CHƯƠNG 8 :
SƠ ĐỒ CẤU TRÚC NHÀ MÁY ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP
8-1. KHÁI NIỆM
Sơ đồ cấu trúc của nhà máy điện và trạm biến áp là sơ đồ diễn tả sự liên quan giữa nguồn, tải và hệ thống điện. Đối với nhà máy điện nguồn ở đây là các máy phát điện, tải là phụ tải mà nhà máy phải cung cấp ở các cấp điện áp.
Hệ thống điện là nơi nhà máy cần nối vào, gồm nhiều nhà máy điện có công suất lớn hơn nhà máy định thiết kế. Bình thường nhà máy phát công suất thừa (sau khi đã cung cấp cho các tải) vào hệ thống, khi nhà máy thiếu công suất (công suất tổng của các phụ tải lớn hơn tổng công suất nhà máy) hoặc khi một phần tử chính (máy phát, máy biến áp) bị sự cố không làm việc, hệ thống có thể sử dụng công suất dự trữ của hệ thống cung cấp về cho nhà máy để bù vào phần thiếu.
Đối với trạm biến áp nguồn thường là các đường dây cung cấp từ hệ thống đến trạm biến áp, có nhiệm vụ đảm bảo cung cấp cho các phụ tải mà trạm biến áp đảm nhận. Với các trạm biến áp tiêu thụ cũng có thể có máy phát dự phòng để cung cấp điện cho các phụ tải khi có sự cố trong hệ thống, trong trường hợp này các máy phát dự phòng được xem là nguồn. Do đó hệ thống luôn được xem là thành phần quan trọng, cấu trúc của nhà máy điện hay trạm biến áp phải luôn luôn được giữ liên lạc chặt chẽ.
Khi thiết kế nhà máy điện hay trạm biến áp, chọn sơ đồ cấu trúc là phần quan trọng có ảnh hưởng quyết định đến toàn bộ thiết kế. Các yêu cầu chính khi chọn sơ đồ cấu trúc:
1. Có tính khả thi tức là có thể chọn được các thiết bị chính như: máy biến áp, máy cắt điện…, cũng như có khả năng thi công, xây lắp và vận hành.
2. Đảm bảo liên hệ chặt chẽ giữa các cấp điện áp đặc biệt với hệ thống khi bình thường cũng như cưỡng bức (có một phần tử không làm việc được).
3. Tổn hao qua máy biến áp bé, tránh trường hợp cung cấp cho phụ tải qua 2 lần biến áp không cần thiết.
4. Vốn đầu tư hợp lý, chiếm diện tích càng bé càng tốt.
5. Có khả năng phát triển trong tương lai gần, không cần thay cấu trúc đã chọn.
Thường một nhà máy điện hay trạm biến áp có thể có nhiều phương án cấu trúc khác nhau, để chọn phương án nào cần cân nhắc các khía cạnh sau đây:
- Số lượng máy biến áp.
- Tổng công suất các máy biến áp Sđm.B
- Tổng vốn đầu tư mua máy biến áp VB
- Tổn hao điện năng tổng qua các máy biến áp AB. 8-2. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN
Phụ thuộc vào số lượng máy phát điện (n), công suất tổ máy phát điện (SF), điện áp của hệ thống (UHT), phụ tải ở các cấp điện áp tương ứng: điện áp cao (UC), điện áp trung (UT), điện áp hạ (UH), trị số phụ tải cực đại (Smax), phụ tải cực tiểu (Smin) ở các cấp điện áp. Có thể có nhiều dạng sơ đồ cấu trúc khác nhau.
1. Khi phụ tải có cả ở UC, UT, UH và UC=UHT; UH=Umf. Sơ đồ cấu trúc tổng quát có dạng:( hình 8 -1)
Trong đó phụ tải ở điện áp cao gồm cả phần phát về hệ thống, phụ tải ở điện áp máy phát (Umf) bao gồm cả phần tự dùng của các máy phát nối vào thanh góp điện áp máy phát. Giả sử có tất cả n máy phát công suất bằng nhau (Smf), để hạn chế dòng ngắn mạch trên thanh góp Umf không nhất thiết phải nối tất cả n máy phát mà chỉ nối m máy phát với điều kiện khi một máy phát nghỉ, các máy còn lại (m-1) đủ đảm bảo cho phụ tải SmaxH mà không phải tải từ các máy phát ghép bộ qua 2 lần biến áp, số máy phát còn lại (n-m) có thể ghép bộ máy phát máy biến áp đưa thẳng lên điện áp cao qua p máy phát hoặc ghép bộ lên điện áp trung qua q máy phát. p và q được xác định sao cho tổng công suất của các bộ này không vượt quá Smin ở cấp đó. Điều này được giải thích là khi phụ tải cực tiểu, công suất của các máy phát điện này không phải truyền qua 2
S
TS
min max
p
H T
S
HS
min max UHT = UC
UH = Umf
S
CS
min max
m q
HT
UT
Hình 8.1
lần biến áp để phát. Trường hợp đặc biệt khi sử dụng máy biến áp từ ngẫu liên lạc với hệ thống, thường ở cấp trung và cao chọn theo Sđm trong khi cuộn hạ chọn theo công suất mẫu (.Sđm), cho nên có thể tải thêm một lượng công suất từ trung sang cao với điều kiện không vì lý do này mà tăng công suất máy biến áp từ ngẫu đã chọn.
Với các điều kiện trên chúng ta có các biểu thức:
mf T T
mf
mf C C
mf
mf H H
mf
S q S S
S q
S p S S
S p
S m S S
S m
. min .
min
. min .
min
. max .
max
. .
1 1
và m + p + q =n.
Từ 4 biểu thức này chúng ta có thể suy ra các phương án có thể.
Khi phụ tải ở điện áp máy phát nhỏ ( < 10% SđmF ) không nhất thiết có thanh góp ở UF mà có thể cung cấp bằng cách rẽ nhánh từ hai bộ máy phát – máy biến áp qua kháng điện như hình 8-1b .
p
Ví du 8-1ï: Một nhà máy điện có 4 máy phát công suất 100MVA có nhiệm vụ cung cấp cho các phụ tải:
Ở UC =100 KV, Smax/ Smin = 120180 MVA
S T
S
min max
Hình 8.1b H
T
S
HS
min max UHT = UC
S
CS
min max
q
HT
UT
Ở UT = 35 KV, Smax / S min = 140200MVA Ở UH = Umf = 10,5 KV, Smax/ Smin =4060MVA Điện áp của hệ thống là 110 KV.
Vì Umf = UH ; UC = UHT nên ta có các phương án thoả mãn 4 biểu thức trên:
m 60/100 +1 2 ; p 120/100 1 ; q 140/100 1 m + p + q = 4
Phương án m p q n
1 2 3 4
2 3 3 4
1 1 0 0
1 0 1 0
4 4 4 4 4 phương án đó là: (hình 8-2)
2. Khi UC =UHT; UH UMF
UHT = UC
UF
HT
UT
Phương án 3
UHT = UC
UF
HT
UT
Phương án 4 UHT = UC
UF
HT
UT
Phương án 2 UHT = UC
UF
HT
UT
Phương án 1
Hình 8 -2
Trường hợp này không thể cung cấp trực tiếp từ máy phát cho các phụ tải ở UH nên có thể có các phương án: (hình 8-3a và 8-3b)
* Phương án 1: dùng 2 máy biến áp 3 cuộn dây liên lạc giữa 3 cấp điện áp (hình 8-3a), trong đó cấp điện áp cao (UC), ( UT) phù hợp với UHT và UT, điện áp cuộn hạ thích hợp với phụ tải hạ, các máy phát được ghép bộ lên điện áp cao và trung
n = p + q
Số lượng máy phát p và q nhiều ít phụ thuộc vào công suất ở cấp điện áp này, phụ tải ở cấp nào lớn hơn sẽ có số bộ nhiều hơn. Ở đây cần lưu ý công suất máy biến áp bằng nhau nhưng điện áp cao hơn giá tiền sẽ cao hơn. Số máy phát ở cấp điện áp trung có nhiệm vụ đảm bảo đủ cho phụ tải ở cấp trung và một phần cho phụ tải ở hạ.
q SMF ST + SH
Số máy phát ở cấp điện áp cao có nhiệm vụ cung cấp cho phụ tải ở UC, phát về hệ thống và một phần cung cấp cho phụ tải ở cấp điện áp hạ.
p SMF < SC + SH
Phương án này số lượng máy biến áp ít.
* Phương án 2: để cung cấp cho phụ tải ở điện áp hạ có thể rẽ nhánh từ 2 bộ máy biến áp 3 cuộn dây qua 2 máy biến áp thích hợp (hình 8-3b). Nếu phụ tải hạ tương đối lớn có thể giảm công suất của máy biến áp 3 cuộn dây.
Phân phối giữa p và q máy phát cho điện áp trung và cao được xét giống trường hợp 1 nghĩa là tránh tải 2 lần qua các máy biến áp và qua máy biến áp 3 cuộn dây vì như vậy sẽ làm tăng công suất máy biến áp 3 cuộn dây. Điều kiện đó là: p SMF SminC
q SMF SminT
Hình 8-3 p
UHT = UC
UH
q
HT
UT
a)
UHT= UC
q
HT
UT
UH p
b)
Phương án này chỉ thực hiện khi n > 2 và p + q = n-2
* Phương án 3: Khi có nhiều máy phát điện có thể dùng 2 máy biến áp để liên lạc giữa UHT với UC, 2 máy biến áp liên lạc giữa UHT với UT hoặc 2 máy biến áp liên lạc giữa UC và UT (phần nét đứt), số máy phát còn lại (n-4) sẽ ghép bộ nối vào thanh góp UHT, UT, UC (p, q, f) với điều kiện p + q + f = n – 4. Số lượng p, q, f phụ thuộc vào phụ tải ở các cấp UHT, UC, UT.
3. Khi UC UHT
Có thể dùng phương án ở hình 8-3c hoặc tách nhà máy làm 2 phần, phần giữa phương án trên hình 8-3a, b và dùng máy biến áp liên lạc từ UHT với các cấp điện áp khác ( hình 8-4a,b ).
UT
p q
UHT UC
f
UT
Hình 8-3c
UHT
UC
a)
UT
H T
UHT
b)
H TT
Hình 8-4
8-4. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA TRẠM BIẾN ÁP
Trạm biến áp là một công trình nhận điện bằng 1 hay 2 nguồn cung cấp với điện áp cao để phân phối cho các phụ tải ở các cấp điện áp bằng hoặc bé hơn điện áp hệ thống. Phần công suất được phân phối ở điện áp bằng điện áp hệ thống không qua máy biến áp hạ, phần còn lại qua máy biến áp giảm có điện áp phù hợp với phụ tải.
Phụ thuộc vào các cấp điện áp, vào công suất của phụ tải có thể sử dụng một trong 3 phương án sau:
- Qua máy biến áp giảm dần từ điện áp cao xuống (hình 8-5a).
- Dùng máy biến áp 3 cuộn dây (hay máy biến áp từ ngẫu nếu điện áp trung lớn hơn hoặc bằng 110 KV) (hình 8-5b).
- Qua các máy biến áp 2 cuộn dây cung cấp cho từng cấp điện áp thấp (hình 8-5c).
1. Số lượng máy biến áp : có thể 1, 2, 3.
a. Một máy biến áp được dùng trong trường hợp:
- Phụ tải thuộc loại không quan trọng. Trạm thường được cung cấp bằng một đường dây từ hệ thống đến.
- Trạm biến áp xây thường 2 giai đoạn, giai đoạn đầu đặt một máy, khi phụ tải phát triển (trong 2, 3 năm sau) sẽ đặt thêm máy biến áp thứ hai. Thiết kế như vậy có ưu điểm không phải đặt hai máy ngay từ đầu nếu chọn công suất máy biến áp theo phụ tải sau khi phát triển, giai đoạn đầu máy biến áp làm việc non tải, tổn hao không tải lớn. Còn nếu chọn công suất theo phụ tải hiện tại, khi phát triển phải thay máy biến áp lớn hơn. Trường hợp này cho phép giai đoạn đầu vận hành một máy biến áp thường ít có khả năng sự cố máy biến áp,
SH
UC
UT
UH
a ST
SC
UC
UT UH UC
UH UT
b c
Hình 8-5
do máy biến áp còn mới, tuổi thọ còn cao. Hơn nữa thiết kế như vậy vốn đầu tư ban đầu nhỏ, tận dụng vốn đầu tư tốt hơn.
b. Hai máy biến áp là phương án thường được sử dụng nhất vì tính đảm bảo cao. Phương án này được thiết kế khi:
- Có hai đường dây cung cấp từ hệ thống.
- Khi không có máy biến áp lớn phù hợp với phụ tải.
- Không có khả năng chuyên chở và xây lắp máy biến áp lớn.
c. Ba máy biến áp chỉ sử dụng trong trường hợp đặc biệt:
- Khi không có 2 máy biến áp phù hợp.
- Trạm biến áp đã xây dựng, khi phát triển phụ tải không có khả năng thay 2 máy mới phải đặt thêm máy thứ 3.
Đặt 3 máy biến áp thường đưa đến tăng vốn đầu tư, tăng diện tích xây dựng, phức tạp xây lắp. Đặc biệt khi sử dụng máy biến áp 3 cuộn dây hay từ ngẫu không nên dùng 3 máy biến áp làm việc song song.
2. Phương án 1 (hình 8-5a):
Phương án này được sử dụng:
- Khi phụ tải ở các cấp điện áp thấp bé hơn phụ tải ở cấp điện áp cao (ST > SH)
- Khi không có máy biến áp 3 cuộn dây thích hợp. Máy biến áp 3 cuộn dây chỉ chế tạo với điện áp thấp bằng hoặc lớn hơn 6KV, 10KV, 22KV...
Phương án này có nhược điểm là máy biến áp cấp một (điện áp lớn nhất) phải tải cả công suất ở các cấp nối tiếp, do đó phải chọn công suất lớn, tổn hao có thể lớn vì vậy không nên sử dụng khi phụ tải SH ST
3. Phương án 2 (hình 8-5b):
Sử dụng 2 máy biến áp 3 cuộn dây khi điện áp cao UC = 110KV; UT = 22;
35KV; UH 6KV; hoặc sử dụng máy biến áp từ ngẫu khi UC 220KV, UT 110KV, UH=10, 22, 35, 110KV.
Chú ý: ở đây không nên sử dụng 3 máy biến áp 3 cuộn dây hay từ ngẫu, vì như vậy sẽ dẫn đến không tốt khi bố trí thiết bị phân phối điện.
Phương án này có nhiều ưu điểm:
- Số lượng máy biến áp chỉ có 2, chiếm ít diện tích xây lắp.
- Giá thành thấp.
- Tổn hao trong máy biến áp có thể nhỏ hơn các phương án 1, 3 vì không phải qua 2 lần biến áp.
Tuy nhiên không phải trường hợp nào cũng khả thi vì:
- Máy biến áp 3 cuộn dây chỉ chế tạo với điện áp UH 6KV - Máy biến áp từ ngẫu chỉ chế tạo với điện áp UT 110KV
- Khi công suất lớn kích thước và trọng lượng máy biến áp lớn có thể không cho phép khi chuyên chở và xây lắp.
- Khi công suất của các cuộn chênh lệch quá nhiều. Vì máy biến áp chỉ chế tạo công suất bé nhất cũng bằng 32 công suất định mức (100/100/66,7;
100/66,7/66,7; 100/66,7/100) điều này dẫn đến cuộn công suất bé sẽ non tải.
Thích hợp nhất là khi phụ tải ở UT hoặc UH lớn hơn hoặc bằng 20% công suất định mức của máy biến áp SH 20%SđmB; ST 20%SđmB
4. Phương án 3 (hình 8-5c) : dùng máy biến áp 2 cuộn dây để tải công suất từ điện áp cao sang trung và sang hạ.
Phương án này có nhược điểm là:
- Tăng số lượng máy biến áp dẫn đến chiếm nhiều diện tích
- Tách trạm biến áp thành hai phần riêng biệt (hai trạm biến áp đặt chung trong một nơi). Tuy nhiên phương án này sử dụng khi phụ tải ở UT và UH
chênhlệch nhiều mà không thể dùng phương án 1 và 2. Ví dụ khi điện áp cao là 22KV, điện áp của phụ tải là 6 (15KV) và 0,4KV...
Nói chung phương án 3 có nhiều hạn chế và ít được sử dụng.
8.5- SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN
1. Chọn điện áp cung cấp điện .
Điện áp cung cấp điện có ảnh hưởng trực tiếp đến sơ đồ cung cấp điện , ảnh hưởng đến tổn thất điện áp , tổn thất điện năng , đến vốn đầu tư … cho nên khi xác định điện áp cung cấp điện cần phải tính tóan so sánh giữa kihn tế và kỹ thuật mới quyết định chính xác . Tuy nhiên khi thiết kế sơ bộ có thể tham khảo các công thức gần đúng sau đây , căn cứ vào công suất S và vào khoảng cách L cung cấp điện .
U = 4,34 L16P Hoặc U = 3 S + 0,5 L
Trong đó : U . điện áp cung cấp điện tính bằng kV.
S, P . công suất lớn nhất cần cung cấp kVA , kW . L . chiều dài dây dẫn km .
Điện áp cung cấp điện được tiêu chuẩn hóa theo thang chuẩn qui định . Cụ thể của nước ta là : 0,4 ; 22 ; 110 ; 220 kV .
Cũng có thể tham khảo theo kinh nghiệm thực tế như sau :
U (kV) Loại đường dây Công suất tải (kW) Khỏang cách (km) 0,4 Trên không
cáp
< 100 < 175
< 0,25 < 0,35 22 Trên không
cáp
2000 ÷ 10000 20 ÷ 50 110 Trên không 10000 ÷ 50000 50 ÷ 150 220 trên không 100000 ÷150000 200 ÷ 300 2 . Sơ đồ cung cấp điện :
Có 3 hình thức cung cấp điện :
- Theo sơ đồ hình tia ( hình 8.6,a ) - Theo sơ dồ phân nhánh ( hình 8.6,b ) - Theo sơ đồ đường vòng ( hình 8.6,c )
a) b) c) Hình 8.6. Sơ đồ cung cấp điện
- Sơ đồ hình tia có ưu điểm rỏ ràng , các tải độc lập không phụ thuộc vào nhau, dễ dàng thực hiện bảo vệ … nhưng có khuyết điểm vốn đầu tư lớn , độ tin cậy cung cấp điện kém thường được sử dụng khi các tải tập trung hoặc nằm về một hướng .
- Sơ đồ phân nhánh : các tải phụ thuộc vào đường dây chính , khi trục chính sự cố các tải đều bị ảnh hưởng , các tải ở cuối đường dây điện áp bị giảm do có tổn thất điện áp trên đường dây. Hình thức cung cấp điện này được ứng dụng khi các tải phân phối dọc theo một hướng .
- Sơ đồ hình vòng phức tạp vốn đầu tư cao nhưng độ tin cậy cung cấp điện cao , các tải được cung cấp theo nhiều tuyến và được liên hệ nhau . Hình thức cung cấp điện này thường được áp dụng khi có yêu cầu của các tải quan trọng .
Trong thực tế không nhất thiết phải thống nhất một cấu trúc nào mà thường kết hợp cả ba hình thức này theo yêu cầu cụ thể để tăng cường độ tin cậy và dự phòng khi có sự cố. Một số sơ đồ thường được thực hiện
1- Sơ đồ hình tia có đường dây dự phòng chung .( hình 8.7 )
Hình 8.7.
Ngoài các đường dây riêng cung cấp cho từng phụ tải có một đường dây dự phòng chung ( đường nét đứt ) , bình thường đường dây dự phòng này có thể cắt hay đóng , còn các máy cắt dự phòng ( ) đều cắt , khi đường dây cung cấp chính nghỉ máy cắt dự phòng của của phụ tải đó đóng lại , đường dây dự phòng sẽ thay cho đường dây nghỉ . Chú ý đường dây dự phòng chỉ lần lượt thay cho từng đường dây chính và được tính toán thiết kế theo đường dây có công suất lớn nhất.
2- Sơ đồ phân nhánh có dự phòng chung .( hình 8.8 )
Cũng như trên , ở đây ngoài các đường dây cung cấp chính theo sơ đồ phân nhánh cho một số phụ tải còn có một đường dây không cung cấp
Hình 8.8
cấp cho phụ tải ( đường nét đứt ) làm dự phòng chung có thể thay thế lần lượt cho từng đường dây trên khi đường dây này phải nghỉ do bất kì lý do nào , nhờ máy cắt dự phòng .
Sơ đồ kiểu này thường sử dụng trong nhà nhiều tầng hoặc trong khu vực có nhiều dãy nhà , trong nhà máy có nhiều phân xưởng …
3- Sơ đồ phân nhánh có dự phòng riêng . (hình 8-9 )
Hình 8-9
Trong sơ đồ cứ mỗi hai phụ tải gần nhau có mỗt đường dây dự phòng
4- Sơ đồ phân nhánh nối hình vòng . (hình 8-10 )
Hình 8-10
Sơ dồ hình vòng thường được sử dụng khi cần cung cấp điện cho các phụ tải nằm trong khu vực rộng , tuy cấu trúc phức tạp vốn đầu tư cao nhưng có độ tin cậy cung cấp điện cao nhờ liên hệ với nhau chặc chẽ.
5- Sơ đồ hình tia cung cấp bằng đường dây kép ( hình 8-11 )
Hình 8-11
Trong cấu trúc này mỗi phụ tải được cung cấp bằng hai đường dây lấy từ hai phân đoạn khác nhau .
6-Sơ đồ phân nhánh được cung cấp bằng hai đường dây. (hình 8-12)
Hình 8-12
8-6. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA TRẠM BIẾN ÁP HẠ THẾ.
Đối với mạng điện hạ thế ( U=380/220 V) trong các phân xưởng thường phân thành mạng chiếu sáng và mạng động lực để đèn chiếu sáng không bị ảnh hưởng hiện tượng sụt áp khi khởi động các động cơ.
1- Mạng động lực thường dùng hình tia đối với các nhóm phụ tải và trong mỗi nhóm phụ tải dùng sơ đồ phân nhánh , các bảng điều khiển thực hiện theo nhóm phụ tải ( hình 8-12a,b,c ) hoặc theo trục chính và phân nhánh nếu các nhóm phụ tải nằm hai phía trục đường dây ( hình 8-12d ) .
a)Điều khiển chung. b)Điều khiển nhóm. c)Kết hợp hình tia và phân nhánh
d) Phân nhánh cho từng nhóm phụ tải theo trục chính Hình 8-12.Các phương án cấu trúc mạng hạ thế của phân xưởng 2- Mạng chiếu sáng : Cần lưu ý :
- Nếu sử dụng mạng ba pha , việc phân các đèn thế nào cho hợp lý khi mất điện một pha , khắc phục hiện tượng giao động theo tần số, phụ tải giữa các pha không được chênh lệch nhau …
- Bố trí điều khiển đóng cắt các nhóm đèn sao cho hợp lý, thuận lợi . - Cần phân biệt và phối hợp giữa chiếu sáng chung với chiếu sáng cục bộ
