he thong dien truyen tai va phan phoi p2 8789

Chương 7TÍNH TOÁN MẠNG PHÂN PHỐI 7.1 MỞ ĐẦU - Điện năng được tải từ phía thứ cấp trạm biến áp phân phối của cấp truyền tải phụ hay trạm biến áp trung gian của cấp truyền tải đến các máy

Chương 7

TÍNH TOÁN MẠNG PHÂN PHỐI 7.1 MỞ ĐẦU

- Điện năng được tải từ phía thứ cấp trạm biến áp phân phối của cấp truyền tải phụ hay trạm biến áp trung gian của cấp truyền tải đến các máy biến áp phân phối qua phát tuyến sơ cấp điện áp từ 10 đến 22 kV Máy biến áp phân phối giảm áp để cung cấp cho mạng phân phối thứ cấp (hạ áp) điện áp từ 110 V đến 660 V Về cấu trúc sơ đồ xem các mục từ 1.2 đến 1.6 của chương 1

- Mạng phân phối sơ cấp và thứ cấp phải phân phối đến tận nơi tiêu thụ nên tổng chiều dài lớn hơn mạng truyền tải

- Mạng phân phối có cấu trúc hình tia, mạch vòng kín (thường vận hành hở) và phức tạp hơn là cấu trúc lưới hay cấu trúc mạng phân phối sơ và thứ cấp khi vùng cung cấp lớn với nhiều loại phụ tải và yêu cầu tính liên tục cung cấp điện

- Trong mạng phân phối, vấn đề chất lượng điện áp phải đảm bảo, do đó khi thiết kế đường dây phải đảm bảo độ sụt áp cho phép

- Trong tính toán mạng phân phối, cần đưa ra một số giả thiết sau:

+ Do điện áp thấp so với điện áp truyền tải, chiều dài từng đường dây ngắn không xét ảnh hưởng của điện dung đường dây Tuy vậy, đối với cáp ngầm có chiều dài lớn thì có thể công suất kháng do điện dung phát ra là khá lớn cũng cần phải xét đến

+ Bỏ qua thành phần vuông góc PX QR

U

− trong công thức tính sụt áp vì thành phần này sẽ không đáng kể khi điện trở lớn và hệ số công suất thấp

+ Dùng điện áp định mức Uđm trong công thức tính sụt áp và tổn thất công suất

7.2 TÍNH TOÁN MẠNG ĐIỆN HỞ VÀ MẠNG ĐIỆN KÍN ĐƠN GIẢN

7.2.1 Tính toán mạng điện hở cấp truyền tải:

Mục này ôn lại cách tính toán mạng hở cấp truyền tải theo phương pháp từng bước đã được đề cập ở mục 3.10 chương 3

Mạng điện hở có một số phụ tải còn gọi là mạng liên thông Sơ đồ thay thế của mạng điện có được bằng cách ghép nối tiếp sơ đồ thay thế từng đoạn đường dây Đối với đường dây truyền tải cao áp có chiều dài trung bình, sơ đồ thay thế là sơ đồ hình π(chuẩn) hoặc hình π tương đương có kể đến điện dung đường dây Đối với đường dây ngắn mạng phân phối, đường dây được thay thế bằng tổng trở nối tiếp, bỏ qua điện dung đường dây

Sau đây là ví dụ một đường dây liên thông nối một nguồn đến hai phụ tải và sơ đồ thay thế tương đương một pha (H.7.1.):

Hình 7.1

Có hai bài toán đặt ra:

1 – Biết điện áp cuối đường dây U2 tính điện áp ngược về nguồn tìm U1 và UA

2 – Biết điện áp đầu nguồn UA, tìm điện áp U1 và U2

Bài toán 1: Đây là trường hợp đơn giản, ở đây chỉ cần căn cứ vào điện áp và công suất ở

điểm cuối tính ngược về nguồn sẽ xác định được các thông số tại các điểm nút của mạng điện Trong quá trình tính còn xác định được tổn thất điện áp và tổn thất công suất trên từng đoạn đường dây

Ví dụ, trước tiên tính cho đoạn đường dây thứ hai Theo dõi dòng công suất trên sơ đồ thay

thế, ta được:

Công suất ở cuối tổng trở nối tiếp đoạn 2:

"

''

2

2

02 2 2

b l

2

S P jQ

′′

′′ ′′

= +

(7.1)

trong đó b l 02 2

2 là dung dẫn tập trung ở cuối đoạn 2

Tổn thất công suất trên đoạn 2:

2

U

′′ + ′′

Công suất ở đầu tổng trở nối tiếp Z2:

"

Tổn thất điện áp trên đoạn 2:

2 2 2 2 2 2 2 2 2

P R Q X P X Q R

′′ + ′′ ′′ − ′′

Điện áp ở đầu đường dây 2 tức là U1:

o

Đối với đường dây cấp điện áp 110 kV có thể bỏ qua phần ảo của ∆U 2. Góc lệch pha giữa

U1 và U2 coi như không đáng kể

Tương tự tính toán cho đoạn 1, bắt đầu với công suất ở cuối tổng trở Z1 của đoạn này:

1 2 C 1 C

với ∆ ′C2 = b l02 2 21

2 và ∆ ′′C1 =b l01 1 12

2

Ví dụ 7.1: Mạng điện 110 kV trong H.7.2 Dây dẫn AC–185 đặt trên ba đỉnh tam giác đều cạnh D

= 5 m thông số của một lộ đơn r0 =0 17 , Ω/ km x , 0=0 409 , Ω/ km ,dung dẫn

b0 2 82 10 6 1

km

Ω

,

Máy biến áp 110/11 kV, Sđm = 31500 kVA Biết U3 = 10 kV Hãy xác định điện áp và công suất tại thanh cái A, điện áp U1

Hình 7.2

Giải

Máy biến áp 110/11 kV, Sđm = 31500 kVA có các số liệu:

∆P0 = 96 kW ; ∆PN = 200 kW

i0% = 2,7% ; UN% = 10,5%

N đm

đm

2

B

đm

S

⋅

Z B = 2,44 + j40,3 Ω (qui đổi về 110 kV)

∆Q0 = io%⋅ đm = 2 7, ⋅ =

Qcuđm U% Sđm 10 5, 31500 3307 kVAr

Với trạm hai máy biến áp song song:

BA

Z = 1,22 + j20,15 Ω ∆SFe= ∆ S o = × 2 96 j850 ( + ) = 192 j1700 kVA + Tổng trở đường dây đơn z 0 17 j0 409= , + , Ω/ km

Tổng trở đường dây kép A–1 với dây AC–185 dài 100 km:

A1

Z = 8,5 + j20,45 Ω Đường dây kép 1–2 với dây AC–185 dài 50 km:

12

Z = 4,25 + j10,225 Ω Dung dẫn mỗi km của đường dây đơn:

b0 = 2,82 ×10–6

.

1 km

Ω

Công suất kháng do mỗi điện dung tập trung ở đầu và cuối đoạn 2:

2 2

2

0 2

2

∆ ≈ ∆ = ⋅ ⋅

  với U ≈ 110 kV ,

,

2

6

2

C 2 82 10 50

2

−

′

(nhân cho 2 vì đường dây kép song song)

Tương tự, công suất kháng do điện dung đường dây của đoạn 1, gần đúng cho U 110 ≈ kV:

,

Q′ Q′′ 3 4 MVAr

Điện áp nút 3 qui về phía 110 kV:

3 3 110

11

Tổn thất điện áp trong trạm biến áp:

,

B 40 1 22 30 20 15

100

Điện áp tại thanh cái cao áp trạm biến áp:

U =U′ + ∆U =100 6 53 106 53 kV+ =

Tổn thất công suất trong trạm biến áp:

B Fe cu

3 2

40 30

100

+

= (192 + j1700) + (305 + j5037,5) = 497 + j6737,5 kVA

Công suất cuối tổng trở đường dây 2:

2

S S S j Q 40 j30 0 497 j6 738 j1 7

40 497 j35 04 MVA 40 5 j35 04 MVA

Tổn thất điện áp trên đường dây 2:

,

2 40 5 4 25 35 04 10 225

106 53

Điện áp nút 1:

U =U + ∆U =106 53 4 98 111 51+ = (kV) Tổn thất công suất trên đường dây 2:

,

40 5 35 04

106 53

+

Công suất cuối tổng trở đường dây 1:

" "

40 5 j35 04 1 074 j2 584 j1 7 j3 4 40 j30

81 57 j62 52 MVA

= + ∆ − ∆ − ∆ +

Tổn thất điện áp trên đường dây 1:

, ,

1 81 57 8 5 62 52 20 45

111 51

Điện áp thanh cái cao áp nguồn A:

, , ,

U = U + ∆ U = 111 51 17 68 129 2 + = (kV) Tổn thất công suất trên đường dây 1:

,

81 57 62 52

111 51

+

Công suất đầu thanh cái A:

"

1

81 57 j62 52 7 22 j17 37 j3 4

88 79 j76 49 MVA

′

= + ∆ − ∆

Bài toán 2: Trường hợp biết điện áp nguồn UA, tìm điện áp U1 và U2 Trong trường hợp này áp dụng phương pháp tính gần đúng, thực chất là phép tính lặp với điện áp giả thiết ban đầu U1

= U2 = Uđm Với điện áp giả thiết và trị số phụ tải đã biết, tính ngược từ cuối đường dây để tìm công suất đầu nguồn, không cần tính sụt áp mà chỉ tính tổn thất công suất trên từng đoạn đường dây (trong biểu thức ∆S dùng Uđm để tính toán) Sau đó, chuyển sang lần tính toán thứ hai từ công suất và điện áp nguồn UA, xác định điện áp tại các nút

Ghi chú: Trong trường hợp mạng điện ba pha, các công thức trên được áp dụng với U là

điện áp dây và công suất P, Q, S là công suất ba pha mặc dù sơ đồ thay thế là sơ đồ tổng trở tương đương một pha của mạng ba pha cân bằng

7.2.2 Tính toán mạng hở cấp phân phối

Đối với mạng điện phân phối, giả thiết bỏ qua điện dung của đường dây, ngoài ra trong quá trình tính toán lấy điện áp tại mỗi nút bằng điện áp định mức và bước đầu tính toán có thể bỏ qua tổn thất công suất trong mạng điện

a) Trường hợp đường dây hình tia

Cho đường dây hình tia có điện áp định mức Uđm, chiều dài l km, điện trở r0 Ω/km, cảm kháng x0 Ω/km, phụ tải P kW (hoặc dòng điện phụ tải I ampe hay công suất biểu kiến S kVA), hệ số công suất cosϕ

Hình 7.3

- Đối với đường dây ba pha

Tổn thất điện áp:

∆U =

dm

PR QX U

Phần trăm sụt áp:

100

trong đó: R = r0.l ; X = x0.l (Ω)

P (kW), Q = Ptgϕ = Scosϕ (kVAr), S (kVA), Udm (kV), ∆U (V) Có thể viết:

∆U% = ( cos sin ). .%

.

2 dm

U 10

Đặt:

K% = ( cos sin )..%

.

2 dm

U 10

K% là hằng số sụt áp, được định nghĩa là phần trăm sụt áp cho mỗi kVA công suất, mỗi km chiều dài đường dây với hệ số công suất, cỡ dây, cách bố trí dây và điện áp định mức cho trước Có thể lập bảng tính trước hằng số sụt áp và từ đó tính nhanh chóng phần trăm sụt áp đường dây:

trong đó S (kVA), l (km)

Nếu tính theo dòng điện (ampe) thì sụt áp đường dây cho bởi:

∆U = 3I(Rcosϕ + Xsinϕ) = 3I.l.(r0cosϕ + x0sinϕ) (7.12)

- Tổn thất công suất tác dụng:

∆P = 3RI2 = 2 2 2 22

trong đó: P (kW), Q (kVAr), S (kVA), Uđm (kV), ∆P (W)

hay: P (MW), Q (MVAr), S (MVA), Uđm (kV), ∆P (MW)

- Tổn thất công suất phản kháng:

∆Q = 3XI2 = 2 2 2 22

trong đó: P (kW), Q (kVAr), S (kVA), Uđm (kV), ∆Q (VAr)

hay: P (MW), Q (MVAr), S (MVA), Uđm (kV), ∆Q (MVAr)

- Đối với đường dây một pha hai dây:

Công thức tính sụt áp và tổn thất công suất tương tự như đường dây ba pha với Uđm là điện áp định mức giữa hai dây cụ thể như sau:

∆U =

dm

PR QX U + với R = 2r0l ; X = 2x0l (7.15)

∆U = I(Rcosϕ + Xsinϕ) = I.2l.(r0cosϕ + x0sinϕ) (7.16)

∆P = RI2 = 2 2 2 22

+

∆Q = XI2 = 2 2 2 22

Ghi chú: R và X là điện trở và cảm kháng của cả hai dây đi và về

b) Trường hợp đường dây liên thông

Xét một mạng điện phân phối dạng liên thông có sơ đồ trong H.7.4.:

Các ký hiệu:

pi, qi : công suất phụ tải i;

Pi, Qi: công suất đi trên đoạn đường dây i;

ri, xi : điện trở, cảm kháng đoạn i;

Ri, Xi: điện trở, cảm kháng tính từ đầu nguồn A đến nút i

Do bỏ qua tổn thất công suất, dễ dàng xác định công suất đi trên mỗi đoạn:

Hình 7.4

R3 = r1 + r2 + r3

X3 = x1 + x2 +x3

R2 = r1 + r2

X2 = x1 + x2

R1 = r1

X1 = x1 Công suất đi trên đoạn i:

(m: chỉ số nút) Tổn thất điện áp trên đoạn đường dây i:

i i i i i

đm

P r Q x U

U

+

Sụt áp từ đầu nguồn A đến phụ tải cuối đường dây:

3 3 3 3

1 1 1 1 2 2 2 2

P r Q x

P r Q x P r Q x U

+

Tổng quát, sụt áp từ đầu nguồn đến phụ tải n cuối đường dây:

n

i i i i

đm i 1

1

(i: chỉ số đoạn) Mặt khác: i n m

m i

=

=∑ và i n m

m i

=

=∑

Thay vào biểu thức ∆U và biến đổi để có biểu thức tương đương:

n

i i i i

đm i 1

1

(i: chỉ số nút) Trường hợp đường dây có cùng tiết diện và cùng cách bố trí dây dẫn trên trụ, nghĩa là có cùng thông số r0, x0 trên mỗi km chiều dài đường dây, ta có thể viết:

1

(li: chiều dài đoạn i) hay:











+

⋅

=

=

n 1

i i i 0

n 1

i i i

0 đm

L q x L p r U

(Li: khoảng cách từ đầu đường dây đến nút i) Nếu biết điện áp UA ở đầu đường dây thì điện áp Un ở cuối đường dây cho bởi:

Un là điện áp thấp nhất trong mạng điện

Phần trăm sụt áp:

∆U% = A n %

n

100 U

dm

U 100 U

Độ lệch điện áp ở cuối đường dây:

đlU% = n dm %

dm

100 U

Đối với mạng điện phân nhánh như trong mạng điện H.7.5

Hình 7.5

Tổn thất điện áp lớn nhất trong mạng điện có thể là ∆UA3 hoặc ∆UA4 tùy theo trị số tính được là lớn hơn

Dễ dàng tính được sụt áp trên từng đoạn đường dây và sụt áp từ đầu nguồn đến các tải ở cuối đường dây Các công thức được viết như sau:

∆ UA3= ∆ UA1+ ∆ U12+ ∆ U23

∆ UA4 = ∆ UA1+ ∆ U12+ ∆ U24 và: U4 = UA− ∆ UA4

U3 = UA− ∆ UA3 Khi cần tính tổn thất công suất trong mạng điện phân phối, có thể dùng công thức đơn giản sau đây:

( ) ( )

n

2

đm i 1

1

với i = 1,n là chỉ số đoạn

Tổn thất công suất tác dụng:

n

2

dm i 1

1

Tổn thất công suất phản kháng:

n

2

dm i 1

1

Ví dụ 7.2: Mạng điện công nghiệp 10 kV, toàn bộ đường dây dùng dây A–95 với khoảng cách trung

bình Dtb = 1 m Phụ tải đơn vị MVA Xác định tổn thất điện áp lớn nhất và tổn thất công suất trong mạng điện Nếu điện áp nguồn UA = 11 kV, xác định điện áp tại nút có điện áp thấp nhất

Hình 7.6 : Mạng điện Ví dụ 7.2

Thông số đường dây zo = r0 + jx0 = 0,33 + j0,332 Ω/km

Tổng trở mỗi đoạn đường dây:

Z1= 0 165 j0 166 , + , Ω (lộ kép)

Z2= 0 66 j0 664 , + , Ω = Z 4

Z3= 0 33 j0 332 , + , Ω

Công suất chạy trên từng đoạn đường dây:

4

S = + 2 j2 MVA

3

S = + 1 j0 5 MVA

2

S = + 2 j1 MVA

1

S = + 6 j4 MVA Tổn thất công suất trên toàn mạng điện:

2

1

S 6 4 0 165 j0 166 2 1 0 66 j0 664

10 

+(12+ 0 5, 2) (0 33 j0 332, + , )+(22+ 22) (0 66 j0 664, + , )

S 0 175 j0 180 MVA

Tổn thất công suất tác dụng và phản kháng tính theo phần trăm:

Hình 7.6bis : Sơ đồ thay thế mạng

điện Ví dụ 7.2

,

i

i

6 p

4 q

∆

∆

∑

∑

Tổn thất điện áp từ A đến phụ tải 3:

A3 1

U 6 0 165 2 0 66 1 0 33 4 0 166 1 0 664 0 5 0 332

10

0 413 kV

= Tổn thất điện áp từ A đến phụ tải 4:

, ( ) A4 1

U 6 0 165 2 0 66 4 0 166 2 0 664 10

0 43 kV

= Như vậy, tổn thất điện áp lớn nhất ∆UA4 = 0,43 kV và điểm 4 có điện áp thấp nhất:

U =U − ∆U =11 0 43 10 57 kV− =

7.2.3 Tính toán mạng điện có hai cấp điện áp

Xét một mạng điện có sơ đồ H.7.7 gồm đường dây cao áp L1, máy biến áp giảm áp B và đường dây hạ áp L2 Mạng điện được tính toán theo hai bước:

Bước 1: Tính toán công suất ngược về nguồn

- Tổn thất công suất công suất trên đoạn L2

- Công suất ở đầu đoạn L2

- Công suất ở thanh cái hạ áp của máy biến áp

- Tổn thất công suất trong máy biến áp

- Tổn thất công suất trên đoạn L1 và công suất kháng do điện dung phát lên của đường dây cao áp

- Công suất ở đầu đường dây L1

Khi tính toán cho đường L2, dùng điện áp định mức Uđm2 và khi tính toán cho đường L1 dùng điện áp Uđm1

Bước 2: Tính sụt áp và tìm điện áp cuối đường dây bắt đầu từ điện áp UA đã cho trước Lần lượt tính:

- Sụt áp trên đường L1

- Tính điện áp Ub ở cuối đường L1

- Sụt áp qua máy biến áp

- Điện áp U’c của điểm c qui về cao áp

- Suy ra điện áp Uc ở đầu đường L2 qua tỷ số biến áp k:

k = ,

,

pa cao

kt hạ

U U trong đó Upa,cao: điện áp của đầu phân áp phía cao áp

Ukt,hạ: điện áp không tải phía hạ áp

Nếu không cần chính xác có thể tính:

k ≈ đm1 đm2

U U trong đó Uđm1: điện áp định mức phía cao áp

Uđm2: điện áp định mức phía hạ áp

Từ đó:

Uc = U'c k Trong H.7.7b, máy biến áp B được thay thế bằng tổng trở ZB nối tiếp với máy biến áp lý tưởng có tỷ số biến áp k:1

- Tiếp tục tính toán điện áp cho đường dây hạ áp Bắt đầu với điện áp Uc, tính sụt áp trên đường dây L2 và suy ra điện áp Ud

Hình 7.7

Ví dụ 7.3: Cho mạng điện có hai cấp điện áp có sơ đồ H.7.7 Phụ tải Sc= 10 +j5 MVA và d

S = 3+j2 MVA Đường dây L1 dài 30 km, 110 kV, dây dẫn AC–70 có r0 = 0,46 Ω/km, x0 = 0,41 Ω/km, dung dẫn b0 = 2,6.10–6 1/Ω.km

Trạm giảm áp dùng máy biến áp 20000 kVA, 110/23 kV có ∆P0 = 60 kW, ∆PN = 160 kW,

UN% = 10,5%, i0% = 3%, điện áp không tải phía thứ cấp Ukt,hạ = 23 kV, dùng đầu phân áp phía cao áp có điện áp Upa,cao = 110 kV

Đường dây L2 cấp điện áp 22 kV, dài 8 km, dây AC–185 có r0 = 0,17 Ω/km, x0 = 0,38 Ω/km

Điện áp đầu đường dây cao áp UA = 115 kV

Xác định công suất đầu đường dây cao áp và điện áp tại phụ tải c và phụ tải d

Giải

Sơ đồ thay thế của mạng điện vẽ trong H.7.7b

Thông số đường dây L1:

R1 = 0,46 x 30 = 13,8 Ω

X1 = 0,41 x 30 = 12,3 Ω

Y = b0.l = 2,6 x 10–6 x 30 = 78.10–6 1/Ω Thông số máy biến áp:

N 1dm

dm

∆

dm

U U 10 10 5x110 10 63 53

∆PFe = ∆P0 = 60 kW = 0,06 MW

∆QFe = i0% dm 3 ,

100 =100 = MVAr

∆PCuđm = ∆PN = 160 kW = 0,16 MW

∆QCuđm = UN%Sdm 10 5, 20 2 1,

Thông số đường dây L2

R2 = 0,17 x 8 = 1,36 Ω

X2 = 0,38 x 8 = 3,04 Ω

Bước 1: Tính tổn thất công suất và công suất trên các đoạn (quá trình tính ngược)

- Công suất cuối đường dây L2

"

2

S = Sd = 3 + j2 MVA = P2’’ + jQ2’’

- Tổn thất công suất trên đường L2

'' ''

dm2

- Công suất đầu đường dây L2

' 2

S = "

2

S + ∆ S2= (3 +j2) + (0,037 + j0,082) = 3,037 + j2,082 MVA

- Công suất phía thứ cấp của máy biến áp

" '

S = S + S = (3,037 + j2,082) + (10 + j5) = 13,037 + j7,082 MVA

"

| SB| = 14,84 MVA

- Tổn thất công suất qua tổng trở của máy biến áp (tỷ lệ với bình phương công suất qua máy biến áp)

'' ,

B

dm

'' ,

B

dm

- Công suất ở đầu tổng trở của máy biến áp

' B

S = "

B

S + ∆ SB = (13,037 + j7,082) + (0,088 + j1,16) = 13,125 + j8,242 MVA = PB’ + jQB’

- Công suất phía sơ cấp máy biến áp