Chất lượng điện năng và một số giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Tuyển Tiến

CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. Đặng Quốc Thống

Hà Nội – 2014


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập cũng như nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội. Được sự giúp đỡ nhiệt tình cũng như tạo điều kiện thuận lợi của Viện đào
tạo sau Đại học, Viện Điện, Bộ môn Hệ thống điện hiện nay em đã hoàn thành luận
văn và chuẩn bị bảo vệ. Vì vậy em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu
sắc đối với các thầy cô của Trường Đại học Bách khoa,Viện đào tạo sau Đại học,
Viện Điện, Bộ môn Hệ thống điện và đặc biệt là thầy PGS.TS. Đặng Quốc Thống
đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập
và hoàn thành luận văn này.
Trong quá trình hoc tập, cũng như là trong quá trình làm luận văn, khó tránh
khỏi những sai sót, rất mong được các thầy, cô bỏ qua. Đồng thời do trình độ lý
luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi

những thiếu sót, tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy, cô để tôi học
thêm được nhiều kinh nghiệm và bảo vệ luân văn được tốt hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 30 tháng 3 năm 2014
Học viên

Nguyễn Tuyển Tiến


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập của riêng tôi. Các số
liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả nghiên cứu
trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù
hợp với thực tiễn của Việt Nam.

Hà Nội, ngày 30 tháng 3 năm 2014
Học viên

Nguyễn Tuyển Tiến


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CCĐ

Cung cấp điện

CLĐA

Chất lượng điện áp

CLĐN

Chất lượng điện năng

CSPK

Công suất phản kháng

CSTD

Công suất tác dụng

ĐADT

Điều áp dưới tải

ĐCĐA

Điều chỉnh điện áp

ĐCĐB

Động cơ đồng bộ

ĐCKĐB

Động cơ không đồng bộ

HTĐ

Hệ thống điện

LPP

Lưới phân phối

MBA

Máy biến áp

TCTĐL

Tổng công ty Điện lực

TTN

Thứ tự nghịch

TTT

Thứ tự thuận

TĐĐCĐA

Tự động điều chỉnh điện áp

TĐKT

Tự động điều chỉnh kích từ

ĐVTĐ

Đơn vị tương đối


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1:

Sự biến đổi đặc tính momen của động cơ điện không đồng bộ khi điện
áp thay đổi.

Hình 1.2:

Đặc tính của đèn sợi đốt.

Hình 1.3:

Sự ảnh hưởng của điện áp đối với công suất.

Hình 1.4:

Sơ đồ thay thế dòng điện bap pha chạy qua đường dây có tổng trở Z =
R + jX.

Hình 1.5:

Đồ thị biến thiên của dòng điện dọc theo đường dây có phụ tải phân
bố đều.

Hình 1.6:

Sơ đồ thay thế dòng điện dọc theo đường dây có phụ tải phân bố đều.

Hình 1.7:

Sơ đồ that thế MBA 3 cuộn dây.

Hình 1.8:

Đồ thị xác định Tmax.

Hình 1.9:

Sơ đồ thay thế của đường dây có 3 phụ tải.

Hình 1.10:

Đồ thị phụ tải trong một năm.

Hình 2.1:

Sơ đồ dạng hình tia cổ điển.

Hình 2.2:

Sơ đồ dạng hình tia cổ có cải tiến.

Hình 2.3:

Sơ đồ dạng hình tia cổ điển cải tiến có đường dây dự trữ.

Hình 2.4:

Sơ đồ phân phối dạng đường có trục phân nhánh.

Hình 2.5:

Sơ đồ phân phối dạng đường trục có phân nhánh cải tiến.

Hình 2.6:

Sơ đồ phân phối dạng đường trục có phân nhánh cải tiến có đường dây
dự phòng.

Hình 2.7:

Sơ đồ phân phối dạng mạch vòng.

Hình 2.8:

Sơ đồ phân phối dạng đường dây kép.

Hình 2.9:

Sơ đồ sử dụng đối với các trạm biến áp không có thanh cái ở phần
điện áp cao.

Hình 2.10:

Nguyên lý đầu chuyển đổi phân áp.


Hình 2.11:

Sơ đồ thay thế máy biến áp.

Hình 2.12:

Điều chỉnh điện áp theo tín hiệu U.

Hình 2.13:

Điều chỉnh điện áp theo tín hiệu I.

Hình 2.14:

Sơ đồ lắp đặt MBA bổ trợ.

Hình 2.15:

Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp bổ trợ.

Hình 2.16:

Biểu đồ véc tơ của máy biến áp điều chỉnh bổ trợ.

Hình 3.1:

Véc tơ công suất trước và sau khi bù.

Hình 3.2:

Biểu đồ phân bố dòng điện với một vị trí đặt bù.

Hình 3.3:

Biểu đồ phân bố dòng điện với 3 vị trí đặt bù.

Hình 3.4:

Sơ đồ mạng hình tia.

Hình 3.5:

Sơ đồ mạng đường có trục phân nhánh.

Hình 4.1:

Màn hình giao diện của chương trình PSS/ADEPT 5.0

Hình 4.2:

Cửa sổ Equipment List View của chương trình PSS/ADEPT

Hình 4.3:

Cửa sổ Progress View của chương trình PSS/ADEPT

Hình 4.4:

Cửa sổ Report Preview của chương trình PSS/ADEPT

Hình 4.5:

Thanh trạng thái, thanh menu chính và thanh công cụ của chương
trình PSS/ADEPT

Hình 4.6:

Sơ đồ lộ 478E22 Kim Ngưu trước khi đặt tụ bù

Hình 4.7:

Sơ đồ lộ 478E22 Kim Ngưu sau khi đặt tụ bù

Bảng 4.1:

Thông số đường dây lộ 473E22 Kim Ngưu

Bảng 4.2:

Thông số máy biến áp lộ 473E22 Kim Ngưu

Bảng 4.3:

Thông số tải máy biến áp lộ 473E22 Kim Ngưu (chế độ cực đại)

Bảng 4.4:

Thông số tải máy biến áp lộ 473E22 Kim Ngưu (chế độ cực tiểu)

Bảng 4.5:

Kết quả điện áp tại các nút lộ 473E22 Kim Ngưu (chế độ cực đại)

Bảng 4.6:

Kết quả điện áp tại các nút lộ 473E22 Kim Ngưu (chế độ cực tiểu)

Bảng 4.7:

Dòng công suất chạy trên lộ 473E22 Kim Ngưu (chế độ cực đại)


Bảng 4.8:

Dòng công suất chạy trên lộ 473E22 Kim Ngưu (chế độ cực tiểu)

Bảng 4.9:

Tổn thất công suất chạy trên lộ 473E22 Kim Ngưu (chế độ cực đại)

Bảng 4.10:

Tổn thất công suất chạy trên lộ 473E22 Kim Ngưu (chế độ cực tiểu)

Bảng 4.11:

Dòng công suất và tổn thất công suất lộ 473E22 Kim Ngưu trước khi
bù

Bảng 4.12:

Vị trí các nút cần đặt tụ bù trên thẻ capo

Bảng 4.13:

Điện áp nút trên lộ 483E22 Kim Ngưu sau khi bù

Bảng 4.14:

Kết quả công suất và tổn thất công suất sau khi bù


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài:
Xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng. Do đó đòi
hỏi ngành điện phải đảm bảo cung cấp điện cho khách hàng ngày càng tốt hơn.
Không chỉ đảm bảo tính liên tục cung cấp điện mà điện năng được cung cấp phải
đảm bảo chất lượng.
Sau khi việt Nam gia nhập WTO, các nhà đầu tư nước ngoài đã đầu tư vào Việt
Nam ở nhiều lĩnh vực, chủ yếu là công nghiệp nên nhu cầu cung cấp điện với chất
lượng cao là nhiệm vụ thiết yếu của ngành điện.
Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn:
Do tầm quan trọng của việc đảm bảo chất lượng điện năng, trong phạm vi của
đề tài này sẽ nghiên cứu các chỉ tiêu đặc trưng cho chất lượng điện năng trong lưới
điện phân phối như: Điện áp ở nút phụ tải, tổn thất công suất và điện năng trên lưới
điện, độ tin cậy cung cấp điện đối với hộ tiêu thụ…Nguyên nhân làm giảm chất

lượng điện năng, từ đó phân tích, tìm ra những giải pháp nâng cao chất lượng điện
năng đối với lưới điện phân phối.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng của lưới phân phối nói
chung và ứng dụng vào một xuất tuyến của lưới phân phối Quận Hai Bà Trưng.
Sử dụng phần mềm PSS/ADEPT tính toán các chỉ tiêu đặc trưng cho chất lượng
điện trong lưới phân phối và đưa ra giải pháp nâng cao chất lượng điện năng.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
Trong thời đại Công nghiệp hóa - hiện đại hóa, năng lượng là nguồn lực chủ
yếu của sự phát triển kinh tế và xã hội. Trong đó điện năng chiếm vai trò cực kỳ
quan trọng là nguồn năng lượng được sử dụng rất rộng rãi trong mọi hoạt động của
con người.


Trong quá trình truyền tải điện năng từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ lượng điện
năng tổn thất rất lớn… Các khảo sát gần đây cho thấy tổn thất trong truyền tải và
phân phối trong một số lưới điện có thể lớn hơn 10% tổng sản lượng điện năng.
Chất lượng điện áp ở một số nút trong lưới điện không đáp ứng tiêu chuẩn, độ tin
cậy cung cấp điện rất thấp… Bài toán chất lượng điện năng là bài toán khó của
ngành điện, nhất là trước tình hình thực tế như hiện nay, công nghiệp sử dụng điện
ngày càng tăng, lượng điện năng sản xuất không đáp ứng đủ nhu cầu, tình hình
thiếu điện năng ngày càng trầm trọng nhất là vào mùa khô. Do đó, nếu nâng cao
được chất lượng điện năng để hệ thống điện hoạt động hiệu quả hơn sẽ góp phần
tích cực đưa nền kinh tế đất nước phất triển bền vững.
Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:
Nội dung của đề tài tập trung giải quyết hai vấn đề lớn đó là Chất lượng điện
năng và một số giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối. Cụ
thể như sau:
- Khái niệm về chất lượng điện năng.
- Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng trong lưới phân phối.

- Các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng.
- Các giải pháp giảm tổn thất điện năng.
- Sử dụng phần mềm PSS/ADEPT để đánh giá chất lượng điện năng của xuất
tuyến 22kV - 473E22 Kim Ngưu Quận Hai Bà Trưng - Hà Nội.


CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

1.1. ĐỊNH NGHĨA CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG:
Ngay từ những năm đầu của thế kỷ 20 người ta đã đưa ra các khái niệm về
"Chất lượng điện năng ", lúc đó nó đã trở thành một khái niệm gây tranh cãi, cho
đến ngày nay thì còn nhiều bất đồng về việc sử dụng khái niệm này, về cách định
nghĩa và áp dụng nó thế nào cho chính xác.
Trong nhiều tài liệu của châu Âu và Mỹ, "Chất lượng điện năng" được hiểu là
chất lượng của sản phẩm điện được nhà cung cấp phân phối cho các hộ sử dụng .
Còn các nhà chuyên môn thì đưa ra những nhận định của riêng mình.
Theo Roger.C.Dugan: Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về chất lượng điện
năng, điều này phụ thuộc vào vị trí người đưa ra định nghĩa này. Ví dụ các nhà cung
cấp điện thì định nghĩa "Chất lượng điện năng" là độ tin cậy và khẳng định độ tin
cậy đó. Các nhà quản lý điện cũng đưa ra các tiêu chuẩn dựa trên quan điểm này .
Còn các nhà sản xuất thì định nghĩa "Chất lượng điện năng" là những đặc tính của
nguồn điện cho phép thiết bị làm việc ổn định. Ngoài ra ông cũng đã viết "Chất
lượng điện năng" = "Chất lượng điện áp" và phân tích rằng hệ thống cung cấp điện
chỉ có thể điều chỉnh chất lượng của điện áp chứ không thể điều chỉnh được dòng
điện do các tải đặc biệt sinh ra. Từ đó Roger.C. Dugan đưa ra định nghĩa: Chất
lượng điện năng là bất kỳ một vấn đề điện năng nào thể hiện qua sai lệch của điện
áp, dòng điện hay tần số dẫn đến các thiết bị của người sử dụng bị hỏng hay hoạt
động sai.
Với Barry. W. Kennedy, ông nhận định chất lượng điện năng theo hai quan
điểm nó là một vấn đề hay một sản phẩm tuỳ thuộc theo quan điểm của từng người.

Ông viết: Nếu bạn là một kỹ sư điện,một nhà nghiên cứu về điện hay một thợ điện
thì bạn có thể nhìn nhận chất lượng điện năng là một vấn đề và cần phải được giải
quyết. Còn nếu bạn là nhà kinh doanh, người mua bán điện hay một khách hàng
tiêu thụ điện thì điện năng là một sản phẩm và chất lượng điện năng là một phần
quan trọng trong đó. Từ đó ông đưa ra định nghĩa của Gerry Heydt về chất lượng

1


điện năng “là biện pháp, sự phân tích,cải thiện cho điện áp, thông thường là điện
áp trên tải, để duy trì điện áp này ở dạng sin theo điện áp và tần số định mức”.
Trong một số tài liệu khác, Maura.C.Ryan định nghĩa: Chất lượng điện năng
là mức độ trong đó việc sử dụng và phân phối năng lượng điện đều tác động đến sự
hoạt động của thiết bị điện. Bất kỳ một sai lệch nào so với biên độ, tần số của dạng
sóng điện áp hình sin lý tưởng đều xem như là các vấn đề chất lượng điện năng.
Còn Kabelo Klifford Modipance cho rằng: Chất lượng điện năng là bất kỳ
phản ứng nào không bình thường trên hệ thống điện xảy ra đối với dạng sóng của
dòng điện hay /và điện áp, tác động có hại đối với sự hoạt động bình thường của
thiết bị điện tử hay điện.
Các cơ quan tiêu chuẩn hoá quốc tế như IEEE (Institue of Electric and
Electronic Engineers) và IEC (International Electronical Commision) cũng đã định
nghĩa và phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện năng.
Theo IEEE thì: Chất lượng điện năng là một khái niệm của việc nối nguồn và
nối đất cho các thiết bị nhạy cảm mà theo cách đó phù hợp cho việc hoạt động của
thiết bị. Vào năm 2000 IEC đã đưa ra bản dự thảo và đề nghị định nghĩa về chất
lượng điện năng theo cách sau: Chất lượng điện năng là tính chất điện tại một điểm
cho trước trên một hệ thống điện được đánh giá so sánh với một bộ các thông số kỹ
thuật tham khảo (với một chú ý đi kèm: trong một vài trường hợp các thông số này
có liên quan đến độ tương thích giữa năng lượng cung cấp trên mạng và các tải
được kết nối với mạng đó).

1.2. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG
LƯỚI PHÂN PHỐI:
1.2.1. Điện áp nút phụ tải:
1.2.1.1.

Tiêu chuẩn điện áp:

Duy trì điện áp định mức là một trong những yêu cầu cơ bản để đảm bảo chất
lượng điện năng của hệ thống điện. Chất lượng điện năng được đặc trưng bằng các
giá trị quy định của điện áp và tần số trong hệ thống điện. Chất lượng điện năng ảnh

2


hưởng nhiều đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của các thiết bị dùng điện. Các thiết bị
dùng điện chỉ có thể làm việc hiệu quả tốt trong trường hợp điện năng có chất lượng
cao. Tần số của dòng điện được điều khiển trong phạm vi toàn hệ thống. Các chỉ
tiêu chính của chất lượng điện áp là độ lệch điện áp, dao động điện áp, sự không đối
xứng, độ không hình sin của đường cong điện áp và độ không cân bằng.
a.

Độ lệch điện áp ΔU:
Độ lệch điện áp tại một điểm trong hệ thống cung cấp điện là độ chênh lệch

giữa điện áp thực tế Ut và điện áp định mức Uđm với điều kiện là tốc độ biến thiên
của điện áp nhỏ hơn 1%Uđm /s, được tính như sau:
ΔU =

U t  U dm

.100%
U dm

(1.1)

Độ lệch cho phép ΔUcp%:
- Trên cực của các thiết bị chiếu sáng từ -2,5 ÷ 5%
- Trên các cực của động cơ, các thiết bị mở máy từ -5 ÷ 10%
- Trên các thiết bị còn lại từ -5 ÷ 5%
- Trong các trạng thái sự cố, cho phép tăng giới hạn trên thêm 2.5% và giảm
giới hạn dưới thêm 5%.
b.

Dao động điện áp dU:
Dao động điện áp là sự biến thiên của điện áp xảy ra trong khoảng thời gian

tương đối ngắn. Phụ tải chịu ảnh hưởng của dao động điện áp không những về biên
độ dao động mà cả về tần số xuất hiện các dao động đó.
Nguyên nhân chủ yếu là do mở máy các động cơ lớn, ngắn mạch trong hệ
thống điện, các phụ tải lớn làm việc đòi hỏi sự đột biến về tiêu thụ công suất tác
dụng và phản kháng, các lò điện hồ quang, các máy hàn, các máy cán thép cỡ lớn
thường gây ra dao động điện áp.
dU=

U max  U min
.100%
U dm

(1.2)

Trong đó: Umax điện áp hiệu dụng lớn nhất; Umin điện áp hiệu dụng bé nhất;
Uđm điện áp danh định.

3


Tiêu chuẩn quy định:
- Tần suất xuất hiện 2-3 lần/giờ thì dU = 3 ÷ 5%Uđm
- Tần suất xuất hiện 2-3 lần/phút thì dU = 1÷ 1,5%Uđm
- Tần suất xuất hiện 2-3 lần/giây thì dU = 0,5% Uđm
c.

Độ không đối xứng K2:

Xuất hiện khi có điện áp thứ tự nghịch
Khi điện áp thứ tự nghịch lớn thì độ không đối xứng cao
Độ không đối xứng K2:
.
.

U2
.100% =
3U dm

K2 =

.

U A  a U B  aU C
2

.100%

(1.3)

3Udm

Với U2 điện áp thứ tự nghịch ở tần số cơ bản
a=
K2 ≤ 1% thì xem là đối xứng.
d.

Độ không hình sin Kks:
Kks =

U 
U1

Với Uγ∑ =

(1.4)

.100%


U s


2

2

Kks ≤ 5% thì xem là hình sin.
1.2.1.2.

Ảnh hưởng điện áp đến sự làm việc của phụ tải:

Hệ thống điện cần phải bảo đảm cung cấp cho các hộ tiêu thụ điện năng có
chất lượng. Nếu chất lượng điện năng không đảm bảo, vượt ra ngoài giới hạn quy
định thì thiết bị điện có thể sẽ bị sự cố hư hỏng, giảm tuổi thọ, hoặc làm việc kém
hiệu quả và không kinh tế. Sau đây ta xét ảnh hưởng của điện áp đến sự làm việc
của các phụ tải thông dụng trong thực tế như sau:
a.

Đối với động cơ:
Momen của động cơ không đồng bộ tỷ lệ thuận với bình phương điện áp U đặt

vào động cơ.
4


Đối với động cơ đồng bộ khi điện áp thay đổi làm cho moment quay thay đổi,
khả năng phát công suất phản kháng của máy phát và máy bù đồng bộ giảm đi khi
điện áp giảm quá 5% so với định mức, vì các máy phát và máy đồng bộ được thiết
kế để giữ nguyên khả năng phát công suất phản kháng khi điện áp biến đổi ít.
Hình (1.1) biểu diễn sự biến đổi đặc tính momen của động cơ điện không đồng
bộ khi điện áp thay đổi.

M
U>Unm

U=Uđm
U
0
Sth

1

S

Hình 1.1: Sự biến đổi đặc tính momen của động cơ điện không đồng bộ
b.

Đối với thiết bị chiếu sáng:
Các thiết bị chiếu sáng rất nhạy cảm với điện áp, khi điện áp tăng 2,5% thì

quang thông của đèn dây tóc giảm 9%, đối với đèn huỳnh quang khi điện áp tăng
10% thì tuổi thọ của nó giảm (20÷25)%, với các đèn có khí khi điện áp giảm xuống
quá 20% định mức thì nó sẽ tắt và nếu duy trì độ tăng điện áp kéo dài thì có thể
cháy bóng đèn. Đối với đèn hình khi điện áp nhỏ hơn 95% điện áp định mức thì
chất lượng hình ảnh bị méo mó. Các đài phát hoặc thu vô tuyến, các thiết bị liên lạc
bưu điện, các thiết bị tự động hóa rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp. Chính
vì thế độ lệch điện áp cho phép đối với các thiết bị chiếu sáng và điện tử được quy
định nhỏ hơn so với các thiết bị điện khác.

5


T, Φ, %

Φ
T

100

U%
90

95

100

105

110

Hình 1.2: Đặc tính của đèn sợi đốt
T: Thời gian phục hồi đèn.
Φ[%]: Quang thông của đèn.
c.

Các dụng cụ đốt nóng, các bếp điện trở:

Công suất tiêu thụ đối với các thiết bị một pha là:
2

P =I R =

Up

2

(1.5)

P

Còn đối với hệ thống tiêu thụ 3 pha:
2

P = 3I R =3

Up

2

(1.6)

P

Trong đó:
Up: điện áp pha
R: là điện trở
Như vậy công suất tiêu thụ trong các phụ tải loại này sẽ tỷ lệ với bình phương
điện áp đặt vào. Khi điện áp giảm, hiệu quả của các phần tử đốt nóng sẽ giảm xuống
rõ rệt. Đối với lò điện sự biến đổi điện áp ảnh hưởng nhiều đến đặc tính kinh tế kỹ
thuật của các lò điện. Khi điện áp ở lò luyện kim giảm từ 10÷15% thành phẩm có
thể giảm từ 15÷20% do hư hỏng và do bị kéo dài thời gian.
d.

Đối với nút phụ tải tổng hợp:

6


Khi thay đổi điện áp ở nút phụ tải tổng hợp bao gồm các phụ tải thành phần thì
công suất tác dụng và phản kháng do nó sử dụng cũng biến đổi theo đường đặc tính
tĩnh của phụ tải (Hình 1.3). Từ (Hình 1.3) ta thấy công suất tác dụng ít chịu ảnh
hưởng của điện áp so với công suất phản kháng. Khi điện áp giảm thì công suất tác
dụng và công suất phản kháng đều giảm, đến một giá trị điện áp giới hạn Ugh nào đó
nếu điện áp tiếp tục giảm, công suất phản kháng tiêu thụ tăng lên, hậu quả là điện áp
lại càng giảm và phụ tải ngừng làm việc, hiện tượng này gọi là hiện tượng thác điện
áp, có thể xảy ra với một nút phụ tải hoặc toàn hệ thống điện khi điện áp giảm
xuống 70÷80% so với điện áp định mức ở nút phụ tải. Đây là một sự cố vô cùng
nguy hiểm cần phải tiên đoán để tìm biện pháp ngăn chặn kịp thời.

P, Q
Q
P

0
Ugh

Uđm

U

Hình 1.3: Sự ảnh hưởng của điện áp đối với công suất
e.

Đối với hệ thống điện:

Sự biến đổi điện áp ảnh hưởng đến các đặc tính kỹ thuật của bản thân hệ thống

điện. Điện áp giảm sẽ làm giảm công suất phản kháng do máy phát điện các thiết bị
bù sinh ra. Đối với máy biến áp, khi điện áp tăng, làm tăng tổn thất không tải, tăng
độ cảm ứng từ trong lõi thép và có thể dẫn đến nguy hiểm do máy phát nóng cục bộ,
khi điện áp tăng quá cao sẽ chọc thủng cách điện. Đối với đường dây, điện áp tăng
cao làm tăng công suất vầng quang ở các đường dây siêu cao áp.
1.2.2. Tần số

7


Tần số là một trong những tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng điện năng. Tốc
độ quay và năng suất làm việc của các động cơ đồng bộ và không đồng bộ phụ
thuộc vào tần số của dòng xoay chiều. Khi tần số giảm thì năng suất của chúng cũng
bị giảm thấp. Tần số tăng cao dẫn đến sự tiêu hao năng lượng quá mức. Do vậy và
do một số nguyên nhân khác, tần số luôn được giữ ở định mức.
1.2.2.1.

Độ lệch tần số

Độ lệch tần số so với tần số định mức:
Δf =

f  f dm
.100%
f dm

(1.7)

Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép
Δfmin ≤ Δf ≤ Δfmax

(1.8)

Cũng có nghĩa tần số phải luôn nằm trong giới hạn cho phép
fmin ≤ f ≤ fmax
Trong đó:

(1.9)

fmin = fđm - Δfmin
fmax = fđm + Δfmax

1.2.2.2.

Độ dao động tần số

Độ dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của
tần số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0,1%. Độ dao động tần số
không được lớn hơn giá trị cho phép.
Đối với hệ thống điện Việt nam, trị số định mức của tần số được quy định là
50Hz. Độ lệch cho phép khỏi trị số định mức là ± 0,1Hz.
1.2.3. Tổn thất công suất và điện năng trên lưới điện
Khi truyền tải điện năng từ nguồn đến hộ tiêu thụ do mỗi phần tử của mạng
điện đều có tổng trở nên đều gây ra tổn thất công suất và điện áp. Bất kỳ một phần
tử nào nối vào hệ thống đều gây ra tổn thất công suất, ngoài ra cách lắp đặt không
đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cũng sẽ gây ra tổn thất công suất như các mối nối hoặc do
sự già hóa vật liệu thiết bị. Tổn thất công suất do nhiều yếu tố và nguyên nhân gây
ra nhưng đường dây và MBA là hai phần tử trong hệ thống gây tổn thất công suất

lớn nhất. Trong lưới phân phối tổng chiều dài đường dây và số lượng MBA rất lớn,
8


hơn nữa lưới phân phối có cấp điện áp thấp nên tổn thất công suất trên lưới phân
phối là con số không nhỏ. Tổn thất công suất bao gồm tổn thất công suất tác dụng
(chủ yếu trên đường dây) và tổn thất công suất phản kháng (chủ yếu trong MBA).
Tổn thất công suất gây tình trạng thiếu hụt điện năng tại nơi tiêu thụ, hiệu suất
truyền tải thấp, làm tăng giá thành sản xuất cũng như truyền tải điện và đưa đến
hiệu quả kinh tế kém. Vì vậy phân tích tổn thất công suất trên lưới phân phối có ý
nghĩa kinh tế kỹ thuật rất lớn.
1.2.3.1.
a.

Tổn thất công suất trên đường dây:

Đường dây có phụ tải tập trung:
Khi có dòng điện 3 pha chạy qua đường dây có tổng trở Z = R +jX như (Hình

1.4) sẽ gây ra tổn thất công suất như sau:
ΔP = 3.I2.R =

S2
P2  Q2
.
R

.R
U 22
U 22

(1.10)

S2
P2  Q2
=
.
X
.X
U 22
U 22

(1.11)

ΔQ = 3.I2.X =
Trong đó:

P: là công suất tác dụng của 3 pha.
Q: là công suất phản kháng của 3 pha.
R: là điện trở 1 pha.
X: là điện kháng 1 pha.
ΔP: là tổn thất công suất tác dụng của 3 pha.
ΔQ: là tổn thất công suất phản kháng của 3 pha.
U2: điện áp dây.
ΔP, P[MW]; ΔQ, Q[MVAr]; U2[kV]; R, X[Ω].
U1

R +jX

U2

P +jQ
Hình 1.4: Sơ đồ thay thế dòng điện 3 pha chạy qua đường dây

9


Đường dây có phụ tải phân bố đều:

b.

Đó là trường hợp các hệ thống điện phân phối trong thành phố, đường dây
chiếu sang công cộng dường phố, đường dây cung cấp điện cho các xí nghiệp trong
khu chế xuất…
Gần đúng ta có thể coi dòng điện biến thiên theo đường thẳng dọc theo đường
dây dẫn như (Hình 1.5).
B dl

A

C

I
I

I
Ib

L

I

0

l

L

L

Hình 1.5: Đồ thị biến thiên của dòngLđiện dọc theo đường dây có phụ tải phân bố
đều
I: Dòng tổng của phụ tải phân bố đều.
Lấy một vi phân dI tại B ta có dòng Ib =

I.l
L

Tổn thất ΔP trong một vi phân dl là: dΔP =3. I b2 .dr
Điện trở trên một đơn vị chiều dài dây dẫn r0 (Ω/km)  dr = r0.dl
2

 I .l 
Vậy: dΔP =3   .r0 dl
 L

(1.12)

Toàn bộ tổn thất công suất dọc đường dây AC là:
2

3.r0 .I 2 L 2
 I .l 
P   3.  .r0 .dl 
l ..dl  r0 .I 2 .L  R.I 2
2

L
L 0
0 
L

10

(1.13)


So sánh (1.10) và (1.13) ta thấy tổn thất công suất trên đường dây có phụ tải phân
bố đều bé hơn 3 lần tổn thất trên đường dây có cùng phụ tải nhưng phân bố tập
trung ở cuối đường dây: ΔPtập trung =3.ΔPphân bố đều
1

1

2

2

.

a)

I
3

ZL

1
ZL
3

b)

.

I

Hình 1.6: Sơ đồ thay thế dòng điện dọc theo đường dây có phụ tải phân bố đều
Từ đó có thể dùng sơ đồ thay thế tương đương như (Hình 1.6a) hoặc như
(Hình 1.6b) để tính tổn thất.
c.

Tổn thất công suất khi tải không đối xứng:
Khi tải không đối xứng sẽ dẫn đến dòng điện và điện áp cũng không đối xứng

cả về biên độ và góc pha. Sau đây chỉ xét biên độ. Để thuận tiện trong việc tính
toán, người ta sẽ phân tích các đại lượng không đối xứng thành các thành phần đối
.

.

.

.

xứng. Đó là các thành phần thứ tự thuận ( U 1 , I 1 ), thành phần thứ tự nghịch ( U 2 , I 2 )
.

.

và thành phần thứ tự không ( U 0 , I 0 ).
.

.

.

.

.

.

Ta có U A , U B , U C , I A , I B , I C là điện áp và dòng điện của 3 pha A, B, C.
Ta có mối quan hệ sau:
.
.
.
1 .
U1  (U A  a U B  a 2 U C )

3
.
.
.
1 .
U 2  (U A  a 2 U B  a U C )
3
.
.
.
1 .
U 0  (U A  U B  U C )
3
.
.
.
1 .
I1  ( I A  a I B  a 2 I C )
3
.

I2 

.
.
1 .
(I A  a2 I B  a IC )
3

11

.

I0 

Với

.
.
1 .
(I A  I B  I C )
3

a  e j120 : Toán tử quay pha.
0

Trong thực tế người ta không dùng trị số dòng điện để tính tổn thất công suất
mà dùng trị số của công suất để tính toán. Giả sử công suất của nguồn phát là đối
.

.

.

xứng S A ,S B , S C từ đó công suất của các thành phần thứ tự thuận,thứ tự nghịch và thứ
tự không được phân tích như sau:
.
.


.
.
1 .
S1  U A . I 1  ( S A  S B  SC )
3

(1.14)

.
.

.
.
1 .
S 2  U A . I 2  ( S A  a 2 . S B  a.SC )
3

(1.15)

.
.
.

.
1 .
S0  U A . I 0  ( S A  a.S B  a 2 .SC )
3

(1.16)

Để tính toán chế độ phụ tải không đối xứng, cũng như xác định tổn thất công
suất, phải lập sơ đồ thay thế của lưới điện ứng với từng thành phần thứ tự. Từ
những sơ đồ cụ thể đó ta có thể xác định được tổn thất công suất cho đường dây
giống như ở chế độ phụ tải đối xứng.
Việc xác định tổn thất công suất trên lưới có tải không đối xứng theo phương
pháp xếp chồng ứng với từng thành phần thứ tự dựa trên các giả thiết sau đây.
-

Hệ thống điện áp của nguồn cung cấp phải đối xứng và không phụ thuộc vào
phụ tải đang xét.

-

Trị số không đối xứng thường bé nên dòng phụ tải có thể xác định theo điện
áp định mức.

-

Tất cả các phần tử của hệ thống được xem là tuyến tính.

-

Mức độ không đối xứng của các thong số chủ yếu được xác định theo mức
không đối xứng. Do vậy giả thiết rằng tất cả các phần tử còn lại của lưới điện
(ngoài phụ tải không đối xứng đang xét) có các thống số pha giống nhau.

12


-

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận dạng thông thường được dùng trong tính toán chế
độ đối xứng. Các giá trị của các phần tử trong chế độ thứ tự thuận đều tương
ứng với trị số của chúng trong chế độ đối xứng. Vì vậy tổn thất công suất
được xác định như trong chế độ đối xứng.

-

Trong sơ đồ thay thế thứ tự nghịch tất cả các phụ tải đều được thay thế bởi
các nhánh tổng trở cho trước. Đối với các phần tử của lưới điện có hỗ cảm
giữa các pha và không phụ thuộc vào thứ tự pha thì điện kháng thứ tự thuận
và thứ tự nghịch giống nhau như đường dây trên không, cáp, kháng điện, tụ
điện, MBA …Trong động cơ và máy phát dòng thứ tự nghịch tạo nên từ
trường quay của stator ngược chiều với roto, do vậy điện kháng thứ tự
nghịch (X2) được tính khác với điện kháng thứ tự thuận (X1). Đồng thời điện
dung của đường dây trên không và cáp có thể bỏ qua trong sơ đồ thay thế.

-

Sơ đồ thay thế thứ tự không được thành lập tương tự. Đối với lưới điện phân
phối không nối đất trung tính trị số dòng thứ tự không rất bé, do vậy tổn thất
này thường được bỏ qua.

1.2.3.2.

Tổn thất công suất trong máy biến áp (MBA):

Tổn thất công suất trên mỗi MBA chiếm vài phần trăm so với công suất danh
định của nó. Trong hệ thống điện nói chung và lưới phân phối nói riêng số lượng
MBA áp rất lớn vì vậy tổn thất trên MBA áp là con số đáng kể. Vậy ngoài vấn đề

tổn thất công suất trên đường dây cần phải tính đến tổn thất công suất trong MBA.
Tổn thất công suất trong MBA bao gồm tổn thất công suất không tải (tổn thất
trong lõi thép hay tổn thất sắt) và tổn thất khi có tải (tổn thất trong dây quấn hay tổn
thất đồng).
Tổn thất công suất phản kháng ở MBA công suất nhỏ khoảng 10%Sđm, MBA
lớn là 3%Sđm, còn các MBA siêu cao áp có thể từ 8÷10% (tương ứng với điện
kháng ngắn mạch lớn để hạn chế dòng ngắn mạch).
a.

MBA hai cuộn dây:
Thành phần tổn thất trong lõi thép không thay đổi khi phụ tải thay đổi và bằng

tổn thất không tải.

13


ΔSo = ΔPo+jΔQo=ΔPo +j

I o % S đm
100

(1.17)

Io%: Dòng không tải so với dòng định mức.
Đối với MBA hai cuộn dây, tổn thất công suất tác dụng trong các cuộn dây khi
tải định mức bằng tổn thất ngắn mạch:
ΔPcdđm =ΔPn
Tổn thất công suất phản kháng trong các cuộn dây, do RMBA << XMBA có thể
xác định như sau:

ΔQcdđm =

U nm %.S đm
= ΔQnm
100

(1.18)

Unm%: Điện áp ngắn mạch phần trăm so với điện áp định mức.
.

Vì MBA làm việc với phụ tải S pt khác với dung lượng định mức nên khi xác
định tổn thất trong MBA cần chú ý xét đến hệ số tải.
Kt =

S pt
S đm



I pt

(1.19)

I đm

Khi đó tổn thất trong cuộn dây sẽ là:
ΔScd = Kt2ΔPnm +jKt2

U nm %S đm

100

(1.20)

Do vậy tổn thất trong MBA khi phụ tải bất kỳ (Spt) sẽ được xác định theo công
thức sau:
ΔSMBA = (ΔPo +Kt2ΔPnm) +j(Io% +Kt2Unm%)
S 
ΔPMBA = ΔPo +ΔPnm  pt 
 S đm 

2

S 
ΔQMBA = ΔQo + ΔQnm  pt 
 S đm 

Kt =
b.

S pt
S đm

=

S đm
= ΔPMBA + jΔQMBA
100

I pt

I đm

MBA ba cuộn dây và MBA tự ngẫu:

14

2

(1.22)

(1.21)


Trước hết tính tổn thất công suất trong cuộn dây 2 và 3 theo phụ tải tương ứng
trung và hạ áp (Hình 1.7).
P32  Q32 '
P32  Q32
.R
+
j
.X 3'
3
'
'
U3
U3

(1.23)

P22  Q22

P22  Q22
'
Δ S2 =
.R 2 + j
.X '2
'
'
U2
U2

(1.24)

.

Δ S3 =
.

Ở đây U’2, U’3, X’2 , X’3 ,R’2, R’3 là các điện áp, điện kháng và điện trở tương
ứng đã quy đổi về điện áp cao.
.

.

.

.

.

.

.

'
''
''
Công suất: S  S  S3  S2  S3   S2   S3  P1  jQ1
''
1

'
2

Tổn thất công suất trong cuộn 1:
.

 S1 =

P   Q  .R  j P   Q  .X
'' 2
1

U12

'' 2
1

'' 2
1

1

'' 2
1

U12

1

(1.25)

Tổn thất công suất trong MBA 3 cuộn dây và MBA tự ngẫu cũng có thể tính
trực tiếp theo các đại lượng định mức và hệ số tải.
ΔSMB=(ΔP0+K2t1ΔPnm1+K2t2ΔPnm2+K2t3ΔPnm3)+j(ΔQ0+K2t1+
U nm1 %.Sđm1
U %.Sđm2
U %.Sđm3
 Kt22 nm2
 Kt23 nm3
)
100
100
100

(1.26)
2

S’2
∆S’1

Z1

S2

Z’1

∆S’’1

1

∆S0

S’3
Z’2
3
Hình 1.7: Sơ đồ thay thế máy biến áp 3 cuộn dây
15

S3


1.2.3.3.

Tổn thất điện năng trong lưới điện:

Trên cơ sở tính tổn thất công suất trên đường dây và MBA, ta tính được tổn
thất điện năng của chúng trong thời gian sử dụng điện năng t.
Trị số tổn thất điện năng trên các phần tử của lưới điện phụ thuộc chủ yếu vào
đặc tính phụ tải. Nếu phụ tải không thay đổi thì trên phần tử có tổn thất công suất
ΔP sẽ gây ra tổn thất điện năng trong thời gian t là:

ΔA =ΔP.t

(1.27)

Song trong thực tế phụ tải luôn thay dổi theo thời gian, vì vậy phải dùng
phương pháp tích phân để tính tổn thất điện năng.
t

ΔA =  P.dt

(1.28)

0

Tuy nhiên ΔP là một hàm số phức tạp của thời gian t rất khó tích phân, người
ta thường dùng hai phương pháp sau:
Phương pháp dòng điện đẳng trị.
Xác định tổn thất điện năng trong một năm theo công thức sau:
8760



A  3R

I 2 t .dt  R

0


0


0

8760

A  R

8760

S 2 t 
.dt
U 2 t 

(1.29)

 P 2 t  Q 2 t  
U 2 t   U 2 t dt



(1.30)

P(t) và Q(t) khó biểu diễn được dưới dạng giải tích, khi đó có thể xác định
điện năng gần đúng bằng cách bậc thang hóa đường cong P(t) và Q(t) và lấy trị số
bằng điện áp định mức.
A 

R
U2

n

 Si2 .ti 
i 1





R n
P 2  Qi2 .ti
2  i
U đm i1

(1.31)

Phương pháp này trong nhiều trường hợp không làm được vì ta không biết
trước đồ thị P(t) và Q(t).

16