Bài giảng Cung cấp điện Đại học FPT

Sau khi học xong nội dung này, sinh viên có khả năng:- Phân tích được đặc điểm, các yêu cầu đối với nguồn năng lượng, nhà máy điện, mạng lưới điện, hộ tiêu thụ, hệ thống bảo vệ.. Ý

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG CUNG

CẤP ĐIỆN (CCĐ)

Sau khi học xong nội dung này, sinh viên có khả năng:

- Phân tích được đặc điểm, các yêu cầu đối với nguồn năng lượng, nhà máy điện, mạng lưới

điện, hộ tiêu thụ, hệ thống bảo vệ

- Vận dụng đúng các yêu cầu và nội dung chủ yếu khi thiết kế hệ thống cung cấp điện

- Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác và nghiêm túc trong học tập và trong thực hiện côngviệc

1.1 Ý nghĩa của hệ thống cung cấp điện

• Điện năng sản xuất ra không dự trữ được nó mang tính đồng thời ( trừ một số trường hợp cá biệt với công suất nhỏ như pin, ắc quy…) Vì vậy tại mọi lúc ta phải đảm bảo cân bằng giữa điện năng được sản xuất với điện năng tiêu thụ kể cả tổn thất do truyền tải

• Điện năng được tạo ra từ các nguồn năng lượng khác ( cơ, hóa, nhiệt năng ) và ngược lại

• Quá trình tác động của tín hiệu điện xảy ra rất nhanh

Ví dụ: Sóng điện từ lan truyền trong dây dẫn với tốc độ  3.108 m/s Quá trình quá độ xảy rấtnhanh Vì vậy đòi hỏi sử dụng các thiết bị tự động trong vận hành và trong điều khiển mộtcách có hiệu quả

• Điện năng là nguồn năng lượng chính của các ngành: CN nặng, CN nhẹ và là điều kiệnquan trọng để phát triển các đô thị và khu dân cư

Cấu trúc của hệ thống điện Vạch p/a CCĐ hợp lý có ý nghĩa lớn:

• Những yêu cầu cơ bản khi thiết kế hệ thống cấp điện

Tính kinh tế

( xác xuất mất điện nhỏ…)

Độ tin cậy

(vốn đầu tư ban đầu nhỏ, chi phí thấp…)

An toàn và tiện lợi cho việc vận hành thiết bị

• Đảm bảo được chất lượng điện trong phạm vi cho phép

Cần sự phối kết hợp rất nhiều yếu tố:

+ Quan tâm đến đặc điểm công nghệ tải + cơ sở hạ tầng, kiến trúc, cấp thoát nước…

+ sơ đồ nối dây của lưới, tổn thất điện năng + ví trí, công suất nguồn, só lượng TBA…

1.2 C¸c d¹ng nguån ®iÖn.

• Điện năng là sản phẩm được sản suất ra từ các nhà máy điện ở dạng xoay chiều 3 pha tần số 50(60) Hz rồi đưa lên lưới.

• Nguyên lý chung của sản xuất điện năng như sau:

1.2 C¸c d¹ng nguån ®iÖn.

1.2.1 Nhà máy nhiệt điện.

a Cấu tạo chung.

~

Nước lµm l¹nh

-Than -Dầu -khí đốt

Hơi nước áp lực cao

Nước bổ sung

A

B f=50hz C

Chất thải

Hơi nước áp lực cao

Nước bổ sung

A

B f=50hz C

M,



b Nguyên lý làm việc.

Nhiệt độ được tạo ra do đốt

nhiên liệu( than, dầu …) sẽ làm

nóng hơi nước tới thông số cao:

( áp suất P =130  240 Kg/cm2,

to = 540  5650C) rồi đưa đến

tua bin quay máy phát dẫn đến

điện năng.

Chất thải

Hơi nước áp lực cao

Nước bổ sung

A

B f=50hz C

+ Việc sản xuất tới đâu được đưa

ngay lên lưới điện cao áp

1.2 C¸c d¹ng nguån ®iÖn.

1.2.2 Nhà máy thủy điện.

a Cấu tạo chung.

-1.Hồ thượng lưu; 2.Hồ hạ lưu ; 3.Đập ngăn -4.Đường ống dẫn nước áp lực; 5 Hợp bộ tua bin – Máy phát -6 Cửa xả nước sau tuốc bin

1.2 C¸c d¹ng nguån ®iÖn.

1.2.2 Nhà máy thủy điện.

Sử dụng nguồn nước để làm

quay tua bin thuỷ năng, chạy

máy phát điện, cơ bản đó là:

Thuỷ năng dẫn đến cơ năng,

dẫn đến điện năng.

1.2 C¸c d¹ng nguån ®iÖn.

1.2.2 Nhà máy thủy điện.

c Ưu nhược, điểm.

- Ưu điểm:

+ Giá thành điện năng rẻ

+ Mức độ tự động hoá được thực hiện dễ dàng

+ Mở máy nhanh nên đáp ứng được nhu cầu

+ Ít sự cố

+ Vận hành đơn giản

+ Hiệu suất cao trên 80%

- Nhược điểm:

+ So với nhà máy nhiệt điện có cùng công suất thì vốn đầu tư nhiều hơn

+ Thời gian xây dựng lâu hơn

+ Phụ thuộc nhiều vào thời tiết do lưu lượng nước đổ về

1.2 C¸c d¹ng nguån ®iÖn.

1.2.3 Nhà máy điện nguyên tử.

10 3

6 7

9 11

4 1

Nước lµm l¹nh

1.2 C¸c d¹ng nguån ®iÖn.

1.2.3 Nhà máy điện nguyên tử.

10 3

6 7

9 11

4 1

Nước lµm l¹nh

5

12

b Nguyên lý làm việc.

Nhiệt năng do phản ứng hạt

nhân tạo ra sẽ biến thành cơ

năng và từ cơ năng biến thành

điện năng.

1.2 C¸c d¹ng nguån ®iÖn.

1.2.3 Nhà máy điện nguyên tử.

10 3

6 7

9 11

4 1

Nước lµm l¹nh

+ Vận hành linh hoạt, hiệu suất.

+ Không thải khí ra ngoài khí quyển.

- Nhược điểm:

+ Vốn xây dựng lớn.

+ Nguy hiểm cho người và thiết bị do phóng xạ.

hộ tiêu thụ

Mạng phân phối

hộ tiêu thụ

hộ tiêu thụ

Mạng truyền tải trên không là truyền tải năng lượng từ các nhà máy phát ở các nơi khác nhau đến mạng phân phối Mạng truyền tải có điện áp dây trên 60kV và được tiêu chuẩn hóa là 69kV, 115kV, 138kV, 161kV, 230kV, 345kV, 500kV và 765kV (tiêu chuẩn ASNI).

Mạng phân phối là phần kết nối các trạm phân phối với các hộ tiêu thụ.

Các đường dây phân phối sơ cấp thường ở cấp điện áp từ (4 ÷ 34,5)kV.

Mạng phân phối thứ cấp cung cấp cho hầu hết các hộ tiêu thụ ở mức 240/120V ba pha 4 dây, 400/240V ba

1.4 Các hộ tiêu thụ.

• Hộ tiêu thụ là tất cả các máy móc, dụng cụ dùng để biến đổi điện năng thành các dạng

năng lượng khác

• Phân loại: Tuỳ theo tầm quan trọng trong nền kinh tế và xã hội, hộ tiêu thụ được cung cấp

điện với mức độ tin cậy khác nhau:

a.Theo ngành nghề:

+ Phụ tải công nghiệp

+ Phụ tải kinh doanh và dân dụng

b.Theo chế độ làm việc:

+ Phụ tải làm việc dài hạn

+ Phụ tải làm việc ngắn hạn

+ Phụ tải làm việc ngắn hạn lặp lại

1.4 Các hộ tiêu thụ.

• Phân loại:

c.Theo yêu cầu liên tục cung cấp điện:

c.1 Hộ tiêu thụ loại 1:

Đặc điểm là những hộ tiêu thụ mà khi ngừng cung cấp điện sẽ dẫn đến tổn thất về kinh tế,

đe doạ đến tính mạng con người hoặc ảnh hưởng đến chính trị quốc gia

Phương án cung cấp cho phụ tải loại này từ nguồn độc lập, thời gian mất điện cho phép

bằng thời gian đóng thiết bị dự trữ Tức nó yêu cầu cần phải nâng cao tính liên tục cung cấp

điện đến tối đa

1.4 Các hộ tiêu thụ.

• Phân loại:

c.Theo yêu cầu liên tục cung cấp điện:

c.2 Hộ tiêu thụ loại 2:

Đặc điểm là những hộ tiêu thụ mà nếu ngừng cung cấp điện chỉ liên quan đến hàng loạt sản

phẩm không sản xuất được dẫn đến thiệt hại về mặt kinh tế do hư hỏng sản phẩm, ngừng trệ sảnxuất, lãng phí lao động… các phân xưởng cơ khí, xí nghiệp công nghiệp nhẹ thường là loại 2

Phương án cung cấp có hoặc không có nguồn dự trữ, việc chọn phương án cần dựa vào kết quả

so sánh giữa vốn đầu tư phải tăng thêm và giá trị thiệt hại kinh tế do ngừng cung cấp điện vàthời gian mất điện cho phép bằng thời gian đóng nguồn dự trữ bằng tay

1.4 Các hộ tiêu thụ.

• Phân loại:

c.Theo yêu cầu liên tục cung cấp điện:

Đặc điểm là những hộ còn lại cho phép với mức độ tin cậy thấp ( khu nhà ở, nhà kho, trường

học…) cho phép mất điện trong thời gian sửa chữa, thay thế thiết bị sự cố nhưng thường khôngcho phép quá 1 ngày đêm (24h)

Phương án cung cấp điện ta có thể dùng một nguồn điện.

c.3 Hộ tiêu thụ loại 3:

1.5 Những ký hiệu thường dùng trong bản vẽ thiết kế điện

1.5 Những ký hiệu thường dùng trong bản vẽ thiết kế điện

1.5 Những ký hiệu thường dùng trong bản vẽ thiết kế điện

1.6 Quy trình thiết kế cấp điện

Bước 1: Thu thập dữ liệu ban đầu.

+ Nhiệm vụ, mục đích thiết kế cung cấp điện

+ Đặc điểm quy trình công nghệ của công trình sẽ được cung cấp điện

+ Dữ liệu về nguồn điện, công suất hướng cung cấp điện, khoảng cách đến hộ tiêu thụ

+ Dữ liệu về phụ tải, cụng suất phân bố và phân loại hộ tiêu thụ

Bước 2: Tính toán phụ tải.

+ Danh mục thiết bị điện

+ Tính phụ tải động lực, chiếu sáng

Bước 3: Chọn trạm biến áp, trạm phân phối.

+ Dung lượng, số lượng, vị trí của trạm biến áp

+ Số lượng, vị trí phân phối, tủ động lực ở mạng hạ áp

1.6 Quy trình thiết kế cấp điện

Bước 4: Xác định phương án cung cấp điện.

+ Đó là mạng cao áp, hạ áp

+ Sơ đồ nối dây của trạm biến áp, phân phối

Bước 5: Tính toán ngắn mạch.

+ Tính toán ngắn mạch trong mạng cao áp, hạ áp

Bước 6: Lựa chọn các trang thiết bị điện.

+ Lựa chọn máy biến áp

+ Lựa chọn thiết bị dây dẫn

+ Lựa chọn thiết bị ứng với điện áp cao, hạ áp

1.6 Quy trình thiết kế cấp điện

Bước 7: Tính toán chống sét và nối đất.

+ Tính toán chống sét cho chạm biến áp

+ Tính toán chống sét cho đường dây cao áp

+ Tính toán nối đất trung tính của máy biến áp hạ áp

Bước 8: Tính toán tiết kiệm điện và nâng cao hệ số công suất cos.

+ Các phương án tiết kiệm và nâng cao hệ số cos

+ Phương pháp bù bằng tụ điện: Trước hết ta phải xác định dung lượng tụ và phân phối hợp lý

1.7 Hệ thống bảo vệ

• Hệ thống CCĐ gồm nhiều phần tử và phân bố trên phạm vi không gian rộng

• Vậy trong quá trình vận hành có nhiều sự cố xẩy ra như: quá điện áp do sét đánh; quá dòngđiện do xẩy ra ngắn mạch, tần số dòng điện giảm thấp do hệ thống quá tải v.v… Để nhanhchóng loại trừ các phần tử đó ra khổi hệ thống cung cấp điện, người ta thường đặt các thiết

bị bảo vệ rơ-le và tự động hoá

• Mục đích bảo vệ rơ-le:

+ Nhanh chóng loại trừ phần tử sự cố để đảm bảo cho hệ thống CCĐ → làm việc an toàn

+ Báo tín hiệu cho nhân viên vận hành biết về tình trạng làm việc không bình thường để kịpthời xử lý: quả tải, sụt áp; giảm điện trở cách điện

+ Phối hợp với các thiết bị tự động hoá để thực hiện các phương thức vận hành như: tự độngđóng lập lại; Tự động đòng dự trữ; Tự động xa thải phụ tải theo tần số…

- SV cần phân biệt được đặc điểm các nhà máy điện, mạng lưới điện, hộ tiêu thụ.

- Vận dụng đúng các yêu cầu và nội dung chủ yếu khi thiết kế hệ thống cung cấp điện

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN PHỤ TẢI 2.1 XÁC ĐỊNH NHU CẦU ĐIỆN.

Sau khi học xong nội dung này, sinh viên có khả năng:

- Phân tích các thông số kỹ thuật cần thiết trong một hệ thống điện.

- Vận dụng phù hợp các phương pháp tính toán phụ tải.

- Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác, tư duy khoa học và sáng tạo.

• Dự báo phụ tải ngắn hạn tức là xác định phụ tải của công trình ngay sau khi công trình đivào hoạt động, đi vào vận hành Phụ tải đó thường được gọi là phụ tải tính toán Phụ tải tínhtoán được sử dụng để chọn các thiết bị điện như: máy biến áp, dây dẫn, các thiết bị đóngcắt, bảo vệ , để tính các tổn thất công suất, tổn thất điện áp để chọn các thiết bị bù

• Công suất mà ta xác định được bằng cách tính toán gọi là phụ tải tính toán Ptt

Nếu Ptt < Pthực tế thì thiết bị giảm tuổi thọ, có thể cháy nổ

Nếu P > P thì gây lãng phí không kinh tế

• Các phương pháp xác định phụ tải tính toán có thể chia làm hai nhóm chính:

+ Nhóm thứ nhất: Đây là nhóm các phương pháp sử dụng các hệ số tính toán dựa trên kinh

nghiệm thiết kế và vận hành Đặc điểm của các phương pháp này là tính toán thuận tiện nhưngchỉ cho kết quả gần đúng

+ Nhóm thứ hai: Đây là nhóm các phương pháp dựa trên cơ sở lý thuyết xác suất và thống kê.Đặc điểm của phương pháp này là có kể đến ảnh hưởng của nhiều yếu tố, do đó cho kết quảchính xác hơn nhưng tính toán phức tạp hơn

2.1.1 Đặt vấn đề.

2.1.2 Đồ thị phụ tải.

a Khái niệm, ý nghĩa

Đồ thị phụ tải là đường biểu diễn mối quan hệ giữa phụ tải với thời gian tiêu thụ: P(t), Q(t), S(t)

Ý nghĩa: đồ thị phụ tải có ý nghĩa rất to lớn trong thiết kế và vận hành mạng điện.

• Dựa vào đồ thị phụ tải người ta lập kế hoạch dự trữ nhiên liệu sửa chữa định kỳ các tổmáy không gây thiếu hụt công suất trong hệ thống

• Căn cứ vào đồ thị phụ tải để liên kết các nhà máy điện với nhau nhằm giảm công suất cựcđại chung và san bằng đồ thị phụ tải, do đó nâng cao được hiệu suất làm việc của nhàmáy và giảm giá thành điện năng

• Người ta chọn được nguồn cung cấp và sơ đồ cung cấp điện phù hợp

b Thu thập và xử lý số liệu

• Phương pháp đo đếm từ xa: Các thiết bị đo đếm và các bộ cảm biến được đặt ở những nơi

quan sát tín hiệu và nó tự động ghi và truyền về trung tâm xử lý thông tin Độ chính xáccao và cập nhật nhanh, yêu cầu chi phí vốn lớn

• Phương pháp bán tự động.

• Phương pháp gián tiếp.

• Phương pháp đo đếm trực tiếp.

2.1.2 Đồ thị phụ tải.

2.1.2 Đồ thị phụ tải.

c Các loại đồ thị phụ tải

➢ Đồ thị phụ tải ngày

• Là đồ thị phụ tải trong một ngày đêm (24

giờ) - diễn tả công suất trong từng giờ của

1 ngày đêm theo đúng trình tự thời gian

Đồ thị phụ tải ngày.

Đồ thị phụ tải do thiết bị tự ghi (1)

Đồ thị phụ tải do nhân viên vận hành ghi (2)

Đồ thị phụ tải vẽ theo hình bậc thang (3)

1P

t

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 20 24

vận hành sửa chữa thiết bị điện hợp

lý đáp ứng được yêu cầu sản xuất

P

t (tháng)

Đồ thị phụ tải hàng tháng

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

a Đồ thị phụ tải ngày mùa hè điển hình; b Đồ thị phụ tải ngày mùa đông điển hình;

2.1.3 Các đại lượng cơ bản.

a Công suất định mức ( P đm ).

• Là thông số chính và được ghi trên thiết bị hoặc lý lịch của máy

• Được biểu diễn bằng công suất tác dụng P (đối với động cơ, lò điện trở, bóng đèn…) hoặc biểu diễn bằng công suất biểu kiến S (đối với máy biến áp hàn, lò điện cảm ứng…)

• Công suất định mức được tính với thời gian làm việc lâu dài

b Công suất đặt ( P đ )

Là công suất đầu vào của thiết bị

dc

dm d

P P



=

Trong đó: Pđ - công suất đặt của động cơ

Pđm - công suất định mức của động cơ

η - hiệu suất định mức của động cơ

2.1.3 Các đại lượng cơ bản.

b Công suất đặt ( P đ )

dc

dm d

P P



=

Cách xác định công suất đặt:

• Đối với những động cơ có công suất nhỏ cho phép lấy Pđ = Pđm

• Đối với những động cơ có công suất lớn khi biết ηđc phải dùng CT để tính công suất đặt

• Với các thiết bị làm việc ở chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại như cầu trục, máy hàn, khi tínhphụ tải điện của chúng ta phải quy đổi về công suất định mức ở chế độ làm việc dài hạn

- Đối với động cơ: Pd = Pdm dm%

ε ε

=

2.1.3 Các đại lượng cơ bản.

dmi

' P

Trong đó:

P'dm - công suất định mức của n thiết bị

pdmi - công suất định mức của thiết bị thứ i đã quy đổi về ε%=100%

c Phụ tải trung bình

Phụ tải trung bình là một đặc trưng tĩnh của phụ tải trong một khoảng thời gian nào đó

; t

Qdt Q

; t

Pdt P

t

0 tb

t

0 tb

A Q

; t

A

AP , AQ - điện năng tiêu thụ tính trong khoảng thời gian được khảo sát kWh, kVArh

t - thời gian khảo sát [h]

2.1.3 Các đại lượng cơ bản.

2.3 Các đại lượng cơ bản.

d Phụ tải cực đại (P max )

2.1.3 Các đại lượng cơ bản.

d Phụ tải cực đại (Pmax)

d.2 Phụ tải cực đại đỉnh nhọn

Là công suất xuất hiện thời gian ngắn 1-2 (s)

và thường xuất hiện khi khởi động động cơ

Giá trị này để kiểm tra dao động điện áp, điều

kiện tự khởi động động cơ

Nếu số lần xuất hiện phụ tải này càng lớn thì

mức độ ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường

của các thiết bị khác trong mạng càng cao

2.1.3 Các đại lượng cơ bản.

e Phụ tải tính toán

• Là phụ tải giả thiết không đổi lâu dài của các phần tử trong hệ thống cung cấp điện (máybiến áp, đường dây…) tương đương với phụ tải thực tế biến đổi theo điều kiện tác dụngnhiệt nặng nề nhất

• Phụ tải tính toán dùng để lựa chọn máy biến áp, các thiết bị điện phát nóng cho phép

• Quan hệ giữa phụ tải tính toán và các phụ tải tính toán khác

Pmax  Ptt  Ptb

2.1.4 Các hệ số tính toán thường gặp.

a Hệ số sử dụng, K sd

Hệ số sử dụng là tỷ số giữa phụ tải trung bình với công suất định mức

Đối với một thiết bị:

dm

tb sd

dmi

n 1 i

tbi sd

p

p K

Ksd nói lên mức độ sử dụng, mức độ khai thác công suất của thiết bị điện trong một chu kỳ làm việc Hệ số sử dụng là chỉ tiêu cơ bản để tính PTTT

2.1.4 Các hệ số tính toán thường gặp.

b Số thiết bị hiệu quả: (n hq )

Số thiết bị tiêu thụ điện năng hiệu quả Giả thiết, một nhóm: n thiết bị có Pđm và chế độ làm việc khác nhau, ta có nhq là một số quy đổi gồm n1 thiết bị có công suất định mức và chế độ làm việc như nhau và tạo nên phụ tải tính toán bằng phụ tải tiêu thụ bởi n thiết bị tiêu thụ

2 dmi

2 dm n

1 i

2 dmi

2 n

1 i

dmi

hq

p

P p

p n

hq → 𝑛ℎ𝑞 = 𝑛ℎ𝑞∗ 𝑛

2.1.5 Các phương pháp tính toán phụ tải điện.

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

❖ Đặc điểm: Được dùng để tính toán cho cho các thiết bị điện có đồ thị phụ tải ít biến đổi như:

quạt gió, bơm nước, máy nén khí, thiết bị điện phân , khi đó phụ tải tính toán gần bằng phụtải trung bình và kết quả tương đối chính xác

❖ Công thức: 𝑃𝑡𝑡 = 𝑀 𝑤0

𝑇𝑚𝑎𝑥M: Số đơn vị sp được sản xuất trong một năm

w0: suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm, kwh/1đvsp

Tmax: thời gian sử dụng công suất lớn nhất