Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trạm biến áp trung gian 110/22 kV giữ vai trò kết nối giữa lưới điện truyền tải khu vực và lưới điện phân phối trung áp, đảm bảo cung cấp điện năng liên tục và ổn định cho các phụ tải công nghiệp, sinh hoạt. Đồ án môn học "Thiết kế trạm biến áp 110/22 kV" được thực hiện bởi sinh viên Hồ Vũ Hùng dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm tại Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM (hoàn thành tháng 12/2024).
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xây dựng phương án thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một trạm biến áp hạ áp 110/22 kV, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành an toàn và kinh tế. Nhiệm vụ nghiên cứu được cụ thể hóa qua 7 nội dung:
- Xây dựng và phân tích đặc tính đồ thị phụ tải hàng ngày và hàng năm phía 22 kV.
- So sánh kỹ thuật để lựa chọn sơ đồ cấu trúc và công suất định mức của máy biến áp chính.
- Thiết kế sơ đồ nối điện chi tiết cho các cấp điện áp 110 kV và 22 kV.
- Tính toán dòng điện cưỡng bức và dòng ngắn mạch ba pha tại các điểm nút trọng yếu.
- Xác định tổn thất điện năng hàng năm trong máy biến áp.
- Tính chọn và kiểm nghiệm khí cụ điện, dây dẫn, cáp ngầm, thanh dẫn và sứ cách điện.
- Thiết kế hệ thống tự dùng và lựa chọn thiết bị phân phối hạ áp cho trạm.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Phía nguồn 110 kV: Tiếp nhận điện năng từ hệ thống qua 2 xuất tuyến đường dây dài 70 km, công suất ngắn mạch hệ thống $S_{NM} = 3800\text{ MVA}$.
- Phía phân phối 22 kV: Cung cấp cho 10 lộ phụ tải với hệ số công suất $\cos\varphi = 0{,}85$; công suất tự dùng của trạm $S_{td} = 0{,}2\text{ MVA}$ ($\cos\varphi = 0{,}85$).
- Phạm vi thời gian và không gian: Tính toán thiết kế trạm biến áp đặt ngoài trời kết hợp thiết bị phân phối trung áp trong nhà, số liệu tính toán theo chu kỳ 24 giờ và thời gian vận hành 1 năm.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đề tài áp dụng các nguyên lý và tiêu chuẩn thiết kế phần điện trong nhà máy điện và trạm biến áp:
- Khung lý thuyết và mô hình tính toán:
- Phương pháp phân tích đồ thị phụ tải bậc thang để xác định công suất cực đại $S_{\max}$, thời gian sử dụng công suất cực đại $T_{\max}$ và thời gian tổn hao công suất cực đại $\tau$.
- Phương pháp kiểm tra khả năng quá tải bình thường ($k_{2cp}$) và quá tải sự cố ($k_{qtsc}$) của máy biến áp theo đường cong quá tải tiêu chuẩn.
- Phương pháp tính toán ngắn mạch ba pha đối xứng ($N^{(3)}$) trong hệ đơn vị tương đối cơ bản ($S_{cb} = 60\text{ MVA}$, $U_{cb1} = 110\text{ kV}$, $U_{cb2} = 22\text{ kV}$).
- Phương pháp tính tổn thất điện năng $\Delta A$ dựa trên tổn thất không tải $\Delta P_0$, tổn thất ngắn mạch $\Delta P_N$ và thời gian $\tau$.
- Tiêu chuẩn lựa chọn và kiểm tra khí cụ điện, dây dẫn theo dòng điện cho phép lâu dài ($I_{cp}$), mật độ dòng kinh tế ($j_{kt}$), độ ổn định nhiệt ($B_N$), độ ổn định lực điện động ($i_{xk}$), điều kiện vầng quang ($U_{vq}$) và giới hạn sụt áp nhị thứ ($\Delta U \le 0{,}5%$).
- Nguồn dữ liệu:
- Thông số đồ thị phụ tải giả định cho trước.
- Sổ tay tra cứu thiết bị điện, catalog kỹ thuật của các nhà sản xuất: Siemens, ABB, Đông Anh, CADIVI, Thiên Trường và các tiêu chuẩn chế tạo khí cụ điện.
Thiết kế và tính toán kỹ thuật
Hệ thống điện trạm biến áp được thiết kế với cấu trúc hai cấp điện áp:
- Sơ đồ khối: Phía 110 kV áp dụng sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn bằng máy cắt và dao cách ly; phía 22 kV áp dụng sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn bằng máy cắt (trạng thái bình thường máy cắt mở).
- Cấu hình máy biến áp: Sử dụng 2 máy biến áp ba pha hai cuộn dây 60 MVA vận hành song song, đặt ngoài trời.
- Kết quả tính toán thông số ngắn mạch tại các điểm nút:
| Điểm ngắn mạch | Cấp điện áp (kV) | Điện kháng $X^*$ (đvtđ) | Dòng ngắn mạch cơ bản $I_{cb}$ (kA) | Dòng ngắn mạch $I_N$ (kA) | Dòng xung kích $i_{xk}$ (kA) | Mục đích tính toán |
|---|---|---|---|---|---|---|
| $N_1$ | 110 | 0,0924 | 0,3149 | 3,4085 | 8,6900 | Chọn khí cụ điện cấp 110 kV |
| $N_2$ | 22 | 0,1456 | 1,5746 | 10,8265 | 27,5600 | Chọn khí cụ điện cấp 22 kV |
- Tổng hợp chủng loại khí cụ và phần dẫn điện chính được chọn:
- Máy cắt 110 kV: SF6 ЯЭ 110-23 ($110\text{ kV}, 1250\text{ A}, I_{cat} = 40\text{ kA}$).
- Dao cách ly 110 kV: PЛHД-110/1000 ($110\text{ kV}, 1000\text{ A}, I_{dd} = 80\text{ kA}$).
- Máy cắt 22 kV lộ tổng và phân đoạn: Tủ hợp bộ 8Aj20 do ABB chế tạo ($24\text{ kV}, 2000\text{ A}, I_{cat} = 20\text{ kA}$).
- Máy cắt các lộ xuất tuyến 22 kV: Tủ hợp bộ 8DC11 cách điện khí SF6 do Siemens chế tạo ($24\text{ kV}, 1250\text{ A}, I_{cat} = 25\text{ kA}$).
- Máy biến dòng điện: Cấp 110 kV dùng TФ3M110B-I; Cấp 22 kV dùng TП0-20.
- Máy biến điện áp: Cấp 110 kV dùng HKФ-110; Cấp 22 kV dùng 4MS34 (Siemens).
- Dây dẫn 110 kV vào trạm: Dây nhôm trần CADIVI $150\text{ mm}^2$; Dây từ thanh góp 110 kV sang MBA: Dây nhôm lõi thép ACSR $185/43\text{ mm}^2$.
- Cáp nối MBA đến thanh cái 22 kV: 3 cáp đồng 3 lõi cách điện XLPE $240\text{ mm}^2$ của Thiên Trường.
- Thanh dẫn thanh góp 110 kV: Ống tròn đường kính $27/30\text{ mm}$.
- Sứ cách điện: Cấp 110 kV dùng chuỗi 8 bát sứ treo C-550 I YXA-T1; Cấp 22 kV dùng sứ đỡ trong nhà ИOP-24-3,75YXΛ.
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Xây dựng đồ thị phụ tải
Chương này phân tích đồ thị phụ tải bậc thang trong 24 giờ của trạm với công suất tự dùng $S_{td} = 0{,}2\text{ MVA}$ ($\cos\varphi = 0{,}85$). Số liệu tổng hợp xác định phụ tải cực đại $S_{\max} = 70{,}11\text{ MVA}$. Các đại lượng đặc trưng hàng năm được tính toán gồm:
- Thời gian sử dụng công suất cực đại: $T_{\max} = 4376{,}8\text{ giờ/năm}$.
- Thời gian tổn hao công suất cực đại: $\tau = 2774\text{ giờ/năm}$.
Các giá trị này là cơ sở trực tiếp để tính chọn công suất máy biến áp, tiết diện dây dẫn kinh tế và tổn thất điện năng.
Chương II: Lựa chọn sơ đồ cấu trúc và máy biến áp cho trạm
Tác giả tiến hành so sánh hai phương án cấu trúc trạm:
- Phương án 1: Dùng 2 MBA làm việc song song.
- Phương án 2: Dùng 3 MBA làm việc song song.
Xét phụ tải $S_{\max} = 70{,}2\text{ MVA}$ và hệ số quá tải sự cố ngoài trời $k_{qtsc} = 1{,}4$, công suất mỗi máy biến áp cần thỏa mãn $S_{dmB} \ge \frac{S_{\max}}{1{,}4} = 50{,}14\text{ MVA}$. Tác giả chọn 2 máy biến áp 60 MVA ($115/22\text{ kV}$) do Đông Anh chế tạo, có các thông số: $\Delta P_0 = 21\text{ kW}$, $\Delta P_N = 180\text{ kW}$, $U_N = 14%$, $I_0 = 0{,}2%$.
Kiểm tra điều kiện vận hành cho thấy hệ số quá tải bình thường tính toán được là $k_2 = 1{,}174$ trong thời gian $T_2 = 4\text{ giờ}$, đối chiếu đường cong quá tải cho phép $K_{2cp} = 1{,}26 > k_2$. Ở chế độ sự cố đứt 1 máy, hệ số quá tải $k_{sc} = 1{,}193 \le 1{,}4$ với $T_2 < 6\text{ giờ}$ trong giới hạn dưới 5 ngày đêm. Phương án 2 đòi hỏi 3 MBA công suất trên 55 MVA làm tăng vốn đầu tư và diện tích xây dựng nên phương án 1 được chọn.
Chương III: Sơ đồ nối điện trạm biến áp
Chương này đánh giá ưu nhược điểm của các dạng sơ đồ: một thanh góp không phân đoạn, một thanh góp có phân đoạn, sơ đồ thanh góp vòng và sơ đồ hai hệ thống thanh góp. Dựa trên tính chất đảm bảo cung cấp điện và tính linh hoạt kinh tế, tác giả lựa chọn:
- Phía 110 kV: Sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn bằng máy cắt kết hợp hai dao cách ly hai bên, nhận nguồn từ 2 đường dây hệ thống.
- Phía 22 kV: Sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn bằng máy cắt, cấp điện cho 10 lộ phụ tải và 2 lộ tự dùng; ở chế độ vận hành bình thường máy cắt phân đoạn mở để giảm dòng ngắn mạch.
Chương IV: Tính toán dòng điện trong các chế độ làm việc
Nội dung chương tập trung xác định dòng điện lớn nhất qua các phân đoạn trong chế độ làm việc lâu dài và ngắn hạn:
- Cấp điện áp 110 kV: Dòng làm việc bình thường cực đại $I_{bt,\max} = 184{,}23\text{ A}$; dòng cưỡng bức (khi 1 đường dây hoặc 1 MBA nghỉ) $I_{cb,\max} = 368{,}46\text{ A}$.
- Cấp điện áp 22 kV: Dòng làm việc bình thường $I_{bt,\max} = 921{,}14\text{ A}$; dòng cưỡng bức khi 1 MBA nghỉ $I_{cb,\max} = 1842{,}28\text{ A}$.
- Tính toán ngắn mạch: Thiết lập sơ đồ thay thế điện kháng trong hệ đơn vị tương đối với $S_{cb} = 60\text{ MVA}$, $U_{cb1} = 110\text{ kV}$, $U_{cb2} = 22\text{ kV}$. Dòng ngắn mạch ba pha tại thanh cái 110 kV đạt $I_{N1} = 3{,}4085\text{ kA}$ ($i_{xk1} = 8{,}69\text{ kA}$); tại thanh cái 22 kV đạt $I_{N2} = 10{,}8265\text{ kA}$ ($i_{xk2} = 27{,}56\text{ kA}$).
Chương V: Tổn thất điện năng trong máy biến áp
Tác giả áp dụng công thức tính tổn thất điện năng cho 2 máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây làm việc song song theo đồ thị phụ tải: $$\Delta A = n \cdot \Delta P_0 \cdot T + \frac{1}{n} \cdot \Delta P_N \cdot \left(\frac{S_{\max}}{S_{dmB}}\right)^2 \cdot \tau$$ Với $n = 2$, $\Delta P_0 = 21\text{ kW}$, $\Delta P_N = 180\text{ kW}$, $S_{dmB} = 60\text{ MVA}$, $T = 8760\text{ giờ}$ và $\tau = 2774\text{ giờ}$, tổng tổn thất điện năng tính toán được là: $$\Delta A = 598.207\text{ kWh/năm}$$
Chương VI: Chọn khí cụ điện và các phần dẫn điện
Chương này thực hiện lựa chọn chi tiết và kiểm nghiệm toàn diện các thiết bị theo điều kiện định mức, ổn định nhiệt và ổn định lực điện động:
- Khí cụ đóng cắt: Chọn máy cắt SF6 loại ЯЭ 110-23 và dao cách ly PЛHД-110/1000 cho phía 110 kV; máy cắt 8Aj20, 8DC11 và dao cách ly 3DC cho phía 22 kV.
- Thiết bị đo lường: Chọn máy biến dòng TФ3M110B-I ($110\text{ kV}, 800/5\text{ A}$) và TП0-20 ($24\text{ kV}, 6000/5\text{ A}$), sử dụng dây dẫn nhị thứ bằng đồng CADIVI tiết diện $2\text{ mm}^2$. Chọn máy biến điện áp HKФ-110 ($110/\sqrt{3} : 100/\sqrt{3}\text{ V}$) dây dẫn $3{,}5\text{ mm}^2$ và 4MS34 ($22/\sqrt{3} : 110/\sqrt{3}\text{ V}$) dây dẫn $22\text{ mm}^2$ đảm bảo độ sụt áp dưới $0{,}5%$.
- Dây dẫn và thanh góp: Dây từ hệ thống vào thanh góp 110 kV chọn dây nhôm $150\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 440\text{ A}$); dây từ thanh góp 110 kV sang MBA chọn dây ACSR $185/43\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 510\text{ A}$), kiểm tra điện áp vầng quang đạt $U_{vq} = 143{,}75\text{ kV} > 110\text{ kV}$. Xuất tuyến từ MBA sang thanh cái 22 kV dùng 3 sợi cáp đồng XLPE $240\text{ mm}^2$. Thanh góp 110 kV chọn thanh ống tròn $27/30\text{ mm}$ chịu dòng $500\text{ A}$.
- Sứ cách điện: Chọn chuỗi 8 bát sứ treo C-550 I YXA-T1 cho cấp 110 kV và sứ đỡ trong nhà ИOP-24-3,75YXΛ chịu tải phá hoại 375 kG cho cấp 22 kV.
Chương VII: Tự dùng cho trạm biến áp
Hệ thống tự dùng được cấp điện ở cấp hạ áp 0,4 kV phục vụ chiếu sáng (0,1 MVA) và thiết bị vận hành (0,1 MVA), tổng công suất $S_{td} = 0{,}2\text{ MVA}$.
- Máy biến áp tự dùng: Chọn 2 máy biến áp ba pha $250\text{ kVA}$ ($22/0{,}4\text{ kV}$) của hãng Đông Anh, dự phòng lẫn nhau qua bộ tự động đóng nguồn dự trữ (ATS).
- Thiết bị tự dùng: Cáp phía 22 kV chọn cáp đồng 3 lõi BS6622 tiết diện $50\text{ mm}^2$; cáp phía 0,4 kV chọn cáp đồng ICEA tiết diện $70\text{ mm}^2$. Tủ máy cắt 22 kV tự dùng chọn loại hợp bộ 8DH10 của Siemens ($24\text{ kV}, 200\text{ A}, I_{cat} = 16\text{ kA}$). Cấp 0,4 kV bố trí các Aptomat tổng ($I_{dm} \ge 288{,}68\text{ A}$) và Aptomat nhánh ($I_{dm} \ge 144{,}34\text{ A}$).
Kết quả và đóng góp
- Kết quả kỹ thuật cụ thể:
- Thiết lập hoàn chỉnh cấu hình trạm biến áp gồm 2 MBA 60 MVA ($115/22\text{ kV}$), bảo đảm khả năng cấp điện an toàn với hệ số quá tải sự cố $k_{sc} = 1{,}193$ khi hỏng 1 máy biến áp.
- Xác định chính xác dòng ngắn mạch ba pha cực đại: $I_{N1} = 3{,}4085\text{ kA}$ tại thanh cái 110 kV và $I_{N2} = 10{,}8265\text{ kA}$ tại thanh cái 22 kV.
- Tính toán tổn thất điện năng hàng năm của trạm đạt $598.207\text{ kWh/năm}$.
- Lựa chọn đồng bộ hệ thống khí cụ đóng cắt, đo lường, dây dẫn, cáp ngầm, thanh cái và 2 máy biến áp tự dùng $250\text{ kVA}$.
- Đóng góp của đề tài:
- Cung cấp quy trình tính toán thiết kế phần điện trạm biến áp có tính hệ thống, từ bước phân tích phụ tải, lập sơ đồ nguyên lý đến kiểm nghiệm cơ - nhiệt chi tiết cho từng phần tử.
- Đưa ra giải pháp sử dụng tủ máy cắt hợp bộ trung áp (8Aj20, 8DC11, 8DH10) giúp tối ưu diện tích xây dựng trạm trong nhà.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Đồ án chỉ tính toán chế độ ngắn mạch ba pha đối xứng ($N^{(3)}$) dựa trên giả thiết đây là chế độ gây dòng ngắn mạch lớn nhất; chưa tính toán các dạng ngắn mạch không đối xứng ($N^{(1)}, N^{(2)}, N^{(1,1)}$). Chưa thiết kế chi tiết sơ đồ bảo vệ rơle, hệ thống chống sét - nối đất và tự động hóa trạm.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng tính toán các dạng ngắn mạch không đối xứng và phân tích dòng điện thứ tự không.
- Thiết kế hệ thống bảo vệ rơle số và tự động hóa điều khiển trạm theo tiêu chuẩn IEC 61850.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo thực hành trực tiếp cho sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống điện và Kỹ thuật Năng lượng khi thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về thiết kế trạm biến áp. Phần trình bày các bảng tra cứu thông số khí cụ điện, các công thức kiểm nghiệm ổn định nhiệt, ổn định lực điện động và phương pháp tính toán phụ tải biến dòng/biến điện áp có giá trị ứng dụng cao cho các tính toán kỹ thuật tương tự.
Câu hỏi thường gặp
-
Tại sao đồ án lựa chọn phương án 2 máy biến áp 60 MVA thay vì 3 máy biến áp?
Phương án 2 MBA 60 MVA thỏa mãn các điều kiện vận hành bình thường và quá tải sự cố ($k_{sc} = 1{,}193 \le 1{,}4$). Nếu dùng 3 MBA thì mỗi máy phải có công suất lớn hơn 55 MVA (do thời gian quá tải 6 giờ/ngày đêm), làm tăng đáng kể tổng công suất đặt, vốn đầu tư thiết bị và diện tích đất xây dựng. -
Dòng ngắn mạch ba pha tính toán được tại các cấp điện áp là bao nhiêu?
Dòng ngắn mạch ba pha chu kỳ và dòng điện xung kích tại thanh góp 110 kV lần lượt là $I_{N1} = 3{,}4085\text{ kA}$ và $i_{xk1} = 8{,}69\text{ kA}$; tại thanh góp 22 kV là $I_{N2} = 10{,}8265\text{ kA}$ và $i_{xk2} = 27{,}56\text{ kA}$. -
Tổng tổn thất điện năng hàng năm của trạm biến áp là bao nhiêu?
Tổn thất điện năng trong 2 máy biến áp chính 60 MVA được tính theo đồ thị phụ tải là $\Delta A = 598.207\text{ kWh/năm}$. -
Hệ thống tự dùng của trạm được thiết kế với dung lượng và điện áp như thế nào?
Hệ thống tự dùng sử dụng 2 máy biến áp phân phối Đông Anh công suất $250\text{ kVA}$, tỷ số biến áp $22/0{,}4\text{ kV}$, cấp điện cho phụ tải tự dùng $0{,}2\text{ MVA}$ và dự phòng lẫn nhau qua bộ tự động chuyển đổi nguồn (ATS). -
Dây dẫn phía 110 kV được chọn và kiểm tra theo những điều kiện nào?
Đoạn từ hệ thống vào trạm dùng dây nhôm trần CADIVI $150\text{ mm}^2$ chọn theo mật độ dòng kinh tế $j_{kt} = 1{,}3\text{ A/mm}^2$; đoạn từ thanh góp sang MBA dùng dây nhôm lõi thép ACSR $185/43\text{ mm}^2$ chọn theo dòng phát nóng cưỡng bức ($510\text{ A} > 368{,}46\text{ A}$). Cả hai đều thỏa mãn điều kiện ổn định nhiệt khi ngắn mạch và điều kiện không phát sinh vầng quang ($U_{vq} = 143{,}75\text{ kV} > 110\text{ kV}$).
Kết luận
Đồ án môn học "Thiết kế trạm biến áp 110/22 kV" của sinh viên Hồ Vũ Hùng đã giải quyết hoàn chỉnh các bước tính toán thiết kế kỹ thuật phần điện cho trạm biến áp phân phối trung gian. Các giải pháp lựa chọn cấu trúc 2 máy biến áp 60 MVA, sơ đồ nối điện một thanh góp có phân đoạn và hệ thống tủ hợp bộ trung áp đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện liên tục theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Toàn bộ thông số thiết bị đóng cắt, đo lường, phần dẫn và hệ thống tự dùng đều được kiểm nghiệm đầy đủ về ổn định nhiệt và lực điện động dưới tác động của dòng ngắn mạch.