Thiết kế chi tiết và tính chọn cho TBA 160kV

Trạm biến áp là một trong những phần tử quan trọng nhất của hệ thống cung cấp điện. Việc thiết kế tính toán trạm biến áp có ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng cho phụ tải, đồng thời ảnh hưởng đến chi phí vận hành, đầu tư của mạng điện.

Phần II: Thiết kế trạm biến áp 160 kVA – 10/0,4 kV

1.1 Đặt vấn đề

Trạm biến áp là một trong những phần tử quan trọng nhất của hệ thống cung cấp điện Việc thiết kế tính toán trạm biến áp có ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng cho phụ tải, đồng thời ảnh hưởng đến chi phí vận hành, đầu tư của mạng điện

1.1.1 Nội dung thiết kế TBA

 Chọn máy biến áp và sơ đồ nối dây của trạm

 Chọn các thiết bị điện cao áp và hạ áp

 Tính ngắn mạch, kiểm tra các thiết bị đã chọn

 Tính toán nối đất cho TBA

1.1.2 Các số liệu trạm biến áp cần thiết kế

 Công suất định mức: Sđm = 160 kVA

 Điện áp định mức : 10/0,4 kV

 Điện trở suất của đất : ρ = 0,4.104Ω.cm

 Công suất ngắn mạch : SN = 30 MVA

1.1.3 Phương án dự kiến

Với công suất của trạm đã cho, dự kiến lắp đặt TBA kiểu treo, là kiểu trạm toàn

bộ các thiết bị điện cao áp và hạ áp cùng với MBA được đặt trên cột Đối với tủ phân phối hạ thế có thể thiết kế ở trên giàn trạm hay thiết kế trong buồng phân phối dưới đất

là tùy theo điều kiện cụ thể Ưu điểm của TBA kiểu treo này là tiết kiệm được diện tích, giảm đáng kể về chi phí đầu tư Dù đang được dùng phổ biến, tuy nhiên, loại trạm này cùng với đường dây trên không thường làm mất mỹ quan thành phố nên về lâu dài loại trạm này thường không được khuyến khích dùng ở đô thị

Trạm biến áp được thiết kế kiểu trạm treo đặt 1 MBA có công suất 160 kVA – 10/0,4 kV trên 2 cột

Phía cao áp lắp 1 bộ cầu chì ngoài trời tự rơi để bảo vệ MBA khi ngắn mạch và

1 bộ chống sét van để chống sóng sét truyền từ đường dây vào phá hoại MBA

Phía hạ áp đặt tủ phân phối hạ thế 0,4 kV Trong đó có: 1 áptômát tổng (AT) 3 áptômát nhánh (AN), 3 đồng hồ AMPE đo cường độ dòng điện của trạm, 1 đồng hồ Vôn, kèm 1 chỉnh mạch để kiểm tra điện áp pha, 1 công tơ vô công, 1 công tơ hữu công để đo công suất tiêu thụ của trạm, 1 bộ biến dòng (TI).

1.2 Chọn máy biến áp và sơ đồ nguyên lý trạm biến áp

1.2.2 Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp

Hình II.1.1 Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp

1.3 Chọn các thiết bị điện cao áp và hạ áp

Việc chọn đúng các thiết bị điện có ý nghĩa quan trọng là đảm bảo cho hệ thống cung cấp điện vận hành an toàn, tin cậy và kinh tế

1.3.1 Chọn các thiết bị điện cao áp

Icb = IqtMBA = 1,3.IđmBA = 1,3 dmB

dm

= 1,3

Tra bảng 2.1 trang 104 sách: Sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị điện từ 0,4 đến

500 kV của tác giả Ngô Hồng Quang ta chọn cầu chì tự rơi do Chance (Mỹ) chế tạo có các thông số sau:

Bảng 1.2 Thông số của cầu chì tự rơi

Loại cầu chì Ulvmax,

kV

Iđm,A

IN,kA

Trọng lượng,kg

2 Chọn sứ cao thế

Tra PL III - 21 - trang 275- Giáo trình thiết kế cấp điện, ta chọn sứ cao thế đặt ngoài trời do Liên xô chế tạo, có các thông số sau:

Bảng 1.3 Thông số của sứ cao thế

kV

F,kg

3 Chọn chống sét van

Chọn chống sét van (CSV) theo điều kiện về điện áp :UđmCSV ≥ UđmLĐ

Chọn chống sét van do Liên Xô chế tạo PBП - 10 có các thông số sau:

Bảng 1.3 Thông số của chống sét van

Loại UđmCSV,

kV

Ucpmax, kV

Điện áp đánh thủng khi f=50 Hz,

kV

Điện áp đánh thủng xung kích khi

tp = 2 – 10s,kV

Khối lượng, kg

dm

I = = = 9,23 A

3 U 3.10

Thanh dẫn được chọn theo Ilvmax và độ bền cơ học, ta chọn thanh dẫn đồng tròn

có đường kính 8mm có sơn màu để phân biệt các pha

Bảng 1.4 Thông số của thanh dẫn đầu vào trạm biến áp

trong đó: Ilvmax là dòng điện lớn nhất chạy qua thiết bị phía hạ áp.

1 Chọn cáp tổng hạ áp từ sứ hạ thế của MBA đến tủ phân phối

Chọn cáp đồng hạ áp 4 lõi cách điện PVC, do hãng LENS chế tạo có các thông

Chọn theo dòng điện cưỡng bức chạy qua áptômát:

Điều kiện: I đmA ≥ Icb= 1,3.Ilvmax =1,3 230,94 = 300,2 A

Chọn áptômát tổng loại hãng Merlin Gerin chế tạo

Bảng 1.6 Thông số của aptomat tổng

Chọn áptômát nhánh do hãng Merlin Gerin chế tạo:

Bảng 1.7 Thông số của Aptomat nhánh

Chọn cáp đồng 4 lõi cách điện bằng PVC do LENS chế tạo:

Bảng 1.8 Thông số của cáp xuất tuyến

F,

mm

d, mm

M,kg/km

k1.k2.Icp ≥ Icb

trong đó:

k1 = 0,95 với thanh góp đặt nằm ngang;

k2 - Hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường , k2 = 1

Do đó:

cb cp

Khối lượng,kg/m

Fphá hoại,kg

Khối lượng,kg

 Phụ tải cuộn thứ cấp S2đmBI≥ Stt

Chọn BI do Liên Xô chế tạo, số lượng 3BI đặt trên 3 pha, đấu hình sao Theo bảng 8.9 sách sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị điện từ 0,4 đến 500 kV của tác giả Ngô Hồng Quang, BI được chọn có thông số kĩ thuật sau:

Bảng 1.11 Thông số của biến dòng điện

8 Chọn các thiết bị đo đếm

Bảng 1.12 Thông số của các thiết bị đo đếm

Để đảm bảo độ bền cơ học ta chọn loại dây đồng 1 sợi bọc nhựa PVC có tiết diện ≥ 2,5mm2.

10 Chọn chống sét van hạ áp

Chọn chống sét van điện áp thấp loại PBH do Liên Xô chế tạo để bảo vệ quá điện áp cho cách điện của thiết bị xoay chiều tần số 50 Hz Tra bảng 8.4 sách sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị điện từ 0,4 đến 500 kV của tác giả Ngô Hồng Quang chống sét van được chọn có thông số kĩ thuật

Bảng 1.13 Thông số của chống sét van hạ ápLoại UđmCSV,

kV

Ucpmax,

kV

Điện áp đánh thủng khi f=50,

Hz

Điện áp đánh thủng xung kích khi

tp = 2 – 10s, kV

Khối lượng,kg

11 Chọn tủ phân phối hạ áp

Chọn vỏ tủ hạ áp do nhà máy thiết bị điện Đông Anh chế tạo Trên khung tủ đã làm sẵn các lỗ gá dày đặc để có thể lắp các giá đỡ tùy ý theo các thiết bị đã chọn lắp đặt ở trên

Bảng 1.14 Thông số của tủ phân phối hạ áp

1.4 Tính toán ngắn mạch và kiểm tra thiết bị điện đã lựa chọn

Ngắn mạch là tình trạng sự cố nghiêm trọng và thường xảy ra trong hệ thống cung cấp điện Các dạng ngắn mạch thường xảy ra là: ngắn mạch ba pha, hai pha và ngắn mạch một pha chạm đất Trong đó, ngắn mạch 3 pha là nghiêm trọng nhất Vì vậy người ta thường căn cứ vào dòng ngắn mạch ba pha để lựa chọn và kiểm tra các thiết bị điện

1.4.1 Tính toán ngắn mạch

Giả thiết ngắn mạch xảy ra là ngắn mạch ba pha đối xứng và coi nguồn có công suất vô cùng lớn, coi trạm biến áp ở xa nguồn nên khi tính toán ngắn mạch lấy:

IN = I" = I∞ = U3.Zdm

Σ

trong đó:

IN: dòng điện ngắn mạch, kA;

I’’: dòng điện ngắn mạch siêu quá độ, kA;

I∞ : giá trị dòng điện ngắn mạch ở chế độ xác lập kA;

U: điện áp đường dây, kV;

Z∑: tổng trở đường dây đến điểm ngắn mạch, Ω

Các điểm ngắn mạch cần tính toán trong sơ đồ :

 Điểm N1: Kiểm tra cầu chì tự rơi phía cao áp

 Điểm N2, N3: Kiểm tra các thiết bị hạ áp

1 Tính ngắn mạch phía cao áp (N1)

+/ Sơ đồ thay thế:

+/ Chọn các đại lượng cơ bản:

Utb1= 0,4 kV

Utb2=10,5 kVĐiện kháng của hệ thống điện bằng :

XHT =

2 10 2

30

dm N

ZB =

2 6

N dm 2 dm

Δ P U

.10

2 6

N dm dm

U %.U

.10 100.S

Tổng trở thanh cái hạ áp tra trong sổ tay được:

ZTC = l.( r0TC + x0TC ) =1,2.(0,223+ j0,189) = 0,268 + j0,227 mΩ

Tổng trở của cuộn dây bảo vệ quá dòng điện của áptômát nhánh có Iđm=125A tra bảng 3.54 sách sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị từ 0,4 đến 500kV của tác giả Ngô Hồng Quang:

dm N3

1 Kiểm tra cầu chì tự rơi

Điều kiện kiểm tra:

Sđm cắt≥ SN1; Iđm cắt≥ IN1.Cầu chì tự rơi đã chọn có:

Iđm cắt = 16 kA > IN1 = 3,5 kA

Sđm cắt = 3.U đm.Iđm cắt = 3.10.16 = 277, 128 MVA

HT ZB ZC ZAT ZTC ZAN N3

α : là hệ số nhiệt Với cáp lõi đồng: α = 6;

tqđ: là thời gian qui đổi, lấy bằng thời gian tồn tại ngắn mạch Vì coi ngắn mạch trong hệ thống cung cấp điện là ngắn mạch xa nguồn nên tqđ = 0,5s;

IN = IN2 = 4,63 kA

Ta có:

α.IN t qd = 6.4,63 0,5 = 19,64 < F = 150 mm2.Vậy cáp đã chọn thỏa mãn yêu cầu

3 Kiểm tra áptômát

áptômát tổng

IcđmA = 10 kA ≥ I N2 = 4,63 kAVậy áptômát tổng đạt yêu cầu

áptômát nhánh

IcđmAN = 10 kA ≥ I N3 = 4,53 kAVậy áptômát nhánh đạt yêu cầu

4 Kiểm tra thanh cái hạ áp

Kiểm tra ổn định lực điện động:

Khi có ngắn mạch sảy ra, dòng điện ngắn mạch chạy qua thanh cái làm cho thanh cái chịu một lực rất lớn, sự rung động có thể làm cho thanh cái bị uốn cong dẫn đến phá hoại thanh cái và các sứ đỡ

Do đó phải kiểm tra thanh cái theo điều kiện sau :

δtt≤ δcp

Lực tác dụng lên thanh dẫn do ixk gây ra:

L=70 cm là khoảng cách giữa các sứ đỡ thanh cái;

a=15 cm là khoảng cách giữa các pha;

Ixk=3,5 kA là dòng điện xung kích khi ngắn mạch

tt

δtrong đó: W là mô men chống uốn của thanh dẫn đối với trụ thẳng góc phương của lực tác dụng Ở đây các thanh cái đặt nằm ngang nên:

2

b.h

W =

6Với b = 3 mm, h = 30mm, ta có:

7,04

0, 45 =Ứng suất cho phép với đồng là 1400 kg/ cm2 > δtt = 15,6 kg/ cm2

Do đó thanh dẫn đã chọn đảm bảo điều kiện ổn định động

Kiểm tra ổn định nhiệt khi ngắn mạch

Điều kiện kiểm tra:

Fô.đ.n ≥ Fmin = α I∞ t qd

trong đó:

α : là hệ số nhiệt Với thanh đồng: α = 6;

tqđ: là thời gian qui đổi, chọn theo điều kiện cắt của Aptomat Lấy tqđ = 0,5s;

Fmin: là tiết diện tính toán nhỏ nhất đảm bảo điều kiện ổn định nhiệt

Ta thấy: FCP =225 kg > Ftt=14,98 kg nên sứ được chọn thỏa mãn yêu cầu

6 Kiểm tra mấy biến dòng

Công suất định mức thứ cấp BI là: SđmBI =10 VA > Stt = 7,1 VA, như vậy BI đã chọn thoả mãn điều kiện

1.5 Tính toán nối đất cho trạm biến áp

Tác dụng nối đất là để tản dòng điện, giữ mức điện thế thấp trên các vật được nối đất, đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị Ngoài ra việc nối đất các phần không mang điện (tủ điện, vỏ máy…) để đảm bảo an toàn cho người vận hành

Dự kiến hệ thống nối đất bao gồm các thanh thép góc L60×60×6 dài 2,5m được

nối với nhau bằng các thanh thép tròn Φ12, tạo thành mạch vòng nối đất bao quanh trạm biến áp Các thanh thép góc đóng sâu dưới đất 0,7m, thép tròn được hàn chặt với các cọc độ sâu 0,8m

 Điện trở nối đất yêu cầu của trạm biến áp là : Rnđyc ≤ 4Ω

 Điện trở suất của đất là : ρ = 0,4.104 Ω.cm

 Hệ số hiệu chỉnh theo mùa của điện trở cọc và thanh là:

t m

K = 1,6; c

m

K = 1,4Hình II.1.2 Sơ đồ mặt bằng và mặt cắt hệ thống nối đất trạm biến áp

1.5.1 Tính điện trở nối đất của thanh

Điện trở nối đất của thanh được tính theo công thức sau:

Rt =

d h

kL

Lln 2

2

π ρ

trong đó:

t d0 K m

=

ρ ρ = 0,4.104.10-2.1,6 = 64 Ωm;

L: là tổng chiều dài lấy bằng chu vi L= (10+5).2 =30m;

h: là độ sâu (h = 80 cm);

d: đường kính thanh của thép tròn d = 0,012 m;

k : hệ số phụ thuộc vào hình dạng của hệ thống nối đất, K = f(l1/l2).Theo thiết kế mạch vòng ta có l1/l2 =10/5=2 Tra bảng 2.6 sách hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp KTĐCA của tác giả Nguyễn Minh Chước được k=6,42

Do đó điện trở nối đất của thanh được tính:

+ +

Do đó phương án nối đất vạch ra ở trên đạt yêu cầu về kỹ thuật.

Kết luận:

Hệ thống nối đất dùng 6 cọc thép L60×60×6 dài 2,5m được nối với nhau bằng

các thanh thép tròn Φ12, tạo thành mạch vòng nối đất bao quanh trạm biến áp Các thanh thép góc được đóng sâu dưới mặt đất 0,7m, thép tròn được hàn chặt với các cọc

ở độ sâu 0,8m đã thõa mãn yêu cầu về mặt kỹ thuật