3

Chương 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CUNG CẤP ĐIỆN

Điện năng ngày càng phổ biến vì dễ dàng chuyển thành các dạng năng lượng khác

như: cơ, hóa, nhiệt năng…; được sản xuất tại các trung tâm điện và được truyền tải đến

hộ tiêu thụ với hiệu suất cao.

Trong quá trình sản xuất và tiêu thụ điện năng có một số đặc tính:

- Điện năng sản xuất ra thường không tích trữ được, do đó phải có sự cân bằng giữa

sản xuất và tiêu thụ điện.

- Các quá trình về điện xảy ra rất nhanh và nguy hiểm nếu có sự cố xảy ra, vì vậy

thiết bị điện có tính tự động và đòi hỏi độ an toàn và tin cậy cao.

Hình 1.1. Hệ thống điện

Những yêu cầu và nội dung chủ yếu khi thiết kế hệ thống cung cấp điện:

Mục tiêu chính của thiết kế cung cấp điện là đảm bảo cho hộ tiêu thụ luôn đủ điện

năng với chất lượng trong phạm vi cho phép và một phương án cung cấp điện được

xem là hợp lý khi thỏa mãn các nhu cầu sau:

- Vốn đầu tư nhỏ, chú ý tiết kiệm ngoại tệ và vật tư hiếm.

- Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện tùy theo tính chất hộ tiệu thụ.

- Chi phí vận hành hàng năm thấp.

- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị.

- Thuận tiện cho vận hành và sửa chữa…

- Đảm bảo chất lượng điện năng.

- Ngoài ra, còn phải chú ý đến các điều kiện khác như: môi trường, sự phát triển

của phụ tải, thời gian xây dựng…

Một số bước chính để thực hiện một phương án thiết kế cung cấp điện:

- Xác định phụ tải tính toán để đánh giá nhu cầu và chọn phương thức cung cấp

điện.

- Xác định phương án về nguồn điện.

- Xác định cấu trúc mạng.

- Chọn thiết bị.

- Tính toán chống sét, nối đất chống sét và nối đất an toàn cho người và thiết bị.

- Tính toán các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.

- Tiếp theo thiết kế kỹ thuật là bước thiết kế thi công như các bản vẽ lắp đặt, những

nguyên vật liệu cần thiết… Cuối cùng là công tác kiểm tra điều chỉnh và thử nghiệm

các trang thiết bị, đưa vào vận hành và bàn giao.

4

1.1. Lưới điện và lưới cung cấp điện:

1.1.1. Khái niệm:

Hệ thống điện gồm 3 khâu: sản xuất, truyền tải và tiêu thụ điện.

Nguồn điện là các nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử…) và các

trạm phát điện (diesel, mặt trời, gió…)

Tiêu thụ điện gồm tất cả các đối tượng sử dụng điện trong công, nông nghiệp và

đời sống…

Lưới điện để truyền tải điện từ nguồn đến hộ tiêu thụ, lưới gồm đường dây truyền

tải và các trạm biến áp.

Lưới điện Việt nam hiện có các cấp điện áp: 0,4; 6; 10; 22; 35; 110; 220 và 500kV.

Tương lai sẽ chỉ còn các cấp: 0,4; 22; 110; 220 và 500kV.

1.1.2. Phân loại:

Có nhiều cách phân loại lưới điện:

-Theo điện áp: siêu cao áp (500kV), cao áp (220, 110kV), trung áp (35, 22, 10,

6kV) và hạ áp (1,2kV; 0,69kV; 0,4kV).

-Theo nhiệm vụ: lưới cung cấp (500, 220, 110kV) và lưới phân phối (35, 22, 10, 6

và 0,4kV).

Ngoài ra, có thể chia theo khu vực, số pha, công nghiệp, nông nghiệp…

1.2. Những yêu cầu chung về lưới cung cấp điện:

1.2.1. Độ tin cậy cung cấp điện:

Tùy theo tính chất của hộ dùng điện có thể chia thành 3 loại:

- Hộ loại 1: là những hộ rất quan trọng, không được để mất điện như sân bay, hải

cảng, khu quân sự, ngoại giao, các khu công nghiệp, bệnh viện…

- Hộ loại 2: là các khu vực sản xuất, nếu mất điện có thể ảnh hưởng nhiều đến kinh

tế…

- Hộ loại 3: là những hộ không quan trọng cho phép mất điện tạm thời.

Cách chia hộ như vậy chỉ là tạm thời trong giai đoạn nền kinh tế còn thấp kém,

đang hướng đến mục tiêu các hộ phải đều là hộ loại 1 và được cấp điện liên tục.

1.2.2. Chất lượng điện:

Chất lượng điện được thể hiện qua hai thông số: tần số (f) và điện áp (U). Các trị số

này phải nằm trong phạm vi cho phép.

Trung tâm điều độ quốc gia và các trạm điện có nhiệm vụ giữ ổn định các thông số

này: Tần số f được giữ 50 ± 0,5Hz và Điện áp yêu cầu độ lệch |δU|= U – Uđm≤5%Uđm.

Lưu ý độ lệch điện áp khác với tổn thất điện áp (hiệu số điện áp giữa đầu và cuối

nguồn của cùng cấp điện áp).

Hình 1.2. Độ lệch và tổn thất điện áp

5

1.2.3. Tính kinh tế:

Tính kinh tế của một phương án cung cấp điện thể hiện qua hai chỉ tiêu: vốn đầu tư

và chi phí vận hành:

- Vốn đầu tư một công trình điện bao gồm tiền mua vật tư, thiết bị, tiền vận

chuyển, thí nghiệm, thử nghiệm, mua đất đai, đền bù hoa màu, tiền khảo sát thiết kế,

lắp đặt và nghiệm thu.

- Phí tổn vận hành bao gồm các khoản tiền phải chi phí trong quá trình vận hành

công trình điện: lương cho cán bộ quản lý, kỹ thuật, vận hành, chi phí bảo dưỡng và

sửa chữa, chi phí cho thí nghiệm thử nghiệm, do tổn thất điện năng trên công trình

điện.

Thông thường hai loại chi phí này mâu thuẫn nhau. Phương án cấp điện tối ưu là

phương án dung hòa hai chi phí trên, đó là phương án có chi phí tính toán hàng năm

nhỏ nhất.

. . minvh tcZ a a K c A

trong đó:

vha : hệ số vận hành, với đường dây trên không lấy 0,04; cáp và trạm biến áp lấy

0,1.

tca : hệ số thu hồi vốn đầu tư tiêu chuẩn 1tcT

, với lưới cung cấp điện 5tcT năm.

K: vốn đầu tư.

A : tổn thất điện 1 năm.

c: giá tiền tổn thất điện năng (đ/kWh).

1.2.4. Tính an toàn:

An toàn thường được đặt lên hàng đầu khi thiết kế, lắp đặt và vận hành công trình

điện. An toàn cho cán bộ vận hành, cho thiết bị, công trình, cho người dân và các công

trình xung quanh.

Người thiết kế và vận hành công trình điện phải tuyệt đối tuân thủ các quy định an

toàn điện.

Bảng 1.1. Một số ký hiệu thường dùng:

Thiết bị Ký hiệu Thiết bị Ký hiệu

Máy phát điện hoặc nhà

máy điện Động cơ điện

Máy biến áp 2 cuộn dây

Khởi động từ

Máy biến áp 3 cuộn dây

Máy biến áp điều

chỉnh dưới tải

Máy cắt điện

Cầu chì.

Cầu dao cách ly

Aptômát

6

Máy cắt phụ tải

Cầu chì tự rơi

Tủ điều khiển

Tụ điện bù

Tủ chiếu sáng cục bộ Tủ chiếu sáng làm

việc

Tủ phân phối

Tủ phân phối động

lực

Đèn sợi đốt

Đèn huỳnh quang

Ổ cắm điện

Công tắc điện

Kháng điện

Máy biến dòng điện

Dây cáp điện Dây dẫn điện

Thanh dẫn (thanh cái) Dây dẫn tần số ≠

50Hz

Dây dẫn mạng hai dây Dây dẫn mạng 4 dây. Đường dây điện áp

U ≤36V. Đường dây mạng

động lực 1 chiều

Chống sét ống

Chống sét van

Câu hỏi ôn tập chương 1.

Câu 1. Trình bày đặc điểm và quá trình biến đổi năng lượng của các nhà máy điện?

Câu 2. Nêu và phân tích đặc điểm năng lượng điện và đặc điểm công nghệ của hệ

thống điện?

Câu 3. Để phân loại các hộ tiêu thụ điện xí nghiệp người ta căn cứ vào những chỉ tiêu

nào? Nêu và phân tích đặc điểm và phương án cấp điện cho các hộ tiêu thụ điện.

Câu 4. Những yêu cầu và nội dung chủ yếu khi thiết kế hệ thống cung cấp điện.

7

Chương 2

CÁC LOẠI LƯỚI ĐIỆN

Lưới điện để truyền tải điện từ nguồn đến hộ tiêu thụ, lưới điện gồm đường dây

truyền tải và các trạm biến áp. Lưới điện Việt nam hiện có các cấp điện áp: 0,4kV;

0,69kV; 1,2kV; 6kV; 10kV; 22kV; 35kV; 110kV; 220kV và 500kV. Tương lai sẽ chỉ còn

các cấp: 0,4kV; 22kV; 110kV; 220kV và 500kV.

Có nhiều cách phân loại lưới điện, sau đây đề cập đến cách phân loại theo đối tượng

cấp điện:

2.1.Lưới điện đô thị

Thường sử dụng cấp điện áp trung áp là 35kV; 22kV; 10kV; 6kV.

Để tăng độ tin cậy cung cấp điện, lưới trung áp thành phố thường có cấu trúc mạch

vòng kín vận hành hở.

Để đảm bảo an toàn và mỹ quan đô thị, thường sử dụng cáp ngầm cho mạng trung và

hạ áp. Thường dùng trạm biến áp kiểu xây. Tuy nhiên chi phí đầu tư và vận hành sẽ cao

hơn nhiều.

Để thuận lợi cho phân phối và ít ảnh hưởng đến giao thông các trạm biến áp thường

chỉ cung cấp điện cho một bên đường và được đặt ở góc hay giữa đoạn đường.

Hình 0.1. Trạm biến áp đặt ở góc phố.

2.2. Lưới điện nông thôn:

Ở nông thôn, mỗi huyện thường được cấp điện từ 1 hay 2 trạm biến áp trung gian,

hiện nay thường sử dụng cấp 10kV; 22kV và 35kV có cấu trúc dạng cây.

Tất cả các tuyến dây đều là đường dây trên không. Các trạm biến áp thường dùng

kiểu trạm cột. Để dễ quản lý và vận hành trạm biến áp phân phối thường được đặt ở giữa

thôn.

2.3. Lưới điện xí nghiệp:

Các xí nghiệp công nghiệp là những hộ tiêu thụ điện tập trung, công suất lớn, điện

năng cung cấp cho các xí nghiệp được lấy từ các trạm biến áp trung gian bằng các đường

dây trung áp.

Sơ đồ cung cấp điện cho xí nghiệp có thể phân thành 2 phần: bên trong và bên ngoài.

- Sơ đồ cung cấp điện bên ngoài: là phần cung cấp điện từ hệ thống đến trạm biến áp

chính hay trạm phân phối trung tâm của xí nghiệp.

Lưới trung áp điện xí nghiệp có cấu trúc khác nhau tùy vào quy mô xí nghiệp. Đối

với những xí nghiệp có tải vài trăm kVA, chỉ cần đặt 1 trạm biến áp. Đối với những xí

nghiệp lớn cần đặt nhiều trạm biến áp, mỗi trạm cung cấp cho một hoặc vài phân xưởng.

8

a) b) c) d)

Hình 0.2: Sơ đồ cung cấp điện bên ngoài xí nghiệp

a) khi cấp điện áp sử dụng của nhà máy trùng với điện áp cung cấp từ hệ thống; b)

các trạm biến áp phân xưởng nhận điện trực tiếp từ hệ thống và hạ xuống 0,4kV để sử

dụng; c) có trạm biến áp trung tâm trước khi phân phối đến các trạm biến áp phân xưởng;

d) khi xí nghiệp có máy phát điện dự phòng.

- Sơ đồ cung cấp điện bên trong: từ trạm phân phối trung tâm đến các trạm biến áp

phân xưởng. Có 3 kiểu sơ đồ thường dùng: sơ đồ hình tia, liên thông và sơ đồ hỗn hợp.

SĐ. Hỗn hợp

Hình 0.3. Sơ đồ cấp điện bên trong

Lưới hạ áp xí nghiệp chính là lưới điện bên trong mỗi phân xưởng. Để cấp điện cho

phân xưởng người ta đặt các tủ phân phối nhân điện hạ áp từ các máy biến áp về cấp cho

các tủ động lực, từ tủ này cung cấp điện cho các thiết bị.

2.4. Các loại dây và cáp điện:

Để tải điện người ta dùng dây dẫn và cáp. So với dây dẫn tải điện bằng cáp đắt

tiền hơn nhưng mỹ quan hơn, vì thế cáp trung và hạ áp thích hợp cho lưới điện đô thị và

xí nghiệp. Tải điện bằng dây dẫn rẻ tiền, dễ sửa chữa và thay thế thường được dùng trên

lưới trung áp và khu vực nông thôn.

9

Hình 0.4: Cáp và dây trần

2.4.1. Các loại dây dẫn:

Dây dẫn gồm hai loại: dây bọc cách điện và dây trần.

- Dây bọc cách điện: thường dùng trên lưới hạ áp. Dây bọc có nhiều loại: một sợi,

nhiều sợi, dây cứng, mềm, đơn, đôi… Vật liệu thông dụng là đồng và nhôm.

Ký hiệu: M(n, F), trong đó: M là dây đồng; n là số dây; F là tiết diện dây.

- Dây trần: dùng cho mọi cấp điện áp. Có các loại như: nhôm, thép, đồng và nhôm lõi

thép. Trong đó dây nhôm và nhôm lõi thép được dùng phổ biến cho đường dây trên

không, trong đó phần nhôm làm nhiệm vụ dẫn điện và phần thép tăng độ bền cơ học.

Ký hiệu: Loại dây (A, AC) - F, trong đó: A là dây nhôm; AC dây nhôm lõi thép; F là

tiết diện.

Ký hiệu cho mạng điện: loại dây (n.F +1.Fo) với n là số dây pha và Fo tiết điện dây

trung tính.

2.4.2. Các loại cáp:

2.4.2.1. Cấu tạo cáp: Cáp lực gồm các phần tử chính sau: lõi, cách điện và lớp vỏ bảo vệ.

- Lõi (ruột dẫn điện): Vật liệu cơ bản dùng làm ruột dẫn điện của cáp là đồng hay

nhôm kỹ thuật điện. Ruột cáp có các hình dạng tròn, quạt, hình mảnh. Ruột có thể gồm

một hay nhiều sợi.

- Lớp cách điện: Lớp vật liệu cách điện cách ly các ruột dẫn điện với nhau và cách ly

với lớp bảo vệ.

Hiện nay cách điện của cáp thường dùng là nhựa tổng hợp, các loại cao su, giấy cách

điện, các loại dầu và khí cách điện.

- Lớp vỏ bảo vệ: Lớp vỏ bảo vệ để bảo vệ cách điện của cáp tránh ẩm ướt, tránh tác

động của hóa chất do dầu tẩm thoát ra do hư hỏng cơ học cũng như tránh ăn mòn, han gỉ

khi đặt trong đất. Lớp vỏ bảo vệ dây dẫn là đai hay lưới bằng thép, nhôm hay chì, ngoài

cùng là lớp vỏ cao su hoặc nhựa tổng hợp.

2.4.2.2. Phân loại cáp: Cáp có thể phân loại theo nhiều cách:

- Theo số lõi: một, hai, ba hay bốn lõi, thông thường cáp cao áp chỉ có một lõi.

- Theo vật liệu cách điện: giấy cách điện (có tẩm hay không tẩm), cách điện cao su

hay nhựa tổng hợp và cách điện tổ hợp.

- Theo mục đích sử dụng: hạ, trung và cao áp, ngoài ra còn có cáp rado và cáp thông

tin.

- Theo lĩnh vực sử dụng: cáp dùng cho hàng hải, hàng không, dầu mỏ, hầm mỏ, trong

nước hay cho các thiết bị di chuyển (cần cẩu, cần trục…)

10

2.5. Cấu trúc đường dây tải điện:

Đường dây tải điện trên không ký hiệu là ĐDK. Đường dây tải điện trên không bao

gồm các phần tử: dây dẫn, sứ, xà, cột, móng, còn có thể có dây chống sét, dây néo và bộ

chống rung.

Hình 0.5: Đường dây tải điện trên không

- Đường dây truyền tải điện trên không: công trình xây dựng mang tính chất kỹ thuật

dùng để truyền tải điện năng theo dây dẫn, được lắp đặt ngoài trời. Dây dẫn được kẹp

chặt nhờ sứ, xà cột và các chi tiết kết cấu xây dựng. Đường dây hạ áp cần có thêm một

dây trung tính để lấy cả điện áp pha và điện áp dây. Nếu phụ tải 3 pha đối xứng thì lấy

dây trung tính bằng ½ dây pha còn khi phụ tải pha không cân bằng thì tiết diện dây trung

tính lấy bằng tiết diện dây pha.

- Khoảng cách tiêu chuẩn: gồm các khoảng cách ngắn nhất giữa dây dẫn được căng

và đất, giữa dây dẫn được căng và công trình xây dựng, giữa dây dẫn và cột, giữa các

dây dẫn với nhau.

- Độ võng trên dây: là khoảng cách theo chiều thẳng đứng từ đường thẳng nối 2 điểm

treo dây trên cột tới điểm thấp nhất của dây dẫn do tác dụng của khối lượng dây.

- Lực căng dây: là lực căng kéo dây và kẹp chặt cố định dây dẫn trên cột.

- Chế độ làm việc bình thường: là chế độ làm việc mà dây dẫn không bị đứt.

- Chế độ sự cố: là chế độ mà dây dẫn bị đứt dù chỉ một dây.

- Khoảng vượt trung gian của đường dây: khoảng cách mặt phẳng ngang giữa 2 cột.

- Khoảng néo chặt: là khoảng cách mặt phẳng nằm ngang giữa 2 cột chịu lực gần

nhau. Các cột chịu lực bao gồm các cột đầu tuyến, các cột cuối tuyến và các cột góc dây

dẫn chuyển hướng đi.

2.5.1. Cấu trúc đường dây trên không

- Cột: lưới cung cấp điện trung áp dùng 2 loại cột: cột vuông và cột ly tâm, ký hiệu

H và LT.

+ Cột vuông (cột chữ H): thường chế tạo cỡ 7,5 và 8,5m. Cột H7,5 dùng cho lưới hạ

áp và H8,5 dùng cho lưới hạ áp và lưới 10kV.

+ Cột ly tâm (cột tròn): các cột được đúc dài 10 và 12m, các đế cột dài 6, 8 và 10m.

Cột và đế được nối với nhau nhờ các măng xông hay mặt bích, từ đó có thể có các cột

10, 12, 16, 20, 22m. Các cột còn được phân loại thành A, B, C, D theo khả năng chịu lực

(được tra ở các bảng).

- Xà: dùng để đỡ dây dẫn và cố định khoảng cách giữa các dây, được làm bằng sắt

hoặc bê tông kích thước tùy vào cấp điện áp. Trên xà có khoan sẵn các lỗ để bắt sứ,

11

khoảng cách giữa hai lỗ khoan (cũng là khoảng cách giữa hai dây) từ 0,3÷0,4m đối với

đường dây hạ áp, từ 0,8÷1,2m với đường dây 10kV, từ 1,5÷2m với đường dây 35kV.

- Sứ: sứ có tác dụng vừa làm giá đỡ cho các bộ phận mang điện vừa làm vật cách

điện giữa các bộ phận đó với đất. Vì vậy sứ phải đủ độ bền, chịu được dòng ngắn mạch

đồng thời phải chịu được điện áp của mạng kể cả lúc quá điện áp.

Sứ cách điện thường được thiết kế và sản xuất cho cấp điện áp nhất định và được chia

thành hai dạng chính: sứ đỡ hay sứ treo dùng để đỡ hay treo thanh cái, dây dẫn và các bộ

phận mang điện; sứ xuyên dùng để dẫn nhánh hay dẫn xuyên qua tường hoặc nhà.

+ Sứ đỡ: thường dùng cho đường dây có điện áp từ 35kV trở xuống, khi đường dây

vượt sông hay đường giao thông thì có thể dùng sứ treo.

+ Sứ treo: có thể phân thành sứ thanh và sứ đĩa. Sứ thanh được chế tạo có chiều dài

và chịu được một điện áp xác định trước. Chuỗi sứ được kết lại từ các đĩa và số lượng

được ghép với nhau tùy thuộc điện áp đường dây. Ưu điểm của việc dùng chuỗi sứ cho

đường dây cao thế là điện áp làm việc có thể tăng bằng cách thêm các đĩa sứ với chi phí

nhỏ.

Hình 0.6. Một số dạng sứ

Khi cần tăng cường về lực người ta dùng các chuỗi sứ ghép song song, khi tăng

cường cách điện người ta tăng thêm số đĩa. Việc kẹp dây dẫn vào sứ đứng được thực

hiện bằng cách quấn dây hoặc bằng ghíp kẹp dây chuyên dụng. Việc kẹp dây vào sứ treo

được thực hiện bằng khóa kẹp dây chuyên dụng.

Đường dây có điện áp 110kV trở lên dùng sứ treo. Chuỗi sứ treo gồm các đĩa sứ tuỳ

theo cấp điện áp mà chuỗi sứ có số đĩa khác nhau.

Bảng 2.1. Các đĩa sứ theo cấp điện áp

Điện áp (kV) Số đĩa sứ

3-10 01

35 03

110 07

220 13

Ti sứ là chi tiết được gắn vào sứ đứng bằng cách vặn ren và chèn ximăng, cát được

dùng làm trụ để kẹp chặt sứ với xà trên cột điện. Ti sứ được làm bằng thép, được sơn phủ

hay mạ để chống gỉ.

- Móng cột: có nhiệm vụ chống lật cột. Trong vận hành cột điện chịu lực kéo của dây

và lực của gió bão.

12

- Dây néo: tại các cột néo (cột đầu, cuối và góc đường dây), để tăng cường chịu lực

kéo cho các cột này các dây néo được đặt ngược hướng lực kéo dây.

- Bộ chống rung: chống rung cho dây dẫn do tác dụng của gió.

Bộ chống rung gồm 2 quả tạ bằng gang nối với nhau bằng cáp thép, đoạn cáp được

kết vào đường dây nhờ kẹp.

Hình 0.7: Bộ chống rung và móng cột

Ngoài ra, trên cột và các xà đỡ còn được lắp đặt các tiết bị điện để phục vụ cho việc

vận hành và bảo vệ hoạt động của lưới điện như: các cầu chì tự rơi, máy cắt phụ tải, dao

cách ly, thiết bị tự đóng lại…

2.5.2. Cấu trúc mạng cáp:

Cáp được chế tạo chắc chắn, cách điện tốt, lại được đặt dưới đất hoặc trong hầm

cáp nên tránh được các va đập cơ khí và ảnh hưởng của khí hậu. Điện kháng của cáp nhỏ

hơn so với đường dây trên không cùng tiết diện nên giảm được tổn thất công suất và tổn

thất điện áp. Nhược điểm chính của cáp là giá thành cao, thường gấp 2,5 lần so với

đường dây trên không cùng tiết diện, do đó cáp được dùng ở những nơi quan trọng. Thực

hiện việc rẽ nhánh cáp cũng rất khó khăn và chính tại chỗ đó thường xảy ra sự cố, vì vậy

chỉ những cáp có điện áp Uđm < 10kV và thật cần thiết thì mới thực hiện rẽ nhánh. Hiện

có rất nhiều các loại cáp khác nhau do nhiều hãng chế tạo: cáp cách điện bằng cao su;

cách điện bằng dầu; PVC; PE; XLPE hay cáp cách điện bằng khí...

Câu hỏi ôn tập chương 2

Câu 1. Cách phân loại lưới điện và các yêu cầu chung về lưới cung cấp điện ?

Câu 2. Nêu và phân tích kết cấu đường dây trên không? So với kết cấu mạng cáp thì kết

cấu đường dây trên không có những ưu, nhược điểm gì ?

Câu 3. Các dạng sơ đồ cung cấp điện? So sánh ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của

các sơ đồ cung cấp điện. Vì sao trong thực tế ngày nay người ta ưu tiên sử dụng sơ đồ

dẫn sâu ?

13

Chương 3

TÍNH TOÁN PHỤ TẢI ĐIỆN

Nhiệm vụ đầu tiên khi tính toán thiết kế cung cấp điện là xác định nhu cầu điện (gọi

là phụ tải tính toán). Nếu phụ tải tính toán nhỏ hơn phụ tải thực tế sẽ làm giảm tuổi thọ

thiết bị đôi khi có thể gây cháy nổ do quá tải thiết bị, ngược lại thì thiết bị được chọn sẽ

quá lớn gây lãng phí vốn đầu tư.

Phụ tải tính toán của một nhóm thiết bị điện, của một phân xưởng... là phụ tải sử

dụng để thiết kế cung cấp điện cho nhóm thiết bị điện đó, phụ tải tính toán còn dùng để

lựa chọn máy biến áp, dây dẫn và các thiết bị đóng cắt. Điều đó có nghĩa là hệ thống

cung cấp điện được xác định theo công suất tính toán này.

Có hai loại phụ tải tính toán:

- Phụ tải tính toán theo phát nóng cho phép: Là phụ tải lâu dài không thay đổi tương

đương với phụ tải thực tế về hiệu quả nhiệt.

- Phụ tải tính toán theo điều kiện phát nóng: Còn gọi là phụ tải đỉnh nhọn, nó gây ra

tổn thất điện áp lớn nhất trong mạng điện và các điều kiện làm việc nặng nề nhất cho

mạng điện.

3.1. Các khái niệm chung.

3.1.1. Phụ tải điện:

Thông thường công suất vận hành khác với công suất thực tế do nhiều yếu tố khác

nhau và là một hàm theo thời gian. Nhưng cần phải xác định phụ tải điện cho việc tính

toán cung cấp điện. Công suất tính toán được gọi là công suất tính toán (Ptt).

- Nếu Ptt < Pthực tế: thiết bị mau giảm tuổi thọ, có thể cháy nổ.

- Nếu Ptt > Pthực tế: lãng phí vốn đầu tư.

Có nhiều phương pháp xác định phụ tải điện, càng có nhiều thông tin càng lựa chọn

được phương pháp chính xác. Thông thường có hai nhóm phương pháp là phương pháp

kinh nghiệm và phương pháp dựa trên xác xuất thống kê.

3.1.2. Các đặc tính chung của phụ tải điện.

Mỗi một phụ tải có những đặc trưng riêng của nó, và có 3 đặc trưng mà các

phương án cung cấp phải xét đến:

- Công suất định mức: thường được ghi trên nhãn của thiết bị. Đối với động cơ,

công suất định mức là công suất trên trục của động cơ, công suất điện Pđ =Pđm/ηđm.

Thường ηđm =0,8 ÷ 0,85; trường hợp động cơ nhỏ có thể xem Pđ =Pđm.

- Điện áp định mức: điện áp làm việc của thiết bị phải phù hợp với lưới điện nơi

đặt thiết bị.

- Tần số: tần số làm việc của thiết bị khác nhau nhiều từ 0Hz (điện DC) đến hàng

triệu Hz ở thiết bị cao tần.

3.1.3. Đồ thị phụ tải.

3.1.3.1. Khái niệm

Đồ thị phụ tải điện đặc trưng cho sự tiêu dùng năng lượng điện của các thiết bị riêng

lẻ, của nhóm thiết bị, của phân xưởng hoặc của toàn bộ xí nghiệp. Nó cho biết quan hệ

theo thời gian của công suất tác dụng P, phản kháng Q, biểu kiến S, hay dòng điện I của

phụ tải.

3.1.3.2. Phân loại: có nhiều cách phân loại

- Theo đại lượng đo: đồ thị phụ tải tác dụng P(t), phản kháng Q(t) và điện năng A(t).

14

- Theo thời gian khảo sát: đồ thị phụ tải hàng ngày, hàng tháng và hàng năm.

3.1.3.3. Các loại đồ thị phụ tải thường dùng:

- Đồ thị phụ tải ngày: như hình a) được ghi bằng máy; b) được ghi và vẽ lại bởi các

vận hành viên và c) thể hiện dạng bậc thang thông số trung bình trong một khoảng thời

gian.

b)a) c)

Hình 3.1. Đồ thị phụ tải ngày

+ Đồ thị phụ tải hàng ngày cho biết tình trạng làm việc của thiết bị để từ đó sắp xếp

lại qui trình vận hành hợp lý nhất, làm căn cứ để tính chọn thiết bị, tính điện năng tiêu

thụ.

+ Đồ thị phụ tải ngày có 5 thông số đặc trưng: phụ tải cực đại, hệ số công suất cực

đại, điện năng tác dụng và phản kháng ngày đêm, hệ số công suất tương ứng và hệ số

điền kín của đồ thị phụ tải.

- Đồ thị phụ tải hàng tháng: được xây dựng theo phụ tải trung bình của từng tháng

của xí nghiệp trong một năm làm việc.

Đồ thị phụ tải hàng tháng cho ta biết nhịp độ sản xuất của xí nghiệp. Từ đó có thể đề

ra lịch vận hành sửa chữa các thiết bị điện một cách hợp lý nhất, nhằm đáp ứng các yêu

cầu của sản xuất.

Hình 0.1: Đồ thị phụ tải tháng

15

- Đồ thị phụ tải năm: thường được xây dựng dạng bậc thang, xây dựng trên cơ sở

của đồ thị phụ tải ngày đêm điển hình (thường chọn 1 ngày điển hình vào mùa đông và

vào mùa hạ).

Hình 0.2: Đồ thị phụ tải năm

Đồ thị phụ tải năm có các thông số đặc trưng như: điện năng tác dụng và phản kháng

tiêu thụ trong năm, thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax, hệ số công suất trung bình

và hê số điền kín phụ tải.

3.1.4. Các đại lượng và hệ số thường gặp

3.1.4.1. Các đại lượng cơ bản:

- Công suất định mức Pđm: Công suất định mức của các thiết bị tiêu thụ điện thường

được các nhà chế tạo ghi sẵn trên nhãn hiệu máy hoặc trong các lý lịch máy. Đối với

động cơ, công suất định mức ghi trên nhãn hiệu máy chính là công suất cơ trên trục động

cơ. Công suất đặt là công suất đầu vào của động cơ, vậy công suất đặt trên trục động cơ

được tính như sau:

Pđ =

dc

dm

η

P (3.1)

trong đó:

Pđ : Công suất đặt của động cơ (kW).

Pđm : Công suất định mức của động cơ (kW).

ndc : Hiệu suất định mức của động cơ.

Trên thực tế, hiệu suất của động cơ tương đối cao (ndc= 0,85 ÷ 0,95) nên ta có thể

xem Pđ Pđm.

+ Đối với các thiết bị chiếu sáng: Công suất đặt là công suất được ghi trên đèn. Công

suất này bằng công suất tiêu thụ của đèn khi điện áp trên mạng điện là định mức.

+ Đối với các thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại (như cầu trục, máy hàn v.v...)

khi tính toán phụ tải điện của chúng, ta phải quy đổi về công suất định mức ở chế độ làm

việc dài hạn.

Có nghĩa là quy đổi về chế độ làm việc có hệ số tiếp điện % = 100%. Công thức quy

đổi như sau:

+ Đối với động cơ: P'đm = Pđm. ε% (3.2)

+ Đối với máy biến áp hàn: P'đm = Sđm.cos . ε% (3.3)

trong đó:

P'đm là công suất định mức đã quy đổi về chế độ làm việc dài hạn.

- Phụ tải trung bình Ptb: Phụ tải trung bình là một đặc trưng tĩnh của phụ tải trong

một khoảng thời gian nào đó. Tổng phụ tải trung bình của các thiết bị cho ta căn cứ để

16

đánh giá giới hạn dưới của phụ tải tính toán. Trong thực tế, phụ tải trung bình được tính

toán theo công thức sau:

ptb = t

P ; qtb = t

Q (3.4)

trong đó:

P , Q : Điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian khảo sát, kW, kVAr.

t: thời gian khảo sát, h.

+ Phụ tải trung bình cho cả nhóm thiết bị:

Ptb =

n

1itbip ; Qtb =

n

1itbiq (3.5)

Biết được phụ tải trung bình ta có thể đánh giá được mức độ sử dụng thiết bị, xác

định phụ tải tính toán và tính tổn hao điện năng.

- Phụ tải cực đại Pmax: Phụ tải cực đại là phụ tải trung bình lớn nhất được tính trong

khoảng thời gian tương đối ngắn (từ 5-30 phút). Thông thường lấy thời gian là 30 phút

ứng với ca làm việc có phụ tải lớn nhất trong ngày. Phụ tải cực đại để tính tổn thất công

suất lớn nhất, để chọn các thiết bị điện, các dây dẫn và dây cáp theo mật độ kinh tế.

- Phụ tải đỉnh nhọn: Phụ tải đỉnh nhọn (Pđnh) là phụ tải cực đại xuất hiện trong

khoảng thời gian rất ngắn (1 2s). Thường xảy ra khi mở máy động cơ. Phụ tải này được

dùng để kiểm tra độ dao động điện áp, điều kiện tự khởi động động cơ, chọn dây chảy

cầu chì, tính dòng khởi động của rơle bảo vệ.

Phụ tải đỉnh nhọn còn làm ảnh hưởng đến sự làm việc của các thiết bị khác trong

cùng một mạng điện.

- Phụ tải tính toán Ptt: Phụ tải tính toán được tính theo điều kiện phát nóng cho phép,

là phụ tải giả thiết lâu dài không đổi của các phần tử trong hệ thống cung cấp điện (máy

biến áp, đường dây) tương đương với phụ tải thực tế biến đổi theo điều kiện tác dụng lớn

nhất. Nói cách khác phụ tải tính toán cũng làm nóng dây dẫn lên tới nhiệt độ lớn nhất do

phụ tải thực tế gây ra.

Do vậy để đảm bảo an toàn trong mọi trạng thái vận hành, trong thực tế thiết kế ta

chỉ sử dụng phụ tải tính toán theo công suất tác dụng.

Ptb Ptt Pmax (3.6)

3.1.4.2. Các hệ số thường gặp:

- Hệ số sử dụng ksd: Hệ số sử dụng là tỉ số giữa phụ tải tác dụng trung bình với công

suất định mức của thiết bị.

+ Đối với một thiết bị: ksd =

dm

tb

p

p (3.7)

+ Đối với nhóm thiết bị: ksd =dm

tb

P

P =

n

1idmi

n

1itbi

p

p (3.8)

Nếu có đồ thị phụ tải thì hệ số sử dụng được toán như sau:

ksd = )t...t(tP

tP...tPtP

n21dm

nn2211

(3.9)

17

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

trong một chu kỳ làm việc và là số liệu để tính phụ tải tính toán.

- Hệ số phụ tải kPt: Hệ số phụ tải (còn gọi là hệ số mang tải) là tỉ số giữa công suất

thực tế với công suất định mức. Thường ta phải xét đến hệ số phụ tải trong khoảng thời

gian nào đó.

Nên: kpt =

dm

th­ctÕ

P

P =

dm

tb

P

P =

n

1idmi

n

1itbi

p

p (3.10)

Nếu có đồ thị phụ tải thì hệ số sử dụng được tính như công thức sau:

kpt = )t...t(tP

tP...tPtP

n21dm

nn2211

(3.11)

Hệ số phụ tải nói lên mức độ sử dụng, mức độ khai thác công suất của thiết bị điện

trong khoảng thời gian đang xét.

- Hệ số cực đại kmax: Hệ số cực đại là tỉ số giữa phụ tải tính toán và phụ tải trung bình

trong khoảng thời gian đang xét:

kmax =

tb

tt

P

P (3.11)

Hệ số cực đại phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ yếu là số thiết bị hiệu quả nhq và hệ số

sử dụng ksd và hàng loạt các yếu tố đặc trưng cho chế độ làm việc của các thiết bị trong

nhóm làm rất phức tạp nên khi tính toán thường tra theo đường cong: kmax = f(nhq, ksd).

- Hệ số nhu cầu knc:Hệ số nhu cầu là tỉ số giữa phụ tải tính toán và công suất định

mức.

knc =

dm

tt

P

P =

tb

tt

P

P .

dm

tb

P

P = kmax.ksd (3.12)

Hệ số nhu cầu thường được dùng tính cho phụ tải tác dụng. Trong thực tế hệ số nhu

cầu thường do kinh nghiệm vận hành tổng kết lại.

- Hệ số thiết bị hiệu quả nhq: Hệ số thiết bị hiệu quả là số thiết bị giả thiết có cùng

công suất và chế độ làm việc. Chúng đòi hỏi phụ tải bằng phụ tải tính toán của nhóm phụ

tải thực tế (gồm các thiết bị có chế độ làm việc khác nhau):

nhq =

2

n

1i

2

dm

n

1idmi

)(P

P

(3.13)

Khi số thiết bị dùng điện trong nhóm n >5, thì tính nhq theo công thức trên khá phức

tạp nên người ta tìm nhq theo bảng hoặc đường cong.

Trình tự tính như sau:

Trước hết tính: n* =n

n1 ; P* =

P

P1 (3.14)

trong đó:

n: Số thiết bị trong nhóm.

n1: Số thiết bị có công suất không nhỏ hơn một nữa công suất của thiết bị có

công suất lớn nhất trong nhóm.

18

P, P1 là tổng công suất ứng với n và n1 thiết bị.

Sau khi tính được n* và P

* tra bảng hoặc đường cong tìm được n

*hq, từ đó tính nhq theo

công thức sau:

nhq = n.n*hq (3.15)

Số thiết bị hiệu quả là một trong những số liệu quan trọng để xác định phụ tải tính

toán.

3.1.5. Các phương pháp tính phụ tải tính toán.

Hiện nay, có nhiều phương pháp để tính phụ tải tính toán. Những phương pháp đơn

giản, tính toán thuận tiện thường kết quả không chính xác. Ngược lại, nếu độ chính xác

được nâng cao thì phương pháp tính phức tạp. Vì vậy tuỳ theo giai đoạn thiết kế, tuỳ theo

yêu cầu cụ thể mà chọn phương pháp tính cho thích hợp, sau đây là một số phương pháp

xác định phụ tải tính toán thường dùng nhất.

3.1.5.1. Xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt và hệ số nhu cầu:

Công thức tính:

Ptt =knc.

n

1idiP (3.16)

Qtt = Ptt.tg (3.17)

Stt = tt2

tt2 QP =

cos

Ptt (3.18)

Một cách gần đúng có thể lấy Pđ = Pđm nên:

Ptt = knc.

n

1idmip (3.19)

trong đó:

Pđi, Pđmi : Công suất đặt, công suất định mức của thiết bị thứ i (kW).

Ptt, Qtt, Stt : Công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất toàn phần

tính toán của nhóm có n thiết bị, (kW, kVAr, kVA).

n : Số thiết bị trong nhóm.

knc: Hệ số nhu cầu, tra ở sổ tay kỹ thuật.

tg : ứng với cos đặc trưng cho nhóm thiết bị, tra ở sổ tay kỹ thuật.

Nếu hệ số công suất cos của các thiết bị trong nhóm không giống nhau thì phải tính

hệ số công suất trung bình theo công thức sau:

n21

nn2211tb

P...PP

cosP...cosPcosPcos

(3.20)

Hệ số nhu cầu của các máy khác nhau thường được cho trong các sổ tay.

Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, tính toán thuận tiện. Tuy nhiên, nhược

điểm chủ yếu của phương pháp này là độ chính xác không cao. Bởi vì hệ số nhu cầu knc

tra trong các sổ tay là cố định cho trước không phụ thuộc vào chế độ vận hành và số thiết

bị trong nhóm. Trong lúc đó, theo công thức trên ta có knc = kmax.ksd, có nghĩa là hệ số

nhu cầu phụ thuộc nhiều yếu tố kể trên.

3.1.5.2. Xác định phụ tải tính toán theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích.

Công thức tính:

Ptt = p0.F (3.21)

trong đó:

19

p0: Suất phụ tải trên 1m2 đơn vị diện tích sản xuất (kW/m

2).

F : Diện tích sản xuất (m2).

Giá trị p0 được cho sẵn trong bảng, phụ thuộc vào tính chất của phụ tải phân tích theo

số liệu thống kê.

Phương pháp này chỉ cho kết quả gần đúng. Nó được dùng để tính các phụ tải, các

phân xưởng có mật độ máy móc sản xuất phân bố tương đối đều nên chỉ áp dụng trong

giai đoạn thiết kế sơ bộ.

3.1.5.3. Xác định phụ tải tính toán theo suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản

phẩm:

Công thức tính:

Ptt = max

0

T

M.w (3.22)

trong đó:

M: Số đơn vị sản phẩm sản xuất ra trong 1 năm (sản lượng).

0w : Suất tiêu hao điện năng cho 1 đơn vị sản phẩm (kWh/đơn vị sản

phẩm).

Tmax: Thời gian sử dụng công suất lớn nhất (h).

Phương pháp này thường dùng để tính toán cho các thiết bị điện có đồ thị phụ tải ít

biến đổi hay không thay đổi như: quạt gió, máy nén khí... khi đó phụ tải tính toán gần

bằng phụ tải trung bình và kết quả tương đối chính xác.

3.1.5.4. Xác định phụ tải tính toán theo hệ số cực đại và công suất trung bình.(phương

pháp số thiết bị hiệu quả):

Khi không có các số liệu cần thiết để áp dụng các phương pháp tương đối đơn giản

đã nêu ở trên hoặc khi cần nâng cao độ chính xác của phụ tải tính toán thì nên dùng

phương pháp này.

Công thức tính:

Ptt = kmax.ksd.Pđm (3.23)

trong đó:

Pđm: Công suất định mức (kW).

ksd : Hệ số sử dụng, tra trong sổ tay kỹ thuật.

kmax: Hệ số cực đại, tra trong sổ tay kỹ thuật theo quan hệ:

kmax = f(nhq, ksd).

Phương pháp này cho kết quả tương đối chính xác vì khi xác định số thiết bị hiệu quả

nhq, chúng ta đã xét tới hàng loạt các yếu tố quan trọng như ảnh hưởng của số lượng thiết

bị trong nhóm, số thiết bị có công suất lớn nhất cũng như sự khác nhau về chế độ làm

việc của chúng.

3.1.5.5. Hướng dẫn cách chọn các phương pháp xác định phụ tải tính toán:

Tuỳ theo số liệu và đầu bài mà ta chọn phương pháp xác định phụ tải tính toán cho

hợp lý.

Khi xác định phụ tải tính toán cho từng nhóm máy ở điện áp thấp (U < 1000 V) nên

dùng phương pháp tính theo hệ số cực đại kmax (tức là phương pháp tính theo hệ số hiệu

quả) bởi vì phương pháp này có kết quả tương đối chính xác.

Khi phụ tải phân bố tương đối đều trên diện tích sản xuất hoặc có số liệu chính xác

suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm thì có thể dùng phương pháp suất tiêu

20

hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm để tính phụ tải tính toán. Các phương pháp trên

cũng thường được áp dụng cho giai đoạn tính toán sơ bộ để ước lượng phụ tải cho hộ tiêu

thụ.

Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ thường cần phải đánh giá phụ tải chung của các hộ

tiêu thụ (phân xưởng, xí nghiệp, khu vực, thành phố ...) trong trường hợp này nên dùng

phương pháp hệ số nhu cầu knc.

3.2. Xác định phụ tải điện khu vực nông thôn:

Đối tượng sử sụng điện phổ biến ở nông thôn là: trạm bơm, trường học và sinh hoạt.

3.2.1. Phụ tải điện trạm bơm:

Các máy bơm nông nghiệp thường có các thang công suất: 14, 20, 33, 45, 55, 100,

200kW. Với máy bơm công suất nhỏ (< 100kW) sử dụng điện hạ áp, máy bơm công suất

lớn trở lên thường sử dụng điện 6 hay 10kV.

Trạm bơm thường chia thành hai loại: trạm bơm tưới và trạm bơm tiêu.

Phụ tải trạm bơm tính theo công thức sau:

1

. và .n

tt dt ti dmi tt tt

i

P K K P Q P tg

(3.24)

trong đó: ttP , ttQ : công suất tác dụng và phản kháng tính toán của trạm bơm.

dtK : hệ số đồng thời, dtnlvK

n =số máy làm việc/tổng số máy.

tK : hệ số tải của máy bơm, riêng đối với trạm bơm tiêu lấy bằng 1.

3.2.2. Phụ tải trường học: Để thiết kế cấp điện cho trường học cần xác định phụ tải từng phòng học, từng tầng,

từng dãy nhà học và toàn trường học.

- Phụ tải cho từng phòng học xác định theo công thức:

0 * và *p p pP P S Q P tg (3.25)

Hệ số công suất cho: đèn ống + quạt cos= 0,8; đèn sợi đốt + quạt cos= 0,9.

- Phụ tải tính toán một tầng nhà gồm n phòng:

1

n

T dt piP K P (3.26)

Với: dtK là hệ số đồng thời.

- Phụ tải tính toán cho một tòa nhà gồm m lầu:

1

m

N dt TiP K P (3.27)

3.2.3. Phụ tải chiếu sáng sinh hoạt - Phụ tải tính toán cho một thôn, xóm hoặc làng được xác định:

0 0* và *tt ttP P H Q Q H (3.28)

trong đó H: số hộ dân trong làng, thôn.

P0: suất phụ tải tính toán cho một hộ.

- Phụ tải tính toán cho xã bao gồm các thôn xóm được xác định.

2 2

1 1

; và n n

X dt tti X dt tti X X XP K P Q K Q S P Q (3.29)

3.3. Xác định phụ tải điện khu vực công nghiệp:

3.3.1. Trong giai đoạn dự án khả thi:

21

Thông tin thu nhận trong giai đoạn này thường không chính xác. Để xác định phụ tải

điện cho việc thiết kế, xây dựng đường dây cao áp và trạm biến áp trung gian người ta

dựa vào diện tích hoặc sản lượng.

- Xác định phụ tải điện cho khu CN, chế xuất căn cứ vào diện tích:

0 *ttS S D (3.30)

trong đó: S0 suất phụ tải trên đơn vị diện tích, tùy ngành CN mà S0 chọn

100÷400(kVA/ha).

D: diện tích khu CN, chế xuất (ha).

- Đối với xí nghiệp, nếu biết sản lượng sẽ sản xuất, công thức xác định phụ tải điện

như sau:

max

.tt

a MPT

(3.31)

trong đó: a: suất điện năng chi phí để sản xuất ra một đơn vị sản phẩm (kWH/sp).

M: sản lượng.

Tmax: thời gian sử dụng công suất cực đại. Tmax và a thường được tra bảng.

3.3.2. Trong giai đoạn xây dựng nhà xưởng:

Thông tin nhận được trong giai đoạn này là công suất đặt của từng phân xưởng, diện

tích của từng xưởng.

- Phụ tải điện động lực của từng phân xưởng được xác định theo công thức:

. và .tt nc d tt ttP K P Q P tg (3.32)

trong đó: ncK : hệ số nhu cầu (tra bảng).

dP : công suất đặt của phân xưởng. Với .d dmP P n

dmP và n: công suất định mức của động cơ và số động cơ.

- Phụ tải điện chiếu sáng trong phân xưởng được xác định theo diện tích:

0. và .cs cs csP P D Q P tg (3.33)

trong đó: D : diện tích xưởng.

0P : suất chiếu sáng trên một đơn vị diện tích (W/m2). Tùy theo vị trí, mục

đích sử dụng chọn 0P = 5÷30 W/m2.

- Phụ tải điện cho toàn phân xưởng:

và PX tt cs PX tt csP P P Q Q Q (3.34)

- Phụ tải điện cho toàn xí nghiệp có n phân xưởng:

2 2

1 1

. ; . và n n

XN dt XNi XN dt XNi XN XN XNP K P Q K Q S P Q (3.35)

3.3.3. Trong giai đoạn thiết kế chi tiết: Đây là công đoạn cuối cùng trong quá trình thiết kế cấp điện cho xí nghiệp công

nghiệp. Ở giai đoạn này đã biết hầu hết các thông tin về đối tượng sử dụng điện.

- Phụ tải tính toán xác định cho một nhóm máy, được xác định theo công thức sau:

max max

1

. = . .n

tt tb sd tbiP K P K K P (3.36)

trong đó: tbP : công suất trung bình trong thời gian khảo sát.

max , sdK K : tra bảng.

3.4. Xác định phụ tải điện khu vực đô thị:

22

3.4.1. Phụ tải điện các hộ gia đình:

Các hộ gia đình là đối tượng sử dụng điện lớn nhất ở đô thị.

- Trong giai đoạn xây dựng cơ sở hạ tầng: thông tin nhận được là mặt bằng quy

hoạch đường phố, công thức xác định phụ tải như sau:

0. và .tt tt ttP P L Q P tg (3.37)

trong đó: L: chiều dài đoạn phố.

0P : công suất phụ tải trên một mét chiều dài.

- Trong giai đoạn thiết kế chi tiết, thông tin nhận được tương đối chính xác, để xác

định phụ tải điện có hai phương pháp tính toán:

- Phương pháp 1: Tính phụ tải từ căn hộ rồi đến khu vực.

- Phương pháp 2: Tính ngược lại từ khu vực rồi đến căn hộ.

3.4.2. Phụ tải điện các trường đại học, trung học chuyên nghiệp:

Đối với khu vực giảng đường, hành chính văn phòng, phòng thí nghiệm phụ tải được

xác định theo công thức: 0 *pP P S với 0P = 20÷40 W/m2. Sau đó được cộng với phụ tải

của xưởng điện, cơ khí, ký túc xá…ta được phụ tải cho trường học.

3.4.3. Các loại phụ tải khác:

Các phụ tải điện khác như: khu văn phòng, khách sạn siêu thị, nhà hàng công viên

được tính toán tương tự bằng cách chọn công suất phụ tải đơn vị ( 0P ) phù hợp.

Câu hỏi ôn tập chương 3 Câu 1. Phụ tải tính toán là gì, mối quan hệ giữa phụ tải tính toán với các đại lượng khác ?

Câu 2. Trình bày các phương pháp tính toán xác định phụ tải điện so sánh chỉ ra ưu

nhược điểm và phạm vi ứng dụng của từng phương pháp ?

Câu 3. Thế nào là đồ thị phụ tải điện ngày, tháng, năm ? Mục đích nghiên cứu và phương

pháp xây dựng các đồ thị phụ tải ?

Câu 4. Bài tập tính toán phụ tải điện ?

23

Chương 4

TRẠM BIẾN ÁP

4.1. Khái quát và phân loại trạm điện

4.1.1. Khái quát

Trạm biến áp là một phần tử rất quan trọng của hệ thống điện, nó có nhiệm vụ tiếp

nhận điện năng từ hệ thống, biến đổi từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác và phân

phối cho các mạng điện tương ứng. Trong mỗi trạm biến áp ngoài máy biến áp còn có rất

nhiều thiết bị hợp thành hệ thống tiếp nhận và phân phối điện năng. Các thiết bị phía cao

áp gọi là thiết bị phân phối cao áp (máy cắt, dao cách ly, thanh cái vv.) và các thiết bị

phía hạ áp gọi là thiết bị phân phối hạ áp (thanh cái hạ áp, aptomat, cầu dao, cầu chảy...).

Trạm tăng áp thường đặt tại các nhà máy điện để tăng điện áp từ 0,4kV – 6,3kV

lên các cấp cao hơn với mục đích truyền tải điện năng đi xa; Trạm biến áp trung gian là

trạm giảm áp, tiếp nhận điện năng từ lưới 35kV-220kV để cung cấp cho các lưới phân

phối 6kV-22kV; Trạm biến áp tiêu thụ, hay trạm biến áp phân xưởng có nhiệm vụ tiếp

nhận điện năng từ mạng phân phối 6kV -22kV và cung cấp cho lưới điện hạ áp.

4.1.2. Phân loại

- Theo nhiệm vụ, có thể phân trạm thành hai loại:

+ Trạm biến áp trung gian hay còn gọi là trạm biến áp chính: trạm này nhận điện

35÷220kV từ hệ thống biến đổi thành cấp điện áp 10, 6 hay 0,4kV.

+ Trạm biến áp phân xưởng: nhận điện từ trạm biến áp trung gian biến đổi thành các

cấp điện áp thích hợp phục vụ cho phụ tải phân xưởng. Phía sơ cấp thường là 35, 22, 15,

10, 6kV; còn phía hạ áp có thể là 660, 380/220 hay 220/127V.

- Theo cấu trúc, cũng có thể chia thành hai loại:

+ Trạm biến áp ngoài trời: ở trạm này, các thiết bị cao áp đều được đặt ngoài trời, còn

phần phân phối điện áp thấp được đặt trong nhà hoặc trong các tủ chuyên dùng chế tạo

sẵn.

+ Trạm biến áp trong nhà: ở trạm này tất cả các thiết bị đều được đặt trong nhà. Chi

phí xây dựng trạm trong nhà thường cao hơn trạm ngoài trời nhiều.

4.2. Sơ đồ nối dây trạm biến áp

Sơ đồ nối dây của trạm phải thỏa mãn các điều kiện sau:

Đảm bảo liên tục cung cấp điện theo yêu cầu phụ tải.

Sơ đồ nối dây rõ ràng, thuận tiện trong vận hành và lúc xử lý sự cố.

An toàn lúc vận hành và sửa chữa.

Cân bằng giữa các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ thuật.

4.2.1. Trạm hạ áp trung gian:

Sơ đồ nối dây phía sơ cấp của trạm loại này phụ thuộc các thông số: điện áp cung

cấp, số lượng và công suất máy biến áp, chế độ làm việc, độ tin cậy yêu cầu, sự phát triển

trong tương lai… Do vậy có rất nhiều phương án để giải quyết vấn đề, tuy nhiên rất ít

hoặc không có phương án nào thỏa hết các yêu cầu.

Sau đây là một số sơ đồ nối dây trạm biến áp thông dụng. Các trạm này thường được

thực hiện theo dạng sau:

+ Nối đến hệ thống bằng một hoặc hai lộ. Hai lộ đến thường không có thanh cái.

24

+ Phía điện áp thứ cấp (điện áp phân phối) người ta dùng sơ đồ với thanh cái đơn hay

thanh cái kép.

+ Trạm nằm trong phạm vi xí nghiệp, thanh cái cao áp ngoài nối với hệ thống còn nối

với nhà máy điện địa phương hay tổ máy phát điện riêng. Thanh cái có thể là đơn hay

kép với máy cắt phân đoạn. Do được nối vào nguồn lớn nên các phụ tải có thể lắp các

cuộn kháng để giảm dòng ngắn mạch nếu có.

4.2.2. Trạm phân phối chính:

- Trạm phân phối trung gian:

Đối với các xí nghiệp có nhiều phân xưởng nằm rải rác và phân tán, thì cần có các

trạm biến áp trung gian để phân phối điện năng từ các trạm chính đến các phân xưởng.

Việc kết nối giữa trạm trung gian và trạm phân phối chính nhờ các lộ chính.

Hình 0.1: Sơ đồ trạm hạ áp trung gian và trạm phân phối chính

4.2.3. Trạm hạ áp phân xưởng:

Trạm hạ áp phân xưởng thường có một hay hai máy biến áp, khi trạm có nhiều (> 3)

máy biến áp thì có thể có thanh cái phân đoạn.

4.2.3.1. Trạm hạ áp với một máy biến áp: trạm này thường phục vụ cho hộ loại 2, loại 3,

trừ trường hợp làm nguồn dự phòng cho hộ loại 1 có công suất nhỏ nhờ sử dụng tự động

đóng.

Đặc điểm của sơ đồ trạm hạ áp – một máy biến áp phân xưởng là cách nối của máy

biến áp đến đường dây cao áp, thông thường có 3 cách nối sau:

+ Thông qua dao cách ly và máy cắt điện: cách này ít sử dụng do máy cắt đắt tiền, phải

tính toán ổn định động và ổn định nhiệt khi có ngắn mạch.

+ Nối qua dao cách ly và cầu chì: thường sử dụng, dao cách ly có nhiệm vụ cắt dòng

không tải. Nhược điểm là do bảo vệ quá tải và ngắn mạch nhờ cầu chì nên có độ nhạy

thấp.

+ Nối qua dao cách ly và cầu chì và máy cắt phụ tải: sơ đồ này có dùng máy cắt phụ tải

do chỉ thiết kế để cắt dòng phụ tải nên bộ phận dập tắt hồ quang có cấu tạo đơn giản, chi

phí không cao.

25

4.2.3.2. Trạm hạ áp với nhiều máy biến áp: phục vụ cho tất cả các loại hộ dùng điện.

Tùy theo số máy biến áp, số lộ cung cấp, loại hộ được cung cấp mà có một số dạng sơ đồ

phổ biến như hình 4.2.

4.2.3.3. Trạm hạ áp dùng các tủ chế tạo sẵn: Các tủ chế tạo sẵn thường được chế tạo

thành nhiều ngăn. Mỗi ngăn bao gồm: máy cắt, dao cách ly, thiết bị đo lường và bảo vệ.

Tùy theo dòng phụ tải mà máy cắt có thể là máy cắt dầu, không khí và đôi khi là máy cắt

chân không như hình 4.3.

Hình 0.2: Trạm có một và trạm nhiều máy biến áp

Hình 0.3: Trạm với tủ chế tạo sẵn

4.3. Cấu trúc trạm:

Khi thiết kế xây dựng trạm phải tiết kiệm chi phí tuy nhiên một số chỉ tiêu sau phải

được đảm bảo:

- Chọn đúng trang thiết bị điện, lắp rắp đúng quy phạm và thỏa các điều kiện vận hành.

- Tôn trọng khoảng cách giữa các phần dẫn điện với nhau và với xung quanh.

- Khả năng loại nhanh hỏa hoạn và các sự cố khác.

- Thuận tiện trong thao tác và các hành lang thi công, sửa chữa.

- Phải thực hiện nối đất bảo vệ.

26

- Phải sử dụng các tín hiệu cần thiết.

4.3.1. Trạm hạ áp phân xưởng ngoài trời:

Thường áp dụng cho xí nghiệp bé, lưới điện cung cấp từ đường dây trên không. Có

hai dạng phổ biến là máy biến áp được treo trên cột và đặt ngay dưới chân cột.

- Dạng treo cột: khi các máy biến áp ba pha hay một pha (từ 25÷240kVA) và các

trang bị cùng khí cụ điện có tổng trọng lượng nhỏ (khoảng 300÷1800kg). Toàn bộ trang

bị của trạm được treo trên các giá đỡ mắc vào một, hai hay bốn cột bằng gỗ hay xi măng

cốt thép.

- Dạng đặt dưới chân cột; đối với các máy biến áp quá lớn hay không đảm bảo được

cân bằng trọng lượng khi treo trên cột thì máy biến áp được đặt trên một nền gỗ hay xi

măng ngay dưới chân cột, xung quanh có rào lưới cao 2,5m để ngăn người hay vật đến

gần trạm.

Hình 0.4: Trạm biến áp treo và Tủ chế tạo sẵn

4.3.2. Trạm hạ áp phân xưởng trong nhà:

Đối với trạm công suất lớn (hơn 320MVA), khi có các yêu cầu trong vận hành, hoặc

trong điều kiện đặc biệt như không khí độc hại trong quá trình sản xuất, không gian bố trí

trạm quá ít… thì trạm trong nhà được chọn để xây dựng; ở trạm dạng này tất cả các thiết

bị được đặt trong nhà.

Trạm này thường có sơ đồ nối dây đơn giản, chỉ sử dụng thanh cái khi có phụ tải điện

áp cao. Các khí cụ ở phần cao áp là cầu chì ống, máy cắt phụ tải với cầu chì, máy cắt dầu

hay khí nén.

Trạm có thể có một hay nhiều buồng tùy theo số lượng máy biến áp. Các buồng phải

có hệ thống thông gió với chiều cao phù hợp.

Đối với các thiết bị có chứa dầu như máy biến áp, mát cắt có chứa dầu phải có hệ

thống góp dầu và bể chứa dầu phòng khi có sự cố hay hỏa hoạn.

Việc nối dây giữa các máy biến áp và buồng phân phối điện áp cao (nếu có), cũng

như việc nối dây đến bảng điện áp thấp có thể thực hiện bằng các thanh dẫn hay cáp.

4.3.3. Trạm hạ áp phân xưởng chế tạo sẵn thành tủ:

Loại này gồm có: một hay hai máy biến áp hạ áp được đặt trong buồng con bằng kim

loại hoặc để hở nếu máy biến áp có dầu. Hệ thống phân phối điện áp cao (6 – 10kV) gồm

một hay nhiều tủ con được gia công và lắp đặt sẵn theo một sơ đồ nối nào đó. Hệ thống

phân phối điện áp thấp cũng gồm các tủ cấu kiện gia công sẵn. Đường dây nối giữa các

máy biến áp và trang bị điện là các thanh trần đặt bên trong các khung bằng kim loại của

tủ này.

27

4.4. Lựa chọn máy biến áp cho trạm: Lựa chọn máy biến áp bao gồm chọn số lượng và công suất của máy biến áp. Việc

lựa chọn phù hợp với loại hộ tiêu thụ, phù hợp với chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế (phí đầu tư

và vận hành).

4.5. Nối đất trạm và đường dây tải điện:

Trong lưới cung cấp người ta thực hiện nối đất với nhiều mục đích khác nhau: nối đất

làm việc, an toàn và chống sét.

Trang bị nối đất bao gồm các điện cực và dây dẫn nối đất. Các điện cực nối đất bao

gồm: điện cực thẳng được đóng sâu vào trong đất và điện cực ngang được chôn ngầm ở

một độ sâu nhất định. Các dây nối đất dùng để nối liền các bộ phận được nối đất với các

điện cực.

4.5.1. Nối đất trạm biến áp:

Hệ thống nối đất trong trạm biến áp thực hiện cả ba chức năng: làm việc, an toàn và

chống sét. Theo quy phạm điện trở nối đất (Rđ) của hệ thống nối đất phải đạt như sau:

Với trạm biến áp phân phối: Rđ ≤ 4Ω.

Với trạm biến áp trung gian có Uđm ≤ 35kV: Rđ ≤ 1Ω.

Với trạm biến áp trung gian có Uđm ≥ 110kV: Rđ ≤ 0,5Ω.

Kết cấu hệ thống nối đất của trạm thường ở dạng mạch vòng gồm các cọc dài 2,5m

đóng ngập sâu 0,7m, các cọc cách nhau ≥ 2,5m và được hàn nối với nhau bằng các thanh

thép tạo thành mạch vòng.

Đối với các trạm đặt ở hè phố thì phương án nối đất hình tia được thực hiện.

4.5.2. Nối đất đường dây tải điện:

- Nối đất chống sét và an toàn: các ĐDK trung áp trở lên tất cả các cột đều phải nối

đất, với ĐDK 0,4 kV phải nối đất các cột đi qua khu vực đông dân.

Quy phạm quy định Rđ của một cột như sau: Vùng đồng bằng: Rđ ≤ 10Ω; Vùng trung

du: Rđ ≤ 15Ω; Vùng núi: Rđ ≤ 20Ω. Với vùng đồng bằng, điện trở suất của đất nhỏ, mỗi

cột chỉ cần nối đất 1 cọc là đạt trị cố cho phép, vùng trung du và vùng núi phải tăng số

cọc theo hình tia đến khi đạt trị số cho phép.

- Nối đất trung tính lặp lại: là hình thức nối đất riêng cho ĐDK 0,4kV đề phòng mất

trung tính tại trạm biến áp làm cháy các thiết bị dùng điện. Theo quy phạm, cứ khoảng 4

hay 5 cột phải thực hiện nối đất trung tính lặp lại.

Lưu ý: cần phân biệt nối đất trung tính là nối từ đường dây trung tính xuống cọc nối

đất; nối đất chống sét và an toàn là nối từ xà đỡ dây xuống cọc nối đất.

Câu hỏi ôn tập chương 4

Câu 1. Trình bày cách phân loại trạm biến áp ? Khi xác định lựa chọn vị trí, số lượng và

công suất trạm biến áp phải thoả mãn những yêu cầu gì ?

Câu 2. Nêu đặc điểm của các sơ đồ nối dây cơ bản ?

Câu 3. Nêu và phân tích cấu trúc trạm: Trạm treo, trạm bệt, trạm với tủ chế tạo sẵn ?

28

Chương 5

TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN

Tính toán về điện là xác định thông số chế độ của lưới điện. Tính toán về điện bao

gồm tính các loại tổn thất trong hệ thống như tổn thất điện áp, tổn thất công suất, tổn thất

điện năng cũng như các tính toán về phân bố công suất, lựa chọn tiết diện dây dẫn và

cáp, các chế độ vận hành.

Tính toán điện phục vụ cho công tác đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống

cung cấp điện, xác định tổng phụ tải, chọn các phần tử của mạng điện, xác định phương

án bù công suất phản kháng.

Tùy mục đích sử dụng mà độ chính xác của các tính toán đòi hỏi khác nhau. Để

khối lượng tính toán giảm bớt có thể sử dụng các biểu đồ, bảng tính có sẵn trong các

sách tra cứu.

Các bước thực hiện lần lượt: xử lý các dữ kiện ban đầu (cấp điện áp, loại dây dẫn,

sơ đồ mạng…), xây dựng sơ đồ thay thế, thực hiện tính toán và xử lý kết quả.

5.1. Sơ đồ thay thế lưới cung cấp điện:

5.1.1. Khái niệm:

Thành lập sơ đồ thay thế cho một lưới điện bất kỳ gồm có: lựa chọn sơ đồ tính toán

cho mỗi phần tử của lưới và tính toán các thông số của chúng, sau đó lắp các sơ đồ thay

thế theo đúng trình tự trong lưới, cuối cùng là quy đổi các thông số trên sơ đồ về cùng

cấp điện áp.

Sơ đồ thay thế của đường dây và máy biến áp sẽ được lần lượt trình bày, đây là hai

thành phần chính của lưới truyền tải và phân phối.

5.1.2. Sơ đồ thay thế đường dây: 5.1.2.1. Các thông số của đường dây:

- Điện dẫn G: là thông số phản ánh hiện tượng tổn thất công suất tác dụng trong

sứ và điện môi. Phần công suất tổn hao trong sứ của đường dây trên không ở mọi cấp

điện áp rất bé và có thể bỏ qua. Một phần tổn thất công suất nữa là tổn thất do vầng

quang, thường chỉ xảy ra ở cấp điện áp ≥ 110kV trong một số điều kiện nhất định. Đối

với dây cáp có thể bỏ qua điện dẫn.

- Dung dẫn B: dung dẫn đường dây thể hiện điện dung giữa các dây dẫn. Dung

dẫn này tỷ lệ với dòng điện chuyển dịch (hay là dòng điện nạp của đường dây), sinh ra

công suất phản kháng trên đường dây. Dòng điện điện dung của cáp thường lớn hơn

đường dây trên không, do vậy đối với cáp từ 20kV trở lên phải xét đến dung dẫn khi lập

sơ đồ thay thế.

- Điện trở R: điện trở đường dây, phụ thuộc chiều dài và thường được cho bởi nhà

chế tạo.

- Điện kháng X: thể hiện hiện tượng tản từ. Khi tải dòng điện xoay chiều ba pha sẽ

xuất hiện xung quanh các dây dân một từ trường, tạo ra lực điện động trong mỗi dây dẫn

và phụ thuộc khoảng cách tương hỗ giữa các dây dẫn. Đối với các đường dây từ 330kV

trở lên, để giảm điện kháng người ta thường áp dụng kỹ thuật phân pha.

5.1.2.2. Sơ đồ thay thế:

Các thông số của đường dây: điện trở, điện kháng, điện dẫn và dung dẫn hầu như

phân bố dọc theo đường dây. Để dễ dàng trong tính toán, tùy theo loại đường dây một số

29

thông số có thể xem là tập trung hay bỏ qua. Các sơ đồ thay thế và trường hợp áp dụng

được tóm tắt trong bảng 5.1.

- Tính thông số đường dây:

. . .o oZ R j X r x l ; ro và xo điện trở và điện cảm kháng trên đơn vị chiều dài

(km).

. . .o oY G j B g b l ; go và bo điện dẫn và dung dẫn trên đơn vị chiều dài (km).

+ Điện dẫn G: được xác định theo tổn thất công suất tác dụng 2U

vqPG

(5.1)

Trong đó vqP là tổn thất vầng quang xác định theo công thức kinh nghiệm.

Bảng 5.1. Các sơ đồ thay thế đường dây

Sơ đồ Trường hợp áp dụng

U1

I1, cosφ1 I2, cosφ2

U2R+jX

Sơ đồ đường dây.

2

Gn

2

Bn

2

Gn

2

Bn

U1

I1 In

Rn Xn

Iy Iy

I2

U2

Sơ đồ thay thế hình π áp dụng cho

đường dây trên không ≤300km hay cáp

≤50km.

Z= R + j.X

.2 2 2

GY Bj

2

Bn

U1

I1 In

Rn Xn

IB

I2

U2

2

Bn

IB

Sơ đồ hình π bỏ qua điện dẫn, do:

Điện dẫn gây bởi tổn thất trong sứ và

điện môi rất bé.

Tổn thất vầng quang thường chỉ xảy

ra ở đường dây trên không > 200kV.

U1

I

Rn Xn U2

Sơ đồ thay thế mạng địa phương bỏ

qua tổng dẫn.

U1

I

Rn U2

Sơ đồ thay thế cho cáp 6÷10kV bỏ

qua tổng dẫn

- Dung dẫn bo: 6

10

7,58 1.10.

log .o

tb

bkmD

R

(5.2)

Trong đó: tbD khoảng cách trung bình hình học giữa các dây dẫn,

312 13 23. . ,tbD D D D mm

R là bán kính dây dẫn, [mm].

Nếu đường dây có dây dẫn phân nhỏ, thì trị số R được thay thế bằng 1. nndt tbR R a

Trong đó: Rđt: bán kính đẳng trị của các dây dẫn trong một pha.

n: số dây dẫn trong một pha.

atb: khoảng cách trung bình hình học giữa các dây dẫn trong một pha.

R: bán kính thực của mỗi dây phân nhỏ.

30

- Điện trở ro: thường được cho bởi nhà chế tạo hay tính theo

20 1 20tr r t (5.3)

Trong đó: rt: điện trở ở nhiệt độ t.

r20: điện trở ở nhiệt độ 20oC, được tra ở các bảng cho sẵn.

α: hệ số nhiệt điện trở, được tra ở các bảng cho sẵn, đối với đồng, nhôm,

nhôm lõi thép α= 0,004.

- Điện kháng xo: 100,1445.log . 0,0157,tbo

Dx

kmR

(5.4)

Nếu đường dây có dây dẫn phân nhỏ, khi đó:

10

0,01570,1445.log . ,tb

o

dt

Dx

kmR n

5.1.3. Sơ đồ thay thế máy biến áp: 5.1.3.1. Các thông số của máy biến áp:

- Tổng trở của máy biến áp: là .T T TZ R j X phản ánh hiện tượng tổn thất công

suất tác dụng do hiệu ứng Joule và hiện tượng tổn thất công suất phản kháng do tản từ

trong các cuộn dây. Trong đó: TR là điện trở, TX là điện cảm kháng.

- Tổng dẫn của máy biến áp: .T T TY G j B phản ánh hiện tượng tổn thất công suất

trong lõi thép máy biến áp: tổn hao do dòng Foucault và tổn hao từ. Tổn thất trong lõi

thép hầu như không phụ thuộc vào tải của máy biến áp và bằng lúc không tải. Với: TG là

điện dẫn, TB là cảm dẫn.

Các thông số của máy biến áp có thể tính theo các số liệu của máy biến áp như: tổn

thất ngắn mạch kP , tổn thất không tải oP , điện áp ngắn mạch %kU , dòng điện không

tải %oI . Các số liệu là kết quả của thí nghiệm ngắn mạch và thí nghiệm không tải.

5.1.3.2. Sơ đồ thay thế và tính các thông số cho máy biến áp hai cuộn dây:

Máy biến áp ba pha hai cuộn dây là loại được dùng phổ biến trong hệ thống cung cấp

điện. Khi tính toán dùng sơ đồ hình Γ như hình vẽ.

TG

RT XT

TB

RT XT

T T TS P j Q

b)a) Hình 5.1. Sơ đồ thay thế máy biến áp 2 cuộn dây

Ở đây: '

1 2TR R R và '

1 2TX X X ( ' '

2 2 và R X là điện trở và cảm kháng của cuộn dây

thứ cấp 2 đã quy đổi về cuộn dây sơ cấp 1. Sau đây sẽ nêu các công thức tính thông số

máy biến áp ( TR , TX , TG và TB ) thông qua các số liệu ( kP , oP , %kU và %oI ) của nó:

Tính TR : ta có 2

2

23 . .dm

k dm T T

dm

SP I R R

U , do đó

2

2

.k dmT

dm

P UR

S

(5.5)

Tính với đơn vị thường dùng:

2 2

3

2 2

..10 ,

k dm

T

dm

P KW U KVR

S KVA

31

Tính TX : ta có .

% .100

3

dm Tk

dm

I XU

U , do đó

2 2%..10,

k dm

T

dm

U U KVX

S KVA

(5.6)

Tính TG : một cách gần đúng 0

2T

dm

PG

U

(5.7)

Tính TB : một cách gần đúng 0

2T

dm

QB

U

(5.8)

Trong đó: 00

%.,

100

dmI SQ KVA

5.1.3.4. Sơ đồ thay thế và tính các thông số cho máy biến áp ba cuộn dây và tự ngẫu:

Đối với máy biến áp ba cuộn dây và tự ngẫu, nhà chế tạo cho những số liệu sau:

dmS : công suất định mức máy biến áp.

CdmU , TdmU , HdmU hay 1dmU , 2dmU , 3dmU : điện áp định mức các cuộn cao, trung và

hạ.

%oI : dòng điện không tải tính theo phần trăm so với dòng điện định mức.

12P , 13P , 23P : tổn thất ngắn mạch ứng với ba trạng thái thí nghiệm ngắn mạch.

12 %U , 13%U , 23%U : điện áp ngắn mạch ứng với ba trạng thái thí nghiệm ngắn

mạch.

R1 X1

0S

1I1

U1

R 2

X 2

2 I’2

U’2

R3

X3

3 I’3

U’3

1

2

3

2

1

3

a)

b)

c)

Hình 5.2. Sơ đồ thay thế máy biến áp ba cuộn dây và tự ngẫu

a) Máy biến áp ba cuộn dây; b) MBA tự ngẫu;

c) Sơ đồ thay thế hình sao

Sơ đồ thay thế hình sao có đặt lượng tổn hao trong thép:

0 .Fe Fe FeS S P j Q (5.9)

Tổn thất công suất tác dụng khi ngắn mạch và điện áp ngắn mạch của máy biến áp ba

cuộn dây và tự ngẫu được tính theo các dạng ngắn mạch sau:

32

- Khi cuộn 2 bị ngắn mạch, cuộn 3 hở mạch, cuộn 1 được đặt vào một điện áp sao cho

trong cuộn 1 và 2 có dòng định mức. Người ta đo được 12P và 12 %U , với:

12 1 2P P P trong đó 1P và

2P là tổn thất công suất tác dụng trong cuộn 1 và

2.

12 1 2% % %U U U

- Cho hở mạch cuộn 2, ngắn mạch cuộn 3 và cuộn 1 được đặt vào một điện áp sao

cho trong cuộn 1 và 3 có dòng định mức ta thu được: 13 1 3P P P và

13 1 3% % %U U U .

- Tương tự khi cho cuộn 1 hở mạch, cuộn 3 ngắn mạch và đặt điện áp vào cuộn 2 sao

cho trong cuộn 2 và 3 có dòng định mức ta có: 23 2 3P P P và 23 2 3% % %U U U .

Giải hệ các phương trình trên ta tính được tổn thất ngắn mạch và điện áp ngắn mạch

đối với từng cuộn dây theo số liệu đã cho:

1 12 13 23

2 12 1

3 13 1

12

P P P P

P P P

P P P

(5.10)

1 12 13 23

2 12 1

3 13 1 1

1% % % %2

% % %

% % %

U U U U

U U U

U U U

(5.11)

Sau đó áp dụng công thức (5-5) và (5-6) để tính các thông số của máy biến áp.

5.2. Tính toán tổn thất điện áp:

Khi truyền tải điện năng từ nguồn đến hộ tiêu thụ thì mỗi phần tử mạng điện do có

tổng trở nên đều gây tổn thất công suất và điện áp.

Tổn thất công suất gây tình trạng thiếu hụt điện năng tại nơi tiêu thụ, làm tăng giá

thành truyền tải điện và làm cho hiệu quả kinh tế kém.

Tổn thất điện áp làm cho điện áp tại các hộ tiêu thụ bị giảm thấp, ảnh hưởng chất

lượng điện.

Sau đây lần lượt giới thiệu sơ lược phương pháp tính toán tổn thất điện áp, công suất

và điện năng trên mạng phân phối điện.

5.2.1. Tổn thất điện áp trên đường dây ba pha có phụ tải tập trung:

Tổn thất điện áp là đại lượng phức:

.U U j U

Giả thiết mạng làm việc ở chế độ đối

xứng, do đó chỉ cần nghiên cứu một pha.

Tổng trở dây dẫn: .Z R j X và

phụ tải tập trung ở cuối đường dây

.S P j Q KVA .

Hình 0.1. Đồ thị vectơ tổn thất điện áp

Trên hình vẽ biểu diễn vectơ điện áp của đường dây:

33

Vectơ Oa: điện áp Up2 ở cuối đường dây.

+ Vectơ Oc: điện áp Up1 ở đầu đường dây.

+ Tổn thất điện áp được xác định bằng tam giác tổn thất abc, trong đó:

Vectơ ab: là tổn thất điện áp trên điện trở, trùng pha với vectơ dòng điện I, độ lớn =

I.R.

Vectơ bc: là tổn thất điện áp trên điện kháng, vuông góc với vectơ ab, có độ lớn =

I.X.

Vectơ ac: tổn thất điện áp tổng 1 2.p p pU U jU có thể phân tích thành hai thành

phần:

Tổn thất điện áp dọc: đoạn ad, là hình chiếu của U lên trục.

Tổn thất điện áp ngang pU : đoạn cd.

Lúc này để tính toán tổn thất điện áp có thể phân thành hai trường hợp:

Trường hợp 1: đối với lưới có điện áp ≤ 35kV, thường θ rất bé do đó có thể bỏ qua

tổn thất điện áp ngang.

Tổn thất điện áp pha: 1 2 (xem )pU ad af fd . .cos . .sinI R I X

Tổn thất điện áp dây: 3 3 . .cos . .sinpU U I R I X

. . . .

33 3 dmdm dm

P R Q X P R Q XV

UU U

(5.12)

Tính theo %: 2

. . 100% .

1000dm

P R Q XU

U

, với P[kW], Q[kVA], R và X[Ω], Uđm[kV].

Trường hợp 2: đối với lưới có điện áp > 35kV, phải xét đến tổn thất điện áp

ngang pU :

Tổn thất điện áp ngang: cos sinpU cd cg dg cg bf IX IR

Tổn thất điện áp ngang đối với điện áp dây: 3 3 cos sinp pU U IX IR

33 3 dmdm dm

PX QR PX QR

UU U

Do vậy: . .dm dm

PR QX PX QRU U j U j

U U

(5.13)

5.2.2. Tổn thất điện áp trên đường dây ba pha có nhiều phụ tải tập trung:

Hình 5.4. Đường dây có hai phụ tải tập trung

Trường hợp đường dây có nhiều phụ tải tập trung, giá trị tổn thất điện áp là tổng tổn

thất điện áp ở các đoạn dây, ta có các công thức sau:

21 1

1 100. . hay % . .

1000.dm

n n

i i i i i i i i

i idm

U P r Q x U P r Q xU U

(5.14)

Trong đó: , i iP Q công suất chạy trên đoạn thứ i, đơn vị [kW], kVAR].

, i ir x điện trở và điện kháng của đoạn thứ i, đơn vị [Ω].

34

dmU điện áp dây định mức, [kV].

21 1

1 100. . hay % . .

1000.dm

n n

i i i i i i i i

i idm

U p R q X U p R q XU U

(5.15)

trong đó: , i ip q công suất của phụ tải tại điểm thứ i, đơn vị [kW], kVAR].

, i iR X điện trở và điện kháng kể từ đầu nguồn đến điểm thứ i, [Ω]

dmU điện áp dây định mức, [kV].

5.2.3. Tổn thất điện áp trên đường dây ba pha có phụ tải phân bố đều: Đối với đường dây có phụ tải phân bố đều, ta có:

. .

2. dm

P R Q XU V

U

(5.16)

Trong đó: , P Q tổng công suất của phụ tải trên đường dây, đơn vị [kW], kVAR].

, R X điện trở và điện kháng của đường dây, [Ω]

dmU điện áp dây định mức, [kV].

5.2.4. Tổn thất điện áp trong máy biến áp: Tương tự như tính tổn thất điện áp trên đường dây có phụ tải tập trung, tổn thất điện

áp trong máy biến áp là: 2

. . 100% .

1000dm

P R Q XU

U

(5.17)

Trong đó: , P Q công suất do máy biến áp truyền tải, đơn vị [kW], kVAR].

, R X điện trở và điện kháng MBA quy đổi về cấp điện áp tương ứng, [Ω]

dmU điện áp định mức, [kV].

5.3. Tính toán tổn thất công suất:

5.3.1. Tổn thất công suất trên đường dây:

Tổn thất công suất trên đường dây là một đại lượng phức: .S P j Q

, trong đó:

P : tổn thất công suất tác dụng do phát nóng trên điện trở đường dây.

Q : tổn thất công suất phản kháng do từ hóa đường dây.

Để xác định tổn thất công suất trên đường dây, ta dùng sơ đồ thay thế hình π.

Trường hợp 1: xét mạng điện khu vực có điện áp từ 110 – 220kV do đó có thể bỏ

qua thông số điện dẫn G (như hình a).

Hình 0.2. Sơ đồ thay thế tính tổn thất công suất

Theo hình vẽ, dễ dàng tính được: " " "

2 2 2. cS P j Q P jQ jQ

Ở đây: 2 2

2 2 2 23 . .2 2

c c dm

B BQ I U U U

35

Tổn thất công suất tác dụng và phản kháng khi có dòng điện ba pha chạy qua

.Z R j X :

22

2

22

2

3 . .

3 . .

SP I R R

U

SQ I X X

U

hay

2 2" "

2

2 2" "

2

.

.

P QP R

U

P QQ X

U

(5.18)

Vậy: ' " " " ' '.S S S P P j Q Q P jQ

Và: ' ' '

1 1 1 1c cS S jQ P jQ jQ P jQ với 2 2

1 1 1 13 . .2 2

c c dm

B BQ I U U U

Trường hợp 2: đối với đường dây địa phương ta có thể bỏ qua tổng dẫn B, như hình

b, khi đó tổn thất công suất được xác định theo công suất tải 2 2P jQ

2 2

2 2

2

2 2

2 2

2

.

.

P QP R

U

P QQ X

U

(5.19)

Lưu ý: Nếu đường dây phân phối có phụ tải phân bố đều (như đường dây chiếu sáng

ngoài đường), có tổng dòng I và điện trở R, thì tổn thất 2P I R

5.3.2. Tổn thất công suất trong máy biến áp:

Tổn thất công suất trong máy biến áp bao gồm tổn thất không tải (tổn thất trong lõi

thép hay tổn thất sắt) và tổn thất có tải (tổn thất trong dây quấn hay tổn thất đồng).

5.3.2.1. Thành phần tổn thất không tải:

Thành phần tổn thất trong lõi thép không đổi khi phụ tải thay đổi và bằng tổn thất

không tải:

0 0 0.S P j Q (5.20)

Với: 00

%.

100

dmI SQ ta có: 0

0 0

%..

100

dmI SS P j

5.3.2.2. Tổn thất có tải đối với máy biến áp hai cuộn dây:

Đối với máy biến áp hai cuộn dây, tổn thất công suất tác dụng trong các cuộn dây khi

tải định mức bằng tổn thất công suất ngắn mạch: ΔPcuộn dây định mức = ΔPK.

Tổn thất công suất phản kháng trong các cuộn dây, nếu xem RT<<XT, được xác định

như sau: ΔQcuộn dây định mức

%.

100

K dmK

U SQ

Vì máy biến áp làm việc với Spt khác với tải định mức nên khi xác định tổn thất trong

máy biến áp phải xét đến hệ số tải: pt pt

t

dm dm

S Ik

S I

Khi đó tổn thất trong các cuộn dây: ΔScuộn dây2 2 %.

.100

K dmt K t

U Sk P j k

Tổng tổn thất công suất trong máy biến áp:

2 2

0 0 0. % . % .100

dmT cuonday t K t K T T

SS S S P k P j I k U P j Q (5.21)

36

5.3.2.3. Tổn thất có tải đối với máy biến áp ba cuộn dây và tự ngẫu:

Các bước tính toán được tuần tự thực hiện:

Trước hết, tính tổn thất công suất trong cuộn

dây 2 và 3 theo phụ tải tương ứng trung và hạ áp: 2 2 2 2

' '2 2 2 22 2 2' '

2 2

2 2 2 2' '3 3 3 3

3 3 3' '

3 3

. .

. .

P Q P QS R j X

U U

P Q P QS R j X

U U

(5.22)

Ở đây ' ' ' ' ' '

2 3 2 3 2 3, , , , , U U R R X X là các điện áp và

tổng trở tương ứng đã quy đổi về điện áp cuộn 1.

Công suất: " ' ' " "

1 2 3 2 3 2 3 1 1.S S S S S S S P j Q

Hình 5.6. Tổn thất công suất

trong máy biến áp ba cuộn dây

Tổn thất công suất trong cuộn 1:

2 2 2 2" " " "

1 1 1 1

1 1 12 2

1 1

. .P Q P Q

S R j XU U

(5.23)

Ngoài ra, có thể tính tổn thất công suất trong máy biến áp ba cuộn dây và máy biến áp

tự ngẫu một cách trực tiếp theo các lượng định mức và hệ số tải:

2 2 2 2 2 21 2 30 1 1 2 2 3 3 0 1 1 2 2 3 3. . % . % . %

100 100 100

dm dm dmT t K t K t K t K t K t K

S S SS P k P k P k P j Q k U k U k U

5.4. Tính toán tổn thất điện năng:

5.4.1. Điện năng và tổn thất điện năng:

Điện năng là lượng công suất tác dụng sản xuất, truyền tải hay tiêu thụ trong một

khoảng thời gian. Trong thiết kế hệ thống thường lấy thời gian là một năm.

Nếu công suất P không đổi trong thời gian khảo sát T thì điện năng: .A PT (5.24)

Khi đó tổn thất công suất cũng không đổi và tổn thất điện năng: .A PT

Trường hợp công suất thay đổi và có thể biễu diễn thành hàm theo thời gian, ta có:

0

.

T

A P t dt và 0

.

T

A P t dt (5.25)

Trong thực tế, rất ít khi có thể biểu diễn được công suất cũng như tổn thất công suất

theo thời gian, chỉ có thể xác định tổn thất điện năng bằng phương pháp gần đúng và cần

tìm , Tmax.

Tmax: là thời gian nếu hệ thống cung cấp điện chỉ truyền tải công suất lớn nhất Pmax,

thì sẽ truyền tải được lượng điện năng đúng bằng lượng điện năng truyền tải trong thực tế

1 năm.

Ta có: max max.P T A hay max

max

AT

P (5.26)

Tuy nhiên trong giai đoạn thiết kế do chưa biết A, nên giá trị Tmax thường được chọn:

+ Tra sổ tay đối với phụ tải công nghiệp.

+ Chọn 4000 – 5000h đối với hộ tiêu thụ đô thị.

+ Chọn 2500 – 3000h đối với hộ tiêu thụ nông thôn.

37

: là thời gian nếu hệ thống cung cấp điện chỉ truyền tải công suất lớn nhất thì sẽ gây

ra lượng tổn thất điện năng đúng bằng lượng tổn thất điện năng gây ra trong thực tế một

năm.

Ta có: max .P A (5.27)

được xác định gần đúng theo Tmax: 2

4

max0,124 10 .8760T h (5.28)

5.4.2. Tổn thất điện năng trên đường dây:

Tổn thất điện năng trên đường dây được xác định như sau:

.dd ddA P KWh (5.29)

Trong đó:

ddP tổn thất công suất lớn nhất trên đường dây với phụ tải tính toán [kW].

thời gian chịu tổn thất công suất lớn nhất, [h]

5.4.3. Tổn thất điện năng trong máy biến áp:

Tổn thất điện năng trong máy biến áp là: 2

max

0. .pt

T K

dm

SA P t P KWh

S

(5.30)

Nếu máy biến áp làm việc suốt năm t= 8760h.

Khi có n máy biến áp làm việc song song:

2

max

0

1. . . .

pt

T K

dm

SA n P t P KWh

n S

(5.31)

5.5. Các giải pháp giảm tổn thất điện năng:

Muốn giảm tổn thất điện năng cần phải giảm tổn thất công suất tác dụng: Các giải

pháp thực hiện đều nhằm vào mục đích tác động vào các đại lượng P, Q, R và U dẫn tới

làm giảm P .

- Tăng điện áp truyền tải: có thể sử dụng đầu phân áp của máy biến áp nhằm nâng

cao điện áp cung cấp (không cao quá 5%Udm). Nếu có thể cải tạo nâng cấp điện áp cho

đường dây truyền tải.

- Giảm P: để cắt giảm P có thể dùng các giải pháp như thay đổi dây chuyền công

nghệ hiện đại tiêu tốn điện năng ít hơn, sử dụng các thiết bị điện công nghệ mới hiệu suất

cao.

- Bù công suất phản kháng: giải pháp này nhằm giảm lượng Q truyền tải trên lưới

điện. Cụ thể là: dùng biện pháp hành chính và khuyến khích các xí nghiệp đặt tụ bù để

giảm Q và tiến hành bù kinh tế trên lưới cung cấp điện.

- Giảm trị số R: để giảm R có thể dùng các giải pháp:

Dùng cáp đồng thay cho cáp nhôm. Tăng tiết diện dây dẫn.

+ Chọn tiết diện dây theo Jkt (dây sẽ lớn hơn và R nhỏ hơn khi chọn theo các

phương pháp khác).

Câu hỏi ôn tập chương 5

Câu 1. Vì sao phải tính toán tổn thất trong hệ thống cung cấp điện. Trình bày các dạng

tổn thất trong trạm biến áp và trên đường dây tải điện ?

Câu 2. Nêu và phân tích các giải pháp giảm tổn thất điện năng ?

Câu 3. Bài tập tính toán tổn thất trong trạm biến áp và trên đường dây tải điện ?

38

Chương 6

TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

6.1. Khái niệm chung:

6.1.1. Khái niệm về ngắn mạch: Ngắn mạch là hiện tượng mạch điện bị chập lại ở một điểm nào đó làm cho tổng

trở mạch nhỏ đi, dòng điện trong mạch sẽ tăng cao đột ngột và điện áp giảm xuống.

Hình 0.1. Đồ thị biến thiên dòng điện trong quá trình quá độ. Việc dòng điện tăng cao quá mức sẽ gây các hậu quả nghiêm trọng:

+ Xuất hiện lực điện động lớn có khả năng phá hủy kết cấu của các thiết bị điện, tiếp

tục gây chạm chập cháy nổ.

+ Làm nhiệt độ tăng cao phá hủy các đặc tính cách điện, việc này lại tiếp tục gây ra

các ngắn mạch khác.

Nếu không nhanh chóng cô lập vùng ngắn mạch thì hệ thống chuyển sang chế độ

ngắn mạch duy trì.

Dòng điện ngắn mạch theo thời gian có thể phân tích thành 2 thành phần: chu kỳ và

không chu kỳ.

N ck kcki t i t i t (6.1)

Trong đó, thành phần không chu kỳ sẽ tắt sau một thời gian còn lại thành phần chu

kỳ.

i”: dòng điện siêu quá độ ban đầu, *

*

"iE

x

Trong đó: *E : sức điện động siêu quá độ tương đương trong đơn vị tương đối.

*x : điện kháng tổng hợp trong đơn vị tương đối.

Ickm: biên độ của thành phần chu kỳ, "2.ckm

I i

ixk: là dòng ngắn mạch tại t=T/2, do đó: 0,01

. . . 2. "xk

Tackm ckm xk ckm xki I I e k I k i

39

Trong đó: 0,01

1 Taxkk e

gọi là hệ số xung kích, với .

xTaw r

là hằng số thời gian.

Thông thường hệ số xung kích được tra từ các bảng theo tỷ số xr

của mạch, vị trí ngắn

mạch và các đặc trưng của mạch điện.

Trung bình có thể lấy giá trị như sau:

Ngắn mạch tại thanh góp điện áp máy phát hoặc đầu cao áp của máy biến áp tăng:

kxk = 1,9.

Ngắn mạch ở các thiết bị cao áp xa máy phát: kxk = 1,8.

Ngắn mạch phía thứ cấp của các trạm hạ áp (S<1000kVA): kxk = 1,3.

Đối với động cơ không đồng bộ, độ suy giảm của các thành phần dòng chu kỳ và tự

do đó nó cung cấp cho điểm ngắn mạch là gần như nhau, có thể lấy:

Động cơ cỡ lớn : kxkĐ = 1,8.

Động cơ cỡ 100÷200kW: kxkĐ = 1,5÷1,6.

Động cơ cỡ bé và phụ tải tổng hợp: kxkĐ = 1.

6.1.2. Phân loại ngắn mạch:

Có nhiều dạng ngắn mạch: ngắn mạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 2 pha

chạm đất, ngắn mạch 1 pha chạm đất…trong đó ngắn mạch 3 pha là nguy hiểm nhất.

Bảng 6.1. Các loại ngắn mạch trong hệ thống cung cấp điện

Thông thường các dạng ngắn mạch phải được cô lập khỏi hệ thống. Riêng trong lưới

trung áp 35, 10, 6kV là lưới có trung tính cách điện thì dòng ngắn mạch 1 pha nhỏ và

người ta cho phép tiếp tục vận hành 2 giờ kể từ khi ngắn mạch, nếu sau 2 giờ nếu không

phát hiện và khắc phục được sự cố thì mới cắt điện. Sự cố này được phát hiện nhờ máy

biến áp ba pha tam giác hở.

6.1.3. Mục đích và yêu cầu của tính toán ngắn mạch:

Khi thiết kế và vận hành các hệ thống điện, nhằm giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật

yêu cầu tiến hành hàng loạt các tính toán sơ bộ, trong đó có tính toán ngắn mạch.

Tính toán ngắn mạch thường là những tính toán dòng, áp lúc xảy ra ngắn mạch tại

một số điểm hay một số nhánh của sơ đồ đang xét. Tùy thuộc mục đích tính toán mà các

đại lượng trên có thể được tính ở một thời điểm nào đó hay diễn biến của chúng trong

suốt cả quá trình quá độ. Những tính toán như vậy cần thiết để giải quyết các vấn đề sau:

So sánh, đánh giá, chọn lựa sơ đồ nối điện.

Chọn các khí cụ, dây dẫn, thiết bị điện.

40

Thiết kế và chỉnh định các loại bảo vệ.

Nghiên cứu phụ tải, phân tích sự cố, xác định phân bố dòng...

Trong hệ thống điện phức tạp, việc tính toán ngắn mạch một cách chính xác rất khó

khăn. Do vậy tùy thuộc yêu cầu tính toán mà trong thực tế thường dùng các phương pháp

thực nghiệm, gần đúng với các điều kiện đầu khác nhau để tính toán ngắn mạch.

Chẳng hạn để tính chọn máy cắt điện, theo điều kiện làm việc của nó khi ngắn mạch

cần phải xác định dòng ngắn mạch lớn nhất có thể có. Muốn vậy, người ta giả thiết rằng

ngắn mạch xảy ra lúc hệ thống điện có số lượng máy phát làm việc nhiều nhất, dạng

ngắn mạch gây nên dòng lớn nhất, ngắn mạch là trực tiếp, ngắn mạch xảy ra ngay tại đầu

cực máy cắt… Để giải quyết các vấn đề liên quan đến việc chọn lựa và chỉnh định thiết

bị bảo vệ rơle thường phải tìm dòng ngắn mạch nhỏ nhất, lúc ấy tất nhiên cần phải sử

dụng những điều kiện tính toán hoàn toàn khác với những điều kiện nêu trên.

6.1.4. Tính toán ngắn mạch

Trong tính toán ngắn mạch, kết quả thu được là gần đúng, mức độ chính xác phụ

thuộc vào cách thức thiết lập sơ đồ thay thế để tính toán và độ chính xác của phương tiện

tính toán.

Ví dụ:

Nếu không kể đến phụ tải và các phần tử khác thì giá trị dòng ngắn mạch tính toán sẽ

lớn hơn 2-7% so với giá trị chính xác.

Nếu không kể đến điện trở và phụ tải (khi tính toán chính xác sức điện động), thì

dòng ngắn mạch ba pha sẽ lớn hơn giá trị thực khoảng 20%.

Nếu chỉ không lưu ý đến sự khác nhau về module và argument của sức điện động

(xem các máy phát điện là như nhau và có sức điện động bằng 1,05E) thì giá trị tính toán

dòng điện ngắn mạch ba pha sẽ nhỏ hơn khoảng 10% so với giá trị chính xác.

Nếu không kể đến sự khác nhau về module và argument của sức điện động (sức điện

động bằng 1,05E), đồng thời không kể đến sự khác nhau của phụ tải, thì dẫn đến kết quả

dòng điện ngắn mạch ba pha nhỏ hơn so với giá trị chính xác khoảng 5-8%.

Nếu dùng định lý máy phát điện tương đương (Thevenin) để tính toán thì dòng ngắn

mạch sẽ là: knm

k sun

UI

Z Z

Trong đó:

Uk: điện áp của thanh góp sự cố ở chế độ làm việc trước khi phát sinh ngắn mạch.

Zk: tổng trở tương đương của sơ đồ thứ tự thuận được nhìn từ chỗ sự cố.

Zsun: tổng trở mạch sun tương đương của chỗ sự cố.

Sự sai lệch của dòng điện ngắn mạch tính toán so với giá trị thực tế nằm trong phạm

vi trên có thể chấp nhận được khi nghiên cứu một số phạm trù tính toán như việc xác

định công suất dòng điện ngắn mạch của máy cắt điện.

Tuy nhiên trong việc tính toán, lựa chọn đặc tính cho các bảo vệ khoảng cách, so

lệch…cần phải tính toán dòng ngắn mạch một cách chính xác.

Để tính toán dòng ngắn mạch có thể áp dụng các phương pháp thực dụng gần đúng

như phưong giải tích và phương pháp đường cong tính toán, khi cần độ chính xác cao

phương pháp dùng ma trận và máy tính được dùng.

Phương pháp giải tích.

Phương pháp đường cong tính toán.

41

Phương pháp dùng ma trận và máy tính để tính toán.

6.2. Các phương tính toán gần đúng dòng điện ngắn mạch:

Các phương pháp tính thông thường đều phải tuần tự thực hiện các bước sau:

Xây dựng các giả thiết, các giả thiết phù hợp với phương pháp tính, mục đích tính

ngắn mạch, phù hợp với từng trường hợp cụ thể…

Chọn hệ đơn vị tương đối.

Thành lập sơ đồ thay thế và thực hiện các phép biến đổi để có thể tính được điện

kháng từ nguồn đến điểm ngắn mạch.

Tính các thành phần của dòng ngắn mạch cần thiết.

Sau đây sẽ giới thiệu khái quát hai phương pháp tính gần đúng dòng ngắn mạch là

phương pháp giải tích và phương pháp đường cong tính toán.

6.2.1. Phương pháp giải tích:

6.2.1.1. Xây dựng các giả thiết: Khi xảy ra ngắn mạch sự cân bằng công suất từ điện,

cơ điện bị phá hoại, trong hệ thống điện đồng thời xảy ra nhiều yếu tố làm các thông số

biến thiên mạnh và ảnh hưởng tương hỗ nhau. Nếu kể đến tất cả những yếu tố ảnh

hưởng, thì việc tính toán ngắn mạch sẽ rất khó khăn. Do đó, trong thực tế người ta đưa ra

những giả thiết nhằm đơn giản hóa vấn đề để có thể tính toán. Mỗi phương pháp tính

toán ngắn mạch đều có những giả thiết riêng của nó. Ở đây ta chỉ nêu ra các giả thiết cơ

bản chung cho việc tính toán ngắn mạch.

- Mạch từ không bão hòa: giả thiết này sẽ làm cho phương pháp phân tích và tính

toán ngắn mạch đơn giản rất nhiều, vì mạch điện trở thành tuyến tính và có thể dùng

nguyên lý xếp chồng để phân tích quá trình.

- Bỏ qua dòng điện từ hóa của máy biến áp.

- Hệ thống điện 3 pha là đối xứng.

- Bỏ qua dung dẫn của đường dây: giả thiết này không gây sai số lớn, ngoại trừ

trường hợp tính toán đường dây cao áp tải điện đi cực xa thì mới xét đến dung dẫn của

đường dây.

- Bỏ qua điện trở tác dụng: nghĩa là sơ đồ tính toán có tính chất thuần kháng. Giả thiết

này dùng được khi ngắn mạch xảy ra ở các bộ phận điện áp cao, ngoại trừ khi bắt buộc

phải xét đến điện trở của hồ quang điện tại chỗ ngắn mạch hoặc khi tính toán ngắn mạch

trên đường dây cáp dài hay đường dây trên không tiết diện bé. Ngoài ra lúc tính hằng số

thời gian tắt dần của dòng điện không chu kỳ cũng cần phải tính đến điện trở tác dụng.

- Xét đến phụ tải một cách gần đúng: tùy thuộc giai đoạn cần xét trong quá trình quá

độ có thể xem gần đúng tất cả phụ tải như là một tổng trở không đổi tập trung tại một nút

chung.

- Các máy phát điện đồng bộ không có dao động công suất: nghĩa là góc lệch pha

giữa sức điện động của các máy phát điện giữ nguyên không đổi trong quá trình ngắn

mạch. Nếu góc lệch pha giữa sức điện động của các máy phát điện tăng lên thì dòng

trong nhánh sự cố giảm xuống, sử dụng giả thiết này sẽ làm cho việc tính toán đơn giản

hơn và trị số dòng điện tại chỗ ngắn mạch là lớn nhất. Giả thiết này không gây sai số lớn,

nhất là khi tính toán trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ (0,1 ÷ 0,2 sec).

6.2.1.2. Chọn đơn vị tương đối: Bất kỳ một đại lượng vật lý nào cũng có thể biểu diễn

trong hệ đơn vị có tên hoặc trong hệ đơn vị tương đối.

Trị số trong đơn vị tương đối của một đại lượng vật lý nào đó là tỷ số giữa nó với một

đại lượng vật lý khác cùng thứ nguyên được chọn làm đơn vị đo lường.

42

Đại lượng vật lý chọn làm đơn vị đo lường được gọi đại lượng cơ bản.

Như vậy, muốn biểu diễn các đại lượng trong đơn vị tương đối trước hết cần chọn các

đại lượng cơ bản. Khi tính toán đối với hệ thống điện 3 pha người ta dùng các đại lượng

cơ bản sau:

Scb: công suất cơ bản 3 pha. Zcb: tổng trở pha cơ bản.

Ucb: điện áp dây cơ bản. tcb: thời gian cơ bản.

Icb: dòng điện cơ bản. ωcb: tốc độ góc cơ bản.

Các đại lượng này liên hệ với nhau qua các biểu thức sau: 1

3. .3.

và U

S U I Z tI

Do đó thông thường chọn ba đại lượng cơ bản là Scb, Ucb, ωcb các đại lượng còn lại

được tính từ các biểu thức trên.

Scb: thường được chọn bằng 100MVA, 1000MVA hay có thể chọn bằng công suất

định mức của một trong các nguồn cung cấp.

Ucb: lấy theo thang điện áp trung bình định mức: 500; 330; 230; 115; 37; 22; 18;

15,75; 13,8; 6,3; 3,15 và 0,4kV.

Sau khi đã có các đại lượng cơ bản, có thể tính các đại lượng tương đối từ các đại

lượng thực theo các công thức sau:

*( ) *( ); cb cb

cb cb

E UE U

U U *( ) *( ); cb cb

cb cb

S IS I

S I *( ) 2

3.. .cb cb

cb

cb cb cb

I SZZ Z Z

Z U U

Một số tính chất của hệ đơn vị tương đối:

- Các đại lượng cơ bản dùng làm đơn vị đo lường cho các đại lượng toàn phần cũng

đồng thời dùng cho các thành phần của chúng.

Ví dụ: Scb dùng làm đơn vị đo lường chung cho S, P, Q; Zcb - cho Z, R, X.

- Trong đơn vị tương đối điện áp pha và điện áp dây bằng nhau, công suất 3 pha và

công suất 1 pha cũng bằng nhau.

- Một đại lượng thực có thể có giá trị trong đơn vị tương đối khác nhau tùy thuộc vào

lượng cơ bản và ngược lại cùng một giá trị trong đơn vị tương đối có thể tương ứng với

nhiều đại lượng thực khác nhau.

- Thường tham số của các thiết bị được cho trong đơn vị tương đối với lượng cơ bản

là định mức của chúng (Sđm, Uđm, Iđm). Lúc đó:

*( ) 2

3.. .dm dm

dm

dm dm dm

I SZZ Z Z

Z U U

- Đại lượng trong đơn vị tương đối có thể được biểu diễn theo phần trăm, ví dụ như ở

kháng điện, máy biến áp...

*( )

3.% 100. . .100

3.% . .100 %

dmK dm K

dm

dmB B N

dm

IX X X

U

IX X U

U

6.2.1.3. Thành lập sơ đồ thay thế và biến đổi sơ đồ: Sơ đồ thay thế là sơ đồ cho phép

thế các mạch liên hệ nhau bởi từ trường bằng một mạch điện tương đương bằng cách qui

đổi tham số của các phần tử ở các cấp điện áp khác nhau về một cấp được chọn làm cơ

43

sở. Các tham số của sơ đồ thay thế có thể xác định trong hệ đơn vị có tên hoặc hệ đơn vị

tương đối, đồng thời có thể tính gần đúng hoặc tính chính xác.

Trình tự qui đổi như sau:

Chọn công suất cơ bản Scb chung cho tất cả các đoạn trên sơ đồ.

Trên mỗi đoạn lấy Uđm = Utb của cấp điện áp tương ứng.

Tính đổi tham số của các phần tử ở mỗi đoạn sang đơn vị tương đối theo các biểu

thức gần đúng.

Bảng 6.2. Công thức tính quy đổi cho các phần tử.

Sau khi đã quy đổi, thực hiện các phép biến đổi để có thể tính toán điện kháng từ

nguồn đến vị trí ngắn mạch.

Các phép biến đổi: Các phép biến đổi sơ đồ thay thế được sử dụng trong tính toán

ngắn mạch nhằm mục đích biến đổi những sơ đồ thay thế phức tạp của hệ thống điện

thành một sơ đồ đơn giản nhất tiện lợi cho việc tính toán, còn gọi là sơ đồ tối giản. Sơ

đồ tối giản có thể bao gồm một hoặc một số nhánh nối trực tiếp từ nguồn sức điện động

đẳng trị E∑ đến điểm ngắn mạch thông qua một điện kháng đẳng trị (tổng hợp) X∑.

. K

x?E?

- Nhánh đẳng trị: Phép biến đổi này được dùng để ghép song song các nhánh có

nguồn hoặc không nguồn thành một nhánh tương đương.

Trong đó:

1

1 1

.1

;

n

k k

kdt dtn n

k k

k k

E Y

E X

Y Y

Với 1

k

k

YX

là điện dẫn nhánh k.

44

+ Biến đổi Y - Δ: Biến đổi sơ đồ thay thế có dạng hình sao gồm 3 nhánh (hình a)

thành tam giác (hình b) theo các biểu thức sau:

Ngược lại, biến đổi sơ đồ có dạng hình tam giác sao thành hình sao dùng các biểu

thức sau:

+ Tách riêng các nhánh tại điểm ngắn mạch:

Nếu ngắn mạch trực tiếp 3 pha tại điểm nút có nối một số nhánh, thì có thể tách riêng

các nhánh này ra khi vẫn giữ ở đầu mỗi nhánh cũng ngắn mạch như vậy. Sơ đồ nhận

được lúc này không có mạch vòng sẽ dễ dàng biến đổi. Tính dòng trong mỗi nhánh khi

cho ngắn mạch chỉ trên một nhánh, các nhánh ngắn mạch khác xem như phụ tải có sức

điện động bằng không. Dòng qua điểm ngắn mạch là tổng các dòng đã tính ở các nhánh

ngắn mạch riêng rẽ. Phương pháp này thường dùng khi cần tính dòng trong một nhánh

ngắn mạch nào đó.

+ Lợi dụng tính chất đối xứng của sơ đồ:

Lợi dụng tính chất đối xứng của sơ đồ ta có thể ghép chung các nhánh một cách đơn

giản hơn hoặc có thể bỏ bớt một số nhánh mà dòng ngắn mạch không đi qua.

6.2.1. 4. Tính toán ngắn mạch:

Sau khi đã tính được điện kháng tổng hợp và sức điện động siêu quá độ, lần lượt tính:

+ Dòng điện ngắn mạch siêu quá độ tương đối: *

*

"iE

x

+ Dòng điện ngắn mạch: . "N cbI I i kA

+ Dòng điện xung kích: . 2.xk xk Ni k I kA

6.2.2. Phương pháp đường cong tính toán:

45

Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng một số đường cong đặc biệt, có thể xác định

giá trị chu kỳ của dòng điện tại bất kỳ thời điểm nào tùy theo điện kháng tính toán của sơ

đồ.

Đường cong tính toán là đường cong biểu diễn trị số tương đối của thành phần chu kỳ

trong dòng ngắn mạch tại những thời điểm tùy ý của quá trình quá độ phụ thuộc vào một

điện kháng - điện kháng tính toán *

"

tt d Nx x x và * * ,ckt ttI f x t

Cấu trúc của đường cong được vẽ dựa trên sơ đồ đơn giản (hình vẽ) và các giả thiết:

Trước lúc ngắn mạch, máy phát điện mang tải định mức với cosφ= 0,8 và điện áp ở

định mức, tương ứng với giả thiết là phụ tải không đổi 0,8 0.6 136 8o

ptZ j .

Nhánh bị ngắn mạch 3 pha tại điểm N có điện kháng xN không mang tải trước khi xảy

ra ngắn mạch.

Cho xN các giá trị khác nhau, theo các biểu thức đã biết hoặc bằng mô hình tính Ick tại

điểm ngắn mạch ở các thời điểm khác nhau. Từ kết quả tính được, xây dựng họ đường

cong * * ,ckt ttI f x t . Các tham số đều tính trong đơn vị tương đối với lượng cơ bản là

định mức của máy phát: Ucb = Utb và Scb = SđmF. Đường cong tính toán được xây dựng

riêng cho các máy phát nhiệt điện và thủy điện

Các bước tính toán ngắn mạch theo phương pháp đường cong tính toán:

Tính toán theo một biến đổi còn gọi là tính toán theo biến đổi chung. Phương pháp

này sử dụng khi khoảng cách giữa các máy phát đến điểm ngắn mạch gần như nhau, lúc

đó sự tắt dần của thành phần chu kỳ trong dòng ngắn mạch của các máy phát là gần như

nhau, cho nên có thể nhập chung tất cả các máy phát thành một máy phát đẳng trị có

công suất tổng để tính toán. Trình tự tính toán như sau:

Lập sơ đồ thay thế trong đơn vị tương đối theo phép qui đổi gần đúng (với các lượng

cơ bản Scb, Ucb = Utb):

- Điện kháng của máy phát lấy bằng x”d.

- Không cần đặt bất kỳ sức điện động nào trong sơ đồ.

- Phụ tải có thể bỏ đi, trừ trường hợp những động cơ cỡ lớn nối trực tiếp vào điểm

ngắn mạch thì tính toán như máy phát có cùng công suất.

Biến đổi sơ đồ thay thế, đưa nó về dạng đơn giản nhất để tính điện kháng đẳng trị x*Σ

của sơ đồ đối với điểm ngắn mạch.

Tính đổi về điện kháng tính toán: * *tt

dm

cb

x xS

S

Trong đó: SđmΣ - tổng công suất định mức của các máy phát.

Từ điện kháng tính toán x*tt và thời điểm t cần xét, tra đường cong tính toán sẽ tìm

được I*ckt. Tính đổi về đơn vị có tên (nếu cần) với lượng cơ bản lúc này là SđmΣ và Utb:

46

* *. .

3.ckt ckt ckt

dm

dm

tb

I I IS

IU

6.3. Khái quát về sử dụng máy tính trong tính toán ngắn mạch

Máy vi tính đã được sử dụng ngày càng nhiều trong việc nghiên cứu các chế độ của

hệ thống điện. Nếu máy tính đủ mạnh nó có thể tính toán các bài toán với số lượng vài

chục nút chỉ trong vài phút.

Để tính toán các bài toán của hệ thống điện bằng máy tính, đầu tiên phải xây dựng

các ma tổng dẫn (Y) hay tổng trở (Z), sau đó giải bài toán (I)= (Y)(U) hay (U)= (Z)(I)

bằng phương pháp lặp Seidel Gauss.

6.4. Phương pháp tính ngắn mạch trong mạng điện áp thấp đến 1000V:

Tính ngắn mạch trong mạng điện dưới 1000V thường là để lựa chọn các khí cụ điện

và các bộ phận có dòng điện đi qua. Đối với mạng này không thể bỏ qua thành phần điện

trở khi tính toán ngắn mạch vì nếu bỏ qua sai số sẽ rất lớn. Điện trở của các phần tử

trong mạch như máy biến áp, dây dẫn, thanh dẫn, biến dòng điện, biến điện áp đo

lường… đều phải được kể đến.

Tính toán ngắn mạch trong mạng hạ áp có thể giả thiết điện áp phía sơ cấp máy biến

áp là không đổi khi xảy ra ngắn mạch và nên dùng đơn vị có tên để đơn giản vì chỉ có

một cấp điện áp: Z (R, X) [mΩ]; U [kV, V]; I [kA, A]; S [kVA].

6.4.1. Tính điện kháng:

- Tính điện kháng hệ thống: 3 2 3

cat cat

.10 .10

3.ht

tb tb

dmdm

XU U

mSI

Trong đó: tbU là điện áp trung bình (0,23; 0,4; 0,525; 0,69 kV).

cat dmI , cat dmS : dòng điện và công suất định mức cắt của máy cắt điện đặt ở

phía cao áp máy biến áp, tính bằng kA và kVA.

- Điện trở và điện kháng máy biến áp:

2

3

2

..10 ,k dm

T

dm

P UR m

S

2%..10,x dm

T

dm

U UX m

S

Trong đó:

kP tổn thất ngắn mạch của máy biến áp (W).

dmU , dmS : điện áp và công suất định mức máy biến áp (kV, kVA)

%xU thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch, tính theo

2 2% % %x k rU U U , với: %kU là % điện áp ngắn mạch và thành phần tác dụng của

nó:

3% .100

10. 10 .

k kr

dm dm

P PU

S S

- Điện trở và điện kháng đường dây hạ áp:

Đối với đường dây hạ áp, một cách gần đúng có thể lấy xo= 0,3[Ω/km] cho đường

dây trên không và xo= 0,07[Ω/km] cho cáp. Điện trở 0

1. ,[ / ]r kmF

.

47

- Điện trở và điện kháng các thành phần khác: như cuộn dòng điện của áp-tô-mát,

cuộn sơ cấp của máy biến dòng, điện trở tiếp xúc của các tiếp điểm…có thể tra ở các

cẩm nang.

6.4.2. Tính dòng điện ngắn mạch:

Sau khi đã xác định được điện kháng và điện trở tổng hợp của mạch điện ngắn

mạch, tính được:

Thành phần chu kỳ của dòng điện ngắn mạch: (3)

2 2

1000.,[ ]

3.

tbck

UI A

r x

Dòng điện xung kích: .2.xk xk cki k I với 0,01

1 ; .

aT

xk a

xk e T

r

.

Câu hỏi ôn tập chương 6

Câu 1. Ngắn mạch là gì ? Phân tích các trạng thái ngắn mạch trong hệ thống cung cấp

điện và chỉ ra trạng thái ngắn mạch nguy hiểm nhất ?

Câu 2. Mục đích, yêu cầu và các phương pháp tính toán ngắn mạch trong hệ thống cung

cấp điện ?

Câu 3. Bài tập tính toán ngắn mạch mạng điện hạ áp ?

48

Chương 7

LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN

Trong điều kiện vận hành các khí cụ điện, sứ cách điện và các bộ phân dẫn điện khác

có thể ở một trong ba chế độ:

- Chế độ làm việc lâu dài: các thiết bị điện sẽ làm việc tin cậy nếu chúng được chọn

theo đúng điện áp và dòng điện định mức.

- Chế độ quá tải: dòng điện qua các thiết bị cao hơn bình thường, thiết bị còn tin cậy

nếu giá trị và thời gian điện áp hay dòng tăng cao còn nhỏ hơn giá trị cho phép.

- Chế độ ngắn mạch: các thiết bị còn tin cậy nếu trong quá trình lựa chọn thiết bị có

xét đến điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt. Riêng đối với máy cắt điện còn phải lựa

chọn thêm khả năng cắt của nó.

Việc lựa chọn các thiết bị và bộ phận dẫn điện còn phải thỏa mãn yêu cầu hợp lý về

kinh tế - kỹ thuật.

7.1. Khái quát chung

7.1.1. Điều kiện chung để chọn thiết bị điện

7.1.1.1. Chọn theo điện áp định mức:

Điện áp định mức thiết bị điện thường được ghi trên nhãn thiết bị, ngoài ra thiết bị

thường được chế tạo để có thể chịu được một quá điện áp nhất định. Do đó thiết bị được

chọn thỏa:

UđmKCĐ + ΔUđmKCĐ ≥ Uđm mạng + ΔUđm mạng

Trong đó: UđmKCĐ là điện áp định mức khí cụ điện.

ΔUđmKCĐ: độ tăng điện áp cho phép của khí cụ điện.

Uđm mạng: điện áp định mức mạng điện nơi thiết bị làm việc.

ΔUđm mạng: độ lệch điện áp so với điện áp định mức.

Bảng 7.1. Trị số độ lệch điện áp cho phép tương đối của một số thiết bị.

Cáp điện lực: 1,1Uđm

Chống sét: 1,25Uđm

Sứ cách điện: 1,15Uđm

Dao cách ly: 1,1Uđm

Máy cắt điện: 1,25Uđm

Kháng điện: 1,15Uđm

Máy biến dòng điện:

1,1Uđm

Máy biến điện áp:

1,1Uđm

Cầu chì:

1,1Uđm

Riêng trường hợp khi các thiết bị đặt ở độ cao hơn 1000m so với thì điện áp cho

phép chỉ được lấy bằng điện áp định mức.

7.1.1.2. Chọn theo dòng điện định mức:

Dòng điện định mức khí cụ điện IđmKCĐ do nhà chế tạo cho sẵn. Chọn dòng điện định

mức sẽ đảm bảo cho các bộ phận của nó không bị đốt nóng nguy hiểm khi làm việc lâu

dài định mức.

Như vậy, chọn thiết bị có IđmKCĐ ≥ Ilv max (dòng làm việc cực đại).

Dòng định mức các khí cụ điện được giả thiết khi vận hành ở nhiệt độ môi trường

xung quanh là 35oC. Trường hợp nhiệt độ khác thì phải hiệu chỉnh:

Nếu θxq > 35oC thì.

cp xq

cp

-

-35

Nếu θxq < 35oC thì I’cp có thể tăng lên 0,005. cho mỗi độ (không quá 0,2 IđmKCĐ).

49

7.1.2. Các điều kiện kiểm tra thiết bị khi xảy ra ngắn mạch:

7.1.2.1. Kiểm tra ổn định lực điện động:

Khi xảy ra ngắn mạch thiết bị có dòng ngắn mạch đi qua sẽ chịu một lực điện động

lớn hơn bình thường nhiều. Mỗi khí cụ điện có dòng điện cực đại cho phép, chọn Imax ≥

Ixk, dòng ngắn mạch xung kích.

7.1.2.2. Kiểm tra ổn định nhiệt:

Dây dẫn và khí cụ điện sẽ bị nóng lên vì có các tổn thất công suất. Các tổn thất này

phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng chủ yếu phụ thuộc vào bình phương dòng điện, do đó

khi ngắn mạch dòng điện tăng cao làm cho thiết bị phát nóng rất nhanh. Khi nhiệt độ khí

cụ điện và dây dẫn quá cao sẽ làm cho chúng bị hư hỏng hay giảm thời gian phục vụ. Do

đó, các thiết bị được quy định nhiệt độ làm việc cho phép khi làm việc bình thường cũng

như khi xảy ra ngắn mạch.

7.2. Lựa chọn máy cắt điện:

7.2.1. Lựa chọn và kiểm tra máy cắt điện điện áp cao hơn 1000V:

Máy cắt điện là thiết bị dùng trong mạng điện áp cao để đóng, cắt dòng điện phụ tải

và cắt dòng điện ngắn mạch.

Bảng 7.2. Các điều kiện chọn và kiểm tra máy cắt:

Thứ

tự Đại lượng lựa chọn và kiểm tra Ký hiệu

Công thức để chọn và kiểm

tra

1 Điện áp định mức (kV) UđmMCĐ UđmMCĐ ≥ Uđm mạng

2 Dòng điện định mức (A) IđmMCĐ IđmMCĐ ≥ Ilv max

3 Dòng điện ổn định lực điện động

(kA) Imax Imax ≥ Ixk

4 Dòng điện ổn định nhiệt (A) Iôđn Iôđn ≥ ôdn

.gtt

It

5 Công suất cắt định mức (MVA) Sđmcắt Sđmcắt ≥ SN(tN)

Chú thích:

Dòng ổn định nhiệt của máy cắt trong lý lịch máy cho ứng với thời gian 1; 5 và 10s.

Công suất ngắn mạch tại thời điểm cắt SN(tN) có thể xem là công suất tại thời điểm

máy cắt hoạt động.

7.2.2. Lựa chọn và kiểm tra máy cắt phụ tải:

Máy cắt phụ tải là thiết bị đóng cắt đơn giản và rẻ tiền hơn máy cắt. Nó gồm bộ phận

đóng cắt điều khiển bằng tay và cầu chì, trong đó cầu chì đóng vai trò cắt dòng ngắn

mạch.

Bảng 7.3. Các điều kiện chọn và kiểm tra máy cắt phụ tải:

Thứ

tự Đại lượng lựa chọn và kiểm tra Ký hiệu

Công thức để chọn và kiểm

tra

1 Điện áp định mức (kV) UđmMCPT UđmMCPT ≥ Uđm mạng

2 Dòng điện định mức (A) IđmMCPT IđmMCPT ≥ Ilv max

3 Dòng điện ổn định lực điện động

(kA) Imax Imax ≥ Ixk

50

4 Dòng điện ổn định nhiệt (A) Iôđn Iôđn ≥ ôdn

.gtt

It

5 Dòng điện định mức cầu chì(A) IđmCC IđmCC ≥ Ilv max

6 Công suất cắt định mức cầu chì

(MVA) Sđmcắt CC Sđmcắt ≥ S”

Chú thích: S”= 3 .I”. Uđm mạng, với I” là giá trị hiệu dụng ban đầu của thành phần chu

kỳ dòng điện ngắn mạch.

7.3. Lựa chọn cầu chì, dao cách ly:

7.3.1. Lựa chọn dao cách ly:

Nhiệm vụ chủ yếu của dao cách ly là tạo ra khoảng hở cách điện trông thấy được giữa

bộ phận đang mang điện và bộ phận cắt điện. Dao cách ly chỉ để đóng cắt khi không có

dòng điện. Dao cách ly được chế tạo với nhiều cấp điện áp khác nhau, một pha hay ba

pha, lắp đặt trong nhà và ngoài trời.

Dao cách ly được chọn các điều kiện định mức: dòng và áp cùng điều kiện ổn định

động và ổn định nhiệt.

7.3.2. Lựa chọn cầu chì:

Cầu chì là khí cụ điện để bảo vệ mạch điện khi ngắn mạch. Thời gian cắt của cầu chì

phụ thuộc vào vật liệu làm dây chảy. Cầu chi là thiết bị bảo vệ đơn giản, rẻ tiền nhưng độ

nhạy kém nó chỉ tác động khi dòng lớn hơn định mức nhiều lần (chủ yếu là dòng ngắn

mạch).

Bảng 7.4. Các điều kiện chọn và kiểm tra cầu chì:

Thứ

tự Đại lượng lựa chọn và kiểm tra Ký hiệu

Công thức để chọn và kiểm

tra

1 Điện áp định mức (kV) UđmCC UđmCC ≥ Uđm mạng

2 Dòng điện định mức (A) IđmCC IđmCC ≥ Ilv max

3 Công suất cắt định mức cầu chì

(MVA) Sđmcắt CC Sđmcắt ≥ S”

Lưu ý: Khi chọn cầu chì dùng để bảo vệ động cơ điện thì dòng định mức phải thỏa

mãn hai điều kiện là dòng làm việc bình thường và dòng mở máy.

7.4. Lựa chọn và kiểm tra sứ cách điện:

Sứ có tác dụng vừa làm giá đỡ cho các bộ phận mang điện vừa cách điện chúng với

đất. Do đó sứ cách điện phải có độ bền cả về cơ và điện. Sứ được phân thành sứ đỡ, sứ

treo các thanh cái, dây dẫn và các bộ phận mang điện.

Ngoài ra còn có xứ xuyên dùng để dẫn thanh cái hay dây dẫn xuyên qua tường nhà

hay vỏ thiết bị.

Bảng 7.5. Các điều kiện chọn và kiểm tra sứ:

Thứ

tự Đại lượng lựa chọn và kiểm tra Ký hiệu Công thức để chọn và kiểm tra

1 Điện áp định mức (kV) Uđm sứ Uđm sứ ≥ Uđm mạng

2 Dòng điện định mức đối với sứ

xuyên và sứ đầu ra (A) Iđm sứ Iđm sứ ≥ Ilv max

3 Lực cho phép tác dụng lên đầu sứ Fcp Fcp ≥ F’tt= k.Ftt

4 Dòng điện ổn định nhiệt cho phép Iôđn Iôđn ≥ I∞

51

đối với sứ xuyên và sứ đầu ra

Trong đó:

Fcp: lực cho phép tác dụng lên đầu sứ, Fcp= 0,6.Fph, với Fph là lực phá hỏng sứ.

F’tt= lực tác dụng lên đầu sứ.

k: hệ số hiệu chỉnh.

7.5. Lựa chọn thanh dẫn:

Thanh dẫn có thể bằng đồng, nhôm hay thép tùy theo cường độ cũng như môi trường

làm việc sẽ được chọn thích hợp.

Tiết diện S của các thanh dẫn thường được chọn theo mật độ dòng kinh tế (tra bảng),

đồng thời phải kiểm tra các điều kiện phát nóng và ổn định động.

7.6. Lựa chọn dây dẫn và cáp:

Có nhiều loại cáp dùng cho các cấp điện áp khác nhau. Lõi cáp thường bằng đồng

hoặc nhôm gồm một, hai, ba hay bốn lõi. Ở cấp 110 – 220kV cách điện cáp thường là

dầu hay khí. Cáp trên 10kV thường được chế tạo từng sợi riêng lẻ trong khi cáp dưới

10kV có thể gồm ba pha bọc chung một vỏ chì. Cáp dưới 1000V thường có cách điện

bằng giấy tẩm dầu hoặc bằng nhựa.

Dây dẫn trên không thường là dây trần một hay nhiều sợi, đặc hay rỗng ruột.

Trong mạng điện xí nghiệp dây dẫn và cáp thường được chọn theo hai điều kiện:

+ Chọn theo điều kiện phát nóng.

+ Chọn theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép.

Khi chọn tiết diện dây dẫn theo điều kiện này thì kiểm tra lại bằng điều kiện kia.

Ngoài ra còn có thể chọn tiết điện dây dẫn theo mật độ dòng kinh tế. Sau đây giới thiệu

phương pháp chọn tiết diện dây theo điều kiện phát nóng.

Lựa chọn dây dẫn theo điều kiện phát nóng: Nhiệt độ cho phép của dây dẫn và cáp

thường trong khoảng 55 – 80oC, tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường và điều kiện làm

việc.

Do đó, tiết diện dây dẫn và cáp được chọn thỏa điều kiện: k.Icp ≥ Ilv max

Trong đó: k: hệ số điều chỉnh khi nhiệt độ môi trường khác 25oC (tra sổ tay kỹ thuật).

Icp: dòng điện cho phép ứng với dây dẫn được chọn.

7.7. Lựa chọn các thiết bị khác:

7.7.1. Lựa chọn và kiểm tra kháng điện:

Kháng điện là cuộn dây điện cảm không lõi thép có điện kháng lớn hơn điện trở rất

nhiều. Điện kháng dùng để hạn chế dòng điện ngắn mạch hay hạn chế dòng điện mở máy

của các động cơ điện.

Kháng điện được chọn theo điện áp định mức, dòng điện định mức và giá trị điện

kháng xk%, cuối cùng được kiểm tra ổn định động và ổn định nhiệt.

7.7.2. Lựa chọn và kiểm tra biến dòng điện:

Máy biến dòng điện có nhiệm vụ biến đổi dòng điện có trị số lớn xuống trị số nhỏ để

cung cấp cho các dụng cụ đo lường, bảo vệ rơle và tự động hóa.

Cuộn sơ cấp của BI được mắc nối tiếp với mạng điện và có số vòng dây rất nhỏ

(thường chỉ vài vòng), cuộn dây thứ cấp có nhiều vòng hơn.

Dòng điện định mức thứ cấp của máy biến dòng là 5A, trường hợp đặc biệt là 1 hay

10A.

52

Máy biến dòng được chọn theo điện áp định mức, dòng điện sơ cấp định mức, phụ tải

định mức. Ngoài ra, người ta còn kiểm tra lực ổn định động và ổn định nhiệt khi có dòng

ngắn mạch chạy qua.

7.7.3. Lựa chọn và kiểm tra biến điện áp:

Máy biến điện áp có nhiệm vụ biến đổi điện áp từ trị số cao xuống trị số thấp phục vụ

cho đo lường, bảo vệ rơle và tự động hóa. Điện áp thứ cấp của máy biến điện áp chỉ

khoảng 100V không kể điện áp sơ cấp định mức là bao nhiêu.

Nguyên lý làm việc tương tự như máy biến áp thông thường chỉ khác là công suất của

nó rất nhỏ chỉ hàng chục hay vài trăm VA. Tổng trở mạch ngoài của máy biến điện áp rất

lớn.

Máy biến điện áp thường được chế tạo thành loại một pha, ba pha hoặc ba pha năm

trụ ở nhiều cấp điện áp. Máy được chọn theo loại, điện áp, cấp chính xác và công suất

thứ cấp.

Câu hỏi ôn tập chương 7

Câu 1. Những điều kiện chung để lựa chọn thiết bị điện. Tại sao phải lựa chọn thiết bị

bảo vệ trong các mạng điện ?

Câu 2. Trình bày phương pháp lựa chọn và kiểm tra máy cắt, máy cắt phụ tải và cầu chì ?

Câu 3. Nêu các phương pháp lựa chọn dây dẫn trong mạng điện hạ áp và trung áp ?

Câu 4. Bài tập tính toán lựa chọn tiết diện dây dẫn ?

53

Chương 8

BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN

Trong quá trình vận hành hệ thống điện có thể xuất hiện tình trạng sự cố và chế độ

làm việc không bình thường của các phần tử.

Các sự cố thường kéo theo hiện tượng dòng điện tăng cao và điện áp giảm thấp. Điều

này làm rối loạn hoạt động bình thường của hệ thống. Muốn duy trì hoạt động bình

thường của hệ thống và hộ tiêu thụ cần nhanh chóng phát hiện sự cố và cách ly nó ra

khỏi hệ thống.

Thiết bị bảo vệ rơle là loại thiết bị tự động bảo vệ có chức năng thực hiện nhiệm vụ

trên.

Ngoài ra hệ thống điện còn có thể bị hư hại nghiêm trọng khi bị sét đánh, hệ thống

chống sét có nhiệm vụ giảm thiểu các hư hỏng khi có sét đánh vào các phần tử điện.

8.1. Bảo vệ relay:

8.1.1. Các yêu cầu đối với hệ thống bảo vệ rơle:

Các bảo vệ rơle cần phải thỏa mãn một số chỉ tiêu kỹ thuật nhất định:

- Tính nhanh chóng: nhằm cắt nhanh vùng sự cố khỏi hệ thống, giảm thiểu các hư

hỏng.

- Tính lựa chọn: cắt đúng vùng sự cố khỏi hệ thống.

- Tính đảm bảo: bảo vệ phải tác động khi cần, không tác động sai hoặc tác động

không đúng lúc.

- Độ nhạy: tác động gần với trị số được chỉnh định sẽ hoạt động, trị số tác động càng

sát chỉnh định thì độ nhạy càng cao.

- Độc lập với các điều kiện vận hành: bảo vệ phải hoạt động đúng trong các điều kiện

vận hành khác nhau.

Ngoài ra, hệ thống bảo vệ phải đạt yêu cầu về kinh tế, gọn nhẹ, linh hoạt trong việc

thay đổi tính năng…

Theo lịch sử phát triển từ các rơle điện cơ đến rơle điện tử và ngày nay là sự kết hợp

với sự điều khiển của máy tính các hệ thống bảo vệ ngày càng được hoàn thiện.

8.1.2. Những bảo vệ chính bằng rơle:

8.1.2.1. Bảo vệ dòng điện: tác động trong trường hợp dòng điện của mạch bảo vệ tăng

lên do quá tải hay ngắn mạch.

Rơle sẽ tác động khi dòng điện trong mạch tăng quá một giá trị được xác định, gọi là

dòng điện khởi động – ký hiệu IkđBv, dòng này phải lớn hơn dòng định mức cũng như

dòng phụ tải cực đại của mạch.

Như vậy dòng khởi động rơle CT

kdBvkdR

II

n với nCT là tỷ số biến dòng điện.

8.1.2.2. Bảo vệ điện áp: bảo vệ điện áp cực tiểu và cực đại là hai loại rơle bảo vệ điện áp.

- Bảo vệ điện áp cực tiểu: là bảo vệ sẽ tác động trong trường hợp điện áp giảm đi do

xuất hiện dòng ngắn mạch hay có sự cố. Bảo vệ sẽ tác động khi điện áp của mạch nhỏ

hơn điện áp khởi động bảo vệ UkđBv, điện áp này nhỏ hơn điện áp định mức và điện áp

nhỏ nhất của mạng. Điện áp khởi động rơle PT

kdBvkdR

UU

n với nPT là tỷ số biến điện áp.

54

- Bảo vệ điện áp cực đại: là bảo vệ sẽ tác động trong trường hợp điện áp tăng quá

điện áp khởi động của bảo vệ, ít sử dụng chủ yếu ở các nhà máy thủy điện và các đường

dây điện áp rất cao.

8.1.2.3.Bảo vệ có hướng: kết hợp với các bảo vệ khác nhằm tăng tính chọn lọc cho các

bảo vệ. Hoạt động nhờ xác định độ lệch pha giữa vectơ dòng điện và điện áp.

8.1.2.4. Bảo vệ so lệch: bảo vệ này tác động khi xuất hiện sự sai lệch giữa những giá trị

của dòng điện từ hai đầu của vùng được bảo vệ. Ở trạng thái làm việc bình thường, hiệu

dòng điện qua hai biến dòng bằng 0, nếu ngắn mạch xảy ra trong vùng bảo vệ thì hiệu

này sẽ khác 0 và rơle sẽ tác động bảo vệ.

8.1.2.5. Bảo vệ khoảng cách: bảo vệ này thực hiện bằng rơle tổng trở, rơle tác động khi

tổng trở của mạch bảo vệ được bảo vệ bị giảm. Bình thường tổng trở mạch cao, khi có

ngắn mạch thì điện thế giảm trong khi dòng điện lại tăng do đó tỷ lệ Z= U/I giảm một

cách đáng kể, khi đó rơle tổng trở sẽ tác động.

8.1.2.6. Bảo vệ bằng rơle nhiệt: khi nhiệt độ tăng cao thường khi có ngắn mạch hay quá

tải đối với các phần tử điện, rơle nhiệt sẽ tác động, thường được dùng cho các động cơ

điện.

8.1.2.7. Bảo vệ bằng rơle hơi: là rơle thường được trang bị cho các máy biến áp dầu

công suất lớn. Rơle này lắp trên đường ống nối giữa máy biến áp và thùng dầu phụ. Khi

có sự cố trong máy biến áp thì tốc độ hơi dầu đi qua trong ống nối tăng có thể làm nghiên

rơle có thể gây đóng các tiếp điểm đặt trên rơle, nếu nhẹ thì đóng tiếp điểm báo động

trường hợp nặng đi tác động cắt máy biến áp.

Hình 8.1. Bảo vệ máy biến áp bằng rơle hơi

Bảng 8.1. Bảng giới thiệu mã số của một số rơle thông dụng

Mã số Rơle Mã số Rơle

21 Bảo vệ khoảng cách 51 Bảo vệ quá dòng có thời gian

27 Bảo vệ điện áp giảm 67 Bảo vệ quá dòng có hướng

32 Rơle định hướng công suất 79 Tự động đóng trở lại (TĐL)

40 Rơle bảo vệ mất từ trường 81 Rơle tần số

49 Bảo vệ quá nhiệt 87 Bảo vệ so lệch

50 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh 96B Rơle khí Buchholz

8.2. Chống sét và nối đất:

8.2.1. Quá điện áp thiên nhiên và đặc tính của sét:

Sét là sự phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và đất, hay giữa các đám mây

mang điện tích trái dấu.

55

Hai tham số quan trọng của dòng điện sét là biên độ Is và độ dốc đầu sóng a. Biên độ

Is thường không quá 200 – 300kA và thường gặp < 100kA. Trong tính toán thiết kế

thường chọn mức độ 50 – 100kA và độ dốc chọn a= 30kA/µs.

Quá điện áp khí quyển phát sinh khi sét đánh trực tiếp vào các vật đặt ngoài trời

(đường dây tải điện, thiết bị phân phối…) cũng như khi sét đánh gần các công trình. Quá

điện áp khí quyển xảy ra trong thời gian ngắn với điện áp tăng cao làm phá hủy cách điện

của thiết bị điện, do đó cần phải thực hiện chống sét cho các công trình nói chung và

công trình điện nói riêng.

Để thực hiện chống sét cho một công trình phải thực hiện 6 điểm sau:

- Đầu thu sét (dây thu sét): đặt trên cao tại những vị trí mong muốn.

- Dây dẫn dòng sét từ đầu thu sét xuống đất.

- Tiêu tán năng lượng dòng sét vào đất nhờ hệ thống nối đất.

- Thực hiện lưới nối đất đẳng thế để loại trừ các chênh lệch điện thế.

- Bảo vệ thiết bị khỏi sét lan truyền theo đường dây tải điện.

- Bảo vệ thiết bị khỏi sét lan truyền theo các đường dây tín hiệu.

Sau đây giới thiệu công tác phòng chống sét cho trạm và đường dây tải điện:

8.2.2. Bảo vệ sét đánh trực tiếp đối với trạm biến áp:

Để bảo vệ sét đánh thẳng vào trạm người ta dùng các cột thu lôi cao có đỉnh nhọn

bằng kim loại (đôi khi kết hợp với cả dây chống sét) và được nối đến hệ thống nối đất.

Phạm vi bảo vệ được phụ thuộc vào chiều cao cột thu sét, số cột thu sét. Sau khi bố trí

một số cột thu và chiều cao nhất định, người ta tính toán kiểm tra phạm vi bảo vệ có thể

đã bảo vệ hết các thiết bị cần bảo vệ chưa? Nếu chưa, thì có thể đặt thêm các cột bổ sung

hoặc nâng cao cột thu sét và tính toán kiểm tra lại.

Tuy nhiên sét đánh theo xác suất và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, do vậy rất khó

để đảm bảo đã bảo vệ hoàn toàn trạm.

8.2.3. Bảo vệ chống sét đường dây tải điện:

Trong vận hành, sự cố cắt điện do sét đánh vào đường dây tải điện trên không là khá

lớn.

Do đó cần thiết phải bảo vệ sét đánh vào đường dây trên không.

Để bảo vệ chống sét cho đường dây, có thể treo dây chống sét trên toàn tuyến (khá

tốn kém) và thường chỉ dùng cho đường dây 110 – 220kV cột sắt và cột bê tông cốt sắt.

Đường dây 35kV thường ít được bảo vệ toàn tuyến, thường dùng kết hợp các biện

pháp như: nối đất cột, đặt chống sét ống tại một số cột, tăng thêm bát sứ ở những nơi

cách điện yếu ở những cốt vượt cao. Tùy theo cách bố trí dây dẫn trên cột có thể treo một

hay hai dây chống sét. Các dây chống sét được treo bên trên đường dây tải điện sao cho

dây dẫn của cả ba pha đều nằm trong phạm vi bảo vệ của dây chống sét.

8.2.4. Bảo vệ chống sét lan truyền theo đường dây vào trạm:

Để bảo vệ các thiết bị trong trạm biến áp tránh sóng quá điện áp truyền từ đường dây

vào phải dùng các thiết bị chống sét. Các thiết bị chống sét này sẽ hạ thấp biên độ sóng

quá điện áp đến trị số an toàn cho cách điện cần được bảo vệ. Thiết bị chống sét lan

truyền cho trạm chủ yếu là chống sét van (CSV), chống sét ống (CSO) và khe hở phóng

điện.

- Khe hở phóng điện: là thiết bị chống sét đơn giản nhất, gồm có hai điện cực: một

điện cực nối với mạch điện, còn điện cực kia nối đất.

56

- Chống sét ống: khe hở phóng điện được đặt trong ống làm bằng vật liệu sinh khí,

khi xảy ra phóng điện hồ quang sinh ra làm nóng ống, ống sinh ra nhiều khí làm tăng áp

suất trong ống và thổi tắt hồ quang.

- Chống sét van: gồm có hay không khe hở phóng điện và điện trở phi tuyến. Khi có

quá điện áp chọc thủng các khe hở không khí và đi qua điện trở phi tuyến xuống đất.

Để bảo vệ sét lan theo đường dây thường kết hợp đặt chống sét ống cho đoạn dây gần

vào trạm và chống sét van ngay trước máy biến áp.

8.2.5. Nối đất cho trạm và đường dây:

Để chống sét đạt hiệu quả cao thì hệ thống nối đất cho trạm và đường dây phải đạt

một số điều kiện nhất định (xem thêm mục 4.5) như:

- Đối với trạm có trung tính nối đất trực tiếp điện áp từ 110kV trở lên thì Rđ

≤0,5Ω.

- Đối với trạm có trung tính cách điện, điện áp dưới 110kV thì Rđ ≤4Ω.

- Đối với trạm có bé thì Rđ ≤10Ω.

Câu hỏi ôn tập chương 8

Câu 1. Trình bày các dạng sự cố trong trạm biến áp, trên đường dây tải điện ?

Câu 2. Vì sao phải đặt các thiết bị bảo vệ bằng rơle? Nêu các yêu cầu cơ bản đối với thiết

bị bảo vệ rơle ?

Câu 3. Trình bày các hình thức bảo vệ rơle trong hệ thống cung cấp điện ?

Câu 4. Xây dựng sơ đồ bảo vệ rơle bảo vệ trạm biến áp và đường dây tải điện ?

Câu 5. Trong hệ thống cung cấp điện có những hình thức nối đất nào ? Vì sao phải tính

toán nối đất cho trạm biến áp và đường dây tải điện ?

Câu 6. Bài tập tính toán bảo vệ rơle ?

57

S

P

Q

φ

Chương 9

NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT

Hiện nay chất lượng điện năng ngày càng được quan tâm. Chất lượng điện năng được

đánh giá trên hai chỉ tiêu là chất lượng điện áp và chất lượng tần số.

Chất lượng điện áp: đánh giá chất lương điện áp thông qua 5 đại lượng: độ lệch điện

áp, độ dao động điện áp, độ không hình sin của sóng điện áp, độ không đối xứng của

điện áp và độ lệch trung tính.

Chất lượng tần số: được đánh giá qua đại lượng là độ lệch tần số và độ dao động tần

số.

9.1. Hệ số công suất và ý nghĩa việc nâng hệ số công suất:

9.1.1. Hệ số công suất:

Các đại lượng biểu diễn công suất có liên quan mật thiết với nhau qua tam giác công

suất:

Hình 9.1. Tam giác công suất

trong đó: S là công suất toàn phần.

P: công suất tác dụng.

Q: công suất phản kháng.

φ: góc giữa S và P.

Trong thực tế tính toán khái niệm hệ số công suất cosφ được dùng. Khi cosφ càng

nhỏ thì lượng công suất phản kháng tiêu thụ hoặc truyền tải càng lớn và công suất tác

dụng càng nhỏ và ngược lại.

9.1.2. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất:

Nâng cao hệ số công suất là một trong những biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện

năng. Do động cơ không đồng bộ, máy biến áp cùng với đường dây trên không là những

thiết bị chủ yếu tiêu thụ công suất phản kháng Q của hệ thống điện. Để tránh truyền tải

một lượng Q lớn trên đường dây, các thiết bị bù được đặt ở gần phụ tải để cung cấp Q

trực tiếp cho phụ tải và được gọi là bù công suất phản kháng, làm nâng cao hệ số công

suất cosφ. Việc nâng cao hệ số công suất đưa đến các hiệu quả:

- Giảm được tổn thất công suất trong mạng điện, do 2 2

2.

U

P QP R

(9.1)

- Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện, do . .

U

P R Q XU

(9.2)

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp, do khả năng truyền tải phụ

thuộc vào tình trạng phát nóng và tỷ lệ với bình phương dòng điện, 2 2

3U

P QI

(9.3)

Ngoài ra, nó còn dẫn đến giảm được chi phí kim loại màu, góp phần ổn định điện áp,

tăng khả năng phát điện của máy phát…

58

9.2. Các giải pháp bù cosφ:

9.2.1. Các giải pháp bù cosφ tự nhiên:

- Thay động cơ thường xuyên non tải bằng động cơ có công suất bé hơn.

- Giảm điện áp cho những động cơ làm việc non tải.

- Hạn chế động cơ chạy không tải.

- Dùng dộng cơ đồng bộ thay thế động cơ không đồng bộ.

- Nâng cao chất lượng sửa chữa động cơ.

- Thay thế những máy biến áp làm việc non tải bằng những máy biến áp dung

lượng nhỏ hơn.

9.2.2. Các thiết bị bù:

Thiết bị để phát Q thường dùng trên lưới điện là máy bù và tụ bù. Máy bù hay còn gọi

là máy bù đồng bộ và tụ bù. Máy bù thường chỉ dùng ở các trung tâm điện để duy trì ổn

định cho hệ thống điện. Tụ bù dùng cho lưới điện xí nghiệp, dịch vụ và dân dụng. Mục

đích bù cosφ cho xí nghiệp sao cho cosφ lớn hơn 0,85. Tụ có thế nối tiếp hay song song

vào mạng điện.

Bù dọc: mắc nối tiếp tụ vào đường dây, biện pháp này nhằm cải thiện thông số đường

dây, giảm tổn hao điện áp. Lúc này thông số đường dây:

L CZ R j X X (9.4)

Bù ngang: mắc song song tụ vào đường dây, có nhiệm vụ cung cấp Q vào hệ thống,

làm nâng cao điện áp cũng như cosφ. Dễ thấy lúc này tổn thất điện áp giảm xuống:

bù. .

U

P R Q Q XU

(9.5)

9.3. Bù công suất cho lưới điện xí nghiệp:

Công suất cần bù cho xí nghiệp để nâng hệ số công suất từ cosφ1 lên hệ số công suất

cosφ2:

bù 1 2Q P tg tg (9.6)

Các vị trí có thể đặt tụ bù trong mạng điện xí nghiệp:

- Đặt tụ bù phía cao áp xí nghiệp: tuy giá tụ cao áp rẻ nhưng chỉ giảm tổn thất điện

năng từ phía cao áp ra lưới.

- Đặt tụ bù tại thanh cái hạ áp của trạm biến áp xí nghiệp giúp giảm điện năng trong

trạm biến áp.

- Đặt tụ bù tại các tủ động lực: làm giảm được tổn thất điện áp trên đường dây từ tủ

đến trạm phân phối và trong trạm.

- Đặt tụ bù cho tất cả các động cơ: phương pháp này có lợi nhất về giảm tổn thất điện

năng nhưng tăng chi phí đầu tư, vận hành và bảo dưỡng tụ.

Trong thực tế việc tính toán phân bố bù tối ưu cho xí nghiệp là phức tạp và tùy theo

quy mô và kết cấu lưới điện xí nghiệp có thể được thực hiện theo kinh nghiệm như sau:

- Với một xưởng sản xuất hoặc xí nghiệp nhỏ nên tập trung tụ bù tại thanh cái hạ áp

của trạm biến áp xí nghiệp.

- Với xí nghiệp loại vừa có 1 trạm biến áp và một số phân xưởng công suất khá lớn

cách xa trạm nên đặt tụ bù tại các tủ phân phối phân xưởng và tại cực các động cơ có

công suất lớn (vài chục kW).

59

- Đối với xí nghiệp có quy mô lớn gồm nhiều phân xưởng lớn, có trạm phân phối

chính và các trạm phân xưởng. Việc bù thường thực hiện tại tất cả các thanh cái hạ áp

của trạm phân xưởng.

- Đôi khi có thể thực hiện bù cho cả cao và hạ áp tùy vào giá thành của tụ.

Câu hỏi ôn tập chương 9

Câu 1. Trình bày các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosφ ? để bù công suất phản

kháng người ta sử dụng những loại thiết bị nào. Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng

của tụ bù và máy bù đồng bộ ?.

Câu 2. Nêu, giải thích ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cosφ? Vì sao khi truyền

tải điện năng đi xa người ta phải bù công suất phản kháng ?.

Câu 3. Bài tập tính toán dung lượng bù và bù tối ưu cho mạng điện ?.

60

Chương 10

TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG

Trong bất kỳ nhà máy xí nghiệp nào, ngoài chiếu sáng tự nhiên còn phải sử dụng

chiếu sáng nhân tạo. Hiện nay người ta thường dùng đèn điện để chiếu sáng nhân tạo bởi

vì chúng có những ưu điểm: Thiết bị đơn giản, sử dụng thuận tiện, giá thành rẻ, tạo được

ánh sáng gần ánh sáng tự nhiên. Trong các nhà máy xí nghiệp, các phân xưởng nếu

không đủ ánh sáng sẽ gây trạng thái căng thẳng cho mắt, hại sức khỏe... và kết quả làm

giảm năng suất lao động, gây ra phế phẩm. Vì vậy ánh sáng đã được nghiên cứu trên

nhiều lĩnh vực chuyên sâu: Nguồn sáng, chiếu sáng công nghiệp và dân dụng.

10.1. Khái niệm chung:

10.1.1. Khái niệm và phân loại:

Chiếu sáng đóng vai trò hết sức quan trọng. Có nhiều cách phân loại các hình thức

chiếu sáng:

Căn cứ vào đối tượng cần chiếu sáng: chiếu sáng dân dụng và chiếu sáng công

nghiệp.

Căn cứ vào mục đích chiếu sáng: chiếu sáng chung, chiếu sáng cục bộ và chiếu sáng

sự cố.

Ngoài ra còn có thể phân thành chiếu sáng trong nhà, chiếu sáng ngoài trời, chiếu

sáng trang trí, chiếu sáng bảo vệ…

Mỗi hình thức chiếu sáng có yêu cầu riêng, đặc điểm riêng dẫn đến phương pháp tính

toán cách sử dụng các loại đèn và bố trí khác nhau.

10.1.2. Một số đại lượng dùng trong tính toán:

10.1.2.1. Quang thông: là năng lượng của ngồn sáng phát ra qua một đơn vị diện tích

trong một đơn vị thời gian. 0

. .F V e d

. Đơn vị của quang thông là Lumen (lm).

Trong đó: : bước sóng.

V : độ rõ của bước sóng.

e : hàm phân bố năng lượng.

10.1.2.2. Cường độ ánh sáng: nếu có một nguồn sáng S bức xạ theo mọi phương, trong

góc dω (steradian) nó truyền đi một lượng quang thông dF thì cường độ ánh sáng của

nguồn sáng dF

Id

, (cd).

Bảng 10.1. Cường độ sáng của một số nguồn sáng thông dụng:

Nguồn sáng Cường độ sáng

(cd) Ghi chú

Ngọn nến 0,8 Theo mọi hướng

Đèn sợi đốt 40W/220V 35 Theo mọi hướng

Đèn sợi đốt 300W/220V

có bộ phản xạ

400

1500

Theo mọi hướng

Ở giữa chùm tia

Đèn iot kim loại 2kW

có bộ phản xạ

14800

250000

Theo mọi hướng

Ở giữa chùm tia

61

10.1.2.3. Độ rọi: người ta định nghĩa mật độ quang thông rơi trên bề mặt là độ rọi, có

đơn vị là lux: dF

EdS

(1 lux=1 lm/m2).

Bảng 10.2. Quy định về độ rọi cho một số khu vực (t/c Pháp):

Đối tượng

chiếu sáng Độ rọi (lx)

Đối tượng

chiếu sáng Độ rọi

Phòng làm

việc 400 ÷ 600

Phòng học, thí

nghiệm 300 ÷ 500

Nhà ở 150 ÷ 300 Phòng vẽ, siêu

thị 750

Đường phố 20 ÷ 50 Công nghiệp

màu 1000

Cửa hàng, kho

tàng 100

Công việc với

các chi tiết rất

nhỏ

>1000

Phòng ăn 200 300

10.1.3. Các loại đèn:

10.1.3.1. Đèn sợi đốt: còn gọi là đèn dây tóc được dùng rộng rải do cấu tạo đơn giản, dễ

lắp đặt.

- Ưu điểm: nối trực tiếp vào lưới, kích thước nhỏ, rẻ tiền, cosφ cao, sáng nhanh…

- Khuyết điểm: tốn điện, phát nóng, tuổi thọ phụ thuộc điện áp.

10.1.3.2. Đèn huỳnh quang:

- Ưu điểm: hiệu suất quang học lớn, diện tích phát quang, tuổi thọ cao, quang

thông ít bị ảnh hưởng khi điện áp dao động trong phạm vi cho phép.

- Khuyết điểm: chế tạo phức tạp, giá thành cao, cosφ thấp, khi đóng điện đèn

không sáng ngay.

Ngoài ra còn có các loại đèn khác như đèn khí Natri áp suất cao, áp suất thấp, đèn

halogen kim loại

10.1.3.3. Các loại chao đèn:

Chao đèn bao bọc ngoài bóng đèn, dùng để phân phối lại quang thông của của bóng

đèn một cách hợp lý và theo các nhu cầu nhất định.

Có thể phân thành: chao đèn trực tiếp, phản xạ và khuếch tán.

10.1.4. Nội dung thiết kế chiếu sáng:

Nội dung thiết kế chiếu sáng bao gồm ba bước chính sau:

- Lựa chọn loại đèn, công suất, số lượng bóng đèn.

- Bố trí đèn trong không gian cần chiếu sáng.

- Thiết kế lưới điện chiếu sáng (sơ đồ nguyên lý lưới chiếu sáng, chọn dây dẫn, CB,

cầu chì…)

Việc chọn dây dẫn sẽ theo điều kiện phát nóng cho phép của dây dẫn, K1.K2.Icp ≥ Itt.

Trong đó: K1: hệ số điều chỉnh nhiệt độ (so với môi trường chế tạo và sử dụng).

K2: hệ số điều chỉnh khi kể đến số dây đi trong một ống.

Icp: dòng cho phép của dây dẫn được chọn.

CB và cầu chì được lực chọn theo các điều kiện: điện áp, dòng định mức làm việc và

định mức cắt (chương 7).

62

10.2. Thiết kế chiếu sáng dân dụng:

Chiếu sáng dân dụng là chiếu sáng cho các khu vực như: nhà ở, hội trường, trường

học, cơ quan, văn phòng, siêu thị, bệnh viện… Các khu vực này không yêu cầu thật

chính xác về độ rọi cũng như các thông số kỹ thuật khác.

Tùy theo kinh phí mà thiết kế có thể đạt yêu cầu mỹ quan cũng như đa dạng các loại

đèn được sử dụng.

Trình tự thiết kế chiếu sáng như sau:

- Chọn suất phụ tải chiếu sáng Po (W/m2) phù hợp đối tượng cần chiếu sáng, tính

được tổng công suất chiếu sáng cho khu vực thiết kế: Pcs= Po.S.

- Chọn loại đèn, công suất đèn Pđ, xác định lượng đèn cần: cs

d

P

Pn .

- Bố trí vị trí đèn theo mặt bằng cần chiếu sáng.

- Vẽ sơ đấu dây và sơ đồ nguyên lý cho thiết kế.

- Lựa chọn và kiểm tra các phần tử trên sơ đồ (CB, cầu chì, thanh cái, dây dẫn).

10.3. Thiết kế chiếu sáng công nghiệp:

Đối với các nhà xưởng thường đã thiết kế chung kèm với chiếu sáng tăng cường tại

điểm cần chiếu sáng cục bộ. Thiết kế có yêu cầu khá chính xác về độ rọi tại mặt bằng

công tác. Phương pháp hệ số sử dụng thường được dùng, trình tự tính toán như sau:

- Xác định độ treo cao đèn: H= h – h1 – h2

trong đó: h là độ cao của nhà xưởng.

h1: khoảng cách từ trần đến bóng đèn.

h2: độ cao mặt bằng làm việc.

- Xác định khoảng cách L giữa hai đèn kề nhau theo tỷ số L/H:

Bảng 10.3. Khoảng cách L giữa hai đèn kề nhau theo tỷ số L/H

Loại đèn và nơi sử

dụng

L/H bố trí nhiều

dãy L/H bố trí một dãy Chiều rộng giới hạn

của nhà xưởng khi

bố trí một dãy Tốt nhất Max cho

phép Tốt nhất

Max cho

phép

Nhà xường dùng chao

mờ hoặc sắt tráng men 2,3 3,2 1,9 2,5 1,3H

Nhà xưởng dùng chao

vạn năng 1,8 2,5 1,8 2,0 1,2H

Chiếu sáng cơ quan văn

phòng 1,6 1,8 1,5 1,8 1,0H

- Căn cứ vào sự bố trí đèn, xác định hệ số phản xạ của trần và tường ρtr, ρtư (%).

- Xác định chỉ số của phòng (có kích thước a.b): a.b

H. a+b

- Từ ρtr, ρtư và tra bảng tìm hệ số sử dụng Ksd.

- Xác định quanh thông của đèn, sd

K.E.S.Z

n.KttF

Trong đó: K: hệ số dự trữ, tra bảng.

E: độ rọi theo yêu cầu của nhà xưởng (lx).

S: diện tích nhà xưởng (m2).

63

Z: hệ số tính toán (chọn 0,8 – 1,4).

n: số bóng đèn.

- Tra sổ tay tìm công suất bóng có F ttF

- Vẽ sơ đồ cấp điện chiếu sáng trên mặt bằng.

- Vẽ sơ đồ nguyên lý chiếu sáng.

- Lựa chọn các phần tử trên sơ đồ nguyên lý.

Câu hỏi ôn tập chương 10

Câu 1. Phân loại các hình thức chiếu sáng trong công nghiệp? Trình bày các phương

pháp tính toán chiếu sáng ?.

Câu 2. Vì sao trong chiếu sáng công nghiệp người ta thường sử dụng thiết bị chiếu sáng

là đèn sợi đốt, so sánh ưu nhược điểm của đèn sợi đốt với đèn huỳnh quang ?.

Câu 3. Bài tập tính toán chiếu sáng ?.

64

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Ngô Hồng Quang (2007), Giáo trình cung cấp điện, Nhà xuất bản Giáo Dục.

[2]. Nguyễn Xuân Phú (2006), Cung cấp điện, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật.

[3]. Dương Vũ Văn - Trần Hoàng Lĩnh – Lê Thanh Hoa (2006), Hướng dẫn thiết

kế chống sét và thiết kế phần điện cho Nhà máy điện, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia.

[4]. Lê Kim Hùng - Đoàn Ngọc Minh Tú (2009), Ngắn mạch trong hệ thống điện,

ĐH Bách Khoa Đà Nẵng.

[5]. Lê Kim Hùng (2007), Bảo vệ các phần tử trong hệ thống điện, ĐH Bách

Khoa Đà Nẵng.

[6]. Patrick Vandeplanque (2000), Kỹ thuật chiếu sáng, Nhà xuất bản Khoa học

Kỹ thuật.