Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu tiêu thụ điện năng phục vụ các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt dân dụng không ngừng gia tăng. Để hệ thống điện vận hành ổn định, đồng bộ từ khâu sản xuất, truyền tải đến phân phối, trạm biến áp giữ vai trò huyết mạch trong việc biến đổi điện áp phù hợp với từng giai đoạn truyền đưa và sử dụng năng lượng. Việc thiết kế trạm biến áp là một nhiệm vụ kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp kiến thức liên ngành từ cung cấp điện, thiết bị điện, kỹ thuật cao áp đến an toàn điện. Thiết kế dư thừa sẽ dẫn đến lãng phí nguyên vật liệu và ứ đọng vốn đầu tư, trong khi thiết kế không chính xác có thể dẫn đến các sự cố nghiêm trọng như cháy nổ, gián đoạn cung cấp điện và thiệt hại tài sản. Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thành Nam tập trung xây dựng quy trình tính toán, thiết kế chi tiết một trạm biến áp phân phối hạ áp, hướng tới mục tiêu tối ưu hóa kỹ thuật và vận hành an toàn.
Mục tiêu tổng quát của đề tài là ứng dụng các phương pháp tính toán và quy chuẩn kỹ thuật vào thiết kế hoàn chỉnh một trạm biến áp phân phối nhằm phục vụ đời sống và sản xuất. Để đạt được mục tiêu này, tác giả xác định 5 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
- Phân tích thực trạng tại đơn vị và các quy trình thiết kế trong việc xây dựng và triển khai hệ thống.
- Nghiên cứu các quy chuẩn, các phương pháp tính toán phụ tải, các sơ đồ mặt bằng tổng thể.
- Phân tích, đánh giá và đề ra giải pháp ứng dụng các quy chuẩn trong việc thiết kế trạm biến áp.
- Nghiên cứu, ứng dụng các bản vẽ sơ đồ tổng thể để tính toán công suất máy biến áp, quy trình đặc điểm làm việc của trạm biến áp.
- Tìm hiểu, phân tích, đánh giá môi trường hệ thống truyền tải để xây dựng và triển khai hệ thống; thực hiện lắp đặt và xây dựng trạm biến áp trên phần mềm AutoCAD.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là trạm biến áp hạ áp 22/0,4kV cấp điện cho khu vực phụ tải có tổng công suất biểu kiến $S = 1500\text{ kVA}$. Phạm vi không gian nghiên cứu bao gồm đường cáp ngầm trung áp 24kV dài 10 km nối từ nguồn cấp của hệ thống điện đến phòng biến điện, kết hợp các thiết bị phân phối trung áp, máy biến áp và tủ phân phối hạ áp cấp cho hai nhóm phụ tải độc lập. Về mặt thời gian, đồ án được thực hiện trong khuôn khổ khóa luận tốt nghiệp hệ cao đẳng niên khóa 2011–2014 tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Thủ Dầu Một, tỉnh Bình Dương và hoàn thành vào tháng 5 năm 2014.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế
Khóa luận vận dụng hệ thống lý thuyết kỹ thuật điện lực và mạng lưới cung cấp điện công nghiệp, bao gồm lý thuyết đồ thị phụ tải, phương pháp xác định phụ tải tính toán theo hệ số kinh nghiệm (hệ số phân tán), lý thuyết tính toán tổn thất công suất, tổn thất điện năng và sụt áp trên đường dây và cuộn dây máy biến áp. Về mặt tiêu chuẩn thiết bị, công trình áp dụng tiêu chuẩn quốc tế IEC 76 và tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1984–1994, TCVN 1985–1994 đối với máy biến áp phân phối ba pha ngâm dầu. Lý thuyết tính toán dòng ngắn mạch ba pha đối xứng và các đại lượng cơ bản quy đổi được sử dụng để kiểm tra ổn định điện động, ổn định nhiệt của các khí cụ đóng cắt và thanh cái dẫn điện.
Phương pháp nghiên cứu trong đồ án được triển khai qua các bước:
- Phương pháp nghiên cứu và tổng hợp tài liệu: Thu thập, hệ thống hóa các định nghĩa, quy trình kỹ thuật, công thức tính toán và thuật ngữ chuyên ngành cung cấp điện.
- Phương pháp phân tích và tính toán kỹ thuật: Tính toán quy đổi đồ thị phụ tải bậc thang 24 giờ sang thời gian sử dụng công suất cực đại ($T_{\max}$) và thời gian tổn thất công suất lớn nhất ($\tau$); lựa chọn tiết diện dây cáp theo mật độ dòng điện kinh tế ($J_{kt}$); tính toán ngắn mạch theo phương pháp đơn vị có tên kết hợp sơ đồ thay thế điện kháng; tính toán thông số hệ thống nối đất nhân tạo dựa trên điện trở suất của đất và hệ số hình học của điện cực.
- Phương pháp thiết kế đồ họa kỹ thuật: Ứng dụng phần mềm chuyên dụng AutoCAD để xây dựng hệ thống bản vẽ chi tiết bao gồm sơ đồ nguyên lý mạng điện, mặt bằng bố trí thiết bị phòng biến điện, các bản vẽ mặt cắt kết cấu (A-A, B-B, C-C) và bản vẽ nền móng máy biến áp.
Nguồn dữ liệu đầu vào phục vụ tính toán bao gồm:
- Số liệu đồ thị phụ tải 24 giờ dạng bậc thang theo tỷ lệ phần trăm công suất cực đại ($%S_{\max}$).
- Các tham số phụ tải: Phụ tải tổng $S = 1500\text{ kVA}$, hệ số phân tán $K_{pt} = 1,5$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,8$.
- Thông số lưới điện trung áp cấp nguồn: Cấp điện áp danh định 22kV, công suất ngắn mạch hệ thống $S_N = 250\text{ MVA}$, điện kháng tương đối $X^*_{HT} = 0,1$, tuyến cáp ngầm 24kV dài $l = 10\text{ km}$ với điện kháng đơn vị $X_0 = 0,08\ \Omega/\text{km}$.
- Danh mục quy chuẩn và bảng tra kỹ thuật: Bảng mật độ dòng điện kinh tế, bảng hệ số xung kích ngắn mạch, bảng thông số kỹ thuật máy biến áp phân phối do Công ty Thiết bị điện chế tạo, cùng các bảng hệ số môi trường đất và nhiệt độ chôn cáp.
Thiết kế kỹ thuật và thông số trạm biến áp
Trạm biến áp được thiết kế theo cấu hình trạm kín trong nhà (indoor substation), đáp ứng yêu cầu mỹ quan đô thị, an toàn vận hành, ngăn ngừa bụi bẩn và chống xâm nhập của các loài động vật qua hệ thống lưới bảo vệ tại cửa thông gió. Không gian trạm được phân chia thành 3 khu vực chức năng riêng biệt: phòng đặt thiết bị cao áp, phòng đặt máy biến áp và phòng đặt thiết bị phân phối hạ áp. Trạm cũng được bố trí hố thu dầu sự cố theo đúng quy chuẩn an toàn phòng chống cháy nổ.
Sơ đồ nguyên lý của trạm áp dụng cấu hình hai máy biến áp làm việc song song nhận điện từ thanh cái trung áp 22kV. Phía cao áp được bảo vệ bởi cầu chì tự rơi FCO kết hợp thiết bị đo đếm điện năng gồm máy biến điện áp (VT) và máy biến dòng điện (CT). Phía hạ áp 0,4kV phân chia thành hai phân đoạn thanh cái độc lập cấp điện cho hai nhóm phụ tải riêng biệt thông qua các aptomat (CB) tổng và CB nhánh. Giữa hai phân đoạn thanh góp hạ áp được bố trí một máy cắt liên lạc CB3. Trong điều kiện vận hành bình thường, CB3 ở trạng thái thường mở để hai máy biến áp vận hành độc lập. Khi một trong hai máy biến áp gặp sự cố hoặc cần ngắt điện bảo dưỡng, CB3 sẽ đóng lại nhằm chuyển toàn bộ phụ tải của trạm sang máy biến áp còn lại, khai thác khả năng quá tải sự cố cho phép ($K_{cp} = 1,4$) để duy trì cấp điện liên tục.
Phần cáp ngầm trung áp sử dụng cáp lõi đồng cách điện bằng giấy, đặt ngầm trong đất từ lưới điện địa phương đến trạm biến áp. Hệ thống nối đất của trạm là hệ thống nối đất nhân tạo kết hợp giữa cọc thép tròn chôn thẳng đứng và thanh thép dẹt chôn nằm ngang, liên kết chặt chẽ với vỏ thiết bị, vỏ máy biến áp và điểm trung tính phía hạ áp, đảm bảo trị số điện trở nối đất đạt yêu cầu kỹ thuật an toàn.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu chung về trạm biến áp
Chương này tổng quan về vị trí, vai trò của trạm biến áp trong hệ thống điện quốc gia và phân loại trạm theo cấp điện áp (trạm tăng áp, trạm hạ áp, trạm trung gian khu vực, trạm phân phối địa phương) và theo cấu trúc xây dựng (ngoài trời, trong nhà). Tác giả phân tích đặc điểm cấu tạo, phạm vi ứng dụng, ưu và nhược điểm của các loại trạm thường gặp trong thực tế:
- Trạm treo: Thiết bị đặt trên cột đơn hoặc trạm cụm, dùng máy biến áp 1 pha hoặc tổ 3 máy 1 pha công suất đến 250 kVA hoặc $3 \times 75\text{ kVA}$, tiết kiệm diện tích nhưng làm giảm mỹ quan đô thị.
- Trạm nền: Máy biến áp đặt trên bệ bê tông mặt đất, bao quanh bởi hàng rào bảo vệ, phù hợp vùng nông thôn, cơ quan, xí nghiệp vừa và nhỏ.
- Trạm giàn: Thiết bị và máy biến áp đặt trên giá đỡ giữa hai cột, công suất máy ba pha thường từ 400 kVA trở xuống hoặc tổ 3 máy $3 \times 75\text{ kVA}$.
- Trạm kín: Toàn bộ thiết bị đặt trong nhà phân chia thành 3 phòng chuyên biệt, độ an toàn cao, có hố thu dầu sự cố, phù hợp khu dân cư tập trung hoặc nhà máy có môi trường hóa chất ăn mòn, bụi bặm.
Chương 2: Đồ thị phụ tải - Tính toán các hệ số Tmax, τmax
Tác giả định nghĩa đồ thị phụ tải ngày, tuần, năm và vai trò của đồ thị phụ tải trong việc lựa chọn công suất thiết bị và phương thức vận hành. Dựa trên số liệu đồ thị phụ tải ngày dạng bậc thang 24 giờ được cung cấp theo tỷ lệ phần trăm phụ tải cực đại:
- Giờ 1 đến 12 lần lượt nhận các giá trị: 40%, 50%, 60%, 70%, 70%, 80%, 80%, 100%, 100%, 60%, 80%, 40%.
- Giờ 13 đến 24 lần lượt nhận các giá trị: 40%, 40%, 50%, 60%, 70%, 90%, 90%, 80%, 80%, 60%, 50%, 40%.
Từ số liệu trên, tác giả tính toán tích phân phụ tải ngày và nhân hệ số 365 ngày để thu được thời gian sử dụng công suất lớn nhất trong một năm: $T_{\max} = 5949,5\text{ giờ}$. Dựa vào $T_{\max}$, tác giả tính toán thời gian chịu tổn thất công suất lớn nhất $\tau$.
Phụ tải tính toán của trạm được xác định từ phụ tải tổng $S = 1500\text{ kVA}$, hệ số phân tán $K_{pt} = 1,5$ và hệ số công suất $\cos\varphi = 0,8$:
- Công suất biểu kiến tính toán: $S_{tt} = \frac{S}{K_{pt}} = \frac{1500}{1,5} = 1000\text{ kVA}$.
- Công suất tác dụng tính toán: $P_{tt} = S_{tt} \cdot \cos\varphi = 1000 \cdot 0,8 = 800\text{ kW}$.
- Công suất phản kháng tính toán: $Q_{tt} = S_{tt} \cdot \sin\varphi = 1000 \cdot \sqrt{1 - 0,8^2} = 600\text{ kVAR}$.
Chương 3: Chọn máy biến áp và tính tổn thất điện năng trong trạm
Chương 3 trình bày cơ sở lý luận về việc chọn kiểu loại, số lượng và công suất định mức của máy biến áp. Nhằm đảm bảo tính liên tục cung cấp điện cho phụ tải loại 1, tác giả lựa chọn giải pháp đặt 2 máy biến áp ba pha vận hành song song. Công suất định mức của mỗi máy được tính theo điều kiện quá tải sự cố cho phép ($K_{cp} = 1,4$):
$$S_{dmBA} \ge \frac{S_{tt}}{1,4} = \frac{1000}{1,4} = 714,28\text{ kVA}$$
Từ kết quả trên, tác giả chọn 2 máy biến áp phân phối ba pha ngâm dầu có công suất định mức $S_{dm} = 750\text{ kVA}$ do Công ty Thiết bị điện chế tạo. Các thông số kỹ thuật danh định của máy biến áp gồm:
- Cấp điện áp: $22 \pm 2 \times 2,5% / 0,4\text{ kV}$; tần số 50 Hz; tổ đấu dây Dyn-11.
- Kích thước: Rộng $W = 1050\text{ mm}$, dài $L = 1710\text{ mm}$, cao $H = 1665\text{ mm}$, khoảng cách chân đế $A = 820\text{ mm}$.
- Khối lượng: Tổng trọng lượng 2304 kg, ruột máy 1181 kg, dầu máy 516 kg.
- Tham số tổn hao: Điện áp ngắn mạch $U_n% = 5,5%$; tổn hao ngắn mạch ở $75^\circ\text{C}$ là $\Delta P_n = 11.000\text{ W}$; tổn hao không tải $\Delta P_0 = 1300\text{ W}$; dòng điện không tải $I_0% = 1,5%$.
- Thông số quy đổi: Điện trở tác dụng máy biến áp $R_B = 9,46\ \Omega$; điện kháng máy biến áp $X_B = 35,49\ \Omega$.
Tác giả thực hiện tính toán tổn thất điện năng hàng năm $\Delta A$ dựa trên tổng thời gian vận hành trong năm ($t = 8760\text{ giờ}$) và thời gian chịu tổn thất công suất cực đại $\tau$. Điện năng cung cấp hàng năm của trạm đạt $A = P_{tt} \cdot T_{\max} = 800 \cdot 5949,5 = 4.759.600\text{ kWh}$. Tỷ lệ tổn thất điện năng hàng năm của trạm biến áp được xác định bằng $\Delta A% = 1,77%$.
Chương 4: Sụt áp qua máy biến áp và tính chọn đầu phân áp
Chương này tính toán tổn thất điện áp qua cuộn dây máy biến áp ở các chế độ vận hành bình thường và sự cố ứng với phụ tải cực đại và cực tiểu, làm cơ sở lựa chọn nấc phân áp phù hợp trên cuộn sơ cấp ($22 \pm 2 \times 2,5%\text{ kV}$):
- Chế độ vận hành bình thường (mỗi máy chịu một nửa phụ tải):
- Khi phụ tải cực đại: $\Delta U_{B1} = 978,6\text{ V}$.
- Khi phụ tải cực tiểu: $\Delta U_{B2} = 262,38\text{ V}$.
- Điện áp đầu phân áp trung bình tính toán: $U_{pa(TB)} = 21,35\text{ kV}$. Qua kiểm tra điện áp thứ cấp, nấc 0% (22 kV) không đạt chuẩn; tác giả chọn lại đầu phân áp nấc $-2,5%$ tương ứng với điện áp $21,45\text{ kV}$.
- Chế độ vận hành sự cố (một máy hỏng, một máy gánh toàn bộ phụ tải):
- Khi phụ tải cực đại sự cố: $\Delta U_{B1(SC)} = 1311,9\text{ V}$.
- Khi phụ tải cực tiểu sự cố: $\Delta U_{B2(SC)} = 524,76\text{ V}$.
- Điện áp đầu phân áp trung bình lúc sự cố: $U_{pa(TBSC)} = 21,045\text{ kV}$. Qua kiểm tra thứ cấp, nấc $-2,5%$ không đạt điện áp yêu cầu; tác giả chọn nấc phân áp $-5%$ tương ứng với điện áp $20,09\text{ kV}$.
Chương 5: Tính toán ngắn mạch
Tác giả trình bày bản chất vật lý, nguyên nhân (lão hóa cách điện, sét đánh, đổ cột cây chạm dây) và hậu quả của hiện tượng ngắn mạch (lực điện động phá hủy cơ học, cháy nổ, suy giảm ổn định hệ thống). Văn bản nêu xác suất xuất hiện các dạng ngắn mạch: ngắn mạch một pha chạm đất chiếm 65%, ngắn mạch hai pha chạm đất chiếm 20%, ngắn mạch hai pha chiếm 10% và ngắn mạch ba pha chiếm 5%.
Các giả thiết tính toán: Bỏ qua dòng điện từ hóa, bỏ qua điện dung cáp, giả định sức điện động các nguồn cùng pha và không đổi. Thông số cơ bản: $U_{cb1} = 22\text{ kV}$, $U_{cb2} = 0,4\text{ kV}$, $S_N = 250\text{ MVA}$, suy ra điện kháng tương đương của hệ thống $X_{HT} = \frac{U_{dm1}^2}{S_{CB}} = \frac{22^2}{250} = 1,936\ \Omega$.
Dòng điện làm việc lớn nhất phía cao áp là $I_{C.A} = 26,24\text{ A}$. Với $T_{\max} = 5949,5\text{ giờ} > 5000\text{ giờ}$, tra bảng mật độ dòng kinh tế đối với cáp đồng bọc giấy cho giá trị $J_{kt} = 2,0\text{ A/mm}^2$. Tiết diện kinh tế tính toán:
$$S = \frac{I_{C.A}}{J_{kt}} = \frac{26,24}{2,0} = 13,12\text{ mm}^2$$
Tác giả chọn cáp tiêu chuẩn có tiết diện $S = 25\text{ mm}^2$. Điện trở tác dụng của 10 km đường cáp đồng là $R_L = 14,6\ \Omega$.
Điện trở tác dụng máy biến áp quy đổi về phía hạ áp là $R_T = 3,13\text{ m}\Omega$. Dòng điện ngắn mạch ba pha tại điểm $N_1$ (trên thanh cái 22kV đầu nguồn trạm) được xác định là $I_{N1} = 3,855\text{ kA}$. Áp dụng hệ số xung kích $K_{xk} = 1,8$ (tra bảng khí cụ trạm), tác giả xác định dòng xung kích $I_{xk}$ tại các điểm ngắn mạch phục vụ việc kiểm tra khả năng chịu lực điện động của thiết bị.
Chương 6: Chọn thiết bị bảo vệ cho trạm biến áp
Chương 6 thiết lập các điều kiện kỹ thuật chung để lựa chọn khí cụ đóng cắt và bảo vệ: điện áp định mức ($U_{dm} \ge U_{mang}$), dòng điện định mức ($I_{dm} \ge I_{lv\max}$), kiểm tra khả năng cắt dòng ngắn mạch và kiểm tra độ ổn định động, ổn định nhiệt. Trên cơ sở đó, tác giả tính toán lựa chọn các thiết bị:
- Cầu chì cao áp tự rơi (FCO) bảo vệ máy biến áp phía 22kV.
- Aptomat (CB) tổng hạ áp đặt ở đầu ra của từng máy biến áp và CB liên lạc phân đoạn hạ áp.
- Các aptomat phụ tải bảo vệ các lộ xuất tuyến hạ áp.
- Máy biến dòng điện (CT) và máy biến điện áp (VT) hạ áp phục vụ công tác đo lường và bảo vệ rơ-le.
Chương 7: Chọn dây dẫn - thanh góp
Tác giả thực hiện tính chọn và kiểm tra dây dẫn cao áp, cáp xuất tuyến hạ áp và hệ thống thanh cái dẫn điện:
- Tuyến dây dẫn cao áp: Sử dụng cáp đồng 24kV tiết diện $25\text{ mm}^2$ đã được chọn theo mật độ dòng điện kinh tế ở Chương 5.
- Cáp hạ áp: Tính toán lựa chọn cáp nhiều lõi từ máy biến áp về tủ phân phối và từ tủ ra phụ tải, có áp dụng đầy đủ các hệ số hiệu chỉnh theo phương pháp lắp đặt, số lượng dây cáp đặt kề nhau trong cùng một rãnh cáp, điều kiện tản nhiệt của môi trường đất chôn cáp và ảnh hưởng của nhiệt độ đất xung quanh.
- Thanh góp: Lựa chọn kích thước thanh cái đồng phẳng cho cả thanh góp phân phối phía cao áp và thanh góp phân phối hạ áp 0,4kV, thỏa mãn điều kiện phát nóng liên tục và điều kiện ổn định điện động khi có xung kích ngắn mạch chạy qua.
Chương 8: Tính toán và nối đất
Chương này giải quyết bài toán an toàn điện thông qua việc tính toán hệ thống nối đất nhân tạo cho trạm biến áp:
- Phân tích vai trò của nối đất an toàn (nối vỏ thiết bị) và nối đất làm việc (nối trung tính máy biến áp).
- Thu thập số liệu điện trở suất của đất tại khu vực xây dựng ($\rho_d$) và áp dụng hệ số hiệu chỉnh tăng cao $K$ theo điều kiện thời tiết mùa khô/mùa mưa.
- Bố trí hệ thống tiếp địa nhân tạo kết hợp giữa cọc thép dài đóng thẳng đứng liên kết bằng thanh thép dẹt chôn nằm ngang dưới mặt đất. Áp dụng hệ số sử dụng cọc thẳng ($\eta_d$) và hệ số sử dụng thanh ngang ($\eta_{ng}$) để tính toán điện trở nối đất tổng hợp, đảm bảo trị số không vượt quá ngưỡng quy định an toàn của lưới điện phân phối.
Chương 9: Sơ đồ mặt bằng - mặt cắt
Chương 9 lập bảng kê chi tiết toàn bộ danh mục vật tư, thiết bị phòng biến điện và thể hiện giải pháp bố trí không gian trạm trên các bản vẽ kỹ thuật:
- Bản vẽ sơ đồ mặt bằng tổng thể (Hình 9.1): Thể hiện vị trí đặt hai bệ máy biến áp, vị trí mương cáp ngầm, hành lang vận hành, tủ trung thế, tủ phân phối hạ thế và lối thoát hiểm.
- Các bản vẽ mặt cắt kết cấu công trình: Bản vẽ mặt cắt A-A (Hình 9.2), mặt cắt B-B (Hình 9.3) và mặt cắt C-C (Hình 9.4) thể hiện cao trình lắp đặt thiết bị, giá đỡ đầu cáp, vị trí thanh dẫn, cửa sổ lấy gió mát và cửa thoát gió nóng có lưới chắn côn trùng.
Chương 10: Thiết kế nền biến áp và bốc khối lượng cho trạm biến áp 22/0,4kV
Chương cuối cùng hoàn thiện hồ sơ thiết kế kỹ thuật thi công và dự toán kinh tế của công trình:
- Bản vẽ chi tiết kết cấu nền móng bê tông cốt thép đặt máy biến áp (Hình 10.1).
- Bảng kê khai chi tiết vật tư xây dựng và phụ kiện lắp đặt trạm (Bảng 10.1).
- Bảng thống kê toàn bộ thiết bị điện chính và phụ của trạm (Bảng 10.2).
- Bảng tổng hợp chi phí trực tiếp phần xây dựng và lắp đặt trạm biến áp 750kVA - 22/0,4kV (Bảng 10.3).
- Bảng tổng hợp kinh phí toàn phần trạm biến áp 750kVA (Bảng 10.4).
- Bảng lập dự toán kinh phí thi công lắp đặt tuyến đường cáp ngầm trung áp 24kV (Bảng 10.5).
- Bảng tổng hợp chi phí trực tiếp thi công đường cáp ngầm 24kV (Bảng 10.6).
- Bảng tổng hợp kinh phí toàn phần tuyến cáp ngầm 24kV (Bảng 10.7).
- Bảng tổng hợp dự toán kinh phí toàn bộ công trình: Xây dựng tuyến cáp ngầm trung áp 22kV và trạm biến áp 750kVA - 22/0,4kV (Bảng 10.8).
Kết quả tính toán và đóng góp kỹ thuật
Khóa luận đã hoàn thành toàn bộ chuỗi tính toán kỹ thuật cho trạm biến áp phân phối hạ áp 22/0,4kV với các thông số định lượng cụ thể:
| Hạng mục thiết kế |
Thông số tính toán / Tiêu chuẩn chọn |
Kết quả và quy cách thiết bị |
| Phụ tải tính toán của trạm |
$S = 1500\text{ kVA}$, $K_{pt} = 1,5$, $\cos\varphi = 0,8$ |
$S_{tt} = 1000\text{ kVA}$; $P_{tt} = 800\text{ kW}$; $Q_{tt} = 600\text{ kVAR}$ |
| Thời gian sử dụng công suất lớn nhất |
Tích phân đồ thị phụ tải ngày dạng bậc thang |
$T_{\max} = 5949,5\text{ giờ/năm}$ |
| Điện năng cung cấp hàng năm |
$A = P_{tt} \cdot T_{\max}$ |
$A = 4.759.600\text{ kWh/năm}$ |
| Số lượng và công suất máy biến áp |
Quá tải sự cố $K_{cp} = 1,4$ ($S_{dmBA} \ge 714,28\text{ kVA}$) |
02 máy biến áp $750\text{ kVA}$, $22 \pm 2 \times 2,5% / 0,4\text{ kV}$, Dyn-11 |
| Tham số ngắn mạch và tổn hao MBA |
Tiêu chuẩn IEC 76, TCVN 1984–1994, 1985–1994 |
$U_n% = 5,5%$; $\Delta P_n = 11.000\text{ W}$; $\Delta P_0 = 1300\text{ W}$; $I_0% = 1,5%$ |
| Điện trở và điện kháng MBA |
Quy đổi về phía sơ cấp 22kV |
$R_B = 9,46\ \Omega$; $X_B = 35,49\ \Omega$ |
| Tổn thất điện năng trong trạm |
Tính toán theo số giờ làm việc $t = 8760\text{ h}$ và $\tau$ |
Tỷ lệ tổn thất điện năng $\Delta A% = 1,77%$ |
| Sụt áp qua máy biến áp |
Chế độ bình thường (cực đại / cực tiểu) |
$\Delta U_{B1} = 978,6\text{ V}$; $\Delta U_{B2} = 262,38\text{ V}$ |
| Sụt áp khi gặp sự cố |
Chế độ sự cố 1 máy hỏng (cực đại / cực tiểu) |
$\Delta U_{B1(SC)} = 1311,9\text{ V}$; $\Delta U_{B2(SC)} = 524,76\text{ V}$ |
| Chọn đầu phân áp sơ cấp |
Kiểm tra dải điện áp thứ cấp cho phép |
Bình thường chọn nấc $-2,5%$ (21,45 kV); Sự cố chọn nấc $-5%$ (20,09 kV) |
| Tuyến cáp ngầm trung áp 24kV |
Mật độ dòng kinh tế $J_{kt} = 2,0\text{ A/mm}^2$ ($T_{\max} > 5000\text{ h}$) |
Cáp đồng bọc giấy, chiều dài 10 km, tiết diện chọn $S = 25\text{ mm}^2$ |
| Dòng ngắn mạch nguồn 22kV |
$S_N = 250\text{ MVA}$, $X_{HT} = 1,936\ \Omega$ |
Dòng ngắn mạch ba pha tại thanh cái 22kV: $I_{N1} = 3,855\text{ kA}$ |
Các giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất:
- Sử dụng mô hình trạm kín 3 phòng chức năng độc lập có hố thu dầu sự cố và lưới chắn động vật, bảo đảm an toàn điện và độ tin cậy trong môi trường đô thị.
- Bố trí cấu hình 2 máy biến áp 750 kVA làm việc song song có aptomat liên lạc phân đoạn hạ thế CB3, cho phép duy trì cấp điện liên tục khi có sự cố đơn lẻ mà không làm gián đoạn sản xuất.
- Đề xuất quy trình điều chỉnh đầu phân áp máy biến áp linh hoạt giữa trạng thái vận hành bình thường (nấc $-2,5%$) và trạng thái sự cố (nấc $-5%$) nhằm bảo đảm chất lượng điện áp ngõ ra luôn nằm trong phạm vi cho phép.
- Lập dự toán chi phí toàn diện cho cả phần trạm biến áp và tuyến đường cáp ngầm 24kV, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lập kế hoạch vốn đầu tư và bốc tách khối lượng thi công thực tế.
Về mặt đóng góp, đồ án đã hệ thống hóa hoàn chỉnh quy trình tính toán thiết kế kỹ thuật cho trạm biến áp phân phối trung/hạ áp, kết nối liền mạch từ phân tích đồ thị phụ tải thực tế, tính toán cơ - điện, kiểm tra ngắn mạch, đến triển khai hệ thống bản vẽ AutoCAD và lập dự toán kinh phí xây lắp.
Hạn chế và hướng mở rộng
Căn cứ vào nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong tài liệu, đề tài còn một số điểm hạn chế:
- Phương pháp xác định phụ tải tính toán trong đồ án chủ yếu dựa trên nhóm phương pháp hệ số kinh nghiệm (hệ số phân tán $K_{pt}$), chưa áp dụng phương pháp lý thuyết xác suất thống kê để phản ánh chính xác tính chất dao động ngẫu nhiên của các phụ tải công nghiệp phức tạp.
- Dữ liệu phụ tải đầu vào là đồ thị bậc thang giả định với các mức phần trăm cố định, chưa có sự phân tách chi tiết giữa các nhóm phụ tải sinh hoạt, phụ tải chiếu sáng và phụ tải động lực.
- Khóa luận chưa đi sâu phân tích hệ thống tự động hóa điều khiển trạm biến áp, chưa nghiên cứu ứng dụng tủ phân phối mạch vòng chính (Ring Main Unit - RMU) hiện đại hoặc các rơ-le kỹ thuật số bảo vệ đa chức năng thường được áp dụng cho trạm biến áp phân phối thế hệ mới.
- Phần tính toán ngắn mạch tập trung chủ yếu vào ngắn mạch ba pha duy trì và dòng xung kích mà chưa phân tích chuyên sâu các dạng ngắn mạch không đối xứng (chạm đất một pha, ngắn mạch hai pha chạm đất) vốn có xác suất xảy ra cao nhất trong thực tế (65%).
Các hướng nghiên cứu và mở rộng tiếp theo:
- Ứng dụng lý thuyết xác suất thống kê và các phần mềm tính toán chuyên dụng (như ETAP, PSS/E) để mô phỏng chính xác hơn đồ thị phụ tải và phân tích chế độ động học của lưới phân phối.
- Nghiên cứu giải pháp hiện đại hóa trạm biến áp kín bằng việc tích hợp tủ trung thế RMU nhỏ gọn và hệ thống giám sát, điều khiển thu thập dữ liệu từ xa (SCADA) phục vụ mô hình lưới điện thông minh (Smart Grid).
- Bổ sung các giải pháp tính toán bù công suất phản kháng tự động phía hạ áp nhằm nâng cao hệ số công suất và giảm thiểu hơn nữa tổn thất điện năng trong trạm.
Giá trị tham khảo và ứng dụng thực tiễn
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thành Nam là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Hệ thống điện và Kỹ thuật cung cấp điện đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp chuyên đề thiết kế mạng lưới phân phối và trạm biến áp. Tài liệu cũng cung cấp tài liệu tham khảo hữu ích cho cán bộ kỹ thuật, kỹ sư sơ cấp làm việc tại các đơn vị tư vấn thiết kế điện và các nhà thầu xây lắp công trình điện trung/hạ áp.
Các phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án gồm:
- Phương pháp luận và các bước tính toán chi tiết từ đồ thị phụ tải 24 giờ sang thời gian sử dụng công suất lớn nhất ($T_{\max}$) và tính chọn công suất máy biến áp theo điều kiện quá tải sự cố ($K_{cp} = 1,4$).
- Quy trình tính toán sụt áp và thuật toán kiểm tra, lựa chọn các nấc đầu phân áp sơ cấp nhằm ổn định điện áp thứ cấp ở các chế độ vận hành khác nhau.
- Bảng phương pháp và các bước tính toán dòng ngắn mạch quy đổi từ cao áp sang hạ áp, kiểm tra tiết diện dây dẫn theo mật độ dòng điện kinh tế ($J_{kt}$).
- Bộ biểu mẫu lập dự toán chi phí xây lắp hoàn chỉnh từ Bảng 10.1 đến Bảng 10.8, là tài liệu mẫu trực quan cho việc bốc tách khối lượng và dự toán kinh phí công trình điện.
Câu hỏi thường gặp
1. Phụ tải tính toán của trạm biến áp được xác định dựa trên những số liệu ban đầu nào và kết quả tính toán ra sao?
Phụ tải tính toán của trạm được xác định từ các số liệu đầu vào: Phụ tải tổng $S = 1500\text{ kVA}$, hệ số phân tán $K_{pt} = 1,5$ và hệ số công suất $\cos\varphi = 0,8$. Kết quả tính toán thu được: Công suất biểu kiến tính toán $S_{tt} = 1000\text{ kVA}$, công suất tác dụng tính toán $P_{tt} = 800\text{ kW}$ và công suất phản kháng tính toán $Q_{tt} = 600\text{ kVAR}$.
2. Tại sao tác giả lựa chọn cấu hình 2 máy biến áp 750 kVA vận hành song song thay vì dùng 1 máy biến áp lớn?
Để đáp ứng yêu cầu cung cấp điện liên tục cho phụ tải loại 1, tác giả chọn giải pháp đặt 2 máy biến áp có cùng chủng loại và công suất làm việc song song. Theo điều kiện quá tải sự cố cho phép ($K_{cp} = 1,4$), công suất định mức yêu cầu của mỗi máy là $S_{dmBA} \ge \frac{S_{tt}}{1,4} = \frac{1000}{1,4} = 714,28\text{ kVA}$. Tác giả tra cứu bảng thiết bị chuẩn và chọn 2 máy công suất định mức $750\text{ kVA}$. Khi 1 máy gặp sự cố, máy còn lại có thể gánh toàn bộ phụ tải trạm mà không bị gián đoạn nguồn điện.
3. Điện năng cung cấp hàng năm và phần trăm tổn thất điện năng trong trạm biến áp đạt bao nhiêu?
Dựa vào thời gian sử dụng công suất lớn nhất tính toán được là $T_{\max} = 5949,5\text{ giờ}$ và công suất tác dụng $P_{tt} = 800\text{ kW}$, điện năng cung cấp hàng năm của trạm đạt $A = 4.759.600\text{ kWh}$. Phần trăm tổn thất điện năng hàng năm của trạm biến áp được xác định bằng $\Delta A% = 1,77%$.
4. Các nấc đầu phân áp trên cuộn sơ cấp máy biến áp được chọn như thế nào trong chế độ bình thường và sự cố?
Máy biến áp có dải điều chỉnh điện áp sơ cấp $22 \pm 2 \times 2,5%\text{ kV}$. Trong chế độ vận hành bình thường, để đảm bảo điện áp phía thứ cấp đạt mức yêu cầu, đầu phân áp nấc $-2,5%$ (tương ứng với $21,45\text{ kV}$) được lựa chọn. Trong chế độ gặp sự cố (một máy biến áp nghỉ việc, một máy chịu toàn bộ tải), sụt áp qua máy tăng cao nên đầu phân áp nấc $-5%$ (tương ứng với $20,09\text{ kV}$) được lựa chọn để bù lại lượng điện áp suy giảm.
5. Tiết diện cáp ngầm trung thế 24kV được tính chọn theo tiêu chuẩn nào và thông số cụ thể là bao nhiêu?
Tiết diện dây cáp ngầm cao áp được tính chọn theo mật độ dòng điện kinh tế ($J_{kt}$). Với dòng điện làm việc bình thường phía cao áp $I_{C.A} = 26,24\text{ A}$ và thời gian sử dụng công suất lớn nhất $T_{\max} = 5949,5\text{ giờ} > 5000\text{ giờ}$, tra bảng đối với cáp đồng bọc giấy ta có $J_{kt} = 2,0\text{ A/mm}^2$. Tiết diện tính toán là $S = \frac{26,24}{2,0} = 13,12\text{ mm}^2$. Tác giả chọn dây cáp ngầm đồng tiêu chuẩn có tiết diện danh định là $25\text{ mm}^2$.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thành Nam đã xây dựng thành công phương án thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho trạm biến áp phân phối hạ áp 22/0,4kV cấp điện cho phụ tải 1000 kVA. Công trình giải quyết đồng bộ và chặt chẽ các bài toán kỹ thuật từ tính toán phụ tải, lựa chọn cấu hình hai máy biến áp 750 kVA làm việc song song, xác định tổn thất và sụt áp, đến tính toán ngắn mạch và chọn khí cụ bảo vệ. Toàn bộ giải pháp thiết kế được hiện thực hóa qua hệ thống bản vẽ kiến trúc, kết cấu nền móng trên AutoCAD cùng hồ sơ dự toán kinh phí chi tiết, tạo nên một tài liệu học thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao cho chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử.
