241412

1. MỞ ĐẦU 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong những năm gần đây, đất nước ta đang đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, khoa học và công nghệ là nhu cầu sử dụng điện tăng cao. Nhu cầu này không những phát triển mạnh ở các trung tâm phụ tải lớn như: các đô thị, khu công nghiệp, trung tâm dịch vụ du lịch - nghỉ mát mà còn lan rộng tới nông thôn, vùng sâu, vùng xa của đất nước. Theo thống kê năm 2002 và dự báo trong những năm tới, tốc độ tăng nhu cầu điện nông nghiệp trung bình tăng 3,2% năm; Công nghiệp tăng 9,2% năm và đối với lĩnh vực sinh hoạt dịch vụ nhu cầu điện đạt khoảng 7,2% năm [3,2], [6]. Nhịp độ tăng trưởng tiêu thụ điện năng cả giai đoạn 2001 - 2010 khoảng 12 ÷14% năm [3, 2]. Để đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng cao, ngành điện đã đầu tư, nâng cấp từ việc xây dựng mới đến qui hoạch, cải tạo lại lưới điện ở các cấp điện khác nhau, điều đó thể hiện sự quan tâm đúng mức của Đảng và Nhà nước đối với công cuộc điện khí hóa Đất nước,"Ngành điện phải đi trước một bước trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước", "Điện tạo đà cho phát triển kinh tế, văn hóa, xã hội, nâng cao đời sống vật chất và tinh thần của người dân, góp phần giữ gìn an ninh chính trị, bảo vệ tổ quốc ." Trong những năm qua, bên cạnh việc xây dựng nhiều nhà máy điện, đường dây tải điện, trạm biến áp nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các trung tâm phụ tải và đã giành nhiều công sức vào việc lập tổng sơ đồ phát triển hệ thống điện. Tuy nhiên, ở chừng mực nào đó, việc đi sâu nghiên cứu chế độ làm việc, đặc điểm phụ tải, xu thế phát triển, xác định cấu trúc hợp lý . của phụ tải - khâu cuối cùng quan trọng nhất trong hệ thống điện, còn chưa được quan tâm đúng mực. Dẫn đến sự phát triển ồ ạt của các cấp lưới và nguồn điện. Có thể nhận thấy hệ thống điện còn có nhiều bất cập 1 1 như: các tuyến đường dây không đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật, quá cũ nát, thiết bị lạc hậu, thiếu tính đồng bộ; việc quy hoạch không dựa trên một quy hoạch tổng thể mà mang tính tự phát, tùy tiện .Hậu quả để lại hàng loạt vấn đề cần khắc phục rất cấp bách như: sự mất cân đối giữa nguồn và lưới, giữa cung và cầu, độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng không cao, tổn thất công suất, tổn thất điện năng trong hệ thống quá lớn [11] Điều này gây thiệt hại nghiêm trọng đến nền kinh tế quốc dân. Ở đây một phần nguyên nhân do hạn chế về vốn đầu tư, nhưng nguyên nhân quan trọng và chủ yếu vẫn là chúng ta chưa đánh giá đúng mức, chưa đầu tư thích đáng cho công tác nghiên cứu cấu trúc mạng điện cho các vùng phụ tải.Vì vậy, việc đi sâu nghiên cứu cấu trúc của mạng điện là một nội dung mang ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật quan trọng. Nó cũng là một đòi hỏi cấp bách của sự nghiệp điện khí hóa đất nước hiện nay. Từ yêu cầu thực tế trên, chúng tôi chọn đề tài "Nghiên cứu cấu trúc tối ưu của mạng điện, ( áp dụng cho khu vực Thừa Thiên Huế) " với mong muốn đưa ra những ý kiến, kết luận hữu ích cho quá trình phát triển hệ thống điện của nước nhà. 1.2. MỤC ĐÍCH VÀ KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI * Mục đích của đề tài Tìm ra các tham số tối ưu của mạng điện ứng với các điều kiện cụ thể. * Kết quả sẽ đạt được - Xây dựng được biểu đồ chọn dây dẫn tối ưu - Xây dựng được biểu đồ chọn máy biến áp tối ưu - Xây dựng được biểu đồ chọn cấp điện áp tối ưu. 2 2 2. TỔNG QUAN 2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Tính đến năm 1999 lưới phân phối cấp điện áp 6 - 35 kV thuộc sự quản lý của Tổng Công ty Điện lực Việt nam có chiều dài 5050 km, tỷ lệ giữa lưới phân phối và truyền tải khoảng 4 lần [3,1- 4]. Do tính lịch sử lưới phân phối Việt Nam tồn tại nhiều cấp điện áp khác nhau 6 kV, 10 kV, 15 kV, 22 kV, 35 kV, việc phân phối điện được thực hiện theo phương thức cấp điện hỗn hợp cả hai mô hình một và hai cấp điện áp. Đã gây nhiều khó khăn trong công tác quy hoạch, thiết kế, quản lý vận hành lưới điện. Chế độ vận hành bình thường của lưới phân phối là vận hành hở, hình tia hoặc dạng xương cá. Để tăng cường cung cấp điện có thể sử dụng cấu trúc mạch vòng kín nhưng vận hành hở. Phụ tải của lưới phân phối đa dạng và phức tạp, nhất là ở Việt Nam các phụ tải sinh hoạt, dịch vụ, tiểu thủ công nghiệp cùng trong 1 hộ tiêu thụ. Điều đó dẫn đến khó khăn cho việc tính toán và xây dựng các đồ thị phụ tải đặc trưng. Ngoài ra, việc phát triển lưới điện có tính chất chắp và do hạn chế về tiền vốn, phụ tải phát triển nhanh và chưa có qui hoạch tổng thể một cách hoàn chỉnh. Các đường dây quá dài, mang tải lớn vượt khả năng của cấp điện áp sử dụng. Thêm vào đó, việc quản lý lưới điện chưa có tiêu chuẩn thiết bị, chế độ làm việc, chương trình quản lý phụ tải, dẫn đến việc chất lượng cung cấp điện kém, hiệu quả kinh tế thấp [23, 5-8]. Lưới điện hạ áp hiện nay phần lớn còn chưa đáp ứng được các yêu cầu về kinh tế - kỹ thuật. Chẳng hạn như bán kính lưới quá dài (ở một số khu vực nông thôn bán kính > 1 km); vị trí đặt trạm biến áp và sơ đồ nối dây chưa phù hợp và chưa tối ưu, và các trạm biến áp làm việc quá non tải hoặc quá đầy tải. Những yếu tố trên đã ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điện năng, hao tổn điện năng trên đường dây và gây thiệt hại lớn về kinh tế cho ngành điện. 3 3 Bảng 2.1 . Số liệu thống kê về các cấp điện áp được sử dụng trong hệ thống cung cấp điện của một vài đô thị trên thế giới, (kV) Lưới Tên thành phố Chuyên tải Trung gian Hạ áp Hà nội Huế Pari Hăm bua Luân đôn Tây Baclinh Xanh Pêtecbua 220, 110 220, 110 380, 225 110 400, 275, 132 380, 220, 110 330, 220, 110 35, 22, 10 35, 22 20 25, 6 33, 11 30, 6 35, 10, 6 0.38 0.38 0.38 0.38 0.415 0.38 0.38 Như vậy, việc nghiên cứu tổng thể về lưới trung áp và hạ áp phân phối hiện nay là rất cần thiết, trong đó vấn đề tồn tại cần giải quyết khi qui hoạch - thiết kế hệ thống cung cấp điện là cần tìm ra các tham số tối ưu của mạng điện ứng với các điều kiện cụ thể (như các loại dây dẫn, máy biến áp, chọn cấp điện áp tối ưu cho lưới phân phối và lựa chọn cấu trúc hợp lý của lưới phân phối. Việc qui hoạch, thiết kế, xác định cấu trúc tối ưu của hệ thống cung cấp điện để đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cũng như khả năng phát triển trong tương lai nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện năng liên tục tăng trưởng của phụ tải. Cần lưu ý là bài toán này phụ thuộc rất nhiều vào lịch sử phát triển hệ thống cung cấp điện đã có cũng như vào điều kiện cụ thể hiện tại của khu vực. Như vậy, ta không thể đem kết quả qui hoạch, thiết kế của bất kỳ một khu vực nào đó áp đặt cho một khu vực khác. 4 4 Về số cấp điện áp phân phối xu hướng hiện nay là giảm đến mức tối thiểu, nhằm đơn giản hóa kết cấu, tạo điều kiện thuận lợi hơn cho vận hành quản lý lưới và có khả năng đưa sâu lưới cao áp vào trung tâm phụ tải, làm tăng khả năng chuyên tải và giảm tổn thất trong toàn hệ thống. Như vậy, vấn đề chủ yếu cần phải giải quyết là lựa chọn cấp điện áp nào trong số cấp điện áp 6 kV, 10 kV, 15 kV, 22 kV, 35 kV đang sử dụng. Để xác định cấu trúc hợp lý của mạng điện cần tiến hành giải các bài toán xác định các tham số sau: khoảng kinh tế của đường dây và máy biến áp, công suất máy biến áp, vị trí trạm biến áp, sơ đồ nối dây tối ưu . Việc giải các bài toán này đòi hỏi phải xây dựng được các phương pháp thích hợp, không quá phức tạp, dễ áp dụng và cho phép nhận được những kết qủa đủ tin cậy. 2.2. ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CỦA MẠNG ĐIỆN 2.2.1 Xác định bán kính phục vụ của trạm biến áp 2.2.1.1. Xác định chiều dài đường dây trục chính theo tổn thất điện áp cho phép Chiều dài đường trục được xác định theo công thức: L = ϕγ ∆ cos. r . k . k l U . U 2 oLdddt dmLcp ( 2.1 ) Trong đó: ∆U cp - tổn thất điện áp cho phép cáp trục l - chiều dài cáp nhánh lấy Hệ số 2 ở tử vì coi phụ tải phân bố đều k dd - hệ số đồng đều của phụ tải. k dd = 1 k đt - hệ số đồng thời của phụ tải. Với lưới điện đô thị, k đt = 0,8 γ - mật độ phụ tải (1÷ 50)Vm 2 5 5 r 0L - điện trở của đường dây trục chính, Ω/km Thay các số liệu vào biểu thức trên kết quả thu được là quan hệ L = f(γ, F L ) * Ưu điểm của phương pháp trên: Đơn giản, dễ áp dụng và có xét đến tổn thất điện áp cho phép trên đường dây (điều kiện cần trong việc chọn tiết diện dây dẫn trong mạng điện) * Nhược điểm: - Chỉ xét một số loại tiết diện dây dẫn ( 95 ÷ 240)mm 2 - Kết quả tính toán chưa tin cậy - Chưa xét tới các chỉ tiêu kinh tế của đường dây cung cấp và đường dây hạ áp các tham số của lưới điện như thời gian tổn thất cực đại (τ), giá thành tổn thất điện năng, hệ số phân nhánh của lưới điện (Ψ). 2.2.1.2. Xác định chiều dài lớn nhất của đường dây trục chính theo công suất của trạm biến áp Chọn cấu trúc lưới hạ áp là hình tia, bán kính phục vụ của trạm biến áp là khoảng cách xa nhất một trạm biến áp phân phối có thể phục vụ theo khả năng dung lượng của nó. Công suất truyền tải lớn nhất trên một nhánh đường dây trục chính được xác định theo biểu thức. S L = 2 k S qt Bdm (2.2) Trong đó : S Bđm - công suất định mức của MBA, (kVA) k qt - hệ số quá tải của MBA, k qt = 1,3 S L - công suất truyền tải trên một nhánh đường dây trục chính, (kVA). Cũng có thể tính S L khi đã biết mật độ phụ tải của khu vực khảo sát S L = L.l.k đt .k dd .γ.10 -3 , (kVA) ; ( 2.3) Từ (2.2) và (2.3) ta được: 6 6 L = 10 . . k . k .l2 k . S 3 dddt qt Bdm γ , (m) (2.4) Thay số liệu đã biết vào với γ thay đổi từ (1÷ 50) [VA/m 2 ] và S Bđm có giá trị từ (100 ÷ 400) [kVA] . Từ đó được quan hệ L = f(γ, S Bdm ). Nhận xét ưu điểm và nhược điểm của phương pháp này * Ưu điểm: - Đơn giản, dễ tính toán * Nhược điểm: - Kết quả tính toán chưa tin cậy, chẳng hạn ở mật độ từ (1 ÷ 10)VA/m 2 bán kính phục vụ của trạm biến áp phân phối quá lớn. - Chưa xét tới các chỉ tiêu kinh tế của đường dây cung cấp và đường dây hạ áp; các tham số của lưới điện như thời gian tổn thất cực đại (τ), giá thành tổn thất điện năng, hệ số phân nhánh của lưới điện (Ψ). 2.2.2. Xây dựng biểu đồ khoảng kinh tế của dây dẫn Dây dẫn được chọn trong sự tăng trưởng không ngừng hàng năm của phụ tải và sự phát triển liên tục của lưới điện. Dây dẫn phải đạt được hiệu quả kinh tế cao nhất trong suốt tuổi thọ của chúng [25, 213]. Tiêu chuẩn kinh tế chủ yếu để lựa chọn tiết diện dây dẫn (F) là cực tiểu chi phí tính toán cho xây lắp và vận hành: 10 .c R. I 3V) k a ( Z 3 2 maxkh tc dd − τ++= (2.5) Trong đó: a tc - hệ số hiệu quả vốn đầu tư tiêu chuẩn, thường lấy a tc =1/T tc = 0,125 k kh - hệ số khấu hao và vận hành, với đường dây dùng cột bê tông và cột thép lấy k kh = 0,04 V - vốn đầu tư cho đường dây I max - dòng điện tải cực đại trên đường dây R - điện trở của dây dẫn 7 7 τ - thời gian tổn thất công suất lớn nhất c - giá tiền một kWh điện năng Xây dựng biểu đồ khoảng kinh tế của đường dây trục chính có dạng: Z L = (a tc + k kh )V L + 10 3 3 2 2 max − cR U S dm L τ = (a tc + k kh )V L + 10 r . U 3 c k . k .l . L 6 2 0 2 dm 2 dd 2 dt 2 3 − γ τ (2.6) Tính toán với L = 250 m, l = 40 m, τ = 1600 h , c = (450, 600, 750) đ/kWh k đt = 0,8 , k đ = 0,04, a tc = 0,125 và vốn đầu tư cho một km đường dây và điện trở dây dẫn. Kết quả cho thấy, khi cho mật độ phụ tải thay đổi trong khoảng γ (1÷ 50) [VA/m 2 ], hàm chi phí tính toán của đường dây nhôm lõi thép (AC) sẽ đạt cực tiểu trong các trường hợp sau: - Nếu chọn c = 450 đ/kWh, khi γ ≤ 10 [VA/m 2 ] dùng dây AC 120 mm 2 10 [VA/m 2 ] < γ ≤ 15 [VA/m 2 ] dùng dây AC 150 mm 2 15 [VA/m 2 ] < γ dùng dây AC 240 mm 2 - Nếu chọn c = 600 đ/kWh, khi γ ≤ 5 [VA/m 2 ] dùng dây AC 120 mm 2 5 [VA/m 2 ] < γ ≤ 10 [VA/m 2 ] dùng dây AC 150 mm 2 10 [VA/m 2 ] < γ dùng dây AC 240 mm 2 - Nếu chọn c = 750 đ/kWh, khi γ ≤ 5 [VA/m 2 ] dùng dây AC 120 mm 2 5 [VA/m 2 ] < γ ≤ 10 [VA/m 2 ] dùng dây AC 150 mm 2 10 [VA/m 2 ] < γ dùng dây AC 240 mm 2 Nhận xét về ưu điểm và nhược điểm của phương pháp trên *Ưu điểm: - Việc tính toán dễ dàng khi biết được các thông số của lưới điện và các số 8 8 liệu cần thiết. - Đã xét tới điều kiện hao tổn điện năng trên đường dây. - Việc rút ra được một số tiết diện dây dẫn tối ưu cho các đường trục và đường nhánh trong khoảng thời gian xác định. Sau đó tiết diện này được áp dụng khi thiết kế lưới điện trong khu vực đó mà không cần tính toán nữa [25, 213]. *Nhược điểm: - Thông số τ lấy chưa phù hợp với phụ tải. - Kết quả mới chỉ đưa ra áp dụng cho khu vực Hà Nội giai đoạn đó, chưa đưa ra tiêu chuẩn chung cho các vùng khác. - Mô hình này chỉ phù hợp với mạng điện xí nghiệp (có phụ tải ít biến đổi) hoặc các đường dây cao, trung, hạ áp có mật độ phụ tải lớn. 2.2.3. Bài toán lựa chọn công suất máy biến áp dựa vào giản đồ khoảng kinh tế của cấu trúc trạm biến áp phân phối Chi phí tính toán cho các trạm biến áp Z TBA = n B .Z B (2.7) Trong đó: n B - số trạm biến áp phân phối trong khu vực Z B - chi phí tính toán trung bình của một trạm biến áp phân phối. Z B = (a tc + k kh )V B + ∆P 0 .t.c + c P S S k 2 Bdm max τ∆         (2.8) Trong đó: ∆P 0 , ∆P k - tổn thất không tải và ngắn mạch của máy biến áp c - giá tiền tổn thất điện năng lấy theo 3 mức (450, 600,750) [đ/kWh] S max , S Bdm - công suất tải cực đại và định mức của máy biến áp Số trạm biến áp đặt cho khu vực khảo sát được tính theo biểu thức: 9 9 n B = S . k S Bdmqt tt n B = S k .D. k . k Bdm qt dddt γ (2.9) Trong đó: S tt - công suất tính toán của toàn khu vực k qt - hệ số quá tải của máy biến áp, k qt = 1,3 k đt - hệ số đồng thời, lấy k đt = 0,8 k dd - hệ số tính đến sự phân bố không đồng đều của phụ tải trong khu vực D - diện tích toàn khu vực, D = 1 km 2 γ - mật độ phụ tải, [VA/m 2 ] Thay các giá trị: t = 8760 h, τ = 1600 h, a tc = 0,125, k kh = 0,1 và các thông số của máy biến áp vào ta được chi phí tính toán tổng của các trạm biến áp phân phối trong khu vực khảo sát. Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật để đánh giá một cấu trúc của trạm biến áp phân phối là hàm chi phí tính toán. Z CT = Z TBA + Z đd (2.10) Trong đó : Z CT , Z TBA , Z đd - chi phí tính toán cho toàn bộ cấu trúc, cho trạm biến áp và cho lưới 0,38 kV. Mặt khác: Z đd = Z L + Z l (2.11) Trong đó: Z L , Z l - chi phí tính toán cho đưòng dây trục chính và đường dây nhánh Chi phí tính toán cho toàn cấu trúc lưới và trạm Z CT = Z TBA + Z L + Z l (2.12) Xét cho một khu vực có diện tích D = 1 km 2 , xét với các giá trị mật độ 10 10