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

Phần 2 giáo trình Hệ thống cung cấp điện cung cấp cho người học các kiến thức: Trạm biến áp, tính toán ngắn mạch trong hệ thống điện, chọn thiết bị và các phần tử hệ thống điện, bảo vệ role. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chương 5

5.1 ĐẠI CƯƠNG

1 Khái n iệm chun g

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, aptôm at, 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

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 k ế cần phải tìm lời giải tối ưu bằng cách giải các bài toán kinh tế - kỹ thuật

5.2 PHÂN LOẠI TRẠM BIỂN ÁP

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 ệ t

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 m ặt 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 tron g 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 m ột 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

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 b ộ

Là loại trạm biến áp k io s k (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 b iến á p 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

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

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

2 Phương pháp xác đinh vi trí tối ưu của tram biến áp

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 ư u v ề tr u y ề n tải đ iê n 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;

- Tối ưu t h e o chi p h í tru y ề n tả i v à p h â n p h ô i đ iệ n n ăn g:

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 (5.3.4)

z cci - 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

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 C họn c ô n g su ât 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 c ủ 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 2 5 ^3 0 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:

- Q u á tả i s a u s ư 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 ,7 5 (/ctỉk< 0,75) Tức là điều kiện làm việc quá tải của máy biến áp được xác định theo biểu thức:

kqt = < 1,4

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 ch u k ỷ 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°"”

°C;

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 = ^ b a ® M

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,

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 = 132G cd+ 108G td+544G d+ 133Gmt

Gcd, Gtd ,Gd, Gml - khối lượng của cuộn dây, thùng dầu, dầu và mạch từ của máy

biến áp, tấn;

Q u y 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:

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= 5 0 % thì mức

quá tải cho phép sỗ là:

s 3% = 100 — 3 = 15%,

10Tức 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 ch ế 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:

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

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 C họn s ô lượng m áy biến áp

S ố 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

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)

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

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

= 2 4 h /n ăm

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 g iả 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 cẩ u 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

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 K Z

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 ra m b i ê n á p h a i m á y c ó c ầ u liên lạ c b ằ n g d a o c á c h /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 (hình5.5 l.d)

2 Các sơ đ ồ d ù n g 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

b S ơ đ ổ c ẩ u t r o n g (hình 5.5.2.Ò) v à 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 M CI và MC3 tác động và đường dây Đ I 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 C I 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

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:

3 Sớ đổ hai hệ thanh cái (hình 5.5.3)

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

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 - iok V

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 ca o 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

- 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 ca o áp

a M á y c ắ t

Cấc loại máy cắt thường sử dụng hiện nay rất đa dạng:

• M á y c ắ t n h iề u 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

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

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

Hình 5.6.4 Máy cát ít dầu loại BMP- 133.

của buồng được đẩy lên phía trên, thổi ngang qua hồ quang và dập tắt nó.

• M á y 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 á y 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~(V 10 7 mmHg ở độ chân không lO ^m m H g 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 á y 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

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

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

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 ạ ch và d a o n gắn m a ch

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

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

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 m ở mạch và cắt đối tượng cần bảo vệ ra khỏi mạng điện

Hình 5.6.13.Dao cách ly một cực loại Hình 5.6.14 Dao cách ly ba cực

PJlHfl-35 -600:1 sứ cách điện; 2 thanh truyền trong nhà loại PÍ1B-10/400

dộng; 3 lưỡi dao cái; 4.1ưỡi dao đực; 5 dao nối đất

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 1 7 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 1 8 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 á y b iế n đ ổ i đ o lư ờ n g g ồ m

• M á y b iế n 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

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 ch ế tạo đặc biệt dưới dạng Ampe kìm (hình 5.6.20) giúp cho việc đo đếm được dễ dàng hơn.

• M á y b iê n 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 k v 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

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 i ê 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)

C uộn kháng có đường đặc tính Von-Ampe tuyến tính vi chúng không có lõi thép

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

3 C ác th iết bi phân phối phía thứ câp

Các thiêt bị phân phối phía thứ cấp thường được mắc trong các tủ phân phối được chê tạo bằng thép tấm (hình 5.6.23) Trong tủ có bố trí các thiết bị: thanh cái, aptom at, cầu dao, máy biến dòng, các thiết bị đo lường, thiết bị bảo vệ thiết bị điều khiển, tín hiệu

w Nửa trên của tủ được bố trí các thiêt bị đo lường như Vonmet, Ampemet, công tơ w, dưới một chút là tay điều khiển của cầu dao Các thiết bị khác như cầu dao, cầu chảy, hệ

thống thanh cái, máy biến dòng, aptomat, phễu cáp w được bố trí ở phía sau Riêng các tụ điện được bố trí ở các tủ độc lập để có thể dễ dàng vận hành và bảo quản Thông thường

các tủ phân phối phía thứ cấp được chế tạo theo kiểu hợp bộ

Hình 5.6.23 Tủ phân phối hạ áp:

1 hệ thanh cái; 2 cầu dao; 3 cầu chảy; 4 máy biến dòng; 5 thanh trung tính;

6 công tơ ba pha; 7 phều cáp

5.7 VÍ DỤ VÀ BÀI TẬP

Ví d u 5 1 Hãy xác định vị trí đặt của trạm biến áp trong một xí nghiệp

Điếm tải Công suất Toạ độ, m

Kết quả xác định được X = 23, 55 m và Y= 29,2 m Tọa độ các điểm tải và trạm

biến áp được thể hiện trên sơ đồ mắt bằng xí nghiệp

Hình 5.7.1 Sơ dồ mặt bans bô

■ ' ý 15trí các diêm tải và trạm biến áp

10

Ví dụ 5 2 : Chọn số lượng và công suất máy biên áp của trạm biến áp 2 2 /0 ,4 kV

của m ột xí nghiệp với công suất tính toán dự báo là s„ = 650 kVA, hệ số công suất

costp = 0,8, trong đó phụ tải loại I và II chiếm 65% (m1+2 = 0,65), thời gian hao tổn cực

đại Tm = 5 0 3 5 h hệ số tiêu chuẩn và khấu hao p =0,165 Giá thành tổn thất điện năng CA

= 7 0 0 đ/kW h; suất thiệt hại do mất diện g,h=2500 đồng/kW h

Giải:

Hệ số điền kín đồ thị vcó thể được xác dinh theo biểu thức:

đk S M 876 0 8760 = 0 ,5 7 < 0,75

như vậy biến áp có thể làm việc quá tải 40% trong khoảng thời gian cho phép không quá

6 giờ Căn cứ vào số liệu cho trước và số liệu tính toán ta tiến hành so sánh hai phương án:

Phương án I: chọn 1 máy biến áp công suất 630 kVA

Phương án II: chọn 2 máy biến áp cồng suất 2 x 3 1 5 kVA

với các tham số như sau:

TT Biến áp công suất;

kVA

Hao tổn công suất Vốn đầu tư; 106 VNĐ

Xét về kỹ thuật, hai phương án không ngang nhau về độ tin cậy cung cấp điện: phương án I sẽ phải ngừng cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ khi có sự cố trong máy biến

áp Đối với phương án II, khi có sự cố ờ một trong hai máy biến áp, máy còn lại sẽ phải

gánh toàn bộ phụ tẳi loại I và II của xí nghiệp, để đảm bảo sự tương đồng về kỹ thuật của các phương án cần phải xét đến thành phân thiệt hại do mất điện khi có sự cố xẩy ra trong các máy biến áp Trước hết ta kiểm tra khả năng quá tải của máy biến áp khi một trong hai máy bị sự cố

Phụ tải trong thời gian sự cố một máy biến áp bao gồm phụ tải loại I và loại II

Ssc = Stt.m 1+2 = 6 5 0 0 , 6 5 = 4 2 2 ,5 kVA

Hê số quá tải kQỈ -■ = — = 1,34 <1,4

Như vậy máy có thể chịu được quá tải trong thời gian sự cố

Xác định chi phí quy đổi của các phương án :Thiệt hại do mất điện: Coi sự thiệt hại

đối với các phụ tải loại III ở hai phương án là như nhau, ta chỉ xét đến thiệt hại do mất điện

đối với phụ tải loại I và loại II

- Đối với phương án I:

Y l = g th.p th.íf = 2500 4 2 2 ,5 24 = 2 5 ,3 5 106 đ /n ă m

- Đối với phương án II: y2 = 0

Xác định tổn thất điện năng trong các máy biến áp theo biểu thức:

2

AA = n.APní +

QV°M

cx = c a A A x = 700 40626,7= 2 8 ,4 4 106đ /n ăm

c2 = 700 478 7 0 ,6 4 = 3 3 ,5 1 106 Chi phí quy đổi của các phương án:

z, = 0,165 1 3 3 ,1 106 + 2 8 ,4 4 106+ 2 5 ,3 5 106 = 7 5 ,3 5 .1 0 6 đ

z„ = 0 ,1 6 5 1 8 8 106 + 3 3 ,5 1 106+ 0 = 6 4 , 5 3 106 đCác kết quả tính toán được thể hiện trong bảng sau:

Bảng VI) 5.2 kết quá tính toán của các phương án

Như vậy ta thấy phương án II có tổng chi phí quy đổi thấp hơn phương án I Rõ ràng nếu không xét đến độ tin cậy cung cấp điện thì ta rất dễ chọn nhầm phương án vì cả

vốn đầu tư và cả tổn thất ở phương án II đều cao hơn ở phương án I Việc lựci chọn

phương án dùng hai máy biến áp còn có lợi là có thế cắt bớt một máy khi phụ tải quá nhỏ, điểu đó tránh cho máy biến áp phải làm việc non tải do đó giẳm được tốn thất và nâng cao

chất lượng điện Với cách chọn máy biến áp như vậy ở những năm cuối của chu kỹ thiết kế

máy có thể làm việc quá tải trong một khoảng thời gian nhất đình, nhưng điều đó hoàn toàn không ảnh hưởng đến tuổi thọ của máy

Ví d ụ 5 3 Chọn Số lượng và công suất máy biến áp của trạm biến áp 2 2 /0 ,4 kV

của một xí nghiệp với công suất dự báo dạng tuyến tính theo thời gian: St = 2 9 5 + 3 3 ,5 t, kVA; coscp = 0,8, trong đó phụ tải loại ỉ và II chiếm 65% (m1+2 = 0,65), thời gian sừ dụng công s u ấ t cực đại TM = 4 8 5 0 h ; hệ số chiết khấu i = 0,1; giá thành tổn thất điện năng

CA = 700 đ/kW h; s u ấ t thiệt hại do mất điện gth=3500 đồng/kW h, chu kỳ tính toán

Bang VD1 Các tham số của máy biến áp

Hao tổn công suất, kW Vốn đầu tư, 10()đ

có sự cố xẩy ra ở một trong các máy biến áp Trước hết ta kiểm tra khẳ năng quá tải của máy biến áp khi một trong hai máy bị sự cố đối với phương án một Phụ tải trong thời gian

sự cố m ột máy biến áp bao gồm phụ tải loại I và loại II:

Ssc = s n.mu2 = 5 2 9 ,5 0 ,6 5 = 3 4 4 ,1 7 5 kVA

s 344 1 7 s

Hê SỐ quá tải k Qt = ^ = 1,375 < 1,4

Như vậy khi có sự cô ờ 1 trong 2 máy biến áp thi máy còn lại có thê chịu được quá

tả trong thời gian cho phép

Xác định chi phí của các phương án theo các năm

Tổn thất điện năng trong các máy biến áp ở năm thứ t được xác định theo biểu

cu= C \ ,AA] I = 700 227 1 6 ,2 5 = 1 5 ,9 106đ /năm

PA2: năm đầu AA]|1 = 1.8760 + / 328,5^

500 3250 = 1 8 5 8 0 ,01kW

C 1N = Ci.AAy = 700.18580,01= 13,1.10(’đ /nămTính toán tương tự cho các năm và các phương án, kết quả ghi trong bảng VD.5.3

Thiệt hại do mất điện được xác dinh theo biểu thức (1): Coi sự thiệt hại đối với các phụ tải loại 111 ở các phương án là như nhau, ta chỉ xét đến thiệt hại do mất điện đối với

phụ tải loại 1 và loại II

Đối với phương án dùng 2 máy biến áp thi coi như không có thiệt hại Y=0

Đối với phương án dùng 1 máy biến áp:

Thiệt hại ở năm đầu:

V, = glh.Sthlcosọ.t( = 350 0 3 2 8 ,5 0 ,8 2 4 = 1 4 ,3 5 10(l đ /n ăm Tính toán tương tự kết quả ghi trong bảng VD.5.3, PVC được xác dinh theo biểu

Bang VD2 Kết quả tính chọn phương án đặt mấy biên áp

cậy cung cấp điện thi ta rất dễ chọn nhầm phương án vì cả vốn đầu tư và cả tổn thất Ở

phương án 1 đều cao hơn ở phương án hai và phương án ba.

Bang VD3 Các tham số so sánh cún các phương án

Vạy chỉ ở năm cuối cùng của chu kỳ thiết k ế là m áy có thể làm việc quá tải trong một khoảng thời gian nhất đính, nhưng điều đó hoàn toàn không ảnh hưởng đến tuổi thọ của máy.

Bài tập tự giải

1 Hãy xác định vị trí đặt của trạm biến áp trong một xí nghiệp

p = 0,165

3 Chọn máy biến áp 1 0 /0 ,4 kv cho một xí nghiệp có phụ tải tính toán là S M = 280 kVA,cosẹ = 0,75, trong đó có 70 % phụ tải loại 1 và loại II (m]+2 = 0,70) Thời gian hao tổn cực đại r M = 4 5 7 0 h hệ số tiêu chuẩn và khấu hao p = 0,168

4 Chọn số lượng và công suất máy biến áp của trạm biến áp của một xí nghiệp với côngsuất tính toán SM = 4 7 6 kVA, coscp = 0,8 trong đó phụ tải loại I và 11 chiếm 65% (m1+2 = 0,65), công suất trung binh S(b = 272 kVA, thời gian hao tổn cực đại TM =

4 7 5 0 h hệ số tiêu chuẩn và khấu hao p = 0,175

5 Hãy chọn số lượng và công suất máy biến áp của trạm biến áp 1 0 /0 ,4 kv của một xí

nghiệp với công suất dự báo dạng tuyến tính theo thời gian: s, = 235,82 + 4 1 ,5t, coscp = 0,8, trong đó phụ tải loại I và II chiếm 60% (m1+2 = 0,60); thời gian hao tổn cực đại r M = 4 7 5 0 h Giá thành tổn thất điện năng c _\ = 650 đ/kW h; suất thiệt hại do

mất điện glh= 3 8 0 0 đồng/kW h, chu kỳ tính toán T = 10 năm, hệ số chiết khấu i =

0,1.

6. Hãy chọn số lượng và công suất máy biến áp của trạm biến áp 2 2 /0 ,4 kv của một xínghiệp với công suất dự báo dạng tuyến tính theo thời gian: s, = 3 1 2 ,3 6 + 4 3 ,8 t, coscp = 0,7 8 , trong đó phụ tải loại ỉ và II chiếm 63% (m1+2 = 0,63); thòi gian hao tổn cực đại TM = 4 8 5 0 h Giá thành tổn thất điện năng CA = 650 đ/kW h; suất thiệt hại do

mất điện gth= 3 5 0 0 đồng/kW h, chu kỹ tính toán T = 10 năm, hệ số chiết khấu i =

0,1.

Tóm tắt chư ơng 5

Một số loại trạm biến áp thường dùng trong thực tế là: trạm treo, trạm bệt, trạm biến áp trong nhà, trạm hợp bộ

Vị trí tối ưu của trạm biến áp có thế được xác định:

- Theo tâm tải: X = ~ S x ' ; y =

Theo diều kiện truyền tải điện năng: \ụ = z S ị yJ(Xị - X ) 2 4- cỹị - Y )2

- Theo chi phí truyền tải và phân phối:

M - N

-z = ỵ -z c^ ( X i- X j2 +íy, - V ) 2 * ỵ z m y [ ĩ ^ x ) 2

Công suất và số lượng máy biến áp được chọn theo điều kiện quá tải cho phép và

có tính đến độ tin cậy cung cấp điện với hàm mục tiêu là:

z = pVBA + caaa 4- yVới y = s,h Alh = gth p,htf

Các dạng sơ đồ của trạm biến áp gồm:

Sơ đồ đơn giản: khối máy biến áp - đường dây, sơ đồ dùng cầu chảy, sơ đồ dùng hợp bộ OD-KZ

Sơ đồ dùng máy cắt:áơ đồ cầu trong, sơ đồ cầu ngoài;

Sơ đồ hai hệ thanh cái

Câu hổi ôn tập

1 Đại cương về trạm biến áp

2 Phân loại trạm biến áp

3 Các phương pháp xác định vị trí của trạm biến áp

4 Trình bày khả năng mang tải của máy biến áp

5 Phương pháp chọn công suất và số lượng máy biến áp

6 Trình bày một số dạng sơ đồ đơn giản của trạm biến áp

7 Trình bày các sơ đồ cầu ừong, cầu ngoài và sơ đồ hai hệ thanh cái

8 Cấu trúc của trạm biến áp

Chương 6

TÍNH TOÁN NGỒN M0CH

6.1 ĐẠI CƯƠNG

1 M ột s ô khái niệm và đinh nghĩa

* Ngắn mạch là gì? Ngắn mạch là hiện tượng mạch điện bị nối tắt, thường xẩy ra

khi các pha chập nhau, trong trường hợp các pha chạm với đất gọi là ngắn mạch chạm

đất

* Hiện tượng gì diễn ra khi có ngắn mạch? Khi mạng điện bị ngắn mạch do điện

trở của mạch bị giảm nên:

- Dòng điện đạt đến giá trị cao, đặc biệt khi có ngắn mạch gần nguồn;

- Điện áp trong mạng giảm (điện áp tại điểm ngắn mạch ba pha có giá trị bằng 0)

* Phân loại ngắn mạch

- Ngắn mạch ba pha còn được gọi là ngắn mạch đối xứng là sự chạm chập của cẳ

ba pha với nhau, dạng ngắn mạch này chỉ chiếm khoảng 5 % trong tổng số các sự cố trong mạng điện Cũng có thể có ngắn mạch ba pha chạm đất nhưng xác suất rất nhỏ

- Ngắn mạch 2 pha là sự chạm chập giữa hai pha bất kỳ, thường chiếm khoảng

- Ngắn mạch một pha là hiện tượng chạm chập giữa một pha bất kỳ với dây trung tính Sự chạm chập giũ& một pha với đất gọi là ngắn mạch một pha chạm đất Dạng ngắn mạch này chiếm tới 65 % tổng số sự cố trong mạng điện Sự chạm một pha với đất có thể

là trực tiếp, có thể qua một điện trở trung gian

Ký hiệu của các dạng ngắn mạch được thể hiện trong bảng 6.1

2 N guyên nhân xẩy ra ngắn m ach

Nguyên nhân chính dẫn đến ngắn mạch là do thao tác nhầm, do cách điện bị phá hổng, do hậu quả của các sự cố trước đó Sự phá hỏng cách điện có thể do các nguyên nhân sau:

- Cách điện bị già cỗi do thiết bị đã làm việc quá lâu;

- Tác động nhiệt của dòng điện;

- Tác động cơ học;

- Tác động của xung quá điện áp do sét đánh trực tiếp hoặc gián tiếp, hoặc do quá điện áp nội bộ

3 Hậu quả của n gắn m ach

Như đã biết, khi xẩy ra ngắn mạch dòng điện tăng cao, đồng thời điện áp giảm xuống do đó gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến trạng thái của các phần tử mạng điện gây một số hậu quả sau:

- Sự tăng của dòng điện làm tăng nhiệt độ đốt nóng trên các phần tử nên có thế dẫn đến phá hổng cách điện;

- Dòng điện lớn sinh ra lực điện từ lớn dẫn đến khả năng thiết bị bị biến dạng hoặc

bị phá gẫy;

- Điện áp giảm phá vỡ sự hoạt động bình thường của các hộ dùng điện;

- Ngắn mạch trong hệ thống lớn có thể dẫ đến sự phân bố lại dòng công suất trên các đường dây dẫn đến sự mất ổn định trong hệ thống;

- Hồ quang có thể xuất hiện khi ngắn mạch gây hoả hoạn và phá hổng thiết bị;

- Ngắn mạch thường dẫn đến sự gián đoạn cung cấp điện, gây thiệt hại về kinh tế, thậm chí có thể đe doạ đến tính mạng con người

- Sự cố ngắn mạch có thể dẫn đến các sự cố lan truyền khác

4 Ý ngh ĩa của tính toán ngắn m ạch

Việc tính toán ngắn mạch là để tiến hành giải hành loạt các bài toán kỹ thuật khác

như

- Chọn và kiểm tra thiết bị điện;

- Chọn và đánh giá sơ đồ điều khiển hộ thống điện;

- Phân tích ch ế độ ổn đỊnh của hệ thống;

- Thiết k ế và chỉnh định hệ thống bảo vệ rơle;

- Đánh giá ảnh hưởng của hệ thống điện lực đối với hệ thống thông tin;

- Phân tích và đánh giá sự cố trong hệ thống điện

6.2 S ơ ĐỔ THAY TH Ể VÀ CÁC HỆ ĐƠN VỊ TRONG TÍNH TOÁN NGAN MẠCH

1 S ơ đ ổ thay th ê

Sơ đồ thay th ế là sơ đồ điện mà trong đó các phần tử của mạng điện được thay

bằng một điện trở tương ứng, riêng máy phát và phụ tải được thay bằng một điện trở và

một suất điện động Ví dụ sơ đồ thực tế của mạng điện (hình 6 2 l.a) được thay bằng sơ

đồ tính toán (hình 6.2 l.b) Trong sơ đồ thay thế chỉ xét đến các phần tử có liên quan đến

tính toán ngắn mạch, còn các phần tử khác thi không cần phải biểu thị vi như vậy sẽ có

thế làm cho sơ đồ thêm rườm rà Sơ đồ thay thế được thiết lập tuỳ theo điều kiện yêu cầu

của bài toán, chẳng hạn như tính toán ngắn mạch ba pha hay một pha, tính ngắn mạch

trong mạng điện cao áp hay hạ áp w

2 Các h ệ đơn vi d ù n g trong tính toán ngăn mạch

a H ê đ ơ n vi c ó tên

Trong hệ đơn vị có tên các đại lượng được tính toán với đơn vị thực tế của mình

như dòng điện là A hay kA, điện áp là V hay kV, công suất là VA hay kVA , điện trở là Q

W Khi tính toán ngắn mạch tất cả các đại lượng tham gia trong quá trình tính toán đều

phẳi quy về cùng một cấp điện áp, được gọi là cấp cơ sở hay cấp cơ bản Các đại lượng

được quy vể cấp cơ bản theo biểu thức:

u 0 = k u , I0 = IA; Z0 = k2Z (6.2.1)trong đó k là hệ số biến áp; k = U0/ U

Hình 6.2.1 a Sơ đổ mạng diện; b sơ dổ thay thế tính toán.

Nếu có nhiều cấp biến áp thì UQ = (kỴ kọ k3 )U Các biểu thức quy đổi của các

đại lượng được biếu thị trong bằng 6.2.1

Tuy nhiên khi nhân các hệ số biến áp với nhau thì các cấp điện áp trung gian sẽ bị triệt tiêu cho nhau nên kết quả cuối cùng chỉ còn lại tỷ số giuồ điện áp cấp cơ bản và điện

Bảngố.2 1 Quy đổi các đại lượng về cấp điện áp cơ bản

khi có 1 cấp điện áp khi có nhiều cấp

cơ bản Do các đại lượng điện áp, dòng điện và điện trở có mối liên hệ với nhau qua định luật Om, còn công suất thì tỷ lệ thuận với tích của điện áp và dòng điện nên người ta chí cần chọn hai đại lượng cơ bản là công suất và điện áp, còn các đại lượng khác thi được suy

Vể nguyên tắc có thể chọn giá trị công suất cơ bản Scb bất kỹ, nhưng nhìn chung

cần phải chọn Scb sao cho bài toán được giẳi dễ nhất (các con số tính toán không quá lớn,

cũng không quá nhỏ và lẻ), thường thì Scb lấy bằng bội số của các công suất định mức của

các phàn tử tham gia trong mạng điện hoặc bằng giá trị công suất định mức của một

trong các phần tử đó Còn điện áp cơ bản thì lấy bằng điện áp định mức ở nơi xẩy ra

ngắn mạch

Các đại lượng trong hệ đơn vị cơ bẳn được biếu thị với dấu sao (*) Nếu các giá trị

của các đại lượng cơ bản đã được xác định thì giá trị của các đại lượng bất kỳ trong hệ đơn

vị tương đối được xác định theo các biểu thức sau:

s =

z =

s scb

nếu thay

vào biểu thức:

thì ta được

=V3/Cb

Trong các công thức trên:

Sk - công suất ngắn mạch của hệ thống (nếu không biết truớc S|< thì có thể coi

Scb - công suất cơ bản, MVA;

Ucb - điện áp cơ bản, kV;

Ưtb - điện áp trung bình của đường dây, thường lấy bằng giá trị định mức, kV;

/cb - dòng điện cơ bẳn, kA;

S nmp - công suất định mức của máy phát, MVA;

SnBA * công suất đinh mức của máy biến áp, MVA;

ƯnBA - điện áp định mức của máy biến áp, kV;

x ”d - điện trở siêu quá độ dọc trục máy phát;

Uk -điện áp ngắn mạch của máy biến áp, %;

APk - hao tổn công suất ngắn mạch trong máy biến áp, MVA;

xkd - điện trở tương đối của cuộn kháng điện;

r0 x0 - suất điện trở tác dụng và phản kháng của đường dây, Q /km ;

I - chiều dài đường dây, km;

(4nkd, Jnkd - điện áp và dòng điện định mức của kháng điện, kv và kA;

Trong thực tế người ta đã sử dụng hệ đơn vị tương đối để biểu thị các tham số của các thiết bị với các đại lượng cơ bản lấy bằng các giá trị định mức như; x " d của máy phát,

ơ k của máy biến áp, xkđ của cuộn kháng điện w Ví dụ trị số điện áp ngắn mạch u, của máy biến áp chính là lượng hao tổn đĩện áp tính theo phần trăm của điện áp định mức và

do đó nó chính là điện trở tương đối của máy biến áp ở ch ế độ định mức ở các máy biến

áp ba cuộn dây thì các giá trị điện áp ngắn mạch của máy biến áp được cho giíta các cuộn dây nên cần phải xác định các giá trị này của từng cuộn dây theo các biểu thức sau: