Bài giảng: Cung cấp điện (tiếp)

BÀI GIẢNG: CUNG CẤP ĐIỆN i LỜI NÓI ĐẦU Bài giảng được biên soạn theo đề cương môn học Vật liệu điện cung cấp những kiến thức cơ bản về cung cấp điện như: xác định phụ tải, chọn phương án cung cấp, chọn thiết bị, cũng như các biện pháp bảo vệ cho lưới cho sinh viên ngành điện. Bài giảng gồm mười chương lần lượt trình bày các vấn đề:  Khái quát cung cấp điện được trình bày ở Chương 1.  Chương 2 và 3 trình bày về lưới điện và tính toán phụ tải điện.  Trạm điện được đề cập ở chương 4.  Tính toán về lưới điện và lựa chọn thiết bị điện lần lượt trình bày ở chương 5, 6, và 7.  Chương 8 đề cập các vấn đề bảo vệ hệ thống điện và việc nâng cao hệ số công suất được trình bày ở chương 9.  Chương 10 trình bày về kỹ thuật chiếu sáng. Để dễ dàng tiếp cận các vấn đề trong bài giảng: các chương cần được đọc tuần tự từ 1 đến 10. Bài giảng được biên soạn nhằm phục vụ cho sinh viên cao đẳng và trung học chuyên nghiệp đồng thời còn phục vụ cho những người quan tâm đến kiến thức cơ bản trong cung cấp điện. Do thời gian và trình độ người biên soạn có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong những nhận xét, đánh giá và góp ý của bạn đọc và đồng nghiệp. Tam Kỳ, tháng7 năm 2011 CP D Co lle ge BÀI GIẢNG: CUNG CẤP ĐIỆN ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................i MỤC LỤC .......................................................................................................... ii Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CUNG CẤP ĐIỆN ......................................1 1.1. Lưới điện và lưới cung cấp điện:................................................................2 1.2. Những yêu cầu chung về lưới cung cấp điện: .............................................2 Chương 2. CÁC LOẠI LƯỚI ĐIỆN .......................................................................5 2.1. Lưới điện đô thị: ........................................................................................5 2.2. Lưới điện nông thôn:..................................................................................5 2.3. Lưới điện xí nghiệp:...................................................................................5 2.4. Các loại dây và cáp điện: ...........................................................................6 2.5. Cấu trúc đường dây tải điện: ......................................................................7 Chương 3. TÍNH TOÁN PHỤ TẢI ĐIỆN .............................................................11 3.1. Các khái niệm chung:...............................................................................11 3.2. Xác định phụ tải điện khu vực nông thôn: ................................................12 3.3. Xác định phụ tải điện khu vực công nghiệp: ............................................13 3.4. Xác định phụ tải điện khu vực đô thị:.......................................................15 Chương 4. TRẠM ĐIỆN .......................................................................................17 4.1. Khái quát và phân loại trạm điện:.............................................................17 4.2. Sơ đồ nối dây trạm biến áp:......................................................................17 4.3. Cấu trúc trạm: ..........................................................................................19 4.4. Lựa chọn máy biến áp cho trạm: ..............................................................20 4.5. Nối đất trạm và đường dây tải điện: .........................................................21 Chương 5. TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN.........................................................22 5.1. Sơ đồ thay thế lưới cung cấp điện: ...........................................................22 5.2. Tính toán tổn thất điện áp: .......................................................................26 5.3. Tính toán tổn thất công suất: ....................................................................28 5.4. Tính toán tổn thất điện năng:....................................................................30 Chương 6. TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .................32 6.1. Khái niệm chung:.....................................................................................32 6.2. Các phương tính toán gần đúng dòng điện ngắn mạch: ............................35 6.3. Khái quát về sử dụng máy tính trong tính toán ngắn mạch: ......................40 6.4. Phương pháp tính ngắn mạch trong mạng điện áp thấp đến 1000V: .........41 Chương 7. LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN .....43 7.1. Khái quát: ................................................................................................43 7.2. Lựa chọn máy cắt điện: ............................................................................44 7.3. Lựa chọn cầu chì, dao cách ly: .................................................................45 7.4. Lựa chọn và kiểm tra sứ cách điện: ..........................................................45 7.5. Lựa chọn thanh dẫn:.................................................................................46 7.6. Lựa chọn dây dẫn và cáp:.........................................................................46 7.7. Lựa chọn các thiết bị khác: ......................................................................47 CP D Co lle ge BÀI GIẢNG: CUNG CẤP ĐIỆN iii Chương 8. BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN ...............................................................48 8.1. Khái quát: ................................................................................................48 8.2. Bảo vệ relay: ............................................................................................48 8.3. Chống sét và nối đất:................................................................................50 Chương 9. NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT .....................................................52 9.1. Hệ số công suất và ý nghĩa việc nâng hệ số công suất:.............................52 9.2. Các giải pháp bù cosφ: .............................................................................52 9.3. Bù công suất cho lưới điện xí nghiệp: ......................................................53 Chương 10. TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG .............................................................54 10.1. Khái niệm chung: .................................................................................54 10.2. Nội dung thiết kế chiếu sáng:................................................................55 10.3. Thiết kế chiếu sáng dân dụng:...............................................................55 10.4. Thiết kế chiếu sáng công nghiệp:..........................................................56 CP D Co lle ge BÀI GIẢNG: CUNG CẤP ĐIỆN 1 Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CUNG CẤP ĐIỆN Điện năng ngày càng phổ biến vì dễ dàng chuyển thành các dạng năng lượng khác như: cơ, hóa, nhiệt năng ; được sản xuất tại các trung tâm điện và được truyền tải đến hộ tiêu thụ với hiệu suất cao. Trong quá trình sản xuất và tiêu thụ điện năng có một số đặc tính:  Điện năng sản xuất ra thường không tích trữ được, do đó phải có sự cân bằng giữa sản xuất và tiêu thụ điện.  Các quá trình về điện xảy ra rất nhanh và nguy hiểm nếu có sự cố xảy ra, vì vậy thiết bị điện có tính tự động và đòi hỏi độ an toàn và tin cậy cao. Hình 1.1. Hệ thống điện Những yêu cầu và nội dung chủ yếu khi thiết kế hệ thống cung cấp điện: Muc tiêu chính của thiết kế cung cấp điện là đảm bảo cho hộ tiêu thụ luôn đủ điện năng với chất lượng trong phạm vi cho phép. Một phương án cung cấp điện (cho xí nghiệp) được xem là hợp lý khi thỏa mãn các nhu cầu sau:  Vốn đầu tư nhỏ, chú ý tiết kiệm ngoại tệ và vật tư hiếm.  Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện tùy theo tính chất hộ tiệu thụ.  Chi phí vận hành hàng năm thấp.  Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị.  Thuận tiện cho vận hành và sửa chữa  Đảm bảo chất lượng điện năng.  Ngoài ra, còn phải chú ý đến các điều kiện khác như: môi trường, sự phát triển của phụ tải, thời gian xây dựng Một số bước chính để thực hiện một phương án thiết kế cung cấp điện:  Xác định phụ tải tính toán để đánh giá nhu cầu và chọn phương thức cung cấp điện.  Xác định phương án về nguồn điện. CP D Co lle ge BÀI GIẢNG: CUNG CẤP ĐIỆN 2  Xác định cấu trúc mạng.  Chọn thiết bị.  Tính toán chống sét, nối đất chống sét và nối đất an toàn cho người và thiệt bị.  Tính toán các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.  Tiếp theo thiết kế kỹ thuật là bước thiết kế thi công như các bản vẽ lắp đặt, những nguyên vật liệu cần thiết Cuối cùng là công tác kiểm tra điều chỉnh và thử nghiệm các trang thiết bị, đưa vào vận hành và bàn giao. 1.1. Lưới điện và lưới cung cấp điện: 1.1.1. Khái niệm: Hệ thống điện gồm 3 khâu: sản xuất, truyền tải và tiêu thụ điện. Nguồn điện là các nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử) và các trạm phát điện (diesel, mặt trời, gió) Tiêu thụ điện gồm tất cả các đối tượng sử dụng điện trong công, nông nghiệp và đời sống Lưới điện để truyền tải điện từ nguồn đến hộ tiêu thụ, lưới gồm đường dây truyền tải và các trạm biến áp. Lưới điện Việt nam hiện có các cấp điện áp: 0,4; 6; 10; 22; 35; 110; 220 và 500kV. Tương lai sẽ chỉ còn các cấp: 0,4; 22; 110; 220 và 500kV. 1.1.2. Phân loại: Có nhiều cách phân loại lưới điện:  Theo điện áp: siêu cao áp (500kV), cao áp (220, 110kV), trung áp (35, 22, 10, 6kV) và hạ áp (0,4kV).  Theo nhiệm vụ: lưới cung cấp (500, 220, 110kV) và lưới phân phối (35, 22, 10, 6 và 0,4kV).  Ngoài ra, có thể chia theo khu vực, số pha, công nghiệp, nông nghiệp 1.2. Những yêu cầu chung về lưới cung cấp điện: 1.2.1. Độ tin cậy cung cấp điện: Tùy theo tính chất của hộ dùng điện có thể chia thành 3 loại:  Hộ loại 1: là những hộ rất quan trọng, không được để mất điện như sân bay, hải cảng, khu quân sự, ngoại giao, các khu công nghiệp, bệnh viện  Hộ loại 2: là các khu vực sản xuất, nếu mất điện có thể ảnh hưởng nhiều đến kinh tế  Hộ loại 3: là những hộ không quan trọng cho phép mất điện tạm thời. Cách chia hộ như vậy chỉ là tạm thời trong giai đoạn nền kinh tế còn thấp kém, đang hướng đến mục tiêu các hộ phải đều là hộ loại 1 và được cấp điện liên tục. 1.2.2. Chất lượng điện: Chất lượng điện được thể hiện qua hai thông số: tần số (f) và điện áp (U). Các trị số này phải nằm trong phạm vi cho phép. CP D Co lle ge BÀI GIẢNG: CUNG CẤP ĐIỆN 3 Trung tâm điều độ quốc gia và các trạm điện có nhiệm vụ giữ ổn định các thông số này.  Tần số f được giữ 50 ± 0,5Hz.  Điện áp yêu cầu độ lệch |δU|= U – Uđm≤5%Uđm. Lưu ý độ lệch điện áp khác với tổn thất điện áp (hiệu số điện áp giữa đầu và cuối nguồn của cùng cấp điện áp). Hình 1.2: Độ lệch và tổn thất điện áp 1.2.3. Tính kinh tế: Tính kinh tế của một phương án cung cấp điện thể hiện qua hai chỉ tiêu: vốn đầu tư và chi phí vận hành.  Vốn đầu tư một công trình điện bao gồm tiền mua vật tư, thiết bị, tiền vận chuyển, thí nghiệm, thử nghiệm, mua đất đai, đền bù hoa màu, tiền khảo sát thiết kế, lắp đặt và nghiệm thu.  Phí tổn vận hành: bao gồm các khoản tiền phải chi phí trong quá trình vận hành công trình điện: lương cho cán bộ quản lý, kỹ thuật, vận hành, chi phí bảo dưỡng và sửa chữa, chi phí cho thí nghiệm thử nghiệm, do tổn thất điện năng trên công trình điện. Thông thường hai loại chi phí này mâu thuẫn nhau. Phương án cấp điện tối ưu là phương án dung hòa hai chi phí trên, đó là phương án có chi phí tính toán hàng năm nhỏ nhất.  . . minvh tcZ a a K c A     Trong đó: - vha : hệ số vận hành, với đường dây trên không lấy 0,04; cáp và trạm biến áp lấy 0,1. - tca : hệ số thu hồi vốn đầu tư tiêu chuẩn 1 tcT  , với lưới cung cấp điện 5tcT  năm. - K: vốn đầu tư. - A : tổn thất điện 1 năm. - c: giá tiền tổn thất điện năng (đ/kWh). CP D Co lle ge BÀI GIẢNG: CUNG CẤP ĐIỆN 4 1.2.4. Tính an toàn: An toàn thường được đặt lên hàng đầu khi thiết kế, lắp đặt và vận hành công trình điện. An toàn cho cán bộ vận hành, cho thiết bị, công trình, cho người dân và các công trình xung quanh. Người thiết kế và vận hành công trình điện phải tuyệt đối tuân thủ các quy định an toàn điện. 1.2.5. Một số ký hiệu thường dùng: Thiết bị Ký hiệu Thiết bị Ký hiệu Máy phát điện hoặc nhà máy điện Động cơ điện Máy biến áp 2 cuộn dây Khởi động từ Máy biến áp 3 cuộn dây Máy biến áp điều chỉnh dưới tải Máy cắt điện Cầu chì. Cầu dao cách ly Aptômát Máy cắt phụ tải Cầu chì tự rơi Tủ điều khiển Tụ điện bù Tủ chiếu sáng cục bộ Tủ chiếu sáng làm việc Tủ phân phối Tủ phân phối động lực Đèn sợi đốt Đèn huỳnh quang Ổ cắm điện Công tắc điện Kháng điện Máy biến dòng điện Dây cáp điện Dây dẫn điện Thanh dẫn (thanh cái) Dây dẫn tần số ≠ 50Hz Dây dẫn mạng hai dây Dây dẫn mạng 4 CP D Co lle ge BÀI GIẢNG: CUNG CẤP ĐIỆN 5 dây. Đường dây điện áp U ≤36V. Đường dây mạng động lực 1 chiều Chống sét ống Chống sét van CP D Co lle ge BÀI GIẢNG: CUNG CẤP ĐIỆN 6 Chương 2. CÁC LOẠI LƯỚI ĐIỆN 2.1. Lưới điện đô thị: Thường sử dụng cấp điện áp trung áp là 22 và 10kV. Để tăng độ tin cậy cung cấp điện, lưới trung áp thành phố thường có cấu trúc mạch vòng kín vận hành hở. Để đảm bảo an toàn và mỹ quan đô thị, thường sử dụng cáp ngầm cho mạng trung và hạ áp. Thường dùng trạm biến áp kiểu xây. Tuy nhiên chi phí đầu tư và vận hành sẽ cao hơn nhiều. Để thuận lợi cho phân phối và ít ảnh hưởng đến giao thông các trạm biến áp thường chỉ cung cấp điện cho một bên đường và được đặt ở góc hay giữa đoạn đường. Hình 2.1. Trạm biến áp đặt ở góc phố. 2.2. Lưới điện nông thôn: Ở nông thôn, mỗi huyện thường được cấp điện từ 1 hay 2 trạm biến áp trung gian, hiện nay thường sử dụng cấp 10 và 35kV. Lưới phân phối có cấu trúc dạng cây. Tất cả các tuyến dây đều là đường dây trên không. Các trạm biến áp thường dùng kiểu cột. Để dễ quản lý và vận hành trạm biến áp phân phối thường được đặt ở giữa thôn (làng). 2.3. Lưới điện xí nghiệp: Các xí nghiệp công nghiệp là những hộ tiêu thụ điện tập trung, công suất lớn, điện năng cung cấp cho các xí nghiệp được lấy từ các trạm biến áp trung gian bằng các đường dây trung áp. Sơ đồ cung cấp điện cho xí nghiệp có thể phân thành 2 phần: bên trong và bên ngoài.  Sơ đồ cung cấp điện bên ngoài: là phần cung cấp điện từ hệ thống đến trạm biến áp chính hay trạm phân phối trung tâm của xí nghiệp. Bên dưới là một số dạng sơ đồ phổ biến: sơ đồ a): khi cấp điện áp sử dụng của nhà máy trùng với điện áp cung cấp từ hệ thống; sơ đồ b): các trạm biến áp phân xưởng nhận điện trực tiếp từ hệ thốnh và hạ xuống 0,4kV để sử dụng; sơ đồ c): có trạm biến áp trung tâm trước khi phân phối đến các trạm biến áp phân xưởng; và sơ đồ d): khi xí nghiệp có máy phát điện dự phòng. CP D Co lle ge BÀI GIẢNG: CUNG CẤP ĐIỆN 7 Lưới trung áp điện xí nghiệp có cấu trúc khác nhau tùy vào quy mô xí nghiệp. Đối với những xí nghiệp có tải vài trăm kVA, chỉ cần đặt 1 trạm biến áp. Đối với những xí nghiệp lớn cần đặt nhiều trạm biến áp, mỗi trạm cung cấp cho một hoặc vài phân xưởng. Hình 2.2: Sơ đồ cung cấp điện bên ngoài xí nghiệp  Sơ đồ cung cấp điện bên trong: từ trạm phân phối trung tâm đến các trạm biến áp phân xưởng. Có 3 kiểu sơ đồ thường dùng: sơ đồ hình tia, liên thông và sơ đồ hỗn hợp. Hình 2.3. Sơ đồ cấp điện bên trong Lưới hạ áp xí nghiệp chính là lưới điện bên trong mỗi phân xưởng. Để cấp điện cho phân xưởng người ta đặt các tủ phân phối nhân điện hạ áp từ các máy biến áp về cấp cho các tủ động lực, từ tủ này cung cấp điện cho các thiết bị. 2.4. Các loại dây và cáp điện: Để tải điện người ta dùng dây dẫn và cáp. So với dây dẫn tải điện bằng cáp đắt tiền hơn nhưng mỹ quan hơn, vì thế cáp trung và hạ áp thích hợp cho lưới điện đô thị và xí nghiệp. Tải điện bằng dây dẫn rẽ tiền, dễ sửa chữa và thay thế thường được dùng trên lưới trung áp và khu vực nông thôn. 2.4.1. Các loại dây dẫn: CP D Co lle ge BÀI GIẢNG: CUNG CẤP ĐIỆN 8 Dây dẫn gồm hai loại: dây bọc cách điện và dây trần. Dây bọc cách điện: thường dùng trên lưới hạ áp. Dây bọc có nhiều loại: một sợi, nhiều sợi, dây cứng, mềm, đơn, đôi Vật liệu thông dụng là đồng và nhôm. Hình 2.4: Cáp và dây trần Ký hiệu: M(n, F), trong đó: M là dây đồng; n là số dây; F là tiết diện dây. Ví dụ: 2M(1x4): 2 dây bọc đơn lõi đồng tiết diện 4mm2 M(2x2,5): dây bọc kép lõi đồngtiết diện 1,5 mm2 Dây trần: dùng cho mọi cấp điện áp. Có các loại như: nhôm, thép, đồng và nhôm lõi thép. Trong đó dây nhôm và nhôm lõi thép được dùng phổ biến cho đường dây trên không, trong đó phần nhôm làm nhiệm vụ dẫn điện và phần thép tăng độ bền cơ học. Ký hiệu: Đối với đường dây không( ĐDK) cao áp và trung áp: Loại dây(A, AC) - F, trong đó: A là dây nhôm; AC dây nhôm lõi thép; F là tiết diện. Ví dụ: AC-50 Đường dây trên không tải điện xoay chiều 3 pha tiết diện 50 mm2 Đối với mạng hạ áp: Loại dây (n.F +1.Fo) với n là số dây pha, F tiết diện dây pha (mm2) và Fo tiết điện dây trung tính( mm2). Ví dụ: A(3.35+1.25): đường dây trên không dây nhôm 3 pha tiết diện mỗi pha 35mm2, dây trung tính tiết diện 25mm2 Theo quy phạm, với đường dây 3 pha 4 dây ta có: FF 2 1 0  Với đường dây 2 pha 3 dây hoặc 1 pha 2 dây ta có: FF 0 2.4.2. Các loại cáp: CP C oll eg e BÀI GIẢNG: CUNG CẤP ĐIỆN 9 a) Cấu tạo cáp: Cáp lực gồm các phần tử chính sau: lõi, cách điện và lớp vỏ bảo vệ. Lõi (ruột dẫn điện): Vật liệu cơ bản dùng làm ruột dẫn điện của cáp là đồng hay nhôm kỹ thuật điện. Ruột cáp có các hình dạng tròn, quạt, hình mảnh. Ruột có thể gồm một hay nhiều sợi. Lớp cách điện: Lớp vật liệu cách điện cách ly các ruột dẫn điện với nhau và cách ly với lớp bảo vệ. Hiện nay cách điện của cáp thường dùng là nhựa tổng hợp, các loại cao su, giấy cách điện, các loại dầu và khí cách điện. Lớp vỏ bảo vệ: Lớp vỏ bảo vệ để bảo vệ cách điện của cáp tránh ẩm ướt, tránh tác động của hóa chất do dầu tẩm thoát ra do hư hỏng cơ học cũng như tránh ăn mòn, han gỉ khi đặt trong đất. Lớp vỏ bảo vệ dây dẫn là đai hay lưới bằng thép, nhôm hay chì. Ngoài cùng là lớp vỏ cao su hoặc nhựa tổng hợp. b) Phân loại cáp: Cáp có thể phân loại theo nhiều cách:  Theo số lõi: một, hai, ba hay bốn lõi. Thông thường cáp cao áp chỉ có một lõi.  Theo vật liệu cách điện: giấy cách điện (có tẩm hay không tẩm), cách điện cao su hay nhựa tổng hợp và cách điện tổ hợp.  Theo mục đích sử dụng: hạ, trung và cao áp, ngoài ra còn có cáp rado và cáp thông tin. Cáp trung áp, cao áp kí hiệu là: n.chất cách điện (m x F) Trong đó: n là số cáp, nếu n = 1 thì không ghi, chất cách điện là PVC hoặc XLPE, m là số lõi cáp, F là tiết diện cáp (mm2) Ví dụ: 3PVC(3 X 50)-3 cáp PVC 3 lõi mỗi lõi tiết diện 50mm2 Cáp hạ áp: n.chất cách điện(m x F+1.Fo) Ví dụ: 2XLPE(3 x 120+1 x 35)- 2 cáp XLPE 4 lõi, tiết diện pha 120mm2, trung tính 70mm2  Theo lĩnh vực sử dụng: cáp dùng cho hàng hải, hàng không, dầu mỏ, hầm mỏ, trong nước hay cho các thiết bị di chuyển (cần cẩu, cần trục) 2.5. Cấu trúc đường dây tải điện: Đường dây tải điện trên không ký hiệu là ĐDK. Đường dây tải điện trên không bao gồm các phần tử: CP D Co lle ge BÀI GIẢNG: CUNG CẤP ĐIỆN 10 dây dẫn, sứ, xà, cột, móng, còn có thể có dây chống sét, dây néo và bộ chống rung. 2.5.1. Một số định nghĩa liên quan: a) Đường dây truyền tải điện trên không: công trình xây dựng mang tính chất kỹ thuật dùng để truyền tải điện năng theo dây dẫn, được lắp đặt ngoài trời. Dây dẫn được kẹp chặt nhờ sứ, xà cột và các chi tiết kết cấu xây dựng. Đường dây hạ áp cần có thêm một dây trung tính để lấy cả điện áp pha và điện áp dây. Nếu phụ tải 3 pha đối