Vị trí và số lượng trạm biến áp trong xí nghiệp

Việc chọn vị trí và số lượng trạm biến áp trong một xí nghiệp cần phải tiến hành so sánh kinh tế kỹ thuật. Muốn tiến hành so sánh kinh tế kỹ thuật cần phải sơ bộ xác định phương án cung cáp điện trong nội bộ xí nghiệp. Trên cơ sở các phương án đã được chấp thuận mới có thể tiến hành so sánh kinh tế kỹ thuật để chọn vị trí, số lượng trạm biến áp trong xí nghiệp.

Vị trí của các trạm biến áp phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau đây:

  • An toàn và liên tục cung cấp điện
  • Gần trung tâm phụ lái, thuận tiện cho nguồn cung cấp đi tới;
  • Thao tác, vận hành, quản lý dễ dàng;
  • Phòng nổ, cháy, bụi bặm, khí ăn mòn;
  • Tiết kiệm vốn đầu tư và chi phí vận hành nhỏ.

Tất cả các yêu cầu trên đều phải nghiên cứu xem xét nghiêm túc, nhưng còn tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ, khả năng đầu tư cơ bán và điều kiện đất đai để chọn thứ tự ưu tiên cho thỏa đánh. Chú ý rằng các máy và trạm biến áp công suất lớn nên đặt gần trung tâm phụ lái. Máy biến áp có tỷ số biến đổi nhỏ nên đặt gần nguồn điện và ngược lại.

Vị trí của trạm biên áp trung tâm nên chọn gần trung tâm phụ tải. Song cân chú ý rằng đường dây dẫn đến trạm thường có cấp điện áp 110 – 220kV, đường dây đó chiếm mội giải đất rộng mà trên đó không được xây dựng công trình gì khác. Vì thế, không nên đưa trạm trung gian vào quá sâu trong xí nghiệp vì như vậy sẽ ảnh hưởng đến giao thông và các cùng trình xây dựng khác.

Vị trí của trạm biến áp phân xưởng có thể ở bên ngoài, liền kề hoặc bên trong phân xưởng.

Vị trí của trạm biến áp phân xưởng

Trạm xây dựng bên ngoài còn gọi là trạm độc lập được dùng khi trạm cung cấp cho nhiều phân xưởng, hoặc khi cần tránh các nơi bụi bặm, có khí ăn mòn hoặc rung động.

Trạm xây dựng liền kề được dùng phổ biến hơn cả vì tiết kiệm về xây dựng và ít ảnh hưởng tới các công trình khác.

Trạm xây dựng bên trong được dùng khi phân xưởng rộng có phụ tải lớn. Khi sử dụng loại trạm này cần đảm bảo tốt điều kiện phòng nổ, phòng cháy cho trạm.

Số lượng trạm biến áp trong một xí nghiệp phụ thuộc vào mức độ tập trung hay phân tán của phụ tải trong xí nghiộp, phụ thuộc vào tính chất quan trọng của phụ tải về mặt liên tục cấp điện (phụ tải xếp loại nào), vấn đề số lượng trạm liên quan chặt chẽ tới phương án cung cấp điện trong xí nghiệp, do đó phải tiến hành so sánh kinh tế ngay khi xác định các phương án cung cấp điện.

Xác định dung lượng trạm và dung lượng máy biến áp

Khi xác định dung lượng của trạm và của máy biến áp cần thiết phải tiến hành so sánh kinh tế kỹ thuật. Trong thực tế có nhiều phương pháp để xác định dung lượng trạm biến áp, nhưng người ta vẫn phải dựa vào những nguyên tắc chính sau đây để quyết định dung lượng và số máy trong trạm

a,  Dung lượng của máy biến áp trong một xí nghiệp nên đồng nhất (ít chủng loại) để giảm số lượng và dung lượng máy biến áp dự phòng trong kho.

b, Sơ đồ nối dây của trạm nên đơn giản, đồng nhất và có chú ý đến sự phát triển của phụ tải sau này.

c, Trạm biến áp cung cấp điện cho phụ tải loại 1 nên dùng 2 máy. Khi phụ tải loại I nhỏ hơn 50% tổng công suất của phân xưởng đó thì ít nhất mỗi một máy phải có dung lượng hơn 50% công suất của phân xưởng đó. Khi phụ tải loại I lớn hơn 50tổng công suất thì mỗi máy biến áp phai có ddung lượng bằng 100% công suất của phân xưởng đó. Đối với trạm phục vụ cho phụ tai loại II có nên dùng 2 máy bien áp hay không cần phải tiến hành so sánh kinh tế kỹ thuật. Đối với trạm phục vụ cho phụ tải loại III có thể chỉ dùng một máy biến áp.

Dưới đây giới thiệu một số phương pháp thường gặp để chọn công suất máy biến áp.

  • Xác định dung lượng máy biến áp phân xưởng theo mật độ phụ tải σ, kVA/m2. Xác định dung lượng máy biến áp phân xưởng theo phương pháp này ta sẽ khá đơn giản, chi cần tính mật độ phụ tải theo biểu thức sau đây, rồi tra bảng là sẽ được công suất cần thiết cho trạm biến áp cần tính toán.
    Mật độ phụ tải tính theo biểu thức
    σ = P/F.cosφ
    Trong đó:

    • P=knc∑Pđ, kW
    • F – diện tích khu vực phụ tải tập trung, m2
    • ∑Pđ – tổng công suất đặt, kW
    • knc – hệ số nhu cầu
    • cosφ – hệ số công suất trên thanh cái của trạm
      Sau khi xác định được σ ta sử dụng bảng dưới đây sẽ tìm được dung lượng cực đại cửa trạm
      Xác định dung lượng trạm và dung lượng máy biến áp
  • Xác định dung lượng máy biến áp phân xưởng theo mật độ phụ tải và chi phí vận hành hàng năm (Chi phí vận hành tính cho 1 kW.năm) Khi đã tính được mật độ phụ tải theo công trức trên và chi phí vận hành hàng năm cho 1kW thiết bị, ta có thể căn cứ theo bảng dưới đây để xác định dung lượng máy biến áp
    Ví dụ: Một phân xưởng có công suất tính toán là 1500 kVA. Mật độ phụ tải tính được là 0,1 kVA/m2, phí tổn điện năng là 600 đồng/1kW.năm. Căn cứ vào 2 bảng trên và dưới, ta thấy rằng phải chọn ba máy biến áp 560 kVA cho trạm phân xưởng đó.
    Phí tổn điện năng trong một năm của 1kW thiết bị
    Hai phương pháp trên thường được dùng trong khi tính toán sơ bộ, khi cần tính chính xác phải chọn máy biến áp theo phương pháp “khả năng quá tải cho phép” của máy biến áp
  • Xác định dung lượng máy biến áp theo khả năng quá tải cho phép. Sau khi xác định được phụ tải tính toán phía điện áp thấp của biến áp phân xưởng có chú ý đến sự phát triển của phụ tải sau này và tính chất đồng thời của phụ tải là ta có đủ tư liệu để tính chọn dung lượng máy biến áp. Nhưng vì máy hiến áp thường vận hành với điều kiện khác với những điều kiện tiêu chuẩn đã chọn khi thiết kế chế tạo, vì vậy phải hiệu đính lại dung lượng của máy đã chọn. Máy biến áp được thiết kế chế tạo với tuổi thọ từ 17 đến 20 năm, vận hành trong điều kiện lớp đàu phía trên không quá 90°C. Khi nhiệt độ tăng quá 8oC thì tuổi thọ của máy giảm đi 50% .Nhiệl độ trung bình lúc vận hành vào khoảng 70 – 80oC. Nhiệt độ phát nóng cục bộ cho phép lớn hơn nhiệt độ trung bình 15°C. Tất cả các máy biến áp làm việc ở những nơi có nhiệt độ trung hình hàng năm lớn hơn 5°C đều phải hiệu đính lại theo biểu thức:
    S’ = Sđm [ 1 – (θtb-5)/100]
    Trong đó:

    • S’ – dung lượng đã hiệu đính theo nhiệt độ trung bình, kVA
    • Sđm – dung lượng định mức ghi trên biển máy, kVA
    • θtb – nhiệt độ trung bình hàng năm của môi trường đặt máy, oC
      Khi nhiệt độ môi trường đặt máy có nhiệt độ cực đại lớn hơn 35oC thì ta phải hiệu đính thêm một lần nữa
      S’ = Sđm [ 1 – (θ-35)/100][ 1 – (θtb-5)/100]
      Trong đó: θ – nhiệt độ cực đại của môi trường đặt máy, oC

Qua hai lần hiệu đính theo nhiệt độ, dung lượng của máy giảm đi khá lớn. Nhưng vì phụ tải mùa đông và mùa hè khác nhau khá xa, máy lại có khả năng quá tải nhất định nên người ta đưa ra hai quy tắc quá tải cho phép sau:

  • Quy tắc quá tải 3% – Người ta quy định rằng nếu phụ tải vận hành thấp hơn phụ tải định mức 10% thì khi cần thiết có thể cho phép quá tái 3%. Quy tắc này chỉ áp dụng khi nhiệt độ không khí xung quanh không quá 35°C. Người ta dùng biểu thức sau đây để xác định mức quá tải cho phép 3%

m% = 3.[(100-k)/10].100%

Trong đó: k – hệ số điền kín phụ tải, k = ∑It/24I.

Trong đó I, t và Icđ xác định theo đồ thị phụ tải hàng ngày.
Đồ thị phụ tải hàng ngày

  • Quy tắc quá tải 1% – Theo quy tắc này người ta quy định rằng nếu trong các tháng 6, 7 và 8 của mùa hè mà phụ tải trung bình cực đại hàng ngày nhỏ hơn công suất định mức thì khi cần thiết có thể cho phép quá tải với tỷ lệ tương ứng. Nhưng mức quá tải tối đa không được quá 15%

Kết hợp cả hai quy tắc với máy biến áp đặt ngoài trời không cho phép quá tải lớn hơn30%, với máy biến áp đặt trong nhà không cho phép quá tải lớn hơn 20%.

Hình dưới trình bày quan hệ giữa bội số quá tải m = Imax/Iđm và thời gian quá tải cho phép tqt

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa bội số quá tải m và thời gian tải cho phép tqt

Từ bội số quá tải chúng ta có thể tra ra thời gian quá tải cho phép hoặc ngược lại.

Chú ý rằng mức độ và thời gian quá tải nói ở trên là ứng với trạng thái làm việc bình thường của máy biến áp. Trong trạng thái sự cố của mạng điện, máy biến áp cho phép quá tải lớn hơn. Mức độ quá tải cho phép lúc sự cố được quy định như trong bảng dưới.

Khả năng quá tải lúc sự cố của máy biến áp dầu làm mát tự nhiên hoặc bằng quạt

Khả năng quá tải lúc sự cố của máy biến áp dầu làm mát tự nhiên hoặc bằng quạt

d, Xác định dung lượng máy biến áp với phụ tải không cân bằng

Trong một số xí nghiệp có nhiều phụ tải một pha, máy biến áp của xí nghiệp đó có khả năng làm việc với phụ tải không cân bằng giữa các pha. Trong trường hợp này chúng ta không chọn dung lượng máy biến áp theo pha có phụ tải lớn nhất mà chọn theo một phụ tải tính toán nhỏ hơn để máy biến áp được vận hành quá tải trong phạm vi cho phép.

Bội số quá tải cho phép xác định theo biểu thức sau:

m = IA/Iđm = 1,525/ √{1+0,45[1+(IB/IA)2+(IC/IA)2]}

Trong đó:

  • IA – dòng điện A là pha có phụ tải lớn nhất
  • IB IC – dòng điện pha B và pha C
  • Iđm – dòng điện định mức của máy biến áp

Cần chú ý rằng việc chọn dung lượng, số lượng các trạm biến áp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: công suất phụ tải, mức độ tập trung, phân tán của phụ tải, loại hộ dùng điện, khả năng phát triển của phụ tải và các yêu cầu đặc biệt khác v.v… Vì vậy cần phải xem xét các yếu tố trên một cách toàn diện và lựa chọn phương án dựa trên cơ sở tính toán, so sánh kinh tế kỹ thuật.

e, Xác định dung lượng tối ưu của máy biến áp phân xưởng

Theo những trình bày ở trên dung lượng của máy biến áp phải thỏa mãn điều kiện phát nóng, nghĩa là Sb≥Spt. Đó là điều kiện bắt buộc đối với mọi máy biến áp.

Dễ thấy rằng đối với một phụ tải Spt cho trước, có nhiều máy biến áp có dung lượng khác nhau thỏa mãn điều kiện phát nóng nói trên.

Vì vậy cần xét thêm điều kiện vận hành kinh tế, có nghĩa là điều kiện đảm bảo cho tổn thất điện năng trong máy biến áp là nhỏ nhất ΔAB min

Như vậy dung lượng tối ưu của máy biến áp là dung lượng vừa thỏa mãn điều kiện phát nóng vừa thỏa mãn điều kiện kinh tế, nghĩa là 

Sb≥Spt và ΔAB min

Tổn thất điện năng  trong máy biến áp được tính theo công thức như sau 

ΔAB = ΔP’ot +  ΔP’N(Spt/Sđm)2τ

Trong đó:

  • ΔP’ot – tổn thất công suất tác dụng không tải kể cả phần công suất phản kháng gây ra, kW
  • ΔP’N – tổn thất công suất tác dụng ngắn mạch kể cả phần do công suất phản kháng gây ra kW
  • t – thời gian vận hành máy biến áp (thường lấy bằng 8760 h)
  • τ- thời gian chịu tổn thất công suất lớn nhất
  • Spt Sđm  – phụ tải và dung lượng định mức của máy biến áp, kVA

Từ biểu thức trên chung ta thấy rằng tổn thất điện năng trong máy biến áp không những phụ thuộc vào tham số bản thân máy biến áp (Sđm ΔP’ot ΔP’N ) mà còn phụ thuộc vòa chế độ vận hành của nó nữa (t, τ)

Trước tiên chúng ta hãy xét quan hệ giữa tổn thất điện năng với tham số của máy biến áp – khi cho trước chế độ vận hành (tức cho trước t, τ và Spt ), nếu tăng dung lượng máy biến áp thì các thành phần ΔP’o và ΔP’N tăng lên, còn hệ số phụ tải kpt =Spt/Sđm lại giảm xuống. Kết quả là đường cong ΔAB= f(SđmB)

Bây giờ chúng ta xét quan hệ của tổn thất trong máy biến áp với chế độ vận hành của máy biến áp. Giả sử máy biến áp đóng vào mạng suốt năm, do đó t = 8760 h. Vậy chế độ vận hành của máy biến áp thể hiện ở thời gian τ. Chúng ta biết rằng thời gian τ phụ thuộc vào hai tham số đặc trưng cho chế độ vận hành là Tmax và cosφ

Hình dưới trình bày quan hệ ΔAB= f(SđmB ,τ). Từ các đường cong ở hình dưới, chúng ta thấy rằng τ càng tăng ( có nghĩa máy biến áp càng vận hành đầy tải) thì dung lượng tối ưu của máy biến áp càng tăng.

Để minh họa những điều đã trình bày ở trên, chúng ta xét ví dụ sau đây: Cho Spt = 300 kVa, máy biến áp vận hành với ba chế độ τ1 = 1000h, τ2=3000h, τ3=6000h. Hãy tìm dung lượng tối ưu của máy biến áp. Hình dưới trình bày quan hệ ΔAB= f(SđmB ,τ) ứng với các số liệu đã cho.

Chú ý rằng dung lượng định mức của máy biến áp SđmB được chế tạo theo từng cấp nhất định nên chúng ta chỉ có thể tìm được một số điện rời rạc trên các đường cong ở hình trên. Do đó dung lượng tối ưu St.ưu tìm được không thật đúng với giá trị lý thuyết (điểm có ΔABmin) nhưng vẫn đảm bảo tổn thất điện năng nhỏ nhất so với tất cả các máy biến áp có thể chọn được trong dãy công suất đã cho.

Từ hình trên, chung ta thấy rằng khi

τ1 = 1000h có SBt.ưu = 186 kVA

τ2 = 3000h có SBt.ưu = 320 kVA

τ3 = 6000h có SBt.ưu = 560 kVA

Như vậy nếu τ càng lớn thì dung lượng tối ưu của máy biến áp càng có xu hướng lớn hơn phụ tải của nó

Khi τ nhỏ có thể chọn dung lượng của máy biến áp nhỏ hơn phụ tải của nó miễn là vẫn đảm bảo mức độ quá tải cho phép.

Tùy những trình bày ở trên có thể rút ra kết luận rằng dung lượng tối ưu của máy biến áp là dung lượng thỏa mãn điều kiện phát nóng và điều kiện tổn thất điện năng trong máy biến áp là nhỏ nhất.

Trích: Hệ thống cung cấp điện của xí nghiệp công nghiệp đô thị và nhà cao tầng

Hướng dẫn chọn vị trí, số lượng và công suất của trạm biến áp
5 (100%) 1 vote