Đồ án thiết kế lưới điện khu vực nguồn 110kV - Đại học Điện Lực

Bài viết cung cấp hướng dẫn chi tiết thiết kế lưới điện khu vực với thanh góp hệ thống 110kV công suất vô cùng lớn hệ số công suất 0.85. Phân tích quy trình và

• Tác giả: Dương Đức Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Thu Huyền
• Trường học: Trường Đại học Điện Lực
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
• Đề tài: Thiết kế lưới điện khu vực nguồn thanh góp 110 kV hệ số công suất 0,85
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế lưới điện khu vực 110 kV

Thiết kế lưới điện khu vực với nguồn thanh góp hệ thống 110 kV công suất vô cùng lớn, hệ số công suất 0,85 là nhiệm vụ quan trọng trong ngành hệ thống điện. Mục tiêu chính là đảm bảo cung cấp điện ổn định, an toàn và hiệu quả cho phụ tải khu vực. Việc lựa chọn cấu trúc lưới, điện áp truyền tải và tiết diện dây dẫn phải tuân thủ tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia. Hệ số công suất 0,85 cho thấy nhu cầu công suất phản kháng đáng kể, đòi hỏi giải pháp bù hợp lý. Các thông số phụ tải (Pmax, Pmin, Tmax) được xác định rõ ràng theo quy định, tạo nền tảng cho quá trình thiết kế chi tiết.

1.1. Đặc điểm nguồn điện đầu vào

Nguồn điện đầu vào là thanh góp hệ thống 110 kV với công suất vô cùng lớn, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho toàn bộ khu vực. Hệ số công suất 0,85 cho thấy sự cân bằng giữa công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q), với Q chiếm 62% P. Đây là đặc điểm quan trọng ảnh hưởng đến thiết kế lưới điện, đặc biệt trong việc lựa chọn thiết bị bù công suất phản kháng. Thanh góp hệ thống có khả năng chịu tải cao, cho phép triển khai nhiều phương án kết nối phụ tải mà không gây quá tải cục bộ.

1.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với lưới điện thiết kế

Lưới điện thiết kế phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt theo Thông tư 39/2015/TT-BCT. Điện áp định mức 110 kV được lựa chọn nhằm tối ưu hóa chi phí đầu tư và tổn thất điện năng. Các tiêu chí bao gồm giới hạn tổn thất điện áp (<15% trong chế độ bình thường, <20% trong chế độ sự cố), khả năng chịu tải của đường dây, và độ tin cậy cung cấp điện. Việc phân loại phụ tải theo cấp độ quan trọng (loại I, II, III) cũng ảnh hưởng trực tiếp đến phương án thiết kế.

II. Phân tích nhu cầu phụ tải và vấn đề kỹ thuật

Phân tích nhu cầu phụ tải là bước quan trọng xác định cấu trúc lưới điện tối ưu. Năm nhóm phụ tải có công suất cực đại dao động từ 26 MW đến 45 MW, với hệ số phụ tải 0,76. Sự phân bố phụ tải theo không gian (khoảng cách 2-10 km) tạo ra thách thức trong việc cân bằng tổn thất điện áp. Hệ số công suất 0,92 tại phụ tải cho thấy nhu cầu công suất phản kháng thấp hơn so với nguồn, nhưng vẫn cần được xem xét trong thiết kế. Vấn đề chính là đảm bảo điện áp tại thanh góp hạ áp (22 kV) luôn nằm trong giới hạn cho phép ±5% trong mọi chế độ vận hành.

2.1. Đánh giá sự cố và rủi ro tiềm ẩn

Các sự cố tiềm ẩn bao gồm đứt đường dây, quá tải cục bộ, và dao động điện áp do biến động phụ tải. Trong chế độ sự cố, tổn thất điện áp có thể vượt ngưỡng 20%, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Rủi ro quá tải xảy ra khi phụ tải cực đại kết hợp với sự cố đường dây, đòi hỏi lựa chọn tiết diện dây dẫn phù hợp. Việc thiếu hệ thống bảo vệ hiện đại có thể dẫn đến lan truyền sự cố, gây mất ổn định toàn hệ thống.

2.2. Ảnh hưởng của hệ số công suất đến thiết kế

Hệ số công suất 0,85 tại nguồn yêu cầu giải pháp bù công suất phản kháng hiệu quả. Việc lựa chọn tụ bù hoặc máy bù đồng bộ phải cân nhắc giữa chi phí đầu tư và lợi ích giảm tổn thất. Hệ số công suất thấp dẫn đến dòng điện tăng, gây tổn thất nhiệt trên đường dây. Ngoài ra, nó còn ảnh hưởng đến khả năng ổn định điện áp của hệ thống, đặc biệt trong các chế độ phụ tải cực đại hoặc sự cố.

III. Phương pháp thiết kế lưới điện khu vực

Phương pháp thiết kế dựa trên phân tích chi tiết phụ tải, lựa chọn điện áp truyền tải, và tính toán tiết diện dây dẫn tối ưu. Điện áp 110 kV được lựa chọn nhằm cân bằng giữa chi phí đầu tư và tổn thất điện năng. Tiết diện dây dẫn được xác định dựa trên dòng điện định mức, giới hạn tổn thất điện áp, và khả năng chịu tải sự cố. Việc áp dụng phương pháp kinh tế - kỹ thuật giúp lựa chọn phương án tối ưu giữa chi phí đầu tư và chi phí vận hành. Các bước tính toán bao gồm xác định dòng điện, tổn thất điện áp, và tổn thất công suất trên từng đoạn đường dây.

3.1. Lựa chọn điện áp truyền tải và tiết diện dây

Điện áp 110 kV phù hợp với phạm vi phụ tải 26-45 MW, đảm bảo tổn thất điện áp trong giới hạn cho phép. Tiết diện dây dẫn được chọn dựa trên mật độ dòng điện kinh tế (Jkt = 1,1 A/mm²), đảm bảo cân bằng giữa chi phí đầu tư và tổn thất điện năng. Việc lựa chọn dây AC-70 cho các đường dây chính có dòng điện định mức 275 A, đủ khả năng chịu tải sự cố (đứt 1 mạch). Kiểm tra tổn thất điện áp trong chế độ bình thường (<15%) và sự cố (<20%) là bắt buộc trước khi triển khai.

3.2. Tính toán tổn thất điện áp và công suất

Tổn thất điện áp được tính theo công thức ΔU% = (P.R + Q.X)/U²đm, trong đó R và X là điện trở, điện kháng của đường dây. Đối với đường dây hai mạch, tổn thất sự cố gấp đôi tổn thất bình thường do dòng điện tăng gấp đôi. Tổn thất công suất được tính dựa trên dòng điện và điện trở đường dây, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hệ thống. Việc tối ưu hóa vị trí đặt tụ bù giúp giảm tổn thất công suất phản kháng, cải thiện hệ số công suất toàn hệ thống.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Kết quả thiết kế lưới điện khu vực đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật, đảm bảo cung cấp điện ổn định với chất lượng cao. Phương án lựa chọn điện áp 110 kV, tiết diện dây dẫn AC-70, và bố trí tụ bù công suất phản kháng đã được chứng minh hiệu quả qua tính toán chi tiết. Việc áp dụng hệ thống điều chỉnh điện áp dưới tải trên máy biến áp giúp duy trì điện áp ổn định tại thanh góp hạ áp (22 kV) trong mọi chế độ vận hành. Kết quả này có thể áp dụng cho các dự án lưới điện khu vực tương tự, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của hệ thống điện quốc gia.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật

Hiệu quả kinh tế được thể hiện qua chi phí đầu tư hợp lý, tổn thất điện năng thấp, và độ tin cậy cao. Phương án thiết kế tối ưu giúp giảm chi phí vận hành nhờ giảm tổn thất điện năng và công suất phản kháng. Thời gian hoàn vốn đầu tư ước tính dưới 10 năm nhờ tiết kiệm chi phí điện năng. Về mặt kỹ thuật, hệ thống đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về chất lượng điện năng theo quy định, đảm bảo an toàn vận hành.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng

Hướng phát triển bao gồm tích hợp hệ thống SCADA để giám sát và điều khiển từ xa, nâng cao độ tin cậy vận hành. Ứng dụng công nghệ lưới điện thông minh (Smart Grid) giúp tối ưu hóa vận hành và dự báo sự cố. Kết quả thiết kế có thể mở rộng cho các khu vực phụ tải tương tự, đặc biệt trong bối cảnh phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Việc chia sẻ kinh nghiệm thiết kế cũng góp phần nâng cao chất lượng đào tạo ngành hệ thống điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUỒN VÀ PHỤ TẢI 1. Phân tích nguồn Sơ đồ vị trí nguồn và phụ tải: ( mỗi ô vuông là 10 x 10 km ) 3 5 2 - Nguồn điện là hệ thống có đặc điểm: Công suất vô cùng lớn, có điện áp 110 kV và hệ công suất là 0,85 1. Phụ tải HTĐ Trong hệ 1 thống điện gồm 05 phụ tải: trong đó có: 02 phụ tải số 3 và 5 là phụ tải loại III, 03 phụ tải số 1,2,4, là phụ tải 4 loại II. Thời gian sử dụng phụ tải cực đại Tmax = 4000 h.

Điện áp định mức của mạng điện thứ cấp là 22kV. Phụ tải 1 2 3 4 5 Pmax (MW) 22 30 18 29 26 Pmin (MW) 17.57 Loại hộ phụ tải II II III II III Điện áp thứ cấp (kV) 22 Tmax 4000 Bảng 1.1: Số liệu về phụ tải 1. Đề xuất phương án nối dây Một trong các yêu cầu của thiết kế mạng điện là đảm bảo cung cấp điện an toàn và liên tục, nhưng vẫn phải đảm bảo tính kinh tế. Muốn đạt được yêu cầu này người ta phải tìm ra 1 h phương án hợp lý nhất trong các phương án vạch ra đồng thời đảm bảo được các chỉ tiêu kỹ thuật.

Các yêu cầu chính đối với mạng điện:  Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị.  Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện.  Đảm bảo chất lượng điện năng.  Đảm bảo tính linh hoạt của mạng điện.

 Đảm bảo tính kinh tế và có khả năng phát triển. Trong thiết kế hiện nay, để chọn được sơ đồ tối ưu của mạng điện người ta sử dụng phương pháp nhiều phương án. Từ các vị trí đã cho của các phụ tải và các nguồn cung cấp, cần dự kiến một số phương án và phương án tốt nhất sẽ chọn được trên cơ sở so sánh kinh tế - kỹ thuật các phương án đó. Đồng thời cần chú ý chọn các sơ đồ đơn giản.

Các sơ đồ phức tạp hơn được chọn trong trường hợp khi các sơ đồ đơn giản không thoả mãn yêu cầu kinh tế - kỹ thuật. Những phương án được lựa chọn để tiến hành so sánh về kinh tế chỉ là những phương án thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật của mạng điện. Những yêu cầu kỹ thuật chủ yếu đối với các mạng là độ tin cậy và chất lượng cao của điện năng cung cấp cho các hộ tiêu thụ. Khi dự kiến sơ đồ của mạng điện thiết kế, trước hết cần chú ý đến hai yêu cầu trên.

Để thực hiện yêu cầu về độ tin cậy cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ loại II, cần đảm bảo dự phòng 100% trong mạng điện, đồng thời dự phòng đóng tự động. Vì vậy để cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ loại II có thể sử dụng đường dây hai mạch hay mạch vòng. Các hộ tiêu thụ loại III được cung cấp điện bằng đường dây một mạch. Để chọn được sơ đồ tối ưu của mạng điện ta sử dụng phương pháp chia lưới điện thành các nhóm nhỏ, trong mỗi nhóm ta đề ra các phương án nối dây, dựa trên các chỉ tiêu về kinh tế - kỹ thuật ta chọn được một phương án tối ưu của từng nhóm.

Vì các nhóm phân chia độc lập, không phụ thuộc lẫn nhau nên kết hợp các phương án tối ưu của các nhóm lại ta được sơ đồ tối ưu của mạng điện. Ưu nhược điểm của phương pháp chia nhóm : 2 h Ưu điểm: phương pháp này giúp ta chọn được sơ đồ tối ưu mà không bị thiếu phương án nào. Nhược điểm: việc chia nhóm phụ thuộc nhiều vào số lượng và vị trí địa lý của các phụ tải. Khi vị trí địa lý của các phụ tải đan xen nhau, việc chia nhóm sẽ gặp nhiều khó khăn.

Việc chia nhóm sẽ được thực hiện như sau: trước tiên dựa vào vị trí địa lý và công suất của các nguồn và phụ tải, chúng ta sẽ xem xét xem các phụ tải được lấy công suất từ nguồn nào, các phụ tải gần nhau cho vào 1 nhóm. Ở đây chúng ta có hai nguồn, các phụ tải sẽ được cung cấp từ nguồn gần nó nhất, nếu phụ tải nằm ở vị trí gần giữa 2 nguồn thì chúng ta sẽ xét đến công suất của nguồn và tổng công suất của các phụ tải xung quanh nó để đưa ra quyết định nối phụ tải đó với nguồn nào. Sau đó chúng ta sẽ tiến hành phân chia thành các nhóm. Việc vạch phương án sẽ được tiến hành đối với mỗi nhóm.

Dựa trên cơ sở vị trí địa lý giữa các phụ tải, ta lại phân hai khu vực trên làm các nhóm nhỏ. Phía nhà máy nhiệt điện được chia làm hai nhóm, phía hệ thống chia làm hai nhóm. Cụ thể là: ▪ Nhóm 1 gồm hệ thống, phụ tải 3, phụ tải 5 ▪ Nhóm 2 gồm hệ thống, phụ tải 2, phụ tải 1. ▪ Nhóm 3 gồm hệ thống, phụ tải 4.

Để vạch ra được các phương án nối dây cho mỗi nhóm, ta phải dựa trên ưu điểm, nhược điểm của các sơ đồ hình tia, liên thông, mạch vòng và yêu cầu về độ tin cậy của các phụ tải. * Mạng điện hình tia: - Ưu điểm:  Có khả năng sử dụng các thiết bị đơn giản, rẻ tiền và các thiết bị bảo vệ rơle đơn giản.  Thuận tiện khi phát triển và thiết kế cải tạo các mạng điện hiện có. - Nhược điểm:  Độ tin cậy cung cấp điện thấp.

 Khoảng cách dây lớn nên thi công tốn kém. * Mạng điện liên thông: - Ưu điểm: 3 h  Việc thi công sẽ thuận lợi hơn vì hoạt động trên cùng một đường dây.  Độ tin cậy cung cấp điện tốt hơn hình tia. - Nhược điểm: Tổn thất điện áp và tổn thất điện năng cao.

* Mạng điện mạch vòng: - Ưu điểm: Độ tin cậy cung cấp điện cao. - Nhược điểm:  Số lượng máy cắt cao áp nhiều hơn, bảo vệ rơle phức tạp hơn.  Tổn thất điện áp lúc sự cố lớn.  Vận hành phức tạp hơn 3 5 2 HTĐ 1 10km 4 Hình 1.1: Sơ đồ chia nhóm phụ tải Ta đề ra các phương án nối dây cho từng nhóm và loại sơ bộ một số phương án như sau: 1.

Nhóm 1: gồm phụ tải 3, phụ tải 5 3 Phụ tải Loại 3 III 5 III 5 76,158 km 58,31 km 4 h Hình 1.2: Sồ đố nối dây phương án 1 1. Nhóm 2: gồm phụ tải 1 và 2 Phụ tải Loại 1 II 2 II 2 36,056 km HTĐ 44,721 km 1 Phương án 2a 2 36,056 km 53,852 km HTĐ 5 1 h Phương án 2b 2 36,056 km 53,852 km HTĐ 44,721 km 1 Phương án 2c Hình 1.3: Sồ đố nối dây phương án 2a, 2b, 2c 1. Nhóm 3: gồm phụ tải 4 Phụ tải Loại 4 II HTĐ 30 km6 h 4 Hình 1.4: Sồ đố nối dây phương án 3 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN ĐIỆN ÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN VÀ TÍNH CHỌN TIẾT DIỆN DÂY 2. Chọn điện áp định mức Điện áp định mức của mạng điện ảnh hưởng chủ yếu đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, cũng như các đặc trưng kỹ thuật của mạng điện.

Điện áp định mức của mạng điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố: công suất của phụ tải, khoảng cách giữa các phụ tải và các nguồn cung cấp điện, vị trí tương đối giữa các phụ tải với nhau, sơ đồ mạng điện. 7 h Điện áp định mức của mạng điện thiết kế được chọn đồng thời với sơ đồ cung cấp điện. Điện áp định mức sơ bộ của mạng điện có thể xác định theo giá trị của công suất trên mỗi đường dây trong mạng điện. Các phương án của mạng điện thiết kế hay là các đoạn đường dây riêng biệt của mạng điện có thể có điện áp định mức khác nhau.

Chọn điện áp cho mạng là một trong những vấn đề cơ bản của việc thiết kế. Việc chọn điện áp ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ tiêu kinh tế và chỉ tiêu kỹ thuật của mạng điện. Nếu điện áp cao thì dòng điện nhỏ sẽ được lợi về dây dẫn nhưng xà sứ cách điện phải lớn. Ngược lại nếu điện áp thấp thì được lợi về cách điện, cột xà nhỏ hơn nhưng chi phí cho dây dẫn sẽ cao hơn.

Tuỳ thuộc vào giá trị công suất cần truyền tải và độ dài đường dây tải điện mà chọn điên áp vận hành sao cho thích hợp nhất. Trong khi tính toán thông thường, trước hết chọn điện áp định mức của các đoạn đường dây có công suất truyền tải lớn. Các đoạn đường dây trong mạng kín, theo thường lệ, cần được thực hiện với một cấp điện áp định mức. Có thể tính điện áp định mức của đường dây theo công thức kinh nghiệm sau: √ U i=4,34 l i+ 16.1) Trong đó: ▪ Ui - điện áp tính toán của đường dây thứ i, kV; ▪ li - chiều dài đường dây thứ i, km; ▪ Pi - công suất tác dụng trên đường dây truyền tải thứ i, MW; ▪ n là số lộ đường dây (lộ đơn n = 1; lộ kép n = 2) Áp dụng lần lượt tính toán cho từng nhóm và từng phương án.

Nhóm 1 A, Phương án 1: Ṡ HT−5 = Pmax5 + j. 38 n 8 h = 113,52 (kV) Do đó ta chọn điện áp truyền tải định mức của nhóm 1a là 110 kV. Nhóm 2 a) Phương án 2a: Ṡ HT−1 = Pmax1 + j.Qmax1 = 26 + j13,32 (MVA) Ṡ HT−2 = Pmax2 + j.Qmax2 = 28 + j14,28 (MVA) Điện áp tính toán trên đoạn HT-2: √ UHT-2 = 4,34. 28/2 = 69,99 (kV) Điện áp tính toán trên đoạn HT-1 √ UHT-1 = 4,34.

= 68,99 (kV) 2 Như vậy, ta chọn điện áp định mức cho phương án 2a là 110 kV. b) Phương án 2b: Dòng công suất chạy trên đoạn đường dây HT-2 có giá trị là: Ṡ HT−2= Ṡ2 + Ṡ1 = 28 + j14,28 + 26 + j13,32 = 54 + j27,6 (MVA) Dòng công suất chạy trên đoạn đường dây 2-1: Ṡ2−1 = 26 + j13,32 (MVA) Điện áp tính toán trên đoạn HT-2: √ U HT−2=4,34. 54 2 = 93,89 (kV) Điện áp tính toán trên đoạn 2-1 là: √ U 2−1=4,34. 26 2 = 70,23 (kV) Như vậy, ta chọn điện áp định mức cho phương án 2b là 110 kV.

9 h c) Phương án 2c: Giả thiết rằng mạng điện là đồng nhất và tất cả các đường dây đều có cùng tiết diện, và chiều dòng công suất như hình vẽ: HT 2 L2-1 1 LHT1 HT LHT2 ṠHT-2 Ṡ2-1 ṠHT-1 Ṡ2 Ṡ1 Hình 2.1: Sơ đồ tính điểm phân bố công suất cho mạng kín HT-2-1 Tính dòng công suất chạy trên các đoạn đường dây trong mạch vòng HT-2-1-HT.