Điện - Điện tử - Chương 1: Những khái niệm cơ bản về mạng điện

Nội dung text: Điện - Điện tử - Chương 1: Những khái niệm cơ bản về mạng điện

1. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Lời nói đầu Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất n−ớc cần phải tiến hμnh điện khí hoá, cơ khí hoá vμ tự động hoá. Mạng điện nông nghiệp gắn liền với quá trình điện khí hoá nông thôn - lμ một mắt xích của công cuộc điện khí hoá toμn quốc, đáp ứng yêu cầu của phát triển sản xuất đem lại ánh sáng tinh thần cho nhân dân, rút ngăn khoảng cách giữa nông thôn vμ thμnh phố. Để góp phần đáp ứng yêu cầu phát triển mạng l−ới điện ở nông thôn, chúng tôi biên soạn cuốn " Mạng điện nông nghiệp". Nội dung cuốn sách dựa theo ch−ơng trình đã đ−ợc Bộ Giáo dục vμ Đμo tạo phê duyệt. Nó đ−ợc dùng lμm tμi liệu học tập cho sinh viên ngμnh Điện khí hoá nông nghiệp. Đồng thời có thể lμm tμi liệu tham khảo cho cán bộ kỹ thuật vμ kỹ s− chuyên ngμnh. Cuốn sách gồm 10 ch−ơng; trình bμy khá đầy đủ vμ tỉ mỉ lý thuyết tính toán phần điện của mạng điện, những vấn đề có liên quan đến mạng điện ở chế độ xác lập; đặc biệt đi sâu tính toán mạng điện địa ph−ơng, cấp điện áp từ 35 kV trở xuống. Để đảm bảo độ bền cơ học của đ−ờng dây, cuốn sách trình bμy tính toán phần cơ khí dây dẫn, cột vμ móng. Đồng thời tóm tắt quá trình thiết kế mạng điện. ở cuối mỗi ch−ơng đều có các ví dụ mẫu minh hoạ cho lý thuyết để đọc giả tiện so sánh, vận dụng. Các số liệu tra cứu cho trong phần phụ lục. Chúng tôi xin chân thμnh cảm ơn tập thể Bộ môn Cung cấp vμ Sử dụng điện, Khoa Cơ - Điện, Tr−ờng ĐHNNI Hμ Nội đã cho nhiều ý kiến đóng góp bổ ích. Trong quá trình biên soạn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng tôi mong đ−ợc tiếp thu những ý kiến đóng góp của độc giả vμ xin chân thμnh cảm ơn. Địa chỉ liên hệ: Bộ môn Cung cấp và Sử dụng Điện Khoa Cơ - Điện, Tr−ờng ĐHNNI Hà Nội Tác giả
2. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Ch−ơng 1 Những khái niệm cơ bản về mạng điện Đ 1-1. Lịch sử phát triển của mạng điện những năm 60 của thế kỷ XIX, máy phát điện ra đời ng−ời ta đã tìm cách đ−a dòng điện từ nguồn sản xuất đến nơi tiêu thụ. Tuy nhiên thành tựu mới nhất lúc bấy giờ chỉ là đ−a dòng điện một chiều điện áp 100 V đi xa vài trăm mét. Những năm 70 hình thành một số đ−ờng dây điện áp thấp. Những năm 80 của thế kỷ XIX, mạng điện mới thực sự trở thành một ngành khoa học kỹ thuật đ−ợc lý luận soi sáng. Năm 1880, nhà khoa học Nga Latrinốp nghiên cứu về vấn đề truyền tải điện năng đi xa đã chỉ ra rằng: Với khoảng cách càng xa, công suất truyền càng lớn thì có lợi nhất là nâng cao cấp điện áp truyền. Các n−ớc Pháp, Anh, Nga, Mỹ đều tích cực nghiên cứu nâng cao điện áp để vận chuyển điện năng đi xa hơn. Năm 1882 ở Pháp có đ−ờng dây dòng điện một chiều điện áp 1,5 kV. Năm 1891 cùng với việc chế tạo máy phát điện, máy biến áp, động cơ dị bộ, điện áp đã đ−ợc nâng lên 15 kV. Cuối thế kỷ XIX ở Pháp đã xây dựng đ−ờng dây 35 kV. Đầu thế kỷ XX mạng điện phát triển hết sức mạnh mẽ, công suất, điện áp và chiều dài đ−ờng dây tăng lên không ngừng. Từ năm 1908 - 1910 xuất hiện đ−ờng dây 110 kV. Những năm 20 của thế kỷ XX điện áp nâng lên 220 kV. Trong những năm 50 đã khánh thành đ−ờng dây 500 kV. Hiện nay đ−ờng dây truyền tải dòng điện xoay chiều điện áp 750 kV và cao hơn, dòng điện một chiều điện áp 1500 kV đã đ−ợc xây dựng và thử nghiệm ở nhiều nơi trên thế giới. ở n−ớc ta d−ới thời Pháp thuộc, đầu thế kỷ thứ XX xây dựng đ−ợc một vài nhà máy điện nh− Yên Phụ - Hà Nội, Th−ợng Lý - Hải Phòng, Thủ Đức - Sài Gòn. Những năm 20 điện áp truyền tải lớn nhất là 35 kV. Từ năm 1965 miền Bắc n−ớc ta đã xây dựng đ−ờng dây 110 kV. Sau khi đất n−ớc thống nhất ta đã xây dựng và mở rộng hàng loạt nhà máy điện nh− Thác Bà công suất 108 MW, Hoà Bình 1920 MW, Yaly 700 MW, thuỷ điện Trị An 400 MW, nhiệt điện Uông Bí 300 MW, nhiệt điện Phả Lại I 400 MW, Phả lại II 600 MW, nhịêt điện chạy khí Phú Mỹ I 900 MW, Phú Mỹ 2.1 và 2.2 gần 600 MW, Và đang dự kiến xât dựng hàng loạt các nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện chạy than, chạy khí và nghiên cứu sử dụng các nguồn năng l−ợng mới để phát điện nh− năng l−ợng mặt trời, năng l−ợng gió, năng l−ợng thuỷ triều, năng l−ợng địa nhiệt, nhà máy điện nguyên tử Từ năm 1978 n−ớc ta tiến hành xây dựng đ−ờng dây 220 kV chuyên tải điện từ Uông Bí về Hà Nội và các tỉnh miền Trung. Tuy nhiên hệ thống điện đó vẫn ch−a đáp ứng đ−ợc nhu cầu sử dụng điện cho cả n−ớc; đòi hỏi phải có đ−ờng dây điện áp cao hơn chuyên tải điện vào các tỉnh phía nam. Trong các năm 1992 - 1993 ta tiến hành xây dựng đ−ờng dây siêu cao áp 500 kV. Năm 1994 đ−ờng dây 500 kV từ Hoà Bình vào Phú Lâm ( thành phố Hồ Chí Minh ) dài 1487 km đã đ−a vào vận hành. Cùng với việc tăng công suất, chiều dài đ−ờng dây cao áp thì mạng điện hạ áp cũng phát triển rộng khắp ở các tỉnh đồng bằng, nông thôn. Đến nay một số tỉnh 100% số xã đã có điện nh− Hà Nội, Hải Phòng ( trừ hải đảo), thành phố Hồ Chí Minh, Thái Bình, Hải D−ơng, H−ng Yên, Bắc Ninh, Nam Định, Hà Nam, Tiền Giang Các tỉnh miền Nam do nguồn năng l−ợng thiếu nên điện khí hoá nông thôn và mạng điện nông nghiệp phát triển chậm hơn nhất là các tỉnh vùng cao, vùng sâu, vùng xa. Tới nay cả n−ớc có trên 60%(*) số xã đã có điện.
3. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Điện năng tiêu thụ tính theo đầu ng−ời trong một năm ở mức gần 300 kWh. Trong một vài năm tới cả n−ớc phấn đấu sẽ có 80% số xã có điện và sản l−ợng điện bình quân đầu ng−ời là 400 kWh. Đ 1-2. những khái niệm cơ bản về mạng điện 1. Những khái niệm cơ bản Hệ thống dây dẫn, dây cáp, cột xà sứ, thiết bị nối dùng để truyền tải điện năng gọi là đ−ờng dây tải điện. Đ−ờng dây có điện áp Udm ≤ 1 kV gọi là đ−ờng dây điện áp thấp, đ−ờng dây có điện áp định mức lớn hơn 1 kV gọi là đ−ờng dây điện áp cao. Mạng điện là tập hợp các đ−ờng dây trên không, dây cáp, các trạm biến áp và trạm đóng cắt điện ở các cấp điện áp khác nhau. Hệ thống điện là tập hợp bao gồm các nguồn điện và các phụ tải điện nối liền với nhau bởi các trạm biến áp, trạm cắt, trạm biến đổi dòng điện và đ−ờng dây tải điện ở các cấp điện áp định mức khác nhau. Nói cách khác, hệ thống điện bao gồm nguồn điện, mạng điện và phụ tải. Hệ thống điện là 1 bộ phận của hệ thống năng l−ợng, nó làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và sử dụng điện năng. Mỗi thiết bị cấu thành hệ thống điện đ−ợc gọi là phần tử của hệ thống. Có những phần tử trực tiếp làm nhiện vụ sản xuất, biến đổi, chuyên tải và tiêu thụ điện nh− máy phát, đ−ờng dây, máy biến đổi dòng điện và điện áp Có những phần tử làm nhiệm vụ điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ quá trình sản xuất và phân phối điện năng nh− tự động điều chỉnh kích từ, bảo vệ rơ le, máy cắt điện . Mỗi phần tử của hệ thống đ−ợc đặc tr−ng bởi các thông số, các thông số này xác định bởi các tính chất vật lý, sơ đồ nối các phần tử và các điều kiện giản −ớc tính toán khác. Nói chung thông số của các phần tử có giá trị phụ thuộc vào quá trình công tác của hệ thống song trong nhiều tr−ờng hợp có thể xem các thông số đó là bất biến. Các thông số của các phần tử trong hệ thống điện đ−ợc gọi là thông số hệ thống điện nh−: tổng trở, tổng dẫn, hệ số biến áp Tập hợp các quá trình tồn tại trong hệ thống điện và xác định trạng thái làm việc của nó trong một thời điểm hoặc một khoảng thời gian nào đó gọi là chế độ của hệ thống điện. Nó đ−ợc đặc tr−ng bởi các chỉ tiêu định l−ợng về trạng thái làm việc của nó. Các chỉ tiêu đó là công suất, điện áp, dòng điện, góc lệch pha giữa dòng và áp, hao tổn công suất . Các chỉ tiêu này đ−ợc gọi là thông số chế độ, nó chỉ xuất hiện khi hệ thống điện làm việc và biến đổi không ngừng theo thời gian, tuân theo quy luật ngẫu nhiên và có mối liên hệ qua lại với các thông số phần tử. Hệ thống điện có 2 chế độ làm việc là chế độ xác lập và chế độ quá độ. Chế độ xác lập là chế độ có các thông số chế độ không đổi theo thời gian, nó có chế độ xác lập bình th−ờng và chế độ xác lập sau sự cố. Chế độ xác lập bình th−ờng là chế độ làm việc th−ờng xuyên của hệ thống nên yêu cầu phải đảm bảo độ tin cậy, chất l−ợng điện và các chỉ tiêu kinh tế. Đối với chế độ xác lập sau sự cố thì các yêu cầu trên đ−ợc giảm đi nh−ng không đ−ợc kéo dài. Chế độ quá độ có các thông số biến đổi mạnh theo thời gian nh− ngắn mạch, dao động công suất của máy phát nên không có lợi, phải nhanh chóng đ−a về chế độ xác lập.
4. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 2. Phân loại mạng điện và thụ điện Căn cứ vào nhiệm vụ, cấp điện áp, dòng điện ng−ời ta phân mạng điện thành các loại nh− sau: + Theo loại dòng điện có Mạng dòng điện một chiều, Mạng điện xoay chiều một pha tần số từ 50 - 60 Hz, Mạng điện xoay chiều 3 pha tần số từ 50 - 60 Hz. + Theo điện áp Mạng cao áp có Udm > 1 kV Mạng hạ áp có Udm ≤ 1 kV. Hiện nay, trên thế giới ng−ời ta phân loại theo cấp điện áp nh− sau: Đ−ờng dây hạ áp (LV - Low voltage) Udm < 1 kV Đ−ờng dây trung áp (MV - Medium voltage) 1 kV≤ Udm < 66 kV Đ−ờng dây cao áp (HV - High voltage) 66 kV≤ Udm ≤ 220 kV Đ−ờng dây siêu cao áp (EHV -Extra high voltage) 330 kV≤ Udm ≤ 750 kV Đ−ờng dây cực cao áp (UHV -Ultra high voltage) Udm ≥ 800 kV + Theo số dây dẫn có mạng một chiều và một pha 2 dây dẫn, mạng xoay chiều 3 pha 3 dây, mạng xoay chiều 3 pha 4 dây và 5 dây. + Theo hình dáng có mạng điện hở và mạng điện kín. Mạng hở là mạng có nguồn cung cấp từ một phía, Mạng kín là mạng mà mỗi phụ tải có khả năng nhận năng l−ợng từ hai phía. + Theo cấu trúc có mạng điện bên trong và mạng điện bên ngoài, nó đ−ợc xây dựng trong nhà và ngoài nhà. Mạng bên ngoài đ−ợc xây dựng bằng dây trần và dây bọc gọi là đ−ờng dây trên không (ĐDK) và thực hiện bằng cáp gọi là mạng cáp. + Theo nhiệm vụ ng−ời ta phân ra làm 2 loại: Đ−ờng dây cung cấp (truyền tải) có điện áp định mức Udm ≥ 220 kV dùng để truyền tải công suất lớn với khảng cách hàng trăm km cho một khu vực rộng lớn. Đ−ờng dây phân phối có điện áp định mức Udm ≤ 110 kV dùng để phân phối điện tới các địa ph−ơng với khảng cách vài chục km và trong một phạm vi nhỏ hơn. + Phân loại theo vùng cung cấp: Mạng khu vực là mạng cung cấp điện năng cho một khu vực rộng lớn, điện áp th−ờng từ 110 - 220 kV trở lên và các đ−ờng dây có chiều dài lớn. Mạng địa ph−ơng truyền tải năng l−ợng đến các hộ tiêu thụ trong phạm vi nhỏ hơn, th−ờng có điện áp từ 110 kV trở xuống, chiều dài đ−ờng dây ngắn. + Điện áp định mức của mạng điện ( ký hiệu là Udm ). Mỗi mạng điện đặc tr−ng bởi một điện áp đã đ−ợc tiêu chuẩn hoá, nó đảm bảo cho thiết bị làm việc bình th−ờng và kinh tế nhất gọi là điện áp định mức. Điện áp định mức có ghi trên lý lịch và trên nhãn của máy điện và các thiết bị điện. Trong các thiết bị điện 3 pha, Udm là điện áp dây. Điện áp định mức của mạng điện và của thụ điện phải bằng nhau. Do
5. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - phụ tải luôn luôn thay đổi theo quy luật ngẫu nhiên, có hao tổn điện áp trong mạng điện nên điện áp trên các điểm của mạng điện th−ờng xuyên khác Udm . Ng−ời ta phải điều chỉnh điện áp của đầu ra thanh cái máy phát điện và các nấc điều chỉnh của máy biến áp th−ờng cao hơn điện áp định mức để bù vào phần hao tổn trên đ−ờng dây, sao cho độ lệch điện áp của thụ điện tại mọi điểm không v−ợt quá giới hạn cho phép. Điện áp định mức của mạng điện và thiết bị điện đ−ợc tiêu chuẩn hoá gồm các giá trị nh−: Udm : 0,22 kV; 0,38 kV; 6 kV; 10 kV; 15 kV; 22 kV; 35 kV; 110 kV; 150 kV; 220 kV; 330 kV; 400 kV; 500 kV Cấp điện áp tiêu chuẩn hoá cho phép giảm bớt một số cỡ máy và thiết bị điện, giảm bớt chi phí xây dựng mạng điện. Hộ tiêu thụ điện là các thiết bị sử dụng điện riêng lẻ hoặc là tập hợp tất cả các thiết bị đó. Phụ tải điện là đại l−ợng đặc tr−ng cho công suất tiêu thụ của các hộ tiêu thụ điện. Dựa vào yêu cầu cung cấp điện và tính chất quan trọng của hộ tiêu thụ ng−ời ta chia thụ điện thành 3 loại: - Thụ điện loại I là những phụ tải quan trọng; ngừng cung cấp điện sẽ gây tai nạn nguy hiểm cho con ng−ời; làm tổn thất lớn đến nền kinh tế quốc dân làm h− hỏng hàng loạt sản phẩm, thiết bị; làm rối loạn quá trình sản xuất phức tạp (ví dụ nh− thông gió hầm lò, cấp điện cho phòng mổ, các lò luyện thép, mhà khách ngoại giao ). Thụ điện loại I phải đ−ợc cung cấp điện liên tục bằng 2 đ−ờng dây độc lập. Việc cung cấp điện chỉ đ−ợc gián đoạn trong thời gian đóng điện dự phòng bằng thiết bị tự động. - Thụ điện loại II là phụ tải khi ngừng cung cấp điện sẽ làm sản xuất bị đình trệ; hàng loạt sản phẩm bị phế bỏ; vi phạm hoạt động bình th−ờng của nhân dân thành phố (ví dụ nh− các nhà máy công cụ, dây chuyền SX tự động, công trình thuỷ nông lớn, hệ thống điện thành phố thị xã, ) Thụ điện loại II đ−ợc phép gián đoạn trong thời gian cần thiết để đóng điện bằng tay chuyển sang nguồn dự phòng. - Thụ điện loại III bao gồm tất cả các thụ điện còn lại. Thụ điện loại III cho phép ngừng cung cấp điện trong thời gian sửa chữa, khắc phục những h− hỏng xảy ra nh−ng phải khẩn tr−ơng, nhanh chóng. Đ 1-3. Những điểm đặc biệt về phân phối điện trong nông nghiệp 1. Những yêu cầu chung của mạng điện Để đảm bảo cung cấp một l−ợng điện năng có chất l−ợng điện tốt và liên tục, yêu cầu đặt ra đối với mạng điện là: - Đảm bảo độ bền cơ học của đ−ờng dây để mạng điện làm việc vững chắc và an toàn. - Cung cấp điện th−ờng xuyên liên tục, nhất là các thụ điện loại I. - Giới hạn vị trí h− hỏng để sửa chữa bằng các thiết bị bảo vệ có tính chất chọn lọc. - Cung cấp một điện năng có chất l−ợng tốt. Độ lệch điện áp tại thụ điện nằm trong giới hạn cho phép. - Bảo đảm điều kiện kinh tế: vốn đầu t− cơ bản và chi phí vận hành là ít nhất. - Có khả năng phát triển trong t−ơng lai mà không cần cải tạo lại mạng điện.
6. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Để thoả mãn những yêu cầu trên, khi thiết kế, thi công mạng điện cần l−u ý nh− sau: Tính toán mạng điện theo các chỉ tiêu kinh tế, chọn điện áp, vật liệu, tiết diện dây dẫn phù hợp; lựa chọn sơ đồ nối dây tối −u. Tính tiết diện dây theo hao tổn điện áp cho phép hoặc theo điều kiện kinh tế, kiểm tra độ lệch tại thụ điện nằm trong giới hạn cho phép. Kiểm tra dây dẫn theo điều kiện đốt nóng. Tính toán cơ khí đ−ờng dây bảo đảm độ bền cơ học của dây dẫn, cột và móng. Ngoài ra còn chú ý tới các biện pháp điều chỉnh điện áp. 2. Những điểm đặc biệt về phân phối điện năng trong nông nghiệp Mạng điện nông nghiệp phục vụ cho các thụ điện nông nghiệp, có đặc điểm riêng so với mạng điện thành phố. Điểm nổi bật là, đ−ờng dây kéo dài, phân tán, công suất truyền tải t−ơng đối nhỏ, phần lớn thụ điện làm việc có tính chất thời vụ, đồ thị tải không bằng phẳng và cực đại vào một số giờ cao điểm, chênh lệch giữa phụ tải cực đại và cực tiểu lớn nên thời gian máy biến áp làm việc non tải kéo dài. Kết quả là giá thành của mạng điện nông nghiệp tính theo công suất truyền tải rất cao. Qua tính toán ng−ời ta thấy rằng, giá thành mạng điện kể cả các trạm biến áp chiếm tới 2/3 tổng giá thành những thiết bị điện trong đó chi phí về vật liệu và dây dẫn chiếm tới 95% giá thành mạng điện. Vì vậy, khi thiết kế mạng điện phải giảm tới mức thấp nhất chi phí vật liệu và kim loại làm dây dẫn. Các thụ điện trong nông nghiệp phần lớn là thụ điện loại II và loại III nên yêu cầu cung cấp điện không chặt chẽ nh− thụ điện loại I. nhiều tr−ờng hợp không cần phải dùng đ−ờng dây cấp điện dự phòng. Để giảm giá thành mạng điện nông nghiệp ng−ời ta có thể sử dụng nhiều biện pháp khác nhau nh− nâng cao cấp điện áp định mức sử dụng từ mạng 220/127 V lên 380/220 V đ−a sâu điện áp cao vào trung tâm phụ tải và nâng cao cấp điện áp vận hành từ 6 - 10 kV lên 22 kV hay 35 kV, đ−a điện áp một pha trên l−ới cao áp để cung cấp cho các thụ điện nhỏ nằm phân tán, rải rác Sử dụng hợp lý kim loại làm dây dẫn bằng cách thay vật liệu nhôm và thép nhâm cho đồng, nâng cao hao tổn điện áp cho phép để giảm tiết diện dây dẫn bằng cách lựa chọn và điều chỉnh các đầu phân áp hợp lý. Ngoài ra để đạt hiệu quả kinh tế giảm giá thành truyền tải và phân phối điện năng còn sử dụng các loại kết cấu cột điện hợp lý, sử dụng đất làm dây dẫn bằng cách chọn hệ thống điện hai pha một đất, một pha một đất, rút ngắn thời gian thi công bằng cơ giới Đ 1-4. Kết cấu dây dẫn 1. Dây dẫn của đ−ờng dây trên không Đ−ờng dây trên không th−ờng dùng kim loại không bọc cách điện ( dây trần ), ngày nay tại các thành phố, thị trấn sử dụng dây bọc và dây vặn xoắn để đảm bảo an toàn và chống hao tổn kinh doanh. Dây bọc ít sử dụng vì nó dễ bi phá huỷ bởi điều kiện thời tiết và môi tr−ờng, làm tăng tải trọng đ−ờng dây, tăng giá thành dây dẫn và giảm khả năng toả nhiệt ra môi tr−ờng. Dây dẫn cho đ−ờng dây bao gồm loại một sợi hay nhiều sợi. Dây dẫn một sợi th−ờng có tiết diện không lớn lắm ( F ≤ 10 mm2 ). Dây dẫn nhiều sợi chế tạo với tiết diện lớn F ≥ 16 mm2 trở lên. Về cấu tạo, dây dẫn đ−ờng dây bao gồm Dây dẫn một sợi làm bằng một kim loại,
7. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Dây dẫn nhiều sợi làm bằng một kim loại, Dây dẫn nhiều sợi làm bằng 2 kim loại, Dây dẫn l−ỡng kim, Dây dẫn rỗng. Dây dẫn nhiều sợi đ−ợc chế tạo bao gồm một sợi ở chính giữa, xung quanh quấn nhiều sợi xoắn với nhau theo nhiều lớp. Th−ờng lớp ngoài nhiều hơn lớp trong 6 sợi và mỗi lớp xoắn lại theo chiều ng−ợc nhau để dây dẫn không tự xổ và có dạng tròn. Tuỳ theo vật liệu và cách chế tạo dây mà nó có những mã hiệu khác nhau. Mã hiệu dây dẫn gồm chữ cái chỉ vật liệu làm dây dẫn và con số chỉ tiết diện ( mm2) hoặc đ−ờng kính ( mm ). Ví dụ: A - dây nhôm; AC - thép nhôm; M - đồng; C - thép, ACO - dây thép nhôm có lõi thép giảm nhẹ; ACY - dây thép nhôm có lõi thép tăng c−ờng Tiết diện dây dẫn đ−ợc tiêu chuẩn hoá gồm các giá trị nh− sau: 1; 1,5; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 90; 120; 150; 185; 240; 300; 400; 500; 600; 700 (mm2). Những số ghi trong mã hiệu dây dẫn rất gần với tổng tiết diện thực của tất cả các sợi dây riêng rẽ. Trong tính toán ta lấy đ−ờng kính ngoài và đ−ờng kính tính toán của dây dẫn nh− trong phụ lục. - Dây đồng (M): là một trong những vật liệu dẫn điện tốt nhất. Dây đồng trần đ−ợc chế tạo nh− sau: bằng nhiệt luyện, ng−ời ta có sợ đồng đ−ờng kính từ 5 - 10 mm, đ−a vào kéo ở trạng thái nguội đến khi đ−ờng kính đạt 2,5 - 4 mm ta đ−ợc dây đồng cứng dùng làm dây dẫn của ĐDK, ký hiệu MT. Dây đồng cứng có điện trở suất ở nhiệt độ 200C là ρ = 18,2 2 2 Ωmm /km và sức cản đứt tức thời là Fcd = 382 N/mm . Dây đồng cứng đem đốt nóng và làm lạnh từ từ (ủ) ta đ−ợc đồng mềm, ký hiệu MM th−ờng dùng làm lõi cáp. Dây đồng mềm 2 2 có ρ = 17,5 Ωmm /km và Fcd = 196 N/mm . Dây dẫn bằng đồng chịu đựng tốt ảnh h−ởng của khí quyển và đa số các phản ứng hoá học xảy ra trong không khí. Khi làm việc, trên bề mặt của dây dẫn tạo một lớp oxít dày bảo vệ cho các lớp bên trong không bị phá huỷ tiếp vì vậy nó không cần sử dụng các biện pháp chống ăn mòn. Về độ bền cơ, nó chỉ thua kém dây thép và các hợp kim đồng. Tuy nhiên do dây đồng đắt nên nó bị hạn chế sử dụng, th−ờng dùng khi có những khoảng v−ợt lớn và điều kiện môi tr−ờng có hàm l−ợng muối hay hoá chất mà các vật liệu khác không sử dụng đ−ợc. - Dây nhôm (A): Đ−ờng dây trên không th−ờng sử dụng nhôm kéo cứng không bọc 2 cách điện. Điện trở suất của dây nhôm là ρ = 29,5Ωmm /km và sức cản đứt tức thời Fcd = 147 - 157 N/mm2. Dây nhôm dẫn điện kém đồng khoảng 1,6 lần. Tuy nhiên nó nhẹ, giá thành hạ nên đ−ợc sử dụng rộng rãi làm dây dẫn ĐDK. D−ới tác động của khí quyển, nhôm bị o xy hoá tạo thành lớp vỏ bảo vệ giống nh− dây đồng, lớp này có thể bị phá huỷ bởi một số chất hoá học. Vì độ bền cơ học kém nên đ−ợc chế tạo thành nhiều sợi tiết diện từ 16 mm2 trở lên và đ−ờng dây nhôm khi lắp đặt sẽ có độ võng lớn nên chỉ sử dụng ở khoảng v−ợt ngắn ( l < 150 m ), và điện áp thấp ( U < 35 kV ). Để tăng độ bền cơ học, dây nhôm có pha thêm măng gan và Silic ( ≤ 1,2% ) gọi là dây 2 Andre (AΛ); Nó có Fcd = 243 -294 N/mm .
8. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - - Dây thép nhôm ( AC ) để tăng độ bền cơ học cho dây dẫn và thực hiện đ−ợc những khoảng v−ợt lớn ng−ời ta chế tạo dây dẫn làm bằng hai kim loại (dây phức hợp( Thông dụng nhất là dây thép nhôm đ−ợc làm từ nhôm và thép. Nó là dây nhiều sợi, lớp trong cùng là một hoặc một số sợi thép tráng kẽm có độ bền cơ học cao, bên ngoài là các lớp nhôm để dẫn điện. Nó có độ bền cơ học cao hơn dây nhôm, dùng cho các khoảng v−ợt lớn và điện áp cao ( Điện áp từ 35 kV trở lên ). Dây thép nhôm đ−ợc chế tạo ở 3 loại - Dây AC có tỷ số tiết diện giữa nhôm và thép là 5,5 - 6, tiết diện từ 10 - 400 mm2. - Dây ACO là thép nhôm có lõi thép giảm nhẹ, có tỷ số tiết diện giữa nhôm và thép là 7,5 - 8, tiết diện chế tạo từ 150 - 700 mm2. - Dây ACY là thép nhôm có lõi thép tăng c−ờng, , có tỷ số tiết diện giữa nhôm và thép là 4,5 và có tiết diện từ 120 - 400 mm2. Dây dẫn đ−ợc dùng trong các khoảng v−ợt rất lớn cần tăng c−ờng khả năng chịu lực của dây, chiều dài khoảng v−ợt có khi tới hàng ngàn mét. - Dây thép: gồm loại một sợi ( ký hiệu là ΠCO ) và nhiều sợi ( ΠC ), con số kèm theo chỉ đ−ờng kính dây thép. Dây nhiều sợi có ký hiệu ΠMC là dây thép có đồng, con số kèm theo chỉ tiết diện ( mm2 ). Vì dây thép dẫn điện kém, sử dụng không hợp lý nên nó dần đ−ợc thay thế bằng dây A và AC. - Dây dẫn rỗng: để tăng đ−ờng kính của dây tránh hiện t−ợng vầng quang điện, giảm tổn thất điện năng nh−ng không tăng chi phí vật liệu làm dây dẫn ng−ời ta chế tạo dây dẫn rỗng. Nó có 2 loại: một loại gồm các sợi dây bằng đồng vặn xoắn từng lớp theo chiều ng−ợc nhau và rỗng ở giữa; loại khác gồm các thanh đồng ghép lại với nhau theo chiều xoắn. Loại này vì chế tạo phức tạp, đấu nối khó khăn và đắt nên hiện nay không dùng làm dây dẫn của đ−ờng dây, số ít dùng làm thanh cái trong trạm biến áp từ 330 kV trở lên. 2. Dây cáp điện lực Những cấu trúc của dây dẫn đ−ợc cách điện riêng biệt và đ−ợc bảo vệ bằng lớp vỏ bọc ngoài gọi là dây cáp. Dây cáp có thể đặt trực tiếp trong đất, n−ớc và không khí. Cấu trúc của cáp phụ thuộc vào cấp điện áp, loại dòng điện và ph−ơng thức lắp đặt trong đó ảnh h−ởng lớn nhất là điện áp. Theo điện áp ng−ời ta chia cáp thành các loại nh− sau: cáp từ 10 kV trở xuống ( có từ 1 - 4 lõi ); cáp 3 lõi điện áp 20 và 35 kV; cáp 2 lõi điện áp 110 và 220 kV. - Cáp điện lực điện áp U ≤ 10 kV: Lõi cáp sử dụng vật liệu bằng những sợi đồng hay nhôm đ−ợc ủ sơ bộ. Mỗi lõi có lớp vỏ bọc cách điện riêng gọi là cách điện pha. Vật liệu làm cách điện pha th−ờng bằng giấy tẩm hoá chất đặc biệt hay một số lớp cao su, kết cấu tuỳ thuộc vào điện áp định mức của cáp. Các pha đ−ợc vặn xoắn với nhau và chèn bằng các nêm giấy ngâm tẩm để tạo cho vỏ cáp có dạng tròn đều. Tiếp theo, tính từ trong ra ngoài vỏ cáp gồm các lớp sau: - Đai cách điện bằng giấy tẩm các thành phần đặc biệt hay các lớp cao su. - Vỏ bằng chì hay nhôm bảo vệ cho đai. - Lớp giấy cáp và sợi tẩm dùng để bảo vệ cho vỏ chì hay nhôm không bị phá huỷ bởi a xít và kiềm. - Cuốn bằng những giải thép (băng thép) phẳng hay tròn. - Bọc bằng sợi gai tẩm dùng để chống gỉ cho giải thép.
9. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - - Vỏ bảo vệ bằng chì, nhôm hay nhựa tổng hợp. Vỏ chi chế tạo bằng cách kéo sợi còn vỏ nhôm là hàn lạnh, chúng rất kín nên có thể đặt trực tiếp trong các môi tr−ờng đát, n−ớc và không khí. Cáp vỏ chì co độ dẻo lớn nh−ng đắt và ảnh h−ởng tới môi tr−ờng nên ít đ−ợc dùng, đa số là vỏ nhôm. Vỏ nhôm có −u điểm là nhẹ, sức bền cắt lớn hơn nên ít bị rạn nứt khi đất bị lún sụt. Đối với mạng điện hạ áp, cáp đều có cách điện và chất bảo vệ bằng nhựa tổng hợp, Polyclovinin, hay polyêtylen ( ví dụ ABB; AΠB ). Tiết diện dây cáp th−ờng từ 2,5 - 185 mm2; cáp có thể có từ 1 đến 4 lõi. Ký hiệu cáp có các chữ chỉ vật liệu, chỉ cách điện và vỏ bọc. Ví dụ: cáp Liên Xô cũ: chữ đầu tiên là A chỉ lõi nhôm; không có chữ A là lõi đồng; vỏ ký hiệu C là chì; A là nhôm; B là polyclovinin; Π là pôlyêtylen ; P là cao su. Vỏ bảo vệ ngoài có chữ b là thép; chữ Γ là không bọc bảo vệ. - Cáp điện lực 20 và 35 kV: Khi số lõi bằng nhau thì cấu trúc của cáp 20 kV và 35 kV giống nh− với cáp 10 kV nh−ng cách điện đ−ợc tăng c−ờng hơn, nó có 3 lõi tiết diện lên đến 240 mm2. Th−ờng th−ờng cáp 20 kV và 35 kV đ−ợc chế tạo với lớp vỏ bảo vệ riêng cho từng lõi, việc chế tạo nh− vậy sẽ tạo ra một điện tr−ờng h−ớng tâm có c−ờng độ phân bố đều trên bề mặt lõi và trong các lớp cách điện đồng thời chống ngắn mạch giữa các pha. Các pha đ−ợc đặt trong cùng vỏ bọc ngoài. Muốn nối cáp ng−ời ta hàn ruột, bọc cách điện đặt trong hộp hay vỏ bảo vệ rồi đổ bitum hay êpôxi. - Cáp điện lực 110 và 220 kV: Đ−ợc chế tạo khác với cáp có điện áp từ 35 kV trở xuống, nó gồm 2 loại: cáp nạp dầu và nạp khí. Cáp đầy dầu: Lõi cáp là ống kim loại rỗng chứa đầy dầu có áp suất từ 2 đến 4 at. Để duy trì áp suất dầu trong một giới hạn khi có tải thay đổi ng−ời ta dùng các thùng điều hoà áp suất. Ngoài lớp cách điện bằng giấy tẩm dầu, lõi cáp còn có các lớp bảo vệ nh−: băng cuốn tráng kẽm hoặc chì, băng đồng đ−ợc phủ lớp chống rỉ, ngoài cùng là lớp vỏ bọc thép có bảo vệ chống rỉ. Cáp đầy khí: mỗi cáp đều đ−ợc cách điện bằng giấy và vỏ bảo vệ riêng biệt đặt trong các ống thép chứa đầy khí trơ, áp suất từ 10 -15 at. Mặt trong của ống thép có lót cách điện bằng giấy tẩm dầu. Chúng có bộ phận đặc biệt để duy trì áp suất khí khi tải thay đổi bằng các nồi hơi ở hai đầu đ−ờng dây. Các loại cáp này lớp bảo vệ lõi cũng đ−ợc tăng c−ờng hơn, 3. Dây dẫn có bọc cách điện Những mạng điện đ−ợc xây dựng trong nhà, trong các công x−ởng, nhà máy xí nghiệp gọi là mạng điện bên trong, th−ờng dùng dây dẫn có bọc cách điện, cáp hay thanh dẫn với các ph−ơng pháp lắp đặt khác nhau. Dây bọc có lõi bằng đồng hay nhôm, cách điện cao su, polyclovinin hay polyêtylen. Đối với dây dẫn loại nhiều lõi thì mỗi lõi đ−ợc cách điện riêng biệt và trong cùng một vỏ bọc ngoài.
10. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Ký hiệu dây bọc có các chữ chỉ cách điện và con số chỉ tiết diện dây dẫn. ở Việt Nam gọi chung là dây bọc nhựa hoặc cao su ( Ví dụ PVC ). Còn ở Liên Xô cũ nhập về các loại nh− : ΠP là dây đồng cách điện cao su 1 lõi đặt trong ống sợi dệt tẩm dầu. AΠP là dây nhôm cách điện nh− trên. AP là dây đồng 1 lõi cách điện cao su. ΠB là dây đồng 1 lõi cách điện polyclovinin Dây bọc có 2 cách đặt là đặt kín và đặt hở. - Đặt hở dùng cho điện áp U ≤ 220 V. Dây dẫn đi trên t−ờng hoặc trần bằng cách đặt trong ống ghen nhựa, thuỷ tinh, móc sắt và bắt chặt vào trần hoặc t−ờng bằng vít hoặc bắt bằng puli sứ. Đối với những nơi ẩm −ớt, có hoá chất, dễ xảy ra hoả hoạn thì dây bọc phải dùng loại có vỏ bảo vệ bằng chì hay thép nh− ΠPΓ hay CPΓ. - Đặt kín dùng ở nơi khô ráo điện áp ≤ 500 V. Khi đặt dây kín tiết diện dây phải lớn hơn hoặc bằng 1,5 mm2 đối với dây đồng và lớn hơn hoặc bằng 2,5 mm2 với dây nhôm. Dây đặt kín có thể lồng trong ống nhựa tổng hợp, ống cao su, thuỷ tinh hay kim loại rồi trát kín bằng vữa. Khi đặt theo nền gỗ giữa ống và nền phải đ−ợc lót bằng cách điện nh− amiăng Mỗi ống có thể đặt từ 1 đến 4 dây nh−ng không đầy quá 2/3 diện tích ống. Ch−ơng 2 Tính toán dây dẫn vμ cáp theo đốt nóng Đ 2-1. Điện trở của dây dẫn vμ cáp 1. Điện trở tác dụng Khi có dòng điện một chiều đi qua dây dẫn, dòng điện sẽ phân bố đều đặn trên toàn bộ bề mặt tiết diện của dây. Điện trở Ôm míc trên 1 km chiều dài dây dẫn ở nhiệt độ tiêu 0 chuẩn ( θ0 = 20 C ) xác định theo công thức: ρ 1000 R = = (Ω/km) ( 2-1 0 F γ F ) ρ - là điện trở suất ( Ωmm2/km ). 2 F - là tiết diện dây dẫn ( mm ). γ - là điện dẫn xuất ( m/Ωmm2 ). Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ khác tiêu chuẩn thì điện trở xác định theo công thức: Rt = R0 [ 1 + α ( θ - 20 ) ] ( Ω/km) ( 2-2 ) 1 α - là hệ số nhiệt điện trở, với đồng và nhôm α = 0,004 ( ) . 0 C
11. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Ký hiệu dây bọc có các chữ chỉ cách điện và con số chỉ tiết diện dây dẫn. ở Việt Nam gọi chung là dây bọc nhựa hoặc cao su ( Ví dụ PVC ). Còn ở Liên Xô cũ nhập về các loại nh− : ΠP là dây đồng cách điện cao su 1 lõi đặt trong ống sợi dệt tẩm dầu. AΠP là dây nhôm cách điện nh− trên. AP là dây đồng 1 lõi cách điện cao su. ΠB là dây đồng 1 lõi cách điện polyclovinin Dây bọc có 2 cách đặt là đặt kín và đặt hở. - Đặt hở dùng cho điện áp U ≤ 220 V. Dây dẫn đi trên t−ờng hoặc trần bằng cách đặt trong ống ghen nhựa, thuỷ tinh, móc sắt và bắt chặt vào trần hoặc t−ờng bằng vít hoặc bắt bằng puli sứ. Đối với những nơi ẩm −ớt, có hoá chất, dễ xảy ra hoả hoạn thì dây bọc phải dùng loại có vỏ bảo vệ bằng chì hay thép nh− ΠPΓ hay CPΓ. - Đặt kín dùng ở nơi khô ráo điện áp ≤ 500 V. Khi đặt dây kín tiết diện dây phải lớn hơn hoặc bằng 1,5 mm2 đối với dây đồng và lớn hơn hoặc bằng 2,5 mm2 với dây nhôm. Dây đặt kín có thể lồng trong ống nhựa tổng hợp, ống cao su, thuỷ tinh hay kim loại rồi trát kín bằng vữa. Khi đặt theo nền gỗ giữa ống và nền phải đ−ợc lót bằng cách điện nh− amiăng Mỗi ống có thể đặt từ 1 đến 4 dây nh−ng không đầy quá 2/3 diện tích ống. Ch−ơng 2 Tính toán dây dẫn vμ cáp theo đốt nóng Đ 2-1. Điện trở của dây dẫn vμ cáp 1. Điện trở tác dụng Khi có dòng điện một chiều đi qua dây dẫn, dòng điện sẽ phân bố đều đặn trên toàn bộ bề mặt tiết diện của dây. Điện trở Ôm míc trên 1 km chiều dài dây dẫn ở nhiệt độ tiêu 0 chuẩn ( θ0 = 20 C ) xác định theo công thức: ρ 1000 R = = (Ω/km) ( 2-1 0 F γ F ) ρ - là điện trở suất ( Ωmm2/km ). 2 F - là tiết diện dây dẫn ( mm ). γ - là điện dẫn xuất ( m/Ωmm2 ). Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ khác tiêu chuẩn thì điện trở xác định theo công thức: Rt = R0 [ 1 + α ( θ - 20 ) ] ( Ω/km) ( 2-2 ) 1 α - là hệ số nhiệt điện trở, với đồng và nhôm α = 0,004 ( ) . 0 C
12. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đối với đ−ờng dây trên không thì nhiệt độ cực đại cho phép là θ = 700C do đó điện trở dây dẫn tăng lên là: RK = 1 + 0,004 ( 70 - 20 ) = 1,2 lần hoặc 20%. Dây dẫn đạt đến nhiệt độ cực đại 700C có thể xảy ra nh−ng khoảng thời gian rất ngắn trong năm. Thực tế ng−ời ta th−ờng tính với nhiệt độ th−ờng gặp nhất là 35 - 450 C, ở nhiệt độ này ta có: 2 2 Đối với đồng ρM = 18,8 Ωmm /km; Đối với nhôm ρA = 31,5 Ωmm /km. 2 2 Đối với đồng γM = 53 m/Ωmm ; Đối với nhôm γ = 31,7 m/Ωmm . Đối với cáp đồng và nhôm, trong khi làm việc nhiệt độ th−ờng từ 40 - 500 C do đó điện trở suất và điện dẫn suất của cáp có thể lấy nh− với đ−ờng dây trên không. Điện trở của dây dẫn với dòng điện một chiều gọi là điện trở Ôm mic, khác với điện trở dòng điện xoay chiều gọi là điện trở tác dụng. Điện trở tác dụng lớn hơn điện trở Ôm mic vì có hiệu ứng ngoài và hiệu ứng gần. Hiệu ứng mặt ngoài do từ tr−ờng xoay chiều trong dây dẫn gây ra sự phân bố không đều của dòng điện trên bề mặt dây. Hiệu ứng gần là ảnh h−ởng của từ tr−ờng giữa các dây dẫn đặt gần nhau sinh ra. Các hiệu ứng này phụ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều, ở tần số f = 50 Hz và dây dẫn làm bằng kim loại màu thì sự chênh nhau không đáng kể ( khoảng 1% ) nên trong tính toán ta lấy điện trở tác dụng bằng điện trở Ôm míc. Để tiện tính toán điện trở tác dụng đ−ợc cho trong phụ lục, nó sai khác so với tính toán theo công thức trên từ 6 -10 % do dây dẫn bị vặn xoắn nên chiều dài thực lớn hơn chiều dài đo từ 2 -3 % và tiết diện của dây vặn xoắn lớn hơn tổng tiết diện của các sợi dây nhỏ cấu tạo nên nó. 2.Điện trở cảm kháng ( X ) ở mạng điện xoay chiều, xung quanh dây dẫn có từ tr−ờng biến thiên tạo ra độ tự cảm L, đồng thời dây dẫn đặt gần nhau sinh ra hỗ cảm M. Do đó ta phải xét đến điện trở cảm kháng X của đ−ờng dây. Khi dây dẫn bố trí trên 3 đỉnh của tam giác đều, khoảng cách là D mm thì cảm kháng trên một pha của một km đ−ờng dây 3 pha có gía trị là: D X = ω ( 4,6lg + 0,5μ).10−4 (Ω/km) ( 2-3 0 r ) ω = 2πf - là tần số góc. D - là khoảng cách giữa các dây dẫn ( mm ). r - là bán kính dây dẫn ( mm). μ - là hệ số từ thẩm của vật liệu dây dẫn ( H/m ). ở tần số 50 Hz dây dẫn dùng kim loại màu, μ = 1 ta có: D X = 0,144 lg + 0,016 (Ω/km) ( 2-4 ) 0 r
13. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Khi dây dẫn bố trí không đối xứng: cảm kháng của các dây là nh− nhau còn hỗ cảm thì không giống nhau nên mặc dù phụ tải các pha nh− nhau nh−ng điện áp rơi trên các pha là khác nhau (Z pha khác nhau). Ng−ời ta khắc phục bằng cách hoán vị dây dẫn các pha, sau mỗi khoảng dây l lại hoán vị một lần, sau 3 lần hoán vị dây thì cảm kháng của các pha là nh− nhau. Với đ−ờng dây 110 kV - 220 kV thì th−ờng l = 30 km tiến hành hoán vị dây pha. A B C l l l Khi dây dẫn bố trí bất kỳ, có hoán vị dây với khoảng cách giữa các pha là D12, D23, D31 thì cảm kháng vẫn tính nh− ( 2-4 ) nh−ng thay D bằng DTB là khoảng cách trung bình hình học giữa các dây dẫn 3 pha: 2 3 DTB = D12 D23 D31 ( 2-5 D23 D12 ) 1 Nếu dây dẫn 3 pha đặt cách nhau trên cùng 3 D một mặt phẳng, dây nọ cách dây kia là D thì: 31 3 3 DTB = 2D = 1,26D ( 2-6 ) Tr−ờng hợp đ−ờng dây có hai tuyến đi trên một cột thì ảnh h−ởng của tuyến thứ nhất đến tuyến thứ hai là không lớn (từ 4 - 6%) do đó khi tính toán có thể bỏ qua. Cảm kháng X0 đ−ợc tính sẵn và cho trong phụ lục. Trong bảng ta thấy khi tiết diện dây và khoảng cách giữa các dây dẫn thay đổi nhều thì trị số của X0 thay đổ rất ít (trong khoảng 0,3 - 0,45 Ω/km). Vì vậy khi cần thiết, gần đúng ta có thể lấy một giá trị trung bình của X0 để tính toán. Để giảm X0 tức là giảm hao tổn công suất và điện áp, ta phải tăng r hoặc giảm DTB. Vì DTB phụ thuộc vào điện áp nên chỉ giảm ở mức độ nhất định, quá sẽ gây ra ngắn mạch giữa các pha. Hiệu quả nhất là tăng r của dây dẫn, nh−ng nếu tăng tiết diện dây sẽ gây lãng phí vật liệu mà điện kháng giảm di không nhiều, ng−ời ta tìm cách phân nhỏ dây dẫn của các pha. kinh nghiệm cho thấy: Phân làm 2 dây phân nhỏ thì điện kháng X0 giảm đi 19%; Phân làm 3 dây phân nhỏ thì điện kháng X0 giảm đi 28%; Phân làm 4 dây phân nhỏ thì điện kháng X0 giảm đi 32,5%; Ta thấy phân làm 3 dây là có lợi nhất, nếu tăng lên nữa thì cấu trúc đ−ờng dây phức tạp lên nhiều trong khi điện kháng lại giảm đi ít. Trong thực tế, đ−ờng dây điện áp 220 - 330 kV phân làm 2 hoặc 3 dây, 500 kV phân làm 3 hoặc 4 dây, 750 kV phân thành 5 dây và 1150 kV phân thành 8 dây.
14. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Điện kháng của đ−ờng dây sau khi phân nhỏ mỗi pha thành n dây, bán kính thực của mỗi sợi dây phân nhỏ là r, khoảng cách giữa các dây pha phân nhỏ là a1,a2 an (th−ờng từ 300 - 600 mm) thì X0 xác định theo biểu thức: DTB 0,016 Ω X0 = 0,144lg + ( ) ( 2-7 ) rtd n km n n−1 n rđt = r.aTB ; aTB = a1.a2 an ( 2-8 ) rđt - là bán kính đẳng trị của dây dẫn; aTB là trị số trung bình giữa các dây dẫn phân nhỏ của một pha, a1, a2, an - là khoảng cách giữa các pha phân nhỏ. Thông th−ờng phân nhỏ dây dẫn chỉ đ−ợc áp dụng đối với các đ−ờng dây có điện áp từ 220 kV trở lên. Điện kháng của dây cáp nhỏ hơn đáng kể so với ĐDK, khi tính cho mạng cáp th−ờng tra các thông số r0 và x0 theo các số liệu đã cho sẵn của nhà máy. 3. Tổng trở của dây thép Dây thép có μ lớn và biến thiên theo dòng điện nên tổng trở của nó cũng biến thiên theo dòng điện. Điện kháng của dây thép gồm 2 thành phần là cảm kháng trong X0'' và cảm kháng ngoài X0': D Ω X = X ''+ X ' = 0,144lg + 0,016μ( ) ( 2-9 0 0 0 r km ) D X' = 0,016 μ; X '' = 0,144lg ( 2-10 ) 0 0 r Vì tổng trở của dây thép khó tính theo biểu thức giải tích nên nó đ−ợc xác định bằng ph−ơng pháp thực nghiệm và cho trong phụ lục. Muốn tra bảng tìm X0'' ta phải biết tiết diện và dòng điện chạy qua dây dẫn. Đ 2-2. Sự phát nóng của dây trần d−ới tác dụng của dòng điện Khi có dòng điện chạy qua, dây dẫn sẽ bị đốt nóng theo hiệu ứng Joule. Nhiệt l−ợng phát ra có hai tác dụng: làm tăng nhiệt độ bản thân dây dẫn và tản ra môi tr−ờng xung quanh. θ Gọi Q là nhiệt l−ợng phát ra khi có dòng điện đi qua dây θ2 Q = Q1 + Q2 Trong đó Q là nhiệt l−ợng dùng để đốt nóng dây dẫn, 1 θ Q2 là nhiệt l−ợng toả ra môi tr−ờng xung quanh. 1 t Q2 truyền từ dây dẫn ra môi tr−ờng nhiều hay ít tuỳ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa dây dẫn và môi tr−ờng quyết định. Giả thiết sau một khoảng thời gian t nhiệt độ của dây dẫn tăng từ nhiệt độ môi tr−ờng θ1 lên θ2. Lúc đầu khi mới đóng điện thì nhiệt l−ợng chủ yếu làm tăng nhiệt độ dây dẫn, còn nhiệt l−ợng toả ra môi tr−ờng rất nhỏ (Q ≈ Q1). Giai đoạn tiếp theo, dây dẫn đạt tới một nhiệt độ ổn định. Khi đó có sự cân bằng nhiệt: tất cả nhiệt l−ợng sinh ra đều
15. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - truyền vào môi tr−ờng xung quanh còn nhiệt độ của dây dần là ổn định và không đổi (Q ≈ Q2), trong khi dòng điện và điều kiện làm mát của môi tr−ờng không đổi. Dòng điện qua dây dẫn càng lớn thì nhiệt l−ợng phát ra càng nhiều và độ tăng nhiệt của dây dẫn τ = θ2 - θ1 càng lớn. Nh−ng đối với mỗi loại dây dẫn chỉ chịu đựng đ−ợc một nhiệt độ nhất định. Nhiệt độ lớn quá sẽ làm dây dẫn bị hỏng do đó mỗi một dây dẫn chỉ cho phép một dòng điện nhất định đi qua. Dòng điện lớn nhất cho phép qua dây dẫn mà nó không bị nóng quá nhiệt độ quy định gọi là dòng điện lâu dài cho phép ( Icp ). Muốn tăng dòng điện lâu dài cho phép thì phải giảm θ1 hoặc cải thiện điều kiện làm mát để tăng θ2. Đối với dây trần, khi có dòng điện chạy qua thì chúng sẽ bị phát nóng. Nếu tất cả nhiệt l−ợng sinh ra dùng để đốt nóng thì nhiệt độ dây dẫn tăng lên không ngừng nh−ng vì có sự tản nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh nên sau một thời gian nào đó có sự cân bằng nhiệt: toàn bộ nhiệt l−ợng sinh ra trong dây dẫn bằng nhiệt l−ợng toả ra môi tr−ờng. Dây trần phát nóng mạnh nhất là ở chỗ các mối nối vì tại đó th−ờng ép hai đầu dây lại với nhau bằng các mặt tiếp xúc hoặc vặn xoắn nên dẫn điện không đ−ợc tốt và điện trở tiếp xúc lớn. Dòng đi qua càng lớn thì điện trở tiếp xúc càng tăng, phát nóng tại đó càng nhiều và sinh ra lớp oxy hoá phủ trên bề mặt dẫn đến phát nóng ngày càng mạnh. Vì vậy đối với dây trần, ng−ời ta quy định nhiệt độ cho phép là đảm bảo cho các mối nối dây không bị phá huỷ và bằng 700C. ứng với điều kiện nhiệt độ môi tr−ờng, ng−ời ta xác định đ−ợc dòng điện cho phép đi qua dây dẫn để thoả mãn đ−ợc điều kiện trên, dòng điện đó gọi là dòng điện cho phép đối với dây trần (ICP). Nhiệt độ môi tr−ờng θ1 đ−ợc lấy với điều kiện trung bình của tháng nóng nhất trong năm (ví dụ ở Việt Nam là 350C, Liên Xô cũ là 250C). Dây dẫn đặt trong không khí toả nhiệt ra môi tr−ờng theo 3 cách là bức xạ đối l−u và truyền nhiệt. Hệ số truyền nhiệt của không khí rất thấp nên nhiệt l−ợng truyền vào môi tr−ờng bằng sự truyền dẫn nhiệt là không lớn. Mặt khác để đảm bảo độ bền cho dây ng−ời ta khống chế dòng đi qua dây không làm cho dây dẫn bị nóng quá nhiệt độ cho phép là θCP = 70 0C nên vai trò của bức xạ là nhỏ (tỷ lệ với luỹ thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối). Vai trò làm mát dây dẫn chính là đối l−u tức là mang nhiệt bằng dòng chảy của không khí. Nhiệt l−ợng của dây dẫn toả ra môi tr−ờng xung quang trong một giây là: P = C.S.(θ2 - θ1) ( W ) ( 2-11 ) Trong đó: 2 C - là hệ số truyền nhiệt, bằng nhiệt l−ợng tản ra trong một giây từ một cm diện tích bề mặt dây dẫn khi hiệu số nhiệt độ dây dẫn và của môi tr−ờng là 10C. ( W/ cm2độ); S - là diện tích bề mặt tản nhiệt S = π.d.l ( cm2 ); 0 θ1, θ2 - là nhiệt độ của dây dẫn và môi tr−ờng ( C ); τ = θ2 - θ1 gọi là độ tăng nhiệt của dây dẫn. Nhiệt l−ợng phát ra từ dây dẫn trong một giây khi có dòng điện I chạy qua là: 2 P = IRθ2 ( W ) ( 2-12 ) Rθ2 - là điện trở của dây dẫn ở nhiệt độ θ2. Khi có sự cân bằng nhiệt, toàn bộ nhiệt l−ợng do dòng điện sinh ra cân bằng với nhiệt l−ợng toả ra môi tr−ờng, ph−ơng trình cân bằng nhiệt có dạng: 2 C.S.(θ2 - θ1) = I Rθ2 ( 2-13 )
16. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - CS(θ −θ ) Rút ra: I = 2 1 ( 2-14 ) Rθ 2 1 l 4F Thay S = π.d.l; Rθ = ;d = và gộp các hệ số thành hệ số chung K ta có: 2 γ F π 4 3 I = K F γ (θ 2 −θ1 ) ( 2-15 ) Từ biểu thức ( 2 -15 ) ta có thể tìm đ−ợc dòng điện lâu dài cho phép của dây dẫn ứng với một tiết diện nhất định. Vì tính toán trực tiếp công thức trên khá phức tạp nên ng−ời ta tính sẵn và cho trong phụ lục. Dòng điện lâu dài cho phép của dây dẫn ICP cho trong bảng phụ lục ứng với các tiết diện khác nhau, đ−ợc thành lập theo điều kiện tiêu chuẩn nh− sau: nhiệt độ cho phép của 0 0 dây dẫn θ2 = 70 C; nhiệt độ không khí môi tr−ờng là θ1 = 25 C. Một số chú ý: + Ta thấy rằng dòng điện tỷ lệ với τ = θ 2 −θ1 , nếu τ thay đổi thì dòng điện cũng thay đổi theo hệ thức: I cp1 τ 1 τ 2 = Suy ra: Icp2 = Icp1 ( 2-16 ) I cp2 τ 2 τ 1 ' 0 Vậy, nếu nhiệt độ môi tr−ờngθ1 khác với nhiệt độ tiêu chuẩn là 25 C thì dòng điện cho phép của dây dẫn trong điều kiện thực tế phải hiệu chỉnh theo hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ Kθ: ' 70 −θ1 Kθ = ( 2-17 ) 70 − 25 Để tiện tính toán, Kθ đ−ợc tính sẵn cho trong phụ lục . Khi đó dòng điện cho phép tính toán có giá trị là: ICP = Kθ.ICP ( 2-18 ) + Vì S tỷ lệ thuận với đ−ờng kính của dây dẫn nên khi d thay đổi thì dòng điện cho phép cũng thay đổi theo hệ thức: I cp1 d1 d = suy ra: I = I 2 ( 2-19 ) I d cp2 cp1 cp2 2 d1 Mặt khác, tiết diện tăng tỷ lệ thuận với bình ph−ơng của d nên khi d tăng thì F tăng nhanh hơn S. Biểu thức cho ta xác định đ−ợc dòng điện cho phép của một dây dẫn có đ−ờng kính thay đổi, cùng vật liệu dẫn điện và có cùng tiết diện dẫn điện khi biết dòng điện cho phép của dây dẫn kia (dùng tính ICP của dây ACO và ACY khi biết của dây AC) + Từ ( 2-15 ) cho ta thấy dòng điện tỷ lệ với γ , nếu hai dây dẫn có cùng tiết diện, thì ứng với γ1 ta có dòng điện cho phép Icp1; dây thứ hai có γ2 thì dòng điện cho phép là:
17. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - γ ρ I = I 2 1 ( 2-20 ) cp2 cp1 = I cp1 γ 1 ρ 2 Xác định dòng điện cho phép của dây dẫn chỉ dùng để kiểm tra dây dẫn trong mạng kín khi bị sự cố mà không dùng để tính chọn tiết diện dây dẫn, Dây trần chỉ tính chọn tiết diện theo điều kiện hao tổn điện áp cho phép hoặc theo điều kiện mật độ dòng điện kinh tế. Căn cứ vào tiết diện đã chọn, tra bảng phụ lục ta xác định giá trị Icp ứng với tiết diện ở điều kiện tiêu chuẩn và phải thoả mãn điều kiện sau để nhiệt độ không v−ợt quá 700C: Itt ≤ ICP ( 2-21 ) ICP - là dòng điện lâu dài cho phép của dây dẫn ứng với nhiệt độ chuẩn cho trong phụ lục. Đ 2-3. Sự phát nóng của dây bọc vμ cáp 1.Sự phát nóng của dây có bọc cách điện Nhiệt độ cho phép của dây bọc và cáp xác định bằng lớp cách điện bọc xung quanh dây dẫn nh− vải, cao su, polyclovinin Khi dùng lâu dài, các chất cách điện đ−ợc đảm bảo khi nhiệt độ của dây bọc không v−ợt quá 650C. Đối với những chất cách điện khác nh− thuỷ tinh, amiăng thì nhiệt độ cho phép có thể lên đến 100 - 1200C. Nếu nhiệt độ tăng quá 650C làm cao su trở lên dòn và nứt, polyclovinin bị mềm và sức bền giảm xuống. Điều kiện tản nhiệt của dây bọc có khác so với dây trần do có lớp cách điện, nhiệt l−ợng do dòng điện sinh ra truyền ra môi tr−ờng bên ngoài phải thắng đ−ợc nhiệt trở của lớp cách điện. Trị số này phụ thuộc vào tính chất của lớp cách điện và độ dày của nó.Sự tản nhiệt từ bề mặt của dây bọc ra môi tr−ờng bên ngoài cũng giống nh− dây trần. Ph−ơng trình cân bằng nhiệt giống biểu thức ( 2 - 13 ) nh−ng thay đổi hệ số truyền nhiệt C. Dòng điện lâu dài cho phép của dây bọc cũng đ−ợc tính sẵn cho trong phụ lục ở điều 0 kiện tiêu chuẩn là: nhiệt độ cho phép của dây bọc là θ2 = 65 C; nhiệt độ môi tr−ờng là θ1 = 250C. Khi nhiệt độ của môi tr−ờng đặt dây bọc khác 250C thì dòng điện cho phép phải kể đến hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ Kθ, đ−ợc cho trong phụ lục. Khi đó dòng điện cho phép của dây dẫn ứng với nhiệt độ thực tế đ−ợc xác định theo công thức: Icp = Kθ.[I]cp Ph−ơng pháp đặt dây bọc trong ống cũng có ảnh h−ởng đến điều kiện toả nhiệt và tăng nhiệt độ của môi tr−ờng đặt dây, tức là ảnh h−ởng đến dòng điện cho phép của nó. Do điều kiện làm mát xấu đi nên dòng điện cho phép của dây bọc cũng giảm đi. Qua thực nghiệm thấy rằng: Đặt 2 dây dẫn trong một ống thì phụ tải giảm đi 17% . Đặt 3 dây dẫn trong một ống thì phụ tải giảm đi 25%. Đặt 4 dây dẫn trong một ống thì phụ tải giảm đi 33%. Nếu trong ống đặt dây dẫn 2 hay 3 lõi bọc cách điện trong vỏ bọc chung thì điều kiện làm mát còn kém hơn nữa, dòng điện cho phép còn giảm thêm 10% với dây 2 lõi và 15% đối với dây 3 lõi.
18. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 2. Sự phát nóng của dây cáp Thông th−ờng, dây cáp th−ờng dùng giấy tẩm dầu để cách điện, khi nhiệt độ cao quá giới hạn cho phép thì chất cách điện của cáp có thể bị phá hoại do bị dòn, nứt gây phóng điện các pha hoặc với đất. Mặt khác, dòng điện qua dây cáp làm nó phát nóng và dãn nở. Hệ số dãn nở của các chất cách điện và vỏ bọc khác nhau nên chúng giãn nở khác nhau. Nếu dòng điện tăng quá cao, nhiệt độ quá lớn thì khi dòng điện giảm, chất cách điện và vỏ bọc co lại khác nhau nhiều và tạo ra các khoảng trống. Từ tr−ờng phân bố không đều, trong lớp vỏ cáp có thể sinh ra phóng điện gây sự cố. Vì vậy các loại cáp ở cấp điện áp khác nhau có lớp vỏ bọc khác nhau, nhiệt độ cho phép khác nhau và dòng điện cho phép khác nhau. Cáp đ−ợc đặt trong các môi tr−ờng khác nhau nên điều kiện làm mát của nó cũng khác nhau. Sau đây ta xét sự làm việc của cáp đặt trong các môi tr−ờng đất, n−ớc và không khí. a) Cáp đặt trong đất Khi đặt cáp trong đất, th−ờng chôn ở độ sâu 0,7 - 1 m nên nhiệt độ của đất nói chung là ổn định, mát hơn trong không khí. Nhiệt truyền từ lõi cáp qua lớp vỏ vào đất bằng con đ−ờng truyền dẫn nhiệt. Định luật truyền nhiệt giống nh− định luật ôm và ph−ơng trình cân bằng nhiệt có dạng: θ −θ nI2R = 0 ( 2-22 ) Rcd + Rvc + Rd trong đó: n - là số lõi cáp; θ, θ0 - là nhiệt độ của lõi cáp và nhiệt độ tiêu chuẩn của đất; Rcd, Rvc, Rd - là nhiệt trở của lớp cách điện, vỏ cáp và của đất. Thay điện trở R trên đơn vị chiều dài, gộp các giá trị Rcd, Rvc, Rd thành hệ số Ck và biến đổi ta nhận đ−ợc: γF(θ −θ 0 ) I = CK ( 2-23 ) n Từ quan hệ giữa I và F ta xác định đ−ợc dòng điện lâu dài cho phép của cáp. Dòng điện lâu dài cho phép của cáp đ−ợc tính sẵn cho trong phụ lục ứng với các điều kiện tiêu chuẩn nh− sau: nhiệt độ của đất là nhiệt độ trung bình cực đại hàng năm của đất ở tháng 0 nóng nhất, lấy bằng θ0 = 15 C; cáp đặt trong đất ở độ sâu lớn hơn hoặc bằng 0,7 mét. Nhiệt độ cho phép của lõi cáp phụ thuộc vào điện áp nh− sau: Điện áp: (kV) ≤ 1 3 6 10 20 35 Nhiệt độ cho phép ( θ0C ) 80 80 65 60 50 50 Khi nhiệt độ nơi đặt cáp khác nhiệt độ tiêu chuẩn trong bảng phụ lục thì đ−a vào hệ số điều chỉnh nhiệt độ Kθ: θ −θ0 Kθ = ( 2-24 ) θ −15
19. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Nếu có nhiều cáp đặt chung trong một hầm cáp thì điều kiện làm mát sẽ bị xấu đi, nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cáp và số l−ợng cáp Dòng điện lâu dài cho phép của mỗi cáp sẽ bị giảm xuống và trong tính toán cần đ−a thêm vào hệ số hiệu chỉnh số cáp đặt song song Kn. ( Kn đ−ợc cho trong phụ lục ). Tr−ờng hợp cần phải hiệu chỉnh cả về nhiệt độ và số cáp thì dòng điện cho phép t−ơng ứng của cáp xác định theo biểu thức: Icp = Kθ.Kn.[I]cp ( 2-25 ) Khi biết dòng điện phụ tải ( Ipt ) muốn tìm tiết diện dây cáp, ta xác định dòng điện cho phép tính toán của dây cáp khi đã kể đến sự sai khác nhiệt độ của môi tr−ờng đặt cáp và số l−ợng cáp đặt song song là: I pt Icp = ( 2-26 ) Kθ .K n Từ dòng điện cho phép tính toán, chọn giá trị dòng điện gần nhất cho trong bảng phụ lục ứng với từng loại cáp đảm bảo điều kiện: Icp ≤ [I]cp . Nếu cáp không mang đầy tải thì cho phép nó quá tải trong thời gian nhất định. Ví dụ cáp mang 80% phụ tải thì cho phép quá tải 30% trong thời gian 5 ngày đêm. b) Cáp đặt trong không khí Cáp đặt trong không khí thì nhiệt l−ợng truyền ra môi tr−ờng xung quanh bằng đối l−u và dẫn nhiệt. Vì vậy ph−ơng trình cân bằng nhiệt giống nh− dây trần. Phụ tải lâu dài cho phép của cáp đặt trong không khí cho trong phụ lục ứng với các 0 điều kiện tiêu chuẩn: nhiệt độ môi tr−ờng là θ0 = 25 C và nhiệt độ cho phép của cáp nh− trên. 0 Khi nhiệt độ khác 25 C cần phải đ−a vào hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ Kθ cho trong phụ lục . Đối với cáp đặt trong rãnh và t−ờng không cần đ−a vào hệ số hiệu chỉnh số cáp Kn. c) Phụ tải lâu dài cho phép của cáp đặt trong n−ớc Cáp đặt trong n−ớc, điều kiện làm mát tốt hơn so với đặt trong đất và không khí do n−ớc dẫn nhiệt tốt hơn. Toả nhiệt từ cáp ra môi tr−ờng nhờ sự truyền nhiệt bằng đối l−u do sự chuyển dời của các lớp n−ớc nóng. Vì vậy cáp đặt trong n−ớc cho phép phụ tải lớn hơn khoảng 30% so với cáp đặt trong đất. Dựa vào ph−ơng trình cân bằng nhiệt, ng−ời ta cũng rút ra dòng điện lâu dài cho phép của cáp và tính sẵn cho trong phụ lục, ứng với nhiệt độ chuẩn môi tr−ờng là: θ = 150C. 0 Khi nhiệt độ môi tr−ờng khác 15 C thì cần phải đ−a vào hệ số hiệu chỉnh Kθ. Cáp đặt trong n−ớc cũng không cần hệ số hiệu số cáp Kn. Đ 2-4. Bảo vệ dây dẫn vμ cáp bằng cầu chảy trong mạng hạ áp
20. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Nếu vì một lý do nào đó dòng điện tăng lên đột ngột hay quá tải mà không cắt mạch điện thì chất cách điện sẽ bị h− hỏng hoặc cháy dây dẫn. Để đảm bảo an toàn cho mạng điện, ngăn ngừa sự cố, ng−ời ta dùng thiết bị tự động cắt mạng điện khỏi nguồn điện. Thiết bị bảo vệ phổ biến và đơn giản nhất là cầu chảy. 1. Đặc tính của dây chảy Bộ phận chủ yếu nhất của cầu chảy là dây chảy. Nó đ−ợc chế tạo bằng kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp nh−: chì, nhôm, đồng, kẽm. ở điều kiện làm việc bình th−ờng dây chảy nh− 1 đoạn dây dẫn. Khi sự cố, dòng điện tăng lên đột ngột và nhiệt độ tăng lên v−ợt quá giá trị nóng chảy thì dây chảy tự động đứt, tách mạng điện khỏi nguồn, bảo vệ an toàn cho thiết bị và đ−ờng dây. Thân của cầu chảy có dạng hình ống tròn, hình bản phiến hay hình hộp chữ nhật. Trong cầu chảy có thể chứa đầy môi tr−ờng không cháy nh− cát, thạch anh. Dây chảy chia làm 2 loại: Loại không có quán tính ( dung l−ợng nhiệt lớn ), chế tạo bằng kim loại có điện trở suất nhỏ nh− đồng, bạc, chì và hợp kim của nó. Loại có quán tính lớn ( dung l−ợng nhiệt nhỏ ) chế tạo bằng kim loại có điện trở suất lớn nh− nhôm, kẽm và hợp kim của nó. Dòng điện định mức của dây chảy ( ký hiệu là Idc ) là dòng điện mà dây chảy có thể làm việc lâu dài không bị chảy và không nóng quá nhiệt độ quy định từ 60 - 700C. Dòng điện dây chảy đ−ợc chế tạo với các thang tiêu chuẩn nh− sau: 6; 10;15; 20; 25; 35; 60; 80; 100; 125; 160; 200; 225; 260; 300; 350; 430; 500; 600; 700; 850 và 1000A. Dây chảy đ−ợc thử nghiệm bằng 2 thông số sau đây: Dòng điện thử nghiệm nhỏ nhất ( Imin ) là dòng điện có thể chạy qua dây chảy trong thời gian từ 1 -2 giờ mà dây chảy không bị chảy. Imin = ( 1,3 -1,5 )Idc. Dòng điện thử nghiệm lớn nhất ( Imax ) là dòng điện qua dây chảy làm cho nó chảy ngay. t (s ) Imax = ( 1,6 - 2,1 )Idc Dòng điện qua dây chảy càng lớn hơn Idc thì thời gian chảy càng nhanh. Sự phụ thuộc giữa thời gian chảy và dòng điện qua dây chảy gọi là đặc tính dây chảy có dạng nh− hình 2-1. 10 1 Hình 2-1. 2 Đặc tính của dây chảy 1- dây chảy có quán tính; I I 2,5 I I (A) 2- dây chảy không có quán tính. dc min dc Thực tế đặc tính dây chảy có sự tản mạn rất lớn. Ví dụ dây chảy có Idc = 60 A sẽ chảy trong thời gian từ 0,006 - 0,1 s khi dòng điện chạy qua là 1000 A. Sự tản mạn của đặc tính
21. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - dây chảy phải đ−ợc đề cập đến khi tiến hành chọn dây chảy trên các đ−ờng dây chính và nhánh rẽ để đảm bảo tác động chọn lọc. 2. Lựa chọn dây chảy Yêu cầu khi chọn dây chảy là: - ở điều kiện làm việc bình th−ờng phải đảm bảo dẫn điện liên tục và an toàn. - Lúc sự cố phải lập tức cắt điện và chỉ cắt mạch nơi có sự cố. - Bảo đảm tính chọn lọc: khi sự cố, đ−ờng dây nhánh phía sau phải đ−ợc cắt tr−ớc đ−ờng dây chính. a) Đối với phụ tải không có dòng điện nhảy vọt nh− mạng điện thắp sáng, sinh hoạt thì dây chảy đ−ợc chọn theo dòng điện làm việc của mạng điện: Idc ≥ Ilv . ( 2-27 ) Ilv - là dòng điện làm việc của mạng điện. Tr−ờng hợp phụ tải là động cơ điện một chiều, động cơ rôto dây quấn có điện trở mở máy thì dòng điện khởi động không v−ợt quá ( 1,5 -2 )IH ,dòng điện này không nguy hiểm đối với dây chảy cho nên dây chảy có thể chọn theo dòng điện làm việc nh− ( 2-27 ). Nếu động cơ khởi động mang tải thì dòng điện dây chảy cần phải chọn tăng lên một ít, lúc đó chọn Idc ≥ 1,25 Ilv. b) Đối với phụ tải có dòng điện nhảy vọt nh− động cơ rô to lồng sóc. Dòng điện lúc mở máy có thể tăng lên từ 5 - 7 lần dòng điện định mức. Ta phải chọn dây chảy, sao cho chúng không bị chảy trong thời gian khởi động ( khoảng 10 s ). Điều kiện chọn dây chảy là: I I = mm ( 2-28 ) dc α trong đó: Imm - là dòng điện mở máy của động cơ; α - là hệ số phụ thuộc vào điều kiện khởi động; α = 1,6 - khi khởi động nặng nề ( đầy tải ) hoặc tự khởi động; α = 2 - khi khởi động ngắn hạn; α = 2,5 - khi khởi động nhẹ ( không tải hay tải nhỏ ). c) Đối với cầu chảy bảo vệ đ−ờng dây chính, trên đó có các động cơ điện và một số thụ điện khác Dây chảy chọn giá trị lớn nhất của một trong 2 điều kiện sau: n I = K ( 2-29 ) dc đt ∑ Ilv 1 I n−1 I = mmMax + K ( 2 -30 ) dc đt ∑ I lv α 1 Kđt - là hệ số đồng thời;
22. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - n - là tổng các dòng điện làm việc; ∑Ilv 1 ImmMax - là dòng điện khởi động lớn nhất của một động cơ; n−1 - là tổng các dòng điện làm việc trừ dòng điện khởi động lớn nhất. ∑Ilv 1 Nếu số động cơ của một đ−ờng dây chính lớn hơn 10 thì có thể không cần xét điều kiện thứ hai. Để bảo vệ đ−ờng dây chính có tính chọn lọc thì dây chảy ở đ−ờng dây chính phải lớn hơn dây chảy ở đ−ờng dây nhánh phía sau nó từ một đến 2 cấp. Đối với cầu dao thì chọn lớn hơn dây chảy một cấp. 3. Chọn dây dẫn và cáp phối hợp với dây chảy Để chọn dây dẫn và cáp ta phải bố trí cầu dao, cầu chảy, xác định dòng điện dây chảy, dòng điện làm việc của mạng điện. Sau đó xác định dòng điện lâu dài cho phép theo điều kiện đốt nóng có kể đến hệ số hiệu chỉnh Kθ, Kn. Dòng điện cho phép tính toán xác định theo 3 tr−ờng hợp là: mạng điện có bảo vệ quá tải và ngắn mạch; mạng điện có bảo vệ ngắn mạch và mạng điện cho đ−ờng dây chính. a) Mạng điện có bảo vệ quá tải và ngắn mạch Các mạng điện thắp sáng, sinh hoạt, nhà ở công cộng, t− nhân, các cửa hàng, mà phụ tải có thể tăng thêm; dây dẫn và cáp cần phải bảo vệ quá tải và ngắn mạch thì dòng điện cho phép tính theo công thức. Icp ≥ 1,25 Idc ( 2-31 ) Khi đó dòng điện thử nghiệm nhỏ nhất của dây chảy là: Imin = 1,3 Idc = 1,3.0,8Icp = 1,04Icp Dây chảy trong tr−ờng hợp này sẽ bảo vệ đ−ợc dây dẫn khỏi quá tải và ngắn mạch. b) Mạng điện có bảo vệ ngắn mạch ở mạng điện thắp sáng xí nghiệp nhà máy mà các phụ tải đã đ−ợc tính toán kỹ, không có khả năng tăng thêm nữa thì cầu chảy dùng để bảo vệ ngắn mạch. Lúc này dòng điện cho phép của dây dẫn chọn theo dòng điện dây chảy: Icp ≥ Idc. ( 2-32 ) Đối với các động cơ điện, mạng điện không có khả năng quá tải tiết diện dây dẫn đ−ợc chọn theo dòng điện làm việc. Icp ≥ Ilv ( 2-33 ) Đồng thời phải thoả mãn điều kiện: 1 3I ≤ I ; I ≥ I ( 2-34 ) cp dc cp 3 dc
23. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Sở dĩ nh− vậy là vì dòng điện mở máy lớn nhất Imm ≤ 7,5 IH suy ra Idc = 3IH. Nếu không thoả mãn điều kiện ( 2-34 ) thì phải tăng tiết diện dây dẫn. c) Đối với đ−ờng dây chính có nhiều phụ tải Dòng điện cho phép của dây dẫn chọn theo tổng các dòng điện làm việc có kể đến hệ số làm việc đồng thời: I = K ( 2-35 ) cp đt ∑ I lv Sau khi tính toán dòng điện lâu dài cho phép của dây dẫn, dòng điện dây chảy cần kiểm tra theo điều kiện ( 2-34 ). Nếu không thoả mãn điều kiện ( 2-34 ) thì phải tăng tiết diện dây dẫn. Dòng điện làm việc của động cơ điện đ−ợc tính nh− sau: 3 K pt .PH .10 Ilv = ( 2-36) 3U.cosϕ.η trong đó: Kpt - là hệ số phụ tải; η - là hiệu suất của động cơ; Khi P: kW, U: V thì I tính bằng A. Dòng điện làm việc của mạng điện chiếu sáng 3 pha là: P.103 Ilv = (A) ( 2-37 ) 3U Đ 2-5. Một số ví dụ tính toán mạng điện theo đốt nóng Ví dụ 1 Từ trạm biến áp đến trạm phân phối 10 kV dùng 3 cáp lõi đồng tiết diện 50 mm2 đặt trong đất, khoảng cách giữa các cáp là 200 mm cáp có cách điện bằng giấy tẩm nhựa, có nhiệt độ cho phép là: θ = 600C; nhiệt độ của môi tr−ờng là 200C. Phụ tải của máy biến áp là 5500 kW, cosϕ = 0,85. Tìm nhiệt độ phát nóng của cáp Giải. 0 0 Tra bảng phụ lục với nhiệt độ θcp = 60 C, nhiệt độ của môi tr−ờng là θ = 20 C có Kθ = 0,94. Với số cáp n = 2; D = 200 mm ta có hệ số hiệu chỉnh Kn = 0,87. 2 Cáp lõi đồng đặt trong đất tiết diện F = 50 mm có [I]cp = 180 (A) Dòng điện phụ tải của mỗi cáp là: P 5500 I = = =124,67(A) n 3.U cosϕ 3 3.10.0,85
24. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Dòng điện cho phép ứng với điều kiện thực tế là: Icp = Kθ.Kn[I]cp = 0,94.0,87.180 = 147 (A). Nhiệt độ của cáp xác định theo công thức: I θ − 20 I = →θ = ( ) 2 (60 - 15 ) + 20 I cp 60 −15 I cp 124,67 θ = ( ) 2 (60 −15) + 20 = (32,3 + 20) = 52,3 ( 0C ). 147 Nhiệt độ của cáp bảo đảm điều kiện: θ Icp = 210,2 (A) Ví dụ 3 Tính chọn dây dẫn, dây chảy và cầu dao cho mạng điện nh− hình ( 2-2 ). Điện áp của mạng điện là 380 V. Công suất điện chiếu sáng là Pcs = 7 kW với hệ số đồng thời Kđt = 0,85. Dây dẫn và cáp dùng lõi đồng bọc cách điện cao su và Polyclovinin. Các động cơ có số liệu nh− sau: Số Công suất ( Kiểu cosϕ η kmm Kpt α kW ) rôto 1 14 Pha 0,85 0,86 1,5 0,95 1,6 2 20 Lồng sóc 0,88 0,89 5,5 0,95 2,5
25. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - CC D 1 1 CD Hình 2-2. 1 Mạng điện tính toán A CD4 CC4 B CC2 D2 CD2 CC3 Pcs CD Giải 3 1. Xác định dòng điện làm việc. 3 3 K pt .PH1.10 0,95.14.10 llv1 = = = 27,6(A) 3U.cosϕ.η 3.380.0,85.0,86 3 3 K pt .PH 2 .10 0,95.20.10 Ilv2 = = = 36,8(A) 3U.cosϕ.η 3.380.0,88.0,89 3 K dt P 0,85.7.10 Ilv3 = = = 9,05(A) . 3U 3.380 2. Chọn cầu chảy và cầu dao. Idc1 = Ilv1; Căn cứ vào thang dây chảy ta chọn Idc1 = 35 (A). Chọn cầu dao lớn hơn cầu chảy một cấp: Icd =60 (A) K .I 5,5.36,8 I = mm lv = = 80,96 ( A). dc2 α 2,5 Chọn dây chảy: Idc2 = 100 (A); Cầu dao Icd2 = 125 (A) Idc3 = Ilv3 ; Căn cứ vào thang dây chảy chọn Idc3 = 10 (A); Icd3 = 15 (A). Đối với đ−ờng dây chính đoạn AB, chọn dây chảy theo 2 điều kiện sau: Idc= ∑ I lv = 27,6 + 36,8 + 9,05 = 75,25(A) . Theo thang dây chảy chọn Idc đoạn AB là Icd4 = 80 (A). n−1 K mm .I lv1 5,5.36,8 Idc = + ∑ I lv = + (27,6 + 9,05) =117,6(A) α i=1 2,5 Theo thang dây chảy chọn Idc4 = 125 (A) So sánh 2 điều kiện trên ta chọn dây chảy lớn hơn, Idc4 = 125 (A); Chọn cầu dao Icd4 = 160 (A). 3. Chọn tiết diện dây dẫn: Icp1 = Ilv1 = 27,6 (A). 2 Tra bảng phụ lục chọn dây dẫn đồng 3 lõi: 3x4mm có [I]cp = 35 (A) .
26. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Kiểm tra điều kiện Idc1 < 3[I]cp = 105 (A), bảo đảm. Icp2= Ilv2 = 36,8 (A). 2 Tra bảng phụ lục chọn dây dẫn đồng 3 lõi 3 x 6 mm có [I]cp = 42 (A). Kiểm tra điều kiện: Idc2 < 3[I[cp bảo đảm . Icp3 = 1,25Idc3 = 1,25.10=12,5 (A). 2 Tra bảng phụ lục chọn dây đồng 4 lõi tiết diện 4x1,5 mm có [I]cp = 16 (A). Đối với đ−ờng dây chính đoạn AB, chọn dây dẫn theo tổng các dòng điện làm việc: ∑Ilv = 75,25 A. 2 Tra bảng phụ lục 9, chọn dây đồng 4 lõi tiết diện 4x25 mm , có [I]cp = 90 A.
27. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Ch−ơng 3 Tổn thất công suất vμ điện năng trong mạng điện Đ 3-1. Tổn thất công suất trên đ−ờng dây 1. ý nghĩa của việc xác định tổn thất công suất Để Truyền tải điện năng đến các hộ tiêu thụ ng−ời ta dùng dây dẫn và các máy biến áp. Khi có dòng điện chạy qua, do chúng có điện trở và điện kháng nên gây ra tổn thất công suất tác dụng ΔP và công suất phản kháng ΔQ. ở đây ta tiến hành xét mạng điện ở chế độ xác lập là chế độ các thông số không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể. Từ đó làm cơ sở cho việc thiết kế, quản lý và vận hành l−ới điện một cách hợp lý nhất. Năng l−ợng tổn thất do dòng điện truyền tả (ΔA) biến thành nhiệt năng làm nóng dây dẫn và máy biến áp, cuối cùng toả ra môi tr−ờng xung quanh. Trong mạng điện có chiều dài ngắn, công suất bé thì tổn thất công suất và năng l−ợng không nhiều; nh−ng trong những mạng điện truyền tải công suất lớn và đi xa thì tổn thất công suất rất lớn ( chiếm từ 10 -15 % công suất truyền tải ). L−ợng điện bị tổn thất trong quá trình truyền tải do nhà máy điện cung cấp. Nh− vậy công suất nguồn phát phải tăng lên để bù váo phần công suất bị tổn thất, l−ợng nhiên liệu cũng tăng làm cho giá thành điện tăng cao. Mặt khác tổn thất công suất phản kháng tuy không ảnh h−ởng đến chi phí nhiên liệu nh−ng phải dùng thêm các thiết bị nh− tụ điện, máy bù đồng bộ cũng làm vốn đầu t− của mạng tăng lên. Nh− vậy việc nghiên cứu tổn thất công suất và năng l−ợng có ý nghĩa rất quan trọng. Trên cơ sở đó đề ra các biện pháp làm giảm tổn thất và hạ giá thành điện năng. 2. Tổn thất công suất trên đ−ờng dây có một phụ tải Trong mạng điện địa ph−ơng, khi tính hao tổn công suất, trong mức độ chính xác cho phép, tổn thất công suất đ−ợc tính theo điện áp định mức của mạng. Tổn thất công suất tác dụng trên đ−ờng dây dòng điện xoay chiều 3 pha đ−ợc xác định theo công thức: 2 2 2 ΔP = 3I R = 3(Ia + Ip ) R ( 3-1 ) trong đó: I - là dòng điện toàn phần truyền tải trên đ−ờng dây; Ia - là thành phần dòng điện tác dụng; Ia = Icosϕ (3-2 ) Ip - là thành phần dòng điện phản kháng; Ip = Isinϕ ( 3-3 ) R - là điện trở của dây dẫn. Thay dòng điện bằng công suất 3 pha ( S = 3U.I ) ta có:
28. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - S S 2 PQ22+ ΔP = 3 ( )2 R = R = R ( 3-4 ) 3U U2 U2 Tổn thất công suất phản kháng có giá trị là: 2 2 2 ΔQ = 3I X =3(Ia + Ip ) X ( 3-5 ) S 2 P 2 + Q 2 hay ΔQ = X = X (3-6 ) U 2 U 2 U - là điện áp điểm nút, mạng điện địa ph−ơng lấy bằng điện áp định mức Udm. Nếu P là kW; Q là kVAr; U là V; R, X là Ω thì ΔP là W và ΔQ là VAr. Khi yêu cầu tính toán chi tiết hơn thì các đại l−ợng công suất , điện áp phải lấy cùng một điểm trên đ−ờng dây. 3. Tổn thất công suất trên đ−ờng dây có nhiều phụ tải Nếu đ−ờng dây có nhiều phụ tải thì tổn thất công suất của cả đ−ờng dây bằng tổn thất công suất của các đoạn cộng lại. Giả sử đ−ờng dây có n phụ tải ( hình 3-1 ) A S1 = P1 + jQ1 1 S2 = P2 + jQ2 2 S3 = P3 + jQ3 3 Sn = Pn + jQn n R1, X1 R2, X2 R3, X3 Rn, Xn s = p + jq s = p + jq s = p + jq s = p + jq 1 1 1 2 2 2 3 3 3 n n n Hình 3-1. Đ−ờng dây có nhiều phụ tải Ký hiệu trên sơ đồ: s1, s2, sn - là công suất phụ tải tại các điểm 1, 2, n; S1, S2, Sn - là công suất truyền tải trên các đoạn 1,2 n; R1, R2, Rn ; X1, X2, Xn - là điện trở tác dụng và phản kháng trên các đoạn 1, 2, n. Công suất truyền tải trên đ−ờng dây khi không kể đến hao tổn công suất là: S1 = P1 + jQ1 = s1 +s2 + + sn. S2 = P2 +jQ2 = s2 + s3 + + sn. . . . . Sn = Pn + jQn = sn Hao tổn công suất trên các đoạn là: 2 2 2 2 P1 + Q1 P1 + Q1 ΔP1 = 2 R1;ΔQ1 = 2 X 1 U dm U dm
29. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 2 2 2 2 P2 + Q2 P2 + Q2 ΔP2 = 2 R2 ;ΔQ2 = 2 X 2 U dm U dm . . . . . . . 2 2 2 2 Pn + Qn Pn + Qn ΔPn = 2 Rn ;ΔQn = 2 X n U dm U dm Hao tổn công suất tổng cộng là: n ΔS∑ = ΔP∑ + jΔQ∑ = ΔS1 + ΔS2 + + ΔSn = ∑ ΔS i ( 3-7 ) i=1 ΔS∑ = ( ΔP1 + ΔP2 + + ΔPn ) + j (ΔQ1 + ΔQ2 + + ΔQn ) ( 3-8 ) n P 2 + Q 2 n P 2 + Q 2 ΔS = i i R + j i i X ( 3-9 ) ∑ ∑ 2 i ∑ 2 i i=1 U dm i=1 U dm Nếu đ−ờng dây nhiều phụ tải có tiết diện không đổi thì hao tổn công suất tính theo biểu thức: n P 2 + Q 2 n P 2 + Q 2 ΔS = R i i + jX i i (3-10) ∑ ∑ 2 ∑ 2 i=1 U dm i=1 U dm R, X - là điện trở tác dụng và phản kháng của cả đ−ờng dây. 4. Tổn thất công suất trên đ−ờng dây dòng điện một pha và dòng điện một chiều Hao tổn công suất trong tr−ờng hợp này đ−ợc tính t−ơng tự nh− trên nh−ng thay 3 pha bằng một pha 2 dây. + Với mạch điện xoay chiều một pha thì: 2 2 2 S 2 P + Q ΔP = 2I R = 2( ) R = 2 2 R (3-11) U dm U dm 2 2 2 S 2 P + Q ΔQ = 2I X = 2( ) X = 2 2 X (3-12) U dm U dm ở đây: Udm - là điện áp pha định mức. + Đối với mạng điện một chiều hao tổn công suất là: 2 2 P 2 P ΔP = 2I R = 2( ) R = 2 2 R (3-13) U dm U dm 5. Tổn thất công suất trên đ−ờng dây có phụ tải phân bố đều Những mạng điện có phụ tải phân bố đều nh− mạng điện thành phố hoặc khu dân c− mà cứ mỗi quãng ngắn có một phụ tải gần bằng nhau đấu vào ta có thể coi nh− mạng có phụ tải phân bố đều ( hình 3-2 ). Một cách gần đúng ta có thể coi dòng điện biến thiên dọc theo chiều dài đ−ờng dây. Lấy một vi phân chiều dài dây là dl tại điểm B. T−ơng ứng tại đó có dòng điện là:
30. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - I.l I = B L L, l - là chiều dài cả đ−ờng dây và chiều kể từ điểm xét B đến cuối đ−ờng dây A B dl C I Hình 3-2. Đ−ờng dây có phụ tải phân bố đều 0 l l L Tổn thất công suất ΔP trên một đoạn vi phân chiều dài dl có điện trở là dr: 2 2 dΔP = 3IB .dr = 3IB .r0.dl. Il dΔP = 3( ( ) 2 .r .dl (3-14) L 0 r0 - là điện trở của một đơn vị chiều dài đ−ờng dây. dr = r0dl Lấy tích phân ( 3-14 ) ta đ−ợc toàn bộ hao tổn công suất trên đ−ờng dây từ A đến C: L I.l I 2 r L I 2 r L3 ΔP = 3( ) 2 r dl = 3 0 l 2 dl = 3 0 ∫ 0 2 ∫ 2 0 L L 0 L 3 2 2 ΔP = I .r0.L = I R (3-15) So sánh ta thấy hao tổn công suất trên đ−ờng dây phân bố đều bằng 1/3 hao tổn công suất khi phụ tải tập trung ở cuối đ−ờng dây. Đ 3-2. Tổn thất công suất trong máy biến áp Tổn thất công suất trong máy biến áp gồm 2 thành phần là tổn thất trong lõi thép và trong cuộn dây của máy biến áp. 1. Tổn thất công suất trong cuộn dây của máy biến áp Khi có dòng điện chạy trong cuộn dây của máy biến áp, sinh ra hao tổn công suất gọi là hao tổn đồng ( ΔScu ). Hao tổn đồng gồm 2 thành phần là hao tổn công suất tác dụng (ΔPcu ) và hao tổn công suất phản kháng ( ΔQcu ). Các thành phần hao tổn này phụ thuộc vào dòng điện tải nên giá trị của nó cũng thay đổi theo dòng điện phụ tải. Ta xét ở chế độ tải định mức, tổn thất công suất tác dụng trong cuộn dây máy biến áp lấy bằng tổn thất công suất khi thí nghiệm ngắn mạch: 2 ΔPCudm = ΔPK = 3Idm RB (3-16) Tổn thất công suất phản kháng khi tải định mức lấy bằng tổn thất tản từ:
31. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - u %S ΔQ = p dm (3-17) Cudm 100 trong đó: up% - là điện áp phản kháng ngắn mạch % trong cuộn dây máy biến áp; RB - là điện trở tác dụng trong cuộn dây 1 pha của máy biến áp. Đối với máy biến áp công suất lớn, điện trở RB rất nhỏ so với điện kháng XB nên ΔQCu ở tải định mức có thể xác định theo điện áp ngắn mạch ( uK%). u %S ΔQ = K dm = 3I 2 X (3 -18) Cudm 100 dm B Khi máy biến áp làm việc với tải khác định mức thì tổn thất công suất tác dụng và phản kháng tính theo biểu thức: 2 2 ΔPCu = 3I RB; ΔQCu = 3I XB (3-19) trong đó : I - là dòng điện phụ tải; RB, XB - là điện trở tác dụng và phản kháng trong cuộn dây của máy biến áp. Từ ( 3-16 ) và ( 3-19 ) suy ra : S 2 S 2 S 2 ΔPCu = ΔPCudm ( ) = ΔPK ( ) = ( ) RB (3-20) Sdm Sdm U dm Từ ( 4-17 ) và ( 4-19 ) suy ra: 2 S 2 u K %S S 2 ΔQCu = ΔQCudm ( ) = = ( ) X B (3-21) S dm 100S dm U dm Hao tổn công suất trong máy biến áp là: S 2 S 2 ΔSCu = ΔPCu + jΔQCu = ( ) RB + j( ) X B (3-22) U dm U dm Udm - là điện áp định mức của cuộn sơ cấp máy biến áp. 2. Tổn thất công suất trong lõi thép của máy biến áp Tổn thất công suất trong lõi thép của máy biến áp gồm 2 thành phần là thành phần hao tổn công suất tác dụng ( ΔPFe ) và hao tổn công suất phản kháng ( ΔQFe ). Các giá trị này không phụ thuộc vào dòng phụ tải mà phụ thuộc vào cấu tạo và vật liệu của máy biến áp, đ−ợc xác định theo thông số kỹ thuật của máy biến áp: ΔSFe = ΔPFe + jΔQFe (3-23) Hao tổn công suất tác dụng trong lõi thép máy biến áp do dòng điện xoáy và từ trễ gây ra, xác định theo biểu thức: ΔPFe = ΔP0 (3- 24)
32. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Hao tổn công suất phản kháng trong lõi thép máy biến áp do tổn hao từ sinh ra tính theo công thức: I %S ΔQ = 0 dm (3-25) Fe 100 Các giá trị ΔPK, ΔP0, uK%, I0 đ−ợc cho trong lý lịch của máy biến áp theo Sdm . Hao tổn công suất tổng cộng trong máy biến áp là: ΔSB = ΔPB + jΔQB ΔSB = (ΔPFe + ΔPCu) + j(ΔQFe + ΔQCu) 2 S 2 I 0 %Sdm uK %.S ΔSB = [ΔP0 + ΔPK ( ) ] + j [ + ] (3-26) Sdm 100 100.S dm Đ 3-3. Tổn thất điện năng trên đ−ờng dây Phần năng l−ợng điện bị mất đi trong quá trình truyền tải gọi là tổn thất điện năng. Nếu trong khoảng thời gian t phụ tải của mạng điện không thay đổi thì tổn thất điện năng là: ΔA = ΔP.t. Thực tế phụ tải của đ−ờng dây luôn luôn biến thiên theo thời gian, nó biến đổi theo sự thay đổi của phụ tải và là một đại l−ợng ngẫu nhiên nên tính toán theo biểu thức trên sẽ không chính xác. Khi tính toán, dòng điện hay công suất phụ tải biến thiên theo thời gian và dạng đồ thị rất phức tạp. Ng−ời ta có thể sử dụng dạng đ−ờng cong của phụ tải hoặc phải biểu diễn gần đúng đ−ờng cong i(t); và s(t) d−ới dạng bậc thang hoá để tính toán tổn thất năng l−ợng với điện áp lấy bằng định mức. Từ biểu thức: dΔA = 3i2r.dt ta có: tttS 2 (t) P 2 (t) + Q 2 (t) ΔA = 3r.I 2 (t).dt = r dt = r dt ∫∫∫2 2 000U (t) U (t) r n n hay ΔA = S 2 Δt = 3r I 2 Δt (3-27) 2 ∑∑i i i i U dm i==11i Tuy nhiên, trong tính toán th−ờng không biết đồ thị I(t), S(t). Để tính hao tổn năng l−ợng ta phải dùng ph−ơng pháp gần đúng dựa theo một số khái niệm quy −ớc nh− thời gian sử dụng phụ tải cực đại ( Tmax ), thời gian hao tổn công suất cực đại (τ ) và dòng điện trung bình bình ph−ơng ( Itbbp ). 1. Thời gian sử dụng công suất cực đại
33. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giả sử một phụ tải biến thiên trong một năm (t = 6760 h) có đồ thị phụ tải nh− trên hình vẽ 3-3. Xét một đơn vị thời gian khá bé là dt, dòng điện có giá trị là i coi nh− không đổi, I (A) năng l−ợng truyền tải trong khoảng thời A I gian dt là: max - dA = Pdt = 3 U.i.cosϕ dt. Năng l−ợng truyền tải trên đ−ờng dây trong suốt thời gian t là: t (h) A = ∫ 3.U.i.cosϕ.dt o 0 Tmax 8760 t Hình 3-3. Đồ thị phụ tải hàng năm Nếu coi hệ số công suất là không đổi và điện áp của mạng không đổi và lấy bằng điện áp định mức U = Udm t t 3 ϕ i.dt 3 ϕ i.dt A = U. cos ∫ = Udm. cos ∫ o o t ở đây ∫ idt = S - chính là diện tích giới hạn bởi đ−ờng cong biểu diễn i(t) và các trục 0 toạ độ. Vẽ một hình chữ nhật có chiều cao bằng phụ tải cực đại Imax ( điểm A ) và diện tích bằng diện tích giới hạn bởi đ−ờng biểu diễn i(t) và các trục toạ độ thì đáy hình chữ nhật này gọi là thời sử dụng phụ tải cực đại, ký hiệu là Tmax . Ta có : t A = 3 U. cosϕ i.dt = 3 U I cosϕ T = P .T (3-28) ∫ dm max max max max o Từ đó tìm đ−ợc thời gian sử dụng phụ tải cực đại: t n i.dt ∫ ∑ii Δti A A o i=1 Tmax = = = = (3-29) Pmax 3.U dm cosϕ.I max I max I max Vậy, Thời gian sử dụng công suất cực đại là thời gian cần thiết để toàn bộ năng l−ợng cả năm truyền tải trên đ−ờng dây với dòng điện không đổi bằng dòng điện cực đại. 2. Thời gian hao tổn công suất cực đại Ta vẽ một đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa bình ph−ơng dòng điện phụ tải với biến thiên theo thời gian nh− hình 3-4.
34. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Xét một đơn vị thời gian khá bé dt, dòng 2 I ( A) A điện i coi nh− không đổi, hao tổn năng l−ợng trong khoảng thời gian dt là: dΔA = 3.r.i2dt Hao tổn năng l−ợng trong khoảng thời gian t là t ΔA = ∫ 3.r.i 2 (t).dt . o 0 Diện tích giới hạn bởi đ−ờng cong biểu τ 8760 t ( h ) 2 diễn i (t) với hệ trục toạ độ là: Hình 3-4.Đồ thị của bình ph−ơng dòng t điện phụ tải với thời gian S = .i 2 (t).dt = I 2 τ ∫ max o Ta vẽ một hình chữ nhật có chiều cao bằng bình ph−ơng dòng điện cực đại và diện tích bằng S thì đáy hình chữ nhật gọi là thời gian hao tổn công suất cực đại, ký hiệu là τ. t ΔA = 3.r .i 2 (t).dt = 3.r. I 2 τ (3-30) ∫ max o t n i 2 .dt 2 ∫ ∑ii Δti ΔA ΔA o i=1 τ = = 2 = 2 = 2 (3-31) ΔPmax 3.rI max I âmx I max Thời gian hao tổn công suất cực đại τ là thời gian cần thiết để dòng điện phụ tải cực đại truyền tải trên đ−ờng dây gây ra hao tổn năng l−ợng bằng hao tổn năng l−ợng thực tế trong cả năm. Từ ( 3-31 ) cho thấy, nếu biết đồ thị phụ tải hoặc Imax và tổng trở đ−ờng dây thì chỉ cần xác định τ là ta tìm đ−ợc ΔA. Giữa τ và Tmax có mối quan hệ với nhau tuỳ thuộc vào hệ số cosϕ. Để vẽ đ−ờng cong biểu diễn mối quan hệ τ = f(Tmax) ta làm nh− sau: Thu thập các đồ thị phụ tải của các hộ dùng điện khác nhau và phân loại chúng thành từng nhóm với cosϕ khác nhau, vẽ thành các đuờng cong. Dựa vào đ−ờng cong này ứng với mỗi giá trị của Tmax ta có một giá trị của τ. Căn cứ vào đó vẽ đ−ợc đ−ờng cong τ = f( Tmax ) nh− trên hình 3-5. Từ đồ thị hình 3-5, khi biết Tmax và cosϕ ta có thể tìm đ−ợc τ và ng−ợc lại. Mỗi nhóm thụ điện có một giá trị Tmax đặc tr−ng, ví dụ mạng điện chiếu sáng trong nhà, Tmax=1500 - 2000 h. Nhà máy làm việc 1 ca, Tmax = 2000 - 3000 h, 2 ca Tmax = 3000 - 5000 h, 3 ca, Tmax =
35. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 5000 - 7000 h. Khi không biết đồ thị phụ tải,nếu biết Tmax thì τ có thể đ−ợc xác định bằng công thức thực nghiệm của KeZevít: - 4 2 τ = ( 0,124 + Tmax.10 ) .8760 (3-32) Đối với các đ−ờng dây điện áp cao nhất là từ 330 kV trở lên, ngoài tổn thất điện năng do phát nóng dây dẫn còn có τ.103( h) tổn thất điện năng do vầng quang điện 8,7 gây ra. Nh− vậy đối vối đ−ờng dây siêu 8 cao áp hao tổn điện năng có giá trị là: 7 ΔA = ΔP τ + ΔP .T. 6 max vq cosϕ = 0,6 ΔPvq - là tổn thất do vầng quang điện 5 cosϕ = 0,8 gây ra. Trong các bảng tra, ng−ời ta cho 4 các giá trị cực đại và cực tiểu của hao 3 tổn vầng quang để tính giá trị trung bình cosϕ = 1 2 hao tổn ΔPvqtb. T - là thời gian xuất hiện vầng quang 1 T (h) điện. Khi tính theo ΔPvqtb thì thời gian 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 8760 tính hao tổn là một năm (t = 8760 h). Hình 3-5. 3. Dòng điện trung bình bình Đ−ờng cong biểu diễn quan hệ τ = f(Tmax) ph−ơng Trên đồ thị biểu diễn bình ph−ơng dòng điện phụ tải với thời gian ( hình 3-6 ), ta dựng một hình chữ nhật có đáy là 8760 h và có diện tích bằng diện tích giới hạn bởi đ−ờng cong i2(t) và các trục toạ độ thì chiều cao của hình chữ nhật gọi là dòng điện trung bình bình ph−ơng, ký hiệu là Itbbp. I2 (A) Hình 3-6. Itbbp Dòng điện trung bình bình ph−ơng t (h) 0 8760 Theo đồ thị ta có:
36. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 8760 Δ i 2dt = 2 A = 3r ∫ 3r.I tbbp.8760 (3-33) 0 8760 i 2 dt ∫ I 2 τ τ I = 0 = max = I (3-34) tbbp 8760 8760 max 8760 Nếu thời gian truyền tải trong khoảng thời gian t thì: T ∫ i 2 dt I = 0 (3-35) tbbp t Nếu đồ thị phụ tải cho bằng công suất thì tổn thất điện năng xác định theo biểu thức 2 S1 2 S 2 2 S n 2 S tbbp ΔA = [( ) t1 + ( ) t2 + ( ) tn ].r = 2 r.t (3-36) U dm U dm U dm U dm trong đó: S1, S2, Sn - là công suất truyền tải ứng với thời gian t1, t2, tn ; Stbbp - là công suất trung bình bình ph−ơng. r - điện trở đ−ờng dây. 4. Tổn thất điện năng trên đ−ờng dây có nhiều phụ tải + Khi các phụ tải có hệ số cosϕ giống nhau thì tổn thất điện năng trong đ−ờng dây có nhiều phụ tải là: τ τ n ΔA = (S 2 r + S 2 r + S 2 r ) = S 2 r (3-37) 2 1 1 2 2 n n 2 ∑ i i U dm U dm i=1 trong đó: S1, S2, Sn - là công suất truyền tải trên các đoạn; r1, r2, rn - là điện trở của các đoạn. + Khi cosϕ và Tmax trên các đoạn đ−ờng dây khác nhau thì tổn thất năng l−ợng lấy bằng tổng tổn thất năng l−ợng của các đoạn: S1 2 S 2 Sn 2 ΔA = ( ) r1τ 1 + ( r2τ 2 + ( ) rnτ n (3-38) U dm U dm U dm Nếu cosϕ và Tmax của các phụ tải khác nhau không nhiều (≤ 500 h) ta dùng trị số cosϕbq và Tmaxbq để tính. Từ Tmaxbq và cosϕbq ta xác định giá trị của τbq và thay vào biểu thức (3-37) để tính hao tổn năng l−ợng. Tr−ờng hợp các giá trị khác nhau nhiều (≥ 500 h), ta phải tính giá trị bình quân trên từng đoạn và thay vào biểu thức (3-38) để tính hao tổn năng l−ợng.
37. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - n ∑ si cosϕ i s1 cosϕ1 + s2 cosϕ 2 + + sn cosϕ n i=1 cosϕbq = = n s1 + s2 + + sn ∑ si i=1 n ∑ pi maxTi max p1maxT1max + p2 maxT2 max + + pn maxTn max i=1 Và Tmaxbq = = n p1max + p2 max + + pn max ∑ pi max i=1 Trong đó: si - công suất phụ tải thứ i cosϕi- hệ số công suất của phụ tải thứ i pimax- công suất tác dụng của phụ tải thứ i Timax- thời gian sử dụng công suất cực đại của phụ tải thứ i Đ 3-4. Tổn thất điện năng trong máy biến áp và trạm biến áp Tổn thất trong máy biến áp gồm 2 thành phần: một thành phần phụ thuộc vào phụ tải và một thành phần không phụ thuộc vào phụ tải . Vì vậy tổn thất năng l−ợng trong máy biến áp cũng có 2 thành phần: thành phần không phụ thuộc vào phụ tải, xác định theo thời gian làm việc của máy biến áp, thành phần phụ thuộc tải xác định theo thời gian tổn thất công suất cực đại τ. Sau đây ta xét tổn thất năng l−ợng trong trạm biến áp có một máy và trong trạm có nhiều máy làm việc song song. 1. Tổn thất điện năng trong trạm biến áp có một máy biến áp + Nếu không biết đồ thị phụ tải: Khi biết công suất tiêu thụ và τ thì ta có thể tính đ−ợc năng l−ợng tổn thất theo biểu thức: ΔAB = ΔAFe + ΔAcu. S 2 ΔAB = ΔPFe.t + ΔPcu.τ = ΔP0.t + ΔPk( ) τ (3-39) Sdm trong đó: t, τ - là thời gian vận hành và thời gian hao tổn công suất cực đại của máy biến áp; S, Sdm - là công suất phụ tải cực đại và công suất định mức của máy biến áp. + Tr−ờng hợp biết phụ tải của máy biến áp: Giả sử biết Sdm và đồ thị phụ tải hàng năm của máy biến áp ( hình 3-7 ).
38. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - S ( kVA ) S 1 S 2 Hình 3-7. S Đồ thị phụ tải hàng năm 3 S4 T1 T2 T3 T4 t (h) trong đó: S1, S2, S4 - là phụ tải của máy biến áp; T1, T2, T4 - là thời gian xảy ra t−ơng ứng với phụ tải S1, S2, S4 . Tổn thất điện năng trong máy biến áp với t = 8760h là: S1 2 S2 2 S4 2 ΔAB = ΔP0.t + ΔPk( ) T1 + ΔPk ( ) T2 + ΔPk ( ) T4 (3-40) Sd Sdm Sdm trong đó: ΔPk - là tổn thất ngắn mạch trong máy biến áp; T1 = t1; T2 = t2 - t1; T3 = t3 - t2, T4 = 8760 - t3. 2. Tổn thất năng l−ợng trong trạm biến áp có nhiều máy biến áp làm việc song song. + Các máy biến áp có các thông số giống nhau: Các máy biến áp làm việc song song nhiều hay ít là do phụ tải tăng hay giảm và tuỳ thuộc vào chế độ vận hành của trạm. Giả sử trạm biến áp có đồ thị phụ tải hàng năm nh− hình 3-7. Trong thời gian T1 phụ tải của trạm biến áp là S1 và dùng n1 máy làm việc song song. Thời gian T2 phụ tải là S2 có n2 máy làm việc song song Tổn thất điện năng của trạm biến áp khi điện áp bằng điện áp định mức là: 2 2 ⎛ S ⎞ ⎛ S ⎞ ΔA = n ΔP T + n ΔP T + n ΔP T + n ΔP ⎜ 1 ⎟ n ΔP ⎜ 2 ⎟ + n ΔP T 1 0 1 2 0 2 n 0 n 1 k⎜ ⎟ T1 + 2 k ⎜ ⎟ T2 + 2 k ⎝ n1S dm ⎠ ⎝ n2 S dm ⎠ 2 ⎛ S ⎞ ⎜ n ⎟ ⎜ ⎟ Tn ⎝ nn S dm ⎠
39. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ⎡ 2 2 2 ⎤ T1 ⎛ S1 ⎞ T2 ⎛ S2 ⎞ Tn ⎛ Sn ⎞ ΔAT = ΔP0( n1T1 + n2T2 + nnTn ) + ΔPk ⎢ ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ + + ⎜ ⎟ ⎥ (3-41 ) n ⎜ S ⎟ n ⎜ S ⎟ n ⎜ S ⎟ ⎣⎢ 1 ⎝ dm ⎠ 2 ⎝ dm ⎠ n ⎝ dm ⎠ ⎦⎥ Tổng quát: 2 n n T ⎛ S ⎞ ΔA = ΔP i ⎜ i ⎟ (3-42 ) T 0 ∑ niTi + ΔPk ∑ ⎜ ⎟ i=1 i=1 ni ⎝ S dm ⎠ Nếu có n máy biến áp làm việc song song vận hành suốt cả năm, Smax là công suất cực đại của phụ tải trạm thì: 2 1 ⎛ S ⎞ ⎜ max ⎟ ΔA = n ΔP0.t + ΔPk ⎜ ⎟ τ (3-43) n ⎝ S dm ⎠ + Đối với các máy biến áp ghép song song có dung l−ợng khác nhau (điều kiện phải đảm bảo là các máy có uk% nh− nhau) thì phụ tải phân bố giữa chúng tỷ lệ với công suất định mức của mỗi máy: Sdm1 S dmn S1 = S. , , Sn = S. Sdmi S dmi ∑ ∑ S1 Sn Trong đó: S1 Sn là phụ tải các máy biến áp nhận đ−ợc, Sdm1, sdmn là công suất định mức của các máy biến áp. S Sau khi xác định đ−ợc công suất phụ tải đi qua từng máy biến áp, ta tính đ−ợc hao tổn công suất và điện năng của từng máy biến áp. Hao tổn công suất của trạm bằng tổng các hao tổn của các máy cộng lại ΔSΣmax = ∑(ΔP0i + ΔPcu max i ) + j(ΔQ0i + ΔQcu max i ) Hao tổn điện năng của trạm đ−ợc tính theo thời gian làm việc của các máy biến áp và phụ tải t−ơng ứng đi qua các máy biến áp. Nếu thời gian làm việc song song của các máy biến áp trong suốt cả năm thì tính theo công suất cực đậi đi qua từng máy và τ của đồ thị phụ tải. Đ 3-5. ảnh h−ởng của tổn thất điện năng đến giá thμnh truyền tải Tổn thất điện năng có ảnh h−ởng đến giá thành truyền tải. Để nâng cao tính kinh tế trong vận hành mạng điện, tr−ớc hết ta đề ra một số biện pháp giảm tổn thất điện năng. 1. Các biện pháp làm giảm tổn thất điện năng trong mạng điện + Nâng cao hệ số công suất của phụ tải:
40. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Sử dụng các thiết bị điện một cách hợp lý, không để chúng làm việc non tải là cách tốt nhất để nâng cao hệ số cosϕ. Đối với các động cơ không đồng bộ ng−ời ta có sử dụng các biện pháp sau: - Chọn công suất động cơ phù hợp với công suất của máy công tác. - Chuyển đổi dây quấn động cơ từ đấu Δ sang đấu Y ( động cơ rôto dây quấn ) khi động cơ mang tải d−ới 40%. - Hạn chế động cơ làm việc không tải. - Thay động cơ không đồng bộ bằng động cơ đồng bộ. + Giảm công suất phản kháng truyền tải trong mạng điện. Khi đặt tụ điện hay máy bù đồng bộ tại hộ dùng điện phát ra công suất phản kháng là QB thì công suất phản kháng cần thiết để truyền tải trên đ−ờng dây sẽ giảm xuống bằng (Q - QB ). Do đó tổn thất công suất giảm đi: P 2 + (Q − Q ) 2 P 2 + (Q − Q ) 2 ΔP = B R; ΔQ = B X (3-44 ) U 2 U 2 + Nâng cao điện áp vận hành của hệ thống điện: Nếu điện áp của mạng điện nâng cao hơn a% thì tổn thất công suất sẽ giảm đi một l−ợng là: ⎡ ⎤ S 2 S 2 S 2 ⎢ 1 ⎥ ΔP = 2 R − R = 2 ⎢1 − ⎥R (3-45 ) U a 2 U a 2 [U + ] ⎢ (1 + ) ⎥ 100 ⎣⎢ 100 ⎦⎥ Nâng cao điện áp của mạng điện có thể thực hiện bằng cách nâng cao cấp điện áp định mức của mạng điện, điều chỉnh đầu phân áp của máy biến áp hay nâng cao điện áp của máy phát điện và dùng các biện pháp bù. + Thay đổi số l−ợng máy biến áp vận hành song song. Tuỳ mức độ phụ tải thay đổi mà số l−ợng máy biến áp làm việc song song cũng thay đổi. Ta biết rằng tổn thất công suất tác dụng trong máy biến áp là: S 2 ΔP = ΔP + ΔP = ΔP + R (3-46 ) Fe cu 0 U 2 B
41. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Hình 3-8 ΔP ( kW ) Quan hệ giữa công suất S và tổn thất công suất tác dụng trong máy biến áp 1- một máy làm việc; 2 - hai máy làm việc song song; 3 3. ba máy làm việc song song. 2 S1, S2 - là công suất giới hạn. 1 Dựa vào biểu thức (3-46), 0 S1 S2 S ( kVA ) ng−ời ta lập đ−ờng cong biểu diễn mối quan hệ giữa ΔP và S. Sau đó vẽ quan hệ ΔP = f(S) khi có 1, 2, 3 máy làm việc song song nh− trên hình 3-8. Căn cứ vào phụ tải của máy biến áp ta chọn đ−ợc số l−ợng máy biến áp làm việc song song phù hợp để có ΔPmin. Theo giải tích ng−ời ta cũng tìm đ−ợc công suất giới hạn để chuyển từ n máy làm việc song song về n - 1 máy vận hành song song: n n−1 2 2 ΔPFen (∑∑S dmi ) ( S dmi ) i=1 i=1 S = n−1 n n n−1 (3-47 ) 2 2 [(∑∑ΔPKi .)( S dmi ) ] −[( ∑∑ΔPKi ).( S dmi ) ] i==11i i = 1i=1 Nếu trạm biến áp có n máy dung l−ợng giống nhau bằng Sdm thì công suất giới hạn của n máy là: ΔPFe S = Sdm n(n −1) (3-48 ) ΔPK Công suất giới hạn của một máy là: S (n −1) ΔPFe S1 = = Sdm (3-49 ) n n ΔPK 2. ảnh h−ởng của tổn thất điện năng đến giá thành truyền tải Giá thành truyền tải điện năng gồm có vốn đầu t− cơ bản K và chi phí vận hành hàng năm Y. + Vốn đầu t− cơ bản K: vốn đầu t− cơ bản gồm 2 phần, một phần để mua sắm các thiết bị và tài sản (Kt ) và phần đầu t− xây dựng, lắp đặt thiết bị ( Kx ). K = Kt + Kx.
42. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đối với mạng điện thì tuỳ thuộc vào kiểu nhà máy điện. Với nhà máy nhiệt điện giá trị Kt = 60%, nhà máy thuỷ điện Kt = 28 - 30%, với đ−ờng dây thì Kt = 85 - 90%. + Chi phí vận hành hàng năm Y: chi phí vận hành gồm có khấu hao, hao mòn thiết bị, chi phí phục vụ sửa chữa định kỳ và chi phí tổn thất điện năng hàng năm. - Khấu hao hao mòn thiết bị dùng để thay thế thiết bị h− hỏng và lạc hậu, ký hiệu là Ba%, nó đ−ợc tính theo % so với vốn đầu t− cơ bản: KC− 100 B% = . (3-50 ) a TK trong đó: T - là thời gian thu hồi vốn đầu t− của công trình; C - giá thành đào thải của công trình sau T năm. - Chi phí sửa chữa định kỳ và phục vụ ( Bp%) để trả công cho cán bộ quản lý, vận hành, mua sắm các thiết bị thí nghiệm và sửa chữa công trình, nó đ−ợc tính theo % so với vốn đầu t− cơ bản. + Chi phí tổn thất điện năng hàng năm xác định theo công thức: c.ΔA = c.ΔPmaxτ (3-51 ) c - là giá thành tổn thất điện năng ( đồng /kWh ). Chi phí vận hành hàng năm của mạng điện có giá trị là: Y = ( Ba%+ Bp%) K + c.ΔA. Y = avhK + c.ΔA (3-52 ) ở đây avh - là hệ số vận hành, nó là hệ số khấu hao hao mòn, sửa chữa định kỳ phục vụ mạng điện, tính theo % so với vốn đầu t− cơ bản. Với cột bê tông avh = 4%; cột gỗ avh = 12%; trạm biến áp avh = 14%. Giá thành truyền tải điện năng là: Y Y β = = (3-53 ) A PTmax. max A - là điện năng tiêu thụ hàng năm. Muốn giá thành truyền tải điện năng β min thì ngoài việc avh nhỏ còn phải có ΔA nhỏ. 3. Tính toán, so sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của mạng điện Trong thực tế xác định đ−ợc một ph−ơng án tối −u thoả mãn cả hai điều kiện có vốn đầu t− ít và chi phí vận hành nhỏ là không thực hiện đ−ợc. Để chọn ph−ơng án tối −u, th−ờng ng−ời ta phải so sánh về kinh tế và kỹ thuật. Mục đích của nó là xác định hiệu quả của các ph−ơng án đã đáp ứng yêu cầu kỹ thuật sau khi tiến hành so sánh về kinh tế.
43. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Khi so sánh các ph−ơng án ta th−ờng gặp các tình huống nh− sau: Hai ph−ơng án có: K1 Y2 thì ph−ơng án 2 kinh tế hơn. Nếu 2 ph−ơng án có: K1 Y2 ng−ời ta không thể so sánh trực tiếp các ph−ơng án mà phải đánh giá theo thời gian thu hồi vốn đầu t− phụ tiêu chuẩn xác định theo công thức: K − K T = 2 1 (3-54 ) Y1 − Y2 Sau đó tiến hành so sánh T với thời gian thu hồi vốn đầu t− tiêu chuẩn Ttc. Nếu T = Ttc thì 2 ph−ơng án đầu t− có giá trị nh− nhau. T Ttc , ph−ơng án 1 kinh tế hơn. Thời gian thu hồi vốn đầu t− tiêu chuẩn phụ thuộc vào điều kiện kinh tế của mỗi n−ớc. Ví dụ ở Liên Xô ( cũ ) Ttc = 8 năm, ở Việt Nam Ttc ch−a đ−ợc khảo sát kỹ càng, nh−ng trong tính toán ng−ời ta th−ờng lấy thấp hơn (6 - 8 năm). Từ ( 3-54 ) ta có: K 2 − K1 = Ttc hay Y1Ttc + K2 = Y2Ttc + K2. Y1 − Y2 K1 K 2 Y1 + = Y2 + Ttc Ttc K Đặt z = Y + là chi phí tính toán hàng năm. Ttc z = atc.K + Y (3-55 ) K trong đó: atc = - là hệ số thu hồi vốn đầu t− phụ tiêu chuẩn. Ttc Ph−ơng án kinh tế hơn là ph−ơng án có z min: z = atcK + Y → Min. (3-56) Khi so sánh ph−ơng án, nếu z chênh lệch nhau không quá 5% thì coi t−ơng đ−ơng về mặt kinh tế. Nếu các ph−ơng án có độ tin cây cung cấp điện khác nhau thì cần tính toán thiệt hại cho nền kinh tế do việc ngừng cung cấp điện gây ra.
44. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Đ3-6. Chọn tiết diện dây dẫn vμ cáp theo chỉ tiêu kinh tế 1. Mật độ dòng điện kinh tế Đối với đ−ờng dây truyền tải ở mạng điện khu vực, do công suất lớn, điện áp cao, đ−ờng dây dài nên chi phí vận hành khá lớn. Mặt khác các thiết bị điều chỉnh điện áp khá tốt nên ít phải chú ý đến tổn thất điện áp. Vì vậy tiết diện dây dẫn và cáp đ−ợc chọn theo điều kiện kinh tế. Tức là chọn F dây dẫn và cáp sao cho chi phí tính toán là nhỏ nhất. Hàm chi phí tính toán có giá trị là: z = ( avh + atc )K + cΔA. ρ.l z = ( a + a )K + c3I2 τ (3-57 ) vh tc max F Vốn đầu t− cơ bản cho đ−ờng dây phụ thuộc vào tiết diện, có thể xác định theo công thức: K = K0 + n( a + bF ) (3-58 ) trong đó: K0 - là giá thành 1 km đ−ờng dây phần không phụ thuộc vào tiết diện ( đồng/km); n - là số mạch đ−ờng dây đi song song; a - hệ số phụ thuộc vào điện áp đ−ờng dây ( đồng/ km ); b - là hệ số phản ảnh sự phụ thuộc của giá thành đ−ờng dây vào tiết diện dây dẫn (đồng/km.mm2 ). Thay giá trị của K vào z ta có: ρ.l z = ( a + a ) [ K + n ( a + bF )] + 3I2 τ.c. . vh tc 0 max F (3-59 ) Tiết diện tối −u của dây dẫn, ký hiệu là Fkt đ−ợc xác định khi đạo hàm z = 0 .∂z 2 l = (avh + atc )nbl − 3I maxτcρ 2 = 0 ∂Fkt Fkt 3ρτc hay Fkt = Imax (3-60 ) (avh + atc )nb Tiết diện dây dẫn chọn theo ( 3-60 ) gọi là tiết diện ứng với hàm chi phí z cực tiểu. Theo ( 3-59 ) ta thấy hàm chi phí z của đ−ờng dây có 2 phần: một phần liên quan đến giá thành dây dẫn, ký hiệu là zK và một phần liên quan đến tổn thất điện năng ký hiệu là zΔA
45. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - z(F) = zK + zΔA (3-61 ) Đ−ờng cong biểu diễn hàm chi phí z(F) có dạng nh− hình 3-9 . Hình 3-9. Z Sự phụ thuộc giữa giá thành đ−ờng dây vào tiết diện dây dẫn Ta thấy đồ thị có điểm thấp nhất ứng với zmin có một giá trị F. Tiết diện ứng với zmin gọi là tiết diện kinh tế ( Fkt ). Mật độ dòng điện ứng với Fkt gọi là mật độ dòng điện kinh tế, ký hiệu là J : Fkt F kt I max (avh + atc )nb Jkt = = ( 3-62 ) Fkt 3ρτc Tuỳ thuộc vào thời gian sử dụng công suất cực đại, vật liệu làm dây dẫn, các hệ số, số mạch nhánh, khu vực và lãnh thổ ta xác định đ−ợc Jkt theo biểu thức trên. Trong bảng 1 cho giá trị Jkt của Liên Xô cũ ứng với Tmax và các vật liệu khác nhau làm dây dẫn. Bảng 1. Mật độ dòng điện kinh tế Jkt Thời gian sử dụng phụ tải cực đại T ( h ) Loại dây dẫn max 1000 - 3000 3000 - 5000 5000 - 8760 Dây đồng trần 2,5 2,1 1,8 Dây nhôm và thép nhôm trần. 1,3 1,1 1,0 Dây cáp bọc giấy tẩm và dây dẫn bọc cao su: - Lõi đồng. 3,0 2,5 2,0 - Lõi nhôm. 1,6 1,4 1,2 Dây cáp bọc cao su lõi đồng. 3,5 3,1 2,7 2. Ph−ơng pháp chung tính toán tiết diện dây dẫn theo Jkt + Khi tiết diện dây dẫn thay đổi: sử dụng khi các phụ tải cách xa nhau, mỗi đoạn đ−ờng dây ta chọn một tiết diện. - Xác định dòng điện truyền tải trên các đoạn đ−ờng dây:
46. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - S1 P1 S 2 P2 S n Pn I1 = = ; I2 = = ; I n = = 3U 3U cosϕ1 3U 3U cosϕ 2 3U 3U cosϕ n trong đó: P1, P2, Pn - là công suất truyền tải trên các đoạn; U - là điện áp lấy bằng điện áp Udm; cosϕ1, cosϕ2, cosϕn - là hệ số công suất trên các đoạn. - Căn cứ vào loại dây dẫn và Tmax chọn Jkt. - Tính tiết diện dây dẫn: I1 I 2 I n F1 = ;F2 = ; Fn = J kt J kt J kt - Lựa chọn tiết diện quy chuẩn. - Xác định tổn thất điện áp thực tế và so sánh với giá trị cho phép (đối với các mạng có điện áp định mức Udm < 35 kV). Đối với mạng có nhiều phụ tải, thời gian Tmax và cosϕ khác nhau thì ta phải sử dụng Tmaxbq và cosϕtb tính cho từng đoạn. + Tr−ờng hợp tiết diện không đổi trên suốt chiều dài đ−ờng dây - Xác định dòng điện đẳng trị Iđt. Đ−ờng dây truyền tải dòng điện đẳng trị quy −ớc sẽ t−ơng đ−ơng về mặt tổn thất công suất với đ−ờng dây truyền tải dòng điện thực, ta có: ρ.l 3ρ 3I 2 = ( I 2l + I 2l + I 2l ). đt F F 1 1 2 2 n n n n 2 2 ∑ I i li ∑ Si li i=1 1 i=1 suy ra Idt = = (3-63 ) l1 + l2 + ln 3U dm l1 + l2 + ln trong đó: II12,, In - là dòng điện truyền tải trên đoạn 1, 2, n ; ll12,, ln - là chiều dài các đoạn 1, 2, n. - Tính giá trị trung bình của thời gian sử dụng phụ tải cực đại: trong tr−ờng hợp các phụ tải có Tmax khác nhau, ta tinh thời gian sử dụng công suất cực đại theo giá trị bình quân cho các đoạn đ−ờng dây
47. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - n ∑Ti pi T1 p1 + T2 p2 + Tn pn i=1 Tmaxbq = = n (3-64 ) p1 + p2 + pn ∑ pi i=1 ở đây: T1, T2, Tn -là thời gian sử dụng công suất cực đại của phụ tải 1, 2, n; p1, p2, pn - là công suất tác dụng cực đại của phụ tải 1, 2, n. - Căn cứ vào loại dây dẫn và Tmaxbq chọn Jkt - Tính tiết diện dây dẫn: I F = dt (3-65 ) J kt Đối với các mạng điện có Udm < 35 kV, sau khi chọn xong tiết diện dây dẫn, ta xác định tổn thất điện áp thực tế và so sánh với giá trị cho phép. Đ3-7. Một số ví dụ tính toán tổn thất năng l−ợng Ví dụ 1 Một mạng điện gồm đ−ờng dây cao áp, điện áp 10 kV dài L = 5km cung cấp cho máy biến áp có công suất định mức SH = 180 10/0,4 kV ( hình 3-10 ) phía hạ áp có các đoạn l1 = 0,1 km dùng dây dẫn A-50, phụ tải là s1 = 40 + j30 kVA, đoạn l2 = 0,1 km dùng 2 dây A-50 phụ tải s2 = 66 + j49,5 kVA; Đoạn l3 = 0,5 km, dùng dây A-35, phụ tải s3 = 14 + j10,5 kVA, đoạn thứ t− l4 = 0,5 km dùng dây A-50 phụ tải s4 = 10 + j7,5 kVA. Biết năng l−ợng truyền tải hàng năm là 455000 kWh. Tìm tiền chi phí tổn thất năng l−ợng trong một năm, cho giá tiền điện c = 600 đ/kWh. Hình 3-10. Mạng điện có một số phụ tải s4 s1 L1 L4 A L L2 L3 S2 S3
48. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giải . 1. Tính các thông số của mạng điện: Tổn thất năng l−ợng trong mạng điện gồm 3 thành phần: trên đ−ờng dây cao áp, trong máy biến áp và trên đ−ờng dây hạ áp. Công suất tiêu thụ cực đại của máy biến áp là: S = P + jQ = s1 + s2 + s3 + s4 = 40 + j30 + 66 + j49,5 + 14 + j10,5 + 10 + j7,5 = 130 + j 97,5 = 162,5∠0,8 kVA. Công suất truyền tải trên đoạn l2 là: S2 = P2 + jQ2 = s2 + s3 + s4 = 66 + j49,5 + 14 + j10,5 + 10 + j7,5 = 90 + j 67,5. Thời gian sử dụng tải cực đại là: A 455000 Tmax = = = 3500(h) Pmax 130 Tra đ−ờng cong τ = f(Tmax) với cosϕ = 0,8 ta đ−ợc τ = 2300 (h). Tra bảng phụ lục tìm điện trở dây dẫn và tính điện trở của đ−ờng dây: R = r0.L = 0,65.5 = 3,25 (Ω). R1 = r01.l1 = 0,64.0,1 = 0,064 ( Ω). R2 = r02.l2 = 0,5.0,64.0,1 = 0,032 (Ω). (tính cho 2 đ−ờng dây đi song song) R3 = r03.l3 = 0,92.0,5 = 0,46 (Ω). R4 = r04.l4 = 0,64.0,5 = 0,32 (Ω). 2. Tính tổn thất năng l−ợng trên đ−ờng dây hạ áp: τ ΔA = p 2 R dh 2 2 ∑ i i U dm .cosϕ 2300.10−3 ΔA = (402.0,064 + 902.0,032 + 142.0,32 + 102.0,46) = 11755 (kWh). dh 0,382.0,82 3. Tổn thất năng l−ợng trong máy biến áp: Tra bảng phụ lục đối với máy biến áp 180 10/0,4 kV có ΔP0 = 1 kW, ΔPK = 4 kW. 2 ⎛ ⎞ 2 ΔA = ΔP .t + ΔP S = 1.8760 + 4⎛162,5 ⎞ B 0 K ⎜ ⎟ .τ ⎜ ⎟ .2300 =16250(kWh) ⎝ Sdm ⎠ ⎝ 180 ⎠ 4. Hao tổn năng l−ợng trên đ−ờng dây cao áp. Dòng điện truyền tải là:
49. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - S 162,5 I = = = 9,4(A) 3U dm 3.10 2 2 -3 ΔAdc = 3RI τ = 3.3,25.9,4 .2300.10 = 1981 ( kWh ). Tổn thất năng l−ợng tổng cộng là: ΔA = ΔAdc + ΔAB + ΔAdh = 11750 + 16250 + 1981 = 29986 ( kWh ). ΔA 29986 ΔA% = .100 = .100 = 6,59% . A 455000 5. Giá tiền chi phí cho tổn thất năng l−ợng trong một năm là: Y = cΔA = 600.29986 = 17.991 103 (đồng). Ví dụ 2 Xác định tổn thất công suất, tổn thất điện năng trong một năm của trạm biến áp 10/0,4 kV gồm 2 máy biến áp làm việc song song, công suất mỗi máy là SH = 560 kVA. Đồ thị phụ tải hàng ngày của máy biến áp cho trên hình 3-11. Phụ tải cực đại của trạm biến áp là Smax = 1000 kVA, cosϕ = 0,8. Hai máy biến áp vận hành trong một năm có 182 ngày mùa hè, 183 ngày mùa đông. S (%) Hình 3-11. 100 1 Đồ thị phụ tải hàng 90 80 2 ngày của máy biến áp 1 - mùa đông; 60 2 - mùa hè. 40 20 Giải. 0 4 11 14 20 24 t (h) 1. Xác định tổn thất công suất trong máy biến áp. Tra loại máy biến áp SH = 560 kVA ta có ΔP0 = 2,5 kW, ΔPK = 9,4 kW, uK% =5,5%; i0% = 6%. 2 2 1 ⎛ S ⎞ ⎛1000 ⎞ ⎜ ⎟ ΔP = nΔP0 + ΔPK ⎜ ⎟ = 2.2,5 + 0,5.9,4.⎜ ⎟ = 19,98(kW ) . n ⎝ Sdm ⎠ ⎝ 560 ⎠ n.I %.S u %.S 2 2.6.560 5,5.10002 ΔQ = 0 dm + k = + = 67,3 + 49 =116,3(kVAr). 100 n.100.S dm 100 2.100.560
50. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ΔSB = 19,98 + j116,3 ( kVA ). 2. Xác định thời gian sử dụng phụ tải cực đại: Dựa vào đồ thị phụ tải hàng ngày ta xác định đ−ợc thời gian sử dụng phụ tải cực đại nh− sau: - Mùa đông: công suất 100% có Tđ1 = 183 ( 7 + 6 ) = 2379 ( h ). Công suất 95% có Tđ2 = 183 ( 4 + 3 + 4 ) = 2013 ( h ). - Mùa hè: công suất 90% có: Th1 = 182 ( 6 + 7 ) = 2366 ( h ). Công suất 85% có: Th2 = 182 ( 4 + 3 + 4 ) = 2002 ( h ). n n ∑ Si .Δti Si % Si % Tmax = = ∑ Tdi +∑ Thi Smax i=1 S max % i=1 S max % 100.2379 + 95.2013 90.2366 + 85.2002 = + = 8120(h) 100 100 Tra đ−ờng cong τ = f(Tmax), ứng với cosϕ = 0,8 ta đ−ợc τ = 7500 h. 3. Xác định tổn thất năng l−ợng trong máy biến áp: 2 2 ΔP ⎛ S ⎞ 9,4 ⎛1000 K ⎜ ⎟ ⎞ ΔA = n ΔP0.t + ⎜ ⎟ τ = 2.2,5.8760 + ⎜ ⎟ .7500 = 156204(kWh) n ⎝ Sdm ⎠ 2 ⎝ 560 ⎠ Ví dụ 3 Mạng điện gồm 2 tuyến dây điện áp 35 kV cung cấp cho 2 máy biến áp có đồ thị phụ tải nh− hình 3-12. Chiều dài đ−ờng dây là: L = 15 km, dùng dây dẫn AC-150 ( d = 17 mm; r0 = 0,21 Ω/km; x0 = 0,415 Ω/km ). Công suất định mức của một máy biến áp là: Sdm = 7500 kVA, cosϕ = 0,9 có ΔP0 = 24 kW, ΔPK = 75 kW, uk% = 7,5%, i0% = 3,5%. Xác định tổn thất công suất trong mạng điện khi phụ tải cực đại , tổn thất điện năng khi phụ tải cực đại và tổn thất điện năng hàng năm của mạng trong các chế độ vận hành khác nhau. P ( 103 kW) 10 L 5 St 2,5 t (h) 0 2000 4000 6000 8760
51. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Hình 3-12. Sơ đồ mạng điện và đồ thị phụ tải để tính tổn thất điện năng Giải. 1. Xác định tổn thất công suất trong trạm biến áp khi tải cực đại: ( lúc đó 2 máy làm việc song song ). 2 2 1 ⎛ P ⎞ 75 ⎛ 10 ⎞ ⎜ ⎟ ΔPB = nΔP0 + ΔPK ⎜ ⎟ = 2.24 + ⎜ ⎟ = 48 + 82 = 130(kW ) n ⎝ cosϕ.Sdm ⎠ 2 ⎝ 0,9.7,5 ⎠ 2 2 ⎛ P ⎞ ⎛10⎞ ⎜ ⎟ 3 uK%⎜ ⎟ ⎜ ⎟ .10 n.i0%.Sdm 1 ⎝cosϕ⎠ 2.3,5.7500 7,5 ⎝0,9⎠ ΔQB = + = + 3 =525+617=1142(kVAr). 100 n 100.Sdm 100 2 100.7,5.10 ΔSB = ΔPB + jΔQB = 130 + j1142 ( kVA ) 2. Tổn thất công suất trên đ−ờng dây khi phụ tải cực đại: 2 2 ⎛ P ⎞ ⎛ 10 ⎞ ⎜ ⎟ 0,21.15.⎜ ⎟ ⎝ cosϕ ⎠ ⎝ 0,9 ⎠ 3 ΔPd = 0,5 r0.L. 2 = 0,5 2 10 = 158,7(kW ). U dm 35 2 2 ⎛ P ⎞ ⎛ 10 ⎞ ⎜ ⎟ 0,415.15.⎜ ⎟ ⎝ cosϕ ⎠ ⎝ 0,9 ⎠ 3 ΔQd = 0,5 x0.L. 2 = 0,5 2 10 = 313,6(kVAr). U dm 35 ΔSd = ΔPd + jΔQd = 158,7 + j313,6 ( kVA ). 3. Tổn thất công suất tổng cộng của đ−ờng dây và máy biến áp khi phụ tải cực đại là: ΔS = ΔP + jΔQ = ΔSB + ΔSd = 288,7 + j1455,6 (kVA). 4. Xác định tổn thất năng l−ợng trên đ−ờng dây: 2 2 2 2 ∑ Pi Δti 10 .2000 + 5 .2000 + 2,5 .4760 τ = 2 = 2 = 2797,5 ( h ). Pmax 10 ΔAd = ΔPd.τ = 158,7.2797,5 = 443963 ( kWh ). 5. Xác định tổn thất năng l−ợng trong máy biến áp: + Khi hai máy vận hành song song trong suốt 1 năm, hao tổn năng l−ợng trong trạm biến áp là: ΔPK S max 2 75 10.000 2 ΔAT = n.ΔP0.t + ( ) τ = 2.24.8760 + ( ) 2797,5 = 650.726,9 (kWh) n S dm 2 0,9.7500 Tổng hao tổn: ΔA1Σ = ΔAd + ΔAT = 443963 + 650.726,9 = 1.094.689,9 (kWh)
52. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - + Khi chế độ vận hành thay đổi, nếu tải nhỏ cắt bớt một máy: căn cứ vào đồ thị phụ tải ta thấy khi phụ tải của trạm từ 5000 kW trở xuống thì cắt 1 máy. Tổn thất năng l−ợng trong trạm biến áp tính dựa theo các khoảng thời gian của đồ thị tải và trị số công suất và số máy vận hành song song t−ơng ứng Δt S ΔA = ΔP n Δt + ΔP i i 2 = 24(2.2000 + 1.2000 + 1.4760) + T 0 ∑ i i K ∑ ( ) ni S dm ⎛ 2000 10.000 2000 5000 4760 2500 ⎞ + 75⎜ ( ) 2 + ( ) 2 + ( ) 2 ⎟ = 554.123,25 kWh ⎝ 2 0,9.7500 1 0,9.7500 1 0,9.7500 ⎠ Tổng hao tổn: ΔA2Σ = ΔAd + ΔAT = 443963 + 554.123,25 = 998.086,25 (kWh) Năng l−ợng truyền tải hàng năm là: 3 3 A = P1Δt1 + P2Δt2 + P3Δt3 = (10.2000 + 5.2000 + 2,5.4760)10 = 41900.10 ( kWh). ΔA1Σ 1.094.689,9 ΔA Σ% = 100 = .100 = 2,6126% 1 A 41900.103 ΔA2Σ 998.086,25 ΔA Σ% = 100 = .100 = 2,382% 2 A 41900.103 Ví dụ 4 Một đ−ờng dây 35 kV cung cấp cho ba phụ tải có công suất và chiều dài đ−ờng dây ghi trên sơ đồ 3-13. Hãy tìm tiết diện dây dẫn cho 2 tr−ờng hợp: tiết diện thay đổi và không đổi theo điều kiện kinh tế. Biết dây dẫn làm bằng thép nhôm và thời gian sử dụng phụ tải cực đại của các phụ tải Tmax = 4500 h A l1 = 2km 1 l2 =3 km 2 l3 = 2km 3 S1 S2 S3 s1 = 320∠0,8 s3 =180∠0,85 s3 = 1000∠0,8 Hình 3-13. Mạng điện có một số phụ tải Giải. 1. Tính công suất truyền tải trên các đoạn: Từ công thức s = s.cosϕ + j s.sinϕ ta đổi công suất các phụ tải d−ới dạng: s1 = s1.cosϕ + js1.sinϕ = 320 .0,8 + j320.0,6 = 256 + j 192 ( kVA ). s2 = 180.0,85 + j 180.0,53 = 153 + j 95 ( kVA ) s3 = 1000.0,8 + j 1000.0,6 = 800 + j 600 ( kVA ) Công suất truyền tải trên các đoạn là: S3 = s3 = 800 + j 600 ( kVA ) S2 = s2 + s3 = 153 =j 95 + 800 + j 600 = 956 + j 695 =1179∠0,8 ( kVA )