Bé lao éng th ng binh vµ x héi Tr êng ¹i häc s ph¹m kü thuët nam Þnh Th.S. Hà Thị Thịnh Ks. Phí Văn Hùng TẬP BÀI GIẢNG CUNG CẤP ĐIỆN Mã số: TB2011-03-02 Nam Þnh 2011
LỜI NÓI ĐẦU Tập bài giảng cung cấp điện dùng để giảng dạy cho sinh viên Đại học các ngành thuộc Khoa Điện - Điện tử của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Tập bài giảng này nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức về tính toán, thiết kế hệ thống cung cấp điện trong các mạng điện xí nghiệp công nghiệp, mạng điện khu đô thị, mạng điện nông thôn. Nội dung gồm các chương sau: Chương 1: Khái quát về cung cấp điện Chương 2: Tính toán phụ tải điện Chương 3: Tính toán tổn thất trong hệ thống cung cấp điện Chương 4: Tính toán ngắn mạch mạng hạ áp Chương 5: Tính chọn thiết bị điện hạ áp Chương 6: Chiếu sáng công nghiệp Chương 7: Nâng cao hệ số công suất trong hệ thống cung cấp điện Tập bài giảng này đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến môn học, phù hợp với đối tượng sinh viên. Những nội dung lý thuyết gắn liền với thực tế, để thiết kế hệ thống cung cấp điện trong các mạng điện xí nghiệp công nghiệp, mạng điện khu đô thị, mạng điện nông thôn. Nhóm biên soạn đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của bạn đọc. NHÓM BIÊN SOẠN Hà Thị Thịnh - Phí Văn Hùng 1
Các ký hiệu thường gặp trong bản vẽ nhà máy điện TT Ký hiệu Từ viết tắt Ý nghĩa 1 MCĐ Máy cắt điện 2 DCL Cầu dao cách ly 3 DCL Cầu dao nối đất 4 CCCA Cầu chì cao áp 5 MC Máy cắt hợp bộ 6 CSV Chống sét van 7 BI Biến dòng điện 8 BU Biến điện áp 2 cuộn dây 9 BU Biến điện áp 3 cuộn dây 10 CK Kháng điện 2
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU... 1 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ CUNG CẤP ĐIỆN... 8 1.1. Nguồn năng lượng tự nhiên và đặc điểm của năng lượng điện... 8 1.2. Nhà máy điện... 9 1.2.1. Nhà máy nhiệt điện.... 9 1.2.2. Nhà máy thuỷ điện.... 10 1.2.3. Nhà máy điện nguyên tử.... 12 1.3. Mạng lưới điện... 13 1.4. Hộ tiêu thụ... 15 1.5. Những yêu cầu và nội dung chủ yếu khi thiết kế hệ thống cung cấp điện.... 16 1.6. Các chỉ tiêu cơ bản đánh giá chất lượng điện năng... 17 1.6.1. Chất lượng tần số... 17 1.6.2. Chất lượng điện áp... 17 1.7. Sơ đồ mạng điện áp thấp.... 19 1.7.1. Sơ đồ mạng điện động lực.... 19 1.7.2. Sơ đồ mạng điện chiếu sáng.... 21 1.8. Kết cấu của mạng điện.... 21 1.8.1. Đường dây trên không.... 21 1.8.2. Đường dây cáp.... 25 1.8.3. Kết cấu của mạng cáp.... 28 1.8.4. Kết cấu của mạng điện phân xưởng.... 30 1.9. Phân loại trạm biến áp... 32 1.9.1. Khái quát... 32 1.9.2. Phân loại trạm biến áp.... 34 1.10. Chọn vị trí, số lượng và dung lượng trạm biến áp... 34 1.10.1. Chọn vị trí trạm biến áp... 34 1.10.2. Chọn số lượng trạm biến áp... 35 1.10.3. Chọn dung lượng máy biến áp:... 35 1.11. Sơ đồ nối dây trạm biến áp... 38 1.11.1. Sơ đồ nối dây của trạm biến áp trung gian.... 39 1.11.2. Sơ đồ nối dây trạm phân phối.... 40 1.11.3. Sơ đồ nối dây của trạm biến áp phân xưởng.... 41 1.12. Kết cấu trạm biến áp phân xưởng... 44 1.13. Vận hành trạm biến áp... 47 1.13.1. Vận hành kinh tế máy biến áp... 48 3
1.13.2. Trình tự thao tác đóng cắt các thiết bị điện... 50 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1... 51 Chương 2: TÍNH TOÁN PHỤ TẢI ĐIỆN... 52 2.1. Đặt vấn đề... 52 2.2. Đồ thị phụ tải điện... 52 2.2.1. Đồ thị phụ tải hàng ngày.... 53 2.2.2. Đồ thị phụ tải hàng tháng.... 53 2.2.3. Đồ thị phụ tải hàng năm.... 54 2.3. Các đại lượng cơ bản.... 55 2.3.1. Công suất định mức.... 55 2.3.2. Phụ tải trung bình... 56 2.3.3. Phụ tải cực đại.... 56 2.4. Các hệ số tính toán.... 58 2.4.1. Hệ số sử dụng ( ksd).... 58 2.4.2. Hệ số phụ tải ( kpt).... 59 2.4.3. Hệ số cực đại, kmax.... 59 2.4.3. Hệ số nhu cầu (knc ).... 61 2.4.4. Hệ số đồng thời, kdt.... 61 2.4.5. Số thiết bị dùng điện có hiệu quả, nhq.... 61 2.4.6. Thời gian sử dụng công suất cực đại, Tmax.... 64 2.4.7. Thời gian chịu tổn thất công suất lớn nhất,... 65 2.5. Các phương pháp xác định công suất tính toán.... 66 2.5.1. Xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt và hệ số nhu cầu.... 66 2.5.2. Xác định phụ tải tính toán theo công suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất... 67 2.5.3. Xác định phụ tải tính toán theo suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm... 68 2.5.4. Xác định phụ tải tính toán theo hệ số cực đại kmax và công suất trung bình Ptb... 68 2.6. Phương pháp tính một số phụ tải đặc biệt.... 72 2.6.1 Xác định phụ tải đỉnh nhọn... 72 2.6.2. Xác định công suất tính toán ở các cấp trong mạng điện.... 73 2.7. Xác định tâm phụ tải.... 75 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2... 77 BÀI TẬP CHƯƠNG 2... 77 4
Chương 3: TÍNH TOÁN TỔN THẤT TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN... 79 3.1. Khái niệm chung... 79 3.2. Tính toán tổn thất điện áp trên đường dây... 79 3.2.1. Sơ đồ thay thế đường dây tải điện... 79 3.2.2. Đường dây có 1 phụ tải tập trung... 80 3.2.3. Đường dây có nhiều phụ tải tập trung... 82 3.2.4. Đường dây có rẽ nhánh.... 84 3.2.5. Đường dây có phụ tải phân bố đều.... 85 3.2.6. Tổn thất điện áp trong máy biến áp... 86 3.3. Tổn thất công suất... 86 3.3.1. Tổn thất công suất trên đường dây.... 86 3.3.2. Tổn thất công suất trong máy biến áp... 87 3.4. Tổn thất điện năng... 88 3.4.1. Tổn thất điện năng trên đường dây... 88 3.4.2. Tổn thất điện năng trong máy biến áp... 90 BÀI TẬP CHƯƠNG 3... 92 Chương 4: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH MẠNG HẠ ÁP... 96 4.1. Khái niệm chung... 96 4.2. Các dạng ngắn mạch chính... 96 4.2.1. Ngắn mạch ba pha: kí hiệu N (3)... 96 4.2.2. Ngắn mạch hai pha: kí hiệu N (2)... 96 4.2.3. Ngắn mạch một pha: kí hiệu N (1)... 96 4.2.4. Ngắn mach hai pha chạm đất: kí hiệu N (1,1)... 97 4.3. Nguyên nhân và hậu quả của ngắn mạch:... 98 4.3.1. Nguyên nhân... 98 4.3.2. Hậu quả... 99 4.3.3. Biện pháp hạn chế... 99 4.4. Mục đích của tính toán ngắn mạch... 99 4.5. Tính toán điện trở, điện kháng của các phần tử trong sơ đồ... 99 4.5.1.Tính toán điện trở, điện kháng của máy biến áp... 100 4.5.2. Tính toán điện trở, điện kháng của đường dây hạ áp... 100 4.5.3. Tính toán điện trở, điện kháng của áptômát... 100 4.5.4. Tính toán điện trở, điện kháng của thanh cái... 100 4.6. Biến đổi sơ đồ và tính toán dòng ngắn mạch hạ áp... 101 4.7. Ví dụ tính toán ngắn mạch mạng hạ áp (U<1000V)... 102 4.8. Giới thiệu phần mềm tính toán hệ thống cung cấp điện.... 104 5
4.8.1. Phần mềm Ecodial... 104 4.8.2. Phần mềm DocWin- ABB... 136 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4... 137 BÀI TẬP CHƯƠNG 4... 137 Chương 5: TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN HẠ ÁP... 141 5.1. Những điều kiện chung để chọn các thiết bị điện.... 141 5.1.1. Chọn thiết bị theo điều kiện làm việc lâu dài... 141 5.1.2. Kiểm tra thiết bị theo điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt.... 143 5.2. Chọn và kiểm tra dây dẫn và cáp... 145 5.2.1. Chọn dây dẫn, dây cáp theo điều kiện phát nóng.... 146 5.2.2. Chọn cáp và dây dẫn theo điều kiện mật độ dòng kinh tế.... 147 5.2.3. Chọn cáp, dây dẫn theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép.... 150 5.2.4. Chọn dây dẫn kết hợp với cầu chì... 153 5.3. Lựa chọn và kiểm tra thiết bị điện hạ áp.... 153 5.3.1. Lựa chọn và kiểm tra máy cắt hạ áp... 153 5.3.2. Chọn và kiểm tra cầu chì hạ áp... 155 5.3.3. Chọn tủ phân phối hạ thế... 159 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 5 BÀI TẬP CHƯƠNG 5 Chương 6: CHIẾU SÁNG CÔNG NGHIỆP... 170 6.1. Khái niệm chung.... 170 6.2. Các đại lượng và đơn vị đo ánh sáng... 170 6.2.1. Quang thông: F... 171 6.2.2. Góc khối: d... 172 6.2.3. Cường độ sáng :I... 172 6.2.4. Độ rọi: E... 173 6.2.5. Độ chói: L... 175 6.2.6. Độ trưng: M... 176 6.3. Các loại đèn chiếu sáng... 176 6.3.1. Đèn dây tóc... 176 6.3.2. Đèn huỳnh quang... 177 6.3.3. Đèn hơi thuỷ ngân... 178 6.3.4. Một số loại đèn khác... 179 6.4. Các hình thức chiếu sáng:... 180 6.4.1. Chiếu sáng chung, chiếu sáng cục bộ và chiếu sáng hỗn hợp... 180 6.4.2. Chiếu sáng làm việc và chiếu sáng sự cố:... 181 6
6.4.3. Chiếu sáng trong nhà, chiếu sáng ngoài trời:... 181 6.5. Các phương pháp tính toán chiếu sáng... 181 6.5.1. Phương pháp suất phụ tải chiếu sáng:... 181 6.5.2. Phương pháp hệ số sử dụng... 183 6.6. Tính toán chiếu sáng theo phương pháp điểm... 184 6.7. Thiết kế chiếu sáng... 186 6.7.1. Những số liệu ban đầu... 186 6.7.2. Trình tự thiết kế chiếu sáng... 187 6.7.3. Giới thiệu phần mềm tính toán thiết kế chiếu sáng... 191 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 6... 193 BÀI TẬP CHƯƠNG 6 Chương 7: NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN... 194 7.1. Khái niệm chung... 194 7.2. Bản chất của hệ số công suất... 194 7.3. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số cos... 195 7.4. Các biện pháp nâng cao hệ số công suất... 196 7.4.1. Các biện pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên... 197 7.4.2. Nâng cao hệ số công suất bằng cách đặt thiết bị bù... 198 7.5. Các thiết bị bù... 198 7.6. Xác định dung lượng bù... 199 7.7. Xác định vị trí lắp đặt tụ bù... 201 7.8. Phân phối thiết bị bù trong mạng điện xí nghiệp:... 203 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 7... 210 BÀI TẬP CHƯƠNG 7... 210 TÀI LIỆU THAM KHẢO... 213 7
Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ CUNG CẤP ĐIỆN 1.1. Nguồn năng lượng tự nhiên và đặc điểm của năng lượng điện Ngày nay trên thế giới đã tạo ra ngày càng nhiều của cải vật chất, trong số đó năng lượng cũng là một dạng của cải vật chất quan trọng. Năng lượng ngày càng cần nhiều theo nhu cầu, ngày càng tăng của đời sống và sản xuất thiên nhiên xung quanh ta rất giàu nguồn năng lượng, than đá, dầu khí, nguồn nước và nguồn nhiệt lượng... đó là những nguồn năng lượng vô cùng quí báu với con người. Năng lượng điện hay còn gọi là điện năng, hiện nay là một dạng năng lượng phổ biến, sản lượng điện trên thế giới ngày càng tăng, chiếm hàng nghìn tỷ Kwh. Sở dĩ điện năng được thông dụng như vậy vì nó có nhiều ưu điểm như dễ dàng chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác (cơ, hóa, nhiệt vv...) dễ truyền tải đi xa, hiệu suất lại cao. Trong quá trình sản xuất và phân phối, điện năng có một số đặc điểm chính như sau: Điện năng sản xuất ra nói chung không tích trữ được (trừ một vài trường hợp đặc biệt với công suất rất nhỏ như pin, ắc quy). Tại mọi thời điểm luôn phải bảo đảm cân bằng giữa lượng điện năng sản xuất ra với lượng điện năng tiêu thụ kể cả tổn thất do truyền tải. Các quá trình về điện xảy ra rất nhanh (chẳng hạn sóng điện từ lan truyền trong dây dẫn với tốc độ rất lớn xấp xỉ tốc độ ánh sáng 300.000 km /s), sóng sét lan truyền trên đường dây, thời gian đóng cắt mạch điện, thời gian tác động của các bảo vệ... thường xẩy ra trong khoảng < 0,1s. Đặc điểm này đòi hỏi chúng ta phải sử dụng rộng rãi các thiết bị tự động trong công tác vận hành, điều độ hệ thống cung cấp điện ở trạng thái làm việc bình thường cũng như lúc sự cố, nhằm đảm bảo cho hệ thống cung cấp điện làm việc an toàn, tin cậy và kinh tế. Ngành điện lực có liên quan chặt chẽ đến nhiều ngành kinh tế quốc dân khác như: Luyện kim, hoá chất, khai thác mỏ, cơ khí, công nghiệp nhẹ và dân dụng... Nó là một trong những động lực tăng năng xuất lao động, tạo nên sự phát triển nhịp nhàng trong cơ cấu kinh tế. Ngoài các đặc điểm chủ yếu đã nêu trên cũng cần chú ý là việc sản xuất, truyền tải và cung cấp điện luôn được thực hiện theo một kế hoạch chung trong toàn hệ thống điện. Hệ thống điện bao gồm các khâu: Phát điện, truyền tải, phân phối, cung cấp điện 8
tới các hộ tiêu thụ và sử dụng điện, được thực hiện bởi các nhà máy điện, trạm phát điện, mạng lưới điện và các thiết bị dùng điện khác. 1.2. Nhà máy điện Điện năng là một sản phẩm được sản xuất được sản xuất ra từ các nhà máy điện. Hiện nay các nhà máy điện lớn đều phát ra năng lượng dòng điện xoay chiều ba pha, rất ít nhà máy phát năng lượng dòng điện một chiều. Trong công nghiệp muốn dùng năng lượng dòng điện một chiều thì người ta dùng chỉnh lưu để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Nguyên lý chung để sản xuất ra điện ở các nhà máy điện là từ một dạng năng lượng sơ cấp nào đó muốn chuyển thành điện năng đều phải biến đổi qua một cấp trung gian là cơ năng làm quay máy phát điện để phát ra điện năng. Nguồn năng lượng thường dùng trong đa số các nhà máy điện hiện nay vẫn là năng lượng các chất đốt và năng lượng nước. Từ năm 1954, ở một số nước tiên tiến đã bắt đầu xây dựng một số nhà máy điện dùng năng lượng nguyên tử. 1.2.1. Nhà máy nhiệt điện. Đây là một dạng nguồn điện kinh điển nhưng đến nay vẫn còn được sử dụng rất phổ biến. Quá trình biến đổi năng lượng trong nhà máy nhiệt điện được mô tả như sau: Nhiệt năng - cơ năng - điện năng 1. Lò đốt 2. Hơi nước 3. Tuốc bin 4. Máy phát điện 5. Buồng ngưng 6. Bơm nước bổ sung 7. Chất thải 2 1 7 6 Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý công nghệ của quá trình sản xuất điện trong các nhà máy nhiệt điện 5 3 4 ~ a. Ưu điểm của nhà máy nhiệt điện: - Có thể xây dựng ở nhiều nơi trong lãnh thổ đất nước. - Phát điện không phụ thuộc vào thời tiết, chỉ cần đủ nhiên liệu. - Thời gian xây dựng ngắn. - Diện tích cho xây dựng nhà máy không lớn. 9