Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Điện năng là nguồn năng lượng thứ cấp giữ vai trò thiết yếu trong hoạt động sản xuất công nghiệp và đời sống xã hội. Khác với các nguồn năng lượng hóa thạch hay thủy năng, điện năng khó lưu trữ quy mô lớn khi dư thừa và đòi hỏi sự cân bằng liên tục giữa công suất phát và công suất tiêu thụ. Trong bối cảnh phát triển kinh tế, sự gia tăng nhanh chóng của các khu công nghiệp, khu chế xuất kéo theo nhu cầu phụ tải điện ngày càng cao. Việc truyền tải điện năng đi xa từ các nhà máy điện công suất lớn về trung tâm phụ tải phát sinh tổn hao điện áp và tổn thất công suất. Biện pháp kỹ thuật căn bản được áp dụng là nâng cao điện áp truyền tải lên các cấp siêu cao áp và cao áp (500 kV, 220 kV, 110 kV), sau đó sử dụng các trạm biến áp hạ áp để phân phối điện năng đến cấp điện áp phân phối (22 kV). Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế trạm biến áp 220/110/22 kV và hệ thống nối đất chống sét cho trạm" của tác giả Hà Huy Phước (chuyên ngành Điện công nghiệp, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh, thực hiện năm 2018) được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một trạm biến áp khu vực đóng vai trò trung tâm liên lạc nguồn và phụ tải.
Mục tiêu của đề tài là hệ thống hóa lý thuyết cung cấp điện và giải quyết các bài toán thiết kế kỹ thuật trạm biến áp cấp điện áp 220/110/22 kV kết hợp hệ thống bảo vệ an toàn nối đất chống sét. Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 10 nội dung kỹ thuật chính thuộc Phần I và 2 chuyên đề bảo vệ thuộc Phần II:
- Nghiên cứu tổng quan về trạm biến áp và phân loại thiết bị điện trong trạm.
- Cân bằng công suất phụ tải và xây dựng đồ thị phụ tải 24 giờ của các cấp điện áp.
- Phân tích, so sánh và lựa chọn sơ đồ cấu trúc trạm biến áp.
- Tính toán lựa chọn số lượng, chủng loại và dung lượng định mức của máy biến áp chính và máy biến áp tự dùng.
- Lựa chọn sơ đồ nối điện chính cho các cấp điện áp 220 kV, 110 kV và 22 kV.
- Tính toán dòng điện ngắn mạch tại các điểm sự cố đặc trưng trong hệ thống điện.
- Tính toán tổn thất điện năng trong máy biến áp.
- Lựa chọn máy cắt điện và dao cách ly.
- Đánh giá chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật để chọn phương án tối ưu.
- Lựa chọn khí cụ điện và các phần dẫn điện.
Phần chuyên đề: Thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm và thiết kế hệ thống nối đất an toàn.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là trạm biến áp giảm áp khu vực liên lạc giữa lưới truyền tải 220 kV, lưới phân phối 110 kV và lưới trung áp 22 kV, cùng hệ thống công trình phụ trợ bảo vệ xung sét và nối đất. Phạm vi không gian và nguồn cấp của trạm được xác định qua các thông số kỹ thuật đầu vào:
- Nguồn cung cấp: Hệ thống điện cấp điện áp qua 2 đường dây 224 kV có chiều dài 80 km, dòng ngắn mạch hệ thống $I_N = 26,5\text{ kA}$.
- Phụ tải cấp 110 kV: Công suất cực đại $S_{\max} = 580\text{ MVA}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,85$, $\text{tg}\varphi = 0,62$, cấp điện cho 8 lộ đường dây xuất tuyến.
- Phụ tải cấp 22 kV: Công suất cực đại $S_{\max} = 175\text{ MVA}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,85$, $\text{tg}\varphi = 0,62$, cấp điện cho 8 lộ đường dây xuất tuyến.
- Thanh góp 220 kV không có phụ tải trực tiếp tại trạm. Phụ tải tự dùng của trạm được ấn định ở mức 0,5 MVA.
- Phạm vi thời gian nghiên cứu: Đồ án hoàn thành vào tháng 1 năm 2018 tại TP. Hồ Chí Minh.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế
Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý kỹ thuật cung cấp điện, lý thuyết khí cụ điện, giải tích hệ thống điện và phương pháp tính toán quá độ dòng ngắn mạch trong lưới điện xoay chiều ba pha. Về phân loại phụ tải điện, tác giả dựa trên mức độ yêu cầu liên tục cung cấp điện để phân loại ba nhóm hộ tiêu thụ:
- Phụ tải loại 1: Các phụ tải khi mất điện sẽ gây nguy hiểm tính mạng con người, thiệt hại lớn về kinh tế hoặc ảnh hưởng chính trị. Nhóm này yêu cầu cấp điện liên tục từ hai nguồn độc lập.
- Phụ tải loại 2: Các phụ tải mà sự cố mất điện gây ngừng trệ sản xuất, hư hỏng sản phẩm, thiết bị và lãng phí nhân công, cho phép mất điện trong thời gian đóng nguồn dự phòng.
- Phụ tải loại 3: Các phụ tải cho phép độ tin cậy cấp điện thấp, có thể gián đoạn cấp điện trong thời gian thao tác sửa chữa, thay thế thiết bị sự cố.
Về lý thuyết tính chọn máy biến áp, đồ án áp dụng phương pháp cân bằng công suất cực đại và kiểm tra hệ số quá tải theo tiêu chuẩn vận hành:
- Khả năng quá tải thường xuyên với hệ số $K_{\text{qtbt}} = 1$ trong tính toán ban đầu.
- Khả năng quá tải sự cố: Máy biến áp đặt ngoài trời cho phép hệ số quá tải sự cố cực đại $K_{\text{qtsc}} = 1,4$; máy biến áp đặt trong nhà cho phép $K_{\text{qtsc}} = 1,3$. Thời gian vận hành quá tải cho phép tối đa 6 giờ trong một ngày đêm và không kéo dài quá 5 ngày đêm liên tục, với điều kiện hệ số mang tải trước sự cố $K_1 < 0,93$.
Phương pháp giải tích tính toán ngắn mạch được triển khai theo hệ đơn vị tương đối cơ bản. Tác giả xác định các đại lượng cơ bản: công suất cơ bản $S_{\text{cb}} = 1000\text{ MVA}$ và điện áp cơ bản $U_{\text{cb}}$ lấy theo giá trị điện áp định mức trung bình của từng cấp lưới ($U_{\text{cb1}} = 230\text{ kV}$, $U_{\text{cb2}} = 115\text{ kV}$, $U_{\text{cb3}} = 22\text{ kV}$ hoặc $23\text{ kV}$). Các giả thiết đơn giản hóa khi giải tích ngắn mạch gồm:
- Suất điện động của các nguồn điện coi như đồng pha và không đổi do nguồn ở xa điểm sự cố.
- Bỏ qua ảnh hưởng của phụ tải nhỏ, dòng điện từ hóa của máy biến áp và dung dẫn ngang của đường dây.
- Bỏ qua điện trở tác dụng ($R = 0$) đối với các cấp điện áp trên 1000 V ($U > 1000\text{ V}$), chỉ tính toán điện kháng $X$ do tỷ số $R \ll X$. Riêng cấp hạ áp tự dùng dưới 1000 V ($U = 0,4\text{ kV}$), mô hình tính toán bắt buộc xét cả điện trở $R$ và điện kháng $X$.
Dòng điện xung kích $i_{\text{xk}}$ và trị số hiệu dụng lớn nhất của dòng ngắn mạch $I_{\text{xk}}$ được xác định qua hệ số xung kích $K_{\text{xk}}$ và hệ số $q$:
$$i_{\text{xk}} = K_{\text{xk}} \cdot \sqrt{2} \cdot I''$$
$$I_{\text{xk}} = q \cdot I''$$
Đối với các trường hợp không tính điện trở tác dụng, tác giả sử dụng các hệ số tiêu chuẩn $K_{\text{xk}} = 1,80$ và $q = 1,52$.
Nguồn dữ liệu tính toán bao gồm biểu đồ phụ tải theo chu kỳ 24 giờ của cấp 110 kV và 22 kV do nhiệm vụ thiết kế cung cấp, thông số kỹ thuật xuất xưởng của máy biến áp tự ngẫu 300 MVA, máy biến áp hai cuộn dây 63 MVA (kiểu ABB) và máy biến áp tự dùng 400 kVA (chế tạo tại Việt Nam).
Thiết kế và triển khai kỹ thuật trạm biến áp
Cân bằng công suất và xác định phụ tải tính toán
Phụ tải trạm biến áp biến thiên theo biểu đồ bậc thang 24 giờ qua từng chu kỳ 2 giờ. Công suất tác dụng $P$ và công suất phản kháng $Q$ được xác định dựa trên công suất biểu kiến cực đại $S_{\max}$ và hệ số công suất $\cos\varphi = 0,85$ ($\text{tg}\varphi = 0,62$).
| Khoảng thời gian (giờ) |
Phụ tải 110 kV (% $S_{\max}$) |
Phụ tải 110 kV (MVA) |
Phụ tải 22 kV (% $S_{\max}$) |
Phụ tải 22 kV (MVA) |
Tự dùng (MVA) |
Tổng công suất toàn trạm (MVA) |
Tỷ lệ mang tải toàn trạm (% $S_{\text{trạm}\max}$) |
| 0 - 2 |
15% |
87,0 |
60% |
105,0 |
0,5 |
75,5 |
40,43% |
| 2 - 4 |
25% |
145,0 |
70% |
122,5 |
0,5 |
95,5 |
51,21% |
| 4 - 6 |
40% |
232,0 |
50% |
87,5 |
0,5 |
90,5 |
48,51% |
| 6 - 8 |
60% |
348,0 |
85% |
148,75 |
0,5 |
145,5 |
78,16% |
| 8 - 10 |
90% |
522,0 |
95% |
166,25 |
0,5 |
185,5 |
100,00% |
| 10 - 12 |
70% |
406,0 |
75% |
131,25 |
0,5 |
145,5 |
78,16% |
| 12 - 14 |
80% |
464,0 |
100% |
175,0 |
0,5 |
180,5 |
97,00% |
| 14 - 16 |
90% |
522,0 |
90% |
157,5 |
0,5 |
180,5 |
97,00% |
| 16 - 18 |
65% |
377,0 |
80% |
140,0 |
0,5 |
145,5 |
78,16% |
| 18 - 20 |
40% |
232,0 |
65% |
113,75 |
0,5 |
105,5 |
56,60% |
| 20 - 22 |
25% |
145,0 |
50% |
87,5 |
0,5 |
75,5 |
40,43% |
| 22 - 24 |
15% |
87,0 |
85% |
148,75 |
0,5 |
100,5 |
53,90% |
Tổng công suất biểu kiến tính toán lớn nhất của trạm:
$$S_{\text{trạm}} = S_{\max(110\text{kV})} + S_{\max(22\text{kV})} + S_{\text{td}} = 580 + 175 + 0,5 = 755,5\text{ MVA}$$
Công suất tác dụng cực đại truyền tải qua trạm:
$$P_{\text{trạm}} = S_{\text{trạm}} \cdot \cos\varphi_{\text{trạm}} = 755,5 \times 0,85 = 642,175\text{ MW}$$
Lựa chọn sơ đồ cấu trúc và máy biến áp chính
Tác giả xem xét 4 phương án cấu trúc:
- Phương án 1: Dùng các máy biến áp giảm dần từ điện áp cao xuống qua từng cấp ($U_C > U_T > U_H$). Phương án này đòi hỏi máy biến áp cấp một phải chịu dung lượng cộng dồn, số lượng thiết bị nhiều và giá thành cao.
- Phương án 2: Dùng 2 máy biến áp tự ngẫu 3 cuộn dây, lấy phụ tải 22 kV trực tiếp từ cuộn hạ áp. Tuy nhiên việc bố trí công suất giữa các cuộn dây bị giới hạn bởi tiêu chuẩn chế tạo ($U_T \ge 110\text{ kV}$, $U_H \ge 6\text{ kV}$).
- Phương án 3: Tách riêng các máy biến áp hai cuộn dây để chuyển đổi độc lập giữa các cấp điện áp. Phương án này làm tăng diện tích mặt bằng trạm và tổn hao vận hành.
- Phương án 4: Kết hợp 2 máy biến áp tự ngẫu chuyển điện áp từ 220 kV xuống 110 kV, sau đó dùng các máy biến áp 2 cuộn dây hạ từ 110 kV xuống cấp 22 kV.
Trong tính toán chọn máy biến áp thực tế:
- Đối với phương án sử dụng 2 máy biến áp tự ngẫu làm việc song song: Khi kiểm tra chế độ sự cố hỏng 1 máy, thời gian quá tải của máy còn lại kéo dài 12 giờ trong ngày, vượt quá giới hạn 6 giờ cho phép ($12\text{h} > 6\text{h}$). Do đó, cấu hình 2 máy không khả thi.
- Tác giả chọn giải pháp sử dụng 3 máy biến áp tự ngẫu ba pha ghép song song, mỗi máy có công suất định mức $S_{\text{đmB}} = 300\text{ MVA}$. Ở chế độ bình thường, hệ số mang tải của mỗi máy là $K_{\text{qt}} = 185,5 / (3 \times 300) = 0,20 < 0,93$. Khi sự cố 1 máy, thời gian quá tải giảm xuống còn 4 giờ ($4\text{h} < 6\text{h}$), đảm bảo khả năng vận hành an toàn. Giá thành một máy biến áp tự ngẫu 300 MVA được xác định là 1.460.000 USD.
- Đối với cấp biến áp 110/22 kV trong phương án kết hợp: Tác giả tính toán cấu hình máy biến áp hai cuộn dây song song. Khi sử dụng 2 máy, thời gian quá tải sự cố lên tới 20 giờ ($20\text{h} > 6\text{h}$). Tác giả đưa ra giải pháp chọn máy biến áp hai cuộn dây công suất định mức $S_{\text{đmB}} = 63\text{ MVA}$ (kiểu ABB).
- Lựa chọn máy biến áp tự dùng: Chọn 2 máy biến áp tự dùng 3 pha công suất $S_{\text{đmB}} = 0,4\text{ MVA}$ (400 kVA), tỷ số biến đổi 22/0,4 kV, tổn thất không tải $\Delta P_0 = 1200\text{ W}$, tổn thất ngắn mạch $\Delta P_N = 6550\text{ W}$, điện áp ngắn mạch $U_N% = 5,5%$, kích thước dài 1,6 m, rộng 1,14 m, cao 1,87 m, trọng lượng 1927 kg, giá thành 48.500.000 VNĐ/máy.
Sơ đồ nối điện chính của trạm
Dựa trên phân tích kỹ thuật về tính đảm bảo cấp điện, tính linh hoạt khi sửa chữa và tính kinh tế, tác giả quyết định cơ cấu sơ đồ thanh góp cho từng cấp điện áp:
- Cấp điện áp 220 kV: Sử dụng sơ đồ hai hệ thống thanh góp. Sơ đồ cho phép vận hành đồng thời cả hai thanh góp hoặc chuyển đổi phụ tải và nguồn sang thanh góp thứ hai qua máy cắt liên lạc khi bảo dưỡng hoặc sự cố một thanh góp mà không làm gián đoạn hệ thống.
- Cấp điện áp 110 kV: Sử dụng sơ đồ hai hệ thống thanh góp, đáp ứng yêu cầu cung cấp điện tin cậy cho 8 xuất tuyến phụ tải công suất lớn ($S_{\max} = 580\text{ MVA}$).
- Cấp điện áp 22 kV: Sử dụng sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn bằng máy cắt điện. Các lộ phụ tải loại 1 được cấp từ hai phân đoạn độc lập, có trang bị tự động đóng nguồn dự phòng khi một phân đoạn bị mất điện.
Tính toán dòng ngắn mạch
Các giá trị cơ bản được chọn: $S_{\text{cb}} = 1000\text{ MVA}$; $U_{\text{cb1}} = 230\text{ kV}$; $U_{\text{cb2}} = 115\text{ kV}$; $U_{\text{cb3}} = 22\text{ kV}$. Dòng điện cơ bản tương ứng:
$$I_{\text{cb}(220\text{kV})} = \frac{1000}{\sqrt{3} \times 230} = 2,51\text{ kA}$$
$$I_{\text{cb}(110\text{kV})} = \frac{1000}{\sqrt{3} \times 115} = 5,02\text{ kA}$$
$$I_{\text{cb}(22\text{kV})} = \frac{1000}{\sqrt{3} \times 23} = 25,102\text{ kA}$$
Điện kháng nguồn hệ thống quy đổi:
- Điện kháng định mức của hệ thống: $X_{\text{đm}}^* = 0,0475$.
- Điện kháng đường dây kép 220 kV dài 80 km ($X_0 = 0,4\text{ }\Omega/\text{km}$): $X_d^* = 0,567$.
- Tổng điện kháng nguồn hệ thống đưa về thanh góp 220 kV: $X_{\text{HT}}^* = X_d^* + X_{\text{đm}}^* = 0,6145$.
Điện kháng các cuộn dây máy biến áp tự ngẫu ($U_{N(C-T)}% = 11%$, $U_{N(C-H)}% = 32%$, $U_{N(T-H)}% = 20%$, tỷ số $\alpha = 0,5$):
- Điện áp ngắn mạch thành phần: $U_{NC}% = 17,5%$; $U_{NT}% = 0%$; $U_{NH}% = 46,5%$.
- Điện kháng quy đổi về hệ cơ bản: $X_C = 0,7$; $X_T = 0$; $X_H = 1,55$ (ứng với MBA 300 MVA) và $X_H = 1,86$ (ứng với tính toán MBA 250 MVA).
Tổng điện kháng tính toán đến các điểm ngắn mạch:
- Điểm $N_1$ trên thanh góp 220 kV: $X_{\Sigma 1} = X_{\text{HT}}^* = 0,6145$.
- Điểm $N_2$ trên thanh góp 110 kV: $X_{\Sigma 2} = X_{\Sigma 1} + \frac{X_C}{3} = 0,6145 + \frac{0,7}{3} = 0,847$.
- Điểm $N_3$ trên thanh góp 22 kV: $X_{\Sigma 3} = X_{\Sigma 2} + \frac{X_H}{2} = 0,847 + \frac{1,86}{2} = 1,777$.
- Điểm $N_4$ tại hạ áp tự dùng 0,4 kV: Điện trở và điện kháng của máy biến áp 400 kVA được tính toán quy đổi: $R_B = 6,55\text{ m}\Omega$; thành phần $U_R% = 1,6%$; $U_X% = \sqrt{5,5^2 - 1,6^2} = 5,25%$; điện kháng $X_B = 21\text{ m}\Omega$.
Nội dung chính theo từng chương
Phần I: Thiết kế trạm biến áp 220/110/22 kV
Chương 1: Tổng quan về trạm biến áp
Chương 1 trình bày vai trò của trạm biến áp trong việc biến đổi các cấp điện áp truyền tải và phân phối, giảm thiểu tổn hao công suất trên lưới điện quốc gia (nêu mốc vận hành lưới 500 kV từ năm 1994). Tác giả phân loại trạm theo nhiệm vụ (trạm biến áp chính, trạm biến áp phân xưởng) và theo cấu trúc xây dựng (trạm ngoài trời thích hợp công suất lớn, trạm trong nhà, trạm GIS). Chương này cũng định nghĩa chức năng của các thiết bị chính: máy biến áp, máy biến dòng (BI), máy biến điện áp đo lường (BU), dao cách ly (DCL tạo khoảng cách cách điện nhìn thấy được), máy cắt (MC đóng cắt khi bình thường và sự cố), chống sét van, aptomat (CB), và sứ đỡ (chịu điện áp đến 25 kV/bát sứ, tối đa 50 kV đối với sứ đỡ đứng, trên 50 kV sử dụng sứ treo). Cuối chương là bảng giao nhiệm vụ thiết kế trạm với đầy đủ thông số phụ tải 110 kV và 22 kV.
Chương 2: Cân bằng công suất và đồ thị phụ tải
Nội dung chương tập trung xác định tính cân bằng giữa nguồn cấp và phụ tải tiêu thụ, phân loại phụ tải theo tầm quan trọng kinh tế - xã hội (loại 1, loại 2, loại 3). Tác giả xây dựng đồ thị phụ tải biểu kiến, công suất tác dụng và phản kháng theo các chu kỳ 2 giờ cho cấp 110 kV ($S_{\max} = 580\text{ MVA}$), cấp 22 kV ($S_{\max} = 175\text{ MVA}$) và bảng tổng hợp toàn trạm kèm phụ tải tự dùng 0,5 MVA. Tổng công suất biểu kiến tính toán toàn trạm đạt $S_{\text{trạm}} = 755,5\text{ MVA}$, tương ứng công suất tác dụng $P_{\text{trạm}} = 642,175\text{ MW}$ với hệ số công suất tổng $\cos\varphi_{\text{trạm}} = 0,85$.
Chương 3: Sơ đồ cấu trúc trạm biến áp
Chương 3 khảo sát các yêu cầu thiết kế sơ đồ cấu trúc: tính khả thi, tính liên tục cấp điện, giảm thiểu tổn thất truyền tải, tối ưu vốn đầu tư và khả năng phát triển mở rộng trong tương lai. Tác giả phân tích ưu - nhược điểm của 4 phương án cấu trúc:
- Trạm hạ áp nhiều cấp giảm dần.
- Trạm dùng 2 máy biến áp tự ngẫu 3 cuộn dây.
- Trạm dùng các cụm máy biến áp 2 cuộn dây độc lập.
- Trạm dùng máy biến áp tự ngẫu 220/110 kV kết hợp máy biến áp 2 cuộn dây 110/22 kV.
Tác giả sơ bộ đánh giá phương án sử dụng máy biến áp tự ngẫu phù hợp với lưới truyền tải liên lạc 220/110 kV tại Việt Nam.
Chương 4: Tính toán chọn máy biến áp
Tác giả trình bày các công thức chọn dung lượng máy biến áp cho các chế độ vận hành độc lập, 2 máy song song và 3 máy song song kết hợp kiểm tra điều kiện quá tải sự cố. Kết quả tính toán cho thấy phương án 2 máy biến áp tự ngẫu bị loại do thời gian quá tải sự cố thực tế lên đến 12 giờ (vượt ngưỡng quy phạm 6 giờ/ngày). Tác giả chọn 3 máy biến áp tự ngẫu ba pha công suất $S_{\text{đmB}} = 300\text{ MVA}$ (thời gian quá tải sự cố 4 giờ, hệ số tải bình thường $K_{\text{qt}} = 0,20$, đơn giá 1.460.000 USD/máy). Đối với cấp 110/22 kV, tác giả tính toán phương án chọn máy biến áp 2 cuộn dây 63 MVA kiểu ABB. Đồng thời, lựa chọn 2 máy biến áp tự dùng công suất $S_{\text{đmB}} = 0,4\text{ MVA}$ (400 kVA - 22/0,4 kV) sản xuất trong nước với giá 48.500.000 VNĐ/máy.
Chương 5: Chọn sơ đồ nối điện
Chương 5 phân tích các dạng sơ đồ nối điện chính: sơ đồ một hệ thống thanh góp (không phân đoạn, có phân đoạn bằng dao cách ly/máy cắt, có thanh góp vòng) và sơ đồ hai hệ thống thanh góp (chế độ dự phòng, chế độ làm việc song song, có phân đoạn một thanh góp, có thanh góp vòng). Tác giả kết luận lựa chọn sơ đồ nối điện cho trạm:
- Phía 220 kV: Sử dụng sơ đồ hai hệ thống thanh góp.
- Phía 110 kV: Sử dụng sơ đồ hai hệ thống thanh góp.
- Phía 22 kV: Sử dụng sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn bằng máy cắt điện.
Chương 6: Tính toán dòng điện ngắn mạch
Chương 6 thiết lập sơ đồ thay thế điện kháng trong hệ đơn vị tương đối cơ bản ($S_{\text{cb}} = 1000\text{ MVA}$). Tác giả tính toán chi tiết điện kháng của nguồn hệ thống ($X_{\text{HT}}^* = 0,6145$), điện kháng các cuộn dây máy biến áp tự ngẫu ($X_C = 0,7$, $X_T = 0$, $X_H = 1,55$ hoặc 1,86), điện kháng máy biến áp hai cuộn dây 110/22 kV ($X_{B2} = 1,846$). Từ đó giải tích điện kháng tương đương ngắn mạch tại 4 điểm: thanh góp 220 kV ($X_{\Sigma 1} = 0,6145$), thanh góp 110 kV ($X_{\Sigma 2} = 0,847$), thanh góp 22 kV ($X_{\Sigma 3} = 1,777$) và thanh cái hạ áp tự dùng 0,4 kV ($R_B = 6,55\text{ m}\Omega$, $X_B = 21\text{ m}\Omega$).
Các chương kỹ thuật hoàn thiện (Chương 7 - Chương 10 và Phần II)
Theo đề cương và mục lục đồ án, các chương kỹ thuật tiếp theo bao gồm:
- Chương 7: Tính toán tổn thất điện năng trong máy biến áp.
- Chương 8: Chọn máy cắt và dao cách ly.
- Chương 9: Tính toán kinh tế, kỹ thuật và chọn phương án.
- Chương 10: Chọn khí cụ điện và các phần dẫn điện.
- Phần II: Bảo vệ chống sét và nối đất cho trạm: Chương 1 tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp bằng cột thu lôi; Chương 2 thiết kế hệ thống lưới nối đất an toàn và nối đất làm việc cho trạm biến áp.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
Kết quả tính toán chính
Đồ án đã hoàn thành các bảng tính toán và thông số kỹ thuật cốt lõi:
- Xác định chính xác phụ tải toàn trạm: Phụ tải cực đại $S_{\text{trạm}} = 755,5\text{ MVA}$, công suất tác dụng $P_{\text{trạm}} = 642,175\text{ MW}$, phân bố trên 8 xuất tuyến 110 kV và 8 xuất tuyến 22 kV.
- Xác lập cấu hình máy biến áp: Lựa chọn 3 máy biến áp tự ngẫu 300 MVA cấp điện áp 220/110 kV (giá 1.460.000 USD/máy) đảm bảo điều kiện quá tải sự cố không quá 4 giờ/ngày; chọn 2 máy biến áp tự dùng 400 kVA (22/0,4 kV, giá 48.500.000 VNĐ/máy, $\Delta P_0 = 1200\text{ W}$, $\Delta P_N = 6550\text{ W}$, $U_N% = 5,5%$).
- Tuyển chọn sơ đồ nối điện: Sử dụng sơ đồ hai hệ thống thanh góp cho cấp 220 kV và 110 kV nhằm đảm bảo tính linh hoạt và độ tin cậy cấp điện loại 1; dùng sơ đồ một thanh góp phân đoạn bằng máy cắt cho cấp 22 kV.
- Trị số điện kháng ngắn mạch hệ cơ bản ($S_{\text{cb}} = 1000\text{ MVA}$): Điện kháng tổng đến thanh góp 220 kV là $0,6145$; đến thanh góp 110 kV là $0,847$; đến thanh góp 22 kV là $1,777$; tổng trở máy biến áp tự dùng gồm $R_B = 6,55\text{ m}\Omega$ và $X_B = 21\text{ m}\Omega$.
Giải pháp và kiến nghị của tác giả
- Áp dụng cấu hình phân đoạn bằng máy cắt SF6 kết hợp bộ tự động đóng nguồn dự phòng cho thanh cái 22 kV để duy trì cấp điện an toàn cho các phụ tải quan trọng.
- Phân chia trạm thành khu vực thiết bị ngoài trời cho cấp cao áp (220 kV, 110 kV) nhằm tối ưu diện tích xây dựng và khoảng cách an toàn điện, kết hợp hệ thống phân phối trong nhà cho cấp trung áp 22 kV.
- Đề xuất mô hình vận hành linh hoạt trên hệ thống hai thanh góp, sử dụng máy cắt liên lạc làm nhiệm vụ thay thế khi tiến hành sửa chữa máy cắt đường dây mà không phải ngừng cấp điện.
Đóng góp tự nêu của đồ án
Tác giả đã hệ thống hóa quy trình tính toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho trạm biến áp cấp truyền tải liên lạc 220/110/22 kV, kết hợp xử lý các điều kiện quá tải thực tế từ đồ thị phụ tải biến thiên 24 giờ và lập mô hình giải tích ngắn mạch trong hệ đơn vị tương đối.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Đồ thị phụ tải đầu vào trong đồ án được xây dựng dựa trên các tỷ lệ phần trăm phân bố mang tính giả định thiết kế theo chu kỳ 2 giờ; văn bản trích dẫn của đồ án chưa thể hiện số liệu tính toán chi tiết của các chương sau (Chương 7 về tổn thất điện năng $\Delta A$, Chương 8 và Chương 10 về mã hiệu khí cụ điện/thanh dẫn cụ thể, cũng như thông số chi tiết hệ thống cột thu sét và cọc tiếp địa ở Phần II).
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Triển khai đầy đủ tính toán tổn thất điện năng hàng năm $\Delta A$ qua từng cuộn dây của máy biến áp tự ngẫu 300 MVA dựa trên thời gian sử dụng công suất cực đại $T_{\max}$ và thời gian tổn thất cực đại $\tau$.
- Tính chọn cụ thể các chủng loại máy cắt khí SF6, dao cách ly, biến dòng, biến điện áp, chống sét van và kiểm tra ổn định nhiệt, ổn định điện động theo các dòng ngắn mạch đã tính.
- Tính toán bán kính bảo vệ của hệ thống cột thu lôi độc lập bảo vệ trạm ngoài trời và tính toán điện trở nối đất tản dòng sét đạt tiêu chuẩn an toàn quy định ($R_{\text{đ}} \le 0,5\text{ }\Omega$).
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên môn phù hợp cho sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Điện công nghiệp và Hệ thống điện đang thực hiện đồ án môn học Thiết kế nhà máy điện và trạm biến áp, đồ án Cung cấp điện hoặc đồ án tốt nghiệp đại học.
Các nội dung có giá trị tham khảo cụ thể:
- Phương pháp kiểm tra điều kiện quá tải sự cố máy biến áp ($K_{\text{qtsc}}$, thời gian quá tải trong ngày đối chiếu ngưỡng 6 giờ quy phạm) dựa trên đồ thị phụ tải phân bố 24 giờ.
- Thuật toán quy đổi điện kháng máy biến áp tự ngẫu ba cuộn dây có tỷ số suy giảm công suất $\alpha$ về hệ đơn vị tương đối cơ bản.
- Quy trình lập sơ đồ thay thế và xác định điện kháng tương đương đến từng điểm ngắn mạch trên các thanh góp cao áp, trung áp và hạ áp tự dùng.
Câu hỏi thường gặp
1. Tổng công suất biểu kiến và công suất tác dụng lớn nhất của trạm biến áp được tính toán bằng bao nhiêu?
Tổng công suất biểu kiến cực đại của toàn trạm là $S_{\text{trạm}} = 755,5\text{ MVA}$ (gồm 580 MVA phía 110 kV, 175 MVA phía 22 kV và 0,5 MVA phụ tải tự dùng). Công suất tác dụng cực đại tương ứng đạt $P_{\text{trạm}} = 642,175\text{ MW}$ với hệ số công suất $\cos\varphi_{\text{trạm}} = 0,85$.
2. Vì sao tác giả không chọn cấu hình 2 máy biến áp tự ngẫu mà phải chọn 3 máy biến áp 300 MVA?
Khi kiểm tra điều kiện sự cố một máy biến áp ngừng hoạt động, máy còn lại trong cấu hình 2 máy sẽ bị quá tải trong thời gian 12 giờ một ngày đêm. Giá trị này vượt quá thời gian quá tải cho phép theo quy phạm vận hành là 6 giờ ($12\text{h} > 6\text{h}$). Do đó, tác giả bắt buộc phải chọn cấu hình 3 máy biến áp tự ngẫu 300 MVA để thời gian quá tải sự cố giảm xuống còn 4 giờ/ngày ($4\text{h} < 6\text{h}$), đảm bảo điều kiện vận hành an toàn.
3. Sơ đồ nối điện chính cho từng cấp điện áp trong trạm được lựa chọn như thế nào?
Tác giả lựa chọn sơ đồ hai hệ thống thanh góp cho cấp điện áp 220 kV và cấp điện áp 110 kV để đảm bảo tính linh hoạt và duy trì cấp điện liên tục khi sửa chữa máy cắt hoặc thanh góp. Riêng cấp điện áp 22 kV sử dụng sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn bằng máy cắt điện kết hợp bộ tự động đóng nguồn dự phòng.
4. Các đại lượng cơ bản nào được sử dụng để giải tích dòng điện ngắn mạch?
Hệ đơn vị tương đối cơ bản được xây dựng với công suất cơ bản $S_{\text{cb}} = 1000\text{ MVA}$ và các điện áp cơ bản trung bình: $U_{\text{cb1}} = 230\text{ kV}$ (dòng cơ bản $I_{\text{cb}} = 2,51\text{ kA}$), $U_{\text{cb2}} = 115\text{ kV}$ (dòng cơ bản $I_{\text{cb}} = 5,02\text{ kA}$) và $U_{\text{cb3}} = 22\text{ kV}$ hoặc $23\text{ kV}$ (dòng cơ bản $I_{\text{cb}} = 25,102\text{ kA}$).
5. Thông số kỹ thuật của máy biến áp tự dùng được lựa chọn trong đồ án gồm những gì?
Đồ án chọn 2 máy biến áp tự dùng công suất định mức $S_{\text{đmB}} = 0,4\text{ MVA}$ (400 kVA), điện áp 22/0,4 kV do Việt Nam sản xuất với đơn giá 48.500.000 VNĐ/máy. Thông số kỹ thuật gồm: tổn thất không tải $\Delta P_0 = 1200\text{ W}$, tổn thất ngắn mạch $\Delta P_N = 6550\text{ W}$, điện áp ngắn mạch $U_N% = 5,5%$, kích thước $1,6 \times 1,14 \times 1,87\text{ m}$ và trọng lượng 1927 kg.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Hà Huy Phước đã giải quyết một cách có hệ thống nhiệm vụ thiết kế trạm biến áp liên lạc 220/110/22 kV với tổng công suất tính toán 755,5 MVA. Bằng việc phân tích kỹ thuật đồ thị phụ tải và đối chiếu giới hạn thời gian quá tải sự cố quy phạm, tác giả đã lựa chọn cấu hình gồm 3 máy biến áp tự ngẫu 300 MVA kết hợp sơ đồ hai hệ thống thanh góp cho các cấp cao áp và một hệ thống thanh góp phân đoạn cho cấp trung áp. Các kết quả tính toán điện kháng ngắn mạch và lựa chọn cấu trúc trạm cung cấp cơ sở kỹ thuật phục vụ việc chọn khí cụ điện và triển khai hệ thống bảo vệ an toàn cho trạm.
