đồ án lưới điện thiết kế hệ thống lưới điện

111Equation Chapter 1 Section 1 PHẦN MỞ ĐẦUĐiện năng là một nguồn năng lượng quan trọng của hệ thống năng lượng quốc gia, nó được sử dụng rộng rãi trên hầu hết các lĩnh vực như: sản xuất

111Equation Chapter 1 Section 1 PHẦN MỞ ĐẦUĐiện năng là một nguồn năng lượng quan trọng của hệ thống năng lượng quốc gia, nó được sử dụng rộng rãi trên hầu hết các lĩnh vực như: sản xuất kinh

tế, đời sống sinh hoạt, nghiên cứu khoa học…

Hiện nay nước ta đang phát triển theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nên nhu cầu về điện năng đòi hỏi ngày càng cao về số lượng cũng như chất lượng Để đáp ứng được về số lượng thì ngành điện nói chung phải có kế hoạch tìm và khai thác tốt các nguồn năng lượng có thể biến đổi chúng thành điện năng.Mặt khác, để đảm bảo về chất lượng có điện năng cần phải xây dựng hệ thống truyền tải, phân phối điện năng hiện đại, có phương thức vận hành tối ưu nhất đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật cũng như kinh tế Xuất phát từ điều đó, bên cạnh những kiến thức giảng dạy trên giảng đường, mỗi sinh viên ngành Hệ thống điện đều được giao đồ án môn học về thiết kế điện cho mạng điện khu vực Quá trình thực hiện đồ án giúp chúng ta hiểu biết tổng quan nhất về mạng lưới điện khu vực, hiểu biết hơn về những nguyên tắc chủ yếu để xây dựng hệ thống điện như xác định hướng và các thông số của các đường dây, chọn hệ thống điện áp cho mạng điện chính…những nguyên tắc tổ chức và điều khiển

hệ thống, tổng vốn đầu tư và các nguồn nguyên vật liệu để phát triển năng lượng …

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS-TS Phạm Văn Hòa, cùng toàn thể các thầy cô trong khoa Hệ thống Điện đã tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành bản đồ án

Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2011 Sinh viên

Đinh Thị Kiều Oanh

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC LƯỚI ĐIỆN

Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho một nhóm gồm sáu phụ tải, nguồn điện

là nguồn công suất vô cùng lớn

Sơ đồ mặt bằng vị trí nguồn điện và các phụ tải:

Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

-Tính toán cân bằng công suất, xây dựng phương án

-Tính toán kinh tế kỹ thuật, chọn phương án tối ưu

-Chọn máy biến áp và sơ đồ nói điện chính

-Tính toán chế độ xác lập lưới điện

-Tính toán lựa chọn đầu phân áp

-Tính toán các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật

Các số liệu phụ tải:

Trong đó: Điện áp trên thanh cái của nguồn điện khi phụ tải cực đại, khi sự

cố nặng nề là: UA=1,1Udm ; khi phụ tải cực tiểu là UA=1,05Udm

Phụ tải cực tiểu bằng 70% phụ tải cực đại

Thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax=5000 giờ

Giá 1 kWh điện năng tổn thất: 700 đ/kWh

Giá 1 kVAR thiết bị bù: 150 đ/ kVAR

Hệ số dồng thời m=1; Jkt=1,1A/mm2

THIẾT KẾ MẠNG LƯỚI ĐIỆN

**************************************

CHƯƠNG 1 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG CÔNG SUẤT, XÂY DỰNG PHƯƠNG

ÁN

1.1 Phân tích nguồn và phụ tải

Việc quyết định sơ đồ nối dây của mạng điện cũng như là phương thức vận hành của nhà máy điện hoàn toàn phụ thuộc vào vị trí và tính chất của nguồn cung cấp điện Nguồn cung cấp điện cho các hộ phụ tải ở đây là một nguồn có công suất vô cùng lớn, hệ số công suất của nguồn là cos=0,85

Tổng công suất tính toán của phụ tải được tính trong bảng sau, với

Trong sáu phụ tải này, có bốn phụ tải loại I (các phụ tải 1,3,4,6), là những phụ tải quan trọng, cần được cấp điện liên tục trong mọi trường hợp, vì nếu mất điện thì sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng về kinh tế, chính trị… Còn lại hai phụ tải loại hai(phụ tải 2 và 5) có mức yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện thấp hơn, vì không gây thiệt hại lớn khi mất điện.

Chú ý: Các phụ tải loại 1 thì được cấp bằng đượng dây đôi hoặc mạch vòng.

Các phụ tải loại 2 thi được cấp bằng dây đơn

1.2 Tính toán cân bằng công suất.

1.2.2: Cân bằng công suất tác dụng.

- Đặc điểm quan trọng của hệ thống điện là phải truyền tải điện năng từ nguồn cung cấp tới nơi tiêu thụ một cách tức thời, mà không thể tích trữ điện nặng thành số lượng thấy được Tính chất này đặc trưng cho sự đồng bộ hóa của quá trình sản xuất và tiêu thụ điện năng

- Tại mỗi thời điểm trong chế độ xác lập của hệ thống, các nhà máy điện của

hệ thống cần phải phát ra công suất bằng với công suất tiêu thụ của các hộ thiêu thụ, kể cả tổn thất trong các mạng điện, nghĩa là cần phải thực hiện đúng sự cân bằng giữa công suất phát và công suất tiêu thụ

- Ngoài ra để đảm bảo cho hệ thống vận hành được bình thường, cần phải có

dự trữ nhất định của công suất tác dụng trong hệ thống Dự trữ trong hệ thống điện là một vấn đề quan trọng, liên quan đến vận hành cũng như sự phát triển của hệ thống

P

Trong đó:

M là hệ số đồng thời (M=1)

- Sản xuất và tiêu thụ điện năng bằng dòng điện xoay chiều đòi hỏi sự cân bằng giữa điện năng sản xuất ra và điện năng tiêu thụ tại mỗi thời điểm Sự cân bằng không chỉ đòi hỏi với công suất tác dụng mà còn đối với công suất phản kháng.

- Sự cân bằng công suất phản kháng có quan hệ với điện áp Phá hoại sự cânbằng công suất phản kháng sẽ dẫn tới thay đổi điện áp trong mạng điện Nếu công suất phản kháng phát ra lớn hơn công suất phản kháng tiêu thụ thị điện áp

sẽ tăng và ngược lại.Vì vậy để đảm bảo chất lượng cần thiết của điện áp ở các

hộ tiêu thụ trong mạng điện và trong hệ thống điện cần tiến hành sơ bộ cân bằngcông suất phản kháng

= m

pt

Q

∑+15% m

pt

Q

∑ =

⇒ Q BuΣ

= 13,32(MWA), như vậy ta phải bù cho các phụ tải, thoả mãn điều

kiện : 0.85<Cosϕmoi

< 0.95.

- Ta tiến hành bù cho phụ tải số: 3;4;5;

Bù vào phụ tải 3 là 3,54 MVAr

Bù vào phụ tải 4 là 6,14 MVAr

-Công suất sau khi bù là:

- Để thực hiện yêu cầu về độ tin cậy cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ loại I,cần đảm bảo dự phòng 100% trong mạng điện, đồng thời dự phòng đóng tự động Vì vậy để cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ loại I có thể sử dụng đường dây hai mạch hoặc mạch vòng

Trong sơ đồ một cạnh ô vuông nhỏ tương ứng 10km ngoài thực địa

Sơ đồ mạch điện phương án I.

Sơ đồ mạch điện phương án III.

Sơ đồ mạch điện phương án IV.

Sơ đồ mạch điện phương án V.

Ưu, nhược điểm của các sơ đồ đi dây:

• Sơ đồ hình tia: Đơn giản về sơ đồ đi dây, bố trí thiết bị đơn giản, các phụ tải không liên quan tới nhau cho nên khi sự cố trên 1 đường dây thì không ảnh hưởng đến các đường dây khác

Nhưng sơ đồ hình tia có nhược điểm là: khảo sát, thiết kế và thi công mất nhiều thời gian và tốn nhiều chi phí

• Sơ đồ liên thông: Thiết kế và khảo sát giảm nhiều so với sơ đồ hình tia, thiết bị và dây dẫn có chi phí giảm

Tuy vậy nó có nhược điểm là cần thêm trạm trung gian, bố trí thiết bị đòi hỏi bảo vệ rơle, thiết bị tự động hóa phức tạp hơn, độ tin cậy thấp hơn sơ đồ hình tia

• Mạng kín có ưu điểm độ tin cậy cao, khả năng vận hành lưới linh hoạt, tổnthất ở chế độ bình thường thấp

Nhưng nó có nhược điểm là bố trí bảo vệ rơle và tự động hóa phức tạp, khi xảy ra sự cố tổn thất lưới cao, nhất là ở nguồn có chiều dài dây cấp điện lớn Dựa vào các ưu nhược điểm của các sơ đồ đi dây như trên, ta chọn ra

phương án 1 và phương án 4 để tính toán tiếp

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN KINH TẾ KỸ THUẬT, CHỌN

PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU (TIẾN HÀNH CHO TỪNG PHƯƠNG ÁN)

PHƯƠNG ÁN 1

2.1 Tính toán công suất sơ bộ, chọn cấp điện áp

2.1.1 Tính toán công suất sơ bộ:

a

k Trong đó :

Uđmi : Điện áp định mức của đoạn dây thứ i, kV

Li : Chiều dài đoạn dây thứ i, km

Pi : Công suất truyền tải trên đoạn dây thứ i, MW

A : Số lộ đường dây

Đối với dây kép a= 2 :

Điện áp trên đoạn nguồn 1

Đối với dây đơn a= 1 :

Điện áp trên đoạn nguồn 2

Đường dây L (km) Pmax+j.Qmax(MVA) Uđmi (kV) Uđm (kV)

Dựa vào kết quả trên ta chọn điện áp cho toán lưới là 110 kV.

Do các phương án khác có cấu trúc lưới tương tự cho nên ta có thể dùng cấp điện áp này tính toán cho các phương án đó

2.2 Chọn tiết diện dây dẫn (theo từng nhánh).

2.2.1 Chọn tiết diện dây dẫn theo mật độ dòng kinh tế

Các mạng 110 kV được thực hiện chủ yếu bằng đường dây trên không Các dây dẫn sử dụng chủ yếu là dây nhôm lõi thép (AC) đồng thời các dây dẫn được đặt trên cột bê tông ly tâm hoặc trên cột thép tùy theo địa hình đường dây chạy qua, khoảng cách trung bình hình học giữa các pha là Dtb = 5m Đối với mạng điện khu vực, các tiết diện dây dẫn được chọn theo mật độ kinh tế của dòng điện Nghĩa là:

2 max tt kt

Ibt - Dòng điện chạy trên dây dẫn ở chế độ phụ tải cực đại (A)

Jkt - Mật độ kinh tế của dòng điện (A/mm2)

Mật độ kinh tế của dòng điện là giá trị dòng mà 1mm2 dây dẫn mang tải sẽ đem lại chi phí tính toán là nhỏ nhất Mật độ kinh tế phụ thuộc vào vật liệu chế tạo dây dẫn, thời gian chế độ phụ tải cực đại… Đối với dây AC ở trên ta cho thời gian Tmax = 5000h thì ta tìm được giá trị Jkt là 1,1 A/mm2

Dòng điện chạy trên đường dây ở chế độ phụ tải cực đại được xác định theo công thức:

3 max

S.10

n 3U

=

I : Dòng điện chạy trên đường dây trong chế độ phụ tải cực đại, A Jkt : Mật độ kinh tế của dòng điện, A/mm2

A Tiết diện của dây dẫn

FN – 1 =

1 220,75

1182, 4 1,1

N kt

I J

mm2Vậy ta chọn dây dẫn trên nhánh N-1 là: AC-185

Dòng chạy trên đường dây nguồn 2 bằng:

FN1– 2 =

1 2 154,36

140,33 1,1

kt

I J

mm2 Vậy ta chọn dây dẫn trên nhánh 1-2 là: AC-150

Tính toán đối với các đường dây còn lại được tiến hành tương tự như đối với đường dây Nguồn -1, N- 2

Bảng 4.2 Chọn tiết diện theo mật độ dòng điện kinh tế

2.2.2 Kiểm tra điều kiện phát nóng, dòng khi có sự cố và tổn thất điện áp trên các nhánh.

1) Kiểm tra điều kiện vầng quang :

Tổn thất vầng quang đối với dây 110kV điều kiện vầng quang là

max

I ≤ k k I

Trong đó: : dòng điện cưỡng bức lớn nhất

k1= 0,88 hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ

k2 =1 hệ số xét sự đặt gần nhau của dây dẫn

1) Kiểm tra điều kiện phát nóng

* Tính tổn thất điện áp trong chế độ bình thường

+ Tính tổn thất điện áp max cho lưới điện hình tia: tính ∆U từ nguồn đến tất cả các nút phụ tải

Trong đó:

∆Ui% : Tổn thất điện áp từ nguồn đến nút i

Pj : Công suất tác dụng chạy trên đường dây thứ j , MW

Qj : Công suất phản kháng chạy trên đường dây thứ j , MVAr

Ri : Điện trở của đường dây thứ j , Ω

Xj : Điện kháng của đường dây thứ j , Ω

Uđm : Điện áp định mức của mạng điện , ( 110kV)

Đứt một mạch trên đường dây kép:

Đoạn N-1: ∆UscN-1% = 2.∆UbtN-1% = 2.1,71% = 6,84%

Đoạn N-3: ∆UscN-3% = 2.∆UbtN-3% = 2.3,54 % = 7,08%

Đoạn N-4: ∆UscN-4% = 2.∆UbtN-4% = 2.3,41 % = 6,82%

Đoạn N-6: ∆UscN-6% = 2.∆UbtN-6% = 2.3,55% = 7,1%

Kết quả tính tổn thất điện áp trên các đường dây cho trong bảng sau:

Bảng 4.5 Tổn thất điện áp trên các đường dây

Từ các kết quả trong bảng trên nhận thấy rằng, tổn thất điện áp lớn nhất trong chế độ vận hành bình thường bằng:

∆Umax bt % = ∆UbtN-5 % = 4,16% < 10%

Tổn thất điện áp lớn nhất trong chế độ sau sự cố bằng:

∆Umax sc % = ∆UscN-3 % = 7,1% < 14%

Kết luận: Phương án 1 thoả mãn yêu cầu về kỹ thuật.

Để thuận tiện, trong mỗi phương án còn lại chỉ trình bày phương pháp xác định các thông số chế độ đối với những trường hợp đặc biệt có trong sơ đồ mạng điện

Tính tổn thất công suất, tổn thất điện năng

∆PΣ = ∆PN-1 + ∆PN-2 + ∆PN-3 + ∆PN-4 + ∆PN-5 + ∆PN-6 = 5,407 MWThời gian tổn thất công suất cực đại

τ = (0,124 + Tmax.10-4)2.8760 = 3410,9 h

∆A = ∆PΣ.τ = 5,407 3410,9 = 18442,74 MWh

PHƯƠNG ÁN 4

2.3 Tính toán phân bố công suất sơ bộ,chọn cấp điện áp

2.3.1 Phân bố công suất sơ bộ

41,23 50 40 42,71 j21,08(MVA)

P

a

kV Trong đó :

Uđmi : Điện áp định mức của đoạn dây thứ i, kV

Li : Chiều dài đoạn dây thứ i, km

Pi : Công suất truyền tải trên đoạn dây thứ i, MW

A : Số lộ đường dây

Đối với dây kép a= 2 :

Điện áp trên đoạn nguồn 1

Đối với dây đơn a= 1 :

Điện áp trên đoạn nguồn 2

12 12 12

U = 4,34 L + 16.P = 4,34 31,62 16.25 90,17 kV; + =

Tương tự ta có điện áp đối vơi các đoạn khác

Đường dây L (km) Pmax+j.Qmax(MVA) Uđmi (kV) Uđm (kV)

Dựa vào kết quả trên ta chọn điện áp cho toán lưới là 110 kV

2.4 Chọn tiết diện dây dẫn (theo từng nhánh).

2.2.1 Chọn tiết diện dây dẫn theo mật độ dòng kinh tế

Các mạng 110 kV được thực hiện chủ yếu bằng đường dây trên không

Các dây dẫn sử dụng chủ yếu là dây nhôm lõi thép (AC) đồng thời các dây dẫn được đặt trên cột bê tông ly tâm hoặc trên cột thép tùy theo địa hình đường dây chạy qua, khoảng cách trung bình hình học giữa các pha là Dtb = 5m Đối với mạng điện khu vực, các tiết diện dây dẫn được chọn theo mật độ kinh tế của dòng điện Nghĩa là:

2 max tt kt

Ibt - Dòng điện chạy trên dây dẫn ở chế độ phụ tải cực đại (A)

Jkt - Mật độ kinh tế của dòng điện (A/mm2)

Mật độ kinh tế của dòng điện là giá trị dòng mà 1mm2 dây dẫn mang tải sẽ đem lại chi phí tính toán là nhỏ nhất Mật độ kinh tế phụ thuộc vào vật liệu chế tạo dây dẫn, thời gian chế độ phụ tải cực đại… Đối với dây AC ở trên ta cho thời gian Tmax = 5000h thì ta tìm được giá trị Jkt là 1,1 A/mm2

Dòng điện chạy trên đường dây ở chế độ phụ tải cực đại được xác định theo công thức:

3 max

S - Công suất chạy trên đường dây khi phụ tải cực đại (MVA)

Udm - Điện áp định mức của mạng điện (kV)

Khi đó:

2 max tt kt

I

J

=

Jkt : Mật độ kinh tế của dòng điện, A/mm2

A Tiết diện của dây dẫn

FN – 1 =

1 220,75

1182, 4 1,1

N kt

I J

mm2 Vậy ta chọn dây dẫn trên nhánh N-1 là: AC-185

Dòng chạy trên đường dây nguồn 2 bằng:

A Tiết diện của dây dẫn

FN1– 2 =

1 2 154,36

140,33 1,1

kt

I J

mm2 Vậy ta chọn dây dẫn trên nhánh 1-2 là: AC-150

Tính toán đối với các đường dây còn lại được tiến hành tương tự như đối với đường dây Nguồn -1, N- 2

Bảng 4.2 Chọn tiết diện theo mật độ dòng điện kinh tế

2.4.2 Kiểm tra điều kiện phát nóng, dòng khi có sự cố và tổn thất điện áp trên các nhánh.

1) Kiểm tra điều kiện vầng quang :

Tổn thất vầng quang đối với dây 110kV điều kiện vầng quang là

max

I ≤ k k I

Trong đó: : dòng điện cưỡng bức lớn nhất

k1= 0,88 hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ

k2 =1 hệ số xét sự đặt gần nhau của dây dẫn

Kiểm tra điều kiện phát nóng

ISC3 4− =262,65A

Cụm N-5: Khi sự cố ngừng một đường dây trên nhánh N-6:

IscN-6 = 2ImaxN-6 = 216,12 A > IcpN-6 = 330 A;

4) Tổn thất điện áp trên nhánh

* Tính tổn thất điện áp trong chế độ bình thường

+ Tính tổn thất điện áp max cho lưới điện hình tia: tính ∆U từ nguồn đến tất cả các nút phụ tải

+

Trong đó:

∆Ui% : Tổn thất điện áp từ nguồn đến nút i

Pj : Công suất tác dụng chạy trên đường dây thứ j , MW

Qj : Công suất phản kháng chạy trên đường dây thứ j , MVAr

Ri : Điện trở của đường dây thứ j , Ω

Xj : Điện kháng của đường dây thứ j , Ω

Uđm : Điện áp định mức của mạng điện , ( 110kV)

* Tính tổn thất điện áp trong chế độ sự cố:

+ Đối với đường dây cấp điện cho một phụ tải : sự cố đứt một đường dây trong đường dây kép, tổn thất điện áp sự cố bằng tổn thất điện áp nhân đôi:

∆Usc% = 2×∆Ubt%

Đứt một mạch trên đường dây kép:

Đoạn N-1: ∆UscN-1% = 2.∆UbtN-1% = 2.3,41% = 6,82%

Đoạn N-6: ∆UscN-6% = 2.∆UbtN-6% = 2.3,55% = 7,1%

Kết quả tính tổn thất điện áp trên các đường dây cho trong bảng sau:

Bảng 4.5 Tổn thất điện áp trên các đường dây

Từ các kết quả trong bảng trên nhận thấy rằng, tổn thất điện áp lớn nhất trong chế độ vận hành bình thường bằng:

∆Umax bt % = ∆UbtN-5 % = 5% < 10%

Tổn thất điện áp lớn nhất trong chế độ sau sự cố bằng:

∆Umax sc % = ∆UscN-3 % = 7,1% < 14%

Kết luận: Phương án 4 thoả mãn yêu cầu về kỹ thuật.

Để thuận tiện, trong mỗi phương án còn lại chỉ trình bày phương pháp xác định các thông số chế độ đối với những trường hợp đặc biệt có trong sơ đồ mạng điện

Tính tổn thất công suất, tổn thất điện năng

∆P = ∆PN-1 + ∆PN-2 + ∆PN-3 + ∆PN-4 + ∆PN-5 + ∆PN-6 = 5,182 MW