Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chiến lược phát triển hệ thống năng lượng quốc gia, công nghiệp điện năng giữ vai trò then chốt trong việc thúc đẩy tăng trưởng kinh tế, phục vụ sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ và đời sống sinh hoạt. Tuy nhiên, tại nhiều địa phương và khu vực vùng sâu vùng xa, khả năng cung cấp điện vẫn còn nhiều hạn chế, đồng thời nguồn công suất dự phòng trên hệ thống điện phân phối còn thiếu hụt. Việc lập đồ án thiết kế phần điện trong nhà máy điện, trạm biến áp tăng áp và mạng điện truyền tải - phân phối cấp điện cho các phụ tải địa phương là nhiệm vụ kỹ thuật có tính cấp thiết cao nhằm bảo đảm cung cấp điện liên tục, an toàn và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế - kỹ thuật.

Mục tiêu tổng quát của đồ án là tính toán và thiết kế hoàn chỉnh hệ thống điện từ khâu phát điện tại nhà máy thủy điện đến khâu phân phối điện năng tại các trạm biến áp hạ áp của phụ tải địa phương. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Tính toán cân bằng công suất, lựa chọn chủng loại, số lượng và thông số định mức của các tổ máy phát điện; vạch và lựa chọn sơ đồ nối điện chính tối ưu cho nhà máy điện.
  2. Lựa chọn số lượng, dung lượng định mức của các máy biến áp chính; tính toán kiểm tra khả năng mang tải trong các chế độ làm việc bình thường và sự cố; tính toán tổn thất điện năng hàng năm trong máy biến áp; lựa chọn kháng điện phân đoạn.
  3. Tính toán dòng điện ngắn mạch tại các điểm sự cố nguy hiểm nhất trên các cấp điện áp của hệ thống bằng phương pháp đường cong tính toán, làm cơ sở lựa chọn và kiểm tra khí cụ điện, dây dẫn và thanh cái.
  4. Tính toán và lựa chọn máy biến áp cho hệ thống tự dùng cấp 1 và cấp 2 của nhà máy điện.
  5. Thu thập số liệu phụ tải, phân tích nguồn cấp và cân bằng công suất tác dụng, công suất phản kháng cho mạng lưới điện khu vực.
  6. Dự kiến các phương án nối dây mạng điện, lựa chọn cấp điện áp danh định, tính chọn tiết diện dây dẫn, tính tổn thất điện áp và kiểm tra điều kiện phát nóng của dây dẫn khi xảy ra sự cố.
  7. So sánh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật để lựa chọn phương án thiết kế mạng điện tối ưu.
  8. Chọn số lượng và dung lượng máy biến áp cho các trạm hạ áp phụ tải; xây dựng sơ đồ nối dây chi tiết cho trạm nguồn và trạm trung gian.
  9. Tính toán dung lượng bù công suất phản kháng kinh tế trên mạng điện.
  10. Tính toán phân bố công suất chính xác, tính tổn thất công suất và tổn thất điện năng toàn mạng ở các chế độ vận hành (cực đại, cực tiểu và sự cố).
  11. Xác định điện áp tại các nút của mạng điện và tính toán lựa chọn đầu phân áp cho các máy biến áp tại các hộ tiêu thụ.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là phần điện trong nhà máy thủy điện công suất thiết kế $180\text{ MW}$ (công suất biểu kiến đặt $300\text{ MVA}$), trạm biến áp tăng áp liên lạc các cấp điện áp $110\text{ kV}$, $35\text{ kV}$, $10{,}5\text{ kV}$ và hệ thống mạng điện khu vực cấp điện cho 6 cụm phụ tải địa phương. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian bao gồm toàn bộ khuôn viên nhà máy điện, trạm biến áp tăng áp và hành lang tuyến dây truyền tải đến các trạm hạ áp phụ tải; phạm vi thời gian được tính toán theo chu kỳ ngày đêm (đồ thị phụ tải 24 giờ chia làm 6 khoảng thời gian) và chu kỳ vận hành kinh tế hàng năm ($8.760\text{ giờ}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án được xây dựng dựa trên các khung lý thuyết, quy chuẩn kỹ thuật và phương pháp tính toán chuyên ngành thuộc lĩnh vực kỹ thuật điện và hệ thống cung cấp điện:

  • Khung lý thuyết và tài liệu chuyên ngành: Sử dụng các nguyên lý cân bằng công suất nguồn - tải, lý thuyết ngắn mạch hệ thống điện ba pha, lý thuyết phân bố trào lưu công suất, nguyên lý điều chỉnh điện áp trong mạng điện và các quy trình tính toán thiết kế theo tài liệu "Thiết kế phần điện trong nhà máy điện và trạm biến áp" của PGS. Phạm Văn Hòa và PGS.TS. Nguyễn Văn Hòa.
  • Phương pháp phân tích đồ thị phụ tải và cân bằng công suất: Xây dựng biểu đồ phụ tải theo 6 khoảng thời gian trong ngày ($0\div4\text{h}$, $4\div8\text{h}$, $8\div12\text{h}$, $12\div16\text{h}$, $16\div20\text{h}$, $20\div24\text{h}$) cho các cấp điện áp $10{,}5\text{ kV}$, $35\text{ kV}$, $110\text{ kV}$ và phụ tải tự dùng, từ đó xác định biểu đồ phụ tải tổng và công suất thừa phát lên hệ thống.
  • Phương pháp tính toán ngắn mạch bằng đường cong tính toán: Quy đổi các phần tử của hệ thống điện về sơ đồ thay thế với các đại lượng cơ bản ($S_{\text{cb}} = 1000\text{ MVA}$, $U_{\text{cb110}} = 115\text{ kV}$, $U_{\text{cb35}} = 37\text{ kV}$, $U_{\text{cb10.5}} = 10{,}5\text{ kV}$). Tiến hành biến đổi tam giác - sao, ghép nguồn tương đương để xác định điện kháng tính toán, từ đó tra đường cong tính toán xác định dòng ngắn mạch chu kỳ ban đầu $I''{(0)}$, dòng ngắn mạch xác lập $I{(\infty)}$, dòng xung kích $i_{\text{xk}}$ và dòng hiệu dụng $I_{\text{xk}}$.
  • Phương pháp so sánh kinh tế - kỹ thuật: Đánh giá đa phương án nối dây nhà máy và mạng điện dựa trên các tiêu chí kỹ thuật (độ tin cậy cung cấp điện, tính linh hoạt trong vận hành, khả năng quá tải khi sự cố) và chỉ tiêu kinh tế (vốn đầu tư xây dựng ban đầu, chi phí tổn thất điện năng hàng năm, chi phí vận hành và bảo dưỡng).
  • Nguồn dữ liệu thực tế: Số liệu công suất cực đại và hệ số công suất của các cấp phụ tải địa phương; thông số kỹ thuật chuẩn của máy phát điện thủy công, máy biến áp hai cuộn dây, máy biến áp ba cuộn dây, máy cắt khí $\text{SF}_6$, kháng điện và dây dẫn tiêu chuẩn.

Thiết kế và triển khai

Đồ án tập trung vào việc thiết kế kỹ thuật phần điện nhà máy điện và mạng điện địa phương, bao gồm các giải pháp cấu hình, lựa chọn thiết bị và kiểm tra an toàn vận hành:

Cấu hình thiết bị chính nhà máy điện

  • Máy phát điện: Lựa chọn 6 tổ máy phát điện đồng bộ kiểu thủy điện loại $\text{CB - 840/130 - 52}$ có các thông số định mức:
    • Công suất định mức: $S_{\text{đm}} = 50\text{ MVA}$, $P_{\text{đm}} = 40\text{ MW}$ (tổng công suất đặt toàn nhà máy $S_{\text{NM}} = 300\text{ MVA}$, $P_{\text{NM}} = 240\text{ MW}$).
    • Điện áp định mức: $U_{\text{đm}} = 10{,}5\text{ kV}$; Dòng điện định mức: $I_{\text{đm}} = 2{,}76\text{ kA}$; Hệ số công suất: $\cos\varphi = 0{,}8$.
    • Tốc độ quay: $n = 115{,}5\text{ vòng/phút}$.
    • Điện kháng tương đối: $X''_d = 0{,}2$; $X'_d = 0{,}3$; $X_d = 0{,}89$.
  • Sơ đồ nối điện chính (Phương án II):
    • Khối 4 máy phát ($F_1, F_2, F_3, F_4$) nối bộ trực tiếp lên thanh góp cao áp $110\text{ kV}$ qua 3 máy biến áp hai cuộn dây $B_1, B_2, B_3$ (trong đó 2 máy phát $F_1, F_2$ ghép chung máy biến áp $B_1$).
    • Khối 2 máy phát ($F_5, F_6$) nối vào thanh góp cấp điện áp máy phát $10{,}5\text{ kV}$ và liên lạc lên các thanh góp $110\text{ kV}$ và $35\text{ kV}$ thông qua 2 máy biến áp ba cuộn dây $B_4, B_5$.
  • Máy biến áp lực chính:
    • 03 Máy biến áp hai cuộn dây loại $\text{TP - 80}$ (hoặc $\text{ДЦH}$): $S_{\text{đm}} = 80\text{ MVA}$, tỷ số biến áp $115/10{,}5\text{ kV}$, $\Delta P_0 = 89\text{ kW}$, $\Delta P_N = 310\text{ kW}$, $U_N% = 10{,}5%$, $I_0% = 0{,}55%$.
    • 02 Máy biến áp ba cuộn dây loại $\text{TДTН}$: $S_{\text{đm}} = 63\text{ MVA}$, tỷ số biến áp $115/38{,}5/11\text{ kV}$, $\Delta P_0 = 87\text{ kW}$, $\Delta P_{N(\text{C-T})} = 290\text{ kW}$, $\Delta P_{N(\text{C-H})} = 145\text{ kW}$, $\Delta P_{N(\text{T-H})} = 145\text{ kW}$, $U_{N(\text{C-T})}% = 10{,}5%$, $U_{N(\text{C-H})}% = 17%$, $U_{N(\text{T-H})}% = 6{,}5%$, $I_0% = 0{,}7%$.
  • Máy biến áp tự dùng:
    • Máy biến áp cấp 1: Loại máy biến áp dầu $\text{TMH}$, $S_{\text{đm}} = 1{,}6\text{ MVA}$, tỷ số biến áp $10/6{,}3\text{ kV}$, $\Delta P_0 = 2{,}8\text{ kW}$, $\Delta P_N = 16{,}5\text{ kW}$, $U_N% = 5{,}5%$, $I_0% = 1{,}3%$.
    • Máy biến áp dự trữ cấp 1: Lựa chọn công suất định mức $S_{\text{đmBdt}} = 2{,}25\text{ MVA}$.

Lựa chọn thiết bị đóng cắt và bảo vệ ngắn mạch

  • Máy cắt điện: Lựa chọn loại máy cắt khí $\text{SF}6$ hoặc máy cắt không khí, kiểm tra theo các điều kiện định mức: $U{\text{đmMC}} \ge U_{\text{đm}}$, $I_{\text{đmMC}} \ge I_{\text{cb}}$, dòng cắt định mức $I_{\text{Cđm}} \ge I''$, ổn định động $i_{\text{ôđđ}} \ge i_{\text{xk}}$, ổn định nhiệt $I_{\text{nhđm}}^2 \cdot t_{\text{nhđm}} \ge B_N$.
  • Kháng điện phân đoạn: Lựa chọn kháng điện đơn loại $\text{PbA-10-750}$ lắp đặt tại cấp điện áp máy phát với các thông số: $U_{\text{đm}} = 10\text{ kV}$, $I_{\text{đm}} = 750\text{ A}$, $X_k% = 8%$. Kháng điện có nhiệm vụ hạn chế dòng ngắn mạch từ mức $47{,}63\text{ kA}$ xuống dưới $10\text{ kA}$ ($I''{N6} = 5{,}56\text{ kA}$, $I''{N5} = 7{,}86\text{ kA}$), bảo đảm thỏa mãn dòng cắt của máy cắt hợp bộ $20\text{ kA}$ và ổn định nhiệt của tuyến cáp nhôm tiết diện $50\text{ mm}^2$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Chọn máy phát điện tính toán cân bằng công suất, chọn sơ đồ nối điện

Chương này thực hiện lựa chọn tổ máy phát và tính toán cân bằng công suất toàn nhà máy trong 24 giờ dựa trên đặc tính của từng cấp phụ tải:

  • Phụ tải cấp điện áp máy phát $10{,}5\text{ kV}$: Công suất cực đại $P_{\text{UFmax}} = 12\text{ MW}$, $\cos\varphi_F = 0{,}94$, phụ tải biến thiên $S_{\text{UF}}(t)$ trong khoảng $10{,}21\div12{,}77\text{ MVA}$. Tỷ lệ công suất phụ tải cấp máy phát so với toàn nhà máy là $S_{\text{UFmax}} / S_{\text{NM}} = 12{,}77 / 300 = 4{,}26% < 15%$, do đó không cần thiết lập thanh góp máy phát riêng biệt cho toàn bộ các tổ máy.
  • Phụ tải cấp trung áp $35\text{ kV}$: Công suất cực đại $P_{\text{UTmax}} = 20\text{ MW}$, $\cos\varphi_T = 0{,}92$, công suất $S_{\text{UT}}(t)$ biến thiên trong khoảng $17{,}39\div21{,}74\text{ MVA}$.
  • Phụ tải cấp cao áp $110\text{ kV}$: Tổng công suất cực đại $\sum P_{\text{UCptmax}} = 21 + 20 + 25 + 34 + 26 + 28 = 154\text{ MW}$, $\cos\varphi_C = 0{,}8$, công suất biểu kiến cực đại $S_{\text{UCptmax}} = 192{,}5\text{ MVA}$.
  • Phụ tải tự dùng của nhà máy thủy điện: Tỷ lệ tự dùng $\alpha = 3%$, công suất tự dùng cực đại $S_{\text{tdmax}} = 3% \times 300\text{ MVA} = 9\text{ MVA}$.
  • Kết quả cân bằng công suất toàn nhà máy theo thời gian:
    • Tổng công suất phụ tải toàn hệ thống $\sum S_{\text{pt}}(t)$ dao động từ $230{,}38\text{ MVA}$ đến $234{,}73\text{ MVA}$.
    • Công suất thừa phát lên hệ thống $S_{\text{th}}(t)$ dao động từ $65{,}27\text{ MVA}$ đến $69{,}62\text{ MVA}$.
  • Đánh giá 3 phương án sơ đồ nối điện chính: Phương án II được lựa chọn do bảo đảm cung cấp điện tin cậy, liên lạc linh hoạt giữa các cấp điện áp và sử dụng số lượng máy biến áp hợp lý nhất.

Chương 2: Chọn máy biến áp tính tổn thất điện năng trong máy biến áp

Thực hiện tính toán chọn công suất máy biến áp chính cho Phương án II, kiểm tra chế độ làm việc và tính tổn thất điện năng:

  • Chọn 03 máy biến áp hai cuộn dây loại $\text{TP-80}$ ($80\text{ MVA}$) và 02 máy biến áp ba cuộn dây liên lạc loại $\text{TДTН-63}$ ($63\text{ MVA}$).
  • Phân bố tải qua các máy biến áp: Các máy biến áp $B_1, B_2, B_3$ vận hành liên tục với phụ tải $65\text{ MVA}$; các máy biến áp ba cuộn dây $B_4, B_5$ gánh phụ tải phía cao $31{,}39\div33{,}56\text{ MVA}$, phía trung $8{,}70\div10{,}87\text{ MVA}$, phía hạ $41{,}62\div42{,}90\text{ MVA}$.
  • Kiểm tra sự cố:
    • Khi sự cố máy biến áp ba cuộn dây $B_5$: Phía trung $B_4$ tải $S_{\text{TB4}} = 21{,}74\text{ MVA} \le 67{,}2\text{ MVA}$ ($k_{\text{qt}} \times 0{,}7 \times S_{\text{đm}}$); phía hạ $B_4$ tải $S_{\text{HB4}} = 37{,}01\text{ MVA} \le 96\text{ MVA}$ ($k_{\text{qt}} \times S_{\text{đm}}$).
    • Khi sự cố máy biến áp hai cuộn dây $B_3$: Hai máy biến áp $B_1, B_2$ gánh công suất $S_{B1+B2} = 91{,}26\text{ MVA} \le 96\text{ MVA}$.
  • Thiết lập công thức và xác định tổn thất điện năng trong máy biến áp hai cuộn dây và ba cuộn dây theo tổn thất không tải $\Delta P_0$ và tổn thất ngắn mạch $\Delta P_N$ trong chu kỳ $8.760\text{ giờ}$.

Chương 3: Tính toán ngắn mạch

Thực hiện tính toán ngắn mạch ba pha duy trì và quá độ tại các điểm ngắn mạch đặc trưng trên sơ đồ Phương án II:

  • Chọn các đại lượng cơ bản: $S_{\text{cb}} = 1000\text{ MVA}$, $U_{\text{cb110}} = 115\text{ kV}$, $U_{\text{cb35}} = 37\text{ kV}$, $U_{\text{cb10.5}} = 10{,}5\text{ kV}$.
  • Tính toán điện kháng của các phần tử: Điện kháng hệ thống $X_{\text{HT}} = 0{,}067$; điện kháng đường dây $X_D = 0{,}94$; điện kháng máy phát $X_F = 4$; điện kháng MBA hai cuộn dây $X_{B110} = 1{,}31$; điện kháng các cuộn dây MBA ba cuộn dây $X_C = 1{,}67$, $X_T = 0$, $X_H = 1{,}03$.
  • Kết quả tính toán dòng ngắn mạch tại các điểm:
    • Điểm $N_1$ (thanh góp $110\text{ kV}$): Dòng ngắn mạch ban đầu $I''{N1(0)} = 10{,}69\text{ kA}$, dòng xác lập $I{N1(\infty)} = 9{,}71\text{ kA}$, dòng xung kích $i_{\text{xkN1}} = 27{,}21\text{ kA}$, dòng hiệu dụng $I_{\text{xkN1}} = 16{,}25\text{ kA}$.
    • Điểm $N_2$ (thanh góp $35\text{ kV}$): $I''{N2(0)} = 17{,}32\text{ kA}$, $I{N2(\infty)} = 19{,}52\text{ kA}$, $i_{\text{xkN2}} = 44{,}10\text{ kA}$, $I_{\text{xkN2}} = 26{,}33\text{ kA}$.
    • Điểm $N_3$ (thanh góp $10{,}5\text{ kV}$): $I''{N3(0)} = 73{,}18\text{ kA}$, $I{N3(\infty)} = 73{,}02\text{ kA}$, $i_{\text{xkN3}} = 186{,}29\text{ kA}$, $I_{\text{xkN3}} = 111{,}23\text{ kA}$.
    • Điểm $N_4$ (phía hạ MBA liên lạc khi $F_5$ nghỉ): $I''{N4(0)} = 33{,}88\text{ kA}$, $I{N4(\infty)} = 37{,}36\text{ kA}$, $i_{\text{xkN4}} = 86{,}24\text{ kA}$.
    • Điểm $N'4$ (nguồn cung cấp chỉ từ $F_5$): $I''{N'4(0)} = 13{,}75\text{ kA}$, $I_{N'4(\infty)} = 17{,}87\text{ kA}$, $i_{\text{xkN'4}} = 35{,}00\text{ kA}$.
    • Điểm $N_5$ (mạch tự dùng và phụ tải cấp máy phát): $I''{N5(0)} = 47{,}63\text{ kA}$, $I{N5(\infty)} = 55{,}23\text{ kA}$, $i_{\text{xkN5}} = 121{,}25\text{ kA}$.
  • Tính toán lựa chọn kháng điện đơn $\text{PbA-10-750}$ ($X_k% = 8%$) và kiểm tra điều kiện cắt của máy cắt cùng độ ổn định nhiệt của cáp dẫn.

Chương 4: Chọn máy biến áp mạch tự dùng

Xác định nhu cầu tự dùng và tính chọn các máy biến áp tự dùng trong nhà máy:

  • Máy biến áp tự dùng cấp 1 nhận điện từ thanh góp $10{,}5\text{ kV}$ cấp cho phụ tải động cơ $6\text{ kV}$ và các trạm biến áp cấp 2 ($0{,}4\text{ kV}$).
  • Dựa trên công suất tự dùng cực đại $S_{\text{tdmax}} = 9\text{ MVA}$, tính toán phân chia cho 4 máy công tác có công suất định mức $S_{\text{đmB}} = 1{,}5\text{ MVA}$. Lựa chọn máy biến áp dầu loại $\text{TMH}$ công suất $1{,}6\text{ MVA}$ ($10/6{,}3\text{ kV}$).
  • Lựa chọn 01 máy biến áp dự trữ cấp 1 có công suất định mức $S_{\text{đmBdt}} = 2{,}25\text{ MVA}$ phục vụ cấp điện khi sửa chữa hoặc dừng đập.

Chương 5: Cân bằng công suất cho hệ thống điện

  • Thu thập số liệu đặc tính phụ tải của 6 cụm tiêu thụ địa phương.
  • Phân tích khả năng cung cấp công suất từ nguồn phát nhà máy điện và nguồn hệ thống liên kết.
  • Lập bảng cân bằng công suất tác dụng ($P$) và công suất phản kháng ($Q$), xác định lượng thiếu hụt công suất phản kháng cần tiến hành bù trên lưới điện khu vực.

Chương 6: Dự kiến phương án về mặt kỹ thuật

  • Xây dựng 2 phương án cấu trúc sơ đồ mạng điện truyền tải khu vực cấp điện cho các phụ tải địa phương.
  • Tính toán lựa chọn điện áp tải điện định mức cho từng phương án theo công suất truyền tải và cự ly truyền dẫn.
  • Tính chọn tiết diện dây dẫn theo mật độ dòng điện kinh tế ($J_{\text{kt}}$) và kiểm tra theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép ($\Delta U_{\text{cp}}%$).
  • Kiểm tra điều kiện phát nóng của dây dẫn trong chế độ vận hành sự cố đứt một mạch của đường dây kép hoặc sự cố nguồn.

Chương 7: Tính toán kinh tế phương án thiết kế tổng kết các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật

  • Tính toán khối lượng xây lắp và vốn đầu tư xây dựng đường dây cho từng phương án dựa trên đơn giá $1\text{ km}$ đường dây.
  • Tính toán tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng hàng năm trên các cung đoạn đường dây của từng phương án.
  • Tổng kết bảng so sánh chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật (vốn đầu tư $K$, chi phí vận hành $Y$, chi phí tính toán quy đổi $Z$), từ đó lựa chọn phương án thiết kế tối ưu.

Chương 8: Chọn máy biến áp và sơ đồ nối dây chi tiết

  • Lựa chọn số lượng và dung lượng định mức máy biến áp giảm áp cho từng trạm biến áp phụ tải địa phương bảo đảm cung cấp điện liên tục (xét đến hệ số quá tải sự cố $k_{\text{qt}} = 1{,}4$).
  • Lập bảng tổng kết thông số kỹ thuật các máy biến áp đã chọn cho toàn bộ các trạm phụ tải.
  • Thiết lập sơ đồ nối dây chi tiết cho trạm nguồn (phía thanh cái tăng áp nhà máy) và các trạm trung gian, trạm hạ áp phụ tải.

Chương 9: Tính bù công suất mạng điện

  • Xác định điểm đặt và dung lượng thiết bị bù công suất phản kháng tối ưu tại các trạm phụ tải.
  • Tính toán chi phí kinh tế tổn thất do lắp đặt thiết bị bù (tụ bù tĩnh).
  • Lập bảng số liệu bù kinh tế và xác định lại dòng công suất phản kháng truyền tải trên mạng điện sau khi bù.

Chương 10: Tính toán phân bố công suất trong mạng điện, tính tổn thất công suất và tổn thất điện năng

  • Tính toán chính xác phân bố trào lưu công suất trên các nhánh của mạng điện sau khi đã lắp đặt tụ bù.
  • Kiểm tra sự cân bằng công suất phản kháng toàn hệ thống.
  • Tính toán tổn thất công suất tác dụng, tổn thất công suất phản kháng và tổn thất điện năng toàn mạng trong các chế độ:
    • Chế độ phụ tải cực đại ($P_{\text{max}}$).
    • Chế độ phụ tải cực tiểu ($P_{\text{min}}$).
    • Chế độ sự cố nặng nề nhất trên mạng truyền tải.

Chương 11: Tính điện áp tại các nút của mạng điện chọn đầu phân áp của các máy biến áp

  • Tính toán phân bố điện áp tại các nút phụ tải trong toàn mạng điện ở các chế độ vận hành cực đại, cực tiểu và sự cố.
  • Xác định phạm vi điều chỉnh điện áp và lựa chọn nấc đầu phân áp thích hợp cho các máy biến áp thường và máy biến áp có điều chỉnh dưới tải tại các trạm phụ tải.
  • Tổng kết bảng chọn đầu phân áp bảo đảm chất lượng điện áp đầu ra tại thanh cái hạ áp của các hộ tiêu thụ nằm trong giới hạn cho phép ($\pm 5%$).

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật chính

Hệ thống các kết quả tính toán số liệu cụ thể được tổng hợp trong đồ án bao gồm:

Hạng mục tính toán Thông số / Kết quả xác định
Công suất đặt nhà máy điện $S_{\text{NM}} = 300\text{ MVA}$ ($6 \times 50\text{ MVA}$), $P_{\text{NM}} = 240\text{ MW}$ ($6 \times 40\text{ MW}$)
Phụ tải cực đại các cấp Cấp $10{,}5\text{ kV}$: $12{,}77\text{ MVA}$; Cấp $35\text{ kV}$: $21{,}74\text{ MVA}$; Cấp $110\text{ kV}$: $192{,}5\text{ MVA}$
Công suất tự dùng cực đại $S_{\text{tdmax}} = 9\text{ MVA}$ ($\alpha = 3%$)
Công suất thừa phát lên lưới $S_{\text{th}} = 65{,}27\div69{,}62\text{ MVA}$
Máy biến áp tăng áp chính 03 MBA hai cuộn dây $\text{TP-80}$ ($80\text{ MVA}$); 02 MBA ba cuộn dây $\text{TДTН-63}$ ($63\text{ MVA}$)
Máy biến áp tự dùng cấp 1 04 MBA công tác loại $\text{TMH}$ ($1{,}6\text{ MVA}$); 01 MBA dự trữ ($2{,}25\text{ MVA}$)
Kháng điện bảo vệ mạch máy phát Loại $\text{PbA-10-750}$ ($I_{\text{đm}} = 750\text{ A}$, $X_k% = 8%$), giảm $I''_{N5}$ từ $47{,}63\text{ kA}$ về $7{,}86\text{ kA}$
Dòng ngắn mạch $N_1$ ($110\text{ kV}$) $I''{N1(0)} = 10{,}69\text{ kA}$; $i{\text{xkN1}} = 27{,}21\text{ kA}$; $I_{\text{xkN1}} = 16{,}25\text{ kA}$
Dòng ngắn mạch $N_2$ ($35\text{ kV}$) $I''{N2(0)} = 17{,}32\text{ kA}$; $i{\text{xkN2}} = 44{,}10\text{ kA}$; $I_{\text{xkN2}} = 26{,}33\text{ kA}$
Dòng ngắn mạch $N_3$ ($10{,}5\text{ kV}$) $I''{N3(0)} = 73{,}18\text{ kA}$; $i{\text{xkN3}} = 186{,}29\text{ kA}$; $I_{\text{xkN3}} = 111{,}23\text{ kA}$

Giải pháp và kiến nghị đề xuất

  • Đề xuất sử dụng sơ đồ nối điện khối kết hợp máy biến áp ba cuộn dây liên lạc (Phương án II) nhằm tối ưu hóa số lượng máy biến áp, vừa bảo đảm cung cấp phụ tải địa phương vừa linh hoạt chuyển tiếp công suất thừa lên hệ thống $110\text{ kV}$.
  • Đề xuất giải pháp đặt kháng điện đơn $\text{PbA-10-750}$ tại thanh cái phụ tải cấp điện áp máy phát để hạn chế dòng ngắn mạch, cho phép sử dụng cáp dẫn tiết diện $50\text{ mm}^2$ và máy cắt hợp bộ thông dụng $20\text{ kA}$, giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị.
  • Áp dụng giải pháp bù kinh tế công suất phản kháng tại các trạm hạ áp phụ tải kết hợp chọn nấc phân áp phù hợp nhằm duy trì chất lượng điện áp và giảm tổn thất công suất toàn mạng.

Đóng góp của đồ án

  • Hoàn thành đầy đủ khối lượng tính toán thiết kế kỹ thuật mang tính hệ thống từ nguồn phát thủy điện ($300\text{ MVA}$) đến mạng điện khu vực.
  • Giải quyết bài toán phối hợp tối ưu giữa lựa chọn thiết bị điện, kiểm tra ổn định nhiệt - động lực khi xảy ra ngắn mạch và bài toán cân bằng kinh tế - kỹ thuật trong truyền tải điện năng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo đánh giá của cán bộ hướng dẫn (TS. Đoàn Anh Tuấn) và cán bộ phản biện (TS. Trương Thị Hoa), đồ án còn tồn tại một số hạn chế và định hướng cần hoàn thiện:

  • Hạn chế tồn tại:
    • Do thời gian thực hiện có hạn, sinh viên chưa có điều kiện tiếp cận sâu với các hệ thống vận hành thực tế tại hiện trường nên các tính toán chủ yếu dựa trên mô hình lý thuyết và sổ tay tra cứu.
    • Văn bản thuyết minh cần hoàn thiện chuẩn hóa về mặt hình thức: chỉnh sửa quy chuẩn viết hoa đầu dòng ở các đề mục, chuẩn hóa danh mục bảng biểu, ký hiệu và tài liệu tham khảo.
    • Cần bổ sung đầy đủ hơn thông tin số liệu ban đầu của nhà máy điện và mạng địa phương trong phần mở đầu của thuyết minh.
    • Cần bổ sung phụ lục các bản vẽ kỹ thuật chi tiết: sơ đồ nối điện chính, sơ đồ mặt bằng, mặt cắt bố trí thiết bị phân phối và kết quả tính toán chi tiết các chế độ vận hành.
  • Hướng phát triển tiếp:
    • Ứng dụng các phần mềm mô phỏng hệ thống điện chuyên dụng (như PSS/E, ETAP, PowerWorld) để kiểm chứng và phân tích trào lưu công suất, ổn định động và ngắn mạch của mạng điện thiết kế.
    • Nghiên cứu sâu hơn về phương thức vận hành tự động hóa trạm biến áp (SCADA/DMS) và các chế độ điều chỉnh điện áp tự động dưới tải (OLTC) khi tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện địa phương.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích đối với:

  • Đối tượng tham khảo: Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Điện, chuyên ngành Hệ thống Cung cấp Điện và Hệ thống Điện thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc các học phần thiết kế nhà máy điện, trạm biến áp và lưới điện phân phối.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Phương pháp xây dựng biểu đồ phụ tải tổng và bảng số liệu cân bằng công suất nhiều cấp điện áp theo chu kỳ 24 giờ.
    • Quy trình biến đổi tương đương sơ đồ thay thế và các bước tính toán ngắn mạch phức tạp bằng phương pháp đường cong tính toán đối với hệ thống đa nguồn.
    • Phương pháp tính chọn kháng điện phân đoạn để phối hợp khả năng chịu đựng của cáp dẫn và năng lực cắt của máy cắt hợp bộ.
    • Trình tự tính toán so sánh kinh tế - kỹ thuật lựa chọn cấu hình mạng điện và thuật toán chọn đầu phân áp máy biến áp bảo đảm điện áp nút.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trong đồ án không thiết kế thanh góp cấp điện áp máy phát riêng cho toàn bộ 6 tổ máy phát điện?
Trả lời: Do công suất phụ tải cực đại ở cấp điện áp máy phát chỉ là $P_{\text{UFmax}} = 12\text{ MW}$ ($S_{\text{UFmax}} = 12{,}77\text{ MVA}$), chiếm tỷ lệ $4{,}26%$ tổng công suất đặt toàn nhà máy ($300\text{ MVA}$). Theo quy chuẩn kỹ thuật, khi phụ tải cấp máy phát nhỏ hơn $15%$ công suất nhà máy thì không cần xây dựng thanh góp cấp điện áp máy phát riêng cho tất cả tổ máy mà chỉ cần lấy rẽ nhánh từ các tổ máy $F_5, F_6$ qua máy biến áp liên lạc, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng và thiết bị phân phối.

2. Tổ máy phát điện được lựa chọn trong nhà máy thủy điện có mã hiệu và thông số định mức như thế nào?
Trả lời: Đồ án lựa chọn 6 tổ máy phát điện thủy công loại $\text{CB - 840/130 - 52}$ có các thông số định mức gồm: công suất biểu kiến $S_{\text{đm}} = 50\text{ MVA}$, công suất tác dụng $P_{\text{đm}} = 40\text{ MW}$, điện áp định mức $U_{\text{đm}} = 10{,}5\text{ kV}$, dòng điện định mức $I_{\text{đm}} = 2{,}76\text{ kA}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0{,}8$, tốc độ quay $n = 115{,}5\text{ vòng/phút}$, điện kháng siêu quá độ $X''_d = 0{,}2$.

3. Điểm ngắn mạch nào trong hệ thống xuất hiện dòng điện sự cố lớn nhất và giá trị cụ thể là bao nhiêu?
Trả lời: Điểm ngắn mạch $N_3$ trên thanh góp cấp điện áp máy phát $10{,}5\text{ kV}$ có dòng ngắn mạch lớn nhất do nhận dòng điện tổng hợp từ cả hệ thống điện và các tổ máy phát nội bộ. Giá trị dòng ngắn mạch siêu quá độ ban đầu tại $N_3$ là $I''{N3(0)} = 73{,}18\text{ kA}$, dòng ngắn mạch xác lập $I{N3(\infty)} = 73{,}02\text{ kA}$, dòng xung kích $i_{\text{xkN3}} = 186{,}29\text{ kA}$ và trị hiệu dụng dòng ngắn mạch $I_{\text{xkN3}} = 111{,}23\text{ kA}$.

4. Kháng điện $\text{PbA-10-750}$ được lựa chọn nhằm giải quyết yêu cầu kỹ thuật gì ở cấp điện áp máy phát?
Trả lời: Kháng điện đơn $\text{PbA-10-750}$ ($I_{\text{đm}} = 750\text{ A}, X_k% = 8%$) được lắp đặt để hạn chế dòng ngắn mạch tại điểm $N_5$ từ mức $47{,}63\text{ kA}$ xuống còn $7{,}86\text{ kA}$ (tại điểm $N_6$ là $5{,}56\text{ kA}$). Mức giảm này bảo đảm dòng ngắn mạch không vượt quá khả năng cắt của máy cắt hợp bộ ($I_{\text{cđm}} = 20\text{ kA}$) và thỏa mãn điều kiện ổn định nhiệt của cáp nhôm tiết diện $50\text{ mm}^2$ ($I_{\text{nhS1}} = 10\text{ kA}$).

5. Câu hỏi chuyên môn trọng tâm mà cán bộ phản biện đề nghị sinh viên giải trình trong buổi bảo vệ tốt nghiệp là gì?
Trả lời: Cán bộ phản biện (TS. Trương Thị Hoa) yêu cầu sinh viên giải thích chi tiết cơ sở lý thuyết và công thức tính toán lựa chọn công suất định mức của máy biến áp liên lạc ($B_4, B_5$) kết nối giữa các cấp điện áp $110\text{ kV}$, $35\text{ kV}$ và $10{,}5\text{ kV}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế phần điện trong nhà máy điện, trạm biến áp và cấp điện cho phụ tải địa phương" của sinh viên Nguyễn Nhật Thủ đã giải quyết hoàn chỉnh các nội dung tính toán thiết kế kỹ thuật hệ thống điện theo đúng nhiệm vụ được giao. Công trình đã xác định cấu hình nhà máy thủy điện $300\text{ MVA}$ với sơ đồ nối điện Phương án II tối ưu, tính toán chọn lựa chính xác hệ thống máy biến áp chính, máy biến áp tự dùng, tính toán ngắn mạch và lựa chọn các thiết bị đóng cắt, kháng điện bảo vệ. Đồng thời, đồ án đã triển khai đầy đủ các bước thiết kế mạng lưới điện khu vực từ cân bằng công suất, lựa chọn dây dẫn, tính bù kinh tế đến phân bố trào lưu công suất và điều chỉnh điện áp nút, đáp ứng tốt các yêu cầu về độ tin cậy cung cấp điện và hiệu quả kinh tế - kỹ thuật.