Giáo trình cung cấp điện_Chương 6_Cung cấp điện cho các xí nghiệp công nghiệp docx

Ch.6. CCĐCN 161 Chương 6 Cung cấp điện cho các xí nghiệp công nghiệp Trong vài thập niên trở lại đây với việc áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật, rất nhiều ngành sản xuất công nghiệp đã có những thay đổi rất đáng kể. Các xí nghiệp công nghiệp lớn luôn có xu hướng phát triển nâng cao khối lượng sản phẩm, nhưng sự phát triển này phụ thuộc nhiều vào tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường trong nước cũng như ở nước ngoài. Rất nhiều quy trình công nghệ, thiết bị lạc hậu, lỗi thời, được thay thế bằng các công nghệ, thiết bị tiên tiến, hiện đại. Các thiết bị công nghệ mới được áp dụng đòi hỏi yêu cầu về chất lượng và độ tin cậy cung cấp điện hết sức nghiêm ngặt. Điều đó đòi hỏi quá trình tính toán thiết kế hệ thống cung cấp điện cũng phải có những thay đổi phù hợp. Nội dung của chương này sẽ giới thiệu những nét đặc trưng nhất của hệ thống cung cấp điện công nghiệp. 6.1. Phụ tải điện công nghiệp 6.1.1. Các thiết bị tiêu thụ điện trong công nghiệp 6.1.1.1 Phân loại các thiết bị điện công nghiệp Tất cả các thiết bị điện công nghiệp được phân loại theo các đặc điểm vận hành – kỹ thuật cơ bản sau: thiết bị sản xuất; điều khiển sản xuất; chế độ dùng điện; công suất và điện áp; loại dòng điện; mức độ tin cậy cung cấp điện v.v. a) Theo cấp điện áp tất cả các thiết bị điện được phân thành hai loại: thiết bị hạ áp (có U  1000 V) và thiết bị cao áp (U > 1000 V). b) Theo loại dòng điện các thiết bị được phân thành: - Thiết bị làm việc ở mạng điện xoay chiều tần số công nghiệp (50 Hz); - Thiết bị làm việc ở mạng điện tần số cao hoặc thấp; - Thiết bị làm việc ở mạng điện một chiều. Ch.6. CCĐCN 162 c) Theo chế độ làm việc các thiết bị được phân thành: - Thiết bị làm việc với chế độ dài hạn: Các thiết bị này có phụ tải không thay đổi hoặc ít thay đổi trong suốt thời gian làm việc như động cơ các máy bơm, máy quạt v.v. - Thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn: Các thiết bị chỉ làm việc trong khoảng thời gian ngắn chưa đủ để nhiệt độ tăng lên đến giá trị xác lập, ví dụ như máy cắt kim loại, máy trộn v.v. - Thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại: trong trường hợp này các thiết bị làm việc theo chế độ luân phiên: đóng, cắt thời gian gian của toàn bộ chu trình không vượt quá 10 phút, ví dụ máy nâng hạ, máy hàn, thang máy v.v. d) Theo dạng năng lượng biến đổi các thiết bị công nghiệp được phân thành các nhóm: động lực, chiếu sáng, tạo nhiệt v.v. 6.1.1.2 Đặc điểm kỹ thuật của các thiết bị điện công nghiệp a) Thiết bị động lực Thiết bị động lực trong công nghiệp chiếm tỷ lệ rất lớn. Phụ thuộc vào đặc điểm của các quá trình công nghệ các động cơ điện có thể là động cơ điện xoay chiều (không đồng bộ, hoặc động cơ đồng bộ), động cơ điện một chiều với các gam công suất khác nhau. Điện áp định mức của các động cơ xoay chiều ba pha chủ yếu là 0,38; 0,66; 3; 6 hoặc 10 kV. Gam công suất phổ biến là 0,1350; 1600; 1001000; 201000 và trên 1000 kW. Các động cơ điện một chiều thường sử dụng điện áp 220 hoặc 440 V công suất từ 0,3329 kW. b) Thiết bị tạo nhiệt Thiết bị tạo nhiệt chủ yếu là các lò điện và các cơ cấu chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng thường làm việc theo các nguyên lý: điện trở, cảm ứng, hồ quang và nguyên lý hổn hợp. Các lò nhiệt điện trở thường được cung cấp bởi mạng điện 380/220V tần số công nghiệp 50Hz. Tồn tại loại lò điện một pha hoặc ba pha công suất Ch.6. CCĐCN 163 từ vài chục đến hàng ngàn kW. Hệ số công suất của các thiết bị này khá cao (sấp sỉ 1, đối với lò gián tiếp và 0,7  0,9 đối với lò trực tiếp). Các lò điện cảm ứng được chế tạo có hoặc không có lõi thép. Loại lò cảm ứng có lõi thép làm việc với tần số công nghiệp , điện áp 380/220 V hoặc cao hơn, phụ thuộc vào công suất. Chúng có thể là thiết bị một, hai hoặc ba pha công suất đến 2000 kVA. Hệ số công suất của các loại thiết bị này dao động trong phạm vi rộng: cos = 0,2  0,8. Các lò điện cảm ứng không lõi thép được chế tạo để làm việc với tần số công nghiệp hoặc với tần số cao từ 500 Hz đến 40 Mz. Các thiết bị này được cung cấp bởi mạng điện xoay chiều tần số công nghiệp. Hệ số công suất của thiết bị tương đối thấp (0,06  0,25). Các lò điện hồ quang, theo nguyên lý đốt nóng được phân thành các thiết bị đốt nóng trực tiếp, gián tiếp hoặc hỗn hợp. Ở lò hồ quang đốt nóng trực tiếp, kim loại được làm chảy bởi nhiệt năng tao ra giữa điện cực với chính kim loại xử lý. Loại lò này được cung cấp bởi mạng điện xoay chiều 6 110 kV qua máy hạ áp. Hệ số công suất có giá trị trong khoảng 0,8  0,6. Ở loại lò hồ quang đốt nóng gián tiếp, kim loại được làm chảy bởi nhiệt năng sinh ra giữa các điện cực của thiết bị. Công suất của loại lò này không lớn lắm. Lò được cung cấp bởi mạng điện tần số công nghiệp qua máy biến áp đặc biệt. Ở loại lò hổn hợp, kim loại được làm nóng bởi nhiệt năng sinh ra do dòng điện đi qua chất liệu và cả do hồ quang. Lò hổn hợp được cung cấp bởi mạng điện xoay chiều tần số công nghiệp qua máy hạ áp. Công suất lò cỡ vài tăm kW, hệ số công suất 0,85  0,92. Thiết bị hàn điện làm việc với dòng điện xoay chiều hoặc dòng một chiều. Thiết bị hàn điện xoay chiều được cung cấp bởi máy biến áp 380/220 V hoặc cao hơn. Công suất của máy biến áp hàn dao động từ vài chục đến vài trăm kVA. Hệ số công suất của các thiết bị này tương đối thấp (0,3  0,35 đối Ch.6. CCĐCN 164 với máy hàn hồ quang và 0,4  0,7 đối với máy hàn điểm). Các thiết bị hàn điện một chiều được cung cấp bởi cơ cấu chỉnh lưu biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều. Hệ số công suất của thiết bị này ở chế độ làm việc khoảng 0,7  0,8 và ở chế độ không tải là 0,4. Các thiết bị chiếu sáng dùng trong công nghiệp chủ yếu là đèn sợi đốt và đèn phóng điện. Các loại đèn công nghiệp đều là thiết bị một pha công suất 100  1000 W với điện áp 127  220 V. Hệ số công suất của đèn sợi đốt là 1 và của các đèn phóng điện là 0,6  0,7, tuy nhiên hầu hết các đèn phóng điện đều được mắc kèm theo các tụ bù nên hệ số công suất của mạng điện chiếu sáng thường đạt đến giá trị 0,9  0,96. 6.1.2. Xác định phụ tải diện công nghiệp Các phương pháp tính toán phụ tải điện công nghiệp được trình bày ở chương 2. Để xác định phụ tải tổng hợp của xí nghiệp trước hết cần thu thập số liệu về các thiết bị. Bước đầu tiên của bài toán xác định phụ tải là tiến hành phân nhóm theo các đặc tính tiêu thụ điện của các thiết bị. Trước khi tính toán chi tiết có thể áp dụng thử một vài phương pháp để lựa chọn phương pháp phù hợp nhất. Thực tế cho thấy đối với phụ tải điện công nghiệp, bài toán xác định phụ tải hiệu quả nhất là áp dụng phương pháp hệ số nhu cầu. Phụ tải tính toán của nhóm thiết bị có cùng chế độ làm việc được tính theo biểu thức :   n ninctt PkP ; (6.1) Trong đó: k nc - hệ số nhu cầu xác định theo biểu thức (2.35): k sd - hệ số sử dụng tổng hợp của nhóm tải, được xác định theo biểu thức (2.31): Bài toán tổng hợp phụ tải giữa các nhóm có thể được thực hiện theo 2 phương pháp, tuỳ thuộc vào đặc điểm của các nhóm: a, Phương pháp số gia: Phương pháp này được áp dụng khi các nhóm phụ tải có các tính chất khác nhau. Bảng số gia được xây dựng trên cơ sở phân tích, Ch.6. CCĐCN 165 tính toán của hệ số đồng thời và hệ số sử dụng (cho sẵn trong các sổ tay thiết kế). Phụ tải tổng hợp của 2 nhóm xác định theo phương pháp số gia rất đơn giản và cho kết quả khá chính xác (xem mục 2.3 chương 2). Cần lưu ý là phụ tải tổng hợp của hai nhóm phải được xác định ở cùng một thời điểm. b, Phương pháp tổng hợp tải theo hệ số nhu cầu Nếu các nhóm thụ điện có cùng tính chất, thì có thể coi mỗi nhóm là một hộ dùng điện với hệ số sử dụng tổng hợp của nhóm, lúc đó công suất tổng hợp của các nhóm được xác định theo hệ số nhu cầu:     N i ichnc PkP 1 . (6.5) Trong đó hệ số nhu cầu tổng hợp được xác định tương tự như biểu thức : N k kk chsd chsdnhnc . 1     ; Với N là số nhóm và k sd.ch là hệ số sử dụng tổng hợp chung, xác định tương tự như biểu thức (2.31). 6.2. Sơ đồ mạng điện phân phối cung cấp cho các xí nghiệp công nghiệp 6.2.1. Sơ đồ hình tia TBA1 TBA4 TCC1 TPP1 TPP2 TPP3 TBA2 TBA8 MC1 MC2 DCL DCL MCL MCL MCL TCC2 Trong sơ đồ hình tia (hình 6.1) các trạm biến áp được cung cấp bởi các đường dây độc lập. Các trạm phân phối (TPP) có thể được bố trí phụ thuộc vào vị trí, số lượng và công suất của các trạm biến áp. Đôi khi các trạm phân phối được xây dựng chung trong trạm biến áp phân xưởng. Các trạm biến áp phân xưởng được cung cấp điện từ thanh cái chính (TCC), được xây dựng với hai phân đoạn (TCC1 và TCC2). Ở chế độ làm việc bình thường mỗi trạm biến áp phân xưởng được cung cấp từ một phân đoạn TCC, khi xẩy ra sự cố mất điện hoặc sửa chữa, thì các máy cắt liên lạc (MCL) sẽ đóng mạch để cấp điện từ phân đoạn thanh cái kia. Như vậy ở chế độ bình thường các máy cắt liên lạc sẽ luôn ở trạng thái mở và chúng chỉ được đưa vào hoạt động khi có tín hiệu đóng dự phòng. Các phụ tải loại 3 được cung cấp điện từ trạm phân phối 3, nơi không có nguồn dự phòng. Sơ đ ồ h ình tia có đ ộ tin cậy cung cấp điện Ch.6. CCĐCN 166 6.2.2. Sơ đồ hình tia với nguồn dự phòng từ đường cáp đi qua Sơ đồ hình tia dự phòng bằng đường dây cáp đi qua thường được áp dụng đối với phụ tải loại hai. Tiết diện dây cáp được chọn ứng với công suất lớn nhất trong số các trạm biến áp phân xưởng. Khi có sự cố mất điện ở một trong các trạm biến áp, thì người vận hành sẽ đóng cầu dao dự phòng nối với đường cáp (đường chấm chấm trên sơ đồ hình 6.2 ). Sơ đồ này thường áp dụng đối với phụ tải loại I, khi yêu cầu về độ tin cậy cung cấp điện cao. Hình 6.1 . Sơ đ ồ h ình tia TBA1 MC1 MC2 DCL DCL MCL TCC1 TCC2 TBA2 TBA3 TBA4 TBA5 ĐDDP Ch.6. CCĐCN 167 6.2.3. Sơ đồ đường trục phân nhánh Khác với sơ đồ hình tia, sơ đồ đường trục phân nhánh cung cấp điện cho các trạm biến áp phân xưởng bằng các nhánh rẽ (hình 6.3). Điện năng truyền tải theo đường trục lấy từ thanh cái của trạm biến áp trung gian và phân phối cho các trạm biến áp. Như vậy sơ đồ cho phép tiết kiệm được các thiết bị và đường dây phân phối, tuy nhiên độ tin cậy cung cấp điện bị giảm. Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện người ta bố trí dự phòng từ phía hạ áp của các trạm biến áp được cung cấp điện bởi các đường trục khác nhau (hình 6.4). Hình 6.3. Sơ đồ đường trục phân nhánh không có đường dây dự phòng TBA1 TBA2 TBA3 TBA4 Hình 6.2. Sơ đồ hình tia có đường dây dự phòng 6.2.4. Sơ đồ cung cấp điện bởi các đường trục đơn với đường trục dự phòng chung Trên hình 6.4 biểu thị sơ đồ cung cấp điện bởi các đường trục đơn với đường trục dự phòng chung. Ở chế độ bình thường nhóm các máy biến áp phân xưởng được cung cấp từ các đường trục làm việc, khi có sự cố xẩy ra đối với một trong các đường trục, thì đoạn dây sự cố sẽ bị cắt ra và sự cung cấp điện cho phụ tải được thực hiện bởi đường trục dự phòng. Ch.6. CCĐCN 168 TBA5 TBA6 TBA7 TBA8 TBA1 TBA2 TBA3 TBA4 MC1 MC2 DCL DCL MCL TCC1 TCC2 ĐDDP Hình 6.5 Sơ đồ cung cấp điện bởi các đường trục đơn với đường trục dự phòng Hình 6.4. Sơ đồ cung cấp điện bởi các đường trục đơn với đường dây dự phòng phía hạ áp Ch.6. CCĐCN 169 Nhược điểm cơ bản của sơ đồ này là đường dây dự phòng không được sử dụng cho việc truyền tải điện năng ở chế độ bình thường, do đó gây lãng phí. 6.2.5. Sơ đồ cung cấp điện bởi đường trục mạch vòng Sơ đồ mạch vòng (hình 6.6) thường được áp dụng cung cấp điện cho các hộ phụ tải loại 2. Các máy biến áp phân xưởng được cung cấp điện bởi đường trục khép kin. Mỗi đầu đường trục được cấp điện từ các phân đoạn độc lập. Trong thực tế thường sơ đồ mạch vòng làm việc theo chế độ vận hành hở, tức là máy cắt liên lạc luôn ở trạng thái mở và chỉ đóng khi có sự cố trên các đường trục. MC1 MC2 DCL DCL MCL TCC2 TCC1 Ch.6. CCĐCN 170 6.3. Mạng điện phân xưởng Trong các xí nghiệp công nghiệp đại đa số các thiết bị tiêu thụ điện được cấp điện từ mạng hạ áp. Mạng điện ngoại trời ở đây thường được áp dụng rất hạn chế, chủ yếu là mạng chiếu sáng bên ngoài và một số ít các thiết bị nằm rải rác trên lãnh thổ. Phần lớn mạng điện hạ áp của các xí nghiệp công nghiệp được xây dựng trong các nhà xưởng vì vậy thường các mạng điện này được gọi là mạng điện phân xưởng. Cung cấp điện cho mạng điện phân xưởng được thực hiện từ các trạm biến áp với cấp điện áp thứ cấp là 380 hoặc 660 V. Cấu trúc chủ yếu của mạng điện phân xưởng là hệ thống ba pha bốn dây với trung tính nối đất. Phần lớn các thiết bị điện xí nghiệp được cung cấp bởi lưới 380 V. Ở các xí nghiệp có Hình 6.6. Sơ đồ cung cấp điện bởi đường trục mạch vòng [...]... được cung cấp bởi đường dây độc lập Sơ đồ hình tia có thể được xây dựng kiểu một cấp (hình 6.7a) khi các thiết bị được cấp điện trực tiếp từ thanh cái trạm biến áp, hoặc kiểu nhiều cấp, khi các thiết bị được cung cấp gián tiếp qua các tủ phân phối (hình 6.7b) Ưu điểm cơ bản của sơ đồ hình tia là: - Độ tin cậy cung cấp điện cao (sự cố xẩy ra ở một đường dây không làm ảnh hưởng đến sự cung cấp điện của các. .. cậy cung cấp điện cho các lĩnh vực nói chung và đặc biệt cho các xí nghiệp công nghiệp ngày càng nghiêm ngặt Sự đình trệ cung cấp điện có thể dẫn đến những thiệt hại kinh tế rất lớn Ch.6 CCĐCN 183 Điều đó cần phải được quán triệt ngay từ khâu thiết kế, xây lắp đến khâu vận hành hệ thống điện Độ tin cậy của hệ thống điện phụ thuộc vào độ tin cậy của các phần tử cấu thành Về phần mình, độ tin cậy của các. . .các thiết bị công suất lớn, công suất đến 500 kW, thay cho cấp điện áp 380V người ta thường áp dụng cấp điện áp 660 V Các thiết bị chiếu sáng được cấp điện từ lưới 380/220V 6.3.1 Sơ đồ động lực của mạng điện phân xưởng Có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến bài toán lựa chọn sơ đồ động lực của mạng điện phân xưởng như: công suất đặt của các thiết bị, sự phân bố của phụ... toàn cho phép, các trạm biến áp có thể lắp đặt trên mái nhà xưởng 6 Hiện nay cùng với việc áp dụng các trạm biến áp hợp bộ, nhiều xí nghiệp áp dụng phương thức đặt trạm biến áp dưới tầng hầm Điều đó cho phép tiết kiệm diện tích nhà xưởng và đảm bảo mỹ quan, an toàn 6.5 Độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện công nghiệp Cùng với sự phát triển không ngừng của phụ tải điện và sự áp dụng các thiết bị công. .. đường trục cung cấp điện cho các thiết bị phân xưởng Ưu điểm cơ bản của sư đường trục là: - Đơn giản hóa kết cấu của trạm biến áp; - Tính linh động và đa năng của mạng điện, cho phép thay đổi vị trí của các thiết bị dễ dàng khi công nghệ sản xuất thay đổi Nhược điểm cơ bản là: - Độ tin cậy cung cấp điện không cao, vì khi xẩy ra sự cố ở bất kỳ thiết bị nào cũng có thể dẫn đến sự ngừng điện của các thiết... trục, thì mạch chiếu sáng sẽ được lấy điện từ đường trục chính (hình 6.10b) 3 4 4 1 3 2 a) 5 b) Hình 6.10 Sơ đồ cung cấp cho mạch chiếu sáng làm việc: a) Từ tủ phân phối trạm biến áp; b) Từ đường trục cung cấp; 1 – Tủ phân phối; 2 – Xuất tuyến đường dây động lực; 3 – Tủ phân phối chiếu sáng; 4 – Bảng điện của nhóm chiếu sáng; 5 – Đường trục cung cấp Cung cấp điện cho mạch chiếu sáng sự cố cũng được thực... b) Các phụ tải quan trọng đòi hỏi độ tin cậy cung cấp điện cao (thiết bị lò luyện thép, hóa chất, chế biến dầu v.v.); c) Các động cơ công suất thấp lấy điện từ tủ phân phối; d) Các thiết bị thuộc các phân xưởng có nguy cơ cháy nổ và môi trường nguy hiểm cao (sản xuất dầu khí, than kốc, phân xưởng nấu chảy v.v.) 2 M 1 1 M 3 3 M 3 2 3 M M 3 3 M 2 a) b) M 3 M 3 M Hình 6.7 Sơ đồ hình tia cung cấp điện cho. .. bằng phân xưởng, quy trình công nghệ sản xuất, v.v Các yêu cầu cơ bản của mạng điện phân xưởng là: - Đảm bảo cung cấp điện tin cậy và chất lượng cho các phụ tải; - Thuận tiện và an toàn trong vận hành và sửa chữa; - Đáp ứng được các yêu cầu về đặc điểm môi trường; - Có khả năng phát triển mở rộng; - Áp dụng các thiết bị và công nghệ tiên tiến; - Chi phí tối thiểu, v.v Sơ đồ mạng điện phân xưởng có thể... hệ thống điện gọi là sự cố hệ thống Thời gian làm việc an toàn của thiết bị là một đại lượng ngẫu nhiên (T), đặc trưng cho khoảng thời gian từ khi thiết bị làm việc đến khi xuất hiện sự cố đầu tiên Độ tin cậy cung cấp điện là khả năng hệ thống đảm bảo cung cấp điện liên tục và chất lượng cho các hộ dùng điện dưới tác động của các nhân tố khác nhau Để đánh giá độ tin cậy người ta dựa trên các chỉ tiêu... Đánh giá thiệt hại do ngừng cung cấp điện và thời gian mất điện đẳng trị 6.5.2.1 Thiệt hại do mất điện Ch.6 CCĐCN 187 Ngoài các chỉ tiêu cơ bản mà ta đã xét ở phần trên, cần phải kể đến hai chỉ tiêu quan trọng khác là thiệt hại do ngừng cung cấp điện và thời gian mất điện đẳng trị Thiệt hại do mất điện là những chỉ tiêu trong độ tin cậy hơn nữa nó là một phần rất quan trọng Cho đến nay vẫn chưa có lý . thống cung cấp điện công nghiệp. 6. 1. Phụ tải điện công nghiệp 6. 1.1. Các thiết bị tiêu thụ điện trong công nghiệp 6. 1.1.1 Phân loại các thiết bị điện công nghiệp Tất cả các thiết bị điện công. Phần lớn các thiết bị điện xí nghiệp được cung cấp bởi lưới 380 V. Ở các xí nghiệp có Hình 6. 6. Sơ đồ cung cấp điện bởi đường trục mạch vòng Ch .6. CCĐCN 171 các thiết bị công suất lớn, công suất. Ch .6. CCĐCN 161 Chương 6 Cung cấp điện cho các xí nghiệp công nghiệp Trong vài thập niên trở lại đây với việc áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật, rất nhiều ngành sản xuất công nghiệp