Bài giảng môn học lưới điện đh kỹ thuật công nghiệp

chỉnh và bảo vệ quá trình sản xuất và phân phối điện năng như: Tự động điều chỉnh kích thích bảo vệ rơle, máy cắt điện… Hình 1.1 Hệ thống năng lượng quốc gia 1.1.2.2 Các thông số - Thôn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Thái Nguyên, ngày tháng 08 năm 2014

Trưởng bộ môn Trưởng khoa

(ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên)

TS Ngô Đức Minh TS Đỗ Trung Hải

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

CHƯƠNG TRÌNH GIÁO DỤC ĐẠI HỌC 7

CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VÀ THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 11

1 CHƯƠNG 1 11

1.1KHÁINIỆMCHUNGVỀHỆTHỐNGĐIỆN 11

1.1.1 Khái niệm về Hệ thống năng lượng 11

1.1.2 Hệ thống điện 11

1.1.3 Đặc điểm của HTĐ 13

1.2NGUỒNĐIỆN 14

1.2.1 Nhà máy nhiệt điện 14

1.2.2 Nhà máy thuỷ điện 16

1.2.3 Nhà máy điện nguyên tử 17

1.3PHỤTẢIĐIỆN 18

1.3.1 Khái niệm về phụ tải điện 18

1.3.2 Phân loại hộ phụ tải 18

1.4SƠĐỒCẤUTRÚCVÀYÊUCẦUCỦALƯỚIĐIỆN 20

1.4.1 Yêu cầu của lưới điện 20

1.4.2 Phân loại lưới điện 20

1.5ĐIỆNÁPCỦALƯỚIĐIỆN 22

1.5.1 Điện áp định mức 22

1.5.2 Điện áp của lưới điện 23

1.6CHẾĐỘLÀMVIỆCCỦAĐIỂMTRUNGTÍNHTRONGHTĐ 24

1.6.1 Lưới điện ba pha trung tính cách điện với đất 24

1.6.2 Lưới điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp 28

1.7CÁCCHỈTIÊUCƠBẢNĐÁNHGIÁCHẤTLƯỢNGĐIỆNNĂNG 28

1.7.1 Điện áp 28

1.7.2 Tần số 29

1.7.3 Tính liên tục (độ tin cậy) cung cấp điện 29

1.8KẾTCẤUCỦALƯỚIĐIỆN 29

1.8.1 Kết cấu của đường dây trên không 29

1.8.2 Kết cấu của đường dây cáp 34

CHƯƠNG 2: TÍNH TOAN TỔN THẤT TRONG LƯỚI ĐIỆN 35

2.1KHÁINIỆMCHUNGVỀTỔNTHẤTTRONGHTĐ 35

2.1.1 Ảnh hưởng của tổn thất công suất và tổn thất điện năng 35

2.1.2 Ảnh hưởng của tổn thất điện áp 35

2.2SƠĐỒTHAYTHẾVÀTHÔNGSỐCỦACÁCPHẦNTỬ 35

2.2.1 Đường dây 35

2.2.2 Máy biến áp 39

2.3TỔNTHẤTCÔNGSUẤTVÀTỔNTHẤTĐIỆNNĂNG 45

2.3.1 Tính toán tổn thất công suất trên đường dây 45

2.3.2 Tổn thất điện năng trên đường dây 48

2.3.3 Tổn thất công suất trong MBA 49

2.3.4 Tổn thất điện năng trong MBA 53

2.4.1 Tính toán điện áp theo dòng điện của phụ tải 54

2.4.2 Tính toán điện áp theo công suất của phụ tải 57

2.4.3 Phương pháp tính toán gần đúng 60

2.4.4 Tổn thất điện áp trong lưới điện phân phối 61

2.5PHƯƠNGPHÁPTÍNHLƯỚIĐIỆNCÓNHIỀUCẤPĐIỆNÁP 69

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN LƯỚI ĐIỆN KÍN 72

3.1KHÁINIỆMCHUNG 72

3.2PHÂNCÔNGSUẤTTRÊNLƯỚIĐIỆNKÍN 73

3.2.1 Khi điện áp 2 đầu đường dây khác nhau 73

3.2.2 Khi điện áp 2 đầu đường dây bằng nhau 75

3.2.3 Những trường hợp đặc biệt của lưới điện kín 75

3.3TỔNTHẤTCÔNGSUẤTVÀTỔNTHẤTĐIỆNÁPTRONGLƯỚIĐIỆNKÍN 76 3.3.1 Tổn thất công suất khi điểm phân CSTD và CSPK trùng nhau 76

3.3.2 Tổn thất công suất khi điểm phân CSTD và CSPK khác nhau 76

3.3.3 Tổn thất điện áp 77

3.4CÁCPHƯƠNGPHÁPBIẾNĐỔILƯỚIĐIỆN 77

3.4.1 Phương pháp hợp nhất nhiều nhánh đồng quy 77

3.4.2 Phương pháp chuyển dịch phụ tải 79

3.4.3 Phương pháp biến đổi D/Y và Y/D 80

3.5PHƯƠNGPHÁPTÍNHTOÁNCÁCLƯỚIĐIỆNKÍNPHỨCTẠP 80

CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN TRONG LƯỚI ĐIỆN 81

4.1PHƯƠNGPHÁPTÍNHTOÁNKT-KTCỦALƯỚIĐIỆN 81

4.1.1 Phí tổn vận hành của lưới điện 81

4.1.2 Phương pháp tính toán kinh tế-kỹ thuật của lưới điện 82

4.1.3 Xác định tiết diện dây dẫn theo điều kiện KT-KT 83

4.2XÁCĐỊNHTIẾTDIỆNDÂYDẪNTRONGLƯỚIĐIỆNTRUYỀNTẢI 84

4.2.1 Nguyên tắc xác định tiết diện dây dẫn trong lưới điện truyền tải 84

4.2.2 Mật độ kinh tế của dòng điện 84

4.2.3 Xác định tiết diện dây dẫn theo mật độ kinh tế của dòng điện 84

4.3XÁCĐỊNHTIẾTDIỆNDÂYDẪNLƯỚIĐIỆNĐỊAPHƯƠNG 85

4.3.1 Nguyên tắc xác định tiết diện dây dẫn trong lưới điện phân phối 85

4.3.2 Xác định tiết diện dây dẫn theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép 85

4.3.3 Xác định tiết diện dây dẫn theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép đồng thời thoả mãn tổn thất công suất nhỏ nhất (mật độ dòng điện không đổi) 87

4.3.4 Xác định tiết diện dây dẫn theo điều kiện phát nóng 89

4.4XÁCĐỊNHTIẾTDIỆNDÂYDẪNTRONGLƯỚIĐIỆNKÍN 90

4.4.1 Nguyên tắc xác định tiết diện dây dẫn trong lưới điện kín 90

4.4.2 Đường dây có phụ tải phân bố tương đối dày 90

4.4.3 Đường dây có phụ tải phân bố gần nhau, có đường dây phân nhánh 90

4.5XÁCĐỊNHTIẾTDIỆNDÂYDẪNTHEOĐỘBỀNCƠHỌC 91

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH 92

5.1KHÁINIỆMCHUNGVỀDÒNGĐIỆNNGẮNMẠCH 92

5.1.1 Các dạng ngắn mạch 92

5.1.2 Nguyên nhân và hậu quả ngắn mạch 93

5.1.3 Mục đích tính toán ngắn mạch 94

5.2BIẾNTHIÊNCỦADÒNGNGẮNMẠCHVÀCÁCĐẠILƯỢNGĐẶCTRƯNG 94 5.2.1 Biến thiên của dòng ngắn mạch 94

5.2.2 Biểu diễn quá trình quá độ của dòng ngắn mạch 97

5.2.3 Giá trị dòng điện xung kích 98

5.2.4 Trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch 99

5.2.5 Trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch xung kích 99

5.2.6 Công suất ngắn mạch 100

5.3SƠĐỒTHAYTHẾVÀBIẾNĐỔISƠĐỒ 101

5.3.1 Những giả thiết cơ bản 101

5.3.2 Hệ đơn vị tương đối 101

5.3.3 Sơ đồ thay thế và tính toán thông số các phần tử 103

5.3.4 Biến đổi đẳng trị sơ đồ 106

5.4TÍNHTOÁNNGẮNMẠCHTRONGLƯỚIĐIỆNCAOÁP 108

5.4.1 Phương pháp tính toán ngắn mạch 108

5.4.2 Tính toán ngắn mạch 3 pha (đối xứng) 111

5.4.3 Tính ngắn mạch không đối xứng 115

5.4.4 Dòng điện và điện áp tại điểm ngắn mạch 119

5.4.5 Qui tắc đẳng trị thứ tự thuận 125

5.5TÍNHNGẮNMẠCHTRONGLƯỚIĐIỆNÁPTHẤP 126

5.5.1 Đặc điểm của tính ngắn mạch hạ áp 126

5.5.2 Thông số của các phần tử trong sơ đồ tính ngắn mạch hạ áp 127

5.5.3 Phương pháp tính ngắn mạch hạ áp (U < 1000 V) 129

CHƯƠNG 6 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRONG HTĐ 131

6.1KHÁINIỆMCHUNG 131

6.1.1 Độ lệch điện áp 131

6.1.2 Các yêu cầu về điều chỉnh điện áp 131

6.2ĐIỀUCHỈNHĐIỆNÁPTRONGNHÀMÁYĐIỆN 132

6.3ĐIỀUCHỈNHĐIỆNÁPTRONGTRẠMBIẾNÁP 132

6.3.1 Khái niệm về điều chỉnh điện áp bằng đầu phân áp MBA 132

6.3.2 Xác định đầu phân áp cho MBA 135

6.4ĐIỀUCHỈNHĐIỆNÁPBẰNGPHƯƠNGPHÁPTHAYĐỔICSPK 137

6.4.1 Nguyên tắc điều chỉnh 137

6.4.2 Thiết bị bù CSPK 138

6.4.3 Xác định dung lượng bù của lưới điện khi đặt thiết bị bù tại 1 trạm 139

6.4.4 Xác định dung lượng bù khi đặt thiết bị bù tại nhiều trạm 141

6.4.5 Xác định dung lượng của máy bù đồng bộ và tụ điện tĩnh 143

6.5ĐIỀUCHỈNHĐIỆNÁPBẰNGPHƯƠNGPHÁPTHAYĐỔITHAMSỐCỦA LƯỚIĐIỆN 145

6.5.1 Nguyên tắc điều chỉnh 145

6.5.2 Chọn số lượng và dung lượng của tụ điện 146

CHƯƠNG 7: GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI ĐIỆN 147

7.1KHÁINIỆMCHUNG 147

7.2GIẢMTỔNTHẤTĐIỆNNĂNGBẰNGPHƯƠNGPHÁPBÙCSPK 147

7.2.1 Nguyên tắc thực hiện 147

7.2.2 Kết quả của việc nâng cao cosj của lưới điện 148

7.2.3 Các loại thiết bị bù 149

7.2.4 Xác định dung lượng bù 149

7.3GIẢMTỔNTHẤTĐIỆNNĂNGBẰNGPHƯƠNGPHÁPNÂNGCAOĐIỆNÁP

7.3.1 Nguyên tắc điều chỉnh 154

7.3.2 Điều chỉnh đối với đường dây 156

7.3.3 Điều chỉnh đối với MBA 156

7.4GIẢMTỔNTHẤTĐIỆNNĂNGBẰNGVẬNHÀNHKINHTẾTRẠMBIẾNÁP 157

7.4.1 Phương pháp đường cong tổn thất CSTD trong TBA 157

7.4.2 Phương pháp giải tích 158

7.5TỐIƯUHÓACHẾĐỘLƯỚIĐIỆNKHÔNGĐỒNGNHẤT 159

7.5.1 Phân phối công suất tự nhiên và kinh tế lưới điện không đồng nhất 159

7.5.2 Tối ưu hoá chế độ của lưới điện 160

CHƯƠNG 8: TÍNH TOÁN ĐƯỜNG DÂY DÀI 163

8.1TRUYỀNTẢIĐIỆNNĂNGĐIXAVÀCÁCCHẾĐỘLÀMVIỆC 163

8.1.1 Truyền tải điện năng đi xa - đường dây dài 163

8.1.2 Truyền tải điện năng đi xa bằng dòng điện xoay chiều 164

8.1.3 Truyền tải điện năng đi xa bằng dòng điện một chiều 165

8.2KHÁINIỆMVỀĐƯỜNGDÂYDÀI 166

8.2.1 Định nghĩa 166

8.2.2 Tham số của đường dây dài 167

8.3PHƯƠNGTRÌNHCƠBẢNVÀQUÁTRÌNHSÓNGCỦAĐƯỜNGDÂYDÀI 168 8.3.1 Khái niệm chung 168

8.3.2 Phương trình cơ bản của đường dây dài 168

8.3.3 Hệ phương trình sóng 171

8.3.4 Sóng dòng điện và điện áp trên đường dây tải điện 172

8.4CÔNGSUẤTTỰNHIÊNCỦAĐƯỜNGDÂYDÀI 173

8.4.1 Khái niệm chung 173

8.4.2 Đặc điểm của đường dây khi vận hành với công suất tự nhiên 174

8.5TÍNHTOÁNTHÔNGSỐCHẾĐỘCỦAĐƯỜNGDÂY 175

8.5.1 Đường dây không tổn thất 175

8.5.2 Đường dây có tổn thất 179

8.6TÍNHCHẾĐỘĐẶCBIỆTCỦAĐƯỜNGDÂYDÀI 181

8.6.1 Khái niệm chung 181

8.6.2 Chế độ không tải xác lập 182

8.6.3 Tự kích thích các máy phát điện mang tải điện dung 184

8.7KHẢNĂNGTẢICỦAĐƯỜNGDÂYDÀI 184

8.7.1 Khái niệm chung 184

8.7.2 Các phương pháp nâng cao khả năng tải của đường dây 185

8.8BÙTRÊNĐƯỜNGDÂYDÀI 186

8.8.1 Khái niệm chung 186

8.8.2 Phương thức vận hành thiết bị bù 186

8.8.3 Tính toán thiết bị bù trên đường dây dài 186

PHỤ LỤC 191

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CHƯƠNG TRÌNH GIÁO DỤC ĐẠI HỌC

NGÀNH ĐÀO TẠO: KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

3 Trình độ cho sinh viên năm thứ: 4

4 Phân bổ thời gian cho học kỳ :

Số tuần thực dạy 15 tuần/15 tuần kế hoạch

- Lên lớp lý thuyết: 4 (tiết/tuần) x 12 (tuần) = 48 tiết

- Thảo luận, bài tập, thí nghiệm: 8 (tiết/tuần) x 3 (tuần) = 24 tiết

- Số tiết thực dạy: 48 tiết + 24 tiết = 72 tiết

- Tổng số tiết chuẩn: 48 tiết + 12 tiết = 60 tiết chuẩn

8 Nhiệm vụ của sinh viên:

- Chuẩn bị bài trước khi lên lớp theo yêu cầu của giáo viên

- Chuẩn bị bài thảo luận, tiểu luận

[2] Phạm Văn Hòa, Ngắn mạch, Nhà xuất bản KH&KT, Hà nội, 2007

[3] Bài giảng, Hệ thống điện, Bộ môn Hệ thống điện, Trường Đại học KTCN

- Sách tham khảo:

[4] Trần Bách, Lưới điện và Hệ thống điện T1, T2, T3, Nhà xuất bản KH&KT, Hà nội,

2001

[5] Nguyễn Văn Đạm, Mạng lưới điện, Nhà xuất bản KH&KT, Hà nội, 2010

[6] Lã Văn Út, Ngắn mạch trong hệ thống điện, Nhà xuất bản KH&KT, Hà nội, 2005 [7] Jonh J Crainger, William D Stevenson, Power system Analysis, McGraw-Hill, 1994

[8] J Duncan GloverEdition/dp/1111425779 - #, Mulukutla S Sarma, Thomas Overbye, Power System

http://www.amazon.com/Power-System-Analysis-Design-Analysis and Design, Cengage Learning, 2012

10 Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên và thang điểm

Điểm đánh giá bộ phận chấm theo thang điểm 10 với trọng số như sau:

+ Thảo luận, bài tập, kiểm tra thường xuyên: 50%

+ Thí nghiệm, thực hành:

+ Thi kết thúc học phần: 50%

11 Nội dung chi tiết học phần (gồm cả lịch trình giảng dạy):

Người biên soạn: ThS Vũ Văn Thắng

TS Ngô Đức Minh ThS Đoàn Kim Tuấn

Tuần

khảo

Hình thức học

1.4.1 Yêu cầu của lưới điện 1.4.2 Phân loại lưới điện 1.4.3 Lựa chọn sơ đồ cấu trúc của lưới điện

1.5 Điện áp của lưới điện

[1] đến [8] Giảng 4 tiết

2 1.6 Chế độ làm việc của điểm trung tính trong hệ thống [1] đến [8] Giảng

điện

1.7 Các chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng điện năng

1.8 Kết cấu của lưới điện

Chương 2 TÍNH TOÁN TỔN THẤT TRONG LƯỚI

ĐIỆN

2.1 Khái niệm về chung

2.1.1 Ảnh hưởng của tổn thất công suất và tổn thất điện

năng trong HTĐ

2.1.2 Ảnh hưởng của tổn thất điện áp trong HTĐ

4 tiết

3

2.2 Sơ đồ thay thế và thông số của các phần tử

2.3 Tổn thất công suất và tổn thất điện năng

2.3.1 Tính toán trên đường dây

2.3.2 Tính toán trong máy biến áp

2.3.3 Phụ tải tính toán và công suất tính toán của nhà máy

Chương 3 TÍNH TOÁN LƯỚI ĐIỆN KÍN

3.1 Khái niệm chung

3.2 Phân bố công suất trong lưới điện kín

3.2.1 Khi điện áp tại 2 nguồn bằng nhau

3.2.2 Khi điện áp tại 2 nguồn khác nhau

3.2.3 Những trường hợp đặc biệt của đường dây có hai

4.1 Phương pháp tính toán kinh tế-kỹ thuật của lưới điện

4.2 Xác định tiết diện dây dẫn trong lưới điện truyền tải

[1] đến [8] Giảng 4 tiết

8

4.3 Xác định tiết diện dây dẫn trong lưới điện cung cấp

4.4 Xác định tiết diện dây dẫn trong lưới điện kín

Chương 5 TÍNH TOÁN DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH

5.1 Khái niệm chung

5.2 QTQĐ khi ngắn mạch 3 pha và các đại lượng đặc

5.4.1 Phương pháp tính ngắn mạch

5.4.2 Tính toán ngắn mạch 3 pha

5.4.3 Tính toán ngắn mạch không đối xứng

10

5.5 Tính toán ngắn mạch trong lưới điện hạ áp

5.6 Ảnh hưởng của lực điện động do dòng ngắn mạch gây

6.1 Khái niệm chung

6.2 Điều chỉnh điện áp trong nhà máy điện

6.3 Điều chỉnh điện áp trong các trạm biến áp

6.4 Điều chỉnh điện áp bằng phương pháp thay đổi tham

số của lưới điện

6.5 Điều chỉnh điện áp bằng phương pháp thay đổi công

suất phản kháng

Chương 7 GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN

7.1 Khái niệm chung

7.2 Giảm tổn thất điện năng bằng phương pháp bù công

7.5 Tối ưu chế độ lưới điện không đồng nhất

Chương 8 TÍNH TOÁN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN ĐI

XA

8.1 Khái niệm chung

8.2 Phương trình cơ bản và quá trình sóng của đường dây

tải điện đi xa

[1] đến [8]

Giảng

4 tiết

14

8.3 Tính thông số của đường dây tải điện đi xa

8.4 Công suất tự nhiên của đường dây tải điện đi xa

8.5 Tính toán thông số chế độ của đường dây

8.6 Các chế độ đặc biệt của đường dây tải điện đi xa

8.7 Khả năng tải của đường dây tải điện đi xa

8.8 Bù trên đường dây tải điện đi xa

[1] đến [8] Giảng

4 tiết

15 Thảo luận chương 6 đến chương 8 và tổng hợp học phần [1] đến [8] 8 tiết

TRƯỞNG BỘ MÔN

CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VÀ THÔNG SỐ

* NỘI DUNG

1 Chương 1

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1.1 Khái niệm về Hệ thống năng lượng

Năng lượng sơ cấp tồn tại dưới các dạng sau:

- Hoá năng: Nhiên liệu trong lòng đất, than đá, dầu, khí đốt tự nhiên, nhiên liệu sinh khối, gỗ, chất thải nông nghiệp

- Thế năng (thuỷ năng): nước của các dòng thác, các dòng sông ở một độ dốc nhất định, nước thuỷ triều

- Động năng: Năng lượng gió, năng lượng sóng biển, địa nhiệt…

- Năng lượng hạt nhân: Năng lượng của lò phản ứng hạt nhân

- Cơ năng: Sức kéo động vật và sức cơ bắp của con người

Hệ thống năng lượng bao gồm các khâu sản xuất, phân phối và biến đổi năng lượng toàn phần hoặc biến đổi thành điện năng thì được gọi là HTĐ năng Phần điện của hệ thống đó chúng ta sẽ gọi là HTĐ

Năng lượng sơ cấp sau khi khai thác qua các công đoạn biến đổi (nhà máy điện, nhà máy lọc dầu, nhà máy chế biến than ) chuyển thành năng lượng thứ cấp như: Điện năng, nhiệt năng, ét xăng, dầu đốt, khí đốt Năng lượng thứ cấp được phân phối đến các hộ tiêu thụ Các thiết bị tiêu thụ năng lượng cuối tạo thành năng lượng hữu ích

1.1.2 Hệ thống điện

1.1.2.1 Khái niệm

HTĐ bao gồm các nhà máy điện, trạm phân phối, trạm biến áp… các đường dây truyền tải, phân phối và các thiết bị khác (điều khiển, bảo vệ rơle…) tạo thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và sử dụng điện năng

Mỗi thiết bị cấu thành HTĐ được gọi là phần tử của HTĐ Có những phần tử trực tiếp sản xuất, biến đổi, truyền tải và tiêu thụ điện năng như: Máy phát điện, MBA, máy biến đổi dòng điện, dây dẫn các loại Có các phần tử giữ nhiệm vụ điều khiển, điều

chỉnh và bảo vệ quá trình sản xuất và phân phối điện năng như: Tự động điều chỉnh kích thích bảo vệ rơle, máy cắt điện…

Hình 1.1 Hệ thống năng lượng quốc gia

1.1.2.2 Các thông số

- Thông số hệ thống là các thông số của các phần tử của HTĐ lực như: Tổng trở, tổng dẫn của đường dây, MBA, hệ số biến áp, hệ số khuếch đại của thiết bị điều chỉnh, kích thích

- Thông số chế độ là các thông số xác định trạng thái làm việc của HTĐ trong một thời điểm hoặc một khoảng thời gian nào đó như CSTD và CSPK, điện áp, dòng điện, tần số, góc lệch pha giữa các véc tơ sức điện động

Các thông số chế độ có quan hệ nhân quả đối với nhau, xác định lẫn nhau thông qua các thông số của hệ thống Ví dụ: U = I.R ; P =

.2

NĂNG LƯỢNG GIÓ

ĐỊA NHIỆT CHẤT THẢI

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LỌC

DẦU

CN KHÍ ĐỐT

SƠ CẤP

CÔNG NGHIỆP NHIỆT ĐỘ CAO

VÀ THẤP NỘI TRỢ DỊCH

VỤ

GIAO THÔNG ĐƯỜNG SẮT

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRONG CN

ĐIỆN PHÂN, ÁNH SÁNG, ĐỒ ĐIỆN KHÁC

SỨC KÉO

SỬ

DỤNG

- Chế độ quá độ là chế độ trong đó các thông số chế độ biến thiên mạnh theo thời gian (ngắn mạch, dao động công suất của các máy phát )

Đối với chế độ xác lập bình thường là chế độ làm việc thường xuyên của HTĐ nên yêu cầu phải đảm bảo độ tin cậy, chất lượng điện năng và các chỉ tiêu kinh tế Đối với các chế độ xác lập sau sự cố các yêu cầu trên đây được giảm đi, song chế độ này không được kéo dài mà phải nhanh chóng chuyển về chế độ bình thường

Đối với các chế độ quá độ yêu cầu phải kết thúc nhanh bằng các chế độ xác lập và các thông số chế độ biến thiên trong giới hạn cho phép

Như vậy, độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng, tính kinh tế là các chỉ tiêu

cơ bản để đánh giá chế độ làm việc cũng như cấu trúc của HTĐ trong chế độ làm việc bình thường Còn thời gian quá độ và biên độ của các thông số chế độ là chỉ tiêu chủ yếu để đánh giá các chế độ quá độ

1.1.3 Đặc điểm của HTĐ

- Quá trính sản xuất, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng xảy ra tức thời Điện năng nói chung không tích luỹ được, do không có phương tiện dự trữ điện năng nên phụ tải điện tiêu thụ bao nhiêu năng lượng thì đồng thời nguồn điện sản xuất ra bấy nhiêu và truyền tải đến phụ tải theo lưới điện Trong quá trình sản xuất, truyền tải

và tiêu thụ một phần điện năng bị mất mát do phát nóng dây dẫn, rò điện và vầng quang

- Sự cân bằng công suất giữa nguồn điện và hộ tiêu thụ được thực hiện một cách tự nhiên Khi công suất của nguồn điện giảm đi thì công suất tiêu thụ của phụ tải cũng tự động giảm theo và ngược lại, nhưng khi đó chất lượng điện năng là điện áp và tần số

bị thay đổi

- CSTD của nguồn điện cung cấp cho phụ tải được xem là đủ khi tần số của HTĐ bằng định mức 50 hoặc 60 [Hz] Còn CSPK được xem là đủ khi điện áp của HTĐ nằm trong giới hạn cho phép Khi thiếu công suất, tần số và điện áp giảm xuống, chất lượng điện năng bị xấu đi Để đảm bảo chất lượng điện năng của HTĐ và điều chỉnh nó, đòi hỏi trong HTĐ luôn luôn có đủ CSTD và phản kháng, muốn thế cần phải có một lượng công suất dự trữ

- Các quá trình trong HTĐ xảy ra rất nhanh chóng, vì vậy cần phải có các thiết bị tự động tác động rất nhanh để điều khiển và bảo vệ HTĐ

- HTĐ cung cấp năng lượng cho tất cả các ngành kinh tế quốc dân và sinh hoạt của nhân dân, vì thế sự phát triển của HTĐ phải kịp thời đáp ứng yêu cầu về năng lượng ngày càng tăng của đất nước Muốn vậy sự phát triển của HTĐ phải vượt trước một bước so với sự phát triển của các ngành kinh tế khác

Việc thành lập các HTĐ khu vực và HTĐ quốc gia thống nhất mang lại những lợi ích sau đây

- Tăng cường độ tin cậy cho các phụ tải Các phụ tải lớn, quan trọng có thể nhận điện từ nhiều nhà máy điện khác nhau

- Có thể sử dụng một cách kinh tế các nguồn nhiên liệu khác nhau (than đá, thuỷ năng, dầu mỏ, năng lượng nguyên tử ) bằng cách phân bố kinh tế công suất cho các nhà máy điện

- Giảm được đáng kể công suất dự trữ trong HTĐ Cho phép xây dựng trong HTĐ các tổ máy công suất lớn có các đặc tính kinh tế cao

- Cho phép sử dụng cao hơn công suất đặt của các nhà máy điện do đồ thị phụ tải của HTĐ được san bằng hơn so với đồ thị phụ tải của từng phụ tải riêng rẽ

Tóm lại HTĐ là hệ thống đa chỉ tiêu, vận hành dưới tác động của các yếu tố ngẫu nhiên và phát triển trong điều kiện bất định Do đó việc xây dựng được một cấu trúc của HTĐ có tính thích nghi cao, tìm được phương pháp và phương tiện điều khiển tốt nhất sự phát triển hành vi của HTĐ là một việc khó khăn phức tạp

1.2 NGUỒN ĐIỆN

Điện năng được sản xuất tập chung trong các nhà máy điện Hiện nay các nhà máy điện lớn đều phát ra năng lượng dòng điện xoay chiều ba pha, rất ít nhà máy phát năng lượng dòng điện một chiều Trong công nghiệp muốn dùng năng lượng dòng điện một chiều thì người ta dùng chỉnh lưu để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều

Nói chung ở các nhà máy điện, các dạng năng lượng khác nhau muốn chuyển thành điện năng đều phải biến đổi qua một cấp trung gian là cơ năng truyền động động cơ sơ cấp truyền qua máy phát điện để biến thành điện năng Nguồn năng lượng thường dùng trong tuyệt đại đa số các nhà máy điện hiện nay vẫn là năng lượng các chất đốt

và năng lượng nước Từ năm 1954, ở một số nước tiên tiến đã bắt đầu xây dựng một

số nhà máy điện dùng năng lượng nguyên tử

Dưới đây trình bày sơ lược nguyên lý làm việc của ba loại nhà máy điện tương ứng với ba ng.uồn năng lượng kể trên là nhà máy nhiệt điện, nhà máy thuỷ điện, nhà máy điện nguyên tử

1.2.1 Nhà máy nhiệt điện

Đây là một dạng nguồn điện kinh điển nhưng đến nay vẫn còn được sử dụng rộng rãi Đối với các nhà máy nhiệt điện, động cơ sơ cấp của máy phát điện có thể là tuabin hơi, máy hơi nước hoặc động cơ điêzen Nhưng ở các nhà máy nhiệt điện lớn thì động cơ

sơ cấp là tuabin hơi

Quá trình biến đổi năng lượng trong nhà máy nhiệt điện được mô tả như sau:

Nhiệt năng → cơ năng → Điện năng

Sơ đồ nguyên lý công nghệ của quá trình sản xuất điện trong các nhà máy nhiệt điện được tóm tắt trên hình 1.2

Nhiên liệu được đốt cháy trong buồng đốt 1 nhằm đun sôi nước ở bao hơi 2 với nhiệt

độ và áp suất cao (khoảng 5000C và 40 at) được dẫn đến làm quay cánh tuabin 3 với tốc

độ rất lớn (khoảng 3000 vòng/phút) Trục của tuabin gắn với trục của máy phát điện 4 vì vậy khi tuốc bin quay dẫn đến quay máy phát điện Nhiên liệu sau khi sinh nhiệt năng ở buồng đốt trở thành xỉ và khói thải ra ngoài Hơi nước sau khi sinh công ở tuabin trở thành nước nhờ sự trao đổi nhiệt ở bình ngưng 5, sau đó lại được bơm trở về tạo thành chu kỳ

kín Tuy nhiên do tổn thất nên luôn luôn phải bổ sung vào bao hơi một lượng nước đã được xử lý

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý nhà máy nhiệt điện Nhà máy nhiệt điện có công suất càng lớn thì hiệu suất càng cao Trên thế giới hiện nay

có những nhà máy nhiệt điện hàng triệu kW, có tổ tuabin - máy phát công suất tới 600MW Hiện nay nước ta đã có một loạt nhà máy nhiệt điện có công suất thiết kế đã lên tới hàng chục triệu kW

Nhà máy điện điêzen có hiệu suất cao (khoảng 38%), thời gian khởi động rất nhanh nhưng nhiên liệu dùng cho nhà máy là các chất đốt quý, hiếm (điêzen) Công suất nhà máy hạn chế trong khoảng từ vài trăm tới 1000kW Ngày nay nhà máy điện điêzen chỉ dùng ở các địa phương xa hệ thống cung cấp điện chung, ở các công trường đang xây dựng, dùng trong quân đội hoặc dùng làm nguồn điện dự phòng cho các nhà máy nhiệt điện tuabin hơi

Những nhà máy nhiệt điện lớn thường được xây dựng gần các khu mỏ và truyền tải điện năng tới các trung tâm phụ tải Việc chọn địa điểm xây dựng nhà máy nhiệt điện cũng cần chú ý tới nguồn nước làm mát và ô nhiễm môi trường

* Ưu điểm của nhà máy nhiệt điện:

- Có thể xây dựng ở bất cứ nơi nào chỉ cần tiện đường giao thông để vận chuyển nhiên liệu (than đá)

- Phát điện không phụ thuộc vào thời tiết, chỉ cần đủ nhiên liệu

- Thời gian xây dựng ngắn, vốn đầu tư xây dựng ít

- Không gây thiệt hại cho vùng xây dựng (nếu không tính đến ô nhiễm môi trường)

* Nhược điểm của nhà máy nhiệt điện:

- Phải dùng nhiên liệu, nên phải khai thác và vận chuyển nhiên liệu

- Hiệu suất thấp (0,3¸0,6)

- Thời gian mở máy lâu (4¸5)h và thời gian dừng máy kéo dài (6¸12)h

- Thiết bị phức tạp nên khó tự động hoá, kém an toàn, phí tổn lao động trong quản

lý cao (cao hơn thuỷ điện gấp khoảng 13 lần)

- Công suất tự dùng của nhà máy cao (chiếm (8-13)%)

- Giá thành điện năng cao (cao hơn thuỷ điện (5¸10) lần)

1.2.2 Nhà máy thuỷ điện

Nhà máy thuỷ điện sử dụng năng lượng dòng nước làm quay tuabin thuỷ lực dẫn đến quay máy phát điện Đối với nhà máy thuỷ điện, quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện như sau:

Thuỷ năng → Cơ năng → Điện năng Trong nhà máy thuỷ điện động cơ sơ cấp của máy phát là tuabin nước, nối dọc trục với máy phát Tuabin nước là loại động cơ biến thế năng và động năng của nước thành

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý nhà máy thủy điện Lưu lượng nước của sông thường thay đổi theo các mùa trong năm, hơn nữa phụ tải điện lại luôn thay đổi trong ngày Do đó để bảo đảm nhà máy có thể hoạt động ngay trong mùa khô cạn và có thể điều chỉnh được công suất phát ra trong một ngày, người

ta xây dựng những bể chứa nước rất lớn để dự trữ nước cho nhà máy

+) Nhà máy thuỷ điện kiểu đường dẫn, nước thường xây dựng ở những sông có lưu lượng nước ít, nhưng độ dốc lớn Nước từ mực nước cao, qua kênh dẫn tới địa điểm

M

M M

thích hợp tạo cột nước cao và theo các ống dẫn vào các tuabin đặt trong gian máy Hiện nay, trên thế giới đã có những nhà máy thuỷ điện có công suất lên tới 22500MW Tại Việt Nam, nhà máy thuỷ điện Hoà Bình có công suất 1920MW, nhà máy thủy điện Sơn La công suất 2400MW

* Ưu điểm của nhà máy thuỷ điện:

- Dùng năng lượng nước để chạy máy phát điện nên không phải vận chuyển nhiên liệu như nhiệt điện, nguồn nước thiên nhiên rất phong phú

- Hiệu suất cao (0,8¸0,9)

- Thời gian mở máy nhỏ (< 2 phút), thời gian dừng máy nhỏ (< 1 phút)

- Thiết bị đơn giản nên dễ tự động hoá, an toàn, phí tổn lao động trong quản

lý nhỏ

- Công suất tự dùng của nhà máy nhỏ (khoảng (0,5¸1)%)

- Giá thành điện năng thấp hơn so với nhiệt điện

* Nhược điểm của nhà máy thuỷ điện:

- Chỉ xây dựng được ở nơi có nguồn nước

- Sản lượng điện năng phụ thuộc vào lượng nước của nguồn nước

- Thời gian xây dựng dài, vốn đầu tư xây dựng lớn

- Trường hợp phải xây dựng hồ chứa nước có thể tạo vùng ngập lớn

Do những ưu khuyết điểm nói trên, nhiệt điện và thuỷ điện phải hỗ trợ cho nhau Nơi nào không có nguồn nước hoặc cần thiết phải xây dựng nhanh chóng thì xây dựng nhà máy nhiệt điện Ở những nơi có nguồn nước và kết hợp với mục đích thuỷ lợi khác phải chú ý đến khả năng xây dựng nhà máy thuỷ điện Thực tế đối với nước ta việc xây dựng các nhà máy thuỷ điện còn kết hợp với chống lũ lụt

1.2.3 Nhà máy điện nguyên tử

Năng lượng nguyên tử được sử dụng qua nhiệt năng thu được khi phá vỡ liên kết hạt nhân nguyên tử của một số chất ở trong lò phản ứng hạt nhân Vì vậy đối với nhà máy điện nguyên tử, quá trình biến đổi năng lượng cũng được thực hiện như ở nhà máy nhiệt điện:

Nhiệt năng → Cơ năng → Điện năng Thực chất nhà máy điện nguyên tử là một nhà máy nhiệt điện, nhưng lò hơi được thay bằng lò phản ứng hạt nhân Sơ đồ nguyên lý công nghệ của quá trình sản xuất điện ở nhà máy điện nguyên tử được mô tả trên hình 1.4

Để tránh ảnh hưởng có hại của các tia phóng xạ tới công nhân làm việc ở gian máy, nhà máy điện nguyên tử có hai đường nước chảy tuần hoàn theo hai đường vòng khép kín Đường vòng thứ nhất gồm lò phản ứng hạt nhân 1 và các ống 5 đặt trong bộ trao đổi nhiệt 4 Nhờ bơm 6 nên nước có áp suất 100 at sẽ tuần hoàn chạy qua các ống của

lò phản ứng và được đốt nóng lên tới 2700C Nó đem nhiệt năng từ lò chuyển qua các ống 5 của bộ phận trao đổi nhiệt Bộ lọc 7 dùng để lọc các hạt rắn có trong nước trước khi đi vào lò

Đường vòng thứ hai gồm bộ trao đổi nhiệt 4, tuốc bin 8 và bình ngưng 9 Nước lạnh qua bộ trao đổi nhiệt 4 sẽ hấp thụ nhiệt và biến thành hơi có áp suất 12,5at, nhiệt độ

2600C Hơi này sẽ qua tuabin làm quay tuabin và máy phát 10, sau đó tới ngưng đọng lại thành nước ở bình ngưng 9 và được bơm 11 đưa trở lại bộ trao đổi nhiệt

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện nguyên tử Hiệu suất của nhà máy điện nguyên tử hiện nay khoảng (25¸30)% Nhà máy điện nguyên tử tuy có vốn đầu tư ban đầu cao (cao hơn nhiệt điện và thuỷ điện) nhưng có thể xây dựng gần trung tâm phụ tải, độ tin cậy cung cấp điện tương đối cao Ngày nay do trữ lượng than đá và thuỷ năng cạn dần, nên nền công nghiệp năng lượng của nhiều nước đang chú ý tới phát triển nhà máy điện nguyên tử

1.3 PHỤ TẢI ĐIỆN

1.3.1 Khái niệm về phụ tải điện

Phụ tải điện là một hàm biến đổi theo thời gian, vì có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến

nó nên phụ tải điện không biến thiên theo một quy luật nhất định Do đó, việc xác định chính xác phụ tải điện là rất khó khăn nhưng đồng thời là một việc hết sức quan trọng Phụ tải điện là số liệu dùng làm căn cứ để chọn các thiết bị điện trong hệ thống cung cấp điện Nếu phụ tải tính toán nhỏ hơn phụ tải thực tế thì sẽ dẫn đến làm giảm tuổi thọ của các thiết bị điện, có thể dẫn tới cháy, nổ các thiết bị điện Nếu phụ tải tính toán lớn hơn phụ tải thực tế nhiều thì các thiết bị chọn sẽ quá lớn so với yêu cầu dẫn tới lãng phí

Do tính chất quan trọng như vậy nên đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và đề ra nhiều phương pháp xác định phụ tải tính toán, song chưa có một phương pháp nào hoàn thiện Nếu thuận tiện cho việc tính toán thì lại thiếu chính xác ngược lại nếu nâng cao được độ chính xác, kể đến nhiều yếu tố ảnh hưởng thì phương pháp tính lại quá phức tạp

1.3.2 Phân loại hộ phụ tải

Các hộ tiêu thụ điện được chia ra làm 3 loại như sau:

* Hộ loại I

Không cho phép mất điện, nếu mất điện sẽ gây tác hại lớn về chính trị, gây nguy hại đến tính mạng con người, gây thiệt hại lớn về kinh tế như làm rối loạn quá trình sản xuất, làm hư hỏng nhiều thiết bị, gây ra phế phẩm hàng loạt dẫn đến thiệt hại lớn cho

nền kinh tế quốc dân Với hộ phụ tải loại I, yêu cầu phải bảo đảm liên tục cung cấp điện rất cao ngay cả khi làm việc bình thường cũng như khi sự cố cho nên không cho phép ngừng cung cấp điện

Hộ loại I: thường phải được cung cấp ít nhất từ hai nguồn độc lập hoặc có nguồn dự phòng, nhằm giảm thời gian mất điện xuống rất nhỏ Thời gian mất điện đối với hộ loại I thường cho bằng thời gian tự động đóng nguồn dự phòng

* Hộ loại II

Nếu ngừng cung cấp điện cũng gây tác hại về kinh tế ảnh hưởng lớn đến sản lượng hoặc gây ra nhiều phế phẩm, ngừng trệ sự vận chuyển trong xí nghiệp, có thể có hư hỏng thiết bị nhưng ở mức độ nhẹ hơn trường hợp trên, lãng phí lao động, ảnh hưởng đến hoàn thành kế hoạch sản xuất Ví dụ như các nhà máy sợi, nhà máy dệt v.v Như vậy đối với hộ loại II nếu ngừng cung cấp điện chỉ dẫn đến thiệt hại về kinh tế

Có thể cho phép mất điện trong một thời gian ngắn để thay thế các thiết bị hư hỏng Với hộ phụ tải loại II, việc quyết định dùng một hoặc hai nguồn cung cấp, đường dây đơn hoặc đường dây kép, có nguồn dự phòng hoặc không có nguồn dự phòng Phải dựa trên kết quả so sánh kinh tế giữa khoản tiền phải đầu tư thêm khi có đặt thiết

bị dự phòng với khoản tiền thiệt hại khi sản xuất bị ngừng trệ do mất điện vì không có thiết bị dự phòng

Cần chú ý rằng việc phân chia các thiết bị dùng điện thuộc hộ loại này hay loại kia chỉ là tương đối mà thôi Phải kết hợp với tình hình cụ thể của xí nghiệp để phân chia cho hợp lý Cùng một loại thiết bị, ở xí nghiệp này do có vai trò rất quan trọng nên được xếp vào hộ loại I, nhưng ở xí nghiệp khác thì lại không quan trọng bằng nên có thể xếp nó vào hộ loại II

* Chú ý: Chỉ có những phương án sơ đồ nối dây của lưới điện nào bảo đảm được

hai tiêu chuẩn kỹ thuật quan trọng nhất là liên tục cung cấp điện và bảo đảm chất lượng điện trong mọi tình trạng vận hành khác nhau (bình thường cũng như lúc sự cố) thì mới được giữ lại để so sánh kinh tế, quyết định lựa chọn phương án cuối cùng Ngoài những chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng điện năng (tính liên tục cung cấp điện, chất lượng điện năng là điện áp và tần số) khi thiết kế và vận hành lưới điện, cần phải đảm bảo yêu cầu: chỉ tiêu kinh tế và an toàn đối với con người

1.4 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ YÊU CẦU CỦA LƯỚI ĐIỆN

1.4.1 Yêu cầu của lưới điện

- Liên tục cung cấp điện, mức bảo đảm tuỳ theo loại hộ dùng điện:

+ Hộ loại 1: Không cho phép mất điện, nếu bị mất điện sẽ bị thiệt hại về kinh tế, về

chính trị Nguy hại đến tính mạng con người do đó phải tìm mọi cách để đảm bảo liên tục cung cấp điện như dùng đường dây kép dẫn điện đến, lấy điện từ nhiều nguồn khác nhau, đặt thiết bị phát điện dự phòng

+ Hộ loại 2: Nếu mất điện cũng gây tác hại về kinh tế, nhưng ta phải so sánh về mặt

kinh tế giữa khoản tiền đặt thiết bị dự phòng với khoản tiền thiệt hại cho sản xuất khi

bị mất điện mà không có thiết bị dự phòng, trường hợp nào kinh tế hơn thì chọn

+ Hộ loại 3: Phụ tải này không cần bảo đảm liên tục cung cấp điện nhiều lắm như:

trường học, khu vực điện sinh hoạt nông thôn

- Bảo đảm chất lượng điện năng

+ Điện áp chỉ được phép dao động trong khoảng ± 5% so với điện áp định mức, có những thiết bị điện áp chỉ được phép dao động trong khoảng ± 2,5% (có những thiết bị chính xác, đèn thắp sáng trong xí nghiệp ) Nếu điện áp tăng lên 5% thì tuổi thọ của bóng đèn sẽ bị giảm đi 50% Nếu điện áp giảm đi 5% thì quang thông của đèn giảm tới 18%, động cơ quay chậm lại và nếu hạ thấp nữa thì có thể ngừng quay

+ Đảm bảo độ lệch tần số ± 1%

- Chỉ tiêu kinh tế cao, chỉ tiêu kinh tế cao của một Lưới điện chủ yếu là do:

+ Vốn đầu tư nhỏ nhất

+ Tổn thất điện năng dọc đường dây ít nhất

Khi thiết kế phải chú ý những điều trên để đạt được chỉ tiêu kinh tế cao nhất Tuyệt đối không thể chỉ quá chú trọng về mặt kỹ thuật mà coi nhẹ mặt kinh tế Quan điểm kinh tế - kỹ thuật phải được áp dụng thật linh hoạt tuỳ theo từng giai đoạn, tuỳ theo chính sách của nhà nước Thường hai điểm trên mâu thuẫn với nhau, ta phải linh động tuỳ theo chính sách mà thiết kế, ví dụ như vốn của nhà nước còn ít thì lại phải chú ý đến vốn đầu tư ban đầu

- An toàn đối với con người

Khi quyết định sơ đồ nối dây của Lưới điện cần phải đảm bảo an toàn cho công nhân, nhân viên thao tác vận hành, phải đảm bảo an toàn cho nhân dân ở những vùng

có đường dây đi qua Tại Việt Nam rất coi trọng vấn đề này, tuyệt đối không thể coi nhẹ được

1.4.2 Phân loại lưới điện

- Theo tiêu chuẩn cấp điện áp và khoảng cách dẫn điện, Lưới điện có thể phân ra làm hai loại:

+ Lưới điện khu vực: Cung cấp và phân phối điện cho một khu vực rộng lớn Điện

áp của Lưới điện khu vực thông thường là 110 [kV] hay 220 [kV]

+ Lưới điện địa phương: Như các Lưới điện công nghiệp, thành phố, nông thôn cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ trong phạm vi hẹp Điện áp của Lưới điện địa phương thông thường là 6 [kV], 10 [kV], 22 [kV], 35 [kV]

- Theo hình dáng của Lưới điện

+ Lưới điện hở: Là Lưới điện mà trong đó các hộ tiêu thụ được cung cấp điện chỉ từ một phía hình 1.5 Lưới điện này có vận hành đơn giản, dễ tính toán nhưng mức bảo đảm liên tục cung cấp điện thấp

+ Lưới điện kín: Là Lưới điện trong đó các hộ tiêu thụ có thể nhận điện năng ít nhất

từ hai phía Lưới điện này tính toán khó khăn, vận hành phức tạp nhưng mức bảo đảm liên tục cung cấp điện cao

Hình 1.5 Cấu trúc của lưới điện

- Theo công dụng của lưới điện

+ Lưới điện truyền tải: Là lưới điện truyền tải điện năng đến các trạm phân phối và cung cấp cho các mạng phân phối

+ Lưới điện phân phối: Là lưới điện phân phối trực tiếp cho các hộ tiêu thụ: Động

cơ điện, MBA

- Theo chế độ trung tính của lưới điện

+ Lưới điện ba pha trung tính cách điện đối với đất hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang còn gọi là lưới điện có dòng chạm đất nhỏ

+ Lưới điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp Các mạng có điện áp 22 [kV] và từ

110 [kV] trở lên đều có trung tính trực tiếp nối đất

- Theo cấp điện áp của lưới điện

+ Lưới điện hạ áp là mạng có điện áp £ 1 [kV]

+ Lưới điện cao áp là mạng có điện áp 1 £ U £ 220 [kV]

+ Lưới điện siêu cao áp là mạng có điện áp ³ 220 [kV]

Ngoài ra có thể phân lưới điện thành các lưới điện đường dây trên không; mạng cáp; Lưới điện xoay chiều; Lưới điện một chiều

1.5 ĐIỆN ÁP CỦA LƯỚI ĐIỆN

1.5.1 Điện áp định mức

1.5.1.1 Điện áp định mức của thiết bị

Điện áp định mức của các thiết bị tiêu thụ điện năng là điện áp mà chúng làm việc trong điều kiện bình thường thì sẽ cho hiệu quả kinh tế cao nhất

Chế tạo các thiết bị điện theo bất kỳ điện áp nào là không hợp lý, vì như vậy nhà máy cũng không thể chế tạo các thiết bị hàng loạt theo tiêu chuẩn Theo tiêu chuẩn Liên Xô, điện áp của các thiết bị điện được quy định trong bảng 1.1

Điện áp định mức của các phụ tải dùng điện phải bằng về trị số với điện áp định mức của Lưới điện

Bảng 1.1 Điện áp định mức của lưới điện ba pha, tần số 50 Hz

Điện áp định mức

MBA Lưới điện và

thiết bị tiêu thụ

điện [kV]

Máy phát điện [kV] Điện áp cuộn sơ

cấp [kV]

Điện áp cuộn thứ cấp [kV]

Điện áp làm việc lớn nhất [kV]

1.5.1.2 Điện áp định mức của Lưới điện

Xét hình 1.6, với điện áp định mức cung cấp điện cho phần mạng cd là Udm, vì dọc đường dây có tổn thất điện áp nên các phụ tải 1, 2, 3, 4 làm việc theo điện áp khác nhau Điện áp U"1 ở đầu đường dây cao hơn điện áp U"2 ở cuối đường dây

Ta thấy, tại mỗi điểm trên đường dây có điện áp khác nhau, việc chế tạo thiết bị điện với cấp điện áp bất kỳ là không hợp lý Vậy phải chế tạo các thiết bị tiêu thụ điện năng theo điện áp giữa U"1 và U"2 để khi chúng làm việc có thể đạt được chỉ tiêu kinh

tế nhất Vì chế độ kinh tế của thiết bị điện là khi điện áp định mức nên lấy điện áp định mức của thiết bị tiêu thụ điện năng sẽ là trung bình cộng của điện áp ở đầu U"1 và điện

áp U"2 ở cuối đường dây nghĩa là: Udm =

Theo quy trình "trang bị điện": Độ lệch điện áp ở các hộ tiêu thụ điện trong điều kiện làm việc bình thường của Lưới điện không vượt quá ± 5%, điện áp định mức của mạng Như vậy, tổn thất điện áp trên đường dây có một cấp điện áp thường không được vượt quá 10% điện áp định mức của Lưới điện Do đó khi phụ tải đầy thì điện áp

ở đầu đường dây phải cao hơn điện áp định mức của mạng là 5%, nghĩa là bằng 0,05Udm Xuất phát từ điểm này nên điện áp định mức của máy phát (bảng 1.1) phải

cao hơn điện áp định mức của Lưới điện là 5%

Hình 1.6 Sự biến thiên của điện áp trong lưới điệnTrong bảng 1.1 thấy rằng điện áp định mức của cuộn dây thứ cấp của MBA trong mạch điện (127¸660)V chỉ cao hơn điện áp định mức của mạng có 5%, vì rằng tại bất

kỳ một điểm nào trong lưới điện cũng có thể nối trực tiếp ngay vào thiết bị tiêu thụ điện Do đó bất kỳ sự tăng điện áp đáng kể nào đặt vào các thiết bị đó cũng đều không cho phép

1.5.2 Điện áp của lưới điện

Các biểu thức tính toán trong mạng như sau:

X Q R P

2

2+

=D

+

=D

Khi điện áp càng cao thì dòng điện chạy qua dây dẫn càng nhỏ, như vậy khi khoảng cách tải điện năng càng xa, công suất truyền tải càng lớn thì điện áp tải điện càng cao càng có lợi, vì tổn thất điện áp DU, tổn thất công suất DP, tổn thất điện năng DA và chi phí kim loại mầu càng giảm Nhưng khi chọn điện áp càng cao thì vốn đầu tư xây dựng lưới điện cũng như phí tổn để phục vụ lưới điện đó cũng đều tăng cao Như vậy với một trị số điện áp nào đó số tiền tiết kiệm được do giảm tổn thất điện năng và tiết diện dây dẫn không bù lại được lượng vốn đầu tư tăng lên để xây dựng lưới điện cũng như phí tổn để phục vụ lưới điện Như vậy, với một công suất và khoảng cách tải điện nhất định, để chọn được một điện áp tải điện kinh tế nhất, ta phải tiến hành tính toán so sánh về kinh tế kỹ thuật của nhiều phương án

Có 2 phương pháp để xác định điện áp kinh tế

U kt

2500500

1000+

Trong đó: l là chiều dài đường dây, km; P là công suất truyền tải, MW;

+ Có thể dùng biểu thức Vaykert (Đức): U = 3 S + 0,5 l [kV]

Trong đó: l là chiều dài đường dây, km; S là công suất truyền tải, MVA

Khi xác định được điện áp kinh tế cần so sánh với các cấp điện áp tiêu chuẩn, chọn cấp điện áp tiêu chuẩn gần nhất làm cấp điện áp kinh tế Hiện nay tại Việt Nam, sử dung các cấp điện áp tiêu chuẩn: 0,22; 0,4; 0,66; 3; 6; 10; 22; 35; 110; 220; 500 [kV]

1.6 CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐIỂM TRUNG TÍNH TRONG HTĐ

1.6.1 Lưới điện ba pha trung tính cách điện với đất

Chạm đất một pha trong mạng này không tạo nên ngắn mạch và do đó không làm cho điện áp dây bị giảm cũng như không gây ra dòng tăng cao trong mạng

Xét sự thay đổi dòng điện và điện áp trong mạng, khi xảy ra chạm đất một pha hình 1.8 Để đơn giản, coi rằng mạng làm việc không tải

Trong điều kiện bình thường điện áp các dây dẫn A, B, C so với đất bằng các điện

áp pha tương ứng UA, UB, UC Điện áp giữa các pha UAB, UBC, UAC Các điện áp này bằng các suất điện động EA, EB, EC vì giả thiết mạng không tải Các véc tơ điện áp pha

110 [kV]

154 [kV]

220 [kV]

lập thành hình sao đối xứng, tổng các véc tơ này bằng không vì vậy điện áp của điểm trung tính UTT = 0

Hình 1.8 Dòng và điện áp khi chạm đất một pha trong mạng có trung tính cách điệnCác điện áp này tạo nên các dòng điện tương ứng qua các điện dung của pha so với đất Các dòng này vượt trước các điện áp tương ứng một góc 900

c

C C

C c

B C

B c

A C

A

jX

U I

jX

U I

jX

U I

-=-

=-

= & & & & &

&

) ( )

( )

Tổng các dòng điện dung này trong chế độ bình thường bằng không vì vậy không

có I0

1.6.1.1 Điện áp của Lưới điện khi chạm đất

Khi chạm đất trực tiếp một pha, ví dụ điện áp pha A, điện áp pha này so với đất giảm tới không (UA = 0) (hình 1.8) Điện áp của điểm trung bình UTT so với đất khi đó bằng điện áp giữa hai điểm N và TT và bằng: UTT = UN -T T = -EA

Điện áp các pha B và C so với đất tăng bằng giá trị điện áp dây là U’B và U’C

Hình 1.9 Đồ thị véc tơ dòng và điện áp trong mạng có trung điểm cách điện a) Chế độ

UB’= UTT + EB = EB – EA = UAB và UC’ = UTT+ EC = -EA + EC = UCA (1.2)

Do đó ta có: UA + UB + UC = U’B + U’C = -3 EA = 3 UTT

Vậy, điện áp tại điểm trung tính bằng điện áp pha, điện áp dây giữa các dây dẫn pha

vẫn giữ nguyên giá trị cũ, điện áp pha và đất là điện áp dây, điện áp tại điểm chạm đất

bằng 0

1.6.1.2 Dòng điện chạm đất

Tại chỗ chạm đất có dòng Id Dòng này chạy qua điện dung của các pha không hư

hỏng hình 1.9

Vì UA = 0 nên IA(C) = 0 Trong các pha khác có các điện áp đã tạo ra các dòng điện

điện dung, các dòng điện này lệch pha với điện áp tạo ra chúng một góc 900

( ) ;

C

BA C

U j

I& = & ( ) ;

C

CA C

U j

I& = & (1.3) Dòng Iđ tại chỗ hư hỏng với chiều dương chấp nhận

Iđ = - (IB(C) + IC(C))

C

CA BA C

CA C

BA

U U j X

U X

U j

I & & & + &

-=+

-=

Từ đồ thị véc tơ ta có UBA + UCA = - 3EA vì vậy có thể viết:

33

C

p C

A d

X

U j X

E j

I = & = & (1.4)

Như vậy dòng Iđ bằng ba lần dòng điện dung của pha trong chế độ bình thường (ICP

= Up/XC), dòng Iđ chậm pha sau UTT một góc 900 Tỷ lệ với điện áp và điện dung một

pha (XC = 1/wC) và được tính theo biểu thức:

0 )

C

P p

C

Trong đó: l là chiều dài tổng cộng của một pha, C0 là suất điện dung của pha so với

đất trên 1 km

1.6.1.3 Dòng điện và điện áp thứ tự không khi chạm đất

Khi có chạm đất do có các dòng điện dung và điện áp pha bị mất đối xứng và mất

cân bằng nên thành phần thứ tự không xuất hiện

)U'U'U(3

1

U0 = & A+& B+&C

)'I'I'I(3

1

I0 = &A+&B+&C (1.6) Biết rằng UA = 0, ta có:

)UU

(3

1)'U'U(3

1

UO = & B+& C = & BA + & CA (1.7)

vì UBA + UCA = - 3EA = 3 UTT nên U0 = - EA = UTT

Như vậy điện áp thứ tự không bằng và ngược chiều với điện áp pha sự cố Bỏ qua điện trở của dây dẫn vì nó rất nhỏ so với XC ta thấy rằng điện áp thứ tự không của mỗi điểm trong mạng đều bằng nhau và bằng U0 = UTT

Dưới tác dụng của điện áp U0 có dòng I0 đi qua điện dung các pha và trung điểm nối đất của máy phát và máy biến điện áp, nếu trung điểm các máy này có nối đất hình 1.10, có:

C

p C

A C

O C

O C

O C O B O A O

X

U j X

E j X

U j jX

U I

I I

Trong đó: Up là điện áp bình thường của pha hư hỏng

Hình 1.10 Đường đi của dòng thứ tự không khi có chạm đất

Thay (1.7) vào (1.4) ta có: Id = 3I0

Dòng I0 và dòng Id trùng pha và chậm so với U0 một góc 900 Dòng I0 trong cuộn dây stato máy phát bằng không vì trung tính của nó cách điện

Lưới điện có trung tính cách điện với đất khi xảy ra chạm đất một pha:

- Điện áp của pha chạm đất bằng không, điện áp của hai pha còn lại tăng lên 3 lần (bằng điện áp dây)

- Điện áp dây của Lưới điện không thay đổi

- Điện áp của điểm trung tính tăng từ 0 đến điện áp pha

- Dòng điện dung của các pha không bị chạm đất tăng 3 lần, dòng điện dung tại chỗ chạm đất tăng lên 3 lần so với dòng điện dung một pha trước khi chạm đất

Vì điện áp dây không thay đổi và dòng điện dung chạm đất rất nhỏ so với dòng điện phụ tải nên lưới điện vẫn làm việc bình thường khi chạm đất một pha Tuy vậy, đối với các lưới điện này không cho phép làm việc lâu dài khi một pha chạm đất vì:

- Khi chạm đất một pha, điện áp hai pha còn lại tăng 3 lần do đó những chỗ cách điện yếu có thể bị chọc thủng và dẫn đến ngắn mạch giữa các pha Để khắc phục nhược điểm này cách điện pha của Lưới điện và các thiết bị điện đặt trong mạng phải thiết kế theo điện áp dây, như vậy giá thành của thiết bị tăng lên

- Dòng điện dung sẽ sinh hồ quang, có thể đốt cháy cách điện tại chỗ chạm đất và dẫn đến ngắn mạch giữa các pha

- Với một trị số dòng điện dung nhất định, hồ quang có thể cháy lập loè Do Lưới điện là một mạch vòng dao động R-L-C, hiện tượng cháy lập loè đó sẽ dẫn đến cộng

U 0 =-E A I 0(C) I 0(C) I 0(C)

pha không chạm đất dễ dàng bị chọc thủng, dẫn đến ngắn mạch giữa các pha, mặc dù cách điện đã được chế tạo theo điện áp dây Hiện tượng chọc thủng cách điện này xảy

ra với xác suất lớn khi dòng điện dung lớn hơn khoảng (5¸10)A

1.6.2 Lưới điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp

Lưới điện từ 110 [kV] trở lên đều có trung tính trực tiếp nối đất do:

- Dòng điện dung của rất lớn do điện áp cao và chiều dài đường dây lớn

- Cách điện pha phải thiết kế theo điện áp dây nếu trung tính cách điện với đất Đối với Lưới điện 110 [kV] trở lên, tăng cường cách điện như vậy sẽ không kinh tế

Lưới điện 3 pha trung tính trực tiếp nối đất có những nhược điểm sau:

- Chạm đất một pha là ngắn mạch, dòng điện rất lớn, rơle sẽ tác động cắt đường dây

bị sự cố, hộ tiêu thụ mất điện

- Dòng điện chạm đất một pha lớn, thiết bị nối đất phức tạp và đắt tiền

- Dòng chạm đất một pha có thể lớn hơn dòng ngắn mạch ba pha Để hạn chế nó phải tăng điện kháng thứ tự không bằng cách không nối đất trung điểm một vài MBA của hệ thống hay nối đất trung tính qua điện kháng nhỏ Lưới điện ba pha điện áp trên

1000 [V] trung tính nối đất trực tiếp hay qua kháng điện nhỏ gọi là lưới điện có dòng điện chạm đất lớn

Lưới điện ba pha điện áp dưới 500 [V] (380/220 hay 220/127V) đều làm việc với trung tính trực tiếp nối đất không phải vì nguyên nhân tiết kiệm cách điện vì cách điện của mạng này rất rẻ, mà xuất phát từ an toàn cho người

1.7 CÁC CHỈ TIÊU CƠ BẢN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

Để đánh giá chất lượng điện năng cung cấp cho các hộ tiêu thụ, thường người ta dựa vào ba chỉ tiêu cơ bản sau đây: Điện áp, tần số và tính liên tục cung cấp điện

1.7.1 Điện áp

Điện áp đặt lên đầu cực thiết bị dùng điện so với điện áp định mức của thiết bị không được vượt quá giới hạn cho phép Độ lệch điện áp cho phép so với điện áp định mức được quy định như sau:

Đối với mạng động lực : [DU%] = ± 5

Đối với mạng chiếu sáng: [DU%] = (±2, 5 ¸ 5)

Trong trường hợp khởi động động cơ hoặc mạng đang ở trong tình trạng sự cố thì

độ lệch điện áp cho phép có thể tới (- 10 ± - 20%) Udm

Điện áp là một chỉ tiêu rất quan trọng, nếu điện áp tăng lên 5% thì tuổi thọ của bóng đèn sẽ bị giảm đi một nửa; nếu điện áp giảm đi 5% thì quang thông của bóng đèn giảm tới 18%, đèn sẽ tối đi ảnh hưởng tới năng suất lao động và an toàn lao động không bảo đảm; điện áp giảm thấp làm động cơ quay chậm lại và nếu hạ thấp nữa thì có thể ngừng quay và cháy máy

1.7.2 Tần số

Độ lệch tần số cho phép được quy định bằng 0,5 Hz Để bảo đảm cho tần số của hệ thống điện được ổn định thì công suất tiêu thụ phải luôn luôn cân bằng với công suất của nguồn

1.7.3 Tính liên tục (độ tin cậy) cung cấp điện

Tính liên tục cung cấp điện là một chỉ tiêu quan trọng trong hệ thống cung cấp điện Mức độ liên tục cung cấp điện được bảo đảm tuỳ theo tầm quan trọng và yêu cầu của

hộ phụ tải (xem yêu cầu của lưới điện)

Ngoài những chỉ tiêu cơ bản trên, trong những năm gần đầy sử dụng thêm một số chỉ tiêu như: sóng hài, dao động điện áp, độ không sin, nhấp nháy

1.8 KẾT CẤU CỦA LƯỚI ĐIỆN

1.8.1 Kết cấu của đường dây trên không

Đường dây trên không là đường dây cách điện với đất bởi cột, xà, sứ…Cấu tạo đường dây trên không gồm: Dây dẫn, sứ cách điện, cột, xà, móng và các bộ phận kim khí khác

Qua một số công trình đường dây 35kV và 110 kV đã được thiết kế và xây dựng ở nước ta thấy rằng kết cấu vốn đầu tư của các công trình đường dây như sau:

- Thiết bị đường dây chiếm (36¸42)%

- Kiến trúc đường dây (cột, xà, móng) chiếm (32¸42)%

- Nhân công lắp rắp chiếm từ (9¸10)%, chi phí gián tiếp (10¸15)%

Đường dây trên không có ưu đểm là xây dựng rẻ tiền (so với đường dây cáp), dễ sửa chữa, nhưng có khuyết điểm là không an toàn, dễ bị hư hỏng do ảnh hưởng của thiên nhiên và kém mỹ quan

mềm), điện trở suất của đồng là r =18 [Wmm2/km], có khả năng chịu được ảnh hưởng của ngoại giới Đồng là loại kim loại màu quí, hiếm nên đắt tiền

* Nhôm, Al

Nhôm dẫn điện kém hơn đồng, điện trở suất của nhôm là r = 29,5[Wmm2/km] Nhôm có đặc tính đặc biệt là rất khó hàn, mối hàn không chắc chắn Độ thuần khiết của nhôm có ảnh hưởng rất nhiều đến điển trở suất và khả năng chống chịu ăn mòn Nhôm nguyên chất tới 99,5% mới được dùng làm dây dẫn, sức bền cơ học của nhôm kém Nhôm kéo cứng, cường độ chịu kéo của nhôm đạt d = 16 [kg/mm2], nhôm đã tôi mềm là d = 8 [kg/mm2] Do sức bền kém nên dây nhôm chỉ được dùng cho những khoảng vượt (100¸125)m trong các Lưới điện phân phối với điện áp nhỏ hơn 35[kV] Dây nhôm nguyên chất có thể chịu được những thay đổi thời tiết tốt như đồng, do nhôm nhẹ và rẻ tiền nên dây nhôm được dùng rất rộng rãi Tuy nhiên dây nhôm có nhược điểm rất lớn là hiện tượng ăn mòn khi tiếp xúc với các cực máy phát điện, các khí cụ điện thường được chế tạo bằng đồng

* Thép, F e

Thép dẫn điện kém hơn đồng và nhôm, điện trở suất lớn Sắt nguyên chất có r =

98 [Wmm2/km] Nhưng thép có nhiều các bon nên điện trở suất của thép có thể lên tới

r =130 [Wmm2/km] Thực tế khi truyền tải dòng điện xoay chiều, do hiệu ứng mặt ngoài và tổn hao từ trễ làm cho điện trở của dây thép tăng lên (5¸6) lần Sức bền cơ học của thép rất lớn d = 120 [kg/mm2]

c) Cấu tạo của dây dẫn điện trần

* Dây đơn

Là dây dẫn do 1 sợi cấu tạo nên Loại dây này chế tạo dễ, nhưng dễ bị đứt, uốn cong khó nên không chế tạo được tiết diện lớn Thường chỉ chế tạo dây dẫn đơn có tiết diện nhỏ hơn 10 [mm2]

Hình 1.11 Kết cấu một số loại dây

* Dây vặn xoắn hay còn gọi là dây điện nhiều sợi, hình 1.11b

Dây vặn xoắn gồm nhiều sợi dây đơn vặn chéo với nhau theo nhiều lớp, thông thường lớp ngoài nhiều hơn lớn trong 6 sợi (ví dụ ở giữa có 1 sợi dây trung tâm, lớp thứ nhất có 6 sợi, lớp thứ hai có 12 sợi ) và mỗi lớp lại xoắn theo chiều ngược nhau cho dây khỏi bị bung ra, Dây vặn xoắn bền hơn dây đơn, khó bị đứt, uốn cong dễ dàng Với tiết diện lớn hơn 10 [mm2] đều dùng dây vặn xoắn

a - Dây nhiều sợi, b - Dây phức hợp, c - Dây rỗng ruột

b)

* Dây phức hợp

Dây phức hợp được dùng nhiều nhất là dây nhôm lõi thép Cấu tạo gồm: Bên trong

có lõi thép bằng một hay nhiều sợi thép tráng kẽm Lõi thép để tăng cường sức bền Bên ngoài dây có những lớp dây nhôm vặn xoắn để dẫn điện hình 1.11c Có 3 loại dây nhôm lõi thép:

- Loại AC là dây nhôm lõi thép, tỷ số tiết diện nhôm và thép là (5,5¸6)

- Loại ACO là dây nhôm lõi thép tăng cường nhôm, tỷ số tiết diện nhôm và thép là (7,5¸8)

- Loại ACY là dây nhôm lõi thép tăng cường thép, tỷ số tiết diện nhôm và thép nhỏ hơn 4,5

Ngoài ra để bảo vệ cho dây nhôm lõi thép không bị ăn mòn do hơi muối mặn hay hoá chất, có 3 loại dây nhôm lõi thép đặc biệt sau:

- Loại dây ACKC là dây nhôm lõi thép nhưng phần lõi được phủ đầy mỡ trung tính chịu nhiệt

- Loại dây ACKP là dây nhôm lõi thép nhưng toàn bộ phần nhôm và phần thép được phủ đầy mỡ trung tính chịu nhiệt

- Loại dây ACK là loại dây ACKC nhưng lõi thép còn được bọc 2 lớp bằng nhựa Polyetylen

Hiện nay dây nhôm lõi thép được sử dụng ở tất cả các đường dây trên không cao áp

và siêu cao áp (6¸500)kV Dùng dây AC kinh tế hơn dùng dây đồng Nhưng ở những vùng ven biển và ở gần nhà máy hoá chất, thì dây nhôm lõi thép thông thường không được dùng vì nhôm chóng bị ăn mòn và không bảo đảm cung cấp điện liên tục cho các

hộ tiêu thụ

* Dây rỗng ruột, hình 1.11c

Một số đường dây điện áp quá cao yêu cầu đường kính của dây dẫn phải khá lớn, nếu đường kính của dây nhỏ sẽ phát sinh vầng quang điện và gây tổn thất điện năng Nhưng đường kính của dây dẫn lớn quá thì sẽ thừa trong vấn đề dẫn điện, để khỏi lãng phí người ta chế tạo dây rỗng

Ngoài ra còn có các loại cách điện như: cách điện MBA, cách điện cầu dao

gỗ thông và dùng cho những Lưới điện từ 110 [kV] trở xuống

Hình 1.12 Sứ cách điện dùng cho đường dây trên không

a - Sứ treo, b - Sứ đứng

b) Cột thép

Cột thép rất tốt, sức bền cơ học cao, dễ vận chuyển (vì có thể mang rời từng mảnh tới để lắp rồi hàn) Cột thép đắt tiền, phải chi phí nhiều về công tác bảo quản, hàng năm phải sơn và đôi khi nửa phía trên đỉnh cột phải dùng loại thép đặc biệt không rỉ, ở những đường dây cao áp 110kV trở lên thông thường những cột néo, cột góc, cột vượt đều phải dùng cột thép thì mới bảo đảm được yêu cầu về sức bền cơ học

c) Cột bê tông cốt thép

Cột bê tông cốt thép khá rẻ tiền, không phải bảo quản khi vận hành nhưng nặng Do tính hình khí hậu, nguyên liệu như: Xi măng, sỏi, cát ở nước ta tương đối sẵn, nên khi thiết kế có thể quyết định ngay là chọn dùng cột bê tông cốt thép cho đường dây tải điện cao áp (không phải so sánh với phương án dùng cột gỗ hay dùng cột sắt nữa) Trên các đường dây dùng cột bê tông cốt thép đã thiết kế ở ta từ trước tới nay có tới 15 loại chiều cao: 8,2 - 8,6 - 9 - 9,6 - 10 - 11 - 11,5 - 12 - 13 - 14 - 15 - 16 - 17 - 18 và 20 [m], bao gồm cột đơn, cột ghép đôi

Về cấu tạo thì có kiểu cột H (8,2¸12)m (hình 1.13a) Kiểu cột K (8,2¸18)m (hình 1.13b), và kiểu cột ly tâm (16¸20)m (hình 1.13c) Cột bê tông kiểu H thì dễ thi công nhưng chịu lực yếu Cột bê tông kiểu K chịu lực khoẻ hơn cột H Cột bê tông ly tâm hiện nay được dùng khá phổ biến

Hình 1.13 Một số loại cột điện bê tông cốt thép Cột có dây néo được dùng ngày càng phố biến vì rất kinh tế, nó có thể thay thế được cột sắt Dây néo có thể dùng thép tròn và tăng đơ kiểu chữ U Cột có thể néo dọc theo đường dây, néo góc theo đường dây, néo góc theo đường phân giác ngoài, néo 2 dây theo đường dài của hướng dây ở góc ngoài cột có dây néo thi công đơn giản nhưng

có nhược điểm là chiếm diện tích đất lớn, ở những vùng canh tác và những vùng dễ bị phá hoại thì cần phải cân nhắc kỹ

có tác dụng phục vụ tích cực và rộng rãi cho việc phát triển lưới điện nông thôn

vì kích thước họng xà chưa được tiêu chuẩn hoá và xà được bắt vào nhiều loại cột khác nhau

Ngoài ra trên đường dây trên không còn có thể trang bị thêm các thiết bị phụ khác như quả tạ chống rung, thiết bị chống xoắn (đối với đường dây dùng dây phân nhỏ), khe hở chống sét

1.8.2 Kết cấu của đường dây cáp

Cáp được chế tạo chắc chắn, cách điện tốt, lại được chôn dưới đất không bị sét đánh nên làm việc với độ tin cậy cao hơn đường dây trên không Điện kháng của cáp rất nhỏ nên tổn thất công suất và điện năng cũng như tổn thất điện áp trên cáp nhỏ hơn nhiều

so với đường dây trên không cùng loại Cáp được chôn dưới đất nên ít cản trở giao thông và đảm bảo mỹ quan hơn đường dây trên không

Tuy vậy mạng cáp cũng có nhược điểm là giá thành đắt, thi công khó khăn Thường giá thành của đường cáp gấp (2¸3) lần giá thành của đường dây trên không cùng loại đối với cấp điện áp nhỏ hơn 35 [kV], gấp (5¸8) lần đối với cấp điện áp 110 [kV] Hiện nay đã chế tạo được cáp với cấp điện áp 220 [kV]

Cáp chế tạo phức tạp vì bảo đảm cách điện giữa 3 pha rất khó khăn, nhất là đối với cao áp Người ta rất ít dùng cáp một lõi vì hiện tượng Foucault làm vỏ cáp bị nóng, mà thường dùng cáp 3 lõi Cáp điện áp thấp thường có 4 lõi trong đó lõi thứ tư dùng làm dây trung tính

Việc rẽ nhánh đường cáp thực hiện rất khó khăn và chính tại nơi rẽ nhánh thường hay xẩy ra sự cố Vì vậy chỉ những đường cáp có U £ 10 [kV] và khi cần thiết người ta mới rẽ nhánh Cáp được bọc kín, lại chôn dưới đất, nên khi xẩy ra hư hỏng, khó phát hiện chỗ chính xác xẩy ra hư hỏng

Vì vậy việc dùng đường dây trên không hay đường dây cáp phải thông qua so sánh kinh tế kỹ thuật

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN TỔN THẤT TRONG LƯỚI ĐIỆN

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TỔN THẤT TRONG HTĐ

2.1.1 Ảnh hưởng của tổn thất công suất và tổn thất điện năng

Khi có dòng điện chạy qua dây dẫn và MBA, vì chúng có điện trở và điện kháng nên gây nên tổn thất CSTD DP và CSPK DQ Vì vậy việc nghiên cứu vấn đề này là rất quan trọng vì có nắm vững lý thuyết mới có thể tính được tổn thất công suất và điện năng, định được giá thành trong lúc thiết kế và tìm ra được biện pháp làm giảm bớt mức tổn thất

2.1.2 Ảnh hưởng của tổn thất điện áp

Khi có dòng điện chạy trong dây dẫn bao giờ cũng có điện áp rơi (điện áp giáng), cho nên điện áp ở từng điểm khác nhau là khác nhau Điện áp đặt trên đầu cực của chúng khác trị số định mức sẽ làm cho tình trạng làm việc của các thiết bị tiêu thụ điện

bị xấu đi Ví dụ:

- Nếu điện áp giảm 5% so với điện áp định mức thì quang thông của đèn sợi đốt giảm

tới 18%, nếu điện áp giảm 10% so với điện áp định mức thì quang thông giảm tới 30% Nếu điện áp tăng lên 5% thì tuổi thọ của bóng đèn giảm đi 50%

- Mômen quay M của các động cơ không đồng bộ, tỷ lệ với bình phương điện áp vào đầu cực của chúng Nếu điện áp giảm 10% so với điện áp định mức thì mômen quay giảm 19% so với định mức Khi chúng đầy tải mà điện áp trên đầu cực của các động cơ

hạ thấp đi 10% trong thời gian dài thì tuổi thọ của động cơ giảm còn có một nửa

Do đó điện áp trở thành một chỉ tiêu kỹ thuật rất quan trọng Thực tế không thể giữ được điện áp tại đầu cực của các hộ tiêu thụ được cố định bằng điện áp định mức, mà chỉ có thể đảm bảo trị số điện áp thay đổi trong một phạm vi nhất định, ± 5%

2.2 SƠ ĐỒ THAY THẾ VÀ THÔNG SỐ CỦA CÁC PHẦN TỬ

2.2.1 Đường dây

2.2.1.1 Sơ đồ đẳng trị của đường dây

Mỗi đường dây đều có điện trở R, cảm kháng X, điện dẫn tác dụng G và điện dẫn phản kháng B Thực tế các tham số R, X, G, B phân bố đều đặn dọc theo đường dây Nhưng với lưới điện chiều dài nhỏ hơn 300 [km], ta có thể dùng tham số tập trung để

phân phối hay truyền tải đều dùng tham số tập trung để tính trừ đường dây siêu cao áp Thường coi tham số của đường dây là tập trung để tính và có sơ đồ đẳng trị của đường dây như hình 2.1 G và B thường chia làm đôi, một nửa tập trung ở đầu đường dây, một nửa tập trung ở cuối đường dây

Hình 2.1 Sơ đồ đẳng trị của đường dây Đối với đường dây điện áp thấp (£ 35kV) công suất nhỏ ta chỉ cần xét R và X (bỏ qua ảnh hưởng của G và B) Đối với đường dây điện áp lớn hơn 110 [kV], phải xét cả

R, X, G, B đôi khi cũng có thể bỏ qua ảnh hưởng của G không xét

2.2.1.2 Điện trở của dây dẫn

Điện trở của dây dẫn tính theo biểu thức sau:

chiều dài đường dây, km

Khi tính điện trở của các loại dây dẫn theo (2.1) thì kết quả không hoàn toàn như ở trong bảng tra, mà thông thường nhỏ hơn lý do vì:

- Hiệu ứng mặt ngoài của điện xoay chiều khiến dòng điện phân bố dày hơn ở quanh bề mặt ngoài của dây dẫn chứ không đều đặn trên khắp tiết diện của dây dẫn như trường hợp dòng điện một chiều

- Nhiều dây dẫn mang phụ tải lớn đặt gần nhau và ảnh hưởng lẫn nhau nên mật độ dòng điện phân bố trong dây dẫn không đều đặn

- Phần lớn các loại dây đều là dây vặn xoắn nên chiều dài thực tế của nó thường lớn hơn khoảng (2¸3)%

- Tiết diện của dây vặn xoắn lớn hơn tổng tiết diện của các sợi dây nhỏ cấu tạo nên dây đó

- Nhiệt độ thay đổi làm điện trở của dây dẫn cũng khác nhau

2.2.1.3 Điện kháng của đường dây

Điện kháng trên đường dây xác định theo biểu thức:

Có thể tính theo biểu thức trên hoặc tra bảng

a) Dây dẫn bố trí đối xứng trên ba đỉnh của một tam giác đều

Điện kháng của đường dây được xác định như sau:

D D D

x0 = w (4,6 log

r

D + 0,5m) 104 [W/km]

Trong đó: D là khoảng cách giữa các dây dẫn, cm; r là bán kính của dây dẫn, cm; m

là hệ số từ dẫn của nguyên liệu chế tạo dây dẫn

Nếu dòng điện xoay chiều có tần số f = 50Hz, dây dẫn là kim loại màu có m »1 thì:

x0 = 0,144 log

r

D

b) Dây dẫn bố trí không đối xứng

Khi dây dẫn bố trí trên cột không đối xứng thì điện kháng mỗi dây không giống nhau, để khắc phục dùng phương pháp hoán vị (hình 2.2) Điện kháng của một km đường dây đã hoán vị vẫn tính bằng biểu thức (2.3) nhưng thay D bằng Dtb, trong đó Dtb là trị số trung bình hình học của ba khoảng cách giữa các pha (hình 2.3)

Hình 2.2 Sơ đồ hoán vị dây dẫn

Ví dụ, với đường dây 110, 220 [kV] thường khoảng 100 [km] thì hoán vị một chu kỳ, tức là l có độ dài là 30 [km]

Dtb = 3

31 23

Điện kháng x0 trên một km đường dây chỉ biến thiên trong khoảng (0,3¸0,46)W/km

Do đó trong trường hợp cần thiết ta có thể lấy trị số trung bình 0,4 W/km để tính sơ bộ

Hình 2.3 Bố trí dây dẫn

Để giảm điện kháng có thể dùng cách phân nhỏ dây dẫn của các pha (hình 2.3c) Kinh nghiệm cho thấy: Phân làm 2 dây nhỏ thì x0 giảm tới 19%; Phân làm 3 dây nhỏ thì x giảm tới 28%; Phân làm 4 dây nhỏ thì x giảm tới 32,5%

Điện kháng của đường dây có n dây mỗi pha (dây phân nhỏ) được xác định theo biểu thức sau:

016,

Với rdt là bán kính đẳng trị xác định như sau: rdt = n n 1

tb

a

-Trong đó: n là số dây phân nhỏ của 1 pha; r là bán kính thực của dây dẫn; atb là khoảng cách trung bình hình học giữa các dây phân nhỏ của một pha

2.2.1.4 Điện dẫn tác dụng của đường dây

Lưới điện cao áp, khi cách điện không tốt gây ra tổn thất do rò điện trên mặt sứ xuống đất và sự iôn hoá không khí gây ra tổn thất do hiện tượng vầng quang điện

Đường dây trên không có tổn thất CSTD do rò điện, hiện tượng rò điện sinh bởi lớp men sứ không nhẵn và cường độ điện trường phân bố không đều trên mặt sứ hoặc mặt

sứ bị bẩn do bụi, các sợi bông, chất hoá học, mưa phùn nên dẫn điện và dòng điện sẽ rò xuống đất Tuy nhiên, tổn thất CSTD do dòng diện rò trên mặt sứ cách điện và tổn thất trong chất điện môi của sứ thường rất nhỏ, vì vậy không xét đến

Dưới tác dụng của cường độ điện trường đủ lớn, tầng không khí xung quanh dây dẫn bị iôn hoá và trở thành dẫn điện, một phần năng lượng sẽ thoát theo đường đó, vì vậy tổn thất lượng điện năng là DA Hiện tượng vầng quang điện xuất hiện khi cường

độ điện trường E trên mặt ngoài của dây dẫn vượt quá (17¸19)kV/cm hoặc trị số điện

áp U của đường dây lớn hơn Uth, Uth là điện áp tới hạn phát sinh vầng quang điện, điện

áp tới hạn phát sinh vầng quang điện tính theo biểu thức sau:

Do đó, khi tính toán lưới điện, tổn thất CSTD do vầng quang điện được phản ánh trên sơ đồ thay thế bằng trị số điện dẫn của đường dây, trị số điện dẫn g0 của đường dây tính trên 1km chiều dài, được xác định từ biểu thức:

DPgo = DPvq = U2 go 2vq

0U

P

=

Điện dẫn tác dụng trên đường dây: G = g0.l [s hoặc 1/W]

Trong đó: DPvq là tổn thất CSTD do vầng quang điện của 3 pha trên 1km đường dây, tra bảng tra; U là điện áp định mức của đường dây, kV

2.2.1.5 Điện dẫn phản kháng của đường dây

Điện dẫn phản kháng (còn gọi là dung kháng) của đường dây do trị số điện dung giữa các dây dẫn với nhau và trị số điện dung giữa các dây và đất xác định

Điện dung của 1 km đường dây trên không, tải điện xoay chiều ba pha có thể tính được bằng biểu thức: C0 = 6

tb

10.r

Dlg

024,

Dlg

58,

[1/W.km] (2.8)

Trong đó: Dtb là khoảng cách trung bình hình học giữa các dây dẫn, mm; r là bán kính dây dẫn, mm

Khi đường dây phân pha biểu thức (2.8) phải thay r bằng rdt

Giá trị b0 có thể tính theo biểu thức trên hoặc tra trong các bảng tra

Điện dẫn phản kháng trên đường dây: B = b0 l [1/W]

2.2.2 Máy biến áp

2.2.2.1 Tổng trở và tổng dẫn của MBA 2 dây quấn

a) Sơ đồ thay thế của MBA 2 dây quấn

Trong lưới điện gồm nhiều cấp điện áp, các cấp điện áp được liên hệ với nhau qua các MBA vì vậy số lượng MBA trong lưới điện khá lớn

Hình 2.4 Sơ đồ thay thế của máy biến áp hai dây quấn

Sơ đồ thay thế của MBA, sau khi đã quy về sơ cấp (hình 2.4)

Trong đó: R1, X1 là điện trở và cảm kháng của cuộn sơ cấp; R'1, X'2 là điện trở cảm kháng của cuộn thứ cấp đã quy đổi về bên sơ cấp; BB, GB là điện dẫn phản kháng và điện dẫn tác dụng của MBA; I0 là dòng điện từ hoá

Nếu ta bỏ qua không xét tới dòng điện không tải chạy trong cuộn sơ cấp thì sơ đồ đơn giản hơn với RB = R1 + R'2 và XB = X1+ X'2

DPFe và DQFe không đổi và bằng lúc không tải nên có thể thay tổng dẫn của MBA bằng công suất không tải: DSFe = DPFe + jDQFe

b) Tham số của MBA hai dây quấn

Thường với MBA nhà chế tạo cho ta 4 tham số: DPcu Tổn thất công suất ở dây đồng khi MBA làm việc định mức (Pcu đồng thời cũng bằng DPN khi làm thí nghiệm ngắn mạch tức là khi IN = Idm); UN% là số phần trăm của điện áp ngắn mạch so với điện áp định mức U % = U N 100

; i % là số phần trăm của dòng điện không tải I (dòng

điện gây từ) so với dòng điện định mức Iđm ikt% = i0% = 0 100

dm I

I

; DPFe là tổn thất CSTD trong lõi thép

*) Tính điện trở của MBA, R B

Tổn thất đồng trong 3 pha của MBA

DPCu = DPN = 3.I2dm RB ® RB = 2 2 22 2. 2 .2 2

3

dm N dm

dm Cu dm

dm

dm Cu dm

Cu

S

U P S

U P U

I

U P I

U P

dm

N U

U

3/

dm

B dm U

Z I

3/

dm

B dm U

X I

Do XB lớn hơn rất nhiều RB có thể bỏ qua RB nên:

XB =

100.I

dm dm N

U.100.I

3

U.U

%

U

=

100.S

Nếu: Udm - kV; Sdm - kVA thì: XB =

dm

2 dm N

*) Tính điện dẫn tác dụng của MBA, G B

Biểu thức xác định tổn thất CSTD không tải là:

dm

0

U

PD

dm

0

U

PD.10.3 êëéWúûù

1 (2.11)

*) Tính điện dẫn phản kháng của MBA, B B

Biểu thức xác định tổn thất công suát phản kháng là:

dm

dm

U3

0 100

® i0% =

dm

0 dm

S

IU3

Vì DQ0 lớn hơn rất nhiều DP0 nên gần đúng ta có thể coi S0 bằng DQ0

Vậy: i0% = .100

S

Qdm 0

1