Đồ án môn học: Thiết kế lưới điện trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Đồ án thiết kế lưới điện trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên cung cấp quy trình thiết kế mạng lưới điện hiện đại. Tài liệu phân tích cân bằng công suất,

• Tác giả: Sinh Viên Thực Hiện
• Người hướng dẫn: Nguyễn Thị Thùy Dương
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Thiết kế lưới điện trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hưng Yên

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế lưới điện trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Đồ án thiết kế lưới điện là một môn học quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư điện tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên. Môn học này giúp sinh viên tổng hợp và áp dụng các kiến thức về hệ thống điện để giải quyết bài toán thực tế: thiết kế một mạng lưới điện đảm bảo kỹ thuật và hiệu quả kinh tế. Nghiên cứu tập trung vào việc nối liền nguồn phát điện với phụ tải, tối ưu hóa cấu trúc mạng và tính toán các chế độ vận hành. Quá trình thực hiện đồ án rèn luyện kỹ năng phân tích, tính toán và ra quyết định kỹ thuật. Đây là bước chuẩn bị thiết yếu cho công việc trong ngành năng lượng, một ngành then chốt cho sự phát triển công nghiệp hóa đất nước.

1.1. Mục tiêu và yêu cầu của đồ án

Đồ án đặt ra mục tiêu kép. Thứ nhất, sinh viên phải thiết kế một mạng lưới điện đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt. Các yêu cầu bao gồm duy trì điện áp ổn định, giới hạn tổn thất công suất và điện năng, đồng thời đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện. Thứ hai, giải pháp đề xuất phải tối ưu về mặt kinh tế, tức là giảm thiểu chi phí đầu tư ban đầu và vận hành trong phạm vi cho phép. Việc cân bằng giữa hai mục tiêu này là thách thức chính của bài toán.

1.2. Vai trò của ngành năng lượng và bối cảnh thực hiện

Ngành năng lượng đóng vai trò nền tảng trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Do đó, nó luôn được ưu tiên phát triển trước một bước so với các ngành khác. Sự xuất hiện của các nhà máy điện mới và phụ tải mới đòi hỏi phải có quy hoạch và thiết kế lưới điện hợp lý. Đồ án được thực hiện tại Hưng Yên vào năm 2021, dưới sự hướng dẫn của giảng viên bộ môn Hệ thống điện. Nó phản ánh bối cảnh thực tiễn về nhu cầu phát triển hạ tầng điện tại Việt Nam.

II. Phân tích các vấn đề kỹ thuật trong thiết kế lưới điện

Thiết kế lưới điện đối mặt với nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp. Bài toán cân bằng công suất là bước đầu tiên, đảm bảo nguồn cung đủ công suất tác dụng và phản kháng cho phụ tải. Tiếp theo là lựa chọn điện áp định mức và tiết diện dây dẫn phù hợp, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền tải và tổn thất. Một vấn đề then chốt khác là phân tích chế độ xác lập của mạng điện, bao gồm chế độ phụ tải cực đại, cực tiểu và chế độ sau sự cố. Mỗi chế độ đặt ra các ràng buộc riêng về điện áp và dòng điện. Việc tính toán sai có thể dẫn đến hệ thống vận hành không ổn định, gây sụt áp hoặc quá tải.

2.1. Cân bằng công suất và lựa chọn thông số đường dây

Cân bằng công suất tác dụng và phản kháng là cơ sở để xác định công suất yêu cầu từ nguồn phát. Từ kết quả cân bằng, người thiết kế tiến hành chọn điện áp định mức cho mạng. Điện áp định mức phụ thuộc vào công suất truyền tải và chiều dài đường dây. Tiếp theo, tiết diện dây dẫn được lựa chọn dựa trên dòng điện tải cực đại và điều kiện phát nóng cho phép. Việc kiểm tra điều kiện phát nóng, đặc biệt trong chế độ sự cố (như ngừng một mạch đường dây kép), là bắt buộc để đảm bảo an toàn.

2.2. Phân tích chế độ vận hành và sự cố

Chế độ xác lập của mạng điện cần được tính toán cho nhiều trạng thái. Chế độ phụ tải cực đại là chế độ làm việc thường xuyên, đòi hỏi điện áp tại các nút phải nằm trong giới hạn cho phép. Chế độ phụ tải cực tiểu có thể gây hiện tượng điện áp tăng cao. Chế độ sau sự cố, ví dụ đứt một mạch đường dây, thường dẫn đến sụt giảm điện áp nghiêm trọng và quá tải cho mạch còn lại. Việc tính toán các chế độ này giúp đánh giá độ ổn định và tin cậy của toàn hệ thống điện.

III. Phương pháp và giải pháp kỹ thuật áp dụng trong đồ án

Để giải quyết các vấn đề trên, đồ án áp dụng một quy trình tính toán có hệ thống. Phương pháp chung là xây dựng các phương án thiết kế khác nhau, sau đó so sánh chúng dựa trên tiêu chí kỹ thuật và kinh tế. Về kỹ thuật, mỗi phương án được kiểm tra thông qua tính toán phân bố công suất, kiểm tra điều kiện phát nóng và tính toán điện áp cho các chế độ vận hành. Về kinh tế, các phương án đạt yêu cầu kỹ thuật sẽ được so sánh bằng hàm kinh tế, xét đến vốn đầu tư ban đầu và chi phí tổn thất điện năng hàng năm. Giải pháp cuối cùng là phương án tối ưu, cân bằng được cả hai yếu tố.

3.1. Phương pháp so sánh và lựa chọn phương án tối ưu

Đồ án sử dụng phương pháp hàm kinh tế để so sánh các phương án thiết kế. Hàm kinh tế tổng hợp chi phí đầu tư xây dựng (cho đường dây và trạm biến áp) cùng chi phí tổn thất điện năng quy đổi. Phương án nào có tổng chi phí nhỏ nhất trong khi thỏa mãn mọi điều kiện kỹ thuật sẽ được chọn. Quá trình này đòi hỏi tính toán chi tiết cho từng nhánh mạng, từ việc chọn tiết diện dây, công suất máy biến áp đến sơ đồ nối dây của các trạm.

3.2. Kỹ thuật tính toán chế độ xác lập và điều chỉnh điện áp

Tính toán chế độ xác lập được thực hiện bằng phương pháp suy giảm công suất. Phương pháp này tính toán tổn thất công suất trên các đoạn đường dây và máy biến áp để tìm ra phân bố công suất thực tế. Từ đó, điện áp tại các nút được xác định. Để đảm bảo điện áp cho các hộ tiêu thụ quan trọng (loại I), đồ án tính toán và lựa chọn các đầu điều chỉnh điện áp. Việc bù công suất phản kháng cũng được xem xét để cải thiện hệ số công suất và giảm tổn thất.

IV. Kết luận và ý nghĩa ứng dụng của đồ án thiết kế lưới điện

Đồ án thiết kế lưới điện tại trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã hoàn thành việc đề xuất một mạng điện tối ưu. Phương án cuối cùng đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về điện áp, dòng điện và độ tin cậy, đồng thời có chi phí kinh tế thấp nhất trong các phương án được xét. Kết quả tính toán cho thấy các chỉ tiêu như tổn thất điện áp và tổn thất công suất nằm trong giới hạn cho phép. Đồ án không chỉ là một bài tập học thuật mà còn có giá trị ứng dụng thực tiễn. Nó cung cấp một quy trình và phương pháp luận có thể tham khảo cho việc quy hoạch và thiết kế lưới điện phân phối tại các khu công nghiệp, đô thị mới ở Việt Nam.

4.1. Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đạt được

Phương án tối ưu được lựa chọn dựa trên việc tối thiểu hàm kinh tế. Chỉ tiêu kỹ thuật then chốt là điện áp tại các nút phụ tải luôn nằm trong dải cho phép (thường ±5% định mức) ở cả chế độ bình thường và sau sự cố. Tổn thất công suất cực đại và tổn thất điện năng hàng năm được tính toán cụ thể, cho thấy hiệu quả truyền tải. Vốn đầu tư cho đường dây và trạm biến áp cũng được ước tính, đảm bảo giải pháp khả thi về mặt tài chính.

4.2. Ý nghĩa thực tiễn và hướng phát triển

Đồ án minh họa cách áp dụng lý thuyết hệ thống điện vào giải quyết bài toán thực tế. Kỹ năng phân tích, lựa chọn phương án và tính toán kinh tế kỹ thuật là rất cần thiết cho các kỹ sư điện. Trong thực tế, thiết kế lưới điện còn phải xem xét thêm các yếu tố như quy hoạch dài hạn, độ tin cậy cung cấp điện (tiêu chí N-1, N-2) và khả năng mở rộng mạng. Hướng phát triển có thể bao gồm việc áp dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng và tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào đồ án.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: CÂN BẰNG CÔNG SUẤT 1. CÂN BẰNG CÔNG SUẤT TÁC DỤNG 3 1.1 Phân tích nguồn và phụ tải 1.1 Nguồn điện cung cấp Hệ thống điện có công suất vô cùng lớn nên chọn nút nguồn là nút cân bằng công suất và nút cơ sở về điện áp. Điện áp trên thanh góp cao áp của nguồn khi phụ tải cực đại là 110%𝑈đ𝑚 , khi phụ tải cực tiểu là 105%𝑈đ𝑚 và khi sự cố là 110%𝑈đ𝑚 điện áp định mức 1.2 Phụ tải điện Hệ thống điện thiết kế có phụ tải 1,2,4,5,6 là phụ t lải loại I, có cùng 𝑐𝑜𝑠𝜑𝑝𝑡 = 0,9 ⇒ 𝑡𝑎𝑔𝜑𝑝𝑡 = 0,48. Thời gian sử dụng phụ tải cực đại 𝑇𝑚𝑎𝑥 = 5000ℎ và có hệ số đồng thời 𝑚 = 1 các phụ tải sẽ cùng đồ thị phụ tải và đạt cực đại cùng thời điểm.

Cả 6 phụ tải yêu cầu điều chỉnh điện áp KT. Điện áp định mức của mạng điện thứ cấp các trạm hạ áp bằng 22kV. Phụ tải cực tiểu bằng 70% phụ tải cực đại.1 Số liệu về phụ tải trong hệ thống thiết kế Các hộ tiêu thụ Các thông số 1 2 3 4 5 6 Pmax (MW) 23 45 35 42 37 40 Pmin (MW) 16.1 Loại hộ phụ I I I I I I tải 𝑃 Với 𝑆 = ; 𝑄 = 𝑃. 𝑡𝑎𝑔𝜑𝑝𝑡 ; 𝑐𝑜𝑠𝜑𝑝𝑡 = 0,9 nên 𝑡𝑔𝜑𝑝𝑡 = 0,48 𝑐𝑜𝑠𝜑𝑝𝑡 Đặc điểm của quá trình sản xuất điện năng là công suất của các nhà máy sản xuất ra phải luôn cân bằng với công suất tiêu thụ của các phụ tải tại mọi thời điểm.

Việc cân bằng công suất trong hệ thống điện cho thấy khả năng cung cấp của các nguồn phát và yêu cầu của các phụ tải có cân bằng hay không, từ đó sơ bộ định ra 4 phương thức vận hành của các nhà máy để đảm bảo cung cấp đủ công suất, thỏa mãn các yêu cầu về kỹ thuật và có hiệu quả kinh tế cao nhất. Đặc biệt việc tính toán cân bằng công suất cho hệ thống trong các chế độ cực đại, cực tiểu và chế độ sự cố, nhằm đảm bảo độ tin cậy của hệ thống, đảm bảo chỉ tiêu về chất lượng điện cung cấp cho các phụ tải. Tổng công suất có thể phát của nguồn điện phải bằng hoặc lớn hơn công suất yêu cầu trong chế độ max, tính theo công thức sau: PF = Pyc = mPpt + Pmđ (1-1) Trong đó: +m: hệ số đồng thời (ở đây lấy m = 1). +PF: tổng công suất tác dụng phát của nguồn.

+Pyc: công suất tác dụng yêu cầu của phụ tải. +Ppt: tổng công suất tác dụng cực đại của các hộ tiêu thụ. +Pmđ: tổng tổn thất công suất tác dụng trên đường dây và máy biến áp. Ta chọn: Pmđ = 5% mPpt = 5% 222 = 11,1 MW.

Ta thấy: PF = Pyc = mPpt + Pmđ = 1 222 + 11,1 = 233,1 MW Do giả thiết nguồn cung cấp đủ công suất tác dụng nên ta không cần cân bằng chúng 2.2 Cân bằng công suất phản kháng Việc cân bằng công suất phản kháng có ý nghĩa quyết định đến điện áp của mạng điện. Quá trình cân bằng công suất phản kháng sơ bộ nhằm phục vụ cho việc lựa chọn dây dẫn chứ không giải quyết triệt để vấn đề thiếu công suất phản kháng. Biểu thức cân bằng công suất phản kháng được biểu diễn như sau: Qyc= mQpt +QB + QL –QC ( 1-2 ) Trong đó: + m: hệ số đồng thời (ở đây lấy m = 1). + QF: tổng công suất phản kháng phát kinh tế của nhà máy điện.

QF = PFtgF (tgF =0.48= 111,9 MVAr + Qpt: tổng công suất phản kháng cực đại của phụ tải.tgpti = 106,56 MVAr +QB: tổng tổn thất công suất phản kháng trong các MBA của hệ thống Ta lấy: QB = 15%∑Qpt = 15% 106,56 = 15,98 MVAr +QL: tổng tổn thất công suất phản kháng trên đường dây của mạng điện. +QC: tổng công suất phản kháng do dung dẫn của các đoạn đường dây 5 cao áp trong mạng điện sinh ra. Với lưới điện đang xét trong tính toán sơ bộ ta có thể coi: QL = QC Thay các thành phần vào biểu thức cân bằng công suất phản kháng (1- 2), ta có: Qyc = mQpt + QB + QL – QC = 106,56+ 15,98= 122,54 MVAr QF = 111,9MVAr < Qyc = 122,54 MVAr Do vậy trong bước tính sơ bộ ta phải bù sơ bộ cho các phụ tải.2 Bù sơ bộ cho các phụ tải Trước khi bù Sau khi bù Pmaxi Qmaxi Pmaxi Qmaxi Lộ Cosφ (MW) (MVAr) (MW) (MVAr) N-1 23 11. CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU VỀ KINH TẾ VÀ KỸ THUẬT 2.1 Yêu cầu thành lập phương án Tính toán lựa chọn phương án cung cấp điện hợp lý phải dựa trên nhiều nguyên tắc, nhưng nguyên tắc chủ yếu và quan trọng nhất của công tác thiết kế mạng điện là cung cấp điện kinh tế với chất lượng điện năng yêu cầu của các phụ tải và độ tin cậy cung cấp điện và với chi phí là nhỏ nhất.

Mục đích tính toán thiết kế là nhằm tìm ra phương án phù hợp. Làm được điều đó thì vấn đề đầu tiên cần phải giải quyết là lựa chọn sơ đồ cung cấp điện. Trong đó những công việc phải tiến hành đồng thời như lựa chọn điện áp làm việc, tiết diện dây dẫn, tính toán các thông số kỹ thuật, kinh tế … Trong quá trình thành lập phương án nối điện ta phải chú ý tới các nguyên tắc sau đây : - Mạng điện phải đảm bảo tính an toàn, cung cấp điện liện tục, ổn định, mức độ đảm bảo an toàn cung cấp điện phụ thuộc vào hộ tiêu thụ. Đối với phụ tải loại 1 phải đảm bảo cấp điện liên tục không được phép gián đoạn trong bất cứ tình huống nào.

Vì vậy trong phương án nối dây sử dụng đường dây kép hoặc mạch vòng. Hộ tiêu thu loại III chỉ cần cung cấp điện bằng đường dây 1 mạch. - Đảm bảo chất lượng điện năng theo yêu cầu. - Chỉ tiêu kinh tế cao, vốn đầu tư thấp, tổn thất nhỏ, chi phí vận hành hàng năm nhỏ.

- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. Vận hành đơn giản, linh hoạt và có khả năng phát triển trong tương lai khi có thêm các phụ tải mới.2 Thành lập các phương án - Trên cơ sở phân tích các đặc điểm của nguồn và phụ tải, cũng như vị trí địa lý của các phụ tải để đưa ra nhiều phương án thiết kế hệ thống điện, tuy nhiên sau khi tính toán sơ bộ ta chọn ra năm phưong án tối ưu hơn cả để 7 tính toán chi tiết sau đó sẽ so sánh và chọn ra phương án tối ưu nhất. Từ bản đồ vị trí của nhà máy điện , hệ thống và các phụ tải ta vẽ được sơ đồ dưới dây: Tỷ lệ: 1 đơn vị = 10km 2 15 14 1 3 13 12 11 10 NM 9 4 8 7 6 5 5 6 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Hình 2.1: Vị trí phân bố phụ tải - Các phương án dự kiến để tính toán 8 1 2 1 3 NM 4 5 6 2 2 1 3 NM 4 5 6 3 2 1 3 NM 4 5 6 9 3 2 1 3 NM 4 5 6 1 2 1 3 NM 4 5 6 Hình 2.2: Các phương án xây dựng để tính toán 2. Tính toán chi tiết kỹ thuật các phương án Để so sánh các phương án về mặt kĩ thuật, ta phải xét tới các nội dung sau: - Chọn lựa cấp điện áp định mức của hệ thống - Chọn lựa tiết diện dây dẫn - Kiểm tra điều kiện phát nóng của dây dẫn khi có sự cố.

- Tính toán tổn thất điện áp 10 2. Phương pháp chung Lựa chọn điện áp định mức cho mạng điện : Điện áp định mức của lưới điện ảnh hưởng chủ yếu đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, cũng như các đặc trưng kỹ thuật của mạng, khi tăng điện áp định mức thì tổn thất công suất và điện năng sẽ giảm chi phí vận hành, tăng công suất giới hạn truyền tải trên đường dây tuy nhiên lại làm cho vố đầu tư tăng và ngược lại khi điện áp định mức của lưới điện thấp thì vốn đầu tư nhỏ nhưng tổn thất công suất và điện năng lại tăng làm cho chi phí vận hành tăng. Vì vậy chọn đúng điện áp định mức của lưới điện khi thiết kế là điều rất cần thiết. Điện áp của lưới điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố: công suất của các phụ tải, khoảng cách giữa các phụ tải với nguồn cung cấp, vị trí tương đối giữa các phụ tải với nhau, sơ đồ lưới điện….

Như vậy chọn điện áp định mức của mạng điện xác định chủ yếu bằng các điều kiện kinh tế,. Việc chọn sơ bộ điện áp của lưới điện có nhiều phương pháp khác nhau như là: - Theo khả năng tải và khả năng truyền tải của dây. - Theo các đường cong thực nghiệm. - Theo các công thức kinh nghiệm.

- Ta sử dụng công thức Still để tính điện áp tối ưu về kinh tế của lưới điện: U = 4,34 L + 16P (kV) (2-1) Trong đó: L: Là khoảng cách truền tải (km) P: Là công suất tải (kW) Khi điện áp tính được rơi và khoảng (40 ÷ 70) kV thì ta chọn điện áp định mức là 110kV. Lựa chọn tiết diện dây dẫn ➢ Lựa chọn tiết diện dây dẫn Với việc sử dụng đường dây trên không dung dây AC, cột bê tông cốt thép điện áp định mức của mạng là 110kv ta sẽ có - Khoảng cách trung bình hình học giữa các pha 𝐷𝑡𝑏 = 5𝑚 - Sử dụng phương pháp mật độ dòng điện kinh tế để lựa chọn tiết diện dây dẫn * Phương pháp mật độ dòng kinh tế: Dòng điện chạy trên đoạn đường dây được tính theo công thức: 11 I Fkt = max (2-5) J kt P 2 max + Q2 max Imax = 103 (A) (2 − 6) n 3 U dm Với: 𝐹𝑖 : Tiết diện dây dẫn Ilv max 𝑖 : Dòng nhánh cực đại tính trên lộ cần cần xác định tiết diện(kA) n : Số mạch đường dây trên nhánh. 𝑆lv max 𝑖 : Công suất truyền tải cực đại trên đường dây đang xét 𝐽𝑘𝑡 : Mật độ kinh tế dòng điện tra. Dây AC, 𝑇𝑚𝑎𝑥 = 5000ℎ tra được 𝐽𝑘𝑡 = 1,1 (𝐴/𝑚𝑚2 ) đề bài đã cho.

Từ tiết diện dây dẫn tính được ta chọn được dây dẫn có tiết diện tiêu chuẩn gần nhất. từ tiết diện tiêu chuẩn phụ lục T197 sách mạng lưới điện 1 ( TS.Nguyễn Văn Đạm) ta có thong số các đường dây.