Gt cung cấp điện ( p1 )

GIÁO TRÌNH CUNG CẤP ĐIỆN Phần 1 tác giả Quyền Huy ánh trường đại học sư pham kỷ thuật thành phố hồ chí minh, tính toán thiết bị , và diễn dải sơ đồ nhất thứ , gồm các công thức tính toán thiết bị và cho dây dẫn cho phù với sơ đồ lưới điện. dùng có các bạn muốn học vê thiết kế trạm phân phối hạy máy biến áp hạ thế để phực vụ cho công ty , hay thiết kế trạm nâng trong nhà máy điện

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

1.1 Đặc điểm của quá trình sản xuất và phân phối điện năng

Năng lượng điện là dạng năng lượng phổ biến do nó có thể truyền tải với hiệu suất cao và chi phí hợp lý Ngoài ra, do dễ dàng chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác (nhiệt, cơ, hóa) nên điện năng được sử dụng khắp mọi nơi từ sản xuất đến tiêu dùng

Điện năng trong quá trình sản xuất và phân phối có một số đặc điểm chủ yếu sau :

 Điện năng sản xuất ra, nói chung, không tích trữ được (trừ một số trường hợp cá biệt với công suất nhỏ như pin , accu ) Do đó tại mọi thời điểm phải đảm bảo cân bằng giữa lượng điện sản xuất và tiêu thụ, có kể đến tổn thất do truyền tải

 Các quá trình điện cơ trong hệ thống điện xảy ra rất nhanh, đòi hỏi phải sử dụng rộng rãi các thiết bị tự động trong công tác vận hành, điều độ hệ thống điện nhằm đảm bảo hệ thống làm việc tin cậy và kinh tế

 Công nghiệp điện lực là một trong những động lực của nhiều ngành kinh tế quốc dân Sản lượng điện hàng năm thể hiện mức độ phát triển kinh tế của đất nước

 Việc sản xuất, truyền tải và cung cấp điện năng luôn luôn được thực hiện theo một kế hoạch chung trong khuôn khổ hệ thống điện

Điện năng được sản xuất chủ yếu dưới dạng điện xoay chiều với tần số 60Hz (tại Mỹ và Canada) hay 50Hz (tại Châu Aâu và các nước khác)

Nhìn chung, hệ thống cung cấp điện bao gồm các khâu : phát điện, truyền tải, phân phối và cung cấp để đưa điện từ nơi sản xuất đến các hộ tiêu thụ và sử dụng điện (hình 1.1)

Để truyền tải điện năng đi xa với tổn thấp điện áp và điện năng thấp thường sử dụng điện cao áp xoay chiều (đến 230kV) và siêu cao (trên 230kV)

Để truyền tải điện năng với khoảng cách rất lớn ( trên 500km), nhằm đạt được hiệu quả về kinh tế, điện áp một chiều siêu cao được sử dụng Trường hợp này phải sử dụng các bộ biến đổi

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp điện

1 Nhà máy phát điện

2 Đường dây truyền tải

3 Trạm biến áp tăng áp

4 Xí nghiệp công nghiệp

5 Trạm biến áp giảm áp

6 Đường dây phân phối

7 Cáp ngầm

8 Hộ tiêu thụ

9 Đường dây trên không

AC/DC ở đầu và cuối đường dây Truyền tải bằng điện một chiều có ưu điểm là đường dây một chiều không có điện kháng và có khả năng truyền tải môt lượng công suất lớn hơn khi sử dụng dây có cùng tiết diện so với truyền tải bằng điện xoay chiều Truyền tải bằng điện DC đặc biệt hiệu quả khi cần kết nối các hệ thống điện lớn ở cách xa nhau Nhược điểm chính của truyền tải bằng điện một chiều là gây ra các hài bậc cao và cần phải lọc và bù công suất phản kháng với số lượng lớn ở hai đầu đường dây

Mạng liên kết làm cho việc sản xuất và truyền tải điện trở nên kinh tế và tin cậy hơn do năng lượng điện có thể truyền tải nhanh chóng từ vùng này sang vùng khác

1.2 Hệ thống điện hiện đại

Hệ thống điện ngày nay là một mạng lưới liên kết phức tạp (hình 1.2) và có thể chia ra làm 4 phần:

 Nhà máy điện

 Mạng truyền tải - truyền tải phụ

 Mạng phân phối

 Phụ tải điện

Nhà máy nhiệt điện

Nhà máy thủy điện

Nhà máy điện nguyên tử

Tải công suất rất lớn

Trạm đóng ngắt

Tải công suất lớn Trạm cao

Nhà máy phát Tuốc bin khí Năng lượng gió Năng lượng thủy triều Năng lượng địa nhiệt

Trạm phân phối phân phối Trạm

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý các thành phần của hệ thống

1.2.1 Nhà máy điện

1.2.1.1 Máy phát và nhà máy điện

Máy phát là một trong các thành phần chủ yếu của hệ thống điện và thường là máy phát điện đồng bộ xoay chiều 3 pha Các hệ thống ngày nay sử dụng máy phát điện xoay chiều với các bộ kích từ quay ( các bộ kích từ không có chổi góp) Hệ thống kích từ máy phát giúp cho điện áp máy phát không đổi và điều khiển công suất phản kháng Các máy phát điện xoay chiều có thể phát công suất lớn điện áp cao (đến 30kV) và công suất đơn vị máy phát có thể thay đổi từ 50MW đến 1500MW

Tùy theo dạng nguồn năng lượng sơ cấp mà có các loại nhà máy điện khác nhau:

a Nhà máy nhiệt điện

Đây là một dạng nguồn điện kinh điển, đến nay vẫn còn chiếm tỉ lệ quan trọng trong tổng công suất nguồn nói chung

Nguyên lý quá trình sản xuất điện năng trong nhà máy nhiệt điện được trình bày như hình 1.3 Nhiên liệu (than đá, dầu) được đốt cháy trong buồng khí đốt nhằm đun sôi nước ở nồi hơi Hơi nước từ nồi hơi với nhiệt độ và áp suất cao (khoảng 500 C và 40 ata) được dẫn đến làm quay các cánh tuốc bin với tốc độ tương đối cao (từ 1800v/p đến 3600v/p) Trục của tuốc bin gắn với trục máy phát điện, rôto của máy phát loại này thường là loại cực ẩn hai cực cho loại 3600v/p và 4 cực cho loại 1800v/p Khi máy phát điện quay sẽ cảm ứng sinh ra điện Nước qua tuốc bin sẽ ngưng tụ ở bình ngưng cùng với nước bổ sung được bơm nước đưa trở về nồi hơi

Nhà máy nhiệt điện có những đặc điểm sau :

 Thường được xây dựng gần nguồn nhiên liệu và nguồn nước

 Tính linh hoạt trong vận hành kém, khởi động và tăng phụ tải chậm

 Hiệu suất thấp ( = 30-40 %)

 Khối lượng nhiên liệu sử dụng lớn, khói thải và ô nhiễm môi trường

b Nhà máy thủy điện

Nhà máy thủy điện dùng năng lượng dòng chảy của nước làm quay tuốc bin nước để chạy máy phát điện (hình 1.4) Tuốc bin nước vận hành ở áp suất thấp và tốc độ thấp Máy phát của chúng thường là loại cực lồi có nhiều cực Công suất P (MW) của nhà máy thủy điện phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố: lưu lượng nước Q (m3 / s) và chiều cao hiệu dụng của cột nước H (m)

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý nhà máy nhiệt điện

2 Hệ thống nghiền nát 14 Bơm nước

3 Buồng than cám 15 Bộ phận khử khí

4 Hệ thống nồi hơi 16 Lọc nước

7 Bộ phận tái hâm nước 19 Bình ngưng tụ

8 Bộ phận hâm nước 20 Van khoá

9 Bộ phân hâm nóng 21 Bơm nước

11 Quạt lùa 23 Máy phát điện

12 Oáng khói 24 Máy biến áp

P  9,81 Q H {MW}

Nhà máy thủy điện có các đặc điểm sau:

 Xây dựng gần nguồn nước nên thường xa phụ tải

 Vốn đầu tư xây lắp ban đầu lớn, chủ yếu thuộc về các công trình như đập chắn , hồ chứa …

 Thời gian xây dựng kéo dài

 Chi phí sản xuất điện năng thấp

 Thời gian khởi động máy ngắn

 Hiệu suất cao ( = 80-90 %)

 Tuổi thọ cao

Vào mùa nước lũ, có khả năng không khai thác hết nguồn thủy năng và phải xả qua đập tràn một lượng nước lớn dư thừa do điện năng chỉ có thể sản xuất theo yêu cầu của phụ tải Để có thể tận dụng nguồn năng lượng này cần xây dựng loại nhà máy thủy điện tích năng (hình 1.5) Vào mùa nước lũ khi khả năng phát điện của hệ thống điện dư thừa, máy phát điện của nhà máy thủy điện tích năng đóng vai trò như một máy bơm, bơm nước lên hồ chứa nước và vào mùa nước kiệt nước lại xả nước từ hồ chứa nước qua hệ thống đường ống làm quay máy phát điện, phát điện hoà vào hệ thống

Hình 1.5 Nhà máy thủy điện tích năng

1 Hồ xả 6 Buồng máy phát

2 Ống dẫn nước chính 7 Ống bơm nước

3 Máy bơm 8 Cửa xả nước

4 Máy biến áp 9 Hồ chứa nước

5 Máy cắt 10 Nhà điều hành

1 Cầu trục 6 Máy phát

2 Đập nước 7 Thiết bị

3 Tấm chắn 8 Hộp kín dạng tròn

4 Ống dẫn 9 Oáng tháo nước

5 Tuốc bin nước

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý nhà máy thủy điện

c Nhà máy tuốc bin khí

Nhà máy tuốc bin khí sử dụng năng lượng sơ cấp là khí đốt thiên nhiên Khí này được dẫn trực tiếp đến nhà máy thông qua hệ thống đường ống và khi khoảng cách truyền tải lớn, khí đốt thiên nhiên được hoá lỏng ở nhiệt độ –197oF Ngày nay, các nhà máy tuốc bin khí thường sử dụng sơ đồ chu kỳ kết hợp với hiệu suất lên đến 60% Chu kỳ kết hợp bao gồm chu kỳ tuốc bin – gas ( chu kỳ Brayton) và chu kỳ tuốc bin hơi ( chu kỳ Rankine) Đầu tiên khí được đốt cháy và làm quay tuốc bin – gas, sau đó khí được đốt nóng này được thu hồi và đi vào lò hơi, gia nhiệt nước nhằm cung cấp hơi áp suất cao để làm quay tuốc bin hơi (hình 1.6)

Nhà máy tuốc bin khí có các đặc điểm sau:

 Thời gian xây dựng ngắn ( khoảng 2 năm)

 Chi phí sản xuất điện năng thấp

 Thời gian khởi động máy ngắn

 Hiệu suất cao ( = 80-90 %)

 Ít gây ô nhiễm môi trường

d Nhà máy điện diesel

Nhà máy điện diesel sử dụng năng lượng sơ cấp là các động cơ diesel Các tổ máy phát diesel có công suất đơn vị không lớn ( từ hàng trăm KVA đến vài MVA) và thường dùng làm nguồn dự phòng cho các tải bình thường sử dụng điện từ mạng địa phương hay cung cấp điện cho các phụ tải công suất nhỏ ở những nơi chưa có mạng lưới địa phương Nhà máy điện diesel có các đặc điểm chính như sau:

 Gọn nhỏ, linh hoạt, tính cơ động cao

 Thời gian khởi động ngắn

 Giá thành điện năng cao

 Công suất phát vừa và nhỏ

e Các nhà máy điện năng lượng sạch

Ngày nay, khi vấn đề bảo vệ môi trường được nhấn mạnh, các nguồn năng lượng khác đã được xem xét và đưa vào sử dụng như các nguồn năng lượng sạch: năng lượng mặt trời, năng lượng điạ nhiệt, năng lượng gió, năng lượng thủy triều và năng lượng sinh học Năng lượng được sử dụng và phát triển mạnh trong tương lai gần là năng lượng nguyên tử

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý nhà máy tuốc bin khí loại chu kỳ kết hợp

1 Buồng đốt 7 Hơi

2 Tuốc bin -gas 8 Tuốc bin hơi

3 Máy phát điện 9 Máy phát điện

4 Trạm điện 10 Trạm điện

5 Gas đốt cháy 11 Bình ngưng

6 Lò hơi

 Nhà máy điện nguyên tử

Nhà máy điện nguyên tử sản xuất điện năng từ nhiệt năng do phản ứng hạt nhân sinh ra Nhiên liệu hạt nhân có khả năng tạo nhiệt năng rất cao, thường sử dụng ở những nơi khan hiếm nhiên liệu hay khó vận chuyển nhiên liệu tới

Ở nhà máy điện nguyên tử, nhiệt năng thu được trong quá trình phân hủy hạt nhân của các chất Uranium, Plutonium,Thorium… trong lò phản ứng, dùng để đun nóng nước Nước bốc hơi lên và tiếp tục làm quay tuốc bin như trong trường hợp nhà máy nhiệt điện Lò phản ứng được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện nguyên tử là lò phản ứng nước nhẹ (lò phản ứng nước áp lực hoá, lò phản ứng nước sôi) do dễ điều khiển và trong một số trường hợp có thể sử dụng uranium thiên nhiên

Hình 1.7 trình bày sơ đồ nguyên lý của nhà máy điện nguyên tử loại lò phản ứng nước áp lực hoá Nguyên liệu được sử dụng trong trường hợp này là oxyt uranium (U02) ở dạng quặng, tuơng thích với thiết bị làm lạnh bằng nước Quặng nhiên liệu được chứa trong các thanh nhiên liệu mạ zircaloy Nhiều thanh nhiên liệu được phân bố trên các lưới hình vuông tạo thành một tổ hợp nhiên liệu Hàng trăm tổ hợp như vậy tạo thành lõi phản ứng Lõi phản ứng chứa trong bình phản ứng chịu áp lực cao bằng thép, có bề dầy từ 8 đến 10 inch

Hình 1.8 trình bày sơ đồ nguyên lý của nhà máy điện nguyên tử loại lò phản ứng nước sôi Vòng kín thứ nhất gồm bộ phận phóng xạ Nhiệt lượng sinh ra do phản ứng hạt nhân được truyền cho nước Nước bốc hơi lên và tiếp tục làm quay tuabin như ở nhà máy nhiệt điện

Công suất một tổ máy phát nhà máy điện nguyên tử sẽ đạt đến 500, 800 và 1200MW

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện nguyên tử loại lò phản ứng nước sôi

1 Buồng phản ứng 6 Ống dẫn hơi chính

2 Vỏ bảo vệ 7 Bơm cấp nước

3 Lõi phản ứng 8 Tuốc bin máy phát

4 Thanh điều khiển 9 Bình ngưng

1 Cấu trúc bảo vệ 7 Ống hơi

2 Bình phản ứng 8 Tuốc bin

3 Lò phản ứng 9 Bơm cấp

4 Thanh điều khiển 10 Nước ngưng

5 Máy bơm 11 Máy phát điện

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện nguyên tử loại lò phản ứng nước áp lực

Nhà máy điện nguyên tử có các đặc điểm sau:

 Có thể xây dựng gần trung tâm phụ tải

 Vốn đầu tư xây lắp ban đầu lớn và thời gian xây dựng kéo dài

 Chi phí sản xuất điện năng thấp nên thường làm việc ở đáy đồ thị phụ tải

 Thời gian sử dụng công suất cực đại lớn khoảng 7000giờ/năm hay cao hơn

 Nhà máy năng lượng mặt trời

Nhà máy năng lượng mặt trời thường có hai loại như sau:

 Nhà máy pin quang điện: nhà máy loại này sử dụng các pin quang điện, dưới hai

dạng tinh thể silicon hay phim mỏng để biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời ra điện năng, với hiệu suất hiện nay khoảng 30% và trong tương lai có thể đạt đến 40% Các tấm pin quang điện được chế tạo để có thể sản xuất ra năng lượng điện DC từ vài watt đến

100 watt Để có công suất lớn hơn cần tổ hợp các tấm pin quang điện này Các thành phần chính của nhà máy năng lượng mặt trời bao gồm: các tấm pin quang điện, bộ điều khiển nạp ắc qui, ắc qui, bộ nghịch lưu hay thiết bị điều khiển công suất (đối với tải xoay chiều), thiết bị đóng cắt, bảo vệ, mạch tiếp đất và dây nối Chi phí sản suất điện năng vào khoảng 0.2 đến 0.4 UDS/kWh, tùy thuộc vào chi phí lắp đặt, mật độ và thời gian có ánh sáng mặt trời tại khu vực Nguồn điện loại này khoảng hàng trăm kW và thường được cung cấp cho các phụ tải như: máy bơm, thiết bị chiếu sáng, thiết bị viễn thông, thiết bị điện gia dụng,…

 Nhà máy nhiệt mặt trời: nhà máy loại này vận hành theo kiểu chu kỳ năng lượng

nhiệt, thông qua việc sử dụng hệ thống gương hội tụ parabol (với nhiệt độ có thể đạt đến mức từ 150oC đến 800oC) hay một dãy gương hội tụ ( hellostats, với nhiệt độ có thể đạt đến mức từ 250oC đến 1500oC) nhằm tập trung ánh sáng mặt trời Hệ thống gương này là phần đắt nhất trong chi phí xây dựng và thường chiếm khoảng 4050% chi phí tổng Nhà máy sử dụng gương parabol thường có công suất từ 5kW đến 25kW còn nhà máy sử dụng gương hellostats thường có công suất từ 100kW đến 100MW

Nhà máy năng lượng mặt trời có các đặc điểm như sau:

 Sử dụng nguồn năng lượng không cạn kiệt

1 Hạt photon 5 Mặt sau

2 Nguyên tử 6 Dòng electron

3 Electron 7 Biến đổi năng lượng

4 Mặt trước 8 Trạm điện

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý nhà máy pin quang điện

 Chi phí phát điện thấp và đặc biệt hiệu quả ở các vùng mà việc kéo các lưới điện quốc gia quá đắt

 Độ tin cậy vận hành cao

 Chi phí bảo trì ít

 Không gây ô nhiễm môi trường

 Nhà máy năng lượng gió

Sử dụng năng lượng gió thường được chú ý ở các nơi có mật độ năng lượng gió cao (khoảng

320 – 400W/m2 trở lên) và vận tốc gió trung bình ( khoảng 5.8m/s) Thành phần chính của nhà máy phát điện sử dụng năng lượng gió bao gồm: chong chóng quay, hộp biến tốc,máy phát điện, hệ thống ắc qui và tháp Ngày nay, các trạm phát điện sử dụng năng lượng gió có công suất từ 5MW đến 50MW (làng máy phát) với giá thành sản xuất điện năng vào khoảng 0.05USD/kWh và có khả năng giảm xuống mức 0.04USD/kWh trong năm 2000 Hiệu suất của các tuốc bin gió hiện đại đạt đến trên 40% Khuynh hướng phát triển năng lượng gió trong tương lai tập trung vào các hướng nghiên cứu như sau:

 Hiểu biết tốt hơn về nguồn năng lượng gió, về khí động học

 Tối ưu hoá cấu trúc tuốc bin nhằm đạt hiệu suất cao hơn

 Nâng cao chất lượng điều khiển

 Triển khai các mô hình lý thuyết và mô hình máy tính phục vụ tính toán và thiết kế Năng lượng gió được chú ý sử dụng tại các vùng ven biển, vùng đồi núi Hiện có trên 16.000 tuốc bin gió đã được lắp đặt tại bang California – USA với tổng công suất đặt khoảng 1700MW Hệ thống này phát năng lượng điện hàng năm đạt mức 3 tỷ kWh và theo dự báo đến năm 2010, tại Mỹ, khoảng 2% năng lượng điện được cung cấp từ gió

 Nhà máy năng lượng thủy triều

Nhà máy năng lượng thủy triều được xây dựng tại các nơi có sự chênh lệch lớn về độ cao của thủy triều lên và xuống Bằng cách xây các đập ngăn cách ở các ngõ vào ra của thủy triều có thể lợi dụng sự lên xuống cũa thủy triều để làm quay tuốc bin thủy lực và đến năm 1997 đã xuất hiện loại tuốc bin thủy lực có thể hoạt động theo cả hai chiều Tuốc bin này kéo một máy phát điện, từ đó năng lượng thủy triều biến thành năng lượng điện Nhà máy năng lượng thủy triều La Rance được xây dựng đầu tiên tại Pháp vào năm 1966 Cho đến nay theo đánh giá của các chuyên gia thì chỉ có khoảng 2% năng lượng thủy triều ( khoảng 60GW) trên thế giới là có thể được dùng để phát điện

Hình 1.10 Nguyên lý nhà máy năng lượng thủy triều Hình 1.11 Nhà máy năng lượng thủy triều

Nhà máy năng lượng thủy triều có các đặc điểm như sau:

 Tuổi thọ cao

 Chi phí phát điện thấp

 Chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì thấp

 Không gây ô nhiễm môi trường

 Nhà máy năng lượng địa nhiệt

Nhà máy năng lượng địa nhiệt sử dụng sức nóng của lòng đất để gia nhiệt làm nước bốc hơi Hơi nước với áp suất cao làm quay tuốc bin hơi nước Tuốc bin này kéo một máy phát điện, từ đó năng lượng địa nhiệt biến thành năng lượng điện Có hai loại nhà máy năng lượng địa nhiệt: loại chu kỳ kép (hình 1.12) và loại phun hơi (hình 1.13) Nước nóng địa nhiệt có nhiệt độ vào khoảng

350oF và áp suất khoảng 16.000psi

f Tỷ lệ thành phần các nhà máy trong cơ cấu phát điện

Việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau trong cơ cấu sản xuất điện năng tùy thuộc vào tình hình tài nguyên và đường lối phát triển năng lượng của mỗi nước

Theo số liệu năm 1998, tại Mỹ, tổng công suất đặt vào khoảng 760.000MW, trong đó nhiệt điện chiếm 63%, điện nguyên tử chiếm 14%, thủy điện chiếm 12%, tuốc bin khí chiếm 8%, động

cơ đốt trong chiếm 0.65% và các loại khác chiếm 2.35% Tổâng sản lượng hàng năm vào khoảng 3.550 tỷ kWh

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý nhà máy địa nhiệt loại phun hơi

1 Hơi 8 Không khí & hơi nước

2 Tuốc bin 9 Cấp nhiệt

3 Máy phát 10 Nước thải

6 Không khí 13 Vùng địa nhiệt

7 Tháp làm lạnh 14 Nước xuống

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý nhà máy địa nhiệt loại chu kỳ kép

2 Tuốc bin 10 Nước ngầm nguội

3 Máy phát 11 Nước ngầm nóng

5 Bình ngưng 13 Nước lên

6 Không khí 14 Vùng địa nhiệt

8 Không khí & hơi nước

Hiện nay, trên thế giới 79% tổng sản lượng điện năng sản xuất ra là do các nhà máy nhiệt điện, 7% là do các nhà máy thủy điện và 14% là do các nhà máy điện khác, trong đó điện nguyên tử chiếm tỷ lệ lớn

Tại trạm điện một vài máy phát vận hành song song với lưới năng lượng để cung cấp tổng công suất cần thiết Chúng được nối vào một điểm chung gọi là thanh góp

1.2.1.2 Máy biến áp

Một phần quan trọng khác của hệ thống điện là máy biến áp Nó chuyển năng lượng với hiệu quả rất cao từ mức điện áp này sang mức điện áp khác Năng lượng phiá thứ cấp gần như bằng năng lượng phiá sơ cấp, nếu bỏ qua phần tổn hao trong máy biến áp Việc nâng cao điện áp truyền tải cho phép giảm tổn thất điện năng trên đường dây và cho phép tải năng luợng đi xa Các yêu cầu về cách điện và các vấn đề thiết kế thực tế khác đã giới hạn điện áp máy phát ở giá trị thấp, thường đến 30kV Do đó, việc sử dụng các máy biến áp tăng áp là phổ biến trong việc truyền tải năng lượng Ở cuối đường dây truyền tải, nơi nhận, các máy biến áp giảm áp được sử dụng để giảm điện áp xuống mức phù hợp với mạng phân phối hay hộ tiêu thụ

1.2.2 Mạng truyền tải và truyền tải phụ

Mục đích của 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 phân phối là nơi cuối cùng cung cấp điện năng cho các hộ tiêu thụ Các đường dây truyền tải cũng nối kết các hệ thống điện lân cận Điều này không những cho phép điều phối kinh tế năng lượng giữa các vùng trong quá trình vận hành bình thường mà còn cho phép chuyển tải năng lượng giữa các vùng trong điều kiện sự cố

Mạng truyền tải có điện áp dây trên 60kV và được tiêu chuẩn hoá là 69kV, 115kV, 138kV, 161kV, 230kV, 345kV, 500kV và 765kV (tiêu chuẩn ANSI) Điện áp truyền tải trên 230kV thường được coi là siêu cao áp

Đường dây truyền tải điện áp cao kết thúc bằng các trạm cao áp (trạm nhận, trạm sơ cấp) Nhiệm vụ của một vài trạm là đóng cắt mạch vào hệ thống và chúng được coi là trạm đóng cắt Tại trạm sơ cấp, điện áp được giảm từ cấp cao đến giá trị phù hợp hơn với phần kế tiếp của hành trình đến tải Các hộ phụ tải có công suất rất lớn có thể được cung cấp từ hệ thống truyền tải Một phần của mạng truyền tải, phần nối trạm cao áp với các máy biến áp của trạm phân phối, được gọi là mạng truyền tải phụ Ở đây không có ranh giới rõ ràng giữa mạng truyền tải và truyền tải phụ Trong thực tế mạng truyền tải phụ có điện áp từ 69kV đến 138kV Một vài hộ tiêu thụ có công suất lớn được cung cấp từ mạng truyền tải phụ Tụ điện và cuộn kháng được lắp đặt phổ biến ở các trạm để điều áp đường dây truyền tải

Loại khác 14%

Thủy điện 7%

Nhiệt điện 79%

Hình 1.15 Tỷ trọng phát điện của thế giới năm 1998

Loại khác 3%

Tuốc bin khí 8%

Hình 1.14 Tỷ trọng phát điện tại Mỹ năm 1998

1.2.3 Mạng phân phối

Mạng phân phối là phần nối kết các trạm phân phối với các hộ tiêu thụ Các đường dây phân phối sơ cấp thường ở cấp điện áp từ 4  34.5kV và cung cấp điện cho một vùng địa lý được xác định trước Một vài phụ tải công nghiệp nhỏ được cung cấp trực tiếp bằng đường dây cáp sơ cấp Mạng phân phối thứ cấp giảm điện áp để sử dụng cho các hộ phụ tải dân dụng và kinh doanh Dây và cáp điện không được vượt quá vài trăm mét chiều dài, sau đó cung cấp năng lượng cho các hộ tiêu thụ riêng biệt 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 pha 4 dây, hay 480/277V ba pha 4 dây Ngày nay, năng lượng cung cấp cho hộ tiêu thụ điển hình được cung cấp từ máy biến áp, giảm điện áp cung cấp xuống 400/240V sử dụng ba pha 4 dây

Mạng phân phối có cả loại đường dây trên không và đường dây cáp Sự tăng trưởng của mạng phân phối ngầm đã nhanh chóng vượt lên và hơn 70% các công trình xây mới ở các nước công nghiệp hoá được cung cấp bằng cáp ngầm

1.2.4 Phụ tải

Phụ tải trong hệ thống năng lượng rất đa dạng và được phân thành nhiều loại dưới các khía cạnh xem xét khác nhau:

a Theo ngành nghề, phụ tải được phân làm phụ tải công nghiệp, kinh doanh và dân dụng

 Phụ tải công nghiệp là dạng tải phức hợp mà tải động cơ cảm ứng chiếm phần lớn

Các phụ tải phức hợp này là hàm của điện áp và tần số và hình thành phần lớn tải của hệ thống Phụ tải công nghiệp có công suất rất lớn có thể được cung cấp từ mạng truyền tải Phụ tải công nghiệp lớn được cung cấp trực tiếp từ mạng truyền tải phụ và phụ tải công nghiệp nhỏ được cung cấp từ mạng phân phối sơ cấp

 Phụ tải kinh doanh và dân dụng bao gồm phần lớn là phụ tải chiếu sáng, nhiệt và

lạnh Các phụ tải này không phụ thuộc vào tần số và tiêu thụ không đáng kể công suất phản kháng

b Theo chế độ làm việc, phụ tải được phân làm phụ tải làm việc dài hạn; ngắn hạn và ngắn hạn lập lại

 Phụ tải làm việc dài hạn là phụ tải không đổi hoặc thay đổi rất ít, các thiết bị có thể

làm việc lâu dài mà nhiệt độ không vượt quá giá trị cho phép, chẳng hạn như :quạt gió, máy bơm, động cơ nén khí ,…

 Phụ tải làm việc ngắn hạn là phụ tải mà trong thời gian làm việc nhiệt độ của thiết

bị chưa đạt đến giá trị cho phép và trong thời gian nghỉ, nhiệt độ của thiết bị đã giảm xuống ngang nhiệt độ của môi trường xung quanh, chẳng hạn như: động cơ truyền động, các cơ cấu phụ của máy cắt kim loại, động cơ đóng mở của van thủy lực …

Hình 1.16 Phân loại phụ tải theo chế độ làm việc

 Phụ tải làm việc ngắn hạn lập lại là phụ tải làm việc lặp đi lặp lại Giai đoạn làm

việc và nghỉ xen kẽ lẫn nhau với thời gian rất ngắn Trong thời gian làm việc, nhiệt độ của thiết bị chưa đạt đến giá trị cho phép và trong thời gian nghỉ chưa giảm đến nhiệt độ môi trường xung quanh, chẳng hạn như: các máy nâng, thiết bị hàn …

c Theo yêu cầu liên tục cung cấp điện, phụ tải được phân làm phụ tải loại 1, loại 2, loại 3

 Phụ tải loại 1 là những hộ phụ tải mà khi ngừng cung cấp điện sẽ gây ra những thiệt

hại lớn về kinh tế, đe dọa tính mạng con người, hoặc ảnh hưởng đến tình hình chính trị Hộ loại 1 phải được thiết kế cung cấp điện với độ tin cậy cao, yêu cầu có nguồn dự phòng, đường dây hai lộ nhằm giảm xác suất mất điện xuống rất nhỏ, thời gian cho phép mất điện là thời gian tự động đóng nguồn dự phòng

 Phụ tải loại 2 là những hộ tiêu thụ tuy có tầm quan trọng lớn nhưng nếu bị ngừng

cung cấp điện chỉ dẫn đến những thiệt hại về kinh tế do ngừng trệ sản xuất, hư hỏng sản phẩm, lãng phí sức lao động Phương án cung cấp điện cho hộ loại 2 có thể có hoặc không có nguồn dự phòng, đường dây đơn hoặc kép Nguồn dự phòng có hay không là kết quả của bài toán so sánh giữa vốn đầu tư phải tăng thêm và giá trị thiệt hại về kinh tế do ngừng cung cấp điện

 Phụ tải loại 3 là những hộ cho phép mất điện trong thời gian sửa chữa, thay thế thiết

bị bị sự cố nhưng thường không quá một ngày đêm Phương án cung cấp điện cho hộ loại 3 có thể dùng một nguồn , đường dây một lộ…

Công suất thực của tải được biểu thị dưới dạng kW hay MW Độ lớn của tải thay đổi theo ngày và công suất phải được cung cấp cho hộ tiêu thụ theo nhu cầu Đồ thị phụ tải ngày của một hộ tiêu thụ là quan hệ của công suất theo thời gian P(t) Đồ thị phụ tải là số liệu rất quan trọng, từ đây có thể xác định :

 Phụ tải cực đại hay phụ tải đỉnh, Pmax

 Phụ tải cực tiểu, Pmin

 Năng lượng điện tiêu thụ trong ngày, Ang

 Thời gian tổn thất công suất cực đại, max

max = f (Tmax, cos)

 Hệ số tải Kt

Kt = Ptb/Pmax = Ang/24

 Hệ số điền kín phụ tải, đk

đk = Ptb/Pmax

 Số ca làm việc trong ngày

 Tính chất hộ tiêu thụ

Một hệ thống năng lượng gọi là hoạt động hiệu quả khi hệ số tải có giá trị cao Ngày nay hệ số tải của hệ thống điển hình vào khoảng 55% đến 70%

1.3 Hệ thống bảo vệ

Ngoài các máy phát điện, các đường dây tải và các máy biến áp, cần có các thiết bị khác để vận hành và bảo vệ hệ thống điện Một vài thiết bị bảo vệ được mắc trực tiếp vào mạch, và được gọi là cơ cấu chuyển mạch Chúng bao gồm máy cắt, cầu dao ngắt mạch, cầu chì và thiết bị chống sét Các thiết bị này cần thiết để ngưng cấp năng lượng cho vận hành bình thường hay khi xuất hiện sự cố Các thiết bị điều khiển và các rơle bảo vệ được lắp đặt trên bảng điều khiển tại các trạm điều khiển

1.4 Trung tâm điều độ hệ thống điện

Để vận hành tin cậy và kinh tế, hệ thống điện cần hiển thị nguyên vẹn hệ thống tại trung tâm điều độ hệ thống điện Trung tâm điều độ hệ thống điện hiện đại ngày nay được trang bị các máy tính trực tuyến đảm bảo sử lý tất cả các tín hiệu thông qua hệ thống thu nhận tín hiệu từ xa Các máy tính vận hành theo cấu trúc phân cấp nhằm phối hợp một cách thích hợp các yêu cầu về chức năng khác nhau trong điều kiện vận hành bình thường cũng như trong điều kiện khẩn cấp Mỗi trung tâm điều độ hệ thống điện có một bảng điều khiển Bảng này bao gồm phần tử hiển thị, bàn phím, đèn báo Các máy tính có thể đưa ra các cảnh báo cho các điều độ viên khi có sự dịch chuyển chế độ hệ thống ra khỏi chế độ bình thường Điều độ viên tiến hành các điều chỉnh và ra quyết định thực hiện chúng với sự giúp đỡ của máy tính Các công cụ mô phỏng và các phần mềm trọn gói, viết với ngôn ngữ lập trình cao, được ứng dụng để vận hành hiệu quả và điều khiển tin cậy hệ thống Đây chính là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition )

1.5 Hệ thống điện Việt Nam

1.5.1 Tình hình đến năm 1999

Theo số liệu thông tin nguồn điện vào 01/2000, tổng công suất lắp đặt của các nhà máy điện của nước ta là 5710MW, công suất khả dụng hơn 5382MW, trong đó thủy điện chiếm 54%; nhiệt điện chiếm 22%; diesel và tuốc bin khí 24% Tổng sản lượng của các nhà máy điện năm 1999 là 23,738 tỷ kWh, trong đó thủy điện 58,7%; nhiệt điện chiếm 22,7%; diesel và tuốc bin khí 18,6% Danh mục các nhà máy, tính đến tháng 06/99 và dự trù phát triển đến năm 2005, được trình bày trong bảng 1.1

Hình 1.17 Quản lý mạng bằng máy vi tính

Tỷ trọng tiêu thụ điện trong năm 1999 như sau:

 Điện công nghiệp: 38,7%

 Điện nông nghiệp: 3,0%

 Điện sinh hoạt: 51.1%

Hình 1 19 Tỷ trọng tiêu thụ điện trong năm 1999 Hình 1.18 Tỷ trọng phát điện trong năm 1999

III Tuốc bin khí 1249 1168

sản xuất Thực hiện 14636 16960 19165 21664 23739 Dự báo 14571 16980 19732 22800 26318 16.1% 13.0%

Đến nay lưới điện quốc gia bao gồm lưới miền Bắc (điển hình là lưới Hà Nội), lưới miền Nam (điển hình là lưới Tp Hồ Chí Minh), lưới miền Trung Các lưới này liên kết với nhau bằng các tuyến dây điện áp 230kV và 500kV Hiện tại lưới điện quốc gia đã phát triển đến tất cả các tỉnh thành trong cả nước với hơn 69% số hộ nông thôn được cung cấp điện Mục tiêu phấn đấu đến năm 2000 đưa điện về100% số huyện và 80% số xã

Tổng hợp khối lượng lưới điện toàn quốc trình bày trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Cấp điện áp Chiều dài đường dây

1.5.2 Dự báo đến năm 2020

Nhu cầu tiêu thụ điện giai đoạn đến năm 2020 được dự báo theo phương pháp đàn hồi giữa nhịp độ tăng trưởng nhu cầu điện năng và tăng trưởng kinh tế (GDP) Theo phương án cơ sở dự báo nhu cầu tiêu thụ điện trình bày trong bảng 1.4

2010 và khoảng 8% vào năm 2020

Các khu vực biên giới, hải đảo, vùng sâu vùng xa nơi màmạng điện quốc gia không vươn tới được sẽ được nghiên cứu cung cấp điện bằng các trạm thủy điện nhỏ, các cụm diesel cỡ nhỏ, dàn pin mặt trời, máy phát điện gió…

Để khắc phục tình trạng không cân đối giữa nguồn và mạng điện, giữa mạng truyền tải và mạng phân phối cần chú trọng và phân bổ thích đáng hơn nữa cho phát triển mạng điện ( theo kinh nghiệm của các nước trên thế giới, tỷ lệ đầu tư giữa nguồn và mạng thường là 50-50, còn tỷ lệ giữa mạng truyền tải và phân phối là 30 – 70 hay 40 - 60)

Khối lượng mạng truyền tải và phân phối dự kiến phát triển trong từng giai đoạn đến năm

2020 trình bày trong bảng 1.5

1.6 Các yêu cầu thiết kế cung cấp điện

Mục tiêu cơ bản của nhiệm vụ thiết kế cung cấp điện là đảm bảo cấp đủ điện năng theo yêu cầu của hộ phụ tải với chất lượng đảm bảo

Một phương án cung cấp điện là hợp lý khi thỏa mãn các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật:

Bảng 1.5

1.6.1 Chỉ tiêu kỹ thuật

Các chỉ tiêu kỹ thuật của một phương án cung cấp điện bao gồm:

 Độ tin cậy cung cấp điện cao theo yêu cầu của loại hộ phụ tải, thể hiện ở trị số nhỏ về thiệt hại kinh tế hàng năm do ngừng cung cấp điện

 Chất lượng điện năng đảm bảo, thể hiện chủ yếu ở độ lệch và độ dao động điện áp

so với điện áp định mức của thiết bị điện, ngoài ra còn thể hiện ở độ ổn định tần số dòng điện

 Tính linh hoạt cao, thể hiện qua tính đơn giản trong vận hành ở trạng thái bình thường cũng như khi có sự cố

 An toàn đối với người vận hành, có liên quan đến cấp điện áp tải điện , phương thức dùng tuyến dây, bố trí lưới điện

 Có xét đến khả năng phát triển phụ tải trong tương lai

1.6.2 Chỉ tiêu kinh tế

Các chỉ tiêu kinh tế của một phương án cung cấp điện bao gồm:

 Vốn đầu tư nhỏ bao gồm vốn xây dựng cơ bản và vốn thiết bị

 Phí tổn vận hành hàng năm thấp: chỉ tiêu này phụ thuộc nhiều vào loại nguồn điện được sử dụng (thủy điện, nhiệt điện, điện diesel) Ngoài ra còn phụ thuộc vào khoản khấu hao thiết bị, tu sửa định kỳ, trả lương và tiền phí tổn do tổn thất điện năng trong lưới điện

 Chi phí tính toán hàng năm thấp: chỉ tiêu này thể hiện chi phí vốn đầu tư và chi phí vận hành được qui về từng năm trong suốt thời gian hoàn vốn

Những chỉ tiêu trên đây thường mâu thuẫn nhau, chẳng hạn một phương án có độ tin cậy cao thường phải có vốn đầu tư và phí tổn vận hành hàng năm lớn …Tuy nhiên, phương án hợp lý phải được lựa chọn trên quan điểm thỏa hiệp giữa các chỉ tiêu, tùy thuộc giai đoạn và hoàn cảnh cụ thể

1.7 Các bước thiết kế hệ thống cung cấp điện

Bản thiết kế cung cấp điện thường được thực hiện theo các bước chủ yếu sau :

 Lập dự án khả thi về vốn đầu tư, phương án kỹ thuật sơ bộ, các giai đoạn triển khai,…

 Xác định nhu cầu điện của phụ tải và chọn phương thức cung cấp điện

 Xác định phương án nguồn điện : vị trí, công suất, loại nguồn ( nhà máy điện riêng hoặc từ cấp điện từ hệ thống quốc gia)

 Cân bằng công suất tác dụng và phản kháng

 Lựa chọn cấp điện áp truyền tải và phân phối

 Vạch các phương án nối dây khả thi

 Giải bài toán phân bố công suất

 Lựa chọn tiết diện dây

 Sơ bộ so sánh các phương án về mặt kinh tế

 Loại bỏ các phương án có chỉ tiêu kỹ thuật thấp

 Tính toán lựa chọn chi tiết các thiết bị động lực

 So sánh chi tiết các phương án về mặt kinh tế

 Chọn phương án có chỉ tiêu kinh tế cao và thoả các chỉ tiêu kỹ thuật

 Thiết kế kỹ thuật chi tiết bao gồm cả các hạng mục đi kèm như : hệ thống đo lường, bảo vệ rơle, chống sét, nối đất,…

 Xác định các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật

 Thiết kế thi công và lập dự toán công trình

1.8 Phương hướng nghiên cứu và phát triển

Ngành điện lực là ngành công nghiệp kỹ thuật cao, qui mô hệ thống cung cấp điện ngày càng lớn và phức tạp, vấn đề phát triển và vận hành tối ưu nguồn điện, mạng điện, yêu cầu cung cấp điện theo nhu cầu của phụ tải với độ tin cậy và chất lượng cao luôn đặt ra cho ngành điện lực ngoài các hướng nghiên cứu truyền thống như : tối ưu hoá qui hoạch và vận hành, đánh giá trạng thái hệ thống, đánh giá độ tin cậy, nâng cao chất lượng điện năng,….còn cần có các hướng nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ tiên tiến nhất, cụ thể như sau:

 Ứng dụng tự động thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD) và hệ chuyên gia trong lãnh vực thiết kế mạng điện

 Ứng dụng lý thuyết nhận dạng, mạng neuron, hệ chuyên gia mờ, điều khiển mờ trong lãnh vực vận hành, nhận dạng và xử lý sự cố trong hệ thống điện

 Ứng dụng các hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, hệ thống tự động đo lường (AMR) trong điều khiển và quản lý hệ thống

 Ứng dụng các thành tựu của công nghiệp điện tử trong việc sản xuất và sử dụng các thế hệ rơ le điện tử, các máy cắt có cơ cấu nhả điện tử (Electronic Trip), máy cắt thông minh ( Intelligent Circuit Breaker),…

 Ứng dụng các thành tựu của công nghệ thông tin để xây dựng các mô hình toán học đủ mạnh, có mức tiện ích cao phục vụ công tác thiết kế và mô phỏng các hành vi của hệ thống điện trong các điều kiện làm việc khác nhau

 Điều khiển hệ thống điện trong thời gian thực trên cơ sở các thành tựu của công nghệ thông tin, công nghệ truyền thông và công nghệ điện tử

 Quản lý mạng bằng máy vi tính thông qua các phần mềm quản lý dữ liệu kết hợp với thông tin địa dư (MapInfo)

CHƯƠNG II

ĐÁNH GIÁ KINH TẾ KỸ THUẬT TRONG THIẾT KẾ

CUNG CẤP ĐIỆN

2.1 Khái niệm chung

Các phương án phát triển nguồn và lưới điện luôn đi đôi với sự phát triển liên tục của phụ tải Một phương án được coi là hợp lý phải thỏa mãn cáùc yêu cầu kỹ thuật đã đề ra, lại vừa thấp về vốn đầu tư và chi phí vận hành Thông thường tồn tại mâu thuẩn giữa các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật, cho nên tính toán chỉ mới là căn cứ quan trọng chứ chưa phải là quyết định cuối cùng Để lựa chọn phương án cung cấp điện cần phải cân nhắc nhiều mặt khác nhau như: đường lối, tốc độ và quy mô phát triển kinh tế, khả năng huy động vốn, tình hình cung cấp thiết bị vật tư, trình độ quản lý thi công và vận hành

2.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật của phương án cung cấp điện

Các chỉ tiêu kỹ thuật của một phương án cung cấp điện bao gồm:

2.2.1 Chất lượng điện năng

Đảm bảo chất lượng điện năng trong đánh giá kỹ thuật là chủ yếu đảm bảo độ lệch, độ dao động điện áp và tần số nằm trong phạm vi giá trị cho phép so với định mức

1 Chất lượng tần số

Chất lượng tần số được đánh giá bằng:

a Độ lệch tần số là hiệu trung bình trong vòng 10 phút giữa trị số thực tế của tần số cơ bản

với giá trị danh định của nó:

Độ lệch tần số cho phép  fcp theo tiêu chuẩn GOCT-13109-87 là  0,2Hz, theo tiêu chuẩn

Việt Nam và Singapor là  0,5 Hz

b Độ dao động tần số là hiệu số giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tần số cơ bản khi tốc độ

thay đổi của tần số lớn hơn 0,2 Hz trong một giây

Độ dao động tần số cho phép không được vượt quá 0,2 Hz

Hiện nay, để giữ độ dao động tần số trong hệ thống điện, thường sử dụng thiết bị tự động sa thải phụ tải khi xuất hiện sự cố theo tần số

2 Chất lượng điện áp

Chất lượng điện áp bao gồm:

a Độ lệch điện áp là hiệu giữa trị số thực tế của điện áp U với giá trị danh định Uđm phát sinh khi thay đổi chế độ làm việc tương đối chậm (dưới 1% trong một giây):

Thường độ lệch điện áp được biểu diễn dưới dạng tương đối: