• Tính toán về điện là xác định thông số chế độ của lưới điện. Tính toán về điện bao gồm tính các loại tổn thất trong hệ thống như tổn thất điện áp, tổn thất công suất, tổn thất điện năng cũng như các tính toán về phân bố công suất, lựa chọn tiết diện dây dẫn và cáp, các chế độ vận hành.
  • Tính toán điện phục vụ cho công tác đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống cung cấp điện, xác định tổng phụ tải, chọn các phần tử của mạng điện, xác định phương án bù công suất phản kháng.
  • Tùy mục đích sử dụng mà độ chính xác của các tính toán đòi hỏi khác nhau. Để khối lượng tính toán giảm bớt có thể sử dụng các biểu đồ, bảng tính có sẵn trong các sách tra cứu.
  • Các bước thực hiện lần lượt: xử lý các dữ kiện ban đầu (cấp điện áp, loại dây dẫn, sơ đồ mạng…), xây dựng sơ đồ thay thế, thực hiện tính toán và xử lý kết quả.

Sơ đồ thay thế lưới cung cấp điện

Khái niệm

  • Thành lập sơ đồ thay thế cho một lưới điện bất kỳ gồm có: lựa chọn sơ đồ tính toán cho mỗi phần tử của lưới và tính toán các thông số của chúng, sau đó lắp các sơ đồ thay thế theo đúng trình tự trong lưới, cuối cùng là quy đổi các thông số trên sơ đồ về cùng cấp điện áp.
  • Sơ đồ thay thế của đường dây và máy biến áp sẽ được lần lượt trình bày, đây là hai thành phần chính của lưới truyền tải và phân phối.

Sơ đồ thay thế đường dây

Các thông số của đường dây:

  • Điện dẫn G: là thông số phản ánh hiện tượng tổn thất công suất tác dụng trong sứ và điện môi. Phần công suất tổn hao trong sứ của đường dây trên không ở mọi cấp điện áp rất bé và có thể bỏ qua. Một phần tổn thất công suất nữa là tổn thất do vầng quang, thường chỉ xảy ra ở cấp điện áp ≥ 110kV trong một số điều kiện nhất định. Đối với dây cáp có thể bỏ qua điện dẫn.
  • Dung dẫn B: dung dẫn đường dây thể hiện điện dung giữa các dây dẫn. Dung dẫn này tỷ lệ với dòng điện chuyển dịch (hay là dòng điện nạp của đường dây), sinh ra công suất phản kháng trên đường dây. Dòng điện điện dung của cáp thường lớn hơn đường dây trên không, do vậy đối với cáp từ 20kV trở lên phải xét đến dung dẫn khi lập sơ đồ thay thế.
  • Điện trở R: điện trở đường dây, phụ thuộc chiều dài và thường được cho bởi nhà chế tạo.
  • Điện kháng X: thể hiện hiện tượng tản từ. Khi tải dòng điện xoay chiều ba pha sẽ xuất hiện xung quanh các dây dân một từ trường, tạo ra lực điện động trong mỗi dây dẫn và phụ thuộc khoảng cách tương hỗ giữa các dây dẫn. Đối với các đường dây từ 330kV trở lên, để giảm điện kháng người ta thường áp dụng kỹ thuật phân pha.

Sơ đồ thay thế:

Các thông số của đường dây: điện trở, điện kháng, điện dẫn và dung dẫn hầu như phân bố dọc theo đường dây. Để dễ dàng trong tính toán, tùy theo loại đường dây một số thông số có thể xem là tập trung hay bỏ qua. Các sơ đồ thay thế và trường hợp áp dụng được tóm tắt trong bảng 1.

  • Tính thông số đường dây:

Z = R + jX = (ro + xo).l; ro và xo điện trở và điện cảm kháng trên đơn vị chiều dài (km).

Y = G + jB = (go + bo).l; go và bo điện dẫn và dung dẫn trên đơn vị chiều dài (km).

Điện dẫn G: được xác định theo tổn thất công suất tác dụng: G=ΔPvq/U;Trong đó: ΔPvqlà tổn thất vầng quang xác định theo công thức kinh nghiệm.

Bảng 1. Các sơ đồ thay thế đường dây

bảng-1

  • Dung dẫn bo

công-thức-1

Trong đó: Dtb khoảng cách trung bình hình học giữa các dây dẫn

công-thức-2

R là bán kính dây dẫn, [mm].

Nếu đường dây có dây dẫn phân nhỏ, thì trị số R được thay thế bằng:

công-thức-3

Trong đó: Rđt: bán kính đẳng trị của các dây dẫn trong một pha.

                n: số dây dẫn trong một pha.

                atb: khoảng cách trung bình hình học giữa các dây dẫn trong một pha.

                R: bán kính thực của mỗi dây phân nhỏ.

  • Điện trở ro: thường được cho bởi nhà chế tạo hay tính theo: rt = r20 [1 + α(t – 20)]

        Trong đó: rt: điện trở ở nhiệt độ t.

                        r20: điện trở ở nhiệt độ 20oC, được tra ở các bảng cho sẵn.

                        α: hệ số nhiệt điện trở, được tra ở các bảng cho sẵn, đối với đồng, nhôm, nhôm lõi thép α= 0,004.

  • Điện kháng xo: xo = 0,1445.log10.(Dtb/R) + 0,0157 ; [Ω/km]

        Nếu đường dây có dây dẫn phân nhỏ, khi đó: xo = 0,1445.log10.(Dtb/Rtb) + (0,0157/n) ; [Ω/km]

Sơ đồ thay thế máy biến áp

Các thông số của máy biến áp

  • Tổng trở của máy biến áp là: ZT = RT + jXphản ánh hiện tượng tổn thất công suất tác dụng do hiệu ứng Joule và hiện tượng tổn thất công suất phản kháng do tản từ trong các cuộn dây. Trong đó: Rlà điện trở, Xlà điện cảm kháng.
  • Tổng dẫn của máy biến áp: YT = GT + jBphản ánh hiện tượng tổn thất công suất trong lõi thép máy biến áp: tổn hao do dòng Foucault và tổn hao từ. Tổn thất trong lõi thép hầu như không phụ thuộc vào tải của máy biến áp và bằng lúc không tải. Với: GT là điện dẫn, BT là cảm dẫn.
  • Các thông số của máy biến áp có thể tính theo các số liệu của máy biến áp như: tổn thất ngắn mạch ΔPk, tổn thất không tải ΔPo, điện áp ngắn mạch Uk %, dòng điện không tải Io%. Các số liệu là kết quả của thí nghiệm ngắn mạch và thí nghiệm không tải.

Sơ đồ thay thế và tính các thông số cho máy biến áp hai cuộn dây

  • Máy biến áp ba pha hai cuộn dây là loại được dùng phổ biến trong hệ thống cung cấp điện. Khi tính toán dùng sơ đồ hình Γ như hình vẽ.
Sơ đồ thay thế máy biến áp 2 cuộn dây

Sơ đồ thay thế máy biến áp 2 cuộn dây

  • Ở đây RT = R1 + R2 và XT = X1 + X2 (Rvà Xlà điện trở và cảm kháng của cuộn dây thứ cấp 2 đã quy đổi về cuộn dây sơ cấp 1). Sau đây sẽ nêu các công thức tính thông số máy biến áp (RT, XT, GT và BT) thông qua các số liệu (ΔPk, ΔPo, Uk% và Io%) của nó: 

2

1

Sơ đồ thay thế và tính các thông số cho máy biến áp ba cuộn dây và tự ngẫu:

Đối với máy biến áp ba cuộn dây và tự ngẫu, nhà chế tạo cho những số liệu sau:

  • Sdm: công suất định mức máy biến áp.
  • UCdm, UTdm, UHdm hay U1dm, U2dm, U3dm: điện áp định mức các cuộn cao, trung và hạ.
  • Io%: dòng điện không tải tính theo phần trăm so với dòng điện định mức.
  • ΔP12, ΔP13, ΔP23: tổn thất ngắn mạch ứng với ba trạng thái thí nghiệm ngắn mạch.
  • U12%, U13%, U23%: điện áp ngắn mạch ứng với ba trạng thái thí nghiệm ngắn mạch.
Sơ đồ thay thế máy biến áp ba cuộn dây và tự ngẫu

Sơ đồ thay thế máy biến áp ba cuộn dây và tự ngẫu

a) Máy biến áp ba cuộn dây;

b) MBA tự ngẫu;

c) Sơ đồ thay thế hình sao

Sơ đồ thay thế hình sao có đặt lượng tổn hao trong thép: ΔS0 = ΔSFe = ΔPFe + j.ΔQFe

Tổn thất công suất tác dụng khi ngắn mạch và điện áp ngắn mạch của máy biến áp ba cuộn dây và tự ngẫu được tính theo các dạng ngắn mạch sau:

  • Khi cuộn 2 bị ngắn mạch, cuộn 3 hở mạch, cuộn 1 được đặt vào một điện áp sao cho trong cuộn 1 và 2 có dòng định mức. Người ta đo được ΔP12 và U12% , với:
    • ΔP12 = ΔP1 + ΔPtrong đó ΔP1 và ΔP2 là tổn thất công suất tác dụng trong cuộn 1 và 2.
    • U12% = U1% + U2%
  • Cho hở mạch cuộn 2, ngắn mạch cuộn 3 và cuộn 1 được đặt vào một điện áp sao cho trong cuộn 1 và 3 có dòng định mức ta thu được: ΔP13 = ΔP1 + ΔPvà U13% = U1% + U3%
  • Tương tự khi cho cuộn 1 hở mạch, cuộn 3 ngắn mạch và đặt điện áp vào cuộn 2 sao cho trong cuộn 2 và 3 có dòng định mức ta có: ΔP23 = ΔP2 + ΔPvà U23% = U2% + U3%. Giải hệ các phương trình trên ta tính được tổn thất ngắn mạch và điện áp ngắn mạch đối với từng cuộn dây theo số liệu đã cho:

hình-1

Sau đó áp dụng công thức RT và XT để tính các thông số của máy biến áp.

Tính toán tổn thất điện áp

  • Khi truyền tải điện năng từ nguồn đến hộ tiêu thụ thì mỗi phần tử mạng điện do có tổng trở nên đều gây tổn thất công suất và điện áp.
  • Tổn thất công suất gây tình trạng thiếu hụt điện năng tại nơi tiêu thụ, làm tăng giá thành truyền tải điện và làm cho hiệu quả kinh tế kém.
  • Tổn thất điện áp làm cho điện áp tại các hộ tiêu thụ bị giảm thấp, ảnh hưởng chất lượng điện.

Sau đây lần lượt giới thiệu sơ lược phương pháp tính toán tổn thất điện áp, công suất và điện năng trên mạng phân phối điện.

Tổn thất điện áp trên đường dây ba pha có phụ tải tập trung

Tổn thất điện áp là đại lượng phức: ΔU = ΔU.jδU

Giả thiết mạng làm việc ở chế độ đối xứng, do đó chỉ cần nghiên cứu một pha.

Tổng trở dây dẫn: Z = R + jX [Ω] và phụ tải tập trung ở cuối đường dây S = P + jQ [KVA]

Đồ thị vectơ tổn thất điện áp

Đồ thị vectơ tổn thất điện áp

Trên hình vẽ biểu diễn vectơ điện áp của đường dây:

  • Vectơ Oa: điện áp Up2 ở cuối đường dây.
  • Vectơ Oc: điện áp Up1 ở đầu đường dây.
  • Tổn thất điện áp được xác định bằng tam giác tổn thất abc, trong đó:
  • Vectơ ab: là tổn thất điện áp trên điện trở, trùng pha với vectơ dòng điện I, độ lớn = I.R.
  • Vectơ bc: là tổn thất điện áp trên điện kháng, vuông góc với vectơ ab, có độ lớn = I.X.
  • Vectơ ac: tổn thất điện áp tổng vectơ ΔUp = vectơ Up1 – j.vectơ Up2 có thể phân tích thành hai thành phần:
    • Tổn thất điện áp dọc: đoạn ad, là hình chiếu của ΔU lên trục.
    • Tổn thất điện áp ngang δUp: đoạn cd.

Lúc này để tính toán tổn thất điện áp có thể phân thành hai trường hợp:

  • Trường hợp 1: đối với lưới có điện áp ≤ 35kV, thường θ rất bé do đó có thể bỏ qua tổn thất điện áp ngang. 
    • Tổn thất điện áp pha: ΔU= ad = af + fd (xem φ1 = φ2 = φ) = I.R.cosφ + X.I.sinφ
    • Tổn thất áp dây: 

công-thức-1

công-thức-2

  • Trường hợp 2: đối với lưới có điện áp > 35kV, phải xét đến tổn thất điện áp ngang δUp:
    • Tổn thất điện áp ngang: δUp = cd = cg – dg = cg – bf =  I.X.cosφ + R.I.sinφ
    • Tổn thất điện áp ngang đối với điện áp dây:

công-thức-3

CÔNG-THỨC-4

Tổn thất điện áp trên đường dây ba pha có nhiều phụ tải tập trung

Đường dây có 2 phụ tải tập trung

Đường dây có 2 phụ tải tập trung

  • Trường hợp đường dây có nhiều phụ tải tập trung, giá trị tổn thất điện áp là tổng tổn thất điện áp ở các đoạn dây, ta có các công thức sau:

công-thức-5

Trong đó: Pi, Qi: công suất chạy trên đoạn thứ i, đơn vị [kW], kVAR].

                ri, xi: điện trở và điện kháng của đoạn thứ i, đơn vị [Ω].

                Udm: điện áp dây định mức, [kV].

công-thức-6

Trong đó: pi, qi: công suất của phụ tải tại điểm thứ i, đơn vị [kW], kVAR].

               Ri, Xi: điện trở và điện kháng kể từ đầu nguồn đến điểm thứ i, [Ω]

               Udm: điện áp dây định mức, [kV].

Tính toán tổn thất công suất

Tổn thất công suất trên đường dây

Tổn thất công suất trên đường dây là một đại lượng phức: ΔS = ΔP + j.ΔQ, trong đó:

  • ΔP: tổn thất công suất tác dụng do phát nóng trên điện trở đường dây.
  • ΔQ: tổn thất công suất phản kháng do từ hóa đường dây.

Để xác định tổn thất công suất trên đường dây, ta dùng sơ đồ thay thế hình π.

  • Trường hợp 1: xét mạng điện khu vực có điện áp từ 110 – 220kV do đó có thể bỏ qua thông số điện dẫn G (như hình a).
Sơ đồ thay thế tính tổn thất công suất

Sơ đồ thay thế tính tổn thất công suất

Theo hình vẽ, dễ dàng tính được: Sn = Pn + jQn = P2 + jQ2 – jQC2

CÔNG-THỨC-8

Tổn thất công suất tác dụng và phản kháng khi có dòng điện ba pha chạy qua Z = R +jX

HÌNH-2

  • Trường hợp 2: đối với đường dây địa phương ta có thể bỏ qua tổng dẫn B, như hình b, khi đó tổn thất công suất được xác định theo công suất tải P2 + jQ2

CÔNG-THỨC-9

Lưu ý: Nếu đường dây phân phối có phụ tải phân bố đều (như đường dây chiếu sáng ngoài đường), có tổng dòng I và điện trở R, thì tổn thất ΔP = I2.R

Tổn thất công suất trong máy biến áp

  • Tổn thất công suất trong máy biến áp bao gồm tổn thất không tải (tổn thất trong lõi thép hay tổn thất sắt) và tổn thất có tải (tổn thất trong dây quấn hay tổn thất đồng).

Thành phần tổn thất không tải

  • Thành phần tổn thất trong lõi thép không đổi khi phụ tải thay đổi và bằng tổn thất không tải: ΔS0 = ΔP0 + jΔQ0. Với:

CÔNG-THỨC-10

Tổn thất có tải đối với máy biến áp hai cuộn dây

  • Đối với máy biến áp hai cuộn dây, tổn thất công suất tác dụng trong các cuộn dây khi tải định mức bằng tổn thất công suất ngắn mạch: ΔPcuộn dây định mức = ΔPK.
  • Tổn thất công suất phản kháng trong các cuộn dây, nếu xem RT<<XT, được xác định như sau:

ΔQcuộn dây định mức= (UK% .Sdm)/100 = ΔQK

  • Vì máy biến áp làm việc với Spt khác với tải định mức nên khi xác định tổn thất trong máy biến áp phải xét đến hệ số tải: 

kt = Spt/Sdm = Ipt/Idm

  • Khi đó tổn thất trong các cuộn dây: ΔScuộn dây = kt2 ΔPK + j.kt2 (UK% .Sdm)/100
  • Tổng tổn thất công suất trong máy biến áp: 

công-thức-11

Tổn thất có tải đối với máy biến áp ba cuộn dây và tự ngẫu

Các bước tính toán được tuần tự thực hiện:

  • Trước hết, tính tổn thất công suất trong cuộn dây 2 và 3 theo phụ tải tương ứng trung và hạ áp:

công-thức-12

Tổn thất công suất trong máy biến áp ba cuộn dây

Tổn thất công suất trong máy biến áp ba cuộn dây

Ở đây U’2, U’3, X’2, X’3, R’2, R’3 là các điện áp và tổng trở tương ứng đã quy đổi về điện áp cuộn 1. Công suất:

công-thức-13

  • Tổn thất công suất trong cuộn 1: 

công-thức-14

  • Ngoài ra, có thể tính tổn thất công suất trong máy biến áp ba cuộn dây và máy biến áp tự ngẫu một cách trực tiếp theo các lượng định mức và hệ số tải:

công-thức-15

Tính toán tổn thất điện năng

Điện năng và tổn thất điện năng

  • Điện năng là lượng công suất tác dụng sản xuất, truyền tải hay tiêu thụ trong một khoảng thời gian. Trong thiết kế hệ thống thường lấy thời gian là một năm. 
  • Nếu công suất P không đổi trong thời gian khảo sát T thì điện năng: A = P.T
  • Khi đó tổn thất công suất cũng không đổi và tổn thất điện năng: ΔA = ΔP.T
  • Trường hợp công suất thay đổi và có thể biễu diễn thành hàm theo thời gian, ta có:

công-thức-16

  • Trong thực tế, rất ít khi có thể biểu diễn được công suất cũng như tổn thất công suất theo thời gian, chỉ có thể xác định tổn thất điện năng bằng phương pháp gần đúng và cần tìm τ, Tmax.
  • Tmax: là thời gian nếu hệ thống cung cấp điện chỉ truyền tải công suất lớn nhất Pmax, thì sẽ truyền tải được lượng điện năng đúng bằng lượng điện năng truyền tải trong thực tế 1 năm. Ta có: Pmax..Tmax = A hay Tmax = A/Pmax

Tuy nhiên trong giai đoạn thiết kế do chưa biết A, nên giá trị Tmax thường được chọn:

  • Tra sổ tay đối với phụ tải công nghiệp.
  • Chọn 4000 – 5000h đối với hộ tiêu thụ đô thị.
  • Chọn 2500 – 3000h đối với hộ tiêu thụ nông thôn.
  • τ: là thời gian nếu hệ thống cung cấp điện chỉ truyền tải công suất lớn nhất thì sẽ gây ra lượng tổn thất điện năng đúng bằng lượng tổn thất điện năng gây ra trong thực tế một năm.
    • Ta có: ΔPmax .τ = ΔA
    • τ được xác định gần đúng theo Tmax: τ = (0,124 + 10-4.Tmax )2 . 8760 [h]

Tổn thất điện năng trên đường dây

  • Tổn thất điện năng trên đường dây được xác định như sau: ΔAdd = ΔPdd.τ [KWh]
  • Trong đó: ΔPdd: tổn thất công suất lớn nhất trên đường dây với phụ tải tính toán [kW].

                        τ: thời gian chịu tổn thất công suất lớn nhất, [h]

Tổn thất điện năng trong máy biến áp

  • Tổn thất điện năng trong máy biến áp là: ΔAT = ΔP0.t + ΔPK (Spt max/Sdm)2. τ [KWh]
  • Nếu máy biến áp làm việc suốt năm t = 8760h.
  • Khi có n máy biến áp làm việc song song:  ΔAT = n.ΔP0.t + (1/n).ΔPK (Spt max/Sdm)2. τ [KWh]

Các giải pháp giảm tổn thất điện năng

Muốn giảm tổn thất điện năng cần phải giảm tổn thất công suất tác dụng: Các giải pháp thực hiện đều nhằm vào mục đích tác động vào các đại lượng P, Q, R và U dẫn tới làm giảm ΔP.

  • Tăng điện áp truyền tải: có thể sử dụng đầu phân áp của máy biến áp nhằm nâng cao điện áp cung cấp (không cao quá 5%Udm). Nếu có thể cải tạo nâng cấp điện áp cho đường dây truyền tải.
  • Giảm P: để cắt giảm P có thể dùng các giải pháp như thay đổi dây chuyền công nghệ hiện đại tiêu tốn điện năng ít hơn, sử dụng các thiết bị điện công nghệ mới hiệu suất cao.
  • Bù công suất phản kháng: giải pháp này nhằm giảm lượng Q truyền tải trên lưới điện. Cụ thể là: dùng biện pháp hành chính và khuyến khích các xí nghiệp đặt tụ bù để giảm Q và tiến hành bù kinh tế trên lưới cung cấp điện.
  • Giảm trị số R: để giảm R có thể dùng các giải pháp:
    • Dùng cáp đồng thay cho cáp nhôm. Tăng tiết diện dây dẫn.
    • Chọn tiết diện dây theo Jkt (dây sẽ lớn hơn và R nhỏ hơn khi chọn theo các phương pháp khác).
Bạn muốn nâng cao kiến thức cơ điện? => Tham khảo ngay tại đây
Hãy chia sẻ, nếu bạn cảm thấy bài viết có ích cho bạn bè !