Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu tiêu thụ điện năng liên tục gia tăng, đòi hỏi hệ thống điện quốc gia phải không ngừng mở rộng quy mô nguồn phát và mạng lưới truyền tải. Tại Việt Nam, do nền kinh tế đang phát triển và nguồn điện năng còn hạn chế so với nhu cầu thực tế, công tác thiết kế mạng lưới truyền tải, phân phối và cung cấp điện đóng vai trò then chốt nhằm đảm bảo sự cân đối tối ưu giữa độ tin cậy kỹ thuật và hiệu quả kinh tế.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế lưới điện khu vực" do sinh viên Nguyễn Thế Linh thực hiện (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Viện Kỹ thuật và Công nghệ - Trường Đại học Vinh, dưới sự hướng dẫn của ThS. Phùng Văn Thái và phản biện của ThS. Phạm Hoàng Nam) giải quyết bài toán thiết kế hoàn chỉnh một mạng lưới điện khu vực 110 kV.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể trong đồ án được xác định như sau:

  1. Tính toán cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng của toàn hệ thống để đánh giá khả năng cung cấp và nhu cầu bù công suất.
  2. Đề xuất các phương án cấu trúc nối dây của mạng điện và xác định cấp điện áp định mức tối ưu cho lưới điện khu vực.
  3. Lựa chọn tiết diện dây dẫn, kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật (phát nóng, tổn thất điện áp ở chế độ bình thường và sau sự cố), tính toán so sánh kinh tế - kỹ thuật để chọn ra phương án cấp điện tối ưu.
  4. Lựa chọn số lượng, chủng loại, công suất máy biến áp và sơ đồ nối điện cho các trạm biến áp hạ áp.
  5. Tính toán chính xác phân bố trào lưu công suất và điện áp tại các nút trong ba trạng thái vận hành đặc trưng: phụ tải cực đại, phụ tải cực tiểu và sau sự cố.
  6. Lựa chọn phương thức và nấc điều chỉnh điện áp dưới tải tại các trạm biến áp phân phối.
  7. Tổng hợp các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật toàn diện của mạng điện thiết kế (vốn đầu tư, tổn thất công suất, tổn thất điện năng, chi phí vận hành, chi phí tính toán hàng năm và giá thành truyền tải điện năng).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Nguồn cấp: Thanh góp hệ thống điện cấp điện áp 110 kV có công suất vô cùng lớn ($S = \infty$), hệ số công suất $\cos\varphi = 0,85$.
  • Phạm vi không gian: Khu vực địa lý gồm 6 cụm phụ tải được bố trí trên lưới tọa độ vuông (kích thước mỗi ô lưới $10 \times 10\text{ km}$).
  • Thông số phụ tải: Tổng công suất cực đại $\sum P_{max} = 180\text{ MW}$, cấp điện áp hạ áp định mức $U_{dm} = 22\text{ kV}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,92$, công suất cực tiểu $P_{min} = 50% P_{max}$, thời gian sử dụng công suất lớn nhất $T_{max} = 4800\text{ h}$, yêu cầu điều chỉnh điện áp khác thường. Trong đó, 5 phụ tải (1, 2, 3, 5, 6) thuộc hộ tiêu thụ loại I và 1 phụ tải (4) thuộc hộ tiêu thụ loại III.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết, tiêu chuẩn kỹ thuật ngành điện và giáo trình chuyên ngành hệ thống điện tại Việt Nam để thực hiện quy trình thiết kế:

1. Cơ sở lý thuyết và công thức tính toán

  • Cân bằng công suất: Phương trình cân bằng công suất tác dụng $\sum P_{phat} = \sum P_{pt} + \sum \Delta P + \sum P_{td} + \sum P_{dt}$ và công suất phản kháng $\sum Q_{phat} = \sum Q_{pt} + \sum \Delta Q_{mba} + \sum \Delta Q_d - \sum Q_c$.
  • Lựa chọn điện áp định mức: Áp dụng công thức kinh nghiệm xác định điện áp kinh tế cho từng tuyến truyền tải $U_i = 4{,}34 \sqrt{l_i + 16 P_i}\text{ (kV)}$.
  • Lựa chọn tiết diện dây dẫn: Dựa vào mật độ dòng điện kinh tế $J_{kt} = 1{,}1\text{ A/mm}^2$ (tra theo $T_{max} = 4800\text{ h}$ đối với dây nhôm lõi thép AC) kết hợp điều kiện an toàn vầng quang điện ($F_{min} \ge 70\text{ mm}^2$ ở cấp 110 kV) và điều kiện phát nóng cho phép $I_{sc} \le k_{hc} I_{cp}$ (với hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ $k_{hc} = 0{,}8$).
  • Đánh giá tổn thất điện áp: Giới hạn sụt áp cho phép ở chế độ bình thường phụ tải cực đại $\Delta U_{bt} \le 10% - 15%$ và chế độ sau sự cố đứt một mạch $\Delta U_{sc} \le 20% - 25%$.
  • Hàm chi phí tính toán hàng năm ($Z$): Sử dụng tiêu chuẩn kinh tế tổng hợp $Z = (a_{vh} + a_{tc}) K + \Delta A \cdot C$, trong đó hệ số vận hành đường dây cột thép $a_{vh} = 0{,}07$ (hoặc $0{,}04$ đối với toàn mạng), hệ số thu hồi vốn tiêu chuẩn $a_{tc} = 0{,}125$ ($T_{tc} = 8\text{ năm}$), giá thành tổn thất điện năng $C = 1000\text{ đ/kWh}$, thời gian tổn thất công suất cực đại $\tau = (0{,}124 + T_{max} \cdot 10^{-4})^2 \times 8760 = 3196\text{ h}$.
  • Tính toán chế độ xác lập hệ thống điện: Áp dụng sơ đồ thay thế hình $\Pi$ của đường dây truyền tải và sơ đồ thay thế nhánh $\Gamma$ của máy biến áp 2 dây quấn, thực hiện giải thuật tính ngược từ phụ tải về nút nguồn theo 2 giai đoạn (tính dòng công suất theo điện áp định mức, sau đó tính điện áp nút từ điện áp nguồn $U_N$).

2. Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp giải tích và giải thuật lặp kỹ thuật điện: Tính toán thông số mạch tập trung ($R, X, B$), trào lưu công suất tác dụng - phản kháng, tổn thất công suất và độ rơi điện áp trên từng phân đoạn.
  • Phương pháp phân tích kinh tế - kỹ thuật so sánh đa phương án: Lập bảng so sánh chi phí vốn đầu tư và tổn thất điện năng giữa các cấu hình mạng hình tia, phân nhánh và mạch vòng kín.
  • Phương pháp chuẩn hóa thiết bị: Tra cứu, lựa chọn quy cách dây dẫn tiêu chuẩn (dòng AC), máy biến áp tiêu chuẩn (dòng TPDH của Việt Nam sản xuất) và nấc phân áp theo quy chuẩn vận hành lưới điện.

3. Nguồn dữ liệu

Dữ liệu quy cách dây dẫn, thông số máy biến áp, suất đầu tư và định mức kỹ thuật được kế thừa và trích xuất từ các tài liệu tham khảo chuyên khảo:

  • Lưới điện (Tập 1 & 2) - Trần Bách (NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2005).
  • Bài tập hệ thống cung cấp điện (Tập 1 & 2) và Hệ thống cung cấp điện (Tập 1 & 2) - TS. Trần Quang Khánh (NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007, 2009).
  • Cơ sở lý thuyết tính toán và thiết kế cung cấp điện - Phan Đăng Khải (NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2005).
  • 101 bài tập lưới điện, cung cấp điện và cơ khí đường dây - Ngô Hồng Quang (NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006).

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp tính toán

Đồ án tập trung vào tính toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho mạng điện khu vực 110 kV gồm 6 phụ tải từ nguồn hệ thống:

Hạng mục thiết kế Giải pháp và quy số kỹ thuật Căn cứ tính toán & lựa chọn
Cấp điện áp truyền tải $110\text{ kV}$ Công thức $U_i = 4{,}34 \sqrt{l_i + 16 P_i}$ cho dải điện áp $86{,}38 \div 110{,}48\text{ kV}$
Cấu trúc mạng tối ưu Phương án 2 (Cấu trúc phân nhánh - hình tia kết hợp) Tổn thất điện áp cho phép, vốn đầu tư thấp nhất ($152{,}32 \times 10^9\text{ đ}$), chi phí $Z$ thấp nhất ($51{,}59 \times 10^9\text{ đ}$)
Chủng loại dây dẫn Dây nhôm lõi thép AC (AC-70, AC-95, AC-120, AC-240) treo trên cột thép Tiết diện kinh tế $F_{kt} = I_{max} / J_{kt}$, thỏa mãn phát nóng sau sự cố ($k_{hc} I_{cp}$) và chống vầng quang
Máy biến áp hạ áp 11 máy biến áp 3 pha 2 dây quấn TPDH (115/10,5 kV) 5 trạm loại I đặt $2 \times \text{MBA}$ (25 MVA hoặc 32 MVA), 1 trạm loại III đặt $1 \times \text{MBA}$ 25 MVA; $k_{qt} = 1{,}4$
Sơ đồ trạm biến áp - Trạm nguồn: 2 hệ thống thanh góp song song
- Trạm trung gian: 2 hệ thống thanh góp phân đoạn
- Trạm cuối: Sơ đồ cầu máy cắt hoặc máy cắt phía MBA		 Đáp ứng yêu cầu cấp điện liên tục cho phụ tải loại I và thuận tiện bảo dưỡng, sửa chữa
Điều chỉnh điện áp Bộ điều áp dưới tải (OLTC) dải $\pm 9 \times 1{,}78%$ trên cuộn cao áp Duy trì độ lệch điện áp hạ áp: cực đại $+5%$, cực tiểu $0%$, sau sự cố $0 \div +5%$

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng trong mạng điện

Chương I đánh giá tổng quan khả năng cấp nguồn và xác định sự cân bằng cán cân công suất toàn mạng:

  • Cân bằng công suất tác dụng: Tổng công suất tác dụng cực đại của 6 phụ tải là $\sum P_{pt} = 30 + 36 + 38 + 20 + 32 + 24 = 180\text{ MW}$. Tính thêm tổn thất công suất tác dụng giả định khoảng $5%$ ($\sum \Delta P \approx 9\text{ MW}$), tổng công suất tác dụng yêu cầu là $189\text{ MW}$. Do nguồn nối từ thanh góp hệ thống có công suất vô cùng lớn ($S = \infty$) nên hệ thống luôn đảm bảo cung cấp đầy đủ công suất tác dụng mà không bị thiếu hụt.
  • Cân bằng công suất phản kháng: Với hệ số công suất của các phụ tải $\cos\varphi = 0{,}92$ ($\text{tg}\varphi = 0{,}425$), tổng công suất phản kháng tiêu thụ tại phụ tải là $\sum Q_{pt} = 117{,}18\text{ MVAr}$ (tính với $189\text{ MW}$, $\text{tg}\varphi = 0{,}62$). Khả năng cấp công suất phản kháng tự nhiên của nguồn hệ thống kết hợp lượng sinh hạt công suất điện dung của đường dây đạt $\sum Q_{nguon} = 88{,}182\text{ MVAr}$ (ở chế độ $\cos\varphi_{nguon} = 0{,}85$). Tác giả kết luận hệ thống đủ công suất phản kháng và không cần đặt thêm thiết bị bù phản kháng cục bộ trong giai đoạn thiết kế sơ bộ lưới điện.

Chương II: Dự kiến các phương án nối dây của mạng điện

Tác giả phân tích yêu cầu cung cấp điện: các phụ tải 1, 2, 3, 5, 6 là hộ loại I (đòi hỏi cấp điện liên tục, dùng đường dây lộ kép 2 mạch hoặc mạch vòng kín), riêng phụ tải 4 là hộ loại III (cho phép dùng đường dây lộ đơn 1 mạch). Dựa trên vị trí tương hỗ giữa các nút phụ tải và trạm nguồn, 5 phương án nối dây được đề xuất:

  • Phương án 1: Cấp điện toàn bộ bằng các đường dây hình tia từ nguồn đến 6 trạm phụ tải (5 tuyến lộ kép, 1 tuyến lộ đơn).
  • Phương án 2: Cấu trúc phân nhánh kết hợp: Tuyến NĐ-1 (lộ kép), NĐ-3-2 (tuyến NĐ-3 cấp tiếp cho trạm 2, lộ kép), NĐ-5-4 (tuyến NĐ-5 cấp tiếp cho trạm 4, lộ đơn nhánh 5-4), NĐ-6 (lộ kép).
  • Phương án 3: Cấu trúc phân nhánh theo nhóm NĐ-1-2 (lộ kép), NĐ-3-4 (lộ đơn 3-4), NĐ-5 (lộ kép), NĐ-6 (lộ kép).
  • Phương án 4: Cấu trúc kết hợp mạch vòng kín NĐ-6-5-NĐ và các nhánh NĐ-1, 1-2, NĐ-3, 3-4.
  • Phương án 5: Cấu trúc kết hợp mạch vòng kín NĐ-1-2-NĐ và các nhánh NĐ-3-4, NĐ-6-5.

Tính toán điện áp định mức trên cơ sở khoảng cách địa lý $l_i$ và công suất truyền tải $P_i$ theo công thức Still rút gọn: $$\text{Đoạn NĐ-1: } 100{,}93\text{ kV}; \quad \text{NĐ-2: } 109{,}80\text{ kV}; \quad \text{NĐ-3: } 110{,}48\text{ kV};$$ $$\text{NĐ-4: } 86{,}38\text{ kV}; \quad \text{NĐ-5: } 103{,}64\text{ kV}; \quad \text{NĐ-6: } 91{,}78\text{ kV}.$$ Vì các giá trị đều nằm trong dải $70\text{ kV} < U_i < 160\text{ kV}$, tác giả chọn điện áp danh định của mạng điện là $U_{dm} = 110\text{ kV}$.

Chương III: Chọn phương án hợp lý về kinh tế - kỹ thuật

Chương này tiến hành lựa chọn tiết diện dây dẫn, kiểm tra điều kiện kỹ thuật và so sánh chi phí kinh tế:

  1. Lựa chọn tiết diện dây dẫn và kiểm tra kỹ thuật:
    • Dây dẫn chọn theo mật độ dòng điện kinh tế $J_{kt} = 1{,}1\text{ A/mm}^2$. Kiểm tra điều kiện phát nóng khi sự cố đứt 1 mạch ($I_{sc} = 2 I_{bt} \le 0{,}8 I_{cp}$) và kiểm tra độ sụt áp $\Delta U$.
    • Kết quả: Phương án 4 có tổn thất điện áp sau sự cố lớn nhất ($\Delta U_{sc\ max} = 20{,}05%$) và có cấu trúc mạch vòng vận hành phức tạp nên bị loại bỏ. Bốn phương án còn lại (1, 2, 3, 5) đều thỏa mãn đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật nên được đưa vào so sánh kinh tế.
  2. So sánh chỉ tiêu kinh tế:
    • Đánh giá vốn đầu tư xây dựng đường dây $K$ và tổn thất điện năng hàng năm $\Delta A$ qua hàm chi phí tính toán $Z = (a_{vh} + a_{tc}) K + \Delta A \cdot C$.
Chỉ tiêu so sánh Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3 Phương án 5
$\Delta U_{bt\ max}\text{ (%)}$ $4{,}87$ $4{,}058$ $3{,}66$ $6{,}15$
$\Delta U_{sc\ max}\text{ (%)}$ $4{,}46$ $7{,}02$ $5{,}82$ $8{,}49$
Tổn thất điện năng $\Delta A\text{ (}10^6\text{ kWh)}$ $31{,}21$ $21{,}89$ $29{,}21$ $31{,}02$
Vốn đầu tư đường dây $K\text{ (}10^6\text{ đ)}$ $204.757{,}66$ $152.320{,}48$ $183.829{,}44$ $182.140{,}37$
Chi phí tính toán $Z\text{ (}10^6\text{ đ)}$ $71{,}14$ $51{,}59$ $65{,}06$ $66{,}54$

Kết luận chọn phương án: Phương án 2 có tổng vốn đầu tư thấp nhất và hàm chi phí tính toán hàng năm nhỏ nhất ($Z = 51{,}59 \times 10^6\text{ đ}$), các chỉ tiêu sụt áp đều nằm trong giới hạn cho phép. Do đó, Phương án 2 được chọn làm phương án tối ưu để thiết kế chi tiết.

  1. Chọn máy biến áp và sơ đồ trạm:
    • Cấp điện áp máy biến áp là $115/10{,}5\text{ kV}$ (hoặc quy đổi hạ áp $22\text{ kV}$). Hệ số quá tải cho phép khi sự cố một máy là $k_{qt} = 1{,}4$.
    • Trạm 1: Đặt $2 \times \text{TPDH-25000/110}$ ($S_{dm} = 25\text{ MVA}$).
    • Trạm 2: Đặt $2 \times \text{TPDH-32000/110}$ ($S_{dm} = 32\text{ MVA}$).
    • Trạm 3: Đặt $2 \times \text{TPDH-32000/110}$ ($S_{dm} = 32\text{ MVA}$).
    • Trạm 4: Đặt $1 \times \text{TPDH-25000/110}$ ($S_{dm} = 25\text{ MVA}$).
    • Trạm 5: Đặt $2 \times \text{TPDH-25000/110}$ ($S_{dm} = 25\text{ MVA}$).
    • Trạm 6: Đặt $2 \times \text{TPDH-25000/110}$ ($S_{dm} = 25\text{ MVA}$).
    • Tổng công suất máy biến áp lắp đặt toàn mạng là $340\text{ MVA}$.
    • Thiết kế sơ đồ trạm nguồn dùng 2 hệ thống thanh góp làm việc song song; trạm trung gian dùng 2 thanh góp phân đoạn; trạm cuối dùng sơ đồ cầu máy cắt hoặc máy cắt phía MBA.

Chương IV: Tính chính xác chế độ vận hành của mạng điện

Tác giả thực hiện tính toán trào lưu công suất, tổn thất công suất trong máy biến áp, tổn thất trên đường dây và điện áp tại các nút cho Phương án 2 ở 3 chế độ vận hành:

  1. Chế độ phụ tải cực đại ($U_N = 121\text{ kV}$):
    • Tổng công suất tác dụng nguồn cần cấp: $P_{yc} = 127{,}137\text{ MW}$ (nhánh đổ về nguồn), $Q_{yc} = 52{,}661\text{ MVAr}$.
    • Điện áp tại thanh góp hạ áp (quy đổi về cao áp): Trạm 1 ($113{,}088\text{ kV}$), Trạm 2 ($110\text{ kV}$), Trạm 3 ($112{,}27\text{ kV}$), Trạm 4 ($111{,}058\text{ kV}$), Trạm 5 ($108{,}637\text{ kV}$), Trạm 6 ($114{,}479\text{ kV}$).
  2. Chế độ phụ tải cực tiểu ($P_{min} = 50% P_{max}$, $U_N = 115{,}5\text{ kV}$):
    • Xem xét điều kiện kinh tế cắt bớt 1 máy biến áp làm việc ở các trạm có 2 máy biến áp. Điều kiện thỏa mãn: cắt bớt 1 MBA tại các trạm 1, 2, 3, 6; trạm 5 duy trì 2 MBA.
    • Điện áp hạ áp quy đổi: Trạm 1 ($108{,}825\text{ kV}$), Trạm 2 ($108{,}14\text{ kV}$), Trạm 3 ($101{,}03\text{ kV}$), Trạm 4 ($116{,}488\text{ kV}$), Trạm 5 ($115{,}562\text{ kV}$), Trạm 6 ($103{,}57\text{ kV}$).
  3. Chế độ sau sự cố ($U_N = 121\text{ kV}$, ngừng 1 mạch của lộ kép):
    • Điện trở $R$ và điện kháng $X$ của đoạn đường dây sự cố tăng gấp đôi, dung dẫn $B$ giảm một nửa.
    • Điện áp hạ áp quy đổi: Trạm 1 ($105{,}41\text{ kV}$), Trạm 2 ($101{,}054\text{ kV}$), Trạm 3 ($105{,}419\text{ kV}$), Trạm 4 ($107\text{ kV}$), Trạm 5 ($108{,}45\text{ kV}$), Trạm 6 ($109{,}33\text{ kV}$).

Chương V: Chọn phương thức điều chỉnh điện áp trong các trạm biến áp

Để đáp ứng yêu cầu điện áp khắt khe của hộ tiêu thụ loại I và III, các trạm đều sử dụng máy biến áp có bộ điều áp dưới tải (OLTC) với phạm vi điều chỉnh $\pm 9 \times 1{,}78%$ (19 nấc điều chỉnh, điện áp danh định $115\text{ kV}$).

  • Yêu cầu điện áp tại thanh góp hạ áp $22\text{ kV}$:
    • Chế độ cực đại: $\Delta U% = +5% \rightarrow U_{yc} = 23{,}1\text{ kV}$.
    • Chế độ cực tiểu: $\Delta U% = 0% \rightarrow U_{yc} = 22\text{ kV}$.
    • Chế độ sau sự cố: $\Delta U% = 0 \div +5% \rightarrow U_{yc} = 22 \div 23{,}1\text{ kV}$.
  • Kết quả chọn nấc phân áp tiêu chuẩn:
    • Chế độ cực đại: Trạm 1 chọn nấc $-3$ ($U_{c} = 108{,}85\text{ kV}$, $U_{tt} = 22{,}856\text{ kV}$, độ lệch $+3{,}9%$); Trạm 2 chọn nấc $-4$ ($106{,}8\text{ kV}$, $U_{tt} = 22{,}659\text{ kV}$); Trạm 3 chọn nấc $-3$ ($108{,}85\text{ kV}$, $U_{tt} = 22{,}691\text{ kV}$); Trạm 4 chọn nấc $-4$ ($106{,}8\text{ kV}$, $U_{tt} = 22{,}877\text{ kV}$); Trạm 5 chọn nấc $-5$ ($104{,}75\text{ kV}$, $U_{tt} = 22{,}816\text{ kV}$); Trạm 6 chọn nấc $-2$ ($110{,}9\text{ kV}$, $U_{tt} = 22{,}71\text{ kV}$). Tất cả đều thỏa mãn giới hạn cho phép.
    • Chế độ cực tiểu: Chọn các nấc tương ứng: Trạm 1 (nấc $-3$), Trạm 2 (nấc $-3$), Trạm 3 (nấc $-6$), Trạm 4 (nấc $+1$), Trạm 5 (nấc $+1$), Trạm 6 (nấc $-5$).
    • Chế độ sau sự cố: Chọn các nấc: Trạm 1 (nấc $-7$), Trạm 2 (nấc $-9$), Trạm 3 (nấc $-7$), Trạm 4 (nấc $-6$), Trạm 5 (nấc $-5$), Trạm 6 (nấc $-5$).

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

Tác giả tổng kết toàn bộ các chỉ tiêu định lượng kinh tế và kỹ thuật của hệ thống điện thiết kế hoàn chỉnh:

  • Vốn đầu tư xây dựng mạng điện ($K$):
    • Vốn đầu tư đường dây: $K_d = 199{,}791 \times 10^7\text{ đ}$.
    • Vốn đầu tư trạm biến áp (5 trạm $2 \times \text{MBA}$, 1 trạm $1 \times \text{MBA}$): $K_t = 200{,}8 \times 10^7\text{ đ}$.
    • Tổng vốn đầu tư: $K = K_d + K_t = 400{,}591 \times 10^7\text{ đ}$.
  • Tổn thất công suất tác dụng cực đại ($\Delta P$):
    • Tổn thất trên đường dây: $\Delta P_d = 7{,}275\text{ MW}$.
    • Tổn thất trong cuộn dây MBA: $\Delta P_{cu} = 0{,}647\text{ MW}$.
    • Tổn thất trong lõi thép MBA: $\Delta P_{fe} = 0{,}343\text{ MW}$.
    • Tổng tổn thất công suất tác dụng: $\Delta P = 8{,}265\text{ MW}$ (tương đương $4{,}592%$).
  • Tổn thất điện năng hàng năm ($\Delta A$):
    • Tổng điện năng tiêu thụ: $A = \sum P_{max} \cdot T_{max} = 180 \times 4800 = 864 \times 10^3\text{ MWh}$.
    • Tổn thất điện năng toàn mạng: $\Delta A = (\Delta P_d + \Delta P_{cu}) \cdot \tau + \Delta P_{fe} \cdot 8760 = 28.315{,}47\text{ MWh}$ (tương đương $3{,}28%$).
  • Chi phí và giá thành:
    • Chi phí vận hành hàng năm: $Y = 0{,}04 K_d + 0{,}1 K_t + \Delta A \cdot C = 56{,}39 \times 10^7\text{ đ}$.
    • Chi phí tính toán hàng năm: $Z = a_{tc} K + Y = 51{,}122 \times 10^7\text{ đ}$.
    • Giá thành truyền tải điện năng: $\beta = Y / A = 65{,}266\text{ đ/kWh}$.
    • Giá thành xây dựng trên $1\text{ MW}$ phụ tải cực đại: $K / \sum P_{max} = 2{,}225 \times 10^7\text{ đ/MW}$.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật và kinh tế chính

Bảng tổng hợp các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật chính thức của mạng điện thiết kế (trích xuất từ Bảng 6.1 trong đồ án):

STT Tên chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật Đơn vị Giá trị tính toán
1 Tổng công suất phụ tải cực đại $\text{MW}$ $180$
2 Tổng chiều dài các tuyến đường dây $\text{km}$ $268$
3 Tổng công suất đặt các máy biến áp hạ áp $\text{MVA}$ $340$
4 Tổng vốn đầu tư xây dựng mạng điện ($K$) $10^7\text{ đ}$ $400{,}591$
5 Vốn đầu tư phần đường dây ($K_d$) $10^7\text{ đ}$ $199{,}791$
6 Vốn đầu tư phần trạm biến áp ($K_t$) $10^7\text{ đ}$ $200{,}8$
7 Tổng điện năng thương phẩm tiêu thụ hàng năm ($A$) $\text{MWh}$ $864.000$
8 Độ sụt áp lớn nhất ở chế độ bình thường ($\Delta U_{bt\ max}$) $%$ $4{,}058$
9 Độ sụt áp lớn nhất ở chế độ sau sự cố ($\Delta U_{sc\ max}$) $%$ $7{,}02$
10 Tổng tổn thất công suất tác dụng ($\Delta P$) $\text{MW}$ $8{,}265$
11 Tỷ lệ tổn thất công suất tác dụng ($\Delta P%$) $%$ $4{,}592$
12 Tổng tổn thất điện năng hàng năm ($\Delta A$) $\text{MWh}$ $28.315{,}47$
13 Tỷ lệ tổn thất điện năng ($\Delta A%$) $%$ $3{,}28$
14 Chi phí vận hành mạng điện hàng năm ($Y$) $10^7\text{ đ}$ $56{,}39$
15 Chi phí tính toán hàng năm ($Z$) $10^7\text{ đ}$ $51{,}122$
16 Giá thành truyền tải điện năng ($\beta$) $\text{đ/kWh}$ $65{,}266$
17 Suất vốn đầu tư trên $1\text{ MW}$ công suất phụ tải $10^7\text{ đ/MW}$ $2{,}225$

2. Giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất

  • Đề xuất mô hình cấp điện phân nhánh tối ưu (Phương án 2) giúp tiết giảm đáng kể chiều dài tuyến dây lộ kép độc lập từ nguồn, giảm vốn đầu tư đường dây xuống mức $152{,}32 \times 10^9\text{ đ}$ so với $204{,}76 \times 10^9\text{ đ}$ ở phương án hình tia độc lập.
  • Áp dụng giải pháp cắt bớt 1 máy biến áp trong chế độ phụ tải cực tiểu tại các trạm 1, 2, 3, 6 nhằm giảm thiểu tổn thất không tải trong lõi thép ($\Delta P_{fe}$), nâng cao hiệu suất vận hành toàn hệ thống.
  • Sử dụng máy biến áp điều áp dưới tải (OLTC) dải rộng $\pm 9 \times 1{,}78%$ kết hợp việc xác định cụ thể nấc vận hành cho từng trạm ở cả 3 chế độ (cực đại, cực tiểu, sau sự cố), bảo đảm điện áp cung cấp cho các hộ phụ tải loại I luôn nằm trong giới hạn sai số cho phép ($0 \div +5%$).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo tự đánh giá của tác giả trong phần kết luận chung của đồ án:

  • Hạn chế về tính toán thực tế: Đồ án còn thiếu sót trong việc thiết kế chi tiết các phần tử thứ cấp, phần bảo vệ rơ-le và tự động hóa trạm.
  • Hạn chế về số liệu dự toán: Công tác tổng hợp dự toán công trình chưa bám sát thị trường thực tế tại thời điểm thiết kế; các đơn giá thiết bị máy biến áp, dây dẫn và phụ kiện chủ yếu tra cứu từ định mức giáo trình mẫu.
  • Chi phí nhân công và thi công: Chưa tính toán cụ thể chi phí nhân công, chi phí xây lắp và đền bù giải phóng mặt bằng thực tế cho từng tuyến đường dây.
  • Hướng hoàn thiện tiếp theo: Cần nghiên cứu cập nhật bảng giá thiết bị và vật tư theo thị trường thực tế; tính toán chi tiết bài toán cơ khí đường dây (tính khoảng vượt, độ võng, sức bền cột) và bổ sung phương án tính toán ngắn mạch, bảo vệ rơ-le cho toàn bộ các phần tử trong lưới điện thiết kế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống điện, Năng lượng: Cung cấp tài liệu mẫu hoàn chỉnh về cấu trúc và các bước tính toán đồ án môn học "Mạng và hệ thống điện" hoặc "Thiết kế lưới điện khu vực".
  • Kỹ sư và người làm đề tài thiết kế cung cấp điện: Cung cấp phương pháp luận chuẩn xác về quy trình lựa chọn dây dẫn theo mật độ dòng điện kinh tế ($J_{kt}$), phương pháp kiểm tra sụt áp chế độ sau sự cố và thuật toán chọn nấc phân áp máy biến áp điều áp dưới tải (OLTC).
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương III (phương pháp luận so sánh kinh tế - kỹ thuật lựa chọn cấu trúc lưới điện) và Chương V (các bước giải tích tính toán và lựa chọn nấc phân áp chi tiết cho từng chế độ vận hành trạm biến áp).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án không thực hiện bù công suất phản kháng cho lưới điện khu vực?

Trong Chương I, tác giả tính toán cân bằng công suất phản kháng toàn mạng: tổng công suất phản kháng yêu cầu của các phụ tải là $\sum Q_{pt} = 117{,}18\text{ MVAr}$, trong khi khả năng phát tự nhiên của nguồn thanh góp hệ thống (với $\cos\varphi = 0{,}85$) kết hợp công suất sinh của điện dung đường dây đạt $\sum Q_{nguon} = 88{,}182\text{ MVAr}$ ở chế độ phụ tải tính toán. Đồng thời, nguồn được giả thiết có công suất vô cùng lớn ($S = \infty$) gắn với thanh góp hệ thống $110\text{ kV}$, do đó nguồn hoàn toàn đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng mà không cần đặt thêm tụ bù tại các trạm trong giai đoạn thiết kế này.

2. Vì sao Phương án 4 bị loại bỏ ngay sau bước tính toán kỹ thuật mà không đưa vào so sánh kinh tế?

Tại Chương III, kết quả kiểm tra kỹ thuật cho thấy Phương án 4 (có mạch vòng kín NĐ-6-5-NĐ) xuất hiện tổn thất điện áp sau sự cố khi ngừng đoạn NĐ-5 lên tới $\Delta U_{sc\ max} = 20{,}05%$, vượt quá giới hạn an toàn sụt áp cho phép. Đồng thời, cấu trúc mạch vòng kín gây phức tạp cho quá trình điều độ và vận hành thực tế, do đó phương án này bị loại bỏ trước bước so sánh kinh tế.

3. Tiêu chí lựa chọn số lượng máy biến áp tại mỗi trạm phụ tải là gì?

Căn cứ vào phân loại hộ tiêu thụ: 5 phụ tải (1, 2, 3, 5, 6) là hộ loại I (đòi hỏi cấp điện liên tục không được phép mất điện) nên mỗi trạm được bố trí 2 máy biến áp 3 pha 2 dây quấn làm việc song song, đảm bảo khi sự cố một máy thì máy còn lại chịu quá tải sự cố $k_{qt} = 1{,}4$ cung cấp đủ công suất cực đại. Riêng phụ tải 4 là hộ loại III nên chỉ bố trí 1 máy biến áp $25\text{ MVA}$ để tiết kiệm chi phí đầu tư.

4. Giải pháp điều chỉnh điện áp được thực hiện như thế nào trong chế độ phụ tải cực đại và cực tiểu?

Tác giả sử dụng máy biến áp có bộ điều áp dưới tải (OLTC) dải $\pm 9 \times 1{,}78%$ ở cuộn cao áp. Ở chế độ cực đại, điện áp sụt nhiều nên bộ điều áp chuyển sang các nấc phân áp âm (từ nấc $-2$ đến $-5$) để nâng điện áp hạ áp lên mức $+5%$ ($23{,}1\text{ kV}$). Ở chế độ cực tiểu, khi điện áp trên lưới tăng cao, bộ điều áp được điều chỉnh sang các nấc phân áp cao hơn hoặc nấc dương (từ nấc $-6$ đến $+1$) để hạ điện áp về mức định mức ($22\text{ kV}$).

5. Tổng vốn đầu tư và giá thành truyền tải $1\text{ kWh}$ điện năng trong đồ án là bao nhiêu?

Theo tính toán tại Chương VI, tổng vốn đầu tư xây dựng toàn bộ mạng điện thiết kế (Phương án 2) là $400{,}591 \times 10^7\text{ đ}$ (gồm $199{,}791 \times 10^7\text{ đ}$ phần đường dây và $200{,}8 \times 10^7\text{ đ}$ phần trạm biến áp). Giá thành truyền tải điện năng tính toán đạt $\beta = 65{,}266\text{ đ/kWh}$ trên tổng sản lượng điện tiêu thụ hàng năm là $864.000\text{ MWh}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế lưới điện khu vực" của sinh viên Nguyễn Thế Linh đã xây dựng thành công phương án cung cấp điện hoàn chỉnh cho khu vực 6 phụ tải tổng công suất $180\text{ MW}$ từ nguồn hệ thống $110\text{ kV}$. Thông qua quá trình phân tích đa phương án, tác giả đã lựa chọn cấu trúc phân nhánh kết hợp (Phương án 2) làm giải pháp tối ưu, giúp giảm thiểu vốn đầu tư ($152{,}32 \times 10^9\text{ đ}$ cho phần đường dây) trong khi vẫn đảm bảo độ sụt áp vận hành bình thường ($4{,}058%$) và sau sự cố ($7{,}02%$) nằm trong giới hạn quy chuẩn. Toàn bộ các giải pháp kỹ thuật từ lựa chọn dây dẫn AC, máy biến áp TPDH, sơ đồ trạm đến thuật toán phân nấc điều áp dưới tải đều được tính toán nhất quán, logic và có cơ sở khoa học chặt chẽ.