Bài giảng Cung cấp điện - Chương 3: Phụ tải điện - Phùng Đức Bảo Châu

Chương 3:PHỤ TẢI ĐIỆNKHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNGBM. ĐIỆN CÔNG NGHIỆPGiảng viên: ThS. Phùng Đức Bảo ChâuNội dung1. Đặt vấn đề2. Đồ thị phụ tải3. Những định nghĩa cơ bản và ký hiệu4. Xác định phụ tải tính toán5. Phương pháp tính một số phụ tải đặc biệt6. Một vài nét về dự báo phụ tải điện7. Bài toán ví dụ về xác định phụ tải tính toán 1. Đặt vấn đềNhiệm vụ đầu tiên khi thiết kế cung cấp điện là xác định nhu cầu điện của công trình (gọi là phụ tải tính toán). Tùy theo qui mô công trình mà nhu cầu điện xác định xác định theo phụ tải thực tế hoặc phải tính đến sự phát triển về sau nàyXác định nhu cầu điện là giải bài toán dự báo phụ tải ngắn hạn hoặc dài hạn.Dự báo phụ tải ngắn hạn là xác định phụ tải của công trình ngay sau khi đưa công trình vào khai thác, vận hành( phụ tải tính toán)Do vậy trong thực tế thiết kế, khi đơn giản công thức để xác định phụ tải điện thì cho phép sai số ±10%Các phương pháp xác định phụ tải tính toán được chia làm 2 nhóm chính:+ Ph­¬ng ph¸p dùa trªn kinh nghiÖm vËn hµnh, thiÕt kÕ vµ ®­îc tæng kÕt l¹i b»ng c¸c hÖ sè tÝnh to¸n (®Æc ®iÓm cña nhãm ph­¬ng ph¸p nµy lµ: thuËn lîi nhÊt cho viÖc tÝnh to¸n, nhanh chãng ®¹t kÕt qu¶, nh­ng th­êng cho kÕt qu¶ kÐm chÝnh x¸c).+ Nhãm thø 2 lµ nhãm ph­¬ng ph¸p dùa trªn c¬ së cña lý thuyÕt x¸c suÊt vµ thèng kª (cã ­u ®iÓm ng­îc l¹i víi nhãm trªn lµ: Cho kÕt qu¶ kh¸ chÝnh x¸c, xong c¸ch tÝnh l¹i kh¸ phøc t¹p ).2. Đồ thị phụ tải 2.1. Đồ thị phụ tải: “Đặc trưng cho sự tiêu dùng năng lượng điện của các thiết bị riêng lẻ, của nhóm thiết bị, của phân xưởng hoặc của toàn bộ xí nghiệp” 2.2. Phân loại: có nhiều cách phân loại +Theo đại lượng đo: đồ thị phụ tải tác dụng P(t), phản kháng Q(t) và điện năng A(t) +Theo thời gian khảo sát: đồ thị phụ tải hàng ngày, hàng tháng và hàng năm2.3. Các loại đồ thị phụ tải thường dùngĐồ thị phụ tải ngày: là đồ thị phụ tải trong một ngày đêm 24h; được ghi bằng máy(h.a), bởi các vận hành viên(h.b), thể hiện dạng bậc thang thông số trung bình trong một khoảng thời gian(h.c).Đồ thị phụ tải hàng tháng : được xây dựng theo phụ tải trung bình của từng tháng của xí nghiệp trong một năm làm việc; Đồ thị phụ tải hàng tháng cho ta biết nhịp độ sản xuất của xí nghiệp. Từ đó có thể đề ra lịch vận hành sửa chữa các thiết bị điện một cách hợp lý nhất, nhằm đáp ứng các yêu cầu của sản xuất (VD: vào tháng 3,4 → sửa chữa vừa và lớn, còn ở những tháng cuối năm chỉ sửa chữa nhỏ và thay các thiết bị).Đồ thị phụ tải năm: thường được xây dựng dạng bậc thang, xây dựng trên cơ sở của đồ thị phụ tải ngày đêm điển hình (thường chọn 1 ngày điển hình vào mùa đông và vào mùa hạ). Đồ thị phụ tải năm có các thông số đặc trưng như: điện năng tác dụng và phản kháng tiêu thụ trong năm, thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax, hệ số công suất trung bình và hê số điền kín phụ tải3. Những định nghĩa cơ bản và ký hiệu 3.1. Công suất định mức Pđm: thường được ghi trên nhãn của thiết bị. + Đối với động cơ, công suất định mức là công suất trên trục của động cơ, công suất điện Pđ =Pđm/ηđm +Thường ηđm =0,8 ÷ 0,95 khá cao; để tính toán đơn giản có thể xem Pđ =Pđm§P®mP® 3.2. Công suất đặt Pđ : thường được ghi trên nhãn của thiết bị. + Đối với thiết bị chiếu sáng, công suất đặt là công suất ghi trên đế hay ở bầu đèn, công suất này bằng với công suất được tiêu thụ bởi đèn khi điện áp mạng điện là định mức + Đối với động cơ điện làm việc ở chế độ ngắn hạn lập lại, khi tính phụ tải tính toán phải qui về chế độ làm việc dài hạn, tức là qui đổi về chế độ làm việc có hệ số tiếp điện  % =100% + Đối với máy biến áp của lò điện Trong ®ã:P’dm – C«ng suÊt ®Þnh møc ®· qui ®æi vÒ dm %.Sdm; Pdm; cos ; dm % - C¸c tham sè ®Þnh møc ë lý lÞch m¸y cña TB. + Đối với máy biến áp hàn 3.3. Phụ tải trung bình(công suất, dòng điện) là một đặc trưng tĩnh của phụ tải trong một khoảng thời gian nào đó + Đối với một thiết bị: Ap, AQ :điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian khảo sát + Đối với một nhóm thiết bị: + Phụ tải trung bình tính theo dòng điện: đối với lưới điện ba pha, ta tìm bằng biểu thức: 3.4. Phụ tải cực đại Pmax + Phụ tải cực đại Pmax :Phụ tải trung bình lớn nhất được tính trong khoảng thời gian tương đối ngắn( 5, 10, 30 phút). Đôi khi người ta dùng phụ tải cực đại để làm phụ tải tính toán + Phụ tải đỉnh nhọn là phụ tải cực đại xuất hiện trong khoảng thời gian rất ngắn 1 2 giây, hay còn gọi là phụ tải cực đại tức thời. Phụ tải này được dùng để kiểm tra độ dao động điện áp, kiểm tra điều kiện tự khởi động của động cơ, chọn dây chảy cầu chì và tính dòng điện khởi động của rờ le bảo vệ. Cần quan tâm đến số lần xuất hiện, tần số xuất hiện càng tăng càng ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường của các thiết bị dùng điện khác ở trong cùng một mạng điện. 3.5. Phụ tải tính toán Ptt “ Lµ phô t¶i không có thực, chóng ta cÇn ph¶i tÝnh ra ®Ó tõ ®ã lµm c¬ së cho viÖc tÝnh to¸n thiết kÕ, lùa chän TB. CC§”  cã 2 lo¹i+ Phô t¶i tÝnh to¸n theo ph¸t nãng cho phÐp.+ Phô t¶i tÝnh to¸n theo ®iÒu kiÖn tæn thÊt.3.5.1. Phô t¶i tÝnh to¸n theo phat nãng:§Þnh nghÜa: “lµ phô t¶i gi¶ thiÕt l©u dµi kh«ng ®æi, t­¬ng ®­¬ng víi phô t¶i thùc tÕ (biÕn thiªn) vÒ hiÖu qu¶ nhiÖt lín nhÊt”.+ Trong thùc tÕ th­êng dïng phô t¶i tÝnh to¸n t¸c dông Ptt v× nã ®Æc tr­ng cho qu¸ tr×nh sinh c«ng, thuËn tiÖn cho viÖc ®o ®¹c vËn hµnh.+ Trong tÝnh to¸n cã thÓ cho phÐp lÊy gÇn ®óng costt = costb .Quan hÖ gi÷a phô t¶i tÝnh to¸n víi c¸c phô t¶i kh¸c nh­ sau: Pma x  Ptt  Ptb 3.5.1. Phô t¶i tÝnh to¸n theo phat nãng:§Þnh nghÜa: “lµ phô t¶i gi¶ thiÕt l©u dµi kh«ng ®æi, t­¬ng ®­¬ng víi phô t¶i thùc tÕ (biÕn thiªn) vÒ hiÖu qu¶ nhiÖt lín nhÊt”.+ Trong thùc tÕ th­êng dïng phô t¶i tÝnh to¸n t¸c dông Ptt v× nã ®Æc tr­ng cho qu¸ tr×nh sinh c«ng, thuËn tiÖn cho viÖc ®o ®¹c vËn hµnh.+ Trong tÝnh to¸n cã thÓ cho phÐp lÊy gÇn ®óng costt = costb .Quan hÖ gi÷a phô t¶i tÝnh to¸n víi c¸c phô t¶i kh¸c nh­ sau: Pma x  Ptt  Ptb+ Sù ph¸t nãng cña d©y dÉn lµ kÕt qu¶ cña sù t¸c dông cña phô t¶i trong thêi gian T. Ng­êi at nhËn thÊy r»ng gi¸ trÞ trung b×nh cña phô t¶i trong thêi gian nay PT ®Æc tr­ng cho sù ph¸t nãng cña d©y dÉn chÝnh x¸c h¬n so víi c«ng suÊt cùc ®¹i tøc thêi Pmax trong kho¶ng thêi gian ®ã. ChÝnh v× thÕ phô t¶i tÝnh to¸n Ptt ®­îc x¸c ®Þnh b»ng gi¸ trÞ cùc ®¹i trong c¸c gi¸ trÞ trung b×nh trong kho¶ng thêi gian T. Khi ®ã kho¶ng thêi gian nµy xª dÞch trªn toµn bé ®å thÞ phô t¶i ®· cho.+ Tån t¹i mét kho¶ng thêi gian tèi ­u mµ phô t¶i trung b×nh lÊy trong thêi gian ®ã ®Æc tr­ng chÝnh x¸c nhÊt cho sù thay ®æi ph¸t nãng cña d©y dÉn trong kho¶ng ®ã.+ Ng­êi ta th­êng lÊy: Ttb = 3T0T0 – h»ng sè thêi gian ph¸t nãng cña d©y dÉn v× sau kho¶ng thêi gian nµy trÞ sè ph¸t nãng ®¹t tíi 95% trÞ sè x¸c lËp.Ptb2PTTPmax1Pmax2Ptb1t Ptb2PTTPmax1Pmax2Ptb1t+ Trong thùc tÕ T th­êng ®­îc lÊy lµ 30 phót, gÇn b»ng 3 lÇn h»ng sè thêi gian ph¸t nãng cña c¸c lo¹i d©y dÉn cã tiÕt diÖn trung b×nh vµ nhá  NÕu h»ng sè thêi gian ph¸t nãng cña d©y dÉn lín h¬n so víi 10 phót th× c«ng suÊt cùc ®¹i 30 phót ph¶i qui ®æi ra c«ng suÊt cùc ®¹i víi kho¶ng thêi gian dµi h¬n. Bªn c¹nh Ptt cßn cã Qtt ;Stt vµ Itt . 3.5.2. Phô t¶i tÝnh to¸n theo ®iÒu kiÖn tæn thÊt cho phÐp: cßn gäi lµ phô t¶i ®Ønh nhän Pdn ;Qdn ;Sdn ;Idn - lµ phô t¶i cùc ®¹i xuÊt hiÖn trong thêi gian ng¾n (12 gi©y). Nã g©y ra tæn thÊt ®iÖn ¸p lín nhÊt trong m¹ng ®iÖn vµ c¸c ®iÒu kiÖn lµm viÖc nÆng nÒ nhÊt cho m¹ng. Mµ chÝnh lóc ®ã l¹i cÇn ph¶i ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu cña s¶n xuÊt. VD moment khëi ®éng cña ®éng c¬, chÊt l­îng c¸c mèi hµn, ®é æn ®Þnh cña ¸nh s¸ng ®iÖn.§èi víi phô t¶i ®ang vËn hµnh cã thÓ cã ®­îc b»ng c¸ch ®o ®¹c, cßn trong thiÕt kÕ cã thÓ x¸c ®Þnh gÇn ®óng c¨n cø vµo c¸c gi¸ trÞ ®Æc tr­ng cña c¸c phô t¶i ®· cã vµ ®· ®­îc ®o ®¹c thèng kª trong qu¸ tr×nh l©u dµi. + Víi nhãm thiÕt bÞ: nã xuÊt hiÖn khi thiÕt bÞ cã dßng më m¸y lín nhÊt trong nhã lµm viÖc (®ãng ®iÖn). Idn = Ikd (max) + (Ittnhom – Ksd .Idm (max) Ikd (max) - Dßng khëi ®éng cña ®éng c¬ cã dßng khëi ®éng lín nhÊt trong nhãm m¸y Ikd = kmm .Idm kmm – hÖ sè më m¸y cña thiÕt bÞ.(5 – 7) - ®éng c¬ kh«ng ®ång bé2,5 ®éng c¬ d©y quÊn lß ®iÖn, m¸y biÕn ¸pIdm (max) - ®ßng ®Þnh møc cña ®éng c¬ ®ang khëi ®éng, ®· qui vÒ %.Itt - dßng tÝnh to¸n cña toµn nhãm TB.+ Víi mét thiÕt bÞ: Idn = Ikd = kmm.Idm 3.6. Hệ số sử dụng Ksd Là tỉ số của phụ tải tính toán trung bình với công suất đặt hay công suất định mức của thiết bị trong một khoảng thời gian khảo sát (giờ, ca, hoặc ngày đêm,). Hệ số sử dụng nói lên mức sử dụng, mức độ khai thác công suất  + Đối với một thiết bị: + Đối với một nhóm thiết bị:+ Cã thÓ x¸c ®Þnh theo ®iÖn n¨ng:A - ®iÖn n¨ng tiªu thô trong 1 ca theo ®å thÞ phô t¶i.Ar - ®iÖn n¨ng tiªu thô ®Þnh møc. 3.7. Hệ số đóng điện cho hộ tiêu thụ Kđóng Là tỉ số giữa thời gian đóng điện tđóng cho hộ tiêu thụ với thời gian cả chu kỳ xem xét tckHệ số đóng điện của nhóm hộ tiêu thụ:  3.8. Hệ số phụ tải Kpt Còn gọi là hệ số mang tải, là tỉ số giữa công suất thực tế tiêu thụ với công suất định mức   3.11. Hệ số điền kín đồ thị phụ tải Kđk Là tỉ số giữa công suất tác dụng trung bình với công suất cực đại trong thời gian khảo sát  Thời gian khảo sát lấy bằng thời gian ca phụ tải lớn nhấtNếu coi Pmax=Ptt thì hệ số điền kín của phụ tải là:  Hệ số đk của phụ tải đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá đồ thị phụ tải ngày đêm và đồ thị phụ tải năm  3.12. Hệ số đồng thời Kđt Là tỉ số giữa công suất tác dụng tính toán cực đại tại nút khảo sát của hệ thống cung cấp điện với tổng các công suất tác dụng tính toán cực đại của các nhóm hộ tiêu thụ riêng biệt nối vào nút đó  Chú ý: Sau khi tính toán với Kđt thì phụ tải tính toán tổng ở nút xét của hệ thống CCĐ không được nhỏ hơn phụ tải trung bình tại nơi đó  3.13. Số thiết bị điện hiệu quả nhq 26 3.14. Qui đổi 1 pha về 3 pha 4. Xác định phụ tải tính toán + Hiện nay, có rất nhiều phương pháp để tính toán phụ tải tính toán (PTTT), dựa trên cơ sở khoa học để tính toán phụ tải điện và được hoàn thiện về phương diện lý thuyết trên cơ sở quan sát các phụ tải điện ở hộ tiêu thụ điện đang vận hành.+ Thông thường, những phương pháp tính toán đơn giản, thuận tiện lại cho kết quả không thật chính xác, còn muốn chính xác cao thì phải tính toán lại phức tạp. Do vậy, tùy theo giai đoạn thiết kế thi công và yêu cầu cụ thể mà chọn phương pháp tính toán cho thích hợp.+ Nguyên tắc chung để tính PTTT của hệ thống là tính từ thiết bị điện ngược trở về nguồn, tức là được tiến hành từ bậc thấp đến bậc cao của hệ thống cung cấp điện, và ta chỉ cần tính toán tại các điểm nút của hệ thống điện. + Mục đích của việc tính toán phụ tải điện tại các nút nhằm:- Chọn tiết diện dây dẫn của lưới cung cấp và phân phối điện áp từ dưới 1000V trở lên.- Chọn số lượng và công suất máy biến áp.- Chọn tiết diện thanh dẫn của thiết bị phân phối- Chọn các thiết bị chuyển mạch và bảo vệ. 4.1. Xác định PTTT theo suất tiêu hao điện năng theo đơn vị sản phẩm Đối với hộ tiêu thụ có đồ thị phụ tải thực tế không thay đổi, PTTT bằng phụ tải trung bình và được xác định theo suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm khi cho trước tổng sản phẩm sản xuất trong một đơn vị thời gian.  Trong đó: Mca - Số lượng sản phẩm sản xuất trong một ca Tca -Thời gian của ca phụ tải lớn nhất. W0- Suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm.  Khi biết W0 và tổng sản phẩm sản xuất trong cả một năm, PTTT được tính theo công thức sau:  Với Tlvmax[giờ] : thời gian sử dụng công suất lớn nhất trong năm.  Xaùc ñònh thôøi gian söû duïng phuï taûi lôùn nhaát Tmax cuûa töøng loaïi hoä tieâu thuï theo baûng sau:Baûng 2.1. Thôøi gian tieâu thuï coâng suaát cöïc ñaïi  Loaïi hoä duøng ñieänTmax (h/naêm)Phuï taûi sinh hoaït cuûa thaønh phoá vaø khu coâng nhaân2000 ÷ 3000Xí nghieäp coâng nghieäp laøm vieäc 1 ca 1500 ÷ 2200Xí nghieäp coâng nghieäp laøm vieäc 2 ca 3000 ÷ 4500Xí nghieäp coâng nghieäp laøm vieäc 3 ca 5000 ÷ 7000 Hoaëc döïa vaøo ñoà thò phuï taûi:  4.2. Xác định phụ tải tính toán theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất Nếu phụ tải tính toán xác định cho hộ tiêu thụ có diện tích F, suất phụ tải trên một đơn vị là P0 thì :  Trong ñoù: F : dieän tích saûn xuaát, m2 p0 : suaát phuï taûi treân moät ñôn vò dieän tích, kW/m2Phöông phaùp naøy ñöôïc duøng ñeå tính toaùn phuï taûi caùc phaân xöôûng coù maät ñoä maùy moùc saûn xuaát phaân boá töông ñoái ñeàu.  344.3. Theo coâng suaát ñaët Pñ vaø heä soá nhu caàu Knc 4.4. Xác định phụ tải tính toán theo hệ số Kmax và Ptb (còn gọi là phương pháp số thiết bị hiệu quả hay phương pháp sắp xếp biểu đồ) kmax= f(ksd , nhq)  36 Baûng 2.2. Heä soá söû duïng cuûa phuï taûi trong xöôûng maùy  Tính chaát cuûa taûiHeä soá söû duïngXöôûng gia coâng kim loaïi vaø xöôûng cheá taïo cô khí0,15 ÷ 0,3Xöôûng coâng ngheä hoùa hoïc 0,2 ÷ 0,4Xöôûng deät 0,4 ÷ 0,6Xöôûng gia coâng goã0,15 ÷ 0,3Xöôûng kyõ ngheä nheï vaø xöôûng cheá bieán thöïc phaåm 0,2 ÷ 0,4Baûng 2.3. Heä soá söû duïng cuûa phuï taûi thaép saùngTính chaát cuûa taûiHeä soá söû duïngThaép saùng beân trong caùc toøa nhaø laàu lôùn 0,5 ÷ 0,8Thaép saùng trong nhaø ôû0,8 ÷ 1Thaép saùng ngoaøi trôøi 1 39 Heä soá söû duïng Ksd Heä soá ñoàng thôøi KñtThoâng thöôøng, khi tính toaùn Kñt ñöôïc tra trong soå tay4.5. Theo heä soá söû duïng Ksd vaø heä soá ñoàng thôøi Kñt Ví duï veà söû duïng caùc heä soá Ksd vaø Kñt  Baûng heä soá ñoàng thôøi Kñt theo caùc chöùc naêng cuûa maïch   Chöùc naêng maïchHeä soá KñtChieáu saùng1Söôûi vaø maùy laïnh1OÅ caém0,1 ÷ 0,2Thang maùy vaø caåu - Cho ñoäng cô maïnh nhaát - Cho ñoäng cô maïnh thöù nhì - Cho caùc ñoäng cô khaùc10,750,6   Po=20W/m2     53 Nguyên tắc tính phụ tải tính toán: PttXN: phải được tính từ các TB điện ngược trở về phía nguồn. Phải kể đến tổn thất trên đường dây và trong MBA. Phụ tải tính toán XN cần phải kể đến dự kiến phát triển của XN trong 5 - 10 năm tới.   Các bước tính toán được thực hiện như sau: Ví dụ: tính toán phụ tải một xí nghiệp có sơ đồ như hình vẽ.  Điểm 1: điểm trực tiếp cấp điện đến các thiết bị dùng điện, tại đây cần xác định chế độ làm việc của từng thiết bị (xác định Kt; ksd; cosφ). Điếm 2: Với nhóm thiết bị làm việc ở chế độ khác nhau → Xác định Ptt bằng phương pháp số thiết bị hiệu quả. Ptt = KM.Ptb và S2 =P2 + j.Q2 Điểm 3: sẽ bằng phụ tải điểm 2 công thêm phần tổn thất đường dây hạ áp: S3 =S2 + ΔSdd   Điểm 4: điểm tổng hạ áp của các trạm biến áp phân xưởng. Tai đây phụ tải tính toán có thể tính bằng phương pháp hệ số nhu cầu hoặc tổng hợp các phụ tải tại các điểm 4. Điểm 5: S5 = S4 + ∆SB2 Điểm 6: S6 = S5 + ∆Sdd Điểm 7: Điểm 8: S8 = S7 + ∆SB1 Chú ý: S8 chưa phải là phụ tải của xí nghiệp. Vì khi tính phụ tải xí nghiệp còn phải kể đến sự phát triển của xí nghiệp (5 - 10 năm) sau. SXN = S8 + ∆SXN. Để xác định được ∆SXN phải dự báo tăng trưởng phụ tải.