CSDL Ngành điện

Những cân nhắc khi thiết kế trạm biến áp và bãi phân phối: Quy mô, phụ tải và chi phí

02/10/2025 21:40 Số lượt xem: 53

Bài viết này xem xét các yếu tố quan trọng trong việc xác định quy mô, phụ tải và chi phí của trạm biến áp và bãi phân phối.

Khi làm việc với tư cách là người vận hành nhà máy hoặc kỹ sư bảo trì khi thiết lập cơ sở O&M (Vận hành và Bảo trì) nhà máy điện hoặc cơ sở truyền tải và phân phối, việc hiểu rõ sơ đồ đóng cắt mạch của bãi phân phối và thiết bị trạm biến áp như máy biến áp, máy cắt, dao cách ly và các thanh cái là quan trọng để vận hành an toàn khi xác định vị trí và nhận dạng các chạm chập.

Tủ đóng cắt và trạm biến áp đóng vai trò quan trọng trong việc điều độ điện năng từ nguồn phát điện đến hộ tiêu thụ (Ảnh st)

Tủ đóng cắt và trạm biến áp, bao gồm các dao cách ly, máy cắt điện, các thanh cái và các dao tiếp địa, đóng vai trò quan trọng trong việc điều độ điện năng từ nguồn phát điện đến hộ tiêu thụ. Có nhiều biến thể trong các sơ đồ đóng cắt thanh cái, cùng với một dao phân đoạn thanh cái chia thanh cái thành các phân đoạn, mang lại sự linh hoạt cho bất kỳ thiết bị nào cần tháo rời để bảo trì. Có thể sử dụng các thanh nối đất và tấm kim loại làm bằng một số vật liệu nhất định để đảm bảo an toàn cho bãi phân phối và trạm biến áp. Thiết bị bãi phân phối thường không thấm nước và chắc chắn, đồng thời yêu cầu ít bảo trì hơn.

Trạm biến áp và tủ đóng cắt

Các nhà máy thủy điện thường nằm xa các thành phố lớn và điện năng được điều độ qua các đường dây truyền tải qua một khoảng cách lớn và biến đổi điện áp thành nhiều mức điện áp khác nhau. Trạm biến áp là một tập hợp các thiết bị dùng cho các mục đích khác không phải là phát điện hoặc tiêu thụ điện mà qua đó năng lượng điện truyền qua nhằm mục đích đóng cắt mạch trước khi phân phối hoặc thay đổi các đặc tính của nó như AC (dòng điện xoay chiều) sang DC (dòng điện một chiều) và biến đổi từ điện áp cao sang điện áp thấp hoặc ngược lại.

Bãi phân phối thường bao gồm các dao cách ly, dao nối đất, máy cắt, thanh cái và các máy biến áp tự ngẫu kèm theo một hệ thống bảo vệ nhận điện từ các máy phát điện của nhà máy điện và điều độ điện qua các đường dây truyền tải (ví dụ như 220kV/500kV).

Thuật ngữ trạm biến áp thường áp dụng cho loại thiết bị dùng để nhận điện từ một hoặc nhiều đường dây truyền tải và phân phối điện, thường ở một điện áp thấp hơn đến mạch phân phối. Khi nhu cầu điện cao và tần số giảm, các trạm biến áp sẽ sa thải phụ tải.

Có các loại thành phần sau đây lắp đặt trong bãi phân phối:

Máy biến áp điện lực và máy biến áp tự ngẫu
Máy biến dòng điện/máy biến điện áp (CT/PT) dùng cho các mục đích đo đếm và bảo vệ đầu vào cho các rơle
Thanh cái
Dao cách ly dùng để cách ly một bộ phận cụ thể cho các mục đích bảo trì
Máy cắt dòng gián đoạn và cắt (ví dụ, ngắn mạch) các dòng điện xảy ra trong mạch trong điều kiện bình thường và bất thường, tương ứng
Bẫy sóng hoặc bẫy đường dây chặn các tín hiệu tần số cao và, trong nhiều ứng dụng thực tế, dùng để truyền thông (tiếng nói và dữ liệu) giữa hai trạm biến áp thông qua một đường dây truyền tải
Rơle dùng để bảo vệ các máy phát điện, máy biến áp và thanh cái
Dao tiếp địa dùng để nối đất và ngắn mạch các mạch điện

Sắp xếp đóng cắt mạch

Các phương án đóng cắt mạch mang lại mức độ linh hoạt cao nhất thường cũng tốn kém nhất, vì cần nhiều thiết bị hơn để bảo đảm bất kỳ thiết bị nào cũng có thể tháo ra để bảo trì hoặc đại tu. Hãy cân nhắc các yếu tố sau để đưa ra quyết định cuối cùng:

Mục đích là cung cấp nguồn điện không gián đoạn một cách trơn tru
Kích cỡ và số lượng các đường dây và máy phát điện đầu vào
Đầu tư ban đầu và sau đó là kế hoạch vận hành và yêu cầu bảo trì
Không gian vật lý cho việc mở rộng trong tương lai để chứa các đường dây và tổ máy phát điện mới
Số lượng các lộ xuất tuyến và đặc tính của phụ tải.
Các điều kiện thời tiết bình thường.

Thanh cái đơn

Như trong Hình 1, sơ đồ thanh cái đơn có một ưu điểm: không tốn kém cũng như dễ triển khai và vận hành. Các máy phát điện và lộ xuất tuyến đều kết nối với một thanh cái chung. Sự cố của bất kỳ máy cắt nào cũng sẽ khiến một tổ máy phát điện hoặc lộ xuất tuyến ngừng dịch vụ, nhưng hỏng một thanh cái sẽ làm ngừng toàn bộ nhà máy. Sơ đồ này chỉ sử dụng khi liên quan tới lượng điện nhỏ và không có dư thừa, vì vậy để bảo trì, người vận hành phải ngắt điện toàn bộ thanh cái.

Hình 1. Sơ đồ thanh cái đơn với ba máy phát điện và ba lộ xuất tuyến, mỗi lộ có dao cách ly và máy cắt điện (Ảnh st)

Thanh cái dự phòng

Kỹ sư điện bổ sung một thanh cái dự phòng cùng một máy cắt điện vào hệ thống. Ưu điểm của sơ đồ này là có thể tháo bất kỳ máy cắt điện nào để bảo trì và sửa chữa mà không cần tắt máy phát điện hoặc lộ xuất tuyến. Việc bảo trì trên thanh cái chính vẫn yêu cầu phải ngắt mạch hoàn toàn, hoặc cần vận hành trên thanh cái dự phòng mà không cần bảo vệ. Sơ đồ thanh cái dự phòng 2 đắt hơn một chút so với thanh cái đơn.

Thanh cái kép, máy cắt đơn

Như trong Hình 2, thanh cái kép, máy cắt đơn là loại rẻ nhất vì nó cho phép bảo trì thanh cái mà không cần cắt điện. Sự cố máy cắt vẫn đòi hỏi phải đưa lộ xuất tuyến hoặc máy phát điện ra khỏi vận hành.

Hình 2. Sơ đồ Thanh cái kép máy cắt đơn (Ảnh st)

Thanh cái kép, máy cắt đôi

Trong sơ đồ thanh cái kép, máy cắt đôi (Hình 3), mỗi máy phát hoặc mỗi lộ xuất tuyến đều cần hai máy cắt. Người vận hành có thể tháo bất kỳ thanh cái hoặc máy cắt nào ra để sửa chữa lớn hoặc đại tu mà không làm gián đoạn máy phát điện và cũng không cần vô hiệu hóa bất kỳ biện pháp bảo vệ nào.

Hình 3. Sơ đồ Thanh cái kép – Máy cắt đôi bao gồm một Thanh cái phụ trợ và một Thanh cái chính (Ảnh st)

Một thanh cái rưỡi

Cần có ba máy cắt cho hai lộ xuất tuyến; do đó, mỗi lộ xuất tuyến có một máy cắt rưỡi. Kiểu sắp xếp này trở nên tốn kém do máy cắt thứ ba và cũng chiếm thêm không gian trong trạm biến áp. Ba máy cắt, mỗi máy có hai dao cách ly, kết nối giữa hai thanh cái.

Hình 4. Sơ đồ một thanh cái rưỡi (Ảnh st)

Dao phân đoạn thanh cái

Dao phân đoạn thanh cái phân chia các thanh cái thành các phân đoạn sao cho chúng có thể dễ dàng cách ly với nhau. Đây là thành phần quan trọng trong các phương án đóng cắt mạch, có thể dùng cho bất kỳ sơ đồ nào khi hệ thống có từ hai nguồn điện và nhiều lộ xuất tuyến trở lên. Mục đích chính của việc phân đoạn thanh cái là để hạn chế dòng điện chạy qua các máy cắt điện hoặc các thanh cái trong trường hợp ngắn mạch hoặc chạm chập quá tải. Cách bố trí này cũng cho phép ngắt điện từng phần của bãi phân phối để bảo trì trong khi các phần còn lại của trạm vẫn vận hành bình thường.

Các giải pháp đóng cắt mạch có thể khác nhau, từ giải pháp rẻ tiền, trong đó mỗi thiết bị phải duy trì hoạt động để duy trì dịch vụ, đến giải pháp đắt tiền, trong đó mỗi thiết bị thiết yếu đều có một thiết bị dự phòng trùng lặp.

Hình 5. Phân đoạn thanh cái thẳng (Ảnh st)

Vị trí kết cấu và các kết cấu ngoài trời lớn

Do kích thước lớn và mức điện áp cao, thiết bị bãi phân phối thường đặt ngoài trời. Trong khi đó, thiết bị trạm biến áp có thể bố trí trong nhà hoặc ngoài trời, nhưng việc đặt trạm trong nhà gần trung tâm phụ tải thường mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.

Người vận hành thường cố định các thanh cái và dao cắt vào tường, trần nhà hoặc khung ống. Ngoài ra, các thiết bị này cũng có thể tích hợp trong trạm biến áp hợp bộ, bao gồm đầy đủ máy biến áp, rơle, công tơ đo đếm và dao cắt, phục vụ cho cả lắp đặt trong nhà và ngoài trời.

Tại các trạm biến áp ngoài trời quy mô nhỏ và bãi phân phối, các thiết bị nặng như máy biến áp hay máy cắt dầu thường đặt trên bệ bê tông. Trong khi đó, các thiết bị nhẹ hơn như thanh cái và một số thiết bị phụ trợ có thể lắp trên kết cấu bằng ống thép hoặc thép hình, dễ dàng thích ứng khi cần thay đổi. Một ưu điểm khác là các kết cấu thép này có độ cứng cao và chi phí rẻ hơn.

Đối với các trạm biến áp và bãi phân phối ngoài trời quy mô lớn, kết cấu có thể phân loại thành ba dạng: kiểu hợp bộ, kiểu giàn và kiểu mặt đất. Trong cả ba dạng này, các thiết bị nặng đều có thể lắp đặt trên kết cấu tập trung.

Trong loại hợp bộ, thiết bị nhẹ hơn lắp trên các khung thép và có thể dễ dàng bổ sung, sửa đổi và thay đổi. Sơ đồ loại hợp bộ tương đối rẻ khi chi phí bất động sản thấp.

Cấu trúc kiểu giàn kết hợp các dầm dọc và ngang. Các dao cách ly và các thiết bị nhẹ hơn khác có thể lắp trên kết cấu giàn. Các vật cách điện hoặc các các ống chịu lực kéo có thể đỡ các thanh cái. Kiểu cấu trúc này đắt hơn kiểu hợp bộ, nhưng nhỏ gọn và cần ít không gian mặt đất hơn. Như thể hiện trong Hình 6, trong các cấu trúc kiểu mặt đất, hầu hết thiết bị lắp trên bệ bê tông, còn thanh cái cứng đặt trên sứ cách điện dạng bệ.

Hình 6. Bố trí bãi phân phối kiểu mặt đất (Ảnh st)

Hệ thống tiếp địa cho trạm phân phối

Tiếp địa đúng cách là cần thiết để tăng độ tin cậy, tính ổn định và tính khả dụng của hệ thống điện và đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị. Hệ thống tiếp địa là điều kiện tiên quyết cho sự an toàn của bãi phân phối và trạm biến áp và tất cả các bộ phận kim loại không mang dòng điện, chẳng hạn như hàng rào, cáp, hệ thống điều khiển và kết cấu kim loại phải tiếp địa.

Kích cỡ dây dẫn quan trọng vì nó cung cấp đường dẫn điện trở thấp đến phần dẫn điện của đất trong điều kiện chạm chập. Thông thường, người vận hành dùng các thanh và tấm tiếp địa, là các tấm kim loại mà các dây dẫn tiếp địa cố định vào và đặt bên dưới mực nước ngầm.

Phổ biến nhất là các thanh nối đất và cọc tiếp địa như các ống mạ kẽm, thép không gỉ, bọc đồng hoặc thanh đồng đặc. Người vận hành phải đóng các thanh này xuống phần đất có tính dẫn điện. Khi lắp thanh hoặc tấm ở dưới mức ẩm ổn định, hoặc trong điều kiện đất tơi xốp, khô, nhiều cát, điện trở đất thường cao, vì vậy cần xử lý đất để cải thiện khả năng dẫn điện. Phương pháp là đào một hào sâu khoảng 45cm và lấp đầy bằng muối mỏ, đồng sunfat hoặc magiê sunfat. Số lượng thanh phụ thuộc vào kích cỡ và công suất của bãi phân phối và thiết bị kết nối.

Các trạm lớn có một số lượng lớn các thanh. Hệ thống tốt nhất và tốn kém nhất bao gồm lưới các dây dẫn bên dưới kết cấu với các thanh nối đất ở cuối mỗi dây dẫn và mỗi giao điểm và sau đó mỗi thiết bị được gắn vào lưới điện tại điểm gần nhất. Người vận hành cần nối thiết bị chống sét với đất theo tuyến ngắn nhất nhằm giới hạn điện áp khi có sét đánh.

Bảo trì và vận hành

Thiết bị bãi phân phối có thiết kế chắc chắn, bền với thời tiết và cần ít bảo dưỡng hơn thiết bị nhà máy điện. Pin, máy cắt dầu, máy biến áp điện lực và máy biến áp tự ngẫu cần thực hiện cùng một thử nghiệm và thanh tra giống như thiết bị trong nhà máy điện. Cần có kế hoạch vệ sinh thường xuyên hơn trong môi trường nhiều khói và bụi. Nếu như bụi tích tụ trong thời gian dài khô hạn, mưa và sương mù đầu tiên có thể gây ra hiện tượng phóng điện. Ngoài lịch bảo dưỡng, người vận hành cần quan sát thiết bị để phát hiện các điều kiện bất thường bất cứ khi nào họ vào bãi phân phối hoặc trạm biến áp.