CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN Giới thiệu: Chương này trình bày các nội dung về: Khái quát, chọn công suất và vị trí của nhà máy, chọn đường dây và đặc tính kỹ thuật đường dây, chọn công suất và vị trí trạm, liên kết trong hệ thống điện trong thiết kế hệ thống điện. - Về kiến thức: + Mô tả khái quát về thiết kế hệ thống điện. + Phân tích mối liên kết của các phần tử trong hệ thống điện. - Về kỹ năng: + Chọn công suất, vị trí của hoạt động nhà máy/khu công nghiệp.
+ Tính chọn đường dây, đặc tính kỹ thuật của đường tải dây. + Tính chọn công suất và vị trí trạm điện. - Về thái độ: Có tinh thần học tập, rèn luyện nâng cao kiến thức/kỹ năng, tự tìm tòi nghiên cứu tài liệu một cách sáng tạo và tích cực. Khái quát Thiết kế hệ thống điện phân phối là quá trình xem xét hệ thống như là một tổng thể và lựa chọn các phần tử của hệ thống điện sao cho các phần tử này đáp ứng yêu cầu về kinh tế kỹ thuật,…Mỗi hệ thống điện đều có tính kinh tế nên không loại trừ một phần tử nào từ khâu sản xuất, truyền tải đến khâu phân phối điện năng.
Nên các yêu cầu vận hành hệ thống điện phải được xem xét và thực hiện dựa trên nền tảng của các phần tử trong hệ thống điện. Các nội dung cần nghiên cứu trong hệ thống điện là: - Dữ liệu về tải, độ lớn, tỷ lệ phát triển, thiết kế chi tiết các thiết bị nhà máy điện. - Thiết kế đường dây và lưới điện truyền tải để truyền công suất qua một khoảng cách cho trước nhưng phải thỏa mãn điều kiện kinh tế-kỹ thuật cũng như các đặc tính điện yêu cầu khác. - Thiết kế, kết nối hệ thống điện phân phối.
- Chọn điện áp điều khiển của hệ thống gồm: điều khiển điện áp, điều khiển tải tác dụng, tải phản kháng, tổn hao hệ thống. - Bù đường dây, các nghiên cứu về sự ổn định và độ tin cậy của hệ thống điện. - Phác họa lưới điện và kết hợp các phẩn từ trong hệ thống để có thiết kế tốt hơn. - Chọn cấu trúc hệ thống thanh cái.
57 - Thiết kế bảo vệ hệ thống gồm: bảo vệ chống sét, bảo vệ sự cố. Sử dụng máy tính và các công cụ phân tích lưới điện xoay chiều để tính toán các chế độ vận hành hệ thống nhà máy và đưa ra các chế độ vận hành tối ưu. Ngoài các yếu tố kỹ thuật, hệ thống còn được thiết kế và lên kế hoạch để có được sự vận hành đáng tin cậy và kinh tế nhất. Công suất và vị trí của nhà máy Các loại nhà máy điện thường dùng hiện nay là: nhà máy nhiệt điện, nhà máy thủy điện, nhà máy nguyên tử… 1.
Công suất máy phát điện Nhiệm vụ thiết kế phải tính chọn số lượng, công cuất máy phát điện thì cần lưu ý các điểm sau đây: - Máy phát điện có công suất càng lớn thì vốn đầu tư, tiêu hao nhiên liệu để sản xuất ra một đơn vị điện ăng và chi phí vận hành hằng năm càng nhỏ. - Để thuận tiện cho việc xây dựng cũng như vận hành về sau, nên chọn các máy phát điện cùng loại. - Nên chọn điện áp định mức của máy phát lớn thì dòng điện định mức, dòng điện ngấn mạch ổ cấp điện áp này sẽ nhỏ và do đó sẽ dễ dàng chọn các khí cụ điện lớn hơn. Ngày nay có khuynh hướng tăng công suất tổ máy để phù hợp với hệ thống điện lớn.
Công suất của mỗi tổ máy lớn sẽ làm giảm giá thành trên mỗi đơn vị công suất phát ra, và hiệu nhà máy tăng lên trong hệ thống điện có tổn thất lớn có thể thiết kế công suất tổ máy lớn hơn, công suất tổ máy lớn nhất không được vướt quá 5% tải đỉnh hệ thống. Công suất các tổ máu phụ thuộc vào đường cong tải hệ thống. Công suất của các tổ máy lớn hơn thì điện áp truyền tải cũng phải tăng cho phù hợp. Vai trò của các loại nhà máy điện trong hệ thống điện Kết hợp các nhà máy điện và phối hợp hoạt động của chúng phải thỏa mãn nhu cầu kinh tế quốc dân khai thác các khả năng đáp ứng của hệ năng lượng.
Xu hướng trong thiết kế và sử dụng các kiểu nhà máy điện khác nhau trong hệ thống cần được nghiên cứu. Các nhà máy điện nguyên tử được thiết kế hoạt động ở tải cơ bản có hệ số tải cáo (>90%). Nhà máy hơi nước với các máy phát hiệu suất cao, được sử dụng ở tần tải kế tiếp của đường cong phụ tải của hệ thống điện với hệ số tải cao. 58 Vai trò của các nhà máy thủy điện trong hệ thống điện thường thay đổi.
Đa số các nhà máy thủy điện được thiết kế hoạt động ở hệ số tải thấp 1530%, một số nhà máy thủy điện có trữ lượng nước lớn được thiết kế với hệ số tải 60%. Lựa chọn nhà máy điện được dung ở phần nào của đường cong tải của một hệ thống cụ thể phải được quyết định bởi các điều kiện kinh tế cụ thể. Vị trí các nhà máy điện Vị trí nhà máy điện được quyết định bởi các nguồn nước, nhiên liệu, hệ thống giao thông có sẵn,.và chi phí của nhà máy. Các nhà máy cỡ lớn khó đặt hoặc xây dựng ở gần hoặc tại các trung tâm tải.
Nhà máy hơi nước thường đặt gần ở các mỏ than và truyền điện năng đi xa nhờ đường dây cao áp. Điều này làm phát triển đường dây truyền tải cao áp. Do yêu cầu về lượng nước lớn nên các nhà máy hơi nước lớn có xu hướng ở gần sông hay biển. Các nhà máy thủy điện phải được đặt ở những nơi có trữ lượng nước lớn, nên cũng cần hệ thống truyền tải để đưa công suất lớn về trung tâm tải.
Kháng trở và các hằng số máy phát Khi nghiên cứu thiết kế hệ thống tổng thể, cần tìm ra ảnh hưởng của kháng trở máy phát và của cả máy biến áp khi hệ thống hoạt động trong các điều kiện sự cố và điều kiện ổn định. Dòng ngắn mạch ảnh hưởng đến việc lựa chọn máy cắt trong nhà máy. Kháng trở thấp hơn sẽ làm tăng tải cho phép trong hệ thống ở điều kiện ổn định. Nghiên cứu về đồ thị dao động phải được thực hiện trong điều kiện thử ngắn mạch để tìm ra hằng số thời gian và thiết kế bảo vệ thích hợp.
Quán tính của máy phát có vai trò quan trọng trong sự ổn định của hệ thống. Hệ thống kích từ máy phát và bộ điều chỉnh điện áp cũng phải được xét để khỏa sát sự ổn định hệ thống. Bộ điểu chỉnh điện áp tác động nhanh được dùng để cải thiện giới hạn ổn định. Đường dây và đặc tính kỹ thuật đường dây Việt Nam ta đang phát triển rất nhanh theo xu hướng hội nhập quốc tế, nên nhu cầu về nhà ở tăng ngày càng cao cùng với sự phát triển và đô thị hóa.
Hiện nay, đầu tư xây dựng mới và nâng cấp cơ sở hạ tầng nhà ở ngày càng tăng cao. Việc phát triển và cải tạo nâng cấp hệ thống điện trong các khu công nghiệp, nhà máy/xí nghiệp, các cao ốc hay troang các hộ nhà dân dụng là việc cần thiết tăng theo nhu cầu thực tiễn. 59 Tuy nhiên, để đảm bảo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật, an toàn cho sử dụng điện và tiết kiệm chi phí đầu tư lại là vấn đề nhiều người quan tâm. Trong hệ thống điện, việc dẫn cấp truyền tải điện là rất quan trọng.
Tính toán chọn tiết diện dây dẫn phù hợp được rất nhiều người quan tâm, không chỉ tính an toàn, tiết kiệm chi phí đầu tư mà còn giảm tổn hao điện năng truyền dẫn, tiết kiệm điện năng cho người sử dụng cũng như ngành điện. Nên việc thiết kế đường dây cần chọn cấp điện áp phù hợp để truyền công suất cần thiết qua khoảng cách cho trước, duy trì độ sụp áp và tổn hao trong giới hạn cho phép. Lựa chọn cỡ dây, cách bố trí, khoảng cách các dây dẫn pha, loại sứ, phối hợp cách điện… phải được xét trước. Các đặc tính trên sẽ là vấn đề cần xem xét kỹ trong việc thiết kế đường dây truyền tải EHV (Extra High Voltage: siêu cao áp) và UHV (Ultra High Voltage: cực cao áp) khi truyền công suất lớn.
Cỡ dây và cột lớn hơn, yêu cầu về thẩm mỹ, thiết kế để làm tối thiểu chi phí và lực cơ tướng ứng, giảm thiểu độ ồn âm thanh, radio và vùng an toàn. Cần giảm tối thiểu dòng nạp với người và thiết bị dưới đường dây. Các vấn đề khác là tối thiểu độ chấn động, tránh phóng điện trên sứ do không khí ô nhiễm và các vấn đề thiết kế khác. Công suất và vị trí các trạm biến áp Vị trí của trạm truyền tải, trạm nhận và trạm phân phối được quyết định bỡi công suất được phân phối trên từng đoạn cho trước, điện áp hệ thống, điện áp rơi và độ sụt áp.
Công suất máy biến áp được quyết định bởi công suất của mỗi mạch. Ngoài ra, công suất của các máy biến áp được chọn phải đảm bảo cung cấp điện trong tình trạng làm việc bình thường tương ứng với phụ tải cực đại khi tất cả các máy biến áp đều làm việc. Khi có một máy biến áp nào không làm việc do sự cố hoặc do sửa chữa thì các máy biến áp còn lại với khả năng quá tải sự cố phải đảm bảo tải đủ công suất cần thiết. Vị trí các trạm phụ Các mạch truyền tải đặt càng gần tải càng tốt và thực tế là để tận dụng các ưu điểm của điện áp các mạch phụ trước khi hạ áp.
Tuy nhiên, sẽ không thiết kế khi mở rộng các mạch này tới vị trí mà chi phí phụ thêm lại vượt quá chi phí tiết kiệm của mạch phân phối. Sự cân bằng bị ảnh hưởng lớn bởi công suất và mặt bằng các trạm phụ cũng như bởi sự khác nhau về điện áp. Các điểm sau phải được xem xét khi chọn vị trí trạm: 60 - Càng gần trung tâm tải càng tốt. - Đặt vị trí sao cho các tải tiềm năng trong tương lai được đưa đến thuận lợi, không phụ thuộc vào độ sụt áp.
- Đường dây truyền đến và đường dây phân phối đi ra được cho phép tiếp cận. - Cho phép mở rộng trạm về sau. - Phí tiền mua đất xây dựng trạm. - Tải của trạm phải trong một giới hạn sao cho có một khu vực lớn hay một số các bộ tiêu thụ không bị ảnh hưởng trong trường hợp trạm bị cắt.