a) Một máy biến áp được dùng trong trường hợp :
Phụ tải thuộc loại không quan trọng. Trạm biến áp thƣờng đƣợc cung cấp bằng 1 đƣờng dây từ hệ thống đến.
Xây trạm biến áp thƣờng có 2 giai đoạn: Giai đoạn đầu đặt 1 máy, khi phụ tải phát triển ( trong 2,3 năm sau ) sẽ đặt thêm máy biến áp thứ 2. Thiết kế nhƣ vậy có ƣu điểm không phải đặt 2 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 máy biến áp theo phụ tải hiện tại, khi phát triển phải thay máy biến áp lớn hơn. Trƣờng hợp này cho phép giai đoạn đầu vận hành một máy biến áp thƣờng ít có khả năng sự cố máy biến áp, do máy biến áp còn mới, tuổi thọ còn cao. Hơn nữa thiết kế nhƣ vậy vốn đầu tƣ ban đầu nhỏ, tận dụng vốn đầu tƣ tốt.
b) Hai máy biến áp là phương án thường được sử dụng nhất vì tính đảm bảo cao :
Phƣơng án này đƣợc thiết kế khi :
Có hai đƣờng 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 nên phải đặt thêm máy biến áp thứ 3.
Đặt 3 máy biến áp thƣờng đƣa đến tăng vốn đầu tƣ, tăng diện tích xây dựng, phức tạp xây lắp. Đặc biệt khi sử dụng máy biến áp ba cuộn dây hay từ ngẫu không nên dùng 3 máy biến áp làm việc song song.
13
Vì trạm biến áp đang thiết kế có hai đƣờng dây cung cấp từ hệ thống nên ta chọn phƣơng án 2 máy biến áp làm việc song song.
3.2.2 Chọn sơ đồ cấu trúc: 4 phƣơng án
a) Phương án 1: Máy biến áp từ ngẫu
Hệ Thống
220 KV
110 KV 22 KV
Hình 3. 1 Sơ đồ cấu trúc dùng máy biến áp từ ngẫu
Phƣơng án này có nhiều ƣu điểm:
Chỉ có hai máy biến áp, chiếm ít diện tích xây lắp Giá thành thấp
Tổn hao trong máy biến áp nhỏ hơn các phƣơng án khác
Phƣơng án này chỉ thích hợp sử dụng khi phụ tải ở hoặc 20% công suất định mức của máy biến áp : 20% ; 20% .
14
b) Phương án 2: Qua máy biến áp hai cuộn dây, giảm dần từ điện áp cao xuống
Hình 3. 2 Sơ đồ cấu trúc dùng máy biến áp hai cuộn dây, điện áp giảm dần
Phƣơng án này đƣợc sử dụng khi phụ tải ở cấp điện áp thấp nhỏ hơn phụ tải ở cấp điện áp cao: .
Phƣơng án này có nhƣợc điểm là máy biến áp cấp 1 phải tải cả công suất ở các cấp nối tiếp, do đó phải chọn công suất lớn, tổn hao có thể lớn.
c) Phương án 3: Máy biến áp ba cuộn dây
Hệ Thống
220 KV
15
Hình 3. 3 Sơ đồ cấu trúc dùng máy biến áp ba cuộn dây
d) Phương án 4: Máy biến áp hai cuộn dây, tách riêng 2 cấp điện áp
Hình 3. 4 Sơ đồ cấu trúc máy biến áp 2 cuộn dây, tách riêng 2 cấp điện áp
Phƣơng án này có nhƣợc điểm :
Tăng số lƣợng máy biến áp dẫn đến chiếm nhiều diện tích
Tách trạm biến áp thành 2 phần riêng biệt ( hai trạm biến áp đặt chung trong một nơi ).
Sơ đồ cấu trúc của trạm biến áp đang thiết kế :
Sơ đồ cấu trúc phƣơng án 3 dùng máy biến áp 3 cuộn dây giống phƣơng án 1 dùng máy biến áp tự ngẫu. Nhƣng máy biến áp tự ngẫu thƣờng đƣợc sử dụng hơn máy biến áp ba cuộn dây khi 110 kV. Trạm biến áp đang thiết kế có 110 kV, vì vậy ta dùng phƣơng án 1 thay cho phƣơng án 3.
Hệ Thống
220 KV
110 KV 22 KV
16
Sơ đồ cấu trúc phƣơng án 4 có nhiều hạn chế và ít đƣợc sử dụng. Phƣơng án 4 chỉ đƣợc sử dụng khi phụ tải ở và chênh lệch nhiều dẫn đến không thể dụng các phƣơng án 1, 2, 3. Theo Bảng 2.1, trong từng thời điểm trạm biến áp đang thiết kế luôn có và chênh lệch không nhiều ( chênh lệch nhiều nhất lúc 15h : = = 48,78 MVA; = = 18,75 MVA ) do đó ta sẽ không sử dụng phƣơng án 4.
Theo Bảng 2.1, trong từng thời điểm, trạm biến áp đang thiết kế luôn có
nên phƣơng án 2 khả thi.
Vậy ta sẽ tiếp tục tính toán thiết kế trạm biến áp với phƣơng án 1 và phƣơng án 2.
17
CHƢƠNG 4
CHỌN MÁY BIẾN ÁP
4.1 Khái niệm
Máy biến áp là thiết bị truyền tải điện năng từ điện áp này đến điện áp khác. Điện năng sản xuất từ nhà máy điện đƣợc truyền tải đến các hộ tiêu thụ ở xa phải qua đƣờng dây cao thế 110, 220, 500kV …, thƣờng qua máy biến áp tang từ điện áp máy phát ( lên điện áp tƣơng ứng .
Ở cuối đƣờng dây cao áp lại cần máy biến áp giảm về điện áp thích hợp với mạng phân phối ( 22, 15, 0.4kV…)
Trong hệ thống lớn cần phải qua nhiều lần tang áp, giảm mới đƣa điện năng từ các máy phát đến các hộ tiêu thụ. Vì vậy tổng công suất máy biến áp trong hệ thống có thể bàng 4 đến 5 lần tổng công suất của các máy phát điện .
Mặc dù hiệu suất của các máy biến áp tƣơng đối cao, tổn thất qua máy biến áp hằng năm ( vẫn rất lớn.
4.1.1 Các đặc điểm của máy biến áp :
Máy biến áp là thiết bị không phát ra điện năng mà chỉ truyền tải điện năng. Trong hệ thống điện chỉ có máy phát mới phát ra công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q.
Máy biến áp thƣờng đƣợc chế tạo thành một khối tại nhà máy, phần có thề tháo rời ra trong khi chuyên chở chiếm tỉ lệ rất nhỏ ( khoảng 10% ), cho nên trọng lƣợng, kích thƣớc chuyên chở rất lớn. Ví dụ máy biến áp hai cuộn dây 115/38,5kV, công suất 80 MVA có trọng lƣợng tổng là 105 tấn, phần chuyên chở không thể tháo rời là 91,5 tấn; có kích thƣớc: dài 7,4m, rộng 5,3m, cao 6,8m. Vì vậy khi sử dụng cần chú ý và khả năng chuyên chở khi xây lắp.
18
Tiến bộ khoa học về chế tạo ( chủ yếu là với vật liệu cách điện, thép từ ) tiến bộ rất nhanh, cho các máy biến áp có kích thƣớc, trọng lƣợng, tổn hao và giá thành nhỏ hơn. Vì vậy, khi chọn công suất máy biến áp cần tính đến khả năng tận dụng tối đa ( xét khả năng quá tải cho phép ) tránh vận hành non tải máy biến áp đƣa đến tổn hao lớn, kéo dài thời gian sử dụng không cần thiết.
Tuổi thọ và khả năng tải của máy biến áp chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ khi vận hành. Nhiệt độ của máy biến áp không chỉ phụ thuộc vào công suất mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ môi trƣờng xung quanh và phƣơng pháp làm lạnh.
Công suất định mức của máy biến áp đƣợc chế tạo theo thang tiêu chuẩn của mỗi nƣớc, thƣờng cách nha lớn ,nhất là khi công suất càng lớn. Điều này niếu đƣa đến niếu tính toán không chính xác có thể phải chọn máy biến áp có công suất lớn không cần thiết. Ví dụ, không chọn đƣợc máy biến áp 125 (MVA) phải chọn 200 (MVA).
Khi chọn công suất của máy biến áp cần phải chú ý đến khả năng phát triển phụ tải, tránh trƣờng hợp vừa xây dựng xong trạm biến áp lại phải thay đổi hay đặc thiêm máy khi phụ tải tăng. Điều này cần cân nhắc có khoa học và thực tế mới có thể chọn đƣợc công suất tối ƣu để thỏa mảng tất cả các điều kiện nêu trên.
Hiện nay có nhiều loại máy biến áp : Máy biến áp một pha, ba pha
Máy biến áp hai cuộn dây, ba cuộn dây Máy biến áp có cuộn dây phân chia Máy biến áp tự ngẫu một pha, ba pha Máy biến áp tăng, máy biến áp hạ
Máy biến áp có và không có điều chỉnh dƣới tải
Máy biến áp lại do nhiều nƣớc chế tạo theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau, điền kiện làm việc cũng có thể khác nhau. Khi thiết kế cũng cần chú ý đến khía cạnh này.
19
4.1.2 Các thông số định mức của máy biến áp :
Công suất định mức ( : là công suất liên tục chuyền qua máy biến áp trong thời hạn phục vụ ứng với các điều kiện tiêu chuẩn do nhà chế tạo quy định nhƣ điện áp định mức, đặc biệt là nhiệt độ môi trƣờng làm mát .
Phụ thuộc vào điêu kiện môi trƣờng và tuổi thọ yêu cầu công suất định mức của máy biến áp có thể thay đổi, tuy nhiên không vƣợt quá điều kiện về nhiệt độ của vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện trong máy biến áp. Với các máy biến áp hiện nay là:
C
Khi vận hành máy biến áp ,môi trƣờng xung quanh không thể luôn giống với qui định. Phụ tải của máy biến áp cũng luôn thay đổi và phần lớn thời gian là thấp hơn định mức, do đó tuổi thọ của máy biến áp bị kéo dài một cách không cần thiết. Vì vậy ta phải tận dụng khả năng tải công suất lớn hơn định mức trong khoảng thời gian cho phép của máy biến áp, gọi là quá tải của máy biến áp .
Hệ số quá tải :
4.2 Quá tải của máy biến áp
Máy biến áp có những lúc vận hành non tải, thì cũng có thế vận hành quá tải trong một khoảng thời gian cho phép mà không làm hỏng ngay máy biến áp. Từ quan hệ về sự hao mòn của máy biến áp trong thời gian vận hành có thể tính đƣợc khả năng quá tải cho phép của nó khi biết đồ thị phụ tải, để cho sự hao mòn trong thời gian tổng không vƣợt quá định mức .
4.2.1 Quá tải bình thƣờng
Quá tải bình thƣờng là chế độ làm việc mà có những lúc máy biến áp vận hành non tải ( và có những lúc vận hành quá tải ( ). Khi vận hành quá tải, máy biến áp phải đảm bảo điều kiện giới hạn về nhiệt độ của vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện (98 ).
20
Trình tự chọn công suất máy biến áp theo điều kiện quá tải bình thƣờng :
Căn cứ vào đồ thị phụ tải qua máy biến áp chọn máy biến áp có công suất bé hơn , lớn hơn : .
Đẳng trị đố thị phụ tải qua máy biến áp thành đồ thị phụ tải chỉ có 2 bậc và với thời gian quá tải .
Từ đƣờng cong khả năng tải của máy biến áp có công suất và nhiệt độ đẳng trị môi trƣờng xung quanh tƣơng ứng, xác định khả năng quá tải cho phép tƣơng ứng với .
Nếu nghĩa là máy biến áp đã chọn có khả năng vận hành với đồ thị đã cho mà không lúc nào nhiệt độ cuộn dây vƣợt quá 140 và tuổi thọ của máy biến áp vẫn đảm bảo .
Nếu tức là máy biến áp đã chọn không có khả năng đảm bảo 2 điều kiện trên. Do đó phài chọn công suất máy biến áp lớn hơn.
4.2.2 Quá tải sự cố
Khi hai máy biến áp vận hành song song mà một trong hai bị sự cố phải nghĩ, máy biến áp còn lại có thể vận hành lớn hơn định mức không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trƣờng xung quanh lúc sự cố trong thời gian 5 ngày đêm nếu thỏa mãn các điều kiện
Theo đồ thị phụ tải đẳng trị về hai bậc, trong đó: ; đối với máy biến áp đặc ngoài trời và đối với máy biến áp đặc trong nhà,
giờ, chú ý theo dõi nhiệt độ của cuộn dây không vƣợt quá 140 và tốt nhất là tăng cƣờng tối đa các biện pháp làm lạnh máy biến áp.
4.3 Tính toán chọn máy biến áp
Theo bảng tổng hợp phụ tải của trạm biến áp (Bảng 2.1) Trạm biến áp đƣợc thiết kế :
21
;
;
4.3.1 Phƣơng án 1: Hai máy biến áp từ ngẫu
Máy biến áp từ ngẫu có :
Điện áp cao
Điện áp trung
Điện áp hạ
Hệ số có lợi của máy biến áp từ ngẫu :
Công suất lớn nhất truyền qua máy biến áp từ ngẫu:
Cuộn hạ của máy biến áp từ ngẫu chỉ truyền đƣợc công suất :
Cuộn cao và cuộn trung truyền đƣợc công suất :
Trong đó : là công suất định mức của máy biến áp
Để biết công suất truyền qua cuộn nào lớn nhất ta so sánh :
Ta thấy công suất truyền qua cuộn cao lớn nhất, do đó ta chọn công suất máy biến áp theo cuộn cao: .
22
Khi một trong hai máy biến áp gặp sự cố, máy biến áp còn lại phải vận hành với phụ tải lớn nhất là 80,52 (MVA).
Dựa vào đồ thị phụ tải của trạm biến áp ( Hình 2.1 ) ta chọn công suất máy biến áp : 32,51 (MVA) < < 80,52 (MVA).
Tra bảng phụ lục máy biến áp điện lực trong sách “Thiết kế nhà máy điện và trạm biến áp”, ta chọn máy biến áp từ ngẫu ba pha AT TH = 63 (MVA) có các thông số sau
Bảng 4. 1 Thông số máy biến áp từ ngẫu ba pha AT TH = 63 MVA
Điện áp định mức (kV) Điện áp ngắn mạch (%) Tổn hao (kW) Nƣớc SX C T H C-T C-H T-H Không tải Ngắn mạch C-T C-H T-H 230 121 22 11 35 22 45 400 220 240 0,5 NGA 8 12 16 20 24 32,51 48,51 63 80,52 S (MVA) t(h) 0 68,02 4
23
Hình 4. 1 Đồ thị phụ tải chọn máy biến áp từ ngẫu
+ Kiểm tra điền kiện quá tải bình thƣờng :
Xác định , :
Bảng 4. 2 Giá trị vùng quá tải máy biến áp từ ngẫu
STT Thời gian (h) (MVA) (h) (h) 1 10 12 70,76 1,123 2 2,522 2 12 14 80,52 1,278 2 3,267 3 14 16 68,02 1,080 2 2,333 √ √ đƣợc xác định 10 giờ sau vùng , từ 16h đến 2h: √ √
Từ ; , theo đƣờng cong quá tải bình thƣờng số 20 trang 263sách“thiết kế nhà máy điện và trạm biến áp” ta có:
24
(1,23>1,16) nên nhà máy điện đã chọn thỏa điều kiện quá tải bình thƣờng.
+ Kiểm tra điều kiện quá tải sự cố :
( Thỏa điều kiện ) Máy biến áp đặt ngoài trời :
( Thỏa điều kiện )
( Thỏa điều kiện )
+ Kiểm tra điều kiện sơ đồ cấu trúc :
Vậy sơ đồ dùng hai máy biến áp từ ngẫu thích hợp .
4.3.2 Phƣơng án 2: Bốn máy biến áp hai cuộn dây, cấp điện áp giảm dần a) Hai máy biến áp 220/110 kV : a) Hai máy biến áp 220/110 kV :
Khi một trong hai máy biến áp bị sự cố, máy biến áp còn lại phải vận hành với phụ tải lớn nhất là phụ tải của toàn trạm :
Dựa vào đồ thị phụ tải của trạm biến áp ( Hình 2.1) ta chọn công suất máy biến áp :
Tra bảng phụ lục máy biến áp điện lực trong sách “Thiết kế nhà máy điện và trạm biến áp”, ta chọn máy biến áp hai cuộn dây ONAF
Tƣơng tự phƣơng án 1, các điều kiện quá tải bình thƣờng và quá tải sự cố điều thỏa.
25
Khi một trong hai máy biến áp bị sự cố, máy còn lại phải vận hành với phụ tải lớn nhất :
Vậy ta chọn công suất máy biến áp :
Tra bảng phụ lục máy biến áp điện lực trong sách “Thiết kế nhà máy điện và trạm biến áp”, ta chọn Máy biến áp ba pha hai cuộn dây ONAN: .
8 12 16 20 24 S (MVA) t(h) 31,75 25 19,25 13 0 4
Hình 4. 2 Đồ thị phụ tải chọn máy biến áp hai cuộn dây 110/22 kV
+ Kiểm tra điều kiện quá tải bình thƣờng :
Xác định :
Đồ thị phụ tải chỉ có một bật K > 1
26 đƣợc xác định 10 giờ sau vùng ,từ 14h đến 24h: √ √
Từ , theo đƣờng cong quá tải bình thƣờng, số 8 trang 261 sách “Thiết kế nhà máy điện và trạm biến áp” ta có :
nên máy biến áp đã chọn thỏa điều kiện quá tải bình