Đề Án Thiết Kế Lưới Điện Tại Trường Đại Học Điện Lực

• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Đề tài: Đề Án Thiết Kế Lưới Điện Tại Trường Đại Học Điện Lực

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
• ĐÁNH GIÁ CỦA HỘI BỔNG CHẤM
• 1. CHƯƠNG I: PHAN TÍCH NGUỒN VÀ PHỤ TẢI
• 1.1. Phân tích nguồn
• 1.2. Phân tích phụ tải
• 1.3. Kết luận
• 2. CHƯƠNG II: CÂN BẰNG CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 2.1. Cân bằng công suất tác dụng
• 2.2. Cân bằng công suất phản kháng
• 3. CHƯƠNG III: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN HỢP LÝ VỀ KINH TẾ KỸ THUẬT
• 3.1. Lựa chọn điện áp định mức
• 3.2. Đề xuất các phương án
• 3.3. Chọn tiết diện dây dẫn, so sánh các phương án về mặt kĩ thuật
• 3.4. Tính toán cụ thể cho từng phương án
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CHỈ TIÊU KINH TẾ
• 5. CHƯƠNG 5: LỰA CHỌN SỐ LƯỢNG CÔNG SUẤT MÁY BIẾN ÁP VÀ SƠ ĐỒ NỐI
• 6. CHƯƠNG 6: PHÂN TÍCH CÁC CHẾ ĐỘ ĐIỆN HÌNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
• 6.1. Phương pháp chung
• 6.2. Tổn thất công suất trong máy biến áp
• 6.3. Tổn thất công suất trên đường dây
• 6.4. Chế độ phụ tải cực đại
• 6.5. Chế độ cực tiểu
• 6.6. Chế độ sau sự cố
• 7. CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TẠI CÁC NÚT
• 7.1. Tính toán điện áp các nút trong mạng điện
• 7.2. Chế độ phụ tải cực tiểu
• 7.3. Chế độ sau sự cố
• 7.4. Lựa chọn phương thức điều chỉnh điện áp
• 8. CHƯƠNG 8: TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH TẢI ĐIỆN
• 8.1. Vốn đầu tư xây dựng
• 8.2. Tổn thất công suất tác dụng của lưới điện
• 8.3. Tổn thất điện năng trong lưới điện
• 8.4. Các loại chỉ phí và giá thành
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Toàn cảnh Đề Án Thiết Kế Lưới Điện tại Đại học Điện Lực

Một đề án thiết kế lưới điện không chỉ là một bài tập học thuật mà còn là một mô hình thu nhỏ của hệ thống cung cấp điện thực tế. Tại trường Đại học Điện Lực (EPU), một cơ sở đào tạo hàng đầu về năng lượng, việc thiết kế một lưới điện hiệu quả và ổn định là nhiệm vụ tối quan trọng. Đề án này đóng vai trò như một đồ án tốt nghiệp hệ thống điện mẫu mực, bao quát toàn bộ quy trình từ phân tích nhu cầu ban đầu đến triển khai kỹ thuật chi tiết. Mục tiêu chính là xây dựng một hệ thống cung cấp điện an toàn, liên tục và tối ưu về kinh tế, đáp ứng nhu cầu đa dạng của các khu giảng đường, phòng thí nghiệm và ký túc xá. Quá trình thực hiện đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết cơ sở và ứng dụng thực tiễn, từ việc tính toán phụ tải điện một cách chính xác đến việc lựa chọn các thiết bị phù hợp như máy biến áp và dây dẫn. Nội dung của đề án là một tài liệu tham khảo quý giá cho sinh viên khoa Hệ thống điện EPU và các kỹ sư trẻ, cung cấp một cái nhìn hệ thống về các thách thức và giải pháp trong lĩnh vực thiết kế cung cấp điện hiện đại.

1.1. Khảo sát và phân tích phụ tải điện thực tế tại EPU

Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong mọi dự án thiết kế cung cấp điện là phân tích nguồn và phụ tải. Dựa trên tài liệu gốc, hệ thống điện cần thiết kế cho 5 phụ tải chính, có các đặc tính khác nhau. Các phụ tải được phân loại thành loại II và loại III. Cụ thể, phụ tải 1, 2, 4 thuộc loại II, là những hộ tiêu thụ quan trọng đòi hỏi độ tin cậy cung cấp điện cao, cần dự phòng chắc chắn. Phụ tải 3 và 5 thuộc loại III, ít quan trọng hơn, cho phép phương án cung cấp đơn giản để giảm chi phí đầu tư. Việc tính toán phụ tải điện chi tiết được thực hiện cho từng loại, bao gồm công suất cực đại (Pmax), công suất cực tiểu (Pmin), và hệ số công suất (cosφ). Ví dụ, phụ tải 1 có Pmax là 35 MW với cosφ là 0,89. Các thông số này là dữ liệu đầu vào cốt lõi để xác định quy mô của toàn bộ hệ thống, từ công suất nguồn đến tiết diện dây dẫn và dung lượng trạm biến áp phân phối.

1.2. Xác định mục tiêu và nhiệm vụ của đề án cung cấp điện

Nhiệm vụ trọng tâm của đề án là thiết kế một lưới điện 110kV hợp lý về kinh tế và kỹ thuật. Đề án phải đảm bảo chất lượng điện năng theo các tiêu chuẩn thiết kế điện (TCVN) hiện hành, đặc biệt là quy định về độ lệch điện áp. Tài liệu chỉ rõ các yêu cầu: trong chế độ phụ tải cực đại, độ lệch điện áp cho phép là ±5% Uđm; chế độ phụ tải cực tiểu là +5% Uđm; và chế độ sau sự cố là ±5% Uđm. Để đạt được các mục tiêu này, đề án phải giải quyết một chuỗi các nhiệm vụ kỹ thuật phức tạp: đề xuất và so sánh các phương án nối dây, lựa chọn tiết diện dây dẫn và cáp điện, lựa chọn máy biến áp, thiết kế sơ đồ nguyên lý lưới điện, và phân tích các chế độ vận hành. Mỗi nhiệm vụ đều được trình bày trong một báo cáo đề án môn học chi tiết, kèm theo các bản vẽ AutoCAD lưới điện và thuyết minh đồ án thiết kế điện rõ ràng.

II. Các thách thức chính khi Thiết Kế Lưới Điện tại một cơ sở

Việc thiết kế một lưới điện cho một khuôn viên đại học phức tạp như Đại học Điện Lực đặt ra nhiều thách thức đặc thù. Không giống như các khu dân cư hay công nghiệp có biểu đồ phụ tải tương đối đồng đều, một trường đại học có sự biến động phụ tải lớn giữa ngày và đêm, giữa kỳ học và kỳ nghỉ. Thách thức lớn nhất là đảm bảo cân bằng công suất và duy trì chất lượng điện áp ổn định trong mọi điều kiện vận hành. Điều này đòi hỏi phải thực hiện phân tích trào lưu công suất một cách kỹ lưỡng và dự báo chính xác nhu cầu. Bên cạnh đó, việc tuân thủ các quy chuẩn an toàn và kỹ thuật nghiêm ngặt là bắt buộc. Hệ thống phải có khả năng chống chịu các sự cố như tính toán ngắn mạch và có cơ chế bảo vệ rơ le hiệu quả để cô lập sự cố, giảm thiểu thời gian gián đoạn cung cấp điện. Việc tích hợp các yếu tố kinh tế vào bài toán kỹ thuật cũng là một thách thức, đòi hỏi người thiết kế phải tìm ra điểm cân bằng giữa chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành lâu dài.

2.1. Bài toán cân bằng công suất tác dụng và phản kháng

Cân bằng công suất là điều kiện tiên quyết để hệ thống điện hoạt động ổn định. Đề án phải đảm bảo cân bằng cả công suất tác dụng (P) để giữ tần số ổn định và công suất phản kháng (Q) để giữ điện áp ổn định. Theo tài liệu, tổng công suất tác dụng yêu cầu của 5 phụ tải là 170 MW. Sau khi tính toán tổn thất, tổng công suất phát yêu cầu từ nguồn là 178,5 MW. Tương tự, tổng công suất phản kháng yêu cầu (bao gồm phụ tải và tổn thất trên máy biến áp) là 100,156 MVAr, trong khi nguồn chỉ có thể cung cấp 110,67 MVAr. Phân tích này cho thấy hệ thống có khả năng dư công suất phản kháng, nhưng việc tính toán chính xác và xem xét bù công suất phản kháng tại các nút là cần thiết để tối ưu hóa vận hành và giảm tổn thất, đặc biệt trong các chế độ phụ tải khác nhau. Đây là một phần cốt lõi trong các luận văn thạc sĩ hệ thống điện chuyên sâu.

2.2. Yêu cầu về độ tin cậy và tuân thủ tiêu chuẩn TCVN

Độ tin cậy là một trong những yêu cầu kỹ thuật hàng đầu. Đối với các phụ tải loại II, việc gián đoạn cung cấp điện có thể gây hư hại thiết bị thí nghiệm hoặc ảnh hưởng lớn đến hoạt động. Do đó, đề án phải thiết kế dự phòng 100%, thường sử dụng đường dây hai mạch hoặc mạch vòng. Các phụ tải loại III có thể sử dụng đường dây một mạch để tiết kiệm chi phí. Toàn bộ thiết kế phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn thiết kế điện (TCVN) và các quy định của ngành, ví dụ như Thông tư 39/2015/TT-BCT. Các tiêu chuẩn này quy định về khoảng cách an toàn, yêu cầu về hệ thống nối đất, và các thông số chất lượng điện năng. Việc không tuân thủ có thể dẫn đến rủi ro về an toàn và không được cấp phép vận hành. Do đó, việc nghiên cứu và áp dụng đúng các tiêu chuẩn là một phần không thể thiếu của quá trình thiết kế.

III. Hướng dẫn lựa chọn sơ đồ nối dây cho Lưới Điện tối ưu nhất

Lựa chọn phương án nối dây là một quyết định chiến lược, ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy, tính linh hoạt và chi phí của toàn bộ dự án thiết kế lưới điện. Không có một phương án nào là hoàn hảo cho mọi trường hợp; mỗi sơ đồ đều có ưu và nhược điểm riêng. Đề án đã phân tích ba phương án chính: sơ đồ hình tia, sơ đồ hỗn hợp tia và liên thông, và sơ đồ hỗn hợp tia và vòng kín. Sơ đồ hình tia có ưu điểm là đơn giản trong vận hành và bảo vệ, sự cố trên một nhánh không ảnh hưởng đến các nhánh khác. Tuy nhiên, nó tốn nhiều chi phí đầu tư dây dẫn. Ngược lại, mạng liên thông và mạch vòng giúp tăng độ tin cậy và tiết kiệm dây dẫn nhưng lại yêu cầu hệ thống bảo vệ rơ le phức tạp hơn. Việc so sánh và lựa chọn phương án tối ưu phải dựa trên một bộ tiêu chí kinh tế - kỹ thuật toàn diện, bao gồm vốn đầu tư, tổn thất điện năng hàng năm và chi phí vận hành.

3.1. Phân tích ưu nhược điểm của sơ đồ hình tia và mạch vòng

Trong đề án, các phương án được xây dựng dựa trên đặc điểm của từng loại phụ tải. Sơ đồ một sợi hình tia được ưu tiên cho các phụ tải độc lập hoặc các phụ tải loại III, nơi sự đơn giản và chi phí thấp được đặt lên hàng đầu. Ưu điểm lớn nhất của nó là tính độc lập, dễ dàng cho việc thi công và bảo vệ. Tuy nhiên, nhược điểm là độ tin cậy thấp hơn và chi phí dây dẫn cao. Ngược lại, mạch vòng được đề xuất cho các cụm phụ tải quan trọng (loại II). Ưu điểm của mạch vòng là độ tin cậy cung cấp điện rất cao, linh hoạt trong vận hành. Khi một đoạn đường dây bị sự cố, hệ thống vẫn có thể được cấp điện từ hướng còn lại. Nhược điểm chính là hệ thống bảo vệ phức tạp hơn và tính toán ngắn mạch cũng như phân bố công suất đòi hỏi các công cụ phân tích mạnh mẽ như phần mềm ETAP.

3.2. Tiêu chí kỹ thuật và kinh tế để chọn ra phương án tối ưu

Sau khi đề xuất các phương án, bước tiếp theo là so sánh chúng để chọn ra giải pháp tối ưu. Tiêu chí so sánh không chỉ dừng lại ở việc thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật (như tổn thất điện áp nằm trong giới hạn cho phép) mà còn phải xét đến hiệu quả kinh tế. Đề án sử dụng phương pháp "chi phí tính toán hằng năm" (Z) làm thước đo chính. Công thức được áp dụng là Z = (a_tc + a_vh) * K + c * ΔA, trong đó K là tổng vốn đầu tư, ΔA là tổng tổn thất điện năng hàng năm, và các hệ số khác liên quan đến chi phí vận hành và hiệu quả vốn. Dựa trên tính toán chi tiết trong tài liệu, phương án 1 (sơ đồ hình tia) được kết luận là phương án tối ưu nhất do có tổng chi phí tính toán hàng năm thấp nhất. Quá trình này minh họa rõ ràng cách cân bằng giữa yếu tố kỹ thuật và kinh tế trong một đồ án tốt nghiệp hệ thống điện.

IV. Bí quyết lựa chọn máy biến áp và dây dẫn cho Đề Án EPU

Việc lựa chọn thiết bị là xương sống của một đề án thiết kế lưới điện. Hai thành phần quan trọng nhất cần được tính toán cẩn thận là dây dẫn và máy biến áp. Lựa chọn dây dẫn và cáp điện không chỉ dựa trên khả năng mang tải mà còn phải tối ưu theo mật độ dòng kinh tế để giảm thiểu tổn thất lâu dài. Tương tự, lựa chọn máy biến áp phải cân nhắc giữa công suất định mức, khả năng quá tải khi có sự cố, và loại điều chỉnh điện áp (có đầu phân áp cố định hay điều chỉnh dưới tải). Một lựa chọn sai lầm ở giai đoạn này có thể dẫn đến chi phí vận hành cao, tổn thất năng lượng lớn và giảm tuổi thọ của hệ thống. Đề án tại Đại học Điện Lực đã áp dụng các phương pháp tính toán chuẩn mực để đảm bảo các thiết bị được chọn vừa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, vừa tối ưu về mặt kinh tế, từ đó xây dựng một hệ thống bền vững và hiệu quả.

4.1. Công thức chọn số lượng và công suất máy biến áp

Việc chọn công suất máy biến áp (MBA) phải xét đến khả năng quá tải khi một trong các máy song song gặp sự cố (đối với phụ tải loại II). Công thức được sử dụng là S_đmB ≥ S_max / (k * (n-1)), trong đó S_max là phụ tải cực đại, k là hệ số quá tải cho phép (thường là 1.4), và n là số MBA. Dựa vào công thức này, đề án đã tính toán và chọn các loại MBA phù hợp cho từng phụ tải. Ví dụ, phụ tải 1 với S_max = 39,326 MVA yêu cầu MBA có công suất định mức tối thiểu là 29,368 MVA, từ đó chọn loại máy TPDH-32000/110. Ngoài ra, việc lựa chọn sơ đồ nối dây cho trạm, như sơ đồ hai thanh góp hay sơ đồ cầu trong/ngoài, cũng được cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo độ tin cậy và linh hoạt trong vận hành.

4.2. Tính toán và chọn tiết diện dây dẫn theo mật độ dòng kinh tế

Tiết diện dây dẫn được chọn dựa trên phương pháp mật độ kinh tế của dòng điện (Jkt), một phương pháp tối ưu cân bằng giữa chi phí đầu tư dây và chi phí cho tổn thất điện năng. Công thức cơ bản là F_kt = I_max / J_kt, trong đó I_max là dòng điện cực đại và J_kt là mật độ dòng kinh tế tra bảng (ví dụ, Jkt = 1,1 A/mm² cho dây AC với Tmax > 3000h). Sau khi tính được tiết diện kinh tế, người thiết kế sẽ chọn loại dây tiêu chuẩn gần nhất (ví dụ AC-95, AC-240) và tiến hành kiểm tra lại các điều kiện kỹ thuật khác. Các điều kiện này bao gồm: điều kiện phát nóng khi làm việc bình thường và sau sự cố, điều kiện vầng quang (đối với cấp điện áp 110kV, tiết diện tối thiểu là 70mm²), và điều kiện tổn thất điện áp phải nằm trong giới hạn cho phép. Quy trình này đảm bảo dây dẫn hoạt động hiệu quả và an toàn.

V. Phương pháp phân tích và mô phỏng Đề Án Lưới Điện chi tiết

Sau khi hoàn thành các bước thiết kế cơ bản, giai đoạn phân tích và mô phỏng đóng vai trò kiểm chứng và hiệu chỉnh lại toàn bộ hệ thống. Giai đoạn này giúp đánh giá hoạt động của lưới điện trong các điều kiện vận hành khác nhau, từ phụ tải cực đại, cực tiểu đến các tình huống sự cố. Việc phân tích trào lưu công suất giúp xác định dòng công suất, điện áp tại các nút và tổn thất trên toàn hệ thống. Tính toán ngắn mạch là bắt buộc để lựa chọn đúng các thiết bị bảo vệ như máy cắt và rơ le. Các công cụ phần mềm hiện đại đóng vai trò không thể thiếu trong giai đoạn này. Mặc dù tài liệu không nêu rõ, các tính toán phức tạp này thường được thực hiện bằng phần mềm ETAP hoặc mô phỏng lưới điện bằng MATLAB/Simulink. Kết quả phân tích là cơ sở để tinh chỉnh thiết kế, đảm bảo lưới điện vận hành ổn định và an toàn trong thực tế.

5.1. Phân tích chế độ vận hành và điều chỉnh điện áp

Đề án đã thực hiện tính toán chi tiết cho ba chế độ vận hành điển hình: phụ tải cực đại, phụ tải cực tiểu và chế độ sau sự cố. Trong mỗi chế độ, điện áp tại các nút được tính toán để kiểm tra xem độ sụt áp có nằm trong giới hạn cho phép hay không. Ví dụ, ở chế độ cực đại, điện áp cơ sở được chọn ở mức cao (121 kV, tức 110% Uđm) để bù trừ sụt áp, trong khi ở chế độ cực tiểu, điện áp cơ sở thấp hơn (115 kV, tức 105% Uđm) để tránh điện áp tăng quá cao. Kết quả tính toán này là nền tảng để lựa chọn phương thức điều chỉnh điện áp phù hợp, chẳng hạn như chọn đầu phân áp cho máy biến áp, nhằm đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp cho các hộ tiêu thụ luôn ổn định.

5.2. Vai trò của phần mềm và bản vẽ AutoCAD trong đề án

Trong các đề án thiết kế lưới điện hiện đại, việc sử dụng phần mềm chuyên dụng là tất yếu. Phần mềm ETAP là một công cụ mạnh mẽ cho phép các kỹ sư mô hình hóa toàn bộ hệ thống, thực hiện các phân tích phức tạp như trào lưu công suất, ngắn mạch, ổn định hệ thống và phối hợp bảo vệ rơ le một cách nhanh chóng và chính xác. Các kết quả từ ETAP cung cấp cái nhìn trực quan và toàn diện về hoạt động của lưới điện. Song song đó, bản vẽ AutoCAD lưới điện là công cụ không thể thiếu để thể hiện các thiết kế một cách chi tiết. Các bản vẽ này bao gồm sơ đồ một sợi của toàn hệ thống, sơ đồ chi tiết của các trạm biến áp phân phối, và cách bố trí thiết kế tủ điện phân phối tổng (MSB), phục vụ cho quá trình thi công, lắp đặt và vận hành sau này.

VI. Tổng kết kết quả và định hướng tương lai cho Lưới Điện EPU

Một đề án thiết kế lưới điện thành công không chỉ dừng lại ở việc đưa ra một bản thiết kế khả thi mà còn phải tổng kết được các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng và đề ra hướng phát triển trong tương lai. Đề án này đã hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ đó bằng việc tính toán chi tiết tổng vốn đầu tư, chi phí vận hành hàng năm, và giá thành truyền tải điện năng. Các con số này cung cấp một bức tranh tài chính rõ ràng, giúp chủ đầu tư đưa ra quyết định. Quan trọng hơn, đề án này mở ra những định hướng phát triển mới cho hệ thống điện của Trường Đại học Điện Lực. Với nền tảng là một lưới điện được thiết kế bài bản, việc nâng cấp lên lưới điện thông minh (Smart Grid), tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo và hệ thống quản lý năng lượng tiên tiến là những bước đi hoàn toàn khả thi, phù hợp với xu thế phát triển bền vững của ngành năng lượng toàn cầu.

6.1. Đánh giá tổng thể chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của dự án

Chương cuối của đề án tập trung vào việc khái toán kinh tế. Tổng vốn đầu tư được xác định bằng tổng chi phí xây dựng đường dây và chi phí xây dựng các trạm biến áp. Tổn thất công suất và tổn thất điện năng toàn mạng được tính toán chi tiết, là cơ sở để xác định chi phí vận hành hàng năm. Các chỉ tiêu quan trọng như giá thành truyền tải điện năng (đ/kWh) và giá thành xây dựng trên mỗi MW công suất phụ tải (đ/MW) được đưa ra. Cụ thể, tổng vốn đầu tư cho phương án được chọn là 263,292.10^6 đồng và tổn thất công suất toàn mạng là 6,655 MW. Những con số này không chỉ là kết quả của một bài toán học thuật mà còn là dữ liệu thực tế để lập dự toán và đánh giá hiệu quả của một dự án đầu tư.

6.2. Hướng phát triển lưới điện thông minh tại Đại học Điện Lực

Với vị thế là một trường đại học hàng đầu về kỹ thuật điện, Đại học Điện Lực có tiềm năng lớn để trở thành một mô hình kiểu mẫu về lưới điện thông minh (Smart Grid) trong khuôn viên. Dựa trên nền tảng của đề án này, các bước phát triển tiếp theo có thể bao gồm: tích hợp hệ thống điện mặt trời áp mái trên các tòa nhà, lắp đặt các trạm sạc xe điện, triển khai hệ thống đo đếm thông minh (AMI) để giám sát và quản lý năng lượng hiệu quả. Việc ứng dụng các công nghệ tự động hóa và điều khiển từ xa cũng sẽ giúp nâng cao độ tin cậy và tối ưu hóa vận hành của hệ thống điện. Đây không chỉ là một hướng phát triển bền vững mà còn tạo ra một môi trường học tập và nghiên cứu thực tiễn, sinh động cho sinh viên chuyên ngành.