mở đầu: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN Giới thiệu: - Hệ thống cung cấp điện: Tổ hợp các thiết bị và khí cụ điện liên kết với nhau với chức năng cung cấp năng lượng điện cho các hộ tiêu thụ điện. - Hộ tiêu thụ điện: Là nhà máy công nghiệp, các tổ chức, các xưởng sản xuất, khu vực xây dựng, tòa nhà, căn hộ, mà ở đó các thiết bị tiêu thụ điện kết nối với lưới điện và sử dụng năng lượng điện. - Thiết bị tiêu thụ điện: Là phần điện của thiết bị công nghệ, có chức năng biến đổi năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác cơ năng, nhiệt năng, hóa năng. 6 Hình 1: Các thành phần của hệ thống cung cấp điện Mục tiêu: - Phân tích được đặc điểm, các yêu cầu đối với nguồn năng lượng, nhà máy điện, mạng lưới điện, hộ tiêu thụ, hệ thống bảo vệ và trung tâm điều độ; - Vận dụng đúng các yêu cầu và nội dung chủ yếu khi thiết kế hệ thống cung cấp điện; - Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác và nghiêm túc trong học tập và trong thực hiện công việc.
Nội dung chính: 1. Nguồn năng lượng tự nhiên và đặc điểm của năng lượng điện: 1. Nguồn năng lượng tự nhiên: Năng lượng chúng ta đang tiêu dùng xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau. Từ thiên nhiên, cần phải kể đến than đá, than bùn, dầu hỏa, và khí thiên nhiên.
Do nhân tạo, có nguồn năng lượng điện từ thủy điện còn được gọi là than trắng, nguồn nguyên tử năng, và năng lượng từ gió và từ ánh sáng mặt trời. Từ thời cổ đại người ta đã biết đến và nghiên cứu các hiện tượng điện, mặc dù lý thuyết về điện mới thực sự phát triển từ thế kỷ 17 và 18. Tuy thế, những ứng dụng của điện trong giai đoạn này vẫn còn ít cho đến cuối thế kỷ 19 với sự bùng nổ của ngành kỹ thuật điện đưa nó vào ứng dụng trong công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày. Sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật và công nghệ điện đã làm thay đổi nền công nghiệp chạy bằng hơi nước trước đó cũng như thay đổi xã hội loài người.
Tính linh hoạt của điện cho phép con người có thể ứng dụng nó vào vô số lĩnh vực như giao thông, ứng dụng nhiệt, chiếu sáng, viễn thông, và máy tính điện tử. Năng lượng điện ngày nay trở thành xương sống trong mọi công nghệ hiện đại Năng lượng điện từ các nguồn năng lượng tự nhiên như gió, nước, năng lượng mặt trời, than đá, dầu mỏ, nhiên liệu sinh khối, năng lượng đại dương, năng lượng hạt nhân… ngày một được sử dụng rộng rãi hơn để tiết kiệm chi phí cho các biến đổi cơ năng thành điện. Chúng ta đều biết điện năng được sinh ra từ các máy cơ 7 – phát điện quay bởi các tuabin được đun nóng từ việc đốt nhiên liệu. Chính vì quá trình này tiêu tốn khá nhiều nhiên liệu nên con người đã nghiên cứu và phát minh những thiết bị có thể biến đổi những nguồn năng lượng khác thành điện năng.
Năng lượng điện có nhiều ưu điểm như: Dễ dàng chuyển thành các năng lượng khác (cơ, hoá, nhiệt v.), dễ truyền tải đi xa, hiệu suất lại cao. Đặc điểm của năng lượng điện: Trong quá trình sản xuất và phân phối, điện năng có một số đặc điểm chính như sau: - Điện năng sản xuất ra nói chung không tích trữ được (trừ một vài trường hợp cá biệt với công suất nhỏ người ta dùng pin và ăcquy làm bộ phận tích trữ). Tại mọi lúc, ta phải đảm bảo cân bằng giữa điện năng được sản xuất ra với điện năng tiêu thụ kể cả những tổn thất do truyền tải điện. - Các quá trình về điện xảy ra rất nhanh.
Ví dụ sóng điện từ lan truyền trong dây dẫn với tốc độ rất lớn xấp xỉ tốc độ ánh sáng 300000 km/giây, quá trình sóng sét lan truyền, quá trình quá độ, ngắn mạch xảy ra rất nhanh (trong thời gian nhỏ hơn 1/10 giây). - Công nghiệp điện lực có liên quan chặt chẽ đến hầu hết các ngành kinh tế quốc dân (khai thác mỏ, cơ khí, dân dụng, công nghiệp nhẹ. Đó là một trong những động lực tăng năng suất lao động, tạo nên sự phát triển nhịp nhàng trong cấu trúc kinh tế. - Điện năng được sản xuất chủ yếu dưới dạng điện xoay chiều với tần số 60Hz (tại Mỹ và Canada) hay 50Hz (tại Việt Nam và các nước khác).
- Hệ thống điện bao gồm ba khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối, tiêu thụ điện năng. Sản xuất điện năng: Các nhà máy điện b. Truyền tải, phân phối: Mạng lưới điện c. Tiêu thụ: Biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác.
Nhà máy điện: Nhà máy điện là nhà máy sản xuất điện năng ở quy mô công nghiệp. Bộ phận chính yếu của hầu hết các nhà máy điện là máy phát điện. Đó là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng thông thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Tuy nhiên nguồn năng lượng để chạy các máy phát điện này lại không giống nhau.
Nó phụ thuộc phần lớn vào loại chất đốt và công nghệ mà nhà máy có thể tiếp cận được. Hiện nay, nhà máy nhiệt điện và thủy điện vẫn là những nguồn điện chính sản xuất ra điện trên thế giới. Nhà máy nhiệt điện: Hình 2: Nhà máy nhiệt điện Trong nhà máy nhiệt điện, cơ năng được tạo ra bởi động cơ nhiệt. Động cơ nhiệt tạo ra cơ năng bằng nhiệt được lấy bằng cách đốt nhiên liệu.
Cơ năng ở đây được lưu trữ dưới dạng động năng quay của tuốc bin. Khoảng 80% các nhà máy điện dùng tuốc bin hơi nước, tức là dùng sử dụng hơi nước đã được làm bốc hơi bởi nhiệt để quay tuốc bin. Theo định luật hai nhiệt động lực học, nhiệt năng không thể chuyển hết thành cơ năng. Do đó luôn có mất mát nhiệt ra môi trường.
Lượng nhiệt mất mát này có thể được sử dụng vào các mục đích khác như sưởi ấm, khử muối của nước. 9 Ở nhà máy nhiệt điện sự biến đổi năng lượng được thực hiện theo nguyên lý: Nhiệt năng Cơ năng Điện năng. NMNĐ được phân thành hai loại: Nhiệt điện ngưng hơi và nhiệt điện rút hơi Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi có những đặc điểm sau: - Thường được xây dựng gần nguồn nhiên liệu và nguồn nước. - Tính linh hoạt trong vận hành kém.
Việc khởi động và tăng phụ tải chậm. - Hiệu suất thấp ŋ = 30 ÷ 40% - Khối lượng nhiên liệu sử dụng lớn, việc vận chuyển nhiên liệu khá tốn kém, khói thải và ô nhiễm môi trường. Nhà máy nhiệt điện rút hơi: Nhà máy nhiệt điện rút hơi đồng thời sản xuất điện năng và nhiệt năng. Về nguyên lý hoạt động giống như nhà máy nhiệt điện ngưng hơi, song ở đây lượng hơi rút ra đáng kể từ một số tầng của tuốc bin để cấp cho các phụ tải nhiệt công nghiệp và sinh hoạt.
Do đó hiệu suất chung của nhà máy tăng lên. Do yêu cầu rút nhiệt phục vụ cho công nghiệp nên nhà máy này có hai đặc điểm chính sau: - Thường được xây dựng gần phụ tải nhiệt - Hiệu suất cao hơn nhà máy nhiệt điện ngưng hơi 2. Nhà máy thủy điện: Hình 3: Nhà máy thủy điện Hòa Bình Nguyên lý của nhà máy thủy điện là sử dụng năng lượng dòng nước để làm quay trục tuốc bin thủy lực để chạy máy phát điện. Quá trình biến đổi năng lượng là: Thủy năng Cơ năng Điện năng.
10 Hình 4: Nguyên lý của nhà máy thủy điện So với nhà máy nhiệt điện cùng công suất thì nhà máy thủy điện đòi hỏi vốn đầu tư nhiều hơn và chủ yếu là đầu tư vào các công trình đập chắn, hồ chứa. Thời gian xây dựng lâu hơn. Nhưng, nhà máy thủy điện lại có những ưu điểm chính sau: - Giá thành điện năng rẻ hơn nhiều so với nhiệt điện. - Mức độ tự động hóa ở thủy điện dễ thực hiện hơn.
- Mở máy nhanh, vận hành máy đơn giản so với nhiệt điện, nên đáp ứng kịp thời yêu cầu của hệ thống. - Ít xảy ra sự cố như ở nhà máy nhiệt điện. - Thoáng mát, sạch sẽ kết hợp với phục vụ thủy lợi, cải thiện môi trường và tiện lợi cho giao thông đường thủy. - Hiệu suất của nhà máy thủy điện cao có thể đạt đến 80%.
Nhà máy điện nguyên tử: Hình 5: Nhà máy điện nguyên tử 11 Nhiệt năng do phân hủy hạt nhân sẽ biến thành cơ năng và từ cơ năng sẽ biến thành điện năng. Nhiệt năng thu được trong quá trình phá vỡ liên kết hạt nhân nguyên tử của các chất Urani 235 hay Plutoni 239. trong lò phản ứng. Do đó nếu như NMNĐ dùng lò hơi thì NMĐNT dùng lò phản ứng và những máy sinh hơi đặc biệt.
Ưu điểm của NMĐNT: - Chỉ cần một lượng khá bé vật chất phóng xạ đã có thể đáp ứng được yêu cầu của nhà máy. - Một nhà máy có công suất 100MW, một ngày thường tiêu thụ không nhiều hơn 1kg chất phóng xạ. - Công suất một tổ máy phát điện, tuốc bin của nhà máy điện nguyên tử sẽ đạt đến 500, 800, 1200 và thậm chí đến 1500MW. Nhà máy điện nguyên tử có những đặc điểm sau: - Vốn đầu tư xây lắp ban đầu lớn và thời gian xây dựng kéo dài.
- Thời gian sử dụng công suất cực đại lớn khoảng 7000giờ/năm. Nhà máy điện dùng sức gió (động cơ gió phát điện): Hình 6: Cánh đồng quạt gió ở Bạc Liêu Người ta lợi dụng sức gió để quay hệ thống cánh quạt đặt đối diện với chiều gió. Hệ thống cánh quạt được truyền qua bộ biến đổi tốc độ để làm quay máy phát 12 điện, sản xuất ra điện năng. Điện năng sản xuất ra được tích trữ nhờ các bình ắc qui.
Động cơ gió phát điện có khó khăn trong điều chỉnh tần số do vận tốc gió luôn luôn thay đổi. Động cơ gió phát điện thường có hiệu suất thấp, công suất đạt nhỏ do đó chỉ dung ở những vùng hải đảo, những nơi xa xôi không có lưới điện đưa đến hoặc ở những nơi thật cần thiết như ở các đèn hải đăng. Nhà máy điện dùng năng lượng bức xạ mặt trời: Hình 7: Nhà máy điện dùng năng lượng bức xạ mặt trời Thường có dạng như nhà máy nhiệt điện, ở đây lò hơi được thay bằng hệ thống kính hội tụ thu nhận nhiệt lượng bức xạ mặt trời để tạo hơi nước quay tuốc bin. Nhà máy điện dùng năng lượng bức xạ mặt trời có những đặc điểm sau: - Chi phí phát điện thấp.
- Không gây ô nhiễm môi trường.