Hệ thống điện I

HỆ THỐNG ĐIỆN IBài giảng: TS Trần Trung TínhChương III:CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐƯỜNG DÂYTần SốNhững HTĐ đầu tiên có nhiều tần số khác nhau: 25, 50, 60, 133 HzNăm 1891 ở Mỹ: đề nghị tần số chuẩn là 60 Hz Năm 1893 ở Mỹ: giới thiệu hệ thống điện có tần số 25 Hz dùng trong điện khí hoá ngành đường sắt. Năm 1937ở Mỹ: California, the Los Angeles Department of Power vận hành hệ thống 50 Hz và chuyển đổi từ 50 sang 60 Hz khi nối với hệ thống Hoover DamNăm 1949ở Mỹ: Southerm California Edison thì cũng chuyển đổi từ 50 sang 60 HzNgày nay: có 2 tần số chuẩn trên toàn thế giới là 50 (Europe, Liên Xô cũ, Nam Mỹ trừ Brazil, Japan, Việt Nam, v.v), 60 Hz (Mỹ, Canada, Brazil, Japan, v.v)Thuận lợi hệ thống 60 Hz: Generators, Motors, transformers tổng quát có kích thước nhỏ hơn hệ thống 50 Hz có cùng đặc tínhThuận lợi hệ thống 50 Hz: Những đường dây truyền tải, máy biến áp có điện kháng nhỏ hơn hệ thống 60 Hz DCChi phí đầu tư lớn: chuyển đổi AC - DC - ACChỉ dùng trong những trường hợp đặc biệt sau:Khỏang cách truyền tải (đường dây trên không) lớn (> 750 km)khỏang cách truyền công suất dài và dưới nướcCung cấp cho những hệ thống điện không đồng bộ tức là những hệ thống điện khác nhau: Bắc – Nam Nhật BảnHỆ THỐNG ĐIỆNTurbineNS3 mmFfiFuelsVsqrVrqfLoadTransformerBoiler0¹LILF+-mfVNP = 120fCác Đại Lượng Vật Lý Của Đường DâyR = ?Dây dẫn bị phát nóng Từ trường tự cảm, hỗ cảm Điện dung (dung dẫn B0) Dòng điện rò trong cách điện (điện dẫn G0)Vầng quang: V caocường độ điện trường caoion hóa không khí quanh dây dẫnNỘI DUNG TẬP TRUNG THẢO LUẬNĐiện trở nối tiếp (series resistance)Điện kháng nối tiếp (series inductance)Điện dung (shunt capacitance)Dung dẫn (shunt conductance)Điện trở nối tiếp là nguyên nhân gây ra tổn thất (RI2) trên đường dây với đơn vị là Ohmic () Điện kháng nối tiếp là nguyên nhân gây ra sụt áp dọc theo đường dây Điện dẫn là nguyên nhân gây ra tổn thất (V2G) do những dòng điện rò giữa các dây dẫn hoặc giữa dây dẫn với đất. Dung dẫn trên đường dây trên không thì thường được bỏ qua.Điện dung là nguyên nhân làm triệt tiêu một phần dòng điện cảm ứng (của phụ tải) chạy trong dây dẫn Những phần chính trong hệ thống truyền tảiACSR (Aluminum Conductors Steel Reinforced)AAC (All-Aluminum Conductor)AAAC (All-Aluminum-Alloy Conductor) ACAR (Aluminum Conductor Aluminum - Alloy Reinforced) ACSR 26/7Tính toán điện trở của đường dâyĐiện trở DC của vật dẫn rắnNhững sợi dây dẫn được quấn theo hình xoán ốc thì nó làm thay đổi hướng, tăng chiều dài dây dẫn từ 1-2% so với chiều dài thực tế. Do đó, điện trở dc của sợi dây dẫn có giá trị lớn hơn thực tế 1-2% Điện trở AC thường cao hơn điện trở DC: đối với hệ thống có tần số 60 Hz thì điện trở AC cao hơn DC khoảng 2 %Điện trở dây dẫn tăng khi nhiệt độ tăngR1, R2: điện trở dây dẫn tại nhiệt độ t1, t2 (0C)T: nhiệt độ không đổi phụ thuộc vào vật liệu chế tạo dây dẫn, dây nhôm T  228Tính toán điện trở của đường dây (tt)Điện trở dây dẫn tốt nhất là xác định dựa theo thông số của nhà sản xuấtĐiện trở dây dẫn đối với dòng điện xoay chiều ac được xác định Dòng điện dc phân bố đều trên diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn. Tuy nhiên, dòng điện ac phân bố không đều trên diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn. Mật độ dòng điện ở tâm dây nhỏ hơn bề mặt dây dẫn do hiệu ứng bề mặt (skin effect). Do đó điện trở đối với dòng điện ac lớn hơn đối với dòng điện dc chiều. Tuy nhiên với tần số 50 Hz và dây dẫn kim lọai màu với tiết diện không lớn thì sự khác nhau đó không đáng kể (cỡ 1%). Giới thiệu về từ tínhKhi có dòng điện chạy qua dây dẫn thì sẽ sinh ra điện từ trường xung quanh dây dẫn. Điện từ trường này được đặc trưng bởi điện cảm L do từ trường gây ra và điện dung C do điện trường gây ra.Giới thiệu về từ tính (tt)H và dl là vector trong không gian Trong đó  là góc giữa H và dl. Chúng ta bỏ khái niệm vector để chỉ giá trị vô hướng. Hướng dòng điện ie có quan hệ hướng của vòng kín  được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Mật độ từ trường cách tâm dây một đoạn là x được xác định [Ampere-vòng/m ]Mật độ từ cảm dọc theo dây dẫn được xác định [webers/m2 ]Trong đó  là độ từ thẩm trung bìnhGiới thiệu về từ tính (tt)Tổng thông lượng cảm ứng từ B gửi qua một diện tích A được gọi là từ thông [Webers]Trong đó da là vector có hướng vào bề mặt da và có độ lớn bằng với da Nếu B vuông góc và đồng đều trên diện tích A Giới thiệu về từ tính (tt)Nếu tất cả từ thông nối tất cả N vòng dây của cuộn thì Trong đó  là từ thông móc vòng với đơn vị là webers-vòng Từ thông tổng bằng tổng của từ thông móc vòng thành phần của từng vòng dây Trong đó i là từ thông nối vòng thứ i của cuộn dây Giới thiệu về từ tính (tt)Điện cảm được xác định là quan hệ tuyến tính giữa từ thông móc vòng và dòng điện. Bởi vì, từ thông móc vòng sinh ra trên đoạn dây dẫn tỉ lệ thuận với từ cảm B. Mặt khác, từ cảm B được sinh ra và tỉ lệ thuận với dòng điện và được xác định như sauGiới thiệu về từ tính (tt)Từ thông móc vòng của dây dẫn thẳng dài vô hạnGiả sử dây dẫn thẳng dài vô hạn có bán kính r, mật độ điện phân bố đều trong dây dẫn và có tổng dòng điện là i . Theo tính chất vật lý cơ bản chúng ta biết những đường từ thông có dạng những đường tròn đồng tâm. Giả sử dòng điện trong dây dẫn đi ra ngoài của mặt trang giấy. Hướng của từ thông như trình bày ở Hình 3. 11 Từ thông móc vòng trên một mét chiều dài của dây bằng tổng từ thông móc vòng bên ngoài và bên trong dây dẫn Giới thiệu về từ tính (tt)Từ thông móc vòng đối với dây cáp nhiều sợiKhảo sát tính toán từ thông móc vòng của sợi 1 tới bán kính R1 từ góc tọa độ Sợi 1 bị ảnh hưởng bởi sợi 2, 3, , n Tất cả từ thông tạo ra bởi dòng điện ik đi qua giữa điểm b và điểm c của trục x Từ thông móc vòng của sợi 1 chịu ảnh hưởng bởi dòng điện ik được xác định như sau Tổng từ thông móc vòng của cuộn 1 tới bán kính R1 từ sợi 1Giới thiệu về từ tính (tt)Trong đó bán kính đẳng trị của dây dẫnTrong trường hợp tổng quát khi , nhưng trong trường hợp thực tế, chúng ta quan tâm đến những dòng điện tức thời trong dây dẫn Từ thông móc vòng trên một mét chiều dài của sợi thứ k là(*)Ví dụ Cho đường dây truyền tải 3 pha có khoảng cách các đường dây bằng nhau D và bán kính r của sợi. Giả sử có như trình bày ở hình bên dưới. Tính độ từ cảm trên 1m chiều dài của mỗi pha trong hệ thống 3 pha trên.GiảiSử dụng công thức (*) cho pha a ta cóDo đó Hỗ cảm của pha a chỉ phụ thuộc vào dòng điện trên pha a. Điều này cũng đúng với pha b và c Đường dây truyền tải phân phaĐể giảm hỗ cảm  chúng ta cố gắng giảm khoảng cách giữa những đường dây và tăng bán kính cáp  Khi giảm khoảng cách giữa các pha nên chú ý đến sự đánh thủng cách điện do quá điện áp. Nói cách khác, chi phí đầu tư, trọng lượng và sự mềm dẻo của cáp cũng là vấn đề cần quan tâm khi tăng bán kính cáp. Trong thực tế điện áp từ 220 kV trở lên thì đường dây truyền tải được phân pha, nghĩa là đường dây truyền tải của từng pha được chia làm nhiều cáp có bán kính r đặt cách nhau một khoảng a và đặt trên 1 khung định vị  để giảm tổn thất vầng quang, giảm điện kháng X0, tăng khả năng tải đường dây Đường dây truyền tải phân pha (tt)GMR phải được xác định phù hợp với sợi cáp phân pha trong búi dây. Giả sử co b sợi cáp trong búi dây, Rb được xác định như sauĐường dây truyền tải phân pha (tt) Nếu chúng ta xem búi dây tương đương với một cáp rỗng bên trong, nhằm làm tăng bán kính của cápĐối với đường dây cao áp (từ 220 kV trở lên) thì trường điện từ sinh ra lớn xung quanh cáp. Nếu trường điện từ này đủ lớn sẽ gây ra hiện tượng ion hóa vùng không khí đó. Điều không mong muốn này gọi là hiện tượng corona. Hiện tượng corona cũng là một trong những nguyên nhân gây ra tổn thất trên đường dây truyền tải, nhiễu radio và gây ồn. Nếu bán kinh dây dẫn lớn sẽ làm giảm từ trường sinh ra xung quanh bề mặt dây dẫn. Trong thực tế, người ta dùng đường dây phân pha cho hệ thống truyền tải cao áp nhằm làm tăng bán kính dây dẫn.So với hệ thống truyền tải dùng một cáp có cùng diện tích mặt cắt ngang của búi dây nhiều sợi cáp thì diện tích tiếp xúc dây dẫn với không khí sẽ lớn hơn nên giải nhiệt tốt hơn, do đó có thể truyền tải dòng điện lớn hơn giới hạn nhiệt của cáp.Tính toán điện kháng của dây dẫnCảm khángĐiện cảm khángTính toán điện kháng của dây dẫn (tt)Hỗ cảm phụ thuộc độ dài, khoảng cách giữa các dây dẫn, do đó hỗ cảm giữa các dây dẫn khác nhau là khác nhau. Điều náy sẽ gây ra không đối xứng về dòng điện, điện áp trong lưới điện. Do đó, khắc phục nhược điểm náy người ta hoán vị dây dẫn sao cho mỗi pha của 1 đường dây lần lượt ở 3 vị trí khác nhauTính toán điện dẫn Xác định điện dung Xác định dung dẫn Xác đinh dung khángTổn thất vầng quangTổn thất vầng quang  cường độ điện trường vượt qua ngưỡng nhất định  ion hóa không khí xung quanh dây dẫn  điện năng thoát ra ngoài không khí  phát ra tiếng ồn và ánh sángTổn thất vầng quang  xác định bằng thực nghiệm trên các đường dây  phụ thuộc vào thời tiết và cấu trúc đường dâyTrong tính toán sơ bộ phục vụ quy hoạch  dùng công thức thực nghiệm. Công thức Mayer là một trong những công thức được dùng[kW/km.pha] Dây không phân pha: Emax = Etb(1+2r/D)Dây phân ba: Emax = Etb(1 + 2./D)Dây 4: Emax = Etb(1 + 3./D)n: số dây dẫn trong 1 phaf: tần số [Hz]r: bán kính dây [cm]EVQ: cường độ điện trường bắt đầu phát sinh vầng quangEtđ: cường độ điện trường tương đương có trị số bằnga: khỏang cách trung bình giữa các dây trong một pha, [cm]D: khỏang cách trung bình giữa các pha, [cm]k: hệ số ảnh hưởng của thời tiết Khi thời tiết tốt k = 44 và EVQ = 17 [kV/cm] Khi thời tiết xấu k = 35,1 và EVQ = 11 [kV/cm]Tổn thất vầng quang (tt)Tóm lạiSeries resistance R: Conductor resistivityShunt conductance G: tổn thất do dòng điện rò dọc theo chuổi cách điện, vầng quang điện, ảnh hưởng nhỏ và có thể bỏ quaSeries inductance L: do từ trường xung quanh dây dẫn gây nên, phụ thuộc vào từ thông móc vòng. Điện kháng của 3 pha là khác nhau nếu khoảng cách giữa chúng khác nhau. Người ta đổi pha để cân bằng điện kháng.Shunt capacitance C: điện tích giữa các dây dẫn, dây dẫn với đấtTóm lại (tt)Từ trườngĐiện trườngTổng trở nối tiếpTổng dẫn song songR: điện trở dây dẫnX: cảm kháng dây dẫnB: dung dẫn (dung kháng) dây dẫnG: điện dẫn tác dụngVí dụ 1Cho đường dây 3 pha lộ đơn 220 kV, 50 Hz có chiều dài 160 km, các pha được bố trí trên trụ như hình vẽ. Đường dây sử dụng là AC-240 (28 sợi nhôm, 7 sợi thép) với đường kính ngoài là 21,6 mm, điện trở dây dẫn 0,132 /km. Giả sử đường dây được hoán vị đầy đủ và điện dẫn g0 = 0.Tính tổng trở của đường dâyTính tổng dẫn của toàn đường dâyVí dụ 1 (tt)Dbc = 7,6 mDac = 5,924 mDab = 7,708 mDbc = ?Dab = ?Dac = ? Đường kính dây: d = 21,6 mmĐiện trở dây: r0 = 0,132 /kmSố sợi của dây dẫn là: 28 + 7, tra bảng để tìm bán kính đẳng trị: r’ = 0,768r = 8,294.10-3 mKhoảng cách hình học: Ví dụ 1 (tt)Tổng trở của đường dâyĐiện cảm mỗi phaCảm kháng mỗi phaTổng trở toàn đường dâyVí dụ 1 (tt)Tổng dẫn của đường dâyĐiện dung mỗi phaDung dẫn của đường dâyTổng dẫn của đường dâyVí dụ 2(bài tập về nhà)Đường dây truyền tải 138 kV được đặt trên trụ như hình vẽ. Dây sử dụng là loại Linnet (nhôm) Al/St là 26/7, đường kính ngoài là 0,721 in, RAC tại 500C là 0,3006 /mi, Bài Tập 2(bài tập về nhà)Cho đường dây 3 pha lộ đơn 220 kV, 50 Hz có chiều dài 140 km, các pha được bố trí trên trụ như hình vẽ. Đường dây sử dụng là AC-240 (28 sợi nhôm, 7 sợi thép) với đường kính ngoài là 21,6 mm, điện trở dây dẫn 0,132 /km. Giả sử đường dây được hoán vị đầy đủ và điện dẫn g0 = 0.Tính tổng trở của đường dâyTính tổng dẫn của toàn đường dâyNHỮNG NỘI DUNG CẦN NHỚTính điện trở của đường dâyTính cảm kháng của đường dâyTính dung kháng của đường dâyTính tổng dẫn của đường dâyTính tổng trở của đường dâyTại sao phải phân pha?Tại sao phải đảo pha?