Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hệ thống điện là một phần cốt lõi của hệ thống năng lượng quốc gia, trong đó nhà máy điện đảm nhận vai trò biến đổi các dạng năng lượng sơ cấp — than, dầu, khí đốt, thủy năng, năng lượng mặt trời — thành điện năng. Đồ án được thực hiện xuất phát từ nhận định rằng thiết kế phần điện nhà máy nhiệt điện và tính toán chế độ vận hành tối ưu là nhiệm vụ đồng thời là sự củng cố toàn diện về kiến thức chuyên ngành Hệ thống điện trước khi sinh viên bước vào thực tế nghề nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu: Phần điện của một nhà máy nhiệt điện giả định gồm 5 tổ máy, công suất mỗi tổ 60 MW, tổng công suất tác dụng định mức toàn nhà máy là 300 MW. Nhà máy vận hành ở ba cấp điện áp: 10,5 kV (đầu cực máy phát), 110 kV (phụ tải trung áp) và 220 kV (phụ tải cao áp và liên kết hệ thống).

Phạm vi: Toàn bộ quá trình thiết kế phần điện — từ cân bằng công suất, lựa chọn phương án nối dây, chọn máy biến áp, đến tính toán ngắn mạch và lựa chọn khí cụ điện — được thực hiện trong khuôn khổ đồ án môn học năm 2022 tại Trường Đại học Điện Lực, Hà Nội.

Nhiệm vụ thiết kế được xác định gồm các phần:

  1. Tính toán cân bằng công suất và đề xuất phương án nối dây
  2. Tính toán chọn máy biến áp và kiểm tra quá tải sự cố
  3. Tính toán kinh tế – kỹ thuật, lựa chọn phương án tối ưu
  4. Tính toán ngắn mạch xác định dòng sự cố tại các điểm đặc trưng
  5. Chọn khí cụ điện và dây dẫn toàn sơ đồ
  6. Thiết kế sơ đồ cung cấp điện tự dùng

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tài liệu sử dụng:

  • Thiết kế Phần Điện Nhà Máy Điện và Trạm Biến Áp (PGS., tài liệu [1]) — nguồn tra cứu thông số thiết bị chính và công thức tính toán
  • Số Tay Lựa Chọn & Tra Cứu Thiết Bị Điện từ 0,4 kV đến 500 kV của Ngô Hồng Quang (tài liệu [2])
  • Giáo trình Cung cấp Điện của Ngô Hồng Quang (tài liệu [3])

Phương pháp tiếp cận: Đây là đồ án thiết kế kỹ thuật, áp dụng tổ hợp các phương pháp tính toán phân tích định lượng:

  • Phương pháp cân bằng công suất: Lập đồ thị phụ tải tổng hợp theo từng khoảng thời gian trong ngày để xác định phân bố công suất giữa các cấp điện áp
  • Phương pháp tính tổn thất điện năng: Áp dụng công thức tổn thất không tải và ngắn mạch cho máy biến áp hai cuộn dây và máy biến áp tự ngẫu
  • Phương pháp điện kháng tương đối: Sử dụng hệ đơn vị tương đối với công suất cơ bản $S_{cb} = 100$ MVA, điện áp cơ bản chọn bằng điện áp trung bình các cấp {230; 115; 10,5} kV để tính toán ngắn mạch
  • Phương pháp so sánh kinh tế – kỹ thuật: Tổng hợp vốn đầu tư và chi phí vận hành hàng năm để xếp hạng phương án

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tính toán cân bằng công suất, đề xuất phương án nối dây

Máy phát được chọn là loại TBФ-60-2 có công suất định mức 75 MVA, $P_{đm}$ = 60 MW, $U_{đm}$ = 10,5 kV, cos$\varphi$ = 0,8. Công suất phát toàn nhà máy $P_{đmNM}$ = 5 × 60 = 300 MW.

Tính toán cân bằng công suất theo bảy khoảng thời gian trong ngày cho kết quả:

Đại lượng Cực đại (MVA) Cực tiểu (MVA)
Công suất toàn nhà máy $S_{NM}$ 375 262,5
Công suất phát về hệ thống $S_{VHT}$ 148,13 77,41
Phụ tải trung áp $S_{UT}$ 211,76 148,24
Phụ tải cao áp $S_{UC}$ 0 0
Phụ tải tự dùng $S_{TD}$ 27,91 22,88
Phụ tải địa phương $S_{ĐP}$ 93 5,58

Hệ số tự dùng α = 8%, cos$\varphi_{TD}$ = 0,86. Công suất địa phương chỉ chiếm 6,2% công suất định mức một tổ máy (< 15%), nên không cần thanh góp điện áp máy phát. Hệ số có lợi máy biến áp tự ngẫu $\alpha = (220-110)/220 = 0,5 > 0$, cho phép dùng máy biến áp tự ngẫu làm liên lạc.

Đề xuất 4 phương án nối dây; qua phân tích ưu nhược điểm, giữ lại Phương án 1 và Phương án 2 để so sánh kinh tế – kỹ thuật.

Chương 2: Tính toán chọn máy biến áp

Hai phương án đều sử dụng ba máy biến áp hai cuộn dây (T1, T2, T3) trong bộ MPĐ–MBA và hai máy biến áp tự ngẫu (AT1, AT2) làm liên lạc.

Máy biến áp hai cuộn dây được chọn loại không điều chỉnh dưới tải với $S_{đmT}$ ≥ 75 MVA. Thông số chính các MBA đã chọn:

Ký hiệu Loại $S_{đm}$ (MVA) Cấp điện áp (kV) AP₀ (kW) APₙ (kW)
T1, T2 (PA1) TДЦ 80 242/10,5 80 320
T3 (PA1); T2,T3 (PA2) TДЦ 80 121/10,5 70 310

Máy biến áp tự ngẫu được chọn loại điều chỉnh dưới tải АТДЦТН-160 với $S_{đm}$ = 160 MVA, cấp điện áp 230/121/11 kV, AP₀ = 85 kW, APₙ = 380 kW.

Kiểm tra quá tải sự cố với hệ số quá tải cho phép $k_{qt}$ = 1,4 (không quá 6 giờ/ngày, không quá 5 ngày đêm liên tục). Các tình huống sự cố nguy hiểm nhất được xét:

  • Sự cố 1 (PA1): Hỏng 1 bộ MPĐ–MBA phía trung (T3) khi phụ tải trung cực đại — cuộn chung MBATN mang 85,3 MVA < $k_{qt}$·160 = 112 MVA → đạt yêu cầu
  • Sự cố 2 (PA1): Hỏng 1 MBATN (AT1) khi phụ tải trung cực đại — cuộn chung mang 101,25 MVA < 112 MVA → đạt yêu cầu
  • Sự cố 3 (PA2): Hỏng 1 MBATN (AT1) khi phụ tải trung cực tiểu — cuộn hạ mang 55,44 MVA < 112 MVA → đạt yêu cầu

Tổn thất điện năng trong máy biến áp của hai phương án:

Phương án Tổn thất ΔA (kWh/năm)
Phương án 1 11.272.747,98
Phương án 2 11.369.570,87

Chương 3: Tính toán kinh tế – kỹ thuật, chọn phương án tối ưu

Vốn đầu tư được tính cho máy biến áp (theo hệ số vận chuyển–xây lắp $K_{\delta}$) và thiết bị phân phối (theo số mạch máy cắt tại mỗi cấp điện áp). Chi phí vận hành hàng năm bao gồm khấu hao (định mức α% = 8,4%) và chi phí tổn thất điện năng (giá điện C = 1.500 đ/kWh).

Chỉ tiêu Phương án 1 Phương án 2
Vốn đầu tư $V_i$ (×10⁹ đồng) 110,88 105,6
Chi phí vận hành $P_i$ (×10⁹ đồng/năm) 26,22 25,92

Kết luận: Phương án 2 có cả vốn đầu tư lẫn chi phí vận hành thấp hơn, được chọn làm phương án tối ưu.

Chương 4: Tính toán ngắn mạch

Sử dụng phương pháp điện kháng tương đối, chọn $S_{cb}$ = 100 MVA, tính toán tại 5 điểm ngắn mạch đặc trưng:

Điểm NM Vị trí $I''$ (kA) $i_{xk}$ (kA)
N1 Thanh cái 220 kV 8,11 20,657
N2 Thanh cái 110 kV 12,61 32,11
N3 Phía 10,5 kV (không tính F2) 31,745 80,812
N3' Phía 10,5 kV (chỉ F2) 28,2 75,774
N4 Phía tự dùng / địa phương 59,915 152,52

Chương 5: Chọn các khí cụ điện và dây dẫn

Dòng cưỡng bức xác định tại ba cấp điện áp:

Cấp điện áp $I_{cb}$ (kA)
220 kV 0,389
110 kV 0,413
10,5 kV 4,33

Máy cắt phía cao và trung áp chọn loại khí SF₆ ngoài trời; phía máy phát chọn máy cắt không khí hợp bộ trong nhà. Thanh dẫn cứng đầu cực máy phát chọn loại đồng hình máng 125×55×6,5×10 mm, dòng cho phép 5.500 A. Kiểm tra ổn định động xác nhận khoảng nhịp sứ l = 180 cm < $l_{max}$ = 237,42 cm. Thanh góp mềm cấp 220 kV và 110 kV chọn dây AC-185/28, kiểm tra vầng quang và ổn định nhiệt đều đạt. Máy biến dòng (BI) và máy biến điện áp (BU) được chọn đầy đủ cho cả ba cấp.

Chương 6: Tính toán lựa chọn phương án và sơ đồ cung cấp điện tự dùng

Sơ đồ tự dùng sử dụng hai cấp điện áp 6,3 kV và 0,4 kV với 5 phân đoạn tương ứng 5 tổ máy. Máy biến áp tự dùng cấp 1 (10,5/6,3 kV) chọn loại ТМН-6000, $S_{đm}$ = 6.000 kVA; cấp 2 (6,3/0,4 kV) chọn ТМН-1000, $S_{đm}$ = 1.000 kVA. Áptômát phía hạ áp 0,4 kV chọn loại M16 (Merlin Gerin), $U_{đm}$ = 690 V, $I_{đm}$ = 1.600 A, $I_{cắt}$ = 40 kA; cầu dao INS2500, $I_{đm}$ = 2.500 A.

Kết quả và đóng góp

  • Phương án tối ưu được xác định: Phương án 2 với vốn đầu tư 105,6 × 10⁹ đồng và chi phí vận hành 25,92 × 10⁹ đồng/năm, thấp hơn Phương án 1 lần lượt là 5,28 × 10⁹ đồng và 0,3 × 10⁹ đồng/năm.
  • Toàn bộ thiết bị điện được lựa chọn và kiểm tra: máy cắt, dao cách ly, thanh dẫn cứng, dây dẫn mềm, sứ đỡ, máy biến dòng, máy biến điện áp, chống sét van và khí cụ điện mạch tự dùng — tất cả đều thỏa mãn điều kiện kỹ thuật theo tiêu chuẩn tra cứu thiết bị.
  • Kiểm tra sự cố hệ thống: Tại tất cả các tình huống sự cố được xét, hệ thống có khả năng bù đắp công suất thiếu hụt từ nguồn dự phòng hệ thống ($S_{dự phòng}$ = 200 MVA), công suất thiếu trong các sự cố điển hình là 69,4 MVA — dưới ngưỡng cho phép.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Phạm vi đồ án giới hạn ở thiết kế phần điện và không bao gồm thiết kế hệ thống bảo vệ rơle, hệ thống tự động hóa, hay mô phỏng vận hành động. Tính toán tổn thất điện năng sử dụng đồ thị phụ tải ngày đặc trưng cho toàn năm mà chưa xét đến biến động theo mùa. Hướng mở rộng tự nhiên của đề tài là thiết kế hệ thống bảo vệ rơle và tự động hóa tương ứng với sơ đồ nối điện đã chọn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu phù hợp tham khảo cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Hệ thống điện đang chuẩn bị làm đồ án thiết kế nhà máy điện, đặc biệt phần cân bằng công suất, chọn máy biến áp và khí cụ điện
  • Sinh viên Công nghệ kỹ thuật Điện–Điện tử cần nắm quy trình tính toán ngắn mạch bằng phương pháp điện kháng tương đối
  • Phần Chương 2 (tính toán và kiểm tra quá tải máy biến áp tự ngẫu) và Chương 5 (chọn thanh dẫn cứng, kiểm tra ổn định động) chứa nhiều ví dụ tính số cụ thể, có giá trị minh họa cho việc tra cứu và áp dụng công thức

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án chọn máy biến áp tự ngẫu làm liên lạc thay vì máy biến áp ba cuộn dây thông thường? Hệ số có lợi của máy biến áp tự ngẫu được xác định là $\alpha = (220-110)/220 = 0{,}5$. Vì $\alpha > 0$ và hai cấp điện áp cao (220 kV) và trung (110 kV) đều có trung tính nối đất trực tiếp, máy biến áp tự ngẫu được sử dụng để giảm tổn thất điện năng so với phương án dùng máy biến áp ba cuộn dây thông thường.

2. Căn cứ nào để kết luận không cần thanh góp điện áp máy phát? Công suất phụ tải địa phương cực đại là 93 MVA nhưng tỷ lệ rẽ nhánh trên một tổ máy chỉ bằng $(93/5)/75 × 100 = 6{,}2%$ công suất định mức một tổ máy, nhỏ hơn ngưỡng quy định 15%, do đó không cần thiết lập thanh góp điện áp máy phát.

3. Vì sao Phương án 2 được chọn dù tổn thất điện năng trong máy biến áp cao hơn Phương án 1 gần 97.000 kWh/năm? Phương án 2 có tổng vốn đầu tư thấp hơn 5,28 × 10⁹ đồng và chi phí vận hành hàng năm thấp hơn 0,3 × 10⁹ đồng do sử dụng ít mạch máy cắt hơn ở cấp 220 kV (10 mạch so với 11 mạch). Mức chênh lệch chi phí tổng hợp đủ để bù đắp phần tổn thất điện năng tăng thêm.

4. Dòng ngắn mạch xung kích tại điểm N4 (mạch tự dùng/địa phương) là bao nhiêu và điều đó ảnh hưởng thế nào đến chọn khí cụ? Dòng ngắn mạch xung kích tại N4 là $i_{xk}$ = 152,52 kA — giá trị lớn nhất trong các điểm tính toán. Điều này bắt buộc phải chọn máy cắt loại 8BK40 cấp 10,5 kV với $i_{đm}$ = 160 kA và dao cách ly PBK-20/5000 với $i_{đm}$ = 200 kA để đảm bảo ổn định động.

5. Thanh dẫn cứng đầu cực máy phát được kiểm tra ổn định động như thế nào? Thanh dẫn đồng hình máng 125×55×6,5×10 mm được kiểm tra theo điều kiện $\sigma_1 + \sigma_2 \leq \sigma_{cp}$ = 1.400 kG/cm². Với khoảng nhịp l = 180 cm và khoảng cách pha a = 45 cm, tính toán cho $\sigma_1$ = 82,765 kG/cm² và khoảng nhịp tối đa $l_{max}$ = 237,42 cm > 180 cm; đồng thời tần số dao động riêng tính ra nằm ngoài dải cộng hưởng 45–55 Hz và 90–110 Hz, do đó thanh dẫn thỏa mãn cả hai điều kiện ổn định động.

Kết luận

Đồ án hoàn thành đầy đủ quy trình thiết kế phần điện cho nhà máy nhiệt điện 5 tổ máy, tổng công suất 300 MW, từ bước lập đồ thị phụ tải đến bước chọn toàn bộ khí cụ điện và thiết kế sơ đồ tự dùng. Phương án 2 được xác định là tối ưu trên cơ sở so sánh định lượng vốn đầu tư và chi phí vận hành. Tất cả thiết bị được lựa chọn đều được kiểm tra đủ các điều kiện kỹ thuật theo tiêu chuẩn hiện hành, bao gồm điều kiện ổn định nhiệt, ổn định động và quá tải sự cố đối với máy biến áp tự ngẫu. Đây là tài liệu tham khảo thực hành hữu ích cho sinh viên ngành Hệ thống điện đang thực hiện đồ án tương tự.