Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong hệ thống năng lượng quốc gia, công nghiệp điện giữ vai trò nền tảng phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Nhu cầu phụ tải điện tại Việt Nam không ngừng tăng trưởng trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp, dịch vụ và sinh hoạt dân dụng, đòi hỏi việc xây dựng và đưa vào vận hành các nguồn phát mới nhằm đảm bảo an ninh cung cấp điện. Trong bối cảnh đó, khâu thiết kế nhà máy điện đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa các chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế, nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng, mức độ an toàn cho người và thiết bị, đồng thời tối ưu hóa chi phí đầu tư và chi phí vận hành.
Đồ án tốt nghiệp thực hiện nhiệm vụ thiết kế sơ bộ phần điện cho một nhà máy thủy điện có quy mô công suất 280 MW. Căn cứ theo văn bản giao nhiệm vụ của Khoa Kỹ thuật & Công nghệ – Trường Đại học Quy Nhơn, đồ án giải quyết 8 nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:
- Tính toán phụ tải và cân bằng công suất toàn nhà máy.
- Xác định sơ đồ cấu trúc của nhà máy; phân tích, nhận xét từng sơ đồ; đề xuất các phương án nối điện và tính chọn máy biến áp.
- Tính toán kinh tế - kỹ thuật nhằm so sánh và lựa chọn phương án tối ưu.
- Tính toán dòng điện ngắn mạch cho các điểm đặc trưng trong sơ đồ được chọn.
- Tính chọn khí cụ điện và dây dẫn (máy cắt, dao cách ly, thanh dẫn cứng, dây dẫn mềm, sứ đỡ, máy biến dòng, máy biến điện áp, chống sét van).
- Tính chọn thiết bị và đường dây cho phụ tải địa phương.
- Tính chọn sơ đồ nối điện và các thiết bị tự dùng trong nhà máy điện.
- Thể hiện các kết quả thiết kế trên hệ thống bản vẽ kỹ thuật (sơ đồ nối điện chính, sơ đồ tự dùng, sơ đồ tính toán ngắn mạch, đồ thị phụ tải tổng hợp).
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là toàn bộ hệ thống thiết bị điện chính, thiết bị phụ và phương thức liên kết điện của nhà máy thủy điện công suất đặt 280 MW (gồm 5 tổ máy phát, mỗi tổ 56 MW). Phạm vi nghiên cứu về không gian bao gồm phần điện nội bộ nhà máy (cấp điện áp máy phát 10,5 kV, cấp điện áp phân phối tự dùng 6 kV và 0,4 kV), lưới phân phối địa phương (10 kV hạ áp xuống 6 kV), trạm phân phối trung áp (110 kV) và trạm phân phối cao áp (220 kV) liên kết với hệ thống điện quốc gia thông qua đường dây kép chiều dài 106 km. Phạm vi thời gian tính toán bao gồm chu kỳ phụ tải ngày 24 giờ và thời gian vận hành kinh tế hàng năm $t = 8760\text{ giờ}$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật điện lực và thiết kế nhà máy điện, được cụ thể hóa qua các giáo trình và tài liệu tra cứu chuyên ngành: Giáo trình Nhà máy điện và trạm biến áp (phần điện) của PGS.TS Huỳnh Đức Hoàn (2016) và PGS. Nguyễn Hữu Khái (1998); lý thuyết giải tích và phương pháp đường cong tính toán xác định dòng ngắn mạch theo Ngắn mạch trong hệ thống điện của PGS.TS Lã Văn Út (2002); các phương pháp lựa chọn dây dẫn và khí cụ điện theo Sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị điện từ 0,4 đến 500kV của Ngô Hồng Quang (2002) và tài liệu Mạng lưới điện của Nguyễn Văn Đạm (2005).
Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là phương pháp giải tích kỹ thuật kết hợp phân tích so sánh kinh tế - kỹ thuật:
- Phương pháp cân bằng công suất tác dụng và phản kháng theo các mốc thời gian trong ngày để xác định chế độ phát lên lưới và dòng điện làm việc cưỡng bức ($I_{lvcb}$).
- Phương pháp phân tích sơ đồ cấu trúc kết hợp đánh giá độ tin cậy và tính linh hoạt vận hành.
- Phương pháp kinh tế so sánh hàm chi phí tính toán quy đổi hàng năm ($C = P + a_{dm} \cdot V$), trong đó $V$ là tổng vốn đầu tư thiết bị phân phối và máy biến áp, $P$ là phí tổn vận hành hàng năm gồm chi phí khấu hao lớn ($a = 8,4%$) và chi phí tổn thất điện năng ($\beta = 700\text{ đồng/kWh}$).
- Phương pháp hệ đơn vị tương đối (với công suất cơ bản $S_{cb} = 1000\text{ MVA}$) kết hợp đường cong tính toán để xác định dòng ngắn mạch chu kỳ ban đầu ($I''$), dòng ngắn mạch duy trì ($I_\infty$) và dòng xung kích ($i_{xk}$).
- Phương pháp kiểm tra ổn định nhiệt và ổn định lực động điện đối với khí cụ điện, thanh dẫn và cáp lực; kiểm tra điều kiện tự dập vầng quang điện đối với đường dây trên không cấp điện áp cao.
Nguồn dữ liệu đầu vào được xác định từ văn bản nhiệm vụ thiết kế, bao gồm:
- Nhà máy thủy điện: 5 tổ máy $\times$ 56 MW; hệ số tự dùng cực đại $\alpha = 1,7%$.
- Biểu đồ biến thiên công suất phát hàng ngày: 0-5h (75%), 5-8h (75%), 8-11h (90%), 11-14h (85%), 14-16h (100%), 16-19h (85%), 19-20h (85%), 20-24h (80%).
- Phụ tải địa phương: $U_{đm} = 10\text{ kV}$, $P_{max} = 10\text{ MW}$, $\cos\varphi = 0,86$; gồm 2 lộ cáp kép $2 \times 3\text{ MW}$ và 2 lộ cáp đơn $2 \times 2,5\text{ MW}$; thời gian cắt rơle $t_C = 0,5\text{ s}$.
- Phụ tải trung áp: $U_{đm} = 110\text{ kV}$, $P_{max} = 100\text{ MW}$, $\cos\varphi = 0,87$; gồm 2 đường dây kép $2 \times 30\text{ MW}$ và 2 đường dây đơn $2 \times 25\text{ MW}$.
- Hệ thống điện: $U_{đm} = 220\text{ kV}$, $S_{đm} = 2500\text{ MVA}$, công suất ngắn mạch $S_N = 3400\text{ MVA}$, dự trữ quay $S_{dtht} = 180\text{ MVA}$, đường dây kép liên lạc dài 106 km.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN PHỤ TẢI VÀ CÂN BẰNG CÔNG SUẤT
Chương này thực hiện chọn sơ bộ máy phát điện và tính toán cân bằng công suất trong toàn bộ các khung giờ của ngày phụ tải điển hình.
- Lựa chọn 5 tổ máy phát điện đồng bộ thủy điện cùng loại kiểu CB-465/210-16 có các thông số: $S_{đm} = 66\text{ MVA}$, $P_{đm} = 56\text{ MW}$, $\cos\varphi_{đm} = 0,85$, $U_{đm} = 10,5\text{ kV}$, $I_{đm} = 3,64\text{ kA}$, điện kháng $x''_d = 0,21$, $x'd = 0,21$, $x_d = 0,91$. Tổng công suất định mức toàn nhà máy là $S{NM} = 5 \times 66 = 330\text{ MVA}$.
- Phụ tải địa phương ($U_{đm} = 10\text{ kV}$): Công suất cực đại $S_{đp,max} = 11,63\text{ MVA}$ (xuất hiện trong các khoảng thời gian 8-12h và 12-14h), cực tiểu $S_{đp,min} = 6,98\text{ MVA}$ (từ 0-6h và 20-24h).
- Phụ tải trung áp ($U_{đm} = 110\text{ kV}$): Công suất cực đại $S_{T,max} = 114,94\text{ MVA}$ (tại 14-17h), cực tiểu $S_{T,min} = 68,96\text{ MVA}$ (tại 20-24h).
- Phụ tải tự dùng: Tính theo hệ số $\alpha = 1,7%$ trên công suất đặt của nhà máy, lấy không đổi trong ngày với giá trị $S_{td} = 5,6\text{ MVA}$.
- Công suất phát vào hệ thống: $S_{HT}(t) = S_{NM}(t) - [S_{đp}(t) + S_T(t) + S_{td}(t)]$. Giá trị phát cực đại lên hệ thống là $S_{HT,max} = 198,99\text{ MVA}$ (tại 14-16h), giá trị phát cực tiểu là $S_{HT,min} = 150,16\text{ MVA}$ (tại 16-17h).
- Tác giả xét tỷ số phụ tải địa phương cực đại so với công suất hai máy phát: $\frac{S_{đp,max}}{2S_{đmF}} = \frac{11,63}{2 \times 66} = 8,81% < 15%$, từ đó rút ra kết luận không cần thiết lập hệ thống thanh góp điện áp đầu cực máy phát, giúp tối giản sơ đồ trạm.
| Đại lượng công suất | Cực tiểu (MVA) | Cực đại (MVA) |
|---|---|---|
| Phụ tải máy phát toàn nhà máy ($S_{NM}$) | 247,06 | 329,41 |
| Phụ tải tự dùng toàn trạm ($S_{td}$) | 5,60 | 5,60 |
| Phụ tải địa phương ($S_{đp}$) | 6,98 | 11,63 |
| Phụ tải phía trung áp 110 kV ($S_T$) | 68,96 | 114,94 |
| Công suất phát vào hệ thống 220 kV ($S_{HT}$) | 150,16 | 198,99 |
CHƯƠNG 2: CHỌN SƠ ĐỒ NỐI ĐIỆN CHÍNH CỦA NHÀ MÁY
Chương 2 đề xuất và phân tích 7 sơ đồ cấu trúc nối điện có thể sử dụng (được mã hóa từ Phương án 1 đến Phương án 7), sau đó sàng lọc lấy 2 phương án hợp lý nhất để tính toán chi tiết:
- Phương án 4 (Sơ đồ 4): Sử dụng 2 bộ máy phát – máy biến áp hai cuộn dây ($B_1-F_1$ nối lên thanh góp 220 kV, $B_5-F_5$ nối lên thanh góp 110 kV) và 3 máy biến áp tự ngẫu ($B_2, B_3, B_4$) liên lạc giữa các cấp 220 kV, 110 kV và 10,5 kV.
- Phương án 6 (Sơ đồ 6): Sử dụng 3 bộ máy phát – máy biến áp hai cuộn dây ($F_1-B_1$, $F_2-B_2$ nối lên thanh góp 220 kV; $F_5-B_5$ nối lên thanh góp 110 kV) và 2 máy biến áp tự ngẫu liên lạc ($B_3, B_4$).
- Máy biến áp hai cuộn dây được chọn là loại ТДЦ-80/242 (cho phía 220 kV) và ТДЦ-80/121 (cho phía 110 kV) cùng công suất định mức 80 MVA. Máy biến áp tự ngẫu được chọn là loại АТДЦТН-160/230 công suất định mức 160 MVA ($230/121/11\text{ kV}$).
- Tác giả tiến hành kiểm tra khả năng tải trong chế độ làm việc bình thường và sự cố (sự cố hỏng MBA hai cuộn dây $B_5$ hoặc sự cố 1 MBA tự ngẫu). Ở cả hai phương án, lượng công suất thiếu hụt truyền về hệ thống khi gặp sự cố nặng nề nhất đều nhỏ hơn công suất dự trữ quay của hệ thống ($S_{thiếu} < S_{dtht} = 180\text{ MVA}$).
- Tính toán tổn thất điện năng hàng năm trong các máy biến áp:
- Phương án 4: Tổng tổn thất điện năng là $\Delta A_4 = 2544,52 + 2399,31 + 3 \times 1333,19 = 8943,40 \times 10^3\text{ kWh}$.
- Phương án 6: Tổng tổn thất điện năng là $\Delta A_6 = 2 \times 2544,52 + 2399,31 + 2 \times 1141,54 = 9771,43 \times 10^3\text{ kWh}$ ($9771,43\text{ MWh}$).
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN KINH TẾ - KỸ THUẬT CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU
Mục tiêu của chương là so sánh định lượng hai Phương án 4 và 6 về mặt kinh tế để xác định phương án tối ưu.
- Dòng điện làm việc cưỡng bức ($I_{lvcb}$) tính toán cho các cấp điện áp: Cấp 220 kV có $I_{lvcb} = 0,52\text{ kA}$; Cấp 110 kV có $I_{lvcb} = 0,36\text{ kA}$; Cấp 10,5 kV có $I_{lvcb} = 3,81\text{ kA}$.
- Lựa chọn sơ bộ máy cắt điện: Cấp 220 kV dùng máy cắt 3AQ1; cấp 110 kV dùng máy cắt 3AQ1-FG; cấp 10,5 kV dùng tủ hợp bộ 8FG10.
- Thiết kế sơ đồ phân phối: Cấp 220 kV dùng hệ thống hai thanh góp có thanh góp vòng; Cấp 110 kV dùng hệ thống hai thanh góp có máy cắt liên lạc; Cấp 10,5 kV không có thanh góp đầu cực máy phát.
- So sánh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật tổng hợp giữa hai phương án:
| Chỉ tiêu kinh tế | Phương án 4 | Phương án 6 |
|---|---|---|
| Vốn đầu tư thiết bị ($V$) | $61,19 \times 10^9\text{ đồng}$ | $53,25 \times 10^9\text{ đồng}$ |
| Phí tổn vận hành hàng năm ($P$) | $11,40 \times 10^9\text{ đồng}$ | $11,31 \times 10^9\text{ đồng}$ |
| Chi phí tính toán quy đổi ($C$) | $20,58 \times 10^9\text{ đồng}$ | $19,30 \times 10^9\text{ đồng}$ |
Nhận xét: Phương án 6 có vốn đầu tư thấp hơn $7,94 \times 10^9\text{ đồng}$, phí tổn vận hành hàng năm thấp hơn và chi phí tính toán nhỏ hơn $1,28 \times 10^9\text{ đồng}$. Về mặt kỹ thuật, Phương án 6 chỉ sử dụng 2 máy biến áp tự ngẫu giúp đơn giản hóa sơ đồ thiết bị phân phối, vận hành thuận tiện hơn so với việc bố trí 3 máy biến áp tự ngẫu ở Phương án 4. Do đó, Phương án 6 được khẳng định là phương án tối ưu được chọn để thiết kế chi tiết.
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH
Chương 4 thực hiện tính toán dòng ngắn mạch cho Phương án 6 nhằm làm căn cứ kiểm tra và lựa chọn toàn bộ thiết bị điện.
- Các đại lượng cơ bản: $S_{cb} = 1000\text{ MVA}$; điện áp cơ bản $U_{cb}$ lần lượt là 230 kV, 115 kV và 10,5 kV. Dòng điện cơ bản tương ứng: $I_{cb(220)} = 2,51\text{ kA}$; $I_{cb(110)} = 5,02\text{ kA}$; $I_{cb(10)} = 54,99\text{ kA}$.
- Tính toán điện kháng tương đối định mức của các phần tử: Điện kháng hệ thống $X_{HT} = 0,29$; đường dây $X_D = 0,40$; máy phát $X''_F = 3,18$; máy biến áp hai cuộn dây $X_B = 1,38$; các cuộn dây máy biến áp tự ngẫu ($X_C = 1,09$; $X_T = 0$; $X_H = 2,91$).
- Bảng tổng hợp dòng điện ngắn mạch tại các điểm tính toán:
| Điểm ngắn mạch | Vị trí tính toán | $I''$ (kA) | $I_\infty$ (kA) | $i_{xk}$ (kA) |
|---|---|---|---|---|
| N1 | Thanh góp phía cao áp 220 kV | 6,51 | 6,03 | 16,57 |
| N2 | Thanh góp phía trung áp 110 kV | 7,73 | 7,99 | 19,68 |
| N3 | Phía 10,5 kV cuộn hạ MBA liên lạc (nguồn hệ thống + các máy phát trừ $F_3$) | 14,93 | 15,78 | 38,01 |
| N3' | Phía 10,5 kV cuộn hạ MBA liên lạc (chỉ riêng nguồn máy phát $F_3$) | 15,24 | 12,34 | 38,79 |
| N4 | Mạch tự dùng và mạch phụ tải điện áp máy phát 10,5 kV | 30,17 | 28,12 | 76,80 |
CHƯƠNG 5: CHỌN KHÍ CỤ ĐIỆN VÀ DÂY DẪN
Chương này thực hiện lựa chọn và kiểm định chi tiết các phần tử dẫn điện và khí cụ đóng cắt:
- Máy cắt và dao cách ly:
- Cấp 220 kV: Chọn máy cắt 3AQ1 ($U_{đm} = 245\text{ kV}$, $I_{đm} = 4\text{ kA}$, $I_{cđm} = 40\text{ kA}$, $i_{ldd} = 100\text{ kA}$); dao cách ly РНД-220T/1500 ($U_{đm} = 220\text{ kV}$, $I_{đm} = 1,5\text{ kA}$, $i_{ldd} = 80\text{ kA}$).
- Cấp 110 kV: Chọn máy cắt 3AQ1-FG ($U_{đm} = 123\text{ kV}$, $I_{đm} = 3,15\text{ kA}$, $I_{cđm} = 31,5\text{ kA}$, $i_{ldd} = 80\text{ kA}$); dao cách ly 3РДЗ-110/2000 ($U_{đm} = 110\text{ kV}$, $I_{đm} = 2\text{ kA}$, $i_{ldd} = 100\text{ kA}$).
- Cấp 10,5 kV: Chọn máy cắt 8FG10 ($U_{đm} = 12\text{ kV}$, $I_{đm} = 12,5\text{ kA}$, $I_{cđm} = 80\text{ kA}$, $i_{ldd} = 225\text{ kA}$); dao cách ly РВР-20/6300У3 ($U_{đm} = 20\text{ kV}$, $I_{đm} = 6,3\text{ kA}$, $i_{ldd} = 220\text{ kA}$).
- Dây dẫn mềm và thanh góp ngoài trời: Chọn dây nhôm lõi thép AC-300/39 cho cấp 220 kV ($I_{cp} = 690\text{ A}$, kiểm tra điện áp vầng quang tới hạn $U_{vq} = 223,74\text{ kV} \ge 220\text{ kV}$) và dây AC-150/19 cho cấp 110 kV ($I_{cp} = 445\text{ A}$, $U_{vq} = 152,76\text{ kV} \ge 110\text{ kV}$).
- Thanh dẫn cứng đầu cực máy phát: Dùng thanh đồng hình máng có sơn, kích thước $125 \times 55 \times 6,5\text{ mm}$, tiết diện $1370\text{ mm}^2$, dòng cho phép $I_{cp} = 5500\text{ A}$. Kiểm tra ổn định động cho ứng suất tính toán $\sigma_{tt} = 6,1\text{ kG/cm}^2$, nhỏ hơn ứng suất cho phép $\sigma_{cp} = 1400\text{ kG/cm}^2$.
- Sứ đỡ cách điện: Chọn loại OФР-20-750У3 ($U_{đm} = 20\text{ kV}$, lực phá hoại $F_{ph} = 750\text{ kG}$).
- Biến điện áp (BU) và Biến dòng điện (BI): Cấp 220 kV chọn biến dòng ТФН-220-3T, biến điện áp НКФ-220-58; Cấp 110 kV chọn biến dòng ТФН-110M, biến điện áp НКФ-110-57; Cấp 10,5 kV chọn biến điện áp 3HOM-15 và biến dòng kiểu thanh dẫn ТШЛ-20-1 ($8000/5\text{ A}$).
- Phụ tải địa phương: Dùng cáp đồng cách điện giấy tẩm dầu tiết diện $95\text{ mm}^2$; máy biến áp địa phương ТДНС-16000/10 ($16\text{ MVA}$, $10,5/6,3\text{ kV}$); máy cắt hợp bộ 8BK41 (phía 10,5 kV) và 8DA10 (phía 6 kV); cáp được kiểm tra thỏa mãn ổn định nhiệt khi ngắn mạch tại các điểm N5 ($I'' = 11,36\text{ kA}$) và N6 ($I'' = 7,09\text{ kA}$).
- Chống sét van: Đặt chống sét van PBC-220 trên thanh góp 220 kV và cuộn cao MBA tự ngẫu; đặt PBC-110 trên thanh góp 110 kV, cuộn trung MBA tự ngẫu và đầu cực 110 kV của MBA hai cuộn dây; đặt PBC-35 tại điểm trung tính của MBA hai cuộn dây 110 kV.
CHƯƠNG 6: CHỌN SƠ ĐỒ VÀ THIẾT BỊ TỰ DÙNG
Chương 6 giải quyết nguồn cấp và thiết bị cho hệ thống điện tự dùng:
- Máy biến áp tự dùng cấp I: 2 máy kiểu TM-1600/10 công suất $1600\text{ kVA}$ ($10/6,3\text{ kV}$).
- Máy biến áp tự dùng cấp II: Chọn kiểu ТСЗ-160/10 công suất $160\text{ kVA}$ ($6/0,4\text{ kV}$).
- Máy biến áp tự dùng dự trữ: Chọn kiểu ТМН-2500/10 công suất $2500\text{ kVA}$ ($10/6,3\text{ kV}$).
- Máy cắt phía cao áp tự dùng chọn 8FG10; máy cắt hạ áp phân đoạn 6 kV chọn loại ít dầu ВМ-10-630-20 ($U_{đm} = 10\text{ kV}$, $I_{đm} = 630\text{ A}$, $I_{cđm} = 20\text{ kA}$; dòng ngắn mạch tính toán tại điểm N7 là $I''{N7} = 2,53\text{ kA}$, $i{xk} = 6,55\text{ kA}$).
- Dao cách ly mạch tự dùng: PBК-20/5000 ($U_{đm} = 20\text{ kV}$, $I_{đm} = 5\text{ kA}$).
- Phía hạ áp thanh góp 0,4 kV: Dòng ngắn mạch tại điểm N8 tính được là $I''{N8} = 4,01\text{ kA}$; chọn aptomat bảo vệ loại Compact M08 do hãng Merlin Gerin chế tạo ($U{đm} = 690\text{ V}$, $I_{đm} = 800\text{ A}$, dòng cắt định mức $I_{cđm} = 40\text{ kA}$).
Thiết kế và triển khai
Cấu trúc hệ thống điện nhà máy thủy điện 280 MW theo Phương án 6 được thiết kế với kiến trúc mạch điện nhất thứ phân cấp rõ ràng:
- Kiến trúc khối phát - biến áp và liên lạc:
- Hai tổ máy phát $F_1, F_2$ ghép nối bộ trực tiếp với hai máy biến áp hai cuộn dây $B_1, B_2$ (loại ТДЦ-80/242, $80\text{ MVA}$) đưa điện áp lên hệ thống thanh góp 220 kV.
- Một tổ máy phát $F_5$ ghép nối bộ với máy biến áp hai cuộn dây $B_5$ (loại ТДЦ-80/121, $80\text{ MVA}$) đưa điện áp lên hệ thống thanh góp 110 kV.
- Hai tổ máy phát $F_3, F_4$ nối vào hạ áp của hai máy biến áp tự ngẫu liên lạc $B_3, B_4$ (loại АТДЦТН-160/230, $160\text{ MVA}$). Cuộn cao và cuộn trung của hai máy biến áp này đấu nối tương ứng vào thanh cái 220 kV và 110 kV, thực hiện nhiệm vụ liên lạc linh hoạt giữa các cấp điện áp và tải công suất thừa lên lưới quốc gia.
- Kiến trúc trạm phân phối:
- Cấp 220 kV: Sử dụng sơ đồ hai hệ thống thanh góp có thanh góp vòng với 6 máy cắt 3AQ1, đảm bảo tính liên tục cấp điện và cho phép bảo dưỡng sửa chữa máy cắt mà không làm gián đoạn vận hành tuyến truyền tải.
- Cấp 110 kV: Sử dụng sơ đồ hai hệ thống thanh góp có máy cắt liên lạc với 4 máy cắt 3AQ1-FG.
- Cấp 10,5 kV: Không xây dựng hệ thống thanh góp máy phát nhằm hạn chế dòng ngắn mạch duy trì ở cấp điện áp thấp và giảm số lượng máy cắt dòng lớn, mạch rẽ nhánh được lấy trực tiếp từ đầu cực khối máy phát - biến áp.
- Kiểm tra công nghệ và độ an toàn kỹ thuật:
- Khả năng chịu đựng ngắn mạch: Máy cắt 3AQ1 và 3AQ1-FG đều có dòng cắt định mức ($40\text{ kA}$ và $31,5\text{ kA}$) cùng dòng ổn định lực động điện ($100\text{ kA}$ và $80\text{ kA}$) vượt xa các giá trị ngắn mạch cực đại tại N1 ($I'' = 6,51\text{ kA}$, $i_{xk} = 16,57\text{ kA}$) và N2 ($I'' = 7,73\text{ kA}$, $i_{xk} = 19,68\text{ kA}$).
- Ổn định nhiệt thanh dẫn và cáp: Cáp đồng $95\text{ mm}^2$ cấp cho phụ tải địa phương có dòng ổn định nhiệt tính toán đạt $13,395\text{ kA}$ (tại đầu đường dây) và $18,94\text{ kA}$ (tại trạm cuối), hoàn toàn thỏa mãn các dòng ngắn mạch sự cố $I''{N5} = 11,36\text{ kA}$ và $I''{N6} = 7,09\text{ kA}$.
- Bảo vệ chống sét và quá điện áp: Phối hợp cách điện hoàn chỉnh giữa các chống sét van PBC-220, PBC-110 trên thanh góp và các cuộn dây máy biến áp, kết hợp chống sét van PBC-35 bảo vệ cách điện trung tính máy biến áp 110 kV.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn việc tính toán và thiết kế sơ bộ phần điện cho nhà máy thủy điện công suất 280 MW với các kết quả cụ thể:
- Xác lập bảng cân bằng công suất 24 giờ cho toàn bộ các thành phần (máy phát, tự dùng $5,6\text{ MVA}$, phụ tải địa phương cực đại $11,63\text{ MVA}$, phụ tải trung áp cực đại $114,94\text{ MVA}$ và công suất phát cực đại về hệ thống $198,99\text{ MVA}$).
- Chứng minh tính tối ưu vượt trội của Phương án 6 so với Phương án 4 thông qua các số liệu kinh tế định lượng: tiết kiệm $7,94 \times 10^9\text{ đồng}$ vốn đầu tư ban đầu ($53,25 \times 10^9\text{ đồng}$ so với $61,19 \times 10^9\text{ đồng}$) và giảm chi phí tính toán hàng năm quy đổi từ $20,58 \times 10^9\text{ đồng}$ xuống $19,30 \times 10^9\text{ đồng}$.
- Tính toán chính xác các thông số dòng ngắn mạch tại 5 vị trí trọng yếu làm cơ sở lựa chọn danh mục khí cụ điện và dây dẫn đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật về phát nóng lâu dài, ổn định nhiệt, ổn định lực động điện và tự dập vầng quang.
- Thiết kế hệ thống tự dùng 2 cấp hoàn chỉnh với các máy biến áp tự dùng TM-1600/10, ТСЗ-160/10 và máy biến áp dự trữ ТМН-2500/10, trang bị aptomat đóng cắt M08 bảo vệ lưới 0,4 kV.
Về mặt đóng góp học thuật và thiết kế, tác giả đã vận dụng đúng đắn quy trình thiết kế kinh điển của ngành kỹ thuật hệ thống điện, xử lý bài toán lựa chọn giữa số lượng máy biến áp tự ngẫu và máy biến áp hai cuộn dây, đồng thời đề xuất giải pháp nối dây không dùng thanh góp điện áp máy phát dựa trên phân tích tỷ số phụ tải địa phương, giúp hạ giá thành xây dựng trạm phân phối hạ áp.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Theo giới hạn phạm vi trình bày của đồ án tốt nghiệp kỹ sư:
- Đồ án dừng lại ở mức độ "thiết kế sơ bộ phần điện", chưa triển khai thiết kế chi tiết phần mạch nhị thứ (sơ đồ nguyên lý đấu nối chi tiết bảo vệ rơle, hệ thống SCADA và đo lường điều khiển giám sát).
- Phần tính toán ngắn mạch thực hiện theo phương pháp đường cong tính toán đối với ngắn mạch ba pha duy trì và xung kích đối xứng, chưa xét tới các dạng ngắn mạch không đối xứng (ngắn mạch một pha chạm đất, ngắn mạch hai pha) vốn chiếm tỷ lệ lớn trong vận hành thực tế lưới 110 kV và 220 kV.
- Hướng mở rộng tiếp theo từ đồ án là tính toán phối hợp bảo vệ rơle số và tự động hóa cho các khối máy phát – máy biến áp, mô phỏng ổn định động của hệ thống khi có sự cố trên tuyến đường dây 220 kV liên lạc dài 106 km bằng các phần mềm chuyên dụng, và thiết kế hệ thống nối đất an toàn cho trạm phân phối.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện và Năng lượng tái tạo khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế nhà máy điện & trạm biến áp hoặc đồ án tốt nghiệp đại học.
Các phần có giá trị thực hành cao gồm:
- Quy trình tính toán lựa chọn công suất máy biến áp liên lạc tự ngẫu và kiểm tra khả năng mang tải trong các tình huống sự cố.
- Phương pháp lập bảng cân bằng công suất và phương pháp tính toán so sánh kinh tế - kỹ thuật bằng hàm chi phí quy đổi.
- Bảng biểu tính toán ngắn mạch theo phương pháp đơn vị tương đối và các bước kiểm tra ổn định động, ổn định nhiệt của thanh dẫn cứng và cáp điện lực.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao tác giả không thiết kế hệ thống thanh góp ở cấp điện áp máy phát 10,5 kV?
Tác giả căn cứ vào kết quả tính toán tỷ số công suất phụ tải địa phương cực đại so với công suất định mức của hai tổ máy phát: $\frac{S_{đp,max}}{2S_{đmF}} = \frac{11,63}{2 \times 66} = 8,81%$. Vì tỷ số này nhỏ hơn $15%$ nên theo quy trình thiết kế kỹ thuật, phụ tải địa phương được cấp điện bằng cách rẽ nhánh trực tiếp từ bộ máy phát - biến áp mà không cần xây dựng thanh góp điện áp máy phát, giúp giảm đáng kể chi phí thiết bị và tránh được dòng ngắn mạch rất lớn tại đầu cực máy phát.
Vì sao Phương án 6 được lựa chọn thay vì Phương án 4 dù cả hai đều thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật?
Phương án 6 có tổng vốn đầu tư thiết bị thấp hơn ($53,25 \times 10^9\text{ đồng}$ so với $61,19 \times 10^9\text{ đồng}$), phí tổn vận hành hàng năm thấp hơn ($11,31 \times 10^9\text{ đồng}$ so với $11,40 \times 10^9\text{ đồng}$) và chi phí tính toán quy đổi nhỏ hơn ($19,30 \times 10^9\text{ đồng}$ so với $20,58 \times 10^9\text{ đồng}$). Ngoài ra, Phương án 6 chỉ dùng 2 máy biến áp tự ngẫu (Phương án 4 dùng 3 máy), giúp sơ đồ thiết bị phân phối gọn gàng, giảm dòng ngắn mạch và thuận tiện hơn cho công tác bảo dưỡng, vận hành.
Dây dẫn mềm trên không ở cấp 220 kV và 110 kV được chọn loại nào và điều kiện chống vầng quang được kiểm tra ra sao?
Dây dẫn mềm cấp 220 kV là loại AC-300/39 có điện áp vầng quang tới hạn tính được là $U_{vq} = 223,74\text{ kV}$, lớn hơn điện áp mạng $220\text{ kV}$. Dây dẫn cấp 110 kV là loại AC-150/19 có điện áp vầng quang tới hạn tính được là $U_{vq} = 152,76\text{ kV}$, lớn hơn điện áp mạng $110\text{ kV}$. Do đó cả hai loại dây đều thỏa mãn điều kiện không phát sinh vầng quang điện khi vận hành bình thường.
Khi xảy ra sự cố hỏng một máy biến áp tự ngẫu liên lạc ở Phương án 6, việc cấp điện có bị gián đoạn không?
Không. Khi sự cố 1 máy biến áp tự ngẫu (chẳng hạn $B_3$), máy biến áp tự ngẫu còn lại ($B_4$) với hệ số quá tải cho phép lúc sự cố $k_{qt} = 1,4$ có thể truyền tải công suất lên tới $112\text{ MVA}$. Lượng công suất thiếu hụt phát về hệ thống khi đó chỉ là $7,29\text{ MVA}$, hoàn toàn nằm trong phạm vi dự trữ quay của hệ thống điện ($S_{dtht} = 180\text{ MVA}$), do đó nhà máy vẫn vận hành an toàn và cấp điện đầy đủ cho phụ tải trung áp.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế phần điện nhà máy Thủy điện" của sinh viên Khoa Kỹ thuật & Công nghệ – Trường Đại học Quy Nhơn đã thực hiện hoàn chỉnh quy trình thiết kế sơ bộ hệ thống điện cho nhà máy thủy điện công suất 280 MW. Thông qua các phương pháp tính toán giải tích khoa học, đề tài đã lựa chọn cấu trúc sơ đồ nối điện Phương án 6 tối ưu về mặt kinh tế - kỹ thuật, đồng thời xác lập hệ thống khí cụ điện, dây dẫn và mạch tự dùng bảo đảm độ tin cậy và an toàn vận hành cao. Bản thuyết minh cùng hệ thống số liệu trích xuất chính xác là tài liệu tham khảo chuẩn mực cho các nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật thuộc chuyên ngành Kỹ thuật hệ thống điện.