Tính toán bù công suất phản kháng và lựa chọn máy biến áp

Chương 4: TÍNH TOÁN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ LỰA CHỌN MÁY BIẾN ÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG: Đặt vấn đề: Phần lớn các thiết bị dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Để tránh truyền tải một lượng Q khá lớn trên đường dây người ta đặt gần các hộ dùng điện bộ tụ điện làm nguồn phát công suất phản kháng. Cách làm này gọi là bù công suất phản kháng. Tải mang tính cảm có hệ số công suất thấp sẽ nhận thành phần dòng điện phản kháng (chậm pha so với điện áp một góc 90o) từ máy phát đưa đến qua hệ thống truyền tải/phân phối. Do đó kéo theo tổn thất công suất và hiện tượng sụt áp. Khi mắc các tụ song song với tải (hay còn gọi là bù ngang), dòng điện có tính dung của tụ sẽ có cùng hướng đi như thành phần cảm kháng của dòng tải. Dòng điện qua tụ này (nhanh pha hơn điện áp nguồn 90o)ngược pha vơi thành phần phản kháng của dòng tải. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cosϕ: Việc nâng cao hệ số công suất đem lại những ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế. Cải thiện hệ số công suất cho phép sử dụng máy biến áp, thiết bị đóng cắt và cáp nhỏ hơn…đồng thời giảm tổn thất điện năng và sụt áp trong mạng điện, gia tăng khả năng mang tải. Khi có bù công suất phản kháng thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch sẽ nhỏ đi, do đó hệ số công suất cos của mạch được nâng cao. Giữa P, Q và góc có quan hệ như sau: (4.1) Trong mạng điện hạ áp, bù công suất thực hiện bằng: Tụ điện với lượng bù cố định (bù nền) Thiết bị điều chỉnh bù tự động hoặc một bộ tụ cho phép điều chỉnh liên tục tùy theo yêu cầu khi tải thay đổi ( bù ứng động ). Xác định dung lượng bù: Dung lượng bù được xác định theo công thức sau: Qbù (4.2) Với Qbù: Dung lượng phản kháng cần bù (KVAR) Ptt: công suất tác dụng tính toán của nhà máy (KW). :góc tương ứng với hệ số công suất trước khi bù. :góc tương ứng với hệ số công suất sau khi bù. cos= 0.850.95 Chọn cos= 0.95 suy ra tg= 0.33 Ta có: Ptt = 643,13 KW Qtt = 705,3 KVAR Stt = 954 KVA cos= 0,7 suy ra tg= 1,02 Suy ra Qbù = 643,13 (1,02- 0,33) = 443,76 (KVAR) Chọn thiết bị bù: Tra bảng 8.18 theo Tài Liệu tham khảo 1: Chọn loại tụ điện: KC2-0.38-50-3Y3 Công suất định mức: Sc = 50 (KVAR) Điện dung: C = 1102 F Chiều cao: H = 725 mm Khối lượng: 60 kg Số lượng: 10 bộ. Dung lượng bù thực tế: 1250 = 600 (KVAR) Hệ số công suất của xí nghiệp sau khi bù: Ptt = 643,13 KW Qttsau = Qtttrước - Qbù = 705,3 - 600 = 105,3 (KVAR) Stt == 651,69 (KVA) cos = = 0,98 (Đạt) Công suất của xí nghiệp sau khi bù: Sttsaubù = = 619(KVAR) CHỌN MÁY BIẾN ÁP: 4.2.1 Khái niệm: Máy biến áp dùng để biến đổi điện năng từ cấp điện áp này đến cấp điện áp khác. Điện năng sản xuất từ nhà máy điện được truyền tải tới hộ tiêu thụ ở xa phải qua đường dây cao thế 110,200,500 kv… thường qua máy biến áp tăng từ điện áp máy phát (Umf) lên điện áp tương ứng. Ở cuối đường dây cao áp còn lại cần máy biến áp giảm về điện áp thích hợp với mạng phân phối. Ví dụ 22;15;0,4 kv… Trong hệ thống lớn thường qua nhiều lần tăng, giảm mới đưa điện năng từ các máy phát điện đến các hộ tiêu thụ. Vì vậy tổng công suất máy biến áp trong hệ thống điện có thể bằng 4 đến 5 lần tổng công suất của các máy phát điện. Máy biến áp hiện nay có nhiều loại: Máy biến áp một pha, ba pha. Máy biến áp hai cuộn dây, ba cuộn dây. Máy biến áp có cuộn dây phân chia. Máy biến áp tự ngẫu một pha, ba pha. Máy biến áp tăng, hạ áp. Máy biến áp có hoặc không có điều chỉnh dưới tải. Máy biến áp lại do nhiều nước chế tạo theo tiêu chuẩn khác nhau, điều kiện làm việc cũng có thể khác nhau khi thiết kế cung cấp điện cần chú ý khía cạnh này. 4.2.2 Chọn vị trí đặt trạm biến áp: Vị trí đặt trạm biến áp phụ thuộc vào: Tâm phụ tải điện: nếu trạm biến áp đặt ở tâm phụ tải thì sẽ đảm bảo được tổn thất công suất, điện năng và tổn thất điện áp là bé nhất. Vị trí đặt trạm cần thuận tiện cho đường dây ra vào. Vị trí đặt trạm tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt, thi công, thao tác, vận hành, sửa chữa và quản lý dễ dàng. Vị trí đặt trạm đảm bảo phòng cháy nổ, chống ẩm ướt, bụi bặm và khí ăn mòn. Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. 4.2.3 Chọn số lượng máy biến áp trong trạm: Số lượng và chủng loại máy biến áp trong trạm thường được chọn theo qui tắc sau: Chủng loại máy biến áp trong trạm biến áp nên chọn đồng nhất, hoặc ít chủng loại để giảm số lượng máy biến áp dự phòng,và đơn giản trong lắp đặt, vận hành. Số lượng máy biến áp trong trạm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: yêu cầu liên tục cung cấp điện của họ phụ tải, yêu cầu về vận hành kinh tế trạm biến áp… Đối với hộ phụ tải loại một thường chọn hai máy biến áp trở lên. Đối với hộ phụ tải loại hai thì số lượng máy biến áp được chọn phụ thuộc vào hiệu quả kinh tế, kỹ thuật. Tuy nhiên để đơn giản trong vận hành số lượng máy biến áp trong trạm không nên quá ba máy biến áp, và các máy này nên có cùng công suất. 4.2.4 Các thông số định mức của máy biến áp: 4.2.4.1 Công suất định mức Sđm: Là công suất liên tục truyền qua máy biến áp trong thời hạn phụ vụ (tuổi thọ) ứng với các điều kiện tiêu chuẩn do nhà chế tạo qui định như điện áp định mức, tần số định mức đặc biệt là nhiệt độ môi trường làm mát. Phụ thuộc vào môi trường xung quanh tuổi thọ yêu cầu công suất định mức của máy biến áp có thể thay đổi, tuy nhiên không được vượt quá giới hạn về nhiệt độ vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện trong máy biến áp. Với các máy biến áp hiện nay là: uđmcp= 980C. 4.2.4.2 Khả năng quá tải máy biến áp: Thực tế vận hành, môi trường xung quanh không thể luôn giống như qui định. Phụ tải qua máy biến áp cũng không thể giữ bằng hằng số định mức mà luôn thay đổi, phần lớn thời gian thấp hơn định mức, do đó tuổi thọ của máy biến áp bị kéo dài. Chú ý, kéo dài tuổi thọ không phải lúc nào cũng tốt vì như vậy sẽ không kịp thời thay thế các máy biến áp mới. Với sự tiến bộ công nghệ chế tạo hiện nay, máy biến áp cĩng như các thiết bị khác luôn luôn cãi tiến về kích thước, trọng lượng, tổn hao trong máy biến áp, ngay cả giá thành cũng ngày càng hạ. Để tận dụng khả năng tải của máy biến áp có khoảng thời gian cho phép vận hành với công suất lớn hơn định mức gọi là quá tải máy biến áp. (4.3) Kqt: hệ số quá tải. Quá tải sự cố máy biến áp : Khi hai máy hai máy biến áp vận hành song song mà một trong hai bị sự cố phải nghỉ, máy biến áp còn lại có thể vận hành với phụ tải lớn hơn định mức không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh lúc sự cố trong thời gian 5 ngày đêm nếu tỏa mãn các điều kiện : Theo đồ thị phụ tải đẳng trị về hai bậc, trong đó : K1< 0.93; K1< 1.4 đối với máy biến áp đặt ngoài trời và K2 < 1,3 đối với máy biến áp đặt trong nhà, T2 < 6 giờ, chú ý theo dõi nhiệt độ của cuộn dây không được vượt quá 140oC và tốt nhất là tăng cường tối đa các biện pháp làm mát máy biến áp. Quá tải ngắn hạn của máy biến áp : Trong trường hợp đặc biệt, để hạn chế cắt phụ tải, có thể vận hành theo khả năng quá tải ngắn hạn của máy biến áp không cần tính K1 ;K2 ;T2 như trên mà sử dụng bảng sau đây : Khả năng quá tải 1.3 1.45 1.6 1.75 2 3 Thời gian quá tải (phút) 120 80 45 20 10 1,5 Khi sử dụng khả năng này sự hao mòn về chất cách điện có thể bằng sự hao mòn khi vận hành với Sđm trong 10 giờ với nhiệt độ môi trường xung quanh bằng nhiệt độ định mức (200C). Quy tắc quá tải này chỉ dành cho nhân viên vận hành không xét khi thiết kế và tính toán chọn máy biến áp. Quá tải một cách hệ thống hay còn gọi là quá tải thường xuyên: Qui tắt này được áp dụng khi chế độ bình thường hằng ngày có những lúc máy biến áp vận hành non tải (K11). Trình tự tính toán như sau: Căn cứ vào đồ thị phụ tải qua máy biến áp chọn máy biến áp có công suất bé hơn Smax, lớn hơn Smin: Smin < SB< Smax Đẳng trị đồ thị phụ tải qua máy biến áp thành đồ thị phụ tải chỉ có hai bậc K1 và K2 với thời gian quá tải là T2. Từ đường cong khả năng tải của máy biến áp có công suất và nhiệt độ đẳng trị của môi trường xung quanh xác định được khả năng quá tải cho phép k2cp tương ứng với K1,K2 và T2. Nếu K2cp > K2 nghĩa là máy biến đã lựa chọn có khả năng vận hành với độ thị phụ tải đã cho mà không lúc nào nhiệt độ cuộn dây qcp < 140oC mà tuổi thọ của máy biến áp vẫn đảm bảo. Nếu K2cp < K2 tức là máy biến áp đã chọn không có khả năng đảm bảo hai điều kiện trên. Do đó phải chọn máy biến áp có công suất lớn hơn. Khi đã chọn công suất máy biến áp lớn hơn Smax của đồ thị phụ tải không cần phải kiểm tra khả năng này. Cách đẳng trị đồ thị phụ tải nhiều bậc về đồ thị phụ tải có hai bậc: Căn cứ vào Sđmb đã chọn tính hệ số tải Ki của các bậc đồ thị phụ tải. (4.4) Ki>1: quá tải. Ki<1: non tải. Xác định K2, T2 bằng cách đẳng trị vùng có Ki > 1 theo công thức sau : (4.5) Nếu Kđt2 ³ 0,9Kmax thì K2 = Kđt và T2 = STi. Kđ < 0,9Kmax thì K2 = 0,9 Kmax và xác định lại T2 theo biểu thức sau : (4.6) Trường hợp có nhiều vùng không liên tục có K>1 chỉ lấy vùng nào có Sk2i.Ti lớn nhất để tính K2 như trên. Các vùng còn lại sẽ xét khi xác định K1. Xác định K1 : Chỉ cần đẳng trị đồ thị phụ tải trong khoảng thời gian 10h trước vùng đã tính K2 (kểcả phần có K>1 không được xét trong trường hợp trên nếu có xảy ra trong khoảng thời gian 10 giờ) cũng theo biểu thức : (4.7) Ở đây STi = 10 giờ. Nếu vùng trước K2 không đủ 10 giờ có thể lấy 10 giờ sau vùng K2. Nếu cả trước và sau vùng K2 nhỏ hơn 10 giờ thì có thể gộp phần phía sau ra phần phía trước cho đủ 10 giờ vì đây là đồ thị phụ tải hằng ngày cuối của phần này là đầu của phần trước. Nếu cả hai phần trước và sau không đủ 10 giờ nghĩa là phần quá tải đã có T2>14 giờ, nên máy biến áp không có khả năng tải với đồ thị phụ tải đã cho, không cần tiếp tục tính mà phải nâng công suất máy biến áp lên và tính lại từ đầu. Công thức sử dụng để chọn máy biến áp: Chọn máy biến áp theo phương pháp công suất đẳng trị: Theo phương pháp này hệ số quá tải thường xuyên có thể xác định từ đồ thị khả năng tải của máy biến áp. Đây là hệ số quá tải cho phép K2cp.Hệ số này phụ thuộc vào hệ số phụ tải bậc một, và thời gian quá tải t2. Để áp dụng phương pháp này thì ta phải quy đồ thị nhiều bậc của máy biến áp thành đồ thị phụ tải hai bậc đẳng trị. Công suất đẳng trị S1 cho vùng non tải được tính trong vòng 10h: (4.8) Công suất đẳng trị S’2 cho vùng quá tải: S’2 = (4.9) Ở đây: T2: thời gian quá tải máy biến áp. Đối với phụ tải cực đại vào buổi chiều thì t1 được lấy bằng 10 giờ trước lúc máy biến áp quá tải. Đối với máy biến áp quá tải vào buổi sáng thì thời gian t1 lấy bằng 10 giờ ngay sau máy biến áp quá tải. S’1: công suất đẳng trị bậc một ứng với thời gian t1= 10 giờ. S’2: công suất đẳng trị bật hai, ứng với thời gian quá tải T2 của máy biến áp. Nếu S’2 < 0,9Smax thì chọn S’2 = 0,9Smax, và lúc đó thời gian T2 được tính qui đổi như sau: (4.10) Từ K1 và T2 tra đồ thị khả năng quá tải của máy biến áp tìm được hệ số quá tải cho phép K2cp. Nếu K2 < K2cp thì máy biến áp được chọn là chấp nhận được, nếu không ta phải tăng công suất máy biến áp. Trường hợp trạm có từ hai máy biến áp trở lên thì điều kiện chọn công suất máy biến áp như sau: (4.11) Trong đó: Kqtsc: hệ số quá tải sự cố cho phép của máy biến áp, được cho bởi nhà chế tạo. Smax: công suất cực đại của phụ tải. n: số lượng máy biến áp trong trạm. Công suất định mức của máy biến áp được chọn như sau: (4.12) 4.2.5 Tính toán cụ thể: Đồ thị phụ tải của xí nghiệp Hình 4.1 Đồ thị phụ tải của xí nghiệp Nhà máy có công suất phụ tải tổng là: Stt = 619 KVA Do đó để chọn dung lượng máy biến áp ta có thể chọn theo hai phương án: Phương án 1: Dùng một máy biến áp ba pha. Phương án 2: Dùng hai máy biến áp Đối với máy biến áp đặt ngoài trời thì: SMBA (KVA) Chọn mỗi máy biến áp có công suất SMBA = 560 (KVA) Để đơn giản và kinh tế ta nên chọn phương án 1 Tiến bộ về khoa học chế tạo (chủ yếu về vật liệu cách điện, thép từ) tiến bộ rất nhanh, cho nên các máy biến áp chế tạo càng về sau kích thước, trọng lượng, tổn hao và cả giá thành điều bé hơn. Vì vậy, khi chọn công suất máy biến áp cần tính đến khả năng tận dụng tối đa (xét khả năng quá tải cho phép) tránh sự vận hành non tải của máy biến áp đưa đến tổn hao không tải lớn, kéo dài thời gian sử dụng (tuổi thọ) không cần thiết. Chọn máy biến áp ba pha hai dây quấn do Việt Nam chế tạo (THIBIDI) 22/0.4 KV có thông số: Điện áp: 22/0,4(KV) Sđm = 560 KVA, ∆Po = 1300 W, ∆PN = 7600 W, Io% = 1,4%, UN% = 5%. Trọng lượng: 2774 Kg. Kích thước: dài-rộng-cao: 1800-1200-2240 (mm). Kiểm tra quá tải thường xuyên: Công suất đẳng trị: S’2 = = 608 (KVA) Ta có: S’2 > 0,9Smax = 557 (KVA) Suy ra: S2 = S’2 = 459 KVA. T2 = T’2 = 12 (h) Công suất đẳng trị S1 cho vùng non tải được tính trong vòng 10h: (KVA)2 Đồ thị tương tương hai bậc có dạng như sau: Hình 4.2: Đồ thi đẳng trị 2 bậc. K1 = K2 = Với K1 = 0,625 và T2 = 12 (h), tra đồ thị Hình A.3a) trang 16 theo Tài liệu tham khảo 1 ta được K2cp = 1,25 Ta có: K2 < K2cp do đó máy biến áp 560 KVA đạt yêu cầu. MÁY PHÁT DỰ PHÒNG Để đạt năng suất hoạt động cao nhất của nhà máy, cần phải đảm bảo độ tin cậy và chất lượng cung cấp điện. Vì vậy cần phải có máy phát dự phòng để phục vụ cho nhà máy trong trường hợp xảy ra sự cố mất điện. Để chọn nguồn dự phòng cho phù hợp với đặc điểm của nhà máy cần có mối quan hệ mật thiết với phụ tải, cấp điện áp, sơ đồ cung cấp, bảo vệ tự động hóa và chế độ vận hành. Về công suất ta có thể chọn: Smf = (0.8 ÷ 1)SMBA. Ta chọn máy phát Diesel của hãng Mitsubishi, có các thông số sau : Set Mode Engine Model Code S(KVA) Uđm(V) f(Hz) MGS100C S12H-PTA 5PH6J 560 380 50 Sơ đồ đấu dây máy phát dự phòng: Hình 4.5: Sơ đồ nối dây máy biến áp và máy phát. Hệ thống ATS: Do nhu cầu cần đảm bảo không được mất điện trong thời gian dài do đó ta phải sử dụng hệ thống ATS kết hợp với nguồn dự phòng. Hệ thống ATS sẽ kiểm tra tín hiệu điện áp và tự động cho khởi động và đóng nguồn dự phòng khi nguồn điện chính bị sự cố. Khi nguồn điện chính ổn định trở lại thì nguồn dự phòng được cắt ra.