Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng cao, đóng vai trò nền tảng cho các hoạt động sản xuất công nghiệp và đời sống xã hội. Trước yêu cầu chuyển đổi cơ cấu năng lượng, các nhà máy nhiệt điện đang có xu hướng dịch chuyển từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống như than đá sang các nguồn nhiên liệu sạch hơn như dầu mỏ và khí đốt, đặc biệt là tận dụng khí đồng hành nhằm nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tác động đến môi trường. Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế phần điện nhà máy nhiệt điện công suất 500MVA" được thực hiện bởi sinh viên Trần Minh Triết và Nguyễn Võ Hiệp (Lớp DHDI16E, Khoa Công nghệ Điện, Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của Th.S Phan Thị Hạnh Trinh, năm 2024) nhằm giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật cho một nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu khí đồng hành, kết nối đồng thời vào các cấp điện áp phân phối và hệ thống truyền tải điện quốc gia.

Mục tiêu chính của đề tài là tính toán, thiết kế toàn diện hệ thống phần điện của nhà máy nhiệt điện với quy mô công suất 500 MVA, bảo đảm các tiêu chuẩn về độ tin cậy cung cấp điện, tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế. Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia cụ thể theo 7 nội dung trong phiếu giao nhiệm vụ:

  1. Cân bằng công suất nhà máy: Tính toán chọn máy phát điện, xác định và phân tích biểu đồ phụ tải ở từng cấp điện áp (hạ áp, trung áp) và phụ tải tự dùng trong chu kỳ 24 giờ.
  2. Thiết kế sơ đồ cấu trúc nhà máy: Đề xuất các phương án cấu trúc nối điện chính, phân tích kỹ thuật - kinh tế để lựa chọn phương án tối ưu.
  3. Phân tích và tính toán phương án: Chọn thông số kỹ thuật cho các máy biến áp trong sơ đồ khối (sơ đồ bộ) và máy biến áp tự ngẫu liên lạc; tính toán kiểm tra tổn thất điện năng hàng ngày của các máy biến áp.
  4. Tính toán dòng điện ngắn mạch: Lập sơ đồ thay thế, quy đổi các thông số về hệ đơn vị tương đối, tính toán dòng điện ngắn mạch ba pha chu kỳ đầu và dòng xung kích tại các thanh góp làm việc.
  5. Lựa chọn khí cụ điện: Xác định dòng làm việc cưỡng bức, lựa chọn và kiểm tra các điều kiện kỹ thuật đối với máy cắt, dao cách ly, máy biến dòng điện (BI), máy biến điện áp (BU).
  6. Lựa chọn phần dẫn điện: Tính chọn và kiểm tra ổn định nhiệt, ổn định động, cộng hưởng cơ học cho thanh góp cứng 10,5 kV, thanh góp mềm 110 kV, 220 kV và hệ thống cáp điện lực.
  7. Tính toán hệ thống tự dùng: Xác định công suất tự dùng, lựa chọn máy biến áp tự dùng, các khí cụ đóng cắt và bảo vệ cao áp (dao cắt phụ tải LBS, cầu chì trung thế) và hạ áp (máy cắt không khí ACB).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống phần điện của nhà máy nhiệt điện khí đồng hành 500 MVA gồm 4 tổ máy phát điện 125 MVA. Phạm vi không gian nghiên cứu bao gồm trạm phân phối điện áp máy phát 10,5 kV, trạm biến áp ngoài trời 110 kV và 220 kV cùng hệ thống tự dùng 0,4 kV liên kết với hệ thống điện có công suất ngắn mạch 5000 MVA qua đường dây kép 220 kV dài 70 km. Phạm vi thời gian nghiên cứu thực hiện vào năm học 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên khung lý thuyết chuẩn tắc về thiết kế phần điện nhà máy điện và trạm biến áp, kết hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật ngành điện hiện hành:

  • Cơ sở lý thuyết: Áp dụng phương pháp tính toán cân bằng công suất biểu kiến theo đồ thị phụ tải biến thiên theo thời gian; lý thuyết lựa chọn sơ đồ nối điện chính cho nhà máy điện có nhiều cấp điện áp; lý thuyết chọn công suất định mức và hệ số có lợi của máy biến áp tự ngẫu; phương pháp đường cong tính toán để xác định dòng ngắn mạch ba pha trong hệ đơn vị tương đối; phương pháp kiểm tra khí cụ điện và dây dẫn theo điều kiện phát nóng lâu dài, ổn định nhiệt và ổn định động lực điện khi xảy ra ngắn mạch.
  • Văn bản và tài liệu viện dẫn: Giáo trình "Thiết kế nhà máy điện và trạm biến áp (Phần điện)" của GS. Huỳnh Nhơn (ĐHQG TP.HCM); quy định tiêu chuẩn kỹ thuật vật tư thiết bị lưới điện từ 0,4 kV đến 110 kV do Tổng công ty Điện lực Miền Trung (EVN CPC) ban hành; các catalogue thiết bị của nhà sản xuất ABB (dao cắt phụ tải SF6 Sectos, cầu chì trung thế), SCOTECH (máy biến áp phân phối) và các bảng tra thiết bị điện tiêu chuẩn.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp và so sánh kỹ thuật: Phân tích 3 phương án sơ đồ cấu trúc nối điện, so sánh các chỉ tiêu về độ tin cậy cung cấp điện, vốn đầu tư, tính linh hoạt trong vận hành và giới hạn dòng ngắn mạch để chọn phương án tối ưu.
    • Phương pháp mô hình hóa và giải tích: Sử dụng sơ đồ thay thế mạng điện trong hệ đơn vị tương đối với công suất cơ bản $S_{cb} = 1000\text{ MVA}$ và các cấp điện áp cơ bản $U_{cb}$ (230 kV, 115 kV, 10,5 kV); biến đổi tam giác - sao, biến đổi tương đương để tính toán điện kháng ngắn mạch tổng hợp tại từng điểm sự cố.
    • Phương pháp kiểm tra tham số kỹ thuật: Tính toán kiểm tra dòng cắt định mức, dòng ổn định nhiệt, dòng ổn định động của thiết bị so với dòng ngắn mạch và dòng xung kích tính toán ($i_{xk}$ với hệ số xung kích $k_{xk} = 1,8$).
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu công suất phụ tải định mức, biểu đồ phụ tải theo 5 khung giờ trong ngày, thông số nguồn hệ thống ($S_{HTđm} = 5000\text{ MVA}$, $X_{HTđm} = 0,35$), đường dây 220 kV dài 70 km và thông số tra cứu từ các biểu bảng thiết bị tiêu chuẩn công nghiệp.

Thiết kế và kiểm tra kỹ thuật

Hệ thống phần điện của nhà máy nhiệt điện được thiết kế với cấu hình chi tiết gồm các khối phát điện, khối biến áp và phân đoạn truyền tải:

  • Cấu hình nguồn phát: Gồm 4 tổ máy phát turbine hơi đồng bộ ba pha, công suất biểu kiến định mức $S_{đm} = 125\text{ MVA}$ ($P_{đm} = 100\text{ MW}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,8$, điện áp định mức $U_{đm} = 10,5\text{ kV}$, tốc độ quay $3000\text{ vòng/phút}$, dòng điện định mức $I_{đm} = 6,875\text{ kA}$). Điện kháng quá độ siêu quá độ $X_d'' = 0,192$, quá độ $X_d' = 0,278$, và đồng bộ $X_d = 1,907$.
  • Cấu trúc sơ đồ nối điện: Áp dụng Phương án I kết hợp giữa sơ đồ bộ và máy biến áp tự ngẫu liên lạc:
    • Hai tổ máy phát F1 và F2 nối vào thanh góp cấp điện áp 10,5 kV có đặt một cuộn kháng điện bê tông phân đoạn để hạn chế dòng ngắn mạch. Phân đoạn này cung cấp cho phụ tải địa phương 10,5 kV và nối vào cuộn hạ áp của 2 máy biến áp tự ngẫu liên lạc T1, T2.
    • Hai tổ máy phát F3 và F4 ghép theo sơ đồ bộ máy phát - máy biến áp hai cuộn dây tăng áp (T3, T4) phát điện trực tiếp lên thanh góp trung áp 110 kV.
    • Hai máy biến áp tự ngẫu ba pha ba cuộn dây T1, T2 đóng vai trò liên lạc năng lượng linh hoạt giữa 3 cấp điện áp: 220 kV (phía cao), 110 kV (phía trung) và 10,5 kV (phía hạ).
  • Hệ thống kháng điện: Đặt cuộn kháng điện kiểu bê tông PB-4000-10,5 trên thanh góp máy phát phía hạ nhằm giữ dòng ngắn mạch trong giới hạn cho phép của khí cụ điện ($I_{Kđm} = 4000\text{ A}$, $X_k% = 10%$).
  • Kiểm tra các tiêu chuẩn kỹ thuật:
    • Điều kiện điện áp và dòng điện định mức: $U_{đm} \ge U_{lưới}$, $I_{đm} \ge I_{cbmax}$.
    • Khả năng cắt dòng ngắn mạch: $I_{cắt.đm} \ge I_N$.
    • Ổn định động lực điện: $i_{lđđ} \ge i_{xk}$.
    • Ổn định nhiệt: $I_{nh}^2 \cdot t_{nh} \ge B_N$ (với các thiết bị có $I_{đm} > 1000\text{ A}$ được miễn trừ kiểm tra ổn định nhiệt theo quy phạm).
    • Khống chế sụt áp mạch đo lường BU: $\Delta U \le 0,5% \cdot U_{đm}$ thứ cấp trên đường dây cáp đồng $6\text{ mm}^2$ dài 50 m.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: CÂN BẰNG CÔNG SUẤT HỆ THỐNG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN CÔNG SUẤT 500 MVA

Chương này thực hiện lựa chọn máy phát và tính toán cân bằng công suất toàn trạm theo chu kỳ 24 giờ qua 5 khung thời gian (0-6h, 6-10h, 10-14h, 14-18h, 18-24h):

  • Lựa chọn 4 tổ máy phát cùng chủng loại có công suất $125\text{ MVA}$ ($100\text{ MW}$), cấp điện áp $10,5\text{ kV}$.
  • Phụ tải phía hạ áp 10,5 kV: Công suất cực đại $P_{max} = 50\text{ MW}$, $\cos\varphi = 0,85$. Công suất phụ tải đạt đỉnh $58,823\text{ MVA}$ trong khung giờ 10-14h (100%) và thấp nhất là $32,353\text{ MVA}$ trong khung giờ 0-6h (55%).
  • Phụ tải tự dùng của nhà máy: Tỷ lệ công suất tự dùng cực đại chiếm $\alpha = 6%$ công suất định mức toàn trạm, tương đương $S_{TD} = 30\text{ MVA}$. Do nhà máy vận hành định mức toàn thời gian nên công suất tự dùng giữ cố định $30\text{ MVA}$ trong suốt 24 giờ.
  • Phụ tải phía trung áp 110 kV: Công suất cực đại $P_{Tmax} = 250\text{ MW}$, $\cos\varphi = 0,87$ (bao gồm 2 lộ kép 50 MW và 6 lộ đơn 25 MW). Công suất biểu kiến đạt cực đại $287,356\text{ MVA}$ tại khung giờ 14-18h và cực tiểu $215,517\text{ MVA}$ tại khung giờ 18-24h.
  • Cân bằng công suất phát về hệ thống 220 kV ($S_{vHT}$): Được xác định qua công thức $S_{vHT}(t) = S_{TNM}(t) - [S_{ptH}(t) + S_{TD}(t) + S_{ptT}(t)]$. Kết quả tính toán cho thấy công suất phát về hệ thống đạt cực đại $216,248\text{ MVA}$ (18-24h) và cực tiểu $134,586\text{ MVA}$ (14-18h).
Khung giờ (h) $S_{TNM}$ (MVA) $S_{ptH}$ (MVA) $S_{TD}$ (MVA) $S_{ptT}$ (MVA) $S_{vHT}$ (MVA)
0 – 6 500 32,353 30 229,885 207,762
6 – 10 500 50,000 30 258,620 161,380
10 – 14 500 58,823 30 229,885 181,292
14 – 18 500 48,058 30 287,356 134,586
18 – 24 500 38,235 30 215,517 216,248

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

Chương 2 phân tích kỹ thuật các phương án cấu trúc nối điện chính của nhà máy điện. Với hai cấp điện áp cao (220 kV) và trung (110 kV) có trung tính nối đất trực tiếp, hệ số có lợi khi dùng máy biến áp tự ngẫu được xác định là $a = (220 - 110) / 220 = 0,5$. Tác giả tính toán các tham số phân bố máy phát $m \approx 2, p = 0, q \approx 2$ và thiết lập 3 phương án:

  • Phương án I (2 máy phát phía hạ, 2 máy phát phía trung): Sử dụng máy biến áp tự ngẫu liên lạc đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cao, vận hành ổn định, số lượng khí cụ đóng cắt và thanh góp ít hơn, tiết kiệm chi phí xây dựng. Nhược điểm là phục vụ hộ tiêu thụ loại 3 nên không tính đến khả năng quá tải khi sự cố.
  • Phương án II (3 máy phát phía hạ, 1 máy phát phía trung): Dòng công suất không qua hai lần biến áp giúp giảm tổn thất, nhưng chi phí lắp đặt thiết bị đóng cắt và móng biến áp cao. Điểm hạn chế nghiêm trọng là dòng ngắn mạch thanh góp lên tới xấp xỉ 20 kA, vượt quá giới hạn chịu đựng tối đa cho phép của khí cụ điện tiêu chuẩn (12,5 kA theo Huỳnh Nhơn), dẫn tới không chọn được thiết bị phù hợp.
  • Phương án III (4 máy phát đều nối thanh góp cấp hạ): Tất cả công suất đều dồn qua thanh góp máy phát và 2 máy biến áp tự ngẫu; khi có sự cố hệ thống dễ bị quá tải nghiêm trọng gây nguy cơ hư hỏng toàn bộ, chi phí cao và vận hành phức tạp.
  • Kết luận: Chọn Phương án I làm phương án thiết kế chính thức.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CHỌN MÁY BIẾN ÁP

Chương này xác định các thông số kỹ thuật định mức cho toàn bộ máy biến áp chính:

  • Máy biến áp sơ đồ bộ T3, T4: Điều kiện chọn công suất $S_{đmMBA} \ge S_{đmF} = 125\text{ MVA}$. Chọn máy biến áp ba pha hai cuộn dây kiểu ONAF: $S_{đm} = 125\text{ MVA}$; tỷ số biến áp $121/10,5\text{ kV}$; $U_N% = 10,5%$; tổn thất không tải $P_0 = 100\text{ kW}$; tổn thất ngắn mạch $P_N = 520\text{ kW}$; dòng điện không tải $I_0% = 0,55%$.
  • Máy biến áp liên lạc T1, T2: Dựa vào hệ số có lợi $\alpha = 0,5$ và đồ thị truyền tải công suất thừa cực đại qua biến áp tự ngẫu, chọn 2 máy biến áp tự ngẫu ba pha kiểu ATДTЦ: $S_{đm} = 240\text{ MVA}$; điện áp định mức $230/121/10,5\text{ kV}$; điện áp ngắn mạch giữa các cuộn dây $U_N%(C-T) = 10,6%$, $U_N%(C-H) = 35,5%$, $U_N%(T-H) = 22,8%$; tổn thất $P_0 = 380\text{ kW}$; $P_N(C-T) = 730\text{ kW}$, $P_N(C-H) = 360\text{ kW}$, $P_N(T-H) = 320\text{ kW}$; $I_0% = 3%$.
  • Tính toán tổn thất điện năng: Thiết lập công thức và tính toán tổn thất điện năng hàng ngày ($\Delta A$) của các máy biến áp hai cuộn dây sơ đồ bộ và máy biến áp tự ngẫu theo từng chu kỳ phụ tải của các cuộn cao, trung, hạ.

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH

Chương 4 thực hiện tính toán ngắn mạch ba pha nhằm cung cấp số liệu chọn và kiểm tra khí cụ điện:

  • Chọn cuộn kháng phân đoạn giữa F1 và F2: Dòng cưỡng bức cực đại qua kháng $I_{cbmax} = 3,981\text{ kA}$, chọn kháng điện bê tông kiểu PB-4000-10,5 có dòng định mức $I_{Kđm} = 4000\text{ A}$, điện kháng định mức $X_k% = 10%$.
  • Thiết lập sơ đồ tính toán trong hệ đơn vị tương đối với $S_{cb} = 1000\text{ MVA}$; các dòng cơ bản gồm $I_{cb(220kV)} = 2,51\text{ kA}$, $I_{cb(110kV)} = 5,02\text{ kA}$, $I_{cb(10,5kV)} = 54,98\text{ kA}$. Nguồn hệ thống có $S_{HTđm} = 5000\text{ MVA}, X_{HTđm} = 0,35$, đường dây kép 220 kV dài 70 km.
  • Kết quả tính toán ngắn mạch ba pha tại 3 cấp điện áp (với hệ số xung kích $k_{xk} = 1,8$):
Điểm ngắn mạch Cấp điện áp (kV) Điện kháng tổng hợp $x_\Sigma$ $I_N$ cơ bản (kA) $I_N$ chu kỳ đầu (kA) Dòng xung kích $i_{xk}$ (kA)
N1 220 0,272 (0,274) 3,649 9,158 23,312
N2 110 0,385 2,597 13,036 33,184
N3 10,5 0,797 1,254 68,944 175,502

CHƯƠNG 5: CHỌN KHÍ CỤ ĐIỆN

Chương này tính toán dòng điện làm việc cưỡng bức và chọn lựa toàn bộ khí cụ đóng cắt, đo lường:

  • Tính toán dòng cưỡng bức ($I_{CBmax}$): Mạch máy phát 10,5 kV ($6,78\text{ kA}$); phân đoạn thanh góp 10,5 kV ($3,981\text{ kA}$); lộ đường dây hạ áp ($0,646\text{ kA}$); mạch biến áp sơ đồ bộ 110 kV ($0,616\text{ kA}$); đường dây 110 kV ($0,302\text{ kA}$); mạch cao áp 220 kV ($0,582\text{ kA}$).
  • Lựa chọn máy cắt điện:
    • Cấp 10,5 kV: Chọn máy cắt BrM-20 ($U_{đm} = 20\text{ kV}$, $I_{đm} = 11200\text{ A}$, dòng cắt $I_{cắt} = 90\text{ kA} \ge 68,944\text{ kA}$, dòng ổn định động $I_{lđđ} = 300\text{ kA} \ge 200,22\text{ kA}$).
    • Cấp 110 kV: Chọn máy cắt khí SF6 kiểu 110-23 ($U_{đm} = 110\text{ kV}$, $I_{đm} = 1250\text{ A}$, $I_{cắt} = 40\text{ kA} \ge 13,036\text{ kA}$, $I_{lđđ} = 50\text{ kA} \ge 35,437\text{ kA}$).
    • Cấp 220 kV: Chọn máy cắt khí SF6 kiểu 220-11-74 ($U_{đm} = 220\text{ kV}$, $I_{đm} = 1250\text{ A}$, $I_{cắt} = 40\text{ kA} \ge 9,158\text{ kA}$, $I_{lđđ} = 50\text{ kA} \ge 29,956\text{ kA}$).
  • Lựa chọn dao cách ly:
    • Cấp 10,5 kV: Chọn kiểu PB-20 ($U_{đm} = 20\text{ kV}$, $I_{đm} = 12500\text{ A}$, $I_{lđđ} = 490\text{ kA}$).
    • Cấp 110 kV: Chọn kiểu PH 110 ($U_{đm} = 110\text{ kV}$, $I_{đm} = 1250\text{ A}$, $I_{lđđ} = 100\text{ kA}$).
    • Cấp 220 kV: Chọn kiểu PH 220 ($U_{đm} = 220\text{ kV}$, $I_{đm} = 630\text{ A}$, $I_{lđđ} = 100\text{ kA}$).
  • Lựa chọn máy biến dòng (BI) và máy biến điện áp (BU):
    • BI mạch máy phát 10,5 kV: Kiểu TПB-15 ($15\text{ kV}$, $8000/5\text{ A}$, cấp chính xác 0,5, trở kháng định mức $Z_{2đm} = 1,2\ \Omega$), dây dẫn nối dụng cụ đo chọn cáp $6\text{ mm}^2$.
    • BI mạch phụ tải 10,5 kV: Kiểu TП0-20 ($20\text{ kV}$, $800/5\text{ A}$, cấp chính xác 0,5, dây dẫn $6\text{ mm}^2$).
    • BI cấp 110 kV và 220 kV: Chọn kiểu TΦ3M110B-III ($110\text{ kV}$, $1500/5\text{ A}$) và TΦ3M220B-III ($220\text{ kV}$, $1200/5\text{ A}$).
    • BU thanh góp 10,5 kV: Xác định phụ tải đo lường pha AB ($20,7\text{ VA}$), pha BC ($19,99\text{ VA}$); kiểm tra sụt áp trên dây trần dẫn tín hiệu đảm bảo không vượt quá $0,5%$.

CHƯƠNG 6: CHỌN PHẦN DẪN ĐIỆN

Chương này thực hiện tính toán thiết kế chi tiết dây dẫn và thanh dẫn trong nhà máy:

  • Thanh góp cứng 10,5 kV: Chọn tiết diện theo dòng phát nóng cưỡng bức, kiểm tra ổn định nhiệt khi ngắn mạch, kiểm tra lực điện động giữa các pha và kiểm tra dao động cơ học để tránh hiện tượng cộng hưởng tần số nguy hiểm.
  • Thanh góp mềm cấp 110 kV và 220 kV: Chọn tiết diện dây nhôm lõi thép (ACSR) ngoài trời theo điều kiện mật độ dòng điện kinh tế ($J_{kt}$), kiểm tra tổn thất vầng quang điện áp cao và điều kiện ổn định nhiệt khi ngắn mạch.
  • Cáp điện lực và thanh dẫn liên kết: Chọn cáp xuất tuyến đầu cực máy phát 10,5 kV, thanh dẫn nối từ đầu cực máy phát đến máy biến áp tự ngẫu liên lạc và hệ thống cáp cao áp nối máy biến áp sơ đồ bộ lên trạm phân phối 110 kV và 220 kV.

CHƯƠNG 7: TỰ DÙNG NHÀ MÁY ĐIỆN

Chương cuối cùng giải quyết việc cấp nguồn cho các hệ thống động lực nội bộ:

  • Tính chọn máy biến áp tự dùng: Hạ áp từ $10,5\text{ kV}$ xuống $0,4\text{ kV}$ nhằm cung cấp cho các phụ tải động cơ bơm nước tuần hoàn, bơm dầu bôi trơn, quạt gió, chiếu sáng và điều khiển.
  • Chọn khí cụ và dây dẫn phía cao áp 10,5 kV cho máy biến áp tự dùng: Chọn dao cắt phụ tải cách điện khí SF6 gắn trên cột kiểu Sectos (pole mounted SF6 load break switch), cầu chì ống trung thế ABB (Medium voltage fuses) để bảo vệ sự cố quá tải và ngắn mạch.
  • Chọn khí cụ phía hạ áp 0,4 kV: Chọn hệ thống thanh dẫn hạ áp và máy cắt không khí ACB (Air Circuit Breaker) làm thiết bị đóng cắt và bảo vệ phân phối chính cho thanh góp 0,4 kV tự dùng.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh các khâu tính toán và thiết kế kỹ thuật phần điện cho nhà máy nhiệt điện khí đồng hành quy mô 500 MVA:

Hạng mục Vị trí / Cấp điện áp Quy cách / Chủng loại được chọn Thông số định mức chính
Máy phát điện Khối phát điện 4 tổ máy đồng bộ turbine hơi $125\text{ MVA}, 10,5\text{ kV}, \cos\varphi=0,8, 3000\text{ v/p}$
Máy biến áp sơ đồ bộ Khối T3, T4 Kiểu ONAF (2 máy) $125\text{ MVA}, 121/10,5\text{ kV}, U_N%=10,5%$
Máy biến áp liên lạc Khối T1, T2 Kiểu tự ngẫu ATДTЦ (2 máy) $240\text{ MVA}, 230/121/10,5\text{ kV}, \alpha=0,5$
Kháng điện hạn chế $I_N$ Thanh góp hạ 10,5 kV Kháng điện bê tông PB-4000-10,5 $I_{đm}=4000\text{ A}, X_k%=10%$
Máy cắt điện 10,5 kV / 110 kV / 220 kV BrM-20 / SF6 110-23 / SF6 220-11-74 $I_{cắt}$ lần lượt là $90\text{ kA} / 40\text{ kA} / 40\text{ kA}$
Dao cách ly 10,5 kV / 110 kV / 220 kV PB-20 / PH 110 / PH 220 $I_{lđđ}$ lần lượt là $490\text{ kA} / 100\text{ kA} / 100\text{ kA}$
Máy biến dòng điện 10,5 kV / 110 kV / 220 kV TПB-15, TП0-20 / TΦ3M110B / TΦ3M220B Cấp chính xác 0,5, thứ cấp 5 A
Thiết bị tự dùng Cao áp 10,5 kV / Hạ áp 0,4 kV LBS SF6 Sectos, Cầu chì ABB / ACB Cắt phụ tải và bảo vệ trạm tự dùng 0,4 kV

Đóng góp kỹ thuật chính của đồ án gồm:

  • Thiết lập một cấu trúc nối điện kết hợp tối ưu giữa máy biến áp tự ngẫu và sơ đồ bộ, vừa đáp ứng cung cấp phụ tải trung áp 110 kV công suất lớn ($250\text{ MW}$) vừa giải tỏa công suất dư thừa về lưới truyền tải 220 kV ($216,248\text{ MVA}$).
  • Đưa ra giải pháp sử dụng cuộn kháng bê tông PB-4000-10,5 trên thanh góp máy phát, giải quyết triệt để vấn đề dòng ngắn mạch quá lớn tại cấp 10,5 kV (đưa về mức $68,944\text{ kA}$), khắc phục hạn chế không chọn được khí cụ điện như đã xảy ra trong Phương án II.
  • Quy trình tính toán được thực hiện đồng bộ từ khâu cân bằng công suất, ngắn mạch đến việc lựa chọn chi tiết từng chủng loại khí cụ điện, cáp dẫn và thiết bị tự dùng theo các bảng tra và catalogue tiêu chuẩn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Đồ án chủ yếu giả định nhà máy phục vụ cho hộ tiêu thụ loại 3 nên chưa thực hiện tính toán kiểm tra chế độ quá tải sự cố nặng nề (sự cố hỏng một máy biến áp tự ngẫu liên lạc lớn nhất trong giờ cao điểm).
    • Trong tính toán cân bằng công suất sơ bộ ban đầu, tác giả đã bỏ qua tổn thất công suất trong các phần tử mạng điện do xem tổn thất này rất nhỏ so với tổng công suất truyền tải.
    • Phần tính toán tự dùng mới dừng lại ở việc chọn máy biến áp và thiết bị đóng cắt tổng thể, chưa đi sâu tính toán chi tiết chế độ tự khởi động của nhóm động cơ điện tự dùng công suất lớn khi điện áp bị sụt giảm.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Tính toán kiểm tra chế độ sự cố n-1 đối với phụ tải loại 1 và loại 2 để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.
    • Thiết kế chi tiết hệ thống nối đất an toàn, hệ thống chống sét bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm phân phối ngoài trời 110 kV và 220 kV.
    • Tính toán phối hợp bảo vệ rơle số và thiết kế hệ thống điều khiển tích hợp máy tính (DCS/SCADA) cho toàn bộ nhà máy nhiệt điện.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp cho sinh viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Thiết bị điện tại các trường đại học kỹ thuật khi thực hiện đồ án môn học "Thiết kế nhà máy điện và trạm biến áp" hoặc khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Hệ thống điện.

Nội dung đồ án có giá trị tham khảo cụ thể ở các phần:

  • Phương pháp luận phân tích và lựa chọn số lượng máy biến áp tự ngẫu liên lạc dựa trên việc xác định hệ số có lợi và công suất thừa truyền tải qua các cuộn dây.
  • Phương pháp biến đổi sơ đồ mạng điện phức tạp để tính toán ngắn mạch bằng hệ đơn vị tương đối và phương pháp đường cong tính toán.
  • Bảng biểu tính toán mẫu về cân bằng công suất và bộ tiêu chí kiểm tra ổn định nhiệt, ổn định động đối với khí cụ điện cao áp và trung áp.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhà máy nhiệt điện trong đồ án có quy mô công suất bao nhiêu, sử dụng loại nhiên liệu gì và nguồn phát gồm những tổ máy nào?
Nhà máy có tổng công suất thiết kế là $500\text{ MVA}$, sử dụng nhiên liệu khí đồng hành. Nguồn phát gồm 4 tổ máy phát turbine hơi đồng bộ ba pha cùng chủng loại, mỗi tổ có công suất định mức $S_{đm} = 125\text{ MVA}$ ($P_{đm} = 100\text{ MW}$), điện áp định mức $10,5\text{ kV}$, dòng điện định mức $6,875\text{ kA}$, và tốc độ quay $3000\text{ vòng/phút}$.

2. Tại sao tác giả lựa chọn Phương án I cho cấu trúc nối điện thay vì Phương án II hay Phương án III?
Phương án I sử dụng 2 máy phát nối hạ áp qua máy biến áp tự ngẫu liên lạc và 2 máy phát ghép sơ đồ bộ lên 110 kV, đảm bảo độ tin cậy cao, sơ đồ đơn giản, kinh tế và dễ vận hành. Trong khi đó, Phương án II làm dòng ngắn mạch trên thanh góp hạ áp tăng vọt lên khoảng $20\text{ kA}$ (vượt quá giới hạn cho phép của khí cụ điện tiêu chuẩn là $12,5\text{ kA}$ nên không chọn được thiết bị) và chi phí móng trạm cao. Phương án III dồn toàn bộ 4 máy phát qua thanh góp hạ áp khiến hệ thống dễ bị quá tải sự cố nghiêm trọng, khó vận hành và không khả thi về mặt kinh tế.

3. Thông số kỹ thuật chính của máy biến áp tự ngẫu liên lạc T1 và T2 được chọn là gì?
Tác giả chọn 2 máy biến áp tự ngẫu ba pha kiểu ATДTЦ có công suất định mức $240\text{ MVA}$, tỷ số điện áp định mức $230/121/10,5\text{ kV}$, hệ số có lợi $\alpha = 0,5$. Điện áp ngắn mạch giữa các cuộn dây là $U_N%(C-T) = 10,6%$, $U_N%(C-H) = 35,5%$, $U_N%(T-H) = 22,8%$. Tổn thất không tải $P_0 = 380\text{ kW}$, tổn thất ngắn mạch $P_N(C-T) = 730\text{ kW}$, $P_N(C-H) = 360\text{ kW}$, $P_N(T-H) = 320\text{ kW}$, và dòng không tải $I_0% = 3%$.

4. Giá trị dòng điện ngắn mạch chu kỳ đầu và dòng xung kích tại cấp điện áp 10,5 kV là bao nhiêu, và tác giả dùng giải pháp nào để khống chế?
Tại điểm ngắn mạch N3 (cấp điện áp 10,5 kV), dòng điện ngắn mạch ba pha chu kỳ đầu tính toán được là $I_N = 68,944\text{ kA}$ và dòng xung kích là $i_{xk} = 175,502\text{ kA}$ (với $k_{xk} = 1,8$). Để hạn chế dòng ngắn mạch giữa các máy phát trên thanh góp, tác giả đã bố trí một cuộn kháng điện kiểu bê tông PB-4000-10,5 ($I_{Kđm} = 4000\text{ A}$, $X_k% = 10%$) giữa phân đoạn máy phát F1 và F2.

5. Công suất tự dùng của nhà máy chiếm tỷ lệ bao nhiêu và các thiết bị đóng cắt bảo vệ phía cao áp máy biến áp tự dùng gồm những loại nào?
Công suất tự dùng cực đại chiếm $6%$ công suất định mức toàn trạm, tương đương $S_{TD} = 30\text{ MVA}$ và được duy trì liên tục trong suốt 24 giờ. Phía cao áp 10,5 kV của máy biến áp tự dùng được trang bị dao cắt phụ tải cách điện khí SF6 gắn trên cột kiểu Sectos (ABB) và cầu chì ống trung thế ABB (Medium voltage fuses) để bảo vệ quá tải và ngắn mạch.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trần Minh Triết và Nguyễn Võ Hiệp đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật phần điện cho nhà máy nhiệt điện khí đồng hành công suất 500 MVA. Các tính toán cân bằng công suất, lựa chọn sơ đồ nối điện chính, tính toán ngắn mạch ba pha và kiểm tra khí cụ điện, dây dẫn đều được thực hiện bài bản dựa trên các công thức chuẩn tắc và tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành. Kết quả nghiên cứu đưa ra cấu hình thiết bị hợp lý, bảo đảm tính khả thi kỹ thuật, an toàn vận hành và cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị học thuật cho sinh viên ngành kỹ thuật điện.