GIÁO TRÌNH PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP HỆ THỐNG ĐIỆN_CHƯƠNG 3 & 4 doc

Đốivới đ-ờng dây tải điện dài hơn, điện áp cao hơn trong tính toán ta phải xét đếntính chất sóng của quá trình truyền tải năng l-ợng trên đ-ờng dây nên trong sơ đồ thay thế các thông số

Chương 3

phân tích chế độ làm việc của

đ-ờng dây dài siêu cao áp

Đ3.1 TỔNG QUÁT VỀ ĐƯỜNG DÂY DÀI SIấU CAO ÁP VÀ HỆ THỐNG

TẢI ĐIỆN

3.1.1 Khái quát chung

Trên thế giới hiện đang sử dụng đ-ờng dây tải điện với các cấp điện áp siêucao xoay chiều : 220, 330, 380, 400, 500, 750 và 1150 kV, gọi tắt là đ-ờng dâysiêu cao áp (DSCA) Các DSCA có khả năng tải công suất rất lớn và đi rất xa.Công suất và độ dài tải điện càng lớn thì điện áp sử dụng càng cao, giá thành tải

điện sẽ thấp và độ che phủ mặt đất sẽ nhỏ hơn, mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn

Đối với những đ-ờng dây tải điện có chiều dài nhỏ hơn 250 km và điện ápkhông cao ( d-ới 220 kV) thì sơ đồ thay thế dùng tính toán sử dụng những tham

số tập trung và bỏ qua tính chất sóng trong quá trình truyền tải năng l-ợng Đốivới đ-ờng dây tải điện dài hơn, điện áp cao hơn trong tính toán ta phải xét đếntính chất sóng của quá trình truyền tải năng l-ợng trên đ-ờng dây nên trong sơ

đồ thay thế các thông số trở, kháng, dung và dẫn ngang phải xét rải phân bố đều

đúng cũng có thể sử dụng sơ đồ thay thế với tham số tập trung nếu đ-ờng dâydài đ-ợc chặt nhỏ ra từng đoạn ngắn ( khoảng chừng 100-200 km), mà mỗi đoạn

thay thế tập trung Mức độ chặt ngắn là tuỳ thuộc vào mức độ yêu cầu sai số.

Một số đặc điểm của DSCA nh- sau:

1 Dùng dây dẫn phân pha

Đ-ờng 220 kV mỗi pha có hai sợi, 500 kV có 3 hay 4 sợi

Có hai lý do để áp dụng đ-ờng dây phân pha :

- Dòng điện trên DSCA rất lớn ( 500 kV có dòng chừng 1000A tính theo côngsuất tự nhiên 900MW, còn 220 kV là 300A, 120MW) Điều đó dẫn đến thiếtdiện dây dẫn rất lớn, thi công lắp đặt rất khó khăn Dùng dây phân pha sẽ khắcphục đ-ợc nh-ợc điểm trên ;

- DSCA tạo điện tr-ờng với c-ờng độ rất cao, dẫn đến tổn thất vầng quang lớn,gây nhiễu vô tuyến cao

Với dây dẫn phân pha ta có bán kính đẳng trị là [1] :

n n 1

pp

td n.r.R

trong đó : r - bán kính của một sợi;

n - số dây trong một pha

Bán kính đẳng trị lớn hơn nhiều bán kính của một dây, do đó làm cho c-ờng

độ điện tr-ờng trên mặt dây dẫn giảm thấp Bán kính này cũng làm giảm thấp

điện kháng đơn vị và tăng điện dung đơn vị của dây

2 Khoảng cách cách điện và chiều dài chuỗi sứ rất lớn

3 ảnh h-ởng đến môi tr-ờng xung quanh.

DSCA chiếm nhiều đất đai để xây dựng trạm và móng cột, tiếng ồn do hồquang, nhiễu vô tuyến, ảnh h-ởng đến cảnh quan và ảnh h-ởng do c-ờng độ

điện tr-ờng đến khoảng không d-ới đ-ờng dây và mặt đất, ảnh h-ởng không tốt

đến sức khoẻ con ng-ời và gia súc

4 Độ tin cậy

Đối với DSCA đòi hỏi độ tin cây rất cao, bởi sự cố các đ-ờng dây này ảnhh-ởng rất lớn cho phụ tải Để đảm bảo độ tin cậy cao phải tăng c-ờng cách điện

đ-ờng dây, tăng sức chịu lực của cột và móng, tăng số mạch song song

Đặc điểm quan trọng về kỹ thuật của DSCA là :

1 Tổn thất điện năng do vầng quan điện là rất cao.

Để giảm tổn thất này giải pháp dùng dây dẫn phân pha là hiệu quả nhất

2 Sự sản ra công suất phản kháng là rất lớn.

Đ-ờng dây phân pha nh- đã giới thiệu ở trên là làm tăng đáng kể điện dungngang, kéo theo công suất phản kháng dó chúng sinh ra, gây ra các vấn đề kỹthuật cần giải quyết trong chế độ non tải hoặc không tải :

- Sự tăng cao điện áp ở cuối các đ-ờng dây có thể v-ợt quá khả năng chịu

đựng của thiết bị phân phối ( đ-ờng dây 220 kV điện áp không đ-ợc cao hơn

Một DSCA hiển nhiên phải có máy biến áp (MBA) tăng áp đầu nguồn vàMBA hạ áp cuối đ-ờng dây để cấp điện cho phụ tải Không chỉ có vậy để đảmbảo chất l-ợng điện áp ở các chế độ mang tải khác nhau (không tải, phụ tải min,phụ tải trung bình, phụ tải max) trên toàn bộ tuyến DSCA còn có các thiết bị bù: tụ bù dọc, tụ và kháng bù ngang, các thiết bị điều khiển Phân túch công dụngcủa từng loại thiết bị này sẽ đ-ợc xem xét trong các ch-ơng sau Tập hợp cácnguồn, các MBA , các đoạn DSCA, các thiết bị bù và các thiết bị điều khiểnthành một hệ thống gọi là hệ thống tải điện siêu cao áp.

Trên hình 3.1 giới thiệu một hệ thống truyền tải điện siêu cao áp Hệ thốngtruyền tải này bao gồm hai hệ thống điện (nguồn) đ-ợc nối với nhau bằngDSCA Một trong hai hệ thống điện là nguồn phát, hệ thống có d- thừa côngsuất để tải công suất cho hệ thống kia; Hệ thống điện còn lại là phụ tải, hệthống thiếu công suất cần có sự hỗ trợ công suất

Từ hai hệ thống điện tồn tại trạm biến áp tăng áp phía hệ thống nguồn và trạmbiến áp hạ áp phía hệ thống tải, mà hai phía cao của các trạm biến áp này cócùng điện áp định mức; Còn các điện áp phía hai cuả chúng có điện áp định mức

là tuỳ thuộc vào điện áp của từng hệ thống điện

Trên hệ thống truyền tải điện siêu cao áp hình 3.1 còn tồn tại các đoạnDSCA, các thiết bị tụ bù dọc, các thiết tụ bù ngang và các điện kháng bù ngang.Các thiết bị bù này có thể điều chỉnh dung l-ợng bù là tuỳ theo chế độ vận hànhcông suất ít hay nhiều nhằm đảm bảo chất l-ợng điện áp Vân đề này sẽ đ-ợcxem xét kỹ trong ch-ơng sau

Để nhìn nhận tốt hơn, tr-ớc hết xét đ-ờng dây dài thuần nhất, một đ-ờng dâykhông có thiết bị bù và cũng không tính đến các thiết bị phân phối ở hai đầu nh-máy biến áp, tức là chỉ xét một đ-ờng dây thuận tuý

Ta giả thiết đ-ờng dây tải điện đi xa là đồng nhất với các thông số rải đềutrên toàn bộ đ-ờng dây và mang tải đều trên ba pha Các thông số cơ sở của

đ-ờng dây dài 1 km bao gồm :

là tân số của dòng điện, đối với Việt nam f=50 HZ

- Tổng trở đơn vị của đ-ơng dây z0 r0  jx o, tổng trở đ-ờng dây Z  z0l

- Tổng dẫn đơn vị của đ-ờng dây y0  g0  jb0, tổng dẫn đ-ờng dây Y  y0.l

Giá trị các tham số đơn vị của DSCA có cấu trúc phân pha đ-ợc xác định theocác công thức sau :

trong đó: n- số dây trong một pha;

r’0-điện trở đơn vị của một dây [ /km]

2 Điện kháng đơn vị x 0[1]

R

D lg 6 , 4 n 2

1

td

tb 0

024 , 0

td tb 0

Nếu điện áp pha và dong điện ở cuối phần tử là u và i thì ở đầu phần tử điện

x

i i dx x

u u

Từ hình 3.2 thấy rằng, sở dĩ có sự biến đổi điện áp nh- trên là do có giáng áp

Theo dịnh luật Kirchoff II cho mạch vòng nh- trên hình 3.2, ta có thể viết :

u u

Giản -ớc ph-ơng trình ta có :

t

iLirx

i i

Sau khi giản -ớc ta có :

t

uCugx

i i

Đối với mạch dòng hình sin các điện áp biểu diễn là U , còn dòng Ivà các

đạo hàm sẽ đ-ợc biểu diễn :

I j dt

I d U j dt

I

d

IzILjrILjIrdx

U

d

0 0

0 0

0

0 0

0 0 0

y I y dx

U d dx

I d

U z

y U z dx

I d dx

U d

2 0 0 0 2

2

2 0 0 0

2 2

0 0

I d

0 U dx

U d

2 2 2

2 2 2

Hệ ph-ơng trình (3.8) là hệ ph-ơng trình vi phân cơ bản của đ-ơng dây tải

điện xoay chiều sin ba pha

3.2.3 Giải hệ ph-ơng trình đ-ờng dây dài tải điện xoay chiều sin 3 pha

Ph-ơng trình (3.8) có nghiệm tổng quát cho điện áp ở điểm x:

x 2 x 1

Lấy đạo hàm (3.9) theo x ta có :

x x

x

e K e

K dx

2 1

0 0

0 0

0 0

2 1

0 0

x x

S

x x

x x

x x

x

e K e K Z e

K e K L

j r

L j r C j g e

K e K z dx

0

0 0

y

z C

j g

L j r Z

Bây giờ ta xác định các hệ số K1, K2theo điều kiện cho tr-ớc nh- sau :

Thực vậy, ta tính điện áp và dòng điện tại điểm cuối đ-ờng dây bằng cách thayx=0 vào (3.9), (3.10) đ-ợc:

K K U

2 1 2

Z I U K

2 2 1

2 1 2 1

Thay giá trị các hệ số tìm đ-ợc vào (3.9), (3.10) ta đ-ợc :

   

2 2

2 2

2 2

2

1 2

1

2 2

2 2 2

2

2 2

2 2 2

2

x x

S

x x x

S

S x

S

S x

x x S

x x x

S x

S x

e e Z

U e e I e Z

Z I U e Z

Z I U

jx x jx

x

e e x Sh e

e x Ch

Với quan hệ toán học nêu trên, điện áp và dòng điện tại toạ độ x tính từ cuối

đ-ờng dây dài sẽ là :

U x Ch I I

x Sh Z I x Ch U U

S

2 2

x

S 2 2

U l Ch I I

l Sh Z I l Ch U U

S

2 2

1

S 2 2

UxChII

xShZIxChUU

S

1 1

x

S 1 1

UlChII

lShZIlChUU

S

1 1

2

S 1 1

lShZlChUU

S

2 2

1

S 2

Các biểu thức (3.12), (3.14) dùng để tính các chế độ vận hành của đ-ờng dây

viết theo điện áp dây thì sẽ phải là:

UxChII

xShZI3xChUU

S

1 1

x

S 1 1

3.2.4 Phân tích quá trình sóng trên đ-ờng dây dài

2 1

2 1

2 1

2 1

2 1

S

x j x

S

x x

S x

x j x x

j x x

x x

e e Z

K e

e Z

K e

K e K Z I

e e K e

e K e

K e K U

S

2 1

x S

1 t

x

2 x

2 1

x 1 t

x

x t sin e Z

K 2 x

t sin e Z

K 2 i

x t sin e K 2 x

t sin e K 2 u

(3.16)

hàm ux,tgồm hai thành phần chứa sin t x và sin t x

Xét thành phần chứa sin t x, ký hiệu là uthvới :

 t x

e K

u th  2 1 xsin   

trên đ-ờng dây tải điện có biên độ tăng dần theo chiều tăng của x (hình 3.3a,

đ-ờng 1)

Sóng hình sin này có b-ớc sóng, tức là khoảng cách giữa hai điểm của đ-ờng

giữ nguyên dạng nh-ng dịch chuyển về phía trái theo chiều giảm đi của x một

nh-vậy :  t  x Từ dây tính đ-ợc tốc độ truyền sóng :

3  2

Từ công thức (3.17) và (3.18) ta có :

f f

Với giả thiết môi tr-ờng chân không thì tốc độ truyền sóng đạt tốc độ ánhsáng, băng 300 000 km/s Vậy với f=50HZ thì độ dài sóng đạt tới 6000 km.Với giả thiết ban đầu x=0 ứng với điểm cuối, điểm nhận điện của đ-ờng dây,chiều truyền năng l-ợng là chiều từ đầu đến cuối đ-ờng dây Vậy sóng điện áp

tới hay sóng thuận

T-ơng tự nh- trên, sóng điện áp:

 t x

e K

u ng   x   

sin

2 2

là sóng dịch chuyển theo chiều tăng của x, cũng với tốc độ nh- sóng thuận, tức

ng-ợc Sóng ng-ợc cũng có biên độ giảm dần theo chiều truyền sóng (hình

3.3b)

Điện áp trên mọi điểm của đ-ờng dây tải điện là tổng của sóng thuận và sóngng-ợc

khoảng 3.10-5 ữ10-5 Km- 1

trị khoảng 0,060ữ0,065 rad/km đối với DSCA trên không Các hệ số suy giảm và

hệ số pha phụ thuộc vào các thông số của đ-ờng dây và tần số của dòng điện

Đối với dòng điện, quá trình truyền sóng cũng t-ơng tự

3.2.5 Tính toán các thông số đặc tr-ng của đ-ờng dây dài

1 Tính Z  ,s 

a) Khai căn trực tiếp

Hệ số truyền sóng   và tổng trở sóng Z S là hai thống số đặc tr-ng của đ-ờngdây dài có thể đ-ợc xác định theo công thức (3.7) và (3.11) bằng khai căn trựctiếp Thật vậy, các thông số tổng trở đơn vị và tổng dẫn đơn vị đ-ợc đ-a về dạngmôđun và góc z0  z0 Z; y 0  y0 y, khi đó theo công thức (3.7) và (3.11) tacó:

0

z 0

2 y

z y

y z y

.

b) Dùng các công thức khai triển chuỗi

- Không xét R, G (đ-ờng dây không tổn thất):

0 0 0 0

0 0

s 0 0 0

0

b

x jb

r j 1 b x j jb jx r

x

r j 1 Z x

r j 1 b

x jb

jx r Z

0 0

0

0 0

0 2 0 0 0

0

0 0

s 0 0 0

0 0

0 0 s

0

x 2

r j 1 x

r j

x

r x

2

r j 1 b x

j

x 2

r arctg

; x

r j 1 Z x

r j 1 b

x Z

0 0 0 0 0

0 0

0

0 0 0

0 0

s 0 0 0

0 s





(3.22)

VÍ DỤ 3.1

khung hỡnh vuụng, cạnh a=400 mm; đường kớnh một sợi d=25 mm, bỏn kớnh

Tớnh cỏc thụng số của đường dõy

D n

L

td

tb

/ 10 786 , 8 10 4 , 183

14000 lg 6 , 4 4 2

1 10

lg 6

D C

td tb

/ 10 01275 , 0 10 4 , 183

14000 lg

024 , 0 10

lg

024 ,

b

.

1 10 026 , 4 10 01275 , 0 50 14 , 3 2

0 0

277 , 0

6 0

0 0

0 0

865 , 84 277 , 0 y

0 2

025 , 0 j 1 763 , 261 x

r j

0 0 0

10 ).

056 , 1 048 , 0 (

432 , 87 10 060 , 1 10 026 , 4 865 , 84 277 , 0

10 053877 ,

1 j 047753 ,

0 10 054 , 1 j 10 054 , 1 275866

a) Kh«ng xÐt R,G (®-êng d©y kh«ng tæn thÊt):

C

L C

j

L j y

z

0 0 0

0 0

x sin j x cos x sin j x cos 2

e e

x sin j ) x cos(

x sin j x cos 2

e e

0 0

0 x

j x j

0

0 0

0 0

0 x

j x j

0

0 0

0 0

sin x x 2

r j x cos

x shj x x

r sh x chj x x

r ch

x j x x 2

r ch

x

ch

0 0

0

0 0

0 0

0

0 0

0 0 0

0 0

0 0

Bëi v× chj 0x  cos 0x ; shj 0x  j sin 0x vµ do tû sè r0/2x0 rÊt bÐ nªn

x x

r x x 2

r sh

; 1 x

0

0 0

r x j x x 2

r sh

x

0

0 0

0 0

Cos x Sh x j x Sh

x

Sh

x Sin x jSh x Cos x Ch x j x Ch

x

! 3

x x x Sh

! 4

x

! 2

x 1 x Ch

5 3

4 2

(3.27)

VÍ DỤ 3.2

Đường dây trên không điện áp 220kV chiều dài 300 km Các thông số trên 1

m chiều dài của đường dây như sau :

0

; 10 86 , 8

; 10 33 , 1

; 10 93 ,

g m F C

m H L

m r

) 50

0 0

0

10 33 , 1 60 14 , 3 2 93 , 0

10 33 , 1 60 14 , 3 2

93

,

0

10 33 , 1 60 14 , 3 2 93 , 0

m j

j L

j r jx

r

Tổng dẫn đơn vị 1m :

1 9 12

4 0

0

391 1

, 36 389 10 34 , 3

10 01 , 5 93 ,

j

j Y

0134 , 0 925 , 0 390 , 0 0354 , 0 39

, 0 0354 , 0

380 , 0 0327 , 0 39 , 0 0354 , 0 39

, 0 0354 , 0

0

0

j Sin

jSh Cos

Ch l Ch

j Sin

jSh Cos

Sh l Sh

; 132 , 0 394 , 0 127 3

50 150 3

ˆ

1 1

l Sh Z

U l Ch I

I

kV e

e U

kV e

j

j j

j j

j

l Sh Z I l Ch U

U

j S

day S

' 3 33

1 1

2

' 9 30 '

9 30 2

' 9 30

1 1

2

0

0 0

0

44 , 0 241 , 0 367 , 0 38 , 0 0327 , 0 1 , 36 389

127

0134 , 0 925 , 0 132 , 0 394 , 0

66 , 176

102 3

;

102 4 , 52 5 , 87

38 , 0 0327 , 0 1 , 36 389 132 , 0 394 , 0 0134 , 0 925 , 0 127

U

S 3 ˆ 3 102 0 , 44 j33 3 ' 30 9 ' 134 , 64 j2 4 ' ( 135 5 , 7 )

2 2 2

0 0

% 90 100 150

135 100

Đ3.3 phân tích chế độ làm việc của đ-ờng

dây dài thuần nhất

3.3.1 Công suất tự nhiên

Chế độ làm việc của đ-ờng dây dài với phụ tải ở cuối đ-ờng dây có tổng trở

tự nhiên Vậy ta có :

S pt

S

Z

U I hay I

U Z

1

2 2 2

2 2

2 x S

2 x

2

x 1 S

x

x j x 2

x 2

x 2

x 1 x

eeZ

Ue

Z

Ue

KeKZ

1

I

eeUe

Ue

KeK

2 2 2

2 2

2

ˆ 3 ˆ 3

Z

U Z

U U I

U jQ

jQ P Z

Z

U jQ P S

ˆ

2 2

Z

U P S

2 2

1 §-êng d©y kh«ng tæn thÊt

- Tæng trë sãng :z S0  zS

- HÖ sè lan truyÒn sãng :0  j0

- C¸c hµm l-îng gi¸c:

x jSin ) x j ( Sh

; x Cos ) x j (

U j x Cos I I

x Sin Z I j x Cos U U

0 S

2 0

2 x

0 S 2 0 2 x

U j l Cos I I

l Sin Z I j l Cos U U

0 S

2 0

2 1

0 S 2 0 2 1

U j l Cos I I

l Sin Z I j l Cos U U

0 S

2 0

1 2

0 S 2 0 1 2

CÇn l-u ý r»ng c¸c c«ng thøc nªu trªn ®iÖn ¸p lµ ®iÖn ¸p pha VËy khi tÝnh

Ch¼ng h¹n c«ng thøc (3.29a) nÕu dïng ®iÖn ¸p d©y th× sÏ lµ :

U j l Cos I I

l Sin Z I 3 j l Cos U U

0 S

2 0

2 1

0 S 2 0

2 1

* 2 2 2 2

*

P

jQ P P

S S

S S

Z

U P S

2 2





S S

P

U Z

2 2

 ; Mµ

2 2

2 2 2

jQ P

U Z

jQ P P

jQ P Z

e K U l Sin jQ P j l Cos

U

l Sin Z

U Z j l Cos U l Sin Z I j l Cos

U

U

.

3 3 3

2 0

* 2

* 2 0

2

0 2

2 0

2 0 2

0 2

* 2 0 2

1

2 0

* 2 2 0

* 2 0 2

1

Sin P Sin

Q Cos

U

U

K

Sin P Sin

Q Cos

Từ biếu thức (3.31), xây dựng biểu đồ véc tơ điện áp nh- trên hình (3.4)

đ-ờng dây Nếu nh- công suất phản káng chạy từ cuối đ-ờng dây vào hệ thống

Trong tr-ờng hợp phụ tải là điện cảm thì điện áp đầu đ-ờng dây lớn, còn khi phụ

Từ nhận định nêu trên có thể khẳng định đ-ợc rằng đối với đ-ờng dây tải điệnngắn( d-ới 250 km) việc truyền tải công suất do chêch lệch điện áp giữa hai đầu

đ-ờng dây quyết định; Trong khi đó đối với đ-ờng dây dài siêu cáo áp việctruyền tải công suất lại do góc lệch điện áp giữa hai đầu quyết định

Từ biểu thức (3.31) ta thấy: với giá trị công suất tác dụng đã cho, bằng cáchthay đổi tỷ số điện áp ở hai đàu đ-ờng dây có thể thay đổi dòng công suất phảnkháng chay trên đ-ờng dây, do đó thay đổi tổn thất công suất tác dụng

Nh- vậy, chế độ tối -u về mặt tổn thất sẽ nhận đ-ợc, và do đó hiêu suấttruyền tải liên quan với sự phân bố công suất phản kháng trên đ-ờng dây truyềntải và tỉ số điện áp ở hai đầu đ-ờng dây.

Ngoài ra, bằng biện pháp thay đổi công suất phản kháng ở cuối đ-ờng dây cóthể thay đổi tỉ số điện áp ở hai đầu đ-ờng dây với công suất tác dụng đã cho Saukhi thay đổi công suất phản kháng có thể thay đổi góc lệch pha giữa điện áp ở

Phân tích sự biến đổi điện áp dọc đ-ờng dây:

Đối với đ-ờng dây dài, phân bố điện áp dọc đ-ờng dây có nhiều đặc điểm màkhi thiết kế, vận hành cần phải quan tâm Ta hãy xét sự diễn biến của điện áptrên độ dài sóng 6000 km Từ công thức (3.31) ta có thể viết :

toàn công suất tác dụng Khi đó :

U2 0

Sin U

Q2* 2 0

) ( 2*

Cos x jSin x

U

đ-ờng 1) Ta thấy điện áp không thay đổi theo độ dài đ-ờng dây tải điện mà chỉthay đổi góc pha

trờn đường elips ( hỡnh 3.5 , đường 2 và đường 3) Như vậy khi cụng suất phụ tải khỏc cụng suất tự nhiờn thỡ điện ỏp phõn bố khụng đều dọc theo đường dõy tải điện

1) Q*

trên đ-ờng elip, nh-ng trục chính của chúng sẽ bị nghiêng đi (hình 3.6) Khi

Q*

Q*

Hỡnh 3.5 Sự biến đổi điện ỏp theo dọc đường dõy khi Q *

2 =0

1 P*=1; 2.P*>1; 3.P*<1

2 1 3

2 Đường dây có điện trở khác không

Như đã trình bày trong mục 3.2.5, bẳng phân chuỗi các thông số đặc trưng của đường dây dài khi có xét R, bỏ qua G (G=0) được xác định theo công thức (3.22),(3.24),(3.25) và có thể viết lại như sau:

0 0 0 0 0

0 0

0

0 0

S 0

0 0

S

x 2

r x

r j 1 j

; x 2

r j 1 Z x

r j 1

r j x cos

x x

x r

x

r j Z

I U

x x

x

r j x I

I

x j

x x

x

r x

r j Z

I

x x

x

r j x U

U

S

x

S x

0 0

0 0 0

0

0 0

2 2

0 0

0

0 0

2

0 0

0 0 0 0

0 0

2

0 0

0

0 0

2

sin cos

2

2 1 3

sin 2

cos

sin cos

2

2 1 3

sin 2

Vẽ đồ thị véc tơ Ux theo (3.33) sẽ được hình xoắn ốc như trên hình 3.7

công suất cuối đường dây:

0 0 0

0 0

* 2 0 0

* 2 0

0 0 0

0 0 2

1

Q x

r sin

cos sin

P sin

x

r sin

cos cos

suuats tác dụng với công suất cơ sở

0 s

2 2 cs

0 0 0

0 0

* 2 0 0

0 0

0

* 2

* 2 0

0 0 0

0 0

2 sin cos

sin sin

2

; sin 2

sin cos

cos

Q x

r l l

l l P

l l

x

r B

l Q

P x

r l l

l l A

Khi tính đến điện trở làm thay đổi về lương quan hệ giữa các thông sô chế

độ Còn quan hệ về chất vẫn giữ nguyên như đường dây không tổn thất

3.3.3 Góc  và công suất giơi hạn P gh

1 Góc

Khả năng tải công suất tác dụng trên đường dây dài gắn liền với góc lệch pha

thất theo hình 3.4 được viết :

l tg Q 1

l tg P arctg l

sin Q l cos

l sin P arctg

0

* 2 0

* 2 0

* 2 0

0

* 2

Theo công thức trên ta thấy rằng, góc lệch giữa điện áp hai đầu đường dây tăng lên theo sự tăng của công suất tác dụng tải trên đường dây Cường độ độ tăng của góc phụ thuộc vào độ dài của đường dây Độ lớn và hướng ( tính chất) của công suất phản kháng ở cuối đường dây cũng ảnh hưởng đến góc này Hình 3.8 thể hiện sự thay đổi của góc lệch này phụ thuộc vào các thông số Từ hình

và do đó đến tổn thất điện năng trên đường dây

2.Công suất giới hạn của đường dây dài

Xét đường dây không tổn thất, từ hình 3.4 ta có :



360 270 180 90

Hình 3.8 Sự thay đổi góc lệch giữa điện áp hai đầu

1- P*2 =0; Q*2 =0 ; 2- P*2 <1; Q*2 =0 ; 3-P*2 >1; Q*2 =0

4- P*2>1; Q*2<0 ; 5- P*2>1; Q*2>0

1 2

3 4

5

0 2

*

sin sin

U

l U

 

2 2

*

/ s

P P

U U P

P

0 0

2 1 2

trong đó

lsin.Z

UUP

0 0

2 1

1 P

P P

0 S

1 l

sin Z P

U U P

0 0

S S

2 1

dây, độ dài sóng

Từ hỡnh 3.9 thấy rằng khi đường dõy dài 1500 km( ẳ bước súng) hay 4500 km( ắ bước súng) , cụng suất giới hạn thấp nhất bằng cụng suất tự nhiờn nếu đường dõy khụng tổn thất , cũn đối với đường dõy tổn thất, thỡ chỳng cú giỏ trị thấp hơn ; Khi đường dõy dài 3000 km (nửa bước súng) hay 6000 km ( một bước súng) thỡ giỏ trị cụng suất giới hạn là lớn nhất Do đú đường dõy dài 1500

km hay 4500 km là khú thiết kế nhất

Đ3.4 tính toán chế độ đ-ờng dây dài theo

mạng bốn cực

3.4.1 Khái quát chung

Nh- đã nêu trong Đ3.1, một DSCA ngoài MBA tăng áp đầu nguồn và MBAhạ áp cuối đ-ờng dây để cấp điện cho phụ tải, còn có các thiết bị bù : tụ bù dọc,

tụ và kháng bù ngang, các thiết bị điều khiển Tập hợp tất các phần tử này thànhmột hệ tải điện siêu cao áp Khi đó không thể sử dụng các ph-ơng trình đổi vớiDSCA để phõn tớch chế độ cho chỳng được, mà bắt buộc phải sử dụng phương phỏp mạng 4 cực để phõn tớch chế độ làm việc của chỳng Mỗi phần tử của hệ thống tải điện siờu cao cỏp như đường dõy, khỏng điện, tụ điện, mỏy biến ỏp, hoặc toàn hệ thống tải điện đều diễn tả bằng sơ đồ mạng 4 cực như trờn hỡnh 3.10 Cũng cần núi thờm rằng ngay cả khi đối với DSCA thuần nhất cũng cú thể sử dụng phương phỏp mạng 4 cực để giải bằng cỏch một đường dõy dài thuần nhất được phõn thành cỏc đoạn đường dõy với độ dài dưới 200 km; mà

và từ đú từ đú chuyển thành mạng 4 cực

Nếu biết cỏc thống số đặc trưng A,B,C,D ta cú thể tớnh cỏc thụng số cỏc thụng

số chế độ đầu vào U1, I1 theo cỏc thụng số đầu ra U2, I2 và ngược lại như sau :

1 1

2 2

2

1

2 2

1

I A U C 3

1 I

I B 3 U D U hay I

D U

Vấn đề ở đây là phải xác định đực các thông số A,B,C,D của các phần tử, hệ thông gồm các phần tử nối tiếp, song song hay hỗn hợp

Như vây tính toán đường dây dài theo phương pháp mạng 4 cực cho phép tính được đường dây với tất cả các thiết bị phân phối kèm theo

Để tính chế độ của hệ thống tải điện theo phương pháp mạng 4 cực có thể tiến hành theo các cách như sau :

- Lập mạng 4 cực của từng phần tử sau đó đẳng trị các mạng 4 cực của các phần tử thành mạng 4 cực chung Cách này được áp dụng khi ta chỉ cần tính các thông số chế độ ở hai đầu hệ thống;

- Có thể lập mạng 4 cực chung của hệ thống tải điện mà không cần lập mạng

4 cực của từng phần tử Theo cách này các phần tử của hệ thống được thay bằng sơ đồ thay thế của chúng, tạo thành sơ đồ thay thế của hệ thống, sau đó

T rồi áp dụng các công thức đã biết để tính các thông số A,B,C,D chung của hệ thống;

- Nếu muốn tính thông số chế độ trước mỗi phần tử của hệ thống để nguyên

sơ đồ mạng 4 cực của từng phần tử rồi dùng phép tính lặp liên tiếp để tính chế

độ Theo cách này có thể tính phân bố điện áp trên đường dây dài bằng cách chia đường dây thành nhiều mạng 4 cực nối tiếp, ta sẽ tính được điện áp trên một số điểm đặc trưng của đường dây

Sau đây sẽ giới thiệu cụ thể tính các thông số A,B,C,D của các phần tử

3.4.2 Thông số A,B,C,D của một số sơ đồ

1.Thông số A,B,C,D của đường dây thuần nhất

a) Tính chính xác

So sánh (3.39) với (3.14b) ta có thông số chính xác của đường dây :

l sh Z

1 C

; sh Z B , D l ch

Các thông số này được tính cho các trường hợp cụ thể như sau:

- Trường hợp đường dây không tổn thất :

0 S

0 0

0 S 0

Z

l sin j C

; sin jZ B

; cos D

- Trường hợp tính đến điện trở R: sử   và Z S đã tính trước đây (công thức 3.22), tính được :

x

r Z

1

l sin j l cos x 2

r x

r j 1

Z

1

C

sin j cos ( x

r Z

l sin j sin j l cos x

r x 2

r j

1

Z

B

l sin x 2

r j l cos

D

A

0 0 0 S

0 0

0 0 0

0

0 0

S

0

0 0

S

0 0

0 0

0 0 0

0 0

S

0 0

0

0 0

Một đoạn đường dây thuần nhất

dưới 200 km thuộc DSCA được biểu

diễn dạng thông số tập trung

Đặt

2

2 1

B j Y

Y   

Theo Kirchhoff I cho hai nút đầu và cuối : I1I U1Y1 và I I2 U2Y2

1 1 2

I I Z I

2 1 1 2

Y U I Y Y Z Y Y

Y I Y I

1 I 1 Z Y U Y Y Z Y Y D I C U

I                    

Vậy ta được:

jX R

Y Y Z Y Y C

Y Z 1 D

1 1

1

1

I B U A Z I Y Z U

I Y U Y Y Z U Y U Y U Y Z I I Y Y

I I U

Y Z 1

Z B

2 Y Z 1 D A

U    3 

2

1

I I

0 j 0 C

jX 0 B

0 j 1 A

c

Q

U X hay C

B X

2

1 1

K K

S

U X X

Z   U2, I2





B B

c) Sơ đồ chữ T

Y Z D

Y C Z Z B

Y

Z

A          

2 2

1

;

;

; 1

Y

Z

D

Z Y Y Y Y C Z B Y

a) Hai sơ đồ phần tử A  1 , B  1 , C  1 , D  1 vàA 2 ,B 2 ,C 2 ,D 2ghép nối tiếp thành sơ đồ

A,B,C,D

Đây là trường hợp rất hay sử dụng trong tính toán DSCA

Trong trường hợp này các thông số A,B,C,D được tính bằng tích ma trận của hai sơ đồ phần tử :

2 2 1 1

1 1

D C

B A D C

B A D C

B A

1 2 1 2

1 2 1 2

1 2

B A

1 1

D C

B A

2 2

D C

B A

B A

1 1

D C

B A

   

2 1

2 1 2

1

2 1

1 2 2 1 2 1 2

1

2 1 2

1

2 1 2

1

.

;

;

.

;

B

B

B D

D

B

D

B B

D D A A C C C B

B

B B B B

B

A B

A .

1



C Z Z

A Z D Z B

A .

2

B Y

A .

2

B Y

D Y A Y C

B A

B A

B A

Y B A

C B A A

2 1 2 1

.

.





Y B B

C B B A

.

2 1

2 1 2 1





Y D A

D C C A

.

.

1 2

1 2 1 2





Y D B

D D C B

.

1 2

2 1 1 2





2 1

2 1 2 1

.

.

C A

C B A A

D B B A

.

2 1

2 1 2 1





Z C C

D C C A

.

2 1

1 2 1

Z D C

D D C B

.

2 1

2 1 1 2





VÍ DỤ 3.3

Tiếp ví dụ 3.1

a.Các thông số của đường dây (không xét G)

600 , 27 500 , 2 100 276 , 0 025 , 0

3 6

j j

Y

j j

2 2

D C

B A

2 2

D C

B A









  

3 6

2 3

3 3

10 403 , 0 10

101 , 0

4 / 0004026 ,

0 600 , 27 500 , 2 10 4026 ,

0

600 , 27 500

,

2

10 503 , 0 989 , 0 2 / 10 4026 , 0 600 , 27 500 , 2 1

j

C

j B

D j

j j

3.4.3 Tính toán chế độ đường dây tải điện theo mạng bốn cực

1 Tính toán theo mạng 4 cực chung của hệ thống

Toàn thể hệ thống tải điện được thay thế bằng mạng 4 cực hay tổng dẫn như hình 3.15 Các thông số A,B,C,D được xác định trên cơ sở sơ đồ các phần tử và được ghép nối theo sơ đồ hệ thống truyền tải thực có

Từ sơ đồ hình 3.15, nhờ hệ phương trình cơ bản (3.39) ta có thể tính toán mọi chế độ của đường dây tải điện đi xa Ở đây chỉ dẫn ra các biểu thức tính toán công suất tác dụng, công suất phản kháng của đường dây theo góc lệch pha δ giữa U1 và U2 khi giá trị của các điện áp này đã xác định Ta viết lại phương trình (3.15)

2 2

1

I D U C 3

1 I

I B 3 U A U

3

2 1

A, , , 

1 1

1 ,I ,S

U  

2 2

2 ,I ,S

U  

Hình 3.15 Sơ đồ mạng 4 cực và mạng tổng dẫn

1 1

1 ,I ,S

U  

2 2

2 ,I ,S

U  

22 12

11 ,Y ,Y

Y  

1 2

1 1 1

U U D

cos U B

D S Im Q

sin B

U U sin

U B

D S Re

P

2 1 2

1 1

1

2 1 D

2 1 1

U U A

cos U B

A S Im

Q

sin B

U U sin

U B

A S Re

P

2 1 2

2 2

2

2 1 A

2 2 2

2 1 22 22

2 2 1

12 12

2 1 22 22

2 2 2

12 12

2 1 11 11

2 1 1

12 12

2 1 11 11 2 1 1

cos Y U U cos

Y U Q

sin Y U U sin

Y U P

cos Y U U cos

Y U Q

sin Y U U sin

Y U P

(3.49)

) 50 3 ( sin

Y U

P Y

K arcsin

sin Y U

Y U Y U U

P arcsin

12 11

11 2 1 1 12

12 11 22

2

11 1 12 2 1 1

2 1 max

1

Z

U U sin

Z

U B

U U sin

U B D

2 Tính toán phân bố điện áp trên hệ thống tải điện không có phụ tải rẽ nhánh

Hệ thống tải điện không có phụ tải rẽ nhánh gồm các đường dây tải điện, các thiết bị bù dọc, bù ngang, được nối liên tiếp với nhau Riêng đối với các đường dây sẽ được phân nhỏ thành các đoạn không quá 200 km ( tuy nhiên càng nhỏ thì mức độ tính càng chính xác), mỗi đoạn sẽ là một sơ đồ phần tử ; Còn các thiết bị bù doc, bù ngang, mỗi một trong chúng cũng sẽ là một sơ đồ phần tử Như vậy hệ thống tải điện không có phụ tải rẽ nhánh sẽ là nối tiếp liên tục các sơ đồ phần tử Sơ đồ thay thế cho mỗi sơ đồ phần tử này là mạng 4 cực với các thông số A,B,C,D tương ứng của chúng Trên hình 3.16 là sơ đồ thay thế hệ thống tải điện không phụ tải rẽ nhánh gồm n sơ đồ phần tử thể hiện dưới dạng mạng 4 cực

Quá trình trình tính phân bố điện áp trên hệ thống tải điện nêu trên là phụ thuộc các giá trị cho ban đầu,cụ thể một số trường hợp như sau:

Trường hợp :.Cho biết công suất và điện áp phía cuối S ,n U n

n

n n

n

n n

U

jQ P U

S I

ˆ ˆ

1 1 1

1

3 1

3

i i i i i

i i i

i i

I D U

C I

I B U

A U

i i

D C

B A

1 1

i i

D C

B A

n n

D C

B A







 1

U U2 U i1 U i U i 1

Trường hợp 2:Cho biết công suất và điện áp phía đầu S1,U1

1

1 1 1

i i i

i i

I A U C I

I B U

D U

1 1

Cuối cùng ta tính công suất phía cuối và đánh giá kết quả

Trường hợp 3.Cho biết công suất cuối đường dây S n và điện áp phía đầu U1

Trong trường hợp này ta cũng xuất phát từ cuối đường dây như trường hợp

1

'

1, I

nếu „vừa bằng” ( trong phạm vi sai số cho phép) thì dừng tính, còn nếu lớn hơn

chuẩn „vừa bằng”

3.Tính toán phân bố điện áp trên hệ thống tải điện có các phụ tải rẽ nhánh

Sơ đồ hệ thống tải điện có phụ tải rẽ nhánh, ví dụ như trên hình 3.17 và sơ đồ thay thế dạng mạng 4 cực

1 ,B ,C ,D

A   

2 2 2

Tính toán trong trường hợp này cũng giống như mục trên, chỉ khác là dòng điện ra của đoạn trên không phải là dòng điện vào của đoạn dưới Dòng điện vào đoạn dưới phải tính từ dòng điện ra đoạn trên và dòng điện do phụ tải gây

Giả sử yêu cầu tính chọn công suất bù thì tính từ đầu nguồn: chọn chế độ cần

1

1 Q Q

Q 

Tính toán tiếp tục cho đến nút cuối cùng Giá trị công suất bù tính được cho mọi chế độ được phối hợp lại để lựa chọn công suất bù và cách điều chỉnh công suất bù ngang hoặc bù dọc

Khi tính chế độ không tải, nếu muốn chính xác phải tính đến tổn thất công

cáchdduwachs chia đường dây thành các đoạn 50 đến 100 km, coi

) ( ),

P vq  vq

như với phụ tải rẽ nhánh Tất nhiên là phải có đặc tính P vq(U), Q vq(U) theođiện áp Ngoài ra có khi còn phải kể đến hiện tượng bão hoà của máy phát điện, máy biến áp và kháng điện Tính các đặc tính này làm cho phép tính rất phức tạp và phải dùng đến phương pháp đồ thị kết hợp với giải tích chế độ

3.4.4 Tính tổn thất đường dây dài

1.Tổn thất công suất trên đường dây dài

Tổn thất công suất trên đường dây dài là hiệu số giữa công suất đầu vào P1

Q C B B C D A D A

P C B C B D A D A U

S D B D B U C A C A

Q

C ˆ B

D ˆ A j P

C ˆ B

D ˆ A U

S

D ˆ B U

C ˆ A Re

I

U ˆ

C ˆ B 3 I U 3

D ˆ A I

D ˆ B 3 U

C ˆ A Re

Iˆ

D ˆ 3

U ˆ

C ˆ I B 3 U A Re 3 Iˆ U 3 Re P

2 2

2 2

2 2 2

2

2

2 2

2

2 2 2

2

2 2

2 2

2 2 2

2

2 2 2

2 2

2 2

2

2 2 2 2

1 1 1

C B C B D A D A

Tương tự, công suất P2 có thể tính theo U1và P1:

C ˆ D Re

Iˆ

A ˆ 3

U ˆ

C ˆ I B 3 U D Re 3 Iˆ

U 3 Re P

1 1

2 1

2 1 2

1

1 1 1

1 2

2 2

Q

C ˆ B

D ˆ A j P 1

C ˆ B

D ˆ A U

S

D ˆ B U

C ˆ A Re

P P P

2 2

2 2

2 2 2 2 2

2

2 2

2 2

2 1 2

2

2 1

1 DAˆ BCˆ .P jDAˆ BC ˆ Q ( 3 55 ) U

S

A ˆ B U

2 1

2 1 2

S

D ˆ B U

2 2

2 2 2

2

2 1

Q P Q R

U

Q P

2 2 2

Các công thức (3.54)÷(3.56) cho phép tính được tổn thất trên đường dây dài

có thiết bị bù, thông số của các thiết bị này đã được tính vào thông số mạng 4 cực A,B,C,D

Tổn thất công suất do vầng quang

Tổn thất vầng quang trên ĐSCA là không nhỏ; đành rằng việc xác định chúng không phải là dễ vì tổn thất này phụ thuộc rất nhiều vào diễn biến thời tiết Trong [1] đưa ra giá trị tổn thất công suất vầng quang trung bình như sau :

- Đường dây 220 kV ACO-300: thời tiết tốt 0,7 kW/km; thời tiết xấu : 36 kW/km;

- Đường dây 500 kV 3xACO-500 : thời tiết tốt 1,2 kW/km; thời tiết xấu: 82 kW/km;

2 Tổn thất điện năng trên đường dây dài 330÷500 kV

Đối với các đường dây này phải tính đến sự phân bố dòng điện dung trên đường dây Trên đường day dài đồng nhất do điện dung rải đều trên đường dây nên dòng điện dung cũng phân bố dọc đường dây như trên hình 3.1