đồ án kỹ thuật điện cơ Tính toán ngắn mạch và kiểm tra thiết bị điện đã chọn

Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
MỞ ĐẦU
Thiết kế trạm biến áp là nhiệm vụ rất quan trọng khi thiết kế cung
cấp điện. Bởi nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới độ tin cậy cung cấp điện, chất
lượng điện năng, ngoài ra nó còn liên quan trực tiếp đến vốn đầu tư, chi
phí đầu tư, vận hành của cả lưới điện khu vực.
• Nội dung thiết kế TBA:
1. Chọn máy biến áp và sơ đồ nguyên lý TBA.
2. Chọn các thiết bị điện cao áp và hạ áp.
3. Tính toán ngắn mạch, kiểm tra các thiết bị đã chọn lựa.
4. Tính toán nối đất cho TBA
• Số liệu trạm biến áp cần thiết kế:
1. Công suất định mức: S
dm
= 250 (KVA)
2. Điện áp định mức: 10/0,4 kV.
3. Điện trở suất của đất ρ = 0,4.10
4
Ω/cm.
4. Công suất ngắn mạch: S
NM
= 300 (MVA)
• Phương án dự kiến:
Với công suất của trạm đã cho dù kiến lắp đặt TBA kiểu treo. Là
kiểu trạm toàn bộ các thiết bị điện cao và hạ áp cùng với MBA được đặt
trên cột. Đối với tủ phân phối hạ thế có thể thiết kế ở trên giàn trạm hay
thiết kế trong buồng phân phối dưới đất là tùy theo điều kiện cụ thể.
Ưu điểm của TBA kiểu treo này là tiết kiệm được diện tích, giám
đáng kể về chi phí đầu tư.
Tuy nhiên, về lâu dài loại trạm này cùng với đường dây trên
không sẽ làm mất mỹ qua đô thị.

1
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
- Trạm biến áp được thiết kế kiểu trạm treo đặt 1 MBA có công
suất 250 KVA – 10/0,4 kV
- Phía cao áp lắp 1bộ cầu chì ngoài trời tự rơi để bảở vệ MBA khi
ngắn mạch và 1 bộ chống sét để chống sóng sét truyền từ đường dây vào
phá hoại MBA.
- Phía hạ áp đặt tủ phân phối hạ thế. Trong đó có các áptomát tổng
(AT), áptomát nhánh (AN) và 3 đồng hồ AMPE đo cường độ tiêu thụ
chung của toàn trạm. Một đồng hồ vôn, kèm 1 chuyển mạch để kiểm tra
điện áp pha. Một công tơ vô công và 1 công tơ hữu công để đo công suất
tiêu thụ của toàn trạm. Một bộ biến dòng (TI).
2
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
CHƯƠNG I:
CHỌN MÁY BIẾN ÁP VÀ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TRẠM
BIẾN ÁP
1- Chọn máy biến áp:
trạm có công suất thiết kế S
dm
= 250 (KVA), ta chọn MBA 3 pha 2
dây quấn do ABB chế tạo có các thông số sau:
S
dm
(KVA)
U
dm
(kV)
∆P
0

(W)
∆P
N
(W)
U
N
%
Trọng
lượng (kg)
Kích thước
(mm)
250 10/0,4 640 4100 4,5 1130 1370-820-148
2. Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp:
3
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TRẠM BIẾN ÁP
BẢNG THỐNG KÊ THIẾT BỊ TRẠM

STT TÊN THIẾT BỊ
1 Dây dẫn
2 Chống sét van
3 Cầu chì tự rơi
4 Máy biến áp
5 Hệ thống tiếp
địa
6 Cáp tổng
7 Bộ đo đếm
8 Tủ hạ áp
9 áptômát tổng
10 áptômát nhánh

11 Chống sét hạ thế
12 Cáp ra

1

2

3

4

5

6

7

9

8

10

12

11

V

A

A

A

kWh

kVArh
4
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
CHƯƠNG II:
CHỌN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN CAO ÁP VÀ HẠ ÁP
I. CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN CAO ÁP:
Các thiết bị điện cao áp được chọn theo điều kiện sau:
U
đmtb
≥ U
đmt mạng C
I
đmtb
≥ Itt
)(43,14
10.3
250
.3
A
U
S
I
dmC

dmB
tt
===
1. Chọn cầu chì tự rơi:
Ta chọn cầu chì tự rơi loại 3 GD203 – 3B do hãng SIEMENS sản
xuất:
U
dm
(kV)
I
dm
(A)
I
cắt N
(kA)
Khối lượng
(kg)
Kích thước
dài (mm)
Đường
kính (mm)
12 16 7,5 2,6 292 69
2. Chọn sứ cao thế:
Chọn sứ đỡ đặt ngoài trời do Liên Xô chế tạo bảng thông số sau:
Kiểu U
dm
(kV)
U
pđk
(kV)

U
pđư
(kV)
F
(kG)
Khối
lượng (kG)
OIIIH-10-2000 10 50 34 2000 12,1
3. Chọn chống sét van:
Chọn chống sét van loại PBΠ-10 do Liên Xô chế tạo có các thông số sau:
5
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
Loại U
dmcsv
(kV)
U
Cdm
(kV)
Điện áp đánh
thủng của csv
khi f=50Hz
ĐA đánh
thủng XK
khi
t
p
=2÷10s
Điện áp dư trên csv khi có độ
dài sóng 10µs với biên độ KV
không lớn hơn.

PBΠ-
10
10 12,7
Không
nhỏ
hơn
26
Không
lớn hơn
30,5
50
1KA
4
2KA
47
5KA
50
10KA
18
4. Chọn thanh dẫn xuống máy biến áp:
Thanh dẫn được chọn theo I
lvmax
, ta dùng loại thanh đồng tròn φ=8(mm).
Loại Đường kính (mm) I
CP
(A)
Thanh đồng tròn 8 235
II. CHỌN THIẾT BỊ HẠ ÁP
Các thiết bị điện hạ áp được chọn theo điều kiện:
U

dmtbH
≥ U
dm mạngH
= 0,4 (kV)
I
dmtbH
≥ I
H
)(84,360
4,0.3
250
.3
A
U
S
I
dmH
dmB
H
===
1. Chọn cáp từ MBA sang tủ phân phối:
Điều kiện: I
CP
≥ I
H
Chọn cáp đồng bốn lõi cách điện bằng PVC do LENS chế tạo:
6
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
Tiết diện dây
(mm

2
)
I
cp
(A)
R
0

(Ω/km)
X
0

(Ω/km)
3X150 + 1X70 395 0,124 0,06
2. Chọn áptômát tổng:
Chọn Áptômát tổng loại NS400E do Pháp chế tạo:
U
dm
(kV) I
dm
(A) I
cđm
(kA) Số cực
0,5 400 7,5 3
3. Chọn Áptômát nhánh:
Từ thanh cái hạ áp có 3 lé ra cung cấp cho hộ tiêu thụ, coi công suất các lộ
nh nhau
)(23,120
4,0.3
3,83

)(3,83
3
250
321
AI
KVASSS
H
==
====
Chọn áptômát nhánh loại NC125H do Pháp chế tạo:
U
dm
(kV) I
dm
(A) I
cđm
(kA) Số cực
0,415 125 7,5 3
4. Chọn cáp xuất tuyến:
Chọn cáp đồng bốn lõi cách điện bằng PVC do LENS chế tạo:
Tiết diện dây
(mm
2
)
I
CP

(A)
R
0

(Ω/km)
X
0
(Ω/km)
3x70 + 1x35 246 0,268 0,56
7
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
5. Chọn thanh cái hạ áp
Chọn thanh cái bằng đồng mỗi pha mét thanh và đặt trong tủ phân phối
0,4kV.
Kích thước
(mm)
Tiết diện một
thanh (mm
2
)
Trọng lượng
(kg/m)
I
CP
(A)
40x5 200 1,7 700
6. Chọn sứ hạ áp:
Kiểu U
dm

(kV)
U
dm

(kV)
F
(kg)
Khối
lượng (kg)
Oφ -1- 375
1 11 375 0,7
7. Chọn biến dòng:
U
dmBI
≥ U
dm mạng
= 0,4(kV)
I
dmSC
≥ I
H
= 360,84(A)
Chọn BI do nhà máy thiết bị điện sản xuất
Loại U
dm

(kV)
I
dm

(A)
Cấp chính
xác

S
(VA)
TKM – 375 1 11 0,5 0,7
8. Chọn các thiết bị đo đếm:
Tủ 0,4 kV đặt gồm:
- 3 đồng hồ (A) AMPE 400/5 (theo tỷ số biến của BI)
- 1 đồng hồ (V) Vôn kế 0 - 450V
- 1 công tơ hữu công 3 pha 3 phần tử
- 1 công tơ vô công 3 pha 3 phần tử
- 1 khóa chuyển mạch để kiểm tra điện áp
8
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
- Tất cả các thiết bị điện trên do nhà máy thiết bị đo điện sản xuất
9. Chọn dây dẫn từ BI đến các dụng cụ đo:
Để đảm bảo độ bền cơ học ta chọn loại dây đồng 1 sợi bọc nhựa
PVC có tiết diện ≥ 2,5 mm2
10. Chọn chống sét van hạ áp:
Chọn chống sét van điện áp thấp loại PBH để bảo vệ quá điện áp cho
cách điện của thiết bị xoay chiều tần số 50 Hz.
Loại U
đmcsv
(kV)
U
Cpm
(kV)
Điện áp đánh thủng của
csv
khi f=50Hz
(giá trị hiệu dụng)
ĐA đánh

thủng XK
khi t
p
=2÷10s
Điện áp dư trên
csv khi i
xk
có độ
dài sóng 10µs
với biên độ kV
không lớn hơn.
PBH-
0,5 Y1
0,5 0,5 Không nhỏ
hơn 2,5
Không lớn
hơn 3
3,5 - 4,5 3,5 - 4,5
11. Chọn tủ phân phối hạ thế
Tủ tự tạo căn cứ vào thiết bị và chủng loại
9
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
A
B
A
V
kVarh
kWh
Kho¸
CM

CÇu
ch×
A
T2
T1
T3
AT
nh¸nh

AT
nh¸nh

AT
nh¸nh

AT
tæng

10
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
CHƯƠNG III:
TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH VÀ KIỂM TRA THIẾT BỊ
ĐIỆN ĐÃ CHỌN
1/TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH:
Các điểm ngắn mạch cần tính trong sơ đồ:
.Điểm N
1
: Kiểm tra cầu chì tự rơi phía
cao áp
.Điểm N

2
, N
3
: Kiểm tra các thiết bị hạ áp


CCTR
N
1
MBA
C¸p
AT
N
2
AN
11
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
* Giả thiết ngắn mạch xảy ra là ngắn mạch ba pha đối xứng và coi nguồn
công suất vô cùng lớn, coi trạm biến áp ở xa nguồn nên khi tính toán ngắn
mạch I
N
= I = I
∞
Với I
N
: là dòng điện ngắn mạch
I
’’
: là dòng ngắn mạch siêu quá độ
I

∞
: Giá trị của dòng điện ngắn mạch ở chế độ xác lập
* Điện kháng của hệ thống
)(33,0
300
10
22
Ω===
N
dm
HT
S
U
X
* Tính ngắn mạch tại N
1
:
Sơ đồ thay thế

X
HT
= 0,33 (Ω)
U
dm
= 10 kV
* Dòng ngắn mạch ba pha được xác định
Z
D
=r
o

. l +jx
o
l ( l=2 km)
Z
D
= 0,64.2+j0,4.2 = 1,28 +j0,8

* Trị số dòng ngắn mạch xung kích
)(42,4449,17.2.8,1.2. kAIkI
Nxkxk
===
Ω=++=++= 7,1)8,033,0(28,1)(
2222
DHTDN
XXRZ
kAI
N
4,3
7,1.3
10
==
HT
XHT
ZD
N1
12
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
*Tính ngắn mạch tại điểm N
2
Sơ đồ thay thế

Z
B
Z
c
N
2
(Với l =10m)
)(3,710.
65,31.3
4,0
.3
)(65,314,2973,11)6,08,28()24,149,10(
)(6,024,110.06,010.124,0
)(8,2849,1010.
250
4,0.5,4
10.
250
4,0.1,4
10.
%.
10.
.
3
2
2
2
4
2
6

2
2
4
2
6
2
2
kA
Z
U
I
jjZZZ
mjjZ
mjjZ
S
UU
j
S
UP
Z
dm
N
CBN
C
BA
DM
dm
N
dm
dm

N
BA
===
Ω=+=+++=+=
Ω+=+=
Ω+=+=
+
∆
=
Σ

II. Kiểm tra thiết bị đã chọn:
1. Cầu chì tự rơi
- Điều kiện kiểm tra
I
dmcắt
= 7,5 (kA) > I
N
= 3,4 (kA)
Vậy: S
dmcắt
≥ S
N1
cầu chì tự rơi chọn đạt yêu cầu
2. Kiểm tra cáp hạ áp
- Điều kiện ổn định nhiệt

qdN
tIF
α

≥
Trong đó:
α = 6 là hệ số nhiệt độ cáp đồng
13
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
t
qd
là thời gian qui đổi, lấy bằng thời gian tồn tại ngắn mạch Vì coi
ngắn mạch trong hệ thống cung cấp điện là ngắn mạch xa nguồn nên
t
qd
=0,8(s)
I
N
= I
N2
= 3,4 (kA)
α.I
N
.
)(25,188,0.4,3.6
2
mmt
qd
==
F = 3.150 + 1.70 (mm
2
) ≥ 18,25 (mm
2
)

Vậy cáp chọn thỏa mãn yêu cầu
3. Kiểm tra Áptômát
* Áptômát tổng
Điều kiện kiểm tra
I
cđm
≥ I
N
I
cđm
= 7,5(kA) ≥ I
N
= 7,3 (kA)
vậy áptômát tổng chọn đạt yêu cầu
* Áptômát nhánh
I
cđm
= 7,5(kA) ≥ I
N
= 7,3 (kA)
vậy Áptômát nhánh đạt yêu cầu
4. Kiểm tra sứ đỡ hạ áp
Điều kiện kiểm tra
F
cp
≥ F
tt
F
cp
là lực tác dụng lên đầu sứ

F
cp
= 0,6 F
ph
=0,6.375 = 225 (kG)
F
tt
= 1,76.
)(8,7915
15
50
.10.76,1
1
10
22
3
22
kGi
a
xk
==
−−
Trong đó:
l : Khoảng cách giữa 2 sứ đỡ liên tiếp l = 50 cm
a: Khoảng cách giữa 2 pha a = 15 cm
14
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
F
cp
= 225 (kG) ≥ F

tt
= 79,8 (kG); sứ hạ áp chọn đạt yêu cầu
5. Kiểm tra thanh cái hạ áp
b

h


H’

H Sứ đỡ
Kiểm tra theo điều kiện ổn định động δ
cp
≥ δ
tt
Trong đó: δ
cp
= 1400 kg/cm
2
với thanh dẫn đồng
W
M
TT
=
δ
M: là mômen uốn tính toán

10
.lF
M

TT
=

Với l = 50 cm là khoảng cách giữa các sứ của 1 pha
F
TT
= 1,76.10
-2
.l/a.l
2
xk
Với a = 15 cm là khoảng cách giữa các pha
F
TT
= 1,76.10
-2
.50/15.15,37
2
= 13,85 kg
cmkg
lF
M
TT
/25,69
10
50.85,13
10
.
===
W là mômen chồng uốn của thanh dẫn (đặt đứng)

15
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
166,0
6
10.40.5
6
.
322
===
hb
W
Thay vào ta có:
2
/15,417
166,0
25,69
cmkg
W
M
TT
===
δ
* Kiểm tra theo điều kiện ổn định nhiệt.
Tiết diện thanh dẫn đã chọn phải đảm bảo điều kiện
F ≥ a. I
qd
t

40x5 ≥ 6.6,04.

5,0
<=> 200 ≥ 25,6
Vậy thanh dẫn đã chọn thỏa mãn điều kiện ổn định nhiệt
16
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP
Hệ thống nối đất của trạm biến áp có ba chức năng chính:
Nối đất làm việc
Nối đất an toàn
Nối đất chống sét.
Hệ thống nối đất bao gồm các thanh thép góc L×60×60×6 dài
2,5m được nối với nhau bằng các thanh thép tròn φ12, tạo thành mạch vòng
nối đất bao quanh trạm biến áp. Các thanh thép góc được đóng sâu dưới mặt
đất 0,7m, thép dẹt được hàn chặt với các cọc ở độ sâu 0,8m.
Điện trở nối đất yêu cầu của Trạm biến áp là R
ndyc
≤ 4 Ω.
Điện trở suất của đất là 0,4.10
4
Ω/cm
Hệ số hiệu chỉnh theo mùa của điện trở cọc và thanh là
Hệ số mùa an toàn. K
m
= 1,5
Hệ số mùa sét K
m
= 1,3
Mặt bằng, mặt cắt hệ thống nối đất trạm biến áp:
6m
0,7m 0,8m

TBA
1 2 2,5m

a = 5m
1: Cọc
1 2 2: Thanh nối

1/ Điện trở nối đất của thanh nối đất
Điện trở suất lớn nhất ρ = k. ρ =1,5.0,2.10
4
= 0,3.10
4
Ωcm
17
Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
Dự định dùng cọc nối đất bằng thép góc L 63.63.6 có điện trở nối đất tính
theo công thức R
1c
= 0,00298. ρ = 0,298.0,3.10
4
= 8 Ω
ρ
1c
= 0,00298. 0,4.10
4
. 1,5 = 17,34 Ω (là điện trở suất của đất tính theo
mùa an toàn)
Sơ bộ xác định số cọc:
Lấy tròn số cọc là 6,trong đó η
c

= 0,8 , tra bảng. Mạch vòng nối đất sẽ chôn
dưới trạm có chu vi (5+6).2= 22m. Thép dẹt 40.4 chôn ở độ sâu 80cm. Tính
điện trở suất của đất ở độ sâu này phải nhân với hệ số 3. Điện trở của thanh
thép nối :
Tra bảng tìm được η
T
=0,45. Từ đây xác định được điện trở nối đất thực của
thanh nối
Điện trở nối đất cần thiết của toàn bộ n cọc là
Số cọc cần phải đóng là
4,5
4.8,0
34,17
.
1
===
ycc
C
R
R
n
η
Ω=









=








= 4,13
80.4
2200.2
lg.
2200
3.104.4,0.366,0.2
lg
366,0
22
bt
l
l
k
R
T
ρ
Ω== 77,28
45,0
4,13
'

T
R
Ω=
−
=
−
= 6,4
477,28
77,28.4
4'
'4
T
T
C
R
R
R
7,4
6,4.8,0
34,17
.
1
===
CC
C
R
R
n
η
18

Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa
Tóm lại , thiết kế hệ thống nối đất cho trạm như sau: Dùng 6 cọc thép góc
L60.60.6 dài 2,5m chôn thành mạch vòng 22m nối với nhau bằng thanh thép
dẹt 4.40 đặt cách mặt đất 0,8m
Điện trở nối đất thực tế của hệ thống R
đ
< 4 Ω.
Cách nối các thiết bị của trạm biến áp vào hệ thống tiếp địa nh sau: từ hệ
thống tiếp địa làm sẵn 3 đầu nối ( còn gọi là con bài ).
Trung tính 0,4 kV nối với con bài bằng một dây đồng mềm M-95.
Đáy của 3 chống sét nối với nhau và nối với con bài 2 bằng dây
thép φ10
Toàn bộ các phần sắt ở trạm nối với con bài thứ 3 bằng dây thép φ10.
Kết luận:
Hệ thống nối đất tiếp địa đã chọn đạt yêu cầu kỹ thuật.
19