Giáo trình cung cấp điện

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH GIÁO TRÌNH CUNG CẤP ĐIỆN DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH - 2020 LỜI MỞ ĐẦU Giáo trình “Cung cấp điện” nhằm đáp ứng cho cử nhân cao đẳng ngành điện mỏ, biên soạn nhằm phục vụ nghiệp đào tạo cải cách giáo dục Bộ giáo dục Đào tạo Giáo trình cịn làm tài liệu tham khảo cho cán giảng dạy, cán kỹ thuật, kỹ thuật viên công tác lĩnh vực Điện mỏ Do cơng nghệ khai thác mỏ có đặc thù riêng khác xa so với công nghệ khác, địi hỏi hệ thống cung cấp điện có đặc điểm yêu cầu đặc biệt để đảm bảo điều kiện kỹ thuật vận hành an toàn thiết bị điện mỏ Để đáp ứng yêu cầu đó, giáo trình giới thiệu cách có hệ thống kiến thức bản, thể tương đối đầy đủ nội dung phục vụ cho việc học tập nghiên cứu sinh viên Giáo trình gồm hai phần: Phần I: Trạm điện xí nghiệp Trong phần này, giới thiệu kiến thức hệ thống cung cấp điện, phụ tải điện, trạm biến áp xí nghiệp phương pháp tính tốn ngắn mạch hệ thống điện cao hạ áp Phần II: Mạng điện xí nghiệp Trong phần này, giới thiệu kiến thức mạng điện, nguyên tắc lựa chọn thiết bị kỹ thuật bảo vệ rơ le hệ thống cung cấp điện, kỹ thuật chiếu sáng mỏ, phương pháp đặc điểm cung cấp điện cho tàu điện cần vẹt ắc quy, tiêu kinh tế kỹ thuật hệ thống điện xí nghiệp Trong q trình biên soạn, tác giả cố gắng bám sát đề cương chương trình mơn học phê duyệt Bộ giáo dục Đào tạo, kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy môn học nhiều năm, đồng thời có ý đến đặc thù đào tạo ngành trường Do trình độ kinh nghiệm cịn hạn chế nên chắn sách cịn nhiều thiếu sót Rất mong bạn đọc góp ý xây dựng Phần I TRẠM ĐIỆN XÍ NGHIỆP Chương I HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN I.1 Khái niệm chung hệ thống cung cấp điện xí nghiệp Hệ thống cung điện xí nghiệp đảm nhiệm việc cung cấp điện cách tin cậy, kinh tế với chất lượng điện cho phép, tới hộ dùng điện công nghiệp Những hộ dùng điện bao gồm chủ động truyền động điện, loại lò điện, thiết bị điện phân, hàn điện, thiết bị chiếu sáng v.v … Hệ thống cung điện xí nghiệp phận hệ thống điện khu vực quốc gia, nằm hệ thống lượng chung, phát triển qui luật kinh tế quốc dân Ngày công nghiệp ngày phát triển, hệ thống cung cấp điện ngày phức tạp, bao gồm lưới điện: - Cực cao áp có cấp điện áp: U>800kV - Siêu cao áp có cấp điện áp : 330 kV< U< 800 kV - Cao áp có cấp điện áp : 66 kV< U< 220 kV - Trung áp có cấp điện áp : kVCI phương án I có lợi Nếu KII>KI CII 0,75 việc thay nói chung khơng có lợi, cịn khi: 0,45 < kmt < 0,75, việc thay cần phải tính tốn so sánh hiệu kinh tế Tính hợp lý kinh tế trường hợp thay động chi phí thay đủ hồn lại thời gian qui định(do tiết kiệm điện năng) c Giảm điện áp động mang tải nhỏ Khi khơng có khả thay động mang tải nhỏ cần xem xét giảm điện áp cực Việc giảm điện áp đặt vào cực động không đồng đến giá trị tối thiểu cho phép (Umin) dẫn đến giảm cơng suất phản kháng tiêu thụ, mà hệ số công suất tăng, tổn hao công suất tác dụng động giảm hiệu suất tăng Trong thực tế, việc giảm điện áp động mang tải nhỏ thực cách chuyển cách đấu động từ tam giác sang hình phân đoạn cuộn dây stator Việc chuyển cách đấu nên áp dụng với động hạ áp mang tải thường xuyên 35 - 40% định mức Khi chuyển cách đấu từ tam giác sang sao, mô men cực đại động giảm lần, cần kiểm tra hệ số mang tải động theo điều kiện làm việc ổn định Việc phân đoạn cuộn dây stator động không đồng nên áp dụng trường hợp đổi cách đấu d Hạn chế động máy biến áp làm việc không tải Nếu khoảng thời gian làm việc không tải động máy biến áp kéo dài tốt tạm thời cắt chúng khỏi mạng, giảm đáng kể lượng công suất phản kháng tiêu thụ vơ ích Trong dây truyền cơng nghệ, máy móc làm việc có quan hệ phụ thuộc, việc bố trí dây truyền cách chặt chẽ hạn chế làm việc không tải động e Tăng cường chất lượng sửa chữa động Sau sửa chữa động cơ, cần đảm bảo thơng số định mức Chất lượng sửa chữa không đảm bảo làm tăng lượng công suất phản kháng tiêu thụ f Ưu tiên sử dụng động khơng đồng rotor lồng sóc So với động rotor dây quấn, động rotor lồng sóc có hệ số công suất hiệu suất cao g Sử dụng động đồng Trong trường hợp nên sử dụng động đồng thay cho động khơng đồng bộ, động khơng đồng làm việc chế độ q kích thích phát công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất IX.1.3.Nâng cao hệ số công suất cos cách bù công suất phản kháng 149 Trong trường sau áp dụng tất biện pháp kể mà hệ số cơng suất chung xí nghiệp cịn thấp giá trị qui định, cần phải áp dụng biện pháp bù công suất phản kháng Thực chất việc bù phát chỗ cơng suất phản kháng với mục đích giảm cơng suất phản kháng truyền tải từ nguồn tới xí nghiệp Để phát cơng suất phản kháng dùng máy bù đồng bộ, động đồng tụ điện tĩnh a Máy bù đồng Máy bù đồng thực chất động đồng có cấu tạo đặc biệt để việc không tải phát lượng phản kháng Trong công nghiệp mỏ, Máy bù đồng có nhược điểm như: Tiêu hao cơng suất tác dụng cao(0,32- 0,15 kW/kVAr); chi phí vận hành bảo quản cao, khơng sử dụng Tuy nhiên Máy bù đồng có ưu điểm quan trọng dễ dàng điều chỉnh công suất phản kháng phát ra, ln ln trì hệ số công suất tối ưu Máy bù đồng sử dụng chủ yếu hệ thống điện cần bù điều chỉnh công suất phản kháng với giá trị lớn b Động đồng Trong xí nghiệp mỏ, máy cơng suất lớn khơng cần điều chỉnh tốc độ (bơm nước chính, quạt gió, máy ép khí, động sơ cấp hệ thống máy phát - động cơ) nên sử dụng động đồng Vì động đồngbộ có ưu điểm là: Có hệ số cơng suất cao làm việc chế độ q kích thích phát cơng suất phản kháng, cải thiện hệ số cơng suất chung xí nghiệp Nhưng nhược điểm động đồng là: cấu tạo phức tạp, giá thành đắt, nên sử dụng c Bù công suất phản kháng tụ bù Phương pháp bù dựa tính chất điện dung đấu mạch điện để tạo dòng điện trượt pha so với điện áp Lúc điện dung đủ lớn, tụ điện khơng làm góc trượt pha dương khu vực đó, mà cịn chuyển dịng phản kháng đến khu vực lân cận khác (từ đường dây tải điện đến điểm đấu tụ) So với máy bù đồng tụ điện có ưu điểm: - Tiêu thụ cơng suất tác dụng không đáng kể (0,3- 1%) so với công suất tổng - Là việc chắn chăm sóc đặc biệt - Trọng lượng nhỏ khơng cần tới móng kiên cố để lắp đặt - Làm việc không ồn Khi sử dụng tụ điện để nâng cao hệ số công suất cos , trước hết cần xác định công suất phản kháng cần thiết thiết bị bù: Qb = Ptb(tg1- tg2) , KVAr đó: 150 Ptb = Wa/ Tp - Công suất tác dụng trung bình năm xí nghiệp, kW (Wa- lượng tác dụng tiêu thụ xí nghiệp, kWh; Tp- số làm việc năm xí nghiệp, h); tg1- Tương ứng với hệ số cơng suất trung bình năm(cos1) xí nghiệp (có kể đến khả bù động đồng bộ); tg2- Tương ứng với hệ số công suất qui định cos2 Việc tăng hệ số cos2 giá trị qui định, cần quan quản lý hệ thống điện thoả thuận, tuỳ theo mức độ thiếu hụt lượng phản kháng hệ thống Công suất phản kháng tụ đấu tam giác: Q = .C.U d2 10 3 , kVAr đó:   2.f- Tần số góc dịng điện; C- Điện dung tụ, F; Ud- Điện áp dây định mức, kV Từ biểu thức cho thấy dung lượng tụ, công suất phản kháng tỉ lệ với bình phương điện áp Vì với dung lượng tụ đặt phía cao áp cho công suất phản kháng lớn nhiều Nhưng đặt tụ phía cao áp phần cơng suất phản kháng tiêu thụ mạng hạ áp không bù Vì có khả nên đấu tụ gần phụ tải phía hạ áp Việc bố trí thiết bị bù tập trung, thành nhóm cá thể Khi bù tập trung, tụ thường đấu vào hạ áp (6- 10kV) trạm biến áp chính, lúc giảm công suất phản kháng phải phát truyền tải đến cho xí nghiệp Khi bù theo nhóm, tụ đấu vào cuối cá khởi hành, nhằm giảm truyền tải công suất phản kháng đường dây Khi bù cá thể, tụ đấu trực tiếp cạnh động cơ, giảm công suất phản kháng tồn mạng Vị trí đấu tối ưu thiết bị bù cần chọn sở so sánh kinh tế- kỹ thuật phương án IX.2 Tổn thất điện Tổn thất điện hệ thống cung cấp điện xí nghiệp mỏ chủ yếu tổn thất máy biến áp, mạng điện cao hạ áp IX.2.1 Tổn thất điện máy biến áp Việc xác định tổn thất điện máy biến áp tiến hành xuất phát từ thông số kỹ thuật, mức độ mang tải số sử dụng Tổn thất lượng tác dụng tính: Wa.ba= Pkt.T0 + 2.Pn.Tp , kWh; đó: Pkt- Tổn thất cơng suất khơng tải máy biến áp, kW; 151 Pn - Tổn thất công suất ngắn mạch, kW; T0 - Tổng số đấu máy biến áp vào mạng thời gian tính tốn, h; Tp - Số máy biến áp làm việc với tải trung bình thời gian tính tốn, h;  - Hệ số mang tải máy biến áp, tính theo cơng thức: Wa2  Wp2 = S d Tp (Wa, Wp- Năng lượng tác dụng phản kháng tiêu thụ từ máy biến áp, xác định tính tốn, theo số đồng hồ vận hành; S d- Công suất định mức máy biến áp, kVA) Tổn thất lượng phản kháng tính theo cơng thức: Wp.ba= Sd I kt U T0  Sd n Tp  100 100 đó: Ikt- Dịng khơng tải máy biến áp, %; Un- Điện áp ngắn mạch tương đối, % IX.2.2 Tổn thất điện trong mạng (trừ máy biến áp) Tổn thất điện mạng xác định theo công thức: Wa = 3.I R.Tp.10 = tb đó: -3 S 2tb R.Tp 10 3 U d2  Ptb R.Tp 10 3 U d2  Q 2tb R.Tp 10 3 U d2 , Itb- Dòng tải trung bình mạng, xác định theo cơng thức: Itb = Wa2  Wp2 3.U d Tp , với: Wa vàWp- Năng lượng tác phản kháng phụ tải đấu vào mạng tiêu thụ thời gian Tp; Ud- điện áp định mức mạng, V; Stb- Công suất trung bình truyền tải mạng, kVA; Ptb, Qtb- Công suất tác dụng công suất phản kháng trung bình truyền tải mạng IX.3 Định giá điện Tiền điện xí nghiệp (hộ tiêu thụ) phải trả tính theo giá biểu đơn giá biểu kép 152 Theo giá biểu đơn, tiền điện phải trả sau khoảng thời gian định (1 tháng hoặc, năm) tính số lượng điện (kW.h) tiêu thụ khoảng thời gian (theo số đồng hồ đo điện tác dụng) nhân với đơn giá điện (đ/ kW.h) Cách tính nên áp dụng với hộ tiêu thụ với hộ tiêu thụ khơng phải xí nghiệp cơng nghiệp xí nghiệp cơng nghiệp có cơng suất nối mạng nhỏ Với xí nghiệp cơng nghiệp lớn, tiền điện thường tính theo biểu giá kép áp dụng hai phương thức sau: 1- Tính theo cơng suất tiêu thụ cực đại xí nghiệp (phần chính) số lượng điện tiêu thụ thực tế, xác định theo công thức: C = (a.Pmax + b.Wa).(1 K), đ/ năm, đó: Pmax- Cơng suất tiêu thụ cực đại xác định theo số đồng hồ đo, kW; a- Đơn giá kW công suất cực đại năm, đ/ kW.năm; b- Đơn giá điện năng, đ/ kW.h; Wa- Lượng điện xí nghiệp tiêu thụ năm, kW.h; k- Hệ số [ thưởng (-) (+)] tuỳ theo hệ số cơng suất cos thực tế xí nghiệp 2- Trả theo công suất nối mạng lượng điện tiêu thụ, xác định theo công thức: C = [a.(Sđ.ba + Sđ.đc) + b.Wa].(1k), đ/ năm đó: Sđ.ba- Tổng cơng suất định mức máy biến áp đấu vào mạng, kVA; Sđ.đc- Tổng công suất định mức động cao áp ( trừ động phép dự phịng theo luật an tồn, động đấu vào mạng với mục đích bù cơng suất phản kháng); a- Đơn giá công suất nối mạng năm, đ/ kVA.năm IX.4 Suất tiêu thụ điện Lượng điện tiêu thụ để xí nghiệp sản xuất đơn vị sản phẩm tiêu quan trọng để đánh giá việc sử dụng hợp lý điện Suất tiêu thụ điện đặc trưng choviệc sử dụng phương tiện giới tự động hố xí nghiệp, việc tăng cường trang bị cho q trình cơng nghệ Việc tổ chức khơng hồn hảo q trình sản xuất sử dụng không hết khả phương tiện giới hoá, dẫn đến hậu suất giảm suất tiêu thụ điện tăng Suất tiêu thụ điện xác định tỉ số: 153 a= Wa , kwh/đ.vị sản phẩm, z đó: Wa- Lượng điện tiêu thụ thời gian tính tốn, kwh; z- Sản lượng xí nghiệp thời gian tính tốn; nhiên sở suất tiêu thụ điện để đáng trình độ sử dụng điện xí nghiệp khơng hồn tồn xác, cơng nghiệp mỏ, suất tiêu thụ điện phụ thuộc vào điều kiện địa chất mỏ, độ chứa khí chiều sâu vỉa, độ xâm nhập nước ngầm v.v… Việc tiêu thụ điệnnăng cho thiết bị không tham gia vào sản xuất (bơm, quạt v.v…) xí nghiệp khác nhâu đáng kể, thiết bị có tham gia vào sản xuất có khác tiêu thụ điện Bởi lập kế hoạch cung cấp cho công nghiệp mỏ xây dựng định mức tiêu thụ điện năng, cần phải tính đến đặc điểm vùng nhóm mỏ loại Qua việc phân tích ta thấy Suất tiêu thụ điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nên việc tính suất tiêu thụ điện cách xác tương đối phức tạp thực tế để tính suất tiêu thụ điện người ta thường sử dụng phương pháp sau: Phương pháp tính tốn, phương pháp thực nghiệm - tính tốn phương pháp thơng kê Câu hỏi tập 1- Hệ số cơng suất cos gì? Ngun nhân hậu hệ số cos thấp? ý nghĩa việc nâng cao hệ số cos? 2- Các biện pháp dùng để nâng cao hệ số cos? 3- Phương pháp xác định giá trị điện cho xí nghiệp? 4- Suất tiêu thụ điện gì? Nó đặc trưng cho gì? Suất tiêu thụ điện có ý nghĩa xí nghiệp? Bài tập 1: Yêu cầu thiết kế lắp đặt tụ bù cho trạm bơm thoát nước xí nghiệp mỏ đặt máy bơm 75 kW Khi làm việc hệ số công suất trạm bơm có trị số cos = 0,7; Yêu cầu đặt tụ điện để nâng hệ số công suất lên 0,95 Bài tập 2: Yêu cầu lựa chọn tụ bù để nâng cao cos phân xưởng điện lên 0,95; Cơng suất tính tốn phân xưởng (80 + j105) kVA Xét khả giảm cỡ công suất máy biến áp đặt tụ bù? Bài tập 3: Một xí nghiệp có mặt cấp điện hình vẽ, u cầu thiết kế tính tốn tụ cho cos xí nghiệp 0,95 154 Cáp đồng (3.26+1.16) 15 m ) +1.6 3.10 ( g đồn m Cáp 40 24+J32KVA Cá pđ ồn g( 50 3.16+ m 1.1 0) M¸y khuÊy 30+j30 kva 42+J56KVA 155 Tài liệu tham khảo Bảo vệ rơ le hệ thống điện - GS.TS Trần Đình Long – NXB GD – Hà nội 1996 Cung cấp điện – Nguyễn Xuân Phú- NXB KHKT – Hà nội 1998 Điện khí hố mỏ – PGS.PTS Nguyễn Anh Nghĩa – NXB GD – Hà nội 1997 Thiết bị điện – Lê Thành Bắc – NXB KHKT – Hà nội 2001 156 Mục lục Mục Lời mở đầu Phần I Trạm điện xí nghiệp mỏ Chương I Hệ thống cung cấp điện I.1 Khái niệm chung hệ thống cung cấp điện I.2 Đặc điểm cung cấp điện xí nghiệp I Phân loại hộ dùng điện xí nghiệp I.4 Sơ đồ cung cấp điện I.5 Các yêu cầu việc lựa chọn phương án cung cấp điện Chương II Phụ tải điện xí nghiệp II.1 Đặt vấn đề II.2 Đồ thị phụ tải điện II.3 Các tham số đặc trưng phụ tải điện II.4 Các phương pháp xác định phụ tải điện Chương III Trạm biến áp xí nghiệp III.1 Khái quát phân loại III.2 Chọn vị trí trạm III.3 Sơ đồ nối dây trạm III.4 Tính tốn chọn dung lượng trạm III.5 Vận hành trạm biến áp Chương IV Ngắn mạch hệ thống điện IV.1 Khái niệm chung hệ thống điện IV.2 Tính tốn ngắn mạch mạng cao áp IV.3 Tính tốn ngắn mạch mạng hạ áp IV.4 Ngun nhân, tác hại, biện pháp ngăn ngừa ngắn mạch Phần II Mạng điên xí nghiệp Chương V Mạng điện V.1 Phân loại mạng điện V.2 Sơ đồ mạng điện cao áp hạ áp V.3 Tổn thất công suất tổn thất điện mạng điện V.4 Tính tốn tổn thất điện áp mạng điện V.5 Các phương pháp lựa chọn dây dẫn cáp mạng điện V.6 Tính tốn mạng cáp hạ áp khu vực Chương VI Lựa chọn thiết bị bảo vệ rơ le VI.1 Đặt vấn đề VI.2 Nguyên tắc chung để lựa chọn thiết bị điện phận có dịng điện chạy qua VI.3 Lựa chọn thiết bị điện cao áp VI.4 Lựa chọn thiết bị điện hạ áp VI.5 Bảo vệ rơ le hệ thống điện 157 Trang 2 11 11 11 13 17 22 22 22 23 28 31 39 39 42 55 58 70 70 70 70 73 78 85 90 101 101 101 104 108 109 Chương VII Kỹ thuật chiếu sáng mỏ VII.1 Ý nghĩa việc chiếu sáng mỏ VII.2 Các đại lượng kỹ thuật chiếu sáng VIII.3 Thiết bị chiếu sáng VII.4 Tính tốn chiếu sáng Chương VIII Cung cấp điện cho tàu điện VIII.1 Đặc điểm cung cấp điện cho tàu điện VIII.2 Cung cấp điện cho tàu điện cần vẹt VIII.3 Cung cấp điện cho tàu điện ắc quy VIII.4 Cung cấp điện cho tàu điện cao VIII.5 Cung cấp điện cho tàu dùng điện xoay chiều Chương IX Các tiêu kinh tế kỹ thuật hệ thống điện xí nghiệp IX.1 Hệ số cơng suất cosử IX.2 Tổn thất điện hệ thống cung cấp điện xí nghiệp IX.3 Định giá điện IX.4 Suất tiêu thụ điện Tài liệu tham khảo Mục lục 158 119 119 119 121 125 130 130 130 134 136 138 140 140 145 147 147 150 151 ... Các trạm điện xí nghiệp nguồn cung cấp điện cho phụ tải nội xí nghiệp Tuỳ theo nguồn cung cấp điện mà trạm điện xí nghiệp là: Trạm phát điện cục bộ: Trạm gồm máy phát điện để cung cấp đủ điện cho... thống cung cấp điện xí nghiệp Hệ thống cung điện xí nghiệp đảm nhiệm việc cung cấp điện cách tin cậy, kinh tế với chất lượng điện cho phép, tới hộ dùng điện công nghiệp Những hộ dùng điện bao gồm... phát triển, hệ thống cung cấp điện ngày phức tạp, bao gồm lưới điện: - Cực cao áp có cấp điện áp: U>800kV - Siêu cao áp có cấp điện áp : 330 kV< U< 800 kV - Cao áp có cấp điện áp : 66 kV< U< 220