Đồ án môn học thiết kế lưới điện khu vực - Trường Đại học Điện Lực

Đồ án môn học thiết kế mạng lưới điện khu vực chi tiết từ lý thuyết đến thực hành. Hướng dẫn tính toán, lựa chọn phương án tối ưu cho hệ thống điện khu vực.

• Tác giả: Phạm Tùng Lâm
• Người hướng dẫn: TS. Kiều Thị Thanh Hoa
• Trường học: Trường Đại học Điện lực
• Chuyên ngành: Hệ thống điện
• Đề tài: Thiết kế mạng lưới điện khu vực
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế mạng lưới điện khu vực

Đồ án thiết kế mạng lưới điện khu vực là bài tập chuyên ngành quan trọng trong đào tạo kỹ sư hệ thống điện. Đồ án yêu cầu sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn. Mục tiêu chính là xây dựng mạng lưới điện đáp ứng nhu cầu sử dụng điện của một khu vực cụ thể. Quy trình thiết kế bao gồm nhiều bước. Đầu tiên là khảo sát và thu thập số liệu về phụ tải. Tiếp theo là tính toán công suất, chọn tiết diện dây dẫn và kiểm tra điều kiện kỹ thuật. Đồ án này thuộc chuyên ngành hệ thống điện, được thực hiện tại Trường Đại học Điện lực. Nội dung bao gồm xác định sơ đồ mạng điện, tính toán dòng điện, chọn thiết bị bảo vệ. Đồng thời kiểm tra tổn thất điện áp và tổn thất điện năng. Mạng lưới điện khu vực phải đảm bảo cung cấp điện liên tục, ổn định và kinh tế. Quá trình thực hiện giúp sinh viên nắm vững nguyên tắc tổ chức và điều khiển hệ thống điện. Đồ án cũng đề cập đến tổng vốn đầu tư và nguồn nguyên vật liệu cần thiết để phát triển năng lượng điện.

1.1. Mục đích và ý nghĩa của đồ án mạng lưới điện

Đồ án mạng lưới điện khu vực nhằm trang bị kỹ năng thực hành cho sinh viên chuyên ngành hệ thống điện. Sinh viên học cách xác định hướng và thông số kỹ thuật của đường dây tải điện. Đồ án giúp hiểu rõ nguyên tắc chọn hệ thống điện áp cho mạng điện chính. Quá trình tính toán rèn luyện tư duy phân tích và giải quyết vấn đề kỹ thuật. Ý nghĩa thực tiễn rất lớn vì mạng lưới điện là hạ tầng quan trọng của nền kinh tế. Công nghiệp hóa và hiện đại hóa đòi hỏi hệ thống truyền tải phân phối điện năng phải hiện đại và vận hành tối ưu.

1.2. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu của đồ án

Phạm vi nghiên cứu bao gồm mạng lưới điện phân phối cấp điện áp trung thế và hạ thế cho một khu vực cụ thể. Đối tượng nghiên cứu là các đường dây tải điện, máy biến áp phân phối và thiết bị bảo vệ. Đồ án xem xét chế độ vận hành bình thường và chế độ sự cố. Các thông số cần tính toán gồm công suất cực đại, dòng điện phụ tải và tổn thất điện áp. Khu vực nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi địa lý nhất định với năm nút phụ tải chính. Mỗi nút phụ tải có đặc điểm công suất và khoảng cách riêng biệt.

II. Phân tích tải và tính toán thông số mạng lưới điện

Phân tích tải là bước nền tảng trong thiết kế mạng lưới điện khu vực. Quá trình này xác định công suất cần cung cấp cho từng nút phụ tải. Phụ tải được phân loại theo mục đích sử dụng gồm phụ tải sản xuất, sinh hoạt và dịch vụ. Công suất cực đại tại mỗi nút được tính dựa trên hệ số đồng thời và hệ số sử dụng. Từ công suất cực đại, dòng điện phụ tải được xác định theo công thức chuẩn. Điện áp danh định của mạng ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị dòng điện. Với mạng điện áp 35kV, dòng điện phụ tải nhỏ hơn so với mạng 22kV. Tiếp theo là tính toán tổn thất điện áp dọc đường dây. Tổn thất điện áp phụ thuộc vào điện trở, điện kháng của dây dẫn và dòng điện chạy qua. Điều kiện kỹ thuật yêu cầu tổn thất điện áp không vượt quá giới hạn cho phép. Thông thường, tổn thất điện áp chế độ bình thường không vượt quá 5%. Chế độ sự cố cho phép tổn thất lên đến 10%. Các thông số ro, xo của dây dẫn được tra từ bảng catalogue nhà sản xuất.

2.1. Tính toán công suất và dòng điện phụ tải

Công suất phụ tải tại mỗi nút được xác định bằng phương pháp thống kê và hệ số đồng thời. Giá trị công suất biểu kiến S bao gồm thành phần công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Hệ số công suất cosφ thường đạt giá trị 0,85 đối với mạng phân phối khu vực. Dòng điện phụ tải tính theo công thức I = S chia cho căn bậc hai ba lần điện áp danh định. Ví dụ với phụ tải 25+j12 MVA ở điện áp 35kV, dòng điện đạt khoảng 66 ampe. Số liệu này là cơ sở để chọn tiết diện dây dẫn phù hợp.

2.2. Kiểm tra điều kiện kỹ thuật đường dây

Kiểm tra điều kiện kỹ thuật gồm ba nội dung chính. Thứ nhất là kiểm tra điều kiện vầng quang, đảm bảo tiết diện dây dẫn lớn hơn tiết diện giới hạn. Thứ hai là kiểm tra điều kiện phát nóng, dòng điện sự cố phải nhỏ hơn dòng điện cho phép nhân hệ số k. Hệ số k thường lấy giá trị 1,1. Thứ ba là kiểm tra tổn thất điện áp trên đường dây. Tổn thất điện áp chế độ bình thường không được vượt quá 5%. Tổn thất điện áp chế độ sự cố không vượt quá 10%. Nếu bất kỳ điều kiện nào không đạt, cần chọn lại tiết diện dây dẫn lớn hơn.

III. Phương pháp thiết kế và lựa chọn thiết bị mạng điện

Phương pháp thiết kế mạng lưới điện khu vực dựa trên so sánh nhiều phương án kỹ thuật. Mỗi phương án có sơ đồ mạng điện khác nhau về cấu trúc và thông số. Phương pháp đánh giá sử dụng tiêu chí kinh tế kỹ thuật kết hợp. Về lựa chọn dây dẫn, các loại phổ biến gồm AC-70, AC-120 và AC-185. Tiết diện dây dẫn được chọn theo điều kiện dòng điện cho phép và tổn thất điện áp. Dây dẫn AC-70 có dòng điện cho phép khoảng 275 ampe. Dây dẫn AC-185 có dòng điện cho phép đạt 535 ampe. Máy biến áp phân phối được chọn theo công suất và điện áp hai phía. Thiết bị bảo vệ gồm cầu dao, dao cách ly và máy cắt tự động. Vị trí đặt trạm biến áp phải đảm bảo tổn thất điện áp nhỏ nhất. Đồng thời chi phí đầu tư đường dây phải hợp lý. So sánh giữa các phương án dựa trên tổng chi phí đầu tư và vận hành. Phương án tối ưu là phương án đạt cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và kinh tế.

3.1. So sánh các phương án thiết kế mạng điện

So sánh phương án thiết kế là bước quan trọng để lựa chọn giải pháp tối ưu. Phương án 1 sử dụng sơ đồ mạng hình tia với nguồn cấp từ một trạm biến áp trung gian. Phương án 2 sử dụng sơ đồ mạng vòng với khả năng cấp điện dự phòng. Mỗi phương án được đánh giá qua các chỉ tiêu tổn thất điện áp, tổn thất điện năng và tổng vốn đầu tư. Kết quả so sánh cho thấy phương án nào vượt trội về mặt kinh tế kỹ thuật. Phương án được chọn phải đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cao nhất với chi phí thấp nhất.

3.2. Lựa chọn dây dẫn và thiết bị bảo vệ

Lựa chọn dây dẫn phải thỏa mãn đồng thời nhiều điều kiện kỹ thuật. Dây dẫn AC-120 phù hợp cho các đoạn đường dây có tải trung bình, điện trở 0,25 ôm trên ki lô mét. Dây dẫn AC-185 dùng cho đoạn đường dây tải lớn, điện trở 0,17 ôm trên ki lô mét. Thiết bị bảo vệ được chọn dựa trên dòng điện ngắn mạch lớn nhất tại vị trí lắp đặt. Cầu dao phải có dòng cắt định mức lớn hơn dòng ngắn mạch. Dao cách ly đảm bảo cách ly an toàn khi sửa chữa. Máy cắt tự động bảo vệ khi có sự cố chạm đất hoặc ngắn mạch.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của đồ án

Đồ án thiết kế mạng lưới điện khu vực hoàn thành các mục tiêu đề ra. Kết quả bao gồm sơ đồ mạng điện tối ưu, danh mục thiết bị và bảng tính toán kỹ thuật. Tổn thất điện áp ở chế độ bình thường đạt dưới 5%, thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật. Tổn thất điện áp chế độ sự cố dưới 10%, đảm bảo vận hành an toàn. Tổn thất điện năng hàng năm được tính toán chi tiết cho từng máy biến áp. Tổng tổn thất điện năng toàn mạng khoảng 4368 MWh mỗi năm. Kết quả tính toán bù công suất phản kháng cho thấy nguồn có thể cung cấp đủ. Ứng dụng thực tiễn của đồ án rất rộng rãi trong quy hoạch điện lực. Kết quả có thể áp dụng cho thiết kế mạng điện nông thôn, khu công nghiệp nhỏ. Đồ án cũng là tài liệu tham khảo cho các dự án cải tạo nâng cấp mạng điện. Quá trình thực hiện giúp sinh viên tích lũy kinh nghiệm quý báu cho công việc sau này.

4.1. Đánh giá kết quả đạt được của đồ án

Kết quả đồ án đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật về mạng lưới điện phân phối. Tất cả các đoạn đường dây đều thỏa mãn điều kiện vầng quang và phát nóng. Tổn thất điện áp toàn mạng nằm trong giới hạn cho phép ở cả chế độ bình thường và sự cố. Hệ số công suất được đảm bảo bằng nguồn cung cấp, không cần bù thêm tụ bù. Tổng công suất phản kháng nguồn cung cấp đạt 96,77 MVAr, lớn hơn nhu cầu yêu cầu. Các số liệu tính toán được trình bày rõ ràng và có thể kiểm chứng lại.

4.2. Hướng phát triển và mở rộng ứng dụng

Đồ án có thể phát triển theo nhiều hướng trong thực tế. Thứ nhất là áp dụng phần mềm mô phỏng như ETAP hoặc PowerWorld để kiểm tra kết quả. Thứ hai là mở rộng phạm vi nghiên cứu với nhiều nút phụ tải hơn và lưới điện phức tạp hơn. Thứ ba là tích hợp nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió vào mạng lưới. Ứng dụng mở rộng bao gồm quy hoạch phát triển mạng điện cho khu đô thị mới. Đồ án cũng là nền tảng để nghiên cứu lưới điện thông minh với công nghệ điều khiển tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I PHÂN TÍCH NGUỒN VÀ PHỤ TẢI I.1 Sơ đồ vị trí nguồn điện và các phụ tải 1.1 Những số liệu về nguồn cung cấp - Nguồn có công suất vô cùng lớn 1.2 Những số liệu về phụ tải Bảng 1.2 Số liệu các phụ tải 14 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC Thông số Phụ tải 1 2 3 4 5 Pmax (MW) 25 36 25 37 29 Pmin 0,7xPmax Cosφ 0,9 Udm (kV) 22 Thông tư YCĐC điện 39/2015/TT- áp BCT Loại I III I I I Tmax (h) 4876 4876 4876 4876 4876 - Gồm có 4 phụ tải loại I, 1 phụ tải loại III - Phụ tải loại I là phụ tải quan trọng cần được cung cấp điện liên tục, nếu cung cấp bị gián đoạn sẽ ảnh hưởng lớn tới an ninh, quốc phòng, tính mạng con người và thiệt hại về kinh tế do đó các hộ phụ tải loại I cần được cấp điện từ hai nguồn hoặc hai phía trở lên, cụ thể là sử dụng sơ đồ mạch kín, đường dây kép hoặc trạm biến áp có hai máy làm việc song song. - Phụ tải loại III là loại phụ tải ít quan trọng để giảm chi phí đầu tư ta chỉ cần sử dụng đường dây đơn.1 Số liệu tính toán các phụ tải TT Cosφ Tgφ (MW) (MVAr) (MVA) (MW) (MVAr) (MVA) 1 25 0,9 0,48 12 27,73 17,75 8,52 19,69 2 36 0,9 0,48 17,28 39,93 25,56 12,27 28,35 3 25 0,9 0,48 12 27,73 17,75 8,52 19,69 4 37 0,9 0,48 17,76 41,04 26,27 12,61 29,14 5 29 0,9 0,48 13,92 32,17 20,59 9,88 22,84 Tổng 152 72,96 169 107,92 51,80 119,71 Trong đó: - Công suất tiêu thụ của các phụ tải khác nhau, công suất tiêu thụ cực tiểu bằng 71% phụ tải cực đại. Smax = Pmax+ jQmax. Smin= Pmin+jQmin.

15 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC II. Phân tích nguồn và phụ tải 1.1 Nguồn điện - Trong thiết kế lưới điện, việc phân tích nguồn điện để nắm vững đặc điểm và số liệu của nguồn, thuận lợi cho việc tính toán. Ta sử dụng nguồn có công suất vô cùng lớn: - Nguồn công suất vô cùng lớn là nguồn có điện áp đầu cực không thay đổi về biên độ dù có xảy ra sự cố gì sau nó - Công suất nguồn lớn (5÷7) lần công suất tải.2 Phụ tải - Các hộ phụ tải loại I là những hộ quan trọng, vì vậy phải dự phòng chắc chắn. Mỗi phụ tải phải được cấp điện bằng một lộ đường dây kép và hai máy biến áp làm việc song song để đảm bảo cấp điện liên tục cũng như đảm bảo chất lượng điện năng ở một chế độ vận hành.

Khi ngừng cấp điện có thể làm hỏng sản phẩm, hư hại thiết bị gây ảnh hưởng lớn đến hoạt động của phụ tải. - Các hộ phụ tải loại III là các hộ phụ tải ít quan trọng hơn nên để giảm chi phí đầu tư ta chỉ cần cấp điện bằng một đường dây đơn và một máy biến áp. - Yêu cầu điều chỉnh điện áp. - Trong mạng điện thiết kế các hộ có yêu cầu điều chỉnh điện áp khác thường.

Ở phương pháp này độ lệch điện áp phải thỏa mãn các chế độ như sau: - Chế độ phụ tải cực đại: du% ≥ 5% Uđm. - Chế độ phụ tải cực tiểu: du%≥ 0% Uđm. - Chế độ sự cố: 0% ≤ du% ≤ 5% Uđm. - Các phụ tải có yêu cầu điều chỉnh điện áp thường nên phạm vi chỉnh điện áp ở chế độ cực đại, cực tiểu, sự cố là: -2,5% Uđm.

- Tất cả các phụ tải đều có điện áp hạ như nhau là 10 kV, hệ số công suất của các hộ đều cos = 0,85 16 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC CHƯƠNG II TÍNH TOÁN CÂN BẰNG CÔNG SUẤT - Khi tính toán thiết kế mạng điện thì vấn đề quan trong nhất là cân bằng công suất phát ra bởi nguồn và công suất tiêu thụ của phụ tải, tổng các công suất tổn hao trên hệ thống truyền tải điện. - Trong đồ án thiết kế môn học Lưới Điện việc cân bằng công suất ở đây được thực hiện trên một số khu vực cụ thể. Trong khu vực này có một nguồn điện với công suất vô cùng lớn. Trong hệ thống điện chế độ vận hành ổn định chỉ tồn tại khi có sự cân bằng giữa công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q.

Việc cân bằng công suất tác dụng có lợi trong việc ổn định tần số của hệ thống điện, còn việc cân bằng công suất phản kháng lại có tác dụng lớn trong việc đảm bảo ổn định điện áp cuối đường dây của hệ thống điện nói chung và lưới điện từng khu vực nói riêng.1 Cân bằng công suất tác dụng Pyc= m.∑Pptmax + PMĐ + Pdt + Ptd Trong đó: - PMĐ = 5%Pptmax - Pptmax: tổng công suất các phụ tải - Pdt : công suất dự trữ của hệ thống <Pdt = 0> - Ptd : công suất tự dung của nhà máy<Ptd = 0> - m : là hệ số đồng thời (lấy m =1 ) - Pht = Pyc - Pyc : tổng công suất tác dụng yêu cầu của cả hệ thống - Pptmax = P1 + P2 + P3 + P4 + P5 + P6 = 152 ( MW) - PMĐ = 5% .2 Cân bằng công suất phản kháng Qyc = m. ∑Qptmaxi + Qb + QL - Qc + Qdt + Qtd Trong đó : - Qyc : tổng công suất phản kháng yêu cầu của cả hệ thống - ∑Qptmaxi : tổng công suất phản kháng của phụ tải - Qb : tổng công suất tổn thất trong TBA : Qb = 15% x ∑Qptmaxi - QL : tổng công suất phản kháng tổn thất trên đường dây - Qc : tổng công suất phản kháng do tụ điện đặt trên đường dây sinh ra <giả thiếtQL=Qc> - m : hệ số đồng thời , lấy m= 1 - Qtd : công suất tự dùng của nhà máy < xem như Qtd = 0 > - QHT = PHT x tgφHT = 159,6 x 0,619 = 98,79 ( MVAr ) - ∑Qptmaxi = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 = 72,96 (MVAr) - Qb = 15% x ∑Qptmaxi = 10,94 ( MVAr ) 17 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC Vậy ta có tổng công suất yêu cầu của hệ thống là - Qyc = m ∑Qptmaxi + Qb = 83,9 (MVAr) Mà theo trên, công suất phản kháng công suất phản kháng do nguồn là Q HT = 98,79 (MVAr) > Qyc = 83,9 ( MVAr). Do đó , ta không phải bù công suất phản kháng trong mạng 18 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC CHƯƠNG III LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN, TÍNH TOÁN SƠ BỘ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 3.1 Chọn điện áp định mức cho lưới điện - Lựa chọn cấp điện áp định mức cho mạng điện là nhiệm vụ rất quan trọng, vì trị số điện áp ảnh hưởng trực tiếp đến các chi phí kinh tế, kỹ thuật của mạng điện. Để chọn được cấp điện áp hợp lý phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Phải đáp ứng được yêu cầu mở rộng phụ tải sau này.

- Đảm bảo tổn thất điện áp từ nguồn đến phụ tải. - Khi điện áp càng cao thì tổn thất công suất càng bé, sử dụng ít kim loại màu (I nhỏ). Nhưng điện áp càng tăng cao thì chi phí xây dựng mạng điện càng lớn và giá thành thiết bị càng tăng. Vì vậy phải chọn điện áp định mức như thế nào cho phù hợp về kinh tế và kĩ thuật.

- Chọn điện áp tối ưu theo công thức kinh nghiệm: Trong đó: Ui = 4,34. - Ui: điện áp đường dây thứ i (kV). - li: khoảng cách từ nguồn đến phụ tải thứ i ( km). - Pi: công suất lớn nhất trên đường dây thứ i (MW).

- n: số lộ đường dây Bảng 3.1 Bảng điện áp định mức cho lưới điện Li Ui Phụ tải (MVA) (MW) (Km) (kV) (kV) 1 25+j12 25 55,9 69,43 2 36+j17,28 36 32,01 77,64 110 3 25+j12 25 35 66,53 4 37+j17,76 37 36,4 79,13 5 29+j32,17 29 40 97,43 - Từ bảng số liệu trên ta thấy rằng điện áp tải điện trong khoảng (66,43 ÷ 97,43) chọn điện áp định mức cho mạng điện là Uđm = 110kV. 19 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 3.2 Dự kiến các phương án nối dây - Mạng điện thiết kế gồm 1 nguồn điện và 5 phụ tải, trong đó có 4 phụ tải loại I. Các phương án nối dây dự vào các yếu tố sau: - Vị trí nguồn và phụ tải. - Đảm bảo chất lượng điện năng, kinh tế.

- Đảm bảo vận hành an toàn, tin cậy và linh hoạt. Ta có thể đưa ra các phương án như sau: Phương án I Hình 3.1 Sơ đồ phương án 1 20 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC Phương án II Hình 3.2 Sơ đồ phương án 2 Phương án III Hình 3.3 Sơ đồ phương án 3 21 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC Phương án IV Hình 3.4 Sơ đồ phương án 4 Phương án V Hình 3.5 Sơ đồ phương án 5 22 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 3.3 Tính toán chọn tiết diện dây dẫn - Do mạng điện thiết kế có Uđm =110kV. Tiết diện dây dẫn thường được chọn theo phương pháp mật độ kinh tế của dòng điện Jkt. I max Fkt = J kt.

(*) - Với Imax là dòng điện cực đại trên đường dây trong chế độ làm việc bình thường, được xác định theo công thức: Imax = Trong đó : - Jkt : mật độ kinh tế của dòng điện. - Uđm: điện áp định mức của dòng điện. (kV) - Smaxi : công suất trên đường dây thứ i khi phụ tải cực đại.(MVA) - n: số lộ đường dây. - Ta sử dụng dây nhôm lõi thép để truyền tải với thời gian sử dụng công suất cực đại của phụ tải là 4876h.

Jkt được tra theo bảng trang 295_Thiết kế các mạng và hệ thống điện_NXB khoa học kĩ thuật 2008, ta có mật độ kinh tế của dòng điện Jkt = 1,1 A/mm2. - Dựa vào tiết diện dây dẫn tính theo công thức (*), tiết hành chọn tiết diện tiêu chuẩn gần nhất và kiểm tra các điều kiện về sự tạo thành vầng quang. - Độ bền cơ về đường dây và điều kiện pháp nóng của dây dẫn. * Kiểm tra điều kiện vầng quang.

- Theo điều kiện, tiết diện dây dẫn không được nhỏ hơn trị số cho phép đối với mỗi cấp điện áp. - Với cấp điện áp 110kV, để không xuất hiện vầng quang tiết diện dây dẫn tối thiểu được phép là 70mm2. * Kiểm tra phát nóng dây dẫn. - Theo điều kiện: Isc max < Icp.