Chương VII
Bù công suất phản kháng
7.1 Khái niệm chung và ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất:
Nhu cầu dùng điện ngày một cao
ngày càng phải tận dụng hết các khả năng của các nhà máy điện. Về mặt sử dụng
phải hết sức tiết kiệm, sử dụng hợp lý TB. điện, giảm tổn thất điện năng đến mức nhỏ nhất, phấn đấu để 1 kWh điện năng ngày
càng làm ra nhiều sản phẩm. Toàn bộ hệ thống CCĐ. có đến 10
15 % năng lượng điện bị tổn thất qua khâu truyền tải và phân
phối, trong đó mạng xí nghiệp chiếm khoảng 60% lượng tổn thất đó. Vì vậy việc sử dụng hợp lý và khai thác hiệu quả TB. điện có
thể đem lại những lợi íc to lớn.
1) bản chất của hệ số công suất::
Trong mạng điện tồn tại hai loại công suất:
+ Công suất tác dụng: P “ Đặc trưng cho sự sinh ra công, liên quan đến quá trình động lực. Gây ra moment quay cho các động
cơ. Một phần nhỏ bù vào các tổn hao do phát nóng dây dẫn, lõi thép….ở nguồn P trực tiếp liên quan đến tiêu hao năng lượng
đầu vào như Than, hơi nước, lượng nước .v.v… Tóm lại P đặc trưng cho quá trình chuyển hoá năng lượng.
+ Công suất phản kháng: Q ngược lại không sinh ra công. Nó đặc trưng cho quá trình tích phóng năng lượng giữa nguồn và tải,
Nó liên quan đến quá trình từ hoá lõi thép BA., động cơ, gây biến đổi từ thông để tạo ra sđđ. phía thứ cấp. Nó đặc trưng cho
khâu tổn thất từ tản trong mạng. Ở nguồn nó liên quan đến sđđ. của máy phát (liên quan đến dòng kích từ máy phát). Như vậy để
chuyển hoá được P cần phải có sự hiện diện của Q. Giũa P & Q lại liên hệ trực tiếp với nhau, mà đặc trưng cho mối quan hệ đó
là hệ số công suất.
S
P
QP
P
K22
p
cos
Các đại lượng P; Q; S; cos
liên hệ với nhau bằng tam giác công suất.
Như vậy S đặc trưng cho công suất thiết kế của TB. điện
việc tăng giảm P, Q không tuỳ tiện được. Vậy cùng một công suất S
(cố định) nếu cos
càng lớn (tức
càng nhỏ) tức là công suất tác dụng càng lớn, lúc đó người ta nói TB. được khai thác tốt hơn.
Như vậy với từng TB. nếu cos
càng lớn tức TB đòi hỏi lượng Q càng ít. Đứng về phương diện truyền tải nếu lượng Q (đòi hỏi từ
nguồng ) càng giảm thì sẽ giảm lượng tổn thất. Vì vậy thực chất của việc nâng cao hệ số cos
cũng đồng nghĩa với việc giảm đòi
hỏi về Q ở các hộ phụ tải.
2) ý nghĩa của việc nâng cao hệ số cos
:
a) Giảm tổn thất công suất và điện năng trên tất cả các phần tử (đường dây và BA.)
)()(
.QP
2
2
2
2
2
2
PPR
U
Q
R
U
P
R
U
S
P
Thực vậy nếu Q giảm
P(Q) sẽ giảm
P cũng sẽ giảm
A giảm.
b) Làm giảm tổn thất điện áp trong các phần tử của mạng:
)()( QP UU
U
QX
U
PR
U
c) Tăng khả năng truyền tải của các phần tử:
Q
S
P
S
2
= P
2
+ Q
2
P = S.Cos
Q = S. sin
cos
=
22 QP
P
S
P
U3
QP
I
22
Trong khi công suất tác dụng là một đại lượng xác định công suất đã làm ra hay năng lượng đã truyền tải đi trong 1
đơn vị thời gian, thì công suất S và Q không xác định công đã làm hay năng lượng đã truyền tải đi trong 1 đơn vị thời gian (Quá
trình trao đổi công suất phản kháng giữa máy phát điện và hộ tiêu thụ là một quá trình giao động. Mỗi chu kỳ p(t) đổi chiều 4
lần, giá trị trung bình trong mỗi chu kỳ là bằng không). Nhưng tương tự như khái niệm của công suất tác dụng, trong kỹ thuật
điện năng ta cũng qui ước cho công suất phản kháng 1 ý nghĩa tương tự và coi nó là công suất phát ra, tiêu thụ hoặc tuyền tải
một đại lượng qui ước gọi là năng lượng phản kháng Wp
Q = wp /t [VArh].
Như vậy trong mạng điện ta sẽ coi những phụ tải cảm kháng với Q>0 là một phụ tải tiêu thụ công suất phản kháng.
Còn những phụ tải dung kháng với Q<0 là nguồn phát ra công suất phản kháng. Trong mạng xí nghiệp công suất phản kháng
phân bổ như sau:
60
65 % ở các động cơ không đồng bộ.
20
25 % ở các máy biến áp.
10
20 % ở các thiết bị khác.
Như vậy ta thấy rằng phụ tải công nghiệp đều mang tính chất điện cảm (tức tiêu thụ công suất phản kháng). Xuất phát
từ bản chất của công suất phản kháng như vậy ta thấy rằng có thể tạo ra công suất phản kháng trong mạng điện mà không đỏi
hỏi tiêu tốn năng lượng của động cơ sơ cấp, quay máy phát.
Vậy để tránh phải truyền tải một lượng Q khá lớn trên đường dây người ta đặt gần các hộ tiêu thụ những máy sinh ra
Q (Tụ hoặc máy bù đồng bộ). Việc làm như vậy gọi là bù công suất phản kháng VD. một sơ đồ CCĐ. có đặt thiết bị bù:
HV – thể hiện một số vị trí bù thực tế:
+ Vì các phụ tải là các đại lượng biến đổi liên tục theo thời gian nên trị số của cos
cũng biến động theo thời gian. Trong tính
toán thường dùng trị số trung bình của cos
.
cos
tb =
tb
tb
t
t
t
t
P
Q
artg
tP
tQ
artg 2
1
2
1cos
)(
)(
cos
Trong đó Qtb ; Ptb có thể xác định được bằng đồng hồ đo điện năng.
12
r
tb tt
A
Q
;
12
tb tt
A
P
Các xí nghiệp của ta có cos
tb còn khá thấp chỉ vào khoảng 0,5
0,6 cần phải phấn đấu để cos
= 0,9. Ở một số nước tiên tiến
cos
có thể đạt tới 0,92
0,95.
7.2 Các biện pháp nâng cao hệ số công suất:
Thực chất của việc nâng cao hệ số công suất là nhằm giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây
của mạng. Để làm điều này tồn tại 2 phương pháp.
+ Nâng cao hệ số cos
tự nhiên: (biện pháp tự nhiên) đây là nhóm phương pháp bằng cách vận hành hợp lý các TB. dùng điện
nhằm giảm lượng Q đỏi hỏi từ chính các TB. Dùng điện
giảm Q từ nguồn.
+ Nâng cao hệ số công suất bằng cách đạt TB bù: (không yêu cầu giảm lượng Q đòi hỏi từ TB. dùng điện mà CC thêm 1 lượng
Q tại ngay các hộ dùng điện nhằm giảm lượng Q phải truyền tải trên đường dây)
phương pháp này chỉ thực hiện sau khi đã
thực hiện biện pháp thứ nhất mà chưa đạt được kết quả thì mới thực hiện việc bù.
+ Nhóm các phương pháp tự nhiên:
35
110 kV
6
10 kV 6
10 kV
0,4 kV
~
+
Thay những động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng những động cơ có công suất nhỏ hơn: khi làm việc bình thường
động cơ tiêu thụ 1 lượng công suất phản kháng bằng:
Q = Qkt +
Qdm.2
pt
k (3)
Qkt - Công suất phản kháng khi không tải (chiểm tỷ lệ 60
70 % so với Qdm) và có thể xác định theo công thức:
Qkt
ktdm IU3 (Ikt – dòng không tải của ĐC).
kpt =
dm
P
P -hệ số mang tải của ĐC.
Qdm – lượng gia tăng Q khi ĐC. mang tải định mức so với khi không tải.
Qdm = Qdm – Qkt
ktdmdm
dm
dm IU3tg
P
dm – hiệu suất của ĐC. khi mang tải định mức.
Vậy cos
=
2
dmpt
2
ptdmkt
22
Pk
kQQ
1
1
QP
P
S
P
.
.
Do đó ta thấy rằng kpt giảm
cos
cũng sẽ giảm.
Ví dụ: một ĐC. Có cos
= 0,8 khi kpt = 1
cos
= 0,65 kpt = 0,5
cos
= 0,51 kpt = 0,3
Chú ý: Khí có động cơ không đồng bộ làm việc non tải phải dựa vào nức độ tải của chúng mà quyết định chọn giữa thay hoặc
không thay. Kinh nghiệm vận hành cho thấy rằng:
Khi kpt < 0,45 việc thay thế bao giờ cũng có lợi.
khi kpt > 0,7 việc thay thế sẽ không có lợi.
khi 0,45 < kpt < 0,7 việc có tiến hành thay thế phải dựa trên việc so sánh kinh tế cụ thể mới quyết định được.
Ngoài ra khi tiến hành thay thế các ĐC. còn cần phải đảm bảo các điều kiện kỹ thuật, tức đảm bảo nhiệt độ của ĐC.
phải không lớn hơn nhiệt độ cho phép và các điều kiện khác về mở máy và làm việc ổn định.
+
Giảm điện áp đặt vào ĐC. thường xuyên làm việc non tải:
Biện pháp này thực hiện khi không có điều kiện thay ĐC. có công suất nhỏ hơn. Ta biết rằng công suất phản kháng đòi
hỏi từ 1 ĐC. không đồng bộ có thể viết dưới biểu thức sau:
Vf
U
KQ
2
.;
K – hằng số.
U - điện áp đặt vào ĐC.
- hệ số dẫn từ của mạch từ.
f - tần số dòng điện.
V - thể tích mạch từ.
Để giảm U thực tế thường tiến hành như sau:
+ Đổi nối dây quấn stato từ đấu
Y .
+ Thay đổi cách phân nhóm dây cuốn stato.
+ Thay đổi đầu phân áp của BA. hạ áp.
Chú ý: Kinh nghiệm cho thấy rằng biện pháp này chỉ thực hiện tốt đối với các ĐC. U<1000 V và khi kpt < 0,3
0,4. Cần chú ý
rằng khi thay đổi
Y, điện áp sẽ giảm 3lần
dòng tăng 3lần nhưng momen sẽ giảm đi 3 lần
vì vậy phải kiểm tra
điều kiện quá tải và khởi động sau đó.
+
Hạn chế ĐC không đồng bộ chạy không tải hoặc non tải:
Đa số các động cơ máy công cụ khi làm việc có nhiều thười gian chạy không tải xen lẫn giữa thời gian mang tải. Nhiều
khi thời gian chạy không tải chiếm tới 50-60 % thời gian làm việc. Nếu thời gian ĐC. chạy không tải được cắt ra sẽ chánh được
tổn thất. Tuy nhiên trong quá trình đóng cắt ĐC. cũng sinh ra tổn hao mở máy. Thực tế vận hành thấy nếu t0 của ĐC. lớn hơn 10
giây thì việc cắt khỏi mạng có lợi.
Biện pháp này có 2 hướng:
+ Vận động công nhân thao tác hợp lý để hạn chế đến mức thấp nhất thời gian chạy không tải, thay đổi qui trình thao
tác nhằm hạn chế t0.
+ Đặt bộ hạn chế chạy không tải.
+
Dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ:
Ở những nơi qui trình công nghệ cho phép, máy có công suất lớn không yêu cầu điều chỉnh tốc độ như máy bơm, quạt
gió, máy nén khí v.v... việc thay thế sẽ có ưu điểm.
+ Hệ số công suất cao hơn, khi cần có thể làm việc ở chế độ quá kích từ để trở thành máy bù công suất phản kháng, góp phần sự
ổn định của hệ thống.
+ Momen quay tỷ lệ với bậc nhất của điện áp
ít ảnh hưởng đến dao động điện áp. Khi tần số nguồn thay đổi, tốc độ quay
không phụ thuộc vào phụ tải
năng suất làm việc cao.
+ Khuyết điểm: cấu tạo phức tạp, giá thành cao, số lượng mới chỉ chiếm 20% tổng số ĐC. Nhờ những tiến bộ mới nên có nhiều
xu hướng sử dụng ngày càng nhiều.
Ngoài ra còn một số biện pháp khác như nâng cao chất lượng sửa chữa ĐC. thay thế máy BA. non tải, vận hành kinh tế
trạm BA. (đặt nhiều máy cho một trạm), áp đặt các qui trình công nghệ mới nhằm giảm giờ máy chạy không tải hoặc tiết kiệm
điện năng.
7.3 Bù công suất phản kháng: (phương pháp nhân tạo nâng cao hệ số cos
). Công việc này chỉ được tiến hành sau khi
tiến hành các biện pháp tự nhiên để nâng cao cos
rồi mà vẫn chưa đạt được yêu cầu.
a) Thiết bị bù: thông thường người ta sử dụng 2 loại thiết bị bù chính là tụ điện tĩnh và máy bù đồng bộ. cả 2 loại thiết bị này có
những ưu nhược điểm gần như trái ngược nhau:
Máy bù đồng bộ: thực chất là loại động cơ đồng bộ chạy không tải có một số đặc điểm (ưu nhược điểm).
1. Vừa có khả năng phát ra lại vừa tiêu thụ được công suất phản kháng.
2. Công suất phản kháng phát ra không phụ thuộc vào điện áp đặt vào nó, mà chủ yếu là phụ thuộc vào dòng kích từ (có
thể điều chỉnh được dẽ dàng).
3. Lắp đặt vận hành phức tạp, đễ gây sự cố (vì có bộ phần quay).
4. Máy bù đồng bộ tiêu thụ một lượng công suất tác dụng khá lớn khoảng 0,015 – 0,02 kW/kVA.
5. Giá tiền đơn vị công suất phản kháng phát ra thay đổi theo dung lượng. Nếu dung lượng bé thì sẽ đắt. Vì vậy chỉ được
sản xuất ra với dung lượng lớn 5 MVAr trở lên.
Tụ điện tĩnh: có ưu nhược điểm gần như trái ngược với máy bù đồng bộ.
1. Giá tiền 1 đơn vị công suất phản kháng phát ra hầu như không thay đổi theo dung lượng. điều này thuận tiện cho việc
chia nhỏ ra nhiều nhóm nhỏ đặt sâu về phía phụ tải.
2. Tiêu thụ rất ít công suất tác dụng khoảng 0,003 – 0.005 kW/kVAr.
3. Vận hành lắp đặt đơn gian, ít gây ra sự cố.
4. Công suất phản kháng phát ra phụ thuộc vào điện áp đặt vào tụ.
5. Chỉ phát ra công suất phản kháng và không có khả năng điều chỉnh.
Vậy ở mạng XN. chỉ nên sử dụng tụ điện tĩnh, còn máy bù đồng bộ chỉ được dùng ở phía hạ áp (6-10 kV) của các trạm
trung gian(trạm khu vực).
Vị trí đặt thiết bị bù trong xí nghiệp:
Có thể đặt được ở nhiều điển khác nhau như HV.
+ Đặt tập trung: đặt ở thanh cái hạ áp trạm BA-PX (0,4 kV) hoặc thanh cái trạm BA. trung tâm (6-10 kV), ưu điểm dễ quản lý
vận hành, giảm vốn đầu tư.
+ Đặt phân tán: TB. bù được phân nhỏ thành từng nhóm đặt tại các tủ động lực trong phân xưởng. Trường hợp động cơ công
suất lớn, tiêu thụ nhiều Q có thể đặt ngay tại các ĐC. đó.
Đ
Đ
Đ
6
10 kV
35
110 kV
0,4 kV
0,4 kV
Khi đặt TB. bù tại điểm nào đó thì sẽ giảm được lượng tổn thất
P và
A do đó phải truyền tải Q. Tuy nhiên việc đặt TB. bù ở
phía hạ áp không phải lúc nào cũng có lợi, bởi giá tiền 1 kVAr tụ hạ áp thường đắt gấp 2 lần 1 kVAr tụ ở 6-10 kV. Ngay cả việc
phân nhỏ dung lượng bù để đặt theo nhóm riêng lẻ cũng không phải luôn luôn có lợi, bởi vì lúc đó có làm giảm thêm được
A
nhiều hơn, Xong lại làm tăng chi phí lắp đặt, quản lý và vận hành. Vì vậy để có được giải pháp tốt nhất cần phải phối hợp nhiều
giải pháp
7.4 Xác định dung lượng bù kinh tế tại các hộ tiêu thụ:
(hộ tiêu thụ có thể là các xí nghiệp, các trạm trung gian, các hộ dùng điện khác). Chúng ta đều biết khi đặt TB. bù sẽ giảm được
A. Tuy nhiên cũng tiêu tốn một lượng vốn, đồng thời các TB bù cũng gây nên một lượng tổn thất
P ngay trong bản thân nó và
cũng cần đến 1 chi phí vận hành. Vậy thì sẽ đặt một dung lượng nào đó là hợp lý? Để giải quyết vấn đề này chúng ta phải thiết
lập được quan hệ của Qbu với Ztt.
rồi tìm Qbu ? để Z
min, ta gọi dung lượng đó là Qbu kinh tế hoặc tối ưu.
Z = Z1 + Z2 + Z3
Trong đó:
Z1 – thành phần chi phí liên quan đến vốn đầu tư.
Z1 = (avh + atc). k0.Qbu
avh – hệ số vận hành (khấu hao).
atc - hệ số hiệu quả kinh tế của việc thu hồi vốn đầu tư.
k0 - giá tiền đơn vị công suất đặt TB. bù [đ/1kVAr].
Qbu – dung lượng bù (mà chung ta đang cần tìm) [kVAr].
Z2 - Thành phần liên quan đến tổn thất điện năng do TB bù tiêu tốn.
Z2 =
P0.Qbu.T.C
P0 - Suất tổn hao công suất tác dụng trong TB. bù [kW/1kVAr].
T - Thời gian làm việc của TB. bù. (thời gian đóng tụ vào lưới).
C - giá tiền điện năng tổn thất [đ/kWh].
Z3 - Thành phần tổn thất điện năng trong hệ thống (sau bù).
CR
U
QQ
Z2
2
bu
3...
)(
R - Điện trở của mạng.
U - điện áp của mạng.
Q - Công suất phản kháng yêu cầu của hộ tiêu thụ.
- Thời gian tổn thất công suất cực đại.
Như vậy ta đã xây dựng được Z = f(Qbu)
Qkt
Zmin.
2
bu
2
bu0bu0tcvh QQ
U
RC
CTQPQkaaZ )(
..
....).(
0QQ
U
RC2
CTPkaa
Q
Z
bu
2
00tcvh
bu
)(
...
..).(
RC2
PTCkaaU
QQ 00tcvh
2
bukt ...
]..).[(
R, X
P + jQ
Qbu