Phân tích tổn thất điện năng trên đường dây tải điện 500KV

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

PHÂN TÍCH TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY
TẢI ĐIỆN 500KV

Chuyên ngành : Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS TRẦN BÁCH

Hà Nội – 2012


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu là của riêng tơi.
Các số liệu, kết quả tính tốn là chính xác, trung thực. Cơng trình này chưa từng
được cơng bố trên các tạp chí khoa học nào.
Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần phụ
lục.

Nguyễn Văn Bính

Trang 1/111


LỜI CẢM ƠN

Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trường Đại học
bách khoa Hà Nội đã truyền đạt những kiến thức quý báu để em có thể hồn thành luận
văn này.
Đặc biệt, em xin cảm ơn thầy giáo PGS.TS Trần Bách đã tận tình hướng dẫn,
động viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin được gửi lời biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này.
Vì thời gian có hạn và vấn đề nghiên cứu khá mới nên bản luận văn không thể
tránh khỏi những thiết sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của q thầy
cơ, đồng nghiệp và bạn bè quan tâm!
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 3 – 2012

Trang 2/111


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. 2
MỤC LỤC ................................................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................................... 9
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 11
CHƯƠNG I. ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP VÀ HỆ THỐNG TẢI ĐIỆN ................. 13
1.1. Khái niệm chung về lưới điện siêu cao áp, đường dây tải điện dài và hệ
thống tải điện. ......................................................................................................... 13
1.2. Các phương trình cơ bản của đường dây tải điện dài............................... 17
1.2.1. Mục đích .......................................................................................... 17
1.2.2. Hệ phương trình vi phân cơ bản của đường dây ................................ 18

1.3. Điện áp và dòng điện hình sin đường dây dài ......................................... 20
1.4. Tính tốn các thơng số đặc trưng của đường dây dài................................ 20
1.4.1. Tính

và ..................................................................................... 20

1.4.2. Bước sóng và tốc độ truyền sóng: ..................................................... 21
1.4.3. Tính

,



............................................................................. 22

1.5. Cơng suất tự nhiên................................................................................... 23
1.5.1. Phân bố điện áp trên đường dây bằng phẳng nhất ............................. 24
1.5.2. Hiệu suất tải điện cao nhất ................................................................ 25
1.6. Công thức chung tính chế độ đường dây dài thuần nhất ........................... 26
1.7. Phân bố điện áp và dòng điện trên đường dây .......................................... 27
1.7.1. Đường dây không tổn thất ................................................................ 27
Trang 3/111


1.7.2. Đường dây có điện trở khác khơng ................................................... 32
1.8. Góc và cơng suất giới hạn trên đường dây. .............................................. 34
1.8.1. Góc ................................................................................................ 34
1.8.2. Cơng suất giới hạn của đường dây dài .............................................. 35
1.9. Công suất phản kháng trên đường dây ..................................................... 37
1.9.1. Công suất phản kháng Q2 .................................................................. 37

1.9.2. Công suất phản kháng Q1 .................................................................. 37
1.10. Lưới truyền tải Việt Nam và khu vực ASEAN ....................................... 40
1.10.1. Lưới điện truyền tải Việt Nam ........................................................ 40
1.10.2. Liên kết lưới điện với các nước trong khu vực ................................ 45
CHƯƠNG II. TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG – HIỆU
SUẤT TẢI ĐIỆN CỦA ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP ............................................. 46
2.1. Tính tổn thất cơng suất ............................................................................ 46
2.1.1. Tổn thất cơng suất trên đường dây dài .............................................. 46
2.1.2. Tổn thất công suất trong máy biến áp ............................................... 48
2.1.3. Tổn thất cung suất trong tụ bù........................................................... 50
2.1.4. Tổn thất công suất trong kháng bù ngang .......................................... 51
2.1.5. Tổn thất công suất và tổn thất điện năng do vầng quang ................... 51
2.2. Tổn thất điện năng ................................................................................... 56
2.2.1. Tính tổn thất điện năng trên đường dây



............................... 56

2.2.2. Tổn thất điện năng trong máy biến áp ............................................... 59
2.2.3. Tổn thất điện năng trong các thiết bị bù ............................................ 62

Trang 4/111


2.3. Hiệu suất tải điện. .................................................................................... 62
CHƯƠNG III. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRÊN ĐƯỜNG
DÂY SIÊU CAO ÁP 500kV ...................................................................................... 66
3.1. Cơ sở lý luận ........................................................................................... 66
3.2. Tính toán chế độ của hệ thống tải điện..................................................... 66

3.2.1. Lý thuyết mạng 4 cực ....................................................................... 67
3.2.2. Thông số , , ,

của đường dây thuần nhất .................................. 68

3.2.3. Thông số , , ,

của các thiết bị bù: ............................................ 71

3.2.4. Thông số , , ,

của các máy biến áp .......................................... 72

3.2.5. Thông số , , ,

của hệ thống tải điện ......................................... 73

3.2.6. Tính tốn chế độ của đường dây tải điện theo mạng 4 cực ................ 74
3.3. Thuật tốn chương trình .......................................................................... 77
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI
ĐIỆN 500kV .............................................................................................................. 82
4.1. Thông số đường dây và phụ tải cấp điện cho một trung tâm phụ tải ......... 82
4.1.1. Đường dây ........................................................................................ 82
4.1.2. Đồ thị phụ tải .................................................................................... 83
4.1.3. Nhiệm vụ tính tốn ........................................................................... 84
4.2. Tính tốn xác định thông số của tụ và kháng ........................................... 84
4.2.1. Tính các thơng số của đường dây ...................................................... 84
4.2.2. Tính kiểm tra chế độ vận hành max và min của đường dây. .............. 85
4.1.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của điện áp và cosφ của phụ tải đến tổn thất
điện năng ............................................................................................................ 90

Trang 5/111


4.1.4. Tổn thất điện năng theo đồ thị phụ tải ngày đêm ............................... 96
4.1.5. Tính tổn thất điện năng do vầng quang trên đường dây ..................... 98
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 108
Phụ Lục .................................................................................................................... 109

Trang 6/111


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1. Thông số kỹ thuật các cấp điện áp ................................................................. 17
Bảng 2. Phân bố nguồn điện giai đoạn 2020 - 2030 .................................................... 41
Bảng 3. Khối lượng điện truyền tải dự kiến xây dựng giai đoạn 2011 - 2030 .............. 42
Bảng 4. Các đường dây 500kV xây dựng giai đoạn 2021 - 2030................................. 45
Bảng 5. Bảng tính toán các giá trị tại P=400MW; cosφ=0.95; Q=131.47 .................... 90
Bảng 6. Bảng tính tốn các giá trị tại P=400MW; cosφ=0.96; Q=116.67 .................... 90
Bảng 7. Bảng tính tốn các giá trị tại P=400MW; cosφ=0.97; Q=130.637 .................. 91
Bảng 8. Bảng tính tốn các giá trị tại P=400MW; cosφ=0.98; Q=81.223 .................... 91
Bảng 9. Bảng tính tốn các giá trị tại P=400MW; cosφ=0.99; Q=56.997 .................... 91
Bảng 10. Bảng tính tốn các giá trị tại P=400MW; cosφ=1; Q=0 khi có kháng bù ngang
120MVAr ................................................................................................................... 92
Bảng 11. Bảng tính tốn các giá trị tại P=950MW; cosφ=0,95; Q=312.25, tụ bù dọc
50Ω ............................................................................................................................ 93
Bảng 12. Bảng tính tốn các giá trị tại P=950MW; cosφ=0,96; Q=277.08, tụ bù dọc
50Ω ............................................................................................................................ 93
Bảng 13. Bảng tính tốn các giá trị tại P=950MW; cosφ=0,97; Q=238.09, tụ bù dọc

50Ω ............................................................................................................................ 94
Bảng 14. Bảng tính tốn các giá trị tại P=950MW; cosφ=0,98; Q=192.91, tụ bù dọc
50Ω ............................................................................................................................ 94
Bảng 15. Bảng tính tốn các giá trị tại P=950MW; cosφ=0,99; Q=135.37, tụ bù dọc
50Ω ............................................................................................................................ 95
Bảng 16. Bảng tính tốn các giá trị tại P=950MW; cosφ=1; Q=0, tụ bù dọc 50Ω ....... 95
Trang 7/111


Bảng 17. Phụ tải điện trong 24 giờ.............................................................................. 96
Bảng 18. Tổn thất điện năng theo đồ thị phụ tải .......................................................... 97
Bảng 19. Điện áp các nút với các tải khác nhau .......................................................... 99
Bảng 20. Tổn thất vầng quang theo từng đoạn trên đường dây khi tải là 400MW ..... 101
Bảng 21. Tổn thất vầng quang theo từng đoạn trên đường dây khi tải là 550MW ..... 102
Bảng 22. Tổn thất vầng quang theo từng đoạn trên đường dây khi tải là 600MW ..... 102
Bảng 23. Tổn thất vầng quang theo từng đoạn trên đường dây khi tải là 650MW ..... 102
Bảng 24. Tổn thất vầng quang theo từng đoạn trên đường dây khi tải là 700MW ..... 103
Bảng 25. Tổn thất vầng quang theo từng đoạn trên đường dây khi tải là 750MW ..... 103
Bảng 26. Tổn thất vầng quang theo từng đoạn trên đường dây khi tải là 800MW ..... 104
Bảng 27. Tổn thất vầng quang theo từng đoạn trên đường dây khi tải là 850MW ..... 104
Bảng 28. Tổn thất vầng quang theo từng đoạn trên đường dây khi tải là 900MW ..... 104
Bảng 29. Tổn thất vầng quang theo từng đoạn trên đường dây khi tải là 950MW ..... 105
Bảng 30. Tổng tổn thất vầng quang phụ tải một ngày đêm điều kiện thời tiết tốt. ..... 105
Bảng 31. Tổng tổn thất vầng quang phụ tải một ngày đêm điều kiện thời tiết mưa.... 106

Trang 8/111


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Sơ đồ thay thế đường dây. ........................................................................... 19
Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống điện và đồ thị vecto điện áp ................................................. 30
Hình 1.3 Tỷ lệ giữa điện áp và chiều dài đường dây. .................................................. 31
Hình 1.4 Tỷ số giữa cơng suất phản kháng và cơng suất tác dụng ............................... 34
Hình 1.5 Góc lệch ở hai đầu điện áp đường dây dài .................................................... 35
Hình 1.6. Cơng suất giới hạn của đường dây dài ......................................................... 36
Hình 1.7 Định hướng cơ cấu nguồn điện năm 2020 .................................................... 42
Hình 1.8 Định hướng cơ cấu nguồn điện năm 2030 .................................................... 42
Hình 1.9a Hạng mục xây dựng các trạm giai đoạn 2011-2030 .................................... 43
Hình 1.9b Hạng mục xây dựng các đường dây giai đoạn 2011-2030........................... 43
Hình 2.1. Hàm tổn thất công sất do vầng quang phụ thộc vào thời tiết ........................ 52
Hình 2.2. Ảnh hưởng của chiều cao đến tổn thất vầng quang ...................................... 53
Hình 2.3. Ảnh hưởng của điện áp đến tổn thất vầng quang. ........................................ 55
Hình 2.4. Phân bố dịng điện trên đường dây .............................................................. 57
Hình 3.1 Biểu diễn mạng điện 4 cực hệ thống điện ..................................................... 67
Hình 3.2 Các thơng số sơ đồ hình ............................................................................ 70
Hình 3.3 Bù ngang bằng tụ và kháng điện .................................................................. 72
Hình 3.4 Sơ đồ thay thế máy biến áp hai dây quấn...................................................... 73
Hình 3.6 Ghép nối mạng 4 cực ................................................................................... 73
Hình 3.7 Mạng 4 cực chung của hệ thống ................................................................... 74
Hình 3.8 Phân bố điện áp trên phụ tải rẽ nhánh........................................................... 75
Trang 9/111


Hình 3.9 Sơ đồ hệ thống có phụ tải rẽ nhánh .............................................................. 77
Hình 3.10 Phân bố điện áp và dịng điện trên đường dây dài ....................................... 78
Hình 4.1. Sơ đồ đường dây. ........................................................................................ 83
Hình 4.2. Đồ thị phụ tải ngày đêm. ............................................................................. 83
Hình 4.3. Đồ thị điện áp các nút trong chế độ MAX và MIN ...................................... 89
Hình 4.4. Đồ thị quan hệ giữa điện áp nguồn, cosφ với tổn thất điện năng khi

P=400Mvar ................................................................................................................ 92
Hình 4.5. Đồ thị quan hệ giữa điện áp nguồn, cosφ với tổn thất điện năng khi
P=950Mvar. ............................................................................................................... 95
Hình 4.6. Đồ thị tổn thất điện năng theo phụ tải ngày đêm.......................................... 98

Trang 10/111


MỞ ĐẦU
Việt Nam có điều kiện địa lý là nằm trải dài dọc theo biển đơng, với diện tích
379.000 km2, mà chiều dài từ Bắc vào Nam tới trên 2000km. Các khu vực kinh tế trọng
điểm và dân cư tập trung tại hai đầu đất nước: khu vực kinh tế đồng bằng Bắc Bộ và
đồng bằng Nam Bộ. Hai khu vực kinh tế cũng là hai khu vực phụ tải cơ bản của hệ
thống điện Việt Nam. Nằm cách xa nhau tớn hơn 1700km, là điều kiện cần để hình
thành hệ thống lưới điện SCA ( siêu cao áp) nếu đặt vấn đề thống nhất hệ thống điện
trên toàn quốc.
Một đặc điểm rất quan trọng trong cấu trúc hệ thống điện Việt Nam là các nhà
máy điện tập trung chủ yếu ở 4 khu vực đó là:
- Các nhà máy thủy điện ở Tây Bắc.
- Các nhà máy nhiệt điện dùng than ở Đông Bắc
- Các nhà máy thủy điện ở Tây Nguyên
- Các nhà máy nhiệt điện dầu khí ở Tây Nam Bộ
Các khu vực tập trung các nhà máy điện này nằm cách xa nhau 600 ÷ 1000km, đó
là tiền đề cho việc hình thành mạng lưới điện SCA để hòa các nhà máy điện thống nhất
trong hệ thống điện Việt Nam. Khi đó sẽ cung cấp tốt nhất, hiệu quả và an toàn nhất
cho nhu cầu dùng điện của nền kinh tế quốc dân.
Các đường dây 500kV thực sự là đường dây truyền tải hầu hết cho hệ thống điện
từ các nhà máy điện đến các trạm phân phối 500kV, cho các khu vực tập trung phụ tải.
Do vậy việc nghiên cứu các vấn đề liên quan đến đường dây SCA và đặc biệt là vấn đề
tổn thất điện năng là một vấn đề vô cùng quan trọng nó liên quan đến hiệu quả, đến vấn

đề tiết kiệm năng lượng và sự ổn định của hệ thống điện. Do đó qua đề tài " Phân tích
tổn thất điện năng trên đường dây tải điện 500kV" có thể hiểu rõ hơn về các vấn đề gây
tổn thất trên đường dây này và nêu cách khắc phục. Với thời gian có hạn khơng thể tập
trung vào nhiều kía cạnh, luận văn này tập trung nghiên cứu một số vấn đề sau:
+ Chương I. Đường dây siêu cao áp và hệ thống tải điện

Trang 11/111


+ Chương II. Tổn thất công suất và tổn thất điện năng – hiệu suất tải điện của
đường dây siêu cao áp.
+ Chương III. Phương pháp tính tổn thất điện năng trên đường dây siêu cao áp
500kV
+ Chương IV. Nghiên cứu tổn thất điện năng trên đường dây tải điện 500kV
Do những hạn chế của bản thân và điều kiện tham khảo tài liệu có hạn, chắc chắn
luận văn này cịn có những hạn chế và để lại những khiếm khuyết. Tác giả mong nhận
được sự góp ý của các thầy cô trong trường ĐH Bách Khoa Hà Nội để các vấn đề lí
luận đặt ra được hồn thiện hơn và có cơ sở sớm đưa đề tài vào thực tiễn.

Trang 12/111


CHƯƠNG I. ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP VÀ HỆ THỐNG TẢI ĐIỆN
1.1. Khái niệm chung về lưới điện siêu cao áp, đường dây tải điện dài và hệ
thống tải điện.
Hiện nay sự phát triển của hệ thống điện đang đi theo con đường tập trung hoá
sản xuất điện năng, trên cơ sở các nhà máy điện lớn, phát triển và sự hợp nhất các hệ
thống năng lượng. Điều đó dẫn đến sự cần thiết phải xây dựng và mở rộng các mạng
điện có điện áp cao, siêu cao và cực siêu cao xoay chiều như: 220, 330, 400, 500, 750
và 1150 kV.Các đường dây điện áp cao và siêu cao có vai trị rất quan trọng, nó có khả

năng truyền tải cơng suất rất lớn và có thể tải điện năng đi rất xa. Công suất và độ dài
tải điện năng càng lớn thì điện áp sử dụng càng cao, giá thành tải điện sẽ thấp hơn.
Khi công suất phụ tải lớn, công suất các nhà máy điện tập trung cao, dẫn đến
phải dùng các đường dây siêu cao áp để tải điện và tạo thành lưới điện siêu cao áp.
Trong thực tế đường dây siêu cao áp có các đặc điểm :
Dịng lớn nên phải dùng dây dẫn có tiết diện lớn, gây khó khăn cho thi cơng lắp
đặt. Mặt khác khi vận hành, xung quanh dây dẫn khi vận hành sẽ xuất hiện điện trường
với cường độ rất cao, điện trường này sinh ra vầng quang. Do đó dẫn đến tổn thất công
suất và điện năng rất lớn, đồng thời gây nhiễu vơ tuyến. Vì vậy người ta dùng dây phân
pha.
Dây phân pha: là dây dẫn ở mỗi pha có tiết diện lớn được thay bằng một số dây
dẫn có tiết diện nhỏ hơn. Các dây dẫn này được kết chặt trên góc của một khung định
vị đa giác đều để giữ chúng luôn luôn song song với nhau. Với đường dây 220 kV, mỗi
pha có hai dây dẫn, đối với đường dây 500 kV, mỗi pha có 3 hoặc 4 dây dẫn. Ta biết
rằng đối với đường dây siêu cao áp cường độ điện trường trên bề mặt dây là:
= 24.5

[1 + (

Trong đó :

Trang 13/111

.
. )

]

(1.1)

m: là hệ số phụ thuộc độ nhám của bề mặt dây, với dây bện nhiều sợi m=0,82
d : là hệ số phụ thuộc vào mật độ khơng khí. Đối với dây dẫn bình thường thì
cường độ điện trường gây ra vầng quang vào khoảng 30 kV/cm. Giá trị này phụ thuộc
vào thời tiết, khi ẩm ướt hệ số bề mặt giảm làm cho vầng quang xuất hiện ở điện
trường thấp.
r : là bán kính dây dẫn.
Cường độ điện trường cho phép lớn nhất trên bề mặt dây vào khoảng 25 đến 27
kV/cm. Để giảm cường độ điện trường ta phải phân pha dây dẫn.
Với dây dẫn phân pha ta có bán kính đẳng trị là:
=

. .

(1.2)

Trong đó: n là số dây trong một pha; Rpp là bán kính vịng trịn đi qua đỉnh của
khung đinh vị; r bán kính của một sợi.
Bán kính đẳng trị lớn hơn nhiều bán kính của một dây có tiết diện tương đương.
Do đó, làm cho cường độ điện trường trên bề mặt giảm thấp. Bán kính này làm giảm
thấp điện kháng đơn vị và tăng điện dung đơn vị của đường dây. Do đó số dây phân
trong một pha và khoảng cách giữa chúng phải được chọn sao cho vừa giảm được
cường độ điện trường, giảm tổn thất vầng quang, giảm nhiễu vô tuyến nhưng đem lại
hiệu quả kinh tế. Lúc đó phải tính đến các yếu tố tăng khả năng tải do giảm điện kháng,
ảnh hưởng đến môi trường do điện trường gây ra, điện trường này tăng lên khi điện
dung đường dây tăng. Muốn khắc phục phải tăng chiều cao của cột, dẫn đến chi phí
đường dây cao. Đối với đường dây 500 kV trở lên, không chọn dây dẫn theo mật độ
kinh tế vì những hạn chế về tổn thất vầng quang và nhiễu vô tuyến.
Khoảng cách cách điện và chiều dài chuỗi sứ rất lớn: Chiều dài của chuỗi sứ siêu
cao áp chỉ phải xác định theo điện áp vận hành. Số bát sứ của đường dây 500 kV có thể

từ 22 đến 25 bát và lớn hơn. Chuỗi sứ 500kV dài khoảng 4 đến 5 m và có thể hơn nữa.
Điều này làm cho độ lệch ngang của chuỗi sứ rất lớn, dẫn đến khoảng cách pha phải
lớn, cột phải cao lên làm chi phí đường dây sẽ cao hơn.
Trang 14/111


Ảnh hưởng đến môi trường chung quanh đường dây: Chiếm nhiều đất để xây
dựng trạm và móng cột, tiếng ồn do vầng quang, nhiễu vô tuyến, ảnh hưởng đến cảnh
quan, ảnh hưởng do cường độ điện trường đến khoảng không gian dưới đường dây và
mặt đất có thể gây ra điện thế nguy hiểm trên các vật liệu kim loại dưới đường dây.
Cường độ điện trường cho phép từ 5 đến 25 kV/cm, tuỳ thuộc vào loại đường dây. Do
đó thời gian con người và gia súc ở dưới đường dây phải được hạn chế đến mức không
nguy hiểm cho sức khoẻ.
Độ tin cậy cung cấp điện: đường dây siêu cao áp địi hỏi độ tin cậy rất cao, vì
đường dây siêu cao áp cấp điện cho các phụ tải với công suất rất lớn. Nếu không đảm
bảo độ tin cậy có thể gây ra thiệt hại lớn về kinh tế, tài sản và con người. Để đảm bảo
độ tin cậy cao ta phải tăng cách điện đường dây, tăng sức chịu lực của cột và móng,
tăng số mạch song song nhưng phải tính tốn cẩn thận để đạt được mức tin cậy tối ưu.
Đặc điểm quan trọng về kỹ thuật của đường dây siêu cao áp và hệ thống điện có
đường dây siêu cao áp gồm:
- Tổn thất điện năng do vầng quang rất cao, để giảm tổn thất điện năng ta dùng
dây phân pha.
- Công suất phản kháng do điện dung đường dây sinh ra rất lớn, sự phân pha dây
dẫn càng làm cho công suất này lớn hơn, gây ra các vấn đề kỹ thuật cần giải quyết
trong chế độ non tải hoặc không tải của lưới điện và đường dây.
+ Sự tăng cao điện áp cuối đường dây có thể vượt quá khả năng chịu đựng của
thiết bị phân phối.
+ Công suất phản kháng do điện dung mà máy phát phải chịu có thể lớn hơn khả
năng của nó.
+ Nguy cơ tự kích thích và tự dao động tăng dần lên. Trong chế độ phụ tải max,

nếu đường dây cấp điện từ hệ thống cho nút phụ tải thì tổn thất điện áp có thể rất lớn,
do đó người ta tránh khơng tải cơng suất phản kháng trên đường dây siêu cao áp. Để
cấp công suất phản kháng cho phụ tải phải đặt tụ bù tại các nút tải khu vực. Điều chỉnh

Trang 15/111


điện áp có đường dây dài khá phức tạp, cần lượng công suất phản kháng rất lớn biến
thiên từ dung tính sang cảm tính. Đây là vấn đề kinh tế - kỹ thuật nan giải. Nếu đường
dây nối liền các phần độc lập của hệ thống điện có độ dài lớn thì gặp phải vấn đề khả
năng tải theo cơng suất giới hạn và ổn định tĩnh. Nếu độ dự trữ ổn định tĩnh thấp phải
có biện pháp nâng cao. ổn định động cũng làm khả năng tải của đường dây dài bị hạn
chế. Để giải quyết vấn đề này phải phối hợp giữa các bảo vệ và lựa chọn sơ đồ hợp lý
của đường dây dài.
Đối với đường dây có độ dài lớn hơn 30 km thì phải đặt thêm thiết bị phụ: Tụ
điện bù dọc, kháng điện bù ngang, máy bù tĩnh, máy bù đồng bộ xử lý vấn đề tăng cao
điện áp, quá tải máy phát trong chế độ không tải và non tải đảm bảo điện áp cuối
đường dây hoặc nâng cao khả năng ổn định tĩnh. Đây là bài toán kinh tế kỹ thuật. Lưới
điện có đường dây siêu cao áp ngắn, một đường dây khơng đặt thiết bị bù, nhưng tồn
lưới phải đặt bù để giải quyết yêu cầu kinh tế. Đối với đường dây dài nếu sử dụng sơ
đồ thay thế bằng thông số tập trung sẽ phạm sai số lớn. Do đó khi tính tốn phải dùng
phương pháp thơng số rải hoặc phương pháp sơ đồ thay thế. Đường dây được chia
thành các đoạn ngắn với các thông số tập trung rồi dùng phương pháp tính lặp. Để giải
quyết các vấn đề kỹ thuật nan giải của điện áp xoay chiều nói trên, có thể sử dụng lưới
điện một chiều. Tuy nhiên lưới điện một chiều sẽ không thay thế lưới điện xoay chiều
mà tham gia vào lưới điện xoay chiều ở những vị trí nhất định nhằm khắc phục nhược
điểm của nó, làm cho hiệu quả kinh tế của hệ thống điện chung cao hơn. Dưới đây cho
công suất tự nhiên của đường dây siêu cao áp, đặc trưng cho khả năng tải của đường
dây dài.
Lưới điện Việt Nam trong tương lai gần sẽ là lưới điện siêu cao áp 220-500 kV.

Lưới điện này có cấu trúc phức tạp: Nhiều nguồn điện, nhiều mạch vịng, với nhiều cấp
điện áp trong đó có các đường dây siêu cao áp 220-500 kV. Để hiểu được tính chất vật
lý của đường dây siêu cao áp, trên cơ sở đó có thể thiết kế và vận hành tối ưu đường
dây này, người ta thường nghiên cứu các đường dây siêu cao áp trong sơ đồ đơn giản:

Trang 16/111


Sơ đồ hệ thống điện bao gồm đường dây dài có hai nguồn cung cấp ở hai đầu, bao gồm
cả thiết bị bù các loại và máy biến áp tăng giảm ở hai đầu gọi chung sơ đồ này là hệ
thống tải điện.
Điện áp
định mức

60

110

220

400

500

650

750

1000

80

90

400

90

290

290

80

70

Tổng trở
sóng Zs,
Ω

dây trên

Cơng suất
tự

Đường

khơng

nhiên 10

30

120

550

850

40

40

40

40

1380

2190

4000

Ptn, MW
Tổng trở
sóng

Zs, 40

Ω

Đường dây cáp

Cơng suất
tự nhiên

100

300

1200

5500

9000

Bảng 1. Thơng số kỹ thuật các cấp điện áp
1.2. Các phương trình cơ bản của đường dây tải điện dài
1.2.1. Mục đích
Mục đích của việc giải tích đường dây tải điện đi xa là thiết lập những quan hệ
nhằm xác định những thông số chế độ của đường dây dài trong các chế độ vận hành
khác nhau. Các thông số được quan tâm nhất là công suất P, Q, điện áp U ở hai đầu và
trên đường dây cũng như góc

giữa vectơ điện áp ở hai đầu đường dây.

Kết quả giải tích đường dây dài là cơ sở để tiến hành các tính toán kinh tế- kỹ
thuật khi thiết kế cũng như khi vận hành sao cho khi vận hành đường dây tải điện đi xa

Trang 17/111

các thơng số chế độ được duy trì trong phạm vi cho phép, khả năng tải của đường dây
được nâng cao và chứng tỏ sự hợp lý về kinh tế của các lựa chọn đó.
Bản chất của q trình truyền tải năng lượng theo đường dây tải điện là quá trình
truyền sóng, trong đó các sóng điện áp và dịng điện không ngừng truyền tải năng
lượng từ nguồn điện đến nơi tiêu thụ. Như vậy ta sẽ dẫn ra các phương trình sóng cơ
bản của đường dây dài.
1.2.2. Hệ phương trình vi phân cơ bản của đường dây
Giả thiết đường dây là đồng nhất (các thông số rải đều trên tồn bộ đường dây) và
mang tải đều pha. Các thơng số cơ sở của đường dây dài 1 km bao gồm:
-

Điện trở đơn vị R0 [Ω /km], điện trở toàn đường dây R=R0.1 [Ω]

-

Điện dẫn đơn vị G0 [Ω /km], điện dẫn toàn đường dây G=G0.1 [Ω]

-

Điện kháng đơn vị X0 =w.L0[Ω /km], điện kháng toàn đường dây X=X0.1 [Ω]
trong đó L0 là độ từ cảm đơn vị [H/km]

-

Điện dẫn phản kháng đơn vị B0=w.C0 [1/Ω.km], điện dẫn phảng kháng tồn
đường dây B = B0.l [ 1/Ω], trong đó C0 là điện dung đơn vị [F/km].

-

=2

với f là tần số của dòng điện, đối với hệ thống điện Việt Nam f = 50

Hz.
-

Tổng trở đơn vị của đường dây Z0=R0+jX0, tổng trở đường dây Z = Z0.l.

-

Tổng dẫn đơn vị của đường dây Yo = Go + jBo, tổng dẫn đường dây
Y=Yo.l. Ta xét một phần tử nhỏ của đường dây có độ dài dx ở cách
điểm cuối đường dây ( hình 1.1 ). Các thơng số của phần tử đường dây này gồm
có :
+ Điện trở R0dx [Ω].
+ Điện kháng X0dx =wL0dx [Ω].
+ Điện dẫn tác dụng G0dx [Ω-1].
+ Điện dẫn phản kháng (dung dẫn) B0dx =w.C0dx [Ω-1]

Trang 18/111


Nếu điện áp pha và dòng điện ở cuối của phần tử đường dây là u và i thì ở đầu
phần tử đường dây điện áp và dòng điện sẽ là
và
Từ hình 1.1, ta nhận thấy sở dĩ có sự biến đổi điện áp như trên là do có giáng áp
trên điện trở iR0dx và trên điện kháng

, còn sự biến thiên dòng điện dò chạy

qua điện dẫn tác dụng u.G0dx và dung dẫn
Theo định luật Kirchoff II cho mạch vịng như trên hình 1.1, ta có thể viết:
(1.3)

(1.4)

Hình 1.1. Sơ đồ thay thế đường dây.
Theo định luật Kirchoff I cho điểm nút ở cuối phần tử đường dây ta có:
(1.5)
(1.6)
Các biểu thức (1.4) và (1.6) là các phương trình vi phân cơ bản xác đinh sự biến
đổi của điện áp và dòng điện trên đường dây tải điện đi xa. Giải (1.4) và (1.6) ta
được quan hệ của điện áp và dịng điện biến đổi trong khơng gian và theo thời gian.

Trang 19/111


1.3. Điện áp và dịng điện hình sin đường dây dài
Dạng lượng giác quan hệ giữa dòng điện và điện áp là:
=
=

ℎ

+

ℎ

+

ℎ
(1.22)

ℎ

Các giá trị điện áp U và dòng điện I ở đầu phát điện của đường dây điện sẽ nhận
được từ (1.22) khi thay x bằng độ dài l của đường dây tải điện
=
=

ℎ

+

ℎ

+

ℎ
(1.23)

ℎ

Tương tự ta có thể xác định điện áp và dòng điện khi biết điện áp U và dòng điện
I ở đầu đường dây tải điện, khoảng cách x lấy từ đầu đường dây:
=
=

ℎ

−

ℎ

−

ℎ
ℎ

(1.24)

Điện áp U và dòng điện I ở cuối đường dây:
=
=

ℎ

−

ℎ

−

ℎ
ℎ

(1.25)

Các biểu thức (1.22), (1.23), (1.24) và (1.25) dùng để tính tốn các chế độ vận
hành của đường dây tải điện. Các công thức này sử dụng cho điện áp pha. Khi cần tính
điện áp dây cần nhân thêm √3 vào số hạng của các hàm điện áp.
1.4. Tính tốn các thơng số đặc trưng của đường dây dài
Các thông số đặc trưng của đường dây dài bao gồm tổng trở sóng Z , hệ số truyền
sóng γ, độ dài sóng , tốc độ truyền sóng v và ℎ , ℎ .
1.4.1. Tính

và

Các thông số đặc trưng:
Trang 20/111


-

=

Tổng trở sóng

+

=
-

=

Hệ số tryền sóng
=

(

=

=

=

=

∠

(1.34)

+
)(

+

)=

+

Để tính tổng trở sóng khi đã biết

+

=

= ∠

(1.35)

, có thể sử dụng hai cách tính gần đúng:

và

1.4.2. Bước sóng và tốc độ truyền sóng:
Ta xét đường dây lý tưởng: khơng có tổn thất, R0=0 và G0=0, tổng trở sóng có giá
trị thực Zs0 hệ số suy giảm bằng không, chỉ tồn tại hệ số .
Theo (1.32), tính đến (1.38) và (1.12) tốc độ truyền sóng v sẽ là:
=

=

1

=



Ta biết rằng:
=

=
,

Trong các biểu thức trên
chân khơng và mơi trường,
Do đó:

=

=

√

,

,

1

là các độ từ thẩm và hằng số điện môi của

= 300000


=

/ là tốc độ ánh sáng.

/
= 1,

Đối với đường dây trên khơng

= 1 vì vậy tốc độ truyền sóng bằng tốc

độ ánh sáng.

Nếu tính đến điện trở thì:
≈ 3.10 .

8.
8

+

Độ dài sóng theo (1.31) có giá trị:

Trang 21/111



/


=

2

= 1,

,

1.4.3. Tính

=

=

Nếu tần số dịng điên là 50Hz thì
Đối với đường cáp

2

=

= 6000

= 4 nên v=150000 km/s ,

= 3000

.



Trường hợp đường dây không tổn thất các thông số trên sẽ là:
Do R=0, G=0, theo các quy tắc lượng giác hyperbol:

-

ℎ

= ℎ

=

ℎ

= ℎ

=

Trường hợp tính thêm điện trở: sử dụng
ℎ

= ℎ

+

2
≈

Do ℎ

+

=

, ℎ
ℎ

= ℎ

2

(1.42)

đã tính, cơng thức (1.42)
+ ℎ

2

ℎ

2

.

=
(1.43)

=

và tỷ số R0/2X0 rất bé nên:

≈ 1, ℎ

≈

2

2

Tương tự:
ℎ

-

= ℎ

+

≈

+

(1.44)

Trường hợp tính cả điện trở R và điện dẫn G: ta có 2 cách tính:

Tính theo hàm lượng giác:
=

+

ℎ

= ℎ(

+

) = ℎ(

). cos(

)+

ℎ(

). sin(

)

ℎ

= ℎ(

+

) = ℎ(

). cos(

) + ℎ(

). sin(

)

Tính theo chuỗi, ta biết:

Trang 22/111

(1.45)

ℎ

=1+

+

!

!

+

!

+⋯

(1.46)

1.5. Cơng suất tự nhiên
Đó là cơng suất làm việc ở chế độ làm việc của đường dây dài khi tổng trở thay
, bằng tổng trở sóng Z của đường dây.

thế của phụ tải ở cuối đường dây

Tổng trở thay thế của phụ tải được tính như sau:
=
U làđiện áp pha, còn I là dòng điện phụ tải cuối đường dây.
Khi Z

=

ta rút ra:
Z =

ℎ



=

(1.47)

Thay I theo (1.47) vào công thức (1.19) ta được:
K = U và K = 0, thay vào công thức (1.27) ta được:
U =U e
I =

=

(1.48a)
(

=

)

(1.48b)

Do K = 0 nên thành phần phản xạ của sóng điện áp và sóng dịng điện bằng 0,
chỉ cịn lại sóng thuận.

Từ 1.48 ta nhận thấy, góc pha giữa điện áp và dòng điện ở mọi điểm trên đường
dây đều khơng đổi và bằng góc

của tổng trở sóng. Góc pha giữa điện áp

và U ở

đầu đường dây bằng .
Công suất phụ tải cuối đường dây có tổng trở thay thế bằng tổng trở sóng gọi là
cơng suất tự nhiên
+ Tính theo điện áp pha:
S

= P + jQ

=
̇

=

.(

Trang 23/111

+

)=

∠

(1.49a)


+ Tính theo điện áp dây:
S

= P + jQ

=
̇

.(

=

+

)=

∠

(1.49b)

Có thể thấy cơng suất tự nhiên khi khơng tính điện trở bằng cơng suất biểu kiến
tự nhiên khi tính điện trở (vì phép Stn tính gần đúng). Cơng suất phản kháng tự nhiên là
cơng suất dung tính vì góc

< 0.

1.5.1. Phân bố điện áp trên đường dây bằng phẳng nhất

Mức chênh lệc điện áp giữa các điểm của đường dây chỉ phụ thuộc vào hệ số suy
giảm , không phụ thuộc vào sự giao thoa giữa sóng thuận và sóng ngược như ở các
chế độ làm việc khác.
Đặc biệt với các đường dây khơng tổn thất có R=0, G=0 ta có (1.27)
=

.

=

=


=

=0+
=

và Zs0 gọi là hệ số pha và tổng trở sóng khi khơng tính đến R và G.
Ta thấy hệ số suy giảm bằng 0, do đó độ lớn của điện áp là hằng số trên toàn bộ
đường dây và chỉ có góc pha thay đổi vì:
=
Tổng trở sóng Zs0 là số thực, do đó:
I =

U
.
Z

Dịng điệ cũng có biên độ không đổi và trùng pha với điện áp.

Đối với đường dây không tổn thất, công suất tự nhiên là thuần tác dụng
=

(1.50)

Trong tính tốn thực tế có thể thay U2 bằng điện áp dây định mức Uđm của đường
dây:

Trang 24/111