Giáo trình cung cấp điện_Chương 7_Cung cấp điện thành phố7 ppt

203
Chương 7
Cung cấp điện thành phố
7.1. Phụ tải điện thành phố
Đặc điểm quan trong của hệ thống cung cấp điện thành phố là: mật
độ phụ tải rất cao, địa bàn chật hẹp, yêu cầu về an toàn và thẩm mỹ cao v.v.
Phụ tải mạng điện thành phố rất đa dạng, bao gồm phụ tải của các khu
chung cư, phụ tải của khu vực hành chính sự nghiệp, phụ tải của các xí
nghiệp sản xuất và phụ tải công cộng. Bài toán xác định được thực hiện
trên cơ sở phụ tải tính toán của các điểm tải trên địa bàn thành phố. Lý
thuyết chung về phụ tải điện đã được trình bày khá chi tiết ở chương 2.
Việc xác định phụ tải nhà ở của các khu chung cư, khách sạn đã được trình
bày ở chương 5. Phụ tải tính toán của các xí nghiệp công nghiệp được trình
bày trong chương 6. Bài toán xác định phụ tải dịch vụ công cộng với những
nét đặc thù riêng sẽ được trình bày dưới đây:
7.1.1. Tính toán phụ tải dịch vụ công cộng
Phụ tải dịch vụ công cộng thuộc loại phụ tải rất đa dạng có tính chất
gần với phụ tải sinh hoạt. Thông thường các hộ tiêu thụ điện có công suất
trung bình và nhỏ được trang bị ở các công sở, hành chính như:
- Trường học;
- Thương mại;
- Cửa hàng ăn uống;
- Nhà văn hóa, rạp hát;
- Nhà nghỉ, an dưỡng;
- Khách sạn, nhà trọ v.v.
Phụ tải dịch vụ công cộng thường được xác định trên cơ sở quy mô
và hình thức dịch vụ, được thể hiện qua các đơn vị như diện tích, chỗ ngồi
v.v. Công suất tính toán của cơ sở dịch vụ công cộng được xác định theo
biểu thức:
P
cc

= p
0c
.m (7.1)
Trong đó:
204
p
0c
– suất tiêu thụ điện của một đơn vị tính toán, kW/đ.vị (xem bảng 14.pl);
m – số đơn vị.
Tổng phụ tải tính toán dịch vụ công cộng được xác định theo biểu
thức:
),max(
đ
tt
n
tttt
PPP 
(7.2)
P
tt
n
– phụ tải tính toán ứng với thời điểm cực đại ngày;
P
tt
đ
– phụ tải tính toán ứng với thời điểm cực đại đêm;


n
cci

n
tMicc
n
tt
PkPP
1
max.
(7.3)


n
cci
đ
tMicc
đ
tt
PkPP
1
max.
(7.4)
Р
cc.max
– giá trị phụ tải lớn nhất trong các cơ sở dịch vụ công cộng;
Р
cc.i
, – giá trị phụ tải tính toán của cơ sở dịch vụ thứ i;
k
n
tMi
, k

đ
tMi
– hệ số tham gia vào cực đại ngày/đêm của phụ tải lấy theo
bảng 5.pl.
7.1.2. Phụ tải tính toán mạng điện phân phối
Phụ tải tính toán trên thanh cái trạm biến áp trung gian được xác định
theo phương pháp hệ số đồng thời:


b
n
ttBđtBpp
PkP
1
(7.5)
Trong đó:
P
ttB
– phụ tải tính toán của trạm biến áp phân phối, kW;
k
đtB
– hệ số đồng thời của các trạm biến áp, tra theo bảng 6.pl.
n
b
– số lượng trạm biến áp.
Nếu đã biết sơ đồ của mạng điện phân phối, thì phụ tải tính toán trên
thanh cái trạm biến áp trung gian có thể xác định theo phương pháp số gia
bằng cách tổng hợp từng cặp điểm tải bắt đầu từ cuối đường dây (xem mục
2.3.2 chương 2).
7.2. Sơ đồ mạng điện thành phố

Bài toán xây dựng sơ đồ cung cấp điện tối ưu thực sự là bài toán
phức tạp, vì nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: cấu trúc mạng điện, cấp
điện áp, vị trí của các nguồn điện và các trạm biến áp v.v. Sơ đồ cung cấp
205
điện thành phố trước hết cần được xây dựng dựa trên các tham số và các
mức điện áp tối ưu của các phần tử hệ thống. Cần phải lưu ý rằng các phần
tử của sơ đồ cung cấp điện thành phố đồng thời cũng là các phần tử của hệ
thống điện của cả vùng, tức là với sự hỗ trợ của chúng sẽ cho phép các
nguồn điện làm việc song song và duy trì các chế độ làm việc cần thiết. Do
số lượng các hộ dùng điện là vô cùng lớn, vì vậy việc lựa chọn sơ đồ không
cần phải xét chi tiết đến các đặc tính của các hộ dùng điện độc lập, mà độ
tin cậy yêu cầu được tính đến phụ thuộc vào tổng công suất tính toán. Độ
tin cậy của sơ dồ được tính toán có xét đến sự tăng trưởng không ngừng
của phụ tải theo thời gian. Có thể có nhiều dạng sơ đồ mạng điện khác nhau
tùy thuộc vào quy mô và diện tích của thành phố. Nhìn chung có thể phân
biệt ba dạng sơ đồ chính như sau:
7.2.1. Sơ đồ cung cấp điện cho thành phố nhỏ
Đại diện của nhóm sơ đồ cung cấp điện cho thành phố nhỏ
được thể hiện trên hình 7.1. Điện năng được cung cấp từ nhà máy điện địa
phương (1) và từ hệ thống thông qua các trạm biến áp trung gian
110/(1035) kV (2). Việc phân phối điện năng đến các hộ dùng điện được
thực hiện thông qua mạng phân phối trung áp 10 35 kV và mạng điện hạ
áp với sự tham gia của các trạm biến áp phân phối (1035)/0,4 kV (3).
Thông thường mạng điện phân phối trung áp được xây dựng theo sơ đồ
mạch vòng, vận hành hở. Các trạm biến áp phân phối công suất khác nhau
có nhiệm vụ cung cấp điện cho mạng hạ áp 0,38 kV, mà có thể được trang
bị các cơ cấu dự phòng tương hỗ bởi các đường dây. Đối với các hộ dùng
điện công nghiệp có thể cấp điện bởi các trạm biến áp riêng. Tùy theo mức
độ yêu cầu, mạng điện có thể được trang bị các cơ cấu tự động đóng dự
phòng. Đặc trưng của sơ đồ cung cấp điện cho thành phố nhỏ là chỉ sử

dụng một cấp điện áp ở mạng điện cao áp của thành phố (trong sơ đồ hình
7.1. đó là cấp 1035kV). Mạng trung áp này có bán kính hoạt động xác
định vì vậy chỉ có thể đấp ứng cung cấp điện chất lượng trong một phạm vi
thích hợp.
Mạng
điện
trung áp
10

35 kV

0,38kV
0,38kV
10

35kV
1
2
T
ừ HTĐ
3
206
7.2.2. Sơ đồ cung cấp điện cho thành phố trung bình
Nếu quy mô của thành phố lớn thì hệ thống cung cấp điện như đã xét
ở sơ đồ trên không thể đáp ứng, do khả năng truyền tải của mạng trung áp
có hạn. Việc cung cấp điện cho thành phố có quy mô trung bình được thực
hiện bởi sơ đồ hình 7.2.
Hình 7.1 Sơ đồ mạng điện thành phố nhỏ
1- Nhà máy điện địa phương; 2 – Trạm biến áp trung gian; 3- Trạm biến áp phân phối
Mạng điện

hạ áp
10

35kV

Mạng điện
hạ áp
Từ
HTĐ
2
1
2
3
4
2
3
3
110 hoặc 220 kV
Đường dây dự phòng
5
110 hoặc 220 kV
207
Ở sơ đồ này các nguồn điện chính – nhà máy điện địa phương (1)
nằm trên lãnh thổ thành phố và trạm biến áp trung gian (2) có liên hệ với hệ
thống quốc gia. Mạng điện cung cấp 110 220 kV được thiết kế theo kiểu
mạch vòng bao trùm toàn bộ thành phố. Mạng điện này có vai trò không
chỉ cung cấp điện cho thành phố mà còn duy trì sự liên hệ giữa mạng điện
thành phố với hệ thống quốc gia, nói cách khác nó chính là một phần tử của
hệ thống quốc gia. Các tham số chế độ của mạng điện này được xác định
theo các điều kiện tương đồng, tức là một mặt, theo công suất trao đổi giữa

các trạm biến áp thành phố với hệ thống quốc gia và, mặt khác, theo các
điều kiện cung cấp cho các trạm biến áp 110220 kV. Tùy thuộc vào các
điều kiện cụ thể, sơ đồ mạng điện 110220kV cũng có thể có các cấu trúc
khác. Các trạm biến áp phân phối (3) 1035/0,4 kV, được cấp điện từ các
trạm biến áp trung gian, đóng vai trò lag nguồn cung cấp cho các hộ dùng
điện thông qua mạng điện hạ áp 0,38 kV. Tùy trường hợp cụ thể, các trạm
biến áp này có thể được trang bị đường dây dự phòng, dẫn điện từ thanh cái
phía thứ cấp của trạm biến áp trung gian lân cận trong trường hợp xẩy ra sự
cố (đường chấm chấm trên hình 7.2). Trong trường hợp cần cung cấp điện
cho các cụm công nghiệp, mạng điện phân phối có thể được trang bị các
trạm phân phối (4) với công suất quá cảnh trong khoảng 310 MVA. Đôi
khi các trạm phân phối là các trạm nội bộ của các xí nghiệp công nghiệp
(5). Từ trạm phân phối (5) điện năng được phân bổ đến các trạm biến áp
phân xưởng để qua đó cung cấp cho các hộ dùng điện công nghiệp. Sơ đồ
cung cấp điện cho thành phố trung bình đặc trưng bởi hai cấp điện áp cao
áp.
7.2.3. Sơ đồ cung cấp điện cho thành phố lớn
Hình 7.2 Sơ đồ mạng điện thành phố trung bình
1 – Nhà máy điện địa phương; 2 – Trạm biến áp trung gian; 3 – Trạm biến
áp phân phối; 4 – Trạm phân phối; 5 – Trạm phân phối nội bộ xí nghiệp
208
Điểm khác biệt của sơ đồ cung cấp điện cho các thành phố lớn (hình
7.3) là số lượng và công suất của nguồn cung cấp lớn hơn so với sơ đồ
cung cấp điện cho thành phố trung bình.
Mạng điện phân phối, chủ yếu dùng cấp điện áp 1035 kV, nhìn
chung được xây dựng theo sơ đồ hình tia. Các phần tử của mạng điện cũng
tương tự như sơ đồ đã xét ở trên. Mạng điện cung cấp 110 hoặc 220 kV
được xây dựng theo sơ đồ mạch vòng, nó liên hệ tất cả các nguồn điện với
nhau. Sơ đồ mạch vòng xác định phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể, nhìn
chung khá phức tạp. Mạng điện phân phối thường được xây theo sơ đồ dẫn

sâu (tiếp cận mạng cao áp đến các trung tâm tải với số cấp điện áp tối
thiểu). Mạng điện dẫn sâu nhìn chung được xây dựng theo sơ đồ tối giản
dạng hai dự phòng tương hỗ cho nhau.
Hình 7.3 Sơ đồ mạng điện thành phố lớn

22 kV
0,4kV
35kV
35kV
0,4kV
22 kV
22 kV
Từ HTĐ
Từ HTĐ
110 hoặc 220 kV
110 hoặc 220 kV
209
Như đã phân tích, mạng điện phân phối của thành phố bao gồm tập
hợp các phần tử: các đường dây phân phối trung áp, các trạm biến áp phân
phối và các đường dây hạ áp, đối với các khu vực với các điểm tải lớn,
ngoài các phần tử kể trên còn có thêm các trạm phân phối quá cảnh. Sơ đồ
tổng hợp của hệ thống cung cấp điện thành phố được thể hiện trên hình 7.4.
Ở sơ đồ này mạng điện được phân cấp phả hệ: mạng truyền tải, mạng cung
cấp và mạng phân phối.
Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, mạng điện thành phố được
xây dựng với các mạch vòng của mạng cung cấp và mạng phân phối, có thể
hỗ trợ cho nhau trong các trường hợp xẩy ra sự cố. Một trong những yêu
cầu quan trọng trong việc xây dựng sơ đồ cung cấp điện thành phố là công
suất ngắn mạch phải được đảm bảo trong giới hạn cho phép đối với các
thiết bị áp dụng trong sơ đồ. Điều đó có thể thực hiện bằng cách phân chia

Hình 7.4. Sơ đồ hệ thống cung cấp điện thành phố
AT – Máy biến áp tự ngẫu; CA – Cao áp; TA –Trung áp; HA – Hạ áp.
Truy
ền tải
Cung c
ấp
Phân ph
ối
CA/TA
TA/HA
210
hệ thống thành từng phần nhỏ, lắp đặt các cuộn kháng điện tại các vị trí cần
thiết v.v.
7.2.4. Trạm biến áp phân phối
Hầu hết các trạm biến áp phân phối được bảo vệ bằng cầu chảy. Phía
hạ áp được lắp đặt trong tủ phân phối với các lộ ra được bảo vệ bằng
aptomat (hình 7.5a). Trạm biến áp phân phối của mạng điện thành phố có
thể được xây dựng dưới dạng hợp bộ, trạm treo, hoặc trạm biến áp ngầm
dưới lòng đất (hình 7.5).
Hộp nối
dây
n
ối
đ
ất
kẹp nối đất
máy bi
ến áp
máy bơm
bulông kéo

cáp cao áp
cap h
ạ áp
thang
đèn
cáp gi
ữ
d)
Hình 7.5. Sơ đồ trạm biến áp phân phối:
a) Sơ đồ nguyên lý; b) Trạm biến áp hợp bộ; c) Trạm biến áp treo; d) Trạm biến áp ngầm
b)
c)
a)
CC
CSC
BI
ApT
Ap
CSH
DCL – dao cách ly;
CC – cầu chảy cao áp;
CSC – chống sét cao áp;
CSH – chống sét hạ áp;
ApT – aptomat tổng;
Ap – aptomat lộ ra
DCL
kWh
A
kWh
A

211
Vị trí xây dựng trạm biến áp phân phối được xác định theo các
phương pháp đã trình bày ở chương 3. Tuy nhiên đối với mạng điện thành
phố đôi khi ta không có nhiều phương án lựa chọn vị trí trạm biến áp. Gần
đây phương án xây dựng các trạm biến áp ngầm được áp khá phổ biến. Một
trong những yêu cầu quan trọng của trạm biến áp ngầm là điều kiện thông
thoáng và thoát nước. Thông thường ở trạm biến áp luôn có bố trí một cụm
máy bơm dự phòng. Trong trường hợp hệ thống thoát nước làm việc kém
hiệu quả thì máy bơm sẽ được huy động. Ưu điểm nổi bật của trạm biến áp
ngầm là tiết kiệm diện tích và đảm bảo độ an toàn cao. Tuy nhiên yêu cầu
về làm mát phải hết sức nghiêm ngặt.
Để lựa chọn loại trạm biến áp cần phải giải bài toán kinh tế-kỹ thuật
với việc so sánh các phương án khả thi. Việc phân tích các nguyên lý xây
dựng sơ đồ cung cấp điện thành phố cho phép lựa chọn các phương án tối
ưu. Bài toán lựa chọn sơ đồ cung cấp điện tối ưu cần được giải trên cơ sở
phân tích kinh tế - kỹ thuật có xét đến các đặc điểm cụ thể về kinh tế, xã
hội, địa lý, khí hậu, môi trường, nhân chủng v.v.
7.3. Đặc tính kinh tế - kỹ thuật của các phần tử mạng điện
7.3.1. Tiết diện kinh tế của đường dây cáp
212
Cũng như đường dây trên không, chi phí quy dẫn của đường dây cáp
gồm hai thành phần (xem chương 3): Thành phần phụ thuộc vào vốn đầu tư
(p
d
V) và thành phần phụ thuộc vào chi phí tổn thất:
Z
d
= p
d
V

d
+3I
2
Rc

10
-3
; (7.6)
Trong đó:
V
d
– vốn đầu tư đường dây, đồng;
p
d
– hệ số khấu hao và sử dụng hiệu quả vốn đầu tư;
I – dòng điện truyền tải trên đường dây, A;
R – điện trở của đường dây, ;
 – thời gian tổn thất cực đại, h;
c

– giá thành tổn thất điện năng, đồng/kWh.
Thay V
d
= a
d
+b
d
F và
F
l

R
.

 ta có:
Akdddd
ZZc
F
l
IlFbapZ




32
10.
.
3)(


(7.7)
a
d
, b
d
– các hệ số kinh tế cố định và thay đổi của đường dây, đ/km và
đ/(km.mm
2
);
 - điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn, .mm
2

/km;
l – chiều dài đường dây, km;
F – tiết diện dây dẫn, mm
2
.
Mật độ dòng điện ứng với giá trị cực tiểu của hàm Z
d
được gọi là mật
độ dòng điện kinh tế, được xác định theo biểu thức (3.17):


c
bp
j
dd
kt

3
10
3
Nếu đã biết mật độ dòng điện kinh tế j
kt
, thì tiết diện kinh tế của dây
dẫn có thể được xác định dễ dàng theo biểu thức:
kt
kt
j
I
F 
, mm

2
(7.8)
Trong trường hợp có xét đến sự phát triển của phụ tải theo thời gian
với suất tăng trung bình hàng năm của phụ tải a
p
, thì tiết diện kinh tế của
đường dây được xác định theo biểu thức:
2
.
,mm
j
I
aF
kt
cM
pkt

(7.9)
213
I
M.c
– giá trị dòng phụ tải cực đại năm cuối của chu kỳ thiết kế;
a
p
- suất tăng phụ tải trung bình hàng năm, có thể xác định theo biểu thức:
2
.
2
1
)1,0(35,0)3,0(25,015,0 

nhMp
iia
(7.10)
cM
M
I
I
i
.
1.
1

;
cM
nhM
nhM
I
I
i
.
.
.

là các hệ số, xác định theo tỷ lệ của các dòng điện:
I
M.1
– giá trị dòng điện tính toán năm đầu của chu kỳ thiết kế;
I
M.nh
– giá trị dòng điện tính toán lớn nhất của phụ tải.

7.3.2. Hệ số mang tải tối ưu của máy biến áp
Chi phí quy đổi của trạm biến áp được xác định theo biểu thức:

 c
S
S
PtPVpZ
nB
kBbB
)(
2
2
0

; (7.11)
Trong đó:
p
B
– hệ số khấu hao và sử dụng hiệu quả vốn đầu tư trạm biến áp;
V
B
– vốn đầu tư trạm biến áp, đồng;
P
k
; P
0
– tổn thất ngắn mạch và tổn thất không tải của máy biến áp, kW;
S – phụ tải của máy biến áp, kVA;
S
nB

– công suất định mức của máy biến áp, kVA;
t và  – thời gian vận hành và thời gian tổn thất cực đại của máy biến áp, h.
Suất chi phí trên một đơn vị công suất:
2
0
)(

nB
kBbB
B
S
S
S
cP
S
ctP
S
Vp
S
Z
c






(7.12)
Theo điều kiện cực tiểu suất chi phí, lấy đạo hàm (7.12),
0/  Sc

B
và giải phương trình tìm được ta có thể xác định được công suất
tối ưu (công suất kinh tế) của máy biến áp theo biểu thức:
Hình 7.7. Biểu đồ chi phí của trạm biến áp Z
B
=f(S)
1 – chi phí vốn đầu tư;
2 – chi phí tổn thất trong các cuộn dây;
3 – chi phí tổn thất trong lõi thép;
4 – tổng chi phí của trạm biến áp
Z
B.min
Z
B
S
30 50 S
kt
70 90 MVA
1
2
3
4
214





cP
ctPVp

SS
k
Bb
nBkt
.
.
0

(7.13)
Khi đó hệ số mang tải tối ưu của máy biến áp sẽ là:
%100
.
nB
kt
ktmt
S
S
k 
(7.14)
Có thể dễ dàng nhận thấy chi phí quy dẫn của trạm biến áp gồm ba
thành phần: chi phí cho vốn đầu tư, tổn thất trong các cuộn dây và tổn thất
trong lõi thép. Các kết quả khảo sát và tính toán đối với trạm biến áp 110
kV công suất 40 MVA cho thấy ứng với phụ tải tối ưu (S
kt
=67,5 MVA)
thành phần cho phí vốn đầu tư chiếm khoảng 46%, chi phí tổn thất trong
các cuộn dây – 44% và chi phí tổn thất trong lõi thép – 10% (hình 7.7).
Từ biểu thức (7.14) ta thấy công suất tối ưu của máy biến áp phụ
thuộc vào các tham số, các chỉ tiêu kinh tế, đặc tính của phụ tải và giá
thành điện năng. Theo số liệu thống kê và kết quả tính toán hệ số mang tải

tối ưu của một số máy biến áp cho trong bảng sau:
Bảng 7.1. Các đặc tính tối ưu của máy biến áp
35 kV 110 kV
Công suất
S
n
, MVA
k
mt.kt
, % suất chi phí
$/kVA.năm
Công suất
S
n
, MVA
k
mt.kt
, % suất chi phí
$/kVA.năm
2,5 156 1,41 6,3 180 1,38
4 160 1,08 10 186 1,07
6,3 150 0,90 16 177 0,90
10 140 0,89 25 178 0,83
16 139 0,76 40 169 0,71
25 131 0,63 63 156 0,62
Phân tích các kết quả tính toán, ta thấy công suất tối ưu của phụ tải
máy biến áp lớn hơn công suất định mức của chúng. Tuy nhiên các máy
biến áp đồng thời phải làm việc theo các điều kiện kỹ thuật, đặc biệt là
nhiệt độ đốt nóng cho phép, vì vậy trong thực tế các máy biến áp không
thể làm việc ở chế độ mang tải tối ưu. Các kết quả tính toán cũng cho thấy

215
phụ tải tối ưu của máy biến áp đạt được khi tổn thất không tải bằng tổn thất
ngắn mạch, tức là khi P
0
= P
k
.
7.3.3. Điều kiện chung lựa chọn công suất tối ưu của trạm biến áp thành
phố
Công suất của máy biến áp và song song với nó là số lượng máy có
ảnh hưởng trực tiếp đến tất cả bài toán liên quan đến việc xây dựng sơ đồ
cung cấp điện thành phố. Trong các điều kiện xác định việc lựa chọn công
suất tối ưu của máy biến áp có thể được thực hiện theo phương pháp so
sánh các phương án. Tuy nhiên, phương pháp này không cho kết quả tin
cậy, vì do sự chi phối của khối lượng tính toán, số lượng các phương án
đưa ra so sánh thường bị hạn chế, điều đó có thể dẫn đến sự bỏ sót các
phương án mà có thể là tối ưu.
Về lý thuyết, cần xác định mối quan hệ tối ưu giữa các tham số của các
phần tử hệ thống cung cấp điện sao cho tổng chi phí quy dẫn liên quan đến
sự truyền tải và phân phối điện năng của hệ thống là nhỏ nhất. Ví dụ nếu
tăng công suất của trạm biến áp thì sẽ giảm được số lượng trạm biến áp, do
đó giảm được chi phí cho mạng điện cung cấp. Tuy nhiên, trong trường
hợp này sẽ làm tăng bán kính hoạt động của mạng điện phân phối của mối
trạm biến áp, điều đó dẫn đến tăng chi phí của các mạng điện này.
Như vậy, công suất của trạm biến áp và các tham số của mạng điện
phải được chọn sao cho các chỉ tiêu tổng hợp của hệ thống cung cấp điện là
tốt nhất. Trên hình 7.8 biểu thị sơ đồ lý tưởng (với giả thiết phụ tải phân bố
đều trên toàn bộ lãnh thổ) sự thay đổi của chiều dài đường dây phụ thuộc
vào số lượng trạm biến áp thành phố.
L

1
1
l
L
2
2
l
L
3
3
l
L
4
4
l
a)
b)
c)
d)
216
Giả sử các đường dây cung cấp được thực hiện bằng mạch kép, còn
các đường dây phân phối là mạch đơn, nếu coi khoảng cánh giữa các trạm
biến áp phân phối là một đơn vị, thì với phương án một trạm biến áp thành
phố N
1
=1 (hình 7.8a), chiều dài tương đối của đường dây cung cấp sẽ là
L
1
=4 và tổng chiều dài đường dây phân phối l
1

=32; Với phương án hai
trạm biến áp N
2
thì tương ứng: L
2
=8; l
2
=24 (hình 7.8b), tương tự đối với
các phương án khác thể hiện trên các sơ đồ hình 7.8c và hình 7.8d.
Như vậy với việc tăng số lượng trạm biến áp hoặc giảm công suất
của trạm sẽ làm tăng đường dây cung cấp và giảm đường dây phân phối.
Biểu thị z
1
và z
2
là suất chi phí tính toán tương ứng của mỗi km đường dây
cung cấp và đường dây phân phối. Nếu bỏ qua thành phần chi phí của các
trạm biến áp thì ta có thể xác định giới hạn giữa phương án 1 và phương án
2 theo điều kiện cân bằng chi phí:
z
1
L
1
+z
2
l
1
= z
1
L

2
+z
2
l
2
; (7.15)
Từ đó rút ra:
12
21
2
1
LL
ll
z
z


 ; (7.16)
Chi phí quy dẫn của các phương án bằng nhau khi tỷ số giữa hiệu
chiều dài các đường dây phân phối và chiều dài các đường dây cung cấp
bằng tỷ số giữa các suất chi phí tính toán của các mạng điện này.
Sự phân tích (7.16) cho phép lựa chọn số lượng và công suất tối ưu
của trạm biến áp thành phố. Ở trường hợp bằng nhau của chi phí tính toán
thì phương án có số lượng trạm biến áp ít hơn sẽ được ưu tiên. Theo kết
quả tính toán lý thuyết, tỷ lệ (l
1
-l
2
)/(L
2

-L
1
) ở sơ đồ a) và b) là 2,0 còn ở các
sơ đồ c) và d) là 1,33.
7.3.4. Xác định bán kính tối ưu của lưới phân phối
Bài toán xây dựng sơ đồ cung cấp điện với cấp điện áp xác định sẽ
phải đụng chạm đến vấn đề bán kính tối ưu của mạng điện, tức chiều dài tối
Hình 7.8. Sơ đồ tính toán so sánh các phương án cung cấp điện
a) N
1
=1; L
1
=4; l
1
=32; b) N
2
=2; L
2
=8; l
2
=24; c) N
3
=4; L
3
=14; l
3
=16; d) N
4
=8; L
4

=23; l
4
=8;
O - Trạm biến áp phân phối;  - Trạm biến áp thành phố
217
ưu của đường dây phân phối từ trạm biến áp thành phố đến các trạm biến
áp phân phối. Chiều dài tối ưu của đường dây phụ thuộc vào công suất
truyền tải trên đường dây. Lời giải của bài toán này có thể nhận được trên
cơ sở giải bài toán tối ưu với hàm mục tiêu là chi phí tính toán phụ thuộc
vào mật độ phụ tải trong khu vực. Bán kính kinh tế hay tối ưu của lưới điện
phân phối là bán kính hoạt động của lưới điện mà có chi phí nhỏ nhất. Từ
mô hình toán học của hệ thống điện chúng ta chỉ xét các thành phần của chi
phí tính toán có liên quan đến bán kính r của lưới phân phối.

r
ap
Z
cc
2

2
4r
mp
bb




cos.34
.

JU
rbp
dd
3
10.cos4
3


U
crJ


; (7.19)
Trong đó:
p
c
, p
d
, p
b
– hệ số khấu hao và sử dụng hiệu quả vốn đầu tư đường dây cung
cấp, đường dây phân phối và trạm biến áp;
r – nửa cạnh hình vuông của diện tích (hình vuông đẳng trị) bao phủ bởi
mạng điện phân phối, km;
 - Hệ số phân nhánh của đường dây;
a
c
- hệ số kinh tế cố định của đường dây cung cấp, đ/km;
b
d

- hệ số kinh tế thay đổi của đường dây phân phối, đ/(mm
2
.km);
m – hệ số kinh tế cố định của trạm biến áp, đ;
 – thời gian hao tổn cực đại, h;
c

– giá thành tổn thất điện năng, đ/kWh;
 - mật độ phụ tải, kW/km
2
;
j – mật độ dòng điện kinh tế;
U – điện áp định mức của đường dây phân phối;
cos - hệ số công suất trung bình của phụ tải.
Lấy đạo hàm
r
Z


và cho triệt tiêu sau một vài biến đổi đơn giản ta được
phương trình:


cos32
10.3(
32
Uj
cjbp
dd




r
3
- a
c
p
c
.r - p
b.
m
b
= 0 ; (7.20)
Nghiệm của phương trình bậc ba trên là nửa cạnh hình vuông đẳng
trị, giá trị này cần nhân với hệ số hiệu chỉnh để có bán kính kinh tế của
mạng điện phân phối:
218
r
r
r
kt
.13,1
2


(7.21)
Chiều dài đường dây phân phối phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính
kinh tế-kỹ thuật của các loại dây cáp. Tổng chi phí của các phương án bao
gồm chi phí cho các trạm biến áp, chi phí cho đường dây và chi phí tổn
thất. Các kết quả tính toán và phân tích cho thấy tỷ lệ trung bình của các

thành phần này tương ứng là 23, 51 và 26%.
7.4. Thiết kế chiếu sáng đường phố
7.4.1. Các yêu cầu cơ bản
Các tiêu chuẩn về chất lượng chiếu sáng đường bộ yêu cầu đảm bảo
cho phép thị giác phản ứng nhanh chóng, chính xác và tiện nghi. Để đạt
được điều đó cần lưu ý:
1) Độ chói mặt đường
Đại lượng quang học tác động trực tiếp đến người lái xe là độ chói. Độ
chói trung bình của mặt đường do người lái xe quan sát khi nhìn mặt đường
ở tầm xa 170m xét khi thời tiết khô. Phạm vi quan sát mặt đường được xét
đến dưới góc 0,5
o
đến 1,5
o
và trải dài từ 60 đến 170 m từ vị trí người lái xe
(hình 7.9). Mức độ yêu cầu phụ thuộc vào loại đường (mật độ giao thông,
tốc độ, vùng đô thị hay nông thôn…) trong các điều kiện làm việc bình
thường.
Độ chói của mặt đường phụ thuộc vào các nhân tố: Đặc điểm của
mặt đường; Tốc độ của phương tiện giao thông; Giải pháp chiếu sáng (kiểu
chiếu sáng, kiểu đèn, kiểu bố trí đèn, chiều cao treo đèn v.v.).
2) Độ đồng đều của độ chói
1,5
0
1
0
0
,5
0
60m

17
0m
Hình 7.
9
.
Ph
ạm vi quan sát mặt đ
ư
ờng của t
ài
x
ế
219
Độ chói tại các điểm trên mặt đường không thể giống nhau, vì mặt
đường không phải là bề mặt phản xạ khuếch tán đều, mà là phản xạ hỗn
hợp, bởi vậy độ chói sẽ khác nhau từ các hướng quan sát khác nhau. Độ
đồng đều chung được xác định theo biểu thức:
tb
L
L
k
min
0
 ; (7.22)
Độ đồng đều dọc được xác định theo biểu thức:
max
min
1
L
L

k  ; (7.23)
Trong đó:
L
min
, L
tb
và L
max
– độ chói nhỏ nhất, độ chói trung bình và độ chói cực đại
trên mặt đường, cd/m
2
.
Cần chú ý sự khác nhau của công thức hệ số đồng đều: giá trị của k
0
từ 0,4 có thể đảm bảo tri giác nhìn chính xác khi nhìn mặt dường thấy
phong cảnh thấp thoáng, còn gọi là “hiệu ứng bậc thang”. Nếu độ đồng đều
theo chiều dọc k
1
lớn hơn 0,7, thì hiệu ứng này không còn nữa. Ngoài hai
chỉ tiêu về độ đồng đều của độ chói, người ta cũng quan tâm đến độ đồng
đều của độ rọi, mà được xác định theo biểu thức:
tb
E
E
E
k
min
 (7.24)
E
min

, E
tb
– giá trị độ rọi ở điểm tối nhất và giá trị trung bình của độ rọi trên
mặt đường chiếu sáng.
3) Tiêu chuẩn chói lóa mất tiện nghi
Các yếu tố như sự loá mắt không tiện nghi, sự cản trở và mệt mỏi do
số lượng và quang cảnh của các đèn xuất hiện trong trường nhìn, liên quan
đến độ chói trung bình của con đường. Sự chói lóa mất tiện nghi là nguyên
nhân nguy hiểm dẫn đến những tai nạn đáng tiếc. Để đánh giá đại lượng
này người ta đưa ra một khái niệm “chỉ số loá mắt” G (Glare index). Giá trị
của chỉ số G được xác định theo biểu thức:
G = I
SL
+0,97.lg(L
tb
) + 4,41lg(H’) – 1,46lg(N
đ
);
(7.25)
Trong đó:
220
I
SL
- chỉ số riêng của đèn (do nhà sản xuất cung cấp, thường có giá trị
trong khoảng 36)
H – độ cao treo đèn, m;
H’ – độ cao tính từ vị trí quan sát đến vị trí đèn (H’= H -1,5m);
L
tb
– độ chói trung bình trên mặt đường, cd/m

2
;
N
đ
– số lượng đèn trên một km đường.
Theo kết quả phân tích thực nghiệm, các giá trị của chỉ số G được
đánh giá như sau:
Giá trị của
G
Hiệu ứng
1 Chói lóa quá mức chịu
đựng
5 Chói lóa ở mức chịu đựng
được
 9
Không cảm nhận được sự
chói lóa
Hiệu quả dẫn hướng nhìn khi lái xe phụ thuộc vào vị trí của các điểm
sáng trên các đường cong, loại nguồn sáng trên một tuyến đường và tín
hiệu báo trước những nơi cần chú ý (đường vòng, chỗ thu thuế đường, ngã
tư…) cũng như các lối rẽ vào của con đường nhánh v.v.
7.4.2. Phân cấp chiếu sáng đường phố
Việc phân cấp chiếu sáng cho phép áp dụng các chỉ tiêu thích hợp
trong thiết kế đảm bảo chất lượng tốt nhất. Tiêu chuẩn CIE xác định các
cấp chiếu sáng biểu thị các giá trị tối thiểu phải thoả mãn với chất lượng
phục vụ (bảng 7.2).
Bảng 7.2 Tiêu chuẩn chiếu sáng ứng với các cấp khác nhau (theo CIE)
Cấp Loại đường Vỉa
hè
L

tb
cd/m
2
k
o
=L
min
/L
tb
k
1
=L
min
/L
max
G
A Xa lộ
Xa lộ cao tốc
2 0,4 0,7 6
B Đường cái
Đường hình tia
Sáng
Tối
2
1  2
0,4 0,7 5
6
221
C Thành phố hoặc
đường có ít người

đi bộ
Sáng
Tối
2
1
0,4 0,7 5
6
D Các phố chính
Các phố buôn bán
Sáng 2 0,4 0,7 4
E Đường vắng Sáng
Tối
2
0,5
0,5 4
5
Việc lựa chọn cấp chiếu sáng phù hợp với điều kiện cụ thể cần phải xét đến
các yếu tố sau:
- Sự hiện diện của các loại phương tiện giao thông;
- Bề rộng của mặt đường;
- Sự hiện diện của các nút giao thông.
7.4.3 Thiết kế chiếu sáng đường phố
Quá trình thiết kế chiếu sáng đường phố được thực hiện theo trình tự tính
toán sơ bộ như sau:
- Chọn sơ đồ bố trí thiết bị chiếu sáng;
- Chọn nguồn sáng (loại đèn) và loại thiết bị chiếu sáng;
- Xác định chiều cao treo đèn;
- Xác định khoảng cách giữa các thiết bị chiếu sáng;
- Xác định độ chói;
- Tính toán kinh tế-kỹ thuật so sánh các phương án

1) Sơ đồ bố trí thiết bị chiếu sáng
Kiểu bố trí thiết bị chiếu sáng có ảnh hưởng trực tiếp đến các chỉ tiêu
và chất lượng chiếu sáng. Việc chọn đúng sơ đồ bố trí thiết bị chiếu sáng
cho phép đảm bảo tính kinh tế-kỹ thuật của hệ thống chiếu sáng. Việc chiếu
sáng đường phố có thể thực hiện với các thiết bị chiếu sáng phân bố đều
theo chiều dài. Phụ thuộc vào chiều rộng, địa hình và yêu cầu độ rọi có thể
xây dựng sơ đồ bố trí đèn theo một, hai dãy, kiểu trục giữa hoặc sơ đồ so le
(hình 7.10).
222
a) Sơ đồ một dãy
Sơ đồ một dãy được áp dụng khi bề rộng mặt đường nhỏ hơn 10 m
với cường độ các phương tiện giao thông không, khoảng cách giữa các đèn
có thể lấy bằng l =3040m và chiều cao treo đèn H = 67m. Khi gặp đoạn
đường cong thì cần bố trí dãy đèn ở phía ngoài đường cong để chỉ dẫn cho
các lái xe. Yêu cầu để đảm bảo độ đồng đều là chiều cao treo đèn (H) phải
không nhỏ hơn bề rộng (b) của mặt đường (H b). Sơ đồ này đơn giản,
nhưng có nhược điểm cơ bản là độ chiếu sáng trên mặt đường không đều.
b) Sơ đồ trục giữa
Sơ đồ trục giữa thường được áp dụng đối với đường đôi, ở giữa có
dải phân giới. Sơ đồ trục giữa cũng có thể áp dụng đối với các đường phố
hẹp, đèn được treo trên các sợi cáp chăng ngang. Sơ đồ này làm tăng chi
phí do việc treo đèn khó khăn và phức tạp. Nó chỉ nên áp dụng khi bề rộng
của đường từ 10 25m. Để thỏa mãn độ đồng đều của chiếu sáng thì phải
đảm bảo điều kiện H b.
c) Sơ đồ hai dãy
Sơ đồ hai dãy thường được áp dụng khi bề rộng đường trên 30 m,
chiều cao treo đèn khoảng H=79 m và đôi khi có thể hơn. Điều kiện để
đảm bảo độ đồng đều chiếu sáng ngang là: H0,5b.
d) Sơ đồ so le
Sơ đồ kiểu so le tiết kiệm hơn so với sơ đồ hai chiều, nó thường áp

dụng hiệu quả đối với trường hợp đường có hai chiều chuyển động. Điều
kiện đảm bảo độ đồng đều chiếu sáng ngang là:
bH
3
2
 (7.26)
a)
b)
c)
Hình 7.10. Sơ đồ bố trí đèn chiếu sáng đường phố:
a)
–
M
ột d
ãy; b)
–
Ki
ểu trục giữa; c) Hai d
ãy; d)
–
Ki
ểu so le.
d)
223
2) Chọn đèn và chụp
Chọn đèn và chụp đèn phải kết hợp đồng bộ. Đầu tiên sơ bộ chọn loại
chụp đèn phù hợp với điều kiện cụ thể của nơi thiết kế, sau đó trên cơ sở
chụp đã chọn tiến hành tính toán chọn loại đèn tương ứng.
Chụp đèn áp dụng trong chiếu sáng đường phố thường là loại chiếu
sâu, chiếu vừa và chiếu rộng. Kiểu chiếu sâu cho phép chống lóa mắt tốt

hơn và thường áp dụng đối với các trục đường nhiều ô tô, tuy nhiên cần lưu
Hình 7.11. Dạng tổng quát của sơ đồ bố trí đèn chiếu sáng đường phố:
a) – Một dãy; b) – Hai dãy; c) So le; d) – Một dãy tại đường cua.
a)
b)
c)
d)
H
b
224
ý hiện tượng hiệu ứng “bậc thang”. Loại này thường sử dụng với nguồn
sáng điểm. Kiểu chụp chiếu rộng có độ lóa trực tiếp cao thường dùng cho
các trục đường có nhiều người đi bộ. Các bộ đèn có chụp vừa thích hợp với
nguồn sáng đường (dạng tuýp) có độ chói nhỏ. Các hãng sản xuất rất nhiều
thiết bị chiếu sáng khác nhau, vì vậy có thể nói trên thị trường các chủng
loại thiết bị chiếu sáng rất đa dạng. Trên hình 7.12 biểu thị một số thiết bị
chiếu sáng đặc trưng. Để chọn loại đèn thích hợp trước hết cần xác định
quang thông yêu cầu của đèn theo tỷ số giữa độ rọi trung bình E
tb
(lux) và
độ chói trung bình L
tb
(cd/m
2
) để đảm bảo chất lượng chiếu sáng:
tb
tb
L
E
R  (7.27)

Theo tiêu chuẩn CIE giá trị của chỉ tiêu R được biểu thị trong bảng 7.3.
Bảng 7.3. Các giá trị của chỉ tiêu R theo tiêu chuẩn CIE
Mặt đường bê
tông
Mặt đường phủ nhựa Kiểu chụp đèn
Sạch Bẩn Sáng Trung
bình
Tối
Đường
lát đá
Che hoàn toàn 12 14 14 20 25 18
Che không hoàn
toàn
8 10 10 14 18 13
Như vậy, khi đã biết chỉ tiêu R, ta có thể xác định dễ dàng độ rọi trung
bình cần thiết theo biểu thức:
Hình 7.12. Một số đại diện thiết bị chiếu sáng đường phố:
225
E
tb
=R.L
tc
, lx (7.28)
Trong đó:
L
tc
– độ chói tiêu chuẩn xác định phụ thuộc vào loại đường, cd/m
2
(bảng
7.2).

Quang thông cần thiết của đèn xác định theo biểu thức:
lm
kk
RLlb
F
ldsg
tc
đ
,
.

 (7.29)
Trong đó:
b, l – bề rộng mặt đường và khoảng cách giữa các đèn, m;
k
sg
, k
ld
– hệ số suy giảm và hệ số lượi dụng quang thông của đèn.
Hệ số suy giảm quang thông:
Trong quá trình vận hành do sự già hoá của thiết bị nên hiệu quả chiếu
sáng sẽ bị giảm, tức là giá trị quang thông của đèn bị giảm. Ngoài ra trong
quá trình sử dụng bụi bặm bám vào thành ngoài của bóng đèn cũng làm
giảm quang thông của nó. Hệ số suy giảm quang thông được xác định theo
biểu thức:
k
sg
= k
gh
.k

bb
(7.30)
Trong đó:
k
gh
– hệ số suy giảm do già hóa đèn;
k
bb
– hệ số suy giảm do bụi bẩn.
Các giá trị của các hệ số suy giảm quang thông được biểu thị trong
bảng 7.4.
Bảng 7.4. Giá trị của hệ số suy giảm quang thông phụ thuộc vào loại đèn
và thời gian sử dụng
Giá trị hệ số k
gh
phụ thuộc vào loại bóng dèn Thời gian sử
dụng
Đèn Natri
cao áp
Tuýp huỳnh
quang
Bóng huỳnh
quang
Bóng huỳnh
quang
3000 0,95 0,85 0,9 0,85
6000 0,9 0,8 0,85 0,8
9000 0,85 0,8 0,75
(Tiếp theo Bảng 7.4)
Môi trường không Đèn có chụp kín Đèn chụp hở

226
Bụi bẩn 0,7 0,65
Sạch 0,95 0,90
Sự suy giảm quang thông dẫn đến giảm hiệu suất chiếu sáng. Sự phụ
thuộc của hiệu suất chiếu sáng của đèn vào thời gian sử dụng được thể hiện
trên hình 7.13.
* Hệ số lợi dụng quang thông
Hệ số lợi dụng quang thông được xác định theo biểu thức:
đ
e
ld
F
F
k  (7.31)
Trong đó:
F
e
– quang thông hiệu dụng, tức là quang thông hữu ích chiếu xuống diện
tích mặt đường;
F
đ
– quang thông bức xạ của đèn.
Hình 7.13. Hiệu suất chiếu sáng phụ
thuộc vào thời gian sử dụng của đèn
1 – đối với đèn có chụp kín;
2 – đối với đèn chụp hở.
Hình 7.14. Các
trường hợp phân bố
quang thông của đèn
đư

ờng
b)
a)
H
b
a<0
H
b
a >0
1
2
năm
227
Khi tính toán chính xác cũng cần xét đến thành phần phản xạ của
mặt đường. Hệ số lợi dụng phụ thuộc vào loại thiết bị chiếu sáng và các
kích thước chiếu sáng như chiều cao treo đèn, bề rộng mặt đường v.v. Có
thể phân biệt hai trường hợp phân bố quang thông: Gọi khoảng cách từ
hình chiếu của đèn đến mép đường là a, có thể xẩy ra hai trường hợp:
Trường hợp 1 – khi hình chiếu nằm trên lòng đường, thì giá trị a >0;
Trường hợp 2 – hình chiếu nằm trên vỉa hè, khi đó giá trị a<0. Trường hợp
thứ nhất quang thông phân bố cả ở nhị diện trước và nhị diện sau trục H
(hình 7.14a). Do đó hệ số lợi dụng quang thông tổng sẽ là:
k
ld
= k
ld.t
+k
ld.s
(7.32)
Trường hợp thứ hai quang thông chỉ phân bố ở nhị diện trước trục H (hình

7.14b). Do đó hệ số lợi dụng tổng sẽ là:
k
ld
= k
ld.t
- k
ld.s
(7.33)
Hình 7.15. Biểu đồ xác định hệ số lợi dụng quang thông k
ld
=f(
H
ab

)
k
ld
1 0 1 2
0,1
0,
2
0,
3
0,
4
k
ld.t
k
ld.s
H

ab

H
a
Phía v
ỉa h
è
Phía
đư
ờng