Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống phân phối và cung cấp điện công nghiệp cũng như dân dụng, trạm biến áp phân phối giữ vai trò trung gian then chốt nhằm biến đổi cấp điện áp từ lưới trung thế (22kV - 35kV) xuống cấp điện áp hạ thế (0,4kV - 0,22kV) để trực tiếp cung cấp cho các phụ tải tiêu thụ. Sự phát triển nhanh chóng của các khu công nghiệp, xí nghiệp sản xuất và các khu đô thị mới đòi hỏi các giải pháp trạm biến áp không chỉ đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, an toàn vận hành mà còn phải tối ưu hóa diện tích lắp đặt, thi công nhanh chóng và đảm bảo mỹ quan môi trường.

Đề tài tốt nghiệp "Thiết kế đường dây và trạm biến áp 400kVA - 35/0,4kV" được tác giả Nhâm Văn Linh thực hiện tại Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Dương (thời gian thực hiện từ ngày 04/04/2022 đến ngày 24/06/2022). Mục tiêu cốt lõi của đồ án là xây dựng giải pháp thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một trạm biến áp hợp bộ kiểu Kiosk công suất 400kVA, cấp điện áp 35/0,4kV kèm theo tuyến đường dây cấp nguồn trung thế và tủ phân phối hạ thế tổng.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm các nội dung được xác định theo văn bản:

  1. Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết quá trình thiết kế kỹ thuật, phương pháp tối ưu hóa và các tiêu chuẩn, quy chuẩn bản vẽ kỹ thuật hiện hành.
  2. Khảo sát, so sánh và đánh giá ưu nhược điểm của các dạng trạm biến áp phân phối phổ biến (trạm xây trong nhà, trạm treo/giàn, trạm hợp bộ Kiosk, trạm một cột/trụ thép) để lựa chọn phương án trạm Kiosk phù hợp với yêu cầu thực tiễn.
  3. Thu thập số liệu phụ tải ban đầu, tính toán dự báo phát triển phụ tải trong vòng 5 năm làm cơ sở lựa chọn công suất máy biến áp.
  4. Tính toán và lựa chọn tiết diện cáp dẫn điện phía trung áp theo điều kiện mật độ dòng điện kinh tế ($J_{kt}$) và kiểm tra theo điều kiện phát nóng cho phép.
  5. Thực hiện tính toán ngắn mạch tại thanh cái trung thế và hạ thế nhằm xác định dòng ngắn mạch xung kích, dòng ngắn mạch ổn định.
  6. Lựa chọn và kiểm tra ổn định động, ổn định nhiệt của các khí cụ điện đóng cắt, bảo vệ phía trung thế (dao cắt phụ tải LBS, cầu chì trung thế, chống sét van).
  7. Thiết kế và lựa chọn hệ thống phân phối hạ áp: cáp hạ thế, Aptomat tổng (MCCB), máy biến dòng đo lường (BI), thanh cái đồng và thiết bị chống sét van hạ áp.
  8. Tính toán kết cấu xây dựng móng trạm, vỏ trạm và lập dự toán chi phí đầu tư tài chính cho toàn bộ công trình.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống đường dây cáp ngầm trung áp và trạm biến áp hợp bộ Kiosk công suất 400kVA - 35/0,4kV. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các thông số kỹ thuật điện, tính toán ngắn mạch, lựa chọn thiết bị điện theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế, cùng kế hoạch mở rộng tải trong khung thời gian thiết kế 5 năm với tốc độ tăng trưởng tải dự kiến 12%/năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án được xây dựng dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết kỹ thuật điện, quy phạm trang bị điện và các phương pháp tính toán chuyên ngành:

  • Hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật:

    • Quy phạm trang bị điện: Ban hành kèm theo Quyết định số 19/2006/QĐ-BCN ngày 11/7/2006 của Bộ Công nghiệp.
    • Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về kỹ thuật điện: Thông tư số 40/2009/TT-BCT ngày 31/12/2009 và Thông tư số 32/2010/TT-BCT ngày 30/7/2010 của Bộ Công Thương.
    • Tiêu chuẩn máy biến áp và trạm biến áp: TCVN 6306-1:2006 đến TCVN 6306-5:2006 (Máy biến áp điện lực), TCVN 8525:2010 (Mức hiệu suất năng lượng tối thiểu của MBA), TCVN 3715-82 (Trạm biến áp trọn bộ công suất đến 1000kVA, điện áp đến 20kV).
    • Tiêu chuẩn thiết bị đóng cắt và bảo vệ quốc tế: IEC 60071 (Phối hợp cách điện), IEC 60529 (Cấp bảo vệ vỏ tủ), IEC 60099-4 (Chống sét van), IEC 60282 (Cầu chì cao áp), IEC 62271-1, IEC 62271-100, IEC 62271-102, IEC 62271-103, IEC 62271-200 (Thiết bị đóng cắt và tủ hợp bộ trung thế), IEC 61869-2 (Máy biến dòng điện).
    • Tiêu chuẩn bản vẽ kỹ thuật: TCVN 7285:2003 (Khổ giấy và khung bản vẽ), TCVN 7286:2003 (Tỷ lệ), TCVN 3808:2008 (Chú dẫn phần tử), TCVN 3824:2008 (Bảng kê), TCVN 7284:2004 (Chữ viết), TCVN 7583:2006 (Ghi kích thước).

  • Phương pháp tính toán và thiết kế:

    • Phương pháp tính toán phụ tải và dự báo phụ tải: Áp dụng mô hình tăng trưởng lũy kế theo chu kỳ $n = 5$ năm với tốc độ tăng trưởng tải $a = 12%/\text{năm}$.
    • Phương pháp lựa chọn tiết diện dây dẫn trung thế: Áp dụng phương pháp mật độ dòng điện kinh tế ($J_{kt}$) dựa trên thời gian sử dụng công suất lớn nhất ($T_{max} = 3200\text{ h}$), kết hợp kiểm tra điều kiện phát nóng cho phép ($I_{cp}$) với các hệ số hiệu chỉnh theo môi trường và cách lắp đặt ($k_1, k_2, k_3$).
    • Phương pháp tính toán ngắn mạch: Xác định tổng trở hệ thống ($X_{HT}$) từ công suất ngắn mạch đầu nguồn ($S_N = 250\text{ MVA}$), tính toán điện trở và điện kháng đường dây, từ đó xác định dòng ngắn mạch siêu quá độ ($I''$), dòng ngắn mạch ổn định ($I_\infty$) và dòng xung kích ($I_{xk}$).
    • Phương pháp kiểm tra ổn định động và ổn định nhiệt: Tính toán lực điện động tác dụng lên thanh cái và cáp dẫn khi xảy ra ngắn mạch, so sánh ứng suất tính toán ($\sigma_{tt}$) với ứng suất cho phép ($\sigma_{cp}$) của vật liệu đồng, kiểm tra tiết diện dây dẫn chịu dòng ngắn mạch trong thời gian quá độ ($t_{qđ}$).

  • Nguồn dữ liệu thực nghiệm và tra cứu: Số liệu thông số kỹ thuật được trích xuất trực tiếp từ catalog của các nhà sản xuất thiết bị điện uy tín: cáp trung thế CADISUN, cáp hạ thế CADIVI, thiết bị đóng cắt trung thế ABB (dao cắt phụ tải LBS), thiết bị bảo vệ SIEMENS (cầu chì ống trung thế, chống sét van 3EG1 và 5SD7003), thiết bị đóng cắt hạ áp SCHNEIDER (MCCB Compact NS), biến dòng hạ thế EMIC và các định mức cấp phối vật liệu xây dựng theo TCVN.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về quá trình thiết kế kỹ thuật

Chương 1 đóng vai trò hệ thống hóa phương pháp luận về kỹ thuật và quy trình thiết kế kỹ thuật tổng quát gồm 8 bước:

  1. Xác định sự cần thiết của sản phẩm hoặc dịch vụ.
  2. Mô tả cụ thể nhằm hiểu rõ vấn đề liên quan (xác định ngân sách, nhân sự, công cụ, kích thước, vật liệu, tiến độ, địa chỉ ứng dụng).
  3. Thu thập và xử lý thông tin từ các đối tượng liên quan.
  4. Đề xuất giải pháp sơ bộ và đánh giá tính khả thi.
  5. Tính toán thiết kế chi tiết tuân thủ các quy định, tiêu chuẩn.
  6. Kiểm tra, thử nghiệm và đánh giá độ chính xác của các thông số.
  7. Tối ưu hóa thiết kế dựa trên các tiêu chí như chi phí, độ tin cậy, kích thước, khối lượng.
  8. Lập dự toán thuyết minh, hoàn thiện hồ sơ và thuyết trình.

Chương này phân định rõ khái niệm, phạm vi áp dụng và cơ quan ban hành giữa quy định, tiêu chuẩn (TCVN, TCCS) mang tính tự nguyện và quy chuẩn kỹ thuật (QCVN, QCĐP) mang tính bắt buộc áp dụng. Tác giả cũng tổng hợp vai trò của các công cụ phần mềm kỹ thuật (AutoCAD, Revit, Excel, Word, PowerPoint) trong việc tự động hóa tính toán và thể hiện bản vẽ. Phần cuối chương trình bày chi tiết các quy định chung về bản vẽ kỹ thuật theo TCVN: kích thước các khổ giấy từ A0 đến A4, cấu trúc khung bản vẽ, khung tên trường học (kích thước $140\times 32\text{ mm}$), quy cách nét vẽ, tỷ lệ thu nhỏ/phóng to, quy tắc viết chữ và phương pháp ghi kích thước cơ bản lẫn đặc biệt.

Chương 2: Thiết kế trạm biến áp Kiosk, 400kVA – 35/0,4kV

Chương 2 là nội dung trọng tâm của đồ án, trình bày toàn bộ quá trình tính toán, lựa chọn và kiểm tra thiết bị cho trạm biến áp Kiosk 400kVA - 35/0,4kV.

  • Phân tích các dạng trạm biến áp phân phối: So sánh chi tiết 4 mô hình trạm:

    • Trạm xây trong nhà: Độ bền và an toàn cao, thẩm mỹ tốt nhưng chi phí xây dựng lớn, kết cấu chiếm diện tích.
    • Trạm treo/giàn: Chi phí thấp, tiết kiệm đất nhưng độ an toàn thấp, mất mỹ quan, hạn chế công suất.
    • Trạm hợp bộ Kiosk: Cấu trúc kim loại kín gồm 3 khoang (trung thế, máy biến áp, hạ thế), gọn nhẹ, thi công lắp đặt nhanh, đảm bảo cảnh quan đô thị và độ an toàn cao, dù công suất khó mở rộng thêm do sản xuất dạng modul.
    • Trạm một cột: Thẩm mỹ cao, diện tích chiếm chỗ nhỏ, dải công suất $31,5 - 630\text{ kVA}$ nhưng yêu cầu bảo dưỡng định kỳ khắt khe.

  • Cấu tạo trạm Kiosk được lựa chọn: Vỏ trạm làm bằng tôn mạ/thép dày $2 \div 3\text{ mm}$, khung thép định hình chịu lực dày $3 \div 4\text{ mm}$, sơn tĩnh điện 2 mặt chống ăn mòn. Bên trong chia thành 3 khoang riêng biệt có cửa đóng mở độc lập:

    • Khoang trung thế: Bố trí tủ RMU chứa máy cắt phụ tải, cầu chì trung thế và chống sét van.
    • Khoang máy biến áp: Đặt máy biến áp 3 pha ngâm dầu/khô công suất 400kVA.
    • Khoang hạ thế: Bố trí tủ phân phối tổng MSB chứa MCCB tổng, các MCCB nhánh, ngăn tụ bù công suất và hệ thống đo đếm.

  • Tính toán phụ tải và lựa chọn cáp trung thế:

    • Phụ tải ban đầu: $P_{tt} = 328\text{ kW}$, thời gian sử dụng công suất cực đại $T_{max} = 3200\text{ h}$.
    • Tốc độ tăng tải $12%/\text{năm}$, tính toán cho chu kỳ thiết kế 5 năm.
    • Dòng điện làm việc lớn nhất phía trung áp 35kV: $I_{max} = 20,99\text{ A}$.
    • Theo $T_{max} = 3200\text{ h}$ và ruột dẫn bằng đồng, tra được mật độ dòng điện kinh tế $J_{kt} = 3,1\text{ A/mm}^2$.
    • Tiết diện kinh tế tính toán: $F_{kt} = \frac{I_{max}}{J_{kt}} = \frac{20,99}{3,1} = 6,77\text{ mm}^2$.
    • Lựa chọn cáp ngầm trung áp CADISUN 1-lõi Cu/XLPE/PVC tiết diện $50\text{ mm}^2$ ($F_c = 50\text{ mm}^2$), có $z_0 = 0,387 + 0,08j,\Omega/\text{km}$, dòng cho phép định mức $I_{cp} = 286\text{ A}$.
    • Kiểm tra phát nóng: Với hệ số cách đặt $k_1 = 0,9$, hệ số ghép cáp $k_2 = 0,79$, hệ số nhiệt độ ở $30^\circ\text{C}$ $k_3 = 1$, dòng cho phép hiệu chỉnh $I_{cp.hc} = 286 \times (0,9 \times 0,79 \times 1) = 203,34\text{ A} > I_{max} = 20,99\text{ A}$ (thỏa mãn).

  • Tính toán ngắn mạch và lựa chọn khí cụ trung thế:

    • Nguồn có công suất ngắn mạch $S_N = 250\text{ MVA}$, điện áp cơ bản $U_{cb} = 22\text{ kV}$, điện kháng hệ thống $X_{HT} = 2,1344,\Omega$. Tuyến cáp $50\text{ mm}^2$ dài $L = 50\text{ m} = 0,05\text{ km}$ có tổng trở $Z = 2,138,\Omega$.
    • Dòng ngắn mạch siêu quá độ: $I_N = I'' = I_\infty = 5,94\text{ kA}$.
    • Dòng ngắn mạch xung kích (với hệ số xung kích $k_{xk} = 1,8$): $I_{xk} = \sqrt{2} \times 1,8 \times 5,94 = 15,12\text{ kA}$.
    • Máy cắt phụ tải: Chọn LBS-SF6 do ABB chế tạo ($U_{đm} = 24\text{ kV}, I_{đm} = 630\text{ A}, I_{cđm} = 50\text{ kA}, I_{N1s} = 16\text{ kA}$). Kiểm tra điều kiện ổn định động $I_{ôđđ} = 50\text{ kA} > I_{xk} = 15,12\text{ kA}$ (đạt yêu cầu).
    • Cầu chì trung thế: Chọn loại 3GD1 405-4B của SIEMENS ($U_{đm} = 24\text{ kV}, I_{đm} = 31,5\text{ A}, I_{cắtN} = 31,5\text{ kA}$). Kiểm tra $I_{cắtN} = 31,5\text{ kA} > I'' = 5,94\text{ kA}$, dòng cắt tối thiểu $I_{cắtNmin} = 315\text{ A}$.
    • Chống sét van trung thế: Chọn loại 3EG1 của SIEMENS (oxit kim loại, $U_{đm} = 35\text{ kV}$, dòng phóng định mức $5\text{ kA}$).

  • Tính toán và lựa chọn thiết bị phía hạ áp (0,4kV):

    • Dòng điện làm việc cực đại phía thứ cấp máy biến áp 400kVA: $I_{lvmax} = \frac{400}{\sqrt{3} \times 0,4} = 577,35\text{ A}$ (trong thuyết minh tính cho dự phòng tăng trưởng $I_{lvmax} = 1154,7\text{ A}$). Dòng hiệu chỉnh yêu cầu $I_{cp} \ge 1461,65\text{ A}$.
    • Chọn cáp liên kết từ máy biến áp sang tủ MSB: Cáp CADIVI 1-lõi Cu/XLPE/PVC tiết diện $240\text{ mm}^2$, mỗi pha đi 3 sợi song song ($11 \times \text{Cu/XLPE/PVC } 1 \times 240\text{ mm}^2$), dòng cho phép mỗi sợi $I_{cp} = 500\text{ A}$.
    • Aptomat tổng (MCCB): Chọn loại NS125M4N2 do Schneider sản xuất ($U_{đm} = 400\text{ V}, I_{đm} = 630\text{ A}$, khả năng cắt dòng ngắn mạch $I_N = 50\text{ kA}$, 4 cực).
    • Máy biến dòng điện (BI): Chọn biến dòng EMIC tỉ số $630/5\text{ A}$, điện áp định mức $600\text{ V}$, cấp chính xác phù hợp đo lường và bảo vệ rơle, bội số ổn định động $K_{đ} = 31$, bội số ổn định nhiệt $K_{ôđn} = 45$.
    • Thanh cái hạ áp: Chọn thanh cái đồng chữ nhật kích thước $100 \times 5\text{ mm}$, tiết diện $500\text{ mm}^2$, dòng cho phép 1 thanh $I_{cp} = 1391\text{ A}$, mỗi pha ghép 2 thanh.
    • Chống sét van hạ áp: Chọn loại 5SD7003 của SIEMENS (vật liệu SiC, $U_{đm} = 380\text{ V}$, 4 cực, dòng phóng $100\text{ kA}$).

  • Kiểm tra ổn định động và ổn định nhiệt:

    • Dòng ngắn mạch hạ áp tại thanh cái máy biến áp: $I_N = 73,49\text{ kA}$.
    • Kiểm tra nhiệt cáp hạ thế: Tiết diện ổn định nhiệt yêu cầu $F_{ôđn} = \frac{I_N \times \sqrt{t_{qđ}}}{\alpha} = \frac{73,49 \times \sqrt{0,5}}{6} = 122,49\text{ mm}^2 < 240\text{ mm}^2$ (thỏa mãn).
    • Kiểm tra ổn định động thanh cái đồng: Khoảng cách giữa các sứ $L = 70\text{ cm}$, khoảng cách giữa các pha $a = 30\text{ cm}$. Lực tính toán phân bố $F_{tt} = 1,76\text{ kG/cm}$, mômen uốn cực đại $M = 1552,53\text{ kG}\cdot\text{cm}$, mômen chống uốn của thanh cái $W = 1,667\text{ cm}^3$. Ứng suất tính toán phát sinh $\sigma_{tt} = \frac{M}{W} = 931,33\text{ kG/cm}^2 \le \sigma_{cp} = 1400\text{ kG/cm}^2$ (đảm bảo an toàn chịu lực điện động).

  • Thiết kế xây dựng và dự toán kinh tế: Lập bảng định mức cấp phối bê tông mác theo TCVN, tính toán khối lượng đào đắp, gia công cốt thép, đổ bê tông móng trụ đỡ trạm Kiosk và bốc tách bảng giá thành xây dựng chi tiết cho từng hạng mục công trình.

Chương 3: Kết luận

Chương kết luận tổng hợp lại toàn bộ kết quả học tập và nghiên cứu của sinh viên trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp:

  • Củng cố kiến thức chuyên ngành về mạng lưới điện, cung cấp điện, khí cụ điện và bảo vệ rơle.
  • Nắm vững quy trình thiết kế kỹ thuật từ khâu khảo sát phụ tải, lập cấu hình trạm đến tính toán điện, kiểm tra ổn định và lập bản vẽ kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN.
  • Làm chủ các công cụ hỗ trợ thiết kế kỹ thuật số: AutoCAD (thể hiện sơ đồ nguyên lý, mặt bằng móng trạm, tiếp địa trạm), Excel (lập bảng tính toán ngắn mạch, kiểm tra thiết bị và dự toán tài chính).

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp triển khai

Dưới đây là bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật cốt lõi và kết quả lựa chọn thiết bị cho trạm biến áp Kiosk 400kVA - 35/0,4kV được trích xuất từ đồ án:

Hạng mục thiết bị Vị trí lắp đặt Mã hiệu / Quy cách Nhà sản xuất Thông số kỹ thuật danh định Kết quả kiểm tra kỹ thuật
Cáp ngầm trung thế Đoạn tuyến 50m cấp nguồn Cu/XLPE/PVC 1x50mm² CADISUN $U = 35\text{ kV}, I_{cp} = 286\text{ A}, z_0 = 0,387+0,08j,\Omega/\text{km}$ $I_{cp.hc} = 203,34\text{ A} > I_{max} = 20,99\text{ A}$ (Đạt)
Dao cắt phụ tải (LBS) Tủ RMU trung thế LBS - SF6 24kV ABB $U_{đm} = 24\text{ kV}, I_{đm} = 630\text{ A}, I_{cđm} = 50\text{ kA}$ $I_{ôđđ} = 50\text{ kA} > I_{xk} = 15,12\text{ kA}$ (Đạt)
Cầu chì trung thế Khoang trung thế bảo vệ MBA 3GD1 405-4B SIEMENS $U_{đm} = 24\text{ kV}, I_{đm} = 31,5\text{ A}, I_{cắtN} = 31,5\text{ kA}$ $I_{cắtN} = 31,5\text{ kA} > I'' = 5,94\text{ kA}$ (Đạt)
Chống sét van trung thế Đầu vào cáp trung thế 3EG1 SIEMENS Oxit kim loại, $U_{đm} = 35\text{ kV}, I_{xả} = 5\text{ kA}$ $U_{đmCSV} \ge U_{đmLD}$ (Đạt)
Máy biến áp phân phối Khoang máy biến áp 3 pha ngâm dầu/khô Tiêu chuẩn TCVN $S_{đm} = 400\text{ kVA}, 35/0,4\text{ kV}$ Đảm bảo cấp điện phụ tải 5 năm ($P_{tt} = 328\text{ kW}$)
Cáp hạ thế Liên kết MBA sang tủ MSB Cu/XLPE/PVC 1x240mm² CADIVI 11 sợi ($3\text{ sợi/pha} + 2\text{ sợi trung tính}$), $I_{cp} = 500\text{ A/sợi}$ $F_{ôđn.yc} = 122,49\text{ mm}^2 < 240\text{ mm}^2$ (Đạt)
Aptomat tổng (MCCB) Tủ phân phối hạ áp MSB NS125M4N2 SCHNEIDER 4 cực, $U_{đm} = 400\text{ V}, I_{đm} = 630\text{ A}, I_N = 50\text{ kA}$ $I_{đm} > I_{tt} = 577,35\text{ A}, I_N = 50\text{ kA}$ (Đạt)
Biến dòng đo lường (BI) Tủ hạ thế MSB Kiểu đo lường hạ thế EMIC Tỉ số biến $630/5\text{ A}, U_{đm} = 600\text{ V}, K_{đ} = 31, K_{ôđn} = 45$ Cấp chính xác đạt chuẩn đo đếm và bảo vệ
Thanh cái dẫn điện Tủ phân phối hạ thế Thanh đồng chữ nhật Tiêu chuẩn M&E Kích thước $100 \times 5\text{ mm}$, ghép đôi mỗi pha, $I_{cp} = 1391\text{ A}$ $\sigma_{tt} = 931,33\text{ kG/cm}^2 \le \sigma_{cp} = 1400\text{ kG/cm}^2$ (Đạt)
Chống sét van hạ thế Tủ phân phối hạ thế 5SD7003 SIEMENS Vật liệu SiC, 4 cực, $U_{đm} = 380\text{ V}, I_{xả} = 100\text{ kA}$ Bảo vệ quá điện áp khí quyển phía hạ áp

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:

    • Xây dựng hoàn chỉnh phương án thiết kế trạm biến áp hợp bộ Kiosk 400kVA - 35/0,4kV với đầy đủ các ngăn chức năng độc lập, đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về an toàn điện của Bộ Công nghiệp (QĐ 19/2006/QĐ-BCN) và tiêu chuẩn kỹ thuật điện quốc tế IEC.
    • Tính toán chính xác các chế độ làm việc dài hạn và chế độ sự cố ngắn mạch: xác định dòng ngắn mạch trung thế $I_N = 5,94\text{ kA}$, dòng xung kích $I_{xk} = 15,12\text{ kA}$; dòng ngắn mạch hạ áp $I_N = 73,49\text{ kA}$.
    • Chứng minh được tính an toàn cơ - nhiệt của hệ thống thanh dẫn và dây cáp thông qua các phép kiểm tra ổn định động ($\sigma_{tt} = 931,33\text{ kG/cm}^2 < 1400\text{ kG/cm}^2$) và ổn định nhiệt ($F_{ôđn} = 122,49\text{ mm}^2 < 240\text{ mm}^2$).
    • Hoàn thiện hồ sơ bản vẽ kỹ thuật bao gồm: Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp, sơ đồ bố trí thiết bị trong trạm Kiosk, sơ đồ bố trí hệ thống tiếp địa an toàn và bản vẽ chi tiết mặt bằng móng trạm.

  • Đóng góp thực tiễn:

    • Đề xuất mô hình trạm biến áp Kiosk hợp bộ như một giải pháp thay thế tối ưu cho các trạm treo truyền thống và trạm xây cồng kềnh tại các khu vực đô thị, khu công nghiệp vừa và nhỏ, nơi có yêu cầu khắt khe về diện tích mặt bằng và cảnh quan môi trường.
    • Thiết lập quy trình tính toán mẫu có cấu trúc rõ ràng từ việc phân tích công suất phụ tải, chọn cáp theo $J_{kt}$, giải bài toán ngắn mạch đến lựa chọn phối hợp khí cụ bảo vệ đóng cắt và dự toán xây dựng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Mô hình trạm biến áp Kiosk có kết cấu vỏ chế tạo theo dạng mô-đun định hình cố định, dẫn đến không gian bên trong bị hạn chế, gây khó khăn cho việc nâng cấp tăng công suất máy biến áp hoặc lắp đặt thêm các nhánh xuất tuyến hạ thế mới trong tương lai.
    • Phương pháp tính toán ngắn mạch trong đồ án sử dụng mô hình nguồn công suất vô cùng lớn ($S_N = 250\text{ MVA}$) với các giả thiết gần đúng, chưa xét đến các dao động phức tạp của hệ thống điện mở rộng.
    • Chưa đi sâu vào thiết kế tích hợp hệ thống tự động hóa điều khiển giám sát từ xa (SCADA) hoặc các chức năng giám sát chất lượng điện năng trực tuyến trong trạm.

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp tự động hóa lưới điện phân phối thông minh (Smart Grid), tích hợp các rơle kỹ thuật số có khả năng giao tiếp theo chuẩn IEC 61850 vào khoang trung thế và hạ thế của trạm Kiosk.
    • Mở rộng bài toán tối ưu hóa vị trí đặt trạm và bù công suất phản kháng động (APFC) nhằm giảm thiểu triệt để tổn thất điện năng trên mạng hạ áp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện Tự động công nghiệp, Hệ thống điện khi thực hiện đồ án môn học Cung cấp điện, Thiết kế trạm biến áp và đồ án tốt nghiệp đại học.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện (M&E), kỹ sư tư vấn thiết kế trạm biến áp phân phối cho các công trình công nghiệp và dân dụng.
  • Phần có giá trị tham khảo cao: Quy trình tính toán lựa chọn tiết diện cáp ngầm trung thế theo mật độ dòng điện kinh tế ($J_{kt}$), các bảng tra hệ số hiệu chỉnh dây dẫn ($k_1, k_2, k_3$), phương pháp kiểm tra lực điện động uốn thanh cái đồng và phương pháp kiểm tra ổn định nhiệt khi ngắn mạch.

Câu hỏi thường gặp

1. Công suất phụ tải ban đầu và tốc độ tăng trưởng tải trong đồ án được xác định như thế nào? Công suất phụ tải tính toán ở năm đầu tiên được xác định là $P_{tt} = 328\text{ kW}$ với thời gian sử dụng công suất cực đại $T_{max} = 3200\text{ h}$. Tốc độ tăng trưởng tải được thiết lập là $12%/\text{năm}$ với chu kỳ tính toán thiết kế kéo dài 5 năm, làm căn cứ lựa chọn máy biến áp công suất 400kVA.

2. Tuyến cáp ngầm trung thế cấp nguồn được chọn theo phương pháp nào và sử dụng chủng loại cáp gì? Tuyến cáp trung thế được lựa chọn theo phương pháp mật độ dòng điện kinh tế ($J_{kt} = 3,1\text{ A/mm}^2$ ứng với $T_{max} = 3200\text{ h}$ và lõi đồng). Tiết diện tính toán là $F_{kt} = 6,77\text{ mm}^2$. Tác giả chọn cáp 1-lõi CADISUN mã hiệu Cu/XLPE/PVC tiết diện tiêu chuẩn $50\text{ mm}^2$, có dòng cho phép định mức $I_{cp} = 286\text{ A}$, sau khi nhân các hệ số hiệu chỉnh cách đặt và môi trường đạt $203,34\text{ A}$, lớn hơn nhiều so với dòng làm việc lớn nhất $I_{max} = 20,99\text{ A}$.

3. Kết quả tính toán dòng điện ngắn mạch tại thanh cái trung thế 35kV là bao nhiêu? Với nguồn công suất ngắn mạch $S_N = 250\text{ MVA}$ và chiều dài tuyến cáp $50\text{ m}$, tổng trở ngắn mạch tính được là $Z = 2,138,\Omega$. Dòng điện ngắn mạch siêu quá độ và ổn định là $I_N = I'' = I_\infty = 5,94\text{ kA}$, dòng ngắn mạch xung kích với hệ số xung kích $k_{xk} = 1,8$ là $I_{xk} = 15,12\text{ kA}$.

4. Thiết bị đóng cắt và bảo vệ chính ở khoang trung thế gồm những loại nào? Khoang trung thế trang bị: dao cắt phụ tải LBS-SF6 24kV của ABB ($I_{đm} = 630\text{ A}$, dòng ổn định động $50\text{ kA}$); bộ cầu chì trung thế bảo vệ ngắn mạch máy biến áp 3GD1 405-4B của SIEMENS ($U_{đm} = 24\text{ kV}, I_{đm} = 31,5\text{ A}, I_{cắtN} = 31,5\text{ kA}$); và chống sét van oxit kim loại 3EG1 của SIEMENS ($U_{đm} = 35\text{ kV}$, dòng phóng $5\text{ kA}$).

5. Thanh cái hạ áp trong tủ MSB được lựa chọn và kiểm tra ổn định động như thế nào? Thanh cái hạ áp chọn bằng đồng lá hình chữ nhật kích thước $100 \times 5\text{ mm}$, ghép đôi 2 thanh mỗi pha ($I_{cp} = 1391\text{ A}$). Khi ngắn mạch phía hạ áp với dòng $I_N = 73,49\text{ kA}$, mômen uốn phát sinh là $M = 1552,53\text{ kG}\cdot\text{cm}$ và mômen chống uốn $W = 1,667\text{ cm}^3$. Ứng suất tính toán phát sinh là $\sigma_{tt} = 931,33\text{ kG/cm}^2$, nhỏ hơn ứng suất cho phép của đồng $\sigma_{cp} = 1400\text{ kG/cm}^2$, đảm bảo an toàn tuyệt đối về ổn định động.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nhâm Văn Linh đã giải quyết trọn vẹn và chuẩn xác bài toán thiết kế kỹ thuật trạm biến áp hợp bộ Kiosk 400kVA - 35/0,4kV cùng tuyến cáp cấp nguồn trung áp. Toàn bộ các bước tính toán phụ tải, phân tích ngắn mạch, lựa chọn khí cụ đóng cắt - bảo vệ trung - hạ thế và kiểm tra ổn định cơ - nhiệt đều tuân thủ chặt chẽ hệ thống quy phạm trang bị điện Việt Nam và tiêu chuẩn quốc tế IEC. Kết quả nghiên cứu cung cấp một giải pháp thiết kế hoàn chỉnh, có tính ứng dụng thực tiễn cao cho việc cấp điện an toàn, liên tục và thẩm mỹ trong hạ tầng phân phối điện công nghiệp và đô thị.