Giáo trình cung cấp điện (nghề điện công nghiệp trình độ cao đẳngtrung cấp)

KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

Khái quát về nguồn năng lượng tự nhiên và năng lượng điện

Các nguồn năng lượng tự nhiên như than đá, dầu khí, nước từ sông và biển, năng lượng mặt trời, nhiệt trong lòng đất, và gió đều rất phong phú và quý giá cho con người Mặc dù những nguồn năng lượng này rất dồi dào, chúng vẫn không thể được kiểm soát hoàn toàn.

Năng lượng điện (điện năng) hiện nay rất phổ biến với sản lượng toàn cầu ngày càng tăng, đạt hàng nghìn tỷ kWh mỗi năm 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 (cơ, hóa, nhiệt, v.v ), khả năng truyền tải xa, hiệu suất cao và tính kiểm soát tốt.

Trong sản xuất và phân phối điện năng, có một số đặc điểm quan trọng cần lưu ý Đầu tiên, điện năng không thể tích trữ như các sản phẩm khác, trừ một số trường hợp đặc biệt với pin và ắc quy Do đó, cần duy trì sự cân bằng giữa sản xuất và tiêu thụ điện năng, bao gồm cả tổn thất trong quá trình truyền tải Điều này ảnh hưởng đến quy hoạch và thiết kế hệ thống cung cấp điện, nhằm đảm bảo chất lượng điện năng với giá trị điện áp và tần số ổn định Thêm vào đó, các quá trình điện xảy ra rất nhanh, như sóng điện từ truyền trong dây dẫn với tốc độ gần bằng ánh sáng, và các hiện tượng như sóng sét hay ngắn mạch diễn ra trong thời gian rất ngắn Điều này yêu cầu sử dụng thiết bị tự động trong vận hành, bao gồm bảo vệ, điều chỉnh và điều khiển để đảm bảo hệ thống điện hoạt động tin cậy và kinh tế.

Ngành điện lực đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của hầu hết các lĩnh vực kinh tế quốc dân như khai thác mỏ, xây dựng dân dụng và công nghiệp nhẹ Nó không chỉ là động lực tăng năng suất lao động mà còn góp phần tạo ra sự phát triển cân đối trong cấu trúc kinh tế.

Hiểu rõ đặc điểm này 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 phát triển cân đối và giảm thiểu thiệt hại kinh tế quốc dân do phải hạn chế nhu cầu sử dụng điện Điện năng chủ yếu được sản xuất dưới dạng điện xoay chiều với tần số 60Hz.

Mỹ và Canada) hay 50Hz (tại Việt Nam và các nước khác).

Mạng lưới điện

1.2.1 Khái quát về hệ thống điện

Hệ thống điện cơ bản gồm có: nguồn điện, truyền 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 năng bao gồm tất cả các lĩnh vực trong kinh tế và đời sống như công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, giao thông vận tải, thương mại, dịch vụ và sinh hoạt Để cung cấp điện từ nguồn phát đến các hộ tiêu thụ, lưới điện được sử dụng như một phương tiện truyền tải hiệu quả.

- Lưới điện bao gồm đường dây tải điện và trạm biến áp.

Lưới điện Việt Nam hiện có nhiều cấp điện áp, bao gồm 0,4kV, 6kV, 10kV, 22kV, 35kV, 110kV, 220kV và 500kV Tuy nhiên, một số chuyên gia dự đoán rằng trong tương lai, lưới điện Việt Nam nên chỉ giữ lại năm cấp điện áp chính: 0,4kV, 22kV, 110kV, 220kV và 500kV.

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 một hệ thống điện cơ bản

1.2.2 Các nhà máy điện đặc trưng a Nhà máy thủy điện (NMTĐ)

Nguyên lý biến đổi năng lượng: Thủy năng  Cơ năng  Điện năng.

Nguyên lý hoạt động chính của nhà máy thủy điện là chuyển đổi năng lượng của dòng nước thành năng lượng cơ học, giúp quay trục tuốc bin thủy lực và từ đó sản xuất điện năng Trong khi đó, nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) sử dụng nhiệt năng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu để tạo ra hơi nước, làm quay turbine và sinh ra điện.

Nguyên lý biến đổi năng lượng: Nhiệt năng  Cơ năng  Điện năng. c Nhà máy điện nguyên tử (NMĐNT)

Nguyên lý biến đổi năng lượng: Nhiệt năng  Cơ năng  Điện năng.

Nhà máy điện nguyên tử tương tự như nhà máy nhiệt điện trong việc chuyển đổi năng lượng, nhưng nhiệt năng tại đây được sinh ra từ phản ứng hạt nhân, không phải từ việc đốt cháy nhiên liệu hữu cơ Nhiệt năng này được tạo ra khi phá vỡ liên kết hạt nhân của Uranium-235 hoặc Plutonium-239 trong lò phản ứng Vì vậy, trong khi nhà máy nhiệt điện sử dụng lò hơi, nhà máy điện nguyên tử lại sử dụng lò phản ứng và các máy sinh hơi đặc biệt.

Nguyên lý cơ bản đó là chuyển đổi năng lượng nhiệt của mặt trời thành điện năng có thể được thực hiện theo hai phương thức:

Một trong những phương thức hoạt động của nhà máy năng lượng mặt trời là sử dụng hệ thống giống như nhà máy nhiệt điện, trong đó lò hơi được thay thế bằng hệ thống kính hội tụ để thu nhận nhiệt bức xạ mặt trời, từ đó tạo ra hơi nước để quay tua-bin.

Phương thức chuyển đổi quang năng thành điện năng thông qua pin mặt trời là một giải pháp hiệu quả, khi pin mặt trời trực tiếp biến đổi bức xạ năng lượng mặt trời thành điện mà không cần qua bước trung gian nhiệt Bên cạnh đó, nhà máy năng lượng địa nhiệt cũng đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo này.

Nhà máy năng lượng địa nhiệt khai thác sức nóng từ lòng đất để làm nước bốc hơi, tạo ra hơi nước với áp suất cao Hơi nước này quay tuốc bin hơi nước, từ đó kéo máy phát điện và chuyển đổi năng lượng địa nhiệt thành năng lượng điện Bên cạnh đó, nhà máy điện gió (nhà máy phong điện) cũng là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng.

Nguyên lý biến đổi năng lượng: Phong năng  Cơ năng  Điện năng.

Hệ thống cánh quạt tận dụng sức gió bằng cách quay đối diện với chiều gió Qua bộ biến đổi tốc độ, cánh quạt quay làm cho máy phát điện hoạt động, từ đó sản xuất ra điện năng.

1.2.3 Các loại mạng lưới điện a Phân loại theo tiêu chuẩn về loại dòng điện:

Mạng lưới điện xoay chiều

Mạng lưới điện một chiều. b Phân loại theo chuẩn điện áp:

Mạng lưới điện siêu cao áp: là mạng điện có Uđm ≥ 330 kV

Mạng lưới điện cao áp là: mạng điện có Uđm = 3kV ÷ 220 kV

Mạng lưới điện hạ áp: là mạng điện có Uđm  1 kV.

Theo chuẩn điện áp Việt Nam hiện tại có các loại mạng lưới điện:

Mạng lưới điện siêu cao áp (500kV)

Mạng lưới điện cao áp (110kV, 220kV)

Mạng lưới điện trung áp (35kV, 22kV, 10kV, 6kV)

Mạng lưới điện hạ áp ( dưới 0,4kV). c Phân loại theo hình dáng sơ đồ mạng điện:

Mạng điện một chiều là hệ thống mà hộ tiêu thụ chỉ nhận điện từ một nguồn duy nhất Mặc dù vận hành đơn giản và dễ tính toán, nhưng mức độ bảo đảm cung cấp điện của loại mạng này tương đối thấp.

Mạng điện là hệ thống cung cấp điện cho hộ tiêu thụ từ ít nhất hai phía, mang lại độ tin cậy cao trong việc cung cấp điện Tuy nhiên, việc tính toán và vận hành loại mạng này gặp nhiều khó khăn và phức tạp Dựa trên nhiệm vụ và chức năng, mạng điện có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau.

- Mạng điện truyền tải và truyền tải phụ: (mạng lưới điện cung cấp)

Mạng truyền tải trên không có vai trò quan trọng trong việc chuyển tải năng lượng từ các nhà máy phát điện đến mạng phân phối, nơi cung cấp điện cho người tiêu dùng Đồng thời, các đường dây truyền tải kết nối các hệ thống điện lân cận, giúp điều phối kinh tế năng lượng giữa các vùng trong điều kiện hoạt động bình thường và hỗ trợ chuyển tải năng lượng trong trường hợp xảy ra sự cố.

Mạng truyền tải điện áp dây trên 60kV được tiêu chuẩn hóa theo tiêu chuẩn ASNI với các mức 69kV, 115kV, 138kV, 161kV, 230kV, 345kV, 500kV và 765kV Trong đó, điện áp truyền tải trên 230kV thường được phân loại là siêu cao áp.

Mạng lưới điện cung cấp Việt Nam hiện nay có điện áp: 110kV; 220kV và 500kV.

Đường dây phân phối sơ cấp đóng vai trò kết nối giữa các trạm phân phối và hộ tiêu thụ, thường hoạt động ở mức điện áp từ 4 đến 34,5 kV Chúng cung cấp điện cho các khu vực địa lý cụ thể và một số phụ tải công nghiệp nhỏ có thể được cung cấp trực tiếp qua các đường dây cáp sơ cấp.

Mạng phân phối thứ cấp giảm điện áp cho các hộ tiêu thụ dân dụng và kinh doanh Dây và cáp điện có chiều dài tối đa vài trăm mét, sau đó cung cấp năng lượng cho từng hộ tiêu thụ riêng biệt.

Mạng phân phối thứ cấp cung cấp điện cho hầu hết các hộ tiêu thụ với các mức điện áp 240/120V, 400/240V và 480/277V theo hệ thống ba pha 4 dây Hiện nay, điện năng cho các hộ tiêu thụ điển hình thường được cung cấp từ máy biến áp, giảm điện áp xuống 400/240V qua hệ thống ba pha 4 dây.

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý mạng điện hở

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý mạng điện kín

Mạng lưới điện phân phối Việt Nam hiện nay có điện áp: 0,4kV; 6kV; 10kV; 22kV và 35kV. e Phân loại theo phạm vi cấp điện:

Mạng lưới điện khu vực và mạng lưới điện địa phương. f Phân loại theo số pha:

Mạng lưới điện một pha

Mạng lưới điện hai pha

Mạng lưới điện ba pha. g Phân loại theo đối tượng cấp điện:

Mạng lưới điện công nghiệp

Mạng lưới điện nông nghiệp

Mạng lưới điện đô thị.

1.2.4.1 Sơ đồ mạng điện áp cao

Hộ tiêu thụ

Hộ tiêu thụ điện (HTT), còn được gọi là hộ dùng điện hoặc phụ tải điện, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống năng lượng Phụ tải điện rất đa dạng và được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, phản ánh sự phong phú trong nhu cầu sử dụng điện.

1.3.2 Phân loại hộ tiêu thụ a Theo ngành nghề phụ tải được phân làm 2 loại:

Phụ tải kinh doanh và dân dụng. b Theo chế độ làm việc phụ tải được phân làm 3 loại:

Phụ tải làm việc dài hạn

Phụ tải làm việc ngắn hạn

Phụ tải làm việc ngắn hạn lặp lại c Theo yêu cầu liên tục cung cấp điện phụ tải được phân làm 3 loại:

- Phụ tải loại 1 (HTT loại 1)

Là những hộ rất quan trọng, không được để mất điện, nếu xảy ra mất điện sẽ gây hậu quả nghiêm trọng, cụ thể:

Các cơ sở như sân bay, hải cảng, khu quân sự, khu ngoại giao, đại sứ quán, nhà ga, bến xe và các trục giao thông chính trong thành phố có ảnh hưởng trực tiếp đến chính trị, an ninh quốc phòng và trật tự xã hội.

Thiệt hại kinh tế từ các khu công nghiệp, khu chế xuất, ngành dầu khí, luyện kim và nhà máy cơ khí lớn rất nghiêm trọng Những cơ sở này không chỉ đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân mà còn góp phần tạo ra giá trị xuất khẩu cao, mang lại nhiều ngoại tệ cho đất nước.

+ Gây hậu quả nghiêm trọng về tính mạng con người như phòng mổ, phòng cấp cứu của bệnh viện…

Hệ thống HTT loại 1 yêu cầu cung cấp điện với độ tin cậy tối đa, đòi hỏi phải có nguồn dự phòng Điều này có nghĩa là hộ loại 1 cần được cấp điện từ ít nhất hai nguồn độc lập Thời gian mất điện cho phép ở hộ loại 1 tương đương với thời gian đóng nguồn dự phòng của các thiết bị tự động.

- Phụ tải loại 2 (HTT loại 2)

Là những hộ tương tự như HTT loại 1, nhưng hậu quả do mất điện gây ra không nghiêm trọng như HTT loại 1.

Ngừng cung cấp điện cho HTT loại 2 gây ra thiệt hại kinh tế nghiêm trọng, bao gồm gián đoạn sản xuất, hư hỏng sản phẩm và lãng phí nguồn lao động.

HTT loại 2 bao gồm các xí nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng như xe đạp, vòng bi, bánh kẹo, đồ nhựa và đồ chơi trẻ em, cùng với các lĩnh vực thương mại và dịch vụ như khách sạn, siêu thị và trung tâm thương mại lớn.

Phương án cung cấp điện cho hệ thống HTT loại 2 có thể bao gồm hoặc không bao gồm nguồn dự phòng Quyết định này phụ thuộc vào việc so sánh giữa chi phí đầu tư ban đầu cần tăng thêm và giá trị thiệt hại kinh tế do việc ngừng cung cấp điện trong quá trình vận hành.

- Phụ tải loại 3 (HTT loại 3)

Là những HTT không được coi là quan trọng, đó là hộ chiếu sáng sinh hoạt đô thị và nông thôn.

Thời gian mất điện cho bằng thời gian sửa chữa thay thế thiết bị, nhưng thường không quá một ngày đêm.

Phương án cung cấp điện cho hộ loại 3 có thể dùng một nguồn.

Cách phân loại hệ thống điện hiện tại chỉ mang tính tạm thời, phù hợp với giai đoạn phát triển kinh tế còn thấp của đất nước Khi nền kinh tế phát triển hơn, tất cả các hệ thống điện sẽ được nâng cấp thành loại một, đảm bảo cung cấp điện liên tục.

Một số ký hiệu cơ bản trên sơ đồ cung cấp điện

Bảng 1.3 Bảng ký hiệu một số phần tử trong bản vẽ thiết kế cung cấp điện.

Thiết bị Ký hiệu Thiết bị Ký hiệu

Máy phát điện hoặc nhà máy điện Động cơ điện

Máy biến áp 2 cuộn dây Khởi động từ

Máy biến áp 3 cuộn dây Máy biến áp điều chỉnh dưới tải

Máy cắt điện Cầu chì.

Cầu dao cách ly Aptômát (CB)

Máy cắt phụ tải Cầu chì tự rơi (FCO)

Tủ điều khiển Tụ điện bù

Tủ chiếu sáng cục bộ Tủ chiếu sáng làm việc

Tủ phân phối Tủ phân phối động lực Đèn sợi đốt Đèn huỳnh quang Ổ cắm điện Công tắc điện hoặc

Kháng điện Máy biến dòng điện

Dây cáp điện Dây dẫn điện

Thanh dẫn (thanh cái) Dây dẫn tần số ≠ 50Hz

Dây dẫn mạng hai dây Dây dẫn mạng 4 dây. Đường dây điện áp

U ≤ 36V Đường dây mạng động lực

Chống sét ống Chống sét van

Câu 1 Hãy trình bày nguyên lý biến đổi năng lượng của các nhà máy điện.

Câu 2 Hãy nêu và phân tích đặc điểm năng lượng điện.

Để phân loại các hộ tiêu thụ điện xí nghiệp, người ta dựa vào các chỉ tiêu như công suất tiêu thụ, loại hình sản xuất và quy mô hoạt động Các hộ tiêu thụ điện được chia thành nhiều nhóm khác nhau, từ những doanh nghiệp nhỏ đến các nhà máy lớn, mỗi loại hình đều có đặc điểm riêng Phương án cấp điện cho các hộ này thường được thiết kế dựa trên nhu cầu sử dụng thực tế, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả, đồng thời tối ưu hóa chi phí Việc phân loại và phân tích đặc điểm của từng nhóm hộ tiêu thụ giúp nâng cao hiệu quả cung cấp điện và đáp ứng tốt hơn nhu cầu sản xuất.

TÍNH TOÁN PHỤ TẢI ĐIỆN

Đặt vấn đề

Khi thiết kế hệ thống cung cấp điện cho hộ tiêu thụ, việc xác định nhu cầu điện là rất quan trọng Nhu cầu điện cần được đánh giá dựa trên quy mô của phụ tải thực tế và dự kiến khả năng phát triển trong 5 đến 10 năm tới hoặc lâu hơn Điều này giúp giải quyết bài toán dự báo phụ tải, cả ngắn hạn lẫn dài hạn.

Dự báo phụ tải ngắn hạn là quá trình xác định phụ tải của công trình ngay khi bắt đầu hoạt động Phụ tải này 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 thiết bị bảo vệ Ngoài ra, phụ tải tính toán còn được sử dụng để tính toán tổn thất công suất, tổn thất điện áp và lựa chọn các thiết bị bù phù hợp.

Phụ tải tính toán là số liệu quan trọng trong thiết kế cung cấp điện Các phương pháp xác định phụ tải tính toán được phân chia thành các nhóm chính.

Nhóm thứ nhất bao gồm các phương pháp sử dụng hệ số tính toán dựa trên kinh nghiệm trong thiết kế và vận hành Những phương pháp này có ưu điểm là tính toán dễ dàng, nhưng chỉ mang lại kết quả gần đúng.

Các phương pháp chính của nhóm này là:

- Phương pháp hệ số nhu cầu (knc)

- 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 tính đến ảnh hưởng của nhiều yếu tố Điều này giúp mang lại kết quả chính xác hơn, mặc dù quá trình tính toán có phần 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 tính theo số thiết bị hiệu quả.

Tùy thuộc vào quy mô và đặc điểm của công trình, cũng như giai đoạn thiết kế (sơ bộ hay kỹ thuật thi công), việc chọn phương pháp xác định phụ tải phù hợp là rất quan trọng.

Đồ thị phụ tải

2.2.1 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.

2.2.2 Phân loại a Theo loại công suất 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)} b Theo dạng đồ thị phụ tải có:

- Đồ thị phụ tải liên tục (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 là một loại đồ thị chuyển đổi từ đồ thị thực tế sang dạng nấc thang, giúp tối ưu hóa quá trình tính toán phụ tải.

Hình 2.1 Đồ thị phụ tải liên tục Hình 2.2 Đồ thị phụ tải bậc thang c Theo thời gian khảo sát có:

- Đồ thị phụ tải hằng ngày:

Là dạng đồ thị phụ tải được xây dựng với thời gian khảo sát là 24 giờ (như hình 2.1 và hình 2.2)

Nghiên cứu đồ thị phụ tải hằng ngày giúp xác định tình trạng hoạt động của các thiết bị Từ đó, có thể xây dựng qui trình vận hành tối ưu để đạt được đồ thị phụ tải tương đối ổn định.

- Đồ thị phụ tải hằng tháng:

Là dạng đồ thị phụ tải được xây dựng theo phụ tải trung bình hằng tháng cho một năm (hình 2.3).

Nghiên cứu đồ thị phụ tải hàng tháng giúp xác định nhịp độ làm việc của hộ tiêu thụ, từ đó lập kế hoạch vận hành và sửa chữa thiết bị một cách hợp lý, đáp ứng yêu cầu sản xuất.

- Đồ thị phụ tải hằng năm:

Là dạng đồ thị phụ tải được xây dựng căn cứ vào đồ thị phụ tải điển hình của một ngày mùa đông và một ngày mùa hè (hình 2.4).

Đồ thị phụ tải hằng năm được xác định thông qua việc phân tích đồ thị phụ tải điển hình trong các mùa Cụ thể, đồ thị phụ tải điển hình của một ngày mùa đông và mùa hè giúp làm rõ sự biến đổi của nhu cầu sử dụng điện trong năm Việc này cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về các xu hướng tiêu thụ điện trong từng thời điểm khác nhau.

Giả sử có n1 là số ngày trong một tháng vào mùa hè, n2 là số ngày trong một tháng vào mùa đông.

Với mức công suất P2 thì phụ tải mùa đông tồn tại trong khoảng thời gian (t2+ t / 2), hình 2.4a;

Phụ tải mùa hè tồn tại trong khoảng thời gian t // 2, hình 2.4b

Vậy trong một năm mức phụ tải P2 tồn tại trong khoảng thời gian

T2 = (t2 + t / 2).n2 + t // 2.n1 (2.1) Tương tự, trong một năm mức phụ tải P1 tồn tại trong khoảng thời gian

Nghiên cứu đồ thị phụ tải hằng năm giúp xác định lượng điện năng tiêu thụ và thời gian sử dụng công suất lớn nhất (Tmax) của hệ thống Những dữ liệu này là cơ sở quan trọng để lựa chọn dung lượng máy biến áp và thiết bị điện, cũng như đánh giá mức độ sử dụng và tiêu hao điện năng Đồ thị phụ tải hằng năm còn hỗ trợ dự báo nhu cầu điện trong năm và hiệu quả kinh tế trong cung cấp điện.

Các đặc trưng của đồ thị phụ tải thể hiện qua các hệ số và các đại lượng:

- Công suất cực đại Pmax(kW)

Là giá trị công suất lớn nhất trong khoảng thời gian khảo sát.

- Công suất trung bình Ptb(kW)

Là đặc trưng tĩnh cơ bản của phụ tải trong khoảng thời gian khảo sát.

(2.3) Trong đó: AT - là điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian khảo sát T

- Công suất cực tiểu Pmin(kW)

Là giá trị công suất nhỏ nhất trong khoảng thời gian khảo sát.

- Điện năng tiêu thụ (AT): Thể hiện qua phần diện tích giới hạn bởi đường cong đồ thị phụ tải và các hệ trục tọa độ.

Trong đó: Pi - là công suất trong khoảng thời gian khảo sát thứ i. ti - là giá trị thời gian của đoạn khảo sát thứ i.

T- là thời gian khảo sát.

Pmax- là công suất cực đại trong khoảng thời gian khảo sát

- Hệ số điền kín phụ tải (kđk)

Là tỷ số giữa công suất trung bình và công suất cực đại

(2.5) Đối với đồ thị phụ tải hằng ngày, kđk được xác định theo biểu thức:

Thường kđk  1, với kđk = 1 thì đồ thị phụ tải có dạng bằng phẳng.

- Hệ số hình dáng của đồ thị phụ tải (khd)

Là đặc trưng không đồng đều của đồ thị phụ tải theo thời gian.

Trong đó: Ptbbp- là công suất trung bình bình phương

Ptb- là công suất trung bình

Khd = 1 khi phụ tải không đổi theo thời gian.

Trong điều kiện vận hành, để thuận tiện thường xác định khd theo chỉ số đo của đồng hồ điện năng tác dụng (hay phản kháng)

Trong bài viết này, Ap đại diện cho điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian T theo chỉ số của công tơ Số n là số phân đoạn thời gian được sử dụng để chia nhỏ đồ thị phụ tải trong thời gian T.

Api- là điện năng tiêu thụ trong thời gian theo chỉ số của công tơ

- Thời gian sử dụng công suất cực đại (Tmax)

Trong khoảng thời gian lý thuyết, khi công suất Pmax được duy trì không đổi, lượng điện năng A sẽ tương đương với lượng điện năng tiêu thụ thực tế.

Hình 2.5 Đồ thị phụ tải hai cấp

Nếu thời gian t1 càng kéo dài hơn thời gian t2 thì Tmax càng lớn.

Tmax phụ thuộc vào đặc điểm của phụ tải và quy trình hoạt động của các xí nghiệp công nghiệp, đồng thời có thể được tham khảo từ các sổ tay thiết kế cung cấp điện.

Đồ thị phụ tải đóng vai trò quan trọng trong thiết kế cung cấp điện, cung cấp các số liệu và đại lượng cần thiết Ngoài ra, đồ thị phụ tải hàng ngày còn mang lại thông tin bổ ích khác.

- Số ca làm việc trong ngày

- Tính chất của phụ tải: phụ tải công nghiệp, phụ tải dân dụng,…

- Tính hợp lý trong việc tiêu thụ điện của phụ tải nhằm đề ra biện pháp giảm chi phí tiền điện cho sản xuất, …

Các đại lượng cơ bản

2.3.1 Công suất định mức (P đm )

Công suất định mức là công suất của thiết bị điện, được nhà chế tạo ghi trên lý lịch hoặc nhãn máy, thể hiện bằng công suất tác dụng Pđm cho động cơ, lò điện trở, bóng đèn và công suất biểu kiến Sđm cho máy biến áp, lò điện cảm ứng Công suất này được tính cho thời gian làm việc lâu dài Đối với động cơ, công suất định mức trên nhãn máy chính là công suất cơ trên trục động cơ, với công thức Pđm = Uđm.Iđm.cosφđm cho động cơ một pha và Pđm = Uđm.Iđm.cosφđm cho động cơ ba pha.

Là công suất đầu vào của động cơ

Pđm- Công suất định mức của động cơ, kW

- Hiệu suất định mức của động cơ.

Do hiệu suất định mức của động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc tương đối cao (η = 0,8 đến 0,95), người ta thường bỏ qua hiệu suất trong tính toán để đơn giản hóa, và do đó có thể coi Pđ ≈ Pđm.

- Đối với thiết bị chiếu sáng

Công suất đặt của đèn là giá trị được ghi trên đế hoặc bầu đèn, tương ứng với công suất tiêu thụ khi điện áp mạng điện đạt mức định mức.

Khi tính toán phụ tải điện cho các thiết bị điện hoạt động ngắn hạn lặp lại như cầu trục và máy hàn, cần quy đổi về công suất định mức trong chế độ làm việc dài hạn, tức là chuyển đổi sang chế độ làm việc với hệ số tiếp điện % = 100%.

+ Đối với động cơ: Pđ = P'đm = Pđm (2.13)

P'đm- là công suất định mức đã quy về chế độ làm việc dài hạn.

Pđm- (đm- các tham số định mức cho trong lý lịch máy)

+ Đối với máy biến áp của lò điện, máy biến áp hàn

Trong đó: Sđm- Công suất biểu kiến định mức của máy biến áp cosđm- hệ số công suất, ghi trong lý lịch máy.

2.3.3 Phụ tải trung bình (P tb )

Là một đặc trưng tĩnh của phụ tải trong một khoảng thời gian khảo sát, được xác định bằng biểu thức:

Trong đó: t- Là thời gian khảo sát (h).

AP; Aq- Là điện năng tác dụng và phản kháng trong khoảng thời gian khảo sát (kW.h; kVAr.h).

Phụ tải trung bình của một nhóm thiết bị:

Tổng công suất trung bình của các thiết bị là yếu tố quan trọng để đánh giá mức độ sử dụng và xác định phụ tải tính toán Phụ tải trung bình thường được xác định dựa trên thời gian khảo sát, có thể là trong một ca làm việc, một tháng hoặc một năm.

2.3.4 Phụ tải cực đại: được chia làm hai nhóm a Phụ tải cực đại dài hạn (P max )

Phụ tải trung bình lớn nhất trong khoảng thời gian ngắn là yếu tố quan trọng trong việc tính toán lưới điện và máy biến áp theo phát nóng Thông thường, phụ tải này được xác định trong các khoảng thời gian 5 phút, 10 phút, 30 phút hoặc 60 phút, với 30 phút là thời gian phổ biến nhất, ký hiệu là P30, Q30, S30 Đôi khi, phụ tải cực đại được sử dụng để làm cơ sở cho các tính toán phụ tải.

Phụ tải cực đại được sử dụng để tính toán tổn thất công suất lớn nhất và lựa chọn thiết bị điện, cũng như dây dẫn và dây cáp dựa trên mật độ dòng điện kinh tế Phụ tải cực đại ngắn hạn, hay còn gọi là phụ tải đỉnh nhọn (P đn), đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nhu cầu điện năng tối đa trong khoảng thời gian ngắn.

Là phụ tải cực đại xuất hiện trong khoảng thời gian 1  2 giây.

Phụ tải đỉnh nhọn được sử dụng để kiểm tra dao động điện áp, đánh giá điều kiện tự khởi động của động cơ, lựa chọn dây chảy cầu chì và tính toán dòng khởi động của rơ le bảo vệ.

Phụ tải đỉnh nhọn thường xuất hiện khi động cơ khởi động, và việc theo dõi không chỉ trị số mà còn tần suất xuất hiện của nó là rất quan trọng Tần suất phụ tải đỉnh nhọn gia tăng có thể ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của các thiết bị điện khác trong cùng một mạng điện.

2.3.5 Phụ tải tính toán (P tt , Q tt , S tt )

Phụ tải tính toán là giá trị giả định ổn định lâu dài của các thành phần trong hệ thống cung cấp điện, như máy biến áp và đường dây, tương đương với phụ tải thực tế thay đổi theo điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt nhất.

Nói một cách khác, phụ tải tính toán cũng làm nóng dây dẫn lên tới nhiệt độ bằng nhiệt độ lớn nhất do phụ tải thực tế gây ra.

Để đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện trong mọi trạng thái vận hành, việc lựa chọn thiết bị theo phụ tải tính toán là rất quan trọng Mối quan hệ giữa phụ tải tính toán và các phụ tải khác cần tuân theo bất đẳng thức nhất định.

Các hệ số tính toán

2.4.1 Hệ số sử dụng (k sd )

Là tỷ số giữa phụ tải tác dụng trung bình với công suất định mức của thiết bị

- Đối với một thiết bị: (2.19)

- Đối với nhóm có n thiết bị: (2.20)

Hệ số sử dụng phản ánh chế độ làm việc của phụ tải dựa trên công suất và thời gian, đồng thời là cơ sở để xác định phụ tải tính toán.

Là tỷ số giữa thời gian đóng điện (tđ) trong chu trình với toàn bộ thời gian của chu trình (tck).

(tđ) gồm thời gian làm việc mang tải (tlv) và thời gian chạy không tải (tkt).

Hệ số đóng điện của một nhóm thiết bị được xác định theo biểu thức:

Hệ số đóng điện phụ thuộc vào qui trình công nghệ.

2.4.3 Hệ số phụ tải (k t ) - còn gọi là hệ số mang tải

Là tỷ số giữa công suất thực tế (Ptht) với công suất định mức.

Trong đó điện năng A = Ptb.tđ = Ptb.tck (2.25)

Hệ số phụ tải công suất tác dụng của nhóm thiết bị là tỷ số của hệ số sử dụng Ksd với hệ số đóng điện kđ: (2.26)

2.4.4 Hệ số cực đại (k max )

Là tỉ số giữa phụ tải tính toán với phụ tải trung bình trong khoảng thời gian xét.

Hệ số cực đại được tính toán dựa trên ca làm việc với phụ tải lớn nhất và phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc trưng cho chế độ hoạt động của thiết bị Giá trị kmax có thể được tra cứu trong sổ tay.

2.4.5 Hệ số nhu cầu (k nc )

Là tỷ số giữa phụ tải tính toán với công suất định mức Trong thực tế hệ số nhu cầu do kinh nghiệm vận hành mà tổng kết lại.

2.4.6 Hệ số đồng thời (k đt )

Là tỷ số giữa số thiết bị làm việc với số thiết bị đặt

2.4.7 Số thiết bị hiệu quả (n hq ) a Định nghĩa

Số thiết bị hiệu quả là số lượng thiết bị giả định có cùng công suất và chế độ làm việc, nhằm tạo ra phụ tải tính toán tương đương với phụ tải tính toán của nhóm thiết bị thực tế, bao gồm n thiết bị với công suất và chế độ làm việc khác nhau.

Tính toán nhq là công việc quan trọng trong thiết kế cung cấp điện: chọn dây dẫn; thiết bị bảo vệ. b Cách xác định n hq

- Trường hợp số thiết bị trong nhóm máy có n  5:

Trong đó: n- là số thiết bị có trong nhóm.

Pđmi: là công suất định mức của thiết bị thứ i (kW) Nếu các tải của nhóm đều có công suất định mức như nhau thì:

Khi số lượng thiết bị trong nhóm máy n lớn hơn 5, việc áp dụng công thức tính toán trở nên phức tạp Do đó, trong thực tế, người ta thường sử dụng đường cong đã được xác định trước để tìm kiếm nhq một cách hiệu quả hơn.

Xác định công suất tính toán phụ tải điện

2.5.1 Xác định công suất tính toán theo hệ số nhu cầu

Phương pháp này dễ dàng và tiện lợi trong tính toán, tuy nhiên, độ chính xác của kết quả không cao Nguyên nhân là do hệ số nhu cầu được xác định trước, không phụ thuộc vào chế độ vận hành và số lượng thiết bị trong nhóm.

Phương pháp này thường được ứng dụng để tính phụ tải trong giai đoạn xây dựng nhà xưởng của phụ tải điện công nghiệp

Trong giai đoạn này, thông tin mà người thiết kế nhận được là công suất đặt (Pđ) của từng phân xưởng và diện tích của các phân xưởng.

(2.38)Trong nhiều trường hợp ta có thể tính gần đúng theo công thức sau:

Trong đó: knc- hệ số nhu cầu, tra sổ tay; n- số thiết bị trong nhóm.

Pđi- công suất đặt của thiết bị thứ i (kW)

Pđmi- công suất định mức của thiết bị thứ i (kW)

Ptt- công suất tác dụng tính toán của nhóm thiết bị (kW)

Qtt- công suất phản kháng tính toán của nhóm thiết bị (kVAr)

Stt- công suất biểu kiến tính toán của nhóm thiết bị (kVA)

Khi hệ số công suất của các thiết bị trong nhóm không đồng nhất, cần tính hệ số công suất trung bình (costb) bằng công thức: costb = P1 cos1 + P2 cos2 + … + Pn cosn.

Bước 1: Tra sổ tay kỹ thuật điện chọn hệ số knc

Bước 2: Thống kê công suất đặt và cos các thiết bị

Bước 3: Áp dụng công thức (2.36); (2.37); (2.38) tính Ptt; Qtt; Stt

- Nếu cos các tải khác nhau ta áp dụng (2.40) tính costb

- Khi không cần mức độ chính xác cao, biết Pđm các thiết bị thì ta tính theo (2.39)

Hãy xác định phụ tải điện (Ptt; Qtt; Stt) cho một xưởng sửa chữa ô tô.

Biết: - Công suất đặt: Pđ = 200kW

Người học sử dụng máy tính cầm tay giải bài tập vào vở.

2.5.2 Xác định công suất tính toán theo hệ số đồng thời

Phương pháp này thường được áp dụng để tính toán công suất cho các tải có sự làm việc đồng thời, chẳng hạn như tải trạm bơm nước, tải cho trường học và tải dân dụng.

Bước 1: Xác định sự làm việc đồng thời các tải, chọn hệ số kđt

Bước 2: Xác định hệ số mang tải của các phụ tải

Bước 3: Thống kê công suất định mức và cos các thiết bị

Bước 4: Áp dụng công thức (2.41); (2.42); (2.43) tính Ptt; Qtt; Stt

Lưu ý : Nếu cos các tải khác nhau ta áp dụng (2.40) tính costb

Một phân xưởng có 3 nhóm tải, công suất đặt và hệ số công suất của các nhóm tải như sau:

Hãy xác định phụ tải tính toán toàn phân xưởng (Stt; Ptt; Qtt; Itt)

Biết: + Hệ số làm việc đồng thời của các phụ tải trong phân xưởng là kđt = 0,75 + Điện áp định mức các phụ tải Uđm = 380 (V)

Người học sử dụng máy tính cầm tay giải bài tập vào vở.

2.5.3 Xác định công suất tính toán theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất

Phương pháp này được áp dụng để tính toán công suất trong giai đoạn dự án khả thi, khi nhà máy hoặc khu công nghiệp chưa được xây dựng Mục tiêu chính là xác định phụ tải nhằm chuẩn bị nguồn điện, thiết kế và xây dựng đường dây cao áp cùng trạm biến áp trung gian (BATG) Trong giai đoạn này, thông tin thu thập được rất hạn chế, chỉ bao gồm diện tích mặt bằng sản xuất và sản lượng dự kiến.

Phương pháp này cung cấp giá trị gần đúng, thường được áp dụng trong thiết kế sơ bộ và tính toán phụ tải cho các phân xưởng có mật độ phân bố đồng đều, chẳng hạn như xưởng gia công cơ khí, xưởng dệt, xưởng sản xuất ôtô và vòng bi.

Trong đó: F- là diện tích mặt bằng sản xuất (m 2 )

P0- là suất phụ tải trên 1m 2 diện tích sản xuất (kW/m 2 ), giá trị P0 có thể tra trong các sổ tay thiết kế.

Bước 1: Tra sổ tay thiết kế xác định P0

Bước 2: Xác định diện tích mặt bằng sản xuất

Bước 3: Áp dụng công thức (2.44); (2.42); (2.43) tính Ptt; Qtt; Stt

Hãy xác định công suất chiếu sáng cho một siêu thị, biết:

- Toàn siêu thị sử dụng đèn huỳnh quang.

Người học sử dụng máy tính cầm tay giải bài tập vào vở.

2.5.4 Xác định công suất tính toán theo suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm

Phương pháp này thường áp dụng cho thiết bị có đồ thị phụ tải ổn định như quạt gió, bơm nước, máy nén khí và thiết bị điện phân Đối với các hộ tiêu thụ có đồ thị phụ tải không đổi hoặc thay đổi ít, phụ tải tính toán được xác định bằng giá trị trung bình của ca có phụ tải lớn nhất Hệ số đóng điện cho các hộ tiêu thụ này được lấy bằng 1.

Trong đó: Tca- thời gian của ca làm việc có phụ tải lớn nhất,

Mca- số lượng sản phẩm sản xuất trong một ca,

Để tính suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm (kWh/1đvsp), ta cần biết giá trị W0 và tổng sản phẩm sản xuất trong năm M của phân xưởng hoặc xí nghiệp Công thức tính sẽ được áp dụng dựa trên các thông số này.

Với: M- số đơn vị sản phẩm được sản xuất ra trong một năm (sản lượng)

W0- suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm (kWh/đvsp)

Tmax- thời gian sử dụng công suất lớn nhất của phụ tải trong 1 năm (h)

Bước 1: Xác định số ca làm việc trong ngày, thời gian ca làm việc có phụ tải lớn nhất.

Bước 2: Xác định số lượng sản phẩm sản xuất được

Bước 3: Xác định suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm

Bước 3: Áp dụng công thức (2.45a); hoặc (2.45b) tính Ptt; và (2.42); (2.43) tính

Hãy xác định công suất tính toán cho một phân xưởng sản xuất cơ khí chuyên chế tạo bàn học sinh, biết:

- Phân xưởng làm việc 2ca/ngày;

- Một ca sản xuất được 20 bàn học sinh

- Dự kiến hoàn thành xong 1 bàn học sinh sẽ tiêu tốn một lượng điện là 9kW.h

Người học sử dụng máy tính cầm tay giải bài tập vào vở.

2.5.5 Xác định công suất tính toán số thiết bị hiệu quả (hay tính theo kmax và phụ tải trung bình)

Khi không có số liệu cần thiết hoặc cần nâng cao độ chính xác trong tính toán phụ tải, phương pháp tính theo nhq là lựa chọn hợp lý Nhq đại diện cho một nhóm máy với công suất và đặc tính kỹ thuật khác nhau, giúp đơn giản hóa việc xác định phụ tải điện Việc sử dụng nhq cho phép tính toán dễ dàng hơn, đồng thời chấp nhận sai số trong giới hạn cho phép.

Phương pháp xác định công suất tính toán theo nhq là bước quan trọng trong thiết kế cấp điện cho xí nghiệp và nhà xưởng, nhằm đảm bảo tính chính xác cao Ở giai đoạn này, thông tin về công suất, chủng loại động cơ, vị trí và đặc tính kỹ thuật của chúng đã được xác định rõ ràng Để tính toán phụ tải điện cho nhà xưởng, ta phân chia các động cơ thành nhóm, mỗi nhóm gồm từ 8 đến 12 máy, sau đó tính toán phụ tải cho từng nhóm và tổng hợp cho toàn bộ xưởng.

Phụ tải tính toán cho một nhóm có n máy xác định theo công thức tính:

Ptt = kmax.Ptb = kmax.ksd (2.46)

Pđm- công suất định mức của phụ tải (kW)

Công suất trung bình của nhóm máy trong thời gian khảo sát được ký hiệu là Ptb = ksd, với thời gian khảo sát thường là 1 ca hoặc 1 ngày đêm Hệ số sử dụng ksd cho nhóm máy công cụ thường dao động từ 0,14 đến 0,2, trong khi kmax là hệ số cực đại được tra cứu dựa trên ksd và nhq.

Bước 1: Xác định tổng số thiết bị (n) trong nhóm máy và tổng công suất tính toán tổng (P) của n thiết bị này: (2.47)

Bước 2: Xác định thiết bị có công suất lớn nhất (Pmax) trong nhóm

Bước 3: Xác định số thiết bị (n1) có công suất không nhỏ hơn một nửa công suất thiết bị có công suất lớn nhất trong nhóm đó.

Bước 4: Xác định công suất của n1 thiết bị: (2.48)

Bước 6: Tra phụ lục (PL2) hoặc đường cong quan hệ theo n * và p * để tìm

Bước 7: Xác định số thiết bị hiệu quả: (2.50)

Bước 8: Tra ksd, với ksd tra được với nhq tra được kmax

Bước 9: Xác định Ptt; Qtt theo công thức (2.46)

Lưu ý: Trong nhóm máy có thiết bị 1 pha thì phải quy đổi về 3 pha như sau:

- Nếu thiết bị dùng điện áp pha: Pqđ = 3Pđm

- Nếu thiết bị dùng điện áp dây: Pqđ = Pđm

Trường hợp trong hóm máy có động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại thì phải quy đổi về chế độ dài hạn:

Với: Kđ%- hệ số đóng điện phần trăm, lấy theo thực tế.

Kđ% = Thời gian làm việc (đóng máy)

Khi xác định phụ tải, có thể gặp những trường hợp cụ thể khác Để đảm bảo tính toán chính xác, ta cần áp dụng công thức cụ thể.

- Trường hợp n  3 và nhq  4, phụ tải tính toán được tính theo

(2.52) Còn đối với thiết bị điện làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại thì

- Trường hợp n  3 và nhq  4, phụ tải tính toán được tính theo

Công suất định mức của thiết bị thứ i được ký hiệu là Pđmi, trong khi kti là hệ số phụ tải của từng máy Nếu không có số liệu chính xác, có thể sử dụng kt = 0,9 cho thiết bị hoạt động ở chế độ dài hạn và kt = 0,75 cho thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại.

- Trường hợp nhq  300 và ksd  0.5

Tính theo công thức (1.46), nhưng hệ số cực đại kmax sẽ lấy ứng với nhq = 300

- Trường hợp nhq  300 và ksd  0.5

- Đối với nhóm thiết bị có đồ thị bằng phẳng như: máy bơm; quạt; máy nén khí, thì hệ số cực đại có thể lấy bằng 1.

Lúc đó: Ptt = Ptb; Qtt = Qtb

Hãy xác định phụ tải điện của một phân xưởng có các máy công cụ với số liệu như bảng sau:

TT Tên máy P đm (kW) Đặc điểm Số lượng

2 Máy biến áp hàn 12 Ud; kđ% = 49% 1

Người học sử dụng máy tính cầm tay giải bài tập vào vở.

2.5.6 Xác định công suất tính toán cho thiết bị điện một pha

Phụ tải một pha có thể kết nối với điện áp dây hoặc điện áp pha Khi thiết kế mạng điện ba pha, ta coi như có một phụ tải ba pha tương đương, với dòng điện bằng dòng điện ở pha có tải lớn nhất khi chỉ một pha được nối vào.

Khi nối các phụ tải một pha với điện áp pha thì công suất định mức phụ tải ba pha tương đương sẽ là:

Với: Pđmphmax- là phụ tải định mức của pha mang tải lớn nhất.

Khi nối các phụ tải một pha vào điện áp dây nếu có một phụ tải thì:

Với: Pđm là công suất định mức của phụ tải một pha.

Khi kết nối thiết bị một pha vào điện áp pha và điện áp dây, cần chuyển đổi các thiết bị một pha nối vào điện áp dây thành thiết bị một pha tương đương nối vào điện áp pha, theo hệ số qui đổi trong bảng 2.1 Phụ tải tính toán một pha được xác định bằng tổng phụ tải của thiết bị một pha nối vào điện áp pha và phụ tải đã qui đổi của thiết bị nối vào điện áp dây Sau đó, phụ tải ba pha được tính bằng 3 lần phụ tải của pha có dòng phụ tải lớn nhất.

Công suất định mức qui đổi về pha A:

Ppha(a) = Pab.p(ab)a + Pacp(ac)a + Pao (2.59)

Qpha(a) = Qab.q(ab)a + Qacq(ac)a + Qao (2.60) Công suất định mức qui đổi về pha B:

Ppha(b) = Pba.p(ba)b + Pbcp(bc)b + Pbo (2.61)

Qpha(b) = Qba.q(ba)b + QbcQ(bc)b + Qbo (2.62) Công suất định mức qui đổi về pha c:

Ppha(c) = Pca.p(ca)c + Pcbp(cb)c + Pco (2.63)

Qpha(c) = Qca.q(ca)c + Qcbq(cb)c + Qco (2.64)

Công suất định mức của pha mang tải cực đại:

Ppha(max) = maxPpha(a), Ppha(b), Ppha(c) (2.65)

Qpha(max) = maxQpha(a), Qpha(b), Qpha(c) (2.66) Công suất định mức ba pha:

P3pha = 3Ppha(max) + Ptb3pha (2.67)

Q3pha = 3Qpha(max) + Qtb3pha (2.68)

P3pha, Q3pha- là công suất định mức tác dụng và phản kháng của thiết bị 1 pha qui đổi về pha A.

Pab, Qab- lần lượt là công suất định mức tác dụng và phản kháng của thiết bị một pha sử dụng điện áp dây ab.

Pac, Qac- lần lượt là công suất định mức tác dụng và phản kháng của thiết bị một pha sử dụng điện áp dây ac.

Ppha(max), Qpha(max)- lần lượt là công suất định mức tác dụng và phản kháng của pha mang tải cực đại.

P3pha , Q3pha- lần lượt là công suất định mức tác dụng và phản kháng của thiết bị qui đổi về ba pha

Bảng 2.1 Hệ số qui đổi phụ tải một pha nối vào điện áp dây thành phụ tải một pha nối vào điện áp pha của mạng điện

Hệ số qui đổi Hệ số công suất của phụ tải

0.3 0.4 0.5 0.6 0.65 0.7 0.8 0.9 1.0 p(ab)a, p(bc)b, p(ac)c 1.4 1.17 1 0.89 0.84 0.80 0.72 0.64 0.5 p(ab)b, p(bc)c, p(ac)a - 0.4 - 0.17 0 0.11 0.16 0.20 0.28 0.36 0.5 q(ab)a, q(bc)b, q(ac)c 1.26 0.86 0.58 0.38 0.30 0.22 0.09 -

Bước 1: Quy đổi tải 1 pha về tải 3 pha tương đương

Bước 2: Xác định công suất tính toán phụ tải 3 pha

Hãy xác định công suất tính toán cho một xưởng sản xuât, biết:

- Thiết bị dùng điện 3 pha có công suất đặt: Pđ = 22kW

- Thiết bị dùng điện 1 pha có công suất đặt: Pa = 2kW; Pb = 2,5kW; Pc = 3kW

- Thiết bị dùng điện 2 pha có công suất đặt: Pab = 4kW; Pbc = 2kW

Người học sử dụng máy tính cầm tay giải bài tập vào vở.

2.5.7 Xác định công suất tính toán cho phụ tải đỉnh nhọn

Phụ tải đỉnh nhọn (Pđn) là mức phụ tải cực đại xuất hiện trong khoảng thời gian ngắn từ 1 đến 2 giây, có vai trò quan trọng trong việc kiểm tra dao động điện áp, điều kiện tự khởi động của động cơ, chọn dây chảy cầu chì và tính toán dòng khởi động của rơ le bảo vệ Ngoài trị số của phụ tải đỉnh nhọn, tần số xuất hiện của nó cũng rất quan trọng, vì tần suất gia tăng của phụ tải đỉnh nhọn có thể ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của các thiết bị điện khác trong cùng một mạng điện.

Trong mạng điện dòng điện xuất hiện khi động cơ khởi động, lò hồ quang hoặc máy hàn làm việc

+ Đối với một máy, dòng điện đỉnh nhọn chính bằng dòng mở máy của máy đó:

Trong đó: kmm- là bội số mở máy của động cơ

TRẠM BIẾN ÁP

Khái quát về trạm biến áp

Trạm biến áp (TBA) là thành phần quan trọng trong hệ thống điện, có chức năng nhận và biến đổi điện năng giữa các cấp điện áp, đồng thời phân phối cho các mạng điện tương ứng Mỗi TBA bao gồm máy biến áp (MBA) và nhiều thiết bị khác như thiết bị phân phối cao áp (máy cắt, dao cách ly) và thiết bị phân phối hạ áp (thanh cái hạ áp, áptômát) Trạm tăng áp được đặt tại nhà máy điện để nâng cao điện áp từ 0,4kV đến 6,3kV nhằm truyền tải điện xa hơn Trạm biến áp trung gian giảm áp, tiếp nhận điện năng từ lưới 35kV đến 220kV, cung cấp cho các lưới phân phối từ 6kV đến 22kV TBA tiêu thụ nhận điện từ mạng phân phối 6kV đến 22kV và cung cấp cho lưới điện hạ áp.

3.1.2 Các loại trạm biến áp

3.1.2.1 Phân theo nhiệm vụ chức năng có 2 loại a Trạm biến áp trung gian

Trạm biến áp này tiếp nhận điện từ hệ thống điện với điện áp từ 35kV đến 220kV và chuyển đổi thành điện áp từ 6 đến 22kV, thậm chí có thể hạ xuống 0,4kV Đây là trạm biến áp phân phối, còn được gọi là trạm biến áp khách hàng.

Trạm này có chức năng hạ điện áp từ mức trung áp, nhận điện từ trạm biến áp trung gian, xuống còn 0,4kV để cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, bao gồm các khách hàng.

3.1.2.2 Phân loại theo kết cấu a Trạm biến áp treo (trạm treo)

Trạm treo là loại trạm điện mà tất cả thiết bị cao áp, hạ áp và MBA đều được lắp đặt trên cột MBA tại trạm treo thường là loại 1 pha hoặc tổ 3 MBA 1 pha, trong khi tủ hạ áp cũng được bố trí trên cột Với thiết kế tiết kiệm diện tích, trạm này thường được sử dụng làm trạm công cộng đô thị để cung cấp điện cho các khu dân cư Công suất của MBA tại trạm treo thường nhỏ, với công suất tối đa không vượt quá 3x75 kVA, và cấp điện áp trong khoảng (15  22)/0.4kV, phần đo đếm được trang bị ở phía hạ áp.

Hình 3.1 Trạm biến áp treo

- Ưu điểm: đơn giản, rẻ tiền, xây lắp nhanh, ít tốn đất.

- Nhược điểm: kém mỹ quan và không an toàn.

Trạm biến áp giàn được sử dụng phổ biến ở các khu vực có quỹ đất hạn hẹp và điều kiện mỹ quan cho phép, đặc biệt là tại các thành phố và thị trấn Tuy nhiên, sự hiện diện của các đường dây trên không và trạm biến áp phân phối kiểu treo đã gây ảnh hưởng tiêu cực đến mỹ quan đô thị Do đó, cần thiết phải dần thay thế chúng bằng hệ thống đường cáp và trạm xây để cải thiện cảnh quan đô thị.

Trạm giàn là loại trạm điện mà toàn bộ thiết bị và máy biến áp (MBA) được lắp đặt trên các giá đỡ giữa hai cột Trạm này thường được trang bị ba MBA một pha với công suất tối đa 3x75 kVA hoặc một MBA ba pha có công suất tối đa 400 kVA, cung cấp điện áp từ 15 đến 22 kV xuống 0.4 kV Phần đo đếm điện năng có thể thực hiện ở cả phía trung áp và hạ áp.

Tủ phân phối hạ áp đặt trên giàn giữa hai cột, đường dây đến có thể là đường dây trên không hay đường cáp ngầm

Trạm giàn thường cung cấp điện cho khu dân cư hay các phân xưởng.

Hình 3.2 Trạm biến áp giàn

5 Tủ phân phốI hạ áp

9 Ghế cách điện c Trạm bệt (trạm nền)

Trạm điện cao áp kiểu này được thiết kế với thiết bị đặt trên cột, bao gồm tổ ba MBA một pha hoặc một MBA ba pha trên bệ xi măng, cùng tủ phân phối hạ áp trong nhà có mái bằng Xung quanh trạm được xây tường và có cổng sắt bảo vệ, đảm bảo an toàn cho người và gia súc Đường dây kết nối có thể sử dụng cáp ngầm hoặc ĐDK, trong khi phần đo đếm có thể thực hiện ở phía trung áp hoặc hạ áp Kiểu trạm bệt này rất phù hợp với điều kiện nông thôn, nơi có quỹ đất rộng rãi.

Hình 3.3 Trạm biến áp kiểu bệt

2 Tủ phân phối hạ áp

9 Cửa thông gió có lưới chắn bên trong

10 Hệ thống tiếp địa d Trạm xây (hoặc trạm kín)

Là kiểu trạm mà toàn bộ các thiết bị điện cao, hạ áp và MBA đều được đặt trong nhà có mái

Nhà xây được phân thành nhiều ngăn (thường bố trí thành 03 phòng):

Phòng cao áp cần được thiết kế để đặt thiết bị cao áp, máy biến áp và thiết bị hạ áp, nhằm thuận tiện cho thao tác và vận hành, đồng thời ngăn ngừa sự cố lan rộng Các ngăn của trạm phải thông thoáng, có lưới mắt cáo và cửa sắt kín để ngăn chim, chuột, rắn xâm nhập, tránh mất điện Mái phòng nên có độ dốc từ 3 đến 5 độ để thoát nước hiệu quả Ngoài ra, dưới gầm bệ máy biến áp cần xây hố dầu để chứa dầu trong trường hợp sự cố, nhằm ngăn chặn cháy nổ.

Hình 3.4.a Trạm biến áp trong nhà đặt 1 MBA

Hình 3.4.b Trạm biến áp trong nhà đặt 2 MBA

9 Ống dẫn cáp d Trạm hợp bộ

Trạm được chế tạo sẵn và lắp đặt toàn bộ các thành phần, đảm bảo an toàn, chắc chắn và gọn nhẹ Thiết bị cao áp sử dụng khí SF6 để cách điện, không cần bảo trì Trạm này đáp ứng yêu cầu về mỹ quan và thích hợp cho những khu vực đất đai chật hẹp, mặc dù vốn đầu tư ban đầu khá cao.

Hình 3.5 Trạm biến áp hợp bộ

Sơ đồ nối dây trạm biến áp

3.2.1 Điều kiện kỹ thuật để chọn sơ đồ đấu dây trạm biến áp

- Đảm bảo liên tục cung cấp điện theo yêu cầu phụ tải

- Sơ đồ nối dây đơn giản, rõ ràng, thuận tiện trong vận hành, xử lý sự cố

- An toàn lúc vận hành và lúc sửa chữa

- Hợp lý về kinh tế trên cơ sở đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật

Trong thực tế, việc đảm bảo tất cả các yêu cầu là điều khó khăn, vì vậy cần thực hiện một so sánh toàn diện dựa trên lợi ích lâu dài và lợi ích chung của nền kinh tế.

3.2.2 Sơ đồ nối dây trạm biến áp trung gian (TBATG)

Lưới cung cấp điện được cấp điện từ các trạm biến áp trung gian (TBATG) với các mức điện áp thường là 110/35-22 kV hoặc 35/22-10 kV Tùy thuộc vào tầm quan trọng của lưới điện, các trạm TBATG này có thể được trang bị một máy biến áp (MBA) hoặc hai máy biến áp.

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý nối dây trạm biến áp trung gian điển hình

3.2.3 Sơ đồ nối dây trạm biến áp phân phối

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý nối dây TBAPP 1 MBA điển hình ĐDK- Đường dây trên không trung áp BI- Máy biến dòng điện

DCL- Dao cách ly trung áp KWh- Các đồng hồ đo đếm

CSV1- Chống sét van trung áp AT- áptômát tổng

CC- Cầu chì trung áp BA- Máy biến áp phân phối

A1; A2; A3- Các áptômát nhánh NĐ- Hệ thống nối đất

Trạm biến áp phân phối (TBAPP), hay còn gọi là trạm biến áp khách hàng, đóng vai trò quan trọng trong việc biến đổi điện áp trung áp xuống 0,4kV để cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ Tùy thuộc vào mức độ quan trọng của từng hộ tiêu thụ, TBAPP có thể được trang bị một máy biến áp (MBA) hoặc hai máy biến áp.

Khi TBA được cấp điện qua đường dây trên không, cần lắp đặt dao cách ly, cầu chì và chống sét van ở phía cao áp Đối với phía hạ áp, cần có áptômát tổng và các áptômát nhánh; nếu có đường dây hạ áp là trên không, phải lắp đặt chống sét van hạ áp Ngoài ra, việc lắp đặt các đồng hồ đo cũng là yêu cầu cần thiết.

Dao cách ly trung áp đóng vai trò quan trọng trong việc cách ly giữa ĐDK trung áp và trạm biến áp Thiết bị này hỗ trợ kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa các thành phần như chống sét van, cầu chì cao áp, máy biến áp, cáp tổng và hệ thống tiếp địa.

Dao cách ly không có bộ phận dập hồ quang, do đó không thể sử dụng để đóng cắt mạch điện Tuy nhiên, dao cách ly có thể được sử dụng để đóng cắt không tải cho máy biến áp với công suất không quá lớn, thường dưới 1000 kVA.

Dao cách ly trung áp có hai loại chính: loại 3 pha rời, cho phép đóng cắt từng pha (gọi là dao cách ly một lửa) và loại liên động, đóng cắt đồng thời cả 3 pha Đối với thiết bị ngoài trời, có thể sử dụng một trong hai loại dao cách ly này Tuy nhiên, với trạm xây kín, chỉ nên sử dụng loại dao cách ly liên động.

Chống sét van trung áp có nhiệm vụ ngăn chặn sét đánh từ đường dây trên không vào trạm Để kiểm tra, sửa chữa hoặc thay thế chống sét van, cần phải cắt điện Để xử lý chống sét van mà không làm gián đoạn điện của trạm, cần lắp thêm một cầu dao riêng cho chống sét van, tuy nhiên điều này sẽ làm tăng độ cồng kềnh và phức tạp cho cấu trúc của trạm.

- Cầu chì cao áp: Làm nhiệm vụ bảo vệ ngắn mạch cho biến áp và cáp tổng, thường dùng loại cầu chì ống cát thạch anh.

Cáp tổng có vai trò quan trọng trong việc dẫn điện từ biến áp vào tủ phân phối hạ áp của trạm biến áp phân phối Ngoài cáp tổng, thanh dẫn cũng có thể được sử dụng như một giải pháp thay thế hiệu quả.

- Áptômát tổng: Làm nhiệm vụ bảo vệ quá tải MBA và bảo vệ ngắn mạch cho thanh cái hạ áp.

- Thanh cái hạ áp (thanh góp hạ áp): Làm nhiệm vụ nhận điện từ biến áp và phân phối cho các tuyến hạ áp qua các áptômát nhánh.

- Các áptômát nhánh: Làm nhiệm vụ thao tác đóng cắt đường dây, bảo vệ ngắn mạch trên các tuyến dây hạ áp.

- Chống sét van hạ áp: Làm nhiệm vụ chống sét đánh vào đường dây trên không hạ áp truyền vào trạm.

- Máy biến dòng điện: Làm nhiệm vụ biến đổi dòng điện tải của trạm xuống 5A, cấp nguồn dòng cho các đồng hồ ampe và công tơ

Tại các trạm biến áp (TBA) công cộng, cần lắp đặt 3 đồng hồ ampe, 1 đồng hồ vôn và 1 công tơ hữu công Đối với các TBA xí nghiệp, ngoài các thiết bị trên, còn phải bổ sung thêm 1 đồng hồ đo cosφ và 1 công tơ vô công.

Hệ thống nối đất tại các trạm biến áp biến áp làm ba chức năng là nối đất làm việc, nối đất an toàn và nối đất chống sét.

Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp phân phối 2 MBA là kết nối sơ đồ nguyên lý 2 TBAPP 1 MBA qua áptômát liên lạc (ALL), hình 3.8

Nếu phụ tải 2 phân đoạn thanh góp bằng nhau thì nên vận hành ALL ở trạng thái thường mở để làm giảm dòng ngắn mạch hạ áp.

Nếu phụ tải 2 phân đoạn thanh góp không bằng nhau (lớn bé hơn nhau nhiều) thì nên vận hành ALL ở trạng thái thường đóng

Tại trạm 2 MBA, cần lắp đặt đầy đủ hai bộ CSV cho cả cao áp và hạ áp cho mỗi MBA, đồng thời đảm bảo có hai bộ đồng hồ đo đếm cho hai phân đoạn thanh góp hạ áp.

Tại khu vực hạ áp, thường có ba tủ được lắp đặt: hai tủ phân phối và một tủ liên lạc Ở các trạm ngoài trời, bộ DCL-CC trung áp có thể được thay thế bằng bộ cầu chì tự rơi (CCTR hay FCO).

- Bộ CCTR làm cả hai nhiệm vụ:

+ Tạo khoảng cách cách ly an toàn trông thấy

+ Các trạm kín trong nhà không dùng CCTR

Sơ đồ nguyên lý nối dây TBAPP 2 MBA điển hình được trình bày trong Hình 3.8 Bên cạnh sơ đồ này, còn tồn tại nhiều phương án khác, ví dụ như những phương án được minh họa trong Hình 3.9.

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý nối dây TBAPP 2 MBA

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý nối dây TBAPP 2 MBA

3.2.4 Vận hành trạm biến áp

Thiết kế và vận hành có mối liên hệ chặt chẽ, đòi hỏi người vận hành phải nắm rõ ý đồ thiết kế Việc tuân thủ đầy đủ các quy trình thiết kế là cần thiết để tối ưu hóa các ưu điểm của phương án và khai thác tối đa khả năng của thiết bị.

Nguyên lý chung khi thực hiện vận hành một trạm biến áp đó là:

- Đọc được sơ đồ trạm biến áp

- Khi thực hiện đóng điện phải thực hiện từ phía gần nguồn đóng lần lược thiết bị đóng cắt về phía tải, tải được đóng điện sau cùng

- Khi thực hiện cắt điện thì thực hiện ngược lại quy trình đóng điện

- Thực hiện thao tác phải đảm bảo chính xác, đúng thiết bị, không được nhầm lẫn

3.2.4.2 Trình tự thao tác các thiết bị điện trong trạm a Khi bắt đầu cung cấp điện

Bước 1: Đóng các cầu dao cách ly của đường dây và trạm (phía cao áp)

Bước 2: Đóng dao cách ly của thiết bị chống sét

Bước 3: Đóng dao cách ly phân đoạn thanh cao áp và hạ áp

Bước 4: Đóng máy cắt cao áp của đường dây vào trạm

Bước 5: Đóng cầu dao sau đó đóng máy cắt cao áp của MBA

Bước 6: Đóng máy cắt hạ áp của MBA (nếu có)

Tùy theo yêu cầu của phụ tải mà đóng các máy cắt của các đường dây về các phân xưởng. b Khi ngừng cung cấp điện

Bước 1: Cắt các máy cắt của các đường dây về các phân xưởng

Bước 2: Cắt các máy cắt phía hạ áp của MBA (nếu có)

Bước 3: Cắt máy cắt sau đó cắt cầu dao cách ly phía cao áp của MBA

Bước 4: Cắt máy cắt sau đó cắt cầu dao cách ly của đường dây đi vào.

(d) c Đóng MBA đưa vào vận hành

Bước 1: Đóng máy cắt sau đó đóng dao cách ly phía cao áp MBA đưa vào vận hành

Bước 2: Đóng máy cắt phía hạ áp của MBA đó d Khi cắt MBA

Bước 1: Cắt máy cắt phía hạ áp

Bước 2: Cắt máy cắt sau đó cắt cầu dao cách ly phía cao áp của máy biến áp đó. 3.2.4.2 Thực hành

Hãy viết quy trình vận hành trạm biến áp theo các sơ đồ (3.7), (3.8), (3.9)

Người học thực hiện thảo luận theo nhóm và viết quy trình vận hành (đóng, cắt) trạm biến áp vào vở cá nhân.

Xác định vị trí đặt trạm biến áp cho một hộ tiêu thụ

3.3.1 Các yêu cầu kỹ thuật khi chọn vị trí đặt trạm MBA:

- Gần trung tâm phụ tải

- Thuận tiện cho các đường dây vào/ra

- Thuận lợi cho quá trình lắp đặt và thi công xây dựng

- Đảm bảo thao tác, vận hành, sửa chữa và quản lý dễ dàng

- Đảm bảo phòng cháy, nổ, ẩm ướt, bụi bặm và khí ăn mòn

- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị.

Việc đáp ứng tất cả các yêu cầu là một thách thức lớn, vì vậy cần cân nhắc các điều kiện thực tế để lựa chọn phương án hợp lý nhất.

Vị trí của TBA phân xưởng có thể ở độc lập bên ngoài hoặc đặt liền kề với phân xưởng hoặc đặt bên trong phân xưởng.

Vị trí lắp đặt máy biến áp và tủ phân phối điện rất quan trọng để giảm thiểu tổn thất công suất và điện năng Việc xác định tâm phụ tải của nhóm máy giúp xác định vị trí lắp đặt tủ động lực, trong khi việc xác định tâm phụ tải của phân xưởng là cần thiết để xác định vị trí đặt trạm biến áp và tủ phân phối chính.

Cần căn cứ vào mặt bằng thực tế của phân xưởng để xác định vị trí đặt máy biến áp và các tủ một cách hợp lý, thuận tiện cho lắp đặt, vận hành và quan sát, đồng thời không gây cản trở lối đi.

Công thức xác định tâm phụ tải:

(3.1) Ý nghĩa của các thông số trong biểu thức (3.1) thay đổi tùy thuộc vào xác định tâm phụ tải của nhóm máy hay của phân xưởng.

Các thông số Tâm phụ tải của nhóm máy

Tâm phụ tải của phân xưởng

(X; Y): Tọa độ tâm phụ tải Của nhóm máy Của phân xưởng

Pi: Công suất định mức Của thiết bị thứ i Của nhóm thiết bị thứ i (xi; yi): Tọa độ Của thiết bị thứ i Của nhóm thiết bị thứ i

Bước 1: Xác định tâm phụ tải của một hộ tiêu thụ điện

- Biểu diễn tâm phụ tải của các thiết bị, nhóm thiết bị lên hệ trục tọa độ vuông góc theo tỉ lệ hợp lý.

- Áp dụng công thức (3.1) tính tọa độ tâm phụ tải hộ tiêu thụ.

Bước 2: Dựa trên vị trí tâm phụ tải đã tính toán, kết hợp với địa hình thực tế và các yêu cầu kỹ thuật, ta tiến hành dịch chuyển vị trí tâm phụ tải đến vị trí tối ưu để lắp đặt trạm biến áp.

Một nhà máy có công suất đặt các xưởng theo số liệu như sau:

Mặt bằng phân phối phụ tải của các xưởng cho như hình 3.10

Hãy xác định vị trí đặt trạm biến áp cho một nhà máy.

Hình 3.10 Mặt bằng nhà máy

Người học sử dụng máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

Xác định số lượng, công suất máy biến áp đặt cho hộ tiêu thụ

3.4.1 Nguyên tắc lựa chọn số lượng và chủng loại máy biến áp

Có nhiều phương pháp để xác định số lượng và chủng loại máy biến áp, tuy nhiên đều phải dựa vào những nguyên tắc chính sau đây:

Chủng loại MBA trong một TBA cần được đồng nhất hoặc ít đa dạng nhằm giảm số lượng máy biến áp dự phòng trong kho, đồng thời tăng tính thuận tiện trong quá trình lắp đặt và vận hành.

- Số lượng MBA trong một TBA phụ thuộc vào độ tin cậy cung cấp điện đối với phụ tải của trạm đó:

+ Hộ phụ tải loại 1: phụ tải quan trọng không được phép mất điện, thường phải đặt 2 MBA trở lên.

+ Hộ phụ tải loại 2: các xí nghiệp hàng tiêu dùng, khách sạn, siêu thị, thường đặt một MBA và máy phát dự phòng.

Hộ phụ tải loại 3 thường bao gồm các hộ chiếu sáng và sinh hoạt, với quy định chỉ đặt một trạm biến áp (MBA) duy nhất Để đảm bảo tính đơn giản trong vận hành, số lượng MBA trong một trạm không nên vượt quá ba máy, và các máy biến áp này cần phải có cùng chủng loại và công suất.

3.4.2 Điều kiện chọn công suất trạm biến áp

- Trạm đặt 1 MBA, điều kiện chọn công suất MBA:

- Trạm đặt 2 MBA giống nhau, điều kiện chọn công suất MBA:

STđm- là công suất định mức của MBA (do nhà chế tạo quy định được ghi trong lý lịch máy và trên nhãn máy)

Stt- là công suất tính toán, nghĩa là công suất yêu cầu lớn nhất của phụ tải kqt- là hệ số quá tải (kqt = 1,4)

Hệ số quá tải phụ thuộc vào thời gian quá tải, với kqt = 1,4 tương ứng với thời gian quá tải không quá 5 ngày đêm và mỗi ngày không quá 6 giờ Nếu không đáp ứng được các điều kiện về thời gian, cần tra cứu đồ thị để tìm kqt trong sổ tay cung cấp điện hoặc không cho phép quá tải.

Hai công thức (3.2) và (3.3) chỉ dùng để chọn MBA chế tạo trong nước hoặc với MBA ngoại nhập đã nhiệt đới hóa.

Khi sử dụng MBA ngoại nhập chưa nhiệt đới hóa cần tính theo công thức sau:

- Trạm đặt 2 MBA giống nhau: (3.5)

Với: khc- Là hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ: (3.6)

1- là nhiệt độ môi trường sử dụng ( 0 C)

2- là nhiệt độ môi trường chế tạo (2 ghi trên lý lịch máy)

Ví dụ khi dùng MBA của Nga lắp ở Việt Nam thì hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ:

Nhiệt độ trung bình ở Hà Nội là 24 độ C, trong khi ở Matxcơva là 5 độ C MBA (máy biến áp) rất ít xảy ra sự cố, và nếu có sự cố xảy ra, MBA còn lại chỉ cần cấp điện cho hộ loại 1 Điều này cho phép lựa chọn cỡ máy nhỏ hơn và hợp lý hơn cho hệ thống điện.

3.4.2 Trình tự thực hiện tính, lựa chọn số lượng và công suất máy biến áp

Để lựa chọn số lượng MBA phù hợp cho phụ tải, bước đầu tiên là xác định chính xác loại HTT của phụ tải Tiếp theo, cần tính toán công suất phụ tải và xem xét yếu tố phát triển tải trong tương lai Cuối cùng, xác định cấp điện áp của nguồn lưới và điện áp tải là bước quan trọng để đảm bảo hiệu quả cung cấp điện.

Bước 4: Chọn nhà sản xuất và tra catalog chọn MBA có công suất thõa mãn một trong các điều kiện kỹ thuật (3.2) hay (3.3) hay (3.4) hay (3.5)

Khi chọn MBA cho trạm BA nhà máy luyện kim với phụ tải 1200kVA, có hai trường hợp cần xem xét: Thứ nhất, trong trường hợp không biết tỷ lệ phần trăm phụ tải loại 3, cần áp dụng các phương pháp tính toán phù hợp để đảm bảo hiệu suất hoạt động của MBA Thứ hai, nếu biết rằng tỷ lệ phần trăm phụ tải loại 3 là 20%, việc lựa chọn MBA sẽ dựa trên thông số này để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống.

Lưới trung áp 22kV và thiết bị điện có điện áp định mức 380/220V cần được xem xét kỹ lưỡng Việc so sánh hai phương án chọn máy là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất Cuối cùng, cần xác định tỷ lệ phần trăm tải phải cắt tương ứng với máy biến áp đã được lựa chọn để tối ưu hóa hoạt động.

Người học sử dụng sổ tay thiết kế, máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

Câu 1 Chọn MBA cho trạm biến áp khu chung cư có phụ tải điện Stt = 300kVA, điện áp trung áp 22kV; điện áp thiết bị sử dụng điện 380/220V.

Câu 2 Một xí nghiệp có công suất tính toán được Stt = 960 kVA.

Hãy chọn máy biến áp đặt cho trạm, yêu cầu trạm đặt 2 máy biến áp giống nhau theo bảng sau

STT LOẠI MÁY CÔNG SUẤT ĐỊNH MỨC ĐIỆN ÁP ĐỊNH MỨC

TÍNH TOÁN TỔN THẤT TRONG MẠNG ĐIỆN

Sơ đồ thay thế lưới điện

Để thành lập sơ đồ thay thế cho một lưới điện, trước tiên cần lựa chọn sơ đồ tính toán cho từng phần tử của lưới và tiến hành tính toán các thông số tương ứng Sau đó, các sơ đồ thay thế được lắp đặt theo đúng trình tự trong lưới điện Cuối cùng, cần quy đổi các thông số trên sơ đồ về cùng cấp điện áp để đảm bảo tính chính xác và đồng nhất.

4.1.1 Sơ đồ thay thế đường dây tải điện

4.1.1.1 Các thông số của đường dây a Điện dẫn G

Tổn thất công suất tác dụng trong sứ và điện môi phản ánh hiện tượng tổn thất năng lượng, với phần tổn thất trong sứ của đường dây trên không ở mọi cấp điện áp rất nhỏ và có thể bỏ qua Tổn thất công suất do vầng quang chỉ xảy ra ở cấp điện áp U ≥ 110kV trong những điều kiện nhất định Đối với dây cáp, thành phần điện dẫn có thể được bỏ qua khi thực hiện các phép tính.

Dung dẫn giữa các dây dẫn thể hiện qua điện dung, tỷ lệ với dòng điện chuyển dịch và sinh ra công suất phản kháng trên đường dây Dòng điện điện dung của cáp thường lớn hơn so với đường dây trên không, vì vậy cần xem xét dung dẫn khi lập sơ đồ thay thế cho cáp từ 20kV trở lên Điện trở R của đường dây phụ thuộc vào chiều dài và thường được cung cấp bởi nhà chế tạo Điện kháng X thể hiện hiện tượng tản từ.

Khi tải dòng điện xoay chiều 3 pha, một từ trường sẽ xuất hiện xung quanh các dây dẫn, tạo ra lực điện động trong mỗi dây dẫn, và điều này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các dây dẫn Đối với các đường dây có điện áp từ 330kV trở lên, kỹ thuật phân pha thường được áp dụng để giảm điện kháng.

Các thông số của đường dây, bao gồm điện trở, điện kháng, điện dẫn và dung dẫn, thường phân bố dọc theo chiều dài của đường dây Để thuận tiện cho việc tính toán, một số thông số có thể được coi là tập trung hoặc có thể bỏ qua tùy thuộc vào loại đường dây Các sơ đồ thay thế và các trường hợp áp dụng được tổng hợp trong bảng 4.1.

Tính thông số đường dây:

Y = G + j.B = (go + bo).l (4.2) Với: ro, xo, go, bo là điện trở, điện kháng, điện dẫn, dung dẫn trên đơn vị chiều dài (km) Điện dẫn G:

Trong đó: Pvq là tổn thất vầng quang xác định theo công thức kinh nghiệm.

Bảng 4.1 Các sơ đồ thay thế đường dây

Sơ đồ Trường hợp áp dụng

Sơ đồ thay thế hình π áp dụng cho đường dây trên không có chiều dài nhỏ hơn 300km hay đường dây cáp có chiều dài nhỏ hơn 50km.

Sơ đồ hình π bỏ qua điện dẫn, do:

- Điện dẫn gây bởi tổn thất trong sứ và điện môi rất bé.

- Tổn thất vầng quang thường chỉ xảy ra ở ĐDK > 200kV

Sơ đồ thay thế mạng địa phương bỏ qua tổng dẫn

Sơ đồ thay thế cho cáp 6÷10kV bỏ qua tổng dẫn

4.1.2 Sơ đồ thay thế máy biến áp

4.1.2.1 Các thông số của máy biến áp (MBA) a Tổng trở của máy biến áp: là đại lượng phản ánh hiện tượng tổn thất công suất tác dụng do hiệu ứng Joule và hiện tượng tổn thất công suất phản kháng do tản từ trong các cuộn dây:

Trong máy biến áp, RT và XT đại diện cho điện trở và điện kháng Tổng dẫn của máy biến áp phản ánh tổn thất công suất trong lõi thép, bao gồm tổn hao do dòng Foucault và tổn hao từ.

Tổn thất trong lõi thép hầu như không phụ thuộc vào tải của máy biến áp và bằng lúc không tải

Với: GT là điện dẫn, BT là cảm dẫn.

Các thông số của máy biến áp (MBA) bao gồm tổn thất ngắn mạch (ΔPN), tổn thất không tải (ΔP0), điện áp ngắn mạch (UN%) và dòng điện không tải (I0%) Những số liệu này được xác định thông qua các thí nghiệm ngắn mạch và thí nghiệm không tải, và nhà sản xuất sẽ ghi rõ trên thẻ máy.

4.1.2.2 Sơ đồ thay thế và tính các thông số máy biến áp hai cuộn dây

Máy biến áp ba pha hai cuộn dây là thiết bị phổ biến trong hệ thống cung cấp điện Để tính toán, người ta thường sử dụng sơ đồ hình Γ như trong hình vẽ 3.1.

Hình 4.1 Sơ đồ thay thế máy biến áp 2 cuộn dây Với: RT = R1 + R2’; XT = X1 + X2’

R2’ và X2’ là điện trở và cảm kháng của cuộn dây thứ cấp 2 đã quy đổi về cuộn dây sơ cấp 1

Sau đây sẽ nêu các công thức tính thông số máy biến áp (RT, XT, GT, BT) thông qua các số liệu trên thẻ máy (PN, P0, UN%, I0%):

4.1.2.3 Sơ đồ thay thế và tính các thông số máy biến áp ba cuộn dây và tự ngẫu

Hình 4.2 Sơ đồ thay thế máy biến áp 3 cuộn dây và tự ngẫu.

Máy biến áp 3 cuộn dây và tự ngẫu, nhà chế tạo cho các số liệu:

UCđm, UTđm, UHđm (hay U1đm, U2đm, U3đm)- là điện áp định mức các cuộn cao, trung và hạ áp.

I0%- là dòng điện không tải tính theo phần trăm so với dòng điện định mức.

P12, P13, P23- là tổn thất ngắn mạch ứng với ba trạng thái ngắn mạch.

U12%, U13%, U23%- điện áp ngắn mạch ứng với ba trạng thái ngắn mạch.

Sơ đồ thay thế hình sao có đặt lượng tổn hao trong thép

Tổn thất công suất tác dụng và điện áp ngắn mạch của máy biến áp ba cuộn dây và tự ngẫu được tính toán dựa trên các dạng ngắn mạch khác nhau, theo công thức S0 = SFe = PFe + j QFe (4.8).

Khi cuộn dây 2 bị ngắn mạch và cuộn dây 3 hở mạch, cuộn dây 1 được cấp điện áp để tạo ra dòng định mức trong cuộn 1 và 2 Kết quả đo được là P12 và U12% Trong đó, P12 được tính bằng tổng của P1 và P2.

Trong đó: P1 và P2 là tổn thất công suất tác dụng trong cuộn dây 1 và 2.

U12% = U1% + U2% Khi cho hở mạch cuộn dây 2, ngắn mạch cuộn dây 3 và đặt cuộn dây 1 vào một điện áp nhất định, ta nhận thấy rằng trong cuộn 1 và 3 có dòng định mức.

Khi cuộn dây 1 hở mạch và cuộn dây 3 ngắn mạch, điện áp đặt vào cuộn dây 2 sẽ tạo ra dòng định mức trong cuộn 2 và 3 Từ đó, ta có thể xác định mối quan hệ giữa áp suất và điện áp: P13 = P1 + P3 và U13% = U1% + U3%.

P23 = P2 + P3 và U23% = U2% + U3% Giải hệ các phương trình trên ta tính được tổn thất ngắn mạch và điện áp ngắn mạch đối với từng cuộn dây theo số liệu đã cho:

Sau đó áp dụng công thức (4.4) và (4.5) tính các thông số của máy biến áp.

Tính tổn thất điện áp trong mạng điện phân phối mạch hở

4.2.1 Tính tổn thất điện áp trên đường dây ba pha

4.2.1.1 Tổn thất điện áp trên đường dây ba pha có phụ tải tập trung

Xét sơ đồ mạng điện ba pha có phụ tải tập trung như hình 4.3.

Hình 4.3 Sơ đồ đường dây 3 pha một sợi có phụ tải tập trung.

Hình 4.4 Đồ thị vectơ tổn thất điện áp Tổn thất điện áp là đại lượng phức:

 = U + j.U Giả thiết mạng làm việc ở chế độ đối xứng, do đó chỉ cần nghiên cứu một pha. Tổng trở dây dẫn:

Z = R +j.X (Ω) Phụ tải tập trung ở cuối đường dây:

S = P + j.Q (KVA) Trên hình vẽ biểu diễn vectơ điện áp của đường dây:

- Vectơ Oa: điện áp Up2 ở cuối đường dây.

- Vectơ Oc: điện áp Up1 ở đầu đường dây

Tổn thất điện áp được xác định bằng tam giác tổn thất abc

Vectơ ab- là tổn thất điện áp trên điện trở, trùng pha với vectơ dòng điện I, có độ lớn bằng I.R.

Vectơ bc- là tổn thất điện áp trên điện kháng, vuông góc với vectơ ab, có độ lớn bằng I.X.

Vectơ ac- là tổn thất điện áp tổng , có thể phân tích thành 2 thành phần:

- Tổn thất điện áp dọc: là hình chiếu của U lên trục, đoạn ad.

- Tổn thất điện áp ngang UP: đoạn cd.

Lưới cung cấp điện có điện áp U ≤ 35kV, thường góc θ rất bé do đó có thể bỏ qua thành phần tổn thất điện áp ngang (j.U).

Tổn thất điện áp pha:

UP = ad = af + fd (xem 1 = 2 = )

Tổn thất điện áp dây:

4.2.1.2 Tổn thất điện áp trên đường dây ba pha có nhiều phụ tải tập trung

Xét sơ đồ như hình 4.5

Hình 4.5 Sơ đồ đường dây 3 pha một sợi có n phụ tải tập trung.

Khi đường dây có nhiều phụ tải tập trung, giá trị tổn thất điện áp được tính bằng tổng tổn thất điện áp ở các đoạn dây Công thức tính toán tổn thất điện áp này rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả trong hệ thống điện.

Pi, Qi- công suất chạy trên đoạn thứ i, đơn vị (kW), (kVAr). ri, xi- điện trở và điện kháng của đoạn thứ i, đơn vị (Ω).

Uđm- điện áp định mức (kV)

Ta cũng có thể tính theo công thức (3.15)

Trong đó: pi, qi- công suất của phụ tải tại điểm thứ i, đơn vị (kW), (kVAr)

Ri, Xi- điện trở và điện kháng kể từ đầu nguồn đến điểm thứ i, đơn vị (Ω)

Uđm- điện áp định mức (kV)

4.2.1.3 Tổn thất điện áp trên đường dây ba pha có phụ tải phân bố đều Đối với đường dây có phụ tải phân bố đều thì:

Uđm điện áp dây định mức, (kV).

P, Q tổng công suất của phụ tải trên đường dây, đơn vị (kW), (kVAr)

R, X điện trở và điện kháng của đường dây, (Ω)

4.2.1.4 Trình tự tính tổn thất điện áp trên đường dây ba pha

Bước 1: Tính điện trở, điện kháng của đoạn đường dây

Bước 2: Xác định công suất tải cuối đoạn đường dây

Bước 3: Áp dụng công thức (4.12) hay (4.14) hay (4.15) hay (4.16) tính được tổn thất điện áp trên đường dây.

4.2.1.5 Thực hành Đường dây trên không 22kV (ĐDK-22kV) cấp điện cho 1 nhà máy có sơ đồ và số liệu như hình vẽ:

Hãy xác định tổn thất điện áp ∆UΣ trên đường dây trên

Biết dây AC-50 có: r0 = 0,64Ω/km; x0 = 0,392Ω/km

Người học sử dụng máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

4.2.2 Tính tổn thất điện áp trong máy biến áp (MBA)

4.2.2.1 Tổn thất điện áp trong máy biến áp

Tổn thất điện áp trong máy biến áp tương tự như tổn thất điện áp trên đường dây tải điện có phụ tải tập trung, và có thể được tính toán thông qua một công thức cụ thể.

Trong đó: PT, QT- công suất do máy biến áp truyền tải, đơn vị (kW), (kVAr)

RT, XT- điện trở và điện kháng MBA quy đổi về cấp điện áp tương ứng, (Ω)

Uđm- điện áp định mức MBA, (kV) Điện trở cuộn dây MBA {với PN(kW); UTđm(kV); STđm(kVA)}

(4.18) Điện kháng cuộn dây MBA {với UN(%); UTđm(kV); STđm(kVA)}

Bước 1: Tính điện trở, điện kháng của các cuộn dây máy biến áp theo công thức

Bước 2: Xác định công suất do máy biến áp truyền tải (PT, QT)

Bước 3: Áp dụng công thức (4.17) tính được tổn thất điện áp trong MBA.

Một trạm biến áp: 1 MBA x 1000 (kVA) – 101/0,4 (kV), có các thông số kỹ thuật:

Phụ tải của xí nghiệp 8000,6 (kVA), như hình vẽ

Xác định tổn thất điện áp trong MBA *Sơ đồ thay thế

Người học sử dụng máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

Tính tổn công suất trên mạng điện phân phối mạch hở

Tổn thất công suất trong mạng phân phối gồm tổn thất công suất trên đường dây và tổn thất công suất trong trong trạm biến áp.

- Tổn thất công suất trên đường dây là một đại lượng phức:

Trong đó: P là tổn thất công suất tác dụng do phát nóng trên điện trở đường dây Q là tổn thất công suất phản kháng do từ hóa đường dây

Tổn thất công suất trong máy biến áp được chia thành hai loại chính: tổn thất không tải, liên quan đến lõi thép hay tổn thất sắt, và tổn thất có tải, liên quan đến dây quấn hay tổn thất đồng.

Trong đó: S0 là tổn thất công suất không tải

Sdq là tổn thất công suất trên dây quấn MBA

PT là tổn thất công suất tác dụng do phát nóng trên điện trở MBA

QT là tổn thất công suất phản kháng do từ hóa trong MBA

4.3.2 Tính tổn thất công suất trên đường dây tải điện

4.3.2.1 Tổn thất công suất trên đường dây tải điện

Xác định tổn thất công suất trên đường dây, ta dùng sơ đồ thay thế hình π

Trường hợp 1: Xét mạng điện khu vực có điện áp từ 110  220kV do đó có thể bỏ qua thông số điện dẫn G (như hình 3.6 a).

Hình 4.6 Sơ đồ thay thế đường dây tải điện Theo hình vẽ, dễ dàng tính được:

Tổn thất công suất tác dụng và phản kháng khi có dòng điện ba pha chạy qua tổng trở (Z = R + jX)

Trường hợp 2: Đối với đường dây địa phương ta có thể bỏ qua tổng dẫn B, (như hình 4.6 b).

Khi đó tổn thất công suất được xác định theo công suất tải (P2 + jQ2)

Nếu đường dây phân phối có phụ tải phân bố đều (như đường dây chiếu sáng ngoài đường), có dòng điện I và điện trở R, thì tổn thất P = RI 2

4.3.2.2 Trình tự tính tổn thất công suất trên đường dây tải điện

Bước 1: Tính điện trở, điện kháng của đoạn đường dây

Bước 2: Xác định công suất tải cuối đoạn đường dây

Bước 3: Áp dụng công thức (4.21) tính được tổn thất công suất trên đường dây. 4.3.2.3 Thực hành

Cho mạng điện 3 pha điện áp 22kV, cấp điện cho 1 phụ tải như hình vẽ:

Hãy tính tổn thất công suất trên đường dây.

Người học sử dụng máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

4.3.3 Tính tổn thất công suất trong máy biến áp

4.3.3.1 Tổn thất công suất trong máy biến áp 2 dây quấn a.- Thành phần tổn thất không tải a) b)

Thành phần tổn thất trong lõi thép không đổi khi phụ tải thay đổi và bằng tổn thất không tải: S0 = P0 +j Q0 (4.22)

Tổn thất công suất tác dụng trong máy biến áp hai dây quấn khi hoạt động ở tải định mức tương đương với tổn thất công suất ngắn mạch, được biểu thị bằng công thức: ΔPdqđm = ΔPN.

Tổn thất công suất phản kháng trong các cuộn dây

Khi RT < XT, xác định tổn thất trong máy biến áp cần xem xét hệ số tải, vì máy biến áp hoạt động với công suất khác biệt so với tải định mức.

Khi đó tổn thất trong các dây quấn:

Tổng tổn thất công suất trong máy biến áp:

Bước 1: Tính tổn thất công suất không tải

Bước 2: Tính tổn thất công suất trên dây quấn MBA khi có tải tải

Bước 3: Áp dụng công thức (4.23) tính được tổn thất công suất trong MBA. 4.3.3.3 Thực hành

Một TBA cấp điện cho xí nghiệp cơ khí có 1 MBAx1000(kVA)–10/0,4(kV), có các thông số kỹ thuật: P0 = 5kW; PN = 12kW; I0% = 3%; U0% = 5%

Phụ tải của xí nghiệp 8000,6 (kVA), như hình vẽ:

Hãy xác định tổn thất công suất trong trạm biến áp.

Người học sử dụng máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

Tính tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối mạch hở

4.4.1 Điện năng và tổn thất điện năng Điện năng là lượng công suất tác dụng sản xuất, truyền tải hay tiêu thụ trong một khoảng thời gian Trong thiết kế hệ thống thường lấy thời gian là một năm.

Nếu công suất P không đổi trong thời gian khảo sát T thì điện năng:

Khi đó tổn thất công suất cũng không đổi và tổn thất điện năng:

Trường hợp công suất thay đổi, có thể biễu diễn thành hàm theo thời gian, ta có:

Trong thực tế, việc biểu diễn công suất và tổn thất công suất theo thời gian rất hiếm khi thực hiện được Thay vào đó, tổn thất điện năng thường được xác định thông qua phương pháp gần đúng, và điều quan trọng là cần tìm các giá trị  và Tmax.

Tmax- là thời gian nếu hệ thống cung cấp điện chỉ truyền tải công suất lớn nhất

Pmax thì sẽ truyền tải được lượng điện năng đúng bằng lượng điện năng truyền tải trong thực tế 1 năm.

(4.27) Tuy nhiên, trong giai đoạn thiết kế do chưa biết A, nên giá trị Tmax thường được tra chọn theo sổ tay thiết kế:

Chọn 4000 – 5000h đối với hộ tiêu thụ đô thị

Chọn 2500 – 3000h đối với hộ tiêu thụ nông thôn

Nếu hệ thống cung cấp điện chỉ truyền tải công suất lớn nhất trong một khoảng thời gian nhất định, sẽ dẫn đến tổn thất điện năng tương đương với lượng tổn thất điện năng thực tế xảy ra trong một năm.

 được xác định gần đúng theo Tmax như sau:

 = (0,124 + 10 -4 Tmax) 2 8760 (h) (4.29) Tổn thất điện năng trong mạng điện bao gồm tổn thất điện năng trên đường dây và tổn thất điện năng trong trong trạm biến áp.

 Pđd là tổn thất công suất tác dụng do phát nóng trên điện trở đường dây

PT là tổn thất công suất tác dụng do phát nóng trên điện trở MBA

4.4.2 Tính tổn thất điện năng trên đường dây tải điện

4.4.2.1 Tổn thất điện năng trên đường dây tải điện

Bước 1: Tra sổ tay xác định điện trở riêng của dây dẫn, từ đó tính điện trở đoạn đường dây tải điện

Bước 2: Tính tổn thất công suất trên đoạn đường dây tải điện

Bước 3: Xác định Tmax và tính  theo (4.29)

Bước 4: Áp dụng công thức (4.30) tính được tổn thất điện năng trên đoạn đường dây tải điện.

4.4.2.3 Thực hành ĐDK–22kV sử dụng dây AC–50 có chiều dài 5km, cấp điện cho 1 xí nghiệp như hình vẽ:

Hãy xác định lượng tiền chi trả do tổn thất điện năng trên đường dây trong 1 năm.

Biết: S = 1000kVA; Cos = 0,6; Tmax = 5000h; đơn giá điện c = 1000 đ/kWh.

Người học sử dụng máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

4.4.3 Tính tổn thất điện năng trong trạm biến áp

4.4.3.1 Tổn thất điện năng trong trạm biến áp

Tổn thất điện năng trong một máy biến áp:

Nếu máy biến áp làm việc liên tục quanh năm thì t = 8760h.

Khi có n máy biến áp giống nhau làm việc song song thì:

Để tính toán tổn thất điện năng trong trạm biến áp, chúng ta cần sử dụng đồ thị phụ tải Thay thế các đại lượng trong công thức (4.31) và (4.32) bằng thời gian (t) theo đồ thị phụ tải sẽ giúp xác định chính xác tổn thất điện năng.

Bước 1: Xác định phụ tải làm việc cực đại

Bước 2: Xác định thời gian làm việc tương ứng với phụ tải của máy biến áp Bước 3: Xác định đúng các thông số trên thẻ MBA

Bước 4: Áp dụng công thức (4.31) hay (4.32) tính tổn thất điện năng trong MBA. 4.4.3.3 Thực hành

Trạm biến áp của một xí nghiệp đặt MBA 500kVA–10/0,4kV (MBA của Công ty thiết bị Đông Anh chế tạo) có thông số kỹ thuật: P0 = 940W; PN = 5210W

Để xác định lượng tiền chi trả do tổn thất điện năng của trạm trong một năm, cần biết đơn giá điện là 1000 đồng/kWh và tham khảo đồ thị phụ tải.

Người học sử dụng máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

4.4.4 Một số giải pháp giảm tổn thất điện năng trong cung cấp điện

Để giảm tổn thất điện năng, cần tập trung vào việc giảm tổn thất công suất tác dụng P Các giải pháp thực hiện đều hướng đến việc điều chỉnh các đại lượng P, Q, R và U, từ đó giúp giảm thiểu P hiệu quả.

Để tăng điện áp truyền tải, có thể sử dụng đầu phân áp của máy biến áp nhằm nâng cao điện áp cung cấp, nhưng không vượt quá 5% Uđm Nếu có khả năng, việc cải tạo và nâng cấp điện áp cho đường dây truyền tải cũng nên được xem xét.

Để giảm thiểu lượng P, cần thay đổi dây chuyền công nghệ bằng cách áp dụng các thiết bị điện công nghệ mới với hiệu suất cao, giúp tiết kiệm điện năng.

Bù công suất phản kháng là giải pháp hiệu quả nhằm giảm lượng Q truyền tải trên lưới điện Phương pháp này bao gồm việc áp dụng các biện pháp hành chính và khuyến khích các doanh nghiệp lắp đặt tụ bù, giúp giảm Q và thực hiện bù kinh tế trên lưới điện cung cấp.

- Giảm trị số R: để giảm R có thể dùng các giải pháp:

Dùng cáp đồng thay cho cáp nhôm Tăng tiết diện dây dẫn.

Chọn tiết diện dây theo Jkt (dây sẽ lớn hơn và R nhỏ hơn khi chọn theo các phương pháp khác).

Câu 1 Cho mạng điện xoay chiều 3 pha điện áp 10kV cấp điện cho 1 phụ tải như hình vẽ: t(h)

Hãy tính tổn thất công suất trên đường dây Biết đường dây cấp điện cho phụ tải là loại ĐDK AC – 70 dài 5km.

Câu 2 Cho mạng điện xoay chiều 3 pha điện áp 22kV cung cấp điện cho 3 phụ tải cho như hình vẽ:

Để tính toán tổn thất công suất trên đường dây cấp điện, chúng ta sẽ bỏ qua tổn thất trên mỗi đoạn dây Toàn bộ đường dây sử dụng loại ĐDK AC–50, và các thông số về chiều dài các đoạn dây cùng với dữ liệu phụ tải đã được cung cấp trong hình vẽ.

Trạm biến áp của xí nghiệp bao gồm 2 máy biến áp (MBA) có công suất 1000 kVA mỗi chiếc, với điện áp 22/0,4 kV Thông số kỹ thuật của MBA bao gồm: tổn thất không tải (ΔP0) là 1570W, dòng điện không tải (I0) là 1,32%, tổn thất công suất (ΔPN) là 9500W và điện áp định mức (UN) là 5% Các máy biến áp này được sản xuất bởi Công ty thiết bị Đông Anh.

Phụ tải của xí nghiệp S = 1500 kVA, Cos = 0,9

Hãy xác định tổn thất công suất của trạm biến áp.

Câu 4 ĐDK–10kV sử dụng dây AC–50 có chiều dài 5km và 3km (như hình vẽ)

Hãy xác định lượng tiền tổn thất điện năng trong 1 năm trên đường dây với điều kiện bỏ qua lượng tổn thất trên mỗi đọan dây.

Biết xí nghiệp có 2 phụ tải đặt tai B và C tương ứng với

SB = 1000kVA; CosB = 0,7; TmaxB = 5000h và SC = 500kVA; CosC = 0,8; Tmax = 4000h. Đơn giá điện c = 500 (đ/kWh); r0 = 0,64

Câu 5 ĐDK-22kV cấp điện cho 2 nhà máy có sơ đồ và số liệu như hình vẽ:

Hãy xác định tổn thất điện áp tổng (∆UN2) trên đường dây.

Biết dây AC – 50 có: r0 = 0,64Ω/km; x0 = 0,392Ω/km

Câu 6 Trạm biến áp của một siêu thị lớn đặt 2 MBA: 2 x 800(kVA)–22/0,4kV (MBA của ABB chế tạo); có các thông số: P0 = 1400W; PN = 105000W

Hãy xác định lượng tiền tổn thất 1 năm của trạm.

Biết đồ thị phụ tải cho như hình vẽ và đơn giá điện là c = 1000(đ/kWh).

Khi chọn MBA cho trạm BA nhà máy luyện kim với phụ tải Stt = 1200kVA, cần xem xét hai trường hợp: Thứ nhất, trong trường hợp không biết tỷ lệ phần trăm phụ tải loại 3, việc lựa chọn MBA cần dựa trên các tiêu chuẩn an toàn và hiệu suất tối ưu Thứ hai, nếu biết rằng tỷ lệ phần trăm phụ tải loại 3 là 20%, điều này sẽ giúp xác định chính xác hơn công suất và khả năng hoạt động của MBA, từ đó đảm bảo sự ổn định và hiệu quả trong quá trình vận hành của nhà máy.

Lưới điện trung áp 22kV và thiết bị sử dụng điện với điện áp định mức Uđm = 380/220V là hai yếu tố quan trọng trong việc thiết kế hệ thống điện Việc so sánh hai phương án chọn máy giúp xác định lựa chọn tối ưu cho ứng dụng cụ thể Đồng thời, cần xác định tỷ lệ phần trăm tải cần cắt để phù hợp với máy biến áp được chọn, đảm bảo hiệu suất hoạt động và an toàn cho hệ thống điện.

TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Ngắn mạch trong hệ thống điện

Ngắn mạch là hiện tượng xảy ra khi mạch điện bị chập tại một điểm, dẫn đến tổng trở mạch giảm và dòng điện trong mạch tăng cao đột ngột, trong khi điện áp giảm đáng kể.

Hình 5.1 Đồ thị biến thiên dòng điện trong quá trình quá độViệc dòng điện tăng cao quá mức sẽ gây các hậu quả nghiêm trọng:

- Xuất hiện lực điện động lớn có khả năng phá hủy kết cấu của các thiết bị điện, tiếp tục gây chạm chập cháy nổ.

- Làm nhiệt độ tăng cao phá hủy các đặc tính cách điện, việc này lại tiếp tục gây ra các ngắn mạch khác.

Nếu không nhanh chóng cô lập vùng ngắn mạch thì hệ thống chuyển sang chế độ ngắn mạch duy trì.

Dòng điện ngắn mạch có thể được phân tích theo thời gian thành hai thành phần chính: chu kỳ và không chu kỳ, được biểu diễn bằng công thức iN(t) = ick(t) + ikck(t) Trong đó, thành phần không chu kỳ {ikck(t)} sẽ dần tắt, và sau một khoảng thời gian, chỉ còn lại thành phần chu kỳ.

Dòng điện siêu quá độ ban đầu: (5.2)

Trong đó: x*- điện kháng tổng hợp trong đơn vị tương đối.

E*- sức điện động siêu quá độ tương đương trong đơn vị tương đối.

Ickm- biên độ của thành phần chu kỳ:

(5.3) ixk- là dòng ngắn mạch tại t = T/2, gọi là dòng điện xung kích

Với: gọi là hệ số xung kích

Ta = x/w.r - là hằng số thời gian

Thông thường hệ số xung kích được tra từ các bảng theo tỷ số (x/r) của mạch, vị trí ngắn mạch và các đặc trưng của mạch điện

Trung bình có thể lấy giá trị như sau:

- Ngắn mạch tại thanh góp máy phát hoặc đầu cao áp của MBA tăng: kxk = 1,9

- Ngắn mạch ở các thiết bị cao áp xa máy phát: kxk = 1,8.

Ngắn mạch phía thứ cấp của các trạm hạ áp có công suất dưới 1000kVA được xác định với hệ số kxk = 1,3 Đối với động cơ không đồng bộ, do sự suy giảm của các thành phần dòng chu kỳ, hệ số kxkĐ cho động cơ cỡ lớn được lấy là 1,8.

+ Động cơ cỡ 100÷200kW: kxkĐ = 1,5÷1,6 + Động cơ cỡ bé và phụ tải tổng hợp: kxkĐ = 1

Có nhiều dạng ngắn mạch: ngắn mạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 2 pha chạm đất, ngắn mạch 1 pha chạm đất…, ngắn mạch 3 pha là nguy hiểm nhất.

Bảng 5.1 Các loại ngắn mạch trong hệ thống cung cấp điện

Trong lưới trung áp 35, 10, 6kV với trung tính cách điện, dòng ngắn mạch 1 pha thường nhỏ và cho phép tiếp tục vận hành trong 2 giờ sau khi xảy ra sự cố Nếu không phát hiện và khắc phục được sự cố sau thời gian này, điện sẽ được cắt Việc phát hiện sự cố được hỗ trợ bởi máy biến áp ba pha tam giác hở.

5.1.3 Mục đích và yêu cầu của tính toán ngắn mạch

Khi thiết kế và vận hành hệ thống điện, việc thực hiện các tính toán sơ bộ, đặc biệt là tính toán ngắn mạch, là rất quan trọng để giải quyết các vấn đề kỹ thuật Tính toán ngắn mạch liên quan đến việc xác định dòng điện và áp suất tại các điểm hoặc nhánh trong sơ đồ điện vào thời điểm xảy ra sự cố Tùy thuộc vào mục đích, các đại lượng này có thể được tính toán tại một thời điểm cụ thể hoặc theo diễn biến trong suốt quá trình quá độ Những tính toán này là cần thiết để xử lý các vấn đề kỹ thuật liên quan đến an toàn và hiệu suất của hệ thống điện.

- So sánh, đánh giá, chọn lựa sơ đồ nối điện

- Chọn các khí cụ, dây dẫn, thiết bị điện

- Thiết kế và chỉnh định các loại bảo vệ

- Nghiên cứu phụ tải, phân tích sự cố, xác định phân bố dòng

Trong hệ thống điện phức tạp, việc tính toán ngắn mạch chính xác là một thách thức lớn Do đó, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể, các phương pháp thực nghiệm thường được áp dụng để ước lượng ngắn mạch, phù hợp với các điều kiện ban đầu khác nhau.

Để chọn máy cắt điện phù hợp, cần xác định dòng ngắn mạch lớn nhất có thể xảy ra trong điều kiện làm việc của nó Giả thiết rằng ngắn mạch xảy ra khi hệ thống có số lượng máy phát hoạt động tối đa, và dạng ngắn mạch gây ra dòng lớn nhất là ngắn mạch trực tiếp tại đầu cực máy cắt Đối với việc lựa chọn và điều chỉnh thiết bị bảo vệ rơle, cần tìm dòng ngắn mạch nhỏ nhất, yêu cầu sử dụng các điều kiện tính toán khác với những điều kiện đã nêu.

5.1.4 Phương pháp tính gần đúng dòng điện ngắn mạch

Các phương pháp tính thông thường đều phải thực hiện theo các bước sau:

- Xây dựng các giả thiết phù hợp với phương pháp tính, mục đích tính ngắn mạch phù hợp với từng trường hợp cụ thể…

- Chọn hệ đơn vị tương đối

- Thành lập sơ đồ thay thế và thực hiện các phép biến đổi để có thể tính được điện kháng từ nguồn đến điểm ngắn mạch

- Tính các thành phần của dòng ngắn mạch cần thiết

Sau đây sẽ giới thiệu khái quát phương pháp tính gần đúng dòng ngắn mạch theo phương pháp giải tích.

5.1.4.1 Xây dựng các giả thiết

Khi xảy ra ngắn mạch, sự cân bằng công suất điện và cơ điện bị phá hủy, dẫn đến nhiều yếu tố trong hệ thống điện biến thiên mạnh và ảnh hưởng lẫn nhau Việc tính toán ngắn mạch trở nên khó khăn nếu xem xét tất cả các yếu tố ảnh hưởng Do đó, để đơn giản hóa vấn đề, người ta thường đưa ra những giả thiết cụ thể cho từng phương pháp tính toán ngắn mạch Bài viết này sẽ trình bày các giả thiết cơ bản chung cho việc tính toán ngắn mạch.

Mạch từ không bão hòa giúp đơn giản hóa phương pháp phân tích và tính toán ngắn mạch, bởi vì mạch điện trở thành tuyến tính Điều này cho phép áp dụng nguyên lý xếp chồng để phân tích quá trình một cách hiệu quả hơn.

- Bỏ qua dòng điện từ hóa của máy biến áp

- Hệ thống điện 3 pha là đối xứng

Bỏ qua dung dẫn của đường dây không gây ra sai số lớn trong hầu hết các trường hợp Tuy nhiên, khi tính toán cho đường dây cao áp tải điện kéo dài, cần xem xét đến dung dẫn của đường dây để đảm bảo độ chính xác.

Bỏ qua điện trở tác dụng có nghĩa là sơ đồ tính toán chỉ có tính chất thuần kháng, thường áp dụng khi xảy ra ngắn mạch ở các bộ phận điện áp cao Tuy nhiên, cần xem xét điện trở của hồ quang điện tại chỗ ngắn mạch hoặc khi tính toán ngắn mạch trên đường dây cáp dài và đường dây trên không có tiết diện bé Ngoài ra, khi tính hằng số thời gian tắt dần của dòng điện không chu kỳ, điện trở tác dụng cũng cần được tính đến.

Trong quá trình quá độ, việc xem xét phụ tải có thể được thực hiện một cách gần đúng bằng cách coi tất cả phụ tải như một tổng trở không đổi, tập trung tại một nút chung, tùy thuộc vào giai đoạn cần phân tích.

Máy phát điện đồng bộ không có dao động công suất giữ cho góc lệch pha giữa sức điện động của các máy phát điện ổn định trong quá trình ngắn mạch Khi góc lệch pha tăng lên, dòng điện trong nhánh sự cố sẽ giảm, giúp đơn giản hóa quá trình tính toán Giả thiết này cho phép xác định trị số dòng điện tại chỗ ngắn mạch lớn nhất và không gây ra sai số lớn, đặc biệt trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ (0,1÷0,2 giây).

5.1.4.2 Chọn đơn vị tương đối

Bất kỳ một đại lượng vật lý nào cũng có thể biểu diễn trong hệ đơn vị có tên hoặc trong hệ đơn vị tương đối

Trị số trong đơn vị tương đối của một đại lượng vật lý nào đó là tỷ số giữa nó với

Đại lượng vật lý có cùng thứ nguyên được sử dụng làm đơn vị đo lường được gọi là đại lượng cơ bản.

Để biểu diễn các đại lượng trong đơn vị tương đối, trước tiên cần chọn các đại lượng cơ bản Trong hệ thống điện 3 pha, các đại lượng cơ bản được sử dụng bao gồm điện áp, dòng điện, và công suất.

Scb- công suất cơ bản 3 pha Zcb- tổng trở pha cơ bản.

Ucb- điện áp dây cơ bản tcb- thời gian cơ bản

Icb- dòng điện cơ bản ωcb- tốc độ góc cơ bản.

Các đại lượng này liên hệ với nhau qua các biểu thức sau:

Do đó, thường chọn ba đại lượng cơ bản là Scb, Ucb, ωcb, các đại lượng còn lại được tính từ các biểu thức trên.

Scb- thường được chọn bằng 100MVA, 1000MVA hay có thể chọn bằng công suất định mức của một trong các nguồn cung cấp.

Ucb- lấy theo thang điện áp trung bình định mức: 500 ; 330; 230; 115; 37; 22; 18; 15,75; 13,8; 6,3; 3,15 và 0,4kV.

Sau khi đã có các đại lượng cơ bản, có thể tính các đại lượng tương đối từ các đại lượng thực theo các công thức sau:

Một số tính chất của hệ đơn vị tương đối:

- Các đại lượng cơ bản dùng làm đơn vị đo lường cho các đại lượng toàn phần cũng đồng thời dùng cho các thành phần của chúng

Ví dụ: Scb- dùng làm đơn vị đo lường chung cho S, P, Q; Zcb- cho Z, R, X

- Trong đơn vị tương đối điện áp pha và điện áp dây bằng nhau, công suất 3 pha và công suất 1 pha cũng bằng nhau

Tính toán ngắn mạch trung áp

Ngắn mạch trong lưới trung áp được xem là ngắn mạch xa nguồn, khi đó dòng ngắn mạch thành phần không chu kỳ coi như đã tắt, chỉ còn lại dòng ngắn mạch chu kỳ Dòng ngắn mạch chu kỳ, hay còn gọi là dòng ngắn mạch siêu quá độ hoặc dòng ngắn mạch vô cùng, có trị số hiệu dụng đặc trưng.

Lưới điện quốc gia có cấu trúc phức tạp, gây khó khăn trong việc hiểu rõ toàn bộ hệ thống Để tính toán ngắn mạch trung áp, có thể coi nguồn công suất cung cấp cho điểm ngắn mạch là công suất cắt định mức của máy cắt tại trạm BATG Khi đó, trở kháng gần đúng của hệ thống sẽ được xác định dựa trên giả định này.

Trong đó: Utb- điện áp trung bình của lưới, Utb = 1,05Uđm (kV)

SCđm = Uđm.ICđm là công suất định mức của máy cắt đầu nguồn đặt tại trạm BATG cấp điện cho điểm ngắn mạch (MVA)

Với: Uđm và ICđm là điện áp định mức và dòng điện cắt định mức của máy cắt.

Trị số dòng ngắn mạch xoay chiều 3 pha trung áp xác định theo công thức:

Với: ZN – Tổng trở ngắn mạch tính từ nguồn đến điểm ngắn mạch N.

Bước 1: Lập sơ đồ thay thế tính từ trạm BATG cấp điện cho điểm ngắn mạch Bước 2: Tính điện áp trung bình: Utb = 1,05Uđm (kV)

Bước 3: Tính công suất định mức của máy cắt đầu nguồn đặt tại trạm BATG cấp điện cho điểm ngắn mạch: SCđm = Uđm.ICđm (MVA)

Bước 4: Tính trở kháng gần đúng của hệ thống theo (5.10)

Bước 5: Tính tổng trở ngắn mạch từ trạm BATG cấp điện cho điểm ngắn mạch Bước 6: Tính dòng ngắn mạch theo (5.11)

Sơ đồ cấp điện phía cao áp của một TBA xí nghiệp cho như hình vẽ sau:

Hãy xác định dòng ngắn mạch tại N Biết: MC có Uđm = 12kV; ICđm = 31,5kA; Dây AC-50 có: r0 = 0,64 /km; x0 = 0,4 /km

Người học sử dụng sổ tay thiết kế, máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

MC ĐDK – 10kV; AC-50; 3km

Tính toán ngắn mạch hạ áp

Ngắn mạch hạ áp xảy ra khi có ngắn mạch xa nguồn, và để tính toán, ta coi trạm BAPP là nguồn Do đó, tổng trở nguồn chính là tổng trở của MBA trong trạm BAPP (ZT).

Khi đó tổng trở của hệ thống chính là tổng trở của trạm biến áp

PN; UN – là tổn hao ngắn mạch (kW) và điện áp ngắn mạch (%) của MBA

UTđm, STđm – là điện áp định mức (kV), công suất định mức (kVA) của MBA

N – là số máy biến áp đặt trong trạm biến áp

Trị số dòng ngắn mạch xoay chiều 3 pha trung áp xác định theo công thức:

Với: ZN – Tổng trở ngắn mạch tính từ nguồn đến điểm ngắn mạch N.

Uđm- Điện áp định mức lưới hạ áp

Bước 1: Lập sơ đồ thay thế tính từ trạm BAPP đến điểm ngắn mạch

Bước 2: Tính tổng trở MBA trong trạm BAPP theo (5.12)

Bước 3: Tính tổng trở ngắn mạch tính từ trạm BAPP đến điểm ngắn mạch

Bước 4: Tính dòng ngắn mạch theo (5.13)

Cho sơ đồ nguyên lý cung cấp điện như hình vẽ

Để xác định dòng điện ngắn mạch tại N (IN) và N1 (IN1), cần sử dụng thông số kỹ thuật của máy biến áp 200 kVA – 22/0,4 kV với công suất mất mát là 3,34 kW và điện áp định mức 4,5% Tổng trở của đoạn cáp tổng (CT) là ZCT = 1 + j1 (mΩ), áptômát tổng (AT) có tổng trở ZAT = 0,75 + j0,2 (mΩ), và đoạn cáp nhánh 1 (C1) có tổng trở ZC1 = 14,6 + j2 (mΩ).

Thanh góp (TG) có tổng trở: ZTG = 0,27 + j0,2 (m). Áptômát nhánh A11 và A12 có: UđmA11 = 500V; IđmA = 200A;

Người học sử dụng sổ tay thiết kế, máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

Câu 1 Ngắn mạch là gì? Hãy phân tích các trạng thái ngắn mạch trong hệ thống cung cấp điện và chỉ ra trạng thái ngắn mạch nguy hiểm nhất.

Câu 2 Hãy nêu mục đích, yêu cầu và các phương pháp tính toán ngắn mạch trong hệ thống cung cấp điện.

Câu 3 Cho sơ đồ nguyên lý cung cấp điện như hình vẽ

Để xác định dòng điện ngắn mạch tại các điểm N, N1, N2 và N3, ta cần xem xét thông số kỹ thuật của máy biến áp 200 kVA – 22/0,4 kV với công suất định mức là 3,5 kW và điện áp định mức 5% Đoạn cáp tổng dài 10m có điện trở r0 là 0,1 (Ω/km) và phản kháng x0 là 0,1 (Ω/km) Ngoài ra, áptômát tổng có các thông số: điện trở RAtx là 0,5 (mΩ), phản kháng Xbv là 0,2 (mΩ) và điện trở Rbv là 0,25 (mΩ).

Tổng trở của thanh góp (TG) được xác định là ZTG = 0,27 + j0,2 (m) Đoạn cáp nhánh 1 (C1) có tổng trở ZC1 = 14,6 + j2 (m), trong khi áptômát nhánh (A11 và A12) có tổng trở ZAT1 = 0,8 + j0,4 (m) Đoạn cáp nhánh 2 (C2) có tổng trở ZC2 = 34,6 + j3 (m), và áptômát nhánh (A21 và A22) có tổng trở ZAT2 = 1,7 + j0,6 (m) Đoạn cáp nhánh 3 (C3) cũng có tổng trở ZC3 = 34,6 + j3 (m), với áptômát nhánh (A31 và A32) có tổng trở ZAT3 = 2,05 + j0,86 (m).

LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ TRONG LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN.71 6.1 Điều kiện chung để chọn, kiểm tra thiết bị điện

Lựa chọn thiết bị đóng cắt và bảo vệ

6.2.1 Lựa chọn dao cách ly, cầu chì cao áp

6.2.1.1 Dao cách ly, cầu chì cao áp

Dao cách ly có chức năng chính là tạo khoảng cách an toàn giữa phần có điện và phần không có điện, phục vụ cho việc sửa chữa, kiểm tra và bảo dưỡng Việc không cho phép dao cách ly đóng cắt mạch khi đang mang tải là do thiết bị này không có bộ phận dập hồ quang Tuy nhiên, dao cách ly có thể được sử dụng để đóng cắt không tải đối với biến áp có công suất nhỏ hơn 1000kVA.

Cầu chì có chức năng chủ yếu là bảo vệ ngắn mạch.

Cầu chì và dao cách ly được chế tạo với mọi cấp điện áp.

Trong lưới cung cấp điện, cầu chì thường được sử dụng kết hợp với dao cách ly hoặc dao cắt phụ tải, mặc dù có thể dùng riêng rẽ Tương tự, dao cách ly cũng có thể hoạt động độc lập nhưng thường được kết hợp với máy cắt và cầu chì để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hệ thống điện.

Trong lưới điện cao áp, cầu chì được sử dụng chủ yếu để bảo vệ các tuyến đường dây khi kết hợp với dao cắt phụ tải, tạo thành bộ máy cắt phụ tải trung áp Ngoài ra, cầu chì cũng được lắp đặt ở phía cao áp (6, 10, 22, 35kV) tại các trạm biến áp phân phối nhằm bảo vệ chống lại hiện tượng ngắn mạch cho máy biến áp (MBA).

Cầu chì có nhiều loại và kiểu dáng khác nhau, trong đó cầu chì ống là loại phổ biến nhất ở điện áp trung áp Ngoài ra, ở điện áp trung áp, cầu chì tự rơi (CCTR hay FCO) cũng được sử dụng thay cho bộ cầu dao - cầu chì (CD-CC).

Trong lưới điện trung áp và cao áp, dao cách ly thường không được sử dụng một cách riêng lẻ Thay vào đó, chúng thường được kết hợp với máy cắt trong tủ máy cắt hoặc trong bộ MC-DCL, cũng như với cầu chì trung áp tại các trạm BAPP.

Cầu chì, DCL trung áp, cao áp được chọn theo các điều kiện như bảng 6.2; 4.6. Bảng 6.2 Điều kiện chọn và kiểm tra dao cách ly

Các đại lượng chọn và kiểm tra Điều kiện Điện áp định mức (kV) UđmDCL  UđmLĐ

Dòng điện định mức (A) IđmDCL  Icb

Dòng điện ổn định động (kA) Iođđ  ixk

Dòng điện ổn định nhiệt (kA)

Inhđm  Bảng 6.3 Điều kiện chọn và kiểm tra cầu chì cao áp

Các đại lượng chọn và kiểm tra Điều kiện Điện áp định mức (kV) UđmDCL  UđmLĐ

Dòng điện định mức (A) IđmDCL  Icb

Dòng cắt định mức (kA) Iđm  I

Công suất cắt định mức (MVA) Scđm  S

UđmLĐ- là điện áp định mức của lưới điện (kV);

Icb- là dòng điện cưỡng bức, nghĩa là dòng điện làm việc lớn nhất đi qua DCL, xác định theo sơ đồ cụ thể;

Dòng ngắn mạch I và I là các dòng điện vô cùng và siêu quá độ trong tính toán ngắn mạch lưới cung cấp điện Khi coi ngắn mạch là xa nguồn, các trị số này sẽ bằng nhau và bằng dòng ngắn mạch chu kỳ Dòng điện ngắn mạch xung kích ixk được định nghĩa là trị số tức thời lớn nhất của dòng ngắn mạch, với công thức ixk = 1,8 2.IN (6.1).

S"- là công suất ngắn mạch: S = 3.U tb I (6.2) tnhđm- là thời gian ổn định nhiệt định mức, nhà chế tạo cho tương ứng với

Thời gian quy đổi (tqđ) trong lưới trung áp được xác định thông qua tính toán và đồ thị Trong thực tế, tqđ có thể được lấy bằng thời gian tồn tại của ngắn mạch, tức là thời gian cắt ngắn mạch.

Các thiết bị điện có Iđm > 1000A không cần kiểm tra ổn định nhiệt.

Bước 1: Tính Icb; IN; I"; S"; I; ixk

Bước 2: Chọn nhà sản xuất, tra catalog chọn dao cách ly thão mãn điều kiện bảng

6.2 và chọn cầu chì cao áp thão mãn điều kiện bảng 6.3.

Tính, chọn bộ dao cách ly và cầu chì cao áp để đặt phía cao áp trạm biến áp 120(kVA)–22/0,4kV.

Người học sử dụng catalog, máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

6.2.2 Lựa chọn cầu dao, cầu chì hạ áp

6.2.2.1 Cầu dao, cầu chì hạ áp Ở lưới hạ áp thường gọi dao cách ly là cầu dao Người ta chế tạo cầu dao 1 pha, 2 pha, 3 pha với số cực khác nhau: 1 cực, 2 cực, 3 cực, 4 cực

Về khả năng đóng cắt, cầu dao được chế tạo gồm hai loại:

- Cầu dao chỉ làm nhiệm vụ cách ly, đóng cắt không tải hoặc tải nhỏ

- Cầu dao phụ tải làm nhiệm vụ cách ly và đóng cắt dòng phụ tải.

Cầu chì hạ áp cũng được chế tạo gồm 3 loại:

- Cầu chì thông thường (không làm nhiệm vụ cách ly, cắt tải)

- Cầu chì cách ly có một đầu cố định, một đầu mở ra được như dao cách ly làm nhiệm vụ cách ly như cầu dao.

Cầu chì cắt tải là cầu chì cách ly, có thể đóng cắt dòng phụ tải như cầu dao phụ tải.

Người ta cũng chế tạo bộ cầu dao – cầu chì theo 2 loại:

- Bộ cầu dao - cầu chì thông thường

- Bộ cầu dao phụ tải - cầu chì.

Bảng 6.4 Ký hiệu, sơ đồ và chức năng của từng loại cầu dao, cầu chì hạ áp.

Loại Ký hiệu Chức năng

Cầu dao (dao cách ly) Cách ly, đóng cắt dòng nhỏ.

(dao phụ tải ) Cách ly, đóng cắt dòng phụ tải

Cầu chì Bảo vệ quá tải và ngắn mạch

Cầu chì cách ly Bảo vệ quá tải và ngắn mạch, cách ly

Cầu chì cắt tải Bảo vệ quá tải và ngắn mạch Đóng cắt dòng điện phụ tải

Bộ cầu dao - cầu chì Bảo vệ quá tải và ngắn mạch, cách ly

Bộ cầu dao phụ tải-cầu chì Bảo vệ quá tải và ngắn mạch Đóng cắt dòng điện phụ tải

Cầu chì hạ áp được đặc trưng 2 đại lượng:

Idc – dòng định mức của dây chảy cầu chì, tính bằng A;

Ivỏ – dòng định mức của vỏ cầu chì (bao gồm đế và nắp).

Khi chọn cầu chì hạ áp, cần lưu ý cả Idc và Ivỏ Thông thường, Ivỏ nên lớn hơn Idc từ vài cấp để khi dây chảy do quá tải, ngắn mạch hoặc tăng tải, chỉ cần thay dây chảy mà không cần thay vỏ.

Kí hiệu đầy đủ cầu chì hạ áp cho trên hình 6.1. a) b)

Hình 6.1 Ký hiệu đầy đủ cầu chì hạ áp và các ví dụ a) Ký hiệu đầy đủ; b) Các ví dụ

Lưu ý: - Khi nói cầu chì 100A, phải hiểu là đó cầu chì có Ivỏ = 100A.

- Khi nói bộ cầu dao - cầu chì 100A thì phải hiểu là ICD = IvỏCC = 100A.

Trong lưới hạ áp, cầu chì và cầu dao thường được lắp đặt cách xa nguồn điện (TBAPP), dẫn đến dòng ngắn mạch qua chủng đủ nhỏ Do đó, không cần thiết phải kiểm tra các đại lượng liên quan đến dòng ngắn mạch.

6.2.2.2 Các điều kiện lựa chọn cầu dao hạ áp: UđmCD  UđmLĐ (6.4)

Trong đó: Itt- là dòng điện tính toán của tải tính bằng A.

UđmCD- là điện áp định mức của cầu dao, thường chế tạo 220V, 230V, 250V, 380V, 400V, 440V, 500V, 690V

UđmLĐ- là điện áp định mức của lưới điện, có trị số điện áp pha là 220V hoặc trị số điện áp dây là 380V.

IđmCD- là dòng điện định mức của cầu dao, tính bằng A.

Ngoài ra, phải chú ý đến số pha, số cực, khả năng cắt tải, trong nhà, ngoài trời

6.2.2.3 Các điều kiện lựa chọn cầu chì hạ áp

200500 a Điều kiện chọn cầu chì trong lưới điện thắp sáng và sinh hoạt

Uđmcc- là điện áp định mức cầu chì, thường chế tạo các cỡ điện áp như cầu dao

Idc- là dòng điện định mức của dây chảy, nhà chế tạo cho; tính bằng A.

Itt- là dòng điện tính toán, đây là dòng điện lâu dài lớn nhất chạy qua dây chảy cầu chì, tính bằng A.

+ Với phụ tải 1 pha (ví dụ các thiết bị điện gia dụng)

Trong đó: Uđm- là điện áp pha định mức cos- là hệ số công suất

Tải đèn sợi đốt, bếp điện, bình nóng lạnh: cos = 1

Tải quạt, tủ lạnh, điều hòa, đèn huỳnh quang: cos = 0,8

Tải lớp học dùng quạt, đèn sợi đốt: cos = 0,9

Tải lớp học dùng quạt, đèn huỳnh quang: cos = 0,8.

+ Với phụ tải 3 pha thì: (6.9)

Trong đó: Uđm- là điện áp dây định mức cos- là hệ số công suất, lấy theo phụ tải. b Điều kiện chọn cầu chì trong lưới điện công nghiệp

Phụ tải chính của lưới điện công nghiệp bao gồm máy móc công cụ và động cơ điện Sơ đồ cấp điện cho động cơ, như được trình bày trong hình 4.2, cho thấy khởi động từ (KĐT) có vai trò quan trọng trong việc đóng mở và bảo vệ động cơ cũng như dây dẫn khỏi tình trạng quá tải.

- Trường hợp cầu chì bảo vệ 1 động cơ

Cầu chì bảo vệ 1 động cơ chọn theo 2 điều kiện:

Trong đó: kt- hệ số tải của động cơ, nếu không biết lấy kt = 1;

- là hệ số, lấy như sau:

 = 2,5- đối với động cơ mở máy nhẹ (hoặc không tải) như máy bơm, máy cắt gọt kim loại…

 = 1,6- đối với động cơ mở máy nặng (có tải) như cần cẩu, cầu trục, máy nâng

IđmĐ- dòng định mức của động cơ, tính theo công thức:

Trong đó: Uđm- là điện áp định mức lưới 3 pha hạ áp cosđm- hệ số công suất định mức của động cơ, nhà chế tạo cho.

- hiệu suất của động cơ, nếu không biết lấy bằng 1;

Kmm- hệ số mở máy của động cơ, nhà chế tạo cho, thường kmm = 5, 6, 7.

- Trường hợp cầu chì bảo vệ 2, 3 động cơ:

Cụm động cơ nhỏ hoặc lớn có thể được cấp điện chung từ một đường dây và bảo vệ bằng một cầu chì, như minh họa trong hình 6.2.

Hình 6.2 minh họa sơ đồ nguyên lý cấp điện cho nhóm động cơ được bảo vệ bằng cầu chì Khi các động cơ khởi động đồng thời, cầu chì cần được lựa chọn dựa trên hai điều kiện quan trọng.

Với,  tùy theo tính chất mở máy của động cơ.

Nếu các động cơ mở máy không đồng thời thì cầu chì tổng được bảo vệ nhóm động cơ chọn theo các điều kiện: tt dc I

Điều kiện (6.15) quy định rằng CCT chỉ hoạt động khi có ngắn mạch trên thanh cái tủ điện, trong khi khi xảy ra ngắn mạch tại động cơ hoặc dây dẫn, chỉ cầu chì nhánh tương ứng sẽ chảy, giúp duy trì điện cho toàn bộ nhóm Để đảm bảo điều này, cần chọn Idc của cầu chì tổng lớn hơn ít nhất 2 cấp so với Idc của cầu chì nhánh lớn nhất.

Trong các công thức (6.14); (6.15), dòng điện tính toán của nhóm có thể xác định theo 2 trường hợp:

Trường hợp 1: Nếu biết hệ số mang tải kt thì:

Khi đó chọn cầu chì theo 2 điều kiện dòng điện (6.12) và (6.13) Trường hợp 2:

Nếu không biết hệ số mang tải kt, thì xác định phụ tải tính toán theo công suất trung bình và hệ số cực đại

Khi đó, chọn cầu chì theo 2 điều kiện dòng điện (6.14) và (6.16) như sau:

Ksd – ứng với động cơ có Immmax

Bước 1: Xác định điện áp lưới điện đặt cầu chì

Bước 2: Xác định dòng điện Itt của phụ tải

Bước 3: Tra catalog chọn cầu dao, cầu chì theo các điều kiện kỹ thuật như trên. 6.2.2.5 Thực hành

Hãy chọn cầu chì tổng cho một căn hộ gia đình có công suất đặt Pđ = 4kW

Người học sử dụng catalog, máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

6.2.3.1 Áptômát Áptômát là thiết bị đóng cắt hạ áp có chức năng bảo vệ quá tải và ngắn mạch.

Áptômát có nhiều ưu điểm vượt trội so với cầu chì, bao gồm khả năng hoạt động đáng tin cậy, an toàn và khả năng đóng cắt đồng thời 3 pha, cùng với tính năng tự động hóa cao Mặc dù giá thành cao hơn, áptômát ngày càng được sử dụng phổ biến trong lưới điện hạ áp cho các ngành công nghiệp, dịch vụ và cả trong lưới điện sinh hoạt Các loại áptômát được chế tạo với các mức điện áp như: 400V, 440V, 500V, 600V và 690V.

Người ta cũng chế tạo các loại áptômát 1 pha, 2 pha, 3 pha ứng với số cực khác nhau là 1 cực, 2 cực, 3 cực, 4 cực

Bảng 6.5 Ký hiệu cảu áptômát

Lựa chọn dây dẫn và cáp điện

Dây dẫn và cáp là thành phần quan trọng trong mạng cung cấp điện, do đó việc chọn lựa đúng tiêu chuẩn kỹ thuật và đáp ứng yêu cầu kinh tế là cần thiết để đảm bảo chất lượng điện và cung cấp điện an toàn, liên tục Sự lựa chọn hợp lý không chỉ giúp giảm chi phí truyền tải và phân phối điện năng mà còn mang lại lợi ích cho ngành điện và nền kinh tế quốc dân Tùy thuộc vào loại mạng điện và cấp điện áp, điều kiện kinh tế và kỹ thuật có vai trò quyết định khác nhau, vì vậy cần hiểu rõ bản chất của các phương pháp lựa chọn dây dẫn và cáp để sử dụng hiệu quả.

Chọn dây dẫn, cáp trong mạng phân phối cao áp:

Khi chọn dây dẫn hoặc cáp, cần đảm bảo đáp ứng yêu cầu về chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật Tuy nhiên, hai chỉ tiêu này thường mâu thuẫn với nhau Do đó, việc lựa chọn dây, cáp sẽ phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống phân phối và truyền tải điện, cùng với các yếu tố ảnh hưởng khác, để quyết định ưu tiên giữa kinh tế hay kỹ thuật.

Tuy nhiên, dù được chọn dựa trên cơ sở nào thì cũng phải kiểm tra cơ sở còn lại.

Các phương pháp chọn dây, cáp trên cơ sở chỉ tiêu kinh tế bao gồm:

- Phương pháp chọn dây, cáp theo mật độ dòng điện kinh tế.

- Phương pháp chọn dây, cáp theo khối lượng kim loại màu cực tiểu.

Các phương pháp chọn dây, cáp trên cơ sở chỉ tiêu kỹ thuật bao gồm:

- Phương pháp chọn dây, cáp theo dòng điện phát nóng.

- Phương pháp chọn dây, cáp theo điều kiện tổn thất điện áp.

- Phương pháp chọn dây, cáp trên cơ sở chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật: là phương pháp mật độ dòng điện J không đổi.

6.3.2 Xác định tiết diện dây dẫn theo mật độ dòng điện kinh tế (J kt )

6.3.2.1 Khái niệm Đối với đường dây truyền tải và phân phối điện áp cao, do truyền tải công suất lớn và cự ly truyền tải tương đối xa nên vốn đầu tư, chi phí vận hành và tổn thất công suất có ý nghĩa quyết định Ngoài ra, do việc đảm bảo tổn thất điện áp trong phạm vi cho phép có thể đạt được nhờ các biện pháp điều chỉnh điện áp cho nên dây dẫn, cáp trong mạng truyền tải và phân phối thường được chọn dựa trên cơ sở đảm bảo chi phí tính toán hằng năm là thấp nhất. Để đơn giản trong tính toán tiết diện dây dẫn theo điều kiện kinh tế, thường căn cứ vào mật độ dòng điện kinh tế (Jkt) Mật độ dòng điện kinh tế được xác định như sau: kt lv kt F

Mật độ dòng điện kinh tế chịu ảnh hưởng bởi loại vật liệu của dây cáp và thời gian sử dụng công suất tối đa Để tham khảo, có thể xem bảng 6.6 về Jkt.

Bảng 6.6 Bảng tra mật độ dòng điện kinh tế (Jkt )

Mật độ dòng điện kinh tế (Jkt) ứng với thời gian Tmax (giờ/năm) Dưới 3000 3000  5000 Trên 5000 Dây trần và thanh cái bằng đồng.

Dây trần và thanh cái bằng nhôm.

Cáp cách điện bằng giấy và dây dẫn bọc cao su: - Lõi đồng.

Cáp đồng cách điện bằng cao su.

Bước 1: Xác định Jkt theo (6.20)

Bước 2: Tính tiết diện kinh tế được xác định theo biểu thức (6.21) kt lv kt J

Với: Ilvmax- là dòng điện làm việc lớn nhất

Jkt- là mật độ dòng điện kinh tế (A/mm 2 )

Fkt- là tiết diện kinh tế (mm 2 )

Bước 3: Chọn tiết diện tiêu chuẩn Ftc (chọn có giá trị lớn hơn và gần với giá trị

Bước 4: Kiểm tra các điều kiện kỹ thuật:

- Độ tổn thất điện áp cho phép: Umax  Ucp

- Dòng phát nóng cho phép: Ilvmax  kIcp

Nếu điều kiện kỹ thuật bị vi phạm, phải tăng tiết diện dây 1 cấp và kiểm tra lại.

Nếu đường dây cấp điện cho nhiều phụ tải với Tmax khác nhau thì phải xác định trị số trung bình của Tmax theo biểu thức sau:

Trong đó: Si, Pi- là phụ tải điện của hộ tiêu thụ

Yêu cầu lựa chọn dây dẫn cho đường dây 10kV cấp điện đến 2 xí nghiệp như hình vẽ.

Biết Ucp = 5%Uđm; Usccp = 10%Uđm và số liệu của phụ tải cho như bảng sau

Phụ tải S (kVA) cos Tmax (h)

Người học sử dụng catalog, máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

6.3.3 Xác định tiết diện dây dẫn theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép

Chất lượng điện áp là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá chất lượng cung cấp điện Mục tiêu của việc chọn dây và cáp là đảm bảo điện áp tại nút phụ tải cuối đường dây không thấp hơn giá trị cho phép Phương pháp chọn dây, cáp theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép thường được áp dụng cho các đường dây tải công suất nhỏ, đặc biệt trong các mạng phân phối đô thị với hạn chế về biện pháp điều chỉnh điện áp.

Xét mạng cung cấp điện như hình 6.3 với điều kiện là toàn bộ đường dây dùng dây cùng một tiết diện.

Hình 6.3 minh họa sơ đồ nguyên lý của một sợi mạng cung cấp điện Khi toàn bộ đường dây sử dụng cùng một loại dây với tiết diện đồng nhất, tổng tổn thất điện áp có thể được tính toán một cách chính xác.

Up- là thành phần tổn thất điện áp do công suất tác dụng và điện trở đường dây gây nên.

Điện áp tổn thất (ΔUq) là kết quả của công suất phản kháng và điện kháng của đường dây Các yếu tố điện trở (r0) và điện kháng (x0) trên một đơn vị chiều dài đường dây được đo bằng ohm trên km (Ω/km).

Pi và Qi là công suất tác dụng và công suất phản kháng tại đoạn lưới thứ i Li là chiều dài của đoạn lưới thứ i, trong khi pi và qi đại diện cho công suất tác dụng và phản kháng tại nút thứ i.

Li- là khoảng cách từ nút thứ i đến nút nguồn.

Bước 1: Tùy ý chọn giá trị x0

Giá trị điện kháng x0 không thay đổi nhiều theo tiết diện dây, vì vậy có thể sử dụng giá trị trung bình x0 để tính toán Uq Đối với đường dây trên không cao/trung thế, giá trị x0 thường được chọn trong khoảng từ 0,35 đến 0,42 /km, trong khi đối với đường dây cáp, giá trị x0 được chọn là 0,08 /km.

Bước 2: Tính tổn thất điện áp do công suất phản kháng và điện kháng gây nên

Bước 3: Tính trị số hiệu dụng tổn thất điện áp cho phép

Bước 4: Tính tổn thất điện áp do công suất tác dụng và điện trở gây nên

Bước 5: Xác định tiết diện dây

Nên tiết diện dây dẫn F xác định như sau: (6.25)

Trong đó: F- đơn vị là mm 2 ; - đơn vị là km/mm 2

Pi, pi- đơn vị là kW; Uđm- đơn vị là kV

Li, li- đơn vị là km; Up- đơn vị là V

Bước 6: Căn cứ vào giá trị tiết diện F tính được, tra bảng chọn tiết diện dây dẫn tiêu chuẩn có giá trịn gần nhất với giá trị tính được

Tra giá trị r0 và x0 ứng với tiết diện dây dẫn đã chọn, tính lại tổn thất điện áp U và so sánh với Ucp

Nếu điều kiện tổn thất điện áp không đạt yêu cầu, cần tăng tiết diện dây dẫn lên một cấp Sau đó, tiến hành kiểm tra lại cho đến khi thỏa mãn điều kiện U ≤ Ucp.

6.3.3.3 Thực hành ĐDK-10KV cấp điện cho một xí nghiệp có phụ tải: S = 1200 + j1000 (KVA). Biết đường dây dùng dây nhôm dài 6km, 3 pha bố trí cách nhau một khoảng cách trung bình hình học 1m, tổn thất điện áp cho phép của đường dây UCP% = 5%, điện trở suất của nhôm Al = 31,5 mm 2 /Km.

Hãy tính tiết diện dây dẫn cấp điện cho phụ tải trên theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép.

Người học sử dụng catalog, máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

6.3.4 Xác định tiết diện dây dẫn theo điều kiện tổn kim loại màu ít nhất

6.3.4.1 Khái niệm Đối với mạng điện cung cấp cho các phụ tải phân tán, công suất nhỏ và thời gian sử dụng công suất cực đại thấp mà mạng điện nông nghiệp là một ví dụ, thì chi phí đầu tư xây dựng chiếm tỷ trọng lớn trong chi phí tính toán hằng năm Trong trường hợp này, việc chọn dây/cáp tiến hành trên cơ sở cực tiểu hóa khối lượng kim loại màu. Xét trường hợp đường dây cấp điện cho 2 phụ tải đặt tại 1 và 2 (hình 6.4).

Hình 6.4 Sơ đồ nguyên lý một sợi mạng cung cấp điện

Bước 1: Tùy chọn giá trị x0, thường chọn trong lân cận x0 = 0,35  0,42(/km)

Bước 2: Tính tổn thất điện áp do công suất phản kháng và điện kháng gây nên

Bước 3: Tính trị số hiệu dụng tổn thất điện áp cho phép

Bước 4: Tính tổn thất điện áp do công suất tác dụng và điện trở gây nên

Bước 5: Tính tiết diện các đoạn dây

Nếu biết Up01 và Up12 thì tiết diện F01 và F12 xác định theo (6.29) và (6.30)

(6.30) Nếu không biết Up01 và Up12 thì F01 và F12 xác định theo (6.31) và (6.32)

Trường hợp tổng quát, tiết diện đoạn lưới thứ i xác định theo điều kiện phí tổn kim loại màu nhỏ nhất là:

Trong đó: Fi (mm 2 ); Pi (kW); li (km);  (km/mm 2 ); Uđm (kV); Up(V).

Bước 6: Dựa vào tiết diện tính toán, tra bảng tìm tiết diện tiêu chuẩn

Bước 7: Kiểm tra điều kiện tổn thất điện áp và phát nóng của đường dây.

6.3.4.3 Thực hành ĐDK _ 35kV cấp điện cho một xí nghiệp có phụ tải cho như hình vẽ:

Đường dây sử dụng dây nhôm lõi thép (AC) với ba pha được bố trí cách nhau khoảng 3,5m Tổn thất điện áp cho phép tương đối của đường dây là UCP% = 5% Điện dẫn suất của dây AC được xác định là AC = 0,0317 km/.mm².

Để tính toán và chọn tiết diện dây dẫn cấp điện cho phụ tải, cần xác định điều kiện tổn phí kim loại màu tối thiểu, với giả thiết ban đầu là x0 = 0,4 Ω/km Việc lựa chọn tiết diện phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và giảm thiểu tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải.

Người học sử dụng catalog, máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

6.3.5 Xác định tiết diện dây dẫn theo điều kiện mật độ dòng điện không đổi

Việc lựa chọn tiết diện dây theo phương pháp tổn thất điện áp cho phụ tải tập trung trong mạng điện khu công nghiệp với công suất truyền tải lớn không phải là giải pháp hợp lý Để giảm chi phí đầu tư xây dựng mạng mà vẫn đảm bảo tổn thất điện áp trong giới hạn cho phép, cần áp dụng phương pháp chọn dây/cáp dựa trên mật độ dòng điện không đổi.

Xét đường dây có hai phụ tải trình bày ở hình 6.5

Hình 6.5 Sơ đồ nguyên lý một sợi mạng cung cấp điện

Bước 1: Tùy chọn giá trị x0 trong giới hạn cho phép.

Bước 2: Tính  (Hoặc Uq = x0.I.Sin)

Bước 5: Tính mật độ dòng điện không đổi

(6.34) Với mạng điện có n phụ tải thì mật độ dòng điện không đổi được xác định:

Trong đó: J (A/mm 2 );  (km/mm 2 ); U’ (V) li- là chiều dài của đoạn thứ i cosi- là hệ số công suất của đoạn thứ i

Bước 6: Tra Jkt và so sánh với J

Bước 7: Tính tiết diện dây dẫn cần chọn được xác định theo (6.36)

TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG

Các yêu cầu cơ bản khi thiết kế chiếu sáng công nghiệp

Thiết kế chiếu sáng phải đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau:

- Không bị lóa mắt: vì với cường độ ánh sáng mạnh sẽ làm cho mắt có cảm giác lóa, thần kinh bị căng thẳng, thị giác mất chính xác.

Để tránh hiện tượng lóa mắt do phản xạ từ các vật công tác có tia phản xạ mạnh, việc bố trí đèn cần được thực hiện cẩn thận Điều này giúp đảm bảo môi trường làm việc an toàn và thoải mái cho người sử dụng.

Để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong sản xuất, các phân xưởng cần được chiếu sáng đồng đều, giúp quan sát toàn bộ không gian làm việc Việc loại bỏ các bóng tối cục bộ thường được thực hiện bằng cách sử dụng bóng mờ và treo đèn cao.

Để đảm bảo sự thoải mái cho mắt khi quan sát từ các vị trí khác nhau, độ rọi cần phải đồng đều, giúp giảm thiểu tình trạng mỏi mắt do phải điều tiết quá nhiều Ánh sáng cần được thiết kế giống như ánh sáng ban ngày, từ đó giúp thị giác người dùng đánh giá chính xác hơn.

Đặc điểm một số loại đèn chiếu sáng

Hiện nay, đèn điện trở thành lựa chọn phổ biến cho chiếu sáng nhân tạo nhờ vào những ưu điểm vượt trội như thiết kế đơn giản, dễ sử dụng và giá thành hợp lý Đèn bao gồm bóng đèn là nguồn phát sáng và các trang bị đi kèm như chụp, chao, hộp, máng, giúp phân bố quang thông và hạn chế sự lóa mắt Ngoài ra, trang bị đèn còn có chức năng bảo vệ bóng đèn khỏi hư hỏng do môi trường và ngăn ngừa các nguy cơ cháy nổ.

Tính kinh tế và chất lượng chiếu sáng chủ yếu phụ thuộc vào cách phân bố quang thông của đèn Dựa vào sự phân bố quang thông qua bán cầu trên và bán cầu dưới, đèn được phân loại theo bảng 7.1.

Bảng 7.1 Phân loại đèn theo kỹ thuật chiếu sáng

Phân bố ánh sáng của đèn Bố trí đèn Quang thông phát ra ở bán cầu trên (%) Phân loại đèn Ánh sáng trực tiếp

Theo đặc tính đường cong cường độ sáng, có đèn ánh sáng phân bố trung bình và phân bố rộng

10  45 Ánh sáng trực tiếp Ánh sáng tán xạ

45  55 Ánh sáng tán xạ đồng đều

55  90 Ánh sáng phản xạ là chủ yếu Ánh sáng phản xạ 90  100

Theo đặc tính đường cong cường độ sáng, có đèn ánh sáng phân bố tập trung, phân bố trung bình và phân bố rộng.

Loại đèn có ánh sáng trực tiếp hoàn toàn, quang thông đi qua phần bán cầu dưới so với toàn bộ quang thông của đèn  90%

Loại đèn có ánh sáng trực tiếp là chủ yếu, quang thông đi qua phần bán cầu dưới so với toàn bộ quang thông của đèn bằng 60  90%

Loại đèn có ánh sáng phản xạ là chủ yếu, quang thông đi qua phần bán cầu trên (hoặc bán cầu dưới)  60% toàn bộ quang thông của đèn

Loại đèn có ánh sáng phản xạ hoàn toàn, quang thông đi qua phần bán cầu trên so với toàn bộ quang thông của đèn  90%

Dựa vào hình dáng đường cong phân bố ánh sáng, chủ yếu là ở bán cầu dưới, đèn được phân loại thành nhiều loại khác nhau.

Hình 7.1 Các dạng đường cong cường độ sáng (theo ROCT 13828-74).

Tập trung (T), sâu (S) côsin (cơ sở), sin (Son), đồng đều (Đ), rộng hẳn (R), rộng một nửa (r)

Đèn chiều sâu là loại đèn có khả năng phân bố ánh sáng theo chiều sâu, với cường độ ánh sáng đạt giá trị cực đại trong khoảng góc từ 0° đến 40°.

50 0 90 o trị số cường độ sáng của đèn rất nhỏ.

Loại đèn có sự phân bố ánh sáng theo dạng côsin, cường độ ánh sáng của đèn phân bố có dạng gần giống như đường kinh tuyến.

Loại đèn có sự phân bố ánh sáng đồng đều, cường độ ánh sáng của đèn phân bố theo mọi phương.

Loại đèn này có khả năng phân bố ánh sáng rộng, với cường độ ánh sáng đạt cực đại trong khoảng góc từ 50° đến 90° Tuy nhiên, trong phạm vi góc từ 0° đến 40°, cường độ sáng của đèn lại thấp.

Căn cứ vào cách gia công chế tạo, đèn được chia thành các loại như sau:

- Đèn kiểu hở: bóng đèn không bị ngăn cách với môi trường bên ngoài.

- Đèn kiểu kín: bóng và đuôi đèn bị ngăn cách với môi trường bên ngoài qua chụp, hộp làm bằng kim loại, kính hoặc vật liệu khác.

Đèn chống ẩm được thiết kế với đuôi đèn, chụp đèn và hộp đèn có khả năng ngăn chặn sự thâm nhập của khí ẩm và nước Các dây điện được kết nối chắc chắn vào đuôi đèn, đảm bảo an toàn và cách điện hiệu quả.

Đèn chống nổ được thiết kế với sự ngăn cách đặc biệt giữa khoang đèn và môi trường xung quanh, nhằm ngăn chặn hiện tượng cháy nổ lan ra ngoài khi bóng đèn gặp sự cố Các cấu tạo đặc biệt của đèn giúp loại trừ hoàn toàn các hiện tượng phát sinh tia lửa điện và hồ quang điện, từ đó giảm thiểu nguy cơ tạo ra nhiệt độ cao trong các môi trường dễ cháy nổ.

Các hình thức chiếu sáng

Hình thức chiếu sáng này tạo ra độ rọi đồng đều trên toàn bộ diện tích sản xuất của phân xưởng Các bóng đèn được treo cao trên trần theo một quy luật nhất định, giúp đảm bảo ánh sáng phân bố đồng đều trong không gian làm việc.

Chiếu sáng chung là một hình thức chiếu sáng phổ biến, thường được áp dụng trong các phân xưởng có diện tích lớn, nhằm đảm bảo độ rọi đồng đều tại mọi điểm trên bề mặt làm việc Hình thức này cũng được sử dụng rộng rãi trong các xưởng rèn, xưởng mộc, cũng như tại các hành lang và đường đi.

7.3.1.2 Chiếu sáng cục bộ Ở những nơi cần quan sát tỉ mỉ, chính xác, cần phân biệt rõ các chi tiết thì cần phải có độ rọi cao đảm bảo làm việc được Muốn vậy phải dùng phương pháp chiếu sáng cục bộ, nghĩa là phải đặt đèn vào nơi cần quan sát Chiếu sáng cục bộ thường dùng để chiếu sáng các chi tiết gia công trên máy công cụ, chiếu sáng ở các bộ phận kiểm tra, lắp máy Tại các nơi đó chiếu sáng chung thường không đủ độ rọi cần thiết nên phải dùng thêm các đèn chiếu sáng cục bộ Các loại đèn chiếu sáng cục bộ trên máy công cụ hoặc các đèn cầm tay di động thường dùng với điện áp 12V hoặc 36V.

Chiếu sáng hỗn hợp bao gồm chiếu sáng chung và chiếu sáng cục bộ, thường được áp dụng tại các phân xưởng có công việc thuộc cấp I, II, III theo bảng phân phối công việc Hình thức chiếu sáng này rất hữu ích trong việc phân biệt màu sắc, độ lồi lõm và hướng sắp xếp các chi tiết Nó thường được sử dụng ở các phân xưởng gia công nguội, khuôn mẫu và đúc trong các nhà máy cơ khí.

Ngoài hệ thống chiếu sáng làm việc, cần thiết phải lắp đặt thêm hệ thống chiếu sáng sự cố Độ rọi của hệ thống chiếu sáng sự cố phải lớn hơn 10% so với độ rọi của hệ thống chiếu sáng làm việc Tại những khu vực có nguy cơ cháy nổ hoặc ảnh hưởng đến an ninh chính trị và kinh tế khi mất điện, hệ thống chiếu sáng sự cố sẽ giúp người lao động di chuyển an toàn ra khỏi khu vực nguy hiểm hoặc tiếp tục làm việc cho đến khi được sửa chữa.

Khi mất điện trong khu vực làm việc, cần sơ tán người để tránh tai nạn, do đó, đèn chiếu sáng sự cố phải được lắp đặt tại các vị trí như máy móc đang hoạt động, hố dầu, bể nước, cầu nối, lan can và cầu thang Độ rọi tối thiểu của đèn chiếu sáng sự cố không được thấp hơn 0,1 lux Hệ thống chiếu sáng sự cố cần được cấp nguồn từ nguồn dự trữ hoặc ắc quy.

Hệ thống chiếu sáng sự cố cần hoạt động đồng thời với hệ thống chiếu sáng chính hoặc phải có thiết bị tự động ngắt khi hệ thống chính mất điện Ngoài chiếu sáng trong nhà, việc chiếu sáng ngoài trời cho các khu vực làm việc như sân bãi, đường đi và nơi bốc dỡ hàng hóa cũng rất quan trọng Khi thiết kế hệ thống chiếu sáng, cần lưu ý đến các yếu tố khí hậu như mưa, bụi và sương mù để đảm bảo hiệu quả sử dụng.

Phụ tải chiếu sáng có đặc điểm là bằng phẳng, thường (knc = 0,91) Phụ tải chiếu sáng phụ thuộc vào mùa và vĩ độ địa lý.

Các đại lượng và đơn vị đo ánh sáng

Mắt người có độ nhạy cảm khác nhau đối với ánh sáng có cùng công suất nhưng bước sóng khác nhau, với độ nhạy cao nhất ở bước sóng 555 nm Độ cảm quang giảm khi bước sóng lệch khỏi 555 nm, và mắt không thể cảm nhận ánh sáng ngoài khoảng 380 nm đến 760 nm Nếu coi độ nhạy cảm tại 555 nm là 1, ta có thể tính độ nhạy tương đối K cho các bước sóng khác Quan trọng hơn cả là cảm giác về ánh sáng mà các tia sáng tạo ra trong mắt, không chỉ đơn thuần là công suất của chúng Để phản ánh điều này, ánh sáng với bước sóng bất kỳ được quy chuyển về ánh sáng xanh lá cây theo công thức cụ thể.

F: là công suất của ánh sáng có bước sóng .

K: là độ nhạy của mắt đối với bước sóng .

Fx: là công suất của ánh sáng có bước sóng  đã quy đổi về bước sóng 555.10 -6 m. Đại lượng Fx viết gọn là F và được gọi là quang thông.

Nếu ánh sáng bao gồm bước sóng từ 12 thì quang thông được tính:

Quang thông là công suất ánh sáng, được đo bằng cảm giác của mắt người đối với lượng bức xạ mà họ hấp thụ Đơn vị đo quang thông là Lumen (lm), tương ứng với quang thông phát ra từ một nguồn sáng điểm có cường độ 1 can-đê-la trong góc khối 1 Stêrađian (sr).

Cũng có khi dùng đơn vị là W, với:

Cường độ ánh sáng được đo bằng đơn vị can-đê-la (cd), là đơn vị cơ bản thể hiện mật độ phân bố quang thông trong không gian Một can-đê-la tương ứng với cường độ ánh sáng phát ra trên mặt phẳng vuông góc với nguồn sáng có diện tích 1/600.000 m² và bức xạ toàn phần ở nhiệt độ đông đặc của platin dưới áp suất 101.325 N/m² Định nghĩa này được thiết lập vào năm 1921, với 1 cd tương đương 0,995 nến quốc tế.

Mật độ phân bố cường độ ánh sáng (I) trên bề mặt theo một phương nhất định được đo bằng đơn vị cd/m² (hoặc nít) Đơn vị này thể hiện độ chói của một mặt phẳng có diện tích 1m² với cường độ ánh sáng 1cd khi chiếu thẳng góc từ nguồn sáng.

Khi ánh sáng chiếu theo phương tạo với pháp tuyến của bề mặt nguồn sáng một góc, độ chói có thể được tính bằng công thức B = I / (S.cosφ), trong đó S là diện tích bề mặt được chiếu sáng.

7.4.4 Độ rọi (độ chiếu sáng - E)

Độ rọi được xác định bởi mật độ phân bố  trên bề mặt được chiếu sáng Đơn vị đo độ rọi là Lux, tương ứng với mức độ rọi khi  phân bố đồng đều một lumen (1lm) chiếu vuông góc lên một mặt phẳng có diện tích 1m².

Như vậy: 1lux = 1lm/1m 2 = 1cd/1m 2

Mật độ phân bố  trên bề mặt được xác định bởi một nguồn phát ra, với đơn vị đo độ trưng là lm/m² Độ trưng này phản ánh quang thông của một nguồn hình cầu có diện tích 1m² phát ra 1 lumen một cách đồng đều Đối với bề mặt chiếu sáng, độ chói và độ trưng phụ thuộc vào hệ số phản xạ (), trong khi đó độ rọi lại không bị ảnh hưởng bởi hệ số này.

Thiết kế chiếu sáng dân dụng

Chiếu sáng dân dụng là hệ thống ánh sáng cho các không gian sinh hoạt như nhà ở, hội trường, trường học, văn phòng, cửa hàng, siêu thị và bệnh viện Tại những khu vực này, yêu cầu về ánh sáng thường là chung, không cần thiết phải chính xác về độ rọi hay các thông số kỹ thuật khác.

Trong chiếu sáng dân dụng, người dùng có thể lựa chọn các loại đèn khác nhau như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang, đèn halogen, đèn natri cao áp và thấp áp, tùy thuộc vào khả năng tài chính và yêu cầu về mỹ quan.

7.5.2 Trình tự thiết kế chiếu sáng dân dụng

Để xác định công suất tổng của mạng chiếu sáng, bước đầu tiên là chọn suất phụ tải chiếu sáng P0 (W/m²) phù hợp dựa trên tính chất của đối tượng cần chiếu sáng Sau đó, kết hợp với diện tích S (m²) cần chiếu sáng để tính toán.

Bước 2 Chọn loại đèn, công suất (Pđ) của 1 đèn, từ đó tính sơ bộ tổng số bóng đèn tính theo công thức: (7.6)

Trong đó: Pđ- công suất đèn (W); n- tổng số bóng đèn (bóng)

Bước 3: Dựa vào diện tích cần chiếu sáng và số lượng bóng đèn, hãy lựa chọn cách bố trí đèn phù hợp với yêu cầu sử dụng ánh sáng, có thể là bố trí rải đều, thành rãnh hoặc thành cụm, cùng với số lượng bóng trong mỗi cụm.

Bước 4 Vẽ sơ đồ đấu dây từ bảng điện đến từng bóng đèn (bản vẽ mặt bằng cấp điện chiếu sáng).

Bước 5 Vẽ sơ đồ nguyên lý lưới điện chiếu sáng.

Bước 6 Lựa chọn, kiểm tra các phần tử (áptômát, cầu chì, thanh cái, dây dẫn) Ghi chú:

Trong tính toán chiếu sáng dân dụng đô thị phải bao gồm cả tính toán thiết kế cho quạt Trong trường hợp này có hai cách làm:

- Lấy suất phụ tải chung cho cả chiếu sáng và quạt, sau đó trừ công suất quạt (lấy theo thực tế) tìm được công suất chiếu sáng.

- Lấy riêng suất phụ tải cho chiếu sáng để tính toán thiết kế chiếu sáng, còn quạt lấy theo thực tế, tính toán riêng.

Yêu cầu thiết kế chiếu sáng cho một siêu thị nhỏ có diện tích 10x10 = 100m 2

Người học sử dụng sổ tay thiết kế, máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

Hướng dẫn giải: Xem PL 14

Thiết kế chiếu sáng công nghiệp

Với các nhà xưởng sản xuất công nghiệp thường là chiếu sáng chung khi cần tăng cường ánh sáng tại điểm làm việc đã có chiếu sáng cục bộ.

Để đảm bảo độ rọi chính xác tại mặt bàn công tác trong phân xưởng sản xuất, việc thiết kế chiếu sáng thường áp dụng phương pháp hệ số sử dụng.

7.6.2 Trình tự thiết kế chiếu sáng công nghiệp

Bước 1 Xác định độ cao treo đèn:

Trong đó: h (m)- là độ cao của nhà xưởng h1(m)- là khoảng cách từ trần đến bóng đèn h2(m)- là độ cao mặt bàn làm việc

Hình 7.3 Bố trí đèn theo phương đứng

Bước 2 Xác định khoảng cách giữa hai đèn kề nhau (L) theo tỷ số hợp lý L/H, tra theo bảng 7.2.

Bảng 7.2 tỷ số L/H hợp lý cho các đối tượng chiếu sáng

Loại đèn và nơi sử dụng

L/H bố trí nhiều dây L/H bố trí

Chiều rộng tối đa của nhà xưởng khi bố trí một dây chuyền sản xuất cần được xác định rõ ràng Để đảm bảo hiệu quả chiếu sáng, nên sử dụng chao mờ hoặc sắt tráng men với các thông số tối ưu như 2,3m, 3,2m, 1,9m, 2,5m và 1,3H.

Chiếu sáng nhà xưởng dùng chao vạn năng 1,8 2,5 1,8 2,0 1,2H

Chiếu sáng cơ quan, văn phòng 1,6 1,8 1,5 1,8 1,0H

Bước 3 Thiết kế bố trí đèn trên mặt bằng lắp đặt

Hình 7.4 Bố trí đèn trên mặt bằng

Bước 4 Căn cứ vào sự bố trí đèn trên mặt bằng, mặt cắt đứng, xác định hệ số phản xạ của tường, trần tường, trần, (%).

Bước 5 Xác định chỉ số của phòng (có kích thước axb): b) H(a b x a

Bước 6 Từ tường, trần,  tra bảng tìm hệ số sử dụng ksd

Bước 7 Xác định quang thông tính toán

(7.9) Trong đó: k- là hệ số dự trữ, tra bảng 3.5.

E- là độ rọi (lx) theo yêu cầu của nhà xưởng.

S- là diện tích nhà xưởng (m 2 ).

Z- là hệ số tính toán Z = 0,8  1,4. n- số bóng đèn được xác định chính xác sau khi bố trí.

Bảng 7.3 Hệ số dự trữ

Số lần lau bóng ít nhất

Hệ số dự trữ (k) Đèn huỳnh quang Đèn sợi đốt

Nhiều bụi khói, tro, mồ hóng 4 2 1,7

Mức bụi khói, tro, mồ hóng trung bình 3 1,8 1,5 Ít bụi khói, tro, mồ hóng 2 1,5 1,3

Bước 8 Tra sổ tay tìm công suất bóng đèn có F  Ftt

Bước 9 Thiết kế sơ đồ cấp điện chiếu sáng (sơ đồ đi dây và sơ đồ nguyên lý) và lựa chọn các phần tử trên sơ đồ nguyên lý.

Yêu cầu thiết kế chiếu sáng cho phân xưởng cơ khí có diện tích S = 20x50 (m 2 )

Người học sử dụng sổ tay thiết kế, máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

Hướng dẫn giải: Xem PL15

Câu 1 Hãy nếu các yêu cầu cơ bản khi thiết kế chiếu sáng công nghiệp.

Câu 2 Hãy phân biệt chiếu sáng công nghiệp và chiếu sáng dân dụng.

Câu 3 Hãy nêu tóm tắc nội dung thiết kế chiếu sáng công nghiệp.

NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT

Hệ số công suất (cos) và ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất

Các đại lượng công suất có liên quan mật thiết với nhau qua tam giác công suất (hình 8.1).

S- Công suất toàn phần P- Công suất tác dụng Q- Công suất phản kháng

Hình 8.1 Tam giác công suất

Trị số của góc  có ý nghĩa rất quan trọng:

- Nếu  giảm thì P tăng, Q tăng; khi  = 0 thì P  S, Q = 0

- Nếu  tăng thì P giảm, Q tăng; khi  = 90 o thì Q  S, P = 0

Trong nghiên cứu và tính toán thực tế người ta thường dùng khái niệm hệ số công suất (cos) thay cho góc lệch () giữa S và P.

Khi hệ số công suất cosφ giảm (tức góc φ tăng), lượng công suất phản kháng tiêu thụ hoặc truyền tải sẽ tăng lên, trong khi công suất tác dụng giảm Ngược lại, khi cosφ tăng (tức góc φ giảm), lượng công suất phản kháng tiêu thụ hoặc truyền tải sẽ giảm.

Lượng Q truyền tải trên lưới điện các cấp từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ càng lớn càng gây tổn thất lớn trên lưới điện.

8.1.2 Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất (cos  )

Nhiều xí nghiệp sử dụng động cơ không đồng bộ thường hoạt động ở chế độ non tải hoặc không tải, dẫn đến tiêu thụ lượng công suất phản kháng Q rất lớn và hệ số công suất cos thấp Cụ thể, các xí nghiệp cơ khí có hệ số công suất thường dao động từ 0,5 đến 0,6 Đáng chú ý, lượng Q mà các xí nghiệp này tiêu thụ chiếm khoảng 65% đến 70% tổng công suất Q phát ra từ các nhà máy điện.

Việc các xí nghiệp áp dụng giải pháp kỹ thuật để nâng cao hệ số công suất (cos) sẽ giúp giảm lượng công suất phản kháng truyền tải trên lưới điện Điều này không chỉ cải thiện hiệu quả vận hành mà còn tăng tính kinh tế cho lưới điện, mang lại lợi ích đáng kể cho cả nhà máy điện và xí nghiệp.

- Làm giảm tổn thất điện áp trên lưới điện

Giả thiết công suất tác dụng không đổi, cos của xí nghiệp tăng từ cos1 lên cos2, nghĩa là lượng công suất phản kháng truyền tải giảm từ Q1 xuống Q2

- Làm giảm tổn thất công suất trên lưới điện

- Làm giảm tổn thất điện năng trên lưới điện

Ta thấy S và A giảm tỉ lệ với bình phương lượng giảm Q.

- Làm tăng khả năng tải điện của đường dây và máy biến áp

Hình 8.2 Trị số Q tương ứng với trị số góc 

Theo hình 8.2, ta thấy rằng S2 < S1, điều này có nghĩa là đường dây và máy biến áp chỉ cần tải công suất S2 sau khi giảm lượng Q truyền tải Nếu đường dây và máy biến áp được chọn để tải S1, thì với Q2 có thể tải được công suất P lớn hơn Điều này chứng tỏ rằng việc giảm Q có thể nâng cao khả năng tải công suất P từ P1 lên P2 của đường dây và máy biến áp.

Các giải pháp bù cos tự nhiên

Bù cos tự nhiên là những giải pháp đơn giản và tiết kiệm, không cần thiết bị bù, giúp tăng trị số cos và giảm lượng tiêu thụ công suất phản kháng Q của doanh nghiệp.

Các giải pháp bù cos tự nhiên thường dùng:

8.2.1 Thay động cơ thường xuyên non tải bằng động cơ có công suất bé hơn

Trị số cos của động cơ tỉ lệ với hệ số tải của động cơ, động cơ càng non tải thì cos càng thấp.

Các xí nghiệp lớn thường sử dụng hàng ngàn động cơ, và việc thay thế các động cơ thường xuyên non tải bằng động cơ có công suất nhỏ hơn sẽ giúp tăng hệ số tải Điều này không chỉ làm tăng cos của từng động cơ mà còn dẫn đến sự gia tăng đáng kể cos của toàn bộ xí nghiệp.

Ví dụ, động cơ máy tiện 10kW, nhưng do quá trình gia công chỉ cần sử dụng công suất 5,5kW, khi đó hệ số tải:

Nếu thay động cơ máy tiện 10kW bằng động cơ 7kW sẽ có hệ số tải là:

Thường theo kinh nghiệm thì:

- Với những động cơ có kt  0,45 thì nên thay thế.

- Với những động cơ có kt  0,75 thì không nên thay.

Đối với các động cơ có kích thước từ 0,45 đến 0,75, cần thực hiện so sánh kinh tế giữa hai phương án: thay thế và không thay thế động cơ Việc này giúp xác định phương án nào mang lại lợi ích kinh tế cao hơn Sau khi phân tích, mới có thể quyết định liệu có nên thay động cơ non tải bằng động cơ có công suất nhỏ hơn hay không.

8.2.2 Tăng cường chất lượng sửa chữa động cơ Động cơ sau khi sửa chữa thường có cos thấp hơn so với trước sửa chữa, mức độ giảm thấp cos tùy thuộc vào chất lượng sửa chữa động cơ.

Chất lượng sửa chữa động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc giảm mức tiêu thụ Q và nâng cao hệ số công suất cos của xí nghiệp Do đó, các xí nghiệp cần chú trọng tăng cường chất lượng sửa chữa động cơ Bằng cách áp dụng các giải pháp tổng hợp và đồng bộ, xí nghiệp có thể nâng cao cos trước khi sử dụng thiết bị bù, mang lại lợi ích kinh tế rõ rệt.

Ví dụ, một xí nghiệp cỡ trung, có tổng công suất P = 10.000kW; cos = 0,5

=> Lượng Q tiêu thụ sẽ là: Q = P.tg = 10.000 x 1,732 = 17,320 (kVAr)

Giả sử dùng các giải pháp bù nhân tạo nêu trên nâng được cos = 0,6

Khi đó lượng Q tiêu thụ chỉ còn: Q = 10.000 x 1,33 = 13,300 (kVAr)

Nghĩa là giảm được một lượng tiêu thụ Q là: 17,320 - 13,300 = 4,020 (kVAr)Như vậy, xí nghiệp bớt được khoản tiền dùng mua, lắp đặt, quản lý, bảo dưỡng4,020 (kVAr) tự bù.

Thiết bị bù cos

Bù cosφ tại xí nghiệp là khái niệm trong ngành điện, đề cập đến việc các xí nghiệp tự lắp đặt thiết bị phát ra công suất phản kháng (Q) nhằm tự cung cấp một phần hoặc toàn bộ nhu cầu tiêu thụ Q của mình Hành động này giúp giảm bớt lượng công suất phản kháng cần truyền tải từ lưới điện đến xí nghiệp.

Máy bù và tụ bù là hai thiết bị chính để phát ra công suất phản kháng (Q) trên lưới điện Máy bù, hay còn gọi là máy bù đồng bộ, là loại động cơ đồng bộ hoạt động ở chế độ quá kích thích, chỉ phát ra Q Bảng 4.1 trình bày ưu điểm và khuyết điểm của hai loại thiết bị bù này.

Bảng 8.1 So sánh đặc tính kinh tế, kỹ thuật của máy bù và tụ bù.

Cấu tạo, vận hành, sửa chữa phức tạp Cấu tạo, vận hành, sửa chữa đơn giản Chi phí đầu tư đăt Chi phí đầu tư rẻ hơn máy bù

Tiêu thụ nhiều điện năng: P = 5%Qb Tiêu thụ ít điện năng: P = (2 5)%Qb

Tiếng ồn lớn Yên tĩnh Điều chỉnh lượng Qb trơn Điều chỉnh lượng Qb theo cấp

Từ bảng so sánh, có thể thấy rằng tụ bù vượt trội hơn máy bù với nhiều ưu điểm Tuy nhiên, nhược điểm duy nhất của tụ bù là công suất Qb phát ra không ổn định, mà thay đổi theo từng cấp khi số lượng tụ bù tăng hoặc giảm.

Bù cos là cần thiết để đảm bảo giá trị cos của tải lớn hơn 0,9, thường được điều chỉnh lên mức 0,9 đến 0,95 Do đó, trong lưới điện công nghiệp, dịch vụ và dân dụng, việc sử dụng tụ điện để bù cos là phương pháp tối ưu.

Nguyên lý mắc thiết bị bù

Tụ bù có thể mắc nối tiếp hay song song vào mạng điện

Thực hiện mắc nối tiếp tụ vào đường dây, biện pháp này nhằm cải thiện thông số đường dây, giảm tổn hao điện áp

Lúc này thông số đường dây: Z = R +j(XL - XC)

Thực hiện mắc song song tụ vào đường dây, có nhiệm vụ cung cấp Q vào hệ thống, làm nâng cao điện áp cũng như cosφ

Lúc này tổn thất điện áp giảm xuống lượng:

Trong mạng lưới điện hạ áp, bù công suất được thực hiện bằng:

- Tụ điện với lượng bù cố định (gọi là bù nền).

- Thiết bị điều chỉnh bù tự động hoặc một bộ tụ cho phép điều chỉnh liên tục theo yêu cầu khi tải thay đổi.

Khi công suất phản kháng cần bù vượt quá 800kVAr và tải có tính liên tục, ổn định, việc lắp đặt bộ tụ ở phía trung áp sẽ mang lại hiệu quả kinh tế tốt hơn.

Bù nền

8.5.1 Phương pháp bù đơn giản:

Bố trí bù gồm một hoặc nhiều tụ tạo nên lượng bù không đổi, việc điều khiển có thể thực hiện:

- Bằng tay: dùng CB hoặc LBS (load – break switch)

- Bán tự động: dùng contactor

- Mắc trực tiếp vào tải đóng điện cho mạch bù đồng thời khi đóng tải.

Các tụ điện được đặt tại:

- Vị trí đấu nối của tải điện có tính cảm (động cơ điện và máy biến áp).

Vị trí thanh góp cấp nguồn cho nhiều động cơ nhỏ và các phụ tải có tính cảm kháng, việc bù từng thiết bị một sẽ gây tốn kém.

- Các tải không thay đổi.

8.5.2 Xác định công suất phản kháng cần bù và chọn bộ tụ bù Để chọn tụ bù cho một tải nào đó thì ta cần biết công suất tác dụng (P) và hệ số công suất (cosφ) của tải đó.

Giả sử tải có công suất P và hệ số công suất trước khi bù là cosφ1, yêu cầu sau khi bù là cosφ2, ta thực hiện bù công suất để đạt được hệ số công suất mong muốn.

Bước 1: Từ tri số cosφ1, tính tgφ1; từ tri số cosφ2, tính tgφ2;

Bước 2: Tính công suất phản kháng cần bù theo công thức (8.1)

Qb = Q1 - Q2 = P.tg1 - P.tg2 = P (tgφ1 – tgφ2) (8.1)

Bước 3: Từ công suất cần bù (Qb) tra catalog của nhà cung cấp chọn tụ bù phù hợp.

Một phụ tải có công suất: P = 270 (KW), hệ số công suất cosφ1 = 0,75.

- Xác định lượng công suất phản kháng cần bù để nâng hệ số công suất sau khi bù đạt trị số cosφ2 = 0,95.

- Hãy tra catalog, chọn bộ tụ bù phù hợp lắp cho phụ tải.

Người học sử dụng catalog, máy tính cầm tay giải bài tập ghi vào vở.

Bù ứng động

Bù công suất được thực hiện thông qua các thiết bị điều khiển tự động, giúp đóng ngắt từng bộ phận công suất Thiết bị này cho phép duy trì hệ số công suất (cosφ) trong một khoảng giới hạn cho phép, xung quanh giá trị đã được chọn.

Thiết bị này được lắp đặt ở những vị trí có sự biến động lớn về công suất tác dụng và công suất phản kháng, chẳng hạn như tại thanh góp của tủ phân phối chính hoặc tại đầu nối của các cáp trục chịu tải lớn.

8.6.1 Các nguyên lý và lý do sử dụng bù tự động

Bộ tụ bù bao gồm nhiều phần, mỗi phần được điều khiển bằng contactor, cho phép đóng một số tụ song song với các tụ vận hành Công suất bù có thể điều chỉnh bằng cách đóng hoặc cắt contactor, nhờ đó hệ số công suất của mạng điện sẽ thay đổi từng bậc thông qua rơle điều khiển Để điều khiển rơle máy biến dòng, cần đặt lên một pha của dây cáp dẫn điện cung cấp cho mạch Việc bù chính xác theo giá trị tải yêu cầu giúp tránh hiện tượng quá điện áp khi tải giảm và loại bỏ các điều kiện gây ra quá điện áp, từ đó bảo vệ thiết bị Quá điện áp xảy ra do hiện tượng bù dư, phụ thuộc vào giá trị tổng trở nguồn.

Nếu công suất bộ tụ (kVAr) nhỏ hơn hoặc bằng 15% công suất định mức máy biến áp cấp nguồn, nên sử dụng bù nền.

Nếu ở trên mức 15%, nên sử dụng bù kiểu tự động.

Vị trí lắp đặt tụ trong mạng điện cần được xác định dựa trên chế độ bù công suất, có thể là bù tập trung, bù nhóm, bù cục bộ hoặc kết hợp giữa các phương án này.

Bù lý tưởng là phương pháp điều chỉnh bù áp dụng cho từng thời điểm tiêu thụ, nhằm đáp ứng đúng mức độ yêu cầu của phụ tải tại mỗi thời điểm cụ thể.

Trong thực tiễn, việc chọn phương cách bù dựa vào các hệ số kinh tế, kỹ thuật.

- Bù tập trung: (áp dụng cho tải ổn định và liên tục)

+ Nguyên lý: Bộ tụ đấu vào thanh góp hạ áp của tủ phân phối chính và được đóng trong thời gian tải hoạt động.

Giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng

Làm giảm công suất biểu kiến

Giảm tải cho máy biến áp giúp mở rộng khả năng phát triển phụ tải cần thiết Dòng điện phản kháng vẫn tiếp tục đi vào toàn bộ lộ ra của tủ phân phối chính trong mạng hạ thế, dẫn đến việc tiết diện dây dẫn và công suất tổn hao không được cải thiện khi thực hiện bù tập trung.

- Bù nhóm: (từng phân đoạn)

Phương pháp này thường sử dụng khi mạng điện quá lớn và khi chế độ tải tiêu thụ theo thời gian của các phân đoạn thay đổi khác nhau.

Bộ tụ được kết nối vào tủ phân phối khu vực, giúp cải thiện hiệu suất nhờ vào việc bù nhóm cho dây dẫn từ tủ phân phối chính đến các tủ khu vực Ưu điểm của việc này là tăng cường hiệu quả hoạt động của hệ thống điện.

Làm giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng.

Làm giảm công suất biểu kiến yêu cầu.

Kích thước dây cáp kết nối đến các tủ phân phối khu vực có thể được giảm thiểu, hoặc với cùng loại dây cáp, có thể tăng cường phụ tải cho tủ phân phối khu vực.

Dòng điện phản kháng từ tủ phân phối khu vực ảnh hưởng đến tất cả dây dẫn, dẫn đến kích thước và công suất tổn hao trong dây dẫn không được cải thiện với chế độ bù nhóm Khi tải thay đổi đáng kể, nguy cơ bù dư và hiện tượng quá điện áp luôn tồn tại.

Bù riêng là phương pháp được áp dụng khi công suất động cơ lớn đáng kể so với mạng điện Nguyên lý hoạt động của bù riêng là kết nối bộ tụ trực tiếp vào đầu dây nối của thiết bị điện có tính cảm, chủ yếu là các động cơ.

Bộ tụ định mức (kVAr) đến khoảng 25% giá trị công suất động cơ Bù bổ sung tại đầu nguồn điện cũng có thể mang lại hiệu quả tốt.

Làm giảm tiền phạt do tiêu thụ công suất phản kháng (kVAr)

Giảm công suất biểu kiến yêu cầu.

Giảm kích thước và tổn hao dây dẫn đối với tất cả dây dẫn.

+ Nhận xét: Các dòng điện phản kháng có giá trị lớn sẽ không còn tồn tại trong mạng điện.

8.6.2 Mức độ bù tối ưu (phương pháp chung)

Bảng số liệu tính toán công suất phản kháng trong giai đoạn thiết kế giúp xác định Q và P cho các mức độ bù khác nhau, từ đó tối ưu hóa về kinh tế và kỹ thuật cho mạng điện đang hoạt động.

Việc tính toán định mức bù tối ưu cho một mạng đã tồn tại có thể thực hiện theo những lưu ý sau:

- Tiền điện trước khi đặt bù

- Tiền điện tương lai sau khi lắp tụ bù

Các chi phí liên quan đến việc lắp đặt tụ bù bao gồm: mua sắm tụ bù và mạch điều khiển, chi phí lắp đặt và bảo trì, cũng như tổn thất xảy ra trong tụ và trên dây cáp, máy biến áp sau khi lắp đặt tụ bù.

8.6.3 Trình tự tính bù tối ưu dựa vào điều kiện không đóng tiền phạt

Bước 1: Xét hoá đơn tiền điện liên quan đến dung lượng kVAr.h đã tiêu thụ và ghi nhận số kVAr.h phải trả tiền

Bước 2: Chọn hoá đơn tiền giá kVAr.h cao nhất phải trả (không xét đến trường hợp ngoại lệ) Ví dụ trong tháng giêng có 15965 kVAr.h

Để tính tổng thời gian hoạt động trong tháng, cần xác định số giờ mà hệ thống điện chịu tải lớn nhất, ví dụ như 220 giờ Trong khoảng thời gian này, việc tiêu thụ công suất phản kháng sẽ không bị tính phí.

Giá trị công suất cần bù: [kVAr] = kVAr/T = Qb

Trong đó: kVAr- là số kVAr phải trả tiền;

Bước 4: Xác định dung lượng bù (thường chọn dung lượng bù cao hơn giá trị tính toán một ít).

8.6.4 Tính bù tối ưu cho lưới điện xí nghiệp

8.6.4.1 Các vị trí đặt tụ bù trên lưới điện:

Xét lưới điện xí nghiệp có sơ đồ hình 8.3.

Hình 8.3 Vị trí đặt tụ bù trên lưới điện xí nghiệp + Đặt tụ bù phía cao áp xí nghiệp

Tụ điện đặt ở vị trí này có ưu điểm là giá thành tụ cao áp thường rẻ hơn so với tụ hạ áp cùng dung lượng Tuy nhiên, nó chỉ giúp giảm tổn thất điện năng từ vị trí 1 trở lên lưới điện, mà không giảm được tổn thất điện năng trong trạm biến áp và lưới hạ áp của xí nghiệp.

+ Đặt tụ bù tại thanh cái hạ áp của trạm biến áp xí nghiệp

Việc đặt tụ điện tại vị trí này, so với vị trí 1, giúp giảm tổn thất điện năng trong trạm biến áp, nhưng không ảnh hưởng đến tổn thất trên lưới hạ áp của xí nghiệp Đặt tụ bù tại tủ động lực và các vị trí thích hợp sẽ giảm thiểu tổn thất điện năng trên các đường dây từ tủ phân phối tới tủ động lực và trong trạm biến áp của xí nghiệp.

CHỐNG SÉT VÀ NỐI ĐẤT

Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

9.2.1 Khái quát về bảo vệ chống sét

Nguyên tắc bảo vệ thiết bị điện bằng cột thu lôi đã không thay đổi từ những năm 1750, khi Franklin đề xuất sử dụng cột cao với đỉnh nhọn bằng kim loại nối với hệ thống nối đất Qua thời gian, nghiên cứu đã cung cấp kiến thức chính xác về hướng đánh của sét, vùng bảo vệ của cột thu lôi và cách thực hiện hệ thống nối đất hiệu quả.

Khi một đám mây tích điện âm di chuyển qua đỉnh cột thu lôi, hiện tượng cảm ứng tĩnh điện sẽ khiến đỉnh cột thu lôi tích điện dương Đỉnh thu lôi nhọn tạo ra cường độ điện trường lớn trong đám mây, dễ dàng hình thành kênh phóng điện từ cột thu lôi đến đám mây Kết quả là, dòng điện sẽ phóng từ đám mây xuống mặt đất.

Sét xảy ra theo quy luật xác suất và chịu tác động của nhiều yếu tố, khiến việc xác định chính xác khu vực và hướng đánh của sét trở nên khó khăn Do đó, không thể đảm bảo với xác suất 100% rằng sét sẽ đánh vào hệ thống thu lôi chống sét.

Nghiên cứu kỹ lưỡng về hệ thống chống sét nhấn mạnh tầm quan trọng của chiều cao cột thu lôi và hệ thống nối đất Việc đảm bảo các yếu tố này không chỉ giúp tăng cường hiệu quả bảo vệ mà còn giảm thiểu rủi ro cho các công trình xây dựng.

9.2.2 Các qui định chung về thiết bị chống sét

Kim thu sét có thể được chế tạo từ các loại thép như thép tròn, thép dẹp, thép ống hoặc thép góc Tiết diện phần kim loại ở đỉnh kim phải đạt tối thiểu 100mm² Đối với thép dẹp, bề dày tối thiểu là 3,5mm, trong khi bề dày của thép ống phải đạt ít nhất 3mm Chiều dài hiệu dụng của kim thu sét cũng cần phải đạt tối thiểu 200mm.

Kim thu sét cần được đặt ở những vị trí dễ ăn mòn với tiết diện đỉnh kim tối thiểu 150mm²; đối với thép dẹp, bề dày phải đạt ít nhất 4mm, trong khi thép ống yêu cầu bề dày thành ống tối thiểu 3,5mm Đỉnh kim thu sét không nên vuốt quá nhọn và nếu sử dụng thép ống, cần hàn kín đỉnh kim Dây thu sét phải được làm từ thép hoặc dây đồng trần với tiết diện từ 50mm² đến 75mm² và cần được sơn dẫn điện.

Để đảm bảo hiệu quả bảo vệ, dây thu sét cần có tiết diện 75mm² khi đặt ở những khu vực dễ bị ăn mòn Đối với các công trình nhỏ, chiều dài dây thu sét không được vượt quá 50m và có thể sử dụng loại dây có tiết diện 35mm².

Để đảm bảo an toàn cho hệ thống thu sét, dây thu sét cần được cố định chắc chắn trên các kết cấu chịu lực bằng kẹp nối đặc biệt, đảm bảo tính cơ học và khả năng tiếp xúc tốt Đai và lưới thu sét, được sử dụng để bảo vệ khỏi sét đánh thẳng, nên làm từ thép tròn hoặc thép dẹp với tiết diện tối thiểu 50mm² và độ dày ít nhất 3mm, đồng thời phải được sơn dẫn điện Đối với những khu vực có nguy cơ ăn mòn cao, yêu cầu tiết diện tối thiểu là 75mm² và độ dày tối thiểu là 3,5mm.

Dây xuống, dây nối, cầu nối: Dây xuống có thể làm bằng thép tròn hoặc thép dẹp, tiết diện  35mm 2 và bề dày thép  3mm

Nếu từ bộ phận thu sét đến bộ phận nối đất chỉ đặt một dây xuống thì tiết diện của dây xuống này  50mm 2

Bộ phận nối đất chống sét có thể được chế tạo từ các loại thép như thép tròn, thép dẹp, thép góc hoặc thép ống, với yêu cầu tiết diện kim loại tối thiểu là 100mm² Đối với thép dẹp và thép góc, độ dày phải đạt ít nhất 4mm, trong khi thép ống cần có độ dày tối thiểu là 3,5mm.

Tùy theo chức năng sử dụng, các công trình xây dựng được chống sét theo sự phân cấp như sau:

Cấp I : Những công trình, trong đó có tỏa ra các chất khí và hơi dễ cháy, cát bụi hoặc các chất oxy hoá khác tạo thành các hỗn hợp nổ, có thể xảy ra ngay trong điều kiện làm việc bình thường kể cả xảy ra trong điều kiện bình thường ngắn hạn.

Cấp II : Những công trình trong đó có tỏa ra các chất khí, hơi, bụi hoặc sợi cháy và có khả năng kết hợp với không khí hoặc các chất oxy hóa khác tạo thành các hỗn hợp nổ Nhưng khả năng này chỉ xảy ra khi có sự cố hoặc làm sai qui tắc, không thể xảy ra trong điều kiện bình thường Khi xảy ra nổ chỉ gây ra những hư hỏng nhỏ và không làm chết người.

Cấp III : Tất cả những công trình còn lại.

Bảo chống sét theo nguyên tắc bảo vệ trọng điểm chỉ cần thiết cho những bộ phận dễ bị sét đánh Đối với công trình mái bằng, các điểm cần bảo vệ bao gồm các góc, xung quanh tường chắn mái và các cấu trúc nhô cao Trong khi đó, đối với công trình mái dốc, trọng điểm bảo vệ là các đỉnh hồi, bờ nóc, bờ chảy, các góc diềm mái và các cấu trúc nhô cao, với các công trình lớn cần thêm bảo vệ xung quanh diềm mái.

Để bảo vệ các trọng điểm quan trọng, có thể lắp đặt kim thu sét có chiều dài từ 0,2 đến 0,3m, cách nhau khoảng 5 đến 6m tại các vị trí cần bảo vệ Ngoài ra, có thể sử dụng các đai thu sét để gia tăng hiệu quả bảo vệ cho những trọng điểm này.

Bảo vệ chống sét theo nguyên tắc toàn bộ: Toàn bộ công trình đều nằm trong phạm vi bảo vệ của cột thu sét.

Để bảo vệ chống sét cảm ứng tĩnh điện, cần phải nối tất cả các bộ phận kim loại và máy móc lớn trong công trình với hệ thống nối đất chuyên dụng Hệ thống này giúp bảo vệ thiết bị điện khỏi tác động của sét cảm ứng, đảm bảo an toàn cho công trình.

9.2.5 Điện trở nối đất của hệ thống chống sét Để bảo vệ đối với quá điện áp của sét, người ta quan tâm đến điện trở tản của hệ thống nối đất có dòng điện sét đi xuống Điện trở này là điện trở xung, ký hiệu Rx

Bảo vệ chống sét đường dây tải điện

9.3.1 Bảo vệ sét đánh trực tiếp vào đường dây tải điện

Trong vận hành hệ thống điện, sự cố cắt điện do sét đánh vào đường dây tải điện trên không là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự cố Việc bảo vệ chống sét cho các đường dây là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và duy trì cung cấp điện liên tục Phương pháp hiệu quả nhất là treo dây chống sét dọc theo toàn bộ tuyến đường dây, tuy nhiên, biện pháp này khá tốn kém và thường chỉ áp dụng cho các đường dây có điện áp từ 110 đến 220kV với cột sắt và cột bê tông cốt thép Đối với các đường dây có điện áp dưới 35kV, việc bảo vệ toàn tuyến ít được thực hiện.

Các cột của đường dây 110  220kV cần được nối đất để đảm bảo an toàn Để nâng cao khả năng chống sét cho các đường dây, có thể lắp đặt chống sét ống hoặc bổ sung bát sứ tại những vị trí có cách điện yếu, các cột vượt cao, nơi giao chéo với đường dây khác, hoặc tại các đoạn gần trạm.

Dây chống sét có thể được bố trí treo một hoặc hai dây, tùy thuộc vào cách sắp xếp dây dẫn trên cột Các dây chống sét cần được treo ở vị trí trên đường dây tải điện, đảm bảo rằng dây dẫn của cả ba pha đều nằm trong khu vực bảo vệ của dây chống sét.

Phạm vi bảo vệ của một và hai dây chống sét như hình 9.2

Hình 9.2 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét Dãi bảo vệ bx của cột treo một dây chống sét được tính theo (9.4) và (9.5)

Với h  30m Ở độ cao (9.4) Ở độ cao (9.5)

Bán kính bảo vệ của hai dây chống sét được xác định theo công thức (9.4) và (9.5) Phạm vi bảo vệ ở khu vực giữa hai dây được giới hạn bởi một cung tròn, đi qua các dây chống sét và điểm giữa với độ cao h = a/4.

Theo tài liệu của Nga thì đối với dây chống sét đặt ở độ cao h  30m, dãi bảo vệ được tính theo công thức (9.6)

Đối với cột điện thông thường, việc bảo vệ dây dẫn sẽ hiệu quả nếu góc bảo vệ không vượt quá 25 độ Giảm góc bảo vệ giúp giảm nguy cơ sét đánh vào dây dẫn, tuy nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với việc phải tăng chiều cao cột, dẫn đến chi phí cao hơn.

9.3.2 Bảo vệ chống sét từ đường dây truyền vào trạm

Dù các đường dây trên không có được bảo vệ chống sét hay không, thiết bị điện nối với chúng vẫn phải chịu tác động của sóng sét Biên độ quá điện áp khí quyển có thể vượt quá điện áp cách điện của thiết bị, dẫn đến việc chọc thủng cách điện và phá hoại thiết bị, làm gián đoạn mạch điện Để bảo vệ thiết bị trong trạm biến áp khỏi sóng quá điện áp từ đường dây, cần sử dụng các thiết bị chống sét, giúp hạ thấp biên độ sóng quá điện áp xuống mức an toàn cho cách điện.

Thiết bị chống sét chủ yếu cho trạm biến áp là chống sét van (CSV) kết hợp chống sét ống (CSO) và khe hở phóng điện.

Khe hở phóng điện là thiết bị chống sét đơn giản, bao gồm hai điện cực: một điện cực kết nối với mạch điện và một điện cực nối với đất.

Khe hở cách ly là một thiết bị quan trọng trong việc bảo vệ các phẫn tử mang điện khỏi tiếp xúc với đất Khi có sóng điện áp, khe hở phóng điện sẽ hoạt động và truyền điện xuống đất Ưu điểm của thiết bị này là tính đơn giản và chi phí thấp, nhưng nó thiếu bộ phận dập hồ quang, dẫn đến nguy cơ bảo vệ rơle có thể bị cắt mạch điện Do đó, khe hở phóng điện thường được sử dụng như một biện pháp bảo vệ phụ hoặc là một phần trong các hệ thống chống sét khác.

Hình 9.3 Khe hở phóng điện Hình 9.4 Chống sét ống

1- Vỏ; 2- Điện cực; 3- Nắp Chống sét ống có hai khe hở phóng điện l1 và l2 Khe hở l1 được đặt trong ống làm bằng vật liệu sinh khí như fibrô bakêlít hay phi-nipơlát Khi sóng điện áp quá cao thì l1 và l2 đều phóng điện Dưới tác dụng của hồ quang, chất sinh khí phát nóng và sản sinh ra nhiều khí làm cho áp suất trong ống tăng tới hằng chục ata và thổi tắt hồ quang.

Chống sét ống có khả năng dập tắt hồ quang hạn chế, và nếu dòng điện quá lớn, hồ quang có thể không được dập tắt ngay, dẫn đến ngắn mạch tạm thời và kích hoạt bảo vệ rơle cắt mạch điện Thiết bị này chủ yếu được sử dụng để bảo vệ các đường dây không có dây chống sét hoặc làm phần tử phụ trong các sơ đồ bảo vệ trạm biến áp.

Chống sét van (CSV) bao gồm hai thành phần chính: khe hở phóng điện và điện trở làm việc Khe hở phóng điện là chuỗi các khe hở nhỏ giúp ngăn chặn quá điện áp, trong khi điện trở làm việc là điện trở phi truyến, có tác dụng hạn chế dòng điện ngắn mạch chạm đất khi sóng quá điện áp xâm nhập Việc hạn chế dòng điện này là cần thiết để dập tắt hồ quang trong khe hở phóng điện sau khi chống sét van hoạt động Chất vi lít trong chống sét van cần đáp ứng hai yêu cầu trái ngược: có điện trở lớn để hạn chế dòng ngắn mạch và điện trở nhỏ để hạn chế điện áp dư, nhằm bảo vệ cách điện hiệu quả.

Bảo vệ chống sóng quá điện áp từ đường dây vào trạm biến áp được thực hiện thông qua việc lắp đặt các thiết bị chống sét van (CSV) và áp dụng các biện pháp bảo vệ cho đoạn dây gần trạm, như minh họa trong hình 9.6.

Đoạn gần trạm 35  110kV từ 1  2 km được bảo vệ bằng dây chống sét để ngăn ngừa sét đánh trực tiếp vào đường dây Chống sét ống CSO-1 được lắp đặt ở đầu đoạn đường dây gần trạm nhằm hạn chế biên độ sóng sét Nếu toàn bộ tuyến đường dây đã được bảo vệ bằng dây chống sét DCS, thì không cần lắp đặt CSO-1.

CSO-2 được sử dụng để bảo vệ máy cắt trong quá trình cắt điện Đối với trạm 3  10kV, có thể áp dụng sơ đồ bảo vệ đơn giản hơn, chỉ cần đặt CSO cách trạm khoảng 200m mà không cần DCS gần trạm CSV được lắp đặt trên thanh cái của trạm hoặc gần MBA để tăng cường bảo vệ Để bảo vệ trạm khỏi quá điện áp, cần phối hợp với cách điện của TBA Hệ thống nối đất chống sét cho trạm phải tuân thủ các quy định hiện hành.

Trạm có trung tính trực tiếp nối đất, điện áp từ 110kV trở lên thì điện trở nối đất cho phép là 0,5 .

Trạm điện có trung tính cách điện và áp lực dưới 110kV yêu cầu điện trở nối đất tối đa là 0,4 Ω Đối với trạm có công suất dưới 100kVA, điện trở nối đất cho phép là 10 Ω.

Nối đất

Hệ thống cung cấp điện có nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng đến các hộ tiêu thụ, với đặc điểm phân bố rộng và thường xuyên có người làm việc với thiết bị điện Những nguyên nhân chính dẫn đến tai nạn điện giật bao gồm sự chọc thủng cách điện và việc không tuân thủ các nguyên tắc an toàn Sét đánh vào thiết bị điện không chỉ gây hư hỏng mà còn đe dọa tính mạng người vận hành Do đó, việc áp dụng các biện pháp an toàn chống điện giật và chống sét là rất cần thiết Một trong những biện pháp hiệu quả là thực hiện nối đất cho thiết bị điện và lắp đặt các thiết bị chống sét Trang bị nối đất bao gồm các điện cực, như điện cực thẳng đứng được đóng sâu vào đất và điện cực ngang chôn ngầm ở độ sâu nhất định, cùng với các dây dẫn nối đất để kết nối thiết bị với bộ phận nối đất.

Khi thiết bị điện có trang bị nối đất, dòng điện ngắn mạch sẽ xuất hiện nếu cách điện bị hư hỏng, và dòng điện này sẽ chảy qua vỏ thiết bị, theo dây dẫn nối đất xuống các điện cực và phân tán vào trong đất.

Hình 9.7 Phân bố điện thế khi dòng điện chạy trong đất qua một thanh nối đất đóng thẳng đứng

Hình 9.8 mô tả thiết bị nối đất với hai phần: a) Mặt bằng và b) Mặt cắt đứng Khi tay hoặc các bộ phận khác của cơ thể tiếp xúc với vỏ thiết bị, điện áp tiếp xúc Utx được xác định là điện áp giữa vị trí chạm trên cơ thể và chân người, được tính theo công thức: Utx = d -  (9.7).

Với: d- là điện thế lớn nhất tại điểm 0

- là điện thế tại điểm trên mặt đất, chỗ chân người đứng

Khi người tiếp cận thiết bị hỏng cách điện, điện áp bước giữa hai chân xuất hiện với giá trị Ub Điện áp bước được tính theo công thức Ub = 1 - 2 Để đảm bảo an toàn và giảm thiểu nguy cơ nguy hiểm cho tính mạng khi điện áp Utx và Ub còn cao, cần thiết lập một sơ đồ nối đất hợp lý.

9.4.2 Các sơ đồ nối đất

Phương pháp nối đất là quá trình kết nối điểm nối sao của nguồn điện trực tiếp với mặt đất Các bộ phận cần nối đất và vật dẫn tự nhiên sẽ được kết nối chung đến cực nối đất riêng biệt của lưới điện Điện cực này có thể hoạt động độc lập hoặc phụ thuộc vào điện cực của nguồn, với hai vùng ảnh hưởng có thể chồng chéo mà không bị ảnh hưởng bởi các thiết bị bảo vệ.

Hình 9.9 Sơ đồ nối đất TT

Bố trí dây PE: Dây PE riêng biệt với dây trung tính và có tiết diện được xác định theo dòng sự cố lớn nhất có thể xảy ra.

Bố trí bảo vệ chống chạm điện gián tiếp rất quan trọng trong hệ thống điện, giúp tự động ngắt mạch khi phát hiện hư hỏng cách điện Thiết bị RCD (Residual Current Device) đảm bảo chức năng này với dòng tác động nhỏ nhờ vào điện trở mắc nối tiếp của hai điện cực nối đất.

Sử dụng RCD với dòng lớn hoặc bằng 500mA sẽ tránh được hỏa hoạn do điện.

Dây trung tính, hay còn gọi là dây PEN, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống điện Tuy nhiên, sơ đồ này không được phép áp dụng cho các dây có kích thước nhỏ hơn 10mm² và 16mm², cũng như không sử dụng cho thiết bị điện cầm tay.

Sơ đồ này yêu cầu một sự đẳng thế hiệu quả trong lưới điện, với nhiều điểm nối đất được thiết lập lại Các vỏ thiết bị và vật dẫn tự nhiên cần phải kết nối với dây trung tính để đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống điện.

Hình 9.10 Sơ đồ nối đất TN-C Cách lắp PE: dây trung tính và PE được sử dụng chung được gọi là dây PEN.

Bố trí dây bảo vệ chống chạm điện gián tiếp là rất quan trọng, đặc biệt trong các sơ đồ có dòng chạm vỏ và điện áp tiếp xúc lớn Việc này giúp ngắt điện kịp thời khi xảy ra hỏng cách điện, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Ngắt điện bằng CB, RCD sẽ không được sử dụng vì sự cố hư hỏng cách điện được coi như là ngắn mạch pha - trung tính

Sơ đồ TN-C không nên được sử dụng trong các khu vực có nguy cơ cháy nổ cao, vì việc kết nối các vật dẫn tự nhiên của tòa nhà với dây PEN có thể tạo ra dòng điện trong công trình, dẫn đến nguy cơ cháy và nhiễu điện từ.

Bố trí bảo vệ chống chạm điện gián tiếp là cần thiết trong các sơ đồ có dòng sự cố và điện áp tiếp xúc cao Thiết bị như cầu dao (CB) hoặc cầu chì sẽ tự động ngắt nguồn điện khi phát hiện hư hỏng cách điện, giúp đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Dây bảo vệ và dây trung tính là hai thành phần riêng biệt trong hệ thống điện Đối với cáp có vỏ bọc chì, dây bảo vệ thường được làm từ vỏ chì Sơ đồ TN-S là yêu cầu bắt buộc cho các mạch có tiết diện nhỏ hơn 10mm² (đồng) hoặc 16mm² (nhôm), cũng như cho các thiết bị di động.

Mạng TN-S nhiều phụ tải

Hệ thống nối đất TN-S được thực hiện bằng cách nối đất điểm trung tính của biến áp tại đầu vào của lưới điện Các vỏ kim loại và vật dẫn tự nhiên được kết nối với dây bảo vệ PE, dây này sau đó được nối với trung tính của biến áp.

Bố trí dây PE: Dây PE cách biệt với dây trung tính và được định kích cỡ theo dòng sự cố lớn nhất có thể xảy ra.

Bảo vệ chống chạm điện là rất quan trọng để ngăn ngừa sự cố điện, đặc biệt khi có dòng sự cố và điện áp tiếp xúc lớn Hệ thống tự động ngắt điện khi phát hiện hư hỏng cách điện, với các thiết bị như cầu chì, CB hoặc RCD đảm nhiệm vai trò này Điều này giúp bảo vệ người sử dụng tách biệt với các tình huống ngắn mạch giữa các pha hoặc giữa pha và trung tính.

Sử dụng RCD với dòng tác động 500mA giúp ngăn ngừa hư hỏng điện do sự cố cách điện hoặc ngắn mạch qua tổng trở, bảo vệ an toàn cho hệ thống điện.

Hình 9.12 Sơ đồ nối đất TN-C-S