Bài giảng kỹ thuật điện dân dụng nguyễn mạnh hà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC ĐÀ NẴNG Nguyễn Mạnh Hà BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN DÂN DỤNG / Đà Nẵng 14 8 2016 Bài giảng Kỹ thuật điện dân dụng Nguyễn Mạnh Hà Trang 1 CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ĐI[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC ĐÀ NẴNG

Nguyễn Mạnh Hà

/

Đà Nẵng 14-8-2016

CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

I NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Khái quát về hệ thống cung cấp điện

1.1.1 Hệ thống điện:

Hệ thống điện là tập hợp gồm nguồn điện, mạng lưới cung cấp điện và các phụ tải tiêu thụ điện năng Hệ thống điện Việt Nam là hệ thống điện xoay chiều hình sin tần số 50Hz

- Nguồn điện : Là nơi phát ra điện năng Nguồn điện có nhiệm vụ chuyển hóa các dạng

năng lượng khác thành điện năng để dễ truyền tải đi xa

- Mạng lưới cung cấp điện : có nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng, bao gồm

đường dây dẫn điện, máy biến áp,

- Phụ tải: Là các thiết bị tiêu thụ điện năng như đèn, quạt Trong mạng điện người ta coi

các nhà máy, xí nghiệp, nhà ở, cơ quan,… cũng là các phụ tải điện

Hệ thống điện Việt Nam có nhiều cấp khác nhau phù hợp với bán kính cấp điện và khả năng truyền tải 500; 220; 110; 66; 35; 22; 15; 6; 0,4 kV

Cấp điện áp 500, 220kV gọi là cấp truyền tải vì nhiệm vụ chủ yếu của nó là dẫn năng lượng từ nơi sản xuất điện năng đến nơi tiêu thụ điện năng Ở cấp này không có thiết bị tiêu thụ điện trực tiếp Cơ quan quản lý hệ thống truyền tải là Tổng công ty truyền tải điện quốc gia, bao gồm 4 công ty truyền tải điện trực thuộc tương ứng với 4 vùng của cả nước Cấp điện áp truyền tải mang tính độc quyền tự nhiên do Nhà nước quản lý

Cấp điện áp từ 110kV trở xuống gọi là cấp điện áp phân phối vì nhiệm vụ của nó là cung cấp điện năng trực tiếp cho các thiết bị tiêu thụ điện hoặc các phụ tải điện Cấp điện áp này

do các công ty điện lực quản lý vận hành Cấp điện áp phân phối có thể được tư nhân hoá hoặc có nhiều đơn vị tham gia bán điện cạnh tranh nhau Theo lộ trình phát triển ngành điện Việt Nam, dự kiến sau năm 2014 sẽ tiến hành thí điểm cạnh tranh bán lẻ điện

1.1.2 Hệ thống cấp điện công trình công trình xây dựng:

Hệ thống cấp điện công trình là thành phần không thể tách rời của bất kỳ công trình xây dựng nào và có những đặc điểm riêng sau:

- Là hệ thống cung cấp điện trực tiếp đến phụ tải tiêu thụ điện với cấp điện áp <1000V,

cụ thể là điện áp 380V với mạng điện 3 pha và 220V với mạng điện 1 pha

- Nguồn điện bao gồm các loại: Máy biến áp, máy phát điện diezen, bộ lưu điện UPS Máy biến áp nhận điện từ đường dây 22kV để biến đổi sang cấp 380V dùng cho công trình

- Đường dây dẫn điện: sử dụng các loại cáp ruột đồng có vỏ bọc cách điện hoặc có vỏ bọc cách điện kèm theo lớp giáp thép bảo vệ tác động cơ học Vỏ bọc cách điện bằng nhựa PVC hoặc XLPE với các mức cách điện 1000V (3 pha), 600V (1 pha) hoặc 750V (1 pha).Ở những nơi mà cáp có thể bị tác động cơ học thì dùng cáp bọc có lớp giáp thép bảo vệ

Do cung cấp điện trực tiếp đến phụ tải điện nên công tác thiết kế, vận hành hệ thống cấp điện công trình đòi hỏi người kỹ sư phải am hiểu về thiết bị, am hiểu quy trình công nghệ của máy móc để xác định được độ lớn của phụ tải điện

Nguyễn Mạnh Hà Trang 2

1.1.3 Yêu cầu đối với hệ thống cấp điện công trình :

- Chất lượng cung cấp điện: Sai lệch điện áp là Uđm±5%Uđm, sai lệch tần số là 50Hz±0,2Hz

- An toàn cung cấp điện: người + thiết bị

- Tin cậy: cấp điện liên tục → phụ tải ưu tiên, không ưu tiên,…

- Kinh tế: Chi phí đầu tư ít nhất

- Mỹ quan: phù hợp với đặc điểm cụ thể của mỗi công trình

1.2 Các khái niệm cơ bản:

1.2.1 Cấu trúc mạng cung cấp điện trong công trình xây dựng

Mạng cung cấp điện cho công trình xây dựng có nhiều loại như mạng điện 3 pha, mạng điện 1 pha, mạng điện có dây bảo vệ, Việc chọn loại nào tùy thuộc vào quy mô, tầm quan trọng và yêu cầu an toàn của công trình Dù là mạng điện 1 pha hay 3 pha, nhìn chung đều có những thành phần sau:

- Dây pha (ký hiệu A, B, C hoặc L1, L2, L3) là dây dẫn dòng điện từ nguồn đến phụ tải

- Dây trung tính là dây dẫn dòng điện từ phụ tải trở về nguồn sau khi đi qua phụ tải, ký hiệu O hoặc N

- Dây nối vỏ an toàn (dây bảo vệ, dây PE) để nối vỏ các thiết bị điện, chống bị điện giật

Trong mạng điện 3 pha thì điện áp đo giữa 2 pha khác nhau gọi là điện áp dây của lưới điện, ký hiệu Ud Điện áp đo giữa dây pha với dây trung tính (hoặc dây pha với đất) gọi là điện áp pha của lưới điện, ký hiệu Up

Mối quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha:

Ud = 3.Up

A

B

C

N/O

Ud=380V

U d =380V

Up=220V

U d =380V Dây pha

Dây pha

Dây pha

Trung tính

PE Nối vỏ

Thiết bị điện

1 pha

Đầu cực nối dây

Thiết bị điện

1 pha

Thiết bị điện

3 pha

Sơ đồ mạng điện 3 pha

Trong công trình xây dựng thường dùng điện áp 3 pha có Ud=380V, Up=220V

Các thiết bị 3 pha có 3 đầu cực để nối dây gồm 3 cực nối dây pha và 1 cực để nối dây trung tính Ngoài ra có thể có dây nối vỏ

Các thiết bị 1 pha có 2 đầu cực để nối dây gồm 1 cực nối dây pha và 1 cực để nối dây trung tính Ngoài ra có thể có dây nối vỏ

Các dây pha và dây trung tính thường được chế tạo trong cùng một sợi cáp khi tiết diện ruột cáp nhỏ, ngược lại nếu tiết diện ruột cáp to thì người ta chế tạo cáp một pha chỉ có một ruột dẫn Riêng dây bảo vệ theo quy định phải được lắp đặt bằng một sợi cáp riêng

1.2.2 Điện trở và điện kháng của dây dẫn điện:

a) Điện trở R của dây dẫn điện:

Điện trở R là phần tử tiêu tán điện năng thành nhiệt năng toả vào môi trường xung quanh một cách vô ích Vật liệu làm dây dẫn thường là đồng và nhôm, trong đó đồng dẫn điện tốt hơn nhôm

Điện trở R trên đường dây gây ra tác hại lớn là: làm dây dẫn điện nóng lên, làm tổn thất năng lượng và tổn thất điện áp của mạng điện

Trên sơ đồ điện, điện trở R được ký hiệu bằng hình chữ nhật và ký hiệu bằng chữ R Đơn vị đo điện trở là Ω

b) Điện kháng X của dây dẫn điện:

Dây dẫn điện khi có dòng điện chạy qua, cho dù dây thẳng hoặc uốn cong, thì luôn luôn

có từ trường xung quanh nó Từ trường này liên tục tích năng lượng rồi lại phóng năng lượng

C

N/O

Up=220V

Dây pha

Trung tính

PE Nối vỏ

Thiết bị điện

1 pha

Đầu cực nối dây

Thiết bị điện

1 pha

Thiết bị điện

1 pha

Sơ đồ mạng điện 1 pha

R (Ω)

Nguyễn Mạnh Hà Trang 4

trả vào lưới điện nên có tác dụng cản trở dòng điện giống như điện trở R Do đó để đặc trưng cho hiện tượng này người ta dùng thông số điện kháng X của đường dây

Điện kháng X bản thân nó không gây tổn thất năng lượng nhưng gây ra tổn thất điện áp dọc dây dẫn, làm điện áp ở thiết bị điện giảm thấp hơn so với điện áp của nguồn điện

Trên sơ đồ điện, điện kháng X ký hiệu như cuộn dây và kèm theo ký hiệu bằng chữ X Đơn vị đo điện kháng cũng là Ω

c) Tham số tính toán của dây dẫn điện:

Khi tính toán mạng điện có dòng điện chạy qua, dây dẫn được thay thế đồng thời bằng các tham số R, X như sau:

Để thuận lợi cho việc tính toán, các nhà sản xuất cáp điện lập sẵn bảng tra thông số điện trở r0 và điện kháng x0 trên mỗi đơn vị chiều dài km ứng với mỗi tiết diện ruột đồng dẫn điện Như vậy khi biết chiều dài và tiết diện sợi cáp thì có thể xác định điện trở và điện kháng theo công thức:

0

R=r l

0

X=x l

Trong đó:

R, X là điện trở và điện kháng của cáp, tính bằng Ω

l là chiều dài của sợi cáp, tính bằng km

r0, x0 là điện trở và điện kháng trên mỗi km, tính bằng Ω/km và tra theo bảng bên dưới

Ví dụ: Hai sợi cáp điện 1 pha, mỗi sợi dài 350m, cấp điện áp 400V, tiết diện 95mm2 Hai sợi cáp này được lắp chung trong cùng một máng cáp Hãy xác định điện trở và điện kháng của mỗi sợi cáp

Đáp số: X= 0,021Ω; R = 0,07Ω

X

R

X

I

Từ trường sinh ra dọc dây dẫn khi

có dòng điện chạy qua

I

Bảng tra r 0 và x 0 của cáp điện ruột đồng có điện áp dưới 1000V

Mã dây

cáp đồng

Tiết diện (mm2)

r 0 ( Ω /km) cáp đồng

x0 ( Ω /km) của sợi cáp

có 3-4 ruột (tham khảo hãng FURUKAWA)

x0 ( Ω /km) của cáp đồng 1-2 ruột (tham khảo hãng ALCATEL) Một sợi cáp

lắp độc lập

Lắp chung ≥ 2 sợi cáp gần nhau

M-10 10 1,84 0,073 0,31 0,07

M-16 16 1,2 0,0675 0,29 0,07

M-25 25 0,74 0,0662 0,2699 0,0701

M-35 35 0,54 0,0637 0,2601 0,06

M-50 50 0,39 0,0625 0,2501 0,06

M-70 70 0,28 0,0612 0,24 0,06

M-95 95 0,2 0,0602 0,23 0,06

M-120 120 0,158 0,0602 0,2199 0,06

M-150 150 0,123 0,0596 0,2099 0,06

M-185 185 0,103 0,0596 0,2099 0,06

M-240 240 0,078 0,0587 0,2001 0,06

1.2.3 Điện áp (U):

Điện thế ϕ tại một điểm của mạch điện là giá trị đo bằng V giữa điểm đo và điểm được chọn làm chuẩn (điểm đất) Độ lớn của điện thế phụ thuộc vào điểm được chọn làm chuẩn,

do đó với các mặt chuẩn khác nhau thì điện thế của cùng một điểm trên mạch điện vẫn có những giá trị khác nhau

Điện áp giữa 2 điểm là hiệu điện thế giữa 2 điểm đó: UAB=ϕA-ϕB Độ lớn của điện thế không phụ thuộc vào việc chọn điểm đất nên điện áp được sử dụng trong tính toán

Đơn vị đo điện áp là V hoặc kV

Chiều của điện áp quy ước từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp

1.2.4 Nguồn điện áp (U nguồn ):

Nguồn điện áp là đại lượng đặc trưng cho khả năng tạo ra và duy trì một giá trị điện áp, không phụ thuộc vào sự biến động của phụ tải

Khả năng tạo ra tức là khả năng sinh ra điện áp của nguồn điện Khả năng duy trì là khả năng đáp ứng công suất của nguồn điện cho phụ tải tiêu thụ điện Khái niệm nguồn điện áp thường liên quan đến nguồn cung cấp điện như: máy biến áp, máy phát điện,

ϕB

L1

L2

ϕC

L3

ϕA

Đất

ϕA

Nguyễn Mạnh Hà Trang 6

Nếu máy biến áp, máy phát điện có công suất bé hơn tổng phụ tải tiêu thụ thì nó không phải là nguồn điện vì không có khả năng duy trì nguồn cung cấp

1.2.5 Điện áp định mức của mạng điện:

Với một mạng điện thực tế, giá trị điện áp đo được tại bất kỳ điểm nào đó không phải là một hằng số Ví dụ trong ngôi nhà đang ở, hôm nay đo được 221V nhưng có thể ngày mai đo được 219V Tuy nhiên mọi người đều nói điện áp của mạng điện là 220V - đây chính là giá trị điện áp định mức của mạng điện

Điện áp định mức là giá trị điện áp định danh cho một mạng điện, được Nhà nước quy định và là thông số dùng để thiết kế, kiểm tra, lựa chọn thiết bị trong mạng điện

Ký hiệu điện áp định mức Uđm Với mạng điện 3 pha Uđm là điện áp dây, với mạng điện

1 pha Uđm là điện áp pha

Mạng cung cấp điện trong công trình xây dựng có Uđm=220V (mạng một pha) hoặc

Uđm=380V (3 pha)

1.2.6 Công suất:

Các thiết bị điện khi hoạt động sẽ tiêu thụ năng lượng điện để sinh công hữu ích như cơ năng của động cơ, quang năng của đèn điện, nhiệt năng trong bếp điện,

Đối với các động cơ điện như quạt, bơm nước, ngoài việc tiêu thụ công suất hữu ích nó còn tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện để tạo ra từ trường của dây quấn trong cuộn dây Đa số các thiết bị điện đều sử dụng động cơ như máy giặt, tủ lạnh, nên nhìn tổng thể, các thiết bị điện có tới 3 loại công suất khác nhau:

- Công suất tác dụng (ký hiệu P ): là công suất mà thiết bị điện tiêu thụ từ lưới điện để

chuyển thành công suất hữu ích Công suất hữu ích có thể ở dạng nhiệt (bếp điện), ở dạng cơ năng (quạt, bơm nước, ) ở dạng quang năng (đèn điện) và nhiều dạng năng lượng khác Đơn vị đo công suất tác dụng là W, kW

- Công suất phản kháng (ký hiệu Q): là công suất mà thiết bị điện tiêu thụ từ lưới điện để

tạo ra từ trường trong cuộn dây của các thiết bị điện Công suất này không sinh ra công hữu ích nên còn gọi là công suất vô công

Về mặt vật lý, công suất Q chỉ là những luồng công suất nạp/phóng qua thiết bị điện có cuộn dây như các động cơ điện, còn với các thiết bị không có cuộn dây như bếp điện, đèn điện thì Q=0

Đơn vị đo công suất phản kháng là VAR, kVAR

Pcơ

- Công suất biểu kiến (ký hiệu S): Thực tế thiết bị điện tiêu thụ 2 loại công suất P và Q,

trong đó P là công suất hữu ích (người dùng phải trả tiền) còn Q là công suất vô công (người dùng không phải trả tiền) Công suất Q là công suất vô công nhưng nó lại nạp và phóng liên tục trên dây dẫn điện nên khi tính toán mạng điện, ngoài trị số P còn phải kể đến sự ảnh hưởng của Q thông qua một thông số chung gồm cả P và Q gọi là công suất biểu kiến

Trong kỹ thuật điện người ta chứng minh được rằng công suất biểu kiến tính bằng công thức S= P2+Q2

Đây là công suất dùng để tính toán thiết kế mạng điện, từ khâu chọn lựa dây dẫn, xác định dòng điện, tổn thất điện áp,

Công suất biểu kiến còn gọi là công suất toàn phần

Đơn vị đo công suất biểu kiến là VA, kVA

1.2.7 Dòng điện (I):

Dòng điện là dòng chuyển dịch có hướng của các điện tích Các dây dẫn điện đều làm bằng kim loại (đồng, nhôm) nên các điện tích dịch chuyển bên trong dây dẫn là các electron mang điện tích âm Có thể hình dung một đoạn dây dẫn kim loại là một ống chứa đầy các electron, khi có nguồn điện tác động vào thì các electron này chuyển động tạo thành dòng điện

Đơn vị đo dòng điện là A, kA

Khi thiết bị điện làm việc nó tiêu thụ một lượng công suất biểu kiến từ lưới điện là S3p (thiết bị 3 pha) hoặc S1p (thiết bị 1 pha) thì trên dây dẫn điện cung cấp có dòng điện chạy qua được xác định theo các công thức:

3 3

1 1

3.

=

=

p p

d p p p

S I

U S I U

Dây quấn trong động cơ điện Các công suất P, Q cấp cho động cơ

P

P Q

N

A

S 1p

A N

S3p

A B C N

I 1p

I3p

Nguyễn Mạnh Hà Trang 8

Trong hai công thức trên thì I1p và I3p tính bằng A, S1p và S3p tính bằng kVA, Up và Ud tính bằng kV

1.2.8 Hệ số công suất cosϕ:

Công thức tính công suất biểu kiến S= P2+Q2 cho ta thấy 3 đại lượng P, Q, S lập

thành một tam giác vuông gọi là tam giác công suất với cạnh thẳng đứng đứng là Q, cạnh

nằm ngang là P và cạnh huyền là S, góc kẹp giữa S và P là ϕ và trị số cosϕ được gọi là hệ số công suất 

Do P là công suất hữu ích không thay đổi được còn Q là công suất vô công, do đó nếu Q

bé thì có nghĩa là lượng công suất nạp/phóng trên dây dẫn điện ít đi, dẫn đến dòng điện sẽ giảm xuống nên có thể chọn dây dẫn và các thiết bị bé hơn Mà khi Q bé có nghĩa là cosϕ lớn nên có thể nói cosϕ là một chỉ số nói lên hiệu quả sử dụng điện

Thực tế người ta mong muốn giảm Q càng nhỏ càng tốt nhưng không thể triệt tiêu hoàn toàn vì nhiệm vụ của nó rất quan trọng là tạo môi trường từ hóa để truyền năng lượng từ phần đứng yên sang phần quay của động cơ

Căn cứ vào tam giác công suất ta có các biểu thức:

= 2 + 2

Q = P.tgϕ

P = S.cosϕ

Q = S.sinϕ Công suất tiêu thụ của mỗi thiết bị điện được đặc trưng bằng một tam giác công suất (P,Q,S) Nếu có n thiết bị điện nối chung tại một điểm thì tại điểm đó công suất tiêu thụ cũng

là một tam giác công suất (P,Q,S) được tính như sau::

P = P1 + P2 +…+ Pn Q = Q1 + Q2 +…+ Qn

P

ϕ =

P

Q

S

ϕ

P1

Q1

S1

ϕ1

P2

Q2

S2

ϕ2

P

Q

S ϕ

P, Q, S

P1,Q1,S1

P2,Q2,S2

1.2.9 Điện năng (A):

Là năng lượng hữu ích sinh ra trong một khoảng thời gian ∆t bởi một thiết bị điện tiêu thụ công suất tác dụng ổn định P được tính theo công thức:

A = P.∆t Thực tế P không phải là hằng số mà biến đổi theo thời gian nên điện năng phải tính theo công thức tích phân:

1

0

A ( ).

t

t

P t dt

=∫

Điện năng được đo bằng Wh, kWh Trong hóa đơn tiền điện hàng tháng, nhân dân hay gọi là số điện chính là số kWh

Thiết bị dùng để đo điện năng gọi là công tơ Số cuối cùng trên dãy số của công tơ có đơn vị 1/10kWh Với mạng điện 3 pha người ta dùng công tơ 3 pha, với mạng điện 1 pha người ta dùng công tơ 1 pha

1.2.10 Ngắn mạch:

Là hiện tượng dòng điện tăng rất cao (gấp hàng chục, hàng trăm thậm chí hàng ngàn lần

so với bình thường) do dây dẫn chạm đất, do chạm chập giữa các pha,…

Khi xảy ra ngắn mạch thì điện trở tại điểm đó gần bằng 0 nên dòng điện tăng lên rất cao Ngắn mạch là tình trạng sự cố nghiêm trọng của lưới điện, xảy ra trong thời gian rất ngắn (vài ms), gây hậu quả lớn như cháy, nổ, hư hỏng thiết bị

Ngắn mạch xảy ra ở nhiều dạng khác nhau: chạm đất một pha qua điện trở nhỏ, chạm đất hai pha, chập các dây pha, dây lửa và dây nguội chạm nhau,…

Đất có R nhỏ

In>> In>> In>>

In>>