Tiết diện tối ưu và các điều kiện kỹ thuật

Trong bài toán quy hoạch thiết kế lưới điện, chọn tiết diện dây dẫn là bài toán cơ bản nhất.

Chọn dây dẫn bao gồm chọn loại dây dẫn và chọn tiết diện dây dẫn. Sau khi đã chọn loại dây: dây nhôm, dây nhôm lõi thép, cáp nhôm, cáp đồng… thì bài toán là chọn tiết diện dây dẫn tối ưu về kinh tế.

Bản chất vấn đề như sau:

Nếu dây có tiết diện dây dẫn nhỏ thì chi phí vốn và vận hành nhỏ nhưng cho phí cho tổn thất công suất và điện năng lớn. Nếu tăng dần tiết diện dây dẫn thì tổn thất sẽ giảm đi nhưng chi phí vốn và vận hành sẽ tăng lên.

Lấy tổng hai chi phí, ta được chi phí vòng đời của đường dây. Ta thấy có một tiết diện cho dây cho chi phí tổng này nhỏ nhất, đó chính là tiết diện kinh tế.

Như vậy tiết diện kinh tế Fkt là tiết diện cho chi phí vòng đời của đường dây nhỏ nhất.

Tuy nhiên, trong thực tế không phải bao giờ cũng được phép sử dụng tiết diện tối ưu cho đường dây. Có những hạn chế kỹ thuật phải tuân theo khi lựa chọn dây dẫn, nếu không lưới điện sẽ không hoạt động được.

Các hạn chế kỹ thuật đó là:

  • Phát nóng dây dẫn do dòng điện;
  •  Độ bền cơ học của đường dây (chỉ cho đường dây trên không);
  • Tổn thất điện năng do vầng quang điện (chỉ cho đường dây trên không);
  • Điều kiện phát nóng khi ngắn mạch (chỉ cho lưới cáp);
  • Tổn thất điện áp lớn nhất cho phép trong lưới điện.

Các hạn chế trên làm cho không phải lúc nào cũng có thể dùng được tiết diện tối ưu cho lưới điện, trong nhiều trường hợp phải căn cứ vào các điều kiện kỹ thuật để chọn tiết diện dây dẫn. Do đó có các phương pháp chọn tiết diện dây dẫn khác nhau.

Chỉ tiêu kinh tế lựa chọn dây dẫn

Mật độ kinh tế dòng điện 

Trong trường hợp phụ tải điện không tăng theo thời gian, lấy tiết diện kinh tế chia cho giá trị max của dòng điện ta được mật độ kinh tế dòng điện: jkt = Imax/Fkt

Trong đó: imax

P, Q, cosφ là công suất tính toán phụ tải.

Mật độ kinh tế dòng điện tính theo chi phí vòng đời

Chi phí vòng đời

Chi phí vòng đời của đường dây điện bao gồm chi phí vốn ban đầu để xây dựng đường dây và chi phí hằng năm cho đường dây điện hoạt động và để bảo dưỡng. Ngoài ra doanh nghiệp điện phải chi trả cho tổn thất điện năng và tổn thất công suất trên đường dây điện, cho độ tin cậy cung cấp điện, chi phí hằng năm được thực hiện trong suốt vòng đời N năm của đường dây điện, từ lúc bắt đầu đưa vào vận hành cho đến khi đường dây điện ngừng hoạt động.

Tuy nhiên, để tính toán kinh tế đường dây điện, ta cần chi phí vòng đời hiện tại. Tức là quy chi phí các năm sau về năm đầu (năm 0) bằng cách nhân với hệ số hiện tại hóa: 1/(1+r)t
Trong đó r là lãi suất chiết khấu, đó là lợi nhuận đầu tư trung bình trong kinh doanh.

Hoặc nếu vốn ban đầu được thực hiện nhiều năm trước thì cũng được quy đổi về năm hiện tại (năm 0), gọi là tương lai hóa, bằng cách nhân với hệ số tương lai hóa: 1*(1+r)t .

Sở dĩ phải hiện tại hóa chi phí vòng đời là vì dòng tiền có giá trị theo thời gian, tức là thay đổi giá trị theo thời gian. Không thể so sánh giá trị đồng tiền trong các năm khác nhau, mà phải quy đổi chúng về một năm nào đó, ở đây là năm thứ 0.

Mật độ kinh tế theo chi phí tính toán Z

Phương pháp tính kinh tế lưới điện của Liên Xô cũ là phương pháp thời gian thu hồi vốn đầu tư phụ.

Mật độ kinh tế dòng điện để chọn tiết diện dây dẫn.
Đối với đường dây điện có phụ tải tĩnh, chọn trực tiếp theo phụ tải tính toán.
Đối với đường dây điện có phụ tải tăng trưởng, trước hết phải tính phụ tải tương đương rồi tính chọn tiết diện dây.

Khoảng chia kinh tế

   Khi đường dây có phụ tải phát triển, có thể có 2 cách chon dây dẫn:

  • Chọn theo khoảng chia kinh tế;
  • Tính chuyển phụ tải phát triển thành phụ tải tính rồi chọn theo jkt.

 Chọn theo jkt có sai số lớn do tính chuyển đổi phụ tải, do bậc của dây dẫn tiêu chuẩn rất rộng…, cho nên tính theo khoảng chia kinh tế tốt hơn, hoặc là phân tích kinh tế để so sánh trực tiếp mộ số tiết diện dây. 

Các điều kiện kỹ thuật

Phát nóng lâu dài dây dẫn

Phát nóng cho phép của dây dẫn

Khi có dòng điện đi qua, dây dẫn và cách điện bị nóng lên do hiệu ứng Joule. Nếu nhiệt độ tăng cao quá sẽ làm giảm độ bền cơ học của dây dẫn hoặc làm già hóa cách điện của cáp. Để bảo đảm cho dây dẫn và cách điện có thể làm việc lâu dài mà không bị hư hại, nhiệt độ của dây dẫn trong chế độ làm việc bình thường không được vượt quá nhiệt độ lớn nhất cho phép cho trong bảng phụ lục.

Điều kiện chọn hoặc kiểm tra dây dẫn

Mỗi dây dẫn được cho dòng điện cho phép Icp theo điều kiện nhiệt độ ở điều kiện nhiệt độ môi trường nhất định, thường là: nhiệt độ không khí là 25°C, của đất là 15°C. Đối với cáp thì tính cho 1 sợi cáp đặt trong đất hoặc hầm cáp.

Icp được tính từ nhiệt độ cho phép max trên dây hoặc được cho trong lý lịch dây hay trong các bảng tra cứu, sổ tay thiết kế.

Để đạt đến nhiệt độ ổn định trong dây dẫn thì dòng điện phải có giá trị trung bình không đổi trong 30 phút.

Giả thiết rằng dòng điện max trong dây thoả mãn điều kiện này.

Dây dẫn phải được chọn sao cho dòng điện lớn nhất đi qua dây Imax phải nhỏ hơn dòng điện cho phép Icp.

I’max là dòng điện gây phát nóng lớn nhất cho dây.

Nếu đường dây điện không có dự phòng thì I’max là dòng điện làm việc lớn nhất do phụ tải max của đường dây điện gây ra, nếu đường dây điện có dự phòng thì I’max  là Imaxsc; khi sự cố đường dây dự phòng, dòng này được tính cụ thể theo sơ đồ lưới điện.           

tính Imax

Nếu phụ tải được cấp điện bởi 2 đường dây điện như trên hình thì:

Imaxsc = 2. Imax                                                       

I’cp là dòng điện cho phép đã được hiệu chỉnh theo điều kiện thực tế.

I’cp = k1.k2.Icp

k1 là hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường. Khi nhiệt độ thực tế của môi trường khác với nhiệt độ sản xuất dây thì phải hiệu chỉnh.

k2 là hệ số hiệu chỉnh theo số sợi cáp và khoảng cách giữa chúng trong 1 hầm cáp hoặc đất (điều kiện lắp đặt – chỉ cho cáp).

Trong chế độ sự cố, đường dây cáp có thể phải gánh thêm phụ tải đường dây bị sự cố trong thời gian ngắn, khi đó dây dẫn được phép đc quá tải.

Dòng điện cho phép khi sự cố Icpsc được tính như sau:

Icpsc = Icp.Kqt

kqt là hệ số quá tải cho phép, phụ thuộc chế độ của cáp trước khi xảy ra sự cố, môi trường đặt cáp (trong không khí hoặc đất) và thời gian bị quá tải (kqt cho trong phụ lục).

Phát nóng dây dẫn cáp khi ngắn mạch

Đối với dây cáp, khi xảy ra ngắn mạch nếu thời gian cắt ngắn mạch chậm (vì lý do đảm bảo độ chọn lọc) thì dây dẫn sẽ bị phát nóng đáng kế, có nguy cơ vượt qua khả năng chịu đựng của cáp. Vì thế sau khi chọn cáp theo các điều kiện khác phải kiếm tra cáp theo điều kiện ngắn mạch, gọi là kiểm tra ổn định nhiệt, nếu cáp không chịu nổi thì phải tăng tiết diện cáp hoặc dùng các biện pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch. Nếu thời gian cắt ngắn thì không phái kiểm tra ngắn mạch, ví dụ cáp được bảo vệ bằng cầu chảy.

Tổn thất vầng quang

Khi cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn cao hơn 16kV/cm thì xảy ra vầng quang điện: lớp không khí xung quanh dây dẫn bị ion hoá, tạo ra vầng quang điện và tiếng nổ lách tách, điện năng phóng ra không khí gây tổn thất. Tổn thất vầng quang còn phụ thuộc thời tiết, không khí ẩm làm tăng hồ quang. Để giảm tổn thất vầng quang đến mức chấp nhận được về kinh tế, tiết diện dây dẫn 110kV trở lên phải nhỏ hơn tiết diện tối thiểu cho trong bảng.

tiết diện tối thiểu theo đk vầng quang

Độ bền cơ học của dây trên không

Tiết diện tối thiểu theo độ bền cơ học của đường dây cho trong bảng sau: 

tiết diện nhỏ nhất cho dây trần nhiều sợi

Đối với lưới điện 110kV trở lên tiết diện tối thiểu theo điều kiện cơ học nhỏ hơn tiết diện tối thiểu theo điều kiện vầng quang nên không phải kiểm tra điều kiện này, lưới điện trung áp phải kiểm tra theo bảng trên.

Tổn thất điện áp

Để đảm bảo chất lượng điện áp ở hộ tiêu thụ điện, điện áp trên lưới điện phải luôn lớn hơn hoặc bằng giá trị nhất định. Để đạt được các giá trị này tổn thất điện áp từ đầu nguồn đến mọi điểm trên lưới điện phải nhỏ hơn hoặc bằng giá trị cho phép trong chế độ bình thường và chế độ sự cố.

Tài liệu thiết kế điện hợp chuẩn – Bạn đã có ???
Xem tại đây: https://vnk.edu.vn/tai-lieu-thiet-ke-dien-hop-chuan/