Thiết kế cung cấp điện cho tòa nhà 6 lầu trường đại học kỹ thuật – công nghệ cần thơ

Thiết kế cung cấp điện cho tòa nhà 6 lầu trường đại học kỹ thuật – công nghệ cần thơ

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ CẦN THƠ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN CUNG CẤP ĐIỆN THIẾT KẾ CUNG CẤP ĐIỆN CHO TÒA NHÀ 6 LẦU TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ

Giảng viên hướng dẫn: Ths NGUYỄN VĂN KHẤN

Nhóm sinh viên thực hiện: 1 PHẠM HUỲNH THIÊN PHÚ

PHỤ LỤC

LỜI CẢM ƠN 5

PHẦN A: LÝ THUYẾT 6

I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THIẾT KẾ 6

II GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN PHỤ TẢI 6

1 Xác định phụ tải tính toán theo suất tiêu hao điện năng trên đơn vị sản phẩm 7

2 Xác định phụ tải tính toán theo công suất phụ tải trên một đơn vị sản phẩm 7

III PHƯƠNG ÁN CHỌN MÁY BIẾN ÁP 9

1 Chọn số lượng MBA 9

2 Chọn dung lượng MBA 10

IV CHỌN DÂY DẪN, CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ VÀ ĐO LƯỜNG 15

1 Phương pháp lựa chọn tiết diện dây dẫn và cáp 15

2 Cách chọn dây trung tính (N), dây bảo vệ (PE) và chiều dài tối đa của cáp 23

V TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 24

1 Phương pháp giải tích 25

2 Phương pháp đường cong tính toán: 31

VI TÍNH TOÁN TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN ÁP 35

1 Khái niệm 35

2 Tổn thất công suất trên đường dây và trong máy biến áp 35

3 Tổn thất điện áp trên đường dây 37

VII BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 39

1 Khái niệm : 39

2 Tính công suất phản kháng cần bù 39

3 Biện pháp nâng cao hệ số công suất phản kháng 39

4 Các phương thức bù công suất phản kháng bằng tụ bù 41

VIII TÍNH TOÁN CHỐNG SÉT VÀ NỐI ĐẤT 41

1 Khái niệm 41

2 Cách thực hiện và tính toán 43

3 Tính toán chống sét 48

IX THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG 50

1 Ánh sáng 50

2 Các đại lượng đo ánh sáng 51

3 Nguồn sáng 52

4 Bộ đèn 53

5 Thiết kế chiếu sáng: 54

PHẦN B: TÍNH TOÁN KẾT QUẢ Ở PHẦN A 55

I XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT PHỤ TẢI TÍNH TOÁN 55

1) Tầng trệt 55

2) Tầng 1 56

3) Các tầng 2,3,4,5 58

4) Tầng 6 58

5) Thang máy 60

6) Tổng công suất phụ tải tính toán toàn tòa nhà 60

II CHỌN PHƯƠNG ÁN CUNG CẤP ĐIỆN CHO TRƯỜNG HỌC 60

III LỰA CHỌN PHẦN TỬ CUNG CẤP ĐIỆN 61

1) Chọn máy biến áp 61

2) Chọn máy phát điện dự phòng 62

3) CB tổng 64

4) Thanh cái 65

5) CB nhánh 65

6) Dây dẫn trong hệ thống điện 67

IV TỔN THẤT CÔNG SUẤT MÁY BIẾN ÁP 79

V TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 79

VI BÙ CÔNG SUẤT 80

VII THIẾT KẾ CHIỀU SÁNG 80

1) Tầng trệt, 1, 2, 3, 4, 5 80

2) Tầng 6 89

3) Hành lang 95

VIII THIẾT KẾ CỌC NỐI ĐẤT 96

IX SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT 100

X THIẾT KẾ CHỐNG SÉT 101

1 Thiết kế cột thu sét 101

2 Thiết kế nối đất chống sét 103

XI HOẠCH TOÁN CHI PHÍ 104

LỜI CẢM ƠN

Được sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn Ths NGUYỄN VĂN KHẤN nhóm chúng tôi

đã thực hiện đề tài “THIẾT KẾ CUNG CẤP ĐIỆN CHO DÃY 6 LẦU TRƯỜNG ĐẠI

HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ”

Để hoàn thành đồ án này, chúng tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện

Xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Ths NGUYỄN VĂN KHẤN đã tận tình, chu đáo hướng dẫn tôi thực hiện đồ án này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất Song do buổi đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp cận với việc tự tìm hiểu làm một

đồ án cũng như hạn chế về kiến thức cũng như kinh nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân chưa biết được Chúng tôi rất mong nhận được sự góp

ý của thầy

Tôi xin chân thành cảm ơn!

CẦN THƠ 01/2016

PHẦN A: LÝ THUYẾT

I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THIẾT KẾ

Sơ đồ tổng quan các phòng của công trình 1 trệt 6 lầu ĐH KT – CN CẦN THƠ

Khối phòng học và thực hành thí nghiệm quy mô 1 trệt 6 lầu, với tổng mức kinh phí đầu

tư 50 tỷ đồng, tọa lạc trên 256 Nguyễn Văn Cừ, Quận Ninh Kiều, TP Cần Thơ Công trình bao gồm 15 phòng học sức chứa khoảng 80 sinh viên/ 1 phòng, 3 phòng thí nghiệm,

1 phòng chuyên đề và 1 Giảng đường sức chứa khoảng 250 sinh viên Ngoài ra công trình còn có hệ thống thang máy từ tầng trệt đến lầu 6 và ở mỗi tầng đều có nhà vệ sinh riêng

II GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN PHỤ TẢI

Phụ tải tính toán là phụ tải giả thiết không đổi lâu dài của các phần tử trong hệ thống (máy biến áp, đường dây…), tương đương với phụ tải thực tế biến đổi theo điều kiện tác dụng nhiệt nặng nề nhất

Nói cách khác, phụ tải tính toán cũng làm nóng dây dẫn lên tới nhiệt độ bằng nhiệt độ lớn nhất do phụ tải gây ra

Mục đích của việc tính toán phụ tải nhằm:

+ Chọn tiết diện dây dẫn của lưới cung cấp và phân phối điện áp dưới 1000V trở lên

+ Chọn số lượng và công suất máy biến áp của trạm biến áp

+ Chọn tiết diện thanh dẫn của thiết bị phân phối

+ Chọn các thiết bị chuyển mạch và bảo vệ

Có rất nhiều phương pháp xác định phụ tải tính toán nhưng đa phần ta sử dụng 4 cách tính toán cơ bản sau

1 Xác định phụ tải tính toán theo suất tiêu hao điện năng trên đơn vị sản phẩm

+ Đối với các hộ tiêu thụ có đồ thị phụ tải thay đổi hoặc ít thay đổi, phụ tải tính toán lấy bằng giá trị trung bình của cả phụ tải lớn nhất đó Hệ số đóng điện của các hộ tiêu thụ điện này lấy bằng 1, còn hệ số phụ tải thay đổi rất ít

+ Đối với các hộ tiêu thụ có đồ thị phụ tải thực tế không thay đổi, phụ tải tính toán bằng phụ tải trung bình và được xác định theo suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm Khi cho trước tổng sản phẩm sản xuất trong một đơn vị thời gian

Ptt = Pca.Wo/Tca Trong đó:

Mca: số lượng sản phẩm sản xuất trong một ca

Tca: thời gian của ca phụ tải lớn nhất

Wo: công suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm

Khi biết Wo và tổng sản phẩm sản xuất trong cả năm của phân xưởng hay xí nghiệp, phụ tải tính toán sẽ là: Ptt = M Wo/Tmax

Tmax: thời gian sử dụng công suất lớn nhất

2 Xác định phụ tải tính toán theo công suất phụ tải trên một đơn vị sản phẩm

Ptt = Po.F

Trong đó:

F: diện tích bố trí nhóm tiêu thụ

Po: công xuất phụ tải trên một đơn vị sản xuất lá m2,kw/m2 Suất phụ tải phụ thuộc vào dạng sản xuất và được phân tích theo số liệu thống kê

3 Xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt và hệ số nhu cầu

Phụ tải tính toán của nhóm thiết bị làm việc được tính theo biểu thức:

cosφtb= P1cosφ1 + P2cosφ2 + ….+ PNcosφn / P1+P2+…+ Pn

Phụ tải tính toán ở điểm mút của hệ thống cung cấp điện được xác định bằng tổng phụ tải tính toán của nhóm thiết bị nói đến lúc này có kể đến hệ số đồng thời được tính như sau: Stt = Kđt √[(∑ Ptt)2+ (∑ Qtt)2

Trong đó: Ptt: tổng phụ tải tác dụng của nhóm thiết bị

Qtt: tổng phụ tải phản kháng tính toán của các nhóm thiết bị

Kđt : hệ số đồng thời, nó nằm trong giới hạn 0.85

-Ưu điểm:đơn giản tính toán thuận lợi, nên nó là phương pháp thường dùng

-Nhược điểm: phương pháp này kém chính xác vì kiểm tra ở sổ tay

Phương pháp xác định phụ tải tính toán theo hệ số cực đại kmax và công suất trung bình ptb ( còn gọi là phương pháp số thiết bị hiệu quả hay phương pháp sắp sếp biểu đồ ) Khi cần nâng cao độ chính xác của phụ tải tính toán hoặc không có số liệu cần thiết để áp dụng các phương pháp tương đối đơn giản đã nêu ở trên thì ta dùng phương pháp này Công thức tính như sau:

Ptt = Kmax * Pca = Kmax * Ksd *Pđm

Hay Ptt = Kn * Pđm

- Cơ sở để xác định tính toán là sử dụng phụ tải trung bình cực đại trong thời gian T gần bằng 3To Vậy một cách chính xác có thể viết như sau:

Ptt(30) = KMAX(30) * Pca

Ptt (30): phụ tải tác dụng tính toán của nhóm thiết bị trong thời gian 30 phút hay còn gọi

là phụ tải cực đại nữa giờ

Pca: công suất trung bình của nhóm thiết bị ở ca phụ tải max

Kmax (30): hệ số cực đại của công suất tác dụng ứng với thới gian trung bình 30 phút

III PHƯƠNG ÁN CHỌN MÁY BIẾN ÁP

Để lựa chọn vị trí tối ưu cho TBA ta cần thỏa mãn các điều kiện sau:

+ Vị trí trạm cần đặt ở những nơi thuận tiện cho việc lắp đặt, vận hành cũng như thay thế

và sữa chữa sau này ( phải đủ không gian để dễ dàng thay máy biến áp, gần đường vận chuyển…)

+ Vị trí trạm không ảnh hưởng đến giao thông, đường vận chuyển của công trình

+ Vị trí trạm cần phải thuận lợi cho việc làm mát tự nhiên (thông gió tốt), có khả năng phòng cháy nổ tốt đồng thời phải tránh được các hóa chất khí ăn mòn

1 Chọn số lượng MBA

Lựa chọn máy biến áp bao gồm lựa chọn số lượng, công suất, chủng loại, kiểu cách và các tính năng khác của máy biến áp

Số lượng máy biến áp đặt trong một trạm phụ thuộc vào độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải của trạm đó

Phụ tải loại một : là phụ tải quan trọng, không được phép mất điện thì phải đặt hai máy biến áp

Phụ tải loại hai : như xí nghiệp sản xuất, siêu thị, vv thường dùng 1 máy biến áp và một máy phát dự phòng

Phụ tải loại ba : phụ tải ánh sáng sinh hoạt, khu chung cư, trường học, thôn xóm thường đặt một máy biến áp

2 Chọn dung lượng MBA

2.1/ Với phụ tải có Stt:

* Với trạm một máy: SđmB ≥ Stt

* Với trạm hai máy: SđmB ≥ 𝑺𝒕𝒕

𝟏,𝟒Trong đó:

- SđmB : công suất định mức của máy biến áp, do nhà chế tạo cung cấp

- Stt : công suất tính toán, là công suất yêu cầu lớn nhất của phụ tải

- 1,4 : hệ số quá tải

♦ Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ:

Các công thức trên chỉ đúng với các máy sản xuất nội địa hoặc nhiệt đới hóa Nếu dùng máy ngoại nhập phải đưa vào công thức hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ kể đến sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường chế tạo và môi trường sử dụng máy:

Khc = 1 - 𝒕𝟏 −𝒕𝟎

𝟏𝟎𝟎Trong đó:

- t0 : nhiệt độ môi trường chế tạo 0C

- t1 : nhiệt độ môi trường sử dụng 0C

2.2/ Với phụ tải có đồ thị phụ tải:

♦ Phương pháp công suất đẳng trị:

Hệ số quá tải thường xuyên có thể được xác định từ đồ thị khả năng quá tải của MBA

Đó là quan hệ giữa hệ số quá tải cho phép K2cp, hệ số phụ tải bậc một K1 và thời gian quá tải t2 Để sử dụng phương pháp này cần phải biến đổi đồ thị phụ tải nhiều bậc của MBA thành đồ thị phụ tải hai bậc đẳng trị

Công suất đẳng trị của MBA trong khoảng thời gian xem xét được xác định theo biểu thức :

S’đt = √∑ 𝑺𝒊

𝟐 𝒕𝒊𝒏 𝒊=𝟏

∑𝒏𝒊=𝟏𝒕 𝒊Trong đó: Si là phụ tải của MBA ở thời khoảng ti

Khi biến đổi đồ thị phụ tải nhiều bậc thành đồ thị phụ tải hai bậc đẳng trị có thể có các trường hợp sau:

- Đồ thị phụ tải nhiều bậc của MBA có một cực đại vào buổi chiều: Tính S’đt2 với thời gian lúc quá tải là t2 và tính S’đt1 với thời gian trước lúc quá tải 10h (H5.3)

- Đồ thị phụ tải nhiều bậc của MBA có một cực đại vào buổi sáng: Tính S’đt2 với thời gian lúc quá tải là t2 và tính S’đt1 với thời gian ngay sau kết thúc quá tải 10h (H5.4)

- Nếu đồ thị phụ tải của MBA có 2 cực đại trong một ngày (Hình 5.5) thì phụ tải đẳng trị bậc hai được tính đối với cực đại nào có tổng đạt trị số lớn nhất Khi đó chọn được

S’đt2 , còn S’đt1 sẽ tính như một trong hai trường hợp trên

Nếu S’đt2 < 0,9.Smax thì chọn S’đt2 = 0,9.Smax Thời gian cấp thứ hai được tính như sau:

t’2 = (S’đt2)2.t2/(0,9.Smax)2 (5.5)

Nếu MBA làm việc ở những nơi có nhiệt độ trung bình hằng năm lớn hơn nhiệt độ trung bình hằng năm định mức thì côn suất đẳng trị phải điều chỉnh theo biểu thức sau: Sđti = S’đti (1 - 𝜽𝒕𝒃−𝜽đ𝒎

𝟏𝟎𝟎 ) Sau khi đã biến đổi đồ thị phụ tải nhiều bậc của MBA về đồ thị phụ tải hai bậc thì trình

tự xác định quá tải cho phép của MBA theo đường cong khả năng tải được tiến hành như sau:

Tính K1 = Sđt1/Sđm, K2 = Sđt2/Sđm

Từ K1 và t2, tra các đường cong quá tải cho phép của MBA để tìm K2cp và so sánh với K2 ở trên Nếu K2 K2cp thì MBA đã chọn là chấp nhận được, ngược lại cần thay đổi công suất máy

♦ Qui tắc quá tải 3%:

Với phương pháp công suất đẳng trị ở trên nếu không có đường cong quá tải cho phép của MBA, có thể xác định hệ số quá tải bình thường theo qui tắc 3%:

𝑲𝒒𝒕𝒃𝒕 = 𝟏 + (𝟏 − 𝑲đ𝒌) 𝟎 𝟑

Trong đó: Kđk là hệ số điền kín của đồ thị phụ tải được tính như sau:

𝑲đ𝒌 =∑𝒏𝒊=𝟏𝑺𝒊 𝒕 𝒊

𝟐𝟒.𝑺 𝒎𝒂𝒙 Khi trạm có 2 máy, cần lưu ý tới khả năng quá tải sự cố của máy Khả năng quá tải này được xác định theo hang chế tạo Nếu không có thong tin cụ thể có thể chấp nhận 140% cho các máy Liên Xô với điều kiện hệ số tải trước đó không vượt quá 0,93 và 130% cho các máy của các hãng khác theo IEC 354 Khi đó, dung lượng MBA có thể chọn theo biểu thức sau:

Sđm = Smax/(n – 1).Kqtsc (5.9)

Trong đó:

Smax là phụ tải cực đại

Kqtsc là hệ số quá tải sự cố cho phép của MBA

n là số lượng MBA trong trạm

IV CHỌN DÂY DẪN, CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ VÀ ĐO LƯỜNG

1 Phương pháp lựa chọn tiết diện dây dẫn và cáp

1.1 Chọn tiết diện theo tổn thất điện áp cho phép ∆Ucp

- Tổng tổn thất điện áp nếu toàn bộ đường dây cùng chủng loại và tiết diện:

Trong đó:

ΔU‘ là thành phần tổn thất điện áp do công suất tác dụng và điện trở đường dây gây nên ΔU‘‘ là thành phần tổn thất điện áp do công suất phản kháng và điện kháng đường dây gây nên

x0, r0 lần lượt là điện trở và điện kháng trên một đơn vị chiều dài đường dây (Ω/km)

Pi, Qi là công suất tác dụng và phản kháng trên đoạn lưới thứ i

li là chiều dài đoạn lưới thứ i

pi, qi là công suất tác dụng và phản kháng tại nút thứ i

1.2 Lựa chọn dây cáp theo điều kiện phát nóng

Chọn dây cáp theo điều kiện dòng phát nóng cho phép sẽ đảm bảo độ bền, độ an toàn trong quá trình vận hành và tuổi thọ của dây cáp

Điều kiện lựa chọn: K.Icpdm ≥ Ilv max

Trong đó: Icpdm là dòng phát nóng cho phép ở các điều kiện định mức cho bởi nhà sản xuất K là hệ số hiệu chỉnh theo các điều kiện lắp đặt và vận hành thực tế Ilv maxlà dòng điện làm việc dài cực đại đi trong dây cáp

Cách xác định hệ số K:

Bảng 6-1: Hệ số K1 cho các cách đặt dây khác nhau

Bảng 6-2 : Hệ K2 theo số mạch cáp theo một hàng đơn

Bảng 6-3: Hệ số K3 cho nhiệt độ môi trường khác 30oC

Bảng 6-4: Hệ số K4 theo cách lắp đặt

Bảng 6-5: Hệ số K5 theo cách lắp đặt theo số dây trong hàng

Bảng 6-6: Hệ số K6 theo tính chất của đất

Bảng 6-7: Hệ số K7 phụ thuộc vào nhiệt độ của đất

1.3 Lựa chọn dây cáp theo mật độ j kinh tế

R là điện trở của đường dây (Ω)

Imax là tải lớn nhất trong năm đầu tiên (A)

K2 là chi phí đầu tư

I là mức lãi kép

Q là hệ số có tính đến sự tăng giá thành năng lượng trong năm N

Để đơn giản trong tính toán chọn lựa dây cáp theo điều kiện kinh tế, thường căn cứ vào mật độ dòng điện kinh tế (tra bảng) Mật độ dòng điện kinh tế được xác định như sau:

𝑱𝒌𝒕 =𝑰𝒍𝒗 𝒎𝒂𝒙

𝑭 𝒌𝒕 Tiết diện kinh tế được xác định theo biểu thức:

𝑭𝒌𝒕 =𝑰𝒍𝒗 𝒎𝒂𝒙

𝑱𝒌𝒕 Trong đó: Fkt(mm2), Ilv max(A), Jkt(A/mm2)

1.4 Lựa chọn dây cáp theo mật độ dòng không đổi jkd

Với mạng điện có n phụ tải thì mật độ dòng điện không đổi được xác định như sau:

′

√𝟑 ∑𝒏𝒊=𝟏𝒍𝒊𝑪𝒐𝒔𝝋𝒊Trong đó: J(A/mm2), γ(km/Ωmm2), ΔU‘(V), li(km), lần lượt là chiều dài và hệ số công suất của đoạn thứ i

Tiết diện dây cần chọn được xác định theo biểu thức:

𝑭𝒊 =𝑰𝒊𝑱1.5 Lựa chọn dây cáp theo phí tổn kim loại màu bé nhất

Trường hợp tổng quát, tiết diện thứ I xác định theo điều kiện phí tổn kim loại màu nhỏ nhất là:

𝑭𝒊 = √𝑷𝒊

𝜸 𝜟𝑼′ 𝑼đ𝒎∑ √𝑷𝒊 𝒍𝒊

𝒏 𝒊=𝟏Trong đó: Fi(mm2), Pi(kW), li(km), γ(km/Ωmm2), Uđm(kV), ΔU‘(V)

Dựa vào tiết diện tính toán, tra bảng tìm tiết diện chuẩn Cuối cùng cần kiểm tra điều kiện tổn thất điện áp và phát nóng của đường dây

2 Cách chọn dây trung tính (N), dây bảo vệ (PE) và chiều dài tối đa của cáp

Bảng 6.2 : Chọn tiết diện dây bảo vệ

Các giá trị trong bảng 6 – 2 chỉ có giá trị nếu các vật liệu của dây dẫn bảo vệ là cùng

kim loại như các dây dẫn pha Nếu bằng kim loại khác với dây dẫn pha thì dây dẫn bảo vệ phải có tiết diện sao cho nó có điện dẫn tương đương với dây dẫn pha

Trong tất cả các trường hợp, các dây dẫn bảo vệ không phải là một phần của đường dẫn cung cấp điện, phải có tiết diện tối thiểu là:

- 2.5 mm2 nếu dây dẫn bảo vệ có bảo vệ cơ

- 4 mm2 nếu dây dẫn bảo vệ không có bảo vệ cơ

2.3/ Chiều dài tối đa của cáp

𝑳𝒎𝒂𝒙 = 𝟎, 𝟖 𝑼𝟎 𝑺𝒑𝒉

𝝆(𝟏 + 𝒎)𝑰𝒂

Trong đó:

Lmax : chiều dài cho phép tối đa của cáp (m)

U0 : điện áp pha định mức (V)

ρ : điện trở suất (Ωmm2/m), của đồng 22,5.10-3, của nhôm 36.10-3

Ia : dòng tác động của bộ tác động tức thời hoặc là dòng cắt với thời gian xác định của cầu chì

m = Sph / SPE : - Sph : Tiết diện cắt ngang của dây pha (mm2)

- SPE : Tiết diện cắt ngang của dây nối đất bảo vệ

V TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH

Phương pháp tính dòng ngắn mạch bằng cách giải hệ phương trình vi phân đòi hỏi nhiều công sức, mặc dù chính xác nhưng ngay cả để tính một sơ đồ đơn giản khối lượng tính toán cũng khá cồng kềnh, bậc phương trình tăng nhanh theo số máy điện có trong sơ đồ Ngoài ra còn có những vấn đề làm phức tạp thêm quá trình tính toán như: dao động công suất, dòng tự do trong các máy điện ảnh hưởng nhau, tác dụng của thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK), tham số dọ trục và ngang trục khác nhau Do đó, trong thực tế thường dùng các phương pháp thực dụng cho phép tính toán đơn giản hơn

Ngoài các giả thiết cơ bản đã nêu trước đây, còn có thêm những giả thiết sau:

Qui luật biến thiên thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch trong sơ đồ có một máy phát tương tự như trong sơ đồ có nhiều máy phát

Việc xét đến thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch trong tất cả các trường hợp có thể tiến hành một cách gần đúng

Rôto của các máy điện đồng bộ là đối xứng do đó không cần phân biệt sức điện động, điện áp, dòng điện theo các trục và có thể bỏ qua thành phần chu kỳ 2ω

Tùy mục đích tính toán có thể sử dụng các phương pháp khác nhau với sai số không được vượt quá phạm vi cho phép ±5% đối với trị số ban đầu và ±1015% ở các thời điểm khác

1 Phương pháp giải tích

1.1 Tính dòng siêu quá độ ban đầu:

Trình tự tính toán như sau:

a) Lập sơ đồ thay thế, tính toán qui đổi tham số của các phần tử trong hệ đơn vị có tên hay đơn vị tương đối:

- Máy phát: thay thế bằng E”o và X’’ = x”d = x”q, đối với máy phát không có cuộn cản xem rôto như cuộn cản tự nhiên, tức là cũng dùng các thông số siêu qúa độ để tính toán với x”d = (0,750,9) x’d

Sức điện động E”o được tính theo công thức gần đúng với giả thiết máy phát làm việc ở chế độ định mức trước khi ngắn mạch:

Nếu máy phát làm việc ở chế độ không tải trước khi ngắn mạch thì E”o = UF

- Động cơ và máy bù đồng bộ được tính như máy phát

- Động cơ không đồng bộ và phụ tải tổng hợp thay thế bằng:

và: E”o ≈ Uo - IoX”sinφo

trong đó: X*N - điện kháng ngắn mạch (lúc động cơ bị hãm)

I*mm - dòng mở máy của động cơ

Uo, Io, sinφo - được lấy ở tình trạng trước ngắn mạch

Khi không có đủ số liệu cần thiết có thể tra bảng sau:

Máy phát turbine hơi 0,125 1,08

Máy phát turbine nước có cuộn cản 0,2 1,13

Máy phát turbine nước không cuộn cản 0,27 1,18

Động cơ không đồng bộ 0,2 0,9

b) Tính toán: Biến đổi sơ đồ thành dạng đơn giản gồm một hay nhiều nhánh nối trực tiếp

từ nguồn đến điểm ngắn mạch (hình 6.1), từ đó tính được dòng siêu quá độ ban đầu theo biểu thức sau:

c) Chú ý: Trong thực tế, việc tính toán dòng siêu quá độ ban đầu thường chỉ xét đến những phụ tải nối

trực tiếp vào điểm ngắn mạch

Hình 6.1

1.2 Tính dòng ngắn mạch đối với nguồn công suất vô cùng lớn:

Trong tính toán đơn giản sơ bộ hay trong mạng có nguồn công suất vô cùng lớn thì thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch là không đổi và được tính như sau:

trong đó: Utb - điện áp trung bình của đoạn có điểm ngắn mạch

XΣ - điện kháng giữa nguồn và điểm ngắn mạch qui về đoạn có điểm ngắn mạch

Trong hệ đơn vị tương đối với lượng cơ bản là Scb và Ucb = Utb thì:

Với :

Trong tính toán thực dụng, việc xét đến các hệ thống thường là gần đúng

Nếu đã biết trị số dòng siêu qúa độ ban đầu I”o hoặc công suất S”N khi ngắn mạch 3 pha tại một nút bất kỳ trong hệ thống (hình 2), thì có thể xác định điện kháng XH của hệ thống đối với điểm nút này:

Nếu không biết dòng hay công suất ngắn mạch, có thể xác định điện kháng XH gần đúng

từ công suất cắt định mức của máy cắt dùng để cắt công suất ngắn mạch đó (hình 3), tức

là trong các biểu thức (1) ở trên dùng ICđm và SCđm thay cho I”o và S”N

Hình 2

Hình 3

Nếu tại nút đang xét còn có nhà máy điện địa phương (hình 3) thì phải giảm bớt lượng I”F, S”F do nhà máy điện này cung cấp, tức là trong các biểu thức (1) ở trên dùng (ICđm- I”F) và (SCđm- S”F) thay cho I”o và S”N

Trường hợp có một số hệ thống liên lạc với nhau qua một số điểm nút, nếu đã biết dòng hay công suất ngắn mạch ở mỗi điểm nút, cũng có thể xác định được điện kháng XH của

hệ thống Ví dụ, trên hình 4 ta có:

từ đó, khi đã biết I”M, I”N và XMN có thể tính được XH1 và XH2

Hình 4

1.3 Tính dòng xung kích:

a) Đối với mạng có công suất vô cùng lớn:

I”o = Ick = I∞

lúc đó:

a) Đối với mạng có công suất hữu hạn:

trong các biểu thức trên, kxk là hệ số xung kích, phụ thuộc vào hằng số thời gian Ta=L/r Khi xét riêng ảnh hưởng của các động cơ và phụ tải tổng hợp thì:

với: I”Đ - dòng siêu quá độ ban đầu do động cơ hay phụ tải cung cấp

kxkĐ - hệ số xung kích của động cơ hay phụ tải tổng hợp

Trung bình có thể lấy giá trị như sau:

Ngắn mạch tại thanh góp điện áp máy phát hoặc đầu cao áp của máy biến áp tăng: kxk = 1,9

Ngắn mạch ở các thiết bị cao áp xa máy phát: kxk = 1,8

Ngắn mạch phía thứ cấp của các trạm hạ áp (S<1000KVA): kxk = 1,3

Đối với động cơ không đồng bộ, độ suy giảm của các thành phần dòng chu kỳ và tự do do

nó cung cấp cho điểm ngắn mạch là gần như nhau, có thể lấy: - động cơ cở lớn : kxkĐ = 1,8

a) Đối với hệ thống điện bao gồm các máy phát không có TĐK:

- Máy phát được thay bằng Eq và xd với Eq* = If* Nếu chưa biết dòng kích từ If thì có thể tính Eq từ chế độ làm việc của máy phát trước khi xảy ra ngắn mạch:

- Phụ tải tập trung tại các nút được thay bằng: xPT = 1,2 và EPT = 0

- Lập sơ đồ thay thế và biến đổi để tìm dòng ngắn mạch:

a) Đối với hệ thống điện bao gồm các máy phát có TĐK:

Trường hợp mạch đơn giản chỉ có một máy phát thì tình trạng làm việc của máy phát khi ngắn mạch duy trì có thể được xác định bằng cách so sánh điện kháng ngắn mạch XN với Xth:

hay khi Ucb = Uđm thì:

Nếu XN > Xth thì máy phát làm việc ở trạng thái định mức và được thay bằng Eqgh và

xd với: Eqgh* = Ifgh*

Nếu XN < Xth thì máy phát làm việc ở trạng thái kích từ giới hạn và được thay bằng Uđm và XF = 0

Trường hợp mạch phức tạp có nhiều nguồn liên kết ảnh hưởng nhau thường không thể sử dụng chỉ tiêu nêu trên để xác định tình trạng làm việc của các máy phát Do đó phải dùng phương pháp gần đúng như sau:

- Tùy thuộc vào vị trí của máy phát đối với điểm ngắn mạch, giả thiết trước tình trạng làm việc của máy phát

- Lập sơ đồ thay thế và tiến hành tính toán dòng ngắn mạch IN

- Kiểm tra lại giả thiết bằng cách tính ngược lại để tìm dòng IF do mỗi máy phát cung cấp cho điểm ngắn mạch và so sánh với Ithcủa từng máy phát

Nếu IF > Ith thì máy phát làm việc ở trạng thái kích từ giới hạn

Nếu IF < Ith thì máy phát làm việc ở trạng thái định mức

Đối với những máy phát đã giả thiết làm việc ở trạng thái kích từ giới hạn cũng có thể kiểm tra theo điện áp đầu cực máy phát (UF < Uđm)

Nếu giả thiết đúng xem như bài toán đã giải xong Nếu giả thiết sai ở một máy phát nào

đó cần phải thay đổi trạng thái của nó và tính toán lại

- Những điểm cần lưu ý:

Phụ tải làm tăng tổng dẫn so với điểm ngắn mạch, vì vậy nếu bỏ qua ảnh hưởng của phụ tải thì kết quả tính toán có thể có sai số lớn, chỉ bỏ qua ảnh hưởng của phụ tải khi xét đến ngắn mạch ở ngay đầu cực máy phát

Phụ tải cũng có thể ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của máy phát trong điều kiện ngắn mạch, do vậy cần phải xét đến chúng khi giả thiết

Nếu trong hệ thống có máy phát không có TĐK thì thay thế nó bằng Eq và xd

1.5 Tính dòng ngắn mạch toàn phần:

Để máy cắt làm việc đảm bảo cần chọn SCđm và ICđm của nó sao cho vào thời điểm cắt t

ta có: SCđm > SNt và ICđm > INt

Do đó cần xác định trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch toàn phần vào thời điểm t:

trong đó, Ickt tính toán bằng giải tích rất phức tạp, thường tra theo đường cong tính toán, còn Itdt được tính bằng biểu thức sau:

Thực tế để đơn giản dùng công thức gần đúng sau:

INt = αt.I”o

αt : hệ số tính toán, giá trị trung bình của nó có thể lấy như sau:

- khi t = 0,05sec: αt = 1,1

- khi t = 0,1 sec: αt = 1

- khi t ≥ 0,2 sec: có thể xem INt ≈ Ickt vì hầu như thành phần tự do đã tắt hết

2 Phương pháp đường cong tính toán:

2.1 Đường cong tính toán:

Đường cong tính toán là đường cong biểu diễn trị số tương đối của thành phần chu kỳ trong dòng ngắn mạch tại những thời điểm tùy ý của quá trình quá độ phụ thuộc vào một điện kháng - điện kháng tính toán x*tt = x”d + xN

I*ckt = f(x*tt , t)

Hình 5

Đường cong được xây dựng theo sơ đồ đơn giản như hình 5, trong đó coi rằng trước ngắn mạch máy phát làm việc với phụ tải định mức và phụ tải đó không đổi trong suốt quá trình ngắn mạch, nhánh bị ngắn mạch 3 pha tại điểm N có điện kháng xN không mang tải trước khi xảy ra ngắn mạch

Cho xN các giá trị khác nhau, theo các biểu thức đã biết hoặc bằng mô hình tính Ick tại điểm ngắn mạch ở các thời điểm khác nhau Từ kết quả tính được, xây dựng họ đường cong I*ckt = f(x*tt , t) Các tham số đều tính trong đơn vị tương đối với lượng cơ bản là định mức của máy phát: Ucb = Utb và Scb = SđmF

Thực tế có 2 loại đường cong tính toán khác nhau cho 2 loại máy phát: turbine hơi và turbine nước

Các đặc điểm của đường cong tính toán như sau:

- Khi xtt càng lớn (ngắn mạch càng xa) thì sự biến thiên của biên độ dòng điện chu kỳ theo thời gian càng ít Khi xtt > 3 có thể xem Ickt = I”o

- Khi xtt càng tăng lên thì sự khác biệt về dòng giữa 2 loại máy phát càng nhỏ và khi xtt >

1 thì đường cong tính toán của 2 loại máy phát hầu như trùng nhau

- Đường cong tính toán tương ứng với các thời điểm khác nhau có thể cắt nhau Điều này

là do tác dụng của thiết bị TĐK làm tăng dòng ngắn mạch sau khi qua một trị số cực tiểu nào đó Các đường cong tính toán bị giới hạn bởi đường cong I*ck = 1/x*N do phải thỏa mãn điều kiện Ickt ≤ Uđm/xN

- Nếu hằng số thời gian Tfo của máy phát khác với Tfotc của máy phát tiêu chuẩn thì cần hiệu chỉnh thời gian t ở đường cong tính toán thành:

Đối với máy phát turbine hơi: Tfotc= 7sec, máy phát turbine nước: Tfotc= 5sec

- Đường cong tính toán được vẽ với máy phát có phụ tải định mức, do đó trường hợp máy phát không có phụ tải ở đầu cực thì trị số dòng điện tìm được I*ck phải hiệu chỉnh thành:

2.2 Phương pháp tính toán:

a) Tính toán theo một biến đổi :

Tính toán theo một biến đổi còn gọi là tính toán theo biến đổi chung Phương pháp này sử dụng khi khoảng cách giữa các máy phát đến điểm ngắn mạch gần như nhau, lúc đó sự tắt dần của thành phần chu kỳ trong dòng ngắn mạch của các máy phát là gần như nhau, cho nên có thể nhập chung tất cả các máy phát thành một máy phát đẳng trị có công suất tổng

để tính toán Trình tự tính toán như sau:

- Lập sơ đồ thay thế trong đơn vị tương đối theo phép qui đổi gần đúng (với các lượng cơ bản Scb, Ucb = Utb):

- điện kháng của máy phát lấy bằng x”d

- không cần đặt bất kỳ sức điện động nào trong sơ đồ

- phụ tải có thể bỏ đi, trừ trường hợp những động cơ cỡ lớn nối trực tiếp vào điểm ngắn mạch thì tính toán như máy phát có cùng công suất

- Biến đổi sơ đồ thay thế, đưa nó về dạng đơn giản nhất để tính điện kháng đẳng trị

x*Σ của sơ đồ đối với điểm ngắn mạch

- Tính đổi về điện kháng tính toán:

trong đó: SđmΣ - tổng công suất định mức của các máy phát

- Từ điện kháng tính toán x*tt và thời điểm t cần xét, tra đường cong tính toán (hình 6.6)

sẽ tìm được I*ckt Tính đổi về đơn vị có tên (nếu cần) với lượng cơ bản lúc này là

SđmΣ và Utb:

Một số điểm cần lưu ý:

- Khi x*tt > 3 thì dòng chu kỳ không thay đổi và bằng: I*ck = 1/x*tt

- Nếu các máy phát khác loại thì dùng đường cong tính toán của máy phát có công suất lớn, gần điểm ngắn mạch

- Nếu rΣ < xΣ/3 thì không thể bỏ qua điện trở tác dụng và phải tính toán ZΣ, sau đó dùng Ztt thay vì xtt

b) Tính toán theo nhiều biến đổi :

Tính toán theo nhiều biến đổi còn gọi là tính toán theo những biến đổi riêng biệt Phương pháp này sử dụng khi trong sơ đồ khoảng cách từ các máy phát đến điểm ngắn mạch khác nhau nhiều, nhất là khi có nguồn công suất vô cùng lớn, lúc đó phải kể đến sự thay đổi dòng điện riêng rẽ của từng máy phát hay từng nhóm máy phát Trình tự tính toán như sau:

- Lập sơ đồ thay thế, tham số của các phần tử được tính toán gần đúng trong hệ đơn vị tương đối (với các lượng cơ bản Scb, Ucb = Utb)

- Dựa vào sơ đồ xác định nhóm các máy phát có thể nhập chung, hệ thống công suất vô cùng lớn phải tách riêng ra

- Dùng các phép biến đổi đưa sơ đồ về dạng từng nhánh độc lập nối với điểm ngắn mạch

- Tính toán với từng nhánh riêng rẽ theo phương pháp biến đổi chung Công suất cơ bản

để tính x*tt là tổng công suất các máy phát trên mỗi nhánh

- Tra theo đường cong tính toán tại thời điểm đang xét tìm ra dòng I*ckti trên mỗi nhánh riêng biệt

- Tính dòng tổng trong hệ đơn vị có tên:

Ickt = ΣI*ckti.IđmΣi

Nhánh có hệ thống công suất vô cùng tách riêng ra và tính trực tiếp dòng ngắn mạch do

nó cung cấp:

trong đó: x*NH(cb) - điện kháng tương hổ giữa hệ thống và điểm ngắn mạch tính trong

hệ đơn vị tương đối với các lượng cơ bản Scb, Ucb = Utb

Thông thường trong tính toán sử dụng 2 đến 3 nhánh biến đổi độc lập

VI TÍNH TOÁN TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN ÁP

1 Khái niệm

Khi truyền tải điện năng từ nguồn đến hộ tiêu thụ thì mỗi phần tử của mạng điện do

có tổng trở nên điều gây tổn thất công suất và điện áp

Tổn thất công suất gây 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, ảnh hưởng đến tuổi thọ của thiết bị

Do đó tính toán tổn thất công suất và điện áp là để lựa chọn các phần tử của mạng điện, xác định phương án bù công suất phản kháng, tìm biện pháp điều chỉnh điện áp nhằm nâng cao chất lượng điện

2 Tổn thất công suất trên đường dây và trong máy biến áp

2.1 Tổn thất công suất trên đường dây

Đường dây có một phụ tải: Khi đó tổn thất công suất tác dụng và phản kháng là

R U

Q P

Q P

Khi đường dây có phụ tải phân bố đều thì tổn thất công suất bé hơn 3 lần đường dây

có cùng phụ tải nhưng tập trung ở cuối đường dây:

R 3.U

Q P

Q P

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

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

Đường dây có nhiều phụ tải:

i n

1 i 2 đm

2 i 2 i i

n

1 i 2 đm

2 i 2 i

X U

Q P j R U

Q P

R, X - Điện trở và điện kháng của đoạn dây thứ i, []

2.2 Tổn thất công suất trong MBA

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

Tổn thất công suất tác dụng và phản kháng trong máy biến áp:

2 đm

pt n o B

2 đm

pt N o B

)S

S(ΔQΔQΔQ

)S

S(ΔPΔPΔP

ΔPN - Tổn hao công suất tác dụng ngắn mạch, [kW]

n  - Tổn hao công suất phản kháng ngắn mạch, [kVAr]

io% - Dòng điện không tải MBA, [%]

Un % - Điện áp ngắn mạch MBA, [%]

Sđm - Công suất định mức máy biến áp, [kVA]

3 Tổn thất điện áp trên đường dây

3.1 Tổn thất điện áp trên đường dây ba pha có một phụ tải tập trung

.3

X.QR.P3

X Q R P

P,Q- Phụ tải tác dụng và phản kháng của đường dây, [kW], [kVar]

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

3.2 Tổn thất điện áp trên đường dây ba pha có nhiều phụ tải tập trung

Đối với đường dây có nhiều phụ tải tập trung i=1,2,3,…n thì chúng ta sẽ có tổn thất điện áp trên toàn bộ đường dây của lưới điện là:

i i i i i

i

p 3 (I r cos I x sin ) ΔU

3

i i i i đm

)x.Qr.(PU

i i i i 2

đm

)x.Qr.(PU

1000

100

%ΔU

Trong đó:

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

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

Uđm - Điện áp định mức, [kV]

3.3 Tổn thất điện áp trên đường dây ba pha có phụ tải phân bố đều

Tổn thất điện áp tính theo công thức:

đm

U 2.

X Q R P

ΔU 

Ta thấy tổn thất điện áp trên đường dây có tải phân bố đều giảm đi phân nửa so với tải tập trung ở cuối đường dây

3.4 Tổn thất điện áp trong mạng chiếu sáng

Trên đường dây trang bị các đèn chiếu sáng loại dây tóc ( cos =1), độ sụt áp cho phép ΔU cp 2,5% Uđm và có thể bỏ qua điện kháng của đường dây Khi đó tổn thất điện áp tính theo công thức:

.100U

.F

L.P.ρ



 n

1 i

i

i L

P - Gọi là momen phụ tải, [kWm]

VII BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

1 Khái niệm :

Trong lưới điện tồn tại 2 loại công suất:

- Công suất hữu dụng P (kW) là công suất sinh ra công có ích trong các phụ tải

- Công suất phản kháng Q (kVAr) là công suất vô ích, gây ra do tính cảm ứng của các loại phụ tải như: động cơ điện, máy biến áp, các bộ biến đổi điện áp…

Để đánh giá ảnh hưởng của công suất phản kháng đối với hệ thống người ta sử dụng hệ

số công suất cosφ,

trong đó: φ = arctg P/Q

2 Tính công suất phản kháng cần bù

Muốn tính công suất phản kháng cần bù để chọn tụ bù cho tải nào đó thì ta cần biết công suất (P) và hệ số công suất (Cos φ) của tải đó: Giả sử ta có công suất của tải là P, hệ số công suất của tải là Cos φ1 → tg φ1 (trước khi bù), hệ số công suất sau khi bù là Cos φ2

→ tg φ2 Công suất phản kháng cần bù là:

Qb = P (tgφ1 – tgφ2)

3 Biện pháp nâng cao hệ số công suất phản kháng

3.1 Phương pháp nâng cao hệ số cosφ tự nhiên:

Nâng cao cosφ tự nhiên có nghĩa là tìm các biện pháp để hộ tiêu thụ điện giảm bớt được lượng công suất phản kháng mà chúng cần có ở nguồn cung cấp

- Thay đổi và cải tiến quá trình công nghệ để các thiết bị điện làm việc ở chế độ hợp lý nhất

- Thay thế các động cơ làm việc non tải bằng những động cơ có công suất nhỏ hơn

- Hạn chế động cơ chạy không tải

- Ở những nơi công nghệ cho phép thì dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ

- Thay biến áp làm việc non tải bằng máy biến áp có dung lượng nhỏ hơn

3.2 Phương pháp nâng cao hệ số cosφ nhân tạo:

Phương pháp này được thực hiện bằng cách đặt các thiết bị bù công suất phản kháng ở các hộ tiêu thụ điện Các thiết bị bù công suất phản kháng bao gồm:

a Máy bù đồng bộ: chính là động cơ đồng bộ làm việc trong chế độ không tải

* Ưu điểm: máy bù đồng bộ vừa có khả năng sản xuất ra công suất phản kháng, đồng thời cũng có khả năng tiêu thụ công suất phản kháng của mạng điện

* Nhược điểm: máy bù đồng bộ có phần quay nên lắp ráp, bảo dưỡng và vận hành phức tạp Máy bù đồng bộ thường để bù tập trung với dung lượng lớn

b Tụ bù điện: làm cho dòng điện sớm pha hơn so với điện áp do đó, có thể sinh ra công

suất phản kháng cung cấp cho mạng điện

* Ưu điểm:

- Công suất bé, không có phần quay nên dễ bảo dưỡng và vận hành

- Có thể thay đổi dung lượng bộ tụ theo sự phát triển của tải

- Giá thành thấp hơn so với máy bù đồng bộ

* Nhược điểm:

- Nhạy cảm với sự biến động của điện áp và kém chắc chắn, đặc biệt dễ bị phá hỏng khi ngắn mạch hoặc điện áp vượt quá định mức Tuổi thọ tụ có giới hạn, sẽ bị hư hỏng sau nhiều năm làm việc

- Khi đóng tụ vào mạng điện sẽ có dòng điện xung, còn lúc cắt tụ điện khỏi mạng trên cực của tụ vẫn còn điện áp dư có thể gây nguy hiểm cho nhân viên vận hành