HUTECH
TRANG 1
PHAÀN I: THIEÁT KEÁ
PHAÀN ÑIEÄN
sang lưới điện có điện áp U
2
, phục vụ cho việc
truyền tải và phân phối điện năng. Thường điện năng từ Nhà máy điện sang các hộ tiêu
thụ phải qua ba đến bốn lần biến áp. Do đó công suất tổng của các Trạm biến áp cũng
phải lớn hơn công suất tổng của các máy phát trong Nhà máy điện của hệ thống điện
khoảng ba đến bốn lần.
Khi thiết kế một Trạm biến áp, ta luôn quan tâm đến việc chọn công suất của máy
biến áp cho phù hợp với phụ tải cần cung cấp và yêu cầu của các ngành chức năng đề ra.
Vì vậy chúng ta cần phải xem xét đến nhiều mặt và tiến hành tính toán để so sánh
về kỹ thuật và kinh tế giữa các phương án đã đề ra nhằm chọn ra một phương án tối ưu
nhất cho việc thiết kế Trạm biến áp. Trong thiết kế và vận hành mạng điện ta thường gặp
hai loại Trạm: Trạm phân phối điện và Trạm biến áp.
Trạm biến áp dùng để biến đổi từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác để phục
vụ nhu cầu đời sống. Ngoài ra, Trạm biến áp còn có nhiệm vụ làm giảm tổn thất điện
năng trên đường dây truyền tải. Nó đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện. HUTECH
TRANG 3
II. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ MỘT TRẠM BIẾN ÁP:
Trạm biến áp được dùng trong hệ thống điện để chuyển đổi điện áp từ cấp điện áp
U
1
sang cấp điện áp U
_ Trạm biến áp tăng áp truyền điện năng từ Nhà máy điện có điện áp thấp lên lưới
điện có điện áp cao để truyền tải điện năng đến các hộ tiêu thụ ở xa Nhà máy điện.
_ Trạm biến áp giảm áp làm nhiệm vụ nhận điện áp từ lưới có điện áp cao sang
lưới điện áp thấp để phục vụ cho việc phân phối và tiêu thụ điện năng.
_ Trạm biến áp trung gian hay Trạm biến áp khu vực thường có điện áp sơ cấp
lớn(500kV, 220kV, 110kV) để liên lạc với các phụ tải có điện áp khác nhau(220, 110, 22,
15kV) của các Trạm biến áp phân phối.
_ Trạm biến áp phân phối hay Trạm biến áp đòa phương có nhiệm vụ phân phối
trực tiếp cho các hộ tiêu thụ, thường có điện áp thứ cấp nhỏ(10; 6; 0,4;kV).
Tại các Trạm biến áp còn có các thiết bò phân phối như: thiết bò đóng cắt, điều
khiển, bảo vệ Rơle, đo lường… để làm nhiệm vụ truyền tải và bảo vệ cho Trạm. Các
thiết bò phân phối được chia làm 2 loại: thiết bò phân phối cao áp và hạ áp. HUTECH
TRANG 4
ỈCác yêu cầu khi thiết kế Trạm biến áp:
Số lượng và công suất của máy biến áp được xác đònh theo các tiêu chuẩn kinh tế và
kỹ thuật như sau:
_ An toàn, liên tục cung cấp điện:.
_ Gần trung tâm phụ tải, thuận tiện cho nguồn cung cấp đi tới.
_ Thao tác, vận hành, quản lý dễ dàng.
_ Phòng nổ, cháy, bụi bặm, khí ăn mòn.
_ Tiết kiệm vốn đầu tư và chi phí vận hành nhỏ.
_ Dung lượng của máy biến áp trong trạm nên đồng nhất, ít chủng loại để giảm số
lượng và dung lượng máy biến áp dự phòng.
_ Sơ đồ nối dây của trạm nên đơn giản, chú ý đến sự phát triển của phụ tải sau
này.
Tất cả các yêu cầu trên đều phải được nghiên cứu, xem xét nghiêm túc, nhưng còn
Là một khu công nghiệp có: P
max
=40 MW; cosφ=0,78; số đường dây là 6(Hình a).
c) Phụ tải cấp 22kV
:
Là một khu dân cư có: P
max
=20 MW; cosφ=0,75; số đường dây là 4(Hình b).
d) Phần tự dùng
:
Bản thân Trạm cũng cần tiêu thụ một lượng điện năng cho việc vận hành, chiếu sáng và
sinh hoạt… Nên phần điện này gọi là điện tự dùng của Trạm. Cấp điện áp cho phần tự
dùng là cấp điện áp 0,4kV và P
max
=0,4 MW
HUTECH
TRANG 5 a) b)
Đồ thò phụ tải ở các cấp điện áp
Đặc điểm của hệ thống điện là chuyển tải tức thời điện năng từ nguồn đến hộ tiêu
thụ và không có khả năng tích trữ lại điện năng với công suất lớn. Đặc điểm này cho thấy
quá trình sản xuất và tiêu thụ điện năng xảy ra đồng thời.
Tại từng thời điểm của chế độ xác lập của hệ thống, các Nhà máy điện phải phát
ra công suất đúng bằng công suất tiêu thụ của các phụ tải điện. Trong đó, kể cả tổn thất
công suất trong mạng điện, nghóa là đảm bảo sự cân bằng công suất phát ra và công suất
tiêu thụ kể cả công suất phản kháng.
Việc xác đònh công suất cần thiết của hệ thống được tiến hành theo tổng công suất
cực đại của các hộ tiêu thụ. Đồ thò phụ tải tác dụng tổng, đối với hệ thống điện thường
được xây dựng trên cơ sở số liệu thống kê, nghóa là trên cơ sở đồ thò phụ tải thực tế hàng
ngày tương tự trước đó trong tuần, tin tức về lượng tăng phụ tải hàng tuần và dự báo khí
tượng. Mức độ chính xác của việc xác đònh giá trò phụ tải tác dụng cực đại trên đồ thò
ngày, chủ yếu phụ thuộc vào kinh nghiệm của các chuyên gia.
ỊMặc dù đảm bảo sự cân bằng công suất tác dụng và phản kháng trong hệ
thống điện nhưng vẫn xảy ra sự phá vỡ cân bằng công suất do những nguyên nhân
sau:
_ Cắt máy phát điện bò sự cố.
_ Công suất tiêu thụ tăng đột ngột.
_ Cắt đường dây liên lạc hay máy biến áp liên lạc bò sự cố.
ỊKhi cân bằng công suất phản kháng phải quan tâm đến bốn chế độ đặc trưng
của hệ thống là:
_ Chế độ phụ tải phản kháng cực đại(khi các hộ tiêu thụ dùng nhiều công suất
phản kháng nhất).
_ Chế độ phụ tải tác dụng cực đại, liên quan đến các máy phát nhận tải với công
suất tác dụng lớn nhất và công suất phản kháng nhỏ nhất.
_ Chế độ phụ tải tác dụng cực tiểu, liên quan đến việc cắt bớt máy phát điện và
khả năng phát công suất phản kháng giảm.
_ Chế độ sau sự cố và sữa chữa liên quan đến việc hạn chế lớn nhất công suất
phản kháng truyền tải trong mạng.
1) Khái niệm chung:
Đồ thò phụ tải là một hàm biểu diễn mối quan hệ của các phụ tải theo thời gian,
thường có các phụ tải biểu diễn bằng các đại lượng S, P, Q, I, U… Căn cứ vào từng
trường hợp mà ta có đồ thò phụ tải: ngày, tháng, năm, mùa…
Mục đích của việc lập Đồ thò phụ tải: Để thuận lợi trong công tác vận hành và điều
độ, để biết được sản lượng điện tiêu thụ trong từng giai đoạn. Ở cấp nào ta có đồ thò phụ
tải ở cấp đó và từ đây ta có thể dự báo phụ tải trong tương lai.
2) Đồ thò phụ tải và bảng thống kê:
Ở đây ta vẽ đồ thò phụ tải thay đổi trong một ngày đêm:
a)Cấp điện áp 220kV:
ÙSố liệu:
Nguồn cung cấp:
+ P
max
= 3500(MW)
+ cosφ = 0,8 Ỉ tgφ = 0,75
+ Q = P.tgφ = 2625 (Mvar),
)(4375
22
MVAQPS =+=
b)Cấp điện áp 110kV:
ÙSố liệu:
HUTECH
TRANG 9
c)Cấp điện áp 22kV:
ÙSố liệu:
Khu dân cư:
+ P
max
= 20(MW)
+ cosφ = 0,75 Ỉ tgφ = 0,9
ÙĐồ thò phụ tải: HUTECH
TRANG 10
ỈTổng hợp đồ thò phụ tải:
Tổng hợp đồ thò phụ tải là cộng hai hay nhiều đồ thò phụ tải ở các cấp điện áp khác
nhau trong Trạm biến áp. Đồ thò phụ tải thường được vẽ theo công suất biểu kiến
S(MVA) để có được độ chính xác hơn, vì hệ số công suất của phụ tải ở các cấp điện áp
thường khác nhau. Ta có phụ tải tổng của Trạm cần thiết kế là tổng phụ tải của các cấp
điện áp (110kV, 22kV) và phần tự dùng cung cấp cho nhu cầu sinh hoạt và điều hành của
Trạm.
_ Phương trình cân bằng công suất:
S
Σ
= S
110
+ S
22
+ S
TD
S
HT
= S
220
= S
4 ÷ 6 20,51 16 0,4 36,91 47,11
6 ÷ 8 51,28 16 0,4 67,68 86,38
8 ÷ 10 51,28 16 0,4 67,68 86,38
10 ÷ 12 51,28 26,67 0,4 78,35 100
12 ÷ 14 51,28 26,67 0,4 78,35 100
14 ÷ 24 41,03 21,33 0,4 26,76 34,15 HUTECH
TRANG 11
ÙÑOÀ THÒ PHUÏ TAÛI TOÅNG
Sơ đồ cấu trúc của trạm biến áp là sơ đồ diễn tả sự liên quan giữa nguồn, tải và hệ
thống điện. Đối với trạm biến áp, nguồn thường là các đường dây cung cấp từ hệ thống
đến Trạm biến áp, có nhiệm vụ đảm bảo cung cấp cho các phụ tải mà Trạm biến áp đảm
nhận. Với các Trạm biến áp tiêu thụ cũng có thể có máy phát dự phòng để cung cấp điện
cho các phụ tải khi có sự cố trong hệ thống, trong trường hợp này các máy phát dự phòng
được xem là nguồn. Do đó hệ thống luôn được xem là thành phần quan trọng, cấu trúc
của Trạm biến áp phải luôn luôn được giữ liên lạc chặt chẽ.
Khi thiết kế Trạm biến áp, chọn sơ đồ cấu trúc là phần quan trọng có ảnh hưởng
quyết đònh đến toàn bộ thiết kế. Các yêu cầu chính khi chọn sơ đồ cấu trúc:
1.Có tính khả thi tức là có thể chọn được các thiết bò chính như: máy biến áp, máy cắt
điện… cũng như có khả năng thi công, xây lắp và vận hành.
2.Đảm bảo liên hệ chặt chẽ giữa các cấp điện áp đặc biệt với hệ thống khi bình
thường cũng như cưỡng bức(có một phần tử không làm việc được).
3.Tổn hao qua máy biến áp bé, tránh trường hợp cung cấp cho phụ tải qua 2 lần biến
áp không cần thiết.
4.Vốn đầu tư hợp lý, chiếm diện tích càng bé càng tốt.
5.Có khả năng phát triển trong tương lai gần, không cần thay cấu trúc đã chọn.
II. SỐ LƯNG MÁY BIẾN ÁP:Số lượng máy biến áp ta có thể chọn 1, 2, 3… máy biến áp theo các trường hợp
sau:
a. Một máy biến áp được dùng trong trường hợp:
- Phụ tải thuộc loại không quan trọng. Trạm thường được cung cấp bằng một đường
dây từ hệ thống đến.
- Trạm biến áp xây thường 2 giai đoạn, giai đoạn đầu đặt một máy, khi phụ tải phát
triển (trong 2, 3 năm sau) sẽ đặt thêm máy biến áp thứ hai. Thiết kế như vậy có ưu
điểm không phải đặt hai máy ngay từ đầu nếu chọn công suất máy biến áp theo
Trạm biến áp là một công trình nhận điện bằng 1 hay 2 nguồn cung cấp với điện áp
cao để phân phối cho các phụ tải ở các cấp điện áp bằng hoặc bé hơn điện áp hệ thống.
Phần công suất được phân phối ở điện áp bằng điện áp hệ thống không qua máy biến áp
hạ, phần còn lại qua máy biến áp giảm có điện áp phù hợp với phụ tải.
1) Các phương án thiết kế:
Một Trạm biến áp có thể có nhiều phương án cấu trúc khác nhau, để chọn phương
án tối ưu cho cần cân nhắc các khía cạnh sau đây:
_ Số lượng máy biến áp.
_ Tổng công suất máy biến áp
∑
Bdm
S
.
_ Tổng vốn đầu tư mua máy biến áp
∑
B
V
_ Tổn hao điện năng tổng qua các máy biến áp
∑
Δ
B
A
≥ S
T HUTECH
TRANG 15
b) Phương án 2:
Dùng máy biến áp 3 cuộn dây để chuyển từ cấp điện áp 220kV sang cấp điện áp
110kV và 22kV khi các cấp điện áp: U
C
=110kV; U
T
= 22kV; 35kV; U
H
≥6kV.
ÙSơ đồ:
TRANG 16
c)Phương án 3:
Dùng máy biến áp từ ngẫu để chuyển từ cấp điện áp 220kV sang cấp điện áp
110kV và 22kV khi các cấp điện áp U
C
≥220 kV; U
T
≥110 kV; U
H
=10, 22, 35, 110kV.
ÙSơ đồ:
ÙƯu điểm của phương án này:
_ Số lượng máy biến áp chỉ có 2 máy, chiếm ít diện tích xây lắp.
_ Giá thành thấp.
Tổn hao trong máy biến áp có thể nhỏ hơn các phương án 1, 4 vì không phải qua 2
lần biến áp.
ÙTuy nhiên không phải trường hợp nào cũng khả thi vì:
_ Máy biến áp 3 cuộn dây chỉ chế tạo với điện áp U
H
≥6kV.
_ Máy biến áp từ ngẫu chỉ chế tạo với điện áp U
T
≥110kV, cho nên khi U
T
≥110kV
chỉ dùng MBA từ ngẫu.
_ Khi công suất lớn kích thước và trọng lượng MBA lớn có thể không cho phép khi
ÙPhương án này có nhược điểm:
_ Tăng số lượng MBA dẫn đến chiếm nhiều diện tích.
_ Tách Trạm biến áp thành hai phần riêng biệt (hai Trạm biến áp đặt chung trong
một nơi). Tuy nhiên phương án này sử dụng khi phụ tải ở U
T
và U
H
chênh lệch
nhiều mà không thể dùng phương án 1, 2 và 3. Ví dụ khi điện áp cao là 22kV,
điện áp của phụ tải là 6(15kV) và 0,4kV… .
Nói chung phương án này có nhiều hạn chế và ít được sử dụng.
2) Chọn phương án thiết kế:
Trong 4 phương án trên, ta thấy phương án nào cũng có ưu và khuyết điểm riêng.
Tuy nhiên, qua các yêu cầu nêu trên ta thấy phương án 1 và phương án 3 là 2 phương án
khả thi hơn. Tuy nó có một số khuyết điểm như: kích thước và trọng lượng của máy biến
áp lớn gây trở ngại trong việc vận chuyển và lắp đặt… nhưng những khuyết điểm đó có
thể khắc phục được. Bên cạnh đó nó có những ưu điểm: số lượng máy biến áp sử dụng ít
hơn, tổn hao ít và phù hợp với công suất của Trạm biến áp cần được thiết kế… Vì vậy ta
chọn phương án 1 và phương án 3 làm 2 phương án để thiết kế Trạm. Ta tạm gọi :
Phương án 1 là phương án A
Phương án 3 là phương án B HUTECH
TRANG 18
làm việc trong điều kiện thực tế có nhiệt độ không khí thay đổi sau chu kỳ thời gian khảo
sát. Ở Nga, nhiệt độ đònh mức của môi trường làm mát qui đònh là +20
o
C. Lớp dầu trên
bề mặt ứng với phụ tải đònh mức có độ tăng nhiệt độ lớn nhất bằng:
_ Đối với hệ thống làm mát M và Д :
θ
đ(đm)
= 55
o
C.
_ Đối với hệ thống làm mát Ц và ДЦ :
θ
đ(đm)
= 40
o
C.
Khi chọn công suất đònh mức của máy biến áp nên tính đến khả năng quá tải của chúng.
HUTECH
TRANG 19
1) Các điều cần chú ý khi chọn công suất máy biến áp:
Nếu Trạm cần thiết kế chỉ đặt một máy biến áp thì chọn công suất đònh mức của
nó trên cơ sở có xét đến khả năng quá tải thường xuyên của máy biến áp đó.
Khi chọn công suất MBA phải đảm bảo chế độ làm việc hợp lý về kinh tế, đảm
bảo dự trữ rõ rệt để cung cấp cho hộ loại 1.
Độ tin cậy cung cấp điện, khi một MBA bò hư hỏng, máy còn lại phải đảm bảo
công suất yêu cầu không chỉ sử dụng công suất được đònh của MBA mà kể cả khả năng
quá tải.
Vốn đầu tư cho máy biến áp phải thấp và hiệu quả nhất, dung lượng máy biến áp
trong một trạm nên đồng nhất và chi phí vận hành bé nhất.
HUTECH
TRANG 20
3) Kiểm tra khả năng quá tải của máy biến áp:
Sau khi chọn được công suất và số lượng máy biến áp ta cần phải kiểm tra lại khả
năng quá tải của máy biến áp đã chọn. Máy biến áp được chọn vận hành trong điều kiện
bình thường là non tải, đôi khi cũng phải vận hành trong điều kiện quá tải với một
khoảng thời gian nhất đònh mà không làm hỏng máy biến áp. Ta có thể tính được khả
năng quá tải của máy biến áp thông qua quan hệ về sự hao mòn của máy biến áp và đồ
thò phụ tải để cho sự hao mòn không vượt quá thời gian đònh mức.
Trong thực tế khi tính toán chọn công suất cho máy biến áp trong thiết kế Trạm
biến áp và Nhà máy điện thường theo phương pháp đơn giản dựa trên qui đònh quá tải
cho phép của máy biến áp.
a) Quá tải thường xuyên của máy biến áp:
Quá tải bình thường là chế độ làm việc xét trong 1 khoảng thời gian nào đó (ngày,
tháng, năm) trong đó có 1 khoảng thời gian MBA bò quá tải và khoảng thời gian còn lại
của chu kỳ khảo sát MBA mang tải nhỏ hơn đònh mức.
Hệ số quá tải bình thường được xác đònh từ đồ thò khả năng tải của MBA.
Khi biến đổi thành các phụ tải bậc 2 có các trường sau:Đồ thò phụ tải của MBA
nhiều bậc có cực đại vào buổi chiều. Theo công thức (3-1) tính S
đt2
với thời gian trước lúc
quá tải là t
i1
và tính S
đt1
với thời gian quá tải là 10h.
Nếu đồ thò phụ tải của MBA có cực đại trong 1 ngày thì phụ tải đẳng trò bậc 2 tính
đối với cực đại nào đó có tổng S
i
t
i
đạt trò số lớn nhất. Khi chọn được S
đt2
thì S
đt1
sẽ tính
như 1 trong 2 trường hợp trên.
Nếu S
đt
<0,9S
max
thì lấy S
đt2
=0,95S
max
còn thời gian thứ 2 được tính như sau.
2
=
ÙTính hệ số quá tải bậc 1:
dm
i
i
S
S
K =
ÙXác đònh biểu đồ tính toán khả năng tải của MBA dựa vào cos suất, loại MBA
hằng số thời gian τ.
ÙTừ đồ thò tính toán khả năng tải ứng với k
1
và thời gian quá tải t
2
(hoặc t’
2
) xác
đònh k
2cp
.
ÙSo sánh với k
2cp
để kết luận quá tải của MBA.
ƠNếu k
2cp
>k
2
thì MBA không được quá tải bình thường với hệ số k
2
= 1,4 nên xem như một hệ số tính toán nào đó, sử dụng
khi lựa chọn máy biến áp theo điều kiện quá tải sự cố. Trò số quá tải sự cố cho phép
trong vận hành được quyết đònh phụ thuộc vào điều kiện cụ thể: đồ thò phụ tải và nhiệt
độ môi trường làm mát.
Theo đồ thò phụ tải đẳng trò về 2 bậc, trong đó k
1
< 0,93; k
2
< 1,4 và T
2
<6 giờ, chú
ý theo dõi nhiệt độ của cuộn dây không được vượt quá 140
o
C và tốt nhất là tăng cường
tối đa các biện pháp làm lạnh máy biến áp.
c) Quá tải ngắn hạn của máy biến áp:
Trong trường hợp đặc biệt, để hạn chế cắt phụ tải, có thể vận hành theo khả năng
quá tải ngắn hạn của máy biến áp không cần phải tính k
1
, k
2
và T
2
như trên mà sử dụng
bảng dưới đây:
Khả năng quá tải 1,3 1,45 1,6 1,75 2 3
Thời gian quá tải (phút) 120 80 45 20 10 1,5
Khi sử dụng khả năng này sự hao mòn về chất cách điện có thể bằng sự hao mòn
= 51,28 MV phụ tải cấp 110 KV
S
2
= 26,67 MV phụ tải cấp 22KV
S
3
=0,4 MV phụ tải cấp 0,4 KV
Ỉ S
max
= 78,35 MVA
1.Phương án A:
a.Chọn MBA 2 cuộn dây cấp 220/110 KV:
Ta chọn theo đồ thò phụ tải tổng của
toàn trạm
Với S
max
= 78,35 MVA
Điều kiện quá tải sự cố:
1,4S
đmB
≥ S
max
Ỉ
)(96,55
4,1
35,78
4,1
max
MVA
dm
S
tS
S
S
K
Vậy máy biến áp được chọn thỏa với điều kiện quá tải sự cố.
HUTECH
TRANG 23
b.Chọn MBA 2 cuộn dây cấp 110/22 KV: Ta chọn theo đồ thò phụ tải của cấp
điện áp 22kV
Với S
max2
= S
2
+ S
td
= 26,67 + 0,4 = 27,07 (MVA)
Điều kiện quá tải sự cố:
1,4S
đmB2
≥ S
max2
Ỉ
)(34,19
4,1
07,27
<====
∑
dm
S
ii
dm
S
tS
S
S
KBảng thông số kỹ thuật của các MBA đã chọn:
Điện áp
Kiểu
S
đm
(MVA)
Cao Hạ
U
N
(%)
I(%)
ΔP
o
max
Ỉ
)(96,55
4,1
35,78
4,1
max
MVA
S
S
dmB
==≥
Chọn S
đmB
= 63 MVA, hiệu ATДЦTH.
Kiểm tra theo điều kiện quá tải sự cố:
+ Thời gian quá tải: T = 8h > 6h
+ Hệ số K
1
:
93,043,0
63
10
10.76,26
10
2
2
HUTECH
TRANG 25
Đồ thò sau khi cắt bớt phụ tải:
Ta kiểm tra lại theo điều kiện quá tải sự cố sau khi đã cắt bớt phụ tải:
+ Thời gian quá tải: T = 6h
+ Hệ số K
1
:
93,043,0
63
10
10.76,26
10
2
2
1
1
2
2
<====
∑
dm
S
ii
dm
Copyright: Tài liệu đại học ©