Hệ thống điện (Tập 1): Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:145

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp phần 1, phần 2 của tài liệu "Hệ thống điện (Tập 1)" tiếp tục trình bày các nội dung chính sau: Lựa chọn dây dẫn trong lưới điện; Điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện; Bù công suất phản kháng; Độ tin cậy của lưới điện; Tính toán kinh tế lưới điện. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Hệ thống điện (Tập 1): Phần 2

6. LỰA CHỌN DÂY DAN lưới điện 6.1 TIẾT DIỆN TỐI ƯU VÀ CÁC Đ1ỀU KIỆN KỸ THUẬT Tiết diện tối tru là tiết diện cho chi phí vòng đời của đường dây nhỏ nhất. Chi phí này bao gồm chi phí vốn đầu tư xây dựng đường dây và chi phí vận hành trong suốt thời gian sống của nó. V A Vốn đầu tư cho dây dẫn và tổn thất trên dây có sự biến thiên ngược nhau theo độ lớn của tiết diện dây dẫn. Nếu tiết diện dây dẫn lớn thì vốn đầu tư lớn nhưng tổn thất nhỏ và ngược lại (hình 6.1), ta thấy tồn tại tiết diện mà ở đó tổng của vốn và tổn thất là min, đó chính là tiết diện tối ưu fop- Bên cạnh khái niệm fOp còn dùng khái niệm jkl, đó là mật độ dòng điện kinh tế của dây dẫn, tương ứng với tiết diện tối ưu: Tki — Imax / Íqp (6.1) Imax là dòng điện lớn nhất đi qua dây dẫn trong năm. Tuy nhiên trong thực tế không phải hao giờ cũng được phép sử dụng tiết diện tối ưu cho đường dây. Có những hạn chế kỹ thuật phải tuân theo khi lựa chọn dây dẫn, nếu không lưới điên sẽ không hoạt động được. Các hạn chế kỹ thuật đó là: 1) Dòng điện lớn nhất cho phép theo điều kiện phát nóng trong chê' độ làm việc bình thường và sự cố. 2) Điều kiện phát nóng khi ngắn mạch (chỉ cho lưới cáp). 3) Tổn thất điện áp lớn nhất cho phép trong lưới điện. 4) Độ bền cơ học của đường dây (chí cho đường dây trên không). 5) Tổn thất điện năng do vầng quang điện (chỉ cho đường dây trên không). Các hạn chế trên làm cho không phải lúc nào cũng có thể dùng được tiết diện tối ưu cho lưới điên, song người ta cố gắng để tiết diện sử dụng gần với tiết diện tối ưu. 220
6.2 MẬT ĐỘ KINH TẾ DÒNG ĐIỆN Trong các tài liệu tiếng Việt hiện hành [1,2,3,4,5] đã trình bày phương pháp xác định mật độ kinh tế của dòng điện của Liên Xô cũ, ở đây sẽ trình bày phương pháp của Pháp để bạn đọc tham khảo. 6.2.1 Giá tiền tổn thất còng suất và tổn thất điện năng Tổn thất công suất trong lưới điện gây ra ba loại chi phí: 1- Chi phí cho nguồn điện để bù vào tổn thất công suất tác dụng trong giờ cao điểm. Chi phí này có đơn vị là Cp [đ/kW] và có thể được tính theo 2 cách [22][23]: - Chi phí thêm trước hạn cho nguồn điện, hoặc là - Nếu coi nguồn điện là cô' định thì độ tin cậy sẽ giảm đi làm tăng chi phí cho nguy cơ thiếu điên năng ở nguồn điện, gọi là chi phí cho độ tin cậy. Chi phí cho tổn thất công suất phụ thuộc vào chi phí biên cho độ tin cậy, chi phí này lại phụ thuộc loại lưới điên và từng thời kì trong năm. 2- Chi phí nhiên liêu do tổn thất điện năng CA [đ/kWh] phụ thuộc vào chi phí biên cho sản xuất điện năng, chi phí này phụ thuộc loại lưới điện và từng thời kỳ trong nãm. 3- Chi phí vốn đầu tư trước hạn cho lưới điện, thành phần này nhỏ (cỡ 4 %) tổng chi phí cho tổn thất, hơn nữa nó được xét đến khi lựa chọn lưới điện nên không được xét đến khi tính chi phí cho tổn thất. Với giả thiết là chế độ max của đường dây điện trùng với chế độ max hệ thống, ta có chi phí cho tổn thất công suất và tổn thất điện năng c là: c = Cp.APmax + ca.AA = Cp.APmax + cA.APmax T. (6.2) Chi phí cho 1 kW tổn thất công suất là: Ỵ= C/APmax = Cp + CA. T (6.3) Ta biết rằng T phụ thuộc vào Tmax2 nên có thể đưa Y về dạng: Ỵ = a.Tmax2 + b (6.4) Y được xác định trước thông qua các mô hình toán học xét đồng thời ảnh hưởng của tổn thất công suất thông qua giảm độ tin cậy và tổn thất điện năng [22][23]. Y biến đổi theo thời gian theo hướng đắt lên và khác nhau cho từng lọai lưới điện. Ví dụ : Bảng 6.1 cho giá trị của Ỵ cho lưới điên Pháp [23] F/kW, bảng này lập năm 1988, riêng ở dòng đầu có 2 hàng cho năm 1995-1996 và 1997-1998 và các năm sau đó, để bạn đọc thấy sự biến đổi theo thời gian của giá tổn thất. 221
Bảng 6.1 Giá trị Y cho lưới điện của Pháp T"max Cho năm Nguồn điện Lưới Tr. tải LPP Trung áp LPP Hạ áp 8760 95-96 1010 1110 1260 1400 97-98 và sau 1450 1550 1730 1880 6500 97-98 và sau 790 1060 1220 1360 6000 97-98 và sau 870 960 1110 1250 5500 97-98 và sau 790 880 1030 1170 5000 97-98 và sau 730 820 970 1100 4500 97-98 và sau 630 720 860 990 4000 97-98 và sau 470 550 690 820 3500 97-98 và sau - 4800 620 740 3000 97-98 và sau - 400 540 650 2500 97-98 và sau - 290 420 540 2000 97-98 và sau - 230 360 470 1500 97-98 và sau - 180 305 420 6.2.2 Tổng chi phí vốn cho đường dây diện Tổng chi phí vốn cho đường dây điện gồm 2 phần : a)Chi phí vốn đầu tư xây dựng; b)Chi phí cho tổn thất công suất và tổn thất điên năng trong suốt thời gian hoạt động của đường dây (chi phí chuyển thành vốn-vốn hoá). a) Chí phí vốn đẩu tưxây dụng Chi phí vốn đầu tư cho đường dây là : V = A + BU + CLf (6.5a) trong đó : u - điện áp; f - tiết diện dây; A, B, c - các hệ số. Nếu điện áp Ư đã cho thì: V = K + K'.L + K".L.f (6.5b) trong đó K là thành phần không phụ thuộc, K’ phụ thuộc độ dài đường dây còn K" là giá tiền dây dẫn phụ thuộc tiết diện f và độ dài đường dây L. b) Chi phí vốn hoá do tổn thất công suất và tổn thất diện năng trong thòi gian hoạt dộng của đường dây Ta đặt: Ú - điện áp [kV] 222
p - công suất max không đổi theo thời gian [MW] Imax- dòng điện max [A],Imax2 = p2( 1+tgcp2)/( 3U2) p - điện trở xuất của dây dẫn |ílmm:/km] f - tiết diện dây dẫn [mm2] r - xuất tăng trưởng công suất năm [ %] Tmax - thời gian sử dụng công suất lớn nhất [ 103.h| Y = a.Tmax2 + b - giá 1 kw tổn thất công suất ở cao điểm năm. i - hệ số hiện thời hoá, là lãi suất trung bình khi đầu tư vào ngành điện [%], Chi phí vốn hoá cho 1 kW tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong thời gian hoạt động n năm của đường dây quy về nãm đầu là y (1 + r)2 ả 1+i (6.6) nếu r = 0 thì n ị r = ằ—T--Y (6.7) i=i(l + i)n r là giá 1 đơn vị tổn thất công suất trong suốt thời gian phục vụ của đường dây được hiện thời hoá, trong đó n là tuổi thọ (năm), i là hệ sô' hiện thời hoá, r là suất tăng phụ tải năm. Ví dụ : Nếu n = 40, i = 9 % thì r = 10,8 Ỵ. Chi phí vốn hoá cho tổn thất công suất Cf> khi dòng điện là hằng số trên toàn đường dây: Cp = APmax. r = 3PImạXLr = p^ (1+ r [đ] f fu2 Nếu phụ tải phân bố đều thì thêm 3 vào mẫu sô' vì tổn thất công suất lúc này giảm 3 lần so với khi phụ tải tập trung ở cuối đường dây. c) Chi phí vòng đời của đuờng dây Cho đường dây truyền tải VT = V + Cp = A + BU + c L f + 3pIỴLr (6.9a) Hay cho đường dây phân phối : VT = K + K’ L+ K” Lf + 3pI™xLr (6.9b) 223
6.2.3 Quy tắc Kelvin và mật độ kinh tê dòng điện - Jkt Điều kiện thoả hiệp tối ưu là av _ ổCp (6.10) dĩ ~ df Tức là ỔVT _ ỔV ỡCp _ A Ổf ỡf ổf avT , zx _ 4 4,„. ,... c Lấy đạo hàm theo (6.9) ta được điêu kiện tối ưu- qui tac Kelvin-. = 3pImaxB rop — f (6.11) rop Quy tắc Kelvin phát biểu như sau: khi dây dẫn có tiết diện tối ưu, phần giá cà phụ thuộc tiết diện dây dẫn hằng chi phí hiện thời hoá do tổn thất công suất và tổn thất diện năng trong thời gian sống của đường dây. Từ (6.11) ta rút ra tiết diện kinh tế của dây dẫn : fơp - Imax r (6.12) ta có mật độ kinh tế: Imax K" Jkt (6.13) f *op 3pr ta thấy JkI chỉ phụ thuộc K", p, r. r phụ thuộc Tmax2 nên các biểu thức trên có thể được thể hiện qua Tmax và công suất p khi Ư, p, tgcp = hs: fop = P^AT^ + B [mm2] (6.14) h JkI = ... [A/mnr] (6.15) 7 ATmax + B Trong bảng 6.2 là ví dụ về fop và Jkt của EDF cho lưới trung hạ áp [22]. 224
Bảng 6.2. fOp và Jkt cho lưới điện Pháp cho lưới trung hạ áp Lưới TA Lưới TA nông thôn - Lưới HA thành phố Lưới nông thôn - thành phô' - trên không - cáp AL cáp vặn xoắn AL cáp AL AMELEC fOp - mm2 Pự74T^ +889 pJ165TÌx +413 pựo,54T2ax + l,48 pựo,36T7ax + l P=[MW] P=[MW] P=[kWJ P=[kW] 32,08 32,08 1,69 1,69 jkt-A/mm2 V74Tmax +889 ựÕ,54T^ax +1,48 ựo,36T^x+l 7165T;ax +413 p 29 33 29 29 trong đó Tniax = [1000 h], p = [Q / mnr.km] ; tg
6.3 LỰA CHỌN TIẾT DIỆN DÂY DAN trong thiết kê' quy hoạch LƯÓI ĐIỆN Nguyên tắc chung đê’ lựa chọn tiết diện dây dẫn là : Trong các tiết diện dây dẫn thoả mãn điều kiện kỹ thuật, chọn dây dẫn cho hiệu quả kinh tế cao nhất. Đối với các loại lưới điện, nguyên tắc trên được áp dụng khác nhau. 6.3.1 Chọn tiết diện dây dẫn trong lưới hệ thống cao và siêu cao thế Có ba loại đường dây điên : -Đường dây truyền tải công suất phát của nhà máy điện lên hệ thống;- Đường dây tải công suất cấp điện cho các khu vực lớn; - Đường dây liên lạc hệ thống nối giữa các vùng của hệ thống điên chì tải công suất cân bằng giữa các vùng. Các đường dây này có thể là cô lập, không liên quan đến các đường dây khác, cũng có thể nằm trong mạng lưới chung liên quan chặt chê với nhau. Những yến tố ảnh hưởng đến tiết diện : - Vốn tổng của dây dẫn thể hiện qua mật độ kinh rê'là yếu tố chính. Ví dụ, theo [22] - Cho đường dây phát công suất nhà máy điện vận hành cỡ 5000- 6000 h/năm là 0,65-0,7 A/mm2. - Cho đường dây cung cấp điện cho các khu vực dân cư lớn 0,55 A/mm2, -Cho đường dây liên lạc hệ thống chỉ tải công suất câr bằng giữa các vùng : 0,7 A/mm2. Vùng tối ưu của dây dẫn khá phảng, tiết diện có thê’ biến đổi khoảng 20-30%. Trong tổn thất phải kể đến tổn thất vầng quang. - Tổn thất vầng quang và nhiễu thông tin. Theo [9] dây dẫn tối thiểu được xác địnl sao cho không xảy ra vầng quang trong thời tiết xấu Emax < 0,9 Eo, Emax cường độ điện trường ở pha giữa; Eo cường độ điên trường bắ đầu có vầng quang. Về nhiễu thõng tin : Emax < ECp ECp là cường độ cho phép theo điều kiện nhiễu thông tin. - Công suất chịu đựng cực đại của dây dẫn theo điều kiện phát nóng cho phép th hiện qua mật độ cho phép. Nếu chọn dây dẫn bé thì khi sự cố trong hệ thống, đê’ 0 thể đảm bảo giới hạn công suất tải phải cắt bớt phụ tải gây tổn thất kinh tế hoặ nếu có thể phân bô' lại công suất nguồn gây tăng chi phí nhiên liêu. Nếu chọn dâ dẫn to thì vốn cao. Mật độ kinh tế thấp hơn mật độ cho phép. 226
Dòng điện max để kiểm tra dây dẫn xảy ra trong chế độ sự cố hoặc bảo quản hệ thống I„ < ICp - Sự phát triển hàng năm của lưới điện dó phụ tải tăng trong thời gian và không gian. Phụ tải tãng dẫn đến nhu cầu tăng công suất tải từ khu vực này sang khu vực khác (ngoại trừ đường dây phát công suất của nhà máy điện lên lưới). Muốn chi phí vốn hiện thời hoá nhỏ thì phải phân bố tốt nhất vốn, nghĩa là chọn dây nhỏ sau đó làm thêm đường dây mới thường xuyên hơn. Dẫn đến đất bị che phủ bởi nhiều đường dây, không hợp lý. Để giảm độ che phú đất đai, có thể chọn đây dẫn to hơn, dù đát nhưng lâu phải cải tạo hơn. Thoả hiệp giữa vốn tức thời và độ che phủ sau này là vấn đề xã hội quan tâm, độ che phủ của đường dây ảnh hưởng đến chọn tiết diện dây dẫn. - Độ dài đường dây cũng ảnh hướng đến chọn dây dẫn. Trên lưới siêu cao áp, tổn thất điện áp phụ thuộc rất ít vào tiết diện dây dẫn. Nhưng nếu độ dài lớn mà chọn dây dẫn lớn thì sẽ dẫn đến tải cóng suất lớn, trong đó thành phần công suất công suất phản kháng cũng lơn. Chính công súất công suất phản kháng này dẫn đến sụt áp lớn quá mức cho phép và dẫn đến phải bù công suất công suất phản kháng, làm tăng vốn đầu tư. Mỗi độ dài dường dây có một tiết diện cho vốn nhỏ nhất. - Vị trí của đường dây trong lưới điện cũng có ảnh hưởng đến chọn dây dẫn. Trong lưới điện kín phải chọn dây sao cho cân đối tránh gây mất đồng nhất cao gây phân bố công suất không hợp lý giữa các đường dây. - Trong lưới điện có điều áp dưới tải điện áp không phải là yếu tô' để chọn dây dẫn. Trên đường dây 35 kV trở lên, AU phụ thuộc ít vào dây dẫn, nên người ta không tăng dây dẫn đê’ đảm bảo AUCp. Đường dây phân pha có các lợi ích : Các đường dây siêu cao 220 kV trở lên đều phân pha, nhằm các lợi ích : - Chống hồ quang, giảm nhiễu thông tin. - Tăng khả năng tải theo nhiệt độ do làm mát dây tốt hơn - Tăng công suất tự nhiên, (do giảm tổng trở sóng) - Giảm X do đó giảm AU và AQ - Giảm được điện trở so với dây không phân pha, do giảm được hiệu ứng bề mặt, giảm được AP. Tính chất này có ý nghĩa khi tiết diện dây lớn (cỡ 570 mnr trở lên) Dây phân pha cũng có các hạn chế: - Tăng chi phí vốn - Tăng bũ.tăng Qc gây khó khăn cho chế độ không tải nếu đường dây dài. 227
- Khả năng sự cố cao hơn không phân pha. Bảng 6.4 là ví dụ cho đường dây 500 kV. Bảng 6.4. Ví dụ thông số đường dây 500 kV phân pha Thông số Số dây trong 1 pha 1 2 3 4 5 x0, íì/km 0,408 0,33 0,301 0,279 0,262 b0, 10-6/Qkm 2,79 3,38 3,70 3,98 4,21 zc, Q 3,91 312 285 265 250 PTN, MW 640 803 880 944 1000 Chọn dây dần được chia làm 2 giai đoạn : lúc đầu xét riêng đường dây, độc lập với hệ thống, sau đó mới xét đến đường dây trong quan hệ chung của toàn lưới điện, trong đó đường dây được thiết kế còn có nhiệm vụ liên lạc hệ thống và cóng suất tải của nó rất khác nhau. Phải xét đến quá tải có thể do sự cố hệ thống, đánh giá lại dây đã chọn và phương án có thể thay đổi. Đối với đường dây cô lập, trước hết phải đưa ra nhiều phương án tiết diện & số dây trong 1 pha khác nhau, xét đến khả năng phải bù dọc đê đảm bảo tổn thất điện áp cho phép cho từng phương án, nếu quá dài thì còn phải xét đến các thiết bị bù nhằm giảm độ tăng áp trong chế độ không tải. Sau đó lập quan hệ giữa tổng vốn đầu tư (vốn xây dựng + tổn thất) và công suất tải, cho tất cả các phương án và đưa lên đồ thị. Ta sẽ thấy rõ trong từng khoảng công suất tải sẽ có phương án cho tổng vốn nhỏ nhất. Đây chính là phương pháp khoảng chia kinh tế. Trên cơ sở đó chọn được phương án tối ưu. Trong [9] có các bảng cho khoảng chia kinh rê'của các đường dây điện áp 110 kV trở lên, tính theo dòng điện. Nếu đường dây tải cóng suất cô' định suốt đường dây thì dòng điện lấy là dòng max của nó. Nếu là đường dây phân phối cấp điện cho nhiều phụ tải phân bô' dọc đường dây thì lấy dòng điện ở thời điểm max hệ thống: 1(1 = I5 aiaT trong đó : I5 là dòng điện năm thứ 5 sau khi đường dây vận hành; oq là hệ sô' phụ thuộc độ tăng trưởng phụ tải theo năm; aT là hệ sô' phụ thuộc Tmax và hệ sô' tham gia vào đỉnh hệ thống của các phụ tải. Đối với đường dây trong lưới chung, công suất tải trên đường dây này có tính ngẫu nhiên cao. Công suất tải max cho phép yêu cầu (khi có sự cô' hệ thống) lớn hơn nhiều công suất max kinh tê' (là công suất cao nhất trong khoảng chia kinh tế của 1 tiết diện) điều này ảnh hưởng đến chọn tiết diện dây. 228
Đối với đường dây liên lục hệ thống dài ngoài thiết bị bù cho chế độ max và min còn có thể phải bù để nâng cao khả năng tải theo ổn định tĩnh. Phải xét nhiều phương án bù khác nhau để chọn phương án tối ưu. Dây dẫn phải được chọn trong quy hoạch dài hạn (20-30 năm), sự phát triển của lưới điện được mô phỏng để đáp ứng yêu cầu của phụ tải. Có nhiều phương án phát triển lứơi điện, các phương án được so sánh kỹ thuật - kinh tế để chọn ra phương án tối ưu. 6.3.2 Chọn tiết diện dây dẫn trong lưới phân phối Về mặt chọn tiết diên dây dẫn, lưới phân phối được chia thành : - Lưới cáp trung áp, - Lưới cáp hạ áp, - Lưới trên không trung áp, - Lưới trên không hạ áp, - Lưới điện xí nghiệp. Trong mỗi loại lưới lại phân ra : trục chính và các nhánh. Tiêu chuẩn chính để chọn tiết diện dây là vấn đề kinh tê' tức là tối ưu theo quan hệ “Vốn-Tổn thất”, được sét trong sự phát triển của phụ tải và lưới điện. Đường dây phải có hiệu quả kinh tế cao nhất trong thời gian phục vụ 30-40 năm của nó. Các hạn chế về mặt kỹ thuật như phát nóng, tổn thất điện áp cho phép là các hạn chế được xem sét khi nghiên cứu chọn tiết diên dây dẫn. Các hạn chế do độ bền cơ học của dây, vầng quang đương nhiên phải đảm bảo. Gọi po là công suất tải tối ưu theo điều kiện kinh tế, Pị là công suất tải max theo điều kiện nhiệt độ và Pu là công suất tải max theo tổn thất điện áp cho phép cho dây dẫn chọn theo JKT. Xét đường dây có phụ tải phân bố đều[22] : AU=~^(| + Xotg
-Jĩ> được thêm vào do phụ tải phân bố đều. Còn p, thì tra bảng theo loại dây dẫn hoặc tính Pị = V5 Udm.ICP.coscp; ICp tra bảng. Khảo sát các công thức trên cho các loại dây dẫn và cho Tmax khác nhau có thể rút ra quan hệ giữa các công suất này trong các loại lưới điện như sau : - Trong lưới cáp trung áp đô thị (mật độ phụ tải cao): đường dây có khoảng cách ngắn nên : po < Pị < Pu, do đó trong lưới này không cần quan tâm đến hạn chê' về AUCp. Lưới sẽ tài công suất đến phát nóng cho phép max mà AU vẫn đảm bảo. Dây dẫn được chọn theo điều kiện kinh tế. - Trong lưới trên không trung áp nông thôn (mật độ phụ tải thấp): Nếu đường dây ngắn thì po < Pu < Pị Còn nếu đường dây dài thì Pu< po < Pị. Nếu đường dây rất ngắn thì có thể Po < Pj < Pu giống như cáp. Đường trục chính ngắn thì có thể chọn tiết diện dây theo điều kiện kinh tế. Nếu đường dây dài (do mật độ phụ tải thưa) thì phải chọn dây theo AUCp. Còn các nhánh rẽ ngắn nếu chọn tiết diện theo JKT thì rất bé, nên thường phải chọn tiết diện tối thiểu theo điều kiện cơ học. - Lưới cáp hạ áp đô thị: Nếu mật độ phụ tải lớn ( cỡ 10 MVA/km2trở lên) thì Po < Pu < p„ dây dẫn chọn theo JKT. Nếu mật độ phụ tải thấp thì Pu< po < Pị, dây dẫn phải chọn theo AUCp. - Lưới dây vặn soắn nông thôn (mật độ phụ tài thấp) Pu< po < Pj. Với lưới này chọn dây theo điều kiện AUCp. Trục chính của đường dây loại liên nguồn hoặc K/H được chọn cùng 1 tiết diện dây dẫn do đường dây phải tải điện theo cả 2 chiều. Còn đường nhánh chọn nhỏ hơn theo điều kiện độ bền cơ học hoặc AU. Với lưới hình tia,chủ yếu là lưới hạ áp thì không nhất thiết phải chọn cùng một tiết diện trên trục chính. Dây vặn soắn cho phép dễ dàng thay đổi tiết diện trên các đoạn lưới để đạt hiệu quả kinh tế cao. Nếu dùng dây trên không thì nên chọn cùng tiết diện để tránh nhiều mối nối. Lưới điện trong các khu nhà ở, nhà cao tầng có thể chọn theo AUCpkết hợp với khối lượng kim loại mầu ít nhất [8], Trong lưới điện mà phụ tải hầu như không thay đổi theo thời gian như lưới điện trung áp xí nghiệp, việc chọn dây dẫn theo điều kiện kinh tế rất dễ dàng. Đối với lưới hạ áp xí nghiệp nếu Tmax lớn (cỡ 4000 h -5000 h trở lên) thì nên chọn dây theo điều kiện kinh tế, còn lại thì có thể chọn dây theo điều kiện phát nóng, phát nóng kết hợp với bảo vệ; phát nóng kết hợp với khối lượng kim loại mầu ít nhất và kiểm tra theo AUCp [13], hoặc theo AUCp kết hợp với kim loại mầu ít nhất (lưới chiếu sáng). 230
Sở dĩ lượng kim loại mầu nhỏ nhất được dùng để chọn dây dẫn vì: ở phần lưới điện càng gần phụ tải thì Tmax càng CT nhỏ,tổn thất điện năng rất nhỏ. Phân tích quan hệ ”vốn-tổn thất” rất khó )' chính xác. Dây dẫn được chọn trong sự I .x'C tăng trưởng không ngừng hàng năm của ■ ; phụ tải và sự phát triển liên tục của ; 1 lưới điện. Dây dẫn phải đạt được hiệu 1 ^2 I ■ ^3 của chúng. Cách giải quyết tốt nhất vấn đề này là chọn dây theo khoảng chia Hình 6.2 kinh tê [22, 18]. Mỗi tiết diện dây dẫn có hiệu quả kinh tế cao hơn các tiết diên khác trong một khoảng biến thiên của công suất tải (hình 6.2). Nếu công suất tải trên đường dây biến thiên từ P|.2 đến p2.3 thì chọn tiết diện f2. Người ta tiến hành nghiên cứu kinh tế -kỹ thuật cho từng khu vực lưới điện có mật độ phụ tải và độ tăng trưởng phụ tải nhất định, rút ra một hoặc một sô' loại tiết diện dây dẫn tối ưu cho các đường trục và nhánh trong khoảng thời gian nhất định. Sau đó tiết diện này được áp dụng khi thiết kế lưới điện trong khu vực đó mà không cần tính toán nữa [7, 22]. Nghiên cứu thực hiện trên các mô hình lý thuyết của câu trúc lưới điện. Đối với lưới cáp, do hầm cáp rất đắt tiền nên có xu thế chọn tiết diện lớn để làm chậm cải tạo lưới. Một cách khác để giải quyết vấn đề là [7] : Chọn dây theo phụ tải năm thứ 5: f — a I5/ jKT Ij là dòng điện năm thứ 5; a là hệ sô' tính đến sự tăng trưởng của phụ tải: a= -^0,15 + 0,25(1! + 0,3)2 + 0,35(1 max +0,l)2 trong đó : Ỉ! = I|/I5; I|,I5 là dòng điện năm thứ 1 và 5; imax = Imax/I5; Imax là dòng điện lớn nhất. Chú ý rằng chọn dây theo JKT đã cho trong các bảng không cho kết quả chắc chắn, do đó, sau khi tính được tiết diện theo JKT phải tiến hành phân tích kinh tế 2 tiết diện lớn hơn và nhỏ hơn để quyết định [13]. Trong [18] trình bày các đồ thị để chọn dây dẫn cho cấp điện áp từ 500 kv trở xuống, xây dựng trên cơ sở khoảng chia kinh tế. Một vấn đề nữa cần quan tâm là khi chọn củng một tiết diện dây cho một đường trục. 231
Theo cách của Pháp thì chỉ cần thêm V3 vào vế phải công thức (6.14) là tính được tiết diện tối ưu. Còn theo L, 1 L2 2 n-2 Ln.i n-1 Ln n Liên Xô cũ thì phải tính dòng tính ________ _____________ toán quy đổi cho toàn đường trục theo công thức sau : * v * * * n ị2| Hình 6.3 ầ L J trong đó : n - số đoạn lưới giữa 2 phụ tải trên trục; Lị - độ dài đoạn lưới; L - tổng đô dài đường trục (hình 6.3). Trên đây giới thiệu một số nguyên tắc chung để chọn tiết diện dây dẫn trình bày trong các tài liệu kỹ thuật của Pháp và Liên Xô cũ. Nguyên lý chung của vâh đề thì đúng cho mọi hệ thống điện nhưng cách thức giải quyết vấn đề thì khác nhau. Đây là vấn đề hết sức quan trọng, được quan tâm hàng đầu của mọi hệ thống điện. Nó đảm bảo hiệu quả kinh tế cao và sự phát triển tối ưu của lưới điện. 6.4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN DÂY DAN Dưới đây trình bày cách tính chọn dây dẫn cụ thể theo chỉ tiêu kinh tế và các hạn chê' kỹ thuật. 6.4.1 Chọn dây dẫn theo Jkt Biết loại dây dẫn và Tmax có thể tính fOp trực tiếp hoặc từ Jkl theo các công thức đã trình bầy ở mục trên. Trong trường hợp lưới điện có nhiều phụ tải có Tmax khác nhau thi phải tính Tmax trung bình cho toàn lưới để chọn Jkl: rp _ Pfnax i ‘^max i Í(L 1 n\ Tnax-lb — yp (6.19) Is *max i Ví dự 6.4.1: Chọn dây dẫn cho đường dây trên không dùng dây AC, Tmax = 4000 h, tải công suất 1500 kW, coscp = 0,8, Udm = 10 kV. Giải Tra bảng 6.3 được Jkt = 1,1. Tính dòng điện: I- '----- = = 1O8,38 A V3Udmcos(p V3x 10x0,8 232
fo|) = I/Jkt = 108,38 / 1,1 = 98,5 mm2 Chọn dây có tiết diện gần nhất là AC 95. Ví dụ 6.4.2: Chọn dây dẫn cho lưới thành phố tải 4000 kW, coscp - 0,8, Uđm = 20 kv. dùng cáp nhôm, T,nax = 4000 h. Giải Theo bảng 6.2 ta có: fOp = p. V?4T2ax +889 = 4^74 X 42 +889 = 175,4 mm2. Chọn cáp A 185. 6.4.2 Chọn dây dẫn theo dòng điện lớn nhất cho phép trong chế độ làm việc bình thường và sự cố Khi có dòng điện đi qua, dây dẫn và cách điện bị nóng lên do hiệu ứng Joule. Nếu nhiệt độ tăng cao quá sẽ làm giảm độ bền cơ học của dây dẫn hoặc làm già hoá cách điện của cáp.Để bảo đảm cho dây dẫn và cách điện có thể làm việc lâu dài mà không bị hư hại, nhiệt độ của dây dẫn trong chế độ làm việc bình thường không được vượt quá nhiệt độ lớn nhất cho phép. Từ nhiệt độ này tính ra được dòng điện lớn nhất cho phép ICp cho từng loại đây dẫn. ICp phụ thuộc loại, nguyên liệu dây dẫn, tiết diện, điều kiện lắp đặt và nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ cho phép của dây dẫn - 0Cp (°C) cho trong bảng 6.5. Bảng 6.5. Nhiệt độ cho phép của dây dẫn 0cp, (°C) Dây dẫn Nhiệt độ cho Nhiệt độ cho Nhiệt độ cho phép lớn phép lâu dài phép ngắn hạn nhất khi ngắn mạch Thanh dẫn và dây trần Đồng 70 125 300 Nhôm 70 125 200 Cáp cách điện giấy Đồng Nhôm Đến 3 kV 80 125 200 200 Đến 6 kV 65 100 200 200 Đến 10 kV 60 90 200 200 Cáp cách điện cao su Thường 55 100 150 150 Chịu nhiệt 65 110 150 150 Cáp cách điện chất dẻo 65 - 150 150 233
Ta có thể tính được dòng điện cho phép từ nhiệt độ cho phép: Nếu có dòng điện I chạy trong dây dẫn thì nhiệt do nó sinh ra là : Q = I2 r t Nhiệt truyền từ dây dân ra môi trường là : Q|= Ct F (0Q- ỡmt) 1 F - diện tích bề mặt dây; 0D là nhiệt độ dây; 0MT là nhiệt độ tính toán của môi trường [°C]; r là điện trở dây, t là thời gian. Khi hai lượng nhiệt này cân bằng nhau, nhiệt độ dây đạt giá trị ổn định: I2 r t = a F (0D-0M-51 (6.20) Giá trị ổn định sẽ đạt được nếu dòng điên không đổi trong khoảng thời gian bằng 4 đến 5 lần hằng số thời gian T của dây dẫn. T= c m /a trong đó : c - nhiệt dung của dây dân [J/kg.độ]; m - khối lượng dây dẫn ; a - hệ số truyền nhiệt của dây dẫn[J/độ.s] hay [W/m2 độ]. Công thức (6.20) cho phép tính được nhiệt độ khi biết dòng điện hoặc ngược lại. Từ (6.20) tính được : j2 _ aF(Q D ~ Q MT) r Nếu thay : F = nd|L; r = L/f.y = 4L/(y 7t d2) vào (6.20) ta được : 1= |ựad3y(eD-eMT) (6.21) trong đó : L - độ dài dây[m]; d, - đường kính dây dẫn [m]; f - tiết diện dây[mm2]; y - điện dẫn xuất của dây [m/(mm2fì)] Nếu thay 0D bằng nhiệt độ cho phép của dây dẫn 9Cp ta tính được dòng điên cho phép ICp của dây dẫn : ICp = — ựad3y(0Cp — Ômt) (6.22) Nếu đã biết ICp ứng với 0Cp và 0MT thì có thể tính được dòng điện I ứng với nhiệt độ môi trường 0'MT: I = IcpJfD~9QM- = KICP (6.23) V ycp _yMT 234
Công thức trên cũng cho phép tính nhiệt độ dây nếu dòng điện là I : (9d“ ®mt )/ ($cp- ®mt) = I’/Icp" (6.24) K chính là hệ số hiệu chỉnh dòng điện cho phép khi nhiệt độ môi trường thay đổi so với điều kiện tính toán. ICp của các loại dây dẫn được cho trong các bảng tra cứu. Trong các bảng tra cứu của Nga (xem phụ lục), ICp được tính sẩn cho các loại dây dẫn đặt ở nhiệt độ tiêu chuẩn: nhiệt độ không khí là 25 °C, của đất là 15°c. đối với cáp thì tính cho 1 sợi cáp đặt trong đất hoặc hầm cáp. Tài liệu [22] cho dòng điện cho phép dưới dạng mật độ dòng điện cho phép JCp (hình 6.4). Dây dẫn phải được chọn sao cho dòng điên làm việc I phải nhỏ hơn dòng điện cho phép Icp: I < Icp [A,A] (6.25a) Nếu nhiệt độ thực tế khác nhiệt độ chuẩn hoặc nhiều sợi cáp đạt cạnh nhau thì ICp phải được hiệu chinh bằng cách nhân với hệ số hiệu chình cũng được cho trong các bảng tra cứu. Dòng điện cho phép đã hiệu chinh là: rCp = kl.k2.ICp [A,A] (6.25b) k| là hệ số hiệu chinh theo nhiệt độ môi trường, k2 là hệ số hiệu chỉnh theo số sợi cáp và khoảng cách giữa chúng trong 1 hầm cáp hoặc đất. Điều kiện (6.25) sẽ trở thành: I < ICp = k|.k2.ICp [A,A] (6.26a) Trong chế độ sự cố, đường dây cáp có thể phải gánh thêm phụ tải của đường dây bị sự cố trong khoảng thời gian ngắn, khi đó đây dẫn có được phép quá tải ngắn hạn. 1. Dây vặn xoắn nhôm hạ áp 2. ALMELEC dây trần hạ áp 3. ALMELEC dây trần trung áp 4. Cáp nhôm trung áp 5. Cáp nhôm hạ áp Hình 6.4 235
Công thức trên cũng cho phép tính nhiệt độ dây nếu dòng điện là I : (Od' ®mt )/ (0cp- ®mt) = I'/Icp' (6.24) K chính là hệ số hiệu chỉnh dòng điện cho phép khi nhiệt độ môi trường thay đổi so với điều kiện tính toán. ICp của các loại dây dẫn được cho trong các bảng tra cứu. Trong các bảng tra cứu của Nga (xem phụ lục), ICp được tính sẵn cho các loại dây dẫn đặt ở nhiệt độ tiêu chuẩn: nhiệt độ không khí là 25 °C, của đất là 15°c. đối với cáp thì tính cho 1 sợi cáp đặt trong đất hoặc hầm cáp. Tài liệu [22] cho dòng điện cho phép dưới dạng mật độ dòng điện cho phép JCp (hình 6.4). Dây dẫn phải được chọn sao cho dòng điên làm việc I phải nhỏ hơn dòng điện cho phép Icp: I < Icp [A,A] (6.25a) Nếu nhiệt độ thực tế khác nhiệt độ chuẩn hoặc nhiều sợi cáp đặt cạnh nhau thì ICp phải được hiệu chỉnh bằng cách nhân với hệ sô' hiệu chỉnh cũng được cho trong các bảng tra cứu. Dòng điện cho phép đã hiệu chinh là: rCp = kl.k2.ICp [A.A] (6.25b) k| là hệ sô' hiệu chính theo nhiệt độ môi trường, k2 là hệ sô' hiệu chỉnh theo sô' sợi cáp và khoảng cách giữa chúng trong 1 hầm cáp hoặc đất. Điều kiện (6.25) sẽ trở thành: I
Bảng 6.6 Giá trị Kql trong 5 ngày đêm liền của cáp cách điện giấy uđm< 10kV. Hệ số tải Điều kiện lắp đặt Hệ số quá tải cho phép Kqt trong thời gian quả tải t [h] K,= l/lCp 1 2 3 60% Trong đất 1,50 1,35 1,25 Trong không khí 1,30 1,25 1,15 80% Trong đất 1,35 1,25 1,20 Trong không khí 1,25 1,20 1,15 Dòng điện cho phép khi sự cố Icp.sc được tính như sau: Icp-sc ~ Icp-Kqi (6.26b) Kq, là hệ số quá tải cho phép, phụ thuộc chế độ của cáp trước khi sảy ra sự cố, môi trường đặt cáp (trong không khí hoặc đất) và thời gian bị quá tải. Trên bảng 6.6 cho giá trị Kqt trong 5 ngày đêm liền của cáp cách điện giấy Udm< lOkV. Ví dụ 6.4.3: Xác định tiết diện tối thiểu theo điều kiện phát nóng của đường dây cáp 2 sợi lõi nhôm 10 kV chôn trong đất cách nhau 100 mm, dòng điên tính toán của 1 sợi là là 78 A. Nhiệt độ môi trường 25 °C. Giải: Tra bảng ta được cáp 25 mm2 có ICp = 90 A. Nếu nhiệt độ môi trường là 30°C thì hệ số hiệu chỉnh là: k| = 0,94 (phụ luc ). Nếu có 2 sợi cáp đặt cách nhau 100 mm, mỗi sợi tải 78 A thì k2 = 0,9. ICp của cáp 25 mm2 được hiệu chỉnh lại là: ICp' = 0,94.0,9.90 = 76,14 A không đạt yêu cầu, phải chọn cáp nhôm 35 mm2 có ICp - 115 A, sau hiệu chính có: ICp' = 0,94.0,9.115 = 97,29 A đạt yêu cầu. Đó chí là tiết diện tối thiểu phải chọn theo điều kiện phát nóng bình thường. Cần phải kiểm tra điều kiện sự cố: khi 1 mạch bị cắt thì sợi kia phải mang tải của cả 2 là 156 A trong 1 giờ mỗi ngày. Trước khi sự cố 1 sợi cáp có hệ số tải K, = I/ICp = 78/97 = 80%. Tra bảng 6.6 ta được Kq, = 1,35 tức là có thể tải 1,35.115 = 131 A < 156 A không đạt yêu cầu. Ta chọn dây cáp 50 mm2 có ICp = 140 A và ICp= 0,94.0,9.140 = 118,44 A Hệ số tải trước khi sự cố là K, = 78/118,44 = 0,658, cho phép quá tải 1,5 lần trong 1 giờ trong 5 ngày đêm tức là 1,5x118,44 =177,6 A. Khi sự cố 1 sợi cáp phải mang tải 156 A < 177,6 A, đạt yêu cầu. Kết lụân là phải chọn cáp nhôm 50 mm2. Lưới điện trong các nhà ở, công sở, phân xưởng của xí nghiệp được chọn theo điều kiên phát nóng kết hợp với thiết bị bảo vệ rồi kiểm tra AUCp, Cách chọn này làm cho lưới có khối lượng kim loại mầu nhỏ nhất. 236
6.4.3 Chọn dây cáp theo phát nóng khi ngắn mạch Đối với dây cáp trung áp, khi xảy ra ngắn mạch nếu thời gian cắt ngắn mạch chậm (vì lí do đảm bảo độ chọn lọc) thì dây dẫn sẽ bị phát nóng đáng kể, có nguy cơ vượt quá khả năng chịu đựng của cáp. Vì thế sau khi chọn cáp theo các diều kịên khác phải kiểm tra cáp theo điều kiện ngắn mạch, nếu cáp không chịu nổi thì phải tăng tiết diện cáp hoặc dùng các biện pháp hạn chê dòng điên ngắn mạch. Với mỗi trạng thái ngắn mạch bao gồm: dòng ngắn mạch xung kích I", dòng ngắn mạch duy trì L, thời gian cắt của bảo vệ tc, và với mỗi loại cáp lõi đồng hoặc nhôm có tồn tại 1 tiết diện gọi là tiết diện ổn định nhiệt fMn, tức là tiết diện tối thiểu chịu được phát nóng do ngắn mạch gây ra. Tiết diện này được tính như sau: f
Ví dụ 6.4.4: Cho biết đường dày 10 kV dùng cáp nhôm đặt trong đất, tc = 1,5 s; I" = 9 kA, 1«, = 6 kA. Giải P" = 9/6 =1,5, tra đường cong hình 6.5 được ttđ = 1,58 s. Theo bảng trên có a = 12. Theo (6.27): f(xin = 12.6.1,58 = 90 mm;, chọn cáp chuẩn tối thiểu A 95. Theo bảng 6.8 ta thấy cáp nhôm 95 mm2 với tc = 1,5 s chịu được 7,5 kA. Bảng 6.8 Dòng ngắn mạch cho phép theo điều kiện ổn định nhiệt của cáp lk.max tc[s] k-max kA] cho tiết diện dây dẫn là, mm2 25 35 50 75 95 120 150 185 240 0,50 3,45 4,80 6,90 9,65 43,00 16,50 20,00 25,45 34,25 0,75 2 80 3 95 5,60 7,90 10,65 13,50 16,90 20,50 27,20 1 00 2,44 3,40 4 85 6,80 9,25 11,80 14,60 18,00 23,50 1,50 2,00 2,80 4 00 5,55 7,55 9,55 11,90 14,75 19,30 4 00 1,72 2,40 3,-45 4,80 6,55 8,25 10,30 12,75 16,65 Với các loại cáp PR (cách điên chất tổng hợp) và PI (cách điên giấy tẩm dầu) của 238