Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

CHƯƠNG 4: QUY HOẠCH MẠNG ðIỆN
4.1. Khái quát về mạng ñiện
4.1.1. Sơ ñồ nguyên lý (sơ ñồ một sợi)
Sơ ñồ nguyên lý là sơ ñồ thể hiện phương thức kết nối nguồn ñiện với phụ tải. Trong thực
tế cung cấp điện cho từng phụ tải thì mạch điện 3 pha khơng bao giờ đối xứng, cịn trong quy
hoạch cấp điện có số lượng phụ tải lớn thì mức độ khơng đối xứng rất bé nên có thể coi là phụ
tải đối xứng và dịng điện cũng như cơng suất trên 3 pha bằng nhau. Do đó để đơn giản, sơ ñồ
nguyên lý của hệ thống ñiện 3 pha thường ñược vẽ bằng sơ ñồ 1 pha gọi là sơ ñồ một sợi (single
line).
Trong ñồ án quy hoạch cấp ñiện, hệ thống ñường dây ñiện 3 pha ñược thể hiện bằng sơ ñồ
nguyên lý kiểu 1 nét. Một ñường nét liền nối giữa nguồn ñiện với phụ tải ta hiểu ngay đó là
đường dây tải điện 3 pha. Phía trên mỗi đường dây đều ghi chủng loại dây (nhơm, đồng, cáp
trần, cáp ngầm,...) cịn phía dưới ghi chiều dài tuyến dây (km).
Riêng phụ tải điện thì vẫn ghi giá trị 3 pha trên sơ ñồ. Trong các chương trước ta biết mỗi
phụ tải ñược ñặc trưng bằng tam giác cơng suất, do đó trên sơ đồ ngun lý chỉ cần ghi 2 giá trị
của tam giác cơng suất thì phụ tải hồn tồn xác định. Ví dụ ở hình dưới có 2 phụ tải cho 2 tham
số là P, Q còn một phụ tải cho 2 tham số P và cosϕ.
Nhánh

Nút

AC-185/29
30km

AC-185/29
21km

M(3x95)/XLPE/DSTA/PVC
10km

Nguồn ñiện

P=30MW
Q=25MVar

P=30MW
Cosϕ=0,8
5

P=40MW
Q=35MVar
ðịnh nghĩa nhánh, nút trên sơ ñồ nguyên lý

Nhánh là một phần của mạch ñiện (thể hiện trên sơ đồ ngun lý) trên đó chỉ có 1 dịng
điện chạy qua.
Nút là nơi gặp nhau của 2 nhánh trở lên. Ví dụ ở hình vẽ trên ta có tất cả 2 nút. Tại một nút
cơng suất ln ln được bảo tồn, tức là tổng cơng suất đi vào nút phải bằng tổng cơng suất đi
ra khỏi nút.

Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

92


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

Khái niệm nhánh và nút có ý nghĩa cực kỳ quan trọng trong tính tốn thiết kế đường dây tải
điện. Nhờ sơ đồ ngun lý ta mới tính tốn được dịng điện chạy trong các nhánh, tổn thất ñiện
áp, công suất tổn hao do truyền tải ñiện,....

4.1.2. Các tham số cơ bản của mạch ñiện
a) ðiện trở R của dây dẫn ñiện
ðiện trở trên ñường dây tải ñiện là phần tử chuyển hóa năng lượng điện thành nhiệt năng
tỏa ra môi trường xung quanh. ðây là năng lượng tiêu phí vơ ích do đó R có giá trị càng nhỏ
càng tốt
r

r

r

r

R

ðường dây

ðường dây
Cấp ñiện

Cấp ñiện

ðiện trở tập trung tương ñương

ðiện trở phân bố dọc ñường dây

ðơn vị ñiện trở là Ω (đọc là Ơm theo tiếng Hy Lạp). Ngồi ra trong tính tốn người ta cịn
đưa ra khái niệm ñiện dẫn γ =

1

, ñơn vị là Siemens, ký hiệu S.
R

Trong thực tế dây dẫn thường dùng là dây ñồng, dây nhôm hoặc dây nhôm lõi thép. Dây
ñồng và dây nhôm chỉ dùng cho các khoảng cột bé do khả năng chịu kéo rất kém. Với khoảng
cột lớn người ta dùng dây nhơm lõi thép, trong đó phần bọc ngồi bằng nhơm dùng để dẫn điện
cịn phần ruột bằng thép ñể tăng cường chịu lực cho dây. Một số trường hợp ñặc biệt khi khoảng
cột rất lớn (> 800m) thì các loại dây trên khơng đảm bảo chịu lực ñược thì buộc phải dùng dây
thép. ðiện trở suất một số loại vật liệu:
Ω.mm2
Bạc ρ = 16,5
km

Nhôm ρ = 31,5

Ω.mm2
km

Ω.mm 2
Vàng ρ = 22
km

Kẽm ρ = 64, 5

Ω.mm 2
km

Ω.mm2
ðồng ñỏ ρ = 27
km


Thép ρ = 250

Ω.mm 2
km

Với ñường dây tải ñiện, ñiện trở không tập trung ở một chỗ mà phân bố rải dọc chiều dài
đường dây nên khó khăn cho việc tính tốn. ðể đơn giản người ta giả thiết ñiện trở tập trung
trên một ñoạn ñường dây bằng một giá trị R duy nhất.
ðể tính tốn điện trở của dây dẫn người ta dùng công thức R = ρ

l
trong đó ρ là điện trở
S

suất, l là chiều dài, S là tiết diện. Tuy nhiên công thức này trong thực tế người ta khơng sử dụng
do việc đo tiết diện S có sai số lớn.
Trong thực hành người ta tính điện trở của dây dẫn thơng qua cơng thức R = r0.l, trong đó r0
là điện trở trên một ñơn vị chiều dài (Ω/km), l là chiều dài dây dẫn (km). Tính theo cơng thức
này rất chính xác do việc đo chiều dài chính xác. Riêng giá trị r0 ñược lập thành bảng tra ứng
với từng loại dây và thơng thường catologue của nhà chế tạo đều cung cấp.
b) ðiện kháng X của dây dẫn ñiện
Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

93


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

Khi có dịng điện xoay chiều hình sin chạy qua dây dẫn, ngồi điện trở R cịn có ñiện kháng

X gây ra sự cản trở dòng ñiện. ðiện kháng X trong mạch ñiện do phần tử ñiện cảm L gây ra.
ðiện kháng X trong mạch điện có ý nghĩa giống như điện trở R.
ðiện kháng X khơng tiêu thụ năng lượng điện mà chỉ là phần tử tích lũy năng lượng trong
1/2 chu kỳ còn ở 1/2 chu kỳ tiếp theo (khi đó dịng điện đã đổi chiều) thì nó xả năng lượng trả
lại lưới điện. Chu kỳ nạp / phóng năng lượng là 50 lần trong 1 giây.

x

x

x

X
ðường dây

ðường dây

Cấp ñiện

Cấp ñiện

ðiện kháng phân bố dọc ñường dây

ðiện kháng tập trung tương ñương

ðơn vị ñiện kháng giống ñiện trở là Ω.
Với ñường dây tải ñiện, ñiện kháng không tập trung ở một chỗ mà phân bố rải dọc chiều dài
đường dây nên khó khăn cho việc tính tốn. ðể đơn giản người ta giả thiết điện kháng tập trung
trên một ñoạn ñường dây bằng một giá trị X duy nhất.
Cần lưu ý là: dù dây dẫn ñiện là một sợi thẳng, khơng quấn xoắn lị xo thì vẫn tồn tại điện

kháng X như là một thuộc tính mà khơng có cách nào loại bỏ nó được. Với lưới điện từ 1kV trở
lên thì giá trị X khá lớn, do đó trong tính tốn phải kể đến giá trị này. Với lưới ñiện <1kV (lưới
ñiện hạ thế) khi tính tốn chỉ cần xét đến R và có thể bỏ qua ảnh hưởng của L.
ðể tính điện kháng người ta dùng cơng thức X = x0.l, trong đó x0 là ñiện trở trên một ñơn vị
chiều dài (Ω/km), l là chiều dài dây dẫn (km). Giá trị x0 ñược lập thành bảng tra ứng với từng
loại dây và cách bố trí dây. Trong catologue của nhà chế tạo hoặc các sổ tay thiết kế ñiện ñều
cung cấp giá trị x0. Trong tính tốn gần đúng với đường dây điện lắp trên khơng có thể lấy x0 ≈
0,4 Ω/km.
c) ðiện dẫn phản kháng của dây dẫn ñiện
Giữa dây dẫn ñiện và mặt đất dọc theo đường dây trên khơng được coi là 2 bản cực của một
tụ ñiện nên giữa chúng ln tồn tại một giá trị điện dung C. Giữa các dây dẫn với nhau (giữa
các pha) cũng ñược coi là 2 bản cực của một tụ ñiện nên giữa chúng cũng có một trị số điện
dung nào đó. Giá trị ñiện dung giữa dây dẫn và ñất thường rất bé nên trong tính tốn bỏ qua giá
trị này và sai số < 5% nên chấp nhận ñược, chỉ tính phần điện dung giữa các pha với nhau.
ðiện dung
giữa pha A và C

ðiện dung
giữa pha A và B

A
Dây pha
B
ðiện dung
giữa pha B và C

ðiện dung phân bố dọc ñường dây
Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

C


ðiện dung tương ñương 2 ñầu ñường dây
94


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

ðiện dung C cũng phân bố dọc ñường dây tải điện và có một đặc điểm rất đặc biệt là ngay
cả khi khơng có phụ tải thì dịng ñiện vẫn chạy qua ñiện dung (giá trị này rất bé). ðể đơn giản
cho việc tính tốn người ta giả thiết các ñiện dung này tập trung về ñầu ñường dây 1/2 giá trị và
tập trung về cuối ñường dây 1/2 giá trị.
ðiện dung C cũng là một phần tử khơng tiêu thụ điện năng mà chỉ tích lũy điện năng dưới
dạng điện trường ở chu kỳ dương của dịng điện hình sin, khi dịng điện đổi chiều thì năng
lượng này sẽ phóng ra trả lại lưới điện.
Trong tính tốn ñường dây tải ñiện người ta ñưa ra khái niệm ñiện dẫn phản kháng B. ðiện
dẫn phản kháng có ñơn vị của ñiện dẫn là Siemens (nghịch ñảo của ñiện trở) và tính theo cơng
thức:
B = b0 .l

Trong đó l là chiều dài ñường dây (km), b0 là ñiện dẫn phần kháng trên 1 km ñường dây (tra
trong các bảng tra).
Cơng suất phản kháng do điện dung sinh ra trên ñường dây tải ñiện:
QC = U 2 .B = U 2 .b0 .l

Giá trị điện dung C chỉ được tính tốn khi đường dây trên khơng điện áp từ 110 kV trở lên
hoặc đường dây trên khơng 35 kV có chiều dài ≥ 30 km hoặc ñường cáp ñiện ngầm 3 pha ñiện
áp 22 kV trở lên.
4.1.3. Sơ ñồ thay thế đường dây tải điện
Trong tính tốn đường dây tải ñiện thường dùng sơ ñồ thay thế với các tham số R, X, B tập
trung kiểu hình chữ Π.

- Với mạng điện ≥ 35 kV có chiều dài ≥ 30km, mạng điện ≥ 110 kV có chiều dài bất kỳ và
đường cáp ngầm 3 pha ≥ 22 kV thì sơ ñồ thay thế có ñầy ñủ các thành phần R, X, B.
R

X

ðường dây
Cấp ñiện

B
2

B
2

- Với ñường dây 500 kV, sơ ñồ hình Π chỉ sử dụng ñược khi chiều dài ñường dây tải ñiện <
300km, nếu lớn hơn thì phải sử dụng lý thuyết khác để tính tốn (lý thuyết ñường dây dài) mà
trong bài giảng này không ñề cập ñến.
- Với mạng ñiện 35 kV có chiều dài < 30km, mạng điện < 35 kV có chiều dài bất kỳ và
đường cáp ngầm 3 pha < 22kV thì ta bỏ qua thành phần ñiện dẫn phản kháng B, khi đó sơ đồ
chỉ cịn lại R, X gọi là sơ ñồ thay thế ñường thẳng.
R

X

ðường dây
Cấp ñiện ≤ 35 kV

Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng


95


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

Ví dụ: Xác định các tham số của ñường dây trên không ñiện áp 110 kV dài 100 km dùng
dây nhôm lõi thép AC-150.
Giải: Tra bảng với dây AC-150 ta có r0=0,21Ω/km, x0=0,41Ω/km và b0=2,74.10-6/Ω.km
Từ đó ta tính ñược các tham số của ñường dây tải ñiện:
R = r0.l = 0,21.100 = 21 Ω.
X = x0.l = 0,41.100 = 41 Ω.
B = b0.l = 2,74.10-6.100 = 274.10-6 S
4.1.4. Cấu trúc mạng ñiện:
Tùy vào tầm quan trọng của hộ tiêu thụ và kinh phí đầu tư mà mạng điện có thể được xây
dựng với các cấu trúc khác nhau:
a) Mạng điện hình tia:
Mạng điện này chỉ nhận điện từ 1 nguồn ñiện duy nhất. Các ñường dây ñiện xuất phát từ
nguồn ñiện gọi là ñường trục. Các ñường dây ñiện ñấu nối vào ñường trục gọi là ñường nhánh.
ðường nhánh có tiết diện bé hơn đường trục.

ðường trục
Nguồn điện

Mạng điện kiểu hình tia

ðây là mạng điện có độ tin cậy rất kém, giá thành ñầu tư cũng thấp do đó được dùng cho
khu vực nơng thơn, các phụ tải ở xa nguồn điện và các phụ tải khơng quan trọng.
ðể năng cao ñộ tin cậy cho loại mạng ñiện này thì ở đầu mỗi nhánh rẽ mà có nhiều hộ têu
thụ người ta phải ñặt thiết bị tự ñộng cắt khi có sự cố trên nhánh rẽ đó. Vói các nhánh rẽ có ít hộ
tiêu thụ thì xác suất sự cố thấp nên khơng cần đặt thiết bị tự ñộng cắt sự cố.

Một biện pháp khác ñể nâng cao ñộ tin cậy cho loại mạng ñiện này là sử dụng đường dây
mạch kép. Khi đó xác suất xảy ra sự cố ñồng thời cả 2 mạch 1 lúc là rất thấp. ðể tiết kiệm ñất
ñai dành cho hành lang ñường dây ñiện, 2 mạch thường bố trí chung trên 1 cột.

Mạng ñiện dùng ñường dây kép
Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

96


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

b) Mạng điện đường vịng:
Mạng điện vịng là loại mạng điện có thể nhận điện từ 2 nguồn ñiện khác nhau trở lên. ðây
là mạng ñiện có ñộ tin cậy cao, vận hành linh hoạt nhưng ñầu tư rất tốn kém. Loại mạng ñiện
này dùng ñể cấp ñiện cho các phụ tải quan trọng, các phụ tải thành phố.
Nhược điểm lớn nhất của mạng điện đường vịng là vận hành rất phức tạp, chi phí thiết bị
vận hành, bảo vệ, đóng cắt rất đắt tiền. Chính vì vậy người ta chia làm 2 loại:
+ Mạng điện đường vịng vận hành kín: thường dùng cho cấp điện áp từ 110 kV trở lên. Các
mạng điện này ln ln được trang bị hệ thống tự động hóa ở mức cao: tự động bảo vệ, tự
động hịa đồng bộ,....

+ Mạng điện ñường vòng vận hành hở: dùng cho cấp ñiện áp dưới 35 kV trong thành phố,
thị xã, thị trấn. Mạng điện này có kết cấu lưới điện hình vịng kín nhưng vận hành kiểu hở (thực
chất là vận hành hình tia). Ví dụ ở hình vẽ bên trái, bình thường nhánh 3 nhận ñiện từ nhánh 1,
khi nhánh 1 sửa chữa thì nhánh 3 chuyển sang đấu nối với nhánh 2 (công việc này thực hiện
bằng thủ công, mất khoảng 15-60 phút, kể cả thời gian di chuyển trên ñường của người cơng
nhân)

Nhánh 1

Nhánh 3
Nhánh 2

Nguồn 1
Nguồn 2
Vị trí tách dây dẫn
(nằm trên cùng 1 cột)

Vị trí tách dây dẫn
(nằm trên cùng 1 cột)

Hình_ Mạng điện kín vận hành hở

Trong mạng điện kín vận hành hở người ta khơng thể nối kín mạch khi vận hành vì điện áp
tại điểm cuối các nhánh sẽ khác nhau (do tổn thất ñiện áp trên nhánh khác nhau). ðể nối kín với
nhau ta bắt buộc phải trang bị thêm thiết bị vận hành tự động, tự phát hiện thời điểm mà các
nhánh có cùng ñiện áp và cùng tần số ñể nối chúng với nhau gọi là hịa đồng bộ. Do thiết bị tự
động rất đắt tiền, vận hành q phức tạp, địi hỏi chun mơn cao nên trong lưới điện từ 35 kV
trở xuống ở đơ thị người ta chỉ cho vận hành hở.

Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

97


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

c) Cấu trúc điển hình mạng điện khu vực đơ thị

c1) Sơ đồ cung cấp điện cho thành phố nhỏ hoặc cho một khu phố, một khu dân cư,…

ðiện năng ñược cung cấp từ nhà máy ñiện ñiezen của ñịa phương (1) và từ hệ thống ñiện
quốc gia thơng qua các trạm biến áp 110/(10÷35) kV (2). Mạng ñiện (10-35)kV ñủ cấp cho
thành phố do ñó trạm biến áp 110kV được bố trí ngồi thành phố.
Việc phân phối ñiện năng ñến các hộ dùng ñiện ñược thực hiện thơng qua mạng phân phối
trung áp 10÷ 35 kV và mạng ñiện hạ áp với sự tham gia của các trạm biến áp phân phối
(10÷35)/0,4 kV (3).
Mạng điện phân phối trung áp được xây dựng theo sơ đồ mạch vịng kín nhưng vận hành
hở. Các trạm biến áp phân phối có nhiệm vụ cung cấp điện cho mạng hạ áp 0,4 kV. ðối với các
hộ dùng điện cơng nghiệp có thể cấp ñiện bởi các trạm biến áp riêng.
ðặc trưng của sơ ñồ cung cấp ñiện cho thành phố nhỏ là chỉ sử dụng một cấp điện áp cao áp
(10÷35kV).
∼

1

Mạng
điện
trung
áp
10÷35
kV

10÷35kV

3

2

Từ HTð
Quốc gia


0,38kV

0,38kV

Mạng
điện
trung áp
10÷35
kV

ðường dây mạch vịng
nhưng vận hành hở

Sơ đồ mạng ñiện thành phố nhỏ

c2) Sơ ñồ cung cấp ñiện cho thành phố trung bình
Với loại thành phố này thì một cấp điện áp trung áp (10-35) khơng đủ cấp ñiện mà phải dùng
tới ñiện áp 110-220 kV dẫn sâu vào trung tâm thành phố.
Mạng ñiện gồm nhà máy ñiện ñiezen của ñịa phương (1) và trạm biến áp 110/(10-35)kV(2)
ñược cấp ñiện từ hệ thống ñiện Quốc gia. Mạng ñiện cung cấp 110÷ 220 kV được thiết kế theo
kiểu mạch vịng bao trùm tồn bộ thành phố và vận hành kín . Mạng điện này có vai trị khơng
chỉ cung cấp điện cho thành phố mà cịn duy trì sự liên hệ giữa mạng ñiện thành phố với hệ
thống quốc gia.
Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

98


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc


Các trạm biến áp phân phối (3) 10÷35/0,4 kV cung cấp cho các hộ dùng điện thơng qua
mạng ñiện hạ áp 0,38 kV.

Từ hệ thống ñiện
Quốc gia

110 hoặc 220 kV

∼

2

1

3

4

Mạng điện
hạ áp

5
Mạng điện
xí nghiệp

Mạng điện
hạ áp

3


3

10÷35kV

ðường dây dự phịng

2

2
110 hoặc 220 kV

Sơ đồ mạng điện thành phố trung bình
1 – Nhà máy điện địa phương; 2 – Trạm biến áp 110/(1-35)kV; 3 – Trạm biến áp phân phối

Mạng điện (10-35)kV vẫn có cấu tạo mạch vịng nhưng vận hành hở để dự phịng lẫn nhau.
Một số cụm cơng nghiệp, khu công nghiệp trong thành phố yêu cầu dùng ñiện (10-35)kV thì
ñược trang bị ñường dây và trạm trung thế riêng (4,5).
ðặc trưng của sơ đồ là có hai cấp ñiện áp cao áp (110-220) và (10-35)kV.
c3) Sơ ñồ cung cấp điện cho thành phố lớn
Cấp điện áp (10÷35) kV gồm nhiều mạng con (10-35) kV. Mỗi mạng con cấp cho một khu
vực của thành phố và cấu tạo dạng mạch vịng.
Mạng điện 110 hoặc 220 kV được xây dựng theo sơ đồ mạch vịng vận hành kín, dẫn sâu
vào trung tâm thành phố.
ðặc ñiểm của sơ ñồ cung cấp ñiện cho các thành phố lớn là số lượng và cơng suất của nguồn
cung cấp từ hệ thống điện Quốc gia nhiều hơn.

Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

99



Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

110 hoặc 220 kV

Từ hệ thống
ñiện Quốc gia
35kV

22 kV

22 kV

∼
0,4kV
22 kV
35kV
0,4kV

Từ hệ thống
ñiện Quốc gia

110 hoặc 220 kV

Sơ ñồ mạng ñiện thành phố lớn

d) Cấu trúc ñiển hình mạng điện khu vực nơng thơn
Khu vực nơng thơn được cấp ñiện từ cấp trung áp (10-35)kV. Lưới phân phối có cấu trúc
dạng hình tia, một đường trục, khơng có dự phịng.

Trạm biến áp phân phối điện cho các hộ tiêu thụ có 2 loại 35/0,23kV để cấp cho phụ tải 1
pha, loại 35/0,4kV nếu điểm dân cư có cả phụ tải 3 pha.
Tất cả các tuyến dây ñều là ñường dây trên không. Các trạm biến áp dùng kiểu cột. Trạm
biến áp thường ñặt ở trung tâm ñiểm dân cư ñể dễ quản lý vận hành. Mỗi ñiểm dân cư chỉ đặt
một trạm biến áp cơng suất bé.
Trạm
35/0,23kV
ðiểm dân cư số 2
Trạm
110/35kV

ðường dây 35kV
15.000m

4.000m

5.000m
Trạm
35/0,23kV

Trạm
35/0,4kV
ðiểm dân cư số 1

ðiểm
dân
cư số
3

Khoảng cách các ñiểm dân cư khá xa nên ñường dây dài, để tiết kiệm chi phí xây dựng, dây

dẫn đường trục có thể là 2 pha hoặc 1 pha. Ở các loại mạng ñiện này người ta sử dụng ñất làm
một dây dẫn. ðể có thể truyền dẫn điện trong ñất cần phải xây dựng ở trạm phát và trạm thu các
hệ thống tiếp địa khá tốn tiền, do đó phải so sánh lựa chọn phương án dẫn ñiện 3 pha và 1 pha
Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

100


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

bên nào lợi thì mới quyết định. Dịng ñiện ñược truyền từ trạm biến áp ñến phụ tải và trở về qua
hệ thống tiếp ñịa.
ðường dây trung áp

ðường dây trung áp

Nguồn điện
(10-35)kV

Nguồn điện
(10-35)kV

Iđ

Phụ tải
0,4 kV

Rđ
Iđ


4.2. Nội dung tính tốn mạng điện trong quy hoạch cấp điện
Sau khi xác ñịnh ñược vị trí các hộ tiêu thụ, vị trí các trạm biến áp, người làm quy hoạch
cấp ñiện phải thực hiện các cơng việc tính tốn liên quan đến quy hoạch mạng ñiện với các nội
dung sau:
- Vạch ra các phương án cấp ñiện nhằm kết nối nguồn ñiện với các phụ tải. Xem xét chọn ra
2-3 phương án tốt nhất để tiến hành tính tốn và so sánh về kinh tế - kỹ thuật.
- Lập sơ ñồ nguyên lý (sơ đồ một sợi) để tính tốn các thơng số kỹ thuật điện.
- Tính dịng điện cho phép theo ñiều kiện khí hậu thực tế tại nơi lập quy hoạch.
- Xác ñịnh loại dây dẫn ñiện (cáp ngầm, cáp bọc, dây trần) và tiết diện của chúng.
- Tính tổn thất cơng suất truyền tải trên mạng điện.
- Tính tổn thất ñiện áp trên ñường dây ñể xác ñịnh bán kính cấp điện.
- Lập khối lượng dự kiến đầu tư.
- So sánh về mặt kinh tế - kỹ thuật các phương án và chọn ra phương án tối ưu.
- Khái tốn vốn đầu tư và dự kiến các nguồn vốn (vốn vay, vốn tự có,...) cũng như tiến độ
thực hiện quy hoạch theo phương án chọn.
Với bài giảng này chỉ đề cập đến việc tính tốn các thơng số kỹ thuật điện. Việc tính tốn
các nội dung khác như hiệu quả dự án, chi phí lãi vay,... được trình bày trong các mơn học khác.
4.3. Chọn phương án cấp điện:
Vạch phương án cung cấp điện là bài tốn khó trong quy hoạch cấp điện, địi hỏi phải thỏa
mãn nhiều tiêu chí như đảm bảo chất lượng điện, giảm giá thành ñầu tư, giảm chi phí quản lý,
vận hành tin cậy,....
ðể tìm được phương án tối ưu thường phải đưa ra một số phương án ñể so sánh. Trong thực
tế, nhiệm vụ này là nhiệm vụ mà người làm quy hoạch hay mắc sai lầm nhất. Sai lầm hay gặp
phải là đề xuất các phương án để so sánh khơng có tính cạnh tranh. Ví dụ so sánh phương án có
vốn ñầu tư nhỏ, chi phí vận hành thấp với phương án có vốn đầu tư lớn, chi phí vận hành cao là
một sự so sánh khập khiễng.
Với vị trí các hộ tiêu thụ cho trước, nguồn điện cho trước có thể đưa ra hàng trăm (thậm chí
hàng ngàn) phương án cung cấp ñiện, tuy nhiên cần phải chọn lọc ra một số phương án có tính
Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng


101


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

khả thi và tính cạnh tranh nhất. ðể làm được việc đó cần phải có sự phân tích sơ bộ một cách đa
dạng dưới nhiều khía cạnh như tiêu chuẩn kỹ thuật, chất lượng ñiện, ñộ tin cậy, tính đơn giản,
thuận tiện trong vận hành,... và như vậy địi hỏi người làm quy hoạch khơng những phải am
hiểu về kỹ thuật điện mà cịn phải có kinh nghiệm thực tế và kiến thức ở nhiều chuyên môn
khác nhau.

Một số phương án cấp điện ứng với vị trí nguồn ñiện và phụ tải cho trước
Trạm biến áp
Hộ tiêu thụ
Mỗi ơ lưới có kích thước 100x100m

Sau khi chọn được một số phương án cung cấp ñiện phải tiến hành phân tích chúng để tìm
ra phương án tốt nhất về kinh tế - kỹ thuật gọi là phương án tối ưu.
Ngày nay đã có nhiều tác giả nghiên cứu về vấn ñề chọn phương án tối ưu và ñều có chung
một mục tiêu là làm cho chi phí qui đổi của ñường dây là cực tiểu. Nhưng mỗi một phương
pháp có hình thức thể hiện riêng với mức độ chính xác khác nhau.
Trong bài giảng này giới thiệu sơ bộ một số phương pháp chọn phương án tối ưu mà khơng
đi sâu vào tính tốn cụ thể.
4.3.1. Chọn phương án tối ưu theo chi phí qui đổi nhỏ nhất:
Trong số các phương án cấp điện đưa ra xem xét thì phương án tối ưu là phương án thỏa
mãn hàm mục tiêu sau:
Zi = ( atc + kkh)Vi + g∆Ai ⇒ Min
Các ñiều kiện ràng buộc
Ui ≥ Umin
Iij ≤ Icpij

∆Umax ≤ 5%
Trong đó
Zi - chi phí truyền tải và phân phối điện năng của phương án thứ i
atc : hệ số tiêu chuẩn thu hồi vốn đầu tư (với cơng trình điện lấy atc = 0,125)
kkhi : hệ số khấu hao và chi phí quản lý, vận hành của phương án thứ i

Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

102


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

Vi : vốn ñầu tư của phương án thứ i
g∆Ai : phí tổn (bằng tiền) về tổn thất ñiện năng trên ñường dây
Iịj là dòng ñiện chạy trên nhánh ij
Icpij là dịng điện cho phép của dây dẫn chạy trên nhánh ij
Trong thực tế quy hoạch cấp ñiện thường tìm phương án có Zmin trong số các phương án đề
xuất. Sau đó tiến hành tính tốn chế độ lưới ñiện ñể kiểm tra các ñiều kiện ràng buộc (U≥Umin ,
Iij < Icpij, ∆Umax ≤ 5%) chứ không kiểm tra ràng buộc này trong quá trình tìm Zmin.
Trong trường hợp khơng thỏa mãn điều kiện này thì phải sử dụng các biện pháp bổ sung sao
cho thỏa mãn ñiều kiện ràng buộc hoặc chọn phương án khác để tính tốn.
* Ưu điểm của phương pháp:
+ Tính tốn đơn giản, tận dụng ñược kinh nghiệm của người thiết kế, thời gian giải có thể
được rút ngắn đáng kể nhờ máy tính điện tử.
+ Phương pháp này được sử dụng phổ biến hiện nay.
* Nhược ñiểm:
+ Lời giải chỉ phù hợp với những mạng điện có những phụ tải khơng u cầu cao về ñộ tin
cậy cung cấp ñiện (hộ loại 3).
4.3.2. Chọn phương án tối ưu theo hệ số phương án

Mục đích của phương pháp này là sử dụng hệ số phương án Kij ñể xác ñịnh sơ ñồ nối ñiện
tối ưu. Giả thiết khu vực quy hoạch có n hộ tiêu thụ ñược cấp ñiện từ một trạm biến áp. Vị trí
trạm biến áp và vị trí n phụ tải ñã xác ñịnh ñược trên bản ñồ. Ta cần xác ñịnh phương thức kết
nối phụ tải với nguồn ñiện tốt nhất.
Lập hàm mục tiêu kết nối dây ñiện từ ñiểm i ñến ñiểm j:
Kij = (1 + λ)lij + 0,5 λ2 L0i ⇒ Min
Trong đó:
λ - hệ số chọn bất kỳ có giá trị 0 ÷ ∞.
lij - khoảng cách từ nguồn nối i ñến phụ tải thứ j
L0i - khoảng cách từ trạm biến áp ñến nguồn nối i
Nguồn nối i chính là vị trí phụ tải thứ i ñã ñược kết nối ñến trạm biến áp trong q trình tìm
phương án kết nối trước đó.
ðầu tiên phải tìm ra phương án kết nối tất cả n phụ tải ứng với λ=0 qua các bước sau:
Bước 1:
Cho i=0 có nghĩa là ở bước đầu tiên chỉ có một nguồn nối là trạm biến áp.
Các hàm mục tiêu trở thành K 0 j = (1 + λ )l0j + 0,5λ 2 .L00 = (1 + λ )l0j ⇒ Min
Tất cả n phụ tải đều có khả năng nối đến trạm biến áp do đó ta tính được giá trị K01, K02,…,
K0n. Tìm giá trị nhỏ nhất trong các giá trị này, ví dụ được K02. Khi đó ta xác lập ñược một
ñường dây nối từ trạm biến áp ñến phụ tải số 2. Từ phụ tải 2 bây giờ ta có thể cấp điện đến các

Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

103


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

phụ tải cịn lại, do đó nó trở thành một nguồn nối. Như vậy ta xem như có 2 nguồn cấp ñiện là
trạm biến áp và ñiểm phụ tải 2 (nguồn nối).
Bước 2:

Cho i=2 (phụ tải trở thành nguồn nối ở bước 1) và lúc này có 2 nguồn nối ñể cấp cho các
phụ tải là trạm biến áp và phụ tải 2. Các hàm mục tiêu nối dây điện từ nguồn nối 2 đến các phụ
tải cịn lại là:
K 2 j = (1 + λ )l2j + 0,5λ 2 .L02 ⇒ Min

Trong đó j≠2 vì 2 đã trở thành nguồn, khơng cịn là phụ tải nữa.
Ta tiến hành xác ñịnh (n-1) giá trị K21, K23, K24,…,K2n là các giá trị tính tốn khi (n-1) phụ
tải đấu nối vào nguồn nối 2.
Ta tìm giá trị nhỏ nhất trong tập hợp các giá trị vừa tìm ra và các giá trị cịn lại ở bước 1. Có
nghĩa là tìm giá trị min trong tập hợp {K21, K23, K24,…,K2n ; K01, K03, K04,…, K0n}.
+ Ví dụ nếu K24 nhỏ nhất thì ta xác lập được đường dây nối từ phụ tải 2 ñến phụ tải 4, tức là
phụ tải 4 khơng nối trực tiếp đến trạm biến áp.
+ Ví dụ nếu K05 nhỏ nhất thì ta xác lập được đường dây nối phụ tải 5 ñến trạm biến áp
Bước 3,…: Từ bước 3 trở ñi ta tiếp tục làm tương tự cho ñến khi tất cả các phụ tải ñều trở
thành nguồn nối, tức là sơ đồ đã phủ kín ñến các phụ tải thì2dừng lại.
Bước 1: Tìm ñược ñoạn 0-2
i=3

i=3
i=2

Bước 2: Tìm được đoạn 2-4
nếu K24 là giá trị bé nhất

i=1

i=2

i=4


i=3

i=2

i=1

i=0

i=6

i=8

i=8

i=5
i=7

i=1

i=4

i=4
i=8

Bước 3: Tìm được đoạn 0-5
nếu K05 là giá trị bé nhất

i=0

i=0


i=5

i=5
i=6

i=7

i=6

i=7

Minh họa các bước tìm phương án tối ưu theo hệ số phương án
Trạm biến áp
Hộ tiêu thụ
Mỗi ơ lưới có kích thước 100x100m
Kết nối ở bước 1
Kết nối ở bước 2
Kết nối được chọn

Bước cuối: Tính chi phí truyền tải điện năng trên từng đoạn dây Zij và tổng chi phí truyền
tải của phương án Z0 = ΣZij
Bây giờ ta quay lại từ bước 1 và tính tốn để chọn phương án nối dây khác bằng cách cho
λ=1, 2, …. hoặc có thể cho bằng số lẻ λ=1,1 -1,2-…. Việc chọn giá trị λ phải có sự điều khiển
của người tính tốn thì mới tìm được lời giải tối ưu.
Ví dụ cho λ =0, 1, 2 ta có Z0, Z1, Z2 So sánh nếu Z0 > Z1 và Z1
Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

104

Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

tối ưu. Nếu không ta lấy giá trị λ tăng lên bằng 2, 3 . . . và tính tốn tương tự. Cứ như vậy khi
tính đến Zi > Zi-1 thì ta được sơ đồ nối điện tối ưu với Zi-1 = Zmin.
* Ưu ñiểm : Kết quả tìm được khá tin cậy
* Nhược điểm : Tính tốn khá phức tạp, khối lượng tính tốn lớn.
4.3.3. Chọn phương án tối ưu theo phương pháp tối ưu từng bước
Việc cung cấp điện cho một phụ tải bất kỳ địi hỏi chi phí xây dựng đường dây tải điện mới,
ngồi ra nếu điểm đấu điện là mạng điện có sẵn thì sẽ phát sinh thêm thêm những chi phí trong
mạng điện có sẵn này (tăng chi phí quản lý, bảo dưỡng, tăng tổn thất ñiện,…). Ứng dụng
nguyên tắc này người ta ñưa ra phương pháp chọn phương án nối dây ñiện theo kiểu tối ưu từng
bước.
Cách làm của phương pháp này là cứ mỗi lần thiết lập ñược một ñường dây kết nối giữa
nguồn ñiện với phụ tải ñiện ta coi đó như mạng điện hiện có. Khi xét các phụ tải cịn lại để kết
nối vào mạng điện đã thiết lập ta coi như nối vào mạng ñiện hiện có. Mơ tả cụ thể như sau:
Việc nối phụ tải j vào điểm phụ tải i hiện có thì chi phí truyền tải điện năng Z1 từ i đến j xác
định theo biểu thức:
Z1 = cj.lij
Trong đó:
cj- Suất chi phí truyền tải ñiện năng cấp cho phụ tải j (tra bảng hoặc ñường cong)
lij -Khoảng cách thẳng giữa ñiểm i và điểm j.
Suất chi phí truyền tải các loại dây trong lưới điện 35 kV

Suất chi phí truyền tải các loại dây trong lưới ñiện 22 kV

Khi ñiểm phụ tải j ñược ñấu vào mạng ñiện ñã thiết lập trước đó (mạng điện hiện có) thì
phụ tải trong mạng điện này sẽ tăng hơn so với trước đó, bởi vậy sẽ phát sinh thêm chi phí
truyền tải điện năng, lượng chi phí này được xác định theo biểu thức:

Z2 = (ci+j - ci) L0i ;
Trong đó:
ci+j - Suất chi phí truyền tải của mạng ñiện sau khi ñấu nối j vào
ci - Suất chi phí truyền tải của mạng điện khi chưa ñấu nối j vào
Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

105


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

Loi - Là chiều dài (tính dọc theo dây ñiện) từ trạm biến áp ñến ñiểm ñấu ñiện i.
Các giá trị suất chi phí truyền tải ci, ci+j, cj ñược cho sẵn trong các sổ tay thiết kế (hoặc có
thể tự xây dựng) dưới dạng các đường cong chi phí phụ thuộc vào dịng điện truyền tải, loại dây
dẫn, tiết diện dây dẫn. Ví dụ các biểu đồ sau:
ðể xác định suất chi phí truyền tải của đường dây ta chỉ việc dựa vào giá trị dịng điện dịng
kẻ một đường thẳng vng góc với trục hồnh, tung ñộ của ñiểm gặp nhau giữa ñường thẳng
này với ñường cong đầu tiên sẽ chính là giá trị chi phí cần tìm, đồng thời xác định được tiết diện
dây dẫn cần sử dụng.
Như vậy tổng chi phí tính tốn cần thiết ñể ñấu nối phụ tải j vào ñiểm phụ tải i sao cho vẫn
tối ưu về kinh tế - kỹ thuật là:
Zij = Z1+Z2 = cj.lij + (ci+j - ci) L0i ⇒ Min
Bài tốn xây dựng sơ đồ nối ñiện tối ưu mô tả ở trên ñược thực hiện theo từng bước nối tối
ưu. Các bước tính được lặp lại nhiều lần phụ thuộc vào số lượng ñiểm tải. Trình tự xây dựng sơ
đồ như sau:
+ Xác định khoảng cách giữa các ñiểm tải theo biểu thức
l ij = ( xi − x j ) 2 + ( y i − y j ) 2

Khoảng cách lij cũng có thể ño trực tiếp trên thực ñịa hoặc ño trên bản đồ theo tỷ lệ xích.
+ Theo biểu đồ suất chi phí truyền tải xác định các giá trị ci và tiết diện dây dẫn điện.

+ Tính các giá trị Zij = Zoj ở bước ñầu tiên ứng với nguồn ñiện là trạm biến áp.
+ Chọn giá trị nhỏ nhất trong số các giá trị Zoj vừa xác ñịnh, giả sử Z04 = min, ta nối ñiểm 4
với nguồn 0, lúc này ñiểm tải 4 trở thành nguồn nối.
+ Tiếp theo lấy ñiểm 4 làm gốc xác ñịnh các giá trị Z4j đối với các phụ tải cịn lại. Chọn giá
trị nhỏ nhất trong số các giá trị Z4j và Z0j còn lại ở bước trước, giả sử trong số ñó Z43 nhỏ nhất
ta nối ñiểm 3 với gốc 4.
+ Tiếp tục xác định các giá trị Z3j. Bài tốn ñược lặp lại như vậy cho ñến khi tất cả các phụ
tải tải ñều ñược nối vào mạng. Sơ ñồ nhận ñược sau khi kết thúc là sơ ñồ gần tối ưu. Q trình
mơ tả bằng các hình vẽ minh họa sau đây:
2

y

3

2

4

4
5
1

1
6

x

6

x

3

y

2

3

y

2

3
4

4

4

1

1

1

5

5

5
6

x

3)

2)

1)
2

3

5

1

y

2

4

5
6

y

3

6

x

4)

5)

6

x

x

6)

Trình tự xây dựng sơ đồ nối điện tối ưu (từ bước 1 ñến bước 6).

Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

106


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

Sơ ñồ nhận ñược mới chỉ “gần tối ưu” do có thể xuất hiện các góc nhọn (theo hướng nhìn từ
nguồn) mà ta có thể hiệu chỉnh sao cho chiều dài ñường dây tải ñiện ngắn hơn trong khi khơng
làm mất đi tính tối ưu về kinh tế - kỹ thuật.

Q trình hiệu chỉnh
i=2

Sơ đồ “gần tối ưu”
i=2
i=3

i=1

i=3

Sơ đồ tối ưu (sau hiệu chỉnh)
i=2
i=1

Tâm hình trịn
nội tiếp ∆

i=3

A

A

i=4

i=4

i=4
i=0

i=0
i=5

i=5
i=6

Mạng ñiện tối ưu

i=0
i=5

i=6

i=7

ðiểm hiệu chỉnh

i=1

i=7

Mạng ñiện gần tối ưu

i=6

i=7

ðường thẳng vẽ thêm

Cách làm như sau: tìm tâm đường trịn nội tiếp tam giác có góc cần hiệu chỉnh và nối tâm
hình trịn này với các đỉnh của tam giác. Ví dụ các hình vẽ trên ta có tam giác 024 cần hiệu
chỉnh. ðiểm phụ A là tâm hình trịn nội tiếp tam giác, ta nối A với các ñỉnh 024 thì chiều dài
sau khi hiệu chỉnh là A0+A2+A4 bé hơn chiều dài trước khi hiệu chỉnh là 02+24.
Như vậy sơ đồ tìm được vừa tối ưu dưới góc độ chi phí truyền tải điện năng vừa tối ưu dưới
góc độ hình học..
4.4. Mặt bằng bố trí tuyến đường dây tải ñiện
Mặt bằng bố trí tuyến ñường dây tải ñiện chính là sơ ñồ nguyên lý của mạng ñiện trên thực
ñịa. Bố trí tuyến dây có tính chất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành đầu tư cơng trình. ðặc
biệt với ñô thị do nguồn lực ñất ñai khá ñắt ñỏ thì việc bố trí tuyến dây ngắn nhất, tiết kiệm nhất
thì vơ cùng quan trọng. ðiều này ảnh hưởng lớn cơng tác đền bù, có thể đẩy nhanh hoặc làm
chậm tiến độ cơng trình. Khơng thể xây dựng một lý thuyết chung về việc bố trí tuyến đường
dây vì cịn phải phụ thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất và cơng trình hạ tầng kỹ thuật hiện có
của khu vực quy hoạch để bố trí. ðiều này đỏi hỏi nhiều ở kinh nghiệm và trách nhiệm của
người làm quy hoạch trong việc điều tra, thu thập và phân tích số liệu. Ở ñây xin nêu ra một số
nguyên tắc bố trí tuyến dây cần phải lưu ý:
a) Nguyên tắc chung:
+ ðảm bảo hành lang tuyến dây điện
+ Khơng cắt qua khu dân cư đơng đúc, hạn chế cắt qua khu dân cư khác.
+ Tìm hướng đi sao cho mức ñền bù thấp nhất, hạn chế di chuyển nhà dân.
+ Tuyệt đối tránh các khu di tích lịch sử, danh lam thắng cảnh,....

Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

107


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

b) u cầu riêng cho khu vực đơ thị

+ Tuyến dây ñiện bố ñi dọc theo hè phố
+ Các cột ñiện phải trồng ngay giữa ranh giới của 2 lơ đất.
+ Tránh các cơng trình hạ tầng kỹ thuật hiện có như điện, thơng tin, mương thốt nước,... ñã
xây dựng trước ñó.
+ Những ñoạn vỉa hè uốn cong nên dùng cáp ngầm, hạn chế đường dây trên khơng vì khả
năng dây điện tiến sát vào ban cơng nhà dân gây mất an tồn.
+ Trên một tuyến đường chỉ bố trí dây điện đi một bên đường.
+ Tốt nhất nên dùng cáp ngầm cho cả mạng ñiện cao áp và mạng ñiện hạ áp vừa mỹ quan,
vừa ñảm bảo an tồn (tuy nhiên giá thành đắt nên cần phải xem xét chọn lựa phương án).
+ Nếu không dùng cáp ngầm được thì dùng dây điện bọc đi trên khơng: vừa giảm được
hành lang đường điện vừa an tồn.
+ Tuyệt ñối không dùng dây dẫn ñiện trần.
+ Nên kết hợp nhiều ñường dây trên một tuyến dây ñể tiết kiệm hành lang. Ví dụ trên một
vỉa hè có thể bố trí 2 đường dây 22 kV và 1 đường dây 0,4 kV ñi chung cột
+ Tất cả các cột ñều dùng loại từ 12 m trở lên để dự phịng phát triển phụ tải có thể lắp
thêm 1 tuyến dây nữa.
+ Các tuyến phố có vỉa hè hẹp phải bố trí tuyến dây ra lịng đường bằng cách dùng xà ñỡ
dây kiểu lệch 1 bên cột.
+ Không dùng dây néo cột. Các vị trí góc chịu lực lớn (như ngã 3, ngã tư đường phố) dùng
2 cột bêtơng ghép lại hoặc dùng cột sắt.
c) Yêu cầu riêng cho khu vực nơng thơn
Khu vực nơng thơn việc bố trí tuyến dây có phần dễ dàng hơn do đất đai cịn khá nhiều.
Tuy nhiên ta cũng khơng nên lạm dụng vấn đề này mà xem nhẹ việc tìm ra phương án tốt nhất.
+ Nên bố trí tuyến đi men theo đường giao thơng liên thơn, liên xã hoặc đường mịn để
thuận lợi cho sửa chữa.
+ Tránh cắt nhà dân, hạn chế ñi qua rừng cây có giá trị kinh tế và cây lâu năm như quế, cao
su,....
+ Giảm ñến mức thấp nhất số lần bẻ góc (số lần đổi hướng) đường dây.
+ Tránh đổi hướng dây ngay trên mép sơng, nơi dễ sạt lở, xói mịn hay địa chất yếu.
+ Tránh đi qua khu vực phức tạp về địa hình như núi cao, khe vực sâu, địa hình chia cắt

mạnh,... vì khi thi cơng cũng như vận hành rất khó khăn.
4.5. Tổn thất cơng suất và điện năng trên đường dây tải ñiện

Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

108


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

Tổn thất cơng suất có vai trị quan trọng trong tính tốn quy hoạch cấp điện. Dựa vào tổn
thất ta xác định được mạng điện vận hành có kinh tế khơng, vốn đầu tư có mang lại hiệu quả
khơng,...
Trong chương 2 ta đã biết, để xác định được cơng suất nguồn điện cấp cho khu vực quy
hoạch, ngồi số liệu cơng suất các hộ tiêu thụ cịn phải biết giá trị cơng suất tổn hao trên mạng
điện truyền tải. Nếu cơng suất nguồn điện tính tốn chỉ bằng tổng cơng suất phụ tải thì khơng
chính xác mà phải gồm cả cơng suất tổn thất trên mạng điện.
4.5.1. Tổn thất cơng suất đường dây có sơ đồ thay thế hình Π
a) ðường dây có 1 phụ tải:
Sin
Sin m

R

S'in

X

Sout

S'out

l, r0, x0, b0
∆Sn

A

∆Sn
B
2

S, P, Q

B
2

Xét một ñường dây tải ñiện nhận ñiện tại nút A có ñiện áp ñịnh mức Uñm, độ dài l, các tham
số r0, x0, b0. Mơ hình tính tốn của đường dây này như hình bên phải. ðường dây nhận cơng
suất (Sin, Pin, Qin) từ nguồn điện, sau khi đi qua R, X, B nó bị tổn hao cơng suất và cấp đến phụ
tải cơng suất Sout=S, Pout=P, Qout=Q. Ta cần tính tốn lượng cơng suất tổn hao qua ñường dây tải
ñiện.
Theo lý thuyết mạng ñiện, tổn thất cơng suất dọc trên đường dây bao gồm tổn thất công
suất tác dụng trên R, tổn thất công suất phản kháng trên X. Tính các tổn thất cơng suất này một
cách chính xác tương đối phức tạp, do đó trong cơng tác quy hoạch cấp điện có thể tính gần
ñúng như sau:
∆Pd =

'2
'2
Pout

+ Qout
.R
U ñ2m

∆Qd =

'2
'2
Pout
+ Qout
.X
U ñ2m

∆Sd = ∆Pd2 + ∆Qd2

Trong đó:
P’out = P

Q’out = Q + ∆Qn = Q −U ñ2m .

B
2

Tổn thất ngang trên ñường dây chính là tổn thất cơng suất phản kháng trên điện dẫn phản
kháng B của ñường dây. Tổn thất này ñược chia làm 2 nửa ở 2 ñầu của ñường dây và tính theo
cơng thức gần đúng sau:
∆Pn = 0

∆S n = ∆Qn = −U đ2m .

B
2

Sở dĩ có dấu âm phía trước biểu thức vì cơng suất trên điện dung C ngược với cơng suất
trên điện cảm L.
Như vậy ta có tam giác tổn thất cơng suất khi truyền tải qua dây dẫn là:
∆P = ∆Pd
Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

109


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc
'2
'2
+ Qout
Pout
B
∆Q = ∆Qd + 2.∆Qn =
. X − 2U ñ2m .
2
U ñm
2

∆S = ∆P 2 + ∆Q 2

b) ðường dây có từ 2 phụ tải trở lên:
Sin1 A

l1, r01, x01, b01

l2, r02, x02, b02

B

Uñm

Uñm
S2, P2, Q2

S1, P1, Q1

Sout1 B

Sin2

Sout1 B Sin2

S'in2

R2

X2

S'out2

∆Sn2

∆Sn2
B2

2

S1
P1
Q1

S1. P1, Q1

Sin1 A

S'in1

Sin1 A

Sout2

B2
2

R1

X1

S'out1

∆Sn1

S2
P2
Q2

Sout1
∆Sn1

B1
2

B1
2

Ta tính theo ngun tắc tính dồn từ điểm cuối của đường dây tải điện về điểm đầu, trong đó
các cơng suất được thu về chung 1 điểm nút. Tính lần lượt từng ñường dây một và mỗi ñường
dây ñược thay thế bằng một sơ đồ hình Π. Ở đây ta chỉ minh họa 2 đoạn đường dây có 2 phụ
tải.
ðường dây 2 ñược thay thế bằng sơ ñồ hình Π như trên hình vẽ.
+ Tính tổn thất trên đoạn dây 2:
B2
2

P’out2 = P2

Q’out2 = Q2 + ∆Qn2 = Q2 −U ñ2m .

'2
'2
Pout
2 + Qout 2
∆Pd 2 =
.R2
U ñ2m

'2
'2
Pout
2 + Qout 2
∆Qd 2 =
.X 2
U ñ2m

P’in2 = P’out2 + ∆Pd2

Q’in2 = Q’out2 + ∆Qd2

Pin2 = P’in2

Qin2 = Q’in2 + ∆Qn2 = Q’in2 −U đ2m .

B2
2

Như vậy ta có tổn thất cơng suất trên ñoạn 2 là:
∆P2 =Pin2 - Pout2
∆Q2 =Qin2 - Qout2
Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

110


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

+ Sau khi tính xong đoạn 2 ta lại tiếp tục tính cho đoạn dây 1. Ta vẫn dùng sơ đồ hình Π
cho đoạn dây 1, riêng phụ tải cuối ñoạn dây 1 ñược thay thế bằng Sout1.
Tiếp tục tính tổn thất trên đoạn dây 1:
Pout1 = P1 + Pin2

Qout1 = Q1 + Qin2

P’out1 = Pout1

Q’out1 = Qout1 + ∆Qn1 = Qout1 −U ñ2m .

'2
'2
Pout
1 + Qout 1
∆Pd 1 =
.R1
U ñ2m

'2
'2
Pout
1 + Qout 1
∆Qd 1 =
.X1
U ñ2m

P’in1 = P’out1 + ∆Pd1

Q’in1 = Q’out1 + ∆Qd1

Pin1 = P’in1

Qin1 = Q’in1 + ∆Qn1 = Q’in1 −U ñ2m .

B1
2

B1
2

Như vậy ta có tổn thất cơng suất trên đoạn 1 là:
∆P1 =Pin1 - Pout1
∆Q1 =Qin1 - Qout1
+ Như vậy tổn thất công suất trên mạng này là:
∆P = ∆P1 + ∆P2
∆Q = ∆Q1 + ∆Q2
∆S = ∆P 2 + ∆Q 2

4.5.2. Tổn thất cơng suất đường dây có sơ đồ thay thế đường thẳng:
Sơ đồ thay thế lúc này khơng cịn nhánh rẽ ngang mà chỉ còn trục dọc, tức là chỉ cịn R, X.
Q trình tính tốn ta bỏ qua các giá trị do ñiện dẫn phản kháng sinh ra.
a) ðường dây có 1 phụ tải

Sin m

l, r0, x0, b0

Sin

R

X

S

A
S, P, Q

∆P =

P2 + Q2
.R
U ñ2m

∆Q =

P2 + Q2
.X
U ñ2m

∆S = ∆P 2 + ∆Q 2

b) ðường dây có 2 phụ tải trở lên

Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

111

Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

Sin1 A

l1, r01, x01, b01

l2, r02, x02, b02

B

Uñm

Uñm
S2, P2, Q2

S1, P1, Q1
A Sin1

X1

R1

Sout1 B Sin2

R2

X2

S2, P2, Q2

S1, P1, Q1

+ Tính tổn thất trên đoạn dây 2:
P22 + Q22
.R2
U ñ2m

∆P2 =

∆Q2 =

P22 + Q22
.X 2
U ñ2m

+ Sau khi tính xong đoạn 2 ta lại tiếp tục tính cho đoạn dây 1. Phụ tải cuối ñoạn dây 1 ñược
thay thế bằng Sout1.
Pin2 = P2 + ∆P2

Qin2 = Q2 + ∆Q2

Pout1 = P1 + Pin2

Qout1 = Q1 + Qin2

∆P1 =

2
2
Pout

1 + Qout 1
.R1
U ñ2m

∆Q1 =

2
2
Pout
1 + Qout 1
.X1
U ñ2m

+ Như vậy tổn thất công suất trên mạng này là:
∆P = ∆P1 + ∆P2
∆Q = ∆Q1 + ∆Q2
∆S = ∆P 2 + ∆Q 2

4.5.3. Kết luận:
Ta có thể khái quát hóa với mạng điện có m nhánh cấp cho vùng quy hoạch thì tổn thất
cơng suất là:
∆P = ∆P1 + ∆P2 + ... + ∆Pm
∆Q = ∆Q1 + ∆Q2 +... + ∆Qm
∆S = ∆P 2 + ∆Q 2

Và tổng công suất nguồn ñiện cần cung cấp cho vùng quy hoạch có n hộ tiêu thụ:
n

m

i =1

k =1

n

m

i =1

k =1

PΣ = ∑ Pi + ∑ ∆Pk
QΣ = ∑ Qi + ∑ ∆Qk

SΣ = PΣ2 + QΣ2
Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

112


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

4.5.4. Tổn thất ñiện năng trên ñường dây tải ñiện
Tổn thất ñiện năng trên ñường dây tải ñiện là lượng năng lượng hao phí trên đường dây.
ðiện năng tổn thất chủ yếu ở dưới dạng nhiệt tỏa ra mơi trường xung quanh.
Trong quy hoạch cấp điện phải tính tốn tổn thất điện năng từ đó mới tính được chi phí
truyền tải điện năng từ nguồn điện đến hộ tiêu thụ, là cơ sở ñể xem xét mạng ñiện ñược chọn có
ñảm bảo tối ưu và kinh tế - kỹ thuật hay không.
Nếu trong khoảng thời gian t phụ tải của mạng điện P =const thì tổn thất điện năng tính theo

cơng thức: ∆A = ∆P.t
Tuy nhiên trong thực tế P biến đổi liên tục khơng theo quy luật nào cả (biến ngẫu nhiên) do
đó khơng thể tính chính xác ∆A được mà chỉ tính gần đúng dựa vào các giả thiết sau:
a) Thời gian sử dụng công suất cực ñại Tmax
Tmax là thời gian nếu hệ thống cung cấp điện chỉ truyền tải cơng suất lớn nhất Pmax, thì sẽ
truyền tải được lượng điện năng đúng bằng lượng ñiện năng truyền tải trong thực tế 1 năm
Tmax =

A1naêm
Pmax

b) Thời gian tổn thất ñiện năng cực ñại τ
τ là thời gian nếu hệ thống cung cấp ñiện chỉ truyền tải cơng suất lớn nhất Pmax thì sẽ gây ra
lượng tổn thất ñiện năng ñúng bằng lượng tổn thất ñiện năng gây ra trong thực tế một năm
τ=

∆A1naêm
∆Pmax

Các sổ tay thiết kế điện thường có các bảng tra Tmax ứng với các loại phụ tải khác nhau,
riêng τ ñược xác ñịnh theo công thức kinh nghiệm của Kezevit:

τ = ( 0,124 + 10−4.Tmax ) .8760
2

Loại phụ tải

TT

Tmax (h)

τ (h)

1. Các thành phố
1

Thành phố cực lớn (siêu đơ thị)

3059

1619

2

Thành phố rất lớn

2961

1546

3

Thành phố lớn

2920

1516

4

Thành phố trung bình

2901

1502

5

Thành phố nhỏ

2865

1476

2. Khu vực nông thôn
Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

113


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

1

Hộ tiêu thụ khu vực nông thôn

2500-3000

1225,3-1575

3. Khu vực cơng nghiệp
1

Nhà máy hóa chất

6200

4849

2

Nhà máy in

2975

1556,3

3

Nhà máy chế tạo cơ khí, máy móc

4345

2733

…

…

…

…

Vậy căn cứ vào bảng tra τ có thể tính được tổn thất điện năng trong 1 năm là ∆A = ∆P.τ,
trong đó ∆P là cơng suất tổn thất trên đường dây đã trình bày ở phần trên.
4.6. Tổn thất ñiện áp trên ñường dây tải ñiện
Trong chương 1 ta ñã biết tác hại của ñiện áp khơng đảm bảo (cao hơn cũng như thấp hơn
giá trị ñịnh mức). ðiện áp là một trong hai chỉ tiêu quan trọng nhất ñánh giá chất lượng ñiện cấp
cho thiết bị.
Cơng suất chạy trên đường dây cấp cho thiết bị chính là ngun nhân gây ra tổn thất điện áp
dọc theo đường dây truyền tải điện. Ngồi ra tiết diện dây ñiện cũng là nguyên nhân gây tổn
thất ñiện áp: dây có tiết diện lớn thì điện trở nhỏ và ngược lại.
Tổn thất điện áp là thuộc tính cố hữu của q trình truyền tải điện năng, có nghĩa là ta
khơng thể loại bỏ được mà chỉ có cách giảm nó đi. Cho dù sử dụng dây siêu dẫn có R=0 thì giá
trị điện kháng X trên đường dây cũng là tác nhân gây ra tổn thất ñiện áp.
Trong thiết kế quy hoạch cấp điện phải tinh tốn tổn thất ñiện áp trên ñường dây tải ñiện ñể
kiểm tra xem điểm xa nguồn điện nhất có điện áp bao nhiêu, từ đó đánh giá chất lượng phương
án thiết kế. Nếu điện áp cuối nguồn <95%m thì phải tính tốn lại.
Việc tính tốn chính xác tổn thất điện áp trên đường dây rất phức tạp, địi hỏi chun mơn
sâu về kỹ thuật điện. Trong tính tốn quy hoạch cấp điện chỉ sử dụng các phương pháp gần
ñúng, ñảm bảo sai số chấp nhận ñược.
4.6.1. Tổn thất ñiện áp khi dùng sơ đồ thay thế hình Π:

Sin

m

Sin

l, r0, x0, b0

A

S'in

R

X

S'out

∆Sn
S, P, Q

Sout

∆Sn
B
2

B
2

Tổn thất ñiện áp là giá trị ñiện áp rơi trên R và X dọc ñường dây, ký hiệu là ∆U được tính
theo cơng thức sau:
Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

114

Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc
'
'
Pout
R + Qout
.X
∆U =
U đm

Trong đó :
∆U và m tính bằng V
P’out tính bằng kW và xác định qua các biểu thức ở phần tổn thất công suất
Q’out tính bằng Kvar và xác định qua các biểu thức ở phần tổn thất cơng suất
R, X tính bằng Ω
4.6.2. Tổn thất ñiện áp khi dùng sơ ñồ thay thế ñường thẳng:

Sin Uñm

l, r0, x0, b0

Sin

R

X

S

A
S, P, Q

Tổn thất ñiện áp là giá trị ñiện áp rơi trên R và X dọc đường dây, ký hiệu là ∆U được tính
theo cơng thức sau:
∆U =

PR + Q. X
U đm

ðơn vị của ∆U, P, Q, R, X, Uñm giống như trên.
4.6.3. Kết luận:
- Trong cả 2 trường hợp tính tổn thất điện áp ở trên đều lấy cơng suất tác dụng (P), cơng
suất phản kháng (Q) ở ngay đầu ra của phần tử R, X dọc ñường dây.
- Trong trường hợp ñường dây gồm nhiều đoạn khác nhau (do có hai phụ tải trở lên hoặc do
2 đoạn dây có R, X khác nhau) thì phải tính điện áp tổn thất trên từng ñoạn dựa vào các sơ ñồ
thay thế. Nguyên tắc là tính tổn thất điện áp từ điểm xa nhất rồi thu về nguồn cấp điện, khi đó
tổn thất điện áp trên tồn bộ các đoạn được tính gần đúng theo công thức sau:
∆U = ∆U1 + ∆U2 +....+ ∆Un
- Khi tính tốn được tổn thất điện áp và nếu biết ñược ñiện áp ở ñầu ñường dây là U1 thì ta
tính được điện áp cuối đường dây là U2 = U1 - ∆U. Ngược lại khi biết ñiện áp ở cuối đường dây
là U2 thì ta tính được điện áp ở ñầu ñường dây U1 = U2 + ∆U. Ở ñây lưu ý rằng U1 > Uñm và U2
< Uñm.
- Trong chương 1 chúng ta ñã biết tổn thất ñiện áp ñược quy ñịnh trong Luật ðiện lực là
±5%Uñm, do đó để tiện so sánh ta thường tính tổn thất ñiện áp phần trăm, ký hiệu là ∆U%:
∆U % =

∆U
.100%
U ñm

Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

115


Bài giảng Quy hoạch cấp điện và Hệ thống thơng tin liên lạc

Từ ñây ta dễ dàng so sánh ∆U% ≤ 5%.
4.7. Xác ñịnh tiết diện dây dẫn ñiện
Dây dẫn là vật liệu chủ ñạo trong truyền dẫn năng lượng. Dây dẫn chế tạo bằng kim loại
màu (đồng, nhơm,...) nên giá thành đắt. Ví dụ giá thành một số loại dây điện do Cơng ty cổ
phần dây cáp điện Việt Nam (CADIVI) sản xuất tháng 9 năm 2010:
Cáp treo trên khơng 1 pha 24 kV ruột đồng, tiết diện 1x120mm2 giá 288.750 ñồng/mét
Cáp ngầm 1 pha 24 kV ruột ñồng, tiết diện 1x120mm2 giá 361.160 ñồng/mét
Cáp ngầm 3 pha 24 kV ruột ñồng, tiết diện 3x120mm2 giá 1.208.020 ñồng/mét
Cáp ngầm 3 pha 24 kV ruột nhôm, tiết diện 3x120mm2 giá 501.160 ñồng/mét
ðường dây tải ñiện dài nên lượng kim loại màu sử dụng khá lớn. Ngồi ra trong thành phố
cịn sử dụng dây bọc hoặc cáp ngầm thì giá thành mua sắm dây dẫn còn cao gấp nhiều lần.
Tiết diện dây ảnh hưởng rất lớn ñến giá thành ñầu tư. Về mặt kỹ thuật ta chọn tiết diện dây
càng to càng tốt nhưng về mặt kinh tế không cho phép như vậy. Một trong những vụ quan trọng
trong quy hoạch cấp ñiện là xác ñịnh các loại tiết diện dây ñiện cấp cho hộ tiêu thụ thỏa mãn
ñiều kiện kinh tế - kỹ thuật.
Tiết diện dây dẫn do nhà máy chế tạo ra khơng phải đặt hàng bao nhiêu cũng có mà được
sản xuất theo cấp tiết diện do nhà nước quy ñịnh bằng tiêu chuẩn. Các cấp tiết diện phổ biến
trên thị trường là 6, 10, 16, 25, 35, 50, 70, 95, 120, 150, 240, 300, 330 mm2. Khi tính chọn dây
dẫn ta phải quy về cấp tiết diện lớn hơn gần nhất ñể chọn dây.
4.7.1. Chọn tiết diện dây dẫn điện theo mật độ dịng điện kinh tế
Mật ñộ dòng ñiện kinh tế, ký hiệu là jkt, là số Ampe lớn nhất cho phép chạy trong 1mm2 của
dây dẫn điện. Các phân tích kinh tế - kỹ thuật mạng ñiện ñã chứng minh rằng: nếu dây dẫn ñiện
thỏa mãn điều kiện này thì nó vận hành ở trạng thái kinh tế nhất có nghĩa là phí tổn vận hành
hằng năm của đường dây là bé nhất.

Phí tổn vận hành háng năm gồm: khấu hao thiết bị, sửa chữa, thay thế thiết bị, trả lương cho
người vận hành và tổn thất ñiện năng trên ñường dây.
jkt phụ thuộc rất nhiều yếu tố như: giá nhiên liệu, chi phí xây dựng 1km đường dây, thời hạn
thu hồi vốn, phí tổn vận hành hằng năm. Nếu xét tất cả các yếu tố này để xác định jktlà rất khó,
mà nếu có xác định được thì mỗi đơn vị cũng có phương pháp khác nhau dẫn đến jkt khơng
thống nhất. Xuất phát từ lý do này, Nhà nước quy ñịnh jkt như bảng sau (Tiêu chuẩn ngành
11TCN-18-2006).
Như vậy để tính tiết diện dây dẫn điện theo mật độ dịng điên kinh tế, trước hết ta phải xác
định dịng điện làm việc của phụ tải:
I lv =

S
P
=
3U d
3U d cosϕ

Trong đó P, S là cơng suất tác dụng, cơng suất tồn phần của phụ tải.
Căn cứ vào thời gian sử dụng công suất cực ñại Tmax và loại dây dẫn ñiện ñể tra bảng jkt.
Tiếp theo tính tiết diện tối thiểu về mặt kinh tế:
Nguyễn Mạnh Hà - Trường ðại học kiến trúc ðà Nẵng

116