Đồ án Thiết kế trạm biến áp

Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 116 MỞ ĐẦU Thiết kế trạm biến áp là nhiệm vụ rất quan trọng khi thiết kế cung cấp điện. Bởi nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng, ngoài ra nó còn liên quan trực tiếp đến vốn đầu tư, chi phí đầu tư, vận hành của cả lưới điện khu vực. • Nội dung thiết kế TBA: 1. Chọn máy biến áp và sơ đồ nguyên lý TBA. 2. Chọn các thiết bị điện cao áp và hạ áp. 3. Tính toán ngắn mạch, kiểm tra các thiết bị đã chọn lựa. 4. Tính toán nối đất cho TBA • Số liệu trạm biến áp cần thiết kế: 1. Công suất định mức: Sdm = 250 (KVA) 2. Điện áp định mức: 10/0,4 kV. 3. Điện trở suất của đất ρ = 0,4.104 Ω/cm. 4. Công suất ngắn mạch: SNM = 300 (MVA) • Phương án dự kiến: Với công suất của trạm đã cho dự kiến lắp đặt TBA kiểu treo. Là kiểu trạm toàn bộ các thiết bị điện cao và hạ áp cùng với MBA được đặt trên cột. Đối với tủ phân phối hạ thế có thể thiết kế ở trên giàn trạm hay thiết kế trong buồng phân phối dưới đất là tùy theo điều kiện cụ thể. Ưu điểm của TBA kiểu treo này là tiết kiệm được diện tích, giám đáng kể về chi phí đầu tư. Tuy nhiên, về lâu dài loại trạm này cùng với đường dây trên không sẽ làm mất mỹ qua đô thị. Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 117 - Trạm biến áp được thiết kế kiểu trạm treo đặt 1 MBA có công suất 250 KVA – 10/0,4 kV - Phía cao áp lắp 1bộ cầu chì ngoài trời tự rơi để bảở vệ MBA khi ngắn mạch và 1 bộ chống sét để chống sóng sét truyền từ đường dây vào phá hoại MBA. - Phía hạ áp đặt tủ phân phối hạ thế. Trong đó có các áptomát tổng (AT), áptomát nhánh (AN) và 3 đồng hồ AMPE đo cường độ tiêu thụ chung của toàn trạm. Một đồng hồ vôn, kèm 1 chuyển mạch để kiểm tra điện áp pha. Một công tơ vô công và 1 công tơ hữu công để đo công suất tiêu thụ của toàn trạm. Một bộ biến dòng (TI). Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 118 CHƯƠNG I: CHỌN MÁY BIẾN ÁP VÀ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TRẠM BIẾN ÁP 1- Chọn máy biến áp: trạm có công suất thiết kế Sdm = 250 (KVA), ta chọn MBA 3 pha 2 dây quấn do ABB chế tạo có các thông số sau: Sdm (KVA) Udm (kV) ΔP0 (W) ΔPN (W) UN % Trọng lượng (kg) Kích thước (mm) 250 10/0,4 640 4100 4,5 1130 1370-820-148 2. Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp: Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 119 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TRẠM BIẾN ÁP BẢNG THỐNG KÊ THIẾT BỊ TRẠM STT TÊN THIẾT BỊ 1 Dây dẫn 2 Chống sét van 3 Cầu chì tự rơi 4 Máy biến áp 5 Hệ thống tiếp địa 6 Cáp tổng 7 Bộ đo đếm 8 Tủ hạ áp 9 áptômát tổng 10 áptômát nhánh 11 Chống sét hạ thế 12 Cáp ra 1 2 3 4 5 6 7 9 8 10 12 11 V A A A kWh kVArh Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 120 CHƯƠNG II: CHỌN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN CAO ÁP VÀ HẠ ÁP I. CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN CAO ÁP: Các thiết bị điện cao áp được chọn theo điều kiện sau: Uđmtb ≥ Uđmt mạng C Iđmtb ≥ Itt )(43,14 10.3 250 .3 A U SI dmC dmB tt === 1. Chọn cầu chì tự rơi: Ta chọn cầu chì tự rơi loại 3 GD203 – 3B do hãng SIEMENS sản xuất: Udm (kV) Idm (A) Icắt N (kA) Khối lượng (kg) Kích thước dài (mm) Đường kính (mm) 12 16 7,5 2,6 292 69 2. Chọn sứ cao thế: Chọn sứ đỡ đặt ngoài trời do Liên Xô chế tạo bảng thông số sau: Kiểu Udm (kV) Upđk (kV) Upđư (kV) F (kG) Khối lượng (kG) OIIIH-10-2000 10 50 34 2000 12,1 Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 121 3. Chọn chống sét van: Chọn chống sét van loại PBΠ-10 do Liên Xô chế tạo có các thông số sau: Loại Udmcsv (kV) UCdm (kV) Điện áp đánh thủng của csv khi f=50Hz ĐA đánh thủng XK khi tp=2÷10s Điện áp dư trên csv khi có độ dài sóng 10μs với biên độ KV không lớn hơn. PBΠ- 10 10 12,7 Không nhỏ hơn 26 Không lớn hơn 30,5 50 1KA 4 2KA 47 5KA 50 10K A18 4. Chọn thanh dẫn xuống máy biến áp: Thanh dẫn được chọn theo Ilvmax, ta dùng loại thanh đồng tròn φ=8(mm). Loại Đường kính (mm) ICP (A) Thanh đồng tròn 8 235 II. CHỌN THIẾT BỊ HẠ ÁP Các thiết bị điện hạ áp được chọn theo điều kiện: UdmtbH ≥ Udm mạngH = 0,4 (kV) IdmtbH ≥ IH )(84,360 4,0.3 250 .3 A U SI dmH dmB H === Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 122 1. Chọn cáp từ MBA sang tủ phân phối: Điều kiện: ICP ≥ IH Chọn cáp đồng bốn lõi cách điện bằng PVC do LENS chế tạo: Tiết diện dây (mm2) Icp (A) R0 (Ω/km) X0 (Ω/km) 3X150 + 1X70 395 0,124 0,06 2. Chọn áptômát tổng: Chọn Áptômát tổng loại NS400E do Pháp chế tạo: Udm (kV) Idm (A) Icđm (kA) Số cực 0,5 400 7,5 3 3. Chọn Áptômát nhánh: Từ thanh cái hạ áp có 3 lộ ra cung cấp cho hộ tiêu thụ, coi công suất các lộ như nhau )(23,120 4,0.3 3,83 )(3,83 3 250 321 AI KVASSS H == ==== Chọn áptômát nhánh loại NC125H do Pháp chế tạo: Udm (kV) Idm (A) Icđm (kA) Số cực 0,415 125 7,5 3 Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 123 4. Chọn cáp xuất tuyến: Chọn cáp đồng bốn lõi cách điện bằng PVC do LENS chế tạo: Tiết diện dây (mm2) ICP (A) R0 (Ω/km) X0 (Ω/km) 3x70 + 1x35 246 0,268 0,56 5. Chọn thanh cái hạ áp Chọn thanh cái bằng đồng mỗi pha một thanh và đặt trong tủ phân phối 0,4kV. Kích thước (mm) Tiết diện một thanh (mm2) Trọng lượng (kg/m) ICP (A) 40x5 200 1,7 700 6. Chọn sứ hạ áp: Kiểu Udm (kV) Udm (kV) F (kg) Khối lượng (kg) Oφ -1- 375 1 11 375 0,7 7. Chọn biến dòng: UdmBI ≥ Udm mạng = 0,4(kV) IdmSC ≥ IH = 360,84(A) Chọn BI do nhà máy thiết bị điện sản xuất Loại Udm (kV) Idm (A) Cấp chính xác S (VA) TKM – 375 1 11 0,5 0,7 Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 124 8. Chọn các thiết bị đo đếm: Tủ 0,4 kV đặt gồm: - 3 đồng hồ (A) AMPE 400/5 (theo tỷ số biến của BI) - 1 đồng hồ (V) Vôn kế 0 - 450V - 1 công tơ hữu công 3 pha 3 phần tử - 1 công tơ vô công 3 pha 3 phần tử - 1 khóa chuyển mạch để kiểm tra điện áp - Tất cả các thiết bị điện trên do nhà máy thiết bị đo điện sản xuất 9. Chọn dây dẫn từ BI đến các dụng cụ đo: Để đảm bảo độ bền cơ học ta chọn loại dây đồng 1 sợi bọc nhựa PVC có tiết diện ≥ 2,5 mm2 10. Chọn chống sét van hạ áp: Chọn chống sét van điện áp thấp loại PBH để bảo vệ quá điện áp cho cách điện của thiết bị xoay chiều tần số 50 Hz. Loại Uđmcsv (kV) UCpm (kV) Điện áp đánh thủng của csv khi f=50Hz (giá trị hiệu dụng) ĐA đánh thủng XK khi tp =2÷10s Điện áp dư trên csv khi ixk có độ dài sóng 10μs với biên độ kV không lớn hơn. PBH- 0,5 Y1 0,5 0,5 Không nhỏ hơn 2,5 Không lớn hơn 3 3,5 - 4,5 3,5 - 4,5 11. Chọn tủ phân phối hạ thế Tủ tự tạo căn cứ vào thiết bị và chủng loại Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 125 A B A V kVarh kWh Khoá CM Cầu chì T2 T1 T3 AT nhánh AT nhánh AT nhánh AT tổng Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 126 CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH VÀ KIỂM TRA THIẾT BỊ ĐIỆN ĐÃ CHỌN 1/TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH: Các điểm ngắn mạch cần tính trong sơ đồ: .Điểm N1 : Kiểm tra cầu chì tự rơi phía cao áp .Điểm N2, N3 : Kiểm tra các thiết bị hạ áp CCTR N1 MBA Cáp AT N2 AN Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 127 * Giả thiết ngắn mạch xảy ra là ngắn mạch ba pha đối xứng và coi nguồn công suất vô cùng lớn, coi trạm biến áp ở xa nguồn nên khi tính toán ngắn mạch IN = I = I∞ Với IN: là dòng điện ngắn mạch I’’: là dòng ngắn mạch siêu quá độ I∞: Giá trị của dòng điện ngắn mạch ở chế độ xác lập * Điện kháng của hệ thống )(33,0 300 1022 Ω=== N dm HT S UX * Tính ngắn mạch tại N1: Sơ đồ thay thế XHT = 0,33 (Ω) Udm = 10 kV * Dòng ngắn mạch ba pha được xác định ZD =ro. l +jxol ( l=2 km) ZD = 0,64.2+j0,4.2 = 1,28 +j0,8 * Trị số dòng ngắn mạch xung kích )(42,4449,17.2.8,1.2. kAIkI Nxkxk === Ω=++=++= 7,1)8,033,0(28,1)( 2222 DHTDN XXRZ kAIN 4,37,1.3 10 == HT XHT ZD N1 Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 128 *Tính ngắn mạch tại điểm N2 Sơ đồ thay thế ZB Zc N2 (Với l =10m) )(3,710. 65,31.3 4,0 .3 )(65,314,2973,11)6,08,28()24,149,10( )(6,024,110.06,010.124,0 )(8,2849,1010. 250 4,0.5,410. 250 4,0.1,4 10. %. 10. . 3 2 2 2 4 2 6 2 2 4 2 6 2 2 kA Z UI jjZZZ mjjZ mjjZ S UUj S UPZ dm N CBN C BA DM dmN dm dmN BA === Ω=+=+++=+= Ω+=+= Ω+=+= +Δ= Σ II. Kiểm tra thiết bị đã chọn: 1. Cầu chì tự rơi - Điều kiện kiểm tra Idmcắt = 7,5 (kA) > IN = 3,4 (kA) Vậy: Sdmcắt ≥ SN1 cầu chì tự rơi chọn đạt yêu cầu 2. Kiểm tra cáp hạ áp - Điều kiện ổn định nhiệt qdN tIF ..α≥ Trong đó: Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 129 α = 6 là hệ số nhiệt độ cáp đồng tqd là thời gian qui đổi, lấy bằng thời gian tồn tại ngắn mạch Vì coi ngắn mạch trong hệ thống cung cấp điện là ngắn mạch xa nguồn nên tqd=0,8(s) IN = IN2 = 3,4 (kA) α.IN. )(25,188,0.4,3.6 2mmtqd == F = 3.150 + 1.70 (mm2) ≥ 18,25 (mm2) Vậy cáp chọn thỏa mãn yêu cầu 3. Kiểm tra Áptômát * Áptômát tổng Điều kiện kiểm tra Icđm ≥ IN Icđm = 7,5(kA) ≥ IN = 7,3 (kA) vậy áptômát tổng chọn đạt yêu cầu * Áptômát nhánh Icđm = 7,5(kA) ≥ IN = 7,3 (kA) vậy Áptômát nhánh đạt yêu cầu 4. Kiểm tra sứ đỡ hạ áp Điều kiện kiểm tra Fcp ≥ Ftt Fcp là lực tác dụng lên đầu sứ Fcp = 0,6 Fph =0,6.375 = 225 (kG) Ftt = 1,76. )(8,791515 50.10.76,1110 22322 kGi a xk == −− Trong đó: l : Khoảng cách giữa 2 sứ đỡ liên tiếp l = 50 cm Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 130 a: Khoảng cách giữa 2 pha a = 15 cm Fcp = 225 (kG) ≥ Ftt = 79,8 (kG); sứ hạ áp chọn đạt yêu cầu 5. Kiểm tra thanh cái hạ áp b h H’ H Sứ đỡ Kiểm tra theo điều kiện ổn định động δcp ≥ δtt Trong đó: δcp = 1400 kg/cm2 với thanh dẫn đồng W M TT =δ M: là mômen uốn tính toán 10 . lFM TT= Với l = 50 cm là khoảng cách giữa các sứ của 1 pha FTT = 1,76.10-2.l/a.l2xk Với a = 15 cm là khoảng cách giữa các pha FTT = 1,76.10-2.50/15.15,372 = 13,85 kg Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 131 cmkglFM TT /25,69 10 50.85,13 10 . === W là mômen chồng uốn của thanh dẫn (đặt đứng) 166,0 6 10.40.5 6 . 322 === hbW Thay vào ta có: 2/15,417 166,0 25,69 cmkg W M TT ===δ * Kiểm tra theo điều kiện ổn định nhiệt. Tiết diện thanh dẫn đã chọn phải đảm bảo điều kiện F ≥ a. I qdt 40x5 ≥ 6.6,04. 5,0 200 ≥ 25,6 Vậy thanh dẫn đã chọn thỏa mãn điều kiện ổn định nhiệt Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 132 TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP Hệ thống nối đất của trạm biến áp có ba chức năng chính: Nối đất làm việc Nối đất an toàn Nối đất chống sét. Hệ thống nối đất bao gồm các thanh thép góc L×60×60×6 dài 2,5m được nối với nhau bằng các thanh thép tròn φ12, tạo thành mạch vòng nối đất bao quanh trạm biến áp. Các thanh thép góc được đóng sâu dưới mặt đất 0,7m, thép dẹt được hàn chặt với các cọc ở độ sâu 0,8m. Điện trở nối đất yêu cầu của Trạm biến áp là Rndyc ≤ 4 Ω. Điện trở suất của đất là 0,4.104 Ω/cm Hệ số hiệu chỉnh theo mùa của điện trở cọc và thanh là Hệ số mùa an toàn. Km = 1,5 Hệ số mùa sét Km = 1,3 Mặt bằng, mặt cắt hệ thống nối đất trạm biến áp: 6m 0,7m 0,8m TBA 1 2 2,5m a = 5m 1: Cọc 1 2 2: Thanh nối 1/ Điện trở nối đất của thanh nối đất Điện trở suất lớn nhất ρ = k. ρ =1,5.0,2.104 = 0,3.104 Ωcm Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 133 Dự định dùng cọc nối đất bằng thép góc L 63.63.6 có điện trở nối đất tính theo công thức R1c = 0,00298. ρ = 0,298.0,3.104 = 8 Ω ρ1c = 0,00298. 0,4.104. 1,5 = 17,34 Ω (là điện trở suất của đất tính theo mùa an toàn) Sơ bộ xác định số cọc: Lấy tròn số cọc là 6,trong đó ηc= 0,8 , tra bảng. Mạch vòng nối đất sẽ chôn dưới trạm có chu vi (5+6).2= 22m. Thép dẹt 40.4 chôn ở độ sâu 80cm. Tính điện trở suất của đất ở độ sâu này phải nhân với hệ số 3. Điện trở của thanh thép nối : Tra bảng tìm được ηT=0,45. Từ đây xác định được điện trở nối đất thực của thanh nối Điện trở nối đất cần thiết của toàn bộ n cọc là Số cọc cần phải đóng là 4,5 4.8,0 34,17 . 1 === ycc C R Rn η Ω=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= 4,13 80.4 2200.2lg. 2200 3.104.4,0.366,0.2lg..366,0 22 bt l l kRT ρ Ω== 77,28 45,0 4,13'TR Ω=−=−= 6,4477,28 77,28.4 4' '4 T T C R RR Bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa – Hà Nội - 2002 Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mạng lưới điện khu vực - K37 134 Tóm lại , thiết kế hệ thống nối đất cho trạm như sau: Dùng 6 cọc thép góc L60.60.6 dài 2,5m chôn thành mạch vòng 22m nối với nhau bằng thanh thép dẹt 4.40 đặt cách mặt đất 0,8m Điện trở nối đất thực tế của hệ thống Rđ< 4 Ω. Cách nối các thiết bị của trạm biến áp vào hệ thống tiếp địa như sau: từ hệ thống tiếp địa làm sẵn 3 đầu nối ( còn gọi là con bài ). Trung tính 0,4 kV nối với con bài bằng một dây đồng mềm M-95. Đáy của 3 chống sét nối với nhau và nối với con bài 2 bằng dây thép φ10 Toàn bộ các phần sắt ở trạm nối với con bài thứ 3 bằng dây thép φ10. Kết luận: Hệ thống nối đất tiếp địa đã chọn đạt yêu cầu kỹ thuật. 7,4 6,4.8,0 34,17 . 1 === CC C R R n η