(NB) Nội dung của cuốn giáo trình “Kỹ thuật lưới điện” bao gồm 4 chương, trang bị cho người học các kiến thức về lưới điện như sau: Chương 1: Tổng quan về lưới điện; Chương 2: Tổn thất điện áp trong lưới điện; Chương 3: Tổn thất công suất, điện năng trong lưới điện; Chương 4: Chọn tiết diện dây dẫn trong lưới điện.
Tổng quan về lưới điện
Kết cấu, vị trí, nhiệm vụ của lưới điện trong hệ thống điện
ưới điện trong hệ thống điện 1 1
Điện áp và khả năng truyền tải của lưới điện
3 Các thiết bị dùng trong lưới điện 6 6
2 Chương 2 Tổn thất điện áp trong lưới điện 12 8 3 1
1 Độ sụt áp và tổn thất điện áp 1 1 0
2 Tính tổn thất điện áp trong lưới điện địa phương 11 7 3 1
3 Chương 3 Tổn thất công suất, điện năng trong lưới điện 14 10 3 1
1 Tổn thất công suất trên đường dây và trạm biến áp 4 3 1
2 Tổn thất điện năng trên đường dây và trạm biến áp 5 3 2
3 Giảm tổn thất điện năng trong lưới điện 5 4 1
4 Chương 4 Chọn tiết diện dây dẫn trong lưới điện 11 4 6 1
1 Chọn tiết diện dây dẫn trong lưới điện khu vực 4 2 2
2 Chọn tiết diện dây dẫn trong lưới điện địa phương 7 2 4 1
* Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết được tính vào giờ lý thuyết, kiểm tra thực hành được tính vào giờ thực hành
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
Chương này trình bày những khái niệm cơ bản về kết cấu, vị trí và nhiệm vụ của lưới điện, cùng với điện áp và khả năng truyền tải Ngoài ra, nó cũng đề cập đến các thiết bị cơ bản trong hệ thống điện.
Học xong chương này, người học có khả năng:
- Trình bày được các khái niệm: hệ thống điện, lưới điện, trạm biến áp, phụ tải;
- Vẽ được sơ đồ cung cấp điện của hệ thống điện;
- Trình bày được kết cấu, vị trí, và nhiệm vụ của lưới điện
1 Kết cấu, vị trí, nhiệm vụ của lưới điện trong hệ thống điện
1.1 Kết cấu của lưới điện
Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, trạm biến áp, đường dây tải điện và các hộ tiêu thụ, tất cả được kết nối với nhau để thực hiện chức năng sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng.
Lưới điện bao gồm các trạm biến áp, trạm phân phối, đường dây tải điện trên không, cáp ngầm và thiết bị liên quan để truyền tải và phân phối điện năng Lưới điện được phân chia thành ba loại chính.
Hệ thống lưới điện bao gồm các đường dây tải điện và các trạm biến áp khu vực, kết nối các nhà máy điện, tạo thành một mạng lưới điện với điện áp từ 110kV đến 500kV.
- Lưới truyền tải có nhiệm vụ tải điện từ các trạm khu vực đến các trạm trung gian, điện áp từ 35kV đến 220kV
Lưới phân phối điện bao gồm hai loại chính: lưới phân phối trung áp và lưới phân phối hạ áp Chức năng của các lưới này là phân phối điện năng từ các trạm trung gian đến các phụ tải, với điện áp tối đa lên đến 35kV.
1.1.1 Kết cấu trạm biến áp
Trạm biến áp là nơi đặt máy biến áp Tuỳ theo mục đích biến đổi điện áp có trạm biến áp tăng áp và trạm biến áp giảm áp
Trạm biến áp tăng áp thường được lắp đặt ngay tại nhà máy điện, vì các nhà máy này thường được xây dựng xa trung tâm phụ tải để tận dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu như than đá, khí đốt hoặc nước.
Để tiết kiệm dây dẫn và giảm vốn đầu tư xây dựng, việc nâng cao điện áp là cần thiết, đặc biệt khi điện áp phát ra từ các nhà máy như Uông Bí (6,3kV), Hòa Bình (15,7kV), Phả Lại I (6,6kV) và Phả Lại II (19kV) thường không cao Điều này giúp giảm tổn thất điện năng và cho phép truyền tải điện đi xa hơn.
Trạm biến áp giảm áp có chức năng chuyển đổi điện áp cao thành điện áp thấp hơn, phục vụ cho nhu cầu cung cấp điện của một khu vực hoặc theo yêu cầu của phụ tải Có ba loại trạm biến áp giảm áp khác nhau.
Trạm biến áp giảm áp trung gian có chức năng chuyển đổi điện áp từ mức cao xuống mức thấp hơn, hoặc xuống điện áp phân phối, nhằm mục đích truyền tải điện hiệu quả đến các phụ tải.
- Trạm biến áp giảm áp phân phối được đặt sau trạm biến áp trung gian để giảm điện áp xuống cấp điện áp phân phối như: 6, 10, 22, 35 kV
- Trạm biến áp phụ tải được đặt sau các trạm giảm áp phân phối, ở trung tâm của phụ tải để trực tiếp cung cấp điện cho phụ tải
1.1.2 Kết cấu trạm cắt (Trạm phân phối)
Trạm cắt là trạm chỉ đặt các thiết bị đóng cắt, đo lường, bảo vệ mà không đặt máy biến áp
1.1.3 Kết cấu đường dây tải điện Đường dây tải điện bao gồm dây dẫn, dây chống sét, cột, xà, sứ và các phụ kiện, người ta có thể dùng đường dây trên không hoặc đường cáp ngầm
1.2 Vị trí và nhiệm vụ của lưới điện
1.2.1 Vị trí của lưới điện
Lưới điện là cầu nối thiết yếu giữa các nguồn điện và hộ tiêu thụ, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp điện ổn định cho người tiêu dùng.
Nếu lưới điện hoạt động không tốt sẽ ảnh hưởng rất lớn đến việc cung cấp và tiêu thụ điện năng
1.2.2 Nhiệm vụ của lưới điện
Lưới điện có nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng từ nơi sản xuất điện đến các hộ tiêu thụ điện
Đường dây tải điện đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn điện từ các nhà máy điện đến trạm biến áp và trạm phân phối, cung cấp điện cho phụ tải Ngoài ra, một số đường dây còn có chức năng kết nối giữa các nhà máy điện và trạm biến áp để đảm bảo cung cấp điện an toàn, liên tục và hiệu quả về mặt kinh tế.
Các trạm biến áp chuyển đổi điện năng từ một cấp điện áp này sang cấp điện áp khác, nhằm đáp ứng nhu cầu truyền tải và phân phối điện năng hiệu quả.
Trạm phân phối nhận và phân phối điện năng cho các đường dây ở cùng một cấp điện áp
2 Điện áp và khả năng truyền tải của lưới điện
2.1 Điện áp của lưới điện
2.1.1 Điện áp định mức Điện áp định mức là điện áp chuẩn mực để thiết kế lưới điện và các thiết bị phân phối cũng như các thiết bị dùng điện Ở nước ta và các nước trên thế giới, người ta chia cấp điện áp định mức thành bốn loại: siêu cao áp, cao áp, trung áp và hạ áp:
Hạ áp: điện áp nhỏ hơn 1000V Cấp điện áp thông dụng là: 380/220V; 220/127V
Cấp điện áp 380/220 V là mức điện áp chính cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện, trong khi đó, các thiết bị công suất lớn có thể sử dụng điện áp lên đến 10kV.
Cấp điện áp trung áp dùng để phân phối điện năng từ trạm biến áp giảm áp trung gian đến các trạm biến áp phụ tải
Cấp điện áp cao áp, siêu cao áp và cá biệt có cấp 35kV; 66kV được dùng để truyền tải điện năng đi xa
Các thiết bị cơ bản của lưới điện
3.1 Cột, móng cột, xà của đường dây trên không
3.1.1 Cột điện a Công dụng của cột điện
Cột điện giữ dây dẫn điện ở độ cao an toàn, bảo vệ người và phương tiện giao thông bên dưới Chúng cũng đảm bảo khoảng cách cách điện giữa dây dẫn và mặt đất Cột điện được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau.
* Phân loại theo công dụng
Cột trung gian là thành phần phổ biến nhất trong hệ thống đường dây trên không, chiếm khoảng 80-90% tổng số cột trong các khu vực đồng bằng Khi hệ thống hoạt động bình thường, không có lực tác động dọc theo tuyến đường dây do sức căng của dây dẫn hai bên cột cân bằng nhau Do đó, cột chủ yếu chịu lực thẳng đứng từ trọng lượng của dây dẫn, dây chống sét, xà, sứ, phụ kiện, và lực ngang do gió tác động lên cột và dây dẫn.
Cột trung gian được phân loại theo cấp điện áp, bao gồm cột có cấp điện áp từ 6 đến 35 kV sử dụng cách điện đứng và cột có cấp điện áp từ 35 đến 220 kV sử dụng cách điện treo.
Cột góc được đặt ở vị trí nơi đường dây rẽ theo hướng khác, và mức độ lực tác dụng lên cột phụ thuộc vào góc chuyển hướng α của đường dây Khi góc α lớn, hợp lực P cũng lớn, do đó cần tiến hành néo cột về phía ngược lại với hợp lực P.
14 tế với đường dây trên không dùng cột bêtông người ta có thể néo cột hoặc dùng cột sắt hoặc bố trí hai cột ở vị trí cột góc
Cột néo là thiết bị quan trọng dùng để giữ chặt dây dẫn tại các vị trí đặc biệt trên đường dây, như cột đầu, cột cuối trong khoảng néo, hoặc tại những điểm giao nhau với các công trình quan trọng Trong quá trình vận hành bình thường, lực tác động lên cột néo tương tự như cột trung gian, nhưng cột néo có cấu trúc chắc chắn hơn, do đó nó được sử dụng làm điểm tựa để kéo dây trong quá trình thi công.
Cột hãm cuối, được đặt sát trạm biến áp, chịu lực kéo dọc tuyến đường dây làm giảm nhẹ lực tác dụng của đường dây vào trạm biến
Cột vượt được lắp đặt tại những vị trí cần thiết như qua đường giao thông, các công trình xây dựng hoặc giao cắt với các đường dây khác Với chiều cao vượt trội hơn các cột khác trong tuyến dây, cột vượt được gia cố chắc chắn để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc truyền tải điện.
Cột hoán vị được sử dụng để điều chỉnh vị trí của dây dẫn, nhằm đảm bảo tổng trở của các pha đồng đều và điện áp cùng dòng điện trong lưới điện được cân bằng Đối với các đường dây dài trên 30km, cần thực hiện việc đảo pha hai lần, và đối với những đường dây dài hơn, có thể cần đảo pha nhiều lần hơn.
Hình 1-2: Cách hoán vị dây dẫn của đường dây cao trên không
* Phân loại theo vật liệu chế tạo cột
Cột gỗ có khả năng cách điện tốt và dễ tạo dáng, nhưng lại có nhược điểm là nhanh chóng mục và độ bền kém Do đó, cần phải tẩm chất chống mối và sử dụng sơn chuyên dụng trong mạng điện địa phương để tăng cường độ bền cho cột.
Cột bê tông cốt thép, bao gồm cột ly tâm, cột chữ H và cột chữ K, nổi bật với tuổi thọ cao, khả năng chịu lực tốt và độ bền cao, đồng thời có giá thành tương đối rẻ, thường được sử dụng cho cấp điện áp lên đến 110 kV Tuy nhiên, trọng lượng lớn của chúng gây khó khăn trong quá trình thi công, lắp đặt và vận chuyển.
Cột thép có khả năng chịu lực tốt và có thể được chế tạo với chiều cao lớn, thuận tiện cho việc vận chuyển và lắp ráp Chúng thường được sử dụng trong lưới điện từ 110 kV trở lên và tại các vị trí cột néo, cột góc cho đường dây điện áp nhỏ hơn 110 kV Tuy nhiên, nhược điểm của cột thép là chi phí cao, cùng với chi phí bảo trì và sơn chống gỉ lớn Do đó, các xà ngang treo sứ cách điện và bộ phận trên cùng của cột thường được làm bằng thép không gỉ Các yêu cầu cơ bản đối với cột điện bao gồm đảm bảo chiều cao theo thiết kế cho từng tuyến đường dây và cấp điện áp, cũng như đảm bảo độ bền cơ giới để không bị phá hoại khi chịu tải trọng.
Không bị phá hoại do môi trường xung quanh
3.1.2 Móng cột a Công dụng của móng cột
Móng cột là phần dưới đất của cột, có chức năng chịu áp lực từ cột truyền xuống, giúp giữ cột thẳng đứng và ổn định trước các tải trọng bên ngoài như gió bão hay sức căng của dây dẫn Việc phân loại móng cột rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong xây dựng.
Tuỳ vị trí của cột mà móng cột có hình dáng, kích thước khác nhau và phân ra hai loại cơ bản là móng chôn sâu và móng ngắn
Cột điện trung gian điện áp thấp thường được xây dựng với móng chôn sâu để tiết kiệm vật liệu và đảm bảo tính ổn định trong các vùng đất rắn khó bị lún Móng thường được đào sâu khoảng 1,5 đến 2/10 chiều dài cột, và trong các khu vực đất mềm, người ta thường thêm 1 đến 2 thanh giằng ngang để chống lật Loại móng này được sử dụng phổ biến trong thực tế.
Móng ngắn cho cột điện của đường dây có điện áp từ 6 đến 35 kV thường có cấu tạo đơn giản và kích thước nhỏ, do lực nén và lực lật cột thấp Có hai loại móng ngắn: không cấp và có cấp.
Móng ngắn có cấp giúp giảm khối lượng bê tông và có độ chôn sâu trung bình bằng 1/10 chiều cao của cột Các yêu cầu cơ bản đối với móng cột cần được tuân thủ để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong xây dựng.
Móng cột phải có độ bền vững cao, muốn vậy phải đảm bảo độ chôn sâu, đúng kích thước theo thiết kế, không bị rỗ, rạn nứt
Khi đúc móng cột ở vùng đất xốp và ướt, cần đảm bảo móng cột không bị lún hay nghiêng Nếu áp suất đất ở đáy móng không đạt yêu cầu, cần áp dụng biện pháp chống lún để bảo vệ móng.
3.1.3 Xà của đường dây tải điện trên không a- Không có thanh ngang b- Có thanh ngang để chống lún
Hình 1-3 Móng chôn sâu h a- Móng ngắn không cấp b - Móng ngắn có cấp Đắp lốc 300 mm
Thân móng Đế móng h h Đắp lốc 300 mm
Tổn thất điện áp trong lưới điện
Tổn thất công suất, điện năng trong lưới điện
Tổn thất công suất trên đường dây và trạm biến áp
dây và trạm biến áp 4 3 1
Tổn thất điện năng trên đường dây và trạm biến áp
dây và trạm biến áp 5 3 2
Chọn tiết diện dây dẫn trong lưới điện
Chọn tiết diện dây dẫn trong lưới điện khu vực
Chọn tiết diện dây dẫn trong lưới điện địa phương
* Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết được tính vào giờ lý thuyết, kiểm tra thực hành được tính vào giờ thực hành
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
Chương này trình bày những khái niệm cơ bản về cấu trúc, vị trí, chức năng, điện áp và khả năng truyền tải của lưới điện, cùng với các thiết bị thiết yếu trong hệ thống điện.
Học xong chương này, người học có khả năng:
- Trình bày được các khái niệm: hệ thống điện, lưới điện, trạm biến áp, phụ tải;
- Vẽ được sơ đồ cung cấp điện của hệ thống điện;
- Trình bày được kết cấu, vị trí, và nhiệm vụ của lưới điện
1 Kết cấu, vị trí, nhiệm vụ của lưới điện trong hệ thống điện
1.1 Kết cấu của lưới điện
Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, trạm biến áp, đường dây tải điện và các hộ tiêu thụ, tạo thành một mạng lưới liên kết nhằm sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng hiệu quả.
Lưới điện là hệ thống bao gồm trạm biến áp, trạm phân phối, đường dây tải điện trên không, cáp ngầm và các thiết bị liên quan, nhằm mục đích truyền tải và phân phối điện năng Hệ thống lưới điện được phân chia thành ba loại chính.
Hệ thống lưới điện bao gồm các đường dây tải điện và trạm biến áp khu vực, kết nối các nhà máy điện để hình thành một mạng lưới điện với điện áp từ 110kV đến 500kV.
- Lưới truyền tải có nhiệm vụ tải điện từ các trạm khu vực đến các trạm trung gian, điện áp từ 35kV đến 220kV
Lưới phân phối điện bao gồm lưới phân phối trung áp và hạ áp, có chức năng phân phối điện năng từ các trạm trung gian đến các phụ tải với điện áp lên đến 35kV.
1.1.1 Kết cấu trạm biến áp
Trạm biến áp là nơi đặt máy biến áp Tuỳ theo mục đích biến đổi điện áp có trạm biến áp tăng áp và trạm biến áp giảm áp
Trạm biến áp tăng áp được lắp đặt tại nhà máy điện, thường nằm xa trung tâm phụ tải để tận dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu như than đá, khí đốt hoặc nước.
Để tiết kiệm dây dẫn và giảm vốn đầu tư xây dựng cũng như tổn thất điện năng, việc nâng cao điện áp là cần thiết, đặc biệt khi điện áp phát ra ở đầu cực máy phát thường thấp, như tại nhà máy điện Uông Bí (6,3kV), Hòa Bình (15,7kV), Phả Lại I (6,6kV) và Phả Lại II (19kV) Điều này giúp truyền tải điện năng đi xa một cách hiệu quả hơn.
Trạm biến áp giảm áp có chức năng chuyển đổi điện áp cao thành điện áp thấp hơn để phục vụ cho một khu vực cụ thể hoặc đáp ứng nhu cầu của phụ tải Có ba loại trạm biến áp giảm áp khác nhau.
Trạm biến áp giảm áp trung gian có chức năng chuyển đổi điện áp từ mức cao xuống mức thấp hơn, nhằm đảm bảo việc truyền tải điện hiệu quả đến các phụ tải.
- Trạm biến áp giảm áp phân phối được đặt sau trạm biến áp trung gian để giảm điện áp xuống cấp điện áp phân phối như: 6, 10, 22, 35 kV
- Trạm biến áp phụ tải được đặt sau các trạm giảm áp phân phối, ở trung tâm của phụ tải để trực tiếp cung cấp điện cho phụ tải
1.1.2 Kết cấu trạm cắt (Trạm phân phối)
Trạm cắt là trạm chỉ đặt các thiết bị đóng cắt, đo lường, bảo vệ mà không đặt máy biến áp
1.1.3 Kết cấu đường dây tải điện Đường dây tải điện bao gồm dây dẫn, dây chống sét, cột, xà, sứ và các phụ kiện, người ta có thể dùng đường dây trên không hoặc đường cáp ngầm
1.2 Vị trí và nhiệm vụ của lưới điện
1.2.1 Vị trí của lưới điện
Lưới điện đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các nguồn điện với hộ tiêu thụ, đảm bảo cung cấp điện một cách hiệu quả và ổn định.
Nếu lưới điện hoạt động không tốt sẽ ảnh hưởng rất lớn đến việc cung cấp và tiêu thụ điện năng
1.2.2 Nhiệm vụ của lưới điện
Lưới điện có nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng từ nơi sản xuất điện đến các hộ tiêu thụ điện
Đường dây tải điện có vai trò quan trọng trong việc dẫn điện từ các nhà máy điện đến trạm biến áp và trạm phân phối, cung cấp điện cho phụ tải Ngoài ra, một số đường dây còn đảm nhận chức năng liên lạc giữa các nhà máy điện và trạm biến áp, nhằm đảm bảo cung cấp điện an toàn, liên tục và hiệu quả về mặt kinh tế.
Các trạm biến áp chuyển đổi điện năng từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác, nhằm phục vụ cho việc truyền tải và phân phối điện hiệu quả.
Trạm phân phối nhận và phân phối điện năng cho các đường dây ở cùng một cấp điện áp
2 Điện áp và khả năng truyền tải của lưới điện
2.1 Điện áp của lưới điện
2.1.1 Điện áp định mức Điện áp định mức là điện áp chuẩn mực để thiết kế lưới điện và các thiết bị phân phối cũng như các thiết bị dùng điện Ở nước ta và các nước trên thế giới, người ta chia cấp điện áp định mức thành bốn loại: siêu cao áp, cao áp, trung áp và hạ áp:
Hạ áp: điện áp nhỏ hơn 1000V Cấp điện áp thông dụng là: 380/220V; 220/127V
Cấp điện áp 380/220 V là nguồn điện chính cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện, trong khi đó, những thiết bị công suất lớn có thể sử dụng trực tiếp điện áp lên đến 10kV.
Cấp điện áp trung áp dùng để phân phối điện năng từ trạm biến áp giảm áp trung gian đến các trạm biến áp phụ tải
Cấp điện áp cao áp, siêu cao áp và cá biệt có cấp 35kV; 66kV được dùng để truyền tải điện năng đi xa