Nội dung

1 Đề án ‘’Đối xứng hoá lưới điện phân phối’’ Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ KHÔNG ĐỐI XỨNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1. Khái quát. Một hệ thống m véc tơ phẳng hay số phức F&1 , F&2 ....F&i ....F&m được gọi là đối xứng nếu thoả mãn các điều kiện sau: Về module: F&i = Const ; (1.1) 2π Về góc pha: argument F&i = i ; m Khi đó m ∑ F& i =1 i (1.2) = 0 , và góc lệch pha giữa hai véc tơ liên tiếp: ϕi = 2π 2π 2π (i + 1) − i= = const . m m m Nếu không thoả mãn (1.1) ta nói hệ thống không đối xứng về module và nếu không thoả mãn (1.2) thì hệ thống không đối xứng về pha. Trong thực tế thường gặp trường hợp hệ thống điện mất đối xứng cả module và về góc pha. Trong hệ thống điện ba pha các véc tơ hay phức số F&1 , F&2 , F&3 có thể là hệ điện áp hay dòng điện của ba pha A, B, C và thường ký hiệu là F& A , F&B , F&C . Nếu như F& A = F&B = F&C và góc lệch pha liên tiếp giữa chúng bằng nói hệ thống là đối xứng. Nếu lấy F& A làm gốc thì có thể viết: F&B = a 2 F& A và F&C = aF&A 2π ta 3 2 Ở đây: a = ej120 = - 1 3 +j ; 2 2 a2 = ej240 = - 1 3 −j 2 2 Và như vậy khi một hệ thống đối xứng thì cân bằng vì F& A + F&B + F&C = 0 Trong hệ thống điện ba pha thường gặp sự không đối xứng về cả module và về góc pha. 1.2. Nguyên nhân gây mất đối xứng trong hệ thống điện. Sự xuất hiện không đối xứng trong hệ thống điện do nhiều nguyên nhân khác nhau như: - Do phụ tải: phụ tải một pha là phụ tải không đối xứng điển hình nhất, thí dụ như lò điện, máy hàn, phụ tải vận tải điện, các thiết bị chiếu sáng và các phụ tải ánh sáng sinh hoạt... Các lò hồ quang ba pha nói chung là phụ tải ba pha không đối xứng vì hồ quang trong ba pha thường không đồng đều. Sự phân chia phụ tải một pha không đồng đều cho các pha trên lưới cũng là nguyên nhân gây mất đối xứng. - Do bản thân các phần tử ba pha được hoàn thành không đối xứng hoàn toàn như đường dây tải điện ba pha đặt đồng phẳng hay trên đỉnh của các tam giác không đều mà không hoán vị. - Do áp dụng một số chế độ làm việc đặc biệt như các đường dây “2 pha - đất”, “pha - đường ray” chế độ không toàn pha, tức là chế độ đường dây 3 pha chỉ truyền tải điện trên 1 hoặc 2 pha. - Do sự cố ngắn mạch không đối xứng: Ngắn mạch một pha với đất, hai pha với đất hay hai pha với nhau, đứt dây kèm theo ngắn mạch. 3 Với những chế độ không đối xứng gây ra bởi ba nguyên nhân đầu gọi là không đối xứng lâu dài, gây ra bởi nguyên nhân sau cùng gọi là không đối xứng ngắn hạn và chỉ tồn tại trong một vài giây. 1.3. Ảnh hưởng của chế độ không đối xứng đến hệ thống điện. Các thiết bị điện trong hệ thống điện được chế tạo để làm việc trong chế độ đối xứng tức là áp dòng ba pha trên chúng phải tương ứng bằng nhau về module, còn góc lệch pha liên tiếp bằng 120o. Nếu như làm việc với hệ áp và dòng điện mất đối xứng, trong quá trình vận hành sẽ gây nên những tác hại đối với các thiết bị điện. 1.3.1. Đối với máy phát điện đồng bộ ba pha. Để đánh giá cụ thể tác hại của chế độ không đối xứng đối với máy phát điện ba pha thường dùng phương pháp thành phần đối xứng. Hiện nay đại bộ phận các máy phát điện đồng bộ làm việc với lưới có trung tính cách điện. Do đó trong chế độ không đối xứng, trong máy phát điện không tồn tại thành phần dòng thứ tự không. Hệ dòng thứ tự thuận sinh ra từ trường quay đồng bộ với rotor nên không quét qua rotor và tác dụng của nó giống như lúc máy phát điện có phụ tải đối xứng bình thường (trong rotor không có dòng cảm ứng xoay chiều mà chỉ có dòng kích thích một chiều). Hệ dòng thứ tự nghịch sinh ra từ trường quay ngược chiều rotor với vận tốc đồng bộ do đó nó quét qua rotor với vận tốc bằng hai lần vận tốc đồng bộ, kết quả là trong các mạch rotor (mạch cuộn dây kích thích khi khép mạch, mạch cuộn cảm, dòng xoáy trong lõi rotor) có dòng cảm ứng tần số 100 Hz. Dòng này gây nên tác dụng nhiệt và cơ đối với máy phát điện đồng bộ. Dòng có tần số cao 100 Hz chạy trong các mạch rotor sẽ gây nên phát nóng phụ, nhất là ở dây tần số cao 100Hz, do hiệu ứng mặt ngoài lớn làm cho sự phát nóng trầm trọng hơn. Đối với các máy phát điện nhiệt điện (rotor 4 khối) dòng tần số 100 Hz khá lớn nên gây phát nóng mạnh hơn, còn trong các máy phát thuỷ điện (rotor cực lồi) dòng này có giá trị nhỏ hơn nên sự phát nóng không bằng so với các máy phát nhiệt điện. Dòng tần số 100 Hz gây nên mô men đập mạch (đổi dấu). Như vậy trong chế độ không đối xứng ngoài mô men cơ của tua bin, có hai mô men điện tác dụng lên trục của rotor là: mô men không đổi của dòng thứ tự thuận như lúc có tải đối xứng bình thường và mô men đổi dấu sinh ra bởi dòng thứ tự nghịch. Mô men đổi dấu đập mạch với các tần số 100 Hz, 200 Hz, 300 Hz... Thực tế ta chỉ xét đến mô men đập mạch tần số 100 Hz vì biên độ của các mô men có tần số càng cao càng nhỏ. Mô men đập mạch khi thì cùng chiều, khi thì ngược chiều với mô men không đổi. Kết quả là mô men đập mạch làm cho máy phát điện bị rung gây nên những ứng suất phụ. Đối với máy phát nhiệt điện rotor khối có độ bền cao nên ảnh hưởng của mô men đổi dấu không đáng kể, còn máy phát thuỷ điện do rotor cực lồi được lắp ghép từ nhiều cực với các lá thép nên ảnh hưởng bởi mô men đổi dấu có tác dụng làm rung đáng kể. 1.3.2. Đối với động cơ không đồng bộ. Cuộn dây ba pha phần tĩnh của động cơ không đồng bộ được đấu tam giác hoặc sao không dây trung tính, do đó trong chế độ không đối xứng phần tĩnh của nó chỉ tồn tại các thành phần dòng thứ tự thuận và thứ tự nghịch. Tác dụng từ trường quay của hệ dòng thứ tự thuận đối với rotor là sinh mô men không đồng bộ như trong chế độ đối xứng bình thường và khi đó dòng rotor có tần số f1s ( s ở đây là độ trượt giữa vận tốc quay của rotor và vận tốc đồng bộ, f1 tần số dòng phần tĩnh). Từ trường quay của dòng thứ tự nghịch quay ngược chiều với rotor nên sinh dòng cảm ứng trong rotor với tần số (2 - s)f1. Điện trở tác dụng tương đối định mức của rotor động cơ không đồng bộ rất nhỏ (R2 = 0,02 ÷ 0,03), điện 5 kháng tản từ của rotor cũng chỉ vào khoảng 0,1; trong khi đó điện kháng từ hoá của nó lại rất lớn (Xm = 3 ÷ 4). Do đó điện kháng thứ tự nghịch của động cơ không đồng bộ rất nhỏ và có thể coi như bằng điện kháng ngắn mạch của nó X2 = XN = 0,1 ÷ 0,3 tức là rất nhỏ so với điện kháng thứ tự thuận. Như vậy ngay cả khi điện áp thứ tự nghịch đặt vào rất nhỏ thì trong động cơ không đồng bộ cũng có dòng thứ tự nghịch rất lớn. Trong chế độ không đối xứng đứt một pha phần tĩnh động cơ thì dòng hai pha còn lại gấp 3 lần dòng thứ tự thuận và nếu coi dòng này bằng định mức thì tổn thất công suất trong phần tĩnh hai pha còn lại tăng ba lần, tổn thất trong rotor tăng hai lần. Vì vậy trong chế độ không đối xứng động cơ không đồng bộ phát nóng rất mạnh. Mô men cực đại của động cơ không đồng bộ trong chế độ không đối xứng có thể giảm xuống đến hai lần. 1.3.3. Đối với các phần tử tĩnh. (máy biến áp, đường dây, kháng điện,...) Có thể thấy rằng trong chế độ không đối xứng tổn thất trên đường dây và các phần tử tĩnh khác tăng lên. Thí dụ trong chế độ đối xứng tổn thất ba pha đường dây có dòng điện I, điện trở R là 3I2R. Còn trong chế độ không đối xứng, nếu dòng trong pha này giảm đi ΔI, dòng trong pha kia tăng lên ΔI, còn dòng trong pha thứ ba vẫn bằng I thì tổn thất trên đường dây khi đó là: R[(I + ΔI)2 + (I - ΔI)2 + I2] = R(3I2 + 2ΔI2). Ngoài ra chế độ không đối xứng của đường dây tải điện có thể làm nhiễu các đường dây thông tin ở gần. Trong máy biến áp không đối xứng chịu tác động từ hai phía: không đối xứng về áp các pha tại điểm đấu nối phía sơ cấp và không đối xứng về dòng các pha gây ra bởi phụ tải không đều phía sau máy biến áp. Không đối xứng về áp tại điểm đấu nối sẽ gây không đối xứng điện áp đầu ra máy biến áp, làm tăng không đối xứng về dòng điện. Nhiều trường hợp hệ thống rã tải khi có sự 6 trùng lặp về không đối xứng trong cùng pha cả ở phía cấp cho phụ tải và phía đấu nối máy biến áp. Một số trường hợp không đối xứng làm cho máy biến áp khi vận hành bị rung, tổn hao lớn suy hao tuổi thọ. Dòng trong các pha của máy biến áp không cân bằng gây nên sự chênh lệch nhiệt độ các cuộn dây pha riêng biệt. Trong trường hợp không đối xứng về dòng điện làm cho nhiệt độ cuộn dây tăng quá giới hạn cho phép. Nhiều khi gây ra cháy máy biến áp trong khi máy vẫn đang làm việc trong giới hạn tải cho phép. Chế độ không đối xứng có thể làm quá tải các tụ bù, tụ lọc của thiết bị chỉnh lưu, phản chỉnh lưu, làm phức tạp bảo vệ rơ le và tự động hoá. 1.4. Kết luận. Qua trên thấy rằng tác hại chủ yếu của chế độ không đối xứng là đối với các máy điện quay, đặc biệt là với các động cơ không đồng bộ. Vì những lý do trên trong trường hợp cần thiết phải thực hiện đối xứng hoá hệ thống, tức là làm cho hệ thống trở lại đối xứng. Đối xứng hoá là biện pháp kỹ thuật để đảm bảo chất lượng điện năng. Trong luận văn này sẽ đề xuất, tính toán và phân tích một số biện pháp đối xứng hoá. 7 Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ KHÔNG ĐỐI XỨNG 2.1. Đặt vấn đề. Qua phần trình bày trên ta thấy có rất nhiều nguyên nhân gây ra chế độ không đối xứng trong hệ thống điện và tác hại do chế độ không đối xứng gây ra đối với các phần tử, thiết bị điện là rất lớn. Vậy ta cần có những phương pháp nghiên cứu cụ thể, ứng dụng vào tính toán chế độ không đối xứng trong hệ thống điện. Có thể liệt kê một số phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp thành phần đối xứng. - Phương pháp các thành phần không đối xứng. - Phương pháp các thành phần khác. - Phương pháp toạ độ pha. Cũng có thể kết hợp các phương pháp trên với các phương pháp sau: - Phương pháp sơ đồ thay thế phức hợp. - Phương pháp xếp chồng. - Phương pháp dịch chuyển điểm đứt. - Phương pháp thứ tự thuận mở rộng. 8 Dưới đây sẽ trình bày vắn tắt nội dung cơ bản của phương pháp thành phần đối xứng được sử dụng trong tính toán luận văn. 2.2. Phương pháp thành phần đối xứng. 2.2.1. Nội dung cơ bản. Để giải bài toán không đối xứng có thể viết phương trình Kirchoff cho từng pha rồi giải phối hợp với nhau. Tuy nhiên khi đó ta cần phải tính đến hỗ cảm giữa các pha trong chế độ không đối xứng, điều này làm cho bài toán trở nên phức tạp vì hỗ cảm giữa các pha phụ thuộc vào độ không đối xứng dòng trong ba pha mà đây lại là những ẩn số cần tìm của bài toán. Khi sử dụng phương pháp thành phần đối xứng ta sẽ tránh được những khó khăn nêu trên. Nội dung cơ bản của phương pháp là phân tích một hệ thống không đối xứng thành ba hệ đối xứng thành phần. Có hệ F&A ; F&B ; F&C không đối xứng (Có thể là dòng điện hoặc điện áp) ta phân tích thành ba hệ đối xứng thành phần: 10) Hệ thống đối xứng thành phần thứ tự thuận: F& A1 , F& B1 , F&C1 . Đây là hệ tồn tại khi hệ thống điện làm việc bình thường mà ta đã biết các tính chất của nó. 20) Hệ thống đối xứng thành phần thứ tự nghịch: F& A2 , F&B 2 , F&C 2 . Hệ này chỉ khác hệ thuận ở thứ tự pha là ngược lại. 30) Hệ thống đối xứng thứ tự không: F& A0 , F&B 0 , F&C 0 . Hệ này khác hẳn hai hệ trên là chúng có module bằng nhau và đồng pha với nhau. Việc phân tích một hệ thống không đối xứng ra các hệ đối xứng thành phần phải đảm bảo các điều kiện sau: 9 F& A = F& A1 + F& A2 + F& A0 ⎫ ⎪ F&B = F&B1 + F&B 2 + F&B 0 ⎬ ⎪ F&C = F&C1 + F&C 2 + F&C 0 ⎭ (2.1) Trong đó: [ 1 F& A1 = F& A + aF&B + a 2 F&C 3 1 F& A 2 = F& A + a 2 F&B + aF&C 3 1 F& A0 = F& A + F&B + F&C 3 [ [ ]⎫⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭ ] ] (2.2) Nếu lấy đại lượng pha A làm gốc, theo tính chất của các hệ đối xứng thành phần có thể viết như sau: - Hệ thuận lấy F& A1 làm gốc thì: F&B1 = a 2 F& A1 ⎫⎪ ⎬ F&C1 = aF& A1 ⎪⎭ - (2.3) Hệ nghịch lấy F& A2 làm gốc thì: F&B 2 = aF& A2 ⎫⎪ ⎬ F&C 2 = a 2 F& A2 ⎪⎭ - (2.4) Với hệ thứ tự không ta có: F& A0 = F&B 0 = F&C 0 = F&0 Khi đó có thể viết: ⎫ F& A = F& A1 + F& A2 + F& A0 ⎪ 2 F&B = a F& A1 + aF& A2 + F& A0 ⎬ ⎪ F&C = aF& A1 + a 2 F& A2 + F& A0 ⎭ (2.5) Hoặc có thể viết dưới dạng ma trận: ⎡ F& A ⎤ ⎡ 1 ⎢& ⎥ ⎢ 2 ⎢ FB ⎥ = ⎢ a ⎢ F&C ⎥ ⎢⎣ a ⎣ ⎦ 1 a a2 1⎤ ⎡ F& A1 ⎤ ⎢ ⎥ 1⎥⎥ ⎢ F& A 2 ⎥ 1⎥⎦ ⎢⎣ F& A0 ⎥⎦ (2.6) 10 Nếu dùng ma trận thì (2.2) có thể viết như sau: ⎡1 a ⎡ F& A1 ⎤ ⎢ & ⎥ 1⎢ 2 ⎢ FB1 ⎥ = 3 ⎢1 a ⎢1 1 ⎢ F&C1 ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ a 2 ⎤ ⎡ F& A ⎤ ⎥⎢ ⎥ a ⎥ ⎢ F&B ⎥ 1 ⎥⎦ ⎢⎣ F&C ⎥⎦ (2.7) 2.2.2. Một vài tính chất của các hệ đối xứng thành phần. 10) Hệ thứ tự thuận và hệ thứ tự nghịch là hệ đối xứng và cân bằng vì: F& A1 + F&B1 + F&C1 = 0 F& A 2 + F&B 2 + F&C 2 = 0 20) Hệ thứ tự không là hệ đối xứng nhưng không cân bằng vì: F& A0 + F&B 0 + F&C 0 = 3F&0 ≠ 0 30) Bản thân hệ điện áp dây luôn luôn có tổng bằng không do đó hệ này không chứa thành phần thứ tự không ngay cả khi không đối xứng. 40) Trong hệ thống điện ba pha ba dây trung tính không nối đất, trong chế độ không đối xứng không tồn tại dòng thứ tự không. 50) Dòng chạy trong đất của hệ thống ba pha không đối xứng bằng tổng hình học dòng ba pha không đối xứng. 2.2.3. Mô hình toán học cơ bản của phương pháp thành phần đối xứng. Qua trên ta thấy rằng việc thay thế giải một bài toán ba pha không đối xứng thành ba bài toán với các đại lượng đối xứng thành phần đơn giản hơn, sau đó xếp chồng kết quả lại. Trong phương pháp thành phần đối xứng ta phân tích áp và dòng ra các thành phần đối xứng đó là: thứ tự thuận, thứ tự nghịch, thứ tự không. Ta có biểu thức quan hệ giữa áp và dòng không đối xứng tương ứng với áp và dòng đối xứng thành phần như sau: (U& U& U& ) = (U& (I& I& I& ) = (I& I& A B A B C C U& B1U& C1 ) + (U& A 2U& B 2U& C 2 ) + (U& A0U& B 0U& C 0 ); I& ) + (I& I& I& ) + (I& I& I& ) A1 A1 B1 C 1 A2 B 2 C 2 A0 B 0 C 0