Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống điện lực, trạm biến áp và máy biến áp đóng vai trò là các mắt xích trọng yếu nhằm thực hiện quá trình truyền tải, phân phối và biến đổi điện năng giữa các cấp điện áp khác nhau để đáp ứng nhu cầu của các hộ tiêu thụ điện. Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của toàn bộ mạng lưới phân phối phụ thuộc trực tiếp vào tính chính xác trong khâu tính toán thiết kế máy biến áp, cũng như việc lựa chọn các khí cụ điện đóng cắt, đo lường và bảo vệ đặt tại trạm.

Báo cáo đề tài "Dự án liên môn 1 (PBL1): Máy điện và Thiết bị điện" với đề tài "Thiết kế Máy biến áp (MBA) và Tìm hiểu thiết bị điện trong trạm biến áp" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Hữu Thịnh (Lớp 19DCLC4, MSSV: 105190167), dưới sự hướng dẫn của TS. Phan Văn Hiền và ThS. Nguyễn Văn Tấn tại Khoa Điện, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng (hoàn thành ngày 20 tháng 08 năm 2021). Đề tài giải quyết bài toán kỹ thuật kết hợp giữa thiết kế máy điện tĩnh và trang bị khí cụ điện trạm phân phối theo mô hình học tập qua dự án (Project-Based Learning - PBL).

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm hai nội dung chính:

  1. Tính toán thiết kế kết cấu điện từ của máy biến áp phân phối, khảo sát sự biến thiên của hệ số tối ưu hóa $\beta$ nhằm xác định kích thước, khối lượng vật liệu tác dụng (dây quấn, lõi sắt) và các chỉ tiêu tổn hao không tải.
  2. Phân tích nguyên lý, cấu tạo và thực hiện quy trình tính chọn các thiết bị điện nhất thứ tại trạm biến áp phân phối cấp điện áp 15/0,4 kV (bao gồm dao cách ly, cầu chì tự rơi, chống sét van, máy biến điện áp đo lường), định hướng ứng dụng phần mềm chuyên dụng ETAP trong việc tính toán chế độ làm việc và ngắn mạch.

Đối tượng nghiên cứu trọng tâm là máy biến áp phân phối 3 pha cùng hệ thống khí cụ điện cao áp và trung áp đặt tại trạm biến áp phân phối 15/0,4 kV công suất định mức 320 kVA. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy trình tính toán kỹ thuật giải tích theo tiêu chuẩn ngành điện lực kết hợp tra cứu bảng thông số thiết bị từ các nhà sản xuất thiết bị điện tiêu chuẩn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nội dung nghiên cứu của đề tài được xây dựng dựa trên hai nền tảng lý thuyết chuyên ngành:

  • Lý thuyết thiết kế máy điện: Phương pháp thiết kế máy biến áp dựa trên bài toán tối ưu hóa hệ số hình dáng và kinh tế $\beta$. Khảo sát sự tương quan giữa trọng lượng sắt $G_{Fe}$ (gồm trọng lượng trụ $G_t$ và trọng lượng gông $G_g$) với trọng lượng đồng dây quấn $G_{đd}$, thông qua hệ số tương đương $K_{dqfe}$ để xác định chỉ tiêu chi phí vật liệu quy đổi $C'{td}$. Xác định các thông số tổn hao không tải $P_0$, tổn hao công suất phản kháng không tải $Q_0$, từ đó suy ra các thành phần dòng điện không tải tác dụng $I'{or}$ và phản kháng $I'_{ox}$.
  • Lý thuyết khí cụ điện và trạm biến áp: Nguyên lý hoạt động, cấu tạo cơ khí và đặc tính cách điện của các thiết bị đóng cắt mạch điện (dao cách ly), thiết bị bảo vệ quá dòng (cầu chì), thiết bị bảo vệ quá điện áp khí quyển (chống sét van điện trở phi tuyến Vilit), và thiết bị biến đổi tín hiệu đo lường (máy biến điện áp BU). Các điều kiện kiểm tra ổn định điện áp, dòng điện định mức, dòng điện cưỡng bức sự cố và khả năng dập hồ quang.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp giải tích và quét tham số: Thiết lập hàm toán học biểu diễn các đại lượng kinh tế - kỹ thuật theo biến số $\beta$ thay đổi trong khoảng từ $1,2$ đến $2,2$. Lập bảng tính toán để tìm điểm cực tiểu của hàm chi phí quy đổi tương đương $C'_{td}$.
  • Phương pháp tính chọn thiết bị điện theo điều kiện kỹ thuật: Áp dụng các điều kiện bất đẳng thức tiêu chuẩn trong thiết kế cung cấp điện để lựa chọn thiết bị điện dựa trên điện áp định mức của lưới ($U_{đmLĐ}$), dòng điện làm việc cưỡng bức ($I_{cb}$), dòng điện ngắn mạch ($I_{nm}$) và khả năng chịu dòng ổn định động ($I_{cu}$).
  • Phương pháp hỗ trợ tính toán bằng phần mềm: Ứng dụng công cụ ETAP để mô phỏng phân tích trích xuất dữ liệu dòng điện ngắn mạch và chế độ vận hành của hệ thống phục vụ công tác kiểm tra thiết bị.

Nguồn dữ liệu sử dụng

Dữ liệu tính toán trong công trình xuất phát từ các thông số định mức của máy biến áp ($S_{đm} = 320\text{ kVA}$, $U_1/U_2 = 15/0,4\text{ kV}$), kết hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật chế tạo thiết bị điện công nghiệp từ các hãng sản xuất thiết bị điện như Siemens, Cooper, Yikun và Tridelta.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Quy trình thiết kế và tính chọn kỹ thuật trong đồ án được tiến hành theo các bước tính toán giải tích cụ thể cho từng phần tử trong trạm biến áp 15/0,4 kV:

[Máy biến áp Sđm = 320 kVA, 15/0,4 kV]
[Phần I: Thiết kế MBA]       [Phần II: Tính chọn thiết bị trạm]
- Quét tham số Beta          - Tính dòng định mức, dòng cưỡng bức
- Tối ưu trọng lượng G_Fe    - Chọn Dao cách ly (Siemens 3DC)
- Xác định I'ox, I'or, C'td  - Chọn Cầu chì (Siemens 3DC)
                             - Chọn Chống sét van (Vilit) & BU

1. Tối ưu hóa tham số thiết kế máy biến áp

Trong quá trình thiết kế kết cấu mạch từ và dây quấn máy biến áp, tỷ số giữa các kích thước hình học chính được quy định qua hệ số $\beta$. Đồ án tiến hành khảo sát dải biến thiên $\beta \in [1,2; 2,2]$ để đánh giá tác động lên các chỉ tiêu vật liệu và tổn hao:

  • Trọng lượng lõi thép được tính tổng hợp từ trụ và gông: $G_{Fe} = G_t + G_g$.
  • Thành phần dòng điện không tải tác dụng: $I'{or} = \frac{P_0}{10 \cdot S{đm}}$.
  • Thành phần dòng điện không tải phản kháng: $I'{ox} = \frac{Q_0}{10 \cdot S{đm}}$.
  • Hàm chi phí tính toán tương đương kết hợp khối lượng sắt và đồng: $C'{td} = G{Fe} + K_{dqfe} \cdot G_{đd}$.

2. Tính toán chọn dao cách ly (DCL)

Dao cách ly tại trạm phân phối 15/0,4 kV làm nhiệm vụ tạo khoảng cách cách điện trông thấy an toàn khi sửa chữa và thao tác đóng cắt dòng không tải.

  • Điều kiện chọn lựa:
    • Điện áp định mức: $U_{đmDCL} \ge U_{đmLĐ} = 15\text{ kV}$.
    • Dòng điện định mức: $I_{đmDCL} \ge I_{cb}$.
    • Độ ổn định động: $I_{cu} \ge I_{nm}$.
  • Dòng điện định mức của máy biến áp: $$I_{đmBA} = \frac{S_{đm}}{\sqrt{3} \cdot U_{đmLĐ}} = \frac{320}{\sqrt{3} \times 15} \approx 12,32\text{ A}$$
  • Dòng điện cưỡng bức qua dao cách ly (xét hệ số quá tải $k_{qt} = 1,4$): $$I_{cb} = 1,4 \cdot I_{đmBA} = 1,4 \times 12,32 = 17,24\text{ A}$$
  • Kết quả chọn: Dao cách ly Siemens mã hiệu 3DC có cấp điện áp định mức $U_{đm} = 24\text{ kV}$, dòng định mức $I_{đm} = 630\text{ A}$.

3. Tính toán chọn cầu chì cao áp (CC)

Cầu chì đóng vai trò bảo vệ ngắn mạch và quá tải nghiêm trọng cho máy biến áp phía trung áp 15 kV.

  • Điều kiện chọn lựa:
    • $U_{đmCC} \ge U_{đmLĐ} = 15\text{ kV}$.
    • $I_{đmCC} \ge I_{cb} = 17,24\text{ A}$ (với dòng tải tính toán $I_{đm} = 12,32\text{ A}$).
  • Kết quả chọn: Cầu chì Siemens dòng 3DC với thông số $U_{đm} = 24\text{ kV}$, $I_{đm} = 630\text{ A}$.

4. Lựa chọn chống sét van (CSV) và biến điện áp (BU)

  • Chống sét van: Lắp đặt song song với máy biến áp để dẫn sóng sét và dòng quá áp xuống đất. Thiết bị sử dụng tấm điện trở phi tuyến bằng vật liệu Vilit kết hợp khe hở phóng điện. Trở kháng của Vilit tự động giảm mạnh khi có điện áp cao để tháo sét nhanh và tăng vọt ở điện áp lưới bình thường nhằm giới hạn dòng điện kế tục dưới $80\text{ A}$, giúp chuỗi khe hở dập tắt hồ quang.
  • Máy biến điện áp đo lường (BU): Biến đổi điện áp lưới trung thế xuống $100\text{ V}$ hoặc $100/\sqrt{3}\text{ V}$ để nuôi thiết bị đo lường, rơle và tự động hóa. Thứ cấp nối đất một cực nhằm bảo đảm an toàn điện; mạch thứ cấp có tổng trở vào rất lớn nên BU vận hành ở chế độ tương đương không tải.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Thiết kế máy biến áp (MBA)

Phần này tập trung vào các bước tính toán thiết kế máy biến áp điện lực, xác định kích thước lõi từ, tiết diện dây quấn, chiều cao cửa sổ, tính toán khối lượng tác dụng và xác định các tham số tổn hao mạch từ. Kết quả tính toán quét tham số $\beta$ tại giá trị đặc trưng $\beta = 1,370$ được thể hiện qua các chỉ số:

Thông số thiết kế Ký hiệu Giá trị tính toán Đơn vị
Hệ số tối ưu khảo sát $\beta$ $1,370$ -
Trọng lượng thép tổng ($G_t + G_g$) $G_{Fe}$ $7436,78$ kg
Thành phần dòng không tải phản kháng $I'_{ox}$ $1,8042$ %
Thành phần dòng không tải tác dụng $I'_{or}$ $0,2110$ %
Hàm chi phí vật liệu tương đương $C'_{td}$ $9964,4021$ đơn vị quy ước
Trị số hàm mục tiêu $C'_{td}$ theo $\beta$ $C'_{td(\beta)}$ $1000,5$ đơn vị quy ước

Các kết quả trên chứng minh quy luật biến thiên của chi phí tác dụng và tổn hao không tải theo tỷ lệ hình học của lõi thép, giúp xác định điểm cân bằng kỹ thuật tối ưu cho máy biến áp $320\text{ kVA}$.

Phần II: Tìm hiểu thiết bị điện trạm biến áp - Tính chọn các thiết bị điện bằng phần mềm ETAP

Nội dung Phần II trình bày tổng quan cấu trúc trạm biến áp, phân tích chức năng của các loại trạm (trạm biến áp trung gian tiếp nhận điện áp 110 kV, 220 kV biến đổi xuống 6 kV, 10 kV, 22 kV; trạm biến áp phân xưởng chuyển đổi điện áp cấp cho tải hạ áp) cùng các tiêu chuẩn thiết kế (chất lượng điện năng, vị trí tâm phụ tải, an toàn hành lang điện, tính kinh tế và thuận tiện bảo dưỡng).

Tiếp đó, phần này đi sâu vào cấu tạo, nguyên lý vận hành và tiêu chí lựa chọn cho 4 nhóm thiết bị chính:

  • Dao cách ly: Khảo sát các cơ cấu chuyển động gồm dao cách ly kiểu quay 1 trụ (tiết diện nhỏ cho trạm cao áp chật hẹp), kiểu quay 2 trụ (dùng phổ biến ở cấp $72,5\text{ kV} - 420\text{ kV}$, góc quay mở $90^\circ$), kiểu 2 trụ cắt ở giữa (dùng cho cấp điện áp từ $400\text{ kV}$ trở lên), và kiểu 3 trụ (hai trụ ngoài giữ tiếp điểm tĩnh, trụ giữa quay $60^\circ$ mang lưỡi dao). Thực hiện tính chọn mã dao cách ly Siemens 3DC cho cấp 15 kV.
  • Cầu chì cao thế: Phân tích nguyên lý tự chảy của dây chì/hợp kim khi phát sinh quá dòng đột biến và cơ cấu buồng dập hồ quang. Thực hiện tính toán dòng làm việc cưỡng bức để chọn dòng định mức cho cầu chì Siemens 3DC.
  • Chống sét van: Thuyết minh cấu tạo chuỗi khe hở nối tiếp đĩa điện trở phi tuyến Vilit. Giải thích cơ chế dập dòng điện kế tục (không quá $80\text{ A}$) ở tần số công nghiệp. Giới thiệu các chủng loại thương mại từ các hãng sản xuất Cooper, Yikun, Tridelta.
  • Biến áp đo lường (BU): Phân loại BU kiểu khô (lắp trong nhà, loại 1 pha cho cấp $\le 6\text{ kV}$, loại 3 pha cho cấp $\le 500\text{ V}$) và BU kiểu ngâm dầu. Nêu rõ nguyên lý phối hợp trở kháng mạch thứ cấp và yêu cầu nối đất bảo vệ.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Đã hoàn thiện chu trình tính toán thiết kế máy biến áp ba pha phân phối công suất $320\text{ kVA}$, xây dựng được bảng số liệu thể hiện mối quan hệ giữa hệ số $\beta$ với trọng lượng vật liệu lõi thép ($G_{Fe} = 7436,78\text{ kg}$) và dòng điện không tải ($I'{ox} = 1,8042%$, $I'{or} = 0,211%$).
  • Thiết lập quy trình tính chọn thiết bị điện cao áp cho trạm biến áp $15/0,4\text{ kV}$ có kiểm tra đầy đủ các điều kiện vận hành bình thường và quá tải cưỡng bức:
Thiết bị điện Cấp điện áp tính toán ($U_{đmLĐ}$) Dòng điện tính toán ($I_{đm} / I_{cb}$) Chủng loại thiết bị lựa chọn Thông số định mức thiết bị ($U_{đm} / I_{đm}$)
Dao cách ly $15\text{ kV}$ $I_{cb} = 17,24\text{ A}$ Siemens 3DC $24\text{ kV} - 630\text{ A}$
Cầu chì trung áp $15\text{ kV}$ $I_{đm} = 12,32\text{ A}$ Siemens 3DC $24\text{ kV} - 630\text{ A}$
Chống sét van $15\text{ kV}$ Điện áp dập hồ quang, dòng kế tục $\le 80\text{ A}$ Vilit phi tuyến (Cooper/Yikun/Tridelta) Phù hợp lưới $15\text{ kV}$
Biến điện áp BU $15\text{ kV}$ Tải thứ cấp mạch hở (không tải) BU cách điện khô/dầu Tỷ số biến đổi $15\text{ kV} / 100\text{ V}$ (hoặc $100/\sqrt{3}\text{ V}$)

2. Đóng góp của đồ án

  • Báo cáo tổng hợp tường minh các bước tính toán từ lý thuyết máy điện đến việc ứng dụng thực tế vào lựa chọn khí cụ điện trong trạm biến áp phân phối.
  • Hệ thống hóa phân loại các kết cấu cơ khí của dao cách ly (1 trụ, 2 trụ quay, 2 trụ cắt giữa, 3 trụ) và nguyên lý làm việc của điện trở phi tuyến Vilit trong chống sét van, cung cấp tài liệu kỹ thuật có tính trực quan cho sinh viên chuyên ngành điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Phạm vi tính toán thiết bị chỉ tập trung vào cấp điện áp trung áp $15\text{ kV}$ và hạ áp $0,4\text{ kV}$ của một trạm biến áp phân phối đơn lẻ có công suất $320\text{ kVA}$, chưa mở rộng khảo sát các trạm trung gian quy mô lớn (110 kV, 220 kV).
  • Dữ liệu trong báo cáo tập trung vào các thiết bị mạch sơ cấp (nhất thứ) cơ bản gồm dao cách ly, cầu chì, BU và chống sét van; chưa tích hợp tính chọn chi tiết máy cắt hợp bộ (VCB/SF6), máy biến dòng điện (BI/CT) và hệ thống tủ điều khiển thứ cấp.

Hướng phát triển

  • Mở rộng tính toán mô phỏng toàn diện trên phần mềm ETAP cho các chế độ ngắn mạch ba pha, ngắn mạch chạm đất, phân tích trào lưu công suất và phối hợp đặc tính thời gian - dòng điện giữa cầu chì với máy cắt hạ áp.
  • Nghiên cứu thiết kế trạm biến áp phân phối sử dụng các cấp điện áp tiêu chuẩn hiện hành của lưới điện Việt Nam ($22\text{ kV}$, $35\text{ kV}$) và tích hợp hệ thống điều khiển, giám sát thu thập dữ liệu từ xa (SCADA).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo phù hợp cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống Điện: Dùng làm mẫu tham khảo phương pháp tính toán cho học phần Đồ án môn học Máy điện, Khí cụ điện, Đồ án Thiết kế trạm biến áp và các dự án liên môn dạng PBL (PBL1, PBL2).
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống phân phối điện: Tham khảo quy trình tính toán nhanh dòng điện cưỡng bức, điều kiện phối hợp điện áp định mức và lựa chọn quy cách dao cách ly, cầu chì bảo vệ trạm phân phối phụ tải xưởng.

Câu hỏi thường gặp

1. Dòng điện cưỡng bức $I_{cb}$ qua dao cách ly tại trạm biến áp 15/0,4 kV được xác định như thế nào?

Dòng điện cưỡng bức được tính bằng cách nhân dòng điện định mức sơ cấp của máy biến áp với hệ số quá tải $1,4$. Với máy biến áp $320\text{ kVA}$ cấp điện áp $15\text{ kV}$, dòng điện định mức là $I_{đmBA} = \frac{320}{\sqrt{3} \times 15} \approx 12,32\text{ A}$, do đó dòng cưỡng bức tính toán là $I_{cb} = 1,4 \times 12,32 = 17,24\text{ A}$.

2. Thiết bị dao cách ly và cầu chì được tác giả lựa chọn có mã hiệu và thông số kỹ thuật ra sao?

Cả hai thiết bị dao cách ly và cầu chì đều được chọn từ dòng sản phẩm 3DC của hãng Siemens, có thông số điện áp định mức $U_{đm} = 24\text{ kV}$ và dòng điện định mức $I_{đm} = 630\text{ A}$, hoàn toàn thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật khi lắp đặt trên lưới $15\text{ kV}$.

3. Tại sao điện trở phi tuyến Vilit trong chống sét van lại có thể dập tắt dòng điện kế tục?

Điện trở phi tuyến Vilit có đặc tính giảm mạnh giá trị điện trở khi đặt dưới điện áp quá áp sét để xả dòng sét xuống đất. Khi điện áp trở về giá trị tần số công nghiệp của lưới điện, điện trở Vilit tăng vọt lên mức rất cao, từ đó giới hạn trị số dòng điện kế tục duy trì bởi nguồn xoay chiều xuống dưới mức $80\text{ A}$, tạo điều kiện cho chuỗi khe hở dập tắt hồ quang dứt điểm.

4. Vì sao cuộn dây thứ cấp của máy biến điện áp (BU) bắt buộc phải nối đất một đầu ra?

Máy biến điện áp BU làm nhiệm vụ đưa điện áp cao xuống mức an toàn ($100\text{ V}$ hoặc $100/\sqrt{3}\text{ V}$) phục vụ thiết bị đo lường và rơle. Việc nối đất một đầu ra của cuộn thứ cấp là yêu cầu an toàn bắt buộc nhằm ngăn ngừa nguy cơ điện áp cao phía sơ cấp phóng sang mạch thứ cấp khi cách điện bị sự cố hỏng hóc, bảo vệ an toàn cho người vận hành và thiết bị đo.

5. Khảo sát hệ số $\beta$ trong thiết kế máy biến áp nhằm mục đích gì?

Hệ số $\beta$ biểu diễn tỷ lệ kích thước hình học giữa các bộ phận tác dụng của máy biến áp. Việc khảo sát dải biến thiên $\beta$ từ $1,2$ đến $2,2$ giúp tìm ra điểm tối ưu giữa khối lượng thép $G_{Fe}$, khối lượng đồng dây quấn $G_{đd}$ và các thành phần dòng điện không tải ($I'{ox}, I'{or}$), từ đó tối thiểu hóa hàm chi phí vật liệu quy đổi tương đương $C'_{td}$.

Kết luận

Báo cáo dự án liên môn 1 (PBL1) của sinh viên Nguyễn Hữu Thịnh đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật máy biến áp phân phối $320\text{ kVA}$ và tính chọn hệ thống khí cụ điện trạm $15/0,4\text{ kV}$. Tác giả đã kết hợp phương pháp giải tích tối ưu hóa tham số $\beta$ với các tiêu chuẩn kỹ thuật thực tế để chọn lựa thiết bị đóng cắt, bảo vệ của các hãng sản xuất uy tín như Siemens, Cooper, Tridelta. Công trình phản ánh đúng chuẩn mực đào tạo kỹ thuật theo mô hình học tập dự án, cung cấp nguồn dữ liệu tham khảo có cấu trúc rõ ràng cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Điện.