Thiết kế hệ thống bù COS tự động cho trạm trung gian quỳnh côi 35 - 10KV huyện quỳnh phụ thái bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI











VŨ THỊ THÙY LAN



THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÙ COSϕ
ϕϕ
ϕ TỰ ĐỘNG CHO
TRẠM TRUNG GIAN QUỲNH CÔI 35/10KV
HUYỆN QUỲNH PHỤ - THÁI BÌNH



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



Chuyên ngành: Điện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn
Mã số: 60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH







HÀ NỘI – 2012
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và hoàn toàn chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
Tôi cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ để thực hiện luận văn này đã được cảm
ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả luận văn



Vũ Thị Thùy Lan

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

ii

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này tôi đã nhận được sự hướng dẫn rất nhiệt tình
của thầy giáo PGS.TSKH. Trần Hoài Linh cùng với những ý kiến đóng góp quý báu
của các thầy giáo, cô giáo Bộ môn Cung cấp điện cũng như các thày giáo, cô giáo
Khoa cơ điện, Viện Đào tạo Sau đại học của Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới những sự giúp đỡ quý
báu đó.
Tôi xin chân thành cảm ơn Điện lực Quỳnh Phụ- Thái Bình đã tạo điều kiện
cho tôi trong việc thu thập số liệu và những thông tin cần thiết cho việc nghiên cứu
luận văn.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè
những người đã luôn bên tôi giúp đỡ về vật chất cũng như tinh thần trong suốt quá
trình học tập và hoàn thành luận văn.

Hà Nội, ngày tháng năm 2012
Tác giả


Vũ Thị Thùy Lan


Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

iii

MỤC LỤC

Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục bảng v
Danh mục hình vi
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN
LƯỚI PHÂN PHỐI 3
1.1 SỰ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 3
1.1.1 Khái niệm về công suất phản kháng 3
1.2 BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 6
1.2.1 Khái niệm về bù công suất phản kháng 6
1.2.2 Ý nghĩa của bù công suất phản kháng 7
1.3 CÁC GIẢI PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƯỚI
PHÂN PHỐI HIỆN NAY 9
1.3.1 Tụ điện 9
1.3.2 Máy bù đồng bộ 10
1.3.3 Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn được đồng bộ hóa 10
1.4 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN KHI TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN
GIẢI PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 10
1.4.1 Xác định dung lượng bù 10
1.4.2 Vị trí bù trong mạng điện 11
1.4.3 Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia 12
1.4.4 Điều chỉnh dung lượng bù 14
1.5 Kết luận chương 1 15
CHƯƠNG 2: NHIỆM VỤ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TẠI TRẠM

TRUNG GIAN QUỲNH CÔI 35/10kV 16
2.1 GIỚI THIỆU TRẠM TRUNG GIAN QUỲNH CÔI 35/10kV 16
2.2 NHIỆM VỤ BÙ VÀ GIẢI PHÁP HIỆN NAY 22
2.2.1 Nhiệm vụ bù 22
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

iv

2.2.2 Giải pháp bù hiện nay 22
2.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ MỘT SỐ TỒN TẠI TRONG NHIỆM VỤ
BÙ CỦA TRẠM 22
2.3.1 Ưu và nhược điểm trong nhiệm vụ bù 22
2.3.2 Một số tồn tại 22
2.4 Kết luận chương 2 23
CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP BÙ TỰ ĐỘNG 24
3.1 GIẢI PHÁP BÙ BẰNG TỤ 24
3.2 TÍNH TOÁN RA DUNG LƯỢNG BÙ 25
3.2.1 Xác định X 26
3.2.2 Xác định
k
E∆
26
3.2.3 Xác định Qbù 27
3.3 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN DUNG LƯỢNG BÙ
TRONG TRƯỜNG HỢP CÁC TỤ KHÁC NHAU 27
3.4 Kết luận chương 3 29
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÙ COSẾẾ TỰ ĐỘNG 30
4.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 30
4.1.1 Giới thiệu chung vi điều khiển AT89C51 31
4.1.2 Giới thiệu chung ADC0804 35

4.1.3 Cấu trúc phần cứng của mạch điều khiển cơ cấu chấp hành 38
4.2 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 39
4.2.1 Lưu đồ thuật toán 39
4.3 Các kết quả đã đạt được 42
4.3.1 Mô phỏng giải pháp trên Proteus 42
4.3.2 Mô phỏng giải pháp bằng mạch phần cứng 46
4.4 Kết luận chương 4 50
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 51
5.1 Kết luận 51
5.2 Hướng phát triển đề tài 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO 52
PHỤ LỤC 53

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

v

DANH MỤC BẢNG
STT Tên bảng Trang


2.1 Bảng điều tra các MBA 18
3.1 Dung lượng cần bù và các tụ được lựa chọn 28


Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

vi

DANH MỤC HÌNH

STT Tên hình Trang

4.1 Sơ đồ khối của mạch 30
4.2 Sơ đồ khối của chip AT89C51 32
4.3 Sơ đồ chân của chip 8051 33
4.4 Sơ đồ chân ADC0804 36
4.5 Mô phỏng mạch điều khiển cơ cấu chấp hành 38
4.6 Lưu đồ giải thuật của chương trình chính 40
4.7 Lưu đồ thuật toán đọc dữ liệu ADC về vi điều khiển 41
4.8 Mô hình mạch mô phỏng trên Proteus 42
4.9 Kết quả chạy khi biến trở ở vị trí 0% - tất cả các tụ tắt 43
4.10 Kết quả chạy khi biến trở ở vị trí 50% - các tụ 3, 4 và 8 được đóng vào 44
4.11 Kết quả chạy khi biến trở ở vị trí 75% - các tụ 7 và 8 được đóng vào 44
4.12 Kết quả chạy khi biến trở ở vị trí 90% - các tụ 1, 3, 4, 7 và 8 được
đóng vào 45
4.13 Kết quả chạy khi biến trở ở vị trí 100% - các tụ 1, 3, 6, 7 và 8 được
đóng vào 45
4.14 Sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng 46
4.15 Kết quả chạy của mạch khi biến trở ở vị trí 0% - các led đều tắt ứng
với các tụ đều được cắt ra 47
4.16 Kết quả chạy của mạch khi biến trở ở vị trí 50% - các led ứng với các
tụ 3, 4 và 8 được bật 48
4.17 Kết quả chạy của mạch khi biến trở ở vị trí 75% - các led ứng với các
tụ 7 và 8 được bật 48
4.18 Kết quả chạy của mạch khi biến trở ở vị trí 90% - các led ứng với các
tụ 1, 3, 4, 7 và 8 được bật 49
4.19 Kết quả chạy của mạch khi biến trở ở vị trí 100% - các led ứng với các
tụ 1, 3, 6, 7 và 8 được bật 49

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

1

LỜI NÓI ĐẦU

Bài toán bù cosϕ là một trong những bài toán cơ bản của hệ thống điện. Các
thiết bị bù cosϕ cho phép tạo ra công suất phản kháng cung cấp trực tiếp cho phụ tải
để tránh truyền tải một lượng Q khá lớn trên đường dây do đó nâng cao được hệ số
cosϕ của mạng. Các hệ thống bù cosϕ hiện tại chủ yếu được thực hiện trên một dàn
tụ được mắc nối tiếp. Dung lượng bù sẽ được tính toán tự động từ cosϕ của tải và
sau đó được triển khai trên dàn tụ này.
Tuy nhiên thực tế sử dụng một hệ các tụ có dung lượng giống nhau, nếu có
thay đổi thì chỉ thay đổi số lượng tụ được đấu song song vào mạch. Do đó dung
lượng bù thực tế chỉ có thể nhận các giá trị bội số của một tụ dẫn tới nhiều trường
hợp sai số bù lớn. Việc sử dụng dàn tụ có dung lượng khác nhau sẽ cho phép ta lựa
chọn được dung lượng bù sát hơn với dung lượng đặt ở đầu vào. Điều này sẽ cho
phép cải thiện được chất lượng của thiết bị bù và cải thiện được chất lượng điện
năng của hệ thống. Chính vì những lý do đã nêu trên tôi tiến hành nghiên cứu, lựa
chọn và xây dựng chương trình thiết kế hệ thống bù cosϕ tự động cho trạm trung
gian Quỳnh Côi 35/10kV huyện Quỳnh Phụ - Thái Bình.
1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài:
– Cơ sở khoa học: Đề tài tìm hiểu phương pháp bù công suất phản kháng trên
lưới phân phối để nâng cao chất lượng điện. Đồng thời, tìm hiểu phần mềm vi xử lý
để mô phỏng bù cosϕ tự động
– Tính thực tiễn: Đưa ra giải pháp bù cosϕ tự động
2. Mục tiêu của đề tài:
– Nghiên cứu phương pháp bù cosϕ tự động, kiểm chứng trên phần mềm mô
phỏng và mạch thiết bị mô phỏng bù cosϕ tự động
3. Phương pháp nghiên cứu:

– Về lý thuyết: Nghiên cứu phương pháp bù cosϕ tự động và tìm hiểu phần
mềm mô phỏng
– Về thực nghiệm: Mô phỏng bù cosϕ tự động
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

2

Nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
– Chương 1: Tổng quan về bù công suất phản kháng trên lưới phân phối.
– Chương 2: Nhiệm vụ bù công suất phản kháng tại trạm Trung gian Quỳnh
Côi 35/10kV.
– Chương 3: Đề xuất giải pháp bù tự động.
– Chương 4: Thiết kế hệ thống bù cosϕ tự động.
Kết luận và kiến nghị

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN
KHÁNG TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI

1.1. SỰ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
1.1.1. Khái niệm về công suất phản kháng
Để cho việc bù công suất đạt được hiệu quả, trước hết chúng ta cần tìm hiểu ý
nghĩa vật lý của đại lượng này và biểu diễn dưới dạng công thức toán học
Giả sử dòng điện hình sin trong mạch được biểu diễn bằng một hàm điều hòa:
( ) sin( )
m
i t I t

ω φ
= +
(1.1)
trong đó: I
m
- trị số cực đại của dòng điều hòa,
t
ω φ
+
− góc pha, kết hợp hai đại lượng đặc trưng là tần số góc
ω
, và góc pha
đầu
φ
(khi t=0)
Với dòng chu kỳ i(t) đã cho có thế tìm được trị số dòng không đổi I tương
đương về mặt tiêu tán, sao cho năng lượng tiêu tán trong thời gian một chu kỳ là
bằng nhau, nghĩa là trong một mạch đơn giản thuần trở:
2 2
0
. ( )
T
A RI T R i t dt
= =
∫
(1.2)
Trị số dòng không đổi I tương đương về mặt tiêu tán với dòng chu kỳ i(t) được
gọi là giá trị hiệu dụng của dòng chu kỳ. Như vậy có thể viết:
( ) 2 sin( )
i t I t

ω φ
= +
(1.3)
Theo lý thuyết kỹ thuật điện ta có phản ứng một nhánh nối tiếp R-L-C đối với
kích thích điều hòa ở chế độ xác lập:
2 sin( ) 2 sin 2 sin( ) 2 sin( )
2 2
2 sin 2 sin( ) 2 sin(
2 2
R L C
I
u U t RI t LI t t
C
U t U t U t
π π
ω φ ω ω ω ω
ω
π π
ω ω ω
= + = + + + −
= + + + −
(1.4)
Công thức trên nói lên quan hệ giữa u và i. Xét theo quan hệ hiệu dụng giữa U
và I có:
2 2 2 2
1
( ) ( )
L C
U
R L R X X Z

C
I
ω
ω
= + − = + − =
(1.5)
hay

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

4

2 2
U
Z R X
I
= = +
(1.6)
Ở đây ta thấy X và R đặc trưng cho hai quá trình năng lượng khác hẳn nhau về
mặt bản chất (tiêu tán và dao động)
Góc lệch pha giữa u và i:
L C L C
R
U U X X
X
tg
U R R
φ
− −
= = =

(1.7)
Với tam giác tổng trở ta có quan hệ:
2 2
Z R X
= +
;
X
arctg
R
φ
=
(1.8)
cos ;
R Z
φ
=

sin
X Z
φ
=
(1.9)

Hình 1.1: Mạch điện đơn giản R,L
Chúng ta xem xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện đơn giản có tải
là điện trở và điện kháng (hình 1.1). Mạch điện được cung cấp bởi điện áp:
sin ( )
m
u U t V
ω

=

Dòng điện i lệch pha với điện áp u một góc φ:
sin( ) (sin .cos sin .cos )
m m
i I t hay i I t t
ω φ ω φ φ ω
= − = −

Có thể coi:
i i i
′ ′′
= +
với
cos sin
m
i I t
φ ω
′
= ⋅

và
sin cos sin sin( )
2
m m
i I t I t
π
φ ω φ ω
′′
= ⋅ = ⋅ −

Như vậy dòng điện i là tổng của hai thành phần: i’ có biên độ
cos
m
I
φ
cùng
pha với điện áp u, i’’ có biên độ
sin
m
I
φ
chậm pha với điện áp một góc π/2.
Công suất tương ứng với hai thành phần i’ và i’’ là:

cos
P U I
ϕ
= ⋅ ⋅
gọi là công suất tác dụng

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

5


sin
Q U I
ϕ
= ⋅ ⋅

gọi là công suất phản kháng

Hình 1.2: Quan hệ giữa công suất P và Q
Từ công thức trên ta có thể viết:
( )
2 2
cos cos
R
P U I Z I I Z I R I
Z
ϕ ϕ
= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅
(1.10)
( )
2 2
sin sin
X
Q U I Z I I Z I X I
Z
ϕ ϕ
= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅
(1.11)
Vậy công suất tác dụng là công suất có hiệu lực biến năng lượng điện thành
ra các dạng năng lượng khác và sinh ra công. Còn công suất phản kháng là thành
phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên điện dung của mạch điện.
1.1.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng
Trên lưới điện, công suất phản kháng được tiêu thụ ở: Động cơ không đồng
bộ, máy biến áp, kháng điện trên đường dây tải điện và ở các phần tử, thiết bị có
liên quan đến từ trường.
Yêu cầu về công suất phản kháng chỉ có thể giảm đến mức tối thiểu chứ không

thể triệt tiêu được vì nó cần thiết để tạo ra từ trường, yếu tố trung gian cần thiết
trong quá trình chuyển hóa điện năng.
a) Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ là thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng chính trong
lưới điện, chiếm khoảng 60 – 65%;
Công suất phản kháng của động cơ không đồng bộ gồm hai thành phần:
– Một phần nhỏ công suất phản kháng được sử dụng để sinh ra từ trường tản
trong mạch điện sợ cấp
– Phần lớn công suất phản kháng còn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở
b) Máy biến áp
Máy biến áp tiêu thụ khoảng 22 đến 25% nhu cầu công suất phản kháng tổng
của lưới điện, nhỏ hơn nhu cầu của các động cơ không đồng bộ do công suất phản

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

6

kháng dùng để từ hóa lõi thép máy biến áp không lớn so với động cơ không đồng
bộ, vì không có khe hở không khí. Nhưng do số thiết bị và tổng dung lượng lớn, nên
nhu cầu tổng công suất phản kháng của máy biến áp cũng rất đáng kể.
Công suất phản kháng tiêu thụ bởi máy biến áp gồm hai thành phần:
– Công suất phản kháng được dùng để từ hóa lõi thép.
– Công suất phản kháng tản từ máy biến áp.
c) Đèn huỳnh quang
Thông thường các đèn huỳnh quang vận hành có một chấn lưu để hạn chế
dòng điện. Tuy theo điện cảm của chấn lưu, hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh
cosφ của chấn lưu nằm trong khoảng 0,3 đến 0,5.
Các đèn huỳnh quang hiện đại có bộ khởi động điện từ, hệ số công suất chưa
được hiểu chỉnh cosφ thường gần bằng 1. Do vậy không cần hiệu chỉnh hệ số công
suất của thiết bị này. Tuy nhiên, khi các thiết bị điện tử này khởi động thì sinh ra

các sóng hài.

1.2. BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
1.2.1. Khái niệm về bù công suất phản kháng
Phần lớn các thiết bị dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất
phản kháng Q. Những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản kháng là: động cơ
không đồng bộ (tiêu thụ khoảng 60-65% tổng công suất phản kháng của mạng),
máy biến áp (tiêu thụ khoảng 20-25%), đường dây trên không, điện kháng và các
thiết bị điện khác tiêu thụ khoảng 10%. Như vậy động cơ không đồng bộ và máy
biến áp là hai loại máy điện tiêu thụ nhiều công suất phản kháng nhất. Công suất tác
dụng P là công suất được biến thành cơ năng hoặc nhiệt năng trong các máy dùng
điện, còn công suất phản kháng Q là công suất từ hóa trong các máy điện xoay
chiều, nó không sinh ra công. Cho nên việc tạo ra công suất phản kháng không đòi
hỏi tiêu tốn năng lượng của động cơ sơ cấp quay máy phát điện. Mặt khác công suất
phản kháng cung cấp cho hộ dùng điện không nhất thiết phải lấy từ nguồn (máy
phát điện). Vì vậy tránh truyền tải một lượng Q khá lớn trên đường dây, người ta
đặt gần các hộ dùng điện các máy sinh ra Q (tụ điện, máy bù đồng bộ) để cung cấp
trực tiếp cho phụ tải, làm như vậy được gọi là bù công suất phản kháng. Khi có bù
công suất phản kháng thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch sẽ nhỏ

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

7

đi, do đó hệ số công suất cosϕ của mạng được nâng cao. Khi lượng P không đổi,
nhờ có bù công suất phản kháng, lượng Q truyền tải trên đường dây giảm xuống, do
đó góc ϕ giảm, kết quả là cosϕ tăng lên.
1.2.2.Ý nghĩa của bù công suất phản kháng
Nâng cao hệ số công suất cosϕ là một trong những biện pháp quan trọng để
tiết kiệm điện năng. Khi hệ số công suất cosϕ được nâng lên sẽ đưa đến những hiệu

quả sau đây:
• Giảm được tổn thất công suất trong mạng điện: Tổn thất công suất trên đường
dây được tính như sau:
2 2 2 2
( ) ( )
2 2 2
P Q
P Q P Q
P R R R P Q
U U U
+
∆ = = + = ∆ + ∆
(1.12)
Khi giảm Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần tổn thất công
suất ∆P
(Q)
do Q gây ra
Việc bù công suất phản kháng sẽ đưa lại hiệu quả là giảm tổn thất công suất
tác dụng. Để đánh giá hiệu quả của việc giảm tổn thất công suất tác dụng chúng ta
đưa ra một chỉ tiêu gọi là đương lượng kinh tế của công suất phản kháng k
kt
. Đương
lượng kinh tế của công suất phản kháng k
kt
là lượng công suất tác dụng (kW) tiết
kiệm được khi bù kVAr công suất phản kháng
Công suất tác dụng tiết kiệm được do bù là:
.
tk kt bù
P k Q

=
(1.13)
Tổn thất công suất tác dụng trên đường dây:
2 2 2 2
2 2 2
P Q P Q
P R R R
U U U
+
∆ = = +
(1.14)
Trước khi bù thành phần tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng
gây ra là:
2
1
2
Q
P R
U
∆ =

Sau khi bù một lượng Q
bù
thành phần tổn thất công suất tác dụng do công suất
phản kháng gây ra là:
2
2
2
( )
bù

Q Q
P R
U
−
∆ =


Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

8

Vậy lượng công suất tác dụng tiết kiệm được là:
2
2
1 2
2 2
( )
bù
Q Q
Q
P P P R R
U U
−
∆ = ∆ − ∆ = −

Ta có:
2
(2 )( / )
bù
kt

bù
Q
P QR
k kW kVAr
Q Q
U
∆
= = −
(1.15)
Nếu dung lượng Q
bù
nhỏ hơn nhiều so với công suất phản kháng truyền tải
trên đường dây Q (thường xảy ra trong thực tế), tức là có thể coi
0
bù
Q
Q
≈
, lúc này
đương lượng kinh tế của công suất phản kháng được tính theo công thức đơn giản
sau:
2
2
kt
QR
k
U
=
(1.16)
Nếu Q và R càng lớn thì k

kt
càng lớn, nghĩa là nếu phụ tải phản kháng càng
lớn và càng ở xa nguồn thì việc bù càng có hiệu quả kinh tế
• Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện: Tổn thất điện áp được tính như
sau:
( ) ( )
P Q
PR QX PR QX
U U U
U U U
+
∆ = = + = ∆ + ∆
(1.17)
Giảm lượng Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần ∆U
(Q)
do Q
gây ra
• Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp: Khả năng truyền tải
của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng, tức phụ thuộc
vào dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp
được tính như sau:
2 2
3
P Q
I
U
+
=
(1.18)
Biểu thức này chứng tỏ rằng với cùng một tình trạng phát nóng nhất định của

đường dây và máy biến áp (tức I= const) chúng ta có thể tăng khả năng truyền tải
công suất tác dụng P của chúng bằng cách giảm công suất phản kháng Q mà chúng
phải tải đi. Vì thế khi vẫn giữ nguyên đường dây và máy biến áp, nếu cosϕ của
mạng được nâng cao (tức giảm được Q phải truyền tải) thì khả năng truyền tải của

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

9

chúng sẽ được tăng lên
Ngoài ra việc nâng cao hệ số công suất cosϕ còn đưa đến hiệu quả là giảm
được chi phí kim loại màu, góp phần làm ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện
của máy phát điện. Vì những lý do trên mà việc nâng cao hệ số cosϕ, bù công suất
phản kháng đã trở thành vấn đề quan trọng, cần phải được quan tâm đúng mức
trong khi thiết kế cũng như khi vận hành hệ thống cung cấp điện
1.3. CÁC GIẢI PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƯỚI PHÂN
PHỐI HIỆN NAY
Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện là rất hạn chế, do
cosφ
n
của các nhà máy điện từ 0,8 – 0,9 hoặc cao hơn nữa. Vì lý do kinh tế người ta
không chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều công suất phản kháng cho phụ
tải. Các máy phát chỉ đảm đương một phần nhu cầu công suất phản kháng của phụ
tải, phần còn lại do các thiết bị bù đảm trách (Máy bù đồng bộ, tụ điện).
Ngoài ra trong hệ thống điện nói chung, phải kể đến một nguồn phát công
suất phản kháng nữa, đó là các đường dây tải điện, đặc biệt là các đường cáp và
đường dây siêu cao áp. Tuy nhiên ở đây ta chỉ xét đến lưới phân phối, do vậy chỉ
lưu ý đến các trường hợp đường dây 35 kV dài và các đường cáp ngầm. Tuy nhiên
công suất phản kháng phát ra từ các phần tử này cũng không đáng kể nên nguồn
phát công suất phản kháng chính trong lưới phân phối vẫn là tụ điện, động cơ

đồng bộ và máy bù
1.3.1. Tụ điện
Là loại thiết bị điện tĩnh, làm việc với dòng điện vượt trước điện áp, do đó nó
có thể sinh ra công suất phản kháng Q cung cấp cho mạng. Tụ điện có nhiều ưu
điểm như tổn thất công suất tác dụng bé, không có phần quay nên lắp ráp bảo quản
dễ dàng. Tụ điện được chế tạo thành từng đơn vị nhỏ, vì thế có thể tùy theo sự phát
triển của phụ tải trong quá trình sản xuất mà chúng ta ghép dần tụ điện vào mạng,
khiến hiệu suất sử dụng cao và không phải bỏ nhiều vốn đầu tư ngay một lúc.
Tụ điện được dùng rộng rãi nhất là ở các xí nghiệp trung bình và nhỏ, đòi hỏi
dung lượng bù không lớn lắm. Thông thường nếu dung lượng bù nhỏ hơn
5000kVAr thì người ta dùng tụ điện, còn nếu lớn hơn thì cần phải so sánh giữa tụ
điện và máy bù đồng bộ. Tụ điện được sản xuất để dùng ở cấp điện áp 6÷15kV và
0,4kV

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

10

1.3.2. Máy bù đồng bộ
Là một động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ không tải. Do không có phụ tải
trên trục nên máy bù đồng bộ được chế tạo gọn nhẹ và rẻ hơn so với động cơ đồng
bộ cùng công suất. Ở chế độ quá kích thích máy bù đồng bộ sản xuất ra công suất
phản kháng cung cấp cho mạng, còn ở chế độ thiếu kích thích máy bù tiêu thụ công
suất phản kháng của mạng. Vì vậy ngoài công dụng bù công suất phản kháng máy
bù còn là thiết bị rất tốt để điều chỉnh điện áp, nó thường được đặt ở những điểm
cần điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện. Để cho kinh tế, máy bù thường được
chế tạo với công suất lớn, do đó máy bù đồng bộ thường được dùng ở những nơi
cần bù tập trung với dung lượng lớn.
1.3.3. Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn được đồng bộ hóa
Khi cho dòng một chiều vào động cơ không đồng bộ rotor dây quấn, động

cơ sẽ làm việc như một động cơ đồng bộ với dòng điện vượt trước điện áp. Do đó
nó có khả năng sinh ra công suất phản kháng cung cấp cho mạng. Nhược điểm của
loại động cơ này là tổn thất công suất khá lớn, khả năng quá tải kém, vì vậy thường
động cơ chỉ được phép làm việc với 75% công suất định mức. Với những lý do trên,
động cơ không đồng bộ rotor dây quấn được đồng bộ hóa được coi là loại thiết bị bù
kém nhất, nó chỉ được dùng khi không có sẵn các thiết bị bù khác
Ngoài các thiết bị bù kể trên, còn có thể dùng động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ
quá kích từ hoặc dùng máy phát điện làm việc ở chế độ bù để làm máy bù. Ở các xí
nghiệp có nhiều tổ máy diezen- máy phát làm nguồn dự phòng, khi chưa dùng đến có
thể lấy làm máy bù đồng bộ, biện pháp này cũng được nhiều xí nghiệp ưa dùng
1.4. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN KHI TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN GIẢI
PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
1.4.1. Xác định dung lượng bù
Dung lượng bù được xác định theo công thức sau:
(
)
1 2
( )
bù
Q P tg tg kVAr
φ φ α
= ⋅ − ⋅
(1.19)
trong đó: P - phụ tải tính toán của hộ tiêu thụ điện, kW
ϕ
1

- góc ứng với hệ số công suất trung bình (cosϕ
1
) trước khi bù

ϕ
2

- góc ứng với hệ số công suất trung bình (cosϕ
2
) muốn đạt được
sau khi bù

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

11

α - hệ số xét tới khả năng nâng cao cosϕ bằng những phương pháp
không đòi hỏi đặt thiết bị bù (thường chọn trong khoảng 0,9 ÷ 1)
Hệ số công suất cosϕ
2
nói trên thường lấy bằng hệ số công suất do cơ quan
quản lý hệ thống điện quy định cho mỗi hộ tiêu thụ phải đạt được, thường nằm
trong khoảng cosϕ =0,8 ÷ 0,95.
1.4.2. Vị trí bù trong mạng điện
Sau khi tính dung lượng bù và chọn loại thiết bị bù thì vấn đề quan trọng là bố
trí thiết bị bù vào trong mạng sao cho đạt hiệu quả kinh tế nhất. Thiết bị bù có thể
được đặt ở phía điện áp cao (lớn hơn 1000V) hoặc ở phía điện áp thấp (nhỏ hơn
1000V), nguyên tắc bố trí thiết bị bù là làm sao đạt được chi phí tính toán nhỏ nhất
Máy bù đồng bộ, vì có công suất lớn nên thường được đặt tập trung ở những
điểm quan trọng của hệ thống điện. Ở xí nghiệp lớn, máy bù nếu có thường được
đặt ở phía điện áp cao của trạm biến áp trung gian
Tụ điện có thể được đặt ở mạng điện áp cao hoặc ở mạng điện áp thấp. Tụ
điện điện áp cao (6-15kV) được đặt tập trung ở thanh cái của trạm biến áp trung
gian hoặc trạm phân phối. Nhờ đặt tập trung nên việc theo dõi vận hành các tụ điện

dễ dàng và có khả năng thực hiện việc tự động hóa điều chỉnh dung lượng bù. Bù
tập trung ở mạng điện áp cao còn có nhiều ưu điểm nữa là tận dụng được hết khả
năng của tụ điện, nói chung các tụ điện vận hành liên tục nên chúng phát ra công
suất bù tối đa. Nhược điểm của phương án này là không bù được công suất phản
kháng ở mạng điện áp thấp, do đó không có tác dụng giảm tổn thất điện áp và công
suất ở mạng điện áp thấp
Tụ điện điện áp thấp (0,4kV) được đặt theo ba cách: đặt tập trung ở thanh cái
phía điện áp thấp của trạm biến áp phân xưởng, đặt thành nhóm ở tủ phân phối động
lực và đặt phân tán ở từng thiết bị dùng điện. Đứng về mặt giảm tổn thất điện năng
thì việc đặt phân tán các tụ bù ở từng thiết bị điện có lợi hơn cả. Song với cách đặt
này khi thiết bị điện nghỉ thì tụ điện cũng nghỉ theo, do đó hiệu suất sử dụng không
cao. Phương án này chỉ được dùng để bù cho những động cơ không đồng bộ có
công suất lớn. Phương án đặt tụ điện thành nhóm ở tủ phân phối động lực hoặc
đường dây chính trong phân xưởng được dùng nhiều hơn vì hiệu suất sử dụng cao,
giảm được tổn thất cả trong mạng điện áp cao lẫn mạng điện áp thấp. Vì các tụ được
đặt thành từng nhóm nhỏ (khoảng 30-100kVAr) nên chúng không chiếm diện tích

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

12

lớn, có thể đặt trong những tủ như tủ phân phối động lực hoặc trên xà nhà các phân
xưởng. Nhược điểm của phương pháp này là các nhóm tụ điện nằm phân tán khiến
việc theo dõi chúng trong khi vận hành không thuận tiện và khó thực hiện việc tự
động điều chỉnh dung lượng bù. Phương án đặt tụ điện tập trung ở thanh cái điện áp
thấp của trạm biến áp phân xưởng được dùng trong trường hợp dung lượng bù khá
lớn hoặc khi có yêu cầu tự động điều chỉnh dung lượng bù để ổn định điện áp của
mạng. Nhược điểm của phương án này là không giảm được tổn thất trong mạng
phân xưởng. Trong thực tế tùy tình hình cụ thể mà chúng ta phối hợp cả ba phương
án đặt tụ điện kể trên

1.4.3. Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia

Hình 1.3: Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia
Bài toán đặt ra là trong một mạng hình tia có n nhánh, tổng dung lượng bù là
Q
bù
, hãy phân phối dung lượng bù trên các nhánh sao cho tổn thất công suất tác
dụng do công suất phản kháng gây ra là nhỏ nhất để hiệu quả bù đạt được lớn nhất
Giả sử dung lượng bù được phân phối trên các nhánh là Q
bù1
, Q
bù2
…Q
bù n
. Phụ
tải phản kháng và điện trở của các nhánh lần lượt là Q
1
, Q
2
…Q
n
và r
1
, r
2
…r
n
(hình
1-3)
Tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra được tính theo

biểu thức sau:
( ) ( )
( )
( )
2
2 2

1 2 2
1 2
2 2 2
1 2
, , ,
n n
n
bù bù bù n
Q Q
Q Q Q Q
P r r r
U U U
f Q Q Q
−
− −
∆ = + + +
= …
bï
bï 1 bï
K


Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

13

với điều kiện ràng buộc về cân bằng công suất bù là
(
)
1 2 1 2
, 0
bù bù bù n bù bù bù n bù
Q Q Q Q Q Q Q
ϕ
… = + +…+ − =

Để tìm cực tiểu của hàm ∆P = f(Q
bù 1
,Q
bù 2
,…,Q
bù n
) chúng ta có thể dùng
phương pháp nhân tử Lagrangiơ.
Chọn nhân tử
λ
bằng
2
2
L
U
λ
=

trong đó L – là hằng số sẽ được xác định sau.
Theo phương pháp nhân tử Lagrangiơ, điều kiện để ∆P có cực tiểu là các đạo
hàm riêng của hàm:
(
)
(
)
1 2 1 2
, , , , , ,
bù bù bù n bù bù bù n
F f Q Q Q Q Q Q
λϕ
= … + …

đều triệt tiêu. Do đó, ta có hệ phương trình sau:
1 1
1
2 2
1
2 2
2
2 2
2

2 2

2( )
2
0

2( ) 2
0
2( )
2
0
n n
n
n
Q Q
F L
r
Q
U U
Q QF L
r
Q
U U
Q Q
F L
r
Q
U U
−
∂

= − + =


−∂


= − + =




−
∂

= − + =


bï
bï
bï
bï
bï
bï
KKKKKKKKKKKKKKK
(1.20)
Giải hệ phương trình trên ta có
( ) ( )
1
1 2 1 2
1 2
1 1 1
, , , , , ,
n bù bù bù n
n
L Q Q Q Q Q Q
r r r

−
 
= … − … ⋅ + + +
 
 
 
 

Đặt
1
n
i
i
Q Q
=
=
∑
– Tổng phụ tải phản kháng của mạng
i
1
n
bù bù
i
Q Q
=
=
∑
– Tổng dung lượng bù của mạng
1
1 2

1 1 1

td
n
R
r r r
−
 
= + + +
 
 
– Điện trở tương đương của những nhánh có đặt
thiết bị bù của mạng.
Vậy có thể viết:

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

14

(
)
bù td
L Q Q R
= −

Thay L vào hệ phương trình trên, chúng ta tìm được dung lượng bù tối ưu của
các nhánh là:

1 1
1

2 2
2

( )

( )

( )
bù
bù td
bù
bù td
bù
bù n n td
n
Q Q
Q Q R
r
Q Q
Q Q R
r
Q Q
Q Q R
r
−

= −


−


= −




−

= −


KKKKKKKKKKK
(1.21)
Để thuận tiện trong vận hành và giảm bớt các thiết bị đóng cắt, đo lường cho
các nhóm tụ, người ta quy định rằng nếu dung lượng bù tối ưu của một nhánh nào
đó nhỏ hơn 30 kVAr thì không nên đặt tụ điện ở nhánh đó nữa mà nên phân phối
dung lượng bù đó sang các nhánh lân cận
1.4.4. Điều chỉnh dung lượng bù
Việc điều chỉnh tự động dung lượng bù của tụ điện thường chỉ được đặt ra
trong trường hợp bù tập trung với dung lượng lớn.
Có bốn cách điều chỉnh tự động dung lượng bù: điều chỉnh dung lượng bù
theo nguyên tắc điện áp, theo thời gian, theo dòng điện phụ tải và theo hướng đi của
công suất phản kháng.
– Điều chỉnh dung lượng bù của tụ điện theo điện áp: Căn cứ vào điện áp trên
thanh cái của trạm biến áp để tiến hành điều chỉnh tự động dung lượng bù. Nếu điện
áp của mạng sụt xuống dưới định mức, có nghĩa là thiếu công suất phản kháng thì
cần phải đóng thêm tụ điện vào làm việc. Ngược lại khi điện áp quá giá trị định mức
thì cần cắt bớt tụ điện, lúc này mạng thừa công suất phản kháng. Phương pháp điều
chỉnh tự động dung lượng theo điện áp vừa giải quyết được yêu cầu bù công suất
phản kháng, nâng cao hệ số công suất cosϕ vừa có tác dụng ổn định điện áp nên

được dùng phổ biến
– Điều chỉnh dung lượng bù theo nguyên tắc thời gian: Căn cứ vào sự biến
đổi của phụ tải phản kháng trong một ngày đêm mà người ta đóng hoặc cắt bớt tụ
điện. Phương pháp này được dùng khi đồ thị phụ tải phản kháng hàng ngày biến đổi
theo một quy luật tương đối ổn định và người vận hành nắm vững đồ thị đó

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

15

– Điều chỉnh tự động dung lượng bù theo dòng điện phụ tải: được dùng trong
trường hợp phụ tải thường biến đổi đột ngột. Khi dòng điện phụ tải tăng cần đóng
thêm tụ vào làm việc, khi dòng điện phụ tải giảm cần cắt bớt tụ điện đi
– Điều chỉnh dung lượng bù theo hướng đi của công suất phản kháng: thường
được dùng khi trạm biến áp ở cuối đường dây và xa nguồn. Nếu công suất phản
kháng chạy từ nguồn đến phụ tải, chứng tỏ phụ tải cần công suất phản kháng của
nguồn, chúng ta cần đóng thêm tụ điện vào làm việc, nếu ngược lại cần cắt bớt tụ
điện.
Trong bốn phương pháp điều chỉnh dung lượng bù trên luận văn đề xuất giải
pháp điều chỉnh dung lượng bù theo điện áp
1.5. Kết luận chương 1
Nghiên cứu tổng quan về bù công suất phản kháng qua đó hiểu được ý nghĩa
của bù công suất phản kháng và lợi ích khi đặt bù. Trên có sở đó lựa chọn các
phương pháp bù phù hợp sao cho đạt hiệu quả nhất.

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

16

CHƯƠNG 2: NHIỆM VỤ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

TẠI TRẠM TRUNG GIAN QUỲNH CÔI 35/10kV

2.1. GIỚI THIỆU TRẠM TRUNG GIAN QUỲNH CÔI 35/10kV
Trạm biến áp trung gian 35/10kV Quỳnh Côi huyện Quỳnh Phụ- Thái Bình
được xây dựng từ năm 1983 và bắt đầu vận hành năm 1985 với dung lượng
2x6300kVA lấy điện từ đường dây 371- E3.3 qua cầu dao cách ly 373-7. Trạm biến
áp xây dựng theo kiểu nửa trong nhà nửa ngoài trời. Các thiết bị đóng cắt bảo vệ
phía 35kV và máy biến áp được lắp đặt ngoài trời, thiết bị đóng cắt bảo vệ phía
10kV được lắp đặt trong nhà trạm, diện tích nhà 3,1mx28m.
Trạm biến áp trung gian 35/10kV Quỳnh Côi được thiết kế để cấp điện cho 4
lộ đường dây 10kV: 971, 972, 973, 974 khu vực phía Nam của huyện. Sơ đồ lưới
điện được thể hiện ở hình 2.1.
Về phía 35kV, sử dụng một hệ thống thanh cái, hai máy biến áp chính T1 và
T2 được nối với thanh cái 35kV qua cầu dao liên động 331-1, 332-1 và các cầu chì
tự rơi. Máy biến áp tự dùng nối với thanh cái 35kV qua cầu dao 35kV và cầu chì SI
35kV. Chống sét van 35kV bảo vệ chung trạm được đặt sau cầu dao 35kV của máy
biến áp tự dùng.
Về phía 10kV, sử dụng 2 hệ thống thanh cái TC1 và TC2 được nối với nhau
bằng cầu dao cách ly 912. Máy biến áp T1 được nối với hệ thống thanh cái TC1 qua
cầu dao cách ly 931-1 cấp điện cho 2 lộ đường dây: 971-1 và 973-1. Máy biến áp
T2 được nối với hệ thống thanh cái TC1 qua cầu dao cách ly 931-2 cấp điện cho 2
lộ đường dây: 972-2 và 974-2. Phía 10kV xây các ngăn lộ trong lắp các thiết bị
đóng cắt. Cụ thể gồm các ngăn sau :
1. Ngăn máy cắt tổng 931:
– Máy cắt ít dầu của Nhật Bản loại HF 515-630A : 1 cái
– 2 biến dòng điện 400/5A
– Công tơ hữu công, công tơ vô công
2. Ngăn máy cắt lộ 971 :
– Máy cắt ít dầu của Nhật Bản loại HF 515-630A : 1 cái
– Cầu dao cách ly của Việt Nam sản xuất : 1 bộ

Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………….

17

– 2 biến dòng điện 300/5A loại EMIC
– Công tơ hữu công, vô công
3. Ngăn máy cắt lộ 973:
– Máy cắt ít dầu của Trung Quốc loại SN 10-630A : 1 cái
– Cầu dao cách ly của Việt Nam sản xuất : 2 bộ
– 2 biến dòng điện 200/5A loại EMIC
– Công tơ hữu công, vô công
4. Ngăn đo lường, chống sét TU91
– Biến điện áp : Dùng 3 biến điện áp 1 pha loại HOM-10, tỷ số biến
10000/100V do Trung Quốc sản xuất
– Chống sét van dùng loại PBC- 10 kV
– Cầu dao cách ly của Việt Nam sản xuất : 1 bộ
– Cầu chì ống sứ : 1 bộ
5. Cầu dao liên lạc 912:
Cầu dao của Việt Nam sản xuất lắp trên tường ngăn giữa 2 gian lộ
6. Ngăn tủ đo lường, chống sét TU 92:
– Biến điện áp: Dùng 3 biến điện áp 1 pha loại HOM- 10, tỷ số biến
10000/100V do Việt Nam sản xuất
– Chống sét van dùng loại PBC – 10kV
– Cầu dao cách ly của Việt Nam sản xuất: 1 bộ
– Cầu chì dây trần: 1 bộ
7. Ngăn máy cắt lộ 974:
– Máy cắt ít dầu của Nhật Bản loại HF 515- 630A : 1 cái
– Cầu dao cách ly của Việt Nam sản xuất : 1 bộ

– 2 biến dòng điện 200-400/5A loại EMIC
– Công tơ hữu công, vô công
8. Ngăn máy cắt tổng 932:
– Máy cắt ít dầu của Nhật Bản loại HF 515-630A : 1 cái
– 2 biến dòng điện 400/5A
– Công tơ hữu công, vô công
9. Ngăn tủ hợp bộ máy cắt lộ 972: