Bài tập môn phân tích hệ thống điện

Nội dung Text: GIÁO TRÌNH PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP HỆ THỐNG ĐIỆN_CHƯƠNG 1& 2

1. PGS-TS PHẠM VĂN HOÀ ( Chủ biên) TS PHƯƠNG HOÀNG KIM ThS NGUYỄN NGỌC TRUNG PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP HỆ THỐNG ĐIỆN TRUNG QU OC Thac Ba Lai Chau Viet Tri Soc Son Ph Uong Bi PhLai Son La Quang Ninh Chem Ha Dong Mai a Dong Hai Phong Thuong Tin HOA BINH Din Nho Quan h Ninh Binh Thanh Hoa LAO Mien Bac Vinh H a Tinh Nam Theun Mien Trung 2 TH AIL AN Dong Hoi GHI CHU D Quang Tri 500kV DZ 500kV (- 2020) 500kV DZ 500kV (- 2010) 500kV DZ 500kV h ien co Da Nang 220kV DZ 220kV h ien co Tra m 500kV (- 2020) Tra m 500kV (- 2010) Doc Soi Ban Tra m 500kV hien co Paam Tra m 220kV hien co Yaly Vinh Son NMTD hien co NMND hien co Plei Ku Quy Nhon Sam Bor CAMPUCH IA Krong Buk SongHinh Nha Trang D.Nai3&4 Linh Di Da Nhim Thac Mo Bao Loc Tan Dinh Tri An Dien Nguyen tu Hoc Mon Song May Nhon Trach Phu Lam Phu My Nha Be O B Ria MIEN NAM Cai Lay a Mon Rach Gia TrNoc a NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA – HÀ NỘI TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC PGS-TS PHẠM VĂN HOÀ ( Chủ biên) TS PHƯƠNG HOÀNG KIM ThS NGUYỄN NGỌC TRUNG 1
2. PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP HỆ THỐNG ĐIỆN  TÝnh to¸n thiÕt kÕ l-íi ®iÖn  TÝnh to¸n chÕ ®é x¸c lËp hÖ thèng ®iÖn  Ph©n tÝch chÕ ®é lµm viÖc cña ®-êng d©y dµi  HÖ thèng truyÒn t¶i ®iÖn xoay chiÒu linh ho¹t FACTS  C¬ khÝ ®-êng d©y Giáo trình dùng cho sinh viên, học viên cao học các trường Đại học học kỹ thuật, chuyên ngành Hệ thống điện NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC HÀ NỘI-2010 2
3. LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển các hệ thống điện là tập trung hoá sản xuất điện năng, trên cơ sở các nhà máy điện lớn phát triển hợp nhất thành hệ thống lớn phức tạp bao gồm cả các đường dây tải điện cao áp và siêu cao áp. Do vậy việc tính toán thiết kế, phân tích các chế độ xác lập đối với chúng đòi hỏi có các phương pháp tính toán hiện đại, đặc biệt lập tình tính toán bằng máy tính; sử dụng các kỹ thuật điện tử công suất trong điều khiển nâng cao chất lượng điện cho hệ thống truyền tải điện là yêu cầu nhất thiết đối với sinh viên, kỹ sư, học viên cao học và các nghiên cứu viên chuyên ngành “Hệ thống điên”. Giáo trình “ Phân tích chế độ xác lập Hệ thống điện ” sẽ cung cấp các kiến thức cơ bản về các vấn đề nêu trên. Nội dung giáo trình được tóm tắt sơ lược qua các chương như sau: Chương 1. Phân tích tính toán thiết kế lưới điện Chương này giới thiệu nội dung chính cho một thiết kế lưới điện khu vực, từ đó bổ sung một số kiến thức phục vụ cho thiết kế như: tính toán cân bằng công suất trong hệ thống điện, xây dựng các phương án nối dây, chọn thiết diện dây dẫn và tính toán kinh tế-kỹ thuật để chọn phương án tối ưu. Chương 2. Tính toán chế độ xác lập hệ thống điện phức tạp Nội dung của chương này là giới thiệu các hệ phương trình mô tả chế độ xác lập hệ thống điện, các phương pháp giải hệ phương trình xác định các thông số chế độ cùng với các thuật toán hiện đại và sơ đồ khối để lập trình cho máy tính. Chương 3. Đường dây siêu cao áp và hệ thống truyền tải điện Trong chương này phân tích và tính toán chế độ đường dây đồng nhất ( không có các thiết bị bù) và hệ thống truyền tải siêu cao áp ( bao gồm các đường dây, máy biến áp và các thiết bị bù), nêu các biện pháp bù dọc và bù ngang nâng cao hiệu quả tải điện của đường dây siêu cao áp. Chương 4. Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS Trong chương này giới thiệu các thiết bị điện tử công suất hiện đại được cài đặt trong các hệ thống truyền tải điện để điều khiển linh hoạt, tác động nhanh đảm bảo ổn định và nâng cao chất lượng điện cho hệ thống điện. Chương 5 . Tính toán cơ khí đường dây trên không Trong chương 4 đề cập một số kiến thức cơ bản về cơ khí đường dây trên không như: tỷ tải cơ học đối với đường dây trên không, độ võng, độ dài dây dẫn trong khoảng vượt và khoảng cột tới hạn. 3
4. Giáo trình này được dùng cho sinh viên đại học, học viên cao học chuyên ngành hệ thống điện trong các trường đại học, nó còn có thể hữu ích cho các nghiên cứu sinh, cán bộ kỹ thuật và kỹ sư hoạt động trong lĩnh vực này. Tập thể tác giả rất mong bạn đọc gửi những ý kiến nhận xét và góp ý về cuốn sách theo địa chỉ : Phạm Văn Hoà, Trường Đại học Điện lực, 235 Hoàng Quốc Việt, Email: [email protected] Xin chân thành cảm ơn. Thay mặt tập thể tác giả PGS-TS PHẠM VĂN HOÀ 4
5. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT: CĐXL Ch ế đ ộ x á c l ậ p DSCA Đường dây siêu cao áp HTĐ Hệ thống điện M BA Máy biến áp TĐK Tự động điều chỉnh kích từ TIẾNG ANH : Hệ thống lưu trữ năng lượng ắc BESS Battery Energy Storage System quy Thiết bị điều chỉnh hệ thống FACTS Flexible AC Transmission truyền tải điện xoay chiều linh Systems hoat Interphase Power Controller Thiết bị điều chỉnh công suất IPC riêng rẽ IPFC Interline Power Flow Controller Metal Oxide Varistor Biến trở MOV Propotional Integral Khối tỷ lệ tích phân PI Power Oscillation Damping Khối giảm dao động công suất POD Static Phase Shift Bộ chuyển bán dẫn tĩnh SPS Máy phát đồng bộ tĩnh SSG Static Synchronous Generator Thiết bị bù dọc đồng bộ tĩnh SSSC Static Synchronous Series Compensator Static Var Compensator Máy bù tĩnh điều khiển bằng SVC thyristor STATCOM Synchronous Máy bù đồng bộ tĩnh Static Compensator Máy giới hạn điện áp điều TCVL Thyristor-Controlled Voatage khiển bằng thyristor Limiter Thyristor Controlled Reactor Kháng điện điều chỉnh thyristor TCR Thiết bị điều chỉnh góc pha TCPAR Thyristor-Controlled Phase điều khiển băng thyristor Argument Regulator Máy biến áp chuyển pha điều TCPST Thyristor-Controlled Phase 5
6. chỉnh bằng thyristor đóng cắt Shifting Transformer Tụ bù dọc điều khiển bằng TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor thyristor Máy bù dọc điều khiển bằng TCSR Thyristor-Controlled Series điện kháng Reactor Thyristor Controlled Voltage Máy giới hạn điện áp điều TCVL Limiter khiển bằng thyristor TCVR Máy điều chỉnh điện áp đièu Thyristor- Controlled Voltage khiển bằng thyristor Regulator Thyristor Switched Capacitor Bộ tụ đóng mở bằng thyristor TSC Thyristor Switched Reactor Kháng đóng mở bằng UPFC TSR thyristor Máy bù dọc bằng tụ điện TSSC Thyristor-Switched Series Series Máy bù dọc bằng kháng điện TSSR Thyristor-Switched Reactor Flow Thiết bị diều khiển công suất UPFC Unified Power hợp nhất Controller 6
7. Chương 1 PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN §1.1 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN Nội dung chính của thiết kế lưới điện bao gồm: - Phân tích các phụ tải điện và tính toán cân bằng công suất; - Xây dựng các phương án nối dây, tính toán kinh tế kỹ thuật chọn phương án tối ưu; - Chọn máy biến áp và sơ đồ nối điện chính; - Tính toán các chế độ vận hành đối với phương án tối ưu; - Tính toán chọn bù công suất phản kháng tại các nút phụ tải; - Lựa chọn phương thức điều chỉnh điện áp tại các trạm biến áp; - Tính toán các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cho lưới điện. Trong chương 1 sẽ giới thiệu một số kiến thức tổng hợp mang tính lý luận phục vụ cho tính toán thiết kế lưới điện, còn hướng dẫn chi tiết cho các nội dung nêu trên sẽ được đê cập trong giáo trình khác. §1.2 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.2.1 Cân bằng công suất trong trường hợp tổng quát Đặc điểm của hệ thống điện (HTĐ) là chuyển tải tức thời điện năng từ nguồn đến hộ tiêu thụ và không có khả năng tích trữ lại điện năng với một lượng lớn, có nghĩa là quá trình sản xuất và tiêu thụ điện xảy ra đồng thời theo một nguyên tắc đảm bảo cân bằng công suất. Tại từng thời điểm của chế độ xác lập của hệ thống, các nguồn phát điện phải phát ra công suất đúng bằng công suất tiêu thụ, trong đó bao gồm cả tổn thất công suất trong lưới điện. Xét trường hợp tổng quát HTĐ bao gồm các nhà máy điện và các phụ tải điện. Sự cân bằng công suất phải được đảm bảo về công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng. Vấn đề này được xem xét cụ thể như sau: 1. Cân bằng công suất tác dụng Sự cân bằng công suất tác dụng được thể hiện bằng phương trình cân bằng công suất như sau: PF  mPpt  P  Ptd  Pdp (1.1) trong đó PF - tổng công suất tác dụng phát ra từ các nguồn; Ppt - tổng công suất tác dụng các phụ tải ở chế độ cực đại; m - hệ đồng thời xuất hiện các phụ tải cực đại; 7
8. P - tổng tổn thất công suất tác dụng trên đường dây và máy biến áp, có thể tính gần đúng bằng 5% của mPpt ; Ptd - tổng công suất tác dụng tự dùng trong các nguồn phát điện, tính gần đúng bằng 10% của PF ; Pdp – tổng công suất tác dụng dự phòng cho toàn hệ thống, lấy gần đúng 10% của m Ppt . Từ phương trình cân bằng nêu trên dễ dàng xác định được tổng công suất tác dụng phát ra từ các nguồn PF khi đã biết công suất tác dụng của các phụ tải. 1. Cân bằng công suất phản kháng Sự cân bằng công suất tác dụng được thể hiện bằng phương trình cân bằng công suất như sau: Q F  Q   mQ pt  Q B  Q L  Q c  Q td  Q dp (1.2) b trong đó : Q F - tổng công suất phản kháng các nguồn; 1  cos 2  F , cos  F là hệ số công suất máy phát) ( Q F  tg F PF , tg F  cos  F Q pt - tổng công suất phản kháng phụ tải; 1  cos 2  , cos  là hệ số công suất phụ tải ) ( Q pt  tgPpt , tg  cos  Q B - tổng tổn thất công suất phản kháng trong máy biến áp, có giá trị khoảng 15% của mQ pt ; Q L , Q C - tổng tổn thất công suất phản khảng trên các đường dây và tổng công suất phản kháng do chính các đường dây sinh gia. Hai đại lượng này có giá trị tương đương nhau, do vậy có thể tính gần đúng trong tính toán cân bằng công suất là Q L  Q C  0; Q td - tổng công suất phản kháng tự dùng trong các nguồn phát điện; 1  cos 2  td , cos  td là hệ số công suất của ( Q td  tg td Ptd ; tg td  cos  td tự dùng). Qdp – tổng công suất phản kháng dự phòng cho toàn hệ thống; 1  cos 2  HT , cos  dp là hệ số công suất của Hệ ( Q dp  tg HT Pdp ; tg HT  cos  HT thống). Q  - tổng công suất bù sơ bộ. Đây là lượng công suất bù bắt buộc, gọi là b bù cưỡng bức để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng theo phương trình cân bằng công suất (1.2). 8
9. Vậy từ phương trình cân bằng (1.2) dễ dàng xác định được tổng công suất bù cưỡng bức. Từ lượng công suất bù tổng này đem phân chia bù tại các phụ tải theo nguyên tắc: hộ phụ tải càng có cosφ thấp và càng xa thì càng được phân chia bù công suất phản kháng nhiều, nhưng hệ số cosφ không được quá 0,95. VÍ DỤ 1.1 Tổng phụ tải đã xét đến hệ số đồng thời có giá trị là (348+j215,76) MVA. Để cấp cho tổng phụ tải này dự định xây dựng hai nhà máy nhiệt điện như sau: NĐ1 : 3x100MW; cos  F  0,8; cos  td  0,75 NĐ2 : 3x 50MW; cos  F  0,8; cos  td  0,75 Liệu hai nhà máy trên đã đảm bảo cân bằng công suất với phụ tải hay không? Bài giải : 1.Cân bằng công suất tác dụng: mPpt  348MW; P  5% * 348  17,4MW; Pdp  10% * 348  34,8MW Từ phương trình cân bằng (1.1) ta có: PF  Ptd  348  17,4  34,8  0,9PF  400,2MW  PF  444,67MW Với nguồn hai nhiệt điện nêu trên, khả năng phát công suất là: 3x100+3x50=450 MW Vậy có thể kết luận được rằng hai nguồn nhiệt điện nêu trên hoàn hoàn thỏa mãn cho phụ tải và dự phòng hệ thống. 2.Cân bằng công suất phản kháng: 1  0,8 2 1  0,75 2 tg F   0,75; tg td   0,882; 0,8 0,75 Q F  0,75 * 444,67  333,50MVAR; mQ pt  215,76MVAR; Q B  15% * 215,76  32,36MVAR; Q dp  0,75.34,8  26,1MVAR Từ phương trình cân bằng (1.2) tính được công suất bù sơ bộ là: Q   ( mQ pt  Q B  Q td  Q dp )  Q F  b  ( 215,76  32,36  0,1 * 0,882 * 400,2  26,1)  333,5    23,98MVAR Vậy không cần bù công suất phản kháng, tự nguồn công suất phản kháng của nhà máy đảm bảo cấp đủ cho phụ tải. 9
10. 1.2.2 Cân bằng công suất trong trường hợp nhà máy nối hệ thống Trên thực tế rất ít khi có trường hợp thiết kế một HTĐ hoàn toàn mới, mà thường xảy ra trường hợp thiết kế một nhà máy nối với HTĐ đã có. Trong trường hợp này việc tính toán cân bằng công suất có đặc thù riêng của nó. Thật vậy, để cấp điện cho một số phụ tải tuận tiện nhất là xây dựng thêm một nhà máy điện cho chúng nếu có điều kiện. Nhà máy này được kết nối với HTĐ đã có nhằm hỗ trợ công suất cùng hệ thống: nhà máy cấp điện cho các phụ tải không đủ thì cần thiết lấy công suất từ hệ thống về, ngược lại nếu nhà máy có công suất dư thừa thì nó lại cấp công suất thêm cho hệ thống. Do vậy các phương trình cân bằng công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng còn có tham gia công suất hệ thống; cụ thể như dưới đây. 1.Cân bằng công suất tác dụng Phương trình cân bằng (1.1) trong trường hợp này sẽ trở thành như sau: PF  PHT  mPpt  P  Ptd  Pdp (1.3) trong đó: PF - công suất tác dụng phát ra từ nhà máy; Ptd - công suất tác dụng tự dùng nhà, giá trị của nó phụ thuộc vào loại nhà máy: nhà máy thủy điện có giá trị 0,8 đến 1,5% PF, nhà máy nhiệt điện là từ 7 đến 15% PF; PHT – công suất lấy từ/phát về hệ thống. Các đại lượng khác như cũ ( xem mục 1.2.1) Từ phương trình cân bằng nêu trên dễ dàng xác định được tổng công suất tác dụng lấy từ/phát về hệ thống. 2.Cân bằng công suất phản kháng Trong trường hợp “nhà máy-hệ thống” này phương trình cân công suất phản kháng sẽ là : Q F  Q HT  Q   mQ pt  Q B  Q td  Q dp (1.4) b trong đó: Q F - công suất phản kháng của nhà máy; 1  cos 2  F , cos  F là hệ số công suất máy phát) ( Q F  tg F PF , tg F  cos  F Q td - tổng công suất phản kháng tự dùng trong các nguồn phát điện; 1  cos 2  td , cos  td là hệ số công suất của ( Q td  tg td Ptd ; tg td  cos  td 10
11. tự dùng). QHT – công suất lấy từ/phát về hệ thống; 1  cos 2  HT , cos  HT là hệ số công suất ( Q HT  tg HT PHT ; tg HT  cos  HT của hệ thống, thường có giá trị khoảng 0,9) Các đại lượng khác như cũ ( xem mục 1.2.1) Từ phương trình cân bằng (1.4) dễ dàng xác định được tổng công suất bù sơ bộ Q  . Từ lượng công suất bù tổng này đem phân chia bù tại các phụ tải theo b nguyên tắc: hộ phụ tải càng có cosφ thấp và càng xa thì càng được phân chia bù công suất phản kháng nhiều, nhưng hệ số cosφ không được quá 0,95. VÍ DỤ 1.2 Tổng phụ tải đã xét đến hệ số đồng thời có giá trị là (362+j224) MVA. Để cấp cho tổng phụ tải này dự định xây dựng nhà máy nhiệt điện như sau: NĐ1 : 3x100MW; cos  F  0,85; cos  td  0,7 Nhà máy được nối với HTĐ. Hãy tính toán cân bằng công suất Bài giải : 1.Cân bằng công suất tác dụng: mPpt  362MW; P  5% * 362  18,1MW; Pdp  10% * 362  36,2MW Ptd  10% * 300  30MW Từ phương trình cân bằng (1.3) ta có: 300  PHT  362  18,1  36,2  PHT  116,3MW 2. Cân bằng công suất phản kháng: 1  0,85 2 1  0,75 2 tg F   0,62; tg td   0,882; 0,85 0,75 1  0,9 2 tg HT   0,484; Q HT  0,484 * 116,3  56,29MVAR 0,9 Q F  0,62 * 300  186MVAR; mQ pt  224MVAR; Q B  15% * 224  33,6MVAR; Q dp  0,484 * 36,2  17,52MVAR Từ phương trình cân bằng (1.4) tính được công suất bù sơ bộ là: 11
12. Q   ( mQ pt  Q B  Q td  Q dp )  (Q F  Q HT )  b  ( 224  33,6  0,882 * 30  17,52)  (186  56,29)  59,29MVAR Vậy cần bù công suất phản kháng là 59,29MVAR. 1.2.3 Cân bằng công suất trong trường hợp trạm biến áp cấp điện cho các phụ tải. Tại các khu vực thường thiết kế một trạm điện cấp cho các phụ tải của khu vực đó, mà trạm điện được cấp điện từ hệ thống. Giả thiết việc cấp điện từ hệ thống cho trạm điện là không hạn chế, tức là đáp ứng hoàn toàn công suất cho các phụ tải. Khi đó việc tính toán cân bằng công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng là như dưới đây. 1.Cân bằng công suất tác dụng Trong trường hợp trạm biến cấp điện cho các phụ tải khu vực thì công suất trạm PTrạm chỉ có cấp công suất cho các phụ tải cộng thêm tổn thất trong lưới, phần tự dùng của trạm là không đáng kể, còn công suất dự phòng là không phải xét vì đây chỉ là cấp điện nội bộ khu vực. Do vậy PTram  mPpt  P (1.5) 2.Cân bằng công suất phản kháng. Phương trình cân bằng công suất phản kháng trong trường hợp này đơn giản như sau: Q Tram  Q   mQ pt  Q B (1.6) b trong đó : Q Tram - công suất phản kháng trạm biến áp; 1  cos 2  Tram , cos Tram là hệ số công suất trạm ( Q Tram  tg Tram PTram , tg Tram  cos  Tram biến áp, thường lấy khoảng 0,85) VÍ DỤ 1.3 Tổng phụ tải đã xét đến hệ số đồng thời có giá trị là (155+j96) MVA. Các phụ tải được cấp điện từ một trạm biến áp. Hãy xác định công suất trạm cần có để đảm bảo cấp điện cho các phụ tải. Bài giải : 1.Cân bằng công suất tác dụng: 12
13. mPpt  155MW; P  5% *155  7,75MW; PTram  155  7,75  162,75MW 2.Cân bằng công suất phản kháng: 1  0,85 2 tgTram   0,62; Q Tram  0,62 * 162,75  100,91MVAR 0,85 mQ pt  96MVAR; Q B  15% * 96  14,4MVAR; Q   (96  14,4)  100,91  9,49MVAR b Vậy cần bù công suất phản kháng là 9,49MVAR. §1.3 CHỌN THIẾT ĐIỆN DÂY DẪN VÀ DÂY CÁP ĐIỆN Dây dẫn và dây cáp là một thành phần chủ yếu của lưới điện. Tiết diện dây và dây cáp được lựa chọn theo những tiêu chuẩn kỹ thuật cũng như kinh tế. Tùy theo loại lưới điện và cấp điện áp mà ta phải theo tiêu chuẩn nào là chính, là bắt buộc, còn tiêu chuẩn khác là phụ, là để kiểm tra. Sau đây sẽ giới thiệu một số chỉ tiêu về chọn thiết diện dây dẫn và áp dụng chúng loại lưới điện. 1.3.1 Các chỉ tiêu lựa chọn tiết diện dây dẫn 1.Chọn tiết diên dây dẫn theo mật độ kinh tế của dòng điện Mật độ kinh tế của dòng điện Jkt là một giá trị dòng mà 1mm2 dây dẫn mang tải sẽ đem lại chi phí tính toán là nhỏ nhất. Ta sẽ xem xét chi tiết hơn về đại lượng này. Trước hết xét vốn đầu tư đường dây V. Vốn đầu tư V phụ thuộc vào chiều dài đường dây, cụ thể là : V  v 0 . (1.7) trong đó: v0- vốn đầu tư 1km đường dây (đ/km);  - chiều dài đường dây ( km); Vốn đầu tư v0 cho 1 km đường dây bao gồm các chí phí không liên quan đến tiết diện dây dẫn như chi phí thăm dò, đền bù, chuẩn bị thi công, cột điện, sứ cách điện,… và chi phí tỷ lệ thuận với tiết diện dây dẫn. Do vậy ta có thể biểu diễn V bằng biểu thức sau: V  a  bF. (1.7a) trong đó: a- chi phí xây dựng 1 km đường dây phần không liên quan đến tiết diện dây ( đ/km); b- hệ số biễu diễn quan hệ giữa vốn đầu tư xây dựng 1 km đường dây với tiết diện dây dẫn F (đ/km.mm2). 13
14. Phí tổn do tổn thất điện năng trên đường dây trong toàn năm được thể hiện qua công thức sau:  YA  .A  .Pmax .  .3I 2 .R.  .3I 2 . . (1.8) max max F trong đó: Imax- dòng điện làm việc max trên đường dây (A); ρ - điện trở suất của dây dẫn (Ώ.mm2/km);  - giá điện năng tổn thất (đ/kWh); F - tiết diện dây dẫn (mm2);  - thời gian tổn thất công suất cực đại (giờ/năm). Phí tổn vần hàng hàng năm của đường dây:  Y  a vh .V  YA  a vh a  bF.  .3I 2 . . (1.9) max F trong đó: avh- hệ số thể hiện chi phi hàng năm cho sửa thường kỳ đường dây hành năm, lương công nhân,… Vậy cuối cùng ta có hàm chi phí tính toán hàng năm:  Z tt  Y  a tc V  a vh  a tc .a  bF .  .3I 2 .. . (1.10) max F trong đó: atc – hệ số thu hồi vốn tiêu chuẩn. Hệ số này thể hiện chi phí hàng năm thu hồi vốn, còn gọi là chiết khấu hao mòn. Từ (1.10) ta thấy rằng hàm chi phí tính toán phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn. Để xác định tiết diện dây dẫn đảm bảo hàm chi phí tính toán min, ta lấy đạo hàm Ztt theo F và cho triệt tiêu, ta có: Z tt .3I 2 ... 3  a vh  a tc .b.   0  Fkt  I max max ba vn  a tc  F 2 F Vậy mật độ kinh tế dòng điện là: ba vh  a tc  I max J kt   (1.11) 3 Fkt Từ công thức (1.11) có thể đưa ra một số nhận xét như sau: 1) Mật độ kinh tế của dòng điện không phụ thuộc vào điện áp của mạng; 2) Trị sô mật độ kinh tế dòng điện phụ thuộc rất nhiều yếu tố, thay đổi theo tình hình phát triển kinh tế và chính sách của từng nước. Trị số mật độ kinh tế dòng điện có thể tra cứu ở các tài liệu hướng dẫn thiết kế lưới điện hay tham khảo bảng 1.1 3) Từ mật độ kinh tế dòng điện có thế tính toán chọn tiế diện dây dẫn. 14
15. Bảng 1.1 Mật độ kinh tế dòng diện, A/mm2 Loại dây dẫn Mật đô kinh tế ứng Tmax,(giờ) 1000-3000 3000-5000 >5000 1.Dây dẫn và thanh dẫn trần - bằng đồng 2,5 2,1 1,8 - bằng nhôm,nhôm lõi 1,3 1,1 1,0 thép 2.Cáp cách điên bằng giấy, 3,0 2,5 2,0 lõi 1,6 1,4 1,2 - bằng đồng - bằng nhôm 3,5 3,1 2,7 3.Cáp cách điện bằng cao su, 1,9 1,7 1,6 lõi - bằng đồng - bằng nhôm 2. Các chỉ tiêu kỹ thuật khi lựa chọn tiết diên dây dẫn * Chỉ tiêu về vầng quang điện Một tiết diện dây dẫn được chọn phải đảm bảo tổn thất do vầng quang là chấp nhận được. Điều kiện này được thể hiện qua chỉ tiêu tiết diện tối thiểu hay điện áp vầng quang tối thiểu như dưới đây. - Chỉ tiêu tiết diện tối thiểu: tiết diện dây dẫn phải đảm lớn hơn tiết diện tối thiểu, F  Fmin . Tiết diện tối thiểu Fmin theo quy định la dây dẫn AC-70 đối với điện áp định mức lưới 110 kV, AC-95 khi điện áp 220 kV. - Chỉ tiêu điện áp vầng quang tối thiểu : a U vq  84m.r. lg  U Luoi , ; kV (1.12) r trong đó: m- hệ số xù xì (độ nhẵn) của dây dẫn; (dây dẫn một sợi m=0,83÷0,98, nhiều sợi vặn xoắn m=0,83÷0,87) r - bán kính ngoài của dây dẫn (cm); a- khoảng cách giữa các pha của dây dẫn. 15
16. Công thức (1.12) tính Uvq áp dụng khi các dây dẫn ba pha bố trí trên đỉnh tam giác đều; Nếu chúng đặt trên cùng mặt phẳng thì đối với pha giữa giảm 4%, còn hai pha bên tăng thêm 6%. * Chỉ tiêu về phát nóng Một tiết diện dây dẫn được chọn còn phải đảm bảo về chỉ tiêu phát nóng khi sự cố. Khi có sự cố, chẳng hạn đối với mạch vòng bị sự cố một đoạn nào đó hay khi dây lộ kép bị sự cố một lộ thì khi đó dòng điện trên dây dẫn sẽ là dòng điện cưỡng bức, lơn hơn lúc bình thường, dây dẫn phải chịu phát nóng hơn. Vậy dân dẫn được chọn phải đảm bảo chỉ tiêu phát nóng như sau: I cb  k 1 .k 2 .I cp max (1.13) trong đó: I cbax - dòng điện cưỡng bức lớn nhất; m Icp - dòng điện cho phép của dây dẫn trong điều kiện chuân (nhiệt độ  ch 250C), do nhà chế tạo cho; k1- hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ;  cp   xq bt k1  (1.13a)  cp   ch bt trong đó:  cp - nhiệt cho phép lúc bình thường,  cp =700C; bt bt 0  xq - nhiệt độ môi trường xung quanh (Việt nam  xq =35 C) k2- hệ số xét sự đặt gần nhau của dây dẫn (nếu có), k2=0,92. * Chỉ tiêu tổn thất điện áp Khi một lưới điện đã được lựa chọn loại dây dẫn cũng như tiết diện của chúng thì nhất thiết tổn thất điện áp kể từ đầu nguồn tới phụ tải xa nhất phải đảm bảo nhỏ hơn một giá trị cho phép lúc bình thường cũng như lúc sự cố: U max  U cp ; U SC  U SC max cp (1.14) bt bt trong đó: U max - tổn thất điện áp lớn nhất lúc bình thường kể từ đầu bt nguồn đến phụ tải xa nhất; - tổn thất điện áp lớn nhất lúc sự cố kể từ đầu U max bt nguồn đến phụ tải xa nhất; U - giá trị điện áp cho phép lúc bình thường, bằng khoảng cp bt 10÷12% điện áp định mức; 16
17. U SC - giá trị điện áp cho phép lúc sự cố, bằng khoảng cp 18÷20% điện áp định mức; *Chỉ tiêu về ổn định nhiệt khi ngắn mạch Đặc trưng về nhiệt đối với dây dẫn khi ngắn mạch là nhiệt độ cuối  2 (đơn vị là 0C) và xung lượng nhiệt BN (đơn vị là A2sec). Cách xác định hai giá trị này sẽ được đề cập trong giáo trình khác. Điều kiện ổn định nhiệt của dây dẫn khi ngắn mạch là: BN F.C  2   cp hay F  hay I N  I nh  (1.15) 2 C t cat trong đó:  cp - nhiệt độ cho phép khi ngắn mạch,0C (xem bảng 1.1) 2 F - tiết diện dây dẫn, mm2; IN - dòng ngắn mạch, A; tcat- thời gian tồn tại ngắn mạch, sec; C – Hằng số, As1/2/mm2 (xem bảng 1.2) Bảng 1.2 Nhiệt độ cho phép khi ngắn mạch và hằng số C Dây dẫn  cp ; 0 C 1 / mm 2 2 C; As 2 Đồng trần 300 Nhôm trần 200 Cáp PVC lõi đồng 115 Cáp PVC lõi nhôm 76 Cáp XLPE lõi đồng 143 Cáp XLPE lõi nhôm 94 1.3.2 Lựa chọn tiết diện dây dẫn cho các loại lưới điện 1)Đường dây tải điện trên không điện áp từ 35 kV trở lên Lựa chọn tiết diện dây dẫn trên không điện áp từ 35 kV trở lên được tiến hành qua các bước như sau: 1. Chọn tiết diện theo mật độ kinh tế dòng điện; 2. Kiểm tra điều kiện vầng quang (đối với điện áp 110 kV trở lên); 3. Kiểm tra điều kiện phát nóng khi sự cố đường dây; 4. Tính toán tổn thất điện áp lúc bình thường và khi các sự cố. 2)Lưới điện cung cấp từ 1kV trở lên đến 35 kV 17
18. Lựa chọn tiết diện dây dẫn trên không cho lưới điện cung cấp điện áp từ 1 kV đến 35 kV được tiến hành qua các bước như sau: 1. Chọn tiết diện theo mật độ kinh tế dòng điện; 2. Tính toán tổn thất điện áp lúc bình thường và khi các sự cố. 3. Kiểm tra điều kiện phát nóng khi sự cố đường dây; 3)Đường dây cáp điện lực Lựa chọn tiết diện dây cáp điện được tiến hành qua các bước như sau: 1. Chọn loại cáp theo vị trí lắp đặt (trong hầm cáp, treo trên tường, chôn trong đất); 2. Chọn tiết diện cáp theo mật độ kinh tế dòng điện; 3. Kiểm tra điều kiện phát nóng lúc bình thường: I max  k 1 .k 2 .I cp (1.16) bt trong đó: I max - dòng điện làm việc bình thường lớn nhất lớn nhất; bt Các hệ số k1,k2 được tính như đã giới thiệu trong 3.1.1, riêng đối với tính k1 theo công thức (1.13a) phải lấy  xq =450C đối với Việt nam khi cáp chôn dưới đ ất . 4. Kiểm tra điều kiện phát nóng khi sự cố (đối với cáp lộ kép): I cb  k qt k1 .k 2 .I cp max (1.17) trong đó: I cbax - dòng điện cưỡng bức lớn nhất lớn nhất; m kqt - hệ số quá tải cho cáp. Trong điều kiện làm việc bình thường dòng điện qua cáp không vượt quá 80% dòng điện cho phép (đã hiệu chỉnh), khi sự cố có thể cho phép cáp quá tải 30% trong thời gian không quá 5 ngày đêm; kqt=1,3. 5. Kiểm tra ổn định nhiệt khi ngắn mạch theo công thức (1.15). §1.4 TÍNH TOÁN KINH TẾ-KỸ THUẬT CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU Bài toán tính toán kinh tế-kỹ thuật để chọn phương án tối ưu trong thiết kế lưới điện rất phong phú. Trong khuôn khổ của giáo trình này chỉ thiệu một phương pháp tính toán đơn giản: phương pháp hàm chi phí tính toán không xét yếu tố thời gian, có nghĩa vốn đầu tư và xây dựng chỉ xảy ra trong một năm và chi phí vận hành hàng năm là cố định. Hàm chi phí tính toán được thể hiện như sau: 18
19. Z  a vh  a tc V  A. (1.18) trong đó: avh- hệ số thể hiện chi phi hàng năm cho sửa thường kỳ đường dây hàng năm, lương công nhân,… atc - hệ số thu hồi vốn tiêu chuẩn. V - vốn đầu tư ; (đ) ∆A - tổn thất điện năng ; (kWh)  - giá điện năng tổn thất (đ/kWh); Trong trường hợp các phương án có cùng số lượng máy biến áp (MBA) thì trong tính toán vốn đầu tư V chỉ xét đầu tư cho đường dây. Vốn đầu tư cho đường dây lộ đơn được tính theo công thức: V  v 0 . (1.19) trong đó:  - độ dài đường dây; (km); v0 - suất vốn dầu tư cho 1 km đường dây; đ/km Suất vốn đầu tư cho 1 km đường dây là vốn cho kể cả khảo sát, thiết kế, thi công, dây dẫn, móng, cột,..... Hệ số avh có thể lấy khoảng 4%, còn hệ số atc có thể lấy khoảng 12,5%. Tổn thất điện năng được tính theo công thức sau: A  P . (1.20) trong đó: P - tổn thất công suất tác dụng toàn lưới, bằng tổng tổn thất công suất tác dụng các đoạn dây; (kWh)  - thời gian tổn thất công suất cực đại, được tính theo công thức :   2   0,124  10  4 Tmax .8760 (1.21) Tmax – thời gian sử dụng công suất cực đại trong năm; Phương án nào có hàm chi phí tính toán Z nhỏ thì là tối ưu, nếu các chỉ tiêu về kỹ thật đều đảm bảo. Ngoài chỉ tiêu về kinh tế phương án tối ưu còn thể hiện ở các chỉ tiêu kỹ thuật: tổn thất điện áp lúc bình thường cũng như lúc sự cố, tổn thất công suất tổng, tin cậy,..... 19
20. 20