Giáo trình mạng điện

+ Phân loại theo vùng cung cấp: Mạng chuyển tải hệ thống có cấp ñiện áp từ 330 kV trở lên thực hiện nhiệm vụ kết nối hệ thống, nghĩa là kết nối trên một khoảng cách rất lớn giữa các hệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

GVC.THS NGUYỄN NGỌC KÍNH

Hà Nội, 2009

LỜI NÓI đẦU

Mạng ựiện kết hợp với nguồn ựiện và phụ tải ựiện cấu trúc nên một hệ thống ựiện thống nhất Ngày nay nhu cầu sử dụng ựiện ngày càng tăng, yêu cầu về chất lượng ựiện ngày càng cao do

ựó tốc ựộ phát triển của mạng ựiện và hệ thống ựiện ngày càng mạnh đánh giá ựúng hiện trạng ựể lập quy hoạch, kế hoạch phát triển hệ thống ựiện; tắnh toán thiết kế tối ưu cho lưới ựiện là nhiệm

vụ ựặt ra cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật chuyên ngành ựiện Mạng ựiện ựịa phương với một khối lượng rất lớn các tuyến ựường dây trung áp và hạ áp, có nhiều trạm biến áp trung gian và trạm tiêu thụ thì việc tắnh toán thiết kế hợp lý, ựảm bảo các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật càng có ý nghĩa to lớn để góp phần phát triển mạng lưới ựiện ựịa phương ựặc biệt là mạng ựiện cấp ựiện cho các phụ tải nông nghiệp và khu vực nông thôn, chúng tôi biên soạn cuốn ỘGiáo trình mạng ựiệnỢ Nội dung cuốn sách biên soạn dựa theo chương trình của Bộ Giáo dục và đào tạo ựã phê duyệt Cuốn sách

là tài liệu học tập ựối với sinh viên chuyên ngành kỹ thuật ựiện của trường đại học Nông nghiệp

Hà Nội, ựồng thời là tài liệu tham khảo ựối với các cán bộ kỹ thuật và kỹ sư chuyên ngành ựiện Cuốn sách kết cấu bao gồm 9 chương với mong muốn giới thiệu với bạn ựọc những kiến thức hết sức cơ bản phục vụ việc tắnh toán, ựánh giá và lựa chọn các phần tử của mạng ựiện giúp cho công tác thiết kế và quy hoạch mạng lưới ựiện trong ựó ựặc biệt chú trọng ựến mạng ựiện ựịa phương Ngoài việc tắnh toán ựáp ứng yêu cầu về chất lượng ựiện, tắnh kinh tế, khả năng phát triển trong tương laiẦcuốn sách cũng giới thiệu các phương pháp tắnh toán ựảm bảo ựộ bền cơ học cho các phần tử của ựường dây trên không và mạng cáp nhằm ựáp ứng yêu cầu an toàn và tin cậy trong cung cấp ựiện Tài liệu cũng cung cấp cho bạn ựọc một số bài tập, vắ dụ minh hoạ cho các công thức tắnh, phương pháp tắnh toán và câu hỏi ôn tập sau mỗi phần, mỗi chương Một số bảng tra cứu ựược cho trong phần phụ lục

So với cuốn sách ỘMạng ựiện nông nghiệpỢ xuất bản năm 1999, cuốn ỘGiáo trình mạng ựiệnỢ ựược hoàn thiện và bổ sung thêm một số nội dung, cập nhật thêm những kiến thức mới cho phù hợp với nội dung ựào tạo Hy vọng cuốn sách sẽ cung cấp cho các sinh viên ngành ựiện, các cán bộ kỹ thuật chuyên ngành những thông tin bổ ắch phục vụ học tập và nghiên cứu

Tuy ựã rất cố gắng nhưng do nguồn thông tin còn hạn chế, khuôn khổ tài liệu biên soạn phục vụ ựào tạo sinh viên chuyên ngành ựiện của Trường nên có thể một số vấn ựề bạn ựọc quan tâm chưa trình bày hoặc chưa ựề cập ựược ựầy ựủ; trong quá trình biên soạn cũng không tránh khỏi thiếu sót, mong bạn ựọc thông cảm Chúng tôi mong nhận ựược những góp ý của bạn ựọc ựể cuốn sách ngày càng hoàn thiện trong những lần xuất bản sau

Tôi xin chân thành cảm ơn các ựồng nghiệp và tập thể bộ môn Cung cấp và Sử dụng ựiện, khoa Cơ điện, trường đại học Nông nghiệp Hà Nội ựã có những ý kiến ựóng góp bổ ắch và tạo ựiều kiện ựể cuốn sách ựược hoàn thiện

Mọi ý kiến ựóng góp xin gửi về theo ựịa chỉ:

Bộ môn Cung cấp và Sử dụng ựiện Ờ Khoa Cơ điện

Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội

Tác giả

MỤC LỤC

Trang Lời nói ñầu

1.3 Những ñiểm ñặc biệt về phân phối ñiện trong nông nghiệp 5

1.5 Cách ñiện và màn chắn ñiện từ trường của dây dẫn và cáp 12

2.2 Sự phát nóng của dây trần dưới tác dụng của dòng ñiện 18

2.4 Bảo vệ dây dẫn và cáp bằng cầu chảy trong mạng hạ áp 23 2.5 Một số ví dụ tính toán mạng ñiện theo ñốt nóng 27

3.2 Tổn thất công suất trong máy biến áp hai dây quấn 34 3.3 Tổn thất công suất trong máy biến áp ba cuộn dây và máy biến áp tự ngẫu 36

3.5 Tổn thất ñiện năng trong máy biến áp và trạm biến áp 43 3.6 Ảnh hưởng của tổn thất ñiện năng ñến giá thành truyền tải 45 3.7 Chọn tiết diện dây dẫn và cáp theo chỉ tiêu kinh tế 48

Chương 4 TÍNH TOÁN MẠNG ðIỆN HỞ ðỊA PHƯƠNG

4.1 ðộ rơi ñiện áp và hao tổn ñiện áp trên mạng ñiện xoay chiều 3 pha ñối xứng 58 4.2 Tổn thất ñiện áp trên ñường dây phân nhánh và ñường dây có phụ tải phân

5.3 Tổn thất ñiện áp và lựa chọn tiết diện dây dẫn trong mạng ñiện kín 102

5.4 Một số ví dụ tính toán mạng ñiện kín 113

6.1 ðộ lệch ñiện áp và ảnh hưởng tới sự làm việc của thụ ñiện 125 6.2 Ảnh hưởng của các thiết bị ñiện tới ñộ lệch ñiện áp 126 6.3 Phân chia tổn thất ñiện áp cho phép giữa mạng cao áp và mạng hạ áp 129 6.4 Tổn thất ñiện áp cho phép của mạng ñược cấp ñiện từ trạm phát ñiện nhỏ 131 6.5 Tổn thất ñiện áp cho phép của mạng cấp ñiện từ thanh cái trạm biến áp

trung gian hay khu vực tới thụ ñiện hạ áp 135 6.6 Kiểm tra mạng ñiện theo dao ñộng ñiện áp khi mở máy ñộng cơ 141 6.7 Biện pháp bù dung lượng phản kháng trong mạng ñiện 143

7.6 Công suất tự nhiên và khả năng tải của ñường dây 162

8.4 Ứng suất và ñộ võng của dây trong ñiều kiện khí hậu khác nhau 175 8.5 Ứng suất cực ñại và khoảng vượt tới hạn của dây dẫn 177

8.8 Một số nguyên nhân gây ra sự cố ñường dây trên không 187

9.1 Phân loại cột ñiện và ñiều kiện tính toán cột 191

Chương 1

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠNG ðIỆN

Mạng ñiện bao gồm các ñường dây trên không, ñường dây cáp, các trạm biến áp và trạm ñóng cắt ñiện ở các cấp ñiện áp khác nhau trong một hệ thống ñiện thống nhất Nội dung chương 1 giới thiệu những khái niệm cơ bản về mạng ñiện, hệ thống ñiện; phân loại mạng ñiện và thụ ñiện; xem xét cấu tạo của các loại dây dẫn và cáp dùng ñể truyền tải ñiện năng Nội dung cũng ñề cập ñến những yêu cầu chung của mạng ñiện, những vấn ñề khác biệt của mạng ñiện và phụ tải ñiện nông nghiệp so với các mạng ñiện khác làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế, quy hoạch và vận hành mạng lưới ñiện nông nghiệp

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG ðIỆN

Những năm 60 của thế kỷ XIX, máy phát ñiện ra ñời Người ta ñã tìm cách ñưa dòng ñiện

từ nguồn sản xuất ñến nơi tiêu thụ Thành tựu mới nhất lúc ñó chỉ là ñưa dòng ñiện một chiều ñiện

áp 100 V ñi xa vài trăm mét Những năm 70 thế kỷ XIX, trên thế giới hình thành một số ñường dây ñiện áp thấp ðến những năm 80, mạng ñiện mới thực sự trở thành một ngành khoa học kỹ thuật ñược lý luận soi sáng Năm 1880, nhà khoa học Nga Latrinốp nghiên cứu về truyền tải ñiện năng ñi xa ñã kết luận: khoảng cách cấp ñiện càng xa, công suất truyền càng lớn thì có lợi nhất là nâng cao cấp ñiện áp truyền tải Các nước Pháp, Anh, Nga, Mỹ ñều tập trung nghiên cứu, mục ñích nâng cao ñiện áp trên mạng ñể truyền tải ñiện năng ñi xa

Năm 1882 ở Pháp thành công với ñường dây dòng ñiện một chiều ñiện áp 1,5 kV Năm

1891 cùng với việc chế tạo máy phát ñiện, máy biến áp, ñộng cơ dị bộ, ñiện áp truyền tải ñã ñược nâng lên 15 kV Cuối thế kỷ XIX ở Pháp ñã xây dựng ñường dây 35 kV ðầu thế kỷ XX mạng ñiện phát triển hết sức mạnh mẽ; công suất, ñiện áp và chiều dài ñường dây truyền tải tăng lên không ngừng

Từ năm 1908 – 1910, trên thế giới xuất hiện ñường dây ñiện áp 110 kV Những năm 20 của thế kỷ XX ñiện áp truyền tải ñã nâng lên 220 kV; ñến những năm 50 ñã khánh thành ñường dây 500 kV Hiện nay ñường dây truyền tải dòng ñiện xoay chiều ñiện áp lên tới 750 kV và cao hơn, dòng ñiện một chiều ñiện áp 1500 kV ñã ñược xây dựng và thử nghiệm ở nhiều nơi trên thế giới

Ở nước ta dưới thời Pháp thuộc, ñầu thế kỷ thứ XX xây dựng ñược một vài nhà máy ñiện như Yên Phụ - Hà Nội, Thượng Lý - Hải Phòng, Thủ ðức - Sài Gòn Những năm 20 ñiện áp truyền tải lớn nhất là 35 kV

Từ năm 1965 miền Bắc nước ta ñã xây dựng ñường dây 110 kV Sau khi ñất nước thống nhất ta ñã xây dựng và mở rộng hàng loạt nhà máy ñiện như các nhà máy thuỷ ñiện Thác Bà công suất 108 MW, Hoà Bình 1920 MW, Yaly 700 MW, Trị An 400 MW, Hàm Thuận 300 MW; nhiệt ñiện Uông Bí 105 MW, nhiệt ñiện Phả Lại I 400 MW, Phả lại II 600 MW, nhịêt ñiện chạy khí Phú

Mỹ I 1090 MW, Phú Mỹ 2.1 và 2.2 gần 725 MW; các nhà máy ñiezel Hiện nay ñang dự kiến

và triển khai xây dựng hàng loạt các nhà máy thuỷ ñiện như Sơn La 2400 MW, ðại Ninh 300

MW, Sê San III 260 MW ; nhiệt ñiện Ô Môn 600 MW, nhiệt ñiện Hải Phòng 600 MW, Nhiệt ñiện Uông Bí mở rộng 300 MW…; nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng mới ñể phát ñiện như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thuỷ triều, sóng biển, năng lượng ñiện ñịa nhiệt, năng lượng ñiện hạt nhân…Tổng năng lượng ñiện từ các trạm phát cung cấp cho cả nước trong năm 2003 là 41,3 tỷ kWh Từ năm 1978 nước ta tiến hành xây dựng ñường dây 220 kV

chuyên tải ñiện từ Uông Bí về Hà Nội và các tỉnh miền Trung Tuy nhiên hệ thống ñiện ñó vẫn chưa ñáp ứng ñược nhu cầu sử dụng ñiện cho cả nước; ñòi hỏi phải có ñường dây ñiện áp cao hơn chuyên tải ñiện vào các tỉnh phía nam Trong các năm 1992 - 1993 ta tiến hành xây dựng ñường dây siêu cao áp 500 kV Năm 1994 ñường dây 500 kV từ Hoà Bình vào Phú Lâm (thành phố Hồ Chí Minh) dài 1487 km ñã ñưa vào vận hành ðến năm 2004 tổng chiều dài ñường dây 500 kV là

1534 km với tổng công suất các trạm là 2700 MVA ðến năm 2005-2006, nước ta ñã xây dựng và hoàn thiện 10.525 km ñường dây tải ñiện và các trạm biến áp có ñiện áp từ 110 kV trở lên với tổng công suất 34.980 MVA

Cùng với việc tăng công suất, chiều dài ñường dây cao áp và siêu cao áp thì mạng ñiện trung áp, lưới hạ áp cũng phát triển rộng khắp ở các tỉnh ñồng bằng, nông thôn và miền núi ðến nay một số tỉnh, thành phố ñáp ứng 100% số xã có ñiện như Hà Nội, Nam ðịnh, Hải Phòng (trừ hải ñảo), thành phố Hồ Chí Minh, Thái Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Bắc Ninh, Hà Nam, Các tỉnh phía Nam sau khi phát triển nguồn thuỷ ñiện và nhiệt ñiện, mạng ñiện nông nghiệp ñã ưu tiên ñầu tư phát triển mạnh Các tỉnh vùng cao, vùng sâu, vùng xa cũng ñược cấp ñiện nhờ khai thác các nguồn năng lượng mới, năng lượng hoá thạch, thuỷ ñiện nhỏ tại chỗ

Hiện nay tổng công suất các nhà máy thuỷ ñiện ñược xây dựng ở nước ta là 4115 MW tương ứng sản lượng ñiện hàng năm là 18 tỷ kWh Theo ñánh giá, tiềm năng kinh tế thuỷ ñiện của Việt Nam khoảng 75-80 tỷ kWh tương ñương công suất lắp ñặt khoảng 18.000-20.000 MW Trữ lượng than của Việt Nam khá lớn (tại Quảng Ninh khoảng 3238 triệu tấn), một phần dùng ñể vận hành các nhà máy nhiệt ñiện Trữ lượng dầu khí có thể thu hồi ước khoảng 3,75 tỷ m3 dầu quy ñổi, tập trung chủ yếu ở thềm lục ñịa Khai thác dầu mỏ kết hợp với khí ñồng hành ñể cung cấp cho các cum tua bin khí cũng ñang ñược chú trọng Các nguồn năng lượng ñịa nhiệt với khoảng 300 mạch nước nóng phân bố tại Tây Bắc và Trung Bộ cung cấp cho nhà máy ñiện ñịa nhiệt; năng lượng gió tại Hải ñảo, vùng duyên hải và Tây Nguyên ñang ñược nghiên cứu khai thác cho nhà máy ñiện chạy bằng sức gió

1.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠNG ðIỆN

1.2.1 Những khái niệm cơ bản

Hệ thống dây dẫn, dây cáp, cột xà sứ, thiết bị nối dùng ñể truyền tải ñiện năng gọi là

ñường dây tải ñiện

ðường dây có ñiện áp Udm < 1 kV gọi là ñường dây ñiện áp thấp, ñường dây có ñiện áp ñịnh mức từ 1 kV trở lên gọi là ñường dây ñiện áp cao

cắt ñiện ở các cấp ñiện áp khác nhau

biến áp, trạm cắt, trạm biến ñổi dòng ñiện và ñường dây tải ñiện ở các cấp ñiện áp ñịnh mức khác nhau Nói cách khác, hệ thống ñiện bao gồm nguồn ñiện, mạng ñiện và phụ tải Hệ thống ñiện là 1

bộ phận của hệ thống năng lượng, nó làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và sử dụng ñiện năng Mỗi thiết bị cấu thành hệ thống ñiện ñược gọi là phần tử của hệ thống Có những phần tử trực tiếp làm nhiện vụ sản xuất, biến ñổi, chuyên tải và tiêu thụ ñiện như máy phát, ñường dây, máy biến ñổi dòng ñiện và ñiện áp…Có những phần tử làm nhiệm vụ ñiều khiển, ñiều chỉnh và bảo vệ quá trình sản xuất và phân phối ñiện năng như tự ñộng ñiều chỉnh kích từ, bảo vệ rơ le, máy cắt ñiện…

Mỗi phần tử của hệ thống ñược ñặc trưng bởi các thông số, các thông số này xác ñịnh bởi các tính chất vật lý, sơ ñồ nối các phần tử và các ñiều kiện giản ước tính toán khác Nói chung thông số của các phần tử có giá trị phụ thuộc vào quá trình công tác của hệ thống song trong nhiều trường hợp có thể xem các thông số ñó là bất biến Các thông số của các phần tử trong hệ thống ñiện ñược gọi là thông số hệ thống ñiện như: tổng trở, tổng dẫn, hệ số biến áp

Tập hợp các quá trình tồn tại trong hệ thống ñiện và xác ñịnh trạng thái làm việc của nó trong một thời ñiểm hoặc một khoảng thời gian nào ñó gọi là chế ñộ của hệ thống ñiện Nó ñược ñặc trưng bởi các chỉ tiêu ñịnh lượng về trạng thái làm việc của nó Các chỉ tiêu ñó là công suất, ñiện áp, dòng ñiện, góc lệch pha giữa dòng và áp, tổn thất công suất… Các chỉ tiêu này ñược gọi

là thông số chế ñộ, nó chỉ xuất hiện khi hệ thống ñiện làm việc và biến ñổi không ngừng theo thời gian, tuân theo quy luật ngẫu nhiên và có mối liên hệ qua lại với các thông số phần tử

Hệ thống ñiện có 2 chế ñộ làm việc là chế ñộ xác lập và chế ñộ quá ñộ

lập bình thường và chế ñộ xác lập sau sự cố Chế ñộ xác lập bình thường là chế ñộ làm việc thường xuyên của hệ thống nên yêu cầu phải ñảm bảo ñộ tin cậy, chất lượng ñiện và các chỉ tiêu kinh tế ðối với chế ñộ xác lập sau sự cố thì các yêu cầu trên ñược giảm ñi nhưng không ñược kéo

dài Chế ñộ quá ñộ có các thông số biến ñổi mạnh theo thời gian như ngắn mạch, dao ñộng công

suất của máy phát… nên không có lợi, phải nhanh chóng ñưa về chế ñộ xác lập

1.2.2 Phân loại mạng ñiện và thụ ñiện

Căn cứ vào nhiệm vụ, cấp ñiện áp, dòng ñiện người ta phân mạng ñiện thành các loại sau:

+ Theo loại dòng ñiện có

Mạng dòng ñiện một chiều,

Mạng ñiện xoay chiều một pha tần số từ 50 - 60 Hz,

Mạng ñiện xoay chiều 3 pha tần số từ 50 - 60 Hz

ðường dây trung áp (MV - Medium voltage) 1 kV≤ Udm < 66 kV

ðường dây cao áp (HV - High voltage) 66 kV≤ Udm ≤ 220 kV

ðường dây siêu cao áp (EHV -Extra high voltage) 330 kV≤ Udm ≤ 750 kV

ðường dây cực cao áp (UHV -Ultra high voltage) Udm ≥ 800 kV

+ Theo số dây dẫn có mạng một chiều và một pha 2 dây dẫn, mạng xoay chiều 3 pha 3

dây, mạng xoay chiều 3 pha 4 dây và 5 dây

+ Theo hình dáng có mạng ñiện hở và mạng ñiện kín

Mạng hở là mạng ñiện mà phụ tải ñược nhận năng lượng ñiện cung cấp từ một phía, Mạng kín là mạng mà mỗi phụ tải có khả năng nhận năng lượng ít nhất từ hai phía

+ Theo cấu trúc có mạng ñiện bên trong và mạng ñiện bên ngoài, nó ñược xây dựng trong

nhà và ngoài nhà Mạng bên ngoài ñược xây dựng bằng dây trần và dây bọc gọi là ñường dây trên không (ðDK) và thực hiện bằng cáp gọi là mạng cáp

+ Theo nhiệm vụ người ta phân ra làm 2 loại:

ðường dây cung cấp (truyền tải) có ñiện áp ñịnh mức Udm 110-220 kV dùng ñể truyền tải công suất lớn với khảng cách hàng trăm km cho một khu vực rộng lớn

ðường dây phân phối có ñiện áp ñịnh mức Udm ≤35 kV dùng ñể phân phối ñiện tới các ñịa phương với khảng cách vài chục km và trong một phạm vi nhỏ hn

+ Phân loại theo vùng cung cấp:

Mạng chuyển tải hệ thống có cấp ñiện áp từ 330 kV trở lên thực hiện nhiệm vụ kết nối hệ thống, nghĩa là kết nối trên một khoảng cách rất lớn giữa các hệ thống ñiện và các nhà máy ñiện công suất lớn Mạng chuyển tải hệ thống ñược ñiều khiển vận hành từ một trung tâm ñiều ñộ hợp nhất quốc gia

Mạng cung cấp (mạng khu vực) là mạng nhận ñiện năng từ các trạm biến áp của mạng chuyển tải hệ thống hoặc ñôi khi nhận ñiện từ những thanh cái 110 kV, 220 kV cung cấp ñiện năng cho các trạm nguồn của mạng phân phối (nghĩa là trạm biến áp khu vực) Mạng khu vực thường là mạng ñiện kín

Mạng phân phối (mạng ñịa phương) truyền tải năng lượng ñến các hộ tiêu thụ trong phạm vi nhỏ hơn, thường có ñiện áp từ 35 kV trở xuống, chiều dài ñường dây ngắn

+ Phân loại ñường dây theo dạng kết cấu:

- ðường dây trên không dây trần (ðDK) có kết cấu móng – cột – cách ñiện – dây trần; sử dụng cho tất cả mọi cấp ñiện áp

- ðường dây trên không dây bọc (ðDB) có kết cấu móng – cột – cách ñiện – dây bọc; sử dụng cho cấp ñiện áp hạ áp và trung áp

- ðường dây cáp vặn xoắn (CX) có kết cấu móng – cột – cách ñiện – cáp vặn xoắn; thích hợp với các ñường dây trung áp và hạ áp

- ðường dây cáp ngầm (CN) có kết cấu cáp – môi trường ñặt cáp; môi trường có thể là ñất, hầm cáp, rãnh cáp, giá cáp…loại này giá thành ñắt nên chỉ dùng trong các trường hợp cần thiết

+ ðiện áp ñịnh mức của mạng ñiện ( ký hiệu là Udm )

Mỗi mạng ñiện ñặc trưng bởi một ñiện áp ñã ñược tiêu chuẩn hoá, nó ñảm bảo cho thiết bị làm việc bình thường và kinh tế nhất gọi là ñiện áp ñịnh mức ðiện áp ñịnh mức có ghi trên lý lịch

và trên nhãn của máy ñiện và các thiết bị ñiện Trong các thiết bị ñiện 3 pha, Udm là ñiện áp dây ðiện áp ñịnh mức của mạng ñiện và của thụ ñiện phải bằng nhau Do phụ tải luôn luôn thay ñổi theo quy luật ngẫu nhiên, có tổn thất ñiện áp trong mạng ñiện nên ñiện áp trên các ñiểm của mạng ñiện thường xuyên khác Udm Người ta phải ñiều chỉnh ñiện áp của ñầu ra thanh cái máy phát ñiện

và các nấc ñiều chỉnh của máy biến áp thường cao hơn ñiện áp ñịnh mức ñể bù vào phần tổn thất trên ñường dây, sao cho ñộ lệch ñiện áp của thụ ñiện tại mọi ñiểm không vượt quá giới hạn cho phép

ðiện áp ñịnh mức (Udm) của mạng ñiện và thiết bị ñiện ở nước ta ñược tiêu chuẩn hoá gồm các cấp ñiện áp 0,22 kV; 0,38 kV; 6 kV; 10 kV; 15 kV; 22 kV; 35 kV; 110 kV; 220 kV; 500 kV Cấp ñiện áp tiêu chuẩn hoá cho phép giảm bớt một số cỡ máy và thiết bị ñiện, giảm bớt chi phí xây dựng mạng ñiện

cầu cung cấp ñiện và tính chất quan trọng của hộ tiêu thụ người ta chia thụ ñiện thành 3 loại:

- Thụ ñiện loại I là những phụ tải quan trọng; ngừng cung cấp ñiện sẽ gây tai nạn nguy

hiểm cho con người; làm tổn thất lớn ñến nền kinh tế quốc dân, làm hư hỏng hàng loạt sản phẩm, thiết bị; làm rối loạn quá trình sản xuất phức tạp (ví dụ như thông gió hầm lò, cấp ñiện cho phòng

mổ, các lò luyện thép, nhà khách ngoại giao…) Thụ ñiện loại I phải ñược cung cấp ñiện liên tục bằng 2 ñường dây ñộc lập Việc cung cấp ñiện chỉ ñược gián ñoạn trong thời gian ñóng ñiện dự phòng bằng thiết bị tự ñộng

sản phẩm bị phế bỏ; vi phạm hoạt ñộng bình thường của nhân dân thành phố (ví dụ như các nhà máy công cụ, dây chuyền sản xuất tự ñộng, công trình thuỷ nông lớn, hệ thống ñiện thành phố thị xã, ) Thụ ñiện loại II ñược phép gián ñoạn trong thời gian cần thiết ñể ñóng ñiện bằng tay chuyển sang nguồn dự phòng

- Thụ ñiện loại III bao gồm tất cả các thụ ñiện còn lại Thụ ñiện loại III cho phép ngừng

cung cấp ñiện trong thời gian sửa chữa, khắc phục những hư hỏng xảy ra nhưng phải khẩn trương, nhanh chóng

1.3 NHỮNG ðIỂM ðẶC BIỆT VỀ PHÂN PHỐI ðIỆN TRONG NÔNG NGHIỆP

1.3.1 Những ñặc ñiểm của quá trình sản xuất và phân phối ñiện năng

Trong quá trình sản xuất và phân phối, ñiện năng có 3 ñặc ñiểm chủ yếu sau:

- ðiện năng sản xuất ra không tích trữ ñược (trừ một số trường hợp ñặc biệt có công suất nhỏ như ắc quy, pin…) Trong mọi thời ñiểm, yêu cầu vận hành hệ thống luôn phải ñảm bảo cân bằng giữa lượng ñiện năng sản xuất với lượng ñiện năng tiêu thụ

- Quá trình về ñiện xảy ra rất nhanh bao gồm quá trình truyền tải ñiện, quá trình ngắn mạch, sóng sét lan truyền, ñiều khiển ñóng cắt thiết bị… Vì vậy khi thiết kế hệ thống phải tính toán và lựa chọn ñầy ñủ các thiết bị tự ñộng bảo vệ, ñiều khiển và ñiều chỉnh nhằm tự ñộng hoá công tác vận hành và ñiều ñộ hệ thống

- Công nghiệp ñiện lực có quan hệ chặt chẽ ñến các ngành kinh tế quốc dân và chi phối, ảnh hưởng lớn ñến các ngành kinh tế Do ñó cần chú ý từ khâu thiết kế lựa chọn hợp lý các thiết bị ñiện, giảm vốn ñầu tư cho ñến vận hành kinh tế mạng ñiện, hệ thống ñiện

1.3.2 Những yêu cầu chung của mạng ñiện

ðể cung cấp một lượng ñiện năng có chất lượng tốt và liên tục, yêu cầu ñặt ra ñối với mạng ñiện là:

- ðảm bảo ñộ bền cơ học của ñường dây ñể mạng ñiện làm việc vững chắc và an toàn

- Cung cấp ñiện thường xuyên liên tục, nhất là các thụ ñiện loại I

- Giới hạn vị trí hư hỏng ñể sửa chữa bằng các thiết bị bảo vệ có tính chất chọn lọc

- Cung cấp cho phụ tải một ñiện năng có chất lượng tốt ðộ lệch ñiện áp tại thụ ñiện nằm trong giới hạn cho phép

- Bảo ñảm ñiều kiện kinh tế: vốn ñầu tư và chi phí vận hành là ít nhất

- Có khả năng phát triển trong tương lai mà không cần cải tạo lại mạng ñiện

ðể thoả mãn những yêu cầu trên, khi thiết kế, thi công mạng ñiện cần lưu ý như sau: Tính toán mạng ñiện theo các chỉ tiêu kinh tế; chọn ñiện áp, vật liệu, tiết diện dây dẫn phù hợp; lựa chọn sơ ñồ nối dây tối ưu Tính tiết diện dây theo tổn thất ñiện áp cho phép hoặc theo ñiều kiện kinh tế, kiểm tra ñộ lệch tại thụ ñiện nằm trong giới hạn cho phép ðối với dây cáp hạ

áp, cần tính chọn dây dẫn theo ñiều kiện ñốt nóng và kiểm tra theo tổn thất ñiện áp cho phép Tính toán cơ khí ñường dây ñể bảo ñảm ñộ bền cơ học của dây dẫn, cột và móng Ngoài ra còn chú ý tới các biện pháp ñiều chỉnh ñiện áp, nâng cao hệ số công suất…

1.3.3 Những ñiểm ñặc biệt về phân phối ñiện năng trong nông nghiệp

Mạng ñiện nông nghiệp cung cấp cho các thụ ñiện nông nghiệp, có ñặc ñiểm riêng so với mạng ñiện thành phố, mạng ñiện trong xí nghiệp công nghiệp ðiểm nổi bật là, ñường dây kéo dài, phân tán, công suất truyền tải tương ñối nhỏ; phần lớn thụ ñiện làm việc có tính chất thời vụ, ñồ thị tải không bằng phẳng và cực ñại vào một số giờ cao ñiểm; chênh lệch giữa phụ tải cực ñại và cực tiểu lớn nên thời gian máy biến áp làm việc non tải kéo dài Kết quả là giá thành của mạng ñiện nông nghiệp tính theo công suất truyền tải rất cao Vì vậy, khi thiết kế mạng ñiện phải lưu ý giảm tới mức thấp nhất chi phí vật liệu và kim loại làm dây dẫn

Các thụ ñiện trong nông nghiệp phần lớn là thụ ñiện loại II và loại III nên yêu cầu cung cấp ñiện không chặt chẽ như thụ ñiện loại I, nhiều trường hợp không cần phải dùng ñường dây cấp ñiện dự phòng

ðể giảm giá thành mạng ñiện nông nghiệp người ta có thể sử dụng nhiều biện pháp khác nhau như nâng cao cấp ñiện áp ñịnh mức từ 0,22 kV lên 0,38 kV, ñưa sâu ñiện áp cao vào trung tâm phụ tải, nâng cao cấp ñiện áp vận hành từ 6 - 10 kV lên 22 kV hay 35 kV, ñưa ñiện áp một pha trên lưới trung áp ñể cung cấp cho các thụ ñiện nhỏ nằm phân tán, rải rác Sử dụng hợp lý kim loại làm dây dẫn bằng cách thay dây dẫn ñồng bằng các vật liệu như nhôm và thép nhôm, nâng cao tổn thất ñiện áp cho phép ñể giảm tiết diện dây dẫn bằng cách lựa chọn và ñiều chỉnh các ñầu phân áp hợp lý

Ngoài ra ñể ñạt hiệu quả kinh tế giảm giá thành truyền tải và phân phối ñiện năng còn sử dụng các loại kết cấu cột ñiện hợp lý, sử dụng ñất làm dây dẫn bằng cách chọn hệ thống ñiện hai pha một ñất, một pha một ñất, rút ngắn thời gian thi công bằng cơ giới

1.4 KẾT CẤU DÂY DẪN

1.4.1 Dây dẫn của ñường dây trên không

ðường dây trên không (ðDK) thường dùng dây dẫn làm bằng kim loại không bọc cách ñiện (dây trần) Ngày nay tại các thành phố, thị trấn nhiều nơi có sử dụng dây bọc cách ñiện và dây cáp vặn xoắn ñể ñảm bảo an toàn và chống tổn thất kinh doanh Dây bọc ít sử dụng vì nó dễ bi phá huỷ bởi ñiều kiện thời tiết và môi trường, làm tăng tải trọng ñường dây, tăng giá thành dây dẫn và giảm khả năng toả nhiệt ra môi trường Dây dẫn sử dụng cho ñường dây chế tạo gồm loại một sợi

và nhiều sợi Dây dẫn một sợi thường có tiết diện không lớn (F ≤ 10 mm2) và thường không chế tạo dây nhôm do ñộ bền kém Dây dẫn nhiều sợi chế tạo với tiết diện lớn hơn, thường F ≥ 16 mm2

Về cấu tạo, dây dẫn ñường dây bao gồm

Dây dẫn một sợi làm bằng một kim loại,

Dây dẫn nhiều sợi làm bằng một kim loại,

Dây dẫn nhiều sợi làm bằng 2 kim loại,

Dây dẫn lưỡng kim,

Dây dẫn rỗng

Dây dẫn nhiều sợi ñược chế tạo gồm một sợi ở chính giữa, xung quanh quấn nhiều sợi xoắn với nhau theo nhiều lớp Thường lớp ngoài nhiều hơn lớp trong 6 sợi và mỗi lớp xoắn lại theo chiều ngược nhau ñể dây dẫn không tự xổ và có dạng tròn Tiết diện dây dẫn càng lớn thì dây càng có nhiều lớp Dây nhiều sợi có ñộ bền cao hơn, khó bị ñứt, uốn cong dễ dàng, thuận tiện cho thi công

Tuỳ theo vật liệu và cách chế tạo dây mà nó có những mã hiệu khác nhau Mã hiệu dây dẫn gồm chữ cái chỉ vật liệu làm dây dẫn và con số chỉ tiết diện (mm2) hoặc ñường kính (mm) Ví dụ:

A - dây nhôm; AC - thép nhôm; M - ñồng; C - thép, ACO - dây thép nhôm có lõi thép giảm nhẹ; ACY - dây thép nhôm có lõi thép tăng cường

Tiết diện dây dẫn ñược tiêu chuẩn hoá gồm các giá trị như sau:

1,5; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240; 300; 400; 500; 600; 700 (mm2) Những số ghi trong mã hiệu dây dẫn rất gần với tổng tiết diện thực của tất cả các sợi dây riêng rẽ Trong tính toán ta lấy ñường kính ngoài và ñường kính tính toán của dây dẫn như trong phụ lục

- Dây ñồng: Ký hiệu tiếng Nga là M (MeДЬ) hoặc ký hiệu tiếng Anh là C (Copper) ðồng

là một trong những vật liệu dẫn ñiện tốt nhất, có nhiệt ñộ nóng chảy 10830C Dây ñồng trần ñược chế tạo như sau: bằng nhiệt luyện, người ta có sợi ñồng ñường kính từ 5 - 10 mm, ñưa vào kéo ở trạng thái nguội ñến khi ñường kính ñạt 2,5 - 4 mm ta ñược dây ñồng cứng dùng làm dây dẫn của ðDK, ký hiệu MT (ðC) Dây ñồng cứng có ñiện trở suất ở nhiệt ñộ 200C là ρ = 18,2 Ωmm2/km và sức cản ñứt tức thời là Fcd = 382 N/mm2 Dây ñồng cứng ñem ñốt nóng và làm nguội từ từ (ủ) ta ñược ñồng mềm, ký hiệu MM (ðM) thường dùng làm dây bọc cách ñiện và lõi cáp Dây ñồng mềm có ρ = 17,5 Ωmm2

/km và Fcd = 196 N/mm2

Dây dẫn bằng ñồng chịu ñựng tốt ảnh hưởng của khí quyển và ña số các phản ứng hoá học

xảy ra trong không khí Khi làm việc, trên bề mặt của dây dẫn tạo một lớp oxít dày bảo vệ cho các lớp bên trong không bị phá huỷ tiếp vì vậy nó không cần sử dụng các biện pháp chống ăn mòn Về

ñộ bền cơ, nó chỉ thua kém dây thép và các hợp kim ñồng Tuy nhiên do dây ñồng ñắt nên nó bị hạn chế sử dụng, thường dùng khi có những khoảng vượt lớn và ñiều kiện môi trường có hàm lượng muối hay hoá chất mà các vật liệu khác không sử dụng ñược

Conductor) ðường dây trên không thường sử dụng nhôm kéo cứng không bọc cách ñiện ðiện trở suất của dây nhôm là ρ = 29,5Ωmm2/km và sức cản ñứt tức thời Fcd = 147 - 157 N/mm2 Dây nhôm dẫn ñiện kém ñồng khoảng 1,6 lần nhưng nó nhẹ, giá thành hạ nên ñược sử dụng rộng rãi làm dây dẫn ðDK Dưới tác ñộng của khí quyển, nhôm bị o xy hoá tạo thành lớp vỏ bảo vệ giống như dây ñồng, tuy nhiên lớp này có thể bị phá huỷ bởi một số chất hoá học Vì ñộ bền cơ học kém nên ñược chế tạo dạng nhiều sợi với tiết diện từ 16 mm2 trở lên ðường dây nhôm khi lắp ñặt sẽ có

ñộ võng lớn nên chỉ sử dụng ở khoảng vượt ngắn ( l < 150 m ), ñiện áp thấp ( U < 35 kV ) Hiện nay dây nhôm chủ yếu ñược sử dụng làm dây dẫn của ñường dây hạ áp

ðể tăng ñộ bền cơ học, dây nhôm có pha thêm mangan và Silic ( ≤ 1,2% ) gọi là dây Andre (AΛ); Nó có Fcd = 243 -294 N/mm2

- Dây thép nhôm (AC) ñể tăng ñộ bền cơ học cho dây dẫn và thực hiện ñược với những

khoảng vượt lớn người ta chế tạo dây dẫn làm bằng hai kim loại (dây phức hợp) Thông dụng nhất

là dây thép nhôm ñược làm từ hai vật liệu là nhôm và thép Nó là dây nhiều sợi, lớp trong cùng là một hoặc một số sợi thép tráng kẽm có ñộ bền cơ học cao, bên ngoài là các lớp nhôm ñể dẫn ñiện Dây AC có ñộ bền cơ học cao hơn dây nhôm, dùng cho các khoảng vượt lớn và ñiện áp cao (dùng cho mạng trung áp và cao áp) Dây thép nhôm ñược chế tạo ở 3 loại

- Dây AC có tỷ số tiết diện giữa nhôm và thép là 5,5 - 6, tiết diện từ 10 - 400 mm2 Ký hiệu ñầy ñủ của dây nhôm lõi thép (theo tài liệu tiếng Nga) gồm chữ cái chỉ loại dây AC, tiếp theo là tiết diện ñịnh mức của phần nhôm, tiết ñiện ñịnh mức của phần thép Ví dụ AC-240/32 là dây

nhôm lõi thép, tiết diện ñịnh mức phần nhôm là 240 mm, tiết diện ñịnh mức phần thép là 32 mm Theo tài liệu tiếng Anh, dây nhôm lõi thép ký hiệu là ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced) ðể bảo vệ cho dây nhôm lõi thép khỏi bị ăn mòn do hơi muối mặn hay hoá chất, người ta sản xuất 3 loại dây nhôm lõi thép chống ăn mòn, dùng cho các ñường dây ñi qua khu vực ven biển, vùng nước mặn, các khu công nghiệp có hoá chất Cụ thể:

+ Dây ACSR/HZ có phần lõi thép ñược phủ ñầy mỡ trung tính chịu nhiệt;

+ Dây ACSR/MZ có toàn bộ phần nhôm và lõi thép ñược phủ ñầy mỡ trung tính chịu nhiệt;

+ Dây ACSR/LZ là loại dây ACSR/HZ nhưng lõi thép còn ñược bọc 2 lớp băng nhựa polyetylen

- Dây ACO là thép nhôm có lõi thép giảm nhẹ, có tỷ số tiết diện giữa nhôm và thép là 7,5 -

8, tiết diện chế tạo từ 150 - 700 mm2

- Dây ACY là thép nhôm có lõi thép tăng cường, tỷ số tiết diện giữa nhôm và thép là 4,5 và

có tiết diện từ 120 - 400 mm2 Dây dẫn ñược dùng trong các khoảng vượt rất lớn cần tăng cường khả năng chịu lực của dây, chiều dài khoảng vượt có khi tới hàng ngàn mét

Ngoài dây nhôm lõi thép, người ta còn chế tạo hai loại dây phức hợp khác là:

+ Dây hợp kim nhôm lõi thép, ký hiệu AACSR (Aluminium Alloy Conductor Steel Reinforced)

+ Dây nhôm lõi hợp kim nhôm, ký hiệu ACAAR (Aluminium Conductor Aluminium Alloy Reinforced)

- Dây thép: gồm loại một sợi (ký hiệu là ΠCO) và nhiều sợi (ΠC), con số kèm theo chỉ

ñường kính dây thép Dây nhiều sợi có ký hiệu ΠMC là dây thép có ñồng, con số kèm theo chỉ tiết diện (mm2) Vì dây thép dẫn ñiện kém, sử dụng không hợp lý nên nó dần ñược thay thế bằng dây

A và AC

- Dây dẫn rỗng: ñể tăng ñường kính của dây tránh hiện tượng vầng quang ñiện, giảm tổn

thất ñiện năng nhưng không tăng chi phí vật liệu làm dây dẫn người ta chế tạo dây dẫn rỗng Nó có

2 loại: một loại gồm các sợi dây bằng ñồng vặn xoắn từng lớp theo chiều ngược nhau và rỗng ở giữa; loại khác gồm các thanh ñồng ghép lại với nhau theo chiều xoắn Loại này vì chế tạo phức tạp, ñấu nối khó khăn và ñắt nên hiện nay không dùng làm dây dẫn của ñường dây, số ít dùng làm thanh cái trong trạm biến áp từ 330 kV trở lên

1.4.2 Dây cáp ñiện lực

Những cấu trúc của dây dẫn ñược cách ñiện riêng biệt và ñược bảo vệ bằng lớp vỏ bọc ngoài gọi là dây cáp Dây cáp có thể ñặt trực tiếp trong ñất, nước và không khí Cấu trúc của cáp phụ thuộc vào cấp ñiện áp, loại dòng ñiện và phương thức lắp ñặt trong ñó ảnh hưởng lớn nhất là ñiện áp Cáp ñiện lực có thể ñược cấu tạo loại một lõi hoặc nhiều lõi, thường dùng dây nhôm một sợi hoặc nhiều sợi làm lõi dẫn ñiện, chỉ dùng dây ñồng trong những trường hợp ñặc biệt như trong hầm mỏ, nơi dễ nổ, nguy hiểm do khí và bụi

Theo ñiện áp người ta chia cáp thành các loại sau: cáp từ 10 kV trở xuống ( có từ 1 - 4 lõi ); cáp 3 lõi ñiện áp ñến 35 kV; cáp 1 lõi ñiện áp 110 ñến 220 kV Mạng cáp ñắt tiền, giá ñắt gấp 2-

3 lần so với ðDK trung áp và 5-8 lần so với ðDK cao áp Dây cáp chế tạo phức tạp vì phải ñảm bảo cách ñiện tốt giữa các pha với nhau và với ñất, ñặc biệt là cáp cao áp Ngoài ra các phụ kiện, ñầu nối cáp chế tạo cũng phức tạp

Phụ kiện của cáp là những phụ kiện dùng nối các ựoạn cáp, nối cáp với thiết bị, nối cáp vào thanh cái thiết bị phân phối Phụ kiện nối các ựoạn cáp gọi là hộp nối cáp, phụ kiện ựể ựưa ựầu cuối của cáp ra ngoài trời hoặc vào trong nhà gọi là hộp ựầu cáp, mục ựắch của chúng là dùng ựể bịt kắn cáp tại vị trắ nối Cáp ựược ựăt trong hào, trong mương, trong bloc cáp hay trong ống, trong hầm cáp

đặt cáp trong hào cáp là rẻ nhất, nghĩa là ựặt cáp trực tiếp trong ựất đáy hào ựổ cát ựể tạo lớp ựệm, sau khi rải cáp ựổ lên phắa trên một lớp ựất mềm để bảo vệ cáp khỏi bị va ựập, người ta phủ gạch hoặc các tấm bê tông lên trên, sau cùng ựổ các lớp ựất và ựầm chặt

đặt cáp trong mương cáp (mương chìm hoặc mương nổi):

Mương chìm là toàn bộ mương ựặt chìm trong ựất, mương xây hoặc ựúc bê tông Trong mương ựặt các giá cáp bằng thép cách nhau 0,8-1m tuỳ thuộc loại cáp và các giá ựược nối ựất Mương nổi là toàn bộ mương ựặt nổi trên mặt ựất, mương làm bằng bê tông cốt thép mỏng, cáp ựặt một lớp dưới ựáy mương

Cáp ựặt trong hầm là tốn kém nhất, thiết kế hầm cáp áp dụng khi số lượng cáp lớn, yêu cầu trong hầm cáp phải có thiết kế thông gió và chiếu sáng, ựộ cao tiêu chuẩn của hầm từ 2-2,5m Cáp ựặt trong bloc cũng tốn kém, khó thi công nhưng an toàn Bloc cáp là các tấm bê tông cốt thép tiêu chuẩn, có lỗ ựể luồn cáp bên trong Căn cứ số lượng cáp ựể chọn số bloc cáp tiêu chuẩn ghép lại với nhau cho phù hợp Bloc cáp tiêu chuẩn có 2 lỗ cáp φ =100-125mm, dài 2955

mm rộng 330 mm, dày 180mm Dưới bloc cáp có lớp bê tông mác thấp làm nền

Lõi cáp sử dụng vật liệu bằng những sợi ựồng hay nhôm ựược ủ sơ bộ, cấu trúc một sợi hoặc nhiều sợi văn xoắn với nhau tạo nên dạng hình tròn, ô van hay rẻ quạt Mỗi lõi có lớp vỏ bọc cách ựiện riêng gọi là cách ựiện pha Vật liệu làm cách ựiện pha thường bằng giấy tẩm hoá chất ựặc biệt hay một số lớp cao su, kết cấu tuỳ thuộc vào ựiện áp ựịnh mức của cáp Các pha ựược vặn xoắn với nhau (với bước xoắn có bội số 25 ựến 30 lần ựường kắnh cáp) và chèn bằng các nêm giấy ngâm tẩm ựể tạo cho vỏ cáp có dạng tròn ựều Cáp hạ áp thường chế tạo có 4 lõi, dây trung tắnh có tiết diện bằng hoặc nhỏ hơn dây pha Cáp ựiện áp từ 1kV ựến 10 kV thường dùng cáp có 3 lõi Tiếp theo, tắnh từ trong ra ngoài vỏ cáp gồm các lớp sau:

- đai cách ựiện bằng giấy tẩm các thành phần ựặc biệt hay các lớp cao su

- Vỏ bằng chì hay nhôm bảo vệ cho ựai

- Lớp giấy cáp và sợi tẩm dùng ựể bảo vệ cho vỏ chì hay nhôm không bị phá huỷ bởi a xắt

và kiềm

- Cuốn bằng những giải thép (băng thép) phẳng hay tròn

- Bọc bằng sợi gai tẩm dùng ựể chống gỉ cho giải thép

- Vỏ bảo vệ bằng chì, nhôm hay nhựa tổng hợp

Vỏ chì chế tạo bằng cách kéo sợi còn vỏ nhôm là hàn lạnh, chúng rất kắn nên có thể ựặt trực tiếp trong các môi trường ựất, nước và không khắ Cáp vỏ chì có ựộ dẻo lớn nhưng ựắt và ảnh hưởng tới môi trường nên ắt ựược dùng, ựa số là vỏ nhôm Vỏ nhôm có ưu ựiểm là nhẹ, sức bền cắt lớn hơn nên ắt bị rạn nứt khi ựất bị lún sụt

đối với mạng ựiện hạ áp, cáp ựều có cách ựiện và chất bảo vệ bằng nhựa tổng hợp, Polyclovinin, hay polyêtylen ( vắ dụ ABB; AΠB ) Tiết diện dây cáp thường từ 2,5 - 185 mm2

; cáp

có thể có từ 1 ựến 4 lõi Ký hiệu cáp có các chữ chỉ vật liệu, chỉ cách ựiện và vỏ bọc Vắ dụ cáp

Liên Xô cũ: chữ ñầu tiên là A chỉ lõi nhôm; không có chữ A là lõi ñồng; vỏ ký hiệu C là chì; A là nhôm; B là polyclovinin; Π là pôlyêtylen ; P là cao su Vỏ bảo vệ ngoài có chữ b là thép; chữ Γ là không bọc bảo vệ

b, Cáp ñiện lực 3 lõi 20 kV ñến 35 kV:

Khi số lõi bằng nhau thì cấu trúc của cáp 20 kV và 35 kV giống như với cáp 10 kV nhưng cách ñiện ñược tăng cường hơn, nó có 3 lõi tiết diện lên ñến 240 mm2 ðối với cáp này mỗi pha có một vỏ bọc bằng chì bọc kín xung quanh lớp giấy cách ñiện pha hoặc với cáp mà lõi có màn chắn, lớp màn chắn ñược bọc ngay sát bên ngoài lớp cách ñiện bằng giấy của mỗi lõi Lớp màn chắn này

là những dải ñồng có khoan lỗ hoặc là những dải băng giấy mạ kim loại có khoan lỗ Việc chế tạo lớp vỏ bọc bằng chì hay màn chắn như vậy sẽ tạo ra một ñẳng thế xung quanh lớp cách ñiện của mỗi pha, tạo ñiện trường hướng tâm có cường ñộ phân bố ñều trên bề mặt lõi và trong các lớp cách ñiện ñồng thời chống ngắn mạch giữa các pha Các pha ñược ñặt trong cùng vỏ bọc ngoài Muốn nối cáp người ta hàn ruột, bọc cách ñiện ñặt trong hộp hay vỏ bảo vệ rồi ñổ bitum hay êpôxi

Cáp ñầy khí: mỗi cáp ñều ñược cách ñiện bằng giấy có ngâm tẩm hợp chất cách ñiện, và vỏ bảo vệ riêng biệt ñặt trong các ống thép chứa ñầy khí trơ (thường là khí nitơ), áp suất từ 10 -15 at Mặt trong của ống thép có lót cách ñiện bằng giấy tẩm dầu Chúng có bộ phận ñặc biệt ñể duy trì

áp suất khí khi tải thay ñổi bằng các nồi hơi ở hai ñầu ñường dây Các loại cáp này lớp bảo vệ lõi cũng ñược tăng cường hơn

1.4.3 Dây dẫn có bọc cách ñiện

Những mạng ñiện ñược xây dựng trong nhà, trong các công xưởng, nhà máy xí nghiệp gọi là mạng ñiện bên trong, thường dùng dây dẫn có bọc cách ñiện, cáp hay thanh dẫn với các phương pháp lắp ñặt khác nhau Dây bọc có lõi bằng ñồng hay nhôm, loại một sợi hay nhều sợi; cách ñiện bằng cao su, polyclovinin hay polyêtylen ðối với dây dẫn loại nhiều lõi thì mỗi lõi ñược cách ñiện riêng biệt và trong cùng một vỏ bọc ngoài

Ký hiệu dây bọc có các chữ chỉ cách ñiện và con số chỉ tiết diện dây dẫn Ở Việt Nam gọi chung là dây bọc nhựa hoặc cao su ( Ví dụ PVC ) Còn ở Liên Xô cũ nhập về các loại như :

ΠP là dây ñồng cách ñiện cao su 1 lõi ñặt trong ống sợi dệt tẩm dầu

AΠP là dây nhôm cách ñiện như trên

AP là dây ñồng 1 lõi cách ñiện cao su

ΠB là dây ñồng 1 lõi cách ñiện polyclovinin…

- ðặt kín dùng ở nơi khô ráo, ñiện áp ≤ 500 V Khi ñặt dây kín tiết diện dây phải lớn hơn hoặc bằng 1,5 mm2 ñối với dây ñồng và lớn hơn hoặc bằng 2,5 mm2 với dây nhôm Dây ñặt kín có thể lồng trong ống nhựa tổng hợp, ống cao su, thuỷ tinh hay kim loại rồi trát kín bằng vữa Khi ñặt theo nền gỗ giữa ống và nền phải ñược lót bằng cách ñiện như amiăng Mỗi ống có thể ñặt từ 1 ñến 4 dây nhưng không ñầy quá 2/3 diện tích ống

1.5 CÁCH ðIỆN VÀ MÀN CHẮN ðIỆN TỪ TRUỜNG CỦA DÂY DẪN VÀ CÁP

Vật liệu cách ñiện, chất ñiện môi là những chất dùng ñể cách ñiện cho các phần tử dẫn diện

Có rất nhiều chất cách ñiện ñược sử dụng trong công nghệ chế tạo dây dẫn và cáp ñiện lực

1.5.1 Cách ñiện của dây dẫn và cáp

a, Cách ñiện bằng giấy tẩm dầu

Giấy cách ñiện ñược sản xuất từ xơ gỗ thực vật ñã ñược sunfat hoá Giấy tẩm dầu ñược dùng làm cách ñiện cho cáp, nó ñược làm từ các băng giấy xenluylô, tẩm dầu có ñộ nhớt cao bao quanh dây dẫn ðặc tính vật lý và ñiện của cáp sử dụng cách ñiện bằng giấy tẩm dầu biến ñổi rất phức tạp Quá trình quấn các lớp cách ñiện bằng giấy tẩm ñược thực hiện trong môi trường chân không, chiều dầy lớp cách ñiện tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố và xác ñịnh trong phòng thí nghiệm Loại này hiện nay ít dùng do tính cơ lý của giấy không cao, giá thành ñắt

b, Cách ñiện bằng polyetylen (PE)

Polyme PE tổng hợp từ etylen, là chất dẻo trong suốt, không màu, có công thức chung [-

CH2-CH2-CH2-]n Tuỳ thuộc phương pháp ñiều chế mà nhiệt ñộ nóng chảy của nó thay ñổi trong khoảng từ 1300C – 1500C Nếu tổng hợp dưới áp suất cao ta có polyetylen tỷ trọng thấp LDPE, khi tổng hợp có xúc tác và dưới áp suất thấp ta có polyetylen tỷ trọng cao HDPE Nhựa PE có tính bền kéo cao, dẻo, cách ñiện tốt và bền vững với một số chất như kiểm, axit clohydric, các axit hữu

cơ và các hoá chất khác ở nhiệt ñộ thường, rẻ tiền và có ñặc tính cách ñiện tốt Nhựa PE dễ bị nứt gãy dưới tác ñụng của ánh sáng mặt trời, khắc phục bằng cách thêm một số chất có tác dụng chống nứt gãy và chống tia cực tím

c, Cách ñiện bằng polyvynilclorua (PVC)

Polyme PVC là vật liệu cách ñiện ñược tổng hợp từ vynilclorua, có màu trắng, công thức chung là [-CH2-CHCl-]n Nhiệt ñộ cao trên 1000C, nhựa PVC bị phân huỷ, bình thường nó chịu ñược tác dụng của môi trường nước, axit, kiềm, muối… Tính chất cơ lý của nhựa PVC tuỳ thuộc vào quá trình chế tạo, nó ñược dùng làm cách ñiện của cáp ñiện có ñiện áp thấp và tần số công nghiệp vì dễ gia công chế tạo, bền về hoá học, chịu nhiệt cao nhưng dễ bị phân cực

d, Cách ñiện bằng cao su

Cao su ñược dùng nhiều ñể làm vật liệu cách ñiện vì có tính mềm dẻo, dễ uốn cong khi lắp ñặt Tuỳ theo phương pháp tổng hợp, phụ gia và phương pháp lưu hoá người ta có các loại cao su khác nhau như cao su Acrylat, cao su butadien, cao su butyl, cao su silicon, cao su etylen propylen Cáp cách ñiện cao su silicon hiện ñang ñược sử dụng rộng rãi do tính bền vững với thời gian và ñộ ñàn hồi tốt Việt Nam sản xuất cáp ñiện cao su sử dụng cao su thiên nhiên sau khi ñã lưu hoá và bổ sung thêm một số hoá chất

e, Cách ñiện bằng polyetylen khâu mạch (XLPE)

XLPE là nhựa polyetylen ñược tạo thêm các liên kết ngang, thực hiện trên máy chuyên dụng

có kiểm soát chặt chẽ nhiệt ñộ, xúc tác, quá trình khâu mạch Do liên kết ngang, nhựa XLPE có ñặ

tính cơ và hoá cao gấp hai lần so với PVC nên khi chế tạo vỏ cáp nó làm giảm kích thước và trọng lượng của cáp Nhựa XLPE chịu nhiệt ñộ cao, cho phép nhiệt ñộ làm việc lâu dài ở 900C, chịu tác ñộng cơ học tốt, chịu uốn, chịu va chạm, chịu mài mòn, chịu tia cực tím và không bị dầu và hoá chất thông thường phá hoại; rẻ tiền dễ sản xuất nên ñược dùng rộng rãi trong sản xuất cáp hạ áp, trung áp, cao áp Nhược ñiểm là nhựa bị lão hoá theo thời gian sử dụng, tốc ñộ lão hoá nhanh khi

bị tác ñộng của nhiệt ñộ cao

1.5.2 Màn chắn ñiện từ trường của dây dẫn và cáp

Trong cáp trung áp và cao áp, ñiện trường thường phân bố không ñều trong cách ñiện nên

dễ gây ra phóng ñiện tại những vị trí có ñiện trường lớn ðể khắc phục, người ta dùng những màn chắn ñiện từ trường ñể tạo ñiện trường ñồng ñều trong lớp cách ñiện Lớp màn chắn ñiện từ thứ nhất bọc sát xung quanh ruột dẫn ñiện, màn chắn ñiện từ thứ hai gồm hai lớp: lớp thứ nhất là màn chắn bán dẫn ôm sát lớp cách ñiện, lớp thứ hai là màn chắn kim loại ôm ngoài lớp bán dẫn Màn chắn ñiện từ ñược làm từ các vật liệu có ñiện trở suất khối khoảng 102-104 Ωm Tuỳ theo loại chất cách ñiện, người ta chế tạo các loại chất liệu bán dẫn tương ứng sao cho có cùng hệ số dãn nở nhiệt với lớp cách diện ñể không xuất hiện khe hở không khí trong khi vận hành Thông thường các loại vật liệu bán dẫn thường ñược làm bằng cách trộn thêm bột than vào chất cách ñiện

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1

1, Những khái niệm cơ bản về mạng ñiện và hệ thống ñiện; tìm hiểu về các cấp ñiện áp ñịnh mức của mạng ñiện Việt Nam và các nước khác trên thế giới

2, Tìm hiểu về các dạng nguồn ñiện trong hệ thống ñiện, xu hướng của thế giới trong việc phát triển các loại nguồn năng lượng mới dùng ñể phát ñiện

3, Phân loại mạng ñiện, phụ tải ñiện, cho ví dụ về các phụ tải loại 1 và loại 2

4, Những yêu cầu chung trong thiết kế và cải tạo quy hoạch mạng lưới ñiện, tìm hiểu ñặc ñiểm riêng của mạng lưới ñiện cấp cho các phụ tải nông nghiệp và nông thôn; mạng lưới ñiện cấp cho các khu công nghiệp, nhà máy; mạng lưới ñiện cấp cho các thành phố, thị xã của nước ta

5, Kết cấu dây dẫn, dây bọc và dây cáp sử dụng trong mạng ñiện, tìm hiểu các loại dây dẫn

và phụ kiện hiện ñang sử dụng cho ñường dây hạ áp, trung áp, cao áp và siêu cao áp

6, Tìm hiểu về chủng loại, kết cấu, loại cách ñiện của dây bọc, dây cáp và các phụ kiện hiện ñang sử dụng trong mạng ñiện nước ta

Chương 2

TÍNH TOÁN DÂY DẪN VÀ CÁP THEO ðỐT NÓNG

Nội dung của chương 2 trình bày phương pháp xác ñịnh tổng trở (bao gồm ñiện trở tác dụng

và ñiện trở cảm kháng) của dây dẫn và cáp Trong quá trình truyền tải ñiện, dây dẫn và cáp bị ñốt nóng dưới tác dụng của dòng ñiện xoay chiều Nội dung của chương cũng ñề cập ñến bản chất của hiện tượng ñốt nóng, quá trình truyền nhiệt từ dây dẫn và cáp môi trường bên ngoài và phương pháp tính chọn cáp và dây bọc theo ñiều kiện ñốt nóng ðặc tính của dây chảy, phương pháp tính chọn dây chảy bảo vệ cho mạng ñiện, chọn cáp và dây bọc kết hợp với dây chảy cũng ñược ñề cập ñến trong phần cuối của chương này

2.1 ðIỆN TRỞ CỦA DÂY DẪN VÀ CÁP

2.1.1 ðiện trở tác dụng (R)

ðiện trở ñặc trưng cho khả năng cản trở dòng ñiện của một vật dẫn ñiện

Khi có dòng ñiện một chiều ñi qua dây dẫn, dòng ñiện sẽ phân bố ñều ñặn trên toàn bộ bề mặt tiết diện của dây ðiện trở Ôm míc trên 1 km chiều dài dây dẫn ở nhiệt ñộ tiêu chuẩn ( θ0 = 20 0

C do ñó ñiện trở dây dẫn tăng lên là:

RK = 1 + 0,004 ( 70 - 20 ) = 1,2 lần hoặc 20%

Dây dẫn ñạt ñến nhiệt ñộ cực ñại 700C có thể xảy ra nhưng khoảng thời gian rất ngắn trong năm Thực tế người ta thường tính với nhiệt ñộ thường gặp nhất là 35 - 450 C, ở nhiệt ñộ này ta có:

ðối với ñồng ρM = 18,8 Ωmm2/km; ðối với nhôm ρA = 31,5 Ωmm2/km

ðối với ñồng γM = 53 m/Ωmm2; ðối với nhôm γ = 31,7 m/Ωmm2

ðối với cáp ñồng và nhôm, trong khi làm việc nhiệt ñộ thường từ 40 - 500 C do ñó ñiện trở suất và ñiện dẫn suất của cáp có thể lấy như với ñường dây trên không

ðiện trở của dây dẫn với dòng ñiện một chiều gọi là ñiện trở Ôm mic, khác với ñiện trở dòng ñiện xoay chiều gọi là ñiện trở tác dụng ðiện trở tác dụng lớn hơn ñiện trở Ôm mic vì có hiệu ứng ngoài và hiệu ứng gần Hiệu ứng mặt ngoài do từ trường xoay chiều trong dây dẫn gây ra

sự phân bố không ñều của dòng ñiện trên bề mặt dây Hiệu ứng gần là ảnh hưởng của từ trường giữa các dây dẫn ñặt gần nhau sinh ra Các hiệu ứng này phụ thuộc vào tần số của dòng xoay

chiều, ở tần số f = 50 Hz và dây dẫn làm bằng kim loại màu thì sự chênh nhau không ñáng kể ( khoảng 1% ) nên trong tính toán ta lấy ñiện trở tác dụng bằng ñiện trở Ôm míc

ðể tiện tính toán ñiện trở tác dụng ñược cho trong phụ lục, nó sai khác so với tính toán theo công thức trên từ 6 -10 % do dây dẫn bị vặn xoắn nên chiều dài thực lớn hơn chiều dài ño từ

2 -3 % và tiết diện của dây vặn xoắn lớn hơn tổng tiết diện của các sợi dây nhỏ cấu tạo nên nó

2.1.2 ðiện trở cảm kháng ( X )

Ở mạng ñiện xoay chiều, xung quanh dây dẫn có từ trường biến thiên tạo ra ñộ tự cảm L, ñồng thời dây dẫn ñặt gần nhau sinh ra hỗ cảm M Do ñó ta phải xét ñến ñiện trở cảm kháng X của ñường dây

Khi dây dẫn bố trí trên 3 ñỉnh của tam giác ñều, khoảng cách là D mm thì cảm kháng trên một pha của một km ñường dây 3 pha có gía trị là:

µ - là hệ số từ thẩm của vật liệu dây dẫn ( H/m )

Ở tần số 50 Hz dây dẫn dùng kim loại màu, µ = 1 ta có:

Khi dây dẫn bố trí bất kỳ, có hoán vị dây với khoảng cách giữa các pha là D12, D23, D31 thì cảm kháng vẫn tính như ( 2-4 ) nhưng thay D bằng DTB là khoảng cách trung bình hình học giữa các dây dẫn 3 pha:

DTB = 3

31 23

12D D

Nếu dây dẫn 3 pha ñặt cách nhau trên cùng

một mặt phẳng, dây nọ cách dây kia là D thì:

Trường hợp ñường dây có hai tuyến ñi trên một cột thì ảnh hưởng của tuyến thứ nhất ñến tuyến thứ hai là không lớn (từ 4 - 6%) do ñó khi tính toán có thể bỏ qua

Cảm kháng X0 ñược tính sẵn và cho trong phụ lục Khi tra bảng, cần căn cứ vào Dtb và ñường kính của dây dẫn ðối với những dây dẫn có ñường kính không trùng với giá trị cho sẵn trong bảng thì tính toán theo phép nội suy tuyến tính Trong bảng ta thấy tiết diện dây và khoảng cách giữa các dây dẫn thay ñổi nhều thì trị số của X0 thay ñổi rất ít (trong khoảng 0,3 - 0,46 Ω/km) Vì vậy khi cần thiết, gần ñúng ta có thể lấy một giá trị trung bình của X0 ñể tính toán

ðể giảm X0 tức là giảm tổn thất công suất và ñiện áp, ta phải tăng r hoặc giảm DTB Vì DTBphụ thuộc vào ñiện áp nên chỉ giảm ở mức ñộ nhất ñịnh, quá sẽ gây ra ngắn mạch giữa các pha Hiệu quả nhất là tăng r của dây dẫn, nhưng nếu tăng tiết diện dây sẽ gây lãng phí vật liệu mà ñiện kháng giảm không nhiều, người ta tìm cách phân nhỏ dây dẫn của các pha, việc phân nhỏ dây của một pha như vậy làm tăng bán kính ñẳng trị của ñường dây Kinh nghiệm cho thấy:

Phân làm 2 dây phân nhỏ thì ñiện kháng X0 giảm ñi 19%;

Phân làm 3 dây phân nhỏ thì ñiện kháng X0 giảm ñi 28%;

Phân làm 4 dây phân nhỏ thì ñiện kháng X0 giảm ñi 32,5%;

Ta thấy phân làm 3 dây là có lợi nhất, nếu tăng lên nữa thì cấu trúc ñường dây phức tạp lên nhiều trong khi ñiện kháng lại giảm ñi ít Trong thực tế, ñường dây ñiện áp 220 - 330 kV phân làm

2 hoặc 3 dây, 500 kV phân làm 3 hoặc 4 dây, 750 kV phân thành 5 dây và 1150 kV phân thành 8 dây ðường dây siêu cao áp 500 kV của Việt Nam từ Hoà Bình ñi Phú Lâm mỗi pha ñược phân làm 4 dây ñặt trên 4 cạnh hình vuông có a = 450 mm

ðiện kháng của ñường dây sau khi phân nhỏ mỗi pha thành n dây, bán kính thực của mỗi sợi dây phân nhỏ là r, khoảng cách giữa các dây pha phân nhỏ là a1,a2 an (thường từ 300 - 600 mm) thì X0 xác ñịnh theo biểu thức:

X0 = 0,144 lg 0,016( )

km n r D dt

rñt = n n

TB a

r −1; aTB = n

n a a

a1 2 ( 2-8 )

rñt - là bán kính ñẳng trị của dây dẫn;

aTB là trị số trung bình giữa các dây dẫn phân nhỏ của một pha,

a1, a2, an - là khoảng cách giữa các pha phân nhỏ

Thông thường phân nhỏ dây dẫn chỉ ñược áp dụng ñối với các ñường dây có ñiện áp từ 220

kV trở lên ðiện kháng của dây cáp nhỏ hơn ñáng kể so với ðDK, khi tính cho mạng cáp thường tra các thông số r0 và x0 theo các bảng số liệu ñã cho sẵn của nhà máy

2.1.3 Tổng trở của dây thép

Dây thép có µ lớn và biến thiên theo dòng ñiện nên tổng trở của nó cũng biến thiên theo dòng ñiện ðiện kháng của dây thép gồm 2 thành phần là cảm kháng trong X0'' và cảm kháng ngoài X0':

X0 = X0''+ X0' = 0,144lg 0,016 ( )

km r

X0' = 0,016 µ; X0'' = 0,144lg

r D

( 2-10 )

Vì tổng trở của dây thép khó tính theo biểu thức giải tích nên nó ñược xác ñịnh bằng phương pháp thực nghiệm và cho trong phụ lục Muốn tra bảng tìm X0'' ta phải biết tiết diện và dòng ñiện chạy qua dây dẫn

2.2 SỰ PHÁT NÓNG CỦA DÂY TRẦN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA DÒNG ðIỆN

Hạn chế sự tăng nhiệt của dây dẫn là một yêu cầu cần thiết nhằm ñảm bảo cho mạng ñiện làm việc an toàn Trong nội dung phần này, ta ñi xem xét các khái niệm về phát nhiệt, truyền nhiệt

và sự phát nóng của dây trần, dây bọc và dây cáp khi tải ñiện

Khi có dòng ñiện chạy qua, dây dẫn sẽ bị ñốt nóng

theo hiệu ứng Joule Nhiệt lượng phát ra có hai tác dụng:

làm tăng nhiệt ñộ bản thân dây dẫn và tản ra môi trường

xung quanh

Gọi Q là nhiệt lượng phát ra khi có dòng ñiện ñi qua dây

Q = Q1 + Q2

Trong ñó Q1 là nhiệt lượng dùng ñể ñốt nóng dây dẫn,

Q2 là nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh

Q2 truyền từ dây dẫn ra môi trường nhiều hay ít tuỳ thuộc vào chênh lệch nhiệt ñộ giữa dây dẫn và môi trường quyết ñịnh Giả thiết sau một khoảng thời gian t nhiệt ñộ của dây dẫn tăng từ nhiệt ñộ môi trường θ1 lên θ2 Lúc ñầu khi mới ñóng ñiện thì nhiệt lượng chủ yếu làm tăng nhiệt

ñộ dây dẫn, còn nhiệt lượng toả ra môi trường rất nhỏ (Q ≈ Q1) Giai ñoạn tiếp theo, dây dẫn ñạt tới một nhiệt ñộ ổn ñịnh Khi ñó có sự cân bằng nhiệt: tất cả nhiệt lượng sinh ra ñều truyền vào môi trường xung quanh còn nhiệt ñộ của dây dẫn là ổn ñịnh và không ñổi (Q ≈ Q2), trong khi dòng ñiện và ñiều kiện làm mát của môi trường không ñổi Dòng ñiện qua dây dẫn càng lớn thì nhiệt lượng phát ra càng nhiều và ñộ tăng nhiệt của dây dẫn τ = θ2 - θ1 càng lớn Nhưng ñối với mỗi loại dây dẫn chỉ chịu ñựng ñược một nhiệt ñộ nhất ñịnh Nhiệt ñộ lớn quá sẽ làm dây dẫn bị hỏng do

ñó mỗi một dây dẫn chỉ cho phép một dòng ñiện nhất ñịnh ñi qua Dòng ñiện lớn nhất cho phép qua dây dẫn mà nó không bị nóng quá nhiệt ñộ quy ñịnh gọi là dòng ñiện lâu dài cho phép ( Icp ) Muốn tăng dòng ñiện lâu dài cho phép thì phải giảm θ1 hoặc cải thiện ñiều kiện làm mát ñể tăng

Dây dẫn ñặt trong không khí toả nhiệt ra môi trường theo 3 cách là bức xạ, ñối lưu và truyền nhiệt Hệ số truyền nhiệt của không khí rất thấp nên nhiệt lượng truyền vào môi trường bằng sự truyền dẫn nhiệt là không lớn Mặt khác ñể ñảm bảo ñộ bền cho dây người ta khống chế

dòng ñi qua dây không làm cho dây dẫn bị nóng quá nhiệt ñộ cho phép là θCP = 70 C nên vai trò của bức xạ là nhỏ (tỷ lệ với luỹ thừa bậc bốn của nhiệt ñộ tuyệt ñối) Vai trò làm mát dây dẫn ðDK chính là ñối lưu tự do tức là mang nhiệt bằng dòng chảy của không khí

Nhiệt lượng của dây dẫn toả ra môi trường xung quanh trong một giây là:

P = C.S.(θ2 - θ1) ( 2-11 ) Trong ñó:

C - là hệ số truyền nhiệt, bằng nhiệt lượng tản ra trong một giây từ một cm2 diện tích bề mặt dây dẫn khi hiệu số nhiệt ñộ dây dẫn và của môi trường là 10C ( W/ cm2ñộ);

S - là diện tích bề mặt tản nhiệt S = π.d.l ( cm2 );

θ1, 2 - là nhiệt ñộ của dây dẫn và môi trường ( 0C );

τ = θ2 - θ1 gọi là ñộ tăng nhiệt của dây dẫn

Nhiệt lượng phát ra từ dây dẫn trong một giây khi có dòng ñiện I chạy qua là:

Rθ2 - là ñiện trở của dây dẫn ở nhiệt ñộ θ2

Khi có sự cân bằng nhiệt, toàn bộ nhiệt lượng do dòng ñiện sinh ra cân bằng với nhiệt lượng toả ra môi trường, phương trình cân bằng nhiệt có dạng:

C.S.(θ2 - θ1) = I2Rθ2 ( 2-13 ) Rút ra: I =

F d F

;1

= và gộp các hệ số thành hệ số chung K ta có:

I = K 4 F3 γ(θ2−θ1) ( 2-15 )

Từ biểu thức ( 2 -15 ) ta có thể tìm ñược dòng ñiện lâu dài cho phép của dây dẫn ứng với một tiết diện nhất ñịnh Vì tính toán trực tiếp công thức trên khá phức tạp nên người ta tính sẵn và cho trong phụ lục

Dòng ñiện lâu dài cho phép của dây dẫn ICP cho trong bảng phụ lục ứng với các tiết diện khác nhau, ñược thành lập theo ñiều kiện tiêu chuẩn như sau: nhiệt ñộ cho phép của dây dẫn θ2 =

700C; nhiệt ñộ không khí môi trường là θ1 = 250C

+ Ta thấy rằng dòng ñiện tỷ lệ với τ = θ −2 θ1, nếu τ thay ñổi thì dòng ñiện cũng thay ñổi theo hệ thức:

2 1

ðể tiện tính toán, Kθ ñược tính sẵn cho trong phụ lục

Khi ñó dòng ñiện cho phép tính toán có giá trị là:

+ Vì S tỷ lệ thuận với ñường kính của dây dẫn nên khi d thay ñổi thì dòng ñiện cho phép cũng thay ñổi theo hệ thức:

2 1

2

1

d

d I

+ Từ ( 2-15 ) cho ta thấy dòng ñiện tỷ lệ với γ, nếu hai dây dẫn có cùng tiết diện, thì ứng với γ1 ta có dòng ñiện cho phép Icp1; dây thứ hai có γ2 thì dòng ñiện cho phép là:

Icp2 = Icp1

2

1 1 1

2

ρ

ργ

γ

cp I

Xác ñịnh dòng ñiện cho phép của dây dẫn chỉ dùng ñể kiểm tra dây dẫn trong mạng kín khi bị sự cố mà không dùng ñể tính chọn tiết diện dây dẫn, Dây trần chỉ tính chọn tiết diện theo ñiều kiện tổn thất ñiện áp cho phép hoặc theo ñiều kiện mật ñộ dòng ñiện kinh tế Căn cứ vào tiết diện ñã chọn, tra bảng phụ lục ta xác ñịnh giá trị Icp ứng với tiết diện ở ñiều kiện tiêu chuẩn và phải thoả mãn ñiều kiện sau ñể nhiệt ñộ không vượt quá 700C:

ICP - là dòng ñiện lâu dài cho phép của dây dẫn ứng với nhiệt ñộ chuẩn cho trong phụ lục

2-3 SỰ PHÁT NÓNG CỦA DÂY BỌC VÀ CÁP

2.3.1 Sự phát nóng của dây có bọc cách ñiện

Nhiệt ñộ cho phép của dây bọc và cáp xác ñịnh bằng khả năng chịu nhiệt của lớp cách ñiện bọc xung quanh dây dẫn như vải, cao su, polyclovinin Khi dùng lâu dài, các chất cách ñiện ñược ñảm bảo khi nhiệt ñộ của dây bọc không vượt quá nhiệt ñộ cho phép của lớp cách ñiện ñó

Có thể nói, nhiệt ñộ cho phép của dây bọc phụ thuộc vào nhiệt ñộ cho phép của lớp cách ñiện Dây bọc có lớp cách ñiện bằng cao su, polyclovinin có nhiệt ñộ cho phép là 650C Nếu nhiệt ñộ tăng quá 650C làm cao su trở lên dòn và nứt, polyclovinin bị mềm và sức bền giảm xuống ðối với những chất cách ñiện khác như thuỷ tinh, amiăng thì nhiệt ñộ cho phép có thể lên ñến 100 - 1200C ðiều kiện tản nhiệt của dây bọc có khác so với dây trần do có lớp cách ñiện, nhiệt lượng do dòng ñiện sinh ra truyền ra môi trường bên ngoài phải thắng ñược nhiệt trở của lớp cách ñiện Trị

số này phụ thuộc vào tính chất của lớp cách ñiện và ñộ dày của nó Sự tản nhiệt từ bề mặt của dây bọc ra môi trường bên ngoài cũng giống như dây trần Phương trình cân bằng nhiệt giống biểu thức (2 - 13) nhưng thay ñổi hệ số truyền nhiệt C

Dòng ñiện lâu dài cho phép của dây bọc cũng ñược tính sẵn cho trong phụ lục ở ñiều kiện tiêu chuẩn là: nhiệt ñộ cho phép của dây bọc là θ2 = 650C; nhiệt ñộ môi trường là θ1 = 250C (Dây bọc thường sử dụng cách ñiện là cao su hoặc PVC)

Khi nhiệt ñộ của môi trường ñặt dây bọc khác 25C thì dòng ñiện cho phép phải kể ñến hệ

số hiệu chỉnh nhiệt ñộ Kθ, ñược cho trong phụ lục Khi ñó dòng ñiện cho phép của dây dẫn ứng với nhiệt ñộ thực tế ñược xác ñịnh theo công thức:

Icp = Kθ.[I]cpPhương pháp ñặt dây bọc trong ống cũng có ảnh hưởng ñến ñiều kiện toả nhiệt và tăng nhiệt ñộ của môi trường ñặt dây, tức là ảnh hưởng ñến dòng ñiện cho phép của nó Do ñiều kiện làm mát xấu ñi nên dòng ñiện cho phép của dây bọc cũng giảm ñi Qua thực nghiệm thấy rằng:

ðặt 2 dây dẫn trong một ống thì phụ tải giảm ñi 17%

ðặt 3 dây dẫn trong một ống thì phụ tải giảm ñi 25%

ðặt 4 dây dẫn trong một ống thì phụ tải giảm ñi 33%

Nếu trong ống ñặt dây dẫn 2 hay 3 lõi bọc cách ñiện trong vỏ bọc chung thì ñiều kiện làm mát còn kém hơn nữa, dòng ñiện cho phép còn giảm thêm 10% với dây 2 lõi và 15% ñối với dây 3 lõi

2.3.2 Sự phát nóng của dây cáp

Thông thường, dây cáp thường dùng giấy tẩm dầu ñể cách ñiện, khi nhiệt ñộ cao quá giới hạn cho phép thì chất cách ñiện của cáp có thể bị phá hoại do bị dòn, nứt gây phóng ñiện các pha hoặc với ñất Mặt khác, dòng ñiện qua dây cáp làm nó phát nóng và dãn nở Hệ số dãn nở của các chất cách ñiện và vỏ bọc khác nhau nên chúng giãn nở khác nhau Nếu dòng ñiện tăng quá cao, nhiệt ñộ quá lớn thì khi dòng ñiện giảm, chất cách ñiện và vỏ bọc co lại khác nhau nhiều và tạo ra các khoảng trống Từ trường phân bố không ñều, trong lớp vỏ cáp có thể sinh ra phóng ñiện gây sự

cố Vì vậy các loại cáp ở cấp ñiện áp khác nhau có lớp vỏ bọc khác nhau, nhiệt ñộ cho phép khác nhau và dòng ñiện cho phép khác nhau

Cáp ñược ñặt trong các môi trường khác nhau nên ñiều kiện làm mát của nó cũng khác nhau Sau ñây ta xét sự làm việc của cáp ñặt trong các môi trường ñất, nước và không khí

a, Cáp ñặt trong ñất

Khi ñặt cáp trong ñất, thường chôn ở ñộ sâu 0,7 - 1 m nên nhiệt ñộ của ñất nói chung là ổn ñịnh, mát hơn trong không khí Nhiệt truyền từ lõi cáp qua lớp vỏ vào ñất bằng con ñường truyền dẫn nhiệt ðịnh luật truyền nhiệt giống như ñịnh luật Ôm và phương trình cân bằng nhiệt có dạng:

nI2R =

d vc

−θ0θ

trong ñó: n - là số lõi cáp;

θ, θ0 - là nhiệt ñộ của lõi cáp và nhiệt ñộ tiêu chuẩn của ñất;

Rcd, Rvc, Rd - là nhiệt trở của lớp cách ñiện, vỏ cáp và của ñất

Thay ñiện trở R trên ñơn vị chiều dài, gộp các giá trị Rcd, Rvc, Rd thành hệ số Ck và biến ñổi

Nhiệt ñộ cho phép của lõi cáp phụ thuộc vào ñiện áp như sau:

θθ

Icp =

n

pt K K

về chế ñộ dài hạn, nghĩa là với hệ số dòng ñiện a% =100%

c, Phụ tải lâu dài cho phép của cáp ñặt trong nước

Cáp ñặt trong nước, ñiều kiện làm mát tốt hơn so với ñặt trong ñất và không khí do nước dẫn nhiệt tốt hơn Toả nhiệt từ cáp ra môi trường nhờ sự truyền nhiệt bằng ñối lưu do sự chuyển dời của các lớp nước nóng Vì vậy cáp ñặt trong nước cho phép phụ tải lớn hơn khoảng 30% so với cáp ñặt trong ñất Dựa vào phương trình cân bằng nhiệt, người ta cũng xác ñịnh ñược dòng ñiện lâu dài cho phép của cáp và tính sẵn cho trong phụ lục, ứng với nhiệt ñộ chuẩn môi trường là:

θ = 150

C

Khi nhiệt ñộ môi trường khác 150 C thì cần phải ñưa vào hệ số hiệu chỉnh Kθ

Cáp ñặt trong nước cũng không cần hệ số hiệu chỉnh số cáp Kn

2-4 BẢO VỆ DÂY DẪN VÀ CÁP BẰNG CẦU CHẢY TRONG MẠNG HẠ ÁP

Nếu vì một lý do nào ñó dòng ñiện tăng lên ñột ngột hay quá tải mà không cắt mạch ñiện thì chất cách ñiện sẽ bị hư hỏng hoặc cháy dây dẫn ðể ñảm bảo an toàn cho mạng ñiện, ngăn ngừa

sự cố, người ta dùng thiết bị tự ñộng cắt mạng ñiện khỏi nguồn ñiện Thiết bị bảo vệ phổ biến và ñơn giản nhất là cầu chảy

2.4.1 ðặc tính của dây chảy

Bộ phận chủ yếu nhất của cầu chảy là dây chảy Nó ñược chế tạo bằng kim loại có nhiệt ñộ nóng chảy thấp như: chì, nhôm, ñồng, kẽm Ở ñiều kiện làm việc bình thường dây chảy như 1 ñoạn dây dẫn Khi sự cố, dòng ñiện tăng lên ñột ngột và nhiệt ñộ tăng lên vượt quá giá trị nóng chảy thì dây chảy tự ñộng ñứt, tách mạng ñiện khỏi nguồn, bảo vệ an toàn cho thiết bị và ñường dây

Thân của cầu chảy có dạng hình ống tròn, hình bản phiến hay hình hộp chữ nhật Trong cầu chảy có thể chứa ñầy môi trường không cháy như cát, thạch anh

Dây chảy chia làm 2 loại:

Loại không có quán tính ( dung lượng nhiệt lớn ), chế tạo bằng kim loại có ñiện trở suất nhỏ như ñồng, bạc, chì và hợp kim của nó

Loại có quán tính lớn ( dung lượng nhiệt nhỏ ) chế tạo bằng kim loại có ñiện trở suất lớn như nhôm, kẽm và hợp kim của nó

Dòng ñiện ñịnh mức của dây chảy ( ký hiệu là Idc ) là dòng ñiện mà dây chảy có thể làm việc lâu dài không bị chảy và không nóng quá nhiệt ñộ quy ñịnh từ 60 - 700C Dòng ñiện dây chảy ñược chế tạo với các thang tiêu chuẩn như sau:

6; 10; 15; 20; 25; 35; 60; 80; 100; 125; 160; 200; 225; 260; 300; 350; 430; 500; 600; 700;

850 và 1000A

Dây chảy ñược thử nghiệm bằng 2 thông số sau ñây:

Dòng ñiện thử nghiệm nhỏ nhất ( Imin ) là dòng ñiện có thể chạy qua dây chảy trong thời gian từ 1 -2 giờ mà dây chảy không bị chảy Imin = ( 1,3 -1,5 )Idc

Dòng ñiện thử nghiệm lớn nhất ( Imax ) là dòng ñiện qua dây chảy làm cho nó chảy ngay

Imax = ( 1,6 - 2,1 )Idc

Dòng ñiện qua dây chảy càng lớn

hơn Idc thì thời gian chảy càng nhanh Sự

phụ thuộc giữa thời gian chảy và dòng

ñiện qua dây chảy gọi là ñặc tính dây

chảy có dạng như hình 2-1

Hình 2-4

ðặc tính của dây chảy

1- dây chảy có quán tính;

2- dây chảy không có quán tính

dòng ñiện chạy qua là 1000 A Sự tản mạn của ñặc tính dây chảy phải ñược ñề cập ñến khi tiến hành chọn dây chảy trên các ñường dây chính và nhánh rẽ ñể ñảm bảo tác ñộng chọn lọc

2.4.2 Lựa chọn dây chảy

Yêu cầu khi chọn dây chảy là:

- Ở ñiều kiện làm việc bình thường phải ñảm bảo dẫn ñiện liên tục và an toàn

- Lúc sự cố phải lập tức cắt ñiện và chỉ cắt mạch nơi có sự cố

- Bảo ñảm tính chọn lọc: khi sự cố, ñường dây nhánh phía sau phải ñược cắt trước ñường dây chính

a, ðối với phụ tải không có dòng ñiện nhảy vọt

Phụ tải không có dòng ñiện nhảy vọt như mạng ñiện thắp sáng, sinh hoạt thì dây chảy ñược chọn theo dòng ñiện làm việc của mạng ñiện:

Ilv - là dòng ñiện làm việc của mạng ñiện

Trường hợp phụ tải là ñộng cơ ñiện một chiều, ñộng cơ rôto dây quấn có ñiện trở mở máy thì dòng ñiện khởi ñộng không vượt quá ( 1,5 -2 )Idm, dòng ñiện này không nguy hiểm ñối với dây chảy cho nên dây chảy có thể chọn theo dòng ñiện làm việc như (2-27) Nếu ñộng cơ khởi ñộng mang tải thì dòng ñiện dây chảy cần phải chọn tăng lên một ít, lúc ñó chọn Idc ≥ 1,25 Ilv

Phụ tải có dòng ñiện nhảy vọt như ñộng cơ rô to lồng sóc thì dòng ñiện lúc mở máy có thể tăng lên từ 5 - 7 lần dòng ñiện ñịnh mức Ta phải chọn dây chảy, sao cho chúng không bị chảy trong thời gian khởi ñộng ( khoảng 10 s ) ðiều kiện chọn dây chảy là:

Idc =

α

mm I

( 2-28 ) trong ñó:

Imm - là dòng ñiện mở máy của ñộng cơ;

α - là hệ số phụ thuộc vào ñiều kiện khởi ñộng;

α = 1,6 khi khởi ñộng nặng nề ( ñầy tải ) hoặc tự khởi ñộng;

α = 2 khi khởi ñộng ngắn hạn;

α = 2,5 khi khởi ñộng nhẹ ( không tải hay tải nhỏ )

c, ðối với cầu chảy bảo vệ ñường dây trục chính

ðường dây chính, trên ñó có các ñộng cơ ñiện và một số thụ ñiện khác làm việc thì dây chảy chọn giá trị lớn nhất của một trong 2 ñiều kiện sau:

+ Kñt∑−11

n lv

∑ - là tổng các dòng ñiện làm việc trừ dòng ñiện khởi ñộng lớn nhất

Nếu số ñộng cơ của ñường dây chính lớn hơn 10 thì có thể không cần xét ñiều kiện thứ hai

ðể bảo vệ ñường dây chính có tính chọn lọc thì dây chảy ở ñường dây chính phải lớn hơn dây chảy ở ñường dây nhánh phía sau nó từ một ñến 2 cấp

ðối với cầu dao thì chọn lớn hơn dây chảy một cấp

2.4.3 Chọn dây dẫn và cáp phối hợp với dây chảy

ðể chọn dây dẫn và cáp ta phải bố trí cầu dao, cầu chảy, xác ñịnh dòng ñiện dây chảy, dòng ñiện làm việc của mạng ñiện Sau ñó xác ñịnh dòng ñiện lâu dài cho phép theo ñiều kiện ñốt nóng có kể ñến hệ số hiệu chỉnh Kθ, Kn

Dòng ñiện cho phép tính toán xác ñịnh theo 3 trường hợp là: mạng ñiện có bảo vệ quá tải

và ngắn mạch; mạng ñiện có bảo vệ ngắn mạch và mạng ñiện cho ñường dây chính

a, Mạng ñiện có bảo vệ quá tải và ngắn mạch

Các mạng ñiện thắp sáng, sinh hoạt, nhà ở công cộng, tư nhân, các cửa hàng, mà phụ tải

có thể tăng thêm; dây dẫn và cáp cần phải bảo vệ quá tải và ngắn mạch thì dòng ñiện cho phép tính theo công thức

Khi ñó dòng ñiện thử nghiệm nhỏ nhất của dây chảy là:

Imin = 1,3 Idc = 1,3.0,8Icp = 1,04IcpDây chảy trong trường hợp này sẽ bảo vệ ñược dây dẫn khỏi quá tải và ngắn mạch

b, Mạng ñiện có bảo vệ ngắn mạch

Ở mạng ñiện thắp sáng xí nghiệp nhà máy mà các phụ tải ñã ñược tính toán kỹ, không có khả năng tăng thêm nữa thì cầu chảy dùng ñể bảo vệ ngắn mạch Lúc này dòng ñiện cho phép của dây dẫn chọn theo dòng ñiện dây chảy:

Sở dĩ như vậy là vì dòng ñiện mở máy lớn nhất Imm ≤ 7,5 Idm suy ra Idc = 3Idm

Nếu không thoả mãn ñiều kiện (2-34) thì phải tăng tiết diện dây dẫn

c, ðối với ñường dây chính có nhiều phụ tải

Dòng ñiện cho phép của dây dẫn chọn theo tổng các dòng ñiện làm việc có kể ñến hệ số làm việc ñồng thời:

Sau khi tính toán dòng ñiện lâu dài cho phép của dây dẫn, dòng ñiện dây chảy cần kiểm tra theo ñiều kiện (2-34) Nếu không thoả mãn ñiều kiện (2-34) thì phải tăng tiết diện dây dẫn

Dòng ñiện làm việc của ñộng cơ ñiện ñược tính như sau:

Ilv =

ηϕ

cos.3

Giải

Tra bảng phụ lục với nhiệt ñộ θcp = 600C, nhiệt ñộ của môi trường là θ = 200C có Kθ = 0,94

Với số cáp n = 2; D = 200 mm ta có hệ số hiệu chỉnh Kn = 0,87

Cáp lõi ñồng ñặt trong ñất tiết diện F = 50 mm2 có [I]cp = 180 (A)

Dòng ñiện phụ tải của mỗi cáp là:

85,0.10.33

5500cos

Icp = Kθ.Kn[I]cp = 0,94.0,87.180 = 147 (A)

Nhiệt ñộ của cáp xác ñịnh theo công thức:

2

)(1560

20

cp

I I

67,124( 2 (32,3 + 20) = 52,3 ( 0C )

Nhiệt ñộ của cáp bảo ñảm ñiều kiện: θ < θcp

Ví dụ 2

ðể truyền tải từ trạm biến áp 35/6 kV tới một cụm ñộng cơ ñiện và phụ tải, tổng công suất

Pt = 3000 kW, cosϕ = 0,8, người ta dùng 2 cáp lõi ñồng ñặt trong hầm cách nhau 100 mm Nhiệt

ñộ cực ñại của ñất là 200C Tìm tiết diện của dây dẫn

Giải

Tra bảng phụ lục ứng với ñiều kiện ñã cho ta tìm ñược Kθ = 0,95; Kn= 0,9

Dòng ñiện phụ tải của mỗi cáp là:

8,0.6.32

3000cos

Dòng ñiện này tương ứng với dòng ñiện cho trong bảng phụ lục có kể ñến hệ số hiệu chỉnh nhiệt ñộ Kθ và hiệu chỉnh số cáp Kn

Dòng ñiện cho phép tính toán của phụ tài là:

Icp = 210,2( )

90,0.95,0

180

A K

K I n

10.14.95,0.cos.3

1

=

=ηϕ

10.20.95,0.cos.3

2

=

=ηϕ

Ilv3 = 9,05( )

380.3

10.7.85,0

P

2 Chọn cầu chảy và cầu dao

Idc1 = Ilv1; Căn cứ vào thang dây chảy ta chọn Idc1 = 35 (A)

Chọn cầu dao lớn hơn cầu chảy một cấp: Icd =60 (A)

5,28,36.5,5

=

=α

lv

mm I K

( A)

Chọn dây chảy: Idc2 = 100 (A); Cầu dao Icd2 = 125 (A)

Idc3 = Ilv3 ; Căn cứ vào thang dây chảy chọn Idc3 = 10 (A); Icd3 = 15 (A)

ðối với ñường dây chính ñoạn AB, chọn dây chảy theo 2 ñiều kiện sau:

Idc= ∑I lv =27,6+36,8+9,05=75,25(A) Theo thang dây chảy chọn Idc ñoạn AB là Icd4 = 80 (A)

Idc = (27,6 9,05) 117,6( )

5,28,36.5,5

1

1

A I

I

i lv lv

=

α

Theo thang dây chảy chọn Idc4 = 125 (A)

So sánh 2 ñiều kiện ta chọn dây chảy lớn hơn, Idc4 = 125 (A); Chọn cầu dao Icd4 = 160 (A)

3 Chọn tiết diện dây dẫn:

Tra phụ lục chọn dẫn dây cấp cho tải 3 là ñồng 4 lõi: 4x1,5 mm2 có [I]cp = 16 (A)

ðối với ñường dây chính AB, chọn dây dẫn theo tổng các dòng ñiện làm việc: ∑Ilv = 75,25 A Tra bảng phụ lục 9, chọn dây ñồng 4 lõi tiết diện 4x25 mm2, có [I]cp = 90 A

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2

1, Các biểu thức tính toán ñiện trở của dây dẫn và cáp, phương pháp tra bảng ñể xác ñịnh trị

số r0 x0

2, Hiện tượng ñốt nóng của dây trần và dây bọc, ñiều kiện toả nhiệt, phương trình cân bằng nhiệt và phương pháp tính toán hiệu chỉnh dòng ñiện cho phép theo ñiều kiện của môi trường lắp ñặt

3, Một số hệ quả xác ñịnh từ phương trình cân bằng nhiệt, vận dụng ñể tính toán thông số của các loại dây dẫn

4, Sự phát nóng của dây cáp ñặt trong ñất, phương trình cân bằng nhiệt của nó

5, Phương pháp tính chọn tiết diện dây cáp của mạng ñiện ñặt trong các môi trường khác nhau

6, ðặc tính bảo vệ của dây chảy trong mạng ñiện, phương pháp lựa chọn dây chảy cho ñường dây nhánh và ñường dây chính Cách chọn dây dẫn và cáp của ñường dây phối hợp với dây chảy

Chương 3

TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ ðIỆN NĂNG TRONG MẠNG ðIỆN

ðể truyền tải ñiện năng từ trạm phát ñiện ñến các hộ tiêu thụ người ta dùng dây dẫn và các máy biến áp Do các phần tử ñường dây và máy biến áp có ñiện trở và ñiện kháng nên khi có dòng ñiện chạy qua, gây ra tổn thất công suất tác dụng ∆P, tổn thất công suất phản kháng ∆Q và tổn thất ñiện năng ∆A Tổn thất ñiện năng ở ñây ñược hiểu là năng lượng bị mất ñi do công nghệ truyền tải ñiện năng và gọi là tổn thất kỹ thuật Ngoài tổn thất kỹ thuật, một phần năng lượng còn bị mất ñi khi truyền tải do quản lý, vận hành …gọi là tổn thất kinh doanh Trong nội dung phần này, ta chỉ

ñề cập ñến tính toán tổn thất kỹ thuật của mạng ñiện ở chế ñộ xác lập Chế ñộ xác lập là chế ñộ các thông số không thay ñổi hoặc thay ñổi không ñáng kể theo thời gian Từ ñó làm cơ sở cho việc thiết kế, quản lý và vận hành lưới ñiện một cách hợp lý nhất

3.1 TỔN THẤT CÔNG SUẤT TRÊN ðƯỜNG DÂY

3.1.1 Ý nghĩa của việc xác ñịnh tổn thất công suất

Tổn thất công suất (ký hiệu ∆S) và năng lượng (ký hiệu ∆A) do dòng ñiện truyền tải trên ñường dây và máy biến áp sinh ra biến thành nhiệt năng làm nóng dây dẫn và máy biến áp, cuối cùng toả ra môi trường xung quanh Trong mạng ñiện có chiều dài ngắn, công suất bé thì tổn thất công suất và năng lượng không nhiều; nhưng trong những mạng ñiện truyền tải công suất lớn và ñi

xa thì tổn thất công suất rất lớn (chiếm từ 10 -15% công suất truyền tải)

Lượng ñiện bị tổn thất trong quá trình truyền tải do nhà máy ñiện cung cấp Như vậy tổn thất ∆P lớn thì công suất nguồn phát phải tăng lên ñể bù váo phần bị tổn thất, dẫn ñến vốn ñầu tư tăng cao Ngoài ra, khi tăng công suất nguồn phát dẫn ñến chi phí cho nhiên liệu cũng tăng làm cho giá thành sản xuất ñiện tăng cao Tổn thất công suất phản kháng ∆Q tuy không ảnh hưởng ñến chi phí nhiên liệu nhưng gây ra tình trạng thiếu hụt công suất phản kháng trên hệ thống, phải dùng các thiết bị phát thêm công suất phản kháng như tụ ñiện, máy bù ñồng bộ cũng làm vốn ñầu tư của mạng tăng lên Như vậy việc nghiên cứu tổn thất công suất và năng lượng có ý nghĩa rất quan trọng Trên cơ sở ñó ñề ra các biện pháp làm giảm tổn thất và hạ giá thành ñiện năng

3.1.2 Tổn thất công suất trên ñường dây có một phụ tải

Trong mạng ñiện ñịa phương, khi tính tổn thất công suất (với mức ñộ chính xác cho phép), tổn thất công suất ñược tính theo ñiện áp ñịnh mức của mạng Ngoài ra, do tổn thất công suất trên một ñoạn ñường dây không lớn nên khi tính công suất truyền tải gần ñúng người ta bỏ qua tổn thất công suất này (nghĩa là gần ñúng coi công suất ở ñầu ñường dây bằng công suất ở cuối ñoạn ñường dây)

Tổn thất công suất tác dụng trên ñường dây dòng ñiện xoay chiều 3 pha ñược xác ñịnh theo công thức:

∆P = 3I2R = 3(Ia2 + Ip ) R (3-1) trong ñó:

I - là dòng ñiện toàn phần truyền tải trên ñường dây;

Ia - là thành phần dòng ñiện tác dụng; Ia = Icosϕ (3-2)

Ip - là thành phần dòng ñiện phản kháng; Ip = Isinϕ (3-3)

R - là ñiện trở của dây dẫn

Thay dòng ñiện bằng công suất 3 pha ( S = 3UI) ta có:

2 2

U Q P R U

S

2 2 2

2

U - là ñiện áp ñiểm nút, mạng ñiện ñịa phương lấy bằng ñiện áp ñịnh mức Udm

Nếu P là kW; Q là kVAr; U là kV; R, X là Ω thì ∆P là W và ∆Q là VAr

Khi tính toán mạng ñiện áp cao, trị số ñiện áp ñược lấy tại các ñiểm nút ñầu hay cuối của ñoạn ñường dây, các ñại lượng công suất dùng tính toán cũng phải lấy tương ứng

3.1.3 Tổn thất công suất trên ñường dây có nhiều phụ tải

Khi ñường dây có nhiều phụ tải thì tổn thất công suất của cả ñường dây bằng tổn thất công suất của các ñoạn cộng lại Giả sử ñường dây có n phụ tải như hình 3-1

A S 1 = P 1 + jQ 1 1 S 2 = P 2 + jQ 2 2 S 3 = P 3 + jQ 3 3 S n = P n + jQ n n

R1, X1 R2, X2 R3, X3 Rn, Xn

s 1 = p 1 + jq 1 s 2 = p 2 + jq 2 s 3 = p 3 + jq 3 s n = p n + jq n

Hình 3-1 ðường dây có nhiều phụ tải

Ký hiệu trên sơ ñồ:

s1, s2, sn - là công suất phụ tải tại các ñiểm 1, 2, n;

S1, S2, Sn - là công suất truyền tải trên các ñoạn 1,2 n;

R1, R2, Rn ; X1, X2, Xn - ñiện trở tác dụng, phản kháng trên các ñoạn 1, 2, n

Công suất truyền tải trên ñường dây khi không kể ñến tổn thất công suất là:

2 1 2

U Q P Q R U Q P

dm dm

+

=

∆+

2 2 2 2 2 2 2

2 2 2

U

Q P Q R U

Q P

dm dm

+

=

∆+

∆Pn = n

dm n n n n dm n n

X U

Q P Q R U

Q P

i

i dm

i i i

dm

i i n

i

X U

Q P j R U

Q P

2 2

2

2 2

i i dm

i i n

Q P jX U

Q P R

2 2

2

2 2

1

(3-10)

R, X - là ñiện trở tác dụng và phản kháng của cả ñường dây

ðối với mạng ñiện phân nhánh, ñể tính tổn thất công suất ta phải ñi xác ñịnh công suất

truyền tải, ñiện trở và ñiện kháng trên các ñoạn ñường dây Tổn thất công suất tổng cộng của mạng

ñiện ñược tính theo biểu thức (3-7)

3.1.4 Tổn thất công suất trên ñường dây dòng ñiện một pha và dòng ñiện một chiều

Tổn thất công suất trong trường hợp này ñược tính tương tự như trên nhưng thay 3 pha

bằng một pha 2 dây, ñiện áp tính với ñiện áp pha ñịnh mức

+ Với mạch ñiện xoay chiều một pha thì:

U

Q P R U S

dm dm

2

2 2

)(

∆Q = 2I2

U Q P X U S

dm dm

2 2 2

)(

dm dm

2

2

)(

3.1.5 Tổn thất công suất trên ñường dây có phụ tải phân bố ñều

Những mạng ñiện có phụ tải phân bố ñều như

mạng ñiện thành phố hoặc khu dân cư mà cứ mỗi

quãng ngắn có một phụ tải gần bằng nhau ñấu vào, hoặc

mạng chiếu sáng ñường phố… ta có thể coi như mạng

có phụ tải phân bố ñều (hình 3-2) Một cách gần ñúng

ta có thể coi dòng ñiện biến thiên dọc theo chiều dài

ñường dây Lấy một vi phân chiều dài dây là dl tại ñiểm

B Tương ứng tại ñó có dòng ñiện là:

A B dl C I

L

Hình 3-2 ðường dây có phụ tải phân bố ñều

IB =

L l

).(

r0 - là ñiện trở của một ñơn vị chiều dài ñường dây dr = r0dl

Lấy tích phân biểu thức (3-14) ta có tổn thất công suất trên ñường dây từ A ñến C:

∆P =

3.3.3

).(

2

0

2 2 0 2

0

0

L r I dl l L r I dl r L l

3.2 TỔN THẤT CÔNG SUẤT TRONG MÁY BIẾN ÁP HAI DÂY QUẤN

Máy biến áp cấu tạo gồm 2 thành phần là cuộn dây và lõi thép do ñó tổn thất công suất trong máy biến áp cũng bao gồm tổn thất công suất trong cuộn dây và trong lõi thép

3.2.1 Tổn thất công suất trong cuộn dây của máy biến áp

Khi có dòng ñiện chạy trong cuộn dây của máy biến áp, sinh ra tổn thất công suất gọi là tổn thất ñồng (∆Scu) Tổn thất ñồng gồm 2 thành phần là tổn thất công suất tác dụng (∆Pcu) và tổn thất công suất phản kháng (∆Qcu) Các thành phần tổn thất này phụ thuộc vào dòng ñiện tải truyền qua máy biến áp nên giá trị của nó thay ñổi theo dòng ñiện phụ tải

Ta xét ở chế ñộ tải ñịnh mức, tổn thất công suất tác dụng trong cuộn dây máy biến áp lấy bằng tổn thất công suất khi thí nghiệm ngắn mạch:

trong ñó: up% - là ñiện áp phản kháng ngắn mạch % trong cuộn dây máy biến áp;

RB - là ñiện trở tác dụng trong cuộn dây 1 pha của máy biến áp

ðối với máy biến áp công suất lớn, ñiện trở RB rất nhỏ so với ñiện kháng XB nên ∆QCu ở tải ñịnh mức có thể xác ñịnh theo ñiện áp ngắn mạch ( uK%)

∆QCudm = K dm dm B

X I S

100

%

Khi máy biến áp làm việc với tải khác ñịnh mức thì tổn thất công suất tác dụng và phản kháng tính theo biểu thức:

∆PCu = 3I2RB; ∆QCu = 3I2XB (3-19) trong ñó :I - là dòng ñiện phụ tải;

RB, XB - là ñiện trở tác dụng và phản kháng trong cuộn dây của máy biến áp

Từ ( 3-16 ) và ( 3-19 ) suy ra :

dm dm

K dm

R U

S S

S P S

X U

S S

S u S

S u j S

Udm - là ñiện áp ñịnh mức của cuộn sơ cấp máy biến áp;

S – là công suất phụ tải qua máy biến áp

3.2.2 Tổn thất công suất trong lõi thép của máy biến áp

Tổn thất công suất trong lõi thép của máy biến áp gồm 2 thành phần là thành phần tổn thất công suất tác dụng (∆PFe) và tổn thất công suất phản kháng (∆QFe) Các giá trị này không phụ thuộc vào dòng phụ tải mà phụ thuộc vào cấu tạo và vật liệu của máy biến áp, ñược xác ñịnh theo thông số kỹ thuật của máy biến áp:

∆SFe = ∆PFe + j∆QFe (3-23) Tổn thất công suất tác dụng ∆PFe trong lõi thép máy biến áp do dòng ñiện xoáy và từ trễ gây ra Trị số tổn thất này chính là tổn thất công suất tác dụng khi máy biến áp không tải Giá trị này ñược tra trong bảng phụ lục hoặc catalogue của nhà sản xuất

(3-25)

3.2.3 Tổn thất công suất trong máy biến áp

Các giá trị ∆PK, ∆P0, uK%, I0 ñược cho trong lý lịch của máy biến áp theo ñiện áp ñịnh mức của hai cuộn dây và trị số công suất ñịnh mức Sdm

Tổn thất công suất tổng cộng trong máy biến áp là:

∆SB = ∆SFe + ∆SCu = ∆PB + j∆QB

∆SB = (∆PFe + ∆PCu) + j(∆QFe + ∆QCu)

∆SB = [∆P0 + ∆  

dm K S

+

dm

K S S u

3.3.1 Khái niệm chung

Máy biến áp 3 pha và máy biến áp tự ngẫu 3 cuộn dây sử dụng khi trạm biến áp cần có 3 cấp ñiện áp ñịnh mức: cao áp UC, trung áp UT và hạ áp UH Những năm gần ñây, chủng loại máy biến áp 3 pha và máy biến áp tự ngẫu 3 cuộn dây ñược dùng ở hầu hết các trạm biến áp có công suất lớn Trong 2 loại máy biến áp này, máy biến áp tự ngẫu ñược sử dụng rộng rãi hơn do có nhũng ñặc tính ưu việt như tổn thất công suất nhỏ hơn, giá thành rẻ hơn, trọng lượng nhẹ hơn so với máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây Lưu ý máy biến áp tự ngẫu có trung ñiểm nối ñất nên chỉ sử dụng ñược trong các mạng ñiện cấp ñiện áp 110 kV trở lên, không dùng cho lưới có trung tính cách ly ñược

Máy biến áp tự ngẫu ñặc trưng bởi hai trị số công suất: công suất ñịnh mức Sdm và công suất tiêu chuẩn Stc (còn gọi là công suất mẫu hay công suất biến áp) Công suất ñịnh mức của máy

tự ngẫu là công suất giới hạn lớn nhất cho phép qua cuộn cao áp (công suất giới hạn mà máy biến

áp tự ngẫu có thể tải từ mạng cao áp sang mạng trung áp hoặc ngược lại khi cuộn hạ áp không tải)

Trong ñó: k là tỷ số biến ñổi của máy biến áp tự ngẫu

α là hệ số có lợi của máy biến áp, trị số này càng nhỏ khi ñiện áp ñịnh mức của phía cao áp

và trung áp của máy tự ngẫu càng gần nhau (α càng nhỏ thì dùng máy biến áp tự ngẫu càng kinh tế hơn máy biến áp 3 cuộn dây);

Công suất tính toán của cuộn dây nối tiếp và cuộn dây chung ñều bằng nhau và bằng công suất tiêu chuẩn Cuộn dây hạ áp cũng ñược tính toán theo công suất tiêu chuẩn hay theo công suất

bé hơn công suất tiêu chuẩn Công suất ñịnh mức của cuộn hạ áp ñược tính toán theo công suất ñịnh mức của máy biến áp tự ngẫu thông qua hệ số αH

Sdm(H) = αH.SdmKhi Udm(C) ≤ 330 kV thì αH = 0,25; 0,4; 0,5

Hiện nay, ñối với máy biến áp ba cuộn dây thì cả ba cuộn dây ñều có công suất là Sdm (một

số máy cũ có công suất các cuộn dây khác nhau thì phải quy ñổi về cùng một công suất là công suất ñịnh mức) Với máy biến áp tự ngẫu, công suất ñịnh mức của cuộn trung áp và cao áp ñều bằng công suất ñịnh mức máy biến áp, công suất của cuộn dây hạ áp nhỏ hơn nên ta phải quy ñổi các số liệu có ñược khi làm thí nghiệm ngắn mạch theo công suất ñịnh mức (gồm ∆PK và uK liên quan ñến cuộn hạ áp):

∆PK(C-H) = '

) (C H K

)(

tc

dm S

S

= 2

' ) (

H

H C K P

tc

dm S

S

= 2

' ) (

H

H T P

α

−

∆

;

Và uK(C-H) =

H

) H C ( K

uα

−

; uK(T-H) =

H

) H T ( K

uα

) (C H K

u − , '

) (T H K

u − là các số liệu khi làm thí nghiệm ngắn mạch

Cũng giống như máy biến áp 2 cuộn dây, tổn thất công suất trong máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây và máy biến áp tự ngẫu cũng gồm 2 thành phần là tổn thất công suất trong cuộn dây (còn gọi là tổn thất thay ñổi theo phụ tải hay là tổn thất ñồng) và tổn thất công suất trong lõi thép (còn gọi là tổn thất không ñổi hay là tổn thất thép)

3.3.2 Tổn thất công suất trong cuộn dây của máy biến áp

Giống như máy biến áp 2 cuộn dây, khi có dòng ñiện chạy trong các cuộn dây của máy biến áp sinh ra tổn thất công suất gọi là tổn thất ñồng (∆Scu) Tổn thất ñồng gồm 2 thành phần là tổn thất công suất tác dụng (∆PcuΣ) và tổn thất công suất phản kháng (∆QcuΣ) Các thành phần tổn thất này phụ thuộc vào dòng ñiện tải truyền qua máy biến áp nên giá trị của nó thay ñổi theo dòng ñiện phụ tải

Tổn thất công suất tác dụng trong cuộn dây máy biến áp lấy bằng tổng tổn thất công suất trên 3 cuộn dây:

Trong ñó ∆PC = C

C

C r U

S

2

2

;

Với: SC, ST, SH là công suất phụ tải cuộn cao áp, trung áp và hạ áp;

rC là ñiện trở cuộn dây cao áp;

rT; rH là ñiện trở cuộn dây trung áp và hạ áp ñã quy ñổi về phía cao áp (bằng cách nhân với bình phương tỷ số biến áp)

Ta có ∆PCuΣ = C

C

C r U

S

2

2

(3-28) Tổn thất công suất tỷ lệ với bình phương dòng ñiện, nếu biết tổn thất công suất với dòng ñịnh mức trong từng cuộn dây cao, trung, hạ áp thì có thể tính tổn thất ñồng

∆PC = ∆PK(C) ( )2

dm

C S

S

; ∆PT = ∆PK(T) ( )2

dm

T S

S

; ∆PH = ∆PK(H) ( )2

dm

H S

S

;

Sdm là công suất ñịnh mức của máy biến áp;

∆PK(C); ∆PK(T); ∆PK(H) là tổn thất ñồng ñịnh mức trong các cuộn dây, xác ñịnh từ thí nghiệm ngắn mạch Khi làm thí nghiệm ngắn mạch, ta có ba trị số tổn thất ngắn mạch và ba trị số ñiện áp ngắn mạnh theo từng cặp cuộn dây:

uK(T-H)% = uK(T)%+ uK(H)%

Ta có ∆PK(C) = 0,5[ ∆PK(C-H) + ∆PK(C-T) - ∆PK(T-H)]

∆PK(T) = 0,5[ ∆PK(C-T) + ∆PK(T-H) - ∆PK(C-H)]

∆PK(H) = 0,5[ ∆PK(C-H) + ∆PK(T-H) - ∆PK(C-T)] Biểu thức (3-28) viết theo tổn thất công suất ñồng ñịnh mức trong các cuộn dây:

∆PCuΣ = ∆PK(C) ( )2

dm

C S

S

+ ∆PK(T) ( )2

dm

T S

S

+ ∆PK(H) ( )2

dm

H S

S

(3-29) Tổn thất công suất phản kháng trong 3 cuộn dây của máy biến áp:

∆QCuΣ = ∆QC + ∆QT +∆QH

∆QCuΣ = C

C

C x U

S u

.100

) (

+

dm

T T K S

S u

.100

S u

.100

) (

3.3.3 Tổn thất công suất trong lõi thép của máy biến áp

Tổn thất công suất trong lõi thép của máy biến áp gồm tổn thất công suất tác dụng và tổn thất công suất phản kháng Tổn thất công suất tác dụng (∆PFe)trong lõi thép máy biến áp chính là tổn thất công suất tác dụng khi máy biến áp không tải Giá trị này ñược tra trong bảng phụ lục hoặc catalogue của nhà sản xuất

(3-33)

3.3.4 Tổn thất công suất trong máy biến áp

Tổn thất công suất tổng cộng (bao gồm tổn thất công suất tác dụng và phản kháng) trong máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây và máy bién áp tự ngẫu 3 pha là:

∆SB = ∆SFe + ∆SCu = ∆PB + j∆QB

∆PB = ∆PFe + ∆PCuΣ = ∆P0+ ∆PK(C) ( )2

dm

C S

S

+ ∆PK(T) ( )2

dm

T S

S

+ ∆PK(H) ( )2

dm

H S

S u

.100

) (

+

dm

T T K S

S u

.100

S u

.100

) (

(3-35)

3.4 TỔN THẤT ðIỆN NĂNG TRÊN ðƯỜNG DÂY

Phần năng lượng ñiện bị mất ñi trong quá trình truyền tải gọi là tổn thất ñiện năng

Nếu trong khoảng thời gian t, phụ tải mạng ñiện không thay ñổi thì tổn thất ñiện năng là:

∆A = ∆P.t

Thực tế phụ tải của ñường dây luôn biến ñổi theo thời gian, theo sự thay ñổi của phụ tải và

là một ñại lượng ngẫu nhiên nên không tính toán theo biểu thức trên ñược Thực tế, dòng ñiện hay công suất tải biến thiên theo thời gian, có dạng ñồ thị rất phức tạp Người ta có thể sử dụng dạng ñường cong của phụ tải hoặc phải biểu diễn gần ñúng ñường cong i(t); và s(t) dưới dạng bậc thang hoá ñể tính toán tổn thất năng lượng với ñiện áp lấy bằng ñịnh mức

2 2 2

2 2

0

2

)()()()

()()

(.3

hay khi cho ở dạng bậc thang ∆A = ∑ ∑

i i i dm

t I r t S U

r

1 2

1

2

Tuy nhiên, trong tính toán thường không biết ñồ thị I(t), S(t) ðể tính tổn thất năng lượng

ta phải dùng phương pháp gần ñúng dựa theo một số khái niệm quy ước như thời gian sử dụng phụ tải cực ñại (Tmax), thời gian tổn thất công suất cực ñại (τ) và dòng ñiện trung bình bình phương (Itbbp)

3.4.1 Thời gian sử dụng công suất cực ñại (T max )

Giả sử một phụ tải có ñồ thị biểu diễn sự biến thiên của dòng ñiện theo thời gian trong một năm (t = 6760 h) như hình 3-3

Xét một ñơn vị thời gian khá

bé là dt, dòng ñiện có giá trị là i coi

như không ñổi, năng lượng truyền tải

trong khoảng thời gian dt là:

dA = Pdt = 3U.i.cosϕdt

Năng lượng truyền tải trên

ñường dây trong suốt thời gian t là:

A = ∫t

o

dt i

U cos

Nếu coi hệ số công suất và

ñiện áp của mạng là không ñổi, ñiện

áp lấy bằng ñiện áp ñịnh mức U =

Udm

A = 3U cosϕ∫t

o dt

i = 3Udm cosϕ∫t

o dt