http://www.ebook.edu.vn Chơng VI Xác định tiết diện dây dẫn trong mạng điện. 6.1 Khái niệm chung: Tiết diện dây dẫn v lõi cáp phải đợc lựa chọn nhằm đảm bảo sự lm việc an ton, đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật v kinh tế của mạng Các yêu cầu kỹ thuật ảnh hởng đến việc chọn tiết diện dây l: 1- Phát nóng do dòng điện lm việc lâu di (di hạn). 2- Phát nóng do dòng ngắn mạch (ngắn hạn). 3- Tổn thất điện áp trong dây dẫn v cáp trong trạng thái lm việc bình thờng v sự cố. 4- Độ bền cơ học của dây dẫn v an ton. 5- Vần quang điện. Với 5 điều kiện trên ta xác định đợc 5 tiết diện, tiết diện dây dẫn no bé nhất trong chúng sẽ l tiết diện cần lựa chọn thoả mãn điều kiện kỹ thuật. Tuy nhiên có những điều kiện kỹ thuật thuộc phạm vi an ton do đó dây dẫn sau khi đã đợc lựa chọn theo các điều kiện khác vẫn cần phải chú ý đến điều kiện riêng của từng loại dây dẫn, vị trí v môi trờng nơi sử dụng để có thể lựa chọn đợc dơn giản v chính xác hơn. Ví dụ: + Yếu tố vầng quang điện v độ bền cơ học chỉ đợc chú ý khi chọn tiết diện dây dẫn trên không . + Điều kiện phát nóng do dòng ngắn mạch chỉ đợc chú ý khi chọn cáp. + Để đảm bảo độ bền cơ học ngời ta qui định tiết diện dây tối thiểu cho từng loại dây ứng với cấp đờng dây (vật liệu lm dây, loại hộ dùng điện, địa hình m dây đi qua). + Yếu tố vầng quang điện chỉ đợc đề cập tới khi điện áp đờng dây từ 110 kV trở lên. Để ngăn ngừa hoặc lm giảm tổn thất vầng quang điện ngời ta cũng qui định đờng kính dây dẫn tối thiểu ứng với cấp điện áp khác nhau. VD: với cấp 110 kV thì d > 9,9 mm tơng ứng 70 mm 2 . 220 kV thì d > 21,5 mm tơng ứng 120 mm 2 . + Ngoại yếu tố kỹ thuật v an ton tiết diện dây dẫn còn đợc lựa chọn theo các điều kiện kinh tế để sao cho hm chi phí tính toán Z tt min. Phần dới sẽ trình bầy một số phơng pháp chính. 6.2 Lựa chọn tiết diện dây trên không và cáp theo ĐK phát nóng: 1) Sự phát nóng khi có dòng điện chạy qua: Khi có dòng điện chạy qua, do hiệu ứng Jun vật dấn sẽ nóng lên. Nếu nóng quá sẽ giảm độ bền cơ học, sẽ lm giảm tuổi thọ hoặc phá hỏng các đặc tính cách điện của các chất cách điện xung quanh dây bọc (lõi cáp). Vì vậy để hạn chế phát nóng quá mức ngời ta qui định nhiệt độ phát nóng lâu di cho phép tơng ứng với từng loại dây l: 70 0 C với thanh trong v dây dẫn trên không; 55 0 C với cáp bọc cao su. 80 0 C với cáp điện có điện áp đến 3 kV v 65 0 C với cáp 6 kV, 60 0 C với cáp 10 kV Từ đấy có thể xác định đợc dòng điện lm việc lâu di cho phép. Qúa trình phát nóng vật dẫn nh sau: Năng lợng dùng để phát nóng tính bằng: Q = P.t = I 2 R.t . Nh vậy lúc đầu mhiệt độ của thiết bị sẽ nóng lên không ngừng. Tuy nhiên ngoi quá trình đốt nóng còn có quá trình toả nhiệt (phụ thuộc vo mức chênh nhiệt độ của dây). Sự chênh nhiệt độ của vật dẫn cng lớn thì quá trình toả nhiệt cng mạnh. Vì vậy nếu I=conts. nhiệt độ của dây dẫn sẽ dừng lại ở một mức no đó (sau thời gian ổn định nhiệt) khi đó Q cc = Q toa cân bằng nhiệt. Q dốt (lớn) Q dôt (nhỏ) Q dot = 0 Q cc Q toa (nhỏ) Q toa (lớn) Q toa = Q cc Quá độ nhiệt t 0 =f(t, I, R) ổn định nhiết t 0 = const. Nh vậy sự phát nóng do dòng điện lm việc di hạn gây ra, đợc tính khi đã cân bằng nhiệt. Nhiệt lợng sản ra trong một đơn vị thời gian do dòng điện trong dây có điện trở tác dụng R bằng lợng nhiệt toả ra môi trờng xung quanh trong thời gian đó: (lúc ny không xét tới yếu tố thời gian nữa). Q = I 2 .R = K.S.( - 0 ) Trong đó: K - hệ số toả nhiệt (phụ thuộc môi trờng xung quanh). S - diện tích mặt ngoi dây dẫn (diện tích toả nhiệt). ; cf - Nhiệt độ dây dẫn v nhiệt độ môi trờng xung quanh. Nếu khống chế để = cf , qui định ứng với từng loại dây cụ thể ( R = . l/F) v nếu qui định cụ thể về 0 , về điều kiện lm mát cụ thể thì: R )(S.K I 0cf cf = (6.1) Từ (6.1) cho ta thấy rằng có thể tính sẵn đợc I cf với từng loại dây cụ thể nếu ta qui định chi tiết về S; R(F); cf ; K; 0 ứng với các điều kiện cụ thể ny ta tính đợc I cf Lập bảng I cf = f(F; loại dây; các điều kiện tiêu chuẩn). cần chú ý rằng nhiệt độ không khí xung quanh (tính TB) thờng lấy bằng +25 0 C ; trong đất thờng lấy l +15 0 C. 2) Chọn dây dẫn theo ĐK. phát nóng: Thực chất l chúng ta sẽ chọn 1 loại dây có sẵn với F tc v I cf sao cho khi lắp đặt vo với dòng thực tế thì nhiệt độ của nó sẽ không vợt quá nhiệt độ cho phép (thực tế ít biết đợc cf m thờng chỉ biết đợc I cf ) vậy để chọn dây ta có: 21cfmaxlv K.K.II (6.2) Trong đó: I lvmax - dòng điện cực đại lâu di đi trong dây dẫn. I cf - dòng cho phép tra bảng (theo ĐK. tiêu chuẩn). K 1 ; K 2 - các hệ số hiệu chỉnh. K 1 - Chú ý đến nhiệt độ môi trờng xung quanh khác tiêu chuẩn. K 2 - Hệ số sét tới điều kiện lm mát (toả nhiệt) khác tiêu chuẩn (phụ thuộc vo số lợng các đờng cáp cạnh nhau). Riêng với đờng cáp v dây dẫn U dm 1 kV đợc bảo vệ bằng cầu chì hoặc Aptomát. Cần chú ý hiện tợng sau. Khi quá tải không lớn lắm (K qt < 2) thì sau một thời gian http://www.ebook.edu.vn khá lâu thiết bị bảo vệ cha cắt, dây dẫn bị phát nóng mạnh lm cách điện gi cỗi mau chóng, điều đó không cho phép. Vì vậy để thoả mãn điều kiện phát nóng, dây dẫn v cáp chọn không những chỉ cần đảm bảo (6.2) m còn phải phối hợp với thiết bị bảo vệ theo những ĐK sau: + Khi mạng đợc bảo vệ bằng cầu chì: dc cf I I (6.3) Trong đó: I dc dòng điện định mức của dây chẩy cầu chì. - Hệ số phụ thuộc điều kiện đặt v quản lý mạng điện. = 3 qui định với mạng điện động lực. = 0,8 với mạng sinh hoạt (chiếu sáng). + Khi mạng đợc bảo vệ bằng Aptômát: (1) 5,1 I I kdnhit cf (2) 5,4 I I dientukd cf (6.4) Tuỳ theo aptômát có mach cắt nhiệt v cắt nhanh hay chỉ có 1 loại (có thể chính định đợc hay không). Với mạng chiếu sáng đợc boả vệ bằng aptômát. 8,0 I I kdnhiet cf (6.5) 6.3 Lựa chọn tiết diện dây và cáp theo ĐK phát nóng do dòng ngắn mạch: (thực chất đây l ĐK. ngắn hạn). Tiết diện cáp cần phải đợc lựa chọn sao cho cáp chịu đợc phát nóng với nhiệt độ khá cao do dòng ngắn mạch gây ra (trong thời gian ngắn, thời gian tồn tại dòng ngắn mạch cho đến lúc nó đợc cắt ra). Khi ấy ngời ta gọi l tiết diện ổn định nhiệt, tức tiết diện thoả mãn điều kiện ổn định nhiệt. Tiết diện ổn định nhiệt xác định theo biểu thức sau: t.I.F = (6.6) Trong đó: I - trị số hiệu dụng của dòng ngắn mạnh ở thời gian xác lập. t - Thời gian tính toán, tức thời gian dòng ngắn mạch có thể đi qua cáp, trị số t tra theo đồ thị t = f( ) với = I /I I - Trị số ban đầu của thnh phần chu kỳ của dòng ngắn mạch (dòng ngắn mạch siêu quá độ ban đầu). - Hệ số xác định bởi nhiệt độ phát nóng giới hạn cho phép của lõi cáp v vật liệu lm cáp (tra bảng). Chú ý: khi lập bảng ngời ta tính để khi xẩy ra ngắn mạch nhiệt độ của cáp không vợt quá mức cho phép (đây l mức cho phép ngắn hạn thơngf l 250 0 C). tuy nhiên nhiều khio lm việc, có nhiều lúc cáp non tải, vì vậy để lựa chọn tiết diện ổn định nhiệt thờng lấy tiết diện tiêu chuẩn bé hơn tiết diện tính toán ch không lấy tiết diện lớn. 6.4 Lựa chọn tiết diện dây và cáp theo ĐK tổn thất điện áp cho phép: ở mạng 35 kV trở xuống, tiết diện dây dẫn v cáp thờng bé, điện trở lớn, vì vậy tiết diện dây dẫn ở mạng ny ảnh hởng rõ dệt đến tổn thất điện áp. Mạng phân phối yêu cầu chất lợng điện áp cao m khả năng điều chỉnh điện áp lại hạn chế. Vì vậy cần chọn tiết diện dây dẫn soa cho tổn thất điện áp không vợt quá mức cho phép. Nghĩa l căn cứ vo U cf để chọn dây dẫn. 1) Xác định tiết diện dây dẫn khi ton bộ đờng dây cùng tiết diên: Phơng pháp ny dùng cho nhngc đờng dây có chiều di không lớn lắm m số phụ tải lại nhiều. Xét trờng hợp nhu HV. Phơng trình biểu diễn U: += + = ijij dm 0 ijij dm 0 dm ijijijij lQ U x lP U r U XQRP U U = U + U U - thnh phần tổn thất do R gây ra U - thnh phần tổn thất do X gây ra. Chú ý từ đặc điểm của đờng dây. Điện kháng của đờng dây bằng kim loại mầu (cung cấp điện áp) ít thay đổi theo tiết diện (xem VH), thờng chúng chỉ dao động trong phạm vi x 0 0,3 ữ 0,45 /km ngời ta đề ra phơng pháp chọn theo U cf nh sau: + Chọn trớc x 0 (trị số trung bình của x 0 0,35 ữ 0,4) hoặc với đờng cáp x 0 = 0,07 /km sau đó xác định U theo công thức sau: U = ijij dm 0 lQ U x (6.8) + Bớc tiết theo từ U cf (đã biết trớc) ta sẽ xác đình đợc U U = U cf - U Nếu ta chọn trớc loại dây (loại vật liệu lm dây) F 1 r 0 = ( 1 = - điện dẫn suất của vật liệu lm dây). l 12 0 1 2 p 1 + jq 1 p 2 + jq 2 P 01 + jQ 01 P 12 + jQ 12 l 01 S [mm 2 ] r 0 x 0 0 [ ] http://www.ebook.edu.vn == ijij dm ijij dm 0 ' lP FU 1 lP U r U ' dm ijij UU lP F = (6.9) Căn cứ vo (6.9) chọn đợc tiết diện dây tiêu chuẩn gần nhất. Sau đó theo số liệu của loại dây thực x 0 ; r 0 tính lại U theo thông số thực rồi so sánh với U cf . Nếu không đạt tăng tiết diện lên 1 cấp. Dới đây tóm tắt trình tự chọn dây theo phơng pháp ny: Chọn x 0 bất kỳ trong phạm vi từ 0,3 đến 0,4 /km tính U (theo 6.8) tính U tính F theo (6.9) chọn F tc x 0 & r 0 kiểm tra lại U thực tế (so với U cf ). Nếu cha đạt tăng 1 cấp tiết diện. + Trờng hợp mạng có phân nhánh: (HV) Các phụ tải trong HV cho l [kVA]. Đoạn 04 l đờng dây trục có cùng tiết diện, còn các đoạn khác có thể dùng tiết diện khác. Cách giải quyết bi toán ny cụ thể nh sau: Tiết diện đoạn 04 đợc xác định căn cứ vo U cf (tham số ny l biết trớc) v các công thức (6.8); (6.9). Sau đó tính tổn thất điện áp thực tế trên đoạn 01. Từ đấy xác định đợc tổn thất điện áp cho phép đoạn rẽ nhánh 1-2 U cf12 = U cf - U 01 Sau đó áp dụng (6.8) v (6.9) sẽ xác định đợc tiết diện của nhánh 1-2 Ví dụ: với các số liệu thực tế cho trên (HV). U dm = 380 V. D tb = 600 mm, mạng dùng loại dây nhôm; U cf = 7%. Giải: Đoạn 04 chọn cùng tiết diện, đoạn 12 tiết diện khác. Chọn x 0 = 0,35 /km U = V9)06,0.2005,0.4011,0.60.( 380,0 35,0 lQ U x ijij dm 0 ++= U 04 = U cf - U = 7x380/100 9 = 17,6 V 2 3 ' 04dm ijij 04 mm7,96)06,0.4005,0.8011,0.130( 6,17.380,0.7,31 10 UU lP F =++== Tra bảng chọn dây dẫn tiêu chuẩn A-95 có (r 0 = 0,33; x 0 = 0,303 /km) + Kiểm tra lại tổn thất điện áp: 8,25lQ U x lP U r U ijij dm 0 ijij dm 0 04 =+= V Ta thấy U cf = 7% = 7x380/100 = 26,6 V U 04 U cf + Chọn tiết diện nhánh 1-2 Tính tổn thất thực tế trên đoạn 0-1 6,17 380,0 11,0.303,0.60 380,0 11,0.33,0.130 U l.x.Q U l.r.P U dm 01001 dm 01001 01 =+=+= V Tổn thất điện áp cho phép trên đoạn 1-2 U cf12 = U cf - U 01 = 26,6 - 17,6 = 9 V Tính U 12 chọn x 0 = 0,35 9,0 380,0 1,0.35,0.10 U " 12 == V Mặt khác: U cf12 = U 12 + U 12 U 12 = 9 0,9 = 8,1 V. Tính tiết diện đoạn 1-2 4,25 10.380,0.1,8.7,31 100,0.25 U.U. l.P F 3 dm ' 12 1212 12 === Chọn dây dẫn tiêu chuẩn A-25 có (r 0 = 1,27 ; x 0 = 0,345 /km) Kiểm tra tổn thất điện áp thực tế tại đoạn 1-2 2,9 38,0 1,0.345,0.10 38,0 1,0.27,1.25 U 12 =+= V Nhận thấy rằng U 12 U cf12 = 9 V + Tất nhiên tiết diện A-95 v A-25 đã chọn còn cần phải kiểm tra lại theo điều kiện phát nóng cho phép v độ bền cơ nữa rồi mới khẳng định đợc. 2) Xác định tiết diện dây dẫn khi đờng dấy dùng tiết diện khác nhau: Trong mạng phân phối có độ di lớn, CCĐ cho một số ít phụ tải, nếu đùng đờng dây cùng tiết diện sẽ không hợp lý, cỏ thể lm tổn thất nhiều kim loại mầu, gây tổn thất công suất v điện năng. Trờng hợp ny nếu l mạng công nghiệp đặc trng bởi số giờ sử dụng công suất cực đại lớn (Tmax lớn) thì kinh tế nhất tiết diện dây phải đợc chọn theo phơng pháp mật độ dòng điện không đổi (các giáo trình tryuền môn đã chứng minh đợc rằng, cùng một chi phí kim loại mầu đã cho, điều kiện mật độ dòng điện không đổi sẽ tơng ứng với tổn thất công suất v điện năng l bé nhất). Chọn nh vậy vừa đảm bảo đợc mức U cf vừa lm cho P; A l nhỏ nhất. Nếu l mạng nông nghiệp (T max 4 25 + j10 25 + j10 40 + j20 40 + j20 110 m 100 m 50 m 60 m 0 1 2 3 http://www.ebook.edu.vn bé) thì kinh tế nhất l chọn tiết diện dây dẫn theo ĐK. đảm bảo lợng kim loại mầu l nhỏ nhất nhng vẫn đảm bảo U cf . Phơng pháp lựa chọn tiết diện dây theo mật độ dòng điện không đổi: (VH). Giả thiết cho biết U cf của mạng: U cf = U + U chọn x 0 U = dm ijij0 U lQx (Mặc dù tiết diện các đoạn ny không bằng nhau nhng vì x 0 ít thay đổi theo tiết diện) lúc đó: U = U cf - U = dm12 1212 dm01 0101 UF lP UF lP + (vì R = F l F l = ) có thể tính theo I ta có P = 3UI cos 12 121212 01 010101 ' F cos.lI3 F cos.lI3 U += Để có P; A min j = const. j = F I F I 12 12 01 01 == Thay vo biểu thức trên )coslcosl(j 3 U 12120101 ' += )coslcosl(3 U. j 12120101 ' + = Tổng quát cho lới có n phụ tải: ijij ' cosl3 U. j = (6.10) Từ (6.10) ta sẽ dễ dng tính đợc tiết diện trên các đoạn: j I F 01 01 = ; j I F 12 12 = Ví dụ 6.1: Cho đờng dây 10 kV cung cấp điện cho 2 xí nghiệp (HV). Biết T max = 3800 giờ; U cf = 5%. Đờng dây dự kiến l dây nhôm với khoảng cách trung bình hình học D tb = 1 m. Hãy xác định tiết diện dây dẫn. Giải: Xác định dòng trên các nhánh: 101 8,0.10.3 500900 cosU3 P I 01 01 = + == A 36 8,0.10.3 500 cosU3 500 I 12 === A Lấy x 0 = 0,35 /km Tính U = ijijij0 " sinlIx.3U (sin = 0,6) = 3 . 0,35.(101x4 + 36x2)x0,6 = 172 V U = U cf - U = 500 172 = 328 V Tính mật độ dòng điện không đổi: = + == 8,0x)24(3 10x328x7,31 cosl3 U j 3 ijij ' 1,25 A/mm 2 Từ T max = 3800 h v dây nhôm tra đợc j kt = 1,1 A/mm 2 Vì J kt < j nên tiết diện dây xác định theo j kt . 2 kt 01 01 mm92 1,1 101 j I F === Chọn dây A-95 dòng cho phép l I cf = 325 A 2 kt 12 12 mm33 1,1 36 j I F === Chọn dây A- 35 có I cf = 170 A Tổn thất điện áp trên đờng dây không cần kiểm tra lại vì j kt < j 6.4 Lựa chọn tiết diện dây và cáp theo chỉ tiêu kinh tế: l 12 F 12 2 . S 0 1 2 l 01 F 01 1 . S 2 Km 0 12 4 Km 900 k W cos=0,8 500 k W cos=0,8 http://www.ebook.edu.vn ở mạng điện cung cấp thờng có tiết diên lớn, tức điện trở nhỏ. Việc tăng tiết diện lên không lm tổn thất điện áp giảm đi nhiều. Mặt khác khả năng điều chỉnh điện áp ở mạng cung cấp lại khá lớn (dùng BA điều áp dới tải, giảm Q trên đờng dây, điều chỉnh nguồn CC v.v). Đồng thời ở đây có T max lớn. Vì vậy ở mạng CC. (phân phối) tốt nhất l tiết diện dây dẫn đợc chọn theo chỉ tiêu kinh tế tức chúng ta phải xây dựng đợc hm chi phí tính toán theo tiết diện của đờng dây. Viết phờng trình hm chi phí tính toán Z = (a vh + a tc ).V + 3 I 2 max R. .C Ta có thể bbiểu diễn tơng quan của vốn đầu t với tiết diện nh sau: V = (v 0 + b.F).l v 0 - Vốn đầu t xây dựng 1 km đờng dây thnh phần không liên quan đến tiết diện (chi phí thăm dò, vạch tuyến đờng, mua sứ, cột v.v ) [đ/Km]. b - Giá thnh 1 Km đờng dây với tiết diện 1 mm 2 [đ/mm 2 Km]. F - Tiết diện dây [mm 2 ]. l - Chiều di đờng dây [Km]. Trong thnh phần thứ 2 của ham Z. Ta có thể phân tích R = . l/F cuối cùng ta viết đợc Z = f(F). F C lI3 l)bFv)(aa()F(Z 2 max 0tcvh +++= I II I tỉ lệ thuận với F II tỉ lệ nghịch với F 0 F Z = Z nin F kt 0 F ClI3 bl)aa( F Z 2 2 max tcvh =+= bl)aa( Cl3 IF tcvh maxkt + = Mật độ dòng điện lúc ny gọi l mật độ dòng kinh tế kt max kt F I j = J kt - L mật độ dòng điện kinh tế, l số ampe lớn nhất chạy qua 1 đơn vị tiết diện kinh tế của dây dẫn: C 3 b).aa( j tcvh kt + = (6.13) Từ (6.13) ta nhận thây rằng j kt không phụ thuộc vo điện áp của mạng điện nhng nó phụ thuộc vo rất nhiều yếu tố (nh giá nguyeen vật liệu, giá điện năng, chi phí về thi công, loại dây, tính chất công việc của phụ tải .v.v). Tóm lại j kt phụ thuộc vo tình trạng phát triển kinh tế-kỹ thuật trong từng giai đoạn v chính sách kinh tế của từng nớc. tuy vậy ứng với từng nớc, hoặc từng vùng lãnh thổ kinh tế cụ thể thì vẫn có thể xác định đợc các thông số vừa nêu trên. Chính vì lý do đó J kt trong thực tế đợc tính sẵn cho một số loại đờng dây với tính chất phụ tải khác nhau. Tức l ngời dùng sẽ tra bảng j kt = f(T max ; loại dây). Nh vậy theo phơng pháp ny j kt ợc xác định theo (6.13) hoặc tra bảng sau đó tiết diện dây xác định theo công thức sau: kt max j I F = (6.14) Dựa vo trị số F vừa tính đợc theo (6.14) ta sẽ chọn F tc gần nhất. Tất nhiên sau đó cần phải kiểm tra lại theo những điều kiện kỹ thuật (phát nóng cho phép; tổn thất điện áp cho phép) Ví dụ: F Z(F) 0 I II Z F kt Z nim http://www.ebook.edu.vn http://www.ebook.edu.vn . ijij ' cosl3 U. j = (6. 10) Từ (6. 10) ta sẽ dễ dng tính đợc tiết diện trên các đoạn: j I F 01 01 = ; j I F 12 12 = Ví dụ 6. 1: Cho đờng dây 10 kV cung cấp điện cho 2 xí nghiệp. V9) 06, 0.2005,0.4011,0 .60 .( 380,0 35,0 lQ U x ijij dm 0 ++= U 04 = U cf - U = 7x380/100 9 = 17 ,6 V 2 3 ' 04dm ijij 04 mm7, 96) 06, 0.4005,0.8011,0.130( 6, 17.380,0.7,31 10 UU lP F =++== Tra bảng chọn dây dẫn tiêu. Ta thấy U cf = 7% = 7x380/100 = 26, 6 V U 04 U cf + Chọn tiết diện nhánh 1-2 Tính tổn thất thực tế trên đoạn 0-1 6, 17 380,0 11,0.303,0 .60 380,0 11,0.33,0.130 U l.x.Q U l.r.P U dm 01001 dm 01001 01 =+=+=