Tài liệu hệ thống điện docx

HỆ THỐNG
HỆ THỐNG
ĐIỆN I
ĐIỆN I
Bài giảng: TS Trần Trung Tính
Chương III:
Chương III:
CÁC THÔNG
CÁC THÔNG
SỐ CỦA
SỐ CỦA
ĐƯỜNG DÂY
ĐƯỜNG DÂY

Tần Số

Những HTĐ đầu tiên có nhiều tần số khác nhau: 25, 50, 60, 133 Hz

Năm 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 Dam

Năm 1949ở Mỹ: Southerm California Edison thì cũng chuyển đổi từ 50 sang 60 Hz

Ngày 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 tính

Thuận lợi hệ thống 50 Hz: Những đường dây truyền tải, máy biến áp có điện kháng
nhỏ hơn hệ thống 60 Hz

DC

Chi phí đầu tư lớn: chuyển đổi AC - DC - AC

Chỉ 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 nước

Cung cấp cho những hệ thống điện không đồng bộ tức là những hệ
thống điện khác nhau: Bắc – Nam Nhật Bản

HỆ THỐNG ĐIỆN
Turbine
N
S
3 mm
Φ
f
i
Fuel
s
V

s
θ
r
V
r
θ
f
Load
Transformer
Boiler
0
≠
L
I
L
Φ
+
-
mf
V
NP = 120f

Các Đại Lượng Vật Lý Của Đường
Dây
R = ?
Dây dẫn bị
phát nóng
Từ trường tự
cảm, hỗ cảm
Điện dung

(dung dẫn B
0
)
Dòng điện rò
trong cách
điện (điện dẫn
G
0
)
Vầng quang: V
cao→cường độ
điện trường
cao→ion hóa
không khí quanh
dây dẫn

NỘI DUNG TẬP TRUNG THẢO LUẬN

Điện 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 (RI
2
) trên đường
dây với đơn vị là Ohmic (Ω)
Điện kháng nối tiếp là nguyên nhân gây ra sụt áp dọc theo

đường dây
Điện dẫn là nguyên nhân gây ra tổn thất (V
2
G) 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 tải

ACSR (Aluminum Conductors Steel Reinforced)

AAC (All-Aluminum Conductor)

AAAC (All-Aluminum-Alloy Conductor)

ACAR (Aluminum Conductor Aluminum - Alloy
Reinforced)

ACSR 26/7

Tính toán điện trở của đường dây

Điện trở DC của vật dẫn rắn

Những 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%

Ω=
.
,
A
l
R
T
Tdc
ρ

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 tăng
1
2
12
tT
tT
RR
+
+
=
R
1
, R
2
: điện trở dây dẫn tại nhiệt độ t
1
, t

2
(
0
C)
T: nhiệt độ không đổi phụ thuộc vào vật liệu chế tạo dây dẫn, dây nhôm T ≈ 228

Tính toán điện trở của đường dây (tt)

Điện trở dây dẫn tốt nhất là xác định dựa theo thông số của nhà sản xuất

Điện trở dây dẫn đối với dòng điện xoay chiều ac được xác định
2
I
P
R
loss
ac
=

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 tính
Khi 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.
∫
Γ
=Η=
e
idF l.

Giới thiệu về từ tính (tt)

H và dl là vector trong không gian
θ
cos l dlHd =•Η
Trong đó θ là góc giữa H và dl. Chúng ta bỏ khái niệm vector để chỉ giá trị vô
hướng. Hướng dòng điện i
e
có quan hệ hướng của vòng kín Γ được xác định
theo quy tắc bàn tay phải.

Mật độ từ trường cách tâm dây một đoạn là x được xác định
x2
π
I
H =
[Ampere-vòng/m ]

Mật độ từ cảm dọc theo dây dẫn được xác định
Η=Β
µ
[webers/m2 ]
Trong đó µ là độ từ thẩm trung bình

Giới thiệu về từ tính (tt)

Tổng thông lượng cảm ứng từ B gửi qua một diện tích A được
gọi là từ thông
∫
⋅Β=
A
da
φ
[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
BA=
φ

Giới thiệu về từ tính (tt)

Nếu tất cả từ thông nối tất cả N vòng dây của cuộn thì
φλ
N=
Trong đó λ 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
∑
=

=
N
i
i
1
φλ
Trong đó
φ
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 sau
Li=
λ

Giới thiệu về từ tính (tt)

Từ thông móc vòng của dây dẫn thẳng dài vô hạn
Giả 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






+=






+=+=
−
r
R
i
r
R
i
rr
trng
ln
4
10.2ln
42
7
0

µµ
π
µ
λλλ

Giới thiệu về từ tính (tt)

Từ thông móc vòng đối với dây cáp nhiều sợi

Khảo 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 i
k
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
k
kk
k
d
Ri
1
0
1
ln

2
π
µ
λ
=

Tổng từ thông móc vòng của cuộn 1 tới bán kính R
1
từ sợi 1






+++








+=
n
n
n
r
d

R
i
d
R
i
r
R
i
112
2
2
1
1
1
0
1
lnlnln
42

µ
π
µ
λ

Giới thiệu về từ tính (tt)









+++=
n
n
d
i
d
i
r
i
112
2
,
1
1
0
1
1
ln
1
ln
1
ln
2

π
µ
λ

Trong đó bán kính đẳng trị của dây dẫn
4/
1
,
1
r
err
µ
−
=
Trong trường hợp tổng quát khi , nhưng trong trường hợp thực tế,
chúng ta quan tâm đến những dòng điện tức thời trong dây dẫn
∞→
1
λ
∞→
1
R
Từ thông móc vòng trên một mét chiều dài của sợi thứ k là








++++=
kn
n

k
k
k
k
d
i
r
i
d
i
1
ln
1
ln
1
ln
2
,
1
1
0

π
µ
λ
(*)

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.

Giải
Sử dụng công thức (*) cho pha a ta có
,
0
,
0
,
0
ln
2
1
ln
1
ln
2
1
ln
1
ln
1
ln
2
r
D
i
D
i
r

i
D
i
D
i
r
i
aaacbaa
π
µ
π
µ
π
µ
λ
=






−=






++=

Do đó
,
7
,
0
ln102ln
2
r
D
r
D
i
l
a
a
a
−
×===
π
µλ
Hỗ cảm của pha a chỉ phụ thuộc vào dòng điện trên pha a. Điều này cũng
đúng với pha b và c
,
0
ln
2
r
D
lll
cba

π
µ
===

Đường dây truyền tải phân pha
Để 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)
bb
a
R
D
R
Dl

l ln102ln
24
7
01
−
×==≈
π
µ
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 sau
2 ),,(
/1
112
,
≥= bddrR
b
bb


Đường dây truyền tải phân pha (tt)
a) Nếu chúng ta xem búi dây tương đương với một cáp rỗng bên trong, nhằm
làm tăng bán kính của cáp
b) Đối 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.

c) 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 dẫn
]H/m[ ln102ln
2
7
0
b
m
b
m
R
D
R
D
l
−
×==
π
µ

Cảm kháng

Điện cảm kháng
]mi/[ 2 Ω×== lflX
L
πω

Tính 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 nhau