ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN THIẾT KẾ TRẠM BIẾN ÁP 220 110 22 kV
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (925.71 KB, 156 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
THIẾT KẾ TRẠM BIẾN ÁP
220/110/22 kV
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN
Đào Minh Trung Nguyễn Đăng Khởi (MSSV:1010867)
Ngành Kỹ thuật Điện - Khoá 27
Mục lục
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi i
MỤC LỤC
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP
1.1. Giới thiệu chung hệ thống điện nước ta 1
1.2. Giới thiệu sơ lược về trạm biến áp 2
1.2.1. Khái niệm 2
1.2.2. Phân loại 2
1.2.3. Một số thiết bị sử dụng trong trạm 3
1.3. Đồ thị phụ tải 3
1.4. Yêu cầu của đề bài 4
Chương 2
CHỌN SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA TRẠM BIẾN ÁP
2.1. Khái quát về sơ đồ cấu trúc của trạm biến áp 6
2.2. Các phương án lựa chọn sơ đồ cấu trúc trạm biến áp 6
2.2.1. Trường hợp 1: cấu trúc trạm sử dụng một MBA (ba cuộn dây hoặc tự
ngẫu) hoặc hai MBA hai cuộn dây 6
2.2.2. Trường hợp 2: cấu trúc trạm sử dụng hai MBA song song 7
2.2.2.1. Phương án 1: trạm sử dụng hai MBA tự ngẫu 8
2.2.2.2. Phương án 2: trạm sử dụng hai MBA 3 cuộn dây 8
2.2.3. Trường hợp 3: trạm biến áp sử dụng nhiều hơn 2 MBA song song 9
2.2.3.1. Phương án 3: trạm sử dụng 4 MBA 2 cuộn dây (C – T, T – H) 9
2.2.3.2 Phương án 4: trạm sử dụng 4 MBA 2 cuộn dây (C – T, C – H) 9
Chương 3
CHỌN MÁY BIẾN ÁP
3.1. Tổng quan 11
3.1.1. Khái niệm về máy biến áp 11
3.1.2. Quá tải của MBA 12
3.2. Chọn MBA cho các phương án 14
3.2.1 Số liệu ban đầu 14
3.2.2. Tính toán cụ thể 18
Chương 4
TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG
4.1. Giới thiệu sơ lược về tổn thất điện năng 28
4.1.1. Khái quát 28
4.1.2. Tổn thất điện năng trong máy biến áp 28
4.2. Tính toán tổn thất cụ thể cho từng phương án 31
4.2.1. Phương án 1: trạm sử dụng hai MBA tự ngẫu 31
4.2.2. Phương án 2: trạm sử dụng hai MBA ba cuộn dây 32
Mục lục
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi ii
4.2.3. Phương án 3: trạm sử dụng bốn MBA hai cuộn dây (C – T, T – H) 33
4.2.4. Phương án 4: trạm sử dụng bốn MBA hai cuộn dây (C – T, C – H) 33
Chương 5
TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
5.1. Giới thiệu 35
5.1.1. Khái niệm chung về tính toán ngắn mạch trong hệ thống điện 35
5.1.2. Nguyên nhân và hậu quả của ngắn mạch 35
5.1.3. Các giả thiết để tính toán ngắn mạch 36
5.1.4. Trình tự tính toán dòng điện ngắn mạch 3 pha 36
5.2. Tính toán cụ thể cho các phương án đã chọn 38
5.2.1. Phương án 1: trạm sử dụng hai MBA tự ngẫu 38
5.2.2. Phương án 2: trạm sử dụng hai MBA ba cuộn dây 42
5.2.3. Phương án 3: trạm sử dụng bốn MBA hai cuộn dây (C – T, T – H) 43
5.2.4. Phương án 4: trạm sử dụng bốn MBA hai cuộn dây (C – T, C – H) 46
Chương 6
TÍNH DÒNG BÌNH THƯỜNG – DÒNG CƯỠNG BỨC
6.1. Khái niệm chung 49
6.2. Tính toán cụ thể cho các phương án 50
6.2.1. Phương án 1: trạm sử dụng hai MBA tự ngẫu 50
6.2.2. Phương án 2: trạm sử dụng hai MBA ba cuộn dây 52
6.2.3. Phương án 3: trạm sử dụng bốn MBA hai cuộn dây (C – T, T – H) 54
6.2.4. Phương án 4: trạm sử dụng bốn MBA hai cuộn dây (C – T, C – H) 56
Chương 7
SƠ ĐỒ NỐI ĐIỆN
7.1. Khái niệm 58
7.2. Các dạng sơ đồ nối điện cơ bản 58
7.2.1. Sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn 59
7.2.2. Sơ đồ hai hệ thống thanh góp 59
7.3. Chọn sơ đồ nối điện ứng với các phương án 60
7.3.1. Phương án 1: trạm sử dụng hai MBA tự ngẫu 61
7.3.2. Phương án 2: trạm sử dụng hai MBA ba cuộn dây 62
7.3.3. Phương án 3: trạm sử dụng bốn MBA hai cuộn dây (C – T, T – H) 63
7.3.4. Phương án 4: trạm sử dụng bốn MBA hai cuộn dây (C – T, C – H) 64
Chương 8
CHỌN KHÍ CỤ ĐIỆN VÀ CÁC THIẾT BỊ DẪN ĐIỆN
8.1. Máy cắt điện 65
8.1.1. Cơ sở lựa chọn 65
8.1.2. Lựa chọn cụ thể 67
8.2. Dao cách ly 72
8.2.1. Cơ sở lựa chọn 72
8.2.2. Lựa chọn cụ thể 72
Mục lục
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi
iii
8.3. Chọn thanh góp 75
8.3.1. Cơ sơ lựa chọn 75
8.3.2. Lựa chọn cụ thể 77
8.4. Máy biến dòng điện (BI) 83
8.4.1. Cơ sở lựa chọn 83
8.4.2. Lựa chọn cụ thể 85
8.5. Máy biến điện áp (BU) 88
8.5.1. cơ sở lựa chọn 88
8.5.2. Lựa chọn cụ thể 88
8.6. Sứ cách điện 91
8.6.1. Cơ sở lựa chọn 91
8.6.2. Lựa chọn cụ thể 92
8.7. Cáp điện lực 94
8.7.1. Cơ sở lựa chọn 94
8.7.2. Lựa chọn cụ thể 95
8.8. Chống sét van 101
8.8.1. Cơ sở lựa chọn 101
8.8.2. Các cách đặt chống sét van 102
8.8.3. Lựa chọn cụ thể 103
Chương 9
SO SÁNH KINH TẾ - KỸ THUẬT CÁC PHƯƠNG ÁN
VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU
9.1. Giới thiệu chung 104
9.2. Về kinh tế
9.1.1. Tính toán vốn đầu tư của thiết bị (V) 106
9.1.2. Tính phí tổn vận hành hằng năm (P) 106
9.1.3. Tính toán cụ thể 107
9.2. Về kỹ thuật 111
9.3. Kết luận 111
Chương 10
TỰ DÙNG TRONG TRẠM BIẾN ÁP
10.1. Khái niệm 112
10.2. Sơ đồ tự dùng của trạm biến áp 112
10.3. Chọn công suất máy biến áp tự dùng 113
10.3.1. MBA tự dùng chính 113
10.3.2. MBA tự dùng dự phòng 113
10.4. Chọn MBA tự dùng cụ thể cho trạm 113
10.5. Tính toán ngắn mạch cho cấp 0,4 kV 115
10.6. Chọn cáp và CB hạ áp 115
Mục lục
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi iv
10.6.1. Chọn cáp từ MBA đến tủ tự dùng 115
10.6.2. Chọn CB hạ áp 117
Chương 11
CHỐNG SÉT CHO TRẠM BIẾN ÁP
11.1. Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 118
11.2. Bảo vệ bằng cột thu sét 119
11.2.1. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét 119
11.2.2. Hai cột thu sét 120
11.2.3. Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét 121
11.3. Thiết kế chống sét đánh trực tiếp cho trạm bằng cột thu sét 122
11.4. Bảo vệ chống sét đường dây tải điện 128
11.4.1. Phạm vi bảo vệ dây chống sét 129
11.4.2. Phạm vi bảo vệ của hai đường dây chống sét 130
Chương 12
NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP
12.1. Khái niệm 131
12.2. Cách thực hiện nối đất 132
12.2.1. Nối đất tự nhiên (R
tn
) 132
12.2.2. Nối đất nhân tạo (R
nt
) 132
12.3. Các yêu cầu về kinh tế kỹ thuật khi thiết kế hệ thống nối đất cho trạm và
đường dây tải điện 133
12.4. Tính toán thiết kế nối đất cho trạm biến áp 133
12.4.1. Tính toán nối đất tự nhiên 134
12.4.2. Tính toán nối đất nhân tạo 135
Phụ lục 136
Kết luận
Tài liệu tham khảo
Chương 1: Tổng quan về hệ thống điện và trạm biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống điện nước ta
Hệ thống điện là một bộ phận quan trọng của hệ thống năng lượng bao gồm các
nhà máy điện, mạng truyền tải điện và hộ sử dụng điện.
+ Nhà máy điện: có nhiệm vụ biến đổi các năng lượng khác nhau (nhiệt
năng, thuỷ năng, hoá năng) thành điện năng.
+ Mạng điện (đường dây dẫn điện, trạm biến áp) có nhiệm vụ truyền tải và
phân phối điện năng đến các hộ sử dụng điện.
+ Hộ sử dụng điện: có nhiệm vụ biến đổi điện năng thành các dạng năng
lượng (nhiệt năng, quan năng…) theo yêu cầu.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, ưu tiên xây dựng đầu tư và phát triển hệ thống
điện nhưng Việt Nam vẫn còn là một trong những nước có các chỉ tiêu về điện năng
vào loại thấp trên thế giới. Hiện nay, nước ta đang sử dụng các cấp điện áp sau:
+ Cấp cao áp:
• 500 kV – dùng cho hệ thống điện quốc gia nối liền ba miền Bắc,
Trung, Nam.
• 220 kV – dùng cho mạng điện khu vực.
• 110 kV – dùng cho mạng phân phối, cung cấp cho các phụ tải lớn.
+ Cấp trung áp:
• 22 kV – dùng cho mạng điện địa phương, cung cấp cho các nhà máy
vừa và nhỏ, cung cấp cho các khu dân cư.
+ Cấp hạ áp:
• 380/220 V – dùng trong mạng hạ áp, trung tính nối đất trực tiếp.
Do lịch sử hiện nay ở nước ta cấp trung áp còn dùng các cấp điện áp là 66, 35,
15, 10 và 6 kV. Nhưng trong tương lai các cấp điện áp nêu trên sẽ được cải tạo để
thống nhất thành cấp điện áp 22 kV.
Tuy có nhiều cấp điện áp khác nhau nhưng khi thiết kế, chế tạo và vận hành,
thiết bị điện được chia làm hai loại cơ bản:
+ Thiết bị điện hạ áp có U
≤
1000 V.
+ Thiết bị điện cao áp có U > 1000 V.
Nguồn cung cấp cho trạm biến áp thường được lấy từ lưới hệ thống. Lưới hệ
thống là một tập hợp gồm các đường dây truyền tải, các trạm biến áp khu vực, nối
liền các nhà máy điện tạo thành hệ thống điện. Hệ thống điện được phân chia thành:
+ Lưới hệ thống (220 kV đến 500 kV).
+ Lưới truyền tải (35, 110, 220 kV).
+ Lưới phân phối trung áp (6, 10, 15, 22, 35 kV).
+ Lưới phân phối hạ áp (220, 380 V).
Trong đó điện áp 35 kV có thể dùng cho lưới truyền tải và lưới phân phối.
Chương 1: Tổng quan về hệ thống điện và trạm biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 2
1.2. Giới thiệu sơ lược về trạm biến áp
1.2.1. Khái niệm
Trạm biến áp là một trong những phần tử quan trọng trong hệ thống điện. Trạm
biến áp là nơi biến đổi năng lượng điện từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác.
Thông thường khi truyền tải điện năng từ nhà máy điện đi xa để giảm tổn thất điện
năng người ta nâng cấp điện áp lên cao và khi đến gần tải tiêu thụ thì giảm cấp điện
áp xuống. Các trạm có nhiệm vụ nối các đường dây với các cấp điện áp khác nhau
trong cùng hệ thống và trực tiếp cung cấp điện năng cho các hộ tiêu thụ.
1.2.2. Phân loại trạm biến áp
Phụ thuộc vào mục đích có thể phân loại trạm biến áp theo các cách khác nhau:
- Theo điện áp chia thành trạm biến áp tăng, trạm biến áp giảm:
+ Trạm biến áp tăng là trạm biến áp có điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ
cấp. Đây thường là các trạm biến áp của các nhà máy điện tập trung điện năng của
các máy phát điện để phát về hệ thống và phụ tải ở xa.
+ Trạm biến áp hạ là các trạm biến áp có điện áp thứ cấp thấp hơn điện áp
sơ cấp. Đây thường là các trạm biến áp có nhiệm vụ nhận điện năng từ hệ thống để
phân phối cho phụ tải.
- Theo chức năng chia thành trạm biến áp trung gian và trạm biến áp phân
phối:
+ Trạm biến áp trung gian hay còn gọi là trạm biến áp khu vực thường có
điện áp sơ cấp lớn (500, 220, 110 kV) để liên lạc với các phụ tải có điện áp khác
nhau (220, 110, 22, 15 kV) của trạm biến áp phân phối.
+ Trạm biến áp phân phối hay còn gọi là trạm biến áp địa phương: trạm
này nhận điện từ trạm biến áp trung gian biến đổi thành các điện áp thích hợp phục
vụ cho phụ tải phân xưởng, khu dân cư, trường học… Phía sơ cấp thường là 35 kV,
15 kV, 10 kV, 6 kV, còn phía thứ cấp có các loại điện áp 220/127 V, 380/220 V
hoặc 660 V.
- Theo cấu trúc chia thành trạm biến áp trong nhà và trạm biến áp ngoài trời:
+ Trạm biến áp trong nhà: đây là kiểu trạm mà toàn bộ các thiết bị điện
cao, hạ áp và MBA đều được đặt trong nhà máy bằng. Nhà được xây thành nhiều
ngăn để tiện thao tác, vận hành cũng như tránh sự cố lan tràn từ phần này sang phần
khác. Loại trạm này thường gặp ở các trạm biến áp phân xưởng hoặc các trạm biến
áp của các khu vực trong thành phố.
+ Trạm biến áp ngoài trời: ở trạm này các thiết bị phía điện áp cao đều đặt
ngoài trời, còn phần phân phối điện áp thấp thì đặt trong nhà hoặc đặt trong các tủ
sắt chế tạo sẳn chuyên dùng để phân phối phần hạ áp. Xây dựng trạm ngoài trời sẽ
tiết kiệm được kinh phí xây dựng hơn so với xây dựng trạm trong nhà.
Ngoài các loại trạm biến áp kể trên trong hệ thống điện còn có các trạm đóng
cắt điện (trạm không có máy biến áp), trạm nối (làm nhiệm vụ liên lạc giữa hai hệ
thống có tần số khác nhau), trạm chỉnh lưu (biến dòng điện xoay chiều thành một
Chương 1: Tổng quan về hệ thống điện và trạm biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 3
chiều) và trạm nghịch lưu (biến dòng một chiều thành xoay chiều) để phục vụ cho
việc tải điện đi xa bằng dòng điện một chiều.
1.2.3. Một số thiết bị sử dụng trong trạm biến áp
Ngoài ra, ở các phía cao của trạm biến áp có các thiết bị phân phối (TBPP)
tương ứng: TBPP cao áp và TBPP hạ áp. TBPP có nhiệm vụ nhận điện năng từ một
nguồn cung cấp và phân phối điện đi nơi khác qua các đường dây điện. Trong TBPP
có các khí cụ điện đóng cắt, điều khiển, bảo vệ và đo lường
- Máy cắt điện: là khí cụ điện dùng để đóng cắt một phần tử của hệ thống
điện như MBA, đường dây… trong lúc làm việc bình thường cũng như khi có sự cố
(ngắn mạch).
- Dao cách ly: là khí cụ điện có nhiệm vụ tạo một khoảng cách trông thấy để
đảm bảo an toàn khi sửa chữa MBA, máy cắt, đường dây…
- Máy cắt phụ tải: là khí cụ điện chỉ đóng cắt được dòng điện trong chế độ
làm việc bình thường, không có khả năng đóng cắt dòng ngắn mạch.
- Cầu chì: là khí cụ dùng để cắt mạch điện khi ngắn mạch và khi quá tải
trong mạch hình tia.
- Cầu chì tự rơi: thực chất là cầu chì nhưng có cấu tạo đặc biệt, khi cắt sẽ cắt
luôn dao cách ly.
- Máy biến dòng điện: biến đổi dòng điện trong mạch điện có điện áp cao về
dòng điện tương ứng với thiết bị đo lường, tự động bảo vệ rơle và cách ly với mạng
cao áp để đảm bảo an toàn cho người sử dụng, tiêu chuẩn hoá các thiết bị đo lường
tự động…
- Máy biến điện áp: biến đổi điện áp cao về điện áp thấp, cũng phục vụ cho
đo lường tự động…
- Dây dẫn là dây mềm, tiết diện tròn có thể dùng một hay nhiều sợi phụ thuộc
vào dòng điện.
- Thanh dẫn là thanh cứng, tiết diện hình chữ nhật, hình tròn rỗng… có thể
dùng một hoặc hai thanh ghép chặt nhau phụ thuộc vào dòng điện.
- Cáp điện lực: là dây dẫn mềm được bọc cách điện theo điện áp định mức.
1.3. Đồ thị phụ tải
- Đồ thị phụ tải là hình vẽ biểu diễn quan hệ giữa công suất phụ tải (P, Q, S)
theo thời gian t:
S = f(t) P = f(t) Q = f(t)
- Đồ thị phụ tải có thể phân loại theo công suất, theo thời gian, theo địa dư.
- Khi phân loại theo công suất có đồ thị phụ tải công suất tác dụng, đồ thị phụ
tải công suất phản kháng và đồ thị công suất biểu kiến. Theo thời gian phân loại có
đồ thị phụ tải năm, đồ thị phụ tải ngày, v.v… Theo địa dư có phụ tải toàn hệ thống,
đồ thị phụ tải của nhà máy điện hay của trạm biến áp, đồ thị phụ tải của hộ tiêu
thụ…
Chương 1: Tổng quan về hệ thống điện và trạm biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 4
- Đồ thị phụ tải rất cần thiết cho thiết kế và vận hành hệ thống điện. Khi biết đồ
thị phụ tải toàn hệ thống điện có thể phân bố tối ưu công suất cho các nhà máy điện
trong hệ thống, xác định mức tiêu hao nhiên liệu… Đồ thị phụ tải ngày của nhà máy
hay trạm biến áp dùng để chọn dung lượng máy biến áp (MBA), tính toán tổn thất
điện năng trong MBA, chọn sơ đồ nối dây…Với đồ thị phụ tải cực đại hàng tháng
có thể đưa ra kế hoạch tu sửa thiết bị, v.v…
- Do đó, việc thu nhập số liệu ban đầu là rất quan trọng trong việc thiết kế trạm
biến áp, đặc biệt là đồ thị phụ tải. Nếu việc ước lượng phụ tải quá lớn thì tất nhiên
sẽ gây lãng phí, vốn đầu tư bị ứ đọng. Ngược lại, nếu ước lượng phụ tải quá nhỏ thì
sẽ không đáp ứng được nhu cầu cung cấp điện. Vì thế, việc phân tích kỹ lưỡng đồ
thị phụ tải sẽ giúp cho người thiết kế có hướng đi chính xác trong việc lựa chọn
phương án tối ưu vừa đảm bảo về mặt kỹ thuật, vừa đảm bảo tính kinh tế trong việc
thiết kế trạm biến áp.
1.4 Yêu cầu của đề bài
Thiết kế trạm biến áp 220/110/22 kV với các yêu cầu:
- Thiết kế phần điện
- Thiết kế nối đất - chống sét cho trạm
- Các bản vẽ liên quan.
Các số liệu đề bài:
- Thông số của hệ thống:
+ Công suất của hệ thống: S
HT
= 6000 MVA
+ Hệ thống đến trạm bằng hai đường dây với chiều dài 60 km/dây
+ Trở kháng của hệ thống: 0,32 Ω/km.
+ Toàn bộ đường dây vào trạm được bảo bằng dây chống sét TK70
- Số liệu phụ tải:
+ Cấp 110 kV:
• Công suất cực đại: P
max
= 60 MVA
• Hệ số cosφ = 0,76
• Số phát tuyến: 4
• Đồ thị phụ tải:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống điện và trạm biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 5
+ Cấp 22 kV:
• Công suất cực đại: P
max
= 30 MVA
• Hệ số công suất: cosφ = 0,79
• Số phát tuyến: 4
• Đồ thị phụ tải:
0
20
8
11
60
40
80
100
P (%)
16
18
t (h)
22
24
4
6
13
20
55
80
100
70
95
85
75
80
45
35
20
40
60
80
100
0
5
8
11
14
16
19
22
24
60
85
95
80
100
90
70
60
P (%)
t (h)
Chương 2: Chọn sơ đồ cấu trúc của trạm biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 6
CHƯƠNG 2
CHỌN SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA TRẠM BIẾN ÁP
2.1. Khái quát về sơ đồ cấu trúc của trạm biến áp
Sơ đồ cấu trúc của trạm biến áp là sơ đồ diễn tả sự liên quan giữa nguồn, tải và
hệ thống điện. Nguồn thường là các đường dây cung cấp từ hệ thống đến trạm biến
áp, có nhiệm đảm bảo cung cấp cho các phụ tải mà trạm biến áp đảm nhận. Với
trạm biến áp tiêu thụ cũng có thể có máy phát dự phòng để cung cấp điện cho các
phụ tải khi có sự cố trong hệ thống, trường hợp này các máy phát dự phòng được
xem là nguồn. Do đó, hệ thống luôn được xem là thành phần quan trọng, cấu trúc
của trạm phải luôn luôn được giữ liên lạc chặt chẽ.
Khi thiết kế trạm biến áp, chọn sơ đồ cấu trúc là phần quan trọng có ảnh hưởng
quyết định đến toàn bộ thiết kế. Các yêu cầu chính khi chọn sơ đồ cấu trúc:
+ Có tính khả thi, tức là có thể chọn được các thiết bị chính như: máy biến
áp, máy cắt điện… cũng như có khả năng thi công, xây lắp và vận hành.
+ Đảm bảo liên hệ chặt chẽ giữa các cấp điện áp đặc biệt với hệ thống khi
bình thường cũng như cưỡng bức.
+ Tổn hao qua máy biến áp thấp, tránh trường hợp cung cấp cho phụ tải qua
2 lần biến áp không cần thiết.
+ Vốn đầu tư hợp lý, chiếm diện tích càng nhỏ càng tốt.
+ Có khả năng phát triển trong tương lai gần, không thay cấu trúc đã chọn.
Các dạng sơ đồ cấu trúc thường gặp:
+ Cấu trúc trạm sử dụng một MBA.
+ Cấu trúc trạm sử dụng hai MBA.
+ Cấu trúc trạm sử dụng ba MBA.
2.2 Các phương án lựa chọn sơ đồ cấu trúc trạm biến áp
2.2.1. Trường hợp 1: cấu trúc trạm sử dụng một MBA (ba cuộn dây hoặc tự
ngẫu) hoặc hai MBA hai cuộn dây
Chương 2: Chọn sơ đồ cấu trúc của trạm biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 7
- Sử dụng đối với phụ tải không quan trọng
- Trạm biến áp thường cho 2 giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: lắp một MBA
+ Giai đoạn 2: sau khi trạm đã thiết kế lắp đặt xong, hoạt động một thời gian
và đã thu hồi được vốn đầu tư, tiến hành lắp thêm một MBA có cùng công suất và
thông số kỹ thuật như MBA đã lắp đặt ở giai đoạn 1
- Ưu điểm: có cấu trúc đơn giản, ít tốn mặt bằng xây dựng
- Nhược điểm: khi có sự cố xảy ra thì tất cả các phụ tải đều bị cắt
⇒
Vì vậy trường hợp sử dụng một MBA trong việc thiết kế trạm biến áp trung gian
ba cấp ta không chọn.
2.2.2. Trường hợp 2: cấu trúc trạm sử dụng hai MBA song song
- Thường được sử dụng
- Phương án này được thiết kế khi:
+ Có hai đường dây cung cấp từ hệ thống
+ Khi không có MBA lớn phù hợp với phụ tải
+ Không có khả năng chuyên chở và xây lắp MBA lớn
220 kV
110 kV
HT
22 kV
220 kV
22 kV
110 kV
HT
Chương 2: Chọn sơ đồ cấu trúc của trạm biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 8
- Sử dụng 2 MBA 3 cuộn dây khi điện áp cao U
C
= 110 kV, U
T
= 35 kV,
U
H
≥
6 kV; hoặc sử dụng MBA tự ngẫu khi U
C
≥
220 kV, U
T
≥
110 kV, U
H
= 10,
22, 35 kV.
- Phương án này có nhiều ưu điểm:
+ Số lượng MBA chỉ có 2, chiếm ít diện tích xây lắp
+ Giá thành thấp
+ Tổn hao trong MBA nhỏ vì không phải qua hai lần biến áp
2.2.2.1. Phương án 1: trạm sử dụng hai MBA tự ngẫu
2.2.2.2. Phương án 2: trạm sử dụng hai MBA 3 cuộn dây
220 kV
22 kV
110 kV
HT
220 kV
22 kV
110 kV
HT
Chương 2: Chọn sơ đồ cấu trúc của trạm biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 9
Chú ý: Khi không bắt buộc không nên sử dụng lớn hơn 3 MBA 3 cuộn dây hay
từ ngẫu, vì như vậy sẽ dẫn đến không tốt khi bố trí thiết bị phân phối điện.
2.2.3. Trường hợp 3: trạm biến áp sử dụng nhiều hơn 2 MBA song song
2.2.3.1. Phương án 3: trạm sử dụng 4 MBA 2 cuộn dây (C – T, T – H)
- Phương án này được sử dụng khi:
+ Phụ tải ở cấp điện áp thấp nhỏ hơn phụ tải ở cấp điện áp cao
+ Khi không có MBA 3 cuộn dây hay tự ngẫu thích hợp
- Nhược điểm: MBA cấp 1 (điện áp lớn nhất) phải tải cả công suất ở các cấp
điện áp nối tiếp do đó phải chọn công suất lớn, điều đó sẽ dẫn đến tổn hao lớn. Vì
vậy không nên sử dụng khi phụ tải S
H
≥
S
T
.
2.2.3.2 Phương án 4: trạm sử dụng 4 MBA 2 cuộn dây (C – T, C – H)
Nhược điểm:
+ Số lượng MBA nhiều sẽ dẫn đến chiếm nhiều diện tích
+ Tách trạm biến áp thành 2 phần riêng biệt. Tuy nhiên phương án này sử
dụng khi phụ tải ở U
T
và U
H
chênh lệch nhiều mà không thể dùng các phương án
trên.
220 kV
22 kV
HT
110 kV
Chương 2: Chọn sơ đồ cấu trúc của trạm biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 10
Tóm lại ta chọn các phương án :
- Phương án 1: trạm sử dụng hai MBA tự ngẫu
- Phương án 2: trạm sử dụng hai MBA 3 cuộn dây
- Phương án 3: trạm sử dụng 4 MBA 2 cuộn dây (C – T, T – H)
- Phương án 4: trạm sử dụng 4 MBA 2 cuộn dây (C – T, C – H)
Để tiến hành tính toán và chọn ra phương án tối ưu.
220 kV
110 kV
HT
22 kV
Chương 3: Chọn máy biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 11
CHƯƠNG 3
CHỌN MÁY BIẾN ÁP
3.1. Tổng quan
3.1.1 Khái niệm về máy biến áp
Máy biến áp (MBA) là thiết bị truyền tải điện năng từ cấp điện áp này sang cấp
điện áp khác. Để thi công hay thiết kế, lắp đặt một trạm biến áp thì việc chọn MBA
là một khâu rất quan trọng. Vì vậy cần phải nghiên cứu kỹ nhiệm vụ thiết kế, các
phương án đặt ra phải đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các khu công nghiệp hay
các hộ tiêu thụ và phải khác nhau về cách ghép nối MBA với các cấp điện áp, về số
lượng và dung lượng MBA.
Trong hệ thống điện tổng công suất MBA có thể bằng 4 đến 5 lần tổng công
suất các máy phát điện do thường phải qua nhiều lần tăng giảm mới đưa điện năng
đi từ các máy phát điện đến hộ tiêu thụ.
Vốn đầu tư cho các MBA rất lớn. Vì vậy cần chọn MBA với số lượng ít nhưng
vẫn đảm bảo việc cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ cũng như khả năng phát triển
phụ tải trong tương lai .
Khi chọn công suất MBA cần phải xét đến chế độ quá tải của MBA:
+ Quá tải bình thường: là quá tải mà chỉ có một phần thời gian nào đó công
suất phụ tải lớn hơn công suất định mức của MBA, phần thời gian còn lại công suất
phụ tải nhỏ hơn hoặc bằng công suất định mức của MBA.
+ Quá tải sự cố: là quá tải cho phép MBA làm việc trong điều kiện sự cố mà
không gây ảnh hưởng cho MBA.
Các điều kiện để chọn MBA:
+ Có chế độ tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế.
+ Đảm bảo cung cấp điện khi có sự cố.
+ An toàn trong vận hành.
+ Vốn đầu tư và chi phí vận hành thấp.
+ Phù hợp với mẫu thiết kế MBA có sẵn trên thị trường.
Hiện nay trên thị trường có rất nhều loại MBA: MBA tăng hoặc giảm áp, MBA
hai cuộn dây, MBA ba cuộn dây, MBA ba pha và tổ ba máy một pha, MBA tự
ngẫu. Trong đó, MBA ba pha hai cuộn dây, ba cuộn dây và MBA tự ngẫu là được
sử dụng rộng rãi nhất trong hệ thống điện:
+ MBA ba pha ba cuộn dây được dùng khi cần có hai cấp điện ra.
+ MBA ba pha hai cuộn dây chỉ nên đặt khi trong tương lai không có cấp
điện áp ra thứ hai hoặc phụ tải của cấp này nhỏ hơn 10 – 15 % công suất của MBA.
+ MBA ba pha được sử dụng rộng rãi hơn tổ hợp ba MBA một pha mặc dù
có cùng công suất là do:
- Giá thành nhỏ hơn 20 – 25 %.
Chương 3: Chọn máy biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 12
- Tổn hao năng lượng khi vận hành nhỏ hơn từ 12 – 15 %.
+ MBA tự ngẫu được dùng trong hệ thống điện có điện áp cao và trung tính
nối đất trực tiếp. Loại MBA này có tính ưu việt hơn so với MBA thường do giá
thành, chí phí vật liệu và tổn hao năng lượng khi vận hành của nó nhỏ hơn so với
MBA thường có cùng công suất
3.1.2. Quá tải của MBA
MBA có những lúc vận hành non tải, thì cũng có thể vận hành quá tải trong
một khoảng thời gian mà không làm hỏng ngay MBA. Từ quan hệ về sự hao mòn
của MBA trong thời gian vận hành có thể tính được khả năng quá tải cho phép của
nó khi biết đồ thị phụ tải, để cho sự hao mòn trong thời gian tổng không vượt quá
định mức.
3.1.2.1. Quá tải bình thường của MBA
Quá tải bình thường của MBA hay còn gọi là quá tải một cách hệ thống là
chế độ làm việc xét trong khoảng thời gian nào đó (ngày, tháng, năm) trong đó có
một khoảng thời gian MBA vận hành non tải và có những lúc vận hành quá tải
v Trình tự tính toán như sau:
- Căn cứ vào đồ thị phụ tải qua MBA chọn MBA có công suất bé hơn công
suất phụ tải lớn nhất nhưng phải lớn hơn công suất phụ tải cực tiểu:
S
min
< S
B
< S
max
- Đẳng trị đồ thị phụ tải qua MBA thành đồ thị phụ tải chỉ có 2 bậc K
1
và K
2
với thời gian quá tải T
2
.
- Từ đường cong khả tải của MBA có công suất và nhiệt độ đẳng trị môi
trường xung quanh tương ứng xác định khả năng quá tải cho phép K
2cp
tương ứng
với K
1
, K
2
và T
2
.
+ Nếu K
2cp
> K
2
nghĩa là MBA đã chọn có khả năng vận hành với đồ thị
phụ tải đã cho mà không lúc nào θ
cd
> 140
0
C và tuổi thọ của MBA vẫn đảm bảo.
+ Nếu K
2cp
< K
2
tức là MBA đã chọn không có khả năng đảm bảo 2 điều
kiện trên. Do đó phải chọn MBA có công suất lớn hơn.
Khi đã chọn công suất MBA lớn hơn S
max
của đồ thị phụ tải không cần phải
kiểm tra khả năng này.
v Cách đẳng trị đồ thị phụ tải nhiều bậc về đồ thị phụ tải có 2 bậc:
Căn cứ vào S
đmB
đã chọn tính hệ số tải K
i
của các bậc đồ thị phụ tải:
K
i
=
ñmB
S
S
i
Trong đó:
K
i
> 1: quá tải
K
i
< 1: non tải
Chương 3: Chọn máy biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 13
v Xác định K
2
, T
2
bằng cách đẳng trị vùng có K
i
> 1 theo công thức:
K
đt2
=
∑
∑
i
i
2
i
T
)TK(
Nếu:
K
đt
≥
0,9 K
max
thì K
2
= K
đt
và T
2
=
∑
i
T
K
đt
≤
0,9 K
max
thì K
2
= 0,9K
max
và xác định lại T
2
theo biểu thức:
T
2
=
2
max
i
2
i
)K9,0(
)TK(
∑
Trường hợp có nhiều vùng không liên tục có K > 1 chỉ lấy vùng nào có
∑
i
2
i
TK lớn nhất để tính K
2
như trên.
Các vùng còn lại sẽ xét khi xác định K
1
Trường hợp đặc biệt chỉ có một bậc: K > 1; K
2
= K
max
và T
2
= T
i
∗ Xác định K
1
: chỉ cần đẳng trị đồ thị phụ tải trong khoảng thời gian 10 giờ
trước vùng đã tính K
2
(kể cả phần có K >1 không được xét trong trường hợp trên
nếu có xảy ra trong khoảng 10 giờ) cũng theo biểu thức:
10
)TK(
K
i
2
i
∑
=
ñt1
Ở đây ΣT
i
=10 giờ. Nếu vùng trước K
2
không đủ 10 giờ thì có thể lấy 10 giờ
vùng sau K
2
.
Nếu cả hai phần trước và sau vùng K
2
<10 giờ thì gộp phần phía sau ra phần
phía trước cho đủ 10 giờ vì đây là đồ thị phụ tải hằng ngày phần này sẽ là phần đầu
của ngày trước.
Nếu cả hai phần trước và sau không đủ 10 giờ nghĩa là phần quá tải đã có T
2
>14 giờ, nên MBA không có khả năng tải với đồ thị phụ tải đã cho, không cần tiếp
tục tính mà phải nâng công suất MBA lên và tính lại từ đầu.
3.1.2.2. Quá tải sự cố của MBA
Dung lượng MBA trong trạm nên đồng nhất với nhau để giảm số lượng
MBA dự phòng. Khi hai MBA vận hành song song mà một trong hai bị sự cố phải
nghỉ, MBA còn lại có thể vận hành với phụ tải lớn hơn phụ tải định mức không phụ
thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh lúc sự cố trong thời gian 5 ngày đêm nếu
thoả mãn các điều kiện:
Theo đồ thị phụ tải đẳng trị về hai bậc.
<
<
93,0K
h6T
1
2
K
2
= 1,4: MBA đặt ngoài trời
Chương 3: Chọn máy biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 14
K
2
= 1,3: MBA đặt trong nhà
Chú ý theo dõi nhiệt độ của cuộn dây không được vượt quá 140
0
C và tốt nhất
là tăng cường tối đa các biện pháp làm mát MBA.
Lúc này công suất của MBA chọn phải thoả điều kiện sau:
S
đmB
≥
qtsc
maxpt
K
S
với K
qtsc
= K
2
Phụ tải của trạm cần thiết kế trong đề tài này là phụ tải dùng 2 MBA để cung
cấp. Nếu chọn theo chế độ làm việc bình thường thì khi có một MBA bị sự cố, máy
còn lại sẽ không đủ khả năng cung cấp cho phụ tải. Nếu chọn theo chế độ làm việc
quá tải sự cố, máy còn lại vẫn đảm cung cấp điện cho phụ tải.
3.2. Chọn máy biến áp cho các phương án
3.2.1 Số liệu ban đầu
3.2.1.1 Thông số của hệ thống
- Công suất của hệ thống: S
HT
= 6000 MVA
- Trở kháng của hệ thống: x
HT
= 0,32
Ω
/km
- Hệ thống đến trạm bằng 2 đường dây: l
dây
= 120 km
3.2.1.2 Số liệu phụ tải
v Đồ thị phụ tải ở cấp 110 kV
+ Công suất cực đại: P
max
= 60 MVA
+ Hệ số công suất: cos
ϕ
= 0,76
+ Số phát tuyến: 4
+ Đồ thị phụ tải theo P%:
20
40
60
80
100
0
5
8
11
14
16
19
22
24
60
85
95
80
100
90
70
60
P (%)
t (h)
Chương 3: Chọn máy biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 15
Từ đồ thị theo P% ta quy đổi ra P (MW):
Ta có: P = P
max
x P% = 60 x P%
Bảng 3.1: Tóm tắt kết quả tính toán P
Thời gian
(giờ)
0 - 5 5 - 8 8 - 11 11 - 14
14 - 16
16 - 19
19 - 22
22 - 24
P% 60 85 95 80 100 90 70 60
P (MW
)
36
51
57
48
60
54
42
36
Từ P suy ra công suất biểu kiến S theo từng cấp của đồ thị phụ tải:
Ta có: S = P/cosφ = P/0,76 (MVA)
Bảng 3.2: Tóm tắt kết quả tính toán S
Thời gian
(giờ)
0 - 5 5 - 8 8 - 11 11 - 14
14 - 16
16 - 19
19 - 22
22 - 24
P (MW) 36 51 57 48 60 54 42 36
S (MVA)
47,368 67,105 75 63,158 79,95 71,053 55,263 47,368
Đồ thị phụ tải theo S (MVA):
v Đồ thị phụ tải ở cấp 22 kV
+ Công suất cực đại: P
max
= 30 MVA
+ Hệ số công suất: cos
ϕ
= 0,79
40
20
60
5
8
11
80
S (MVA)
14
16
19
22
24
t (h)
47,368
67,105
75
63,158
79,95
71,053
55,263
47,368
0
Chương 3: Chọn máy biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 16
+ Số phát tuyến: 4
+ Đồ thị phụ tải theo P%:
Từ đồ thị theo P% ta quy đổi ra P (MW):
Ta có: P = P
max
x P% = 60 x P%
Bảng 3.3: Tóm tắt kết quả tính toán P
Thời
gian
(giờ)
0 - 4 4 - 6 6 - 8 8 - 11
11 - 13
13 - 16
16 - 18
18 - 20
20 - 22
22 - 24
P% 35 55 80 100 70 95 85 75 80 45
P
(MW)
10,5 16,5 24 30 21 28,5 25,5 22,5 24 13,5
Từ P suy ra công suất biểu kiến S theo từng cấp của đồ thị phụ tải:
Ta có: S = P / cosφ = P / 0,79 (MVA)
Bảng 3.4: Tóm tắt kết quả tính toán S
Thời
gian
(giờ)
0 - 4 4 - 6 6 - 8 8 - 11
11 - 13
13 - 16
16 - 18
18 - 20
20 - 22 22 - 24
P
(MW)
10,5 16,5 24 30 21 28,5 25,5 22,5 24 13,5
S
(MVA)
13,291
20,886
30,38
37,97
26,582
36,076
32,278
28,481
30,38 17,089
0
20
8
11
60
40
80
100
P (%
)
16
18
t (h)
22
24
4
6
13
20
55
80
100
70
95
85
75
80
45
35
Chương 3: Chọn máy biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 17
Đồ thị phụ tải theo S (MVA):
v Đồ thị phụ tải tổng 2 cấp 110 kV và cấp 22 kV
Bằng phương pháp cân bằng công suất ta có đồ thị phụ tải tổng cho 2 cấp
điện áp 110 kV và 22 kV:
22,110
S
Σ
= S
110 kV
+ S
22 kV
Thời gian S (MVA)
0
→
4: 60,659 (MVA)
4
→
5: 68,254 (MVA)
5
→
6: 87,991 (MVA)
6
→
8: 97,485 (MVA)
8
→
11: 112,975 (MVA)
11
→
13: 89,74 (MVA)
13
→
14: 99,234 (MVA)
14
→
16: 116,026 (MVA)
16
→
18: 103,331 (MVA)
18
→
19: 99,534 (MVA)
19
→
20: 83,744 (MVA)
20
→
22: 85,643 (MVA)
22
→
24: 64,457 (MVA)
10
20
30
8
11
40
S (MVA)
16
22
24
t
(h)
4
6
13
18
20
13,291
20,886
30,38
37,975
26,582
36,076
32,278
28,481
30,38
17,089
0
Chương 3: Chọn máy biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 18
Đồ thị phụ tải tổng của 2 cấp 110 kV và 22 kV theo S (MVA):
3.2.2 Tính toán cụ thể
3.2.2.1 Phương án 1: trạm sử dụng hai MBA tự ngẫu
4
5
6
8
11
13
14
16
18
19
20
22
24
t (h)
20
40
60
80
100
120
60,659
68,254
87,991
97,485
112,975
89,74
99,234
116,026
103,331
99,534
83,744
64,457
85,6
43
0
220 kV
22 kV
110 kV
HT
Chương 3: Chọn máy biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 19
v Đồ thị phụ tải tổng của 2 cấp điện áp 110 kV và 22 kV:
Theo đồ thị phụ tải ta có:
S
max
= 116,026 MVA
S
min
= 60,659 MVA
Ta có công suất MBA theo điều kiện quá tải sự cố:
K
qtsc
.S
đmB
≥
S
max
Trong đó:
K
qtsc
: hệ số quá tải sự cố (chọn K
qtsc
= 1,4 giả sử MBA đặt ngoài trời)
S
đmB
: công suất định mức MBA
S
max
: công suất cực đại qua MBA
Suy ra công suất của 1 MBA:
S
đmB
≥
qtsc
max
K
S
⇔
S
đmB
≥
4,1
026,116
= 82,88 (MVA)
Ta chọn MBA tự ngẫu công suất S
đmB
= 90 MVA > 82,88 MVA
v Kiểm tra điều kiện quá tải của MBA
Ø Xét MBA tự ngẫu công suất S
đm
= 90 MVA, vì trạm có 2 MBA tự ngẫu mắc
song song nên tổng công suất MBA của trạm là 180 MVA.
Nếu vận hành cùng lúc cả 2 MBA thì không có vùng thời gian quá tải vì tổng
công suất của MBA là 180 MVA trong khi công suất lớn nhất của tải là 116,026
MVA.
4
5
6
8
1
13
14
16
18
19
20
22
24
t (h)
20
40
60
80
100
120
60,659
68,254
87,991
97,485
112,975
89,74
99,234
116,026
103,331
99,534
83,744
64,457
85,643
100
120
0
Chương 3: Chọn máy biến áp
SVTH: Nguyễn Đăng Khởi 20
Nếu một MBA bị sự cố thì MBA còn lại vận hành quá tải, lúc này ta phải
kiểm tra điều kiện quá tải của MBA.
Từ đồ thị phụ tải tổng của 2 cấp điện áp 110 kV và 22 kV ta thấy có 2 vùng
đồ thị có thời gian quá tải là từ 6
→
11 giờ và 13
→
19 giờ.
Xét vùng từ 13
→
19 giờ : đây là vùng quá tải mà MBA hoạt động với công
suất cực đại có thời gian quá tải là 6 giờ, ta kiểm tra điều kiện K
1đt
:
Phụ tải đẳng trị bậc 1 tính cho 10 giờ liền trước phụ tải cực đại:
S
1đt
=
10
1x659,601x254,681x991,872x485,973x975,1122x74,89
222222
+++++
= 94,596 MVA
Hệ số phụ tải cực đại:
ñmB
ñ
S
S
t1
=
90
596,94
= 1,05 > 0,93
Do đó ta không chọn MBA này.
Ø Chọn MBA công suất 100 MVA
Nếu vận hành cùng lúc cả 2 MBA thì không có vùng thời gian quá tải vì tổng
công suất MBA của trạm là 200 MVA trong khi công suất lớn nhất của tải là
116,026 MVA.
Nếu một MBA bị sự cố thì MBA còn lại vận hành quá tải, lúc này ta phải
kiểm tra điều kiện quá tải của MBA.
Từ đồ thị phụ tải tổng của 2 cấp điện áp 110 kV và 22 kV ta thấy có 2 vùng
đồ thị có thời gian quá tải là từ 8
→
11 giờ và 14
→
18 giờ.
Xét vùng từ 14
→
18 giờ : đây là vùng quá tải mà MBA hoạt động với công
suất cực đại có thời gian quá tải là 6 giờ, ta kiểm tra điều kiện K
1đt
:
Phụ tải đẳng trị bậc 1 tính cho 10 giờ liền trước phụ tải cực đại:
S
1đt
=
10
1x254,681x991,872x485,972x74,891x234,993x975,112
222222
+++++
= 97,8 MVA
Hệ số phụ tải cực đại:
ñmB
ñ
S
S
t1
=
90
8,97
= 0,98 > 0,93
⇒
MBA này không thoả mãn điều kiện quá tải sự cố từ 14
→
18 giờ. Nếu ta thay
thế MBA có công suất lớn hơn chẳng hạn như MBA 120 MVA thì chắc chắn sẽ
thoả mãn điều kiện trên (do không có vùng thời gian quá tải MBA) nhưng chi phí sẽ
tăng mà xác suất xảy ra sự cố hư hỏng một MBA là tương đối thấp. Ngoài ra trạm
còn sử dụng MBA dự phòng để thay thế khi có một MBA bị sự cố, hơn nữa đây là
trường hợp tính trong tình trạng quá tải sự cố lúc chỉ có một MBA vận hành ta có
thể cắt một vài phụ tải không quan trọng để đảm bảo điều kiện của MBA 100 MVA.
