Chọn tiết diện dây dẫn và dây cáp điện

Dây dẫn và dây cáp là một thành phần chủ yếu của lưới điện. Tiết diện dây và dây cáp được lựa chọn theo những tiêu chuẩn kỹ thuật cũng như kinh tế. Tùy theo loại lưới điện và cấp điện áp mà ta phải theo tiêu chuẩn nào là chính, là bắt buộc, còn tiêu chuẩn khác là phụ, là để kiểm tra.

Các chỉ tiêu lựa chọn tiết diện dây dẫn

Chọn tiết diện dây dẫn theo mật độ kinh tế của dòng điện

Mật độ kinh tế của dòng điện J_kt là một giá trị dòng mà 1mm² dây dẫn mang tải sẽ đem lại chi phí tính toán là nhỏ nhất. Ta sẽ xem xét chi tiết hơn về đại lượng này.

Trước hết xét vốn đầu tư đường dây V. Vốn đầu tư V phụ thuộc vào chiều dài đường dây, cụ thể là:

                                                            V = v_o . λ                             (1.7)

Trong đó: v_o– vốn đầu tư 1km đường dây (đ/km);

                λ – chiều dài đường dây (km);

Vốn đầu tư v_o cho 1 km đường dây bao gồm các chí phí không liên quan đến tiết diện dây dẫn như chi phí thăm dò, đền bù, chuẩn bị thi công, cột điện, sứ cách điện,… và chi phí tỷ lệ thuận với tiết diện dây dẫn. Do vậy ta có thể biểu diễn V bằng biểu thức sau:

                                                      V = (a+bF)λ                             (1.7a)

Trong đó:

• a – chi phí xây dựng 1 km đường dây phần không liên quan đến tiết diện dây (đ/km);
• b- hệ số biễu diễn quan hệ giữa vốn đầu tư xây dựng 1 km đường dây với tiết diện dây dẫn F (đ/km.mm²).

Phí tổn do tổn thất điện năng trên đường dây trong toàn năm được thể hiện qua công thức sau:  Y_ΔA = β.ΔA = β.ΔP_Max.τ  = β.3Ι²_max R.τ = β.3Ι²_max ρ.(λ/F).τ             (1.8)

Trong đó:

• I_max – dòng điện làm việc max trên đường dây (A);
• ρ – điện trở suất của dây dẫn (Ώ.mm²/km);
• β – giá điện năng tổn thất (đ/kWh);
• F – tiết diện dây dẫn (mm²);
• τ – thời gian tổn thất công suất cực đại (giờ/năm).

Phí tổn vần hàng hàng năm của đường dây:

                Y = a_vh.V + Y_ΔA =  a_vh (a + bF)λ + β.3Ι²_max ρ.(λ/F).τ       (1.9)     

Trong đó: a_vh– hệ số thể hiện chi phi hàng năm cho sửa thường kỳ đường dây hành năm, lương công nhân,…

Vậy cuối cùng ta có hàm chi phí tính toán hàng năm: 

               Z_tt = Y + a_tc.V = (a_vh + a_tc)(a + bF)λ + β.3Ι²_max ρ.(λ/F).τ    (1.10)

Trong đó: a_tc – hệ số thu hồi vốn tiêu chuẩn. Hệ số này thể hiện chi phí hàng năm thu hồi vốn, còn  gọi là chiết khấu hao mòn.

Từ (1.10) ta thấy rằng hàm chi phí tính toán phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn. Để xác định tiết diện dây dẫn đảm bảo hàm chi phí tính toán min, ta lấy đạo hàm Z_tt theo F và cho triệt tiêu, ta có: 

Vậy mật độ kinh tế dòng điện là:

Từ công thức (1.11) có thể đưa ra một số nhận xét như sau:

• Mật độ kinh tế của dòng điện không phụ thuộc vào điện áp của mạng;
• Trị số mật độ kinh tế dòng điện phụ thuộc rất nhiều yếu tố, thay đổi theo tình hình phát triển kinh tế và chính sách của từng nước. Trị số mật độ kinh tế dòng điện có thể tra cứu ở các tài liệu hướng dẫn thiết kế lưới điện hay tham khảo bảng 1.1
• Từ mật độ kinh tế dòng điện có thế tính toán chọn tiết diện dây dẫn.

Bảng 1.1: Mật độ kinh tế dòng diện, A/mm²

Các chỉ tiêu kỹ thuật khi lựa chọn tiết diện dây dẫn

Chỉ tiêu về vầng quang điện

Một tiết diện dây dẫn được chọn phải đảm bảo tổn thất do vầng quang là chấp nhận được.

Điều kiện này được thể hiện qua chỉ tiêu tiết diện tối thiểu hay điện áp vầng quang tối thiểu như dưới đây.

• Chỉ tiêu tiết diện tối thiểu: tiết diện dây dẫn phải đảm lớn hơn tiết diện tối thiểu. Tiết diện tối thiểu F_min  theo quy định là dây dẫn AC-70 đối với điện áp định mức lưới 110 kV, AC-95 khi điện áp 220 kV.
• Chỉ tiêu điện áp vầng quang tối thiểu: U_vq = 84m.r.lg.(a/r) ≥ U_Luoi ; kV    (1.12)

Trong đó: m- hệ số xù xì (độ nhẵn) của dây dẫn; (dây dẫn một sợi m = 0,83÷0,98, nhiều sợi vặn xoắn m = 0,83÷0,87)

                r – bán kính ngoài của dây dẫn (cm);

                a- khoảng cách giữa các pha của dây dẫn.

Công thức (1.12) tính U_vq áp dụng khi các dây dẫn ba pha bố trí trên đỉnh tam giác đều; Nếu chúng đặt trên cùng mặt phẳng thì đối với pha giữa giảm 4%, còn hai pha bên tăng thêm 6%.

Chỉ tiêu về phát nóng

Một tiết diện dây dẫn được chọn còn phải đảm bảo về chỉ tiêu phát nóng khi sự cố. Khi có sự cố, chẳng hạn đối với mạch vòng bị sự cố một đoạn nào đó hay khi dây lộ kép bị sự cố một lộ thì khi đó dòng điện trên dây dẫn sẽ là dòng điện cưỡng bức, lớn hơn lúc bình thường, dây dẫn phải chịu phát nóng hơn. Vậy dân dẫn được chọn phải đảm bảo chỉ tiêu phát nóng như sau:

              Ι_cb^max ≤ k₁.k₂.Ι_cb       (1.13)

Trong đó:

• Ι_cb^max – dòng điện cưỡng bức lớn nhất;
• I_cp – dòng điện cho phép của dây dẫn trong điều kiện chuẩn (nhiệt độ  25⁰C), do nhà chế tạo cho;
• k₁– hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ;

Trong đó: θ_cb^bt – nhiệt cho phép lúc bình thường, =70⁰C;

                θ_xq – nhiệt độ môi trường xung quanh (Việt nam θ =35⁰C)

                k₂– hệ số xét sự đặt gần nhau của dây dẫn (nếu có), k₂=0,92.

Chỉ tiêu tổn thất điện áp

Khi một lưới điện đã được lựa chọn loại dây dẫn cũng như tiết diện của chúng thì nhất thiết tổn thất điện áp kể từ đầu nguồn tới phụ tải xa nhất phải đảm bảo nhỏ hơn một giá trị cho phép lúc bình thường cũng như lúc sự cố:

                                              (1.14)

Trong đó:

• ΔU^max_bt  – tổn thất điện áp lớn nhất lúc bình thường kể từ đầu nguồn đến phụ tải xa nhất;
• ΔU^max_bt – tổn thất điện áp lớn nhất lúc sự cố  kể từ đầu  nguồn đến phụ tải xa nhất;
• ΔU^cb_bt  – giá trị điện áp cho phép lúc bình thường, bằng khoảng 10÷12% điện áp định mức;
• ΔU^cb_SC – giá trị điện áp cho phép lúc sự cố, bằng khoảng 18÷20% điện áp định mức;

Chỉ tiêu về ổn định nhiệt khi ngắn mạch

Đặc trưng về nhiệt đối với dây dẫn khi ngắn mạch là nhiệt độ cuối (đơn vị là ⁰C) và xung lượng nhiệt B_N (đơn vị là A²sec). Cách xác định hai giá trị này sẽ được đề cập trong giáo trình khác. Điều kiện ổn định nhiệt của dây dẫn khi ngắn mạch là:

Trong đó: θ^cb₂ – nhiệt độ cho phép khi ngắn mạch,⁰C (xem bảng 1.1)

                F – tiết diện dây dẫn, mm²;

                I_N – dòng ngắn mạch, A;

                t_cat– thời gian tồn tại ngắn mạch, sec;

                C – Hằng số, As^1/2/mm² (xem bảng 1.2)

Bảng 1.2 Nhiệt độ cho phép khi ngắn mạch và hằng số C

Lựa chọn tiết diện dây dẫn cho các loại lưới điện

Đường dây tải điện trên không điện áp từ 35 kV trở lên

Lựa chọn tiết diện dây dẫn trên không điện áp từ 35 kV trở lên được tiến hành qua các bước như sau:

• Chọn tiết diện theo mật độ kinh tế dòng điện.
• Kiểm tra điều kiện vầng quang (đối với điện áp 110 kV trở lên)
• Kiểm tra điều kiện phát nóng khi sự cố đường dây;
• Tính toán tổn thất điện áp lúc bình thường và khi các sự cố.

Lưới  điện cung cấp  từ 1kV trở lên đến 35 kV

Lựa chọn tiết diện dây dẫn trên không cho lưới điện cung cấp điện áp từ 1 kV đến 35 kV được tiến hành qua các bước như sau:

• Chọn tiết diện theo mật độ kinh tế dòng điện
• Tính toán tổn thất điện áp lúc bình thường và khi các sự cố
• Kiểm tra điều kiện phát nóng khi sự cố đường dây;

Đường dây cáp điện lực

Lựa chọn tiết diện dây cáp điện được tiến hành qua các bước như sau:

• Chọn loại cáp theo vị trí lắp đặt (trong hầm cáp, treo trên tường, chôn trong đất);
• Chọn tiết diện cáp theo mật độ kinh tế dòng điện;
• Kiểm tra điều kiện phát nóng lúc bình thường:

                             Ι^max_bt ≤ k₁.k₂.Ι_cb                   (1.16)

 Trong đó:  Ι^max_bt – dòng điện làm việc bình thường lớn nhất lớn nhất;

Các hệ số  k₁,k₂ được tính  như đã giới thiệu trong 3.1.1, riêng đối với tính k₁ theo công thức (1.13a) phải lấy θ_xq = 45⁰C đối với Việt nam khi cáp chôn dưới đất.       

Kiểm tra điều kiện phát nóng khi sự cố (đối với cáp lộ kép):

                      Ι^max_cb ≤ k_qt.k₁.k₂.Ι_cb            (1.17)

Trong đó: Ι^max_cb – dòng điện cưỡng bức lớn nhất lớn nhất;

                k_qt  – hệ số quá tải cho cáp.

Trong điều kiện làm việc bình thường dòng điện qua cáp không vượt quá 80% dòng điện cho phép (đã hiệu chỉnh), khi sự cố có thể cho phép cáp quá tải 30% trong thời gian không quá 5 ngày đêm; k_qt = 1,3.

Kiểm tra ổn định nhiệt khi ngắn mạch theo công thức (1.15).

________________

VNK EDU gửi tặng bạn “Bộ thuyết minh bản vẽ hệ thống điện căn hộ du lịch và khách sạn Penninsula”
Nhận tài liệu

________________
Trải nghiệm buổi học thử miễn phí khóa học “Kỹ sư M&E – Thiết kế hệ thống điện” giúp bạn nắm bắt tổng quan kiến thức về hệ thống điện.

________________
=>Thông báo chương trình ưu đãi ngày 20/11 cho anh em kỹ sư nhận mưa các tài liệu, quà tặng giá trị click vào link sau để biết thêm chi tiết: Giới thiệu chương trình ưu đãi