KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
Những yêu cầu và nội dung chủ yếu khi thiết kế hệ thống cung cấp điện
Các hình thức học tập:
Hình thức nghe giảng trên lớp có thảo luận
Hình thức tự học và ôn tập
Hình thức thực hành tại xưởng trường.
Hệ thống điện Việt nam
Các hình thức học tập:
Hình thức nghe giảng trên lớp có thảo luận
Hình thức tự học và ôn tập
Hình thức thực hành tại xưởng trường
HOẠT ĐỘNG I: NGHE GIẢNG TRÊN LỚP CÓ THẢO LUẬN
KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
1.1 Nguồn năng lượng tự nhiên và đặc điểm của năng lượng điện
Hiện nay, con người trên toàn cầu đã sản xuất một lượng lớn của cải vật chất cho xã hội, trong đó bao gồm nhiều loại năng lượng khác nhau được tạo ra.
Năng lượng cơ bắp của con người và động vật đã tồn tại từ lâu trong xã hội loài người Sự phát triển không ngừng của các hoạt động con người trên Trái Đất ngày càng cần nhiều năng lượng từ các nguồn thiên nhiên.
Thiên nhiên xung quanh chúng ta cung cấp nguồn năng lượng phong phú và đa dạng, bao gồm than đá, dầu khí, và nước từ các dòng sông và biển Ngoài ra, năng lượng mặt trời, nhiệt lượng từ lòng đất, cùng với các luồng khí và gió cũng là những nguồn năng lượng quý giá, đóng vai trò quan trọng trong đời sống con người.
Năng lượng điện, hay còn gọi là điện năng, hiện nay là một trong những dạng năng lượng phổ biến nhất trên thế giới, với sản lượng hàng năm đạt hàng nghìn tỷ kWh Điện năng được ưa chuộng nhờ vào những ưu điểm nổi bật như khả năng chuyển đổi dễ dàng sang các dạng năng lượng khác (như cơ, hóa, nhiệt), khả năng truyền tải xa và hiệu suất cao.
Trong quá trình sản xuất và phân phối, điện năng có một số đặc điểm chính như sau:
Điện năng sản xuất không thể tích trữ, ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt với công suất nhỏ sử dụng pin và ắc quy Do đó, cần duy trì sự cân bằng giữa điện năng sản xuất và tiêu thụ, bao gồm cả tổn thất trong quá trình truyền tải Điều này rất quan trọng trong quy hoạch và thiết kế hệ thống cung cấp điện để đảm bảo chất lượng điện năng, thể hiện qua giá trị điện áp và tần số.
Các quá trình điện diễn ra với tốc độ cực nhanh, như sóng điện từ truyền trong dây dẫn gần bằng tốc độ ánh sáng (300.000 km/giây) và các hiện tượng như sóng sét, quá trình quá độ, và ngắn mạch xảy ra chỉ trong vòng chưa đầy 1/10 giây Đặc điểm này yêu cầu sử dụng thiết bị tự động trong việc vận hành và điều độ hệ thống cung cấp điện, bao gồm các khâu bảo vệ, điều chỉnh và điều khiển Mục tiêu là đảm bảo hệ thống cung cấp điện hoạt động một cách tin cậy và kinh tế trong cả trạng thái bình thường và khi xảy ra sự cố.
Công nghiệp điện lực đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của hầu hết các ngành kinh tế quốc dân như khai thác mỏ, cơ khí, xây dựng dân dụng và công nghiệp nhẹ Sự liên kết chặt chẽ này không chỉ thúc đẩy năng suất lao động mà còn góp phần tạo nên sự phát triển đồng bộ trong cấu trúc kinh tế.
Việc hiểu rõ đặc điểm điện khí hóa sẽ giúp đưa ra quyết định hợp lý về mức độ điện khí hóa cho các ngành kinh tế ở từng vùng lãnh thổ khác nhau Điều này cũng liên quan đến việc xây dựng nguồn điện và mạng lưới truyền tải phân phối, nhằm đảm bảo sự phát triển cân đối và giảm thiểu thiệt hại kinh tế quốc dân do phải hạn chế nhu cầu sử dụng điện Hiện nay, điện năng chủ yếu được sản xuất dưới dạng điện xoay chiều với tần số 60Hz ở Mỹ và Canada, và 50Hz tại châu Âu và các quốc gia khác.
Hệ thống điện bao gồm ba khâu: nguồn điện, tuyền tải điện và tiêu thụ điện
Nguồn điện là các nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử v.v…) và các trạm phát điện (điêzen, điện gió, điện mặt trời v.v…)
Tiêu thụ điện bao gồm tất cả các lĩnh vực sử dụng điện năng, từ công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp đến giao thông vận tải, thương mại, dịch vụ và sinh hoạt hàng ngày.
Để cung cấp điện từ nguồn phát đến người tiêu dùng, lưới điện đóng vai trò quan trọng, bao gồm cả đường dây tải điện và trạm biến áp.
Lưới điện Việt Nam hiện nay có nhiều cấp điện áp, bao gồm 0,4kV, 6kV, 10kV, 15kV, 22kV, 35kV, 110kV, 220kV và 500kV Tuy nhiên, một số chuyên gia đề xuất rằng trong tương lai, lưới điện chỉ nên duy trì năm cấp điện áp chính: 0,4kV, 22kV, 110kV, 220kV và 500kV.
Có nhiều cách phân loại lưới điện:
Căn cứ vào trị số điện áp, chia ra:
- Lưới siêu cao áp: 500kV
- Lưới cao áp: 220kV; 110kV
- Lưới trung áp: 35kV; 22kV; 10kV; 6kV
Căn cứ vào nhiệm vụ, chia ra:
- Lưới cung cấp: 110kV; 220kV; 500kV
- Lưới phân phối: 0,4kV; 6kV; 10kV; 15kV; 22kV; 35kV
Căn cứ vào phạm vi cấp điện, chia ra:
Căn cứ vào số pha, chia ra:
Căn cứ vào đối tượng cấp điện, chia ra:
* Hệ thống điện hiện đại:
Hệ thống điện ngày nay là một mạng lưới liên kết phức tạp (hình 1.1) và có thể chia ra làm 4 phần:
Mạng truyền tảI – truyền tải phụ
Hình 1.1: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ
Mạng truyền tải 115kV – 765kV
Nhà máy điện nguyên tử
Tải công suÊt rÊt lín
Trạm cao Trạm cao áp
Nhà máy phát Tuèc bin khÝ Năng l-ợng gió Năng l-ợng thủy triÒu Năng l-ợng địa nhiệt
Mạng truyền tải phô 69kV – 138kV
Mạng phân phối 4kV – 34.5kV
Có nhiều phương pháp chuyển đổi điện năng từ các dạng năng lượng khác nhau như nhiệt năng, thủy năng và năng lượng hạt nhân Do đó, có nhiều loại nguồn phát điện khác nhau, bao gồm nhà máy nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử, trạm điện gió và điện Diezen.
Hiện nay, nhà máy nhiệt điện và thủy điện vẫn là những nguồn năng lượng chính cung cấp điện trên toàn cầu, mặc dù sự phát triển của nhà máy điện hạt nhân đang ngày càng gia tăng.
1.2.1 Nhà máy nhiệt điện (NMNĐ):
- Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi: Là nhà máy nhiệt điện mà việc thải nhiệt của môi chất làm việc (hơi nước) được thực hiện qua bình ngưng
- Nhà máy nhiệt điện rút hơi: đồng thời sản xuất điện năng và nhiệt điện
Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi hoạt động theo nguyên lý tương tự, nhưng với lượng hơi được rút ra từ một số tầng của tuốc bin để cung cấp cho các phụ tải nhiệt công nghiệp và sinh hoạt, giúp tăng hiệu suất chung của nhà máy Quá trình biến đổi năng lượng tại nhà máy nhiệt điện diễn ra theo nguyên lý cụ thể.
Nhiệt năng Cơ năng Điện năng
Nhà máy nhiệt điện có những đặc điểm sau:
Thường được xây dựng gần nguồn nhiên liệu và nguồn nước
Tính linh hoạt trong vận hành kém, khởi động và tăng phụ tải chậm
Khối lượng nhiên liệu sử dụng lớn, khói thảI và ô nhiễm môI trường
1.2.2 Nhà máy thủy điện (NMTĐ):
Nguyên lý hoạt động của nhà máy thủy điện là khai thác năng lượng từ dòng nước để quay trục tuốc bin thủy lực, từ đó tạo ra điện năng Quá trình này diễn ra thông qua việc chuyển đổi năng lượng dòng chảy thành năng lượng cơ học, giúp vận hành máy phát điện.
Thủy năng Cơ năng Điện năng
XÁC ĐỊNH NHU CẦU ĐIỆN
Chọn phương án cung cấp điện
Các hình thức học tập:
Hình thức nghe giảng trên lớp có thảo luận
Hình thức tự học và ôn tập
Hình thức thực hành tại xưởng trường
2.1 Xác định nhu cầu điện
HOẠT ĐỘNG I: NGHE GIẢNG TRÊN LỚP CÓ THẢO LUẬN
XÁC ĐỊNH NHU CẦU ĐIỆN 2.1 Xác định nhu cầu điện
Khi thiết kế hệ thống cung cấp điện cho hộ phụ tải, bước đầu tiên là xác định nhu cầu điện của hộ đó Nhu cầu điện cần được xác định dựa trên quy mô phụ tải thực tế hoặc dự kiến khả năng phát triển trong 5, 10 năm hoặc lâu hơn Do đó, việc xác định nhu cầu điện chính là quá trình dự báo phụ tải trong ngắn hạn và dài hạn.
Dự báo phụ tải ngắn hạn là quá trình xác định mức tiêu thụ điện của công trình ngay khi bắt đầu hoạt động Mức tiêu thụ này thường được gọi là phụ tải tính toán, và nó đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn các thiết bị điện như máy biến áp, dây dẫn, thiết bị đóng cắt và bảo vệ Bên cạnh đó, phụ tải tính toán cũng được sử dụng để tính toán tổn thất công suất và điện áp, từ đó giúp chọn các thiết bị bù phù hợp.
Như vậy, phụ tải tính toán là một số liệu quan trọng để thiết kế cung cấp điện
Các phương pháp xác định phụ tải tính toán có thể chia làm hai nhóm chính:
Nhóm thứ nhất bao gồm các phương pháp dựa trên hệ số tính toán từ kinh nghiệm thiết kế và vận hành Những phương pháp này có ưu điểm là tính toán thuận tiện, tuy nhiên, kết quả chỉ mang tính chất gần đúng.
Các phương pháp chính của nhóm này là:
Phương pháp hệ số nhu cầu
Phương pháp suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm
Phương pháp suất phụ tải trên đơn vị diện tích sản xuất
Nhóm thứ hai bao gồm các phương pháp dựa trên lý thuyết xác suất và thống kê, với đặc điểm nổi bật là xem xét ảnh hưởng của nhiều yếu tố Điều này giúp tăng độ chính xác của kết quả, mặc dù quá trình tính toán trở nên phức tạp hơn.
Các phương pháp chính của nhóm này là:
Phương pháp công suất trung bình và hệ số hình dáng của đồ thị phụ tải
Phương pháp công suất trung bình và phương sai của phụ tải
Phương pháp số thiết bị hiệu quả
Tùy thuộc vào quy mô và đặc điểm của công trình, cũng như giai đoạn thiết kế là sơ bộ hay kỹ thuật thi công, việc lựa chọn phương pháp xác định phụ tải tính toán phù hợp là rất quan trọng.
2.1.2 Đồ thị phụ tải điện a Định nghĩa: Đồ thị phụ tải là quan hệ của công suất phụ tải theo thời gian và đặc trưng cho nhu cầu điện của từng thiết bị b Phân loại:
Theo loại công suất, đồ thị phụ tải gồm có:
Đồ thị phụ tải công suất tác dụng: P = f(t)
Đồ thị phụ tải công suất phản kháng: Q = g(t)
Đồ thị phụ tải công suất biểu kiến: S = h(t)
Theo dạng đồ thị, đồ thị phụ tải gồm có:
Đồ thị phụ tải thực tế: đây là dạng đồ thị phản ánh qui luật thay đổi thực tế của công suất theo thời gian (Hình 2.1)
Đồ thị phụ tải nấc thang: đây là dạng đồ thị qui đổ từ đồ thị thực tế về dạng nấc thang (Hình 2.2)
Theo thời gian khảo sát, đồ thị phụ tải gồm có:
Hình 2.2: Đồ thị phụ tải hàng ngày dạng nấc thang
Hình 2.1: Đồ thị phụ tải thực tế
Đồ thị phụ tải hàng ngày là loại đồ thị được xây dựng dựa trên khảo sát trong 24 giờ, giúp phân tích tình trạng hoạt động của các thiết bị Qua việc nghiên cứu đồ thị này, người ta có thể xác định quy trình vận hành tối ưu nhằm đạt được đồ thị phụ tải tương đối ổn định và bằng phẳng.
Đồ thị phụ tải hàng tháng: đây là dạng đồ thị phụ tải được xây dựng theo phụ tải trung bình hàng tháng (Hình 2.3)
Đồ thị phụ tải hàng năm được xây dựng dựa trên đồ thị phụ tải điển hình của một ngày trong mùa đông và một ngày trong mùa hè, giúp phân tích và so sánh sự biến động của nhu cầu điện năng theo mùa.
Mùa hè có n1 ngày và mùa đông có n2 ngày Trong đồ thị Hình 2.4a, mức P2 tồn tại trong khoảng thời gian t2 + t / 2, trong khi ở đồ thị Hình 2.4b, mức P2 chỉ tồn tại trong khoảng thời gian t / 2.
Hình 2.3: Đồ thị phụ tải hàng tháng
Hình 2.4 trình bày đồ thị phụ tải hàng năm, bao gồm ba phần chính: a Đồ thị phụ tải điển hình cho một ngày mùa đông, b Đồ thị phụ tải điển hình cho một ngày mùa hè, và c Đồ thị phụ tải tổng hợp hàng năm.
Vậy trong một năm, mức phụ tải P2 tồn tại trong khoảng thời gian là:
Tương tự, trong một năm, mức phụ tải P1 tồn tại trong khoảng thời gian là:
Số ngày mùa hè (n1) và mùa đông (n2) trong một năm đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích đồ thị phụ tải hàng năm Đồ thị này không chỉ giúp dự báo nhu cầu điện năng trong suốt năm mà còn đánh giá hiệu quả kinh tế trong việc cung cấp điện.
2.1.3 Các đại lượng cơ bản:
1 Công suất định mức : P đm
Công suất định mức của thiết bị thường được ghi trên lý lịch hoặc thẻ máy do nhà chế tạo cung cấp Đối với động cơ, công suất định mức được thể hiện trên thẻ máy chính là công suất cơ học ghi trên trục Mối quan hệ giữa công suất định mức và công suất đầu ra của động cơ được xác định qua một biểu thức cụ thể.
P đặt : Là công suất đặt của động cơ.(P đ )
Hiệu suất của động cơ điện, ký hiệu là η đc, đối với Rotor lồng sóc thường nằm trong khoảng 0.8 đến 0.95 Do hiệu suất động cơ điện tương đối cao, trong nhiều trường hợp tính toán, người ta thường bỏ qua yếu tố này để đơn giản hóa quá trình tính toán.
Đối với các thiết bị điện hoạt động trong chế độ ngắn hạn lặp lại như cần trục và máy hàn, khi tính toán phụ tải, chúng ta cần quy đổi về công suất định mức cho chế độ làm việc dài hạn Điều này có nghĩa là chuyển đổi về chế độ làm việc với hệ số tiếp điện % = 100% Công thức quy đổi này đặc biệt quan trọng đối với động cơ để đảm bảo hiệu suất và an toàn trong quá trình sử dụng.
Công suất định mức P đm đã được chuyển đổi để phù hợp với chế độ làm việc dài hạn, bao gồm các tham số định mức như P đm và đm có trong lý lịch máy Đối với máy biến áp (MBA) của lò điện, công suất đặt là một yếu tố quan trọng cần được xác định rõ ràng.
S dm công suất biểu kiến định mức của MBA ghi trong lý lịch máy Đối với máy dạng biến áp (máy hàn)
P ’ đm =S đm cos đm ủm
2 Công suất trung bình: P tb