Giáo trình cung cấp điện phần 2 trường đh công nghiệp quảng ninh

72 PHẦN II MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP Chương V MẠNG ĐIỆN V 1 Phân loại mạng điện những yêu cầu kinh tế kỹ thuật của mạng điện V 1 1 Phân loại mạng điện Có 3 cách phân loại sau Theo cấp quản lý người ta chia[.]

72

PHẦN II MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP

Chương V MẠNG ĐIỆN

V.1 Phân loại mạng điện - những yêu cầu kinh tế kỹ thuật

của mạng điện V.1.1 Phân loại mạng điện:

Có 3 cách phân loại sau:

- Theo cấp quản lý người ta chia ra các mạng sau:

+ Mạng điện khu vực + Mạng điện dịa phương + Mạng điện đô thị + Mạng điện nông thôn hoặc xí nghiệp

- Theo hình dạng kêt cấu:

Ta có mạng hở, mạng kín, mạng hình tia hoặc mạng rẽ nhánh v.v …

- Theo cấp điện áp có thể chia thành:

Mạng hạ thế, mạng trung thế, mạng cao thế, mạng siêu cao thế và mạng cực cao

Ngoài ra cũng có thể phân thành mạng đường dây trên không, mạng cáp, mạng một chiều, mạng xoay chiều v.v…

V.1.2 Những yêu cầu kinh tế kỹ thuật của mạng điện

- Điện áp phải phù hợp

- Cung cấp điện liên tục đầy đủ cho các loại hộ dùng điện

- Đảm bảo chất lượng điện năng

- Kinh tế phải hợp lý

V.2 Các loại sơ đồ cung cấp điện thông dụng

V.2.1 Mạng cao áp

Để cung cấp điện từ nguồn đến phụ tải thường sử dụng một số loại sơ đồ chính sau đây:

- Cung cấp điện theo sơ đồ hình tia (hình V.1)

73

Hình V-1: Sơ đồ cung cấp điện hình tia

Sơ đồ hình tia là sơ đồ mà ở đó điện năng từ nguồn cung cấp truyền thẳng đến các trạm biến áp phân xưởng Nguồn cung cấp có thể là trạm biến áp chính, trạm phân phối hay nhà máy điện tự dùng

Sơ đồ hình tia có ưu điểm là nối dây rõ ràng, mỗi hộ dùng điện được cung cấp

từ một đường dây do đó chúng ít ảnh hưởng lẫn nhau Độ tin cậy cung cấp điện tương đối cao, dễ vận hành và bảo quản Nhược điểm là vốn đầu tư lớn Do vậy

nó được dùng để cung cấp điện cho các hộ dùng điện loại I, II

- Cung cấp điện theo sơ đồ mạch vòng kín (hình V-2)

35/6kv

6/0,4kv

6/0,4kv

CDCL

MC

MC

CDCL

MC

MC

MCPĐ

MCLL

MC

v

6-10kv

74

Hình V-2: Sơ đồ cung cấp điện mạch vòng kín

Trong chế độ vận hành bình thường thì vòng sẽ được hở ra tại một trạm nào đó phía cao áp Mỗi phụ tải được lấy trên các phân đoạn 6 kV khác nhau Khi sự cố một nhánh các phụ tải cần thiết sẽ chuyển sang lấy điện ở phân đoạn 6 kv còn lại

Sơ đồ này thường dùng cung cấp điện cho các hộ dùng điện loại II,III ở các mỏ lộ thiên

- Sơ đồ cung cấp điện với đường dây kép chính (hình V-3)

Hình V-3: Sơ đồ cung cấp điện với đường dây kép chính

Ở sơ đồ này mỗi trạm được trang bị tối thiểu 2 máy biến áp, thanh cái phân đoạn ở cả 2 cấp điện áp hoặc chỉ ở thanh cái điện áp thấp, đồng thời được cung cấp

từ hai đường dây chính

V.2.2 Mạng điện áp thấp

Thường sử dụng các sơ đồ nối dây chính sau:

- Sơ đồ hình tia:(hình V- 4.a,b)

a- Cung cấp điện cho b- Cung cấp điện cho

các phụ tải tập trung các phụ tải phân tán

Hình V- 4: Sơ đồ hình tia

75

- Sơ đồ dạng phân nhánh (sơ đồ dạng trục chính) (Hình V-5 a, b)

Hình V-5: a- Sơ đồ phân nhánh có thanh cái

Hình V-5: b- Sơ đồ phân nhánh máy biến áp - trục chính

Đối với sơ đồ dạng phân nhánh, thì có nhiều điểm tiêu thụ hay nhiều điểm phân phối được cung cấp từ các vị trí khác nhau trên trục chính này

V 3 Tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện

Khi truyền tải điện năng từ nguồn đến nơi tiêu thụ thì mỗi phần tử của mạng điện do có tổng trở đều gây nên tổn thất công suất và tổn thất điện áp

Tổn thất công suất gây ra tình trạng thiếu hụt điện năng tại nơi tiêu thụ, làm tăng giá thành truyền tải điện và đưa đến hiệu quả kinh tế kém

Tổn thất điện áp tạo nên điện áp tại các hộ tiêu thụ bị giảm thấp quá, ảnh hưởng đến chất lượng điện

V3.1 Tổn thất công suất trên đường dây

a Tổn thất công suất trên đường dây có một phụ tải tập trung

Hình V-6

6/0,4kv

6/0,4kv

P,Q,cos 

76

Giả sử có một đường dây AB có tổng trở Z = R+j X dùng để cung cấp cho một phụ tải tập trung có công suất (P,Q) và hệ số công suất cos

Như ta đã biết: Khi có dòng điện 3 pha chạy qua dây dẫn có tổng trở Z = R+j X thì tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng là:

P = 3.I2R = R

U

Q P R U

S

2

2 2 2

2   (V-1)

Q = 3.I2X = X

U

Q P X U

S

2

2 2 2

trong đó:

P- Tổn thất công suất tác dụng, [MW];

Q- Tổn thất công suất phản kháng, [MVAR];

S - Công suất biểu kiến truyền tải trên đường dây, [MVA];

U- Điện áp định mức của lưới điện,[KV];

R, X- Tương ứng là điện trở tác dụng và điện kháng của đường dây,[];

b Tổn thất công suất trên đường dây có phụ tải phân bố đều

Hình V- 6

Nếu đường phân phối có phụ tải phân bố đều như đường dây chiếu sáng ngoài đường chẳng hạn thì để tính tổn thất, ta xét một vi phân phân tố chiều dài dây dẫn

dl (như hình vẽ ) cách điểm cuối của đường dây là l thì tổn hao công suất trên nó là dP được xác định theo công thức:

dP = 3.(I0l)2dr = 3 (I0l)2 r0dl; (V-3)

với: I0 = I/L thì

P = 3.L I l r dl

0

0

2

0 = I2

0.r0 L3; (V-4)

hay P =(I0L)2.r0 L = I2.R (V-5)

Rõ ràng tổn thất trên đường dây có phụ tải phân bố đều, bé hơn 3 lần tổn thất trên đường dây có phụ tải tập trung nhưng đặt ở cuối đường dây

l

dl

I

L

I 0

1

2

77

V.3.2 Tổn thất công suất trong máy biến áp

(chủ yếu khảo sát trong máy biến áp hai cuộn dây)

Tổn thất công suất trong máy biến áp bao gồm tổn thất không tải (tổn thất trong lõi thép hay tổn thất sắt từ) và tổn thất có tải (tổn thất trong dây quấn hay tổn hao đồng)

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

S0 = P0+j Q0; (V-6)

với Q0=

100

S

%.

do đó : S0 = P0+j

100

S

%.

I0 dm ; (V-8)

trong đó:

P0 = PFe- Tổn thất công suất tác dụng không tải chính bằng tổn thất công suất tác dụng trong lõi thép

*Tổn thất công suất trong máy biến áp khi mang tải là định mức:

- Tổn thất công suất tác dụng trong các cuộn dây khi tải là định mức:

Pcd đm= Pk;

- Tổn thất công suất phản kháng trong các cuộn dây khi tải là định mức:

Qcd đm= Qk=

100

S

%.

Upk dm

trong đó:

Upk%- Thành phần điện áp phản kháng của điện áp ngắn mạch, %

- Đối với máy biến áp có công suất Sđm  1000 KVA do xba  rba thì tổn thất công suất phản kháng định mức trong dây quấn máy biến áp được xác định:

Qcd đm=

100

S

%.

Vì khi máy biến áp làm việc thì phụ tải của máy biến áp (Spt) thường khác với dung lượng định mức của máy biến áp, nên khi xác định tổn thất trong máy biến áp cần chu ý đến hệ số mang tải:

kmt= Spt/ Sđm = Ipt/ Iđm; (V-11)

Khi đó tổn thất trong các cuộn dây là:

Scuộndây = 2

mt

mt

k

100

S

%.

Upk dm

- Do vậy, tổn thất công suất trong máy biến áp khi phụ tải bất kỳ sẽ được xác định theo công thức:

ST = ( P0 + 2

mt

k Pk)+j (

100

S

%.

mt

k

100

S

%.

Upk dm

); (V-13)

Vậy: ST = PT+j QT; (V-14)

với : PT = P0 + 2

mt

k Pk; (V-15)

QT = Q0 + 2

mt

k Qk; (V-16)

78

V.3.3 Tổn thất điện năng trên đường dây và máy biến áp

a Xác định thời gian sử dụng công suất lớn nhất T max và thời gian chịu tổn thất công suất lớn nhất 

Điện năng tiêu thụ phụ thuộc vào phụ tải và thời gian vận hành Song trong quá trình vận hành, phụ tải luôn biến đổi, vì vậy để thuận tiện trong quá trình tính toán người ta giả thiết phụ tải luôn không thay đổi và bằng phụ tải lớn nhất Do vậy thời gian dùng điện lúc này là thời gian tuơng đương về phưong diện tiêu thụ điện năng Với giả thiết như trên thì thời gian dùng điện ở phụ tải lớn nhất này (thường lấy bằng phụ tải tính toán ) đựơc gọi là thời gian sử dụng công suất lớn nhất, ký hiệu là Tmax

Từ đồ thị vẽ đường cong phụ tải hình V-7, ta định nghĩa:

Hình V-7

Imax.Tmax= t8760  h

0

dt t

 

max

h 8760 t

0 I

dt t I





; (V-17)

Vậy: Nếu ta giả thiết rằng ta luôn sử dụng phụ tải lớn nhất và không đổi thì thời gian cần thiết Tmax để cho phụ tải đó tiêu thụ một lượng điện năng bằng lượng điện năng do phụ tải thực tế ( biến thiên) tiêu thụ trong một năm làm việc được gọi là thời gian sử dụng công suất lớn nhất

Đối với xí nghiệp làm việc một ca: Tmax= 1500  2000 h Đối với xí nghiệp làm việc hai ca: Tmax= 3000  4500 h Đối với xí nghiệp làm việc ba ca: Tmax= 5000  7000 h + Thời gian chịu tổn thất công suất lớn nhất  là thời gian nếu trong đó mạng điện

I

I max

2 max

I



T max

t

t

I2tbbp

I(t)

I 2 (t)

0

79

mang tải lớn nhất sẽ gây ra một tổn thất điện năng đúng bằng tổn thất điện năng thực tế trên mạng điện trong một năm

Cũng từ đồ thị trên ta định nghĩa:

 

max 2

h 8760 t 0 2

I

dt t I





từ  ta có thể xác định dòng điện trung bình phương Itbbp Dòng điện trung bình bình phương được xác định như sau:

I tbbp ttI h  t dt

8760

0

2

2 , do đó :

 

h 8760 t

dt t I I

h 8760 t 0 2





; (V-19)

từ trên ta cũng có:

t I

I2 tbbp2

vậy:

8760 I t I





trị sốcó thể xác định theo đồ thị quan hệ: từ  = f(Tmax,cos ) như hình vẽ:

Hình V- 8

Và cũng có thể xác định theo công thức kinh nghiệm của Kezevit sau:

= (0,124+ Tmax.10-4)2.8760 (V-22)

b Tổn thất điện năng trên đường dây và trong máy biến áp

* Tổn thất điện năng trên đường dây:

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

Add= Pdd  , [kW.h]; (V-23)

trong đó:

Pdd- Là tổn thất công suất lớn nhất trên đường dây với phụ tải tính toán  - Thời gian chịu tổn thất công suất lớn nhất



T max cos  =1

cos  = 0,8

cos  = 0,7

1

2

3

80

* Tổn thất điện năng trong máy biến áp:

- Đối với trạm biến áp có một máy biến áp thì tổn thất điện năng được xác định theo công thức:

AT = P0.t + Pk(

dm

pt S

S max

)2., [kw.h]; (V-24)

nếu máy biến áp làm việc liên tục trong một năm t =8760h;

- Đối với trạm biến áp có n máy biến áp giống nhau làm việc song song thì tổn thất điện áp đựợc tính theo công thức:

AT = n.P0.t +

n

1 Pk(

dm

max pt

S

S

)2. , [kW.h]; (V-25)

với t- Thời gian vận hành thực tế của máy biến áp, h;

nếu bình thường máy biến áp luôn đóng vào mạng thì t = 8760 h

- Khi biết đồ thị phụ tải, để giảm tổn thất điện năng người ta thường thay đổi số lượng máy biến áp tuỳ theo mức phụ tải (như hình vẽ) lúc ấy tổn thất diện năng của trạm trong một năm được xác định:

AT = P0.



m

i i i

t n

1

. + Pk

i

m

i n

1

1





.(

dm

i S

S )2.ti , [kW.h]; (V-26)

ở đây: Số máy biến áp làm việc trong thời gian ti

Hình V- 9

V.4 Tính toán tổn thất điện áp trong mạng điện

V.4.1 Tổn thất điện áp trên đường dây 3 pha có một phụ tải tập trung

Giả thiết mạng điện làm việc ở chế độ đối xứng, do đó ta có thể tách một pha

ra để nghiên cứu Trên hình vẽ biểu diễn một đường dây có tổng trở Z = R+j X[]

và một phụ tải tập trung đặt ở cuối đường dây S = P+j Q[KVA], và đồ thị véc tơ điện áp của đường dây nêu trên

S(kvA)

S 1

S 2

S 3

t 1

t

2

t

3

t(h)

S = P+j Q Z=R+jX

i , cos

81

Hình V-10

Đồ thị véc tơ điện áp:

Hình V-11

của phụ tải hộ tiêu thụ Tổn thất điện áp trên đường dây sẽ xác định bằng tam giác tổn thất điện áp abc, ở đây véc tơ ab trùng pha với véc tơ dòng điện i và là tổn thất điện áp trên điện trở của đường dây, còn véc tơ bc là tổn thất điện áp trên điện kháng của đường dây, véc tơ ac biểu diễn tổn thất điện áp tổng trên đường dây Đó

là hiệu của hai véc tơ ở đầu và cuối đường dây, tức là:

2 P 1

đoạn ad là hình chiếu của véc tơ tổn thất điện áp tổng trên trục của U2được gọi là thành phần tổn thất điện áp dọc trục Đối với lưới điện công nghiệp khi điện áp chỉ đến 35 kV thì góc  giữa U1và U2 rất bé Do vậy tổn thất điện áp tổng có thể lấy gần đúng bằng thành phần tổn thất điện áp dọc trục này để tính toán chọn tiết diện dây dẫn

Như vậy, một cách gần đúng về giá trị ta có:

U= ad = af+fd và 12=  (vì  rất bé )

ở đây: af = I.R.cos ; fd = I.X.sin

Vậy tổn thất điện áp dây sẽ là:

U= 3.U= 3.( I.R.cos + I.X.sin ),V hay

U =

dm

U

X Q R

để dễ so sánh ta thường tính theo trị số phần trăm so với định mức:

Tổn thất điện

áp

U

U

a

b

c

f

U2

I

U1

0

Iz

Ix

Ir



1

d

82

U% =

1000

100

2

dm

U

X Q R

trong đó:

P,Q - Là phụ tải tác dụng và phụ tải phản kháng của đường dây

[kW],kVAR];

R,X- Là điện trở và điện kháng của đường dây []

Uđm- Điện áp định mức của lưới điện[kV];

Yêu cầu: Phải đảm bảo đường dây làm việc bình thường, tức là:

U%  Ucp%, đối với điện áp cao hơn 35 kV, ta phải xét đến thành phần tổn thất điện áp ngang trục:



 U P

 3 3.( I.X.cos - I.R.sin ) =

dm

U

R Q X

do vậy:

U j U

điện áp dây ở đầu và cuối đường dây (tính bằng kV) trong thực tế bằng công thức:

2 2

2 2

2 2

2 2

2

R Q X P U

X Q R P U























V.4.2 Tổn thất điện áp trên đường dây 3 pha có nhiều phụ tải tập trung

Hình V-12 Trên hình vẽ trình bày đồ thị véc tơ điện áp của đường dâycó hai phụ tải tập trung i1và i2 Điện áp ở cuối đường dây của phần tử thứ 2 ký hiệu là U2, còn ở cuối phần tử thứ nhất là U1, điện áp đầu tuyến đường dây là U

0

P 1 +j Q 1

I 1

r 1 , x 1

i 1 , cos1

P 2 +j Q 2

r 2 , x 2

i 2 , cos2

I 2

b

’

c

d

’

d

e

b ’

i 2 = I 2 I 1

i 1

0

2 1

1



2

U pA

U1

U

83

Hình V-13

Giá trị tổn thất điện áp chung chính là tổng tổn thất điện áp ở cả 2 phần Do đó

ta có:

U= I2.r2.cos2 + I2.x2.sin2 + I1.r1.cos1 + I1.x1.sin1, V; (V-32)

Vì vậy, đối với đường dây có nhiều phụ tải tập trung i1, i2, ,in thì ta sẽ có tổn thất điện áp trên toàn bộ đường dây của lưới là:

U= 3.U= 3.



n

i 1

( Ii.ri.cosi + Ii.xi.sini ),V; (V-33)

hay: U =   



 n

1 i

i i i i dm

x Q r P U

Để so sánh, ta thường tính theo phần trăm so với định mức, do vậy:



 n

1 i

i i i i 2

dm

x Q r P U

1000

trong đó:

Pi , Qi- Công suất chạy trên đoạn thứ i [kW, kVAR];

ri, xi - Điện trở và điện kháng của đoạn dây thứ i []

Uđm- Điện áp dây định mức của lưới điện[kV];

Nếu tính tổn thất điện áp không xuất từ dòng điện chạy trên đường dây (I1,

I2, , In) mà theo dòng điện phụ tải: i1, i2, , in thì ta sẽ được:

U= 3.



n

i 1

( ii.Ri.cosi + ii.Xi.sini ),V (V-36)

Nếu tính theo phần trăm so với định mức, ta được:



 n

1 i

i i i i 2

dm

X q R p U

1000

trong đó:

pi , qi- Công suất của phụ tải tại điểm đấu thứ i[kW, kVAR];

Ri, Xi - Điện trở và điện kháng của đường dây kể từ đầu nguồn đến điểm thứ i []

Uđm- Điện áp dây định mức của lưới điện[kV];

V.4.3 Trường hợp đặc biệt

a Nếu đường dây đồng nhất: Tức là đường dây có các đoạn dây dẫn cùng loại, cùng tiết diện, cùng cách lắp đặt (có r0 ,x0 như nhau) Khi đó tổn thất điện áp trên

sẽ là:

84

U

3 100



n

i 1

( ii.Ri.cosi + ii.Xi.sini ), (V-38)

do r0 và x0 của các đoạn dây như nhau nên:

U

3 100



n

i 1

( ii.r0.Li cosi + ii.x0.Li sini ), (V-39)

hay: U%= .

U

3 100

dm

( r0.costb + x0.sintb ).



n

i 1

ii.Li ; (V-40)

trong đó:

ii =

tb dm

3 i cos U 3

10 p

nên ta có: U%= .

cos U

10 10

tb

2 dm

2 3

 ( r0.costb + x0.sintb ).



n

i 1

pi.Li ; (V-42)

Nếu: Điện trở và điện kháng (r0,x0) trên một đơn vị chiều dài của dây dẫn

[/km]

pi- Công suất của phụ tải thứ i [kW];

Li- Chiều dài dây dẫn từ đầu nguồn đến phụ tải thứ i[km];

Uđm - Điện áp dây định mức [kV];

Thì ta có:

cos U 1000

100

tb

2

dm  ( r0.costb + x0.sintb ).



n

i 1

pi.Li ; (V-43)

trong đó:







i

i i

cos P

b Nếu đường dây cung cấp cho phụ tải có cos = 1(đèn sợi đốt ,lò điện trở, ) hoặc nếu đường dây cáp ở mạng điện áp thấp có (r0x0) thì khi tính tổn thất điện

áp ta có thể bỏ qua thành phần điện kháng, khi đó:

1000

100

2

dm



n

i 1

pi.Li (V-45)

V.4.4 Tổn thất điện áp trên đường dây 3 pha có phụ tải phân bố đều

a Trong thực tế ta có thể gặp một số đường dây có phụ tải phân bố đều (như hình vẽ)

l

L

dl

P 0