Trạm biến áp điện là điểm được kiểm soát nơi điện áp được biến đổi, các mạch điện được chuyển mạch, các sự cố được ngắt, và dòng điện được đo lường và bảo vệ. Trạm biến áp kết nối nguồn điện, hệ thống truyền tải, phân phối và các hộ tiêu thụ điện lớn. Thiết bị và bố trí của chúng rất đa dạng, nhưng mọi trạm biến áp điện được thiết kế tốt đều phải thực hiện các chức năng cơ bản giống nhau một cách an toàn và tin cậy.
Hướng dẫn này giải thích chức năng của trạm biến áp, các loại trạm biến áp chính, thiết bị thiết yếu, bố trí phổ biến, hệ thống bảo vệ và điều khiển, cùng với các thông tin mà chủ đầu tư cần xác định trước khi yêu cầu báo giá. Tài liệu này cũng kết nối các kiến thức cơ bản về trạm biến áp với các sản phẩm máy biến áp, thiết bị đóng cắt, tủ mạch vòng chính (RMU) và trạm biến áp lắp ghép sẵn do LBAJI cung cấp.
Trạm biến áp điện là gì?
Trạm biến áp là một phần của hệ thống điện chứ không phải là nguồn phát điện. Trạm nhận điện từ một hoặc nhiều mạch điện đến và phân phối đi qua các mạch đi ở cùng một mức điện áp hoặc mức điện áp khác nhau. Trạm biến áp có thể biến đổi điện áp, chia mạng điện thành các phần có thể điều khiển được, cách ly thiết bị bị lỗi, điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng, đồng thời cung cấp dữ liệu cho người vận hành.
Thuật ngữ này bao gồm các trạm biến áp từ một trạm phân phối nhỏ gọn phục vụ cho khu thương mại cho đến trạm biến áp cao thế kết nối nhà máy điện với lưới truyền tải. Một số trạm biến áp là sân phân phối cách điện bằng không khí ngoài trời với các ngăn lộ hở. Các trạm khác sử dụng thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí bên trong một tòa nhà nhỏ gọn. Trạm biến áp dạng hộp lắp ráp sẵn có thể kết hợp thiết bị đóng cắt trung thế, máy biến áp và thiết bị phân phối hạ thế trong một vỏ bọc được lắp ráp sẵn tại nhà máy.
Trạm biến áp làm gì?
Một trạm biến áp thông thường thực hiện một số chức năng phối hợp:
- Biến đổi điện áp Máy biến áp lực nâng hoặc hạ điện áp giữa các cấp hệ thống.
- Đang chuyển đổi: Cầu dao và thiết bị ngắt mạch kết nối, cô lập và cấu hình lại các mạch điện.
- Bảo vệ Biến dòng đo lường và rơ-le phát hiện các điều kiện bất thường và tác động cắt máy cắt chính xác.
- Điều khiển Các hệ thống cục bộ và từ xa giám sát trạng thái thiết bị và trình tự vận hành.
- Phép đo dòng điện, điện áp, công suất, năng lượng, tần số và chất lượng điện năng được giám sát.
- Hỗ trợ điện áp: Bộ đổi nấc, tụ bù, kháng điện và các thiết bị khác giúp điều khiển điện áp và công suất phản kháng.
- Nối đất Hệ thống lưới tiếp địa quản lý dòng điện sự cố và giới hạn các điện áp chạm và bước nguy hiểm.
Các chức năng này giải thích tại sao kỹ thuật trạm biến áp phải được xử lý như một hệ thống hoàn chỉnh. Việc lựa chọn một máy biến áp hoặc máy cắt một cách riêng lẻ là chưa đủ; định mức, vùng bảo vệ, cấp cách điện, các giao diện và triết lý vận hành phải hoạt động đồng bộ với nhau.
Bảng so sánh và lựa chọn nhanh
Sử dụng bảng này như một phần tóm tắt nhanh về các quyết định kỹ thuật và mua sắm chính được giải thích trong bài viết.
| Khu vực quyết định | Ý nghĩa thực tiễn | Cần xác minh những gì |
|---|---|---|
| Trạm biến áp điện là gì? | Trạm biến áp là một phần của hệ thống điện chứ không phải là nguồn phát điện. | Nó nhận nguồn điện từ một hoặc nhiều mạch điện đến và phân phối qua các mạch điện đi ở cùng một mức điện áp hoặc ở mức điện áp khác. |
| Trạm biến áp làm gì? | Trạm biến áp thường thực hiện một số chức năng phối hợp: Những chức năng này giải thích tại sao kỹ thuật trạm biến áp phải được coi là một hệ thống hoàn chỉnh. | Việc lựa chọn riêng lẻ một máy biến áp hoặc máy cắt là chưa đủ; các định mức, vùng bảo vệ, cấp cách điện, giao diện và triết lý vận hành phải đồng bộ với nhau. |
| Các loại trạm biến áp chính | Trạm biến áp truyền tải liên kết các đường dây cao áp với nhau và có thể chuyển đổi giữa các cấp điện áp truyền tải. | Độ tin cậy và khả năng xử lý sự cố là cốt lõi vì một sự cố đơn lẻ có thể ảnh hưởng đến một khu vực rộng lớn. |
| Thiết bị và phụ kiện trạm biến áp | Máy biến áp lực thiết lập mối quan hệ điện áp giữa các lưới điện. | Các thông số kỹ thuật quan trọng bao gồm công suất MVA, tỷ số điện áp, tổ đấu dây, điện kháng, phương pháp làm mát, bộ điều áp dưới tải, mức cách điện, tổn thất đảm bảo, độ ồn và các phụ kiện. |
| Trạm biến áp cách điện bằng không khí và cách điện bằng khí | Trạm biến áp cách điện bằng không khí sử dụng không khí làm vật liệu cách điện bên ngoài chính. | Nó thường đòi hỏi nhiều không gian hơn nhưng cung cấp thiết bị dễ nhìn thấy, khả năng mở rộng linh hoạt và lối bảo trì quen thuộc. |
Các loại trạm biến áp chính
Trạm biến áp truyền tải
Trạm biến áp truyền tải liên kết các đường dây cao áp với nhau và có thể chuyển đổi giữa các cấp điện áp truyền tải. Độ tin cậy và khả năng khắc phục sự cố đóng vai trò cốt lõi vì một sự cố đơn lẻ có thể ảnh hưởng đến một khu vực rộng lớn. Các trạm biến áp này thường sử dụng máy biến áp công suất lớn, hệ thống bảo vệ thanh cái, nguồn điều khiển dự phòng, hệ thống thông tin liên lạc tiên tiến và bố trí cho phép bảo trì mà không phải ngừng hoạt động toàn bộ trạm.
Trạm biến áp phân phối
Trạm biến áp phân phối điện làm giảm điện áp truyền tải hoặc truyền tải trung gian xuống mức điện áp trung thế được sử dụng bởi các đường dây phân phối cục bộ. Các thiết bị tiêu biểu bao gồm thiết bị đóng cắt đầu vào, một hoặc nhiều máy biến áp lực, thanh cái trung thế, máy cắt phân phối, bảng bảo vệ, thiết bị đo đếm, nguồn tự dùng và thiết bị chống sét.
Đối với các dự án đóng gói, của LBAJI Trạm biến áp lắp sẵn cao và hạ thế YBM-12 kết hợp các chức năng phân phối chính trong một vỏ bọc được điều phối.
Trạm biến áp gom và năng lượng mặt trời
Trạm biến áp điện mặt trời thu thập công suất đầu ra từ các trạm biến tần hoặc các nguồn cấp năng lượng tái tạo, tăng điện áp và kết nối nhà máy với lưới điện. Các thông số đầu vào thiết kế bao gồm công suất nhà máy, đặc tính biến tần, sóng hài, yêu cầu công suất phản kháng, bảo vệ theo mã lưới điện, khả năng vượt qua sự cố, truyền thông và nghiên cứu điểm đấu nối.
Đối với các ứng dụng năng lượng mới, LBAJI cung cấp Trạm biến áp kiểu hộp năng lượng mới 35 kV và các thiết bị phân phối quang điện liên quan.
Trạm biến áp công nghiệp
Trạm biến áp công nghiệp phục vụ các nhà máy, mỏ khai thác, nhà máy chế biến, trung tâm dữ liệu và các phụ tải lớn khác. Chúng có thể bao gồm nguồn điện vào từ lưới điện, hệ thống phát điện tại chỗ, nhiều cấp điện áp, các lộ ra cấp điện cho động cơ, các phụ tải sinh sóng hài, và hệ thống dự phòng cho các quy trình quan trọng. Các nghiên cứu về phân bố công suất, ngắn mạch, khởi động động cơ, sóng hài, hồ quang điện và phối hợp bảo vệ thường được yêu cầu.
Trạm biến áp di động
Trạm biến áp di động lắp đặt các thiết bị chính trên rơ-moóc hoặc bệ trượt có thể vận chuyển. Các đơn vị điện lực và nhà vận hành công nghiệp sử dụng chúng trong các trường hợp khẩn cấp, bảo trì theo kế hoạch, nângand cấp công suất hoặc xây dựng. Kích thước vận chuyển, tải trọng trục, kết nối nhanh, nối đất, cài đặt bảo vệ và chuẩn bị mặt bằng là những phần thiết yếu của thiết kế.
Thiết bị và phụ kiện trạm biến áp
Máy biến áp lực
Máy biến áp lực thiết lập mối quan hệ điện áp giữa các lưới điện. Các thông số kỹ thuật quan trọng bao gồm định mức MVA, tỷ số biến áp, tổ nối dây, tổng trở, phương pháp làm mát, bộ điều áp dưới tải, cấp cách điện, tổn thất đảm bảo, mức độ tiếng ồn và các phụ kiện. Của LBAJI Máy biến áp ngâm dầu 35 kV có liên quan đến các ứng dụng phân phối và trạm biến áp công nghiệp.
Máy cắt điện trạm biến áp
Máy cắt điện trong trạm biến áp phải đóng, mang và ngắt dòng điện trong các điều kiện bình thường và sự cố. Việc lựa chọn phụ thuộc vào điện áp định mức, dòng điện liên tục, dòng điện cắt ngắn mạch, dòng điện đóng, chế độ làm việc, môi trường cách điện, độ bền cơ học và điện áp điều khiển. Các thông số định mức của máy cắt phải phù hợp với mức sự cố đã tính toán thay vì sở thích thiết bị chung chung.
Dao cách ly và dao nối đất
Dao cách ly cung cấp khả năng cách ly rõ ràng hoặc xác định nhưng thông thường không nhằm mục đích ngắt dòng điện sự cố. Dao nối đất nối thiết bị đã được cách ly với mặt đất để đảm bảo an toàn khi bảo trì. Khóa liên động cơ học và điện ngăn ngừa các trình tự vận hành không an toàn.
Thanh cái và ngăn lộ
Thanh cái thu gom điện từ các mạch đến và phân phối đến các ngăn lộ đi. Các ngăn lộ ngoài trời tại trạm biến áp thường chứa các thiết bị đóng cắt, đo lường và chống sét gắn liền với một đường dây, máy biến áp, thiết bị liên lạc thanh cái hoặc lộ ra. Sơ đồ thanh cái dao động từ sơ đồ một thanh cái đơn giản đến các sơ đồ phân đoạn, hai thanh cái, thanh cái vòng và sơ đồ một rưỡi máy cắt.
Biến dòng và biến áp đo lường
Máy biến dòng điện cung cấp tín hiệu dòng điện được chia tỷ lệ cho các đồng hồ đo và rơ-le. Máy biến điện áp, CVT và CCVT cung cấp điện áp được chia tỷ lệ và có thể hỗ trợ truyền thông sóng mang. Một ứng dụng trạm biến áp CCVT phải xác định các yêu cầu về độ chính xác, tải, cách điện, hiệu suất quá độ và truyền thông. Hệ thống dây điện thứ cấp của CT và CVT phải được coi là một phần của hệ thống bảo vệ và đo lường.
Tủ điện trung thế
Thiết bị đóng cắt bọc kim loại chứa máy cắt, thanh cái, máy biến áp đo lường, rơ le và đầu cáp. Thiết bị Tủ điện bọc kim loại tháo lắp được KYN61-40.5 hỗ trợ các ứng dụng 40,5 kV, trong khi Tủ điện trung thế KYN28A-12 phục vụ hệ thống 12 kV.
Tụ điện và cuộn kháng
Một ngân hàng tụ điện trong trạm biến áp cung cấp công suất phản kháng và hỗ trợ điện áp. Các cuộn kháng có thể giới hạn dòng sự cố, điều khiển dòng sạc hoặc hấp thụ công suất phản kháng. Các quá độ đóng cắt, sóng hài, dòng điện khởi động, bảo vệ, thời gian phóng điện và phối hợp cách điện phải được đánh giá.
Thiết bị chống sét
Thiết bị chống sét hạn chế quá điện áp do sét đánh và các sự cố đóng cắt gây ra. Vị trí, định mức, cấp bảo vệ, kết nối nối đất và khoảng cách từ thiết bị được bảo vệ của chúng ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động.
Trạm biến áp cách điện bằng không khí và cách điện bằng khí
Trạm biến áp cách điện bằng không khí sử dụng không khí làm lớp cách điện bên ngoài chính. Trạm thường yêu cầu nhiều không gian hơn nhưng cung cấp thiết bị có thể nhìn thấy, khả năng mở rộng linh hoạt và lối tiếp cận bảo trì quen quen. Ô nhiễm, muối, băng, động vật hoang dã, độ cao và khoảng hở yêu cầu ảnh hưởng đến thiết kế.
Trạm biến áp cách điện bằng khí, hay trạm biến áp GIS, bao bọc các thanh dẫn điện và thiết bị đóng cắt trong các khoang kim loại được nối đất chứa khí cách điện. GIS có diện tích chiếm chỗ nhỏ gọn và khả năng bảo vệ môi trường mạnh mẽ, làm cho nó hữu ích ở các thành phố đông đúc, khu công nghiệp, không gian ngầm và môi trường khắc nghiệt. Những đánh đổi bao gồm chi phí ban đầu cao hơn, việc bảo trì chuyên specialized, xử lý khí và việc mở rộng phức tạp hơn.
Của LBAJI Tủ đóng cắt mạng vòng cách điện hoàn toàn HC-40.5 và Tủ RMU cách điện bằng khí thân thiện với môi trường LBHB-12 có liên quan đến các lược đồ phân phối gọn.
Bảo vệ và điều khiển trạm biến áp
Hệ thống bảo vệ chia trạm biến áp thành các vùng như đường dây, máy biến áp, thanh cái, tuyến cấp điện, tụ bù và tự dùng trạm. Các rơ-le so sánh các đại lượng đo lường với các giá trị cài đặt có được từ các nghiên cứu hệ thống. Khi phát hiện sự cố, chúng tác động cắt số lượng máy cắt tối thiểu cần thiết để cô lập sự cố đó.
Các chức năng thông dụng bao gồm bảo vệ quá dòng, chạm đất, so lệch máy biến áp, so lệch chạm đất hạn chế, so lệch thanh cái, khoảng cách, quá và kém áp, tần số, chống đóng lặp lại (hoặc: chống sự cố máy cắt), và bảo vệ nhiệt. Các cài đặt phải phối hợp nhịp nhàng giữa ranh giới của đơn vị điện lực và khách hàng.
Trạm biến áp kỹ thuật số sử dụng các thiết bị điện tử thông minh có kết nối mạng và các phương thức giao tiếp được chuẩn hóa để trao đổi các phép đo, trạng thái, tín hiệu cắt, khóa liên động và dữ liệu giám sát. Các hệ thống kỹ thuật số có khả năng giảm bớt hệ thống dây đồng và nâng cao khả năng quan sát, tuy nhiên an ninh mạng, đồng bộ hóa thời gian, tính dự phòng của mạng, công tác kiểm tra và quản lý cấu hình trở nên vô cùng thiết yếu.
Nối đất và An toàn
Lưới tiếp địa kết nối các kết cấu, bồn chứa thiết bị, hàng rào, dây trung tính, thiết bị chống sét van và bề mặt thao tác với một mạng lưới đất được kiểm soát. Thiết kế của nó dựa trên dòng sự cố, thời gian cắt, điện trở suất của đất, dung lượng dẫn điện, điện áp chạm và điện áp bước.
Thiết kế an toàn cũng đòi hỏi khoảng cách an toàn về điện, khoảng cách ngăn cháy, hệ thống chứa dầu, kiểm soát ra vào, biển báo cảnh báo, lối thoát nạn khẩn cấp, hệ thống chiếu sáng, thiết bị khóa liên động, biện pháp kiểm soát hồ quang điện và quy trình bảo trì. Việc tuân thủ phải dựa trên các quy định hiện hành của IEC, IEEE, đơn vị điện lực và địa phương.
Cách quy hoạch và kỹ thuật thông số cho một trạm biến áp
- Xác định mạng: mức điện áp, tần số, nối đất, trở kháng nguồn, mức sự cố và các yêu cầu của lưới điện.
- Xác định tải trọng: MVA hiện tại và tương lai, biểu đồ phụ tải, hệ số công suất, sóng hài, khởi động động cơ và mức độ quan trọng.
- Chọn cách sắp xếp một dòng: mạch vào, số lượng máy biến áp, sơ đồ thanh cái, số lượng xuất tuyến, tính dự phòng và triết lý bảo trì.
- Các nghiên cứu hệ thống hoàn chỉnh: phân tích trào lưu công suất, ngắn mạch, phối hợp bảo vệ, nối đất, phối hợp cách điện, sóng hài và hồ quang điện nếu có.
- Xác định trang web: diện tích khả dụng, lắp đặt trong nhà hoặc ngoài trời, khí hậu, ô nhiễm, độ cao, yêu cầu địa chấn, khả năng tiếp cận, vận chuyển và các giao diện dân dụng.
- Chỉ định thiết bị: máy biến áp, thiết bị đóng cắt, máy cắt, máy biến dòng/áp đo lường, nguồn điều khiển, ắc quy, bảo vệ, tự động hóa, đo lường và truyền thông.
- Định nghĩa kiểm thử và tài liệu: bản vẽ, tính toán, thử nghiệm thường quy và theo kiểu, thử nghiệm nghiệm thu tại nhà máy, chạy thử, tài liệu hướng dẫn và đào tạo.
Các câu hỏi thường gặp
Mục đích chính của một trạm biến áp điện là gì?
Mục đích chính của nó là điều khiển và bảo vệ dòng điện giữa các mạch điện, thường đồng thời biến đổi điện áp giữa các cấp truyền tải, phân phối hoặc sử dụng.
Sự khác biệt giữa một trạm biến áp và một máy biến áp là gì?
Máy biến áp là một thiết bị làm thay đổi điện áp xoay chiều. Trạm biến áp là một tổ hợp lắp đặt hoàn chỉnh có thể bao gồm máy biến áp, thiết bị đóng cắt, máy cắt, hệ thống bảo vệ, đo lường, điều khiển, nối đất và các hệ thống phụ trợ.
Các loại trạm biến áp chính là gì?
Các loại phổ biến bao gồm trạm biến áp truyền tải, phân phối, thu gom hoặc năng lượng tái tạo, công nghiệp, đóng cắt, chuyển đổi, di động, cách điện bằng không khí, cách điện bằng khí và lắp ghép sẵn.
Tại sao trạm biến áp cách điện bằng khí lại được sử dụng?
GIS được lựa chọn khi không gian hạn chế hoặc yêu cầu bảo vệ môi trường nghiêm ngặt. Hệ thống này có thiết bị nhỏ gọn nhưng đòi hỏi thiết bị chuyên dụng, quản lý khí và quy trình bảo dưỡng.
Cần những thông tin gì để thiết kế một trạm biến áp?
Các đầu vào chính bao gồm các mức điện áp, dung lượng, mức sự cố, hệ thống nối đất, biểu đồ phụ tải, sơ đồ một sợi, điều kiện tại chỗ, mục tiêu độ tin cậy, triết lý bảo vệ, hệ thống truyền thông, các tiêu chuẩn hiện hành và khả năng mở rộng trong tương lai.
Kết luận
Trạm biến áp là trung tâm vận hành và bảo vệ của một hệ thống điện. Các dự án thành công bắt đầu bằng các nghiên cứu hệ thống chính xác và thiết kế sơ đồ một sợi đồng bộ, sau đó chuyển hóa các yêu cầu đó thành máy biến áp, thiết bị đóng cắt, thiết bị ngắt mạch, thiết bị bảo vệ, hệ thống nối đất, hệ thống điều khiển và các hạng mục xây dựng dân dụng có định mức phù hợp.
LBAJI sản xuất máy biến áp lực, tủ đóng cắt trung và hạ thế, tủ RMU, thiết bị quang điện và trạm biến áp chế tạo sẵn. Hãy chia sẻ sơ đồ một sợi, cấp điện áp, công suất, mức độ sự cố, điều kiện tại công trường và các tiêu chuẩn yêu cầu với đội ngũ LBAJI để phát triển gói thiết bị trạm biến áp dành riêng cho dự án.
Cách hoạt động của một trạm biến áp điện từ đường dây đến lộ ra
Nguồn điện đi vào qua thiết bị đầu cuối đường dây và thiết bị chống sét lan truyền, đi qua các dao cách ly và cầu dao, đến thanh cái, và được dẫn qua một máy biến áp hoặc nhánh lộ ra. Các biến dòng (CT) và biến điện áp (VT) cung cấp tín hiệu cho các rơ-le và đồng hồ đo; khi một rơ-le phát hiện sự cố bên trong vùng bảo vệ của nó, nó sẽ tác động ngắt cầu dao tương ứng trong khi các mạch điện bình thường vẫn tiếp tục hoạt động. Trình tự này giải thích tại sao các chức năng biến đổi, đóng cắt, bảo vệ, điều khiển và nối đất phải được thiết kế đồng bộ với nhau.
Tự động hóa và bảo trì trạm biến áp
Các trạm biến áp hiện đại kết hợp điều khiển tại chỗ với hệ thống SCADA, bản ghi sự kiện, cảnh báo tình trạng và dữ liệu bảo vệ đồng bộ hóa thời gian. Việc bảo trì nên dựa trên rủi ro: kiểm tra và thử nghiệm máy cắt, máy biến áp, ắc quy, kênh bảo vệ, các kết nối nối đất và hệ thống phụ trợ theo các khoảng thời gian được giustify bằng nhiệm vụ và tình trạng. Các cài đặt, chương trình cơ sở (firmware) và bản vẽ cần được quản lý thay đổi giống như thiết bị vật lý.
Tài liệu kỹ thuật và đọc thêm
Các nguồn độc lập sau đây hỗ trợ các tiêu chuẩn, thuật ngữ, phép tính và bối cảnh an toàn được thảo luận trong hướng dẫn này:
- Tiêu chuẩn IEEE C37.121 hướng dẫn về trạm biến áp khối — Hướng dẫn của IEEE về việc phối hợp các phần vào, máy biến áp, chuyển tiếp và ra trong các trạm biến áp hợp bộ.
- Tổng quan về truyền tải và phân phối điện năng của OSHA — Ngữ cảnh an toàn chính thức cho các hệ thống và thiết bị truyền tải và phân phối.
- Tổng quan về trạm biến áp — Tài liệu tham khảo chung về các chức năng, phân loại, đóng cắt, bảo vệ và biến đổi của trạm biến áp.
