Lập trình tính toán chế độ xác lập của hệ thống phân phối swer

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN ANH HUY

LẬP TRÌNH TÍNH TỐN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP
CỦA HỆ THỐNG PHÂN PHỐI SWER
Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
Mã số: 605251

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2015


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Nguyễn Văn Liêm. Chữ ký:….....
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................

4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Anh Huy. MSHV:12820134
Ngày, tháng, năm sinh: 30/03/1983. Nơi sinh: Huyện Lấp Vò - Tỉnh Đồng Tháp.
Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện. Mã số : 605251
I. TÊN ĐỀ TÀI: Lập trình tính tốn chế độ xác lập của hệ thống phân phối SWER
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng thuật tốn để tính tốn các giá trị điện áp,
góc pha, cơng suất thực và cơng suất phản kháng ở chế độ xác lập của hệ thống phân
phối SWER. Xây dựng tiêu chuẩn thiết kế của hệ thống SWER và tính tốn cho một
thiết kế tiêu biểu lưới điện SWER trong thực tế.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07/07/2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/05/2015
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Nguyễn Văn Liêm.

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Thầy Nguyễn Văn Liêm,
người đã tận tình hướng dẫn, cung cấp những tài liệu vơ cùng q giá và giúp đỡ
em trong q trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô người đã giảng dạy và truyền đạt những
tri thức khoa học giúp em hoàn thiện các kiến thức trong suốt q trình theo học
cao học.
Con vơ cùng biết ơn Cha Mẹ và gia đình ni con khơn lớn, luôn là chỗ dựa
vững chắc về vật chất lẫn tinh thần, tạo mọi điều kiện để con được học tập, trưởng
thành cho đến ngày hôm nay.
Xin chân thành cảm ơn các Anh Chị, bạn bè cùng lớp Thiết bị, mạng và nhà
máy điện khoá 2012 (đào tạo tại trường Đại Học Cần Thơ) đã giúp đỡ em trong
quá trình học tập cũng như trong cuộc sống.
Cần Thơ, tháng 05 năm 2015

Nguyễn Anh Huy


Abstract

The high cost of grid extension to rural areas, which are often characterized by
scattered communities with low load densities, requires the use of low cost
electrification technologies to ensure economic viability. In Single Wire Earth
Return (SWER) power distribution networks, the earth itself forms the current
return path of the single phase system leading to significant cost savings on
conductors, poles and poletop hardware compared to conventional systems.
However, challenges exist in SWER with regard to earthing and safety as well as
the dependence on earth conductivity to supply consumer loads. This work
presents models for the optimal planning of SWER power distribution networks.
The earth return path is modeled as a conductor based on the Carson line model
taking into consideration specific ground properties of the considered location. A
load flow algorithm for radial SWER networks is subsequently formulated
whereby the overhead line and ground voltages and currents are determined using
the backward/forward sweep method.
The developed models are applied to a case study in Southern of Viet Nam to
test their practical application. In addition, comparative studies are done to
determine how the proposed optimization models compare with previous
distribution planning models. The numerical analysis includes the impact of
deterministic distributed generation on the SWER planning problem.


TÓM TẮT
Đáp ứng nhu cầu cung cấp điện đến các vùng nơng thơn, vùng sâu, vùng xa và vùng
cao có mật độ dân cư thưa thớt, tải nhỏ phân bố rãi với chi phí đầu tư thấp đang là một
bài toán thách thức đối với các đơn vị cung ứng điện.

Để giải quyết bài tốn đó trong phạm vi đề tài này đề xuất một phương pháp
phân phối điện 1 dây dùng đất dẫn dòng trở về (Single Wire Earth Return-SWER)
để đáp ứng nhu cầu phân phối điện cho các khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa,
vùng cao. Với lợi thế chỉ có 1 dây dẫn điện góp phần giảm thiểu các loại vật tư thiết

bị trên lưới cũng như giảm số lượng trụ điện giúp hệ thống lưới điện SWER kinh tế
hơn so với các dạng lưới điện truyền thống. Tuy nhiên vấn đề then chốt của lưới
điện SWER là làm sao xử lý được hệ thống nối đất đạt yêu cầu vận hành cũng như
cách ly được với nguồn cung cấp. Giới thiệu phương pháp đánh số nhánh mạng
điện dạng hình tia và đề xuất giải thuật qt thuận/qt nghịch để xây dựng thuật
tốn tính bài tốn phân bố cơng suất cho lưới điện SWER trong đó hệ thống nối đất
trở về được xây dựng dựa trên mơ hình Carson.
Tính tốn các giá trị và ứng dụng mơ hình này vào các lưới điện thực tế tại
miền nam Việt Nam. So sánh với các dạng lưới điện hiện hữu để kết luận.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá
nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Văn Liêm.
Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này
trung thực và chưa từng được cơng bố dưới bất cứ hình thức nào.
Tơi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên thực hiện

Nguyễn Anh Huy


GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

Single wire earth return - SWER

MỤC LỤC
PHẦN 1: MƠ HÌNH VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA SWER .................................................. 1
CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1

1. Đặt vấn đề: ............................................................................................................................. 1
2. Khái niệm về hệ thống SWER: .............................................................................................. 1
3. Sự cần thiết của bài tốn tính tốn chế độ xác lập đối với việc quy hoạch, thiết kế và vận
hành một hệ thống SWER: ......................................................................................................... 3
4. Các hạn chế trước đây:........................................................................................................... 4
5. Mục tiêu của đề tài: ................................................................................................................ 5
6. Phạm vi nghiên cứu: .............................................................................................................. 5
7. Nội dung nghiên cứu: ............................................................................................................ 6
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI ĐIỆN 1 DÂY DÙNG DẤT
DẪN DÒNG TRUNG HÒA-SWER .......................................................................................... 7
1. Lịch sử hình thành của hệ thống SWER: ............................................................................... 7
2. Các ưu điểm của hệ thống SWER: ........................................................................................ 8
3. Giới thiệu một số hệ thống SWER tiêu biểu trên Thế Giới: ................................................ 10
CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU CÁC THÀNH PHẦN TRONG MƠ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
SWER ....................................................................................................................................... 12
1 Máy biến áp cách ly: ............................................................................................................ 12
2 Dây dẫn trong hệ thống SWER: .......................................................................................... 13
3 Hệ thống sứ đỡ và sứ dừng dây trong hệ thống SWER: ...................................................... 14
4 Máy biến áp phân phối cho phụ tải trong hệ thống SWER: ................................................ 15
5 Bộ điều chỉnh điện áp: ......................................................................................................... 17
6 Thiết bị bảo vệ: .................................................................................................................... 19
6.1 Máy cắt tự đóng lại (Reclosers): ..................................................................................... 20
6.2 Bảo vệ chống sóng điện áp lan truyền trên đường dây: .................................................. 21
7 Thiết bị nối đất trong hệ thống SWER: ............................................................................... 22
8 Hiện tượng tăng áp và hiệu ứng Ferranti: ............................................................................ 25
9 Dao động dọc đường dây do gió: ......................................................................................... 26
CHƯƠNG IV: MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐƯỜNG DÂY SWER ............................................. 28
1. Mơ hình trở kháng đường dây: ............................................................................................ 29
2. Mơ hình đường dây J.R.Carson: .......................................................................................... 29
3. Dung dẫn trên dọc đường dây: ............................................................................................. 31

4. Giải thuật phân bố công suất: .............................................................................................. 32
CHƯƠNG V: LẬP TRÌNH TÍNH TỐN CÁC GIÁ TRỊ XÁC LẬP CỦA MƠ HÌNH
ĐƯỜNG DÂY SWER BẰNG PHẦN MỀM MATLAB ......................................................... 35
I.
Phân tích bài tốn SWER: ............................................................................................. 35
1. Khảo sát nhu cầu cấp điện cho một khu vực thực tế: .......................................................... 35
2. Giải thuật tính tốn cho sơ đồ lưới điện hình tia (SWER): .................................................. 38
II.
Các thuật tốn lập trình trong Matlab và kết quả tính tốn cho bài tốn phân bố cơng
suất của hệ thống điện SWER: ................................................................................................. 42
1. Giới thiệu sơ lược về Matlab Simulink: .............................................................................. 42
2. Thực hiện lập trình tính tốn các giá trị đầu vào cho hệ thống SWER: .............................. 42
PHẦN 2: XÂY DỰNG TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ................................................................ 47
VÀ THIẾT KẾ TIÊU BIỂU ..................................................................................................... 47
CHƯƠNG VI: TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN SWER .................................. 47
I.
Phạm vi ứng dụng của SWER: ...................................................................................... 47
1. Giới thiệu một số quy định về hiệu quả đầu tư trong cung cấp điện của ngành điện tại Việt
Nam: ......................................................................................................................................... 47

HVTH : Nguyễn Anh Huy


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

2. Đánh giá tình hình cung cấp điện cho các khu vực nông thôn tại miền nam Việt Nam:..... 47
3. Đánh giá khả năng ứng dụng SWER trong cung cấp điện cho các khu vực nông thôn tại
miền nam Việt Nam: ................................................................................................................ 48

II.
Tiêu chuẩn thiết kế lưới điện SWER các khu vực nông thôn tại miền nam Việt Nam: 48
1. Giới thiệu các tiêu chuẩn thiết kế lưới điện phân phối đang ứng dụng: .............................. 48
2. Đánh giá khả năng ứng dụng các tiêu chuẩn thiết kế hiện hữu cho lưới điện SWER: ........ 49
3. Chi tiết thiết kế của các phần tử lưới điện SWER: .............................................................. 50
CHƯƠNG VII: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT KẾ TIÊU BIỂU HỆ THỐNG ĐIỆN SWER ...... 61
I.
Khảo sát nhu cầu cung cấp điện cho một khu vực nơng thơn có phụ tải 100kVA: ....... 61
1. Sơ đồ vị trí mặt bằng:........................................................................................................... 61
2. Mục đích đầu tư: .................................................................................................................. 62
3. Hiện trạng lưới điện của khu vực: ....................................................................................... 62
II.
Phương án 1 – Xây dựng thiết kế và dự toán cơng trình cấp điện cho khu vực nêu trên
theo thiết kế đường dây trung áp 1 pha 12,7kV 2 dây truyền thống: ....................................... 63
A.
Tổng quan về cơng trình: ............................................................................................... 63
1. Điều kiện khí hậu tính tốn: ................................................................................................. 63
2. Lựa chọn dây dẫn điện và dây trung hòa: ............................................................................ 64
3. Lựa chọn cách điện và phụ kiện: ......................................................................................... 67
4. Các biện pháp bảo vệ: .......................................................................................................... 69
4.1 Các thiết bị đóng cắt đầu tuyến: ...................................................................................... 69
4.2 Tiếp đất đường dây: ........................................................................................................ 69
5. Các giải pháp thiết kế cột và móng: ..................................................................................... 69
5.1 Các giải pháp kết cấu cột: ............................................................................................... 69
5.2 Các giải pháp phần móng: ............................................................................................... 70
B.
Các bản vẽ chi tiết của hệ thống lưới điện: ................................................................... 71
1. Bản vẽ mặt bằng bố trí trụ: .................................................................................................. 71
2. Bản vẽ trụ vượt sơng: ........................................................................................................... 72
3. Bản vẽ chi tiết trụ 18m:........................................................................................................ 73

4. Bản vẽ chi tiết trụ 14m:........................................................................................................ 74
5. Bản vẽ chi tiết móng trụ:...................................................................................................... 75
5.1 Loại móng đà cản 1,2m và 1,5m (móng b-a) dùng cho trụ 14m đỡ thẳng, trụ 14m đỡ góc
và trụ 14m dừng giữa tuyến:..................................................................................................... 75
5.2 Loại móng 2 đà cản 1,5m (móng b-b) dùng cho trụ 14m dừng cuối tuyến: ................... 76
5.3 Loại móng bê tơng 1,5x1,5x1 m3 dùng cho trụ đấu nối 18m, trụ đầu tuyến 18m: ......... 77
6. Bản vẽ chi tiết chằng và móng neo: ..................................................................................... 78
7. Bản vẽ trụ đấu nối 18m: ....................................................................................................... 79
8. Bản vẽ trụ đầu tuyến: ........................................................................................................... 80
9. Bản vẽ trụ đỡ thẳng: ............................................................................................................. 81
10. Bản vẽ trụ đỡ góc: ......................................................................................................... 82
11. Bản vẽ trụ dừng giữa tuyến: .......................................................................................... 83
12. Bản vẽ trụ dừng cuối tuyến: .......................................................................................... 83
13. Bản vẽ chi tiết trụ lắp đặt MBA phân phối: ................................................................... 84
14. Bản vẽ chi tiết hệ thống tiếp đất: ................................................................................... 85
14.1 Bản vẽ bộ tiếp đất lặp lại có dây tiếp đất luồng trong thân trụ: ...................................... 85
14.2 Bản vẽ bộ tiếp đất lặp lại có dây tiếp đất ngồi trụ: ........................................................ 86
14.3 Bản vẽ bộ tiếp đất lặp lại có dây tiếp đất đặt trong bê tông trụ:...................................... 87
14.4 Bản vẽ chi tiết phương pháp đóng cọc tiếp đất: .............................................................. 88
14.5 Bản vẽ chi tiết phương pháp đóng cọc tiếp đất: .............................................................. 89
C.
Tổng mức đầu tư cho cơng trình: .................................................................................. 89

HVTH : Nguyễn Anh Huy


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

III.
Phương án 2 – Xây dựng thiết kế và dự tốn cơng trình cấp điện cho khu vực nêu trên
theo thiết kế đường dây trung áp 12,7kV 1 pha 1 dây (SWER): .............................................. 90
A.
Tổng quan về cơng trình: ............................................................................................... 90
1. Điều kiện khí hậu tính tốn: khơng thay đổi so với phương án 1 (Chi tiết xem tại mục
II.A.1 - Chương 7). ................................................................................................................... 90
2. Lựa chọn dây dẫn điện: tính tương như phương án 1, chọn cùng loại cáp nhôm trần lõi thép
ACSR 35 để dễ so sánh (đặc tính cáp đã nêu trong tại mục II.A.2 – Bảng 7.2 – Chương 7) .. 90
3. Lựa chọn cách điện và phụ kiện: do đặc tính lưới điện SWER có cùng cấp điện áp với dạng
lưới điện đang vận hành nên tiêu chuẩn vật tư và cấp cách điện giống như các loại vật tư đã
nêu tại mục II.A.3 - Chương 7. ................................................................................................. 90
4. Các biện pháp bảo vệ: .......................................................................................................... 90
5. Các giải pháp thiết kế cột và móng: ..................................................................................... 91
5.1 Các giải pháp kết cấu cột: ............................................................................................... 91
5.2 Các giải pháp phần móng: ............................................................................................... 91
B.
Các bản vẽ chi tiết của hệ thống lưới điện SWER: ....................................................... 92
1. Bản vẽ mặt bằng bố trí trụ: .................................................................................................. 92
2. Bản vẽ mặt cắt vượt sơng: ................................................................................................... 92
3. Bản vẽ trụ đấu nối 18m và máy biến áp cách ly 100kVA: .................................................. 93
4. Bản vẽ trụ đầu tuyến 18m: ................................................................................................... 94
5. Bản vẽ trụ đỡ thẳng và trụ đỡ góc:....................................................................................... 95
6. Bản vẽ trụ dừng giữa tuyến:................................................................................................. 96
7. Bản vẽ trụ dừng cuối tuyến: ................................................................................................. 97
8. Bản vẽ chi tiết móng trụ:...................................................................................................... 98
8.1 Loại móng 02 đà cản 1,2m (móng a-a) dùng cho trụ 14m đỡ thẳng và trụ 14m dừng giữa
tuyến: ........................................................................................................................................ 98
8.2 Loại móng 2 đà cản 1,5m (móng b-b) dùng cho trụ 14m dừng cuối tuyến: ................... 99
8.3 Loại móng bê tơng 1,5x1,5x1 m3 dùng cho trụ đấu nối 18m, trụ đầu tuyến 18m: ....... 100

9. Bản vẽ chi tiết chằng và móng neo: ................................................................................... 101
10. Bản vẽ vị trí trụ lắp MBA cách ly: .............................................................................. 102
11. Bản vẽ chi tiết hệ thống nối đất: .................................................................................. 103
11.1 Bản vẽ chi tiết nối đất tại các TBA phân phối: ............................................................. 103
11.2 Bản vẽ chi tiết nối đất tại TBA cách ly: ........................................................................ 104
11.3 Bản vẽ chi tiết phương pháp đóng cọc tiếp đất: ............................................................ 105
C.
Tổng mức đầu tư cho cơng trình: ................................................................................ 105
1
Xây dựng chi phí hốn chuyển một MBA 1 pha 100kVA loại có điện áp 12,7/0,23kV
sang cấp điện áp 22/12,7kV:................................................................................................... 105
2
Tính tốn tổng mức đầu tư cho cơng trình bao gồm đường dây trung áp SWER và MBA
cách ly 100kVA: ..................................................................................................................... 106
IV. So sánh kết quả của hai phương án: ............................................................................ 106
V.
Xây dựng mối liên hệ giữa chi phí theo chiều dài đường dây: .................................... 107
CHƯƠNG VIII : ỨNG DỤNG VÀ Ý TƯỞNG TƯƠNG LAI .............................................. 110
1. Ứng dụng : ......................................................................................................................... 110
2. Ý tưởng cho tương lai: ....................................................................................................... 110

HVTH : Nguyễn Anh Huy


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

PHẦN 1: MƠ HÌNH VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA SWER
CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề:
Ngày nay, để đáp ứng nhu cầu cung cấp điện đến các vùng nông thôn,
vùng sâu, vùng xa và vùng cao có mật độ dân cư thưa thớt (tải nhỏ phân bố rãi)
với chi phí đầu tư thấp nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu an tồn, độ tin cậy cao,
đảm bảo tính kinh tế khi vận hành đang là một bài toán thách thức đối với các
đơn vị cung ứng điện. Để giải quyết bài tốn đó trong phạm vi đề tài này đề xuất
một phương pháp phân phối điện 1 dây dùng đất dẫn dòng trở về (Single Wire
Earth Return-SWER) để đáp ứng nhu cầu phân phối điện cho các khu vực
nông thôn, vùng sâu, vùng xa, vùng cao có mật độ dân cư thưa thớt với chi phí
đầu tư ban đầu và chi phí vận hành thấp.
2. Khái niệm về hệ thống SWER:
Hệ thống phân phối điện 1 dây dùng đất dẫn dòng trở về (SWER) thường
được sử dụng để cấp nguồn cho các khu vực nông thôn, các khu vực dân cư thưa
thớt với chi phí đầu tư và vận hành thấp. Hệ thống SWER thường được cấp
nguồn trung áp 1 pha thông qua 1 máy biến áp cách ly 1 pha. Mục đích của việc
sử dụng máy biến áp cách ly là để tạo điểm nối đất riêng cho nguồn của hệ
SWER ở chế độ vận hành 1 dây dùng đất dẫn dòng trở về. Các phần tử trong hệ
thống SWER đều được nối đất. Đất (Earth) đóng vay trị là dây dẫn dịng trở về
nguồn trong hệ thống SWER.
Hình 1.1 giới thiệu một sơ đồ mô phỏng hệ thống SWER điển hình. Các
thành phần chính của mạng điện SWER trong hình 1.1 như sau: máy biến áp
cách ly có đầu sơ cấp được đấu nối với điện áp dây của lưới điện trung áp 3 pha
22kV và đầu sơ cấp có điện áp 12,7kV, trong đó có một đầu được nối đất trực
tiếp. Nguồn trung áp 1 pha 12,7kV được truyền dẫn đến các máy biến áp phân
phối 12,7/0,24kV trong mạng điện SWER để cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ,

HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 1

Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

dòng trở về nguồn tại các hộ tiêu thụ điện được dẫn về nguồn thông qua hệ
thống nối đất tại các máy biến áp phân phối.

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống SWER điển hình.
Hình 1.2 và 1.3 giới thiệu về đường dây cấp nguồn cho một hệ thống
SWER và máy biến áp cách ly.

Hình 1.2 Nhánh rẽ cấp nguồn cho hệ thống SWER điển hình.

HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 2


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

Hình 1.3 Máy biến áp cách ly trong hệ thống SWER
đầu vào 2 pha và đầu ra 1 pha
3. Sự cần thiết của bài tốn tính tốn chế độ xác lập đối với việc quy
hoạch, thiết kế và vận hành một hệ thống SWER:
Bài tốn phân bố cơng suất là nền tảng của mọi bài tốn phân tích và điều
khiển hệ thống điện. Bài tốn phân bố cơng suất là cơ sở cho cho các nghiên cứu
về:

 Quy hoạch hệ thống điện (planning).
 Tính tốn tối ưu hố (optimization) chế độ làm việc.
 Tính tốn ổn định (stability).
 Phân tích chế độ sự cố (fault).
Đối với hệ thống SWER thì đó cũng không phải là ngoại lệ. Để đáp ứng
các yêu cầu về quy hoạch, thiết kế và vận hành một hệ thống SWER thì địi hỏi
ta phải tính tốn được các giá trị xác lập của các thông số như: điện áp (V), góc
pha (), cơng suất thực (P) và cơng suất phản kháng (Q),…của một hệ thống
SWER. Qua đó ta mới có cái nhìn chính xác về một mơ hình phân phối điện, lựa
chọn được các phương án vận hành tối ưu cũng như là đánh giá được độ tin cậy
của một hệ thống SWER.

HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 3


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

Hiện nay, một số nước trên thế giới đã xây dựng các hệ thống mạng phân
phối dạng SWER cho các khu vực nông thôn và đã đáp ứng được các nhu cầu
điện khí hóa nơng thơn với mức chi phí đầu tư và vận hành thấp. Để có thể áp
dụng mơ hình lưới điện dạng SWER phục vụ mục đích điện khí hóa các khu vực
nơng thơn Việt Nam địi hỏi phải xây dựng hồn chỉnh mơ hình tốn học cho
mạng điện phân phối SWER với các thông số đầu vào lấy từ điều kiện thực tế tại
Việt Nam qua đó mới phân tích chính xác được các lợi thế của hệ thống điện
dạng SWER và làm căn cứ tính tốn quy hoạch, thiết kế cũng như vận hành sau
này cho hệ thống SWER – đó là tính cấp thiết của đề tài này.

4. Các hạn chế trước đây:
Mặc dù việc xây dựng hệ thống phân phối điện dạng SWER đã được ứng
dụng tại nhiều nước trên Thế Giới tuy nhiên công nghệ này vẫn chưa được áp
dụng tại Việt Nam. Mục tiêu cơ bản của đề tài này là phân tích mô phỏng một hệ
thống SWER theo các thông số đầu vào thu thập từ thực tế tại các khu vực nơng
thơn miền nam Việt Nam qua đó rút ra các nhận định và so sánh với các phương
án cung ứng điện hiện hữu nhằm góp phần nâng cao khả năng điện khí hóa các
khu vực nơng thơn Việt Nam.
Một số nước trên thế giới đã xây dựng và đưa vào vận hành các hệ thống
mạng phân phối dạng SWER từ rất lâu nhằm thúc đẩy các khu vực nông thôn
phát triển hơn. Tuy nhiên việc đầu tư hệ thống SWER phải được phân tích sâu
hơn ở các khía cạnh sau:


Đối với một số khu vực nơng thơn có tình hình phụ tải phát triển

nhanh hơn quy hoạch dẫn đến phải đầu tư các dạng lưới điện khác để đáp ứng
nhu cầu phụ tải nên gây ra tình trạng lãng phí khi đầu tư lưới điện dạng SWER.


Hiện nay các hệ thống SWER tại New Zealand và Australia bị hạn

chế về khả năng dẫn dòng điện của đất (tối đa 8A theo NZECP 41:1993).
Ghi chú: “NZECP 41:1993”: NEW ZEALAND ELECTRICAL CODE
OF PRACTICE PAGE 41, PUBLISH 1993.

HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 4

Single wire earth return - SWER



GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

Người dân tại các khu vực nơng thơn ngày càng có nhiều cơ hội

hơn trong việc tiếp cận các nguồn điện thay thế khác chẳng hạn như: điện gió,
điện mặt trời,…


Việc sử dụng các thiết bị điện tử cao cấp đòi hỏi đơn vị cung cấp

điện phải nâng cao chất lượng điện cung ứng.


Đổi mới trong phương thức sản xuất tại các khu vực nơng thơn địi

hỏi phải nâng cao tính tự động hóa. Cụ thể nhu cầu về việc sử dụng các dạng
motor công suất lớn trong tưới tiêu ngày càng tăng.


Giảm lợi nhuận cho đơn vị cung cấp điện.



Công nghệ này vẫn cịn có giá trị đối với các khu vực vùng sâu

vùng xa, tuy nhiên cũng có thể vì nó mà làm cho các nhà đầu tư trì hỗn tính cấp
bách trong việc xây dựng mới lưới điện 3 pha cho các khu vực nông thôn xa xôi.
5. Mục tiêu của đề tài:
Mục tiêu của đề tài là mô phỏng một mơ hình phân phối điện 1 dây dùng
đất dẫn dịng trở về (SWER) để tính tốn được các giá trị: điện áp (V), góc pha
(), cơng suất thực (P) và công suất phản kháng (Q) ở chế độ xác lập.
Mô phỏng được các thành phần lưới điện SWER bằng các mơ hình tốn
học như: mơ hình đường dây, máy biến áp phân phối, phụ tải 1 pha và các hệ
thống nối đất,…
Tính tốn các chi phí đầu tư và xây dựng thiết tiêu biểu lưới điện SWER
cho một khu vực tại miền nam Việt Nam.
6. Phạm vi nghiên cứu:
Xây dựng được một mơ hình mơ phỏng hệ thống SWER bằng phần mềm
Matlab. Tính tốn phân bố cơng suất tại giá trị xác lập của hệ thống SWER.
Đối với các phụ tải chỉ xét dạng phụ tải 1 pha vì mục đích của hệ thống
SWER là cung cấp điện đến các khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa và vùng
cao phần lớn tải tiêu thụ là 1 pha.

HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 5


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

7. Nội dung nghiên cứu:
Xây dựng được mơ hình các phần tử trong lưới điện SWER bao gồm:
đường dây, máy biến áp phân phối 1 pha, hệ thống nối đất, phụ tải 1 pha, các

thiết bị đóng cắt (Recloser, FCO…) và các thiết bị bào vệ (LA, relay…)
Xây dựng được thuật toán xác định các thông số đường dây.
Xây dựng được thuật tốn để tính tốn tại chế độ xác lập cho bài tốn
phân bố cơng suất của mơt hệ thống SWER. Tính tốn được các giá trị điện áp
(V), góc pha (), công suất thực (P) và công suất phản kháng (Q) ở chế độ xác
lập.

HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 6


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI ĐIỆN 1 DÂY
DÙNG DẤT DẪN DỊNG TRUNG HỊA-SWER
1. Lịch sử hình thành của hệ thống SWER:
Lloyd Mandeno (1888-1973) một kỹ sư điện New Zealand là người đã đề
xuất phương pháp phân phối điện dưới dạng 1 dây dùng đất dẫn dòng trung hòa
(SWER). Mandeno trình bày ý kiến của mình trong một bài báo có nội dung
“Cấp điện cho các khu vực nơng thôn New Zealand” vào năm 1947 tại Viện
nghiên cứu và hội nghị các kỹ sư. Mandeno nêu bật được sự cần thiết cho việc
cấp điện đến các cộng đồng nông thôn ở New Zealand nhằm thúc đẩy nền kinh
tế New Zealand. Trước đó đã có nhiều phương pháp cung cấp điện ba pha tần số
50Hz đến các vùng nông thôn tuy nhiên với chi phí lớn nên chưa mang lại được
hiệu quả mong muốn.

Hình 2.1 Kỹ sư điện Lloyd Mandeno mang quốc tịch New Zealand

Trong cơng trình nghiên cứu, Mandeno đề xuất các khu vực nơng thơn
được điện khí hóa bằng việc xây dựng hệ thống SWER một pha nhận nguồn từ
mạng ba pha bằng cách sử dụng các máy biến áp cách ly có sơ cấp nối vào điện
áp dây của mạng 3 pha và thứ cấp 1 pha. Những ưu điểm của cấu hình dạng này
như sau:
 Đường dây truyền dẫn một sợi giảm thiểu khả năng sự cố giữa các
dây dẫn lân cận, đồng thời tổn thất hổ cảm giữa các đường dây cũng được loại
bỏ.

HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 7


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

 Sự cố do chạm đất dây chuyền được giảm thiểu ở mức thấp nhất vì
các rơle bảo vệ chống chạm đất chỉ hoạt động trên hệ thống ba pha. Sự cố chạm
đất trên các nhánh rẽ sẽ khơng kích hoạt các rơ le chạm đất do dòng đất đã bị
cách ly thông qua hệ thống MBA cách ly.
 Khả năng điều chỉnh độ sụt áp linh hoạt khi cung cấp đến hộ tiêu
thụ.
 Việc xây dựng 1 hệ thống dây dẫn (dây pha) duy nhất sẽ làm giảm
đáng kể số lượng thiết bị trên lưới cụ thể là giảm sứ cách điện, trụ điện, giảm lực
căng đầu trụ dẫn tới giảm kích thước trụ so với lưới điện phân phối ba pha.
 Việc sử dụng ít thiết bị trên lưới điện góp phần làm giảm xác suất
xảy ra sự cố do thiết bị gây ra đồng thời làm giảm chi phí bảo trì.

Hình 2.2 Giới thiệu mơ hình máy biến áp cách ly
trong hệ thống SWER.
2. Các ưu điểm của hệ thống SWER:
Tính hiệu quả của các hệ thống SWER trong việc phân phối cung cấp điện
trên một khoảng cách dài đến các vùng nông thôn dân cư thưa thớt đã được ghi
nhận tại một số quốc gia trên thế giới. Cụ thể công nghệ này đã được ứng dụng
tại New Zealand, Australia, Brazil, Namibia và Nam Phi. Công nghệ SWER đã

HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 8


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

đi tiên phong ở New Zealand vào năm 1925 và nhanh chóng trở nên phổ biến
như là phương pháp tối ưu cho viêc điện khí hóa nơng thơn.

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điện hệ thống SWER.
Chi phí lắp đặt một hệ thống SWER thường khoảng một phần ba hoặc
một nửa so với các hệ thống ba pha và một pha thông thường. Việc sử dụng 1
dây truyền tải góp phần làm giảm trọng lượng dây dẫn, giảm lực căng đầu trụ
dẫn đến việc giảm khả năng chịu lực của trụ điện đồng thời giảm số lượng vật tư
thiết bị điện trên lưới. Vì vậy, hệ thống SWER thường địi hỏi ít hơn khoảng
50% sứ đỡ dây (đối với dây dẫn nhôm bình thường), việc xây dựng hạ tầng nhẹ
hơn giúp giảm đáng kể chi phí trong đầu tư.
Ngày nay hệ thống SWER đã được sử dụng rộng rãi và góp phần cung
ứng điện cho hơn 2 triệu người trên Thế Giới giải quyết bài toán cung cấp điện

cho các khu vực nông thôn, miền núi, vùng cao, hải đảo nơi mà con người chỉ
sống phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống để chiếu sáng sinh hoạt.
Nhằm để thúc đẩy sự phát triển tại các vùng nông thôn thông qua việc đầu
tư lưới điện phân phối, hệ thống SWER được đánh giá nổi trội và có thể đáp ứng
được các tiêu chí về giá thành và kỹ thuật. Tuy nhiên hệ thống SWER chỉ có thể
cung ứng tốt cho các phụ tải thỏa mãn tiêu chí sau:
 Cơng suất các hộ tiêu thụ nhỏ, vào khoảng 30  100 kWh / tháng.
HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 9


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

 Mật độ phân bố dân cư có cơng suất sử dụng điện dưới 0,5kVA/km.
 Các khu vực có mật độ phân bố dân cư thấp, không dày đặc.
3. Giới thiệu một số hệ thống SWER tiêu biểu trên Thế Giới:
Hệ thống SWER đã được sử dụng để cung ứng điện tại một số khu vực
nông thôn thuộc Lào, Cambodia và Cộng hòa Nam Phi,…. Đặc biệt đơn vị cung
ứng điện tại Nam Phi – Công ty Eskom tỏ ra hào hứng với các mơ hình SWER
và bỏ ra rất nhiều cơng sức để nghiên cứu phát triển các hệ thống SWER, kết
quả là họ đã đạt được một số kết quả rất khả quan. Điều này có phần trái ngược
với việc nghiên cứu phát triển hệ thống dạng SWER tại New Zealand và
Australia, nơi mà việc cung cấp điện dạng SWER đã phát triển từ rất lâu. Ở Nam
Phi khi đầu tư mới lưới điện thì hệ thống dạng SWER ln được cân nhắc trước
tiên do đặc tính phụ tải tại đất nước này thường phân bố rãi và công suất tiêu thụ
nhỏ.

Hình 2.4 Giới thiệu lưới điện SWER thực tế tại Queensland.

HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 10


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

Trong một hệ thống SWER thì thành phần phức tạp về mặt kỹ thuật và có
giá thành cao là máy biến áp cách ly. Điều này đã được chứng minh rằng hệ
thống SWER ít có hiệu quả kinh tế khi bán kính cung cấp điện nhỏ hơn 3km. Vì
vậy Nam Phi đã có những nghiên cứu xây dựng hệ thống lưới điện Micro SWER
cho phép mở rộng bán kính cung cấp điện mà không cần đến các máy biến áp
cách ly với các phụ tải dưới 5kVA. Một sáng kiến tại Nam Phi về việc xây dựng
một hệ thống lưới điện Micro SWER để đáp ứng các yêu cầu trên. Dạng mạng
điện này đặc biệt hữu dụng trong việc cung cấp điện cho các trạm phát sóng viễn
thơng.
Cơng ty Eskom đã nghiên cứu và phát triển mạng điện SWER trung áp
19kV. Điều này có một số khác biệt so với các dạng mạng điện SWER tại
Australia trước đây. Mơ hình SWER của Cơng ty Eskom đặc biệt hữu ích cho
các đơn vị cung ứng điện xem xét việc sử dụng trong lần đầu tiên đầu tư. Mơ
hình SWER của Cơng ty Eskom có một số ưu điểm như sau:
 Dể dàng nâng cấp lên các hệ thống 1 pha 2 dây hoặc 3 pha.
 Có thể kết hợp bảo vệ chống sự cố giữa các recloser và cầu chì lặp
lại.
 Đã giải quyết được vấn đề gây ra nhiều tranh luận là cung ứng điện
cho các motor bơm nước tưới tiêu.

 Thúc đẩy việc xây dựng một hệ thống các lưới trung tính nối đất
nhằm tiết kiệm chi phí đối với một số nơi có đặc tính điện trở đất
cao.

HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 11


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU CÁC THÀNH PHẦN TRONG MƠ HÌNH
ĐƯỜNG DÂY SWER
Chương này sẽ trình bày tổng quan về các thiết bị cấu thành nên hệ
thống lưới điện SWER. Các thiết bị này phải được phân tích và xem xét kỹ trong
việc thiết kế và vận hành mạng điện SWER. Hầu hết đây là các thành phần đóng
vay trị tuyền dẫn điện và các phần mềm ứng dụng mô phỏng các thiết bị truyền
dẫn. Ngoài ra, một số yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng vận hành an toàn
của hệ thống cũng được khảo sát nhằm đáp ứng yêu cầu vận hành an tồn liên
tục và có độ tin cậy cao cho hệ thống SWER.
1

Máy biến áp cách ly:

Thông thường hệ thống SWER nhận nguồn từ các lưới trung áp 3 pha
22kV hoặc 33kV, tương ứng giá trị điện áp 1 pha trong hệ thống SWER là
12,7kV hoặc 19kV. Nhiệm vụ chính của máy biến áp cách ly trong hệ thống
SWER là cách ly dòng đất (dòng thứ tự 0) từ lưới 3 pha. Bằng cách này có thể

hạn chế tác động của relay chống sự cố chạm đất cho hệ thống 3 pha đầu nguồn.
Máy biến áp cách ly trong hệ thống SWER cung cấp dòng điện cho phụ
tải bao gồm dòng tải và dòng đất trở về. Máy biến áp cách ly thường có gam
cơng suất từ 100kVA đến 300kVA. Hình 3.1 giới thiệu sơ đồ máy biến áp cách
ly trong hệ thống SWER và hình 3.2 Máy biến áp cách ly thực tế trong hệ thống
SWER.

Hình 3.1 Giới thiệu sơ đồ máy biến áp cách ly trong hệ thống SWER

HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 12


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

Hình 3.2 Máy biến áp cách ly thực tế trong hệ thống SWER
2

Dây dẫn trong hệ thống SWER:

Thực tế dây dẫn trong hệ thống SWER chuyển tải 1 dòng điện khá nhỏ so
với các dây dẫn trong mạng 3 pha vì vậy nó cũng địi hỏi một lượng ít hơn về
các thiết bị cách điện. Dạng dây dẫn thường hay sử dụng là Steel Cored
Galvanized Zinc (SC/GZ) hoặc Steel Cored Aluminium Clad (SC/AC). Một
dạng dây dẫn khác cũng có sử dụng nhưng khơng phổ biến là Aluminium
Conductor Steel Reinforced (ACSR). Hình 3.3 Bảng thơng số dây dẫn hệ thống
SWER.

Hình 3.1 Bảng thơng số dây dẫn hệ thống SWER
HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 13


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

Lợi ích của việc sử dụng dây dẫn lõi thép đơn hoặc dây dẫn lõi thép xoắn
giúp làm tăng khả năng chịu lực căng của dây dẫn hơn các loại cáp nhôm khơng
lỏi thép (Aluminium Conductor Cable). Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng
trong việc gia tăng khoảng cách giữa các trụ đỡ dây. Tại một số nơi sử dụng hệ
thống SWER thì có khoảng cách giữa hai khoảng trụ lên đến 250m. Ngày nay
các lưới điện dạng SWER có chiều dài lên đến hàng trăm kilomet, vì vậy việc
tăng chiều dài giữa các khoảng trụ giúp tiết kiệm một lượng đáng kể các vật tư
thiết bị trên lưới điện và cũng đồng nghĩa với việc giảm chi phí thay thế bảo
dưỡng, bảo trì khi vận hành.

Hình 3.3 Giới thiệu các loại dây dẫn có lõi thép
3

Hệ thống sứ đỡ và sứ dừng dây trong hệ thống SWER:

Sứ đứng đỡ dây trong hệ thống SWER thường đơn giản và dễ lắp đặt vì
chỉ có 1 dây dẫn điện, tương ứng các loại đà đỡ sứ cũng được tiết giảm thay vào
đó là các chân sứ đứng có giá thành thấp hơn. Hệ thống sứ đơn đỡ dây lắp vào
chân sứ đứng thường được sử dụng nhất trong hệ thống SWER.

HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 14


Single wire earth return - SWER

GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm

Hình 3.4 Sứ đứng đơn đỡ dây
Tại các vị trí dừng dây để đấu nối vào máy biến áp hoặc dừng dây giảm
lực căng thường sử dụng 2 bát sứ thủy tinh cách điện (mỗi bát sứ có khả năng
cách điện 12,7kV)

Hình 3.5 Sứ dừng dây
4

Máy biến áp phân phối cho phụ tải trong hệ thống SWER:

Do đặc tính phụ tải trong hệ thống SWER là phân bố rãi, công suất tiêu
thụ nhỏ thường vào khoảng 0,5kVA/km. Sau khi dự đoán đặc tính phụ tải và
ước tính tốc độ tăng trưởng theo phương pháp đa dạng hóa nhu cầu phụ tải
HVTH : Nguyễn Anh Huy

Trang 15