1.3.2 Hệ số công suất
Hệ số công suất có ảnh hưởng lớn đến tổn thất công suất và điện áp trong lưới điện bởi nó phản ánh lượng CSPK truyền tải trên hệ thống. Vì vậy, theo Qui chuẩn quốc gia về kỹ thuật điện và Qui định hệ thống phân phối [1][2], nhà cung cấp điện năng phải bảo đảm hệ số công suất cos ≥ 0.85 tại điểm đo của bên mua điện có công suất từ 80kW trở lên hoặc có MBA từ 100kVA trở lên.
Udm U'1 U'2 U"1 U"2 B1 B3 B4 B2 a b c d 1 2 3
Trong trường hợp cos < 0.85 do tải của hộ sử dụng điện thì hộ sử dụng điện phải có biện pháp bảo đảm hệ số công suất cos ≥ 0.85.
1.3.3 Tần số
Tần số danh định của hệ thống điện quốc gia là 50Hz với độ lệch được qui định trong [1][2] như sau.
- Trong chế độ vận hành bình thường của hệ thống điện, tần số được phép dao động từ 49.8Hz đến 50.2Hz.
- Trong trường hợp sự cố đơn lẻ được phép dao động từ 49.5Hz đến 50.5Hz.
- Trong trường hợp hệ thống điện quốc gia bị sự cố nhiều phần tử, sự cố nghiêm trọng hoặc trong trạng thái khẩn cấp, cho phép tần số hệ thống điện dao động trong khoảng từ 47Hz cho đến 52Hz.
1.3.4 Sóng hài
Tổng độ méo sóng hài điện áp (THD) được xác định là tỷ số giữa điện áp hiệu dụng của sóng hài và giá trị hiệu dụng của điện áp cơ bản, biểu diễn bằng phần trăm như (1.3). Trong đó, Ui là thành phần điện áp của sóng hài bậc i, U1
là thành phần điện áp của tần số cơ bản (50Hz).
2 2 1 .100 % i U THD U (1.3)
Tổng độ méo sóng hài của điện áp ở điểm nối bất kỳ không được vượt quá những giá trị giới hạn cho trong Bảng 1.1 [1][2].
Bảng 1.1: Độ biến dạng sóng hài điện áp
TT Cấp điện áp Tổng độ méo sóng hài (%) Độ méo riêng lẻ (%)
1 (110-500)kV 3 1.5
1.3.5 Sự nhấp nháy điện áp
Mức nhấp nháy điện áp ngắn hạn (Pst) được xác định bằng phương pháp đo sử dụng thiết bị đo chuyên dùng trong khoảng thời gian là 10 phút. Pst95% là ngưỡng giá trị của Pst sao cho trong khoảng 95% thời gian đo và 95% số vị trí đo Pst không vượt quá giá trị này. Mức nhấp nháy điện áp dài hạn (Plt) được xác định từ 12 kết quả đo Pst liên tục (trong khoảng thời gian 2 giờ) theo biểu thức sau: 12 3 3 . 1 1 2 lt st j j P P (1.4) Trong điều kiện bình thường, giá trị độ nhấp nháy điện áp tại điểm đấu nối bất kỳ không được vượt quá giá trị giới hạn cho trong bảng sau [1][2].
Bảng 1.2: Giới hạn độ nhấp nháy điện áp
TT Điện áp Mức nhấp nháy cho phép
1 (110-500)kV Pst95% = 0.8; Plt95% = 0.6
2 Đến 35kV Pst95% = 1.0; Plt95% = 0.8
Cho phép đỉnh nhọn điện áp bất thường trên lưới điện phân phối trong thời gian ngắn vượt quá tổng mức biến dạng sóng hài quy định trong bảng trên, nhưng không được gây hư hỏng thiết bị của khách hàng sử dụng lưới điện phân phối.
1.3.6 Dòng ngắn mạch và thời gian loại trừ sự cố
Dòng ngắn mạch lớn nhất cho phép và thời gian loại trừ sự cố của hệ thống điện được quy định trong bảng sau [1][2]:
Bảng 1.3: Dòng ngắn mạch lớn nhất cho phép và thời gian loại trừ sự cố
TT Điện áp
Dòng ngắn mạch lớn nhất
(kA)
Thời gian loại trừ sự cố (ms)
Thời gian chịu đựng của thiết bị (s)
1 Đến 35kV 25 500 1
2 110kV 31.5 150 1
3 220kV 40 100 1
Trường hợp một số khu vực trong hệ thống điện có dòng ngắn mạch lớn nhất lớn hơn mức quy định trong Bảng 1.3thì phải có biện pháp giảm đến mức quy định. Trường hợp không thể giảm được đến mức quy định thì phải được chấp thuận của cơ quan quản lý nhà nước có thẩm quyền.
1.4 Tổn thất và vấn đề giảm tổn thất trong LĐPPTA
1.4.1 Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong LĐPP
Tổn thất điện năng trong hệ thống điện luôn luôn tồn tại do nhiều nguyên nhân khác nhau: mất mát năng lượng do hiệu ứng Joule, tổn thất từ trễ và dòng Foucault trong lõi từ của máy điện, tổn thất vầng quang trên các đường dây truyền tải điện, tổn thất do sai số trong hệ thống đo đếm, tổn thất do gian lận sử dụng… Những nguyên nhân này có thể được chia thành 2 nhóm: tổn thất kỹ thuật và tổn thất phi kỹ thuật.
Tổn thất kỹ thuật
Tổn thất kỹ thuật là tổn thất tồn tại do bản chất vật lý của các phần tử trong hệ thống điện, phản ảnh hiệu suất của hệ thống trong quá trình sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng tới nơi tiêu thụ. Các thành phần chính của tổn thất kỹ thuật bao gồm:
- Tổn thất trên điện trở của mọi phần tử có dòng điện chạy qua.Tổn thất trên điện trở của phần tử tỉ lệ với bình phương của dòng điện chạy qua phần tử đó theo biểu thức 2
.
PI R. Tuy nhiên cũng cần phải xét đến mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của phần tử bởi vì khi dòng điện tăng lên thì nhiệt độ của thiết bị cũng tăng.
- Các tổn thất không tải do phần tử mang điện áp. Tổn thất không tải xuất hiện trong các phần tử có chứa mạch từ như MBA, động cơ, điện kháng, nam châm điện, các thiết bị bù. Dạng tổn thất này thường tỷ lệ xấp xỉ với bình phương của điện áp và bao gồm các thành phần như tổn thất do hiện tượng từ trễ, tổn thất do dòng điện foucault và tổn thất do hỗ cảm giữa các phần tử.
- Tổn thất vầng quang. Tổn thất vầng quang xuất hiện trên các đường dây truyền tải điện do mất mát năng lượng vào việc ion hóa không khí xung quanh đường dây.
Ngoài ra, tổn thất kỹ thuật có thể được phân loại theo cấp điện áp: - Tổn thất ở lưới truyền tải:
+ Tổn thất trên các đường dây truyền tải (500kV, 220kV, 110kV) + Tổn thất qua MBA truyền tải
- Tổn thất ở lưới phân phối:
+ Tổn thất ở các phía cao áp lưới phân phối (35kV, 22kV, 10kV, 6kV) + Tổn thất qua MBA phân phối
+ Tổn thất ở lưới hạ áp (0.4kV)
Tổn thất phi kỹ thuật
Là tổn thất do sự chênh lệch giữa lượng điện năng sử dụng và lượng điện năng được tính tiền. Sự chênh lệch này là do sai số của thiết bị đo đếm như công tơ, máy biến dòng, do những phụ tải không được tính tiền hoặc do trộm cắp, gian lận thương mại. Tổn thất phi kỹ thuật phản ánh hiệu quả quản lý điện năng từ khâu sản xuất, truyền tải và phân phối tới khách hàng. Tổn thất phi kỹ thuật bao gồm các thành phần chính:
- Tổn thất do sai số của thiết bị đo đếm. Các thiết bị đo đếm bao gồm các máy biến dòng điện, máy biến điện áp, wattmet, công tơ, các thiết bị hiển thị cơ và số. Tổn thất điện năng có thể xuất hiện do sai số cũng như hỏng hóc của các thiết bị này. Lượng tổn thất này có thể khá lớn vì số lượng các thiết bị đo đếm được sử dụng trong HTĐ là rất nhiều.
- Tổn thất do lỗi trong việc tính toán hóa đơn điện năng tiêu thụ
- Tổn thất thương mại do quản lý (do gian lận, ăn trộm điện của người sử dụng...)
Bên cạnh các nguyên nhân gây ra tổn thất, cũng phải xét đến cả các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất. Các yếu tố này không trực tiếp gây nên tổn thất nhưng lại ảnh hưởng nhiều đến trị số của tổn thất.
1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn thất
Điện áp làm việc của trang thiết bị
Làm việc với điện áp càng cao, dòng điện càng bé, vì thế chọn cấp điện áp khi thiết kế (đường dây, MBA) và điều chỉnh điện áp lúc vận hành đều có ảnh hưởng mạnh đến trị số tổn thất công suất và điện năng.
- Nâng cấp điện áp định mức của lưới điện. Là biện pháp giảm tổn thất rất đáng kể bởi trị số tổn thất tỉ lệ nghịch với bình phương của điện áp định mức:
2 2 2 2 3. . P Q . P R I R U (1.5) Tuy nhiên nâng cấp điện áp lại liên quan với việc cần tăng vốn đầu tư cho cách điện và kết cấu lưới, cần so sánh lựa chọn theo chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật.
- Điều chỉnh điện áp tại MBA. Các MBA trong HTĐ hầu hết đều có khả năng điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi đầu phân áp. Việc thay đổi đầu phân áp cho phép lựa chọn điện áp làm việc tối ưu cho đường dây tải điện (ở mức cao giới hạn trong mọi chế độ tải) nhờ đó giảm được tổn thất. Ngoài ra, thay đổi đầu phân áp còn làm thay đổi sự phân bố CSPK trong lưới, nếu có phương pháp điều khiển tối ưu cũng có thể giảm được trị số tổn thất xuống đến mức thấp nhất.
Truyền tải CSPK
Cân bằng CSPK nút là điều kiện cần để đảm bảo chất lượng điện năng. Mất cân bằng CSPK điện áp nút sẽ thay đổi. Trong HTĐ luôn luôn tồn tại quá trình truyền tải CSPK (kèm theo với CSTD), dòng điện tăng lên, làm tăng cao trị số tổn thất CSTD như công thức (1.5).
Có thể thấy rõ hơn điều này nếu biểu diễn tổn thất CSTD, tổng ∆P gồm 2 thành phần: 2 P Q 2 2 2 2 2 2 2 P P Q U R P U R R U Q P RI 3 P (1.6)
Thành phần ∆PQ tỉ lệ với bình phương của CSPK truyền tải, vì thế giảm CSPK truyền tải là biện pháp rất hiệu quả giảm thiểu tổn thất.
- Ảnh hưởng của các thiết bị bù. Các thiết bị bù CSPK thường được đặt ở phụ tải. Các thiết bị này có tác dụng phát CSPK vào thanh cái kết nối, vì thế nếu đặt ở nút phụ tải có thể giảm lượng CSPK chạy trên đường dây về nút. Một đường dây tải công suất S = P + jQ đến phụ tải cuối, tổn thất CSTD tính được theo (1.5) nếu đặt bù vào cuối đường dây với dung lượng Qb, tổn thất chỉ còn:
2 2 2 2 ( ) 3. . P Q Qb . P R I R U (1.7)
Ngoài ra khi giảm truyền tải CSPK điện áp lưới được cải thiện (nâng cao), càng hậu thuẫn thêm cho hiệu quả giảm tổn thất.
- Điện dung tự nhiên của đường dây. Điện dung tự nhiên của đường dây có tác dụng giống như các thiết bị bù, phát CSPK vào lưới. Tuy nhiên, CSPK do điện dung tự nhiên của đường dây sinh ra vào đúng vị trí đường dây và phân bố dọc theo vị trí chiều dài nên hiệu quả phụ thuộc chế độ truyền tải. Ở chế độ không tải hoặc non tải dòng công suất điện dung của đường dây không được tiêu thụ truyền về hai phía, đôi khi làm tăng thêm tổn thất.
CSPK tổng do điện dung tự nhiên của đường dây sinh ra có thể tính theo công thức:
2
.
QBU (1.8) Trong đó: B là dung dẫn tổng của đường dây chiều dài L (B = ωC0.L); U là điện áp trung bình làm việc của đường dây.
Có thể nhận thấy rằng, lượng CSPK của đường dây sinh ra tỉ lệ với bình phương điện áp làm việc. Do vậy, ở những cấp điện áp cao và siêu cao (220; 500kV) thì lượng công suất do đường dây sinh ra này là rất lớn. Trong chế độ non tải hoặc không tải, công suất điện dung đường dây có thể làm tăng điện áp cuối đường dây quá trị số cho phép. Để khắc phục người ta thường đặt kháng bù trên đường dây để giữ điện áp tại các nút nằm trong phạm vi cho phép. Để tận dụng công suất này người ta thường bù không hoàn toàn công suất điện
dung tự nhiên của đường dây. Khi đó đường dây đóng vài trò nguồn bù CSPK cho hệ thống.
Ngược lại, điện áp của LĐPPTA thường thấp nên công suất do điện dung của đường dây sinh ra rất nhỏ nên CSPK của phụ tải và tổn thất CSPK trên hệ thống phải được bù bằng các thiết bị bù.
Các biện pháp giảm thiểu tổn thất trong LĐPPTA
Khi lưới điện đã được vận hành, do những điều kiện khác nhau về vốn đầu tư khi xây dựng, về lịch sử phát triển và hình thành lưới, quá trình tăng trưởng phụ tải ... tỉ lệ tổn thất rất khác nhau. Ngoài biện pháp cải tạo nâng cấp tiết diện đường dây, MBA, trang thiết bị (mà thường rất bị hạn chế) các biện pháp phụ thêm để giảm tổn thất khi vận hành thường đem lại hiệu quả đáng kể. Các biện pháp có thể kể đến như [16][17]:
- Lắp đặt thiết bị bù và điều khiển thiết bị bù (nếu có điều kiện);
- Trang bị các bộ điều áp dưới tải và thiết bị tự động điều áp dưới tải để nâng cao điện áp vận hành
- Tạo các mạch vòng nhằm cung cấp dạng lưới kín vận hành hở và điều khiển điểm cắt ...
Biện pháp phổ biến và hiệu quả cao của các thiết bị bù phải kể đến là bù kinh tế, các thiết bị bù được lựa chọn tối ưu theo chỉ tiêu theo hiệu quả kinh tế. Khi lắp đặt thiết bị bù vào những vị trí hợp lí, chi phí cho tổn thất điện năng hàng năm giảm được nhiều trong khi vốn đầu tư không lớn. Tuy nhiên, LĐPPTA có tổn thất công suất, tổn thất điện năng và tổn thất điện áp rất lớn dẫn đến chất lượng điện năng có thể không đảm bảo trong các khu vực nông thôn và miền núi bởi bán kính cung cấp điện rất lớn. Vì vậy, phương pháp bù theo yêu cầu kỹ thuật như giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng hay đảm bảo yêu cầu về độ lệch điện áp cho phép là những giải pháp được quan tâm và tập trung nghiên cứu để cải thiện chất lượng điện năng đồng thời giảm tổn thất của LĐPPTA.
1.5 Hiệu quả của biện pháp bù CSPK trong giảm tổn thất của LĐPPTA
1.5.1 Khái niệm về CSPK
Một mạch điện có tải là điện trở R và điện kháng X được cung cấp bởi điện áp: u = Um.sint như Hình 1.10.