Giới thiệu dự án

Hệ thống điện quốc gia đóng vai trò xương sống trong việc thúc đẩy tăng trưởng kinh tế và công nghiệp hóa. Theo số liệu thống kê từ Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), tốc độ tăng trưởng nhu cầu phụ tải điện tại Việt Nam duy trì ở mức 8,5% - 10,5%/năm trong giai đoạn 2020–2025, tạo áp lực lớn lên hạ tầng nguồn điện và truyền tải. Việc thiết kế, xây dựng các nhà máy nhiệt điện công suất trung bình với khả năng điều tần, bù công suất linh hoạt kết hợp với trạm phân phối 110kV/220kV là mắt xích chiến lược nhằm cân bằng công suất khu vực.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế phần điện trong nhà máy nhiệt điện công suất 5x63 MW và chuyên đề: Tìm hiểu quy trình vận hành, xử lý sự cố máy biến áp T1 trạm 110kV Mỹ Xá" giải quyết bài toán kỹ thuật phức tạp: làm thế nào để tối ưu hóa sơ đồ nối điện chính, lựa chọn thiết bị điện kháng nhiệt - động cao, đồng thời đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện liên tục theo tiêu chí dự phòng $N-1$.

Mục tiêu kỹ thuật cốt lõi:

  1. Tính toán cân bằng công suất toàn diện: Xác định chính xác biểu đồ phụ tải theo 7 khung giờ trong ngày cho toàn nhà máy ($S_{\text{TNM}} = 393,75\text{ MVA}$), phụ tải tự dùng ($\alpha_{\text{td}} = 5,5%$), phụ tải địa phương ($10,5\text{ kV}$), cấp trung áp ($110\text{ kV}$) và cấp cao áp ($220\text{ kV}$).
  2. Đề xuất và đánh giá đa phương án nối điện chính: Phân tích kỹ thuật - kinh tế lựa chọn giữa phương án sử dụng máy biến áp 2 cuộn dây kết hợp máy biến áp tự ngẫu (MBATN).
  3. Kiểm tra độ tin cậy và chế độ sự cố $N-1$: Tính toán phân bố dòng công suất khi hỏng 1 tổ máy phát hoặc 1 máy biến áp liên lạc ở các thời điểm tải đỉnh $P_{\max}$ và tải đáy $P_{\min}$.
  4. Tính toán ngắn mạch và lựa chọn khí cụ điện: Xác định dòng ngắn mạch siêu quá độ $I''$, dòng xung kích $i_{\text{xk}}$, xung lượng nhiệt $B_{\text{N}}$ để chọn máy cắt, dao cách ly, thanh dẫn máng cứng, sứ đỡ, cáp lực và chống sét van (CSV).
  5. Xây dựng chuyên đề thực nghiệm vận hành trạm 110kV Mỹ Xá: Chuẩn hóa quy trình giám sát dầu cách điện, vận hành hệ thống điều áp dưới tải (OLTC) và xử lý sự cố rơle bảo vệ cho MBA T1.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trong thiết kế trạm và nhà máy điện truyền thống, việc phối hợp giữa cấp điện áp phát ($10,5\text{ kV}$), cấp phân phối trung gian ($110\text{ kV}$) và cấp truyền tải liên kết ($220\text{ kV}$) thường gặp bài toán xung đột giữa chi phí đầu tư ban đầu và tổn thất công suất vận hành.

Tiêu chí phân tích Phương án I (2 Khối 220kV + 1 Khối 110kV + 2 MBATN) Phương án II (1 Khối 220kV + 2 Khối 110kV + 2 MBATN) Phương án III (3 Khối 220kV + 2 Khối 110kV + 2 MBATN riêng)
Độ tin cậy cung cấp điện Rất cao, linh hoạt liên lạc 2 cấp điện áp Cao, chuyển đổi công suất tốt Cao nhưng phức tạp trong vận hành
Tổn thất điện năng ($\Delta A$) $10.963,22\text{ MWh/năm}$ $11.348,88\text{ MWh/năm}$ $> 12.800\text{ MWh/năm}$ (Tổn thất không tải cao)
Số lượng máy cắt/dao cách ly Tối ưu, giảm 2 ngăn lộ $220\text{ kV}$ Tăng 1 ngăn lộ $110\text{ kV}$ Tăng số lượng MBA độc lập, chi phí cao
Vốn đầu tư thiết bị Hợp lý, tối ưu hóa công suất định mức Tương đương Phương án I Rất cao do thêm 2 MBATN độc lập

Ưu tiên yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW:

  • Must have: Đảm bảo công suất phát liên tục $315\text{ MW}$ lên lưới; giữ ổn định điện áp thanh cái $10,5\text{ kV}$, $110\text{ kV}$, $220\text{ kV}$; chịu được dòng ngắn mạch 3 pha đối xứng tại các nút chính.
  • Should have: Tự động hóa điều chỉnh điện áp dưới tải (OLTC); trích phụ tải địa phương trực tiếp từ đầu cực máy phát không qua thanh góp máy phát nhằm tiết kiệm chi phí xây dựng.
  • Could have: Hệ thống giám sát nhiệt độ dầu cuộn dây trực tuyến (On-line DGA & WTI) cho MBA 110kV.
  • Won't have: Bố trí thanh góp điện áp máy phát (do tỷ lệ phụ tải địa phương $\frac{S_{\max\text{ĐP}}}{S_{\text{đmG}}} = \frac{13,84}{2 \times 78,75} = 8,79% < 15%$).

Thiết kế hệ thống

Bảng thông số thiết bị chính được lựa chọn:

  • Máy phát điện đồng bộ (5 tổ máy): Model TB-55-2, $S_{\text{đm}} = 78,75\text{ MVA}$, $P_{\text{đm}} = 63\text{ MW}$, $U_{\text{đm}} = 10,5\text{ kV}$, $\cos\varphi = 0,8$, $n = 3000\text{ vòng/phút}$, điện kháng siêu quá độ $X''_d = 0,153$.
  • Máy biến áp 2 cuộn dây (T1, T2): Model ТДЦ-80/220, công suất $80\text{ MVA}$, điện áp $242/10,5\text{ kV}$, $U_{\text{k}}% = 11%$, $\Delta P_0 = 80\text{ kW}$, $\Delta P_{\text{N}} = 320\text{ kW}$.
  • Máy biến áp 2 cuộn dây (T3): Model ТДЦ-80/110, công suất $80\text{ MVA}$, điện áp $115/10,5\text{ kV}$, $U_{\text{k}}% = 10,5%$, $\Delta P_0 = 70\text{ kW}$, $\Delta P_{\text{N}} = 310\text{ kW}$.
  • Máy biến áp tự ngẫu liên lạc (AT1, AT2): Model АТДЦТН-160/220/110, công suất định mức $S_{\text{đm}} = 160\text{ MVA}$, điện áp $230/121/11\text{ kV}$, hệ số có lợi $\alpha = \frac{U_{\text{C}} - U_{\text{T}}}{U_{\text{C}}} = \frac{220 - 110}{220} = 0,5$. Tổn thất: $\Delta P_0 = 85\text{ kW}$, $\Delta P_{\text{N(C-T)}} = 380\text{ kW}$.
Sơ đồ nguyên lý nối điện chính (Single-Line Diagram - Phương án I tối ưu):
[HT 220kV] <================== (Thanh cái 220kV) ==================>
       |               |                 |                 |
    [MC 220]        [MC 220]          [MC 220]          [MC 220]
       |               |                 |                 |
   (MBA T1)        (MBA T2)         (MBATN AT1)       (MBATN AT2)
    80MVA           80MVA             160MVA            160MVA
       |               |            /       \         /       \
    [MC 10.5]       [MC 10.5]  [110kV]     [10.5k] [110kV]   [10.5k]
       |               |          |           |       |         |
    (MF G1)         (MF G2)       |        (MF G4)    |      (MF G5)
                                  \           /       \         /
                                (Thanh cái 110kV)      \       /
                                        |               [Phụ tải ĐP]
                                     [MC 110]             (14 MW)
                                        |
                                    (MBA T3) 80MVA
                                        |
                                     (MF G3)

Phương pháp luận tính toán kỹ thuật

Quy trình thiết kế tuân thủ nghiêm ngặt Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về Kỹ thuật Điện (QCVN QTĐ-5:2009/BCT), Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8086:2009 và Tiêu chuẩn Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC 60909 về tính toán dòng ngắn mạch.

Implementation và kết quả

Quy trình tính toán và thuật toán áp dụng

Thuật toán phân tích phân bố công suất qua các cuộn dây của máy biến áp tự ngẫu và tính toán kiểm tra tổn thất điện năng được lập trình tính toán tự động hóa:

import numpy as np

def calculate_autotransformer_power(S_VHT, S_UC, S_UT, S_bo, alpha=0.5):
    """
    Tính toán công suất truyền tải qua các cuộn dây MBATN (Phương án I)
    S_bo: Công suất phát vào thanh góp từ khối phát 2 cuộn dây
    alpha: Hệ số có lợi (0.5 cho cấp 220/110kV)
    """
    # Phân bố công suất cuộn trung (S_CT), cuộn cao (S_CC), cuộn hạ (S_CH)
    S_CT = 0.5 * (S_UT - S_bo)
    S_CC = 0.5 * (S_VHT + S_UC - 2 * S_bo)
    S_CH = S_CC + S_CT
    
    # Kiểm tra cuộn nối tiếp (Series winding)
    S_nt = alpha * (abs(S_CT) + abs(S_CH))
    return {"S_CT": S_CT, "S_CC": S_CC, "S_CH": S_CH, "S_nt": S_nt}

# Dữ liệu tại thời điểm phụ tải cực đại t = 14h - 18h
result_peak = calculate_autotransformer_power(
    S_VHT=249.29, S_UC=41.58, S_UT=70.00, S_bo=74.94
)
print(f"Cuộn Cao: {result_peak['S_CC']:.2f} MVA, Cuộn Hạ: {result_peak['S_CH']:.2f} MVA")
# Output: Cuộn Cao: 70.49 MVA, Cuộn Hạ: 68.02 MVA

Công thức phân tách tổn thất ngắn mạch cuộn dây MBATN:

$$\Delta P_{\text{N}}^{\text{C}} = \frac{1}{2} \left( \Delta P_{\text{N}}^{\text{C-T}} + \frac{\Delta P_{\text{N}}^{\text{C-H}} - \Delta P_{\text{N}}^{\text{T-H}}}{\alpha^2} \right) = \frac{1}{2} \left( 380 + \frac{190 - 190}{0,5^2} \right) = 190\text{ kW}$$

$$\Delta P_{\text{N}}^{\text{H}} = \frac{1}{2} \left( \frac{\Delta P_{\text{N}}^{\text{C-H}} + \Delta P_{\text{N}}^{\text{T-H}}}{\alpha^2} - \Delta P_{\text{N}}^{\text{C-T}} \right) = \frac{1}{2} \left( \frac{190 + 190}{0,5^2} - 380 \right) = 570\text{ kW}$$

Kiểm tra chế độ sự cố và độ ổn định ($N-1$)

Chế độ vận hành khắc nghiệt nhất được mô phỏng tại thời điểm $t = 14 \div 18\text{h}$ khi phụ tải trung áp đạt cực đại $S_{\text{UT}}^{\max} = 70\text{ MVA}$:

1. Sự cố hỏng MBA T3 (110kV):
   - Công suất yêu cầu: S_UT_max = 70 MVA
   - Khả năng cấp qua 2 MBATN: 2 * alpha * S_dmTN = 2 * 0.5 * 160 = 160 MVA > 70 MVA (Đạt chuẩn)
   - Tải cuộn hạ lớn nhất: S_CH = 68.02 MVA < alpha * S_dmTN = 80 MVA (Không quá tải)
   - Công suất thiếu phát về HT: S_thieu = 74.95 MVA < S_dtHT = 480 MVA (Hệ thống bù an toàn)

2. Sự cố hỏng 1 MBATN (AT2):
   - Công suất yêu cầu cuộn nối tiếp: S_nt = alpha * (|S_CT| + |S_CH|) = 0.5 * (|-4.95| + |61.10|) = 33.02 MVA
   - Công suất định mức cuộn nối tiếp: alpha * S_dmTN = 80 MVA (Tải đạt 41.28% định mức)
   - Kết luận: MBA AT1 còn lại gánh tải an toàn tuyệt đối, không gây rã lưới.

Kết quả tính toán ngắn mạch và chọn khí cụ điện

Dòng ngắn mạch được tính toán chính xác tại các điểm nút nhằm chọn lựa thiết bị đóng cắt:

Điểm ngắn mạch Cấp điện áp ($U_{\text{cb}}$) Dòng siêu quá độ $I''$ (kA) Dòng xung kích $i_{\text{xk}}$ (kA) Xung lượng nhiệt $B_{\text{N}}$ ($\text{kA}^2\cdot\text{s}$) Thiết bị đóng cắt được chọn
N1 (Thanh cái 220kV) $230\text{ kV}$ $14,82$ $37,74$ $329,5$ Máy cắt SF6 HPL 245B1 ($I_{\text{cđm}} = 40\text{ kA}$)
N2 (Thanh cái 110kV) $115\text{ kV}$ $21,45$ $54,61$ $689,2$ Máy cắt SF6 3AP1-DT 145 ($I_{\text{cđm}} = 31,5\text{ kA}$)
N3 (Đầu cực máy phát) $10,5\text{ kV}$ $38,12$ $97,05$ $2180,4$ Máy cắt chân không hợp bộ ($I_{\text{cđm}} = 50\text{ kA}$)

Đổi mới và đóng góp

  1. Ứng dụng cấu hình ghép khối linh hoạt kết hợp MBATN: Loại bỏ hoàn toàn thanh cái máy phát tốn kém, giảm chi phí xây dựng trạm phân phối $10,5\text{ kV}$, tiết kiệm ước tính 12,5% chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống thanh dẫn và dao cách ly hạ áp.
  2. Tối ưu hóa tổn thất điện năng ($\Delta A$): Phương án I đạt tổng tổn thất điện năng $10.963,22\text{ MWh/năm}$, thấp hơn $385,66\text{ MWh/năm}$ so với Phương án II (tiết kiệm tương đương 3,4% lượng điện năng hao hụt hàng năm trong máy biến áp).
  3. Chuẩn hóa giải thuật tính toán ngắn mạch phức hợp: Tích hợp các hệ số suy giảm chu kỳ và không chu kỳ theo đường cong tính toán chuẩn hóa, tăng độ chính xác của xung lượng nhiệt $B_{\text{N}}$ lên hơn 98% so với phương pháp tính gần đúng cổ điển.
  4. Bộ quy trình xử lý sự cố thực tế cho MBA 110kV: Hệ thống hóa bảng mã nhận diện sự cố máy biến áp tại Trạm 110kV Mỹ Xá, phân loại rõ ràng giữa sự cố bên trong (nội bộ cuộn dây, chạm chập lá thép từ) và sự cố bên ngoài (quá tải, ngắn mạch ngoài, quá điện áp khí quyển).

Ứng dụng thực tế và triển khai

Chuyên đề: Vận hành và xử lý sự cố MBA T1 Trạm 110kV Mỹ Xá

Trạm biến áp 110kV Mỹ Xá (tỉnh Nam Định) giữ vai trò trọng yếu cấp điện cho KCN Mỹ Xá và khu vực lân cận. Nghiên cứu thực tế tại trạm tập trung vào máy biến áp lực T1 với các giải pháp kỹ thuật:

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  QUY TRÌNH XỬ LÝ SỰ CỐ MBA T1 TRẠM MỸ XÁ                |
+-------------------------------------------------------------------------+
                                    |
            +-----------------------+-----------------------+
            |                                               |
    [RƠLE KHÍ BUCHHOLZ 96]                      [RƠLE SO LỆCH DÒNG ĐIỆN 87T]
            |                                               |
    +-------+-------+                                       |
    |               |                                       |
(Báo Cấp 1)    (Báo Cấp 2 - Trip)              (Tác động cắt tức thời)
[Báo còi/đèn]   [Cắt MC các phía]                           |
    |               |                                       |
[Lấy mẫu khí]   [Kiểm tra rơle áp lực,        [Đo điện trở cách điện R60/R15]
[Kiểm tra màu]   van an toàn nổ]               [Đo điện trở 1 chiều cuộn dây]
    |               |                                       |
(Khí cháy được: (Cô lập MBA, thí nghiệm        (Kiểm tra biến dòng chân sứ)
Hư hỏng nội bộ) cách điện, báo cáo Điều độ)    (Thử nghiệm mẫu dầu DGA)

Phân tích sắc ký khí dầu (DGA) chuẩn đoán sự cố:

  • Khí $\text{H}_2, \text{CH}_4$: Cảnh báo phóng điện cục bộ (Corona / Partial Discharge).
  • Khí $\text{C}_2\text{H}_2$ (Acetylene): Cảnh báo hồ quang điện nhiệt độ cao do ngắn mạch cuộn dây.
  • Khí $\text{CO}, \text{CO}_2$: Cảnh báo suy giảm và lão hóa cách điện cellulose (giấy cách điện cuộn dây).

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật: Đồ án tập trung tính toán ngắn mạch đối xứng 3 pha $N^{(3)}$ và ngắn mạch duy trì để chọn thiết bị; chưa mô phỏng chi tiết chế độ ngắn mạch không đối xứng ($N^{(1)}, N^{(1,1)}, N^{(2)}$) trong điều kiện lưới điện có gắn nguồn năng lượng tái tạo phân tán.
  • Ràng buộc tài nguyên: Các thông số kinh tế thiết bị dựa trên đơn giá định mức quy chuẩn; chưa cập nhật biến động giá thiết bị đóng cắt SF6 và vật liệu đồng/nhôm theo thị trường quốc tế thời gian thực.
  • Hướng phát triển đề xuất:
    1. Ứng dụng phần mềm chuyên dụng (ETAP, PSS/E, DigSILENT PowerFactory) để mô phỏng động học quá độ máy phát khi hòa đồng bộ.
    2. Nghiên cứu tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng BESS (Battery Energy Storage System) tại thanh cái trung áp nhằm san phẳng đồ thị phụ tải đỉnh.
    3. Triển khai mô hình trạm biến áp số theo tiêu chuẩn IEC 61850 cho Trạm 110kV Mỹ Xá, thay thế cáp nhị thứ đồng bằng cáp quang Process Bus/Station Bus.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên chuyên ngành Hệ thống điện: Nắm vững tài liệu mẫu chuẩn mực về phương pháp cân bằng công suất, quy chuẩn tính chọn thiết bị phân phối từ $10,5\text{ kV}$ đến $220\text{ kV}$.
  • Kỹ sư thiết kế & Tư vấn điện: Sử dụng trực tiếp bảng số liệu tính toán mẫu, thuật toán phân tách công suất MBATN và quy trình kiểm tra ổn định nhiệt thanh dẫn.
  • Đơn vị quản lý vận hành lưới điện (Điện lực/Truyền tải): Ứng dụng cẩm nang xử lý sự cố máy biến áp lực 110kV, quy trình kiểm soát chất lượng dầu và vận hành an toàn hệ thống điều áp dưới tải.
  • Nhà nghiên cứu: Cung cấp dữ liệu cơ sở phục vụ các đề tài tối ưu hóa trào lưu công suất (Optimal Power Flow - OPF) và đánh giá độ tin cậy hệ thống điện $N-1$.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trong phương án thiết kế không bố trí thanh góp cấp điện áp máy phát?

Do phụ tải địa phương có công suất cực đại $S_{\max\text{ĐP}} = 13,84\text{ MVA}$, chỉ chiếm $8,79%$ tổng công suất định mức của 2 tổ máy phát trích nguồn ($2 \times 78,75\text{ MVA}$). Theo quy chuẩn thiết kế nhà máy điện, khi tỷ lệ trích phụ tải địa phương $< 15%$, việc trích điện trực tiếp từ đầu cực máy phát qua máy cắt phân đoạn sẽ giảm thiểu chi phí đầu tư thanh góp hạ áp, đơn giản hóa cấu trúc xây dựng nhà máy.

2. Máy biến áp tự ngẫu có ưu điểm gì vượt trội so với máy biến áp 3 cuộn dây thông thường?

MBATN có liên hệ cả về điện và từ giữa các cuộn dây, giúp công suất chế tạo nhỏ hơn công suất định mức ($S_{\text{ct}} = \alpha \cdot S_{\text{đm}} = 0,5 \cdot 160 = 80\text{ MVA}$). Nhờ đó, kích thước máy nhỏ gọn hơn, tiết kiệm kim loại màu, giảm điện kháng ngắn mạch, giảm tổn thất công suất ($\Delta P_0, \Delta P_{\text{N}}$) và hạ giá thành đầu tư đáng kể.

3. Điều kiện cần để có thể sử dụng máy biến áp tự ngẫu trong hệ thống điện là gì?

Cần thỏa mãn 2 điều kiện bắt buộc:

  1. Lưới điện ở cả 2 cấp điện áp (cao và trung) phải có điểm trung tính trực tiếp nối đất (thỏa mãn với lưới $\ge 110\text{ kV}$ tại Việt Nam).
  2. Hệ số có lợi $\alpha = \frac{U_{\text{cao}} - U_{\text{trung}}}{U_{\text{cao}}} \le 0,5 \div 0,7$ (trong đồ án $\alpha = 0,5$, rất có lợi về kinh tế - kỹ thuật).

4. Xung lượng nhiệt $B_{\text{N}}$ được tính toán nhằm mục đích gì?

Xung lượng nhiệt đặc trưng cho toàn bộ nhiệt lượng tỏa ra trên vật dẫn trong suốt thời gian tồn tại dòng ngắn mạch (bao gồm thành phần chu kỳ $B_{\text{Nck}}$ và không chu kỳ $B_{\text{Nkck}}$). Việc tính $B_{\text{N}}$ nhằm kiểm tra điều kiện ổn định nhiệt: tiết diện dây dẫn/thanh dẫn phải thỏa mãn $S \ge \frac{\sqrt{B_{\text{N}}}}{C}$ để vật liệu không bị biến dạng nhiệt hoặc nóng chảy khi có sự cố.

5. Khi rơle hơi (Buchholz) tác động báo tín hiệu cấp 1, nhân viên vận hành cần xử lý như thế nào?

Cần khẩn trương kiểm tra mức dầu trên bình dầu phụ, nhiệt độ lớp dầu trên cùng, tình trạng rỉ dầu máy biến áp; đồng thời tiến hành lấy mẫu khí tích tụ trong rơle qua van xả mẫu. Quan sát màu sắc khí (không màu, vàng, xám tro) và dùng thiết bị thử nghiệm tính cháy của khí để xác định chính xác bản chất sự cố cách điện bên trong thùng máy trước khi quyết định cô lập thiết bị.

Kết luận

Bản đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành xuất sắc toàn bộ khối lượng tính toán thiết kế phần điện cho Nhà máy Nhiệt điện công suất $5 \times 63\text{ MW}$ và xây dựng cẩm nang vận hành thực tế cho MBA T1 Trạm 110kV Mỹ Xá. Phương án I được chứng minh là giải pháp kỹ thuật tối ưu, đảm bảo tính kinh tế cao với tổn thất điện năng thấp ($10.963,22\text{ MWh/năm}$), chịu đựng hoàn hảo các chế độ sự cố đơn lẻ $N-1$ và đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật điện hiện hành. Đề tài đóng góp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho công tác đào tạo, thiết kế hệ thống điện và quản lý vận hành trạm biến áp truyền tải tại Việt Nam.