Đồ án Thiết kế đường dây và trạm biến áp - Bùi Nguyên Bản

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 1 LỜI NÓI ĐẦU Nền kinh tế nước ta đã và đang có những bước phát triển vượt bậc, hội nhập với khu vực và thế giới. Chúng ta đang trong tiến trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, vì vậy các ngành công nghiệp đặc biệt là ngành công nghiệp Điện đóng vai trò then chốt, bởi điện năng là nguồn năng lượng chính của các ngành công nghiệp, là điều kiện quan trọng để phát triển các đô thị, khu dân cư... Một trong những quan tâm hàng đầu khi xây dựng các nhà máy, Xí nghiệp, các đô thị... là ta phải có một hệ thống cung cấp điện để cung cấp điện năng cho các Xí nghiệp, nhà máy, nhà cao tầng... Chúng ta có thể hiểu theo nghĩa rộng, cung cấp điện bao gồm các khâu phát điện, truyền tải và phân phối điện năng. Còn theo nghĩa hẹp hơn cung cấp điện là hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, làm nhiệm vụ cung cấp điện cho 1 khu vực nhất định. Ngày nay, với sự giúp đỡ của ngành công nghiệp điện, các ngành công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ đang trên đà phát triển mạnh. Điện năng góp phần tạo ra của cải vật chất cho xã hội gấp hàng triệu lần so với thời kỳ con người chưa biết đến điện, nó góp phần tạo nên một nền văn minh công nghiệp và hậu công nghiệp. Tình hình điện lực Việt Nam tính đến tháng 1/2006 (số liệu thực tế theo www.evn.vn): Sản lượng cung cấp cho nền KTQD đạt khoảng hơn 60 tỷ kWh; trong đó công nghiệp xây dựng chiếm 47,96%; Quản lý tiêu dùng dân cư chiếm 42,16%. Điện nông thôn (số liệu đến hết tháng 12/2005) • Số huyện có điện lưới Quốc gia 529/540 (97,96%) • Số xã có điện lưới Quốc gia 8.675/9.046 (95,9%) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 2 • Số hộ có điện lưới Quốc gia 12.055.000/13.335.000 (90,4%) • Số xã có điện lưới dưới 700đ/kWh: 8.588/8.675 (99%) • Số xã có điện lưới trên 700đ/ kWh: 87/8.675 (1%) Chương trình phát triển nguồn điện từ 2004 - 2010; định hướng đến 2020: • Mục tiêu phát triển của ngành điện đến năm 2010 là: • Sử dụng tốt các nguồn thủy năng, kết hợp thủy lợi, than để phát triển cân đối nguồn điện. Xây dựng các cụm phát triển Điện - đạm ở Phú Mỹ và khu vực Tây Nam. Xúc tiến xây dựng thủy điện Sơn La. Nghiên cứu phương án sử dụng năng lượng nguyên tử, đồng bộ hóa, điện hóa mạng lưới phân phối điện Quốc gia. Đa dạng hóa phương thức đầu tư và kinh doanh điện, có chính sách thích hợp về sử dụng điện ở nông thôn, miền núi. Tăng sức mạnh tranh về giá điện so với khu vực. • Chiến lược phát triển nguồn điện: + Ưu tiên phát triển thủy điện, khuyến khích phát triển các nguồn thủy điện nhỏ với nhiều hình thức để tận dụng nguồn năng lượng tái sinh này. Trong khoảng 20 năm tới sẽ xây dựng hết các nhà máy thủy điện tại những nơi có khả năng xây dựng. • Chiến lược phát triển lưới điện • Chiến lược phát triển điện nông thôn và miền núi • Chiến lược tài chính và huy động vốn. • Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ • Chiến lược phát triển viễn thông và CNTT • Định hướng phát triển cơ khí điện. • Định hướng phát triển tư vấn xây dựng điện. Quy định về cải tạo và phát triển mạng điện Việt Nam: • Việc cải tạo và phát triển Thành phố phải nằm đáp ứng nhu cầu phụ tải, có dự phòng và phải được thực hiện đồng bộ từ cao thế hạ thế, khắc phục tình trạng lưới điện kém an toàn, chắp vá, tổn thất còn cao như hiện nay. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 3 • Quan điểm về tiêu chuẩn thiết kế sơ đồ lưới điện truyền tải và phân phối Thành phố giai đoạn 2002 - 2010: • Đường dây 220 KV: Xây dựng mới 45km, cải tạo 18km • Đường dây 110 KV: Xây dựng mới 60,1km, cải tạo 71km • Trạm biến áp 220KV: Xây dựng mới 3 trạm với tổng công suất là 1.5000MVA; cải tạo nâng công suất 2 trạm với tổng công suất tăng thêm 375MVA; • Trạm biến áp 110 KV: Xây dựng mới 10 trạm với tổng công suất 873 MVA; cải tạo nâng công suất 17 trạm với tổng công suất là 1.435 MVA; • Lưới điện phân phối trung thế: Đường dây 35 KV xây dựng mới 54,4km, đường dây 22 KV xây dựng mới 1.568 km, đường dây cải tạo nâng cấp điện áp lên 22 KV là 473 km. Đẩy nhanh tiến độ ngầm hóa lưới điện trung thế, bảo đảm tới 2010 tỷ lệ ngầm hóa đạt 60%; xây dựng mới 3.561 trạm biến áp với dung lượng máy biến áp là 1.522.143 KVA, cải tạo 2.649 trạm với tổng dung lượng máy biến áp là 1.097.854 KVA; xây dựng mới 2.250 km đường dây hạ thế. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 4 LỜI CẢM ƠN Việc làm đồ án tốt nghiệp đã giúp em có được những kiến thức tổng hợp, vì đồ án này có liên quan rất nhiều môn học mà em được học ở giảng đường. Ngoài ra còn có thêm những kiến thức thực tế, những kiến thức kinh nghiệm bổ sung cho lý thuyết đã được học ở trường. Tuy nhiên do còn hạn chế về kiến thức, hạn chế về kinh nghiệm thực tế, thời gian thực hiện... nên tập đồ án còn không thể tránh khỏi những sai sót, kính mong thầy hướng dẫn cùng các thầy cô trong bộ môn góp ý chỉ bảo thêm, để cho đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, khoa Điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đặc biệt là thầy Nguyễn Đình Thiên đã giành nhiều thời gian quý báu, tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này đúng thời hạn mà bộ môn đã đề ra. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Bùi Nguyên Bản. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 5 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: Cơ sở lý thuyết về cung cấp điện ................................................ I. Những vấn đề chung về cung cấp điện ...................................................... Chương 2: Xác định phụ tải điện .................................................................. I. Các khái niệm, hệ số, đại lượng trong tính toán ...................................... II. Các đại lượng về đại số thường gặp: ....................................................... III. Các phương pháp tính phụ tải tính toán ............................................... Chương 3: Tính toán cung cấp điện cho khu cấp nước của Nhà máy xi măng ................................................................................................................. I. Phụ tải tính toán ......................................................................................... II. Xác định công suất và số lượng máy bơm nước khu xử lý nước của Nhà máy xi măng ............................................................................................ III. Chọn vị trí và dung lượng máy biến áp cho trạm cấp nước của nhà máy ............................................................................................................ IV. Vạch sơ đồ cấp điện và lựa chọn các phần tử của hệ thống cấp điện ................................................................................................................... V. Chọn tiết diện dây dẫn từ trạm biến áp trung tâm 110/6 KV về trạm biến áp của trạm cấp nước .................................................................. VI. Tính tổn thất trên đường dây và tổn thất công suất trong máy biến áp của trạm cấp nước ............................................................................. VII. Tính tổn thất trên đường dây và tổn thất điện năng trong máy biến áp ............................................................................................................. Chương 4. Tính cơ khí đường dây ................................................................ I. Tính toán dây dẫn II. Tính toán lựa chọn cột III. Tính toán kiểm tra móng cột Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 6 Chương 5: Tính toán lựa chọn thiết bị cho trạm biến áp ........................... I. Đặt vấn đề ................................................................................................... II. Lựa chọn các thiết bị cho trạm biến áp ................................................... Chương 6: Tính toán ngắn mạch .................................................................. I. Đặt vấn đề II. Tính toán ngắn mạch và kiểm tra lại các thiết bị đã lựa chọn Chương 7: Nối đất và chống sét đảm bảo an toàn cho đường dây I. Đặt vấn đề II. Tính toán nối đất 6 KV cấp điện cho trạm biến áp của trạm cấp nước III. Tính toán nối đất cho trạm biến áp của trạm cấp nước IV. Sét và thiết bị chống sét KẾT LUẬN ......................................................................................................................... Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 7 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CUNG CẤP ĐIỆN I. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ CUNG CẤP ĐIỆN 1. Đặc điểm của quá trình sản xuất và phân phối điện năng: Điện năng là một dạng năng lượng có nhiều ưu điểm như: dễ dàng chuyển thành các năng lượng khác, dễ truyền tải và phân phối . Vì vậy nó là ngành năng lượng chính trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống sinh hoạt của con người. Điện năng không tích trữ được, trừ pin, ắc quy có công suất nhỏ. Vì vậy giữa sản xuất và tiêu thụ điện phải luôn đảm bảo cân bằng. Quá trình sản xuất điện năng là quá trình điện từ. Quá trình xảy ra rất nhanh. Vì vậy để đảm bảo quá trình sản xuất và cung cấp điện an toàn, tin cậy, đảm bảo chất lượng điện phải áp dụng nhiều biện pháp đồng bộ như: điều độ, thông tin, đo lường, bảo vệ, tự động hóa... Đo điện năng được dùng rộng rãi trong ngành công nghiệp và các đô thị cho nên khi lập kế hoạch phát triển điện năng phải đi từng bước một, nhằm thỏa mãn nhu cầu điện trong tương lai. Trong quá trìnhq nghiên cứu thiết kế, xây dựng, vận hành khai thác sản xuất, phân phối và tiêu thụ điện năng thì những đặc điểm trên là rất quan trọng. 2. Nguồn điện Hiện nay có nhiều dạng nguồn điện. Do có nhiều phương pháp biến đổi các dạng lượng khác như nhiệt năng, thủy năng, năng lượng hạt nhân... a) Nhà máy nhiệt điện: Đây là dạng Nguồn điện kinh điển: Nó giữ tỷ lệ khá quan trọng trong tổng công suất của hệ thống điện. Quá trình biến đổi năng lượng trong nhà máy nhiệt điện xảy ra như sau: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 8 Nhiệt năng (của than) -> cơ năng (tuabin) -> điện năng (máy phát điện) => Nhà máy nhiệt điện chạy than. Nhiệt năng (của khí gas) -> cơ năng (tuabin khí) -> điện năng (máy phát điện) => Nhà máy nhiệt điện chạy khí. Nhiệt năng (của dầu) -> cơ năng (động cơ diezel) -> điện năng (máy phát điện) => Nhà máy nhiệt điện chạy diezel. Miền Bắc có nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1 (400 MW), Phả Lại 2 (600 MW), Uông Bí (300 MW)... Miền Nam có nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ 1 (900 MW), Phú Mỹ 2 (600 MW) b) Nhà máy thủy điện: Quá trình biển đổi năng lượng trong nhà máy thủy điện: Thủy năng (của cột nước) -> cơ năng (tua bin nước) -> điện năng (máy phát điện) => nhà máy thủy điện. Nhà máy thủy điện được phân bố đều trên cả nước ta. Miền Bắc có nhà máy thủy điện Hòa Bình (1920 MW), nhà máy thủy điện Thác Bà (108 MW) Miền Trung có nhà máy thủy điện Yaly (700 MW) Miền Nam có nhà máy thủy điện Trị An (400 MW) Công trình thủy điện bao giờ cũng kết hợp với: tưới tiêu, chống lũ, giao thông, nuôi cá.... nên đưa lại nhiều lợi ích. Bên cạnh đó nước ta lại có nguồn thủy năng dồi dào nên chúng ta cần ưu tiên phát triển thủy điện. Tuy nhiên khi lập sơ đồ phát triển hệ thống điện quốc gia thì cần có tỷ lệ hợp lý giữa thủy điện và nhiệt điện để đảm bảo vận hành an toàn và kinh tế. c) Nhà máy điện nguyên tử: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 9 Do lo ngại vấn đề an toàn và ô nhiễm phóng xạ nên việc xây dựng các nhà máy điện nguyên tử chỉ được xem xét đến khi các nguồn điện khác đã được khai thác hết. • Bên cạnh việc nắm vững đặc điểm và nguồn điện trong cung cấp điện thì nhiệm vụ đặt ra với người kỹ sư khi nghiên cứu, thiết kế cấp điện cần phải thỏa mãn các yêu cầu về: độ tin cậy cấp điện, chất lượng điện, an toàn và cuối cùng là vấn đề kinh tế. 3. Đặc điểm của hộ tiêu thụ: Hộ tiêu thụ là bộ phận quan trọng của hệ thống cung cấp điện. Hộ tiêu thụ được phân thành 3 loại tùy theo mức độ quan trọng: 1. Hộ loại 1: là hộ tiêu thụ mà bị ngừng cung cấp điện sẽ dẫn đến nguy hiểm đối với tính mạng con người, gây thiệt hại lớn về kinh tế (hư hỏng máy móc, thiết bị, gây ra hàng loạt phế phẩm), ảnh hưởng lớn đến chính trị, quốc phòng... Ví dụ về hộ loại 1: Văn phòng Chính Phủ, Quốc hội, nhà máy hóa chất, sân bay, bến cảng, phòng mổ, lò luyện thép, hệ thống ra đa quân sự, trung tâm máy tính... 2. Hộ loại 2: là hộ tiêu thụ mà bị ngừng cung cấp điện sẽ gây ra thiệt hại lớn về kinh tế như hư hỏng một bộ phận máy móc thiết bị, gây ra phế phẩm, ngừng trệ sản xuất. Ví dụ về hộ loại 2: Nhà máy cơ khí, nhà máy thực phẩm, khách sạn lớn Cung cấp điện cho hộ loại 2 thường có thêm nguồn dự phòng. Vấn đề ở đây là phải so sánh giữa vốn đầu tư cho nguồn dự phòng và hiệu quả kinh tế đưa lại do bị ngừng cung cấp điện. 3. Hộ loại 3: là những hộ tiêu thụ điện còn lại như khu dân cư, trường học, phân xưởng phụ, nhà kho của các nhà máy... Đối với hộ tiêu thụ loại 3 cho phép mất điện trong thời gian ngắn để sửa chữa khắc phục các sự cố. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 10 Thông thường, hộ loại 3 được cung cấp điện từ 1 nguồn. Trong thực tế, việc phân loại hộ tiêu thụ không hoàn toàn cứng nhắc mà còn tùy thuộc vào tầm quan trọng của hộ tiêu thụ còn lại. Mặt khác trong một nhà máy, một cơ sở sản xuất dịch vụ, khu dân cư.... có nhiều loại hộ tiêu thụ xen kẽ nhau. Vì vậy hệ thống cung cấp điện phải được nghiên cứu kỹ lưỡng, đảm bảo cung cấp điện an toàn, tin cậy và linh hoạt. 4. Yêu cầu khi thiết kế cung cấp điện: Mục tiêu cơ bản của nhiệm vụ thiết kế cung cấp điện là đảm bảo cho hộ tiêu thụ có đủ lượng điện năng yêu cầu với chất lượng điện tốt. a. Độ tin cậy cung cấp điện: Độ tin cậy cung cấp điện tùy thuộc hộ tiêu thụ loại nào. Trong điều kiện cho phép người ta cố gắng chọn phương án cung cấp điện có độ tin cậy càng cao càng tốt. b. Chất lượng điện: Chất lượng điện được đánh giá bằng 2 chỉ tiêu là tần số và điện áp. Chỉ tiêu tần số do cơ quan điều khiển hệ thống điện điều chỉnh. Chỉ có những hộ tiêu thụ lớn (từ hàng chục MW) trở lên mới phải quan tâm đến chế độ vận hành của mình sao cho hợp lý để góp phần ổn định tần số của hệ thống điện. Vì vậy, người thiết kế cung cấp điện thường chỉ quan tâm đảm bảo chất lượng điện áp cho khách hàng. Điện áp ở lưới chung áp và hạ áp cho phép dao động quanh giá trị ± 5% điện áp định mức. Đối với những phụ tải có yêu cầu cao về chất lượng điện áp như nhà máy hóa chất, điện tử, cơ khí chính xác... điện áp chỉ cho phép dao động trong khoảng ± 2,5%. c. An toàn cung cấp điện: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 11 Hệ thống cung cấp điện phải được vận hành an toàn đối với người và thiết bị. Muốn đạt được yêu cầu đó, người thiết kế phải chọn sơ đồ cung cấp điện hợp lý, rõ ràng, mạch lạc để tránh những nhầm lẫn trong vận hành; các thiết bị điện phải được chọn đúng chủng loại, đúng công suất. Công tác xây dựng, lắp đặt hệ thống cung cấp điện ảnh hưởng lớn đến độ an toàn cung cấp điện. Việc vận hành quản lý hệ thống điện có vai trò hết sức quan trọng. Người sử dụng phải tuyệt đối chấp hành quy định về an toàn sử dụng điện. 4. Kinh tế Khi đánh giá những phương án cung cấp điện, chỉ tiêu kinh tế chỉ được xét đến khi các chỉ tiêu kỹ thuật nêu trên đã được đảm bảo. Chỉ tiêu kinh tế được đánh giá qua: tổng số vốn đầu tư, chi phí vận hành và thời gian thu hồi vốn đầu tư. Việc đánh giá chỉ tiêu kinh tế phải thông qua so sánh tỉ mỉ và tính toán các phương án, từ đó mới có thể đưa ra những phương án tối ưu. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 12 CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH PHỤ TẢI ĐIỆN I. CÁC KHÁI NIỆM, HỆ SỐ, ĐẠI LƯỢNG TRONG TÍNH TOÁN. 1. Công suất định mức Pđm: Về mặt cung cấp điện, chúng ta quan tâm đến đầu vào của động cơ gọi là công suất đặt. Công suất đặt được tính như sau: Pđ = dc dmP η Trong đó: Pđ- công suất đặt của động cơ, KW; Pđm- công suất định mức của động cơ, KW ηđc- hiệu suất định mức của động cơ Vì hiệu suất định mức động cơ tương đối cao = 0.8 ÷ 0.95 nên để đơn giản việc tính toán người ta thường cho phép bỏ qua hiệu suất, lấy: PĐ ≈ PĐM Đối với các thiết bị điện làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại: cần trục, máy hàn, khi tính phụ tải điện của chúng, ta phải quy đổi về công suất định mức ở chế độ dài hạn, tức là quy đổi về chế độ làm việc có hệ số tiếp điện ε% = 100%. Công thức quy đổi như sau: • Đối với động cơ: P’ĐM = PĐM dmε • Đối với biến áp hàn: P’ĐM = PĐM COSϕ dmε Trong đó: P’đ: công suất định mức đã quy đổi về chế độ dài hạn, Pđm Sđm, cosϕđm; Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 13 εđm- các tham số định mức đã cho trong lý lịch máy. 2. Phụ tải trung bình Ptb Phụ tải trung bình là đặc trưng tĩnh của phụ tải trong một khoảng thời gian nào đó. Tổng phụ tải trung bình của các thiết bị cho ta căn cứ để đánh giá giới hạn dưới của phụ tải tính toán. Trong thực tế phụ tải trung bình được tính toán theo công thức sau: Pbt = t PΔ ; Qtb = t QΔ Trong đó: ΔP, ΔQ - điện năng tiêu thụ trong thời gian khảo sát, KW, KVAr t- thời gian khảo sát, h Phụ tải trung bình của nhóm thiết bị được tính toán theo công thức sau: Ptb = ∑ = n i ip 1 ; Ptb = ∑ = n i iq 1 Biến phụ tải trung bình chúng ta vẫn có thể đánh giá được mức độ sử dụng thiết bị. Phụ tải trung bình là số liệu quan trọng để xác định phụ tải tính toán, tính tổn hao điện năng. Thông thường phụ tải trung bình được xác định ứng với thời gian khảo sát là 1 ca làm việc, 1 tháng hoặc 1 năm. 3. Phụ tải cực đại Pmax Phụ tải cực đại được chia ra làm 2 nhóm a) Phụ tải cực đại Pmax là phụ tải trung bình lớn nhất tính toán trong khoảng thời gian tương đối ngắn (thường lấy bằng 5, 10 hoặc 30 phút) ứng với ca làm việc có phụ tải lớn nhất trong ngày. Đôi khi người ta dùng phụ tải cực đại để tính tổn thất lớn nhất, để chọn các thiết bị điện, chọn dây dẫn và dây cáp theo điều kiện mật độ dòng điện kinh tế... b) Phụ tải đỉnh nhọn Pđn - là phụ tải cực đại xuất hiện trong khoảng thời gian từ 1 đến 2s. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 14 Phụ tải đỉnh nhọn được dùng để kiểm tra dao động điện áp, điều kiện tự khởi động của động cơ, kiểm tra điều kiện làm việc của cầu chì, tính dòng điện khởi động của rơle bảo vệ... Phụ tải đỉnh nhọn thường xảy ra khi động cơ khởi động. Chúng ta không chỉ quan tâm đến trị số phụ tải đỉnh nhọn mà còn quan tâm đến tần suất xuất hiện của nó. Bởi vì số lần xuất hiện của phụ tải đỉnh nhọn càng tăng thì càng ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường của các thiết bị khác ở cùng một bảng điện. 4. Phụ tải tính toán Ptt Phụ tải tính toán là một số liệu rất cơ bản dùng để thiết kế cung cấp điện. Phụ tải tính toán Ptt là phụ tải giả thiết lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải thực tế về mặt hiệu ứng nhiệt lớn nhất. Nói một cách khác phụ tải tính toán cũng làm nóng dây dẫn lên tới nhiệt độ bằng nhiệt độ lớn nhất do phụ tải thực tế gây ra. Như vậy nếu chọn các thiết bị điện theo phụ tải tính toán thì có thể đảm bảo an toàn về mặt phát nóng cho các thiết bị đó trong mọi trạng thái vận hành. Quan hệ giữa phụ tải tính toán và các phụ tải khác được nêu trong bất đẳng thức sau: PTB ≤ PTT ≤ PMAX Hằng số thời gian phát nóng của các vật liệu dẫn điện được lắp đặt trong không khí, dưới đất và trong ống dao động xung quanh trị số 30ph (bảng 3-1). Vì thế người ta thường lấy trị số trung bình của phụ tải lớn nhất xuất hiện trong khoảng 30ph để làm phụ tải tính toán. Cũng chính vì thế ta có thể gọi phụ tải tính toán là phụ tải nửa giờ P30. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 15 Bảng 3-1. Hằng số thời gian phát nóng Tph của một số loại dây dẫn. Loại dây Tiết diện, mm2 35 50 70 95 120 150 Dây bọc cao su, đặt ngoài không khí 9 12 15 18 21 21 Như trên nhưng đặt trong ống 19 23 27 32 36 40 Cáp cách điện bằng giấy tẩm dầu 15 20 25 30 35 40 5. Hệ số sử dụng ksd Hệ số sử dụng là hệ số giữa phụ tải tác dụng trung bình với công suất định mức của thiết bị. Hệ số sử dụng được tính theo công thức sau: • Đối với một thiết bị: ksd = dm tb P P • Đối với một nhóm thiết bị: ksd = dm tb P P = ∑ = n i tbip 1 /∑ = n i dmip 1 Hệ số sử dụng nói lên mức độ sử dụng có thể được tính: KSD = )...( ... 21 21 ndm nntt tttp tptptp ++ ++ Hệ số sử dụng nói lên mức độ sử dụng, mức độ khai thác công suất của thiết bị điện trong một chu kỳ làm việc. Hệ số sử dụng là một số liệu để tính phụ tải tính toán. 6. Hệ số phụ tải kpt Hệ số phụ tải là hệ số giữa công suất thực tế với công định mức. Thường ta phải xét hệ số phụ tải trong một khoảng thời gian nào đó. Vì vậy: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 16 KPT= PT.TẾ/PĐM = PTB/PĐM 7. Hệ số cực đại kmax Hệ số cực đại là tỷ số giữa phụ tải tính toán và phụ tải trung bình trong khoảng thời gian đang xét: kmax = tb tt P P Hệ số phụ tải thường được tính ứng với ca làm việc có phụ tải lớn nhất. Hệ số cực đại phụ thuộc vào hệ số thiết bị hiệu quả nhq, và ksd và các yếu tố khác đặc trưng cho chế độ làm việc của các thiết bị điện trong nhóm. Công thức để tính kmax rất phức tạp, trong thực tế người ta tính kmax theo đường cong kmax = f (ksd, nhq). Hệ số kmax thường được tính cho phụ tải tác dụng. 8. Hệ số nhu cầu knc Hệ số nhu cầu là hệ số giữa phụ tải tính toán với công suất định mức: knc = dn tb dn tt dn tt P P P P P P .= = kmax.ksd Cũng như hệ số cực đại, hệ số nhu cầu thường được tính cho phụ tải phản kháng, nhưng số liệu này ít được dùng hơn.Trong thực tế hệ số nhu cầu thường do kinh nghiệm vận hành mà tổng kết lại. 9. Hệ số thiết bị hiệu quả nhq nhq là số thiết bị giả thiết có cùng công suất và chế độ làm việc, chúng đòi hỏi phụ tải bằng phụ tải tính toán của nhóm phụ tải thực tế (gồm các thiết bị có chế độ làm việc và công suất khác nhau). Công thức để tính nhq như sau: nhq = 2 1 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛∑ − n i dmiP / ∑ = n i dmP 1 2)( (3 - 12) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 17 Khi số thiết bị dùng điện trong nhóm n > 5 tính nhq theo (3-12) khá nhiều phiền phức, vì vậy trong thực tế người ta tìm nhq theo bảng hoặc đường con cho trước. Trình tự như sau: Trước hết tính: n* = n n1 ; p* = p p1 n- số thiết bị trong nhóm; n1 - số thiết bị có công suất nhỏ hơn một nửa công suất của các thiết bị có công suất lớn nhất. P và P1 - tổng công suất ứng với n và n1 thiết bị. Số thiết bị hiệu quả là một trong những số liệu quan trọng để xác định phụ tải tính toán. II. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH PHỤ TẢI TÍNH TOÁN Phụ tải điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Công suất và số lượng các máy, chế độ vận hành của chúng, quy trình công nghệ sản xuất và trình độ vận hành của công nhân... Vì vậy việc xác định chính xác phụ tải tính toán là một nhiệm vụ khó khăn nhưng rất quan trọng. Bởi vì nếu phụ tải tính toán được xác định nhỏ hơn phụ tải thực tế thì sẽ làm giảm tuổi thọ các thiết bị điện có khi dẫn đến cháy, nổ gây nguy hiểm. Còn nếu phụ tải tính toán xác định lớn hơn phụ tải thực tế nhiều thì các thiết bị điện được chọn sẽ quá lớn so với yêu cầu, do đó gây ra chọn thiết bị lãng phí. Hiện nay, có nhiều phương pháp để tính phụ tải tính toán. Những phương pháp đơn giản, tính toán thuận tiện, thường kết quả không được chính xác. Ngược lại, nếu độ chính xác được nâng cao thì phương pháp tính phức tạp. Vì vậy tùy theo giai đoạn thiết kế, tùy theo yêu cầu cụ thể mà chọn phương pháp tính cho thích hợp. Sau đây trình bày một số phụ tải tính toán thường dùng nhất. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 18 1. Xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt Pđ và hệ số nhu cầu knc Phương pháp này sử dụng khi đã có thiết kế nhà xưởng của Xí nghiệp (chưa có thiết kế chi tiết bố trí các máy móc, thiết bị trên mặt bằng), lúc này mới chỉ biết duy nhất một số liệu cụ thể là công suất đặt của từng phân xưởng. a) Phụ tải tính toán Phụ tải tính toán của mỗi phân xưởng được xác định theo công thức Ptt = Knc. Pđ Qtt = Ptt. tgϕ Trong đó: Knc: hệ số nhu cầu, tra sổ tay kỹ thuật cosϕ: hệ số công suất tính toán, tra sổ tay kỹ thuật, rút ra tgϕ Trên đây là phụ tải động lực. b) Phụ tải chiếu sáng Phụ tải chiếu sáng được tính theo công suất chiếu sáng trên một đơn vị diện tích. PCS = P0. S P0 - suất chiếu sáng trên một đơn vị diện tích (W/m2) S- diện tích cần chiếu sáng, ở đây là diện tích phân xưởng (m2). Cần phải cân nhắc xem sử dụng loại bóng đèn nào thích hợp. Nếu dùng đèn tuýp (đèn huỳnh quang) thì cosϕ = 0.6 ÷ 0.8. Nếu sử dụng đèn sợi đốt thì cosϕ = 1 và Qcs = 0, khi đó: Qcs = Pcs.tgϕ c) Phụ tải tính toán toàn phần của mỗi phân xưởng Stt = 22 )()( csttcstt QQPP +++ d) Phụ tải tính toán nhà máy Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 19 Phụ tải tính toán nhà máy được xác định bằng cách lấy tổng phụ tải các phân xưởng có kể đến hệ số đồng thời. Pttnm = Kđt ∑ =n ttpxiQ 1 Ktđ ∑ +n csitti QQ 1 )( Sttnm = ttnmttnm QP 22 + cosϕnm = ttnm ttnm S P Kđt - Hệ số đồng thời, xét khả năng phụ tải các phân xưởng không đồng thời cực đại, có thể lấy: Kđt = 0.9 ÷ 0.95 khi số phân xưởng n = 2 ÷ 4 Kđt = 0.8 ÷ 0.85 khi số phân xưởng n = 5 ÷ 10 Nhận xét: Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, tính toán thuận tiện vì vậy nó là một trong những phương pháp được dùng rộng rãi trong tính toán cung cấp điện. 2. Xác định phụ tải tính toán theo công suất trung bình Ptb và kmax Sau khi xác định được công suất và quá trình công nghệ của từng thiết bị, người thiết kế có thể bắt tay vào việc thiết kế mạng điện áp phân xưởng. Ta cần xác định Ptt của từng thiết bị và từng nhóm thiết bị trong phân xưởng. Với một thiết bị: Ptt = Pđm Với nhóm thiết bị n ≤ 3 PTT = ∑ = n i dmP 1 Với n ≥ 4 phụ tải tính toán của nhóm thiết bị xác định theo công thức: Ptt = kmax. ksd. ∑n dmP 1 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 20 Trong đó: Ksd - Hệ số sử dụng của nhóm thiết bị, tra sổ tay. Kmax - hệ số cực đại, tra theo ksd và nhq; Trình tự xác định số thiết bị dùng điện nnq như sau: • Xác định n1 - số thiết bị công suất lớn hơn hay bằng một nửa công suất của thiết bị có công suất lớn hơn. • Xác định P1 - công suất của n1 thiết bị trên. P1 = ∑1 1 n dmiP • Xác định n* = ;1 n n P* = ;1 ∑P P Trong đó: N - tổng số thiết bị trong nhóm PΣ - tổng công suất của nhóm. PΣ = ∑1 1 n dmiP • T ừ n*, P* tra bảng được nhq* [PL-3] • Xác định nhq theo công thức: nhq = n. nhq* Bảng tra Kmax chỉ bắt đầu từ nhq = 4 [PL - 4.TL ], khi nhq < 4 phụ tải tính toán được xác định theo công thức: PTT = ∑1 1 n dmidmi PP Kti - hệ số tải. Nếu không biết chính xác, có thể lấy trị số gần đúng như sau: Kt = 0.9 với thiết bị làm việc ở chế độ dài hạn; Kt = 0.75 với thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại; Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 21 PHỤ TẢI TÍNH TOÁN TOÀN PHÂN XƯỞNG VỚI N NHÓM Ptt = kđt∑n ttiP 1 Qttpx = kđt ∑n ttiP 1 Sttpx = 22 )()( csttpxcsttpx QQPP +++ 3. Xác định phụ tải tính toán theo suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm. Phụ tải tính toán được xác định theo công thức sau: Ptt = max 0¦ T WM Trong đó: M - số đơn vị sản phẩm được sản xuất ra trong 1 năm (sản lượng); w0 - suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm, kWh/đơn vị sản phẩm. TMAX - THỜI GIAN SỬ DỤNG CÔNG SUẤT LỚN NHẤT, H Nhận xét: Phương pháp này thường được dùng để tính toán cho các thiết bị điện có đồ thị phụ tải ít biến đổi như: quạt gió, bơm nước, máy nén khí, thiết bị điện phân... khi đó phụ tải tính toán gần bằng phụ tải trung bình và kết quả tương đối chính xác. 4. Xác định phụ tải tính toán theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất. Phụ tải tính toán được xác định theo công thức sau: Ptt = p0. F Trong đó: P0 - suất phụ tải trên 1m2 diện tích sản xuất, kW/m2 F - diện tích sản xuất, m2 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 22 Nhận xét: Phương pháp này chỉ cho kết quả gần đúng, vì vậy nó thường được dùng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ. Nó cũng được dùng để tính phụ tải các phân xưởng có mật độ máy móc sản xuất phân bố tương đối đều, như phân xưởng gia công cơ khí, sản xuất ô tô, cơ khí, dệt... CHƯƠNG III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CUNG CẤP ĐIỆN CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC CỦA NHÀ MÁY XI MĂNG Dựa theo yêu cầu thiết kế cung cấp điện cho khu cấp nước của nhà máy xi măng có khối lượng nước cần cung cấp là 6000m3/h. Với quy mô xử lý nước như vậy, để thích hợp cho việc tính toán, ta chọn phụ tải thuộc hộ tiêu thụ loại hai. I. XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT VÀ SỐ LƯỢNG MÁY BƠM NƯỚC KHU XỬ LÝ NƯỚC CỦA NHÀ MÁY Dựa vào độ chênh lệch cột nước H(m) và lưu lượng nước Q(m3/h) để chọn máy bơm nước: Lưu lượng nước là thể tích nước do bơm cung cấp vào ống đẩy trong một đơn vị thời gian. Vậy lưu lượng nước do bơm cung cấp trong một giây là: Q = 667.1 3600 6000 = (m3/s) Công suất hữu ích Pi để đưa một lượng nước Q lên độ cao H là: Pi = 102 .. HQγ (2 - 1) Trong đó: γ - Trọng lượng riêng của nước (kg/m3) H - độ chênh lệch mức nước; H = 10 (m) Công suất hữu ích là: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 23 Pi = 102 10.66,1.1000 = 162.75 (kW) Công suất trục bơm P: P = b iP η (Theo công thức 3 - 1. TL1) P = 06,187 87,0 75.162 = (2-2) Với hiệu suất bơm ηb = 0.87 Công suất động cơ kéo bơm Pđc Pđc = K. td P η Trong đó: ηtd - Hiệu suất bộ truyền. Vì động cơ nối trực tiếp nên ηtd = 1 K - hệ số dự phòng (K = 1,15 ÷ 1,25) Vậy: Pđc = 1,25. 1 06,187 = 233,83 (KW) (2-3) Ứng với lưu lượng nước là 1000m3/h, dự định đặt bơm công suất 33kW Số bơm cần đặt là: n = (máy) Ta có thể lấy số máy bơm chẵn 8 (cái). 33 kW Kiểm tra lại mức nước cần xử lý trong một giờ: 8. 1000 = 8000 m3 > 6000m3 Vậyđặt 8 máy bơm công suất 33 kW trong khu xử lý nước của nhà máy là hợp lý. Công suất của 8 máy bơm: Pc = 8. 33 = 264 (kW) Công suất điện của máy bơm: Sđc = ϕη cos.b cP (2 -4) Với: Hệ số công suất của máy bơm cosϕ = 0,85 Hiệu suất của máy bơm: η = 0,87 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 24 Ta có: Sđc = 37585,0.87,0 264 = (kVA) (2-5) Công suất chiếu sáng cho trạm bơm và hệ thống cấp nước của nhà máy: Pcs = p0 . S Trong đó: p0 - Suất phụ tải chiếu sáng trên 1m2 diện tích sử dụng. P0 = 12 (W/m2) (PL2 - TL2) S - Diện tích cần được chiếu sáng (m2) : S = 30 (m2) Ta có: Pcs = 12. 30 = 360 (W) (2-6) Để thuận tiện, ta chọn đèn chiếu sáng là đèn sợi đốt có tgϕ = 0 do cosϕ = 1. Vậy không có công suất phản kháng. Số lượng bóng cần có: n = b cs P P Chọn công suất bóng: P0 = 100W Vậy: n = 6,3 100 360 = Ta lấy số đèn sợi đốt là: 4 bóng. Phụ tải phản kháng chiếu sáng của trạm bơm là: Qcs = Pcs. tgϕ = 0,36.0 = 0 (kVAR) (2-7) Công suất chiếu sáng toàn phần của trạm cấp nước: Scs = 22 cscs QP + (kVA) Suy ra: Scs = 22 036,0 + = 0,36 (kVA) (2-8) Công suất tính toán tác dụng của trạm cấp nước: Ptt = Pđc + Pcs = Sđc . cosϕ + Pcs (kW) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 25 Suy ra: Ptt = 357.0,85 + 0,36 = 303,81 (kW) (2-9) Phụ tải tính toán phản kháng của trạm cấp nước: Qtt = Qđc = Sđc. sinϕ (kVAR) Với: cos = 0,85 => sinϕ = 0,526 Vậy: Qtt = 357. 0,526 = 187,78 (kVAR) (2-10) Tổng công suất điện cần cung cấp cho trạm bơm là: Stt = (kVA) Ta có: Stt = 22 78,18781,303 + = 357,16 (kVA) (2-11) II. CHỌN VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG MÁY BIẾN ÁP CHO TRẠM CẤP NƯỚC CỦA NHÀ MÁY: Dựa trên những nguyên tắc kỹ thuật khi thiết kế hệ thống cung cấp điện cho Xí nghiệp ta xác định dung lượng trạm biến áp cho trạm cấp nước của nhà máy xi măng. Trong một nhà máy không nên đặt quá nhiều trạm biến áp. Số lượng máy biến áp phụ thuộc chất lượng phụ tải, yêu cầu cao về độ tin cậy cung cấp điện. Trong một trạm biến áp không nên đặt quá hai máy biến áp để giảm diện tích xây dựng trạm. Nếu một trạm biến áp dùng hai máy biến áp thì công suất của mỗi máy không vượt quá 1000 KVA, ngoài ra trên đường dây dài còn phải đảm bảo về tiêu chuẩn kinh tế và kỹ thuật, ứng với điện áp 0.4kV lớn nhất chỉ bằng 200m. CHỌN CÔNG SUẤT MÁY BIẾN ÁP THEO ĐIỀU KIỆN • Trạm 1 máy biến áp: SđmB ≥ Stt • Trạm n máy biến áp: nSđmB ≥ Stt Trong đó: SđmB - Công suất máy biến áp đã hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường (kVA) Stt - Công suất tính toán mà trạm cần truyền (kVA). Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 26 Điều kiện kiểm tra: • Trường hợp sự số một máy biến áp trong trạm nhiều máy biến áp: (n-1). kqt.SđmB ≥ Ssc • Scs: Phụ tải mà trạm cần truyền khi có sự cố (kVA) • kqt: Hệ số quá tải máy biến áp cần truyền khi có sự cố. Với điều kiện hệ số quá tải cho phép trong 5 ngày đêm, mỗi ngày đêm quá tải không quá 6 tiếng đồng hồ. Ta có thể lấy kqt = 1,4. III. VẠCH SƠ ĐỒ CẤP ĐIỆN VÀ CHỌN CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG CẤP ĐIỆN 1. Sơ đồ cấp điện: Sau khi xác định được vị trí, dung lượng của trạm biến áp, ta xác định được sơ đồ nối dây của trạm. Sơ đồ nối dây phải đảm bảo an toàn, độ tin cậy cung cấp điện cao, dễ thực hiện các biện pháp bảo vệ và tự động hóa, dễ vận hành và bảo quản, đơn giản khi làm việc cũng như khi tiến hành thi công xây dựng trạm. Phương án cung cấp điện cho trạm cấp nước: • Để cung cấp điện cho trạm cấp nước của nhà máy xi măng, ta đặt một trạm biến áp hạ áp nhận điện từ trạm biến áp trung gian 110/6 KV, cách trạm biến áp của trạm cấp nước 1900m, bằng 100m cáp ngầm và 1800m cáp đường dây trên không. Trạm đặt hai máy biến áp, phía cao áp đặt máy cắt phụ tải, chống sét van, phía hạ áp đặt tủ phân phối trong tủ đặt hai áptomát nhánh cấp điện cho 8 động cơ và một áptomát cấp điện cho chiếu sáng. Sơ đồ b nguyên lý trạm biến áp của trạm cấp nước (hình 3 -1) 2. Lựa chọn các phần tử của hệ thống điện: Dùng máy cắt để làm thiết bị đóng cắt cho phía cao áp của trạm biến áp. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 27 Ưu điểm: Máy cắt có thể cắt được dòng phụ tải, do đó an toàn cho người vận hành. Nhược điểm: Vốn đầu tư cho máy cắt khá cao, với một trạm nhỏ (vài trăm kVA) thì người ta ít dùng máy cắt. • Dùng máy cắt phụ tải kết hợp với cầu trì để thay thế cho máy cắt. Ưu điểm: Rẻ tiền, cắt được dòng phụ tải, an toàn cho người vận hành. Chính vì vậy mà người ta hay dùng loại máy cắt này để thiết kế, lắp đặt cho các trạm biến áp vừa và nhỏ. • Dùng dao cách ly và cầu trì để làm thiết bị đóng cắt và bảo vệ cho phía cao áp. Ưu điểm: Sơ đồ đơn giản, vốn đầu tư ít vì dao cách ly tương đối rẻ hơn các loại máy khác. Nhược điểm: Dao cách ly không đóng, cắt dòng phụ tải được. Do đó không an toàn cho người vận hành. • Dùng cầu trì tự rơi để thay thế cho các loại thiết bị đóng cắt trên có ưu điểm như máy cắt phụ tải kết hợp với cầu trì, nhưng thường người ta chỉ dùng cho các trạm nhỏ và các trạm vừa còn các trạm lớn thì ít dùng. Từ các ưu điểm và nhược điểm của các thiết bị điện như trên ta thấy trạm biến áp đặt hai máy có dung lượng mỗi máy là 200 kVA, nên ta dùng cầu trì tự rơi để đóng cắt và bảo vệ cho sơ đồ mạng cao áp của trạm biến áp là thích hợp. • Chọn máy biến áp do Việt Nam chế tạo, không phải qua hiệu chỉnh nhiệt độ. Với công suất Stt = 357,16 (kVA) nên ta chọn trạm biến áp hai máy biến áp do hãng ABB chế tạo với công suất mỗi máy là SBA = 200 (kVA) Thông số kỹ thuật của MBA (PL2.2-TL1) Thông số kỹ thuật BA - 200 - 6, 3/0,4 KV Điện áp P0W PNW UN,% Kích thước, mm dài - rộng - cao Trọng Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 28 KV lượng kg 6,3/0,4 200 1250 4 860-705-1325 510 Chọn vị trí đặt trạm biến áp: Vị trí đặt trạm biến áp không vượt quá 100m và cách nguồn cấp chính 1900m, được lấy từ trạm biến áp trung tâm 110/6KV, trạm biến áp được đặt trong địa phận của nhà máy. Chọn trạm biến áp kiểu kín (xây, trong nhà) (H5. 16 - TL2) đặt hai trạm biến áp. Trạm được bố trí thành bốn phòng: hai phòng đặt máy biến áp, một phòng cao áp đặt thiết bị cao áp, một phòng hạ áp đặt các thiết bị hạ áp. Các thiết bị điện đều được đặt trong tủ có vỏ che chắn an toàn. Trạm kiểu kín có nhiều ưu điểm như: độ an toàn cao, tránh được rủi ro do thiên tai...., dễ vận hành, kiểm tra, bảo dưỡng. • Chọn tiết diện dây dẫn từ BATT về trạm biến áp của trạm bơm: Itt = IđmB = 5,38 6.3 200.2 = A Với dòng tính toán và khoảng cách tải điện ngắn (1900m) ta chọn tiết diện dây dẫn theo điều kiện kinh tế (tức mật độ dòng điện Jkt). Fkt = 5,381 5,38 == tt tt J l (mm2) Với Tmax = 6000h, tra bảng 2.10 - TL2 ta có Jkt = 1 A/mm2 Vậy lấy tiết diện đường dây cao áp là 35mm2, chọn AC-35. Không phải kiểm tra lại điều kiện ΔUcp. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 29 Chọn dây dẫn là một khâu quan trọng trong việc thiết kế cung cấp điện. Chọn dây dẫn căn cứ vào các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật. Đường dây dẫn điện từ trạm biến áp trung tâm về trạm biến áp của trạm cấp nước dài 1900m, trong đó có 10cm cáp ngầm 1800m đường dây trên không, Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 30 dây nhômlõi thép lọ đơn. Vì đường dây 6 KV cấp điện cho trạm biến áp của trạm cấp nước ngắn nên chọn tiết diện dây dẫn theo mật độ dòng điện kinh tế. Ta chọn thời gian sử dụng Tmax = 6000h. 1. Mạng cao áp tải điện trên không dài 1800m: Với giá trị Tmax = 6000h dây nhôm lõi thép AC. Tra bảng 2.10 - TL2 ta có giá trị dòng điện kinh tế, Jkt = 1A/mm2. Dòng điện lớn nhất mà dây dẫn phải chịu: Imax = Itt = 5,38 6.3 2.200 .3 == dm tt U S (A) Chọn dây nhôm lõi thép có tiết diện như sau: Fkt ≥ 5,381 5,38max == ktJ I (mm2) Chọn dây dẫn AC - 35 (PLV3 - TL2) có các thông số kỹ thuật như sau: Bảng 3-4: Thông số kỹ thuật AC-35 Tiết diện định mức của dây dẫn (mm Tiết diện tính toán dây dẫn (mm2) Đường kính tính toán (mm) Điện trở khi nhiệt độ 200 (Ω/km) Khối lượng tính toán của dây dẫn kg/km Phần nhôm dẫn diện của dây dẫn Lõi thép Dây dẫn Lói thép 35 36,9 6,2 8,4 2,8 0,85 150 Dòng điện cho phép khi đặt ngoài trời của dây nhôm lõi thép AC - 35: I cho phép => Icp = 170 A (PLVI.1-TL2) Kiểm tra lại dây dẫn đã chọn theo điều kiện cho phép. Để đảm bảo cho đường dây vận hành bình thường, theo TL1 ta có:” ΔU = dmU QXPR + ≤ ΔUcp (V) Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 31 • P, Q: công suất tác dụng, công suất phản kháng trên đường dây (kW, kVAR)> • R, X: điện trở, điện kháng của dây dẫn (Ω) +Uđm: điện áp định mức của đường dây (kV) Với dây dẫn AC - 35, chọn khoảng cách trung bình hình học Dtb = 1m, đường kính dây dẫn là 8,4m (bảng 3-4), theo cách tính nội suy ra tính được điện kháng đường dây trên không: d = 8mm => x0 = 386.10-3 Ω/km. d = 9mm => x0 = 379.10-3 Ω/km. Theo công thức nội suy: với d = 8,4mm. x0 = 310.)84,8).(89 386379(386 −⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −− −+ = 0,383 Ω/km. Vậy AC - 35 có: r0 = 0,85 Ω/km x0 = 0,383 Ω/km Chiều dài đường dây trên không: l = 1800m = 1,8 (km) Điện trở của dây: R = r0.l = 0,85. 1,8 = 1,53 (Ω) Điện kháng của dây: X = x0.l = 0,383. 1,8 = 0,689 (Ω) Chỉ tiêu chất lượng điện áp nguồn cho phép sai số không quá ± 5%, với phụ tải có yêu cầu chất lượng điện áp ổn định thì cho phép sai số không quá ±2,5%. Với phụ tải của trạm cấp nước của nhà máy xi măng, yêu cầu chất lượng điện áp không vượt quá 5%. Tổn thất điện áp cho phép của trạm cấp nước: ΔUcp = 5%. Uđm = 5%. 6.103 = 300 (V) Tổn thất điện áp: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 32 ΔU% = 5%. 6.103 = 300V Tổn thất điện áp trên đường dây được tính theo công thức 4 - 4. TL1: Công suất tiêu thụ: P = S. cosϕ; Trong đó: P - là công suất tiêu thụ S- là dung lượng MBA cosϕ là góc lệch của dòng điện và điện áp ⇒ cosϕ = S P Thường cosϕ = 0,85 => 0,8 Nếu cosϕ = 1 là công suất lớn nhất trong mạch điện tiêu thụ. Với Ptt = Stt. cosϕ = 400 . 0,85 = 340 (kW) Qtt = Ptt. tgϕ = 340 . 0,62 = 210,8 (KVAR) (cosϕ = 0,85 => tgϕ = 0,62) => ΔU = 111 6 689,0.8,21053,1.340 =+ (V) So sánh ta thấy: ΔU = 111 (V) < ΔUcp = 300 (V) Nhận xét: Khi làm việc bình thường tổn thất điện áp trên đường dây nhỏ hơn tổn thất cho phép, suy ra tiết diện dây dẫn đã chọn thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật . 2. Mạng cáp ngầm: Với Tmax = 6000h, chọn cáp đồng (B2.10-TL2), có trị số mật độ dòng điện kinh tế Jkt = 2,7 A/mm2. Dòng điện lớn nhất mà dây dẫn phải chịu là: Imax = Itt = 5,38 6.3 400 .3 == dm tt U S (A) Chọn cáp đồng với tiết diện: Fkt ≥ 26,147,2 5,38max == ktJ I (mm2) Chọn cáp đồng 3 lõi (PLV. 16 - TL2) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 33 Fđm1 lõi = 16mm2 cách điện XLPE, đai thép; vỏ PVC do hãng FURAKAWA chế tạo, các thông số cho: Bảng 3 -5: Cáp đồng 3 lõi 6-10 KV cách điện XLPE. Fđm (1 lõi) mm2 Hình dạng Icp r0 X0 16 Vặn xoắn 105 1,47 0,17 Do cáp đồng chọn quá cấp nên không cần kiểm tra lại ΔU và Icp. VI. TÍNH TỔN THẤT CÔNG SUẤT TRÊN ĐƯỜNG DÂY VÀ TỔN THẤT CÔNG SUẤT TRONG MÁY BIẾN ÁP CỦA TRẠM CẤP NƯỚC: 1. Tổn thất công suất trên đường dây a- Tổn thất công suất tác dụng trên đường dây xác định theo công thức: ΔPđd = 32 2 10.. −R U S dm (kW) Trong đó: R: điện trở dây dẫn (Ω) Uđd: điện áp định mức của đường dây (kV). S: công suất trên đường dây. Tổn thất công suất phản kháng trên đường dây (công thức 4.2 - TL1) : THIẾT BỊ ĐIỆN ĐÀO TẠO: ΔQĐD = XQ S dm . ¦ 2 2 .10-3 Trong đó: X: điện kháng của dây dẫn (Ω) Uđd: điện áp định mức của đường dây (KV) S: công suất trên đường dây. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 34 Đường dây điện từ trạm biến áp trung tâm 110/6 kV về trạm biên áp của trạm cấp nước, với đường dây AC-35 có khoảng cách trung bình hình học Dtb = 1,5 m, tra bảng và tính được điện trở điện kháng ở phần V. 1 là: R = 1,53 (Ω) ; X = 0,689 (Ω) Tổn thất tác dụng trên đường dây là: ΔPđd = 3102 2 .53,1. 6¦ 400 − = 6,8 (kW) TỔN THẤT CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY ΔQdd = 32 2 10.689,0. 6¦ 400 − dm = 3,062 (kVAR) Tổn thất công suất toàn phần trên đường dây ΔSđd = 22 dd QP ∂∂ Δ+Δ => ΔScs = 22 062,38,6 + = 7,46 (kVA) b. Với cáp ngầm tiết diện 16mm2, chiều dài 100m: Ta có: R = r0. l = 1,47. 0,1 = 0,147 (Ω) • Tổn thất công suất tác dụng trên cáp là: ΔPcap = 32 2 310 2 2 10.1,0.47,1. 6¦ 400.. ¦ −− ∂ =R U S m = 0,653 (kW) Ta có: X = 0,17. 0,1 = 0,017 (Ω) • Tổn thất công suất phản kháng trên cáp: ΔQcap = 32 2 310 2 2 10.017,0. 6¦ 400.. ¦ −− ∂ =X U S m = 0,076 (kVAR) • Tổn thất công suất trên cả đường dây: ΔP = ΔP∂d + ΔPcap = 6,8 + 0,653 = 7,453 (kW) • Tổn thất công suất phản kháng trên cả đường dây: ΔQ = ΔQ∂d + ΔQcap = 3,062 + 0,076 = 3,138 (kVAR) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 35 • Tổn thất công suất toàn phần trên cả đường dây: ΔS = 2222 138,3453,7 +=Δ+Δ QP = 8,08 (kVA) 2. Tổn thất công suất trong máy biến áp: Tổn thất công suấ trong máy biến áp bao gồm tổn thất không tải (tổn thất sắt) và tổn thất có tải (tổn thất đồng). • Thép từ Silic và đồng Cu. Tổn thất công suất tác dụng trong máy biến áp: ΔPB = ΔP0 + ΔPN. ( 2) m pt S S ∂ (KW) Trong đó: ΔP0: Tổn thất công suất tác dụng của máy biến áp (KV) ΔPN: Tổn thất công suất phản kháng của máy biến áp (KV) Spt: Phụ tải toàn phần (thường lấy bằng phụ tải tính toán Stt) (KVA) Sđm: Dung lượng định mức của máy biến áp (KVA) Tổn thất công suất phản kháng trong máy biến áp: ΔQB = ΔQ0 + ΔQN. ( 2) m pt S S ∂ (kVAR) Trong đó: ΔQ0: Tổn thất công suất phản kháng không tải của máy biến áp (kVAR) ΔQN: Tổn thất công suất phản kháng của máy biến áp (KV) Các công thức ΔQ0, ΔQN không cho sẵn trong lý lịch máy nhưng được tính theo công thức: ΔQ0 = 100 %. mSi ∂ (kVAR) ΔQN = 100 %. mN SU ∂ (kVAR) Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 36 i%: Giá trị tương đối của dòng điện không tải UN%: Giá trị tương đối của điện áp ngắn mạch. Với Sđm ≤ 1000 kVA thì i% = 5÷ 7 và UN% = 5,5 Trong trường hợp này ta chọn i% = 6; UN% = 5,5. Dựa vào bảng 4 - 1 (IV), ta tính được: • Tổn thất công suất tác dụng trong máy biến áp trạm cấp nước của nhà máy: ΔPB = 0,53 + 3,45 ( 2)200.2 400 = 3,98 (KW) Tổn thất công suất phản kháng trong máy biến áp trạm cấp nước của nhà máy: Với : ΔQ0 = 24100 200.2.6 = (kVAR) ΔQN = 22100 200.2.5,5 = (kVAR) => ΔQB = 24 + 22 ( 46)200.2 400 2 = (kVAR) VII. TÍNH TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRÊN MÁY BIẾN ÁP 1. Tổn thất điện năng trên đường dây: Tổn thất điện năng trên đường dây được tính theo công thức 4 - 3. TL1: ΔA = ΔP. τ (kWh) Trong đó: ΔP: Tổn thất công suất lớn nhất trên đường dây (KW) τ : Thời gian tổn thất công suất lớn nhất (h) τ = f (Tmax, cosϕ) Tmax = 6000h và cosϕ = 0,85, theo phương pháp nội suy ta có: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 37 τ = 4500H Vậy tổn thất điện năng hàng năm trên đường dây từ trạm biến áp trung tâm 110/6KV về trạm biến áp của trạm cấp nước: ΔAB = 6,8. 4500 = 30600 (kWh) 2. Tổn thất điện năng trong máy biến áp: Tổn thất điện năng trong máy biến áp được xác định theo công thức: ΔAB = ΔP0.t + ΔPN. ( 2) m pt S S ∂ . τ (KWh) Trong đó: ΔP0: Tổn thất công suất tác dụng không tải của máy biến áp (kW) ΔPN: Tổn thất công suất ngắn mạch của máy biến áp (kW) Spt: Phụ tải toàn phần (thường lấy bằng phụ tải tính toán Stt) (kVA) Sđm: Dung lượng định mức của máy biến áp (kVA) t: Thời gian vận hành thực tế của máy biến áp (h). Bình thường máy biến áp được đóng điện suốt 1 năm nên lấy t = 8760h. τ : Thời gian tổn thất công suất lớn nhất (h) (công thức 5-2. TL1) Trong trường hợp có n máy biến áp làm việc song song trong một trạm thì tổn thất điện năng của các máy biến áp trong trạm đó là: ΔAB = n. ΔP0.t + n 1 ΔPN. ( 2) m pt S S ∂ . τ (KWh) Vậy tổn thất điện năng hàng năm trong các máy biến áp là: ΔAB = 2.0,53.8760 + 2 45,3 ( 2) 200.2 400 . 4500 = 170481 (KWh) Tổn thất hàng năm trên mạng cáp của trạm cấp nước là: ΔA = ΔA∂d+ ΔAB= 30600 + 170481 = 476481 (kWh) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 38 CHƯƠNG IV TÍNH CƠ KHÍ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN I. TÍNH TOÁN DÂY DẪN 1. Mục đích tính toán Tính toán dây dẫn đường dây tải điện là xác định các đại lượng: độ võng, lực kéo của dây tác dụng lên cột Td. Các đại lượng này cần thiết để kiểm tra cột, xà, móng trong các trạng thái vận hành. Độ võng là khoảng cách theo phương thẳng đứng từ điểm thấp nhất của dây dẫn trong khoảng cột đến điểm treo cao nhất của dây. Thông thường khoảng cách an toàn này được quy định theo từng loại dây dẫn và điện áp, nếu điện áp càng cao thì khoảng cách an toàn càng lớn, với đường dây có điện áp 6 kV, kéo dây dọc theo đường bộ thì khoảng cách an toàn tối thiểu là: h = 6m (bảng 4-9. TL1). 2. Tính toán độ võng và ứng suất của dây dẫn AC - 35 trong khoảng cột: Hệ số an toàn thường dùng được tính theo công thức: n = cp gh σ σ Trong đó: σgh - ứng suất giới hạn của dây dẫn (N/mm2) σcp - ứng suất cho phép của vật liệu làm dây dẫn (N/mm2) Đối với đường dây tải điện trên không sử dụng dây nhôm lõi thép AC - 35 điện áp 6kV từ trạm biến áp trung tâm đến trạm biến áp của trạm cấp nước, ta có trị số an toàn theo quy đổi: n = 2 (Bảng 7 - 2 TL2) Dây dẫn chịu tải trọng chủ yếu sau đây: • Tải trọng do trọng lượng bản thân dây dẫn • Tải trọng do gió thổi lên dây dẫn trong khoảng cột. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 39 • Tải trọng do giãn nở nhiệt. Trong quá trình tính toán thường dùng khái niệm tỉ tải. Tỷ tải là phụ cơ giới tác động lên độ dài 1 m dây có tiết diện 1mm2, đơn vị tỷ tải là N/m.mm2. a. Tỷ tải do trọng lượng bản thân dây dẫn: Tỷ tải do trọng lượng bản thân dây dẫn được tính theo công thức (TL2). g1 = 1000 0g (4-2) Trong đó: g0 = trọng lượng riêng của chất cấu tạo dây (N/mm2) Với dây xoắn cần chú ý tới chiều dài thực tế: g1 = (1,02 - 1,03). 1000 0g (N/m.mm2) Công thức trên dùng cho dây 1 chất (A, M, C) với phức tạp (AC), g1 được tính theo công thức: g1 = (1,02 - 1,03). F FgFg FeFeAA 1000 . + (N/m.mm2) (4-4) Trong đó: gA, gFe - trọng lượng riêng của nhôm và thép. FA, FFe - tiết diện phần nhôm và thép. Tiết diện dây phức hợp: F = FA + FFe b. Tỷ tải do áp lực gió lên dây: Sức ép của gió lên 1m dây (TL2): P = 16.1000 ....81,9 2vdCα (N/m) (4-5) Tỷ tải của gió: g2 = F P = F vdC 16.1000 ....81,9 2α (N/m.mm2) (4-6) Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 40 α -hệ số biểu thị sự phân bố không đều của gió trên khoảng cột. v = 20 m/s α = 1 v = 25 m/s α = 0,85 v = 30 m/s α = 0,75 v = 40 m/s α = 0,7 C - hệ số động lực của không khí phụ thuộc bề mặt chịu gió. • Với dây dẫn có d < 20mm C = 1,1 • Với dây dẫn có d > 20 môi trường C = 1,2 g3 = 2221 gg + (N/m.mm2) Dây AC - 35 vùng khí hậu III, theo PLVII 3.TL2 ta có: Bảng 4-1: Thông số tỷ tải của dây dẫn AC - 35. Mã hiệu dây Tải trọng của dây g1 (N/m.mm2) Tải trọng của dây lúc gió g1 (N/m.mm2) Tải trọng toàn bộ dây g3 N/m.mm2 AC - 35 32,2.10-3 134.10-3 138.10-3 Đặc tính cơ lý của dây dẫn AC - 35 (Bảng 4.8 - TL1) Bảng 4-1: Thông số tỷ tải của dây dẫn AC - 35. Vật liệu dây dẫn Trọng lượng riêng g0 (N/dm3) σgh (N/m.mm2) E (N/mm2) α (độ - 1) A 26,5 157 61,6.103 23.10-6 Fe 77 1175 196.103 12.10-6 Từ các thông số trong bảng 4 - 2, ta có: Ứng suất cho phép của vật liệu làm dây dẫn: σAcp = 5,782 157 == n Acpσ (N/mm2) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 41 Hệ số dãn nở dài của dây phức hợp AC - 35 (TL2): σAC = AFe AAFeFe EaE EaE . .. + +α (4-8) a- tỷ số tiết diện giữa phần nhôm và thép: a = 59,5 2,6 9,36 == Fe A F F (mm2) αA - hế số dãn nở của nhôm, αA = 23.10-6 (độ -1) αFe - hế số dãn nở của thép, αFe = 12.10-6 (độ -1) EA -mô đun đàn hồi của vật liệu nhôm, EA = 61,6.103 (N/mm2) EFe -mô đun đàn hồi của vật liệu thép, EFe = 196.103 (N/mm2) Thay vào biểu thức (4-8) ta có: αAC = =+ + −−− 33 310.36 10.16,6.95,510.196 1.6,61.10.23.95,510.196.10.10 19,16.10-6 (độ -1) Mô đun của vật liệu dây phức hợp AC -35, được tính (TL2): EAC = a EaE Fe + + 1 (N/mm2) (4-9) EAC = =+ + 95,51 10.610.6,61.95,5 33 80,94.103 (N/mm2) β - Hệ số kéo dài đàn hồi của vật liệu làm dây; βAC - Hệ số kéo dài đàn hồi của dây AC βAC = ACE 1 => βAC = 310.94,80 1 = 12,35.10-3 ứng suất dây AC lúc bão (σACbão) và lúc nhiệt độ thấp (σAC0min) (TL2: σACθmin = [σAcp - (σA - σAC) (θ0 - θmin) EA]. A AC E E (4-11) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 42 σACbão = [σAcp - (σA - σAC) (θ0 - θbão) EA]. A AC E E (4-12) Trong đó: θ0 - nhiệt độ môi trường chế tạo dây, lấy θ = 150C. σACp - ứng suất cho phép của vật liệu làm dây dẫn, σACp = 78,5 (N/mm2) αAC - hệ số dãn nở của dây phức hợp AC - 35, αAC = 19,16.10-6 (1/0C) αA - hệ số dãn nở của nhôm, αA = 23.106 (1/0C) θBÃO - NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG LÚC BÃO, ỨNG VỚI VÙNG KHÍ HẬU III, lấy θbão = 250C (bảng 7.3 - TL2) θmin - nhiệt độ không khí lúc thấp nhất, ứng với vùng khí hậu III, lấy θmin = 50C (bảng 7.3 - TL2) EA - mô đun đàn hồi của vật liệu nhôm, EA = 61,6.103 (N/mm2) EAC - mô đun đàn hồi của vật làm dây phức hợp, EAC = 80,94 (N/mm2) Thay số vào biểu thức (4-11) và (4-12) ta được: σACθmin = [78,5 - (23.10-6 - 19,16.10-6) (15-5). 61,6.103]. 10010.6,61 10.94,80 3 3 = (N/mm2) σACbão = [78,5 - (23.10-6 - 19,16.10-6) (15-25). 61,6.103]. 25,10610.6,61 10.94,80 3 3 = (N/mm2) Khoảng vượt tới hạn của dây AC - 35 là (Công thức 7.9 - TL2): lth = 2 min 1 2 3 min ).(.24 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − θσσ θθα ACACbao baoA gg (m) (4-13) Theo PLVII.3-TL2, vùng khí hậu III có các tỷ tải: g1 = 32,2.10-3 (N/m.mm2) g2 = 134.10-3 (N/m.mm2) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 43 g3 = 138.10-3 (N/m.mm2) lth = 2323 6 100 10.2,32 25,106 10.138 )525.(10.23.24 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − −− − = 83,5 (m) Mục đích xác định lth để xem với một khoảng cột nào đó, ứng suất lớn nhất sẽ xuất hiện khi nào. Nếu l > lth thì σmax xuất hiện khi bão Nếu l < lth thì σmax xuất hiện khi θmin Vậy chọn chiều dài cột là l = 90m, vì l > lth thì ứng suất σmax xuất hiện khi bão. σmax = σACbão = 106,25 (N/mm2) d. Phương trình trạng thái: Độ võng lớn nhất xuất hiện khi nhiệt độ không khí cực đại θmax = 400C và tốc độ gió V = 0 m/s. Cần tìm ứng suất tương ứng θACmax bằng cách giải phương trình trạng thái (Công thức 7.11 - TL2): σACθmax - = max 2 0 2 1 2 ..24 . θσβ AC gl σACbão - bao ACbao gl θθβ α σβ −− max0 0 2 0 2 3 2 ( ..24 . ) (4-14) Thay số vào biểu thức trên ta được: σACθmax - =− − max 26 622 .10.36,12.24 10.2,32.90 ACσ 106,25 - 6 6 26 622 10.36,12 10.16,19 25,106.10.36,12.24 10.2,32.90 − − − − = (40-25) => σ2 ACθmax (σACθmax - 36,84) = 28311,7 => σ2 ACθmax = 48,725 (N/mm2) e. Độ võng Độ võng của dây là khoảng cách theo phương thẳng đứng từ điểm thấp nhất của dây trong khoảng cột tới điểm treo cao của dây. Độ võng của dây AC được tính theo công thức 7.13 - PL2: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 44 f = - max 1 2 8 . θσ AC gl (4-15) Trong đó: l - chiều dài khoảng cột, l = 90m. g1 - tải trọng của dây dẫn AC-35 lúc nhiệt độ cao nhất θmax. σACθmax = 48, 725 (N/mm2) Nhận xét: Nếu ta chọn chiều dài khoảng cột ngắn thì độ võng của dây dẫn trong một khoảng cột cũng giảm đi và ngược lại nếu ta chọn tăng chiều dài khoảng cột thì độ võng trong khoảng cột cũng tăng theo, do có độ võng f nên chiều dài thực tế của dây dẫn sẽ lớn hơn chiều dài khoảng cột và chiều dài thực tế được tính theo công thức: lthực tế = l + l fl .3 8 2+ (m) (4-16) • lthực tế = 90 + 34,9090.3 67,0.890 2 =+ (m) Vậy chiều dài dây dẫn tăng lên 0,34 (m) II. TÍNH TOÁN CỘT: 1. Lựa chọn loại cột Trong đồ án tốt nghiệp này, đường dây cấp điện từ trạm biến áp trung tâm 110/6 KV về trạm biến áp của trạm cấp nước có chiều dài 1900m. Trong đó có 100m cáp ngầm và 1800m đường dây không, rải dọc đường bộ. Trên đường dây hệ thống cấp điện từ 35 KV trở xuống dùng hai loại cột bê tông cốt thép: cột li tâm (cột tròn) và cột vuông. Sơ bộ có thể lựa chọn loại cột cho các loại dây dẫn theo bảng sau: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 45 Bảng 4-3: Phạm vi sử dụng các loại cột Loại cột Trung áp, KV Hạ áp 0,4KV 22 ≈ 35 6 ≈ 10 Trục chính Xóm ngõ LT10, LT12 x x - - H8.5 - x x - Dự tính bố trí dây dẫn 3 pha trên cột đặt trên đỉnh tam giác đều, khoảng cách hình học giữa các pha phụ thuộc điện áp đường dây. Với đường dây 6KV khoảng cách hình học giữa các pha: Dtb = 1m. Vì vậy, ta chọn cột li tâm. Loại cột này được chế tạo tại nhà máy, nhờ các máy li tâm với cốt thép kéo trước hoặc không kéo trước. Loại này được chế tạo 2 cỡ cột 10m và 12m (LT10; LT12). Chiều cao của các cột tính toán sao cho đúng với quy định đã cho phép về khoảng cách an toàn: Hc ≥ HM + H’ + λ + f (4 -17) Trong đó: HM - CHIỀU XAO MÓNG CỘT, HM = 0,15; HC = 2M Hmin - độ cao an toàn tối thiểu tính từ nơi thấp nhất, Hmin = 6,1m f - độ võng của dây nơi thấp nhất, f = 0,67m λ - chiều cao chuỗi sứ, λ = 0,35m H’ - khoảng cách tối thiểu giữa các pha, H’ = 1m Thay số vào biểu thức (4 -17), ta được: Hc ≥ 2 + 6,1 + 1 + 0,35 + 0,67 = 10,12 (m) Từ thông số đã tính ở trên ta sẽ chọn loại cột li tâm LT12. Tại các vị trí trung gian đặt 1 cột ly tâm LT12B; tại vị trí đầu tuyến và cuối tuyến đặt hai cột ly tâm LT12C, cột chôn sâu 2m. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 46 Cột mua tại Xí nghiệp bê tông Đông Anh có các thông số: Bảng 4-4: Thông số kỹ thuật của cột ly tâm LT12 của nhà máy bê tông Đông Anh. Loại Quy cách D1D2 - H, m Mác bê tông V,m3 M, Kg Lực đầu cột Pcp, kg LT12B 193/3 - 10000 400 0,44 1200 720 LT12C 190/300 - 10000 400 0,44 1200 900 HÌNH 4.1. CHIỀU CAO CỘT ĐỠ DÂY DẪN 2. Chọn xà, sứ: a. Chọn xà: Các cột trung gian dùng xà đơn X1 vì xà cột trung gian chỉ đỡ dây. Các cột đầu cuối dùng xà kép X2, do phải chịu lực lớn hơn. Xà làm bằng thép góc L73 x 73 x 7, dài 2m. Kèm xà và chống xà dùng thép góc L60 x 60 x 6 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 47 b. Chọn sứ: Tại tất cả các vị trí chọn dùng sứ đứng thủy tinh do Xí nghiệp thủy tinh cách điện Hải Phòng sản xuất. Bảng 4 - 5: Thông số của sứ cách điện. Ký hiệu Chiều cáo sứ (m) Điện áp định mức an toàn (kV) Trọng lượng (kg) Các phụ kiện Sứ đứng VHO - 10 0,35 10 5 Ty côn mạ kẽm thép CT5 -φ22 3. Chọn móng cột: Móng cột đường dây trong các hệ thống cấp điện từ 35KV trở xuống thường dùng hai loại móng: móng chống lật (cho tất cả các vị trí cột) và móng chống nhỏ (cho dây néo). Để tiện thi công ta chọn dùng móng không cấp. Toàn tuyến có: móng cột trung gian, móng cột góc, móng cột cuối. Móng cột trên toàn tuyến được tổ bê tông và có chiều sâu so với mặt đất 2m. Với cột trung gian móng có kích thước: 1 x 1,2 x 2m. Với cột đầu cuối móng có kích thước: 1,2 x 1,4 x 2m Địa hình tuyến 6KV đi qua nằm trong vùng đồi núi, nên dùng cột kép ở cột đầu và cột cuối không cần làm dây néo cho cột, tất cả móng cột được đổ bê tông tại chỗ. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 48 4. Sơ đồ tính toán cột: Lực uốn của cột phụ thuộc vào lực kéo của dây dẫn lên cột, áp lực gió tác dụng lên mặt cột, áp lực gió tác dụng lên dây dẫn và độ cao của cột. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 49 Bảng 4-6: Sơ đồ tính toán cột. 5. Kiểm tra khả năng chịu lực (uốn) của cột trung gian: Cột trung gian khi làm việc chịu lực gió bão tác động lên thân cột và tác động lên dây dẫn 3 pha AC-35 trong khoảng cột: Các tải trọng tác động lên cột: a) Lực gió tác động lên mặt cột: PC = )(96645,2.25.7,0.85,0.16 81,9.... 16 81,9 22 NFVC ==α (4-18) Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 50 α - hệ số biểu thị sự phân bố không đều của gió trên khoảng cột. V = 25m/s α = 0,85 C- Hệ số động lực của không khí phụ thuộc vào bề mặt chịu gió. • Với cột tròn C = 0,7 F - tiết diện mặt cột chịu gió: F = 45,2)212(. 2 3,0190,0).(. 2 21 =−+=−+ MC HHDD (m2) Với: • Quy cách D1/ D2 (theo bảng 4.4 - thông số kỹ thuật của cột LT12) • HC: Chiều cao cột li tâm, HC = 12m • HM: Chiều cao móng, HM = 2m b) Lực gió tác động lên dây: Pđ = g2. F.l = 134.10-3 . 35.90 = 422 (N) g2 - tải trọng của dây lúc gió, g2 = 134.10-3 (N/mm2) (bảng 4.1) F - tiết diện định mức của dây dẫn, F = 35 (mm2) l- chiều dài khoảng cột, l = 90 (m) c) Lực gió đặt vào cột ở độ cao 9m, 10m: • Lực gió đặt vào cột ở độ cao 10m: H = 63,4 3 10. 3,019,0 3,019,0.2 3 . 2 21 21 =+ +=+ + h DD DD (m) d) Tổng mô men tác động lên tiết diện sát mặt đất của cột: Mtt = n. MΣ = n. ∑n M 1 1 (Nm) (4-21) Trong đó: n- hệ số quá tải (tra bảng 7.8 - TL2), n = 1,2 MΣ - tổng mô men ngoại lực tác dụng lên cột, với cột trung gian. MΣ = MPD + MPC • MPd: mô men do lực gió tác dụng lên dây dẫn gây ra. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 51 • MPc: mô men do lực gió tác dụng lên cột gây ra. Các tải trọng thẳng đứng (trọng lượng cột, xà, xứ, dây, tải trọng xây lắp) bình thường không gây ra mô men chịu uốn với cột, nhưng nếu quá trình làm việc cột bị uốn cong thì các tải trọng này cũng gây ra một mô men uốn với cột. Trong trường hợp cần thiết kể đến mô men này, người ta lấy tăng trị số Mtt lên 10%. Do vậy: Mtt = n. [ΣMi + 10%ΣMi] (Nm) ΣMi = 2.Pdh1 + Pd.h + PC.H = 2.422.9 + 422.10 + 966.4,63 = 16289 (Nm) • Mtt = 1,2. (16289 + 10%.16289) = 21500 (Nm) Quy đổi mô men tính toán về lực đầu cuối: PTT = )(2,219)(215010 21500 KgN h M tt === Ptt = 219,2 Kg < PCP = 720 Kg: cột làm việc an toàn. 6. Tính toán khả năng chịu uốn của cột đầu và cột cuối: Có hai khả năng làm việc nặng nề với cột đầu và cột cuối. Lực kéo dây lớn nhất, lúc này tải trọng đặt lên cột gồm lực gió và lực kéo của dây. a) Xét trường hợp lực kéo của dây lớn nhất: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 52 Cột đầu và cột cuối luôn bị kéo về một phía bởi lực kéo của dây: Td ≈ σACθmin. FAC = 100. 35 = 3500 (N) Với: FAC = 35 mm2 Mô men tính toán đặt lên cột sát mặt đất: Mtt = n. (2.T.h1 + 1. T.h) (Nm) Trong đó: n- hệ số quá tải Td - lực kéo của dây dẫn, Td = 3500 N h1, h - chiều cao ứng với từng vị trí h1 = 9m, h = 10m. • Mtt = 1,3. (2.3500.9 + 1.3500.10) = 127400 (Nm) Lực quán tính quy về đầu cột: PTT = )(6,1298)(1274010 127400 KgN h M tt === Cột đầu và cột cuối cùng dùng 2 cột li tâm LT12C, có ứng lực đầu cột cho phép của mỗi cột là 900 Kg. Vậy ứng lực cho phép của hai cột cuối đã chọn: PCP = 2.900 = 1800 (Kg) Ta có: Ptt < PCP (Ptt = 1298.6 Kg; PCP = 1800 Kg). Nên cột đầu và cột cuối làm việc an toàn. b) Xét trường hợp gió bão lớn nhất: Lấy hướng gió nguy hiểm nhất, thổi dọc hướng dây (Pd =0) • Lực gió tác dụng lên 2 cột: PC = 2. 966 = 1932 (N) • Lực kéo của dây: Td = σACbão. FAC = 106,25. 35 = 3718,75 (N) Lúc bão: θ = 250C; Với: σACbão = 106,25 (N/mm2) (công thức 4-12) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 53 • Tổng mô men tính toán đặt lên tiết diện sát mặt đất: Mtt = n’. (Td.h+ 2. Td.h1) +n. PC. H (4-22) Trong đó: n’ - hệ số quá tải, tải trọng ngang do lực kéo của dây, n’ = 1,3 (bảng 4-8- TL2) h; h1 - chiều cao của cột tương ứng với từng vị trí của dây, h1 = 9m; h=10m H- độ cao lực gió đặt vào cột, H = 4,6m Pc - lực gió lên cột, Pc = 1932N Td- lực kéo của dây lúc bão, Td = 106,25. 35 = 3718, 75 (N) Thay số vào (4-22), ta được: Mtt = 1,3. (3718,75.10+2.3718,75.9)+1,2.1932.4,6 = 146027 (Nm) • Lực tính toán quy đổi về đầu cột: Ptt = )(6,1488)(7,1460210 146027 KgN h M tt === • Ptt < PCP (với Ptt = 1488,6 Kg < PCP = 1800 Kg). Vậy cột đầu và cột cuối làm việc an toàn. 7. Tính toán kiểm tra cột góc: a. Xét trường hợp lực kéo dây lớn nhất: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 54 Dây tạo với trục mặt chịu lực của cột một góc 600 nên lực kéo dây đặt vào cột Td = T. • Lực kéo của dây: Td ≈ σACθmin. FAC = 100. 35 = 3500 (N) Với: FAC = 35mm2 Mô men tính toán đặt lên cột sát mặt đất: Mtt = n. (2. T.h1+ 1.T.h ) (Nm) Trong đó: n’ - hệ số quá tải Td - lực kéo của dây dẫn, Td = 3500 (N) h1, h - chiều cao ứng với từng vị trí h1 = 9m, h = 10m. Mtt = 1,3. (2. 3500.9 + 1.3500.10) = 127400 (Nm) • Lực quán tính quy đổi về đầu cột: Ptt = )(6,1298)(12740010 127400 KgN h M tt === • Ptt < PCP (với Ptt = 1298,6 Kg; PCP = 1800 Kg). Nên cột góc làm việc an toàn. b. Xét trường hợp gió bão lớn nhất: • Lực gió tác dụng lên dây: Pd = g2. F. l. sin600 (N) (4-23) Pd = 134.10-3. 35. 90. 2 3 = 365,5 (N) • Mô men tính toán tổng: Mtt = n. (2. Pd.h1 + 1.Pd.h +Pc.H)+ n’. (2.Td.h1 + 1.Td.h) = 1,2. (2.365,5.9+1.365,5.10+1932.4,6)+ 1,3. (2.3718,75.9 + 3718,75.10) = 158308 (Nm) • Lực quán tính quy đổi về đầu cột: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 55 Ptt = )(7,1613)(8,1583010 158308 KgN h M tt === Vì Ptt < PCP (với Ptt = 1613,7 Kg; PCP = 1800 Kg). Nên cột góc làm việc an toàn. III. TÍNH TOÁN KIỂM TRA MÓNG CỘT: 1. Tính toán, kiểm tra khả năng chống lật của móng cột trung gian: Công thức kiểm tra móng ngắn (TL2) k. S ≤ 1 1 F . (F2. En + F3. Q0) Với hệ số an toàn cho móng cột trung gian: k = 1,5 F1, F2, F3 - hệ số tính toán cho từng loại đất. H- độ cao trung bình đặt các lực ngang vào cột. Đã tính được lực gió tác động lên cột PC = 966N đặt ở độ cao 4,6m; lực gió tác dụng lên dây Pd = 422N đặt ở độ cao 9m và 10m. Vậy: H = m28,7 422.1422.2966 422104229.26,4.966 =++ ++ Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 56 F1 = 1,5. [ 5,0]).1( 2 +++ ϕtgh H h H => F1 = 1,5. [ 86,105,0]839,0).12 28,7( 2 28,7 2 =+++ F2 = (1 + tg2ϕ). (1 + 1,5. ). ϕtgh d => F2 = (1 + 0.8392). (1 + 1,5. 99,2)839,0.2 2,1 2 = F3 = (1 + tg2ϕ). )ϕtgh d + => F3 = (1 + 0,8392). 86,1)839,02 2,1 =+ En = )]1(..5,0.[)(. .. 20 θγθθθ +++ Chtg khb => En = 39,65)]218,01(39,02.7,14.5,0.[)839,0467,0.(467,0 32,1.2.1 2 =+++− Ta có: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 57 + θ, θ2, k0, C - tra bảng PL5.10 và PL5.11 - TL1: + θ = 0,467; θ2 = 0,218 (PL5.10 - TL1) • k0 = 1,32; (PL5.10 - TL1) S - tổng lực ngang đặt lên cột. • Tổng cục ngang tác dụng lên cột: S= Hmin. Pd + PC Trong đó: Hmin - độ cao an toàn tối thiểu tính từ nơi thấp nhất của dây dẫn, Hmin = 6,1m. Pd - Tải trọng của gió tác động lên dây dẫn, Pd = 422 (N) Pc - Tải trọng gió tác dụng lên cột, PC = 966 (N) Thay vào (4-25) ta được: S = 6,1. 422 + 966 = 3540,2 (N) = 3,54 (kN) Với móng cột 1 x 1,2 x 2m tra bảng với vùng đất sét pha cát ẩm tự nhiên, tính được các trị số F1, F2, F3, En . Q0 - tổng trọng lượng đặt lên nền kể cả trọng lượng móng Q0 = QC + Qm + Qd + Qx Trong đó: • Trọng lượng cột: QC = 0,44.24,5 = 10,78 KN; • Móng bê tông tỷ trọng 24,5 => Qm = 1.1,2.2.24,5 = 58,8 kN • Trọng lượng dây trong khoảng cột: Qd = g1.l.3F = 32,2.10-3. 90.3. 35 = 304,29N = 0,304 kN • Trọng lượng xà, sứ: Qx = 0,3 kN (nếu dùng 3 xà thì Qx= 0,5kN (TL2) Thay vào biểu thức (4-26), ta được: Q0 = 10,78 + 58,8 + 0,304 + 0,3 = 70,18 (kN) Thay vào biểu thức (4-23), ta được: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 58 1,5. 3,54 ≤ )18,71.18639,65.99,2( 86,10 1 + • 5,31 ≤ 30 Vậy móng làm việc an toàn 2. Kiểm tra khả năng chống lật của móng cột đầu và cột cuối: Móng cột đầu và móng cột cuối có kích thước 1,2 x 1,4 x 2m. Kiểm tra theo điều kiện gió bão lớn nhất. Độ treo trung bình các lực đặt ngang vào cột: H = 75,3718.175,3718.21932 10.75,3718.19.75,3718.26,19324 ++ ++ = 8,1 m Với: • Lực gió tác dụng lên cột là PC = 1932N, đặt ở độ cao 4,6m; • Lực kéo dây là Td = 3718,75N đặt ở độ cao 9m đến 10m. Kích thước móng 1,2 x 1,4 x 2m tra bảng với vùng đất sét, cát pha ẩm tự nhiên, tính được các trị số F1, F2, F3, En. F1 = [ 5,0]).1( 2 +++ ϕtgh H h H => F1 = [ 73,125,0]839,0).12 75,8( 2 75,8 2 =+++ F2 = (1 + tg2ϕ). (1 + 1,5. ). ϕtgh d => F2 = (1 + 0.8392). (1 + 1,5. 2,3)839,0.2 4,1 2 = F3 = (1 + tg2ϕ). )ϕtgh d + => F3 = (1 + 0,8392). 03,2)839,02 4,1 =+ En = )]1(..5,0.[)(. .. 20 θγθθθ +++ Chtg khb Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 59 => En = 47,78)]218,01(39,02.7,14.5,0.[)839,0467,0.(467,0 32,1.2.2.1 2 =+++− Ta có: + θ, θ2, k0, C - tra bảng PL5.10 và PL5.11 - TL1: + θ = 0,467; θ2 = 0,218; (PL5.10 - TL1) • k0 = 1,32; (PL5.11 - TL1 Q0 - tổng trọng lượng đặt lên nền kể cả trọng lượng móng Q0 = QC + Qm + Qd + Qx Vì cột kép nên: • Trọng lượng cột: QC = 2.10,78 = 21,56 kN; • Móng bê tông tỷ trọng 24,5 => Qm = 1,2. 1,4. 2. 24,5 = 82,32 kN • Trọng lượng dây trong khoảng cột: Qd = g1.l.3F = 32,2.10-3. 90.3. 35 = 304,29N = 0,304 kN • Trọng lượng xà, sứ: Qx = 0,5 kN (TL2) Thay vào biểu thức (4-26), ta được: Q0 = 21,56 + 82,32 + 0,304 + 0,5 = 104, 684 (kN) Thay vào biểu thức (4 - 23), ta được: 1,5. (1,932 + 3,718) ≤ 73,12 1 (3,2.78,47 + 104,684) • 9,76 ≤ 36,41 Vậy móng làm việc an toàn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 60 CHƯƠNG V TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO TRẠM BIẾN ÁP I. ĐẶT VẤN ĐỀ Lựa chọn thiết bị cho trạm biến áp là một vấn đề hết sức quan trọng trong công việc thiết kế và tính tóan hệ thống cung cấp điện. Trạm biến áp là một trong những phần tử quan trọng nhất của hệ thống cung cấp điện. Trạm biến áp dùng để biến đổi điện năng từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác. Các trạm biến áp, trạm phân phối, đường dây tải điện cùng các nhà máy phát điện làm thành một hệ thống phát và truyền tải điện năng thống nhất. Các thiết bị điện, sứ cách điện và các bộ phận dẫn điện khác của hệ thống điện trong điều kiện vận hành có thể ở một trong ba chế độ cơ bản sau: • Chế độ làm việc lâu dài. • Chế độ quá tải (đối với một số thiết bị điện có thể cho phép quá tải đến 1,4 định mức). • Chế độ chịu dòng điện ngắn mạch. Trong chế độ làm việc lâu dài các khí cụ điện, sứ cách điện và các bộ phận cách điện sẽ làm việc tin cậy nếu quá trình lựa chọn chúng có các thông số theo đúng điều kiện ổn định nhiệt và ổn định động. Tất nhiên khi xảy ra ngắn mạch, để hạn chế tác hại của nó cần phải nhanh chóng loại trừ tình trạng ngắn mạch. Như vậy trong dòng điện ngắn mạch là số liệu quan trọng để chọn và kiểm tra các thiết bị điện. Đối với máy cắt, máy cắt phụ tải và cầu chì khi lựa chọn phải kiểm tra khả năng cắt của chúng. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 61 Tóm lại, việc lựa chọn đúng đắn các thiết bị điện có ý nghĩa quan trọng là đảm bảo cho hệ thống cung cấp điện vận hành an toàn tin cậy và kinh tế. II. LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHO TRẠM BIẾN ÁP: Căn cứ vào các điều kiện như: đất đai, môi trường, mỹ quan, kinh phí... ta lựa chọn trạm biến áp thích hợp. Chọn trạm biến áp kiểu kín (trạm trong nhà). Ưu điểm của trạm kín là độ an toàn cao, thiết bị chịu ảnh hưởng xấu do khí hậu như: gió mưa, nóng ẩm, hóa chất ăn mòn... Trạm biến áp được phân làm 4 phòng: 2 phòng đặt máy biến áp, 1 phòng đặt các thiết bị phân phối hạ áp, 1 phòng cao áp đặt các thiết bị cao áp. Các thiết bị được đặt trong tủ có vẻ che chắn an toàn. Cửa ra vào có khóa chắc chắn và kín để đề phòng rắn, chim, chuột. Đặt cửa thông gió cho phòng cao áp, dưới hệ máy có xây hố dầu sự cố. Kết cấu của trạm biến áp (hình 5 - 1) 1. Lựa chọn các thiết bị điện phía cao áp: a. Lựa chọn cầu chì tự rơi: Cầu trì tự rơi là một thiết bị đóng cắt đơn giản, rẻ tiền hơn máy cắt. Nó gồm hai bộ phận tạo thành: bộ phận đóng cắt điều khiển bằng tay và cầu chì. Chọn cầu trì tự rơi (CCTR) với Uđm = 6KV; Itt = 38,5A, do hãng CHANGE (Mỹ) chế tạo (PLIII.3-TL2). Bảng 5-1: Thông số kỹ thuật của CCTR Loại CCTR Uđm (KV) Iđm (A) IN (A) Trọng lượng (Kg) C710 - 112PB 15 100 10 7,88 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 62 hình 5.1: Sơ đồ đấu nối trong trạm biến áp Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 63 hình 5.2: Trạm biến áp kiểu kín ( xây, trong nhà) hai máy biến áp b. Chống sét van (CSV) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 64 Các đường dây trên không dù có được bảo vệ chống sét hay không thì các thiết bị điện nối với chúng đều phải chịu tác động của sóng sét truyền từ đường dây đến. Biên độ của quá trình điện áp khí quyển có thể lớn hơn điện áp của thiết bị, dẫn đến chọc thủng cách điện phá hoại thiết bị và mạch điện bị cắt ra. Vì vậy để bảo vệ thiết bị điện trong trạm biến áp tránh sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm, ta dùng thiết bị chống sét van. Thiết bị chống sét van sẽ hạ thấp biên độ sóng quá điện áp xuống đến trị số an toàn cho cách điện cần bảo vệ (cách điện của máy biến áp và các thiết bị khác đặt trong trạm). Thiết bị chống sét chủ yếu cho trạm biến áp là chống sét van (CSV) và chống sét ống (CSO). Bảo vệ chống sóng quá điện áp truyền từ đường dây vào trạm biến áp đạt được bằng cách đặt chống sét van và các biện pháp bảo vệ đoạn dây gần trạm. Chọn thiết bị chông sét van do hãng Cooper (Mỹ) chế tạo loại ALZP6 (PLIII.13 - TL2). Chọn tủ cao áp loại 8DH10 do SIEMENS chế tạo có các thông số kỹ thuật sau: (PLIII.1-TL2). Bảng 5 - 2: Thông số kỹ thuật của tủ cao áp do SIEMENS chế tạo: Loại Cách điện Uđm (KV) Iđm (A) INBA (KA) INmax (KA) 8DH10 SF6 7,2 1250 25 63 2. Lựa chọn các thiết bị điện phía hạ áp: Tất cả các thiết bị điện phía hạ áp đều được đặt trong tủ phân phối điện áp, bao gồm: 2 áptomat tổng và một áptomat phân đoạn, 8 áptomat nhánh cấp cho 8 động cơ và một áptomat cho chiếu sáng. Ngoài ra trong tủ còn lắp thêm các thiết bị đo lường dùng để đo đếm. Do thiết kế trạm 2 máy biến áp để cung cấp cho khu cấp nước của nhà máy xi măng nên khi chọn dây dẫn cáp tủ máy biến áp đến tủ phân phối và Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 65 thanh cái hạ áp ta chỉ cần tính cho một máy để tính luôn cho máy kia (vì 2 máy có công suất bằng nhau và cùng cung cấp điện phụ tải có công suất như nhau). a. Chọn cáp hạ áp từ máy biến áp đến tủ phân phối: Tiết diện cáp được chọn theo điều kiện phát nóng cho phép: Dòng điện tính toán: Itt = dm BA U S 3 = 4,0.3 200 = 288,67 (A) Chọn cáp đồng 3 lõi cách điện PVC do LENS chế tạo. Với tiết diện F = 3 x 95 + 50 mm2; Icp = 301 A. (PLV.12-TL12) Theo PL4.7 - TL1 ta có: Điện trở và điện kháng của dây dẫn và cáp lõi đồng: x0 = 0,06 (Ω/km) r0 = 0,21 (Ω/km) Cáp từ MBA đến tủ phân phối dài 6m nên: Rc = r0. l = 0,21. 6.103 = 1,26 (Ω) XC = x0. l = 0,06. 6.103 = 0,36 (Ω) b. Chọn tủ phân phối hạ áp: Áptomat được chọn theo dòng làm việc lâu dài, cũng chính là dòng tính toán xác định được: Iđm ≥ Ilmax = Itt = dm tt U S .3 UđmA ≥ Uđmmax = 0,4 (KW) Với áptomát tổng để dự trữ có thể theo dòng điện định mức của biến áp: Itt = IđmA ≥ IđmB = dm tt U S .3 = 4,0.3 200 = 288,67 (A) Theo PLIV. 2 - TL2 ta có áptomat do hãng Merlin Gerin (Pháp) chế tạo có: Iđm = 400 (A) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 66 Bảng 5 - 3: Thông số kỹ thuật của áptomát NS400E: Loại Uđm (KV) Iđm (A) Icắt (KA) NS400E 0,5 400 18 Do công suất phụ tải như nhau, công suất máy bằng nhau, dây dẫn như nhau nên 2 áptomát tổng và 1 áptomát phân đoạn là như nhau. Vì vậy ta chỉ cần tính chọn 1 áptomát thì tính được 2 áptomát còn lại. Chọn áptomát cấp điện cho máy bơm với điều kiện chọn: Itt = IđmA = Iđm = ϕcos..3 dm dco U P = )(56 85,0.4,0.3 33 A= Với: Pđcơ = 33W; cosϕ = 0,85 UđmA ≥ Uđmmax = 0,4 (KW) Theo PLIV. 2 - TL2 ta chọn áptomát do hãng Merlin Gerin (Pháp) chế tạo có: Iđm = 100 (A) Bảng 5 - 4: Thông số kỹ thuật của áptomát C100A: Loại Uđm (KV) Iđm (A) Icắt (KA) C100A 0,5 100 15 Theo PLIV. 2 - TL2 ta chọn áptomát do hãng Merlin Gerin (Pháp ) chế tạo có: Iđm = 15 (A) Bảng 5- 5: Thông số kỹ thuật của áptomát C100E Loại Uđm (KV) Iđm (A) Icắt (KA) C100E 0,5 15 15 • Chọn thanh cái tủ phân phối: Chọn thanh cái đồng 3 thanh 3 pha và1 thanh trung tính có kích thước thanh là (30 x 4) mm2 có: x0 = 0,167 (Ω/km); r0 = 0,206 (Ω/km) (PLIV.11 - TL1) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 67 Thanh cái đồng đặt lên 2 sứ cách điện gắn vào khung tủ, cách nhau 70cm đặt nằm ngang. • Chọn dây chiếu sáng từ tủ phân phối đến bảng điện: Chọn dây bọc cách điện 4M (1 x 2,5) do Việt Nam chế tạo: • Chọn các đồng hồ đo đếm: Trên tủ phân phối đặt 3 đồng hồ Ampe 600/5 A, đồng hồ Vônkế (0÷600)V, một công tơ hữu công 380/200V, 5A, 50Hz. Đồng hồ và công tơ do nhà máy thiết bị điện Trần Nguyên Hãn chế tạo, có tỷ số biến đổi 600/5 A cấp chính xác 0,5A để cấp dòng cho các đồng hồ trên. • Chọn vỏ tủ phân phối hạ áp: Chọn tủ phân phối hạ áp do hãng SAREL (Pháp) chế tạo (PL3.14 - TL1): Chọn 2 vỏ tủ có kích thước (cao 2200mm, rộng 1200mm, sâu 600mm). Bảng 5 - 6: Thông số kỹ thuật của tủ phân phối hạ a ps SAREL: Kích thước khung tủ (mm) Số cánh tủ Cánh tủ phẳng Cao Rộng Sâu 2200 1200 600 2 61386 c. Chọn cáp từ tủ phân phối động cơ: Chọn cáp theo điều kiện mật độ đòng điện kinh tế: FCkt = kt kt J l (mm2) Với Tmax = 6000h, có Jkt = 2,7 mm2 • FCkt = 7,2 56 = 20,7 (mm2) Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 68 ITT = IĐM = ϕcos..3 dm dco U P = )(56 85,0.4,0.3 33 A= => Chọn cáp đồng 3 lõi do LENS sản xuất cách điện PVC ( 3x6)mm2, với Icp= 127 (A). SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ NỐI BI VỚI CÁC DỤNG CỤ ĐO Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 69 CHƯƠNG VI TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH I. ĐẶT VẤN ĐỀ: Ngắn mạch là tình trạng sự cố nghiêm trọng và thường xảy ra trong hệ thống cung cấp điện. Các số liệu về tình trạng ngắn mạch là căn cứ quan trọng để giải quyết một loạt vấn đề như: lựa chọn thiết bị điện, thiết kế hệ thống bảo vệ rơle, định phương thức vận hành. Vì vậy tính toán ngắn mạch là một phần không thể thiếu của thiết kế cung cấp điện. Các dạng ngắn mạch thường xảy ra trong hệ thống cung cấp điện là ngắn mạch 3 pha và một pha chạm đất. Trong đó ngắn mạch 3 pha là nghiêm trọng nhất. Vì vậy, người ta thường căn cứ vào đòng điện ngắn mạch 3 pha để lựa chọn các thiết bị điện. Nguyên nhân gây ra ngắn mạch trong hệ thống cung cấp điện chủ yếu là do cách điện bị hư hỏng. Cách điện bị hư hỏng là do: vận hành lâu ngày nên cách điện bị già hóa mà không phát hiện kịp thời bằng cách thử nghiệm định kỳ; do sét đánh vào các đường dây tải điện hoặc sét đánh trực tiếp vào thiết bị phân phối điện bị đổ, khi đào đất chạm phải đường dây cáp.... Ngắn mạch xảy ra đôi khi còn do thao tác nhầm của nhân viên vận hành. Ngắn mạch xảy ra càng lâu thì hậu quả của ngắn mạch gây ra càng lớn. Hậu quả của ngắn mạch: • Làm gián đoạn cung cấp điện cho các bộ phận. • Điện áp mạch điện sụt xuống có thể làm ngưng động cơ điện, ngưng trệ sản xuất. • Ngắn mạch tạo ra lực điện động phá hỏng các thiết bị điện, làm cong dây dẫn. • Phá hoại sự làm việc đồng bộ của nhà máy phát điện trong hệ thống, làm hệ thống mất ổn định và tan rã. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 70 Vì vậy để đạt yêu cầu về cung cấp điện thì khi thiết kế chúng ta phải có biện pháp ngăn ngừa ngắn mạch xảy ra. Tính toán ngắn mạch nhằm kiểm tra các thiết bị điện và khí cụ điện như: máy ngắt điện, máy cắt phụ tải, dao cách ly, sứ thanh dẫn... và lựa chọn các biện pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch. II. TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH VÀ KIỂM TRA LẠI CÁC THIẾT BỊ ĐÃ LỰA CHỌN 1. Tính toán ngắn mạch phía cao áp: a) Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế: SƠ ĐỒ TÍNH NGẮN MẠCH PHÍA CAO ÁP b) Tính toán ngắn mạch tại điểm N1: Khi tính toán phía cao áp, vì không biết cấu trúc cụ thể của hệ thống điện nên cho phép tính gần đúng điện kháng qua công suất ngắn mạch: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 71 Điện kháng của hệ thống điện được tính theo công thức 6 -1. TL1: XHT = NS U 2 (Ω) • XHT = 36,0100 62 = (Ω) Dây AC-35 có các thông số điện trở và điện kháng theo phần IV - chương III. RDAC = 1, 53 (Ω) XDAC = 0,689 (Ω) Với cáp đồng ta tính được điện trở và điện kháng theo phần V, chương III: RCAC = 0,147 (Ω); XCAC = 0,017 (Ω) Tổng trở từ hệ thống tới điểm ngắn mạch N1: ZΣ = =++ 22)( DDHT RXX 22 )()( CACDACCACDACHT RRXXX ++++ = 97,1)147,053,1()017,0689,036,0( 22 =++++ (Ω) Trị số ngắn mạch tại N1: IN1 = I” = I∞ = 97,1.3 6 .3 = ∑Z U = 1,76 (KA) Trị số dòng điện xung kích tại điểm N1: IXK = 1,8. 48,476,1.2.8,1.2 1 ==Nl (KA) Bảng 6 - 1: Kiểm tra CCTR Các đại lượng kiểm tra Kết quả kiểm tra Điện áp định mức (KV) Dòng điện định mức (A) Dòng điện cắt định mức (KA) Công suất cắt định mức (MVA) Uđmcc = 15 > Uđm.m = 6 Iđmcc = 100 > Ilvmax = 34,39 Iđmcắt = 10 > IN = 1,73 Sđmcc = 48,473,1.10.310.10.3 => Nếu trên ta đã thiết kế trạm biến áp của khu cấp nước nhà máy với hai trạm máy biến áp có cùng công suất và cấp điện cho phụ tải có công suất bằng nhau Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 72 nên khi tính toán ngắn mạch của trạm biến áp và đường dây thì ta chỉ cần t tính cho một máy là để tính luôn cho máy còn lạu. 2. Tính ngắn mạch phía hạ áp: a) Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 73 b) Tính toán ngắn mạch tại N2: Xác định điện trở và điện kháng của máy biến áp 200 - 6/0,4 KV có: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 74 ΔP0 = 530 (W) ΔPN = 3450 (W) UN% = 4% Từ công thức: RB = 32 2 10. dm dmN S UPΔ (mΩ) • RB = 32 2 10 200 4,0.3450 = 13,8 (mΩ) XB = dm dmN S UU 23 %..10 (mΩ) • XB = 200 4,0.4.10 23 = 32 (mΩ) Trong đó: ΔPN - tổn thất ngắn mạch của máy biến áp, kW, tra được trong lí lịch máy. UN% - trị số tương đối của điện áp ngắn mạch của máy biến áp. Sđm - dung lượng định mức của máy biến áp, KVA Uđm - điện áp định mức của máy biến áp, KV • Điện trở và điện kháng của cáp từ máy biến áp đến tủ phân phối hạ áp (theo phần 2 - chương V): RCAP = 1,26 (mΩ) XCAP = 0,36 (mΩ) • Điện trở và điện kháng của áptomát tổng (AT). Với áptomát có dòng định mức bằng 400 (A). Theo PLIV . 14 và PLIV.15 - TL2 ta có: RAT = 0,15 (mΩ) XAT = 0,1 (mΩ) RtxAT = 0,4 (mΩ) • Xác định điện trở và điện kháng của thanh góp hạ áp đặt tại tủ phân phối: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 75 Thanh góp hạ áp có chiều dài l = 0,45m; r0 = 0,167 (Ω/km); x0 = 0,206 (Ω/km). RTG = r0. l (mΩ) • RTG = 0,45. 0,167 = 0,075 (mΩ) XTG = x0. l (mΩ) • XTG = 0,206. 0,45 = 0,093 (mΩ) Điện trở tổng: RΣ = 13,8 + 1,26 + 0,15 + 0,4 = 15, 62 (mΩ) Điện kháng tổng: XΣ = XB + XCAP + XAT (mΩ) • XΣ = 32 + 0,36 + 0,1 = 32,46 (mΩ) Tổng trở từ máy biến áp đến thanh góp hạ áp: ZΣ = 22 ΣΣ + XR (mΩ) • ZΣ = 22 46,3262,15 + = 36 (mΩ) Trị số dòng điện ngắn mạch tại điểm N2: IN2 = I’ = 36.3 400 .3 = ∑Z U = 6,4 (KA) Trị số ngắn mạch xung kích tại điểm N2: ixk = 2..2 Nxk lk = )(3,114,6.25,1.2 KV= Trong đó: kxk = 1,25 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 76 Bảng 6-2: Bảng kiểm tra áptomát tổng Đại lượng kiểm tra Điều kiện kiểm tra Điện áp định mức (KV) UđmA ≥ Uđmmax 0,5 > 0,4 Dòng điện định mức (A) IđmA ≥ Ilvmax 400 > 288,67 Dòng điện cắt định mức (KA) Iđmcắt ≥ I” 18 > 6,4 c) Tính toán ngắn mạch tại N3 = ....= N6 Ta chỉ cần tính toán ngắn mạch tại N3. Xác định điện trở điện kháng tại áptomát nhánh (AN) 100A, tra PLIV. 14 và IV. 15-TL2, có: RAN = 1,3 (mΩ) XAN = 0,86 (mΩ) RtxAN = 0,75 (mΩ) Chiều dài dây dẫn từ máy biến áp đồng tới trạm bơm là 100m, với tiết diện 25mm2 tra PLIV.7 - TL1, ta có: RCAP (BA ÷ bơm) = r0 . l (mΩ) XCAP (BA ÷ bơm) = x0. l (mΩ) Trong đó: r0 = 0,8 (Ω/km) x0 = 0,07 (Ω/km) Điện trở của đoạn cáp từ máy biến áp tới trạm bơm: RCAP (BA ÷ bơm) = 80 (mΩ) Điện kháng của đoạn cáp từ máy biến áp tới trạm bơm: XCAP (BA ÷ bơm) = 7 (mΩ) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 77 Điện trở tổng: RΣ = RB + RCAP + RAT + RtxAT + RTG + RAN + RtxAN + RCAP (BA÷ bơm) = 13,8 + 1,26 + 0,15 + 0,4 + 0,75 + 1,3 + 80 + 0,75 + 96,99 + 0,75 = 97,74 Điện kháng tổng: XΣ = XB + XCAP + XAT + XTG + XAN + XCAP (BA÷ bơm) = 31,99 + 0,36 + 0,1 + 0,093 + 0,086 + 7 = 40,4 (mΩ) Tổng trở máy biến áp tới trạm bơm: ZΣ = 22 ΣΣ + XR = 22 4,4074,97 + =105,76 (mΩ) Trị số dòng ngắn mạch tại N3: IN3 = I” = I∞ = 76,105.3 400 .3 = ∑Z U = 2,18 (KA) Trị số ngắn mạch xung kích tại điểm N3: ixk = 3..2 Nxk lk = =18,2.25,1.2 )(85,3 KA Trong đó: kxk = 1,25 Bảng 6-3: Bảng kiểm tra áptomát tổng Đại lượng kiểm tra Điều kiện kiểm tra Điện áp định mức (KV) UđmA ≥ Uđmmax 0,5 > 0,4 Dòng điện định mức (A) IđmA ≥ Ilvmax 100 > 56 Dòng điện cắt định mức (KA) Iđmcắt ≥ I” 15 > 2,18 d) Kiểm tra thanh góp hạ áp: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 78 Kiểm tra thanh góp đã chọn theo điều kiện phát nóng lâu dài, cho phép khả năng ổn định nhiệt và ổn đinh động. Thanh góp hạ áp sử dụng thanh dẫn cứng đặt nằm ngang. Tiết diện thanh góp được đặt theo điều kiện cho phép. k1. k2. Icp ≥ Itt Trong đó: ITT = 288,67A VÀ ICP = 400A k1 - hệ số điều chỉnh khi đặt thanh góp. Do thanh góp đặt nằm ngang nên lấy: k1 = 0,95 k2 - hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường k2 = 0,9 • 0,95. 0,9. 400 = 342 A > 288,67A thỏa mãn. Lực tính toán do tác động của dòng điện ngắn mạch: Ftr = 1,76.10-2.70/7.11,32 = 22,470 (N) Mô men uốn tính toán: M = 10 70.47,22 10 . =lFtt = 157,29 (kG.cm) Mô men chống uốn của thanh góp: W = 3 22 6,0 6 3.4,0 6 . cmhb == Ứng suất tính toán xuất hiện trong thanh góp khi ngắn mạch: σtt = 15,2626,0 29,157 ¦ == W M (kG/cm2) Với: Thanh đồng có σtt = 1400 (kG/cm2) Vậy σtt < σcp Kiểm tra ổn định nhiệt: F ≥ α.I∞. qdt Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 79 α - hệ số nhiệt độ, với ống đồng α = 6 tqd - thời gian tính toán quy đổi, tqd = 0,8 • F = 30.4 = 120 mm2 > 6.6,4. 8 . Thỏa mãn Bảng 6-4: Bảng kiểm tra thanh góp hạ áp: Đại lượng kiểm tra Điều kiện kiểm tra Dòng diện phát nóng lâu dài cho phép (A) k1.k2.Icp ≥ Itt 342 > 288,67 Khả năng ổn định động (kG/cm2) σtt ≥ σcp Khả năng ổn định nhiệt (mm2) F ≥ α.I∞. qdt 120 > 34,35 d) Kiểm tra cáp từ máy biến áp đến tủ phân phối hạ áp: Ta kiểm tra ổn định nhiệt của cáp, tiết diện cáp đã chọn theo điều kiện ổn định nhiệt: F ≥ α.I∞. qdt Do ngắn mạch trong cung cấp điện được coi là ngắn mạch ở xa nguồn nên I∞ = I” = IN. Trong đó: α - hệ số nhiệt độ, α = 6 Chọn thời gian I cắt = 1s, tra đồ thị thời gian với tỷ số β = ∞l l" ta được: tqđ = 0,8. • F = 95 mm2 > 6.6,4. 8,0 = 34,35mm2. Thỏa mãn. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 80 CHƯƠNG VII NỐI ĐẤT VÀ CHỐNG SÉT ĐẢM BẢO AN TOÀN CHO ĐƯỜNG DÂY I. ĐẶT VẤN ĐỀ: Hệ thống cung cấp điện làm nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng đến các hộ tiêu dùng điện. Vì vậy đặc điểm của hộ tiêu thụ dùng điện là phân bố trên diện tích rộng và thường xuyên có người làm việc với các thiết bị điện. Cách điện của các thiết bị điện bị chọc thủng, người vận hành không tuân theo các quy tắc an toàn.... đó là những nguyên nhân chủ yếu dẫn đến tai nạn điện giật. Sét đánh trực tiếp hoặc gián tiếp vào các thiết bị điện không những làm hỏng các thiết bị điện mà còn gây nguy hiểm cho người vận hành. Vì thế trong hệ thống cung cấp điện nhất thiết phải có các biện pháp an toàn, có hiệu quả và tương đối đơn giản là thực hiện nối đất và đặt các thiết bị chống sét. Mức độ tổn thương do điện giật phụ thuộc vào cường độ, thời gian tác dụng và đường đi của dòng điện chạy qua người, đồng thời cũng phụ thuộc vào tình trạng sức khỏe và tính chất cách điện của cơ thể người bị điện giật. Nói chung dòng điện có trị số khoảng 100mA đã có thể chết người, song cũng có trường hợp người bị chết khi ở dòng điện chỉ khoảng 5 - 10mA mà thôi, đó là vì còn phụ thuộc vào sức khỏe của nạn nhân. Để tránh điện giật trước tiên phải chấp hành nghiêm chỉnh quy tắc vận hành các thiết bị điện, thứ nữa, người ta thực hiện nối đất các bộ phận có thể bị mang điện khi cách điện bị hỏng: thông thường các vỏ máy bằng kim loại đều phải nối đất. Trong hệ thống cung cấp điện có ba loại nối đất: • Nối đất an toàn: thiết bị nối đất loại này được nối vào vỏ thiết bị điện. Nó có nhiệm vụ bảo đảm sự làm việc bình thường không mang diện tích (vỏ máy, thùng máy biến áp, máy cắt điện, các gá đỡ kim loại, chân sứ). Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 81 Khi cách điện hư hỏng, trên các bộ phận này sẽ xuất hiện điện thế nhưng do đã được nôíi đất nên giữ được mức điện thế thấp. Do đó, đảm bảo an toàn co người tiếp xúc với điện. • Nối đất chống sét: thiết bị nối đất này được nối vào cột thu lôi. Nối đất chống sét nhằm tản dòng điện sét trong đất (khi có sét đánh vào cột thu lôi hoặc đường dây) để giữ cho điện thế trên thân cột không quá lớn... Do đó hạn chế được các dòng điện ngược tới công trình bảo vệ. • Nối đất làm việc: thiết bị nối đất này được nối vào vỏ thiết bị điện. Nó có nhiệm vụ là đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị hoặc một số bộ phận làm việc đã định sẵn. Loại nối đất này gồm có nối đất điểm trung tính máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất, nối đất của máy biến áp đo lường và của kháng điện trong các đường dây tải điện đi qua. II. TÍNH TOÁN TRANG BỊ NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP CỦA TRẠM CẤP NƯỚC: Để các thiết bị điện như: xà, sứ, cột làm việc an toàn trong điều kiện khi có cả giông bão, lúc này có thể sét đánh trực tiếp vào đường dây tải điện, dẫn đến sự cố đường dây tải điện, làm ngưng trệ cấp điện cho trạm cấp nước nhà máy. Vì vậy phải nối đất trực tiếp cho xà, sứ. Chọn điểm cao nhất của xà, sứ làm điểm cần đấu dây để tránh xác suất của sét đánh vào xà, ta nối dây tiếp địa cho cả xà trên và xà dưới. Dùng thép góp L60x60x6 dài 2,5cm để làm cọc thẳng đứng của thiết bị nối đất. Với tham số cọc như trên. Xác định điện trở nối đất của một cọc (TL2) R1c = 0,0298. ρmax = 0,0298. 0,3. 104 = 9 Ω Với: ρmax - Điện trở suất lớn nhất: ρmax = k. 1,5. 0,2.104 = 0,3.104 Ω/ cm Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 82 k - hệ số mùa. K = 1,5 (PLVII.15 - TL2) Với vùng đất có ρ ≤ 104 Ω/ cm, chỉ cần Rđ= ≤ 10Ω (bảng 3.1 - TL2) Ta có: R1c = 9Ω < Rđ = 10Ω, thỏa mãn điều kiện. Vậy chỉ cần dùng 1 cọc bằng thép L60 x 60 x 6 dài 2,5m, nối đất cho mỗi một cột đường dây là đảm bảo an toàn cho cột, xà, sứ làm việc bình thường ngay cả khi có sét tác động. Hình: 7.1: Sơ đồ nối đất III. TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP CỦA TRẠM CẤP NƯỚC: Tiếp đất là để đảm bảo khi có sự cố xảy ra ở vùng điều khiển như: đoản mạch giữa dây và dây trung tính của máy biến áp rất nguy hiểm đối với con Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 83 người và súc vật khi ở gần trạm, do có điện trở rất nhỏ nên dễ dàng tạo điều kiện cho dòng điện đi qua. Khi có sự cố dòng diện sẽ chạy từ dây tiếp địa của các thiết bị điện tới các cực nối đất của trạm biến áp qua môi trường đất. Ở các Thành phố lớn trạm phân phối thường dùng cáp ngầm, lớp bọc cáp có thể tiếp đất trực tiếp và tạo nên một điện trở tiếp đất rất nhỏ, sự có mặt của các mặt kim loại như ống nước dưới lòng đất sẽ hỗ trợ giúp làm giảm điện trở tiếp đất giữa nơi tiêu thụ và trạm biến áp. Ở các vùng nông thôn, Thành phố nhỏ và các nhà máy không lớn thường dùng cáp tải điện trên không. Vì vậy nếu một trong 3 pha có sự cố trạm đất chạy dọc theo mạng dây điện trên không thì người ta thấy không đảm bảo an toàn bởi vì nếu chiều dài quá lớn (hàng chục km) thì điện trở tiếp đất khó đạt thấp được. Do đó người ta đặt tiếp đất ngay tại trạm biến áp để đảm bảo an toàn cho các thiết bị có sự cố và tiếp xúc với trạm. Mặt khác, khi đường dây tải điện phân phối có chiều dài lớn thì cứ mỗi chặng 1,6 km thì có 4 tiếp địa dây trung tính để đảm bảo an toàn. 1. Tiếp đất, điện trở suất của tiếp đất: Tiếp đất là tạo ra các đầu nối các điện cực tiếp đất, thực hiện theo các phương pháp an toàn của ngành điện. Từ đó người thiết kế đưa ra các dự kiến về thông số tiếp đất phù hợp với từng điều kiện địa hình, địa lý có tiếp đất. Trở kháng của một điện cực có kích thước đã cho phụ thuộc vào điện trở suất của đất. Độ dẫn điện của đất cơ bản là độ dẫn điện li trong điều kiện tự nhiên, do vậy nó ảnh hưởng bởi khí hậu, độ ẩm, nhiệt độ, nồng độ muối trong đất. Để điện trở giảm xuống, người ta đào một hố sâu chôn quanh cột tiếp địa với đường kính 1m sâu 0,3m và đổ đầy NaCl vào sau đó tưới nước vài lần để giữ cho hố ẩm liên tục. 2. Cách điện cực tiếp đất: Những nơi có hệ thống cáp ngầm các điểm tiếp đất trên vỏ kim loại bọc cáp, lớp vỏ này sẽ làm việc như điện cực tiếp đất. Ở những nơi không có mạng cáp Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 84 ngầm chạy qua thì phải chọn vật liệu nối đất sao cho có thể chịu được ăn mòn của loại đất nơi đặt điện cực tiếp đất. 3. Dây tiếp đất: Dây tiếp địa cần phải đủ cứng, chịu ăn mòn tốt. Mọi tiếp địa và các dây dẫn liên tục đất phải được chế tạo bằng đồng, sắt, sắt mạ. Các dây tiếp địa nối với nhau theo phương pháp hàn hồ quang. Khoảng cách an toàn giữa dây tiếp đất và người càng lớn càng tốt.Dây trung tính không được dùng là dây nối đất. Tính toán nối đất cho trạm biến áp: Hệ thống nối đất cho trạm biến áp làm việc theo 3 chức năng: • Nối đất làm việc. • Nối đất an toàn. • Nối đất chống sét. Chọn sơ bộ 6 cọc thép góc có kích thước L60x60x6, mỗi cọc dài 2,5m được nối với nhau bằng thanh thép dẹt 40 x40 đặt nằm ngang, tạo thành mạch vòng nối đất xung quanh trạm biến áp. Khoảng cách cọc cách nhau 4m, chôn sâu 0,7m và thanh thép dẹt được hàn chặt với cọc ở độ sâu 0,8m. Điện trở nối đất của một cọc: R1c = 0,0298. ρ (Ω) Trong đó: ρ - điện trở suất của đất. ρ = 0,4.104 Ω/cm Nếu ρ là số liệu đo trong mùa mưa thì phải tìm giá trị ρmax: ρmax = kmax. ρ = 1,5. 0,4.104 = 0,6.104 Ω/cm Với: kmax - hệ số mùa . kmax = 1,5 (PL6.4-TL1) • R1c = 0,0298. 0,6.104 = 17,88 Ω Điện trở khuếch tán của 6 cọc thẳng đứng: Rc = 073.6 88,17 . 1 = c c n R η = 4,08 Ω Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 85 Trong đó: ηc - hệ số sử dụng cọc (PL6.6 - TL1). ηc = 0,73 Điện trở của thanh nối đất nằm ngang: Rt = tb l l . .2lg.36,0 2 maxρ Ω ρmax - điện trở suất của đất, ρmax = 0,6.104 Ω/cm l - chiều dài mạch vòng tạo nên bởi các thanh nối, cm. l = 4.6 = 24m = 2400 cm b) Chiều rộng thanh nối, cm. Thường lấy: b = 40cm. • Rt = 17,48.4 2400.2lg.10.6,0. 2400 36,0 24 = Ω Điện trở của thanh nối đất thực tế cần phải xét đến hệ số sử dụng thanh ηt: Rt = 48,0 17,4= t tR η = 8,68 Ω Với ηt = 0,48 (PL 6.6 - TL1) Số cọc cần phải đóng là: n = 08,4.37,0 88,17 . 1 = cc c R R η = 6 cọc. Vậy thiết bị nối đất đã đạt yêu cầu Cách thực hiện nối đất trạm biến áp của trạm cấp nước: Từ hệ thống tiếp địa làm sẵn 3 đầu nối. Trung tính 0,4 KV nối với đầu số 2 bằng dây thép φ = 10mm Các phần bằng sắt ở trạm như: cổng trạm, vỏ máy biến áp, vỏ tủ phân phối... nối với đầu số 3 bằng thép φ = 10mm. IV. SÉT VÀ THIẾT BỊ CHỐNG SÉT: Sét là sự phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây tích điện và đất hay giữa các đám mây mang điện tích trái dấu. Các công trình về điện như đường Đồ án tốt nghiệp Thiết kế đường dây và trạm biến áp Bùi Nguyên Bản Lớp: 13B2 - Trường ĐHBK - Khoa điện 86 dây, các cột vượt sông, vượt đường quốc lộ, đường sắt, các trạm biến áp, trạm phân phối.... là những nơi dễ bị sét đánh. Vì vậy phải có biện pháp bảo vệ chống sét để tránh cho các công trình bị sét đánh trực tiếp. 1. Bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện: Trong vận hành, sự cố cắt điện do sét đánh vào các đường dây tẳi điện trên không chiếm tỷ lệ lớn trong toàn bộ hệ thống điện. Vì vậy, bảo vệ chống sét cho đường dây có tầm quan trọng rất lớn trong việc đảm bảo vận hành an toàn và cung cấp điện liên tục. Để đảm bảo chống sét cho đường dây, tốt nhất là đặt dây chống sét trên toàn bộ tuyến đường dây. Song biện pháp này rất đắt, nên nó chỉ được dùng cho các đường dây 110KV và 220KV cột sắt và cột bê tông cốt sắt. Đường dây điện áp đến 35 KV cột sắt và cột bê tông cốt sắt ít được bảo vệ toàn tuyến. Tuy nhiên, các cột của đường dây này cũng như cột của đường dây 110KV đến 220 KV đều phải nối đất. Trang bị nối đất được tính như ở mục 8 -2. Điện trở nối đất được quy định: Rđ ≤ 10Ω. Để tăng cường khả năng chống sét các đường dây có thể đạt chống sét ống hoặc tăng thêm bát sứ ở những nơi cách điện yếu, những cột vượt cao, chỗ giao chéo với đường dây khác, những đoạn tới chạm. Còn ở những yêu cầu mức an toàn cung cấp điện rất cao tốt nhất là dùng đường dây cáp.