Giáo trình Kỹ thuật lưới điện (Trung cấp) - Trường CĐ Điện lực Miền Bắc

(NB) Nội dung của cuốn giáo trình “Kỹ thuật lưới điện” bao gồm 4 chương, trang bị cho người học các kiến thức về lưới điện như sau: Chương 1: Tổng quan về lưới điện; Chương 2: Tổn thất điện áp trong lưới điện; Chương 3: Tổn thất công suất, điện năng trong lưới điện; Chương 4: Chọn tiết diện dây dẫn trong lưới điện.

TẬP CÔNG TY ĐIỆN LỰC MIỀN BẮC TRƯỜNG CAO ĐẲNG ĐIỆN LỰC MIỀN BẮC GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT LƯỚI ĐIỆN NGHỀ QUẢN LÝ VẬN HÀNH, SỬA CHỮA ĐƯỜNG DÂY VÀ TRẠM BIẾN ÁP CĨ ĐIỆN ÁP 110KV TRỞ XUỐNG TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP (Lưu hành nội bộ) Hà Nội, năm 2020 Tuyên bố quyền: Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI NĨI ĐẦU Mơn học Kỹ thuật lưới điện mơn học người học theo chuyên ngành điện Môn học cung cấp cho người học kiến thức lý thuyết lưới điện, tính tốn tổn thất cơng suất, điện áp, điện tính chọn tiết diện dây dẫn cho lưới điện, điều chỉnh điện áp lưới điện, tiêu kinh tế, kỹ thuật, chất lượng điện trình quản lý vận hành lưới điện Nội dung giáo trình “Kỹ thuật lưới điện” bao gồm chương, trang bị cho người học kiến thức lưới điện sau: Chương 1: Tổng quan lưới điện Chương 2: Tổn thất điện áp lưới điện Chương 3: Tổn thất công suất, điện lưới điện Chương 4: Chọn tiết diện dây dẫn lưới điện Trong trình biên soạn, khơng tránh khỏi thiếu sót, hạn chế mong nhận ý kiến đóng góp, bổ sung độc giả Mọi ý kiến xin gửi về: Khoa điện – Trường Cao đẳng điện lực miền Bắc – Tân Dân - Sóc Sơn – Hà Nội, số điện thoại: 0422177437 Xin trân trọng cảm ơn! Tập thể giảng viên KHOA ĐIỆN MỤC LỤC Lời nói đầu ……………………………………………………………………… Chương 1: Tổng quan lưới điện…………………………………………… Kết cấu, vị trí, nhiệm vụ lưới điện hệ thống điện Điện áp khả truyền tải lưới điện 10 Các thiết bị lưới điện 13 Chương 2: Tổn thất điện áp lưới điện 32 Độ sụt áp tổn thất điện áp 32 Tính tổn thất điện áp lưới điện địa phương 34 Chương 4: Tổn thất công suất, điện lưới điện 42 Tổn thất công suất đường dây trạm biến áp 42 Tổn thất điện đường dây trạm biến áp 46 Giảm tổn thất điện lưới điện 52 Chương 5: Chọn tiết diện dây dẫn lưới điện 55 Chọn tiết diện dây dẫn lưới điện khu vực 55 Chọn tiết diện dây dẫn lưới điện địa phương 61 Phụ lục 66 Phụ lục Đặc tính dây nhơm trần dây nhơm lõi thép 66 Phụ lục Cảm kháng đường dây không - dây dẫn nhôm, xo (Ω/km) 67 Phụ lục 3: Bảng tra hệ số K tính tốn tụ bù theo hệ số công suất 69 Tài liệu tham khảo .71 CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Kỹ thuật lưới điện Mã môn học: MH 17 Thời gian thực môn học: 45 (Lý thuyết: 30 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập: 12 giờ; Kiểm tra: 03 giờ) I Vị trí, tính chất mơn học: - Vị trí: Mơn học bố trí vào học kỳ 1, năm thứ hai - Tính chất: Là môn học đào tạo chuyên ngành II Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: + Trình bày khái niệm hệ thống điện; + Trình bày thiết bị lưới điện; + Trình bày phương pháp giảm tổn thất điện lưới điện - Về kỹ năng: + Tính tốn tổn thất điện áp, tổn thất công suất, tổn thất điện + Chọn tiết diện dây dẫn theo điều kiện tổn thất điện áp, theo điều kiện phát nóng lưới điện phân phối - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn tính xác tính tốn; + Tác phong làm việc khoa học, nghiêm túc, cẩn thận, tự giác III Nội dung môn học Nội dung tổng quát phân phối thời gian: Thời gian (giờ) Số TT Thực hành, Tên chương, mục Tổng Lý số thuyết thí nghiệm, Kiểm thảo luận, tập tra Chương Tổng quan lưới điện Kết cấu, vị trí, nhiệm vụ lưới điện hệ thống điện Điện áp khả truyền tải lưới điện Các thiết bị dùng lưới điện Chương Tổn thất điện áp lưới điện Độ sụt áp tổn thất điện áp Tính tổn thất điện áp lưới điện địa phương Chương Tổn thất công suất, điện lưới điện Tổn thất công suất đường dây trạm biến áp Tổn thất điện đường dây trạm biến áp Giảm tổn thất điện lưới điện Chương Chọn tiết diện dây dẫn lưới điện Chọn tiết diện dây dẫn lưới điện khu vực Chọn tiết diện dây dẫn lưới điện địa phương 8 1 1 6 12 1 11 14 10 5 11 2 1 1 Cộng 45 30 12 * Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết tính vào lý thuyết, kiểm tra thực hành tính vào thực hành Nội dung chi tiết: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN Giới thiệu Chương cung cấp khái niệm kết cấu, vị trí, nhiệm vụ điện áp khả truyền tải lưới điện, thiết bị lưới điện hệ thống điện Mục tiêu: Học xong chương này, người học có khả năng: - Trình bày khái niệm: hệ thống điện, lưới điện, trạm biến áp, phụ tải; - Vẽ sơ đồ cung cấp điện hệ thống điện; - Trình bày kết cấu, vị trí, nhiệm vụ lưới điện Kết cấu, vị trí, nhiệm vụ lưới điện hệ thống điện 1.1 Kết cấu lưới điện Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, trạm biến áp, đường dây tải điện hộ tiêu thụ nối liền với thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải, phân phối tiêu thụ điện Lưới điện tập hợp trạm biến áp, trạm phân phối, đường dây tải điện không, đường cáp ngầm thiết bị có liên quan để truyền tải phân phối điện Lưới điện chia làm ba loại: - Lưới hệ thống bao gồm đường dây tải điện, trạm biến áp khu vực, nối liền nhà máy điện tạo thành hệ thống điện, có điện áp từ 110kV đến 500kV - Lưới truyền tải có nhiệm vụ tải điện từ trạm khu vực đến trạm trung gian, điện áp từ 35kV đến 220kV - Lưới phân phối bao gồm lưới phân phối trung áp lưới phân phối hạ áp, có nhiệm vụ phân phối điện từ trạm trung gian cho phụ tải, có điện áp đến 35kV 1.1.1 Kết cấu trạm biến áp Trạm biến áp nơi đặt máy biến áp Tuỳ theo mục đích biến đổi điện áp có trạm biến áp tăng áp trạm biến áp giảm áp Trạm biến áp tăng áp đặt nhà máy điện thơng thường nhà máy điện xây dựng xa trung tâm phụ tải, để tận dụng nguồn nhiên liệu than đá, khí đốt nguồn nước Mặt khác để tiết kiệm dây dẫn, giảm vốn đầu tư xây dựng, giảm tổn thất điện năng, đặc biệt điện áp phát đầu cực máy phát thường khơng cao nhà máy điện ng Bí 6,3kV, Hịa Bình 15,7kV, Phả Lại I 6,6kV, Phả Lại II 19kV Vì người ta phải nâng cao điện áp để truyền tải điện xa Trạm biến áp giảm áp có nhiệm vụ biến đổi điện áp cao xuống điện áp thấp để cung cấp cho khu vực theo yêu cầu phụ tải Trạm biến áp giảm áp có ba loại: - Trạm biến áp giảm áp trung gian biến đổi điện áp truyền tải cao xuống điện áp truyền tải thấp xuống điện áp phân phối để truyền tải điện đến phụ tải - Trạm biến áp giảm áp phân phối đặt sau trạm biến áp trung gian để giảm điện áp xuống cấp điện áp phân phối như: 6, 10, 22, 35 kV - Trạm biến áp phụ tải đặt sau trạm giảm áp phân phối, trung tâm phụ tải để trực tiếp cung cấp điện cho phụ tải 1.1.2 Kết cấu trạm cắt (Trạm phân phối) Trạm cắt trạm đặt thiết bị đóng cắt, đo lường, bảo vệ mà không đặt máy biến áp 1.1.3 Kết cấu đường dây tải điện Đường dây tải điện bao gồm dây dẫn, dây chống sét, cột, xà, sứ phụ kiện, người ta dùng đường dây khơng đường cáp ngầm 1.2 Vị trí nhiệm vụ lưới điện 1.2.1 Vị trí lưới điện Lưới điện khâu trung gian để liên lạc nguồn điện với hộ tiêu thụ Vì đóng vai trị đặc biệt quan trọng việc cung cấp điện cho hộ tiêu thụ Nếu lưới điện hoạt động không tốt ảnh hưởng lớn đến việc cung cấp tiêu thụ điện 1.2.2 Nhiệm vụ lưới điện Lưới điện có nhiệm vụ truyền tải phân phối điện từ nơi sản xuất điện đến hộ tiêu thụ điện Trong đường dây tải điện có nhiệm vụ dẫn điện từ nhà máy điện đến trạm biến áp, trạm phân phối để cung cấp cho phụ tải, mặt khác số đường dây cịn có nhiệm vụ liên lạc nhà máy điện, trạm biến áp với nhằm mục đích cung cấp điện an toàn liên tục kinh tế Các trạm biến áp nhận điện cấp điện áp biến đổi điện sang cấp điện áp khác để phù hợp với mục đích truyền tải, phân phối Trạm phân phối nhận phân phối điện cho đường dây cấp điện áp Điện áp khả truyền tải lưới điện 2.1 Điện áp lưới điện 2.1.1 Điện áp định mức Điện áp định mức điện áp chuẩn mực để thiết kế lưới điện thiết bị phân phối thiết bị dùng điện Ở nước ta nước giới, người ta chia cấp điện áp định mức thành bốn loại: siêu cao áp, cao áp, trung áp hạ áp: Siêu cao áp: 330, 400, 500, 750 kV Cao áp: 110, 220 kV Trung áp: 6,10, 15, 22, 35, 66 kV Hạ áp: điện áp nhỏ 1000V Cấp điện áp thông dụng là: 380/220V; 220/127V 10 Mặt khác: Imax= Smax = 3.U  Fkt = Pmax 3.U cos (A) I max (mm2) J kt (4.2) Dựa vào Fkt vừa tính ta tra bảng chọn tiết diện tiêu chuẩn gần giá trị Fkt Kiểm tra việc lựa chọn tiết diện dây dẫn theo điều kiện phát nóng: - Icp Imax (đối với đường dây đơn); Icp- tra bảng - Icp Isc (đối với đường dây kép đứt sợi, Isc = 2Imax) Ví dụ Đường dây Uđm= 110 kV, dùng dây AC, dài 60km cấp điện cho phụ tải có Smax= 25 MVA, cos = 0,8, Tmax= 4500h/năm Chọn tiết diện dây dẫn cho đường dây Lời giải: Đường dây dùng dây AC, có Tmax= 4500h/năm  tra bảng 5.1 ta có: Jkt= 1,1 A/mm2 Mà Imax=  Fkt = S max 3.U = 25.10 3.110 = 131,37 (A) I max 131,37 = = 119,42 (mm2) J kt 1,1 Tra bảng thấy Ftc= 120(mm2) gần với Fkt nên ta chọn dây dẫn có Ftc= 120 (mm2) Dây chọn là: AC-120 Tra bảng phụ lục ta thấy dây AC-120 có Icp= 380 (A) > Imax Kết luận: Chọn dây dẫn AC-120 thỏa mãn yêu cầu Ví dụ Đường dây lộ kép Uđm= 110 kV, dùng dây AC, dài 80km cấp điện cho phụ tải có 80 - j40 MVA, Tmax= 4500h/năm Chọn tiết diện dây dẫn cho đường dây Lời giải: Đường dây dùng dây AC, có Tmax= 4500h/năm  tra bảng 5.1 ta có: Jkt= 1,1 A/mm2 57 Dịng điện cực đại chạy mạch đường dây là: Imax=  Fkt = P2 + Q2 3.U = 80 + 40 2 3.110 10 = 232 (A) I max 232 = = 211 (mm2) J kt 1,1 Tra bảng thấy Ftc= 240 (mm2) gần với Fkt nên ta chọn dây dẫn có Ftc= 240 (mm2) Dây chọn là: AC-240 Tra bảng phụ lục ta thấy dây AC-240 có Icp= 610 (A) Trong chế độ cố (khi cắt đường dây) dòng điện làm việc chạy đường dây lại là: Isc= 2.Imax= 2.232= 464 (A)  Icp Isc Kết luận: Chọn dây dẫn AC-240 thỏa mãn yêu cầu 1.2 Đường dây có nhiều phụ tải Nếu đường dây cấp điện cho nhiều phụ tải cách xa nhau, để kinh tế người ta chọn tiết diện dây dẫn đoạn khác nhau, vào mật độ dòng điện kinh tế kiểm tra theo điều kiện phát nóng 1.2.1 Trường hợp phụ tải có Tmax Tiết diện đoạn đường dây xác định sau: Fkti = Trong đó: I i max ; J kt (4.6) I i max - Dòng điện lớn chạy đoạn đường dây thứ i chế độ vận hành bình thường Các đoạn dây chọn theo trị số j kt tổn thất công suất tác dụng đường dây nhỏ Tuỳ điều kiện cụ thể ta tính Fkt tra bảng chọn Ftc gần nhất, sau kiểm tra lại theo điều kiện phát nóng Giả sử xét đường dây có ba phụ tải đặt cách xa nhau, đoạn đường dây dùng tiết diện dây dẫn khác 58 F1 F2 F3 a b I1 c I2 pb + jqb d I3 pc + jqc pd + jqd Hình 4.2 Tiết diện kinh tế đoạn: F1 = I I1 max ; F2 = max ; J kt J kt F3 = I max J kt (4.3) 1.2.2 Trường hợp phụ tải có Tmax khác Mật độ kinh tế dòng điện xác định theo giá trị trung bình thời gian sử dụng phụ tải lớn n  p i Ti i =1 n Tmaxtb = (4.4)  pi i =1 Trong đó: pi - cơng suất tác dụng lớn phụ tải thứ i Ti -thời gian sử dụng công suất lớn phụ tải thứ i n -số lượng phụ tải đường dây Nếu chọn dây dẫn đoạn dây có tiết diện, dịng điện tính tốn để xác định tiết diện dây dẫn sau: m I tt = Trong đó: I j =1 j L l j  Fkt= I tt ; J kt Ij - dòng điện chạy đoạn dây thứ i; lj -chiều dài đoạn dây thứ i; m -số lượng đoạn đường dây; L - chiều dài toàn đường dây 59 (4.5) Ví dụ Đường dây Uđm= 110 kV, dùng dây AC, cấp điện cho ba phụ tải công suất phụ tải hình 4.3, Tmax= 4500h/năm Chọn tiết diện dây dẫn cho đường dây F2, I2 F1, I1 F3, I3 a S1 b c S2 5,2 MVA 4,8 MVA d S3 13,5 MVA Hình 4.3 Lời giải: Đường dây dùng dây AC,có Tmax= 4500h/năm  tra bảng 6.1 ta có: Jkt= 1,1 A/mm2 Dịng điện đoạn đường dây: S3 13,5.103 = = 71 (A); Icd= I3= 3.U 3.110 S2 (13,5 + 5,2).103 = = 98,3 (A) Ibc= I2= 3.U 3.110 Iab= I1= S1 (13,5 + 5,2 + 4,8).103 = = 123,48 (A) 3.U 3.110 Tiết diện dây dẫn đoạn đường dây: F1 = I1 123,48 = = 112,3 (mm2); J kt 1,1 F2 = I 98,3 = = 89,5 (mm2) J kt 1,1 F3 = I 71 = = 64,5 (mm2) J kt 1,1 Tra bảng ta chọn dây dẫn có tiết diện tiêu chuẩn sau: F1 = 120 mm2, dây chọn AC-120 có Icp= 380 (A)  Icp I1 F2 = 95 mm2, dây chọn AC-95 có Icp= 330 (A)  Icp I2 F3 = 70 mm2, dây chọn AC-70 có Icp= 265 (A)  Icp I3 60 Kết luận: Chọn tiết diện dây dẫn đoạn là: F1 = 120 mm2, F2 = 95 mm2, F3=70 mm2 thoả mãn điều kiện phát nóng vầng quang điện Chọn tiết diện dây dẫn lưới điện địa phương Trong lưới điện phân phối, khả điều áp hạn chế, yêu cầu chất lượng điện cao, việc chọn dây dẫn phải thỏa mãn điều kiện bắt buộc: Tổn thất điện áp lớn lưới phải nằm giới hạn cho phép Đó để tính chọn tiết diện dây dẫn lưới điện phân phối, tùy trường hợp cụ thể mà xét thêm điều kiện phụ như: tiết diện dây dẫn, mật độ dịng điện khơng đổi hay phí tổn kim loại màu nhất…(Người ta dùng phương pháp mật độ dòng điện kinh tế, phải kiểm tra thêm điều kiện tổn thất điện áp) 2.1 Chọn tiết diện dây dẫn theo điều kiện tổn thất điện áp Xét đường dây có cơng suất phụ tải, chiều dài đoạn dây hình 5.4 Giả thiết đường dây tiết diện Giả thiết phù hợp mạng điện thành phố Vì mạng điện thành phố số lượng phụ tải phát tuyến nhiều phân bố gần Do đó, chọn đường dây tiết diện hồn tồn hợp lý, có nhiều ưu điểm xây dựng, thi công quản lý vận hành P1 +jQ1 P2 +jQ2 P3 +jQ3 a b pb + jqb l1 c d pc + jqc pd + jqd l2 l3 Hình 4.4 Tổn thất điện áp đường dây xác định theo công thức sau: U = n n i =1 i =1 r0  Pi l i + x  Qi l i U dm U = 61 n n i =1 i =1 r0  p i L i + x  q i L i U dm U = Ur + Ux Trong đó: Ur- tổn thất điện áp cơng suất tác dụng P điện trở r; Ux- tổn thất điện áp công suất phản kháng Q điện kháng x l i - chiều dài đoạn đường dây thứ i; Li - chiều dài đoạn đường dây từ nguồn (đầu đường dây) đến phụ tải thứ i Đường dây khơng có dây dẫn kim loại màu x 1km đường dây thay đổi dù tiết diện dây lớn hay bé (x 0= 0,3  0,43 /km), lấy trị số trung bình x0 để tính Ux Thơng thường đường dây cao áp khơng có x0= 0,35  0,43 /km, đường dây hạ áp x0  0,25 /km Khi biết x0 ta tính n x0  Qi li Ux = i =1 U dm n Ux = x0  qi Li i =1 (4.7) U dm Mặt khác ta biết Ucp theo điều kiện đầu (Ucp = U cp % 100 U dm ), nên: Ur = Ucp- Ux Ta có: n n Ur = Thay r0 = r0  Pi l i Ur = i =1 U dm i =1 (4.8) U dm vào (5.8) ta được: F n  P l F= Trong đó: r0  p i L i i =1 i n i  U r U dm F =  p L i =1 i i  U r U dm  - Điện dẫn suất vật liệu chế tạo dây dẫn; F - Tiết diện dây dẫn 62 (4.9) Căn vào trị số F vừa tính ta tra bảng chọn tiết dây dẫn tiêu chuẩn gần xác định xác r0, x0 ứng với dây dẫn chọn Tiếp theo tính tổn thất điện áp U với dây dẫn so sánh với Ucp Nếu chưa thoả mãn yêu cầu phải tăng tiết diện dây dẫn lên cấp tính lại, kết luận Ví dụ Hai phụ tải cung cấp điện đường dây không, điện áp định mức 22kV, dùng dây nhôm, dây bố trí ba đỉnh tam giác có cạnh 2m Tổn thất điện áp cho phép Ucp = 5% Công suất chiều dài đoạn dây hình 4.5 Đường dây có tiết diện, xác định tiết diện dây dẫn biết điện trở suất nhôm  = 31,5 Ωmm2/km km km a b 3000 -j2000 kVA c 1500 - j900kVA Hình 4.5 Lời giải: Trị số cảm kháng trung bình đường dây cao áp khơng x 0= 0,38 /km n x0  qi Li i =1 Ux = = U dm = x (q b Lab + q c Lac ) U dm 0,38.(2000 + 900.9) = 278,09 (V) 22 Mặt khác tổn thất điện áp cho phép toàn đường dây là: Ucp = U cp % 100 U dm = 22.10 = 1100 (V) 100 Ur = Ucp- Ux= 1100 – 278,09 = 821,91 (V) Tiết diện dây dẫn cần thiết đường dây: 63 n  p L F= i i =1 i  U r U dm = pb Lab + pc Lac 31,5 (3000 + 1500 9) = 44,42(mm2 ) =  U r U dm 22.984,3 Tra bảng chọn Ftc= 50 (mm2) dây chọn A-50 có r0= 0,64/km; x0= 0,398/km Tổn thất điện áp đường dây: U = = n n i =1 i =1 r0  p i L i + x  q i L i U dm 0,64.(3000 + 1500 9) + 0,398.(2000 + 900.9) = 1033,08 (V) 22 Ta thấy U