ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MẠNG LƯỚI ĐIỆN (ĐẠI HỌC CHÍNH QUY)

ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG 1.1.1.Sơ đồ đẳng trị của đường dây Mỗi đường dây đều có điện trở R, cảm kháng X, điện dẫn tác dụng G và điện dẫn phản kháng B.. Điện kháng của một km đường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

NGUYỄN THỊ THÙY DƯƠNG

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG

MẠNG LƯỚI ĐIỆN 1

(ĐẠI HỌC CHÍNH QUY)

HƯNG YÊN 2017

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Chương 1 5

THÔNG SỐ CỦA CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN 5

1.1 ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG 5

1.1.1.Sơ đồ đẳng trị của đường dây 5

1.1.2 Điện trở tác dụng 5

1.1.3 Điện kháng của đường dây 6

1.1.4 Điện dẫn tác dụng của đường dây 9

1.1.5 Điện dẫn phản kháng của đường dây 12

1.2 MÁY BIẾN ÁP 13

1.2.1 Máy biến áp hai cuộn dây 13

1.2.2 Máy biến áp ba dây quấn 17

1.2.3 Máy biến áp tự ngẫu 20

1.3 SƠ ĐỒ THAY THẾ THIẾT BỊ BÙ 24

1.4 PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN PHỤ TẢI KHI TÍNH CHẾ ĐỘ CÁC MẠNG VÀ HỆ THỐNG 25

1.4.1 Phụ tải được biểu diễn bằng dòng điện không đổi về modul và góc pha (hình 1.10,a) 25

1.4.2 Phụ tải được cho bằng công suất không đổi về giá trị 27

1.4.3 Phụ tải được biểu diễn bằng tổng trở hay tổng dẫn không đổi (hình 1.10 c,d) 27

1.4.4 Phụ tải được cho bằng các đường đặc tính tĩnh 28

1.4.5 Phụ tải được biểu diễn bằng các dòng điện ngẫu nhiên 28

Chương 2 29

PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA MẠNG ĐIỆN 29

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG 29

2.2 TÍNH CHẾ ĐỘ ĐƯỜNG DÂY THEO DÒNG ĐIỆN PHỤ TẢI 30

2.2.1 Cho điện áp ở cuối đường dây 2 U = const 30

2.2.2 Cho điện áp ở đầu đường dây 1 U =const 34

2.3 TÍNH CHẾ ĐỘ CỦA ĐƯỜNG DÂY THEO CÔNG SUẤT PHỤ TẢI 35

2.3.1 Cho điện áp ở cuối đường dây U2  = const 35

2.3.2 Cho điện áp ở đầu đường dây U  1 = const 36

2.4 ĐIỆN ÁP GIÁNG VÀ TỔN THẤT ĐIỆN ÁP TRÊN ĐƯỜNG DÂY 38

2.4.1 Điện áp giáng 38

2.4.2 Tổn thất điện áp 38

2.5 TÍNH CHẾ DỘ MẠNG ĐIỆN THEO CÔNG SUẤT CÁC PHỤ TẢI 41

2.5.1 Cho điện áp ở cuối đường dây 41

2.5.2 Cho điện áp của nút nguồn cung cấp 44

2.6 TÍNH CHẾ ĐỘ MẠNG ĐIỆN CÓ NHIỀU CẤP ĐIỆN ÁP DANH ĐỊNH KHÁC NHAU 45

2.6.1 Tổn thất công suất trong máy biến áp 45

2.6.2 Tính các thông số chế độ của trạm biến áp 46

2.6.3 Tính chế độ mạng điện có nhiều cấp điện áp 48

2.7 TÍNH CHẾ ĐỘ MẠNG PHÂN PHỐI HỞ ĐIỆN ÁP U ≤ 35 kV 50

2.8 TÍNH CHẾ ĐỘ CỦA ĐƯỜNG DÂY CÓ PHỤ TẢI PHÂN PHỐI ĐỀU 53

2.9 TÍNH CHẾ ĐỘ MẠNG ĐIỆN KÍN 55

2.9.1 Phụ tải tính toán của trạm biến áp 55

2.9.2 Tính các dòng công suất khi không xét đến tổn thất công suất 57

2.10 TÍNH TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG 64

Chương 3 70

CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 70

3.1 KHÁI NIỆM CHUNG 70

3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 71

3.3 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRONG CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN 73

3.4 CHỌN CÁC ĐẦU ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP CỦA CÁC MÁY BIẾN ÁP 74

3.4.1 Thiết bị chuyển đầu điều chỉnh điện áp của máy biến áp 74

3.4.2 Máy biến áp không điều chỉnh dưới tải 74

3.4.3 Máy biến áp điều chỉnh dưới tải 78

3.4.4 Máy biến áp ba cuộn dây 81

3.4.5 Máy biến áp tự ngẫu 82

3.4.6 Máy biến áp điều chỉnh đường dây 89

3.5 ĐIỀU CHỈNH MẠNG ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠNG ĐIỆN 91

3.6 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP BẰNG CÁCH THAY ĐỒI DÒNG CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 94

3.6.1 Máy bù đồng bộ 95

3.6.2 Tụ điện 96

Chương 4 98

CHỌN TIẾT DIỆN DÂY DẪN TRONG MẠNG ĐIỆN 98

4.1 CHỌN TIẾT DIỆN DÂY THEO ĐIỀU KIỆN KINH TẾ 98

4.2 CHỌN TIẾT DIỆN DÂY THEO TỔN THẤT CHO PHÉP CỦA ĐIỆN ÁP 100

4.2.1 Xác định tiết diện dây dẫn cho đường dây có một phụ tải 100

4.2.2 Xác định tiết diện dây dẫn cho đường dây có nhiều phụ tải 101

4.3 CHON TIẾT DIỆN DÂY DẪN THEO ĐIỀU KIỆN PHÁT NÓNG 103

4.4 CHỌN TIẾT DIỆN DÂY DẪN CỦA MẠNG ĐIỆN ÁP DƯỚI 1000V KẾT HỢ VỚI CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ 104

4.4.1 Chọn các thiết bị bảo vệ 104

4.4.2 Chọn tiết diện dây dẫn 107

Chương 5 109

CÁC GIẢI PHÁP GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG 109

5.1.KHÁI NIỆM CHUNG 109

5.2 TỐI ƯU HÓA CÔNG SUẤT CỦ CÁC THIẾT BỊ BÙ 109

5.3 BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG MẠNG ĐIỆN PHÂN PHỐI 113

5.4.CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH KINH TẾ CỦA CÁC MÁY BIẾN ÁP 120

5.5 TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ CỦA MẠNG ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG NHẤT 122

5.5.1 Phân phối tự nhiên và kinh tế của công suất trong mạng điện kín không đồng nhất 122

5.5.2 Chọn các thông số của các máy biến áp có điều chỉnh nối tiếp – song song 125

5.5.3.Chọn thông số của thiết bị bù nối tiếp 129

5.5.4 Hở các mạch vòng của mạng điện kín 130

Chương 6 132

PHỤ TẢI TÍNH TOÁN VÀ CHIẾU SÁNG 132

6.1 PHỤ TẢI TÍNH TOÁN TRONG MẠNG PHÂN PHỐI 132

6.1.1 Khái niệm chung 132

6.1.2 Biểu đồ phụ tải 134

6.1.3 Các phương pháp tính toán phụ tải điện 135

6.2 PHỤ TẢI CHIẾU SÁNG 140

6.2.1 Khái niệm chung 140

6.2.2 Tính toán phụ tải chiếu sáng 144

CÂU HỎI, BÀI TẬP VÀ ĐÁP ÁN MÔN CHƯƠNG MẠNG LƯỚI ĐIỆN 1 155

Chương 1 THÔNG SỐ CỦA CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG

1.1.1.Sơ đồ đẳng trị của đường dây

Mỗi đường dây đều có điện trở R, cảm kháng X, điện dẫn tác dụng G và điện dẫn phản kháng B Thực tế các tham số R, X, G, B phân bố đều đặn dọc theo đường dây Nhưng với mạng điện chiều dài nhỏ hơn 300km, ta có thể dùng tham số tập trung để tính toán thì rất đơn giản mà sai số nhỏ có thể chấp nhận được Vậy đối với mạng điện địa phương, mạng khu vực ta đều dùng tham số tập trung để tính trừ đường dây siêu cao áp

Ta coi tham số của đường dây là tập trung để tính và có sơ đồ đẳng trị của đường dây như sau (hình 1.1)

G và B ta thường chia làm đôi, một nửa tập trung ở đầu đường dây, một nửa tập trung ở cuối đường dây

Đối với đường dây điện áp thấp ( 35kV) công suất nhỏ ta chỉ cần xét R và X (bỏ qua ảnh hưởng của G và B) Đối với đường dây điện áp lớn hơn 110kV ta phải xét cả R,

X, G, B đôi khi cũng có thể bỏ qua ảnh hưởng của G không cần xét tới

1.1.2 Điện trở tác dụng

Điện trở tác dụng trên một km chiều dài dây dẫn đối với dòng điện 1 chiều ở nhiệt

độ tiêu chuẩn (  = 200C) xác định theo công thức:

F F

r

1000 0









(/km) (1.1) Trong đó:  - điện trở suất (mm2/km ), - điện dẫn suất (m/ mm2);

F – Tiết diện dây dẫn

Đối với đồng M = 18,8 (mm2/km ), M = 53 (m/ mm2);

Đối với nhôm A = 31,5 (mm2/km ), A = 31,7 (m/ mm2)

Hình 1- 1 Sơ đồ đẳng trị của đường dây

2

G

2

B

2

G

2 B

Chú ý: Điện trở tác dụng của dây dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ của dây dẫn thay đổi khác 200C thì điện trở của dây dẫn được tính theo công thức sau:

rt = r0{1+( - 20)} (/km) (1.2)

 - hệ số nhiệt điện trở, với đồng và nhôm  = 0,004 (1/ 0C)

Để thuận tiện cho việc tính toán, điện trở tác dụng r0 được cho trong các bảng tra cứu

Điện trở tác dụng đường dây là:

 

0

R  r l  (1.3) Trong đó: l là chiều dài đường dây

1.1.3 Điện kháng của đường dây

Dây dẫn mạng điện xoay chiều, xung quanh mỗi sợi dây xuất hiện từ trường xoay chiều, có từ thông biến đổi nên phải xét đến từ trường xoay chiều nghĩa là phải xét tới tự cảm L; dây dẫn của ba pha đặt gần nhau nên có hỗ cảm M Như vậy ta phải xét tới cảm kháng X của đường dây

a Khi dây dẫn bố trí đối xứng trên 03 đỉnh của tam giác đều

Điện kháng của đường dây được xác định như sau:

x0 =  (4,6 log

r

D

Trong đó:

-  = 2f

- D là khoảng cách giữa các dây dẫn, cm

- r là bán kính của dây dẫn, cm

-  là hệ số từ dẫn của nguyên liệu chế tạo dây dẫn

Nếu dòng điện xoay chiều có tần số f = 50Hz, dây dẫn là kim loại màu có 1 thì:

x0 = 0,144 log

r

D

b Khi dây dẫn bố trí không đối xứng

Khi dây dẫn bố trí trên cột không đối xứng thì điện kháng mỗi dây không giống nhau (tự cảm thì đều giống nhau, còn hỗ cảm thì khác nhau) và do đó mặc dù phụ tải của mỗi pha đều giống nhau, nhưng điện áp giáng U trên mỗi pha thì khác nhau (vì Za Zb Zc)

D D D

Để giải quyết ta dùng phương pháp hoán vị (hình 1-2) Sau một khoảng l nào đó lại hoán vị một lần, như vậy điện kháng x của ba pha đều giống nhau Với đường dây 110,

220 kV thường khoảng 100 km thì hoán vị một chu kỳ, tức là l có độ dài là 30 km

Điện kháng của một km đường dây đã hoán vị vẫn tính bằng biểu thức (1.4) nhưng thay D bằng Dtb, trong đó Dtb là trị số trung bình hình học của ba khoảng cách giữa các pha (hình 1-3)

Dtb = 3

31 23

Tóm lại, với tần số f = 50 Hz, dây kim loại màu thì:

x0 = 0,144 log

r

Dtb + 0,016 (/ km) (1.7) Nếu 3 dây của 3 pha đặt trên cùng một mặt phẳng, khoảng cách giữa các dây dẫn là

D thì:

Dtb = 3 2.D.D.D 1,26 D (1.8) Thường không cần phải tính x0 mà chỉ cần tra bảng Muốn tra x0 của dây dẫn bằng kim loại màu ta phải căn cứ theo Dtb và đường kính d của dây dẫn Ví dụ: Với dây có đường kính d = 10mm và Dtb giữa các pha là 5 mét thì có x0 = 0,448 /km

Điện kháng x0 trên một km đường dây chỉ biến thiên trong khoảng (0,30,46)/km Do đó trong trường hợp cần thiết ta có thể lấy trị số trung bình x0 = 0,4

/km để tính sơ bộ thiết kế mặc dầu chưa biết tiết diện của dây dẫn

Hình 1-2 Sơ đồ hoán vị dây dẫn

A

B

C

Từ biểu thức tính x0 (1.4), ta thấy muốn giảm điện kháng x0 (để tăng khả năng tải điện) thì làm giảm D, như vậy không cho phép do các điện của đường dây Tăng r, như vậy gây ra lãng phí Có thể dùng cách phân nhỏ dây dẫn của các pha (hình 1-4) Kinh nghiệm cho thấy:

- Phân làm 2 dây nhỏ thì x0 giảm tới 19%

- Phân làm 3 dây nhỏ thì x0 giảm tới 28%

- Phân làm 4 dây nhỏ thì x0 giảm tới 32,5%

Ta thấy rằng phân nhỏ dây dẫn thì điện kháng càng giảm nhưng cấu tạo đường dây lại phức tạp rất nhiều vì vậy cần chọn số lượng dây phân nhỏ một cách hợp lý Điện kháng của đường dây có n dây mỗi pha (dây phân nhỏ) được xác định theo biểu thức

dt

tb

r

D + n

016 , 0

Trong đó: rdt là bán kính đẳng trị

Hình 1.4 Một pha phân nhỏ thành 4 dây và đường đặc tính điện kháng

D12

D31

D23

D12 D23

Hình 1-3 Bố trí dây dẫn: a - Tam giác, b - Nằm ngang

D31

10

l R

lg(D tb /r dt )

1

x 0

r

r dt

x

x0 lg

R1

Bán kính đẳng trị rdt của dây dẫn được xác định như sau: rdt = n n 1

tb

a

r  (1.9) Trong đó:

- n là số dây phân nhỏ của 1 pha

- r là bán kính thực của dây dẫn

- atb là khoảng cách trung bình hình học giữa các dây phân nhỏ của một pha

Chú ý: Đối với các dây cáp, biểu thức x0 ở trên không dùng vì khoảng cách giữa các dây dẫn quá nhỏ Vậy việc xác định điện kháng của dây cáp bao giờ cũng tiến hành theo các số liệu của nhà máy

Điện kháng trên đường dây: x = x0 l () (1.10)

Có thể tính theo biểu thức trên hoặc tra bảng

1.1.4 Điện dẫn tác dụng của đường dây

Ở các mạng điện cao áp, khi cách điện không tốt gây ra tổn thất do rò điện trên mặt sứ xuống đất và sự iôn hoá không khí gây ra tổn thất do hiện tượng vầng quang điện

a Hiện tượng vầng quang điện

Khi thời tiết ẩm ướt, ban đêm có thể thấy ở xung quanh mỗi dây dẫn cao áp có một vầng sáng xanh Vì khi không khí ẩm, dưới tác dụng của cường độ điện trường đủ lớn, tầng không khí xung quanh dây dẫn bị iôn hoá và trở thành dẫn điện, một phần năng lượng sẽ thoát theo đường đó, vì vậy tổn thất lượng điện năng là A

Hiện tượng vầng quang điện xuất hiện khi trị số điện áp U của đường dây lớn hơn

Uth Uth là điện áp tới hạn phát sinh vầng quang điện Vượt quá trị số đó càng nhiều thì vầng quang điện càng lớn

Với dây dẫn điện xoay chiều 3 pha, điện áp tới hạn phát sinh vầng quang điện tính theo biểu thức sau:

Uth = (6570) r log

r

Dtb

(kV) (1.11) Trong đó:

- r là bán kính của dây dẫn, cm

- Dtb là khoảng cách trung bình hình học giữa các dây dẫn, cm

Khi cường độ điện trường E trên mặt ngoài của dây dẫn vượt quá (1719)kV/cm

sẽ xuất hiện vầng quang điện

Cường độ điện trường E chủ yếu do đường kính d của dây dẫn và điện áp U của đường dây quyết định và xác định theo biểu thức sau:

Emax =

dt

tb

r

D lg r n

U 354 , 0























a n

180 sin 2

Trong đó:

- U là điện áp dây của đường dây, kV

- n là số dây phân nhỏ của 1 pha

- r là bán kính của mỗi dây, cm

- Dtb là khoảng cách trung bình hình học giữa các pha, cm

- rdt là bán kính đẳng trị của mỗi pha (cm) và được xác định theo biểu thức:

rdt = Rn

R

nr

Trong đó:

R =

n

180 sin 2

a

0 (cm)

Với:

- a là khoảng cách giữa các dây phân nhỏ trong 1 pha, cm

- n là số dây phân nhỏ của 1 pha

Nếu mỗi pha chỉ dùng một dây dẫn thì cường độ điện trường bằng:

Emax =

r

D lg r

U 354 , 0

tb

(kV/cm) (1.14)

Nếu dây dẫn bố trí trên mặt phẳng ngang thì biểu thức trên cho ta trị số cường độ điện trường cực đại của các pha bên Còn cường độ điện trường của pha giữa thì lớn hơn

là 10%

Phân tích biểu thức (1.12) ta thấy muốn giảm E phải sử dụng các phương pháp sau:

- Tăng D, như vậy không kinh tế vì cột phải làm rộng hơn và khi tăng D thì E giảm được ít vì D đứng sau dấu log

- Tăng r, thì tương đối tốt vì gần như là r tỷ lệ nghịch với E Chính vì thế nên đã quy định:

+ Với điện áp 110kV thì đường kính dây dẫn d > 9,9 mm

+ Với điện áp 150kV thì d > 13,9 mm

+ Với điện áp 220kV thì d > 21,5 mm

Với mục đích chống vầng quang điện mà dùng dây lớn quá thì lại lãng phí về mặt dẫn điện Để giải quyết vấn đề này có dùng dây rỗng, nhưng về mặt chế tạo cũng như lúc xây dựng bảo quản gặp nhiều khó khăn Để thể nâng cao điện áp phát sinh vầng quang điện bằng cách phân nhỏ dây dẫn của mỗi pha, vì nó làm giảm được cường độ điện trường xung quanh dây phân nhỏ đó Đường dây 500kVtừ nhà máy thuỷ điện trên sông Đà cũng phân mỗi pha làm 4 dây nhỏ với mục đích để hạn chế phát sinh vầng quang điện

Thường điện áp vận hành từ 60kV trở lên mới phải xét đến tổn thất do vầng quang điện gây nên

b Hiện tượng rò điện

Ngoài tổn thất công suất do phát sinh vầng quang điện, đường dây trên không còn có tổn thất công suất tác dụng do rò điện, hiện tượng rò điện sinh bởi các nguyên nhân sau:

- Bản thân lớp men sứ không nhẵn, cường độ điện trường phân bố không đều trên mặt sứ

- Mặt sứ bị bẩn do bụi, các sợi bông, chất hoá học, mưa phùn do đó mặt sứ trở lên dẫn điện và dòng điện sẽ rò xuống đất Ban đêm ta sẽ thấy sáng xanh và nghe tiếng lạch tách trên đường dây (110500)kV, tổn thất công suất tác dụng do dòng diện rò trên mặt sứ cách điện

và tổn thất trong chất điện môi của sứ thường rất nhỏ, vì vậy không xét đến

Khi tính toán mạng điện, tổn thất công suất tác dụng do vầng quang điện được phản ánh trên sơ đồ thay thế bằng trị số điện dẫn của đường dây, trị số điện dẫn g0 của đường dây tính trên 1km chiều dài, được xác định từ biểu thức:

Pgo = Pvq = U2 go 2vq

0

U

P

Điện dẫn tác dụng trên đường dây: G = g0.l (s hoặc 1/) (1.16) Trong đó:

Pvq là tổn thất công suất tác dụng do vầng quang điện của 3 pha trên 1km đường dây Tra trong các bảng tra

U là điện áp định mức của đường dây, kV

Ngoài ra ở đường dây cáp cao áp, cũng có tổn thất điện năng do dòng điện chạy rò chạy qua chất cách điện của dây cáp Dòng điện đó gồm có thành phần tác dụng do dòng điện rò qua điện dẫn và sự định hướng của các phân tử lưỡng cực Tổn thất công suất tác dụng trong chất điện môi của cáp phụ thuộc vào kết cấu của cáp và điện áp định mức của cáp, đối với cáp (110220) kV thì tổn thất đó khoảng vài kW trên 1km đường dây