Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án môn học 1 (PBL1 - Project Based Learning 1) với chuyên đề "Máy điện và Thiết bị điện" được thực hiện tại Bộ môn Điện Công nghiệp, Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng (năm 2021). Đề tài được xây dựng nhằm mục đích củng cố kiến thức lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật điện, rèn luyện kỹ năng tính toán thiết kế máy điện tĩnh và phân tích các trang thiết bị phân phối, bảo vệ trong trạm biến áp thực tế.

Nhiệm vụ nghiên cứu trong đồ án được phân định cụ thể thành hai phần trọng tâm theo yêu cầu của văn bản giao nhiệm vụ:

  1. Phần 1 – Thiết kế máy biến áp điện lực (MBA): Thực hiện tính toán thiết kế toàn diện một máy biến áp dầu điện lực ba pha, hai dây quấn (cao áp và hạ áp) làm mát bằng dầu, phục vụ làm việc dài hạn với các thông số kỹ thuật định mức cho trước.
  2. Phần 2 – Tìm hiểu thiết bị điện trong trạm biến áp: Khảo sát sơ đồ nguyên lý trạm biến áp phân phối/trung gian (cấp điện áp từ trung áp đến 110 kV – 220 kV); phân tích chi tiết cấu tạo, nguyên lý vận hành, thông số kỹ thuật, ưu nhược điểm và phương pháp lựa chọn các khí cụ điện chủ yếu trong trạm.

Đối tượng nghiên cứu là máy biến áp phân phối ba pha ngâm dầu dung lượng $160\text{ kVA}$, cấp điện áp $22/0{,}4\text{ kV}$ và các thiết bị đóng cắt, đo lường, bảo vệ trung – hạ thế trong hệ thống phân phối điện năng. Phạm vi nghiên cứu bao quát các tính toán điện từ, tổn hao, hiệu suất và cấu trúc vật lý của máy điện tĩnh, kết hợp phân tích kỹ thuật các thiết bị trạm biến áp vận hành trong mạng lưới điện lực công nghiệp và dân dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng

Nội dung tính toán và phân tích trong đồ án dựa trên các nền tảng lý thuyết và tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành:

  • Lý thuyết máy điện tĩnh: Các định luật cảm ứng điện từ Faraday, định luật mạch từ Ampère, phương trình cân bằng sức điện động và sức từ động của máy biến áp ba pha. Cơ sở tính toán tổn hao không tải ($P_0$), tổn hao ngắn mạch ($P_n$), dòng điện từ hóa, dòng không tải ($i_0%$), điện áp ngắn mạch ($u_k%$) và hiệu suất năng lượng của máy biến áp ngâm dầu.
  • Lý thuyết khí cụ điện đóng cắt và bảo vệ: Cơ chế phát sinh và dập tắt hồ quang điện, quá điện áp khí quyển và quá điện áp nội bộ, nguyên lý phối hợp bảo vệ dòng điện, quá tải và ngắn mạch trong lưới điện.
  • Tiêu chuẩn kỹ thuật ngành điện: Áp dụng tiêu chuẩn quốc tế ANSI C37.42 và IEC 282-2 cho thiết bị cầu chì tự rơi (FCO); tiêu chuẩn IEC 62271 cho dao cách ly cao thế; quy chuẩn cấp bảo vệ vỏ tủ điều khiển IP55; các quy định phân cấp điện áp của hệ thống điện lực (siêu cao áp $>500\text{ kV}$, cao áp $110-500\text{ kV}$, trung áp $10-35\text{ kV}$, hạ áp $<1\text{ kV}$).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp giải tích kỹ thuật: Áp dụng thuật toán thiết kế máy điện truyền thống để xác định kích thước hình học lõi sắt, đường kính trụ từ, chiều cao cửa sổ, tính toán số vòng dây quấn và tiết diện dây dẫn cao áp/hạ áp, tính toán tham số ngắn mạch và tham số không tải.
  • Phương pháp khảo sát đồ thị tối ưu: Khảo sát tương quan giữa trọng lượng vật liệu tác dụng (lá thép kỹ thuật điện $G_{fe}$, đồng cuộn dây $G_{cu}$) và giá thành vật liệu ($C_{td}$) nhằm lựa chọn phương án thiết kế kinh tế - kỹ thuật tối ưu.
  • Phương pháp phân tích, tổng hợp hệ thống: Phân tích nguyên lý hoạt động, cấu trúc cơ khí, cơ chế dập hồ quang và tổng hợp điều kiện chọn lựa, kiểm tra độ ổn định động, ổn định nhiệt cho từng loại thiết bị điện trạm biến áp.

Thiết kế và triển khai

Dữ liệu thiết kế máy biến áp ba pha 160 kVA

Trong Phần 1 của đồ án, máy biến áp được thiết kế dựa trên hệ thống số liệu định mức ban đầu do Bộ môn Điện Công nghiệp quy định:

Đại lượng thiết kế Ký hiệu Giá trị định mức Đơn vị
Tổng dung lượng định mức $S_{dm}$ 160 $\text{kVA}$
Số pha $m$ 3 Pha
Tần số định mức $f_{dm}$ 50 $\text{Hz}$
Điện áp dây định mức (Cao áp / Hạ áp) $U_{ca} / U_{ha}$ $22 / 0{,}4$ $\text{kV}$
Tổ nối dây - $\text{Y/Y}_0 - 12$ -
Phương thức làm mát - Làm mát bằng dầu -
Chế độ làm việc và vị trí lắp đặt - Dài hạn; trong nhà hoặc ngoài trời -
Tổn hao không tải định mức $P_0$ 450 $\text{W}$
Tổn hao ngắn mạch định mức $P_k$ ($P_n$) 2600 $\text{W}$
Dòng điện không tải định mức $i_0%$ 1,7 $%$
Điện áp ngắn mạch định mức $u_k%$ 4,0 $%$

Quy trình tính toán kỹ thuật máy biến áp

Quy trình thiết kế máy biến áp ngâm dầu được thực hiện tuần tự qua các giai đoạn kỹ thuật:

  1. Xác định đại lượng và kích thước cơ bản: Tính toán công suất mỗi pha, dòng điện định mức các phía cao áp và hạ áp ($I_{1dm}, I_{2dm}$), chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ và gông, xác định đường kính trụ lõi thép ($d$), khoảng cách giữa các trục trụ ($a$) và chiều cao cửa sổ lõi thép ($H$).
  2. Thiết kế dây quấn: Lựa chọn kiểu dây quấn phù hợp cho cuộn hạ áp (kiểu ống hoặc xoắn ốc) và cuộn cao áp (kiểu nhiều tầng liên tục); tính toán tiết diện dây dẫn, mật độ dòng điện, số vòng dây mỗi pha ($W_1, W_2$), kích thước cách điện giữa các lớp và khoảng cách cách điện chính ($a_{12}, a_{01}, a_{02}$).
  3. Tính toán ngắn mạch: Tính toán điện trở thuần, điện kháng rò của các cuộn dây quấn, xác định tổn hao ngắn mạch tính toán ($P_n$) và thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng ($u_a%$), phản kháng ($u_r%$) để kiểm tra tổng điện áp ngắn mạch ($u_k%$).
  4. Tính toán mạch từ và thông số không tải: Tính toán thể tích, khối lượng của trụ và gông từ, xác định công suất từ hóa, tổn hao sắt từ trong lõi thép ($P_{fe}$) để đối chiếu với tổn hao không tải yêu cầu ($P_0$), kiểm tra dòng điện không tải tính toán ($i_0%$).
  5. Tính toán nhiệt và hiệu suất: Tính toán nhiệt độ phát nóng của dây quấn và dầu biến áp, xác định kích thước thùng dầu tản nhiệt, diện tích bề mặt bức xạ nhiệt; tính toán hiệu suất làm việc của máy biến áp $\eta%$ ở các mức hệ số tải khác nhau.
  6. Thiết kế bản vẽ: Thể hiện bản vẽ tổng lắp ráp A0 mặt cắt $1/4$ kết cấu máy biến áp, chi tiết bố trí gông, trụ từ, kết cấu cách điện, nắp thùng dầu và sứ xuyên cao - hạ thế.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Thiết kế máy biến áp điện lực ba pha ngâm dầu 160 kVA

Nội dung phần này tập trung vào bài toán thiết kế tĩnh máy biến áp phân phối:

  • Tính toán sơ bộ và tối ưu hóa vật liệu: Dựa trên phương trình kinh tế - kỹ thuật, tác giả khảo sát tỷ số trọng lượng giữa lõi sắt ($G_{fe}$) và dây quấn ($G_{cu}$), đồ thị quan hệ giữa giá thành vật liệu tác dụng ($C_{td}%$) với đường kính trụ lõi thép. Qua đó lựa chọn điểm làm việc tối ưu vừa đảm bảo chỉ tiêu kinh tế, vừa thỏa mãn các ràng buộc về tổn hao năng lượng.
  • Tính toán kết cấu dây quấn và mạch từ: Xác lập kích thước hình học chi tiết của mạch từ thép kỹ thuật điện cán lạnh định hướng từ, bố trí lá thép xếp xen kẽ bậc thang để lấp đầy tiết diện tròn của trụ. Tính toán chi tiết số vòng dây cuộn $22\text{ kV}$ và cuộn $0{,}4\text{ kV}$, chiều dày cách điện rãnh dầu tản nhiệt và khoảng cách an toàn điện giữa các pha.
  • Kiểm nghiệm các tham số vận hành: Tiến hành đối chiếu các kết quả tính toán với các chỉ tiêu định mức ban đầu: sai số tổn hao không tải $P_0 \le \pm 10%$, tổn hao ngắn mạch $P_n \le \pm 10%$, điện áp ngắn mạch $u_k% \approx 4%$ và dòng điện không tải $i_0% \approx 1{,}7%$.

Phần 2: Tìm hiểu các thiết bị điện trong trạm biến áp

Phần này trình bày báo cáo kỹ thuật tổng quan về trạm biến áp và phân tích chuyên sâu 6 nhóm khí cụ điện chính trong trạm:

I. Tổng quan về trạm biến áp và sơ đồ nguyên lý

  • Khái niệm và phân loại trạm: Trạm biến áp là phần tử nút giữ vai trò biến đổi cấp điện áp trong hệ thống cung cấp điện. Lưới điện được phân chia thành 4 cấp: siêu cao áp ($>500\text{ kV}$), cao áp ($110\text{ kV}, 220\text{ kV}, 500\text{ kV}$), trung áp ($10\text{ kV}, 15\text{ kV}, 22\text{ kV}, 35\text{ kV}$) và hạ áp ($<1\text{ kV}$). Trạm biến áp được phân loại theo điện lực gồm trạm trung gian ($110-220\text{ kV} \rightarrow 22-35\text{ kV}$) và trạm phân phối/phân xưởng ($22-35\text{ kV} \rightarrow 0{,}4/0{,}22\text{ kV}$); phân loại theo kiến trúc gồm trạm ngoài trời, trạm trong nhà và trạm ngầm.
  • Yêu cầu thiết kế trạm: Đảm bảo 5 tiêu chí cơ bản: chất lượng điện năng (đặt tại trung tâm phụ tải nhằm giảm tổn thất điện áp và công suất), độ tin cậy cung cấp điện, chi phí đầu tư kinh tế, an toàn cho người và thiết bị (đảm bảo hành lang an toàn, mỹ quan công nghiệp), thuận tiện cho công tác vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa.
  • Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp phân phối: Mô tả chuỗi liên kết thiết bị từ đường dây trên không trung áp ($\text{ĐDK } 10-35\text{ kV}$) qua Dao cách ly trung áp (DCL), Chống sét van (CSV), Cầu chì tự rơi (FCO/CC), Máy biến áp (MBA), Hệ thống tiếp địa, Cáp tổng hạ áp dẫn về Tủ phân phối (TPP), Máy biến dòng điện (CT/BI), Máy biến điện áp (PT/BU), đồng hồ đo đếm ($A, V, kWh$), Thanh cái hạ áp ($TC-0{,}4\text{ kV}$), Aptomat tổng/phụ và Chống sét van hạ áp.
  • Bảng chỉ dẫn danh mục vật tư chính trong trạm phân phối:
    • Sứ đứng $24\text{ kV}$, Sứ treo polymer $24\text{ kV}$.
    • Chống sét van trung áp: $\text{LA } 18\text{ kV} - 10\text{ kA}$.
    • Cầu chì tự rơi: $\text{FCO } 24\text{ kV} - 10\text{ kA} - 100\text{ A}$.
    • Máy biến áp: $22/0{,}4\text{ kV}$ (hoặc tổ MBA 1 pha ghép 3 pha).
    • Cáp xuất hạ thế, tủ điện hạ thế, ống luồn PVC D114, kẹp cọc tiếp địa, kẹp quai, kẹp hotline, cáp đồng bọc trung thế $24\text{ kV} - 25\text{ mm}^2$, dây đồng trần nối đất $\text{Cu} - 25\text{ mm}^2$.

II. Cấu tạo và nguyên lý các thiết bị điện trong trạm

1. Cầu chì tự rơi (FCO - Fuse Cut Out)
  • Chức năng: Là thiết bị bảo vệ mạng trung thế kết hợp chức năng của cầu chì và dao cắt, dùng bảo vệ máy biến áp phân phối khỏi sự cố quá dòng và ngắn mạch. Lắp đặt nối tiếp ở đầu nguồn vào trạm.
  • Cấu tạo: Gồm 3 bộ phận chính: Dây chì (dây chảy), Ống chì và Khung đỡ bằng sứ cách điện.
  • Thông số kỹ thuật định mức:
    • Tiêu chuẩn áp dụng: ANSI C37.42, IEC 282-2.
    • Điện áp định mức: $24 - 35\text{ kV}$; Tần số định mức: $50\text{ Hz}$.
    • Dòng điện định mức: $100\text{ A}$ và $200\text{ A}$.
    • Khả năng cắt ngắn mạch: $12\text{ kA}$.
    • Điện áp chịu đựng xung sét (BIL): $125 - 150 - 170\text{ kV}$.
    • Chiều dài dòng rò: $340 - 440 - 720\text{ mm}$; Vật liệu cách điện: Sứ.
  • Nguyên lý hoạt động: Khi xảy ra sự cố quá tải hoặc ngắn mạch, dòng điện lớn làm dây chì nóng chảy và đứt. Cơ cấu ngàm hãm phía trên ống chì tự động nhả chốt, ống chì rơi tự do xuống dưới theo trọng lực, tạo ra một khoảng cách ly không khí trông thấy được (tương tự thao tác mở dao cách ly). FCO chỉ được phép thao tác đóng cắt khi mạch không có tải.
2. Chống sét van (CSV / Lightning Arrester - LA)
  • Chức năng và cấu tạo: Thiết bị bảo vệ quá điện áp do sét đánh lan truyền trên đường dây vào trạm. Cấu tạo gồm cột chuỗi khe hở phóng điện ghép nối tiếp với chuỗi đĩa điện trở phi tuyến (vilit), đặt kín bên trong ống vỏ sứ/silicon cách điện. Đầu cực trên nối vào pha lưới điện, đầu cực dưới nối trực tiếp với hệ thống tiếp địa của trạm.
  • Nguyên lý hoạt động: Khi xuất hiện sóng sét quá điện áp cao, các khe hở không khí bị đánh thủng, đĩa vilit giảm điện trở đột ngột xuống giá trị rất nhỏ, dẫn toàn bộ dòng sét xung kích xuống đất. Khi xung sét đi qua, dòng xoay chiều tần số công nghiệp chạy theo bị điện trở vilit (đã hồi phục giá trị cao) hạn chế xuống dưới $100\text{ A}$ và dập tắt hoàn toàn tại thời điểm dòng điện đi qua điểm 0 nhờ hệ thống thổi từ.
  • Vị trí lắp đặt:
    • Đặt trước dao cách ly: Dòng sét không đi qua dao cách ly, nhưng khi cần kiểm tra/thay thế CSV bắt buộc phải cắt điện máy cắt trạm phía trước.
    • Đặt sau dao cách ly: Thuận tiện cô lập kiểm tra và bảo dưỡng CSV, tuy nhiên dòng sét xung kích chạy qua tiếp điểm dao cách ly có thể làm giảm tuổi thọ tiếp điểm.
3. Máy biến điện áp (BU / PT - Potential Transformer)
  • Chức năng: Biến đổi điện áp từ trị số cao ở lưới điện xuống trị số tiêu chuẩn hạ áp an toàn ($100\text{ V}$ hoặc $110\text{ V}$) để cấp nguồn cho các mạch đo lường (Volt kế, Watt kế) và rơle bảo vệ.
  • Chế độ làm việc: Công suất phụ tải mạch ngoài của BU rất nhỏ (từ vài chục đến vài trăm VA), tổng trở ngõ ra lớn nên BU luôn làm việc ở chế độ gần như không tải.
  • Cấu tạo và nguyên lý: Gồm lõi thép kỹ thuật điện (trụ và gông từ), cuộn dây sơ cấp ($N_1$, điện áp cao $U_1$), cuộn dây thứ cấp ($N_2$, điện áp thấp $U_2$) và vỏ bảo vệ bằng thép. Hoạt động hoàn toàn theo nguyên lý cảm ứng điện từ của máy biến áp hai dây quấn.
4. Máy biến dòng điện (BI / CT - Current Transformer)
  • Chức năng: Biến đổi dòng điện có trị số lớn và điện áp cao xuống dòng điện định mức tiêu chuẩn ($5\text{ A}$ hoặc $1\text{ A}$) cung cấp cho ampe kế, đồng hồ công tơ và rơle bảo vệ.
  • Đặc điểm cấu tạo và chế độ làm việc:
    • Cuộn sơ cấp có số vòng rất ít (có thể chỉ 1 hoặc vài vòng), mắc nối tiếp vào mạch động lực. Cuộn thứ cấp có số vòng lớn hơn nhiều, nối vào phụ tải có tổng trở rất nhỏ, do đó BI luôn làm việc ở chế độ ngắn mạch.
    • Chế độ hở mạch thứ cấp: Tuyệt đối cấm hở mạch cuộn thứ cấp của BI. Khi hở mạch ($I_2 = 0$), toàn bộ dòng sơ cấp trở thành dòng từ hóa, gây bão hòa mạch từ nghiêm trọng, sinh ra sức điện động cảm ứng thứ cấp cực đại lên tới hàng nghìn Volt gây nguy hiểm chết người và phá hủy cách điện thiết bị.
    • Bội số dòng điện và cấp chính xác: Để đảm bảo sai số rơle bảo vệ dưới $10%$, bội số dòng ngắn mạch phải được tính toán chính xác; có thể sử dụng biến dòng tuyến tính có khe hở không khí để chống bão hòa mạch từ.
  • Điều kiện lựa chọn BI:
    • Điện áp định mức: $U_{dmBI} \ge U_{dmHT}$
    • Dòng điện sơ cấp định mức: $I_{dmBI} \ge \frac{I_{lv}}{1{,}2}$ (cho phép BI chịu quá tải $20%$).
    • Cấp chính xác của BI phải tương thích với cấp chính xác của đồng hồ đo lường hoặc rơle nối vào thứ cấp.
5. Dao cách ly (DCL)
  • Chức năng: Dùng đóng cắt mạch điện cao áp ở trạng thái không tải hoặc dòng điện rất nhỏ (dòng điện dung đường dây, dòng không tải của MBA), tạo khoảng cách cách ly không khí nhìn thấy được nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công tác sửa chữa.
  • Quy định chiều dài đường dây đóng cắt không tải: Cấp $35\text{ kV} \le 30\text{ km}$; cấp $110\text{ kV} \le 20\text{ km}$; cấp $220\text{ kV}$ không hạn chế chiều dài.
  • Phân loại: Theo môi trường (trong nhà, ngoài trời); theo số pha ($1$ pha, $3$ pha); theo kiểu truyền động (kiểu chém, kiểu trụ quay, kiểu treo, thanh truyền); theo số trụ quay ($1, 2, 3$ trụ).
  • Cấu tạo: Khung thép mạ kẽm, sứ đỡ cách điện, tiếp điểm tĩnh (má kẹp), tiếp điểm động (lưỡi dao), dao nối đất liên động, dây nối mềm và bộ truyền động thao tác (bằng tay hoặc động cơ điện). Dao tiếp địa được thiết kế liên động cơ khí để xả điện tích dư còn tồn tại trên đoạn đường dây đã cô lập xuống đất.
  • Điều kiện chọn và kiểm tra dao cách ly:
    • Điều kiện chọn: $U_{dmDCL} \ge U_{dmmang}$; $I_{dmDCL} \ge I_{cb}$ (dòng cưỡng bức làm việc lâu dài).
    • Kiểm tra ổn định động: $I_{od_dm} \ge I_{xk}$ (hoặc $i_{od_dm} \ge i_{xk}$ - dòng điện xung kích ngắn mạch).
    • Kiểm tra ổn định nhiệt: Đảm bảo dòng ngắn mạch chạy qua trong thời gian quy định không làm nhiệt độ tiếp điểm vượt quá giới hạn cho phép.
6. Thiết bị đóng cắt hạ áp - Aptomat (Circuit Breaker - CB)
  • Khái niệm: Là thiết bị khí cụ điện đóng cắt tự động, thực hiện chức năng bảo vệ mạng hạ áp khi xảy ra sự cố quá tải, ngắn mạch và chống dòng điện rò.
  • Phân loại đa dạng:
    • Theo kết cấu: MCB (dạng tép, lắp dân dụng), MCCB (dạng khối, dùng trong công nghiệp).
    • Theo chức năng bảo vệ: CB thường (bảo vệ quá tải/ngắn mạch: MCB, MCCB); CB chống dòng rò: RCCB (chống rò dạng tép), RCBO (chống rò kết hợp bảo vệ quá tải dạng tép), ELCB (chống dòng rò và bảo vệ quá tải dạng khối).
    • Theo số cực: $1\text{P}, 1\text{P}+\text{N}, 2\text{P}, 3\text{P}, 3\text{P}+\text{N}, 4\text{P}$.
    • Theo dòng cắt ngắn mạch ($I_{cu}$): Dòng cắt thấp ($10\text{ kA}$ - dân dụng như NF125-CV 3P 100A), dòng cắt tiêu chuẩn ($30\text{ kA}$ - công nghiệp như NF125-SV 3P 100A), dòng cắt cao ($50\text{ kA}$ - ứng dụng đặc biệt như NF125-HV 3P 100A).
    • Theo khả năng chỉnh dòng: Loại dòng cố định (như NF400-SW 3P 400A) và loại chỉnh dòng định mức (như NF400-SEW 3P 400A chỉnh dải $200 - 400\text{ A}$).
  • Cấu tạo chi tiết:
    • Tiếp điểm: Phân cấp $2$ cấp tiếp điểm (tiếp điểm chính, tiếp điểm dập hồ quang) hoặc $3$ cấp tiếp điểm (chính, phụ, hồ quang). Khi đóng mạch: hồ quang đóng trước $\rightarrow$ phụ $\rightarrow$ chính. Khi ngắt mạch: chính mở trước $\rightarrow$ phụ $\rightarrow$ hồ quang mở sau cùng để hứng chịu toàn bộ nhiệt năng hồ quang, bảo vệ mặt tiếp xúc dẫn điện của tiếp điểm chính.
    • Hộp dập hồ quang: Dùng kiểu nửa kín (vỏ kín có lỗ thoát khí, dòng cắt $\le 50\text{ kA}$) hoặc kiểu hở (dòng cắt $>50\text{ kA}$ hoặc điện áp $>1000\text{ V}$).
    • Cơ cấu truyền động: Thao tác bằng tay (dòng định mức $\le 600\text{ A}$) hoặc thao tác điện từ/động cơ (dòng định mức $>1000\text{ A}$).
    • Phần tử bảo vệ (Móc nhả tự động): Gồm rơle nhiệt (lưỡng kim bảo vệ quá tải lâu dài) và rơle điện từ (cuộn cảm sinh lực hút phần ứng nhả móc giữ tiếp điểm khi có dòng ngắn mạch tức thời).

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Hoàn thành toàn bộ hệ thống tính toán điện từ và kết cấu máy biến áp ba pha $160\text{ kVA} - 22/0{,}4\text{ kV}$, đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra: tổn hao không tải $P_0 = 450\text{ W}$, tổn hao ngắn mạch $P_n = 2600\text{ W}$, dòng không tải $i_0% = 1{,}7%$, điện áp ngắn mạch $u_k% = 4%$.
  • Thiết lập sơ đồ nguyên lý tổng thể trạm biến áp phân phối trung/hạ thế, bóc tách đầy đủ danh mục quy cách vật tư phụ kiện phục vụ lắp đặt trạm (sứ đứng, sứ treo polymer $24\text{ kV}$, FCO $24\text{ kV} - 10\text{ kA}$, LA $18\text{ kV} - 10\text{ kA}$, cáp bọc $24\text{ kV} - 25\text{ mm}^2$, tủ phân phối hạ thế, hệ thống nối đất).
  • Xây dựng tài liệu thuyết minh kỹ thuật chi tiết phân loại, đánh giá thông số, nguyên lý và công thức lựa chọn 6 thiết bị điện quan trọng: FCO, Chống sét van, Biến điện áp BU, Biến dòng điện BI, Dao cách ly và Aptomat hạ thế.

Đóng góp kỹ thuật

  • Cung cấp phương pháp luận tính toán máy điện tĩnh có sự kết hợp chặt chẽ giữa mô hình giải tích và khảo sát tối ưu kinh tế vật liệu ($G_{fe}, G_{cu}, C_{td}$).
  • Hệ thống hóa đầy đủ kiến thức thực tế về khí cụ điện đóng cắt - đo lường - bảo vệ, giúp kết nối lý thuyết truyền thống với các tiêu chuẩn thiết bị thực tế trong ngành điện lực (ANSI, IEC).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Các bước tính toán thiết kế máy biến áp trong đồ án được thực hiện bằng phương pháp giải tích kỹ thuật truyền thống, chưa áp dụng các công cụ mô phỏng trường điện từ 2D/3D (phương pháp phần tử hữu hạn - FEM) để đánh giá chi tiết mật độ từ thông tản tại các góc mạch từ và đầu cuộn dây.
  • Phạm vi nghiên cứu về trạm biến áp chủ yếu tập trung vào các thiết bị truyền thống của trạm biến áp phân phối treo/giàn và trạm hở, chưa phân tích các công nghệ trạm kín GIS ($SF_6$) hay các cấu hình trạm tự động hóa kỹ thuật số ở cấp điện áp siêu cao áp ($110 - 220\text{ kV}$).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Ứng dụng phần mềm chuyên dụng (ANSYS Maxwell, FEMM) để mô phỏng phân bố từ trường, quá trình quá độ khi đóng điện không tải và kiểm nghiệm cơ - nhiệt của dây quấn máy biến áp khi ngắn mạch đột ngột.
  • Nghiên cứu tích hợp các thiết bị điện tử thông minh (IED), rơle kỹ thuật số và hệ thống điều khiển, giám sát thu thập dữ liệu (SCADA) trong trạm biến áp theo chuẩn truyền thông quốc tế IEC 61850.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện Công nghiệp, Hệ thống Điện: Sử dụng làm tài liệu mẫu cho các đồ án môn học Thiết kế Máy điện, Thiết kế Khí cụ điện, Đồ án Hệ thống Cung cấp điện và Khóa luận tốt nghiệp kỹ sư.
  • Kỹ sư vận hành và thiết kế trạm: Tham khảo các công thức kiểm tra lựa chọn thiết bị điện (BI, BU, DCL, CB, FCO), các điều kiện vận hành an toàn và quy trình bóc tách danh mục vật tư trạm biến áp phân phối $22/0{,}4\text{ kV}$.

Câu hỏi thường gặp

1. Các thông số đầu vào định mức để tính toán thiết kế máy biến áp trong đồ án gồm những gì?

Máy biến áp được thiết kế là loại ba pha ngâm dầu, hai dây quấn làm việc dài hạn với các thông số: dung lượng $S_{dm} = 160\text{ kVA}$, tần số $f = 50\text{ Hz}$, điện áp $U_{ca}/U_{ha} = 22/0{,}4\text{ kV}$, tổ nối dây $\text{Y/Y}_0-12$, tổn hao không tải $P_0 = 450\text{ W}$, tổn hao ngắn mạch $P_k = 2600\text{ W}$, dòng điện không tải $i_0% = 1{,}7%$, điện áp ngắn mạch $u_k% = 4%$.

2. Cầu chì tự rơi (FCO) trong trạm biến áp có thông số định mức và cơ chế hoạt động như thế nào?

FCO áp dụng tiêu chuẩn ANSI C37.42 và IEC 282-2, điện áp định mức $24-35\text{ kV}$, dòng định mức $100\text{ A}$ hoặc $200\text{ A}$, khả năng cắt ngắn mạch $12\text{ kA}$, cách điện bằng sứ với BIL $125-170\text{ kV}$. Khi có quá tải hoặc ngắn mạch, dây chì nóng chảy đứt làm nhả khớp giữ, ống chì tự rơi xuống tạo khoảng cách ly nhìn thấy được để bảo vệ đường dây và máy biến áp.

3. Tại sao nghiêm cấm để hở mạch cuộn thứ cấp của máy biến dòng điện (BI/CT)?

BI luôn làm việc ở chế độ ngắn mạch ($Z_{tai} \approx 0$). Nếu thứ cấp bị hở mạch ($I_2 = 0$), dòng sơ cấp $I_1$ hoàn toàn trở thành dòng từ hóa tạo ra từ thông $\Phi$ cực lớn làm bão hòa mạch từ, sinh ra sức điện động cảm ứng thứ cấp có biên độ điện áp lên tới hàng nghìn Volt, gây nguy cơ phóng điện phá hủy thiết bị và gây nguy hiểm chết người cho người vận hành.

4. Việc lắp đặt Chống sét van (CSV) trước hoặc sau Dao cách ly (DCL) có ưu nhược điểm gì?

  • Đặt trước DCL: Ưu điểm là dòng điện sét không chạy qua lưỡi và má tiếp điểm của dao cách ly, bảo vệ tuổi thọ DCL; nhược điểm là khi muốn cô lập kiểm tra hoặc thay thế CSV thì bắt buộc phải cắt máy cắt ở trạm trung gian phía trước.
  • Đặt sau DCL: Ưu điểm là dễ dàng mở DCL để cách ly, bảo dưỡng, thay thế CSV an toàn; nhược điểm là dòng sét có trị số biên độ rất lớn phải đi qua tiếp điểm dao cách ly, làm giảm độ bền cơ - nhiệt và tuổi thọ tiếp điểm DCL.

5. Điều kiện lựa chọn và kiểm tra dao cách ly cao thế gồm những yếu tố nào?

  • Điều kiện chọn: Điện áp định mức $U_{dmDCL} \ge U_{dmmang}$ và dòng điện định mức $I_{dmDCL} \ge I_{cb}$.
  • Điều kiện kiểm tra: Kiểm tra ổn định động ($I_{od_dm} \ge I_{xk}$ hoặc $i_{od_dm} \ge i_{xk}$) và kiểm tra ổn định nhiệt theo dòng ngắn mạch duy trì, đảm bảo tiếp điểm chịu được lực điện động và nhiệt lượng trong thời gian ngắn mạch mà không bị biến dạng, nóng chảy.

Kết luận

Đồ án môn học 1 (PBL1) chuyên ngành Kỹ thuật Điện đã giải quyết trọn vẹn hai nhiệm vụ kỹ thuật: tính toán thiết kế chi tiết máy biến áp điện lực ba pha $160\text{ kVA} - 22/0{,}4\text{ kV}$ ngâm dầu đạt các chỉ tiêu tổn hao và hiệu suất, đồng thời xây dựng báo cáo chuyên sâu về cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ nguyên lý và quy chuẩn chọn lựa các thiết bị chính trong trạm biến áp phân phối. Công trình thể hiện sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết giải tích máy điện và ứng dụng thực tế của khí cụ đóng cắt bảo vệ, mang lại giá trị tham khảo học thuật và thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư ngành kỹ thuật điện.