CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG VÀ PHẦN MỀM PSS/ADEPT 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG Tổn thất điện năng (TTĐN) trong hệ thống điện (HTĐ) nói chung là 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. Đối với một lưới điện cụ thể, thì TTĐN trên một lưới điện là sự chênh lệch giữa lượng điện năng đi vào lưới điện (bao gồm từ các nguồn điện và từ các lưới điện lân cận) và lượng điện năng đi ra khỏi lưới điện (bao gồm cấp cho phụ tải của lưới điện đó hoặc đi sang các khu vực lưới điện lân cận) trong một khoảng thời gian nhất định. Hình 1-1: Tổn thất công suất và tổn thất điện năng Khoảng thời gian xác định TTĐN thường là một ngày, một tháng hoặc một năm tùy thuộc mục đích hoặc công cụ xác định TTĐN. TTĐN trên một phần tử có thể xác định bằng đo lường hoặc tính toán như sau: 𝑻 ∆𝑨 = ∫ ∆𝑷(𝒕)𝒅𝒕 𝟎 trong đó: ΔP(t) - là hàm tính tổn thất công suất trên phần tử.
3 ΔA - là TTĐN trên phần tử trong thời gian T (diện tích giới hạn bởi ΔP(t) và các trục tọa độ như hình). T – là khoàng thời gian tính toán 1.1 Phân loại tổn thất Để có thể xác định một cách chính xác và đầy đủ về tổn thất điện năng, trước hết chúng ta cần phân loại các loại tổn thất này. Theo phạm vi quản lý: có TTĐN tại nhà máy điện, TTĐN trên lưới điện truyền tải và TTĐN trên lưới điện phân phối. Tỷ lệ TTĐN trong HTĐ chủ yếu ở lưới phân phối điện.
Theo quan điểm kinh doanh điện. TTĐN trên HTĐ được phân thành hai loại là TTĐN kỹ thuật và TTĐN thương mại (hay là phi kỹ thuật).1Tổn thất điện năng kỹ thuật Là TTĐN do tính chất vật lý của quá trình tải điện năng gây ra. Loại tổn thất này không thể loại bỏ hoàn toàn mà chỉ có thể hạn chế ở mức độ hợp lý. Cụ thể hơn, tổn thất kỹ thuật cũng có thể chia thành hai dạng như sau: a) TTĐN phụ thuộc vào dòng điện: Là tổn thất do phát nóng trong các phần tử có tải dòng điện, phụ thuộc vào cường độ dòng điện và điện trở tác dụng của phần tử.
Đây là thành phần chính được tính đến trong TTĐN kỹ thuật. b) TTĐN phụ thuộc vào điện áp: Bao gồm tổn thất không tải của máy biến áp (MBA), tổn thất vầng quang điện, tổn thất do rò điện (cách điện không tốt), tổn thất trong mạch từ của các thiết bị đo lường.2 Tổn thất điện năng thương mại - Là lượng TTĐN trên HTĐ không liên quan đến tính chất vật lý của quá trình tải điện năng. Nguyên nhân là do vấn đề quản lý HTĐ. Bởi vậy, không thể giải quyết bằng các biện pháp kỹ thuật mà chỉ có thể dùng các biện pháp quản lý trong kinh doanh.
Một số trường hợp có thể phân loại để xác định TTĐN ở khâu nào, từ đó có biện pháp xử lý. Ví dụ TTĐN do không được đo, điện năng không được vào hóa đơn, không được trả tiền hoặc chậm trả tiền. TTĐN thương mại chủ yếu xảy ra ở lưới điện phân phối.2 Vấn đề xác định tổn thất điện năng Nhìn chung, không có cách xác định chính xác TTĐN. Có nhiều nguyên nhân, nhưng chủ yếu là vì thiếu thông tin do hệ thống đo lường chưa đầy đủ và 4 đồng bộ, số liệu về lưới điện và phụ tải không chính xác.
Bởi vậy, thực chất việc xác định TTĐN là đánh giá hoặc dự báo TTĐN. Trên lưới điện truyền tải, hệ thống thông tin và tự động hóa thường phải đầy đủ để đảm bảo mục tiêu quản lý vận hành an toàn, tối ưu. Cũng nhờ đó, việc đo lường và đánh giá TTĐN chính xác hơn. Đối với lưới điện phân phối, các hệ thống thông tin đo lường, giám sát nhìn chung đơn giản, trong khi khối lượng, chủng loại thiết bị đa dạng, nên việc đánh giá chính xác TTĐN khó khăn hơn nhiều.
Bởi vì TTĐN trong HTĐ chủ yếu nằm ở lưới điện phân phối, nên yêu cầu xác định TTĐN chủ yếu đặt ra đối với bộ phận lưới này. TTĐN trong lưới điện phân phối nhỏ hơn 10% được coi là chấp nhận được. Nếu TTĐN trên 15% tức là tỷ lệ TTĐN thương mại là đáng kể, khi đó cần tính toán thành phần TTĐN kỹ thuật để đánh giá mức độ tổn thất thương mại. Bên cạnh đó việc xác định TTĐN cũng sẽ cho một bức tranh chung về tỷ lệ TTĐN giữa các bộ phận lưới điện và các khu vực phụ tải để từ đó có thể đề xuất các giải pháp giảm TTĐN một cách hiệu quả trên lưới điện.3 Thiết bị đo điện năng Sử dụng thiết bị đo điện năng là một trong những cách để đánh giá TTĐN.
Thiết bị đo điện năng thường gọi là công tơ bao gồm công tơ tác dụng (đo kWh) và công tơ phản kháng (đo kVArh). Công tơ liên tục đo điện áp và dòng điện tức thời, tính toán tích số của hai đại lượng này rồi tích hợp theo thời gian để tính trị số điện năng cần đo. Đối với tải nhỏ, trong lưới hạ áp, công tơ có thể lấy trực tiếp dòng điện và điện áp từ mạch cần đo. Đối với lưới cao áp, dòng điện phụ tải lớn, công tơ lấy dòng điện và điện áp từ thứ cấp các máy biến dòng điện và biến điện áp.
Theo công nghệ chế tạo có hai loại công tơ bao gồm công tơ điện từ và công tơ điện tử. Công tơ điện từ Cấu trúc cơ bản của một công tơ điện từ bao gồm ba phần: i. Mạch vào gồm dòng điện và điện áp, ii. Cơ cấu cuộn dây dòng, áp và đĩa quay tương tự một động cơ.
Cơ cấu đếm và hiển thị. Công tơ này làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Tổn thất công suất trên cuộn điện áp rất nhỏ, cỡ 2W. Tổn thất trên cuộn dòng điện tỷ lệ với dòng điện, nhưng nhìn chung cũng nhỏ, chỉ cỡ vài W.
Công tơ điện từ có thể gặp một số sai số như sai số do phụ tải không cân bằng khi dùng công 5 tơ ba pha, sai số do đĩa công tơ tự quay khi chỉ có điện áp đặt vào công tơ và không có tải. Hiện nay các công tơ điện từ đang dần được thay thế bằng công tơ điện tử. a) Công tơ điện từ một pha b) Cấu tạo của ông tơ điện từ một pha Hình 1-2: a) Công tơ điện từ, và b) cấu tạo của công tơ điện từ một pha 6 b. Công tơ điện tử Công tơ điện tử, còn gọi là công tơ tĩnh, biến đổi dòng điện và điện áp đo được trên mạch điện thành dạng số, xử lý tín hiệu số để tính toán nhiều đại lượng liên quan khác nhau và hiển thị trên màn hình dạng LED hoặc LCD.
Công tơ điện tử tích hợp rất nhiều tính năng cho phép đo đặc điểm tiêu thụ điện của phụ tải như thời gian sử dụng (TOU), công suất cực đại, các tham số dòng điện, điện áp, hệ số cosφ, ĐTPT,.cũng như lưu trữ và kết nối, đọc số liệu từ xa, Khả năng giám sát được chất lượng nguồn điện, Khả năng tính toán được giá điện bậc thang hiện hành, Độ chính xác cao về số điện… Yêu cẩu về tổn thất và sai số của công tơ điện tử, cấp chính xác Class 1 và 2 được quy định bởi tiêu chuấn IEC 62053-21, 2003. Hình 1-3: Công tơ điện tử 3 pha c) Công tơ điện 2 chiều Với loại công tơ điện này gồm 2 bộ nhớ thường được sử dụng để đô nguồn điện từ các inverter năng lượng mặt trời hòa lưới của dự án điên mặt trời đến nguồn điện năng lượng 2 chiều. – Bộ nhớ 1: dùng để lưu trũ các chỉ số điện năng tiêu thụ được cung cấp bởi công ty điện lực VietNam. – Bộ nhớ 2: lưu trữ chỉ số điện năng lượng mặt trời đã được lắp đặt 7 1.2 NGUYÊN NHÂN CỦA TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG 1.1 Tổn thất điện năng phụ thuộc dòng điện Tất cả các phần tử tham gia tải trực tiếp dòng điện trong HTĐ đều có TTĐN do phát nhiệt trên điện trở của phần tử đó.
Các phần tử có tổn thất do phát nhiệt trên HTĐ bao gồm: Điện trở của các đường dây tải điện, dây dẫn pha, dây trung tính, dây chống sét và dây nối đất. Dây trung tính sẽ gây tổn thất nếu tồn tại dòng trên dây trung tính. Dây chống sét nằm trong điện từ trường của các dây dẫn pha nên cũng có xuất hiện dòng điện cảm ứng và tổn thất trên điện trở dây chống sét và điện trở nối đất. Điện trở cuộn dây trong các MBA lực.
Điện trở cuộn dây của các máy điện quay (máy phát điện, máy bù đồng bộ, động cơ điện). Điện trở tiếp xúc của các tiếp điểm trong các thiết bị đóng cắt mạch điện. Điện trở tiếp xúc của các mối nối trong mạch điện. Các điện trở nhỏ khác như thanh góp, cuộn dây các biến áp đo lường, các mạch tụ bù CSPK, cuộn dây kháng điện, điện trở trên các mạch bán dẫn.
Trong các phần tử trên đây trong HTĐ, các phẩn tử chiếm tỷ lệ TTĐN lớn nhất là đường dây và MBA. Các phần tử còn lại thường có tổn thất nhỏ nên nếu tính toán TTĐN dựa trên mô phỏng thì thường bỏ qua.2 Tổn thất điện năng phụ thuộc điện áp a) Tổn thất vầng quang điện Khi truyền tải dòng điện xoay chiều, xung quanh dây dẫn xuất hiện từ trường, đồng thời có điện trường. Hiện tượng này làm ion hóa không khí xung quanh dây dẫn, làm phát sinh vầng quang xung quanh dây dẫn, đồng thời gây ra âm thanh xung quanh dây dẫn. Nếu điện áp cao thì hiện tượng này rất rõ ràng.
Đối với lưới phân phối, hạ áp người ta thường bỏ qua hiện tượng này. b) Tổn thất trong lõi thép máy biến áp Tổn thất trong máy biến áp do điện trở đã được đề cập ở trên. Ở đây tác giả đề cập đến tổn hao do từ hóa của lõi thép máy biến áp (tổn hao do dòng điện phu cô) .3 Tổn thất điện năng do chất lượng điện năng kém - Ngoài TTĐN do dòng điện và điện áp hình sin ở tần số cơ bản (50 hoặc 60Hz) gây ra trên các phần tử trong HTĐ, TTĐN còn được gây ra do các vấn đề CLĐN. Trong các hiện tượng CLĐN, các hiện tượng duy trì như biến dạng sóng (waveform distortion- sóng hài) và không đối xứng gây TTĐN đáng kể.