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

138 PHẦN II MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP Chương 5 MẠNG ĐIỆN 5 1 Phân loại mạng điện 5 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 đ[.]

138

PHẦN II MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP

Chương 5 MẠNG ĐIỆN 5.1 Phân loại mạng điện

5.1.1 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 kết cấu:

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…

5.2 Sơ đồ cung cấp điện

5.2.1 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 5.1)

139

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

Hình 5.1 Sơ đồ cung cấp điện hình tia

- Cung cấp điện theo sơ đồ mạch vòng kín (Hình 5.2)

Hình 5.2 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

35/6kV

6/0,4kV

6/0,4kV

MCPĐ MCLL

35110kV

6-10kV

140

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 5.3)

Hình 5.3 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

5.2.2 Mạng điện áp thấp

Thường sử dụng các sơ đồ nối dây chính sau:

Sơ đồ hình tia: (Hình 5 4, a,b)

a) Cung cấp điện cho b) Cung cấp điện cho các phụ tải tập trung các phụ tải phân tán

Hình 5.4 Sơ đồ hình tia

141

- Sơ đồ dạng phân nhánh (sơ đồ dạng trục chính) (Hình 5.5 a, b)

Hình 5.5 a Sơ đồ phân nhánh có thanh cái

Hình 5.5 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

5.3 Tính toán tổn thất điện áp 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

5.3.1 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

6/0,4kV

142

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

Hình 5.6

U =

dm

U

X Q R

P 

, V (5.1)

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

U% =

1000

100

2 dm

U

X Q R

P 

; (5.2)

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% 5.3.2 Tổn thất điện áp trên đường dây 3 pha có nhiều phụ tải tập trung

Hình 5.7

P 1

i 1 , cos 1

P

i 2 , cos 2

S = P+j Q Z=R+jX

i , cos

143

U =   



 n

1

dm

x Q r P U

1 ,V (5.3)

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





n

i

i i i i dm

x Q r P

U2 1

100

1

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 (5.5)

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





n

i

i i i i dm

X q R p

U2 1

100

1

, (5.6)

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)

5.3.3 Trường hợp đặc biệt

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:

144

U

3 100



n

i 1

( ii.Ri.cosi + ii.Xi.sini ), (5.7)

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 ), (5.8)

hay: U%= .

U

3 100 dm

( r0.costb + x0.sintb ).



n

i 1

ii.Li ; (5.9)

trong đó: ii =

tb dm

3 i

cos U 3

10 p

 ; (5.10)

nên ta có: U%= .

cos U

10 10

tb

2 dm

2 3

 ( r0.costb + x0.sintb ).



n

i 1

pi.Li ; (5.11)

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

100

1

2

tb dm

U  ( r0.costb + x0.sintb ).



n

i 1

pi.Li ; (5.12)

Trong đó:



 





i

i i

cos P

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:

145

100

1

2 dm

U r0.



n

i 1

pi.Li (5.14)

5.3.4 Tổn thất điện áp trên đường dây 3 pha có phụ tải phân bố đều

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

Hình 5.8 Với phụ tải S0 phân bố đều (S0=S/L) thì tổn thất điện áp trên đường dây là:

dm

U 2

X Q R P

U 

Từ đây ta có nhận xét là: Tổn thất điện áp trên đường dây có phụ tải phân bố đều

sẽ bằng một nửa tổn thất điện áp trên đường dây có phụ tải tập trung ở cuối đường dây

Nếu trên đường dây chỉ có những đoạn mà phụ tải phân bố đều (như hình vẽ)

Hình 5.9

Khi đó, ta có thể coi các phụ tải phân bố đều tương đương với một phụ tải tập trung đặt tại điểm giữa các đoạn có phụ tải phân bố đều và có trị số bằng tổng các phụ tải tập trung

L

dl

P 0

L1

P=P i

P 1

P 2

L2

146

5.3.5 Mạng chiếu sáng

Nếu trên đường dây trang bị các đèn chiếu sáng loại dây tóc (cos = 1) thì đường dây này được coi là bỏ qua điện kháng của đường dây Tổn thất điện áp trên đường dây

sẽ được tính theo công thức:

U%=

100

1

2 dm

U r0.



n

i 1

pi.Li (5.16)

Nếu thay: r0=1/ .F với  = 1/  - gọi là điện dẫn xuất của vật liệu làm dây dẫn

Đối với vật liệu bằng đồng cu = 53,4, (m/.mm2);

Đối với vật liệu bằng nhôm Al = 31,5, (m/.mm2);

F- tiết diện của dây dẫn mm2; 



n

i

i

i L p

1

= M - gọi là mô men phụ tải, (kW.m)

5.3.6 Tổn thất điện áp trong máy biến áp

Tương tự như trường hợp tính tổn thất điện áp trên đường dây có phụ tải tập trung, tổn thất điện áp trong máy biến áp là:

UT% =

100

1

2 dm

U

X Q R

P 

; (5.17) Trong đó:

P, Q - công suất tác dụng và công suất phản kháng do máy biến áp truyền tải [kW, kVAR];

R, X - là điện trở và điện kháng của máy biến áp []

5.4 Tính toán tổn thất công suất trong mạng điện

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

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

Hình 5.10 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

P,Q

147

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

 (5.18)

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 5.11 Khi tính toán tổn thất công suất trên đường dây có phụ tải phân bố đều, ta thay phụ tải phân bố đều bằng một phụ tải tập trung đặt ở 1/3 đường dây tính từ nguồn

5.5 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 từ) và tổn thất có tải (tổn thất trong dây quấn hay tổn hao đồng)

 S   S0   Scu Thành phần tổn thất trong lõi thép không thay đổi khi phụ tải thay đổi và bằng tổn thất không tải

dl

I

I 0

148

S0 = P0+j Q0; (5.20)

với Q0=

100

S

%.

do đó : S0 = P0+j

100

S

%.

I0 dm ; (5.22)

Trong đó:

P0 -tổn thất công suất tác dụng không tải;

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

pk S

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 (5.25) Khi đó tổn thất trong các cuộn dây là:

149

Scuộndây = 2

mt

k Pk+j 2

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

%.

I0 dm + 2

mt

k

100

S

%

Upk dm

); (5.27)

5.6 Tổn thất điện năng trong mạng điện

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

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]; ( 5.28) 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

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]; (5.29) 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 năng đựợc tính theo công thức:

150

AT = n.P0.t +

n

1 Pk(

dm

max pt S

S

)2., [kW.h]; (5.30) 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

it n

1

+ Pk

i

m

1

1





.(

dm

i

S

S

)2.ti , [kW.h]; (5.31)

Ở đây: số máy biến áp làm việc trong thời gian ti

Hình 5.12 5.7 Các phương pháp lựa chọn các dây dẫn, cáp trong mạng điện

Dây dẫn và cáp thường được chọn theo 2 điều kiện chủ yếu sau đây:

Lựa chọn dây dẫn và cáp theo điều kiện dòng nung nóng cho phép Lựa chọn dây dẫn và cáp theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép Khi lựa chọn dây dẫn và cáp có thể dựa vào một trong 2 điều kiện trên và kiểm tra theo điều kiện còn lại Ngoài ra, còn có thể chọn dây dẫn và cáp theo mật độ dòng điện kinh tế của mạng điện

S(kVA)

S 2

t 1

t 2

t 3

t(h)

8760

151

5.7.1 Lựa chọn dây dẫn và cáp theo điều kiện dòng nung nóng cho phép

Khi có dòng điện chạy qua dây dẫn hoặc dây cáp thì dây dẫn sẽ bị nóng nên, nếu nhiệt độ của dây dẫn hoặc cáp quá cao có thể làm cho chúng bị hư hoặc giảm tuổi thọ Mặt khác, độ bền cơ học của kim loại dẫn điện cũng bị giảm xuống Do vậy nhà chế tạo qui định nhiệt độ cho phép đối với mỗi loại dây dẫn và cáp

Do đó tiết diện dây dẫn và cáp được chọn phải thoả mãn điều kiện sau:

k1.k2.Icp  Ilvmax (5.32) Trong đó:

Ilvmax - Dòng làm việc cực đại của dây dẫn.;

Icp - Dòng cho phép ứng với dây dẫn chọn;

k1- Là hệ số kể tới nhiệt độ môi trường làm việc của dây dẫn và cáp khác với nhiệt

độ tiêu chuẩn +250C và mặt đất là +150C;

k2- Là hệ số kể tới số lượng cáp đặt cùng trong một rãnh

Dòng điện cho phép Icp là dòng điện lớn nhất có thể chạy qua dây dẫn trong thời gian không hạn chế và không làm cho nhiệt độ của nó vượt quá trị số cho phép

5.7.2 Lựa chọn dây dẫn và cáp theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép

Đối với mạng trung và hạ áp do trực tiếp cung cấp điện cho các phụ tải điện nên vấn đề đảm bảo điện áp rất quan trọng

Vì vậy người ta lấy điều kiện tổn thất điện áp làm điều kiện đầu tiên để chọn tiết diện dây dẫn và cáp Sau đó kiểm tra lại theo điều kiện dòng nung nóng cho phép Điều kiện tổn hao điện áp cho phép là:

Umax%  Ucp% (5.33) Trong đó:

152

Ucp% - Tổn thất điện áp cho phép (5% hoặc 2,5% tuỳ thuộc vào loại phụ tải) Umax% - Tổn thất điện áp lớn nhất trong mạng

5.7.2.1 Xác định tiết diện dây dẫn khi toàn bộ đường dây cùng một tiết diện

ta xét một mạch điện đơn giản như hình vẽ:

Hình 5.13

theo công thức tính tổn thất điện áp trên đường dây ta có:



 n

1 i

i i i i dm

x Q r P U

nếu toàn bộ đường dây cùng một tiết diện, cùng một vật liệu:

U

L q x U

L p r U

dm

n

i i i

dm

n

i i i

,

1

0 1

0



















Trong đó:

U’- Tổn thất điện áp do công suất tác dụng và điện trở của đường dây gây nên;

U” - Tổn thất điện áp do công suất phản kháng và điện kháng của đường dây gây nên

Trong biểu thức trên nếu biết được x0, ta sẽ tính được thành phần tổn thất điện áp U” nhờ biểu thức:

p a - j q a p b - j q b

153

U” =

dm

n

i i i

U

l Q

x 

1

0

Giá trị điện kháng trên một km đường dây x0 nói chung ít thay đổi dù dây lớn hay

bé (x0= 0,3  0,43 /km) Do vậy có thể lấy một trị số trung bình nào đó để tính toán

U” Đối với đường dây trên không thì x0 trung bình có thể lấy bằng 0,4 /km, còn đối với đường dây cáp thì x0 = 0,07 /km

Trị số tổn thất điện áp cho phép Ucp từ nguồn đến phụ tải xa nhất đã cho theo yêu cầu của mạng điện Do vậy ta tính U’ theo công thức:

U’ = Ucp - U”; (5.37)

biết:

dm

n

1 i

i i 0 ' U

L p r U







 thay r0 =1/F với  - điện dẫn suất của vật liệu làm dây dẫn

Do vậy, ta tính được tiết diện F như sau:

dm '

n

1

U U

l.

P F





Căn cứ vào trị số tính toán F, ta tra bảng chọn tiết diện dây dẫn tiêu chuẩn gần nhất đồng thời xác định được r0 và x0 ứng với dây dẫn đã chọn, tính lại tổn thất điện áp sau cùng so sánh với Ucp Nếu chưa đạt yêu cầu, ta hãy tăng một cấp và tính lại 5.7.2.2 Xác định tiết diện dây dẫn theo mật độ dòng không đổi

Khi xây dựng đường dây cùng một tiết diện trên toàn bộ chiều dài của nó sẽ đưa đến việc sử dụng một khối lượng kim loại màu lớn Do đó, nếu thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax là lớn, thì đối với mạng điện trung và hạ áp ta nên chọn dây dẫn theo mật độ dòng không đổi Lúc đó tổn thất công suất và điện năng sẽ bé nhất