và càng ở xa trạm nguồn thì việc bù càng có hiệu quả kinh tế.
Tuy nhiên Qbù tối ưu không nhất thiết trùng với Qbù được tính theo công thức (3-1). Đứng về nội bộ hộ tiêu thụ, việc bù một lượng bằng Qbù tối ưu là kinh tế hơn cả. Song do lợi ích chung của toàn hệ thống điện, thường cơ quan quản lý hệ thống qui định hệ số công suất tiêu chuẩn mà các hộ tiêu thụ nhất thiết phải đạt
được, mặc dù đối với từng hộ dùng điện cụ thể thì Cos tiêu chuẩn đó chưa phải là tốt nhất. Vì vây, trong thực tế thường tính dung lượng bù theo công thức( 3-1).
Bù theo điều kiện kinh tế:
Bù theo điện áp thực chất là hệ quả của bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất Cos (hay bù theo công suất phản kháng yêu cầu). Cả hai phương pháp bù trên gọi là bù theo điều kiện kỹ thuật hay bù cưỡng bức. Trong thực tế người ta thường phối hợp bù kỹ thuật với bù theo điều kiện kinh tế nhằm đảm bảo tính kinh tế - kỹ thuật khi dùng tụ. Nếu bù theo điều kiện kinh tế không đảm bảo thì bắt buộc phải bù cưỡng bức. Mục đích của tính toán dung lượng bù theo điều kiện kinh tế nhằm xác định lượng Qbù là bao nhiêu, bù ở đâu, tại nút thứ (i) nào trong lưới. Để tăng lợi ích kinh tế lên tối đa theo một điều kiện kỹ thuật cho phép. Nâng dung lượng tải thiết bị dẫn đến giảm vốn đầu tư cải tạo hệ thống điện, giảm P (KW) thất thoát; giảm U dẫn đến cải thiện điện áp trên lưới. Có thể xác định được lượng Qbj để giữ Uj đạt kinh tế-kỹ thuật và Coskinh tế, tại nút thứ (i). Sau đây sẽ trình bày một số phương pháp bù theo điều kiện kinh tế hay bù tối ưu.
Cách thức 1: