Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành năng lượng và hệ thống điện giữ vai trò then chốt trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Nhà máy điện là phần tử trung tâm cấu thành hệ thống điện lực, chịu trách nhiệm chuyển đổi các dạng năng lượng sơ cấp thành điện năng và cung cấp liên tục cho phụ tải. Việc tính toán thiết kế phần điện trong nhà máy đòi hỏi phải giải quyết hài hòa bài toán kỹ thuật và kinh tế: vừa đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, tính linh hoạt trong vận hành, an toàn cho con người và thiết bị, vừa tối ưu hóa vốn đầu tư và chi phí vận hành hàng năm.
Đồ án môn học "Nhà máy điện và trạm biến áp" (Đề số 1) do sinh viên Huỳnh Vĩnh Tân (Lớp DHDDTCK15 - Hệ thống điện, Khoa Điện, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thị Thanh Ngân (hoàn thành tháng 5 năm 2023). Đề tài tập trung giải quyết bài toán thiết kế phần điện cho một nhà máy thủy điện gồm 4 tổ máy phát, công suất định mức mỗi tổ là 60 MW ($P_{đm} = 60\text{ MW}$), cấp điện áp định mức đầu cực $U_{đm} = 10,5\text{ kV}$.
Theo nhiệm vụ thiết kế được giao trong văn bản, đồ án thực hiện 5 nhiệm vụ trọng tâm sau:
- Tính phụ tải và cân bằng công suất toàn nhà máy và các cấp điện áp.
- Chọn sơ đồ nối điện chính của nhà máy điện.
- So sánh kinh tế - kỹ thuật chọn phương án tối ưu.
- Tính chọn khí cụ điện và dây dẫn.
- Tính chọn sơ đồ và thiết bị tự dùng.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là toàn bộ phần điện của nhà máy thủy điện công suất đặt 240 MW, bao gồm các khối tổ máy phát - máy biến áp, trạm phân phối các cấp điện áp 220 kV, 110 kV, xuất tuyến 10,5 kV và hệ thống tự dùng.
Phạm vi nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:
- Phạm vi không gian: Nhà máy điện liên kết với hệ thống điện quốc gia cấp điện áp $U_{đm} = 220\text{ kV}$ (công suất ngắn mạch hệ thống $S_{HT} = 2000\text{ MVA}$, dự trữ hệ thống 10%) qua đường dây kép dài 80 km; cung cấp điện cho phụ tải trung áp 110 kV ($P_{max} = 120\text{ MW}$, $\cos\varphi = 0,88$); cung cấp điện cho phụ tải địa phương 10,5 kV ($P_{max} = 20\text{ MW}$, $\cos\varphi = 0,85$) qua các tuyến cáp ngầm dài 3 km; và cấp điện cho hệ thống tự dùng tại đầu cực máy phát.
- Phạm vi thời gian: Khảo sát chế độ vận hành theo biểu đồ phụ tải điển hình 24 giờ trong ngày (được chia thành 7 khoảng thời gian: 0–4h, 4–7h, 7–10h, 10–14h, 14–17h, 17–20h, 20–24h) và chu kỳ tính toán kinh tế kỹ thuật hàng năm với thời gian làm việc $T = 8.760\text{ giờ}$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án dựa trên các nguyên lý kỹ thuật điện, quy phạm thiết kế trang thiết bị điện và các phương pháp tính toán chuyên ngành hệ thống điện:
-
Khung lý thuyết và mô hình tính toán:
- Cân bằng công suất tác dụng và phản kháng theo đồ thị phụ tải thời gian thực: xác định công suất phát toàn nhà máy $S_{FNM}(t)$, công suất tự dùng $S_{TD}(t)$, công suất phụ tải địa phương $S_{ĐP}(t)$, công suất phụ tải trung áp $S_{UT}(t)$ và công suất phát về hệ thống $S_{VHT}(t)$.
- Quy chuẩn lựa chọn sơ đồ nối điện: Đối với nhà máy thủy điện có phụ tải cấp điện áp máy phát chiếm tỷ lệ nhỏ hơn 15% tổng công suất, không thiết kế thanh góp điện áp máy phát mà sử dụng sơ đồ khối máy phát - máy biến áp; sử dụng máy biến áp tự ngẫu để liên lạc giữa hai cấp điện áp cao (220 kV) và trung (110 kV); không ghép song song máy biến áp hai cuộn dây với máy biến áp tự ngẫu; hạn chế số lượng máy biến áp liên lạc ở mức tối đa 2 máy để tránh làm phức tạp thiết bị phân phối.
- Lý thuyết tính toán tổn thất điện năng trong máy biến áp: dựa trên tổn thất không tải $\Delta P_0$, tổn thất ngắn mạch $\Delta P_N$ của từng cuộn dây cao, trung, hạ và đồ thị phụ tải năm.
- Phương pháp tính toán ngắn mạch: sử dụng hệ đơn vị tương đối cơ bản với công suất cơ bản $S_{cb} = 100\text{ MVA}$, điện áp cơ bản lấy bằng điện áp trung bình từng cấp ($U_{cb1} = 230\text{ kV}$, $U_{cb2} = 115\text{ kV}$, $U_{cb3} = 11\text{ kV}$). Dòng điện ngắn mạch đối xứng được giải bằng phương pháp biến đổi mạng tương đương, gập đôi sơ đồ đối xứng và tra đường cong tính toán để tìm dòng siêu quá độ chu kỳ ban đầu $I''(0)$, dòng xác lập $I''(\infty)$ và dòng xung kích $i_{xk}$.
- Phương pháp so sánh kinh tế - kỹ thuật: dựa trên tổng vốn đầu tư thiết bị $V$, phí tổn vận hành hàng năm $P$, hàm chi phí tính toán quy đổi $C = a_{đm} \cdot V + P$ (với hệ số hiệu quả định mức của vốn đầu tư $a_{đm} = 0,15$) và thời gian thu hồi vốn đầu tư chênh lệch $T = (V_2 - V_1) / (P_1 - P_2)$ so với thời gian tiêu chuẩn $T_{tc} = 1 / a_{đm} = 6,67\text{ năm}$.
- Phương pháp chọn và kiểm tra khí cụ điện, dây dẫn: chọn thiết bị theo điện áp định mức $U_{đm}$, dòng điện làm việc cưỡng bức $I_{cb}$, mật độ dòng kinh tế $J_{kt}$; kiểm tra điều kiện phát nóng bình thường, phát nóng sự cố, kiểm tra ổn định động ($i_{đ.đm} \ge i_{xk}$) và ổn định nhiệt ($I_{nh.đm}^2 \cdot t \ge B_N$).
-
Nguồn dữ liệu và tài liệu tra cứu:
- Giáo trình "Thiết kế phần điện trong nhà máy điện và trạm biến áp" của tác giả Phạm Văn Hòa và ThS. Phạm Ngọc Hùng.
- Sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị điện; các bảng thông số kỹ thuật của máy phát điện, máy biến áp lực, máy cắt điện $SF_6$, dao cách ly, cáp ngầm lực hãng LENS, cuộn kháng điện và thiết bị phân phối.
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Tính phụ tải và cân bằng công suất
Nội dung chương tập trung vào việc tính toán nhu cầu công suất ở các cấp điện áp và khả năng phát điện của nhà máy theo 7 khung thời gian trong ngày:
- Lựa chọn tổ máy phát điện: Nhà máy gồm 4 tổ máy phát có $P_{đm} = 60\text{ MW}$. Tác giả lựa chọn loại máy phát điện đồng bộ TBФ-60-2 với các thông số: $S_{đm} = 75\text{ MVA}$, $P_{đm} = 60\text{ MW}$, $U_{đm} = 10,5\text{ kV}$, $I_{đm} = 4,125\text{ kA}$, $\cos\varphi = 0,8$, các điện kháng $X_d'' = 0,146$, $X_d' = 0,22$, $X_d = 1,691$. Tổng công suất định mức toàn nhà máy là 300 MVA.
- Phụ tải tự dùng: Tỷ lệ điện tự dùng được chọn là $\alpha% = 6,8%$. Công suất tự dùng $S_{TD}$ biến thiên theo mức phát của nhà máy, dao động từ $12,65\text{ MVA}$ (lúc 0–4h) đến cực đại $18,16\text{ MVA}$ (lúc 7–10h).
- Phụ tải địa phương (10,5 kV): $P_{max} = 20\text{ MW}$, $\cos\varphi = 0,85$. Công suất tác dụng $P_{ĐP}$ dao động từ $11\text{ MW}$ đến $18,4\text{ MW}$; công suất biểu kiến $S_{ĐP}$ đạt cực đại $21,65\text{ MVA}$ vào khung giờ 7–10h.
- Phụ tải cấp 110 kV: $P_{max} = 120\text{ MW}$, $\cos\varphi = 0,88$. Công suất tác dụng $P_{UT}$ dao động từ $72\text{ MW}$ đến $99,6\text{ MW}$; công suất biểu kiến $S_{UT}$ đạt cực đại $113,18\text{ MVA}$ tại khung giờ cao điểm tối 17–20h.
- Cân bằng công suất phát về hệ thống 220 kV: Tính theo công thức $S_{VHT}(t) = S_{FNM}(t) - [S_{TD}(t) + S_{ĐP}(t) + S_{UT}(t)]$.
| Khoảng thời gian $t$ (h) | Công suất phát toàn nhà máy $S_{FNM}$ (MVA) | Tự dùng nhà máy $S_{TD}$ (MVA) | Phụ tải địa phương $S_{ĐP}$ (MVA) | Phụ tải cấp 110 kV $S_{UT}$ (MVA) | Phát về hệ thống 220 kV $S_{VHT}$ (MVA) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 – 4 | 150 | 12,65 | 12,94 | 81,82 | 42,59 |
| 4 – 7 | 195 | 14,50 | 15,29 | 102,30 | 62,91 |
| 7 – 10 | 285 | 18,16 | 21,65 | 95,45 | 149,74 |
| 10 – 14 | 198 | 14,61 | 17,41 | 100,91 | 65,07 |
| 14 – 17 | 219 | 15,50 | 17,17 | 95,45 | 90,88 |
| 17 – 20 | 255 | 16,93 | 20,24 | 113,18 | 104,65 |
| 20 – 24 | 213 | 15,22 | 17,41 | 95,45 | 84,92 |
Đánh giá vai trò hệ thống: Tổng công suất đặt của nhà máy chiếm 15% công suất hệ thống ($300 / 2000\text{ MVA}$). Công suất phát cực đại về hệ thống là $S_{VHT.max} = 149,74\text{ MVA}$ (lúc 7–10h), chiếm 74,87% công suất dự trữ của hệ thống (dự trữ 10% tương đương 200 MVA) và chiếm 7,487% công suất toàn hệ thống. Tác giả cũng phân tích các điều kiện vận hành an toàn máy biến áp: hệ số quá tải cho phép 1,4; vai trò nối đất trung tính để cân bằng điện áp pha và giảm nhiễu; và các điều kiện bắt buộc để ghép song song hai máy biến áp (cùng chủng loại, điện áp thứ cấp cùng pha, cùng tổ đấu dây và cùng điện áp ngắn mạch $U_k%$).
Chương II: Chọn sơ đồ nối điện chính của nhà máy điện
Trên cơ sở phụ tải địa phương nhỏ hơn 15% tổng công suất, tác giả đề xuất 3 phương án sơ bộ:
- Phương án 1: 2 khối máy phát nối với 2 máy biến áp hai cuộn dây đưa lên thanh góp 110 kV; 2 khối máy phát nối với 2 máy biến áp tự ngẫu làm nhiệm vụ liên lạc giữa thanh góp 110 kV và 220 kV; phụ tải địa phương lấy từ đầu cực máy phát F1 và F2.
- Phương án 2: 1 khối máy phát - máy biến áp hai cuộn dây nối lên 110 kV; 1 khối máy phát - máy biến áp hai cuộn dây nối lên 220 kV; 2 khối máy phát - máy biến áp tự ngẫu liên lạc 220/110 kV.
- Phương án 3: Toàn bộ 4 khối máy phát đều nối lên cấp 220 kV, dùng 2 máy biến áp tự ngẫu truyền công suất ngược về cấp 110 kV. Tác giả loại bỏ Phương án 3 do khi sự cố 1 máy biến áp tự ngẫu sẽ không đảm bảo công suất cho phụ tải 110 kV và chi phí đầu tư thiết bị phân phối 220 kV quá lớn.
Tiến hành tính toán chi tiết và kiểm tra kỹ thuật cho Phương án 1 và Phương án 2:
- Chọn máy biến áp:
- Phương án 1: Chọn 2 máy biến áp hai cuộn dây loại TДTH-80 ($S_{đm} = 80\text{ MVA}$, điện áp $121/10,5\text{ kV}$, $\Delta P_0 = 70\text{ kW}$, $\Delta P_N = 310\text{ kW}$, $U_k% = 10,5$) và 2 máy biến áp tự ngẫu loại ATДЦTH-160 ($S_{đm} = 160\text{ MVA}$, điện áp $230/121/11\text{ kV}$, $\Delta P_0 = 85\text{ kW}$, $\Delta P_{N(C-T)} = 380\text{ kW}$, $U_{k(C-T)}% = 11$, $U_{k(C-H)}% = 32$, $U_{k(T-H)}% = 20$).
- Phương án 2: Chọn 1 máy biến áp TДTH-80 cấp 110 kV, 1 máy biến áp TДTH-80 cấp 220 kV ($242/10,5\text{ kV}$, $\Delta P_0 = 80\text{ kW}$, $\Delta P_N = 320\text{ kW}$, $U_k% = 11$), và 2 máy biến áp tự ngẫu ATДЦTH-160.
- Kiểm tra quá tải: Ở cả hai phương án, khi xảy ra sự cố hỏng 1 máy biến áp hai cuộn dây hoặc hỏng 1 máy biến áp tự ngẫu tại thời điểm phụ tải cực đại, lượng công suất thiếu hụt lớn nhất là $124,99\text{ MVA}$ (Phương án 1) và $80,775\text{ MVA}$ (Phương án 2), đều nhỏ hơn lượng công suất dự trữ 200 MVA của hệ thống, thỏa mãn điều kiện vận hành sự cố.
- Tính toán tổn thất điện năng hàng năm ($\Delta A$):
- Phương án 1: Tổn thất trong 2 máy biến áp TДTH-80 là $2 \times 2.719.746,76\text{ kWh}$; tổn thất trong 2 máy biến áp tự ngẫu ATДЦTH-160 là $2 \times 1.733.641,5\text{ kWh}$. Tổng tổn thất điện năng: $\Delta A_1 = 8.906.776,5\text{ kWh}$.
- Phương án 2: Tổn thất trong máy biến áp B4 (110 kV) là $2.719.746,76\text{ kWh}$; máy biến áp B1 (220 kV) là $2.875.299,88\text{ kWh}$; 2 máy biến áp tự ngẫu là $2 \times 1.185.433,997\text{ kWh}$. Tổng tổn thất điện năng: $\Delta A_2 = 7.965.914,6\text{ kWh}$.
- Dòng điện làm việc cưỡng bức ($I_{cb}$):
- Phương án 1: Phía 220 kV có $I_{cbC} = 0,393\text{ kA}$; phía 110 kV có $I_{cbT} = 0,594\text{ kA}$; phía 10,5 kV có $I_{cbH} = 4,33\text{ kA}$.
- Phương án 2: Phía 220 kV có $I_{cbC} = 0,393\text{ kA}$; phía 110 kV có $I_{cbT} = 0,413\text{ kA}$; phía 10,5 kV có $I_{cbH} = 4,33\text{ kA}$.
Chương III: So sánh kinh tế kỹ thuật chọn phương án tối ưu
Về mặt sơ đồ thiết bị phân phối: Phía 220 kV và phía 110 kV ở cả hai phương án đều sử dụng sơ đồ hai hệ thống thanh góp để đảm bảo cấp điện liên tục và linh hoạt khi bảo dưỡng; phía 10,5 kV không dùng thanh góp máy phát mà dùng sơ đồ khối.
Tác giả lập dự toán so sánh chi phí giữa hai phương án:
- Vốn đầu tư thiết bị ($V$):
- Phương án 1: Vốn mua 4 máy biến áp là $35,022 \cdot 10^9\text{ đồng}$; vốn thiết bị phân phối gồm 5 mạch $SF_6$ 220 kV (đơn giá 3,2 tỷ/mạch), 9 mạch $SF_6$ 110 kV (đơn giá 1,5 tỷ/mạch), 2 mạch máy cắt không khí 10,5 kV (đơn giá 0,96 tỷ/mạch) là $31,42 \cdot 10^9\text{ đồng}$. Tổng vốn: $V_1 = 66,442 \cdot 10^9\text{ đồng}$.
- Phương án 2: Vốn mua 4 máy biến áp là $36,614 \cdot 10^9\text{ đồng}$; vốn thiết bị phân phối gồm 6 mạch $SF_6$ 220 kV (đơn giá 4,2 tỷ/mạch), 7 mạch $SF_6$ 110 kV (đơn giá 1,8 tỷ/mạch), 2 mạch máy cắt không khí 10,5 kV (đơn giá 0,9 tỷ/mạch) là $39,6 \cdot 10^9\text{ đồng}$. Tổng vốn: $V_2 = 76,214 \cdot 10^9\text{ đồng}$.
- Phí tổn vận hành hàng năm ($P$): Gồm chi phí khấu hao lớn và chi phí tổn thất điện năng (bỏ qua lương công nhân do nhỏ). Phương án 1 có $P_1 = 13,16 \cdot 10^9\text{ đồng/năm}$; Phương án 2 có $P_2 = 10,397 \cdot 10^9\text{ đồng/năm}$.
- Chi phí tính toán quy đổi hàng năm ($C = 0,15 \cdot V + P$): Phương án 1 có $C_1 = 11,9403 \cdot 10^9\text{ đồng}$; Phương án 2 có $C_2 = 12,992 \cdot 10^9\text{ đồng}$.
| Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật | Phương án 1 | Phương án 2 |
|---|---|---|
| Vốn đầu tư $V$ ($10^9$ đồng) | 66,442 | 76,214 |
| Phí tổn vận hành $P$ ($10^9$ đồng/năm) | 13,160 | 10,397 |
| Chi phí tính toán quy đổi $C$ ($10^9$ đồng) | 11,9403 | 12,992 |
Thời gian thu hồi vốn đầu tư chênh lệch giữa hai phương án: $$T = \frac{V_2 - V_1}{P_1 - P_2} = \frac{76,214 - 66,442}{13,16 - 10,397} = \frac{9,772}{2,763} = 3,54\text{ năm}$$
Vì $T = 3,54\text{ năm} < T_{tc} = 6,67\text{ năm}$ và chi phí tính toán $C_1 < C_2$, Phương án 1 được kết luận là phương án tối ưu toàn diện về mặt kỹ thuật và kinh tế và được chọn để thiết kế chi tiết ở các chương tiếp theo.
Chương IV: Tính chọn khí cụ điện
Chương này thực hiện tính toán dòng ngắn mạch tại các điểm nút đặc trưng để làm căn cứ chọn và kiểm tra khí cụ điện:
- Xác định 5 điểm ngắn mạch tính toán:
- $N_1$: Ngắn mạch trên thanh góp 220 kV.
- $N_2$: Ngắn mạch trên thanh góp 110 kV.
- $N_3$: Ngắn mạch trên thanh dẫn hạ áp 10,5 kV của khối máy phát (nguồn cung cấp từ hệ thống và các tổ máy phát khác, trừ F1).
- $N_4$: Ngắn mạch trên thanh dẫn 10,5 kV do riêng tổ máy phát F1 cung cấp.
- $N_5$: Ngắn mạch phía hạ áp mạch tự dùng và phụ tải địa phương ($I_{N5} = I_{N3} + I_{N4}$).
| Điểm ngắn mạch | Vị trí tính toán | Điện áp cơ bản $U_{cb}$ (kV) | Dòng siêu quá độ $I''(0)$ (kA) | Dòng xác lập $I''(\infty)$ (kA) | Dòng xung kích $i_{xk}$ (kA) |
|---|---|---|---|---|---|
| $N_1$ | Thanh góp 220 kV | 230 | 4,920 | 4,266 | 12,500 |
| $N_2$ | Thanh góp 110 kV | 115 | 18,750 | 19,160 | 47,730 |
| $N_3$ | Cực máy phát 10,5 kV (từ hệ thống) | 11 | 31,120 | 31,590 | 79,220 |
| $N_4$ | Cực máy phát 10,5 kV (từ F1) | 11 | 29,126 | 14,776 | 74,143 |
| $N_5$ | Mạch địa phương / tự dùng | 11 | 60,246 | 46,356 | 153,363 |
- Lựa chọn máy cắt điện và dao cách ly:
| Cấp điện áp | Khí cụ điện | Chủng loại chọn | Thông số định mức ($U_{đm}$, $I_{đm}$, $I_{cắt.đm}$, $i_{đ.đm}$) | Đại lượng tính toán kiểm tra ($I_{cb}$, $I_N$, $i_{xk}$) |
|---|---|---|---|---|
| 220 kV | Máy cắt ngoài trời | 3AQ1 ($SF_6$) | $245\text{ kV} - 4\text{ kA} - 40\text{ kA} - 100\text{ kA}$ | $0,393\text{ kA} - 4,92\text{ kA} - 12,5\text{ kA}$ |
| 220 kV | Dao cách ly ngoài trời | SGC-245/1250 | $245\text{ kV} - 1,25\text{ kA} - 80\text{ kA}$ (ổn định động) | $0,393\text{ kA} - 4,92\text{ kA} - 12,5\text{ kA}$ |
| 110 kV | Máy cắt ngoài trời | 3AQ1 ($SF_6$) | $123\text{ kV} - 4\text{ kA} - 40\text{ kA} - 100\text{ kA}$ | $0,594\text{ kA} - 18,75\text{ kA} - 47,73\text{ kA}$ |
| 110 kV | Dao cách ly ngoài trời | SGCP-123/1250 | $123\text{ kV} - 1,25\text{ kA} - 80\text{ kA}$ (ổn định động) | $0,594\text{ kA} - 18,75\text{ kA} - 47,73\text{ kA}$ |
| 10,5 kV | Máy cắt trong nhà | 8BK41 | $12\text{ kV} - 12,5\text{ kA} - 80\text{ kA} - 225\text{ kA}$ | $4,33\text{ kA} - 31,13\text{ kA} - 79,22\text{ kA}$ |
| 10,5 kV | Dao cách ly trong nhà | PBK-20/7000 | $20\text{ kV} - 5\text{ kA} - 200\text{ kA}$ (ổn định động) | $4,33\text{ kA} - 31,13\text{ kA} - 79,22\text{ kA}$ |
- Lựa chọn cáp và kháng điện cho phụ tải địa phương (10,5 kV):
- Phụ tải địa phương gồm 2 tuyến cáp kép ($3\text{ MW} \times 3\text{ km}$) và 2 tuyến cáp đơn ($2,5\text{ MW} \times 3\text{ km}$). Thời gian sử dụng công suất cực đại tính được là $T_{max} = 6.983\text{ giờ}$, tra mật độ dòng kinh tế $J_{kt} = 1,2\text{ A/mm}^2$ cho ruột nhôm.
- Tuyến cáp kép: Dòng làm việc bình thường $I_{bt} = 97\text{ A}$, tiết diện tính toán $F = 80,83\text{ mm}^2$. Tác giả tra bảng chọn cáp nhôm 3 lõi hãng LENS tiết diện $95\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 155\text{ A}$). Khi kiểm tra điều kiện phát nóng ở chế độ sự cố làm việc cưỡng bức với hệ số quá tải $K_{qtsc} = 1,4$, khả năng tải cho phép hiệu chỉnh chỉ đạt $171,2\text{ A}$, không thỏa mãn dòng cưỡng bức $I_{cb} = 2 \cdot I_{bt} = 194\text{ A}$. Tác giả đã hiệu chỉnh chọn lại cáp LENS tiết diện $120\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 210\text{ A}$, $x_0 = 0,153\ \Omega/\text{km}$), cho dòng sự cố cho phép đạt $231,9\text{ A} > 194\text{ A}$, đảm bảo phát nóng.
- Tuyến cáp đơn: Dòng làm việc bình thường $I_{bt} = 162\text{ A}$, tiết diện kinh tế $F = 135\text{ mm}^2$. Chọn cáp nhôm 3 lõi LENS tiết diện $185\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 450\text{ A}$, $x_0 = 0,0991\ \Omega/\text{km}$), thỏa mãn điều kiện phát nóng làm việc bình thường ($326,6\text{ A} > 162\text{ A}$).
- Kháng điện đường dây: Dòng điện cưỡng bức qua cuộn kháng khi phụ tải lớn nhất và sự cố một kháng là $I_{cbk} = 1,294\text{ kA}$. Chọn loại kháng điện đơn có cuộn dây bằng nhôm ký hiệu PbA-10,5-1500 ($U_{đm} = 10,5\text{ kV}$, $I_{đm} = 1500\text{ A}$).
Tính chọn sơ đồ và thiết bị tự dùng
Mục này trong đồ án giải quyết cấu hình hệ thống điện tự dùng nhằm duy trì sự vận hành an toàn của nhà máy:
- Lựa chọn sơ đồ tự dùng lấy nguồn trực tiếp từ đầu cực các máy phát điện để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cao nhất, không bị gián đoạn khi hệ thống ngoài gặp sự cố.
- Lựa chọn máy biến áp tự dùng hạ áp xuống cấp 0,4 kV để cấp nguồn cho các động cơ bơm dầu, bơm nước làm mát, quạt gió làm mát máy biến áp, hệ thống nạp ắc quy và chiếu sáng trạm.
- Lựa chọn máy cắt điện cao áp đặt trước máy biến áp tự dùng và tính chọn các aptomat phân phối phía hạ áp 0,4 kV đảm bảo khả năng cắt dòng ngắn mạch hạ áp.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:
- Hoàn thành đầy đủ bảng cân bằng công suất 24 giờ cho nhà máy thủy điện công suất 240 MW (tổng công suất biểu kiến 300 MVA), xác định chính xác công suất cực đại phát lên hệ thống điện quốc gia 220 kV đạt 149,74 MVA vào khung giờ 7–10h sáng.
- Thiết lập và kiểm chứng thành công Phương án 1 cho sơ đồ nối điện chính: kết hợp 2 máy biến áp hai cuộn dây TДTH-80 (80 MVA) và 2 máy biến áp tự ngẫu ATДЦTH-160 (160 MVA), chứng minh hệ thống hoàn toàn đảm bảo khả năng cấp điện liên tục khi xảy ra sự cố hỏng 1 máy biến áp bất kỳ (mức thiếu hụt lớn nhất $124,99\text{ MVA}$ thấp hơn nhiều so với dự trữ 200 MVA của hệ thống).
- Chứng minh tính ưu việt kinh tế của Phương án 1 so với Phương án 2: vốn đầu tư thấp hơn $9,772 \cdot 10^9\text{ đồng}$ ($66,442$ so với $76,214$ tỷ đồng), chi phí tính toán quy đổi hàng năm thấp hơn $1,0517 \cdot 10^9\text{ đồng}$ ($11,9403$ so với $12,992$ tỷ đồng), và thời gian thu hồi vốn đầu tư chênh lệch đạt $3,54\text{ năm}$ (ngắn hơn mức tiêu chuẩn $6,67\text{ năm}$).
- Xác định chính xác thông số dòng ngắn mạch siêu quá độ và xung kích tại 5 điểm nút mạng ($N_1$ đến $N_5$), từ đó lựa chọn đúng danh mục thiết bị đóng cắt gồm máy cắt $SF_6$ 3AQ1 (cấp 220 kV và 110 kV), máy cắt trong nhà 8BK41 (cấp 10,5 kV), các bộ dao cách ly SGC, SGCP, PBK và cuộn kháng điện PbA-10,5-1500.
Đóng góp kỹ thuật mà tác giả tự thể hiện trong đồ án là việc áp dụng một quy trình tính toán khép kín, tường minh theo các tiêu chuẩn thiết kế nhà máy điện thực tế. Điểm nhấn là việc phát hiện sự không thỏa mãn điều kiện phát nóng cưỡng bức của cáp ngầm $95\text{ mm}^2$ và kịp thời đưa ra giải pháp kỹ thuật nâng tiết diện lên $120\text{ mm}^2$, cũng như việc phối hợp sử dụng cuộn kháng đường dây để giảm dòng ngắn mạch xuống giá trị an toàn cho thiết bị phía phụ tải địa phương.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án:
- Bản tính toán dựa trên các giả thiết thiết kế đồ án môn học: xem đồ thị phụ tải của máy biến áp hai cuộn dây là hoàn toàn bằng phẳng trong cả năm ($8.760\text{ giờ}$); bỏ qua thành phần chi phí tiền lương công nhân ($P_P$) trong phân tích kinh tế vận hành; và tính toán ngắn mạch dựa trên phương pháp gần đúng sử dụng đường cong tính toán thay vì mô phỏng số chi tiết.
- Văn bản mới dừng lại ở việc chọn sơ bộ máy biến áp đo lường (BU, BI), chống sét van và thiết bị tự dùng hạ áp mà chưa đi sâu vào tính toán phối hợp bảo vệ rơle số và tự động hóa trạm.
Hướng phát triển:
- Như tác giả đã nêu trong phần nhận xét chung ở Chương I, nhà máy có khả năng mở rộng trong tương lai để tăng lượng công suất phát về hệ thống và đáp ứng phụ tải tăng trưởng của khu vực.
- Triển khai tính toán chi tiết kiểm tra ổn định động của hệ thống thanh dẫn cứng có xét đến tần số dao động riêng, thiết kế chi tiết hệ thống nối đất an toàn và chống sét toàn trạm, cũng như ứng dụng các phần mềm chuyên dụng (như ETAP hoặc PSS/E) để mô phỏng kiểm chứng tính ổn định động học của các tổ máy phát TBФ-60-2 khi nối lưới 220 kV.
Giá trị tham khảo
Đồ án có giá trị tham khảo thiết thực cho:
- Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống điện, Thiết bị điện và Tự động hóa tại các trường đại học kỹ thuật đang thực hiện đồ án môn học "Nhà máy điện và trạm biến áp" hoặc làm đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện.
- Kỹ sư thiết kế điện tham khảo phương pháp luận so sánh kinh tế - kỹ thuật trong lựa chọn phương án sơ đồ nối điện chính và cấu hình trạm phân phối nhiều cấp điện áp (220/110/10,5 kV).
- Các phần có giá trị tra cứu cao gồm: các bước lập sơ đồ thay thế và rút gọn mạng điện để tính dòng ngắn mạch; quy trình kiểm tra điều kiện quá tải bình thường và quá tải sự cố của máy biến áp tự ngẫu liên lạc; và phương pháp lựa chọn, hiệu chỉnh tiết diện cáp ngầm theo mật độ dòng kinh tế kết hợp kiểm tra phát nóng cưỡng bức.
Câu hỏi thường gặp
1. Nhà máy điện trong đồ án có quy mô công suất bao nhiêu và sử dụng loại máy phát điện nào?
Nhà máy gồm 4 tổ máy phát điện đồng bộ với tổng công suất tác dụng đặt là $240\text{ MW}$ (tổng công suất biểu kiến $300\text{ MVA}$). Loại máy phát được chọn là TBФ-60-2 có công suất định mức $60\text{ MW}$ ($75\text{ MVA}$), điện áp định mức $10,5\text{ kV}$, dòng điện định mức $4,125\text{ kA}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,8$ và điện kháng siêu quá độ $X_d'' = 0,146$.
2. Tại sao tác giả lại chọn Phương án 1 làm sơ đồ nối điện chính dù tổng tổn thất điện năng hàng năm của Phương án 1 cao hơn Phương án 2?
Phương án 1 có tổn thất điện năng cao hơn ($8.906.776,5\text{ kWh}$ so với $7.965.914,6\text{ kWh}$) dẫn đến chi phí vận hành hàng năm cao hơn ($13,16$ so với $10,397$ tỷ đồng). Tuy nhiên, Phương án 1 có vốn đầu tư ban đầu thấp hơn gần 10 tỷ đồng ($66,442$ so với $76,214$ tỷ đồng) và chi phí tính toán quy đổi hàng năm nhỏ hơn ($C_1 = 11,9403$ so với $C_2 = 12,992$ tỷ đồng). Thời gian thu hồi vốn chênh lệch giữa hai phương án là $3,54\text{ năm}$, nhỏ hơn thời gian tiêu chuẩn $T_{tc} = 6,67\text{ năm}$, do đó Phương án 1 tối ưu hơn về mặt kinh tế tổng thể.
3. Điểm ngắn mạch nào trong nhà máy có dòng điện lớn nhất và giá trị đạt được là bao nhiêu?
Dòng điện ngắn mạch lớn nhất xuất hiện tại điểm ngắn mạch $N_5$ (phía hạ áp mạch tự dùng và phụ tải địa phương 10,5 kV khi có sự đóng góp đồng thời của hệ thống và các tổ máy phát $I_{N5} = I_{N3} + I_{N4}$). Tại đây, dòng ngắn mạch siêu quá độ chu kỳ ban đầu đạt $I''(0) = 60,246\text{ kA}$ và dòng ngắn mạch xung kích đạt giá trị cực đại $i_{xk} = 153,363\text{ kA}$.
4. Quá trình chọn tiết diện tuyến cáp kép cho phụ tải địa phương 10,5 kV đã nảy sinh vấn đề gì và được tác giả giải quyết như thế nào?
Khi tính toán theo mật độ dòng kinh tế $J_{kt} = 1,2\text{ A/mm}^2$, tuyến cáp kép ($3\text{ MW} \times 3\text{ km}$) ban đầu được chọn là cáp nhôm LENS tiết diện $95\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 155\text{ A}$). Tuy nhiên, khi kiểm tra phát nóng trong chế độ sự cố đứt một sợi (dòng cưỡng bức tăng gấp đôi lên $194\text{ A}$), dòng cho phép có xét hệ số quá tải sự cố $K_{qtsc} = 1,4$ và hệ số môi trường chỉ đạt $171,2\text{ A} < 194\text{ A}$ (không thỏa mãn). Tác giả đã xử lý bằng cách nâng tiết diện lên cỡ $120\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 210\text{ A}$), giúp dòng cho phép trong chế độ sự cố đạt $231,9\text{ A}$, đảm bảo điều kiện làm việc an toàn.
5. Lượng công suất lớn nhất mà nhà máy phát lên hệ thống 220 kV là bao nhiêu và có ảnh hưởng đến khả năng dự trữ của hệ thống không?
Công suất phát cực đại về hệ thống là $S_{VHT.max} = 149,74\text{ MVA}$, diễn ra vào khoảng thời gian 7–10h sáng. Lượng công suất này chiếm $74,87%$ lượng công suất dự trữ quay của hệ thống ($200\text{ MVA}$, tương ứng $10%$ của tổng dung lượng hệ thống $2000\text{ MVA}$) và chiếm $7,487%$ công suất toàn hệ thống điện, hoàn toàn nằm trong giới hạn hấp thụ và ổn định của lưới điện 220 kV liên kết.
Kết luận
Đồ án môn học "Thiết kế phần điện nhà máy điện" của sinh viên Huỳnh Vĩnh Tân đã giải quyết trọn vẹn và mạch lạc các nhiệm vụ kỹ thuật cốt lõi cho một nhà máy thủy điện công suất 240 MW kết nối lưới điện 220 kV. Bằng việc phân tích kỹ lưỡng biểu đồ phụ tải 24 giờ và áp dụng phương pháp so sánh kinh tế - kỹ thuật theo chỉ tiêu chi phí tính toán quy đổi, tác giả đã lựa chọn cấu hình sơ đồ nối điện chính Phương án 1 tối ưu, tiết kiệm vốn đầu tư ban đầu và đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cao trong mọi tình huống sự cố. Toàn bộ các khí cụ điện chính gồm máy cắt $SF_6$, dao cách ly, kháng điện và tuyến cáp ngầm địa phương đều được kiểm tra nghiêm ngặt theo các điều kiện làm việc cưỡng bức và dòng ngắn mạch thực tế, mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật chuẩn mực cho chuyên ngành Hệ thống điện.