Giáo trình Phần điện nhà máy điện và trạm biến áp (Trường Cao đẳng Dầu khí, 2022)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Phần điện nhà máy điện và trạm biến áp do Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam) biên soạn, ban hành kèm Quyết định số 206/QĐ-CĐDK ngày 1 tháng 3 năm 2022, lưu hành nội bộ tại Bà Rịa – Vũng Tàu. Nhóm biên soạn gồm chủ biên Nguyễn Lê Cương cùng Lê Thị Thu Hường và Nguyễn Xuân Thịnh. Tài liệu được viết theo chương trình chi tiết chuyên ngành Thí nghiệm điện, trình độ cao đẳng.

Trong chương trình khung, môn học mang mã ELET52137, thuộc nhóm môn học/mô đun chuyên môn ngành, nghề (mục II.2), quy mô 2 tín chỉ với 45 giờ: 14 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành – thí nghiệm – thảo luận – bài tập, và 2 giờ kiểm tra (1 giờ lý thuyết, 1 giờ thực hành). Môn học nằm cùng cụm với Máy điện (ELEI56135), Bảo vệ rơ le (ELET5316), Đo lường điện (ELEI53115) và loạt mô đun thí nghiệm chuyên sâu như Thí nghiệm thiết bị trạm biến áp (ELET66147), Thí nghiệm máy cắt điện (ELET55143).

Mục tiêu môn học được phát biểu theo ba nhóm. Về kiến thức: đọc được sơ đồ nối điện chính của nhà máy điện; trình bày kết cấu thiết bị phân phối; giải thích tính năng, tác dụng của mạch thứ cấp và nguồn thao tác; trình bày khái niệm về hệ thống điện quốc gia, nhà máy điện, trạm biến áp; trình bày quy trình thao tác vận hành và các sự cố thường gặp. Về kỹ năng: tính chọn các phần tử trong sơ đồ nối điện, phát hiện hư hỏng và chế độ làm việc không bình thường, viết được phiếu thao tác thiết bị. Về năng lực tự chủ: ngăn nắp, thận trọng, tỉ mỉ, chính xác, kiên trì và tự lập trong công việc.

Cấu trúc gồm 7 chương, đi từ khái niệm nền tảng đến sơ đồ, thiết bị, thao tác vận hành và xử lý sự cố. Lời giới thiệu nêu rõ chủ trương biên soạn: trình bày "những vấn đề cốt lõi nhất", các bài học ngắn gọn, dễ hiểu, tổng hợp từ nhiều nguồn tham khảo.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương chính và tiến trình nội dung

Chương 1 – Khái niệm về nhà máy điện và trạm biến áp (2 giờ, toàn lý thuyết) định nghĩa nhà máy điện là "xí nghiệp đặc biệt" biến đổi các dạng năng lượng (than, dầu, khí đốt, nguyên tử, nước, gió, mặt trời) thành điện năng. Chương phân loại nhiệt điện thành hai dạng: ngưng hơi (toàn bộ hơi dùng sản xuất điện) và trích hơi (một phần hơi dùng cho công nghiệp, sinh hoạt). So sánh thủy điện với nhiệt điện được nêu bằng số liệu: giá thành điện năng bằng 1/5 – 1/10, khởi động chỉ cần một phút so với hàng ngày, số người phục vụ trên đơn vị công suất bằng 1/10 – 1/15; nhược điểm là vốn đầu tư lớn, thời gian xây dựng dài, phụ thuộc lưu lượng và cột nước. Với điện nguyên tử, giáo trình dẫn mốc năm 1954 Liên Xô xây nhà máy đầu tiên công suất 5.000 kW, tiêu thụ khoảng 30 g Uranium mỗi ngày đêm, đối chiếu 1 kg Uranium tương đương 2.700 tấn than tiêu chuẩn. Phần trạm biến áp phân thành trạm tăng áp (đặt tại nhà máy điện, giảm tổn thất truyền tải) và trạm hạ áp/trung gian (liên lạc giữa hai cấp điện áp).

Chương 2 – Máy biến áp điện lực và máy biến áp đo lường (3 giờ) trình bày cấu tạo lõi thép ghép từ lá tôn cán nóng/cán lạnh dày 0,35–0,5 mm pha 4–6 % silic, cuộn dây đồng dẹt bọc giấy tẩm dầu, hạ áp trong – cao áp ngoài. Nguyên lý cảm ứng điện từ được viết dưới dạng e = –w·dΦ/dt với Φ = Φmax·sinωt. Chương nêu bốn loại máy biến áp lực: hai cuộn dây, ba cuộn dây, tự ngẫu và loại có cuộn dây phân chia (S21 = S22 = Sđm/2). Máy biến áp tự ngẫu được phân tích qua ba chế độ làm việc – tự ngẫu, biến áp và liên hợp – cùng khái niệm công suất mẫu (công suất tính toán), và cấp áp sử dụng tại Việt Nam: 500/220 kV, 220/110 kV. Về máy biến điện áp (BU/VT), giáo trình chuẩn hóa thứ cấp 100 V, 100/√3 V và 100/3 V, phân loại kiểu cảm ứng, kiểu điện dung (dùng tới 765 kV, ghép được với mạng cao tần truyền tin) và kiểu "mới"; bảng 2.1 liệt kê năm cấp chính xác 0,1 – 0,2 – 0,5 – 1 – 3 kèm công dụng. Máy biến dòng (BI) có thứ cấp chuẩn 1 A hoặc 5 A (trường hợp đặc biệt 10 A), quá tải cho phép 20 % dòng định mức, phân loại theo cách điện khô/dầu, theo số vòng sơ cấp, theo lắp đặt trong nhà (cách điện nhựa tổng hợp) hay ngoài trời (dầu, vỏ sứ, lõi thép hình xuyến).

Chương 3 – Sơ đồ nối điện chính và tự dùng là chương lớn nhất (10 giờ: 3 lý thuyết, 7 thực hành). Nội dung xây dựng thang bậc sơ đồ thanh góp: một thanh góp không phân đoạn → phân đoạn bằng dao cách ly (CLPĐ) → phân đoạn bằng máy cắt (MCPĐ, kết hợp TĐD) → có thanh góp vòng và máy cắt vòng → sơ đồ hai thanh góp (sơ đồ Châu Âu) → hai thanh góp có TGv → hai máy cắt trên một mạch (sơ đồ Mỹ) → sơ đồ một rưỡi (3 máy cắt/2 mạch). Mỗi bước đều gắn với một nhược điểm cụ thể được khắc phục, và chốt bằng dữ kiện kinh tế: sơ đồ một rưỡi có độ tin cậy gần bằng sơ đồ 2MC/1 mạch nhưng chi phí chỉ khoảng 75 %. Chương cũng nêu ngưỡng áp dụng: hai thanh góp không phân đoạn có TGv dùng khi số mạch đến 12; phân đoạn một thanh góp bằng máy cắt kèm TGv dùng khi 12–16 mạch; sơ đồ 14 chỉ dùng khi ≥ 15 mạch ở 110–220 kV. Phần nhiệt điện ngưng hơi gắn với tổ máy 100–1200 MW, điện áp máy phát 10,5–24 kV, nguyên tắc sơ đồ bộ và quy tắc dự phòng (một MBA dự trữ khi số MBA làm việc vượt quá 7; với nhóm một pha là từ 9 máy trở lên). Phần tự dùng đưa bảng 3.1 hệ số tự dùng cực đại theo phần trăm công suất đặt: NĐN chạy than 6–6 %, chạy dầu/khí 3–5 %; NĐR chạy than 8–14 %, dầu/khí 5–7 %; thủy điện trung bình và nhỏ 2–3 %, công suất lớn 1–0,5 %; trạm cụt 50–200 kW, trạm nút 200–500 kW. Hai cấp tự dùng ở nhà máy là 6 hoặc 10 kV và 0,4 kV; ở trạm biến áp là 380/220 V trung tính nối đất trực tiếp. Hai phương pháp dự trữ được phân biệt: dự trữ hở (lạnh) và dự trữ kín (nóng).

Chương 4 – Mạch thứ cấp (5 giờ, có 1 giờ kiểm tra lý thuyết) liệt kê hệ ký hiệu dùng xuyên suốt: MC (máy cắt), CL (dao cách ly), KĐK (khóa điều khiển), NT (nút thử), BI, BU, Cđ và Cc (cuộn đóng, cuộn cắt của máy cắt). Mạch thứ cấp được xác định gồm các mạch đo lường, bảo vệ, tự động hóa, kiểm tra, điều khiển, tín hiệu và liên lạc; các mục kế tiếp là yêu cầu cơ bản của sơ đồ điều khiển, sơ đồ điều khiển và tín hiệu của máy cắt, và kiểm tra cách điện.

Chương 5 – Thiết bị phân phối điện (10 giờ, trong đó 8 giờ thực hành) tách thành thiết bị phân phối trong nhà, ngoài trời và cấu trúc của từng loại. Chương 6 (7 giờ) dành cho thao tác vận hành thiết bị trạm và thao tác án động – xả án động các thiết bị chính. Chương 7 (8 giờ, kèm 1 giờ kiểm tra thực hành) xử lý sự cố theo bốn nhóm thiết bị: máy biến áp, máy cắt, dao cách ly (DCL) và thiết bị đo lường.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Nền lý thuyết là định luật cảm ứng điện từ áp dụng cho máy biến áp lực, BU và BI — cả ba đều được quy về cùng một nguyên lý, chỉ khác ở yêu cầu độ chính xác và chế độ đấu nối (BU mắc song song, BI mắc nối tiếp). Nguyên tắc thứ hai là độ tin cậy cung cấp điện: giáo trình nêu rõ "yếu tố quyết định sơ đồ thanh góp của các trạm đóng cắt là độ tin cậy cung cấp điện", và toàn bộ chuỗi sơ đồ ở chương 3 được sắp xếp theo nguyên tắc này. Nguyên tắc thứ ba là an toàn thao tác: dao cách ly chỉ đóng mở khi không có dòng điện; thứ cấp BU không được ngắn mạch; thứ cấp BI phải nối đất và không được hở mạch — kèm quy định nối đất an toàn cuộn thứ cấp mọi BU có U1đm từ 500 V trở lên. Nguyên tắc thứ tư là cân đối kinh tế – kỹ thuật, thể hiện ở việc so sánh giá thành MBA ba pha với một pha (tổn thất bé hơn 12–15 %) và ở lựa chọn kháng điện đơn, kép hay kháng điện nhóm.

Kỹ năng phát triển

Kỹ năng kỹ thuật gồm đọc sơ đồ nối điện chính và sơ đồ tự dùng, nhận dạng ký hiệu mạch thứ cấp, tính chọn phần tử trong sơ đồ. Kỹ năng phân tích thể hiện qua các trình tự thao tác được viết thành từng bước — ví dụ đưa máy cắt vòng vào thay MC1: kiểm tra TGv, đóng MCv vào thanh góp tương ứng, đóng CLv1, cắt MC1, cắt CLD1 rồi CLTG1, nối đất an toàn hai đầu MC1; khi sửa xong thao tác theo trình tự ngược lại. Kỹ năng thực hành nghề gồm viết phiếu thao tác, ghi nhớ và áp dụng quy trình, phát hiện chế độ làm việc không bình thường và đề xuất biện pháp xử lý.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Mỗi chương đều mở đầu bằng bốn khối cố định: Giới thiệu chương, Mục tiêu chương, Phương pháp giảng dạy và học tập, Điều kiện thực hiện; kết thúc bằng Tóm tắt nội dung và Câu hỏi củng cố. Cấu trúc lặp này khiến người học nhận biết trước phạm vi đánh giá của từng chương.

Về phía người dạy, giáo trình chỉ định phương pháp giảng dạy tích cực — diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề — kèm yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập theo cá nhân hoặc nhóm. Giáo viên thiết kế giáo án theo thể loại lý thuyết với bài học, soạn theo bài hoặc buổi dạy, tổ chức giảng dạy theo lớp và thiết kế phiếu học tập. Về phía người học, yêu cầu là chủ động đọc trước giáo trình trước buổi học, hoàn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống, nộp lại đúng thời gian quy định; đồng thời tổ chức làm việc nhóm và làm việc độc lập, tuân thủ quy định giờ giấc.

Điều kiện thực hiện được mô tả gọn: phòng học lý thuyết theo tiêu chuẩn; trang thiết bị gồm máy tính, máy chiếu, các bản vẽ và tranh ảnh cần thiết; học liệu gồm giáo trình, giáo án, phiếu học tập và video mô phỏng hoạt động.

Đánh giá gồm ba lớp. Kiểm tra thường xuyên: 01 bài, do giáo viên thực hiện tại thời điểm bất kỳ qua vấn đáp trong giờ, kiểm tra viết dưới 30 phút, kiểm tra nội dung thực hành hoặc chấm bài tập. Kiểm tra định kỳ: 02 bài — bài số 1 hình thức lý thuyết, nội dung bài 1–4, thời gian 45–60 phút; bài số 2 hình thức thực hành bài tập, nội dung bài 5–7, cùng khung 45–60 phút. Thi kết thúc môn học là thi lý thuyết, 45–60 phút. Giáo viên phải biên soạn đề kiểm tra lý thuyết kèm đáp án và đề thực hành kèm biểu mẫu đánh giá theo mẫu quy định. Riêng chương 3 mang điểm kiểm tra thường xuyên (01 bài) và chương 4 mang kiểm tra định kỳ lý thuyết (01 bài); các chương còn lại được ghi "không" ở cả hai mục.

Hướng dẫn tự học nằm trong phần "Năng lực tự chủ và trách nhiệm" lặp ở mỗi chương: nghiên cứu bài trước khi đến lớp, chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập, tham gia đầy đủ thời lượng môn học, nghiêm túc trong quá trình học tập. Bộ câu hỏi củng cố cuối chương cho phép tự kiểm tra — ví dụ chương 2 có bốn câu về khái niệm máy biến áp lực, phân loại, công dụng – cấu tạo – nguyên lý của BU và của BI.

Điểm nổi bật và cập nhật

Giáo trình đối chiếu thường xuyên với thực tế hệ thống điện. Các cỡ máy biến áp được nêu theo mức chế tạo hiện hành: MBA ba pha 220–330 kV / 630 MVA và 500 kV / 1.200 MVA; MBA tự ngẫu 500/110 kV / 1.500 MVA; MBA một pha 500 kV / 1.600 MVA. Cấp áp tự ngẫu trong hệ thống điện Việt Nam được dẫn cụ thể (500/220 kV, 220/110 kV), gắn nội dung với lưới truyền tải trong nước.

Xu hướng công nghệ được ghi nhận ở nhiều điểm: chế tạo MBA với cấp điện áp cao và thay đổi cấu trúc để tăng công suất đơn vị, dùng thép cán nguội có cách điện tốt và hệ thống làm mát tốt; giới hạn còn lại là kích thước, trọng lượng và điều kiện chuyên chở. Với BU, giáo trình giải thích vì sao kiểu điện dung thay thế kiểu cảm ứng ở lưới tới 765 kV — chi phí BU cảm ứng tăng nhanh theo điện áp định mức. Với BI trong nhà, cách điện nhựa tổng hợp được ghi nhận là loại "hiện nay" chủ yếu do kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ.

Liên hệ thực tế vận hành xuất hiện dưới dạng các quy tắc lựa chọn có ngưỡng: dòng thao tác một chiều dùng ở tất cả các trạm 330–750 kV và ở trạm 110–220 kV có nhiều máy cắt; dòng thao tác xoay chiều dùng ở trạm 35–220 kV có ít máy cắt, lấy từ thanh góp 0,4 kV qua ổn áp hoặc chỉnh lưu, điện áp đầu ra 220 V. Danh mục phụ tải tự dùng quan trọng của trạm được liệt kê cụ thể: hệ thống làm mát máy biến áp và máy bù đồng bộ, bơm dầu bôi trơn ổ trục máy bù, chiếu sáng sự cố, cứu hỏa, nén khí, thông tin liên lạc.

Về kết nối ngành, môn học được chương trình khung xác định là môn bắt buộc của nghề vận hành nhà máy nhiệt điện, áp dụng cho cả hệ Cao đẳng và Trung cấp; bối cảnh biên soạn tại một trường thuộc Tập đoàn Dầu khí gắn nội dung với các tổ máy nhiệt điện chạy dầu, khí — nhóm có hệ số tự dùng 3–5 % (NĐN) và 5–7 % (NĐR) trong bảng 3.1.

Đối tượng sử dụng giáo trình

Đối tượng chính là học sinh, sinh viên hệ cao đẳng nghề chuyên ngành Thí nghiệm điện và nghề Vận hành nhà máy nhiệt điện; phần "Phạm vi áp dụng" mở rộng cho cả hệ Trung cấp. Theo trật tự chương trình khung, môn học đặt sau khối môn cơ sở gồm An toàn điện (ELET5201), Vẽ điện (ELET51165), Vật liệu điện (ELET62064), Điện kỹ thuật cơ bản (ELET5308), Khí cụ điện (ELEI53117) và Thực tập điện cơ bản (ELEO53149); trong khối chuyên môn, nó xếp sau Máy điện, Bảo vệ rơ le, Đo lường điện và Trang bị điện 1.

Kiến thức nền cần có vì thế khá rõ: đọc bản vẽ điện để tiếp cận các sơ đồ hình 3.1–3.23; nguyên lý máy biến áp từ môn Máy điện để hiểu chương 2; khí cụ điện để nhận dạng máy cắt, dao cách ly, kháng điện; đo lường điện để hiểu vai trò BU, BI và các cấp chính xác; an toàn điện cho các quy định nối đất và trình tự thao tác ở chương 3, 6.

Với giảng viên, tài liệu được xác định là "giáo trình nội bộ dùng trong nhà trường", vừa làm tài liệu giảng dạy vừa làm tài liệu học tập. Cấu trúc mục tiêu – phương pháp – điều kiện – kiểm tra của từng chương cho phép chuyển thẳng thành giáo án theo buổi. Với người tự học hoặc kỹ thuật viên tra cứu, các bảng số liệu (cấp chính xác BU ở bảng 2.1, hệ số tự dùng ở bảng 3.1) và các trình tự thao tác từng bước là phần dùng được độc lập.

Tuyên bố bản quyền cho phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho mục đích đào tạo và tham khảo, nghiêm cấm mục đích kinh doanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai? Sinh viên cao đẳng nghề Thí nghiệm điện và Vận hành nhà máy nhiệt điện, học môn ELET52137 (2 tín chỉ, 45 giờ). Chương trình khung cũng cho phép áp dụng ở hệ trung cấp. Người đã đi làm tại trạm biến áp có thể dùng chương 6 và 7 như tài liệu tra cứu quy trình thao tác và xử lý sự cố.

2. Cần kiến thức nền nào để học? Theo vị trí trong chương trình, cần trước đó: Điện kỹ thuật cơ bản, Vẽ điện, Vật liệu điện, Khí cụ điện, An toàn điện ở khối cơ sở; Máy điện, Đo lường điện, Bảo vệ rơ le ở khối chuyên môn. Cụ thể, phần suy diễn e1 = –w1·dΦ/dt và các chế độ của MBA tự ngẫu giả định người học đã quen với nguyên lý cảm ứng điện từ.

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác? Đây là tài liệu nội bộ biên soạn bám chương trình chi tiết của một nghề cụ thể, nên tỷ trọng thực hành chiếm 29/45 giờ và có hai chương (6 và 7) dành riêng cho thao tác vận hành, án động – xả án động và xử lý sự cố — nội dung không phải giáo trình đại cương nào cũng tách riêng. Ngược lại, phần lý thuyết được rút gọn: lời giới thiệu tự xác định là trình bày "những vấn đề cốt lõi nhất", "ngắn gọn, dễ hiểu".

4. Làm sao để tự học hiệu quả? Theo hướng dẫn trong sách: đọc trước giáo trình trước buổi học, hoàn thành câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống. Với chương 3, nên bám theo mạch lập luận "nhược điểm → cách khắc phục": mỗi sơ đồ mới được giới thiệu để giải quyết một hạn chế cụ thể của sơ đồ trước, nên học theo chuỗi này dễ nhớ hơn học rời từng hình. Các trình tự thao tác (đưa MCv thay MC1, đưa MCn thay MC1) nên được luyện đến mức viết lại được cả chiều thuận lẫn chiều ngược.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo? Mục Tài liệu tham khảo nêu hai nguồn: Giáo trình Phần điện trong nhà máy điện và trạm biến áp của TS. Đào Quang Thạch, và Nhà máy nhiệt điện của Nguyễn Công Hân (Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật Hà Nội). Học liệu đi kèm trên lớp gồm giáo án, phiếu học tập, bản vẽ, tranh ảnh và video mô phỏng hoạt động.

Kết luận

Giá trị chính của giáo trình nằm ở chỗ nó gắn phần lý thuyết về máy biến áp và sơ đồ nối điện với các quy tắc lựa chọn và trình tự thao tác dùng được trong vận hành: ngưỡng số mạch để chọn sơ đồ thanh góp, hệ số tự dùng theo loại nhà máy, cấp chính xác BU/BI theo công dụng, thứ tự đóng cắt khi thay thế máy cắt. Với 29/45 giờ dành cho thực hành và thảo luận, tài liệu được thiết kế để dùng song song với bài tập trên sơ đồ chứ không đọc rời.

Lộ trình học gợi ý theo chính trật tự chương: nắm khái niệm và phân loại (chương 1, 2) trước khi đọc sơ đồ (chương 3), rồi chuyển sang mạch thứ cấp và ký hiệu (chương 4), thiết bị phân phối (chương 5), và cuối cùng là thao tác vận hành cùng xử lý sự cố (chương 6, 7) — cũng là trật tự mà hai bài kiểm tra định kỳ phân chia (bài 1–4 lý thuyết, bài 5–7 thực hành). Hai tài liệu tham khảo của TS. Đào Quang Thạch và Nguyễn Công Hân là nguồn mở rộng cho phần lý thuyết bị rút gọn; các mô đun Thí nghiệm thiết bị trạm biến áp (ELET66147) và Thí nghiệm máy cắt điện (ELET55143) trong cùng chương trình là nơi triển khai thực nghiệm những nội dung này.