Bài giảng Khai thác nhà máy điện - Vũ Văn Thắng

90 trang hapham 2840

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Khai thác nhà máy điện - Vũ Văn Thắng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_khai_thac_nha_may_dien_vu_van_thang.pdf

Nội dung text: Bài giảng Khai thác nhà máy điện - Vũ Văn Thắng

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Tr−ờng đại học kỹ thuật công nghiệp Khoa: Điện Bộ môn: Năng l−ợng điện o0o bμi giảng môn học khai thác nhμ máy điện (Dùng cho hệ đào tạo Kỹ s− Hệ thống điện) Biên soạn: Vũ Văn Thắng. - Thái nguyên 2004 -
Simpo PDF BàiMerge giảng and môn Split học Unregistered Khai thác Nhà Version máy điện - Đề c−ơng môn học Khai thác nhμ máy điện (Dùng cho hệ Đại học - Ngành Hệ thống điện - Tr−ờng ĐHKTCN) Khối l−ợng: 60 tiết Số học trình: 04 Số học phần: 02 Ch−ơng 1 Thiết bị điện chính trong Nhà máy điện 1.1 Máy phát điện đồng bộ. I. Khái niệm chung. II. Thông số chủ yếu của máy phát điện đồng bộ. 1. Công suất định mức, Pđm. 2. Điện áp định mức, Uđm. 3. Dòng điện định mức, Iđm. 4. Điện kháng đồng bộ dọc trục (xd) và ngang trục (xq). 5. Điện kháng quá độ (x'd). 6. Điện kháng siêu quá độ (x"d). III. Hệ thống làm mát. 1. Hệ thống làm mát gián tiếp. 2. Hệ thống làm mát trực tiếp. 3. Giới hạn công suất vận hành của máy phát điện đồng bộ theo điều kiện phát nóng. IV. Hệ thống kích từ. 1. Khái niệm chung. 2. Thông số của hệ thống kích từ. 3. Các hệ thống kích từ. 4. Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ, TĐK. V. Hệ thống diệt từ. 1. Khái niệm chung. 2. Yêu cầu đối với hệ thống diệt từ. 3. Các hệ thống diệt từ. VI. Chế độ làm việc bình th−ờng của máy phát điện đồng bộ. VII. Chế độ làm việc không bình th−ờng của máy phát điện đồng bộ. 1. Chế độ quá tải. 2. Chế độ làm việc không đồng bộ. 3. Chế độ không đối xứng. 1
Simpo PDF BàiMerge giảng and môn Split học Unregistered Khai thác Nhà Version máy điện - 4. Chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ nh− máy bù đồng bộ. 5. Chế độ cộng h−ởng tần số thấp của máy phát điện đồng bộ. 1.2 Máy biến áp điện lực. I. Thông số của máy biến áp. 1. Công suất định mức, Sdm. 2. Điện áp định mức, Udm. 3. Hệ số biến áp, k. 4. Dòng điện định mức của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp máy biến áp. 5. Điện áp ngắn mạch, UN. 6. Dòng không tải, ikt hay i0. 7. Tổn thất công suất không tải, ΔP0. 8. Tổn thất công suất ngắn mạch, ΔPN. II. Làm mát máy biến áp. 1. Máy biến áp kiểu khô. 2. Làm mát máy biến áp bằng dầu đối l−u tự nhiên. 3. Làm mát máy biến áp bằng dầu tự nhiên có quạt gió. 4. Làm mát máy biến áp bằng tuần hoàn c−ỡng bức dầu và không khí. 5. Làm mát bằng dầu và n−ớc. (Hệ thống làm mát Ц). III. Chế độ nhiệt của máy biến áp. 1. Chế độ nhiệt của máy biến áp. 2. Độ tăng nhiệt độ của dầu và cuộn dây máy biến áp trong trạng thái xác lập khi phụ tải khác định mức. 3. Độ tăng nhiệt độ của dầu và cuộn dây trong quá trình quá độ. IV. Khả năng tải của máy biến áp. 1. Sự già cỗi cách điện do nhiệt. 2. Khả năng quá tải cho phép của máy biến áp. Ch−ơng 2. Ph−ơng pháp chung phân phối tối −u công suất Nhà máy điện 2.1 Khái niệm chung. 2.2 Ph−ơng pháp phân phối tối −u công suất Nhà máy điện. I. Ph−ơng pháp chung. II. Ph−ơng pháp Lagrange. 2
Simpo PDF BàiMerge giảng and môn Split học Unregistered Khai thác Nhà Version máy điện - Ch−ơng 3. Khai thác tối −u Nhà máy điện 3.1 Khái niệm chung. I. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của Nhà máy nhiệt điện. 1. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu. 2. Suất tiêu hao nhiên liệu, γ. 3. Suất tăng tiêu hao nhiên liệu, ε. 4. Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu. 5. Kết luận. II. Đặc tính tiêu hao n−ớc của Nhà máy thuỷ điện. 1. Đặc tính tiêu hao n−ớc. 2. Suất tăng tiêu hao n−ớc, ε. 3. Suất tiêu hao n−ớc, γ. III. Đặc tính chi phí sản xuất Nhà máy nhiệt điện. 1. Đặc tính chi phí sản xuất. 2. Suất tăng chi phí sản xuất. 3. Suất chi phí sản xuất. 4. Đặc tính suất tăng chi phí sản xuất. IV. Đặc tính chi phí n−ớc của Nhà máy thuỷ điện. 1. Đặc tính chi phí n−ớc. 2. Suất tăng chi phí n−ớc và đặc tính suất tăng chi phí n−ớc. V. Suất tăng tổn thất công suất trong l−ới điện. 3.2 Phân phối tối −u công suất giữa các Nhà máy nhiệt điện trong hệ thống điện. I. Nguyên tắc thực hiện. II. Phân phối tối −u công suất khi tổn thất công suất ΔP không phụ thuộc vào công suất phát của các nhà máy Pi. 1. Nguyên tắc tính toán. 2. Ph−ơng pháp tính. III. Phân phối tối −u công suất khi tổn thất công suất ΔP phụ thuộc vào công suất phát của các nhà máy Pi. 1. Nguyên tắc tính toán. 2. Ph−ơng pháp tính toán. 3
Simpo PDF BàiMerge giảng and môn Split học Unregistered Khai thác Nhà Version máy điện - IV. Phân phối tối −u công suất khi tổn thất công suất ΔP phụ thuộc vào công suất tác dụng Pi và công suất phản kháng Qi của nhà máy. 3.3 Phân bố tối −u công suất trong hệ thống hỗn hợp Nhiệt điện - Thuỷ điện. I. Nguyên tắc tính toán. II. Ph−ơng pháp tính toán. 1. Ph−ơng pháp chính xác. 2. Ph−ơng pháp dần đúng. 3.4 Xác định thành phần tổ máy vận hành của Nhà máy nhiệt điện. I. Nguyên tắc thực hiện. II. Ph−ơng pháp tính. o0o 4
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Ch−ơng 1 thiết bị điện chính trong nhμ máy điện 1.1 Máy phát điện đồng bộ I. Khái niệm chung. Máy phát điện là thiết bị điện chiếm vị trí quan trọng nhất trong các nhà máy điện. Các máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng và có khả năng điều chỉnh công suất cung cấp cho hệ thống. Máy phát điện giữ vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất l−ợng điện năng (điều chỉnh tần số và điện áp của hệ thống điện). Do có ý nghĩa quan trọng nên trong các nhà máy điện, các máy phát điện đ−ợc chế tạo có hiệu suất cao, làm việc tin cậy và đ−ợc sử dụng lâu dài. Các máy phát điện dùng trong nhà máy điện chủ yếu là các máy phát điện đồng bộ 3 pha. Có công suất từ vài kW đến hàng nghìn MW, điện áp định mức từ (0,38ữ25)kV. Xu h−ớng hiện nay là chế tạo các máy phát điện với công suất định mức ngày càng lớn. Trong những hệ thống điện t−ơng đối lớn (công suất từ 100MW trở nên) các máy phát điện th−ờng có công suất định mức > 100MW. Khi làm việc trong nhà máy điện, các máy phát điện không tách rời các thiết bị phụ (hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn, hệ thống kích từ ). II. Các thông số chủ yếu của máy phát điện đồng bộ. 1. Công suất định mức, Pđm. Công suất định mức của máy phát có thể cho theo công suất tác dụng Pđm hoặc công suất toàn phần là Sđm và hệ số công suất cosϕ. Công suất máy phát điện th−ờng cho bởi hai đại l−ợng (Pđm, Sđm), (Pđm , cosϕ) hoặc (Sđm , cosϕ). Hệ số công suất cosϕ khoảng (0,8ữ0,9). 2. Điện áp định mức, Uđm. Điện áp định mức của máy phát th−ờng cao hơn Uđm của l−ới từ (5ữ10)%, đ−ợc xác định theo (bảng 1-1). 5
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Bảng 1-1 STT Công suất (MW) Điện áp l−ới (kV) Điện áp định mức MF (kV) G.chú 1 ≤ 100 6 6,3ữ6,6 2 ≤ 100 10 10,5ữ11 3 100 ữ 150 Không phụ thuộc 15,75 4 150 ữ 200 Không phụ thuộc 18 5 ≥ 200 Không phụ thuộc 20 ữ 20,5 3. Dòng điện định mức, Iđm. Dựa vào công suất định mức và điện áp định mức đã cho ta có: Pdm Iđm = (1-1) 3U dm .cosϕdm 4. Điện kháng đồng bộ dọc trục (xd) và ngang trục (xq). Đặc tr−ng cho điện cảm của cuộn dây Stato ứng với mạch từ ở chế độ xác lập theo h−ớng dọc trục và ngang trục của roto. - Các máy phát điện tuabin n−ớc, roto cực lồi: mạch từ theo h−ớng dọc trục và ngang trục khác nhau, do đó xd ≠ xq (xd > xq). - Các máy phát điện tuabin hơi, roto cực ẩn, đối xứng: xd = xq. Điện kháng đồng bộ cho trong các sổ tay kỹ thuật đ−ợc tính trong hệ đơn vị t−ơng đối định mức: 2 U dm X d* = X d . (1-2) Sdm Khi tính trong hệ đơn vị có tên hoặc hệ đơn vị t−ơng đối cơ bản khác cần phải quy đổi lại: S X = X . dm d d* 2 (1-3) U dm 2 S ⎛ U ⎞ dm ⎜ cb ⎟ X d(cb) = X d*. ⎜ ⎟ (1-4) Scb ⎝ U dm ⎠ 5. Điện kháng quá độ (x'd). Đặc tr−ng cho điện cảm của cuộn dây stato ứng với mạch từ ở chế độ quá độ. ở chế độ quá độ từ thông sinh ra bởi cuộn dây stato đi qua cuộn dây roto bị giảm đi do phản ứng hỗ cảm của cuộn dây stato. 6
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Điện trở mạch kín của cuộn dây roto th−ờng rất nhỏ, phản ứng hỗ cảm làm triệt tiêu gần hoàn toàn từ thông bên trong roto. Nh− vậy, có thể coi điện cảm của cuộn dây stato trong chế độ quá độ t−ơng đ−ơng với điện cảm của stato khi mạch từ khép kín ra không khí bên ngoài cuộn dây roto. Từ trở mạch từ lớn, từ thông giảm do đó điện kháng quá độ nhỏ hơn nhiều so với điện kháng đồng bộ, trị số của điện kháng quá độ không phụ thuộc vào dạng cực từ. 6. Điện kháng siêu quá độ (x"d). Đặc tr−ng cho điện cảm của cuộn dây stato ở giai đoạn đầu của chế độ quá độ. ở giai đoạn đầu của chế độ quá độ phải kể đến ảnh h−ởng của các cuộn cản. Phản ứng hỗ cảm của các cuộn cản làm giảm từ thông của cuộn dây stato, do đó x"d < x'd. Dòng điện xuất hiện trong các cuộn cản tắt rất nhanh, x"d chỉ có ý nghĩa ở giai đoạn đầu tiên của quá trình quá độ (tính dòng điện ngắn mạch ở thời điểm đầu tiên). III. Hệ thống làm mát. Hệ thống làm mát có ảnh h−ởng quyết định đến giới hạn công suất làm việc của các máy phát. Công suất định mức của máy phát điện xác định bởi nhiệt độ phát nóng cho phép lâu dài của cách điện. Nhiệt độ trong máy khi làm việc phụ thuộc vào tổn thất trong các bộ phận của máy (dây dẫn, lõi thép ) và khả năng tản nhiệt từ máy ra môi tr−ờng ngoài. Để tăng công suất định mức của máy có thể tăng kích th−ớc của dây dẫn và lõi thép, nghĩa là tăng kích th−ớc của máy phát, tuy nhiên khi tăng kích th−ớc máy phát có đặc điểm sau: - Đ−ờng kính cực đại của roto máy phát điện tuabin hơi chỉ có thể từ (1,2ữ1,3)m, quá giới hạn này roto có thể bị vỡ ra bởi lực ly tâm. - Chiều dài của roto cũng bị giới hạn bởi ứng suất uốn và độ cong trục (không đ−ợc v−ợt quá 5,5ữ6,5 ) lần đ−ờng kính. Vì vậy công suất của máy phát điện chỉ có thể tăng lên hơn nữa bằng cách tăng c−ờng làm mát cho các máy phát. Có hai loại hệ thống làm mát: hệ thống làm mát gián tiếp và hệ thống làm mát trực tiếp. 7
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 1. Hệ thống làm mát gián tiếp. Trong hệ thống làm mát gián tiếp môi chất làm lạnh là khí (không khí hoặc Hydro). Máy phát điện đ−ợc làm mát bằng cách thổi môi chất làm mát qua các khe hở trong máy (khe hở tự nhiên giữa roto và stato, khe hở kết cấu cho mục đích làm mát). Nhiệt độ của máy phát đ−ợc môi chất tải ra ngoài môi tr−ờng, do đó máy phát đ−ợc làm mát. - Đối với các máy phát điện công suất nhỏ: (≤ 12MW) th−ờng áp dụng hệ thống làm mát gián tiếp bằng không khí, hệ thống làm mát có hai dạng: + Dạng hở: không khí từ ngoài qua hệ thống lọc bụi rồi đ−ợc bơm vào máy. Sau khi làm mát, không khí đ−ợc thải ra ngoài. + Dạng kín: không khí sạch, dùng làm môi chất, đ−ợc bơm tuần hoàn trong hệ thống kín qua hệ thống n−ớc làm mát tr−ớc khi vào làm mát máy. Kiểu kín tránh đ−ợc bụi lẫn vào không khí làm mát. ở máy phát điện tuabin hơi hệ thống làm mát bằng không khí th−ờng đ−ợc bố trí phía d−ới bệ máy, ở máy phát điện tuabin n−ớc hệ thống làm mát đ−ợc bố trí xung quanh stato. - Đối với các máy phát điện công suất lớn: Sử dụng Hydrô làm môi chất làm mát cho các máy phát điện. * Ưu điểm: + Hydrô có độ dẫn nhiệt lớn gấp 7 lần so với không khí và tốc độ nhận nhiệt bề mặt nhanh gấp 1,44 lần. + So với không khí cùng áp suất, mật độ khí Hydrô thấp hơn nhiều, nên giảm đ−ợc ma sát và do đó giảm đ−ợc công suất máy bơm. + Máy phát điện cùng kích th−ớc, nếu dùng Hydrô làm mát thay cho không khí thì có thể tăng công suất định mức lên (15ữ20)% và nâng hiệu suất lên thêm (0,7ữ1)%. + Dùng Hydrô làm mát còn làm tăng tuổi thọ của cách điện vì hạn chế đ−ợc oxy hoá. + Dùng Hydrô làm mát có thể chế tạo máy phát điện tua bin hơi công suất đến 100MW. * Nh−ợc điểm: Có khả năng tạo thành hỗn hợp cháy nổ nếu Hydrô bị lẫn oxy. Để loại trừ nguy hiểm này ng−ời ta phải điều chế Hydrô thật tinh khiết. Phải đảm bảo áp suất Hydrô vào máy, ng−ời ta nạp khi Nitơ để lùa hết không 8
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 khí ra, sau đó mới đ−a Hydrô vào thay thế. Nh− vậy hệ thống làm mát dùng Hydrô phải có độ bền cao, kín hơn so với hệ thống làm mát bằng không khí. Hiệu quả của ph−ơng pháp làm mát gián tiếp không cao vì sự toả nhiệt của dây dẫn hoặc lõi thép truyền đến môi chất làm mát phải thông qua các lớp cách điện, các phần lõi thép. ở mỗi đoạn đ−ờng truyền nhiệt tồn tại một chênh lệch nhiệt độ nhất định, do đó nhiệt độ của dây dẫn và cách điện cao hơn nhiều so với nhiệt độ của môi chất. 2. Hệ thống làm mát trực tiếp. Trong hệ thống làm mát trực tiếp, môi chất làm mát chạy xuyên qua dây dẫn rỗng và các lớp lõi thép, nhiệt l−ợng đ−ợc truyền trực tiếp ra môi chất làm mát không có đoạn đ−ờng trung gian. Vì vậy, chênh lệch nhiệt độ chủ yếu tồn tại giữa bề mặt tiếp xúc của dây dẫn và môi chất làm mát với môi tr−ờng ngoài. Hiệu quả của ph−ơng pháp làm mát trực tiếp cao, cho phép tăng đáng kể công suất chế tạo và giảm đ−ợc kích th−ớc của các máy phát điện. Vì vậy, ph−ơng pháp này th−ờng dùng cho các máy phát có công suất và điện áp lớn. Môi chất làm mát trong hệ thống làm mát trực tiếp th−ờng dùng Hydrô, n−ớc, dầu và th−ờng áp dụng hệ thống làm mát hỗn hợp. - Khi sử dụng môi chất làm mát là n−ớc: N−ớc có độ dẫn nhiệt cao nhất, độ nhớt thấp nên l−u thông dễ dàng, không gây cháy, nổ. Nh−ng cần phải đảm bảo n−ớc có độ tinh khiết cao để tránh dẫn điện và ăn mòn, vì thế vận hành khá phức tạp. - Khi sử dụng môi chất làm mát là dầu: dầu cách điện tốt, rất thuận lợi đối với các máy phát điện cao áp. Nh−ng dầu có độ nhớt lớn, l−u thông khó khăn, đòi hỏi phải có công suất bơm lớn. Hệ thống đ−a môi chất làm mát vào máy phát điện th−ờng là các ống đặt trong lòng các thanh dẫn và lõi thép, đ−ợc bố trí theo cách nhất định để đảm bảo sự phân bố t−ơng đối đều nhiệt độ trong máy. Để đ−a n−ớc vào hệ thống các ống dẫn ở roto, ng−ời ta tạo ra các hộp nối đặc biệt, đảm bảo kín giữa phần tĩnh và phần động. 3. Giới hạn công suất vận hành của máy phát điện đồng bộ theo điều kiện phát nóng. Nhiệt độ cách điện của máy phát điện khi vận hành phụ thuộc vào tổn thất công suất trong các bộ phận của máy. Tổn thất này gây ra bởi dòng điện 9
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 trong các cuộn dây và từ thông trong lõi thép (tổn thất dòng điện xoáy và tổn thất từ trễ). Phân bố từ thông trong máy phụ thuộc đáng kể vào chế độ vận hành, chẳng hạn ở chế độ thiếu kích từ (máy tiêu thụ công suất phản kháng), từ thông tập trung nhiều ở các mỏm cực stator do phản ứng phần ứng trợ từ. Mật độ từ thông lớn làm tăng đáng kể tổn thất từ trễ, gây ra nhiệt độ cao ở những phần này. Vì thế giới hạn công suất vận hành của máy trong tr−ờng hợp này bị giảm đi, nếu xác định theo nhiệt độ tại điểm nóng nhất (mặc dù nhiệt độ cách điện ở các phần khác của cuộn dây ch−a đến giới hạn lớn nhất). ở chế độ nhận công suất phản kháng giới hạn công suất bị thu hẹp đáng kể (chỉ còn khoảng 40ữ50% công suất định mức). Đây là chế độ vận hành rất th−ờng gặp ở các nhà máy thuỷ điện xa trung tâm phụ tải. Vào các giờ thấp điểm phụ tải hệ thống thấp (ban đêm), để giảm điện áp tăng cao trên các đ−ờng dây nối nhà máy với hệ thống (th−ờng có chiều dài lớn) cần cho máy phát rất ít công suất tác dụng và tiêu thụ công suất phản kháng. IV. Hệ thống kích từ. 1. Khái niệm chung. Hệ thống kích từ có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho các cuộn dây kích từ của máy phát điện đồng bộ. Nó phải có khả năng điều chỉnh dòng kích từ (bằng tay hoặc tự động) để đảm bảo chế độ làm việc ổn định, kinh tế với chất l−ợng điện năng cao trong mọi tình huống. - Trong chế độ làm việc bình th−ờng: điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh đ−ợc điện áp đầu cực máy phát, thay đổi công suất phản kháng phát vào l−ới. Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ làm việc có tác dụng: + Giữ điện áp không đổi khi phụ tải biến động. + Nâng cao giới hạn công suất truyền tải từ máy phát điện vào hệ thống, đặc biệt khi nhà máy nối với hệ thống qua đ−ờng dây dài. + Bảo đảm ổn định tĩnh, nâng cao tính ổn định động. - Trong chế độ sự cố: chỉ có bộ phận kích từ c−ỡng bức làm việc là chủ yếu, nhằm duy trì điện áp của máy phát điện không đổi, giữ ổn định cho hệ thống. 2. Thông số của hệ thống kích từ. - Công suất định mức, Pf.dm: Là công suất của hệ thống kích từ th−ờng xác định bằng (0,2ữ0,6)% công suất định mức máy phát điện. Việc tạo ra hệ thống kích từ có công suất lớn th−ờng gặp khó khăn, do công suất chế tạo các máy 10
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 phát điện một chiều bị hạn chế bởi điều kiện làm việc của bộ phận đổi chiều. Vì vậy với các máy phát điện công suất lớn, phải áp dụng các hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh l−u. - Điện áp kích từ định mức, Uf.dm: là điện áp kích từ định mức của máy phát, khoảng (50ữ500)V phụ thuộc vào công suất của máy phát. - Dòng điện kích từ định mức, If.dm: là dòng điện kích từ của máy phát ứng với chế độ định mức, có giá trị rất lớn (có thể đến chục kA). - Điện áp kích từ giới hạn, Uf.gh: là điện áp kích từ lớn nhất có thể tạo ra đ−ợc của hệ thống kích từ. Điện áp này càng lớn thì phạm vi điều chỉnh dòng kích từ càng rộng và càng có khả năng điều chỉnh nhanh. + Đối với máy phát điện tuabin hơi: Ufgh ≥ 2.Ufđm. + Đối với máy phát điện tuabin n−ớc: Ufgh≥ 1,8.Ufđm. Để đáp ứng yêu cầu đảm bảo ổn định trong hệ thống, ng−ời ta chế tạo Ufgh=(3ữ4)Ufđm. Nh−ng Ufgh càng lớn đòi hỏi hệ thống kích từ phải có khả năng cách điện càng cao. - Hằng số thời gian, Te: đặc tr−ng cho tốc độ thay đổi dòng kích từ, nó xác định bởi quán tính điện từ của các cuộn dây điện cảm. Đ−ợc xác định bởi biểu thức sau: Lf Te = (1-5) R + R f Trong đó: + Rf, Lf là điện trở và hệ số tự cảm của cuộn dây kích từ máy phát. + R là điện trở phụ mạch kích từ máy phát. Te có trị số càng nhỏ thì tốc độ điều chỉnh kích từ càng nhanh. Đặc tr−ng tính tác động nhanh của hệ thống kích từ bằng tốc độ tăng điện áp kích từ khi kích từ c−ỡng bức (v): U − U v = 0,632. fgh fdm (1-6) Ufdm .t Trong đó: + Ufgh: điện áp kích từ giới hạn. + Ufđm: điện áp kích từ định mức. + t: thời gian để tăng điện áp kích từ từ trị số định mức đến trị số: U = Ufdm + 0,632.(Ufgh - Ufđm) 11
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Đây chính là tốc độ trung bình tăng điện áp ở giai đoạn đầu của quá trình kích từ c−ỡng bức. Đa số các tr−ờng hợp có thể coi điện áp kích từ c−ỡng bức tăng theo qui luật hãm mũ: t − Te Uf (t) = Ufgh − (Ufgh − Ufdm ).e (1-7) Trong đó: Te là hằng số thời gian của hệ thống kích từ. Tr−ờng hợp t = Te, ta có: −1 Uf (Te ) = Ufgh − (Ufgh − Ufdm ).e = Ufdm − 0,632.(Ufgh − Ufdm ) (1-8) Ta thấy Te có quan hệ với v: 0,632.(U − U ) v = fgh fdm (1-9) U fdm .Te Tốc độ tăng điện áp kích từ càng nhanh khi Ufgh càng lớn, còn hằng số thời gian Te càng nhỏ. Các tham số này phụ thuộc vào kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống kích từ cụ thể. 3. Các hệ thống kích từ. a) Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều. - Sơ đồ. C C KT 1 If C3 C2 ~ KT MF Rđc TĐK Hình 1-1. Sơ đồ hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều. - Nguyên lý hoạt động. Trên sơ đồ: MF là máy phát chính, KT là máy phát kích từ, CKT là cuộn kích từ của máy phát chính, C1 là cuộn kích từ chính của máy phát kích từ 1 chiều, C2 và C3 là cuộn kích từ phụ của máy phát 1 chiều, Rdc điện trở điều chỉnh dòng kích từ máy phát 1 chiều, TĐK là bộ tự động điều chỉnh kích từ. Để điều chỉnh dòng kích từ máy phát If, thay đổi dòng điện kích từ trong các cuộn kích từ của máy phát điện một chiều. Do đó điện áp phát của máy phát 1 chiều thay đổi dẫn đến thay đổi dòng kích từ của máy phát chính If. 12
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 - Biến trở Rdc cho phép điều chỉnh bằng tay dòng điện trong các cuộn dây kích từ chính C1. - Khi thiết bị tự động kích từ làm việc dòng điện trong các cuộn dây C2 và C3 đ−ợc điều chỉnh tự động: + Dòng trong cuộn C2 đ−ợc điều chỉnh ứng với chế độ làm việc bình th−ờng. + Dòng trong cuộn C3 đ−ợc điều chỉnh ứng với chế độ kích từ c−ỡng bức. - Năng l−ợng và tín hiệu điều chỉnh cung cấp cho thiết bị tự động kích từ đ−ợc nhận qua các máy biến dòng và máy biến điện áp phía đầu cực máy phát điện đồng bộ (hoặc lấy từ thanh góp phía cao áp của máy biến áp tăng). - Để quay máy phát điện một chiều kích từ, sử dụng năng l−ợng của chính trục quay của máy phát điện đồng bộ hoặc có thể sử dụng một động cơ điện xoay chiều riêng. Động cơ đ−ợc cung cấp từ l−ới điện tự dùng của nhà máy qua máy biến áp. Các ph−ơng án trên có đặc điểm sau: + Ph−ơng án dùng máy phát điện 1 chiều, nối cùng trục với máy phát điện chính có −u điểm: đơn giản, tin cậy, giá thành hạ, tốc độ quay ổn định không phụ thuộc vào điện áp của l−ới điện tự dùng. Nh−ợc điểm: khi cần sửa chữa máy kích từ, phải dừng máy phát điện đồng bộ, không thay thế đ−ợc bằng nguồn kích từ dự phòng. Tốc độ quay quá lớn của trục tuabin hơi không thích hợp với máy phát điện một chiều, do đó ph−ơng pháp này chỉ dùng cho các máy phát tuabin hơi có công suất nhỏ. Tốc độ trục quay của tuabin n−ớc trong nhà máy thuỷ điện quá nhỏ cũng hạn chế công suất của máy phát điện kích từ. + Ph−ơng án dùng động cơ điện xoay chiều có nh−ợc điểm: vận hành phức tạp, giá thành cao, chịu ảnh h−ởng của sự thay đổi tần số và điện áp l−ới (nhất là trong chế độ sự cố). - −u nh−ợc điểm. + Hệ thống kích từ không phụ thuộc vào tình trạng làm việc của hệ thống, sơ đồ có cấu tạo và làm việc đơn giản. + Nh−ợc điểm chung của hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều là hằng số thời gian Te lớn (0,3ữ0,6)s và giới hạn điều chỉnh không cao (Ufgh ≤ 2,0). + Do có vành góp và chổi điện, công suất chế tạo bị hạn chế. Vì vậy hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều th−ờng chỉ đ−ợc áp dụng ở các máy phát điện công suất nhỏ và trung bình. 13
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 b) Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh l−u. * Dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao và chỉnh l−u Máy phát điện xoay chiều tần số cao đ−ợc chế tạo theo kiểu cảm ứng: roto không có cuộn dây, cuộn dây kích từ đặt ở phần tĩnh, từ thông thay đổi đ−ợc nhờ kết cấu rãnh của roto. Sơ đồ thể hiện trên (hình 1-2). KT CL CKT + I C3 C2 C1 f ~ MF TĐK Hình 1-2. Sơ đồ hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh l−u Cuộn kích từ chính C1 của máy phát điện kích từ đ−ợc nối nối tiếp với cuộn kích từ chính CKT của máy phát chính. Các cuộn kích từ phụ C2 và C3 đ−ợc cung cấp và điều chỉnh qua thiết bị tự động điều chỉnh kích từ với năng l−ợng lấy từ phía đầu cực của máy phát điện đồng bộ (qua BU và BI). Với 10 rãnh trên bề mặt roto, tần số của dòng điện trong máy phát điện kích từ tần số cao khoảng 500Hz (khi quay cùng trục với máy phát điện đồng bộ tuabin hơi 3000 v/ph). Dòng điện này đ−ợc chỉnh l−u 3 pha biến đổi thành dòng điện một chiều. Dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao làm nguồn cung cấp, hệ thống kích từ có thể chế tạo đ−ợc với công suất khá lớn và có thể áp dụng cho các máy phát điện đồng bộ công suất (200ữ300)MW. Để cung cấp dòng điện kích từ cho roto của máy phát đồng bộ chủ yếu vẫn dùng vành tr−ợt và chổi điện do đó công suất chế tạo hạn chế. Hằng số thời gian Te và điện áp kích từ giới hạn Ufgh cũng nh− trong hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều (Te lớn, Ufgh nhỏ). 14
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 *Dùng máy phát điện xoay chiều không vành tr−ợt: Để tăng công suất kích từ có thể áp dụng hệ thống kích từ không vành tr−ợt, sơ đồ thể hiện trên (hình 1-3). Phần quay CLĐK C KT1 MF ~ CKT ~ KT CL TĐK Hình 1-3. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều không vành tr−ợt Trong hệ thống kích từ không vành tr−ợt dùng một máy phát điện xoay chiều ba pha cùng trục với máy phát điện chính làm nguồn cung cấp. Máy phát xoay chiều kích từ có kết cấu đặc biệt: cuộn kích từ đặt ở stato, còn cuộn dây ba pha đặt ở roto. Dòng điện xoay chiều ba pha tạo ra ở máy phát kích từ đ−ợc chỉnh l−u thành dòng điện một chiều nhờ một bộ chỉnh l−u công suất lớn gắn ngay trên cực roto của các máy phát. Do đó cuộn dây kích từ của máy phát điện chính CKT có thể nhận đ−ợc dòng điện chỉnh l−u không qua vành tr−ợt và chổi điện. Để cung cấp cho cuộn dây kích từ của máy phát kích từ CKT1 (đặt ở stato) dùng một bộ chỉnh l−u khác CLĐK (th−ờng là chỉnh l−u có điều khiển), nguồn cung cấp có thể là máy phát điện xoay chiều tần số cao hoặc nguồn xoay chiều bất kỳ. Tác động của thiết bị tự động kích từ đ−ợc đặt trực tiếp vào cửa điều khiển của bộ chỉnh l−u CLĐK, làm thay đổi kích từ của máy phát điện kích từ, t−ơng ứng với mục đích điều chỉnh. * Ưu nh−ợc điểm: Do không có vành tr−ợt và chổi điện nên công suất chế tạo lớn, hằng số thời gian kích từ Te của hệ thống kích từ khá nhỏ (0,1ữ 0,15)s, điện áp kích từ giới hạn lớn hơn. Tuy nhiên sơ đồ phức tạp nên giá thành đắt, chế tạo và vận hành phức tạp. 15
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 c) Hệ thống kích từ dùng chỉnh l−u có điều khiển (Thyristor). Xuất phát từ các bài toán đảm bảo ổn định chất l−ợng điện năng, một yêu cầu kỹ thuật quan trọng là giảm thật nhỏ hằng số thời gian kích từ Te. Hằng số thời gian Te này đ−ợc xác định là hằng số thời gian t−ơng đ−ơng của tất cả các khâu: từ tín hiệu ra của thiết bị tự động kích từ đến điện áp kích từ Uf của máy phát điện đồng bộ và th−ờng khá lớn do quán tính điện từ của máy phát kích từ. Nếu tác động của thiết bị tự động kích từ trực tiếp vào điện áp kích từ Uf thì hằng số thời gian sẽ giảm đi rất nhiều. Điều này thực hiện đ−ợc thông qua các loại chỉnh l−u có điều khiển công suất lớn (các chỉnh l−u thuỷ ngân có cực điều khiển, các bộ Thyristor). Sơ đồ hệ thống kích từ nh− vậy là rất đơn giản (hình 1-4). CL CKT ĐK MF ~ TĐK Hình 1-4. Hệ thống kích từ dùng chỉnh l−u có điều khiển Nguồn điện xoay chiều 3 pha cung cấp cho cuộn dây kích từ của máy phát đồng bộ qua chỉnh l−u có điều khiển CLĐK có thể là một máy phát điện xoay chiều 3 pha tần số (50ữ500) Hz hoặc máy biến áp tự dùng. 4. Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ, TĐK. Các thiết bị thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) đều hoạt động theo nguyên tắc điều khiển bằng liên hệ ng−ợc (có phản hồi): điện áp kích từ đ−ợc điều chỉnh theo một quy luật xác định, ứng với sự biến thiên của các thông số chế độ hệ thống nhận đ−ợc bởi các thiết bị đo l−ờng. Uf = f(ΔΠi, ΔΠ'i, ΔΠ"i ) i = 1, 2, , n. Trong đó: ΔΠi, ΔΠ'i, ΔΠ"i là độ lệch của các thông số trạng thái hệ thống và các đạo hàm của chúng. Quan hệ hàm f xác định bởi kết cấu của thiết bị tự động kích từ có ý nghĩa rất quan trọng, đó là tổ hợp các phép biến đổi tỉ lệ. Để thực hiện những hàm f phức tạp th−ờng sử dụng những phần tử biến đổi điện tử khác nhau hoặc 16
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 máy tính điện tử, số Hàm f đ−ợc xác định xuất phát từ yêu cầu đề ra đối với thiết bị tự động kích từ: - Giữ điện áp đầu cực máy phát điện đồng bộ không đổi (với độ chính xác cần thiết). - Đảm bảo ổn định tĩnh. - Nâng cao ổn định động cho hệ thống. Khả năng đáp ứng các yêu cầu trên của thiết bị tự động kích từ ngoài sự phụ thuộc vào việc lựa chọn cấu trúc của hàm f còn phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống kích từ (tốc độ và giới hạn điều chỉnh điện áp), kết cấu của hệ thống điện cụ thể mà nhà máy điện đang tham gia vào. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị thiết bị tự động kích từ (xem giáo trình "Tự động hoá trong hệ thống điện"). V. Hệ thống diệt từ. 1. Khái niệm chung. Khi máy phát điện hoặc máy bù đồng bộ bị cắt đột ngột (tốc độ của máy tăng nhanh), cần phải nhanh chóng làm mất từ tr−ờng các cuộn kích từ của chúng để đảm bảo an toàn cho máy. - Máy phát điện bị ngắn mạch bên trong, máy cắt loại máy phát ra khỏi l−ới. Tuy nhiên do quán tính máy phát vẫn quay và vẫn đ−ợc kích từ. Nếu không làm mất từ tr−ờng trong máy, sức điện động vẫn tồn tại, do đó dòng điện ngắn mạch vẫn tồn tại và tiếp tục làm h− hỏng máy. - Máy phát điện bị cắt đột ngột ra khỏi l−ới do sự cố bên ngoài, máy phát mất tải đột ngột sẽ quay với tốc độ cao, nếu không dập tắt nhanh từ tr−ờng điện áp trên cực máy phát điện sẽ tăng cao nguy hiểm cho cách điện của máy. Để giảm nguy hiểm phải giảm dòng điện kích từ (Ikt hoặc If), tuy nhiên ∂I ∂I nếu giảm I nhanh dẫn đến f lớn, làm cho điện áp cảm ứng L f lớn. Vì f ∂t f ∂t vậy lại xảy ra hiện t−ợng quá áp cảm ứng. Cuộn dây kích từ của máy phát đồng bộ có điện cảm rất lớn, nếu cắt mạch đột ngột sẽ gây ra quá điện áp nguy hiểm cho cuộn dây roto và phá huỷ tiếp điểm đóng cắt do tia lửa. Do đó cần có thiết bị riêng để tiêu tán năng l−ợng từ tr−ờng trong máy gọi là hệ thống diệt từ, quá trình tiêu tán năng l−ợng từ tr−ờng của máy gọi là quá trình diệt từ. Quá trình diệt từ đ−ợc coi là kết thúc nếu làm giảm đ−ợc biên độ sức điện động đến trị số 500V. Khi đó tia lửa chỗ cắt mạch có thể dập tắt tự nhiên 17
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 không gây ra nguy hiểm. Thời gian để làm giảm trị số sức điện động của máy xuống đến trị số này đ−ợc gọi là thời gian diệt từ. 2. Yêu cầu đối với hệ thống diệt từ. - Làm việc tin cậy (ít h− hỏng) và ổn định. - Thời gian diệt từ ngắn. - Phải có Uf.gh đủ lớn, th−ờng Ufgh = (3ữ4).Ufđm. - Phải có tốc độ kích từ đủ lớn. + Tr−ờng hợp chung v = 2.Ufđm/s. + Tr−ờng hợp máy phát điện làm việc với đ−ờng dây dài, điện áp lớn và tải tăng giảm đột ngột thì v = (6ữ7).Ufđm/s. - Điện áp xuất hiện trong mạch roto thấp hơn điện áp cho phép, xác định bởi độ bền cách điện. Điện áp này th−ờng đ−ợc lấy bằng nửa biên độ điện áp thử nghiệm chọc thủng cách điện. Ucp = 0,5. 2 Utn ≈ 0,7 Utn (1-10) Thông th−ờng Ucp = (1000ữ2500) V. 3. Các hệ thống diệt từ. a) Hệ thống diệt từ dùng điện trở. * Sơ đồ nguyên lý. Hệ thống diệt từ dùng điện trở (hình 1-5) gồm: - Điện trở công suất lớn để nổi tắt mạch roto, R. - Công tắc tơ CT với 2 tiếp điểm: Tiếp điểm th−ờng đóng CT1 và th−ờng mở CT2. MC CC 1 MC + - RI CT - BI C T1 + C T2 ~ CKT KT MF R - Hình 1-5: Sơ đồ Hệ thống diệt từ dùng điện trở. 18
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 * Nguyên lý làm việc. - Trong chế độ làm việc bình th−ờng: Tiếp điểm CT1 của công tắc tơ đóng, tiếp điểm CT2 mở. - Khi bị sự cố ngắn mạch trong hoặc ngoài, dòng điện của máy phát tăng mạnh. Rơle RI tác động đi cắt máy cắt đồng thời cấp nguồn cho cuộn dây của công tắc tơ CT, tiếp điểm CT2 đóng tr−ớc, sau đó tiếp điểm CT1 mở ra (do cấu tạo liên động). Nh− vậy, cuộn kích từ đ−ợc nối tắt qua R và mạch roto luôn luôn đ−ợc khép kín, năng l−ợng từ tr−ờng tiêu tán trên điện trở trong quá trình diệt từ. - Quá trình quá độ trong mạch roto khi diệt từ (xét máy không cuộn cản) có thể mô tả bởi ph−ơng trình: di L . f + (R + R ).i = 0 (1-11) f dt f f Trong đó: + Lf, Rf là cảm kháng và điện trở của cuộn dây kích từ. + if là dòng điện chạy trong cuộn kích từ. Giải ph−ơng trình (1-11) ta có nghiệm: t − Te i f (t) = i f (0) .e Tr−ớc khi xảy ra sự cố, dòng trong mạch kích từ đ−ợc xác định là: U f (−0) if (0) = R f Do đó: t − U f (−0) Te i f (t) = .e (1-12) R f Lf Trong đó: Te = R + R f Điện áp giữa hai cực của cuộn dây roto: t − R Te U f (t) = i f .R = .U f (−0) .e (1-13) R f Thời điểm bắt đầu cắt tiếp điểm CT1 (t = 0) điện áp này có trị số lớn nhất và bằng: R U f (+0) = .U f (−0) (1-14) R f 19
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Từ biểu thức (1-12, 1-13) ta thấy, để giảm nhanh dòng điện và điện áp kích từ thì hằng số thời gian Te nhỏ, dẫn tới R phải lớn. Vậy, muốn diệt từ nhanh thì giá trị điện trở R lớn. Tuy nhiên khi R lớn, từ biểu thức (1-14) ta thấy điện áp kích từ tại thời điểm bắt đầu diệt từ rất lớn, gây ra hiện t−ợng quá áp lớn. Vì vậy, có thể chọn trị số của điện trở R sao để điện áp xuất hiện trong quá trình diệt từ nhỏ hơn điện áp cho phép. Th−ờng lấy R = (3ữ5)Rf khi đó thời gian diệt từ khoảng vài giây. Nh−ng nếu R càng nhỏ thì hằng số thời gian tắt dần của quá trình quá độ sẽ càng lớn, nghĩa là quá trình diệt từ bị kéo dài. * Nhận xét. - Sơ đồ đơn giản, rẻ tiền. - Vận hành dễ đơn giản. - Để đảm bảo điện áp xuất hiện nhỏ hơn điện áp cho phép, thời gian diệt từ th−ờng lớn. Với những −u nh−ợc điểm trên, thiết bị diệt từ dùng điện trở đ−ợc áp dụng đối với các máy phát công suất nhỏ, ứng với hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều. b) Hệ thống diệt từ dùng buồng dập hồ quang. * Sơ đồ. Hệ thống này không dùng điện trở nối tắt mạch roto mà dùng buồng dập hồ quang (BD-HQ) đặt tại vị trí các tiếp điểm đóng cắt của công tắc tơ (hình 1-6). Bộ phận chính của buồng dập hồ quang là các phiến kim loại đặt song song, cách điện với nhau và các cuộn dây tạo ra từ tr−ờng mạnh trong khu vực tia lửa điện. MC CC 1 MC + - RI CT - BI C T2 + CT1 ~ CKT KT MF BD-HQ - Hình 1-6: Sơ đồ Hệ thống diệt từ dùng buồng dập hồ quang. 20
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 * Nguyên lý làm việc. Khi có tín hiệu diệt từ, tiếp điểm CT2 mở ra tr−ớc, sau đó mở tiếp điểm CT1 trong buồng dập tắt hồ quang (liên động). Khi tiếp điểm CT1 mở mạch mới đ−ợc cắt, tia lửa xuất hiện. Nhờ có các cuộn dây tạo từ tr−ờng mạnh, tia lửa hồ quang bị kéo về phía các phiến kim loại. ở đây, hồ quang đ−ợc chia thành những đoạn ngắn, truyền nhiệt cho các phiến kim loại, nguội đi và bị dập tắt nhanh chóng. Ph−ơng trình vi phân mô tả quá trình quá độ điện từ trong mạch: di L . f + R .i + U = U (1-15) f dt f f hq f .dc Trong đó: Uf.dc là điện áp đầu cực máy kích từ, điện áp này có thể coi là không đổi vì máy vẫn quay theo quán tính. Tr−ớc lúc có tín hiệu diệt từ, tiếp điểm CT1 và CT2 đóng nên: Uf.dc = Uf(-0). Khi diệt từ, điện áp rơi trên buồng dập hồ quang có thể coi không đổi. Vì vậy, điện áp đặt lên cuộn kích từ Uf = Uf.dc - Uhq cũng không đổi. Khi đó, ph−ơng trình vi phân quá trình quá độ có dạng tuyến tính cấp I hệ số hằng nh− sau: di L . f + R .i = U − U = U (1-16) f dt f f f .dc hq f Giải ra ta có: t − U f .dc − U hq U hq Te i f (t) = + .e (1-17) R f R f Lf Với: Te = R f Ta thấy, trong mạch xuất hiện điện áp rơi trên thiết bị dập hồ quang Uhq, vì vậy điện áp kích từ giảm nhanh dẫn đến dòng điện kích từ cũng giảm nhanh. Tốc độ biến thiên của dòng điện kích từ: di U 1 U f = − hq . = − hq (1-18) dt R f Te Lf Nếu Uhq càng lớn thì tốc độ biến thiên dòng điện càng lớn, nghĩa là dòng điện kích từ giảm càng nhanh. Khi dòng điện này đi qua trị số 0, hồ quang tắt (do không còn năng l−ợng duy trì sự cháy) và mạch kích từ đ−ợc cắt, điện áp ở mạch roto cũng đột ngột giảm xuống đến 0, quá trình diệt từ kết thúc. 21
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Điện áp lớn nhất trong mạch roto có giá trị là: U f = U hq − U f .dc Do đó, điều kiện an toàn cho cách điện là: U f ≤ U cp nghĩa là U hq − U f .dc ≤ U cp Hay: Uhq ≤ Ucp + Uf.dc (1-19) Ta thấy, để điện áp hồ quang xuất hiện có trị số nhỏ, số phiến kim loại trong buồng dập tắt hồ quang phải ít. Tuy nhiên, khi đó việc dập tắt hồ quang sẽ khó khăn hơn do đó cần có từ tr−ờng của cuộn dây lớn. Thời gian diệt từ càng ngắn đòi hỏi tốc độ giảm dòng kích từ càng nhanh, điều này lại đòi hỏi Uhq có trị số lớn. Để thoả mãn các yêu cầu trên, lựa chọn Uhq có trị số lớn nhất có thể, nghĩa là chọn theo điều kiện cho phép (1-19). * Nhận xét. - Sơ đồ sử dụng buồng dập hồ quang, nên đòi hỏi tính toán khả năng dập hồ quang của buồng dập hồ quang chính xác. - Thời gian diệt từ nhanh. Thông th−ờng, khi dùng ph−ơng pháp diệt từ này thời gian diệt từ nhỏ (nhỏ hơn từ 4ữ6 lần so với áp dụng thiết bị diệt từ dùng điện trở). Vì vậy, thiết bị đ−ợc áp dụng cho các máy phát điện công suất lớn. c) Hệ thống diệt từ bằng hệ thống kích từ dùng chỉnh l−u có điều khiển. Diệt từ có thể đ−ợc thực hiện rất đơn giản bằng cách chuyển hệ thống chỉnh l−u sang làm việc ở chế độ ng−ợc. Nghĩa là, tạo ra một điện áp kích từ ng−ợc chiều kích từ thông th−ờng vì vậy điện áp trong mạch kích từ đ−ợc dập tắt nhanh chóng, dẫn đến dòng điện kích từ sẽ giảm rất nhanh. Khi làm việc bình th−ờng Thyristor đ−ợc điều khiển với góc mở α 1800. Khi dòng điện trong mạch đi qua trị số 0, các Thyristor tự động làm hở mạch (vì điện áp trở nên ng−ợc chiều). Giản đồ điện áp và dòng điện khi kích từ thể hiện trên (hình 1-7a) và khi diệt từ thể hiện trên (hình 1-7b). 22
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Uf , if Uf , if t t 0 0 180 360 180 360 α α t t 0 0 180 360 180 360 a) b) Hình 1-7: Đặc tính dòng và áp khi diệt từ bằng Thyristor. VI. Chế độ làm việc bình th−ờng của máy phát điện đồng bộ. Trong chế độ làm việc bình th−ờng các thông số của máy phát điện nh−: Công suất tác dụng P, Công suất phản kháng Q, hệ số công suất cosϕ, dòng điện phần tĩnh (trong stato) I và dòng điện kích từ (trong roto) If luôn thay đổi theo phụ tải, tuy nhiên luôn nằm trong phạm vi cho phép. Với dòng điện kích từ của máy phát If, máy phát có sức điện động Eq tỷ lệ với If. Khi máy phát có tải, tại đầu cực của máy phát có điện áp U lệch pha so với Eq 1 góc δ phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. - Khi tải mang tính cảm Eq v−ợt tr−ớc U, do đó góc lệch pha δ > 0. - Khi tải mang tính dung Eq chậm sau U, do đó góc lệch pha δ < 0. Trong chế độ bình th−ờng. Mcơ = Mđiện do đó trên trục Mthừa = Mcơ - Mđiện = 0 Khi đó, tốc độ góc của roto ωR bằng với tốc độ góc đồng bộ ωdb. Vì vậy, góc lệch pha δ luôn không đổi. Trong chế độ bình th−ờng máy phát điện phát công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q, khi vận hành muốn thay đổi công suất của máy phát ta làm nh− sau: - Nếu thay đổi công suất tác dụng P, thì phải thay đổi công suất cơ nghĩa là tăng hơi hoặc n−ớc vào tuabin vì P là năng l−ợng hữu ích (năng l−ợng hữu ích có thể chuyển hoá thành các dạng năng l−ợng khác). - Nếu thay đổi công suất phản kháng Q thì chỉ cần thay đổi kích từ If (vì Q để tạo nên từ tr−ờng truyền tải năng l−ợng). 23
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 VII. Chế độ làm việc không bình th−ờng của máy phát điện đồng bộ. 1. Chế độ quá tải. Các tr−ờng hợp làm máy phát quá tải bao gồm: - Khi ngắn mạch, tạo ra dòng điện lớn trong máy phát. - Khi mở máy các động cơ công suất lớn với hệ số mở máy lớn, dẫn đến dòng điện qua máy phát lớn. - Khi xảy ra hiện t−ợng kích thích c−ỡng bức, làm dòng điện kích từ tăng mạnh dẫn đến tăng mạnh điện áp của máy phát. - Khi mất đồng bộ, dẫn đến mômen điện lớn hơn mômen cơ. - Khi công suất của phụ tải tăng mạnh, dẫn đến công suất điện lớn hơn công suất cơ nghĩa là mômen điện lớn hơn mômen cơ. 2. Chế độ làm việc không đồng bộ. Khi xảy ra chế độ không đồng bộ (mất đồng bộ), tốc độ góc của roto và tốc độ góc đồng bộ khác nhau. ωR ≠ ωđb do Mcơ ≠ Mđiện Do đó Mthừa = Mcơ - Mđiện ≠ 0 do Mđiện thay đổi. Mô men điện thay đổi là do: + Công suất phụ tải P thay đổi, dẫn đến U thay đổi. + Sức điện động của máy phát Eq thay đổi. - Xét tr−ờng hợp Eq = 0, tức là khi mất kích thích If = 0. Khi đó Mđiện = 0. Vì vậy: Mthừa = Mcơ - Mđiện = Mcơ > 0 (1-20) Giá trị này rất lớn, khi đó roto đ−ợc gia tốc rất nhanh làm cho ωR > ωđb t−ơng ứng máy phát mất đồng bộ. - Khi xảy ra quá tải Pđiện > Pcơ khi đó ta có: Mthừa = Mcơ - Mđiện < 0 (1-21) Vì vậy, tốc độ của máy phát giảm dần, t−ơng ứng ωR < ωđb làm mất đồng bộ máy phát. 3. Chế độ không đối xứng. - Chế độ đối xứng khi: 0 + ⏐UA⏐ = ⏐UB⏐ = ⏐UC⏐ = ⏐Uf⏐ góc lệch pha liên tiếp = 120 . 0 + ⏐IA⏐ = ⏐IB⏐ = ⏐IC⏐ = ⏐If⏐ góc lệch pha liên tiếp = 120 . + Góc lệch pha giữa (U, I) = ϕ = Const phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. 24
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Máy phát điện chế tạo để làm việc trong chế độ đối xứng, tuy nhiên máy phát điện sẽ làm việc ở chế độ không đối xứng khi vi phạm 1 trong 3 điều kiện trên bởi các nguyên nhân sau: + Do phụ tải mất đối xứng: Tải 1 pha (hàn điện, vận tải điện ), tải 3 pha không đối xứng (hiệu quả 3 pha không đồng nhất) + Do ngắn mạch không đối xứng nh−: ngắn mạch 1 pha, 2 pha, 2 pha chạm đất. + Do một số chế độ làm việc đặc biệt nh−: 2 pha, chế độ không toàn pha. Khi xuất hiện chế độ làm việc không đối xứng bằng ph−ơng pháp các thành phần đối xứng, ta thấy trong máy phát điện có dòng thứ tự thuận, dòng thứ tự nghịch hay dòng điện thứ tự không tuỳ thuộc vào chế độ mất đối xứng cụ thể. + Dòng thứ tự thuận có tính chất nh− dòng phụ tải khi làm việc bình th−ờng. + Dòng thứ tự nghịch có chiều quay của các pha ng−ợc chiều với vận tốc góc đồng bộ ωđb t−ơng ứng với tần số là 2f. Do đó trong roto có dòng điện cảm ứng &I c− tần số 2f. Dòng điện này gây phát nóng roto mạnh vì hiệu ứng nhiệt lớn và gây mômen đổi dấu (dao động) dẫn đến đập mạch làm rung roto. 4. Chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ nh− máy bù đồng bộ. a) Nguyên tắc thực hiện. Khi các nhà máy điện không thể phát công suất vào l−ới nh− h− hỏng tuabin, thiếu nhiên liệu có thể cho máy phát điện làm việc ở chế độ máy bù đồng bộ để giảm tổn thất công suất với điều kiện điều chỉnh máy phát ở chế độ quá kích thích. Trong các tr−ờng hợp sau: - Nhà máy Nhiệt điện: + Do tuabin hỏng hoặc đại tu tuabin lâu dài. + Do đặc tính năng l−ợng phần nhiệt xấu, do đó tốn kém nhiên liệu và không kinh tế. - Nhà máy Thuỷ điện: + Do tuabin hỏng hoặc đại tu tuabin lâu dài. + Trong mùa khô thiếu n−ớc. 25
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 b) Chế độ làm việc của máy phát điện nh− máy bù đối với Nhà máy Nhiệt điện. - Nếu tuabin không h− hỏng, máy phát điện đ−ợc nối với tuabin và đ−ợc khởi động bằng tuabin. - Nếu tuabin bị h− hỏng, khởi động máy phát nh− động cơ đồng bộ. c) Chế độ làm việc của máy phát điện nh− máy bù đối với Nhà máy Thuỷ điện. - Khi máy phát còn nối với tuabin, Bắt buộc máy phát điện phải phát P = Pmin. Nếu P = 0 làm cho tuabin quay trong không khí, dẫn đến nóng quá nhiệt độ cho phép làm h− hỏng tuabin. Khi máy phát phát công suất do có n−ớc qua tuabin đủ để làm mát tuabin. - Khi máy phát không còn tuabin, khởi động máy phát nh− động cơ đồng bộ. 5. Chế độ cộng h−ởng tần số thấp của máy phát điện đồng bộ. Ta có tần số của dòng điện trong hệ thống là f = 50Hz, do đó tần số đồng bộ của máy phát điện cũng nh− tuabin là fdb = 50HZ. Vì vậy, để tránh cộng h−ởng tần số cao tần số riêng của trục roto máy phát điện hay tuabin phải nằm trong khoảng: fr.MF = fr.TB = (10ữ40)Hz Trong đó: fr.MF và fr.TB là tần số riêng của trục máy phát hoặc tuabin do nhà chế tạo cung cấp. Trong thực tế hiện nay, do l−ới điện cao áp và siêu cao áp có thiết bị bù dọc (bù nối tiếp), nên có khả năng xuất hiện hiện t−ợng cộng h−ởng tần số thấp (f = 15 Hz). Xét một mạch có bù nối tiếp nh− (hình 1-8). MF RCL TB Hình 1-8: Sơ đồ đấu máy phát điện với đ−ờng dây có bù. R, L là thông số đ−ờng dây - C là tụ bù dọc 26
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Nếu trong l−ới xuất hiện dòng với tần số nhiễu xuất hiện ngẫu nhiên là: 1 fn = 2π LC Dòng điện với tần số fn chạy trong cả ba pha máy phát điện tạo nên từ tr−ờng quay nhiễu Φn với vận tốc ωn = 2πfn. Φn quét roto với vận tốc ωđb ± ωn, do đó trong roto có dòng điện với tần số fdb ± fn. Nếu tần số riêng của máy là: fr = fdb - fn thì có hiện t−ợng cộng h−ởng tần số thấp dẫn đến roto bị rung có thể làm trục roto bị gẫy. Để tránh hiện t−ợng này, khi xuất hiện hiện t−ợng cộng h−ởng cần thực hiện điều chỉnh fr hoặc fn sao cho fr ≠ fdb - fn. Tuy nhiên việc thực hiện điều chỉnh fr gặp nhiều khó khăn và không thực hiện đ−ợc (chỉ thực hiện đ−ợc khi chế tạo), vì vậy chỉ thực hiện điều chỉnh fn bằng cách đóng vào mạch stato máy phát mạch chống nhiễu (chủ yếu là R và L). 27
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 1.2 Máy biến áp điện lực I. Thông số của máy biến áp. 1. Công suất định mức, Sdm. Là công suất lớn nhất có thể liên tục truyền tải qua máy biến áp trong suốt thời gian phục vụ, ứng với các điều kiện tiêu chuẩn là: điện áp định mức, tần số định mức và nhiệt độ môi tr−ờng định mức. Công suất máy biến áp và máy biến áp tự ngẫu một pha bằng 1/3 công suất của máy biến áp và máy biến áp tự ngẫu ba pha t−ơng ứng. 2. Điện áp định mức, Udm. - Điện áp định mức của cuộn dây sơ cấp máy biến áp: là điện áp giữa các pha phía sơ cấp khi cuộn dây thứ cấp hở mạch và có điện áp bằng điện áp định mức phía thứ cấp. - Điện áp định mức của cuộn dây thứ cấp máy biến áp: là điện áp giữa các pha phía thứ cấp khi không tải mà điện áp trên cực cuộn dây sơ cấp bằng điện áp định mức sơ cấp. 3. Hệ số biến áp, k. Đ−ợc xác định bằng tỷ số giữa điện áp định mức của cuộn dây cao áp với điện áp định mức của cuộn dây hạ áp. U k = C.dm U H.dm Hệ số biến áp của máy biến áp ba cuộn dây đ−ợc xác định theo từng cặp cuộn dây t−ơng ứng: U C.dm U C.dm U T.dm k C−H = ; k C−T = ; k T−H = U H.dm U T.dm U H.dm 4. Dòng điện định mức của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp máy biến áp. Đ−ợc xác định theo công suất và điện áp định mức. Sdm Sdm Sdm IC.dm = ; IT.dm = ; I H.dm = 3.U C.dm 3.U T.dm 3.U H.dm 5. Điện áp ngắn mạch, UN. Là điện áp ngắn mạch khi thí nghiệm nối ngắn mạch cuộn dây thứ cấp và đặt vào cuộn sơ cấp điện áp UN sao cho dòng điện trong cuộn dây MBA bằng giá trị định mức. Th−ờng đ−ợc biểu diễn bằng phần trăm của điện áp định mức. U N U N % = .100 U dm 28
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Trị số điện áp ngắn mạch UN phụ thuộc vào công suất, điện áp định mức của máy biến áp và thay đổi trong phạm vi rộng. + Từ (4,5ữ5,5)% đối với máy biến áp công suất nhỏ, điện áp (10ữ35 ) kV. + Từ (12ữ14)% đối với máy biến áp công suất lớn, điện áp (220 ữ500) kV. 6. Dòng không tải, ikt hay i0. Là dòng điện chạy trong máy biến áp khi không tải, dòng điện này có tác dụng từ hoá lõi thép MBA. Th−ờng trị số dòng không tải tính theo phần trăm dòng định mức của máy biến áp. i o i 0 % = .100 i dm Trị số dòng điện không tải giảm khi công suất và điện áp định mức của máy biến áp tăng. + Đối với máy biến áp (10ữ35) kV, i0 = (2,0ữ2,5)%. + Đối với máy biến áp (200ữ500) kV, i0 = (0,5ữ0,3)%. 7. Tổn thất công suất không tải, ΔP0. Là tổn thất công suất tác dụng trong máy biến áp khi không tải, xác định bằng thí nghiệm (nhà chế tạo cho). 8. Tổn thất công suất ngắn mạch, ΔPN. Là tổn thất công suất khi thí nghiệm nối ngắn mạch cuộn dây thứ cấp và đặt vào cuộn sơ cấp điện áp UN sao cho dòng điện trong cuộn dây MBA bằng giá trị định mức. Tổn thất công suất trong máy biến áp khi đó gọi là tổn thất công suất ngắn mạch. II. Làm mát máy biến áp. Khi máy biến áp làm việc, tổn hao năng l−ợng trong mạch từ và trong các cuộn dây biến thành nhiệt năng đốt nóng các phần tử trong máy biến áp. Để đảm bảo độ bền cách điện và thời gian phục vụ cần hạn chế sự phát nóng của máy biến áp và giữ cho nhiệt độ của máy biến áp nằm trong giới hạn cho phép. 1. Máy biến áp kiểu khô. Máy biến áp khô, nhiệt l−ợng đ−ợc toả ra bằng luồng không khí tự nhiên ở xung quanh máy biến áp. Ph−ơng pháp làm mát nh− vậy chỉ đạt yêu cầu cho những máy biến áp < 750 kVA với điện áp thứ cấp 220/127 V và 380/220 V. Tuy nhiên với cách điện đặc biệt, đ−ợc tăng c−ờng bằng các khí trơ cách điện nh−ng dẫn nhiệt tốt có thể chế tạo máy biến áp đến 1000 kVA với điện áp 10 kV. 29
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Ưu điểm của máy biến áp khô: cấu tạo đơn giản, an toàn vì không có dầu làm mát và đ−ợc sử dụng rộng rãi khi đặt trong nhà. Nh−ợc điểm của máy biến áp khô: giá thành đắt, lớn hơn (3ữ3,5) lần giá thành máy biến áp dầu có cùng công suất. Do đó, với máy biến áp có công suất lớn điện áp cao th−ờng dùng ph−ơng pháp làm mát bằng dầu. 2. Làm mát máy biến áp bằng dầu đối l−u tự nhiên. (Hệ thống làm mát kiểu M). Phần lớn các máy biến áp đ−ợc làm mát bằng dầu cách điện tuần hoàn do đối l−u tự nhiên bên trong thùng (thùng có vỏ trơn, có gợn sóng, có ống dẫn hoặc có những bộ tản nhiệt) (hình 1-9). Vỏ MBA Bộ tản nhiệt Hình 1-9. Làm mát máy biến áp bằng dầu đối l−u tự nhiên. Hiệu quả của hệ thống làm mát bằng dầu đối l−u tự nhiên thấp, thùng có bề mặt trơn chỉ thích hợp cho những máy biến áp công suất nhỏ (máy biến áp do Liên Xô chế tạo công suất định mức đến 25 kVA). Khi bề mặt làm mát có dạng ống tản nhiệt thì công suất định mức của máy biến áp có thể chế tạo đến 1600kVA. Công suất giới hạn của máy biến áp đ−ợc làm mát bằng dầu tự nhiên có thể đạt (10ữ16) MVA nếu tăng c−ờng những bộ tản nhiệt có cấu trúc phức tạp. Loại máy biến áp làm mát bằng dầu đối l−u tự nhiên là loại cơ bản và th−ờng dùng làm chuẩn để đánh giá công suất và giá thành những loại máy biến áp khác. 30
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 3. Làm mát máy biến áp bằng dầu đối l−u tự nhiên có quạt gió. (Hệ thống làm mát Д). Hệ thống làm mát kiểu này dựa trên cơ sở làm mát kiểu M có đặt quạt gió để tăng c−ờng độ tản nhiệt trên bề mặt thiết bị làm mát (hình 1-10). Do vậy có thể tăng công suất mang tải của máy biến áp. Tản nhiệt Quạt gió Hình 1-10. Làm mát máy biến áp bằng dầu c−ỡng bức. Khi nhiệt độ không khí thấp hoặc phụ tải của máy biến áp nhỏ để giảm tiêu tốn điện năng cho bộ phận làm mát có thể cắt một số quạt, mở và tắt quạt có thể thực hiện tự động. Máy biến áp làm mát kiểu này, có thể làm việc ngay cả khi cắt hoàn toàn quạt gió, nh−ng phụ tải cần phải giảm đi (25ữ30)%Sđm. Hệ thống làm mát kiểu này chỉ có thể đảm bảo tản nhiệt cho các máy biến áp công suất 80MVA) th−ờng sử dụng hệ thống làm mát bằng tuần hoàn c−ỡng bức bằng dầu và không khí. Hệ thống làm mát t−ơng tự làm mát bằng dầu tuần hoàn tự nhiên nh−ng có thêm bơm dầu c−ỡng bức để nâng cao khả năng tuần hoàn của dầu (hình 1-11). Máy biến áp làm mát bằng dầu và không khí tuần hoàn c−ỡng bức chỉ đ−ợc làm việc khi các quạt gió và bơm dầu tuần hoàn đều hoạt động. Số l−ợng quạt làm việc có thể thay đổi phụ thuộc tải và nhiệt độ dầu của máy biến áp. Tiêu thụ điện năng của hệ thống làm mát lớn hơn (2ữ3) lần hệ thống Д. 31
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Bơm dầu Tản nhiệt Quạt gió Hình 1-11. Làm mát máy biến áp bằng c−ỡng bức dầu và không khí. 5. Làm mát bằng dầu và n−ớc. (Hệ thống làm mát Ц). Làm mát bằng dầu và n−ớc đ−ợc dùng cho các máy biến áp có công suất lớn đặc biệt. Bơm ly tâm đ−ợc nối với thùng máy biến áp, bơm này hút dầu nóng từ phía trên của thùng ra và đẩy dầu qua bộ phận làm mát. Từ bộ phận làm mát dầu quay trở lại ở phần d−ới của thùng. N−ớc làm mát chạy trong các ống của bộ phận làm mát dầu bởi bơm ly tâm, với áp lực chuyển động thấp hơn áp lực chuyển động của dầu khoảng 0,2.103 ata để n−ớc không thể xâm nhập vào hệ thống dầu khi bộ phận làm mát bị thủng (hình 1-12). Bơm dầu Bơm n−ớc Tản nhiệt Dầu N−ớc N−ớc Hình 1-12. Làm mát máy biến áp c−ỡng bức bằng dầu và n−ớc. 32
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Máy biến áp làm mát kiểu Ц chỉ có thể làm việc khi bộ phận làm mát làm việc vì chỉ riêng bề mặt trơn của vỏ thùng không đủ làm mát ngay cả khi không tải. Trong điều kiện làm việc bình th−ờng nhiệt độ cho phép cực đại của n−ớc làm mát là +250C. Nếu n−ớc làm mát lớn hơn +250C là 10C trong 24 giờ thì phải giảm tải 1% so với định mức. Làm mát loại này đắt và ít thuận tiện trong vận hành, vì vậy chỉ dùng cho máy biến áp rất lớn. III. Chế độ nhiệt của máy biến áp. Khi làm việc, tổn thất trong máy biến áp sẽ biến thành nhiệt năng làm tăng nhiệt độ của máy biến áp và toả nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh. Nguồn nhiệt chủ yếu toả ra từ các cuộn dây, do tổn hao trong cuộn dây (chiếm khoảng 80% tổng tổn hao). Nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây cho phép cao hơn nhiệt độ trung bình của nó là 130C. Nh− vậy, nhiệt độ trung bình của cuộn dây trong điều kiện vận hành định mức bằng 850C. Đối với máy biến áp khô độ tăng nhiệt độ cho phép phụ thuộc vào cấp cách điện sử dụng. 1. Chế độ nhiệt của máy biến áp. - Sự truyền nhiệt trong máy biến áp đ−ợc thực hiện bằng dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và đối l−u nhiệt. Phân bố tăng nhiệt độ từ cuộn dây đến môi tr−ờng không khí xung quanh của máy biến áp dầu thể hiện trên (hình 1-13). + Đoạn 1-2 biểu thị sự giảm nhiệt độ trong cuộn dây, không v−ợt quá vài độ. + Đoạn 2-3 biểu thị sự thay đổi nhiệt độ từ bề mặt cuộn dây đến lớp dầu tiếp giáp, chủ yếu là bằng đối l−u nhiệt. Sự giảm nhiệt độ ở đây bằng (20ữ30)% tổng độ tăng nhiệt độ của cuộn dây so với nhiệt độ không khí. + Đoạn 3-4 là sự giảm nhiệt độ trong dầu máy biến áp. + Đoạn 4-5 là sự giảm nhiệt độ từ lớp dầu tiếp giáp với thành thùng, quá trình truyền nhiệt này cũng đ−ợc thực hiện bằng đối l−u nhiệt. + Đoạn 5-6 đặc tr−ng cho sự giảm nhiệt độ trong thành thùng máy biến áp, nó không lớn lắm, không v−ợt quá (2ữ3) 0C. + Đoạn 6-7 biểu thị sự giảm nhiệt độ từ thành thùng dầu đến môi tr−ờng xung quanh (không khí). Quá trình truyền nhiệt này đ−ợc thực hiện bằng đối l−u nhiệt và bức xạ nhiệt. Nhiệt giáng trong đoạn này chiếm khoảng (60ữ70)% nhiệt giáng tổng. 33
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Cuộn dây Bề mặt cuộn dây với Dầu % 1 100 Dầu 2 Dầu với vỏ thùng 80 Thùng 3 4 6 60 5 Không khí 40 20 7 x Hình 1-13: Phân bố nhiệt độ từ cuộn dây đến không khí của MBA dầu Nhiệt độ của dầu và cuộn dây máy biến áp cũng tăng theo chiều cao của máy biến áp. Khi tính toán gần đúng có thể xem sự thay đổi độ tăng nhiệt độ tuyến tính với chiều cao của máy biến áp. - Độ tăng nhiệt độ của máy biến áp có hệ thống làm mát M trong điều kiện vận hành định mức: + Nhiệt độ nóng nhất của dầu (lớp trên cùng) bằng khoảng 550C. + Độ tăng nhiệt độ trung bình của dầu bằng khoảng 440C. + Độ tăng nhiệt độ trung bình của cuộn dây bằng khoảng 650C. + Độ tăng nhiệt độ của cuộn dây so với nhiệt độ của dầu bằng khoảng 230C. + Độ tăng nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây so với nhiệt độ của dầu bằng khoảng 230C và so với không khí xung quanh bằng 550C + 230C = 780C. Nh− vậy, nhiệt độ điểm nóng của cuộn dây trong điều kiện vận hành định mức sẽ là 780C + 200C = 980C (nhiệt độ môi tr−ờng khoảng 200C). Với nhiệt độ này máy biến áp có thể làm việc trong suốt thời gian phục vụ của nó. - Độ tăng nhiệt độ của máy biến áp có hệ thống làm mát Ц và Д: + Độ tăng nhiệt độ lớn nhất của dầu (lớp trên cùng) bằng 400C. + Độ tăng nhiệt độ trung bình của dầu bằng khoảng 360C. + Độ tăng nhiệt độ trung bình của cuộn dây bằng 650C. + Độ tăng nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây so với nhiệt độ dầu là 380C và tăng so với nhiệt độ môi tr−ờng bằng 400C + 380C = 780C, tức là cũng giống nh− máy biến áp có hệ thống làm mát M. 34
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 2. Độ tăng nhiệt độ của dầu và cuộn dây máy biến áp trong trạng thái xác lập khi phụ tải khác định mức. Sự truyền nhiệt của cuộn dây vào môi tr−ờng xung quanh (không khí, n−ớc) gồm hai quá trình: truyền nhiệt từ cuộn dây đến dầu và từ dầu đến không khí. Độ tăng nhiệt độ của dầu (lớp trên cùng) so với nhiệt độ môi tr−ờng làm mát gồm ba giai đoạn truyền nhiệt: + Giữa dầu và thành thùng bên trong. + Trong thành thùng. + Giữa thành thùng ngoài và môi tr−ờng xung quanh. Độ tăng nhiệt độ của dầu so với môi tr−ờng làm mát tỷ lệ bậc m với tổn hao công suất trong máy biến áp. Giá trị của chỉ số m phụ thuộc vào hệ thống làm mát. - Khi phụ tải định mức, tổn hao công suất trong cuộn dây và lõi thép: ΔPdm = ΔPcu + ΔPFe = ΔPN + ΔP0 = ΔP0 (1 + b) (1-22) ΔP Trong đó: b = N là tỷ số tổn hao công suất trong cuộn dây và lõi thép ΔP0 khi phụ tải định mức, (b = 2ữ6). - Khi phụ tải khác định mức, tổn hao công suất trong cuộn dây và lõi thép: 2 ΔP = ΔP0. ( 1 + b. k ) (1-23) S Trong đó: k = là phụ tải của máy biến áp. Sdm - Độ tăng nhiệt của dầu lớp trên cùng so với nhiệt độ môi tr−ờng làm mát với hệ số phụ tải k có thể xác định theo biểu thức: m ⎛1+ b.k 2 ⎞ ⎜ ⎟ θd = θd(dm) .⎜ ⎟ (1-24) ⎝ 1+ b ⎠ Trong đó: + θd (dm) là độ tăng nhiệt độ của dầu khi phụ tải định mức. + m là hệ số phụ thuộc vào hệ thống làm mát, (bảng 1-2). Bảng 1-2 Hệ thống làm mát M Д Ц ДЦ Ghi chú Trị số m 0,8 0,9 1,0 1,0 0 Δθcd(dm), C 23 23 38 38 35
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 - Độ tăng nhiệt độ của cuộn dây so với nhiệt độ của dầu tỷ lệ với tổn hao công suất trong cuộn dây theo luỹ thừa bậc n. Mặt khác tổn hao công suất trong cuộn dây tỷ lệ với bình ph−ơng phụ tải, do đó: 2n Δθcd = Δθcd(dm) .k (1-25) Trong đó: Δθcd(dm) là độ tăng nhiệt độ cuộn dây ở điểm nóng nhất so với nhiệt độ dầu lớp trên cùng khi phụ tải định mức (bảng 1-2), trong tính toán gần đúng ng−ời ta coi n = m. Vậy, độ tăng nhiệt độ của cuộn dây tại điểm nóng nhất so với nhiệt độ môi tr−ờng làm mát khi hệ số phụ tải k bằng: θcd = θd + Δθcd (1-26) 3. Độ tăng nhiệt độ của dầu và cuộn dây trong quá trình quá độ. Nghiên cứu quá trình quá độ nhiệt của máy biến áp có ý nghĩa rất quan trọng bởi vì nó cho phép xác định đ−ợc nhiệt độ đốt nóng máy biến áp khi quá tải. Coi máy biến áp là một vật thể đồng nhất có thể viết đ−ợc ph−ơng trình phát nóng trong quá trình quá độ nh− sau: Q.dt = C.G.dθ + β.F.θ.dt (1-27) Trong đó: + Q.dt là l−ợng nhiệt sinh ra trong đơn vị thời gian dt. + C là tỷ nhiệt của vật thể. + G là trọng l−ợng của vật thể. + θ là độ tăng nhiệt độ của vật thể so với môi tr−ờng xung quanh. + β là hệ số truyền nhiệt, tức là nhiệt l−ợng toả ra trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị bề mặt khi độ tăng nhiệt độ bằng 10C. + F là bề mặt làm mát của vật thể. + t là thời gian. Thành phần thứ nhất của vế phải là nhiệt l−ợng dùng để tăng nhiệt độ của vật thể lên dθ. Thành phần thứ hai của vế phải là nhiệt l−ợng toả vào môi tr−ờng xung quanh trên bề mặt vật thể trong thời gian dt. ở chế độ xác lập: dθ = 0 và Q = β.F.θ xl . Với θxl là độ tăng nhiệt độ ở chế độ xác lập. Từ đó ta có: Q θ = . (1-28) xl β.F 36
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Nếu không có sự tản nhiệt thì ph−ơng trình (1-27) có thể viết: Q.dt = C.G.dθ (1-29) Từ đó ta có trong khoảng thời gian t thì: Q.t = C.G.θ. Coi Q = const, C không phụ thuộc vào nhiệt độ. Thời gian cần thiết để đạt đến nhiệt độ xác lập khi không có sự tản nhiệt gọi là hằng số thời gian của quá trình nhiệt, ký hiệu là τ. C.G.θ C.G τ = xl = (1-30) Q β.F Chia ph−ơng trình (1-27) cho β.F ta có: Q C.G .dt = .dθ + θ.dt (1-31) β.F β.F Từ (1-28) và (1-30) ta có: θxldt = τdθ + θdt (1-32) Giải ph−ơng trình này ta đ−ợc: t − τ (θxl − θ) = (θxl − θ0 ).e (1-33) Với, độ tăng nhiệt độ ban đầu tại thời điểm t = 0 là θ0. t t − − τ τ Từ (1-33): θ = θxl .(1− e ) + θ0 .e (1-34) Biểu thức này giúp ta tính đ−ợc độ tăng nhiệt độ của vật thể tại bất kỳ thời điểm nào của quá trình quá độ khi đốt nóng cũng nh− lúc để nguội của vật thể đồng nhất. Nếu độ tăng nhiệt độ ban đầu bằng 0 thì θ0 = 0, do đó: t − τ θ = θxl .(1− e ) (1-35) Về lý thuyết khi t = ∞ thì θ = θxl nh−ng thực tế độ tăng nhiệt độ sẽ đạt giá - 4,6 -4,6 trị xác lập khi t = 4,6τ . Vì e = 0,01 do đó 1- e = 0,99 và θ = 0,99. θxl. Máy biến áp điện lực không phải là vật thể hoàn toàn đồng nhất nh−ng trong tính toán gần đúng có thể sử dụng biểu thức (1-34). Hằng số τ phụ thuộc vào công suất và hệ thống làm mát (bảng 1-3). 37
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Bảng 1-3 STT Công suất máy biến áp (MVA) Hệ thống làm mát τ (h) Ghi chú 1 (0,001ữ1,0) M 2,5 2 (1ữ6,3) M 3,5 3 (6,3ữ32) Д 2,5 4 (32ữ63) Д 3,5 5 (100ữ125) Ц và ДЦ 2,5 6 >125 Ц và ДЦ 3,5 IV. Khả năng tải của máy biến áp. Chế độ làm việc của máy biến áp không gây ra sự già cỗi cách điện nhanh chóng và giảm thời gian phục vụ của nó gọi là chế độ làm việc lâu dài cho phép hay chế độ định mức với các thông số của máy biến áp là định mức. Chế độ làm việc của máy biến áp với các thông số lớn hơn giá trị định mức gây ra hao mòn cách điện nhanh chóng và rút ngắn thời hạn phục vụ của máy biến áp gọi là quá tải. Khi quá tải nhiệt độ của điểm nóng nhất không v−ợt quá trị số nguy hiểm gọi là quá tải cho phép. Để xem xét khả năng tải của máy biến áp trong những điều kiện nhất định, cần xác định nhiệt độ có thể đạt tới của dầu và của cuộn dây cũng nh− sự già cỗi cách điện. 1. Sự già cỗi cách điện do nhiệt. Khi nhiệt độ của cách điện bị nâng cao sẽ dẫn đến giảm độ bền cơ và điện làm cách điện bị già cỗi đi. Tuổi thọ trung bình của nhóm cách điện A (là cách điện th−ờng dùng trong máy biến áp dầu) phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ từ (80ữ140)0C có thể đ−ợc biểu diễn: Z = A.e-at (1-36) Trong đó: + A, a là các hệ số phụ thuộc vào chất cách điện và cấu tạo máy biến áp. + t là nhiệt độ điểm nóng nhất của cách điện, 0C. - Tuổi thọ của vật liệu điện ứng với nhiệt độ định mức của máy biến áp 0 (+98 C), Zdm là: −a.tdm Zdm = A.e (1-37) - Tuổi thọ t−ơng đối của cách điện (Z*) đ−ợc định nghĩa: 38
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Z −a(t−t dm ) Z* = = e (1-38) Zdm - Hao mòn cách điện t−ơng đối (L) là đại l−ợng tỷ lệ nghịch với tuổi thọ t−ơng đối. Z dm a(t−t ) L = = e dm (1-39) Z Để thuận tiện trong tính toán ng−ời ta không dùng cơ số e mà dùng cơ số 2. Do đó biểu thức xác định hao mòn cách điện t−ơng đối có thể viết: (t−t dm ) (t−t dm ) a.ln e.2 (t−t ) 1 2 L = = a.2 dm . = (1-40) ln 2 0,693 Δ 1 a 1 ln e Trong đó: = và = Δ 0,693 0,693 ln 2 Hằng số Δ đ−ợc chọn là 60C, nghĩa là mỗi khi nhiệt độ thay đổi 60C thì hao mòn t−ơng đối và thời gian phục vụ t−ơng ứng của cách điện cũng thay đổi 2 lần. Sự phụ thuộc này gọi là quy tắc sáu độ. Khi nhiệt độ bằng 980C thì hao mòn cách điện t−ơng đối bằng 1, tức là đúng hao mòn bằng cách điện định mức. - Tích của hao mòn cách điện t−ơng đối và thời gian xác định hao mòn cách điện (giờ, ngày, tháng, năm), gọi là hao mòn cách điện trong khoảng thời gian đó: H = L.T Trong đó: + L là hao mòn cách điện t−ơng đối. + T là thời gian để xác định hao mòn cách điện. Nếu nhiệt độ không ổn định, hao mòn cách điện đ−ợc xác định nh− sau: T T 2(t−98) H = ∫ L.dt = ∫ dt (1-41) 0 0 6 Trong tính toán gần đúng có thể thay thế tích phân này bằng phép cộng gần đúng. Phân chia biểu đồ nhiệt độ cuộn dây thành nhiều phần, trong phạm vi mỗi phần có thể xem nhiệt độ là không đổi và dựa theo biểu thức (1-40) để xác định hao mòn t−ơng đối ứng với mỗi phần. Nh− vậy hao mòn sau thời gian T sẽ bằng: n H = ∑ Li .t i (1-42) i=1 39
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Khi nhiệt độ của cách điện nhỏ hơn 800C, hao mòn cách điện t−ơng đối rất nhỏ và có thể xem nh− bằng không. - Hao mòn cách điện trung bình sau một ngày đêm là: H L = ngay (1-43) ngay 24 Hao mòn cách điện trong một năm bằng tổng hao mòn cách điện của các ngày trong năm. Thời hạn phục vụ của máy biến áp là thời gian kể từ lúc bắt đầu làm việc đến khi cách điện bị phá huỷ hoàn toàn. Đối với máy biến áp do Liên xô chế tạo, thời hạn phục vụ đ−ợc quy định từ (20ữ25)năm ứng với nhiệt độ định mức của 0 môi tr−ờng θ0 = 5 C và nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây trong điều kiện định mức là 980C. Thực tế nhiệt độ của môi tr−ờng luôn thay đổi và th−ờng thấp, ngoài ra phụ tải của máy biến áp luôn thay đổi với số ngày có phụ tải nhỏ hơn định mức chiếm phần lớn, nên thời gian phục vụ của máy biến áp có thể lớn hơn định mức. Vì vậy trong vận hành có thể cho máy biến áp làm việc với phụ tải lớn hơn định mức một l−ợng nào đấy, nghĩa là cho máy biến áp đ−ợc quá tải mà thời gian phục vụ không giảm đi. 2. Khả năng quá tải cho phép của máy biến áp. a) Quá tải bình th−ờng. Là chế độ làm việc xét trong một khoảng thời gian nào đó (ngày, tháng, năm), trong đó có một khoảng thời gian máy biến áp làm việc quá tải và khoảng thời gian còn lại của chu kỳ khảo sát máy biến áp mang tải nhỏ hơn định mức. Mức độ quá tải phải đ−ợc tính toán sao cho hao mòn cách điện trong khoảng thời gian xét không v−ợt quá định mức t−ơng ứng với nhiệt độ cuộn dây 980C. Khi quá tải bình th−ờng, nhiệt độ nóng nhất của cuộn dây có thể lớn hơn những giờ phụ tải cực đại nh−ng không đ−ợc v−ợt quá 1400C và nhiệt độ lớp dầu phía trên không đ−ợc v−ợt quá 950C. Hệ số quá tải bình th−ờng có thể đ−ợc xác định từ biểu đồ khả năng tải của máy biến áp (hình 1-14). Đó là quan hệ giữa hệ số quá tải cho phép k2cp, hệ số phụ tải bậc một k1 và thời gian quá tải t. 40
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 k 2.cp 1,9 1,8 1,7 t=0,5h 1,6 1,5 1h 1,4 2h 1,3 4h 6h 1,2 8h 12h 1,1 24h 1,0 k 0 0,5 1 1 Hình 1-14. Biểu đồ khả năng quá tải của máy biến áp. Ph−ơng pháp này thực hiện đ−ợc khi đồ thị phụ tải 2 bậc (bậc 1 - máy biến áp không quá tải và bậc 2 - khi máy biến áp quá tải). Nếu đồ thị phụ tải nhiều bậc cần phải biến đổi đồ thị phụ tải nhiều bậc của máy biến áp thành đồ thị phụ tải hai bậc đẳng trị. Công suất đẳng trị của máy biến áp trong khoảng thời gian xét đ−ợc xác định theo biểu thức: n 1 2 S2 .t + S2 .t + + S2 .t ∑Si .t i 1 1 2 2 L n1 n1 i=1 Sdt.1 = = n t + t + + t 1 1 2 L n1 ∑ t i i=1 (1-44) n 2 2 S2 .t + S2 .t + + S2 .t ∑Si .t i 1 1 2 2 L n 2 n 2 i=1 Sdt.2 = = n t + t + + t 2 1 2 L n 2 ∑ t i i=1 Trong đó: + Si là phụ tải của máy biến áp trong khoảng thời gian ti. + n1 là số bậc phụ tải khi không quá tải trong 10h tr−ớc hoặc sau khi có quá tải. + n2 là số bậc phụ tải trong thời gian quá tải. Nếu: - Sdt2 ≥ 0,9 Smax thì thời gian máy biến áp làm việc ở cấp 2 là: 41
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 n 2 t 2 = ∑ t i (1-45) i=1 - Sdt2 < 0,9 Smax thì lấy Sdt2 = 0,9 Smax còn thời gian máy biến áp làm việc ở cấp thứ 2 là: n 2 2 Sdt2 .∑ t i i=1 t 2 = 2 (1-46) (0,9.Smax ) Khi biến đổi thành đồ thị phụ tải hai bậc đẳng trị có các tr−ờng hợp sau: - Đồ thị phụ tải nhiều bậc của máy biến áp có một cực đại vào buổi chiều (hình 1-15a). Theo biểu thức (1-44) tính Sdt2 với thời gian quá tải là t2 và tính Sdt1 với thời gian tr−ớc lúc qúa tải là 10 giờ (t1 = 10h). - Đồ thị phụ tải nhiều bậc của máy biến áp có một cực đại trong một ngày (hình 1-15b). Tính Sdt2 t−ơng tự nh− trên, tính Sdt1 với thời gian sau khi kết thúc quá tải 10h. - Đồ thị phụ tải nhiều bậc của máy biến áp có hai cực đại trong một ngày (hình 1-15c), phụ tải đẳng trị Sdt2 đ−ợc xác định nh− sau: Sdt.2 = S2.1.t2.1 + S2.2.t2.2 Trong đó: - t2.1, t2.2 là khoảng thời gian có công suất lớn hơn định mức thứ 1 và 2. - S2.1, S2.2 là công suất trong khoảng thời gian t2.1 và t2.2. S S S S max Sdt1 Sđm Sđm Sđm Sdt2 t1 =10h t2 t2 t1 =10h t2.1 t2.2 6 12 18 24 t 6 12 18 24 t 6 12 18 24 t a) b) c) Hình 1-15: Đồ thị phụ tải của MBA Khi đã chọn đ−ợc Sdt2 thì Sdt1 sẽ tính nh− một trong hai tr−ờng hợp trên. Khi máy biến áp đã làm việc với đồ thị phụ tải hai bậc hoặc đồ thị phụ tải nhiều bậc đã biến đổi đẳng trị về đồ thị phụ tải hai bậc, trình tự xác định quá tải cho phép của máy biến áp theo đ−ờng cong khả năng tải nh− sau: 42
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 - B1. Dựa vào phụ tải tính toán cực đại, chọn loại và công suất định mức của máy biến áp (Sđm), sau đó tính hệ số quá tải của nó: S2 k 2 = (1-47) Sdm - B2. Xác định hệ số phụ tải bậc một: S1 k1 = (1-48) Sdm - B3. Dựa vào loại máy biến áp (dầu, khô) và công suất của máy biến áp, xác định hằng số thời gian τ (bảng 1-3). Tuỳ thuộc vào hệ thống làm mát, hằng số thời gian τ của máy biến áp và nhiệt độ đẳng trị của môi tr−ờng làm mát chọn biểu đồ khả năng tải của máy biến áp (bảng 1-4) * Chú ý: Đã xây dựng 36 biểu đồ tính toán khả năng tải của máy biến áp cho trong phụ lục nên chỉ cần chọn số hiệu. Bảng 1-4 Hệ STT biểu đồ ứng với nhiệt Công suất của Hằng số thời thống độ đẳng trị của môi tr−ờng máy biến áp để gian của máy làm xung quanh, 0C xác định sơ bộ biến áp τ (h) mát 10 20 30 40 hằng số τ (MVA) Μ 2,5 5 7 9 11 0.001 ữ 1.0 Μ 3,5 6 8 10 12 1.0 ữ 6.3 Д 2.5 17 19 21 23 6.3 ữ 32 Д 3.5 18 20 22 24 32 ữ 63 ДЦ 2,5 29 31 33 35 100 ữ 125 ДЦ 3.5 30 32 34 36 > 125 - B4. Từ đ−ờng biểu đồ khả năng tải ứng với hệ số phụ tải bậc 1 (k1) và thời gian quá tải t2, xác định đ−ợc hệ số quá tải cho phép k2cp. - B5. So sánh hệ số tính toán k2 với hệ số quá tải cho phép k2cp để kết luận về chế độ quá tải cho phép của máy biến áp. + Nếu k2.cp ≥ k2, máy biến áp đ−ợc phép quá tải bình th−ờng với hệ số k2. + Nếu k2cp < k2, máy biến áp không đ−ợc phép quá tải bình th−ờng với hệ số k2 mà chỉ đ−ợc phép quá tải với hệ số k2cp. 43
Simpo PDF ThiếtMerge bị andđiện Splitchính Unregistered trong Nhà máy Version điện - Ch−ơng 1 Tr−ờng hợp đồ thị phụ tải có 2 lần quá tải (hình 1-15) thì Sdt.1 đ−ợc tính trong khoảng 10h tr−ớc hoặc sau quá tải lớn nhất tuỳ thuộc vào thời điểm xuất hiện quá tải nhỏ hơn. Khi biểu đồ phụ tải có 2 quá tải thì tính toán phụ tải đẳng n 2 trị bậc 2 đ−ợc tiến hành đối với quá tải nào có tổng Sdt.2 = ∑Si .t i nào có trị số i=1 lớn nhất. Quá tải lớn nhất xuất hiện sau thì phụ tải đẳng trị bậc 1 đ−ợc tính trong 10h ngay tr−ớc khi xuất hiện quá tải lớn nhất, khi quá tải lớn nhất xuất hiện tr−ớc thì phụ tải đẳng trị bậc 1 đ−ợc tính trong 10h ngay sau khi xuất hiện quá tải lớn nhất. b) Quá tải sự cố. Quá tải sự cố là chế độ quá tải cho phép trong một số tr−ờng hợp ngoại lệ (sự cố) với một thời gian hạn chế để không gián đoạn việc cung cấp điện năng mà ch−a gây h− hỏng. Nh− vậy, trị số qúa tải sự cố cho phép đ−ợc quyết định sao cho nhiệt độ của cuộn dây và dầu máy biến áp không v−ợt quá giá trị cho phép, để không ảnh h−ởng đến sự làm việc bình th−ờng tiếp theo của máy biến áp + Nhiệt độ cho phép cực đại đối với dầu là 1150C. + Nhiệt độ cho phép cực đại của cách điện cuộn dây là 1400C. Trong điều kiện sự cố, máy biến áp dầu (với bất kỳ hệ thống làm mát nào, không phụ thuộc vào nhiệt độ môi tr−ờng làm mát) cho phép quá tải 40% nếu thời gian quá tải của ngày không lớn hơn 6h, trong thời gian 5 ngày đêm và hệ số phụ tải bậc 1 (k1) nhỏ hơn 0,93. Hệ số quá tải sự cố cho phép kqt = 1,4 đ−ợc sử dụng trong tính toán chọn thông số của máy biến áp hay thông số chế độ. Khi vận hành, trị số quá tải đ−ợc quyết định bởi điều kiện môi tr−ờng cụ thể khi tính toán chế độ nhiệt của máy biến áp (nh− mục a). Ví dụ: o0o 44
Simpo PDF PhMerge−ơng phápand Splitphân Unregisteredphối tối −u công Version suất NMĐ - Ch−ơng 2 Ch−ơng 2 ph−ơng pháp chung phân phối tối −u công suất nhμ máy điện 2.1 khái niệm chung Trong thiết kế, vận hành khai thác nhà máy điện và hệ thống điện, một chỉ tiêu quan trọng trong tính toán kinh tế-kỹ thuật của hệ thống điện là phân phối tối −u công suất giữa các nhà máy điện trong hệ thống, nhằm đáp ứng yêu cầu của phụ tải và đảm bảo vận hành hệ thống điện kinh tế nhất. Nghiên cứu ph−ơng thức vận hành tối −u của hệ thống điện không những có ý nghĩa kinh tế rất quan trọng trong vận hành mà còn cung cấp các số liệu cho việc qui hoạch, thiết kế các nhà máy điện trong hệ thống điện. Khi thiết kế hệ thống điện và các nhà máy điện, chọn thông số cho các thiết bị và các đ−ờng dây tải điện th−ờng phải so sánh kinh tế-kỹ thuật các ph−ơng án, trong đó phải xét đến chế độ làm việc của đối t−ợng thiết kế. Thay đổi chế độ làm việc của các nhà máy điện sẽ làm thay đổi phí tổn vận hành, chủ yếu là phí tổn về nhiên liệu, ảnh h−ởng rất lớn tới tính kinh tế-kỹ thuật của hệ thống. Quan trọng nhất của việc điều khiển, vận hành khai thác hệ thống điện là tìm đ−ợc chế độ vận hành tối −u, ứng với chi phí tính toán nhỏ nhất nh−ng vẫn đảm bảo đ−ợc trong phạm vi cho phép độ tin cậy cung cấp điện và chất l−ợng điện năng. Vậy, muốn có chế độ làm việc tối −u phải đạt đ−ợc chi phí tính toán nhỏ nhất cho sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng với những trị số tối −u về độ tin cậy và chất l−ợng điện năng. Tuy nhiên, việc xác định chế độ làm việc tối −u với những chỉ tiêu nh− trên ch−a thực hiện đ−ợc hoàn chỉnh do hạn chế về ph−ơng pháp. Vì vậy, phân phối tối −u công suất giữa các nhà máy điện đ−ợc thực hiện thoả mãn một chỉ tiêu quan trọng là cực tiểu hàm chi phí về nhiên liệu trong toàn hệ thống. 45
Simpo PDF PhMerge−ơng phápand Splitphân Unregisteredphối tối −u công Version suất NMĐ - Ch−ơng 2 2.2 ph−ơng pháp phân phối tối −u công suất nhμ máy điện I. Ph−ơng pháp chung. Về mặt toán học, giải bài toán tối −u nghĩa là tìm trị số các đối số của một hàm nhiều biến sao cho hàm đó đạt giá trị cực đại hoặc cực tiểu. Nếu hàm đó có nhiều giá trị cực đại hoặc cực tiểu thì phải tìm trị số của các đối số sao cho là giá trị cực tiểu nhỏ nhất hoặc là giá trị cực đại lớn nhất. Các đối số có thể độc lập hoặc ràng buộc với nhau bởi các đẳng thức. Bài toán tối −u có thể phát biểu nh− sau: Cần xác định các ẩn số x1, x2, xn sao cho hàm mục tiêu nhiều biến (n biến): F(x1, x2, xn) ⇒ min (max). (2-1) và thoả mãn m ràng buộc sau: ⎧ g1 (x1 , x 2 , , x n ) ≥ 0 ⎪ ⎪ g 2 (x1 , x 2 , , x n ) ≥ 0 ⎨ (2-2) ⎪ ⎪ ⎩ g m (x1 , x 2 , , x n ) ≥ 0 Trong tr−ờng hợp hàm mục tiêu (2-1) là hàm giải tích, khả vi hệ ràng buộc (2-2) gồm toàn các đẳng thức và ẩn số không lớn, có thể giải bài toán bằng ph−ơng pháp thay thế thông th−ờng hay các ph−ơng pháp khác, đ−a bài toán có ràng buộc nghĩa là có hệ (2-2) về bài toán tìm cực trị không ràng buộc. Khi đó cần xác định: F(x1, x2, xn) ⇒ min (max). (2-3) và ⎧ g1 (x1 , x 2 , , x n ) = 0 ⎪ ⎪ g 2 (x1 , x 2 , , x n ) = 0 ⎨ (2-4) ⎪ ⎪ ⎩ g m (x1 , x 2 , , x n ) = 0 Trong đó: m ≤ n. Từ hệ (2-4) khử m ẩn số, còn lại (n-m) ẩn độc lập thay vào hàm mục tiêu (2-3). Khi đó F trở thành hàm (n-m) ẩn: xm+1, xm+2, xn. Điều kiện cực trị của hàm F sẽ là: 46
Simpo PDF PhMerge−ơng phápand Splitphân Unregisteredphối tối −u công Version suất NMĐ - Ch−ơng 2 ∂F ∂F ∂F = 0; = 0; ; = 0 (2-5) ∂x m+1 ∂x m+2 ∂x n Muốn biết tại đó hàm F đạt cực tiểu hay cực đại, xét đạo hàm bậc 2 của F. Ph−ơng pháp trên chỉ thực hiện đ−ợc khi hàm F giải tích, khả vi và hệ ph−ơng trình ràng buộc là tuyến tính với số l−ợng m nhỏ. Tr−ờng hợp ng−ợc lại, việc giải theo ph−ơng pháp trên gặp nhiều khó khăn. Nếu hàm mục tiêu và ràng buộc là tuyến tính với ẩn số ít có thể sử dụng ph−ơng pháp Lagrange. Nếu hàm mục tiêu và các ràng buộc là các phiếm hàm (là tồn tại những t−ơng quan giữa các hàm) sử dụng ph−ơng pháp Lagrange kết hợp với hệ ph−ơng trình Euler. Nếu các ràng buộc là những bất đẳng thức thì dùng ph−ơng pháp qui hoạch tuyến tính. Nếu hàm mục tiêu hoặc ràng buộc là dạng phi tuyến thì dùng ph−ơng pháp qui hoạch phi tuyến nh−: Gradient hoặc qui hoạch động II. Ph−ơng pháp Lagrange. Để giải bài toán tối −u về chế độ làm việc của hệ thống điện, ph−ơng pháp đ−ợc dùng rộng rãi nhất là ph−ơng pháp Lagrange hoặc còn gọi là ph−ơng pháp hệ số không xác định. Nội dung của ph−ơng pháp Lagrange. Cần xác định các ẩn số x1, x2, xn sao cho: F(x1, x2, xn) ⇒ min (max). (2-6) và ⎧ g1 (x1 , x 2 , , x n ) = 0 ⎪ ⎪ g 2 (x1 , x 2 , , x n ) = 0 ⎨ (2-7) ⎪ ⎪ ⎩ g m (x1 , x 2 , , x n ) = 0 Trong đó: m ≤ n. Hàm Lagrange đ−ợc định nghĩa nh− sau: m L(x1 , x 2 , x n ) = F(x1 , x 2 , x n ) − ∑ λ i .g i (x1 , x 2 , x n ) (2-8) i=1 Trong đó: λi (i=1, 2, m) là những hệ số không xác định. Vì gi (x1, x2, xn) = 0 với i = 1, 2, m, nên hàm L đạt cực trị ở các giá trị xi nh− hàm F. 47
Simpo PDF PhMerge−ơng phápand Splitphân Unregisteredphối tối −u công Version suất NMĐ - Ch−ơng 2 Điều kiện cực trị của hàm L là: m ⎧ ∂L ∂F ∂g i ⎪ = − ∑ λ i . = 0 ∂x ∂x i=1 ∂x ⎪ 1 1 1 m ⎪ ∂L ∂F ∂g i ⎪ = − ∑ λ i . = 0 ⎨∂x 2 ∂x 2 i=1 ∂x 2 (2-9) ⎪ ⎪ m ⎪ ∂L ∂F ∂g i ⎪ = − ∑ λ i . = 0 ⎩∂x n ∂x n i=1 ∂x n Trong đó: i = 1, 2, m và j = 1, 2, n (xác định bởi x1, x2, xj, xn). Và hệ ph−ơng trình ràng buộc: ⎧ g1 (x1 , x 2 , , x n ) = 0 ⎪ ⎪ g 2 (x1 , x 2 , , x n ) = 0 ⎨ (2-10) ⎪ ⎪ ⎩ g m (x1 , x 2 , , x n ) = 0 Từ (2-9) ta có n ph−ơng trình, từ (2-10) có m ph−ơng trình tạo thành (n+m) ph−ơng trình với (n+m) ẩn số (x1, x2, , xn; λ1, λ2, , λm). Giải hệ ph−ơng trình trên ta sẽ đ−ợc giá trị của đối số, chính là giá trị làm cho hàm L và cũng chính là hàm F đạt cực trị. Trong tr−ờng hợp trên nếu muốn tìm cực trị là cực đại hoặc cực tiểu thì phải xét dấu của vi phân bậc 2 của hàm F hoặc L. - Nếu d2 (F) > 0 hoặc d2 (L) > 0 thì cực trị trên là cực tiểu. - Nếu d2 (F) < 0 hoặc d2 (L) < 0 thì cực trị trên là cực đại. Xác định chế độ tối −u của hệ thống điện theo ph−ơng pháp Lagrange, nếu liên quan đến những ph−ơng trình phi tuyến phức tạp thì cách giải duy nhất là phải giải bằng ph−ơng pháp gần đúng, nh−ng trong những tr−ờng hợp có số điều kiện hạn chế lớn thì ph−ơng pháp gần đúng không dùng đ−ợc vì quá trình gần đúng không hội tụ. o0o 48
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 Ch−ơng 3 Khai thác tối −u nhμ máy điện 3.1 khái niệm chung I. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của Nhà máy nhiệt điện. 1. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu. Mỗi Nhà máy nhiệt điện có đặc tính tiêu hao nhiên liệu B phụ thuộc công suất phát của nhà máy P. Thông th−ờng quan hệ B và P là phi tuyến, thể hiện trên (hình 3-1). Ngoài ra sự phụ thuộc trên còn có thể cho d−ới dạng bảng. B[kg] dB tgβ = = ε m dP ND β a B tgα = = γ ND P α P[MW] 0 P Pkt Hình 3-1: Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của các Nhà máy nhiệt điện Khi công suất phát của nhà máy nhỏ, tiêu hao nhiên liệu nhỏ. Khi công suất tăng đến giá trị giới hạn, nhiên liệu tăng không tuyến tính mà tăng rất nhanh. Vì vậy với mỗi Nhà máy điện, xác định công suất phát có ý nghĩa rất lớn trong tiết kiệm tiêu hao nhiên liệu. 2. Suất tiêu hao nhiên liệu, γND. Là l−ợng nhiên liệu tiêu hao B để Nhà máy nhiệt điện phát ra một l−ợng công suất là P. Đ−ợc định nghĩa là tỷ số giữa B và P hay là hệ số góc của đ−ờng cát tuyến đi từ gốc toạ độ qua điểm làm việc. B B γ = hay tgα = (3-1) ND P P ⎛ kg ⎞ Đơn vị: ⎜ ⎟ . ⎝ kWh ⎠ 50
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 Ta thấy, khi công suất của nhà máy càng tăng thì suất tiêu hao nhiên liệu của nhà máy càng giảm. 3. Suất tăng tiêu hao nhiên liệu, εND. Là l−ợng nhiên liệu tiêu hao dB khi công suất của Nhà máy nhiệt điện thay đổi một l−ợng là dP trong khoảng thời gian nhỏ là dt. Đ−ợc định nghĩa là tỷ số giữa dB và dP hay là hệ số góc của đ−ờng tiếp tuyến tại điểm làm việc. dB dB ε = hay tgβ = (3-2) ND dP dP Đơn vị: Do tiêu hao nhiên liệu B th−ờng tính trong thời gian 1h, nên đơn ⎛ kg ⎞ vị của suất tăng tiêu hao nhiên liệu là: ⎜ ⎟ . ⎝ kWh ⎠ Suất tăng tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn đối với các Nhà máy nhiệt điện εND đ−ợc xác định trên cơ sở suất tăng tiêu hao nhiên liệu của lò hơi εL và tuabin εT. Xét đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của một tổ máy gồm là hơi và tuabin (hình 3-2). Trong đó, nhiên liệu B vào lò hơi chuyển thành nhiệt l−ợng Q, qua tuabin tạo ra công suất cơ cho máy phát điện P. LH TB B Q P Hình 3-2: Nguyên lý của một tổ máy nhiệt điện Sự thay đổi của nhiên liệu B theo công suất P theo biểu thức sau: dB dB dQ = . (3-3) dP dQ dP Trong đó: dB - là suất tăng tiêu hao nhiên liệu của Nhà máy nhiệt điện (ε ). dP ND dB ⎛ kg ⎞ - là suất tăng tiêu hao nhiên liệu của lò hơi (εL), ⎜ ⎟ . dQ ⎝ kJ ⎠ dQ ⎛ kJ ⎞ - là suất tăng tiêu hao nhiệt l−ợng của tua bin (εT), ⎜ ⎟ . dP ⎝ kWh ⎠ Vậy, ta có suất tăng tiêu hao nhiên liệu của nhà máy: ε ND = ε L .ε T (3-4) 51
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 4. Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu. a) Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của lò hơi, εL. Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của lò hơi th−ờng có dạng (hình 3-3). Trục hoành biểu diễn nhiệt l−ợng do lò hơi cung cấp (kJ/h), trục tung biểu diễn suất tăng tiêu hao nhiên liệu εL (kg/kJ.h). Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của lò hơi thay đổi theo từng loại lò. Đối với các lò hơi hiện đại với hiệu suất khoảng 90%, suất tăng tiêu hao nhiên liệu εL ít biến đổi theo phụ tải nhiệt Q khoảng 20%. Đối với các loại lò cũ và các loại lò sử dụng than có chất l−ợng thấp thì biến đổi của suất tăng theo phụ tải t−ơng đối lớn, khoảng 50%. ε [kg/J.h] L Qmin Qmax Q [kJ/h] Hình 3-3: Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của lò hơi b) Đặc tính tiêu hao nhiệt l−ợng. Đặc tính tiêu hao nhiệt l−ợng Q và đ−ờng đặc tính suất tăng tiêu hao nhiệt l−ợng εT của tuabin. Đ−ờng đặc tính tiêu hao nhiệt l−ợng Q theo P thực tế là một đ−ờng cong, nh−ng độ cong không lớn có thể vẽ thành đ−ờng thẳng (đ−ờng Q, hình 3-4). Đ−ờng đặc tính này có một điểm gãy t−ơng ứng với công suất kinh tế của tuabin Pkt. Q [kJ/h] εT [kJ/kWh] Q εT P [MW] Pmin Pkt Pmax Hình 3-4: Đặc tính tiêu hao nhiệt l−ợng Q và đ−ờng đặc tính suất tăng tiêu hao nhiệt l−ợng εT 52
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 c) Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiệt l−ợng của tuabin, εT. ứng với đ−ờng đặc tính tiêu hao nhiệt l−ợng là đ−ờng đặc tính suất tăng tiêu hao nhiệt l−ợng εT, có dạng 2 đ−ờng thẳng song song với trục hoành (đ−ờng εT, hình 3-4). Đ−ờng đặc tính suất tăng tiêu hao nhiệt l−ợng có chỗ bị gián đoạn, tức là thay đổi một cách đột ngột tại P = Pkt, là do sự giảm đột ngột tính kinh tế của tuabin khi van quá tải mở. d) Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của Nhà máy nhiệt điện, εND. Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của một máy phát đ−ợc xác định bằng tích của đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của lò hơi εL và đặc tính suất tăng tiêu hao nhiệt l−ợng của tuabin εT, là đ−ờng gấp khúc với nhiều đoạn có trị số suất tăng tiêu hao tăng dần theo phụ tải (hình 3-5). Khi chuyển từ đoạn này đến đoạn tiếp theo thì suất tăng biến đổi nhảy vọt. Sự thay đổi dần dần của suất tăng là do thay đổi suất tăng của lò hơi, sự thay đổi đột ngột là do sự gián đoạn của đ−ờng đặc tính của tuabin. εND [kg/kWh] P [MW] Pkt Hình 3-5: Đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của nhà máy nhiệt điện Việc thành lập đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu của nhà máy gồm nhiều máy phát hoặc nhiều nhà máy, phải dựa trên đặc tính εND của nhiều tổ máy và tuân theo nguyên tắc cân bằng suất tăng tiêu hao nhiên liệu của các tổ máy nhằm đạt đ−ợc sự phân phối tối −u công suất. 5. Kết luận. Ta thấy khi công suất nhỏ thì γND th−ờng lớn hơn εND, công suất càng tăng thì 2 trị số càng gần nhau, tại điểm m đoạn thẳng đi qua gốc toạ độ tiếp tuyến với đặc tính nên ta có γND = εND. Công suất tại điểm này ứng với trị số cực tiểu của suất tiêu hao nhiên liệu γND, do đó đ−ợc gọi là công suất kinh tế Pkt. 53
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 Khi công suất phát P > Pkt, giá trị ε tăng nhanh nên tiêu hao nhiên liệu lớn không kinh tế. Vì vậy, để vận hành kinh tế nhà máy điện th−ờng vận hành với công suất nhỏ hơn công suất kinh tế. Ví dụ. Cho nhà máy điện với thông số về tiêu hao nhiên liệu nh− (bảng 3-1). Công suất phát Tiêu hao nhiên liệu Suất tiêu hao Suất tăng tiêu STT G.chú P [MW] B [103.kg/h] γ [kg/kWh] hao ε [kg/kWh] 1 2500 1050 0,420 0,200 2 2600 1070 0,412 0,200 3 . . . 4 5000 2000 0,400 0,700 5 5100 2070 0,406 0,700 Giá trị của εND và γND của nhà máy tại thời điểm có công suất P = 2500 [MW] đ−ợc xác định nh− sau: Tra (bảng 3-1) ta có: Tại P = 2500 [MW], B = 1050.103 [kg/h]. Xét trong khảng thời gian công suất của nhà máy thay đổi P = 2500 [MW] đến P = 2600 [MW]. Tại P = 2600 [MW], B = 1070.103 [kg/h]. B 1050.103 - Giá trị của γND: γ = = = 0,420 [kg / kWh] ND P 2500.103 dB (1070 −1050).103 - Giá trị của εND: ε = = = 0,200 [kg / kWh] ND dP (2600 − 2500).103 II. Đặc tính tiêu hao n−ớc của Nhà máy thuỷ điện. 1. Đặc tính tiêu hao n−ớc. Mỗi Nhà máy thuỷ điện có đặc tính tiêu hao n−ớc Q phụ thuộc vào công suất phát P khác nhau, th−ờng quan hệ này là phi tuyến. Ngoài ra tiêu hao n−ớc Q của Nhà máy thuỷ điện ứng với công suất P còn phụ thuộc vào chiều cao cột n−ớc H của nhà máy. Thể biện trên (hình 3-6) hoặc có thể cho d−ới dạng bảng. 54
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 3 Q[m ] Pmax H1 H2 H3 H < H < H P[MW] 1 2 3 Hình 3-6: Đặc tính tiêu hao n−ớc của các Nhà máy thuỷ điện 2. Suất tăng tiêu hao n−ớc, εTD. Là l−ợng n−ớc tiêu hao dQ khi công suất của Nhà máy thuỷ điện thay đổi một l−ợng là dP trong khoảng thời gian nhỏ là dt ứng với mỗi trị số của chiều cao cột n−ớc H. Đ−ợc định nghĩa là tỷ số giữa dQ và dP hay là hệ số góc của đ−ờng tiếp tuyến tại điểm làm việc. dQ dQ ε = hay tgβ = (3-5) TD dP dP Đơn vị: Do tiêu hao n−ớc Q th−ờng tính trong thời gian 1h, nên đơn vị ⎛ m3 ⎞ ⎜ ⎟ của suất tăng tiêu hao n−ớc là: ⎜ ⎟ . ⎝ kWh ⎠ Ta thấy, khi công suất của nhà máy càng tăng thì suất tăng tiêu hao n−ớc của nhà máy càng tăng. 3. Suất tiêu hao n−ớc, γTD. Là l−ợng n−ớc tiêu hao Q để Nhà máy thuỷ điện phát ra một l−ợng công suất là P khi nhà máy làm việc với cột n−ớc là H. Đ−ợc định nghĩa là tỷ số giữa Q và P hay là hệ số góc của đ−ờng cát tuyến đi từ gốc toạ độ qua điểm làm việc. Q Q γ = hay tgα = (3-6) TD P P Đơn vị: Do tiêu hao n−ớc Q th−ờng tính trong thời gian 1 h, nên đơn vị ⎛ m3 ⎞ ⎜ ⎟ của suất tiêu hao n−ớc là: ⎜ ⎟ . ⎝ kWh ⎠ Ta thấy, khi công suất của nhà máy càng tăng thì suất tiêu hao n−ớc của nhà máy càng giảm. 55
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 III. Đặc tính chi phí sản xuất của Nhà máy nhiệt điện. 1. Đặc tính chi phí sản xuất. Chi phí sản xuất tính bằng tiền T phụ thuộc vào giá thành của nhiên liệu, đ−ợc xác định bằng biểu thức sau: T = β. B (3-7) Trong đó: β là giá tiền một đơn vị nhiên liệu của nhà máy. ⎛ VND ⎞ Đơn vị của T, th−ờng xác định: ⎜ ⎟ ⎝ h ⎠ Từ đặc tính tiêu hao nhiên liệu (hình 3-1), ta có đặc tính chi phí sản xuất của Nhà máy nhiệt điện có dạng t−ơng tự nh− đặc tính tiêu hao nhiên liệu (hình 3-7). T [VND/h] P[MW] 0 Pmin Pmax Hình 3-7: Đặc tính chi phí sản xuất của các Nhà máy nhiệt điện 2. Suất tăng chi phí sản xuất. Khi tiêu hao nhiên liệu B đ−ợc biểu diễn bằng chi phí sản xuất T thì εND đ−ợc gọi là suất tăng chi phí sản xuất. dT ⎛ VND ⎞ Trong đó: ε ND = . Đơn vị là: ⎜ ⎟ (3-8) dP ⎝ kWh ⎠ T−ơng tự nh− suất tăng chi phí nhiên liệu, khi công suất của nhà máy càng tăng thì suất tăng chi phí sản xuất của nhà máy càng tăng. 3. Suất chi phí sản xuất. Khi tiêu hao nhiên liệu B đ−ợc biểu diễn bằng chi phí sản xuất T thì γND đ−ợc gọi là suất chi phí sản xuất. T ⎛ VND ⎞ Trong đó: γ ND = . Đơn vị: ⎜ ⎟ (3-9) P ⎝ kWh ⎠ 56
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 T−ơng tự nh− suất chi phí nhiên liệu, khi công suất của nhà máy càng tăng thì suất chi phí sản xuất của nhà máy càng giảm. 4. Đặc tính suất tăng chi phí sản xuất. Từ biểu thức (3-8) và đặc tính suất tăng tiêu hao nhiên liệu (hình 3-5) ta có đặc tính suất tăng chi phí sản xuất (hình 3-8). ε [kg/kWh] ε [kg/kWh] ND ND P [MW] P [MW] a) b) Hình 3-8: Đặc tính suất tăng chi phí sản xuất của Nhà máy nhiệt điện Ta thấy, đặc tính suất tăng chi phí sản xuất có dạng tuyến tính từng đoạn (hình 3-8a), tuy nhiên trong tính toán có thể thay thế gần đúng bằng đ−ờng thẳng duy nhất (hình 3-8b). Khi đó, có thể xác định đặc tính εND theo ph−ơng trình đại số bậc nhất nh− sau: εND = 2. a. P + b (3-10) Nh− vậy, đặc tính chi phí sản xuất sẽ có dạng ph−ơng trình đại số bậc 2 nh− sau: T = a. P2 + b. P + c (3-11) Trong đó: a, b, c là hệ số phụ thuộc vào công nghệ, nhiên liệu của nhà máy. (do nhà máy cung cấp). 2 Ví dụ: T1 = 0,20. P1 + 15 P1 + 200 [USD/h], với Pdm = 100 [MW]. 2 T2 = 0,10. P2 + 17 P2 + 300 [USD/h], với Pdm = 120 [MW]. Trong một số tr−ờng hợp có thể cho đặc tính chi phí sản xuất d−ới dạng bảng. 57
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 IV. Đặc tính chi phí n−ớc của Nhà máy thuỷ điện. 1. Đặc tính chi phí n−ớc. Đối với Nhà máy thuỷ điện, chi phí nhiên liệu có thể coi bằng 0. Do đó sử dụng đặc tính chi phí n−ớc (đặc tính tiêu hao n−ớc) để tính toán, th−ờng lập đặc tính chi phí n−ớc chung cho một Nhà máy thuỷ điện. Đặc tính có dạng (hình 3-6), tuy nhiên trong tính toán có thể xác định đặc tính chi phí n−ớc theo hàm bậc 2 nh− sau: Q = α. P2 + β. P + γ (3-11) Trong đó: α, β, γ là các hệ số phụ thuộc vào tình trạng hồ chứa ở đầu giờ tính công suất của nhà máy. (do nhà máy cung cấp) 2. Suất tăng chi phí n−ớc và đặc tính suất tăng chi phí n−ớc. Từ biểu thức (3-5) và (3-11) ta xác định suất tăng chi phí n−ớc theo biểu thức sau: εTD = 2. α. P + β (3-12) Do đó, đặc tính suất tăng chi phí n−ớc là đ−ờng thẳng (3-12). V. Suất tăng tổn thất công suất trong l−ới điện. Ta đã có tổn thất công suất trong mạng điện 2 nút a và b là: P 2 + Q 2 P 2 + Q 2 ΔP = ab ab .r ; ΔQ = ab ab .x 2 ab 2 ab U b U b Nếu mạng gồm n nút phụ tải và chọn n làm nút cân bằng, ta có: n−1 n−2n−1 n−2n−1 2 2 ΔP = ∑ Bii .(Pi + Qi ) + 2 ∑∑Bij.(Pi Pj + QiQ j ) − 2 ∑∑Cij.(PiQ j + Qi Pj ) i=1 i=1 j=2 i=1 j=2 (3-13) n−1 n−2n−1 n−2n−1 2 2 ΔQ = ∑ Dii .(Pi + Qi ) + 2 ∑∑Dij.(Pi Pj + QiQ j ) − 2 ∑∑Fij.(PiQ j + Qi Pj ) i=1 i=1 j=2 i=1 j=2 Với i ≠ j. Trong đó: rii rij rij Bii = ; Bij = .cos δij; Cij = .sin δij U 2 U .U U .U - i i j i j x x ij x ij D = ii ; D = .cos δ ; F = .sin δ ii 2 ij ij ij ij Ui Ui .U j Ui .U j - rii, xii là điện trở và điện kháng của các đ−ờng dây nối với nút i đến nút cân bằng. - rij, xij là điện trở và điện kháng của các đ−ờng dây nối nút i với nút j. - δij là góc lệch điện áp giữa nút i và nút j. 58
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 Nếu l−ới điện tập trung, khoảng cách truyền tải không quá lớn có thể xác định gần đúng: δij = 0 → cos δij =1; sin δij = 0 r rij B = ii ; B = B = ; C = 0 ii 2 ij ji 2 ij Ui Ui x x ij D = ii ; D = D = ; F = 0 ii 2 ij ji 2 ij Ui Ui Và cosϕ = 1, với ϕ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện. Khi đó: n−1n−1 ΔP = ∑∑Bij.(Pi Pj + QiQ j ) i=1 j=1 (3-13) n−1n−1 ΔQ = ∑∑Dij.(Pi Pj + QiQ j ) i=1 j=1 Đạo hàm riêng của ΔP theo Pi ta có suất tăng tổn thất công suất trong l−ới điện: ∂ΔP n−1 = ε = 2 ∑ Pj.Bij (3-14) ∂Pi j=1 Ví dụ: Cho l−ới điện gồm 3 nút, ta có suất tăng tổn thất công suất khi chọn nút 1 làm nút cân bằng là: ε = 2(B11.P1 + B12 .P2 + B13.P3 ) 59
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 3.2 phân phối tối −u công suất giữa các Nhμ máy nhiệt điện trong hệ thống điện I. Nguyên tắc thực hiện. Giả thiết có n Tổ máy nhiệt điện hoặc Nhà máy nhiệt điện với đặc tính chi phí sản xuất của mỗi Tổ máy hoặc Nhà máy là Ti, giới hạn công suất là Pi.min và Pi.max. Biết công suất yêu cầu của phụ tải là PYC = PPT + ΔP. Trong đó: PPT và ΔP là công suất của phụ tải và tổn thất công suất trong l−ới điện. Giả thiết phụ tải không thay đổi trong 1h (thay đổi rất nhỏ) và tất cả các tổ máy đều tham gia vận hành. Cần phân phối công suất phát của mỗi Tổ máy sao cho tổng chi phí sản xuất trong thời gian 1h vận hành của Nhà máy nhiệt điện hay Hệ thống điện là nhỏ nhất. Chú ý: Cần kiểm tra chế độ làm việc lớn nhất (Pmax) và chế độ làm việc nhỏ nhất (Pmin) của các tổ máy phát hoặc nhà máy. - Nếu Pi Pmax thì lấy Pi = Pmax. Sau đó cân bằng công suất cho các máy phát hoặc nhà máy còn lại. II. Phân phối tối −u công suất khi tổn thất công suất ΔP không phụ thuộc vào công suất phát của các nhà máy Pi. 1. Nguyên tắc tính toán. Gọi chi phí tổng của Hệ thống điện là T, mà T cực tiểu sẽ ứng với chế độ tối −u. ẩn số là công suất phát ra của các Nhà máy nhiệt điện P1, P2, Pn. Giả thiết, chi phí tổng T chỉ phụ thuộc vào công suất tác dụng, nghĩa là: T = f(P1, P2, , Pn) (3-15) Điều kiện ràng buộc là ph−ơng trình cân bằng công suất tác dụng. Wp = P1 + P2 + + Pn − ∑ Ppt − ΔP = 0 (3-16) Lập ph−ơng trình Lagrange: L = T - λ.WP (3-17) Điều kiện cực trị sẽ là: 60
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 ⎧ ∂L ∂T ∂Wp ∂T ⎪ = − λ. = − λ = 0 ⎪∂P1 ∂P1 ∂P1 ∂P1 ⎪ ∂L ∂T ∂Wp ∂T ⎪ = − λ. = − λ = 0 ⎨∂P2 ∂P2 ∂P2 ∂P2 (3-18) ⎪ ⎪ ⎪ ∂L ∂T ∂Wp ∂T ⎪ = − λ. = − λ = 0 ⎩∂Pn ∂Pn ∂Pn ∂Pn Vì chi phí tổng bằng tổng các chi phí của các Nhà máy nhiệt điện, ta có: T = T1 + T2 + + Tn (3-19) Do đó: ⎧ ∂T ∂T ∂T ∂T = 1 + 2 + + n ⎪∂P ∂P ∂P ∂P ⎪ 1 1 1 1 ⎪ ∂T ∂T1 ∂T2 ∂Tn ⎪ = + + + ⎨∂P2 ∂P2 ∂P2 ∂P2 (3-20) ⎪ ⎪ ⎪ ∂T ∂T1 ∂T2 ∂Tn ⎪ = + + + ⎩∂Pn ∂Pn ∂Pn ∂Pn Coi sự thay đổi chi phí sản xuất của nhà máy i không phụ thuộc vào công suất phát nhà máy k, do đó: ∂Ti ∂Ti = 0 khi i ≠ k và = ε i (3-21) ∂Pk ∂Pi Từ ph−ơng trình (3-20) và (3-21) ta có: ⎧ ∂T ∂T = 1 = ε ⎪∂P ∂P 1 ⎪ 1 1 ⎪ ∂T ∂T2 ⎪ = = ε 2 ⎨∂P2 ∂P2 (3-22) ⎪ ⎪ ⎪ ∂T ∂Tn ⎪ = = ε n ⎩∂Pn ∂Pn Thay (3-22) vào (3-18) ta có: ε1 = ε2 = = εn (3-23) ∂Ti Với: εi = = f (Pi ) là suất tăng chi phí của nhà máy i. ∂Pi Vậy, điều kiện phân phối tối −u công suất tác dụng là: 61
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 ⎧ε1 = ε 2 = = ε n ⎨ (3-24) ⎩P1 + P2 + + Pn = ∑ Ppt + ΔP Giải hệ ph−ơng trình (3-24) sẽ đ−ợc trị số tối −u công suất của các Nhà máy nhiệt điện P1, P2, Pn. Vậy, nếu không kể đến sự thay đổi của tổn thất công suất tác dụng và công suất của phụ tải thì điều kiện để phân phối công suất tối −u giữa các Nhà máy nhiệt điện là cân bằng suất tăng chi phí của các Nhà máy nhiệt điện. Để minh chứng cho điều kiện (3-24) là điều kiện phân phối tối −u công suất, tìm giá trị cực tiểu của T bằng cách lấy đạo hàm bậc 2 của hàm L, với L d−ơng. 2 2 2 d L = d T − λ.d WP > 0 (3-25) Trong đó: 2 2 2 2 ∂ T1 2 ∂ T2 2 ∂ Tn 2 d T = (dP1) + (dP2 ) + + (dPn ) + ∂P 2 ∂P 2 ∂P 2 1 2 n 2 2 ∂ T1 ∂ T1 +2 .dP1.dP2 + 2 .dP1.dP3 + ∂P1.∂P2 ∂P1.∂P3 Vì suất tăng chi phí sản xuất của nhà máy i không phụ thuộc vào công suất của nhà máy k, nên với i ≠ k ta có: ∂ 2T ∂ 2T ∂ 2T d 2T = 1 (dP )2 + 2 (dP )2 + n (dP )2 2 1 2 2 2 n ∂P1 ∂P2 ∂Pn T−ơng tự đạo hàm cấp hai Wp ta có: 2 2 2 ∂ WP 2 ∂ WP 2 d WP = (dP1) + (dP2 ) + ∂P 2 ∂P 2 1 2 2 2 ∂ WP ∂ WP +2 dP1dP2 + 2 dP1dP3 + ∂P1.∂P2 ∂P1.∂P3 ∂W ∂W ∂ 2 W ∂ 2 W Vì : P =1; P =1; dẫn đến: P = 0; P = 0; 2 2 ∂P1 ∂P2 ∂P1 ∂P2 2 Do đó: d WP = 0 Vì vậy, ta có: ∂ 2T ∂ 2T ∂ 2T d 2L = 1 (dP )2 + 2 (dP )2 + + n (dP )2 > 0 (3-26) 2 1 2 2 2 n ∂P1 ∂P2 ∂Pn 62
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 Nghĩa là: ∂ 2T ∂ 2T ∂ 2T 1 ≥ 0; 2 ≥ 0; ; n ≥ 0 2 2 2 ∂P1 ∂P2 ∂Pn ∂εi Muốn thảo mãn điều kiện trên thì ≥ 0 , nghĩa là đặc tính suất tăng εND ∂Pi không giảm khi công suất tác dụng Pi tăng. Từ đ−ờng đặc tính suất tăng chi phí sản xuất thực tế (hình 3-8) ta thấy thoả mãn điều kiện trên. Vậy, (3-24) là điều kiện để chi phí sản xuất của hệ thống sẽ đạt cực tiểu. 2. Ph−ơng pháp tính. a) Ph−ơng pháp lặp. Nếu chi phí tính toán của các Nhà máy nhiệt điện cho d−ới dạng bảng hoặc hàm giải tích, ph−ơng pháp lặp đ−ợc thực hiện rất dễ dàng. B1: Xác định điều kiện phân phối tối −u công suất theo hàm Lagrange. B2: Xác định các suất tăng εi. B3: Cho hệ số λ (có thể chọn giá trị bất kỳ). B4: Xác định Pi. B5: Cân bằng công suất theo hàm WP = 0. - Nếu WP > 0 thì giảm hệ số λ. - Nếu WP < 0 thì tăng hệ số λ. Quay lại B3 và tiếp tục cho đến khi thoả mãn ph−ơng trình WP. B6: Xác định công suất vận hành của các nhà máy và tổ máy phát Pi. B7: Xác định chi phí sản xuất của nhà máy. Ví dụ 1: Cho Nhà máy nhiệt điện có 2 tổ máy với đặc tính chi phí sản xuất nh− sau: 2 T1 = 0,005. P1 + 2. P1 + 500 [USD/h]. 2 T2 = 0,006. P2 + 1,6. P2 + 400 [USD/h]. P1max = P2max = 125 [MW]. P1min = P2min = 20 [MW]. Hai tổ máy làm việc đồng thời khi phụ tải thay đổi trong khoảng: Ppt.max = 250 [MW]; Ppt.min = 40 [MW]. Hãy phân phối công suất tối −u cho 2 tổ máy trong Nhà máy nhiệt điện trên, với phụ tải Ppt = 50 [MW] và Ppt = 180 [MW], khi không xét đến tổn thất công suất. 63
Simpo PDF KhaiMerge thác and tối Split−u Nhà Unregistered máy điện Version - Ch−ơng 3 Bài giải B1: Xác định điều kiện phân phối tối −u công suất theo hàm Lagrange. Điều kiện phân phối tối −u công suất theo hàm Lagrange khi bỏ qua tổn thất công suất là: ⎧ε1 = ε 2 = λ ⎨ ⎩Wp = P1 + P2 − Ppt = 0 B2: Xác định các suất tăng. Từ ph−ơng trình của T1 và T2 xác định đ−ợc: dT1 - ε1 = = 0,010.P1 + 2 [USD/MWh] dP1 dT2 - ε2 = = 0,012.P2 + 1,6 [USD/MWh] dP2 *) Khi công suất của phụ tải là 50 MW. B3: Cho hệ số λ (có thể chọn giá trị bất kỳ). Công suất của các máy phát tính theo λ. λ − 2 - ε = λ = 0,010.P + 2 → P = [MW] 1 1 1 0,010 λ −1,6 - ε = λ = 0,012.P + 1,6 → P = [MW] 2 2 2 0,012 Chọn λ = 2,2. B4: Xác định Pi. 2,2 − 2 - P = = 20 [MW] 1 0,010 2,2 −1,6 - P = = 50 [MW] 2 0,012 B5: Cân bằng công suất theo hàm WP = 0. Kiểm tra cân bằng phụ tải, ta có: WP = 20 + 50 – 50 = 20 [MW] Vậy, WP > 0 sai số quá lớn, giảm hệ số λ và tiếp tục quay lại tính toán từ B3 đ−ợc kết quả trên (bảng 3-2). 64