Giáo trình Cung cấp điện: Phần 2 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

PHẦN II. MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP
Chương V. MẠNG ĐIỆN
V.1. Phân loại mạng điện - những yêu cầu kinh tế kỹ thuật
của mạng điện
V.1.1. Phân loại mạng điện:
Có 3 cách phân loại sau:
- Theo cấp quản lý người ta chia ra các mạng sau:
+ Mạng điện khu vực
+ Mạng điện dịa phương
+ Mạng điện đô thị
+ Mạng điện nông thôn hoặc xí nghiệp
- Theo hình dạng kêt cấu:
Ta có mạng hở, mạng kín, mạng hình tia hoặc mạng rẽ nhánh v.v …
- Theo cấp điện áp có thể chia thành:
Mạng hạ thế, mạng trung thế, mạng cao thế, mạng siêu cao thế và mạng cực
cao.
Ngồi ra cũng có thể phân thành mạng đường dây trên không, mạng cáp, mạng
một chiều, mạng xoay chiều v.v…
V.1.2. Những yêu cầu kinh tế kỹ thuật của mạng điện
- Điện áp phải phù hợp
- Cung cấp điện liên tục đầy đủ cho các loại hộ dùng điện.
- Đảm bảo chất lượng điện năng
- Kinh tế phải hợp lý.
V.2. Các loại sơ đồ cung cấp điện thông dụng
V.2.1. Mạng cao áp
Để cung cấp điện từ nguồn đến phụ tải thường sử dụng một số loại sơ đồ chính
sau đây:
- Cung cấp điện theo sơ đồ hình tia (hình V.1)

72

CDCL

CDCL

35110k
v

MCPĐ

MC

MC

MC

MCLL

MC
6-10kv

MC

MC

MC

MC

MC

MC

Hình V-1: Sơ đồ cung cấp điện hình tia
Sơ đồ hình tia là sơ đồ mà ở đó điện năng từ nguồn cung cấp truyền thẳng
đến các trạm biến áp phân xưởng. Nguồn cung cấp có thể là trạm biến áp chính,
trạm phân phối hay nhà máy điện tự dùng.
Sơ đồ hình tia có ưu điểm là nối dây rõ ràng, mỗi hộ dùng điện được cung cấp
từ một đường dây do đó chúng ít ảnh hưởng lẫn nhau. Độ tin cậy cung cấp điện
tương đối cao, dễ vận hành và bảo quản. Nhược điểm là vốn đầu tư lớn. Do vậy
nó được dùng để cung cấp điện cho các hộ dùng điện loại I, II.
- Cung cấp điện theo sơ đồ mạch vịng kín (hình V-2)

6/0,4kv
35/6kv

6/0,4kv

73


Hình V-2: Sơ đồ cung cấp điện mạch vịng kín
Trong chế độ vận hành bình thường thì vịng sẽ được hở ra tại một trạm nào đó
phía cao áp. Mỗi phụ tải được lấy trên các phân đoạn 6 kV khác nhau. Khi sự cố
một nhánh các phụ tải cần thiết sẽ chuyển sang lấy điện ở phân đoạn 6 kv còn lại.
Sơ đồ này thường dùng cung cấp điện cho các hộ dùng điện loại II,III ở các mỏ lộ
thiên.
- Sơ đồ cung cấp điện với đường dây kép chính (hình V-3)

A

A

A

Hình V-3: Sơ đồ cung cấp điện với đường dây kép chính
Ở sơ đồ này mỗi trạm được trang bị tối thiểu 2 máy biến áp, thanh cái phân
đoạn ở cả 2 cấp điện áp hoặc chỉ ở thanh cái điện áp thấp, đồng thời được cung cấp
từ hai đường dây chính.
V.2.2. Mạng điện áp thấp
Thường sử dụng các sơ đồ nối dây chính sau:
- Sơ đồ hình tia:(hình V- 4.a,b)

a- Cung cấp điện cho
các phụ tải tập trung

b- Cung cấp điện cho
các phụ tải phân tán
Hình V- 4: Sơ đồ hình tia

74


- Sơ đồ dạng phân nhánh (sơ đồ dạng trục chính). (Hình V-5. a, b)
6/0,4kv

Hình V-5: a- Sơ đồ phân nhánh có thanh cái

6/0,4kv
Hình V-5: b- Sơ đồ phân nhánh máy biến áp - trục chính

Đối với sơ đồ dạng phân nhánh, thì có nhiều điểm tiêu thụ hay nhiều điểm phân
phối được cung cấp từ các vị trí khác nhau trên trục chính này.
V. 3. Tổn thất cơng suất và tổn thất điện năng trong mạng điện
Khi truyền tải điện năng từ nguồn đến nơi tiêu thụ thì mỗi phần tử của mạng
điện do có tổng trở đều gây nên tổn thất công suất và tổn thất điện áp.
Tổn thất cơng suất gây ra tình trạng thiếu hụt điện năng tại nơi tiêu thụ, làm
tăng giá thành truyền tải điện và đưa đến hiệu quả kinh tế kém.
Tổn thất điện áp tạo nên điện áp tại các hộ tiêu thụ bị giảm thấp quá, ảnh
hưởng đến chất lượng điện.
V3.1. Tổn thất công suất trên đường dây
a. Tổn thất công suất trên đường dây có một phụ tải tập trung.
A

B

Hình V-6

75

P,Q,cos


Giả sử có một đường dây AB có tổng trở Z = R+j X dùng để cung cấp cho một
phụ tải tập trung có cơng suất (P,Q) và hệ số cơng suất cos.
Như ta đã biết: Khi có dịng điện 3 pha chạy qua dây dẫn có tổng trở Z = R+j X
thì tổn thất cơng suất tác dụng và công suất phản kháng là:
P = 3.I R =
2

S2

.R 

P2  Q2

(V-1)

.R
U2
P2  Q2
2
Q = 3.I X = 2 .X 
.X
U
U2

trong đó:

U2
S2

(V-2)

P- Tổn thất cơng suất tác dụng, [MW];
Q- Tổn thất công suất phản kháng, [MVAR];
S - Công suất biểu kiến truyền tải trên đường dây, [MVA];
U- Điện áp định mức của lưới điện,[KV];
R, X- Tương ứng là điện trở tác dụng và điện kháng của đường dây,[];

b. Tổn thất cơng suất trên đường dây có phụ tải phân bố đều

I

2

dl

1

l

I0
L

Hình V- 6
Nếu đường phân phối có phụ tải phân bố đều như đường dây chiếu sáng ngoài
đường chẳng hạn thì để tính tổn thất, ta xét một vi phân phân tố chiều dài dây dẫn
dl (như hình vẽ ) cách điểm cuối của đường dây là l thì tổn hao cơng suất trên nó là
dP được xác định theo công thức:
dP = 3.(I0l)2dr = 3. (I0l)2 r0dl;
(V-3)
với: I0 = I/L thì
L

P = 3.  I 0 l 2 .r0 .dl = I 02 . r0 .L3;

(V-4)

0

hay

P =(I0 L )2. r0 L = I2.R
(V-5)
Rõ ràng tổn thất trên đường dây có phụ tải phân bố đều, bé hơn 3 lần tổn thất
trên đường dây có phụ tải tập trung nhưng đặt ở cuối đường dây.

76


V.3.2. Tổn thất công suất trong máy biến áp
(chủ yếu khảo sát trong máy biến áp hai cuộn dây)
Tổn thất công suất trong máy biến áp bao gồm tổn thất không tải (tổn thất trong
lõi thép hay tổn thất sắt từ) và tổn thất có tải (tổn thất trong dây quấn hay tổn hao
đồng).
* Thành phần tổn thất trong lõi thép không thay đổi khi phụ tải thay đổi và bằng
tổn thất khơng tải.
S0 = P0+j Q0;
(V-6)
với
do đó :
trong đó:

I 0 %.Sdm
;
100
I %.S
S0 = P0+j 0 dm ;
100

Q0=

(V-7)
(V-8)

P0 = PFe- Tổn thất cơng suất tác dụng khơng tải chính bằng tổn thất
công suất tác dụng trong lõi thép.
*Tổn thất công suất trong máy biến áp khi mang tải là định mức:
- Tổn thất công suất tác dụng trong các cuộn dây khi tải là định mức:
Pcd đm= Pk;
- Tổn thất công suất phản kháng trong các cuộn dây khi tải là định mức:
Qcd đm= Qk=

U pk %.S dm
100

;

(V-9)

trong đó:
Upk%- Thành phần điện áp phản kháng của điện áp ngắn mạch, %
- Đối với máy biến áp có cơng suất Sđm  1000 KVA do xba  rba thì tổn thất
cơng suất phản kháng định mức trong dây quấn máy biến áp được xác định:
Qcd đm=

U N %.Sdm
;
100

(V-10)

Vì khi máy biến áp làm việc thì phụ tải của máy biến áp (S pt) thường khác với
dung lượng định mức của máy biến áp, nên khi xác định tổn thất trong máy biến áp
cần chu ý đến hệ số mang tải:
kmt= Spt/ Sđm = Ipt/ Iđm;
(V-11)
Khi đó tổn thất trong các cuộn dây là:
Scuộndây = k mt2 .Pk+j k mt2

U pk %.S dm
100

;

(V-12)

- Do vậy, tổn thất công suất trong máy biến áp khi phụ tải bất kỳ sẽ được xác
định theo công thức:
ST = ( P0 + k mt2 .Pk)+j (
Vậy:
với :

U pk %.S dm
I 0 %.Sdm
+ k mt2
);
100
100

ST = PT+j QT;
PT = P0 + k mt2 .Pk;

QT = Q0 + k mt2 .Qk;
77

(V-13)
(V-14)
(V-15)
(V-16)


V.3.3. Tổn thất điện năng trên đường dây và máy biến áp
a. Xác định thời gian sử dụng công suất lớn nhất Tmax và thời gian chịu tổn
thất công suất lớn nhất  .
Điện năng tiêu thụ phụ thuộc vào phụ tải và thời gian vận hành. Song trong quá
trình vận hành, phụ tải ln biến đổi, vì vậy để thuận tiện trong q trình tính tốn
người ta giả thiết phụ tải luôn không thay đổi và bằng phụ tải lớn nhất. Do vậy thời
gian dùng điện lúc này là thời gian tuơng đương về phưong diện tiêu thụ điện năng.
Với giả thiết như trên thì thời gian dùng điện ở phụ tải lớn nhất này (thường
lấy bằng phụ tải tính tốn ) đựơc gọi là thời gian sử dụng công suất lớn nhất, ký
hiệu là Tmax.
Từ đồ thị vẽ đường cong phụ tải hình V-7, ta định nghĩa:
I

I2(t)

I(t)

2
I tbbp
2
I max

Imax

0

t



Tmax

t

Hình V-7
t 8760 h

Imax.Tmax=

t 8760 h

 It .dt

 Tmax=

0

 It .dt
0

I max

;

(V-17)

Vậy: Nếu ta giả thiết rằng ta luôn sử dụng phụ tải lớn nhất và khơng đổi thì thời
gian cần thiết Tmax để cho phụ tải đó tiêu thụ một lượng điện năng bằng lượng điện
năng do phụ tải thực tế ( biến thiên) tiêu thụ trong một năm làm việc được gọi là
thời gian sử dụng công suất lớn nhất.
Đối với xí nghiệp làm việc một ca: Tmax= 1500  2000 h
Đối với xí nghiệp làm việc hai ca: Tmax= 3000  4500 h
Đối với xí nghiệp làm việc ba ca: Tmax= 5000  7000 h
+ Thời gian chịu tổn thất công suất lớn nhất  là thời gian nếu trong đó mạng điện

78


mang tải lớn nhất sẽ gây ra một tổn thất điện năng đúng bằng tổn thất điện năng
thực tế trên mạng điện trong một năm.
Cũng từ đồ thị trên ta định nghĩa:
t 8760 h
2

=

 I t .dt
0

I 2 max

;

(V-18)

từ  ta có thể xác định dịng điện trung bình phương I tbbp. Dịng điện trung bình
bình phương được xác định như sau:
t 8760 h
2
2
I tbbp
.t 

t 8760h
2

 I t .dt

, do đó : I tbbp 

0

 I t .dt
0

t  8760h

;

(V-19)

từ trên ta cũng có:
2
2
I max
.  I tbbp
.t ;

vậy:



;
 I max .
t
8760

I tbbp  I max .

(V-20)
(V-21)

trị số  có thể xác định theo đồ thị quan hệ: từ  = f(Tmax,cos ) như hình vẽ:


cos = 0,7
cos = 0,8

3
2
1

cos =1
Tmax

Hình V- 8
Và cũng có thể xác định theo công thức kinh nghiệm của Kezevit sau:
 = (0,124+ Tmax.10-4)2.8760.

(V-22)

b. Tổn thất điện năng trên đường dây và trong máy biến áp.
* Tổn thất điện năng trên đường dây:
Tổn thất điện năng trên đường dây đựơc xác định như sau:
Add= Pdd.  , [kW.h];

(V-23)

trong đó:
Pdd- Là tổn thất cơng suất lớn nhất trên đường dây với phụ tải tính tốn.
 - Thời gian chịu tổn thất công suất lớn nhất.
79


* Tổn thất điện năng trong máy biến áp:
- Đối với trạm biến áp có một máy biến áp thì tổn thất điện năng được xác
định theo công thức:
S pt max

AT = P0.t + Pk(

S dm

)2.  , [kw.h];

(V-24)

nếu máy biến áp làm việc liên tục trong một năm t =8760h;
- Đối với trạm biến áp có n máy biến áp giống nhau làm việc song song thì tổn
thất điện áp đựợc tính theo cơng thức:
AT = n.P0.t +

S pt max 2
1
Pk(
) .  , [kW.h];
n
S dm

(V-25)

với t- Thời gian vận hành thực tế của máy biến áp, h;
nếu bình thường máy biến áp ln đóng vào mạng thì t = 8760 h.
- Khi biết đồ thị phụ tải, để giảm tổn thất điện năng người ta thường thay đổi số
lượng máy biến áp tuỳ theo mức phụ tải (như hình vẽ) lúc ấy tổn thất diện năng của
trạm trong một năm được xác định:
m

m

i 1

i 1

S
1
.( i )2.ti , [kW.h];
ni S dm

AT = P0.  ni .t i + Pk. 

(V-26)

ở đây: Số máy biến áp làm việc trong thời gian ti

S1

S(kvA)
t1
t

S2

2

S3

t
3

0

8760

t(h)

Hình V- 9
V.4. Tính tốn tổn thất điện áp trong mạng điện
V.4.1. Tổn thất điện áp trên đường dây 3 pha có một phụ tải tập trung.
Giả thiết mạng điện làm việc ở chế độ đối xứng, do đó ta có thể tách một pha
ra để nghiên cứu. Trên hình vẽ biểu diễn một đường dây có tổng trở Z = R+j X[]
và một phụ tải tập trung đặt ở cuối đường dây S = P+j Q[KVA], và đồ thị véc tơ
điện áp của đường dây nêu trên.
Z=R+jX
U2
U1
i , cos
S = P+j Q

80


Hình V-10
Đồ thị véc tơ điện áp:

U1
1

c

Iz



0
I

2

f

Ix d

b

2

a

U2

Ir

U

U

Tổn thất điện
áp
Hình V-11
Véc tơ oa biểu diễn điện áp U2 ở cuối đường dây. Góc 2 tương ứng với cos2

của phụ tải hộ tiêu thụ. Tổn thất điện áp trên đường dây sẽ xác định bằng tam giác
tổn thất điện áp abc, ở đây véc tơ ab trùng pha với véc tơ dòng điện i và là tổn thất
điện áp trên điện trở của đường dây, còn véc tơ bc là tổn thất điện áp trên điện
kháng của đường dây, véc tơ ac biểu diễn tổn thất điện áp tổng trên đường dây. Đó
là hiệu của hai véc tơ ở đầu và cuối đường dây, tức là:
(V-27)
U p  U p1  U P 2 ;
đoạn ad là hình chiếu của véc tơ tổn thất điện áp tổng trên trục của U 2được gọi là
thành phần tổn thất điện áp dọc trục. Đối với lưới điện công nghiệp khi điện áp chỉ
đến 35 kV thì góc  giữa U1và U2 rất bé. Do vậy tổn thất điện áp tổng có thể lấy
gần đúng bằng thành phần tổn thất điện áp dọc trục này để tính tốn chọn tiết diện
dây dẫn.
Như vậy, một cách gần đúng về giá trị ta có:
ở đây:

U= ad = af+fd và 1 2=  (vì  rất bé )
af = I.R.cos ; fd = I.X.sin

Vậy tổn thất điện áp dây sẽ là:
U = 3 .U= 3 .( I.R.cos + I.X.sin ),V
hay
U =

P.R  Q.X
,V
U dm

để dễ so sánh ta thường tính theo trị số phần trăm so với định mức:

81

(V-28)


U% =

P.R  Q. X 100
.
;
2
1000
U dm

(V-29)

trong đó:
P,Q - Là phụ tải tác dụng và phụ tải phản kháng của đường dây
[kW],kVAR];
R,X- Là điện trở và điện kháng của đường dây []
Uđm- Điện áp định mức của lưới điện[kV];
Yêu cầu: Phải đảm bảo đường dây làm việc bình thường, tức là:
U%  Ucp%, đối với điện áp cao hơn 35 kV, ta phải xét đến thành phần tổn
thất điện áp ngang trục:
P. X  Q.R
,
U dm

U  3.U P  3 .( I.X.cos - I.R.sin ) =

do vậy:

.

 U  U  j.U ;

(V-30)

điện áp dây ở đầu và cuối đường dây (tính bằng kV) trong thực tế bằng cơng thức:
2

2


P .R  Q 2 .X   P2 .X  Q 2 .R 
  
 ;
U1   U 2  2
U2
U2

 


(V-31)

V.4.2. Tổn thất điện áp trên đường dây 3 pha có nhiều phụ tải tập trung
P1+j Q1

1

P2+j Q2

2

0
r1, x1 I1

r2, x2

I2

i1, cos1

i2, cos2

Hình V-12
Trên hình vẽ trình bày đồ thị véc tơ điện áp của đường dâycó hai phụ tải tập
trung i1và i2. Điện áp ở cuối đường dây của phần tử thứ 2 ký hiệu là U2, còn ở cuối
phần tử thứ nhất là U1, điện áp đầu tuyến đường dây là U.
UpA
U1
e
2
0

2

c

d

b’

i1

i2= I2

1

I1



c d

a

1

b

U2

82

’

U

’

U


Hình V-13
Giá trị tổn thất điện áp chung chính là tổng tổn thất điện áp ở cả 2 phần. Do đó
ta có:
U= I2.r2.cos2 + I2.x2.sin2 + I1.r1.cos1 + I1.x1.sin1, V; (V-32)
Vì vậy, đối với đường dây có nhiều phụ tải tập trung i1, i2,..,in thì ta sẽ có tổn
thất điện áp trên toàn bộ đường dây của lưới là:
n

U = 3 .U= 3 .  ( Ii.ri.cosi + Ii.xi.sini ),V;

(V-33)

i 1

hay:

U =

1
U dm

n

 Pi ri  Qi x i  ,V

(V-34)

i 1

Để so sánh, ta thường tính theo phần trăm so với định mức, do vậy:
U% =

100
2
1000.U dm

n

 Pi ri  Q i x i  ,

(V-35)

i 1

trong đó:
Pi , Qi- Công suất chạy trên đoạn thứ i [kW, kVAR];
ri, xi - Điện trở và điện kháng của đoạn dây thứ i []
Uđm- Điện áp dây định mức của lưới điện[kV];
Nếu tính tổn thất điện áp khơng xuất từ dịng điện chạy trên đường dây (I1,
I2,..., In) mà theo dòng điện phụ tải: i1, i2,.., in thì ta sẽ được:
n

U = 3 .  ( ii.Ri.cosi + ii.Xi.sini ),V

(V-36)

i 1

Nếu tính theo phần trăm so với định mức, ta được:
U% =

n

100
2
1000.U dm

 p i R i  q i X i  ,

(V-37)

i 1

trong đó:
pi , qi- Cơng suất của phụ tải tại điểm đấu thứ i[kW, kVAR];
Ri, Xi - Điện trở và điện kháng của đường dây kể từ đầu nguồn đến điểm thứ i
[]
Uđm- Điện áp dây định mức của lưới điện[kV];
V.4.3. Trường hợp đặc biệt
a. Nếu đường dây đồng nhất: Tức là đường dây có các đoạn dây dẫn cùng loại,
cùng tiết diện, cùng cách lắp đặt (có r0 ,x0 như nhau). Khi đó tổn thất điện áp trên
sẽ là:

83


U% =

100. 3
.
U dm

n



( ii.Ri.cosi + ii.Xi.sini ),

(V-38)

i 1

do r0 và x0 của các đoạn dây như nhau nên:
U% =

100. 3
.
U dm

U% =

hay:

n



( ii.r0.Li .cosi + ii.x0.Li .sini ),

(V-39)

i 1

n
100. 3
. ( r0.costb + x0.sintb ).  ii.Li ;
U dm
i 1

(V-40)

trong đó:
ii =
nên ta có:

U% =

10 3.10 2
2
U dm
cos  tb

p i .10 3
3.U dm . cos  tb

;

(V-41)
n

. ( r0.costb + x0.sintb ).  pi.Li ;

(V-42)

i 1

Nếu: Điện trở và điện kháng (r0,x0) trên một đơn vị chiều dài của dây dẫn
[/km]
pi- Công suất của phụ tải thứ i [kW];
Li- Chiều dài dây dẫn từ đầu nguồn đến phụ tải thứ i[km];
Uđm - Điện áp dây định mức [kV];
Thì ta có:
U% =

n

100
2
1000.U dm
cos  tb

. ( r0.costb + x0.sintb ).  pi.Li ;

(V-43)

i 1

trong đó:
cos  tb 

 Pi . cos i ;
 Pi

(V-44)

b. Nếu đường dây cung cấp cho phụ tải có cos = 1(đèn sợi đốt ,lị điện trở,..)
hoặc nếu đường dây cáp ở mạng điện áp thấp có (r0x0) thì khi tính tổn thất điện
áp ta có thể bỏ qua thành phần điện kháng, khi đó:
U% =

n
100
.
r
.
pi.Li
0

2
1000.U dm
i 1

(V-45)

V.4.4. Tổn thất điện áp trên đường dây 3 pha có phụ tải phân bố đều.
a. Trong thực tế ta có thể gặp một số đường dây có phụ tải phân bố đều
(như hình vẽ)

dl
P0
l
L

84


Hình V-14
Ở đó p0 là cơng suất trên một đơn vị chiều dài. Tại một tiết diện cách đầu cuối
của đường dây là l sẽ có một lượng cơng suất p 0.l đi qua. Giả thiết đường dây có r0,
thì vi phân chiều dài dl sẽ có một điện trở là r0.dl.
Tổn thất điện áp trên một đoạn vi phân chiều dl sẽ là:
dU 

p 0 .l.r0 .dl
,
U dm

(V-46)

Tổn thất trên toàn bộ đường dây là:
L

L

r .p
U   dU   0 0 .l.dl 
U dm
0

0

Tương tự khi phụ tải là q0 ta sẽ có: U 

r0 .L
2  P.R ;
U dm
2.U dm

p 0 .L.

(V-47)

Q.X
. Do vậy, với phụ tải S0 phân bố
2.U dm

đều (S0=S/L) thì tổn thất điện áp trên đường dây là:
U 

P.R  Q.X
;
2.U dm

(V-48)

Từ đây ta có nhận xét là: Tổn thất điện áp trên đường dây có phụ tải phân bố
đều sẽ bằng một nửa tổn thất điện áp trên đường dây có phụ tải tập trung ở cuối
đường dây.
b- Nếu trên đường dây chỉ có những đoạn mà phụ tải phân bố đều (như

hình vẽ).
L2

L

L1

pi

pi
P1

P=pi

P2

Hình V-15
Khi đó, ta có thể coi các phụ tải phân bố đều tương đương với một phụ tải tập
trung đặt tại điểm giữa các đoạn có phụ tải phân bố đều và có trị số bằng tổng các
phụ tải tập trung.
V.4.5. Mạng chiếu sáng

85


Nếu trên đường dây trang bị các đèn chiếu sáng loại dây tóc (cos = 1) thì
đường dây này được coi là bỏ qua điện kháng của đường dây. Tổn thất điện áp trên
đường dây sẽ được tính theo cơng thức:
U% =

n

100
2
1000.U dm

. r0.  pi.Li

(V-49)

i 1

Nếu thay: r0=1/ .F với  = 1/  - Gọi là điện dẫn xuất của vật liệu làm dây dẫn
- Đối với vật liệu bằng đồng cu = 53[m/.mm2];
- Đối với vật liệu bằng nhôm Al = 32[m/.mm2];
F- Tiết diện của dây dẫn mm2;
n

 p .L
i 1

i

i

= M - Gọi là mô men phụ tải [kW.m]

Uđm - Điện áp dây định mức của mạng tính bằng (v) thì cơng thức trên có thể
viết:
100

U% =

1000.

Nếu đặt: c =

 .U
10

2
dm
5

2
U dm
2

.

M
;
.F

(V-50)

1000

và U% = [Ucp%] thì từ biểu thức trên ta tính được tiết diện

dây dẫn thoả mãn điều điều kiện tổn thất điện áp là:
F

M
, mm2
c.[U cp %]

(V-51)

V.4.6. Tổn thất điện áp trong máy biến áp
Tương tự như trường hợp tính tổn thất điện áp trên đường dây có phụ tải tập
trung, tổn thất điện áp trong máy biến áp là:
UT% =

P.R  Q.X 100
;
.
2
1000
U dm

(V-52)

trong đó:
P, Q - Cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng do máy biến áp truyền
tải [kW, kVAR];
R, X - Là điện trở và điện kháng của máy biến áp [];
V.5. Các phương pháp lựa chọn dây dẫn, cáp trong mạng điện
Dây dẫn và cáp thường được chọn theo 2 điều kiện chủ yếu sau đây:
- Lựa chọn dây dẫn và cáp theo điều kiện dịng nung nóng cho phép

- Lựa chọn dây dẫn và cáp theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép
Khi lựa chọn dây dẫn và cáp có thể dựa vào một trong 2 điều kiện trên và kiểm
tra theo điều kiện còn lại. Ngồi ra, cịn có thể chọn dây dẫn và cáp theo mật độ
dòng điện kinh tế của mạng điện.

86


V.5.1. Lựa chọn dây dẫn và cáp theo điều kiện dịng nung nóng cho phép
Khi có dịng điện chạy qua dây dẫn hoặc dây cáp thì dây dẫn sẽ bị nóng nên,
nếu nhiệt độ của dây dẫn hoặc cáp quá cao có thể làm cho chúng bị hư hoặc giảm
tuổi thọ. Mặt khác, độ bền cơ học của kim loại dẫn điện cũng bị giảm xuống. Do
vậy nhà chế tạo qui định nhiệt độ cho phép đối với mỗi loại dây dẫn và cáp.
Do đó tiết diện dây dẫn và cáp được chọn phải thoả mãn điều kiện sau:
k1.k2.Icp  Ilvmax
(V-53)
trong đó:
Ilvmax- Dịng làm việc cực đại của dây dẫn.
Icp- Dòng cho phép ứng với dây dẫn chọn.
K1- Là hệ số kể tới nhiệt độ môi trường làm việc của dây dẫn và cáp khác với
nhiệt độ tiêu chuẩn +250C và mặt đất là +150C
K2- Là hệ số kể tới số lượng cáp đặt cùng trong một rãnh.
Dòng điện cho phép Icp là dịng điện lớn nhất có thể chạy qua dây dẫn trong
thời gian không hạn chế và không làm cho nhiệt độ của nó vượt quá trị số cho
phép.
V.5.2. Lựa chọn dây dẫn và cáp theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép
Đối với mạng trung và hạ áp do trực tiếp cung cấp điện cho các phụ tải điện
nên vấn đề đảm bảo điện áp rất quan trọng.
Vì vậy người ta lấy điều kiện tổn thất điện áp làm điều kiện đầu tiên để chọn
tiết diện dây dẫn và cáp. Sau đó kiểm tra lại theo điều kiện dịng nung nóng cho

phép.
Điều kiện tổn hao điện áp cho phép là:
Umax%  Ucp%
(V-54)
trong đó:
Ucp%- Là tổn thất điện áp cho phép (5% hoặc 2,5% tuỳ thuộc vào loại phụ
tải)
Umax%- Tổn thất điện áp lớn nhất trong mạng.
a. Xác định tiết diện dây dẫn khi toàn bộ đường dây cùng một tiết diện
Ta xét một mạch điện đơn giản như hình vẽ:
P1 - j Q1

a

P2 - j Q2

b

0
pa- j qa

pb- j qb

Hình V-15
Theo cơng thức tính tổn thất điện áp trên đường dây ta có:
U =

1
U dm

n

 Pi ri  Qi x i  ,v
i 1

nếu toàn bộ đường dây cùng một tiết diện, cùng một vật liệu:
87

(V-55)


n

U 

r0  Pi .l i
i 1

U dm

n



x 0 . Q i .l i
i 1

;

(V-56)

= U’ + U”;

(V-57)

U dm

hay:
n

U 

r0  pi .Li
i 1

U dm

n



x0 . qi .Li
i 1

U dm

trong đó:
U’- Tổn thất điện áp do cơng suất tác dụng và điện trở của đường dây gây lên.
U” - Tổn thất điện áp do công suất phản kháng và điện kháng của đường dây
gây lên.

Trong biểu thức trên nếu biết được x0, ta sẽ tính được thành phần tổn thất điện
áp U” nhờ biểu thức:
n

n

U =
”

x0 . Qi .li
i 1

U dm

, hay U =
”

x 0 . q i .L i
i 1

U dm

(V-58)

Giá trị điện kháng trên một km đường dây x 0 nói chung ít thay đổi dù dây lớn
hay bé (x0= 0,3  0,43 /km) do vậy có thể lấy một trị số trung bình nào đó để tính
tốn U”. Đối với đường dây cao thế trên khơng thì x 0 trung bình có thể lấy bằng
0,35  0,4 /km. Đối với đường dây hạ áp trên khơng thì x0 trung bình có thể lấy
bằng 0,25 /km, cịn đối với đường dây cáp thì x0 = 0,07 /km.
Trị số tổn thất điện áp cho phép Ucp từ nguồn đến phụ tải xa nhất đã cho theo

yêu cầu của mạng điện. Do vậy ta tính U’ theo cơng thức:
U’ = Ucp - U”;
(V-59)
n

biết: U ' 

r0  p i .L i
i 1

U dm

thay r0 =1/F với  - điện dẫn suất của vật liệu làm dây dẫn.

Do vậy, ta tính được tiết diện F như sau:
n

F

 p i .L i
i 1

'

.U .U dm

n

, hay

F

 Pi .l i
i 1

.U ' .U dm

(V-60)

Căn cứ vào trị số tính tốn F, ta tra bảng chọn tiết diện dây dẫn tiêu chuẩn gần
nhất. Đồng thời xác định được r0 và x0 ứng với dây dẫn đã chọn, tính lại tổn thất
điện áp sau cùng so sánh với Ucp. Nếu chưa đạt yêu cầu, ta hãy tăng một cấp và
tính lại.

88


b. Xác định tiết diện dây dẫn theo mật độ dịng khơng đổi
Khi xây dựng đường dây cùng một tiết diện trên tồn bộ chiều dài của nó sẽ
đưa đến việc sử dụng một khối lượng kim loại màu lớn. Do đó, nếu thời gian sử
dụng cơng suất cực đại Tmax là lớn, thì đối với mạng điện trung và hạ áp ta nên
chọn dây dẫn theo mật độ dòng khơng đổi. Lúc đó tổn thất cơng suất và điện năng
sẽ bé nhất.
Ta xét đường dây có hai phụ tải như hình vẽ:
l1, F1

l2, F2

a

0

pa- j qa

b

pb- j qb

Hình V-16
Ta biết:
U’ = Ucp - U”;
Cho x0 một giá trị tuỳ ý trong khoảng giá trị của nó, ta tính được thành phần
tổn thất U” theo công thức:
n

x 0 . Q i .l i

U” =

i 1

U dm

,

với đường dây có hai phụ tải như trên ta có:
U '  U 'oa  U 'ab 

3.I1.l1. cos 1
3.I 2 .l 2 . cos  2


;
.F1
.F2

(V-61)

trong đó: cos1, cos2- Là hệ số cơng suất trên đoạn oa và ab của mạng đang xét.
Ta có định nghĩa về mật độ dịng điện J = I/ F, các đoạn dây đều chọn theo mật
độ dòng điện khơng đổi, nên ta có:
J

I1 I 2

,
F1 F2

(V-62)

Vậy:
U ' 

3
J.l1. cos 1  J.l 2 . cos  2 


(V-63)

Từ đây ta rút ra được:
J

 .U '
3.l1 . cos  1  l 2 . cos  2 

(V-64)

Một cách tổng quát, đối với mạng điện có n phụ tải, thì mật độ được tính như
sau:

89


 .U '

J

(V-65)

n

3. li . cos  i
i 1

trong đó:
li và cosi - Là chiều dài và hệ số công suất của đoạn thứ i
Từ đây, ta xác định được tiết diện của đoạn dây dẫn thứ i cần chọn là:
Fi = Ii/ J
(V-66)
Cuối cùng, ta tra bảng chọn tiết diện tiêu chuẩn và kiểm tra lại theo điều tổn
hao điện áp cho phép, nếu không thoả mãn ta cần tăng tiết diện của dây dẫn nên

một cấp.
c. Xác định tiết diện dây dẫn theo điều kiện phí tổn kim loại màu ít nhất.
Khi xây dựng một đường dây, để hợp lý ta nên chọn mỗi đoạn một tiết diện
khác nhau, tất nhiên phải đảm bảo được tổn thất điện áp trên đường dây đó phải
bé hơn tổn thất điện áp cho phép. Do vậy ta sẽ giảm được tiêu tốn khối lượng kim
loại màu.
Ta xét đường dây cung cấp cho hai phụ tải a,b như hình vẽ:
P2

a

P1

b

0

r1, l1

r2, l2
pa- j qa

pb- j qb

Hình V-17
Tổn thất điện áp cho phép từ 0 đến điểm cuối b là Ucp ta chọn x0[/km]
một giá tuỳ ý, ta tính được U” và U’ = Ucp - U”.
trong đó:
U’ - Là tổn thất cơng suất do công suất tác dụng và điện trở gây ra trên hai
đoạn oa và ab.

(V-67)
U '  U 'oa  U 'ab
'
'
nếu ta biết U oa và U ab thì ta sẽ tìm được Foa và Fabtheo hai biểu thức sau:
Foa 

Fab 

P1 .l1
.U 'oa .U dm
P2 .l 2

.U 'ab .U dm



;



P2 .l 2



. U  U 'oa .U dm

Khối lượng kim loại màu trên toàn bộ đường dây ab:
V=3.(Foa.l1+Fab.l2)

90

(V-68)

(V-69)

(V-70)


hay:
3
V
.U dm

 P1.l12
P2 .l 22


 U '
U 'ab
oa


2



P2 .l 22
  3  P1 .l1 
 ; (V-71)

'
' 
  .U dm  U '
U  U oa 
oa



Điều kiện để chi phí kim loại màu bé nhất là dậo hàm của Vtheo biến U oa' rồi
cho bằng không. Sau khi biến đổi và thay thế ta được:
Fab 
Foa 

P2
.U dm .U '
P1
.U dm .U '

. l1 p1  l 2 P2





(V-72)





(V-73)

. l1 p1  l 2 P2

Dựa vào tiết diện tính tốn, tra bảng tiết diện tiêu chuẩn, đối với dây dẫn đầu
do công suất truyền tải lớn nên chọn tiết diện gần nhất lớn hơn tiết diện tính tốn.
cịn đối với đoạn dây dẫn cuối nguồn nên chọn tiết diện tiêu chuẩn gần nhất bé
hơn tiết diện tính toán. Cuối cùng, cần kiểm tra xem tổn thất điện áp trên đường
dây có bé hơn tổn thất điện áp cho phép khơng.
V.6. Tính tốn mạng cáp hạ áp khu vực
Việc tính tốn mạng cáp cho khu vực hạ bao gồm các cơng việc sau:
- Tính chọn cáp để đảm bảo theo điều kiện dịng nung nóng cho phép, điều
kiện độ bền về cơ học, điều kiện tổn hao điện áp cho phép. Sau đó kiểm tra theo
điều kiện khởi động của động cơ có cơng suất lớn nhất và xa nhất.
- Chọn mã hiệu cáp để đảm bảo điều kiện vận hành an tồn trong mơi
trường tuỳ theo mỏ. Đối với cáp cao áp 6kv ngoài việc chọn tiết diện và mã hiệu
cáp đảm bảo các điều kiện trên còn cần chọn thêm theo hai điều kiện nữa:
- Lựa chọn cáp theo điều kiện kinh tế.
- Lựa chọn cáp theo điều kiện ổn định nhiệt.
V.6.1. Lựa chọn cáp theo điều kiện theo điều kiện dịng nung nóng cho phép
Điều kiện chọn tương tự như ở phần lựa chọn dây dẫn và cáp.
Vì mỗi một tiết diện của cáp chỉ có thể đảm bảo được điều kiện vận hành an
tồn với điều kiện có một dịng điện nhất định đi qua. Nếu chọn cáp khơng đúng
dịng vượt q giá trị định mức sẽ khơng đảm bảo điều kiện dịng nung nóng tức là
cáp sẽ chóng bị già hố cách điện làm giảm tuổi thọ, cịn chọn dịng q nhỏ sẽ
khơng thoả mãn điều kiện kinh tế.
Trong một số trường hợp dịng tính tốn được tính như sau:
- Khi đường dây cung cấp cho một phụ tải thì dịng tính tốn được lấy bằng
dòng định mức của phụ tải:
Itt = Iđm =

Pdm .10 3
3.U dm . dm . cos  dm

,A

trong đó:
Pđm- Cơng suất định mức của phụ tải [kW];
91

(V-74)


Uđm- Điện áp định mức của mạng [V];
d - Hiệu suất định mức của phụ tải;
cos - Hệ số công suất của phụ tải;
- Khi đường dây cung cấp cho nhiều phụ tải
Itt =

k yc . Pdmi .10 3

3.U dm . cos  tb

,A

(V-75)

trong đó:
Pđmi- Cơng suất định mức của phụ tải thứ i [kW];
Uđm - Điện áp định mức của mạng [V];

kyc - Là hệ số yêu cầu;
costb - Hệ số cơng suất trung bình của các phụ tải;
V.6.2. Lựa chọn cáp theo độ bền cơ học
Theo điều kiện này các loại cáp được chọn phải đảm bảo độ bền cơ học.
người ta qui định tiết diện của các loại cáp nhỏ nhất để đảm bảo độ bền cơ học
như sau:
Đối với các loại cáp cung cấp cho các máy móc thiết bị nằm ở trên xe lăn yêu
cầu có tiết diện tối thiểu khơng nhỏ hơn 10 mm2, cịn đối với các loại thiết bị máy
móc di chuyển theo chu kỳ tiết diện tối thiểu của cáp không nhỏ 16 mm2.
V.6.3. Tính tốn mạng điện theo điều kiện tổn hao điện áp cho phép
Trong quá trình làm việc nếu điện áp trên các cực của phụ tải (MBA, động
cơ điện, thiết bị chiếu sáng …) sai lệch quá nhiều so với định mức, sẽ ảnh hưởng
đến khả năng làm việc.
Trong ngành công nghiệp mỏ, phụ tải điện chủ yếu là các động cơ không
đồng bộ, chúng rất nhạy với sự dao động của điện áp. Vì mơ men quay tỉ lệ với
bình phương của điện áp. Khi tăng điện áp so với định mức, công suất phản kháng
của động cơ không đồng bộ tăng, làm cho hệ số cơng suất cos giảm và do đó tổn
hao trong mạng điện tăng.
Các phụ tải thắp sáng đặc biệt rất nhạy với dao động điện áp. Nếu điện áp
tăng 10% so với định mức thì tuổi thọ của bóng đèn sợi đốt giảm đi 74%, còn nếu
điện áp giảm 5% so với định mức thì quang thơng giảm cịn 82,5%.
Trong thực tế vận hành, việc đảm bảo giá trị định mức trên cực phụ tải là khó
có khả năng hoặc khơng hợp lý về kinh tế, vì thế trong mạng điện hạ áp độ lệch
điện áp cho phép trên cực phụ tải là + 10% và - 5% so với định mức. Từ đó tổn
hao điện áp cho phép trong mạng hạ áp (từ máy biến áp đến cực phụ tải )là:
Ucpm = Uđba - 95% Uđm
(V-76)
trong đó:
Uđba - Điện áp định mức phía thứ cấp của máy biến áp khi khơng tải, với
mạng điện 380v thì :

Ucpm = 400 - 0,95.380 = 39V

92


Tổn hao điện áp trong mạng hạ áp bao gồm:tổn hao trong cuộn dây thứ cấp
của máy biến áp (Uba) và tổn hao điện trong dây dẫn.
Do đó để tính toán mạng điện theo điều kiện tổn hao điện áp, cần phải xác
định giá trị tổn hao điện áp cho phép trên dây dẫn (Ucp)theo biểu thức:
Ucp = Ucpm- Uba
(V-77)
Tổn hao điện áp trong máy biến áp có thể xác định dựa trên đồ thị véc tơ của
máy biến áp.
 c
U0
f
0


I2

a

U2

b
U

e
k

d

Tổn thất điện áp
Hình V-18: Đồ thị véc tơ điện áp của máy biến áp.
trong đó:
.

U 2 - Véc tơ điện áp thứ cấp MBA;
.

I 2 và  - Dòng và góc lệch pha trong mạch thứ cấp của máy biến áp;

r2 và x2 - Điện trở và điện kháng cuộn thứ cấp của MBA;
.

.

do góc lệch pha giữa các véc tơ điện áp U 0 và U 2 không đáng kể nên gần đúng có
.

thể coi tổn hao điện áp chính là đoạn ac nên véc tơ điện áp U 2 , nghĩa là:
Uba = U0- U2 = ae = af +fe
(V-78)
hay:
Uba = 3 .( I2.r2.cos + I2.x2.sin ),
(V-79)
Sau khi biến đổi có:
Uba% = (ua. costb+up.sintb),
(V-80)

trong đó:
 - Là hệ số mang tải của máy biến áp, ( = Stt/Sđm)
ua = (Pn/Sđm).100% - Thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch máy
biến áp;
Pn - Tổn hao công suất ngắn mạch của MBA khi tải định mức, kW;
Sđm - Công suất định mức của máy biến áp, kVA;
Up% = U N %2  U a %2  - Thành phần phản kháng của điện áp ngắn
mạch MBA;
Un - Điện áp ngắn mạch của máy biến áp, %
costb - Hệ số cơng suất trung bình thực tế của các phụ tải đấu vào MBA.

93


Khi tính tổn hao điện áp trên đường dây tải điện, có thể xác định điện trở và
điện kháng theo các công thức sau:
- Điện trở dây dẫn
r = .l/S
trong đó:
 - Điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn, .mm2/m
l- Chiều dài dây dẫn, m
S - Tiết diện dây dẫn, mm2
- Điện kháng của dây dẫn
xdd = x0. l
trong đó:
x0 - Điện kháng của 1 km chiều dài đường dây, /km
l- Chiều dài dây dẫn, km
a. Tính mạng theo điều kiện tổn hao điện áp cho phép lúc làm việc bình
thường
Trạng thái làm việc bình thường của mạng được xem là trạng thái tất các phụ

tải đang làm việc bình thường mà khơng ở trong chế độ khởi động.
Điều kiện tổn hao điện áp cho phép trong mạng là:
U = Uba+ Ucc+ Ucm Ucp
(V-81)
trong đó:
Uba- Tổn thất điện áp trong MBA, V
Ucc- Tổn thất điện áp trong cáp chính, V
Ucm- Tổn thất điện áp trong cáp mềm, V
Ucp- Tổn thất điện áp cho phép trong mạng, V
Ucp= 5%.Uđm
Uđm- Điện áp định mức của phụ tải, V
Sau khi xác định được tổn hao điện áp trong MBA (Uba%) thì tổn hao điện áp
trong MBA được xác định:
Uba= Uba%.

U dtc
100

(V-82)

trong đó:
Uđtc - Điện áp định mức phía thứ cấp của MBA khi khơng tải
Từ đó ta có:
Ucc+ Ucm= Ucp- Uba
(V-83)
Thơng thường chọn tiết diện cáp mềm Scm cung cấp cho động cơ có cơng suất
lớn nhất và xa nhất theo điều kiện dịng nung nóng cho phép hoặc theo điều kiện độ
bền về cơ học.
Từ đó tổn hao trong cáp mềm được xác định như sau:
Ucm = 3 .Iđc(rcm.cosđc + xcm.sinđc ),

(V-84)
nếu bỏ qua điện kháng của đường dây:

94


Ucm =

Pdc .Lcm .10 3
;
 .S cm . dc

(V-85)

trong đó:
Iđc - Dòng định mức của động cơ, A;
Lcm- Chiều dài của đoạn cáp mềm, m;
đc- Hiệu suất của động cơ;
 = 1/  - Điện dẫn suất của vật liệu làm lõi cáp, đối với cáp lõi đồng
trong mỏ hầm lò lấy: cu= 50 m/mm2;
Tổn hao điện áp cho phép trên đường cáp chính, được xác định:
Ucc= Ucp- Uba - Ucm
(V-86)
Trên hình vẽ là sơ đồ tính tốn mạng hạ áp theo điều kiện tổn hao điện áp
cho phép

Ucc

Ucm

Uba
Hình V-19
Do đó tiết diện của cáp chính được xác định theo biểu thức:
S cc 

K.K yc. Pdmi .L cc .10 3
50.U dm .U cc

, mm2

(V-87)

trong đó:
K- Hệ số kể đến điện kháng của cáp;
Kyc- Hệ số yêu cầu của các phụ tải nối vào đường cáp chính.
Pđmi- Tổng cơng suất định mức của các phụ tải đấu vào đường cáp
chính,kW
Lcc- Chiều dài của đường cáp chính, m
Như vậy tổn hao điện áp thực trên đường cáp chính được xác định:
U cc 

K.K yc. Pdmi .L cc .10 3
50.U dm .S cc

,V

Tổn hao điện áp trên đường cáp mềm lúc này được xác định:
Ucm= Ucp- Uba - Ucc, V

95

(V-88)

(V-89)


Với giá trị Ucm sẽ xác định được tiết diện của cáp mềm, ví dụ của phụ tải thứ i
nào đó:
Pdci .L cmi .10 3
Scmi =
, mm2
50.U dm .U cm

(V-90)

Từ đó chọn được tiết diện của cáp mềm cho các phụ tải còn lại.
Theo điều kiện vận hành, tiết diện của cáp trong mỏ hầm lị khơng được vượt
q 120 mm2. Vì thế nếu Scc  120 mm2thì chọn tiết diện cáp chính là tối đa và
xác định chiều dài cho phép của cáp chính, nghĩa là xác định được bước dịch
chuyển của trạm biến áp di động theo công thức:
L cc 

50.Scc .U dm .U cc

K.K yc. Pdmi .10 3

,m

(V-91)

b. Kiểm tra mạng cáp theo điều kiện mở máy
Khi đấu trực tiếp động cơ rơ tor lồng sóc vào mạng, dòng mở máy đạt tới 5 
7 lần dòng định mức, do đó tổn hao điện áp trong máy biến áp và trong mạng có
thể đạt tới giá trị lớn, điện áp còn lại trên cực của động cơ khơng đủ để động cơ
tăng tốc và có thể dừng cưỡng bức các động cơ khác đang làm việc, nghĩa là tạo
ra trạng thái ngắn mạch của các động cơ. Ngoài ra, nếu điện áp giảm quá thấp các
tiếp điểm của công tắc tơ trong thiết bị điều khiển mở ra, dẫn đến động cơ ngừng
làm việc.
Như vậy việc kiểm tra mạng theo điều kiện mở máy là đảm bảo cho động cơ
rotor lồng sóc có cơng suất lớn nhất và xa nhất mở máy được trong khi tất cả các
động cơ cịn lại đang làm việc bình thường.
Để động cơ mở máy được thì mơ men mở máy thực tế trên trục của động cơ
phải thoả mãn điều kiện:
Mmt  Mm min
(V-92)
trong đó:
Mm min- Mơ men mở máy tối thiểu cần thiết để động cơ mở máy được.
Mô men mở máy thực tế của động cơ phụ thuộc vào điện áp trên cực, và được
xác định:
Mmt = Mmđ.

U m2
2
U dm

(V-93)

trong đó:
Mmđ - Mơ men mở máy định mức của động cơ.
Um - Điện áp thực tế trên cực động cơ khi mở máy.

Uđm- Điện áp định mức của động cơ.
Như vậy điều kiện mở máy là:
Mmđ.

U m2
 Mm min
2
U dm

96

(V-94)