TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009 48 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ KHÔNG ĐỐI XỨNG CỦA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 22KV KHU VỰC MIỀN TRUNG A STUDY ON THE CALCULATION OF ASYMMETRY OF THE 22KV DISTRIBUTION POWER GRID IN CENTRAL VIETNAM Lê Kim Hùng, Trần Vinh Tịnh Đại học Đà Nẵng Võ Như Quốc Công ty Điện lực 3 TÓM TẮT Lưới điện phân phối (LĐPP) 22kV khu vực miền Trung hiện đang sử dụng dạng cấu trúc 3 pha 3 dây, phụ tải trên lưới điện gồm các phụ tải 3 pha, 2 pha và 1 pha nên với phụ tải thì luôn tồn tại sự mất đối xứng trong chế độ làm việc bình thường. Ngoài ra, khi có sự cố 1 pha thì cả 3 pha phải ngừng cung cấp điện tất cả các phụ tải do thiết bị đóng cắt đầu tuyến tác động cho cả 3 pha. Theo [1] thì LĐPP có hai dạng cấu trúc 3 pha 3 dây và 3 pha 4 dây, với cấu trúc lưới khác nhau này dẫn đến sự khác nhau về mức độ mất đối xứng của tải 1 pha khi làm việc bình thường, và khi sự cố mất 1 pha thì với cấu trúc lưới nào sẽ tiếp tục cho phép vận hành để cấp điện cho các phụ tải trên 2 pha không bị sự cố. Bài báo trình bày việc tính toán chế độ vận hành không đối xứng đối với hai dạng cấu trúc 3 pha 3 dây và 3 pha 4 dây nhằm đề xuất biện pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho các phụ tải 1 pha. ABSTRACT The Central Region 22KV distribution power grid is structured on a 3-phase and 3-wire system and it consists of 3-phase, 2-phase and single-phase loads so that asymmetry always happens in any normal operation. In case there are single-phase faults, a 3-phase system shall cease supplying all loads because the circuit breaker at the beginning of the feeder operates on the 3-phase system. According to [1] the distribution grid has 2 kinds of structures: 3-phase and 3-wire and 3-phase and 4-wire systems, which lead to asymmetry of single-phase loads in the normal operation, and in case of single-phase faults, which structure will allow operation to supply loads on a 2-phase system without any faults? This article presents a method for calculating asymmetric operation of the structures of both 3-phase and 3-wire system as well as 3-phase and 4-wire system to ensure the reliability of power supply for single-phase loads. 1. Đặt vấn đề LĐPP là lưới không đối xứng (KĐX) do phụ tải phần lớn là 1 pha trong tính toán thông thường, chỉ xét KĐX do phụ tải gây ra vì đây là chế độ làm việc thường xuyên của lưới điện (chế độ xác lập). Tính toán KĐX ở chế độ xác lập nhằm xác định mức độ mất đối xứng của tải để phân bố hợp lý phụ tải 1 pha trên các pha của lưới điện. Ngoài ra, các máy biến áp (MBA) phụ tải trên LĐPP 22kV gồm MBA 3 pha, MBA 1 pha sử dụng điện áp dây và MBA 1 pha sử dụng điện áp pha. Các máy cắt đầu xuất tuyến của LĐPP là thiết bị đóng cắt cả 3 pha, nên khi có sự cố 1 pha thì các phụ tải trên cả 3 pha đều phải mất điện. Theo số liệu thống kê thì số lần sự cố ngắn mạch 1 pha là rất lớn (70÷75%) nên suất cắt đường dây cao làm cho độ tin cậy cung cấp điện thấp. Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện của LĐPP, tác giả đề xuất phương án: bố trí thiết bị TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009 49 đóng cắt trên từng pha tại đầu xuất tuyến, khi có sự cố pha nào thì thiết bị đóng cắt của pha đó tác động, 2 pha còn lại vẫn tiếp tục duy trì cấp điện- nghĩa là lưới điện vận hành ở chế độ không toàn pha (KĐX), trường hợp hệ thống không toàn pha tương tự trường hợp đứt dây [3]. Vì vậy, việc nghiên cứu chế độ vận hành (CĐVH) KĐX ở chế độ xác lập và ở chế độ mất 1 pha đối với từng cấu trúc LĐPP là cần thiết. 2. Đánh giá mức độ KĐX trong hệ thống điện Nguyên nhân gây mất đối xứng trong hệ thống điện (HTĐ) là do phụ tải trên các pha không giống nhau (không thể bố trí đều trên cả 3 pha), hoặc đường dây 3 pha chỉ vận hành truyền tải điện trên một pha hoặc hai pha (CĐVH không toàn pha). Các thông số về dòng điện và điện áp trên các pha của lưới điện được mô tả bằng các dạng vectơ phẳng hay số phức: cba cba IIIUUU •••••• ,,,,, . Lưới điện được gọi là đối xứng nếu thoả mãn các điều kiện sau: Về module: a U • = b U • = c U • = const, a I • = b I • = c I • = const (1) Về góc pha: 0 120 3 2 == π ϕ (2) Trong đó, φ là góc lệch pha giữa hai vect ơ liên tiếp của các vectơ điện áp hay các vectơ dòng điện. KĐX là hiện tượng điện áp và dòng điện trên các pha có module khác nhau hoặc góc giữa hai vectơ cạnh nhau khác 120 0 Trong tính toán, để thuận lợi ta phân tích các vectơ điện áp và dòng điện trong trường hợp KĐX thành ba hệ thống thành phần đối xứng thứ tự thuận (TTT), thứ tự nghịch (TTN) và thứ tự không (TTK). . Sự KĐX của các pha làm xuất hiện dòng điện TTN và TTK. Các dòng điện này chạy qua các phần tử của lưới điện gây nên điện áp giáng TTN và TTK tương ứng, các điện áp này cộng với điện áp TTT tần số công nghiệp làm xuất hiện sự KĐX về điện áp tại các nút và dòng điện trên các nhánh. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009 50 - Để đánh giá mức độ mất đối xứng của lư ới điện, thường đưa ra các hệ số KĐX về dòng đi ện và điện áp [2]: 2 . 2 1 2 2 i j i i eK I I K ϕ == • • • , 2 . 2 1 2 2 u j u u eK U U K ϕ == • • • 0 . 0 1 0 0 i j i i eK I I K ϕ == • • • , 0 . 0 1 0 0 u j u u eK U U K ϕ == • • • (3) Trong đó: 021 021 ,,,,, •••••• IIIUUU lần lượt là các thành phần đ ối xứng TTT, TTN và TTK của đi ện áp và dòng điện. - HTĐ có thể làm việc bình thường khi: + Các hệ số KĐX về dòng điện và điện áp nằm trong phạm vi cho phép như sau: K u2 ≤ 2%, K i2 K ≤ 5% (4) u0 ≤ 2%, K i0 + Độ lệch điện áp so với điện áp định mức U ≤ 5% đm ∆U% = tại tải [4]: 100∗ − Pdm PdmP U UU ≤ ± 5% (5) với U P 3. Ứng dụng phần mềm PSS/ADEPT tính toán các hệ số KĐX của LĐPP là điện áp pha 3.1. KĐX ở CĐVH bình thường CĐVH LĐPP 22KV chủ yếu theo s ơ đồ hình tia, nên để tính toán các hệ số KĐX ta xét đường dây 22KV (có trung tính nối đất trực tiếp) từ nguồn A cấp điện cho một phụ tải B như hình 1. Giả sử các phần tử của lưới điện là đối xứng nhưng phụ tải tại B là KĐX. Tính toán các hệ số K ĐX khi đường dây có cùng loại dây dẫn nhưng khác nhau về cấu trúc (3 pha- 3 dây và 3 pha- 4 dây). Giới hạn phụ tải tính toán lớn nhất cho phép (S max ) khi cosϕ = 0,9 ứng với tổn thất điện áp ∆U ≤ 5% cho loại dây dẫn AC-95 là 3MVA với chiều dài đường dây là 33,3km [5]. Kết quả tính toán các hệ số KĐX bằng phần mềm PSS/ADEPT với 2 dạng cấu trúc lưới 3 pha- 3 dây (3AC-95) và 3 pha- 4 dây (3AC-95 + 1AC-70) như bảng 1 và 2: 3 pha 3 dây hoặc 3 pha 4 dây S A, S A, S A A B Hình 1. Sơ đồ tính toán hệ số KĐX 22kV 22kV TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009 51 Bảng 1. Độ mất đối xứng cho phép của tải, khi tải thay đổi từ (50% - 100%) S max Mức tải : Độ mất đối xứng cho phép của tải theo các giới hạn (%) K u0 K ≤ 2% i2 ∆U ≤ ± 5% ≤ 5% 3 pha 3 dây 3 pha 4 dây 3 pha 3 dây 3 pha 4 dây 3 pha 3 dây 3 pha 4 dây 25%.S 42 max 74 15 16 44 74 50%.S 19 max 38 13 14 50 86 75%.S 12 max 23 12 14 15 28 100%.S 7 max 14 9 10 < 1 < 1 Bảng 2. Độ mất đối xứng cho phép của tải, khi chiều dài đường dây thay đổi: Chiều dài đường dây (km) Độ mất đối xứng cho phép của tải theo các giới hạn (%) K u0 K ≤ 2% i2 ∆U ≤ ± 5% ≤ 5% 3 pha 3 dây 3 pha 4 dây 3 pha 3 dây 3 pha 4 dây 3 pha 3 dây 3 pha 4 dây 10 32 63 15 16 70 100 15 21 41 14 15 52 88 20 15 30 13 14 36 46 25 11 22 12 13 13 23 Nhận xét: Qua kết quả trên, nhận thấy: với cùng CĐVH của HTĐ thì các hệ số K u0 < K u2 và K i2 < K i0 do vậy trong tính toán chỉ cần tính K u0 và K i2 , bởi vì khi hệ thống thoả mãn chỉ tiêu về K u0 thì cũng thoả mãn chỉ tiêu về K u2 và khi thoả mãn chỉ tiêu về K i2 thì cũng thoả mãn chỉ tiên về K i0 . Các chỉ tiêu về hệ số K u2 , K i2 , K u0 , K i0 khắt khe hơn so với chỉ tiêu ∆U. Dây trung tính ít ảnh hưởng đến các hệ số KÐX thành phần TTN mà chỉ ảnh hưởng đến các thành phần TTK. Nếu xét theo tiêu chí K i2 ≤ 5% thì độ mất đối xứng ít thay đổi theo S đm cũng như chiều dài đường dây và gần như không phụ thuộc vào dạng cấu trúc lưới điện. Ngược lại, nếu xét theo tiêu chí ∆U ≤ 5%, thì độ mất đối xứng thay đổi theo S đm 3.2. KĐX ở chế độ mất 1 pha: , chiều dài đường dây và phụ thuộc vào dạng cấu trúc lưới điện. Chế độ sự cố mất 1 pha là trường hợp đặc biệt của chế độ KĐX xác lập, nghĩa là pha bị mất xem như không tải, 2 pha còn lại vẫn mang giá trị như chế độ xác lập. LĐPP 22kV được áp dụng để tính toán thực tế cho khu vực miền Trung là xuất tuyến 475 TBA 110kV Đăk Tô (E46)- Kon Tum. Hiện tại xuất tuyến 475/E46 với cấu trúc 3 pha 3 dây, trục chính đường dây sử dụng dây 3AC-95, các nhánh rẽ sử dụng dây 3AC-70 và 3AC-50; cấp điện cho các TBA phụ tải 3 pha và 1 pha. TBA phụ tải 3 pha có tổ nối dây ∆/Y 0 , TBA phụ tải 1 pha có tổ nối dây ∆/Y 0 khi sử dụng điện áp dây (pha- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009 52 pha) và có tổ nối dây Y 0 /Y 0 - Tính toán đối với cấu trúc LĐPP 3 pha 3 dây: Với cấu trúc 3 pha 3 dây, các MBA phụ tải 3 pha có tổ nối dây ∆/Y khi sử dụng điện áp pha (pha-đất). 0 , MBA phụ tải 1 pha có tổ nối dây ∆/Y 0 khi sử dụng điện áp dây (pha-pha) và có tổ nối dây Y/Y 0 - Tính toán đối với cấu trúc LĐPP 3 pha 4 dây: Với cấu trúc 3 pha 4 dây thì sơ đồ lưới tính toán tương tự như cấu trúc 3 pha 3 dây kết hợp có kéo dây trung tính đi theo lưới điện, các MBA phụ tải 3 pha có tổ nối dây Y khi sử dụng điện áp pha (pha-đất). 0 /Y 0 , MBA phụ tải 1 pha sử dụng điện áp pha (pha-trung tính) có tổ nối dây Y 0 /Y 0 Kết quả tính toán CĐVH không toàn pha (mất pha C) được thực hiện trên chương trình tính toán PSS/ADEPT [5] như sau: (do khuôn khổ bài báo nên chỉ thể hiện kết quả tính toán ở một số nút điển hình để so sánh) . Điện áp pha (V) - Chế độ mất pha C - Mạng 3 pha 3 dây Tên nút Uđm |Va| φ |Vb| a φ |Vc| b φ ΔVa (%) c ΔVb (%) ΔVc (%) C41 22.000 13.375 359.865 13.285 239.896 13.350 120.239 5.302 4.593 5.107 NODE4 22.000 13.375 359.865 13.285 239.896 4.358 308.443 5.302 4.593 65.693 NODE13 0.230 0.073 218.969 0.067 197.397 44.855 49.441 NODE16 0.400 0.239 29.152 0.127 219.743 0.115 196.769 3.574 44.868 50.012 NODE20 0.230 0.135 238.083 1.481 Điện áp pha (V) - Chế độ mất pha C - Mạng 3 pha 4 dây Tên nút Uđm |Va| φ |Vb| a φ |Vc| b φ ΔVa (%) c ΔVb (%) ΔVc (%) C41 22.000 13.375 359.874 13.286 239.886 13.349 120.240 5.303 4.604 5.094 NODE4 22.000 13.375 359.874 13.286 239.886 3.977 310.674 5.303 4.604 68.689 NODE13 0.230 0.137 238.866 3.031 NODE16 0.400 0.239 29.138 0.129 221.432 0.115 194.652 3.592 44.084 50.013 NODE20 0.230 0.134 238.443 1.210 Điện áp thứ tự (V) - Chế độ mất pha C - Mạng 3 pha 3 dây Tên nút Uđm U φ 1 U 1 φ 2 U 2 φ 0 KU 0 0 KU (%) 2 (%) C41 22.000 13.337 0.000 0.055 320.641 0.005 141.765 0.037 0.409 NODE4 22.000 7.454 358.218 5.881 61.735 5.887 302.239 78.980 78.898 Điện áp thứ tự (V) - Chế độ mất pha C - Mạng 3 pha 4 dây Tên nút Uđm U φ 1 U 1 φ 2 U 2 φ 0 KU 0 0 KU (%) 2 (%) C41 22.000 13.337 0.000 0.054 322.780 0.006 144.985 0.042 0.405 NODE4 22.000 7.589 358.005 5.749 62.099 5.753 302.609 75.808 75.757 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009 53 Dòng điện pha (A) - Chế độ mất pha C - Mạng 3 pha 3 dây Tên TB Nút đầu Nút cuối Pha |Ia| φ |Ib| a φ |Ic| b φ c MC475 C41 NODE4 AB 94.393 357.074 139.274 206.635 Line2 NODE4 NODE5 ABC 94.393 177.074 139.274 26.635 0.000 255.964 Line16 NODE30 NODE31 CA 0.140 160.942 0.140 340.295 Line56 NODE105 NODE108 BC 0.346 14.701 0.347 194.545 Line104 NODE198 NODE194 AB 0.136 184.240 0.135 4.123 Dòng điện pha (A) - Chế độ mất pha C - Mạng 3 pha 4 dây Tên TB Nút đầu Nút cuối Pha |Ia| φ |Ib| a φ |Ic| b φ c MC475 C41 NODE4 AB 95.606 355.702 143.965 209.516 Line2 NODE4 NODE5 ABC 95.606 175.702 143.965 29.516 0.000 0.000 Line16 NODE30 NODE31 C 0.000 94.360 Line56 NODE105 NODE108 B 0.415 31.979 Line104 NODE198 NODE194 A 0.236 157.244 Dòng điện thứ tự (A) - Chế độ mất pha C - Mạng 3 pha 3 dây Tên TB Nút đầu Nút cuối Pha I φ 1 I 1 φ 2 I 2 φ 0 KI 0 0 KI (%) 2 (%) MC475 C41 NODE4 AB 75.26 338.863 56.28 52.646 24.578 245.8 32.658 74.783 Line2 NODE4 NODE5 ABC 75.26 158.863 56.28 232.646 24.578 65.8 32.658 74.783 Dòng điện thứ tự (A) - Chế độ mất pha C - Mạng 3 pha 4 dây Tên TB Nút đầu Nút cuối Pha I φ 1 I 1 φ 2 I 2 φ 0 KI 0 0 KI (%) 2 (%) MC475 C41 NODE4 AB 77.866 339.92 55.8 54.785 27.879 249.02 35.803 71.677 Line2 NODE4 NODE5 ABC 77.866 159.92 55.8 234.785 27.879 69.02 35.803 71.677 Nhận xét - Trong CĐVH mất 1 pha: Các phụ tải 3 pha của mạng 3 pha 3 dây và mạng 3 pha 4 dây đều không thể tiếp tục vận hành do các hệ số K ĐX và độ lệch điện áp vượt mức cho phép. Ngoài ra, đối với mạng 3 pha 3 dây, ở đầu tuyến không có dòng điện, nhưng do ảnh hưởng giữa các tổ nối dây của MBA 3 pha và 1 pha (∆/Y : - Đối với mạng 3 pha 3 dây, trong chế độ mất 1 pha, các phụ tải nối pha-pha ở pha không bị sự cố mới đảm bảo điều kiện vận hành, còn các phụ tải nối pha-pha khác không thể tiếp tục vận hành do độ lệch điện áp tăng cao vượt quá điều kiện cho phép. Đối với mạng 3 pha 4 dây, trong chế độ mất 1 pha, các phụ tải 1 pha (pha-trung tính) của 2 pha còn lại đều đảm bảo các điều kiện cho phép nên vẫn tiếp tục vận hành. 0 ) nên phía tải tồn tại điện áp không đủ lớn để các tải 1 pha vận hành, nhưng gây nguy hiểm cho con TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009 54 người và thiết bị. Còn đối với mạng 3 pha 4 dây, các MBA 1 pha và 3 pha có tổ nối dây Y 0 /Y 0 4. Kết luận nên trên toàn tuyến đều không có dòng điện, do vậy với mạng này phía tải sẽ an toàn hơn cho con người và thiết bị. - Dạng cấu trúc LĐPP 22kV ít ảnh hưởng đến các hệ số KĐX thành phần TTN (K u2 , K i2 ), nhưng lại ảnh hưởng nhiều đến các hệ số KĐX thành phần TTK (K u0 , K i0 - Trong CĐVH bình thường, các phụ tải 3 pha của mạng 3 pha 3 dây và mạng 3 pha 4 dây đều có các hệ số KĐX K ) và độ lệch điện áp (∆U) khi lưới điện làm việc ở chế độ mất đối xứng về tải. Trong các CĐVH của HTĐ, thì độ mất đối xứng cho phép của tải trong mạng 3 pha 4 dây đều lớn hơn so với mạng 3 pha 3 dây. u0 , K u2 , K i0 , K i2 - Ứng dụng cấu trúc LĐPP 22kV 3 pha 4 dây cho phép nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho các phụ tải 1 pha. Với cấu trúc này ta cần sử dụng các MBA 1 pha có tổ đấu dây Y và độ lệch điện áp ∆U luôn đảm bảo nhờ vào cách bố trí hợp lý các phụ tải 1 pha. Trường hợp mất 1 pha, các phụ tải 3 pha của mạng 3 pha 3 dây và mạng 3 pha 4 dây đều không thể tiếp tục vận hành do các hệ số KĐX và độ lệch điện áp vượt mức cho phép. 0 /Y 0 TÀI LIỆU THAM KHẢO để đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị khi có sự cố mất 1 pha; với các MBA phụ tải 3 pha cần thay thế bởi tổ hợp 3 MBA 1 pha để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi có sự cố mất 1 pha. [1] Bộ Năng lượng, Quyết định số 1867 NL/KHKT ngày 12 tháng 9 năm 1994 ban hành qui định các tiêu chuẩn kỹ thuật cấp điện áp trung thế 22kV, Hà Nội.1994. [2] Trần Bách, Lưới điện và hệ thống điện, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2004. [3] Tủ sách Đại học bách khoa, Quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện, Khoa đại học tại chức xuất bản, Hà Nội 1969. [4] Tiêu chuẩn ngành 11TCN-18-2006, Quy phạm trang bị điện - Phần 1: Quy định chung, Nhà xuất bản lao động - xã hội, Hà Nội. [5] Công ty Điện lực 3, Hướng dẫn sử dụng chương trình PSS/ADEPT, Đà Nẵng 2005. . TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009 48 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ KHÔNG ĐỐI XỨNG CỦA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 22KV KHU VỰC MIỀN TRUNG A STUDY ON THE. là lưới không đối xứng (KĐX) do phụ tải phần lớn là 1 pha trong tính toán thông thường, chỉ xét KĐX do phụ tải gây ra vì đây là chế độ làm việc thường xuyên của lưới điện (chế độ xác lập). Tính. việc nghiên cứu chế độ vận hành (CĐVH) KĐX ở chế độ xác lập và ở chế độ mất 1 pha đối với từng cấu trúc LĐPP là cần thiết. 2. Đánh giá mức độ KĐX trong hệ thống điện Nguyên nhân gây mất đối xứng