Chọn lựa thiết bị, các phần tử và các đề xuất về tối ưu hóa cấu trúc lưới trung và hạ thế

Chọn lựa các phần tử cấu trúc

• Sơ đồ một sợi có thể được phân thành các phần chính. Các phần này được xác định qua 2 bước liên tiếp, ở bước 1 ta sẽ tạo lập các chọn lựa sau:
  • Đấu nối vào lưới điện của điện lực,
  • Cấu hình các mạch trung thế,
  • Số lượng biến thế,
  • Số lượng và phân bổ các trạm biến thế,
  • Máy phát dự phòng trung thế

Đấu nối vào lưới diện khu vực

• Các cấu hình đấu nối chính được cho như sau:
  • Qua đường dây hạ thế,
  • Qua một đường dây trung thế,
  • Qua đường dây trung thế kiểu mạch vòng,
  • Qua đường dây trung thế kép,
  • Qua đường dây trung thế mạch kép nhưng chỉ với một thanh góp.

• Đo lường, bảo vệ, thiết bị đóng cắt nằm trên trạm không được trình bày trong các sơ đồ tiếp theo. Chúng thường phụ thuộc vào công ty điện địa phương và điều này cũng không làm ảnh hưởng tới việc lựa chọn sơ đồ cấu trúc mạng điện.
• Với mỗi kiểu đầu nối, một biến thế sẽ được minh họa (vì mục đích đơn giản hóa), tuy nhiên trên thực tế, một vài biến thế có thể được đấu nối. (TPPC: tủ phân phối chính hạ thế).
• Với các cấu trúc khác nhau, các đặc tính thường gặp nhất sẽ được trình bày trong bảng sau:

Cấu hình mạch trung thế

• Các kiểu đầu nối được trình bày như sau:
  • Đường dây đơn, một hay nhiều biến thể
  • Mạch vòng hở, một lộ vào trung thế
  • Mạch vòng hở, hai lộ vào trung thế
• Cấu hình cơ bản là đường dây đơn, hình tia với một biến thế
• Trong trường hợp sử dụng vài biến thế, không dùng mạch vòng trừ khi tất cả các biến thế đặt trên cùng trạm.

• Cấu hình mạch vòng kín không nên đưa vào
• Với tất cả các cấu hình, các đặc tính phổ biến được trình bày trong hình:

• Một cấu hình ngoại lệ: cấp nguồn qua 2 trạm trung thế và đầu nối các biến thế của 2 trạm này (đầu nối đôi phía trung thế).

Số lượng và phân bố các trạm biến thế trung hạ thế

• Các đặc tính chủ yếu cần lưu ý khi xác định trạm biến thế:
  • Diện tích của tòa nhà hay công trình
  • Công suất yêu cầu, (cần so với công suất máy biến thế tiêu chuẩn), 
  • Phân bố tải
• Các cấu hình cơ bản thường được ưa chuộng là loại trạm đơn. Một vài yếu tố nào đố ảnh hưởng tới số trạm (> 1) là:
  • Một điện tích lớn (> 25000m2),
  • Địa bàn công trình: vài tòa nhà,
  • Tổng công suất > 2500kVA,
  • Mức nhạy tới sự mất điện: yêu cầu dự phòng trong trường hợp hỏa hoạn.

Số biến thế trung/hạ

• Các đặc tính chính cần lưu ý khi xác định số lượng biến thế:
  • Diện tích tòa nhà hay công trình.
  • Tổng công suất của tài lắp đặt
  • Độ nhạy tới việc mất điện.
  • Độ nhạy với nhiều
  • Mở rộng mạng điện
• Cấu hình cơ bản là một máy biến thế cấp điện cho toàn bộ các tải. Một vài ví. tổ làm tăng số lượng biến thế (> 1), thường là có cùng dung lượng:
  • Tổng công suất đặt quá lớn (> 1250kVA): do công suất máy bị hạn chế (chuẩn. hóa, dễ thay thế, giới hạn không gian…).
  • Diện tích quá lớn (> 5000m2): việc đặt vài biến thế gần các cụm tải cho phép giảm chiều dài hệ thống dây hạ thế
  • Một yêu cầu dự phòng từng phần (đảm bảo một phần hoạt động khi biến thế bi. hư) hoặc toàn phần (đảm bảo hoạt động bình thường khi có hư hỏng biến thế)
  • Tách riêng các tải nhạy cảm với nhiều và các tải sinh ra nhiễu (ví dụ: IT, động cơ).

Máy phát dự phòng trung thế

• Các đặc tính chính cần lưu ý khi sử dụng máy phát dự phòng trung thế
  • Hoạt động của công trình được thiết kế cấp điện
  • Tổng công suất lắp đặt của các tải, 
  • Mức nhạy tới sự mất điện,
  • Khả năng của lưới phân phối công cộng.
• Cấu hình cơ bản thường không có máy phát dự phòng trung thế.
• Một vài yếu tố ảnh hưởng tới việc lắp đặt máy phát trung thế:
  • Hoạt động của công trình: các quá trình sản xuất kèm chế độ đồng phát, tối ưu hóa năng lượng,
  • Khả năng của lưới phân phối công cộng kém. 
• Lắp đặt máy phát dự phòng có thể được thực hiện ở mức diện hạ thế.

Lựa chọn cấu trúc chi tiết

• Đây là giai đoạn thứ 2 của thiết kế mạng điện, ở giai đoạn này tiến hành chọn lựa các thành phần sau:
  • Mặt bằng bố trí
  • Phân bố tập trung hay phân tán
  • Máy phát dự phòng
  • Nguồn cấp điện liên tục (UPS)
  • Cấu hình các mạnh hạ thế
  • Tổ hợp cấu trúc.

Mặt bằng bố trí

• Vị trí của các thiết bị trung thế và hạ thế chính trên công trình hay tòa nhà.
• Việc lựa chọn mặt bằng bố trí được dùng cho kết quả của giai đoạn 1.
• Hướng dẫn lựa chọn:
  • Đặt nguồn cấp điện càng gần tâm phụ tải càng tốt,
  • Giảm các ràng buộc về không khí: tạo lập các phòng (vị trí) chuyên biệt nếu có những ràng buộc nghiêm ngặt trong xưởng như: nhiệt độ, độ rung,…
  • Đặt các thiết bị nặng (biến thế, máy phát…) gần tường hay gần lối vào chính để dễ bảo trì. Một mặt bằng bố trí được minh họa trên hình:

Bố trí tập trung hay phân tán

• Trong bố trí tập trung, các phụ tải đầu vào nguồn theo kiểu hình sao là thích hợp cho kiểu này. Chúng liên kết hộ tiêu thụ điện với biến hay với tủ phân phối phụ (phân bố hình tia, phân bố hình sao)

• Trong bố trí phân tán, hộ dùng điện đấu nối tới nguồn qua thanh dẫn (busway). Hệ thống thanh dẫn thích hợp cho bố trí phân tán, cấp điện được cho nhiều tải nằm rải rác. Rất dể thay đổi, dịch chuyển hay bổ sung đấu nối

• Các yếu tố ảnh hưởng tới việc chọn lựa bố trí tập trung (Hình dưới):
  • Tinh linh hoạt của mạng điện không có,
  • Phân bố tải: tải theo nhóm (công suất lớn).

• Các yếu tố ảnh hưởng tới bố trí phân tán.
  • Tinh linh hoạt mạng điện, linh hoạt trong lắp đặt sử dụng, ví dụ di chuyển vị trí làm việc
  • Phân bổ tải: phân bổ đều với công suất của mỗi tải là nhỏ.
• Cấp nguồn bằng dây cáp sẽ mang tới một sự độc lập cho mạch điện (chiếu sáng, ổ cắm, HVAC, động cơ, mạch điều khiển, mạch cho vấn đề đảm bảo an ninh…), giảm thiểu hậu quả trải rộng mất điện khi có sự cố.
• Sử dụng hệ thống thanh dẫn cho phép đấu nối nhiều mạch tải và tiết kiệm dây nhờ việc sử dụng không đồng thời các phụ tải. Việc chọn lựa giữa dây và thanh dẫn, tùy theo hệ số nhóm, cho phép ta tìm kiếm một lời giải tối ưu giữa phí đầu tư, phí lắp đặt và phí vận hành. Cả hai kiểu đi dây này thường được phối hợp với nhau.

Máy phát dự phòng 

• Ở đây ta chỉ xem xét máy phát dự phòng hạ thế,
• Các mây phát dự phòng thường là loại máy phát được kéo bởi một động cơ nhiệt.
• Máy phát chỉ cấp điện khi mà tốc độ của nó đạt định mức. Loại này không thích hợp với vai trò nguồn điện liên tục.
• Tùy thuộc vào khả năng cấp nguồn cho toàn bộ hay một phần mạng điện mà sẽ bố trí dự phòng toàn bộ hay một phần.
• Máy phát thường vận hành cách ly khỏi lưới điện. Một hệ thống chuyển nguồn là cần thiết.
• Máy phát có thể vận hành ở chế độ chạy liên tục hoặc ngắt quãng. Thời gian vận hành phụ thuộc vào khả năng của nhiên liệu được cấp.

• Các đặc tính chủ yếu khi lắp đặt máy phát dự phòng hạ thế là:
  • Khả năng của lưới phân phối công cộng,
  • Các ràng buộc khác (ví dụ: máy phát bắt buộc tại bệnh viện hay trong các tòa nhà cao tầng).
• Sự hiện diện của máy phát dự phòng có thể làm giảm thiểu hóa đơn năng lượng hay tạo khả năng đồng phát điện. Hai khía cạnh này không được xem xét trong cuốn sách này.
• Sự hiện diện của máy phát dự phòng là cần thiết nếu tải không được phép cắt điện lâu dài (chỉ được phép mất điện trong khoảng thời gian nào đó) hoặc nếu khả năng cấp nguồn của điện lực thấp.
• Việc xác định số tổ máy phát cũng có cùng các tiêu chuẩn như khi chọn số máy, lưu tâm tới các khía cạnh kinh tế và khả năng cấp nguồn (khả năng dự phòng, độ tin cậy khi khởi động, tính dễ dàng khi bảo trì).

Thiết bị cấp nguồn liên tục (UPS)

• Công suất điện từ UPS sẽ được lấy từ bộ tích trữ: pin hay động nã, bánh đà quản tỉnh. Hệ thống này cho phép tránh sự cố mất điện. Thời gian vận hành bị giới hạn từ vài phút tới vài giờ.
• Sự hiện diện đồng thời cả máy phát dự phòng và UPS được dùng khi cấp điên thường trực và không cho phép bất kỳ sự mất điện nào (hình dưới). Thời gian vận hành của pin và bánh đà cần tương hợp với thời gian khởi đen của máy phát lên lưới.
• Một UPS cũng cần được dùng cho các tải nhạy với nhiễu (một điện áp “sạch” và độc lập với lưới điện).
• Các đặc tính chính cần lưu ý khi sử dụng UPS:
  • Yêu cầu về tính liên tục cung cấp điện của tải,
  • Mức nhạy của tải đối với nhiễu.
• Sự hiện diện của bộ UPS là cấp thiết khi và chỉ khi không cho phép bất kỳ một sự mất điện nào.

 Cấu hình mạch hạ thế

• Các cấu hình chính (xem hình dưới):
  • Cấu hình một trục dây hình tia: Đây được coi là cấu hình chuẩn và đơn giản, nhất. Một tài chỉ được nối tới một nguồn. Độ tin cậy cấp điện ở mức thấp nhất. do không có dự phòng khi nguồn bị sự cố.

• • Cấu hình 2 cực: Nguồn được cấp qua 2 biến thế nối tới cùng một tuyến dây trung thế, Hai máy này được vận hành song song nối tới cùng tủ phân phối hạ thế TPPC

• • Thay đổi: 2 cực với 2 1/2 TPPC: Để có thể tăng khả năng cấp điện khi hư hỏng. thanh góp hay khi sửa chữa một máy biến thế , có thể tách TPPC thành 2 phần, với một liên kết thường mở (NO), cấu hình này thường yêu cầu bộ tự động chuyển nguồn (ATS).

• • Tủ có thể ngắt điện: Một nhóm mạch điện có thể cắt sẽ được nối tới một tủ đóng cắt chuyên biệt. Liên kết với TPPC sẽ bị ngắt khi cần thiết (quá tải, khi máy phải vận hành…

• Tủ đóng cắt nội bộ: Nếu các biến thế nằm cách xa nhau, chúng có thể nối với nhau bằng hệ thống thanh dẫn. Các phụ tải quan trọng được cấp từ máy này hay máy khác. Khả năng cắp điện được cải thiện, do tải luôn được cấp điện khi sự cố một trong các nguồn. Sự dự phòng có thể là:
  • Toàn phần: mỗi biến thế có khả năng cấp điện cho toàn bộ mạng điện,
  • Một phần: mỗi biến thế chỉ có thể cấp điện cho một phần mạng điện. Trong trường hợp này, một phần phụ tải sẽ bị cắt khi có sự cố máy biến thế.

• Cấu hình mạch vòng: cấu hình này có thể được xem như sự mở rộng của cấu hình với liên kết nội bộ giữa các tủ. Điển hình là 4 biến thế nối tới cùng một tuyến dây trung thế, cấp điện cho một mạch vòng khi sử dụng thanh dẫn. Một tải đã cho sẽ được cấp điện bởi một cụm biến thế. cấu hình này rất thích hợp cho mở rộng lưới, với mật độ tải cao (kVA/m2). Nếu tất cả các tải đều được nuôi từ 3 biến thế, khi đó sẽ cố dự phòng toàn phần khi hư hòng một biến thế. Thực vậy, mỗi thanh góp sẽ được được cấp điện từ phía này hay phía kia. Nếu không, có thể sẽ phải cắt một phần tải. Cấu hình này đòi hỏi một thiết kế đặc biệt về hệ thống bảo vệ nhằm đảm bảo sự phối hợp trong mọi tình huống sự cố.

• Cấp nguồn đôi: cấu hình này được dùng khi đòi hỏi khả năng cấp điện lớn nhất. Nguyên tắc là cần có 2 nguồn độc lập, ví dụ:
  • 2 biến thế được cấp điện từ 2 tuyến dây trung thế khác nhau,
  • 1 biến thế và 1 máy phát,
  • 1 biến thế và 1 UPS. 
  • Một bộ tự động chuyển nguồn (ATS) được thiết kế nhằm tránh tình trạng đấu nối song song. Cấu hình này cho phép bảo trì phòng ngừa và khẩn cấp trên toàn bộ hệ thống điện nằm phía trước mà không bị ngưng cung cấp điện.

• Cấu hình hỗn hợp: Một mạng điện có thể tạo từ các phần với các cấu hình khác nhau, tùy thuộc vào mức quan trọng của phụ tải. Ví dụ: máy phát điện và UPS, lựa chọn theo phân đoạn (vài phân đoạn được cấp điện nhờ dây dẫn, các phân đoạn khác lại bằng hệ thống thanh dẫn).

• Các đặc tính trong bảng sau được coi là thông dụng cho hầu hết các cấu hình:

Lựa chọn thiết bị

• Việc lựa chọn thiết bị là giai đoạn thứ 3 trong thiết kế một mạng điện. Mục tiêu của giai đoạn này là chọn lựa thiết bị từ catalog của nhà chế tạo. Việc chọn lựa giải pháp kỹ thuật là kết quả từ chọn lựa cấu trúc.
• Danh mục thiết bị cần xem xét: 
  • Trạm trung/hạ thế,
  • Tủ đóng cắt trung thế,
  • Biến thế,
  • Tủ đóng cắt hạ thế,
  • Thanh dẫn, 
  • Bộ UPS.
  • Hiệu chính hệ số công suất và thiết bị lọc.
• Tiêu chuẩn xem xét:
  • Không khí, môi trường,
  • Chỉ số phục vụ,
  • Khả năng cung cấp cho mỗi quốc gia.
  • Các yêu cầu từ phía điện lực. 
  • Các chọn lựa cấu trúc trước đó. 
• Việc chọn lựa thiết bị chủ yếu liên quan tới khả năng cung cấp trong nước. Tiêu chuẩn này xem xét tới khả năng của dải thiết bị hay khả năng hỗ trợ kỹ thuật.

Các đề xuất về tối ưu hóa cấu trúc

• Các đề xuất này thường mang tính hướng dẫn cho nhà thiết kế khi cần nâng cấp cấu trúc để cải thiện các tiêu chuẩn đánh giá.

 Lắp đặt sửa chữa tại công trình

• Để tương hợp với thời gian làm việc “đặc biệt” hay “tới hạn” tại công trình này. hạn chế một số vấn đề khó khăn nhờ các lưu ý sau:
  • Sử dụng các giải pháp hay thiết bị đã cho và được kiểm nghiệm bởi nhà chế tạo (các tủ đóng cắt chức năng hay tù đóng cắt chuyên biệt phù hợp với điều kiện tới hạn),
  • Ưu tiên các thiết bị có mạng lưới cung cấp tin cậy hay có khả năng được cung cấp bởi các đại lý địa phương,
  • Ưu tiên sử dụng các thiết bị hợp bộ (trạm cao/trung, hệ thống thanh dẫn) với số lần thao tác tại công trình giới hạn,
  • Giới hạn chủng loại của thiết bị (như công suất của các biến thế)
  • Tránh dùng nhiều chủng loại thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau.

Ảnh hưởng tới môi trường

• Tối ưu hóa về ảnh hưởng mỗi trưởng của mạng điện sẽ làm giảm:
  • Tổn thất công suất khi đầy tải và khi không tải trong vận hành mạng điện,
  • Về tổng thể, tổng khối lượng vật liệu làm ra mạng điện.
• Nếu tách riêng biệt và khi ở mức độ xem xét từng cấu kiện của thiết bị, hai mục tiêu này có vẻ mâu thuẫn nhau. Tuy nhiên, khi áp dụng cho toàn thể mạng điện 9 thể thiết kế mạng điện đáp ứng cả hai mục tiêu trên. Một mạng điện tối ưu không phải là tổng của từng thiết bị tối ưu một cách riêng rẽ, mà là kết quả của nó ưu toàn mạng.
• Hình dưới cho một ví dụ về đóng góp của từng chủng loại thiết bị tới trọng lượng và năng lượng tiêu tán cho một mạng điện 3500 kVA trải rộng trên 10000m².

• Nói chung, các cấp và thanh dẫn hạ thế cũng như các biến thế trung/hạ là các phần từ ảnh hưởng chủ yếu lên tổn hao vận hành và trọng lượng của thiết bị sử dụng.
• Tối ưu về mặt môi trường của mạng điện nhờ cấu trúc sẽ bao gồm:
  • Giảm chiều dài mạch hạ thế trong mạng điện,
  • Phân nhóm các mạch hạ thế khi có thể để lợi dụng các ưu thế của hệ số đồng thời ks.

• Hình sau cho thấy ảnh hưởng của việc gom nhóm mạng điện lên việc giảm khoảng cách giữa tâm phụ tải và nguồn (TPPC với vị trí cho trước). Ví dụ này về nhà máy sản xuất đóng chai nước khoáng với:
  • Vị trí của các thiết bị (TPPC) được đặt bên ngoài công trình (khu vực sản xuất) do vấn đề tiếp cận và ràng buộc môi trường chung quanh,
  • Công suất đặt vào khoảng 4 MVA. 
• Trong giải pháp 1, các mạch điện được bố trí cho mỗi phân xưởng. Trong giải pháp 2, các mạch được bố trí theo công đoạn gia công (dây chuyền sản xuất).

• Không thay đổi bố trí thiết bị điện, giải pháp thứ hai cho phép một độ lợi khoảng 15% trọng lượng dây dẫn (độ lợi chiều dài) và một sự đồng nhất về công suất máy biến áp.
• Về mặt tối ưu cấu trúc, các điểm sau đây cần được lưu ý:
  • Lắp đặt bộ hiệu chỉnh hệ số công suất phía hạ thế để giảm tổn hạn biến áp và mạch hạ thể nếu cố đặt tụ.
  • Sử dụng các biến thế có tổn hao bé.
  • Sử dụng các thanh dẫn nhôm khi có thể, do nguồn vật liệu này trong tự nhiên nhiều hơn.

Khối lượng bảo trì phòng ngừa

• Các khuyến cáo cho việc giảm khối lượng bảo trì phòng ngừa:
  • Sử dụng cùng một khuyến cáo như một cách giảm thời gian bảo trì tại công trình,
  • Tập trung công tác bảo trì cho các mạch “có vấn đề”,
  • Chuẩn hóa việc chọn lựa thiết bị,
  • Sử dụng thiết bị được thiết kế cho nhiều môi trường (yêu cầu ít bảo trì hơn).

Khả năng cấp nguồn

• Các khuyến cáo cho cải thiện khả năng cấp nguồn:
  • Giảm số tuyến đây trên mỗi tủ đóng cát, mục đích là giới hạn ảnh hưởng của sự cố tại tủ này,
  • Bố trí các mạch theo yêu cầu về độ tin cậy, 
  • Sử dụng thiết bị phù hợp theo cùng một yêu cầu
  • Tuân thủ các hướng dẫn chọn lựa ở bước 1 và 2  
• Khuyến cáo về tăng mức độ của khả năng cấp nguồn:
  • Chuyển từ cấu hình hình tia tới cấu hình đấu nối 2 cực,
  • Chuyển từ cấu hình đấu nối 2 cực tới cấu hình nguồn kép, công tắc bán dẫn tự động chuyển nguồn
  • Chuyển từ cấu hình nguồn kép tới cấu hình liên tục cấp điện với bộ UPS và công tắc bán dẫn tự động chuyển nguồn.
  • Tăng mức độ bảo trì (giảm MTTR, tăng MTBF).

Trích: Hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện theo tiêu chuẩn quốc tế IEC – Bản chính sửa 2019

________________

VNK EDU gửi tặng bạn “Bộ thuyết minh bản vẽ hệ thống điện căn hộ du lịch và khách sạn Penninsula“
Nhận tài liệu

________________
Trải nghiệm buổi học thử miễn phí khóa học “Kỹ sư M&E – Thiết kế hệ thống điện” giúp bạn nắm bắt tổng quan kiến thức về hệ thống điện.

________________