An hệ thống phân phối điện truyền tải điện năng từ nguồn điện lưới hoặc máy phát điện thông qua các trạm biến áp, máy biến áp, thiết bị đóng cắt, tủ điện và cáp điện đến các tải tiêu thụ cuối cùng. Thiết kế tốt đảm bảo điện áp ở mức cho phép, cách ly sự cố có chọn lọc, hỗ trợ công tác bảo trì và cho phép mở rộng hệ thống mà không phát sinh chi phí bất hợp lý. Tài liệu hướng dẫn này trình bày một quy trình thiết kế hệ thống phân phối điện thực tế dành cho các dự án công nghiệp, thương mại và năng lượng tái tạo.
Bắt đầu với các yêu cầu hệ thống
Trước khi lựa chọn thiết bị, hãy xác định nguồn điện đến, biểu đồ phụ tải, mục tiêu độ tin cậy, triết lý vận hành và môi trường. Ghi lại điện áp danh định và điện áp tối đa, tần số, mức sự cố của điện lực, phương pháp nối đất, công suất khả dụng, các ràng buộc về biểu giá và quy tắc kết nối. Xác định các phụ tải quan trọng, thời gian mất điện cho phép, quá trình khởi động động cơ, nguồn phát sóng hài, việc mở rộng trong tương lai và bất kỳ giao diện máy phát điện hoặc lưu trữ năng lượng nào.
Cơ sở thiết kế cũng phải nêu tên các tiêu chuẩn hiện hành về điện, thiết bị, phòng cháy chữa cháy và an toàn. Điều này giúp ngăn ngừa các xung đột sau này giữa các quy định về cáp, chế tạo thiết bị đóng cắt, cài đặt bảo vệ và thực tiễn lắp đặt.
Xây dựng một Biểu đồ Tải trọng Chính xác
Liệt kê từng phụ tải kèm theo công suất định mức (kW hoặc kVA), điện áp, số pha, hiệu suất, hệ số công suất, phương pháp khởi động, chế độ làm việc và mức độ quan trọng. Áp dụng các hệ số nhu cầu và hệ số đồng thời đã được tài liệu hóa cho từng nhóm phụ tải thay vì dùng một tỷ lệ phần trăm tùy ý. Tách riêng các phụ tải liên tục, gián đoạn, dự phòng và tương lai.
Bảng phụ tải xác định công suất máy biến áp và dòng điện nhánh rẽ, nhưng nó cũng phải đáp ứng được các kịch bản vận hành. Cần kiểm tra nguồn điện lưới bình thường, sự cố máy biến áp, vận hành máy phát điện, chuyển đổi máy cắt liên lạc thanh cái, công tác bảo trì và các giai đoạn tương lai. Các động cơ lớn đòi hỏi phải nghiên cứu độ sụt áp và quá trình khởi động, chứ không chỉ dòng điện ở chế độ thiết lập.
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 |
|---|---|---|
| Bắt đầu với các yêu cầu hệ thống | Trước khi lựa chọn thiết bị, hãy xác định nguồn điện đến, biểu đồ phụ tải, mục tiêu độ tin cậy, triết lý vận hành và môi trường. | Ghi lại điện áp danh định và điện áp tối đa, tần số, mức sự cố lưới điện, phương pháp nối đất, công suất khả dụng, các ràng buộc biểu giá và quy tắc kết nối. |
| Xây dựng một Biểu đồ Tải trọng Chính xác | Liệt kê từng phụ tải cùng với công suất định mức theo kW hoặc kVA, điện áp, số pha, hiệu suất, hệ số công suất, phương pháp khởi động, chế độ làm việc và mức độ quan trọng. | Áp dụng các hệ số đồng thời và hệ số nhu cầu đã được tài liệu hóa theo nhóm phụ tải thay vì một tỷ lệ phần trăm tùy ý duy nhất. |
| Chọn các cấp điện áp phân phối | Điện áp phân phối cao hơn làm giảm dòng điện, kích thước cáp và sụt áp đối với các phụ tải lớn hoặc ở xa, nhưng làm tăng chi phí thiết bị và các yêu cầu kỹ thuật. | Phân phối điện trung thế thường hiệu quả đối với các khuôn viên rộng lớn, nhà máy, mỏ khai thác và các địa điểm năng lượng tái tạo. |
| Chọn Cấu trúc Mạng | Một mạch cấp nguồn hình tia có một đường nguồn bình thường duy nhất. | Nó đơn giản và kinh tế nhưng sự cố đường dây nguồn sẽ làm gián đoạn các phụ tải hạ nguồn cho đến khi được cách ly và sửa chữa. |
| Lựa chọn máy biến áp | Chọn kVA máy biến áp dựa trên nhu cầu tính toán, khởi động động cơ, dòng điện hài, điều kiện môi trường, tính dự phòng và dung lượng tương lai. | Xác định điện áp sơ cấp và thứ cấp, dải điều áp, nhóm đấu dây, điện kháng (trở kháng), tổn thất, phương pháp làm mát, cách điện, độ ồn và các phụ kiện. |
Chọn các cấp điện áp phân phối
Điện áp phân phối cao hơn làm giảm dòng điện, kích thước cáp và sụt áp đối với các tải lớn hoặc ở xa, nhưng làm tăng chi phí thiết bị và các yêu cầu kỹ thuật. Phân phối điện trung thế thường hiệu quả đối với các khu campus lớn, nhà máy, mỏ và các địa điểm năng lượng tái tạo. Phân phối hạ thế thích hợp ở gần các tải sử dụng cuối cùng.
Các vị trí máy biến áp nên cân bằng giữa chiều dài cáp trung thế (MV) với dòng điện hạ thế (LV) và số lượng cáp. Một số máy biến áp phân tán có thể làm giảm tổn thất hạ thế và sụt áp, trong khi bố trí tập trung có thể đơn giản hóa việc vận hành và thiết bị dự phòng.
Chọn Cấu trúc Mạng
Phân bố tâm kính
Một mạch cấp nguồn hình tia có một đường nguồn thông thường. Nó đơn giản và kinh tế nhưng sự cố ở mạch cấp nguồn làm gián đoạn các tải phía hạ nguồn cho đến khi được cách ly và sửa chữa.
Phân phối hình vòng hoặc mạch vòng
Một vòng khép kín cung cấp hai hướng cấp điện khả dĩ. Nó cải thiện khả năng phục hồi nhưng đòi hỏi các thiết bị phân đoạn, thiết bị liên động và bảo vệ phù hợp với chế độ vận hành. Các mạng vòng nhỏ gọn có thể sử dụng các thiết bị như Tủ điện RMU cách điện khí SF6 LBHB-12.
Xe buýt hai đầu và xe buýt có khớp nối
Hai nguồn điện cấp cho các đoạn thanh cái riêng biệt thông qua một máy cắt liên lạc thanh cái. Máy cắt liên lạc này có thể thường mở hoặc thường đóng tùy thuộc vào công suất nguồn, mức độ dòng ngắn mạch và hệ thống bảo vệ. Chế độ chuyển đổi tự động phải ngăn ngừa việc đấu song song ngoài ý muốn trừ khi hệ thống được thiết kế cho việc đó.
Lựa chọn máy biến áp
Chọn kVA máy biến áp từ công suất nhu cầu đã tính toán, khởi động động cơ, nhiệt do sóng hài, điều kiện môi trường, dự phòng và dung lượng tương lai. Xác định điện áp sơ cấp và thứ cấp, dải điều áp, nhóm đấu dây, điện kháng (trở kháng), tổn thất, làm mát, cách điện, độ ồn và các phụ kiện. Trở kháng máy biến áp ảnh hưởng lớn đến dòng điện sự cố phía thứ cấp và độ sụt áp.
Hãy định cỡ máy biến áp dựa trên kết quả nghiên cứu tải thực tế thay vì chỉ dựa trên sơ đồ hệ thống. Hướng dẫn tính toán kích thước biến áp bao gồm lịch trình tải và quy trình lựa chọn; Hướng dẫn dung lượng máy biến áp giải thích về tính toán kVA, trong khi đó Hướng dẫn về kích thước chuẩn của máy biến áp Xử lý các ví dụ về xếp hạng và các thông số kích thước.
Của LBAJI Máy biến áp ngâm dầu 35 kV hỗ trợ phân phối điện áp cao hơn, trong khi một Trạm biến áp lắp ghép sẵn YBM-12 tích hợp đóng cắt trung thế, máy biến áp và phân phối hạ thế trong một thiết bị nhỏ gọn.
Ngắn mạch và định mức thiết bị
Tính toán dòng sự cố cực đại tại mỗi thanh cái để chọn công suất cắt của máy cắt, khả năng chịu đựng của thanh cái, chế độ làm việc của máy biến dòng (CT) và định mức chịu ngắn mạch của cáp. Đồng thời, tính toán dòng sự cố cực tiểu để các rơ-le và thiết bị bảo vệ duy trì độ nhạy ở các đầu xa. Cân nhắc công suất đóng góp từ lưới điện, máy phát, động cơ, tổng trở máy biến áp và các cấu hình vận hành.
Các thông số thiết bị phải vượt quá định mức sự cố dự kiến với đúng thời gian và tiêu chuẩn. Không được so sánh trực tiếp định mức cắt củaaptomat với định mức chịu đựng dòng ngắn mạch trong thời gian ngắn của thanh dẫn; chúng mô tả các chức năng khác nhau.
Phối hợp bảo vệ
Thiết bị bảo vệ gần vị trí sự cố nhất thông thường phải cô lập được sự cố trong khi các phần khỏe mạnh vẫn được duy trì cấp điện. Nghiên cứu phối hợp xem xét các đường cong thời gian-dòng điện, các phần tử tác động tức thời, dòng điện khởi động máy biến áp, dòng khởi động động cơ, đường cong giới hạn chịu đựng hư hỏng của cáp và khả năng chịu đựng của thiết bị. Các chức năng so lệch, chạm đất, có hướng và chống hỏng máy cắt có thể được yêu cầu ở cấp điện áp cao hơn hoặc đối với các tài sản quan trọng.
Hệ thống trung thế có thể sử dụng Tủ điện có thể tháo rời KYN28A-12. Đối với các ứng dụng cấp điện áp 40,5 kV, xem Tủ điện trung thế KYN61-40.5. Việc lựa chọn rơ-le và biến dòng (CT) cuối cùng phải tuân theo các nghiên cứu về sự cố và phối hợp.
Thiết kế hệ thống phân phối điện hạ thế
Tủ điện hạ thế phân phối dòng điện thứ cấp lớn thông qua các aptomat tổng, aptomat liên lạc và aptomat nhánh. Cần kiểm tra dòng điện của thanh dẫn, độ tăng nhiệt, khả năng chịu dòng ngắn mạch, hình thức phân cách, cấp bảo vệ chống xâm nhập và khả năng giảm thiểu hồ quang. Các tủ phân phối phía sau yêu cầu thiết bị đóng cắt nguồn vào có định mức phù hợp, thiết bị bảo vệ nhánh, thanh dẫn trung tính và tiếp địa bảo vệ, các vị trí dự phòng và nhận diện mạch rõ ràng.
Kích thước cáp và sụt áp
Việc lựa chọn cáp phải thỏa mãn dòng tải sau khi áp dụng các hệ số hiệu chỉnh lắp đặt, phối hợp thiết bị bảo vệ, độ sụt áp, khả năng chịu nhiệt ngắn mạch và các điều kiện cơ học/môi trường. Việc gom nhóm, nhiệt độ môi trường, điện trở suất nhiệt của đất, độ sâu chôn và sóng hài có thể làm giảm khả năng mang dòng. Các dây trung tính có thể cần được chú ý đặc biệt với các sóng hài bậc ba từ các tải một pha phi tuyến.
Nối đất
Việc nối đất hệ thống kiểm soát dòng sự cố và quá áp quá độ. Nối đất thiết bị liên kết các bộ phận dẫn điện để hở và hỗ trợ tác động bảo vệ nhanh chóng. Thiết kế bao gồm xử lý trung tính máy biến áp, các điện cực hoặc lưới nối đất, dây dẫn bảo vệ, liên kết, điện áp chạm/bước và chống sét. Các cài đặt bảo vệ chạm đất phải phù hợp với phương pháp nối đất đã chọn.
Độ tin cậy, khả năng bảo trì và an toàn
Độ tin cậy không đơn giản là việc thêm một nguồn thứ hai. Hãy xác nhận rằng mỗi nguồn, máy biến áp và phân đoạn thanh cái đều có thể mang tải sự cố yêu cầu và các sự cố chế độ chung được kiểm soát. Cung cấp các điểm cách ly an toàn, dao nối đất, thiết bị liên động, khoảng sáng không gian tiếp cận và thiết bị dễ bảo trì. Phân tích hồ quang điện, vận hành từ xa và kết cấu chống hồ quang có thể làm giảm rủi ro.
Tài liệu thiết kế và nghiên cứu
Sơ đồ một sợi là bản đồ tổng thể của hệ thống. Nó phải thống nhất với bảng tải, bảng cáp, dữ liệu thiết bị, bản vẽ bảo vệ và quy trình vận hành. Các nghiên cứu bắt buộc thường bao gồm phân tích dòng công suất, ngắn mạch, phối hợp bảo vệ, hồ quang điện, khởi động động cơ, nối đất và sóng hài.
Danh sách kiểm tra đánh giá thiết kế
- Xác nhận tất cả các chế độ vận hành và công suất nguồn.
- Đối chiếu tổng công suất biểu đồ phụ tải với định mức máy biến áp và máy phát điện.
- Kiểm tra sụt áp và hiệu suất khởi động động cơ.
- Kiểm tra dòng điện sự cố cực đại và cực tiểu tại mọi thanh cái.
- Xác nhận các thông số định mức cắt và chịu đựng của thiết bị.
- Chứng minh tính chọn lọc bảo vệ và bảo vệ thiết bị.
- Xem xét hệ thống nối đất, điện áp chạm/bước và bảo vệ quá áp.
- Kiểm tra các tuyến cáp, không gian uốn cong, khả năng tản nhiệt và khả năng tiếp cận.
- Kiểm tra nghiệm thu tại nhà máy (FAT), kiểm tra nghiệm thu tại công trường (SAT) và thử nghiệm vận hành (commissioning).
Các câu hỏi thường gặp
Hệ thống phân phối điện là gì?
Đây là mạng lưới các trạm biến áp, máy biến áp, thiết bị chuyển mạch, bảng điều khiển và dây dẫn chuyển tải điện năng từ nguồn đến tải cuối.
Sự khác biệt giữa cách phân phối theo đường tròn và vòng là gì?
Một hệ thống ray dẫn có một đường cung cấp thông thường. Một vòng cung cung cấp các hướng cung cấp thay thế và khả năng phục hồi tốt hơn nhưng đòi hỏi nhiều sự điều chỉnh và phối hợp bảo vệ hơn.
Những nghiên cứu nào là cần thiết để thiết kế phân phối?
Các nghiên cứu điển hình bao gồm dòng tải, ngắn mạch, phối hợp bảo vệ, tia điện, khởi động động cơ, nối đất và phân tích hài hòa.
Làm thế nào để chọn kích thước của máy biến áp?
Kích thước của biến tần được dựa trên nhu cầu đa dạng, nhiệm vụ sử dụng, việc khởi động động cơ, các xung điện, điều kiện môi trường xung quanh, tính khả dụng và công suất trong tương lai, tiếp theo là việc kiểm tra điện áp và sự cố.
Tại sao phải tính dòng điện lỗi tối thiểu?
Dòng điện lỗi tối thiểu xác nhận rằng hệ thống bảo vệ vẫn đủ nhạy để phát hiện và giải quyết các lỗi từ xa hoặc có điện trở cao trong thời gian quy định.
Từ thế hệ đến phụ tải cuối cùng
Hệ thống phân phối điện liên kết công ty điện lực hoặc máy phát điện với các máy biến áp, thiết bị đóng cắt, bảng điện chính, đường dây cấp nguồn, tủ điện và thiết bị sử dụng. Mỗi lần biến đổi điện áp sẽ đánh đổi dòng điện lấy chi phí cách điện và thiết bị. Cấu trúc топология (topological configuration) cũng phải cung cấp một đường dẫn sự cố xác định và cho phép cách ly phần nhỏ nhất có thể trên thực tế.
Hệ thống phân phối hiện đại và năng lượng phân tán
Hệ thống PV, pin, máy phát và các phụ tải có thể điều khiển có thể tạo ra dòng điện hai chiều và sự đóng góp sự cố thay đổi. Các biện pháp bảo vệ, chống vận hành tách đảo, đo đếm, nối đất và quy trình vận hành phải bao gồm mọi cấu hình nguồn. Đồng hồ kỹ thuật số và tự động hóa giúp cải thiện khả năng quan sát, nhưng mô hình một sợi (one-line) cơ bản và các cài đặt vẫn phải chính xác.
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:
- Các đơn vị SI của NIST đối với dòng điện điện tử — Các định nghĩa có thẩm quyền và mối quan hệ giữa ampe, vôn, oát và ôm.
- Hướng dẫn của NIST về các hệ số chuyển đổi điện SI — Hệ số chuyển đổi chính thức cho điện, từ tính, năng lượng và các đại lượng liên quan.
- Yêu cầu về an toàn điện của OSHA — Bối cảnh an toàn khi áp dụng các tính toán điện vào công việc truyền tải và phân phối điện.
