Thiết Kế Lưới Điện Cho Khu Vực Gồm Một Nguồn Và Năm Phụ Tải

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Thiết Kế Lưới Điện Cho Khu Vực Với Nguồn Và Năm Phụ Tải
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: PHAN TICH NGUON VA PHU TAI
• 1.1. Phân tích nguồn
• 1.2. Phân tích phụ tải
• 2. CHƯƠNG II: TĨNH TOÁN VA CAN BANG CONG SUAT
• 2.1. Cân bằng công suất tác dụng
• 2.2. Cân bằng công suất phản kháng
• 3. CHƯƠNG III: CÁC PHƯƠNG ÁN ĐI DÂY
• 4. CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN KĨ THUẬT
• 4.1. Tính toán kỹ thuật cho nhóm 1
• 4.1.1. Dùng phương pháp hình tia với 2 lộ cho phụ tải 1 và 1 lộ cho phụ tải 5
• 4.1.2. Dùng phương pháp đi mạch liên thông từ nguồn sang phụ tải 1 tới phụ tải 5 với phụ tải 1 dùng 2 lộ, phụ tải 5 1 lộ
• 4.1.3. Dùng phương pháp mạch vòng
• 4.2. Tính toán kỹ thuật cho nhóm 2
• 4.2.1. Dùng phương pháp hình tia với 2 lộ cho phụ tải 2 và 2 lộ cho phụ tải 3
• 4.2.2. Dùng phương pháp mạch liên thông từ nguồn sang phụ tải 2 tới phụ tải 3 với 2 lộ tới phụ tải 2 và 2 lộ tới phụ tải 3
• 4.2.3. Dùng phương pháp mạch vòng
• 4.3. Tính toán kỹ thuật cho nhóm 3
• 4.3.1. Dùng phương pháp hình tia 2 lộ từ nguồn đến phụ tải 4
• 5. CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN KINH TẾ
• 5.1. Tính toán kinh tế cho nhóm 1
• 5.2. Tính toán kinh tế cho nhóm 2
• 5.3. Tính toán kinh tế cho nhóm 3
• 5.4. Phương án tối ưu sau khi tính toán
• 6. CHƯƠNG VI: LỰA CHỌN MÁY BIẾN ÁP VÀ SƠ ĐỒ NỐI ĐIỆN
• 6.1. Số lượng máy biến áp
• 6.2. Chọn công suất máy biến áp
• 6.3. Lựa chọn sơ đồ nối điện
• 7. CHƯƠNG VII: TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP LƯỚI ĐIỆN VÀ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
• 7.1. Tính toán chế độ xác lập
• 7.1.1. Chế độ phụ tải cực đại
• 7.1.2. Chế độ phụ tải cực tiểu
• 7.1.3. Chế độ phụ tải sự cố
• 7.2. Điều chỉnh điện áp
• 7.2.1. Tính toán điện áp tại các nút
• 7.2.2. Lựa chọn phương thức điều chỉnh điện áp cho các trạm
• 8. CHƯƠNG VIII: TÍNH CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ-KỸ THUẬT CỦA MẠNG ĐIỆN
• 8.1. Vốn đầu tư xây dựng lưới điện
• 8.2. Tổn thất công suất tác dụng trong lưới điện
• 8.3. Tổn thất điện năng trong lưới điện
• 8.4. Các loại chi phí và giá thành
• 8.5. Kết luận
• LỜI NÓI ĐẦU

I. Tổng quan thiết kế lưới điện cho khu vực 5 phụ tải

Việc thiết kế lưới điện cho khu vực với nguồn và năm phụ tải là một bài toán kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và tối ưu kinh tế. Một hệ thống điện ổn định phải đảm bảo cung cấp năng lượng liên tục, chất lượng điện áp tốt và an toàn tuyệt đối. Đồ án tham khảo cho bài viết này, “Thiết kế lưới điện cho khu vực gồm một nguồn và năm phụ tải”, đã đặt ra nền tảng vững chắc để phân tích các bước cốt lõi. Giai đoạn đầu tiên và quan trọng nhất là khảo sát và phân tích các yếu tố đầu vào. Điều này bao gồm việc xác định đặc tính của nguồn cung cấp, thường được giả định là có công suất vô cùng lớn để đảm bảo điện áp không đổi. Song song đó, việc phân tích phụ tải chi tiết là yêu cầu bắt buộc. Mỗi phụ tải trong số năm phụ tải được xem xét đều có các thông số riêng biệt về công suất cực đại (Pmax), hệ số công suất, và quan trọng nhất là phân loại mức độ ưu tiên. Việc phân loại này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến các quyết định về cấu trúc mạng và mức độ dự phòng cần thiết. Sau khi có đủ dữ liệu, bước tiếp theo là thực hiện cân bằng công suất, một quá trình nhằm đảm bảo tổng công suất phát ra từ nguồn đáp ứng đủ công suất tiêu thụ của phụ tải và bù đắp cho các tổn thất trên hệ thống. Quá trình này không chỉ giúp ổn định tần số mà còn đảm bảo chất lượng điện áp trên toàn lưới, tạo tiền đề cho các bước tính toán chuyên sâu hơn.

1.1. Phân tích nguồn và đặc tính 5 phụ tải quan trọng

Trong mọi bài toán thiết kế, nguồn điện được xem là trái tim của hệ thống. Theo tài liệu phân tích, nguồn được giả định có công suất vô cùng lớn, đảm bảo khả năng đáp ứng mọi biến động của phụ tải mà không làm thay đổi điện áp thanh góp. Về phía phụ tải, đồ án phân loại 5 hộ tiêu thụ thành hai nhóm chính: Phụ tải loại I và loại III. Bốn phụ tải được xếp vào loại I, là những phụ tải có yêu cầu về độ tin cậy cung cấp điện ở mức cao nhất. Việc gián đoạn cấp điện cho các phụ tải này có thể gây ra thiệt hại kinh tế nghiêm trọng hoặc ảnh hưởng đến an ninh. Do đó, các phụ tải này đòi hỏi phải được cấp điện bằng đường dây kép hoặc mạch vòng. Phụ tải còn lại thuộc loại III, ít quan trọng hơn, cho phép sử dụng đường dây đơn để tiết kiệm chi phí đầu tư. Các thông số kỹ thuật như công suất cực đại Pmax (từ 30MW đến 38MW), hệ số công suất (cosφ = 0.9), và thời gian sử dụng công suất lớn nhất (Tmax = 5375h) là những dữ liệu cốt lõi cho việc tính toán lưới điện.

1.2. Vai trò của việc cân bằng công suất tác dụng và phản kháng

Một hệ thống điện chỉ vận hành ổn định khi có sự cân bằng giữa công suất phát và tiêu thụ. Quá trình cân bằng công suất được chia làm hai phần: công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q). Cân bằng công suất tác dụng giúp duy trì sự ổn định tần số của toàn bộ hệ thống. Trong khi đó, cân bằng công suất phản kháng có vai trò quyết định trong việc đảm bảo chất lượng điện áp tại các nút phụ tải. Theo tính toán trong đồ án, tổng công suất tác dụng yêu cầu của hệ thống (Pyc) được xác định bằng tổng công suất cực đại của 5 phụ tải cộng với tổn thất dự kiến. Tương tự, tổng công suất phản kháng yêu cầu (Qyc) cũng được tính toán. Kết quả so sánh giữa công suất phản kháng nguồn có thể cung cấp và công suất yêu cầu sẽ quyết định liệu hệ thống có cần lắp đặt thêm các thiết bị bù công suất phản kháng hay không. Đây là bước kiểm tra sơ bộ nhưng vô cùng quan trọng để định hình cấu trúc và thiết bị cho lưới điện phân phối.

II. Phương pháp lựa chọn sơ đồ cung cấp điện tối ưu nhất

Sau khi hoàn tất phân tích đầu vào, bước tiếp theo trong thiết kế lưới điện là vạch ra và so sánh các phương án kết nối. Việc lựa chọn phương án đi dây hợp lý phải đáp ứng đồng thời nhiều tiêu chí: độ tin cậy, chất lượng điện năng, an toàn, linh hoạt trong vận hành và hiệu quả kinh tế. Dựa trên vị trí địa lý của nguồn và 5 phụ tải, các nhóm phụ tải được hình thành để đơn giản hóa việc so sánh. Tài liệu gốc đã đề xuất ba cấu trúc sơ đồ cung cấp điện chính để áp dụng và đánh giá: mạng hình tia, mạng liên thông và mạng mạch vòng. Mỗi phương án đều có những ưu và nhược điểm riêng. Mạng hình tia đơn giản, dễ bảo vệ nhưng độ tin cậy thấp. Mạng liên thông cải thiện độ tin cậy ở một mức độ nhất định. Mạng mạch vòng có độ tin cậy cao nhất nhưng đòi hỏi hệ thống bảo vệ rơle phức tạp và chi phí đầu tư lớn hơn. Quá trình lựa chọn không chỉ dựa trên lý thuyết mà phải thông qua các bước tính toán lưới điện chi tiết về kỹ thuật và kinh tế cho từng phương án, từ đó tìm ra cấu trúc tối ưu nhất cho từng nhóm phụ tải, đảm bảo cân bằng giữa chi phí và độ tin cậy yêu cầu.

2.1. So sánh chi tiết mạng hình tia liên thông và mạch vòng

Mỗi cấu trúc mạng điện mang lại lợi ích và thách thức riêng. Mạng hình tia có ưu điểm là sử dụng thiết bị đơn giản, rẻ tiền và hệ thống bảo vệ không phức tạp, rất thuận tiện khi cần mở rộng. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là độ tin cậy cung cấp điện thấp; bất kỳ sự cố nào trên đường dây đều gây mất điện cho phụ tải. Mạng liên thông cải thiện điều này bằng cách kết nối các phụ tải với nhau, nhưng đòi hỏi các trạm trung gian và thiết bị cắt tự động phức tạp hơn. Cuối cùng, mạng mạch vòng cung cấp độ tin cậy cao nhất vì điện có thể đến phụ tải từ hai phía. Điều này đảm bảo tính liên tục ngay cả khi một nhánh của vòng gặp sự cố. Đổi lại, nó yêu cầu số lượng máy cắt nhiều hơn và hệ thống bảo vệ rơle phức tạp hơn để có thể cô lập chính xác điểm sự cố.

2.2. Áp dụng các phương án đi dây cho từng nhóm phụ tải

Để đưa ra quyết định tối ưu, đồ án đã phân 5 phụ tải thành 3 nhóm và áp dụng cả ba phương án đi dây cho từng nhóm để so sánh. Ví dụ, với nhóm 1 (gồm phụ tải 1 và 5), ba phương án được vạch ra: (1) Dùng hình tia với 2 lộ cho phụ tải loại I và 1 lộ cho phụ tải loại III; (2) Dùng mạch liên thông từ nguồn đến phụ tải 1 rồi đến 5; (3) Dùng mạch vòng kết nối nguồn, phụ tải 1 và 5. Tương tự, nhóm 2 (phụ tải 2 và 3) và nhóm 3 (phụ tải 4) cũng được xem xét với các cấu trúc tương ứng. Việc phân nhóm và áp dụng đa dạng các phương án đi dây cho phép thực hiện một bài toán so sánh kinh tế - kỹ thuật chi tiết, từ đó tìm ra sơ đồ cung cấp điện hiệu quả nhất cho từng phần của mạng lưới thay vì áp dụng một cấu trúc duy nhất cho toàn bộ hệ thống.

III. Hướng dẫn tính toán kỹ thuật cho thiết kế lưới điện

Giai đoạn tính toán lưới điện kỹ thuật là xương sống của toàn bộ quá trình thiết kế, quyết định trực tiếp đến hiệu quả vận hành và độ bền của hệ thống. Bước đầu tiên là lựa chọn cấp điện áp định mức, thường dựa vào công thức kinh nghiệm của Stiel hoặc Still, xem xét công suất truyền tải và chiều dài đường dây. Trong đồ án này, cấp điện áp 110kV đã được chọn. Tiếp theo, việc chọn tiết diện dây dẫn là một trong những quyết định quan trọng nhất. Tiết diện được chọn sơ bộ dựa trên mật độ dòng kinh tế (Jkt), sau đó phải được kiểm tra lại qua hàng loạt điều kiện khắt khe. Các điều kiện này bao gồm: kiểm tra phát nóng khi vận hành bình thường và khi sự cố, kiểm tra độ bền cơ học, và điều kiện vầng quang đối với các cấp điện áp cao. Song song đó, tính toán sụt áp và tổn thất công suất trên đường dây là bắt buộc. Độ sụt áp phải nằm trong giới hạn cho phép (thường là ±5% ở chế độ bình thường) để đảm bảo chất lượng điện năng tại hộ tiêu thụ. Tổn thất công suất càng thấp thì hiệu quả kinh tế của lưới điện càng cao. Cuối cùng, việc tính toán dòng điện ngắn mạch tại các điểm khác nhau trên lưới là cần thiết để lựa chọn chính xác các thiết bị bảo vệ như máy cắt, cầu dao, đảm bảo an toàn điện.

3.1. Bí quyết chọn tiết diện dây dẫn và kiểm tra sụt áp

Việc chọn tiết diện dây dẫn không chỉ đơn thuần là chọn dây đủ lớn để tải dòng điện. Phương pháp tối ưu là chọn theo mật độ dòng điện kinh tế (Jkt), một giá trị cân bằng giữa chi phí đầu tư dây dẫn và chi phí cho tổn thất công suất hàng năm. Sau khi chọn được tiết diện sơ bộ (ví dụ: dây AC-70, AC-185), cần thực hiện các bước kiểm tra. Quan trọng nhất là kiểm tra sụt áp (ΔU). Tính toán sụt áp được thực hiện cho cả chế độ vận hành bình thường và chế độ sự cố (ví dụ đứt một lộ trên đường dây kép). Theo tiêu chuẩn thiết kế điện Việt Nam (TCVN), độ sụt áp phải nằm trong giới hạn cho phép để các thiết bị của người tiêu dùng hoạt động đúng chức năng. Nếu sụt áp vượt ngưỡng, bắt buộc phải tăng tiết diện dây dẫn và tính toán lại, tạo thành một vòng lặp tối ưu hóa.

3.2. Cách tính toán tổn thất công suất và dòng ngắn mạch

Tổn thất năng lượng là yếu tố không thể tránh khỏi trong truyền tải điện. Tổn thất công suất (ΔP) trên đường dây chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của dây và bình phương dòng điện chạy qua nó (ΔP = I²R). Việc tính toán chính xác tổn thất này giúp lượng hóa hiệu quả vận hành và là cơ sở cho bài toán kinh tế ở giai đoạn sau. Bên cạnh đó, tính toán dòng điện ngắn mạch là một yêu cầu sống còn về mặt an toàn. Giá trị dòng ngắn mạch cực đại có thể xảy ra tại một điểm trên lưới được dùng để chọn các thiết bị đóng cắt và bảo vệ. Các thiết bị này phải có khả năng chịu đựng và ngắt thành công dòng điện sự cố cực lớn này để bảo vệ các phần tử khác trong hệ thống điện và ngăn chặn sự cố lan rộng.

IV. Bí quyết tối ưu kinh tế và lựa chọn máy biến áp

Một thiết kế lưới điện tốt không chỉ mạnh về kỹ thuật mà còn phải khả thi về kinh tế. Sau khi có kết quả tính toán kỹ thuật cho các phương án đi dây khác nhau, bước tiếp theo là tiến hành so sánh kinh tế để tìm ra phương án tối ưu nhất. Phương pháp phổ biến là sử dụng hàm chi phí tính toán hàng năm (Z). Hàm chi phí này bao gồm hai thành phần chính: chi phí đầu tư ban đầu (vốn xây dựng đường dây, trạm biến áp) và chi phí vận hành hàng năm (chủ yếu là chi phí cho tổn thất điện năng). Phương án có hàm chi phí Z nhỏ nhất sẽ được lựa chọn. Quá trình này đòi hỏi việc lập dự toán chi tiết, dựa trên đơn giá của từng loại dây dẫn, cột điện, và các thiết bị khác. Song song với việc tối ưu hóa mạng lưới, lựa chọn máy biến áp phân phối cũng là một phần quan trọng. Việc chọn công suất và số lượng máy biến áp phải dựa trên biểu đồ phụ tải và yêu cầu về độ tin cậy. Đối với phụ tải loại I, thường sử dụng hai máy biến áp vận hành song song để đảm bảo dự phòng nóng, trong khi phụ tải loại III chỉ cần một máy để giảm chi phí.

4.1. Đánh giá kinh tế dựa trên hàm chi phí và vốn đầu tư

Để lựa chọn phương án tối ưu, đồ án đã áp dụng hàm chi phí Z = (avh + atc).Kđ + C.ΔA. Trong đó, Kđ là tổng vốn đầu tư xây dựng đường dây, ΔA là tổng tổn thất điện năng hàng năm, và các hệ số avh, atc, C là các định mức kinh tế-kỹ thuật. Ví dụ, khi so sánh 3 phương án cho nhóm phụ tải 1, kết quả tính toán cho thấy phương án 'Dùng hình tia với 2 lộ cho phụ tải 1 và 1 lộ cho phụ tải 5' có hàm chi phí Z thấp nhất là 19893.072 (10^6 đ). Quá trình này được lặp lại cho tất cả các nhóm phụ tải. Việc lựa chọn cuối cùng là sự tổng hợp các phương án tối ưu nhất của từng nhóm, tạo nên một cấu trúc lưới điện phân phối tổng thể hiệu quả nhất về mặt kinh tế.

4.2. Lựa chọn máy biến áp phân phối và sơ đồ nối điện

Việc lựa chọn máy biến áp phân phối phụ thuộc vào công suất yêu cầu và mức độ tin cậy. Công suất định mức của máy biến áp (SđmB) được chọn sao cho khi có sự cố một máy (đối với trạm 2 máy), máy còn lại có thể chịu quá tải trong giới hạn cho phép (thường là 140%). Ví dụ, với phụ tải có Smax = 40 MVA, công suất yêu cầu cho mỗi máy là SđmB ≥ 40 / (2 * 1.4) = 28.57 MVA, từ đó chọn máy biến áp tiêu chuẩn gần nhất, ví dụ TPDH-32000/110. Bên cạnh đó, sơ đồ nối điện cho trạm cũng rất quan trọng. Các sơ đồ phổ biến như 'sơ đồ cầu trong', 'sơ đồ cầu ngoài' hay 'sơ đồ khối đường dây-máy biến áp' được lựa chọn dựa trên chiều dài đường dây và tần suất đóng cắt máy biến áp, nhằm tối ưu hóa độ tin cậy và linh hoạt trong vận hành.

V. Phân tích chế độ xác lập trong thiết kế lưới điện

Sau khi đã có phương án tối ưu về cấu trúc và thiết bị, cần phải thực hiện bước kiểm tra cuối cùng: phân tích chế độ vận hành xác lập của toàn bộ lưới điện. Phân tích này nhằm đánh giá chất lượng điện năng và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của mạng điện trong các điều kiện vận hành thực tế. Ba chế độ vận hành chính cần được xem xét: chế độ phụ tải cực đại, chế độ phụ tải cực tiểu, và chế độ sự cố. Trong mỗi chế độ, các kỹ sư sẽ tính toán lưới điện để xác định dòng công suất trên các nhánh, tổn thất công suất và quan trọng nhất là điện áp tại các nút. Kết quả điện áp tại các nút phụ tải sẽ được so sánh với giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn thiết kế điện. Nếu điện áp nằm ngoài phạm vi cho phép, cần phải có các biện pháp điều chỉnh. Phân tích chế độ xác lập thường được hỗ trợ bởi các phần mềm mô phỏng lưới điện chuyên dụng như ETAP hoặc PSS/ADEPT để đảm bảo độ chính xác và tiết kiệm thời gian, mặc dù trong các đồ án cơ bản, việc tính toán bằng tay giúp củng cố kiến thức nền tảng.

5.1. Mô phỏng chế độ phụ tải cực đại cực tiểu và sự cố

Chế độ phụ tải cực đại là trường hợp lưới điện chịu tải nặng nề nhất, thường xảy ra vào giờ cao điểm. Việc tính toán ở chế độ này nhằm kiểm tra xem tính toán sụt áp có vượt ngưỡng hay không và các thiết bị có bị quá tải nhiệt. Ngược lại, chế độ phụ tải cực tiểu, thường xảy ra vào ban đêm, lại tiềm ẩn nguy cơ điện áp tăng cao do hiệu ứng Ferranti trên các đường dây dài. Chế độ sự cố là kịch bản khắc nghiệt nhất, ví dụ như đứt một mạch của đường dây kép. Mục đích của việc phân tích này là để đảm bảo rằng ngay cả trong điều kiện bất lợi, hệ thống điện vẫn có thể vận hành ổn định, điện áp tại các phụ tải quan trọng vẫn nằm trong giới hạn cho phép, và không có phần tử nào bị quá tải nghiêm trọng.

5.2. Kỹ thuật điều chỉnh điện áp tại các nút trong hệ thống

Kết quả tính toán ở các chế độ vận hành khác nhau thường cho thấy điện áp tại các nút phụ tải có sự dao động. Để giữ điện áp trong phạm vi cho phép, cần áp dụng các biện pháp điều chỉnh. Biện pháp hiệu quả và phổ biến nhất là thay đổi các đầu phân áp của máy biến áp. Các máy biến áp phân phối hiện đại thường được trang bị bộ điều chỉnh dưới tải (On-Load Tap Changer - OLTC), cho phép thay đổi tỉ số biến áp một cách tự động để duy trì điện áp phía hạ áp ổn định. Quá trình lựa chọn đầu phân áp phù hợp cho từng chế độ (cực đại, cực tiểu, sự cố) là một bài toán tối ưu hóa nhằm đảm bảo chất lượng điện năng tuân thủ theo các yêu cầu của TCVN cho từng loại hộ tiêu thụ, như đã được trình bày chi tiết trong chương VII của tài liệu gốc.