Trạm biến áp hiểu một cách đơn giản là tập hợp các thiết bị điện được kết nối ở cùng một chỗ, trong đó có các thiết bị thông minh giúp đảm bảo hoạt động truyền tải và phân phối điện năng diễn ra bình thường, kế đến là các thiết bị trong trạm biến áp đều hoạt động tốt, ít nhất là cho đến khi xảy ra sự cố…
Ở góc nhìn khác, trạm biến áp được hiểu là một bộ phận quan trọng của hệ thống sản xuất, truyền tải, phân phối điện. Trạm biến áp có nhiệm vụ biến đổi điện áp từ cao xuống thấp và ngược lại. Trạm biến áp truyền tải điện năng từ nhà máy điện hoặc/và trạm phát đến nơi tiêu thụ.
Hệ thống truyền tải, phân phối điện.
Về tổng thể có 3 loại trạm: Trạm biến áp truyền tải, trạm biến áp phụ (hay gọi là trạm trung gian) và trạm biến áp phân phối.
Trạm biến áp truyền tải tích hợp các đường dây truyền tải thành một mạng lưới với nhiều kết nối song song, nhờ đó điện năng có thể truyền từ điểm này đến điểm khác với khoảng cách xa để cung cấp cho các trạm phân phối.
Lưới điện truyền tải thường được gọi là hệ thống điện tổng (hệ thống điện số lượng lớn). Thông thường các đường dây truyền tải vận hành ở điện áp trên 138 kV. Trạm biến áp truyền tải thường biến đổi từ cấp điện áp truyền tải này sang cấp điện áp truyền tải khác.
Ghi chú: Hệ thống điện tổng được hiểu là tổng thể các thiết bị hay các phần tử được kết nối từ nơi sản xuất điện đến nơi tiêu thụ thông qua lưới điện. Các thiết bị tham gia kết nối như máy biến áp, lưới điện truyền tải, thiết bị tiêu thụ … đều phải đáp ứng và thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật do đơn vị quản lý điện ban hành. |
Chức năng chính của trạm biến áp truyền tải là truyền tải điện từ nhà máy điện đến các trạm phân phối.
Lợi ích đem lại của trạm truyền tải là giảm thiểu chi phí sản xuất năng lượng, tăng cường kết nối với các loại năng lượng tái tạo, đặc biệt giúp kết nối hệ thống điện từ các nhà máy điện ở xa khu dân cư đến các đô thị hoặc nơi có nhu cầu tiêu thụ điện.
Trạm biến áp phụ thường vận hành ở cấp điện áp 33 kV đến 138 kV. Trạm phụ được sử dụng hiệu quả để truyền tải đường dài qua lưới điện. Trạm biến áp phụ giúp giảm tổn thất điện năng và tiết kiệm chi phí truyền tải điện.
Trạm biến áp phụ kết nối với các trạm phân phối thông qua hệ thống kết nối xuyên tâm.
Ghi chú: Hệ thống kết nối xuyên tâm là mạng điện có một nguồn cấp, trong đó các thiết bị được bố trí hình cây. Mỗi trạm phân phối là một nhánh cây. Nhánh cây nối với thân và gốc là các trạm biến áp phụ. Hệ thống xuyên tâm bao gồm các kết nối khẩn cấp để đề phòng sự cố. Trong trường hợp lưới điện xảy ra trục trặc hoặc gián đoạn, thông qua hệ thống đóng/cắt có thể cách ly một phần lưới điện. |
Ngày nay, trên thế giới, đường dây tải điện của các trạm biến áp phụ thường được đặt ngầm dưới lòng đất thay vì đi trên cao, do đó giúp giảm bớt phần nào chi phí xây dựng hệ thống truyền tải phụ.
Trạm biến áp phân phối thường hoạt động ở cấp điện áp 11 kV/ 0,4 kV và cung cấp điện trực tiếp cho các hộ tiêu thụ. Tại nơi sử dụng điện, điện áp được biến đổi thành 230 V (điện dân dụng) hoặc 400 V (điện 3 pha).
Trạm biến áp thường bao gồm các thiết bị sau: Máy biến áp (trên lưới điện truyền tải là máy biến áp 3 pha), thiết bị đóng cắt cao thế, dao đóng cắt, hệ thống thanh cái, bộ chống sét lan truyền, rơ le bảo vệ, cầu chì bảo vệ, máy biến dòng, hệ thống tiếp địa, cáp điện (cao thế, trung thế, hạ thế).
Máy biến áp là một bộ phận thiết yếu của hệ thống truyền tải điện. Chúng có nhiều kích cỡ ứng với các mức điện áp khác nhau.
Máy biến áp là chìa khóa cho phép năng lượng điện được phân phối rộng rãi. Máy biến áp có tác dụng nâng mức điện áp nhằm bù hao tổn thất điện năng do quá trình truyền tải gây ra, đồng thời chúng cũng có tác dụng hạ mức điện áp ứng với nhu cầu sử dụng thực tế của hộ tiêu thụ.
Máy biến áp phân phối chuyển đổi điện áp từ mạng truyền tải (trạm truyền tải hoặc trạm phụ) sang cấp phù hợp để phân phối điện. Ví dụ máy biến áp phân phối thay đổi cấp điện áp từ 66 kV xuống còn 11 kV.
Công suất của máy biến áp phân phối thường thay đổi từ 16 MVA đến 63 MVA và trọng lượng khoảng 20 đến 50 tấn.
Máy biến dòng có cấu tạo như máy biến áp nhưng với trạm biến áp, chức năng chính của chúng là thay đổi giá trị dòng điện từ giá trị lớn sang giá trị nhỏ hoặc ngược lại. Ngoài nhiệm vụ này, trong trạm biến áp, máy biến dòng còn có chức năng bảo vệ, đo lường và tham gia vào hệ thống điều khiển trạm. Máy biến dòng chứa nhiều lõi tướng ứng với nhiều cuộn thứ cấp để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ như đo lường, bảo vệ ... Máy biến dòng trung tính chủ yếu phục vụ cho mục đích bảo vệ sự cố chạm đất thông qua đường dây trung tính của máy biến áp nối đến cọc tiếp địa.
Thiết bị đóng cắt cao thế và các thiết bị bảo vệ thường được đặt tại trạm biến áp. Nhiều trạm biến áp ngoài trời sử dụng thiết bị cầu dao đóng cắt cách điện bằng dầu. Loại cầu dao này có các tiếp điểm được ngâm trong dầu cách điện.
Ngoài thiết bị đóng cắt sử dụng dầu cách điện còn có loại sử dụng khí nén để dập tắt hồ quang gây ra do các tiếp điểm bị ngắt kết nối. Trong thiết bị này có một máy nén khí được sử dụng để tạo ra luồng khí lớn thổi trực tiếp vào tiếp điểm đường dây khi chúng đóng/ngắt kết nối.
Ngoài nhiệm vụ đóng cắt chuyển mạch, thiết bị đóng cắt cao thế còn có tác dụng ngắt kết nối nếu đường dây xuất hiện sự cố hoặc quá tải.
Dao đóng cắt có tác dụng ngắt kết nối thiết bị khỏi mạng điện. Thông thường dao đóng cắt không hoạt động khi có dòng điện chạy qua.
Hầu hết dao đóng cắt có cấu tạo đơn giản, sử dụng không khí để cách điện. Chúng hoạt động thông qua việc can thiệp thủ công của nhân viên vận hành trạm biến áp hoặc thông qua động cơ điều khiển.
Hệ thống thanh cái bao gồm một hoặc tổ hợp các thanh đóng cắt bằng kim loại (thường làm bằng đồng) để kết nối mạng điện trong trạm biến áp. Hệ thống thanh cái được bố trí, sắp xếp dựa trên thiết kế chung của trạm. Thiết kế hệ thống thanh cái phải đảm bảo an toàn, tính kinh tế, khả năng bảo trì và dễ vận hành. Kết cấu của thanh cái phải chịu được dòng ngắn mạch cao và tác động cơ học lớn. Đối với trạm biến áp ngoài trời, hệ thống thanh cái thường để trần. Với trạm biến áp đặt trong các tòa nhà, thanh cái có cấu tạo kín nhằm đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.
Hệ thống thanh cái của trạm biến áp thường có 6 kiểu thiết kế như sau:
Thiết kế kiểu kết nối đơn.
Kết nối đơn là kiểu kết nối mà tất cả các mạch điện được kết nối với một thanh cái chính. Trong trường hợp xảy ra sự cố sẽ dẫn đến gián đoạn toàn bộ trạm biến áp. Kết nối đơn là kiểu kết nối đơn giản nhất và ít chi phí nhất trong số 6 kiểu kết nối. Thanh cái đơn hay kết nối đơn có khả năng mở rộng dễ dàng và chiếm ít diện tích của trạm biến áp. Kiểu kết nối này có độ tin cậy thấp và chỉ được triển khai với các trạm biến áp có yêu cầu không quá nghiệm ngặt về phương diện ổn định lưới điện.
Thiết kế kiểu kết nối đơn kết hợp thanh cái phụ.
Kiểu kết nối này có một thanh cái chính và một thanh cái phụ được kết nối với nhau thông qua bộ đóng/ngắt mạch.
Khi bảo trì trạm biến áp, thanh cái phụ được cấp điện bằng cách đóng cầu dao với thanh cái chính. Khi bảo dưỡng cầu dao, cầu dao liên kết gần cầu dao bảo dưỡng được ngắt kết nối.
Với kiểu kết nối đơn kết hợp thanh cái phụ, sơ đồ rơ le bảo vệ phức tạp hơn do yêu cầu của bộ đóng cắt cần phải xử lý các tình huống bảo trì. VÌ lý do này, kiểu nối này tốn nhiều chi phí hơn so với kiểu kết nối đơn, bù lại nó an toàn hơn cho mạng điện và trạm biến áp.
Thiết kế kiểu kết nối kép.
Kiểu kết nối này sử dụng 2 thanh cái chính và hai cầu dao trên mỗi mạch. Cả 2 thanh cái được cấp điện bình thường và bất kỳ mạch nào cũng có thể được ngắt điện phục vụ bảo trì mà không ảnh hưởng đến mạch tương ứng. Nếu xảy ra sự cố từ một trong hai thanh cái, nguồn điện vẫn được đảm bảo do năng lượng được truyền qua thanh còn lại, thanh cái gặp trục trặc sẽ bị cô lập.
Trạm biến áp có kiểu kết nối kép cần gấp đôi số lượng thiết bị so kiểu kết nối đơn, bù lại việc cân bằng tải được đảm bảo. Loại kết nối này thường áp dụng cho các trạm biến áp truyền tải.
Thiết kế kiểu kết nối kép kết hợp bộ ngắt đơn.
Các trạm biến áp phụ thường sử dụng loại kết nối này. Mỗi mạch điện được trang bị duy nhất một cầu dao. Hai thanh cái được kết nối với nhau thông qua cầu dao cách ly.
Thông thường, cầu dao cách ly ở trạng thái đóng. Khi xảy ra sự cố hoặc cần bảo dưỡng, cầu dao được ngắt và điện được cấp từ thanh cái còn lại.
Kiểu kết nối kép kết hợp bộ ngắt đơn cần không gian lớn hơn so với kết nối đơn, đồng thời nó cũng ngốn chi phí nhiều hơn.
Thiết kế kiểu kết nối vòng.
Kiểu kết nối vòng có các bộ ngắt mạch liên kết với nhau dưới dạng mạch vòng, hai bên được cách ly thông qua cầu dao đóng cắt. Các mạch kết thúc giữa các cầu dao và được được cấp nguồn từ cả 2 phía.
Kết nối mạch vòng đem lại sự linh hoạt và tin cậy cao hơn so với 4 kiểu đã nêu ở trên. Bất kỳ cầu dao nào cũng có thể được cách ly mà không gây gián đoạn mạch điện.
Nhược điểm của kết nối vòng là trong trường hợp xảy ra sự cố, mạch có thể bị tách thành 2 phần cô lập. Mỗi phần trong mạch điện có thể không có sự kết nối phù hợp giữa mạch nguồn và mạch tải. Để khắc phục điều này, người ta thường lắp mạch nguồn và mạch tải cạnh nhau. Kiểu kết nối vòng cũng gây khó khăn khi mở rộng mạng điện.
Thiết kế kiểu kết nối kép vòng.
Kết nối kép vòng sử dụng 2 thanh cái chính và cả 2 đều được cấp điện. Liên kết giữa 2 thanh cái có 3 cầu dao, trong đó cầu dao giữa làm vai trò kết nối chính. Kết nối này tương tự kết nối vòng vì mạch điện được cấp nguồn từ cả 2 phía.
Trong quá trình vận hành trạm biến áp, bất kỳ cầu dao nào cũng có thể được cắt điện mà không làm gián đoạn hệ thống. Đồng thời, một trong hai thanh cái chính cũng có thể được tháo ra phục vụ bảo trì mà không làm trạm biến áp ngừng cấp điện.
Nếu một trong số các cầu dao giữa bị hỏng, các cầu dao liền kề sẽ cắt điện. Nếu cầu dao liền kề bị lỗi, cầu dao ở giữa sẽ cắt mà không làm gián đoạn đầu còn lại.
Nhược điểm của kết nối kép vòng là sơ đồ rơ le bảo vệ rất phức tạp vì cầu dao giữa liên kết với hai thanh cái. Kết nối vòng kép đòi hỏi nhiều diện tích lắp đặt hơn tất cả các kiểu kết nối còn lại. Bù lại, kết nối kiểu này đem lại sự tin cậy cao hơn và chi phí rẻ hơn so với kiểu nối kép kết hợp bộ ngắt đơn. Ngoài ra, kết nối kép vòng còn giúp dễ dàng mở rộng mạng điện. Kiểu nối này hội tụ đầy đủ các yếu tố cần thiết, tuy vậy chúng có chi phí cao nhất so với 5 loại kết nối còn lại.
Sơ đồ trạm biến áp 123 kV với thanh cái bố trí kiểu kép vòng
Bộ chống sét lan truyền có tác dụng bảo vệ trạm biến áp tránh khỏi quá áp do tác động của sét. Thiết bị này cũng có các tác dụng tiêu trừ điện áp quá độ. Dòng quá áp qua bộ chống sét được triệt tiêu dưới lòng đất.
Trong các trạm biến áp, bộ chống sét lan truyền phải chịu được quá áp tạm thời hoặc liên tục, đồng thời phải hạn chế được mức điện áp thấp hơn so với thiết kế của trạm biến áp.
Ghi chú: Quá áp tạm thời gây ra bởi sự cố chạm đất của một pha hoặc hai pha. Biên độ quá áp được xác định bởi các điều kiện nối đất và thời gian quá áp được xác định bởi việc thiết kế hệ thống bảo vệ ngắn mạch/quá tải. |
Rơ le bảo vệ có tác dụng bảo vệ trạm biến áp trước tình trạng ngắn mạch hoặc các sự cố bất thường khác. Chúng được sử dụng để ngắt mạch khi dòng điện vượt qua một giới hạn nhất định. Thời gian đóng/cắt của rơ le là yếu tố quan trọng nhất trong việc bảo vệ trạm biến áp. Rơ le bảo vệ thường dùng cho ngắn mạch nối đất, ngắn mạch đường dây, ngắn mạch ba pha. Hiện nay, các nước sử dụng rơ le bảo vệ có tích hợp các thiết bị điện tử thông minh và được cấp nguồn từ bên ngoài. Cấu tạo của rơ le loại này thường bao gồm các thiết bị điều khiển, đo lường, thu thập và xử lý dữ liệu, hiển thị dữ liệu để phản ánh tình trạng của các thiết bị trong trạm biến áp.
Cầu chì được sử dụng để ngăn ngừa thiệt hại cho đường dây trong trường hợp đoản mạch. Cầu chì phải được thiết kế và chế tạo đảm bảo khả năng xử lý điện áp và dòng điện quá tải (vượt định mức của thiết kế trạm biến áp).
Cầu chì sử dụng cho trạm biến áp thường có 2 loại: Cầu chì kiểu trục xuất và cầu chì sử dụng chất lỏng.
Cầu chì kiểu trục xuất hoạt động theo nguyên lý: Khi dòng điện quá tải vượt ngưỡng nhất định, phần tử trong cầu chỉ sẽ nóng chảy và làm cho đường dây bị ngắt kết nối.
Cầu chỉ sử dụng chất lỏng là loại chứa chất lỏng để dập tắt hồ quang gây ra do sự cố đoản mạch.
Vị trí các trạm phân phối được bố trí theo nguyên tắc càng gần phụ tải càng tốt. Nhu cầu sử dụng điện thực tế và trong tương lai sẽ quyết định quy mô trạm biến áp. Ngoài ra, công suất sử dụng của các thiết bị tiêu thụ tỷ lệ thuận với tiết diện dây dẫn trong hệ thống truyền tải của trạm biến áp.
Vị trí đặt trạm biến áp thường phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Mặt bằng đặt trạm biến áp;
- Yếu tố môi trường như mật độ dân số, đặc điểm dân cư …;
- Quy mô và tổng mức tiêu thụ có tính đến phát sinh;
- Quy hoạch sử dụng điện;
- Các quy định liên quan đến truyền tải và phân phối điện năng của cơ quan quản lý chuyên ngành.
Thông thường để hình thành một trạm biến áp cần trải qua 7 bước sau đây:
Trước khi tiến hành xây dựng, vị trí đặt trạm cần được quy hoạch, thiết kế và tính toán tỷ mỉ. Vị trí đặt trạm phải ưu tiên tính an toàn, lâu dài, không bị ảnh hưởng hoặc tác động xấu tới môi trường xung quanh. Trong quá trình triển khai, nhà thầu cơ điện cần đảm bảo tất cả các yếu tố kỹ thuật, an toàn, chất lượng, môi trường và sức khỏe.
Khu vực xây dựng trạm biến áp cần loại bỏ hoàn toàn các cây cối xung quanh. Quá trình san lấp mặt bằng được tiến hành để tạo nền móng xây dựng trạm.
Tổng khối lượng trạm biến áp có thể lên đến hàng trăm tấn, do vậy nền móng vững chắc là yêu cầu bắt buộc đối với bất kỳ trạm biến áp nào. Tổng thầu Cơ - Điện Galaxy là đơn vị đã có nhiều năm kinh nghiệm xây dựng trạm, đồng thời cũng là đơn vị đáp ứng đầy đủ khả năng để thi công các công trình ngầm liên quan đến trạm biến áp.
Thông thường với các trạm truyền tải, hệ thống hàng rào bảo vệ thường được xây bằng tường kiên cố, khác với các trạm biến áp phân phối trong khu dân cư, hoặc được đặt trên cao hoặc có lưới thép ngăn cách xung quanh.
Kết cấu thép là bộ phận không thể thiếu đối với các trạm biến áp phụ và trạm truyền tải. Hệ thống cấu kiện thép giúp nâng và chống đỡ các thiết bị của trạm một cách vững chắc. Ngoài ra, kết cấu thép cũng là lựa chọn tối ưu vì khả năng thi công dễ dàng, linh hoạt với nhiều thiết kế trạm.
Đây là bước tối quan trọng trong suốt quá trình xây dựng trạm biến áp, Căn cứ trên thiết kế đã được chủ đầu tư và cơ quan quản lý phê duyệt, thiết bị của trạm sẽ được nhà thầu Cơ - Điện Galaxy mua sắm, lắp đặt, đảm bảo tính đồng bộ, an toàn và vận hành hiệu quả.
Đây là bước cuối cùng trước khi nhà thầu bàn giao trạm biến áp cho chủ đầu tư. Quá trình kiểm tra có sự chứng kiến của các bên, bao gồm nhà thầu, cơ quan quản lý, đơn vị giám sát và chủ đầu tư. Toàn bộ thông số kỹ thuật của trạm sẽ được kiểm tra, chạy thử trước khi chính thức hòa lưới điện.
Nội dung nêu trên là một phần bổ trợ cho bài 6 cách phân loại trạm biến áp và lưu ý vị trí đặt trạm. Để hiểu rõ hơn các vấn đề liên quan đến TBA, quý khách hàng có thể liên hệ với Galaxy M&E để được giải đáp trực tiếp. Với vai trò là tổng thầu cơ điện, GME sẵn sàng tư vấn, thiết kế, cung cấp, thi công các công trình điện sử dụng trong hệ thống truyền tải, phân phối và khu công nghiệp.
Cách thức hoạt đồng của trạm biến áp:
BBT Galaxy M&E