Giáo trình Trang bị điện trạm bơm: Phần 1

Phần 1 Giáo trình Trang bị điện trạm bơm gồm nội dung các chương: Khái niệm chung về yêu cầu cung cấp điện cho trạm bơm, sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm, tính chọn bảo vệ rơ le cho động cơ điện. Giáo trình dùng cho hệ cao đẳng nghề điện và trung cấp nghề.

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ NAM ĐỊNH

Vũ Văn Thược(Chủ biên) Nguyễn Thị Thảo (Chỉnh sửa)

GIÁO TRÌNH

TRANG BỊ ĐIỆN TRẠM BƠM

Năm 2013

Vũ Văn Thược(Chủ biên) Nguyễn Thị Thảo (Chỉnh sửa)

GIÁO TRÌNH

TRANG BỊ ĐIỆN TRẠM BƠM

(Dùng cho hệ cao đẳng nghề điện  trung cấp nghề)

Năm 2013

Chương 1 Khái niệm chung về yêu cầu cung cấp điện

cho trạm bơm

Đ 1.1 Đặc điểm các trạm bơm điện

Các trạm bơm điện được cung cấp điện trực tiếp từ lưới chung hoặc từ các trạm biến áp trung gian dẫn bằng các đường dây trên không đến các trạm biến áp phụ tải của trạm bơm Các trạm bơm sử dụng điện năng để cung cấp điện cho các động cơ điện của các máy bơm chính và các thiết bị tự dùng như bơm nước

kỹ thuật , bơm tiêu, bơm cứu hoả, hệ thống ánh sáng, xưởng cơ khí sửa chữa

Đối với các trạm bơm cao thế, các động cơ điện của các máy bơm chính

có công suất lớn nên được trang bị các động cơ điện có điện áp 6 kV Các thiết

bị tự dùng có công suất không lớn làm việc ở điện áp 380/220 V Vì vậy trong hệ thống cung cấp điện cần có nguồn điện áp để cung cấp cho động cơ bơm chính

và nguồn điện áp để cung cấp cho các thiết bị tự dùng

Điện năng đưa đến trạm được cung cấp bằng đường dây trên không hoặc

đường cáp Đường cáp chỉ được dùng khi không thể xây dựng được đường dây trên không Khi chọn sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm cần đảm bảo đơn giản

và tin cậy Các trạm bơm chỉ cần dùng một đường dây trên không từ nguồn tới Công trình hai đường dây chỉ cho phép khi một đường dây không truyền tải được toàn bộ công suất cần thiết cho trạm

Đ 1.2 Phân loại các trạm bơm điện

1 Phân theo công suất đặt và công suất các tổ máy bơm

Căn cứ vào công suất đặt các trạm bơm điện có thể phân thành 4 nhóm:

- Trạm loại I : Gồm các trạm bơm điện trục đứng cao thế dùng động cơ điện đồng bộ , công suất mỗi tổ máy 500 kW, điện áp 6 kV

- Trạm loại II : Gồm các trạm bơm điện trục đứng cao thế dùng động cơ điện không đồng bộ , công suất mỗi tổ máy từ 300 đến 800 kW, điện áp 6

2 Phân theo yêu cầu về tính liên tục cung cấp điện

Căn cứ vào yêu cầu về tính liên tục cung cấp điện người ta chia các hộ dùng điện ra làm 3 loại :

- Hộ loại I : Là những hộ mà việc ngừng cung cấp điện cho nó có thể gây ra nguy hiểm cho tính mạng con người, ảnh hưởng đến an ninh , chính trị quốc gia hoặc gây hư hại rất lớn về kinh tế như đốt cháy thiết bị, phá hỏng hàng loạt sản phẩm, làm ngừng trệ quá trình công nghệ

- Hộ loại II : Là những hộ mà việc ngừng cung cấp điện cho nó sẽ làm giảm chất lượng sản phẩm, lãng phí nhân công , máy móc, thiết bị Tuy nhiên thiệt hại về mặt kinh tế thấp hơn so với hộ phụ tải loại I

- Hộ loại III : Là những hộ tiêu thụ không thuộc hai loại trên Đó là những hộ dùng điện cho phép gián đoạn cung cấp điện trong thời gian cần thiết

để sửa chữa hoặc thay thế thiết bị bị hư hỏng

Theo cách phân loại trên các trạm bơm điện thuộc hộ phụ tải loại III Nhưng xuất phát từ đặc điểm nước ta là một nước nông nghiệp và yêu cầu dùng nước đóng một vai trò hết sức quan trọng nên các trạm bơm thuộc hộ phụ tải loại

II và trong từng giai đoạn, từng thời kỳ nhất định có những trạm bơm thuộc hộ phụ tải loại I

Chương 2 Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm

Đ 2.1 sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm cao thế

1 Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm cao thế không có trạm biến áp riêng

Hình 2.1.Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm cao thế không có trạm biến áp riêng

Khi làm việc theo sơ đồ này điện áp của động cơ bơm chính trùng với điện

áp của đường dây tải điện nên không cần trạm biến áp riêng Trong sơ đồ này

đường dây cung cấp điện được nối vào thanh cái cao áp qua cầu dao cách ly và cầu chì cao áp Để bảo vệ chống sóng sét đánh vào đường dây tải điện trên thanh cái cao thế có đặt chống sét van Các động cơ bơm chính được lấy điện qua cầu

dao cách ly và máy cắt các thiết bị tự dùng nhận điện từ máy biến áp tự dùng 6/0,4 kV Để phục vụ cho việc đo lường và bảo vệ người ta lắp đặt máy biến điện

áp đo lường 3 pha 5 trụ nối /0/ hở Cuộn  nhận điện từ lưới điện 6 kV Cuộn 0 để cung cấp điện áp cho các dụng cụ đo và rơ le Cuộn  hở dùng để báo tín hiệu chạm đất 1 pha trong lưới 6 kV Ngoài ra để cung cấp dòng điện cho các dụng cụ đo và rơ le bảo vệ người ta còn lắp đặt các máy biến dòng điện

Sơ đồ này có nhược điểm là vào các thời điểm cao điểm trong ngày do các

hộ phụ tải dùng điện dùng nhiều nên điện áp của lưới điện bị giảm thấp, do đó không đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp cho các động cơ bơm chính trong trạm Vì vậy khi cần nâng cao chất lượng điện năng cung cấp cho trạm thì sơ đồ này không đáp ứng được

2 Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm cao thế có trạm biến áp riêng

a Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm trạm biến áp có một máy biến áp lực

Hình 2.2 Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm cao thế trạm biến áp có một máy

biến áp lực

Hình 2.2 trình bày sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm cao thế trạm biến áp

có một máy biến áp lực Sơ đồ này được dùng để cung cấp điện khi điện áp của lưới điện cao hơn điện áp của động cơ bơm chính Trong sơ đồ này điện áp 35

kV của đường dây cung cấp được nối vào cuộn sơ cấp của máy biến áp lực qua cầu dao cách ly có dao tiếp đất và cầu chì Để bảo vệ quá điện áp khí quyển cho

đường dây cung cấp và trạm biến áp ở đầu vào và đầu ra của máy biến áp có lắp chống sét van Thông thường những trạm có công suất máy biến áp từ 3200 kVA trở lên có lắp máy ngắt ở đầu vào để đóng cắt và bảo vệ, còn những trạm có công suất máy biến áp nhỏ hơn sử dụng cầu dao cách ly và cầu chì cao áp Cắt đường dây cung cấp điện bằng dao cách ly chỉ tiến hành khi máy biến áp vận hành không tải Do đó để đóng cắt máy biến áp ta phải cắt hết các phụ tải phía thứ cấp của máy biến áp bằng các máy cắt

Theo quy phạm kỹ thuật điện : Các dao cách ly có thể cắt không tải các máy biến áp có công suất sau :

Điện áp kV ( không quá ) Công suất máy biến áp kVA

( không quá )

Phía hạ thế của trạm biến áp có đặt hệ thống thanh cái chung không phân

đoạn Các động cơ bơm chính và các phụ tải tự dùng trong trạm được đóng cắt và bảo vệ nhờ máy cắt, cầu dao- cầu chì hoặc áp tô mát

Sơ đồ này có ưu điểm là có thể điều chỉnh được điện áp cung cấp cho động cơ bơm chính nhờ thay đổi nấc phân áp trên mặt máy biến áp

Nhược điểm của sơ đồ là nếu trong quá trình vận hành mà máy biến áp lực

bị hỏng thì trạm bơm phải ngừng hoạt động Để khắc phục nhược điểm này người ta dùng sơ đồ cung cấp điện trạm biến áp có 2 máy biến áp lực

b Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm trạm biến áp có hai máy biến áp lực

Hình 2.3 Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm trạm biến áp có hai máy

biến áp lực

Hình 2.3 trình bày Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm cao thế trạm biến áp

có hai máy biến áp lực Trong sơ đồ này phía cao thế có thanh cái Các máy biến

áp được nối vào lưới cao thế qua cầu dao cách ly , cầu dao phụ tải hoặc máy cắt Phía hạ thế sử dụng thanh cái chung không phân đoạn

Sơ đồ này khắc phục được nhược điểm của sơ đồ trên Nếu trong quá trình vận hành mà 1 máy biến áp bị cháy hoặc bị hỏng thì máy biến áp còn lại vẫn có thể cung cấp một phần hoặc toàn bộ công suất của các phụ tải trong trạm

Đ 2.2 sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm hạ thế

1 Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm hạ thế có một máy biến áp lực

a.Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm hạ thế có một máy biến áp

Hình 2.4 Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm hạ thế có một máy biến áp Sơ đồ cung cấp điện như hình 2.4 ở sơ đồ này điện áp 35,10,6 kV qua máy biến áp giảm xuống điện áp 0,4 kV để cung cấp điện cho động cơ kéo máy bơm Để bảo vệ quá điện áp khí quyển ở đầu vào thường lắp chống sét van, chống sét ống hoặc chống sét sừng Máy biến áp được nối vào lưới cao thế qua cầu dao cách ly và cầu chì cao thế Phía hạ thế có thiết bị đóng cắt và bảo vệ bằng áp tô mát tổng Điều khiển khống chế các động cơ bằng các áp tô mát tải mạng chiếu sáng tự dùng khống chế bằng cầu dao và cầu chì

Sơ đồ này có nhược điểm là khi trạm bơm ngừng vận hành muốn dùng nguồn tự dùng phải đóng cả máy biến áp lực gây lãng phí thất thoát điện năng và

hệ số công suất cos  thấp làm ảnh hưởng đến lưới điện chung Để khắc phục nhược điểm này người ta dùng sơ đồ trạm biến áp có một máy biến áp lực và một máy biến áp tự dùng

b Sơ đồ trạm biến áp có một máy biến áp lực và một máy biến áp tự dùng

Hình 2.5 Sơ đồ trạm biến áp có một máy biến áp lực và một máy biến áp

tự dùng

Sơ đồ cung cấp điện như hình 2.5 Điện áp đường dây cung cấp có thể là

35, 10, 6 kV Để bảo vệ đường dây khỏi quá điện áp khí quyển trên thanh cái cao

áp có đặt chống sét van Các máy biến áp được nối vào lưới cao thế qua cầu dao

cách ly và cầu chì cao thế Phía hạ thế của máy biến áp lực có lắp áp tô mát tổng

để đóng cắt và bảo vệ Các động cơ bơm chính được đóng cắt và bảo vệ bằng áp tô mát, cầu dao - cầu chì kết hợp với công tắc tơ Mạng chiếu sáng tự dùng đóng cắt và bảo vệ bằng cầu dao - cầu chì Nguồn tự dùng có thể lấy điện từ máy biến

áp lực hoặc từ máy biến áp tự dùng

Sơ đồ này có nhược điểm là vốn đầu tư lớn song chi phí vận hành lại nhỏ

và nó khắc phục được nhược điểm của sơ đồ trên

2 Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm hạ thế có hai máy biến áp vận hành song song

Hình 2 6 Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm hạ thế có hai máy biến áp

vận hành song song Sơ đồ cung cấp điện như hình 2.6 Do công suất của trạm bơm lớn nên có thể đặt hai hay nhiều máy biến áp vận hành song song để cung cấp điện cho các

động cơ kéo máy bơm Phía cao áp có thanh cái Các máy biến áp được nối vào

thanh cái cao áp qua cầu dao cách ly và cầu chì cao áp Để bảo vệ quá điện áp khí quyển trên thanh cái cao áp có đặt chống sét van Phía hạ thế của mỗi máy biến áp có lắp áp tô mát tổng để đóng cắt và bảo vệ Các động cơ và phụ tải tự dùng có thể đóng cắt và bảo vệ bằng áp tô mát hoặc bằng cầu dao - cầu chì

Sơ đồ này có nhược điểm là dễ gây sự cố mất điện toàn trạm

3 Sơ đồ một trạm biến áp cung cấp điện cho nhiều trạm bơm

Hình 2.7 Sơ đồ một trạm biến áp cung cấp điện cho nhiều trạm bơm

Khi bố trí một số trạm bơm gần nhau ( ví dụ trạm bơm tưới nhiều bậc hoặc tiêu nhiều bậc ) hoặc khi kết hợp với công nghiệp địa phương thì trạm biến áp có thể thực hiện theo sơ đồ trên Trong sơ đồ này đường dây điện áp 35 kV qua máy biến áp giạm áp xuống 0,4 kV để cung cấp điện cho trạm bơm số 1 Từ thanh cái hạ thế của trạm bơm số 1 qua cầu dao p1 , p2 và qua đường dây cung cấp điện

đến trạm bơm số 2 và số 3

Sơ đồ này có ưu điểm là giảm được vốn đầu tư xây dựng trạm

Chương 3

tính chọn bảo vệ rơ le cho động cơ điện

Đ 3.1 bảo vệ ngắn mạch giữa các pha cho

động cơ điện

1 Các sơ đồ bảo vệ

Để bảo vệ ngắn mạch giữa các pha cho động cơ điện ta có thể dùng sơ đồ

3 máy biến dòng 3 rơ le; 2 máy biến dòng 2 rơ le hoặc 2 máy biến dòng 1 rơ le

a)

c)

Hình 3.1 Sơ đồ bảo vệ cắt nhanh động cơ điện a- Sơ đồ 3 máy biến dòng – 3 rơ le ( sơ đồ nối theo hình sao đủ )

b- Sơ đồ 2 máy biến dòng – 2 rơ le ( sơ đồ nối theo hình sao thiếu )

c- Sơ đồ 2 máy biến dòng – 1 rơ le ( sơ đồ nối theo hiệu số dòng )

2 Bảo vệ ngắn mạch giữa các pha đối với các động cơ điện công suất 5000

kW trở lên

Đối với các động cơ điện này thường sử dụng sơ đồ bảo vệ nối theo hình sao đủ thực hiện ở dạng cắt nhanh dòng điện không có thời gian duy trì ( hình a ) Để loại trừ khả năng tác động sai của thiết bị bảo vệ dòng điện tác động của bảo vệ cắt nhanh phải lớn hơn dòng điện lớn nhất có thể chạy qua động cơ điện khi động cơ điện không có sự cố Dòng điện lớn nhất này thường lấy là dòng

điện khởi động lớn nhất của động cơ ( I kđ max )

Dòng điện tác động phía sơ cấp của bảo vệ được tính theo công thức :

I tđs = KH I kđ max

Trong đó:

- KH là hệ số an toàn , KH = 1,8 đối với rơ le ET – 521, RT – 40; KH = 2

đối với rơ le PT-80, rơ le tác động trực tiếp

- I kđ max là dòng điện khởi động lớn nhất của động cơ

Dòng điện tác động phía thứ cấp của bảo vệ ( hay dòng điện tác động của rơ le ) được tính theo công thức :

bd

kd H

bd

tds tdR

n

I K n

I

I max





Trong đó : nbd là tỷ số biến đổi của máy biến dòng

Sơ đố bảo vệ cắt nhanh phải đảm bảo tác động đối với tất cả các dạng ngắn mạch giữa các pha

3 Bảo vệ ngắn mạch giữa các pha đối với các động cơ điện công suất từ

2000 -5000 kW

Đối với các động cơ điện này thường sử dụng sơ đồ bảo vệ nối theo hình sao thiếu ( hình b ) Giá trị dòng điện tác động cũng được tính theo công thức trên

Sơ đồ này cũng còn được dùng để bảo vệ cho những đồng cơ công suất

dưới 2000 kW nếu độ nhạy của sơ đồ Sơ đồ 2 máy biến dòng – 1 rơ le không

thoả mãn điều kiện:

I

I K

Trong đó :

- I nmmim là dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất trong mạng điện được bảo vệ

- I tđs là dòng điện tác động phía sơ cấp của bảo vệ

- Knh là độ nhạy của thiết bị bảo vệ

4 Bảo vệ ngắn mạch giữa các pha đối với các động cơ điện công suất dưới

2000 kW

Đối với các động cơ điện này thường sử dụng sơ đồ bảo vệ nối theo hiệu

số dòng ( hình c ) đảm bảo đơn giản , giá thành rẻ nhất

Dòng điện tác động của rơ le được tính theo công thức :

bd

kd sd H

bd

tds tdR

n

I K K n

I



Trong đó Ksđ là hệ số sơ đồ Nó cho biết dòng điện chạy trong rơ le lớn gấp bao nhiêu lần dòng điện phía thứ cấp của máy biến dòng trong chế độ 3 pha

đối xứng

bd

R sd

I

I K

2



ở đây :

- IR là dòng điện chạy vào rơ le

- I2bd là dòng điện phía thứ cấp của máy biến dòng

Trong chế độ 3 pha đối xứng với sơ đồ nối theo hình sao đủ và sơ đồ nối theo hình sao thiếu Ksđ = 1 , còn đối với sơ đồ nối theo hiệu số dòng K sd  3

Nhược điểm của sơ đồ là độ nhạy thấp khi xảy ra ngắn mạch giữa pha đặt máy biến dòng với pha không đặt máy biến dòng vì khi đó chỉ có dòng điện 1 pha ( dòng điện của 1 máy biến dòng ) chạy qua rơ le so với khi có ngắn mạch 2 pha trên đó có đặt máy biến dòng

Nếu độ nhạy của sơ đồ này không đảm bảo yêu cầu thì dùng sơ đồ nối theo hình sao thiếu để bảo vệ

Đ 3.2 bảo vệ chạm đất một pha cuộn dây stato

Hình 3 2 Sơ đồ bảo vệ động cơ điện khỏi chạm đất 1 pha

Sơ đồ bảo vệ gồm 1 rơ le quá dòng điện đấu vào cuộn thứ cấp của máy biến dòng cáp điện Lõi thép của máy biến dòng ôm lấy cáp ba pha nối tới động cơ điện Từ thông trong lõi thép của máy biến dòng cáp là do dòng điện của tất cả các pha cảm ứng ra ở chế độ vận hành bình thường và khi sự cố không thuộc

về chạm đất một pha tổng các dòng điện của cả 3 pha đi xuyên qua lõi thép bằng không Từ thông trong lõi thép cũng bằng không và dòng điện trong rơ le không

có

Khi có chạm đất một pha trong vùng bảo vệ, dòng điện chạm đất đi qua lõi thép hình xuyến của máy biến dòng theo một pha quay trở về qua đất mà không đi qua lõi cáp, do đó dòng điện các pha không cân bằng Khi đó, trong cuộn dây thứ cấp của máy biến dòng cáp sinh ra một suất điện động tạo nên dòng điện trong rơ le và làm tác động bảo vệ

Dòng điện tác động phía sơ cấp của bảo vệ được chọn theo công thức:

c B H tds K K I

I 

Trong đó :

- KH là hệ số an toàn lấy bằng 1,2 – 1,3

- KB là hệ số nhảy vọt lấy bằng 3 – 4