Bài giảng thiết kế hệ thống điện

Trường Đại Học Công Nghiệp Khoa Điện BÀI GIẢNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Giới thiệu Thiết kế hệ thống trình xem xét hệ thống tổng thể lựa chọn phần tử hệ thống cho phần tử đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, vận hành an toàn kinh tế Trong tình vậy, tồn hệ thống có tính kinh tế khơng loại trừ phần tử Các yêu cầu vận hành hệ thống điện xem xét sở phần tử hệ thống Khi thiết kế điện cần nghiên cứu số yếu tố sau:  Dữ liẹu tải: trị số tốc độ phát triển, thiết kế chi tiết thiết bị nhà máy điện  Thiết kế đường dây lưới truyền tải để truyền công suất qua khoảng cách biết trước, thỏa mãn điều kiện kỹ thuật đặc tính yêu cầu  Thiết kế hệ thống phân phối  Nối kết hệ thống  Chọn cấp điện áp, điều khiển hệ thống gồm: Điều khiển điện áp, điều khiển tải tác dụng, tải phản kháng, tổn hao hệ thống  Bù đường dây, nghiên cứu độ tin cậy độ ổn định hệ thống  Phác họa lưới điện kết hợp chúng để có kết tốt  Chọn cấu trúc hệ thống  Thiết kế ảo vệ hệ thống: bảo vệ cố, bảo vệ chống sét Sử dụng máy tính cơng cụ phân tích lưới điện AC để tính tốn chế độ vận hành hệ thống nhà máy đưa chế độ vận hành hiệu Ngoài yếu tố kỹ thuật hệ thống thiết kế lên kế hoạch vận hành cho tin cậy kinh tế 1.2 Chọn cơng suất vị trí nhà máy điện 1.2.1 Công suất tổ máy phát điện Trong nhiệm vụ thiết kế, phải chọn số lượng công suất tổ máy phát điện cần ý đặc điểm sau: - Máy phát điện có cơng suất lớn vốn đầu tư, tiêu hao nhiên liệu để sản xuất đơn vị điện chi phí vận hành hàng năm nhỏ - Để thuận tiện cho việc xây dựng vận hành sau nên chọn tổ máy phát điện loại - Chịn điện áp định mức máy phát lớn dịng điện định mức, dịng ngắn mạch cấp điện áp nhỏ dễ dàng cho việc chọn khí cụ điện lớn Do vậy, ngày có xu hướng tăng cơng suất tổ máy để phù hợp với hệ thống điện lớn Công suất tổ máy phát điện lớn làm giảm giá thành đơn vị công suất phát Giáo Trình Thiết Kế Hẻ Thống Diện - 37- Trường Đại Học Công Nghiệp Thiết kế Hệ thống điện hiệu suất nhà máy tăng lên Trong hệ thống điện có tổn thất cơng suất lớn thiết kế công suất tổ máy lớn không 5% tải đỉnh hệ thống 1.2.2 Vị trí nhà máy điện Vị trí nhà máy điện phụ thuộc vào nguồn nước, nhiên liệu, đường giao thơng sẵn có chi phí nhà máy nhà máy Các nhà máy lớn khó đặt gần hoăc trung tâm tải Nhà máy nhiệt điện thường đặt gần nơi có nguồn nhiên liệu than, dầu truyền điện xa nhờ đường dây cao áp Điều làm cho hệ thống đường dây cao áp phát triển mạnh.Nhà máy thủy điện đặt nơi có nguồn nước lớn nên xa trung tâm dẫn đến đường dây tải điện lớn 1.3 Chọn đường dây đặc tính kỹ thuật đường dây Khi thiết kế đường dây cần chọn cấp điện áp phù hợp để truyền công suất cần thiết qua khoảng cách cho trước, trì độ sụt áp tổn hao giới hạn cho phép Lựa chọn cỡ dây, khoách pha, sứ linh kiện đường dây phải xem xét trước Các đặc tính vấn đề cần xem xét kỹ việc thiết kế đường dây truyền tải EHV UHV truyền công suất lớn 1.4 Cơng suất vị trí tạm biến áp Vị trí trạm truyền tải, trạm nhận trạm phân phối công suất định công suất phân phối đoạn cho trước, điện áp hệ thống, điện áp rơi độ sụt áp hệ thống Công suất máy biến áp định công suất mạch 1.4.1 Công suất máy biến áp Máy biến áp thiết bị quan trọng Trong hệ thống công suất máy biến áp thường lớn đến lần tổng cơng suất nhà máy phát điện Vì vậy, vốn đầu tư cho máy biến áp không nhỏ Người ta mong muốn chọn số lượng máy biến áp công suất nhỏ đảm bảo an toàn cung cấp điện cho hộ tiêu thụ Chọn mkáy biến áp nhà máy điện tạm biến áp chọn loại, số lượng, công suất định mức hệ số máy biến áp 1.4.2 Vị trí trạm Khi chọn vị trí trạm cần xem xét điểm sau: - Càng gần vị trí trung tâm phụ tải tốt - Đặt vị trí cho tải tiềm tương lai đưa đến thuận lợi không phụ thuộc vào độ sụt áp - Tiếp cận dễ dàng với đường dây truyền đến đường dây phân phối - Cho phép mở rộng - Giá đất xây dựng trạm hợp lý - Tải trạm giới hạn cho có khu vực lớn hay số hộ tiêu thụ không bị ảnh hưởng cắt điện trạm Vị trí trạm nhà, ngồi trời ngầm đất Các trạm ngầm thuộc thành phố lớn, đơng đúc khơng gian có hạn Các trạm nhà cần phải xây dựng nhà trạm Các trạm trời phổ biến Các thiết bị bố trí ngồi trời chịu tgời tiết xấu Ưu điểm trạm trời chi phí thiết bị rẻ trạm nhà Tuy nhiên điều kiện kiểm tra bảo trì trạm trời phải tốt trạm nhà 1.4.3 Các thiết bị trạm Giáo Trình Thiết Kế Hệ Thống Điện -38- Trường Đại Học Công Nghiệp Thiết kế Hệ thống điện - Đường dây đến: đường dây cung cấp điện cho trạm lấy lượng từ nhà máy điện hay từ đường dây cao áp - Thiết bị đóng cắt cách ly: Cách ly đường dây sửa chữa, bảo trì hay kiểm tra thiết bị cần thiết Dao cách lý khóa liên động với máy cắt để ngăn hoạt động có tải Dao cách lý vận hành tay từ mặt đất - Thanh trời làm ống nhôm hay đồng rỗng ruột Đôi sử dụng đọan dây dẫn mềm - Máy cắt nén khí hay máy cắt dầu Các máy cắt máy cắt pha kết nối khí hoạt động đồng thời cuộn dây từ tính mạch điều khiển điện áp DC 115V hay 230V Trong số trường hợp máy cắt ba pha sử dụng cho cấp điện áp thấp - Máy biến áp ba máy biến áp pha máy biến áp ba pha phụ thuộc vào công suất yêu cầu trạm Máy biến áp làm mát dầu khơng khí Sử dụng máy biến áp hai hay ba cuộn dây tùy thuộc vào yêu cầu - Máy biến áp nối đất tự dùng: Máy biến áp có cuộn nối nối vào pha có cuộn thứ bag dành cho thiết bị tự dùng trạm Trung tính cao áp hay hạ áp nối đất Máy biến áp nối để tạo điểm nối đất hệ thống - Các máy biến áp BU, BI (hay TU, TI): dùng để đo lường bảo vệ rơ le - Đường dây ra: sau hạ áp đến điện áp yêu cầu, đường dây khỏi trạm Với trạm nhà việc đóng cắt qua thiết bị đóng cắt cao áp hạ áp, đường vào phải đường dây cáp - Phịng điều khiển: Có bảng thiết bị điều khiển mảng hoạt động khác - Bộ chống sét: Bảo vệ thiết bị điện khỏi ảnh hưởng nguy hiểm từ xung bất thường hệ thống dòng sét 1.5 Liên kết hệ thống điện Nối liên kết nhà máy tạo nhiều ưu điểm Nối liên kết hai hay nhiều nhà máy điện giảm công suất phát yêu cầu so với công suất yêu cầu không liên kết Các ưu điểm mày vận dụng tốt toàn hệ thống nối kết đặc biệt đỉnh tải hệ thống xảy vào thời điểm khác Những ưu điểm củ việc nối liên kết hệ thống: - Tiết kiệm công suất dự trữ - Trao đổi điện hệ thống hệ thống khác có thay đổi yêu cầu tải vùng tương ứng, làm cho việc truyền tải điện kinh tế - Tận dụng tốt điều kiện nguồn tài nguyên có sẵn hệ thống nối kết - Nối kết hệ thống đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho hộ tiêu thụ nhiều Trong trường hợp cố hay kết nối hệ thống, cơng suất cung cấp từ hệ thống kết nối khác Khi quy hoạch thiết kế hệ thống điện cần nghiên cứu hiệu việc kết nối hệ thống như: chọn cấp điện áp liên kết, truyền tải kinh tế, khoản cách liên kết, điều khiển điện áp, ổn định hệ thống, độ tin cậy 1.6 Sử dụng máy tính cơng cụ phân tích lưới AC Tính tốn vận hành hệ thống với tải việc kết nối phần tử hệ thống cho trước, phân tích cho tiết tính tốn nhanh chóng sử dụng máy tính cơng cụ phân tích lưới AC Các cơng cụ giúp tải vận hành hệ thống điều kiện hoạt động với loại thiết bị hệ thống Giáo Trình Thiết Kế Hệ Thống Điện -38- Trường Đại Học Công Nghiệp Thiết kế Hệ thống điện Với thiết bị công cụ điều khiển hệ thống trợ giúp tính tốn nhanh, hệ thống vận hành với ưu điểm tốt hoạt động tốt đến tồn kinh tế CHƯƠNG ĐẶC TÍNH PHỤ TẢI 2.1 Phân tích phụ tải Phụ tải điện số liệu ban đầu để giải vấn đề tổng hợp, kinh tế, kỹ thuật phức tạp thiết kế mạng điện Xác định phụ tải điện giai đoạn thiết kế hệ thống nhằm mục đích vạch sơ đồ, lựa chọn kiểm tra phần tử mạng điện như: máy phát, đường dây, máy biến áp tiêu kinh tế kỹ thuật Có loại phụ tải điện: - Phụ tải điện loại I: phụ tải ngừng cấp điện ảnh hưởng đến tính mạng người, thiệt hại kinh tế lớn ảnh hưởng đến an ninh quốc gia - Phụ tải điện loại II: phụ tải phụ tải quan trọng, điện gây thiệt hại kinh tế, hao hụt sản phẩm - Phụ tải điện loại III: Là phụ tải điện không gây hậu nghiêm trọng Đường biểu diễn đại lượng điện công suất, lượng biến thiên theo thời gian gọi đồ thị phụ tải Theo đại lượng có: đồ thị phụ tải cơng suất tác dụng P(t), đồ thị phụ tải công suất phản kháng Q(t), đồ thị công suất biểu kiến S(t) Hoặc theo thời gian đo lượng có đị thị phụ tải ngày, đồ thị phụ tải tuần, đồ thị phụ tải tháng, đồ thị phụ tải mùa đồ thị phụ tải năm 2.2 Các đại lượng hệ số tính tốn thường gặp 2.2.1 Cơng suất định mức Công suất định mức thiết bị thường nhà chế tạo ghi catalog máy Đối với máy phát máy biến áp cơng suất biểu kiến đầu ra, tính kVA Đối với động cơng suất đầu trục, tính kW Biểu thức liên hệ công suất định mức động công suất điện động tiêu thụ từ lưới (thường gọi công suất đặt): Pđặt = Pđm.ηđm đó: Pđặt – cơng suất đầu vào động cơ, kW; Pđm – Công suất định mức động cơ, tra theo catalog, kW; ηđm – Hiệu suất định mức động 2.2.2 Phụ tải trung bình Ptb Phụ tải trung bình đặc trưng phụ tải thời gian định Tổng phụ tải trung bình thiết bị đánh giá giới hạn phụ tải tính tốn Cơng thứ tính phụ tải trung bình là: Ptb = W/t Với W điện tiêu thụ thời gian khảo sát t (h) Đối với nhóm thiết bị phụ tải trung bình nhóm thiết bị tính sau: Từ giá trị phụ tải trung bình tính phụ tải tính tốn, tính tổn thất điện Phụ tải trung bình xác định ứng với ca làm việc, tháng năm 2.2.3 Phụ tải cực đại Pmax Giáo Trình Thiết Kế Hệ Thống Điện -38- Trường Đại Học Công Nghiệp Thiết kế Hệ thống điện Phụ tải cực đại chia làm nhóm: a, Phụ tải cực đại Pmax: Là phụ tải trung bình lớn tính khoảng thời gian tương đối ngắn Thời gian tính 5-10 20 phút tương ứng với ca làm việc có phụ tải lớn ngày Phụ tải ực đại dùng phụ tải tính tốn Phụ tải cực đại dùng để tính tổn thất cơng suất lớn nhất, để chọn thiết bị điện, chọn dây dẫn b, Phụ tải đỉnh nhọn Pđn Là phụ tải xuất khoảng (1-2) s Phụ tải cực đại dùng để kiểm tra điều kiện tự khởi động động cơ, dùng để kiểm tra thiết bị bảo vệ cực đại Phụ tải đỉnh nhọn dùng để kiểm tra khởi động động 2.2.4 Phụ tải tính tốn Là yếu tố để chọn thiết bị hệ thống cung cấp điện Nó phụ tải giả định khơng đổi tương đương với phụ tải thực tế Khi chọn phụ tải tính tốn phải đảm bảo độ an tồn cần thiết Có nhiều phương pháp để xác định phụ tải tính tốn Do phát nhiệt thường khoảng 30 phút nên lấy trị số trung bình phụ tải lớn khoảng thời gian 30 phút (gọi phụ tải nửa giờ) để làm phụ tải tính tốn  Hệ số sử dụng ksd: tỷ số nhu cầu sử dụng công suất cực đại công suất định mức Công suất định mức hệ thống chọn theo trị số nhỏ cơng suất tính theo điều kiện phát nóng điều kiện sụt áp  Hệ số phụ tải kpt: lề tỷ số giữa cơng suất tải trung bình với công suất tải cực đại khoảng thời gian khảo sát Trong T ngày, tuần, tháng năm  Hệ số cực đại kmax: Là tỷ số phụ tải tính tốn phụ tải trung bình khoảng thời gian xét Hệ số cực đại tính với ca làm việc có phụ tải lớn Hệ số cực đại phụ thuộc vào số thiết bị sử dụng lượng hiệu hệ số sử dụng Số thiết bị sử dụng lượng hiệu số giả định coi toàn thiết bị có cơng suất khác tương đương với n hq thiết bị có cơng suất Hệ số nhu cầu: 2.3 Các phương pháp xác định phụ tải tính tốn 2.3.1 Xác định phụ tải tính tốn theo công suất đặt hệ số nhu cầu Công thức tính: Giáo Trình Thiết Kế Hệ Thống Điện -38- Trường Đại Học Công Nghiệp Thiết kế Hệ thống điện Vì hiệu suất phụ tải lớn nên gần lấy: đó: Hệ số công suất cosφtb xác định sau: Ưu điểm phương pháp: Đơn giản, thuận tiện nên phương pháp dễ dàng áp dụng áp dụng nhiều Nhược điểm: Độ xác khơng cao hệ số k sd lấy sổ tay nhóm phụ tải tương tự chưa tính đến điều kiện vận hành cụ thể nhóm thiết bị tính tốn 2.3.2 Xác định phụ tải tính tốn theo cơng suất phụ tải đơn vị diện tích Cơng thức tính tốn: đó: P0 – suất tiêu thụ điện đơn vị diện tích, kW/m2; F – diện tích sử dụng, m2 Giá trị P0 tra theo sổ tay loại phụ tải Giá trị xác định theo theo kinh nghiệm thực nghiệm Phương pháp cho kết gần dùng thiết kế sơ sử dụng phân xưởng có mật độ máy móc đồng 2.3.3 Xác định phụ tải tính tốn theo suất tiêu thụ điện cho đơn vị sản phẩm Cơng thức tính tốn: Trong đó: M – số sản phầm sản xuất năm (sản lượng); w0 – suất tiêu thụ điện cho đơn vị sản phẩm; Tmax – Thời gian sử dụng công suất cực đại, h Ưu điểm: Cho kết tính tương đối xác Nhược điểm: Chí giới hạn sử dụng cho số thiết bị Phương pháp sử dụng cho thiết bị có đồ thị phụ tải thay đổi bơm nước, quạt gió, máy nén khí 2.3.4 Xác định phụ tải theo hệ số cực đại kmax công suất định mức Pđm Khi khơng có số liệu cụ thể để áp dụng phương pháp đơn giản cần nâng cao độ xác phụ tải tính tốn tính tốn theo hệ số cực đại đó: Pđm – cơng suất định mức phụ tải; Giáo Trình Thiết Kế Hệ Thống Điện -38- Trường Đại Học Công Nghiệp Thiết kế Hệ thống điện ksd, kmax – hệ số sử dụng hệ số cực đại Ưu điểm: Có độ xác cao xác định xác định số thiết bị sử dụng lượng hiệu xét đến loạt yếu tố như: ảnh hưởng lẫn thiết bị nhóm, thiết bị có cơng suất lớn nhất, số thiết bị khác chế độ làm việc Trong số trường hợp cụ thể tính: Khi n < nhq ≤ Đối với thiết bị làm việc theo chế độ ngắn hạn lặp lại thì: Trường hợp n >3 nhq