Tính toán ngắn mạch phía cao áp của mạng điện

3 Lựa chọn kiểm tra các thiết bị của sơ đồ nối điện

3.2 Tính toán ngắn mạch phía cao áp của mạng điện

Các dạng ngắn mạch thường xuyên xảy ra trong hệ thống cung cấp điện là ngắn mạchN(3), N(1,1), N1. Trong đó ngắn mạch 3 pha là sự cố nghiêm trọng nhất vì vậy thường căn cứ vào ngắn mạch 3 pha để lựa chọn thiết bị điện.

Để lựa chọn, kiểm tra dây dẫn và các thiết bị điện trong mạng cao áp cần xét đến 4 điểm ngắn mạch.

Trong đó:

- N: điểm ngắn mạch trên thanh cái trạm phân phối trung tâm để kiểm tra máy cắt và thanh góp (Ngắn mạch phía cao áp)

- N1 đến N3: điểm ngắn mạch phía hạ để kiểm tra cáp và các thiết bị hạ áp trong phân xưởng

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý phía cao áp của mạng điện

Hình 3.2: Sơ đồ thay thế phía cao áp của mạng điện

Khi tính toán ta coi công suất cấp cho điểm ngắn mạch là công suất định mức của máy cắt đầu đường dây5. Khi đó điện kháng gần đúng của hệ thống được xác định theo công thức Xnguồn=U 2 tb SN(Ω) VớiUtb= 1,05.Uđm,SN = 2(MVA) Do đó:Xnguồn= (1,05.22) 2 2 = 266,8(Ω)

Thông số đường dây nguồn - TBA:

Dây D1, mã hiệu XPLE.35 cór0 = 0,524(Ω/km),x0 = 0,13(Ω/km) ,Icp = 170(A), L = 200(m) RD1= r0.LD1 2 = 0,524.0,2 2 =0,0524(Ω) XD1= r0.LD1 2 = 0,16.0,2 2 =0,016(Ω)

3.2.2 Tính toán ngắn mạch, kiểm tra các thiết bị và dây cáp đã chọn

3.2.2.1 Tính toán ngắn mạch tại N

Ta có:

R =RD1 = 0,0393(Ω)

X =Xnguồn+XD1 = 266,8 + 0,016 = 266,816(Ω)

Z =√R2+X2 =p0,05242+ 266,812 = 266,81(Ω)

5Các thông số kỹ thuật tra trong bảng phụ lục sách thầy Trần Quang Khánh và tham khảo các tài liệu khác

Nên dòng ngắn mạchIN= √Uđm 3.Z = 22 √ 3.266,81 =0,047(kA) Dòng điện xung kíchIxk=√ 2.kxk.IN (A)

Trong mạng điện cao ápkxk= 1,86 thay số vào ta có: IxkN =√

2.1,8.0,047 = 0,121(kA)

3.2.2.2 Kiểm tra thiết bị và dây cáp đã chọn

Kiểm tra dây cáp Nguồn – TBA

Cáp đã chọn đã được kiểm tra điều kiện phát nóng vì vậy ta chỉ kiểm tra điều kiện ổn định nhiệt của dây cáp thỏa mãn khi:

Fmin=Ik.√

tk

Ct 6Fnguồn-tba = 35(mm2)

Với:

-Ik: giá trị dòng điện ngắn mạch ba pha chạy qua thiết bị (A) -tk: thời gian tồn tại của dòng ngắn mạch, theo đề bàitk= 2,5(s)

-Ct: hệ số đặc trưng của dây cách điện, phụ thuộc vào vật liệu dẫn điện cho trong bảng 7.2.17. Với dây cáp đồng cóCt= 159

⇒Fmin= 0,047.103.

√ 2,5

159 = 0,47(mm2)635(mm2).

Vậy dây cáp đã chọn thỏa mãn điều kiện ổn định nhiệt.

Kiểm tra thanh góp hạ áp của trạm biến áp

Kiểm tra ổn định nhiệt theo điều kiện:

Fmin = Ik.√

tk

Ct (mm2)6Fthanh góp = 200(mm2)

Trong đó:

-Ct: hệ số đặc trưng của dây cách điện, phụ thuộc vào vật liệu dẫn điện8. Với thanh dẫn đồng cóCt= 171

⇒Fmin 0,047.10

3.√ 2,5

171 = 0,43(mm2)6200(mm2)(thỏa mãn)

Kiểm tra dao cách ly PBP-24/8000

Dòng điện ngắn mạch xung kích cho phép: IxkDCL = 300 (kA)> IxkN = 0,121(kA) (thỏa mãn)

6Tra phụ lục A - bảng 7 Bài tập trang 457

7Trang 234 giáo trình Cung Cấp Điện Trần Quang Khánh

3.3 Tính toán ngắn mạch phía hạ áp của mạng điện và kiểm tra

3.3.1 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế

Xét cho đoạn đường dây HT – TĐL1

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý phía hạ áp của mạng điện

3.3.2 Các thông số của sơ đồ thay thế

Thông số Nguồn quy về phía hạ áp:

Xnguồn H=Xnguồn C.kM BA= 266,81. 022,3822 = 0,0796(Ω)

Thông số đường dây Nguồn – TBA quy về phía hạ áp: RD1.H =RD1.C.kM BA= 0,0524.022,3822 =1,56.10−5(Ω)

XD1.H =XD1.C.kM BA= 0,016.022,3822 =3,58.10−6(Ω)

Thông số TBA:

Trạm có 2 MBA, mỗi máy có:Sđm= 160(kV A);4P0 = 0,5(kW);4PN = 2,95(kW);4UN% = 4% Rtba= 4PN.U 2 đm 2.S2 đm .kM BA = 2,95.22 2 1602.2 . 0,382 222 .103 =8,32.10−3(Ω) Xtba= 4UN%.Uđm2 2.100.Sđm.kM BA = 4.222 1602.2. 0,382 222 .103 = 1,81.10−2(Ω) ⇒Ztba =pR2 tba+X2 tba =p8,322+ 1,812 = 8,51.10−3(Ω)

Thông số các đường dây phía hạ áp:

- Dây D2 XLPE.500 có:r0 = 0,04(Ω/km),x0 = 0,053(Ω/km),LD2 = 0,001(km) RD2 =r0.LD2 2 = 0,04. 0,0012 =2.10−5(Ω) XD2 =x0.LD2 2 = 0,053. 0,0012 =2,65.10−5(Ω) - Dây D3 XLPE.10 có:r0 = 0,39(Ω/km), x0 = 0,087(Ω/km),LD3 = 0,01735 (km) RD3 =r0.LD3 2 = 0,39. 0,017352 =3,42.10−4(Ω) XD3 =x0.LD3 2 = 0,087. 0,017352 =7,62.10−4(Ω)

3.3.3 Tính toán ngắn mạch, kiểm tra các thiết bị và dây cáp đã chọn

3.3.3.1 Tính ngắn mạch, kiểm tra thiết bị tại N1

Tính toán ngắn mạch R1 =Rtba = 8,32.10−3(Ω) X1 =Xnguồn H+Xtba = 0,0796 + 1,81.10−2 = 0,098(Ω) Với X1 R1 = 8,320,098.10−3 =11,7⇒kxk=1,939 Z =pR21+X12 =p(8,32.10−3)2+ (0,098)2 = 0,098(Ω) NênIN1= √Uđm 3.Z = √0,38 3.0,098 = 2,24(kA) IxkN1 =√ 2.1,93.2,24 = 6,11(kA)

Kiểm tra thanh góp hạ áp của TBA (40 x 5) mm

- Kiểm tra ổn định nhiệt theo điều kiện:

Fmin=Ik.√

tk

Ct (mm2)6Fthanh góp = 200(mm2)

Thay số vào ta cóFmin= 2,24.10

3.√ 2,5

171 = 20,716200(mm2)(thỏa mãn)

Kiểm tra Aptomat loại SA603-H

Aptomat cóIcat= 85(kA)>IN1(Thỏa mãn)

3.3.3.2 Tính ngắn mạch, kiểm tra thiết bị tại N2

Tính ngắn mạch tại N2 R2 =Rtba+RD2 = 8,32.10−3+ 2.10−5 = 8,34.10−3(Ω) X2 =Xnguồn H+Xtba+XD2 = 0,098 + 2,65.10−5 = 0,098(Ω) Z =pR2 2+X2 2 =p(8,35.10−3)2+ 0,0982 = 0,0984(Ω) NênIN2= √Udm 3.Z = √ 0,38 3.0,0984 = 2,23 (kA) 9Phụ lục A – Bảng 6 phụ lục trang 457.Bài Tập

Với X2

R2 = 8,350,098.10−3 = 11,74⇒kxk = 1,9310 ⇒Ixk =√

2.1,93.2,23 = 6,1(kA)

Kiểm tra thanh góp của TPP (40 x 5) mm

- Kiểm tra ổn định nhiệt theo điều kiện:

Fmin= Ik.√

tk

Ct (mm2)6Fthanh góp = 200(mm2)

Thay số vào ta cóFmin=2,23.103.

√ 2,5

171 = 20,626200(mm2)(thỏa mãn)

Kiểm tra Aptomat loại SA603-H

Aptomat cóIcat= 85(kA)>IN2(Thỏa mãn)

Kiểm tra dây cáp XLPE.500

Kiểm tra điều kiện ổn định nhiệt của dây cáp thỏa mãn khi:

Fmin=Ik.√

tk

Ct 6F = 500(mm2)

Thay số vào ta có⇒Fmin= 2,23.103.

√ 2,5

159 = 22,18(mm2)6500(mm2).

3.3.3.3 Tính ngắn mạch, kiểm tra thiết bị tại N3

Tính ngắn mạch tại N3 R3 =Rtba+RD2+RD3 = 8,34.10−3+ 3,38.10−3 = 0.012(Ω) X3 =Xnguồn H+Xtba+XD3 = 0,098 + 7,62.10−4 = 0,1(Ω) Z =pR2 3+X2 3 =p0,0242+ 0,12 = 0,102(Ω) NênIN3= √Uđm 3.Z = √0,38 3.0,102 = 2,15(kA) Với X3 R3 = 00,024,1 =4,16⇒kxk = 1,5611 ⇒Ixk =√ 2.1,56.2,15 = 4,74(kA) 10Phụ lục A – Bảng 6 trang 457 sách bài tập 11Phụ lục A – Bảng 6 phụ lục Bài Tập trang 457

Kiểm tra thanh góp của TĐL (25 x 3) mm

- Kiểm tra ổn định nhiệt theo điều kiện:

Fmin=Ik.√ tk Ct (mm2)6Fthanh góp= 75(mm2) Thay sốFmin=2.10 3.√ 2,5 171 = 18,5675(mm2)(thỏa mãn)

Kiểm tra Aptomat loại SA403-H

Aptomat cóIcắt= 85(kA)>IN3(Thỏa mãn)

Kiểm tra dây cáp XLPE.25

Kiểm tra điều kiện ổn định nhiệt của dây cáp thỏa mãn khi:

Fmin= Ik.√

tk

Ct 6F = 25(mm2)

Thay số vào ta có⇒Fmin= 2.103.

√ 2,5 159 = 22,18(mm2)625(mm2) Ta có bảng kết quả tính toán: Đoạn dây R2 X2 LD2 RD3 XD3 R3 X3 Z3 IN3 (Ω) (Ω) (Ω) (Ω) (Ω) (Ω) (Ω) (Ω) (kA) Nguồn - TĐL1 0,00835 0,098 0,01735 0,0033 0,0007 0,012 0,011 0,11 2,2 Nguồn - TĐL2 0,00835 0,098 0,0355 0,0325 0,002 0,041 0,1 0,108 2,03 Nguồn - TĐL3 0,00835 0,098 0,05176 0,04736 0,002821 0,056 0,1 0,115 1,9 Nguồn - TĐL4 0,00835 0,098 0,03725 0,034 0,002 0,042 0,1 0,108 2,03 Bảng 3.5: Bảng kết quả tính toán Ngắn Mạch

3.3.3.4 Kiểm tra thiết bị và dây cáp trên đoạn đường dây đến các TĐL

Kiểm tra trên đoạn có dòng lớn nhất: Nguồn – TĐL1 Từ bảng có kết quảIN3= √Udm 3.Z = 2,15(kA) Với X3 R3 = 00,024,1 = 4,16⇒kxk = 1,5612 ⇒Ixk =√ 2.1,56.2,15 = 4,74(kA) 12Phụ lục A – Bảng 6 sách Bài tập trang 457

Kiểm tra thanh góp của TĐL (25 x 3) mm

- Kiểm tra ổn định nhiệt theo điều kiện:

Fmin=Ik.√ tk Ct (mm2)6Fthanh góp = 75(mm2) Thay số ta cóFmin= 2,15.103. √ 2,5 171 =20,34675(mm2)(thỏa mãn)

Kiểm tra Aptomat loại SA403-H

Aptomat cóIcắt = 85(kA)>IN3 = 2,2(mm2)(Thỏa mãn)

Kiểm tra dây cáp XLPE.50

Kiểm tra điều kiện ổn định nhiệt của dây cáp thỏa mãn khi:

Fmin=Ik.√

tk

Ct 6 F = 50(mm2)

Thay số vào ta có⇒Fmin= 2,2.103.

√ 2,5

159 = 21,9(mm2)650(mm2)(thỏa mãn)

3.4 Tính chọn tụ bù nâng cao hệ số công suất

3.4.1 Khái quát

3.4.1.1 Ý nghĩa việc chọn bù công suất phản kháng

Hệ số công suất cosϕlà một trong các chỉ tiêu để đánh giá phân xưởng dùng điện có hợp lý và tiết kiệm hay không. Nâng cao hệ số công suất cosϕlà một chủ trương lâu dài gắn liền với mục đích phát huy hiệu quả cao nhất quá trình sản xuất, phân phối và sử dụng điện năng.

Phần lớn các thiết bị tiêu dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Công suất tác dụng là công suất được biến thành cơ năng hoăc nhiệt năng trong các thiết bị dùng điện, còn công suất phản kháng Q là công suất từ hoá trong các máy điện xoay chiều, nó không sinh ra công.

Truyền tải một lượng công suất phản kháng qua dây dẫn và máy biến áp sẽ gây ra tổn thất điện áp, tổn thất điện năng lớn và làm giảm khả năng truyền tải trên các phần tử của mạng điện. Tổn thất điện áp, tổn thất điện năng càng tăng khi lượng công suất phản kháng truyền qua dây dẫn và máy biến áp tăng. Do đó để có lợi về kinh tế kỹ thuật trong lưới điện cần nâng cao hệ số công suất tự nhiên hoặc đưa nguồn bù công suất phản kháng tới gần nơi tiêu thụ để tăng hệ số công suất cosϕ

làm giảm lượng công suất phản kháng nhận từ hệ thông điện.

Việc bù công suất phản kháng đưa lại hiệu quả là nâng cao được hệ số cosϕ, việc nâng cao hệ số cosϕsẽ đưa đến các hiệu quả:

+ Giảm được tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện. + Giảm tổn thất điện áp trong mạng điện.

+ Nâng cao khả năng truyền tải năng lượng điện của mạng + Tăng khả năng phát của các máy phát điện.

3.4.1.2 Các biện pháp bù công suất phản kháng

Các biện pháp tự nhiên:

Dựa trên việc sử dụng hợp lý các thiết bị sẵn có như hợp lý hóa quy trình sản xuất, giảm thời gian chạy không tải của các động cơ, thay thế các động cơ thường xuyên làm việc non tải bằng các động cơ có công suất hợp lý hơn.

Biện pháp nhân tạo:

Dùng các thiết bị có khả năng sinh công suất phản kháng bằng cách đặt các thiết bị bù như tụ bù tĩnh.

3.4.2 Tiến hành bù công suất phản kháng

3.4.2.1 Xác định dung lượng bù

Phần tính toán ở Chương II ta đã xác định được hệ số công suất trung bình của toàn phân xưởng là cosϕ= 0,707. Hệ số coϕtối thiểu do nhà nước quy định đối với các phân xưởng là 0,855÷0,95, như vậy ta phải bù công suất phản kháng cho nhà máy để nâng cao hệ số cosϕ. Theo yêu cầu thiết kế của phân xưởng ta phải bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số cosϕđến 0,9.

3.4.2.2 Chọn thiết bị bù và vị trí bù

Vị trí đặt thiết bị bù

Về nguyên tắc để có lợi nhất về mặt giảm tổn thất điện áp, tổn thất điện năng cho đối tượng dùng điện là đặt phân tán các bộ tụ bù cho từng động cơ điện, tuy nhiên nếu đặt phân tán sẽ không có lợi về vốn đầu tư, lắp đặt và quản lý vận hành.Vì vậy việc đặt các thiết bị bù tập trung hay phân tán là tùy thuộc vào cấu trúc hệ thống cung cấp điện của đối tượng, theo kinh nghiệm ta đặt các thiết bị bù ở phía hạ áp của trạm biến áp phân xưởng tại tủ phân phối hoặc tại các tủ động lực. Ta chọn vị trí đặt tụ bù là vị trí tại các tủ động lực của phân xưởng, và ở đây ta coi giá tiền đơn vị (đ/kVAr) thiết bị bù hạ áp lớn không đáng kể so với giá tiền đơn vị (đ/kVA) tổn thất điện năng qua máy biến áp.

Chọn thiết bị bù

Ta có thể lựa chọn thiết bị bù là các tụ điện tĩnh. Nó có ưu điểm là giá đầu tư 1 đơn vị công suất bù không phụ thuộc vào dung lượng tụ bù nên thuận tiện cho việc chia nhỏ thành nhóm và đặt gần các phụ tải. Mặt khác tụ điện tĩnh tiêu thụ rất ít công suất tác dụng từ 0,003÷0,005 (kW) và vận hành đơn giản, ít sự cố.

3.4.2.3 Tính toán phân phối dung lượng bù:

Tính toán bù tại TĐL 1

cosϕN1 = 0,594⇒tanϕN2= 1,354

QbuN1 =PttN1.(tanϕ1.N1 −tanϕ2.N1)= 60,413 . (1,354 - 0,484) = 52,56 (kVAr) Vậy ta chọn tụ bù KC1-0,38-20-3-Y1 có thông số kĩ thuật13:

Tụ bù Udm(kV) Qdm(kVAr) Đơn giá (.103đ/bộ) KC1-0,38-75-3-Y1 0,38 75 10500

Bảng 3.6: Bảng thông số kỹ thuật tụ KMI - 0,38

Vốn đầu tư cho tụ bù: Vớiv0 = 110.103(đ/KVAr)14

V =v0.Qđm bù1 = 110.103.52,56 = 5,7816.106(đ)

Tính toán bù tương tự tại các TĐL khác, ta có kết quả

Bảng 3.7: Bảng kết quả tính toán phân phối dung lượng bù Vị trí Ptt cosϕ1 tanϕ1 tanϕ2 Qbù i Qsau bù i V đặt tụ bù (kW) (kVAr) (kVAr) (.106đ) TĐL1 60,4138 0,594 1,354 0,484 52,56 29,24 5,782 TĐL2 22,96 0,682 1,072 0,484 13,5 11,113 1,485 TĐL3 56,35 0,642 1,194 0,484 40,01 27,27 4,401 TĐL4 61,517 0,808 0,73 0,484 15,133 29,774 1,665 Tổng 201,24 121,201 97,4 13,332 Sau khi bù ta có cosϕ0dl =

PPttđli.cosϕ0đli

P

Pttđl = 60,413.0,9+22,96.0201,9+56,24,35.0,9+61,517.0,9 ≈0,9 ⇒cosϕ0px = PPtti.cosϕ0i

PPttpx = 201,24.0,9+1194,,2076.0,8+12,96.1 ≈0,9

13Tra Phụ lục B – Bảng 40 phụ lục trang 310

Vị trí loại Uđm tụ Qđm tụ Đơn giá Số bộ đặt tụ bù tụ bù (kV) (kVAr) (.103đ) TĐL1 KC1-0,38-75-3-Y1 0,38 75 10500 1 TĐL2 KC1-0,38-20-3-Y1 0,38 20 2800 1 TĐL2 KC1-0,38-75-3-Y1 0,38 75 10500 1 TĐL3 KC1-0,38-20-3-Y1 0,38 20 2800 1 Bảng 3.8: Bảng chọn tụ bù cho các TĐL

3.4.3 Đánh giá hiệu quả, tính toán kinh tế bù công suất phản kháng

3.4.3.1 Tính toán cho Nhóm 1

•Công suất biểu kiến của nhóm 2 sau khi bù: SN1 =PN1+jQN1 = 60,413 +j29,24(kVA)

•Tổn thất điện năng trên đoạn TPP – TĐL1 là:

4AT P P−T DL1= P 2 N1+Q212 Udm2 .r0.L 2.τ=60,413 2+29,242 0,382 .0,39.172,35.2405,27.10−6= 253,863(kWh)

•Tổn thất điện năng trước khi bù bằng: 699,509 (kWh)

Số tiền tiết kiệm được do giảm tổn thất điện năng trên đường dây bằng:

4CN2 = (699,509−253,863).1500 = 668469(đ)

•Tổn thất điện năng trên tụ bù:

4Atb.N1 =Qbù N1.4Pb.τ =75.0,0025.2405,27 = 450,98 (kWh)

•Vốn đầu tư tụ bù nhóm 2:Vtb bù N2= 0,331.106(đ)

•Chi phí quy đổi: Zbù N2 = ( 1

Ttc +avh).Vtb bù N2+4Atb.N2.C4 = (1

8 + 0,1).5,782.10

6+ 450,98.1500 =(đ)

3.4.3.2 Tính toán cho các nhóm khác

Tương tự tính toán cho nhóm 2 ta có kết quả dưới bảng sau:

Nhánh Ptt Qtt L r0 4A 4A 4C 4Atụ Vtụ Zb

(kW) (kVAr) (m) (Ω/km trước bù(kWh) sau bù(kWh) (đ) (kWh) (.106đ) (.106đ) TPP-TĐL1 60,413 29,24 17,35 0,39 699,509 253,863 668469 451 5,782 6,765