Thiết Kế Lưới Điện Khu Vực: Đồ Án Tốt Nghiệp Của Sinh Viên Nguyễn Thế Linh

• Tác giả: Nguyễn Thế Linh
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Thiết Kế Lưới Điện Khu Vực
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: CÂN BẰNG CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG MẠNG ĐIỆN
• 1.1. CÂN BẰNG CÔNG SUẤT TÁC DỤNG
• 1.2. CÂN BẰNG CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
• 2. CHƯƠNG II: DỰ KIẾN CÁC PHƯƠNG ÁN NỐI DÂY CỦA MẠNG ĐIỆN
• 2.1. DỰ KIẾN CÁC PHƯƠNG ÁN NỐI DÂY
• 2.2. LỰA CHỌN ĐIỆN ÁP ĐỊNH MỨC CỦA MẠNG ĐIỆN
• 3. CHƯƠNG III: CHỌN PHƯƠNG ÁN HỢP LÝ VỀ KINH TẾ - KỸ THUẬT
• 3.1. CHỌN SỐ LƯỢNG VÀ CÔNG SUẤT CỦA CÁC MÁY BIẾN ÁP
• 3.2. CHỌN SƠ ĐỒ NỐI DÂY HỢP LÝ CỦA CÁC TRẠM BIẾN ÁP
• 3.3. VẼ SƠ ĐỒ MẠNG ĐIỆN
• 3.4. TÍNH TOÁN CHỈ TIÊU KỸ THUẬT
• 4. CHƯƠNG IV: TÍNH CHÍNH XÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA MẠNG ĐIỆN
• 4.1. CHẾ ĐỘ PHỤ TẢI CỰC ĐẠI
• 4.2. CHẾ ĐỘ SAU SỰ CỐ
• 5. CHƯƠNG V: CHỌN PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRONG CÁC TRẠM BIẾN ÁP
• 6. CHƯƠNG VI: TÍNH CHI PHÍ VÀ GIÁ THÀNH
• 6.1. VỐN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG MẠNG ĐIỆN
• 6.2. CÔNG SUẤT TÁC DỤNG TRONG MẠNG ĐIỆN
• 6.3. TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG MẠNG ĐIỆN
• 6.4. TÍNH CHI PHÍ VÀ GIÁ THÀNH
• KẾT LUẬN CHUNG

I. Khám phá đồ án thiết kế lưới điện của Nguyễn Thế Linh

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhu cầu về điện năng tăng trưởng không ngừng, đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển và mở rộng hệ thống điện quốc gia. Thiết kế lưới điện khu vực là một trong những nhiệm vụ trọng tâm, đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết chuyên sâu và kinh nghiệm thực tiễn. Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thế Linh, dưới sự hướng dẫn của ThS. Phùng Văn Thái, là một công trình nghiên cứu tiêu biểu, giải quyết bài toán thiết kế một mạng điện hoàn chỉnh cho khu vực cụ thể. Đây không chỉ là một luận văn kỹ sư điện thông thường, mà còn là một tài liệu tham khảo giá trị, thể hiện quy trình làm việc bài bản của một kỹ sư hệ thống điện tương lai. Mục tiêu của đồ án là thiết kế một lưới điện phân phối ổn định, tin cậy và tối ưu về kinh tế. Đề tài tập trung vào việc phân tích, tính toán và lựa chọn phương án cung cấp điện hợp lý nhất cho một khu vực bao gồm một nguồn và sáu phụ tải, với các yêu cầu kỹ thuật và đặc tính tiêu thụ khác nhau. Quá trình thực hiện bao gồm nhiều công đoạn phức tạp, từ tính toán phụ tải điện, vạch ra các phương án nối dây, đến việc lựa chọn dây dẫn và cáp điện và các thiết bị quan trọng khác. Đồ án nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đảm bảo an toàn, vận hành linh hoạt và giảm thiểu tổn thất điện năng, những yếu tố cốt lõi trong ngành cung cấp điện hiện đại. Công trình này là một minh chứng rõ ràng cho việc áp dụng kiến thức lý thuyết vào giải quyết các vấn đề thực tế, là bước tập dượt quan trọng cho sinh viên ngành điện.

1.1. Bối cảnh và sự cần thiết của một đồ án cung cấp điện

Sự nghiệp công nghiệp hóa đòi hỏi sản lượng điện phải liên tục gia tăng. Điều này yêu cầu không chỉ xây dựng thêm nhà máy điện mà còn phải mở rộng và tối ưu hóa mạng lưới truyền tải. Việc truyền tải và phân phối điện cần được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo cả hai yếu tố: kỹ thuật và kinh tế. Đồ án thiết kế lưới điện khu vực này ra đời để giải quyết bài toán thực tiễn đó, đặt ra nhiệm vụ quan trọng cho các kỹ sư hệ thống điện trong việc thiết kế các mạng điện vừa đảm bảo độ tin cậy, vừa có chi phí hợp lý. Đây là một lĩnh vực khó, đòi hỏi kiến thức tổng hợp và khả năng giải quyết vấn đề phức tạp.

1.2. Nhiệm vụ cốt lõi trong đồ án của Nguyễn Thế Linh

Nhiệm vụ chính của đồ án là thiết kế lưới điện cho một khu vực cụ thể, bao gồm một nguồn hệ thống 110kV công suất vô cùng lớn và sáu phụ tải được phân bố trên bản đồ. Các phụ tải này có công suất và đặc tính khác nhau, trong đó năm phụ tải thuộc hộ loại I, yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện rất cao. Sinh viên Nguyễn Thế Linh phải thực hiện một chuỗi các công việc: xác định cân bằng công suất, dự kiến các sơ đồ nối điện chính, lựa chọn phương án tối ưu về kinh tế - kỹ thuật, tính toán chính xác chế độ vận hành và lựa chọn các thiết bị như máy biến áp, dây dẫn theo tiêu chuẩn thiết kế điện TCVN.

II. Thách thức chính trong thiết kế lưới điện khu vực

Việc thiết kế một hệ thống cung cấp điện hiệu quả phải đối mặt với nhiều thách thức đan xen. Thách thức lớn nhất là cân bằng giữa độ tin cậy kỹ thuật và hiệu quả kinh tế. Một mặt, lưới điện phải đảm bảo cung cấp điện liên tục, đặc biệt cho các phụ tải loại I, không cho phép mất điện. Điều này thường đòi hỏi các cấu trúc mạng phức tạp như mạch vòng hoặc đường dây mạch kép, làm tăng vốn đầu tư. Mặt khác, chi phí xây dựng và vận hành phải ở mức tối thiểu. Việc tìm ra điểm cân bằng này là bài toán cốt lõi. Một thách thức khác là tính toán phụ tải điện một cách chính xác. Các số liệu về công suất cực đại (Pmax), cực tiểu (Pmin), và thời gian sử dụng công suất lớn nhất (Tmax) là đầu vào quan trọng cho mọi tính toán sau này. Sai số ở giai đoạn này có thể dẫn đến việc lựa chọn thiết bị không phù hợp, gây lãng phí hoặc quá tải. Thêm vào đó, việc đảm bảo an toàn điện và tuân thủ các quy phạm trang bị điện là yêu cầu bắt buộc. Các tính toán về dòng ngắn mạch, hệ thống bảo vệ rơ le, và khoảng cách an toàn phải được thực hiện một cách cẩn trọng. Cuối cùng, việc vận hành linh hoạt và dễ dàng sửa chữa khi có sự cố cũng là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc của sơ đồ nối điện chính và thiết kế trạm biến áp.

2.1. Bài toán cân bằng giữa kinh tế và kỹ thuật

Trong tài liệu, sinh viên Nguyễn Thế Linh đã đề xuất 5 phương án nối dây khác nhau. Mỗi phương án có ưu và nhược điểm riêng. Ví dụ, phương án 1 (mỗi phụ tải một đường dây kép) có độ tin cậy cao nhất nhưng vốn đầu tư lớn nhất. Các phương án khác sử dụng đường dây liên thông hoặc mạch vòng để giảm chi phí đường dây nhưng lại làm tăng tổn thất điện năng và phức tạp hóa việc vận hành. Việc lựa chọn phương án tối ưu đòi hỏi phải tính toán chi tiết cả vốn đầu tư và chi phí vận hành hàng năm, sau đó so sánh để đưa ra quyết định cuối cùng.

2.2. Đảm bảo độ tin cậy cho các phụ tải quan trọng

Đồ án chỉ rõ: "các phụ tải 1, 2, 3, 5, 6 thuộc hộ loại I nên không được phép mất điện". Điều này buộc thiết kế phải sử dụng các mạng có độ dự phòng cao như đường dây mạch kép hoặc mạng kín. Phụ tải 4 là loại III nên chỉ cần đường dây mạch đơn. Yêu cầu này ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc của các phương án được đề xuất và là một ràng buộc kỹ thuật quan trọng cần phải tuân thủ nghiêm ngặt trong suốt quá trình thiết kế và tính toán ngắn mạch để đảm bảo hệ thống bảo vệ hoạt động chính xác.

III. Phương pháp vạch ra 5 phương án thiết kế lưới điện

Để tìm ra giải pháp tối ưu, đồ án đã tiếp cận một cách có hệ thống bằng việc xây dựng và phân tích 5 phương án nối dây khác nhau. Phương pháp này cho phép so sánh toàn diện các lựa chọn trên cả hai phương diện kinh tế và kỹ thuật. Mỗi phương án được xây dựng dựa trên vị trí tương đối giữa nguồn và các phụ tải, đồng thời tuân thủ yêu cầu về độ tin cậy cho từng loại phụ tải. Các phương án bao gồm: Phương án 1 với các đường dây kép độc lập tới từng phụ tải, đảm bảo độ tin cậy tối đa. Phương án 2 và 3 sử dụng các đường dây liên thông để kết nối các phụ tải gần nhau, nhằm giảm vốn đầu tư cho đường dây. Phương án 4 giới thiệu cấu trúc mạng kín (mạch vòng), giúp tăng tính linh hoạt trong vận hành nhưng cũng phức tạp hơn trong tính toán. Phương án 5 là một biến thể khác của mạng liên thông. Trước khi đi vào phân tích chi tiết, bước quan trọng đầu tiên là lựa chọn điện áp định mức cho mạng điện. Dựa trên công thức kinh nghiệm của Still (U = 4.34 * √(L + 16P/L)), đồ án đã tính toán và xác định điện áp 110kV là cấp điện áp phù hợp nhất. Đây là cơ sở để tiến hành các bước tiếp theo như lựa chọn dây dẫn và cáp điện và thiết kế trạm biến áp cho từng phương án. Việc phân tích đa phương án này là một điểm sáng trong đồ án chuyên ngành hệ thống điện này.

3.1. Lựa chọn cấp điện áp định mức 110kV

Trước khi thiết kế chi tiết, việc xác định điện áp định mức là bước nền tảng. Đồ án đã sử dụng công thức kinh nghiệm để tính toán điện áp tối ưu cho từng nhánh từ nguồn đến phụ tải. Kết quả cho thấy các giá trị điện áp tính toán dao động trong khoảng từ 86kV đến 110kV. Dựa trên thang điện áp tiêu chuẩn, "ta lấy chọn điện áp danh định (định mức) của lưới điện là Uđm = 110 (kV)". Lựa chọn này là hoàn toàn hợp lý, đảm bảo truyền tải công suất hiệu quả và giảm thiểu tổn thất trên đường dây dài.

3.2. Mô tả 5 sơ đồ nối điện chính được đề xuất

Năm phương án được vạch ra thể hiện các cấu trúc mạng điện khác nhau. Phương án 1 (mạng hình tia, mạch kép) có độ tin cậy cao nhưng chi phí lớn. Phương án 2 và 3 (mạng liên thông) giảm chi phí nhưng có nguy cơ mất điện đồng thời hai phụ tải khi có sự cố trên đoạn đầu. Phương án 4 (mạng kín) tăng cường độ tin cậy và linh hoạt nhưng khó vận hành hơn. Phương án 5 là một cấu trúc lai ghép khác. Sự đa dạng này cho thấy một quá trình tư duy thiết kế toàn diện, không bỏ sót các khả năng tiềm tàng.

IV. Bí quyết chọn phương án tối ưu qua phân tích kỹ thuật

Sau khi vạch ra các phương án, bước tiếp theo là phân tích và so sánh chúng dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế để chọn ra phương án tối ưu. Về mặt kỹ thuật, chỉ tiêu quan trọng nhất được xét đến là tổn thất điện áp (ΔU%). Đồ án đã tiến hành tính toán chi tiết việc lựa chọn dây dẫn và cáp điện (chủ yếu là dây nhôm lõi thép AC-70, AC-95, AC-120...) cho từng đoạn đường dây trong mỗi phương án. Tiết diện dây được chọn dựa trên mật độ dòng kinh tế và được kiểm tra lại với điều kiện phát nóng và tổn thất vầng quang. Sau đó, tổn thất điện áp được tính cho hai chế độ: vận hành bình thường và chế độ sau sự cố (đứt một mạch của đường dây kép). Theo quy định, ΔU% ở chế độ bình thường phải nhỏ hơn 15% và ở chế độ sự cố phải nhỏ hơn 20%. Kết quả phân tích cho thấy: "Phương án 4 có tổn thất điện áp lúc sự cố lớn nhất", lên đến 11.707%, gần chạm ngưỡng nguy hiểm và có cấu trúc mạng kín phức tạp. Trong khi đó, các phương án 1, 2, 3 và 5 đều có chỉ số tổn thất điện áp trong giới hạn an toàn. Dựa trên phân tích kỹ thuật, phương án 4 bị loại, các phương án còn lại được tiếp tục đưa vào vòng so sánh kinh tế. Đây là một bước sàng lọc quan trọng, đảm bảo chỉ những phương án khả thi về mặt kỹ thuật mới được xem xét sâu hơn. Quá trình này thể hiện rõ năng lực phân tích của một luận văn kỹ sư điện chất lượng.

4.1. Quy trình lựa chọn dây dẫn và cáp điện tiêu chuẩn

Đối với mỗi đoạn dây, đồ án thực hiện quy trình chuẩn: tính dòng điện cực đại, từ đó chọn tiết diện dây dẫn theo mật độ dòng kinh tế (Jkt). Sau đó, tiết diện tiêu chuẩn gần nhất được chọn (ví dụ: dây AC-95). Cuối cùng, dây dẫn được kiểm tra lại với điều kiện phát nóng khi có sự cố (dòng điện tăng gấp đôi trên mạch còn lại). Trích dẫn: "Dây dẫn đảm bảo điều kiện phát nóng". Quy trình này đảm bảo dây dẫn vừa kinh tế, vừa an toàn trong mọi chế độ vận hành.

4.2. So sánh tổn thất điện áp ở chế độ sự cố

Bảng tổng kết 3.6 trong đồ án cho thấy rõ sự khác biệt về tổn thất điện áp khi có sự cố giữa các phương án. Phương án 3 có ΔUsc% thấp nhất (5.82%), trong khi phương án 2 có ΔUsc% cao hơn một chút (7.02%). Phương án 4 có ΔUsc% cao nhất. Chỉ tiêu này là thước đo quan trọng về khả năng vận hành ổn định của lưới điện khi gặp sự cố, một yếu tố sống còn đối với hệ thống cung cấp điện.

V. Kết quả thiết kế chi tiết cho phương án 2 được chọn

Sau quá trình so sánh, đồ án kết luận: "phương án 2 có số vốn đầu tư là bé nhất và tổn thất điện áp khi bình thường và sự cố nằm trong khoảng cho phép. Nên chọn phương án 2 là phương án tối ưu để thiết kế". Từ đây, các tính toán chi tiết được thực hiện cho phương án này. Quá trình thiết kế trạm biến áp được tiến hành, bao gồm việc chọn số lượng và công suất máy biến áp. Với các phụ tải loại I, đồ án chọn phương án 2 máy biến áp làm việc song song để đảm bảo cung cấp điện liên tục, cho phép quá tải 40% khi một máy gặp sự cố. Các máy biến áp 115/10.5kV với công suất 25MVA và 32MVA đã được lựa chọn. Tiếp theo, đồ án thực hiện tính toán chính xác chế độ vận hành bằng các công cụ phân tích dòng công suất, thay vì chỉ tính toán gần đúng như ở bước so sánh. Các chế độ được phân tích bao gồm phụ tải cực đại, phụ tải cực tiểu và sau sự cố. Quá trình này có thể được hỗ trợ bởi các phần mềm mô phỏng lưới điện chuyên dụng như ETAP hoặc PSS/E trong thực tế. Cuối cùng, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật tổng hợp của mạng điện được xác định, bao gồm tổng vốn đầu tư, tổng tổn thất điện năng hàng năm, chi phí vận hành và giá thành truyền tải điện. Các kết quả này cung cấp một cái nhìn toàn cảnh về hiệu quả của dự án thiết kế.

5.1. Lựa chọn máy biến áp và thiết kế sơ đồ trạm

Việc lựa chọn máy biến áp dựa trên công suất phụ tải cực đại và hệ số quá tải cho phép (k=1.4). Công thức Sđm ≥ Smax / (k(n-1)) được áp dụng. Ví dụ, với phụ tải 1 có Smax = 32.6 MVA, công suất máy biến áp yêu cầu là Sđm ≥ 23.2 MVA. Đồ án đã chọn máy 25MVA. Các sơ đồ nối điện chính cho trạm nguồn (sơ đồ hai hệ thống thanh góp) và trạm cuối (sơ đồ cầu hoặc dao cách ly) cũng được đề xuất để đảm bảo vận hành linh hoạt và an toàn.

5.2. Tính toán chế độ vận hành và điều chỉnh điện áp

Chương IV và V của đồ án tập trung vào việc tính toán chính xác dòng công suất, tổn thất và điện áp tại các nút trong các chế độ khác nhau. Dựa trên kết quả này, phương thức điều chỉnh điện áp được lựa chọn. Đồ án đề xuất sử dụng máy biến áp điều chỉnh dưới tải (OLTC) với dải điều chỉnh ±9x1.78% để giữ điện áp tại các hộ tiêu thụ trong giới hạn cho phép (+5% ở chế độ cực đại, 0% ở chế độ cực tiểu), đảm bảo chất lượng điện năng.

5.3. Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cuối cùng

Bảng 6.1 tổng kết các chỉ tiêu quan trọng nhất. Tổng vốn đầu tư cho mạng điện là 400,591 tỷ đồng. Tổng tổn thất công suất là 8,265 MW (chiếm 4.592%). Tổng tổn thất điện năng hàng năm là 28,315 MWh (chiếm 3.28%). Các con số này cho thấy một thiết kế khả thi, hiệu quả, cân bằng tốt giữa các yếu tố, là kết quả của một quá trình phân tích và tính toán nghiêm túc, chi tiết.