CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN TỔN THẤT TRONG MẠNG ĐIỆN Giới thiệu: Tính toán các loại tổn thất điện áp, tổn thất công suất, tổn thất điện năng là xác định thông số chế độ của lưới điện. Công việc này đóng vai trò quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống cung cấp điện. Đề đánh giá các chỉ tiêu kĩ thuật của hệ thống cung cấp điện, xác định tổng phụ tải, chọn các phần tử của mạng điện và thiết bị điện, xác định phương pháp bù công suất phản kháng, biện pháp điều chỉnh điện áp nhằm nâng cao chất lượng điện, chúng ta phải căn cứ vào các số liệu tính toán của phần này. Mục tiêu: - Phân tích được tầm quan trong của các loại tổn thất trong phân phối điện năng.
- Tính toán được tổn thất điện áp, tổn thất công suất, tổn thất điện năng trong mạng phân phối. - Chọn vị trí đặt trạm phù hợp theo tiêu chuẩn kỹ thuật điện. - Đấu và vận hành trạm biến áp theo tiêu chuẩn kỹ thuật. - Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư duy tập trung, sáng tạo và khoa học.
Thông số cơ bản của các phần tử trong mạch điện 1. Điện trở và điện kháng của dây dẫn a. Điện trở của dây dẫn Công thức tính điện trở dây dẫn: l R= () s Trong đó: (mm2/m) - Điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn Cu = 0,018; Al = 0,029; l (m) - Chiều dài dây dẫn; s (mm2) - Tiết diện dây dẫn. Trong tính toán CCĐ, để thuận tiện cho tính toán thông thường người ta tra trong sổ tay kỹ thuật để tìm ra điện trở của 1 km đường dây r 0 (/km) (r0 gọi là điện trở đơn vị).
Lúc này điện trở của dây dẫn được tính: R = r0.L () Trong đó: r0 (/km) - Điện trở đơn vị của đường dây. L (km) - Chiều dài đường dây. Điện kháng của dây dẫn Điện kháng của dây dẫn đồng và nhôm cũng được tính tương tự: X = x0.l () Trong đó: L (km) - Chiều dài đường dây. x0 (/km) - Điện kháng đơn vị của đường dây.
78 x0 được tra trong sổ tay theo quan hệ cho sẵn x0 = f(s, Dtb), với: s (mm ) - Tiết diện dây dẫn. 2 Dtb (mm) - Khoảng cách trung bình hình học giữa các dây dẫn. Khoảng cách này được tính theo công thức sau: Dtb = 3 D12 .D13 Đối với mạng 3 dây đặt trên 3 đỉnh của tam giác đều: 1 D13 D12 3 Dtb = 3 (D12 ) = D (mm) 3 D23 2 Đối với mạng 3 dây đặt trên mặt phẳng nằm ngang: D13 D12 D23 3 Dtb = 3 D12 .D13 = 3 2(D12 ) = 1,26D 1 2 3 Ở đây D (mm) là khoảng cách giữa hai dây dẫn gần nhất. Lưu ý: Trong thực tế, khi tiết diện dây và cách bố trí dây dẫn thay đổi thì điện kháng của nó thay đổi rất ít, vì vậy trong tính toán nhiều khi cho phép lấy các giá trị gần đúng sau: - Đối với đường dây điện cao áp (Uđm 1000V) : x0 = 0,4 (/km) - Đường dây điện hạ áp (U < 1000V): x0 = 0,25 0,3 (/km) - Đường dây hạ áp luồn trong ống và các loại cáp: x0 = 0,07 0,08 (/km) 1.
Điện trở và điện kháng của MBA Điện trở và điện kháng của MBA có thể tra trong sổ tay hoặc tính theo các công thức gần đúng sau: PN U 2dm 3 RBA = 2 10 () Sdm 2 U N %.10 () Sdm Trong đó: PN (kW) - Tổn thất công suất tác dụng ngắn mạch MBA, được tra trong lý lịch máy. UN% - Trị số tương đối của điện áp ngắn mạch MBA. 79 Uđm (kV) - Điện áp định mức của MBA. Muốn tính điện trở, điện kháng của MBA quy đổi về phía cao áp thì lấy Uđm1, về phía hạ áp thì lấy Uđm2.
Sđm (kVA) - Dung lượng định mức của MBA. Thông số của các phần tử khác Điện trở và điện kháng của cầu dao, cầu chì, áptômát, thanh góp, máy biến dòng v. được tra trong sổ tay. Ví dụ 1: Tính điện trở và điện kháng của áptômát có IđmA = 600 A.
Giải: Ta có: RA = rcdA + rtxA; XA = xcdA Tra bảng ta có: rcdA = 0,094 m; rtxA = 0,25 m RA = 0,094 + 0,25 = 0,344 (m); XA = 0,12 m Ví dụ 2: Tìm điện trở của cầu dao có IđmCD = 400 A (cầu dao không có điện kháng) Tra bảng ta có RCD = rtxCD = 0,2 m Ví dụ 3: Tính điện trở và điện kháng của thanh góp đồng có kích thước 40 x 4 mm, dài 2 m, khoảng cách trung bình hình học giữa các pha a = 300 mm. Giải: Ta có: RTG = r0tg.L Tra bảng: rotg = 0,125 m/m; x0tg = 0,214 m/m RTG = 0,125. Tổn thất điện áp trên đường dây 2. Tổn thất điện áp trên đường dây 3 pha có phụ tải tập trung ở cuối đường dây Giả sử mạng điện làm việc ở chế độ đối 1 2 U Z=R+jX U xứng nên ta chỉ cần xét trên 1 pha của đường dây và cũng giả sử đường dây có sơ đồ nguyên lý như S=P+jQ hình 2.
Tổng trở của đường dây là Z=R+jX () Hình 2.4 và phụ tải tập trung ở cuối đường dây S=P+jQ (kVA).5 là đồ thị véc tơ điện áp của đường dây. 80 U p1 c 2 p2 U IX o a f d e 2 1 2 IR g b I 2 Uf Up Tổn thất điện áp Hình 2. p 2 ở cuối đường dây. Góc 2 Trên hình vẽ, véc tơ oa biểu diễn điện áp U p2 tương ứng với cos2 của phụ tải hộ tiêu thụ điện.
Véc tơ oc biểu diễn điện áp U ở đầu đường dây. Tổn thất điện áp trên đường dây xác định bằng tam giác tổn thất điện áp abc. Ta thấy véc tơ ab trùng pha với véc tơ dòng điện I và chính là biểu 2 diễn tổn thất điện áp trên điện trở của đường dây (IR), còn véc tơ bc biểu diễn tổn thất điện áp trên điện kháng của đường dây (IX). Véc tơ ac biểu diễn tổn thất điện áp tổng trên đường dây.
Đó là hiệu của 2 véc tơ điện áp ở đầu và cuối đường dây: U p U p1 U p 2 p 2 và Đoạn ad là hình chiếu của véc tơ tổn thất điện áp tổng trên trục của U gọi là thành phần tổn thất điện áp dọc Uf. Thông thường thì góc dịch pha giữa U p1 và U p 2 là rất bé nên bỏ qua thành phần tổn thất điện áp ngang Up và người ta coi tổn thất điện áp tổng Up gần đúng bằng thành phần tổn thất điện áp dọc Uf. Up = Uf = ad = af + fd Lúc này coi 12 = (vì rất bé) Ta thấy: af = I2Rcos; fd = I2Xsin Do đó: Up = I2Rcos + I2Xsin Tổn thất điện áp dây sẽ là: U = 3 Up = 3 (I2Rcos + I2Xsin) (*) S Ta lại có: I2 = 3U 2 S Nếu coi U2 là điện áp định mức của đường dây, U2 = Uđm thì: I2 = 3U dm 81 S S Thay I2 vào (*) ta có: U = 3 R cos X sin 3U dm 3U dm Từ tam giác công suất ta có: Scos = P; Ssin = Q 1 Vậy: U = (PR + QX) = 1 (P.L) (V) U dm U dm Trong đó: P (kW); Q (kVAr) - Phụ tải tác dụng và phản kháng của đường dây. R, X () - Điện trở và điện kháng của đường dây.
L (km) - Chiều dài của đường dây. Uđm (kV) - Điện áp định mức của đường dây. Để thuận tiện cho việc so sánh, đánh giá, thường người ta tính tổn thất điện áp theo phần trăm so với điện áp định mức: U% = U. 100 U dm 1000 Yêu cầu để đường dây làm việc bình thường là U% [U%].
Ví dụ: Một mạng điện có sơ đồ như hình vẽ sau: A B C l 100+j90 (kVA) MBA Đường dây 3 pha: l = 300 m có r0BC = 0,2 /km; x0BC = 0,25 /km Điện áp định mức của đường dây Uđm = 0,38 kV Xác định tổn thất điện áp trên đường dây BC. Giải: - Điện trở và điện kháng của đường dây BC: RBC = r0BC.0,3 = 0,075 () - Tổn thất điện áp trên đường dây BC: UBC = PBC .0,075 = 33,553 (V) U dml 2 0,38 Hay UBC = 0,033 kV 2. Tổn thất điện áp trên đường dây 3 pha có nhiều phụ tải tập trung Giả sử đường dây có nhiều phụ tải tập trung có sơ đồ nguyên lý mô tả trên hình 2.6 A r1 + jx1 B r2 + jx2 C rn + jxn n 82 p1 + jq1 p2 + jq2 pn + jqn Hình 2-6 Như vậy có thể coi đường dây có nhiều phụ tải tập trung gồm nhiều đường dây có 1 phụ tải tập trung ghép lại, do đó có thể áp dụng công thức tính tổn thất điện áp đã biết tính cho từng đoạn đường dây, mỗi đoạn coi là 1 đường dây có 1 phụ tải tập trung và cuối cùng xếp chồng kết quả lại. Từ nguyên tắc trên hình thành 2 cách tính: a.
Tính tổn thất điện áp trên đường dây theo công suất của phụ tải Ta coi từng phụ tải riêng rẽ chạy từ đầu nguồn đến điểm tiêu thụ gây ra từng lượng tổn thất tương ứng. Mô tả sơ đồ như sau: r1 + jx1 p1+jq1 r1 + jx1 r2 + jx2 p2+jq2 r1 + jx1 r2 + jx2 rn + jxn pn+jqn Hình 2. + Un 1 1 U1 = [p1r1 + q1x1] = (p1R1 + q1X1) (V) U dm U dm 1 U2 = [p2(r1+r2) + q2(x1+x2)] = 1 (p2R2 + q2X2) (V) U dm U dm .+(pnRn+qnXn)] U dm 1 n = p i R i q i X i (V) U dm i 1 Trong đó: Uđm (kV) - Điện áp định mức của đường dây. pi (kW), qi (kVAr) - Phụ tải tác dụng và phản kháng tại điểm thứ i của đường dây.
Ri, Xi () - Điện trở và điện kháng tính từ đầu nguồn đến điểm thứ i. Tính tổn thất điện áp theo công suất chạy trên đường dây Theo cách này, ta coi công suất truyền tải trên từng đoạn đường dây gây ra tổn thất điện áp trên đoạn đường dây đó. r1 + jx1 P1+jQ1 r1 + jx1 r2 + jx2 P2+jQ2 r1 + jx1 r2 + jx2 rn + jxn Pn+jQn pn+jqn Hình 2.8 Tính toán tương tự ta có: 1 1 U1 = [(p1+p2+.+qn)x1] = (P1r1 + Q1x1) (V) U dm U dm 1 U2 = [(p2+p3+.