l ời nói đầu
2.6.2 Điện khí hóa một chiều
Điện khí hóa một chiều tiêu thụ dòng tải 3 pha có tính ổn định, không phải thực hiện các giải pháp phân bố phụ tải theo từng pha, phụ tải được phân bổ tới nhiều trạm phụ và như vậy tải cho mỗi trạm phụ là nhỏ hơn so với trạm phụ AC.
Tác động bất lợi lên mạng lưới cung cấp là ít hơn. Tác động nhiễu cảm ứng tới các thiết bị khác là không đáng kể.
Nếu so sánh chi phí thi công các trạm phụ và các thiết bị trên mặt đất kể cả đường sắt thì diện khí hóa DC thấp hơn (khoảng 20%) đối với điện khí hóa AC, nhưng chi phí phương tiện lại cao hơn (khoảng 10%).
Trong điện khí hóa đường sắt, có 3 loại hình mạng tiếp xúc điện cho phương tiện được sử dụng khá phổ biến: tiếp điện bằng đường ray thứ 3 với điện thế liên tục 750V; tiếp điện bằng đường dây tiếp xúc trên cao với điện áp liên tục 1500V hoặc 3000V; tiếp điện bằng đường dây tiếp xúc trên cao với điện thế đan xen (1500V, 3000V, 22KV….). Để có cơ sở lựa chọn, sau đây chúng ta sẽ đi sâu phân tích những ưu nhược điểm và đánh giá sự phù hợp với đặc điểm thực tế của từng hình thức:
* Tiếp điện bằng đường ray thứ 3 với điện áp liên tục 750VDC:
Hình thức này sử dụng thanh ray tiếp điện, được lắp đặt bên cạnh đường ray chính. Cho phép sử dụng các đường tiếp điện cục bộ với điện thế ba pha, dễ dàng sử dụng được trong khu dân cư. Tuối thọ đường ray tiếp xúc cao hơn so với đường dây tiếp điện trên cao.
Trong khu vực đô thị, hình thức này có tính thẩm mỹ cao hơn so với mạng tiếp xúc trên cao.
Phải có thêm những giải pháp an toàn đối với hành khách và nhân viên làm nhiệm vụ khi di chuyển dọc tuyến. Giải pháp kỹ thuật tại vị trí bố trí ghi và trong khu vực đề pô tương đối phức tạp hơn.
Tổn thất điện năng lớn hơn mạng tiếp xúc trên cao do sử dụng điện áp thấp (Đặc biệt khi tần suất khai thác lớn). Tại các khu vực đường chạy trên mặt đất, phải thực hiện các giải pháp an toàn chông ngập úng.
Hình 2.2- tiếp xúc bằng ray thứ 3.
* Tiếp điện bằng đường dây trên cao, điện thế liên tục 1500VDC hoặc 3000VDC.
Cho phép sử dụng các đường tiếp điện cục bộ với điện thế ba pha, dễ dàng sử dụng được trong k;hu dân cư, thuận tiện cho các trạm kéo phụ.
Tổn thất điện năng do dòng dò và tổn hao trên đường dây ít hơn. Giải pháp an toàn đối với hành khách và nhân viên đường sắt đơn giản hơn. Không lo ngại về an toàn điện trong trường hợp đường bị ngập úng.
Trong khu vực đô thị, việc lắp đặt hệ thống dây tiếp điện trên cao có ảnh hưởng nhất định tới tính thẩm mỹ. Tuổi thọ của đường dây tiếp xúc trên cao thấp hơn so với ray tiếp điện thứ 3.
Làm tăng đáng kể mặt cắt ngang của hầm (nếu phải đi ngầm), tăng chi phí thi công xây dựng đường hầm.
Tại khu vực đường sắt chạy trên cao, chiều cao của mạng tiếp xúc so với mặt đất khá lớn (hàng chục mét) – các giải pháp an toàn chông gió bão của mạng tiếp xúc tương đối phức tạp.
Báo cáo thực tập tốt nghiệp – Tổng Công ty Điện lực Hà Nội.
Hình 2.3- hình ảnh dạng dây tiếp xúc trên cao.
* Tiếp điện bằng đường dây tiếp xúc trên cao, điện thế 22-25KV hoặc điện thế đan xen (22KV; 25KV; 3000V; 1500V…).
Do sử dụng điện áp cao nên kích thước dây nhỏ, lắp đặt nhẹ nhàng, chi phí cho đường dây tiếp xúc giảm so với sử dụng điện áp 1500V.
Giảm đáng kể số lượng các trạm phụ. Tổn thất điện năng do dòng dò và tổn hao trên đường dây ít hơn sử dụng điện áp thấp.
Do điện áp cao nên khoảng cách an toàn phải tăng lên. Có thể gặp phải những khó khăn trong sửa chữa do điện thế cao.
- Tác động về rối loạn điện từ, nhiễu đối với các thiết bị viễn thông tăng lên. Các giải pháp kỹ thuật và chi phí đầu tư để giải quyết vấn đề này tăng lên đáng kể.
Hình thức tiếp điện trên cao với điện thế đan xen chỉ phù hợp với các tuyến có chiều dài trung bình trở lên, chạy qua các khu vực có tính đặc thù khác nhau (ngoại ô: sử dụng điện áp 22-25KV, khi qua thành phố hoặc khu dân cư đông đúc thì chuyển cấp điện áp 1500V hoặc 3000V).
Về điện áp mạng tiếp xúc: trong khu vực đô thị, vì các lý do an toàn và tác động môi trường người ta thường sử dụng cấp điện áp 1500V đối với mạng tiếp xúc trên cao (rất hiếm trường hợp sử dụng cấp điện áp 3000V trong khu vực đô thị). Đối với tuyến ĐSTC Hà Nội, địa hình hết sức hạn chế, dân cư đông đúc, vì vậy nên chọn điện áp mạng tiếp xúc là điện thế liên tục 1500V.
2.7 Phương pháp lựa chọn sơ đồ cấp nguồn cho trạm điện kéo
Phụ tải điện kéo dành cho giao thong điện là loại phụ tải cấp 1, nên phải đảm bảo cấp điện liên tục, không bị gián đoạn, đảm bảo tính an toàn và độ tin cậy khi có bất kỳ sự cố nào về điện. Vì vậy, phải đảm bảo 2 điều kiện sau:
- Phải cấp điện cho phụ tải điện kéo ít nhất từ 2 nguồn độc lập.
- Đảm bảo dự trữ cho các thiết bị của hệ thống. Cung cấp điện từ trung tâm cấp điện đến trạm điện kéo bằng đường dây cao áp kép.
Có nhiều loại sơ đồ cấp nguồn cho trạm điện kéo đã được nghiên cứu và sử dụng từ loại hình có 1 nguồn cấp hay từ hai nguồn cấp.
Trường hợp có một nguồn cung cấp.
Cung cấp 1 phía bằng cách nối móc.
Hình 2.4- sơ đồ 1 Cung cấp một phía bằng cách nối thông.
Hình 2.5- sơ đồ 2 Cung cấp một phía nối hình tia.
Hình 2.6- sơ đồ 3 Cung cấp điện một phía khép kín
Báo cáo thực tập tốt nghiệp – Tổng Công ty Điện lực Hà Nội.
Hình 2.7- sơ đồ 4
Trường hợp có hai nguồn cung cấp.
Cung cấp 2 phía nối móc
Hình 2.8- sơ đồ 5 Cung cấp 2 phía nối thông suốt
Hình 2.9- sơ đồ 6 Cung cấp 2 phía nối hình tia có thể có các khả năng sau :
Hình 2.10- sơ đồ 7
Sơ đồ này tin cậy hơn sơ đồ 6 tuy nhiên phải dùng nhiêu dây cao áp nên không kinh tế Cung cấp 2 phía liên thông vòng kín
Hình 2.11- sơ đồ 8
Sơ đồ này khá tin cậy mà tiết kiệm được dây cao áp hơn sơ đồ 7.
Đối với tuyến đường sắt trên cao Nam Thăng Long- Trần Hưng Đạo hình thức cấp điện từ 2 nguồn bằng 2 mạch cho nhiều trạm hỗn hợp (THH) với thanh cái có phân đoạn được sử dụng phổ biến hơn vì độ tin cậy và tính kinh tế cao hơn. Trong sơ đồ cấp điện vòng kín, nguồn điện được cung cấp bởi 2 mạch làm việc song song thì độ tin cậy còn cao hơn nữa. Thanh cái của hệ thống phân phối trung áp ở trạm có thể được phân đoạn, mỗi phân đoạn có máy ngắt tự động dự phòng. Máy ngắt tự động đóng khi có sự cố từ nguồn cung cấp đang làm việc. Giải pháp này có độ tin cậy cung cấp điện trung áp cao nhất.
2.8 Phương pháp tính toán ngắn mạch và tính chọn cáp mạng trung áp.
Ngắn mạch là hiện tượng mạch điện bị chập lại ở một điểm nào đó làm cho tổng trở mạch nhỏ đi, dòng điện trong mạch sẽ tăng cao đột ngột và điện áp giảm xuống. Việc dòng điện tăng cao quá mức sẽ gây các hậu quả nghiêm trọng
2.2.1 Phương pháp tính toán ngắn mạch
Trong tính toán ngắn mạch cần phải biết điện áp của nguồn cung cấp và điện trở tổng của tất cả các phần tử đến điểm ngắn mạch. Nhưng điện áp của các nhánh riêng rẽ của mạch khác nhau, vì thế không thể cộng các điện trở nếu không đưa chúng về các phần tử tương đương.
Để xác định dòng điện ngắn mạch trong hệ thống phân nhánh phức tạp với một vài nguồn cung cấp và rất nhiều mối liên quan nội tại cần phải đưa sơ đồ thay thế về dạng thuận tiện tính toán sử dụng nguyên tắc thành lập và biến đổi sơ đồ thay thế tương đương.
Báo cáo thực tập tốt nghiệp – Tổng Công ty Điện lực Hà Nội.
Có các phương pháp tính toán dòng ngắn mạch như sau : +Phương pháp các đơn vị tương đối.
+Phương pháp tính toán với các đơn vị thay đổi ( không cố định). +Phương pháp tính toán đơn giản hóa.
2.2.2 Tính chọn cáp mạng trung áp
Có 3 phương pháp lựa chọn tiết diện dây dẫn và cáp:
Thứ nhất: chọn tiết diện theo mật độ dòng kinh tế của dòng điện Jkt
Jkt(A/mm2) là số Ampe lớn nhất trên 1 mm2 tiết diện kinh tế. Tiết diện chọn theo phương pháp này sẽ có lợi về kinh tế.
Phương pháp này áp dụng cho lưới điện có điện áp U≥110kV, bởi vì trên lưới này không có thiết bị sử dụng điện trực tiếp đấu vào, vấn đề điện áp không cấp bách, nghĩa là yêu cầu không thật chặt chẽ.
Lưới trung áp đô thị và xí nghiệp nói chung khoảng cách tải điện ngắn, thời gian sử dụng công suất lớn cũng được chọn theo Jkt.
Trình tự lựa chọn tiết diện theo phương pháp này như sau:
- Căn cứ loại dây định dùng ( dây dẫn hoặc cáp) và vật liệu làm dây (nhôm hoặc đồng) và trị số Tmax tra bảng chọn trị số Jkt.
Bảng 2.1- trị số Jkt (A/mm2) theo Tmax và loại dây
Loại dây Tmax (h)
<3000 3000- 5000 >5000
Dây đồng 2.5 2.1 1.8
Dây A, AC 1.3 1.1 1
Cáp đồng 3.5 3.1 2.7
Cáp nhôm 1.6 1.4 1.2
Nếu đường dây cấp điện cho nhiều phụ tải có Tmax khác nhau thì xác định trị số trung bình của Tmax theo biểu thức sau:
(2.1) Trong đó: Pi, Si là phụ tải điện( phụ tải tính toán) của hộ tiêu thụ. - Xác định trị số dòng điện lớn nhất chạy trên các đoạn dây:
Iij= = (2.2)
Trong đó: n- số lộ đường dây ( lộ đơn n=1, lộ kép n=2) - Xác định tiết diện kinh tế từng đoạn.
Fktij = (2.3)
Căn cứ vào trị số Fktij tính được, tra sổ tay tiêu chuẩn tìm tiết diện gần nhất bé hơn. - Kiểm tra tiết diện đã chọn theo các tiêu chuẩn (2.4) tới (2.7). Nếu có 1 điều kiện
không thỏa mãn, phải nâng tiết diện lên 1 cấp.
Ubt ≤ ∆Ubtcp (2.4) Usc ≤ ∆Usccp (2.5)
sc ≤ Icp (2.6)
:
Trong óđ U
∆ bt, ∆Usc – là tổn thất điện áp lúc đường dây làm việc bình thường và khi đường
dây bị sự cố nặng nề nhất ( đứt 1 đường dây trong lộ kép, đứt đoạn dây trong mạch kín); ∆Ubtcp, ∆Usccp – trị số ∆U cho phép lúc bình thường và sự cố.
Với U ≥ 110 (kV): ∆Ucpbt = 10%Uđm ∆Ucpsc = 20%Uđm Với U ≤ 35 (kV): ∆Ucpbt = 5%Uđm
∆Ucpsc = 10%Uđm
Isc, Icp – dòng điện sự cố lâu nhất qua dây dẫn và dòng điện phát nóng lâu dài lâu dài cho phép.
Ngoài ra, tiết diện dây dẫn đường dây trên không phải thỏa mãn các điều kiện về độ bền cơ học và tổn thất vầng quang.
Riêng với cáp ở mọi cấp điện áp phải thỏa mãn điều kiện ổn định nhiệt dòng ngắn mạch:
F ≥ α.I∞ (2.7) Trong đó: α- hệ số, với nhôm α = 11, với đồng α = 6.
Tqd- thời gian quy đổi, với ngắn mạch trung, hạ áp cho phép lấy tqd = tc ( thời gian cắt mạch), thường tc = (0,5 ÷ 1)s.
Thứ hai:lựa chọn theo điện áp cho phép ∆Ucp
Phương pháp lựa chọn này lấy chỉ tiêu chất lượng điện làm điều kiện tiên quyết. Chính vì thế, nó được áp dụng để lựa chọn tiết diện dây cho lưới điện nông thôn, thường đường dây tải điện khá dài chỉ tiêu điện áp rất dễ bị vi phạm.
Tuy vậy, lựa chọn theo phương pháp này thì vẫn phải thỏa mãn các điều kiện ( 2.4 ÷ 2.7) ở trên.
Thứ ba:chọn dây dẫn theo dòng phát nóng lâu dài cho phép.
Phương pháp này tận dụng hết khả năng tải của dây dẫn và cáp, áp dụng cho lưới hạ áp đô thị, công nghiệp và sinh hoạt.
2.9 Phương pháp thiết kế trạm biến áp điện kéo.
2.9.1 Lựa chọn loại trạm điện kéo
Do đặc điểm thực tế của tuyến Nam Thăng Long – Trần Hưng Đạo là hầu hết chạy trong thành phố và khu vực có mật độ dân cư cũng nhu các công trình kiến trúc dày đặc.Vì vậy đơn giá mặt bằng rất cao và việc giải phóng mặt bằng cũng hết sức phức tạp nên lựa chọn phương án cấp điện tập trung. Bởi với phương án này, mỗi trạm đảm nhận cung cấp điện cho 1 phân mạng tương đối dài. Chiều dài này được xác định theo điều kiện bảo vệ mạng tiếp xúc và giới hạn điện áp nhỏ nhất tại đầu cần tiếp điện của phương tiện. Trong phương án cấp điện tập trung, trạm có thể đặt cách xa đường sắt 500-800m, cáp cấp điện được nối từ mạng tiếp xúc. Sự phân đoạn mạng tiếp xúc được thực hiện tại điểm nối cáp vào mạng. Tại điểm phân đoạn này, đoàn tàu bị ngắt điện và chạy theo hình thức “chạy đà”.
Với phương án cấp điện tập trung ta cần xác định được số lượng cũng như vị trí trạm, xác định trên cơ sở 3 điều kiện sau:
- Độ sụt áp tối đa cho phép tại đầu cần tiếp điện của phương tiện: ta có thể áp dụng tiêu chuẩn châu Âu EN 50163; điện áp của hệ thống điện kéo DC được quy định như sau:
Báo cáo thực tập tốt nghiệp – Tổng Công ty Điện lực Hà Nội.
Kiểu cấp điện Un [V] Umin [V] Umax1 [V] Umax2 [V] Umax3 [V]
DC 600V 600 400 720 770 1015
DC 750V 750 500 900 950 1269
DC 1500V 1500 1000 1800 1950 2538
DC 3000V 3000 2000 3600 3900 5075
Ghi chú: Umax1 – Giá trị cho phép lâu dài;
Umax2 – Giá trị cho phép ngắn hạn, không quá 10 phút; Umax3 – Giá trị cho phép tức thời, không quá 20 micro giây. - Khoảng cách cung cấp điện tối thiểu của phân mạng cấp điện.
- Đặc điểm thực tế của tuyến: bố trí mạng lưới truyền tải điện hiện tại của khu vực tuyến, điều kiện mặt bằng…
Trạm biến áp và trạm điện kéo có thể được thiết kế theo 2 phương án:
-Trạm riêng biệt: là các trạm chỉ đảm nhiệm việc cung cấp điện một chiều cho mạng điện kéo (các đoàn tàu Metro) hoặc chỉ cung cấp cho các phụ tải phục vụ ga đường sắt và chiếu sáng tuyến.
-Trạm hỗn hợp: là các trạm vừa có nhiệm vụ cung cấp điện một chiều cho đoàn tàu Metro, vừa cung cấp điện cho các phụ tải phục vụ ga đường sắt. Đối với các ga có bố trí trạm điện kéo thì máy biến áp cấp điện cho các nhu cầu khác được bố trí ngay trong trạm điện kéo, tạo thành 1 trạm được gọi là trạm hỗn hợp. Thông thường người ta cố hướng tới sử dụng mô hình trạm hỗn hợp vì ưu điểm cơ bản là tiết kiệm chi phí đầu tư và thuận lợi cho công tác quản lý và bảo dưỡng sửa chữa.
Tại các ga không có trạm điện kéo thì chỉ cần lắp đặt 1 tổ biến thế hạ áp để cung cấp điện hạ thế cho các thiết bị thông tin tín hiệu và 1 tổ biến thế hạ áp cung cấp cho các ga và các nhu cầu điện của đường sắt 2 bên khu vực ga, mỗi bên một nửa khoảng cách tới 2 ga liền kề (Các phụ tải điện tại các nhà ga, hệ thống đường, thiết bị cấp thoát nước, các thiết bị điện khác…) Nguồn cung cấp được lấy từ mạng trung thế của hệ thống
2.9.2 Lựa chọn vị trí đặt trạm
Vị trí các trạm được xác định theo nguyên tắc sau:
Trạm đặt tại các ga để thuận tiện trong công việc quản lý khai thác vận hành. Toàn tuyến có hai trạm hai đầu và có các trạm giữa.
Khoảng cách các trạm không quá chênh lệch.
2.9.3 Sơ đồ nguyên lý trạm
Ta có sơ đồ bố trí chung của trạm:
Hình 2.1-Sơ đồ nguyên lý của 1 trạm điện kéo
Nguyên lý:
Với nhu cầu tự dùng của trạm điện kéo: Điện áp 22kV từ hai lộ vào 1 qua các