Tính toán được dòng ngắn mạch tại các điểm
Chọn được các thiết bị phù hợp với các sự cố trong quá trình vận hành mạng điện
CHƯƠNG 4 - THIẾT KẾ TRẠM BIẾN ÁP 4.1. Tổng quan về trạm biến áp
4.1.1. Khái niệm
Trạm biến áp là một hệ thống được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền tải điện năng. Nó là thiết bị tĩnh điện có tác dụng dùng để truyền tải năng lượng hoặc tín hiệu điện xung quanh chiều giữa các mạch điện thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ.
Trạm biến áp là nơi dùng để đặt máy biến áp cùng với các thiết bị phân phối điện khác nhằm tạo thành một hệ thống dùng để truyền tải điện năng hoàn chỉnh. Chúng có nhiệm vụ cung cấp điện cho tất cả các thiết bịđiện trong mạng lưới.
4.1.2. Cấu tạo trạm biến áp:
Hiện nay, có rất nhiều trạm biến áp khác nhau với những đặc điểm về cấu tạo khác nhau nhưng chúng đều có cấu tạo chung gồm những các bộ phận cơ bản sau:
1.Máy biến áp
2.Hệ thống thanh cái, dao cách ly 3.Hệ thống chống sét nối đất 4.Hệ thống điện tự dùng 5.Khu vực điều hành 6.Khu vực phân phối
4.1.3. Một số cấu hình trạm biến áp:
Để phù hợp với nhu cầu sử dụng điện năng cũng như diện tích không gian từng khu vực nên hiện nay có nhiều loại trạm biến áp khác nhau. Dưới đây là các loại trạm biến áp được sử dụng phổ biến hiện nay
a.Phân loại trạm biến áp theo điện áp
Nếu như phân loại theo nhu cầu sử dụng điện áp, công suất truyền tải điện năng thì có 4 loại trạm biến áp:
Siêu cao áp: Trạm biến áp có điện áp lớn hơn 500kV
Cao áp: Trạm biến áp có điện áp 66kV, 110kV, 220kV và 500kV
Trung áp: Gồm các trạm biến áp có điện áp 6kV, 10kV, 15kV, 22kV và 35kV Hạ áp: Là những trạm biến áp có điện áp nhỏ hơn thường là 0,4kV và 0,2kV
b. Phân loại các trạm biến áp theo điện lực
Căn cứ vào mức độ biến áp ta có thể chia trạm biến áp thành 2 loại:
Trạm biến áp trung gian: Là trạm biến áp có nhiệm vụ nhận điện ở cấp điện áp 110kV - 220kV rồi chuyển thành cấp điện áp 22kV - 35kV. Loại trạm biến áp này được sử dụng ngoài trời vì công suất, máy biến áp và các thiết bị đóng cắt có kích thước và khối lượng khá lớn
Trạm biến áp phân phối: Loại trạm biến áp này sẽ nhận điện từ trạm biến áp trung gian rồi tiếp tục biến đổi điện năng từ 22kV – 35kV ra 0,4kV – 0,22kV. Được sử dụng phổ biến hệ thống ,mạng hạ áp dân dụng, nhà máy, xưởng
Trong trạm biến áp phân phối thường có các kiểu trạm sau: trạm treo, trạm biến áp giàn, trạm biến áp nềm, trạm Kios hợp bộ, trạm kín
c. Phân loại trạm biến áp theo mục đích sử dụng
Trạm biến áp đặt ngoài trời: là những trạm biến áp trung gian có công suất lớn, có máy biến áp và các thiết bị của trạm mang kích thước khá lớn cho nên không gian xây dựng trạm biến áp cần diện tích rộng. Tuy nhiên khi xây dựng các trạm biến áp này ngoài trời gây ra một số bất lợi mà trước hết có thể nhìn thấy được là gây mất mỹ quan, không phù hợp với các khu đô thị chỉ phục vụ chủ yếu trong các nhà máy, nhà xưởng công nghiệp hay các khu sản xuất cần công suất điện năng lớn.
Trạm biến áp trong nhà: là loại trạm được sử dụng phổ biến và nhiều nhất hiện nay bởi nó phù hợp xây dựng và cung cấp điện năng ở những khu vực đô thị đông dân cư lại không ảnh hưởng đến mỹ quan với kích thước hợp có thể đặt trong nhà kín đảm bảo an toàn cho người dân xung quanh. Có 2 loại trạm biến áp trong nhà bao gồm trạm kín và trạm Gis.
4.2. Chọn phương án thiết kế xây dựng TBA:
Theo đề bài ta có đối tượng thiết kệ là xưởng sửa chữa thiết bị điện, để thuận tiện cho việc lắp đặt cũng như sử dụng thì ta chọn thiết kế xây dựng TBA theo kiểu trạm biến áp trong nhà với loại trạm là trạm kín.
Máy biến áp kiểu kín thuộc loại máy biến áp phân phối có điện áp vào 35kV, 22kV, 10kV, điện áp ra 0,4kV, ngâm trong dầu cách điện tiêu chuẩn.
Ở phần 2.1 ta đã xác định được vị trí đặt trạm biến áp và công suất loại MBA.
4.3. Tính toán nối đất cho TBA:
Vì TBA phân xưởng có công suất > 100kVA → Rd = 4 Ω Ta xác định được điện trở tiếp địa nhân tạo:
𝑅𝑛𝑡 = 𝑅𝑡𝑛𝑥𝑅𝑑 𝑅𝑡𝑛− 𝑅𝑑 =
100𝑥4
100 − 4 = 4.1 Ω
Chọn cọc tiếp địa bằng thép tròn dài l = 2.5m, đường kính d=6cm đóng sâu cách mặt đất h = 0.5m. Điện trở tiếp xúc của cóc này có giá trị
Chiều sâu trung bình của cọc ℎ𝑡𝑏 = ℎ + 𝑙
2= 50 +250 2 = 175 𝑐𝑚 𝑅𝑐ọ𝑐 =𝑘𝑐ọ𝑐𝜌đ 2𝜋𝑙 (𝑙𝑛2𝑙 𝑑 + 1 2𝑙𝑛 4ℎ𝑡𝑏+ 𝑙 4ℎ𝑡𝑏− 𝑙) = 1.4𝑥10000 2𝑥3.14𝑥250(𝑙𝑛2𝑥250 6 + 1 2𝑙𝑛 4𝑥175 + 250 4𝑥175 − 250) = 42.77 Ω 𝑅 42.77
Số cọc này đuợc đóng xung quanh trạm biến áp theo chu vi: L = 2x(5+5) = 20m
Khoảng cách trung bình giữa các cọc là:
Ltb = L/n = 20/11 = 1.81m
Tra bảng 49.pl(1) ứng với tỉ lệ ltb / l = 1.81/2.5 = 0.724 và số lượng 11 cọc, ta xác định được hệ số lợi dụng của các cọc tiếp địa là ƞcọc = 0.74 , số lợi dụng thanh nối ƞnga = 0.49. Chọn thanh nối tiếp địa bằng thép có kích thước bxc = 50x6cm. Điện trở tiếp xúc của thanh nối ngang
c 𝑅𝑛𝑔𝑎 =𝑘𝑛𝑔𝑎𝑥𝜌đ 2𝜋𝑙 𝑙𝑛 2𝐿2 𝑏ℎ = 4.5𝑥10000 2𝑥3.14𝑥2000𝑙𝑛 2𝑥20002 5𝑥50 = 37.16 Ω Điện trở thực tế của thanh nối có xét đến hệ số lợi dụng ƞnga là:
𝑅𝑛𝑔𝑎′ = 𝑅𝑛𝑔𝑎 ƞ𝑛𝑔𝑎 =
37.16
0.49 = 75.83 Ω
Điện trở cần thiết của hệ thống tiếp địa nhân tạo có tính đến thanh nối ngang và điện trở tiếp địa tự nhiên là:
𝑅′𝑛𝑡 = 𝑅′𝑛𝑔𝑎𝑅𝑛𝑡 𝑅′𝑛𝑔𝑎 − 𝑅𝑛𝑡 = 75.83𝑥4.1 75.83 − 4.1 = 4.33 Ω Số lượng cọc chính thức là: 𝑛𝑐𝑡 = 𝑅𝑐ọ𝑐 ƞ𝑐ọ𝑐𝑅′𝑛𝑡 = 42.77 0.74𝑥4.33 = 13.34 → Chọn 14 cọc Kiểm tra ổn định nhiệt của hệ thống tiếp địa: 𝐹𝑚𝑖𝑛 = 𝐼𝑁1√𝑡𝑘
𝐶𝑡 = 3530√0.25
74 = 23.8 < 𝑆𝑡𝑛 = 50𝑥6 = 300𝑚𝑚2 Vậy hệ thống tiếp địa thoả mãn yêu cầu về ổn định nhiệt.
4.4. Sơ đồ nguyên lý, mặt bằng và mặt cắt của TBA và sơ đồ nối đất của TBA
1.Sơ đồ nguyên lý TBA:
2.Sơ đồ mặt bằng TBA: Hình 4. 2.Sơ đồ mặt bằng TBA 3.Sơ đồ nối đất Trung tính ↓ Đất Các phần vỏ kim loại ↓ Đất Rn L1 L2 L3 N PE
4.5. Nhận xét
Hiểu tổng quan về trạm biến áp
Chọn được loại trạm biến áp phù hợp với đối tượng thiết kế Tính toán nối đất , đảm bảo độ tin cậy an toàn cho trạm biến áp Vẽ được các loại sơ đồ
CHƯƠNG 5 – TÍNH TOÁN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
5.1. Ý nghĩa bù công suất phản kháng:
Công suất phản kháng hay gọi là công suất hư kháng, công suất ảo Q(kW) là năng lượng vô công, được sinh ra bởi các thành phần phản kháng trong trong hệ thống điện xoay chiều AC.
Công suất phản khángđược chuyển ngược về nguồn cung cấp năng lượng trong mỗi chu kỳ do sự tích lũy năng lượng trong các thành phần cảm kháng và dung kháng, được tạo ra bởi sự lệch pha giữa hiệu điện thế U(t) và dòng điện I(t). Nó là loại công suất không có lợi của mạch điện.
Trong thực tếcông suất phản kháng Q không sinh công nhưng lại gây ra những
ảnh hưởng xấu về kinh tế và kỹ thuật:
- Về kinh tế: Chúng ta phải trảchi phí tiền điện cho lượng công suất phản kháng tiêu thụ trong khi thực tế nó không đem lại lợi ích gì.
- Về kỹ thuật: Công suất phản kháng là nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt áp và tiêu hao năng lượng trong quá trình truyền tải điện năng.
Lợi ích khi nâng cao hệ số công suất phản kháng cosφ:
- Giảm tổn thất công suất trên phần tử của hệ thống cung cấp điện (máy biến áp,
đường dây …).
- Giảm tổn thất điện áp trên đường truyền tải.
- Tăng khả năng truyền tải điện của đường dây và máy biến áp.
Vì vậy, ta cần có biện pháp bù công suất phản kháng Qđể hạn chế ảnh hưởng của nó. Cũng tức là ta nâng cao hệ số công suất phản kháng cosφ.
5.2. Tính toán bù công suất phản kháng
*Một số vị trí lắp đặt tụ bù và ưu nhược điểm:
- Đặt tập trung: Đặt ở thanh cái hạ áp TBA – phân xưởng(0,4kV) hoặc thanh cái t TBA trung tâm (6-10kV), ưu điểm dễ quản lý vận hành, giảm vốn đầu tư.
- Đặt phân tán: thiết bị bù được phân nhỏ thành từng nhóm đặt tại các tủ động lực trong phân xưởng. Trường hợp động cơ công suất lớn tiêu thụ nhiều Q có thể đặt ngay tại các động cơ đó.
- Do phân xưởng công nghiệp đề bài ra, phần lớn các động cơ đều có công suất vừa và nhỏ nên ta có thể chọn phương án lắp đặt tụ bù tại các tủ động lực trong phân xưởng.
- Dung lượng bù được tính theo công thức: Qbù = P(tgφ1 - tgφ2 )
- Trong đó tgφ1 : góc ứng vi hệ số cos φ1(trước khi bù )
tgφ2 :góc ứng với hệ số cosφ2 muốn đạt được(sau khi bù)
- Hệ số công suất cosφ2 do quản lý hệ thống quy định cho hộ tiêu thụ phải đạt được ( đề bài yêu cầu phải nâng cosφ của phân xưởng lên 0,93)
- Theo kết quả tính toán của CHƯƠNG 1 ta có:
Bảng 5. 1.Thông số công suất phân xưởng
S kVA P kW Q kVAr Cosφtb
142.4 99.68 101.69 0.7
+ cosφtb = 0,7 → φ =45.57 + cosφ2 = 0,9 → φ = 25.84
→ Qbù = 99.68(tg45.57 – tg25.84) = 53.41 kVAr Vậy ta chọn được bộ tụ bù sau:
Bảng 5. 2.Thông số tụ bù
Loại tụ Qb kVAr Udm V Số lượng Đơn giá
SCHNEIDER EASYCAN 10 10 440 6 970.103đ
5.3. Đánh giá hiệu quả bù công suất phản kháng
*Trước khi bù:
- Tổn thất điện năng từ nguồn đến TBA: ∆𝐴 = ∆𝑃. 𝜏 = ( 𝑆𝑡𝑡 𝑈𝑑𝑚) 2 . 𝑅𝑑. (0,124 + 4500.10−4)2. 8760 = (142.4 22 ) 2 𝑥0.085𝑥2886,21 = 10278.3 𝑘𝑊ℎ
- Tổn thất điện năng trong TBA: ∆𝐴 = 𝑛∆𝑃0𝑡 +∆𝑃𝑘
𝑛 (𝑆
𝑆𝐵)2𝜏 = 7123.18 kWh → Tổng tổn thất điện năng tới TBA là : 10278.3 + 7123.18 = 17401.48 kWh
*Sau khi bù:
- SN = PN + j(QN - Qbù)
= 99.68 + j(101.69 – 53.41) = 99.68 + j48.28
→ S = 110.75 kVA
- Tổn thất điện năng từ nguồn đến TBA: ∆𝐴 = ∆𝑃. 𝜏 = ( 𝑆𝑡𝑡 𝑈𝑑𝑚) 2 . 𝑅𝑑. (0,124 + 4500.10−4)2. 8760 = (110.75 22 ) 2 𝑥0.085𝑥2886,21 = 6217.116 𝑘𝑊𝐻
- Tổn thất điện năng trong TBA: ∆𝐴 = 𝑛. ∆𝑃0. 𝑡 +∆𝑃𝑘
𝑛 . 𝑆2
→ Tổng tổn thất điện năng tới TBA là: 6217.116 + 6246.96 = 12464.076 kWh
*Chi phí tiết kiệm được sau khi bù:
- Lượng điện năng tiết kiệm được sau khi bù:
δA = ∆Atrước - ∆Asau = 17401.48 – 12464.076 = 4937.404 kWh - Chi phí tiết kiệm được trong 1 năm:
𝐶ℎ𝑡 = ∆𝐴. 𝑐∆ = 4937.404𝑥1800 = 8.887.327 đ - Hệ số tiêu chuẩn sử dụng vốn đầu tư:
𝑎𝑡𝑐 = 0,125 → 𝑝 = 𝑎𝑡𝑐 + 𝑘𝑘ℎ = 0,125 + 0,064 = 0,189 - Vốn đầu tư tụ bù:
V = Vtb.6 = 970.103.6 = 5.820.000 đ - Chi phí quy đổi:
Zb = p.V = 0,189x5.820.000 = 1.100.000 đ/năm
Như vậy việc bù công suất phản kháng đem lại hiệu quả kinh tế cao, vừa giảm được tổn thất cũng như tiết kiệm được chi phí cho phân xưởng.
5.4. Nhận xét và đánh giá
Như vậy ta đã tính toán và chọn được bộ tù thích hợp cho phân xưởng để nâng hệ số công suất (cosφ) lên 0.9.
Qua sơ bộ đánh giá có thể thấy rõ sau khi được bù công suất phản kháng thì tổn thất của mạng điện được giảm, hiệu quả kinh tế được nâng cao.
CHƯƠNG 6 – TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT VÀ CHỐNG SÉT 6.1. Tính toán nối đất
- Như đã biết, điện trở đất của trạm biến áp công suất lớn hơn 100kVA là 4Ω, do đó điện trở nối đất lặp lại cho phép lớn hơn điện trở của hệ thống nối đất TBA một cấp, tức là Rd = 12Ω
Chọn cọc tiếp địa bằng thép tròn dài l = 2.5m, đường kính d=6cm đóng sâu cách mặt đất h = 0.5m. Điện trở tiếp xúc của cóc này có giá trị
Chiều sâu trung bình của cọc ℎ𝑡𝑏 = ℎ + 𝑙
2= 50 +250 2 = 175 𝑐𝑚 𝑅𝑐ọ𝑐 =𝑘𝑐ọ𝑐𝜌đ 2𝜋𝑙 (𝑙𝑛2𝑙 𝑑 + 1 2𝑙𝑛 4ℎ𝑡𝑏+ 𝑙 4ℎ𝑡𝑏− 𝑙) = 1.4𝑥10000 2𝑥3.14𝑥250(𝑙𝑛2𝑥250 6 + 1 2𝑙𝑛 4𝑥175 + 250 4𝑥175 − 250) = 42.77 Ω Sơ bộ chọn số lượng cọc:𝑅𝑐ọ𝑐 𝑅𝑑 =42.77 12 = 3.56 → Chọn 4 cọc
Số lượng cọc này được đóng theo dãy khoảng cách nhau bằng chiều dài cọc, vậy tổng chiều dài thanh nối:
L = 4x2.5 = 10 m
Tra bảng 49.pl(1) ứng với tỉ lệ ltb / l = 2.5/2.5 = 1 và số lượng 4 cọc, ta xác định được hệ số lợi dụng của các cọc tiếp địa là ƞcọc = 0.69 , số lợi dụng thanh nối ƞnga = 0.45. Chọn thanh nối tiếp địa bằng thép có kích thước bxc = 50x6cm. Điện trở tiếp xúc của thanh nối ngang
𝑅𝑛𝑔𝑎 =𝑘𝑛𝑔𝑎𝑥𝜌đ 2𝜋𝑙 𝑙𝑛 2𝐿2 𝑏ℎ = 4.5𝑥10000 2𝑥3.14𝑥1000𝑙𝑛 2𝑥10002 5𝑥50 = 64.4 Ω Điện trở thực tế của thanh nối có xét đến hệ số lợi dụng ƞnga là:
𝑅𝑛𝑔𝑎′ = 𝑅𝑛𝑔𝑎 ƞ𝑛𝑔𝑎 =
64.4
0.45= 143.1 Ω
Điện trở cần thiết của hệ thống tiếp địa nhân tạo có tính đến thanh nối ngang và điện trở tiếp địa tự nhiên là:
𝑅′𝑛𝑡 = 𝑅′𝑛𝑔𝑎𝑅𝑛𝑡 𝑅′𝑛𝑔𝑎 − 𝑅𝑛𝑡 = 143.1𝑥12 143.1 − 12= 13.09 Ω Số lượng cọc chính thức là: 𝑛𝑐𝑡 = 𝑅𝑐ọ𝑐 ƞ𝑐ọ𝑐𝑅′𝑛𝑡 = 42.77 0.69𝑥13.09 = 4.735 → Chọn 5 cọc Kiểm tra ổn định nhiệt của hệ thống tiếp địa: 𝐹𝑚𝑖𝑛 = 𝐼𝑁1√𝑡𝑘
𝐶𝑡 = 3530√0.25
74 = 23.8 < 𝑆𝑡𝑛 = 50𝑥6 = 300𝑚𝑚2 Vậy hệ thống tiếp địa thoả mãn yêu cầu về ổn định nhiệt.
6.2. Tính chọn thiết bị chống sét
Để lựa chọn được một loại thiết bị chống sét nói chung, chống sét van tốt cần hiểu rõ được ý nghĩa của các thông số kỹ thuật liên quan đến chống sét van đó ( điện
áp định mức, điện áp vận hành liên tục, đặc điểm tuyến điện áp cho bởi nhà chế tạo,…) bên cạnh đó cũng cần hiểu rõ được chế độ làm việc của lưới điện nơi lắp đặt hệ thống chống sét van gồm: chế độ nối đất, điện áp lưới định mức, các chế độ vận hành của lưới điện (chế độ cực đại, cực tiểu, sự cố) quan trọng nhất là chế độ cực đại và chế độ sự cố vì hai chế độ này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chọn của chống sét van.
- Vì ta tính toán nối đất trực tiếp không qua cuộn kháng nên có hệ số sự cố chạm đất: Ke = 11.4
- Khi chọn thông số cần thoả mãn điều kiện sau: 𝑈â𝑚𝑐𝑠𝑣 ≥ 11.4𝑈𝑚𝑎𝑥
√3 → 0.44 ≥ 0.4
√3 = 0.23 (𝑡ℎ𝑜ả 𝑚ã𝑛) - Vậy ta có thể chọn chống sét van sau:
Bảng 6. 1.Thông số chống sét van Vật liệu Udm kV Số cực Dòng phóng kA SiC 380 4 100 6.3. Nhận xét và đánh giá
Tính toán nối đất và xác định được phương thức nối đất cho đối tượng thiết kế Chọn được thiết bị chống sét phù hợp với đối tượng
CHƯƠNG 7 – DỰ TOÁN CÔNG TRÌNH
7.1. Kê danh mục các thiết bị
- Từ nguồn đến các thiết bị trong trạm biến áp bao gồm các thiết bị điện: máy cắt ca0 áp, cầu chảy cao áp, dao cách ly, dây nguồn, máy biến áp,..
- Ta có bảng tính toán chi phí cáp điện:
Bảng 7. 1.Tính chi phí cáp điện Đoạn Cáp Tiết diện Số lượng Chiều dài
Đơn giá Thành tiền Nguồn
– TBA
AC – 35 35 mm2 2 200 m 95.103đ/kg 2.850.00đ
- Ta có bảng tính thiết bị đóng cắt cao áp:
Bảng 7. 2.Tính chi phí thiết bị đóng cắt cao áp