Đồ án Kỹ thuật: lưới điện kỹ thuật điện thiết kế mạng điện 110kv

Tìm hiểu đồ án thiết kế lưới điện 110kV với các phương pháp tính toán, lựa chọn thiết bị và giải pháp kỹ thuật tối ưu cho hệ thống truyền tải điện.

• Tác giả: Trần Anh Khoa
• Người hướng dẫn: ThS. Phan Thành Tài
• Trường học: Trường Đại học Tôn Đức Thắng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Thiết Kế Mạng Điện 110 KV
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Lưới Điện Kỹ Thuật Điện 110KV

Thiết kế lưới điện 110KV là một trong những công tác quan trọng nhất trong ngành kỹ thuật điện hiện đại. Đồ án lưới điện kỹ thuật điện 110KV đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức lý thuyết và thực tiễn để đảm bảo an toàn, hiệu quả và kinh tế. Mục tiêu chính của thiết kế mạng điện 110KV là xây dựng một hệ thống điện phân phối có khả năng cung cấp điện ổn định cho các khu vực tiêu thụ. Quá trình thiết kế bao gồm việc cân bằng công suất, xác định dung lượng bù công suất kháng, lựa chọn phương án nối dây tối ưu, và tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật-kinh tế. Những yêu cầu này đặt ra nhu cầu cần phải hiểu rõ về đặc điểm của phụ tải điện, tính toán dòng điện, điều chỉnh điện áp và các biện pháp bảo vệ hệ thống.

1.1. Khái Niệm Cơ Bản Về Mạng Điện 110KV

Mạng điện 110KV là mạng điện trung áp được sử dụng để phân phối điện từ các trạm phát điện đến các trạm biến áp hạ thế. Đây là mạng điện quan trọng trong hệ thống điện quốc gia, đảm nhận vai trò kết nối giữa tầng phát điện và tầng tiêu thụ. Các đặc tính chính của lưới điện 110KV bao gồm khả năng truyền tải công suất lớn, độ tin cậy cao, và khả năng điều chỉnh điện áp tốt để đáp ứng nhu cầu của các hộ tiêu thụ lớn.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Đồ Án Thiết Kế Lưới Điện

Đồ án thiết kế lưới điện là bước quan trọng trong quá trình đào tạo kỹ sư điện. Nó giúp sinh viên áp dụng các kiến thức lý thuyết vào thực tiễn, từ việc phân tích phụ tải, tính toán công suất, đến lựa chọn thiết bị và đánh giá chỉ tiêu kinh tế. Thông qua đồ án này, người học có thể nắm vững quy trình thiết kế một hệ thống điện hoàn chỉnh.

II. Cân Bằng Công Suất Và Xác Định Phụ Tải Điện

Cân bằng công suất là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong thiết kế lưới điện kỹ thuật điện. Quá trình này liên quan đến việc thu thập số liệu phụ tải từ các hộ tiêu thụ, phân tích nhu cầu điện năng hiện tại và dự báo nhu cầu trong tương lai. Phụ tải điện bao gồm công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) của các thiết bị tiêu thụ. Việc xác định chính xác phụ tải là nền tảng để lựa chọn dung lượng máy biến áp, thiết bị bù công suất, và kích thước dây dẫn. Tùy thuộc vào đặc điểm của từng loại phụ tải, phương pháp tính toán sẽ khác nhau. Các phụ tải được chia thành ba loại chính: phụ tải quan trọng (bệnh viện, quân sự), phụ tải bình thường (dân cư, thương mại) và phụ tải công nghiệp.

2.1. Thu Thập Và Phân Tích Dữ Liệu Phụ Tải

Thu thập dữ liệu phụ tải điện được tiến hành thông qua khảo sát thực địa, thu thập thông tin từ các hộ tiêu thụ, và phân tích tài liệu lịch sử. Dữ liệu này bao gồm công suất lắp đặt, hệ số đồng thời, hệ số sử dụng, và dự báo phát triển phụ tải. Quá trình phân tích phụ tải yêu cầu sự cẩn thận, kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác cao nhất.

2.2. Phương Pháp Tính Toán Công Suất Cực Đại

Công suất cực đại được tính dựa trên công suất lắp đặt, hệ số đồng thời và hệ số sử dụng của các phụ tải. Công thức cơ bản là: P = Σ(Pi × Ks × Ku), trong đó Pi là công suất lắp đặt, Ks là hệ số đồng thời, Ku là hệ số sử dụng. Tính toán chính xác công suất cực đại giúp xác định dung lượng máy biến áp và thiết bị khác.

III. Bù Công Suất Kháng Và Lựa Chọn Phương Án Nối Dây

Công suất phản kháng trong mạng điện 110KV cần được bù một cách hợp lý để giảm tổn thất điện năng, cải thiện chất lượng điện áp và tăng khả năng truyền tải. Dung lượng bù công suất được xác định dựa trên công suất phản kháng của tải và mục tiêu điều chỉnh hệ số công suất. Thường thì hệ số công suất cos φ được duy trì ở mức 0,92 đến 0,95. Thiết bị bù bao gồm tụ điện, cuộn cảm đắp tính, hoặc máy phát điện đồng bộ. Ngoài ra, lựa chọn phương án nối dây của mạng điện 110KV cần phải xem xét các yếu tố kỹ thuật như độ tin cậy cung cấp điện, khả năng vận hành và các chỉ tiêu kinh tế. Các phương án thường bao gồm: đơn tầng, hai tầng, hoặc các cấu trúc phức tạp hơn tùy thuộc vào nhu cầu thực tế.

3.1. Xác Định Dung Lượng Bù Công Suất Kháng

Dung lượng bù được tính bằng công thức: Qbù = P(tg φ₁ - tg φ₂), trong đó φ₁ là góc ban đầu, φ₂ là góc mục tiêu. Bù công suất kháng tập trung tại các nút tải giúp giảm dòng điện trên đường dây, từ đó giảm tổn thất và cải thiện điện áp. Việc lựa chọn địa điểm bù cũng rất quan trọng để đạt hiệu quả tối ưu.

3.2. So Sánh Và Lựa Chọn Phương Án Tối Ưu

Mỗi phương án nối dây có ưu và nhược điểm khác nhau. Phương án đơn tầng đơn giản, chi phí thấp nhưng độ tin cậy kém. Phương án hai tầng có độ tin cậy cao hơn nhưng chi phí lớn. Việc lựa chọn phương án cần cân nhắc giữa yêu cầu kỹ thuật và khả năng kinh tế của dự án.

IV. Điều Chỉnh Điện Áp Và Chỉ Tiêu Kinh Tế Kỹ Thuật

Điều chỉnh điện áp là một công việc quan trọng trong vận hành mạng điện 110KV nhằm đảm bảo chất lượng điện áp ở các nút tải nằm trong giới hạn cho phép (thường từ -5% đến +5% so với điện áp danh định). Điều chỉnh điện áp được thực hiện bằng cách thay đổi đầu phân áp của máy biến áp, điều chỉnh bù công suất, hoặc sử dụng các thiết bị điều chỉnh điện áp khác. Các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của lưới điện thiết kế bao gồm: tổn thất điện năng, chi phí đầu tư, chi phí vận hành, tuổi thọ thiết bị, độ tin cậy cung cấp điện, và mức độ ô nhiễm điểm. Những chỉ tiêu này là cơ sở để đánh giá chất lượng thiết kế và so sánh các phương án khác nhau. Việc tối ưu hóa các chỉ tiêu này giúp đạt được hiệu quả kinh tế và kỹ thuật tốt nhất.

4.1. Phương Pháp Điều Chỉnh Điện Áp Trong Mạng

Điều chỉnh điện áp có thể thực hiện qua thay đổi đầu phân áp máy biến áp, bù công suất kháng, hoặc sử dụng thiết bị điều chỉnh. Thông thường, điều chỉnh được chia thành ba mức: điều chỉnh sơ bộ trong thiết kế, điều chỉnh trong quá trình vận hành bình thường, và điều chỉnh trong trạng thái sự cố. Mục tiêu là duy trì điện áp ở các nút trong giới hạn cho phép.

4.2. Đánh Giá Chỉ Tiêu Kinh Tế Kỹ Thuật Của Lưới Điện

Chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật bao gồm: tổn thất điện năng (%) - được tính bằng P loss = Σ(I²R/P²), chi phí đầu tư (triệu đồng), chi phí vận hành hàng năm (triệu đồng/năm), thời gian hoàn vốn (năm), và độ tin cậy cung cấp. Các chỉ tiêu này giúp đánh giá hiệu quả của thiết kế và làm cơ sở cho quyết định đầu tư.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 CÂN BẰNG CÔNG SUẤT TRONG MẠNG ĐIỆN 1.1 Thu thập số liệu và phân tích về phụ tải: Có nhiều cách để định nghĩa phụ tải điện, nhưng ở đây chúng ta có thể hiểu một cách đơn giản như sau: Phụ tải điện là những số liệu ban đầu được nêu ra để giải quyết những vấn đề có tính kinh tế kỹ thuật phức tạp khi thiết kế một hệ thống điện. Trong bất kì một bản thiết kế nào, việc đầu tiên cần làm là xác định phụ tải. Đây là bước tiến hành cơ bản và quan trọng của một bản thiết kế nhằm vạch ra ý tưởng thiết kế, lựa chọn thiết bị và kiểm tra, tính toán cho các phần tử trong hệ thống điện như: Máy phát điện; Máy biến áp; Đường dây và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của bản thiết kế. Do đó, việc phân tích phụ tải có một vị trí rất quan trọng và phải được tiến hành một cách kỹ lưỡng, chu đáo và đòi hỏi độ chính xác.

Mục đích của việc thu thập số liệu về phụ tải là để nắm vững vị trí, yêu cầu và đặc điểm của các hộ tiêu thụ lớn, dự báo nhu cầu tiêu thụ, sự biến động hay phát triển của phụ tải trong tương lai. Đa phần công tác xác định phụ tải thường dựa trên cơ sở khoa học mà có những phương pháp xác định khác nhau cho từng loại phụ tải. Tùy thuộc vào đặc điểm, tính chất và yêu cầu cung cấp điện mà phụ tải được chia làm 3 loại chính: Loại 1: Là những phụ tải đặc biệt quan trọng, không thể ngưng cung cấp điện (như Bệnh viện, Khu quân sự…). Việc ngưng cung cấp điện cho loại phụ tải này sẽ nguy hiểm đến tính mạng con người, an ninh quốc phòng, sản xuất.

Loại 2: Bao gồm các loại phụ tải tuy quan trọng nhưng khi mất điện không ảnh hưởng đến tính mạng con người, chỉ thiệt hại về sản phẩm và gây trì truệ quá trình sản xuất (như Nhà máy, Công ty, Doanh nghiệp…). Loại 3: Là những phụ tải không quan trọng, việc mất điện không ảnh hưởng lớn đến mức nghiêm trọng (như hộ dân, phân xưởng nhỏ…). 6|Page Điều đáng chú ý là khi nghiên cứu thiết kế một dự án thì không nên nhìn theo từng loại phụ tải để vạch ra sơ đồ mà phải luôn đặt các điều kiện yêu cầu liên tục cung cấp điện lên hàng đầu. Theo số liệu thống kê, hầu hết các phụ tải sản xuất có thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax như sau: Số ca T max 1 2400-3000 giờ/năm 2 3000-4000 giờ/năm 3 4000-7700 giờ/năm Thông thường, các hệ số của phụ tải được xác định dựa theo kinh nghiệm hoặc số liệu thống kê nhằm sử dụng làm dữ liệu tin cậy ban đầu để tính toán phụ tải thiết kế.

Ngày nay, sự thay đổi của phụ tải điện được biểu diễn bằng đồ thị phụ tải (đồ thị phụ tải ngày; đồ thị phụ tải tháng; đồ thị phụ tải năm) và số liệu tính toán là phụ tải cực đại Pmax. Trong thuật ngữ kỹ thuật Pmax được gọi là phụ tải tính toán Ptt (hay Pcomp) vào thời điểm phụ tải có trị số Pmin. Sau khi thu thập số liệu và phân tích phụ tải, ta có bảng số liệu ban đầu như sau: Bảng 1.1: Số liệu ban đầu. - Đủ cung cấp cho phụ tải với cosφ=0,9 - Điện áp thanh cái cao áp: Nguồn điện 1,1Uđm lúc phụ tải cực đại 1,05Uđm lúc phụ tải cực tiểu Uđm lúc xảy ra sự cố Phụ tải 1 2 3 4 5 6 Pmax (MW) 22 20 21 23 24 20 𝐂𝐨𝐬𝛗 0,84 0,83 0,83 0,85 0,86 0,85 Pmin (%Pmax) 40% 40% 40% 40% 40% 40% Tmax (giờ/năm) 5000 5000 5000 5000 5000 5000 Yêu cầu cung cấp điện Kép Kép Vòng Vòng 7|Page Điện áp định mức phía thứ cấp 22 22 22 22 22 22 trạm phân phối (kV) Yêu cầu điều chỉnh điện áp ±5% ±5% ±5% ±5% ±5% ±5% phía thứ cấp - Giá tiền 1 kWh điện năng tổn thất: 0,05$ - Giá tiền 1 Kvar thiết bị bù: 5$ 1.2 Phân tích nguồn cung cấp cho phụ tải [1, tr.

Theo lý thuyết thiết kế ở các môn học, nguồn điện cấp cho phụ tải trong vùng thường được cung cấp bởi một nhà máy điện và chỉ yêu cầu thiết kế từ thanh cái cao áp của nhà máy.1 ta thấy, nguồn điện được giả thiết cung cấp đủ công suất tác dụng cho phụ tải với hệ số công suất cosφ=0,9. Do đó, trên cơ sở kinh nghiệm thì nguồn có khả năng không thể cung cấp đủ yêu cầu về công suất phản kháng và đảm bảo nhu cầu điện năng phản kháng. Để khắc phục tình trạng này, khi thiết kế cần phải lắp đặt thêm thiết bị bù công suất phản kháng Q tại phụ tải mà không cần phải sử dụng công suất phản kháng từ nguồn.3 Cân bằng công suất trong hệ thống điện [1, tr. Trong mạng điện, việc đảm bảo cân bằng công suất trong hệ thống điện được điến hành nhằm xem xét khả năng cung cấp điện của các nguồn cho phụ tải.

Do sự biến động của phụ tải mà tại mỗi thời điểm phải luôn đảm bảo việc cân bằng công suất giữa lượng công suất sinh ra và công suất tiêu thụ. Ở mỗi mức cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng sẽ có một giá trị tần số và điện áp đặc trưng. Các giá trị này không ổn định theo thời gian và luôn luôn thay đổi.1 Cân bằng công suất tác dụng (P) hệ thống điện [1, tr. 8|Page Năng lượng điện là dạng năng lượng phổ biến có thể truyền tải với hiệu suất cao.

Do tính chất đặc biệt nên nó dễ dàng chuyển hóa từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác (cơ, nhiệt, hóa năng) mà tích trữ với lượng rất nhỏ thậm chí là không tích trữ được. Trong hệ thống điện, mục đích cân bằng công suất cần thiết là bảm đảm tần số không bị thay đổi và giữ cố định ở một giá trị. Trong kỹ thuật, cân bằng công suất tác dụng được biểu diễn theo hàm toán học mà cụ thể là theo biểu thức: 231Equation Chapter 1 Section 3 MERGEFORMAT (.) Trong đó, : Tổng công suất tác dụng phát ra từ nhà máy điện trong hệ thống. : Tổng công suất tác dụng cực đại của phụ tải.

: Tổng công suất tác dụng trên đường dây và máy biến áp. : Tổng công suất tự dùng của nhà máy điện. : Tổng công suất dự trữ. m: Hệ số đồng thời (thông thường chọn 0,8).

Để xác định hệ số đồng thời phù hợp với thiết kế cần căn cứ vào tình trạng phụ tải, số nhánh thiết bị và tính chất của mạng điện (mạng phân xưởng cơ khí, mạng chiếu sáng…). Theo tài liệu thống kê về điện, lượng tổn thất công suất tác dụng trên đường dây và của máy biến áp ở mạng cao áp khoảng từ 8÷10% tích hệ số đồng thời và tổng công suất tác dụng cực đại. Lượng tổn thất công suất tác dụng được tình theo công thức: 9|Page Thông thường chọn Từ Bảng 1.1 ta có, - Tổng công suất tác dụng cực đại của phụ tải: Hệ số đồng thời m = 0,8 - Tổng thất công suất tác dụng của đường dây và máy biến áp: - Công suất tự dùng của các nhà máy điện được tính theo phần trăm của Quy ước, - Nhà máy nhiệt điện 3 ÷ 7% - Nhà máy thủy điện 1 ÷ 2% Công suất dự trữ của hệ thống trong các trường hợp: - Công suất dự trữ khi xảy ra sự cố thường lấy bằng công suất của tổ máy lớn nhất trong hệ thống điện. - Công suất dự trữ phụ tải dự trù khi có sự biến động bất ngờ phía phụ tải (thường là tăng phụ tải) nằm ngoài dự tính bằng 2 ÷ 3% công suất phụ tải tổng.

- Công suất dự trữ phát triển là lượng công suất được tính toán nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển mạng điện (phụ tải phát triển) trong một khoảng thời gian từ 5 – 15 năm sau. Nhìn chung, công suất dự trữ của toàn bộ hệ thống sẽ được tính theo công thức: 10 | P a g e Theo số liệu ban đầu ở bàng 1.1, giả thiết rằng nguồn điện đủ cung cấp công suất cho toàn bộ hệ thống nghĩa là cung cấp đủ hoàn toàn nhu cầu công suất tác dụng và chỉ cân bằng bắt đầu từ thanh cái cao áp của trạm biến áp tăng áp tại nhà máy điện. Do đó, có thể bỏ qua và. Khi đó, biểu thức cân bằng công suất được xây dựng như sau: 1.2 Cân bằng công suất phản kháng (Q) hệ thống điện [1, tr.

Trong hệ thống điện, việc bảo đảm điện áp không bị biến động là rất quan trọng. Do đó, để đảm bảo yêu cầu này cần phải cân bằng công suất phản kháng. Cân bằng công suất phản kháng được biểu diễn theo biểu thức: Trong đó, : tổng công suất phát ra từ máy phát của các nhà máy điện ( : là hệ số được suy ra từ hệ số. : tổng công suất phản kháng của phụ tải theo hệ số đồng thời hệ thống điện.

: tổng tổn thất công suất phản kháng trong máy biến áp có thể ước lượng 11 | P a g e với : Tổng tổn thất công suất kháng trên các đường dây của mạng. Với mạng điện 110kV, trong tính toán sơ bộ có thể coi tổn thất công suất kháng trên cảm kháng đường dây bằng công suất phản kháng do điện dung đường dây cao áp sinh ra (điện dung tụ kí sinh): Tương tự như cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống, cân bằng công suất phản kháng cũng được tính từ thanh cái cao áp của trạm tăng áp tại nhà máy điện. Khi đó, tổng tổn thất công suất phản kháng của đường dây , tổng tổn thất công suất tự dùng của máy biến áp và công suất phản kháng tụ kí sinh có thể được bỏ qua và cân bằng công suất phản kháng được biểu diễn như sau: Bảng 1.2: Công suất phụ tải suy ra từ bảng số liệu ban đầu. Phụ tải 1 2 3 4 5 6 Tổng 22 20 21 23 24 20 130 14,2 13,4 14,1 14,2 14,2 12,4 82,66 2 4 1 5 4 26,2 24,0 25,3 27,0 27,9 23,5 154,0 9 6 1 3 9 0,84 0,83 0,83 0,85 0,86 0,85 12 | P a g e Chọn hệ số đồng thời ; ; Công thức tính S và Q: chọn 8% Chọn dung lượng cần bù Qbù = 21.