Bài giảng Nhà máy điện và trạm biến áp

Tổng công suất chỉ khoảng 100 MW với sản lượng điện hàng năm là 180 triệu kWh Đầu năm 1954 nhất là sau khi đất nước thống nhất, với tiềm năng lớn về các nguồn năng lượng tự nhiên nhiều

BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH XÃ HỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH

tËp bµi gi¶ng NHÀ MÁY ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự tăng trưởng của nền kinh tế quốc dân, hệ thống điện Việt nam không ngừng phát triển, luôn đi trước một bước nhằm phục vụ đắc lực cho sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Nhà máy điện và trạm biến áp là các khâu chủ yếu trong hệ thống điện Nếu nhà máy điện làm nhiệm vụ sản xuất điện năng thì các trạm biến áp làm nhiệm vụ biến đổi điện áp phục vụ cho việc truyền tải phân phối năng lượng điện Trong những năm gần đây nhiều nhà máy và trạm biến áp lớn đã và đang xây dựng, tương lai sẽ xuất hiện nhiều công trình lớn hơn với những thiết bị thế

hệ mới và đòi hỏi đầu tư rất lớn Việc giải quyết đúng đắn những vấn đề về kinh tế kỹ thuật trong quy hoạch và thiết kế xây dựng và vận hành các nhà máy điện và trạm biến

áp sẽ mang lại hiệu quả đáng kể đối với nền kinh tế quốc dân nói chung và đối với nghành điện nói riêng Muốn tìm lời giải tối ưu cho những vấn đề đã nêu cần có một hiểu biết sâu rộng về các vấn đề có liên quan đến các khâu trong hệ thống điện

Để phần nào đáp ứng được các yêu cầu về học tập, nghiên cứu, tính toán thiết kế, xây dựng vận hành phần điện trong các nhà máy điện và trạm biến áp nhóm tác giả đã biên soạn cuốn Tập bài giảng môn học “Nhà máy điện và trạm biến áp” được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giảng dạy môn này trong nhiều năm kết hợp với những nguồn tài liệu có được Để thống nhất nội dung giảng dạy, có tài liệu nghiên cứu cho sinh viên chuyên nghành Công nghệ Kỹ thuật điện chúng tôi đã biên soạn Tập bài giảng này Môn học được chia thành 5 chương:

Chương 1: Khái quát chung về nhà máy điện và trạm biến áp

Chương 2: Sơ đồ nối điện của nhà máy điện và trạm biến áp

Chương 3: Nguồn thao tác trong nhà máy điện và trạm biến áp

Chương 4: Mạch thứ cấp trong nhà máy điện và trạm biến áp

Chương 5: Thiết bị phân phối điện

Trong quá trình biên soạn, nhóm tác giả đã cố gắng tham khảo nhiều nguồn tài liệu, cập nhật kịp thời các tiến bộ khoa học kỹ thuật trong phạm vi nhà máy điện và trạm biến áp Tuy nhiên do với hạn chế về thông tin nên Tập bài giảng không tránh khỏi thiếu sót, chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc để Tập bài giảng ngày càng hoàn thiện hơn Nội dung đóng góp xin gửi về bộ môn Kỹ thuật điều khiển -Khoa Điện điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam định

Nhóm tác giả

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

Chương 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 1

1.1 NHÀ MÁY ĐIỆN 1

1.1.1 Khái quát chung 1

1.1.2 Nhà máy nhiệt điện 6

1.1.2.1 Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi 7

1.1.2.2 Nhà máy nhiệt điện rút hơi 8

1.1.3 Nhà máy thủy điện 11

1.1.3.1 Nhà máy điện kiểu đập 13

1.1.3.2 Nhà máy thủy điện kênh dẫn 14

1.1.3.3 Nhà máy thủy điện tích năng 15

1.1.4 Nhà máy điện nguyên tử 17

1.1.5 Các loại nhà máy điện khác 19

1.1.5.1 Nhà máy địa nhiệt 19

1.1.5.2 Nhà máy điện mặt trời 20

1.5.2 Nhà máy điện dùng sức gió (phong điện – PĐ) 21

1.2 Trạm biến áp 21

1.2.1 Khái quát chung về trạm biến áp 21

1.2.2 Vị trí và số lượng trạm biến áp 24

1.2.3 Vận hành trạm biến áp 36

CÂU HỎI ÔN TẬP 42

Chương 2 SƠ ĐỒ NỐI ĐIỆN CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 43

2.1 Khái niệm chung 43

2.1.1 Chọn sơ đồ nối điện chính của nhà máy điện và trạm biến áp 43

2.1.2 Chọn sơ đồ nối điện tự dùng của nhà máy điện và trạm biến áp 45

2.2 Sơ đồ thanh góp cơ bản 45

2.2.1 Sơ đồ nối mạch với thanh góp qua một máy cắt 47

2.2.1.1 Sơ đồ một thanh góp 47

2.2.1.2 Sơ đồ một thanh góp có phân đoạn : 49

2.2.1.3 Sơ đồ hai thanh góp 59

2.2.2 Sơ đồ nối mạch với thanh góp qua nhiều máy cắt 69

2.2.3 Sơ đồ nối mạch vòng kín 70

2.2.4 Sơ đồ cầu 73

2.3 Sơ đồ nối điện chính của một số nhà máy điện 78

2.3.1 Sơ đồ nối điện chính của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi 78

2.3.2 Sơ đồ nối điện chính của nhà máy nhiệt điện rút hơi 84

2.3.2.1 Cách đặt kháng điện thanh góp 86

2.3.2.2 Cách đặt kháng điện đường dây 91

2.3 Sơ đồ nối điện chính của nhà máy điện nguyên tử 92

2.3.4 Sơ đồ nối điện chính của nhà máy thủy điện 93

2.4 Sơ đồ nối điện trạm biến áp 100

2.4.1 Khái quát chung 100

2.4.2 Sơ đồ phía cao áp của trạm biến áp 102

2.4.3 Sơ đồ phía hạ áp của trạm biến áp 106

2.5 Điện tự dùng trong nhà máy điện và trạm biến áp 106

2.5.1 Khái quát chung 106

2.5.2 Sơ đồ tự dùng trong nhà máy điện 111

2.5.3 Sơ đồ tự dùng của trạm biến áp 123

2.5.4 Chọn máy biến áp và kháng điện tự dùng 124

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2 132

Chương 3: NGUỒN THAO TÁC TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 134

3.1 Khái niệm chung 134

3.2 Nguồn thao tác một chiều 134

3.2.1 Đặc tính về điện của acqui 136

3.2.2 Các sơ đồ làm việc của acqui 138

3.2.3 Chọn acqui 143

3.2.4 Chọn máy nạp acqui 145

3.3 Nguồn thao tác xoay chiều 146

3.4 Sơ đồ phân phối dòng thao tác một chiều, xoay chiều 146

3.4.1 Sơ đồ phân phối dòng thao tác một chiều 146

3.4.2 Sơ đồ phân phối điện áp xoay chiều 149

3.5 Lắp đặt acqui 153

3.5.1 Cách lắp đặt acqui 153

3.5.2 Buồng đặt acqui 154

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3 155

Chương 4: MẠCH THỨ CẤP TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 156

4.1 Khái niệm chung 156

4.2 Các phần tử của mạch thứ cấp 159

4.3 Khóa điều khiển 160

4.4 Các yêu cầu của sơ đồ điều khiển 162

4.5 Sơ đồ điều khiển và tín hiệu của máy cắt 168

4.6 Sơ đồ điều khiển và tín hiệu của máy cắt 176

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4 183

Chương 5 THIẾT BỊ PHÂN PHỐI ĐIỆN 184

5.1 Khái niệm chung 184

5.1.2 Khoảng cách nhỏ nhất trong các thiết bị phân phối điện 186

5.1.2 Khoảng cách rào bảo vệ 188

5.2 Lối đi trong các trạm có điện áp định mức lớn hơn 1kV 190

5.3 Lối đi trong các trạm biến áp định mức dưới 1kV 191

5.4 Các yêu cầu về xây dựng 192

5.4.1 Thiết bị phân phối điện trong nhà 193

5.4.2 Thiết bị phân phối điện ngoài trời 195

5.5 Một số cấu trúc mẫu của TBPP ngoài trời 199

5.5.1 Sơ đồ đặt thấp 201

5.5.2 Các sơ đồ dạng đặc biệt 203

5.5.3 Sơ đồ đường chéo 203

5.5.4 Sơ đồ 1,5 máy cắt 206

5.5.5 Thiết bị phân phối điện kiểu hỗn hợp 206

5.6 Lắp đặt và nối MBA với TBPP 207

5.6.1 Cách lắp đặt máy biến áp 207

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 5 208

TÀI LIỆU THAM KHẢO 209

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ biến đổi năng lượng ở nhà máy nhiệt điện 6

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình sản xuất điện năng của NĐN Phả lại 1 9

Hình 1.3 Sơ đồ quá trình sản xuất điện và nhiệt năng của nhiệt điện rút hơi 10

Hình 1.4 Sơ đồ của nhà máy thủy điện kiểu đập: 12

Hình 1.5 Mặt cắt ngang của nhà máy thủy điện kiểu dập 13

Hình 1.6 Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu ống dẫn 14

Hình 1.7 Sơ đồ thủy điện nhiều cấp 15

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý của nhà máy điện nguyên tử 17

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý của nhà máy điện địa nhiệt 20

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý của nhà máy nhiệt điện mặt trời 20

Hình 1.11 Cách bố trí trạm biến áp trung gian của một khu liên hợp gang thép 25

Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống điện 110 kV 28

Hình 1.13 Đồ thị phụ tải ngày công suất tác dụng của HTĐ và phân bố phụ tải cho các nhà máy 30

Hình 1.14 Trạm một máy biến áp 32

Hình 1.15 Trạm hai máy biến áp 33

Hình 1.16 Trạm có nhiều máy biến áp làm việc song song 33

Hình 1.17 Đường dây kéo 34

Hình 1.18 Sơ đồ của một trạm biến áp 35

Hình 1.19 Vận hành trạm hai máy biến áp theo sự biến thiên của phụ tải 41

Hình 2.1: Sơ đồ một thanh góp không phân đoạn 47

Hình 2.2: Phân đoạn bằng 1 dao cách ly 50

Hình 2.3: Phân đoạn bằng 2 dao cách ly 51

Hình 2.4: Phân đoạn bằng máy cắt 52

Hình 2.5 : Sơ đồ một thanh góp có thanh góp vòng 53

Hình 2.6 : Sơ đồ một thanh góp có thanh góp vòng chỉ cần 1 MCNV 55

Hình 2.7 : Sơ đồ cung cấp điện có dự phòng 56

Hình 2.8 : Sơ đồ dùng 2 máy cắt nối vào phân đoạn 57

Hình 2.9 : Sơ đồ một thanh góp có phân đoạn mạch nối vòng 57

Hình 2.10 : Sơ đồ hai thanh góp 60

Hình 2.11 : Sơ đồ một thanh góp có phân đoạn thanh góp làm việc 62

Hình 2.12 : Sơ đồ thay thế một máy cắt của mạch bất kỳ bằng máy cắt nối 63

Hình 2.13 : Sơ đồ hai thanh góp có thanh góp vòng 65

Hình 2.14 : Sơ đồ có MCNV 67

Hình 2.15 Các phương án của sơ đồ một thanh góp 68

Hình 2.16 Sơ đồ hai thanh góp có hai máy cắt trên một mạch 69

Hình 2.17: Sơ đồ một rưỡi 70

Hình 2.18: Sơ đồ nối hình vòng kín 72

Hình 2.19: Sơ đồ cầu 73

Hình 2.20: Sơ đồ cầu mở rộng 74

Hình 2.21: Sơ đồ cầu ngoài có dao cách ly 75

Hình 2.22: Sơ đồ cầu trong có dao cách ly 76

Hình 2.23: Các phương án nối theo sơ đồ bộ MPĐ – MBA 79

Hình 2.24: Các sơ đồ bộ máy phát điện – máy biến áp - đường dây 80

Hình 2.25: Sơ đồ hai thanh góp phân đoạn có thanh góp vòng 81

Hình 2.26: Sơ đồ hai thanh góp có 4 MC/3 82

Hình 2.27: Sơ đồ bộ máy phát điện-máy điện á -đường dây có thanh góp cân bằng 82

Hình 2.28: Sơ đồ lục giác kép 83

Hình 7.29: Sơ đồ ngũ giác kép 83

Hình 2.30: Sơ đồ đa giác ngũ giác - lục giác 84

Hình 2.31: Sơ đồ đa giác tứ giác - ngũ giác 84

Hình 2.32: Sơ đồ cấu trúc của NĐR 85

Hình 2.33: Sơ đồ thanh góp điện áp máy phát của NĐR 87

Hình 2.34: Sơ đồ thanh góp điện áp máy phát (TGF) của NĐR (tiếp theo) 88

Hình 2.35: Các phương án đặt KĐdd 91

Hình 2.36: Sơ đồ phía hạ áp của các bộ trong nhà máy điện NT 93

Hình 2.37: Sơ đồ bộ truyền tải công suất TĐ 94

Hình 2.38: Sơ đồ nối rẽ nhánh với một đường dây 95

Hình 2.39: Sơ đồ nối rẽ nhánh với hai đường dây 95

Hình 2.40: Sơ đồ nối nhà máy thủy điện với hai đường dây đi qua 96

Hình 2.41: Sơ đồ nối một hoặc ba máy biến áp nhà máy TĐ hai đường dây đo qua 96

Hình 2.42: Sơ đồ cung cấp điện cho phụ tải địa phương từ TGF 98

Hình 2.43: Sơ đồ cung cấp điện cho phụ tải địa phương từ các bộ của TĐ 99

Hình 2.44: Sơ đồ nối điện trạm biến áp với lưới điện 100

Hình 2.45: Sơ đồ mẫu của các trạm biến áp phía cao áp 104

Hình 2.46: Sơ đồ phía hạ áp của các trạm biến áp 105

Hình 2.47: Các phương pháp dự trữ điện tự dùng 110

Hình 2.48: Sơ đồ một số phương án cung cấp điện tự dùng 111

Hình 2.49 a,b,c: Sơ đồ tự dùng 6 kV của nhà máy NĐN 112

Hình 2.50: Sơ đồ tự dùng 0,4 kV của NĐN có các bộ 300 MW 113

Hình 2.51 a, b : Sơ đồ tự dùng của NĐR 116

Hình 2.52 Sơ đồ tự dùng của nhà máy điện nguyên tử 118

Hình 2.53c Sơ đồ tự dùng của nhà máy điện Nguyên Tử 119

Hình 2.54: Các sơ đồ tự dùng của thủy điện 122

Hình 2.55: Sơ đồ tự dùng của TBA 123

Hình 2.56: Sơ đồ tự dùng của bộ máy phát điện – máy biến áp hai cuộn dây 125

Hình 2.57: Sơ đồ tính toán tự khởi động của các động cơ tự dùng 128

Hình 2.58: Sơ đồ thay thế của mạng điện ở hình 2.60 128

Hình 3.1 Đặc tính điện trở của các loại acqui khác nhau theo mức phóng 137

Hình 3.2a Đặc tính phóng điện của acqui axit môden dòng điện lớn 138

Hình 3.2b Đặc tính phóng điện của acqui kiềm 138

Hình 3.3 Sơ đồ acqui làm việc theo chế độ phóng nạp 139

Hình 3.4 Sơ đồ acqui làm việc theo chế độ nạp thêm thường xuyên 140

Hình 3.5 Sơ đồ acqui có phần tử ngược 141

Hình 3.6 Sơ đồ tạo nguồn điện một chiều bằng acqui và chỉnh lưu 142

Hình 3.7 Chế độ phóng nạp 143

Hình 3.8 Chế độ nạp thêm thường xuyên 143

Hình 3.9 Chế độ dự phòng 143

Hình 3.10 Đường cong chọn acqui axit 144

Hình 3.11 Đường cong chọn acqui kiểm kiểu T và TP 144

Hình 3.12 Sơ đồ phân phối điện một chiều đối với thiết bị phân phối trong nhà 147

Hình 3.13 Sơ đồ phân phối điện một chiều đối với thiết bị điện ngoài trời 148

Hình 3.14 Sơ đồ phân phối điện một chiều ở bảng điều khiển 149

Hình 3.15 Sơ đồ cung cấp dòng thao tác cho máy cắt bằng máy biến dòng điện 149

Hình 3.16 Sơ đồ cung cấp dòng thao tác cho bảo vệ rơle bằng máy biến điện áp 150

Hình 3.17 Sơ đồ bộ nguồn tổng hợp máy biến dòng điện và máy biến điện áp 151

Hình 3.18 Sơ đồ cung cấp dòng thao tác cho bảo vệ rơle bằng thiết bị tích điện 152

Hình 3.19 Bộ tạo nguồn xoay chiều an toàn 153

Hinh 4.1: Các chức năng của hệ thống thứ cấp trong trạm đóng cắt cao áp 156

Hình 4.2 Sơ đồ biểu diễn vị trí đóng mở của các đầu tiếp xúc của KĐK 161

Hình 4.3 Sơ đồ tín hiệu của máy cắt 163

Hình 4.4 Sơ đồ mạch đóng cắt máy cắt bằng tay và tự động 163

Hình 4.5 Sơ đồ kiểm tra mạch đóng cắt bằng tín hiệu ánh sáng 164

Hình 4.6 Sơ đồ đồng bộ khóa bằng điện chống đóng cắt nhiều lần liên tục 165

Hình 4.7 Sơ đồ mạch tín hiệu âm thanh sự cố 166

Hình 4.8: Khóa liên động 167

Hình 4.9 Cái chỉ vị trí kiểu IIC của dao cách ly 169

Hình 4.10 Sơ đồ khử tín hiệu âm thanh sự cố tập trung tác động không lập lại 170

Hình 4.11 Sơ đồ tín hiệu âm thanh sự cố tác động lập lại 171

Hình 4.12 Sơ đồ của rơle tín hiệu xung RTX có khuếch đại dòng bằng tiristor 172

Hình 4.13 Sơ đồ khử tín hiệu báo trước tác động lập lại 173

Hình 4.14 Cấu tạo của rơle phân cực RPC 174

Hình 4.15 Sơ đồ tín hiệu chỉ huy 175

Hình 4.16 Sơ đồ điều khiển và tín hiệu máy cắt có kiểm tra mạch điều khiển bằng ánh sáng 177

Hình 4.17 Sơ đồ điều khiển và tín hiệu máy cắt có kiểm tra mạch điều khiển bằng âm thanh 179

Hình 4.18 Sơ đồ điều khiển và tín hiệu máy cắt không khí 110 kV 181

Hình 5.1 Khoảng cách tối thiểu + khoảng cách an toàn = khoảng cách rào bảo vệ 189

Hình 5.2 Chiều cao tối thiểu của bộ phận có điện trên lối đi 189

Hình 5.3 Khoảng cách tối thiểu dùng làm đường giao thông trong trạm đóng cắt ngoài trời 191

Hình 5.4 Kích thước lối đi tối thiểu 191

Hình 5.5 Các kích thước tối thiểu dùng cho rào chuẩn 192

Hình 5.14 Trạm đóng cắt 245kV ngoài trời có hai thanh góp ( sơ đồ kinh điển) 201

Hình 5.15 Trạm đóng cắt 123kV ngoài trời có hai sơ đồ cùng tuyến 202

Hình 5.16 Trạm đóng cắt ngoài trời 123kV, hai thanh góp sơ đồ ngang 202

Hình 5.17 Trạm trung tâm phụ tải 123 kV (nối hình chữ H) 203

Hình 5.18 Trạm 420kV ngoài trời thanh góp kiểu ống sơ đồ đường chéo, thanh góp ở trên 204

Hình 5.19 Trạm 242kV ngoài trời có hai thanh góp sơ đồ đường chéo, thanh góp ở dưới, bố trí một hang 205

Hình 5.20 Trạm 420kV ngoài trời, dây dẫn dạng ống, ba thanh góp và thanh góp đường vòng, sơ đồ đường chéo bố trí một hàng 205

Hình 5.21 Trạm ngoài trời 525kV, sơ đồ 1,5 máy cắt 206

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Sự phát triển của hệ thống điện lực Việt Nam 4

Bảng 1.2 Tổng sản lƣợng điện của các năm đến 2010 5

Bảng 1.3 Công suất đặt ở các nhà máy điện và năng lƣợng sản xuất trên thế giới 6

Bảng 2.1 Hệ số tự dùng cực đại tính theo % công suất đặt của nhà máy và trạm 107

Bảng 4.1 Các kí hiệu của rơle 159

Bảng 5.1a : khoảng cách tối thiểu đối với khoảng điện áp 1< U , 52kV 187

Bảng 5.1b: Khoảng cách tối thiểu với khoản điện áp 52kV  Um 300kV 187

Bảng 5.1 c khoảng cách tối thiểu với điện áp Um  300 kV 188

Bảng 5.2: chiều cao và khoảng cách tối thiểu rào bảo vệ đối với trạm ngoài trời 189

Bảng 5.3: Chiều cao và khoảng cách tối thiểu rào bảo vệ đối với trạm trong nhà 190

Bảng 5.4 Mức ô nhiễm và khoảng cách phóng điện 196

Bảng 5.5 Các cấu hình trạm ngoài trời thông dụng 200

NĐN: Nhà máy nhiệt điện ngƣng hơi

NĐR: Nhà máy nhiệt điện rút hơi

Chương 1:

KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP

1.1 NHÀ MÁY ĐIỆN

1.1.1 Khái quát chung

Điện lực là một trong những ngành kinh tế then chốt của nền kinh tế Do xác định được vị trí và tầm quan trọng của ngành công nghiệp điện lực trong nền kinh tế quốc dân, từ nhiều năm nay, mặc dù có nhiều khó khăn về nhiều mặt Đảng và nhà nước ta đã dành nhiều sự quan tâm lớn cho việc đầu tư, phát triền nguồn điện năng từ trung ương đến địa phương Đặc biệt, hơn nửa thập kỉ qua ngành điện lực được coi là hướng ưu tiên phát triển hàng đầu Bởi lẽ nó là động lực của sự vận hành toàn bộ nền kinh tế và đáp ứng nhu cầu 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 lực lại được nhân lên gấp bội

Điều đáng mừng là sau những thập niên thiếu điện triền miên thì những năm gần đây,bằng sự nỗ lực của chính mình, về cơ bản chúng ta không những có thể cung cấp đủ điện để đáp ứng nhu cầu trong nước, mà còn có điện xuất khẩu sang các nước láng giềng Nhiều công trình thế kỷ thuộc ngành điện đã và đang được thực hiện Để thấy được những bước tiến quan trọng của ngành điện lực xin được điểm qua các giai đoạn của ngành trong những thập kỷ qua và tương lai của nó trong những thập niên tới của thế kỷ 21

Ngành điện lực Việt Nam được thành lập từ 15/8/1954 với cơ sở ban đầu là các công trình điện nhỏ do pháp để lại Có các nhà máy điện công suất nhỏ như Yên Phụ, Cửa Cấm, Thượng Lý, Cọc Năm…truyền tải điện bằng các đường dây điện áp không quá 35 kV đáp ứng nhu cầu hạn chế cho các khu vực xung quanh chủ yếu là các công

sở các xí nghiệp nhỏ và sinh hoạt Tổng công suất chỉ khoảng 100 MW với sản lượng điện hàng năm là 180 triệu kWh

Đầu năm 1954 nhất là sau khi đất nước thống nhất, với tiềm năng lớn về các nguồn năng lượng tự nhiên nhiều sông dài và địa hình dốc có thể xây dựng nhà máy thủy điện lớn các mỏ than, dầu khí với trữ lượng lớn thuận tiện cho việc phát triển nhà máy nhiệt điện Ngành điện lực Việt Nam đã tiến những bước vững chắc cùng sự đi

lên của nền kinh tế đất nước Có thể chia quá trình phát triển đã qua của ngành điện lực Việt Nam thành các giai đoạn sau:

1 Giai đoạn 1954-1975: đất nước bị chia cắt thành hai miền Nam Bắc Ở miền Bắc cục điện lực được thành lập, là tiền thân của Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam ngày nay (EVN) Nhiệm vụ ban đầu là huy động nhanh chóng các nguồn điện để phát triển kinh tế Các nhà máy điện cũ được đại tu, cải tiến, đồng thời thêm nhiều nhà máy điện với công suất nhỏ và trung bình như Việt Trì, Thái Nguyên, Hà Bắc, Uông Bí, Thác Bà, Ninh Bình … Song song với việc xây dựng các nhà máy điện mới các lưới điện cũng không ngừng được mở rộng, nhiều đường dây 110kV xuất hiện với chiều dài hàng trăm km Tính đến cuối năm 1975, công suất của các nhà máy điện miền Bắc

đã đạt đến trên 450MW, tổng sản lượng hàng năm đạt khoảng 1264 triệu kWh (1975)

2 Giai đoạn 1975-1995: Năm 1975 đất nước hoàn toàn thống nhất Cả nước tập trung tái thiết đất nước và phát triển kinh tế Chính phủ đầu tư rất lớn vào việc xây dựng, phát triển hệ thống điện cả nước Nhiều nhà máy điện công suất lớn, hiện đại được xây dựng và đưa vào hoạt động như Phả Lại, Hòa Bình, Trị An, Phú Mỹ, Thác Mơ…cùng mạng lưới điện 110; 220 kV phát triển rộng khắp đất nước Ngày 29/5/1994, đường dây 500kV Bắc-Nam được hoàn thành, hợp nhất hệ thống điện ba miền, vận hành dưới sự điều khiển thống nhất của Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia Đường dây 500kV có ý nghĩa quan trọng trong việc cân bằng năng lượng cả nước, tận dụng được các nguồn năng lượng dồi dào, rẻ tiền của cả ba miền

3 Giai đoạn 1995 đến năm 2000: Ngày 27/01/1995, Tổng công ty Điện Lực Việt Nam chính thức được thành lập, thống nhất quản lý và huy động các nguồn năng lượng của hệ thống điện quốc gia, phát triển ngành điện lực, phục vụ có sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Nếu như năm 1995 sản lượng điện nước ta chỉ đạt 14 tỷ kWh thì đến năm 2000 sản lượng điện đã đạt đến 24 tỷ kWh , trung bình sản lượng điện hàng năm tăng 13-14 %; lưới điện quốc gia đã vươn tới 61 tỉnh thành Năm 2001, nhiều

tổ máy mới của các nhà máy đang xây dựng được đưa vào hoạt động như hai tổ máy còn lại của nhà máy thủy điện Yaly, hai tổ máy của nhà máy điện Phả Lại 2

Cùng với việc xây dựng thêm các nhà máy điện, lưới điện truyền tải 500 kV;

220 kV; 110 kV và lưới phân phối 22kV, 35 kV cũng không ngừng được mở rộng Ngoài đường dây 500 kV dài 1487 km cùng các trạm biến áp Hòa Bình, Phú Lâm , trạm bù Hà Tĩnh,trạm bù trung chuyển Đà Nẵng, còn có 25 trạm biến áp 220kV với

các đường dây 220kV có tổng chiều dài 2000 km ; 132 trạm 110-66 kV cùng với các đường dây 110-66 kV có tổng chiều dài 5200 km

Điều đặc biệt đáng chú ý của hệ thống điện nước ta hiện nay là nguồn thủy điện khá lớn Nếu hiện nay tổng công suất đặt của các máy là 6000 MW và tổng sản lượng là 28 tỷ kWh thì thủy điện chiếm 62%,nhiệt điện than 17%, nhiệt điện dầu 15%, nhiệt điện khí 5%, diezel 1% Trong khi với đa số các nước trên thế giới, nguồn năng lượng phát ra của các nhà máy nhiệt điện chiếm khoảng 80%, các nhà máy thủy điện chỉ chiếm 18 đến 20 %

Dưới đây là vài con số thống kê về sự phát triển của hệ thống điện lực Việt Nam (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Sự phát triển của hệ thống điện lực Việt Nam

Năm Công suất tổng các NMD (MW) Tổng sản lượng (106

4 Giai đoạn từ 2000 đến 2010

Theo các số liệu của viện năng lượng, nhu cầu về điện ở nước ta trong những năm qua tăng ở mức 11 đến 15 % trong giai đoạn 2000 – 2010 sẽ tăng bình quân từ 11 đến 13 % Tổng sản lượng điện của những năm tiếp theo như sau (bảng 1.2 )

Bảng 1.2 Tổng sản lượng điện của các năm đến 2010

Tổng sản lượng (109 kWh ) 27,5 – 30 47,7 – 53,6 78,4 – 87,3

Để đáp ứng cá nhu cầu điện sắp tới , ngành điện lực Việt Nam đã xây dựng các

kế hoạch về phát triển hệ thống điện Việt Nam trong tương lai Khi đó, chỉ trong 5 năm (2001 – 2005) nhà nước đã đầu tư để xây dựng và mở rộng các công trình về điện như các nhà máy điện Phú Mỹ, Ô Môn, Quảng Ninh, Uông Bí, Hải Phòng ,Sê San 3 và

4 …Nổi bật hơn cả là công trình xây dựng nhà máy thủy điện Sơn La , một công trình mang vóc dáng của thế kỷ Từ đầu năm 2001, hàng loạt công việc chuẩn bị đã được triển khai như mở đường, chuẩn bị vốn, giải phóng mặt bằng …Cũng theo kế hoạch này sau 8 năm xây dựng tổ máy số 1 của công trình đồ sộ này đã được đưa vào hoạt động, công suất của nhà máy khi hoàn thành sẽ lớn hơn cả nhà máy thủy điện Hòa Bình (khoảng 2400MV ) Khi công trình hoàn thành, toàn bộ khu vực này sẽ trở thành một quần thể du lịch hấp dẫn, một hệ thống giao thông thuận tiện Một hồ chứa 11 tỷ mét khối nước đủ sức trị thủy sông Hồng, sông Đà , giải quyết vấn đề lũ lụt cho vùng đồng bằng Bắc Bộ

Theo các số liệu của Viện Vật Lý và kỹ thuật hạt nhân, năm 2010 tổng công suất của hệ thống điện nước ta đạt đến 14.000 MW, trong đó gần 8000 MW là thủy điện, nhiệt điện khoảng 6000 MW và sản lượng hằng năm khoảng 68 đến 75 tỷ kWh Với tỷ trọng thủy điện lớn như vậy, giá thành điện năng sẽ rẻ và còn có nhiều lợi ích khác Song cũng có thể gây nhiều khó khăn trong vận hành hệ thống do công suất của thủy điện biến thiên mạnh giữa mùa nước và mùa khô, giữa năm nhiều nước

và năm ít nước Vào mùa khô, thủy điện chỉ phát được 30 đến 40 % sản lượng, do đó cần có nguồn dự phòng lớn từ các nguồn nhiệt điện và các nguồn năng lượng khác Song việc phát triển nhiệt điện than cũng có nhiều hạn chế bởi chính khả năng của ngành than và vấn đề môi trường Muốn phát triển tiếp tục nhiệt điện than cần tính đến việc nhập nhiên liệu Tuabin khí hỗn hợp có thể là phương án hấp dẫn vì ta có trữ lượng khí khoảng 100 đến 150 tỷ mét khối Mặt khác có thể tính đến khả năng trao đổi năng lượng với các nước trong khu vực khi có sự tận dụng khai thác về thủy điện của sông Mê Kông Song vào những năm tiếp theo nhu cầu về năng lượng còn cao hơn rất nhiều, giải pháp là chúng ta sẽ xây dựng thêm các nhà máy điện nguyên tử Ninh Thuận 1 và Ninh Thuận 2 để bổ xung công suất vào nguồn điện lưới quốc gia

Để đáp ứng nhu cầu phát triển sản xuất, giao thông vận tải và đời sống, ngành điện lực trên toàn thế giới không ngừng phát triển, đã đạt được những bước tiến đáng

kể Nhiều nhà máy điện hiện đại công suất lớn được xây dựng cùng với các đường dây siêu cao áp ra đời

Như đã biết, có nhiều loại nhà máy điện đang hoạt động ở các nước, nhưng chủ yếu là các nhà máy nhiệt điện, thủy điện và điện nguyên tử Vào đầu thập kỷ 90 thế kỷ trước, công suất đặt ở các nhà máy điện và năng lượng sản xuất trên thế giới như trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Công suất đặt ở các nhà máy điện và năng lượng sản xuất trên thế giới

Loại nhà máy điện

Công suất đặt Năng lượng sản xuất

Việc sản xuất và tiêu thụ năng lượng phân bố rất không đều, khoảng 85% công suất cuả các nhà máy điện và năng lượng sản xuất ra tập trung vào 20 nước có nền công nghiệp phát triển Ví dụ như ở Mỹ với dân số 219,9 triệu người, công suất đặt của các nhà máy 634 triệu MW với sản lượng hằng năm 2.500 triệu MWh ; Nhật Bản với dân

số 115,3 triệu dân có công suất đặt 143 triệu MW và sản lượng 620 triệu MWh; các con số tương ứng ở Canada là 25,3 triệu dân , 82 triệu MW và 370 triệu MWh và ở Pháp là 53,4 triệu dân , 65,8 triệu MW và 277 triệu MWh

Một số hệ thống điện lớn giữa các quốc gia cũng đã được hình thành, như hệ thống điện Bắc Mĩ, Đông Âu, Tây Âu, vùng Ban căng

Cùng với việc ra đời các hệ thống điện lớn là việc tăng số lượng, khả năng tải của các đường dây liên lạc của các hệ thống và giữa các nút trong hệ thống bằng cách sử dụng các cấp siêu cao áp và các đường dây tải điện 1 chiều Với dòng điện xoay chiều, phổ biến là các điện áp 330 – 500 kV nhiều nước đã sử dụng điện áp 750 kV (trong đó

có Canada, Mĩ , Nhật , Nga, Braxin ), một số nước đã và đang xây dựng các đường dây 1000 đến 1200 kV (Nga, Mĩ, Nhật, Italia) Với dòng điện 1 chiều phổ biến là điện

áp ± 125 đến ± 500 kV, cá biệt có đường dây ± 750 kV

Việc ra đời các hệ thống điện lớn cho phép xây dựng các nhà máy điện có công suất lớn, như thủy điện Grende-kily của Mĩ có công suất 6200 MW; nhà máy điện nguyên tử Fukusima của Nhật 4700 MW; nhà máy nhiệt điện Kasima của Nhật 4400

MW; nhà máy điện nguyên tử Leningrade (Nga) 4000 MW ; thủy điện Krasnoiarsk

6000 MW

Nhà máy điện (NMĐ) là các cơ sở công nghiệp đặc biệt, làm nhiệm vụ sản xuất điện

và nhiệt năng từ các dạng năng lượng tự nhiên khác nhau như hóa năng của nhiên liệu, thủy năng của nước năng lượng nguyên tử,quang năng của mặt trời và động năng của gió…Năng lượng phát ra từ các nhà máy điện được truyền tải bởi một loạt các thiết bị năng lượng khác nhau như các máy biến áp tăng và hạ áp, các đường dây trên không và cáp, đến các hộ tiêu thụ như các xí nghiệp, các thành phố, các vùng nông thôn

Tùy thuộc vào dạng năng lượng tự nhiên được sử dụng, người ta chia các NMĐ thành các nhà máy nhiệt điện (NĐ), thủy điện (TĐ), điện nguyên tử (NT), phong điện (PĐ), điện mặt trời (MT), điện địa nhiệt (ĐN) Hiện nay năng lượng điện và nhiệt chủ yếu được sản xuất bởi các nhà máy NĐ, TĐ và NT

Trong các nhà máy NĐ, thường sử dụng ba loại nhiên liệu : rắn, lỏng, khí Theo các động cơ sơ cấp dùng để quay máy phát điện, các nhà máy nhiệt điện lại được chia thành nhà máy NĐ tuabin hơi, máy hơi nước, động cơ đốt và tuabin khí Các nhà máy

NĐ tuabin hơi còn được chia thành nhà máy nhiệt điện ngưng hơi (NĐN) và nhà máy nhiệt điện rút hơi (NĐR)

Như đã nêu ở trên, trong hệ thống điện nước ta hiện nay mới chỉ có các nhà máy

NĐ và TĐ Nguồn công suất chủ yếu là các nhà máy thủy điện, rồi đến NĐ chạy than,

NĐ chạy dầu, NĐ chạy khí Tình hình này còn kéo dài trong nhiều thập kỷ tới vì nguồn thủy năng của nước ta tương đối lớn

Dễ thấy rõ đặc điểm của quá trình sản xuất điện năng trong các NMĐ, ta sẽ nghiên cứu chi tiết từng loại NMĐ hiện đang hoạt động trong nước và trên thế giới

1.1.2 Nhà máy nhiệt điện

Trong nhà máy NĐ, hóa năng của các nhiên liệu (than, dầu, khí đốt) được biến đổi thành năng lượng điện và nhiệt Quá trình biến đổi năng lượng trong nhà máy NĐ được mô tả trên hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ biến đổi năng lượng ở nhà máy nhiệt điện

Như đã trình bày ở trên, có hai loại nhà máy NĐ là nhiệt điện ngưng hơi (NĐN)

và nhiệt điện rút hơi (NĐR) Mỗi loại có những trang bị riêng và chế độ làm việc đặc biệt của nó

1.1.2.1 Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi

Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi là nhà máy NĐ chỉ làm nhiệm vụ sản xuất điện năng, nghĩa là toàn bộ năng lượng nhiệt của hơi nước do lò hơi sản xuất ra đều được dùng để sản xuất điện NĐN là loại hình chính và phổ biến của NĐ

Nhiên liệu dùng trong các nhà máy NĐ là các nhiên liệu rắn: than đá, than bùn, ; nhiên liệu lỏng là các loại dầu đốt; nhiên liệu khí được dùng nhiều là khí tự nhiên, khí lò cao từ các nhà máy luyện kim, các lò luyện than cốc Trong một số trường hợp, khí còn được dùng làm nhiên liệu phụ trong các nhà máy dùng nhiên liệu rắn và lỏng

Việc sử dụng khí tự nhiên ở các nhà máy NĐ mang lại hiệu quả kinh tế đáng nể

do giảm được khoảng 20% chí phí xây dựng nhà máy do hệ thống cung cấp và xử lý nhiên liệu đơn giản và rẻ tiền hơn; giá thành điện năng cũng giảm do giảm chi phí cho nhiên liệu, giảm chi phí vận hành và khấu hao các thiết bị Hiệu suất công cao hơn so với NĐ chạy than 4 đến 5% do giảm được tổn thất nhiệt; ít gây ô nhiễm môi trường Khi có các ống dẫn khí thì việc vận chuyển khí đến các nhà máy điện sẽ rẻ hơn rất nhiều so với việc vận chuyển than bằng đường thủy hoặc đường sắt Lượng điện tự dùng trong các nhà máy nhiệt điện chạy khí và dầu cũng nhỏ hơn rất nhiều so với NĐ chạy than

Trên hình 1.2 giới thiệu sơ đồ nguyên lý của nhà máy NĐN Than từ kho chứa nhiên liệu 1 qua hệ thống vận chuyển nhiên liệu 2 để vào bọ sấy 3 rồi sau đó đưa vào

lò hơi 4 Trong lò 4 xảy ra phán ứng cháy, chuyển hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng của hơi nước Khói từ lò hơi qua bộ hâm nước 14, bộ sấy không khí 15, quạt khói

16 đẩy khói vào ống khói để thải ra ngoài Nước từ bình khử khí 11 đực bơm nước cấp

12 bơm qua bình gia nhiệt cao áp 13, bộ hâm nước 14 rồi vào lò hơi 4 Trong lò hơi, nước nhận nhiệt năng từ nhiên liệu cháy, biến thành hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao (p= 130~240 ata; t= 540~6650C) Hơi nước ra lò được đưa vào tua bin hơi 5 Tại tuabin, nhiệt năng của hơi nước được biến thàn cơ năng, làm quay tuabin, áp suất và nhiệt độ của hơi nước giảm xuống Tuabin làm quay máy phát điện (MF) để biến cơ năng thành điện năng và đưa và lưới điện qua máy biến áp tăng áp 6

Hơi nước sau khi ra khỏi tuabin có áp suất và nhiệt độ thấp (p=0.03~0,04 ata; t=30~400C), mang theo một lượng nhiệt đáng kể không được sử dụng và bình bơm

tuần hoàn 8 đẩy vào Nước từ bình ngưng 7 được bơm nước ngưng 9 đưa trở lại bình khử khí 11 qua bình gia nhiệt hạ áp 10

Một phần hơi nước được trích từ tuabin để cung cấp, cho bình gia nhiệt cao áp

13, bình khử khí 11 và bình gia nhiệt hạ áp 10 So với các NMĐ khác, NĐN có các đặc điểm sau:

1 Công suất lớn, thường được xây dựng gần nguồn nhiên liệu;

2 Phụ tải cung cấp cho khu vực gần nhà máy (phụ tải địa phương) rất nhỏ, phần lớn điện năng phát ra được đưa lên điện áp cao để cung cấp cho các phụ tải ở xa;

3 Có thể làm việc với phụ tải bất kỳ trong giới hạn từ Pmin đến Pmax

4 Thời gian khởi động lâu khoảng 3 đến 10 giờ (kể cả phần lò hơi và tuabin), thời gian nhỏ đối với nhà máy chạy dầu và khí, lớn đối với nhà máy chạy than

5 Có hiệu suất thấp thông thường từ 30% đến 35%; với các nhà máy NĐN hiện đại có thông số hơi siêu cao có thể đạt được 40% đến 42%

6 Lượng điện dùng lớn từ 3 đến 15% Các nhà máy chạy than có lượng điện tự dùng lớn hơn

7 Vốn xây dựng nhỏ và thời gian xây dựng nhanh so vơi TĐ

8 Gây ô nhiễm môi trường do khói, bụi ảnh hưởng đến môi trường một vùng rộng lớn

Để tăng hiệu suất của NĐN, người ta không ngừng tăng tham số của hơi nước và tăng công suất của các tổ máy Trên thế giới, người ta dùng phổ biến các tổ máy 300;

500 và 800MW, một số nước còn dùng các tổ máy đến 1000, 1200MW Ở nước ta hiện nay, các nhà máy NĐ công suất lớn và trung bình đều là NĐN, tổ máy có công suất lớn nhất là 300MW( Phả Lại 2)

1.1.2.2 Nhà máy nhiệt điện rút hơi

Nhà máy NĐR là các nhà máy NĐ vừa sản xuất nhiệt năng vừa sản xuất điện năng Hơi nước hay nước nóng từ nhà máy được truyền đến các hộ tiêu thụ nhiệt công nghiệp hay sinh hoạt bằng hệ thống ống dẫn với bán kính trung bình 1 đến 2 km đối với lưới truyền hơi nước và 5 đến 8 km đối với lưới nước nóng

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình sản xuất điện năng của NĐN Phả lại 1

1 – kho chứa nhiên liệu; 2 - cơ cấu chuyển nhiên liệu; 3 - bộ sấy nhiên liệu; 4- nồi hơi; 5-tuabin; 6-máy phát điện; 7-bình ngưng tụ; 8 – bơm tuần hoàn; 9- bơm nước ngưng tụ; 10 – bình gia nhiệt hạ áp; 11 – bình khử khí (O2, CO2); 12- Bơm cấp nước; 13 – bình gia nhiệt cao áp; 14- bộ hâm nước;

15 -bộ sấy không khí; 16-quạt khói; 17-quạt gió

Hình 1.3 Sơ đồ quá trình sản xuất điện và nhiệt năng của nhiệt điện rút hơi

Sơ đồ nguyên lý quá trình sản xuất điện và nhiệt của NĐR được cho trên hình 1.3 Các ký hiệu cũng tương tự như hình 1.2 vẽ nguyên lý làm việc cơ bản giống như NĐN, nhưng một phần hơi nước được trích ra từ tuabin để cung cấp cho các hộ tiêu thụ điện Trên hình 1.3 một phần hơi nước được trích từ các tầng cao áp hoặc trung áp của tuabin để cung cấp cho các hộ tiêu thụ hơi nước qua lưới hơi nước; một phần hơi nước được trích từ các tầng sau đến bộ hâm nước 18 để đun nóng nước cung cấp cho lưới nước nóng Nước sau khi được sử dụng tại các hộ tiêu thụ nhiệt được đưa trở lại

bộ hâm nước 18 qua bơm nước 20 Hơi nước trích từ tuabin, sau khi đi qua bộ hâm nước 18 lại được đưa vào bình khử khí qua bơm 19

Điện năng được phát ra bởi máy phát MF, một phần được cung cấp cho phụ tải địa phương ở điện áp máy phát, một phần được đưa lên điện áp cao qua máy biến áp 6

để cung cấp cho các phụ tải ở xa

Nhà máy NĐR có hiệu suất cao hơn so với NĐN khi có sự phù hợp giữa phụ tải nhiệt và điện Trong trường hợp này, hiệu suất có thể đạt đến 60~70% do giảm được tổn thất nhiệt trong bình ngưng

So với nhà máy NĐN, nhà máy NĐR có các đặc điểm chính sau:

1 Do không thể dẫn hơi nước hay nước nóng đi xa nên các nhà máy NĐR được xây dựng gần các hộ tiêu thụ nhiệt

2 Cần vận chuyển nhiên liệu từ các nơi khác đến, do vậy công suất của các nhà máy NĐR thường được xác định theo yêu cầu của phụ tải nhiệt, công suất nhà máy không lớn, vào khoảng 300~500MW với các tổ máy 100, 150, hoặc 200MW Riêng các khu vực có nhu cầu về nhiệt cao, công suất nhà máy có thể đến 1000~1500MW

3 Phần lớn năng lượng phát ra được cung cấp cho phụ tải điện áp máy phát, do phụ tải này lớn nên trong các NĐR thường sử dụng thanh góp điện áp máy phát

4 Để nhà máy có hiệu suất cao, việc sản xuất điện năng phải phù hợp với phụ tải nhiệt, người ta nối nhà máy NĐR làm việc với đồ thị phụ tải điện bắt buộc từng phần

5 Hiệu suất của NĐR(60~70%) cao hơn hiệu suất của NĐN khá nhiều Nhưng chỉ

có hiệu suất cao khi có sự kết hợp thích hợp giữa việc sản xuất ra điện và nhiệt năng Khi làm việc thuần túy ở chế độ ngưng hơi, hiệu suất của NĐR sẽ thấp hơn NĐN

6 Thời gian khởi động và các đặc điểm khác cũng giống NĐN

1.1.3 Nhà máy thủy điện

Nhà máy thủy điện là các nhà máy điện làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng các dòng nước thành điện năng

Động cơ sơ cấp dùng để quay các máy phát điện trong nhà máy TĐ là các tuabin thủy lực, trong nó động năng và thế năng của nước được biến đổi thành cơ năng để làm quay máy phát điện Công suất cơ trên trục tuabin phụ thuộc vào lưu lượng nước chảy qua tuabin và chiều cao cột nước hiệu dụng Công suất trên trục tuabin Ptuabin

được xác định bởi biểu thức:

Ptuabin = 1000 Q.H.ηd ηtuabin (kG.m/s) (1.1)

ở đây :

Q - lưu lượng nước chảy qua tuabin (m3/s);

H- chiều cao của cột nước hiệu dụng (m);

ηd - hiệu suất của các thiết bị dẫn nước có tính đến tổn thất cột nước trong chúng , như các ống dẫn nước vào và ra khỏi tuabin;

ηtuabin - hiệu suất của tuabin thủy lực( với các tuabin thủy lực công suất trung bình và lớn, ηtuabin= 0,88~0,94);

Biết rằng 1kW= 102kG.m/s, nên từ (1.1) ta xác định dược công suất điện ở đầu cực máy phát :

PF = P tuabin

102 ηF = 9,81 Q.H η (kW) (1.2) Với ηF : hiệu suất của máy phát thuỷ điện (0,95~ 0,98);

η = ηd ηtuabin ηF hiệu suất của nhà máy thủy điện (0,85~ 0,86)

Từ (1.2) thấy rằng, công suất của nhà máy thủy điện được xác định bởi lưu lượng nước Q và chiều cao cột nước hiệu dụng H Để xây dựng các nhà máy TĐ công suất lớn, cần tạo ra Q và H lớn bằng cách xây dựng các đập cao ngăn nước và các hồ chứa có thể tích lớn (hình 1.4)

Hình 1.4 Sơ đồ của nhà máy thủy điện kiểu đập:

a)Sơ đồ tạo cột nước;

b)Sơ đồ mặt bằng của nút thủy lực

Mức nước của hồ chứa trước đập 3 gọi là mức nước thượng lưu 1 và mức nước phía dưới đập gọi là mức nước hạ lưu 2 Đọ chênh lệch giữa mức nước thượng lưu và

hạ lưu H gọi là chiều cao cột nước hiệu dụng Cột nước H càng lớn, công suất của nhà máy sẽ càng lớn Hồ chứa về phía thượng lưu phục vụ cho việc tích nước, điều tiết dòng chảy khi phát điện Cùng với việc tăng chiều cao của đập, thể tích hồ chứa sẽ tăng lên, tăng công suất của nhà máy Song việc tạo ra các hồ chứa lớn có liên quan đến nhiều vấn đề kinh tế và xã hội khá phức tạp, như việc di dời dân, dâng nước làm ngập một vùng rộng lớn, xây dựng nhiều đập, giao thông vận tải

Nhà máy TĐ được chia thành 2 loại chính: nhà máy TĐ kiểu đập, nhà máy TĐ kiêu kênh dẫn

1.1.3.1 Nhà máy điện kiểu đập

Sơ đồ của nhà máy TĐ kiểu đập được cho trên hình 1.4 và mặt cắt gian máy cho trên hình 1.5 Các nhà máy TĐ loại này thường được xây dựng trên các con sông có độ dốc không lớn Để tạo cột nước cần thiết H, người ta xây dựng đập ngăn giữa dòng sông 3; gian máy được đặt sau đập Nước được dẫn vào tuabin 6 (hình 1.4) qua ống dẫn đầu vào 7 và xả xuống hạ lưu qua ống dẫn 8 Để phục vụ cho giao thông vận tải, người ta xây dựng âu thuyền 9 cùng các kênh dẫn 10 và 11

Hình 1.5 Mặt cắt ngang của nhà máy thủy điện kiểu dập

Trên hình 1.5 vẽ mặt cắt ngang của nhà máy thủy điện kiểu đập Gian máy 12 đặt phía sau đập 3, về phía hạ lưu 2 Nước từ thượng lưu 1 theo ống dẫn 4 vào buồng xoắn 8

để được phân phối vào cánh tuabin 9 Nước từ tuabin chảy xuống hạ lưu qua ống dẫn 10 Buồng xoắn 8 có tiết diện ngang thay đổi để đảm bảo nước phân phối đều vào cánh tuabin Trục đứng của tuabin được nối với trục đứng của máy phát 11

Máy phát được đặt trong gian máy Do các tuabin thủy lực có tốc độ quay chậm, nên các máy phát thuỷ điện chế tạo theo kiểu cực lồi, nhiều cực

Năng lượng điện do máy phát phát ra được đưa vào thiết bị phân phối điện trong nhà ở điện áp máy phát 14 và từ đây được tiếp tục đưa lên máy biến áp 15, đặt ngoài trời Từ máy biến áp, theo dây dẫn trên không 16, năng lượng điện được đưa tới thiết

bị phân phối điện ngoài trời điện áp cao (ở đây không thể hiện ) để được tải đến các phụ tải ở xa hoặc hệ thống Dây cáp 17 là dây chống sét, bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và dây dẫn 16

Cửa 6 dùng để điều chỉnh nước vào tuabin; cửa 5 để lắp ráp và sửa chữa máy phát điện.( )

1.1.3.2 Nhà máy thủy điện kênh dẫn

Hình 1.6 Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu ống dẫn

a) Mặt bằng nút thủy lực; b) Sơ đồ tạo cột nước

Sơ đồ của nhà máy TĐ kiểu ống dẫn cho trên hình 1.6 Nhà máy TĐ kiểu ống dẫn thường được xây dựng trên các sông miền núi, cột nước hiệu dụng cần thiết được tạo ra bằng cách sử dụng đọ dốc lớn tự nhiên của các con sông Tại đầu ống dẫn 2 là cửa nhân nước 1, qua cửa nước 1 chảy vào ống dẫn 2 để vào bể áp lực 3 Đập chắn ngang sông 7 để tập trung nước vào ống dẫn 2 Ống dẫn 2 có độ nghiêng lớn so với độ nghiêng của đoạn sông A-B Do vậy cột nước H hiệu dụng của nhà máy nhỏ hơn một chút so với cột nước có độ nghiêng tự nhiên Htn của đoạn sông Từ bể áp lực 3 nước theo ống dẫn áp lực 4 đi vào tuabin trong gian máy 5 Từ tuabin thủy lực nước theo kênh xả 6 để trở lại dòng sông tại B

Như vậy, nhờ đập 7 có thể tạo ra bể chứa nước nhân tạo để có độ dự trữ nước nhất định và nâng cao thêm mức nước, tăng áp lực trong tuabin

Ngoài hai loại TĐ thường gặp trên, còn có các nhà máy TĐ dạng đặc biệt như nhà máy thủy điện nhiều cấp và TĐ tích năng

Để tận dụng năng lượng của dòng nước, trên các con sông có độ dốc và chiều dài lớn, người ta xây dựng nhiều nhà máy TĐ nối tiếp nhau (1.7) gọi là các nhà máy TĐ nhiều cấp Việc sử dụng tổng hợp nhiều nguồn nước như vậy làm tăng các chỉ tiêu kinh tế của TĐ, vì rằng 1 phần chi phí cho các nhà máy không những được bù lại bởi khối lượng năng lượng phát ra, mà còn bởi các nguồn lợi đa dạng khác như giao thông vận tải , tưới tiêu nước,

Hình 1.7 Sơ đồ thủy điện nhiều cấp 1.1.3.3 Nhà máy thủy điện tích năng

Ở các nhà máy TĐ tích năng, người ta xây dựng 2 hồ chứa: hồ chứa thượng lưu

và hồ chứa hạ lưu Do vậy, nhà máy có thể làm việc ở 2 chế đọ ngược nhau: chế độ

sản xuất điện năng và chế độ tiêu thụ điện năng , nhằm góp phần san bằng đồ thị phụ tải của hệ thống nâng cao hiệu quả kinh tế và phủ kín phụ tải vào những giờ cao điểm Khi phụ tải của hệ thống nhỏ, các máy phát làm việc ở chế độ động cơ, tiêu thụ công suất của hệ thống để bơm nước từ hồ chứa hạ lưu lên hồ chứa thượng lưu Chế độ làm việc như vậy gọi là chế độ làm việc tích năng Khi phụ tải của hệ thống lớn, các máy phát lại sử dụng nước vừa tích được hồ chứa thượng lưu để phát điện, góp phần cùng với các nhà máy điện khác phủ kín phụ tải của hệ thống

Qua nhiều năm xây dựng, vận hành các nhà máy TĐ , có thể thấy được các đặc tính cơ bản của chúng như sau:

1.Thời gian xây dựng của TĐ khá lâu so với NĐ, vì khi xây dựng TĐ cần tiến hành hàng loạt các công tác thăm giò trên một vùng rộng lớn, xây dựng hồ chứa, đê đập Mặt khác, do TĐ được xây dựng tại các nguồn nước, xa các hộ tiêu thụ điện nên đòng thời với việc xây dựng nhà máy còn phải xây dựng các đường dây tải điện cao áp

để đưa điện từ nhà máy vào lưới Cũng chính vì những lý do trên mà vốn đầu tư cho

TĐ thường khá lớn, không những cần chi phí cho việc xây dưng các công trình của bản thân nhà máy, mà cả cho việc di dân đến các vùng khác khi xây dựng hồ chứa, cầu đường để vận chuyển vật tư, thiết bị; việc nâng cao mức nước trong hồ sẽ ảnh hưởng đến nông, lâm nghiệp Song phải nhấn mạnh rằng, việc xây dựng TĐ trong nhiều trường hợp không chỉ đơn thuần để phát ra điện, mà còn mang nhiều nguồn lợi khác, như tạo điều kiện thuận lợi cho giao thong vận tải, nuôi bắt thủy sản, chống lũ lụt, cải tạo môi trường cảnh quan của khu vực, có thể có những nguồn lợi về du lịch thay đổi đời sống về vật chất, tinh thần của khu vực

2 Vì xây dựng gần nguồn thủy năng, phụ tải địa phương của nhà máy TĐ thường khá nhỏ, phần lớn điện năng được đưa lên điện áp cao, cung cấp cho các phụ tải ở xa giống như NĐN xây dựng gần nguồn nhiên liệu

3 Khi có hồ chứa nước, TĐ có thể làm việc với đồ thị phụ tải bất kỳ Tùy theo mùa nước hay mùa khô, năm nhiều nước hay ít nước, ta có thể cho TĐ gánh phụ tải nền hay phụ tải đỉnh của hệ thống

4 Nhà máy TĐ có thời gian khởi động nhỏ, khoảng 3 đến 5 phút, thậm chí còn nhỏ hơn Đây là ưu điểm đặc biệt của TĐ Người ta thường tận dụng ưu điểm này để phân cho vài nhà máy TĐ hoặc một vài tổ máy của chúng làm nhiệm vụ điều tần (gánh phụ tải đỉnh ) Khác với các nhà máy NĐ, các máy phát TĐ có thể không làm việc vào những giờ phụ tải thấp

5 Lượng điện tự dùng cho TĐ nhỏ hơn nhiều so với NĐ vì không có khâu xử lý nhiên liệu và lò hơi, chỉ chiếm khoảnh 0,5 đến 2 % công suất của nhà máy Sơ đồ tự dùng cũng đơn giản, rất ít động cơ có công suất lớn và điện áp cao, chủ yếu là các thiết

bị làm việc ở điện áp 0,4 kV

6 Hiệu suất cao, khoảng 85 đến 86 %

7 Có khả năng tự động hóa cao, nhiều nhà máy có thể làm việc hoàn toàn tự động Do vậy số người phục vụ trong nhà máy TĐ rất ít

8 Giá thành điện năng thấp, chỉ bằng 10 đến 20 % so với NĐ

Ở nước ta, cả ba miền đều có tiềm năng khá lớn về TĐ Nhiều nhà máy đã và đang được xây dựng như TĐ Hòa Bình(1920 MW); Trị An ( 400 MW); Yaly (720 MW ) …, trong tương lai có các nhà máy thủy điện lớn đáng kể là Sơn La (3600 MW); Mê Kông – Nhơn Trạch ( 1200 - 2400 MW); Sê San 3 và 4 ( 260 và 340 MW ) …

1.1.4 Nhà máy điện nguyên tử

Trên hình 1.8 trình bày sơ đồ nguyên lý của nhà máy điện NT Về thực chất nhà máy điện NT cũng là một nhà máy NĐ, ở đây lò hơi nước thông thường được thay thế bởi lò phản ứng hạt nhân 1 và bình trao đổi nhiệt 4 ( còn gọi là máy phát hơi nước ) Còn nguồn phát năng lượng điện vẫn sử dụng các thiết bị thông thường là tuabin hơi 8

và máy phát điện tuabin hơi 14

Nguồn phát ra năng lượng nhiệt ở nhà máy điện NT là lò phản ứng hạt nhân 1, trong đó xảy ra phản ứng hạt nhân và phát nhiệt để truyền cho nước được đưa qua lò phản ứng 1 được thực hiện liên tục bởi bơm 6

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý của nhà máy điện nguyên tử

Quá trình phản ứng hạt nhân được điều chỉnh bởi các thanh đặc biệt và do đó điều chỉnh được công suất phát của nhà máy Việc điều chỉnh công suất ở nhà máy điện NT tương đối nhạy so với các nhà máy điện khác

Hình 1.8 thể hiện sơ đồ của nhà máy điện NT gồm hai chu trình tuần hoàn kín của nước Mạn vòng đầu tiên bao gồm lò phản ứng 1, ống dẫn 5 của bình trao đổi nhiệt

4 và bơm nước 6 Nước sinh hơi trong lò 1 có áp suất và nhiệt độ cao, được đưa vào bình trao đổi nhiệt 4 để truyền nhiệt cho nước của vòng mạch thứ 2 Nước bổ sung để

bù tổn thất nước trong quá trình làm việc được chứa trong bình 13 và đưa vào lò qua bơm 12

Mạch vòng thứ hai bao gồm bình trao đổi nhiệt 4, tuabin hơi 8, bình ngưng 9 và bơm 11 Hơi nước được tạo ra trong bình 4 được đưa vào tuabin 8 qua ống dẫn 11 và sau đó xuống bình ngưng 9 Tại bình ngưng 9 hơi nước được làm lạnh bởi nước tuần hoàn do bơm 10 cung cấp Bơm nước cấp 10 cung cấp nước cho bình 4 lấy từ bình ngưng 9

Trong quá trình làm việc, lò phản ứng hạt nhân phát ra các tia phóng xạ rất nguy hiểm đối với cơ thể người, đặc biệt là tia gamma và nơtron Để giảm bớt độ nguy hiểm, lò phản ứng hạt nhân được bao bọc bởi các lớp bảo vệ đặc biệt, bao gồm lớp nước dày 1m, lớp bê tông dày 3m và lớp gang dày 0,25 m

Nước của mạch vòng đầu tiên chạy qua lò phản ứng hạt nhân nên có nhiễm các chất phóng xạ, nước của mạch vòng 2 hầu như không bị nhiễm phóng xạ Đó cũng là

lý do vì sao người ta phải thực hiện ít nhất 2 mạch vòng tuần hoàn của hơi và nước Số mạch vong càng nhiều, càng đảm bảo an toàn cho người vận hành và thiết bị, song giá thành lắp đặt cao và hiệu suất sẽ bị giảm đi Tất cả các thiết bị của mạch vòng đầu tiên đều được đặt trong các gian đặc biệt có lớp bảo vệ riêng

So với các nhà máy NĐ, lượng nhiên liệu tiêu thụ trong các nhà máy NT nhỏ hơn rất nhiều, ví dụ như để sản xuất ra 120 MWh điện năng chỉ cần 30 g uran, trong khi

đó, cũng với sản lượng điện như vậy, ở các nhà máy NĐ cần đến 100 -110 tấn than tiêu chuẩn Do vậy, người ta đã và đang xây dựng nhiều nhà máy điện NT công suất lớn, nhất là trong các khu vực không có nguồn nhiên liệu địa phương hoặc thủy điện, các vùng rừng núi khó vận chuyển nhiên liệu hoặc các vùng cách xa nguồn nhiên liệu Năng lượng của 1 kg uran tương đương với năng lượng của 2700 tấn than tiêu chuẩn Người ta thống kê được rằng, năng lượng của uran và thori trên toàn thế giới hiện nay lớn gấp 23 lần năng lượng của tất cả các nguồn năng lượng khác Đó cũng là

lý do chính giải thích vì sao người ta đã xây dựng những nhà máy điện NT công suất lớn, các tổ máy đã đạt đến 500; 750 và 1000 KW

Mặt khác, cũng cần nhấn mạnh rằng, việc xây dựng và vân hành các nhà máy điện NT ngoài việc đòi hỏi vốn lớn, trình độ kỹ thuật cao, còn có vấn đề an toàn rất quan trọng Tuy nhà máy điện NT không tỏa khói vào môi trường, nhưng để tránh nguy hiểm do khả năng ô nhiễm môi trường bởi các chất phóng xạ, các nhà máy điện

NT được xây dựng ở các nơi xa khu dân cư Vấn đề xử lý chất thải của các nhà máy điện này cũng gặp những khó khăn không nhỏ

Nhà máy điện NT có các đặc điểm chính sau đây:

1 Nhà máy điện NT có thể xây dựng ở những nơi bất kỳ xa khu dân cư Nghĩa là cũng giống như các TĐ, gần như toàn bộ công suất phát ra được đưa lên điện áp cao, cung cấp cho các phụ tải ở xa

2 Yêu cầu khối lượng nhiên liệu rất nhỏ, thích hợp với việc xây dưng nhà máy ở các vùng rừng núi, các vùng cách xa nguồn nhiên liệu

3 Có thể làm việc với các đồ thị phụ tải bất kỳ, nhanh nhạy trong việc thay đổi chế độ làm việc

4 Không ô nhiễm môi trường bằng việc tỏa khói, bụi như các nhà máy NĐ Song lại

dễ gây nguy hiểm cho người vận hành và dân cư xung quanh do ảnh hưởng của các tia phóng xạ có thể lọt ra ngoài vùng bảo vệ

5 Xây dựng vận hành cần có kỹ thuật cao, vốn ban đầu lớn

Các nước đã xây dựng nhà máy NT là CHLB Nga, Đức, Nhật Bản, Italia, Pháp,

Mỹ, Canada, Ấn Độ, Hàn Quốc, CHDCND Triều Tiên…

1.1.5 Các loại nhà máy điện khác

1.1.5.1 Nhà máy địa nhiệt

Sơ đồ đơn giản của nhà máy ĐĐ cho trên hình 1.9 Thực chất, nhà máy ĐĐ cũng

là 1 nhà máy NĐ Trong nhà máy ĐĐ, hệ thống cấp nhiên liệu được thay thế bằng hệ thống ống dẫn 1 để dẫn các khí nóng từ lòng Trái Đất vào lò 2 Trong lò 2, nhiệt của khí nóng được truyền cho nước cấp từ bơm nước 7 đưa lên Nước trở thành hơi nước vào tuabin hơi 4 qua ống dẫn 3 để làm quay máy phát điện 5 Sau đó hơi nước lại được đưa xuống bình ngưng 6 để được làm mát bằng nước tuần hoàn do bơm 8 cấp lên Các nhà máy điện ĐĐ được xây dựng ở những nơi có nhiều núi lửa hoạt đọng như Ghine, Canada, Italia …

Người ta tính rằng có thể xây dựng các nhà máy điện ĐĐ công suất cỡ 500 MW trên các núi lửa rải rác khắp thế giới Giá thành sẽ rẻ hơn khoảng 2 lần so với NĐ

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý của nhà máy điện địa nhiệt 1.1.5.2 Nhà máy điện mặt trời

Sơ đồ nhà máy điện trời cho trên hình 1.10 Cũng như các nhà máy điện NT và

ĐĐ, về thực chất nhà máy điện mặt trời cũng là các nhà máy điện NĐ Chỉ khác NĐ ở chỗ hệ thống nhiên liệu được thay bằng 1 hệ thống kính cảm quang 1, phản xạ các tia mặt trời vào lò hơi 2 biến đổi nước thành hơi nước có nhiệt đọ và áp suất cao

Nhà máy điện mặt trời được xây dựng ở các nước có nhiều ngày nắng Song giá thành đắt, công suất không lớn, hiệu suất chỉ đạt 7 đến 20 % Công suất của nhà máy phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết

Ngoài các nhà máy điện mặt trời, hiện nay người ta còn dùng các pin mặt trời để sản xuất điện năng với công suất nhỏ, song giá thành đắt và không ổn định Thường chỉ dùng cho các vùng ở xa, không lấy được điện từ lưới quốc gia, chủ yếu phục vụ cho các thiết bị thông tin liên lạc Để có thể sử dụng điện theo ý muốn, điện năng do các pin sản xuất ra được tích trữ trong các bình acqui

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý của nhà máy nhiệt điện mặt trời

1.5.2 Nhà máy điện dùng sức gió (phong điện – PĐ)

Về khối lượng, năng lượng của gió là rất lớn, nhưng việc sử dụng toàn bộ năng lượng của gió thực tế lại là điều không thể, vì năng lượng gió rất phân tán và khó có phương tiện kỹ thuật để tập trung sức gió lớn như tập trung năng lượng của dòng nước

Do vậy, mặc dù con người đã biết sử dụng năng lượng của gió từ ngàn năm, hiện nay với phương tiện kỹ thuật hiện đại cũng chỉ có thể tạo được các thiết bị năng lượng gió với công suất trong giới hạn vài chục kilôoat

Điểm đặc biệt thứ hai của năng lượng gió là rất khó sử dụng rộng rãi vì sức gió luôn thay đổi theo thời gian Công suất của các thiết bị năng lượng gió phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ của nó Tốc độ gió thay đổi trong một phạm vi rộng và liên tục Không thể điều chỉnh tốc độ gió đi vào các động cơ gió giống như việc điều chỉnh lưu lượng nước vào tuabin thủy lực của các nhà máy TĐ Công suất của các nhà máy điện

sử dụng năng lượng gió chỉ đạt được 20 đến 30 kW ở các vùng ít gió và 100 đến 400

kW ở vùng nhiều gió Khó khăn nữa của nhà máy phát điện sử dụng năng lượng gió là vấn đề điều chỉnh tần số và điện áp

Ví dụ về một trạm phát điện sử dụng năng lượng gió Để quay máy phát điện người ta dùng các động cơ gió Các cánh quạt của nó được đặt đối diện vơi hướng gió Cánh quạt gồm hai phần phần cố định và phần di động có thể quay quanh trục của cánh Trục của động cơ gió được nối trực tiếp hoặc gián tiếp ( qua bộ thay đổi tốc độ ) với máy phát điện Gió làm quay động cơ gió và do đó làm quay máy phát điện để sản xuất ra điện năng Điện năng được sản xuất ra có thể sử dụng trực tiếp hoặc tích trữ trong các bình acqui

Các trạm phát điện sử dụng năng lượng gió được xây dựng nhiều ở các vùng nhiều gió, không có lưới điện quốc gia vươn tới, như các vùng hải đảo, đồi núi Song giá thành đắt, khó sử dụng năng lượng một cách ổn định

1.2 Trạm biến áp

1.2.1 Khái quát chung về trạm biến áp

Trong các hệ thống điện (HTĐ), trạm biến áp được dùng rất rộng rãi, 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 năng lượng điện Thường điện năng từ nhà máy điện đến các hộ tiêu thụ điện phải qua 3 đến 4 lần biến áp Do vậy, công suất tổng của

các trạm biến áp cũng lớn hơn công suất tổng của các máy phát trong nhà máy điện của HTĐ khoảng 3 đến 4 lần

Điện áp U1 được gọi là điện áp sơ cấp, U2 là điện áp thứ cấp Nếu U1 > U2 ta có trạm biến hạ áp và ngược lại U1 < U2 ta có trạm biến áp tăng áp Điện áp định mức sơ cấp cua các máy biến áp U1đm được chọn bằng điện áp định mức của mạng điện tương ứng Điện áp định mức thứ cấp U2đm của các máy biến áp thường được chọn bằng 1,05 đến 1,10 điện áp định mức của mạng điện tương ứng

Tùy thuộc vào số cấp điện áp cần liên lạc của trạm mà người ta dùng máy biến áp (MBA) hai cuộn dây, ba cuộn dây hoặc tự ngẫu Cũng tùy theo yêu cầu của việc điều chỉnh điện áp, có thể dùng máy biến áp điều chỉnh điện áp thường hay điều chỉnh điện

áp dưới tải

Trạm biến áp tăng áp làm nhiệm vụ truyền tải điện năng từ lưới điện có điện áp thấp lên lưới điện có điện áp cao hơn, phục vụ cho việc truyền tải điện đến các hộ tiêu thụ ở xa Người ta thường gặp các trạm biến áp tăng áp trong các nhà máy điện, làm nhiệm vụ truyền tải điện năng ở điện áp máy phát lên điện áp cao để truyền công suất của NMĐ vào HTĐ hoặc đến các phụ tải ở xa nhà máy Công suất của máy biến áp, số lượng và chủng loại của nó phụ thuộc công suất cần truyền tải, số cấp điện áp và vào chế độ làm việc của điểm trung tính của các lưới điện ở phía thứ cấp của trạm

Trạm biến áp hạ áp làm nhiệm vụ truyền tải điện năng từ lưới điện có điện áp cao sang lưới điện có điện áp thấp hơn, phục vụ cho việc phân phối và tiêu thụ năng lượng điện Trạm hạ áp được sử dụng rất nhiều trong các mạng điện và hộ tiêu thụ

Ngoài các trạm biến áp , trong các HTĐ còn có các trạm đóng cắt, làm nhiệm vụ nối các nguồn với các đường dây phụ tải ở cùng một cấp điện áp Như vậy, trong các trạm biến áp, ngoài các MBA còn có các trạm đóng cắt ở các cấp điện áp của trạm Để phục vụ cho việc truyền tải điện năng bằng dòng điện 1 chiều, người ta sử dụng các trạm chỉnh lưu và phản chỉnh lưu đặt ở đầu cà cuối các đường dây Trạm chỉnh lưu làm nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng 1 chiều, ngược lại trạm phản chỉnh lưu làm nhiệm vụ biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều Để nối các hệ thống điện có tần số khác nhau, người ta dùng các trạm biến đổi tần sô công suất lớn Các trạm này thường làm việc theo chế độ thuận nghịch, nghĩa là biến đổi dòng điện

có tần sô f1 sang tần số f2 khi cần tải điện năng từ HTĐ1 có tần số f1 sang HTĐ2 có tần

số f2 và ngược lại khi cần tải điện năng từ HTĐ2 sang HTĐ1 biến đổi dòng điện có tần

số f2 sang tần số f1

 Phân loại trạm biến áp

Trạm biến áp thường được phân làm 2 loại:

- Trạm biến áp trung gian: Làm nhiệm vụ biến đổi điện áp (35220)kV của hệ thống điện lực thành điện áp phân phối (610)kV của mạng điện xí nghiệp Thông thường các xí nghiệp lớn mới có trạm biến áp trung gian riêng còn các xí nghiệp trung bình thì lấy điện từ mạng điện thành phố (610)kV hoặc từ trạm biến áp khu vực Trạm biến áp khu vực cũng làm nhiệm vụ như trạm biến áp trung gian tức là biến đổi điện áp (35220)kV thành điện áp (610) kV để cung cấp cho một khu vực kinh tế

- Trạm biến áp phân xưởng làm nhiệm vụ biến đổi điện áp (610)kV của mạng phân phối trong xí nghiệp thành điện áp 380/220 V hoặc 220/127 V của mạng phân xưởng

Ngoài cách phân loại trạm theo nhiệm vụ như trên người ta còn phân loại trạm theo

vị trí đặt trạm, gồm có:

- Trạm ngoài phân xưởng là trạm đặt cách các phân xưởng (1030)m Kiểu trạm này thường được dùng trong trường hợp các phân xưởng có chất dễ nổ, dễ cháy, diện tích phân xưởng quá bé, phụ tải phân tán hoặc khi nhiều phân xưởng dùng chung một trạm biến áp

- Trạm kề phân xưởng là trạm có một hoặc hai mặt tường trung với tường của phân xưởng Loại trạm này do thuận tiện và kinh tế nên được sử dụng rộng rãi

- Trạm trong phân xưởng là trạm biến áp nằm hẳn trong phân xưởng Loại trạm này được dùng khi phụ tải phân xưởng lớn, cần đưa máy biến áp vào gần trung tâm phụ tải cho kinh tế Nhược điểm của nó là việc phòng nổ, phòng cháy gặp khó khăn

Ngoài ra còn có các hình thức xây dựng khác như trạm treo trên cột dùng cho các máy biến áp có công suất nhỏ, trạm ngoài trời

1.2.2 Vị trí và số lượng trạm biến áp

Vị trí và số lượng trạm có ảnh hưởng lớn đến việc đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật của hệ thống cung cấp điện

Về mặt kỹ thuật những yêu cầu cơ bản để lựa chọn vị trí và số lượng trạm là:

- Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện

- Gần trung tâm phụ tải để có thể giảm tổn thất điện áp và công suất trong mạng

- Hạn chế dòng điện ngắn mạch, bố trí đường dây thuận tiện và dự phòng cho việc phát triển sau này

Về kinh tế vị trí và số lượng trạm phải đảm bảo:

- Vốn đầu tư và chi phí vận hành phải hợp lý

- Lượng tiêu hao kim loại màu nhỏ nhất

Sau đây sẽ phân tích về vị trí và số lượng trạm

 Trạm biến áp trung gian

Xí nghiệp có cần đặt trạm biến áp trung gian hay không là do cấp điện áp của nguồn quyết định

Nếu cấp điện áp của nguồn cung cấp từ 35 kV trở lên (trừ trường hợp dùng đường dây dẫn sâu) xí nghiệp phải đặt trạm biến áp trung gian

Về nguyên tắc trạm biến áp trung gian đặt càng gần trung tâm phụ tải càng tốt Song không vì thế mà nhất thiết phải đưa trạm biến áp trung gian vào giữa xí nghiệp vì những đường dây có điện áp từ (35220)kV thường chiếm một dải đất khá rộng, trên

đó không được xây dựng công trình gì khác Mặt khác các đường dây đó có thể ảnh hưởng đến giao thông vận tải trong xí nghiệp Vì vậy nên đặt trạm biến áp trung gian ở ngoài xí nghiệp, những nơi ít đi lại và xa các công trình xây dựng khác

Ở những xí nghiệp có những phân xưởng có nhiều bụi (lò cao, lò cốc, lò hơi đốt bằng than) hoặc nhiều hoá chất ăn mòn Trạm biến áp trung gian nên đặt ở đầu gió

- Vị trí này ở gần phân xưởng cán, là phân xưởng có nhiều động cơ cỡ lớn, tiêu thụ nhiều điện nhất so với các phân xưởng khác

- Vị trí của trạm biến áp trung gian ở ngoài xí nghiệp, đường dây điện cao áp không

đi sâu vào xí nghiệp nên không ảnh hưởng tới việc xây dựng và giao thông vận tải

- Các phân xưởng có nhiều bụi như lò cao, luyện cốc, luyện gang đều ở cuối gió

so với trạm biến áp trung gian

Nói chung mỗi xí nghiệp lớn chỉ nên đặt một trạm biến áp trung gian Tuỳ tình hình

cụ thể của phụ tải trong trạm ta có thể đặt một hoặc nhiều máy biến áp

Hình 1.11 Cách bố trí trạm biến áp trung gian của một khu liên hợp gang thép

 Trạm phân phối

Khi xí nghiệp được cung cấp bằng đường dây (610)kV hoặc khi mạng điện phân phối trong xí nghiệp khá rộng thì cần đặt các trạm phân phối Những nguyên tắc để đặt trạm phân phối là:

- Gần trung tâm phụ tải

- ở xa các phân xưởng có nhiều bụi và rung động

- Có thể xây dựng độc lập, song để thuận tiện cho nhân viên vận hành và tiết kiệm vốn đầu tư xây dựng, trạm phân phối nên xây liền với một trong những trạm biến áp phân xưởng của xí nghiệp hoặc đặt gần các hộ tiêu thụ điện có nhiều động cơ điện áp cao như: Trạm bơm, trạm nén khí Theo kinh nghiệm thiết kế và vận hành cứ khoảng

5000 kVA của phụ tải thì nên đặt một trạm phân phối Song còn tuỳ tình hình cụ thể của xí nghiệp, tuỳ sơ đồ cung cấp điện mà quyết định số lượng trạm phân phối

Khoảng cách giữa các trạm phân phối khoảng (400500)m là hợp lý

 Trạm biến áp phân xưởng

Trạm biến áp phân xưởng làm nhiệm vụ biến đổi điện áp (610)kV của mạng phân phối thành điện áp  1000 V Cung cấp cho mạng phân xưởng

Việc chọn vị trí của trạm được tiến hành dựa trên một số nguyên tắc sau:

- Gần trung tâm phụ tải

- Không ảnh hưởng tới sản xuất

- Có thể thông gió, phòng cháy, phòng nổ tốt, trạm phân xưởng có thể xây dựng bên ngoài, liền kề hoặc bên trong phân xưởng

Trạm biến áp phân xưởng thường dùng máy biến áp cỡ nhỏ (1000 kVA), vì vậy để thông gió cho trạm người ta thường dùng phương pháp thông gió tự nhiên, do đó khi chọn vị trí của trạm biến áp không nên để cửa trạm hướng về phía tây Nắng hướng tây hướng vào cửa trạm sẽ làm cho nhiệt độ trong trạm tăng lên, ảnh hưởng tới sự làm mát của máy biến áp và do đó hạn chế công suất của máy biến áp

Khi đặt trạm bên trong phân xưởng cần chú ý tránh ảnh hưởng tới các máy sản xuất khác, và cần tính đầy đủ các biện pháp phòng cháy, phòng nổ

Dung lượng và số lượng máy biến áp phải được chọn căn cứ vào phụ tải của phân xưởng

và các điều kiện khác Theo kinh nghiệm thiết kế và vận hành lúc chọn số lượng và dung lượng trạm biến áp phân xưởng cần chú ý những điểm sau:

- Trong cùng một xí nghiệp nên chọn ít loại máy biến áp (về kiểu và dung lượng) nhằm mục đích thuận tiện trong vận hành, dễ thay thế lẫn nhau và không phải dự trữ nhiều loại phụ tùng thay thế khác

- Để tạo điều kiện đưa máy biến áp vào gần phụ tải đồng thời xét đến khả năng hạn chế dòng điện ngắn mạch, người ta có xu thế phân nhỏ dung lượng của các trạm biến

áp phân xưởng Thông thường trong mỗi trạm biến áp nên đặt máy biến áp có công suất 1000 kVA

- Trong những trường hợp sau đây ta phải xét đến việc đặt nhiều máy trong trạm biến áp phân xưởng:

+) Do điều kiện vận chuyển khó khăn phải dùng nhiều máy có công suất nhỏ thay cho một máy có công suất lớn hơn

+) Phụ tải của phân xưởng thuộc loại I và loại II yêu cầu phải nâng cao độ tin cậy cung cấp điện

+) Đồ thị phụ tải của phân xưởng không bằng phẳng, cần đặt nhiều máy biến áp

để khi non tải có thể cắt bớt máy biến áp, nhằm mục đích giảm tổn thất công suất Theo kinh nghiệm thiết kế và vận hành thì mỗi trạm đặt hai máy biến áp là hợp lý, không nên đặt nhiều hơn (trừ trường hợp đặc biệt)

- Trong những phân xưởng và xí nghiệp có quy mô nhỏ và trung bình, có phụ tải loại II và loại III Khi cần nâng cao độ tin cậy cung cấp điện không nhất thiết phải đặt hai máy biến áp cho trạm phân xưởng mà có thể dùng đường dây liên lạc phía hạ áp Khi máy biến áp bị sự cố, ta dùng đường dây liên lạc phía hạ áp lấy điện từ trạm bên cạnh để cung cấp cho những phụ tải quan trọng của phân xưởng Thông thường đường dây liên lạc nên chọn để có thể cung cấp từ (2530)% phụ tải của phân xưởng

- Để chú ý đến khả năng phát triển của phụ tải, thông thường kích thước và nền móng của trạm biến áp phân xưởng được xây dựng sao cho có thể đặt được các máy biến áp có công suất liền kề nhau Ví dụ trạm đặt máy 560 kVA cũng có thể đặt máy

750 kVA

Như vậy sau này khi phụ tải tăng thêm ta chỉ cần thay máy biến áp, chứ không cần xây dựng lại trạm

 Vị trí trạm biến áp trong hệ thống điện

Hiện nay ở hầu hết các nước, thậm chí ở một số khu vực gồm nhiều nước, người ta thực hiện sự làm việc song song của các NMĐ trong một lưới điện chung Sự hợp nhất giữa các nhà máy điện và lưới điện chung tạo thành hệ thống năng lượng

Hệ thống năng lượng là tập hợp bao gồm các NMĐ, các đường dây tải điện, các trạm biến áp, các lưới cung cấp điện và nhiệt Chúng cùng làm việc trong một hệ thống chung, tạo thành một thể thống nhất, thực hiện một quá trình có liên quan mật thiết với nhau là sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ năng lượng điện và nhiệt

Hệ thống điện là một phần của hệ thống năng lượng, bao gồm các trạm biến áp (TBA), các đường dây tải điện (ĐD )ở các cấp điện áp khác nhau

Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống điện 110 kV

Trên hình 1.2 là ví dụ về một hệ thống điện đơn giản 110 kV Trong HTĐ gồm một nhà máy TĐ khu vực, hai trung tâm nhiệt điện lớn NĐN-1 và NĐN-2, một nhà máy NĐR Các NMĐ lớn được liên hệ với nhau bởi các đường dây 110 kV và tạo thành một mạch vòng kín cao áp Khi một trong các đường dây của mạch vòng bị cắt

sự liên lạc giữa các phần tử chính của HTĐ vẫn không bị phá hỏng

Ở các nhà máy điện lớn (TĐ, NĐN-1, NĐN-2 ) dùng các sơ đồ bộ máy phát điện- máy biến áp hai cuộn dây, nối trực tiếp máy phát điện với máy biến áp tăng áp hai cuộn dây để đưa điện từ máy phát điện cào lưới cao áp, trong các nhà máy điện này không có thanh góp điện áp máy phát

Nhà máy TĐ xa lưới điện chính 110 kV của HTĐ nên được liên lạc với HTĐ bằng hai đường dây song song 220 kV, đường dây ĐD1 qua trạm biến áp TBA -1 Nhà máy NĐN -1 được nối trực tiếp vào mạch vòng của các đường dây 110 kV, còn NĐN- 2 được nối với lưới điện chính của HTĐ bới các đường dây ĐD5 và ĐD6 , qua thanh góp 110 kV của các TBA -2 và TBA -3

Nhà máy NĐR được nối với HTĐ bằng đường dây ĐD7 qua thanh góp 110 kV của TBA -1 Các máy phát điện của NĐR được nối với thanh góp điện áp máy phát

Cần lưu ý rằng các NĐR không nhất thiết phải liên lạc với HTĐ ở điện áp 110 kV , mà còn tùy thuộc vào vị trí của NĐR trong HTĐ, vào công suất truyền tải từ NĐR vào HTĐ hoặc ngược lại,vào khoảng cách từ NĐR đến trạm biến áp trung gian gần nhất

Ví dụ như nếu NĐR gần trạm biến áp khu vực TBA -2, ta có thể nối NĐR với HTĐ ở một trong các cấp điện áp 110; 35; 10 hoặc 22 kV Trong trường hợp này, lời giả thích hợp lý chỉ có thể tìm được bằng khoảng cách so sánh hiệu quả kinh tế -kỹ thuật của các phương án

Các trạm biến áp TBA -1 và TBA -2 là các trạm nút công suất lớn của HTĐ Tại TBA -1 người ta dùng hai máy biến áp tự ngẫu để liên lạc giữa ba cấp điện áp 220;

110 và 6 hoặc 10 kV Điện năng từ thanh góp hạ áp của trạm được dùng để cung cấp cho các phụ tải ở gần, như các xí nghiệp công nghiệp, các khu dân cư của thành phố,

đô thị hoặc nông nghiệp Ngoài ra trên thanh góp hạ áp của trạm còn có hai máy bù đồng bộ ( MB ) để phát công suất phản kháng vào HTĐ

Trong TBA -2 đặt hai MBA giảm áp ba pha ba cuộn dây Phía 25 kV cung cấp cho các phụ tải lớn ở xa trạm, phía 10 – 22 kV cung cấp cho các phụ tải gần trạm Trong các TBA -3 và TBA -4, người ta đặt các MBA ba pha hai cuộn dây, tùy thuộc vào công suất và vị trí của các phụ tải, điện áp thứ cấp của trạm có thể là 6, 10,

Việc thiết lập các hệ thống năng lượng nói chung và HTĐ nói riêng có một ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế - kỹ thuật Khi các NMĐ cùng làm việc trong một HTĐ và

có sự phân bố hợp lý phụ tải giữa chúng sẽ thực hiện được việc sử dụng một cách kinh

tế các thiết bị của từng nhà máy và của cả hệ thống, cũng như các nguồn năng lượng của các khu vực ( nhiên liệu, thủy năng ) và làm giảm tổn thất điện năng trong các lưới điện, giảm chi phí nhiên liệu, đặc biệt là các nhiên liệu có nhiệt lượng cao, đắt tiền và