phân tích chế độ xác lậ trong hệ thống điện

PGS-TS PHẠM VĂN HOÀ ( Chủ biên)
TS PHƯƠNG HOÀNG KIM
ThS NGUYỄN NGỌC TRUNG

PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP
HỆ THỐNG ĐIỆN

1


NH XUT BN BCH KHOA H NI
TP ON IN LC VIT NAM
TRNG I HC IN LC

PGS-TS PHM VN HO ( Ch biờn)
TS PHNG HONG KIM
ThS NGUYN NGC TRUNG

PHN TCH CH XC LP
H THNG IN
Tính toán thiết kế lới điện
Tính toán chế độ xác lập hệ
thống điện
Phân tích chế độ làm việc của đ ờng dây dài
Hệ thống truyền tải điện xoay
chiều linh hoạt FACTS
Cơ khí đờng dây



Giỏo trỡnh dựng cho sinh viờn, hc viờn cao hc cỏc trng

i hc hc k thut, chuyờn ngnh H thng in

2


NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA – HÀ NỘI 2010

Lêi nãi ®Çu
Sự phát triển các hệ thống điện là tập trung hoá sản xuất điện năng, trên
cơ sở các nhà máy điện lớn phát triển hợp nhất thành hệ thống lớn phức tạp
bao gồm cả các đường dây tải điện cao áp và siêu cao áp. Do vậy việc tính
toán thiết kế, phân tích các chế độ xác lập đối với chúng đòi hỏi có các
phương pháp tính toán hiện đại, đặc biệt lập tình tính toán bằng máy tính; sử
dụng các kỹ thuật điện tử công suất trong điều khiển nâng cao chất lượng
điện cho hệ thống truyền tải điện là yêu cầu nhất thiết đối với sinh viên, kỹ
sư, học viên cao học và các nghiên cứu viên chuyên ngành “Hệ thống điên”.
Giáo trình “ Phân tích chế độ xác lập Hệ thống điện ” sẽ cung cấp các
kiến thức cơ bản về các vấn đề nêu trên. Nội dung giáo trình được tóm tắt
sơ lược qua các chương như sau:
Chương 1. Phân tích tính toán thiết kế lưới điện
Chương này giới thiệu nội dung chính cho một thiết kế lưới điện khu vực,
từ đó bổ sung một số kiến thức phục vụ cho thiết kế như: tính toán cân bằng
công suất trong hệ thống điện, xây dựng các phương án nối dây, chọn thiết
diện dây dẫn và tính toán kinh tế-kỹ thuật để chọn phương án tối ưu.
Chương 2. Tính toán chế độ xác lập hệ thống điện phức tạp
Nội dung của chương này là giới thiệu các hệ phương trình mô tả chế độ
xác lập hệ thống điện, các phương pháp giải hệ phương trình xác định các
thông số chế độ cùng với các thuật toán hiện đại và sơ đồ khối để lập trình
cho máy tính.
Chương 3. Đường dây siêu cao áp và hệ thống truyền tải điện

Trong chương này phân tích và tính toán chế độ đường dây đồng nhất
( không có các thiết bị bù) và hệ thống truyền tải siêu cao áp ( bao gồm các

3


đường dây, máy biến áp và các thiết bị bù), nêu các biện pháp bù dọc và bù
ngang nâng cao hiệu quả tải điện của đường dây siêu cao áp.
Chương 4. Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS
Trong chương này giới thiệu các thiết bị điện tử công suất hiện đại được
cài đặt trong các hệ thống truyền tải điện để điều khiển linh hoạt, tác động
nhanh đảm bảo ổn định và nâng cao chất lượng điện cho hệ thống điện.
Chương 5 . Tính toán cơ khí đường dây trên không
Trong chương 4 đề cập một số kiến thức cơ bản về cơ khí đường dây trên
không như: tỷ tải cơ học đối với đường dây trên không, độ võng, độ dài dây
dẫn trong khoảng vượt và khoảng cột tới hạn.
Giáo trình này được dùng cho sinh viên đại học, học viên cao học
chuyên ngành hệ thống điện trong các trường đại học, nó còn có thể hữu ích
cho các nghiên cứu sinh, cán bộ kỹ thuật và kỹ sư hoạt động trong lĩnh vực
này.
Tập thể tác giả rất mong bạn đọc gửi những ý kiến nhận xét và góp ý về
cuốn sách theo địa chỉ : Phạm Văn Hoà, Trường Đại học Điện lực, 235
Hoàng Quốc Việt, Email: hoapv@.epu.edu.vn
Xin chân thành cảm ơn.
Thay mặt tập thể tác giả
PGS-TS PHẠM VĂN HOÀ

4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TIẾNG VIỆT:
CĐXL

Chế độ xác lập

DSCA
HTĐ
MBA
TĐK

Đường dây siêu cao áp
Hệ thống điện
Máy biến áp
Tự động điều chỉnh kích từ

TIẾNG ANH :
BESS
FACTS

Battery Energy Storage
System
Flexible AC Transmission
Systems

IPC

Interphase Power Controller

IPFC

Interline
Controller

MOV
PI
POD
SPS
SSG

SVC

Metal Oxide Varistor
Propotional Integral
Power Oscillation Damping
Static Phase Shift
Static Synchronous
Generator
Static Synchronous Series
Compensator
Static Var Compensator

STATCOM

Static

SSSC

Power

Hệ thống lưu trữ năng lượng
ắc quy
Thiết bị điều chỉnh hệ thống
truyền tải điện xoay chiều linh
hoat
Thiết bị điều chỉnh công suất
riêng rẽ

Flow
Biến trở
Khối tỷ lệ tích phân
Khối giảm dao động công suất
Bộ chuyển bán dẫn tĩnh
Máy phát đồng bộ tĩnh
Thiết bị bù dọc đồng bộ tĩnh

Máy bù tĩnh điều khiển bằng
thyristor
Synchronous Máy bù đồng bộ tĩnh

5


Compensator
TCVL
TCR
TCPAR
TCPST
TCSC
TCSR

TCVL
TCVR
TSC
TSR
TSSC
TSSR
UPFC

6

Thyristor-Controlled
Voatage Limiter
Thyristor Controlled Reactor
Thyristor-Controlled Phase
Argument Regulator
Thyristor-Controlled Phase
Shifting Transformer
Thyristor Controlled Series
Capacitor
Thyristor-Controlled Series
Reactor
Thyristor Controlled Voltage
Limiter
Thyristor- Controlled
Voltage Regulator
Thyristor Switched Capacitor
Thyristor Switched Reactor

Máy giới hạn điện áp điều
khiển bằng thyristor

Kháng điện điều chỉnh
thyristor
Thiết bị điều chỉnh góc pha
điều khiển băng thyristor
Máy biến áp chuyển pha điều
chỉnh bằng thyristor đóng cắt
Tụ bù dọc điều khiển bằng
thyristor
Máy bù dọc điều khiển bằng
điện kháng
Máy giới hạn điện áp điều
khiển bằng thyristor
Máy điều chỉnh điện áp đièu
khiển bằng thyristor
Bộ tụ đóng mở bằng thyristor
Kháng đóng mở bằng UPFC
thyristor
Máy bù dọc bằng tụ điện
Máy bù dọc bằng kháng điện

Thyristor-Switched Series
Thyristor-Switched
Series
Reactor
Unified Power Flow Thiết bị diều khiển công suất
Controller
hợp nhất


Chương 1

PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN
§1.1 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN
Nội dung chính của thiết kế lưới điện bao gồm:
- Phân tích các phụ tải điện và tính toán cân bằng công suất;
- Xây dựng các phương án nối dây, tính toán kinh tế kỹ thuật chọn
phương án tối ưu;
- Chọn máy biến áp và sơ đồ nối điện chính;
- Tính toán các chế độ vận hành đối với phương án tối ưu;
- Tính toán chọn bù công suất phản kháng tại các nút phụ tải;
- Lựa chọn phương thức điều chỉnh điện áp tại các trạm biến áp;
- Tính toán các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cho lưới điện.
Trong chương 1 sẽ giới thiệu một số kiến thức tổng hợp mang tính lý
luận phục vụ cho tính toán thiết kế lưới điện, còn hướng dẫn chi tiết cho
các nội dung nêu trên sẽ được đê cập trong giáo trình khác.

§1.2 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG CÔNG SUẤT
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.2.1 Cân bằng công suất trong trường hợp tổng quát
Đặc điểm của hệ thống điện (HTĐ) là chuyển tải tức thời điện năng từ
nguồn đến hộ tiêu thụ và không có khả năng tích trữ lại điện năng với một
lượng lớn, có nghĩa là quá trình sản xuất và tiêu thụ điện xảy ra đồng thời
theo một nguyên tắc đảm bảo cân bằng công suất. Tại từng thời điểm của
chế độ xác lập của hệ thống, các nguồn phát điện phải phát ra công suất
đúng bằng công suất tiêu thụ, trong đó bao gồm cả tổn thất công suất trong
lưới điện.
Xét trường hợp tổng quát HTĐ bao gồm các nhà máy điện và các phụ tải
điện. Sự cân bằng công suất phải được đảm bảo về công suất tác dụng cũng
như công suất phản kháng. Vấn đề này được xem xét cụ thể như sau:

7

1. Cân bằng công suất tác dụng
Sự cân bằng công suất tác dụng được thể hiện bằng phương trình cân
bằng công suất như sau:

ΣPF = mΣPpt + Σ∆P + ΣPtd + Pdp

(1.1)

trong đó
ΣPF - tổng công suất tác dụng phát ra từ các nguồn;
ΣPpt - tổng công suất tác dụng các phụ tải ở chế độ cực đại;
m - hệ đồng thời xuất hiện các phụ tải cực đại;
Σ∆P - tổng tổn thất công suất tác dụng trên đường dây và máy biến áp,
có thể tính gần đúng bằng 5% của mΣPpt ;
ΣPtd - tổng công suất tác dụng tự dùng trong các nguồn phát điện, tính
gần đúng bằng 10% của ΣPF ;
Pdp – tổng công suất tác dụng dự phòng cho toàn hệ thống, lấy gần
đúng 10% của m ΣPpt .
Từ phương trình cân bằng nêu trên dễ dàng xác định được tổng công suất
tác dụng phát ra từ các nguồn ΣPF khi đã biết công suất tác dụng của các
phụ tải.
1. Cân bằng công suất phản kháng
Sự cân bằng công suất tác dụng được thể hiện bằng phương trình cân
bằng công suất như sau:

ΣQ F + Q Σb = mΣQ pt + Σ∆Q B + Σ∆Q L − Σ∆Q c + ΣQ td + Q dp (1.2)
trong đó :
ΣQ F - tổng công suất phản kháng các nguồn;

( ΣQ F = Σtgϕ F PF , tgϕ F =

1 − cos 2 ϕ F
cos ϕ F

, cos ϕ F là hệ số công suất máy phát)

ΣQ pt - tổng công suất phản kháng phụ tải;
1 − cos 2 ϕ
, cos ϕ là hệ số công suất phụ tải )
cos ϕ
Σ∆Q B - tổng tổn thất công suất phản kháng trong máy biến áp, có giá
trị khoảng 15% của mΣQ pt ;
( ΣQ pt = ΣtgϕPpt , tgϕ =

8


Σ∆Q L , Σ∆Q C - tổng tổn thất công suất phản khảng trên các đường dây
và tổng công suất phản kháng do chính các đường dây sinh gia. Hai đại
lượng này có giá trị tương đương nhau, do vậy có thể tính gần đúng trong
tính toán cân bằng công suất là Σ∆Q L − Σ∆Q C = 0;
ΣQ td - tổng công suất phản kháng tự dùng trong các nguồn phát điện;
( ΣQ td = Σtgϕ td Ptd ; tgϕ td =

1 − cos 2 ϕ td
, cos ϕ td là hệ số công suất
cos ϕ td

của

tự dùng).
Qdp – tổng công suất phản kháng dự phòng cho toàn hệ thống;
1 − cos 2 ϕ HT
( Q dp = tgϕ HT Pdp ; tgϕ HT =
, cos ϕ dp là hệ số công suất của
cos ϕ HT
Hệ thống).
Q Σb - tổng công suất bù sơ bộ. Đây là lượng công suất bù bắt buộc, gọi
là bù cưỡng bức để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng theo phương
trình cân bằng công suất (1.2).
Vậy từ phương trình cân bằng (1.2) dễ dàng xác định được tổng công
suất bù cưỡng bức. Từ lượng công suất bù tổng này đem phân chia bù tại
các phụ tải theo nguyên tắc: hộ phụ tải càng có cosφ thấp và càng xa thì
càng được phân chia bù công suất phản kháng nhiều, nhưng hệ số cosφ
không được quá 0,95.
VÍ DỤ 1.1
Tổng phụ tải đã xét đến hệ số đồng thời có giá trị là (348+j215,76) MVA.
Để cấp cho tổng phụ tải này dự định xây dựng hai nhà máy nhiệt điện như
sau:
NĐ1 : 3x100MW; cos ϕ F = 0,8; cos ϕ td = 0,75
NĐ2 : 3x 50MW; cos ϕ F = 0,8; cos ϕ td = 0,75
Liệu hai nhà máy trên đã đảm bảo cân bằng công suất với phụ tải hay
không?
Bài giải :
1.Cân bằng công suất tác dụng:

9


mΣPpt = 348MW; Σ∆P = 5% * 348 = 17,4MW; Pdp = 10% * 348 = 34,8MW

Từ phương trình cân bằng (1.1) ta có:
ΣPF − ΣPtd = 348 + 17,4 + 34,8 ⇔ 0,9ΣPF = 400,2MW
⇒ ΣPF = 444,67 MW
Với nguồn hai nhiệt điện nêu trên, khả năng phát công suất là:
3x100+3x50=450 MW
Vậy có thể kết luận được rằng hai nguồn nhiệt điện nêu trên hoàn hoàn
thỏa mãn cho phụ tải và dự phòng hệ thống.
2.Cân bằng công suất phản kháng:
1 − 0,8 2
1 − 0,75 2
tgϕ F =
= 0,75; tgϕ td =
= 0,882;
0,8
0,75
ΣQ F = 0,75 * 444,67 = 333,50MVAR; mΣQ pt = 215,76MVAR;
Σ∆Q B = 15% * 215,76 = 32,36MVAR;
Q dp = 0,75.34,8 = 26,1MVAR
Từ phương trình cân bằng (1.2) tính được công suất bù sơ bộ là:

Q Σb = (mΣQ pt + Σ∆Q B + ΣQ td + Q dp ) − ΣQ F =
= (215,76 + 32,36 + 0,1* 0,882 * 400,2 + 26,1) − 333,5 =
= − 23,98MVAR
Vậy không cần bù công suất phản kháng, tự nguồn công suất phản
kháng của nhà máy đảm bảo cấp đủ cho phụ tải.
1.2.2 Cân bằng công suất trong trường hợp nhà máy nối hệ thống
Trên thực tế rất ít khi có trường hợp thiết kế một HTĐ hoàn toàn mới, mà
thường xảy ra trường hợp thiết kế một nhà máy nối với HTĐ đã có. Trong
trường hợp này việc tính toán cân bằng công suất có đặc thù riêng của nó.
Thật vậy, để cấp điện cho một số phụ tải tuận tiện nhất là xây dựng thêm

một nhà máy điện cho chúng nếu có điều kiện. Nhà máy này được kết nối
với HTĐ đã có nhằm hỗ trợ công suất cùng hệ thống: nhà máy cấp điện cho
các phụ tải không đủ thì cần thiết lấy công suất từ hệ thống về, ngược lại
nếu nhà máy có công suất dư thừa thì nó lại cấp công suất thêm cho hệ

10


thống. Do vậy các phương trình cân bằng công suất tác dụng cũng như công
suất phản kháng còn có tham gia công suất hệ thống; cụ thể như dưới đây.
1.Cân bằng công suất tác dụng
Phương trình cân bằng (1.1) trong trường hợp này sẽ trở thành như sau:

PF + PHT = mΣPpt + Σ∆P + Ptd + Pdp

(1.3)

trong đó:
PF - công suất tác dụng phát ra từ nhà máy;
Ptd - công suất tác dụng tự dùng nhà, giá trị của nó phụ thuộc vào loại
nhà máy: nhà máy thủy điện có giá trị 0,8 đến 1,5% PF, nhà máy nhiệt điện là
từ 7 đến 15% PF;
PHT – công suất lấy từ/phát về hệ thống.
Các đại lượng khác như cũ ( xem mục 1.2.1)
Từ phương trình cân bằng nêu trên dễ dàng xác định được tổng công suất
tác dụng lấy từ/phát về hệ thống.
2.Cân bằng công suất phản kháng
Trong trường hợp “nhà máy-hệ thống” này phương trình cân công suất
phản kháng sẽ là :

Q F + Q HT + Q Σb = mΣQ pt + Σ∆Q B + Q td + Q dp

(1.4)

trong đó:
Q F - công suất phản kháng của nhà máy;
1 − cos 2 ϕ F
( Q F = tgϕ F PF , tgϕ F =
, cos ϕ F là hệ số công suất máy phát)
cos ϕ F
Q td - tổng công suất phản kháng tự dùng trong các nguồn phát điện;
1 − cos 2 ϕ td
( Q td = tgϕ td Ptd ; tgϕ td =
, cos ϕ td là hệ số công suất của
cos ϕ td
tự dùng).
QHT – công suất lấy từ/phát về hệ thống;
( Q HT = tgϕ HT PHT ; tgϕ HT =

1 − cos 2 ϕ HT
, cos ϕ HT là hệ số công suất
cos ϕ HT

11


của hệ thống, thường có giá trị khoảng 0,9)
Các đại lượng khác như cũ ( xem mục 1.2.1)
Từ phương trình cân bằng (1.4) dễ dàng xác định được tổng công suất bù
Σ

sơ bộ Q b . Từ lượng công suất bù tổng này đem phân chia bù tại các phụ tải

theo nguyên tắc: hộ phụ tải càng có cosφ thấp và càng xa thì càng được
phân chia bù công suất phản kháng nhiều, nhưng hệ số cosφ không được
quá 0,95.
VÍ DỤ 1.2
Tổng phụ tải đã xét đến hệ số đồng thời có giá trị là (362+j224) MVA.
Để cấp cho tổng phụ tải này dự định xây dựng nhà máy nhiệt điện như sau:
NĐ1 : 3x100MW; cos ϕ F = 0,85; cos ϕ td = 0,7
Nhà máy được nối với HTĐ.
Hãy tính toán cân bằng công suất
Bài giải :
1.Cân bằng công suất tác dụng:
mΣPpt = 362MW; Σ∆P = 5% * 362 = 18,1MW; Pdp = 10% * 362 = 36,2MW
Ptd = 10% * 300 = 30MW
Từ phương trình cân bằng (1.3) ta có:
300 + PHT = 362 + 18,1 + 36,2 ⇒ PHT = 116,3MW
2.Cân bằng công suất phản kháng:
tgϕ F =

1 − 0,85 2
1 − 0,75 2
= 0,62; tgϕ td =
= 0,882;
0,85
0,75

1 − 0,9 2
tgϕ HT =
= 0,484; Q HT = 0,484 * 116,3 = 56,29MVAR

0,9
ΣQ F = 0,62 * 300 = 186MVAR; mΣQ pt = 224MVAR;
Σ∆Q B = 15% * 224 = 33,6MVAR;
Q dp = 0,484 * 36,2 = 17,52MVAR

12


Từ phương trình cân bằng (1.4) tính được công suất bù sơ bộ là:

Q Σb = (mΣQ pt + Σ∆Q B + Q td + Q dp ) − (Q F + Q HT ) =
= ( 224 + 33,6 + 0,882 * 30 + 17,52) − (186 + 56,29) = 59,29MVAR
Vậy cần bù công suất phản kháng là 59,29MVAR.
1.2.3 Cân bằng công suất trong trường hợp trạm biến áp cấp điện cho
các phụ tải.
Tại các khu vực thường thiết kế một trạm điện cấp cho các phụ tải của khu
vực đó, mà trạm điện được cấp điện từ hệ thống. Giả thiết việc cấp điện từ
hệ thống cho trạm điện là không hạn chế, tức là đáp ứng hoàn toàn công
suất cho các phụ tải. Khi đó việc tính toán cân bằng công suất tác dụng cũng
như công suất phản kháng là như dưới đây.
1.Cân bằng công suất tác dụng
Trong trường hợp trạm biến cấp điện cho các phụ tải khu vực thì công
suất trạm PTrạm chỉ có cấp công suất cho các phụ tải cộng thêm tổn thất trong
lưới, phần tự dùng của trạm là không đáng kể, còn công suất dự phòng là
không phải xét vì đây chỉ là cấp điện nội bộ khu vực. Do vậy

PTram = mΣPpt + Σ∆P

(1.5)

2.Cân bằng công suất phản kháng.
Phương trình cân bằng công suất phản kháng trong trường hợp này đơn
giản như sau:

Q Tram + Q Σb = mΣQ pt + Σ∆Q B

(1.6)

trong đó :
Q Tram - công suất phản kháng trạm biến áp;
( Q Tram = tgϕ Tram PTram , tgϕ Tram =

1 − cos 2 ϕ Tram
, cos ϕ Tram là hệ số công
cos ϕ Tram

suất trạm biến áp, thường lấy khoảng 0,85)
VÍ DỤ 1.3
Tổng phụ tải đã xét đến hệ số đồng thời có giá trị là (155+j96) MVA.

13


Các phụ tải được cấp điện từ một trạm biến áp.
Hãy xác định công suất trạm cần có để đảm bảo cấp điện cho các phụ tải.
Bài giải :
1.Cân bằng công suất tác dụng:
mΣPpt = 155MW; Σ∆P = 5% *155 = 7,75MW; PTram = 155 + 7,75 = 162,75MW
2.Cân bằng công suất phản kháng:
1 − 0,85 2

= 0,62; Q Tram = 0,62 * 162,75 = 100,91MVAR
0,85
mΣQ pt = 96MVAR; Σ∆Q B = 15% * 96 = 14,4MVAR;
tgϕTram =

Q Σb = (96 + 14,4) − 100,91 = 9,49MVAR
Vậy cần bù công suất phản kháng là 9,49MVAR.
§1.3 CHỌN THIẾT ĐIỆN DÂY DẪN VÀ DÂY CÁP ĐIỆN
Dây dẫn và dây cáp là một thành phần chủ yếu của lưới điện. Tiết diện
dây và dây cáp được lựa chọn theo những tiêu chuẩn kỹ thuật cũng như kinh
tế. Tùy theo loại lưới điện và cấp điện áp mà ta phải theo tiêu chuẩn nào là
chính, là bắt buộc, còn tiêu chuẩn khác là phụ, là để kiểm tra.
Sau đây sẽ giới thiệu một số chỉ tiêu về chọn thiết diện dây dẫn và áp
dụng chúng loại lưới điện.
1.3.1 Các chỉ tiêu lựa chọn tiết diện dây dẫn
1.Chọn tiết diên dây dẫn theo mật độ kinh tế của dòng điện
Mật độ kinh tế của dòng điện Jkt là một giá trị dòng mà 1mm2 dây dẫn
mang tải sẽ đem lại chi phí tính toán là nhỏ nhất. Ta sẽ xem xét chi tiết hơn
về đại lượng này.
Trước hết xét vốn đầu tư đường dây V. Vốn đầu tư V phụ thuộc vào chiều
dài đường dây, cụ thể là :
V = v 0 .
(1.7)
trong đó: v0- vốn đầu tư 1km đường dây (đ/km);
 - chiều dài đường dây ( km);

14


Vốn đầu tư v0 cho 1 km đường dây bao gồm các chí phí không liên quan

đến tiết diện dây dẫn như chi phí thăm dò, đền bù, chuẩn bị thi công, cột
điện, sứ cách điện,… và chi phí tỷ lệ thuận với tiết diện dây dẫn. Do vậy ta
có thể biểu diễn V bằng biểu thức sau:
V = ( a + bF).

(1.7a)
trong đó: a- chi phí xây dựng 1 km đường dây phần không liên quan đến
tiết diện dây ( đ/km);
b- hệ số biễu diễn quan hệ giữa vốn đầu tư xây dựng 1 km
đường dây với tiết diện dây dẫn F (đ/km.mm2).
Phí tổn do tổn thất điện năng trên đường dây trong toàn năm được thể hiện
qua công thức sau:

Y∆A = β.∆A = β.∆Pmax .τ = β.3I 2max .R.τ = β.3I 2max .ρ .τ
(1.8)
F
trong đó: Imax- dòng điện làm việc max trên đường dây (A);
ρ - điện trở suất của dây dẫn (Ώ.mm2/km);
β - giá điện năng tổn thất (đ/kWh);
F - tiết diện dây dẫn (mm2);
τ - thời gian tổn thất công suất cực đại (giờ/năm).
Phí tổn vần hàng hàng năm của đường dây:


Y = a vh .V + Y∆A = a vh ( a + bF). + β.3I 2max ρ. .τ
F

(1.9)

trong đó: avh- hệ số thể hiện chi phi hàng năm cho sửa thường kỳ đường

dây hành năm, lương công nhân,…
Vậy cuối cùng ta có hàm chi phí tính toán hàng năm:


Z tt = Y + a tc V = ( a vh + a tc ).( a + bF). + β.3I 2max .ρ. .τ
F

(1.10)

trong đó: atc – hệ số thu hồi vốn tiêu chuẩn. Hệ số này thể hiện chi phí hàng
năm thu hồi vốn, còn gọi là chiết khấu hao mòn.
Từ (1.10) ta thấy rằng hàm chi phí tính toán phụ thuộc vào tiết diện dây
dẫn. Để xác định tiết diện dây dẫn đảm bảo hàm chi phí tính toán min, ta lấy
đạo hàm Ztt theo F và cho triệt tiêu, ta có:

15


∂Z tt
β.3I 2max .ρ..τ
3ρτβ
= ( a vh + a tc ).b. −
= 0 ⇒ Fkt = I max
2
∂F
b( a vn + a tc )
F
Vậy mật độ kinh tế dòng điện là:

J kt =

I max
b( a vh + a tc )
=
Fkt
3ρτβ

(1.11)

Từ công thức (1.11) có thể đưa ra một số nhận xét như sau:
1) Mật độ kinh tế của dòng điện không phụ thuộc vào điện áp của mạng;
2) Trị sô mật độ kinh tế dòng điện phụ thuộc rất nhiều yếu tố, thay đổi
theo tình hình phát triển kinh tế và chính sách của từng nước. Trị số
mật độ kinh tế dòng điện có thể tra cứu ở các tài liệu hướng dẫn thiết
kế lưới điện hay tham khảo bảng 1.1
3) Từ mật độ kinh tế dòng điện có thế tính toán chọn tiế diện dây dẫn.
Bảng 1.1 Mật độ kinh tế dòng diện, A/mm2
Loại dây dẫn
1.Dây dẫn và thanh dẫn trần
- bằng đồng
- bằng nhôm,nhôm lõi thép
2.Cáp cách điên bằng giấy, lõi
- bằng đồng
- bằng nhôm
3.Cáp cách điện bằng cao su, lõi
- bằng đồng
- bằng nhôm

Mật đô kinh tế ứng Tmax,(giờ)
1000-3000

3000-5000

>5000

2,5
1,3

2,1
1,1

1,8
1,0

3,0
1,6

2,5
1,4

2,0
1,2

3,5
1,9

3,1
1,7

2,7

1,6

2. Các chỉ tiêu kỹ thuật khi lựa chọn tiết diên dây dẫn
* Chỉ tiêu về vầng quang điện
Một tiết diện dây dẫn được chọn phải đảm bảo tổn thất do vầng quang là
chấp nhận được. Điều kiện này được thể hiện qua chỉ tiêu tiết diện tối thiểu
hay điện áp vầng quang tối thiểu như dưới đây.

16


- Chỉ tiêu tiết diện tối thiểu: tiết diện dây dẫn phải đảm lớn hơn tiết diện tối
thiểu, F ≥ Fmin . Tiết diện tối thiểu Fmin theo quy định la dây dẫn AC-70 đối
với điện áp định mức lưới 110 kV, AC-95 khi điện áp 220 kV.
- Chỉ tiêu điện áp vầng quang tối thiểu :

U vq = 84m.r. lg

a
≥ U Luoi , ; kV
r

(1.12)

trong đó: m- hệ số xù xì (độ nhẵn) của dây dẫn;
(dây dẫn một sợi m=0,83÷0,98, nhiều sợi vặn xoắn m=0,83÷0,87)
r - bán kính ngoài của dây dẫn (cm);
a- khoảng cách giữa các pha của dây dẫn.
Công thức (1.12) tính Uvq áp dụng khi các dây dẫn ba pha bố trí trên đỉnh
tam giác đều; Nếu chúng đặt trên cùng mặt phẳng thì đối với pha giữa giảm

4%, còn hai pha bên tăng thêm 6%.
* Chỉ tiêu về phát nóng
Một tiết diện dây dẫn được chọn còn phải đảm bảo về chỉ tiêu phát nóng
khi sự cố. Khi có sự cố, chẳng hạn đối với mạch vòng bị sự cố một đoạn
nào đó hay khi dây lộ kép bị sự cố một lộ thì khi đó dòng điện trên dây dẫn
sẽ là dòng điện cưỡng bức, lơn hơn lúc bình thường, dây dẫn phải chịu phát
nóng hơn. Vậy dân dẫn được chọn phải đảm bảo chỉ tiêu phát nóng như sau:
max
I cb
≤ k 1 .k 2 .I cp

(1.13)

max
trong đó: I cb - dòng điện cưỡng bức lớn nhất;

Icp - dòng điện cho phép của dây dẫn trong điều kiện chuân
(nhiệt độ θ ch 250C), do nhà chế tạo cho;
k1- hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ;
k1 =

bt
θ cp
− θ xq
bt
θ cp
− θ ch

(1.13a)

17


bt
bt
trong đó: θ cp - nhiệt cho phép lúc bình thường, θ cp =700C;

θ xq - nhiệt độ môi trường xung quanh (Việt nam θ xq =350C)
k2- hệ số xét sự đặt gần nhau của dây dẫn (nếu có), k2=0,92.
* Chỉ tiêu tổn thất điện áp
Khi một lưới điện đã được lựa chọn loại dây dẫn cũng như tiết diện của
chúng thì nhất thiết tổn thất điện áp kể từ đầu nguồn tới phụ tải xa nhất phải
đảm bảo nhỏ hơn một giá trị cho phép lúc bình thường cũng như lúc sự cố:
max
cp
∆U max
≤ ∆U cp
bt
bt ; ∆U SC ≤ ∆U SC

(1.14)

trong đó: ∆U bt - tổn thất điện áp lớn nhất lúc bình thường kể từ đầu
max

nguồn đến phụ tải xa nhất;
∆U

max
bt

- tổn thất điện áp lớn nhất lúc sự cố kể từ đầu
nguồn đến phụ tải xa nhất;

∆U

cp
bt

- giá trị điện áp cho phép lúc bình thường, bằng khoảng
10÷12% điện áp định mức;

∆U

cp
SC

- giá trị điện áp cho phép lúc sự cố, bằng khoảng
18÷20% điện áp định mức;

*Chỉ tiêu về ổn định nhiệt khi ngắn mạch
Đặc trưng về nhiệt đối với dây dẫn khi ngắn mạch là nhiệt độ cuối θ 2
(đơn vị là 0C) và xung lượng nhiệt B N (đơn vị là A2sec). Cách xác định hai
giá trị này sẽ được đề cập trong giáo trình khác. Điều kiện ổn định nhiệt của
dây dẫn khi ngắn mạch là:
θ 2 ≤ θ cp
hay F ≥
2

BN

C

hay I N ≤ I nh =

F.C
t cat

(1.15)

0
trong đó: θ cp
2 - nhiệt độ cho phép khi ngắn mạch, C (xem bảng 1.1)

F - tiết diện dây dẫn, mm2;
IN - dòng ngắn mạch, A;
tcat- thời gian tồn tại ngắn mạch, sec;
C – Hằng số, As1/2/mm2 (xem bảng 1.2)

18


Bảng 1.2 Nhiệt độ cho phép khi ngắn mạch và hằng số C
Dây dẫn
Đồng trần
Nhôm trần
Cáp PVC lõi đồng
Cáp PVC lõi nhôm
Cáp XLPE lõi đồng
Cáp XLPE lõi nhôm

0
θ cp
2 ; C

C; As

1

2

/ mm 2

300
200
115
76
143
94

1.3.2 Lựa chọn tiết diện dây dẫn cho các loại lưới điện
1)Đường dây tải điện trên không điện áp từ 35 kV trở lên
Lựa chọn tiết diện dây dẫn trên không điện áp từ 35 kV trở lên được tiến
hành qua các bước như sau:
1. Chọn tiết diện theo mật độ kinh tế dòng điện;
2. Kiểm tra điều kiện vầng quang (đối với điện áp 110 kV trở lên);
3. Kiểm tra điều kiện phát nóng khi sự cố đường dây;
4. Tính toán tổn thất điện áp lúc bình thường và khi các sự cố.
2)Lưới điện cung cấp từ 1kV trở lên đến 35 kV
Lựa chọn tiết diện dây dẫn trên không cho lưới điện cung cấp điện áp từ 1
kV đến 35 kV được tiến hành qua các bước như sau:

1. Chọn tiết diện theo mật độ kinh tế dòng điện;
2. Tính toán tổn thất điện áp lúc bình thường và khi các sự cố.
3. Kiểm tra điều kiện phát nóng khi sự cố đường dây;
3)Đường dây cáp điện lực
Lựa chọn tiết diện dây cáp điện được tiến hành qua các bước như sau:
1. Chọn loại cáp theo vị trí lắp đặt (trong hầm cáp, treo trên tường, chôn
trong đất);
2. Chọn tiết diện cáp theo mật độ kinh tế dòng điện;
3. Kiểm tra điều kiện phát nóng lúc bình thường:

I max
≤ k 1 .k 2 .I cp
bt

(1.16)

19


max
trong đó: I bt - dòng điện làm việc bình thường lớn nhất lớn nhất;

Các hệ số k 1,k2 được tính như đã giới thiệu trong 3.1.1, riêng đối với
tính k1 theo công thức (1.13a) phải lấy θ xq =450C đối với Việt nam khi cáp
chôn dưới đất.
4. Kiểm tra điều kiện phát nóng khi sự cố (đối với cáp lộ kép):
max
I cb
≤ k qt k 1 .k 2 .I cp

(1.17)

max
trong đó: I cb - dòng điện cưỡng bức lớn nhất lớn nhất;

kqt - hệ số quá tải cho cáp.
Trong điều kiện làm việc bình thường dòng điện qua cáp không vượt quá
80% dòng điện cho phép (đã hiệu chỉnh), khi sự cố có thể cho phép cáp quá
tải 30% trong thời gian không quá 5 ngày đêm; kqt=1,3.
5. Kiểm tra ổn định nhiệt khi ngắn mạch theo công thức (1.15).
§1.4 TÍNH TOÁN KINH TẾ-KỸ THUẬT CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU
Bài toán tính toán kinh tế-kỹ thuật để chọn phương án tối ưu trong thiết
kế lưới điện rất phong phú. Trong khuôn khổ của giáo trình này chỉ thiệu
một phương pháp tính toán đơn giản: phương pháp hàm chi phí tính toán
không xét yếu tố thời gian, có nghĩa vốn đầu tư và xây dựng chỉ xảy ra
trong một năm và chi phí vận hành hàng năm là cố định.
Hàm chi phí tính toán được thể hiện như sau:

Z = ( a vh + a tc ) V + ∆A.β

(1.18)

trong đó: avh- hệ số thể hiện chi phi hàng năm cho sửa thường kỳ đường
dây hàng năm, lương công nhân,…
atc - hệ số thu hồi vốn tiêu chuẩn.
V - vốn đầu tư ; (đ)
∆A - tổn thất điện năng ; (kWh)
β - giá điện năng tổn thất (đ/kWh);

20

Trong trường hợp các phương án có cùng số lượng máy biến áp (MBA)
thì trong tính toán vốn đầu tư V chỉ xét đầu tư cho đường dây. Vốn đầu tư
cho đường dây lộ đơn được tính theo công thức:

V = v 0 .

(1.19)

trong đó: - độ dài đường dây; (km);
v0 - suất vốn dầu tư cho 1 km đường dây; đ/km
Suất vốn đầu tư cho 1 km đường dây là vốn cho kể cả khảo sát, thiết kế,
thi công, dây dẫn, móng, cột,.....
Hệ số avh có thể lấy khoảng 4%, còn hệ số atc có thể lấy khoảng 12,5%.
Tổn thất điện năng được tính theo công thức sau:

∆A = ∆PΣ .τ

(1.20)

trong đó:
∆PΣ - tổn thất công suất tác dụng toàn lưới, bằng tổng tổn thất công
suất tác dụng các đoạn dây; (kWh)
τ - thời gian tổn thất công suất cực đại, được tính theo công thức :

(

)

2

τ = 0,124 + 10 − 4 Tmax .8760

(1.21)

Tmax – thời gian sử dụng công suất cực đại trong năm;
Phương án nào có hàm chi phí tính toán Z nhỏ thì là tối ưu, nếu các chỉ
tiêu về kỹ thật đều đảm bảo. Ngoài chỉ tiêu về kinh tế phương án tối ưu còn
thể hiện ở các chỉ tiêu kỹ thuật: tổn thất điện áp lúc bình thường cũng như
lúc sự cố, tổn thất công suất tổng, tin cậy,.....

21


Chng 2
TNH TON CH XC LP
H THNG IN PHC TP
Đ2.1 Tổng quát chung về tính toán chế độ xác lập
hệ thống điện
2.1.1 Khái quát chung
Bài toán tính chế độ xác lập (CĐXL) hệ thống điện (HTĐ) nhằm xác
định dòng công suất, dòng điện trên các nhánh và điện áp tại các nút ứng với
mỗi chế độ phụ tải cũng nh công suất phát của các nguồn với các tổ hợp giá
trị khác nhau. Đối với HTĐ đơn giản công việc tính toán có thể thực hiện
bằng tay, còn đối với HTĐ phức tạp nhiều nguồn, nhiều phụ tải, nhiều cấp
điện áp với cấu trúc lới bất kỳ thì việc tính toán bằng tay không thể thực
hiện đợc. Khi đó cần có các phơng pháp tính lập trình theo chơng trình máy
tính. Tính toán chế độ xác lập HTĐ bằng các chơng trình máy tính gồm hai
vấn đề: lập hệ phơng trình mô tả chế độ xác lập của HTĐ , giải hệ phơng

trình. Trong chơng này sẽ phân tích kỹ lỡng hai vấn đề này.
2.1.2 Sơ đồ thay thế của hệ thống điện trong tính toán độ xác lập
Phân tích chế độ xác lập của hệ thống điện ba pha đối xứng đợc tiến
hành trên sơ đồ thay thế một pha của hệ thống. Sơ đồ thay thế biểu diễn cấu
trúc hình học và các quá trình năng lợng của các phần tử trong hệ thống.
Các phần tử trong hệ thống điện đợc chia thành các phần tử tích cực và
các phần tử thụ động.
Các phần tử tích cực là các máy phát điện và các phụ tải tiêu thụ điện
năng. Các phần tử thụ động là các đờng dây trên không, các đờng dây cáp,
các máy biến áp trong các trạm, cũng nh các thiết bị bù nối tiếp và bù song
song . Tất cảc các phần tử thụ động đợc giả thiết là tuyến tính.
Thông thờng, trong tính chế độ xác lập, các phần tử thụ động đợc biểu
diễn bằng các sơ đồ thay thế hình , .... các nhánh của phần các tử thụ
động trong sơ đồ thay thế đợc chia thành các nhánh dọc và các nhánh
ngang. Các nhánh ngang nối giữa các nút sơ đồ với trung tính, nghĩa là nút
có điện thế bằng không. Các nhánh dọc nối với tất cả các nút, trừ nút có điện

22


thế bằng không, nghĩa là các nhánh dọc không nối với trung tính. Các nhánh
dọc gồm có điện trở tác dụng và cảm kháng của các đờng dây truyền tải điện
năng, các cuộn dây của các máy biến áp và dung kháng của các thiết bị bù
nối tiếp. Các nhánh ngang là tổng dẫn của các đờng dây truyền tải điện
năng với đất, của các kháng và các tụ nối đất. trong một số trờng hợp, tổn
thất công suất trong lõi thép của máy biến áp đợc biểu diễn bằng tổng dẫn
nối ngang.
Trong tất cả các chơng trình hiện đại dùng để tính toán chế độ xác lập, sơ
đồ thay thế của hệ thống không quy về một cấp điện áp, đồng thời tính đến
các tỷ số biến đổi phức của các máy biến áp. Điều đó tơng ứng với giả thiết

rằng, sơ đồ thay thế của máy biến áp gồm có tổng trở nối dọc và máy biến
áp lý tởng. Nếu nh có các máy biến áp điều chỉnh bổ sung thì các suất điện
động của chúng đợc tính trong tỷ số máy biến áp phức. Cần lu ý rằng, tính
chính xác hơn các máy biến áp điều chỉnh bổ sung là vấn đề phức tạp, không
cần xét đến trong khi tính các chế độ xác lập.
Các phần tử tích cực của hệ thống điện là các máy phát trong các nhà máy
điện, chúng phụ thuộc công suất tua bin P T và suất điện động Eq tạo ra bởi
hệ thống kích từ. Trong trờng hợp chung, cần có xét các quan hệ bên trong
của chính máy phát. Trong tính toán lới điện thờng hay chỉ giới hạn đến nút
đầu cực máy phát mà ở đó thể hiện bằng công suất phát của chúng. Thực tế
các thông số đầu ra của máy phát có liên quan rất mật thiết đến công suất
tua bin và suất điện động tạo bởi kích từ của máy phát. Các phơng trình mô
tả mối quan hệ bên trong cho mối máy phát là nh sau:







2
EQU
U

QF =
+
cos ;

Xq
Xq

Xq
Xq

U cos ;
EQ = Eq
+ 1

X d
X d

E q = E q 0 + K U ( U U 0 ) + k I ( I I 0 ) + k




PT = PF0 PFdm
;


EQU
PF =
sin = PT ;
Xq

[

(2.1)

]

23


Trong đó :
- góc lệch pha giữa điện áp thanh cái đầu cực máy phát và sđđ Eq;
- hệ số điều chỉnh tĩnh của thiết bị điều chỉnh công suất tua bin;
Xd,Xq- các điện kháng máy phát thành phần dọc và ngang;
Eq, EQ- các sđđ của máy phát thành phần trục ngang và sđđ cực ẩn;

k U , k I , k - các hệ số điều chỉnh điện áp, dòng điện và tần số;
PF, QF - công suất tác dụng, phản kháng của máy phát.
Khi hệ thống có nhà máy điều tần (tại nút cân bằng) tần số đợc giữ không
đổi ( = 0; PF = PT ) có thể bỏ qua các phơng trình liên quan đến công suất
tác dụng trong (2.1). Với máy phát có Tự động Điều chỉnh Kích từ (TĐK)
tác động mạnh, cho phép chọn KU rất lớn thì Eq thay đổi kịp thời đảm bảo độ
lệch nhỏ giữa U và U0, nghĩa là có thể coi điện áp đầu cực máy phát không
đổi; Khi đó có thể bỏ qua đớc các phơng trình có liên quan đến QF, có nghĩa
là tại nút đó có một công suất phát phản kháng bình thờng. Với máy phát có
TĐK tác động tỷ lệ, sđđ Eq không đổi sau kháng điện Xd, các phơng trình
(2.1) vẫn có thể đợc bỏ qua nếu trong phơng trình nút phát này đợc tính
đến trớc Xd, khi đó Ui=Eqi
Trên cơ sở phân tích trên, trong tính toán chế độ xác lập, các máy phát có
thể đợc cho nh sau :
1. Công suất không đổi về trị số PF=const, QF=const, các biến sẽ là U F , F
Trong trờng hợp này công suất của các máy phát chỉ khác dấu so với trờng hợp cho công suất không đổi của phụ tải tiêu thụ điện. Cho công suất
tác dụng không đổi phù hợp với điều kiện làm việc thực của máy phát trong
hệ thống, bởi vì công suất tác dụng có thể giữ không đổi về trị số do điều
chỉnh tần số ở các máy phát. Cho công suất phản kháng không đổi phù hợp

với các chế độ thực của hệ thống, do không có các thiết bị điều chỉnh công
suất phản kháng trong các máy phát.
2. Công suất tác dụng không đổi và modul không đổi của điện áp
PF=const, UF=const, các biến sẽ là Q F , F
Trong trờng hợp này các ẩn số là công suất phản kháng và pha của điện
áp. Các nút nh vậy đợc gọi là nút cân bằng về công suất phản kháng. Cho
modul không đổi của điện áp và công suất phản kháng tự do phù hợp với các

24


điều kiện làm việc thực của máy phát hay các máy bù đồng bộ có các thiết
bị điều chỉnh điện áp để giữ cho modul điện áp UF=const.
3.Modul và pha không đổi của điện áp UF=const, F=const, các biến sẽ là
PF , Q F
Đối với các nút này, các ẩn số là công suất tác dụng và phản kháng,
nghĩa là PF=var, QF= var . Phơng pháp cho ác số liệu ban đầu nh vậy phù hợp
với các nút cân bằng về công suất tác dụng và phản kháng. Những nút đó đợc gọi là nút cân bằng công suất trong hệ thống. Công suất của các nút cân
bằng đợc xác định theo điều kiện cân băng công suất trong hệ thống có tính
đến tổn thất công suất trong các mạng điện
Trong tính toán chế độ xác lập có thể cho một hoặc một số nút cân bằng.
Mỗi nút cân bằng tơng ứng với một nhà máy điện điều khiển tần số, nghĩa là
nhà máy điện sẽ đảm nhận phần công suất tác dụng không cân bằng và đồng
thời duy trì tần số không đổi trong hệ thống. Cho một hay một số nút cân
bằng phù hợp với giả thiết rằng tần số trong hệ thống là không đổi.
Khi phân tích chế độ xác lập, các phụ tải điện có thể đ ợc
biểu diễn nh sau:
1. Công suất không đổi về trị số P p t =const, Q p t =const, các
biến sẽ là U pt , pt
Phụ tải cho bằng công suất không đổi là chính xác đối với các hệ thống

điện có đủ các thiết bị điều chỉnh điện áp . Trong các hệ thống đó, điện áp ở
các hộ tiêu thụ đợc giữ không đổi nhờ sử dụng rộng rãi các máy biến áp có
điều chỉnh điện áp dới tải, cũng nh các máy biến áp điều chỉnh đờng dây hay
các máy biến áp điều chỉnh bổ sung. Ngoài ra, còn sử dụng rộng rãi các phơng tiện điều chỉnh cục bộ (các bộ tụ điều khiển, các máy bù đồng
bộ,v,v). Trong các điều kiện đó, điện áp ở hộ tiêu thụ và công suất toàn
phần của phụ tải không thay đổi chế độ. Trên thực tế, cho phụ tải bằng công
suất không đổi là giả thiết rằng điện áp bằng điện áp danh định.
2.Dòng điện không đổi về modul và pha Ipt= Ipt+j Ipt= const.
Góc pha của dòng điện đợc xác định so với điện áp nút cơ sở. Cho phụ tải
bằng dòng điện không đổi và modul và pha thờng đợc sử dụng trong khi

25