Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Những vấn đề chung về cung cấp điện Điện năng là một dạng năng lượng có nhiều ưu điểm như: dễ dàng chuyền tải (nhiệt, cơ, hóa,v.v…) để truyền tải và phân bố. Chính vì vậy điện năng được dùng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực của con người. Điện năng nói chung không tích trử được, trừ một vài trường hợp cá biệt công suất nhỏ như pin, ácquy vì vậy giữa sản xuất và tiêu thụ điện năng phài luôn luôn cân bằng. Quá trình sản xuất điện năng là quá trình điện từ.
Đặc điểm của quá trình này là xảy ra rất nhanh. Vì vậy để đảm bảo quá trình cung cấp điện và sản xuất điện an toàn tin cậy, đảm bảo chất lượng điện phải áp dụng nhiều biện pháp đồng bộ như điều độ, thông tin, đo lường, bảo vệ và tự động hóa,… Điện năng là nguồn năng lượng chính của các ngành công nghiệp. Là điều kiện quan trọng để phát triển các đô thị và các khu dân cư,v.v… Vì lý do đó khi lập kế hoạch phát triển kinh tế xã hội, kế hoạch phát triển điện năng phải đi trước một bước, nhằm thỏa mãn nhu cầu điện năng không những trong giai đoạn trước mắt mà còn dự kiến cho sự phát triển trong tương lai. Những đặc điểm trên cần phải xem xét thận trọng và toàn diện trong suốt quá trình từ nghiên cứu, thiết kế, xây dựng đến vận hành khai thác hệ thống sản xuất, phân phối và tiêu thụ điện năng.
Những yêu cầu khi thiết kế cung cấp điện Mục tiêu cơ bản của nhiệm vụ thiết kế cung cấp điện là đảm bảo cho hộ tiêu thụ có đủ lượng điện năng yêu cầu với chất lượng điện tốt. Một số yêu cầu chính sau đây: - Độ tin cậy cung cấp điện: 5 Độ tin cậy cung cấp điện tùy thuộc vào hộ tiêu thụ loại nào. Trong điều kiện cho phép người ta cố gắng chọn phương pháp cung cấp điện có độ tin cậy càng cao càng tốt. - Chất lượng điện: Chất lượng điện được dánh giá bằng hai chỉ tiêu tần số và điện áp.
Chỉ tiêu tần số do điều độ miền điều chỉnh. Chỉ có những hộ tiêu thụ lớn hàng chục MW trở lên mới phải quan tâm đến chế độ vận hành của mình sao cho hợp lý đề góp phần ổn định tần số của hệ thống điện. Vì vậy người thiết kế cung cấp điện thường chỉ phải quan tâm chất lượng điện áp cho khách hàng. Nói chung điện áp ở lưới trung hạ áp cho phép dao động xung quanh giá trị ±5% điện áp định mức.
Đối với những phụ tải có yêu cầu cao về chất lượng điện áp như nhà máy hóa chất, điện tử, cơ khí chính xác,v.v… điện áp chỉ cho phép dao động ±2,5%. - An toàn trong cung cấp: Hệ thống cung cấp điện phải được vận hành an toàn đối với người và thiết bị. muốn đạt được yêu cầu đó, người thiết kế phải chọn hồ sơ cung cấp điện hợp lý, rõ ràng, mạch lạc, dễ hiểu để tránh được sự nhầm lẫn trong vận hành, các thiết bị điện phải được chọn đúng chủng loại, đúng công suất. Công tác xây dựng lắp đặt hệ thống cung cấp điện ảnh hưởng đến độ an toàn cung cấp điện.
Cuối cùng, việc vận hành quản lý cung cấp điện có vai trò đặc biệt quan trọng, người sử dụng phải chấp hành những quy định về an toàn sử dụng điện. - Tính kinh tế: Khi đánh giá so sánh các phương án cung cấp điện, chỉ tiêu kinh tế được xét đến khi các chỉ tiêu kỷ thuật nêu trên đã được đảm bảo. Chỉ tiêu kinh tế đánh giá thông qua: tổng số vốn đầu tư, chi phí vận hành và thời gian thu hồi vốn đầu tư.1 Xác định phụ tải tính toán Khi thiết kế cung cấp điện cho một khu vực bất kì, nhiệm vụ đầu tiên của người thiết kế là xác định phụ tải điện của công trình đó. Tùy theo quy mô của công trình mà phụ tải điện phải được xác định theo phụ tải thực tế hoặc còn phải kể đến khả năng phát triển của công trình trong tương lai 5 năm, 10 năm hoặc lâu hơn nữa.
Chẳng hạn như để xác định phụ tải điện cho một phân xưởng thì chủ yếu dựa vào máy móc thực tế đặt trong phân xưởng đó, xác định phụ tải cho một xí nghiệp thì ta phải xét tới khả năng mở rộng của xí nghiệp trong tương lai gần. Còn đối với thành phố, khu vực thì chúng ta phải tính đến khả năng phát triển của chúng trong khoảng thời gian 5 năm, 10 năm sắp tới. Như vậy xác định phụ tải điện là giải bài toán dự báo phụ tải ngắn hoặc dài hạn. Dự báo phụ tải ngắn hạn tức là xác định phụ tải của công trình ngay khi công trình đi vào hoạt động.
Phụ tải đó thường gọi là phụ tải tính toán. Người thiết kế cần biết được phụ tải tính toán được sử dụng để lựa chọn và kiểm tra các thiết bị trong hệ thống cung cấp điện như: máy biến áp, dây dẫn, các thiết bị đóng cắt, bảo vệ,v.v… để tính toán được các tổn thất công suất, tổn thất điện năng, tổn thất điện áp; lựa chọn dung lượng bù công suất phản kháng,v.v… Như vậy phụ tải tính toán là một số liệu quan trọng để thiết kế cung cấp điện. Phụ tải điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: công suất, số lượng các máy, chế độ vận hành của các thiết bị điện, quy trình công nghệ sản xuất, trình độ và phương thức vận hành hệ thống,v.v… Vì vậy xác định chính xác phụ tải tính toán là một nhiệm vụ khó khăn nhưng rất quan trọng. Bởi vì nếu phụ tải tính toán nhỏ hơn phụ tải thực tế thì sẽ làm giảm tổn thất tuổi thọ của các thiết bị điện có khi dẫn tới nổ, cháy gây nguy hiểm cho tài sản và tính mạng của con người và ngược lại nếu phụ tải tính toán lớn hơn so với yêu cầu thì sẽ gây lãng phí do các thiết bị được chọn chưa hoạt động hết công sức.
Do tính chất quan trọng như vậy nên từ trước tới nay đã có nhiều công trình nghiên cứu và có nhiều phương pháp tính toán phụ tải điện. Nhưng vì phụ tải điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đã trình bày ở trên nên cho đến nay vẫn chưa có phương pháp nào hoàn toàn chính xác và tiện lợi. Những phương pháp đơn giản và thuận tiện cho việc tính toán 7 thì lại thiếu chính xác, kể đến ảnh hưởng của nhiều yếu tố thì phương pháp tính lại phức tạp. Dưới đây là một số phương pháp tính toán phụ tải thường dùng nhất trong thiết kế hệ thống cung cấp điện.
Trong thực tế tùy theo quy mô và đặc điểm của công trình, tùy theo giai đoạn thiết kế sơ bộ hay kỹ thuật thi công mà chọn phương pháp tính phụ tải điện thích hợp.1 Xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt và hệ số nhu cầu Biểu thức tính: Một cách gần đúng ta có thể coi Pđ = Pđm do đó: Trong đó: Pđ – công suất đặt của các thiết bị (kW). Pđm – công suất định mức của thiết bị (kW). Ptt, Stt, Qtt – Công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến tính toán của thiết bị (kW), (kVAr), (kVA). Nếu hệ số công suất của các thiết bị trong nhóm không giống nhau thì cần phài tính toán hệ số công suất trung bình.
Hệ số nhu cầu của các loại máy khác nhau có giá trị khác nhau và có thể tra trong các tải liệu về hướng dẫn thiết kế. 8 Cách tính toán phụ tải tính toán theo phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, tính toán thuận tiện. Vì vậy được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên còn có nhiều nhược điểm như: hệ số nhu cầu tra trong các sổ tay là một trị số nhất định, nhưng ta đã biết: knc=ksd.
Trong đó ksd và kmax lại phụ thuộc vào quá trình sản suất và số thiết bị trong nhóm, hai yếu tố này thường xuyên thay đổi. Vì vậy knc tra trong các sổ tay không phản ánh đầy đủ các yếu tố kể trên, do đó dẫn tới kết quả thiếu chính xác.2 Xác định phụ tải tính toán theo công suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất. Biểu thức tính: Ptt = P0.F Trong đó: F – diện tích đặt máy sản xuất (m2). P0 – suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất (kW/m2).
Trị số P0 có thể tra trong các sổ tay thiết kế, trị số P0 của từng loại phân xưởng do kinh nghiệm vận hành thống kê lại mà có.1 Trị số P0 Đối tượng chiếu sáng P0, W/m2 CHIẾU SÁNG CÔNG NGHIỆP Phân xưởng cơ khí và hàn 13 – 16 Phân xưởng rèn dập và rèn nhiệt luyện 15 Phân xưởng chế biến gỗ 14 Phân xưởng đúc 12 – 15 Phân xưởng nồi hơi 8 – 10 9 Trạm bơm và trạm khí nén 10 – 15 Trạm axêtinen (nhà máy) 20 Trạm axít (nhà máy) 20 Các trạm biến áp và biến đổi 12 – 15 Gara ôtô 10 – 15 Trạm cứu hỏa 10 Cửa hàng và các kho vật liệu 10 Kho vật liệu dễ cháy 16 Các đường hầm cấp nhiệt 16 Phòng thí nghiệm trung tâm của nhà máy 20 Phòng làm việc 15 Phòng điều khiển nhà máy 20 Các tòa nhà sinh hoạt của phân xưởng 10 Đất đai trống của xí nghiệp, đường đi 0,15 – 0,22 Trung tâm điều khiển nhà máy điện và trạm biến áp 25 – 30 CHIẾU SÁNG SINH HOẠT Trường học 10 – 15 Cửa hàng 15 – 20 10 Nhà công cộng (rạp hát, chiếu bóng) 14 - 16 Hội trường 15 – 20 Đường phố chính 7 - 10 Đường phố nhỏ 2–5 Phương pháp này chỉ cho kết quả gần đúng vì vậy thường được sử dụng để tính toán cho các phân xưởng khi tính toán sơ bộ, khi so sánh các phương án. Khi phân xưởng có mật độ máy phân bố đều trên mặt bằng như phân xưởng cơ khí sản xuất ôtô… cũng như thường dùng phương pháp này để tính toán.3 Xác định phụ tải tính toán theo suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm. Biểu thức tính: Trong đó: M – số đơn vị sản phẩm sản xuất trong một năm. W0 – suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm (kWh/đơn vị sản phẩm).
Tmax – thời gian sử dụng công suất cực đại (h). Phương pháp này thường dùng tính toán cho các thiết bị điện có đồ thị phụ tải ít biến đổi hoặc không biến đổi. Ví dụ như quạt gió, bơm nước, máy nén khí,v.v… khi đó phụ tải tính toán gần bằng phụ tải trung bình và kết quà tương đối chính xác.
