Thiết kế trạm biến áp treo công suất 160 kva – 10/0,4 kv

THIẾT KẾ TRẠM BIẾN ÁP TREO CÔNG SUẤT 160 KVA – 10/0,4 kV 1. Phần mở đầu: Trong ngành điện lực việc thiết kế trạm biến áp là một công việc được quan tâm, vì khi tính toán cung cấp điện cho một cụm dân cư, một khu phố hay một khu công nghiệp thì trạm biến áp là một trong những thiết bị quan trọng trong hệ thống cung cấp điện. Trong phần thiết kế trạm biến áp ta tiến hành những công việc sau: Chọn máy biến áp và sơ đồ nối dây của trạm. Chọn các thiết bị điện cao áp. Chọn các thiết bị điện hạ áp. Tính toán ngắn mạch để kiểm tra thiết bị đã chọn. Tính toán nối đất. Các số liệu ban đầu: Trạm biến áp có công suất 160 kVA. Điện áp:10/0,4 kV. Điện trở suất của đất =0,4.104 Ω.cm Công suất cắt ngắn mạch SN = 250 MVA. Kết cấu trạm : Do điều kiện phố phường chật hẹp và dân cư đông. Nên ta không thể thiết kế trạm bệt được do vậy ta phải thiết kế trạm treo. Các thông số của trạm treo : - Diện tích mặt bằng là : 3m x 5m =15 m2. - Dựng 2 cột ly tâm cao 11m , khoảng cách cột là 3m. - Dàn trạm cao 2,5m , tủ hạ áp có : Chiều cao 1,2m Chiều rộng 1m Bề dày 0,5m 2. Chọn máy biến áp: Chọn máy biến áp chế tạo tại Việt Nam. Ta chọn máy biến áp có hệ thống làm mát tự nhiên bằng dầu loại 160 kVA – 10/0,4 kV do ABB chế tạo có các thông số sau: Công suất (kVA) Điện áp (kV) ΔP0 (W) ΔPN (W) UN (%) Kích thước:Dài-rộng-cao (mm) Trọng lượng (kG) 160 10/0,4 500 2950 4,5 1260-770-1420 820 3. Chọn thiết bị điện áp cao: Đối với các thiết bị cao áp ta chọn theo điều kiện sau: Udmtb ≥ Udmmạng = 10 kV Dòng điện làm việc cực đại của MBA: Idmtb ≥ Ilvmax = Udm ≥ Udmmạng Idmtb ≥ Ilvmax. 3.1 Chọn cầu chì tự rơi: Điều kiện chọn cầu chì tự rơi: Điện áp định mức (kV): Uđm.cc ≥ Uđm.m Dòng điện định mức (A): Iđm.cc ≥ Icb Ta có: Điện áp định mức của mạng điện cao áp: Uđm.m = 10 kV Dòng cưỡng bức đi qua cầu chì chính là dòng quá tải của MBA, những giờ cao điểm cho MBA làm việc quá tải 30%: Icb = Iqt MBA = 1,3.Iđm MBA = 1,3.9,23=11,99(kA) Căn cứ vào 2 điều kiện trên ta chọn cầu chì tự rơi có các thông số sau: Kiểu Udmmax (kV) Idm (A) IN (kA) Trọng lượng (kg) C710-112PB 15 100 10 7,98 3.2Chọn sứ cao thế : Điều kiện chọn sứ cao áp: Điện áp định mức (kV): Uđm.s ≥ Uđm.m Dòng điện định mức (A): Iđm.s≥ Icb Điện áp định mức của mạng điện cao áp: Uđm.m = 10 kV Theo phần trước ta có dòng cưỡng bức: Icb = 11,99 A. ( Phụ lục 2.28 Giáo trình Hệ thống cung cấp điện) Sứ đặt ngoài trời do Nga chế tạo có các thông số sau: Kiểu Udm (kV) F (kg) Upđ khô (kV) Upđ ướt (kV) Trọng lượng (kg) 0WH-10-500 10 500 120 80 44,6 3.3 Chống sét van: Ta sử dụng cách đấu CSV vào trạm : Đấu chống sét van vào trạm, vừa đảm bảo an toàn cho cầu chì tự rơi vừa thuận tiện cho sửa chữa thay thế chống sét van. Điều kiện : Dùng loại chống sét van do Nga chế tạo có các thông số sau: ( Theo Sổ tay lựa chọn & tra cứu thiết bị điện từ 0,4 đến 500 kV- Ngô Hồng Quang) Loại Udm (kV) Điện áp cho phép lớn nhất Umax (kV) Điện áp đánh thủng khi tần số 50Hz (kV) Điện áp đánh thủng xung kích khi thời gian phóng điện 2-10s (kV) Khối lượng (kg) PBC-10 10 12,7 26 50 6 Chú ý trước khi đặt chống sét van cần phải thử nghiệm các đặc tính kỹ thuật của chống sét van, như: điện áp phóng điện,điện áp chịu đựng lớn nhất, điện áp dư, dòng điện rò… 3.4 Chọn thanh dẫn xuống máy biến áp: Thanh dẫn được chọn theo điều kiện phát nóng cho phép: K1.K2.Icp ≥ Icb Trong đó: K1 = 1 vì thanh góp đặt đứng K2 : Hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường, K2 = 1.Ta chọn thanh đồng tròn có sơn màu để phân biệt pha. Bảng thông số tra bảng 2 Phụ lục- 10 Giáo trình thiết kế nhà máy điện: Chủng loại Đường kính (mm) Icp (A) Thanh đồng tròn 8 235 4. Chọn thiết bị điện hạ áp: Khi chọn các thiết bị điện hạ áp ta dựa vào những điều kiện sau: Ilvmax = Udm ≥ Udmmạng Idmtb ≥ Ilvmax. Yêu cầu bố trí thiết bị điện trong tủ hạ áp sao cho gọn thoáng, dễ kiểm tra và thao tác. 4.1Chọn cáp từ máy biến áp sang tủ phân phối. Cáp được chọn theo điều kiện phát nóng cho phép: k1.k2.Icp ≥ IttH Trong đó: k1 = 1. Hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường k2 = 1. Hệ số hiệu chỉnh có kể đến số lượng cáp đi chung một rãnh Icp : Dòng điện cho phép IttH : Dòng điện tính toán phía hạ áp IttH = Iđm MBA = Dựa vào điều kiện đó ta chọn cáp tiết diện là cáp PVC loại 4G70 (Tra bảng PL U.29 Giáo trình Hệ thống cung cấp điện) ta có các thông số sau: F (mm2) d (mm) m (kg/km) R0 (Ω/km) ở 200 C Icp (A) Lõi Vỏ Trong nhà Ngoài trời Min Max 4G70 10 31,5 37,5 3195 0,268 254 246 4.2Chọn tủ phân phối : Tra giáo trình Hệ thống cung cấp điện trang 358 ta có: Tủ tự tạo có : cao 1,2m - rộng 0,8m – dày 0,3m chứa 1 AT; 3 AN 4.3Thanh cái hạ áp: Thanh dẫn được chọn theo điều kiện phát nóng cho phép: k1.k2.Icp ≥ Icb Trong đó: k1 = 1 vì thanh góp đặt đứng k2 = 1: Hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường Dòng điện cưỡng bức: Icb = 230,9 A Chọn theo PL-10 giáo trình thiết kế nhà máy điện và trạm biến áp ta có bảng sau: Kích thước thanh dẫn Tiết diện thanh dẫn (mm2) Trọng lượng (kg/m) Dòng điện cho phép (A) 25x3 75 0,668 340 4.4Chọn Áptomát tổng: Điều kiện chọn Aptomat: Điện áp định mức (V): Uđm.A ≥ Uđm.m Dòng điện định mức (A): Iđm.A ≥ IttH Ta có: Điện áp định mức của mạng điện: Uđm.m = 400 V Dòng điện tính toán phía hạ áp: IttH = 230,9 A Tra mục 3.10 Giáo trình Hệ thống cung cấp điện ta chọn Aptomát do Nga chế tạo có các thông số sau: Loại Udm (V) Idm (A) INmax (kA) Số cực NS400E 500 400 15 3 4.5 Chọn Áptomát nhánh: Từ thanh cái hạ áp có 3 lộ ra có IN = Tra mục 3.10 Giáo trình Hệ thống cung cấp điện ta chọn Aptomát có các thông số sau: Loại Udm (V) Idm (A) INmax (kA) Số cực C100E 500 100 8 3 4.6Chọn máy biến dòng: Chọn máy biến dòng theo điều kiện sau: IdmBI Udm ≥ Udmmạng Theo Sổ tay lựa chọn & tra cứu thiết bị điện từ 0,4 đến 500 kV- Ngô Hồng Quang ta có các thông số sau: Mã sản phẩm Dòng sơ cấp (A) Dòng thứ cấp (A) Số vòng dây sơ cấp Dung lượng (VA) Cấp chính xác Đường kính (mm) Trọng lượng (kg) BD7 250 5 1 10 0,5 38 1,35 4.7Chọn chống sét van hạ thế: Loại Udm (kV) Điện áp cho phép lớn nhất Umax (kV) Điện áp đánh thủng khi tần số 50Hz (kV) Điện áp đánh thủng xung kích khi thời gian phóng điện 2-10s (kV) Khối lượng (kg) PBH-0,5Y1 0,5 0,5 2,5 3,5-4,5 2,0 4.8Chọn thiết bị đo đếm điện năng: Tra theo phụ lục sách thiết kế nhà máy điện và trạm biến áp ta chọn được các thiết bị đo đếm điện năng có các thông số kỹ thuật cho trong bảng sau: Tên đồng hồ ký hiệu Loại Cấp chính xác Công suất tiêu thụ(VA) Cuộn áp Cuộn dòng Ampe-mét A -378 1,5 0,1 Vôn-mét V -378 1,5 2 Công tơ hữu công kWh 2,5 Công tơ vô công kVArh 2,5 4.9Chọn sứ hạ thế : Điều kiện chọn sứ hạ áp: Điện áp định mức (kV): Uđm.s ≥ Uđm.m Dòng điện định mức (A): Iđm.s≥ IttH Tra PL 2.27 Giáo trình Hệ thống cung cấp điện ta chọn sứ 0-1-375 do Nga chế tạo có các thông số sau: Loại Udm (kV) Uphá hoại (kV) F phá hoại (kg) Khối lượng (kg) Chiều cao (mm) 0-1-375 1 11 375 0,7 65 5. Tính ngắn mạch: - Giả thiết ngắn mạch Xảy ra là ngắn mạch 3 pha đối xứng ta coi : I” = I. - Thời gian tồn tại của ngắn mạch bằng thời gian bảo vệ của Rơle và Máy cắt. I”: Dòng điện siêu quá độ. I : Giá trị tức thời của dòng điện ngắn mạch trong chế độ xác lập. Ixk : Trị số tức thời của dòng điện xung kích. Ixb : Giá trị hiệu dụng lớn nhất của dòng ngắn mạch. Các bước tiến hành tính ngắn mạch: Tính ngắn mạch tại hai điểm theo sơ đồ sau: Tính ngắn mạch tại điểm N1: Ta tính ngắn mạch 3 pha đối xứng và nguồn được coi là có công suất vô cùng lớn vì trạm biến áp ở xa nguồn khi tính toán ngắn mạch ta có thể xem: IN = I” = I. Sơ đồ thay thế : Điện kháng hệ thống : Utb = 1,05.Udm = 1,05.10 = 10,5 kV. XHT = Ta giả thiết rằng : trạm biến áp phân phối cần thiết kế được cấp điện từ một trạm trung gian cách khoảng 3 km Điện trở và điện kháng của dây dẫn đối với dây AC-70 Ta có: r0 = 0,46 (Ω/km) & x0 = 0,44 (Ω/km) & L = 4 (km) RD1 = r0.L = 0,46.3 = 0,1,38 (Ω) XD1 = x0.L = 0,44.3 = 1,32 (Ω) Tổng trở từ hệ thống đến đầu điểm N1: ZΣ1 = RD1 +j(XHT + XD1) = 1,38+j(0,441+1,32) = 1,38+ j1,761 (Ω) Dòng điện ngắn mạch 3 pha: IN1 = Dòng điện xung kích : Tính toán ngắn mạch tại điểm N2: Khi tính toán ngắn mạch phía hạ áp , ta coi MBA là nguồn , vì vậy điện áp phía hạ áp không thay đổi khi xảy ra ngắn mạch. Do đó ta có: IN = I” = I. Sơ đồ thay thế: Tổng trở của Máy Biến Áp: Cáp nối từ máy biến áp đến tủ phân phối dài 5 m , do đó ta có: ZD2 = RD2 = 0,268.5.10-3 = 1,34 (mΩ) Tổng trở của Aptomát tổng: ZAT = RAT +j XAT = 0,15+j0,1 (mΩ) Do đó ta có tổng trở: ZΣ2 = ZB + ZD2 + ZAT = +1,34+ 0,15+j0,1=19,92+j45,1(mΩ) Do đó dòng điện ngắn mạch 3 pha: IN2 = Dòng điện xung kích tính toán: Ixk2 = Tính toán ngắn mạch tại điểm N3: ZΣ3 = ZB + ZD2 + ZAT +ZTG+ZAN= +1,34+ 0,15+j0,1+0,268+j0,179+1,3+j0,86=21,488+j46,139(mΩ) Do đó dòng điện ngắn mạch 3 pha: IN3 = Dòng điện xung kích tính toán: Ixk3 = Kiểm tra các khí cụ điện: Kiểm tra khí cụ điện cao áp (Cầu chì tự rơi): Idm cắt ≥ IN1. Sđmcắt ≥SN1 Theo như tính toán ở trên ta có : IN1 = 2,71 kA. Idmcắt = 10 kA. Do đó cầu chì tự rơi đã chọn thoã mãn ( đạt yêu cầu). Kiểm tra khí cụ điện hạ áp: Thanh cái hạ áp: - Kiểm tra ổn định lực điện động: Khi có ngắn mạch xảy ra , dòng điện ngắn mạch chạy qua thanh cái làm cho thanh cái chịu một lực rất lớn, sự rung động có thể làm cho thanh cái bị uốn cong sinh ra phá hoại thanh cái và các sứ đỡ. Do đó ta phải kiểm tra thanh cái theo điều kiện sau: Ta có ứng suất tcho phép của thanh góp = 1400 kg/cm2 . Ứng suất tính toán được tính theo biểu thức sau : Trong đó : M-momen uốn tính toán(kG/cm). W-momen chống uốn của thanh góp đặt thẳng đứng (cm3) Ta có : Trong đó : L = 60 cm : Khoảng cách giữa 2 sứ đỡ. a = 14 cm : Khoảng cách giữa các pha. Ixk = 11,91 kA: Dòng xung kích tại điểm ngắn mạch N2. Với b=3 mm; h= 25 mm. Thay vào ta có: Nên : Do đó thanh cái đảm bảo ổn định lực điện động. - Kiểm tra ổn định nhiệt: Kiểm tra ổn định nhiệt dựa vào điều kiện sau: Trong đó : - hệ số ổn định nhiệt, với thanh đồng lấy =6 - tiết diện tính toán nhỏ nhất đảm bảo điều kiện ổn định nhiệt - thời gian quá độ, lấy bằng thời gian cắt ngắn mạch, =0,5s Vậy ta có: Fcp =3.25=75 mm2 ≥ Ftt Vậy thanh góp đã cho thỏa mãn điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt Sứ đỡ hạ áp: Đặc trưng cho độ bền cơ của sứ là lực phá hoại cho phép tác động lên đầu sứ Fcp, được nhà chế tạo cho sẵn. Sứ được chọn đảm bảo độ bền cơ, cần thỏa mãn điều kiện: Trong đó : 0,6- hệ số kể đến dự trữ độ bền cơ của sứ. -lực tính toán lớn nhất tác động llên đầu sứ khi ngắn mạch 3 pha. Trong đó: Hs-chiều cao của sứ, Hs=65mm h- chiều cao của thanh góp, h=25mm. b- bề dày miếng kẹp phía dưới thanh góp, b nhỏ có thể bỏ qua. Ftt- lực điện động tác động lên thanh góp khi ngắn mạch 3 pha. Vậy Fcp=375kG > F’tt=12,75 kG. Sứ đã chọn thỏa mãn yêu cầu Kiểm tra cáp tổng hạ áp: Cáp đã chọn phải thỏa mãn điều kiện ổn định nhiệt của dòng ngắn mạch, tức tiết diện cáp được chọn phải thỏa mãn điều kiện: Trong đó: -Hệ số nhiệt độ, với cáp đồng =6. t-Thời gian cắt ngắn mạch, lấy thời gian tồn tại ngắn mạch t=0,5s. Tiết diện tính toán nhỏ nhất đảm bảo điều kiện ổn định nhiệt bằng: Cáp đã chọn có F=70 mm2>Fttmin Không cần kiểm tra điều kiện tổn thất điện áp vì cáp ngắn. Vậy cáp tổng chọn đạt yêu cầu. Kiểm tra áptômát tổng: Dòng điện cắt ngắn mạch định mức của áptômát tổng đã chọn bằng: Dòng điện ngắn mạch tại N2 bằng:IN2=4,68kA. Như vậy nên áptômát đã chọn đạt yêu cầu kỹ thuật. Kiểm tra máy biến dòng điện: Phụ tải thứ cấp của BI gồm có: Ampe mét: 0,1 VA. Công tơ hữu công: 2,5 VA. Công tơ vô công: 2,5 VA. Tổng phụ tải: 5,1 VA Tiết diện dây dẫn từ BI tới các đồng hồ đo được chọn theo điều kiện : 6. Tính toán nối đất cho trạm biến áp: Trong các trạm biến áp thì nối đất an toàn và nối đất làm việc thường được nối chung với nhau. Điện trở nối đất của toàn trạm biến áp hạ áp với công suất không quá 320 kVA thường có Rd ≤ 4 Ω. Căn cứ vào điện trở suất của đất của đất =0,4.104 Ω.cm & mặt bằng của trạm có đủ điều kiện đóng cọc tiếp đất thì ta chọn phương án nối đất của trạm, sau đó tính toán điện trở nối đất của phương án đã chọn. Nếu trong trường hợp Rtt = 4 Ω thì phương án nối đất đạt yêu cầu nếu Rtt ≥ 4 Ω , ta phải sử lý bằng cách đóng cọc cho đến khi điện trở nối đát đạt yêu cầu. Mặt bằng bố trí tiếp địa: Dự kiến phương án nối đất: - Ta sử dụng mạch vòng gồm 6 cọc được nối với nhau. - Cọc sử dụng loại cọc sắt góc L60x60x6 - Thanh ta dùng sắt dẹt 40x4 Dự kiến phương án nối đất như hình vẽ. Xét độ ẩm của đất , độ ẩm của đất thường có dao động vì nó phụ thuộc vào mùa mưa hay là mùa khô , do đó ta xác định điện trở nối đất theo mùa. d = dtmùa Tra bảng phụ lục ta có kmùa khô = 0,4 kmùa mưa = 1,6 Điện trở nối đất của cả Hệ thống được tính theo công thức sau: Trong đó: Rc : Điện trở của cọc Rt : Điện trở của thanh n : Số cọc t; c: Hệ số sử dụng của thanh và cọc. Tính điện trở nối đất của cọc: Cọc nối đất có điện trở được tính theo công thức sau: Trong đó : L: Chiều dài cọc L = 250 cm. t = h+ L/2 = 250/2+80 = 205 cm. d: Đường kính cọc d= 0,95.b = 0,95.6 =5,7 (cm) Thay số vào ta có : Tính toán điện trở nối đất của thanh : Điện trở nối đất của thanh được tính theo biểu thức sau : Trong đó : L : Chiều dài của thanh (L =250cm) h: Độ sâu (h=80 cm) d: Đường kính thanh d=b/2=4/2=2 (cm) k = 5,81. Tra bảng ta có : t = 0,45 c = 0,8 Do đó Điện trở nối đất của thanh được tính  : Điện trở nối đất của toàn trạm : Vậy ta có RHT =3,38(Ω) < Rd = 4(Ω) Do đó phương án nối đất vạch ra trên đây đạt yêu cầu về kỹ thuật.