Chất lượng điện năng

Tầm quan trọng của chất lượng điện năng  Cùng với sự phát triển của các phụ tải điện và yêu cầu ngày càng khắc khe đối với các tiêu chuẩn cung cấp điện nên vấn đề chất lượng điện năng n

Mục Lục

CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

Chương 1 Những vấn đề chung 3

Bài 1 Tầm quan trọng của chất lượng điện năng 3

Bài 2 Chất lượng điện năng 3

Bài 3 Ảnh hưởng của chất lượng điện năng 4

Chương 2 Chất lượng điện áp 4

Bài 1 Biến thiên điện áp dài hạn 4

1 Mô tả hiện tượng 4

2 Phân loại ( gồm 2 Loại ) 4

3 Các thông số đặc trưng 4

4 Nguyên nhân 4

5 Các tiêu chuẩn đánh giá 5

6 Giải pháp khắp phục 5

Bài 2 Biến thiên điện áp ngắn hạn 5

1 Mô tả hiện tượng 5

2 Phân loại 5

3 Nguyên nhân 5

4 Các thông số đặc trưng 5

5 Các chỉ tiêu đánh giá điện áp ngắn hạn 6

6 Ảnh hưởng của biến thiên điện áp ngắn hạn 6

7 Giải pháp khắp phục 6

Bài 3 Dao động điện áp ( Flicker) 7

1 Hiện tượng 7

2 Các thông số đặc trưng 7

3 Nguyên nhân 7

4 Giải Pháp khắp phục 8

Bài 7 Tổn thấp điện áp trong hệ thống điện 8

1 Sơ đồ thay thế các phần tử trong hệ thống điện 8

2 Tổn thất điện áp trên mạng điện 9

Chương 3 Sóng hài bậc cao trong hệ thống điện 11

Bài 1 Nguyên nhân gây ra sóng hài 11

1 Định nghĩa 11

2 Nguyên nhân 11

3 Các thông số đặc trưng 11

Bài 2 Các giải pháp khắc phục 11

Bài 3 Ảnh hưởng của sóng hài 12

Chương 4 Tổn thât điện năng 12

Bài 1 Tổn thất điện năng 12

1 Tổn thấp điện năng 12

2 Phân loại tổn thất điện năng 12

Bài 2 Nguyên nhân gây ra tổn thất điện năng 13

1 Tổn thất điện năng phụ thuộc vào dòng điện 13

2 Tổn thất điện năng phụ thuộc vào điện áp 13

3 Tổn thất điện năng do chất lượng điện năng 13

4 Tổn thất điện năng do thiết kế và vận hành hệ thống điện 13

Bài 3 Các giải pháp giảm tổn thất điện năng 14

1 Tổn thất điện năng liên quan đến thiết kế và chế tạo thiết bị điện 14

2 Giảm tổn thất điện năng trong vận hành hệ thống điện 14

Chương 5 Vấn đề công suất phản kháng 14

Bài 1 Nguyên nhân phát sinh công suất phản kháng 14

Bài 2 Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số 𝑪𝒐𝒔∅ 15

Bài 3 Các biện pháp nâng cao hệ số công suất Cos∅ 15

1.Các biện pháp nâng cao hệ số cos∅ tự nhiên 15

2 Bù công suất phản kháng 15

Chương 1 Những vấn đề chung Bài 1 Tầm quan trọng của chất lượng điện năng

 Cùng với sự phát triển của các phụ tải điện và yêu cầu ngày càng khắc khe đối với các tiêu chuẩn cung cấp điện nên vấn đề chất lượng điện năng ngày càng trở nên quan trọng đối với đơn vị cấp điện lẫn khách hàng sử dụng điện

 Người ta quan tâm đến chât lượng năng bởi một số lý do:

 Các thiết bị điện ngày này nhạy cảm hơn với sự thay đổi các thông số của lưới điện

 Vấn đề hiệu quả sử dụng điện ngày càng được quan tâm Hiện nay công nghệ chế tạo các thiết bị điện đã chế tạo được và đã được khách hàng sử dụng nhiều loại thiết bị thông minh với hiệu năng rất cao nhưng cũng đòi hỏi khắc khe hơn về điều kiện cung cấp điện và có thể chính các thiết bị này gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng

 Khách hàng sử dụng ngày càng ý thức hơn về tác dụng của chất lượng điện năng đến quá trình sản xuất và sử dụng điện

 Do hệ thống cung cấp điện cũng như hệ thống sử dụng điện là một hệ thống phức tạp Vì vậy nếu hỏng một phần tử nào đó trong hệ thống thì hệ thống khác có thể bị ảnh hưởng thận chí là toàn bộ hệ thống

⇒ Do vậy để đảm bảo chất lượng điện năng cần có sự phối hợp đồng bộ của cả

ba đối tác: Nhà sản xuất thiết bị điện; Đơn vị cung cấp điện; Khách hàng sử dụng điện

Bài 2 Chất lượng điện năng Chất lượng điện năng là những vấn đề liên quan đến sự biến động của điện áp, dòng điện hoặc tần số có thể dẫn tới việc hoạt động kém hiệu quả hoặc gây hư hỏng của khách hàng sử dụng điện hay đơn vị cấp điện

Bài 3 Ảnh hưởng của chất lượng điện năng

 Chất lượng điện năng ảnh hưởng đối với cả 3 đối tác: Đơn vị cấp điện; Nhà sản xuất thiết bị điện và Khách hàng sử dụng:

 Đối với đơn vị cấp điện: Việc nâng cao chất lượng điện năng thường đồng nghĩa với việc chi phí đầu tư lớn Do đó sẽ làm giảm lợi nhuận thu được Tuy nhiên trong điều kiện thị trường điện lực phát triển dẫn đến các rằng buộc về mặt kỹ thuật trong các hợp dồng mua bán ngày càng chặt chẽ hơn Vì vậy các đơn vị cấp điện sẽ có trách nhiệm hơn với vấn đề chất lượng điện năng

 Đối với nhà sản xuất thiết bị điện: Chính là giá thành của sản phấn Do vậy một thiết bị có thể hoạt động bình thường trong một dải biến thiên của thông số chất lượng điện năng sẽ có giá thành cao hơn và có khả năng cạnh tranh cao hơn so với các sản phẩn của các nhà máy khác có chất lượng kém hơn

 Với khách hàng sử dụng điện: Thì chất lượng điện năng phụ thuộc vào số lượng thiết bị điện và cách sử dụng thiết bị điện

Chương 2 Chất lượng điện áp

Bài 1 Biến thiên điện áp dài hạn

1 Mô tả hiện tượng

 Biến thiên điện áp dài hạn là sự thay đổi chỉ số điện áp hiệu dụng ở tần số hệ thống điện trong khoảng thời gian lớn hơn 1 phút

2 Phân loại ( gồm 2 Loại )

 Thiếu điện áp: là biến thiên điện áp dài hạn có chỉ số điện áp hiệu dụng giảm thấp hơn ít nhất 10% so với 𝑈đ

 Quá điện áp: là biến thiên điện áp dài hạn mà giá trị hiệu dụng của nó vượt ít nhất 10% so với 𝑈đ

3 Các thông số đặc trưng

- Người ta sử dụng độ lệch điện áp 𝛿𝑈% để đánh giá độ biến thiên điện áp dài hạn:

𝛿𝑈% =𝑈 − 𝑈 đ

𝑈 đ 100 =

𝑈 − 𝑈đ

𝑈đ 100 Với 𝑈 là điện áp vận hành thực tế trên lưới

4 Nguyên nhân

 Do sự biến thiên chậm của phụ tải ( thời gian khởi động lâu )

 Do đóng cắt một số phần tử tronng hệ thống điện như tụ bù

 Hiện tượng dao động công suất của máy điện đồng bộ

5 Các tiêu chuẩn đánh giá

 Mỗi một quốc gia đều có nhưng quy định riêng về độ lệch điện áp cho phép

 Độ lệch điện áp cho phép theo tiêu chuẩn củ việt nam được quy định như sau:

 Trong điều kiện vận hành bình thường: 𝛿𝑈 = ±5%

 Với lưới điện chưa ổn định sau sự cố: 𝛿𝑈 = −10% ÷ 5%

 Với lưới phân phối trong điều kiện vận hành bình thường:

𝛿𝑈 = ±5% tại điểm đấu với khách hàng sử dụng điện

và 𝛿𝑈 = −5% ÷ 10% đối với điểm đấu nối với nhà máy điện

6 Giải pháp khắp phục

 Điều chỉnh điện áp của máy phát thông qua điều chỉnh dòng kích từ

 Thay đổi tỷ số biến đổi của máy biến áp

 Thay đổi trào lưu công suất phản kháng

 Điều chỉnh thông số của lưới điện

Bài 2 Biến thiên điện áp ngắn hạn

1 Mô tả hiện tượng

- Biến thiên điện áp ngắn hạn là sự thay đổi giá trị hiệu dụng của điện áp ở tần số lưới trong khoảng thời gian dưới 1 phút

2 Phân loại

 Tùy theo biên độ, giá trị điện áp còn lại hoặc thời gian tồn tại thì biến thiên điện áp ngắn hạn được chia làm các loại sau:

 Theo biên độ:

 Mất điện áp ngắn hạn: trị số điện áp hiệu dụng giảm xuống dưới 10% 𝑈đ

 Lõm điện áp ( sụt áp ): trị số điện áp hiệu dụng giảm xuống dưới 90% và trên 10% 𝑈đ

 Theo thời gian tồn tại: ( quá điện áp ngắn hạn: trị số điện áp hiệu dụng tăng từ 110÷180%𝑈đ )

 Tức thời: thời gian tồn tại từ 0.5÷30 chu kỳ

 Thoáng qua: thời gian tồn tại từ 30÷3 giây

 Tạm thời: thời gian tồn tại từ 3 giây ÷ 1 phút

3 Nguyên nhân

 Do ngắn mạch

 Do khởi động các động cơ

 Do dao động điện áp

4 Các thông số đặc trưng

Ba thông số đặc trưng: biên độ, thời gian tồn tại và góc dịch pha

5 Các chỉ tiêu đánh giá điện áp ngắn hạn

 Chỉ tiêu theo sự kiện: biến thiên điện áp ngắn hạn được ghi nhận tại một vị trí được đặc trưng bằng 1 cặp trị số biên độ và thời gian tồn tại

 Ngoài ra một số sự kiện biến thiên điện áp ngắn hạn có thể được đánh giá trên một số tiêu chí như sau:

 Mức độ mất điện áp: 𝐿 = ∫(1 −

đ )𝑑𝑡

 Độ xấu của lõm hoặc lồi điện áp: 𝑆 =

Với D là thời gian tồn tại của thời gian lõm hoặc lồi của điện áp

và 𝑈 là điện áp chịu của các đặc tính chuẩn ứng với thời gian tồn tại D

 Theo vị trí giám sát: tại một vị trí và trong một chu kỳ ( 1 tháng, 3 tháng or 1 năm ) có thể giám sát nhiều sự kiện biến thiên điện áp ngắn hạn

 Các chỉ tiêu hệ thống: tần số biến thiên điện áp ngắn hạn:

𝑆𝐴𝑅𝐹 = ∑ 𝑁

𝑁 Với X là ngưỡng điện áp: X = (140;120;110;90;80;70;50;10)% 𝑈đ

𝑛 là số lượng sự kiện ( ex: xác xuất xảy ra 140% trong 1 năm )

𝑁 là số phụ tải

𝑁 số phụ tải trong khu vực được xét

6 Ảnh hưởng của biến thiên điện áp ngắn hạn

 Làm giảm năng lượng cần thiết cung cấp cho các thiết bị điện sẽ làm cho các thiết bị nhảy cảm ngừng làm việc hoặc làm việc không đúng yêu cầu thiết kế

 Đối với động cơ không đồng bộ khi có dao động điện áp ngắn hạn sẽ làm cho momen điện từ của động cơ giảm xuống và thời gian khởi động động cơ lâu hơn dẫn đến tăng tổn thất điện năng

 Đối với động cơ đồng bộ thì điện áp ngắn hạn có thể gây mất đồng bộ hoạc gây quá dòng

 Đối với các loại đèn chiếu sáng đặc biệt là đèn phóng điện bằng chất khí thì biến thiên điện áp ngắn hạn có thể làm đèn khởi động nhiều lầm làm lão hóa đèn

7 Giải pháp khắp phục

a Các giải pháp cho giai đoạn hình thành điện áp ngắn hạn

 Thay thế đường dây trên không bằng cáp ngầm

 Sử dụng dây dẫn bọc cách điện thay cho dây trần

 Giải phóng hành lang tuyến dây dẫn

 Lắp đặt lưới bảo vệ

 Tăng cấp cách điện

 Tăng tần suất bảo dưỡng

 Sử dụng các phương pháp khởi động mền đối với các động cơ không đồng bộ

b Các giải pháp cho lưới điện

 Sử dụng cầu chì để hạn chế dòng điện

 Dùng thiết bị tự động đóng lại

 Sử dụng máy cắt có thời gian tác động nhanh

 Sử dụng thiết bị bảo vệ quá dòng

 Thay thế cấu hình lưới điện

c Các giải pháp với phụ tải nhạy cảm

 Dùng máy BA cộng hưởng sắt từ

 Sử dụng các nguồn dự phòng UPS

 Sử dụng các thiết bị điều hòa công suất

Bài 3 Dao động điện áp ( Flicker)

1 Hiện tượng

 Dao động điện áp là sự biết thiên có tính chu kỳ của bên độ điện áp với tần số nhỏ hơn tần số hệ thống điện

 Dao động điện áp thường đánh giá qua tác động của hệ thống chiếu sáng nên còn được gọi là hiên tượng nhấp nháy ánh sáng (Flicker)

 Dưới tác động của Flicker con người làm việc trong môi trường đó sẽ cảm thấy mệt mỏi

2 Các thông số đặc trưng

 Hai tham số đặc trưng cho hiện tượng Flicker là mức nhấp nháy ngắn hạn 𝑃 và nhấp nháy dài hạn 𝑃 :

 𝑃 là khoảng thời gian đo được trong khoảng thời gian 10 phút

 𝑃 được tính từ 12 kết quả đo 𝑃 liên tiếp ( 2 giờ )

12

3 Nguyên nhân

 Nguồn gốc sinh ra nhấp nháy điện áp là do các thiết bị đấu nối vào hệ thống điện gây ra dao động điện áp

 Dao động điện áp là hậu quả của sự thay đổi liên tục của phụ tải đạc biệt là công suất phản kháng

 Nguyên nhân chính gây ra đao động điện áp chính là việc đóng cắt các phụ tải lớn như : Lò hồ quang ; Nồi hơi ; Thiết bị bù công suất phản kháng

 Các phụ tải chính gây ra dao động điện áp đơn giản bao gồm :

 Các phụ tải công nghiệp : lò hồ quang, nồi hơi, thiết bị bù công suất phản kháng…

 Các thiết bị nối với lưới hạ áp : máy phát điện gió, máy hàn hồ quang…

4 Giải Pháp khắp phục

 Các giải pháp giảm dao động công suất phụ tải bao gồm : Sử dụng thiết bị bù tĩnh : SVC,UPFC,STATCOM hoặc mắc cuộn kháng nối tiếp với phụ tải gây ra dao động công suất

 Các giải pháp tăng công suất ngắn mạch của hệ thống bằng cách vận hành song song các đường dây hoặc nối phụ tải gây ra dao động điện áp với lưới trung áp

 Các giải pháp khác : thay đổi quy trình vận hành, thay thế phụ tải gây ra dao động điện áp bằng phụ tải ít gây dao động điện áp hoặc sử dụng máy biến áp cách ly

Bài 7 Tổn thấp điện áp trong hệ thống điện

1 Sơ đồ thay thế các phần tử trong hệ thống điện

Ngoài các phần tử đo lường bảo vệ thì hệ thổng điện chỉ gồm hai phần tử chính : MBA và đường dây Do đó để tính tổn thất trong quá trình truyền tải và phân phối điện năng ta phải thành lập sơ đồ tahy thế cho hai phần tử trên

a Sơ đồ thay thế máy biến áp hai cuộn dây

𝑍

∆𝑆 (∆𝑆 )

∆𝑆 = ∆𝑃 + 𝑗∆𝑄 = ∆𝑃 + 𝑗∆𝑄 = ∆𝑃 + 𝑗𝑖 % 𝑆đ

100

b Sơ đồ thay thế đường dây

𝑌 = (𝑔 + 𝑗𝑏 ) 𝑙

 Với đường dây có điện áp dưới 220kV ta có thể bỏ qua 𝑏 (𝑏 ≈ 0)

𝑌 2

𝑌 2

𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋

Với 𝑅 = ∆ đ

đ 10 (Ω)

𝑋 = 𝑈 % 𝑈đ

1 Z 2

 Với đường dây trên không có 𝑈 < 35𝑘𝑉 hoặc đường dây cáp có 𝑈 < 20𝑘𝑉 ta có thể bỏ qua 𝑄 và 𝑄

2 Tổn thất điện áp trên mạng điện

∆𝑈 =𝑃𝑅 + 𝑄𝑋

𝑈

 Xét sơ đồ cung cấp điện : MBA

0 1 2

𝑆

 Sơ đồ thay thế :

𝑆 𝑆 𝑍 𝑆 𝑆 Z 𝑆

 Quy đổi điện áp :

 Từ HA sang CA : 𝑈 = 𝑈

 Từ CA sang HA : 𝑈 = 𝑈

 𝑆 = 𝑆 −

 ∆𝑆 = ( ) =

 𝑆 = 𝑆 + ∆𝑆 ⇒ 𝑆 = 𝑆 − = 𝑃 + 𝑗𝑄

∆𝑈 = ∆𝑈 + ∆𝑈đ = 𝑃 𝑅 + 𝑄 𝑋

𝑃 𝑅 + 𝑄 𝑋

𝑗𝑄 2

𝑗𝑄 2

𝑄

𝑏 𝑙 𝑈 2 𝑄

𝑏 𝑙 𝑈 2

𝑗𝑄 2

𝑗𝑄 2

∆𝑆

VD : Cho sơ đồ truyề tải điện và thông số như sau :

 𝑙 = 10𝑘𝑚; 𝑟 = 0,5Ω/𝑘𝑚; 𝑥 = 0,6Ω/𝑘𝑚; 𝑏 = 10 1/Ω𝑘𝑚

 𝑙 = 5𝑘𝑚; 𝑟 = ,

; 𝑥 = 0,45Ω/𝑘𝑚 ; 𝑏 = 0,5.10 1/Ω𝑘𝑚

 𝑈 = 22,5𝑘𝑉; 𝑈 = 22𝑘𝑉; 𝑈 = 0,4𝑘𝑉

 MBA : ∆𝑃 = 2000𝑊; ∆𝑃 = 3000𝑊; 𝑆đ = 1000𝑘𝑉𝐴

 𝑆 = 1500 + 𝑗800 𝑘𝑉𝐴; 𝑇 = 4500 𝑔𝑖ờ

Hãy tính tổn thất điện áp ∆𝑈 và tổn thất điện năng ∆𝐴?

Giải

 Sơ đồ thay thế :

𝑍 𝑆 𝑆 𝑆 𝑍 𝑆 𝑍 𝑆

 Quy đổi điện áp từ HA sang CA : 𝑈 = 𝑈 = 22𝑘𝑉

 Tính tổn thất điện áp:

 𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋 = (𝑟 + 𝑗𝑥 ) 𝑙 = (0,5 + 𝑗0,6) 10 = 2,5 + 3𝑖 (Ω)

 = . . = 10 10 22 = 4,84 10

 = . . = 0,5 10 5 22 = 1,21 10

 ∆𝑆 = ∆𝑃 + 𝑗∆𝑄 = 2.3 + 𝑗2 %. đ

 𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋 = (∆ .

đ

10 + 𝑗 %.

đ

10)

 𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋 = (𝑟 + 𝑗𝑥 ) 𝑙

 ∆𝑆 = ( ) = ∆𝑃 + 𝑗∆𝑄 [VA]

⟹ 𝑆 = 𝑆 + ∆𝑆 = P + 𝑗𝑄

 ∆𝑆 = ( ) 𝑍 = ∆𝑃 + 𝑗∆𝑄 [VA]

 𝑆 = 𝑆 + ∆𝑆

 𝑆 = 𝑆 + ∆𝑆

MBA

𝑗𝑄 2

𝑗𝑄

 𝑆 = 𝑆 − 𝑗 = 𝑃 + 𝑗𝑄

= 𝑃 𝑅 + 𝑄 𝑋

𝑃 𝑅 + 𝑄 𝑋

𝑈

 Tính tổn thất điện năng :

 𝜏 = (0,124 + 10 𝑇 ) 8760

 ∆𝐴 = ∆𝑃 𝜏

Chương 3 Sóng hài bậc cao trong hệ thống điện

Bài 1 Nguyên nhân gây ra sóng hài

1 Định nghĩa

- Sóng hài là những tín hiệu điện (U,I) xuất hiện trong quá trình truyền tải và cung cấp điện năng biến thiên hình sin nhưng với tần số khác tần số lưới điện

2 Nguyên nhân

 Do dòng từ hóa của máy biến áp

 Do đóng máy biến áp làm việc không tải

 Do các máy điện quay (ĐCĐ)

 Do các thiết bị hồ quang như : máy hàn hồ quang, lò hồ quang…

3 Các thông số đặc trưng

 Để đánh giá độ mẽo của dạng sóng điện áp người ta sử dụng chỉ số THD :

𝑈 Với 𝑈 là giá trị hiệu dụng của điện áp cơ bản (ứng với tần số 50Hz)

và 𝑈 là trị hiệu dụng của sóng hài bậc thứ n

 Trong trường hợp dòng điện phụ tải nhỏ thì giá trị THD sẽ không phản ánh đúng hiện trạng của sóng hài trong hệ thống điện Trong trường hợp này người ta sử dụng chỉ số méo dạng sóng dòng điện :

𝐼 Với 𝐼 là giá trị cực đại của một dòng điện tham chiếu nào đó, thường chọn

𝐼 = 𝐼 ( với 𝐼 là cường độ dòng điện ứng với điện áp 𝑈 )

Bài 2 Các giải pháp khắc phục

Đê hạn chế ảnh hưởng của sóng hài người ta sử dụng các bộ lọc: Lọc tích cực; Làm lọc thụ động

Bài 3 Ảnh hưởng của sóng hài

 Gây râ hoặc tăng nguy cơ cộng hưởng cục bộ

 Giảm hiệu suất của hệ thống cung cấp điện cũng như phụ tải cung cấp điện

 Tăng tổn thất điện năng

 Tăng momen quay dẫn đến làm dung động cơ

 Làm tăng hệ số công suất 𝐶𝑜𝑠∅

 Gây sai lệch cho các hệ thống đo đếm điện năng

 Gây nhiễu cho các hệ thống bảo vệ, hệ thống truyền thông và thông tin

Chương 4 Tổn thât điện năng

Bài 1 Tổn thất điện năng

1 Tổn thấp điện năng

 Tổn thất điện năng trong hệ thống điện là sự chênh lệch giữa lượng điện năng sản xuất từ nguồn điện và lượng điện năng được tiêu thụ tại phụ tải trong một khoảng thời gian nhất định

 Tổn thất điện năng trên một phần tử có thể được xác đình bằng cách đo lường hoặc tính theo công thức sau:

∆𝐴 = ∫ ∆𝑃 𝑡 Kw.h

2 Phân loại tổn thất điện năng

 Tổn thất điện năng trông hệ thống điện được chia làm hai loại: Tổn thất điện năng kỹ thuật; Tổn thất điện năng thương mại ( tổn thất phi kỹ thuật )

 Tổn thất điện năng kỹ thuật: là tổn thất do tính chất vật lý của quá trình truyền tải

và phân phối điện năng gây ra Loại tổn thất này không bao giờ có thể loại bỏ hoàn toàn mà chỉ có thể hạn chế ở mức độ nào đó

Tổn thất điện năng kỹ thuật được chia làm 2 dạng:

 Tổn thất điện năng phụ thuộc vào dòng điện: là tổn thất do phát nóng trong các phần tử Tổn thất này phụ thuộc vào cường độ dòng điện và điện trở của phần tử Đây là thành phần được tính đến trong tổn thất điện năng kỹ thuật

 Tổn thất điện năng phụ thuộc vào điện áp: là tổn thất do tổn thất không tải trong máy biến áp, tổn thất do dò điện và do vần quang điện

 Tổn thất điện năng phi kỹ thuật: do vấn đề quản lý hệ thống điện