Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án môn học "Máy điện và Thiết bị điện" được thực hiện bởi sinh viên Trần Anh Đức (mã sinh viên 2151123356, lớp 63KTĐ-HTĐ), dưới sự hướng dẫn của giảng viên Lê Quang Cường tại Bộ môn Kỹ thuật Điện – Điện tử, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Thủy Lợi vào năm 2024. Đề tài tập trung giải quyết yêu cầu kỹ thuật trong việc củng cố lý thuyết các loại máy điện và đi sâu vào thiết kế, cấu hình hệ thống phân phối điện trung thế chuẩn công nghiệp. Trong hệ thống cung cấp điện thực tế, tủ phân phối trung thế đóng vai trò điểm nút trọng yếu nhằm tiếp nhận, phân phối và bảo vệ an toàn cho các thiết bị hạ nguồn, đòi hỏi kỹ sư phải nắm vững đặc tính cơ - điện, sơ đồ đấu nối và thông số kỹ thuật của từng phần tử.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Nghiên cứu lý thuyết và cấu tạo các nhóm máy điện cơ bản: máy biến áp, dây quấn máy điện quay, máy điện không đồng bộ, máy điện đồng bộ và máy điện một chiều.
  2. Khảo sát đặc tính kỹ thuật tổng thể (Specification) của tủ phân phối trung thế PIX24.
  3. Tìm hiểu kết cấu cơ khí của tủ: xác định vị trí bố trí thiết bị bên trong và phương pháp lắp đặt hệ thống thanh cái.
  4. Khảo sát các loại thiết bị điện được sử dụng trong tủ: hình ảnh, chức năng, thông số kỹ thuật và kích thước hình học.
  5. Đọc hiểu và phân tích toàn diện sơ đồ mạch lực (sơ đồ 1 sợi), mạch đo lường và mạch điều khiển.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tủ phân phối trung thế hợp bộ model PIX24 cùng các thiết bị đóng cắt, đo lường, bảo vệ và hệ thống máy điện công nghiệp.
  • Phạm vi không gian và điều kiện môi trường: Hệ thống tủ lắp đặt trong nhà, làm việc trong dải nhiệt độ môi trường từ -5°C đến 40°C, độ cao lắp đặt so với mực nước biển không vượt quá 1000 m, độ ẩm tương đối trung bình trong 24 giờ đạt 95%, áp lực sàn động ở mức không đáng kể.
  • Phạm vi thời gian: Hồ sơ thiết kế kỹ thuật được hoàn thành và nghiệm thu trong năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý điện từ học và kỹ thuật đóng cắt cao áp, kết hợp với hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật điện quốc tế:

  • Khung lý thuyết máy điện: Nguyên lý biến đổi điện áp của máy biến áp; lý thuyết từ trường quay và sơ đồ trải dây quấn stato trong máy điện không đồng bộ; đặc tính từ trường cực từ và phản ứng phần ứng trong máy điện đồng bộ và máy điện một chiều.
  • Khung tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị:
    • IEC 60984: Quy chuẩn bề mặt sơn hoàn thiện màu OP RAL7035 cho tủ điện trong nhà.
    • Tiêu chuẩn an toàn vỏ tủ: Cấp bảo vệ chống bụi và nước đạt IP4X cho vỏ ngoài, IP3X cho các vách ngăn nội bộ; mức tuân thủ phóng hồ quang nội bộ đạt chuẩn AFL.
    • IEC 62271-100:2012: Tiêu chuẩn áp dụng cho máy cắt chân không cao áp xoay chiều.
    • IEC 62271-103: Tiêu chuẩn áp dụng cho dao tiếp địa đóng cắt cao áp.
    • IEC 61010-1: Yêu cầu an toàn cho thiết bị đo lường và kiểm tra điện áp.
    • IEC 62056-1: Chuẩn giao thức truyền thông đo đếm điện năng tại chỗ (thay thế cho chuẩn IEC 61107).
    • Hệ thống mã bảo vệ ANSI: Áp dụng mã ANSI 86 (rơ le khóa đầu ra/chốt tác động) và ANSI 30 (chỉ thị cảnh báo, truyền tin).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích tài liệu kỹ thuật (data sheet specification): Khai thác và đối chiếu dữ liệu kỹ thuật từ các nhà chế tạo Schneider Electric, ABB, Elster và ZGUA.
  • Phương pháp phân tích sơ đồ nguyên lý: Đọc hiểu sơ đồ một sợi (Single Line Diagram), bóc tách mạch nhị thứ bao gồm mạch cấp nguồn điều khiển xoay chiều (AC), một chiều (DC), mạch đo lường từ máy biến dòng (CT), máy biến điện áp (VT) và mạch truyền thông dữ liệu công nghiệp.
  • Phương pháp phân tích kết cấu cơ - điện: Khảo sát không gian bố trí 3 khoang chức năng qua các bản vẽ mặt cắt A02 và A07, xác định nguyên lý liên động cơ khí chống thao tác nhầm giữa máy cắt và dao tiếp địa.

Nguồn dữ liệu của đồ án được thu thập trực tiếp từ tài liệu kỹ thuật tủ trung thế PIX24 của Schneider Electric, catalog thiết bị của ABB, Elster, ZGUA và giáo trình học phần Máy điện và Thiết bị điện của Trường Đại học Thủy Lợi.

Thiết kế kỹ thuật và cấu hình hệ thống tủ điện

Hệ thống tủ trung thế PIX24 được thiết kế theo cấu trúc hợp bộ, dạng mô-đun cách điện bằng không khí, tích hợp thiết bị đóng cắt chân không rút kéo. Thiết kế cơ khí và điện môi của tủ được xác lập qua các chỉ tiêu kỹ thuật chính:

Hạng mục kết cấu Thông số kỹ thuật chi tiết
Cấp điện áp danh định / vận hành 24 kV / 22 kV
Khả năng chịu đựng xung sét (1.2/50 µs) 125 kV đỉnh
Điện áp thử tần số công nghiệp (1 phút) 50 kV (mạch điều khiển: 2 kV)
Dòng định mức thanh cái chính 1250 A
Khả năng chịu dòng ngắn mạch (SWBDs) 25 kA / 3 giây
Khả năng chịu dòng ngắn mạch đỉnh 63 kA đỉnh
Quy cách thanh cái chính Đồng (Cu), tiết diện 1 x (80 x 10) mm mỗi pha, mạ bạc mối nối
Quy cách thanh cái tiếp địa Đồng (Cu), tiết diện 50 x 5 mm
Chiều dày thép tấm cửa trước 3,2 mm
Chiều dày thép tấm bên, tấm sau, tấm mái 2,3 mm
Chiều dày thép tấm vách ngăn, tấm trần 1,6 mm
Cấp bảo vệ vỏ / vách ngăn IP4X / IP3X
Cấu hình cáp vào và ra Đi từ phía dưới, tiếp cận đấu nối từ phía trước

Mạch nhị thứ, cấp nguồn điều khiển và truyền thông được phân định theo quy chuẩn cáp và mã màu nghiêm ngặt:

  • Nguồn điều khiển và tín hiệu: 110 VDC.
  • Nguồn mạch bảo vệ: 110 VDC.
  • Động cơ nạp lò xo máy cắt, cuộn đóng và cuộn ngắt 1: 110 VDC.
  • Nguồn mạch sấy khoang và chiếu sáng nội bộ: 220 VAC.
  • Dây dẫn nội bộ: Dây đồng mềm nhiều sợi bện NYAF, cách điện PVC, điện áp định mức 500/750V, điện áp thử nghiệm cách điện 500V trong 1 giây.
Mạch chức năng Cực tính / Pha Tiết diện dây Màu sắc quy định
Mạch điện áp đo lường (VT) L1, L2, L3, N 2,5 mm² L1: Đỏ, L2: Vàng, L3: Xanh lục, N: Đen
Mạch dòng điện đo lường (CT) L1, L2, L3, N 4,0 mm² L1: Đỏ, L2: Vàng, L3: Xanh lục, N: Đen
Mạch nguồn AC 1 pha Pha (P), Trung tính (N) 2,5 mm² Theo thiết kế nguồn AC
Mạch điều khiển AC 1 pha Pha (P), Trung tính (N) 1,5 mm² Theo thiết kế điều khiển AC
Mạch nguồn DC Dương (+), Âm (-) 2,5 mm² Cực dương: Đỏ, Cực âm: Đen
Mạch điều khiển DC Dương (+), Âm (-) 1,5 mm² Cực dương: Trắng, Cực âm: Đen
Mạch liên động VT, CT Dây liên động 1,5 mm² Màu Đen
Mạch truyền thông RS-485 Com+, CDM-, Nối đất 0,8 mm² Tín hiệu: Đen, Nối đất: Trắng, Màn chắn: Bạc
Mạch tiếp địa bảo vệ Tiếp địa tủ (PE) Tiêu chuẩn PE Màu Xanh lá (tiếp địa)

Hệ thống bảo vệ cơ học gồm liên động cơ khí giữa cửa trước với máy cắt (không cho phép mở cửa khi máy cắt đang đóng vào vị trí vận hành) và loại bỏ khóa hàn trập cơ khí theo thiết kế tiêu chuẩn của model.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Phần Máy điện

Chương 1 đóng vai trò hệ thống hóa nền tảng lý thuyết và nhận dạng thiết bị máy điện quay và máy biến áp trong hệ thống công nghiệp:

  • Bài 1 – Máy biến áp: Tập trung khảo sát mô hình cấu tạo lõi từ, kết cấu cách điện cuộn dây sơ cấp, thứ cấp và nguyên lý cảm ứng điện từ phục vụ biến đổi điện áp lưới.
  • Bài 2 – Dây quấn máy điện quay / Máy không đồng bộ: Nghiên cứu phương pháp bố trí rãnh stato, quy luật xếp dây quấn phân tán và tập trung, nguyên lý hình thành từ trường quay ba pha tạo mô-men khởi động và duy trì quay cho rô-to lồng sóc và rô-to dây quấn.
  • Bài 3 – Máy đồng bộ / Máy một chiều: Trình bày cấu tạo cực từ kích từ độc lập, phần ứng, vành trượt, chổi than và cổ góp; phân tích đặc tính làm việc của máy phát điện đồng bộ kết hợp lưới và động cơ điện một chiều trong truyền động công nghiệp.

Chương 2: Phần Thiết kế tủ điện

Chương 2 là nội dung trọng tâm của đồ án, trình bày chi tiết từ yêu cầu kỹ thuật, kiến trúc không gian đến thông số từng thiết bị trong tủ trung thế PIX24:

  • Tiểu mục 2.1 – Đặc tính kỹ thuật của tủ (Specification): Xác lập đầy đủ các giới hạn chịu đựng về điện áp (24 kV danh định, 22 kV vận hành), xung sét 125 kV, tần số 50 Hz, dòng định mức 1250 A, dòng ngắn mạch 25 kA/3s và cấu trúc vỏ thép chống cháy nổ hồ quang AFL.
  • Tiểu mục 2.2 – Kết cấu tủ và phương pháp bố trí thiết bị:
    • Phân tích sơ đồ một sợi: Dòng điện từ lưới trung thế đi qua hệ thống đo đếm điện áp, qua thanh cái phân phối chính (1250 A, 25 kA/3s). Nhánh bảo vệ sử dụng cầu chì kết hợp dao tiếp địa QE đưa dòng rò hoặc dòng ngắn mạch xuống đất khi xảy ra sự cố. Máy biến áp đo lường VT1 lấy điện áp từ thanh cái biến đổi thành tín hiệu điện áp nhị thứ phục vụ đo đếm và cấp nguồn.
    • Phân khoang thiết bị: Khoang bảng đồng hồ đo được chia làm 3 khoang chuyên biệt; trong đó khoang 2 tủ hạ thế có kích thước chiều cao 730 mm, chiều rộng 800 mm, là nơi lắp đặt cầu chì, dao tiếp địa, dây nối đất, máy đo chất lượng không khí, chuyển mạch sấy, nút bấm thao tác và màn hình giám sát.
    • Phân tích bản vẽ mặt cắt cơ khí: Mặt cắt A02 và A07 làm rõ vị trí thanh cái liên tủ, thanh cái VT, dây dẫn bảo vệ PE, dao tiếp địa và khoang hạ thế LV (Low Voltage compartment) đưa tín hiệu điện áp an toàn phục vụ giám sát.
    • Hệ thống mạch đấu dây nội bộ: Thể hiện chi tiết sơ đồ cấp nguồn AC/DC, mạch tín hiệu đóng cắt MCB ON, mạng truyền thông giám sát Modbus RS-485 và liên động cơ khí giữa dao tiếp địa với máy cắt.
  • Tiểu mục 2.3 – Các loại thiết bị được sử dụng: Bóc tách danh mục 7 thiết bị cốt lõi trong tủ:
STT Thiết bị Mã hiệu / Xuất xứ Nhà sản xuất Thông số kỹ thuật then chốt
1 Máy cắt trung thế chân không HVX242506E210 / Trung Quốc Schneider Electric 24 kV, 630 A, dòng cắt ngắn mạch 25 kA, xung sét 125 kV, chu trình CO-15s-CO, cơ cấu nạp lò xo 110 VDC, thời gian mở 35-53 ms, đóng 45-63 ms, tiêu chuẩn IEC 62271-100:2012, khối lượng 135 kg
2 Chống sét van không khe hở POLIM-D 16-07 / Thụy Sĩ ABB Oxit kim loại (MO), 1 pha, Ur = 20 kV rms, Uc = 16 kV rms, điện áp xung sét chịu đựng 170 kV đỉnh, dòng xả định mức 10 kA, điện áp rò xung sét 56 kV đỉnh
3 Đồng hồ đo đa năng PM5350 / Ấn Độ Schneider Electric Đo dòng, áp, tần số, công suất P-Q-S, cosφ, méo sóng hài, cấp chính xác 0.5, nguồn cấp 85-265 VAC / 100-300 VDC, cổng truyền thông RS-485, tiêu chuẩn IEC 61010-1
4 Công tơ điện tử 3 pha A1700 / Rumani Elster Cấu hình 3 pha 3 dây 1A 110V, cấp chính xác 0.5, dòng cực đại 10 A, điện áp 415 V, lưu trữ 450-900 ngày dữ liệu tải, truyền thông IEC 62056-1
5 Dao tiếp địa cao áp Model phân phối / Indonesia Schneider Electric Chịu xung sét 125 kV đỉnh, tần số công nghiệp 50 kV/1 phút, dòng ngắn hạn 25 kA/1s, khả năng cắt 630 A, tiêu chuẩn IEC 62271-103
6 Cầu chì cao thế XRNP1 / Trung Quốc ZGUA Điện áp định mức 24 kV, dòng điện định mức 2 A, dòng cắt ngắn mạch 50 kA
7 Rơ le bảo vệ kỹ thuật số SEPAM Series 60 (S60) / Pháp Schneider Electric Mã bảo vệ ANSI 86, ANSI 30, logic 200 toán tử, đo dòng pha RMS, dòng rò I'0, điện áp thứ tự thuận/nghịch, tính toán sóng hài THD, ghi âm nhiễu loạn sự cố, phát hiện hồ quang cáp

Kết quả và đóng góp

Hồ sơ đồ án đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Xác lập được cấu hình kỹ thuật chuẩn hóa cho hệ thống tủ phân phối trung thế PIX24 làm việc tại cấp điện áp 22 kV của lưới điện Việt Nam, đáp ứng giới hạn chịu đựng điện áp cách điện 24 kV, dòng ngắn mạch 25 kA trong 3 giây và dòng đỉnh 63 kA.
  • Bóc tách và định lượng chi tiết toàn bộ quy cách vật lý: độ dày các lớp thép vỏ tủ (1,6 mm đến 3,2 mm), thanh cái chính bằng đồng Cu 1x80x10 mm chịu tải 1250 A, thanh cái tiếp địa Cu 50x5 mm và bộ quy chuẩn mã màu, tiết diện dây dẫn nội bộ từ 0,8 mm² đến 4,0 mm².
  • Xây dựng danh mục kỹ thuật hoàn chỉnh của 7 thiết bị điện công nghiệp đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế IEC (IEC 62271-100, IEC 62271-103, IEC 61010-1, IEC 62056-1), làm rõ chức năng vận hành của máy cắt chân không HVX, rơ le Sepam S60, chống sét van ABB POLIM-D và các thiết bị đo đếm PM5350, A1700.
  • Làm rõ cấu trúc liên động cơ - điện an toàn bảo vệ người vận hành, ngăn ngừa sự cố phóng điện khi thao tác đóng dao tiếp địa hoặc mở cửa tủ trong tình trạng thiết bị đang mang điện.

Về mặt học thuật và thực tiễn đào tạo, đồ án đóng góp một bộ tài liệu kỹ thuật có tính hệ thống cao, kết nối trực tiếp giữa lý thuyết truyền thống về máy điện (biến áp, máy điện quay) với thiết kế chế tạo tủ bảng điện thực tế theo tiêu chuẩn công nghiệp hiện hành của Schneider Electric.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Nội dung Chương 1 về phần máy điện mới dừng lại ở mức độ liệt kê tên bài học, hình ảnh cấu tạo và nguyên lý chung mà chưa trình bày các bước tính toán thiết kế giải tích dây quấn hay mô hình hóa số liệu máy điện.
  • Đồ án chưa thực hiện các phép tính kiểm nghiệm nhiệt độ thanh cái và lực điện động tác động lên hệ thống thanh dẫn khi xuất hiện dòng ngắn mạch đỉnh 63 kA.
  • Chưa đi sâu vào lập trình phương trình logic chi tiết (trong phạm vi 200 toán tử) trên rơ le Sepam S60 và cấu hình bảng địa chỉ thanh ghi truyền thông Modbus RS-485.

Hướng mở rộng đề tài:

  • Xây dựng thuật toán và lập bảng phối hợp thời gian bảo vệ quá dòng, ngắn mạch giữa rơ le SEPAM S60 với cầu chì trung thế XRNP1.
  • Triển khai lập trình tích hợp hệ thống đo lường và cảnh báo sự cố từ đồng hồ PM5350, rơ le S60 về hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) tại trung tâm điều hành.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Thiết bị điện – Điện tử chuẩn bị thực hiện đồ án môn học Thiết bị điện, đồ án Thiết kế trạm biến áp hoặc khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Hệ thống điện.
  • Kỹ sư thiết kế tủ điện (panel builder), kỹ sư vận hành tại các trạm biến áp phân phối cần tra cứu thông số kỹ thuật lắp đặt, quy chuẩn tiết diện dây nối nhị thứ và mã thiết bị thực tế của Schneider Electric, ABB, Elster.
  • Phần đáng tham khảo nhất trong tài liệu là bảng thông số kỹ thuật chi tiết của tủ PIX24, quy tắc phối hợp màu dây theo cực tính mạch đo lường/điều khiển và bản vẽ bóc tách chức năng các khoang thiết bị A02, A07.

Câu hỏi thường gặp

1. Tủ trung thế PIX24 trong đồ án có các thông số định mức chính về điện áp và dòng điện là bao nhiêu?
Tủ có điện áp danh định là 24 kV, điện áp vận hành thực tế là 22 kV, tần số 50 Hz. Dòng điện định mức của thanh cái chính là 1250 A (thanh đồng Cu 1x80x10 mm mỗi pha). Khả năng chịu dòng ngắn mạch danh định đạt 25 kA trong thời gian 3 giây và dòng ngắn mạch đỉnh cực đại đạt 63 kA.

2. Máy cắt chân không HVX242506E210 có các đặc tính cơ và thời gian thao tác đóng cắt như thế nào?
Máy cắt sử dụng công nghệ chân không dạng rút kéo 3 cực, cơ cấu tích năng bằng động cơ lò xo với điện áp điều khiển 110 VDC. Thời gian nạp lò xo từ 4 đến 12 giây, thời gian đóng mạch từ 45 đến 63 ms, thời gian mở mạch từ 35 đến 53 ms và thời gian ngắt dòng từ 55 đến 62 ms. Chu trình thao tác tiêu chuẩn đạt chu trình CO-15s-CO với độ bền cơ khí đạt 10.000 chu kỳ (chuẩn M2).

3. Tiết diện và mã màu quy định cho dây dẫn mạch biến áp đo lường (VT) và biến dòng (CT) trong tủ được quy định ra sao?
Mạch điện áp đo lường (VT) sử dụng dây đồng bện mềm NYAF tiết diện 2,5 mm²; mạch dòng điện đo lường (CT) sử dụng dây tiết diện 4,0 mm². Cả hai mạch đều tuân thủ mã màu pha: pha L1 màu Đỏ, pha L2 màu Vàng, pha L3 màu Xanh lục và dây trung tính (N) màu Đen.

4. Rơ le kỹ thuật số SEPAM Series 60 (S60) tích hợp các chức năng đo lường và tự chẩn đoán sự cố nào?
SEPAM S60 đo lường dòng điện pha hiệu dụng RMS (I1, I2, I3), dòng rò I'0, dòng dư I0, các điện áp dây và pha, công suất P, Q, S, cosφ, tần số và điện áp thứ tự nghịch/thuận. Thiết bị có khả năng tự chẩn đoán: phát hiện tỷ lệ mất cân bằng dòng điện, phân tích sóng hài tổng dòng và áp (THD), ghi nhận nhiễu loạn bối cảnh sự cố, đếm lỗi chạm đất/lỗi pha, phát hiện lỗi hồ quang cáp và tính toán dòng ngắt tích lũy.

5. Chống sét van POLIM-D 16-07 của ABB được lắp đặt với mục đích gì và có thông số cách điện thế nào?
Thiết bị là loại chống sét van không khe hở oxit kim loại (MO), đấu nối song song với lưới điện 22 kV để chuyển hướng xung điện áp quá áp do sét đánh xuống đất bảo vệ tủ điện. Chống sét có điện áp định mức Ur = 20 kV rms, điện áp vận hành liên tục tối đa Uc = 16 kV rms, khả năng chịu đựng xung sét dạng sóng 1.2/50 µs đạt 170 kV đỉnh và điện áp rò tối đa tại xung sét 8/20 µs dòng 10 kA là 56 kV đỉnh.

Kết luận

Đồ án môn học của sinh viên Trần Anh Đức đã hoàn thành nhiệm vụ tổng hợp lý thuyết nền tảng về máy điện và thiết kế kỹ thuật chi tiết cho tủ phân phối trung thế PIX24 24 kV. Toàn bộ thông số kết cấu vỏ thép, hệ thống thanh cái phân phối, sơ đồ đấu nối nhị thứ và bảng đặc tính của 7 thiết bị đóng cắt, bảo vệ, đo lường được bóc tách cụ thể theo chuẩn công nghiệp quốc tế. Đây là tài liệu kỹ thuật có tính chuẩn xác cao, phục vụ hiệu quả cho hoạt động học tập, nghiên cứu và tra cứu thực tế trong lĩnh vực kỹ thuật điện và hệ thống điện.