Giáo trình cung cấp điện Chương 2 Xác định nhu cầu điện

Phụ tải tính toán được sử dụng để lựa chọn các thiết bị như: công suất, số lượng máy biến áp; chủng loại, tiết diện dây dẫn; các thiết bị đóng cắt, bảo vệ…, để tính các tổn thất công suấ

Chương II

XÁC ĐỊNH NHU CẦU ĐIỆN

2.1 Khái niệm chung

Khi thiết kế cung cấp điện cho một công trình thì nhiệm vụ đầu tiên là phải xác định được nhu cầu điện của công trình đó Tùy theo quy mô của công trình mà nhu cầu điện phải được xác định theo phụ tải thực tế và có tính đến sự phát triển của phụ tải sau 5 năm, 10 năm hoặc lâu hơn nữa Do đó xác định nhu cầu điện là giải bài toán dự báo phụ tải ngắn hạn hoặc dài hạn

Dự báo phụ tải ngắn hạn là xác định phụ tải của công trình ngay sau khi công trình

đi vào vận hành Phụ tải này thường được gọi là phụ tải tính toán Phụ tải tính toán được

sử dụng để lựa chọn các thiết bị như: công suất, số lượng máy biến áp; chủng loại, tiết diện dây dẫn; các thiết bị đóng cắt, bảo vệ…, để tính các tổn thất công suất, tổn thất điện

áp, tính toán chọn dung lượng bù

Như vậy phụ tải tính toán là một số liệu quan trọng để thiết kế cung cấp điện Các phương pháp xác định phụ tải tính toán được chia làm hai nhóm chính:

* Nhóm thứ nhất: Các phương pháp của nhóm này sử dụng các hệ số tính toán dựa vào kinh nghiệm thiết kế và vận hành Đặc điểm của các phương pháp thuộc nhóm này là thuận tiện trong tính toán nhưng chỉ cho kết quả gần đúng Các phương pháp chính của nhóm:

♦ Phương pháp suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm

♦ Phương pháp công suất đặt và hệ số nhu cầu

♦ Phương pháp suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản suất

* Nhóm thứ hai: Các phương pháp của nhóm này sử dụng các hệ số tính toán dựa trên cơ sở của lý thuyết xác suất và thống kê Đặc điểm của các phương pháp thuộc nhóm này là có xét đến ảnh hưởng của nhiều yếu tố, do vậy sẽ cho kết quả chính xác nhưng tính toán phức tạp Các phương pháp chính của nhóm:

♦ Phương pháp công suất trung bình và hệ số hình dáng

♦ Phương pháp công suất trung bình và phương sai của phụ tải

♦ Phương pháp số thiết bị hiệu quả

Trong thực tế tuỳ theo yêu cầu cụ thể để chọn phương pháp tính toán thích hợp 2.2 Đồ thị phụ tải

1 Định nghĩa

Đồ thị phụ tải là đường biểu diễn mối quan hệ của phụ tải điện theo thời gian và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đặc điểm của quá trình công nghệ, chế độ vận hành v.v Ứng với mỗi loại phụ tải của một ngành công nghiệp đều có thể đưa ra một dạng đồ thị phụ tải điển hình

2 Phân loại:

Theo công suất và dòng điện, đồ thị phụ tải gồm có:

♦ Đồ thị phụ tải công suất tác dụng: P = f (t)

♦ Đồ thị phụ tải công suất phản kháng Q = g(t)

♦ Đồ thị phụ tải công suất biểu kiến S = h(t)

♦ Đồ thị phụ tải theo dòng điện I = j(t)

Theo hình dạng, đồ thị phụ tải gồm có:

♦ Đồ thị phụ tải thực tế: dạng đồ thị này phản ánh sự thay đổi theo thực tế của công suất theo thời gian (hình 2.1)

♦ Đồ thị nấc thang: Đồ thị này được quy đổi từ dạng đồ thị phụ tải thực tế về dạng nấc thang (hình 2.2)

Hình 2.1 Đồ thị phụ tải ngày dạng thực tế Hình 2.2 Đồ thị phụ tải ngày dạng nấc

thang

♣ Phương pháp xây dựng đồ thị phụ tải hàng ngày

Phụ tải điện chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố, phụ thuộc vào tính chất, đặc điểm của các hộ dùng điện, các tham số của hệ thống điện, các đặc điểm kinh tế xã hội của các vùng cung cấp điện vv Để xây dựng đồ thị phụ tải hàng ngày thời gian tiến hành khảo sát là 24 giờ và tiến hành lấy số liệu trong n ngày liên tục để đảm bảo độ tin cậy Việc lấy số liệu có thể áp dụng các phương pháp đo đếm từ xa, phương pháp dùng thiết

bị tự ghi hoặc phương pháp đo đếm trực tiếp

♣ Phương pháp xây dựng đồ thị phụ tải hàng tháng

Đồ thị phụ tải hàng tháng được xây dựng theo phụ tải trung bình hàng tháng từ đồ thị này ta biết được nhịp độ làm việc của các hộ tiêu thụ để từ đó có thể đưa ra lịch bảo trì sửa chữa thiết bị điện hợp lý (hình 2.3)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

t(thamng) P(KW)

Hình 2.3 Đồ thị phụ tải hàng tháng

♣ Phương pháp xây dựng đồ thị phụ tải hàng năm

Đồ thị phụ tải hàng năm được xây dựng dựa trên cơ sở đồ thị phụ tải điển hình ngày, đêm mùa hè và mùa đông (hình 2.4) Tùy theo đặc điểm từng vùng ta chọn số ngày mùa đông và mùa hè thích hợp ( đối với vùng đồng bằng Bắc bộ thường lấy mùa đông là

190 ngày và mùa hè là 175 ngày )

Hình 2.4 Đồ thị phụ tải hàng năm (a) đồ thị phụ tải điển hình của một ngày mùa đông

(b) đồ thị phụ tải điển hình của một ngày mùa hè

(c) đồ thị phụ tải hàng năm

Ở hình 2.4(a): thời gian ứng với phụ tải P2 là: t2đ + t’ 2đ

Ở hình 2.4(b): thời gian ứng với phụ tải P2 là: t2h

Vậy trong một năm mức phụ tải P2 tồn tại trong khoảng thời gian là:

T2 = (t2đ + t’ 2đ).190 + t2h.175 Tương tự trong một năm mức phụ tải P1 tồn tại trong khoảng thời gian là:

T1 = t2đ.190 + t2h.175

Đồ thị phụ tải hàng năm được dùng để chọn dung lượng máy biến áp, chọn thiết bị điện, đánh giá mức độ sử dụng điện và tiêu hao điện năng

2.3 Các đại lượng cơ bản và hệ số tính toán

2.3.1 Các đại lượng cơ bản

1 Công suất định mức Pđm

Công suất định mức Pđm ( đôi khi còn gọi là công suất danh định ) của thiết bị điện

là công suất ghi trên nhãn máy hoặc ghi trong lý lịch máy Đối với động cơ điện, công suất định mức ghi trên nhãn hiệu máy chính là công suất cơ trên trục cơ

Đối với các thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lập lại như cần trục, thang máy, máy biến áp hàn thì công suất định mức phải quy về chế độ làm việc dài hạn với hệ số tiếp điện định mức εđm.

♦ Đối với động cơ điện: Pđm' = Pđm εđm (2.3.1)

♦ Đối với máy biến áp hàn Sđm' = Sđm εđm (2.3.2)

Công suất định mức của một nhóm thiết bị 3 pha:

∑

=

i

đmi

đm P

P

1

=

i đmi

đm Q Q

1

;

đm

đm đm đm

U

Q P I

3

2

2 +

Trường hợp trong mạng có thiết bị điện một pha: ta phân phối thiết bị đó lên 3 pha sao cho mức độ không cân bằng giữa các pha là ít nhất

a) Nếu tại điểm cung cấp ( tủ phân phối, đường dây chính v.v…) phần công suất không cân bằng bé hơn 15% tổng công suất tại điểm đó thì các thiết bị một pha được coi như thiết bị ba pha có công suất tương đương

=

phaj đm phai

đm pha

b) Nếu phần công suất không cân bằng lớn hơn 15% tổng công suất các thiết bị tại điểm xét, thì phụ tải tính toán quy đổi về ba pha của các thiết bị như sau:

♦ Trường hợp thiết bị một pha nối vào điện áp pha của mạng:

=

i

pha đm phai đm pha

Ở đây Pđm1 pha(max) là tổng công suất định mức các thiết bị một pha của pha mang tải lớn nhất

♦ Trường hợp trong mạng có các thiết bị một pha nối vào điện áp pha và thiết bị một pha nối vào điện áp dây, thì ta phải quy đổi các thiết bị nối vào điện áp dây thành thiết bị nối vào điện áp pha ( các hệ số quy đổi cho ở bảng 3.1 )

Bảng 3.1

Hệ số công suất của phụ tải

c ac p b bc

p

a

ab

a ac p c bc

p

b

ab

c ac q b bc

q

a

ab

a ac q c bc

q

b

ab

- Công suất quy đổi về pha a:

) ( 1 ) ( 1 )

( 1 )

(a ( ) đmphaab ( ) đm phaac đm phaa

đm p ab a P p ac a P P

) ( 1 ) ( 1 )

( 1 )

(a ( ) đm phaab ( ) đm phaac đm phaa

đm q ab a Q q ac a Q Q

- Công suất quy đổi về pha b:

) ( 1 ) ( 1 )

( 1 )

(b ( ) đm phaba ( ) đmphabc đmphab

đm p ba b P p bc b P P

) ( 1 ) ( 1 )

( 1 )

(b ( ) đm phaba ( ) đm phabc đm phab

đm q ba b Q q bc b Q Q

- Công suất quy đổi về pha c:

) 1 ) ( 1 )

( 1 ) ( ) đm phaca ( ) đm phacb đm phac

c

đm p ca c P p cb b P P

) 1 ) ( 1 )

( 1 ) ( ) đm phaca ( ) đm phacb đm phac

c

đm q ca c Q q cb b Q Q

- Công suất định mức của pha mang tải lớn nhất:

] , ,

(max)

1 pha đm a đm b đm c

] , ,

(max)

1 pha đm a đm b đm c

2 Công suất đặt Pđặt

Công suất đặt Pđặt là tổng công suất định mức của một tổ hợp thiết bị hoặc của một điểm tải, được xác định theo biểu thức:

i

đmi đăt

P P

η

∑

Trong đó: Pđặt , Pđmi là công suất đặt và công suất định mức của thiết bị thứ i.

i

η là hệ số hiệu dụng của thiết bị thứ i.

Trong thực tế đa số các thiết bị có η khá lớn nên có thể coi nó xấp xỉ bằng 1 Do đó

để thuận tiện trong tính toán có thể xem Pđặt ≈ P ứng với mỗi thiết bị và đối với nhóm thiết bị đm

đm

đăt P

3 Công suất trung bình Ptb

Công suất tiêu thụ trung bình trong một khoảng thời gian bất kỳ T được xác định bằng biểu thức sau:

T

dt t P P

t

tb

∫

= 0

) (

;

T

dt t Q Q

t

tb

∫

= 0

) (

(2.3.7)

Trên thực tế phụ tải trung bình được tính theo công thức:

T

A

tb = ;

T A

Trong đó AP(kWh), AQ(kVARh) là điện năng tác dụng và điện năng phản kháng tiêu thụ trong khoảng thời gian khảo sát T(h)

Đối với nhóm thiết bị công suất trung bình được xác định theo biểu thức:

∑

=

i tbi

tb P P

1

=

i tbi

tb Q Q

1

Công suất tiêu thụ trung bình đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích chế độ, xác định phụ tải tính toán và tiêu hao điện năng

Phụ tải trung bình theo dòng điện được xác định bằng biểu thức:

U

Q P

3

2

2 +

=

(2.3.10)

Trong đó U là điện áp của mạng điện

4 Công suất cực đại Pmax

Công suất cực đại Pmax là công suất lớn nhất xuất hiện trong khoảng thời gian xét Phân biệt hai loại công suất cực đại:

♦ Công suất cực đại dài hạn ( hay còn gọi là công suất cực đại ổn định ) là công suất tiêu thụ trung bình lớn nhất, thường được tính trong khoảng thời gian 30 phút Đây

là công suất được dùng để tính tổn thất công suất cực đại và để chọn các thiết bị điện, dây dẫn và cáp theo mật độ dòng điện kinh tế

♦ Công suất cực đại ngắn hạn ( hay còn gọi là công suất cực đại đỉnh nhọn ) là công suất cực đại xuất hiện trong khoảng thời gian ngắn từ 1-2 giây ( ví dụ như khi khởi động động cơ ) Người ta căn cứ vào giá trị cực đại này để kiểm tra dao động điện áp, điều kiện tự khởi động động cơ, chọn dây chảy và tính dòng điện khởi động của rơle bảo

vệ Ngoài ra người ta còn quan tâm đến số lần xuất hiện của phụ tải này, nếu tần số xuất hiện càng lớn thì thì mức độ ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường của các thiết bị điện khác ở trong cùng một mạng điện càng cao

5 Công suất trung bình bình phương Ptbbp

Công suất trung bình bình phương được sử dụng để tính tổn thất và được xác định theo biểu thức sau:

∫

=

t tbbp P t dt T

P

0

2 ( )

t tbbp Q t dt T

Q

0

2 ( )

(2.3.11)

Trong đó T là thời gian khảo sát

Tổn thất công suất trung bình và tổn thất điện năng được tính theo biểu thức sau:

R U

Q P

Ptb tbbp 2 tbbp

2

2 +

=

(2.3.12)

T P

A = ∆ tb.

(2.3.13)

5 Công suất tính toán Ptt

Công suất tính toán là công suất giả định lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải thực tế biến đổi theo điều kiện tác dụng nhiệt lớn nhất Các thiết bị điện được chọn theo công suất này sẽ đảm bảo an toàn trong mọi trạng thái vận hành Ptt có giá trị trong khoảng:

max

P P

Ptb ≤ tt ≤ (2.3.14)

Trong tính toán thường lấy Ptt = Pmax Vì vậy có thể coi công suất tính toán là công suất cực đại

Phụ tải tính toán Ptt được lấy bằng phụ tải trung bình cực đại xuất hiện trong thời gian nửa giờ ( bằng 3 lần giá trị T0 - hằng số thời gian đốt nóng của dây dẫn thông dụng )

vì sau khoảng thời gian này trị số phát nóng đạt đến 95% giá trị xác lập (T0 đối với dây dẫn loại này dao động trong phạm vi 10 phút )

6 Thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax

Là khoảng thời gian mà nếu trong thời gian này ( Tmax) công suất tiệu thụ luôn là

Pmax thì điện năng tiêu thụ đúng bằng điện năng tiêu thụ thực tế ứng với công suất thay đổi

max max

max

P

A P

t P

(2.3.15)

2.3.2 Các hệ số tính toán

Trong nghiên cứu tính toán phụ tải, các hệ số giữ một vai trò quan trọng Giữa các đại lượng cơ bản có mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau thông qua các hệ số Thông qua các

hệ số tính toán ta dễ dàng xác định được đại lượng này khi đã biết đại lượng kia

1 Hệ số sử dụng ksd

Hệ số sử dụng của thiết bị điện được xác định bởi tỷ số giữa công suất tiêu thụ trung bình và công suất định mức của thiết bị trong một khoảng thời gian xét ( giờ, ca, ngày hoặc đêm, năm v.v…) Thời gian xét này được gọi là chu kỳ khảo sát T

♦ Đối với một thiết bị:

đm

tb sd

P

P

(2.3.15)

♦ Đối với một nhóm thiết bị:

∑

∑

=

=

i đmi

n

i đmi sdi sd

P

P k K

1 1

(2.3.16)

Hệ số sử dụng nói lên mức độ sử dụng, hay mức độ khai thác công suất của thiết

bị điện trong khoảng thời gian xét

2 Hệ số đóng điện kđ

Hệ số đóng điện biểu thị mức độ đóng điện vào lưới của các thiết bị điện trong khoảng thời gian xét Đó là tỷ số giữa thời gian đóng điện trên tổng thời gian của chu kỳ xét tck

Thời gian đóng điện tđtrong một chu kỳ xét là tổng thời gian làm việc tlv với thời gian chạy không tải tkt

ck

kt lv ck

đ đ

t

t t t

t

=

=

(2.3.17)

Hệ số đóng điện của một nhóm thiết bị:

∑

∑

=

=

i đmi

n

i đmi đi đ

P

P k K

1 1

(2.3.18)

Hệ số kđ phụ thuộc vào quy trình công nghệ

3 Hệ số phụ tải kpt

Hệ số phụ tải còn gọi là hệ số mang tải, biểu thị mức độ mang tải của thiết bị khi làm việc, được xác định bởi tỷ số giữa công suất tiêu thụ trung bình trong thời gian đóng điện Ptb.đ với công suất định mức

đ sd đ đm

ck tb đ đm đ đm

đ đ tb đm

đ tb pt

k

k t P

t P t P

A t

P

t P P

P

.

.

.

.

.

(2.3.19)

Trong đó: điện năng A = Ptb.đ tđ = Ptb tck

Hệ số phụ tải của một nhóm thiết bị:

đ

sd pt

K

K

(2.3.20)

4 Hệ số cực đại kmax≥ 1

Hệ số cực đại được xác định bởi tỷ số giữa công suất tính toán trên công suất trung bình trong khoảng thời gian xem xét, thường được tính với ca mang tải lớn nhất

tb

tt

P

P

(2.3.21)

Hệ số kmax phụ thuộc chủ yếu vào số thiết bị hiệu quả nhq, hệ số sử dụng ksd

Trong các sổ tay thiết kế hệ số kmax được tra theo đường cong kmax = f ( ksd, nhq)như

ở hình (2.5) hoặc dưới dạng bảng biểu ( bảng 3.2 )

Hình 2.5 Quan hệ kmax = f ( ksd, nhq)

Bảng 3.2 Hệ số kmax tính theo ksd và nhq

sd

k

hq

n

4 3,43 3,11 2,64 2,14 1,87 1,65 1,46 1,29 1,14 1,05

5 3,23 2,87 2,42 2,00 1,76 1,57 1,41 1,26 1,12 1,04

6 3,04 2,4 2,24 1,88 1,66 1,51 1,37 1,23 1,10 1,04

7 2,88 2,48 2,10 1,80 1,58 1,45 1,33 1,21 1,09 1,04

8 2,72 2,34 1,99 1,72 1,52 1,40 1,30 1,20 1,08 1,04

9 2,56 2,20 1,90 1,65 1,47 1,37 1,28 1,18 1,08 1,03

10 2,42 2,10 1,84 1,60 1,36 1,34 1,26 1,16 1,07 1,03

12 2,10 1,85 1,67 1,45 1,28 1,25 1,20 1,13 1,17 1,03

16 1,99 1,77 1,61 1,41 1,26 1,23 1,18 1,12 1,07 1,03

18 1,91 1,70 1,55 1,37 1,24 1,21 1,16 1,11 1,06 1,03

20 1,84 1,65 1,50 1,34 1,21 1,20 1,15 1,11 1,06 1,03

25 1,71 1,55 1,40 1,28 1,19 1,17 1,14 1,10 1,06 1,03

30 1,62 1,46 1,34 1,24 1,17 1,16 1,13 1,10 1,05 1,03

35 1,56 1,41 1,30 1,21 1,15 1,15 1,12 1,09 1,05 1,02

40 1,50 1,37 1,27 1,19 1,14 1,13 1,12 1,09 1,05 1,02

45 1,45 1,33 1,25 1,17 1,13 1,12 1,11 1,08 1,04 1,02

50 1,40 1,30 1,23 1,16 1,12 1,11 1,10 1,08 1,04 1,02

60 1,32 1,25 1,19 1,14 1,10 1,11 1,09 1,07 1,03 1,02

70 1,27 1,22 1,17 1,12 1,10 1,10 1,09 1,06 1,03 1,02

80 1,25 1,20 1,15 1,11 1,09 1,10 1,08 1,06 1,03 1,02

90 1,23 1,18 1,13 1,10 1,08 1,09 1,08 1,05 1,02 1,02

100 1,21 1,17 1,12 1,10 1,07 1,08 1,07 1,05 1,02 1,02

120 1,19 1,16 1,12 1,09 1,06 1,07 1,07 1,05 1,02 1,02

140 1,17 1,15 1,11 1,08 1,05 1,06 1,06 1,05 1,02 1,02

160 1,16 1,13 1,10 1,08 1,05 1,05 1,05 1,04 1,02 1,02

180 1,16 1,12 1,10 1,08 1,05 1,05 1,05 1,04 1,01 1,01

200 1,15 1,12 1,09 1,07 1,05 1,05 1,05 1,04 1,01 1,01

220 1,14 1,12 1,08 1,07 1,05 1,05 1,05 1,04 1,01 1,01

240 1,14 1,11 1,08 1,07 1,05 1,05 1,05 1,03 1,01 1,01

260 1,13 1,11 1,08 1,06 1,05 1,05 1,05 1,03 1,01 1,01

280 1,13 1,10 1,08 1,06 1,05 1,05 1,05 1,03 1,01 1,01

300 1,12 1,10 1,07 1,06 1,04 1,03 1,03 1,03 1,10 1,01

5 Số thiết bị hiệu quả nhq

Trong tính toán ta thường gặp các nhóm thiết bị có công suất định mức và chế độ làm việc khác nhau, điều đó làm phức tạp bài toán Để đơn giản hóa phương pháp tính cần phải giả thiết nhóm thiết bị đồng nhất ( công suất và chế độ làm việc của các thiết bị điện tương đương nhau )

Số thiết bị hiệu quả nhq của một nhóm n thiết bị thực tế có công suất định mức và chế độ làm việc khác nhau chính là một số quy đổi gồm có nhq thiết bị có công suất và chế độ làm việc như nhau tạo nên phụ tải tính toán bằng với phụ tải tính toán của nhóm thiết bị thực tế

♦ Khi số thiết bị trong nhóm n ≤ 5:

∑

∑

=

=













i đmi

n

i đmi hq

P

P n

1 2

2

1

(2.3.22)

♦ Khi số thiết bị trong nhóm n > 5: Ta tìm nhq theo bảng tra hoặc đường cong, trình tự tính như sau:

- Phân riêng các thiết bị có công suất lớn mà công suất định mức của mỗi thiết bị ≥ một nửa công suất của thiết bị lớn nhất trong nhóm

2

max

P

Pđmi ≥

- Xác định số lượng thiết bị n1 của nhóm này

- Xác định tổng công suất định mức của nhóm n1 thiết bị: ∑

=

1

1 n

i đmi

P

- Xác định tổng công suất định mức của nhóm n thiết bị: ∑

=

n đmi

P

1