Chương 1: Tổng quan về trạm biến áp và hệ thống điều khiển, bảo vệ Chương 2: Hiện trạng hệ thống điều khiển và bảo vệ tại trạm biến áp 110kV Sầm Sơn 1 Chương 3: Đề xuất giải pháp nâng cấp hệ thống điều khiển và bảo vệ Chương 4: Đánh giá hiệu quả giải pháp 4 C ƢƠN 1. TỔNG QUAN VỀ TR M BIẾN ÁP VÀ H THỐN ỀU KHIỂN, BẢO V 1.1 Khái quát về trạm biến áp 110kV 1.1 Vai trò và chức năng của trạm biến áp trong hệ thống điện Trạm biến áp (TBA) là một bộ phận cơ bản và then chốt trong hệ thống điện, có nhiệm vụ chủ yếu là biến đổi cấp điện áp, từ đó giúp truyền tải và phân phối điện năng một cách an toàn, hiệu quả đến các khu vực phụ tải. Tùy theo chức năng và vị trí trong hệ thống, trạm biến áp được phân thành nhiều cấp điện áp khác nhau như 500kV, 220kV, 110kV, 35kV, 22kV… Trong đó, trạm biến áp 110kV đóng vai trò trung gian, kết nối giữa lưới điện truyền tải quốc gia và lưới điện phân phối địa phương. Trong tổng thể chuỗi cung ứng năng lượng từ nhà máy phát điện đến người tiêu dùng cuối cùng, TBA giúp giảm tổn thất điện năng, ổn định điện áp, đồng thời là điểm đấu nối quan trọng để phân vùng sự cố, đảm bảo hệ thống điện luôn vận hành an toàn, tin cậy.
Đặc biệt, với mức điện áp 110kV, TBA không chỉ phục vụ mục đích hạ áp để cấp điện cho phụ tải trung thế, mà còn là mắt xích chính trong việc điều tiết dòng công suất phản kháng, góp phần duy trì chất lượng điện năng theo tiêu chuẩn. Các chức năng chính của trạm biến áp 110kV bao gồm: Chuyển đổi cấp đ ện áp: Là chức năng cốt lõi của trạm. Ví dụ, điện từ lưới 110kV được hạ xuống 35kV hoặc 22kV để cấp cho khu công nghiệp, khu dân cư. Phân phố đ ện năn : Sau khi được biến áp, điện được phân phối đến các phụ tải thông qua hệ thống đường dây và các thiết bị đóng cắt.
Bảo vệ và cô lập sự cố: Trạm được trang bị các hệ thống bảo vệ, đóng cắt để ngắt mạch khi phát hiện sự cố như chạm đất, quá tải, ngắn mạch. m s t và đ ều khiển hệ thốn đ ện: Nhờ tích hợp hệ thống điều khiển hiện đại như SCADA, trạm có thể theo dõi trạng thái vận hành theo thời gian thực, điều khiển đóng/cắt thiết bị từ xa. 5 Ổn định chất lƣợn đ ện năn : Các thiết bị tụ bù, bộ điều chỉnh điện áp trong trạm giúp kiểm soát điện áp, công suất phản kháng và ổn định tần số lưới điện.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điện Đặc biệt trong điều kiện hệ thống điện ngày càng mở rộng, việc tích hợp năng lượng tái tạo và phát triển các trung tâm phụ tải lớn như khu công nghiệp, khu đô thị mới, vai trò của trạm biến áp 110kV ngày càng quan trọng hơn. Đây là nơi giao nhau của các luồng công suất lớn, đòi hỏi khả năng điều khiển chính xác, vận hành ổn định và phản ứng nhanh khi có sự cố.
Đối với khu vực Sầm Sơn – Thanh Hóa, nơi có tốc độ phát triển du lịch và công nghiệp nhanh chóng, trạm biến áp 110kV giữ vai trò then chốt trong việc đảm bảo cấp điện liên tục cho các phụ tải trọng điểm như khách sạn, resort, bệnh viện, trung tâm hành chính và các cụm công nghiệp ven biển. Mọi sự cố tại trạm đều có 6 thể ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định kinh tế - xã hội của cả khu vực, do đó yêu cầu về điều khiển – bảo vệ tại trạm là vô cùng nghiêm ngặt.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của trạm biến áp 110kV. a) Cấu trúc tổng quát của trạm biến áp 110kV Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một trạm biến áp Trạm biến áp 110kV thường có cấu trúc gồm ba thành phần chính: thiết bị điện chính, hệ thống điều khiển - bảo vệ và hệ thống phụ trợ. Cấu trúc cụ thể có thể thay đổi tùy theo sơ đồ đấu nối, mục đích vận hành (trạm cắt, trạm trung gian, trạm hạ áp), và mức độ tự động hóa của trạm (vận hành thủ công, bán tự động hoặc trạm không người trực).
Máy biến áp lực (Power Transformer): Là thiết bị trung tâm của trạm, thực hiện việc chuyển đổi điện áp từ 110kV xuống các cấp thấp hơn như 35kV hoặc 22kV để cấp cho phụ tải. Máy biến áp lực có thể có công suất từ 25MVA đến 63MVA, tùy theo quy mô phụ tải trong khu vực. Thiết bị đón cắt (Switchgear): Bao gồm các máy cắt (circuit breaker), dao cách ly (disconnector), dao tiếp địa (earthing switch), được sử dụng để đóng/ngắt mạch điện trong điều kiện vận hành bình thường và khi xảy ra sự cố. 7 Dây dẫn và thanh cái (Busbar): Làm nhiệm vụ phân phối dòng điện giữa các ngăn lộ, máy biến áp và đường dây.
Có thể có một hoặc nhiều thanh cái tùy thuộc vào sơ đồ trạm (một thanh cái, hai thanh cái, vòng hở, vòng kín…). Thiết bị bảo vệ và đo lƣờng: Gồm các máy biến dòng (CT), máy biến điện áp (VT), rơle bảo vệ, thiết bị đo lường… giúp giám sát, bảo vệ và điều khiển thiết bị điện trong trạm. Hệ thốn đ ều khiển - giám sát (SCADA[13], RTU, PLC): Cho phép giám sát tình trạng hoạt động của trạm theo thời gian thực, điều khiển từ xa và ghi nhận sự kiện. Hệ thống này có thể vận hành độc lập tại trạm hoặc kết nối với trung tâm điều độ.
Hệ thống phụ trợ: Bao gồm hệ thống điện một chiều (DC), máy phát điện dự phòng, hệ thống chiếu sáng, hệ thống chữa cháy, hệ thống điều hòa, thông gió… b) Sơ đồ đấu nối điển hình của trạm 110kV Tùy theo yêu cầu về độ tin cậy và kinh phí đầu tư, trạm biến áp 110kV có thể áp dụng các sơ đồ đấu nối như: Sơ đồ một thanh cái: Đơn giản, giá thành thấp nhưng độ tin cậy không cao, phù hợp với trạm nhỏ hoặc ít quan trọng. CLD MC1 MCPĐ CLTG I II I II MC b) Sơ đồ 1 TC c) Sơ đồ 1 TC a) Sơ đồ 1 TC phân đoạn bằng 2 phân đoạn bằng không phân đoạn dao cách ly máy cắt Hình 1.3 Sơ đồ một thanh cái Sơ đồ hai thanh cái có thanh cái dự phòng: Độ tin cậy cao, cho phép bảo trì từng phần mà không ngừng cấp điện.4 Sơ đồ 2 thanh cái có thanh cái vòng Sơ đồ vòng hở hoặc vòng kín: Áp dụng tại các khu vực phụ tải quan trọng hoặc lưới điện đô thị. Sơ đồ sẽ quy định cách bố trí thiết bị đóng cắt, đường dây vào/ra, vị trí máy biến áp và cách phân phối điện đến các nhánh phụ tải. c) Nguyên lý hoạt động của trạm biến áp 110kV Nguyên lý hoạt động cơ bản của trạm biến áp 110kV là quá trình tiếp nhận điện năng từ lưới truyền tải ở cấp điện áp cao (110kV), sau đó qua máy biến áp lực để hạ điện áp xuống mức phù hợp (35kV, 22kV…) rồi phân phối đến các phụ tải qua các ngăn lộ ra.
Quá trình này diễn ra liên tục, được kiểm soát chặt chẽ bởi hệ thống rơle bảo vệ và điều khiển giám sát tự động. Khi có sự cố như ngắn mạch, quá dòng, sự cố chạm đất…, hệ thống bảo vệ sẽ phát hiện và gửi tín hiệu đến thiết bị đóng cắt (máy cắt, dao cách ly) để cô lập phần bị sự cố, ngăn ngừa lan truyền ra toàn hệ thống. Đồng thời, hệ thống SCADA/RTU sẽ gửi cảnh báo về trung tâm điều khiển để có biện pháp xử lý kịp thời. Với các trạm hiện đại, quy trình vận hành đã được tự động hóa một phần hoặc toàn phần.
Trạm có thể được giám sát và điều khiển từ xa mà không cần người trực tại chỗ (trạm không người trực), góp phần giảm nhân lực và nâng cao hiệu quả vận hành.3 Các yêu cầu về kỹ thuật và tiêu chuẩn vận hành Việc thiết kế, xây dựng và vận hành trạm biến áp 110kV phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật và các quy định pháp lý hiện hành nhằm đảm bảo an toàn, tin cậy, hiệu quả kinh tế và khả năng tích hợp vào hệ thống điện quốc gia. Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản bao gồm: a) Tiêu chuẩn kỹ thuật: Trạm biến áp phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật đo Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) [1], Bộ Công Thương và các đơn vị điều độ hệ thống điện (A0, A1, A2) ban hành. Đồng thời, các tiêu chuẩn quốc tế sau đây thường được áp dụng trong thiết kế và vận hành: IEC 61850: Giao thức truyền thông cho hệ thống tự động hóa trạm biến áp, cho phép tích hợp và truyền dữ liệu theo thời gian thực giữa các thiết bị [3]. IEC 60255: Quy định các yêu cầu kỹ thuật cho rơle bảo vệ và thiết bị điều khiển.
IEC 60076: Tiêu chuẩn về thiết kế và thử nghiệm máy biến áp lực. Các tiêu chuẩn quốc gia tương ứng (TCVN), đã được nội địa hóa từ tiêu chuẩn IEC hoặc do các tổ chức kỹ thuật trong nước ban hành. b) Yêu cầu về an toàn điện và phòng chống cháy nổ Các thiết bị trong trạm phải được lựa chọn đảm bảo cách điện phù hợp với cấp điện áp, chịu được điện áp xung sét và điện áp làm việc lâu dài. Hệ thống tiếp địa phải được thiết kế đạt điện trở đất không quá 4 Ohm theo tiêu chuẩn hiện hành, nhằm đảm bảo an toàn cho người vận hành và thiết bị.
Trạm cần trang bị hệ thống chống sét van, thiết bị cắt lọc sét và các biện pháp ngăn ngừa sự cố hồ quang điện nội bộ. Đối với máy biến áp có sử dụng dầu, phải lắp đặt các thiết bị báo mức dầu, báo nhiệt độ, hệ thống chữa cháy tự động và máng chứa dầu sự cố. c) Khả năng vận hành và bảo trì Sơ đồ nối dây phải được thiết kế đơn giản, rõ ràng, đảm bảo linh hoạt trong vận hành và thuận tiện khi cần cách ly thiết bị để kiểm tra, sửa chữa. Các tủ điều khiển, tủ rơle và hệ thống dây cáp phải bố trí gọn gàng, dễ kiểm tra và có ghi chú rõ ràng để thuận lợi trong công tác vận hành, bảo trì và xử lý sự cố.
10 Hệ thống chiếu sáng, thông gió, an ninh và camera giám sát cần được trang bị đầy đủ nhằm hỗ trợ tốt cho quá trình vận hành từ xa hoặc kiểm tra tại chỗ. d) Tính tin cậy và độ sẵn sàng Trạm phải được trang bị đầy đủ các lớp bảo vệ: bảo vệ chính (bảo vệ so lệch, khoảng cách, quá dòng có hướng…), bảo vệ dự phòng và bảo vệ sự cố.