TỔNG QUAN VỀ LƯỚI PHÂN PHỐI
Cấu trúc lưới phân phối
1.1.1 Khái ni ệ m v ề lướ i phân ph ố i
Lưới phân phối là thành phần quan trọng trong hệ thống điện, bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp và các đường dây truyền tải, kết nối chúng thành một mạng lưới đồng bộ để cung cấp điện hiệu quả.
Hệ thống lưới phân phối có vai trò quan trọng trong việc 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 Độ tin cậy của lưới phân phối phụ thuộc vào yêu cầu của phụ tải cũng như chất lượng của lưới điện, điều này chịu 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 đến 35 kV Các mức điện áp phổ biến bao gồm 6 kV, 10 kV, 22 kV và 35 kV, được sử dụng để phân phối điện đến các trạm trung áp, hạ áp, cũng như cung cấp điện cho các phụ tải trung áp và 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 điện có chiều dài lớn và cấu trúc phân nhánh, hình tia hoặc mạch vòng, cung cấp điện trực tiếp cho các hộ tiêu thụ Vì vậy, mọi nguyên nhân ảnh hưởng đến quá trình truyền tải của lưới phân phối đều có tác động trực tiếp đến các hộ tiêu thụ.
Trong thiết kế và vận hành lưới phân phối, cần xây dựng các phương án đảm bảo chất lượng năng lượng và có dự phòng hợp lý để giảm thiểu xác suất xảy ra sự cố Điều này không chỉ giúp hạn chế những rủi ro mà còn giảm thiểu thiệt hại kinh tế cho các hộ tiêu thụ.
1.1.2 Đặc điể m và phân lo ại lướ i phân ph ối điệ 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 điện phân phối trung áp đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho các phụ tải Mỗi sự cố xảy ra trên lưới này không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến sinh hoạt của người dân mà còn tác động đến 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 đến 98%, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các hoạt động kinh tế xã hội Sự gián đoạn này, dù là do sự cố hay kế hoạch, tác động lớn đến lưới phân phối trung áp.
- 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
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 trung áp đóng vai trò quan trọng trong quy hoạch và vận hành, do đó được chú trọng nghiên cứu và cải tiến Các tiến bộ khoa học được áp dụng để nâng cao hiệu quả điều khiển lưới phân phối 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 một cách toàn diện và đảm bảo độ tin cậy, cần thiết phải đưa ra các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lưới phân phối.
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
- 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 được nêu có mối liên hệ trực tiếp với điện năng, được gọi chung là 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 máy cắt, dao cách ly, cầu chì, hệ thống bảo vệ rơle, aptômát, cùng với các giải pháp bảo vệ chống quá điện áp và giảm dòng 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 chỉnh điện áp bao gồm các thiết bị như điều áp dưới tải trong trạm trung gian, thiết bị thay đổi đầu phân áp ngoài tải ở máy biến áp phân phối, tụ bù ngang và dọc, thiết bị đối xứng hoá, cũng như thiết bị lọc sóng hài bậc cao Những thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định điện áp và cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.
Thiết bị đo lường bao gồm công tơ đo điện năng tác dụng, điện năng phản kháng, và đồng hồ đo điện áp cũng như dòng điện Ngoài ra, còn có các thiết bị truyền thông tin đo lường để đảm bảo việc thu thập và xử lý dữ liệu chính xác.
- 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, khớp nối dễ tháo trên đường dây, và kháng điện hạn chế ngắn mạch Những thiết bị này không chỉ giúp đảm bảo an toàn mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.
- Thiết bị điều khiển xa hoặc tự động: Máy tính điện tử, thiết bị đo xa
Mỗi phần tử đều được thiết kế với các thông số đặc trưng như công suất, điện áp định mức, tiết diện dây dẫn, điện trở, điện kháng, điện dung, dòng điện cho phép, tần số định mức, khả năng đóng cắt và kích thước, tất cả được xác định dựa trên các tính toán kỹ thuật chính xác.
Phương pháp phân phối điện trung áp và nối đất trung tính cuộn
1.2.1 Phương pháp phân phối điệ n trung áp
Có 2 phương pháp phân phối điện trong lưới phân phối điện trung áp:
* Phương pháp dùng lưới điệ n 3 pha :
Điện năng được truyền tải qua hệ thống ba dây pha, sử dụng máy biến áp trung áp với cuộn trung áp đấu sao Trung tính được nối đất thông qua tổng trở Z, trong khi không có dây trung tính đi kèm theo lưới điện.
Hình 1.2.1.a L ưới điệ n 3 pha trung tính máy bi ế n áp n ối đấ t qua t ổ ng tr ở
Pmax1 P max Pmax Pmax Pmax
* Phương pháp dùng lưới điệ n 3 pha và 1 dây trung tính
Phương pháp truyền tải điện này sử dụng ba dây pha cùng với một dây trung tính, và thực hiện nối đất mỗi 300m Trong hệ thống lưới điện, cuộn dây trung áp của máy biến áp được nối theo kiểu sao, với dây trung tính được nối đất trực tiếp.
Hình 1.2.1.b L ưới điệ n 3 pha và 1 dây trung tính 1 2.2 Phương pháp nối 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=∞)
Khi xảy ra sự cố chạm đất, hệ thống điện vẫn có khả năng hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định, cho phép người vận hành tìm kiếm và khắc phục sự cố Điều này không chỉ giúp nâng cao độ tin cậy của mạng điện mà còn đảm bảo tính liên tục trong cung cấp điện năng.
+ 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 nhỏ hơn giá trị giới hạn Nếu dòng điện điện dung vượt quá giới hạn, hồ quang khi chạm đất một pha sẽ tái diễn và duy trì, dẫn đến quá điện áp và tiềm ẩn nguy hiểm 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
Phạm vi áp dụng của hệ thống trung tính không nối đất chủ yếu được sử dụng cho lưới phân phối điện áp 6kV và 10kV Đối với lưới điện có điện áp từ 15kV đến 35kV, phương pháp này chỉ nên áp dụng trong trường hợp chiều dài lưới điện ngắn.
1.2.2.2 Trung tính nối đất trực tiếp( Z=0)
Khi xảy ra sự cố chạm đất một pha, hiện tượng ngắn mạch một pha sẽ xảy ra Rơle bảo vệ sẽ tự động cắt phần tử bị hư hỏng ra khỏi lưới điện, đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị.
+ 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 tạo ra mức độ lớn, gây hại cho thiết bị trong trạm biến áp và đường dây, làm tăng tốc độ già hoá của máy biến áp và cáp điện Hơn nữa, hiện tượng này còn gây ra điện áp cảm ứng mạnh trên các đường dây bên cạnh và đường 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, vì vậy cần hạn chế dòng ngắn mạch trong khoảng 1000A-1500A Điều này cho phép kiểm soát dòng ngắn mạch pha-đất một cách hợp lý, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong 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 và 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 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
Z Tổng trở thứ tự không
Z 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 lưới phân phối có độ dài 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
+ 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 P hương án nố i dây trong m ạng điệ 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 là một phương pháp phổ biến trong các mạng 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 được áp dụng phổ biến trong các mạng trung áp tại thành phố và các mạng điện trong xưởng với điện áp 6kV, 10kV, 22kV, 35kV Các mạng điện này thường có cấu trúc mạch kín nhưng vận hành hở, cho phép bảo vệ tại máy cắt đầu nguồn tác động cắt mạch điện bị sự cố khi xảy ra vấn đề gần điểm sự cố Sau khi cô lập đoạn lưới gặp sự cố, phần lưới còn lại sẽ được đóng điện trở lại để tiếp tục cung cấp điện cho các hộ phụ tải, chỉ có đoạn lưới bị sự cố là mất điện cho đến khi sự cố được xử lý xong Đối với các hộ phụ tải quan trọng, cần có phương án dự phòng riêng cho đường dây trung áp và hạ áp để đảm bảo độ tin cậy cao.
1.3.2 Các phương pháp nối dây trong lưới điệ n phân ph ố i
Các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của mạng điện phân phối phụ thuộc vào sơ đồ nối điện, do đó cần chọn sơ đồ có chi phí thấp nhất nhưng vẫn đảm bảo 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 cần có khả năng phát triển trong tương lai và tiếp nhận các phụ tải mới Theo 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 phụ 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 chỉ trong thời gian ngắn Việc mất điện có thể gây ra 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 hộ phụ tải loại I chỉ được phép kéo dài bằng thời gian tự động đóng nguồn dự trữ.
Phụ tải loại II có thể nhận điện từ một hoặc hai nguồn, tùy thuộc vào việc so sánh kinh tế giữa chi phí đầu tư cho thiết bị dự phòng và thiệt hại do mất điện Các hộ phụ tải loại II cho phép tạm ngừng cung cấp điện để nhân viên vận hành có thể đóng nguồn dự trữ khi cần thiết.
Phụ tải loại III chỉ yêu cầu 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.
Trong bối cảnh cuộc sống ngày càng phát triển, các nhà thiết kế và quản lý vận hành lưới điện cần phải tính toán và dự đoán mọi khả năng để giảm thiểu xác suất xảy ra sự cố mất điện và thời gian mất điện xuống mức thấp nhất.
1.3.2.1 Sơ đồ lưới phân phối trung áp trên không
Lưới điện phân phối trung áp trên không là giải pháp hiệu quả cho mạng điện nông thôn, nơi không yêu cầu cao về độ tin cậy và không bị ràng buộc bởi các tiêu chuẩn an toàn và mỹ quan như ở đô thị Với mật độ phụ tải thấp và phân tán, cùng với chiều dài đường dây khá lớn, 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.
Phương pháp nối dây theo sơ đồ hình tia cung cấp điện cho các trạm biến áp phân phối thông qua thanh cái hạ áp của trạm biến áp trung gian, sử dụng các đường trục chính.
Hình 1.3.1 S ơ đồ lướ 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 bằng các thiết bị như máy cắt và máy cắt tự động Những thiết bị này có khả năng tự động cắt khi gặp sự cố và được điều khiển từ xa, giúp nâng cao hiệu quả và an toàn trong quá trình vận hành.
Các đường trục chính của trạm nguồn có thể được kết nối liên thông với nhau nhằm đảm bảo dự phòng khi xảy ra sự cố hoặc trong trường hợp ngừng điện theo kế hoạch Trong quá trình làm việc, máy cắt hoặc dao cách ly sẽ được mở để thực hiện 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 Do hạn chế về an toàn và mỹ quan đô thị, hệ thống này không thể lắp đặt trên không mà phải được triển khai dưới mặt đất, tạo thành mạng lưới phân phối cáp hiệu quả.
Lưới phân phối cáp có nhược điểm là chi phí cao và sơ đồ phức tạp, gây khó khăn trong việc phát hiện sự cố và sửa chữa Thời gian sửa chữa kéo dài do xác suất hỏng tại các điểm nối rất cao, dẫn đến việc hạn chế tối đa khả năng đấu nối Sơ đồ phân phối mạch vòng kín cũng góp phần vào những thách thức này.
Sơ đồ phân phối mạch vòng kín cung cấp điện cho các trạm phân phối với một máy biến áp, trong đó các trạm được liên kết với nhau Mỗi máy biến áp được trang bị hai dao cách ly ở hai phía và có khả năng nhận điện từ hai nguồn khác nhau, lấy từ hai phân đoạn thanh cái hạ áp của máy biến áp trung gian Thông thường, các máy biến áp sẽ được cấp điện từ một phía.
Hình 1.3.2 S ơ đồ lướ i phân ph ố i m ạ ch vòng kín
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 ĩa độ tin c ậ y
Hệ thống điện là tập hợp các phần tử như máy phát điện, máy biến áp và đường dây tải điện, hoạt động đồng bộ để sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng đến người tiêu dùng Nhiệm vụ của hệ thống này là đảm bảo điện năng đạt tiêu chuẩn chất lượng và độ tin cậy cao Để đạt hiệu quả kinh tế tối ưu, hệ thống điện cần được phát triển và vận hành một cách 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 của hệ thống điện đã dẫn đến việc phân cấp quản lý, giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển và vận hành, từ đó phát triển hệ thống một cách hiệu quả nhất.
Hệ thống điện là một cấu trúc phục hồi, trong đó các thành phần sẽ được khôi phục sau khi gặp sự cố Hầu hết các phần tử trong hệ thống điện còn được bảo trì định kỳ nhằm phục hồi hiệu suất làm việc đã bị giảm sút sau thời gian dài hoạt động.
Phần tử là các bộ phận cấu thành hệ thống, được coi là một tổng thể không thể tách rời trong một quá trình nhất định, với các thông số độ tin cậy chung phụ thuộc vào yếu tố bên ngoài như môi trường, không phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của chúng Mặc dù phần tử có thể có cấu trúc phức tạp, nhưng khi xem xét trong bối cảnh độ tin cậy của hệ thống, nó chỉ là một phần tử với các thông số như cường độ hỏng hóc và thời gian phục hồi không đổi Độ tin cậy của hệ thống được định nghĩa là xác suất để hệ thống hoặc phần tử hoàn thành nhiệm vụ yêu cầu trong khoảng thời gian nhất định và trong điều kiện vận hành xác định.
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 đã định Được đo bằng tần suất, độ kéo dài và mức độ ảnh hưởng của các sự cố như ngừng điện, thiếu điện hay điện áp thấp, độ tin cậy cũng phản ánh xác suất xảy ra mất điện toàn phần hoặc một phần Xác suất này được tính dựa trên độ sẵn sàng của hệ thống và các phần tử của nó, tức là khả năng hoàn thành nhiệm vụ tại bất kỳ thời điểm nào 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 đủ công suất và điện năng cho khách hàng trong mọi thời điểm Điều này bao gồm việc xem xét các trường hợp ngừng điện, cả kế hoạch và ngẫu nhiên, ở mức hợp lý cho các thành phần của hệ thống.
Mức an toàn của hệ thống điện đề cập đến khả năng chịu đựng các rối loạn đột ngột, chẳng hạn như sự cố ngắn mạch hoặc mất mát không lường trước của các thành phần trong hệ thống.
2.1.2 Các ch ỉ tiêu đánh giá độ tin c ậ y c ủ a h ệ th ống điệ n và quan điể m v ề độ tin c ậ y
Các chỉ tiêu độ tin cậy được xác định cho ba khâu chính: sản xuất, truyền tải và phân phối, cùng với khâu cung cấp năng lượng sơ cấp, và được phân tích trong 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 Khách hàng dùng điện
Sản xuất Mức dự trữ,
- Độ tin cậy phần tử
- Điều khiển vùng -Xa thải phụ tải…
- Độ kéo dài -Thời gian (mùa trong năm…) -Mức độ mất điện
Năng lượng sơ cấp Đủ nhiên liệu sơ cấp…
2.1.3 T ổ n th ấ t kinh t ế do m ất điệ n và ảnh hưở ng c ủa độ tin c ậy đế n c ấ u trúc c ủ a h ệ th ống điệ n
Hệ thống điện là một mạng lưới phức tạp bao gồm nhiều phần tử liên kết chặt chẽ với nhau, thường trải rộng trên toàn quốc hoặc vùng lãnh thổ Sự hư hỏng của bất kỳ phần tử nào trong hệ thống có thể gây ra mất điện cho một khu vực hoặc toàn bộ hệ thống Nguyên nhân gây mất điện có thể được phân chia thành bốn 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 lưới phân phối xuất phát từ yếu tố thiên nhiên như sét, bão, mưa, lũ lụt và động vật Ngoài ra, mất điện cũng có thể do khiếm khuyết thiết bị, vật liệu hoặc hành động của con người như xe ô tô đâm vào cột, phương tiện chạm dây dẫn, cây đổ, phá hoại hay máy đào va chạm với cáp ngầm Các sự cố nguy hiểm và lan rộng trong hệ thống phân phối thường xảy ra do bão và lũ lụt, gây khó khăn trong việc phục hồi cấp điện Trong những tình huống này, nhiều đơn vị điện lực không đủ nhân lực, phương tiện và thiết bị cần thiết để khôi phục nhanh chóng 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 lại hoạt động nhằm nâng cao độ tin cậy Việc sửa chữa kịp thời thiết bị hư hỏng sẽ giúp giảm thiểu thời gian mất điện Phối hợp giữa lập kế hoạch bảo trì phòng ngừa và phân tích độ tin cậy là rất hiệu quả, giúp xác định rõ những điểm yếu trong hệ thống phân phối và giải quyết nhanh chóng các vấn đề này Phân tích chỉ được thực hiện tại các khúc quan trọng của hệ thống, và thông tin thu thập được sẽ hỗ trợ trong việc quyết định 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
Các loại phụ tải khi mất điện có thể gây ra hậu quả kinh tế nghiêm trọng Đối với phụ tải cần điện, độ tin cậy cấp điện phải được đảm bảo ở mức cao nhất Trong khi đó, phụ tải thứ hai đặt ra bài toán kinh tế - kỹ thuật, yêu cầu 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:
1 Tổn thất kinh tế cho cơ sở sản xuất kinh doanh cụ thể Đó là tổn thất kinh tế mà các cơ sở này phải chịu khi mất điên đột ngột hay theo kế hoạch Khi mất điện đột ngột , các sản phẩm bị hư hỏng, sản xuất bị ngừng trệ gây ra tổn thất kinh tế Tổn thất này phụ thuộc vào số lần mất điện và thời gian mất điện Khi mất điện theo kế hoạch tổn thất kinh tế sẽ nhỏ hơn do cơ sở sản xuất đã được chuẩn bị trước
Tổn thất điện năng được xác định cho từng loại xí nghiệp hoặc cơ sở kinh doanh cụ thể, nhằm phục vụ cho việc thiết kế hệ thống cấp điện phù hợp với nhu cầu của các cơ sở này.
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 ủa lướ i phân ph ối điệ 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 l là yếu tố quan trọng, phản ánh tình trạng mất điện do sự cố hoặc nguyên nhân khác.
R(t) kế hoạch), thời gian mất điện (sửa chữa) trung bình t, thời gian mất điện hàng năm trung bình T của phụ tải
Mặc dù các giá trị trung bình của phân phối xác suất như 3 chỉ tiêu trên là quan trọng, chúng không đủ để phản ánh độ tin cậy toàn diện của hệ thống Những chỉ tiêu này không thể hiện chính xác sự khác biệt giữa 1 khách hàng và 100 khách hàng, cũng như không phản ánh tải trung bình tại các điểm đánh giá khác nhau, từ 10kW đến 10MW Để có cái nhìn tổng quát hơn về sự mất điện của hệ thống, cần bổ sung thêm 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)
Chỉ tiêu "độ tin cậy cung cấp điện" được tính bằng tỷ lệ giữa tổng số lần mất điện của khách hàng (ồ l i N i) và tổng số khách hàng được phục vụ (N i) Trong đó, ồ l i đại diện cho cường độ mất điện, giúp xác định số lần mất điện trung bình mà mỗi 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 huong anh bi hang khach so
Tong hang khach cua dien mat lan so Tong
Chỉ tiêu này xác định số lần mất điện đối với khách hàng bị ảnh hưởng
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
Ni :Số khách hàng của nút phụ tải thứ i; ồ T i N i : Tổng số thời gian mất điện của khỏch 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
Tong l Trong đó: li : Là cường độ mất điện
Ti : 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):
Sôgiokhach ồNi * 8760 - ồTi Ni ồNi * 8760 ồ ồ
Với: ồ N i * 8760 - ồ T i N i : Số giờ khỏch hàng được cung cấp điện ồ N i * 8760 : Số giờ khỏch 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
Pi Ti là tải trung bình kết nối với nút tải thứ i, chỉ tiêu này xác định lượng điện bị mất trong hệ thống trong một năm.
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 ồ P i T i : Tổng điện năng khụng cung cấp được ồ N i : Tổng số khỏch 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):
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,
Thời gian thương mại là 45 phút, với chỉ số SAIDI bằng 1 và SAIFI đạt 80 phút cho các cửa hàng lớn Độ tin cậy của các hệ thống điện khác nhau phụ thuộc vào tình hình địa phương và được xác định dựa trên phân tích kinh tế cụ thể.
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 ủa lướ 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 ối không phân đoạ n
Toàn bộ lưới phân phối điện được coi là một hệ thống thống nhất, do đó, khi có sự cố hay ngừng hoạt động ở bất kỳ phần tử nào trong lưới, sẽ dẫn đến tình trạng mất điện toàn bộ hệ thống.
- Cường độ hỏng hóc của toàn bộ lưới phân phối:
- Cường độ ngừng điện tổng là: l ND =l SC +l CT (2.2)
- Thời gian ngừng điện do sự cố trong một năm:
- Thời gian ngừng điện công tác:
- Tổng thời gian ngừng điện:
Trong đó: + l 0 : Cường độ hỏng hóc cho 100 km
+ L : Độ dài lưới phân phối
+ l 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: + T NDSC : Thời gian ngừng điện do sự cố
+ TNDCT: Thời gian ngừng điện công tác
+ P max (kW): Công suất phụ tải nhánh
Tmax (h) là khoảng thời gian mà công suất bị tổn thất lớn nhất 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 bằng tay tại chỗ hoặc từ xa.
Máy cắt tự động đảm bảo cắt điện khi có sự cố xảy ra trên các đoạn lưới phía sau, giúp bảo vệ hoàn toàn đoạn lưới phía trước khỏi bị mất điện Điều này có nghĩa là sự cố ở các đoạn lưới phía sau không ảnh hưởng đến đoạn lưới phía trước, cả về số lần và thời gian mất điện.
Phân đoạn bằng dao cách ly là biện pháp quan trọng trong hệ thống điện, giúp cô lập phần tử bị sự cố Khi xảy ra sự cố, máy cắt đầu nguồn sẽ tự động nhảy, tạm thời ngắt toàn bộ lưới phân phối Dao cách ly sẽ cắt ra và cô lập phân đoạn gặp sự cố với nguồn điện, cho phép nguồn điện được đóng lại và tiếp tục cấp điện cho các phân đoạn phía trước, đảm bảo hoạt động ổn định cho hệ thống.
Khi xảy ra sự cố trên đoạn lưới có dao cách ly, toàn bộ các đoạn lưới phía trước cho đến dao cách ly gần nhất sẽ bị ảnh hưởng hoàn toàn về số lần mất điện Thời gian mất điện kéo dài từ lúc sự cố xảy ra cho đến khi hoàn tất việc cô lập và đóng lại máy cắt, được gọi là thời gian thao tác tC Mọi đoạn lưới, bất kể có dao cách ly hay máy cắt, đều chịu ảnh hưởng toàn phần từ đoạn lưới phía trước, nghĩa là đoạn lưới phía sau sẽ gặp phải 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 áp dụng giải pháp này đòi hỏi phải có nguồn vốn đầu tư.
Tối ưu hóa lưới phân phối trong bài toán T max4 TBP§ yêu cầu xác định số lượng, vị trí và loại thiết bị phân phối nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao nhất Để tính toán độ tin cậy của lưới phân phối, cần tiến hành đẳng trị các đoạn lưới thành những đoạn chỉ có một phụ tải, cùng với việc xác định các thông số độ tin cậy tương ứng.
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 l’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 làm ảnh hưởng đến đoạn I, với điều kiện lII > I = 0 và TII > I = 0 Ngược lại, khi phân đoạn bằng dao cách ly, sự cố ở đoạn II sẽ gây ngừng điện đoạn I trong thời gian thao tác cô lập sự cố Ttt, dẫn đến lII > I = l’II và TII > I = Ttt.
Tổng số lần ngừng điện và thời gian ngừng điện của đoạn lưới I: lI = l’I + lII > I; TI = T’I + TII > I
* Độ tin cậy của đoạn lưới II:
T maxI Đoạn l-ới I, L I Đoạn l-ới II, L II
Ngừng cung cấp điện có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân, bao gồm hỏng hóc tại đoạn lưới II hoặc sự cố từ các đoạn lưới trước và sau nó.
- Đoạn II có cường độ hỏng hóc là l’II và thời gian ngừng điện năm là T’ II
Ảnh hưởng của đoạn lưới I đến đoạn lưới II là toàn phần và không phụ thuộc vào thiết bị phân đoạn Điều này thể hiện qua việc cường độ hỏng hóc và thời gian ngừng cung cấp điện của đoạn I, trong đó lI lớn hơn II và l’I tương ứng; TI lớn hơn II và T’I tương ứng.
Tổng số lần và thời gian ngừng cung cấp điện của đoạn lưới II được tính bằng lII = l’II + l’I và T II = T’ II + T’ I Điều này cho thấy các đoạn lưới phía sau chịu ảnh hưởng toàn phần từ các đoạn lưới phía trước, trong khi các đoạn lưới phía trước chỉ chịu ảnh hưởng không toàn phần 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 cải thiện đáng kể độ tin cậy so với lưới không phân đoạn, nhưng vẫn chưa đáp ứng đủ yêu cầu của phụ tải Khi một đoạn lưới phân đoạn ngừng cung cấp điện, các đoạn lưới 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 chỉ phụ tải ở đoạn ngừng điện bị mất nguồn, trong khi các đoạn khác chỉ tạm ngừng để thao tác và sẽ được cấp điện trở lại nếu khả năng tải cho phép.
Lưới phân phối kín với vận hành hở mang lại độ tin cậy cao, đặc biệt khi thiết bị 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 các biện pháp thao tác nhằm xây dựng sơ đồ lưới điện sau sự cố tốt nhất, ưu tiên theo 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
Nếu sơ đồ vận hành sau sự cố cho thấy có đoạn lưới bị quá tải hoặc điện áp tại nút nào đó thấp dưới tiêu chuẩn, cần giảm đều công suất phụ tải lưới phân phối cho đến khi khắc phục được tình trạng quá tải hoặc điện áp đạt mức cho phép Công suất giảm đi chính là công suất bị mất do sự cố Từ xác suất sự cố và công suất mất đi, có thể tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy cần thiết.
2.3.2 Sơ đồ t ổng quát lưới điệ n
