báo cáo bài tập lớn môn hệ thống cung cấp điện thiết kế cung cấp điện cho một nhà máy luyện kim đen

Xác định phụ tải tính toán cho nhà máy52.1 Tổng quan các phương pháp xác định phụ tải tính toán.. 162.3 Xác định phụ tải tính toán của các phân xưởng còn lại.. Xác định phụ tải tính toán

Trang 1

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỆTHỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

THIẾT KẾ CUNG CẤP ĐIỆN CHO MỘT NHÀ MÁYLUYỆN KIM ĐEN

PHẠM THÀNH LONG

Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN ĐỨC TUYÊN

Chữ ký của GVHD

Khoa: Tự động hóa

Trường: Điện - Điện tử

Hà Nội, 11/2023

Trang 3

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Tóm tắt nội dung của đồ án tốt nghiệp trong khoảng tối đa 300 chữ Phần tóm tắtcần nêu được các ý: vấn đề cần thực hiện; phương pháp thực hiện; công cụ sử dụng (phầnmềm, phần cứng ); kết quả của đồ án có phù hợp với các vấn đề đã đặt ra hay không;tính thực tế của đồ án, định hướng phát triển mở rộng của đồ án (nếu có); các kiến thứcvà kỹ năng mà sinh viên đã đạt được.

Trang 4

1.2 Danh sách các thiết bị phân xưởng 2

1.3 Các số liệu ban đầu 4

CHƯƠNG 2 Xác định phụ tải tính toán cho nhà máy52.1 Tổng quan các phương pháp xác định phụ tải tính toán 5

2.1.1 Phương pháp xác định PTTT theo hệ số nhu cầu Knc và côngsuất đặt Pd 5

2.1.2 Phương pháp xác định PTTT theo hệ số cực đại (Kmax) và côngsuất trung bình (Ptb) 5

2.1.3 Phương pháp xác định phụ tải tính toán cho tải chiếu sáng 7

2.1.4 Tính phụ tải tính toán toàn phần của mỗi phân xưởng 8

2.1.5 Phụ tải tính toán của toàn nhà máy 8

2.2 Xác định phụ tải tính toán cho phân xưởng sửa chữa cơ khí 8

2.2.1 Ta chia nhóm và tính toán phụ tải cho từng nhóm như sau: 8

2.2.2 Phụ tải tính toán phân xưởng sửa chữa cơ khí 16

2.3 Xác định phụ tải tính toán của các phân xưởng còn lại 16

2.4 Xác định phụ tải tính toán toàn nhà máy 17

2.5 Xác định tâm của biểu đồ phụ tải 18

2.5.1 Biểu đồ phụ tải điện 18

CHƯƠNG 3 Thiết kế mạng điện cao áp cho toàn nhà máy203.1 Đặt vấn đề 20

3.2 Thiết kế mạng điện cao áp cho nhà máy 20

3.2.1 Chọn điện áp nguồn cấp cho mạng cao áp của nhà máy 203.2.2 Các phương án sơ đồ cung cấp điện của mạng cao áp nhà máy 20

4

Trang 5

3.2.3 Thiết kế trạm biến áp phân xưởng 21

3.2.4 Sơ bộ chọn các thiết bị điện 24

3.3 Tính toán ngắn mạch 31

3.4 Lựa chọn sơ đồ và kiểm tra thiết bị TPPTT 34

3.5 Lựa chọn sơ đồ và kiểm tra thiêt bị TBAPX 37

Thiết kế mạng hạ áp cho PXSCCK404.1 Lựa chọn các thiết bị cho tủ phân phối 41

4.3 Tính toán ngắn mạch cho mạng điện hạ áp PXSCCK 44

4.3.1 Thông số của MBA B5 44

4.3.2 Thông số thanh góp 44

4.4 Thông số aptomat 45

4.5 Thông số cáp 46

4.5.1 Tính toán ngắn mạch tại điểm N1 46

Trang 6

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

HESS Hybrid Energy Storage SystemSC Super Capacitor

EMS Energy Management Strategy

Trang 7

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ mặt bằng nhà máy luyện kim đen 1

Hình 1.2 Sơ đồ mặt bằng phân xưởng sửa chữa cơ khí 3

Hình 3.1 Phương án 1: TBATG+7 TBAPX 23

Hình 3.2 Phương án 2: TPPTT+7 TBAPX 23

Hình 3.3 Sơ đồ tính ngắn mạch 32

Hình 3.4 Thông số máy biến điện áp 36

Hình 3.5 Thông số máy biến dòng điện 36

Hình 3.6 Thông số chống sét van 37

Hình 3.7 Thông số tủ đầu vào TBAPX 37

Hình 3.8 Thông số dao cách ly 38

Hình 3.9 Thông số cầu chì cao áp 38

Hình 4.1 Sơ đồ tổng quát mạng hạ áp động lực của PXSCCK 40

Hình 4.2 Sơ đồ Apstomat trong PXSCCK 41

Trang 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phụ tải của nhà máy luyện kim 1

Bảng 1.2 Danh sách thiết bị của PXSCCK 2

Bảng 1.2 Danh sách thiết bị của PXSCCK 3

Bảng 3.6 Bảng tính vốn đầu tư PA1 28

Bảng 3.7 ∆AMBA của PA2 29

Bảng 3.8 ∆Pdcủa PA2 29

Bảng 3.9 Bảng tính vốn đầu tư PA2 30

Bảng 3.10 Thông số của đường dây 32

Bảng 3.11 Tính toán ngắn mạch tại các điểm Ni 33

Bảng 3.12 Tính toán ngắn mạch tại các điểm N′i 34

Trang 10

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY LUYỆN KIM ĐEN1.1 Vai trò và vị trí địa lý

Nghành luyện kim đen là nghành công nghiệp nặng mang tầm quan trọng trong sựphát triển chung của nền kinh tế nước ta, nó đóng vai trò quan trọng cung cấp nguyênliệu cho các ngành khác như : cơ khí chế tạo , giao thông , xây dựng Hơn nữa chúngta có thể dựa vào lượng tiêu thụ gang thép trên đầu người mà biết được tiềm lực pháttriển của một nền kinh tế đang phát triển cụ thể như nước ta.

Với đặc điểm về công nghệ có nhiều khí bụi nên nhà máy luyện kim thường đượcbố trí ở những nơi xa thành phố , xa khu dân cư Nhà máy luyện kim đen mà em đượcgiao nhiệm vụ thiết kế có quy mô khá lớn với 7 phân xưởng , một trạm bơm và một banquản lý

Bảng 1.1 Phụ tải của nhà máy luyện kim

TT Tên phân xưởng Công suất đặt (kW) Loại hộ tiêu thụ1 Phân xưởng (PX) luyện gang 4000 I

Trang 11

1.2 Danh sách các thiết bị phân xưởng

Bảng 1.2 Danh sách thiết bị của PXSCCK

TTTên phân xưởngSLNhãn máyPđm (kW)1 máyToàn bộBộ phận máy công cụ

2Máy tiện tự động3TT-IM53Máy tiện tự động22A-62144Máy tiện tự động2I615M6

15Máy khoan vạn năng1A1355

17Máy khoan hướng tâm14522218Máy mài phẳng2CK-3719

21Máy mài dao cắt gọt13628322Máy mài sắc vạn năng13A-64123Máy khoan bàn2HC-12A124Máy ép kiểu trục khuỷu1K113225Tấm cữ (đánh dấu)1

46Máy phay ngang1680T347Máy phay vạn năng15783

Trang 12

Bảng 1.2 Danh sách thiết bị của PXSCCK

TTTên phân xưởngSLNhãn máyPđm (kW)1 máyToàn bộ

Trang 13

1.3 Các số liệu ban đầu

1 Phụ tải điện của nhà máy (xem hình 1.1 và bảng 1.1 phía dưới)

2 Phụ tải điện của phân xưởng sửa chữa cơ khí (PXSCCK) (Hình 1.2 và Bảng 1.2phía dưới)

3 Điện áp nguồn Udm= 35kV hoặc 22kV (chọn theo kết quả tính toán)4 Dung lượng ngắn mạch về phía hạ áp của trạm biến áp khu vực: 310MVA5 Đường dây cung cấp điện cho nhà máy: dây nhôm lõi thép (AC) treo trên không6 Khoảng cách từ nguồn đến nhà máy: 11km

7 Nhà máy làm việc: 3 ca, thời gian sử dụng công suất lớn nhất: Tmax= 3600 giờ

Trang 14

CHƯƠNG 2 Xác định phụ tải tính toán cho nhà máy2.1 Tổng quan các phương pháp xác định phụ tải tính toán

Phụ tải tính toán là phụ tải giả thiết lâu dài, không đổi trong quá trình làm việc,gây hiệu quả phát nhiệt (hoặc mức độ phá hủy cách điện) đối với các vật dẫn điện củahệ thống cấp điện bằng với công suất thực tế gây ra trong suốt thời gian làm việc Phụtải tính toán xem như giá trị đẳng trị của phụ tải thực tế với điều kiện đảm bảo đặc trưngvật lý như mức độ phát nhiệt hoặc hiệu quả phá hủy cách điện là không thay đổi

Phụ tải tính toán sử dụng để lựa chọn và kiểm tra các thiết bị trong hệ thống như:MBA, dây dẫn, các thiết bị đóng cắt , tính toán tổn thất công suất điện năng, lựa chọnbù Phụ tải tính toán phụ thuộc vào các yếu tố như: công suất, số lượng máy, chế độvận hành .

Phụ tải tính toán nhỏ hơn phụ tải thực tế sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết bị, ảnhhưởng đến chất lượng, độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện Do đó việc lựa chọn phụtải tính toán một cách phù hợp đóng phần quan trọng đến thành công của bản thiết kế.2.1.1 Phương pháp xác định PTTT theo hệ số nhu cầu Knc và công suất đặt Pd

Phương pháp này được sử dụng khi đã có thiết kế nhà xưởng của nhà máy nhưngchưa thiết kế chi tiết Số liệu cụ thể biết được là công suất đặt và diện tích từng phânxưởng.

Ptt = Knc.Pd (2.1)Trong đó:

- Knc: Hệ số nhu cầu tra từ sổ tay theo số liệu của các phân xưởng- Pd: Công suất đặt của các phân xưởng

Qtt =Ptt.tgϕ (2.2)Trong đó:

- tgϕ: Được tính toán theo hệ số công suấtcosϕcủa phân xưởng (tra bảng)- Qtt: Công suất phản kháng tính toán.

2.1.2 Phương pháp xác định PTTT theo hệ số cực đại (Kmax) và công suất trungbình (Ptb)

•Công thức tính

Ptt = Kmax.Ksd.Pdm (2.3)Trong đó:

- Ksd: Hệ số sử dụng, tra trong sổ tay ứng với phụ tải hay nhóm phụ tải đặc trưng.5

Trang 15

Bảng 3.2 Bảng dây dẫn phương án 1

Nhánh Udm Stt I Jkt S Dây Ic p(kV) (kVA) (A) (A/mm2) (mm2) (A)Hệ thống đến TBATG 35 12309 101,52 1,1 92,29 AC-95 335TBATG đến B1 10 3060,5 88,35 3,1 28,5 XPLE(3x50) 200TBATG đến B2 10 2666,74 76,98 3,1 24,8 XPLE(3x50) 200TBATG đến B3 10 1516,57 43,78 3,1 14,12 XPLE(3x50) 200TBATG đến B4 10 2502,7 72,25 3,1 23,3 XPLE(3x50) 200TBATG đến B5 10 2580,92 74,5 3,1 24,03 XPLE(3x50) 200TBATG đến B6 10 1920,8 55,45 3,1 17,9 XPLE(3x50) 200TBATG đến B7 10 1154,48 33,33 3,1 10,76 XPLE(3x50) 200B5 đến PXSCCK 0,4 316,43 456,73 240 3X240+95 538B4 đến BQLPTN 0,4 349,2 504 240 3X240+95 538

Bảng 3.3 Bảng dây dẫn phương án 2

Nhánh Udm Stt I Jkt S Dây Ic p(kV) (kVA) (A) (A/mm2) (mm2) (A)Hệ thống đến TPPTT 35 12309 101,52 1,1 92,29 AC-95 335TPPTT đến B1 35 3060,5 25,24 3,1 8,14 XPLE(3x50) 205TPPTT đến B2 35 2666,74 21,99 3,1 7,09 XPLE(3x50) 205TPPTT đến B3 35 1516,57 12,51 3,1 4,03 XPLE(3x50) 205TPPTT đến B4 35 2502,7 20,64 3,1 6,66 XPLE(3x50) 205TPPTT đến B5 35 2580,92 21,3 3,1 6,87 XPLE(3x50) 205TPPTT đến B6 35 1920,8 15,84 3,1 5,1 XPLE(3x50) 205TPPTT đến B7 35 1154,48 9,52 3,1 3,1 XPLE(3x50) 205B5 đến PXSCCK 0,4 316,43 456,73 240 3x240+95 538B4 đến BQLPTN 0,4 349,2 504 240 3x240+95 5383 Tính toán chi phí cho các phương án đã chọn

•Hàm chi phí tính toán Việc so sánh và lựa chọn phương án hợp lý, ta dựa trênviệc tính toán hàm chi phí tính toán hằng năm Đối với mạng hình tia chỉ xétchi phí tổn thất điện năng.

Z = (khq+kvh).V + ∆A.αa (3.9)Trong đó:

– khq: Hệ số hiệu quả thu hồi vốn đầu tư Thường lấy khq= 0,2

– kvh: Hệ số vận hành kvh= 0 1,

– V: Vốn đầu tư cho đường dây– αa: Giá điện năng (đ/kWh)

Trang 16

– ∆A: Tổn thất điện năng

∆A = A∆ d+ A∆ MBA (3.10)•Xác định tổn thất điện năng trong trạm MBA (∆AMBA)

∆AMBA = n.∆Po.t + ∆PN.(Sptdm

τ = (0,124 + Tmax.10(− 4))2.8760 = 2052 (3.12)•Xác định tổn thất điện năng trong đường dây:

∆Ad= P.τ =∆ S2ttU2

.R τ (3.13)R =ron.l (3.14)•Tính toán cho phương án 1: TBATG và 7 TBAPX

– Xác định ∆AMBA

Bảng 3.4.∆AMBA của PA1

Trạm Số máy Stt Sdm/máy ∆Po ∆PN ∆A(kVA) (kVA) (kW) (kW) (kWh)TBATG 2 12309 7500 8 42 256229,9

B1 2 3060,5 1600 2,1 12,5 83716,7B2 2 2666,74 1600 2,1 12,5 72418,9B3 2 1516,57 1000 1,55 9 48394,1B4 2 2502,7 1600 2,1 12,5 68170,7B5 2 2580,92 1600 2,1 12,5 70162,8B6 2 1920,8 1000 1,55 9 61224,6B7 2 1154,48 1000 1,55 9 39463,3

27

Trang 17

– Xác định ∆Ad

Bảng 3.5 ∆Pdcủa PA1

Nhánh Stt(kVA) U(kV ) l(m) ro(Ω/km) R(Ω) ∆Ad(kW )TBATG-B1 3060,5 10 83,28 0,494 0.041 7907.33TBATG-B2 2666,74 10 202,2 0,494 0.100 14576.28TBATG-B3 1516,57 10 154,2 0,494 0.076 3595.12TBATG-B4 2502,7 10 128,5 0,494 0.063 8158.78TBATG-B5 2580,92 10 237,5 0,494 0.117 16036.77TBATG-B6 1920,8 10 62,4 0,494 0.031 2333.74TBATG-B7 1154,48 10 185,4 0,494 0.092 2504.88B4-BQL và PTN 349,2 0,4 207,6 0,0754 0.016 24479.61

B5-PXSCCK 316,43 0,4 63,4 0,0754 0.005 6138.66

– Lựa chọn máy cắt Ta lựa chọn 17 máy cắt 10kV và 2 máy cắt 35kV:

* 14 máy cắt 10kV tại đầu 7 đường dây kép cấp điện cho các TBA phânxưởng.

* 1 máy cắt phân đoạn thanh góp 10 kV ở TBATG* 2 máy cắt 35kV ở phía cao áp 2 MBA trung gian.* 2 máy cắt 10 kV ở phía hạ áp 2 MBA trung gian.

– Tổng vốn đầu tư cho phương án 1 là:

Bảng 3.6 Bảng tính vốn đầu tư PA1

Thiết bị điện Đơn giá(Tr.đ) Số lượng Thành tiềnMBA 35/10(kV)-7500(kVA) 1090 2 2180MBA 10/0,4(kV)-1600(kVA) 707 8 5656MBA 10/0,4(kV)-1000(kVA) 413 6 2478Cáp 10kV XPLE(3x50) 0,31 1053,48 326,58

Cáp 0,4kV 3x240+95 1,5 271 406,5Máy cắt 10kV 110 17 1870

– Hàm chi phí tính toán cho phương án 1:

∆A = A∆ d+ ∆AMBA= 785512 17,Z = (khq+kvh).V + ∆A.αa

→ Z = (0,2 + 0 1, ).13237,08 + 785512 17, 0,002 = 5542 12 (Tr.d)•Tính toán cho phương án 2: TPPTT và 7TBAPX

Trang 18

Bảng 3.7.∆AMBA của PA2

Trạm Số máy Stt Sdm/máy ∆Po ∆PN ∆A(kVA) (kVA) (kW) (kW) (kWh)B1 2 3060,5 1600 2,4 16 102111,7B2 2 2666,74 1600 2,4 16 87650,5B3 2 1516,57 1000 1,68 10 53031,4B4 2 2502,7 1600 2,4 16 82212,74B5 2 2580,92 1600 2,4 16 84762,6B6 2 1920,8 1000 1,68 10 67287,6B7 2 1154,48 1000 1,68 10 43108,4

B5-PXSCCK 316,43 0,4 63,4 0,0754 0.005 6138.66

– Lựa chọn máy cắt Ta lựa chọn 17 máy cắt 35kV :

* 14 máy cắt 35kV tại đầu 7 đường dây kép cấp điện cho các TBA phânxưởng.

* 1 máy cắt phân đoạn thanh góp 35 kV ở TPPTT* 2 máy cắt 35kV ở phía đầu vào TPPTT.

29

Trang 19

– Tổng vốn đầu tư cho phương án 2 là:

Bảng 3.9 Bảng tính vốn đầu tư PA2

Thiết bị điện Đơn giá(Tr.đ) Số lượng Thành tiềnMBA 35/0,4(kV)-1600(kVA) 871 8 6968MBA 35/0,4(kV)-1000(kVA) 535 6 3210Cáp 35kV XPLE(3x50) 0,31 1053,48 326,58

Cáp 0,4kV 3x240+95 1,5 271 406,5Máy cắt 35kV 160 17 2720

– Hàm chi phí tính toán cho phương án 2:

∆A = A∆ d+ ∆AMBA= 555282 18,Z = (khq+kvh).V + ∆A.αa

→ Z = (0,2 + 0 1 13631, ) ,08 + 555282 18 0, ,002 = 5199 86, (Tr.d)

Từ đó ta chọn thiết kế theo phương án 2: TPPTT và 7 TBAPX

Trang 20

3.3 Tính toán ngắn mạch

Mục đích của tính toán ngắn mạch là để kiểm tra điều kiện ổn định động và ổnđịnh nhiệt của thiết bị và dây dẫn được chọn khi có ngắn mạch trong hệ thống Dòngđiện ngắn mạch tính toán để chọn khí cụ điện là dòng ngắn mạch 3 pha Khi tính toánngắn mạch phía cao áp do không biết cấu trúc cụ thể của hệ thống điện quốc gia nên chophép tính gần đúng điện kháng hệ thống thông qua công suất ngắn mạch về phía hạ ápcủa TBATG và coi hệ thống có công suất vô cùng lớn.

Trong tính toán ngắn mạch ở lưới trung áp ta có các giả thiết sau làm đơn giản quátrình tính toán ngắn mạch.

•Ngắn mạch là xa nguồn do đó điện áp không bị suy giảm•Gom các nguồn thành nguồn đẳng trị và điện kháng đẳng trị

Để lựa chọn , kiểm tra dây dẫn và các khí cụ điện cần tính 15 điểm ngắn mạch:•N: điểm ngắn mạch trên thanh cái TPPTT để kiểm tra máy cắt và thanh góp•N1, , N7 : điểm ngắn mạch phía cao áp của các TBA phân xưởng để kiểm tra cáp

và thiết bị cao áp của trạm• N1′, , N7′

: Điểm ngắn mạch phía hạ áp của các TBA phân xưởng để kiểm traaptomat tổng của trạm

Điện kháng hệ thống xác định theo công thức:Xht=Utb2

31

Trang 21

Dòng ngắn mạch 3 pha được tính theo công thức:IN(3)= =I′′ Iinf= Utb

3.qR2 + (Xht+ Xd)2 (3.18)Trị số dòng ngắn mạch xung kích:

Ixk = 1 8, √2.I kAN( ) (3.19)Sơ đồ tính toán ngắn mạch: Thông số của đường dây:

Hình 3.3 Sơ đồ tính ngắn mạch

Bảng 3.10 Thông số của đường dây

Nhánh l(m) ro(Ω/km) xo(Ω/km) R(Ω) X( )ΩHệ thống - TPPTT 11000 0,33 0,371 3.63 4,081

TPPTT - B1 83,28 0,494 0,137 0.041 0,011TPPTT - B2 202,2 0,494 0,137 0.1 0,028TPPTT - B3 154,2 0,494 0,137 0.076 0,021TPPTT - B4 128,5 0,494 0,137 0.063 0,018TPPTT - B5 237,5 0,494 0,137 0.117 0,033TPPTT - B6 62,4 0,494 0,137 0.031 0,009TPPTT - B7 185,4 0,494 0,137 0.092 0,025

•Tính dòng điện ngắn mạch tại điểm N trên thanh cái của TPPTT RN= 3,63( )ΩXN= Xht+4,081 = 4,356 4,081 = 8,437+

IN= √Utb

3.Z= √ 36,753.√

3 63 8 437,2+ ,2= 2,31(kA)IxkN =1 8, √2 ,312 =5 88, (kA)

•Tính dòng điện ngắn mạch tại điểm N1 trên thanh góp của phía cao áp TBAPX B1RN1= 3,63 + 0,041 = 3,671( )Ω

XN1= Xht+4,081 0,011 = 4,356 4,081 0,011 = 8,448+ + +

Trang 22

IN1= √tb

3.Z= √ 36,753.√

3 671 8 448,2+ ,2= 2,303(kA)IxkN1=1 8 2 2, √ ,305 =5,86(kA)

•Tương tự với các điểm còn lại ta có bảng sau:

Bảng 3.11 Tính toán ngắn mạch tại các điểm NiĐiểm l ro xo RNi XNi INi IxkNi

(m) (Ω/km) (Ω/km) (Ω) (Ω) (kA) (kA)N1 83,28 0,494 0,137 3,671 8,448 2,303 5.88N2 202,2 0,494 0,137 3,73 8,465 2.293 5.86N3 154,2 0,494 0,137 3,668 8,458 2.297 5.84N4 128,5 0,494 0,137 3,706 8,455 2.299 5.85N5 237,5 0,494 0,137 3,689 8,47 2.291 5.85N6 62,4 0,494 0,137 3,693 8,446 2.305 5.83N7 185,4 0,494 0,137 3,722 8,462 2.295 5.87

•Tính toán ngắn mạch tại điểm N′

1trên thanh góp phía hạ áp của TBAPX B1Điện trở và điện kháng của máy biến áp B1 được tính theo công thức

16002.103= 7,66(Ω) (3.20)XB1=Un%.U2dm

3= 6,5.352

100.1600.103= 49 76, (Ω) (3.21)Từ đó ta có:

RN1′ = RN1+ RB1= 3,671 + ,66 =7 11 33,XN1′ = XN1+ XB1= 8,448 + 49,76 =58 21,IN1′ = √Utb

36 75,√

3 11 33.p , 2+58 21, 2.350,4= 31 304, (kA)I′xkN1=1 8 2, √.31,304 =79 69, (kA)

•Tính toán tương tự cho các điểm còn lại ta có bảng sau:

33