Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện năng đóng vai trò là nguồn năng lượng trọng yếu đối với các ngành công nghiệp và là nền tảng thúc đẩy sự phát triển kinh tế - xã hội. Quy hoạch phát triển hệ thống điện đòi hỏi phải đi trước một bước nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện trong giai đoạn trước mắt cũng như định hướng dài hạn trong 5 năm, 10 năm, 20 năm hoặc xa hơn. Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập kinh tế, nhu cầu tiêu thụ điện trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ và sinh hoạt gia tăng liên tục. Thực tiễn này đặt ra yêu cầu xây dựng mạng lưới truyền tải và phân phối điện có độ tin cậy cao, đảm bảo chất lượng điện áp, vận hành an toàn và đạt hiệu quả kinh tế tối ưu.

Đồ án môn học "Thiết kế lưới điện khu vực" của tác giả Nguyễn Văn Huy (MSSV: 20202133), dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn Lê Thị Minh Châu thuộc Bộ môn Hệ thống điện, tập trung giải quyết các nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật lưới điện khu vực nhằm cấp điện an toàn, liên tục cho các trung tâm phụ tải.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án bao gồm 8 nội dung cụ thể:

  1. Phân tích đặc điểm nguồn cung cấp và các phụ tải điện.
  2. Tính toán cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống.
  3. Đề xuất các phương án nối dây mạng điện và so sánh kinh tế - kỹ thuật để chọn phương án tối ưu.
  4. Xác định số lượng, công suất của các máy biến áp trong các trạm hạ áp và chọn sơ đồ nối dây của trạm biến áp, mạng điện.
  5. Tính toán phân bố công suất và tổn thất công suất trong các chế độ vận hành (cực đại, cực tiểu, sau sự cố).
  6. Tính toán điện áp các nút và xác định phương thức điều chỉnh điện áp phù hợp tại các trạm biến áp.
  7. Đánh giá chế độ vận hành kinh tế của các trạm hạ áp.
  8. Tính toán các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của mạng điện và giá thành tải điện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Lưới điện khu vực cấp điện áp 110 kV, bao gồm đường dây truyền tải trên không và các trạm biến áp hạ áp 110/35 kV.
  • Phạm vi không gian: Mặt bằng phân bố gồm 1 nguồn điện hệ thống và 6 điểm phụ tải khu vực (khoảng cách xác định theo sơ đồ tọa độ với tỉ lệ 1 đơn vị = 10 km).
  • Phạm vi thông số vận hành: Khảo sát 3 trạng thái vận hành điển hình gồm chế độ phụ tải cực đại, chế độ phụ tải cực tiểu ($P_{min} = 50% P_{max}$) và chế độ sau sự cố đứt một mạch đường dây hoặc sự cố máy biến áp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn kỹ thuật

Đồ án áp dụng hệ thống lý thuyết giải tích mạng điện và các tiêu chuẩn thiết kế hệ thống điện truyền thống:

  • Lựa chọn cấp điện áp định mức: Áp dụng công thức kinh nghiệm xác định điện áp kinh tế của đường dây truyền tải theo công suất truyền tải ($P$) và khoảng cách địa lý ($l$): $$U_{đm} \approx 4{,}34 \sqrt{l + 16P}$$
  • Lựa chọn tiết diện dây dẫn: Áp dụng phương pháp mật độ dòng điện kinh tế ($J_{kt}$): $$F = \frac{I_{max}}{J_{kt}}$$ Với dây dẫn nhôm lõi thép (AC) và thời gian sử dụng công suất cực đại $T_{max}$, tra định mức $J_{kt} = 1{,}1\text{ A/mm}^2$. Tiết diện được kiểm tra theo 3 điều kiện kỹ thuật bắt buộc:
    • Điều kiện phát nóng cho phép trong chế độ sự cố: $I_{sc} \le I_{cp}$.
    • Điều kiện tổn thất vầng quang: Tiết diện dây nhôm lõi thép ở cấp 110 kV phải thỏa mãn $F \ge 70\text{ mm}^2$.
    • Điều kiện độ bền cơ học: Tuyến đường dây trên không 110 kV yêu cầu $F \ge 35\text{ mm}^2$.
  • Tiêu chuẩn chất lượng điện áp:
    • Chế độ vận hành bình thường: Tổn thất điện áp cho phép $\Delta U_{bt}% \le 10%$.
    • Chế độ vận hành sau sự cố: Tổn thất điện áp cho phép $\Delta U_{sc}% \le 20%$.
    • Độ lệch điện áp tại thanh cái hạ áp đối với phụ tải có yêu cầu điều chỉnh điện áp khác thường: Chế độ cực đại $dU_{max} = +5%$, chế độ cực tiểu $dU_{min} = 0%$, chế độ sau sự cố $dU_{sc} = +5%$.
  • Lựa chọn máy biến áp: Tính toán công suất định mức dựa trên điều kiện quá tải cho phép 40% ($k_{qt} = 1{,}4$) trong thời gian xảy ra sự cố phụ tải cực đại: $$S_{đm.MBA} \ge \frac{S_{max}}{1{,}4 \cdot (n - 1)}$$ (với $n$ là số lượng máy biến áp đặt trong một trạm).
  • So sánh kinh tế - kỹ thuật: Sử dụng hàm chi phí tính toán quy năm ($Z$): $$Z = (a_{tc} + a_{vh}) K + C_{\Delta A}$$ Trong đó: $a_{tc}$ là hệ số hiệu quả vốn đầu tư; $a_{vh}$ là hệ số vận hành đường dây; $K$ là tổng vốn đầu tư xây dựng đường dây; $C_{\Delta A}$ là chi phí tổn thất điện năng hàng năm xác định qua thời gian tổn thất công suất cực đại $\tau = (0{,}124 + T_{max} \cdot 10^{-4})^2 \cdot 8760$.

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

  • Phương pháp tính toán: Sử dụng phương pháp giải tích mạng điện xác lập, phân tích dòng công suất trên mô hình sơ đồ thay thế hình $\Pi$ cho đường dây và sơ đồ thay thế hình $\Gamma$ cho máy biến áp hai cuộn dây.
  • Nguồn dữ liệu đầu vào:
    • Nguồn điện: Thanh cái cao áp của hệ thống điện có công suất vô cùng lớn; điện áp thanh cái cao áp ở chế độ cực đại đạt 110% $U_{đm}$ (121 kV), chế độ cực tiểu đạt 105% $U_{đm}$ (115,5 kV), chế độ sự cố đạt 110% $U_{đm}$ (121 kV).
    • 6 phụ tải khu vực: Phụ tải số 3 là hộ tiêu thụ loại III (cho phép cấp điện 1 mạch); các phụ tải số 1, 2, 4, 5, 6 là hộ tiêu thụ loại I (yêu cầu cấp điện liên tục bằng đường dây 2 mạch hoặc mạch vòng và trạm đặt 2 máy biến áp).
    • Hệ số đồng thời $m = 1$; điện áp danh định mạng thứ cấp $U_{hđm} = 35\text{ kV}$; các phụ tải đều có yêu cầu điều chỉnh điện áp khác thường.

Thiết kế kỹ thuật và triển khai hệ thống

Hệ thống lưới điện khu vực được thiết kế đồng bộ từ cấu trúc mạng truyền tải, lựa chọn thiết bị trạm biến áp đến phương thức điều chỉnh điện áp.

Hạng mục kỹ thuật Giải pháp thiết kế được lựa chọn Căn cứ và tiêu chuẩn kỹ thuật
Cấp điện áp truyền tải 110 kV Tính toán theo công thức kinh nghiệm với khoảng cách truyền tải và công suất phụ tải
Dây dẫn truyền tải Dây nhôm lõi thép (AC) trên cột thép Chọn theo $J_{kt} = 1{,}1\text{ A/mm}^2$; thỏa mãn điều kiện vầng quang ($F \ge 70\text{ mm}^2$) và phát nóng sự cố
Cấu trúc lưới truyền tải Kết hợp đường dây lộ kép và mạch vòng kín Đảm bảo cấp điện loại I cho các phụ tải 1, 2, 4, 5, 6 và loại III cho phụ tải 3
Máy biến áp hạ áp Kiểu 110/35 kV, điều chỉnh điện áp dưới tải (OLTC) Trạm loại I đặt 2 máy biến áp, trạm loại III đặt 1 máy biến áp; hệ số quá tải sự cố $k_{qt} = 1{,}4$
Dải điều chỉnh điện áp Đầu phân áp $\pm 9 \times 1{,}78%$ Đáp ứng độ lệch điện áp yêu cầu khác thường ($+5%$ cực đại, $0%$ cực tiểu, $+5%$ sự cố)
Vận hành kinh tế trạm Cắt 1 MBA ở chế độ cực tiểu nếu $S_{min} < S_{gh}$ So sánh tổn thất ngắn mạch và tổn thất không tải để tối ưu hóa hiệu suất trạm

Nội dung chính theo từng chương

Chương Mở đầu

Trình bày tổng quan về vai trò của điện năng đối với nền kinh tế quốc dân, khẳng định tầm quan trọng của việc quy hoạch và thiết kế mạng lưới điện đi trước một bước. Tác giả nêu rõ nhiệm vụ của kỹ sư hệ thống điện và xác định mục tiêu hoàn thành thiết kế lưới điện khu vực đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Chương I: Phân tích đặc điểm của các nguồn cung cấp và các phụ tải

Chương này tổng hợp các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điện: đảm bảo chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện, tính kinh tế và an toàn vận hành. Nguồn cung cấp được xác định lấy từ thanh cái cao áp của hệ thống điện có công suất vô cùng lớn. Phụ tải gồm 6 vị trí: phụ tải số 3 thuộc loại III, các phụ tải 1, 2, 4, 5, 6 thuộc loại I. Hệ số công suất trung bình của phụ tải $\cos\varphi = 0{,}8$. Mạng điện thứ cấp của các trạm hạ áp có cấp điện áp danh định 35 kV. Chương này hoàn thành việc tính toán khoảng cách từ nguồn đến các phụ tải và lập bảng thông số công suất cực đại ($P_{max}, Q_{max}, S_{max}$) cũng như công suất cực tiểu ($P_{min}, Q_{min}, S_{min}$).

Chương II: Cân bằng công suất trong hệ thống điện

Tác giả phân tích đặc tính không thể tích trữ điện năng quy mô lớn của hệ thống điện, từ đó xác lập phương trình cân bằng công suất tác dụng và phản kháng trong chế độ phụ tải cực đại:

  • Cân bằng công suất tác dụng: Phương trình cân bằng tính đến phụ tải, tổn thất công suất trong mạng ($\Delta P$), công suất tự dùng ($P_{td}$) và dự trữ ($P_{dt}$). Tổng công suất tác dụng cần thiết do hệ thống cung cấp cho các phụ tải được xác định là $182{,}81\text{ MW}$.
  • Cân bằng công suất phản kháng: Đánh giá tổng công suất phản kháng của phụ tải, tổn thất trong máy biến áp ($\Delta Q_B$), tổn thất trên cảm kháng đường dây ($\Delta Q_L$), công suất phản kháng do điện dung đường dây sinh ra ($Q_C$), công suất tự dùng ($Q_{td}$) và dự trữ ($Q_{dt}$). Kết quả cân bằng cho thấy nguồn điện hệ thống đáp ứng đầy đủ lượng công suất phản kháng yêu cầu, do đó không cần lắp đặt thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh trong mạng điện thiết kế.

Chương III: Các phương án nối dây của mạng điện và so sánh kỹ thuật các phương án

Tác giả đề xuất 5 phương án nối dây mạng điện dựa trên yêu cầu cấp điện cho hộ loại I (đường dây hai mạch hoặc mạch vòng) và loại III (đường dây một mạch).

Quá trình tính toán kỹ thuật cho từng phương án gồm:

  1. Xác định cấp điện áp định mức: Tính toán theo công thức kinh nghiệm cho từng đoạn đường dây, từ đó chuẩn hóa cấp điện áp định mức toàn mạng là $U_{đm} = 110\text{ kV}$.
  2. Chọn tiết diện dây dẫn: Dùng dây nhôm lõi thép AC, tính tiết diện theo mật độ kinh tế của dòng điện $J_{kt} = 1{,}1\text{ A/mm}^2$, kiểm tra phát nóng trong chế độ sự cố đứt một mạch, kiểm tra điều kiện vầng quang ($F \ge 70\text{ mm}^2$) và độ bền cơ ($F \ge 35\text{ mm}^2$). Xác định các thông số điện trở $R$, điện kháng $X$ và dung dẫn $B$ cho từng đoạn đường dây.
  3. Kiểm tra tổn thất điện áp: Tính tổn thất điện áp trong chế độ vận hành bình thường ($\Delta U% \le 10%$) và chế độ sự cố đứt một mạch ($\Delta U_{sc}% \le 20%$). Cả 5 phương án đều thỏa mãn điều kiện kỹ thuật về tổn thất điện áp.
  4. So sánh kinh tế - kỹ thuật: Tính toán tổng vốn đầu tư xây dựng các tuyến đường dây ($K$), tổn thất công suất tác dụng ($\Delta P$), tổn thất điện năng hàng năm ($\Delta A$), chi phí vận hành hàng năm ($C_{vh}$) và hàm chi phí tính toán quy năm ($Z$).
Phương án nối dây Đặc điểm cấu trúc $\Delta U_{max.bt}%$ $\Delta U_{max.sc}%$ Vốn đầu tư đường dây $K$ (đồng) Chi phí quy năm $Z$ (đồng) Đánh giá
Phương án I Hình tia hoàn toàn (lộ kép cho tải loại I) Thỏa mãn Thỏa mãn $138{,}914 \cdot 10^6$ Thỏa mãn Chi phí cao
Phương án II Hình tia kết hợp liên kết nhánh Thỏa mãn Thỏa mãn Thỏa mãn Thỏa mãn Đạt yêu cầu
Phương án III Phân đoạn cấp điện kết hợp Thỏa mãn Thỏa mãn Thỏa mãn Thỏa mãn Chỉ tiêu kinh tế tốt
Phương án IV Mạng hình tia phân nhóm Thỏa mãn Thỏa mãn Thỏa mãn Thỏa mãn Chi phí trung bình
Phương án V Mạng kết hợp mạch vòng kín $2{,}73%$ $4{,}60%$ Thỏa mãn Nhỏ nhất Tối ưu kinh tế - kỹ thuật

Kết quả so sánh cho thấy Phương án V có hàm chi phí tính toán $Z$ nhỏ nhất và tổn thất điện áp thấp, do đó được lựa chọn để triển khai các bước tính toán chi tiết ở các chương tiếp theo.

Chương IV: Xác định số lượng và công suất các máy biến áp, sơ đồ các trạm và sơ đồ mạng điện

Dựa trên phân loại hộ tiêu thụ, các trạm cấp cho phụ tải loại I được bố trí 2 máy biến áp vận hành song song; trạm cấp cho phụ tải loại III bố trí 1 máy biến áp. Công suất định mức của máy biến áp được chọn thỏa mãn điều kiện làm việc bình thường và khả năng chịu quá tải sự cố 140% ($k_{qt} = 1{,}4$) khi đứt 1 máy biến áp trong trạm vào thời điểm tải cực đại.

Tác giả lựa chọn chủng loại máy biến áp hai cuộn dây 110/35 kV có điều chỉnh điện áp dưới tải, công suất phù hợp từng trạm (ví dụ loại 25 MVA - $25000/110\text{ kVA}$ cho các trạm có công suất yêu cầu tương ứng), đồng thời xác định các tham số kỹ thuật gồm tổn thất không tải $\Delta P_0$, tổn thất ngắn mạch $\Delta P_k$, điện áp ngắn mạch $u_k%$, dòng điện không tải $I_0%$ và các trị số điện trở $R_B$, điện kháng $X_B$, tổn thất công suất phản kháng $\Delta Q_0, \Delta Q_k$.

Chương V: Tính toán sự phân bố công suất

Chương này thực hiện giải tích mạng điện trên sơ đồ thay thế toàn diện của mạng điện được chọn trong 3 chế độ vận hành:

  • Chế độ phụ tải cực đại ($U_N = 121\text{ kV}$): Tính toán dòng công suất truyền qua tổng trở đường dây và máy biến áp, tổn thất công suất tác dụng, tổn thất công suất phản kháng và lượng công suất phản kháng do dung dẫn đường dây sinh ra. Cân bằng chính xác công suất toàn mạng khẳng định nguồn phát đủ khả năng cung ứng.
  • Chế độ phụ tải cực tiểu ($U_N = 115\text{ kV}$): Đánh giá chế độ vận hành kinh tế của các trạm hạ áp có 2 máy biến áp. Bằng cách so sánh phụ tải cực tiểu $S_{min}$ với công suất giới hạn kinh tế $S_{gh} = \sqrt{\frac{\Delta P_0 \cdot S_{đm}^2}{\Delta P_k}}$, tác giả chứng minh trong chế độ cực tiểu, việc cắt bớt 1 máy biến áp tại tất cả các trạm 2 MBA giúp giảm tổn thất điện năng và nâng cao hiệu quả vận hành.
  • Chế độ sau sự cố ($U_N = 121\text{ kV}$): Khảo sát các trường hợp sự cố đơn lẻ đứt một mạch trên từng tuyến đường dây 2 mạch trong thời điểm phụ tải cực đại. Tính toán dòng công suất dồn trên mạch còn lại và kiểm tra cân bằng công suất toàn hệ thống.

Chương VI: Tính điện áp các nút và điều chỉnh điện áp trong mạng điện

Chương này tập trung xác định điện áp tại các nút và thiết lập chế độ điều chỉnh điện áp:

  1. Tính điện áp nút: Chọn thanh góp 110 kV của nguồn làm nút cơ sở. Tính toán tổn thất điện áp trên các đoạn đường dây và qua tổng trở máy biến áp để xác định điện áp thanh cái cao áp và điện áp thanh cái hạ áp quy về phía cao áp ($U_q$) cho từng trạm biến áp trong cả 3 chế độ (cực đại, cực tiểu, sau sự cố).
  2. Xác định điện áp yêu cầu phía 35 kV: Theo yêu cầu điều chỉnh điện áp khác thường, điện áp yêu cầu tại thanh cái 35 kV được quy định:
    • Chế độ cực đại: $U_{yc.max} = U_{hđm} \cdot (1 + 0{,}05) = 35 \cdot 1{,}05 = 36{,}75\text{ kV}$.
    • Chế độ cực tiểu: $U_{yc.min} = U_{hđm} \cdot (1 + 0{,}00) = 35{,}00\text{ kV}$.
    • Chế độ sau sự cố: $U_{yc.sc} = U_{hđm} \cdot (1 + 0{,}05) = 36{,}75\text{ kV}$.
  3. Tính toán và chọn đầu phân áp máy biến áp: Sử dụng máy biến áp điều chỉnh dưới tải có dải điều chỉnh $\pm 9 \times 1{,}78%$. Điện áp tính toán của đầu phân áp được xác định theo: $$U_{đc} = \frac{U_q \cdot U_{hđm}}{U_{yc}}$$ Từ giá trị $U_{đc}$, chọn đầu điều chỉnh tiêu chuẩn $U_{đc.tc}$ gần nhất, sau đó tính ngược lại điện áp thực tế trên thanh cái hạ áp ($U_t$) và kiểm tra độ lệch điện áp: $$\Delta U% = \frac{U_t - U_{hđm}}{U_{hđm}} \cdot 100%$$ Kết quả kiểm tra tại các trạm (như Trạm 1 với $\Delta U_{max}% = 5{,}03%$, $\Delta U_{min}% = 0{,}2%$, $\Delta U_{sc}% = 3{,}2%$) đều nằm trong phạm vi cho phép.

Chương VII: Tính các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của mạng điện

Tổng kết toàn diện các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của mạng điện thiết kế, bao gồm: tổng vốn đầu tư công trình (xây dựng đường dây và trạm biến áp), tổng tổn thất công suất tác dụng lớn nhất ($\Delta P_{max}$), tổn thất điện năng hàng năm ($\Delta A$), chi phí vận hành hàng năm ($C_{vh}$) và giá thành truyền tải điện năng tính trên mỗi kWh.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  • Xác định cấu trúc lưới điện khu vực cấp điện áp định mức 110 kV, kết nối nguồn hệ thống với 6 trạm hạ áp 110/35 kV, đáp ứng độ tin cậy cung cấp điện theo đúng phân loại hộ tiêu thụ loại I và loại III.
  • Xác định tổng công suất tác dụng yêu cầu của hệ thống là $182{,}81\text{ MW}$ ở chế độ cực đại; kết luận nguồn hệ thống tự cân bằng công suất phản kháng mà không cần đặt thêm tụ bù tĩnh.
  • Tuyển chọn chủng loại dây dẫn nhôm lõi thép (AC) chuẩn hóa theo mật độ dòng điện kinh tế $J_{kt} = 1{,}1\text{ A/mm}^2$, đảm bảo an toàn phát nóng sự cố, không phát sinh vầng quang ($F \ge 70\text{ mm}^2$) và chịu lực cơ học đạt chuẩn.
  • Hoàn thành thiết kế trạm biến áp hạ áp 110/35 kV trang bị máy biến áp hai cuộn dây có điều chỉnh điện áp dưới tải (OLTC) với dải điều chỉnh $\pm 9 \times 1{,}78%$.
  • Xác lập chế độ vận hành kinh tế cho các trạm biến áp trong thời điểm phụ tải cực tiểu ($P_{min} = 50% P_{max}$) thông qua giải pháp cắt bớt 1 máy biến áp tại các trạm 2 MBA.
  • Đảm bảo chất lượng điện áp tại thanh cái 35 kV của tất cả các trạm hạ áp trong 3 chế độ vận hành đạt đúng quy chuẩn điều chỉnh điện áp khác thường ($+5%$ giờ cao điểm, $0%$ giờ thấp điểm, $+5%$ khi sự cố).

Giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Ứng dụng mô hình mạng mạch vòng kín kết hợp phân đoạn lộ kép nhằm tối ưu hóa độ sụt áp và tiết giảm chi phí đầu tư xây dựng.
  • Áp dụng phương thức điều chỉnh điện áp dưới tải linh hoạt cho từng chế độ vận hành mà không cần cắt điện máy biến áp, đảm bảo tính liên tục cấp điện cho các hộ tiêu thụ loại I.

Đóng góp học thuật và thực tiễn của đồ án

Đồ án xây dựng một quy trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh và logic cho lưới điện khu vực cấp 110 kV: từ khâu phân tích nguồn - phụ tải, cân bằng công suất, lựa chọn cấu hình mạng tối ưu theo hàm chi phí kinh tế quy năm $Z$, đến giải tích chế độ xác lập đa trạng thái và lựa chọn nấc phân áp chi tiết.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án

  • Mô hình nguồn cung cấp được giả thiết là hệ thống có công suất vô cùng lớn với điện áp thanh cái cố định theo tỷ lệ phần trăm định mức (110% và 105%), chưa xét đến sự biến thiên dao động thực tế của hệ thống nguồn và góc pha điện áp.
  • Phân tích sự cố chỉ giới hạn ở dạng sự cố đơn lẻ đứt một mạch đường dây trong chế độ cực đại, chưa khảo sát các dạng sự cố ngắn mạch nhiều pha, sự cố xếp chồng hoặc đứt mạch trong chế độ cực tiểu.
  • Chưa tích hợp các nguồn điện phân tán (năng lượng tái tạo) và chưa xét đến yếu tố biến động giá điện theo thời gian thực trong bài toán kinh tế.

Hạn chế và hướng mở rộng

  • Tính toán dòng ngắn mạch chi tiết tại các thanh cái nhằm phục vụ công tác lựa chọn và kiểm tra khí cụ điện (máy cắt, dao cách ly, thanh cái, biến dòng, biến điện áp).
  • Thiết kế hệ thống bảo vệ rơ-le và tự động hóa cho các phần tử đường dây và máy biến áp trong lưới điện khu vực.
  • Mở rộng bài toán tối ưu hóa trào lưu công suất (Optimal Power Flow - OPF) khi có sự tham gia của các nguồn điện phân tán và hệ thống lưu trữ năng lượng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo trực tiếp và hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Hệ thống điện, Kỹ thuật điện, Kỹ thuật năng lượng: Tham khảo phương pháp luận, các bước tính toán và trình bày đồ án môn học Mạng điện, Đồ án Thiết kế hệ thống điện và Đồ án tốt nghiệp đại học.
  • Kỹ sư thiết kế và quản lý vận hành lưới điện: Tham khảo tài liệu tính toán chọn tiết diện dây dẫn theo mật độ dòng điện kinh tế, quy trình so sánh kinh tế - kỹ thuật các phương án nối dây và phương pháp xác định nấc phân áp máy biến áp điều chỉnh dưới tải.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án gồm:

  1. Phương pháp thiết lập và so sánh 5 phương án mạng điện dựa trên hàm chi phí tính toán quy năm $Z$.
  2. Phương pháp xác định công suất giới hạn $S_{gh}$ để đưa ra quyết định vận hành kinh tế cắt bớt 1 máy biến áp trong giờ thấp điểm.
  3. Bảng biểu và công thức giải tích tính toán chọn nấc phân áp tiêu chuẩn cho máy biến áp có tải $110/35\text{ kV}$.

Câu hỏi thường gặp

1. Phụ tải trong đồ án được phân loại và có đặc điểm vận hành như thế nào?

Trong hệ thống thiết kế có 6 phụ tải: phụ tải số 3 là hộ tiêu thụ loại III (cho phép cấp điện bằng đường dây 1 mạch và trạm 1 máy biến áp); các phụ tải số 1, 2, 4, 5, 6 là hộ tiêu thụ loại I (yêu cầu cấp điện liên tục bằng đường dây 2 mạch hoặc mạch vòng và trạm đặt 2 máy biến áp). Tất cả các phụ tải đều có hệ số công suất $\cos\varphi = 0{,}8$, thời gian sử dụng công suất cực đại $T_{max}$, phụ tải cực tiểu bằng 50% phụ tải cực đại, điện áp định mức mạng thứ cấp là 35 kV và đều có yêu cầu điều chỉnh điện áp khác thường.

2. Tổng công suất tác dụng của hệ thống cần đáp ứng là bao nhiêu và có cần bù công suất phản kháng không?

Tổng công suất tác dụng mà hệ thống cần phát để cung cấp cho toàn bộ phụ tải trong chế độ cực đại (tính cả tổn thất, tự dùng và dự trữ với hệ số đồng thời $m = 1$) là $182{,}81\text{ MW}$. Về công suất phản kháng, do lượng công suất phản kháng nguồn cung cấp lớn hơn tổng công suất phản kháng tiêu thụ và tổn thất trong mạng, hệ thống không cần lắp đặt thêm thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh.

3. Tiết diện dây dẫn đường dây 110 kV được lựa chọn và kiểm tra theo những tiêu chuẩn nào?

Tiết diện dây dẫn (sử dụng dây nhôm lõi thép AC) được tính toán sơ bộ theo mật độ dòng điện kinh tế với $J_{kt} = 1{,}1\text{ A/mm}^2$ ($F = I_{max} / J_{kt}$). Sau đó, tiết diện được kiểm tra theo 3 điều kiện kỹ thuật bắt buộc:

  1. Điều kiện phát nóng cho phép khi sự cố đứt một mạch ($I_{sc} \le I_{cp}$).
  2. Điều kiện tổn thất vầng quang ($F \ge 70\text{ mm}^2$ đối với cấp 110 kV).
  3. Điều kiện độ bền cơ học ($F \ge 35\text{ mm}^2$).

4. Cơ sở xác định số lượng và công suất định mức của các máy biến áp hạ áp 110/35 kV là gì?

Số lượng máy biến áp được chọn theo loại hộ tiêu thụ: trạm cấp cho hộ loại I đặt 2 máy biến áp, trạm cấp cho hộ loại III đặt 1 máy biến áp. Công suất định mức của máy biến áp trong trạm $n$ máy biến áp được tính toán theo điều kiện sự cố hỏng 1 máy biến áp vào thời điểm phụ tải cực đại, máy còn lại chịu quá tải cho phép 140% ($k_{qt} = 1{,}4$): $$S_{đm.MBA} \ge \frac{S_{max}}{1{,}4 \cdot (n - 1)}$$

5. Giải pháp điều chỉnh điện áp tại các trạm biến áp hạ áp được thực hiện như thế nào?

Để đáp ứng yêu cầu điều chỉnh điện áp khác thường (độ lệch điện áp yêu cầu tại thanh cái 35 kV đạt $+5%$ ở chế độ cực đại, $0%$ ở chế độ cực tiểu và $+5%$ ở chế độ sự cố), đồ án lựa chọn các máy biến áp có trang bị bộ điều chỉnh điện áp dưới tải (OLTC) với phạm vi điều chỉnh $\pm 9 \times 1{,}78%$. Tác giả tính toán điện áp phân áp yêu cầu $U_{đc} = (U_q \cdot U_{hđm}) / U_{yc}$, chọn đầu điều chỉnh tiêu chuẩn phù hợp và kiểm tra lại điện áp thực tế $U_t$ đảm bảo độ lệch nằm trong dung sai cho phép.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế lưới điện khu vực" của sinh viên Nguyễn Văn Huy đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán thiết kế kỹ thuật cho mạng lưới điện 110 kV cấp điện cho 6 trung tâm phụ tải. Nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn các bài toán từ cân bằng công suất, lựa chọn phương án tối ưu theo chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quy năm, xác định tham số thiết bị trạm và đường dây, đến tính toán chế độ xác lập và điều chỉnh điện áp dưới tải. Kết quả tính toán đảm bảo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về chất lượng điện áp, độ tin cậy cung cấp điện và an toàn vận hành hệ thống điện. Đây là tài liệu chuyên môn có cấu trúc chặt chẽ, số liệu nhất quán và có giá trị tham khảo cao cho công tác học tập, nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật hệ thống điện.