07/05/2018

Tất cả các công ty điện lực đều hoạt động gần như theo hợp đồng với khách hàng. Nói chung, những hợp đồng này qui định số lượng và chất lượng của điện năng được cung cấp. Chất lượng điện năng bao gồm:

 - Tần số và các giới hạn trong đó tần số được giữ không đổi;

 - Điện áp và các giới hạn trong đó điện áp có thể giữ không đổi.

 - Liên tục cung cấp điện.

Các yêu cầu ngày càng tăng một bên là để cải thiện việc cung cấp điện còn bên kia là việc vận hành kinh tế, cả hai đều khuyến khích việc liên kết các nhà máy điện vào trong một hệ thống liên kết và hơn thế nữa là liên kết nhiều hệ thống thành hệ thống hợp nhất. Đã có nhiều hệ thống hợp nhất bao phủ nhiều vùng của nhiều nước thành hệ thống điện liên quốc gia. Ở Việt Nam, lưới điện quốc gia đã được liên kết hai lưới điện miền Bắc và miền Nam qua đường dây siêu cao áp 500 kV cũng nhằm mục đích thỏa mãn các yêu cầu nói trên. Bất kỳ cơ cấu rộng lớn nào cũng đều có tính phức tạp. Tuy vậy, việc vận hành hệ thống điện không phải là không thể điều hành được. Cấu trúc có thể thay đổi từ hệ thống này sang hệ thống khác, nhưng sự biến đổi không đến nỗi quá lớn đến nỗi làm trở ngại cho việc nghiên cứu xét về cơ bản.

Cấu trúc của hệ thống điện điều hành được đặt trên cơ sở của sự phân chia theo hàng dọc và theo hàng ngang như được minh họa trong hình dưới.

Theo chiều dọc, hệ thống liên hợp được chia làm bốn cấp:

 - Cấp phân phối;

 - Cấp truyền tải phụ;

 - Cấp truyền tải (cùng với cấp truyền tải phụ và cấp phân phối có liên kết với nó tạo ra một hệ thống điện);

 - Hệ thống đường dây nối (liên kết nhiều hệ thống điện với nhau vào trong một hệ thống điện liên hợp).

Theo chiều ngang, mỗi cấp lại được chia thành một số các hệ thống (số hệ thống truyền tải phụ trong mỗi hệ thống truyền tải hay số hệ thống phân phối trong mỗi hệ thống truyền tải phụ thực tế có thể nhiều hơn con số trên hình vẽ). Các hệ thống con này cách ly với nhau về mặt điện (và cũng thường là về mặt địa lý) với các hệ thống lân cận trong cùng một cấp nhưng chỉ được nối kết về điện với nhau qua các hệ thống ở cấp cao hơn.

Cấp điện áp và lượng công suất duy trì trong mỗi hệ thống riêng lẻ tăng dần từ cấp này đến cấp cao hơn và một phụ tải tiêu thụ có thể được cung cấp từ bất cứ cấâp nào của hệ thống tùy theo qui mô và tính chất của phụ tải. Các mũi tên trong hình trên. chỉ chiều công suất và vì tất cả các nhà máy điện đều được gắn vào ở hệ thống truyền tải nên mọi hệ thống ở cấp thấp hơn đều phụ thuộc vào cấp cao hơn (và cuối cùng là phụ thuộc vào cấp truyền tải) để cung cấp điện năng cho chúng. Theo đó, chiều cung cấp công suất giữa cấp truyền tải và cấp phân phối là đi từ cấp trên xuống cấp dưới.

Mục đích của việc liên kết nhiều hệ thống điện với nhau bằng các đường dây nối là để tập trung khả năng sẵn có của các hệ thống nhằm hỗ trợ cho nhau và hậu quả là công suất trên đường dây nối có tính hai chiều. Có khuynh hướng là tập trung dòng điện năng đi vào bất kỳ hệ thống nào chỉ ở một điểm duy nhất (như đã thấy ở cấp truyền tải và phân phối) nghĩa là ở một trạm trung chuyển hay trạm phân phối, nhưng để cho việc cung cấp tin cậy hơn thường những trạm đó có thể được cung cấp từ hai nguồn đi đến. Sự phân cấp theo hàng dọc và hàng ngang của một hệ thống điện làm cho việc vận hành và điều chỉnh trong hệ thống là có hiệu quả

1. Cấp phân phối của hệ thống điện

Cấp phân phối biểu diễn cho cấp cấu trúc thấp nhất của hệ thống điện, thường gồm có hai cấp điện áp.

 - Điện áp sơ cấp hay điện áp phát tuyến tương đối cao (chẳng hạn 15 kV, 22 kV);

 - Điện áp thứ cấp hay điện áp tiêu thụ là điện áp thấp (chẳng hạn 110 V, 220 V, 380 V).

Nhiệm vụ của cấp phân phối là phân phối điện năng cho các phụ tải nhỏ (sinh hoạt) và các phụ tải tương đối nhỏ (thương mại và công nghiệp nhỏ), các phụ tải lớn thường được cung cấp trực tiếp từ cấp cao hơn (như cấp truyền tải và cấp truyền tải phụ). Mặc dù phần lớn điện năng sản xuất được thường được bán cho cấp phân phối nhưng cấp này lại được chia thành một số lớn các mảng độc lập và mỗi phần nhỏ này chỉ tiếp nhận một lượng công suất vừa phải và chỉ liên kết về điện với nhau thông qua cấp truyền tải phụ.

Một phần phân chia của cấp phân phối được gọi là mạch phân phối. Thường thì các mạch phân phối được cách biệt nhau về địa lý nghĩa là mỗi mạch phân phối cung cấp riêng biệt cho một khu vực. Tuy vậy, trong một số trường hợp vẫn có sự đan xen nhau giữa các vùng của mạch phân phối, chẳng hạn mạng điện một chiều và mạng điện xoay chiều có thể phục vụ cho cùng một khu vực. Hiện tại, mạch phân phối đơn giản được cung cấp từ một nguồn riêng gọi là trạm phân phối (trạm biến áp), phụ tải của những mạch này được giữ đủ nhỏ sau cho một mạch như vậy có thể bị cắt điện, chẳng hạn do sự cố, có thể được tái lập lại sau đó mà không gây biến động trong các phần mạch còn lại. Điều này làm giới hạn khối công suất có thể được duy trì bởi từng mạch phân phối đến mức tương đối nhỏ so với khối công suất duy trì trong cấp truyền tải.

Hệ thống phân phối thông dụng có thể được phân loại như sau:

 - Hệ thống hình tia

   + Hệ thống vòng kín:

   + Vòng kín sơ cấp hay vòng kín các phát tuyến;

   + Vòng kín thứ cấp.

 - Hệ thống mạng điện:

   + Mạng điện sơ cấp và thứ cấp hình tia;

   + Mạng điện thứ cấp với dây phát tuyến hình tia.

Những hệ thống này theo thứ tự tăng dần theo chi phí, tính linh hoạt và độ tin cậy trong vận hành. Do vậy, chúng được dùng trong những vùng mà mật độ phụ tải tăng dần theo thứ tự nêu trên. Quan trọng hơn hết có lẽ là hệ thống hình tia (dùng trong vùng nông thôn, thành phố hay ngoại ô) và hệ thống mạng thứ cấp (dùng cho các khu vực thương mại ở những thành phố lớn).

2. Hệ thống phân phối hình tia

Kiểu hệ thống phân phối này chủ yếu được dùng trong những vùng có mật độ phụ tải thấp như ở nông thôn hay thị trấn nhỏ và còn được dùng rộng rãi ở những vùng có mật độ phụ tải trung bình như ở ngoại ô và đô thị (khu dân cư ở đô thị và thị trấn lớn). Nó có chi phí xây dựng thấp nhất nhưng tính linh hoạt và liên tục cung cấp điện bị hạn chế.

Hình dưới minh họa một hệ thống phân phối hình tia gồm có một mạch đường dây nhánh và các mạch thứ cấp liên kết với nó. Điện năng được cung cấp vào đường dây nhánh tại điểm nối với thanh cái của trạm biến áp phân phối. Đoạn thứ nhất của mạch sơ cấp giữa thanh góp của trạm và điểm nối đầu tiên với máy biến áp phân phối gọi là điểm cung cấp được gọi là mạch nhánh còn gọi là phát tuyến hay là phần “tốc hành” của mạch sơ cấp. Các nhánh rẽ của đường dây nhánh là dây nhánh phụ hay nhánh rẽ. Tên gọi đường dây sơ cấp được dùng để gọi chung cho dây nhánh và dây nhánh phụ.

Trạm phân phối thường thuộc loại ba pha bốn dây. Do vậy, đường nhánh và một số đường nhánh phụ là loại ba pha bốn dây trong khi đó vẫn có một số ít các đường nhánh phụ là một pha hai dây. Điện áp của đường dây nhánh sơ cấp được xác định chủ yếu bởi khảo sát kinh tế, thường yêu cầu điện áp cao hơn khi mật độ phụ tải tăng hay chiều dài đường dây tăng. Trong các khu vực đô thị hay ngoại ô, ở đó đường dây ngắn (khoảng vài km) nhưng mật độ phụ tải lại lớn các cấp điện áp thường dùng là 4160 V ba pha bốn dây, 2400 V một pha hai dây hay ba pha 22000/12700 V, 15000/8860 V, 10 kV, 6 kV.

Các mạch đường dây nhánh nông thôn (đường dây trên không) có chiều dài tổng khoảng vài chục km nên mặc dù mật độ phụ tải là thấp nhưng cấp điện áp tương đối cao, các cấp điện áp tiêu chuẩn là 15 kV, 20 kV,… (Ghi chú: cấp điện áp định mức của đường dây được qui định là điện áp dây). Phần lớn các đường dây nhánh phân phối là đường dây trên không nhất là ở những vùng có mật độ phụ tải thấp thị trấn hay ven đô. Trong thành phố, khuynh hướng ở các nước tiên tiến là sử dụng cáp ngầm trên đường nhánh và một số lớn các đường nhánh phụ. Thường trung tính của mạch nhánh được nối đất tại trạm phân phối, nhưng có thể có nối đất trung tính lặp lại. Điều này làm giảm chi phí xây dựng đường dây vì giảm được phí tổn về cách điện của máy biến áp và các thiết bị khác.

Máy cắt chính đường dây nhánh dùng để cắt đường dây khi sửa chữa và còn để bảo vệ ngắn mạch. Máy cắt này có trang bị rơle dòng điện để cắt đường dây ngay lập tức khi có ngắn mạch xảy ra ở bất cứ điểm nào trên đường dây nhánh. Khi máy cắt mở ra, sự cố được giải trừ nhưng việc cung cấp điện cho phụ tải bị gián đoạn.

Việc cắt điện như vậy rõ ràng là điều không mong muốn nếu nó cứ kéo dài trong một khoảng thời gian sau khi mỗi tác động của máy cắt và vì những tác động như vậy có thể xảy ra thường xuyên khi có sấm sét hay giông bão. Do vậy mà khi có thiết kế máy cắt đường dây nhánh thường phải xét đến việc phần lớn sự cố của đường dây trên không (80 – 90%) là sự cố thoáng qua và chúng sẽ biến mất (do tác dụng khử ion hóa của hồ quang) trong khoảng 10 chu kỳ sau khi dòng điện hồ quang bị dập tắt. Theo đó, máy cắt đường dây nhánh còn được trang bị thêm thiết bị tự đóng lại 1/4 đến 3/4 giây sau khi máy cắt mở ra và một phần lớn các trường hợp việc tự đóng lại để tái lập là thành công. Phần lớn các máy cắt cho phép tự đóng lại từ 2 đến 3 lần trước khi cắt dứt khoát trong trường hợp sự cố tiếp tục duy trì. Một khi máy cắt bị khóa lại ở vị trí mở do sự cố có duy trì, đội sữa chữa đường dây sẽ xác định nơi sự cố bằng cách quan sát hoặc là mở các dao cách ly trên từng phân đoạn một và thử đóng lại đường dây. Vì phải mất thời gian di chuyển từ dao cách ly này đến dao cách ly khác nên một số công ty điện ở nước ngoài thao tác đóng cắt dao cách ly bằng điều khiển từ xa từ văn phòng trung tâm. Tuy vậy, việc cách ly đường dây có thể thực hiện một cách tự động bằng cách dùng cầu chì tự rơi thay cho dao cách ly và dễ dàng tìm được nơi xảy ra sự cố.

Việc sửa chữa các phân đoạn đường dây bị sự cố có thể kéo dài, do đó để cải thiện điều kiện cung cấp điện, cần xây dựng thêm các đường dự trữ còn gọi là đường nối khẩn cấp. Đó là những đoạn đường dây sơ cấp có thể chuyển hệ thống hình tia thành ra một mạng điện kín ngoại trừ khi các mạch vòng của mạng điện được giữ như một mạng hở bằng cách mở dao cách ly lúc bình thường và chỉ đóng lại lúc khẩn cấp. Đường dây khẩn cấp thường được dùng trong mạng điện cung cấp trong thành phố đặc biệt là nếu hệ thống cung cấp được xây dựng một phần hay toàn phần bằng cáp ngầm.

Máy biến áp phân phối trên hệ thống điện hình tia thường là loại treo trên trụ hay đặt trên giàn và một số các máy biến áp phân phối hiện đại khi xuất xưởng đều có trang bị thêm các phụ kiện cần cho vận hành và bảo vệ, điều này cũng có ý nghĩa là máy biến áp có tự trang bị các bảo vệ tương đương với một trạm biến áp hoàn chỉnh.

Tổng quát, máy biến thế phân phối thuộc loại một pha hay ba pha. Phía sơ cấp thường có đầu phân áp dùng để điều chỉnh điện áp cho phía thứ cấp. Những đầu này chỉ có thể được thay đổi nếu máy biến áp được cắt điện và nắp máy được mở ra. Máy biến áp phân phối thường trang bị thêm cầu chì ở phía sơ cấp để bảo vệ ngắn mạch.

3. Hệ thống mạch vòng thứ cấp

Khi càng có nhiều phụ tải điện sử dụng động cơ điện thì phát sinh vấn đề nhấp nháy ánh sáng dẫn đến việc cần thiết phải sửa đổi hệ thống phân phối hình tia trong đó mỗi đường dây cái thứ cấp được cung cấp từ một máy biến áp riêng và không có quan hệ về điện với các đường dây cái thứ cấp khác. Trong một hệ thống như vậy, dòng điện khởi động của động cơ là lớn so với dòng phụ tải bình thường của máy biến áp sẽ gây sụt áp đột ngột và gây chớp đèn. Tuy vậy, nếu các dây cái thứ cấp được nối vòng như trong hình a,b,c thì dòng khởi động từ một trong ba dây cái thứ cấp sẽ được phân chia trên ba máy biến áp và giảm bớt được độ sụt áp.

4. Mạch vòng sơ cấp

Mạch vòng sơ cấp được dùng ở các khu vực có mật độ phụ tải trung bình và lớn. Có hai dạng của mạch vòng các đường dây nhánh.

Dạng thứ nhất là đóng thường xuyên một nhánh nối khẩn cấp trên hình tia với một máy cắt b đóng thường xuyên và tác động khi quá dòng. Các đường nhánh phụ và đường rẽ vẫn giữ nguyên như trong mạch hình tia . Mục đích của việc bố trí này là để cân bằng phụ tải trên hai đường nhánh nhờ vào đường dây nối thường trực và do đó làm bằng phẳng quan hệ điện áp theo thời gian đặc biệt là khi có sự khác biệt về thời gian giữa các phụ tải đỉnh của các phụ tải. Trong trường hợp có sự cố, máy cắt đường dây mở tức thời và tách rời hai đường dây nhánh.

Một dạng khác của mạch vòng đường dây nhánh được vẽ trong hình dưới dùng chủ yếu cho một số phân đoạn có phụ tải công nghiệp. Mục đích là để cải thiện độ sụt áp và độ tin cậy cung cấp điện. Để đạt được điều này, một số máy cắt có trang bị bảo vệ quá dòng có hướng, trong trường hợp sự cố xảy ra ở bất kỳ phân đoạn nào, hai máy ở hai đầu phân đoạn mở ra và loại trừ được sự cố mà không bị mất điện ở bất cứ phụ tải nào.

5. Hệ thống mạng điện phân phối thứ cấp

Hệ thống mạng điện thứ cấp là hệ thống tin cậy nhất của hệ thống phân phối và có đặc tính điện áp cũng như chống nhấp nháy ánh sáng tốt nhất. Mạng điện này có giá thành xây dựng cao và do đó chủ yếu là dùng cho các khu vực có mật độ phụ tải lớn như các khu dân cư và thương mại trong thành phố. Nó còn được áp dụng rộng rãi cho các khu công nghiệp mà yêu cầu về điện áp, sự linh hoạt và liên tục cung cấp điện là ưu tiên hàng đầu.

Điện áp của mạng phân phối thứ cấp là 380/220 V hay 220/127 V ba pha bốn dây và các đường dây cái thứ cấp nối với nhau thành mắt lưới gần như đi theo đường phố. Mỗi phân đoạn của  lưới là một đường 3 pha bốn dây đi dọc theo đường phố gọi là dây cái thứ cấp có thể là đường trên không hay đường cáp.

Các đoạn dây vào nhà dùng điện được lấy dọc trên đường dây cái và chúng được trang bị cầu dao, bảo vệ và thiết bị đo. Các đường dây cái tự nó không được gắn cầu chì bảo vệ vì theo kinh nghiệm thì bất kỳ sự cố ngắn mạch trên mạng lưới điện áp thấp đều “cháy giải trừ” và vẫn để cho đường dây làm việc liên tục bình thường nếu như dòng ngắn mạch đủ lớn.

Trong một số mạng điện hay trên một số phân đoạn của mạng điện dòng ngắn mạch có thể không đủ lớn để cháy giải trừ sự cố, trong những trường hợp như vậy, ngắn mạch duy trì có thể làm hư hỏng dây dẫn của các phân đoạn đó. Để khắc phục tình trạng này, người ta dùng các bộ “hạn chế” mắc chen vào đường dây cái ở những điểm nối. Bộ hạn chế là một loại cầu chì đặc biệt có đặc tính thời gian trì hoãn và chỉ đứt nếu ngắn mạch duy trì.

Lưới thứ cấp được cung cấp từ hệ thống phân phối sơ cấp qua các máy biến áp phân phối

hay biến áp mạng điện thường là biến áp ba pha công suất từ 150 kVA đến 1500 kVA và một số các máy biến áp một pha. Chúng được phân bố đều trên mạng điện. Hình trên cho thấy một trường hợp trong đó một máy biến áp được đặt ở mỗi điểm nối của đường dây cái. Thực tế, tùy theo mật độ phụ tải mà các máy biến áp được phân bố dày hơn hay thưa hơn.

Các máy biến áp được cung cấp từ các phát tuyến sơ cấp có điện áp cao từ 4 kV đến 20 kV và thường là hình tia nghĩa là các phát tuyến này không nối kết với nhau ngoại trừ ở thanh góp của trạm biến áp phân phối. Phát tuyến thường là đường dây ba pha ba dây hoặc bốn dây, trên không hoặc cáp ngầm, các đường này chỉ đóng cắt duy nhất từ máy cắt tác động theo bảo vệ quá dòng đặt ở đầu đường dây ở thanh cái trạm biến áp phân phối và mở ra khi có ngắn mạch trên phát tuyến. Máy cắt này tự nó không giải trừ được sự cố vì ngắn mạch vẫn còn tồn tại (sau khi máy cắt đầu đường dây mở) từ phía mạng thứ cấp xuyên qua máy biến áp phân phối. Tình trạng này được khắc phục bằng “bộ bảo vệ mạng điện” thực chất là một máy cắt điện áp thấp mà sẽ tự động mở khi có dòng công suất chạy ngược nghĩa là đi từ mạng hạ áp ngược trở lại máy biến áp.

Dao cách ly thuần túy thao tác bằng tay khi không có dòng điện được đặt giữa phát tuyến và máy biến áp. Dao cách ly được mở ra khi sửa chữa đường dây và dao thường được nối đất để bảo vệ an toàn khi sửa chữa đường dây.

6. Hệ thống mạng điện sơ cấp

Hệ thống phân phối mạng điện sơ cấp được dùng trong khu vực thành phố. Tổng quát, hệ thống này yêu cầu một số lượng lớn các trạm biến áp công suất nhỏ và nhiều mạch truyền tải phụ đi đến các trạm này hơn là trong hệ thống hình tia. Những hệ thống này có đặc tính điện áp tốt hơn, có tính liên tục cung cấp điện cao và kinh tế hơn hệ thống hình tia khi mật độ phụ tải cao hơn khoảng 1000 kVA/km2.

Cấu trúc của mạng sơ cấp giống như mạng thứ cấp ngoại trừ chúng bao gồm các đường dây nhánh thay vì là các đường dây cái thứ cấp. Hình trên trình bày một phần của mạng sơ cấp. Máy biến áp phân phối được mắc dọc theo dây cái sơ cấp với những đoạn cung cấp vào nhà dọc theo dây cái của mạng thứ cấp. Các mạch thứ cấp ở đây đều có dạng hình tia.

7. Cấp truyền tải phụ của hệ thống điện

Hệ thống truyền tải phụ thường được cung cấp từ thanh cái của trạm biến áp khu vực (hay trạm trung gian) và phân phối điện năng đến các trạm biến áp phân phối. Theo nguyên tắc phân chia theo hàng, các hệ thống truyền tải phụ lân cận chỉ liên kết về điện với nhau thông qua hệ thống truyền tải. Vai trò của hệ thống truyền tải phụ hoàn toàn giống vai trò của hệ thống phân phối, ngoại trừ nó duy trì một khối lượng công suất lớn hơn, cấp điện áp cao hơn và số các trạm biến áp phân phối cung cấp bởi hệ thống truyền tải phụ thường ít hơn số máy biến áp phân phối trong hệ thống phân phối. Hệ thống truyền tải phụ được phân biệt với hệ thống truyền tải ở chỗ là không có sự liên kết giữa các nhà máy qua cấp truyền tải phụ.

Một vài phần của hệ thống điện truyền tải phụ vừa cung cấp cho trạm biến áp phân phối vừa nối với các nhà máy điện thì đúng hơn những phần này có thể được xem là một phần của hệ thống truyền tải mặc dù cấp điện áp của nó thường được dùng cho hệ thống truyền tải phụ. Cấp điện áp của hệ thống truyền tải phụ thay đổi từ 35 kV đến 69 kV, điện áp cao hơn ứng với mật độ phụ tải lớn hoặc khoảng cách tải điện tương đối xa. Đường dây truyền tải phụ là đường dây ba pha, ba dây.

Cấu trúc của hệ thống truyền tải phụ thay đổi từ dạng hình tia đến dạng mạng điện. Chi phí xây dựng cũng tăng từ dạng hình tia sang dạng mạng điện, theo đó cần phải tiến hành so sánh kinh tế kỹ thuật để có sự kết hợp giữa một phí tổn hợp lý và độ tin cậy của hệ thống truyền tải phụ và hệ thống phân phối. Rõ ràng sẽ không hợp lý khi cung cấp một mạng điện thứ cấp có độ tin cậy cao từ một hệ thống truyền tải phụ hình tia không tin cậy hay ngược lại, xây dựng một mạng điện truyền tải phụ tin cậy, tốn kém chỉ để cung cấp cho các đường dây hình tia trong cấp phân phối cũng sẽ không hợp lý.

Hình trên trình bày một hệ thống truyền tải phụ hình tia ở nông thôn. Mỗi trạm biến áp phân phối được cung cấp bằng một đường dây đơn và như vậy khi có sự cố đường dây, việc cung cấp điện bị gián đoạn cho đến khi đường dây được sửa chữa lại.

Để cải tiến hệ thống hình tia, hình trên đưa ra sơ đồ có tính liên tục cung cấp cao hơn bằng cách cung cấp cho các trạ m bằng hai đường dây, nếu một mạch truyền tải cung cấp cho một trạm phân phối bị sự cố, việc cung cấp cho trạm này được phục hồi bằng cách chuyển mạch sang đường dây còn lại. Sự chuyển mạch này có thể làm tự động nếu đặt máy cắt ở hai phía của trạm phân phối (xem các trạm bên dưới của hình vẽ) nhưng nếu chỉ thao tác bằng dao cách ly như trạm trên cùng thì việc chuyển mạch bằng tay phải tốn thời gian vì trước khi thao tác dao cách ly, tất cả các phát tuyến của trạm biến áp phân phối phải được mở ra để tránh việc đóng dao cách ly khi có tải. Các đường dây kép (hai lộ) của mạch truyền tải phụ không nhất thiết đi cùng trên một tuyến. Vị trí của hai lộ này có thể cách xa nhau vì hai đường dây riêng biệt ít khi nào có sự cố xảy ra. Hệ thống điện của sơ đồ hình trên được xây dựng với các đường dây truyền tải phụ mạch kín nhưng chúng vận hành hở. Việc đóng thường trực các máy cắt thường mở sẽ biến thành một hệ thống kín như trong hình dưới.

Hệ thống mạch vòng loại trừ việc ngừng cung cấp đến các trạm phân phối khi có sự cố trên mạch truyền tải phụ. Tuy nhiên, yêu cầu bảo vệ phức tạp và cần nhiều dự trữ trên mạch truyền tải phụ làm cho hệ thống này càng đắt tiền.

8. Trạm biến áp phân phối

Trạm biến áp phân phối là điểm chuyển điện năng giữa hệ thống truyền tải phụ và hệ thống phân phối. Trước đây thường tập trung một số lớn các phát tuyến được cung cấp từ một số lượng nhỏ các trạm phân phối có người trực nhật. Các trạm này thường được xây dựng riêng lẻ nên mức tiêu chuẩn hóa về cách bố trí các thiết bị không cao.

Trong những năm gần đây, khuynh hướng mới là phân rải việc chuyển công suất cho một số lớn các trạm phân phối nhỏ chỉ cung cấp một số lượng vừa phải các phát tuyến. Những trạm này thường không có người trực mặc dù đôi khi phải giám sát, thường là loại hợp bộ, bọc kim loại được chế tạo từ nhà máy và có độ tiêu chuẩn hóa rất cao. Loại trạm phân phối đơn giản nhất được cung cấp từ một đường dây lộ đơn truyền tải phụ, một máy biến áp và có thể có một hay nhiều đầu ra phát tuyến phía thứ cấp.

Sơ đồ này giá thành không cao và độ tin cậy thấp và chỉ dùng ở nông thôn hay đô thị có mật độ phụ tải thấp. Trong hệ thống mạng phân phối sơ cấp, các trạm này được dùng ở những nơi có mật độ phụ tải cao và các cấu trúc mạng điện phải có độ tin cậy cần thiết. Một phương án khác của mạch truyền tải phụ, có cách bố trí khí cụ có thể thao tác bằng tay hay tự động như hình dưới.

Hai sơ đồ đầu a) và b) giải thích tương tự như ở hình “hệ thống truyền tải phụ hình tia với đường chuyển mạch” và hình”hệ thống truyền tải phụ mạch vòng kín”, sơ đồ thứ ba c) đắt tiền hơn nhưng được chuộng hơn không những vì chuyển mạch tự động khi có sự cố trên đường dây truyền tải phụ mà bởi vì nó vẫn hoạt động trong trường hợp một máy biến áp bị hư hỏng.

Khi nối với đường dây lộ kép, một trong hai máy cắt của hình c) (thay dao cách ly bằng máy cắt) ở vị trí thường mở và nó chỉ đóng lại nếu máy cắt kia mở ra khi không có điện áp về phía nối với đường dây truyền tải phụ. Mặt khác, khi mắc với sơ đồ hệ thống mạch kín hay hệ thống mạng điện cả hai máy cắt đều thường đóng. Sự chuyển đổi dao cách ly tự động cùng với việc giảm bớt số máy cắt có thể được thực hiện bằng cách dùng máy cắt nối phân đoạn ở thanh góp điện áp thấp.

Trong hình a, máy cắt phân đoạn có thể thường đóng hay thường mở tùy theo sơ đồ bảo vệ. Hình b, là sự phát triển của sơ đồ hình a, cho trạm có nhiều phát tuyến, mỗi máy biến áp thường cung cấp cho hai phát tuyến và nếu một trong các máy biến áp bị mất điện từ phía truyền tải phụ thì hai phát tuyến được chuyển sang các phân đoạn lân cận qua máy cắt phân đoạn. Để ý rằng chỉ có 50% quá tải sự cố được phân bố trên mỗi máy biến áp còn lại. Các hệ thống đặc biệt tin cậy chẳng hạn hệ thống mạng thứ cấp cũng đòi hỏi được cung cấp từ các trạm biến áp phân phối đặc biệt tin cậy. Sơ đồ hình dưới dùng hệ thống hai thanh góp phía điện áp thấp.

Sơ đồ này tin cậy vì không những chuyển mạch tự động cho các phát tuyến trong trường hợp có sự cố trên hệ thống truyền tải phụ hay máy biến áp mà ngay cả khi có sự cố trên thanh góp. Trong trường hợp sự cố thanh góp trên, tất cả các phát tuyến và máy biến áp được chuyển về thanh góp dưới dùng làm dự trữ. Hệ thống này cũng tạo sự dễ dàng để bảo trì, sửa chữa thanh góp. Về phía truyền tải phụ có thể có hay không có thanh góp phụ (vẽ đứt nét trong hình trên) dùng để cung cấp cho máy biến áp khi đường dây truyền tải phụ nối với máy biến áp này bị sự cố. Còn nhiều sơ đồ phức tạp hơn cũng được dùng bên phía truyền tải phụ ngay cả dùng hệ thống thanh góp đôi như ở phía điện áp thấp. Vì sự cố máy biến áp ít khi xảy ra cho hệ thống truyền tải phụ nên sự cố máy biến áp không là vấn đề quan tâm, máy biến áp được bảo vệ như một phần của đường dây truyền tải phụ và sẽ không có máy cắt hay cầu chì ở phía cao áp của máy biến áp trừ khi dòng ngắn mạch gây ra bởi sự cố máy biến áp quá nhỏ đến nỗi không tác động máy cắt đường dây.

9. Cấp truyền tải của hệ thống điện

Hệ thống truyền tải khác với hệ thống truyền tải phụ về tính chất và về vận hành. Sự khác biệt này một phần là do khối công suất duy trì trong hệ thống truyền tải lớn hơn nhiều. Sự khác biệt chủ yếu là trong khi các hệ thống truyền tải phụ và phân phối nhận điện năng từ một nguồn duy nhất và chuyển tải cho các phụ tải riêng biệt hay cho các trạm biến áp phân phối thì hệ thống truyền tải liên kết tất cả các nguồn phát điện trong hệ thống và do vậy, ngoài việc chuyển tải công suất đến các trạm trung gian và các phụ tải lớn, hệ thống truyền tải còn điều độ việc trao đổi hay sự tham gia hỗ tương giữa các nhà máy được liên kết.

Theo tính chất của phụ tải mà hệ thống truyền tải cung cấp có hai loại hệ thống điện:

a, Hệ thống điện kiểu đô thị

Hệ thống này cung cấp cho khu vực đô thị tương đối nhỏ nhưng có mật độ phụ tải rất cao. Trong một số trường hợp các nhà máy điện được đặt trong vùng phụ tải của hệ thống điện, trong các trường hợp khác thì phần chủ yếu của các nguồn phát là nhà máy thủy điện được đặt ở cách xa thành phố. Trong trường hợp sau này điện năng được tải đến thành phố từ các nhà máy thủy điện qua các đường dây truyền tải dài.

b, Hệ thống điện kiểu không tập trung

Tên hệ thống điện nông thôn thường dùng đễ gọi hệ thống này đôi lúc không thích hợp vì có hệ thống cung cấp một vùng lãnh thổ rộng lớn trong đó có thể có các địa phương tập trung phụ tải lớn (các thị xã, thị trấn, khu công nghiệp) cũng như các vùng nông thôn có phụ tải nhỏ.

Trên cơ sở về phương cách liên kết và vận hành song song các nhà máy điện duy trì bên trong hệ thống có thể chia làm ba kiểu căn bản mặc dù hệ thống thực tế có thể có sự đa dạng.

c, Hệ thống được đồng bộ ở phụ tải

Trong trường hợp này, không có sự nối trực tiếp giữa các nhà máy điện hoặc ngay cả giữa các máy phát riêng lẻ trong cùng một nhà máy mà mỗi phụ tải quan trọng được cung cấp từ hai hay nhiều máy phát hay trạm phát điện sao cho những máy phát hay trạm phát điện này được nối song song ở phụ tải. Hệ thống này không tin cậy và đã lỗi thời vì khi một nguồn phát bị cắt ra, các nguồn khác phải gánh tải, do đó chúng sẽ quá tải và có thể bị cắt ra khỏi lưới, cuối cùng toàn bộ hệ thống bị cắt điện và sự cố “rã lưới” xảy ra. Hệ thống cũ xưa này cung cấp cho mạng điện thứ cấp lớn liên kết chặt chẽ trong thành phố mà các phát tuyến được cung cấp từ các nhà máy và chính những nhà máy này không còn cách liên kết nào khác ngoại trừ thông qua mạng điện hạ áp. Do có sự cố rã lưới mà hệ thống thứ cấp được chia ra làm nhiều khu vực nhỏ trước khi nó có thể được tái lập lại vì khó lòng mà tái lập đồng thời cho toàn bộ hệ thống từ tất cả các nguồn phát, rõ ràng là không thể được. Kiểu đồng bộ tại phụ tải này không còn sử dụng nữa nhưng ở đây được nêu ra để cho thấy về yêu cầu phải có một cấu trúc hệ thống hợp lý.

d, Hệ thống liên kết yếu

Trong trường hợp này hệ thống được chia thành những vùng phụ tải (Hình dưới) được bao bọc bởi các máy cắt sao cho chúng cô lập toàn bộ các vùng phụ tải trong trường hợp sự cố nặng nề, đòi hỏi phải có sự cô lập như vậy. Mỗi vùng có nguồn phát điện riêng hay có thể một phần của các nhà máy có khả năng phát điện đủ để cung cấp cho phụ tải nếu vùng đó bị tách rời khỏi phần còn lại của hệ thống. Để duy trì vận hành một hệ thống như vậy đòi hỏi phải có sự theo dõi cẩn thận vì có sự chuyển tải có tính cơ hội giữa các vùng, vì vậy tính linh hoạt trong vận hành bị hạn chế. Tuy vậy, sự cố chồng chất do mất điện khó có thể xảy ra và nếu có xảy ra thì cũng dễ dàng tái lặp lại. Một dạng khác của hệ thống liên kết yếu là toàn hệ thống được chia làm hai hệ thống độc lập các đường dây truyền tải cao áp. Mỗi hệ thống được cung cấp khoảng một nửa tổng công suất phát trong toàn hệ thống. Hai hệ thống này được liên kết song song với nhau về mặt địa lý nhưng chúng được đồng bộ với nhau qua các đường dây liên kết và các phụ tải quan trọng được cung cấp liên lạc nhau giữa hai hệ thống.

e, Hệ thống liên kết chặt chẽ

Trong khi hệ thống liên kết yếu chỉ xem các đường dây liên kết giữa các vùng có tính dự trữ lúc sự cố hay lúc khẩn cấp và duy trì một dòng công suất thấp trên những đường dây này trong tình trạng bình thường thì hệ thống liên kết chặt sử dụng một mạng điện liên kết vững chắc trong đó không có dụng ý xác định các vùng phụ tải mà hơn thế nữa các đường dây truyền tải được sử dụng tùy ý để có thể truyền tải điện năng từ nơi sản xuất kinh tế nhất đến nơi mà nó cần được tiêu thụ đúng vào lúc cần thiết.

Trong trường hợp xảy ra sự cố, hệ thống này liên hệ một cách tuyệt đối đến khả năng dự trữ trong hệ thống sau khi đã loại trừ đường dây hay thiết bị bị sự cố. Việc thực hiện này làm tăng tính kinh tế cũng như tính vận hành linh hoạt của hệ thống. Sự tin cậy còn tùy thuộc vào các thiết bị bảo vệ và khả năng dự trữ sẵn có bên trong hệ thống và tính ổn định của hệ thống.

Về mặt cấu trúc có ba kiểu căn bản của hệ thống truyền tải được phân biệt như sau:

 - Hệ thống mạng điện hoàn toàn là kiểu tổng quát nhất nó có thể được liên kết yếu hoặc chặt chẽ. Vì bất kỳ phụ tải nào cũng được cung cấp bằng nhiều đường dây đưa đến nên những mạng điện kiểu này phù hợp hơn cho hệ thống điện liên kết chặt.

 - Kiểu “xương sống” gồm một số các đường dây truyền tải mạnh kéo dọc xuyên suốt hệ thống. Phụ tải và nhà máy được phân bố dọc theo xương sống trong đó nhà máy biểu diễn bằng khối tô đậm

Hình trên là một ví dụ về kiểu vành đai tương tự như kiểu xương sống ngoại trừ xương sống khép kín thành vành đai. Kiểu hệ thống thường được dùng cung cấp cho khu vực đô thị. Để ý rằng các đường dây vành đai theo nghĩa rộng biểu diễn cho hệ thống hai thanh góp vòng bọc quanh thành phố.

Hệ thống truyền tải có ít nhất hai cấp điện áp chúng có thể hoặc phối hợp phụ thuộc (khi mà cấp điện áp cao chồng lên cấp điện áp thấp hơn trên khắp vùng và biểu diễn cho một loại đường tốc hành để củng cố cho cấp điện áp thấp hơn ở một số điểm thích hợp hoặc phối hợp ngang cấp nhau trong đó hai cấp điện áp có cùng chức năng như nhau nhưng ở hai vùng khác nhau. Ở Việt Nam các cấp điện áp tiêu biểu là: 110 kV, 220 kV, 500 kV. Các đường dây truyền tải thường là đường dây trên không ba pha ba dây, không có dây trung tính nhưng có trung tính nối đất tại các trạm biến áp.

10. Cấp liên hợp hệ thống

Hệ thống điện liên kết ngày nay được phát triển vì ngành công nghiệp năng lượng sớm nhận thức rằng nếu liên kết tất cả các phương tiện sản xuất điện năng của một công ty điện lực sẽ phát huy đáng kể tính kinh tế và độ tin cậy trong vận hành và lượng công suất dự trữ nhàn rỗi có thể được huy động đúng mức. Càng về sau càng nhận thức được rằng những thuận lợi tương tự cũng có thể thực hiện trên bình diện rộng lớn hơn nếu như tổ hợp tất cả các phương tiện của nhiều công ty khác nhau trên một vùng địa lý rộng lớn (thường trong phạm vi liên bang như ở Mỹ, Nga, hay hệ thống điện liên hợp ở châu Âu, Bắc Mỹ). Việc kết thành một khối hợp nhất này được thực hiện bằng cách liên kết các công ty điện lực với nhau qua các đường dây nối. Các thuận lợi rút ra từ phương thức này và đường dây nối giữa các nhà máy và giữa các hệ thống độc lập nói chung được xây dựng vì những lý do như sau:

 - Để tập trung việc huy động khả năng dự trữ của toàn hệ thống;

 - Cho phép trao đổi điện năng với chi phí sản xuất kinh tế nhất;

 - Tận dụng được sự phân tán theo thời gian của các phụ tải đỉnh của hệ thống hay của các vùng (sự không đồng thời giữa các phụ tải đỉnh);

 - Cung cấp khả năng truyền tải đến các trạm biến áp phân phối đặt ở các trung tâm phụ tải (bằng cách khác thì sẽ không cung cấp điện đầy đủ được).

Vì những lý do liên kết các nhà máy điện bên trong một hệ thống điện cũng tương tự như lý do liên kết nhiều hệ thống điện bên trong một hệ thống liên hợp và như vậy hệ thống liên hợp cũng phát sinh ra các vấn đề tương tự như trong hệ thống điện. Tuy vậy, đường dây nối trong hệ thống điện liên hợp cũng tồn tại nhiều vấn đề đặc biệt vì có hai sự khác biệt giữa hai loại hệ thống này.

 - Các nhà máy điện liên kết bên trong hệ thống điện thường thuộc về cùng một công ty hoặc cùng chịu sự quản lý chung trong khi các đường dây nối liên kết các hệ thống điện có chủ quyền khác nhau.

 - Sự liên kết bên trong hệ thống thường là liên kết chặt chẽ. Khả năng tải trên các đường dây liên kết cũng cân xứng với khả năng phát điện của các nhà máy được liên kết. Trong khi đó phần lớn các đường dây nối trong hệ thống liên hợp thường là liên kết yếu, khả năng tải của chúng chỉ là một phần nhỏ so với tổng công suất của các hệ thống được liên kết.

11. Các bài toán chính của hệ thống điện

Trên đây đã mô tả sơ lược cấu trúc của một hệ thống điện và ít nhiều đã đề cập đến các vấn đề chính của hệ thống. Trong tình trạng vận hành bình thường (ở chế độ xác lập) của hệ thống, mục tiêu là sản xuất điện năng tại nơi được coi là kinh tế nhất vào thời điểm đang xét và truyền tải, phân phối điện năng đó đến các điểm cần được cung cấp với điện áp và tần số được duy trì trong giới hạn cho phép. Sự phức tạp của công tác này có thể phát sinh do sự liên kết của các nhà máy điện và tính đa dạng của các phụ tải.

Khi sự cố xảy ra, sự cố phải được loại trừ bằng cách chọn lọc đoạn đường dây hay thiết bị bị sự cố khi cắt máy cắt có nối đến phần tử bị sự cố. Đây là nhiệm vụ của bảo vệ rơle của hệ thống bảo vệ mạng điện (còn gọi là mạch nhị thứ), hệ thống bảo vệ này sẽ ra lệnh cắt đúng máy cắt cần thiết. Trong mạng điện rộng lớn, việc chọn đúng những máy cắt này là một bài toán phức tạp theo đó phải thiết kế một hệ thống bảo vệ để đối phó với bài toán này, các khảo sát chính xác về sự phân bố dòng điện và điện áp là cần thiết đối với ngắn mạch đối xứng và không đối xứng. Các khảo sát này cũng cho phép chọn lựa máy cắt điện có khả năng cắt thích hợp.

Hệ thống điện xoay chiều liên kết hai hay nhiều nhà máy có các giới hạn công suất vốn có và các giới hạn này có khả năng gây ra dao động cơ điện của rôtor máy phát nếu hệ thống bị đột biến do ngắn mạch. Mọi chế độ giới hạn vượt quá công suất hay để cho hình thành các dao động quá mức đều gây ra mất đồng bộ giữa các máy phát điện và gây ra sự sụp đổ toàn diện trong vận hành hệ thống (rã lưới). Điều này phát sinh vấn đề quan trọng của hệ thống là ổn định hệ thống điện.

Vấn đề mức cách điện bị chi phối nhiều bởi quá điện áp hơn là lúc vận hành bình thường. Có thể là quá điện áp tần số công nghiệp (50 Hz) gây ra bởi ngắn mạch chạm đất trên đường dây dài và ngay cả trên đường dây dài đang không tải nhưng có mang điện áp, hoặc có thể là quá điện áp hoạ tần gây ra khi có ngắn mạch không đối xứng trên đường dây dài được cung cấp từ máy phát điện cực lồi không có cuộn cản hoặc cũng có thể là quá điện áp quá độ gây ra do quá trình đóng cắt các phần tử trong hệ thống (quá điện áp nội bộ) hay quá điện áp khí quyển do sét đánh vào đường dây hay trạm biến áp.
Các quá điện áp này đòi hỏi phải có sự phối hợp hợp lý các mức cách điện và thiết kế cách điện đường dây, việc phát triển các loại chống sét cũng nhằm bảo vệ các phần tử chống quá điện áp. Còn nhiều vấn đề khác có liên quan đến việc vận hành hệ thống chẳng hạn như: phương pháp nối đất trung tính của máy biến áp và máy phát, sự kết hợp đường dây điện lực và đường dây thông tin để tránh nhiễu loạn, các phương pháp đối phó với tình trạng khẩn cấp khi có sự mất tạm thời một nguồn phát điện, lượng dự trữ công suất cần thiết, sự thích nghi với phát triển trong tương lai, qui hoạch và thiết kế hệ thống điện, đảm bảo tính linh hoạt vận hành các thiết bị theo quan điểm bảo quản các thiết bị… Giải pháp của bất cứ vấn đề nào cũng đặt trên cơ sở kết hợp các nhu cầu kỹ thuật và tính khả thi về mặt kinh tế.

Trong các mục trước đã đề cập đến hệ thống điện bao gồm chủ yếu các đường dây tải điện từ các đường dây nối liên kết thành hệ thống điện liên hợp cho đến tận các đoạn dây nhỏ cung cấp cho nhà dùng điện. Như vậy, cơ bản cho mọi khảo sát hệ thống điện là việc khảo sát các vấn đề của đường dây truyền tải. Theo đó, một phần của giáo trình này tập trung vào vấn đề của đường dây tải điện. Để khảo sát vận hành của riêng một đường dây cần thiết phải biết các đặc trưng của đường dây như điện cảm, điện dung và xác định các hằng số của đường dây.

12. Giới thiệu hệ thống điện Việt Nam

Căn cứ vào đặc điểm địa lý kỹ thuật của nước ta, có thể chia hệ thống điện toàn quốc thành ba hệ thống điện:

 - Hệ thống điện miền Bắc: bao gồm các tỉnh miền Bắc từ Hà Tĩnh trở ra.

 - Hệ thống điện miền Trung: bao gồm các tỉnh duyên hải miền Trung từ Quảng Bình đến Khánh Hòa và ba tỉnh Tây nguyên: Kon Tum, Gia Lai và Đắc Lắc.

 - Hệ thống điện miền Nam: Bao gồm các tỉnh còn lại.

Hiện nay tổng công suất lắp đặt của các nhà máy điện là 5705 MW, trong đó thủy điện chiếm 54%, nhiệt điện 22%, diesel và tuabin khí 24%. Điện năng sản xuất năm 1999 là 23763 triệu kWh.

Hiện trạng lưới điện (theo số liệu năm 2000):

 - Đường dây 500 kV: 1514 km với dung lượng đặt máy biến áp: 2850 MVA.

 - Đường dây 220 kV: 3732 km với dung lượng đặt máy biến áp: 5817 MVA.

 - Đường dây 66–110 kV: 7851 km với dung lượng đặt máy biến áp: 7328 MVA.

 - Đường dây trung thế: 50464 km với dung lượng máy biến áp: 10395 MVA.

Công suất đặt (MW) của các nhà máy điện hiện có gồm: