Bài giảng môn cung cấp điện

1 Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ CUNG CẤP ĐIỆN 1.1. Mở đầu. 1.1.1. Đặc trưng của quá trình sản xuất và phân phối điện năng. Điện năng là một dạng năng lượng có nhất nhiều ưu điểm: dề dàng chuyển thành các dạng nặng lượng khác (nhiệt, cơ, hoá…), dễ truyền tải và phân phối. Trong quá trình sản xuất và phân phối điện năng có một số đặc điểm chính như: - Điện năng sản xuất ra, nói chung không tích trữ được (trừ một vài trường hợp đặc biệt với công suất nhỏ như pin, ăcquy), do đó tại mọi lúc ta phải đảm bảo cân bằng giữa lượng điện năng được sản xuất ra và lượng điện năng tiêu thụ. - Quá trình về điện xảy ra rất nhanh, do đó đòi hỏi phải sử dụng thiết bị tự động trong vận hành, điều độ, điều khiển v.v…. Hệ thống điện bao gồm các khâu: sản xuất, truyền tải, phâp phối, cung cấp tới các hộ tiêu thụ và sử dụng điện năng. 1.1.2. Phân loại hộ tiêu thụ. Tuỳ theo mức độ quan trọng mà các hộ tiêu thụ được phân thành ba loại: + Hộ loại 1: là hộ tiêu thụ mà khi ngừng cung cấp điện sẽ dẫn đến nguy hiểm đối với tính mạng con người, gây thiệt hại lớn về kinh tế, ảnh hưởng đến chính trị, quốc phòng v v… Đối với hộ loại một phải được cung cấp điện với độ tin cậy cao, thường dùng hai nguồn đi đến, đường dây hai lộ đến, có nguồn dự phòng. Thời gian mất điện thường được coi bằng thời gian tự động đóng nguồn dự trữ. + Hộ loại 2: là hộ tiêu thụ mà khi ngừng cung cấp điện sẽ gây ra thiệt hại lớn về kinh tế, gây ra hư hỏng sản phẩm, tạo nên thời gian chết của các nhân viên v.v Để cung cấp cho hộ loại 2 có thể dùng phương án có hoặc không có nguồn dự phòng, đường dây một lộ hay đường dây kép, ccần phải so sánh các phương án về mặt kinh tế và kỹ thuật. Cho phép ngừng cung cấp điện trong thời gian đóng nguòn dự trữ bằng tay. + Hộ loại 3: là những hộ tiêu thụ còn lại như khu dân cư, trường học, kho chứa v.v…. Đối với hộ loại 3 cho phép mất điện trong thời gian sửa chứa, thay thế thiết bị sự cố nhưng không cho phép quá 24 giờ. 1.2. Quy trình thiết kế hệ thống cung cấp điện. 1.2.1. Những yêu cầu khi thiết kế cung cấp điện. Mục tiêu cơ bản của thiết kế cung cấp điện là đảm bảo cho hộ tiêu thụ có đủ lượng điện năng yêu cầu với chất lượng điện tốt nhất. + Độ tin cậy cung cấp điện: Độ tin cậy cung cấp điện tuỳ thuộc vào hộ tiêu thụ thuộc loại nào. Trong điều kiện cho phép người ta cố gắng chọn phương án cung cấp điện có độ tin cậy càng cao càng tốt. 2 + Chất lượng điện: Chất lượng điện được đánh giá bằng hai chỉ tiêu là tần số và điện áp. Chỉ tiêu tiêu tần số do cơ quan điều khiển hệ thống điện điều chỉnh. Chỉ tiêu điện áp ở lưới trung áp và hạ áp cho phép dao động 5%, đối với những hộ có yêu cầu cao thì cho phép dao động 2,5%. + An toàn cung cấp điện: Hệ thống cung cấp điện phải được vận hành an toàn đối với người và thiết bị + Kinh tế: Chỉ tiêu kinh tế chỉ được xét đến khi các chỉ tiêu kỹ thuật nêu trên đây đã được đảm bảo. Chỉ tiêu kinh tế được đánh giá qua: tổng số vốn đầu tư, chi phí vận hành và thời gian thu hồi vốn đầu tư. 1.2.2. Các bước thiết kế. Bước 1: Thu thập dữ liệu ban đầu. - Nhiệm vụ, mục đích thiết kế cung cấp điện. - Đặc điểm quá trình công nghệ của công trình sẽ được cấp điện. - Dữ liệu về nguồn điện: Công suất, hướng cấp điện, khoảng cách đến hộ tiêu thụ. - Dữ liệu về phụ tải: công suất, phân bố, phân loại hộ tiêu thụ. Bước 2: Tính phụ tải tính toán. - Danh mục thiết bị. - Tính phụ tải động lực. - Tính phụ chiếu sáng. Bước 3: Chọn trạm biến áp, trạm phân phối. - Dung lượng, số lượng, vị trí của trạm biến áp, trạm phân phối. - Số lượng, vị trí của tủ phân phối, tủ động lực ở mạng hạ áp. Bước 4: Xác định phương án cung cấp điện. - Mạng cao áp. - Mạng hạ áp. - Sơ đồ nối dây của trạm biến áp, trạm phân phối. Bước 5: Tính toán ngắn mạch. - Tính toán ngắn mạch trong mạng cao áp. - Tính toán ngắn mạch trong mạng hạ áp. Bước 6: Lựa chọn các thiết bị. - Lựa chọn máy biến áp. - Lựa chọn tiết diện dây dẫn. - Lựa chọn thiết bị điện cao áp. - Lựa chọn thiết bị điện hạ áp. Bước 7: Tính toán chống sét và nối đất. - Tính toán chống sét cho trạm biến áp. - Tính toán chống sét cho đường dây cao áp. - Tính toán nối đất trung tính của máy biến áp hạ áp. 3 Bước 8: Tính toán tiết kiệm điện năng và nâng cao hệ số công suất Cos  . - Các phương pháp tiết kiệm điện năng và nâng cao hệ số công suất Cos tự nhiên. - Phương pháp bù băng tụ điện bù: xác định dung lượng bù, phân phối dụng lượng bù trong mạng cao áp và hạ áp. Bước 9: Bảo vệ rơ le và tự động hoá. - Bảo vệ rơ le cho MBA, đường dây cao áp, các thiết bị điện có công suất lớn. - Các biện pháp tự động hoá. - Các biện pháp thông tin điều khiển. Bước 10: Hồ sơ thiết kế cung cấp điện. - Bảng thống kê các dữ liệu ban đầu. - Bản vẽ mặt bằng công trình và phân bố phụ tải. - Bản vẽ sơ đồ nguyên lý cung cấp điện mạng cao áp, mạng hạ áp, mạng chiếu sáng. - Bản vẽ mặt bằng và sơ đồ đi dây của mạng cao áp, mạng hạ áp, mạng chiếu sáng. - Bản vẽ chi tiết các bộ phận như bảo vệ rơle, đo lường, tự động hoá, nối đất, thiết bị chống sét v v… - Các chỉ dẫn về vận hành và quản lý hệ thống cung cấp điện. 4 Câu hỏi chương 1 1. Phân loại hộ phụ tải 2. Các yêu cầu khi thiết kế cung cấp điện 3. Các bước thiết kế cung cấp điện 5 Chương 2 XÁC ĐỊNH PHỤ TẢI ĐIỆN 2.1. Đặt vấn đề. Khi thiết kế cung cấp điện cho bất cứ hộ tiêu thụ nào thì nhiệm vụ đầu tiên là phải xác định phụ tải điện của hộ tiêu thụ đó. Phụ tải đó được gọi là phụ tải tính toán. 2.2. Đồ thị phụ tải điện. Khái niệm: phụ tải điện là một hàm theo thời gian, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đặc điểm của quá trình công nghệ, chế độ vận hành v.v… + Đồ thị phụ tải hàng ngày: Đồ thị phụ tải hàng ngày là đồ thị phụ tải trong 24h, có thể do dựng cụ tự ghi hoặc do nhân viên vận hành ghi lại sau từng khoảng thời gian nhất định. Từ đồ thị phụ tải hàng ngày có thể biết được tình trạng làm việc của các thiết bị, tù đó đề ra quy trình vận hành hợp lý. + Đồ thị phụ tải hàng tháng: Đồ thị phụ tải hàng tháng được xây dựng theo phụ tải trung bình hàng tháng. Từ đồ thị phụ tải hàng tháng có thể biết được nhịp độ làm việc của hộ tiêu thụ, từ đó đề ra lịch sửa chữa, bảo dưỡng các thiết bị điện một cách hợp lý. + Đồ thị phụ tải hàng năm: Căn cứ vào đồ thị phụ tải điển hình của một ngày mùa hè và một ngày mùa đông có thể vẽ được đồ thị phụ tải hàng năm. 2.3. Các đại lượng và hệ số tính toán. a. Công suất định mức P đm .: Công suất định mức của thiết bị thường được ghi sẵn trong lý lịch máy hoặc trên nhãn hiệu máy. Công suất đặt: dc dm d P P   Trong đó: P đ : công suất đặt của động cơ KW. P đm : công suất định mức của động cơ KW.  dc : hiệu suất định mức của động cơ. Trong một vài trường hợp có thể coi P đ  P đm (động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc). Đối với các thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại như cần trục, máy hàn…khi tính phụ tải điện phải quy đổi về chế độ làm việc dài hạn. dmdmdm PP   ' b. Phụ tải trung bình P tb: .Phụ tải trung bình là một đặc trưng tĩnh của phụ tải trong một khoảng thời gian nào đó. Phụ tải trung bình của một thiết bị: t A p P tb   t A q Q tb   6 Phụ tải trung bình của nhóm thiết bị:    n i itb pP 1    n i itb qQ 1 c. Phụ tải cực đại P max . + Phụ tải cực đại P max : là phụ tải trung bình lớn nhất trong khoảng thời gian tương đối ngắn (5, 10, 30 phút) ứng với ca làm việc có phụ tải lớn nhất trong ngày. Phụ tải cực đại để tính tổn thất công suất lớn nhất, để chọn các thiết bị điện… + Phụ tải đỉnh nhọn P đn : là phụ tải cực đại trong khoảng thời gian 1 đến 2 giây. Phụ tải đỉnh nhọn dùng để kiểm tra dao động điện áp, điều kiện tự khởi động của động cơ, kiểm tra điều kiện làm việc của cầu chì….Cần quan tâm đến hai thông số của phụ tải đỉnh nhọn: thứ nhất là trị số, thứ hai là số lần xuất hiện của nó. d. Phụ tải tính toán P tt .: Phụ tải tính toán là phụ tải giả thiết lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải thực tế (biến đổi) về mặt hiệu ứng nhiệt lớn nhất. Quan hệ giữa phụ tải tính toán và các phụ tải khác như sau: P tb  P tt  P max e. Hệ số sử dụng k sd .: Hệ số sử dụng là tỷ số giữa phụ tải tác dụng trung bìnhvới công suất định mức của thiết bị. Đối với một thiết bị: dm tb sd p p k  Đối với một nhóm thiết bị:      n i dmi n i tbi dm tb sd p p P P k 1 1 Khi có đồ thị phụ tải ta có thể tính theo công thức: ) ( 21 2211 ndm nn sd tttP tPtPtP k    Hệ số sử dụng nói lên mức độ sử dụng, mức độ khai thác công suất của thiết bị trong một chu kỳ làm việc. f. Hệ số phụ tải k pt .: Hệ số phụ tải là hệ số giữa công suất thực tế với công suất định mức, thường xét trong một khoảng thời gian nào đó. dm thucte pt P P k  Hệ số phụ tải nói lên mức độ sử dụng, mức độ khai thác công suất của thiết bị trong thời gian đang xét. 7 g. Hệ số cực đại k max .: Hệ số cực đại là tỷ số giữa phụ tải tính toán với phụ tải trung bình trong khoảng thời gian đang xét. tb tt P P k  max Hệ số cực đại thường được tính ứng với ca làm việc có phụ tải lớn nhất, phụ thuộc vào số thiết bị hiệu quả, hệ số sử dụng và các yếu tố đặc trưng cho chế độ làm việc của các thiết bị điện trong nhóm, k max = f(k sd , n hq ). i. Hệ số nhu cầu k nc .: Hệ số nhu cầu là tỷ số giữa phụ tải tính toán với công suất định mức. sd tb tt dm tt nc kk P P P P k . max  j. Hệ số thiết bị hiệu quả n hq .: Số thiết bị hiệu quả nhq là số thiết bị giả thiết có cùng công suất và chế độ làm việc, chúng đòi hỏi phụ tải bằng phụ tải tính toán của nhóm phụ tải thực tế (gồm các thiết bị có chế độ làm việc và công suất khác nhau).              n i dmi n i dmi hq P P n 1 2 2 1 Thông thường n hq được tính theo phương pháp như sau: - Tính n n n 1   ; - Tính P P P 1   Trong đó: n là số thiết bị có trong nhóm; n 1 là số thiết bị có công suất không nhỏ hơn một nửa công suất của thiết bị có công suất lớn nhất. P và P 1 là tổng công suất ứng với n và n 1 thiết bị. - Tra bảng hoặc đường cong để tìm nhq * . - Tính n hq = n hq* .n. 2.4. Các phương pháp tính phụ tải tính toán. 2.4.1. Xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt và hệ số nhu cầu. Công thức tính:    n i dinctt PkP 1 tttt PQ  8  cos 22 tt tttttt P QPS  Trong một số trường hợp có thể lấy gần đúng P đ = P đm . Trong đó: P đi , P đmi – công suất đặt và công suất định mức thứ i, KW; P tt , Q tt , S tt – công suất tác dụng, phản kháng, toàn phần của nhóm thiết bị, KW, Kvar, KVA; n – số thiết bị trong nhóm . Khi hệ số công suất của các thiết bị trong nhóm không giống nhau thì phải tính hệ số công suất trung bình theo công thức:      n i i n i ii tb P P Cos 1 1 cos.  Hệ số nhu cầu tra trong sổ tay. - Ưu điểm là đơn giản, tính toán thuận tiện nên được dùng rộng rãi. - Nhược điểm là kém chính xác vì hệ số nhu cầu được tra trong sổ tay là một số không đổi phụ thuộc vào chế độ vận hành và số thiết bị trong nhóm máy, cho nên nếu chế độ vận hành và số thiết bị trong nhóm thay đổi nhiều thì kết quả tính sẽ kém chính xác. 2.4.2. Xác định phụ tải tính toán theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản suất. Công thức tính: P tt = p 0 .F Trong đó: p 0 – suất phụ tải trên 1 m 2 diện tích sản xuất, KW/m 2 ; F – diện tích sản xuất, m 2 . Giá trị p 0 được tra trong sổ tay. Phương pháp này chỉ cho kết quả gần đúng nên thường được sử dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, cho những phân xưởng có mật độ máy sản xuất phân bố tương đối đều như: dệt, gia công cơ khí… 2.4.3. Xác định phụ tải tính toán theo suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm. Công thức tính: max 0 . T wM P tt  Trong đó: M – số đơn vị sản phẩm được sản xuất ra trong một năm; w 0 – suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm, KWh/đvsp; T max – thời gian sử dụng công suất lớn nhất, h. Phương pháp này thường được sử dụng để tính toán cho các thiết bị điện có đồ thị phụ tải tương đối bằng phẳng như: quạt gió, máy nén khí… 9 2.4.4. Xác định phụ tải tính toán theo hệ số cực đại k max và công suất trung bình P tb (phương pháp số thiết bị hiệu quả n hq ). Khi cần chính xác ta có thể tính theo phương pháp này vì khi xác định số thiết bị hiệu quả nhq là đã xét tới một loạt yếu tố quan trọng như ảnh hưởng của số thiết bị trong nhóm, số thiết bị có công suất lớn chũng như sự khác nhau về chế độ làm việc khác nhau của chúng. Công thức tính: P tt = k max .k sd .P đm Trong đó: P đm – công suất định mức, KW; k max , k sd – hệ số cực đại và hệ số sử dụng. Hệ số sử dụng tra trong sổ tay, hệ số cực đại tính theo hệ số sử dụng và số thiết bị hiệu quả. Trong một số trường hợp có thể tính theo các công thức gần đúng sau: + Trường hợp n  3 và n hq < 4, phụ tải tính toán được tính theo công thức:    n i dmitt PP 1 + Khi thiết bị làm việc ở chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại: 875,0  dm tt S S  + Trường hợp n > 3 và n hq < 4, phụ tải tính toán được tính theo công thức:    n i dmiptitt PkP 1 . Trong đó: k pt – hệ số phụ tải của từng máy. Nếu không có số liệu chính xác có thể lấy: k pt = 0,9 đối với thiết bị làm việc dài hạn; k pt = 0,75 đối với thiết bị làm việc ngắn hạn lặp lại. + Các số liệu tra n hq chỉ cho đến giá trị 300, nếu n hq > 300 và k sd < 0,5 thì hệ số cực đại k max được lấy ứng với n hq = 300, còn khi n hq > 300 và k sd ≥ 0,5 ta có: P tt = 1,05.k sd .P đm + Đối với các thiết bị có đồ thị phụ tải bằng phẳng thì có thể lấy bằng phụ tải trung bình: P tt = k sd .P đm + Nếu trong mạng có các thiết bị một phathì phải cố gắng phân phối đều các thiết bị đó trên ba pha của mạng. 2.5. Trình tự tính toán phụ tải điện trong hệ thống cung cấp điện. Ngoài việc xác định phụ tải tính toán chúng ta còn phải xác định tổn thất công suất ở các cấp trong hệ thống điện. Tổn thất trong hệ thống xảy ra chủ yếu ở trên dây dẫn và trong máy biến áp. Nguyên tắc chung để tính phụ tải của hệ thống điện là tính từ thiết bị dùng điện ngược về nguồn. 2.6. Hướng dẫn cách chọn phương pháp xác định phụ tải tính toán. 10 - Khi tính phụ tải tính toán cho từng nhóm máy ở mạng điện áp thấp (U<1000V) nên dùng phương pháp tính theo hệ số cực đại, vì phương pháp này tương đối chính xác. - Khi phụ tải phân bố tương đối đều trên diện tích sản xuất, hoặc có số liệu chính xác về suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm thì có thể sử dụng phương pháp “suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản suất” hoặc phương pháp “suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm” để tính phụ tải tính toán. [...]... xác định phụ tải điện, các phương pháp xác định phụ tải điện 2 Phương pháp xác định phụ tải đặc biệt 3 Các hệ số thường gặp trong tính toán thiết kế cung cấp điện 11 Chương 3 PHƯƠNG ÁN CUNG CẤP ĐIỆN 3.1 Đặt vấn đề Phương án cung cấp điện bao gồm những vấn đề chính sau: cấp điện áp , nguồn điện , sơ đồ nối dây, phương thức vận hành v.v… Vì vậy , để xác định được phương án cung cấp điện hợp lý nhất phải... đang sử dụng là các cấp điện áp sau đây : a) cấp cao áp: - 500 kV- dùng cho hệ thống điện quốc gia nối liền 3 vùng bắc, trung , nam - 220 kV- dùng cho mạng điện khu vực - 110 kV- dùng cho mạng phân phối, cung cấp cho các phụ tải lớn b) cấp trung áp: - 22 kV- trung tính nối đất trực tiếp – dùng cho mạng điện địa phương , cung cấp cho các nhà máy vừa và nhỏ , cung cấp cho khu dân cư c) cấp hạ áp: - 380/220... cột k : hệ số an toàn 22 Câu hỏi chương 3 1 Các phương án cấp điện 2 Phương án cấp điện mạng cao áp cho xí nghiệp 3 Phương án cấp điện mạng hạ áp cho xí nghiệp 23 Chương 4 TRẠM BIẾN ÁP 4.1 Đặt vấn đề Trạm biến áp là một trong những phần tử quan trọng nhất của hệ thống cung cấp điện Trạm biến áp dùng để biến đổi từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác Dung lượng của các máy biến áp , vị trí , số lượng... về phụ tải điện Những yêu cầu cơ bản để thiết kế cung cấp điện: + Đảm bảo chất lượng điện , tức là đảm bảo tần số và điện áp nằm trong phạm vi cho phép + Đảm bảo độ tin cậy , tính liên tục cung cấp điện phù hợp với yêu cầu phụ tải + Thuận tiện trong vận hành lắp ráp và sửa chữa + Có chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật hợp lý 3.2 Sơ đồ nối dây của mạng điện cao áp Khi chọn sơ đồ nối dây của mạng điện phải... 4.4 Sơ đồ nối dây của trạm biến áp Trạm biến áp là nơi trực tiếp nhận điện năng từ lới đa về để cung cấp điện cho nhà máy Do đó sơ đồ nối dây của trạm có ảnh hởng lớn và trực tiếp tới vấn đề an toàn liên tục cung cấp điện cho nhà máy Vì vậy sơ đồ nối dây của trạm phải thoả mãn những điều kiện sau đây: + Đảm bảo liên tục cung cấp điện theo yêu cầy của phụ tải + Sơ đồ nối dây rõ ràng, thuận tiện trong... tắc quá tải của máy biến áp 3 Phương pháp vận hành tối ưu máy biến áp 33 Chương 5 TÍNH TOÁN VỀ ĐIỆN 5.1 Tính toán tổn thất công suất , tổn thất điện năng và tổn thất điện áp trong mạng điện Khi tính toán so sánh các phương án cung cấp điện người ta phải tính tổn thất công suất , tổn thất điện năng và tổn thất điện áp 5.1.1 Tổn thất công suất trên đường dây Giả sử một dây dẫn có tổng trở là R  jX ,... nhánh nối hình vòng để tăng độ tin cậy + Sơ đồ hình tia được cung cấp bằng hai đường dây để tăng độ tin cậy + Sơ đồ phân nhánh được cung cấp bằng hai đường dây để nâng cao độ tin cậy 3.3 Sơ đồ nối dây của mạng điện hạ áp – mạng phân xưởng Mạng điện hạ áp ở đây được hiểu là mạng động lực hoặc mạng chiếu sáng trong phân xưởng với cấp điện áp thường là 380/220 V hoặc 220/127 V - Sơ đồ mạng động lực:... sau: + Trạm biến áp trung gian: Trạm có nhiệm vụ nhận điện của hệ thống điện ở cấp cao có U = 110 – 220 kV để biến đổi thành cấp trung áp co U = 22 – 35 kV + Trạm biến áp phân xưởng: Trạm nhận điện từ trạm biến áp trung gian biến đổi xuống các loại điện áp thích hợp để phục vụ cho các phụ tải phân xưởng Phía sơ cấp có thể là 22 hoặc 35 kV , phía thứ cấp có thể là 660 V , 380/220 V hoặc 20/127 V Về mặt... phải sơ bộ xác định phương án cung cấp điện trong nội bộ xí nghiệp Trên cơ sở các phương án đã được chấp thuận mới có thể tiến hành so sánh kinh tế kỹ thuật để trọn vị trí , số lượng trạm biến áp trong xí nghiệp Vị trí của các trạm biến áp phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau đây : + An toàn và liên tục cung cấp điện + Gần trung tâm phụ tải , thuận tiện cho nguồn cung cấp đi tới + Thao tác, vận hành,... phân tán của phụ tải trong xí nghiệp , phụ thuộc vào tính chất quan trọng của phụ tải về măt liên tục cấp điện (phụ tải xếp loại nào) Vấn đề số lượng trạm liên quan chặt chẽ tới phương án cung cấp điện trong xí nghiệp , do đó phải tiến hành so sánh kinh tế ngay khi xác định các phương án cung cấp điện 4.3.2 Xác định dung lượng trạm và dung lượng máy biến áp Khi xác định dung lượng của trạm và của . cậy cung cấp điện: Độ tin cậy cung cấp điện tuỳ thuộc vào hộ tiêu thụ thuộc loại nào. Trong điều kiện cho phép người ta cố gắng chọn phương án cung cấp điện. thống cung cấp điện. 4 Câu hỏi chương 1 1. Phân loại hộ phụ tải 2. Các yêu cầu khi thiết kế cung cấp điện 3. Các bước thiết kế cung cấp điện