Giáo trình cung cấp điện_Chương 4_Cung cấp điện cho các điểm dân cư nông thôn và miền núi docx

Ch.4. CCĐ NT
97
Chương 4
Cung cấp điện cho các điểm dân cư nông thôn
và miền núi
4.1. Phụ tải của hệ thống cung cấp điện nông thôn
4.1.1.Đặc điểm của phụ tải điện nông thôn, miền núi
Hệ thống cung cấp điện cho khu vực nông thôn, miền núi có đặc
điểm khác biệt, mà có thể liệt kê một số nét cơ bản sau:
- Mật độ phụ tải thấp và phân bố không đều trên phạm vi lãnh thổ rộng
lớn. Điều đó gây khó khăn cho việc đầu tư có hiệu quả hệ thống cung cấp
điện;
- Phụ tải rất đa dạng, bao gồm các hộ dùng điện trong trong sinh hoạt,
trong sản xuất như: trồng trọt, thủy lợi, chăn nuôi, công nghiệp nhỏ, lò
gạch, chế biến thực phẩm v.v.
- Sự làm việc của rất nhiều thiết bị được thực hiện ở chế độ ngắn hạn với
khoảng thời gian nghỉ khá dài, do đó thời gian sử dụng trong ngày rất
thấp, ví dụ như quá trình chế biến thức ăn gia súc, quá trình vắt sữa v.v.
- Phần lớn phụ tải điện nông nghiệp tác động theo mùa vụ, ví dụ các trạm
bơm, các trạm xử lý hạt giống, các máy thu hoạch (tuốt lúa, làm sạch sản
phẩm v.v.).
- Sự chênh lệch giữa giá trị phụ tải cực đại và cực tiểu trong ngày rất lớn.
Điều đó dẫn đến những khó khăn lớn cho việc ổn định điện áp.
Ngoài những đặc điểm cơ bản của phụ tải, bản thân mạng điện
nông thôn cũng có những nét khác biệt như:
- Do chiều dài đường dây lớn nên giá trị dòng điện ngắn mạch nhỏ, đôi
khi không chênh lệch nhiều so với dòng điện làm việc, điều đó gây khó
khăn cho việc lựa chọn ngưỡng bảo vệ để đảm bảo tính chọn lọc và độ
nhạy cần thiêt của bảo vệ rơle.
Ch.4. CCĐ NT
98

- Điều kiện làm việc của các thiết bị điện không thuận lợi (nhiệt độ và độ
ẩm cao, môi trường khí độc hại v.v.). Điều đó gây trở ngại cho việc bảo
quản và vận hành thiết bị điện và đảm bảo điều kiện an toàn lao động.
- Sự phát triển liên tục của các phụ tải, sự phát triển và mở rộng các công
nghệ hiện đại, sự phát triển cơ giới hóa và tự động hóa các quá trình sản
xuất đòi hỏi phải không ngừng cải tạo và phát triển mạng điện theo
những yêu cầu mới v.v.
4.1.2. Phụ tải sinh hoạt và dịch vụ công cộng
Phụ tải sinh hoạt của các hộ gia đình nông dân bao gồm các thành
phần: thắp sáng chiếm trung bình khoảng 5070% tổng lượng điện năng
tiêu thụ, quạt mát (2030)%, đun nấu (1020)%, bơm nước (510)% và
các thành phần khác. Các thiết bị tiêu thụ điện chủ yếu trong các gia đình
nông dân được thể hiện trong bảng 4.1:
Cùng với sự phát triển kinh tế, cơ cấu các thành phần phụ tải điện
trong các hộ gia đình nông dân cũng thay đổi. Các thiết bị điện sử dụng
cho mục đích giải trí ngày càng tăng, trong khi đó phụ tải chiếu sáng có
xu hướng giảm dần. Khi số liệu điều tra không đầy đủ có thể tham khảo
áp dụng một số định mức sử dụng điện dưới đây để lập qui hoạch, thiết
kế các dự án lưới điện cho khu vực nông thôn. Dự báo nhu cầu điện sinh
hoạt gia dụng các vùng nông thôn Việt Nam cho trong bảng 7.pl (phụ
lục). Thời gian sử dụng công suất cực đại của phụ tải sinh hoạt nằm trong
khoảng T
M
=16002000h/năm.
Bảng 4.1 Phụ tải sinh hoạt
STT Tên thiết bị P
đ
(W)
Tỷ lệ hộ sử
dụng, (%)

T
sd
,
(h)
k
sd
1 Đèn sợi đốt 75 100 5 0,21
40 85 4,5 0,19
25 37 3,5 0,13
2 Đèn huỳnh quang 40 55 4,5 0,19
20 32 4,5 0,19
Ch.4. CCĐ NT
99
3 Tivi màu 80 82 7,5 0,31
4 Đầu video 60 13 2,5 0,10
5 Radio- Casset 20 45 5 0,21
6 Quạt bàn 60 86 7,5 0,31
40 64 7,5 0,31
7 Quạt trần 100 12 6 0,25
80 28 6 0,25
8 Bàn là 1000 11 0,2 0,01
9 Tủ lạnh 135 8 14 0,58
10 Bếp điện 1000 5 2 0,08
11 Máy bơm nước 750 26 1 0,04
12 370 67 1 0,04
13 Nồi cơm điện 600 73 2 0,08
14 Ấm điện 1000 4 1 0,04
15 Sourvolter 15 25 12 0,50
16 Các thiết bị khác 20 13 1 0,42
Tổng nhu cầu phụ tải sinh hoạt được xác định theo biểu thức:

P
sh
= k
đt
.n
sh
.p
0sh
(4.1)
Trong đó:
p
0sh
– suất tiêu thụ trung bình của hộ gia đình nông thôn, kW/hộ;
n
sh
– số hộ gia đình;
k
đt
– hệ số đồng thời, có thể xác định theo biểu thức (2.26), nếu
không có số liệu cụ thể thì hệ số đồng thời có thể lấy theo bảng 1.pl (phụ
lục).
Phụ tải dịch vụ công cộng bao gồm các thành phần sử dụng cho
các nhu cầu hoạt động của cộng đồng như: ủy ban, trường học, nhà văn
Ch.4. CCĐ NT
100
hóa, trạm y tế, nhà văn hóa, cửa hàng bách hóa v.v. Định mức tiêu thụ
cho dịch vụ công cộng nông thôn và hệ số đồng thời được cho trong bảng
8.a.pl.
4.1.3. Phụ tải sản xuất
Phụ tải sản xuất bao gồm các thành phần phụ tải sản xuất nông

nghiệp, sản xuất công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp.
a) Phụ tải công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp
Nhu cầu phụ tải điện công nghiệp địa phương, tiểu thủ công và lâm
nghiệp được xác định trên cơ sở nhu cầu hiện tại và định hướng phát
triển các ngành kinh tế này trên địa bàn. Tham số về phụ tải của một số
thiết bị dùng trong công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp nông thôn được
thể hiện trong bảng 4.2:
Bảng 4.2. Phụ tải sản xuất công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp nông
thôn
STT Tên thiết bị P
n
(kW) T
sd
(h/ngày)
k
sd
cos
1 Máy hàn 2,8 9 0,38 0,65
2 Máy gia công sắt
1,5  15 615 0,4 0,6
0,80
3 Máy xat xát
4,5 11 6 8 0,3 0,6
0,80
4 Máy nghiền thức ăn
gia súc
2,8  11 3  6 0,350,6
0,80
5 Máy sẻ gỗ
2,8  11 7  9 0,40,65

0,82
6 Máy kem đá 2,8 14 0,60 0,80
7 Máy bơm
1020
8
0,550,65
0,83
Phụ tải động lực được xác định theo biểu thức:



dl
n
i
nincđl
PkP
1
(4.2)
Trong đó:
Ch.4. CCĐ NT
101
P
ni
– công suất của thiết bị động lực, kW;
k
nc
– hệ số nhu cầu, xác định theo biểu thức:
hd
sd
sdnc

n
k
kk




1
k
sd
- hệ số sử dụng tổng hợp của nhóm tải, xác định theo biểu thức
(2.31).
b) Phụ tải thủy lợi
Phụ tải điện thủy lợi chủ yếu là các trạm bơm tưới và tiêu úng. Các
loại động cơ dùng ở các trạm bơm thường là loại không đồng bộ công
suất đặt từ 10  75 kW.
Phụ tải thủy lợi được xác định theo nhu cầu tưới và tiêu.
P
tuoi
= p
0tuoi
.F
tuoi
; (4.3)
P
tieu
= p
0tieu
.F
tieu

. (4.4)
Trong đó:
F
tuoi
và F
tieu
– diện tivchs tưới và tiêu úng, ha;
p
0tuoi
và p
0tieu
– suất tiêu thụ công suất cho tưới và tiêu úng, kW/ha, cho
trong bảng 8.b.pl.
Công suất tính toán của nhóm phụ tải thủy lợi bằng giá trị cực đại
của phụ tải tưới hoặc tiêu:




tieu
tuoi
tl
P
P
P max
(4.5)
Thời gian sử dụng công suất cực đại tưới phụ thuộc vào loại cây hoa
màu, có thể lấy gần đúng theo bảng 4.3.
Bảng 4.3. Thời gian sử dụng công suất cực đại của phụ tải điện thủy lợi,
T

M
, h/năm
Loại cây trồng Tưới Tiêu
Cây lúa
12001800
Cây ăn quả
1000  1500
Cây công nghiệp
1500  2000
700  920
Ch.4. CCĐ NT
102
4.1.4. Tổng hợp phụ tải
4.1.4.1. Xác định phụ tải tính toán của mạng điện
a) Phương pháp số gia
Phụ tải của mạng điện được tổng hợp trên cơ sở các số liệu điều tra
và đo đếm. Phương pháp thông dụng nhất để tổng hợp phụ tải của mạng
điện được thực hiện theo trình tự đã được trình bày ở mục 2.3. Phụ tải
tổng hợp của nhóm sản xuất được xác định theo phương pháp số gia
(xem mục 2.3 chương 2).
b) Phương pháp 2
Phương pháp 2 cho phép xác định một cách gần đúng phụ tải tính
toán có xét đến các hệ số đồng thời của các nhóm tải khác nhau:
P
M
= k
kV
( k
sh
.P

sh
+ k
đl
.P
đl
) (4.6)
Trong đó :
P

- tổng công suất tính toán hay công suất cực đại của khu vực;
P
sh
- tổng nhu cầu công suất sinh hoạt gia đình và dịch vụ công
cộng;
P
đl
- tổng nhu cầu công suất phụ tải động lực;
k
kV
: hệ số đồng thời cho các loại phụ tải trong khu vực thiết kế;
k
sh
: hệ số đồng thời của các hộ gia đình khu vực thiết kế;
k
dl
: hệ số đồng thời của phụ tải động lực.
Phụ tải tính toán cũng có thể được xác định theo biểu thức gần
đúng sau :
P
M

= k
đt
.P
i
, (4.7)
Trong đó:
P
i
- công suất của điểm tải thứ i.
k
đt
- hệ số đồng thời của các phụ tải khu vực, có thể lựa chọn như
sau :
+ k
đt
= 0,6 khi P
sh
 0,5 P
i
+ k
đt
= 0,7 khi P
sh
= 0,7 P
i
+ k
đt
= 0,9 khi P
sh
= P

i
Ch.4. CCĐ NT
103
a)
I
đ
Đường dây trung áp
R
đ
b)
I
đ
Đường dây trung áp
Các trường hợp khác k
đt
có thể nội suy.
4.2. Lựa chọn nguồn điện
4.2.1. Các nguồn điện cơ bản
Tùy theo đặc điểm địa lý của các vùng nông thôn, việc cung cấp
điện được thực hiện với nhiều phương án khác nhau như: các trạm phát
Điesel, trạm thủy điện nhỏ, trạm phong điện v.v. Phụ thuộc vào tiềm
năng khai thác nguồn năng lượng tái tạo người ta xây dựng các phương
án kết hợp các nguồn phát điện hỗn hợp: thuỷ điện nhỏ – pin mặt trời;
phong điện – pin mặt trời; thuỷ điện nhỏ – Điesel; phong điện – Điesel;
pin mặt trời – Điesel với quy mô công suất hợp lý, đảm bảo cung cấp
đủ điện cho nhu cầu phụ tải. Dưới đây sẽ giới thiệu một số phương án sử
dụng nguồn năng lượng tại chỗ.
4.2.1.1. Phương án cung cấp điện từ lưới quốc gia bằng mạng điện đơn
giản
Đối với các vùng xa trung tâm có thể áp dụng phương pháp truyền

tải điện năng bằng mạng điện đơn giản, tức là mạng điện ít dây dẫn, có
thể là hai (2D) hoặc một pha (1D). Ở các loại mạng điện này người ta sử
dụng đất làm một dây dẫn. Để có thể truyền dẫn điện trong đất cần phải
xây dựng ở trạm phát và trạm thu các hệ thống tiếp địa (HTTĐ). Dòng
điện được truyền từ trạm phát đến trạm thu bằng dây dẫn và trở về qua
các HTTĐ và vùng đất giữa hai trạm trong mạng điện 1D, dòng điện 2
pha đi theo đường dây trên không, còn pha còn lại dòng điện đi trong đất
(mạng 2D), (hình 4.1).
Ch.4. CCĐ NT
104
Do sự tác động điện từ, đường đi qua của dòng điện trong đất lặp
lại hoàn toàn hành vi của tuyến đường dây trên không. Độ sâu thâm nhập
của dòng điện trong đất phụ thuộc vào điện trở suất, tần số dòng điện, có
thể xác định theo biểu thức:
m
f
h
đ
,10.08,5
2


; (4.8)
Trong đó : 
đ
- điện trở suất của đất ,.m; f - tần số dòng điện, Hz.
Đối với dòng điện tần số công nghiệp thì:
mh
đ
,842,71



; (4.9)
Mật độ dòng điện đi vào lòng đất giảm dần theo độ sâu và chiều
rộng, tức là mật độ dòng điện ngay tại nơi tiếp xúc với HTTĐ sẽ lớn nhất
và giảm dần theo độ sâu và xa. Mật độ dòng điện tại một điểm bất kỳ
cách vị trí tiếp địa một khoảng r được xác định:
,
.2
2
x
đ
r
r
I
j

 A/m
2
; (4.10)
Trong đó:
j
r
- mật độ dòng điện tại điểm cách vị trí tiếp địa 1 khoảng r, A/m
2
;
I
đ
- dòng điện đi xuống đất, A;
r

x
- bán kính hay khoảng cách từ điểm tính đến vị trí tiếp địa, m.
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạng dùng đất làm một dây dẫn:
a) sơ đồ mạng điện 2D và b) Sơ đồ mạng điện 1D
Dây đ
ất

Dòng
điện sơ và
th
ứ cấp

Dòng
điện chạy
trong đ
ất
H
ệ thống nối đất
H
ệ thống nối đất
Dây trung tính
Dây đ
ất
Dây trung
tính
Điểm phân phối
trung tâm
Dây pha
Hình 4.2
. Sơ đ

ồ c
ung c
ấp điện nông thôn bằng mạng điện đ
ơn gi
ản
Ch.4. CCĐ NT
105
Điện trở của 1km đường đi của dòng điện trong đất (ứng với chiều dài
đường dây trên không), phụ thuộc vào tần số, điện trở suất của đất, chiều
cao treo dây trên không và độ sâu thâm nhập của dòng điện, có thể xác
định theo biểu thức Parson Bell:
km
f
Hfr
đ
oe
/,10.
5
.15,13.85,9
4













; (4.11)
kmf
H
h
fx
oe
/,10) 7,15lg 29(
4


; (4.12)
Trong đó:
h- chiều sâu thâm nhập vào lòng đất của dòng điện, m;
H- chiều cao treo dây dẫn trên không, m;
f - tần số dòng điện, Hz.
Đối với dòng điện tần số công nghiệp:


kmHr
đoe
/,10 832,05,492
4



; (4.13)
km
H

h
x
oe
/,10).785lg.1450(
4


; (4.14)
Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện cho khu vực nông thôn bằng mạng
điện đơn giản được thể hiện trên hình 4.2. Việc lợi dụng đất làm một
trong các dây dẫn cho phép tiết kiệm được đáng kể kim loại màu, tuy
nhiên ở đây người ta phải xây dựng các hệ thống tiếp địa làm việc, vì vậy
Ch.4. CCĐ NT
106
khi lựa chọn phương án cung cấp điện tối ưu, cần xem xét so sánh lượng
tiết kiệm kim loại màu so với tượng chi phí cho hệ thống tiếp địa.
4.2.1.2. Trạm phát Điesel
Trạm phát Điesel được sử dụng rộng rãi không chỉ ở các vùng sâu
vùng xa, hải đảo mà còn là nguồn dự phòng đáng tin cậy đối với mọi
phương án cung cấp điện. Trên thực tế hiện tại có rất nhiều loại trạm phát
Điesel do các hãng khác nhau sản xuất như máy phát tự kích thích kiểu
Fimag DCBS 63-4 của Đức, máy phát kiểu SSED (Đức), máy MST (Tiệp
Khắc), máy GTE (Rumanie), v.v. Trên hình 4.3 biểu thị hình ảnh bao
quát của một số cụm Điesel thông dụng. Giá thành của các cụm Điesel
phụ thuộc vào công suất, mức độ trang bị tự động hóa, loại động cơ
vv…Nhìn chung hiện tại suất vốn đầu tư của tổ phát Điesel nằm trong
khoảng 350  650 $/kW (máy phát nhỏ có đơn giá lớn).
4.2.1.3. Năng lượng Mặt Trời
Hình 4.3. Hình dạng bao quát của trạm phát điện điesel
Ch.4. CCĐ NT

107
Theo số liệu tính toán năng lượng bức xạ Mặt Trời trên Trái Đất
khoảng 1,210
14
kW, tính trung bình trên một đầu người là gần 30
MW/ng. [40]. Tuy nhiên hiện tại tỷ lệ sử dụng năng lượng này còn quá ít.
Công suất phát xạ của Mặt Trời phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như vị trí,
thời gian trong ngày, thời gian trong năm, các điều kiện khí hậu, thời tiết
v.v. Trong đó có nhiều yếu tố tác động ngẫu nhiên.
kính
l
ớp bán dẫn P
lớp chống phản xạ
tia nắng
ti
ếp xúc mặt tr
ư
ớc
modul quang điện
m
ạch điện
một chiều
a)
Bộ chuyển đổi
năng lượng
Bộ nghịch lưu
Tuabin
Tia nắng
Máy phát
M

ạng điện cao áp
Bình ngưng
Bơm cấp
Nư
ớc làm mát
Bơm đối lưu
Môi chất làm mát
lo
op
Hơi nước
Nư
ớc
Máy bi
ến áp
Ch.4. CCĐ NT
108
Sự chuyển đổi từ năng lượng nhiệt của Mặt Trời thành điện năng
năng có thể được thực hiện theo hai phương thức:
* Phương thức thứ nhất của nhà máy điện dùng bức xạ Mặt Trời là
hệ thống làm việc như trạm nhiệt điện, mà trong đó lò hơi được thay
bằng hệ thống kính hội tụ thu nhận nhiệt bức xạ Mặt Trời để tạo hơi nước
quay tuabin (hình 4.4a).
* Phương thức thứ hai chuyển đổi quang năng thành điện năng
dưới dạng pin Mặt Trời (hình 4.4c). Pin Mặt Trời, còn gọi là pin quang
điện, có cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn p và n. Lớp tiếp xúc giữa gọi là lớp
tiếp xúc chuyển tiếp p - n. Dưới tác dụng của ánh sáng Mặt Trời vào lớp
chuyển tiếp p-n có sự khuếch tán của các hạt dẫn cơ bản qua lớp tiếp
xúc, tạo nên một điện trường và do đó sinh ra một suất điện động của
quang điện. Giá trị của suất điện động này tăng theo sự tăng của cường
độ chiếu sáng. Như vậy pin Mặt Trời biến đổi trực tiếp bức xạ năng

lượng Mặt Trời thành điện năng, không qua bước trung gian về nhiệt.
Hiện nay, người ta đã chế tạo tế bào quang điện Mặt Trời có đường
kính cỡ vài đề xi mét, cho công suất cỡ 1W trong điều kiện bức xạ Mặt
Trời là 1kW/m
2
. Tuỳ theo nhu cầu phụ tải của hộ tiêu thụ mà người ta
ghép các tế bào pin Mặt Trời thành các bộ, tổ hợp.
Năng lượng điện do pin Mặt Trời sản xuất ra nếu không dùng hết,
thì có thể được tích trữ bằng ắc qui. Nhìn chung cho đến nay Pin Mặt
Hình 4.4. Năng lượng Mặt Trời
a) Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện Mặt Trời; b) Sơ đồ thiết hệ thống bị điện
M
ặt Trời; c)
Sơ đ
ồ nguy
ên lý Pin M
ặt Trời
l
ớp bán dẫn n
ti
ếp xúc mặt sau
đường tiếp giáp
công tơ
s
ản xuất
thi
ết bị gia dụng
m
ạng điện công cộng
m

ạch điện
xoay chiều
công tơ
tiêu th
ụ
b)
c)
Ch.4. CCĐ NT
109
Trời mới chỉ được chế tạo với công suất nhỏ, hiệu suất thấp, giá thành
cao, thường chỉ được dùng để cung cấp cho các phụ tải nhỏ ở các vùng
hải đảo xa. Đơn giá pin Mặt Trời trung bình khoảng 46 $/W và giá
thành điện năng khoảng 0,250,40 $/kWh.
4.2.1.4. Trạm phong điện
Nguyên lý làm việc chủ yếu của trạm phong điện (TPĐ) là lợi
dụng sức gió để quay hệ thống cánh quạt (trực tiếp, hoặc gián tiếp qua bộ
biến tốc) làm quay máy phát điện (hình 4.5). Điện năng sản xuất ra
thường được tích trữ bằng ắc qui. Để xác định điện năng dự kiến ở một vị
trí cụ thể, cần có dữ liệu về sự phân bố tốc độ gió theo sự phân cấp. Xét
đến sự biến đổi của tốc độ gió theo thời gian. Để tính toán năng lượng gió
cần biết các thông tin về tốc độ gió tại nơi đặt thiết bị ở độ cao tính toán.
Các dữ kiện tin cậy cần phải được xử lý từ số liệu khảo sát không dưới
10 năm. Hiệu quả sử dụng của thiết bị gió phụ thuộc rất nhiều vào các
điều kiện khí hậu, địa hình, các nguồn năng lượng tại chỗ, giá nhiên liệu,
chính sách tài chính v.v. Công suất của động cơ gió tỷ lệ bậc ba với vận
tốc, được xác định theo biểu thức:
P = 0,5.C
p
.
1

.
2
.
3
.
k
.F.
h
3
(4.15)
Trong đó:
P - công suất động cơ gió, kW;
F - bề mặt quét gió của cánh, m
2
;

k
- khối lượng riêng của không khí, (
k
= 1,2kg/m
3
);
C
p
- hệ số công suất cực đại, (C
p
= 0,59);

1
,

2
,
3
- hiệu suất của bộ biến tốc, máy phát và ắc qui:

1
0,95; 
2
0,80; 
3
0,80 ;
v
h
- vận tốc của gió ở độ cao trục gió,
xác định theo biểu thức (4.16),m/s.
Để đánh giá được đầy đủ giá trị công suất của động cơ gió cần phải
có đủ sô liệu thống kê về tốc độ và sự phân bố gió trong khu vực đặt thiết
bị. Thông thường các số liệu về tốc độ gió được đo ở độ cao 10m, vì vậy
gió
máy phát
Chuyển đổi
điện năng
hộ dùng
điện
cột
Hình 4.5. Sơ đồ trạm phong điện
Ch.4. CCĐ NT
110
để xác định tốc độ gió ở độ cao bất kỳ h, cần phải quy đổi theo biểu thức
thực nghiệm sau: [40].


h
= 0,1.h
g.
b, (4.16)
Trong đó:

h
- tốc độ gió ở độ cao h, m/s;
 – tốc độ gió theo số liệu đo của trạm khí tượng ở độ cao 10m,
m/s;
h
g
– chiều cao trục gió, m;
b – hệ số thực nghiệm, đối với khu vực mở b=0,14 [40].
Dòng năng lượng gió có mật độ ban đầu thấp, bởi vậy đòi hỏi công
nghệ cao, tức là giá thành của cơ cấu đắt, điều đó làm cho giá thành điện
năng gió cao. Nhược điểm cơ bản của điện năng từ trạm phong điện là
không ổn định, chất lượng điện thay đổi, nhưng nó có ưu điểm là không
cần nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường.
Giá thành điện năng của trạm phong điện được xác định theo biểu
thức:
A
Z
g
g
g

(4.17)
Trong đó:

A – điện năng sản xuất bởi trạm phong điện: A=P.T;
T – thời gian làm việc của trạm phong điện, h/năm.
Z
g
– chi phí quy dẫn của trạm phong điện, xác định theo biểu thức:
Z
g
=pV
g
+C
vh
; (4.18)
p – hệ số tiêu chuẩn sử dụng và khấu hao thiết bị phong điện (p=0,18);
V
g
– vốn đầu tư trạm phong điện, bao gồm vốn mua thiết bị, vật tư và
vốn xây dựng;
C
vh
– chi phí vận hành thường niên, lấy trung bình bằng 7% vốn đầu tư.
Ch.4. CCĐ NT
111
Để đảm bảo sự cung cấp điện ổn định người ta thường áp dụng sơ
đồ kết hợp năng lượng gió và năng lượng Mặt Trời. Việc kết hợp turbine
gió và module quang điện cho phép nâng cao hiệu quả sử dụng của các
nguồn năng lượng này (hình 4.6).
Công suất của các trạm phong điện cần phải thỏa mãn nhu cầu phụ
tải và nạp cho accquy với dung lượng đủ để cung cấp vào những lúc lặng
gió. Vào thời gian lặng gió các accquy được nạp bởi cơ cấu điện Mặt
Trời.

Chi phí cho các việc xây dựng các thiết bị gió được đánh giá theo các
thành phần, %:
TT Chi phí cho các
phần tử
Tỷ lệ,
%
TT Chi phí cho các phần
tử
Tỷ lệ,
%
1 Thiết bị gió
6070
5 Cơ sở hạ tầng
(đường xá)
5 7
2 Nền móng
4 6
6 Các trang thiết bị
tạm thời
2 5
3 Thiết bị điện
3 5
7 Máy phát
11 12
4 Nhà trạm
2 3
8 Các chi phí khác
2 3
module
quang điện

turbine gió
bộ điều
ch
ỉnh
bộ chuyển
đ
ổi
accquy
Hình 4.6. Sơ đồ sử
dụng các nguồn năng
lượng gió và Mặt Trời
cho hộ gia đình
Ch.4. CCĐ NT
112
Ngay từ những năm 1994 ở Đan Mạch đã có gần 3600 trạm phong
điện, đảm bảo khoảng 3% lượng điện của quốc gia này, Ở Caliphornia có
trên dưới 15000 trạm phong điện. Vào khoảng thập kỷ 80 của thế kỷ
trước đơn giá thiết bị phong điện khoảng 3000 $/kW và giá thành điện
năng là 20 cent/kWh. Với sự hoàn thiện công nghệ, đơn giá thiết bị
phong điện ngày càng giảm. Hiện nay khoảng 6001200 $/kW và giá
thành điện năng khoảng 710 cent/kWh, tức gấp rưỡi so với giá thành
điện năng ở nhà máy nhiệt điện (giá thành điện năng của nhà máy nhiệt
điện khoảng 46 cent/kWh).
4.2.1.5. Thủy điện nhỏ
Trạm thủy điện nhỏ làm việc theo nguyên lý chuyển đổi thế năng
của dòng nước thành điện năng (hình 4.7). Công suất của trạm phát thủy
điện nhỏ có thể xác định theo biểu thức:
P = Q.g.h, kW ; (4.19)
Trong đó:
Q – lưu lượng nước, m

3
/s ;
g – gia tốc trọng trường, m/s
2
, (hoặc N/kg) (g=9,81) ;
h – chiều cao cột nước, m.
Tùy theo quy mô của các trạm thủy điện nhỏ, đơn giá của trạm
thủy điện nhỏ dao động trong khoảng 280  800 $/kW.
h
đ
ập
ống dẫ
n
turbine
máy phát
bi
ến áp
m
ạng điện
th
ế năng
đ
ộng năng
cơ năng
đi
ện năng
Hình 4.7. Sơ đồ trạm thủy điện nhỏ
Ch.4. CCĐ NT
113
Giá thành sản xuất điện năng của trạm thủy điện nhỏ được xác định theo

biểu thức:
A
Z
g
tđ
a

Trong đó:
A – điện năng sản xuất tại trạm thủy điện nhỏ: A = P.T;
T – thời gian sử dụng công suất của trạm thủy điện;
Z
tđ
– chi phí quy dẫn của trạm thủy điện nhỏ, xác định tương tự theo biểu
thức (4.18).
4.2.1.6. Năng lượng biogas
Năng lượng biogas hay còn gọi là sinh khối là năng lượng thu lại
từ các loại phế thải như rơm rạ, bả mía, trấu, phân gia súc, rác thải vv.
Bể chứa gas
Cách nhiệt
Khu
ấy trộn
Máy nén
Máy phát
đi
ện
B
ộ hâm nóng
Ch.4. CCĐ NT
114
Khí sinh ra bởi chất thải sinh học bao gồm các thành phần: 50

90% khí methan (CH
4
), 10 40% khí dioxyde carbone (CO
2
), khoảng
0,1% khí hydro sulfure (H
2
S) và hơi nước. Biogas có thể sinh nhiệt và
điện năng. Điện năng được sản xuất bằng máy phát chạy bằng gas. Các
loại máy phát này thường được chế tạo với công suất nhỏ khoảng vài
kW, đủ để cung cấp cho một hộ gia đình. Đơn giá của máy phát điện
chạy gas dao động trong khoảng 8001200 $/kW. Sơ đồ cung cấp điện
bằng khí biogas được thể hiện trên hình 4.8.
4.2.2. So sánh các phương án cung cấp điện
Việc thiết kế hệ thống cung cấp điện trong điều kiện kinh tế thị
trường, đặc trưng bởi nhiều thành phần sở hữu cần phải được thực hiện
trên cơ sở các nguyên lý và phương pháp phù hợp với các điều kiện này.
Để đánh giá hiệu quả kinh tế của các phương án ta sử dụng chỉ tiêu
chi phí quy dẫn, được xác định theo biểu thức (3.1), (xem chương 3). Đối
với các vùng ở độ xa trung bình so với lưới điện quốc gia, thì có thể so
sánh các phương án cung cấp điện bằng lưới ba pha thông thường với
phương án cung cấp điện bằng lưới đơn pha, còn đối với các vùng nông
thôn xa trung tâm, nơi không thể đưa điện đến từ lưới quốc gia, thì việc
cung cấp điện chỉ có thể thực hiện trên cơ sở khai thác các nguồn năng
lượng tại chỗ. Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất đối với việc sử dụng các nguồn
năng lượng tái tạo là vốn đầu tư ban đầu cao. Mặt khác, việc so sánh kinh
tế-kỹ thuật của các phương án cũng gặp nhiều khó khăn, do một số trở
ngại chính, làm giảm đi tính cạnh tranh của các nguồn năng lượng tái tạo
như:
- Giá điện từ các nguồn điện truyền thống hiện nay, do nhiều nguyên

khác nhau, chưa phản ảnh đúng giá trị thực tế.
- Ảnh hưởng của các nguồn năng lượng đối với môi trường chưa thể
xét đến một cách đầy đủ và chính xác;
Hình 4.8. Sơ đồ mô hình cung cấp điện bằng khí biogas
Ch.4. CCĐ NT
115
- Công nghệ năng lượng tái tạo chưa thực sự hoàn thiện và chưa
hoàn toàn khuất phục được các nhà đầu tư.
- Hiệu quả sử dụng của thiết bị gió phụ thuộc rất nhiều vào các điều
kiện khí hậu, địa hình, các nguồn năng lượng tại chỗ, giá nhiên liệu,
chính sách tài chính v.v.
4.2.2.1. Xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của mạng điện địa
phương
Giả thiết là phụ tải phân bố đều trên toàn bộ lãnh thổ cần cung cấp
điện mà có thể quy về diện tích hình vuông với cạnh là 2r (hình 4.9).
Diện tích của vùng quy hoạch được chia thành nhiều hình vuông nhỏ với
các điểm tải đặt ở chính tâm.
a) Chiều dài đường dây phân phối
Chiều dài của đường dây phân phối được xác định theo biểu thức:
L
f
= 
f
.2.r
N
; (4.20)
Trong đó:
N – số lượng điểm tải;
r – nửa cạnh hình vuông lãnh thổ quy hoạch (hình 4.9);


f
- Hệ số hình dạng của lưới điện, phụ thuộc vào địa hình.
b) Khối lượng kim loại màu của đường đây dài l:
G = 3.F
d
.L.d (4.21)
Trong đó:
d – khối lượng riêng của kim loại làm dây dẫn;
F
d
- diện tích của tiết diện dây dẫn;
L - chiều dài đường dây.
Nếu tiết diện dây dẫn được chọn theo mật độ dòng điện J, tức là:
J
I
F
d

J – mật độ dòng điện;
Thì ta có thể xác định:
Hình 4.9. Sơ đồ lý
tưởng của mạng điện
2r
Ch.4. CCĐ NT
116

J
ILd
G
3


cos.
.3
cos.
3
JU
Md
JU
PLd

; (4.22)
Trong đó:
I – giá trị dòng điện chạy trên đường dây, A;
U - Điện áp của đường dây, kV;
cos - hệ số công suất trung bình của phụ tải.
Có nghĩa là số lượng kim loại màu tỷ lệ thuận với mô men tải M.
M = P.L
Đối với lưới điện lý tưởng mô men tải có thể xác định theo biểu thức:
M = ..r
3
; (4.23)
 - Hệ số phân nhánh đường dây, phụ thuộc vào đặc điểm phân bố của
phụ tải,  có giá trị trong khoảng 3,623,87;
 - mật độ phụ tải kW/km
2
.
Như vậy:




cos
3
cos.
.3
3
UJ
rd
JU
Md
G 
c) Tiết diện dây dẫn đẳng trị
Từ biểu thức (4.19) ta suy ra thiết diện của dây dẫn F
dt
có thể xác định:

ld
G
F
dt
3


cos.3
.
3
lJU
r
; (4.24)
d) Vốn đầu tư của đường dây phân phối:
V

d
= (a
d
+ b
d
F
dt
).L =


cos.3
.
3
JU
rb
La
d
d


; (4.25)
Trong đó:
a
d
, b
d
– các hệ số kinh tế cố định và thay đổi của đường dây.
e) Hao tổn công suất tác dụng trên đường dây:
P=3I
2

R.L=
dt
F
LI .3
2

=3J.I.L=
3
10.cos
3


U
JLP
=
3
10.cos
3


U
JM
=
3
3
10.cos
3


U

Jr
;
(4.26)
 - điện trở suất của vật liệu dây dẫn, /(km.mm
2
).
f) Tổn thất điện năng:
Ch.4. CCĐ NT
117




3
3
10cos
3
.
U
Jr
PA


; (4.27)
g) Chi phí quy dẫn:

 cAVpZ
dd
.
)

cos.3
.
(
3


JU
rb
Lap
d
dd




 c
U
Jr
.
10cos
3
3
3



(4.28)
4.2.2.1. So phương án cấp điện cho khu vực thưa dân cư bằng mạng
điện đơn pha
Đối với các vùng nông thôn miền núi không quá xa hệ thống điện

quốc gia, thì có thể thực hiện phương án cung cấp điện bằng mạng đơn
giản. Chúng ta so sánh 2 phương án: Mạng điện ba pha thông thường và
mạng điện đơn pha một dây + đất (1D).
a) Chi phí quy dẫn của mạng điện ba pha thông thường
Để so sánh các phương án cung cấp điện bằng lưới ba pha thông
thường và lưới đơn pha, ngoài các chi phí của đường dây như đã biết, ta
cần xét đế chi phí cho hệ thống nối đất :
Z
d
= p
d
(V
nđ
+ V
d
) + A
3f
c

Trong đó:
p
d
– hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao vốn đầu tư;
V
d
- vốn đầu tư cho đường dây
V
nd
- vốn đầu tư cho hệ thống nối đất ;
Vốn đầu tư cho hệ thống nối đất được xác định theo biểu thức thực

nghiệm:
- Đối với mạng điện ba pha thông thường :
V
nd
= 2+0,025.S, triệu đ ; (4.29)
S – công suất tính toán của mạng điện, kVA.
A
3f
– tổn thất điện năng ở mạng điện ba pha thông thường, được xác
định theo biểu thức:
Ch.4. CCĐ NT
118
32
10 3
3



LrIA
o
f
, kWh ; (4.30)
r
0
– điện trở tác dụng của 1km đường dây ;
L – chiều dài đường dây, km ;
 – thời gian hao tổn cực đại, h.
c

- giá thành tổn thất điện năng, đ/kWh ;

I – dòng điện chạy trên đường dây ba pha thông thường, xác định theo
biểu thức:
U
S
I
3

S – công suất truyền tải trên đường dây, kVA;
U – điện áp dây định mức, kV.
b) Chi phí quy dẫn của mạng điện đơn pha dùng đất làm một dây dẫn
Chi phí quy dẫn của mạng điện đơn pha bao gồm các thành phần:
Chi phí cho hệ thống nối đất tăng cường, chi phí cho đường dây, chi phí
phụ và chi phí tổn thất điện năng.
Z
d1
= p
d
(V
nđ1
+ V
d1
+ V
f
) + A
d1
c

(4.31)
Trong đó:
V

d1
– vốn đầu tư của đường dây đơn pha;
V
nđ1
– vốn đầu tư cho hệ thống nối đất tăng cường,phục vụ cho việc dẫn
điện trong đất, có thể xác định theo biểu thức thực nghiệm sau :
V
nđ1
= (3,5+0,015.S+0,003.S
2
)/R
tđ1
, triệu đ ;
(4.32)
R
tđ1
– điện trở của hệ thống nối đất của mạng điện đơn pha, .
R
tđ1
= R
td
-(0,0025.S+5.10
-5
S
2
); (4.33)
R
tđ
– điện trở của hệ thống nối đất bảo vệ ở mạng điện ba pha thông
thường.

Ch.4. CCĐ NT
119
Các biểu thức này chỉ áp dụng trong giới hạn công suất S  100
kVA, nếu công suất S lớn thì sẽ có sai số khi áp dụng các biểu thức thực
nghiệm, cần kahi thác thêm các thông tin bổ sung để hiệu chỉnh.
V
f
– vốn đầu tư phụ dùng để chuyển đổi điện năng một pha về dạng ba
pha , trong tính toán có thể lấy bằng 12% vốn đầu tư của mạng điện đơn
pha (V
f
=12%V
d1
).
Tổn thất điện năng trong mạng điện đơn pha được xác định theo
biểu thức:
3
1
2
1
2
11
10] ) ([



tddoeodD
RILrrIA (4.34)
U
S

I
d

1
(4.35)
r
0e
– điện trở của “dây đất”, xác định theo biểu thức (4.13).
4.2.2.3. So phương án cấp điện cho khu vực thưa dân cư bằng nguồn
điện tại chỗ
Đối với các khu vực nông thôn xa trung tâm, phương án kinh tế
nhất là sử dụng các nguồn điện tại chỗ. Cho đến nay nguồn phát điện tại
chỗ chủ yếu là các trạm điesel.
Chi phí cho trạm điesel được xác định theo biểu thức:
Z
die
=p
die
V
die
+C
nl
+C
vh
;
(4.36)
Trong đó:
p
die
– hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao vốn đầu tư của trạm điesel: p=

a
tc
+ k
kh
;
k
kh
– hệ số khấu hao thiết bị điesel;
V
đie
– vốn đầu tư cho trạm điesel;
C
nl
– chi phí nhiên liệu:
C
nl
=g
nl
b
nl
.A =g
nl
b
nl
.P.T
M
(4.37)
g
nl
– giá thành 1 kg nhiên liệu đ/kg;

b
nl
– suất chi phí nhiên liệu kg/kWh;
Ch.4. CCĐ NT
120
P – công suất tiêu thụ (phụ tải), kW;
T
M
– thời gian sử dụng công suất cực đại, h/năm;
C
vh
– chi phí vận hành.
Khi so sánh các phương án ta coi chi phí vận hành là như nhau,
nên không cần xét đến thành phần này trong chi phí tính toán, như vậy
chi phí tính toán cho trạm điesel sẽ là:
Z
die
= p
die
V
die
+g
nl
b
nl
.P.T
M
(4.38)
Giả dụ cần cung cấp điện cho một khu vực gồm N điểm tải. Ta so sánh 2
phương án:

Phương án 1: Đặt cho mỗi điểm tải một máy Điesel công suất nhỏ;
Phương án 2: Đặt một trạm Điesel công suất vừa cho cả vùng. Ở phương
án này ngoài trạm phát Điesel còn phải xây dựng mạng điện phân phối
đến các hộ tiêu thụ.
Trong phương án đầu chi phí tính toán sẽ là:
Z
1
= N(p
die
V
1
+g
nl
b
1
P
1
T
M
)
(4.39)
Biểu thị công suất tính toán qua mật độ phụ tải: P=.4r
2
;
Công suất tính toán của một điểm tải:
P
1
=P/N =
N
r

2
4

(4.40)
Z
1
= N(p
die
V
1
+g
nl
b
1
N
r
2
4

T
M
)
(4.41)
Trong phương án 2
Z
2
= Z
die
+Z
pp

=
p
die
V
2
+g
nl
b
2
.4r
2
T
M
Nrap
dp
.2

 +


cos.3
.
3
JU
rbp
dp

+



c
U
Jr
.
10cos
3
3
3



(4.42)
Xác định vùng cấp diện tối ưu
Ch.4. CCĐ NT
121
Đặt Z
1
= Z
2
và sau một vài biến đổi ta có phương trình:
(


cos.3JU
bp
dp

3
10cos
3



U
cj


)r
3
rNap
dp
2

 +p
die
(V
2
-N.V
1
)+4g
nl.
 T
M
(b
2
-
b
1
)r
2
=0; (4.43)

Đặt: A=(




cos.3
.
JU
bp
dp
3
10cos
3


U
cj


); (4.44)
B=4g
nl.
 T
M
(b
2
-b
1
) (4.45)
C= 2 Nap

dp

(4.46)
D=p
die
(V
2
-N.V
1
) (4.47)
Ta có phương trình bậc ba:
A.r
3
+ B.r
2
+ C.r + D = 0 (4.48)
Nghiệm của phương trình trên là nửa cạnh hình vuông, giá trị này
cần nhân với hệ số hiệu chỉnh để có chiều dài giới hạn, xác định danh
giới vùng cung cấp điện kinh tế giữa hai phương án:

r
r
kt
2
 = 1,13 r
f
; (4.49)
4.3. Sơ đồ cung cấp điện
Sơ đồ của hệ thống cung cấp điện nông thôn là một phần của hệ
thống điện quốc gia (hình 4.10). Việc lựa chọn sơ đồ cung cấp điện cho

các khu vực nông thôn dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật như độ tin cậy
cung cấp điện, chất lượng điện và sự hiện diện của các nguồn năng lượng
tái sinh. Bài toán này được bắt đầu từ kết quả tính toán phụ tải ở các điểm
nút, sau đó giải bài toán chọn cấp điện tối ưu, chọn vị trí, công suất và số
lượng máy biến áp.
Đối với các điểm tải mới, việc lựa chọn sơ đồ cung cấp điện được
thực hiện trên cơ sở so sánh kinh tế - kỹ thuật các phương án khả thi.
Trong sơ đồ mạng điện phát triển cần phải giải bài toán tổng hợp cung
cấp điện cho các hộ hiện tại và các hộ dùng điện mới theo các phương án
phát triển mạng điện có xét đến quy hoạch phát triển điện lực nói chung
của vùng và quốc gia. Việc xây dựng sơ đồ cung cấp điện phải đáp ứng