Hệ thống điện và an toàn điện: dòng điện đi từ nhà máy đến ổ cắm qua năm trạm và lớp bảo vệ | LUKATO AI
Công nghệ 12: theo dòng điện từ nguồn, truyền tải, phân phối đến tải và lớp bảo vệ; hai câu hỏi ở mỗi trạm, 13 phòng lab, mười bốn bẫy và 12 bài chọn lọc.
LUKATO AI · CÔNG NGHỆ 12 · HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ AN TOÀN ĐIỆN
NGUỒN · TRUYỀN TẢI · PHÂN PHỐI · TẢI · BẢO VỆ
Dòng điện đi từ nhà máy đến ổ cắm:
nguồn, truyền tải, phân phối,
tải và lớp bảo vệ
Bật công tắc, đèn sáng gần như tức thì, nhưng điện năng ấy đã đi qua máy phát, trạm tăng áp, đường dây dài hàng chục ki-lô-mét, trạm hạ áp, đường dây trong khu phố và dây trong tường rồi mới tới ổ cắm. Chuyên đề dắt một dòng điện đi hết quãng đường ấy qua năm trạm . Ở mỗi trạm chỉ cần hỏi hai câu: dòng điện bao nhiêu và dòng điện đi đường nào . Phần nào ngoài sách giáo khoa được ghi là kiến thức bổ sung; các con số của mô hình là số liệu minh họa.
- ① Vì sao điện năng được truyền đi xa ở điện áp rất cao rồi hạ xuống 220 V trước khi vào nhà?
- ② Dây nhỏ, dây dài hay tải ba pha lệch: cái nào làm dây nóng, điện áp tụt, và tụt bao nhiêu?
- ③ Cầu chì, aptomat, nối đất và thiết bị chống giật mỗi loại ngăn điều gì, và vì sao loại này không thay được loại kia?
5 trạm
nguồn, truyền tải, phân phối, tải và lớp bảo vệ
13 lab
phòng lab: xếp trạm, hành trình, dây, điện áp, ba pha, đấu sao, điện năng, động cơ, chọn dây, đường cong, chạm vỏ, tìm lỗi, phản xạ
14 bẫy
mỗi bẫy có mục, phòng lab và bài để quay lại luyện
12 bài
10 chọn đáp án, 1 đúng sai, 1 trả lời ngắn
01
Bản đồ chung
Năm trạm trên đường đi của dòng điện
Bật chiếc ấm đun nước 1800 W trong bếp, dây điện trong tường lập tức mang dòng khoảng \dfrac{1800}{220}\approx 8{,}2 A. Công suất ấy được một máy phát ở xa tạo ra gần như cùng lúc, đi qua trạm biến áp, đường dây cao áp, trung áp, hạ áp rồi mới tới ổ cắm. Trên đường đi, mỗi mét dây lấy đi một chút điện áp và tỏa một chút nhiệt; nếu dây quá nhỏ, thiết bị rò điện hay tải quá lớn thì phải có một lớp chặn dòng đúng lúc. Chuyên đề gom hành trình ấy thành năm trạm: nguồn , truyền tải , phân phối , tải , và lớp bảo vệ bao quanh cả bốn trạm kia.
Về an toàn khi học chuyên đề này
Các con số và mô hình ở đây là số liệu minh họa để hiểu nguyên lí. Học sinh không tự mở nắp tủ điện, không tự thay dây hay aptomat, không tự đấu nối dây nối đất, không tự đo hay sửa trên điện lưới: các việc ấy không tự làm, cần người có chuyên môn . Thấy nóng, khét, tia lửa, hay có người bị điện giật thì việc đầu tiên là báo người lớn; cách xử trí khi có người bị giật nằm ở mục 7.
↔ Hình rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đầy đủ.
Bản đồ năm trạm: bốn trạm nối tiếp và lớp bảo vệ bao quanh. Bấm vào một ô để đọc mô tả và số mục.
Năm trạm không phải năm loại thiết bị cố định mà là năm vai trò trong hành trình. Một bình ắc quy đang được sạc nhận điện năng để tích trữ, nên lúc ấy nó đứng ở trạm tải ; cũng bình ấy, khi mất lưới và cấp điện cho bóng đèn, lại đứng ở trạm nguồn . Vật thì không đổi, vai trò đổi nên chỗ đứng đổi. Gặp một thiết bị lạ, hãy hỏi nó đang tạo ra, chuyển đi, chia ra, dùng hay chặn dòng điện.
Năm trạm trong một bảng
Trạm
Việc làm
Thiết bị thường gặp
Mục
① NGUỒN
Tạo ra điện năng ở điện áp ban đầu
máy phát của nhà máy nhiệt điện, thủy điện, điện gió, điện mặt trời; máy phát dự phòng
② TRUYỀN TẢI
Đưa công suất đi xa với tổn hao nhỏ
trạm tăng áp, đường dây cao áp, trạm hạ áp khu vực
③ PHÂN PHỐI
Chia điện cho nhiều hộ, nhiều pha
đường dây trung áp, trạm biến áp đầu ngõ, dây hạ áp một pha và ba pha, tủ điện
④ TẢI
Biến điện năng thành ánh sáng, nhiệt, chuyển động
đèn, bếp, ấm, động cơ, máy điều hòa
⑤ BẢO VỆ
Chặn dòng nguy hiểm đúng lúc
cầu chì, aptomat, nối đất, thiết bị chống giật RCD
6, 7
Hai câu hỏi về dòng điện I
Câu 1: dòng điện bao nhiêu?
Dòng càng lớn thì dây càng nóng (nhiệt tỏa ra tỉ lệ với I^{2}R), điện áp càng tụt dọc dây (tỉ lệ với IR) và tổn hao càng nhiều. Các công cụ trả lời câu này: tiết diện dây, điện áp truyền tải, định mức của cầu chì và aptomat. Gặp ở mục 3, 5 và 6.
Câu 2: dòng điện đi đường nào?
Dòng làm việc đi theo dây pha, qua tải rồi về theo dây trung tính; ba pha chia dòng cho cân. Nếu dòng lọt sang đường khác, như vỏ thiết bị hay cơ thể người, đó là dòng rò và là nguy cơ điện giật. Công cụ: cân tải ba pha, nối đất, RCD. Gặp ở mục 4 và 7.
Từ điển một dòng: đưa chuột hoặc chạm vào chữ gạch chân
Thuật ngữ
Nghĩa ngắn
Mục
điện áp
Hiệu điện thế giữa hai điểm, đo bằng vôn
cường độ dòng điện
Lượng điện tích đi qua tiết diện dây mỗi giây, đo bằng ampe
công suất điện
Tốc độ truyền hoặc tiêu thụ điện năng, đo bằng oát
điện năng
Công suất nhân thời gian; đơn vị thường dùng là kWh
dây pha
Dây mang điện áp so với đất; ba pha có ba dây A, B, C
dây trung tính
Dây đưa dòng làm việc trở về nguồn, điện thế thường gần với đất
dây PE
Dây nối vỏ kim loại của thiết bị với hệ nối đất; bình thường không mang dòng làm việc
sụt áp
Phần điện áp mất trên dây dẫn do dây có điện trở
quá tải
Dòng lớn hơn định mức và kéo dài
ngắn mạch
Hai điểm có điện áp khác nhau nối với nhau qua điện trở rất nhỏ, dòng rất lớn
dòng rò
Phần dòng đi theo đường không dự định, như qua vỏ thiết bị hay qua người
Phòng lab 1: xếp thiết bị vào năm trạm
Đoán trước: hãy nghĩ xem máy biến áp đặt cạnh nhà máy để nâng điện áp thuộc trạm nào, rồi kiểm tra bằng câu hỏi dưới đây.
Một máy biến áp đặt cạnh nhà máy để nâng điện áp lên cao trước khi dây điện đi xa. Nó thuộc trạm nào?
Cách dùng phòng lab
Xếp từng thẻ bằng cách chạm thẻ rồi chạm ô, hoặc kéo thẻ thả vào ô. Sau khi bấm «Kiểm tra», thẻ đúng viền xanh và thẻ sai viền đỏ; dòng kết luận giải thích thẻ sai đầu tiên. Phòng lab này luyện bẫy 1.
Thử tay: gắn từng việc vào trạm khi bật ấm đun nước
Em bật ấm 1800 W cắm vào ổ cắm trong bếp. Dòng khoảng 8{,}2 A đi từ ổ cắm vào ấm. Dây trong tường dẫn dòng ấy, aptomat 16 A đặt ở đầu mạch thấy dòng chưa vượt định mức nên không ngắt, còn dây nối đất nối vỏ ấm vào hệ nối đất. Hãy gọi tên trạm cho từng việc.
Gợi ý 1 · Hai việc đầu
Chiếc ấm biến điện năng thành nhiệt: TẢI. Dây dẫn trong tường chia điện từ tủ điện tới các ổ cắm của nhà: PHÂN PHỐI.
Gợi ý 2 · Hai việc sau
Aptomat ngắt khi dòng vượt mức cho phép nên là lớp chặn dòng: BẢO VỆ. Dây nối đất là đường đi an toàn cho dòng rò: cũng BẢO VỆ.
Đáp án · cả hành trình
Ấm là TẢI, dây trong tường là PHÂN PHỐI, aptomat và dây nối đất là BẢO VỆ. Hai trạm đầu, NGUỒN và TRUYỀN TẢI, ở rất xa nhưng vẫn là một phần của dòng 8{,}2 A ấy: công suất của ấm được cung cấp từ nhà máy qua đường dây cao áp.
Chỗ hay trượt ở bản đồ chung
Bẫy 1: xếp thiết bị theo tên, thấy aptomat hay dây nối đất là «thiết bị điện» nên xếp chung với tải. Việc của chúng là chặn dòng và dẫn dòng sự cố, nên chúng thuộc lớp BẢO VỆ. Phòng lab 1 luyện cách hỏi «nó làm việc gì»; Bài 11 ở mục 10 xét các thiết bị thuộc lớp BẢO VỆ.
Mục 2 đi tới trạm đầu tiên: nguồn điện.
02
Trạm ① NGUỒN
Nhà máy, hệ thống điện và việc giữ cân bằng công suất
Chiều muộn, cả khu phố bật điều hòa. Ở đâu đó trong hệ thống, một máy phát phải đẩy thêm công suất vào lưới đúng lúc ấy. Điện năng chưa được cất giữ ở quy mô lớn dễ dàng như nước trong một cái hồ, nên công suất phát và công suất dùng phải được giữ gần khớp nhau tại từng thời điểm; nói gọn, công suất phát bằng công suất tải cộng tổn hao trên dây (kiến thức bổ sung về vận hành lưới). Trạm NGUỒN vì thế không chỉ là «chỗ ra điện» mà còn là chỗ điều chỉnh để theo kịp nhu cầu.
Mỗi loại nhà máy là một chuỗi biến đổi năng lượng
Máy phát điện xoay chiều có cuộn dây chuyển động trong từ trường (hoặc từ trường quay quanh cuộn dây), nên trong cuộn dây xuất hiện suất điện động cảm ứng hình sin; ở Việt Nam tần số là 50 Hz. Điều khác nhau giữa các nhà máy là cái gì làm quay máy phát .
Nhà máy
Năng lượng đầu vào
Chuyển hóa
Điều cần nhớ
Nhiệt điện
Nhiệt từ đốt nhiên liệu
Nhiệt làm nóng hơi nước, hơi quay tua-bin nối máy phát
Công suất điều chỉnh được theo lượng nhiên liệu (kiến thức bổ sung)
Thủy điện
Thế năng của nước
Nước từ cao xuống làm quay tua-bin nối máy phát
Điều chỉnh nhanh bằng lượng nước (kiến thức bổ sung)
Điện gió
Động năng của gió
Cánh quạt quay máy phát
Công suất đổi theo sức gió
Điện mặt trời
Ánh sáng
Pin cho dòng điện một chiều, bộ nghịch lưu đổi sang xoay chiều
Công suất đổi theo nắng, gần như bằng không khi trời tối (kiến thức bổ sung)
↔ Hình rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đầy đủ.
Sơ đồ một đường: mỗi lần đổi cấp điện áp là một máy biến áp. Các số liệu là số liệu minh họa theo các cấp thường gặp.
Các cấp điện áp: nói gọn, một thang bốn nấc
Điện năng không đi suốt hành trình ở cùng một điện áp. Bảng sau gọi tên các nấc (số liệu minh họa theo các cấp thường gặp ở Việt Nam, kiến thức bổ sung):
Nấc
Điện áp thường gặp
Làm việc gì
Phát
vài kV đến hơn chục kV
Máy phát tạo ra điện năng ở điện áp còn thấp so với đường dây dài
Cao áp
110 kV, 220 kV, 500 kV
Đưa công suất lớn đi xa với dòng điện nhỏ
Trung áp
22 kV, 35 kV
Đưa điện tới từng khu dân cư, nhà máy nhỏ
Hạ áp
0{,}4 kV, tức 380/220 V
Vào nhà và vào thiết bị: một pha 220 V, ba pha 380 V
Vì sao phải đổi nấc? Mục 3 trả lời: điện áp cao giúp dòng nhỏ, còn điện áp thấp là điện áp mà thiết bị trong nhà chịu được và con người dùng được. Máy biến áp là thiết bị làm cầu nối giữa hai nấc; nó làm việc với dòng xoay chiều, và nếu bỏ qua hao hụt thì công suất vào gần bằng công suất ra, nên điện áp tăng bao nhiêu lần thì dòng điện giảm bấy nhiêu lần.
Phòng lab 2: đi theo công suất từ máy phát đến ổ cắm
Đoán trước: cuối chiều, tải của cả khu phố tăng nhanh. Phía nguồn phải làm gì?
Cuối chiều cả khu phố bật điều hòa nên công suất tải tăng nhanh. Điều gì phải xảy ra ở phía nguồn để lưới vẫn cân bằng?
Cách dùng phòng lab
Bấm «Bước tiếp» để đi qua từng nấc, hoặc bấm «Tự chạy» để xem cả hành trình (nếu máy đang bật chế độ giảm chuyển động thì chỉ dùng nút bước). Ở mỗi bước, bảng bên dưới cho biết điện áp, trạm đang đứng và dòng điện tương đối khi công suất giữ nguyên. Phòng lab này luyện bẫy 2.
Đồ thị phụ tải: vì sao nguồn phải linh hoạt
↔ Hình rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đầy đủ.
Phụ tải trong một ngày điển hình (số liệu minh họa). Phần tải nền thấp nhất khoảng 45 phần trăm đỉnh; chênh lệch tới đỉnh tối là phần phải tăng giảm theo giờ.
Nhìn đồ thị, tải thấp nhất vào rạng sáng và có hai đỉnh, một đỉnh buổi sáng và một đỉnh buổi tối. Với số liệu minh họa này, phần tải nền khoảng 45 phần trăm đỉnh; đến đỉnh tối cần thêm 100-45=55 phần trăm đỉnh nữa. Nhà máy chạy ổn định thường đảm nhận phần nền, còn phần tăng giảm theo giờ cần nguồn điều chỉnh nhanh (kiến thức bổ sung). Điện gió và điện mặt trời đổi theo thời tiết, nên càng nhiều nguồn như vậy thì lưới càng cần nguồn linh hoạt và cách điều phối cẩn thận.
Máy phát dự phòng: một chuỗi nhiều mắt xích
Khi lưới mất điện, một tòa nhà quan trọng có thể dùng máy phát dự phòng cấp điện cho các tải thiết yếu qua bộ chuyển nguồn tự động (ATS, kiến thức bổ sung). Chuỗi này gồm nhiều mắt xích: nguồn khởi động, nhiên liệu, bản thân máy phát, bộ chuyển nguồn và chính các tải thiết yếu. Một mắt xích hỏng thì cả chuỗi hỏng, mà ngày thường, nếu không kiểm tra, khó nhận ra mắt xích nào đã yếu đi. Vì thế phải thử chuyển tải theo kế hoạch có kiểm soát và ghi lại kết quả. Việc thử này do người có chuyên môn thực hiện, học sinh không tự làm.
Thử tay: đọc đồ thị phụ tải và tính phần cần nguồn linh hoạt
Giả sử đỉnh tối của một vùng điện là 2000 MW và đường phụ tải có dạng như hình, với phần tải nền bằng 45 phần trăm đỉnh. Phần công suất cần các nhà máy tăng giảm theo giờ, tính từ tải nền lên đỉnh tối, là bao nhiêu megaoát? (số liệu minh họa)
Gợi ý 1 · Đổi phần trăm ra megaoát
Tải nền bằng 45 phần trăm của 2000 MW, tức 0{,}45\cdot 2000=900 MW.
Gợi ý 2 · Phần chênh
Phần cần tăng giảm theo giờ là hiệu giữa đỉnh và tải nền.
Đáp án
2000-900=1100 MW, tức 55 phần trăm đỉnh. Phần nền 900 MW do nhà máy chạy ổn định đảm nhận; 1100 MW còn lại cần nguồn điều chỉnh nhanh hoặc nguồn bổ sung.
Chỗ hay trượt ở trạm nguồn
Bẫy 2: «máy chủ có bộ lưu điện UPS thì chạy mãi khi mất lưới». UPS giữ điện trong thời gian ngắn vì ắc quy có dung lượng hữu hạn (kiến thức bổ sung): phải so dung lượng với công suất tải và thời gian cần chạy, rồi thử định kì. Phòng lab 2 cho thấy điện năng đi qua nhiều nấc mới tới tay người dùng, nên một nấc hỏng là cả hành trình hỏng. Bài 1 ở mục 10 xét nguồn dự phòng bằng máy phát.
Mục 3 đi vào trạm truyền tải và nói vì sao dây dẫn có điện trở lại quan trọng đến thế.
03
Trạm ② TRUYỀN TẢI
Dây dẫn có điện trở: sụt áp, tổn hao và vì sao phải nâng điện áp
Nhìn từ xa, sợi dây đồng giống một con đường hoàn hảo cho dòng điện. Nhìn kĩ hơn, nó là một điện trở rất nhỏ nhưng không bằng không. Dòng điện đi qua sẽ để lại hai dấu vết: điện áp tụt dọc dây và nhiệt tỏa ra trong dây. Hai dấu vết ấy cùng sinh ra từ một đại lượng, điện trở dây, nên chúng cho ta ba núm chỉnh: chiều dài, tiết diện và dòng điện. Truyền tải đường dài chỉ là cách chỉnh núm thứ ba bằng điện áp.