Giáo trình Hệ thống cung cấp điện (Tập 1): Phần 2

Chương 5

TR0M BIỂN àP

5.1. ĐẠI CƯƠNG
1. Khái niệm chung
Trạm biến áp là một phần tử rất quan trọng của hệ thống điện, nó có nhiệm vụ
tiếp nhận điện năng từ hệ thống, biến đổi từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác và
phân phối cho các mạng điện tương úng. Trong mỗi trạm biến áp ngoài máy biến áp còn
có rất nhiều thiết bị hợp thành hệ thống tiếp nhận và phân phối điện năng. Các thiết bị
phía cao áp gọi là thiết bị phân phối cao áp (máy cắt, dao cách ly, thanh cái w.) và các
thiết bị phía hạ áp gọi là thiết bị phân phối hạ áp (thanh cái hạ áp, aptômat, cầu dao, cầu
chảy w.).
Trạm tăng áp thường đặt tại các nhà máy điện để tăng điện áp từ 0,4 -r 6,3 kv lên
các cấp cao hơn với mục đích truyền tải điện năng đi xa; Trạm biến áp trung gian là trạm
giẳm áp, tiếp nhận điện năng từ lưới 35 -ỉ-220 kv để cung cấp cho các lưới phân phối 6 -H
22 kV; Trạm biến áp tiêu thụ, hay trạm biến áp phân xưởng có nhiệm vụ tiếp nhận điện
năng từ mạng phân phối 6 -f 22 kv (đôi khi cả mạng 35 và 110 kV) và cung cấp cho lưới
điện hạ áp. Đối với các nhà máy, xí nghiệp lớn, ngoài trạm biến áp trung gian và trạm tiêu
thụ, còn có thể có trạm phân phối, nơi không có các máy biến áp mà chỉ có các thiết bị
phân phối làm nhiệm vụ tiếp nhận điện năng từ lưới 6 -r 22 kv và phân phối cho các trạm
tiêu thụ trong xí nghiệp.
Kết cấu của trạm biến áp phụ thuộc vào loại trạm, vị trí, công dụng w . của chúng:
Các trạm biến áp trung gian thường được xây dựng với hai dạng chính:
- Trạm biến áp ngoài trời có các thiết bị phân phối phía cao áp được đặt ở ngoài
trời còn các thiết bị phân phối phía thứ cấp được đặt trong các tủ điện hoặc đặt trong nhà.
- Trạm biến áp trong nhà: toàn bộ thiết bị của trạm từ phía sơ cấp đến phía thứ
cấp được đặt trong nhà với các tủ phân phối tương ứng.
Các trạm biến áp tiêu thụ đa dạng hơn nhiều so với các trạm biến áp trung gian.
Một số dạng trạm tiêu thụ thường được áp dụng là: trạm treo, trạm bệt, trạm trong nhà,
trạm hợp bộ w .

165



2. Y êu cầu
Tất cả các trạm biến áp cần phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau:
- Sơ đồ và kết cấu phải đơn giản đến mức có thể;
- Dễ thao tác và vận hành;
- Đảm bảo cung cấp điện liên tục và tin cậy với chất lượng cao;
- Có khả năng mở rộng và phát triển;
- Có các thiết bị hiện đại để có thể áp dụng các công nghệ tiên tiến trong vận hành
và điều khiển mạng điện.
- Giá thành hợp lý và có hiệu quả kinh tế cao .
Các yêu cầu trên có thể mâu thuẫn với nhau, vì vậy trong tính toán thiết kế cần phải
tìm lời giải tối ưu bằng cách giải các bài toán kinh tế - kỹ thuật.
5.2. PHÂN LOẠI TRẠM BIỂN ÁP

1. Trạm treo
ở trạm biến áp treo tất cả các thiết bị phân phối và máy biến áp được treo trên
cột. Có thể là cột đơn hoặc cột kép, thường cột kép được dựpg theo hình chữ A hoặc chữ

Hình 5.2.1. Sơ đổ trạm biến áp dạng treo.

166



n. trên hình 5.2.1 biểu thị sơ đồ bao quát của trạm biến áp treo. Đôi khi máy biến áp
cũng có thể được treo trên tường phía trong hoặc phía ngoài nhà xưởng. Loại trạm biến áp

này có ưu điểm là tiết kiệm được diện tích đất, đảm bảo an toàn trong vận hành.
2. Tram b ệt
ơ trạm biến áp bệt (hình 5.2.2), máy biến áp được đạt trên bệ, các thiết bị phân
phối sơ cấp được đạt trên cột vào trạm, còn các thiết bị phàn phối phía thứ cấp được đặt
trong các tủ phân phối. Toàn bộ chu vi trạm biến áp có rào vây quanh. Vị trí đặt trạm có
thể là trên mặt đất hoặc trên tầng thượng của các toà nhà.

7000

Hình 5.2.2. Sơ đổ tram biến áp dang bệt.

3 . Trạm b iến áp trong nhà
Trạm biến áp trong nhà (hình 5.2.3) là kiểu trạm kín, toàn bộ các thiết bị phân
phối phía sơ cấp và thứ cấp, kể cả máy biến áp được đặt trong một nhà kín, được xây theo
kiểu mái bằng, có bố trí các phòng riêng cho thiết bị phía sơ cấp, phòng máy biến áp và
phòng cho thiết bị phân phối phía thứ cấp. Cũng có khi nhà trạm chỉ gồm hai phòng,
thậm chí chỉ một phòng: các thiết bị cao áp được đặt trên tường gần trần nhà, máy biến áp
được đặt trên bệ, còn thiết bị phân phối phía thứ cấp thì được đặt trong các tủ phân phối.
Nhà trạm phải được tính toán chế độ thông thoáng gồm các cỉfâ sổ phía trên và phía dưới.
Các củà sổ được che chắn bằng lưới sắt để chống sự thâm nhập của các loài động vật.
Trạm biến áp trong nhà có ưu điểm là đảm bảo cho các thiết bị khỏi sự ô nhiễm
của môi trường, đặc biệt là những khu công nghiệp, nơi có nhiều bụi bẩn hoá chất, tuy

167



nhiên giá thành của tram đắt hơn so với các loại trạm biến áp treo, sự thông thoáng bị hạn
chế nên đôi khi dẫn đến sự quá nhiệt của máy biến áp. Trong trường hợp có hai máy biến
áp thì nên bố trí mỗi máy ở riêng một phòng để đề phòng sự cháy nổ và tăng độ tản nhiệt

của trạm.

Hỉnh 5.2.3. Sơ đổ trạm biến áp trong nhà.
4 . Tram hợp bộ
Là loại trạm biến áp k io sk (hình 5.2.4): tất cả các thiết bị kể cả máy biến áp được
đặt trong tủ kiểu côngtơnơ, có thể di động dễ dàng. Trong côngtơnơ có chia thành từng
ngăn riêng cho các thiết bị phân phối cao áp, khoang máy biến áp và khoang thiết bị phân
phối hạ áp. Các côngtơnơ được thiết kế thông thoáng đảm bảo cho sự trao đổi nhiệt dễ
dàng. Ưu điểm của loại trạm biến áp này là rất gọn nhẹ, vị trí linh hoạt có thể di chuyển dễ
dàng.
5. Trạm biến áp ngầm
Là kiểu trạm kín được đặt ngầm trong lòng đất. Loại trạm này cho phép tiết kiềm
được mặt bằng và tạo mỹ quan cho khu vực cấp điện. Với công nghệ sử dụng khí cách điện
SF6 trong các thiết bị điện người ta có thể giảm đến mức tối thiểu kích thước của các trạm
biến áp. (SF6 tên hoá học là lull huỳnh hexaflorua là một loại khí không màu không rnùi
vị, có khối lượng phân tử Mg = 146, có cấu trúc phân tử đối xứng, gồm một nguyên tử lưu
huỳnh và sáu nguyên tử fio, có tính cách điện và cách nhiệt cực cao). Điều đó có ý nglhĩa
rất iớn vể kinh tế, kỹ thuật và cảnh quan môi trường w.

168



Iỉỉnh 5.2.4. Trạm biến
áp hợp bộ:
1. khung trạm biến áp;
2. máy biến áp;
3. cầu chảy;
4. chống sét van;
5. dao cách ly;

6. sứ xuyên nrờng;
7. báng diện hạ áp;
8. xuất tuyến hạ áp;
9- bộ chi mức dầu
10. rào chắn.

5.3. VỊ TRÍ ĐẶT CỦA TRẠM BIỂN ÁP
Vị trí đặt của trạm biến áp có ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật
của mạng điện. Nếu vị trí của trạm biến áp đặt ở quá xa phụ tải thì có thể dẫn đến chất
lượng điện bị giảm, làm tăng tổn thất. Nếu phụ tải phân tán, thì việc đặt các trạm biến áp
gần chúng sẽ có thể dẫn đến số lượng trạm biến áp tăng, chí phí cho đường dây cung
cấp lớn và như vậy hiệu qua kinh tế của mạng điện sẽ giảm.
1. B iêu đ ồ p h u tả i (load cartogram)
Để xác định vị trí của trạm biến áp trước hết cần thiết lập sơ đồ mặt bằng bố trí các
điếm tải và biểu đồ phụ tải trên đó. Biểu đồ phụ tải có thế được xây dựng nhiều cách khác
nhau, nhuríg thông dụng nhất là biểu thị phụ tải của các điểm dưới dạng hình tròn bán
kính r.
r, =

rS,
nm

(5.3.1)

trong đó: Sj - công suất tính toán của phân xưởng thứ i;
m - tỷ lệ xích, tuỹ chọn.
Biểu đồ phụ tải không chỉ cho ta thấy rõ toàn cành bố trí thiết bị mà còn biết được
cường độ tiêu thụ điện của tùng điểm tải và mật độ phân bố phụ tải trên sơ đồ tổng thể, để
từ đó dễ dàng lựa chọn điểm đặt hợp lý của trạm biến áp.
169

2 . Phương pháp xác đinh vi trí tối ưu của tram biến áp
- T ru n g t ă m tải
Toạ độ của trong tâm phụ tải được coi là vị trí của trạm biến áp và được xác định
theo biểu thức :

X =Ỉ S ^ L .
s,

y=

(5.3.2)
s,

trong đó:
X, Y - toạ độ của tâm tải;
X ị , y¡

- toạ độ của điểm tải thứ i ;

Sị - công suất của điểm tải thứ i.
- Tối ưu v ề tru yề n tải đ iên n ă n g
Phương pháp xác định vị trí trạm biến áp theo trung tâm phụ tải tuy đơn giản
nhưng thường có độ chính xác không cao. Thực chất trung tâm tải mới chỉ cho biết vị tn'
của trạm biến áp tối ưu trên phương diện hỉnh học, để có thể xác định vị trí tối ưu dưới góc
độ truyền tải điện năng ta cần xét hàm mục tiêu dạng:
ụ/ = ỵ s ị y[(xị - X ) 1 + ( v , - Y)2 -> min

(5.3.3)

Toạ độ của trạm biến áp là các nghiệm của hệ phương trinh
ỔT = 0 và Ẽ^L = 0;

ỔX

ỠY

- Tối ưu t h e o chi p h í tru yền tải và p h â n p h ô i đ iệ n năng:
ơ

các phương pháp xác định vị trí của trạm biến áp trên chúng ta đã không xét

đến vị trí của các nguồn cung cấp, mà thường đóng vai trò rất quan trọng trong bài toán
xác định vị trí tối ưu của trạm, bởi vậy có có lời giải chính xác ta cần thiết lập hàm mục tiêu
có dạng:
M
-------------------------- M
_____________________
Z = ỵ Z cJ ( x i - X ) 2 + (yì - Y ) 2 + ỵ Z ppi^ - X ) 2 + (ụ j - Y ) 2
1=1
i=l

(5.3.4)

zcci - chi phí quy đổi của mạng cung cấp từ nguồn thứ i đến trạm biến áp
Zppj

- chi phí của mạng phân phối từ trạm biến áp đến điểm tải thứ j

M, N - số nguồn cung cấp và số lượng điểm tải.
Các giá trị X và Y của tọa độ trạm biến áp cũng được xác định tương tự như trên.

170



5.4. CHỌN CỒNG SUẤT VÀ s ố LƯỢNG MÁY BIỂN ÁP
Công suất của máy biến áp và số lượng chúng trong mỗi trạm là các tham số quan
trcng quyết định chỗ' độ làm việc của mạng điện. Công suất của máy biến áp trong điều
kiện làm việc bình thường phảo đảm bảo cung cấp điện cho toàn bộ nhu cầu phụ tải. Để
thuận tiện cho việc vận hành trạm biến áp, không nên chọn nhiều loại máy biến áp trong
một trạm. Tốt nhất là chỉ nên chọn một gam cỏng suất máy biến áp, tuy nhiên trong thực
tế đôi khi khó có thể đáp ứng được yêu cầu trên, lúc đó buộc phẳi chọn các máy khác
nhau, nhưng nếu như vậy thì cũng chỉ nên chọn tối đa hai loại mà thôi. Việc chọn số lượng
máy biến áp có liên quan đến chế độ làm việc của trạm. Hai nhân tố có ảnh hưởng quyết
định đến bài toán chọn máy biến áp là nhiệt độ môi trường xunq quanh và đồ thị phụ tải.
Thông thường loại máy biến áp hai cuộn dây được sử dụng rộng rãi trong các xí nghiệp,
nhà máy và các trạm biến áp trung gian. Máy biến áp ba cuộn dây chí sử dụng ở các trạm
trung gian chính có công suất lớn.
1. Chọn cô n g suât m áy biến áp
Việc lựa chọn công suất và số máy biến áp là bài toán tưởng như rất đơn giẳn, tuy
nhiên lại không phẳi hoàn toàn như vậy. Trong thực tế người ta thường chọn cồng suất
của máy biến áp lớn hơn hoặc bằng công suất tính toán và tướng đó là lời giải tốt. Thực ra,
nếu làm như vậy thi hầu như suốt thời gian hoạt động, máy biến áp luôn luôn ở trạng thái
non tải vi: thứ nhất do phụ tải cực đại chí xuất hiện trong thời gian rất ít (chí vài giờ mỗi
ngày); thứ hai phụ tẳi tính toán là giá trị dự báo nên ở những năm đầu giá trị phụ tải thực
tế thấp hơn nhiều so với giá trị tính toán. Điều đó không rìhữpg gây lãng phí vốn đầu tư
mà còn làm tăng thêm tốn thất do mạng điện tiêu thụ quá nhiều công suất phẳn kháng.

Khi giải các bài toán trên những người "non gan" thường klìỏng tính đến một đặc điểm
tuyệt vời của máy biến áp là khả năng làm việc quá tải trong các điều kiện xác định. Việc
tận dựng khả năng quá tải của máy biến áp cho phép cải thiện chế độ làm việc kinh tế của
trạm biến áp nói riêng và cả hệ thống điện nói chung. Thế nào là khả năng quá tải của
máy biến áp? Phương pháp xác đình nó ra sao?
K h ả n ă n g q u á tả i củ a m á y biên áp: Quá tải của máy biến áp là lượng phụ
tải qua máy m à làm cho hao mòn cách điện của các cuộn dây vượt quá giá trị so với chế
độ làm việc bình thường. Các máy biến áp được tính toán để có thể làm việc với phụ tẳi
bằng công suất đinh mức thỉ tuổi thọ sẽ đạt giá trị định mức (khoảng 25^30 năm). Tuy
nhiên các máy biến áp có thể làm việc ngắn hạn với phụ tải lớn hơn công suất đình mức
m à không làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của máy, đó là khả năng quá tải của chúng, s ở dĩ
máy biến áp có khẳ năng làm việc quá tải là vi ở chế độ làm việc bình thường hệ số mang
tải nhỏ hơn 1. Phân biệt hai dạng quá tải là quá tải sau sự cố và quá tải theo chu kỳ:

171



- Q u á tả i sa u sư cố: Theo quy trình quy phạm về vận hành trạm biến áp. cho
phép trong thời gian sự cố một trong các máy biến áp làm việc song song, máy biến áp
còn lại có thế làm việc quá tải 40% liên tục không quá sáu giờ trong thời gian không quá
năm ngày, nếu hệ số điền kín đồ thị phụ tải không lớn hơn 0,75 (/ctỉk< 0,75). Tức là điều
kiện làm việc quá tải của máy biến áp được xác định theo biểu thức:
< 1,4

kqt =
SnBA

Ssc - công suất tính toán ở chế độ sau khi một máy biến áp bị sự cố;
SnBA - công suất định mức của máy biến áp còn lại.

- Q u á tả i chu kỷ của máy biến áp ở giờ cao điểm được xác định do máy làm việc
non tải ở các thời điểm khác trong ngày. Quá tải chu kỹ và thời gian quá tải cho phép của
máy biến áp phụ thuộc vào hệ số điền kín đồ thị phụ tải, hệ số mang tải trước đó, nhiệt độ
của môi trường xung quanh, hằng số thời gian đốt nóng w . Hệ số quá tải chu kỳ phụ
thuộc vào hệ số điền kín đồ thị và thời gian làm việc quá tải của máy biến áp dầu biếu thị
trên hinh 5.4.1.
Sự quá tải theo chu kỳ còn phụ thuộc vào hệ số mang tải trước đó (kỹ hiệu là /cị),
nhiệt độ môi trường xung quanh và hằng số thời gian đốt nóng. Trên hỉnh 5.4.2. biểu thị
quan hệ phụ thuộc của hệ số quá tải (kỹ hiệu là k2 = /cqt) với thời gian quá tải cho phép và
hệ số mang tải trước đó đối với một số loại máy biến áp ở các điểu kiện nhiệt độ môi
trường khác nhau. Nhiệt độ tương đương của môi trường trong cả năm được xác định theo
biểu thức:
7 2°"”
Go = 2 0 . 1 g % V

(5.4.1)

0tbi - nhiệt độ trung bình tháng thứ i trong năm.
Hằng số thời gian đốt nóng của máy biến áp được xác định theo biểu thức:
Tba =

^ba

®M

(5.4.2)

APk + APq

Cha - ty nhiệt (nhiệt dung) của máy biến áp,

w.h/ °c

0M- độ chênh lệch nhiệt độ của lớp dầu trên cùng so với nhiệt độ của môi trường,
°C;
APk, AP0 - hao tổn công suất ngắn mạch và không tải của biến áp,

w.

Tỷ nhiệt của máy biến áp có thể xác đỊnh theo biểu thức:

cba=

132Gcd+ 108G td+544G d+ 133Gmt

172



Gcd, Gtd ,Gd, Gml - khối lượng của cuộn dây, thùng dầu, dầu và mạch từ của máy
biến áp, tấn;
Q uy tắ c quá tả i 3 %: Khả năng làm việc quá tải của máy biến áp cũng có thể
được xác định theo quy tắc "quá tải 3 %". Quy tắc này được phát biểu như sau: Tất cả các
máy biến áp có hệ số điền kín dồ thị phụ tái (kdk) nhỏ hơn 100% thì cứ mỗi 10 % giảm
của kdk sẽ cho phép quá tải 3 % so với công suất dinh mức, nếu giá trị trung bình của
nhiệt dộ môi trường xung quanh không lớn hơn 35 °c. Mức quá tải cho phép theo quy
tắc 3%) được xác định theo biểu thức:
S. Ä

3

%

(5.4.3)

Hình 5.4.1. Biếu đồ quá tải của máy biến áp dầu phụ thuộc vào hệ số điền kín đồ thị phụ tải.
Chẳng hạn nếu hệ số điền kín đồ thị phụ tải của trạm biến áp là kdK= 50 % thì mức
quá tải cho phép sỗ là:

173



s 3%= 100 — .3 = 15%,
10

Tức là ở giờ cao điểm máy biến áp có thể mang tẳi lớn hơn 15% so với giá trị định
mức. Đối với các máy biến áp chite được nhiệt đới hoá mà được chế tạo tại các nước châu
Au với khí hậu ôn đới nơi có nhiệt độ trung bình 5 °c và nhiệt độ cực đại trung bình 35

°c, thì công suất định mức của máy biến áp cần phải hiệu chỉnh theo biếu thức sau:
tb

8 m ~ 35>

100

~

(5.4.5)

100

trong đó:
0tb và 0M- nhiệt độ trung binh và nhiệt độ cực đại thực tế tại nơi đặt máy biến áp;
Sn - công suất định mức của máy biến áp (ghi trong lý lịch máy);
Snhc - công suất máy biến áp hiệu chính theo nhiệt độ.

1,9
1,8

1,7
1,6

1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1,0

0

0
,5 1,0 k,
a,

0

0

,5 1,0 k,
b,

0

0
,5 1,0 k,
c,

Hình 5.4.2. Biểu dồ xác định quá tải chu kỳ cúa các máy biến áp dầu:
kt/l = k2. hệ số quá tải; kị. hệ số mang tải trước đó; a. - SnHA= 1 - 1000 kVA ở 0(, = 20°C;
b. SnHA= 1000 - 32000 kVA ở 00 = 20°C; c. SnHA= 1 - 1000 kVA ớ 0o = 30°c.
2. Chọn s ô lượng m áy biến áp
Số lượng máy biến áp được xác định trên cơ sở giải bài toán kinh tế kỹ thuật.
Thông thường ờ các trạm biến áp tiêu thụ údố lượng máy biến áp được chọn từ một đến
hai máy. Nếu chọn hai máy biến áp trong một trạm thì cần phải xét đến khả năng chịu
quá tải của máy khi máy thứ hai bị sự cố. Lúc đó máy biến áp còn lại sẽ gánh toàn bộ phụ

174



tải của trạm biến áp. Việc iựa chọn số lượng va công suất máy biến áp cần được xét đến
không chí về kinh tế mà cả về tính liên tục và độ tin cậy cung cấp điện lời giải tối ưu có thể
nhận được bằng cách so sánh các phương án theo chi phí quy đôi (xem chương 3).

z = p V ß A + CA AA + y

(5.4.6)

trong đó :
Vm - vốn đầu tư máy biến áp; p - hệ số sử dụng tiêu chuẩn và khấu hao thiết bị;

y - Thiệt hại do mất điện

y = ẩih A h = ổth fVíũ

(5.4.7)

gth - đơn giá thiệt hại do mất điện. đồng/kWh, đối với các xí nghiệp công nghiệp
có thể lấy gth = 2500 đ/kWh;
Ath - điện năng thiếu hụt trong năm, kWh;
P th_công suất thiếu hụt trong thời gian mất điện

tị.

tị - thời gian mất điện, đối với trạm biến áp trung gian tị = 12 và với trạm tiêu thụ tf
= 24 h/năm .

5.5. S ơ ĐỒ CỦA TRẠM BIÊN ÁP
Sơ đồ nối điện của các trạm biến áp rất đa dạng, phụ thuộc vào mức độ yẽu cầu về
sự an toàn trong vận hành, tính kinh tế và độ tin cậy cung cấp điện. Yêu cầu về độ an toàn
vận hành được đặt lên hàng đầu và coi đó là sự bắt buộc không thể thiếu đối với mỗi sơ đồ.
Yêu cầu về độ tin cậy và tính kinh tế nhìn chung đối ngược với nhau, vi vậy việc dung hoà
các yêu cầu này là bài toán tối ưu được xác định tuỳ thuộc vào từng điều kiện cụ thể. Có
thế phân loại sơ đồ nối điện trạm biến áp theo một số đặc điểm riêng
1.

S ơ đ ồ đ ơ n giả n được xây dựng với mục đích không nhũpg hạ giá thành mà

còn cho phép nâng cao độ tin cậy trong vặn hành. Một trong những đại diện điển hình của
nhóm này là sơ đồ khối (bloc), sơ đồ không dùng máy cắt w.
a. K h ô i
Khối là sơ đồ nối trực tiếp máy biến áp với đường dây (hình 5.5. l.a). Đây là loại sơ
đồ đơn giản nhất, máy biến áp trong sơ đồ này được bảo vệ bởi máy cắt đầu nguồn. Sơ đồ
chí được áp dụng khi đường dây cung cấp không dài và chỉ có một trạm biến áp duy nhất
mắc trên đường dây.
b. S ơ đ ổ đ ơ n g iả n v ớ i cẩu c/idy(hình 5.5. l.b)
Được áp dụng rộng rãi đối với các trạm biến áp có công suất nhỏ. Các máy biến
áp được bảo vệ bởi cầu chảy cao áp với đặc tính bảo vệ thích hợp .

175



a,

b,

c,

d,

Hỉnh 5.5.1. Các dạng sơ dồ đơn giản của trạm biến áp:
a. dạng khối (bloc); b. sơ đồ với cầu chảy; c. sơ dồ với hợp bộ dao ngắt mạch (OD) và dao
ngắn mạch (KZ); d. sơ đổ 2 máy có cầu liên lạc bàng dao cách ly.
c. S ơ đ ồ v ớ i h ơ p b ộ d a o n g ắ t m a c h O D và d a o n g ắ n m a c h KZ
Trạm biến áp được bảo vệ bởi máy cắt đầu nguồn. Khi có sự cố trong máy biến áp
dòng ngắn mạch có thể chüö đủ lớn để làm máy cắt đặt ở đầu nguồn tác động, do đó dao
ngắn mạch KZ sẽ lập tức đóng lại tạo ra ngắn mạch ba pha với dòng điện lớn làm nhảy

máy cắt, vừầ khi không có dòng điện chạy trong mạch thi dao ngắt mạch OD sẽ tự động
mở tiếp điểm, cô lập trạm biến áp khỏi mạng điện, sau đó máy cắt đầu nguồn đóng lặp
lại để tiếp tục cung cấp điện cho các trạm biến áp khác. Với cấu trúc đơn giản, tính năng
bảo vệ tin cậy loại sơ đồ này (hình 5.5. l.c) được sử dụng khá phổ biến trong mạng điện ở
nước ta.
d. T ram b iê n á p h ai m áy c ó c ầ u liên lạc b ằ n g d a o c á ch /y
Đối với các trạm biến áp có nhiều máy để tăng độ tin cậy của sơ đồ người ta
thường dùng các cầu liên lạc, đặc biệt trong trường họp có nhiều nguồn cung cấp (hình
5.5. l.d)
2 . Các sơ đ ồ dù ng m áy cắt
a. S ơ đ ồ d ù n g m ô t m á y c ắ t (hình 5.5.2.a)
Các trạm biến áp công suất lớn thường được bẫo vệ bằng máy cắt, loại sơ đồ này
tuy có giá thành cao hơn các loại sơ đồ nêu trên nhưng khả năng bảo vệ trạm biến áp tốt
hơn, ngoài ra việc sử dụng máy cắt cho phép tự động điểu khiển mạng điện dễ dàng hơn.

176



b. S ơ đ ổ c ẩ u t r o n g (hình 5.5.2.Ò) và c ầ u n g o à i (hình 5.5.2.C)

Sơ đồ gồm hai khối đường dây và máy biến áp nối với nhau bằng máy cắt liên lạc.
Chức năng của hai loại sơ đồ này nhìn chung không có gì khác nhau, số lượng thiết bị và
giá thành hoàn toàn như nhau nhupg về đặc điếm vận hành thỉ mỗi sơ đồ có những ưu thế
riêng, ở sơ đồ hình 5.5.2.b, khi có sự cố trên đường dây một máy cắt MCI sẽ cắt, máy
biến áp một vẫn được tiếp tục cung cấp từ đường dâv hai. ớ sơ đồ cầu ngoài hình 5 .5 .2 .c,
trong trường hợp trên thi các máy cắt MCI và MC3 sẽ cắt do đó máy biến áp 1 sẽ bị mất
điện. Để trả lại điện cho nó trước tiên cần cắt dao cách ly CL2 sau đó đòng các máy cắt
MCI và MC3.

Ilình 5.5.2. Các sơ đổ của trạm biến áp có dùng máy cắt phía sơ cấp:
a. sư đổ với 1 máy cắt; b. sơ dồ cầu trong; c. sơ đồ cáu ngoài.
Khi có sự cố trong máy biến áp BAI ở sơ đồ cầu trong (hình 5.5.2.b), các máy
cắt MCI và MC3 tác động và đường dây ĐI sẽ không được sử dụng, đế đưa nó vào sử
dụng trước hết cần cắt dao cách ly CL1 sau đó đóng các máy cắt M CI và MC3. ở sơ đồ
cầu ngoài (hình 5 .5 .2 .c,) cũng trong trường hợp sự cố ở máy biến áp BAI máy cắt MCI
sẽ tác động cắt nó ra khỏi mạng, khi đó cả hai đường dây vẫn được giữ ở trạng thái vận
hành. Từ những ưu và nhược điếm của hai sơ đồ có thể đưa ra một số nhận xét sau:
- Trong nhctng trường hợp mà các đường dây ĐD1 và Đ2 có chiều dài lớn và xác
suất xẩy ra sự cố trên chúng nhiều thì nên dùng sơ đồ cầu trong.
Còn trong trường hợp mà một máy biến áp thường xuyên phải cắt ra thì nên sử
dụng sơ đồ cầu ngoài đế giữ cho cả hai đường dây luôn ở trạng thái vận hành.

177



3. Sớ đổ hai hệ thanh cái (hình 5.5.3)
Với một máy cắt liên lạc được sử dụng ở các trạm lớn với yêu cầu về độ tin cậy
cung cấp điện cao. Mỗi mạch được nối với hai hệ thanh cái qua một máy cắt và hai dao
cách ly, mỗi dao cách ly có nhiệm vụ đóng mạch vào mỗi hệ thanh cái tương ứng. Trong
điều kiện vận hành bình thường một trong hai hệ thanh cái đóng vai trò là hệ làm việc còn
hệ kia là hệ dự phòng. Sơ đồ hai hệ thanh cái cho phép thực hiện:

Hình 5.5.3. Sơ đồ hai hệ thống thanh cái.

- Sữa chữa luân phiên các hệ thanh cái;
- Sữa chũồ luân phiên các dao cách ly và máy cắt.
Điều đó cho phép nâng cao độ tin cậy cung cấp điện của toàn bộ hệ thống. Ngoài
ra còn có rất nhiều dạng sơ đồ phức tạp khác mà trong giới hạn của chương trình ta không

thể đề cập đến.
5.6. CẤU TRÚC CỦA TRẠM BIẾN ÁP
Tất cả các máy biến áp đều có các thiết bị phân phối phía sơ cấp và thiết bị phân
phối phía thứ cấp. thiết bị phân phối phía sơ cấp của trạm biến áp trung gian thường được
đặt ờ ngoài trời, bao gồm các hệ thanh cái, máy cắt, dao cách ly, dao ngắt mạch, dao
ngắn mạch, cầu chảy cao áp, máy biến đổi đo lường w . Các thiết bị phân phối phía thứ

178



cấp thường được đặt trong các tủ phân phối hoặc trong nhà. Sơ đồ tổng thế của một trạm
biến áp được thế hiện trên hình 5.6.1. Trong khuôn khố của giáo trinh, chúng ta sẽ không
nghiên cứu chi tiết các thiết bị của trạm biến áp, mà chỉ xét một số loại thiết bị cơ bẳn
nhất.

ị
pu-iokV

Hình 5.6.1. Sơ đồ tổng thể của trạm biến áp 35/10 kV:
a. sơ đổ mặt bàng; b. sơ đổ mặt cắt: 1. máy biến áp; 2. máy cắt dầu; 3. dao cách ly; 4. dao
cách ly có lưỡi Iìối dất; 5.- máy chống sét van; 6. sứ trụ; 7. sứ chuỗi; 8. giàn dỡ bằng thép;
9. trụ dỡ dao cách ly; 10. trụ dỡ chống sét van.
1. C ác phần dân điện phía cao áp: Bao gồm:
- Các hệ thanh cái cùng với sứ và dây cáp
- Thanh cái là thiết bị dùng để tiếp nhận và phân phối điện năng, nó được làm
bằng đồng hoặc nhôm. Khác với thanh cái phí hạ áp lá thanh dẫn cứng hình chữ nhật dẹt
hoặc hình trụ, thanh cái phía cao áp thường làm bằng dây mềm, như dây dẫn của đường
dây.

179



- Sứ cách điện có nhiệm vụ cách các phần dẫn với nhau và với đất, đồng thời giCf
cho các phần dẫn ở vị trí xác định.
2 . Thiết bi phân phối cao áp
a . M áy c ắ t
Cấc loại máy cắt thường sử dụng hiện nay rất đa dạng:
• M áy c ắ t n h iều d ầ u có cấu tạo như hình 5.6.2. Sơ đồ nguyên lý của máy cắt
nhiều dầu được biểu thị trên hỉnh 5.6.3. Nguyên lý dập hồ quang của máy cắt nhiều dầu
được thực hiên theo trình tự sau: Khi tiếp điểm động 4 rời khỏi tiếp điểm tĩnh 3, hồ quang
xuất hiện giũầ chúng, nhiết độ cao của hồ quang làm cho dầu bị phân huỷ tạo ra một khối

Hỉnh 5.6.2. Máy cắt nhiều dầu loại BMB - 10:
1. tiếp điểm tĩnh; 2. tiếp điếm động; 3. thanh cách
diện; 4. cán của tiếp điểm; 5. lò xo tiếp diêm;
6. lò xo cắt; 7. thanh ngang; 8. bộ chi trạng thái
máy cát; 9. ống dẫn khí; 10. ống bảo vệ có thành
mỏng.

Hình 5.6.3. Sơ dồ nguyên lý máy cắt
nhiều dầu:
1. thùng dầu; 2. ống sứ cách diện;
3. tiếp điếm động; 4. tiếp điểm tĩnh;
5. lò xo; 6. cánh tay đòn:
7. ống thoát khí.

180

lương khí và bọt, áp suất tăng cao. Khi dong điện qua giá trị 0, năng lượng toả ra trong
khoảng hồ quang giảm mạnh, nhiệt độ giảm và áp suất cũng giảm, điều đó dẫn đến sự đối
lưu dầu làm trộn lẫn các phần tử đã được ion hoá và các phần tử chưa được ion hoá, quá
trinh phản ion hoá diễn ra trong khoảng hồ quanq. Quá trình cứ lăp lai cứ theo chu kỹ
biến thiên của dòng điện cho đến khi
hồ quang bị dập tắt. Như vậy ở đây hồ
quang không phẳi bị đạp tắt trong dầu
mà là trong bọt khí dầu. Nhược điểm
cơ bản của loại máy cắt nhiều dầu là
tồn tại nguy cơ gây nổ, vi vậy loại máv
cắt này hiện nay đang được thay bằng
các loại máy cắt ít dầu.
• M á y c ắ t ít d ầ u (hình 5.6.4)
có kích thước gọn nhẹ và có nhiều ưu
điếm hơn so với máy cắt nhiều dầu. Sơ
đồ buồng đập hồ quang của máy cắt ít
dầu được thế hiện trên hình 5.6.5.
Nguyên lỹ dập hồ quang diễn ra như
sau: khi các tiếp điểm rời nhau hồ
quang suất hiện ở phần dưới của buồng
dầu làm áp suất trong buồng tăng cao.
Ngay sau khi tiếp điểm động rút qua,
đường dẫn 3 được lưu thông, dưới tác

Hình 5.6.4. Máy cát ít dầu loại BMP- 133.

dụnq của áp suất cao, dầu từ ngăn dưới

IIinh 5.6.5. Buồng dập hồ quang của máy cắt ít dầu:
l. tiếp điểm cái; 2. rnàns ngăn; 3. đường dán dầu; 4. ống moay ơ; 5. cánh bàng đồng.

181



của buồng được đẩy lên phía trên, thổi ngang qua hồ quang và dập tắt nó.
• M áy c ắ t k h ô n g khí: Một số loại máy cắt làm việc theo ngyên lý dập tắt hồ
quang bằng không khí (hình 5.6.6). Nguyên lý dập hồ quang của máy cắt kop khí được
biểu thị trên hình 5.6.7. Khi đóng máy cắt, khí nén khi vào buồng (1) đẩy piston (2) ên
và nâng tiếp điểm động (3) lên đóng tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh (4). Khi cắt máy cắt, \hí
nén được đưa vào buồng (5) và một phần vào ngăn trên của buồng (1), piston chuyển đọng
xuống dưới làm các tiếp điểm táach rời nhau. Hồ quang xuất hiện giữa các tiếp điểm được
khí nén thổi khỏi buồng (5).
• M áy c ắ t c h ă n k h ô n g (hỉnh 5.6.8) làm việc theo nguyên lý dập tắt hồ quang
trong chân không. Trong chân không lý tưởng không có sự va chạm giữa các phân tử và
các electron, do đó không diễn ra sự phóng thủng cách điện, tức là tính cách điện được
nâng lên rất cao. Kỹ thuật hiện đại cho phép đạt độ chân không 10~(V10 7 mmHg. ở độ
chân không lO^m m Hg độ cách điện đạt tới 20kV/m m.

Hình 5.6.6. Máy cắt không khí loại BBH - 35:
1. ống sứ dưới; 2. ống sứ trên; 3. khớp nối; 4 cửa thoát của khí nén.•
• M áy c ắ t d ù n g k h í SF 6 là loại máy cắt hiện đại nhất hiện nay, loại má; cắt
này có kích thước hết sức nhỏ gọn mà công suất cắt lại rất cao. Trên hình 5.6.10 búu thị
sơ đồ nguyên lý máy cắt dùng khí SF6. Khí SF6 có cấu tạo phân tử đối xứng tuyứ đối
(hình 5.6.9) gồm một nguyên tử lưu huỳnh s và sáu nguyên tử flor F6, khối lượng ncuyên
tử tương đối là 146, sự liên kết hóa học rất ổn đính do đó nó có tính cách điện và cách

182

'/ u/ 1a/ ị^ x/U /^ ^

yVvWWViAVWUAỵ^^

Hình 5.6.9. c ấu tạo phân
tử của khí SF6.

rr»jv

(!) ỐỎ O ố ẳ ò ®

'

© <3>

Hình 5.6.10. Sơ đồ nguyên lý dập hồ quang của máy cắt dùng khí
SF6: a. trạng thái máy cắt đóng; b. giai đoạn dập tắt hồ quang;
c. trạng thái máy cắt mở: 1. tiếp điểm tĩnh; 2. lưỡi dao của tiếp điểm
tĩnh; 3. tiếp điểm hồ quang tĩnh; 4. ống tuyơ cách điện; 6. tiếp điểm
động; 7. van; 8. lưỡi dao tiếp điếm động; 9. piston tĩnh;
10. cần điều khiêm buồng dập hổ quang .

183



nhiệt tuyệt vời. Với cùng một áp suất, điện áp phóng thủng của khí SF6 cao hơn ba lần so

với không khí. Khí SF6 có nhiệt độ phân ly cỡ 2100°K, do đó nó hấp thụ nhiệt của hồ
quang, điều đó cho phép dập tắt hồ quang hầu như tức thời. Công nghệ mới áp dụng các
đặc tính của khí SF6 trong việc chế tạo các thết bị điện với các tính năng cách điện rất tốt,
kích thước thiết bị nhỏ gọn.
b. M á y c ắ t p h u tải
Máy cắt phụ tải có cấu tạo
(hình 5.6.11), loại này có bộ phận
dập hồ quang bằng ống nhựa sinh khí
nên khác với máy cắt thông thường
chúng chỉ có thể cắt được dòng điện
nhỏ. Trên hình 5.6.12. biểu thị cấu
tạo buồng dập hồ quang của máy cắt
phụ tải. Khi đóng máy cắt, dao dập
hồ quang (2) chui vào rãnh được tạo
bởi các các má bằng vật liệu sinh khí,
đến tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh (5). Sự
tiếp xúc của các tiếp điểm làm việc (1)
và (8) chỉ diễn ra sau khi các tiếp điểm
dập hồ quang đã gặp nhau. Quá trình
cắt được diễn ra theo trình tự ngược
lại, tức là các tiếp điểm làm việc rời
nhau trước sau đó là các tiếp điểm hồ
quang. Khi các tiếp điểm hồ quang rời
nhau, giữa chúng xuất hiện hồ quang
với nhiệt độ cao làm cho các tấm
nhựa sinh ra một lượng khí khá lớn,
làm tăng áp suất trong buồng dập hồ

Hình 5.6.10.1. Hình dạng bao quát máy cắt SF6.

quang, do vậy hồ quang được thổi dọc
theo lưỡi dao thoát ra ngoài và nó sẽ bị dập tắt ngay trên miệng buồng. Tốc độ cần thiết
của các tiếp điểm động được hỗ trợ bởi các lò xo (9) (hình 5.6.11).
c. D a o c á c h ly
Dao cách ly là thiết bị cao áp dùng để đóng cắt mạng điện có điện áp nhưng không
có dòng điện phụ tải, nó có nhiệm vụ tạo ra các điểm hở mạch giúp cho việc sửa chữa
thiết bị như máy cắt, máy biến áp w được dễ dàng. Có rất nhiều loại dao cách ly: trên
hình 5 .6 .1 3 biểu thị dao cách ly một cực kiểu PJlHfl-35 -600, trên hình 5.6.14 biểu thị

184



dạng tổng quát của dao cách iy ba cực đật trong nhà. Dao cách ly là ioại thiết bị đóng ngắt
khống có bộ phân dập hồ quang nên chí dùng để cắt mạch điện không tải.
d. D a o n g ắ t m ạch và d a o ngắn m ach
Dao ngắt mạch dùng hợp bộ với dao ngắt mạch để bảo vệ trạm biến áp khi có sự
cố. Dao ngắt mạch (hỉnh 5.6.15) có cấu tạo giống dao cách ly. nó có nhiệm vụ tự cắt
m ạch khi trong mạng không có dòng. Dao ngắn mạch (hình 5.6.16) cũng có cấu tạo gần

Ilỉnh 5.6.11. Máy cắt phụ tải: 1. khung; 2. sứ cách điện; 3. buồng dập hồ quang;
4. dao làm việc; 5. tay đòn bàng sứ cách điện; 6. trục; 7. cánh tay đòn nối máy cắt với bộ
truyền dộng; 8. cầu chảy; 9. là xo cắt; 10. đầu đệm; 11. tiếp điểm tĩnh chính;
12. dao dập hồ quang; 13. lười thóp.

4

3

Hình 5.6.12. Buồng dập hổ quang cùa cắt phụ tái: 1-băng tiếp điểm làm việc động; 2. dao

dập hổ quang; 3. tấm thép; 4. má buồng dặp hồ quang; 5. tiếp điểm tĩnh; 6. ống lót bằng
vật liệu sinh khí; 7. đường dẫn; 8. tiếp điểm làm việc tĩnh; 9. vành đệm sứ .

185



giông dao cách ly, một cực của dao ngắn mạch được nối với dây pha còn cực kia thi nối
với hệ thống tiếp địa. Khi mạng điện làm việc bình thường thỉ dao này ở tạng thái mở khi
có sự cố trên đoạn dây cần bảo vệ thì nó sẽ tự động đóng lại, tạo thành điểm ngắn mạch
nhân tạo với dòng điện ngắn mạch lớn, dòng điện này lập tức làm nhảy máy cắt đầu
nguôn, khi máy căt đâu nguôn đã tác động do trong mạch không có dòng điện nên dao
ngắt mạch sẽ tự động mở mạch và cắt đối tượng cần bảo vệ ra khỏi mạng điện.

Hình 5.6.13.Dao cách ly một cực loại
PJlHfl-35 -600:1. sứ cách điện; 2. thanh truyền
dộng; 3. lưỡi dao cái; 4.1ưỡi dao đực; 5. dao nối đất.

Hình 5.6.14. Dao cách ly ba cực
trong nhà loại PÍ1B-10/400

e. C ầ u c h ả y
Cầu chảy là thiết bị bảo vệ đơn giản nhất dùng để bảo vệ các thiết bị của trạm biến
áp khỏi bị quá tải và chống ngắn mạch. Nguyên lý làm việc của cầu chảy dựa trên cơ sờ tác
dụng nhiệt của dòng điện, với giá trị nhất định lượng nhiệt do dòng điện sinh ra đốt r óng
dây chảy đến nhiệt độ nóng chảy và làm cắt mạch điện. Trên hỉnh 5.6.17. biểu thị cấc tạo
của cầu chảy ống loại riK có cát thạch anh làm môi trường dập hồ quang. Khi bị cháv, hồ
quang xuất hiện sẽ len lỏi trong các khe của cát thạch anh, sự tiếp xúc với bề mặt rộng của
cát cho phép dập tắt hồ quang dễ dàng. Người ta còn chế tạo loại cầu chảy ĨIKT vói độ
nhạy cao hơn nhiều so với cầu chảy n K và dùng để bảo vệ các máy biến điện áp đo kởng.

Trên hình 5.6.18 là cầu chảy phóng kiểu nCH. Loại cầu chẳy phóng có ống làm bằng vật
liệu sinh khí giúp cho việc dập tắt hồ quang được dễ dàng.
/ . M áy b iến đ ổ i đ o lư ờ n g g ồ m
• M á y b iến d ò n g dùng để cung cấp tín hiệu dòng cho mạch đo mạch bảo vệ và
điều khiển. Dòng điện định mức phía thứ cấp của máy biến dòng thường là 5A. Máy biên

186



dong có rất nhiều chủng loại, trên hình 5.6.19 biếu thị cấu tạo của máy biến dòng. Một số
máy biến dòng được chế tạo đặc biệt dưới dạng Ampe kìm (hình 5.6.20) giúp cho việc đo
đếm được dễ dàng hơn.
• M á y b iên đ iệ n á p dùng để hạ điện áp của mạng điện cần đo ở bất kỳ cấp điện
áp nào xuống còn 100 V để cung cấp tín hiệu điện áp cho mạch đo lường, mạch bảo vệ
và mạch điều khiến. Các máy biến điện áp được chế tạo kiểu một pha dùng cho các cấp
điện áp từ 35 kV trở lên và các máy ba pha thường dùng trong mạng từ 10 kv trở xuống.
Máy biến điện áp loại ba pha năm trụ gồm có ba cuộn dây: một cuộn sơ cấp và hai cuộn
thứ cấp, m ột trong hai cuộn thứ cấp được đấu theo sơ đồ tam giác hở, dùng để cung cấp
tín hiệu về điện áp thứ tự khồng, xuất hiện khi có sự cố ngắn mạch một pha-đất.

Hình 5.6.15. Dao ngắt mạch loại
Ofl-35:
1. sứ cách điện; 2. hệ thống tiếp
điểm; 3. thanh dẫn mềm; 4. cánh
tay đòn; 5. đế gang.

Ilình 5.6.16. Dao ngán mạch loại KZ-110:
l . bộ truyền dộng; 2. máy biến dòng 3. sứ
cách điện ; 4. cột sứ cách điện; 5. tiếp điểm

tĩnh; 6. thanh nối tiếp đất; 7. lưỡi dao ngắn
mạch; 8. cần cách diện.

g. K h á n g đ iê n
Cuộn kháng điện dùng để hạn chế dòng ngắn mạch nó có cấu tạo gồm các cuộn
dây được quấn bằng dây dẫn cách điện cứng gắn trong các vòng bêtông (hình 5.6.22)
Cuộn kháng có đường đặc tính Von-Ampe tuyến tính vi chúng không có lõi thép.

187



Hình 5.6.17. Cầu chảy cao áp loại nK:
I - đến 7,5A; II- 10-400A: 1. vô; 2. dây
chảy; 3. cát thạch anh; 4. lò so; 5. lưỡi chi
tín hiệu; 6. nắp.

Hỉnh 5.6.18. Loại cầu chảy phóng ĨICH-33:
I - Hình dạng bao quát; II- cấu tạo đầu phóng:
I. ống sinh khí; 2. sứ trên; 3. sứ dưới; 4. mũi
phóng; 5. dao tiếp xúc; 6. trục; 7. dây liên kết
mềm; 8. đầu kim loại; 9. dây chảy.

Hỉnh 5.6.19. Máy biến dòng:
1. cuộn dây sơ cấp; 2. hai cuộn dây thứ cấp;
3. lõi thép; 4. cách điện gốm; 5. vỏ ngoài;
6. đáy; 7. cát với grafit.

Hình 5.6.20. Máy biến dòng
Ampe kìm;

1- máy biến dòng;
2- Ampemét.

188



495
Hỉnh 5.6.21.
a. Máy biến điện áp một pha loại HOM-10; b. máy biến điện áp 3 pha loại HTMl/1.

Hình 5. 6.22. Cuộn kháng diện:
1. vòng bê tòng; 2. vòng dây cứng; 3. sứ cách điện; 4. các đầu dây.

189