Nội dung

THƯ VIỆN ĐH NHA TRANG HỌC VA KỸhttps://tieulun.hopto.org THUÂT NGUYÊN VĂN ĐẠM T IllẾ T K Ể CÁC MẠNG VÀ HỆ• THÔNG ĐIỆN • • In lần th ứ 3, có sửa chữa NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2006 https://tieulun.hopto.org LÒI NÓI ĐẦU Sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá của nước ta trong giai đoạn hiện nay yêu cầu tăng không ngừng sản lượng điện. Để thực hiện điêu đó cần phát triển và mở rộng các nhả máy điện cũng như các mạng và hệ thống điện công suất lớn. Điéu này đặt ra những nhiệm vụ quan trọng đối với các kỹ sư ngành hệ thống điện. Một trong những nhiệm vụ đó là thiết kế các mạng và hệ thống điện. Thiết kế là một lĩnh vực quan trọng và khó khăn trong công việc của người kỹ sư nói chung, đặc biệt đối với các kỹ sư hệ thống điện. Thiết kế các mạng và hệ thống điện đòi hỏi phải biết vận dụng tốt những kiến thức lý thuyết và kinh nghiệm để giải quyết những vấn đé có tính chất tổng hợp, phức tạp thường gặp trong thực tế. Thiết kế các mạng và hệ thống điện liên quan chặt chẽ với các bài toán kinh tế và kỹ thuật. Vì vậy cuốn sách "Thiết kế các mạng và hệ thống điện” này được biên soạn nhằm mục đích cung cấp những kiến thức lý thuyết vế tính toán các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật và luận chứng kinh tế của các giải pháp kỹ thuật. Sách còn trình bày các phương pháp tính toán các chỉ tiêu chủ yếu vê độ tin cậy cung cấp điện cũng như các phương pháp tính độ tin cậy khi so sánh kinh tế - kỹ thuật các phương án; các phương pháp tính kinh tế - kỹ thuật để chọn phương án tối ưu trong thiết kế và phương pháp tính các thông số chê' dộ của mạng và hệ thống điện. Các giải pháp nâng cao các chỉ tiêu chất lượng điện, nâng cao hiệu quả kinh tế và khả năng tải của mạng điện cũng được trinh bày trong cuốn sách. Cuốn “ Thiết kế các mạng và hệ thống điện” này được biên soạn dành cho sinh viên chuyên ngảnh “ Hệ thống điện" trong các trường Đại học và Cao đẳng, hy vọng nó cũng sẽ có ích đối với các cán bộ kỹ thuật, các kỹ sư và những ai quan tâm đến lĩnh vực này. Tác giả rất mong nhận được nhiéu ý kiến nhận xét và phê bình của bạn đọc. Tác giả https://tieulun.hopto.org 3 Chương Một NHỮNG NG UYÊN TA C t h iế t kê ' CÁC M Ạ N G Đ IỆ N V À HỆ THỐNG Đ IỆN 1.1. NHŨNG ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ NĂNG LƯỢNG CỦA KHU v ự c Trong giai đoạn đầu chuẩn bị thiết kế các mạng và hệ thống điện cần chỉ rõ các vấn đề phải giải quyết trong thiết kế. Các vấn đề đó được quyết định bởi đặc điểm của khu vực có các hộ tiêu thụ điện năng và tính chất của các hộ tiêu thụ điện. Vì vậy trước khi thiết kế cần có những sô' liệu cơ bản đặc trưng của khu vực phân bố các hộ tiêu thụ điện năng, cũng như các nguồn điện, các nhà máy điện địa phương và các nguồn năng lượng dự trữ. Đặc biệt cần xác định rõ những vấn đề sau: 1. Vị trí địa lý của khu vực được điện khí hoá, diện tích của khu vực, dân số, số lượng các khu dân cư và các khu vực sản xuất; 2. Những đặc điểm khí hậu của khu vực, nhiệt độ cao, thấp và trung bình trong năm, tốc độ gió và hướng gió, giông sét, mức độ ô nhiễm khồng khí; 3. Các sô' liệu về hộ tiêu thụ điện năng, vị trí địa lý, công suất tiêu thụ có xét đến sự phát triển từ 5 đến 10 năm; 4. Những tài nguyên thiên nhiên của khu vực, việc sử dụng chúng hiện tại và trong tương lai; 5. Những số liệu về các nguồn năng lượng của khu vực. Nếu nhiệm vụ thiết kế là phát triển mạng điện hiện có thì cần phải có sô' liệu về các thông số của mạng. Để tiến hành thiết kế môn học “Mạng lưới điện” và thiết kế tốt nghiệp cần có thêm những sô' liệu ban đầu sau: a. Trung tâm cung cấp điện (nhà máy điện, trạm biến áp khu vực của hệ thống) được sử dụng để cung cấp cho các hộ tiêu thụ (cần chỉ rõ sơ đồ và các cấp điện áp định mức: 35, 110, 220 kV và V.V.); điện áp duy trì trên thanh góp https://tieulun.hopto.org 5 của các trung tâm cung cấp trong các chế độ khác nhau (chế độ phụ tải cực đại và cực tiểu, cũng như chế độ sau sự cố). b. Giá 1 kW công suấl đặt trong các nhà máy điện của hệ thống. c. Giá 1 kW.h điện năng tổn thất trong các mạng điện và giá thành các thiết bị bù. 1.2. NHIỆM VỤ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN Nhiệm vụ thiết kế mạng và hệ thống điện là nghiên cứu và lập luận chứng kinh tế - kỹ thuật các giải pháp quyết định sự phát triển của mạng và hệ thống điện, đảm bảo cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ với chi phí nhỏ nhất khi thực hiện các hạn chế kỹ thuật về độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng. Trong thiết kế các hệ thống điện, thông thường không bắt đầu từ “số không”. Các hệ thống điện được tạo thành từ các nhà máy điện, các nút năng lượng, thường là các hệ thống điện nhỏ hơn đã có. Vị trí địa lý của chúng, giá trị kinh tế và kế hoạch phát triển trong tương lai là các yếu tô' quan trọng, là các tiền đề kinh tế để thiết kế. Nhiệm vụ chính của thiết kế hệ thống điện là chọn cấu trúc tối ưu của nó, nghĩa là chọn phương án phát triển tối ưu các công suất phát của hệ thống, kết hợp với các đường dây tạo thành hệ thống truyền tải điện. Trong thiết kế cần dự kiến xây dựng các nhà máy điện và đường dây truyền tải mới như thế nào để có thể đạt được các chỉ tiêu kinh tế tốt nhất cho hệ thống điện xây dựng. Trong các điểu kiện kinh tế đê thiết kế các hệ thống điện, ngoài các yếu tô có tính nguyên tắc chung, được xác định bằng các quy luật kinh tế, còn có hàng loạt các yếu tố phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể. Để xác định các tiền đề kinh tế cụ thể cần tiến hành phân tích sơ bộ theo ba hướng: 1. Phát hiện nhu cầu điện năng, số lượng và sự phân bô' cũng như sự thay đổi của nhu cầu điện năng theo thời gian (đồ thị phụ tải); 2. Phân tích các nguồn nhiên liệu, khả năng xây dựng các nhà máy nhiệt điện, nhu cầu năng lượng nhiệt cho công nghiệp và dân dụng; 3. Khảo sát các nguồn nước, tiến hành các tính toán thuỷ năng và kinh tê' thuỷ năng, phân tích sự cần thiết xây dựng các nhà máy thuỷ điện. 6 https://tieulun.hopto.org Nghiên cứu chi tiết các vấn đề trên cho phép phát hiện và chứng minh các điều kiện kinh tế của sự phát triển hệ thống điện. Nhiệm vụ thiết kê các hệ thống điện là tìm giải pháp tốt nhất để phát triển các công trình năng lượng mới và thời hạn khai thác chúng, có chú ý đến các chi tiêu kinh tế - kỹ thuật hợp lý nhất. Thiết kế các hệ thống điện cần có các luận chứng kinh tê' - kỹ thuật của sự phát triển các nhà máy điện, các mạng điện và các phương tiện vận hành chúng, bao gồm cả các phương tiện điều khiển. Thiết kế các hệ thống điện được tiến hành theo trình tự sau: Trước hết cần chuẩn bị báo cáo kinh tế - kỹ thuật, trong đó dự kiến các nguyên tắc giải quyết những vấn đề trong tương lai 15 - 20 năm. Trong báo cáo kinh tê - kỹ thuật quy định: 1. Tỷ lệ tối ưu các loại nhà máy điện (nhà máy nhiệt điện, nhà máy thuý điện, nhà máy điện nguyên tử, các thiết bị tiêu chuẩn chuyên ngành), điểu kiện sử dụng và các thông số cơ bản của chúng; 2. Những nguyên tắc chủ yếu của xây dựng hệ thống điện (xác định hướng v à các thông số của các đường dây dài, chọn hệ thống điện áp của mạng điện chính V.V.), cũng như những vấn đề nguyên tắc tổ chức và điều khiển hệ thống; 3. Tổng vốn đầu tư và các nguồn nguyên vật liệu cần thiết để phát triển năng lượng. Trên cơ sở báo cáo kinh tế - kỹ thuật sẽ hình thành các yêu cầu đối với các ngành công nghiệp liên quan (chế tạo máy điện, kỹ thuật điện, nhiên liệu), triển khai các hướng nghiên cứu khoa học, chuẩn bị luận chứng kinh tế - kỹ thuật, chọn thông số các thiết bị năng lượng và kỹ thuật điện mới. Công việc tiếp theo là dựa trên cơ sở của báo cáo kinh tế - kỹ thuật, dự kiến các sơ đồ phát triển (của hệ thống, các đường dây truyền tải, các mạng phân phối, tổ chức vận hành, trong đó có điều độ) và thiết kế kỹ thuật, kể cả vấn đề thiết bị tự động hoá hệ thống. Các sơ đồ của hệ thống điện độc lập và các hệ thống điện hợp nhất thông thường được dự tính đến 5 - 7 năm sau. Các sơ đồ đó chỉ rõ các số liệu thiết kế, trên cơ sở đó phân bổ kinh phí cho thiết kế các nhà máy điện, các đường dây truyền tải điện và các trạm của mạng điện chủ yếu, và chuẩn bị kế hoạch xây dựng. https://tieulun.hopto.org 7 Trong nhiệm vụ lập các sơ đồ có yêu cầu xác định vị trí, công suất và trình tự xây dựng các nhà máy điện riêng biệt trong tương lai đến 10 năm, chọn hình dạng, các thông số và trình tự phát triển mạng điện chủ yếu, để ra những yêu cầu cơ bản đối vói thiết bị tự động chống sự cố. Trên cơ sở các sơ đồ nhận được, sơ bộ xác định yêu cầu vể vốn đầu tư, về nhiên liệu và thiết bị. Sơ đồ phát triển của hệ thống điện riêng biệt được chuẩn bị sau khi thành lập sơ đồ của hệ thống điện độc lập và hệ thống điện hợp nhất. Ghúng thường được lập chi tiết hơn đến 5 năm, đồng thời tính đến sự phát triển của chúng trong 5 năm sau (đôi khi 2 đến 3 năm). Lập sơ đồ phát triển của hệ thống điện cần thực hiện các công việc sau: 1. Cân bằng công suất tác dụng, công suất phản kháng và năng lượng. Chọn các nguồn năng lượng tối ưu, đảm bảo độ tin cậy cao; 2. Tính các chi tiêu cơ bản của năng lượng; 3. Xác định hình dạng, thông số và trình tự xây dựng các mạng điện; 4. Sơ bộ đánh giá vốn đầu tư cần thiết về thiết bị của tất cả các loại nhà máy điện và các trạm. Hướng phát triển của các mạng phân phối của hệ thống thường là các thành phố, các vùng nông thôn, các đường sắt điện khí hoá, các trung tâm công nghiệp. Chúng là các số liệu ban đầu để thiết kế các đường dây tải điện riêng biệt, các trạm, mạng điện thành phố, mạng điện nông thôn và các công trình khác liên quan với sự phát triển và thiết kế cải tạo mạng điện. Khi lập sơ đồ cần giải quyết những nhiệm vụ sau: 1. Chọn hình dạng các mạng phân phối; 2. Chọn các thông sô' của mạng; 3. Xác định các thông số của trạm; 4. Sơ bộ xác định vốn đầu tư cần thiết; 5. Trình tự xây dựng. Các sơ đồ tổ chức vận hành của hệ thống điện được thực hiện phù hợp với các sơ đồ phát triển toàn bộ hệ thống. Khi lập chúng cần dự kiến các phương án phục vụ sửa chữa, vận hành thao tác, cách tổ chức điều độ, các kênh thông tin liên lạc và hệ thống điều khiển từ xa, thiết lập cơ cấu quản lý hành chính của hệ thống điện. Trên cơ sở đó sơ bộ xác định vốn đầu tư các thiết bị kỹ thuật cần 8 https://tieulun.hopto.org thiết để vận hành. Sau khi thực hiện các công việc trên cần lập kế hoạch phát triển các thiết bị quản lý hành chính và điều độ. Trong giai đoạn này của thiết kế, cần có luận chứng kinh tế - kỹ thuật cho tổ chức và phát triển các thiết bị điểu chỉnh tự động, kỹ thuật máy tính, điều khiến từ xa và thông tin liên lạc, đồng thời cần xét: 1. Cấu trúc điều độ và thiết bị chính của các trạm điều độ; 2. Các dạng điều chỉnh tự động cần thiết, điều khiển từ xa, kỹ thuật máy tính và thông tin liên lạc; 3. Các sơ đồ kênh thông tin liên lạc, điều khiển từ xa và điều chỉnh tự động; 4. Vốn đầu tư. Thiết kế kỹ thuật thiết bị tự động chống sự cố của hệ thống được tiến hành sau khi thông qua các sơ đồ phát triển. Khi thực hiện thiết kế kỹ thuật cần nghiên cứu sơ đồ cấu trúc của thiết bị tự động chống sự cố và sơ đổ bố trí các thiết bị trên công trình. Thiết kế kỹ thuật được thực hiện sau khi tính chế độ của hệ thống điện, phân tích ổn định tĩnh và ổn định động của hệ thống, các phương tiện nâng cao ổn định. Thiết kế kỹ thuật là cơ sở để chuẩn bị các bản vẽ thi công, khai thác thiết bị tự động chống sự cố, bảo vệ rơle và điểu khiển. Luận chứng kinh tế - kỹ thuật của các giải pháp được chấp nhận khi thiết kế các hệ thống điện phải so sánh các phương án thực hiện các sơ đồ của thiết kế đối vói hệ thống nói chung hay đối với các phần tử riêng biệt của nó. Các phương án so sánh về kỹ thuật cho phép thực hiện nhiệm vụ cần thiết khi thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật, được quy định bằng các định mức tương ứng, đồng thời bảo đảm độ tin cậy cần thiết. Các phương án so sánh về kinh tế phải cho hiệu quả sản xuất như nhau (kể cả sản phẩm không năng lượng, nếu các công trình tổng hợp được xem xét) và tính tất cả các chi phí kinh tế liên quan (chi phí đầu tư vào các bộ phận liên quan của năng lượng và các ngành liên kết). Các phương án được đánh giá cả về các chỉ tiêu, cần so sánh theo quan điểm tính đầy đủ các điều kiện cụ thể của xây dựng và vận hành công trình, mức giá và thuế áp dụng, trình độ kỹ thuật của công nhân xây dựng v.v. Khi tiến hành so sánh các phương án cấu trúc hệ thống điện và các sơ đồ của mạng điện chính, thời hạn tính toán là 10 năm, còn với các phương án của https://tieulun.hopto.org9 các mạng phân phối là 5 năm. Trong tính toán, các tổn thất điện năng chỉ được tính đối với các công trình năng lượng xây dựng mới và đánh giá sự khác nhau của các tổn thất đó trong mạng điện đối với các phương án so sánh. Thông thường đối với các công trình năng lượng (hệ thống điện, nhiệt...) các đặc tính kinh tế gần cực tiểu thường biến đổi chậm. Vì vậy có thể xuất hiện các phương án khác nhau về các chi phí quy đổi không lớn hơn khoảng 3 đến 5%. Các phương án như thế được cho là bằng nhau vể kinh tế, và trong trường hợp này phương án tốt nhất được chọn không theo các chi tiêu kinh tế, mà theo các chỉ tiêu chất lượng của phương án, các chỉ tiêu này không được tính khi so sánh kinh tế (triển vọng trong tương lai, độ tin cậy, thị trường thiết bị, mức độ ánh hưởng đến môi trường, các yếu tố xã hội V . V . ) . 1.3. XÁC ĐỊNH NHU CẦU ĐIỆN NÀNG Số liệu về điện năng tiêu thụ và các phụ tải điện là những dữ liệu ban đầu quan trọng, ảnh hưởng lớn đến kết quả giải quyết các nhiệm vụ thiết kế. Các lời giải sẽ hợp lý nếu như sự phát triển của các phụ tải theo thời gian và của các hệ thống cung cấp điện được chú ý đến trong các tính toán. Khi thiết kế các nhà máy điện, các trạm và các đường dây mới cần dự kiến sự phát triển của các hệ thống năng lượng trong thời hạn khá dài, từ 10 đến 20 năm, có xét đến sự thay đổi của tất cả các thông số tính toán. Do đó cần tìm phương án phát triển dần dần, trình tự vận hành các công trình năng lượng mới có công dụng khác nhau, đảm bảo khả năng cung cấp điện tin cậy cho tất cả các hộ tiêu thụ, đồng thời đảm bảo chi phí thấp nhất trong thòi gian đã cho. Thiết kế hệ thống điện liên quan đến một tổ hợp rất phức tạp các công trình năng lượng được tiến hành trước khi thiết kế các công trình công nghiệp mà nó cung cấp năng lượng. Vì vậy rất khó nhận được các số liệu ban đầu đủ tin cậy về tốc độ tăng trưởng tương đối điện năng tiêu thụ của các phụ tái. Trong từng trường hợp cụ thể, việc dự báo nhu cầu điện năng và lập các đồ thị phụ tải theo chỉ dẫn chung của cơ quan hoạch định kinh tế và các viện nghiên cứu - thiết kế. Cần xác định các chi tiêu cơ bản về chi phí để cân bằng điện năng như điện năng tiêu thụ, cực đại phụ tải của hệ thống và chế độ phụ tải. Dự báo sự phát triển năng lượng chiếm vị trí quan trọng trong hệ thống các 10 https://tieulun.hopto.org dự báo kinh tế của mỗi quốc gia. Một trong những nhiệm vụ chính của dự báo phát triển năng lượng là dự báo nhu cầu điện năng (tiêu thụ điện năng) của nền kinh tế quốc dân. Điểm quan trọng nhất của dự báo là thời gian dự báo. Các thời gian dự báo nhu cầu điện năng của nền kinh tê quốc dân bao gồm: 1. Các dự báo vận hành (thời gian đến 1 năm) được dùng để xác định thực hiện kế hoạch dự đoán về điện năng tiêu thụ trong một ngày, một tháng, một quý; 2. Các dự báo ngắn hạn (thời gian từ 2 đến 5 năm), thông thường liên quan đến độ chính xác kế hoạch năm của nhu cầu điện năng cũng như thực hiện kế hoạch tương lai; 3. Các dự báo trung hạn (thời gian từ 5 đến 10 năm): Thời gian cúa các dự báo trung hạn trùng với thời gian cần thiết để nghiên cứu các tài liệu thiết kế đối với các công trình năng lượng lớn, xây dựng và đưa các công trình vào vận hành, nghĩa là thời gian để tạo ra các nguồn năng lượng mới. Kết quả của dự báo trung hạn có thể được sử dụng trong dự báo dài hạn nhu cầu điện năng; 4. Dự báo dài hạn (thời gian từ 5 đến 20 năm): Trong thời gian này có thể xảy ra những thay đổi quan trọng về các xu hướng phát triển của các quá trình sản xuất và tiêu thụ điện năng, như áp dụng những phát minh khoa học lớn trong năng lượng, ví dụ kỹ thuật laser, các đường dây siêu dẫn v.v. Dự báo nhu cầu điện năng của các ngành kinh tế khác nhau trong nền kinh tế quốc dân có ảnh hưởng lớn đến việc thực hiện kế hoạch phát triển tương lai của nền kinh tế. Các kết quả của dự báo nhu cầu điện năng ảnh hưởng quan trọng đến sự phát triển kinh tế - xã hội và cải thiện điều kiện sống của nhân dân. Nhiệm vụ chủ yếu của các nhà dự báo trong các điều kiện này là chọn đúng phương pháp dự báo. Các phương pháp dự báo hiện nay qó thể chia thành ba loại: ngoại suy, chuyên gia và mô hình hoá. Đê chọn đúng phương pháp dự báo cần dựa trên cơ sở phân tích các đặc điểm cơ bản và so sánh các lĩnh vực áp dụng các phương pháp, có chú ý đến các điều kiện cụ thể của sự phát triển kinh tế - xã hội của mỗi quốc gia. Sau đây chúng ta xét một số phương pháp dự báo nhu cầu điện năng và xác định các phụ tải. https://tieulun.hopto.org 11