Giáo trình cung cấp điện Chương 4 Trạm biến áp

Kết cấu của trạm biến áp phụ thuộc vào loại trạm, vị trí, công dụng, … của chúng, các trạm biến áp thường được xây dựng với hai dạng chính: ♦ Trạm biến áp ngoài trời: Có các thiết bị phâ

CHƯƠNG IV

TRẠM BIẾN ÁP

4.1 Khái quát chung:

Trạm biến áp là một phần tử rất quan trọng trong hệ thống điện, nó có nhiệm vụ biến đổi điện năng từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác Theo nhiệm vụ, trạm biến

áp có hai loại chính:

♦ Trạm biến áp trung gian ( trạm biến áp chính ): Tiếp nhận điện năng từ lưới 35kV÷220kV để cung cấp cho các lưới phân phối 6÷22kV

♦ Trạm biến áp phân xưởng: Nhận điện năng từ mạng phân phối 6÷22kV ( đôi khi

cả mạng 35 ) cấp nguồn cho lưới hạ áp với các cấp điện áp: 220/127V, 380/220V

Kết cấu của trạm biến áp phụ thuộc vào loại trạm, vị trí, công dụng, … của chúng, các trạm biến áp 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 tủ điện hoặc đặt trong nhà

♦ Trạm biến áp trong nhà: Tất cả các thiết bị điện đều đặt trong nhà

4.2 Phân loại và kết cấu trạm biến áp phân phối

4.2.1 Trạm treo ( hình 4.1& 4.2 ):

Hình 4.1 Trạm biến áp treo 1 pha và 3 pha

Đối với trạm treo, công suất của máy biến áp ≤ 100KVA Công suất tối đa của trạm ≤ 3x100kVA Đối với dạng trạm này có thể thiết trí một, hai hoặc ba máy biến áp tùy theo yêu cầu cung cấp điện của phụ tải

Phần hạ thế của trạm bố trí thiết bị bảo vệ bằng cầu dao ( hoặc aptomat ), phần đo đếm được trang bị phía hạ áp

Ở trạm biến áp treo tất các các thiết bị phân phối và máy biến áp được treo trên một cột, loại trạm này có ưu điểm là tiết kiệm được diện tích đất, thông thoáng tầm nhìn

Các chỉ dẫn vật tư chính

1 Đà L.75x75x8 - 2,4m

3 Sứ đứng 24 kV

5 Sứ treo polymer 24kV

6 LA - 18kV - 10kA

7 FCO - 24kV - 10kA - 100A

8 Máy biến áp 1 pha 22/0,4kV

9 Giá treo máy biến áp

10 Ống PVC D114 luồn cáp xuất hạ thế

12 Cổ dê ốp ống PVC D114 vào trụ

13 Thùng điện kế

14 Tủ điện hạ thế

15 Kẹp, cọc tiếp địa

16 Kẹp nối ép tiếp địa vào dây trung hòa - cỡ thích hợp

17 Kẹp quai - cỡ thích hợp

18 Kẹp hotline - cỡ thích hợp

27 Cáp đồng bọc trung thế 24kV - 25mm2

28 Cáp xuất hạ thế - cỡ thích hợp

29 Dây đồng trần Cu-25mm2 nối tiếp địa

Hình 4.2 Kết cấu trạm treo 3 pha Sđm≤ 3 x 100KVA 4.2.1 Trạm giàn (hình 4.3 & 4.4 ):

Trạm được trang bị ba máy biến áp một pha ( ≤ 3x100 KVA ) hay một máy biến

áp ba pha có công suất từ 160 KVA đến 630 KVA Máy biến áp và các thiết bị được đặt trên các xà đỡ và được gắn trên trụ hình ∏, loại trạm giàn lắp đặt được trên trụ nên tiết kiệm được diện tích

Cấp điện áp trạm 15-22/0,4kV Đầu vào trạm giàn có thể là đường dây trên không hoặc cáp ngầm đi đến Tùy theo hợp đồng mua bán điện, có thể đo đếm hạ thế hoặc đo đếm trung thế, nếu đo đếm trung thế thì có thêm VT, CT

Dễ dàng tăng công suất trạm biến áp mà không làm thay đổi kết cấu trạm Thường được lắp đặt ở những nơi có mặt bằng hạn chế, dọc các tuyến đường, quốc lộ, nơi không bảo đảm độ thông thoáng, tiêu thoát nước Trạm thường cấp điện cho các khu dân cư hay các phân xưởng

Hình 4.3 Trạm biến áp giàn 3 pha Hình 4.4 Kết cấu trạm giàn Sđm≤ 630KVA, đo đếm hạ thế

Các chỉ dẫn vật tư chính:

1 Đà L.75x75x8 - 2,4m

3 Đà L.75x75x8 - 3,2m

4 Đà U200x100x8 - 3,4m

5 Đà U100x50x8 - 0,5m

6 Đà U100x50x8 - 1m

7 Sứ đứng 24kV

9 Sứ treo polymer 24kV

12 LA - 18kV - 10kA

13 FCO - 24kV - 10kA - 100A

14 Máy biến áp 3 pha 22/0,4kV

15 Ống PVC D114 luồn cáp xuất HT

17 Cổ dê ốp ống PVC D114 vào trụ

18 Tủ điện hạ thế 2 ngăn

19 Kẹp, cọc tiếp địa

21 Boulon U dừng dây trung hòa

22 Kẹp quai - cỡ thích hợp

23 Kẹp quai - cỡ thích hợp

24 Boulon D16x250 bắt chống đà

25 Boulon D16x300 bắt đà

32 Dây đồng trần Cu-25mm2 nối tiếp địa

33 Cáp xuất hạ thế - cỡ thích hợp

4.2.3 Trạm nền ( hình 4.5 & 4.6 ):

Hình 4.5 Trạm biến áp nền 3 pha Hình 4.6 Kết cấu trạm nền - đo đếm trung thế, cáp ngầm đến

Các chỉ dẫn vật tư chính:

1 Đà L.75x75x8 - 2,4m

2 Chống đà V50x50x5 - 0,81m

4 Sứ đứng 24kV

5 LA - 18kV - 10kA

6 FCO - 24kV - 10kA - cỡ thích hợp

7 Đầu cáp ngầm

8 Giá đỡ đầu cáp ngầm

9 Cáp ngầm

10 Ống thép D160 luồn cáp ngầm

11 Cổ dê ốp ống thép D160 vào trụ

12 Máy biến áp 15-22/0,4kV

13 Tủ điện hạ thế 2 ngăn

14 Cọc tiếp địa

16 Cáp trung thế - cỡ thích hợp

18 Cáp xuất hạ thế - cỡ thích hợp

19 Kẹp cọc tiếp địa

27 Biến dòng điện TI

28 Biến điện áp TU

Máy biến áp được đặt trên bệ, các thiết bị phân phối phía sơ cấp được đặt trên cột

vào trạm, các thiết bị thứ cấp được đặt trong các tủ phân phối Chu vi trạm có hàng rào

bao quanh Vị trí đặt trạm trên mặt đất hoặc trên tầng lầu của tòa nhà, phân xưởng, nơi

hạn chế người qua lại

Đường dây cung cấp có thể là cáp ngầm đi đến hoặc đường dây trên không Đo

đếm có thể thực hiện ở phía trung áp hay phía hạ áp

Công suất đặt của trạm lớn, thường từ 320 KVA đến > 1000 KVA, thuận tiện

trong thao tác, quản lý vận hành, dễ dàng tăng công suất trạm Loại này có nhược điểm là

chiếm diện tích lớn, yêu cầu cao hơn về an toàn ( hàng rào cách ly, tiêu thoát nước )

4.2.4 Trạm biến áp trong nhà (hình 4.7):

Hình 4.7 Trạm biến trong nhà

Trạm biến áp trong nhà là kiểu trạm kín, các thiết bị phân phối phía sơ cấp và thứ

cấp, kể cả máy biến áp được đặt trong nhà kín Đường dây cung cấp thường là cáp ngầm

đi đến hoặc đường dây trên không thông qua sứ xuyên tường đi vào trạm Thiết bị cao áp

được bố trí trên tường gần trần nhà, máy biến áp được đặt trên bệ, thiết bị phân phối phía

thứ cấp được đặt trong các tủ phân phối Nhà trạm có cửa sổ để đảm bảo thông thoáng,

cửa sổ được che chắn bằng lưới sắt để tránh xâm nhập của động vật

Trạm trong nhà có ưu điểm là mỹ quan, không chịu sự tác động trực tiếp của môi

trường, độ an toàn cao

Nhược điểm là vốn đầu tư ban đầu lớn, thiết kế phải bảo đảm thông khí, tản nhiệt

4.2.5 Trạm hợp bộ (compact) ( hình 4.8 & 4.9 ):

Hình 4.8 Trạm hợp bộ (compact)

Hình 4.9 Sơ đồ đơn tuyến HV/LV trạm Compact Alstom Trong kết cấu trạm hợp bộ tất các các thiết bị kể cả máy biến áp được đặt trong tủ kiểu côngtainơ, có thể di chuyển dễ dàng Trạm được chia thành ba ngăn riêng biệt bao gồm ngăn thiết bị phân phối trung áp, ngăn máy biến áp, ngăn hạ áp và được thiết kế thông thoáng đảm bảo cho sụ trao đổi nhiệt dễ dàng Công suất trạm ≤ 800KVA ( 400,

630, 800 kVA ) Các thanh cái trung áp được đặt trong môi trường cách điện cao ( khí SF6, chân không, … ) RMU ( Ring Main Unit ) là một thiết bị rẽ nhánh chữ T cho các tuyến cáp ngầm, tương đương với khoang trung áp của trạm compact

Ưu điểm loại trạm này là có kích thước gọn nhẹ, mỹ quan, độ an toàn cao, có trang

bị máy cắt, bộ báo sự cố, thuận tiện trong vận hành Tuy nhiên chi phí đầu tư cao, một số thiết bị là hợp bộ nên gây khó khăn trong sửa chữa

Trạm hợp bộ thích hợp cho lưới cáp ngầm, khu vực đòi hỏi mỹ quan, diện tích giới hạn

4.3 Chọn vị trí, dung lượng và số lượng trạm biến áp

4.3.1 Vị trí đặt trạm

Các yêu cầu chính cần xem xét khi chọn vị trí trạm biến áp:

- Càng gần trung tâm phụ tải càng tốt

- Thuận tiện trong việc lắp đặt trạm, nguồn cung cấp điện vào và ra

- Thuận lợi trong thao tác, quản lý vận hành

- Phòng chống cháy nổ, bụi bặm, chống ăn mòn tốt

- Dễ dàng mở rộng phạm vi trạm khi nâng công suất

- Bảo đảm hành lang an toàn, không gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh nơi đặt trạm

- Vị trí đặt trạm sao cho giảm thiểu số phụ tải bị ảnh hưởng khi mất điện

4.3.2 Chọn số lượng và chủng loại máy biến áp

Các nguyên tắc chính để xác định số lượng và chủng loại máy biến áp như sau:

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

- Số lượng máy biến áp trong trạm: Trạm biến áp cung cấp điện cho phụ tải loại I nên dùng hai máy Khi phụ tải loại I bé hơn 50% tổng công suất của phân xưởng thì dung lượng mỗi máy phải ít nhất bằng 50% tổng công suất của phân xưởng đó Khi phụ tải loại

I lớn hơn 50% tổng công suất thì dung lượng mỗi máy biến áp phải bằng 100% công suất của phân xưởng đó Trường hợp toàn bộ phụ tải loại III thì chỉ cần trang bị một máy biến

áp cho trạm Đối với phụ tải loại II, số lượng máy biến áp được chọn còn tùy thuộc vào việc so sánh các hiệu quả kinh tế - kỹ thuật Để đơn giản trong vận hành, số lượng máy biến áp trong một trạm không nên quá ba máy Các máy này nên có cùng chủng loại và công suất

4.3.3 Xác định công suất máy biến áp

♦ Phương pháp đẳng trị đồ thị nhiều bậc về đồ thị phụ tải bậc 2:

Phương pháp được áp dụng khi chế độ bình thường hàng ngày có những lúc máy biến áp vận hành non tải ( K1 < 1 ) và có những lúc máy biến áp vận hành quá tải ( K2 >

1 )

Trình tự tính toán:

- Từ đồ thị phụ tải ta chọn công suất máy biến áp:

max ) ( min S S

S < đmMBA <

- Đẳng trị đồ thị phụ tải qua máy biến áp thành đồ thị phụ tải chỉ có hai bậc K1 và

K2 với thời gian quá tải t2 như sau:

+ Căn cứ vào Sđm(MBA) đã chọn tính hệ số tải Ki của các bậc đồ thị phụ tải:

) ( MBA đm

i i

S

S

K = Ki > 1: quá tải

Ki < 1: non tải + Xác định K2, t2 bằng cách đẳng trị vùng có Ki > 1 theo công thức:

∑

∑

=

=

i i

n

i i i đt

t

t K K

1

1 2

2

) (

Nếu K2đt > 0.9 Kmax ( với Kmax = Smax/Sđm(MBA) ) thì K2 = K2đt và t2 = ∑ti

Nếu K2đt < 0.9 Kmax thì K2 = 0.9 Kmax, lúc này t2 được tính lại như sau:

2 max 1 2

2

) 9 0 (

) ( K

t K t

n

i i i

∑

=

=

Trường hợp đồ thị có nhiều cực đại, ta chọn vùng nào có ∑K i2t i lớn nhất để tính

K2 như trên

+ Xác định K1 theo biểu thức:

10

)

1 = ∑ i i đt

t K

Thời gian 10 giờ được xét trong vùng trước K2 ( hình 4.6a ) Nếu vùng trước K2

không đủ 10 giờ có thể lấy vùng sau K2 ( hình 4.6b ), nếu cả trước và sau vùng K2 đều không đủ 10 giờ thì gộp phần phía sau ra phía trước cho đủ 10 giờ

- Từ K1 và t2, ta tra các đường cong khả năng quá tải của máy biến áp để tìm K2cp

và so sánh với K2 Nếu K2 ≤ K2cp thì máy biến áp đã chọn là chấp nhận được, ngược lại cần phải chọn máy biến áp có công suất lớn hơn

(a) (b)

Hình 4.10 Đồ thị phụ tải của máy biến áp

♦ Phương pháp quá tải 3%: Khả năng làm việc quá tải bình thường của máy biến

áp có thể được xác định theo quy tắc “ quá tải 3% ” như sau: Tất cả các máy biến áp có

hệ số điền kín đồ thị phụ tải kđk nhỏ hơn 100% thì cứ mỗi 10% giảm của kđk sẽ cho phép quá tải 3% so với công suất định mức, nếu giá trị trung bình của nhiệt độ xung quanh không lớn hơn 350C

Hệ số quá tải của máy biến áp trong trường hợp này sẽ là:

3 0 ).

1 (

qt k

Công suất máy biến áp sẽ được chọn thỏa điều kiện:

qt MBA đm

K

S

Phương pháp này thường được áp dụng trong trường hợp không có đường cong quá tải máy biến áp

♦ Trong trường hợp hai máy vận hành song song mà một trong hai máy biến áp xảy ra sự cố Khả năng quá tải này được xác định theo hãng chế tạo Ngoài ra có thể áp dụng theo quy trình quy phạm như sau: 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 thể làm việc quá tải 40% liên tục không quá sáu giờ trong thời gian không quá năm ngày, nếu hệ số điền kín phụ tải không lớn hơn 0,75 ( kđk ≤ 0,75 )

Lúc này công suất của máy biến áp còn lại phải thỏa điều kiện:

4 , 1 ) 1 (

max )

(

−

≥ n S

SđmMBA ( n: số máy biến áp trong trạm )

Hình 4.11 Đường cong quá tải cho phép của máy biến áp dầu: Kqt = K2

a) Sđm(MBA)≤ 1000kVA ở θ0 = 200C; b) Sđm(MBA) = 1000-32000kVA ở θ0 = 200C;

c) Sđm(MBA)≤ 1000kVA ở θ0 = 300C

♦ Trong thực tế vận hành, khi máy biến áp vận hành ở những nơi có nhiệt độ trung bình hàng năm θtb lớn hơn nhiệt độ trung bình hàng năm định mức θđm thì công suất định mức phải được điều chỉnh theo biểu thức sau:

) 100 1

(

' tb đm đm

đm S

−

=

4.4 Sơ đồ nối dây trạm biến áp phân phối trung/hạ áp

Tùy thuộc vào các kiểu lưới trung áp, ta có các dạng sơ đồ nối dây trạm biến áp sau dây:

1 Sơ đồ đơn ( hình 4.12 )

Trạm được cấp nguồn bằng một nhánh rẽ từ mạng phân phối trung thế, dạng sơ đồ này được áp dụng phổ biến cho lưới phân phối công cộng Để đóng cắt và bảo vệ máy biến áp, phía cao áp thường được trang bị bằng cầu chì tự rơi (FCO), cầu chì tự rơi có bộ phận dập hồ quang (LBFCO), dao cắt có tải, hay dao cách ly (DS, LTD) kết hợp cầu chì Fuse

Đối với trạm biến áp có công suất nhỏ ≤ 2000kVA thì thiết bị bảo vệ thường sử dụng là FCO, LBFCO

Đối với trạm nhiều máy biến áp, có công suất tổng > 2000kVA thì thiết bị bảo vệ tổng là máy cắt, Recloser

Hình 4.12 Sơ đồ đơn Hình 4.13 Sơ đồ đôi

2 Sơ đồ đôi ( hình 4.13 )

Trạm được cấp nguồn bằng hai dây nhánh rẽ từ mạng phân phối trung thế Hai dây này được kết nối với thanh cái thông qua LBS ( có thể thay LBS bằng DS ) Bảo vệ phía

sơ cấp máy biến áp bằng cầu chì tự rơi FCO ( có thể thay bằng LBS hoặc DS kết hợp cầu chì ) trong quá trình vận hành trạm biến áp chỉ nhận điện từ một trong hai nguồn đi đến khi có có sự cố từ nguồn cấp điện hiện hữu, sẽ thao tác để chuyển điện do vậy trạm có độ tin cậy cao hơn so với sơ đồ đơn Sơ đồ thường được dùng cho các trạm biến áp xí nghiệp đòi hỏi mức độ tin cậy cao

3 Sơ đồ mạch vòng ( hình 4.14 )

Mạch vòng ( RMU - Ring Main Unit ) là một trục phân phối liên tục có dạng mạch kín với điểm bắt đầu và kết thúc ở trên cùng một thanh góp Mỗi đầu được điều khiển bằng máy cắt riêng Mạch vòng thường được kết nối để tạo vòng chính hoặc trục phân phối liên lạc, thanh góp của mạch vòng sẽ chịu dòng của toàn vòng hoặc của toàn

bộ sự liên lạc giữa hai trạm

Mỗi mạch vòng chứa ba liên kết bao gồm:

- Hai liên kết đến, mỗi cái chứa LBS/dao cách ly và một dao tiếp đất

- Một liên kết ra và ngăn bảo vệ chung có chứa cầu chì/LBS hoặc tổ hợp máy cắt/dao cách ly với dao tiếp đất

Trong sơ đồ mạch vòng, hộ tiêu thụ có thể được nhận điện từ hai nguồn cung cấp,

do vậy độ tin cậy cung cấp điện được nâng cao Dạng sơ đồ này thường được dùng trong lưới cáp ngầm trung áp phân phối ở thành thị

Phụ tải

Áptômát tổng

Cáp ngầm mạch

vòng chính

Phụ tải

Áptômát tổng Dây cáp ngầm song song

Hình 4.14 Sơ đồ mạch vòng Hình 4.15 Sơ đồ trục phân phối song song

4 Sơ đồ trục phân phối song song ( hình 4.15 )

Trong sơ đồ trục phân phối song song, nguồn trung thế có hai dây hay cáp xuất phát từ cùng một thanh góp Tủ đóng cắt trung áp lúc này tương tự như trường hợp sơ đồ mạch vòng (RMU)

Sự khác biệt chủ yếu của sơ đồ này so với RMU là hai liên kết thường có khóa liên động, liên kết này đóng thì liên kết kia mở Khi nguồn cung cấp điện trên liên kết luôn đóng bị gián đoạn thì thiết bị đóng cắt sẽ tác động cắt mạch, liên kết còn lại sẽ được đóng vào hoặc tự động, hoặc bằng tay

Dạng sơ đồ này được dùng phổ biến ở những nơi có mật độ phụ tải cao và những nơi được cấp điện bằng cáp ngầm

4.5 Đo lường và kiểm tra trong trạm biến áp trung/hạ áp

Hệ thống đo lường điện gồm các thiết bị đo lường và các dây dẫn điện được đấu nối liên kết với nhau tạo thành các mạch đo lường điện và đo đếm điện năng Mục đích của đo lường và kiểm tra trong trạm biến áp là:

- Đo lường các đại lượng điện: I (A), U (V), P (W), Q (VAr), f (hZ), cosϕ, … )

- Giám sát tình trạng vận hành thiết bị và trạng thái vận hành trạm

Đối với trạm biến áp trung/hạ áp, đo lường có thể thực hiện ở trung áp hoặc hạ áp Thiết bị đo lường phải được đặt ở vị trí dễ quan sát, có độ chính xác và tin cậy cần thiết,

số lượng phải đủ để đảm bảo theo dõi các thông số vận hành tốt

Thông thường đối với trạm biến áp trung/hạ áp, các đồng hồ đo gồm có điện năng

kế , đồng hồ đo volt V kèm chuyển mạch VS để biết chất lượng điện áp,