Giáo trình cung cấp điện Th.s Nguyễn Công Chương CHƯƠNG VIII BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Khái niệm chung: 1.1 Hệ số công suất (cosφ): Hệ số công suất định nghĩa tỷ số công suất tác dụng công suất biểu kiến cos ϕ = P S (1) 2.2 Ý nghĩa bù công suất phản kháng: Bù công suất phản kháng hay nâng cao hệ số công suất cosφ thiết bị dùng điện có ý nghĩa lớn kinh tế cải thiện chất lượng điện Xét đường dây có nút phụ tải hình 2: Hình 1a Trước bù Hình 1b Sau bù Từ bảng 1.1 ta nhận thấy lợi ích đạt bù công suất phản kháng: Giảm tổn thất công suất, tổn thất điện mạng điện Giảm tổn thất điện áp mạng điện Tăng khả tải điện dây dân Giáo trình cung cấp điện Th.s Nguyễn Công Chương Bảng 1.1 Kết tính toán ∆P, ∆U , I , ∆A trước sau bù STT Trước bù cos ϕ t = P = St Sau bù P P +Q cos ϕ s = P = Ss Nhận xét P P + (Q − Qb ) cos ϕ s > cos ϕ t ∆P t = P2 + Q2 R U2 ∆P s = P + (Q − Qb ) R U2 ∆P s < ∆P t ∆U t = PR + QX U ∆U s = PR + (Q − Qb ) X U ∆U s < ∆U t It = P2 + Q2 s I = 3U ∆A t = ∆P t τ P + (Q − Qb ) 3U ∆A s = ∆P s τ Is < It ∆A s < ∆A t Các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosφ: Các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosφ chia làm hai nhóm chính: * Nhóm sử dụng biện pháp nâng cao hệ số cosφ tự nhiên ( không dùng thiết bị bù) * Nhóm sử dung biện pháp nâng cao cosφ cách bù công suất phản kháng 2.1 Các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosφ tự nhiên ( bù tự nhiên ): * Thay đổi cải tiến quy trình công nghệ để thiết bị điện làm việc chế độ hợp lý * Thay động không đồng làm việc non tải động có công suất nhỏ Khi làm việc động không đồng tiêu thụ lượng công suất phản kháng bằng: (2) Q = Qo + (Qđm − Qo )k pt2 Với: Qo - công suất phản kháng lúc động làm việc không tải Qđm - công suất phản kháng lúc động làm việc định mức kpt - hệ số phụ tải Hệ số công suất động tính theo công thức: cos ϕ = P = S 1+ Qo + (Qđm − Qo )k pt2 P đm k pt (3) Giáo trình cung cấp điện Th.s Nguyễn Công Chương Từ công thức thấy động làm việc non tải (kpt bé) cosφ thấp Các tính toán cho thấy rằng: - Nếu kpt < 0,45 nên thay động - Nếu 0,45 < kpt < 0,7 → cần so sánh kinh tế - kỹ thuật - Nếu kpt > 0,7 → không nên thay động * Giảm điện áp động làm việc non tải: Công suất phản kháng tiêu thụ động không đồng tỷ lệ thuận với U2 theo biểu thức sau: Q=k U2 µ fV (4) ( Với: k - số; U - điện áp cực động cơ; µ - hệ số dẫn từ; f - tần số dòng điện; V - thể tích mạch từ ) Từ công thức (4) thấy giảm U Q giảm rõ rệt cosφ nâng lên Để giảm điện áp đặt vào đầu cực động ta thường sử dụng biện pháp: đổi nối dây quấn stato từ ∆ → Y; thay đổi cách phân nhóm dây quấn stato; thay đổi đầu phân áp máy biến áp * Hạn chế chạy động không tải Thống kê cho thấy máy công cụ, thời gian không tải chiếm đến 3565% toàn thời gian làm việc Do hạn chế động chạy không tải biện pháp tốt để nâng cao cosφ động * Dùng động đồng để thay động không đồng Động đồng có ưu điểm hệ số cosφ cao, cần thiết phát công suất phản kháng vào mạng điện Khuyết điểm động đồng cấu tạo phức tạp giá thành đắt * nâng cao chất lượng sửa chữa, bảo trì, bảo dưỡng động * Thay máy biến áp làm việc non tải máy biến áp có dung lượng nhỏ Máy biến áp thường tiêu thụ công suất phản kháng lớn Nếu hệ số mang tải máy biến áp < 0,3 nên thay máy có công suất nhỏ Trường hợp có nhiều máy biến áp vận hành song song nên cắt bớt số lượng máy biến áp đưa vào vận hành thời gian non tải 2.2 Phương pháp bù công suất phản kháng để nâng cao cosφ ( bù nhân tạo ): Phương pháp sử dụng chủ yếu thiết bị bù như: máy bù đồng bộ, tụ điện tĩnh… Máy bù đồng bộ: Máy bù đồng động điện đồng có kết cấu giảm nhẹ không mang tải trục Máy làm việc chế độ phát công suất phản kháng ( kích thích ) tiêu thụ công suất phản kháng ( kích thích yếu ) Việc phát hay tiêu thụ công suất phản kháng thực cách điều chỉnh kích thích máy bù Máy bù Giáo trình cung cấp điện Th.s Nguyễn Công Chương đồng dùng để điều chỉnh điện áp thường đặt điểm cần điều chỉnh điện áp hệ thống điện Hiện máy bù đồng chế tạo có công suất lên vài chục MVAr Các ưu điểm máy bù đồng bộ: + Có khả điều chỉnh trơn tự động giá trị công suất phản kháng phát + Độ bền điện động nhiệt cao + Có thể phát hay thu công suất phản kháng Các nhược điểm máy bù: + Tổn thất công suất tác dụng đáng kể: 0,015-0,032kW/kVAr + Giá thành đắt, vận hành phức tạp Tụ điện: Tụ điện loại thiết bị điện tĩnh, làm việc với dòng điện vượt trước điện áp, tụ điện sinh công suất phản kháng Q cung cấp cho mạng điện Công suất tụ điện hạ áp thường vào khoảng 10 - 75 kVAr, tụ điện trung thường 100 - 200 kVAr Để có dung lượng bù cần thiết cần phải đấu song song tụ điện thành tụ Điện áp định mức tụ điện hạ áp thường 220V, 400V 440V; tụ điện trung áp thường 8.6kV ( sử dụng lưới 15kV ), 12.7kV ( lưới 22kV ) Các thông số tụ bù: + Dung lượng định mức (kVAr) + Điện áp định mức (kV) + Sai số điện dung (%) + Tổn thất điện môi (W/kVAr) + Dòng điện làm việc cức đại (A) + Điện áp thử nghiệm hai cực cực với vỏ Các ưu điểm tụ bù: + Tổn thất công suất tác dụng bé ( 0,0025 – 0,005kW/kVAr) + Vận hành đơn giản + Giá thành thấp + Lắp đặt đơn giản, thuận tiện Các nhược điểm tụ bù: + Công suất phát phụ thuộc vào điện áp làm việc tụ: Q = ω.CU2 + Tuổi thọ ngắn ( 8-10 năm ) độ bền ( dễ bị hư hỏng ngắn mạch điện áp làm việc cao điện áp định mức ) + Công suất phản kháng phát theo bậc điều chỉnh nhuyễn + Nhạy cảm độ méo dạng điện áp cung cấp Giáo trình cung cấp điện Th.s Nguyễn Công Chương + Khi đóng tụ điện vào mạng mạng có dòng xung, cắt tụ điện khỏi mạng, cực tụ điện áp dư gây nguy hiểm cho nhân viên vận hành Tụ điện dung rộng rãi xí nghiệp trung bình nhỏ Nếu dung lượng bù > 5000kVAr cần phải so sánh tụ điện máy bù đồng Xác định dung lượng bù: Dung lượng bù xác định theo công thức sau: Q b = P (tgϕ − tgϕ ) α (5) Với: P - phụ tải tính toán hộ tiêu thụ điện tgφ1, tgφ2 - tg góc pha trước sau bù α = 0,9 ÷ - hệ số xét tới khả nâng cao cosφ phương pháp không đòi hỏi đặt thiết bị bù Phân phối dung lượng bù: 5.1 Vị trí đặt thiết bị bù Sau tính toán dung lượng bù chọn lựa loại thiết bị bù cần phải xác định vị trí đặt thiết bị bù cho hiệu kinh tế Thiết bị bù đặt phía điện áp cao hay điện áp thấp theo nguyên tắc cho chi phí tính toán nhỏ Máy bù đồng có công suất lớn nên thường đặt tập trung điểm quan trọng hệ thống điện Ở xí nghiệp lớn, máy bù đồng độ thường đặt phía điện áp cao trạm biến áp Tụ điện đặt mạng điện áp cao mạng điện áp thấp * Tụ bù điện áp cao ( 6-22kV): Thường đặt tập trung trạm biến áp trung gian trạm phân phối Nhờ việc theo dõi vận hành dễ dàng có khả thực tự động hóa việc điều chỉnh dung lượng bù Ngoài ưu điểm bù tập trung tận dung hết khả tụ điện, vận hành liên tục nên tụ điện phát công suất bù tối đa Nhược điểm không bù công suất phản kháng mạng điện áp thấp * Tụ bù điện áp thấp (0,4kV): Có hình thức bù hạ áp bù tập trung, bù nhóm bù riêng lẻ + Bù tập trung: Bù hạ áp trạm biến áp phân xưởng Ưu điểm: Giảm tổn thất công suất máy biến áp, nâng cao cosφ, giảm công suất biểu kiến, nâng khả mang tải máy biến áp, giảm tiền phạt cosφ thấp Khuyết điểm: Không giảm tổn thất mạng hạ áp + Bù nhóm: Các tụ điện đặt tủ phân phối cung cấp Q cho nhóm thiết bị Bù nhóm dùng nơi tiêu thụ Q lớn Ưu điểm: Tăng khả mang tải máy biến áp khả tải dây dẫn từ máy biến áp đến tủ phân phối, giảm tổn thất côn suất máy biến áp tuyến dây nối từ máy biến áp đến tủ phân phối, giảm tiền phạt cosφ thấp Khuyết điểm: Các tụ điện nằm phân tán nên việc theo dõi vận hành không thuận tiện khó thực việc điều chỉnh dung lượng bù, không giảm tổn thất tuyến dây nối từ tủ phân phối đến trực tiếp thiết bị Giáo trình cung cấp điện Th.s Nguyễn Công Chương + Bù riêng lẽ: Tụ điện đấu nối trực tiếp đầu vào thiết bị, động Bù riêng thường áp dụng công suất động đáng kể so với công suất mạng điện Ưu điểm: So với hai hình thức cho phép giảm tổn thất công suất tổn thất điện áp bậc cuối mạng điện Khuyết điểm: Thường tụ điện đấu thiết bị đóng cắt, động ngừng hoạt động mạng điện thiếu hụt lượng công suất Q tương ứng với công suất tụ Cần lưu ý động tách khỏi lưới tụ điện có tích điện trình độ điện từ, động không đồng trở thành máy phát không đồng ( tượng tự kích thích ) Lúc điện áp đặt đầu cực động đạt giá trị lớn gây nguy hiểm cho người thiết bị Để tránh tượng này, dung lượng bù đầu cực động phải thoả điều kiện sau: (6) Qb ≤ Qb max = 0,9.I o U n Với: Io - dòng không tải động Un - điện áp dây định mức động Hình 2a Bù tập trung Hình 2b Bù nhóm Hình 2c Bù riêng lẽ 5.2 Phân phối tối ưu dung lượng bù Mạng hình tia Q Qb r1 r2 rn Q1 Qb1 Q2 Qb2 Qn Qbn Hình Phân phối dung lượng bù mạng hình tia Giáo trình cung cấp điện Th.s Nguyễn Công Chương Xét mạng hình tia có n nhánh, tổng dung lượng bù Qb, phân phối dung lượng bù nhánh cho tổn thất công suất tác dụng công suất phản kháng gây nhỏ để hiệu bù đạt kết lớn Giả sử dung lượng bù phân phối nhánh Qb1, Qb2, …, Qbn Phụ tải phản kháng điện trở nhánh Q1, Q2, …, Qn r1, r2,…, rn Tổn thất công suất tác dụng tính theo biểu thức: ∆P = (Q1 − Qb1 ) (Q2 − Qb ) (Qn − Qbn ) r + r + + rn U2 U2 U2 = f(Qb1, Qb2, …, Qbn) Với điều kiện ràng buộc cân công suất là: φ(Qb1, Qb2, …, Qbn) = Qb1 + Qb2 + … + Qbn – Qb = Để tìm cực tiểu hàm nhiều biến ∆P, ta dung phương pháp nhân tử Lagrange, với nhân tử λ chọn bằng: λ= 2L U2 Với L số xác định sau Điều kiện để ∆P có cực tiểu đạo hàm riêng hàm F = f(Qb1, Qb2, …, Qbn) + λ φ(Qb1, Qb2, …, Qbn) triệt tiêu Do ta có hệ phương trình sau: 2(Q1 − Qb1 ) ∂F 2L =− r1 + = Qb1 U U 2(Q2 − Qb ) ∂F 2L =− r2 + = Qb U U (7) _ 2(Qn − Qbn ) ∂F 2L =− rn + = Qbn U U Giải hệ trên, ta tìm được: L = [(Q1 + Q2 +…+Qn) – (Qb1, Qb2, …, Qbn)]x( 1/r1 + 1/r2 +…+ 1/rn )-1 Có thể viết: L = ( Q-Qb )Rt Thay L vào phương trình (7), ta tìm dung lượng bù tối ưu nhánh: Qb1 = Q1 − Q − Qb Rtđ r1 Qb = Q − Q − Qb Rtđ r2 (8) Giáo trình cung cấp điện Th.s Nguyễn Công Chương -Qbn = Qn − Q − Qb Rtđ rn Để thuận tiện vận hành giảm bớt thiết bị đóng cắt, người ta quy định dung lượng bù nhánh nhỏ 30kVAr không nên đặt tụ điện nhánh mà nên phân phối sang nhánh lân cận Mạng phân nhánh Q Qb Q01 r01 Q12 r12 Q23 r23 r1 r2 Q1 Q2 Q34 r34 r3 Q3 r4 Q4 Hình Phân phối dung lượng bù mạng phân nhánh Mạng phân nhánh hình.3 coi nhiều mạng hình tia ghép lại Ví dụ điểm ta coi có nhánh hình tia r3 (r3 + r34), điểm có nhánh, nhánh r2 nhánh có điện trở tương đương phần phía sau Trong trường hợp ta tính dung lượng bù nhánh thứ n theo công thức sau: Qbn = Qn − (Q( n −1) n − Qbn ) Rtđđ rn (9) Với: Qn - phụ tải phản kháng nhánh thứ n Q(n-1) - phụ tải phản kháng chạy đoạn từ điểm (n-1) đến điểm n Qbn - dung lượng bù điểm n Rtđn - điện trở tương đương mạng từ điểm n trở sau Điều chỉnh dung lượng bù 6.1 Bù Khi dung lượng bù nhỏ hay công suất phản kháng phụ tải biến động ta sử dụng phương án bù Các tụ bù đóng thường trực vào mạng điện 6.2 Bù ứng động Thực tế cho thấy công suất phụ tải thay đổi theo thời gian trường hợp tải lớn ta chọn giải pháp bù ứng động Trong trường hợp dung lượng bù điều chỉnh cho phù hợp với công suất tiêu thụ phản kháng để hệ số công suất cosφ đạt giá trị mong muốn Điều chỉnh dung lượng bù theo nguyên tắc thời gian: Giáo trình cung cấp điện Th.s Nguyễn Công Chương Phương pháp áp dụng trường hợp đồ thị phụ tải Q hang ngày biến đổi theo quy luật định người vận hành nắm rõ quy luật Dựa vào biến đổi phụ tải phản kháng tụ điện đóng ngắt khỏi mạng điện theo thời khoảng định trước Điều chỉnh dung lượng bù theo nguyên tắc điện áp: Khi điện áp nút khảo sát tăng giảm, điều nhận biết thông qua rơle điện áp, dung lượng bù điều chỉnh để giá trị điện áp nằm phạm vi quy định Khi điện áp nút khảo sát giảm thấp, lúc mạng điện thiếu công suất phản kháng → cần đóng thêm tụ điện vào mạng Ngược lại, cần phải ngắt bớt tụ điện Phương pháp áp dụng phổ biến giải nhu cầu công suất phản kháng, nâng cao cosφ ổn định điện áp mạng điện Điều chỉnh dung lượng bù theo nguyên tắc dòng điện: Thông qua rơle dòng điện, dòng điện phụ tải tăng ta đóng thêm tụ điện vào làm việc, ngược lại dòng phụ tải giảm ta ngắt bớt tụ điện khỏi mạng Điều chỉnh dung lượng bù theo hướng công suất phản kháng: Nguyên tắc áp dụng trường hợp trạm biến áp đứng độc lập cuối đường dây xa nguồn  ... phát công suất phản kháng ( kích thích ) tiêu thụ công suất phản kháng ( kích thích yếu ) Việc phát hay tiêu thụ công suất phản kháng thực cách điều chỉnh kích thích máy bù Máy bù Giáo trình cung. .. vận hành phức tạp Tụ điện: Tụ điện loại thiết bị điện tĩnh, làm việc với dòng điện vượt trước điện áp, tụ điện sinh công suất phản kháng Q cung cấp cho mạng điện Công suất tụ điện hạ áp thường vào... lượng bù Ngoài ưu điểm bù tập trung tận dung hết khả tụ điện, vận hành liên tục nên tụ điện phát công suất bù tối đa Nhược điểm không bù công suất phản kháng mạng điện áp thấp * Tụ bù điện áp