Đồ án thiết kế mạng điện 110kV

Xác định phụ tải điện là giai đoạn đầutiên khi thiết kế hệ thống nhằm mục đích vạch ra sơ đồ, lựa chọn và kiểm tra cácphần tử của mạng điện như máy phát, đường dây, máy biến áp và các ch

Lời nói đầu

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MẠNG ĐIỆN 110kV được làm dựa trên sách hướng

dẫn Đồ án môn học điện 1, thiết kế mạng điện do thầy TS.Hồ Văn Hiến biênsoạn

Đồ án gồm 9 chương, mỗi chương được trình bày chi tiết và có sử dụng phầnmềm tính toán mạng điện 110kV của thầy ThS.Trần Anh Dũng và Nguyễn PhướcQuí Hữu để kiểm chứng

Sau 10 tuần làm việc làm việc tích cực, cùng với sự hướng dẫn tận tình, chuđáo của thầy ThS.Trần Anh Dũng cuốn ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MẠNG ĐIỆN 110kV

đã được hoàn thành theo đúng tiến độ được giao

Trong quá trình thực hiện do thời gian và tài liệu tham khảo có hạn nên khôngtránh khỏi thiếu sót, em rất mong được sự góp ý, bổ sung từ thầy hướng dẫn vàthầy phản biện để em mở mang thêm kiến thức

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh Viên Thực Hiện

Mai Phước Long

Phần mở đầu PHÂN TÍCH NGUỒN VÀ PHỤ TẢI

1 Thu thập số liệu và phân tích về phụ tải

Phụ tải điện là số liệu ban đầu để giải quyết những vấn đề tổng hợp kinh tế

kỹ thuật phức tạp khi thiết kế mạng điện Xác định phụ tải điện là giai đoạn đầutiên khi thiết kế hệ thống nhằm mục đích vạch ra sơ đồ, lựa chọn và kiểm tra cácphần tử của mạng điện như máy phát, đường dây, máy biến áp và các chỉ tiêukinh tế kỹ thuật Vì thế công tác phân tích phụ tải chiếm một vị trí hết sức quantrọng cần được thực hiện một cách chu đáo

Việc thu thập số liệu về phụ tải chủ yếu là để nắm vững vị trí và yêu cầu củacác hộ tiêu thụ lớn, dự báo nhu cầu tiêu thụ, sự phát triển của phụ tải trong tươnglai Có nhiều phương pháp dựa trên cơ sở khoa học để xác định phụ tải điện.Ngoài ra cũng cần phải có những tài liệu về đặc tính của vùng, dân số và mật

độ dân số , mức sống của dân cư trong khu vực, sự phát triển của công nghiệp,giá điện các tài liệu về khí tượng, địa chất, thủy văn, giao thông vận tải Nhữngthông tin này có ảnh hưởng đến dự kiến về kết cấu sơ đồ nối dây của mạng điện

sẽ lựa chọn

Căn cứ vào yêu cầu cung cấp điện, phụ tải phân ra làm ba loại:

Loại một: bao gồm các phụ tải quan trọng Việc ngưng cung cấp điện cho

các phụ tải này có thể gây nguy hiểm cho tính mạng con người, thiệt hại đến sảnxuất, ảnh hưởng đến an ninh quốc phòng Vì phải đảm bảo liên tục cung cấp điệnnên các đường dây phải bố trí sao cho vẫn đảm bảo cung cấp ngay cả khi có sự cốtrong mạng điện Chú ý rằng không phải tất cả các thành phần tiêu thụ điện trongphụ tải đều yêu cầu phải cung cấp điện liên tục vì vậy có thể cắt bớt một phần nhỏcác thành phần không quan trọng của phụ tải để đảm bảo cung cấp trong trườnghợp có sự cố nặng nề trong mạng điện

Loại hai: Bao gồm những phụ tải tuy quan trọng nhưng việc mất điện chỉ

gây giảm sút về số lượng sản phẩm Vì vậy mức độ đảm bảo cung cấp điện antoàn và liên tục cho các phụ tải này cần được cân nhắc mới có thể quyết địnhđược

Loại ba: bao gồm các phụ tải không quan trọng, việc mất điện không gây ra

những hậu quả nghiêm trọng Trong trường hợp này không cần phải xét đến cácphương tiện dự trữ để đảm bảo cung cấp

Tuy phân ra ba loại phụ tải nhưng khi nghiên cứu sơ đồ nên tận dụng cácđiều kiện đảm bảo mức độ cung cấp điện cao nhất có thể được cho tất cả các phụtải trong đó kể cả các phụ tải loại ba.

Thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax cho các phụ tải chủ yếu sản xuấtnhư sau:

Công suất phụ tải dùng để tính toán thiết kế không phải là tổng công suất đặtcủa các thiết bị trong xí nghiệp, nhà máy, thiết bị gia dụng mà phải kể đến hệ số

sử dụng vì không phải tất cả các máy móc đều được sử dụng cùng một lúc màphụ thuộc vào qui trình công nghệ Nhiều phương pháp để xác định phụ tải tínhtóan qua các hệ số dựa vào kinh nghiệm hay dựa vào thống kê được đưa ra nhằm

có được số liệu tin cậy ban đầu dùng cho thiết kế Phụ tải tiêu thụ điện thay đổitheo đồ thị phụ tải về số liệu dùng cho tính toán lúc phụ tải cực đại Pmax được coinhư phụ tải tính toán Ptt vào thời gian thấp điểm phụ tải có trị số Pmin

Ngòai ra do phụ tải cực đại của các phụ tải trong vùng có sự phân tán nghĩa

là xảy ra không đồng thời nên khi xác định phụ tải tổng của toàn mạng điện phảixét đến hệ số đồng thời từ đó ước tính được khả năng của nguồn cung cấp

2 Phân tích nguồn cung cấp điện

Trong thiết kế môn học thường chỉ cho một nhà máy điện cung cấp điện chophụ tải trong vùng và chỉ yêu cầu thiết kế từ thanh góp cao áp của trạm tăng ápcủa nhà máy điện trở đi, nên cũng không cần phân tích về nguồn cung cấp điện.Tuy vậy cũng có thể giả thiết về một loại nguồn cung cấp để giới thiệu cho đồ án.Nguồn đó có thể là lưới điện quốc gia mà mạng điện sắp được thiết kế được cungcấp từ thanh góp của hệ thống, nhà máy nhiệt điện, nhà máy thủy điện, giả thiết

về nguồn nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện, thủy năng sẵn có đối với nhà máythủy điện

Nguồn điện được giả thiết cung cấp đủ công suất tác dụng theo nhu cầu củaphụ tải với một hệ số công suất được quy định Điều này cho thấy nguồn có thểkhông cung cấp đủ yêu cầu về công suất kháng và việc đảm bảo nhu cầu điện

năng phản kháng có thể thực hiện trong quá trình thiết kế bằng cách bù công suấtkháng tại các phụ tải mà không cần phải tải đi từ nguồn.

1

2 3

4

Chương 1 CÂN BẰNG CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

 Số liệu ban đầu :

Nguồn điện

Đủ cung cấp cho các loại phụ tải với cosφ=0,85.Điện áp thanh cái:

1,1UR lúc phụ tải cực đại

1,05UR lúc phụ tải cực tiểu

Điện áp thứ cấp trạm phân phối 22KV

Độ lệch điện áp cho phép 5%

 Vị trí nguồn và tải

10km

10km

1.1 CÂN BẰNG CÔNG SUẤT TÁC DỤNG

Cân bằng công suất cần thiết để giữ tần số trong hệ thống Cân bằng công suấttác dụng trong hệ thống được biểu diễn bằng biểu thức sau:

∑P F = m∑P pt + ∑ ∆ P md + ∑P td + ∑P dt (1.1)

Trong đó:

∑PF: Tổng công suất tác dụng phát ra do các máy phát điện của các nhàmáy trong hệ thống

m: Hệ số đồng thời (chọn = 0,8)

∑Ppt: Tổng công suất tác dụng phụ tải cực đại của các hộ tiêu thụ

∑∆Pmd: Tổng tổn thất công suất tác dụng trên đường dây và máy biến áp

∑Ptd: Tổng công suất tác dụng tự dung của các nhà máy điện

∑Pdt : Tổng công suất tác dụng dự trữ

Vì trong thiết kế môn học giả thiết nguồn điện đủ cung cấp hoàn toàn chonhu cầu công suất tác dụng và chỉ cân bằng từ thanh cái cao áp của trạmbiến áp tăng của nhà máy điện nên bỏ qua Ptd & Pdt Do đó tính cân bằngcông suất tác dụng bằng công thức sau:

1.2 CÂN BẰNG CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

Cân bằng công suất phản kháng nhằm giữ điện áp bình thường trong hệ thống.Cân bằng công suất phản kháng được biểu diễn bằng công thức sau:

∑∆QB: Tổng tổn thất công suất phản kháng trong máy biến áp

∑∆QL: Tổng tổn thất công suất phản kháng trên các đoạn đường dây củamạng điện

∑QC: Tổng công suất phản kháng do điện dung đường dây cao áp sinh ra

∑Qtd: Tổng công suất phản kháng tự dùng của các nhà máy điện trong hệthống điện

∑Qdt: Tổng công suất phản kháng dự trữ của hệ thống

Với mạng điện 110kV trong tính toán sơ bộ có thể coi tổn thất công suấtphản kháng trên cảm kháng đường dây bằng công suất phản kháng do điện

dung đường dây cao áp sinh ra và chỉ cân bằng từ thanh cái cao áp của nhà

máy điện nên bỏ qua Q td , Q dt.

Vậy công thức (1.3) có thể viết như sau:

∑Q F + Q bù∑ = m∑Q pt + ∑ ∆ Q B (1.4)

Tính toán:

∑QF = ∑PF * tanφF = ∑PF * tan( cos −10,85) = 65,4 * tan(cos −10,85)

= 40,5312 ( Mvar)

m∑Qpt= m∑Ppt * tan(cos−1φ =m* [ ( Ppt1 * tan (cos−1φ1)) +

( Ppt2 * tan (cos−1φ2)) + ( Ppt3 * tan ( cos−1φ3)) +( Ppt4 * tan ( cos−1φ4)) = 0,8 *[( 20 * tan (cos −1 0,9)) +( 15 * tan (cos −1 0,85)) + ( 25 * tan(cos −1 0,85)) +( 15 * tan (cos −1 0,75)) ] = 38,164 ( Mvar)

 Vậy hệ thống cần đặt thêm thiết bị bù để cân bằng công suất phản kháng

Ta có chiều dài đường dây từ nguồn đến từng phụ tải 1,2,3,4 như sau:

Bảng số liệu sau khi bù sơ bộ:

 Cấp điện áp tải điện phụ thuộc vào công suất và khoảng cách truyền tải

Ta có công thức Still để tìm điện áp tải điện như sau:

U = 4,34√l+0,016 P

Trong đó:

P: Công suất truyền tải (kW)

l: Khoảng cách truyền tải (km)

Chiều dài đường dây từ nguồn đến phụ tải như sau:

Vậy ta chọn cấp điện áp tải điện là: 110 (kV)

2.2 CHỌN SƠ ĐỒ NỐI DÂY CỦA MẠNG ĐIỆN

2.2.1 Khu vực phụ tải liên tục

a Phương án 1:

b Phương án 2

Trong 4 phương án nối dây đối với khu vực phụ tải liên tục ta chọn phương án 1

và 4, loại bỏ phương án 2 và 3 vì phương án 2 và 3 là phương án nối dây tia liênthông nên dòng ở đầu nguồn lớn dẫn đến việc lựa chọn tiết diện dây phải lớn dẫnđến việc lựa chọn kết cấu móng trụ,trụ,xà,sứ phải thay đổi để phù hợp khối lượng,đặc tính kỹ thuật của dây dẫn gây lãng phí, không kinh tế & sụt áp cuối đườngdây lớn trong khi đó phương án 1 và 4 kinh tế hơn, đảm bảo cung cấp điện liêntục khi có sự cố 1 lộ bị đứt

2.2.2 Khu vực phụ tải không liên tục

a Phương án 1

3 N

3

4

N

3 4

b Phương án 2

c Phương án 3

Biện luận:

Trong 3 phương án nối dây đối với phụ tải không liên tục ta nên chọn phương án

1 và 2 sẽ tối ưu hơn Vì chiều dài đường dây từ nguồn đến tải ngắn hơn dẫn đếnchi phí đầu tư thấp hơn

2.3 LỰA CHỌN TIẾT DIỆN DÂY:

TmaxTB tính chung cho cả hai khu vực liên tục và không liên tục

T maxTB = P pt 1 max ×T 1max+P P pt 2 max ×T 2 max+P pt 3 max ×T 3 max+P pt 4 max ×T 4 max

pt 1 max+P pt 2 max+P pt 3 max+P pt 4 max

= 20× 5200+15 ×4800+25× 3500+15 ×370020+15+25+ 15 = 4253,3333 (giờ/năm)

 Kiểm chứng bằng chương trình :

Ta sử dụng loại dây nhôm lõi thép nên chọn mật độ dòng kinh tế là :

jkt = 1,1 (A/mm2) ứng với TmaxTB < 5000 (giờ/năm)

2.3.1 Khu vực tải liên tục :

a.Phương án 1: Đường dây lộ kép hình tia:

Chọn môi trường có nhiệt độ 400C

 Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ : k = 0,81

Kiểm tra điều kiện phát nóng lúc sự cố :

Đứt 1 lộ trên đoạn N_1 : IcbmaxN1 = ImaxN1 = 116,6363 (A) < Icp =222,75 (A)(thỏa)Đứt 1 lộ trên đoạn N_2 : IcbmaxN2 = ImaxN2 = 90,2241 (A) < Icp =222,75 (A)(thỏa)

 Kiểm chứng bằng chương trình:

Đoạn N_1 Đoạn N_2

b.Phương án 4 : Đường dây lộ đơn liên thông mạch vòng:

2.3.2 Khu vực tải không liên tục :

a.Phương án 1 :Đường dây lộ đơn hình tia :

 Sử dụng chương trình tính toán mạng điện 110kV ta có :

Đoạn N_3 Đoạn 3_4

Bảng tổng hợp chọn tiết diện dây các phương án của cả hai khu vực

Khu vực Phương án Đoạn Dâychuẩn tiêu Dòng chophép (A)

2.4 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ ĐƯỜNG DÂY:

2.4.1 Khu vực tải liên tục

a.Đường dây lộ kép.

Chọn trụ có thông số như hình vẽ:

Khoảng cách trungbình hình học giữa cácpha :

Dab=Dbc=Da’b’=Db’c’=

√1,52+42 =4,272 (m)

Dac=Da’c’=

4 +4 = 8 (m)Dac’=Da’c= 7 (m)

3.5m 3.5m

5m

4m

Dbb’= 10 (m)Daa’=Dcc’=√72+82 = 10,63 (m)Dab’=Dbc’=Da’b=Db’c=√42+ 8,52 = 9,394 (m) DAB = 4

√D ab × D ab ' × D a 'b × D a ' b ' =4

√4,272 ×9,394 × 9,394 × 4,272

= 6,335 (m) =DBC DAC=4

√D ac × D ac' × D a ' c × D a ' c ' = 4

√8 ×7 ×7 × 8 =7,483 (m) Dm=3

Khoảng cách trung bình hình học giữa các pha :

Dab = √42+ 4,22 = 5,8 (m)Dac =√42+ 2,12 = 4,518 (m)Dbc = 6,3 (m)

DSB=√dsφ × D bb' =√4,1382 ×10−3×10 = 0,2034 (m)Bán kính trung bình hình học của đường dây lộ kép có hoán vị:

DS=3

√D SA × D SB × D SC = 3

√0,2097 ×0,2034 × 0,2097 = 0,2076 (m)  Cảm kháng của đường dây:

xo= 2×10-4 ×2×π×f×lnD m

D sφ= 2×10-4 ×2×π×50×ln0,20766,697 = 0,2183 (km Ω)Dung dẫn :

2× π × f 18× 106×ln D m

D ' sφ

=

2× π ×50 18× 106×ln 6,697

r

=

2× π ×50 18× 106×ln 5.266

5,7× 10−3

= 2,556×10-6 (Ωkm1 )

 Kiểm chứng bằng chương trình:

 Lúc bình thường

 Khi sự cố

l (km) ro (km Ω ) xo(

Ω km

)

b o

×10 -6 (Ωkm1)

b o

×10 -6 (Ωkm1)

bo =

2× π × f 18× 106×ln D m

r

=

2× π ×50 18× 106×ln 5.486

6,75× 10−3

= 2,6048×10-6 (Ωkm1 )

 Kiểm chứng bắng chương trình

Đoạn 2_1

 Bảng thông số đường dây phương án 4

l (km)

2.4.2 Khu vực không liên tục :

1.Phương án 1 :Đường dây lộ đơn hình tia

Đoạn N_4

ro(km Ω) xo(

ro(km Ω) xo(

l(km)

ro(km Ω) xo(

N_2 AC-95 60,827 0,33 0,441 2,6048 20,0729 26,83 158,4441 2_1 AC-70 44,7213 0,46 0.4517 2,5407 20,5718 20,2023 113,6243 1-KLT N_3 AC- 31,6227 0,21 0,4231 2,6976 6,6408 13,3795 85,3068

150 N_4 AC-70 60 0,46 0,4517 2,5407 27,6 27,1043 152,4432 2-KLT

AC-240

31,6227 0,132 0,408 2,8013 4,1742 12,9036 88,5858 3_4 AC-70 58,3095 0,46 0,4571 2,5407 26,8224 26,3406 148,1481

 Bảng tổng kết thông số đường dây lúc sự cố tất cả các phương án trong mạng điện

P.án Đ.dây

Mãhiệudây

l(km)

ro(km Ω) xo(

Ghi chú : 1-LT : Phương án 1- Khu vực tải liên tục.

1-KLT: Phương án 1- Khu vực tải không liên tục.

2.5 TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ SỤT ÁP :

2.5.1 Khu vực tải liên tục:

1.Phương án 1:Đường dây lộ kép hình tia :

∆ U1=P1

'

× R1+Q1' × X1

U đ m = 20× 11,5+8,0931 ×10,913110 = 2,8938 (kV)Phần trăm sụt áp trên đoạn N_1:

∆ U1%=∆ U U 1

đ m

×100 %= 2,8938110 ×100 %= 2,6307% < 10% (đạt)Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn N_1:

∆ U1%=∆ U1

U đ m ×100 %= 6,0016110 ×100 %= 5,456% < 20% (đạt)Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn N_1:

∆ U2=P2' × R2+Q2' × X2

U đ m = 15× 13,9902+6,4579× 13,276110 = 2,6872 (kV)Phần trăm sụt áp trên đoạn N_2:

∆ U2%=∆ U2

U đ m ×100 %= 2,6872110 ×100 %= 2,4429% < 10% (đạt)Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn N_2:

∆ P2=P2'2+Q2' 2

U đ m2 × R2= 152+6,45792

1102 ×13,9902 = 0,3084 (MW)Tổn thất công suất phản kháng trên đoạn N_2:

∆ U2%=∆ U2

U đ m

×100 %= 5,6673110 ×100 %= 5,1521% < 20% (đạt)Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn N_2:

∆ P2=P2'2+Q2' 2

U đ m2 × R2= 152+7,45562

1102 ×27,9804 = 0,6488 (MW)Tổn thất công suất phản kháng trên đoạn N_2:

2 Phương án 4 : Đường dây lộ đơn liên thông mạch vòng:

 Bình thường:

Sơ đồ thay thế mạng điện kín:

Z Z

1 C

j Q

2

j QC

2 C

j Q

2 C

j Q

N

S S

S 1

N2 N1 2

2 N

1S

SS

= 0,0791+ ¿j0,1179 (MVA)

Công suất theo chiều từ 2 đến 1

Ta tính toán theo sơ đồ:

SN2 1

Z

2

lobj

2 2l2bj

1 1

2

lob

j 21 jbo2l2

2 1

∆ U21% = ∆ U21

U đ m ×100 %= 0,0364110 × 100 %= 0,0331 %Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn 2_1:

∆ U N 2%= ∆ U N 2

U đ m ×100% = 4,4268110 ×100% = 4,0244 % Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn N_2:

∆ P N 2=P N 2 '2 +Q ' 2 N 2

U đ m2 × R N 2 = 15,07912+6,86812

1102 × 20,0729 = 0,4554 (MW)Tổn thất công suất phản kháng trên đoạn N_2:

∆ Q N 1=P N 12 +Q2N 1

U2 × X N 1 = 19,92092+8,09312

1102 ×20,05 = 0,7771 (MVAr)

Tổng tổn thất công suất tác dụng trong mạng điện

∆ U21%=∆ U21

U đ m

×100 %= 5,3931110 ×100 %= 4,9028% < 10% (đạt)Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn 2_1:

∆ P21=P1'' 2+Q1'' 2

U2đ m × R21= 202+8,9992

1102 ×20,5718 = 0,8177(MW)Tổn thất công suất phản kháng trên đoạn 2_1:

∆ Q21=P1'' 2+Q1'' 2

U2đ m × X21= 202+8,9992

1102 ×20,2023 = 0,8031(MVAr)Suy ra:

Tổn thất điện áp trên đoạn N_2:

∆ U2=P2

''

× R2+Q2' ' × X2

U đ m = 35,8177× 20,0729+16,5523 ×26,83110 = 10,5733(kV)Phần trăm sụt áp trên đoạn N_2:

∆ U2%=∆ U2

U đ m ×100 %= 10,5733110 ×100 %= 9,6121 % < 10% (đạt)Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn N_2:

2.5.2 Khu vực tải không liên tục:

1.Phương án 1:Đường dây lộ đơn hình tia :

S

S '

4 3

'

S

jb l

j b l l

X R

 Sử dụng chương trình tính toán mạng điện 110kV

Đoạn N_3 Đoạn N_4

2.Phương án 2 : Đường dây lộ đơn hình tia liên thông:

S

S '

4 3

'

S

jb034 34l2 2

3 034

j b l l

'

Công suất ở cuối tổng trở của đoạn 3_4

∆ U34%=∆ U34

U đ m

× 100 %= 5,4613110 ×100 %= 4,9648% < 10% (đạt)Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn 3_4:

∆ P34=P4'' 2+Q4'' 2

U2đ m × R34= 152+7,53252

1102 ×26,8244 = 0,6246 (MW)Tổn thất công suất phản kháng trên đoạn 3_4:

∆ Q34=P4'' 2+Q4'' 2

U2đ m × X34= 152+7,53252

1102 ×26,3406 = 0,6113(MVAr)Công suất ở đầu tổng trở của đoạn 3_4: