Mô hình hóa và phân tích lưới điện

Mô hình hóa và phân tích lưới điện

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống điện được biểu diễn như hình 1.1 Hệ thống phânphối điện bao gồm nhiều trạm trung gian được nối liên thông với nhau bởi mạng lướiđường dây phân phối tạo thành nhiều mạch vòng kín Các mô hình và phương phápphân tích cho lưới điện phân phối đối xứng chỉ yêu cầu mô hình biến đổi tương đươngmột pha, điều này không thích hợp đối với lưới điện phân phối vì lưới phân phốithường là không đối xứng, do đó phải sử dụng các mô hình ba pha của tất cả các bộphận của hệ thống phân phối điện Cho nên cần phải đưa ra các mô hình hoạt động vàphương pháp phân tích mới

Mục đích của bài này là để trình bày các mô hình chính xác cho tất cả các bộ phậnchủ yếu của một hệ thống phân phối điện Sau đó sẽ trình bày các phương pháp phântích hệ thống phân phối điện trong trạng thái làm việc bình thường và trong tình trạng

bị sự cố

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điện.

Hình 1.2: Sơ đồ lưới phân phối.

Máy phát

Lưới phân phối – Trạm phân phối

Các xuất tuyến phụ tải

Hệ thống truyền tải

đã được liên thông với nhau

Lưới hệ thống – Trạm khu vực

Mạng lưới truyền tải – Trạm trung gian

Máy cắt

Thanh góp trạm trung gian

Cầu chìDao cách ly

Đồng hồ đo

Các xuất tuyến

Máy biến áp

1.1 Lưới điện phân phối:

Lưới phân phối điển hình bắt đầu với trạm phân phối được nhận điện từ một haynhiều đường dây từ các trạm trung gian Trong một số trường hợp trạm phân phối cóthể nhận điện trực tiếp từ các đường dây truyền tải điện áp cao, trong trường hợp nàythì sẽ không có trạm trung gian Mỗi trạm phân phối sẽ cung cấp điện cho một haynhiều xuất tuyến Ngoại trừ các trường hợp đặc biệt thì các xuất tuyến phân phối đều

là các mạng hình tia, điều này có nghĩa là chỉ có một đường dẫn điện từ trạm phânphối đến hộ tiêu thụ

1.1.1 Đặc điểm chung:

* Lưới phân phối gồm 2 phần:

- Lưới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22 kV phân phối điện cho cáctrạm phân phối trung áp / hạ áp và các phụ tải trung áp

- Lưới hạ áp cấp điện cho các phụ tải hạ áp 380/220 V

1.1.2 Phương pháp phân phối điện trung áp:

Trên thế giới hiện nay đang dùng hai phương pháp phân phối điện trung áp đó là:

- Phương pháp lưới điện 3 dây pha:

Phương pháp này được sử dụng ở Châu Âu, Liên Xô cũ, Nhật Bản… Theo phươngpháp này cuộn trung áp của MBA nguồn cao áp / trung áp đấu sao và trung tính nối đấtqua tổng trở Z Không có dây trung tính đi theo lưới điện

Phụ tải hạ áp được cấp điện qua MBA phân phối 3 pha hoặc 1 pha đấu vào hai phatrung áp

- Phương pháp lưới điện 4 dây (3 dây pha và dây trung tính 3P- TT)

Phương pháp này được dùng ở Mỹ, Canada, Úc… Theo phương pháp này trung tínhcủa cuộn trung áp của MBA nguồn cao áp / trung áp nối đất trực tiếp và có dây trungtính đi theo lưới điện tạo thành lưới điện 4 dây, cứ khoảng 300 m được nối đất lặp lại 1lần

Phụ tải hạ áp được cấp điện qua MBA phân phối 1 pha đấu vào 1 dây pha và dâytrung tính trung áp

1.2 Sơ đồ lưới phân phối:

Một hình vẽ đơn giản minh họa cho sơ đồ lưới phân phối đường dây đơn được biểudiễn trên hình 1.2 Mặc dù hình 1.2 biểu diễn một sơ đồ lưới phân phối đơn giảnnhưng nó đã minh hoạ được các bộ phận chủ yếu có trong trạm biến áp

1 Các công tắc phía cao và phía hạ: trên hình 1.2 công tắc ở phía điện áp cao là

một công tắc đơn giản Ở nhiều trạm lớn phải dùng các máy cắt điện áp cao trong cáctrạng thái khác nhau của thanh cái Công tắc phía hạ trong hình được thực hiện vớirơle điều khiển máy cắt Trong một số trường hợp thiết bị đóng lặp lại sẽ được sử dụngtrong những nơi có phối hợp giữa rơle bảo vệ và mạch cắt Trong các thiết kế về trạm

sẽ bao gồm một máy cắt ở thanh cái hạ áp thêm vào đó là các máy cắt cho mỗi xuấttuyến Như trường hợp đối với thanh cái hạ áp, thanh cái phía hạ áp có thể đảm nhiệm

sự thay đổi trạng thái của thiết kế

2 Máy biến áp: chức năng của một trạm phân phối là để giảm điện áp đến cấp điện

áp phân phối Trên hình 1.2 chỉ biểu diễn một máy biến áp Ở các thiết kế của trạmkhác sẽ có một hay nhiều máy biến áp ba pha Các máy biến áp này có thể là một máybiến áp ba pha hay là ba máy biến áp một pha đã được kết nối lại với nhau theo cácdạng sơ đồ tiêu chuẩn Có nhiều cấp điện áp phân phối tiêu chuẩn Một số cấp điện áptiêu chuẩn là : 35 kV, 22 kV, 10 kV, 0,4 kV

3 Điều chỉnh điện áp: vì tải trên các xuất tuyến luôn thay đổi, cho nên tổn thất điện

áp sẽ thay đổi Để duy trì điện áp của hộ tiêu thụ trong một phạm vi cho phép thì điện

áp ở trạm cần thay đổi khi tải thay đổi Trên hình 1.2 điện áp được điều chỉnh theophương pháp "điều chỉnh điện áp bước" mà sẽ biến đổi điện áp ở thanh cái hạ áp ởmức cộng hoặc trừ 10% Đôi khi chức năng này được thực hiện với máy biến áp có bộphận điều chỉnh điện áp dưới tải Bộ điều chỉnh điện áp dưới tải thay đổi số vòng dâycủa cuộn hạ máy biến áp khi tải thay đổi Nhiều trạm biến áp sẽ có bộ phận điều chỉnhhỗn hợp ở cuộn dây cao áp Điều này được sử dụng khi điện áp ở nguồn luôn ở mứctrên hoặc dưới mức điện áp bình thường Bộ phận điều chỉnh hỗn hợp có thể biến đổiđiện áp cộng hoặc trừ 5% Nhiều lúc thay vì điều chỉnh ở thanh cái thì mỗi xuất tuyến

có thể tự điều chỉnh điện áp của nó Điều này có thể có ở dạng điều chỉnh một bộ hoạtđộng cho cả ba pha, hoặc điều chỉnh từng pha riêng rẽ khi chúng hoạt động độc lập

4 Bảo vệ: trạm phải được bảo vệ trong các trường hợp sự cố như xuất hiện dòng

ngắn mạch Trong thiết kế đơn giản ở hình 1.2, bộ phận bảo vệ tự động chỉ được đặt ởbên trong trạm bằng cách đặt cầu chì ở phía cao của máy biến áp Khi thiết kế trạm trởnên phức tạp hơn, sự sắp xếp theo hệ thống các bảo vệ rộng hơn sẽ được sử dụng đểbảo vệ máy biến áp, các thanh cái ở phía cao và phía hạ và các thiết bị khác Mạch cắt

và mạch đóng lặp lại của một xuất tuyến riêng rẽ được sử dụng để ngắt dòng ngắnmạch khi nó xảy ra ở bên ngoài trạm

5 Các đồng hồ đo: mỗi trạm sẽ có một số loại đồng hồ đo Đơn giản như là một

đồng hồ đo dòng tín hiệu tương tự sẽ hiển thị giá trị hiện tại của dòng ở trong trạm,như là các dòng cực đại và cực tiểu mà được tìm thấy trong một giai đoạn thời gian cụthể Các đồng hồ ghi tín hiệu số đang trở nên rất phổ biến Các đồng hồ này ghi lại cácgiá trị cực tiểu, trung bình và cực đại của dòng điện, điện áp, công suất, hệ số côngsuất v.v trong một phạm vi thời gian cụ thể Các phạm vi thời gian cụ thể điển hình

là 15 phút, 30 phút và 1 giờ Các đồng hồ đo tín hiệu số phải giám sát đầu ra của mỗimáy biến áp và đầu ra của mỗi xuất tuyến.

1.3 Các dạng sơ đồ lưới phân phối cơ bản:

1 Mạng hình tia:

Một mạng hình tia có đặc điểm là chỉ có một đường dẫn từ nguồn đến tải Nếuđường dây hay máy biến áp bị sự cố thì sẽ làm gián đoạn việc cung cấp điện Cho nênmạng này có độ tin cậy cung cấp điện thấp Việc đóng lặp lại của máy cắt xuất tuyếnhoặc các sự cố tức thời có thể ảnh hưởng đến độ nhạy của tải Hệ thống này thích hợpcho những tải nhỏ

(a) Mạng hình tia.

2 Mạng vòng:

Một cải tiến lớn dựa trên mạng hình tia thu được bằng cách sắp xếp theo mạngvòng ở phía sơ cấp, mà được cung cấp điện từ hai nguồn Phân bố công suất đến hộtiêu thụ bằng một đường dây ở bất kỳ thời gian nào từ mỗi bên của vòng, phụ thuộcvào trạng thái đóng hay mở của máy cắt xuất tuyến và thiết bị đóng lặp lại Bìnhthường máy cắt phân đoạn ở trạng thái mở nên hệ thống này cũng có thể gọi là hệthống kín vận hành hở Bất kỳ phân đoạn nào của xuất tuyến cũng có thể bị cô lập màkhông làm gián đoạn việc cung cấp điện Mỗi đường dây của mạng vòng phải có khảnăng đảm nhận công suất của tất cả các tải trong trường hợp xuất tuyến kia bị sự cố

Độ nhạy của tải phụ thuộc vào việc đóng lặp lại máy cắt dưới những điều kiện sự cố

MC

Tải

MCPĐ

đz2đz1

3 Mạng chọn lọc ở phía sơ cấp:

Mạng này cũng có các bộ phận cơ bản như mạng vòng, mỗi máy biến áp có thểđược cung cấp từ hai nguồn Trong trường hợp một xuất tuyến bị sự cố thì sẽ tự độngchuyển qua xuất tuyến thứ hai và thời gian gián đoạn có thể được giới hạn từ một đếnvài giây Mạng này có độ tin cậy cao, và nó thường được sử dụng cho các phụ tải côngnghiệp lớn, cần thiết và đòi hỏi cung cấp điện liên tục

(c) Mạng chọn lọc ở phía sơ cấp.

4 Mạng chọn lọc ở phía thứ cấp:

Hệ thống này sử dụng hai máy biến áp, mỗi máy nhận điện từ một xuất tuyến riêngbiệt, và các máy cắt được đặt ở phía thứ cấp Máy cắt phân đoạn bình thường ở trạngthái mở, và được liên động với các máy cắt xuất tuyến ở phía thứ cấp Hệ thống nàythường được sử dụng cho các phụ tải công nghiệp và cơ quan như là bệnh viện Haimáy biến áp giống nhau thực tế đã loại ra khả năng gián đoạn trong thời gian dài trongkhi sự cố Mỗi máy cắt và xuất tuyến phải có khả năng đảm nhận công suất để cungcấp cho toàn bộ tải Sự chuyển tải là hoàn toàn tự động phụ thuộc vào sự mất điện áptrên mỗi xuất tuyến với trạng thái của máy cắt tương ứng Độ tin cậy cung cấp điện tốthơn mạng chọn lọc ở phía sơ cấp

1.4 Các phần tử lưới phân phối:

Việc phân tích các xuất tuyến lưới phân phối là rất quan trọng đối với một kỹ sưđiện để có thể xác định các điều kiện hoạt động đang tồn tại của một xuất tuyến và cókhả năng dự báo được những thay đổi trong tương lai của xuất tuyến đó Trước khi cóthể trình bày phương pháp phân tích, thì cần biết chi tiết các thiết bị trong lưới phânphối được đề cập sau đây:

1 Đường dây (trên không và cáp ngầm):

b Trạng thái lúc bình thường : đóng hay mở

1.5 Các thông số vận hành của lưới điện phân phối:

Thông tin từ thông số vận hành sẽ xác định vị trí vật lý của các thiết bị khác nhau.Đặc tính điện của mỗi thiết bị có thể được xác định trước khi bắt đầu phân tích cácxuất tuyến Để xác định các đặc tính điện, cần xác định các dữ liệu sau:

1 Các khoảng cách giữa đường dây trên không và cáp ngầm.

2 Dây dẫn:

a Bán kính trung bình hình học (GMR)

b Đường kính

3 Bộ phận điều chỉnh điện áp:

a Tỷ số biến điện áp của máy biến áp

b Tỷ số biến dòng của máy biến áp

đủ dài và áp dụng các phương pháp tính riêng.

Do đó đã có nhiều phương pháp tính toán để xác định công suất phụ tải qua máybiến áp, sau đây sẽ trình bày một số phương pháp thường dùng trong việc tính toán:

- Phương pháp ứng dụng của hệ số không đồng thời.

- Phương pháp khảo sát phụ tải.

- Phương pháp dựa theo đồng hồ đo công suất cực đại đặt trên đầu đường dây.

2.2 Các đại lượng và hệ số tính toán thường gặp:

1 Công suất định mức P đm :

Công suất định mức của các thiết bị điện thường được nhà chế tạo ghi sẵn trong lýlịch máy hoặc trên nhãn hiệu máy

2 Phụ tải cực đại P max : Phụ tải cực đại được chia ra làm hai nhóm:

a) Phụ tải cực đại Pmax : là phụ tải trung bình lớn nhất tính trong khoảng thời gian

tương đối ngắn (thường lấy bằng 10 ph hoặc 30 ph hoặc 1h) ứng với ca làm việc cóphụ tải lớn nhất trong ngày

Người ta dùng phụ tải cực đại để tính tổn thất công suất lớn nhất, để chọn các thiết

bị điện, chọn dây dẫn và dây cáp theo điều kiện mật độ dòng điện kinh tế…

b) Phụ tải đỉnh nhọn Pđn :

Là phụ tải cực đại xuất hiện trong khoảng thời gian 1-2 s

Phụ tải đỉnh nhọn được dùng để kiểm tra dao động điện áp, điều kiện tự khởi độngcủa động cơ, kiểm tra điều kiện làm việc của cầu chì, tính dòng điện khởi động củarơle…

3 Phụ tải trung bình P tb :

Phụ tải trung bình là một đặc trưng tĩnh của phụ tải trong một khoảng thời gian nào

đó Tổng phụ tải trung bình của các thiết bị cho ta căn cứ để đánh giá giới hạn dướicủa phụ tải tính toán Trong thực tế phụ tải trung bình được tính toán theo công thứcsau:

t tb





t Q

- , Q: điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian khảo sát (kWh, kVAr).

- t: thời gian khảo sát ( h)

Biết phụ tải trung bình chúng ta có thể đánh giá được mức độ sử dụng thiết bị Phụtải trung bình là một số liệu quan trọng để xác định phụ tải tính toán, tính tổn hao điệnnăng Thông thường phụ tải trung bình được xác định ứng với thời gian khảo sát làmột ca làm việc, một tháng hoặc một năm…

4 Phụ tải tính toán P tt :

Phụ tải tính toán Ptt là phụ tải giả thiết lâu dài không đổi, tương đương với thực tế(biến đổi) về mặt hiệu ứng nhiệt lớn nhất Phụ tải tính toán là một số liệu rất cơ bảndùng để thiết kế cung cấp điện

Trong đó: - max kđđ : công suất tác dụng không đồng thời lớn nhất (W, kW,MW)

- max th : công suất phụ tải cực đại tổng hợp (W, kW, MW)

Hệ số không đồng thời được xây dựng theo thống kê lâu dài hoạt động của phụ tải

và lưới điện Dưới đây là giá trị của hệ số không đồng thời Kkđt

n: số phụ tải được nối vào.

9 Độ chênh lệch giữa phụ tải cực đại tổng hợp không đồng thời và phụ tải cực đại tổng hợp:

Thời gian Khách hàng 1

(kW)

Khách hàng 2(kW)

Khách hàng 3(kW)

Khách hàng 4(kW)

Thời gian trong 1 ngày (24 h)

Thời gian trong 1 ngày (24 h)

0 0.5 1 1.5 2

Thời gian trong 1 ngày (24 h)

Thời gian trong 1 ngày (24 h)

Thời gian trong 1 ngày (24 h)

+ Tổng điện năng tiêu thụ lần lượt của khách hàng số 1, 2, 3, 4 trong 24h là:

A1 = 45,62 (kWh)

A2 = 27,62 (kWh)

A3 = 20,30 (kWh)

A4 = 45,32 (kWh)+ Công suất trung bình của từng khách hàng trong chu kỳ 1 ngày (24h):

Áp dụng công thức tính (1.1) ta được:

4



=4524,32 = 1,888 (kW) + Hệ số phụ tải của từng khách hàng Kpt:

Áp dụng công thức tính (1.2 ) ta có:

Kpt1 =

1 max

+ Phụ tải tác dụng không đồng thời lớn nhất:

Phụ tải tác dụng không đồng thời lớn nhất là phụ tải tác dụng được tính từ tổng cáccông suất cực đại của các khách hàng trong khoảng thời gian xét 1h

Vì vậy: Pkđt-max = Pmax1 + Pmax2 + Pmax3 + Pmax4 (2.7) Thay các số liệu đã được tính toán ở trên vào biểu thức (2.7) ta được:

Điện năng tiêu thụ (kWh) 45,62 27,62 20,30 45,32

Thời gian đạt công suất cực đại 19:20 19:20 9:10 0:1

Công suất trung bình (kW) 1,901 1,151 0,846 1,888

129 , 11

S S

Trong đó: - 11 , 129

85 , 0

46 , 9

1 Phương pháp khảo sát phụ tải:

Trong nhiều trường hợp công suất tiêu thụ của mỗi khách hàng được xác định 1trong 2 phương pháp có thể từ đồng hồ đo công suất hay điện năng tiêu thụ Việcnghiên cứu phụ tải chính xác của mỗi khách hàng sẽ làm rõ mối tương quan giữa điệnnăng tiêu thụ kWh và công suất cực đại kW

Công thức tính : Pmax = 0,2 + 0,008.A (2.7) Trong đó: A: điện năng tiêu thụ (kWh)

Việc nắm rõ nhu cầu phụ tải cực đại của mỗi khách hàng là rất quan trọng để có thểkết hợp với nhiều phép tính khác lập nên bảng hệ số không đồng thời

2 Phương pháp ứng dụng hệ số không đồng thời:

Hệ số không đồng thời được xác định như công thức (2.3), các hệ số không đồngthời được cho như bảng 1.1

Ví dụ 2.2:

Cho 3 máy biến áp 3 pha T1, T2, T3 có công suất định mức lần lượt là : 50, 75, 100kVA, mỗi máy biến áp cung cấp cho 5 khách hàng Trong đó điện năng tiêu thụ củamỗi khách hàng được cho như bảng dưới.

Điện năng tiêuthụ, kWh

Kháchhàng

Điện năng tiêuthụ, kWh

kW

Kháchhàng

Điện năngtiêu thụ,kWh

Công suất tác dụng cực đại,

a) Xác định công suất tác dụng không đồng thời lớn nhất và công suất tác dụng tổng hợp lớn nhất cho mỗi máy biến áp:

+ T1: - Công suất tác dụng không đồng thời lớn nhất Pkđt.max1:

Pkđt.max1 = 12,4 +13,36 +16,096 +12,696 +19,848 = 74,4 (kW)

- Công suất tác dụng tổng hợp lớn nhất Pth.max1:

20 , 2

4 , 74 )

5 (

1 max 1

168 , 62 ) 5 (

2 max 2

448 , 104 )

5 (

3 max 3

Căn cứ vào công suất tác dụng tổng hợp lớn nhất trong khoảng thời gian 1 giờ trên

mỗi máy biến áp và giả sử hệ số công suất là 0,85., công suất kVA cực đại tổng hợp

qua 3 máy biến áp :

Pth.max1,2,3 =2412,80,016 = 86,077 (kW) + Phân đoạn N2 đến N3:

Công suất tác dụng không đồng thời lớn nhất là :

Pkđt.max2,3 = 62,168 + 104,448 = 166,616 (kW)Công suất tác dụng tổng hợp lớn nhất là:

Pth.max2,3 =1662,,65616= 62,874 (kW)

+ Phân đoạn N3 đến N4:

Công suất tác dụng không đồng thời lớn nhất là :

Pkđt.max3,4 =104,448 (kW)Công suất tác dụng tổng hợp lớn nhất là:

Pth.max3,4 = 47,476 (kW)

3 Phương pháp dựa theo đồng hồ đo công suất cực đại đặt trên đầu đường dây:

Như chúng ta đã biết việc tính công suất phụ tải qua máy biến áp dựa theo hệ sốkhông đồng thời có nhược điểm là việc xác định, thu thập, lập bảng số liệu rất khókhăn Vì vậy để khắc phục nhược điểm này thì người ta còn dùng cách khác là tại mỗitrạm biến áp phân phối đặt một đồng hồ đo công suất tác dụng P và công suất phảnkháng Q và công suất biểu kiến S Căn cứ vào chỉ số của đồng hồ đo ta sẽ xác địnhđược P , Q , S rồi từ đó bằng phương pháp xác định gần đúng ta có thể tính được côngsuất tác dụng qua máy biến áp

Với phương pháp này thì ta có một hệ số gọi là hệ số phân phối Hệ số này được kí

hiệu như sau: KAF

Hệ số phân phối là hệ số giữa công suất đo được trên đồng hồ đo với công suất định

mức của máy biến áp

Công suất đo được ở đầu đường dây

Sđm ∑

Trong đó :

 Công suất đo được có đơn vị là: (kW) hay (kVA) hay (kVAr)

 Sđm ∑: công suất định mức của tất cả các máy biến áp phân phối (kVA)

Phụ tải qua máy biến áp được xác định như sau:

Ví dụ 2.3:

Sơ đồ cung cấp điện như ví dụ 2.1, công suất tác dụng tổng hợp cực đại đo được ởđầu đường dây theo ví dụ 2.1 đã tính được là: Pth-max= 86,077 (kW) và công suất địnhmức của 3 máy biến áp lần lượt là: 50, 75, 100 (kVA) Tính phụ tải qua mỗi máy biếnáp

Bài giải:

- Tổng công suất định mức của 3 máy biến áp:

 Vậy phụ tải qua mỗi máy biến áp là:

T1 : Pba1 = KAF  Sđmba1 = 0,38256  50 = 19,128 (kW)

- Tổn thất điện áp trên đường dây và trong máy biến áp Hiện tượng này làm cho điện

áp ở đầu nguồn và phụ tải chênh lệch nhau: nói chung điện áp ở phụ tải thấp hơn điện

áp nguồn, trừ trường hợp đường dây dài siêu cao áp trong chế độ non tải điện áp cuối

có thể cao hơn đầu nguồn

- Tổn thất công suất trên lưới điện và trong máy biến áp, làm cho công suất của nguồnđiện lớn hơn là công suất yêu cầu của phụ tải

- Tổn thất điện năng trên lưới và trong máy biến áp làm cho điện năng ở nguồn điệnlớn hơn là điện năng phụ tải

2.4.1 Tính toán độ sụt áp:

Độ sụt áp là hiệu giữa modul của điện áp U1 và U2:

U U1  U2, đây chính là điện áp bị mất đi khi đương dây tải điện Thành phần U được sử dụng như độ sụt áp còn có thể tính theo phần trăm của

Tổng trở của đường dây: Z = 1,6 + 0,426 /Km, loại dây AC= 25 mm2

Tính điện áp thứ cấp của 3 máy biến áp sử dụng hệ số không đồng thời

N1 5 Km N2 4 Km N3 3 Km N4

T1 T2 T3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Bài giải:

- Giả sử hệ số công suất là cos = 0,85

- Áp dụng công thức tính điện trở tác dụng và điện kháng của máy biến áp như sau:

S

U U

22 85 , 0

+ T2:

Rb = 3

2

2 10 75

22 25 , 1

+ T3:

Rb = 3

2

2 10 100

22 7 , 1

Từ ví dụ 2.1 ta đã tính được công suất tác dụng tổng hợp lớn nhất của mỗi phânđoạn Với hệ số công suất 0,85 tải mang tính cảm, phụ tải tổng hợp cực đại (kW) và(kVA) cho mỗi phân đoạn và máy biến áp là:

 Phân đoạn N1-N2: P12 = 86,077 (kW) ; S12 = 86,077 + j53,345 (kVA)  Phân đoạn N2-N3: P23 = 62,874 (kW) ; S23 = 62,874 + j38,965 (kVA)  Phân đoan N3-N4: P34 = 47,476 (kW) ; S34 = 47,476 + j29,423 (kVA)  MBA T1: PT1 = 33,818 (kW) ; ST1 = 33,818 + j20,958 (kVA)  MBA T2: PT2 = 28,258 (kW) ; ST2 = 28,258 + j17,513 (kVA)  MBA T3: PT3 = 47,476 (kW) ; ST3 = 47,476 + j29,423 (kVA)

- Tính toán tổng trở các phân đoạn đường dây:

3 U

jQ

P * =  3 22 0 

j53,345

3 U

jQ

j20,958

- Tính toán dòng chạy qua phân đoạn N2-N3:

I23 =  

2 23 23

3 U

jQ

j38,965

- Tính toán điện áp tại vị trí N3:

U3 = U2 - Z23.I23

= (21978,952 0 , 0166) – (6,4 + j1,704)  (1,943  -31,80)

- Tính toán dòng chạy trong MBA T2:

IT2 =  

3 2

3 U

jQ

j17,513

= 395,788  -0,381 (V)

- Tính toán dòng chạy qua phân đoạn N3_N4:

I34 =  3 

34 34

966637 ,

21 3

j29,423 47,476

Theo ví dụ 2.1 ta giả sử điện áp tại nút N1 là U= 22 (kV) Tính: tính toán điện áp

phía hạ áp cho cả 3 máy biến áp, xác định công suất phụ tải căn cứ vào công suất máybiến áp

Giả thiết nhu cầu công suất (kW) mà đồng hồ đo được tại N1 là P12 = 86,077 (kW)nên:

85 , 0

077 , 86

3 U

jQ

P * =  3 22 0 

j53,335

= 395,931  0 , 394 (V)

400

22000 2

- Tính toán dòng chạy qua phân đoạn N2-N3:

I23 =233 U223

jQ

j41,483

965846 ,

21 3

j23,705 38,250

mô hình hóa, ở đây trình bày một số phương pháp gần đúng dùng để phân tích và môhình hóa

Tất cả các phương pháp gần đúng dùng để phân tích và mô hình hóa sẽ sử dụng chocác hệ thống ba pha hoàn toàn đối xứng Giả thiết tất cả các tải đều là tải ba pha đốixứng và các đường dây sẽ là ba pha và đã được hoán vị hoàn toàn

3.1 Tổn thất điện áp:

Xét sơ đồ thay thế tương đương của đường dây ba pha cung cấp cho tải ba pha đốixứng được biểu diễn trong hình 3.1 Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho mạch ở hình1.3:

U S U LR jX.I U L R I  j.X.I (3.1)

Hình 3.1: Sơ đồ mạch tương đương.

Hình 3.2: Giản đồ vectơ điện áp.

Giản đồ vectơ điện áp của phương trình (3.1) được biểu diễn trên hình 3.2 Tronghình 3.2 góc pha của R.I cùng phương với dòng pha, và jI.X sớm pha hơn dòng phamột góc 90 độ Đường nét đứt minh họa phần thực và phần ảo của tổng trở rơi (Z.I).Tổn thất điện áp của đường dây được xác định như sau:

U U1  U2 (3.2)

Góc giữa điện áp nguồn và điện áp tải là rất nhỏ Do đó, tổn thất điện áp giữa điện

áp nguồn và tải là một đại lượng gần bằng với phần thực của tổng trở rơi:

U  ReZ.I (3.3)

3.2 Tổng trở của đường dây:

Xét một mô hình gần đúng của một đoạn đường dây, giả thiết đường dây đã đượchoán vị Với giả thiết này, thì chỉ cần xác định tổng trở thứ tự thuận của đường dây.Một sơ đồ điển hình của đường dây ba pha được biểu diễn trong hình 3.3

U1

Tải

U2I

Im(Z.I)

U1

Hình 3.3: Sơ đồ đường dây ba pha.

Phương trình tổng trở thứ tự thuận được xác định như sau:

GMR

D j

- r : là điện trở của đường dây (cho trong bảng)

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

Hãy xác định tổng trở thứ tự thuận của đường dây

b

7 , 11

73 , 938 ln 0628 0 3007 , 0 ln

0628 , 0

j

j GMR

D j

Hệ số Kgiảm được xác định bằng cách tính phần trăm điện áp rơi trên một đường dây

có chiều dài 1 km và cung cấp cho tải ba pha đối xứng có công suất 1 kVA Giả thiết

hệ số công suất của tải đã biết

Chỉ có duy nhất một hệ số Kgiảm có thể được xác định cho tất cả các dây dẫn, khoảngcách, và điện áp tiêu chuẩn Tuy nhiên, hầu hết các điện lực sẽ có một tập các dây dẫntiêu chuẩn, khoảng cách giữa các dây dẫn tiêu chuẩn, và một hay hai điện áp phân phốitiêu chuẩn Do đó, một bảng tính đơn giản có thể được viết để tính hệ số Kgiảm cho cáchình dạng tiêu chuẩn

12701,7 ( )

3

10 22 3

01054 , 0

- Phần trăm điện áp rơi từ nút N1 đến N2:

% 07781 , 0 75 , 0 1250 000083 ,



Hình 3.5: Giản đồ vectơ của điện áp

Ứng dụng của hệ số Kgiảm đã đưa ra một cách tính dễ dàng phần trăm tổn thất điện áp

từ nguồn đến tải Nếu giả thiết tải ba pha hoàn toàn đối xứng, hệ số công suất của tải

đã biết, và các đường dây đã được hoán vị

3.3.2 Hệ số K tăng :

Hệ số Ktăng cũng giống như hệ số Kgiảm chỉ khác bây giờ tải là các tụ mắc song song.Khi có dòng điện chạy qua một điện kháng, thì điện áp ngang qua điện kháng sẽ tănglên một lượng là tổn thất điện áp Điều này được minh họa trong giản đồ vectơ điện áp

ở hình 3.5 Dựa vào hình 3.5 thì điện áp tăng được xác định như sau:

 A j

U

Q I

d

22 3

1 90

22.10 3

3

V U

00791 , 0





t

3.4 Các tải phân bố đều:

Xét một đường dây có các tải được phân bố đều, mà đường dây này có thể là xuấttuyến ba pha, hai pha, một pha, hay nhánh rẽ Khi các tải đã được phân bố đều, thìkhông cần thiết phải mô hình từng tải để xác định tổng điện áp rơi từ đầu nguồn đếntải cuối cùng Hình 3.6 cho thấy một đường dây tổng quát với n các tải đã được phân

o l: là chiều dài của xuất tuyến

o z = r + jx: là tổng trở của đường dây

o dx: là chiều dài của mỗi đoạn đường dây

o di: là dòng tải ở mỗi nút

o n: số nút và số đoạn đường dây

Dòng của tải được xác định như sau:

 (3.12) Suy ra:

Re n n

n

I n

l z

2

1

Re (3.16)

Hình 3.7: Tải được gộp về ở trung điểm.

Hình 3.8: Một nửa tải được gộp ở cuối đường dây.

Trong phương trình (3.17), tổng trở Z minh họa tổng trở từ nguồn đến điểm cuối củađường dây Tổn thất điện áp được tính từ nguồn đến cuối đường dây Phương trình này

có thể được giải thích theo hai cách Thứ nhất có thể nhận ra rằng tổng các tải đượcphân bố trên đường dây có thể được gộp lại ở trung điểm của đường dây như hình3.7 Cách giải thích thứ hai là gộp một nửa tổng các tải của đường dây ở điểm cuối củađường dây (nút n) Mô hình này được biểu diễn trong hình 3.8 Hình 3.7 và 3.8 đưa rahai mô hình khác nhau có thể được dùng để tính tổng tổn thất điện áp từ nguồn đếncuối đường dây cho các tải đã được phân bố đều

3.4.2 Tổn thất công suất:

Một vấn đề quan trọng trong việc phân tích một xuất tuyến phân phối là tổn thấtcông suất Nếu mô hình của hình 3.7 được dùng để tính tổn thất công suất ba pha trênđường dây, thu được kết quả như sau:

P I T R .I T .R

2

3 2

ITS

IT

n

l

ITS

IT/2n

1 3

2

n n

n n

I n r

T (3.24)

  2    2  

.6

12.1

3

n

n n

I R

6

1 3 2 3

n

n n

I R

P T T (3.25)

  2    2

6

1 2

1 3

1 3

n n I

R

Trong đó:

R = r l: là tổng các điện trở trên một pha của đoạn đường dây

Phương trình (3.25) đưa ra tổng tổn thất công suất cho một số riêng biệt các nút vàđoạn đường dây Xét trường hợp khi n là một số xác định thì phương trình cuối cùng

để tính tổn thất công suất ba pha trên đường dây như sau:

Phương trình tính toán tổng tổn thất công suất 3 pha ở đường dây như sau:

Hình 3.9: Mô hình tính tổn thất công suất.

ll/3

ITS

IT

Hình 3.10: Mô hình tổng quát các tải đã được gộp chính xác.

Một mô hình mạch được biểu diễn trong hình 3.10 để minh họa cho phương trình(3.26) Từ các hình vẽ trên thấy rằng hình 3.7 và hình 3.8 được dùng để tính tổn thấtđiện áp, còn hình 3.9 được dùng để tính tổn thất công suất Rõ ràng rằng cùng một môhình thì không thể dùng để tính đồng thời tổn thất điện áp và tổn thất công suất

3.4.3 Mô hình chính xác các tải đã được gộp:

Trong các phần trước đã trình bày mô hình tải được gộp Mô hình đầu tiên của phần3.4.1 có thể dùng để tính tổng tổn thất điện áp rơi trên đường dây Nó cũng cho thấyrằng cùng một mô hình thì không được dùng để tính tổn thất công suất trên đường dây.Phần 3.4.2 trình bày một mô hình khác mà sẽ cho kết quả đúng tổn thất công suất trênđường dây Điều cần thiết bây giờ là phải tìm ra một mô hình nào vừa xác định đượctổn thất điện áp và tổn thất công suất trên đường dây

Hình 3.10 biểu diễn hình dạng tổng quát của mô hình chính xác mà sẽ đưa ra kếtquả đúng cho tổn thất điện áp và tổn thất công suất Trong hình 3.10 một phần củadòng điện tổng (IT) sẽ được đặt ở điểm cách đầu nguồn (k.l) km và phần dòng còn lại(c.IT) sẽ được đặt ở cuối đường dây Bây giờ ta sẽ đi xác định các hệ số k và c

Trong hình 3.10 tổng tổn thất điện áp trên đường dây được xác định như sau:

U T Rek.Z.I T 1 k.Z.c.I T (3.27) Trong đó:

 Z: tổng trở của đường dây

 k: hệ số của tổng chiều dài đường dây mà phần đầu của dòng tải đượcđặt

 c: hệ số của tổng dòng điện được đặt ở cuối đường dây, IT = IX + c IT Trong phần 3.4.1 tổng điện áp rơi trên đường dây được tính như sau:

U T   .Z.I T

2

1

Re (3.28) Cân bằng hai phương trình (3.17) và (3.27), ta có:

ITS

T(1-k)l

Chia cả hai vế phương trình cho Z.IT:

c

c k





 1

5 , 0

(3.32)

Sử dụng hình 3.10 để tính tổn thất công suất ba pha, ta có:

 2    2

1

.

P (3.34) Cân bằng các thành phần bên trong ngoặc của cả hai phương trình (3.33) và (3.34)

và rút gọn, ta có:

2  2    2

1

.

3

1

T T

1 3

1

c k

3

1

c c k c k c

1

c c c

c

(3.36) Suy ra:

c13 (3.37) Thay c vào phương trình (3.32) suy ra:

k 41 (3.38)

Từ hai phương trình (3.37) và (3.38) thấy rằng một phần ba tải nên được đặt ở cuốiđường dây, và hai phần ba tải được đặt ở điểm cách điểm đầu nguồn một phần tư.Hình 3.11 đưa ra mô hình chính xác tải được gộp cuối cùng

Hình 3.11: Mô hình chính xác các tải đã được gộp

ITS

IT3

2

IT31

l4

1

l43l

3.5 Hình dạng hình học của các tải được gộp:

Các khu vực của xuất tuyến lưới phân phối có thể được minh họa bằng hình dạnghình học như là hình chữ nhật, tam giác, tứ giác Bằng cách cho mật độ tải là bất biến,một cách gần đúng có thể tính tổn thất điện áp và tổn thất công suất Các phép tính gầnđúng này có thể được dùng để xác định công suất cực đại có thể được cung cấp trongmột khu vực cụ thể dựa vào cấp điện áp và loại dây Đối với các khu vực có vị trí địa

lý đã được ước lượng trước thì một số định nghĩa sau đây sẽ được áp dụng:

 D: là mật độ tải, [kVA/km2]

 Cos: là hệ số công suất

 z: là tổng trở đường dây, [km]

 l: chiều dài của khu vực khảo sát

 w: chiều rộng của khu vực khảo sát

 Ud: điện áp dây, kV

Ngoài ra các tải được mô hình sẽ có dòng điện bằng hằng số

3.5.1 Các phụ tải được bố trí theo dạng hình chữ nhật:

Hình 3.12 minh họa một xuất tuyến hình chữ nhật có chiều dài l và chiều rộng w,với mật độ tải là bất biến được cung cấp bởi mạng ba pha chạy từ nút n đến nút m.Tổng tổn thất điện áp và tổng tổn thất công suất ba pha trên đường dây chính từ nút nđến nút m có thể được tính như sau:

Hình 3.12: Mô hình khu vực hình chữ nhật với mật độ tải là bất biến.

Dòng điện tổng chạy qua khu vực này được tính như sau:

 

d T

U

w l D I

3

.

-Cos-1 (3.39) Xét đoạn vi phân đường dây cách nút n một đoạn x (km) Vi phân dòng điện trongđoạn dx là:

l

I x I di x I

z dx

i z

1

0 Re 1 (3.42)

2

1

Re (3.43) Trong đó: Z = z.l

Phương trình (3.43) cũng đưa ra kết quả như phương trình (3.17), dùng để tính chocác tải được phần bố đều dọc theo một xuất tuyến Chỉ khác là dòng điện tổng (IT) đãđược xác định Tổng tất cả các tải có thể được mô hình ở trọng tâm của hình chữ nhậtđược biểu diễn như hình 3.13 Với các tải đã được mô hình ở trọng tâm thì điện áp rơitính đến tải cuối cùng sẽ minh họa tổng tổn thất điện áp từ nút n đến nút m

Hình 3.13: Mô hình điện áp rơi của phụ tải bố trí theo hình chữ nhật.

Bằng cách lấy đạo hàm ta có thể xác định được tổng tổn thất công suất rơi trên xuấttuyến chính này Suy ra tổn thất công suất trên vi phân chiều dài:



dx l

x l

x I

r

dx r l

x I

dx r i dp

T

T

.

2 1 3

1

3 3

2

2 2

2 2

x I

r dp

1

0 3 1 2 Bằng cách nhóm và rút gọn suy ra:

3

1

trên xuất tuyến chính này được biểu diễn trong hình 3.14 Tổn thất công suất được tínhdựa trên mô hình 3.14 sẽ minh họa tổng tổn thất công suất từ nút n đến nút m.

Hình 3.14: Mô hình tổn thất công suất của phụ tải bố trí dạng hình chữ nhật.

Ví dụ 3.4:

Cho một khu vực xuất tuyến hình chữ nhật có kích thước như hình vẽ Mật độ tảicủa khu vực là D = 800 (kVA/km2) với hệ số công suất Cos = 0,85 Xuất tuyến chính

sử dụng dây dẫn AC-95 được biểu diễn trên sơ đồ cực như hình 3.3

- Từ ví dụ 3.1, suy ra tổng trở của đường dây:

2400 cos

3

U

S I

 

 V

j j

I Z

2663 , 25

22 , 33 6 , 53 ).

5508 , 0 6014 , 0 (

2

1 Re

2

1 Re

22.10 3

% 100

% 100

6 , 53 3007 , 0 3 1000

3

1 3

2 2

1

3.5.2 Các phụ tải được bố trí theo dạng hình tam giác:

Hình 3.15 minh họa một khu vực hình tam giác có mật độ tải là bất biến được cungcấp từ đường dây ba pha chạy từ nút n đến nút m Tổng tổn thất điện áp và tổng tổnthất công suất ba pha trên đường dây chính từ nút n đến nút m có thể được xác địnhnhư sau

Hình 3.15: Phụ tải được bố trí theo dạng hình tam giác

- Diện tích của hình tam giác:

w l

I w l

I S

I

di T T T

.2 2

1 





(A/km2) (3.47) Dòng điện chạy qua đoạn vi phân này là:

di A I

Suy ra diện tích của tam giác nhỏ n-a-d:

2 1

2

1

2

1 2

1

x l

w l

w x x w

1

l

x I

I w l

x l

w I

z dx

z i

2

(3.52) Suy ra tổng điện áp rơi từ nút n đến nút m:

0

1

.

l

x I

z dU

3

2

Trong đó : Z T z.l

Hình 3.16: Mô hình tổn thất điện áp phụ tải được bố trí theo dạng hình tam giác

Phương trình (3.53) cho thấy tổn thất điện áp từ đỉnh đến đáy của khu vực tam giác

có thể được tính bằng cách mô hình hóa tổng các tải ở hai phần ba khoảng cách giữađỉnh và đáy của tam giác Mô hình để tính toán tổn thất điện áp được biểu diễn tronghình 3.16 Tương tự ta cũng tính được tổn thất công suất trên đoạn vi phân này :

IT