CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN CHO QUẬN ĐỐNG ĐA
2.3 CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
2.3.2 Sự tiêu thụ công suất phản kháng
Như đã biết, các thiết bị điện từ khi làm việc sẽ tiêu thụ từ lưới một dòng điện bao gồm các thành phần: phụ tải, tổn thất, dòng điện tản (dòng rò) và dòng từ hoá. Tức là cùng với việc tiêu thụ một lượng công suất tác dụng để sinh công, các thiết bị điện còn tiêu thụ một lượng công suất phản kháng.
Lượng công suất phản kháng mà các thiết bị điện tiêu thụ phụ thuộc vào đặc tính của chúng, các động cơ không đồng bộ, máy biến áp v.v. là những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản kháng. Theo số liệu thống kê, thì lượng công suất phản kháng do động cơ không đồng bộ tiêu thụ chiếm tỷ trọng lớn nhất (khoảng 65÷75%), tiếp theo là máy biến áp – khoảng 15÷20% và các đường dây – 5÷8%. Công suất phản kháng mà động cơ không đồng bộ tiêu thụ từ lưới điện xác định như sau:
Q = Sn 0 5 2 }
100 ] % ) .(
3 , 0 7
, 0 100 [
%
mt
p k
x U
U U
U
I + +
; (2.1)
Trong đó:
I0% - dòng điện không tải khi điện áp định mức;
xρ% - điện trở kháng của stato và roto quy về công suất toàn phần;
kmt - hệ số mang tải;
Sn - công suất định mức của động cơ;
Un- điện áp định mức của động cơ.
Lượng công suất phản kháng tiêu thụ bởi thiết bị điện cũng có thể xác định theo biểu thức
Q = Q0 + (Qn- Q0) k2mt ; (2.2) Trong đó:
Q0 - công suất phản kháng lúc động cơ làm việc không tải;
Qn - công suất phản kháng lúc động cơ làm việc với tải định mức;
kmt – hệ số mang tải của thiết bị điện.
Thông thường thành ph n công suất phản kháng Qầ 0chiếm tới gần 70%
tổng công suất phản kháng mà thiết bị tiêu thụ: Q0 = (60 ÷70)% Qo. Sự biến thiên của công suất phản kháng phụ thuộc vào hệ số mang tải được thể hiện trên hình 2.1.
Phân tích biểu thức (2.1) ta thấy chế độ làm việc của động cơ có ảnh hưởng rất lớn đến sự tiêu thụ công suất phản kháng và cũng có nghĩa là ảnh hưởng đến giá trị của hệ số cos . Chế độ làm việc tốt nhất là khi hệ số mang ϕ tải bằng 1, lúc đó sự tiêu thụ công suất phản kháng sẽ có giá trị nhỏ nhất.
Hình 2.1. Quan hệ phụ thuộc giữa công suất phản kháng (a) và hệ số cosϕ (b) vào hệ số mang tải của động cơ điện
Kết quả nghiên cứu đồ thị phụ thuộc phản kháng của các hộ dùng điện trong các ngành sản xuất khác nhau cho phép rút ra một số nhận xét sau:
- Phụ tải phản kháng có biên độ dao động quanh giá trị trung bình lớn hơn so với biên độ dao động của phụ tải tác dụng.
a)
b)
- Phụ tải phản kháng cực đại và phụ tải tác dụng cực đại có thể không xuất hiện đồng thời
- Hệ số công suất của các xí nghiệp làm việc nhiều ca có biên độ dao động lớn hơn so với các xí nghiệp làm việc một ca.
- Hệ số công suất ở khu vực đô thị lớn hơn so với các khu vực nông thôn.
Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy đặc tính tiêu thụ công suất phản kháng của các thiết bị điện có thể biểu thị dưới dạng tổng quát
Q* = A + BU* + C(U*)2 (2.3)
Trong đó: A, B, C là các hệ số hồi quy.
Tốc độ biến thiên của các đặc tính được biểu thị bởi giá trị
*
* 2
* B CU
U
q Q = +
∂
= ∂ (2.4)
và được gọi là hiệu ứng điều chỉnh phụ tải phản kháng theo điện áp.
Khi điện áp trong lưới tăng thì hiệu ứng điều chỉnh q cũng sẽ tăng. Ví dụ đối với động cơ lớn hơn 20 kW với hệ số mang tải kmt= 0,75 và U* = 0,9 thì
q = 1,15; khi U* = 1 thì q = 2,25 và khi U* = 1,1 thì q=4,31.
Khi tính toán thực tế, với những dao động nhỏ của điện áp thì q=2÷3 (giới hạn dưới ứng với động cơ công suất lớn). Độ tăng công suất phản kháng có thể tính gần đúng như sau:
∆Q = 0,01.q.vd.Q (2.5)
vd – biên độ thay đổi của điện áp , %
Q – giá trị công suất phản kháng khi U = Un.
Như vậy động cơ không đồng bộ và máy biến áp là hai loại thiết bị điện tiêu thụ nhiều công suất phản kháng nhất. Công suất phản kháng Q là công suất từ hoá trong máy điện xoay chiều, nó không sinh ra công. Quá trình trao đổi công suất phản kháng giữa máy phát điện và phụ tải là một quá trình dao
động. Mỗi chu kỳ của dòng điện Q đổi chiều 4 lần, giá trị trung bình của Q trong 1/2 chu kỳ cho dòng điện bằng không. Cho nên việc tạo ra công suất phản kháng cung cấp cho phụ tải không nhất thiết phải lấy từ nguồn mà có thể cung cấp trực tiếp cho phụ tải bằng các thiết bị chuyên bù (tụ bù, máy bù đồng bộ).
2.3.3 Phân tích ảnh hưởng của hệ số công suất cosϕϕϕϕϕ đối với các tham số kinh tế-kỹthuật của mạng điện
2.3.3.1. Hệ số công suất cosϕϕϕϕϕ và ảnh hưởng của nó đối với các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của mạng điện
Mức độ tiêu thụ công suất phản kháng được đánh giá bởi hệ số công suất, mà được xác định bởi tỷ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất biểu kiến (S) cosϕ=P/S.
cosϕ =
UI P S
P
= 3 ; (2.6)
Trong đó:
U – điện áp;
I – dòng điện chạy trong mạng.
Trong thực tế vận hành giá trị cos thường được xác định theo công ϕ thức
cosϕtb =
)2
( 1
1
r
Ax
+
Trong đó:
Ar, Ax - điện năng tác dụng và phản kháng trên thanh cái trạm biến áp P – công suất tác dụng;
Để thuận tiện cho việc phân tích và tính toán, đôi khi người ta thường dùng khái niệm hệ số tg thay cho hệ số cosϕ ϕ, đó là tỷ lệ giữa công suất phản
kháng và công suất tác dụng: tgϕ = Q/P. Tuy nhiên hệ số tgϕ chỉ áp dụng trong các bước tính trung gian, kết quả cuối cùng lại được chuyển về hệ số cosϕtương ứng.
Khi cosϕ của thiết bị điện càng lớn, tức là mức độ tiêu thụ công suất phản kháng càng bé, vì vậy làm cho mức độ yêu cầu về Q từ lưới ít, nó góp phần cải tiện chế độ làm việc của lưới. Hệ số cosϕ của các hộ tiêu thụ lại phụ thuộc vào chế độ làm việc của các phụ tải điện. Khi hệ số cos thấp sẽ dẫn ϕ đến sự tăng công suất phản kháng, sự truyền tải công suất phản kháng trong mạng điện làm giảm sút các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật của mạng điện như:
a) Làm tăng tổn thất công suất và tăng đốt nóng dây dẫn
Tổn thất công suất trong mạng điện được xác định theo biểu thức.
U R Q R P
I
P 3 2 2 +2 2
=
=
∆ = P∆ r + P∆ x (2.7)
Khi truyền tải điện năng trong mạng điện cao áp do điện trở phản kháng lớn nên thành phần tổn hao công suất phản kháng thường lớn hơn thành phần tổn thất công suất tác dụng. Đặc biệt đối với máy biến áp thành phần tổn thất công suất phản kháng chiếm tỷ lệ rất lớn. Chẳng hạn đối với máy 320 kVA 10/0,4 thì ∆P%= 2,4 còn Q% = 3,2 . ∆
b) Tăng tiết diện dây dẫn
Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng cho phép, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng.
Dòng điện chạy qua dây dẫn và máy biến áp được xác định :
U P Q U
I S
3 3
2+ 2
⋅ =
= (2.8)
Từ biểu thức trên chúng ta nhận thấy: Với cùng một điều kiện phát nóng nhất định của đường dây và máy biến áp với P = const, nếu tăng lượng
công suất phản kháng Q buộc phải tăng tiết diện dây dẫn, do đó sẽ làm tăng chi phí của mạng điện. Theo số liệu tính toán, khi hệ số công suất giảm 20%
(từ 1 xuống 0,8) thì lượng tổn thất công suất tăng lên khoảng 1,56 lần và khối lượng dây dẫn tăng lên 25%.
Ví dụ minh hoạ dưới đây cho thấy ảnh hưởng của hệ số cosϕ đối với
sự thay đổi của công suất toàn phần.
cosϕ = 1 cosϕ = 0,8 cosϕ = 0,7
P = 100 kW P = 100 kW P = 100 kW
Q = 0 Q = 75 kVAr Q=100kVAr
S = 100 kVA S = 125 kVA S = 141 kVA
Kết quả tính toán ở ví dụ trên cho thấy khi hệ số cosϕ giảm từ 1 xuống 0,7 thì giá trị công suất toàn phần tăng lên 1,41 lần.
c) Làm hạn chế khả năng truyền tải công suất tác dụng
Cũng từ biểu thức (2.8) trên ta thấy, nếu vẫn giữ dòng I=const thì khi Q tăng buộc phải giảm P để đảm bảo điều kiện đốt nóng cho phép của các phần tử hệ thống điện. Còn nếu vẫn giưa nguyên giá trị P = const thì nếu công suất phản kháng quá lớn sẽ có thể gây quá tải cho các thiết bị điện vì công suất
100 kW 100 kW 75 kVAr 100 kW 100 kVAr
a) b) c)
toàn phần S phải tăng lên. Điều đó sẽ làm giảm tuổi thọ thậm chí có thể phá huỷ thiết bị. Việc giảm công suất tác dụng sẽ làm giảm hiệu suất truyền tải của mạng điện.
d) Không sử dụng hết khả năng của động cơ sơ cấp
Khi tăng công suất phản kháng truyền tải sẽ dẫn tới hiện tượng không sử dụng hết khả năng của động cơ sơ cấp và máy phát vì để đảm bảo giá trị định mức của cos thì công suất tác dụng phải giảm xuống. Nếu công suất ϕ phản kháng vượt quá giá trị định mức mà được xác định bởi cosϕn, thì tại nhà máy điện người ta buộc phải giảm công suất tác dụng của các máy phát để tránh sự đốt nóng quá mức của máy.
e) Giảm chất lượng điện
Tăng công suất phản kháng sẽ làm giảm chất lượng điện do tổn thất điện áp tăng và do dao động điện áp khi công suất phản kháng thay đổi. Như đã biết, tổn thất điện áp được xác định bởi biểu thức
x
r U
U U QX
U PR+ =∆ +∆
=
∆ (2.9)
Thành phần tổn thất phản kháng ∆Ux tỷ lệ thuận với công suất phản kháng. Việc tăng công suất Q sẽ làm tăng đáng kể tổn thất điện áp, do đó làm giảm chất lượng điện. Điều đó làm tăng thêm chi phí do phải trang bị các cơ cấu điều chỉnh điện áp trong hệ thống.
Khi chất lượng điện giảm quá mức cho phép sẽ dẫn đến sự thay đổi chế độ làm việc của các phần tử hệ thống điện. Sự thay đổi này có thể làm giảm năng suất của các thiết bị gây thiệt hại về kinh tế cho các ngành sản xuất.
f) Tăng giá thành điện năng
Sự truyền tải công suất phản kháng trong mạng điện đòi hỏi những chi phí gia tăng do đó là tăng giá thành điện năng.
Sau đây chúng ta sẽ phân tích một cách chi tiết một số ảnh hưởng lớn của sự truyền tải công suất phản kháng đối với các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của mạng điện.
2.3.3.2 Quan hệ giữa tổn thất điện năng và hệ số cosϕϕϕϕϕ và thời gian TM Tổn thất điện năng trong mạng điện có thể được đánh giá bởi biểu thức
+ =
=
∆ Rτ
U Q A P
2 2
2 τ
ϕ R U
P cos2
2 2
(2.10)
Trong đó: τ - thời gian tổn thất công suất cực đại hàng năm, có thể biểu thị dưới dạng hàm phụ thuộc vào thời gian sử dụng công suất cực đại TM
τ = ( 0,124 + TM.10- 4 )28760 (2.11) + =
=
∆ Rτ
U Q A P
2 2
2 τ
ϕ R U
P cos2
2 2
2ϕ
2
3 4
2
cos
10 ).
10 124
, 0 .(
.
U
t T
R
P + M − −
= (2.12)
Nếu tính theo giá trị phần trăm của điện năng tiêu thụ
% 100
% A
A ∆A
=
∆ với A=P.T (2.13)
Biểu đồ phụ thuộc giữa tổn thất điện năng với hệ số công suất và thời gian sử dụng công suất cực đại được thể hiện trên hình 2.2. Phân tích quan hệ phụ thuộc giữa tổn thất điện năng với hệ số công suất và thời gian sử dụng công suất cực đại (hình 2.2) chúng ta thấy khi hệ số công suất nhỏ hơn 0,7 thì tốc độ tăng tổn thất sẽ khá nhanh.
0
0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 2000 4000 6000 8000
0 1 2 3 4
cosfi Ton that dien nang dA%=f(cosfi,Tm)
Tm, hr
dA,%
Hình 2.2. Biểu đồ phụ thuộc giữa tổn thất điện năng với hệ số cosϕ và TM
2.3.3.3 Quan hệ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn với hệ số công suất và TM Trước hết ta xác định giá trị dòng điện chạy trên đường dây
cosϕ . . 3 .
3 U
P U
I = S = (2.14)
Mật độ dòng điện kinh tế
∆
= c
jkt pb
τ 3ρ
103
; (2.15)
Trong đó:
p – hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao thiết bị;
b – hệ số kinh tế thay đổi của đường dây, đ/km.mm2; ρ - điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn;
c∆- giá thành tổn thất điện năng.
Giả thiết dây dẫn được chọn theo mật độ dòng điện kinh tế, lúc đó tiết diện dây dẫn sẽ là
jkt
F = I (2.16)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0
2000 4000
6000 80000
5 10 15 20 25
cosfi Ham chi phi Z=f(cosfi,Tm)
Tm, hr
Z, tr.VND/km
Hình 2.3. Biểu đồ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn với hệ số cosϕ và TM
Vốn đầu tư đường dây được biểu thị bởi biểu thức
K= a+ bF (2.17)
với: a, b – các hệ số kinh tế cố định và thay đổi của đường dây;
F - tiết diện mặt cắt ngang của dây dẫn.
Chi phí quy dẫn của đường dây
Z= pK+ ∆A.c∆ (2.18)
Biểu đồ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn của đường dây với hệ số cosϕ và TMđược thể hiện trên hình 2.3.
Phân tích các biểu đồ phụ thuộc K=f(cosϕ, TM) và Z=f(cosϕ, TM) ta nhận thấy hệ số cos có ảnh hưởng rất đáng kể đến vốn đầu tư và chi phí quy ϕ dẫn, việc nâng cao hệ số công suất sẽ góp phần làm giảm chi phí của mạng điện.