Bài giảng Cung cấp điện - Chương 6: Xác định tiết diện - Phạm Khánh Tùng

CUNG CẤP ĐIỆN 
BÀI GIẢNG 
Biên soạn: Phạm Khánh Tùng 
Bộ môn Kỹ thuật điện – Khoa Sư phạm kỹ thuật 
hnue.edu.vn\directory\tungpk 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Những vấn đề chung 
- Các yêu cầu kỹ thuật ảnh hưởng đến chọn tiết diện dây 
 + Phát nóng do dòng điện làm việc lâu dài (dài hạn). 
 + Phát nóng do dòng ngắn mạch (ngắn hạn). 
 + Tổn thất điện áp trong dây dẫn và cáp trong trạng thái làm 
việc bình thường và sự cố. 
 + Độ bền cơ học của dây dẫn và an toàn. 
 + Vầng quang điện. 
 CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
- Với 5 điều kiện trên ta xác định được các tiết diện dây dẫn tương 
ứng, tiết diện dây dẫn nào lớn nhất sẽ là tiết diện cần lựa chọn thoả 
mãn điều kiện kỹ thuật. 
- Tuy nhiên có những điều kiện kỹ thuật thuộc phạm vi an toàn do đó 
dây dẫn sau khi đã được lựa chọn theo các điều kiện khác vẫn cần 
phải chú ý đến. 
- Điều kiện riêng (đặc thù) của từng loại dây dẫn, vị trí và môi trường 
nơi sử dụng 
- Một số trường hợp đặc biệt, qua đó có thể lựa chọn được tiết diện 
dây dẫn cách đơn giản và chính xác hơn. 
 CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
+ Yếu tố vầng quang điện và độ bền cơ học chỉ được chú ý khi chọn 
tiết diện dây dẫn trên không 
+ Điều kiện phát nóng do dòng ngắn mạch chỉ được chú ý khi chọn 
cáp 
+ Để đảm bảo độ bền cơ học người ta qui định tiết diện dây tối thiểu 
cho từng loại dây ứng với cấp đường dây (vật liệu làm dây, loại hộ 
dùng điện, địa hình ) 
+ Ngoài yếu tố kỹ thuật và an toàn tiết diện dây dẫn còn được lựa 
chọn theo các điều kiện kinh tế để sao cho hàm chi phí tính toán Ztt 
là nhỏ nhất 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
+ Yếu tố vầng quang điện chỉ được đề cập tới khi điện áp đường 
dây từ 110 kV trở lên. 
Để ngăn ngừa hoặc làm giảm tổn thất vầng quang điện có qui định 
đường kính dây dẫn tối thiểu ứng với cấp điện áp khác nhau. 
Ví dụ: 
Cấp 110 kV thì d > 9,9 mm → tương ứng 70 mm2 
Cấp 220 kV thì d > 21,5 mm → tương ứng 120 mm2 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
1. LỰA CHỌN THEO ĐIỀU KIỆN PHÁT NÓNG 
1.1. Sự phát nóng khi có dòng điện chạy qua 
Tác động của dòng điện làm vật dẫn nóng lên và nếu nhiệt độ 
quá cao sẽ làm giảm độ bền cơ học, giảm tuổi thọ hoặc phá hỏng 
các đặc tính cách điện của các chất cách điện xung quanh dây 
bọc (lõi cáp). 
Để hạn chế phát nóng quá mức, có qui định nhiệt độ phát nóng 
lâu dài cho phép tương ứng với từng chủng loại dây 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Nhiệt độ phát nóng lâu dài cho phép với từng loại: 
Loại dây dẫn điện Nhiệt độ 
Thanh dẫn và dây dẫn trên không 70oC 
Cáp bọc cao su 55oC 
Cáp điện có điện áp đến 3 kV 80oC 
Cáp 6 kV 65oC 
Cáp 10 kV 60oC 
Từ đó xác định được dòng điện làm việc lâu dài cho phép 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Quá trình phát nóng vật dẫn 
Năng lượng dùng để phát nóng: 
Ban đầu nhiệt độ của thiết bị sẽ tăng lên, khi nhiệt độ của vật lớn 
hơn nhiệt độ môi trường xung quanh xuất hiện quá trình toả nhiệt. 
R.tIP.t Q cc
2 
Sự chênh nhiệt độ của vật dẫn càng lớn thì quá trình toả nhiệt càng 
mạnh. 
 0..  SKQtoa
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Nếu I = conts, nhiệt độ của dây dẫn sẽ dừng lại ở một mức nào đó 
(sau thời gian ổn định nhiệt) 
Khi đó Qcc = Qtoa → trạng thái cân bằng nhiệt. 
 0
2 ..  SKRI
Khống chế để θ = θcp, ứng với từng loại dây cụ thể 
Qui định về θ0 , hay điều kiện làm mát cụ thể 
R
SK
I
cp
cp
).(. 0 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Icp có thể tính sẵn được với từng loại dây cụ thể nếu ta qui định chi 
tiết về S; R(F); θcp; K; θ0 
Lập bảng Icp = f(F; loại dây; các điều kiện tiêu chuẩn) 
Chú ý rằng nhiệt độ không khí xung quanh (tính trung bình) thường 
lấy bằng +25oC ; trong đất thường lấy là +15oC 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
1.2. Chọn dây dẫn theo điều kiện phát nóng 
Thực chất là chúng ta sẽ chọn loại dây có sẵn với Ftc và Icp sao cho 
khi lắp đặt vào với dòng thực tế thì nhiệt độ của nó sẽ không vượt 
quá nhiệt độ cho phép. 
21max. KKII cplv 
Ilv.max - dòng điện cực đại lâu dài đi trong dây dẫn. 
Icp - dòng cho phép tra bảng (theo điều kiện tiêu chuẩn) 
K1; K2 - các hệ số hiệu chỉnh (K1 - chú ý đến nhiệt độ môi trường 
xung quanh khác tiêu chuẩn, K2 - hệ số xét tới điều kiện làm mát 
(toả nhiệt) khác tiêu chuẩn 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Với đường cáp và dây dẫn Uđm ≤ 1 kV, bảo vệ bằng cầu chì hoặc 
Aptomát, cần chú ý hiện tượng: 
Khi quá tải không lớn (kqt < 2) → sau một thời gian khá lâu thiết bị 
bảo vệ chưa cắt, dây dẫn bị phát nóng mạnh, làm cách điện mau 
chóng bị lão hóa. 
Vì vậy để thoả mãn điều kiện phát nóng, dây dẫn và cáp chọn cần 
phải phối hợp với thiết bị bảo vệ theo những điều kiện bổ xung: 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Iđm.cc - dòng điện định mức của dây chẩy cầu chì. 
α - hệ số phụ thuộc điều kiện đặt và quản lý mạng điện 
α = 3 đối với mạng điện động lực 
α = 0,8 với mạng sinh hoạt, chiếu sáng 
+ Khi mạng được bảo vệ bằng cầu chì 
ccđm
cp
I
I . 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
+ Khi mạng được bảo vệ bằng Aptômát 
5,1
.nhietkđ
cp
I
I 
Aptômát có mạch cắt nhiệt 
Aptômát có mạch cắt điện từ 
5,4
.đientukđ
cp
I
I 
Mạng chiếu sáng 
8,0
.nhietkđ
cp
I
I 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
2. LỰA CHỌN THEO ĐIỀU KIỆN PHÁT NÓNG DO NGẮN MẠCH 
(điều kiện ngắn hạn) 
Ngắn mạch → thiết bị phát nóng rất nhanh do dòng điện ngắn 
mạch có trị số rất lớn. 
Cần có thời gian để thiết bị bảo vệ tự động ngắt mạch do đó dây 
dẫn và các thiết bị cần phải chịu được nhiệt độ cao cho đến khi 
dòng ngắn mạch được ngắt. 
Tiết diện của dây cáp chịu được sự phát nóng với nhiệt độ cao do 
dòng ngắn mạch gây được gọi là tiết diện ổn định nhiệt, tức tiết diện 
thoả mãn điều kiện ổn định nhiệt. 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Tiết diện ổn định nhiệt xác định theo biểu thức: 
tIF .. 
I∞ - trị số hiệu dụng của dòng ngắn mạnh ở thời gian xác lập. 
t - thời gian tính toán, dòng ngắn mạch có thể đi qua cáp (theo đồ 
thị t = f(β”) với β” = I”/I∞) 
I” - trị số ban đầu của thành phần chu kỳ của dòng ngắn mạch 
(dòng ngắn mạch siêu quá độ ban đầu). 
α - Hệ số xác định bởi nhiệt độ phát nóng giới hạn cho phép của lõi 
cáp và vật liệu làm cáp (tra bảng) 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
3. LỰA CHỌN THEO TỔN THẤT ĐIỆN ÁP CHO PHÉP 
Đối với mạng 35 kV trở xuống, tiết diện dây dẫn và cáp thường bé, 
điện trở lớn, vì vậy tiết diện dây dẫn ở mạng này ảnh hưởng rõ dệt 
đến tổn thất điện áp. 
Mạng phân phối yêu cầu chất lượng điện áp cao mà khả năng điều 
chỉnh điện áp lại hạn chế. Vì vậy cần chọn tiết diện dây dẫn sao cho 
tổn thất điện áp không vượt quá mức cho phép. 
Căn cứ vào ∆Ucp để chọn dây dẫn 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
3.1. Khi toàn bộ đường dây cùng tiết diện 
Phương pháp này dùng cho những đường dây có chiều dài 
không lớn lắm mà số phụ tải lại nhiều 
 XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN TRONG MẠNG ĐIỆN 
Phương trình biểu diễn ∆U: 
ijij
đm
0
ijij
đm
0
đm
ijijijij
lQ
U
x
lP
U
r
U
XQRP
U 
 
''' U U U 
∆U’ - thành phần tổn thất do điện trở tác dụng 
∆U” - thành phần tổn thất do điện kháng 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Điện kháng của đường dây bằng kim loại mầu ít thay đổi theo tiết 
diện, thường chúng chỉ dao động trong phạm vi x0 ≈ 0,35 ÷ 0,45 
Ω/km, do đó phương pháp chọn theo ∆Ucp được thiết lập: 
+ Chọn trước x0 
Đối với đường dây trên không x0 ≈ 0,35 ÷ 0,4 
Đối với dây cáp x0 = 0,07 Ω/km 
Xác định ∆U” theo công thức 
ijij
đm
lQ
U
x
U  0
''
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Từ ∆Ucp (đã biết trước) → ta sẽ xác định được ∆U’ 
U" - U = U' 
cp
Nếu ta chọn trước loại vật liệu làm dây 
F
r
.
1
0

ijij
đm
ijij
đm
lP
UF
lP
U
r
U  
..
10'

đm
ijij
UU
lP
F
.. ' 


CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Từ kết quả chọn được tiết diện dây tiêu chuẩn gần nhất. 
Sau đó theo số liệu của loại dây thực x0 ; r0 tính lại ∆U theo thông 
số thực rồi so sánh với ∆Ucp. 
Nếu không đạt tăng tiết diện lên 1 cấp 
 XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN TRONG MẠNG ĐIỆN 
+ Trường hợp mạng có phân nhánh: 
 XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN TRONG MẠNG ĐIỆN 
Đoạn 0-3 là đường dây trục có cùng tiết diện, còn các đoạn khác có 
thể dùng tiết diện khác. 
Cách giải quyết bài toán này cụ thể như sau: 
Tiết diện đoạn 0-3 được xác định căn cứ vào ∆Ucp (tham số này là 
biết trước). 
Sau đó tính tổn thất điện áp thực tế trên đoạn 01. 
Từ đấy xác định được tổn thất điện áp cho phép đoạn rẽ nhánh 1-4 
 ∆Ucp1-4 = ∆Ucp - ∆U0-1 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Uđm = 380V, Dtb = 600 mm, mạng dùng loại dây nhôm; 
∆Ucp= 7%. Công suất của các phụ tải có đơn vị kVA 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Giải: 
+ Đoạn 0-3 chọn cùng tiết diện, đoạn 1-4 có tiết diện khác. 
+ Chọn x0 = 0,35 Ω/km 
 )V(906,0.2005,0.4011,0.60
38,0
35,0
lQ
U
x
U
ijij
đm
0''
30
  
)(6,179380
100
7''
30
'
30 VUUU cp 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
)(7,96 
06,0.4005,0.8011,0.130
6,17.38,0.7,31
10
..
2
3
'
mm F
 F
UU
lP
F
đm
ijij


Tra bảng chọn dây dẫn tiêu chuẩn A-95 
 r0 = 0,33 Ω/km 
 x0 = 0,303 Ω/km (với Dtb = 600 mm) 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
+ Kiểm tra lại tổn thất điện áp 
)(8,250003 VlQ
U
x
lP
U
r
U ijij
đm
ijij
đm
 
)V(
100
380
 U
cp
    
∆U03 ≤ ∆Ucp 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
+ Chọn tiết diện nhánh 1-4 
 Tổn thất thực tế trên đoạn 0-1 
)V(6,17
38,0
11,0.303,0.60
38,0
11,0.33,0.130
U
lxQ
U
lrP
U
đm
01001
đm
01001
10
Tổn thất điện áp cho phép trên đoạn 1-4 
V 9 17,6 - 26,6 U - U U
01cpcp14
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Tính ∆U”14 
 Chọn x0 = 0,35 Ω/km 
)(9,0
38,0
1,0.35,0.10''
14 VU 
V 8,1 9,09 U '
14
)(4,25
1,8.38,0.7,31
10.1,0.25
..
2
3
'
14
1414
14 mm
UU
lP
F
đm


Chọn dây dẫn tiêu chuẩn A-25 
 r0 = 1,27 Ω/km 
 x0 = 0,345 Ω/km 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Kiểm tra tổn thất điện áp thực tế tại đoạn 1-4 
)(9
38,0
1,0.35,0.10
38,0
1,0.27,1.25
14 VU 
+ Ngoài ra các dây đã chọn A-95 và A-25 còn phải kiểm tra lại theo 
điều kiện phát nóng cho phép và độ bền cơ 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
3.2. Khi đường dây dùng tiết diện khác nhau 
Trong mạng hạ áp, phân phối có độ dài lớn, cấp điện cho một số 
ít phụ tải, nếu dùng đường dây cùng tiết diện sẽ không hợp lý: 
Tốn nhiều kim loại mầu cho đường dây 
Tổn thất công suất và điện năng 
Trong trường hợp này đường dây được chọn theo phương pháp 
mật độ dòng điện không đổi 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Cho biết ∆Ucp của mạng 
''' UUUcp 
Chọn giá trị x0 
ijij
đm
lQ
U
x
U  0
''
(x0 ít thay đổi theo tiết diện) 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
đmđm
cp
UF
lP
UF
lP
UUU
12
1212
01
0101'''
.. 
FF
R
.
11

 cos..3 IUP 
12
121212
01
010101'
.
cos.3
.
cos.3
F
lI
F
lI
U


CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Mật độ dòng điện không đổi: 
...
12
12
01
01 
F
I
F
I
J
 12120101
' coscos
3

llJU 
 12120101
'
coscos3 

ll
U
J
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Tiết diện trên các đoạn 
...; 1212
01
01
J
I
F
J
I
F 

ijijl
U
J

cos3
'
Tổng quát : 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Ví dụ : Cho đường dây 10 kV cung cấp điện cho 2 phụ tải. ∆Ucp = 
5%. Đường dây nhôm với khoảng cách trung bình hình học Dtb = 1 
m. Hãy xác định tiết diện dây dẫn 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Giải: 
+ Xác định dòng trên các nhánh: 
)(101
8,0.10.3
500900
cos3 01
01
01 A
U
P
I 
)(36
8,0.10.3
500
cos3 12
12
12 A
U
P
I 
+ Chọn x0 = 0,35 Ω/km Tính ∆U” 
 )(1722.35,0.366,0.4.10135,0.3 
sin3 0
''
V
lIxU ijijij
  
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
)(328172500''' VUUU cp 
+ Tính mật độ dòng điện: 
 2
'
/25,1
8,243
7,31.328
cos3
mmA
l
U
J
ijij
 

)(92
1,1
101 201
01 mm
J
I
F 
+ Tiết diện đoạn 0-1 
Chọn dây A-95, dòng điện cho phép là Icp = 325 A 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
+ Tiết diện đoạn 1-2 
)(33
1,1
36 212
12 mm
J
I
F 
Chọn dây A- 35 có dòng điện cho phép Icp = 170 A 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
4. LỰA CHỌN THEO CHỈ TIÊU KINH TẾ 
Mạng điện cung cấp thường có tiết diện lớn (điện trở nhỏ), nên 
tăng tiết diện không làm 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 dưới tải, giảm Q trên đường dây, điều chỉnh nguồn cung 
cấp) và đồng thời có Tmax lớn. 
Vì vậy ở mạng cung cấp (phân phối) tốt nhất là tiết diện dây dẫn 
được chọn theo chỉ tiêu kinh tế, tức chúng ta phải xây dựng được 
hàm chi phí tính toán theo tiết diện của đường dây. Viết phương 
trình hàm chi phí tính toán: 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Phương trình hàm chi phí tính toán: 
Tương quan của vốn đầu tư với tiết diện như sau: 
Trong đó: v0 - vốn đầu tư xây dựng 1 km đường dây thành 
phần không liên quan đến tiết diện dây (chi phí thăm dò, vạch 
tuyến đường, mua sứ, cột..) (đ/km) 
 b - giá thành 1 km đường dây với tiết diện 1 mm2 
(đ/mm2km). 
 F - tiết diện dây (mm2). 
 l - chiều dài đường dây (km). 
 CRIVaaZ tcvh ..3
2
max  
 lFbvV .0 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Thành phần thứ 2 của hàm Z. Ta có thể phân tích 
Nên cuối cùng cuối cùng ta viết được Z = f(F), gồm 2 phần: 
I → tỉ lệ thuận với F 
II → tỉ lệ nghịch với F 
F
l
R 
F
ClI
lFbvaaZ tcvh
.....3
..
2
max
0
 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Tối ưu hóa chi phí 
Mật độ dòng điện lúc này gọi là mật độ dòng kinh tế 
ktFZ
F
Z


min0
 0
.....3
.
2
2
max 


F
ClI
lbaa
F
Z
tcvh
 
 lbaa
Cl
IF
tcvh
kt
.
....3
max
 
kt
kt
F
I
J max 
Cl
lbaa
J tcvhkt
....3
.
 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Mật độ dòng điện kinh tế (Jkt ) không phụ thuộc vào điện áp của 
mạng điện nhưng phụ thuộc vào nhiều yếu tố (như giá nguyên vật 
liệu, giá điện năng, chi phí về thi công, loại dây, tính chất công việc 
của phụ tải) → Jkt phụ thuộc vào tình trạng phát triển kinh tế - kỹ 
thuật trong từng giai đoạn và chính sách kinh tế của từng nước. 
Tuy vậy ứng với từng nước, hoặc từng vùng lãnh thổ kinh tế cụ thể 
thì vẫn có thể xác định được các thông số vừa nêu trên. 
Chính vì lý do đó Jkt trong thực tế được tính sẵn cho một số loại 
đường dây với tính chất phụ tải khác nhau 
 → tra bảng Jkt = f(Tmax; loại dây) 
CHƯƠNG 6: XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN DÂY DẪN 
Tiết diện dây xác định theo công thức sau: 
Dựa vào trị số F → chọn Ftc gần nhất. 
Sau đó cần phải kiểm tra lại theo những điều kiện kỹ thuật (phát 
nóng cho phép; tổn thất điện áp cho phép) 
ktJ
I
F max