Nhiệm vụ đầu tiên khi tính toán thiết kế cung cấp điện là xác định nhu cầu điện (gọi là phụ tải tính toán). Nếu phụ tải tính toán nhỏ hơn phụ tải thực tế sẽ làm giảm tuổi thọ thiết bị đôi khi có thể gây cháy nổ do quá tải thiết bị, ngược lại thì thiết bị được chọn sẽ quá lớn gây lãng phí vốn đầu tư.

Phụ tải tính toán của một nhóm thiết bị điện, của một phân xưởng… là phụ tải sử dụng để thiết kế cung cấp điện cho nhóm thiết bị điện đó, phụ tải tính toán còn dùng để lựa chọn máy biến áp, dây dẫn và các thiết bị đóng cắt. Điều đó có nghĩa là hệ thống cung cấp điện được xác định theo công suất tính toán này.

Có hai loại phụ tải tính toán:

  • Phụ tải tính toán theo phát nóng cho phép: Là phụ tải lâu dài không thay đổi tương đương với phụ tải thực tế về hiệu quả nhiệt.
  • Phụ tải tính toán theo điều kiện phát nóng: Còn gọi là phụ tải đỉnh nhọn, nó gây ra tổn thất điện áp lớn nhất trong mạng điện và các điều kiện làm việc nặng nề nhất cho mạng điện.

Các khái niệm chung

Phụ tải điện

Thông thường công suất vận hành khác với công suất thực tế do nhiều yếu tố khác nhau và là một hàm theo thời gian. Nhưng cần phải xác định phụ tải điện cho việc tính toán cung cấp điện. Công suất tính toán được gọi là công suất tính toán (Ptt).

  • Nếu Ptt < Pthực tế: thiết bị mau giảm tuổi thọ, có thể cháy nổ.
  • Nếu Ptt > Pthực tế: lãng phí vốn đầu tư.

Có nhiều phương pháp xác định phụ tải điện, càng có nhiều thông tin càng lựa chọn được phương pháp chính xác. Thông thường có hai nhóm phương pháp là phương pháp kinh nghiệm và phương pháp dựa trên xác xuất thống kê.

Các đặc tính chung của phụ tải điện

Mỗi một phụ tải có những đặc trưng riêng của nó, và có 3 đặc trưng mà các phương án cung cấp phải xét đến:

  • Công suất định mức: 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 =PđmđmThường ηđm =0,8 ÷ 0,85; trường hợp động cơ nhỏ có thể xem Pđ = Pđm.
  • Điện áp định mức: điện áp làm việc của thiết bị phải phù hợp với lưới điện nơi đặt thiết bị.
  • Tần số: tần số làm việc của thiết bị khác nhau nhiều từ 0Hz (điện DC) đến hàng triệu Hz ở thiết bị cao tần.

Đồ thị phụ tải

Khái niệm

Đồ thị phụ tải điện 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. Nó cho biết quan hệ theo thời gian của công suất tác dụng P, phản  kháng Q, biểu kiến S, hay dòng điện I của phụ tải.

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 năm.

Các loại đồ thị phụ tải thường dùng:

  • Đồ thị phụ tải ngày: như hình a) được ghi bằng máy; b) được ghi và vẽ lại bởi các vận hành viên và c) thể hiện dạng bậc thang thông số trung bình trong một khoảng thời gian.
    • Đồ thị phụ tải hàng ngày cho biết tình trạng làm việc của thiết bị để từ đó sắp xếp lại qui trình vận hành hợp lý nhất, làm căn cứ để tính chọn thiết bị, tính điện năng tiêu thụ.
    • Đồ thị phụ tải ngày có 5 thông số đặc trưng: phụ tải cực đại, hệ số công suất cực đại, điện năng tác dụng và phản kháng ngày đêm, hệ số công suất tương ứng và hệ số điền kín của đồ thị phụ tải.
Đồ thị phụ tải ngày

Đồ thị phụ tải ngày

  • 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 đềra lịch vận hành sửa chữa các thiết bị điện một cách hợp lý nhất, nhằm đáp ứng các yêu cầu của sản xuất.
Đồ-thị-phụ-tải-tháng

Đồ thị phụ tải tháng

  • 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

Đồ thị phụ tải năm

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 tải.

Các đại lượng và hệ số thường gặp

Các đại lượng cơ bản:

Công suất định mức Pđm: Công suất định mức của các thiết bị tiêu thụ điện thường được các nhà chế tạo ghi sẵn trên nhãn hiệu máy hoặc trong các lý lịch máy. Đối với động cơ, công suất định mức ghi trên nhãn hiệu máy chính là công suất cơ trên trục động cơ. Công suất đặt là công suất đầu vào của động cơ, vậy công suất đặt trên trục động cơ được tính như sau: Pđ = Pđm / ηdc

Trong đó:

  • Pđ: Công suất đặt của động cơ (kW).
  • Pđm : Công suất định mức của động cơ (kW).
  • ηdc: Hiệu suất định mức của động cơ.

Trên thực tế, hiệu suất của động cơ tương đối cao (ηdc= 0,85 ÷ 0,95) nên ta có thể xem Pđ ≈ Pđm.

  • Đối với các thiết bị chiếu sáng: Công suất đặt là công suất được ghi trên đèn. Công suất này bằng công suất tiêu thụ của đèn khi điện áp trên mạng điện là định mức.
  •  Đối với các thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại (như cầu trục, máy hàn v.v…) khi tính toán phụ tải điện của chúng, ta phải quy đổi về công suất định mức ở chế độ làm
    việc dài hạn.

Có nghĩa là quy đổi về chế độ làm việc có hệ số tiếp điện % = 100%. Công thức quy
đổi như sau:

  • Đối với động cơ: 

Công-thức-1

  • Đối với máy biến áp hàn: 

Công-thức-2

Trong đó: P’đm là công suất định mức đã quy đổi về chế độ làm việc dài hạn.

Phụ tải trung bình Ptb: Phụ tải trung bình là một 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:

cÔNG-THỨC-3

trong đó: ΔP, ΔQ: Điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian khảo sát, kW, kVAr.

               t: thời gian khảo sát, h.

               Phụ tải trung bình cho cả nhóm thiết bị:

Công-thức-4

Biết được phụ tải trung bình ta có thể đánh giá được mức độ sử dụng thiết bị, xác định phụ tải tính toán và tính tổn hao điện năng.

  • Phụ tải cực đại Pmax: Phụ tải cực đại là phụ tải trung bình lớn nhất được tính trong khoảng thời gian tương đối ngắn (từ 5-30 phút). Thông thường lấy thời gian là 30 phút ứng với ca làm việc có phụ tải lớn nhất trong ngày. Phụ tải cực đại để tính tổn thất công suất lớn nhất, để chọn các thiết bị điện, các dây dẫn và dây cáp theo mật độ kinh tế.
  • Phụ tải đỉnh nhọn: Phụ tải đỉnh nhọn (Pđnh) là phụ tải cực đại xuất hiện trong khoảng thời gian rất ngắn (1÷2s). Thường xảy ra khi mở máy động cơ. Phụ tải này được dùng để kiểm tra độ dao động điện áp, điều kiện tự khởi động động cơ, chọn dây chảy cầu chì, tính dòng khởi động của rơle bảo vệ.Phụ tải đỉnh nhọn còn làm ảnh hưởng đến sự làm việc của các thiết bị khác trong cùng một mạng điện.
  • Phụ tải tính toán Ptt: Phụ tải tính toán được tính theo điều kiện phát nóng cho phép, là phụ tải giả thiết lâu dài không đổi của các phần tử trong hệ thống cung cấp điện (máy biến áp, đường dây) tương đương với phụ tải thực tế biến đổi theo điều kiện tác dụng lớn nhất. Nói cách khác phụ tải tính toán cũng làm nóng dây dẫn lên tới nhiệt độ lớn nhất do phụ tải thực tế gây ra.Do vậy để đảm bảo an toàn trong mọi trạng thái vận hành, trong thực tế thiết kế ta chỉ sử dụng phụ tải tính toán theo công suất tác dụng: Ptb ≤ Ptt ≤ Pmax

Các hệ số thường gặp:

Hệ số sử dụng ksd: Hệ số sử dụng là tỉ số giữa phụ tải tác dụng trung bình với công suất định mức của thiết bị.

  • Đối với 1 thiết bị: ksd = Ptt / Pđm
  • Đối với nhóm thiết bị: 

công-thức-5

  • Nếu có đồ thị phụ tải thì hệ số sử dụng được toán như sau:

công-thức-6

  • 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 và là số liệu để tính phụ tải tính toán.

Hệ số phụ tải kPt: Hệ số phụ tải (còn gọi là hệ số mang tải) là tỉ số giữa công suất thực tế với công suất định mức. Thường ta phải xét đến hệ số phụ tải trong khoảng thời gian nào đó.

công-thức-7

  • Nếu có đồ thị phụ tải thì hệ số sử dụng được tính như công thức sau:

công-thức-8

  • Hệ số phụ tải nói lên mức độ sử dụng, mức độ khai thác công suất của thiết bị điện
    trong khoảng thời gian đang xét.

Hệ số cực đại kmax: Hệ số cực đại là tỉ số giữa phụ tải tính toán và phụ tải trung bình trong khoảng thời gian đang xét: kmax = Ptt / Ptb

  • Hệ số cực đại phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ yếu là số thiết bị hiệu quả nhq và hệ số sử dụng ksd và hàng loạt các yếu tố đặc trưng cho chế độ làm việc của các thiết bị trong nhóm làm rất phức tạp nên khi tính toán thường tra theo đường cong: kmax = f(nhq, ksd).

Hệ số nhu cầu knc: Hệ số nhu cầu là tỉ số giữa phụ tải tính toán và công suất định mức.

công-thức-9

  • Hệ số nhu cầu thường được dùng tính cho phụ tải tác dụng. Trong thực tế hệ số nhu cầu thường do kinh nghiệm vận hành tổng kết lại.

Hệ số thiết bị hiệu quả nhq: Hệ số thiết bị hiệu quả 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 khác nhau):

công-thức-10

  • Khi số thiết bị dùng điện trong nhóm n >V5, thì tính nhq theo công thức trên khá phức tạp nên người ta tìm nhq theo bảng hoặc đường cong. Trình tự tính như sau: Trước hết tính: n* = n1/ n ; P* = P1/P

Trong đó: 

  • n: Số thiết bị trong nhóm; 
  • n1: Số thiết bị có công suất không nhỏ hơn một nữa công suất của thiết bị có công suất lớn nhất trong nhóm.
  • P, P1 là tổng công suất ứng với n và n1 thiết bị. Sau khi tính được n* và P* tra bảng hoặc đường cong tìm được n*hq, từ đó tính nhq theo công thức sau: nhq = n.n*hq
  • Số thiết bị hiệu quả là một trong những số liệu quan trọng để xác định phụ tải tính toán.

Các phương pháp tính phụ tải tính toán

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 chính xác. Ngược lại, nếu độ chính xác được nâng cao thì phương pháp tính phức tạp. Vì vậy tuỳ theo giai đoạn thiết kế, tuỳ theo yêu cầu cụ thể mà chọn phương pháp tính cho thích hợp, sau đây là một số phương pháp xác định phụ tải tính toán thường dùng nhất.

Xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt và hệ số nhu cầu:

Công thức tính:

CÔNG-THỨC-11

Một cách gần đúng có thể lấy Pđ = Pđm nên:

CÔNG-THỨC-12

Trong đó:

  • Pđi, Pđmi: Công suất đặt, công suất định mức của thiết bị thứ i (kW).
  • Ptt, Qtt, Stt: Công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất toàn phần tính toán của nhóm có n thiết bị, (kW, kVAr, kVA).
  • n: Số thiết bị trong nhóm.
  • knc: Hệ số nhu cầu, tra ở sổ tay kỹ thuật.
  • tgφ: ứng với cosφ đặc trưng cho nhóm thiết bị, tra ở sổ tay kỹ thuật.

Nếu hệ số công suất cosφ của các thiết bị trong nhóm không giống nhau thì phải tính hệ số công suất trung bình theo công thức sau:

CÔNG-THỨC-13

Hệ số nhu cầu của các máy khác nhau thường được cho trong các sổ tay. 

Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, tính toán thuận tiện. Tuy nhiên, nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là độ chính xác không cao. Bởi vì hệ số nhu cầu knc tra trong các sổ tay là cố định cho trước không phụ thuộc vào chế độ vận hành và số thiết bị trong nhóm. Trong lúc đó, theo công thức trên ta có knc = kmax.ksd, có nghĩa là hệ số nhu cầu phụ thuộc nhiều yếu tố kể trên.

Xác định phụ tải tính toán theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích

Công thức tính: Ptt = p0.F

Trong đó:

  • p0: Suất phụ tải trên 1m2 đơn vị diện tích sản xuất (kW/m2).
  • F: Diện tích sản xuất (m2)

Giá trị p0 được cho sẵn trong bảng, phụ thuộc vào tính chất của phụ tải phân tích theo số liệu thống kê.

Phương pháp này chỉ cho kết quả gần đúng. Nó được dùng để tính các phụ tải, các phân xưởng có mật độ máy móc sản xuất phân bố tương đối đều nên chỉ áp dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ.

Xác định phụ tải tính toán theo suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm:

Công thức tính: Ptt = M.w0 / Tmax

Trong đó:

  • M: Số đơn vị sản phẩm sản xuất ra trong 1 năm (sản lượng).
  • w0: Suất tiêu hao điện năng cho 1 đơn vị sản phẩm (kWh/đơn vị sản phẩm).
  • Tmax: Thời gian sử dụng công suất lớn nhất (h).

Phương pháp này thường dùng để tính toán cho các thiết bị điện có đồ thị phụ tải ít biến đổi hay không thay đổi như: quạt gió, máy nén khí… khi đó phụ tải tính toán gần bằng phụ tải trung bình và kết quả tương đối chính xác.

Xác định phụ tải tính toán theo hệ số cực đại và công suất trung bình (phương pháp số thiết bị hiệu quả): 

Khi không có các số liệu cần thiết để áp dụng các phương pháp tương đối đơn giản đã nêu ở trên hoặc khi cần nâng cao độ chính xác của phụ tải tính toán thì nên dùng phương pháp này.

Công thức tính: Ptt = kmax.ksd.Pđm 

Trong đó:

  • Pđm: Công suất định mức (kW).
  • ksd: Hệ số sử dụng, tra trong sổ tay kỹ thuật.
  • kmax: Hệ số cực đại, tra trong sổ tay kỹ thuật theo quan hệ; kmax = f(nhq, ksd).

Phương pháp này cho kết quả tương đối chính xác vì khi xác định số thiết bị hiệu quả nhq, chúng ta đã xét tới hàng loạt các yếu tố quan trọng như ảnh hưởng của số lượng thiết bị trong nhóm, số thiết bị có công suất lớn nhất cũng như sự khác nhau về chế độ làm việc của chúng.

Hướng dẫn cách chọn các phương pháp xác định phụ tải tính toán:

  • Tuỳ theo số liệu và đầu bài mà ta chọn phương pháp xác định phụ tải tính toán cho hợp lý.
  • Khi xác định phụ tải tính toán cho từng nhóm máy ở điện áp thấp (U < 1000V) nên dùng phương pháp tính theo hệ số cực đại kmax (tức là phương pháp tính theo hệ số hiệu quả) bởi vì phương pháp này có kết quả tương đối chính xác.
  • Khi phụ tải phân bố tương đối đều trên diện tích sản xuất hoặc có số liệu chính xác suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm thì có thể dùng phương pháp suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm để tính phụ tải tính toán. Các phương pháp trên cũng thường được áp dụng cho giai đoạn tính toán sơ bộ để ước lượng phụ tải cho hộ tiêu thụ.
  • Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ thường cần phải đánh giá phụ tải chung của các hộ tiêu thụ (phân xưởng, xí nghiệp, khu vực, thành phố …) trong trường hợp này nên dùng phương pháp hệ số nhu cầu knc

Xác định phụ tải điện khu vực nông thôn

Đối tượng sử sụng điện phổ biến ở nông thôn là: trạm bơm, trường học và sinh hoạt.

Phụ tải điện trạm bơm

Các máy bơm nông nghiệp thường có các thang công suất: 14, 20, 33, 45, 55, 100, 200kW. Với máy bơm công suất nhỏ (< 100kW) sử dụng điện hạ áp, máy bơm công suất lớn trở lên thường sử dụng điện 6 hay 10kV.

Trạm bơm thường chia thành hai loại: trạm bơm tưới và trạm bơm tiêu. Phụ tải trạm bơm tính theo công thức sau:

CÔNG-THỨC-14

Trong đó: 

  • Ptt,Qtt: công suất tác dụng và phản kháng tính toán của trạm bơm.
  • Kdt: hệ số đồng thời, Kdt = nlv/n = số máy làm việc/tổng số máy.
  • Kt: hệ số tải của máy bơm, riêng đối với trạm bơm tiêu lấy bằng 1.

Phụ tải trường học

Để thiết kế cấp điện cho trường học cần xác định phụ tải từng phòng học, từng tầng, từng dãy nhà học và toàn trường học.

  • Phụ tải cho từng phòng học xác định theo công thức: Pp = P0*S và Qp = Pp*tgφ.  Hệ số công suất cho: đèn ống + quạt cosφ = 0,8; đèn sợi đốt + quạt cosφ = 0,9.
  • Phụ tải tính toán một tầng nhà gồm n phòng: (Kdt là hệ số đồng thời)

công-thức-15

  • Phụ tải tính toán một tầng nhà gồm m phòng:

công-thức-16

Phụ tải chiếu sáng sinh hoạt

Phụ tải tính toán cho một thôn, xóm hoặc làng được xác định: Ptt = P0*H và Qtt = Q0*H

Trong đó

  • H: số hộ dân trong làng, thôn.
  • P0: suất phụ tải tính toán cho một hộ.

Phụ tải tính toán cho xã bao gồm các thôn xóm được xác định:

CÔNG-THỨC-17

Xác định phụ tải điện khu vực công nghiệp

Trong giai đoạn dự án khả thi

Thông tin thu nhận trong giai đoạn này thường không chính xác. Để xác định phụ tải điện cho việc thiết kế, xây dựng đường dây cao áp và trạm biến áp trung gian người ta dựa vào diện tích hoặc sản lượng.

  • Xác định phụ tải điện cho khu CN, chế xuất căn cứ vào diện tích: Stt = S0*D

Trong đó: S0 suất phụ tải trên đơn vị diện tích, tùy ngành CN mà S0 chọn 100÷400(kVA/ha). D: diện tích khu CN, chế xuất (ha).

  • Đối với xí nghiệp, nếu biết sản lượng sẽ sản xuất, công thức xác định phụ tải điện như sau: Ptt = a.M/Tmax

Trong đó:

  • a: suất điện năng chi phí để sản xuất ra một đơn vị sản phẩm (kWH/sp).
  • M: sản lượng.
  • Tmax: thời gian sử dụng công suất cực đại. Tmax và a thường được tra bảng.

Trong giai đoạn xây dựng nhà xưởng

Thông tin nhận được trong giai đoạn này là công suất đặt của từng phân xưởng, diện tích của từng xưởng.

  • Phụ tải điện động lực của từng phân xưởng được xác định theo công thức: Ptt = Knc.Pd và Qtt = Ptt.tgφTrong đó:
    • Knc: hệ số nhu cầu (tra bảng).
    • Pd: công suất đặt của phân xưởng. Với. Pd =  Pdm.n
    • Pdm và n: công suất định mức của động cơ và số động cơ.
  • Phụ tải điện chiếu sáng trong phân xưởng được xác định theo diện tích: Pcs = P0.D và Qcs = Pcs.tgφ

Trong đó:D: diện tích xưởng; P0: suất chiếu sáng trên một đơn vị diện tích (W/m2). Tùy theo vị trí, mục đích sử dụng chọn P0 = 5÷30 W/m2

  • Phụ tải điện cho toàn phân xưởng: PPX = Ptt + Pcs và QPX = Qtt + Qcs
  • Phụ tải điện cho toàn xí nghiệp có n phân xưởng:

công-thức-18

Trong giai đoạn thiết kế chi tiết

Đây là công đoạn cuối cùng trong quá trình thiết kế cấp điện cho xí nghiệp công nghiệp. Ở giai đoạn này đã biết hầu hết các thông tin về đối tượng sử dụng điện.

Phụ tải tính toán xác định cho một nhóm máy, được xác định theo công thức sau:

công-thức-19

Trong đó:

  • Ptb: công suất trung bình trong thời gian khảo sát.
  • Kmax, Ksd: tra bảng.

Xác định phụ tải điện khu vực đô thị

Phụ tải điện các hộ gia đình

Các hộ gia đình là đối tượng sử dụng điện lớn nhất ở đô thị.

  • Trong giai đoạn xây dựng cơ sở hạ tầng: thông tin nhận được là mặt bằng quy
    hoạch đường phố, công thức xác định phụ tải như sau: Ptt = P0.L và Qtt = Ptt.tgφ

Trong đó: L: chiều dài đoạn phố; P0: công suất phụ tải trên một mét chiều dài.

  • Trong giai đoạn thiết kế chi tiết, thông tin nhận được tương đối chính xác, để xác định phụ tải điện có hai phương pháp tính toán:
    • Phương pháp 1: Tính phụ tải từ căn hộ rồi đến khu vực.
    • Phương pháp 2: Tính ngược lại từ khu vực rồi đến căn hộ.

Phụ tải điện các trường đại học, trung học chuyên nghiệp

Đối với khu vực giảng đường, hành chính văn phòng, phòng thí nghiệm phụ tải được xác định theo công thức: PP= P0*S với P0 = 20÷40 W/m2. Sau đó được cộng với phụ tải của xưởng điện, cơ khí, ký túc xá…ta được phụ tải cho trường học.

Các loại phụ tải khác

Các phụ tải điện khác như: khu văn phòng, khách sạn siêu thị, nhà hàng công viên được tính toán tương tự bằng cách chọn công suất phụ tải đơn vị (P0) phù hợp.

Hãy chia sẻ, nếu bạn cảm thấy bài viết có ích cho bạn bè !