Tài liệu Đánh giá độ tin cậy và các giải pháp nâng cao độ tin cậy - áp dụng đánh giá độ tin cậy lưới điện trung áp tỉnh tuyên quang

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------* --------- TỐNG THANH QUANG ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY VÀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY - ÁP DỤNG ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP TỈNH TUYÊN QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------* --------- TỐNG THANH QUANG ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY VÀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY - ÁP DỤNG ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP TỈNH TUYÊN QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS - TS Trần Bách THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu này là của tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu được nêu trong luận văn là trung thực và chưa ai được công bố trong các công trình khác. Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới các tác giả của công trình nghiên cứu, các tác giả của các tài liệu nghiên cứu mà tôi trích dẫn và tham khảo để hoàn thành luận văn này. Đặc biệt, tôi vô cùng cảm ơn PGS. TS Trần Bách đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu. Tuyên Quang, tháng 8/2010 Tác giả Tống Thanh Quang Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang Danh mục các bảng, biểu. Danh mục các hình vẽ, đồ thị. Lời nói đầu……………………………………………………………………………………… Chƣơng 1: Tổng quan về độ tin cậy của lƣới điện phân phối…………. 1.1. Tổng quan về lƣới điện phân phối………………………………….… 1.1.1. Định nghĩa và phân loại....................................................................... 1.1.2. Phần tử của lưới điện phân phối...................................................... 1.1.3. Cấu trúc và sơ đồ của lưới điện phân phối................................ 1.1.4. Đặc điểm của lưới điện phân phối miền Bắc........................... 1.2. Tổng quan về độ tin cậy cung cấp điện.............................................. 1.2.1. Các khái niệm về độ tin cậy............................................................... 1.2.2. Độ tin cậy của hệ thống........................................................................ 1.2.3. Độ tin cậy của phần tử.......................................................................... 1.2.3.1. Phần tử không phục hồi.................................................................... 1.2.3.2. Phần tử phục hồi................................................................................... 1.3. Các phƣơng pháp đánh giá độ tin cậy................................................ 1.3.1. Phương pháp đồ thị giải tích............................................................. 1.3.2. Phương pháp không gian trạng thái.............................................. 1.3.3. Phương pháp cây hỏng hóc................................................................ 1.3.4. Phương pháp mô phỏng Monte - Carlo...................................... 1.4. Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy lƣới điện phân phối.............. 1.5. Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ tin cậy của lƣới điện phân phối... Chƣơng 2: Phƣơng pháp phân tích - Tính toán độ tin cậy của lƣới điện phân phối........................................................................................................................... 2.1. Phân phối xác suất của chỉ số tin cậy................................................. 2.2. Các sơ đồ lƣới điện dùng để tính toán độ tin cậy...................... 2.2.1. Sơ đồ lưới điện hình tia không phân đoạn................................ 2.2.2. Lưới điện hình tia rẽ nhánh có bảo vệ bằng cầu chì........... 2.2.3. Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở..................................................... 2.2.4. Hệ thống song song................................................................................. 2.3. Xây dựng bài toán tính toán đánh giá độ tin cậy.................... 2.3.1. Đẳng trị lưới phân phối thành sơ đồ tương đương............... 2.3.2. Mô tả lưới phân phối theo cấu trúc ngược................................ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 4 4 4 6 8 10 12 12 13 13 13 17 22 22 23 25 25 26 29 30 30 31 33 35 39 43 46 47 49 2.3.3. Tính ma trận ảnh hưởng....................................................................... 2.3.4. Thuật toán ma trận đường nối.......................................................... 2.3.5. Thuật toán tính ma trận ảnh hưởng.............................................. 2.3.6. Chương trình tính toán.......................................................................... Trang 50 52 53 54 Chƣơng 3: Tính toán - đánh giá - phân tích độ tin cậy của lƣới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang............................................................................ 3.1. Giới thiệu tổng quát về lƣới điện phân phối tỉnh Tuyên Quang............................................................................................................................................... 3.1.1. Nguồn điện................................................................................................... 3.1.2. Lưới điện trung áp................................................................................... 3.2. Tính toán độ tin cậy lƣới điện phân phối tỉnh Tuyên Quang....... 3.2.1. Lựa chọn một số xuất tuyến để đưa vào tính toán………… 3.2.2. Các số liệu đưa vào tính toán……………………………………… 3.2.3. Kế quả đẳng trị sơ đồ lưới điện của các xuất tuyến……… 3.2.4. Kết quả tính toán độ tin cậy……………………...………………… 3.2.5. Các chỉ tiêu độ tin cậy bổ sung…………………………………… 3.3. Đánh giá độ tin cậy lƣới điện phân phối tỉnh Tuyên Quang…… 3.3.1. Hiện trạng độ tin cậy của lưới điện phân phối……………… 3.3.2. Tính thiết hại kinh tế của lưới điện phân phối………………. 3.3.3. Đánh giá chung về độ tin cậy lưới điện phân phối tỉnh Tuyên 55 55 55 56 59 59 61 62 65 68 68 68 70 Quang.……………………………………………………………………………………… 72 Chƣơng 4: Áp dụng một số giải pháp nâng cao độ tin cậy lƣới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang........................................................................................ 4.1. Tính chọn vị trí để lắp đặt thêm thiết bị phân đoạn……..… 4.2. Lắp đặt thêm một số cầu dao phụ tải và máy cắt phân đoạn….. 4.2.1. Lắp đặt thêm một số cầu dao phụ tải…………………………… 4.2.2. Lắp đặt thiết bị phân đoạn bằng máy cắt Recloser…..…… 4.2.3. Sử dụng trạm biến áp có thời gian phục hồi nhanh…….… 76 76 80 81 81 82 Kết luận. Tài liệu tham khảo. Phụ lục. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG - BIỂU Trang Bảng 2.1: Xác suất xuất hiện số lần mất điện…………………………………...… 30 Bảng 2.2: Thông số của hệ thống..................................................................................... 34 Bảng 2.3: Số liệu về khách hàng và tải trung bình ở các nút phụ tải.......... 34 Bảng 2.4: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 2.1..... 34 Bảng 2.5: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 2.2..... 36 Bảng 2.6: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 2.3..... 37 Bảng 2.7: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 2.4..... 39 Bảng 2.8: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 2.5 trong trường hợp không hạn chế công suất chuyển tải........................................ 40 Bảng 2.9: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 2.5 trong trường hợp hạn chế công suất chuyển tải....................................................... 42 Bảng 2.10: Tổng hợp các chỉ tiêu độ tin cậy của các hệ thống từ hình 2.1 đến hình 2.5........................................................................................................................... 42 Bảng 2.11: Dữ liệu về độ tin cậy của hệ thống hình 2.6..................................... 46 Bảng 3.1: Công suất các trạm biến áp 110 tỉnh Tuyên Quang........................ 55 Bảng 3.2: Công suất các trạm biến áp trung gian tỉnh Tuyên Quang......... 56 Bảng 3.3: Số lượng xuất tuyến của các trạm 110kV và trạm trung gian.. 58 Bảng 3.4: Số liệu đẳng trị lưới điện của xuất tuyến 375 E14.1 Tuyên Quang…. 62 Bảng 3.5: Số liệu đẳng trị lưới điện của xuất tuyến 373 E14.2 Chiêm Hoá…….. 63 Bảng 3.6: Số liệu đẳng trị lưới điện của xuất tuyến 972 Hưng Thành…... 63 Bảng 3.7: Số liệu đẳng trị lưới điện của xuất tuyến 973 Gò Chẩu………... 64 Bảng 3.8: Số liệu đẳng trị lưới điện của xuất tuyến 973 Sơn Dương……. 64 Bảng 3.9: Kết quả tính toán độ tin cậy của xuất tuyên 375 E14.1 Tuyên Quang.......... 65 Bảng 3.0: Kết quả tính toán độ tin cậy của xuất tuyên 373 E14.2 Chiêm Hoá 65 Bảng 3.11: Kết quả tính toán độ tin cậy của xuất tuyên 972 Hưng Thành……… 66 Bảng 3.12: Kết quả tính toán độ tin cậy của xuất tuyên 973 Gò Chẩu….. 67 Bảng 3.13: Kết quả tính toán độ tin cậy của xuất tuyên 973 Sơn Dương 67 Bảng 3.14: Các chỉ tiêu độ tin cậy mất điện sự cố………………………………. 68 Bảng 3.15: Các chỉ tiêu độ tin cậy mất điện công tác sửa chữa……………. 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trang Bảng 3.16: Kết quả tính toán thiệt hại do mất điện…………………………... 70 Bảng 3.17: Phân loại sự cố vĩnh cửu năm 2008 của lưới điện tỉnh Tuyên Quang……. 73 Bảng 4.1. Kết quả độ tin cậy của xuất tuyến 375 E14.1 khi có lắp DCL 76 Bảng 4.2. Các chỉ tiêu độ tin cậy của xuất tuyến 375 E14.1 khi có lắp DCL….. 77 Bảng 4.3. Kết quả độ tin cậy của xuất tuyến 373 E14.2 khi có lắp DCL……….. 77 Bảng 4.4. Các chỉ tiêu độ tin cậy của xuất tuyến 373 E14.2 khi có lắp DCL…. 78 Bảng 4.5. Kết quả độ tin cậy của xuất tuyến 972 Hưng Thành khi có lắp DCL……… 78 Bảng 4.6. Các chỉ tiêu độ tin cậy của xuất tuyến 972 Hưng Thành khi có lắp DCL... 79 Bảng 4.7. Kết quả độ tin cậy của xuất tuyến 973 Gò Chẩu khi có lắp DCL…... 79 Bảng 4.8. Các chỉ tiêu độ tin cậy của xuất tuyến 973 Gò Chẩu khi có lắp DCL……… 80 Bảng 4.9. Kết quả độ tin cậy của xuất tuyến 973 Sơn Dương khi có lắp DCL.. 80 Bảng 4.10. Các chỉ tiêu độ tin cậy của xuất tuyến 973 Sơn Dương khi có lắp DCL... 81 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hàm tin cậy R(t)………………………………………………………………... 15 Hình 1.2: Hàm cường độ hỏng hóc (t)……………………………………………… 16 Hình 1.3: Mô hình và giản đồ chuyển trạng thái..................................................... 18 Hình 1.4: Mối liên hệ giữa các trạng thái của phần tử…………………………. 21 Hình 1.5: Sơ đồ nối tiếp......................................................................................................... 23 Hình 1.6: Sơ đồ song song.................................................................................................... 23 Hình 1.7: Sơ đồ hỗn hợp........................................................................................................ 23 Hình 2.1: Sơ đồ lưới điện hình tia không phân đoạn…………………………… 33 Hình 2.2: Sơ đồ lưới điện hình tia có nhánh rẽ được bảo vệ bằng cầu….. 35 Hình 2.3: Sơ đồ lưới điện hình tia phân đoạn bằng dao cách ly, nhánh rẽ bảo vệ bằng cầu chì………………………………………………………………………. 37 Hình 2.4: Sơ đồ lưới điện hình tia phân đoạn bằng máy cắt………………… 38 Hình 2.5: Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở…………………………………………. 40 Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống lưới điện song song……………………………………. 44 Hình 2.7: Thuật toán tìm ma trận đường nối………………………………………. 52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -1- LỜI NÓI ĐẦU Nhiệm vụ của hệ thống điện là sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng đến các hộ tiêu thụ, trong đó phải đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng điện năng theo quy định và độ tin cậy cung cấp điện cung cấp điện hợp lý. Độ tin cậy cung cấp điện cùng với chất lượng điện năng là hai chỉ tiêu quan trọng để đánh giá về một hệ thống điện, mọi nghiên cứu, tính toán, các kỹ thuật và công nghệ áp dụng cho một hệ thống điện đều với mục đích đảm bảo hai chỉ tiêu này. Khi quy hoạch, thiết kế và vận hành hệ thống điện, đảm bảo hệ thống điện được phát triển tối ưu và vận hành đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Quá trình quy hoạch hệ thống điện được thể hiện trong phân bố và dự trữ công suất nguồn, công suất dự phòng, kết cấu lưới nhằm đảm bảo độ tin cậy cần thiết. Việc tính toán độ tin cậy của hệ thống điện ngày càng được chú ý, rất nhiều công trình nghiên cứu đã cho phép đưa ra các thuật toán hiệu quả giải quyết triệt để việc tính toán độ tin cậy hệ thống điện và được áp dụng tính toán cho các lưới điện có cấu trúc khá phức tạp. Lưới điện trung áp cấp điện trực tiếp cho các phụ tải chiếm khối lượng đầu tư lớn (khoảng 15% tổng vốn đầu tư), tổn thất trên lưới điện này rất lớn. Đặc biệt ở các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV lấy qua các trạm trung gian 35/6kV và 35/10kV không có hệ thống điều áp dưới tải(khoảng 40-50% tổn thất của hệ thống điện), độ tin cậy cung cấp điện kém, thường xuyên xẩy ra sự cố, hỏng hóc.....cần được tính toán, đề nghị sử dụng các biện pháp nâng cao độ tin cậy đảm bảo các tiêu chuẩn điện năng theo quy định. Từ những lý do đó, tác giả đã chọn đề tài "Đánh giá độ tin cậy của lưới điện trung áp, các biện pháp nâng cao độ tin cậy. Áp dụng đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối tỉnh Tuyên Quang" Phạm vi của đề tài: Nghiên cứu độ tin cậy lưới điện phân phối cung cấp điện cho Tỉnh Tuyên Quang -2- Mục đích của đề tài: Trên cơ sở nghiên cứu xây dựng phương pháp tính toán, đánh giá độ tin cậy của lưới điện phân phối, áp dụng để tính toán và đánh giá độ tin cậy cho lưới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang trên cơ sở các số liệu thống kê được từ thực tế vận hành. Phân tích những nguyên nhân ảnh hưởng đến độ tin cậy của lưới điện phân phối nhằm đưa ra những giải pháp nâng cao độ tin cậy của lưới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Lý thuyết về độ tin cậy đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cơ khí, viễn thông, điện lực, các phương tiện vận tải...Đối với hệ thống điện lý thuyết về độ tin cậy đã đóng một vai trò rất quan trọng trong việc quy hoạch, xây dựng và vận hành. Việc nghiên cứu phương pháp tính toán, đánh giá độ tin cậy của lưới phân phối là rất cần thiết để từ đó đưa ra các giải pháp nâng cao độ tin cậy của lưới điện phân phối nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của xã hội. Nội dung của đề tài là xây dựng phương pháp tính toán độ tin cậy lưới điện phân phối và áp dụng tính toán chọn lọc một số xuất tuyến của lưới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang. Từ kết quả tính toán sẽ đánh giá độ tin cậy của lưới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang so với các tỉnh khác trong khu vực miền Bắc, từ đó đi sâu phân tích những nguyên nhân ảnh hưởng đến độ tin cậy của lưới điện phân phối. Đưa ra những giải pháp cụ thể nhằm nâng cao độ tin cậy của lưới điện phân phối. Trong phạm vi đề tài, thực hiện các nội dung sau: Chƣơng 1: Tổng quan về độ tin cậy của lƣới điện phân phối. Chƣơng 2: Phƣơng pháp phân tính - Tính toán độ tin cậy của lƣới điện phân phối. Chƣơng 3: Tính toán - đánh giá - phân tích độ tin cậy của lƣới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang. -3- Chƣơng 4: Áp dụng một số giải pháp nâng cao độ tin cậy của lƣới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang. Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực của bản thân, tác giả đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thầy, các Cô trong bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện và Khoa đào tạo Sau đại học Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của thầy PGS.TS Trần Bách. Mặc dù đã rất cố gắng, xong do hạn chế về trình độ, kiến thức, thời gian thực hiện nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót, khiếm khuyết, em rất mong nhận được sự chỉ bảo, bổ xung của các Thầy, Cô. Em xin chân thành cảm ơn ! -4- Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘ TIN CẬY CỦA LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 1.1. Tổng quan về lƣới phân phối. 1.1.1. Định nghĩa và phân loại. Lưới phân phối điện là một bộ phận của hệ thống điện làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy điện cấp điện cho phụ tải. Nhiệm vụ của lưới phân phối là cấp điện cho phụ tải đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện trong giới hạn cho phép. Tuy nhiên do điều kiện kinh tế và kỹ thuật, độ tin cậy của lưới phân phối cao hay thấp phụ thuộc vào yêu cầu của phụ tải và chất lượng của lưới điện phân phối. Lưới phân phối gồm lưới phân phối trung áp và lưới phân phối hạ áp. Cấp điện áp thường dùng trong lưới phân phối trung áp là 6, 10, 15, 22 và 35kV. Cấp điện áp thường dùng trong lưới phân phối hạ áp là 380/220V hay 220/110V. Lưới phân phối có tầm quan trọng cũng như có ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của hệ thống điện như: - Trực tiếp cấp điện và đảm bảo chất lượng điện năng cho phụ tải (chủ yếu là điện áp). - Giữ vai trò rất quan trọng trong đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải. Tỷ lệ điện năng bị mất (điện năng mất/tổng điện năng phân phối) do ngừng điện được thống kê như sau: + Do ngừng điện lưới 110kV trở lên : (0,1 - 0,3)x10-4. + Do sự cố lưới điện trung áp : 4,5x10-4. + Do ngừng điện kế hoạch lưới trung áp: 2,5x10-4. + Do sự cố lưới điện hạ áp : 2,0x10-4. -5- + Do ngừng điện kế hoạch lưới hạ áp : 2,0x10-4. Điện năng bị mất do sự cố và ngừng điện kế hoạch trong lưới phân phối chiếm 98%. Ngừng điện (sự cố hay kế hoạch) trên lưới phân trung áp có ảnh hưởng rất lớn đến các hoạt động kinh tế xã hội. - Chi phí đầu tư xây dựng lưới phân phối chiếm tỷ lệ lớn khoảng 50% của hệ thống điện (35% cho nguồn điện, 15% cho lưới hệ thống và lưới truyền tải). - Tổn thất điện năng trong lưới phân phối lớn gấp 2-3 lần lưới truyền tải và chiếm (65-70)% tổn thất toàn hệ thống. - Lưới phân phối gần với người sử dụng điện do đó vấn đề an toàn điện cũng rất quan trọng. Người ta thường phân loại lưới trung áp theo 3 dạng: - Theo đối tượng và địa bàn phục vụ: + Lưới phân phối thành phố. + Lưới phân phối nông thôn. + Lưới phân phối xí nghiệp. - Theo thiết bị dẫn điện: + Lưới phân phối trên không. + Lưới phân phối cáp ngầm. - Theo cấu trúc hình dáng: + Lưới phân phối hở (hình tia) có phân đoạn, không phân đoạn. + Lưới phân phối kín vận hành hở. + Hệ thống phân phối điện. Tóm lại, do tầm quan trọng của lưới điện phân phối nên lưới phân phối được quan tâm nhiều nhất trong quy hoạch cũng như vận hành. Các tiến bộ khoa học thường được áp dụng vào việc điều khiển vận hành lưới phân phối trung áp. Sự quan tâm đến lưới phân phối trung áp còn được thể hiện trong tỷ -6- lệ rất lớn các công trình nghiên cứu khoa học được công bố trên các tạp chí khoa học. Để làm cơ sở xây dựng cấu trúc lưới phân phối về mọi mặt cũng như trong quy hoạch và vận hành lưới phân phối người ta đưa ra các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lưới phân phối. Chất lượng lưới phân phối được đánh giá trên 3 mặt: - Sự phục vụ đối với khách hàng. - Ảnh hưởng tới môi trường. - Hiệu quả kinh tế đối với cách doanh nghiệp cung cấp điện. Các tiêu chuẩn đánh giá như sau: - Chất lượng điện áp. - Độ tin cậy cung cấp điện. - Hiệu quả kinh tế (giá thành tải điện nhỏ nhất). - Độ an toàn (an toàn cho người, thiết bị phân phối, nguy cơ hoả hoạn). - Ảnh hưởng đến môi trường (cảnh quan, môi sinh, ảnh hưởng đến đường dây thông tin). Trong các tiêu chuẩn trên, tiêu chuẩn thứ nhất và thứ hai liên quan trực tiếp đến điện năng gọi chung là chất lượng phục vụ của lưới điện phân phối. 1.1.2. Phần tử của lƣới điện phân phối. Các phần tử của lưới điện phân phối bao gồm: - Máy biến áp trung gian và máy biến áp phân phối. - Thiết bị dẫn điện: Đường dây điện (dây dẫn và phụ kiện). - Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Máy cắt, dao cách ly, cầu chì, chống sét van, áp tô mát, hệ thống bảo vệ rơ le, giảm dòng ngắn mạch. - Thiết bị điều chỉnh điện áp: Thiết bị điều áp dưới tải, thiết bị thay đổi đầu phân áp ngoài tải, tụ bù ngang, tụ bù dọc, thiết bị đối xứng hóa, thiết bị lọc sóng hài bậc cao. -7- - Thiết bị đo lường: Công tơ đo điện năng tác dụng, điện năng phản kháng, đồng hồ đo điện áp và dòng điện, thiết bị truyền thông tin đo lường... - Thiết bị giảm tổn thất điện năng: Tụ bù. - Thiết bị nâng cao độ tin cậy: Thiết bị tự động đóng lại, thiết bị tự đóng nguồn dự trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo trên đường dây, kháng điện hạn chế ngắn mạch,... - Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động: Máy tính điện tử, thiết bị đo xa, thiết bị truyền, thu và xử lý thông tin, thiết bị điều khiển xa, thiết bị thực hiện,... Mỗi phần tử trên lưới điện đều có các thông số đặc trưng (công suất, điện áp định mức, tiết diện dây dẫn, điện kháng, điện dung, dòng điện cho phép, tần số định mức, khả năng đóng cắt, ...) được chọn trên cơ sở tính toán kỹ thuật. Những phần tử có dòng công suất đi qua (máy biến áp, dây dẫn, thiết bị đóng cắt, máy biến dòng, tụ bù, ...) thì thông số của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến thông số chế độ (điện áp, dòng điện, công suất) nên được dùng để tính toán chế độ làm việc của lưới điện phân phối. Nói chung các phần tử chỉ có 2 trạng thái: Làm việc và không làm việc. Một số ít phần tử có nhiều trạng thái như: Hệ thống điều áp, tụ bù có điều khiển, mỗi trạng thái ứng với một khả năng làm việc. Một số phần tử có thể thay đổi trạng thái trong khi mang điện (dưới tải) như: Máy cắt, áp tô mát, các thiết bị điều chỉnh dưới tải. Một số khác có thể thay đổi khi cắt điện như: Dao cách ly, đầu phân áp cố định. Máy biến áp và đường dây nhờ các máy cắt có thể thay đổi trạng thái dưới tải. Nhờ các thiết bị phân đoạn, đường dây điện được chia thành nhiều phần tử của hệ thống điện. -8- Không phải lúc nào các phần tử của lưới phân phối cũng tham gia vận hành, một số phần tử có thể nghỉ vì lý do sự cố hoặc lý do kỹ thuật, kinh tế khác. Ví dụ tụ bù có thể bị cắt lúc phụ tải thấp để giữ điện áp, một số phần tử lưới không làm việc để lưới phân phối vận hành hở theo điều kiện tổn thất công suất nhỏ nhất. 1.1.3. Cấu trúc và sơ đồ của lƣới điện phân phối. Lưới điện phân phối bao gồm: - Các phần tử tạo thành lưới điện phân phối. - Sơ đồ lưới điện phân phối. - Hệ thống điều khiển lưới điện phân phối. Cấu trúc lưới điện phân phối bao gồm: Cấu trúc tổng thể và cấu trúc vận hành. + Cấu trúc tổng thể: Bao gồm tất cả các phần tử và sơ đồ lưới đầy đủ. Muốn lưới điện có độ tin cậy cung cấp điện cao thì cấu trúc tổng thể phải là cấu trúc thừa. Thừa về số phần tử, về khả năng tải của các phần tử, thừa về khả năng lập sơ đồ. Ngoài ra trong vận hành còn phải dự trữ các thiết bị thay thế và vật liệu để sửa chữa. Trong một chế độ vận hành nhất định chỉ cần một phần của cấu trúc tổng thể là đủ đáp ứng nhu cầu, ta gọi phần đó là cấu trúc vận hành. Một cấu trúc vận hành gọi là một trạng thái của lưới điện. Có cấu trúc vận hành bình thường gồm các phần tử tham gia vận hành và các sơ đồ vận hành do người vận hành lựa chọn. Có thể có nhiều cấu trúc vận hành thỏa mãn điều kiện kỹ thuật, người ta phải chọn cấu trúc vận hành tối ưu theo điều kiện kinh tế (tổn thất nhỏ nhất). Khi xảy ra sự cố, một phần tử đang tham gia vận hành bị hỏng thì cấu trúc vận hành bị rối loạn, người ta phải nhanh chóng chuyển qua cấu trúc vận hành sự cố bằng cách thay đổi các trạng thái phần tử cần thiết. Cấu trúc vận hành sự cố có chất lượng vận hành thấp -9- hơn so với cấu trúc vận hành bình thường. Trong chế độ vận hành sau sự cố có thể xảy ra mất điện phụ tải. Cấu trúc vận hành sự cố chọn theo độ an toàn cao và khả năng thao tác thuận lợi. + Cấu trúc tĩnh: Trong cấu trúc này lưới điện phân phối không thể thay đổi sơ đồ vận hành. Ở cấu trúc này khi cần bảo dưỡng hay sự cố thì toàn lưới phân phối hoặc một phần lưới phân phối phải ngừng điện. Đó là lưới phân phối hình tia không phân đoạn và hình tia phân đoạn bằng dao cách ly hoặc máy cắt. + Cấu trúc động không hoàn toàn: Trong cấu trúc này lưới điện phân phối có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngoài tải, tức là trong khi lưới phân phối cắt điện để thao tác. Đó là lưới điện phân phối có cấu trúc kín vận hành hở. + Cấu trúc động hoàn toàn: Trong cấu trúc này lưới điện phân phối có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngay cả khi đang làm việc, đó là hệ thống phân phối điện. Cấu trúc động được áp dụng là do nhu cầu ngày càng cao về độ tin cậy cung cấp điện. Ngoài ra cấu trúc động cho phép vận hành kinh tế lưới điện phân phối, trong đó cấu trúc động không hoàn toàn và cấu trúc động hoàn toàn mức thấp cho phép vận hành kinh tế lưới điện theo mùa, khi đồ thị phụ tải thay đổi đáng kể. Cấu trúc động ở mức cao cho phép vận hành lưới điện trong thời gian thực, lưới phân phối trong cấu trúc này phải được thiết kế sao cho có thể vận hành kín trong thời gian ngắn trong khi thao tác sơ đồ. - Theo quy hoạch cấu trúc lưới điện phân phối có thể chia thành: + Cấu trúc phát triển: Đó là lưới phân phối cấp điện cho phụ tải đang còn tăng trưởng theo thời gian và trong không gian. Khi thiết kế quy hoạch lưới này sơ đồ của nó được chọn theo tình huống cụ thể và tính đến sự phát triển trong tương lai. - 10 - + Cấu trúc bão hoà: Đó là lưới phân phối hoặc bộ phận của nó cấp điện cho phụ tải bão hoà, không tăng thêm theo thời gian và không gian. Đối với lưới phân phối bão hoà thường có sơ đồ thiết kế chuẩn, mẫu đã được tính toán tối ưu. Khi lưới phân phối bắt đầu hoạt động, có thể phụ tải của nó chưa bão hoà mà còn tăng trưởng, nhưng khi thiết kế đã tính cho phụ tải cuối cùng của trạng thái bão hoà. Lưới phân phối phát triển luôn có các bộ phận bão hoà. 1.1.4. Đặc điểm của lƣới điện phân phối miền Bắc Mạng lưới điện phân phối hiện nay bao gồm nhiều cấp điện áp: 35kV, 22kV, 10kV, 6kV bao gồm đường dây trên không và cấp ngầm. Trong đó lưới điện 22kV chỉ mới được xây dựng tại một số tỉnh với khối lượng rất nhỏ. Mạng lưới điện 35kV, 10kV, 6kV được sử dụng cả hai dạng: Đường dây cáp ngầm, đường dây trên không ( đường dây cáp ngầm chủ yếu xây dựng trong các thành phố ). Cả 3 hệ thống lưới điện 35kV, 10kV, 6kV đều thuộc loại lưới điện trung tính không nối đất trực tiếp, đa số thiết kế theo mạng hình tia, liên kết các đường dây còn yếu, độ linh hoạt kém, khi xẩy ra sự cố mất điện kéo dài. - Mạng lưới điện 35kV hiện có được thiết kế, sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn của Liên xô cũ. Cấp điện áp 35kV vừa làm nhiệm vụ truyền tải điện thông qua các trạm trung gian 35/6-10kV vừa đóng vai trò phân phối cho các phụ tải qua các trạm 35/0,4kV. Từ năm 1994, Bộ Năng Lượng ra quyết định không xây dựng mới các trạm trung gian 35/6-10kV thì lưới 35kV làm nhiệm vụ phân phối phát triểm mạnh ở các tỉnh miền núi: Nghệ An, Cao Bằng, Lai Châu....Lưới 35kV phù hợp với các vùng có bán kính lớn, phụ tải rải rác ( vùng sâu, xa, miền núi...), sử dụng chủ yếu đường dây trên không loại AC-35 đến AC-150 với đặc điểm là bán kính cấp điện tương đối dài (100 - - 11 - 120km), nhiều đường dây 35kV là đường cấp điện độc đạo nên độ tin cậy cung cấp điện không cao. - Mạng lưới điện 10kV xuất hiện ở miền Bắc sau năm 1954, hiện nay cùng với lưới 35kV. Lưới 10kV phát triển rộng khắp các xã, huyện, thành phố ở miền Bắc, tập trung chủ yếu ở miền đồng bằng, trung du. Hiện tại, lưới điện 10kV có đường dây phát triển tương đối dài, dây dẫn chắp vá, dây dẫn chủ yếu sử dụng AC-35, AC-50, AC-70 gây tổn thất công suất, tổn thất điện áp lớn. Tương lai lưới 10kV sẽ được xoá bỏ, cải tạo sang lưới 22kV. - Mạng lưới 6kV tồn tại từ thời Pháp thuộc và phát triển trong những thời kỳ đầu của mạng lưới điện Việt Nam và được sử dụng tại các thành phố lớn như Hà Nội, Hải Phòng, Nam Định...(cách đây 30- 40 năm). Ngoài ra lưới điện 6kV còn phát triển tương đối mạnh ở Bắc Giang, Hà Tây, Phú Thọ, Quảng Ninh, Tuyên Quang...chủ yếu tập trung ở các thị xã, thị trấn. Lưới 6kV hiện nay đã trở nên cũ nát, chắp vá không đủ khả năng truyền tải công suất tới các hộ tiêu thụ điện, tỷ lệ tổn thât trên lưới cao, mức độ an toàn thấp. Dây dẫn chủ yếu sử dụng loại AC-35 đến AC-120, có bán kính cấp điện lớn. Lưới 6kV không phù hợp với sự gia tăng phụ tải, nhất là các thành phố lớn, trong tương lai lưới 6kV sẽ được xoá bỏ và cải tạo sang lưới 22kV. - Trạm biến áp phân phối miền Bắc: Trạm biến áp phân phối sử dụng các cấp điện áp 35-10-6/0,4kV sử dụng các loại máy 3 pha với công suất đặt: 50, 100, 160, 180, 250, 320, 560, 630, 1000kVA....Các tỉnh có lưới điện phát triển sớm ở miền Bắc hầu như đều sử dụng các máy biến áp ba pha đặt trong trạm xây hoặc sử dụng trạm bệt, có công suất đặt lớn: 320, 400, 560kVA, các lưới mới xây dựng sử dụng các máy biến áp có công suất nhỏ 50, 75, 100kVA...sử dụng kết cấu trạm treo trên hai cột bê tông ly tâm. Các trạm biến áp này có bán kính phụ tải lớn, thường xuyên xẩy ra quá tải, gây sự cố mất điện. Các trạm biến áp đa số được cấp điện theo mạng hình tia, thiết bị cũ nát, - 12 - ít được duy tu bảo dưỡng nên khi xẩy ra sự cố thì thời gian mất điện thường kéo dài. 1.2. Tổng quan về độ tin cậy cung cấp điện. 1.2.1. Các khái niệm về độ tin cậy. Độ tin cậy là xác suất để hệ thống (hoặc phần tử) hoàn thành nhiệm vụ yêu cầu trong khoảng thời gian nhất định và trong điều kiện vận hành nhất định [1]. Như vậy độ tin cậy luôn gắn với việc hoàn thành một nhiệm vụ cụ thể, trong một thời gian nhất định và trong một hoàn cảnh nhất định. Mức đo độ tin cậy luôn gắn với việc hoàn thành nhiệm vụ trong khoảng thời gian xác định và xác suất này được gọi là độ tin cậy của hệ thống hay phần tử. Đối với hệ thống hay phần tử không phục hồi, xác suất là đại lượng thống kê, do đó độ tin cậy là khái niệm có tính thống kê từ kinh nghiệm làm việc trong quá khứ của hệ thống hay phần tử. Đối với hệ thống hay phần tử phục hồi như hệ thống điện và các phần tử của nó, khái niệm khoảng thời gian không có ý nghĩa bắt buộc, vì hệ thống làm việc liên tục. Do đó độ tin cậy được đo bởi đại lượng thích hợp hơn, đó là độ sẵn sàng. Độ sẵn sàng là xác suất để hệ thống hay phần tử hoàn thành hoặc sẵn sàng hoàn thành nhiệm vụ trong thời điểm bất kỳ. Độ sẵn sàng cũng là xác suất để hệ thống ở trạng thái tốt trong thời điểm bất kỳ và được tính bằng tỷ số giữa thời gian hệ thống ở trạng thái tốt và tổng thời gian hoạt động. Ngược lại với độ sẵn sàng là độ không sẵn sàng, nó là xác suất để hệ thống hoặc phần tử ở trạng thái hỏng. 1.2.2. Độ tin cậy của hệ thống. - 13 - Như đã giới thiệu ở phần trên, hệ thống điện là một hệ thống phức tạp, gồm nhièu phần tử, các phần tử liên kết với nhau theo những sơ đồ phức tạp. Hệ thống điện thường nằm trên địa bàn rộng của một quốc gia hay vùng lãnh thổ. Khi các phần tử của hệ thống hư hỏng có thể dẫn đến ngừng cung cấp điện cho từng vùng hoặc toàn hệ thống. Có thể chia thành 4 nhóm nguyên nhân gây mất điện như sau: - Do thời tiết: Giông sét, lũ lụt, mưa, bão, lốc xoáy, ... - Do hư hỏng các phần tử của hệ thống điện. - Do hoạt động của hệ thống: + Do trạng thái của hệ thống: Độ ổn định, tần số, điện áp, quá tải, ... + Do nhân viên vận hành hệ thống điện. - Các nguyên nhân khác: Do động vật, cây cối, phương tiện vận tải, đào đất, hoả hoạn, phá hoại, .... Khi xảy ra sự cố hệ thống sẽ gây mất điện trên diện rộng, một số sự cố nguy hiểm và lan rộng do lụt, bão, khi đó các đơn vị điện lực không đủ người, phương tiện, máy móc, thiết bị để phục hồi nhanh lưới điện trên một vùng địa lý rộng lớn và phức tạp. 1.2.3. Độ tin cậy của phần tử. Độ tin cậy của phần tử có ý nghĩa quyết định độ tin cậy của hệ thống. Các khái niệm cơ bản về độ tin cậy của phần tử cũng đúng cho hệ thống. Do đó nghiên cứu kỹ những khái niệm cơ bản về độ tin cậy của phần tử là điều rất cần thiết. Ở đây sẽ xét cụ thể độ tin cậy của phần tử phục hồi và phần tử không phục hồi. 1.2.3.1. Phần tử không phục hồi. Phần tử phục hồi chỉ làm việc đến phần hỏng đầu tiên. Thời gian làm việc của phần tử từ lúc bắt đầu hoạt động cho đến khi hỏng hay còn gọi là thời