CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN PHỤ TẢI Mã chương: MH18 - 01 Giới thiệu: Tính toán phụ tải điện bao gồm xác định phụ tải điện và lựa chọn phương án cung cấp điện. Xác định phụ tải điện là nhiệm vụ đầu tiên khi thiết kế cung cấp điện. Nhu cầu điện không chỉ xác định theo phụ tải thực tế mà còn phải tính đến khả năng phát triển trong tương lai. Xác định nhu cầu điện có vai trò rất quan trọng, là tiền đề cho việc thiết kế cung cấp điện.
Việc lựa chọn phương án cung cấp điện bao gồm những vấn đề: chọn cấp điện áp, chọn nguồn điện, chọn sơ đồ nối dây và chọn phương thức vận hành… Các vấn đề này có ảnh hưởng trực tiếp đến vận hành, khai thác và phát huy hiệu quả của hệ thống cung cấp điện. Mục tiêu: - Nhận thức chính xác về sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng từ đó phục vụ cho việc tiếp thu tốt những bài học tiếp theo. - Phân tích các thông số kỹ thuật cần thiết trong một hệ thống điện. - Vận dụng phù hợp các phương pháp tính toán phụ tải, vẽ được đồ thị phụ tải, tâm phụ tải.
- Chọn được phương án cung cấp điện phù hợp với tình hình thực tế, đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật. - Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác, tư duy khoa học và sáng tạo. Xác định nhu cầu điện Mục tiêu: - Nhận thức chính xác về sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng từ đó phục vụ cho việc tiếp thu tốt những bài học tiếp theo. - Phân tích các thông số kỹ thuật cần thiết trong một hệ thống điện.
- Vận dụng phù hợp các phương pháp tính toán phụ tải, vẽ được đồ thị phụ tải, tâm phụ tải. Đặt vấn đề Khi thiết kế cung cấp điện cho một hộ phụ tải, nhiệm vụ đầu tiên là xác định nhu cầu điện của hộ phụ tải đó. Tùy theo qui mô của phụ tải mà nhu cầu điện phải được xác định theo phụ tải thực tế hoặc phải dự kiến đến khả năng phát triển phụ tải trong tương lai từ 5 năm đến 10 năm hoặc lâu hơn nữa. Như vậy, xác định nhu cầu điện chính là giải bài toán về dự báo phụ tải ngắn hạn hoặc dài hạn.
19 Dự báo phụ tải ngắn hạn tức là xác định phụ tải của công trình ngay sau khi công trình đi vào hoạt động, đi vào vận hành. Phụ tải đó thường được gọi là phụ tải tính toán. Phụ tải tính toán được sử dụng để chọn các thiết bị điện như: máy biến áp, dây dẫn, các thiết bị đóng cắt, bảo vệ ., để tính các tổn thất công suất, tổn thất điện áp để chọn các thiết bị bù. Như vậy, phụ tải tính toán là một số liệu quan trọng để thiết kế cung cấp điện.
Các phương pháp xác định phụ tải tính toán có thể chia làm hai nhóm chính: + Nhóm thứ nhất: Đây là nhóm các phương pháp sử dụng các hệ số tính toán dựa trên kinh nghiệm thiết kế và vận hành. Đặc điểm của các phương pháp này là tính toán thuận tiện nhưng chỉ cho kết quả gần đúng. + Nhóm thứ hai: Đây là nhóm các phương pháp dựa trên cơ sở lý thuyết xác suất và thống kê. Đặc điểm của phương pháp này là có kể đến ảnh hưởng của nhiều yếu tố, do đó cho kết quả chính xác hơn nhưng tính toán phức tạp hơn.
Đồ thị phụ tải điện a. Định nghĩa: Đồ thị phụ tải là quan hệ của công suất phụ tải theo thời gian và đặc trưng cho nhu cầu điện của từng thiết bị. Phân loại: + Theo loại công suất, đồ thị phụ tải gồm có: - Đồ thị phụ tải công suất tác dụng: P = f(t) - Đồ thị phụ tải công suất phản kháng: Q = g(t) - Đồ thị phụ tải công suất biểu kiến: S = h(t) + Theo dạng đồ thị, đồ thị phụ tải gồm có: - Đồ thị phụ tải thực tế: đây là dạng đồ thị phản ánh qui luật thay đổi thực tế của công suất theo thời gian (hình 1-1) - Đồ thị phụ tải bậc thang: đây là dạng đồ thị qui đổi từ đồ thị thực tế về dạng bậc thang (hình 1-2).Đồ thị phụ tải thực tế Hình 1-1.Đồ thị phụ tải hàng ngày dạng bậc thang + Theo thời gian khảo sát, đồ thị phụ tải gồm có: - Đồ thị phụ tải hàng ngày: đây là dạng đồ thị phụ tải được xây dựng với thời gian khảo sát là 24 giờ. Nghiên cứu đồ thị phụ tải hàng ngày có thể biết được tình trạng làm việc của các thiết bị.
Từ đó, có thể định ra qui trình vận hành hợp lý nhất nhằm đạt được đồ thị phụ tải tương đối bằng phẳng. - Đồ thị phụ tải hàng tháng: đây là dạng đồ thị phụ tải được xây dựng theo phụ tải trung bình hàng tháng (hình 1-3) P (kW) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 t (tháng) Hình 1-3. Đồ thị phụ tải hàng tháng - Đồ thị phụ tải hàng năm: đây là dạng đồ thị phụ tải được xây dựng căn cứ vào đồ thị phụ tải điển hình của một ngày mùa đông và một ngày mùa hè (hình (hình 1-4) 21 P (kW) P (kW) P (kW) P1 P2 t2 t2 t2 0 24 (giờ) 0 24 (giờ) 0 T1 T2 8760 (giờ) a. Hình 1-4: Đồ thị phụ tải hàng năm a.
Đồ thị phụ tải điển hình của một ngày mùa đông. Đồ thị phụ tải điển hình của một ngày mùa hè. Đồ thị phụ tải hàng năm. Giả sử mùa hè gồm n1 ngày và mùa đông gồm n2 ngày.
ở đồ thị (hình MĐ 19- 02-04a), mức P2 tồn tại trong khoảng thời gian t2 + t/2; còn ở đồ thị (hình MĐ 19- 02-04b), mức P2 tồn tại trong khoảng thời gian t//2. Vậy trong một năm, mức phụ tải P2 tồn tại trong khoảng thời gian là: T2 = (t2 + t’2).n1 Tương tự, trong một năm, mức phụ tải P1 tồn tại trong khoảng thời gian là: T1 = (t1 + t’1).n2 Trong đó: n1, n2 lần lượt là số ngày mùa hè và mùa đông trong một năm. Đồ thị phụ tải hàng năm tiện lợi trong việc dự báo nhu cầu về điện năng trong năm và về hiệu quả kinh tế trong cung cấp điện. Các đại lượng cơ bản a.
Công suất định mức Công suất định mức là công suất của các thiết bị điện thường được nhà chế tạo ghi sẵn trong lý lịch máy hoặc trên nhãn hiệu máy, được biểu diễn bằng công suất tác dụng P (đối với động cơ, lò điện trở, bóng đèn…) hoặc biểu diễn bằng công suất biểu kiến S (đối với máy biến áp hàn, lò điện cảm ứng…). Công suất định mức được tính với thời gian làm việc lâu dài. Đối với động cơ, công suất định mức ghi trên nhãn máy chính là công suất cơ trên trục động cơ. • Đối với một pha: Pđm = Uđđm.cosđm (1-1) 22 • Đối với biến áp pha: Pđm =Uđm.
Công suất đặt Là công suất đầu vào của động cơ Pđ Pđm Lưu ý: Đứng về mặt cung cấp điện, ta quan tâm đến loại công suất này. Pđm Pđ = (1-3) Trong đó: Pđ: Công suất đặt của động cơ, kW Pđm: Công suất định mức của động cơ, kW đc: Hiệu suất định mức của động cơ. Vì hiệu suất định mức của động cơ tương đối cao (đối với động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc, đc = 0,8 0,95) nên để cho tính toán được đơn giản, người ta thường cho phép bỏ qua hiệu suất, lúc này lấy Pđ Pđm. Phụ tải cực đại Phụ tải cực đại chia làm hai nhóm: + Phụ tải cực đại dài hạn (Pmax): Là phụ tải trung bình lớn nhất tính trong khoảng thời gian tương đối ngắn.
Để tính toán lưới điện và máy biến áp theo phát nóng, ta thường lấy bằng phụ tải trung bình lớn nhất trong thời gian 5, 10 phút, 30 phút hay 60 phút (thông thường nhất lấy trong thời gian 30 phút, lúc đó ký hiệu P30, Q30, S30) đôi khi người ta dùng phụ tải cực đại xác định như trên để làm phụ tải tính toán. Người ta dùng phụ tải cực đại để tính tổn thất công suất lớn nhất và để chọn các thiết bị điện, chọn dây dẫn và dây cáp theo mật độ dòng điện kinh tế. + Phụ tải cực đại ngắn hạn hay còn gọi là phụ tải đỉnh nhọn (Pđn): Là phụ tải cực đại xuất hiện trong khoảng thời gian 1 2 giây. Phụ tải đỉnh nhọn được dùng để kiểm tra dao động điện áp, kiểm tra điều kiện tự khởi động của động cơ, chọn dây chảy cầu chì và tính dòng khởi động của rơ le bảo vệ.
23 Phụ tải đỉnh nhọn thường xảy ra khi động cơ khởi động. Chúng ta không chỉ quan tâm đến trị số của phụ tải đỉnh nhọn mà còn quan tâm đến tần số xuất hiện của nó. Bởi vì số lần xuất hiện của phụ tải đỉnh nhọn càng tăng thì càng ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường của các thiết bị dùng điện khác ở trong cùng một mạng điện. Phụ tải trung bình Là một đặc trưng tĩnh của phụ tải trong một khoảng thời gian khảo sát, được xác định bằng biểu thức: ptb = AP (1-4) t AQ qtb = (1-5) t Trong đó: AP; AQ: Là điện năng tác dụng và phản kháng trong khoảng thời gian khảo sát (kWh; kVArh) t: Là thời gian khảo sát (h).
Thời gian khảo sát là 1 ca làm việc, một tháng hay một năm. Phụ tải trung bình của một nhóm thiết bị: n Ptb = pi (1-6) i =1 n Qtb = q i (1-7) i =1 Tổng công suất trung bình của các thiết bị cho ta căn cứ để đánh giá mức độ sử dụng thiết bị và là số liệu quan trọng để xác định phụ tải tính toán. Thường phụ tải trung bình được xác định ứng với thời gian khảo sát là một ca làm việc, một tháng hoặc một năm. Phụ tải tính toán Phụ tải tính toán là phụ tải giả thiết không đổi lâu dài của các phần tử trong hệ thống cung cấp điện (máy biến áp, đường dây.) tương đương với phụ tải thực tế biến đổi theo điều kiện tác dụng nhiệt nặng nề nhất.
Nói một cách khác, phụ tải tính toán cũng làm nóng dây dẫn lên tới nhiệt độ bằng nhiệt độ lớn nhất do phụ tải thực tế gây ra. Do vậy, về phương diện phát nóng, nếu ta chọn các thiết bị điện theo phụ tải tính toán thì có thể đảm bảo an toàn cho các thiết bị đó trong mọi trạng thái vận hành. Quan hệ giữa phụ tải tính toán và các phụ tải khác được nêu trong bất đẳng thức sau: 24 Ptb Ptt Pmax 1. Các hệ số tính toán a.