Nghiên cứu thiết kế và lập trình cho hệ đo lường điều khiển áp dụng cho mô hình trạm trung áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Lê Hữu Ý

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH CHO HỆ ĐO LƯỜNG
ĐIỀU KHIỂN ÁP DỤNG CHO MÔ HÌNH TRẠM TRUNG ÁP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. BÙI ĐĂNG THẢNH

Hà Nội – 2016

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trong luận văn là hoàn toàn trung thực. Nội dung luận văn chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Lê Hữu Ý

2

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp
đỡ động viên và chia sẻ của các Thầy Cô giáo, các anh chị em đồng nghiệp và gia đình.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Bùi Đăng Thảnh, người hướng dẫn trực
tiếp tôi thực hiện đề tài này. TS. Bùi Đăng Thảnh đã có những định hướng, chỉ bảo,
hướng dẫn và trao đổi với tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện nghiên cứu này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện
đào tạo Sau đại học, Viện Điện và Bộ môn Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp đã tạo
điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thiện nghiên cứu này.
Tôi xin chân thành cảm ơn khoa Điện – Tự động hóa, trường Cao đẳng Nghề Dầu
khí - Vũng Tàu, các anh em đồng nghiệp, nơi tôi đang công tác; đã giúp đỡ, tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành khóa học, cũng như góp ý, trao đổi về các nội dung
trình bày trong luận văn.
Cuối cùng, xin chúc các Thầy Cô, anh chị em đồng nghiệp sức khỏe và thành công.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Lê Hữu Ý

3


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU........................................................................................................................12
1.

Tính cấp thiết của đề tài....................................................................................12

2.

Mục đích nghiên cứu ........................................................................................13

3.

Đối tượng và phạm vi áp dụng .........................................................................13

4.

Phương pháp và nội dung nghiên cứu ..............................................................14

Chương 1: TỒNG QUAN VỀ TRẠM TRUNG ÁP ......................................................16
1.1.

Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam .........................................................16

1.2.

Tổng quan về trạm biến áp............................................................................17

1.2.1. Chức năng của trạm biến áp ........................................................................17
1.2.2. Phân loại trạm biến áp .................................................................................18
1.3.

Tổng quan về trạm trung áp ..........................................................................19

1.3.1. Chức năng của trạm trung áp.......................................................................19
1.3.2. Nhiệm vụ của trạm trung áp ........................................................................20
1.3.3. Đặc điểm của trạm trung áp.........................................................................20
1.4.

Cấu trúc chung của trạm trung áp .................................................................22

1.5.

Thao tác các thiết bị đóng cắt trong trạm......................................................23

1.5.1.

Máy cắt ...................................................................................................23

1.5.2.

Dao cách ly:............................................................................................27

1.6.

Kết luận chương 1 .........................................................................................29

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TRẠM TRUNG ÁP .........30
2.1.

Các phương pháp đo......................................................................................30

2.1.1.

Đo dòng điện ..........................................................................................30

2.1.2.

Đo điện áp...............................................................................................32

2.1.3.

Đo công suất, năng lượng, hệ số cosφ,…...............................................34

2.2.

Điều khiển và giám sát trạm trung áp ...........................................................35

2.2.1.

Tổng quan về hệ thống SCADA.............................................................35

2.2.2.

Yêu cầu về đo lường và điều khiển trạm trung áp .................................37

4


2.2.3.
2.3.

Đo và điều khiển trạm trung áp bằng hệ thống SCADA........................38

Giải pháp truyền thông..................................................................................42

2.3.1.

Các chuẩn truyền dẫn tín hiệu ................................................................42

2.3.2.

Quy định về các giao thức truyền tin .....................................................45

2.3.3.

Một số công nghệ giám sát điều khiển từ xa..........................................45

2.4.

Kết luận chương 2 .........................................................................................47

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ..............................................................................48
3.1.

Bài toán công nghệ........................................................................................48

3.2.

Yêu cầu về thiết kế hệ điều khiển giám sát...................................................49

3.3.

Thiết kế phần cứng........................................................................................52

3.3.1.

Thiết bị trường........................................................................................52

3.3.2.

Thiết bị điều khiển..................................................................................57

3.3.3.

Thiết bị vận hành trung tâm ...................................................................60

3.3.4.

Sơ đồ kết nối phần cứng hệ thống ..........................................................60

3.4.

Thiết kế phần mềm........................................................................................61

3.4.1.

Lập trình cho bộ điều khiển PLC ...........................................................61

3.4.2.

Lập trình cho máy tính điều khiển giám sát ...........................................63

3.5.

Kết luận chương 3 .........................................................................................66

Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ..............................................................................67
4.1.

Các chức năng của phần mềm SCADA trong mô hình ................................67

4.2.

Phần mềm TIA Portal v13.............................................................................67

4.3.

Lập trình SCADA cho trạm 22kV ................................................................72

4.3.1.

Giao diện màn hình chủ..........................................................................72

4.3.2.

Các giao diện điều khiển, giám sát và cảnh báo.....................................73

4.3.3.

Lưu trữ dữ liệu........................................................................................78

4.4.

Kết luận chương 4 .........................................................................................81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................82
1.

Kết quả và đóng góp của đề tài ........................................................................82

2.

Kiến nghị của tác giả ........................................................................................82

TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................84

5


PHỤ LỤC.......................................................................................................................86
1.

Phụ lục 1: PLC Tags.........................................................................................86

2.

Phụ lục 2: HMI Tags ........................................................................................90

3.

Phụ lục 3: CODE lập trình cho PLC ................................................................96

6


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
TU

Máy biến điện áp

TI

Máy biến dòng điện

HTĐ

Hệ thống điện

RTU

Thiết bị đầu cuối (Remote Terminal Unit)

PLC

Bộ điều khiển khả trình (Programmable Logic Controller)

IED

Thiết bị điện tử thông minh (Intelligent Electronic Device)

HMI

Giao diện người – máy (Human-Machine Interface)

IEC

Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (International Electronic Technical
Commission)

SCADA

Hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển (Supervisory Control
and Data Acquisition)

TBA

Trạm biến áp

MBA

Máy biến áp

DCS

Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed Control System)

DC

Dòng điện một chiều (Direct Current)

AC

Dòng điện xoay chiều (Alternating Current)

AI

Đầu vào tương tự (Analog Input )

DI

Đầu vào kỹ thuật số (Digital Input)

DO

Đầu ra kỹ thuật số (Digital Output)

I/O

Đầu vào/ra (Input/Output)

7


GIS

Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System)

A1

Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Bắc

A2

Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Nam

A3

Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Trung

A0

Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia

PC

Máy tính cá nhân/ để bàn (Personal Computer)

DTE

Thiết bị đầu cuối xử lý số liệu (Data Terminal Equipment)

DCE

Thiết bị đầu cuối truyền (Data Communication Equipment)

8


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3. 1 Bảng tính chọn thiết bị trường.......................................................................52
Bảng 3. 2 Tổng hợp số lượng DI của hệ thống ..............................................................57
Bảng 3. 3 Tổng hợp số lượng DO của hệ thống ............................................................58
Bảng 3. 4 Tổng kết số lượng DI/DO của hệ thống.........................................................58
Bảng 3. 5 Lựa chọn PLC và các Module .......................................................................60

9


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc trạm trung áp ................................................................22
Hình 1.2 Máy cắt khí SF6 trung áp ngoài trời.....................................................26
Hình 1.3 Cấu tạo dao cách ly...............................................................................28
Hình 2. 1 Cấu tạo của máy biến dòng điện..........................................................30
Hình 2. 2 Máy biến dòng điện hạ áp....................................................................32
Hình 2. 3 Máy biến điện áp trung áp ...................................................................32
Hình 2. 4 Cấu tạo máy biến điện áp ....................................................................33
Hình 2. 5 Thiết bị đo đa chức năng......................................................................34
Hình 2. 6 Cấu trúc chung của hệ thống SCADA..................................................36
Hình 2. 7 Sơ đồ kết nối trạm biến áp điều khiển tích hợp ...................................41
Hình 2. 8 Chuẩn RS-232 ......................................................................................43
Hình 2. 9 Chuẩn RR-442......................................................................................44
Hình 2. 10 Chuẩn RS-485 ....................................................................................44
Hình 3. 1 Sơ đồ 1 sợi trạm trung áp 22kV ...........................................................48
Hình 3. 2 Phương thức kết nối truyền thông theo chuẩn Profibus ......................51
Hình 3. 3 Sơ đồ kết nối truyền thông ...................................................................51
Hình 3. 4 Biến dòng trung thế 1 pha....................................................................53
Hình 3. 5 Biến dòng hạ thế 1 pha ........................................................................54
Hình 3. 6 Biến áp đo lường trung thế 1 pha ........................................................55
Hình 3. 7 Đồng hồ đa chức năng MFM383.........................................................56
Hình 3. 8 Sơ đồ kết nối phần cứng của hệ thống .................................................61
Hình 3. 9 Lưu đồ thuật toán lập trình PLC..........................................................62
10


Hình 3. 10 Lưu đồ thuật toán lập trình HMI .......................................................64
Hình 4. 1 Giao diện màn hình First steps của chương trình TIA Portal.............68
Hình 4. 2 Sơ đồ kết nối truyền thông của PLC ....................................................69
Hình 4. 3 Sơ đồ kết nối các Module của PLC......................................................70
Hình 4. 4 Cửa sổ lập trình HMI cho PC Station .................................................71

Hình 4. 5 Giao diện màn hình chủ .......................................................................72
Hình 4. 6 Giao diện điều khiển sơ đồ một sợi......................................................73
Hình 4. 7 Cảnh báo quá tải trong sơ đồ một sợi..................................................74
Hình 4. 8 Lệnh thực hiện thao tác trong sơ đồ một sợi .......................................75
Hình 4. 9 Xác nhận lệnh thao tác trong sơ đồ một sợi ........................................75
Hình 4. 10 Màn hình giám sát máy biến áp.........................................................76
Hình 4. 11 Màn hình giám sát đồ thị tải ..............................................................77
Hình 4. 12 Màn hình ghi lại các cảnh báo ..........................................................78
Hình 4. 13 File lưu trữ các cảnh báo, sự cố ........................................................79
Hình 4. 14 File lưu trữ các thông số vận hành ....................................................80

11


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, nhất là trong các lĩnh vực tự
động hóa. Việc áp dụng khoa học vào đời sống giúp tăng năng suất lao động, giải
phóng con người trong các công việc nặng nhọc.
Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, ngành điện đóng một vai trò hết sức quan
trọng, là đầu tàu thúc đẩy sự phát triển, cũng như đảm bảo an ninh quốc phòng và an
sinh xã hội.
Hàng ngày, sản lượng điện cung cấp ở nước ta không đáp ứng được nhu cầu ngày
càng cao của xã hội. Việc thiếu điện có rất nhiều nguyên nhân, có thể kể đến như giá
nhiên liệu đầu vào, lượng mưa hàng năm,… và phải kể đến một nguyên nhân khác là
hạ tầng kỹ thuật chưa được tốt, gây tổn thất điện năng cũng như công tác vận hành hệ
thống điện thiếu hiệu quả vì chủ yếu do con người thực hiện, mức độ tự động hóa chưa
cao.
Hiện nay, hệ thống điện trên toàn thế giới càng được đầu tư phát triển, áp dụng các
công nghệ tiên tiến về tự động hóa. Toàn bộ các khâu bao gồm phát điện, truyền tải và

phân phối được sử dụng các công nghệ tiên tiến nhất. Các chức năng vận hành hệ
thống điện, đặc biệt là khâu phân phối, tính toán công suất, phát hiện sự cố, cách ly,…
đều được thực hiện tự động bằng các phần mềm.
Ngành điện Việt Nam hiện đang đứng trước thách thức rất lớn trong việc tự động
hóa hệ thống điện, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng.
Do đó, Tập đoàn Điện lực quốc gia Việt Nam – EVN đã có định hướng từng bước
phát triển, sử dụng các công nghệ tiên tiến để hiện đại hóa ngành điện. Cụ thể là khâu
phát điện, truyền tải và phân phối.

12


Vì vậy phạm vi đề tài “Nghiên cứu thiết kế và lập trình cho hệ đo lường điều khiển
áp dụng cho mô hình trạm trung áp” là hết sức cần thiết để góp phần điện đại hóa
ngành điện.
2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu thiết kế và lập trình cho hệ đo lường điều khiển áp dụng cho
mô hình trạm trung áp” được thực hiện theo định hướng phát triển của ngành điện.
Mục tiêu của nghiên cứu bao gồm:
- Kiểm chứng lại mô hình tổng thể được đưa ra. Qua đó thể hiện mô hình chi tiết
hơn về hạ tầng, trang thiết bị tại trạm. Đồng thời đưa ra giải pháp triển khai cho
các trạm trung áp.
- Xây dựng phần mềm SCADA tại các trạm trung áp, từng bước làm chủ công
nghệ trong việc triển khai, nâng cấp, đào tạo chuyển giao công nghệ.
3. Đối tượng và phạm vi áp dụng
Các trạm trung áp bao gồm nhiều cấu phần như hệ thống SCADA, hệ thống đo
đếm, bảo vệ, an ninh, báo cháy, điều hòa,… Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống
đo lường điều khiển, vận hành SCADA và các thành phần phục vụ cho hệ thống đó.
Ngoài ra đề tài sẽ trình bày và mô phỏng phần mềm SCADA cho trạm đã được tác
giả thực hiện, dưới hình thức mô tả chức năng, giao diện người dùng, mà không đi sâu

vào chi tiết các đoạn mã chương trình, xây dựng đối tượng,… Đây cũng là tài liệu tham
khảo cho các đơn vị trong việc định hướng xây dựng, lựa chọn phần mềm SCADA cho
các trạm trung áp.
Đối tượng và phạm vi áp dụng của đề tài là các trạm trung áp, đặc biệt là trạm biến
áp 22kV hiện nay. Với các mô hình, giải pháp đưa ra trong đề tài là các cấu phần cơ
bản nhất, tùy thuộc vào điều kiện thực tế của mỗi đơn vị mà bổ sung hoặc cắt giảm một
số phần nhưng vẫn đảm bảo đáp ứng được việc đo lường điều khiển của hệ thống.
Đối với phần mềm SCADA tại trạm, có thể hiệu chỉnh, thay đổi để áp dụng cho
các trung tâm điều khiển từ xa, hay các cấp điều khiển cao hơn. Đồng thời phần mềm
13


này có thể dùng chung cho ngành điện, phục vụ công tác chuyển giao, đào tạo công
nghệ.

4. Phương pháp và nội dung nghiên cứu
Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô
phỏng trên hệ SCADA của Siemens.
Luận văn bao gồm phần mở đầu, 4 chương và kết luận. Phần mở đầu thể hiện tính
cấp thiết, mục đích nghiên cứu, đối tượng áp dụng và các nội dung trình bày trong đề
tài.
Chương 1 đưa ra cái nhìn tổng quan về trạm trung áp. Cấu trúc chung của trạm và
các thiết bị đóng cắt.
Chương 2 thể hiện các các phương pháp đo và điều khiển trạm trung áp. Các giải
pháp truyền thông. Một số hệ thống giám sát và điều khiển từ xa điển hình.
Chương 3 và chương 4 tập trung thiết kế phần cứng cho hệ thống, lập trình phần
mềm cho bộ điều khiển, phần mềm trên máy tính giám sát thực hiện chức năng giao
tiếp người máy. Thực hiện mô phỏng hệ thống.
Phần kết luận tổng kết lại các kết quả đạt được của đề tài, đồng thời đưa ra các
định hướng phát triển tiếp theo của hệ thống, cũng như định hướng nghiên cứu mới của

đề tài.
Từ những nội dung nghiên cứu trên, kết cấu của luận văn bao gồm:
 Mở đầu
 Chương 1: Tổng quan về trạm trung áp
 Chương 2: Các phương pháp đo và điều khiển trạm trung áp
 Chương 3: Thiết kế hệ thống
 Chương 4: Kết quả mô phỏng
 Kết luận và kiến nghị

14


15


Chương 1: TỒNG QUAN VỀ TRẠM TRUNG ÁP
1.1.

Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam
Hiện nay toàn bộ hệ thống điện Việt Nam được quản lý và điều hành bởi Tập đoàn

Điện lực Việt Nam – Electric of Viet Nam – EVN.
Trong mô hình hệ thống điện của Việt Nam hiện nay, có thể chia thành ba khâu
chính gồm: Phát điện, truyền tải và phân phối.
Khâu phát điện: Bao gồm các nhà máy điện như thủy điện, nhiệt điện, phong điện,
thực hiện biến đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng. Các nhà máy điện thuộc
quyền quản lý của Tổng công ty phát điện 1, 2, 3, một số thuộc EVN, một số khác
thuộc các đơn vị ngoài ngành điện như Tập đoàn dầu khí Việt Nam, Tập đoàn than
khoáng sản Việt Nam.
Khâu truyền tải: Bao gồm các hệ thống trạm biến áp 500 kV, 220 kV và hệ thống

lưới điện truyền tải, có chức năng truyền tải điện năng tới các vùng miền khác nhau.
Khâu phân phối: Bao gồm các hệ thống điện các trạm 110 kV, 35 kV, 22 kV, các
trạm trung gian, khách hàng và hệ thống lưới phân phối. Khâu phân phối là khâu cuối
cùng được thực hiện việc cung cấp điện cho người tiêu dùng. Các trạm phân phối thuộc
quyền quản lý của các Tổng Công ty Điện lực miền Bắc, Trung, Nam…
Căn cứ vào hệ thống SCADA được sử dụng trong trạm biến áp, có thể chia các
trạm biến áp thành 2 loại đó là: Các trạm biến áp điều khiển tích hợp và các trạm biến
áp được điều khiển truyền thống.
Do vậy tùy theo chủng loại, thiết bị, thời gian xây dựng,… mà các trạm biến áp
trung áp có thể được trang bị hoặc không trang bị các hệ thống điều khiển tích hợp tại
các trạm.

16


1.2.

Tổng quan về trạm biến áp

1.2.1. Chức năng của trạm biến áp
Trạm biến áp dùng để biến đổi điện áp từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác.
Công suất của máy biến áp, vị trí, số lượng và phương thức vận hành của trạm biến áp
có ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của hệ thống cung cấp điện. Vì
vậy việc chọn các trạm biến áp bao giờ cũng phải gắn liền với việc lựa chọn phương án
cung cấp điện.
Dung lượng và các tham số khác của máy biến áp phụ thuộc vào phụ tải của nó,
vào cấp điện áp của mạng, vào phương thức vận hành của trạm biến áp vv …Vì thế để
lựa chọn được trạm biến áp tốt nhất, chúng ta phải xét đến nhiều mặt và phải tiến hành
tính toán so sánh kinh tế kỹ thuật các phương án đề ra, [Vận hành hệ thống điện – Trần
Quang Khánh].

Hiện nay nước ta đang sử dụng các cấp điện áp sau đây:
 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:
- 35kV, 22 kV trung tính trực tiếp nối đất, 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 trực tiếp nối đất.

17


1.2.2. Phân loại trạm biến áp
Phân loại trạm biến áp phụ thuộc vào mục đích có thể phân loại theo các cách sau:
Theo chức năng của trạm biến áp ta có thể chia thành trạm biến áp tăng áp và trạm
biến áp giảm áp:
- Trạm biến áp tăng áp là trạm biến áp có điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp.
Đây thường là trạm biến áp của các nhà máy điện, các trạm biến áp này tập trung
điện năng của các máy phát điện để cung cấp năng lượng cho hệ thống điện và phụ
tải ở xa.
- Trạm biến áp hạ áp là trạm biến áp có điện áp thứ cấp thấp hơn điện áp sơ cấp.
Đây thường là trạm biến áp có nhiệm vụ nhận điện năng từ hệ thống điện để phân
phối cho phụ tải.
Theo chức năng có thể chia thành trạm biến áp trung gian và trạm biến áp phân
phối:
- Trạm biến áp có công suất lớn làm nhiệm vụ biến đổi cho một hoặc nhiều trạm
biến áp cấp điện hoặc phân phối lên lưới quốc gia hoặc ngược lại từ lưới quốc gia
xuống.

- Trạm biến áp phân phối hay còn gọi là trạm biến áp địa phương có nhiệm vụ
phân phối trực tiếp cho các hộ sử dụng điện của xí nghiệp, khu dân cư trường học …
thường có cấp điện áp nhỏ (10, 6, 0.4 kV).
Theo hình thức và cấu trúc của trạm người ta chia thành trạm ngoài trời và trạm
trong nhà:
- Trạm biến áp ngoài trời: ở đây các thiết bị như dao cách ly, máy cắt, máy biến
áp, thanh góp … đều đặt ngoài trời. Riêng phần phân phối điện áp thấp thì đặt trong
nhà, hoặc đặt trong các tủ sắt chế tạo sẵn chuyên dùng để phân phối phần hạ thế.
Loại này thích hợp cho các trạm trung gian công suất lớn, có đủ đất đai cần thiết để
18


đặt các thiết bị ngoài trời. Sử dụng loại trạm đặt ngoài trời sẽ tiết kiệm được khá lớn
về kinh phí xây dựng hơn trạm đặt trong nhà.
- Trạm biến áp trong nhà: ở đây các thiết bị đều được đặt trong nhà. Loại trạm
này hay thường gặp ở các trạm phân xưởng hoặc các trạm biến áp của các khu vực
trong thành phố.
Ngoài ra vì điều kiện chiến tranh, người ta còn xây dựng những trạm biến áp ngầm,
loại này kinh phí xây dựng khá tốn kém.
1.3.

Tổng quan về trạm trung áp
Trạm 35 kV, 22 kV được dùng để cung cấp điện áp cho các nhà máy, mà ở đó

người ta có thể cho xuống 6.3 kV hoặc 0.4 kV để cung cấp cho các thiết bị điện.
1.3.1. Chức năng của trạm trung áp
Trạm biến áp trung áp được sử dụng nhiều trong các khu dân cư, chung cư và tái
định cư, các trạm cấp nguồn cho các doanh nghiệp và xưởng sản xuất nhỏ và còn là các
trạm cấp nguồn thi công lưu động rất hiệu quả và thuận lợi.
Đảm bảo vận hành liên tục và an toàn cung cấp điện. Muốn thỏa mãn được yêu cầu

này, trong trường hợp xí nghiệp có hai trạm biến áp trở lên ta có thể sử dụng cầu dao
liên lạc giữa hai thanh cái thứ cấp của các trạm đó với nhau. Trường hợp chỉ có một
trạm thì người ta thường bố trí thêm một máy biến áp dự trữ để thay thế máy biến áp
chính khi cần thiết.
Qua các trạm trung áp điện năng được truyền đến các hộ tiêu thụ điện. Độ tin cậy
cung cấp điện của hộ tiêu thụ được đảm bảo bằng lưới điện thích hợp, có đường dây dự
trữ. Nguồn cung cấp nối từ các phân đoạn khác nhau của trạm biến áp hoặc từ hai
nguồn điện độc lập như trạm biến áp hoặc nhà máy điện.
Về phương diện công suất, trạm biến áp cung cấp điện cho phụ tải loại 1 nên dùng
hai máy biến áp.Ví dụ khi trạm biến áp cung cấp điện cho một phân xưởng thì khi phụ
19


tải loại 1 bé hơn 50% tổng công suất của phân xưởng đó thì ít nhất một máy phải có
dung lượng bằng 50% công suất của phân xưởng đó. Khi phụ tải loại 1 lớn hơn 50%
tổng công suất của phân xưởng đó thì ít nhất một máy phải có dung lượng bằng 100%
công suất của phân xưởng đó. Ở chế độ bình thường cả 2 máy biến áp làm việc, còn
trong trường hợp sự cố một máy thì ta sẽ chuyển toàn bộ phụ tải về máy không sự cố;
khi đó ta phải sử dụng khả năng quá tải của máy biến áp hoặc ta sẽ phải ngắt các hộ
tiêu thụ không quan trọng. Nếu chỉ có hộ tiêu thụ loại 3 hoặc loại 2 thì ta có thể trang
bị chỉ một máy biến áp cho trạm và sử dụng đường dây phụ nối hạ áp lấy từ một trạm
điện khác của xí nghiệp nếu thấy cần thiết.
1.3.2. Nhiệm vụ của trạm trung áp
Trạm biến áp trung áp làm nhiệm vụ liên lạc giữa hai lưới điện có cấp điện áp khác
nhau.
Trạm biến áp trung áp thường là trạm hạ áp.
Trạm tăng áp thường được đặt ở các nhà máy điện, làm nhiệm vụ tăng điện áp từ
điện áp máy phát lên điện áp cao hơn để tải điện năng đi xa.
Trạm hạ áp thường đặt ở các hộ tiêu thụ điện, để biến đổi điện áp cao thành điện áp
thấp hơn thích hợp với các hộ tiêu thụ điện. Ở các phía cao và hạ áp của trạm biên áp

thường có các thiết bị phân phối tương ứng thiết bị phân phối cao áp và hạ áp. Thiết bị
phân phối có nhiệm vụ nhận điện năng từ một số nguồn cung cấp và phân phối đi các
nơi khác qua các đường dây tải điện. Trong thiết bị phân phối có các khí cụ điện đóng
cắt, điều khiển bảo vệ và đo lường.
1.3.3. Đặc điểm của trạm trung áp
Trạm gồm có một hay một số máy biến áp, thiết bị phân phối cao và hạ áp (trung
và hạ áp), và các thiết bị phụ. Trong một số trạm còn đặt thêm các máy bù đồng bộ, tụ
tĩnh điện hay kháng điện.

20


Điện năng từ máy phát đến nơi tiêu thụ thường phải biến đổi thành nhiều cấp, vì
thế tổng công suất các máy biến áp thường gấp 4 đến 5 lần tổng công suất đặt của các
máy phát điện.
Số lượng và công suất máy biến áp trong một trạm chúng ta cần chú ý đến mức độ
tập trung hay phân tán của phụ tải và tính chất quan trọng của phụ tải về phương diện
cung cấp điện.
Kết cấu khung hoặc vỏ trạm phải được xây dựng vững chắc về cơ học. Nếu được
lắp ghép bằng các tấm panel thì yêu cầu độ khít phải cao độ bền vững phải tốt đảm bảo
an toàn cho máy biến áp cũng như cho người vận hành. Vỏ của các máy biến áp đặt
trong trạm cũng phải có cường độ cơ học cao vừa cách li về điện vừa có khả năng bảo
vệ cho máy biến áp.
Trạm được thiết kế theo điều kiện khí hậu và phụ tải của Việt Nam, làm việc ở chế
độ liên tục, cho phép quá tải theo quy trình.Thiết bị phân phối của trạm trung gian cần
đảm bảo làm việc tin cậy liên hệ với các đường dây,cắt đường dây có chọn lọc và độ
tin cậy cung cấp điện.
Máy biến áp trong trạm có thể nối vào đường dây qua dao cách ly hoặc qua máy
cắt phụ tải và bảo vệ cùng với đường dây.
Vận hành trạm không cho phép tác động sai lầm vì như vậy sẽ dẫn đến hậu quả

nghiêm trọng.
Trạm được đặt ở độ cao <1000m so với mặt nước biển, nhiệt độ môi trường không
lớn hơn 40oC, độ ẩm 100% và trong môi trường không cháy nổ, không chứa bụi dẫn
điện và hóa chất đặc biệt.
Trạm có máy biến áp công suất từ 1600kVA có trang bị rơ le hơi và đồng hồ chỉ
thị nhiệt độ dầu để bảo vệ máy. Trạm phải có đủ các thiết bị chống sét, thiết bị bảo vệ

21


và đo lường tất cả các thiết bị này phải được kiểm định đạt tiêu chuẩn, kĩ thuật, chất
lượng.
Máy biến áp trong trạm có độ tăng nhiệt độ dầu lớn nhất (t0max) so với nhiệt độ môi
trường tối đa là 55oC.
Máy biến áp trong trạm có tính năng gọn nhẹ cấu hình đơn giản, dễ lắp đặt và vận
chuyển.
1.4.

Cấu trúc chung của trạm trung áp

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc trạm trung áp
Sơ đồ của trạm biến áp trung áp trên trong đó bao gồm:
- Hai máy biến áp có sơ cấp cùng lấy nguồn từ lưới qua máy cắt tổng
- Có hai cấp điện áp: 4160V và 480V. Phía hạ áp có hai thanh cái, mỗi một thanh
cái có 5 xuất tuyến. Mỗi xuất tuyến có 1 máy cắt
- Hệ thống thanh cái trung áp
22


- Dao cách ly, trước đó có máy cắt và các thiết bị đo;

- Phía thứ cấp của máy biến áp cũng có máy cắt và các hệ thống thanh cái. Ngoài
ra trên tủ hợp bộ có thể có các thiết bị đo lường, chỉ báo hiển thị và các thiết bị để
con người giao diện với hệ thống.


Nguyên lý hoạt động:
Hệ thống với tủ hợp bộ được thiết kế rất an toàn cho người vận hành khai thác và

sửa chữa. Trong đó có những tuần tự về thao tác mà con người bắt buộc phải tuân thủ.
Ví dụ cầu dao và máy cắt chỉ được đóng khi cánh tủ đã được đóng an toàn hoặc giữa
máy cắt và dao cách ly bao giờ dao cách ly cũng được đóng không tải tức là người ta
chỉ thực hiện đóng được máy cắt khi các dao cách ly đã được đóng và chỉ mở được
máy cắt khi dao cách ly vẫn còn đóng.
Tủ hợp bộ được thiết kế complet cho nên trong các yêu cầu về lắp ráp, sửa chữa thì
người thợ cũng phải tuân thủ theo đúng thiết kế không cho phép làm tắt hoặc bỏ qua
các thao tác trung gian.
Các công tắc chuyển mạch trực tiếp cũng đều thực hiện ở phía thấp áp.
Thiết bị đo đếm cũng được thiết kế hết sức an toàn thông qua các biến áp đo lường
và các biến dòng đo lường.
Thứ cấp của các máy biến dòng và biến áp đo lường đều được nối đất theo đúng
quy phạm.
Việt Nam là nước có nhiều mưa bão vào mùa hè nên khi thiết kế các trạm biến áp
trung gian bao giờ cũng phải có thiết bị chống sét.
1.5.

Thao tác các thiết bị đóng cắt trong trạm

1.5.1. Máy cắt
a. Chức năng:
23

Máy cắt là thiết bị đóng ngắt cơ khí, có khả năng đóng dẫn liên tục và ngắt dòng
điện trong điều kiện vận hành bình thường và cả trong thời gian giới hạn khi xảy ra
điều kiện bất thường trong mạch (ví dụ ngắn mạch).
Máy cắt điện cao áp là thiết bị dùng để đóng cắt mạch điện có điện áp từ 1000V trở
lên ở mọi chế độ vận hành: chế độ không tải, chế độ tải định mức, chế độ sự cố. Trong
đó chế độ đóng cắt dòng điện ngắn mạch là chế độ làm việc nặng nề nhất.
b. Các yêu cầu đối với máy cắt:
- Độ tin cậy cao cho mọi chế độ làm việc
- Thời gian khi đóng và cắt nhanh
- Khi đóng cắt không gây nổ hoặc cháy
- Dễ bảo dưỡng kiểm tra và thay thế.
- Kích thước nhỏ gọn, tuổi thọ cao, có thể dùng cho chế độ đóng cắt lặp lại theo
chu trình.
c. Các thông số chính:
Điện áp định mức Uđm: là điện áp dây hiệu dụng lớn nhất mà máy cắt có thể làm
việc bình thường và tin cậy trong thời gian dài.
Dòng điện định mức Iđm: là trị số hiệu dụng của dòng điện chạy qua máy cắt
trong thời gian dài mà máy cắt không bị hỏng hóc.
Dòng xung kích Ixk: là dòng ổn định điện động, là trị số lớn nhất của dòng điện
mà lực điện động do nó sinh ra không làm hỏng hóc thiết bị .
Dòng ổn định nhiệt tương ứng với thời gian ổn định định mức Inhđm: là trị số
hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch chạy qua máy cắt trong khoảng thời gian ngắn
mạch chịu được mà nhiệt độ của mạch vòng dẫn điện không vượt quá nhiệt độ cho
phép ở chế độ làm việc ngắn hạn.
24


Dòng điện cắt định mức Icđm: là dòng ngắn mạch ba pha hiệu dụng toàn phần

lớn nhất máy cắt có thể cắt được mà không bị hư hỏng. Icdm được xác định từ thực
nghiệm .
Điện áp chịu xung sét định mức: là giá trị đỉnh của điện áp xung sét tiêu chuẩn
1,2/50µs mà cách điện của thiết bị phải chịu đựng .
Điện áp nội bộ 1 phút: điện áp chịu tần số nguồn định mức, là trị số hiệu dụng
điện áp xoay chiều hình sin ở tần số hệ thống mà cách điện của thiết bị phải chịu đựng
trong thời gian 1 phút ở các điều kiện thử nghiệm quy định .
Chu kỳ hoạt động đóng cắt.
d. Phân loại:
Máy cắt gồm có 2 phần: cơ cấu truyền động và buồng dập hồ quang.
Dựa vào môi trường dập hồ quang người ta phân lọai máy cắt như sau:
- Máy cắt nhiều dầu: dầu vừa là chất cách điện đồng thời sinh khí để dập hồ
quang.
- Máy cắt ít dầu: lượng dầu ít chỉ đủ sinh khí dập tắt hồ quang, còn cách điện là
chất rắn.
- Máy cắt không khí: dùng khí nén để dập tắt hồ quang .
- Máy cắt tự sinh khí: dùng vật liệu cách điện có khả năng tự sinh khí dưới tác
dụng nhiệt độ cao của hồ quang, khí tự sinh ra có áp suất cao dập tắt hồ quang.
- Máy cắt điện từ: hồ quang được dập trong khe hẹp bằng vật liệu rắn chịu được
hồ quang, lực điện từ đẩy hồ quang vào khe hẹp.
- Máy cắt chân không: hồ quang được dập trong môi trường chân không .
- Máy cắt SF6: dùng khí SF6 để dập hồ quang.

25