luận văn kỹ thuật điện, điện tử thiết kế trạm biến áp 220kv - 100kv - 22 kv

Nhà máy điện là các cơ sở công nghiệp đặc biệt, làm nhiệm vụ sản xuất điện từ các dạng năng lượng khác như: nhiệt năng, hóa năng, quang năng, thủy năng, năng lượng nguyên tử, nhiệt… Năng

PHAÀN I:

THIEÁT KEÁ PHAÀN ÑIEÄN

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

I GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ TRẠM BIẾN ÁP:

Trong thời đại ngày nay, sản xuất và truyền tải điện là một trong những ngành then chốt trong quốc phòng và nền kinh tế Do xác định được vị trí và tầm quan trọng của ngành điện trong nền kinh tế quốc dân, từ nhiều năm nay mặc dù có những khó khăn về nhiều mặt, nhưng Đảng và Nhà nước ta đã dành sự quan tâm to lớn cho việc đầu tư và phát triển nguồn điện từ Trung ương đến địa phương Đặc biệt hơn một thập kỷ qua, ngành điện được coi là hướng ưu tiên phát triển hàng đầu Bởi nó là nguồn động lực để vận hành toàn bộ nền kinh tế và đáp nhu cầu về công nghiệp, về dân sinh ngày càng cao của mọi tầng lớp nhân dân Trong sự nghiệp công nghiệp hóa_hiện đại hóa đất nước, vai trò của ngành điện lại càng được quan tâm và chú trọng nhiều hơn

Nhà máy điện là các cơ sở công nghiệp đặc biệt, làm nhiệm vụ sản xuất điện từ các dạng năng lượng khác như: nhiệt năng, hóa năng, quang năng, thủy năng, năng lượng nguyên tử, nhiệt…

Năng lượng phát ra từ các Nhà máy điện được truyền tải bởi các thiết bị truyền tải năng lượng như: Máy biến áp tăng và hạ áp, các đường dây trên không và cáp ngầm đến các khu công nghiệp, thành phố, nông thôn và hộ tiêu thụ

Trạm biến áp được dùng rất rộng rãi trong các hệ thống điện, làm nhiệm vụ truyền tải điện năng từ lưới điện có điện áp U1 sang lưới điện có điện áp U2, phục vụ cho việc truyền tải và phân phối điện năng Thường điện năng từ Nhà máy điện sang các hộ tiêu thụ phải qua ba đến bốn lần biến áp Do đó công suất tổng của các Trạm biến áp cũng phải lớn hơn công suất tổng của các máy phát trong Nhà máy điện của hệ thống điện khoảng ba đến bốn lần

Khi thiết kế một Trạm biến áp, ta luôn quan tâm đến việc chọn công suất của máy biến áp cho phù hợp với phụ tải cần cung cấp và yêu cầu của các ngành chức năng đề ra

Vì vậy chúng ta cần phải xem xét đến nhiều mặt và tiến hành tính toán để so sánh về kỹ thuật và kinh tế giữa các phương án đã đề ra nhằm chọn ra một phương án tối ưu nhất cho việc thiết kế Trạm biến áp Trong thiết kế và vận hành mạng điện ta thường gặp hai loại Trạm: Trạm phân phối điện và Trạm biến áp

Trạm biến áp dùng để biến đổi từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác để phục vụ nhu cầu đời sống Ngoài ra, Trạm biến áp còn có nhiệm vụ làm giảm tổn thất điện năng trên đường dây truyền tải Nó đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện

II NHIỆM VỤ THIẾT KẾ MỘT TRẠM BIẾN ÁP:

Trạm biến áp được dùng trong hệ thống điện để chuyển đổi điện áp từ cấp điện áp

U1 sang cấp điện áp U2 để phục vụ cho việc truyền tải điện năng đi xa và cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ

1) Theo nhiệm vụ, người ta phân Trạm biến áp thành hai loại:

_ Trạm biến áp trung gian hay còn gọi là Trạm biến áp chính: trạm này nhận điện từ hệ thống điện có điện áp từ 35÷220kV biến đổi thành cấp điện áp 10kV hay 6kV, có khi xuống 0,4kV

_ Trạm biến áp phân xưởng: trạm này nhận điện từ Trạm biến áp trung gian biến đổi thành các cấp điện áp thích hợp phục vụ cho phụ tải phân xưởng, phía sơ cấp thường là 10kV, 6kV hoặc 15kV hoặc 35kV, còn phía thứ cấp có các loại điện áp 220/127V, 380/220V, hoặc 660V

2) Về phương diện cấu trúc, người ta chia ra thành hai loại là Trạm ngoài trời và Trạm trong nhà:

_ Trạm ngoài trời: Ở trạm này, các thiết bị ở phía điện áp cao đều được đặt ở ngoài trời, còn phần phân phối điện áp thấp thì được đặt trong nhà hoặc trong các tủ sắt chế tạo sẵn chuyên dùng để phân phối phần hạ thế Xây dựng Trạm ngoài trời sẽ tiết kiệm được kinh phí xây dựng hơn so với Trạm được xây dựng trong nhà

_ Trạm biến áp trong nhà: Ở Trạm này, thì tất cả các thiết bị điện đều được đặt trong nhà Có thể tránh được những xâm hại, ăn mòn hay phá hủy các thiết bị điện từ môi trường bên ngoài như: mưa, sương…

_ Ngày nay còn có Trạm biến áp dạng Gis: là Trạm biến áp có các thiết(máy cắt, dao cách ly, BU, BI, CB… ) bị nằm trong một khối, bên trong có khí SF6 để dập tắt hồ quang… Ưu điểm của loại Trạm này có thể được đặt trong nhà hay ngoài trời, tuy nhiên nó thường có công suất nhỏ, thường được xây dựng ở các trung tâm đô thị chiếm ít diện tích xây dựng

3) Về điện áp, người ta chia Trạm biến áp thành các loại:

_ Trạm biến áp tăng áp truyền điện năng từ Nhà máy điện có điện áp thấp lên lưới điện có điện áp cao để truyền tải điện năng đến các hộ tiêu thụ ở xa Nhà máy điện _ Trạm biến áp giảm áp làm nhiệm vụ nhận điện áp từ lưới có điện áp cao sang lưới điện áp thấp để phục vụ cho việc phân phối và tiêu thụ điện năng

_ Trạm biến áp trung gian hay Trạm biến áp khu vực thường có điện áp sơ cấp lớn(500kV, 220kV, 110kV) để liên lạc với các phụ tải có điện áp khác nhau(220, 110, 22, 15kV) của các Trạm biến áp phân phối

_ Trạm biến áp phân phối hay Trạm biến áp địa phương có nhiệm vụ phân phối trực tiếp cho các hộ tiêu thụ, thường có điện áp thứ cấp nhỏ(10; 6; 0,4;kV)

Tại các Trạm biến áp còn có các thiết bị phân phối như: thiết bị đóng cắt, điều khiển, bảo vệ Rơle, đo lường… để làm nhiệm vụ truyền tải và bảo vệ cho Trạm Các thiết bị phân phối được chia làm 2 loại: thiết bị phân phối cao áp và hạ áp

ỈCác yêu cầu khi thiết kế Trạm biến áp:

Số lượng và công suất của máy biến áp được xác định theo các tiêu chuẩn kinh tế và kỹ thuật như sau:

_ An toàn, liên tục cung cấp điện:

_ Gần trung tâm phụ tải, thuận tiện cho nguồn cung cấp đi tới

_ Thao tác, vận hành, quản lý dễ dàng

_ Phòng nổ, cháy, bụi bặm, khí ăn mòn

_ Tiết kiệm vốn đầu tư và chi phí vận hành nhỏ

_ Dung lượng của máy biến áp trong trạm nên đồng nhất, ít chủng loại để giảm số lượng và dung lượng máy biến áp dự phòng

_ Sơ đồ nối dây của trạm nên đơn giản, chú ý đến sự phát triển của phụ tải sau này

Tất cả các yêu cầu trên đều phải được nghiên cứu, xem xét nghiêm túc, nhưng còn tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ, khả năng đầu tư cơ bản và điều kiện đất đai để chọn thứ tự ưu tiên cho thỏa đáng Chú ý rằng các Trạm biến áp công suất lớn nên đặt gần trung tâm phụ tải Máy biến áp có tỷ số biến đổi nhỏ nên đặt gần nguồn điện và ngược lại Vị trí của máy biến áp trung gian nen chọn gần trung tâm phụ tải Song cần chú ý rằng đường dây dẫn đến trạm thường có cấp điện áp 110/220kV đường dây đó chiếm một dải đất rộng mà trên đó không được xây dựng công trình khác

ỈCấu tạo của Trạm biến áp gồm những phần chính sau:

1_ Máy biến áp chính

2_ Hệ thống bảo vệ cho trạm và đường dây

3_ Hệ thống đo lường tín hiệu

4_ Hệ thống chống sét

5_ Khu vực nhà điều hành trạm

III GIỚI THIỆU VỀ TRẠM BIẾN ÁP ĐƯỢC GIAO THIẾT KẾ:

Trạm biến áp được giao thiết kế là Trạm biến áp 220/110/22kV với số liệu ban đầu như sau:

Nguồn cung cấp 220kV, Trạm có hai đường dây đến, phụ tải của các cấp điện áp bao gồm:

a) Hệ thống 220kV:

Nguồn cung cấp: Pmax=3500 MW; cosφ=0,8; số đường dây là 2; dài 120Km; XỊ=0,18

b) Phụ tải cấp 110kV:

Là một khu công nghiệp có: Pmax=40 MW; cosφ=0,78; số đường dây là 6(Hình a)

c) Phụ tải cấp 22kV:

Là một khu dân cư có: Pmax=20 MW; cosφ=0,75; số đường dây là 4(Hình b)

d) Phần tự dùng:

Bản thân Trạm cũng cần tiêu thụ một lượng điện năng cho việc vận hành, chiếu sáng và sinh hoạt… Nên phần điện này gọi là điện tự dùng của Trạm Cấp điện áp cho phần tự dùng là cấp điện áp 0,4kV và Pmax=0,4 MW

Đồ thị phụ tải ở các cấp điện áp

CHƯƠNG 2

TỔNG HỢP ĐỒ THỊ PHỤ TẢI

I ĐẶT VẤN ĐỀ:

Đặc điểm của hệ thống điện là chuyển tải tức thời điện năng từ nguồn đến hộ tiêu thụ và không có khả năng tích trữ lại điện năng với công suất lớn Đặc điểm này cho thấy quá trình sản xuất và tiêu thụ điện năng xảy ra đồng thời

Tại từng thời điểm của chế độ xác lập của hệ thống, các Nhà máy điện phải phát

ra công suất đúng bằng công suất tiêu thụ của các phụ tải điện Trong đó, kể cả tổn thất công suất trong mạng điện, nghĩa là đảm bảo sự cân bằng công suất phát ra và công suất tiêu thụ kể cả công suất phản kháng

Việc xác định công suất cần thiết của hệ thống được tiến hành theo tổng công suất cực đại của các hộ tiêu thụ Đồ thị phụ tải tác dụng tổng, đối với hệ thống điện thường được xây dựng trên cơ sở số liệu thống kê, nghĩa là trên cơ sở đồ thị phụ tải thực tế hàng ngày tương tự trước đó trong tuần, tin tức về lượng tăng phụ tải hàng tuần và dự báo khí tượng Mức độ chính xác của việc xác định giá trị phụ tải tác dụng cực đại trên đồ thị ngày, chủ yếu phụ thuộc vào kinh nghiệm của các chuyên gia

ỊMặc dù đảm bảo sự cân bằng công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống điện nhưng vẫn xảy ra sự phá vỡ cân bằng công suất do những nguyên nhân sau:

_ Cắt máy phát điện bị sự cố

_ Công suất tiêu thụ tăng đột ngột

_ Cắt đường dây liên lạc hay máy biến áp liên lạc bị sự cố

ỊKhi cân bằng công suất phản kháng phải quan tâm đến bốn chế độ đặc trưng của hệ thống là:

_ Chế độ phụ tải phản kháng cực đại(khi các hộ tiêu thụ dùng nhiều công suất phản kháng nhất)

_ Chế độ phụ tải tác dụng cực đại, liên quan đến các máy phát nhận tải với công suất tác dụng lớn nhất và công suất phản kháng nhỏ nhất

_ Chế độ phụ tải tác dụng cực tiểu, liên quan đến việc cắt bớt máy phát điện và khả năng phát công suất phản kháng giảm

_ Chế độ sau sự cố và sữa chữa liên quan đến việc hạn chế lớn nhất công suất phản kháng truyền tải trong mạng

Sự thiếu hụt công suất tác dụng và công suất phản kháng đều có ảnh hưởng xấu đến chất lượng và yêu cầu của trạm Vì vậy việc cân bằng công suất là cần thiết để đảm bảo nhu cầu cung cấp điện và chất lượng điện

II PHÂN LOẠI ĐỒ THỊ PHỤ TẢI:

Phụ tải điện là những thiết bị tiêu thụ điện năng Khi thiết kế thường dựa vào đồ thị phụ tải hàng ngày, vận hành 2 hệ số công suất của phụ tải, vì nó phản ánh được mức độ tiêu thụ điện năng ở các khoảng thời gian khác nhau Dựa vào đồ thị phụ tải ở các cấp điện áp mà xây dựng đồ thị phụ tải tổng của toàn trạm, ngoài phần phụ tải của hộ tiêu thụ ở các cấp điện áp, phụ tải phát về hệ thống, còn có phụ tải tự dùng của trạm

ỊTùy theo tính chất quan trọng mà người ta chia làm 3 loại phụ tải điện:

1) Phụ tải loại 1: là những phụ tải rất quan trọng, vì nếu mất điện sẽ ảnh hưởng

đến quốc phòng, an ninh và chính trị Vì vậy phụ tải loại 1 không được phép mất điện và luôn luôn có ít nhất là 2 nguồn ung cấp trở lên

2) Phụ tải loại 2: là những phụ tải mà nếu nhưng cung cấp điện sẽ gây thiệt hại về

kinh tế, sản xuất và lãng phí sức lao động nhưng không nghiêm trọng như phụ tải loại 1 Vì vậy nó cho phép mất điện trong một thời gian ngắn

3) Phụ tải loại 3: là những trường hợp còn lại, cho phép mất điện trong một thời

gian để sửa chữa các thiết bị khi có sự cố…

III ĐỒ THỊ PHỤ TẢI VÀ BẢNG THỐNG KÊ PHỤ TẢI:

1) Khái niệm chung:

Đồ thị phụ tải là một hàm biểu diễn mối quan hệ của các phụ tải theo thời gian, thường có các phụ tải biểu diễn bằng các đại lượng S, P, Q, I, U… Căn cứ vào từng trường hợp mà ta có đồ thị phụ tải: ngày, tháng, năm, mùa…

Mục đích của việc lập Đồ thị phụ tải: Để thuận lợi trong công tác vận hành và điều độ, để biết được sản lượng điện tiêu thụ trong từng giai đoạn Ở cấp nào ta có đồ thị phụ tải ở cấp đó và từ đây ta có thể dự báo phụ tải trong tương lai

2) Đồ thị phụ tải và bảng thống kê:

Ở đây ta vẽ đồ thị phụ tải thay đổi trong một ngày đêm:

a)Cấp điện áp 220kV:

ÙĐồ thị phụ tải:

ÙBảng phân bố công suất theo thời gian:

Từ… đến Cosφ P (MW) Q (Mvar) S (MVA)

ÙĐồ thị phụ tải:

ÙBảng phân bố công suất theo thời gian:

Từ… đến Cosφ P (MW) Q (Mvar) S (MVA)

ỈTổng hợp đồ thị phụ tải:

Tổng hợp đồ thị phụ tải là cộng hai hay nhiều đồ thị phụ tải ở các cấp điện áp khác nhau trong Trạm biến áp Đồ thị phụ tải thường được vẽ theo công suất biểu kiến S(MVA) để có được độ chính xác hơn, vì hệ số công suất của phụ tải ở các cấp điện áp thường khác nhau Ta có phụ tải tổng của Trạm cần thiết kế là tổng phụ tải của các cấp điện áp (110kV, 22kV) và phần tự dùng cung cấp cho nhu cầu sinh hoạt và điều hành của Trạm

_ Phương trình cân bằng công suất:

SΣ = S110 + S22 + STD

SHT = S220 = SΣ

_ Trong đó:

SΣ : công suất tổng của trạm biến áp

SHT : công suất của hệ thống

S220 : công suất của phụ tải cấp điện áp 220kV

S110 : công suất của phụ tải cấp điện áp 110kV

S22 : công suất của phụ tải cấp điện áp 22kV

STD : công suất tự dùng trong trạm biến áp có cấp điện áp 0,4kV

ÙBẢNG PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỔNG THEO THỜI GIAN

Phụ tải ở các cấp điện áp (MVA) Từ… đến

ÙĐỒ THỊ PHỤ TẢI TỔNG

CHƯƠNG 3

CHỌN SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ TRẠM

BIẾN ÁP

I 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 Đối với trạm biến áp, nguồn thường là các đường dây cung cấp từ hệ thống đến Trạm biến áp, có nhiệm vụ đảm bảo cung cấp cho các phụ tải mà Trạm biến áp đảm nhận Với các 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, trong 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 biến áp 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:

1.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

2.Đảm bảo liên hệ chặt chẽ giữa các cấp điện áp đặc biệt với hệ thống khi bình thường cũng như cưỡng bức(có một phần tử không làm việc được)

3.Tổn hao qua máy biến áp bé, tránh trường hợp cung cấp cho phụ tải qua 2 lần biến áp không cần thiết

4.Vốn đầu tư hợp lý, chiếm diện tích càng bé càng tốt

5.Có khả năng phát triển trong tương lai gần, không cần thay cấu trúc đã chọn

II SỐ LƯỢNG MÁY BIẾN ÁP:

Số lượng máy biến áp ta có thể chọn 1, 2, 3… máy biến áp theo các trường hợp sau:

a Một máy biến áp được dùng trong trường hợp:

- Phụ tải thuộc loại không quan trọng Trạm thường được cung cấp bằng một đường dây từ hệ thống đến

- Trạm biến áp xây thường 2 giai đoạn, giai đoạn đầu đặt một máy, khi phụ tải phát triển (trong 2, 3 năm sau) sẽ đặt thêm máy biến áp thứ hai Thiết kế như vậy có ưu điểm không phải đặt hai máy ngay từ đầu nếu chọn công suất máy biến áp theo phụ tải sau khi phát triển, giai đoạn đầu máy biến áp làm việc non tải, tổn hao không tải lớn hơn Còn nếu chọn công suất theo phụ tải hiện tại, khi phát triển phải

thay máy biến áp lớn hơn Trường hợp này cho phép giai đoạn đầu vận hành một máy biến áp thường ít có khả năng sự cố máy biến áp, do máy biến áp còn mới, tuổi thọ còn cao Hơn nữa thiết kế như vậy vốn đầu tư ban đầu nhỏ, tận dụng vốn đầu tư tốt hơn

b Hai máy biến áp: là phương án thường được sử dụng nhất vì tính đảm bảo cao

Phương án này được thiết kế khi:

- Có hai đường dây cung cấp từ hệ thống

- Khi không có máy biến áp lớn phù hợp với phụ tải

- Không có khả năng chuyên chở và xây lắp máy biến áp lớn hơn

c Ba máy biến áp chỉ sử dụng trong trường hợp đặc biệt:

- Khi không có hai máy biến áp phù hợp

- Trạm biến áp đã xây dựng, khi phát triển phụ tải không có khả năng thay 2 máy mới phải đặt thêm máy thứ ba

Đặt 3 máy biến áp thường đưa đến tăng vốn đầu tư, tăng diện tích xây dựng, phức tạp xây lắp

Từ việc phân tích số lượng máy biến áp và tính chất quan trọng của Trạm ta có kết luận như sau: Trạm biến áp được thiết kế có 2 đường dây được cung cấp từ hệ thống xuống, ngoài ra các cấp điện áp 110kV và 22kV đều có các phụ tải loại 1 quan trọng nên để đảm bảo cho việc cung cấp điện được liên tục ta chọn 2 máy biến áp vận hành song song

III CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ TRẠM BIẾN ÁP:

Trạm biến áp là một công trình nhận điện bằng 1 hay 2 nguồn cung cấp với điện áp cao để phân phối cho các phụ tải ở các cấp điện áp bằng hoặc bé hơn điện áp hệ thống Phần công suất được phân phối ở điện áp bằng điện áp hệ thống không qua máy biến áp hạ, phần còn lại qua máy biến áp giảm có điện áp phù hợp với phụ tải

1) Các phương án thiết kế:

Một Trạm biến áp có thể có nhiều phương án cấu trúc khác nhau, để chọn phương án tối ưu cho cần cân nhắc các khía cạnh sau đây:

_ Số lượng máy biến áp

_ Tổng công suất máy biến áp ∑S dm.B

_ Tổng vốn đầu tư mua máy biến áp ∑V B

_ Tổn hao điện năng tổng qua các máy biến áp ∑ΔA B

ÙPhương án này được sử dụng khi:

_ Phụ tải ở các cấp điện áp thấp bé hơn phụ tải ở cấp điện áp cao

(ST>SH)

_ Không có máy biến áp 3 cuộn dây thích hợp Máy biến áp 3 cuộn dây chỉ chế tạo thích hợp với điện áp thấp hoặc lớn hơn 6kV, 10kV, 22kV…

ÙPhương án này có nhược điểm là máy biến áp cấp một(điện áp lớn nhất) phải tải cả

công suất ở các cấp nối tiếp, do đó phải chọn công suất lớn, tổn hao có thể lớn vì vậy không nên sử dụng khi phụ tải SH ≥ ST

ÙƯu điểm của phương án này:

_ Số lượng máy biến áp chỉ có 2 máy, chiếm ít diện tích xây lắp

_ Giá thành thấp

_ Tổn hao trong máy biến áp có thể nhỏ hơn các phương án 1, 4 vì không phải qua

2 lần biến áp

ÙNhược điểm của phương án này:

_ Không phải trường hợp nào cũng có máy biến áp phù hợp, máy biến áp 3 cuộn dây chỉ chế tạo với điện áp UH ≥ 6kV

_ Sử dụng máy biến áp 3 cuộn dây có thể tổn hao lớn hơn khi dùng máy biến áp từ ngẫu và giá thành có thể cao hơn

ÙƯu điểm của phương án này:

_ Số lượng máy biến áp chỉ có 2 máy, chiếm ít diện tích xây lắp

_ Giá thành thấp

Tổn hao trong máy biến áp có thể nhỏ hơn các phương án 1, 4 vì không phải qua 2 lần biến áp

ÙTuy nhiên không phải trường hợp nào cũng khả thi vì:

_ Máy biến áp 3 cuộn dây chỉ chế tạo với điện áp UH≥6kV

_ Máy biến áp từ ngẫu chỉ chế tạo với điện áp UT≥110kV, cho nên khi UT≥110kV chỉ dùng MBA từ ngẫu

_ Khi công suất lớn kích thước và trọng lượng MBA lớn có thể không cho phép khi chuyên chở và xây lắp

Khi công suất của các cuộn chênh lệch quá nhiều Vì MBA chỉ chế tạo công suất bé nhất cũng bằng 2/3 công suất định mức (100/100/66,7; 100/66,7/66,7; 100/66,7/100) điều này dẫn đến cuộn công suất bé sẽ non tải

Chú ý: Khi không bắt buộc không nên sử dụng ≥3 máy biến áp 3 cuộn dây hay từ ngẫu,

vì như vậy sẽ dẫn đến không tốt khi bố trí thiết bị phân phối điện

ÙPhương án này được sử dụng :

_ Khi phụ tải ở các cấp điện áp thấp bé hơn phụ tải ở cấp điện áp cao (UT > UH) _ Khi không có máy biến áp 3 cuộn dây thích hợp Máy biến áp 3 cuộn dây chỉ chế tạo với điện áp thấp bằng hoặc lớn hơn 6kV, 10kV, 22kV…

ÙPhương án này có nhược điểm:

_ Tăng số lượng MBA dẫn đến chiếm nhiều diện tích

_ Tách Trạm biến áp thành hai phần riêng biệt (hai Trạm biến áp đặt chung trong một nơi) Tuy nhiên phương án này sử dụng khi phụ tải ở UT và UH chênh lệch nhiều mà không thể dùng phương án 1, 2 và 3 Ví dụ khi điện áp cao là 22kV, điện áp của phụ tải là 6(15kV) và 0,4kV…

Nói chung phương án này có nhiều hạn chế và ít được sử dụng

2) Chọn phương án thiết kế:

Trong 4 phương án trên, ta thấy phương án nào cũng có ưu và khuyết điểm riêng Tuy nhiên, qua các yêu cầu nêu trên ta thấy phương án 1 và phương án 3 là 2 phương án khả thi hơn Tuy nó có một số khuyết điểm như: kích thước và trọng lượng của máy biến áp lớn gây trở ngại trong việc vận chuyển và lắp đặt… nhưng những khuyết điểm đó có thể khắc phục được Bên cạnh đó nó có những ưu điểm: số lượng máy biến áp sử dụng ít hơn, tổn hao ít và phù hợp với công suất của Trạm biến áp cần được thiết kế… Vì vậy ta chọn phương án 1 và phương án 3 làm 2 phương án để thiết kế Trạm Ta tạm gọi :

Phương án 1 là phương án A Phương án 3 là phương án B

98oC Trong điều kiện như vậy, cách điện của máy biến áp chịu sự hao mòn định mức Độ tăng nhiệt độ của cuộn dây máy biến áp so với nhiệt độ không khí xung quanh phụ thuộc vào công suất phụ tải Công suất định mức của máy biến áp được quyết định phú hợp với độ tăng nhiệt độ định mức của cuộn dây so với nhiệt độ không khí Khi máy biến áp đặt ngoài trời thì nhiệt độ môi trường không phải là cố định mà luôn luôn thay đổi suốt năm phù hợp với điều kiện khí hậu Đối với mỗi vùng khí hậu có thể qui định nhiệt độ đẳng trị của không khí theo sự hao mòn cách điện trong thời gian T, và máy biến áp nào đó làm việc với phụ tải không thay đổi cũng có sự hao mòn cách điện giống như nó làm việc trong điều kiện thực tế có nhiệt độ không khí thay đổi sau chu kỳ thời gian khảo sát Ở Nga, nhiệt độ định mức của môi trường làm mát qui định là +20oC Lớp dầu trên bề mặt ứng với phụ tải định mức có độ tăng nhiệt độ lớn nhất bằng:

_ Đối với hệ thống làm mát M và Д : θđ(đm)=55oC

_ Đối với hệ thống làm mát Ц và ДЦ : θđ(đm)= 40oC

Khi chọn công suất định mức của máy biến áp nên tính đến khả năng quá tải của chúng

1) Các điều cần chú ý khi chọn công suất máy biến áp:

Nếu Trạm cần thiết kế chỉ đặt một máy biến áp thì chọn công suất định mức của nó trên cơ sở có xét đến khả năng quá tải thường xuyên của máy biến áp đó

Nếu Trạm đặt hai máy biến áp thì chọn công suất định mức của nó phải xét đến khả năng quá tải sự cố khi hỏng một trong hai máy biến áp đó để bảo đảm cho sự cung cấp

điện luôn được liên tục Trong điều kiện làm việc bình thường cả hai máy biến áp đều non tải

Nếu Trạm có ba cấp điện áp thì nên đặt máy biến áp ba dây quấn hay máy biến áp tự ngẫu Trong đa số trường hợp cho thấy rằng, dùng loại máy biến áp này có lợi về mặt kinh tế hơn so với máy biến áp hai dây quấn Máy biến áp tự ngẫu giảm áp thì luôn có lợi về mặt kinh tế so với máy biến áp ba cuộn dây; nhưng việc dùng máy biến áp tự ngẫu chỉ trong trường hợp lưới điện áp cao và trung đều có trung tính trực tiếp nối đất

Lúc lựa chọn máy biến áp cho Trạm cần phải tính đến những luồng công suất phụ trao đổi giữa nhà máy điện với hệ thống

Khi chọn công suất máy biến áp cần phải tính toán đến khả năng phát triển phụ tải, tránh trường hợp vừa xây dựng xong Trạm biến áp lại phải thay đổi hay đặt thêm máy khi phụ tải tăng Điều này cần cân nhắc rất khoa học và thực tế mới có thể chọn công suất tối ưu thỏa mãn tất cả các điều kiện đã nêu trên

Máy biến áp trên thị trường hiện nay rất đa dạng về loại, vì vậy cần cân nhắc thật kỹ lưỡng khi chọn loại máy biến áp cho phù hợp với yêu cầu của Trạm:

_ Máy biến áp một pha, ba pha

_ Máy biến áp hai cuộn dây, hai cuộn dây

_ Máy biến áp có cuộn dây phân chia

_ Máy biến áp từ ngẫu một pha, ba pha

_ Máy biến áp tăng áp, máy biến áp hạ áp

_ Máy biến áp có và không có điều chỉnh lưới tải

Cần chú ý máy biến áp hiện nay có thể do nhiều nước trên thế giới chế tạo với những tiêu chuẩn khác nhau, vì vậy chúng có thể khác nhau về điều kiện làm việc

2) Các yêu cầu khi chọn số lượng máy biến áp:

Trong hệ thống cung cấp điện, công suất của MBA điện lực trong điều kiện bình thường phải đảm bảo cung cấp cho tất cả các hộ tiêu thụ

Khi chọn công suất MBA phải đảm bảo chế độ làm việc hợp lý về kinh tế, đảm bảo dự trữ rõ rệt để cung cấp cho hộ loại 1

Độ tin cậy cung cấp điện, khi một MBA bị hư hỏng, máy còn lại phải đảm bảo công suất yêu cầu không chỉ sử dụng công suất được định của MBA mà kể cả khả năng quá tải

Vốn đầu tư cho máy biến áp phải thấp và hiệu quả nhất, dung lượng máy biến áp trong một trạm nên đồng nhất và chi phí vận hành bé nhất

3) Kiểm tra khả năng quá tải của máy biến áp:

Sau khi chọn được công suất và số lượng máy biến áp ta cần phải kiểm tra lại khả năng quá tải của máy biến áp đã chọn Máy biến áp được chọn vận hành trong điều kiện bình thường là non tải, đôi khi cũng phải vận hành trong điều kiện quá tải với một khoảng thời gian nhất định mà không làm hỏng máy biến áp Ta có thể tính được khả năng quá tải của máy biến áp thông qua quan hệ về sự hao mòn của máy biến áp và đồ thị phụ tải để cho sự hao mòn không vượt quá thời gian định mức

Trong thực tế khi tính toán chọn công suất cho máy biến áp trong thiết kế Trạm biến áp và Nhà máy điện thường theo phương pháp đơn giản dựa trên qui định quá tải cho phép của máy biến áp

a) Quá tải thường xuyên của máy biến áp:

Quá tải bình thường là chế độ làm việc xét trong 1 khoảng thời gian nào đó (ngày, tháng, năm) trong đó có 1 khoảng thời gian MBA bị quá tải và khoảng thời gian còn lại của chu kỳ khảo sát MBA mang tải nhỏ hơn định mức

Hệ số quá tải bình thường được xác định từ đồ thị khả năng tải của MBA

Đó là quan hệ giữa hệ số quá tải cho phép, hệ số phụ tải bậc k1 và thời gian quá tải.Để sử dụng được phương pháp này cần biến đổi đồ thị phụ tải nhiều bậc thành đồ thị phụ tải hai bậc

Công suất đẳng trị trong khoảng thời gian xét được xác định theo biểu thức:

n i i dt

t

t S S

1

1 (3-1)

Sđt : công suất đẳng trị

Si : phụ tải của MBA

Khi biến đổi thành các phụ tải bậc 2 có các trường sau:Đồ thị phụ tải của MBA nhiều bậc có cực đại vào buổi chiều Theo công thức (3-1) tính Sđt2 với thời gian trước lúc quá tải là ti1 và tính Sđt1 với thời gian quá tải là 10h

Nếu đồ thị phụ tải của MBA có cực đại trong 1 ngày thì phụ tải đẳng trị bậc 2 tính đối với cực đại nào đó có tổng Siti đạt trị số lớn nhất Khi chọn được Sđt2 thì Sđt1 sẽ tính như 1 trong 2 trường hợp trên

Nếu Sđt<0,9Smax thì lấy Sđt2 =0,95Smax còn thời gian thứ 2 được tính như sau

2 max 2 2 2

) 9 , 0 (

.

S

t S

Trường hợp máy biến áp làm việc với đồ thị phụ tải 2 bậc (hoặc đồ thị phụ tải nhiều bậc đã biến đổi thành đồ thị phụ tải bậc 2 đẳng trị) thì trình tự xác định quá tải cho phép của MBA theo đường cong được tiến hành như sau:

ÙSo sánh với k 2cp để kết luận quá tải của MBA

ƠNếu k2cp >k2 thì MBA không được quá tải bình thường với hệ số k2

ƠNếu k2cp <k2 thì MBA không được quá tải bình thường với hệ số k2 mà chỉ được quá tải với k2cp

b) Quá tải sự cố của máy biến áp:

Đó là quá tải cho phép máy biến áp làm việc trong điều kiện sự cố (ví dụ hỏng một trong các máy biến áp làm việc song song) mà không gây hư hỏng chúng Như vậy, trị số quá tải sự cố cho phép được quyết định sao cho nhiệt độ của cuộn dây và dầu máy biến áp không vượt quá giá trị cho phép để khỏi ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường tiếp theo của máy biến áp Nhiệt độ cho phép cực đại đối với dầu là 115oC và đối với điểm nóng nhất của cách điện cuộn dây là 140oC

Trong điều kiện sự cố, máy biến áp dầu được phép quá tải 40% nếu thời gian quá tải của ngày không quá 6 giờ, trong 5 ngày đêm và hệ số phụ tải bậc một k1 không vượt quá 0,93

Quá tải sự cố cho phép k2cp = 1,4 nên xem như một hệ số tính toán nào đó, sử dụng khi lựa chọn máy biến áp theo điều kiện quá tải sự cố Trị số quá tải sự cố cho phép trong vận hành được quyết định phụ thuộc vào điều kiện cụ thể: đồ thị phụ tải và nhiệt độ môi trường làm mát

Theo đồ thị phụ tải đẳng trị về 2 bậc, trong đó k1 < 0,93; k2 < 1,4 và T2 <6 giờ, chú

ý theo dõi nhiệt độ của cuộn dây không được vượt quá 140oC và tốt nhất là tăng cường tối đa các biện pháp làm lạnh máy biến áp

c) Quá tải ngắn hạn của máy biến áp:

Trong trường hợp đặc biệt, để hạn chế cắt phụ tải, có thể vận hành theo khả năng quá tải ngắn hạn của máy biến áp không cần phải tính k1, k2 và T2 như trên mà sử dụng bảng dưới đây:

Khả năng quá tải 1,3 1,45 1,6 1,75 2 3 Thời gian quá tải (phút) 120 80 45 20 10 1,5 Khi sử dụng khả năng này sự hao mòn về chất cách điện có thể bằng sự hao mòn khi vận hành với Sđm trong 10 giờ với nhiệt độ môi trường xung quanh bằng định mức

II CHỌN CÔNG SUẤT MÁY BIẾN ÁP:

Với công suất tổng:

max 3 2

1 S S S S

S1= 51,28 MVAỈ phụ tải cấp 110 KV

S2= 26,67 MVAỈ phụ tải cấp 22KV

S3=0,4 MVAỈ phụ tải cấp 0,4 KV

Ỉ Smax = 78,35 MVA

1.Phương án A:

a.Chọn MBA 2 cuộn dây cấp 220/110 KV: Ta chọn theo đồ thị phụ tải tổng của

toàn trạm

Với Smax = 78,35 MVA

Điều kiện quá tải sự cố:

1,4SđmB ≥ Smax

4 , 1

35 , 78 4 , 1

max

MVA

S

Chọn SđmB =75 MVA, hiệu ONAF

Kiểm tra theo điều kiện quá tải sự cố:

+ Thời gian quá tải: T = 4h < 6h

+ Hệ số K1:

93 , 0 3568 , 0 75

10 10 76 , 26 10

2 2

1 1

dm S

t S

S

S K

Vậy máy biến áp được chọn thỏa với điều kiện quá tải sự cố

b.Chọn MBA 2 cuộn dây cấp 110/22 KV: Ta chọn theo đồ thị phụ tải của cấp

điện áp 22kV

Với Smax2 = S2 + Std = 26,67 + 0,4 = 27,07 (MVA)

Điều kiện quá tải sự cố:

1,4SđmB2 ≥ Smax2

4 , 1

07 , 27 4 , 1

2 max

Chọn SđmB2 = 25 MVA, hiệu ONAN

Kiểm tra theo điều kiện quá tải sự cố:

+ Thời gian quá tải: T = 4h > 6h

+ Hệ số K1:

93 , 0 87 , 0 25

10 10 73 , 21 10

2 2

1 1

dm S

t S

S

S K

Bảng thông số kỹ thuật của các MBA đã chọn:

Điện áp Kiểu Sđm

(MVA) Cao Hạ (%) UN I(%) (kW) ΔPo (kW) ΔPN Giá tiền(10

3) (USD)

2.Phương án B:

Chọn MBA từ ngẫu ba pha 220/110/22 KV:

Với Smax= 78,35 MVA

Máy biến áp được chọn phải thỏa điều kiện sự cố:

1,4SđmB≥ Smax

4 , 1

35 , 78 4 , 1

S

Chọn SđmB= 63 MVA, hiệu ATДЦTH

Kiểm tra theo điều kiện quá tải sự cố:

+ Thời gian quá tải: T = 8h > 6h

+ Hệ số K1:

93 , 0 43 , 0 63

10 10 76 , 26 10

2 2

1 1

dm S

t S

S

S K

Vậy máy biến áp được chọn không thỏa với điều kiện quá tải sự cố

Những trường hợp bị sự cố về máy biến áp rất hiếm, vì vậy trong những trường hợp này cho phép ta cắt bớt phụ tải không quan trọng khoảng 2h từ 12h ÷ 14h cho thời gian quá tải còn T = 6h để máy biến áp làm việc trong tình trạng an toàn

Đồ thị sau khi cắt bớt phụ tải:

Ta kiểm tra lại theo điều kiện quá tải sự cố sau khi đã cắt bớt phụ tải:

+ Thời gian quá tải: T = 6h

+ Hệ số K1:

93 , 0 43 , 0 63

10 10 76 , 26 10

2 2

1 1

dm S

t S

S

S K

Vậy ta có thể dùng máy biến áp này

Bảng thông số kỹ thuật của các MBA đã chọn:

ΔPNKiểu (MVA) Cao Trung Hạ C/T C/H T/HSđm % ΔPI o

C/T C/H T/H

III TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG:

1) Ý nghĩa của vấn đề tổn thất điện năng trong mạng điện:

Khi truyền tải điện năng từ thanh cái nhà máy điện đến các hộ dùgn điện, ta cần phải dùng dây dẫn và máy biến áp, nên một phần điện năng tất nhiên bị tiêu hao do đốt nóng dây dẫn, do tạo ra các trường điện từ và các hiệu ứng khác Phần tiêu hao đó gọi là tổn thất điện năng Thuật ngữ “tổn thất điện năng”cần phải được hiểu rõ ràng, vì rằng trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân, tổn thất làm liên tưởng đến tổn thất do phế phẩm, do rối loạn quá trình công nghệ sản xuất,… Thuật ngữ”tổn thất điện năng”cần phải hiểu là tổn thất do công nghệ kỹ thuật truyền tải điện năng, cho nên còn gọi là tổn thất kỹ thuật Khi có dòng điện chạy trong dây dẫn và máy biến áp, vì chúng có điện trở và điện kháng nên bao giờ cũng có một tổn thất nhất định về công suất tác dụng và công suất phản kháng Số năng lượng mất mát đó biến thành nhiệt làm nóng dây dẫn và máy biến áp, cuối cùng toả ra ngoài không khí, không mang lại một hiệu quả nào

Trong các mạng điện nhỏ thì tổn thất không lớn nhưng ở các hệ thống điện lớn thì tổn thất này rất lớn, vào khoảng 10 đến 15% công suất truyền tải

Lượng điện bị tổn thất đó, tất nhiên cũng phải do nhà máy cung cấp, kết quả là vốn đầu tư nguồn phát cao vì thiết bị phát điện phải tăng Ngoài ra, tổn thất càng lớn thì phải chi thêm nhiên liệu: than, dầu, nước,… do đó giá thành sản xuất điện cao dẫn đến giá báo điện cao không có lợi cho việc phát triển kinh tế và phục vụ dân sinh

Tổn thất công suất phản kháng tuy không ảnh hưởng trực tiếp đến mức phí tổn về nhiên liệu nhưng gây ra tình trạng không đủ công suất phản kháng để cung cấp cho các hộ dùng điện Như vậy phải trang bị một số thiết bị để phát thêm công suất phản kháng như tụ điện, máy bù đồng bộ Kết quả là chi phí đầu tư về thiết bị tăng cao, làm giá thành tải điện cũng tăng cao lên

Vì vậy việc nghiên cứu vấn đề tổn thất điện năng rất quan trọng vì có nắm vững lí luận mới có thể tính đúng được tổn thất công suất và điện năng, định được giá thành trong lúc thiết kế và tìm ra được biện pháp làm giảm bớt mức tổn thất Do đó tính tổn thất điện năng là một khâu không thể thiếu được đối với người thiết kế và vận hành trạm biến áp

2) Tổn thất điện năng trong máy biến áp:

Tổn thất công suất trong máy biến áp và máy biến áp từ ngẫu gồm có hai phần: _ Tổn thất sắt không phụ thuộc vào phụ tải và bằng tổn thất không tải của máy biến áp

_ Tổn thất đồng phụ thuộc vào phụ tải, khi phụ tải bằng công suất định mức của máy biến áp thì tổn thất đồng bằng tổn thất ngắn mạch

a) Tổn thất điện năng trong máy biến áp ba pha hai cuộn dây:

Nếu có n máy biến áp vận hành song song (không bị cắt khi phụ tải giảm) thì tổn thất không tải hàng năm được xác định theo số giờ làm việc t của chúng trong năm; còn tổn thất phụ thuộc vào phụ tải được xác định theo thời gian tổn thất lớn nhất τ, nó là hàm số thời gian sử dụng phụ tải lớn nhất Tmax và cosφ theo đồ thị phụ tải hàng năm

Như vậy tổn thất điện năng trong máy biến áp ba pha hai cuộn dây sẽ là:

τ 1

.

2 max

dmB N kt

S

S P n t P n

Δ

Ở đây : SđmB : công suất định mức của máy biến áp

Smax : phụ tải cực đại của n máy biến áp theo biểu đồ

ΔPkt, ΔPN : tổn thất không tải và tổn thất ngắn mạch của máy biến áp (do nhà chế tạo cho)

Trường hợp có đồ thị phụ tải hình bậc thang, chúng ta có thể xác định tổn thất điện năng trong máy biến áp ba pha hai cuộn dây như sau:

2

2

1

dmB

i i N kt

S

t S P n t P n

Δ

Ở đây, Si là phụ tải qua n máy biến áp vận hành song song trong thời gian ti tương ứng với đồ thị phụ tải hình bậc thang

b) Tổn thất điện năng trong máy biến áp từ ngẫu ba pha:

Đối với máy biến áp từ ngẫu, nhà chế tạo đã cho các số liệu sau:

_ Tổn thất không tải ΔPkt

_ Tổn thất ngắn mạch giữa các cuộn dây cao và trung ΔPN.C-T; trung và hạ ΔPN.T-Hvà cao-hạ ΔPN.C-H

Trường hợp chỉ cho ΔPN.C-T, có thể xem ΔPN.C-H = ΔPN.T-H = ½ ΔPN.C-T

Tổn thất điện năng hàng năm của máy biến áp tự ngẫu là:

)

(

1

2 max 0

2

2 0 max 0 2

2 max

H dmB

H H dmB

n dmB

C N kt

S

S P S

S P S

S P n t P n

Δ

Trong đó:

0 0

0 3 U I .

S = là công suất qua cuộn dây chung

ΔPn, ΔP0, ΔPH – tổn thất ngắn mạch trong cuộn dây nối tiếp, cuộn dây chung và cuộn dây hạ; chúng được xác định như sau:

] )

2 [(

2

1

.

2

H T N H C N T C N

[ 2

1

.

2 3

12([

2

1

.

2

H H dmB dmB

C N

S

S P S

S P S

S P n t P n

2 2

2 0 0 2

2

∑ Δ +Δ +Δ+

Δ

=Δ

Chúng ta có thể xác định tổn thất điện năng trong máy biến áp tự ngẫu ba pha tương tự như máy biến áp ba pha ba cuộn dây:

]

.[

1

2 max 2

2 max 2

2 max

H dmB

H H N T dmB

T T N C dmB

C C N kt

S

S P S

S P S

S P n t P n

A= Δ + Δ − τ +Δ − τ +Δ − τ

Δ

Trong đó ΔPN-C, ΔPN-T, ΔPN-H là tổn thất ngắn mạch trong cuộn dây đi áp cao, trung, hạ của máy biến áp tự ngẫu:

) (

5 ,

2

.

.C N C T αN C H αN T H

N

P P

P

−

Δ + Δ

= Δ

) (

5 ,

2

.

.T N C T αN T H αN C H

N

P P

P

−

Δ + Δ

= Δ

) (

5 ,

N

P P

U

U

=α

Ta biết rằng công suất lớn nhất của cuộn dây điện áp thấp của máy biến áp tự ngẫu chỉ là: SđmH = α.SđmB

Nếu đồ thị phụ tải hình bậc thang thì có thể dùng biểu thức sau để tính tổn thất điện năng trong máy biến áp tự ngẫu:

i dmB

iH H N dmB

iT T N dmB

iC C N

S

S P S

S P S

S P n t P n

2 2

2 2

2

∑ Δ + Δ + Δ −

+ Δ

= Δ

Trong đó SiC, SiT, SiH là công suất tải qua cuộn cao, cuộn trung, cuộn hạ áp của n máy biến áp tự ngẫu

3) Tính tổn thất điện năng cho từng phương án:

_ Vậy tổn thất điện năng trong máy biến áp ba pha hai cuộn dây ở cấp điện áp

220/110kV trong một ngày đêm là:

) ( 41 , 3178 75

08 , 56752 278 2

1 24 37

_ Vậy tổn thất điện năng trong máy biến áp ba pha hai cuộn dây ở cấp điện áp

110/22kV trong một ngày đêm là:

) ( 56 , 2301 25

53 , 9474 120 2

1 24 29

Phương án B dành cho 2 máy biến áp từ ngẫu vận hành song song:

_ Hệ số có ích:

5 , 0 220

U

U U

α

_ Tổn thất ngắn mạch trong cuộn dây điện áp cao, trung và hạ:

160 ) 5 , 0

240 5

, 0

220 400 ( 5 ,

ΔP N C

240 ) 5 , 0

220 5

, 0

240 400 ( 5 ,

ΔP N T

720 ) 400 5

, 0

240 5

, 0

220 ( 5 ,

63

24 , 9386 720 63

68 , 40395 240 63

08 , 56752 160 ( 2

1 24 45

BẢNG THỐNG KÊ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

Tổn thất điện năng trong 1

CHƯƠNG 5

TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH

I GIỚI THIỆU:

a) Giới thiệu về ngắn mạch:

Khi chuyển từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác, trong Hệ thống điện vì có máy điện động, quá trình không thể tức thời mà phải trải qua một quá trình quá độ điện từ Nguy hiểm và thường phải xét là khi ngắn mạch Dòng điện trong giai đoạn này nói chung là có dao động và gồm có hai thành phần: chu kì và không chu kì Thành phần chu kì sẽ dao động theo tần số f, trị số biên độ sẽ giảm dần và ổn định sau thời gian quá độ

Thành phần không chu kì tắt dần và mất đi sau thời gian quá độ

Ngắn mạch là hiện tượng làm mất đi một phần hay toàn bộ tổng trở của phụ tải, của đường dây.v.v của một pha, hai pha hay cả ba pha Nguyên nhân gây ra ngắn mạch có thể do cách điện bị hỏng, do lí do nào đó làm cho các pha chập vào nhau hoặc chạm đất.v.v

Ngắn mạch là tình trạng sự cố nghiêm trọng và thường xảy ra trong hệ thống cung cấp điện Vì vậy, các phần tử trong hệ thống điện phải được tính toán và lựa chọn sao cho không những làm việc được trong trạng thái bình thường mà còn có thể chịu được trong trạng thái sự cố trong thời gian cho phép

Để lựa chọn các phần tử của hệ thống cung cấp điện, chúng ta phải dự đoán được tình trạng ngắn mạch như: dòng điện ngắn mạch và công suất ngắn mạch, các số liệu này đóng vai trò quan trọng để thiết kế hệ thống bảo vệ cho hệ thống điện, xác định phương thức vận hành của hệ thống điện, vì thế tính toán ngắn mạch là không thể thiếu khi thiết kế hệ thống cung cấp điện

Mục đích tính dòng điện ngắn mạch là để chọn các khí cụ điện và các phần có dòng điện chạy qua Các thiết bị điện, sứ cách điện và các bộ phận dẫn điện khác của hệ thống điện trong điều kiện vận hành có thể ở một trong ba trạng thái sau đây:

- Chế độ làm việc lâu dài

- Chế độ quá tải

- Chế độ chịu dòng ngắn mạch

Trong chế độ làm việc lâu dài các thiết bị điện, sứ cách điện và các bộ phận dẫn điện khác sẽ làm việc tin cậy nếu chúng được chọn theo đúng điện áp và dòng điện mức Trong chế độ quá tải, dòng điện qua thiết bị và các bộ phận dẫn điện khác lớn hơn

so với dòng điện định mức Nếu mức quá tải không vượt quá giới hạn cho phép thì các thiết bị điện vẫn làm việc tin cậy

Trong tình trạng ngắn mạch, các khí cụ điện, sứ cách điện và các bộ phận dẫn điện khác vẫn đảm bảo làm việc tin nếu quá trình chọn lựa chúng có các thông số theo đúng

Có thể phân biệt 4 loại ngắn mạch sau đây:

_ Ngắn mạch ba pha : kí hiệu N(3)

_ Ngắn mạch hai pha : - N(2)

_ Ngắn mạch một pha : - N(1)

_ Ngắn mạch hai pha chạm đất : - N(1,1)

Chỉ có ngắn mạch ba pha là ngắn mạch đối xứng, còn lại là không đối xứng

Trị số, quá trình biến thiên của dòng ngắn mạch phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nguồn cung cấp, tổng trở ngắn mạch, loại ngắn mạch, thời gian ngắn mạch và thời điểm ngắn mạch

b) Các phương pháp tính ngắn mạch:

Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện trong quá trình này cần quan tâm là:

I” : trị số hiệu dụng ban đầu hay còn gọi là dòng ngắn mạch siêu quá độ

Ixk : trị số hiệu dụng lớn nhất hay còn gọi là dòng xung kích khi ngắn mạch

Ixk : trị biên độ lớn nhất, được xác định tại thời điểm t=1/4 chu kì sau khi ngắn mạch, tức 0,01 sec

It : trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch tại thời điểm t khác nhau

Trong tính toán thường xác định tại các thời điểm : t=0; 0,1; 0,2; 0,5; 1…

Ioo : trị hiệu dụng ổn định

Có nhiều phương pháp tính ngắn mạch khác nhau phụ thuộc vào yêu cầu độ chính xác, vào mục đích nghiên cứu, vào thiết bị phương tiện có được.v.v

Thường dùng các phương pháp sau đây:

_ Đường cong tính toán

_ Gần đúng bỏ qua các yếu tố không ảnh hưởng nhiều đến kết quả

_ Sử dụng mô hình tương tự (máy tính một chiều, xoay chiều)

_ Sử dụng máy tính số

Mục đích của việc tính toán dòng ngắn mạch (IN) để phục vụ cho việc chọn các khí cụ điện (Máy cắt, kháng điện, biến dòng, biến điện áp) và các phần dẫn điện (dây dẫn, thanh dẫn, cáp) Có nhiều phương pháp tính dòng ngắn mạch, tuy nhiên để tính toán chính xác dòng ngắn mạch trong hệ thống điện lớn là việc làm khá khó khăn và mất nhiều thời gian, trong thực tế thường sử dụng các phương pháp gần đúng để tính ngắn mạch Những phương pháp được đơn giản hóa bởi một số giả thiết nên mức độ không cao, thông thường sai số phải nằm trong phạm vi cho phép Nếu cần và khi có yêu cầu, có thời gian có thể áp dụng chương trình mẫu và thực hiện trên máy tính

Tính bằng phương pháp đơn giản

Dòng điện ngắn mạch được tính theo phương pháp đơn giản:

∑

∑ =

=

dm dm cb

cb N

X

I X

I I

ΣXcb : Điện kháng tổng tại điểm ngắn mạch trong hệ tương đối cơ bản

ΣXđm : Điện kháng tổng tại điểm ngắn mạch trong hệ tương đối định mức

cb

cb cb

U

S I

3

= : Dòng điện cơ bản

cb cb cb

cb cb

S

U I

U X

2

= : Điện kháng cơ bản

Scb : Công suất cơ bản

Ucb : Điện áp cơ bản

Scb có thể chọn tùy ý nhưng để dễ dàng trong tính toán thường chọn bằng SΣHT; 100MVA hoặc 1000MVA

Ucb = Utb của các cấp điện áp

Utb tương ứng với các cấp điện áp bằng: 500; 230; 115; 37; 22; 18; 15,5; 13,8; 10,5; 6,3kV

ÙDòng ngắn mạch xung kích tính theo biểu thức:

xk N

xk I K

Trong đó: Kxk là hệ số xung kích

Kxk = 1,8

ÙKhi tính toán ngắn mạch ta dùng giả thiết sau:

+ Tất cả các sức điện động trùng pha nhau

+ Bỏ qua dòng từ hóa trong các máy biến áp

+ Sức điện động các nguồn cung cấp xa điểm ngắn mạch thì ta xem như không đổi

ÙĐối với cấp điện áp lớn hơn 1000V: vì điện trở của đường dây nhỏ hơn nhiều lần so

với điện kháng của đường dây, do đó khi tính toán ngắn mạch có thể bỏ qua ảnh hưởng của điện trở Nhưng đối với điện áp nhỏ hơn 1000V thì phải kể đến ảnh hưởng của điện trở trên đường dây Lúc đó dòng ngắn mạch được tính như sau:

+ Điện kháng của hệ thống:

HT

cb HT

S

S x

U

S l x

Với: l: chiều dài đường dây (Km)

X0 : điện kháng đường dây trên 1 Km chiều dài

Đường dây trên không X0 = 0,4(Ω /Km)

dm N B

S

U P

ΔPN : Công suất ngắn mạch của máy biến áp

II TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH:

ÙChọn hệ cơ bản:

cb

cb

cb = = =

) ( 02 , 5 115 3

cb

cb

cb = = =

) ( 24 , 26 22 3

1000 18 , 0

=

HT

cb HT

S

S X X

_ Tính toán ngắn mạch ở điểm N 1 cấp 220kV:

+ Điện kháng đường dây từ nguồn:

91 , 0 230

1000 120 4 , 0

1 0

cb

cb d

U

S l x X

51 , 2

* 1

1

X

I I

.

_ Tính toán ngắn mạch ở điểm N 2 cấp 110kV:

+ Điện kháng đường dây từ nguồn:

67 , 1 75

1000 100

5 , 12

d

S

S U

02 , 5

* 2

2

X

I I

.

_ Tính toán ngắn mạch ở điểm N 3 cấp 22kV:

+ Điện kháng đường dây từ nguồn:

2 , 4 25

1000 100

5 , 10

d

S

S U

24 , 26

* 3

3

X

I I

.

ÛPHƯƠNG ÁN B:

+ Điện kháng đường dây từ nguồn:

91 , 0 230

1000 120 4 , 0

1 0

cb

cb d

U

S l x X

Ỉ 0 , 46

2d =

X

12 ) 22 35 11 ( 2

1

%)

%

% (

1

%)

%

% (

1

%)

%

% (

1000 100

12

N C

X S

S U

X

0 2

0 63

1000 100

0

N T

X S

S U

X

83 , 1 2 65 , 3 63

1000 100

23

N H

X S

S U

X

_ Tính toán ngắn mạch tại điểm N 1 cấp 220kV:

X* ΣN1 = XHT + Xd/2 = 0,09 + 0,46 = 0,55

55 , 0

1 1

* 1

* 1

⇒

) ( 63 , 11 8 , 1 57 , 4 2

.

_ Tính toán ngắn mạch tại điểm N 2 cấp 110kV:

Vì XT = 0 nên sơ đồ tương đương tại N2 như sau:

03 , 1 48 , 0 46 , 0 09 , 0 2 2

*

2 = + + = + + =

ΣNM HT d C

X X X X

) ( 97 , 0 03 , 1

1 1

* 2

* 2

⇒

) ( 4 , 12 8 , 1 87 , 4 2

95 , 1 92 , 0 03 , 1 2 2 2

*

3 = + + + = + =

ΣNM HT d C H

X X X X X

) ( 51 , 0 95 , 1

1 1

* 3

* 3

⇒

) ( 06 , 34 8 , 1 38 , 13 2

+ Nguồn điện là các mạch cung cấp điện năng vào có thể là máy biến áp, máy phát điện, đường dây cung cấp

+ Phụ tải là các mạch đưa công điện năng ra có thể là máy biến áp, đường dây… v… v…

Mỗi nguồn hay tải gọi là một phần tử của sơ đồ nối điện

Thanh góp là nơi tập trung các nguồn điện và phân phối cho các phụ tải

ỊYêu cầu của sơ đồ nối điện:

1 Tính đảm bảo cung cấp điện:Theo yêu cầu hay sự quan trọng của phụ tải mà mức

đảm bảo cần đáp ứng Tính đảm bảo của sơ đồ nối điện có thể đánh giá qua độ tin cậy cung cấp điện, thời gian ngừng cung cấp điện, điện năng không cung cấp đủ cho các hộ

tiêu thụ hay là sự thiệt hại của phụ tải do không đảm bảo cung cấp điện

2 Tính linh hoạt: Thể hiện sự thích ứng với các chế độ làm việc khác nhau Ví dụ:

Khi phải ngừng một phần tử nguồn hay tải ( chế độ làm việc cưỡng bức) Sơ đồ vẫn vận

hành bình thường không làm ảnh hưởng đến các phần tử khác

3 Tính phát triển: Sơ đồ nối điện cần thoả mãn không những hiện tại mà cả trong

tương lai gần khi tăng thêm nguồn hay tải Khi phát triển không bị khó khăn hay phải phá

bỏ thay đổi cấu trúc sơ đồ

4 Tính kinh tế: Thể hiện ở vốn đầu tư ban đầu và các chi phí hàng năm Ví dụ tổn thất điện năng qua máy biến áp

5 Cũng cần quan tâm tính hiện đại của sơ đồ cũng như xu thế chung, đặc biệt sự tiến bộ trong chế tạo, cấu trúc của các khí cụ điện như máy cắt điện

ỊCác dạng sơ đồ cơ bản:

Căn cứ vào số thanh góp, vào số máy cắt điện cung cấp cho các phần tử, sơ đồ nối điện chia thành 3 nhóm sau đây:

A SƠ ĐỒ THUỘC NHÓM THỨ NHẤT

Sơ đồ nhóm thứ nhất có đặc điểm chung là mỗi phần tử (nguồn, tải) chỉ đi qua một máy cắt điện Khi máy cắt này đóng thì phần tử đó mới làm việc, khi máy cắt cắt phần tử này

bị ngừng cung cấp điện

Phụ thuộc vào số lượng thanh góp, nhóm thứ nhất có các dạng sơ đồ:

1 Sơ đồ hệ thống một thanh góp:

Sơ đồ một hệ thống thanh góp không phân đoạn

Sơ đồ này có đặc điểm là: Tất cả các phần tử (nguồn và tải) đều được nối vào thanh góp chung Mỗi phần tử nối vào thanh góp phải có một máy cắt điện, hai bên máy cắt nói chung có 2 dao cách ly, trừ mạch máy phát điện có thể không cần dao cách ly về phía máy phát, mạch máy biến áp hai cuộn dây có thể không có dao cách ly về phía máy biến áp Các dao cách ly này có nhiệm vụ đảm bảo an toàn khi cần sửa chữa máy cắt điện

ÙSơ đồ một hệ thống thanh góp có ưu điểm:

Đơn giản, rõ ràng, mỗi phân tử được thiết kế riêng cho mạch đó Khi vận hành sửa chữa… mạch này không ảnh hưởng trực tiếp đến các mạch khác

ÙTuy nhiên nó có một số khuyết điểm:

+ Khi sửa chữa máy cắt điện trên mạch nào, các phụ tải nối vào mạch này cũng bị mất điện Thời gian ngừng cung cấp điện phụ thuộc vào thời gian sửa chữa máy cắt điện đó

+ Ngắn mạch trên thanh góp đưa đến cắt điện toàn bộ các phần tử Ngay cả khi cần sửa chữa thanh góp hay cả dao cách ly về phía thanh góp (gọi là dao cách ly thanh góp) cũng sẽ mất điện toàn bộ trong thời gian sửa chữa

ỈDo những ưu khuyết điểm trên, sơ đồ này chỉ được sử dụng khi yêu cầu về tính đảm bảo không cao, các hộ tiêu thụ thuộc loại 3, trường hợp này chỉ có một nguồn cung cấp Để tăng cường tính đảm bảo cho sơ đồ này có thể thực hiện các biện pháp sau:

a) Phân đoạn thanh góp:

Hình 6-1 Sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn a) bằng một dao cách ly; b) bằng hai dao cách ly; c) bằng máy cắt điện

Thanh góp được phân thành nhiều phân đoạn bằng một dao cách ly (hình 6-1a), hai dao cách ly (hình 6-1b) hoặc bằng máy cắt điện cùng hai dao cách ly hai bên (hình 6-1c) Số phân đoạn được phân theo số nguồn cung cấp Mỗi phân đoạn có một nguồn cung cấp và một phần các mạch tải

Máy cắt điện hay dao cách ly phân đoạn có thể đóng hay cắt khi vận hành bình thường, điều này phụ thuộc vào sự lựa chọn cân nhắc của bộ phận vận hành, vì đóng hay cắt đều có ưu khuyết điểm của nó

Dùng dao cách ly để phân đoạn rẻ tiền hơn nhưng không linh hoạt và đảm bảo bằng phân đoạn bằng máy cắt điện

Khi đã phân đoạn bằng máy cắt thì các phụ tải loại 1 sẽ được cung cấp điện từ 2 đường dây nối vào 2 phân đoạn khác nhau, do đó không còn mất điện do bất kỳ nguyên nhân nào cần cắt, nghỉ một đường dây hay một phân đoạn

Khi cần sửa chữa chỉ tiến hành cho từng phân đoạn, việc cung cấp điện được chuyển cho phân đoạn kia

Khi sự cố trên một phân đoạn nào, máy cắt phân đoạn sẽ cắt cùng với máy cắt của các mạch trên phân đoạn đó, phân đoạn còn lại vẫn đảm bảo có giảm nhưng xác suất xuất hiện sự cố trong thời gian này thấp

Nếu bình thường làm việc trong chế độ máy cắt phân đoạn cắt, nên đặt thêm bộ phận tự động đóng nguồn dự phòng Nhờ bộ phận này khi mất nguồn cung cấp trên phân đoạn nào đó, máy cắt phân đoạn sẽ tự đóng lại và phân đoạn được cung cấp từ phân đoạn kia

Với những ưu điểm đã nêu trên, sơ đồ một hệ thống thanh góp có phân đoạn bằng máy cắt điện được sử dụng rất rộng rãi trong các Trạm biến áp cũng như nhà máy điện khi điện áp không cao lắm (10, 22, 35, 110kV) và số mạch không nhiều Đặc biệt hiện nay máy cắt điện SF6 có độ tin cậy cao, thời gian cần sửa chữa bảo quản ngắn, thời gian ngừng cung cấp điện do máy cắt sẽ rất bé, nên sơ đồ này càng được sử dụng rộng rãi hơn và là sơ đồ chủ yếu trong các trạm biến áp cung cấp điện hiện nay ở nước ta

Sơ đồ này cũng được sử dụng ở điện áp máy phát của các nhà máy điện Đối với thiết bị phân phối trọn bộ (nhà máy chế tạo sẵn từng mạch bao gồm cả thanh góp, máy cắt, dao