TỔNG QUAN VỀ LƯỚI PHÂN PHỐI
Cấu trúc lưới phân phối
1.1.1 Khái ni ệ m v ề l ướ i phân ph ố i
Lưới phân phối là thành phần thiết yếu trong hệ thống điện, bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, cùng với các đường dây truyền tải và phân phối điện kết nối với nhau.
Hệ thống lưới phân phối có nhiệm vụ cung cấp điện năng từ các trạm trung gian đến các phụ tải, đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của nguồn điện trong giới hạn cho phép Tuy nhiên, độ tin cậy của lưới phân phối phụ thuộc vào yêu cầu của phụ tải và chất lượng của lưới điện, điều này bị ảnh hưởng bởi các yếu tố kinh tế và kỹ thuật.
Lưới phân phối điện gồm 2 thành phần:
Lưới phân phối trung áp đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện, với điện áp trung bình từ 6-35 kV Các mức điện áp thường sử dụng bao gồm 6, 10, 22 và 35 kV, giúp phân phối điện đến các trạm trung áp, hạ áp, và cung cấp năng lượng cho các phụ tải trung áp cũng như lưới hạ áp phục vụ cho các phụ tải hạ áp.
- Lưới phân phối hạ áp: Có cấp điện áp thấp (380/220V hay 220/110V) đưa điện năng tới hộ dùng điện
Lưới phân phối có chiều dài lớn và cấu trúc phân nhánh, hình tia hoặc mạch vòng, cung cấp điện trực tiếp cho các hộ tiêu thụ Do đó, mọi nguyên nhân ảnh hưởng đến quá trình truyền tải của lưới phân phối đều tác động trực tiếp đến các hộ tiêu thụ.
Trong thiết kế và vận hành lưới phân phối, cần xây dựng các phương án nhằm đảm bảo chất lượng năng lượng và có kế hoạch dự phòng hợp lý.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội tập trung vào nghiên cứu các lý do xảy ra sự cố trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật Mục tiêu là giảm xác suất xảy ra sự cố và hạn chế thiệt hại kinh tế cho các hộ tiêu thụ.
1.1.2 Đặ c đ i ể m và phân lo ạ i l ướ i phân ph ố i đ i ệ n
1.1.2.1 Một số đặc điểm của lưới phân phối
Lưới phân phối có tầm quan trọng cũng như có ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của hệ thống điện như:
- Trực tiếp cấp điện và đảm bảo chất lượng điện năng cho phụ tải (chủ yếu là điện áp)
Lưới phân phối trung áp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải Mỗi sự cố xảy ra trên lưới này đều có ảnh hưởng trực tiếp đến sinh hoạt của người dân cũng như các hoạt động kinh tế và xã hội.
- Tỷ lệ điện năng bị mất (điện năng mất/tổng điện năng phân phối) do ngừng điện được thống kê như sau:
+ Do ngừng điện lưới 110kV trở lên : (0.1-0.3)x10 -4
+ Do sự cố lưới điện trung áp : 4.5x10 -4
+ Do ngừng điện kế hoạch lưới trung áp : 2.5x10 -4
+ Do sự cố lưới điện hạ áp : 2.0x10 -4
+ Do ngừng điện kế hoạch lưới hạ áp : 2.0x10 -4
Điện năng bị mất do sự cố và ngừng điện kế hoạch trong lưới phân phối chiếm 98%, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động kinh tế xã hội Ngừng điện, dù là do sự cố hay kế hoạch, trên lưới phân phối trung áp, tác động lớn đến sự ổn định và phát triển của các ngành nghề.
- Chi phí đầu tư xây dựng lưới phân phối chiếm tỷ lệ lớn khoảng 50% của hệ thống điện (35% cho nguồn điện, 15% cho lưới hệ thống và lưới truyền tải)
- Tổn thất điện năng trong lưới phân phối lớn gấp 2-3 lần lưới truyền tải và chiếm (65-70)% tổn thất toàn hệ thống
- Lưới phân phối gần với người sử dụng điện do đó vấn đề an toàn điện cũng rất quan trọng
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 4
1.1.2.2 Phân loại lưới điện phân phối trung áp
Lưới điện phân phối trung áp được phân theo 3 dạng sau:
- Theo đối tượng và địa bàn phục vụ: có 3 loại
+ Lưới phân phối thành phố
+ Lưới phân phối nông thôn
+ Lưới phân phối xí nghiệp
- Theo thiết bị dẫn điện:
+ Lưới phân phối trên không
+ Lưới phân phối cáp ngầm
- Theo cấu trúc hình dáng:
+ Lưới phân phối hở (hình tia) có phân đoạn và không phân đoạn + Lưới phân phối kín vận hành hở (LPP K/H)
+ Hệ thống phân phối điện
Lưới điện phân phối, đặc biệt là lưới phân phối trung áp, đóng vai trò quan trọng trong quy hoạch và vận hành, vì vậy nó nhận được sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu Các tiến bộ khoa học được áp dụng để cải thiện điều khiển và vận hành lưới trung áp, điều này thể hiện qua số lượng lớn công trình nghiên cứu được công bố trên các tạp chí khoa học Để xây dựng cấu trúc lưới phân phối hiệu quả và đảm bảo độ tin cậy, các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lưới phân phối đã được đề xuất.
1.1.2.3 Các chỉ tiêu và tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của lưới phân phối điện Để làm cơ sở xây dựng cấu trúc lưới phân phối về mọi mặt cũng như trong quy hoạch và vận hành lưới phân phối người ta đưa ra các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lưới phân phối Chất lượng lưới phân phối được đánh giá trên
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 5
- Sự phục vụ đối với khách hàng
- Ảnh hưởng tới môi trường
- Hiệu quả kinh tế đối với cách doanh nghiệp cung cấp điện
Các tiêu chuẩn đánh giá như sau:
- Độ tin cậy cung cấp điện
- Hiệu quả kinh tế (giá thành tải điện nhỏ nhất)
- Độ an toàn (an toàn cho người, thiết bị phân phối, nguy cơ hoả hoạn)
- Ảnh hưởng đến môi trường (cảnh quan, môi sinh, ảnh hưởng đến đường dây thông tin)
Tiêu chuẩn thứ nhất và thứ hai trong các tiêu chuẩn điện năng có liên quan trực tiếp đến chất lượng phục vụ của lưới điện phân phối.
Các phần tử của lưới phân phối điện bao gồm:
- Máy biến áp trung gian, máy biến áp phân phối
- Thiết bị dẫn điện: Đường dây điện gồm dây dẫn và phụ kiện
Thiết bị đóng cắt và bảo vệ bao gồm các thành phần quan trọng như máy cắt, dao cách ly, cầu chì, hệ thống bảo vệ rơle và aptômát Những thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống điện, ngăn ngừa quá điện áp và giảm thiểu dòng ngắn mạch, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các ứng dụng điện.
Thiết bị điều chỉnh điện áp bao gồm các thiết bị điều áp dưới tải trong trạm trung gian, thiết bị thay đổi đầu phân áp ngoài tải ở máy biến áp phân phối, cũng như các tụ bù ngang và dọc Ngoài ra, còn có thiết bị đối xứng hoá và thiết bị lọc sóng hài bậc cao, đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định và cải thiện chất lượng điện năng.
Các thiết bị đo lường bao gồm công tơ đo điện năng tác dụng, điện năng phản kháng, đồng hồ đo điện áp và dòng điện, cùng với thiết bị truyền thông tin đo lường, đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và quản lý tiêu thụ điện năng.
- Thiết bị giảm tổn thất điện năng: Tụ bù
Thiết bị nâng cao độ tin cậy bao gồm các giải pháp như thiết bị tự đóng lại, thiết bị tự đóng nguồn dự trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo trên đường dây, và kháng điện hạn chế ngắn mạch Những thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống điện.
- Thiết bị điều khiển xa hoặc tự động: Máy tính điện tử, thiết bị đo xa
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 6
Phương pháp phân phối điện trung áp và nối đất trung tính cuộn
1.2.1 Ph ươ ng pháp phân ph ố i đ i ệ n trung áp
Có 2 phương pháp phân phối điện trong lưới phân phối điện trung áp:
* Ph ươ ng pháp dùng l ướ i đ i ệ n 3 pha :
Điện năng được truyền tải qua hệ thống 3 dây pha, sử dụng máy biến áp trung áp với cuộn trung áp đấu sao Trung tính được nối đất qua tổng trở Z, tuy nhiên không có dây trung tính đi kèm theo lưới điện.
Hình 1.2.1.a L ướ i đ i ệ n 3 pha trung tính máy bi ế n áp n ố i đấ t qua t ổ ng tr ở
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 12
* Ph ươ ng pháp dùng l ướ i đ i ệ n 3 pha và 1 dây trung tính
Phương pháp truyền tải điện này bao gồm 3 dây pha và 1 dây trung tính, với việc nối đất được thực hiện khoảng 300m một lần Trong hệ thống lưới điện, cuộn dây trung áp của máy biến áp được nối theo kiểu sao, và dây trung tính được nối đất trực tiếp.
Hình 1.2.1.b L ướ i đ i ệ n 3 pha và 1 dây trung tính 1.2.2 Ph ươ ng pháp n ố i đấ t trung tính cu ộ n trung áp c ủ a MBA ngu ồ n 1.2.2.1 Trung tính không nối đất( Z=∞)
Ưu điểm của hệ thống điện là khả năng tiếp tục hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định khi xảy ra sự cố chạm đất Điều này cho phép người vận hành có thời gian để xác định và khắc phục sự cố, từ đó nâng cao độ tin cậy của mạng điện.
+ Tăng giá thành của lưới điện do cách điện của lưới điện được chế tạo phải chịu được điện áp dây
Chỉ áp dụng cho lưới điện có dòng điện chạm đất do điện dung gây ra nhỏ hơn giá trị giới hạn; nếu dòng điện này vượt quá giới hạn, hồ quang sẽ lặp lại và duy trì khi chạm đất một pha, dẫn đến quá điện áp và tiềm ẩn nguy cơ cho lưới điện.
+ Khi xảy ra chạm đất 1 pha, điện áp các pha còn lại có thể tăng cao gây quá áp và cộng hưởng nguy hiểm cho cách điện
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 13
Trong thực tế, hệ thống lưới điện trung tính không nối đất thường được áp dụng cho các lưới phân phối có điện áp 6kV và 10kV Đối với lưới điện có điện áp từ 15kV đến 35kV, việc sử dụng trung tính không nối đất chỉ nên thực hiện khi chiều dài của lưới điện là ngắn.
1.2.2.2 Trung tính nối đất trực tiếp( Z=0)
Khi xảy ra chạm đất một pha, hiện tượng này sẽ dẫn đến ngắn mạch một pha Để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, rơle bảo vệ sẽ tự động cắt phần tử hư hỏng ra khỏi lưới điện.
+ Giảm mức cách điện của đường dây trên không và cáp, do mạng điện chỉ dùng cách điện pha nên giá thành của lưới hạ
Dòng điện ngắn mạch 1 pha có thể đạt mức rất cao, gây hại cho thiết bị trong trạm biến áp và đường dây Hiện tượng này làm tăng tốc độ lão hóa của máy biến áp và cáp, đồng thời tạo ra điện áp cảm ứng mạnh trên các đường dây lân cận và dây điện thoại.
+ Độ tin cậy cung cấp điện giảm vì khi chạm đất lưới điện bị cắt ra
Trung tính nối đất trực tiếp được áp dụng cho lưới điện có cấp điện áp từ 15kV đến 20kV, với điều kiện các tác hại do sự cố ngắn mạch một pha được kiểm soát trong giới hạn cho phép.
1.2.2.3 Trung tính nối đất qua điện trở hoặc điện kháng( Z=R hoặc Z=R+jX)
Phương pháp nối đất trực tiếp có nhược điểm khi dòng ngắn mạch quá cao, thường bị giới hạn trong khoảng 1000A-1500A Tuy nhiên, phương pháp này cho phép kiểm soát dòng ngắn mạch pha-đất một cách hợp lý, giúp nâng cao hiệu quả trong việc bảo vệ hệ thống điện.
Gây quá điện áp trong lưới cao hơn nối đất trực tiếp ảnh hưởng đến cách điện của các phần tử trong lưới, dẫn đến yêu cầu cách điện cao hơn, từ đó làm tăng giá thành lưới điện.
+ Hệ thống nối đất đắt tiền và cần có sự bảo quản định kỳ
* Phạm vi ứng dụng: Phương pháp này dùng phổ biến cho lưới điện 22 kV
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 14 Để hạn chế các nhược điểm, thực hiện nối đất có hiệu quả khi:
Khi đó đặt được điều kiện điện áp khi chạm đất 1 pha:
U dm , U fmd : Điện áp dây và điện áp pha định mức
Tổng trở thứ tự không :
Tổng trở thứ tự thuận của máy biến áp nguồn và lưới điện
1.2.2.4 Phương pháp nối đất qua cuộn dập hồ quang
Nối đất qua cuộn dập hồ quang hay còn gọi là nối đất cộng hưởng: j wC jX
Điện kháng của cuộn dập hồ quang được chọn để bù dòng điện điện dung, giúp duy trì dòng điện điện dung trong giới hạn cho phép ngay cả khi độ dài lưới phân phối rất lớn.
+ Dập tắt nhanh hồ quang khi có chạm đất 1 pha, dòng chạm đất rất nhỏ có khi triệt tiêu hoàn toàn
+ Độ sụt áp khi chạm đất 1 pha nhỏ
+ Hạn chế ảnh hưởng đến đường dây điện thoại
+ Khi chạm đất điện áp các pha không bị sự cố lên quá điện áp dây
+ Sự cố cách điện có thể gây dao động hồ quang điện, gây quá áp trên cách điện của các pha không bị sự cố
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 15
+ Cuộn dập hồ quang phải điều chỉnh được để thích nghi với cấu trúc vận hành thay đổi của lưới
+ Hệ thống bảo vệ sự cố chạm đất phức tạp, khó tìm chỗ sự cố, giá thành cao, bảo quản phức tạp
+ Áp dụng với lưới cáp không hiệu quả vì sự cố trong lưới đa số là do hư hỏng cách điện vĩnh cửu
* Phạm vi ứng dụng: Phương pháp này thường được áp dụng cho lưới 35kV, là biện pháp chủ yếu trong tương lai.
Sơ đồ lưới điện phân phối
1.3.1 Ph ươ ng án n ố i dây trong m ạ ng đ i ệ n phân ph ố i
Sơ đồ nối dây của mạng điện phân phối có thể được thiết kế theo các hình thức như hình tia, phân nhánh hoặc mạch vòng kín Lựa chọn sơ đồ nối dây phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện cho từng loại hộ phụ tải và cấp điện áp sử dụng.
Sơ đồ hình tia một lộ là lựa chọn phổ biến cho các mạng điện thắp sáng và động lực ở điện áp thấp Ngoài ra, các trạm điện 6kV, 10kV, 22kV và 35kV cũng thường áp dụng sơ đồ này để cung cấp điện hiệu quả.
- Sơ đồ kiểu phân nhánh thường được dùng ở các đường dây cung cấp điện cho một số phụ tải gần nhau
Sơ đồ mạch vòng kín thường được áp dụng trong các mạng trung áp tại thành phố và các mạng điện phân xưởng với điện áp 6kV, 10kV, 22kV, 35kV Những mạng điện này có cấu trúc mạch kín nhưng hoạt động hở, cho phép bảo vệ tại máy cắt đầu nguồn tác động cắt mạch điện khi xảy ra sự cố gần điểm nguồn Sau khi cô lập đoạn lưới bị sự cố, phần lưới còn lại sẽ được cấp điện trở lại để tiếp tục cung cấp điện cho các hộ phụ tải, chỉ có đoạn lưới gặp sự cố là mất điện cho đến khi sự cố được xử lý xong.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội yêu cầu các hộ phụ tải quan trọng cần có độ tin cậy cao phải xây dựng phương án dự phòng riêng cho hệ thống đường dây trung áp và hạ áp.
1.3.2 Các ph ươ ng pháp n ố i dây trong l ướ i đ i ệ n phân ph ố i
Các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của mạng điện phân phối phụ thuộc lớn vào sơ đồ nối điện được chọn Sơ đồ cần đảm bảo chi phí thấp nhất trong khi vẫn duy trì độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng cho các hộ phụ tải, và an toàn trong vận hành Ngoài ra, sơ đồ cũng phải có khả năng phát triển để tiếp nhận các phụ tải mới trong tương lai Đối với yêu cầu về độ tin cậy cung cấp điện, việc lựa chọn sơ đồ hình tia, phân nhánh hay mạch vòng kín có dự phòng hay không sẽ tùy thuộc vào tính chất của hộ phụ tải.
Phụ tải loại I yêu cầu nguồn điện từ hai nguồn độc lập để đảm bảo không bị mất điện, ngay cả khi tạm thời Việc mất điện sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến chính trị, tính mạng con người và gây thiệt hại kinh tế Do đó, thời gian ngừng cung cấp điện cho phụ tải loại I chỉ được phép bằng thời gian tự động đóng nguồn dự trữ.
Phụ tải loại II có thể được cấp điện từ một hoặc hai nguồn, tùy thuộc vào việc so sánh chi phí đầu tư cho thiết bị dự phòng với thiệt hại do mất điện Các hộ phụ tải loại II cho phép ngừng cung cấp điện trong thời gian cần thiết để nhân viên vận hành thực hiện việc đóng nguồn dự trữ.
Phụ tải loại III chỉ cần một nguồn cung cấp điện duy nhất, cho phép mất điện tạm thời để sửa chữa sự cố hoặc thay thế các phần tử hư hỏng trong mạng điện, nhưng thời gian mất điện không được vượt quá 1 ngày.
Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống, các nhà thiết kế và quản lý vận hành lưới điện cần tính toán và dự đoán mọi khả năng nhằm giảm thiểu xác suất sự cố mất điện và thời gian mất điện xuống mức thấp nhất.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 17
1.3.2.1 Sơ đồ lưới phân phối trung áp trên không
Lưới điện phân phối trung áp trên không trong mạng điện nông thôn thường không yêu cầu độ tin cậy cao và không bị hạn chế về an toàn cũng như mỹ quan như ở khu vực thành phố Với mật độ phụ tải thấp và phân tán, cùng với đường dây dài, việc sử dụng lưới điện trên không giúp dễ dàng kết nối các dây dẫn, đồng thời thuận tiện cho việc phát hiện và khắc phục sự cố so với lưới phân phối cao áp.
Phương pháp nối dây thường được thực hiện theo sơ đồ hình tia, trong đó các trạm biến áp phân phối nhận điện từ thanh cái hạ áp của trạm biến áp trung gian qua các đường trục chính.
Hình 1.3.1 S ơ đồ l ướ i phân ph ố i trên không hình tia
1 Máy cắt có tự động đóng lại, điều khiển từ xa
2 Máy cắt nhanh; 3 Dao cách ly
- Biện pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện của sơ đồ:
Các đường trục chính được phân đoạn nhờ vào các thiết bị phân đoạn như máy cắt và máy cắt tự động Những thiết bị này có khả năng tự động cắt khi xảy ra sự cố và có thể được điều khiển từ xa.
Các đường trục chính của một trạm nguồn hoặc giữa các trạm nguồn khác nhau có thể được kết nối liên thông để đảm bảo dự phòng khi xảy ra sự cố.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội cung cấp chương trình luận văn thạc sĩ về khoa học kỹ thuật, trong đó có nội dung liên quan đến việc ngừng điện theo kế hoạch tại đường trục hoặc trạm biến áp nguồn Trong quá trình làm việc, máy cắt hoặc dao cách ly cần được mở để đảm bảo an toàn khi vận hành hở.
- Các dây dẫn đường trục phải được kiểm tra theo điều kiện sự cố để có thể tải điện dự phòng cho các trục khác khi bị sự cố
1.3.2.2 Sơ đồ lưới phân phối cáp trung áp
Lưới phân phối cáp trung áp được sử dụng trong mạng điện thành phố nhằm đảm bảo độ tin cậy cao và đáp ứng mật độ phụ tải lớn Với đường dây ngắn và yêu cầu khắt khe về an toàn cũng như mỹ quan đô thị, việc đi dây trên không không khả thi, do đó giải pháp tối ưu là lắp đặt lưới phân phối cáp dưới lòng đất.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY
Khái niệm chung về độ tin cậy của hệ thống điện
2.1.1 Đị nh ngh ĩ a độ tin c ậ y
Hệ thống là tập hợp các phần tử tương tác trong một cấu trúc nhất định nhằm thực hiện nhiệm vụ xác định Trong hệ thống điện, các phần tử bao gồm máy phát điện, máy biến áp và đường dây tải điện, với nhiệm vụ chính là sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng đến các hộ tiêu thụ Điện năng cần đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng và độ tin cậy hợp lý Để đạt được hiệu quả kinh tế cao nhất, hệ thống điện cần được phát triển tối ưu và vận hành hiệu quả.
Về mặt độ tin cậy, hệ thống điện là hệ thống phức tạp thể hiện trong:
+ Số lượng rất lớn các phần tử thuộc nhiều loại khác nhau
+ Sơ đồ lưới điện phức tạp
- Rộng lớn trong không gian
- Phát triển không ngừng theo thời gian
Sự phức tạp trong hệ thống điện đã dẫn đến việc phân cấp nhằm quản lý, điều khiển và phát triển một cách hiệu quả nhất.
Hệ thống điện có khả năng phục hồi sau khi gặp sự cố, với các phần tử được khôi phục sau một khoảng thời gian nhất định Ngoài ra, nhiều phần tử trong hệ thống điện còn được bảo dưỡng định kỳ để duy trì hiệu suất làm việc, ngăn chặn sự suy giảm chức năng sau thời gian hoạt động.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 23
Phần tử là các bộ phận cấu thành hệ thống, được xem như một tổng thể không thể tách rời trong một quá trình cụ thể, với các thông số độ tin cậy chung phụ thuộc vào yếu tố bên ngoài như môi trường Mặc dù phần tử có thể có cấu trúc phức tạp, nhưng khi phân tích độ tin cậy của hệ thống, nó chỉ được coi là một phần tử với các thông số như tỷ lệ hỏng hóc và thời gian phục hồi cố định Độ tin cậy của hệ thống được định nghĩa là xác suất mà hệ thống (hoặc phần tử) hoàn thành nhiệm vụ yêu cầu trong khoảng thời gian nhất định và trong điều kiện vận hành cụ thể.
Độ tin cậy của hệ thống điện là khả năng cung cấp đủ điện năng cho khách hàng theo các tiêu chuẩn chất lượng và kỹ thuật Nó được đo bằng tần suất, độ kéo dài và mức độ ảnh hưởng tiêu cực như ngừng điện, thiếu điện hay điện áp thấp Bên cạnh đó, độ tin cậy cũng phản ánh xác suất xảy ra mất điện toàn phần hoặc một phần, được tính dựa trên độ sẵn sàng của hệ thống Độ sẵn sàng là khả năng của hệ thống hoặc phần tử để hoàn thành nhiệm vụ tại một thời điểm nhất định Độ tin cậy của hệ thống điện bao gồm hai khía cạnh chính: mức độ đầy đủ và mức độ an toàn.
Mức độ đầy đủ của hệ thống điện là khả năng cung cấp công suất và điện năng đáp ứng nhu cầu của khách hàng tại mọi thời điểm Điều này bao gồm việc xem xét các tình huống ngừng điện, cả kế hoạch và ngẫu nhiên, với mức độ hợp lý cho các thành phần của hệ thống.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 24
Mức an toàn của hệ thống điện được xác định bởi khả năng chịu đựng các rối loạn đột ngột, chẳng hạn như ngắn mạch hoặc sự mất mát không lường trước của các thành phần trong hệ thống.
2.1.2 Các ch ỉ tiêu đ ánh giá độ tin c ậ y c ủ a h ệ th ố ng đ i ệ n và quan đ i ể m v ề độ tin c ậ y
Các chỉ tiêu độ tin cậy được xác định cho ba giai đoạn chính: sản xuất, truyền tải và phân phối điện, cũng như trong khâu cung cấp năng lượng sơ cấp, và được đánh giá dựa trên hai khu vực liên quan.
- Doanh nghiệp điện: Trong đó chia ra quy hoạch và vận hành
- Khách hàng sử dụng điện
Bảng 2.1 Bảng chỉ tiêu độ tin cậy Khâu Xí nghiệp sản xuất , truyền tải điện
Sản xuất Mức dự trữ,
Năng lượng sơ cấp Đủ nhiên liệu sơ cấp…
- Độ tin cậy phần tử
- Điều khiển vùng -Xa thải phụ tải…
- Độ kéo dài -Thời gian (mùa trong năm…) -Mức độ mất điện
2.1.3 T ổ n th ấ t kinh t ế do m ấ t đ i ệ n và ả nh h ưở ng c ủ a độ tin c ậ y đế n c ấ u trúc c ủ a h ệ th ố ng đ i ệ n
Hệ thống điện là một cấu trúc phức tạp với nhiều thành phần liên kết theo các sơ đồ đa dạng Nó trải dài trên diện tích rộng lớn của một quốc gia hoặc vùng lãnh thổ, đảm bảo cung cấp năng lượng cho các nhu cầu khác nhau.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội nghiên cứu về luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật, chỉ ra rằng có 25 nguyên nhân gây hư hỏng có thể dẫn đến việc ngừng cung cấp điện cho từng vùng hoặc toàn bộ hệ thống Những nguyên nhân này được phân loại thành 4 nhóm chính.
- Do thời tiết: Giông sét, lũ lụt, mưa, bão, lốc xoáy,
- Do hư hỏng các phần tử của hệ thống điện:
+ Phần điện và phần máy:
Hỏng hệ thống cung cấp nhiên liệu
Hỏng phần động lực (phát động)
Hỏng thiết bị đóng cắt
Hỏng chất cách điện của đường dây tải điện, trạm biến áp, chống sét van, hỏng cáp điện lực
Hỏng thiết bị điều khiển điện áp: thiết bị điều chỉnh điện áp của các máy phát điện, thiết bị điều khiển tụ bù…
+ Bảo vệ và điều khiển như: hỏng rơle, hỏng đường truyền tín hiệu, hỏng mạch điều khiển
- Do hoạt động của hệ thống:
+ Do trạng thái của hệ thống: Độ ổn định, tần số, điện áp, quá tải đường dây, quá tải máy biến áp, tải không cân bằng…
+ Do nhân viên vận hành hệ thống điện
Do nhân viên điều độ hệ thống
Do nhân viên vận hành nhà máy điện
Do nhân viên vận hành lưới
- Các nguyên nhân khác: Do động vật, cây cối, phương tiện vận tải, đào đất, hoả hoạn, phá hoại,
Kinh nghiệm cho thấy rằng hầu hết sự cố trong lưới phân phối điện thường xuất phát từ các yếu tố thiên nhiên như sét, bão, mưa, lũ lụt và động vật.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội nghiên cứu về các nguyên nhân gây mất điện, bao gồm khiếm khuyết thiết bị, vật liệu và hành động con người như va chạm với cột điện, tiếp xúc với dây dẫn, cây đổ, phá hoại và máy đào cáp ngầm Ngoài ra, các sự cố nghiêm trọng do bão và lũ lụt cũng làm gia tăng tình trạng mất điện Trong những trường hợp này, việc khôi phục cấp điện gặp khó khăn do nhiều nguy hiểm và hầu hết các đơn vị điện lực thiếu nguồn nhân lực, phương tiện và thiết bị cần thiết để nhanh chóng phục hồi lưới điện trên diện rộng và phức tạp.
Để giảm thiểu số lượng khách hàng bị ảnh hưởng bởi hỏng hóc thiết bị hoặc mất điện, ngành điện cần sắp xếp và phân chia lại hệ thống một cách hợp lý Sẵn sàng hoạt động là lựa chọn quan trọng nhằm nâng cao độ tin cậy Việc giảm thiểu thời gian mất điện có thể đạt được thông qua việc sửa chữa kịp thời các thiết bị hư hỏng Hợp tác trong lập kế hoạch bảo trì phòng ngừa kết hợp với phân tích độ tin cậy mang lại hiệu quả cao Phân tích sự cố giúp xác định những điểm yếu trong hệ thống phân phối và nhanh chóng giải quyết chúng Phân tích này chỉ được thực hiện ở những phần quan trọng của hệ thống, và kết quả sẽ hỗ trợ quyết định trong việc xây dựng hệ thống đạt mức an toàn hoặc chấp nhận rủi ro mất điện.
2.1.3.2 Tổn thất kinh tế do mất điện Điện năng là động lực chính của toàn bộ nền kinh tế quốc dân Việc mất điện sẽ gây ra các hậu quả về kinh tế và xã hội rất lớn Trên quan điểm phân loại hậu quả mất điện, người ta phân phụ tải thành 2 loại :
- Loại phụ tải mà khi mất điện có thể gây ra các hậu quả mang tính chính trị, xã hội
Phụ tải điện được phân loại thành hai loại chính: loại phụ tải đầu tiên yêu cầu cung cấp điện với độ tin cậy cao nhất, trong khi loại thứ hai đặt ra bài toán kinh tế - kỹ thuật, cần cân nhắc giữa vốn đầu tư vào hệ thống điện và tổn thất kinh tế do sự cố mất điện.
Tổn thất kinh tế do mất điện được nhìn nhận từ hai góc độ:
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 27
Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của lưới phân phối
2.2.1 Các ch ỉ tiêu độ tin c ậ y c ủ a l ướ i phân ph ố i đ i ệ n
Các chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện phân phối được đánh giá dựa trên ba khái niệm cơ bản, trong đó cường độ mất điện trung bình λ đóng vai trò quan trọng, phản ánh tần suất xảy ra sự cố hoặc mất điện trong hệ thống.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội cung cấp các luận văn thạc sĩ về khoa học kỹ thuật, trong đó đề cập đến các chỉ số quan trọng như kế hoạch 34, thời gian mất điện trung bình (t) và thời gian mất điện hàng năm trung bình (T) của phụ tải.
Mặc dù các giá trị trung bình như đã nêu không phải là yếu tố quyết định, chúng vẫn quan trọng trong việc đánh giá độ tin cậy của hệ thống Tuy nhiên, các chỉ tiêu này không phản ánh đầy đủ sự tương ứng với số lượng khách hàng hoặc tải trọng tại các điểm đánh giá khác nhau Để có cái nhìn toàn diện hơn về sự mất điện của hệ thống, cần bổ sung các chỉ tiêu khác.
1 Tần suất (số lần) mất điện trung bình của hệ thống:
Bằng tổng số lần mất điện trên tổng số phụ tải SAIFI (system average frequency index)
N vu phuc duoc hang khach so Tong hang khach cua dien mat lan so
(Số lần/phụ tải.năm)
Trong đó: ∑ λ i N i :tổng số lần mất điện của khách hàng
Tổng số khách hàng được phục vụ được tính bằng ∑ Ni, trong đó λi là cường độ mất điện và Ni là số khách hàng tại nút phụ tải thứ i Chỉ tiêu này giúp xác định số lần mất điện trung bình mà một khách hàng phải trải qua trong một năm.
2 Tần suất mất điện trung bình của khách hàng: CAIFI (Customer average interruption frequency index):
CAIFI = Tongso khachhangbianhhuong hang khach cua dien mat lan so Tong
Chỉ tiêu này xác định số lần mất điện đối với khách hàng bị ảnh hưởng
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 35
3 Thời gian trung bình mất điện của hệ thống: SAIDI (system average duration index) bằng tổng thời gian mất điện của phụ tải trên tổng số phụ tải Chỉ tiêu này xác định thời gian mất điện trung bình của hệ thống trong một năm
Trong đó: T i : Thời gian mất điện trung bình hàng năm
N i :Số khách hàng của nút phụ tải thứ i;
∑ T i N i : Tổng số thời gian mất điện của khách hàng
4 Thời gian mất điện trung bình của khách hàng: CAIDI (Customer average interruption duration index):
T hang khach cua dien mat lan so Tong hang khach cua dien mat gian thoi so
Trong đó: λi : Là cường độ mất điện
T i : Là thời gian mất điện trung bình hàng năm
Ni : Là số khách hàng của nút phụ tải thứ i
Chỉ tiêu này xác định thời gian mất điện trung bình của một khách hàng trong một năm cho một lần mất điện
5 Độ sẵn sàng (không sẵn sàng) phục vụ trung bình, ASAI (ASUI)
(Average service availability (unavailability) index):
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 36
Với: ∑ N i * 8760 − ∑ T i N i : Số giờ khách hàng được cung cấp điện
∑ N i * 8760 : Số giờ khách hàng cần cung cấp điện
Chỉ tiêu này xác định mức độ sẵn sàng hay độ tin cậy (không sẵn sàng) của hệ thống
6.Năng lượng không được cung cấp, ENS (Energy not supplied index):
ENS = Tổng số điện năng không được cung cấp bởi hệ thống
Tải trung bình tại nút tải thứ i, ký hiệu là Pi, được sử dụng để xác định sản lượng điện mất mát của hệ thống trong suốt một năm Công thức ∑Pi Ti cho phép chúng ta tính toán tổng số điện năng bị mất.
7 Điện năng trung bình không được cung cấp, AENS hay mất điện hệ thống trung bình (Average Energy not supplied index):
P vu phuc duoc hang khach so
Tong duoc cap cung khong nang dien Tong
Với ∑ P i T i : Tổng điện năng không cung cấp được
∑ N i : Tổng số khách hàng được phục vụ
Chỉ tiêu này xác định sản lượng điện bị mất trung bình đối với một khách hàng trong một năm
8 Chỉ số mất điện khách hàng trung bình, ACCI (Average customer curtailment index):
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 37
Chỉ tiêu này xác định sản lượng điện bị mất trung bình đối với một khách hàng bị ảnh hưởng trong một năm
2.2.2 Áp d ụ ng các ch ỉ tiêu trong th ự c t ế
Bảng thống kê dưới đây cho thấy mức độ áp dụng các chỉ tiêu trên trong thực tế
Có 4 chỉ tiêu được dùng nhiều nhất : SAIDI – SAIFI – CAIDI - ASAI Các chỉ tiêu độ tin cậy trên được tiêu chuẩn hóa khi áp dụng cho quy hoạch lưới phân phối điện, ví dụ: a ASAI ≥ 0, 9998, SAIFI < 1, CAIDI < 2h b ASAI ≥ 0,99975 cho thành phố, ASAI ≥ 0,99973 cho nông thôn, CAIDI <
270 phút, SAIDI < 187 phút c SAIFI = 0,75 cho nhà ở; 0,6 cho thương mại, SAIDI = 65 phút cho nhà ở,
Trong lĩnh vực thương mại, thời gian gián đoạn điện là 45 phút, với chỉ số SAIDI là 1 và SAIFI đạt 80 phút cho các cửa hàng lớn Các hệ thống điện có độ tin cậy khác nhau tùy thuộc vào điều kiện địa phương và được xác định dựa trên phân tích kinh tế cụ thể.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 38
Phương pháp phân tích đánh giá độ tin cậy cung cấp điện của lưới phân phối
2.3.1 Độ tin c ậ y c ủ a l ướ i phân ph ố i
2.3.1.1 Độ tin cậy của lưới phân phối hình tia a Lưới phân phối hình tia không phân đoạn
Hình 2.3: L ướ i phân ph ố i không phân đ o ạ n
Lưới phân phối điện được coi là một hệ thống đồng nhất, vì vậy khi một phần tử trong lưới ngừng hoạt động hoặc gặp sự cố, toàn bộ lưới sẽ bị mất điện.
- Cường độ hỏng hóc của toàn bộ lưới phân phối:
- Cường độ ngừng điện tổng là: λ ND =λ SC +λ CT (2.2)
- Thời gian ngừng điện do sự cố trong một năm:
- Thời gian ngừng điện công tác:
- Tổng thời gian ngừng điện:
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 39
Trong đó: + λ 0 : Cường độ hỏng hóc cho 100 km
+ L : Độ dài lưới phân phối.
+ λ CT : Cường độ ngừng điện công tác.
+ T SC : Thời gian sửa chữa sự cố.
+ T CT : Thời gian trung bình một lần ngừng điện công tác.
- Công suất và thời gian sử dụng công suất lớn nhất của toàn lưới phân phối: i max max P
- Điện năng mất do sự cố là:
- Điện năng mất do ngừng điện công tác là:
Trong đó: + TNDSC: Thời gian ngừng điện do sự cố
+ T NDCT : Thời gian ngừng điện công tác
+ P max (kW): Công suất phụ tải nhánh
Thời gian tổn thất công suất lớn nhất được xác định là T max (h) Để nâng cao độ tin cậy của lưới phân phối hình tia, hệ thống này được chia thành nhiều đoạn thông qua các thiết bị đóng cắt như dao cách ly hoặc máy cắt điện, có thể được điều khiển tại chỗ hoặc từ xa.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 40
Máy cắt tự động phân đoạn giúp bảo vệ các đoạn lưới phía trước khỏi bị mất điện khi xảy ra sự cố ở các đoạn lưới phía sau Điều này đảm bảo rằng sự cố không ảnh hưởng đến số lần và thời gian mất điện của đoạn lưới phía trước, từ đó nâng cao độ tin cậy và hiệu quả hoạt động của hệ thống điện.
Phân đoạn bằng dao cách ly giúp cô lập sự cố trong lưới phân phối điện Khi xảy ra sự cố, máy cắt đầu nguồn sẽ tạm thời ngắt toàn bộ lưới, trong khi dao cách ly phân đoạn cắt ra sẽ ngăn cách phần tử gặp sự cố với nguồn điện Sau khi xử lý sự cố, nguồn điện được khôi phục để tiếp tục cấp điện cho các phân đoạn phía trước.
Khi xảy ra sự cố trên đoạn lưới có dao cách ly, tất cả các đoạn lưới phía trước sẽ chịu ảnh hưởng hoàn toàn về số lần mất điện cho đến dao cách ly gần nhất Thời gian mất điện kéo dài từ lúc sự cố xảy ra cho đến khi hoàn tất việc cô lập và khôi phục lại máy cắt, được gọi là thời gian thao tác tC Tương tự, mọi đoạn lưới, bất kể có dao cách ly hay máy cắt, đều bị ảnh hưởng toàn phần từ đoạn lưới phía trước, dẫn đến việc các đoạn lưới phía sau cũng phải chịu số lần và thời gian mất điện tương tự như đoạn lưới phía trước khi xảy ra sự cố.
Hình 2.4: L − ới phân phối phân đoạn bằng dao cách ly
Sử dụng giải pháp phân đoạn giúp nâng cao đáng kể độ tin cậy của lưới phân phối, đồng thời giảm thiểu tổn thất kinh tế do mất điện Tuy nhiên, việc này đòi hỏi một khoản đầu tư vốn không nhỏ.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội nghiên cứu luận văn thạc sĩ về khoa học kỹ thuật, trong đó đề cập đến bài toán tối ưu cho lưới phân phối Mục tiêu là xác định số lượng, vị trí và loại thiết bị phân phối nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao nhất Để đánh giá độ tin cậy của lưới phân phối, cần thực hiện việc đẳng trị các đoạn lưới thành những đoạn chỉ có một phụ tải và tính toán các thông số độ tin cậy tương ứng.
Thiết bị phân đoạn Đoạn l−ới II, L II Đoạn l−ới I, L I
Hình 2.5: Sơ đồ đẳng trị các đoạn l − ới phân đoạn
Tính độ tin cậy cho từng đoạn của lưới:
* Độ tin cậy của đoạn lưới I:
Những nguyên nhân dẫn đến ngừng cung cấp điện có thể do bản thân đoạn lưới I bị hỏng hoặc do ảnh hưởng của sự cố trên đoạn lưới sau
- Đoạn I có cường độ ngừng điện là λ’I và thời gian ngừng điện năm là T’I
- Ảnh hưởng của sự cố trên các đoạn lưới sau đoạn I phụ thuộc vào thiết bị phân đoạn:
Phân đoạn bằng máy cắt không ảnh hưởng đến đoạn I, với λII > I = 0 và T II > I = 0 Trong khi đó, phân đoạn bằng dao cách ly có thể gây ra sự cố trên đoạn II, dẫn đến việc ngừng điện đoạn I trong thời gian thao tác cô lập sự cố Ttt, với λII > I = λ’II và TII > I = Ttt.
Tổng số lần ngừng điện và thời gian ngừng điện của đoạn lưới I: λI = λ’I + λII > I; T I = T’ I + T II > I
* Độ tin cậy của đoạn lưới II:
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 42
Ngừng cung cấp điện có thể xảy ra do hỏng hóc tại đoạn lưới II hoặc do sự cố từ đoạn lưới trước đó và sau đó ảnh hưởng đến nó.
- Đoạn II có cường độ hỏng hóc là λ’II và thời gian ngừng điện năm là T’ II
Ảnh hưởng của đoạn lưới I đến đoạn lưới II hoàn toàn không phụ thuộc vào thiết bị phân đoạn Điều này được thể hiện qua cường độ hỏng hóc và thời gian ngừng cung cấp điện của đoạn I, với các chỉ số λI lớn hơn λ’I và TI lớn hơn T’I.
Tổng số lần và tổng thời gian ngừng cung cấp điện của đoạn lưới II được xác định bằng công thức λII = λ’II + λ’I và T II = T’ II + T’ I Điều này cho thấy các đoạn lưới phía sau hoàn toàn bị ảnh hưởng bởi các đoạn lưới phía trước, trong khi các đoạn lưới phía trước chỉ chịu ảnh hưởng không hoàn toàn từ các đoạn lưới phía sau, và mức độ ảnh hưởng này phụ thuộc vào thiết bị phân đoạn.
Trong tính toán bỏ qua hỏng hóc của thiết bị phân đoạn và sử dụng thiết bị phân đoạn không phải bảo dưỡng định kỳ
2.3.1.2 Độ tin cậy của lưới phân phối kín vận hành hở
Lưới phân phối hình tia phân đoạn đã nâng cao độ tin cậy so với lưới không phân đoạn, nhưng vẫn chưa đáp ứng đủ yêu cầu của phụ tải, vì khi một đoạn ngừng cung cấp điện, các đoạn phía sau cũng bị ảnh hưởng Ngược lại, lưới phân phối kín vận hành hở với nhiều nguồn và đường dây phân đoạn cho phép một số máy cắt tách ra, tạo thành lưới hở Khi một đoạn ngừng cung cấp điện, chỉ phụ tải trong đoạn đó bị ảnh hưởng, trong khi các đoạn khác chỉ tạm thời mất điện để thao tác, sau đó sẽ được cấp điện trở lại nếu lưới đủ khả năng tải.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 43
Lưới phân phối kín với vận hành hở mang lại độ tin cậy cao hơn, đặc biệt khi các thao tác đóng cắt và phân đoạn được điều khiển từ xa hoặc tự động.
*Các bước tính toán độ tin cậy của lưới phân phối kín vận hành hở:
Khi xảy ra sự cố trên một hoặc hai phân đoạn lưới điện, cần thực hiện biện pháp thao tác để tạo ra sơ đồ lưới điện tối ưu sau sự cố, dựa trên thứ tự ưu tiên của các chỉ tiêu quan trọng.
- Không có phân đoạn nào quá tải
- Chất lượng điện áp đảm bảo
- Số lượng thao tác ít nhất
Sau khi lập được sơ đồ vận hành sau sự cố chuyển sang bước 2
Bước 2: Trong trường hợp sơ đồ vận hành sau sự cố có đoạn lưới bị quá tải hoặc điện áp tại một số nút thấp dưới tiêu chuẩn, cần giảm đều công suất phụ tải của lưới phân phối cho đến khi tình trạng quá tải được khắc phục hoặc điện áp đạt mức cho phép Công suất giảm đi chính là công suất bị mất do sự cố Từ xác suất xảy ra sự cố và công suất mất đi, có thể tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy cần thiết.
