intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Bài giảng Mạng lưới điện - Nguyễn Mạnh Hà

Chia sẻ: Ganuongmuoimatong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:216

59
lượt xem
10
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Mạng lưới điện cung cấp cho người học những kiến thức như:Cơ sở kỹ thuật điện; Những vấn đề cơ bản về hệ thống điện và quy hoạch cấp điện; Trạm biến áp cấp điện; Tính toán nhu cầu điện; Tính toán mạng điện; Cấu trúc mạng điện và các phương án bố trí tuyến đường dây tải điện.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Mạng lưới điện - Nguyễn Mạnh Hà

  1. TRƯO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC ĐÀ NẴNG KHOA KỸ THUẬT ĐÔ THỊ VÀ QUẢN LÝ XÂY DỰNG BÀI GIẢNG MẠNG LƯỚI ĐIỆN (Dành cho sinh viên ngành Quy hoạch) Biên soạn: Nguyễn Mạnh Hà Đà Nẵng, tháng 03 năm 2015
  2. Bài giảng Mạng lưới điện CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1.1. Các thông số đặc trưng cho quá trình năng lượng của mạch điện 1.1.1. Dòng điện - Là dòng chuyển dịch có hướng của các điện tích. dq - Độ lớn của dòng điện được xác định từ biểu thức: i = , trong đó dq là lượng điện dt tích chuyển dịch qua một tiết diện ngang trong thời gian dt. - Đơn vị : Ampe, ký hiệu A Độ lớn dòng điện được gọi là cường độ dòng điện, đơn vị là Ampe, ký hiệu là A. - Chiều dòng điện: Quy ước chiều dòng điện là chiều chuyển dịch của các điện tích dương. Trong dây dẫn điện chỉ có các điện tích âm (là electron) nên chiều dòng điện quy ước sẽ ngược với chiều chuyển động của electron. Chiều dòng điện quy ước Chiều chuyển động của e - Để đo dòng điện người ta dùng Ampe kế (còn gọi là Ampe met) mắc nối tiếp với mạch điện cần đo. Trường hợp dòng điện lớn hơn 5A, người ta phải dùng thiết bị biến đổi dòng điện lớn xuống dòng điện nhỏ (gọi là biến dòng) trước khi đo bằng Ampe kế. Thiết bị biến I đổi dòng điện A I Đo dòng điện ≤ 5A A Đo dòng điện lớn hơn 5A Ampe kế Biến dòng điện 1.1.2. Điện áp: - Điện áp được định nghĩa là hiệu điện thế giữa 2 điểm bất kỳ của mạng điện. - Độ lớn của điện áp là UAB = ϕA-ϕB, trong đó ϕA là điện thế ở điểm A so với đất và ϕB là điện thế điểm B so với đất. Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 1
  3. Bài giảng Mạng lưới điện Nếu đo điện áp giữa 2 điểm trên cùng một dây dẫn người ta còn gọi đó là điện áp rơi hay điện áp tổn thất. A UAB UAB A B B Điện áp rơi Điện áp giữa các dây dẫn - Đơn vị đo điện áp là Vôn, ký hiệu V, ngoài ra còn dùng đơn vị kV - Chiều điện áp: Quy ước từ nơi có điện thế cao sang nơi có điện thế thấp. - Để đo điện áp người ta dùng Vôn kế (còn gọi là Vôn met) mắc song song với mạch điện cần đo. Trường hợp điện áp lớn hơn 100V, người ta phải dùng thiết bị biến đổi điện áp lớn xuống điện áp nhỏ (gọi là biến điện áp) trước khi đo bằng Vôn kế. R I Thiết bị biến I đổi điện áp V V Đo điện áp ≤ 100V Đo điện áp > 100V Vôn kế Biến điện áp 22000/100V 1.1.3. Công suất Các thiết bị điện khi hoạt động sẽ tiêu thụ năng lượng điện để sinh công hữu ích như cơ năng trên trục quay của động cơ, quang năng của đèn điện, nhiệt năng trong bếp điện,... Một số thiết bị điện (như quạt, bơm nước,... ) ngoài việc tiêu thụ công suất hữu ích nó còn tiêu thụ một loại công suất suất đặc biệt gọi là công suất phản kháng. Loại công suất này chỉ nạp/phóng trên đường dây điện, về thực chất thiết bị điện không tiêu thụ nó nên còn được gọi là công suất vô công. Như vậy trong mạng điện tồn tại các loại công suất khác nhau gồm: - Công suất tác dụng (ký hiệu P ): là công suất mà thiết bị điện tiêu thụ từ lưới điện để chuyển thành công suất hữu ích. Công suất hữu ích có thể ở dạng nhiệt (bếp điện), ở dạng cơ năng (quạt, bơm nước,...). ở dạng quang năng (đèn điện) và nhiều dạng năng lượng khác. Đơn vị đo công suất tác dụng là W, kW. Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 2
  4. Bài giảng Mạng lưới điện Pcơ Lò vi sóng kiêm lò nướng Động cơ điện - Công suất phản kháng (ký hiệu Q): là công suất vô công mà thiết bị điện nhận từ lưới điện để tạo ra từ trường trong cuộn dây của các thiết bị điện. Đơn vị đo công suất phản kháng là VAR, kVAR. A N P Q P Các công suất P, Q cấp cho động cơ Dây quấn trong động cơ điện - Công suất biểu kiến (ký hiệu S): Thực tế luồng công suất chạy trên đường dây tải điện gồm P và Q, trong đó P là công suất hữu ích (người dùng phải trả tiền) còn Q là công suất vô công (người dùng không phải trả tiền). Công suất Q là công suất vô công nhưng nó lại nạp và phóng liên tục trên dây dẫn điện nên khi tính toán mạng điện, ngoài trị số P còn phải kể đến sự ảnh hưởng của Q thông qua một thông số chung gồm cả P và Q gọi là công suất biểu kiến (hoặc gọi tên khác là công suất toàn phần). Trong kỹ thuật điện người ta chứng minh được rằng công suất biểu kiến tính bằng công thức S = P 2 + Q 2 . Đây là công suất dùng để tính toán thiết kế mạng điện, từ khâu chọn lựa dây dẫn, xác định dòng điện, tổn thất điện áp,... Đơn vị đo công suất biểu kiến là VA, kVA. 1.1.4. Hệ số công suất cosϕ: Công thức tính công suất biểu kiến S = P 2 + Q 2 cho ta thấy 3 đại lượng P, Q, S lập thành một tam giác vuông gọi là tam giác công suất với cạnh thẳng đứng đứng là Q, cạnh nằm ngang là P và cạnh huyền là S, góc kẹp giữa S và P là ϕ và trị số cosϕ được gọi là hệ số công suất . Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 3
  5. Bài giảng Mạng lưới điện S Q ϕ P Do P là công suất hữu ích không thay đổi được còn Q là công suất vô công, do đó nếu Q bé thì có nghĩa là lượng công suất nạp/phóng trên dây dẫn điện ít đi, dẫn đến dòng điện sẽ giảm xuống nên có thể chọn dây dẫn và các thiết bị bé hơn. Mà khi Q bé có nghĩa là cosϕ lớn nên có thể nói cosϕ là một chỉ số nói lên hiệu quả sử dụng điện. Thực tế người ta mong muốn giảm Q càng nhỏ càng tốt nhưng không thể triệt tiêu hoàn toàn vì nhiệm vụ của nó rất quan trọng là tạo môi trường từ hóa để truyền năng lượng từ phần đứng yên sang phần quay của động cơ. Căn cứ vào tam giác công suất ta có các biểu thức: S = P 2 + Q2 Q = P.tgϕ P = S.cosϕ Q = S.sinϕ Công suất tiêu thụ của mỗi thiết bị điện được đặc trưng bằng một tam giác công suất (P,Q,S). Nếu có n thiết bị điện nối chung tại một điểm thì tại điểm đó công suất tiêu thụ cũng là một tam giác công suất (P,Q,S) được tính như sau:: P = P1 + P2 +…+ Pn Q = Q1 + Q2 +…+ Qn Q S = P2 + Q2 tg ϕ = P P, Q, S P2,Q2,S2 P1,Q1,S1 S2 S Q2 Q S1 ϕ ϕ1 Q1 ϕ2 P P1 P2 Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 4
  6. Bài giảng Mạng lưới điện 1.1.5. Điện năng - Điện năng là năng lượng điện tiêu thụ dưới dạng nhiệt hoặc dưới dạng cơ năng của t các máy sản xuất trong khoảng thời gian nào đó và được tính theo công thức A = ∫ p(t ).dt . 0 Nếu p(t)=const ta có A=P.T, tức là bằng công suất nhân với khoảng thời gian thiết bị tiêu dùng điện. - Đơn vị đo điện năng trong đơn vị SI là Wh. Tuy nhiên trong thực tế đời sống người ta thường đo bằng kWh. - Thiết bị dùng để đo điện năng gọi là công tơ. 1.2. Điện trở và điện kháng của dây dẫn điện: 1.2.1. Điện trở R của dây dẫn điện: Điện trở R là phần tử tiêu tán điện năng thành nhiệt năng toả vào môi trường xung quanh một cách vô ích. Vật liệu làm dây dẫn thường là đồng và nhôm, trong đó đồng dẫn điện tốt hơn nhôm. Điện trở R trên đường dây gây ra tác hại lớn là: làm dây dẫn điện nóng lên, làm tổn thất năng lượng và tổn thất điện áp của mạng điện. Trên sơ đồ điện, điện trở R được ký hiệu bằng hình chữ nhật và ký hiệu bằng chữ R. Đơn vị đo điện trở là Ω. R (Ω) 1.2.2. Điện kháng X của dây dẫn điện: Dây dẫn điện khi có dòng điện chạy qua, cho dù dây thẳng hoặc uốn cong, thì luôn luôn có từ trường xung quanh nó. Từ trường này liên tục tích năng lượng rồi lại phóng năng lượng trả vào lưới điện nên có tác dụng cản trở dòng điện giống như điện trở R. Do đó để đặc trưng cho hiện tượng này người ta dùng thông số điện kháng X của đường dây. Điện kháng X bản thân nó không gây tổn thất năng lượng nhưng gây ra tổn thất điện áp dọc dây dẫn, làm điện áp ở thiết bị điện giảm thấp hơn so với điện áp của nguồn điện. Trên sơ đồ điện, điện kháng X ký hiệu như cuộn dây và kèm theo ký hiệu bằng chữ X. Đơn vị đo điện kháng cũng là Ω. X I I Từ trường sinh ra dọc dây dẫn khi có dòng điện chạy qua Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 5
  7. Bài giảng Mạng lưới điện 1.2.3. Tham số tính toán của dây dẫn điện: Khi tính toán mạng điện có dòng điện chạy qua, dây dẫn được thay thế đồng thời bằng các tham số R, X như sau: R X 1.3. Biểu diễn một số đại lượng điện dưới dạng số phức 1.3.1. Số phức và một số phép toán cơ bản: Trong toán học số phức là số được ký hiệu dưới dạng 2 thành phần V = a+jb, trong đó a gọi là phần thực, b gọi là phần ảo và j là đơn vị ảo (có thể xem là một hằng số). Số phức được ứng dụng trong kỹ thuật điện để đơn giản hóa các phép tính. Các phép tính cơ bản trên số phức gồm: a) Phép cộng: Để cộng 2 hay nhiều số phức ta lấy phần ảo cộng cho nhau và phần thực cộng cho nhau. Ví dụ: Cho 2 số phức V 1 =a1+jb1 và V 2 =a2+jb2 thì số phức tổng là: V = V 1 + V 2 =(a1+a2)+j(b1+b2) b) Phép trừ: Để trừ 2 số phức ta lấy phần ảo trừ cho nhau và phần thực trừ cho nhau. Ví dụ: Cho 2 số phức V 1 =a1+jb1 và V 2 =a2+jb2 thì hiệu là: V = V 1 - V 2 =(a1-a2)+j(b1-b2) c) Môđun của số phức: Môđun của số phức V =a+jb được tính bằng công thức V= a2 + b2 . Môđun của số phức có thể xem là độ lớn của số phức. 1.3.2. Biểu diễn một số đại lượng điện dưới dạng số phức a) Biểu diễn công suất biểu kiến: Trong kỹ thuật điện người ta chứng minh được công suất biểu kiến có thể biểu diễn dưới dạng số phức là: S = P + jQ. Trong đó P là công suất tác dụng, Q là công suất phản kháng Độ lớn công suất biểu kiến là S = P 2 + Q 2 b) Biểu diễn tổng trở: Trong kỹ thuật điện người ta chứng minh được tổng trở của dây dẫn có thể biểu diễn dưới dạng số phức là: Z = R + jX. Trong đó R là điện trở của dây dẫn, X là điện kháng của dây dẫn. Độ lớn của tổng trở là Z = R 2 + X 2 1.4. Các dạng sự cố thường xảy ra trong mạng điện 1.4.1. Ngắn mạch: Là hiện tượng dòng điện tăng rất cao (gấp hàng chục, hàng trăm thậm chí hàng ngàn lần so với bình thường) do dây dẫn chạm đất, do chạm chập giữa các pha,… Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 6
  8. Bài giảng Mạng lưới điện Khi xảy ra ngắn mạch thì điện trở tại điểm đó gần bằng 0 nên dòng điện tăng lên rất cao. Ngắn mạch là tình trạng sự cố nghiêm trọng của lưới điện, xảy ra trong thời gian rất ngắn (vài ms), gây hậu quả lớn như cháy, nổ, hư hỏng thiết bị. Ngắn mạch xảy ra ở nhiều dạng khác nhau: chạm đất một pha qua điện trở nhỏ, chạm đất hai pha, chập các dây pha, dây lửa và dây nguội chạm nhau,… In>> In>> In>> Đất có R nhỏ In>> Để loại trừ nhanh mạch điện bị sự cố ngắn mạch người ta dùng các thiết bị bảo vệ tự động như aptomat, cầu chì lắp ở đầu điểm đấu nối của dây dẫn điện. Mạng điện công trình hay xảy ra hiện tượng ngắn mạch do các nguyên nhân sau: - Lớp vỏ cách điện bị bong gây chạm vào các điểm đất như vỏ tủ điện, kết cấu thép,… - Chuột, côn trùng cắn đứt vỏ bảo vệ dây cáp điện trong tủ điện - Các điểm nối dây không chắc chắn nên bị bung ra chạm vào vỏ thiết bị. - Các mối nối sau khi thi công, quấn băng keo cách điện không tốt nên bị bong. 1.4.2. Quá tải Là hiện tượng dòng điện tăng lên vượt quá giá trị định mức (1,1÷1,8Iđm) của thiết bị điện nhưng vẫn chưa có khả năng gây nguy hiểm cho thiết bị. Nếu dòng điện này vẫn nằm trong giới hạn cho phép thì thiết bị vẫn làm việc bình thường, nếu nó vượt quá giá trị cho phép nó trở thành sự cố cần phải loại trừ. Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 7
  9. Bài giảng Mạng lưới điện Cầu chì Rơle nhiệt 3 pha Nguyên nhân gây ra quá tải là thiết bị điện làm việc quá công suất của chúng, ví dụ động cơ trong máy giặt phải giặt với khối lượng lớn hơn quy định, … Tác hại của hiện tượng quá tải: làm cho thiết bị điện bị lão hóa, nhanh hư hỏng, phát nóng mạnh. Để bảo vệ các thiết bị khỏi hiện tượng quá tải người ta dùng thiết bị bảo vệ quá tải là rơle nhiệt hoặc cầu chì. Khi dòng điện vượt quá giá trị định mức của thiết bị thì bộ bảo vệ vẫn cho thiết bị làm việc thêm một thời gian đặt trước rồi mới cắt nguồn điện. 1.4.3. Hiện tượng rò điện: Rò điện là hiện tượng dây dẫn bị chạm ra vỏ thiết bị hoặc chạm xuống đất nhưng dòng điện rất bé (từ vài mA đến vài chục mA hoặc vài trăm mA). Khi có rò điện thì thiết bị vẫn hoạt động bình thường nên con người không nhận biết được hiện tượng này. Nguyên nhân gây rò điện là do lớp vỏ cách điện bị bong tróc và ruột dẫn điện chạm ra vỏ thiết bị với điện trở lớn. Ir
  10. Bài giảng Mạng lưới điện 1.6. Mạch điện 3 pha - Mạch điện 3 pha là mạch điện có 3 nguồn sức điện động hình sin cùng tần số, lệch nhau một góc α. Trong thực tế mạch điện 3 pha có 3 nguồn sức điện động hình sin cùng tần số, cùng biên độ và lệch pha nhau một góc α=1200. - Phụ tải 3 pha đối xứng: là phụ tải có tổng trở phức 3 pha bằng nhau. - Đường dây 3 pha đối xứng: là đường dây có tổng trở phức của 3 đường dây bằng nhau - Mạch điện 3 pha đối xứng: là mạch điện 3 pha có nguồn, đường dây, phụ tải đối xứng. A Id Zpt UP I0 O O’ Ud C B A Id EC Zpt EA Ud ICA Id IBC B C EB Id Ud Trong tính toán quy hoạch mạng lưới điện người ta xem mạch điện là 3 pha đối xứng, do vậy quy ước từ giờ trở về sau khi nói đến mạch điện 3 pha ta hiểu ngay đó là mạch điện 3 pha đối xứng. - Mạch điện 3 pha có ưu điểm là chi phí truyền tải thấp vì chỉ cần 3 hoặc 4 dây là có thể truyền tải đi lượng công suất tương đương khi dùng 3 pha riêng rẽ (6 dây) Mạch điện 3 pha có thể nối hình Y hay hình tam giác 1.7. Sơ đồ một sợi (single line) của mạch điện 3 pha Ở phần trên ta đã biết các công suất của mạch 3 pha đối xứng là P = 3U d I d cosϕ Id Ud Q = 3U d I d sin ϕ Nguồn điện S = 3U d I d P+jQ Các công thức này không phụ thuộc vào cách nối hình sao hay hình tam giác. Do đó trong các bài toán quy hoạch thay vì vẽ sơ đồ mạch 3 pha-3 dây người ta thường vẽ sơ đồ Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 9
  11. Bài giảng Mạng lưới điện mạch 3 pha-1 dây gọi là sơ đồ một sợi hoặc sơ đồ đơn tuyến. Sơ đồ một sợi đại diện cho mạch điện 3 pha, trên sơ đồ đó dòng điện Id chính là dòng điện chạy trên các dây dẫn của mạch điện 3 pha, điện áp trên sơ đồ lấy bằng điện áp dây, công suất trên sơ đồ lấy bằng tổng công suất của 3 pha. Sơ đồ một sợi rất tiện lợi trong tính toán quy hoạch điện, nó làm cho sơ đồ đơn giản nhưng lại rõ ràng nên được dùng rộng rãi trong tính toán. Từ đây trở về sau sẽ quy ước: khi vẽ sơ đồ điện thì hiểu ngay đó là sơ đồ điện 3 pha. 1.8. Tính công suất của các phụ tải điện 3 pha nối tập trung tại một nút Xét một nút phụ tải như hình dưới, tại nút đó có n phụ tải nối tập trung với công suất P1, P2,...,Pn và Q1, Q2,...,Qn. Khi đó công suất tương đương tại nút được tính như sau: I I P1 P2 Pn P Q1 Q2 Qn Q Sơ đồ nút phụ tải tập trung Sơ đồ thay thế Công suất tác dụng tại nút: P = P1 + P2 + ... + Pn Công suất phản kháng tại nút: Q = Q1 + Q2 + ... + Qn Công suất biểu kiến tại nút: S = P 2 + Q 2 Hoặc viết dưới dạng số phức: S = P + jQ có độ lớn là S = P 2 + Q 2 Q Hệ số công suất tại nút: tgϕ = P S P2 + Q2 Dòng điện cung cấp đến nút: I = = 3U d 3U d Nếu các phụ tải không cho dưới dạng Pn, Qn thì phải xác định Pn, Qn từ tam giác công suất, tiếp theo mới áp dụng các công thức trên. Ví dụ phụ tải P1=3kW, S1=5kVA thì áp dụng tam giác công suất để tính Q1 = S12 − P12 = 52 − 32 = 4kVAr 1.9. Tính tổng công suất của toàn mạng điện 3 pha Mạng điện cung cấp cho khu đô thị hay vùng nông thôn bao giờ cũng tồn tại nhiều nút phụ tải là những điểm cấp điện cho nhà máy, cơ quan, xí nghiệp,.... Điểm đấu nối của mạng điện với lưới điện quốc gia gọi là nút tổng. Công suất từ lưới điện quốc gia cấp cho mạng điện thông qua nút tổng này, sau đó công suất phân phối đến các nút của mạng điện thông qua đường dây dẫn điện. Việc truyền công suất từ nút này đến nút kia luôn luôn có tổn hao công suất, do đó để tính toán tổng công suất của mạng điện, ngoài việc tính tổng phụ tải nối vào các nút còn phải tính đến lượng công suất tổn hao trong mạng lưới truyền tải. Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 10
  12. Bài giảng Mạng lưới điện P3 ∆P2-3 Q3 ∆P3-4 P2, Q2 ∆Q2-3 ∆Q3-4 P4,Q4 P8 P5,Q5 P6,Q6 P∑ ∆P1-8 Q8 ∆P8-10 ∆P10-11 Q∑ ∆Q1-8 ∆Q8-10 P10 ∆Q10-11 Q10 P11,Q11 P12, Q12 P7, Q7 P9, Q9 Nguyên tắc tính tổng phụ tải là tính dồn từ phụ tải ở cấp thấp nhất lên cấp cao hơn. Ví dụ hình vẽ trên là sơ đồ quy hoạch cấp điện cho một khu đô thị gồm 12 điểm nút phụ tải được đánh số từ 1-12 có công suất tác dụng P1, P2,...,P12 và công suất phản kháng tương ứng Q1, Q2,...,Q12. Lưới điện quốc gia cấp cho đô thị đấu vào nút số 1, các nút còn lại nhận điện từ nút 1 thông qua các đường dây dẫn điện. Trên mỗi đoạn đường dây sẽ có một lượng công suất tổn hao ký hiệu là ∆P và ∆Q (ví dụ đường dây từ nút 10-12 có tổn hao ∆P10-12, ∆Q10-12). Việc tính toán các giá trị tổn hao công suất trên đường dây truyền tải điện được đề cập ở các chương sau. Để tính toán công suất cấp đến nút 3 ta phải cộng công suất của ba hộ tiêu thụ nhận điện tại nút này là (P4, Q4), (P5, Q5), (P6, Q6) cùng với công suất tổn hao trên đường dây truyền tải tương ứng (∆P3-4, ∆Q3-4), (∆P3-5, ∆Q3-5), (∆P3-6, ∆Q3-6): P3 = (P4+ ∆P3-4) + (P5+ ∆P3-5) + (P6+ ∆P3-6) Q3 = (Q4+ ∆Q3-4) + (Q5+ ∆Q3-5) + (Q6+ ∆Q3-6) Tương tự tại nút 2 ta có: P2 = (P3+ ∆P2-3) Q2 = (Q3+ ∆Q2-3) Quá trình tính toán cứ lặp lại như vậy với các nhánh khác theo nguyên tắc từ phụ tải cuối cùng dồn về điểm cung cấp nguồn điện, cuối cùng ta được: P∑ = (P2+ ∆P1-2) + (P7+ ∆P1-7) + (P8+ ∆P1-8) Q∑ = (Q2+ ∆Q1-2) + (Q7+ ∆Q1-7) + (Q8+ ∆Q1-8) Qua ví dụ trên ta có thể rút ra công thức tính tổng công suất mà lưới điện quốc gia cung cấp cho mạng điện: n m PΣ = ∑ Pi + ∑ ∆Pk i =1 k =1 n m QΣ = ∑ Qi + ∑ ∆Qk i =1 k =1 Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 11
  13. Bài giảng Mạng lưới điện SΣ = PΣ2 + QΣ2 QΣ tgϕΣ = PΣ SΣ PΣ2 + QΣ2 IΣ = = 3U d 3U d Trong đó: n là số nút phụ tải trong phạm vi quy hoạch m là số đường dây truyền tải điện Pi, Qi là công suất tác dụng và phàn kháng nối trực tiếp vào nút i (không có đường dây). Thông thường đây là công suất phụ tải tại các nút. ∆Pk, ∆Qk là tổn hao công suất tác dụng và phản kháng trên đường dây tải điện thứ k. Cách tính ∆Pk, ∆Qk được đề cập chi tiết trong chương 4. Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 12
  14. Bài giảng Mạng lưới điện CHƯƠNG 2: NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ QUY HOẠCH HOẠCH CẤP ĐIỆN 2.1. Khái niệm 2.1.1. Hệ thống điện Hệ thống điện là tập hợp bao gồm các nguồn điện và các phụ tải điện được nối với nhau thông qua các trạm biến áp, đường dây tải điện và các thiết bị điện khác. Các thành phần của hệ thống điện gồm nguồn điện, mạng điện và phụ tải điện. Trạm biến áp 21/500kV Nguồn điện Trạm biến áp 500/110kV Trạm biến áp 110/22kV Hộ tiêu thụ Trạm biến áp 22/0,4kV Nguồn điện là nơi phát ra điện năng, phụ tải là nơi tiêu thụ điện năng còn mạng điện là môi trường để truyền tải điện năng từ nguồn đến phụ tải. Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng quốc gia và cũng là thành phần chủ đạo của nền kinh tế đất nước. Trong giá thành của đa số sản phẩm của nền kinh tế quốc dân thì điện năng luôn luôn chiếm một tỷ lệ đáng kể (ví dụ ngành sản xuất nhôm 50-60% giá Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 13
  15. Bài giảng Mạng lưới điện thành thuộc về điện năng). Hệ thống điện có thể là xoay chiều hoặc một chiều. Đối với vấn đề quy hoạch cấp điện ở nước ta chỉ dùng điện xoay chiều, ký hiệu AC (alternative current). Do đó trong tập bài giảng này chúng ta chỉ đề cập vấn đề quy hoạch cấp điện xoay chiều hình sin. Hệ thống điện là một hệ vô cùng phức tạp không chỉ về mặt kỹ thuật mà còn về tính chất phát triển không ngừng theo thời gian. Các yếu tố tác động đến sự phát triển của hệ thống điện rất đa dạng: kinh tế-xã hội, thời tiết, khí hậu, ảnh hưởng của kinh tế thế giới, thậm chí còn ảnh hưởng của các sự kiện thể thao,... Nói chung các yếu tố này thường có tính bất định cao, khó dự báo. Trước tình hình trên, việc lập qui hoạch cấp điện thỏa mãn nhu cầu dùng điện trong tương lai là một việc làm phức tạp, đòi hỏi phải có phương pháp và qui trình cụ thể. 2.1.2. Cấu trúc của đường dây cung cấp điện xoay chiều: Trong thực tế để cung cấp điện cũng như truyền tải điện đi xa người ta không dùng mạng điện 1 pha mà dùng hệ thống điện 3 pha. Lý do là mạng điện 3 pha kinh tế hơn mạng điện 1 pha vì nếu cấp điện bằng mạng 1 pha ta phải dùng 6 dây, trong khi với mạng 3 pha ta chỉ cần dùng 3 hoặc 4 dây. Dây pha A Ud Ud B Dây pha Ud Dây pha C Up Trung tính N/O Thiết bị điện Thiết bị điện Thiết bị điện 3 pha 1 pha 1 pha Mạng điện từ 1kV trở lên người ta chỉ dùng 3 dây để truyền tải điện. Mạng điện < 1kV người ta dùng 3 pha 4 dây, trong đó có dây trung tính để cấp điện cho các phụ tải 1 pha. 2.1.3. Điện áp định mức của hệ thống điện: Điện áp định mức là giá trị dùng để định danh một mạng điện. Giá trị điện áp định mức của một mạng điện do Nhà nước quy định thành văn bản luật. Giá trị này được dùng để tính toán, lựa chọn thiết bị, chuẩn hóa và chế tạo thiết bị. Hiện nay ở nước ta còn tồn tại có các cấp điện áp định mức sau: - Cấp điện áp siêu cao áp: 500kV Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 14
  16. Bài giảng Mạng lưới điện - Cấp điện áp cao: 220 kV, 110 kV, 66 kV - Cấp trung áp: 35 kV, 22 kV, 15 kV, 6 kV. - Cấp hạ áp: 0,4 kV/0,22kV Trong đó cấp 66kV chỉ còn duy nhất một tuyến từ Đa Nhim đi Nha Trang. Cấp 6kV và 15kV còn tồn tại từ trước năm 1975 đến nay và dần dần sẽ có kế hoạch cải tạo thành cấp 22 kV hoặc 35 kV. Như vậy trong tương lai chúng ta chỉ còn các cấp điện áp sau: 500, 220, 110, 35, 22 và 0,4 kV. Với mạng điện 3 pha thì điện áp định mức quy định là điện áp dây còn mạng điện 1 pha thì điện áp định mức là điện áp pha. Ký hiệu điện áp định mức là Uđm. Các thiết bị điện được sản xuất sao cho ứng với giá trị điện áp định mức cung cấp thì nó làm việc tốt nhất, tuổi thọ lâu nhất, hiệu suất cao nhất. Nếu thiết bị điện vận hành ở điện áp cao hơn hay thấp hơn định mức đều không tốt. Ta xét một số ví dụ sau để thấy rõ điều đó: + Một đèn sợi đốt ở Uđm phát quang thông 100%, khi điện áp 95%Uđm quang thông giảm mất 18%, còn khi điện áp 90%Uđm thì quang thông giảm 30%. Ngược lại nếu điện áp 105%Uđm thì quang thông tăng nhưng tuổi thọ giảm 1/2, khi điện áp 110%Uđm thì tuổi thọ chỉ còn 1/3. + Động cơ điện: Khi U = 90%Uđm thì mômen quay của động cơ M=81%Mđm và có thể làm động cơ ngừng quay (khi đang làm việc) hoặc không khởi động được (khi bật máy). Mô men quay giảm làm cho sản phẩm sản xuất ra bị hỏng hoặc kém chất lượng (ví dụ lực nén khuôn đúc sản phẩm nhựa không đủ). Mặt khác khi điện áp trên động cơ giảm 10% nó sẽ phát nóng mạnh hơn (do quá tải) làm cách điện mau hỏng nên tuổi thọ giảm đi một nửa. Giá trị điện áp thực tế luôn luôn biến đổi quanh giá trị định mức chứ không thể bằng giá trị định mức. Việc duy trì điện áp Uđm dọc chiều dài đường dây là điều không tưởng. Chính vì các lý do trên mà Luật Điện lực quy định độ dao động điện áp tối đa chỉ là 5%, tức là ∆U% = ± 5%. Nguồn điện Đường dây tải điện Các hộ tiêu thụ điện 1,05Uđm Uđm Uđm Uđm 0,95Uđm Trên đường dây tải điện, vị trí gần nguồn điện có điện áp cao hơn các vị trí cuối nguồn điện là do tổn thất điện áp trên dây dẫn khi có dòng điện chạy qua (khi không có dòng điện thì không có tổn thất điện áp). Để đảm bảo dao động ∆U% = ± 5% thì tại nguồn điện người ta duy trì điện áp bằng 1,05Uđm còn ở cuối nguồn phải đảm bảo 0,95Uđm. Ví dụ: hệ thống điện ba pha sinh hoạt có điện áp định mức 380/220V, tức là Udây=380V và Up=220V. Các hộ ở xa nguồn điện nhất phải có điện áp 361/209V và tại vị trí trạm biến áp cấp điện sẽ có điện áp 399/231V. Trong thực tế điện áp dây tại trạm biến áp luôn được ngành điện điều chỉnh đảm bảo mức 400V. Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 15
  17. Bài giảng Mạng lưới điện - Trên một dây dẫn điện, điện áp đo được tại 2 điểm khác nhau được gọi là điện áp tổn thất ∆U. Nguyên nhân gây ra tổn thất điện áp là do điện trở R và điện kháng X trên dây dẫn gây ra. ∆U Đường dây Uđm U2 cấp điện Tổn thất điện áp gây hậu quả xấu đối với chất lượng điện. Thật vậy, nếu ở nhà máy điện cung cấp đủ điện áp Uđm, nhưng do tổn thất điện áp ∆U nên điện áp tại nơi tiêu thụ U2 < Uđm và nếu tổn thất nhiều quá thì các thiết bị tại hộ tiêu thụ hoạt động kém hiệu quả, thậm chí có thể ngừng hoạt động. 2.2. Phân loại hệ thống điện: Nếu phân loại theo cấp điện áp thì mạng điện < 1 kV gọi là mạng hạ áp, từ 6kV đến 35 kv gọi là trung áp, 66kv đến 220 kv gọi là cao áp và 500 kv gọi là siêu cao áp. Nếu phân loại theo chức năng thì mạng điện từ 110 kV trở xuống gọi là mạng phân phối và từ 220 kV trở lên gọi là mạng điện truyền tải. Trong đô thị người ta sử dụng phổ biến cấp điện áp 22 kV để cung cấp điện cho các phụ tải thay vì dùng cấp 35 kV. Lý do là khu vực đô thị có mật độ dân cư rất dày đặc, quỹ đất rất hạn chế, nếu dùng 35 kv sẽ tốn đất dành cho hành lang an toàn điện. Khu vực nông thôn người ta lại sử dụng cấp 35 kV vì quỹ đất nông thôn nhiều nên có thể dành cho hành lang lưới điện và đổi lại giảm được tổn thất điện áp cũng như công suất. Nếu phân mạng điện theo cấu trúc thì có mạch điện kín (cấp điện từ 2 nguồn trở lên) và mạch điện hở (chỉ được cấp điện từ 1 nguồn). Nếu phân mạng điện theo kết cấu có mạng điện đi nổi, mạng điện ngầm. 2.3. Chất lượng điện năng Điện năng cũng là một loại hàng hóa do đó nó cũng phải có các chỉ tiêu đánh giá chất lượng khi cung cấp cho người tiêu dùng (là các hộ tiêu thụ điện). Điện năng là loại sản phẩm đặc biệt thể hiện ở chỗ ảnh hưởng rất rộng lớn đến nhiều đối tượng, là sản phẩm khó tích lũy mà phải dùng ngay, là sản phẩm có yêu cầu kỹ thuật cao do đó Nhà nước quy định rất cụ thê về chất lượng điện năng tại Nghị định số 137/2013/NĐ-CP ngày 21/10/2013 của Chính phủ. Nếu xét theo góc độ kỹ thuật điện thì chất lượng điện được đánh giá qua rất nhiều chỉ tiêu. Tuy nhiên chỉ xét theo góc độ cung cấp và sử dụng điện thông thường thì chất lượng điện được đánh giá qua 2 chỉ tiêu là độ lệch điện áp và độ lệch tần số. Về phía đơn vị cung cấp điện (các công ty điện lực): theo quy định của Nhà nước, điện áp tại bất kỳ điểm nào trên lưới điện mà nhà cung cấp điện bán cho hộ tiêu thụ luôn phải nằm trong giới hạn ± 5% giá trị định mức còn độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn 50± 0,2Hz. Về phía đơn vị sử dụng điện dân dụng và sinh hoạt không có ràng buộc gì về chất lượng điện nhưng với các đơn vị sản xuất, kinh doanh, dịch vụ nếu mua điện với công suất từ 40kW trở lên phải đăng ký biểu đồ phụ tải (đăng ký mức công suất từng giờ trong ngày) và phải đảm bảo hệ số công suất cosϕ ≥ 0,9. Nếu không đảm bảo cosϕ thì phải lắp đặt thiết bị bù công suất phản kháng (điện dung C) hoặc mau thêm công suất phản kháng. Một số phụ tải điện đặc biệt như lò luyện thép, lò nung,... cần phải có thỏa thuận thêm nhiều chỉ tiêu khác vì chúng là những thiết bị gây hại cho lưới điện (làm nhiễu lưới điện, chập chờn cho các phụ tải điện xung quanh,...). Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 16
  18. Bài giảng Mạng lưới điện Trong quy hoạch cấp điện không cần tính toán kiểm tra về tần số vì tần số do các công ty phát điện và các trung tâm điều độ điều chỉnh. Khi tính toán cấp điện trong quy hoạch xây dựng bắt buộc phải kiểm tra độ lệch điện áp ở điểm có phụ tải xa nguồn điện nhất xem có đảm bảo chất lượng hay không. Khi tính toán nếu điện áp ở điểm xa nhất so với nguồn điện không đảm bảo yêu cầu thì bắt buộc phải bố trí trạm biến áp phân phối điện để cung cấp thay vì truyền tải điện bằng dây dẫn. 2.4. Phân cấp quản lý hệ thống điện 2.4.1. Mô hình quản lý hệ thống điện hiện nay Hiện nay việc mua bán điện vẫn mang tính độc quyền nhà nước, trong đó tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) là doanh nghiệp 100% vốn Nhà nước chi phối gần như tất cả các khâu từ phát điện, truyền tải, phân phối điện năng. Chỉ có một số ít doanh nghiệp ngoài EVN tham gia vào khâu phát điện, phân phối điện. Mô hình quản lý của EVN gồm các đơn vị: - Các công ty phát điện: Làm nhiệm vụ sản xuất điện năng và truyền tải lên lưới điện của các công ty truyền tải điện. Theo lộ trình hình thành thị trường điện cạnh tranh đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt (Quyết định số 63/2013/QĐ-TTg ) thì lĩnh vực phát điện sẽ hình thành thị trường cạnh tranh sớm nhất từ nay đến hết năm 2014. Khi đó các công ty phát điện phải chào giá hoặc đấu thầu để được phát điện vào hệ thống. - Các công ty truyền tải điện: Do tính chất độc quyền tự nhiên, các doanh nghiệp truyền tải điện sẽ do Nhà nước nắm giữ và độc quyền trong khâu truyền tải điện. Các đơn vị phát điện hoặc mua điện phải trả phí truyền tải khi truyền dẫn công suất trên lưới điện của công ty truyền tải. - Các công ty điện lực tỉnh: Hiện nay mỗi tỉnh có 1 công ty phân phối điện duy nhất do Nhà nước độc quyền nắm giữ 100% vốn hoặc có cổ phần chi phối. Người mua điện không có lựa chọn khác nên buộc phải ký hợp đồng mua điện với các công ty điện lực tỉnh. Trong tương lai khi hình thành thị trường bán buôn và bán lẻ điện thì các công ty điện lực tỉnh sẽ là các đơn vị mua buôn/bán buôn điện và kiêm luôn nhiệm vụ bán lẻ điện đến người tiêu thụ. Theo đó các đơn vị này sẽ mua điện từ các nhà máy điện và bán buôn lại cho các công ty bán lẻ điện khác hoặc chính mình bán lẻ điện đến người tiêu dùng. Theo Quyết định số 63/2013/QĐ-TTg thị trường bán buôn điện cạnh tranh sẽ hình thành thí điểm từ năm 2015 - 2016 và hoàn chỉnh từ năm 2017 - 2021. Thị trường bán lẻ điện cạnh tranh hình thành thí điểm từ năm 2021 - 2023 và hoàn chỉnh từ sau năm 2023. Khi hình thành thị trường bán lẻ điện cạnh tranh sẽ có nhiều công ty bán điện và người sử dụng có thể lựa chọn đơn vị bán điện rẻ nhất và tin cậy nhất cho mình. 2.4.2. Quản lý Nhà nước về điện Thị trường điện bao gồm bên mua điện (người dân, doanh nghiệp) và bên bán điện (các công ty điện lực) với hàng hóa là điện năng. Việc mua bán điện thông qua hệ thống đo đếm và các điều kiện kỹ thuật do Nhà nước quy định nên có thể xảy ra tranh chấp nên phải có một luật chơi chung và các cơ quan giám sát độc lập. Theo quy định của pháp luật điện lực, các đơn vị quản lý Nhà nước về điện gồm: - Ở Trung ương là Chính phủ, Bộ Công Thương, Tổng cục năng lượng, Cục Điều tiết điện lực. Các cơ quan này có trách nhiệm ban hành văn bản pháp luật, các quy định, hướng dẫn để tạo ra một hành lang pháp lý cho các tổ chức, cá nhân hoạt động trên hệ thống điện. - Ở địa phương là UBND các cấp, Sở Công thương tỉnh có trách nhiệm quản lý Nhà Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 17
  19. Bài giảng Mạng lưới điện nước về điện trên địa bàn. Đặc biệt Sở Công thương các tỉnh được giao nhiệm vụ tổ chức kiểm định các thiết bị đo đếm điện trong trường hợp khách hàng dùng điện khiếu nại. 2.5. Đầu tư xây dựng hệ thống điện: Việc đầu tư xây dựng các công trình điện đều phải tuân theo Quy hoạch phát triển điện lực được phê duyệt. Theo Luật Điện lực có các loại quy hoạch phát triển điện lực quốc gia, cấp tỉnh, cấp huyện. Việc đầu tư xây dựng công trình điện ngoài tuân thủ quy hoạch phát triển điện lực còn phải tuân thủ quy hoạch phát triển kinh tế xã hội của địa phương và các quy hoạch khác như quy hoạch sử dụng đất, quy hoạch giao thông,... Việc đầu tư xây dựng hệ thống điện còn phải tuân theo quy định của pháp luật về đầu tư, pháp luật về xây dựng (khảo sát, thiết kế, thẩm định, phê duyệt, tổ chức thi công,...) Các Công ty điện lực tỉnh hoặc Tổng công ty điện lực vùng (miền Trung, miền Nam, miền Bắc) có trách nhiệm đầu tư hệ thống điện phía trước vị trí đặt thiết bị đo đếm để bán điện. Hệ thống điện phía sau thiết bị đo đếm do tổ chức, cá nhân sử dụng điện đầu tư. Tuy nhiên do tính chất kỹ thuật đặc biệt của hệ thống điện là thiết bị phải đáp ứng các quy định kỹ thuật chặt chẽ mới đảm bảo sự vận hành an toàn. Do đó trong quá trình đầu tư xây dựng, các chủ đầu tư (cả trong và ngoài ngành điện) phải tuân thủ những quy định chuyên ngành và bắt buộc phải thỏa thuận với đơn vị quản lý lưới điện (Các công ty điện lực tỉnh) trước khi đấu nối. Các thỏa thuận thường gặp là: - Thỏa thuận thiết kế kỹ thuật: Thông số vật tư, thiết bị; Tính an toàn của hệ thống - Thỏa thuận điểm đấu nối - Thỏa thuận ranh giới đặt thiết bị đo đếm điện. 2.6. Dây dẫn và cáp điện lực của mạng điện 2.6.1. Các vật liệu dẫn điện của dây dẫn và cáp Dây dẫn và cáp điện lực là những vật tư dùng để truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến người sử dụng điện. Dây dẫn và cáp điện có thể bằng đồng hoặc nhôm, có thể là dây bọc cách điện hoặc dây trần tùy vào địa điểm sử dụng, thậm chí một số trường hợp đặc biệt có thể dùng dây thép để truyền tải điện. Trong các vật liệu trên, đồng là vật liệu dẫn điện tốt nhất. Về mặt cơ học độ bền của thép lớn hơn đồng và của đồng lớn hơn nhôm. Nhược điểm lớn nhất của đồng là giá thành khá cao. Cả đồng và nhôm trong quá trình vận hành sẽ hình thành lớp oxit bao quanh bề mặt của dây dẫn có tác dụng chống lại sự xâm thực của môi trường. Tuy nhiên nếu vùng có nhiễm mặn nặng thì chỉ được phép dùng dây đồng trần. 2.6.2. Dây dẫn điện trần : Dây điện trần dùng làm đường dây trên không, phổ biến nhất là dây nhôm lõi thép và dây nhôm. Dây đồng trần hiện nay ít được sử dụng do giá thành đắt, khả năng chịu kéo kém dây nhôm lõi thép. Khi dùng dây dẫn điện trần thì hành lang an toàn phải rộng nên tốn đất đai, do đó nó chỉ sử dụng cho vùng ngoài đô thị, tuyệt đối không dùng trong đô thị. Dây nhôm lõi thép (ký hiệu AC) dùng cho các khoảng cách cột rộng, chịu lực căng lớn như vùng núi, vượt nhà ở,.... Loại dây này có 2 vật liệu: ở giữa là các sợi thép để chịu lực căng, bên ngoài là các sợi nhôm dùng để dẫn điện. Đường dây từ 110 kV trở lên luôn luôn dùng dây nhôm lõi thép. Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 18
  20. Bài giảng Mạng lưới điện Các sợi nhôm Đồng trần Các sợi thép Nhôm trần Dây nhôm trần (ký hiệu A) chỉ dùng được cho các khoảng vượt nhỏ ở ngoài đô thị với cấp điện áp từ 35 kV trở xuống. 2.6.3. Dây bọc cách điện: Cũng được dùng làm đường dây trên không, nó có ưu điểm là an toàn, khoảng cách hành lang an toàn lưới điện được giảm xuống do đó rất thuận lợi đối với khu vực trong đô thị. Nhược điểm của nó là đắt hơn so với dây trần. Về cấu tạo, dây bọc cũng có thể dùng ruột bằng nhôm hoặc bằng đồng gồm nhiều sợi nhỏ ghép với nhau. Bên ngoài là một lớp bọc cách điện bằng PVC hoặc XLPE. Vì nhiều lý do, trong đó có lý do về kinh tế, người ta thường dùng dây bọc cho cấp điện áp từ 35 kV trở xuống. Ruột dẫn Ruột dẫn Cách điện Vỏ bảo vệ Lớp độn Cáp bọc cách điện chỉ dùng để lắp nổi, không thể chôn được trong đất như dây cáp điện ngầm do cách điện của nó chưa hoàn hảo, chưa có lớp bảo vệ cơ học khi có sự dịch chuyển của đất do chấn động. 2.6.4. Cáp điện ngầm : Là loại dây dẫn điện đi ngầm dưới mặt đất, rất thích hợp với không gian chật hẹp của đô thị và những khu vực cần đảm bảo mỹ quan. Ưu điểm loại cáp này là đảm bảo mỹ quan, an toàn trong vận hành. Nhược điểm là giá thành rất đắt (cả vật liệu lẫn chi phí thi công), khi sự cố khó sửa chữa. Về cấu tạo gồm các lớp từ trong ra ngoài như sau: trong cùng là ruột dẫn bằng nhôm (hoặc đồng); kế tiếp là cách điện bằng XLPE hoặc PVC rất dày (dày hơn loại dây bọc cách điện); Lớp bảo vệ tác động cơ học bằng thép (hoặc bằng đồng) dưới dạng các sợi (hoặc dưới Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng 19
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2