Một số phân tích, đánh giá ảnh hưởng của phương thức nối đất điểm trung tính đến hệ thống bảo vệ rơ le trên lưới điện 35kV ở Tổng công ty Điện lực miền Bắc

Bài viết trình bày tổng quan về lưới điện 35kV của Nghệ An, Bắc Ninh và các tính toán, đánh giá và phân tích sự thay đổi dòng điện ngắn mạch trên xuất tuyến 371E27.2 Bắc Ninh trong ba phương thức nối đất khác nhau của điểm trung tính.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 MỘT SỐ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG THỨC NỐI ĐẤT ĐIỂM TRUNG TÍNH ĐẾN HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠ LE TRÊN LƯỚI ĐIỆN 35kV Ở TỔNG CÔNG TY ĐIỆN LỰC MIỀN BẮC ANALYSIS ON THE IMPACT OF NEUTRAL POINT GROUNDING MODE TO RELAY PROTECTION SYSTEM ON 35kV NETWORKS OF NORTHERN POWER COMPANY CORPORATION Trần Thanh Sơn1,*, Nguyễn Phúc Huy1, Trần Anh Tùng1, Vũ Thị Thu Nga1, Đặng Việt Hùng1, Trần Đình Long1,2 TĨM TẮT Hiện nay, lưới điện trung áp tồn nhiều phương thức nối đất điểm trung tính (cách ly, trực tiếp, qua cuộn dập hồ quang qua tổng trở), phương thức có ưu, nhược điểm khác nhau, việc lựa chọn phương thức nối đất phù hợp phụ thuộc vào quan điểm an toàn, kỹ thuật kinh tế Bài báo trình bày tổng quan lưới điện 35kV Nghệ An, Bắc Ninh tính tốn, đánh giá phân tích thay đổi dòng điện ngắn mạch xuất tuyến 371E27.2 Bắc Ninh ba phương thức nối đất khác điểm trung tính Từ kết tính tốn, ảnh hưởng thay đổi chế độ nối đất điểm trung tính tới hệ thống bảo vệ rơ le phân tích chi tiết Từ khóa: Điểm trung tính, nối đất trực tiếp; trung tính cách ly, nối đất qua cuộn dập hồ quang, nối đất qua tổng trở, lưới điện phân phối 35kV ABSTRACT Nowaday, there are many neutral grounding modes in medium voltage distribution networks such as ungrounded neutral, solid grounding, grounding via Petersen coil and grounding via impedance; Each has advantages and disadvantages The mode selection depends on technical, economical and safety analysis This paper present an overview of 35kV networks of Bac Ninh and Nghe An A detailed short circuit analysis is considered for 371E27.2 Bac Ninh in three grounding modes and its impact on relay protection systems Keywords: Neutral point, solid grounding, ungrounded neutral, grounding via Petersen coil, grounding via impedance, 35kV distribution network Khoa Kỹ thuật điện, Trường Đại học Điện lực Hội Điện lực Việt Nam * Email: sontt@epu.edu.vn Ngày nhận bài: 02/11/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 25/12/2021 Ngày chấp nhận đăng: 27/12/2021 GIỚI THIỆU CHUNG Hiện nay, hệ thống điện chế độ nối đất điểm trung tính lưới điện phân phối trung áp có ảnh hưởng lớn đến tiêu kinh tế, kỹ thuật đặc biệt vấn đề an toàn Trên thực tế, tồn 04 phương thức nối đất điểm trung tính lưới điện gồm: trung tính cách ly, trung nối đất trực tiếp, trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang (cuộn pertersen) trung tính nối đất qua tổng trở Mỗi phương thức nối đất có ưu, nhược điểm khác Trên giới, lưới điện phân phối nước khác có lựa chọn phương thức nối đất khác dựa quan điểm kinh tế - kỹ thuật, an tồn phù hợp, Mỹ, Canada lựa chọn trung tính nối đất trực tiếp; Bỉ, Pháp, Anh lựa chọn trung tính nối đất qua tổng trở; Italia, Nhật Bản, Na Uy lựa chọn trung tính cách ly; lưới nơng thơn Đức Anh sử dụng phương thức nối đất qua cuộn Petersen Phương thức nối đất khác có ảnh hưởng khác tới q dịng điện điện áp có cố chạm đất lưới điện, phụ thuộc nhiều vào hiệu hệ thống nối đất đầu nguồn [1-3] Tại Việt Nam, Thơng tư số 39/2015/TT-BCT quy định điểm trung tính lưới điện 22kV nối đất trực tiếp [4] Trường hợp trung tính nối đất trực tiếp sử dụng mạng pha - dây có ưu điểm giảm điện áp, cách điện thiết bị phải thiết kế với điện áp pha xảy ngắn mạch pha chạm đất, loại ngắn mạch chiếm tỉ lệ cao lưới trung áp Tuy nhiên, phương thức có nhược điểm dịng ngắn mạch lớn, điện áp tiếp xúc điện áp bước vượt giá trị cho phép gây nguy hiểm cho người vận hành người dân Trường hợp trung tính nối đất qua điện trở nhỏ có ưu điểm dòng cố chạm đất pha nhỏ giúp thiết bị đóng/cắt làm việc ổn định có độ bền cao, giảm chi phí sửa chữa thay thế, điện áp bước điện áp tiếp xúc nằm giới hạn cho phép, nhiên phương thức nối đất có nhược điểm gây độ điện áp pha khơng chạm đất, làm phóng điện điểm cách điện yếu pha gây cố ngắn mạch nhiều pha [5] 10 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Trong hệ thống bảo vệ rơ le, bảo vệ chống chạm đất phụ thuộc nhiều vào phương thức nối đất trung điểm, sử dụng dòng điện cố chạm đất để chọn độ nhạy loại rơ le phù hợp Trường hợp nối đất trực tiếp, có dịng điện chạm đất lớn, yêu cầu phải cắt đường dây để loại bỏ cố khỏi hệ thống, rơ le dịng q dịng có hướng sử dụng phổ biến để bảo vệ cố chạm đất cho hệ thống Một cách tiếp cận sử dụng rộng rãi giới để giới hạn dòng cố lắp đặt điện trở nối đất trung tính mạng phân phối để hạn chế điện áp độ chạy qua điểm trung tính máy biến áp máy phát điện đến giá trị an tồn có cố [6]; nhiên, trường hợp mức cách điện thiết bị phải lựa chọn điện áp dây, có khả gây áp nội tượng cộng hưởng (nếu nối qua cuộn kháng), phải cắt đường dây có cố chạm đất, độ nhạy bảo vệ phụ thuộc vào chiều dài tuyến dây, công suất nhiệt thất thoát lớn (nếu nối qua điện trở) Trong thực tế việc đánh giá, lựa chọn phương thức nối đất phù hợp nhằm thỏa mãn điều kiện không thể, tùy theo quan điểm đánh lựa chọn phương thức nối đất khác dựa tiêu chí kinh tế - kỹ thuật Bài báo phân tích đánh giá ảnh hưởng chế độ nối đất khác tới hệ thống bảo vệ rơ le lưới điện 35kV thông qua kết tính tốn ngắn mạch cho xuất tuyến 35kV điển hình thuộc lưới điện tỉnh Bắc Ninh Tổng công ty Điện lực Miền Bắc PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để phân tích đánh giá ảnh hưởng chế độ nối đất khác tới hệ thống bảo vệ rơ-le hữu lưới điện 35kV, xuất tuyến 35kV điển hình xây dựng mơ tính tốn ngắn mạch phần mềm ETAP [7] Việc tính tốn dịng ngắn mạch thực phương pháp thành phần đối xứng thông qua sơ đồ thay thứ tự thuận, nghịch không lưới điện tuân theo tiêu chuẩn IEC 60909 [8] Từ kết tính tốn ngắn mạch đó, chức bảo vệ cài đặt phù hợp với lưới điện cụ thể Đối với lưới điện 35kV, trung tính cách ly, có ngắn mạch chạm đất điểm trung tính khơng thể trì điện đất điện áp pha lành đất tăng đạt điện áp đường dây, rơ le điện áp thứ tự khơng ba pha phát cố chạm đất Tuy nhiên, phương pháp phát cố khơng có tính chọn lọc yêu cầu ngắt kết nối cách ly nhánh để xác định nhánh cố Do vậy, bảo vệ chạm đất độ nhạy cao, có hướng phản ứng với thành phần dòng điện thứ tự không thành phần điện áp thứ tự không, xác định vị trí cố, thay điển hình cho phương pháp phát cố Đối với lưới trung tính nối đất trực tiếp, cố chạm đất xuất dòng điện chạm đất lớn, yêu cầu phải cắt đường dây để loại bỏ cố khỏi hệ thống Rơ le q dịng q dịng có hướng sử dụng phổ biến để bảo vệ cố chạm đất cho hệ thống Website: https://jst-haui.vn Thời gian tác động chức dòng 51 thường xác định theo đặc tính thời gian phụ thuộc bảo vệ (hình 1) Hình Đặc tính thời gian phụ thuộc theo tiêu chuẩn IEC 60255 ứng với TMS = Phương trình thời gian bảo vệ xác định [9] theo biểu thức (1): Dốc bình thường t  T M S ,1 I 1 ,02 r Cực dốc t  T M S 80 I 1 r Rất dốc t  T M S (1) 3, Ir  đó: Ir = IN/Iđặt, IN Iđặt giá trị dòng ngắn mạch dòng cài đặt bảo vệ rơ le; TMS hệ số cài đặt thời gian tác động Trong báo này, nghiên cứu tính tốn tác động bảo vệ rơ le thực chức bảo vệ sử dụng cài đặt cho xuất tuyến 35kV thuộc lưới điện Tổng công ty Điện lực Miền Bắc GIỚI THIỆU LƯỚI ĐIỆN 35kV TRONG MÔ PHỎNG Theo thống kê, lưới điện 35kV chiếm khoảng 60% tỉ trọng toàn lưới điện phân phối Tổng công ty Điện lực Miền Bắc quản lý Do vấn đề lịch sử, có thay đổi chế độ trung tính mạng điện mà hầu hết lưới điện 35kV làm việc với chế độ trung tính cách ly Các trường hợp lưới điện cụ thể xem xét thuộc Công ty Điện lực Bắc Ninh Công ty Điện lực Nghệ An với đặc điểm phụ tải bán kính cấp điện lớn Cơng ty Điện lực Nghệ An quản lý địa bàn có 15 trạm biến áp 110kV 11 trạm sử dụng hai máy biến áp 110kV vận hành song song [10] Các máy biến áp đa phần máy biến áp ba cuộn dây với điện áp định mức Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 11 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 phía 115/38,5/23kV (11kV) (trong cuộn 23kV có lựa chọn đầu cấp điện áp 11kV), 115/38,5/23kV 115/38,5/11kV Chế độ điểm trung tính cuộn 35kV máy biến áp 110kV tỉnh Nghệ An thống kê bảng Bảng Thống kê chế độ điểm trung tính cuộn 35kV máy biến áp 110kV lưới điện tỉnh Nghệ An Chế độ điểm trung tính cuộn 35kV Số lượng/Tổng số MBA 110kV (3 cuộn dây) Trung tính cách ly 13/24 Nối đất qua cuộn Petersen 11/24 Các đường dây 35kV Công ty Điện lực Nghệ An 52 đường dây có đường dây dự phịng Tổng số chiều dài đường dây vào khoảng 3620km, chiều dài trung bình đường dây 35kV vào khoảng 70km, cá biệt có đường dây 371 E15.14 Thị trấn Hịa Bình có đường trục dài tổng chiều dài đường dây lên đến 325km Số lần cố xảy lưới điện lớn chủ yếu cố ngắn mạch hai pha ngắn mạch pha Công ty Điện lực Bắc Ninh quản lý 26 trạm biến áp 110kV với tổng số máy 46 máy tổng cơng suất đặt 2588,8MVA, cấp điện cho tồn tỉnh Bắc Ninh với phụ tải cực đại 1200MW [11] Các máy biến áp 110kV làm việc với chế độ trung tính cách ly phía 35kV hệ số mang tải 60% Lưới điện trung áp gồm 193 lộ với tổng chiều dài 1983,8km có 950,03 km đường dây 35kV Toàn lưới 35kV tỉnh Bắc Ninh trang bị 155 recloser, 144 tủ điện hợp RMU, 40 thiết bị đóng cắt LBS, 1689 dao cách ly 1516 cầu chì tự rơi, FCO, LBFCO MƠ PHỎNG TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ Trong mơ phỏng, thơng số dịng ngắn mạch 35kV cập nhật theo số liệu cung cấp từ Trung tâm điều độ hệ thống điện Miền Bắc (A1) Máy biến áp 110kV trạm mô theo hồ sơ kỹ thuật trạm Để xét ảnh hưởng phương thức nối đất điểm trung tính tới hệ thống bảo vệ rơle, 03 trường hợp tính tốn thực sau:  Điểm trung tính cách ly;  Điểm trung nối đất trực tiếp  Điểm trung tính nối đất qua máy biến áp tạo trung tính giả: Cuộn 35kV nối tam giác nên để tạo điểm trung tính nối đất, ta sử dụng máy biến áp tạo trung tính hình Hình Phương án tạo trung tính giả phía 35kV Các đường dây khai báo theo hồ sơ kỹ thuật Công ty Điện lực Bắc Ninh cung cấp không xét tới dung dẫn đường dây khơng q trình mơ Các thành phần điện trở điện kháng thứ tự Nghịch (R2, X2), Không ((R0, X0)) xác định thông qua thành phần thứ tự Thuận (R1, X1) sau: R2 = R1; X2 = X1; R0 = 1,435.R1; X0 = 3,334.X1 Bảng 2a Kết tính tốn dịng điện ngắn mạch đầu xuất tuyến (kA) Chế độ điểm trung tính Nối đất trực tiếp Cách ly Nối đất qua MBA tạo trung tính nối đất NM ba pha 4,441 4,441 4,441 NM pha NM hai chạm đất pha 4,406 3,846 3,846 2,156 3,846 NM hai pha chạm đất 4,424 3,846 3,965 Bảng 2b Kết tính tốn dịng điện ngắn mạch cuối xuất tuyến (kA) Hình Sơ đồ kết dây xuất tuyến 371 E27.2 Với đặc điểm lưới điện địa phương, so sánh với nhu cầu cần xem xét ảnh hưởng chế độ làm việc điểm trung tính tới bảo vệ rơ le, xuất tuyến 371-E27.2 Cơng ty Điện lực Bắc Ninh lựa chọn có sơ đồ kết dây hình Dây dẫn xuất tuyến chủ yếu loại AC 50, 70, 95 120mm2 Xuất tuyến cấp điện từ máy biến áp có cơng suất 40MVA trạm 110kV E27.2 Cơng suất cực đại phía 35kV 28,1MW hệ số mang tải 78,06% Chế độ điểm trung tính NM ba pha NM pha NM hai chạm đất pha NM hai pha chạm đất Nối đất trực tiếp 1,380 0,933 1,195 1,287 Cách ly 1,380 1,195 1,195 Nối đất qua MBA tạo trung tính nối đất 1,380 0,764 1,195 1,261 Bảng 2a 2b trình bày kết tính tốn ngắn mạch tương ứng đầu xuất tuyến cuối xuất tuyến ba trường hợp nối đất điểm trung tính Để bảo vệ cho xuất tuyến, đầu xuất tuyến đặt bảo vệ với chức bảo vệ dòng, dòng cắt nhanh bảo vệ điện áp Trị số cài đặt rơle bảo vệ bảng 12 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Bảng Trị số cài đặt rơle bảo vệ máy cắt đầu xuất tuyến KẾT LUẬN Chức bảo vệ Kết khảo sát tình hình lưới điện số cơng ty Điện lực miền Bắc cho thấy nhiều đường dây trạm biến áp 35kV với phương thức điểm trung tính phần lớn cách ly nối đất qua cuộn dập hồ quang Phương thức ảnh hưởng lớn tới hệ thống bảo vệ rơle Qua phân tích tính tốn dịng ngắn mạch cho xuất tuyến 371 E27.2 Công ty Điện lực Bắc Ninh ba phương thức điểm trung tính cách ly, nối đất trực tiếp, nối đất sử dụng máy biến áp tạo trung tính cho thấy phương thức nối đất điểm trung tính lưới 35kV có ảnh hưởng lớn tới thời gian tác động bảo vệ rơle Sử dụng phương thức nối đất trực tiếp điểm trung tính nối đất qua MBA tạo trung tính giả làm bảo vệ dòng tác động Đây sở để triển khai nghiên cứu vấn đề kỹ thuật, kinh tế an toàn tiến tới xem xét khả đề xuất quy định nối đất trực tiếp điểm trung tính lưới điện 35kV Quá dòng Quá dòng cắt nhanh Bảo vệ điện áp Cấp bảo vệ I> I>> I>>> 3U0 Trị số dòng Thời gian Tự đóng lại (A) cắt (s) (s) 360 1,7 4,0 3000 0,3 4600 0,0 50 4,0 4,0 Từ kết tính thời gian tác động độ nhạy bảo vệ thay đổi phương thức nối đất điểm trung tính tới tác động bảo vệ rơle bảng Bảng Thời gian tác động (s) độ nhạy bảo vệ dòng ngắn mạch đầu xuất tuyến Thời gian tác động (s) Chế độ điểm trung tính NM ba pha Nối đất trực tiếp 0,3 Cách ly 0,3 Nối đất qua MBA tạo trung tính nối đất 0,3 NM NM hai Độ nhạy NM hai pha chạm pha chạm pha đất đất 0,3 0,3 0,3 1,282 Bảo vệ q dịng khơng 0,3 0,3 1,282 tác động 1,7 0,3 0,3 1,282 Kết xác định thời gian tác động bảo vệ bảng cho thấy:  Khi ngắn mạch ba pha bảo vệ dòng tác động cắt với thời gian 0,3s cho ba phương thức điểm trung tính;  Trong trường hợp ngắn mạch pha chạm đất bảo vệ q dịng khơng tác động phương thức điểm trung tính cách ly Bảo vệ dòng cắt thời gian 0,3s phương thức điểm trung tính nối đất trực tiếp 1,7s phương thức nối đất qua MBA tạo trung tính nối đất;  Trường hợp ngắn mạch hai pha hai pha chạm đất bảo vệ dòng tác động với thời gian cắt 0,3s Khi thay đổi phương thức nối đất điểm trung tính từ trung tính cách ly sang nối đất trực tiếp nối đất qua MBA tạo trung tính nối đất, cố ngắn mạch chạm đất xuất dòng chạm đất lớn, bảo vệ dòng thứ tự không đủ độ nhạy để tác động loại bỏ cố với thời gian cài đặt chức bảo vệ Hiện tại, để đảm bảo an toàn cung cấp điện, hệ thống bảo vệ xuất tuyến 371-E27.2 Công ty Điện lực Bắc Ninh cài đặt thêm chức bảo vệ 3U0 với trị số đặt 50V (bảng 3) Trong trường hợp điểm trung tính cách ly, kết tính tốn 3U0 nhóm xảy ngắn mạch pha chạm đất đầu xuất tuyến cho giá trị 85,7V So sánh với giá trị đặt ta thấy bảo vệ điện áp tác động ngắn mạch pha chạm đất với độ nhạy 1,714 Bảo vệ tác động tự đóng lại sau 4s Website: https://jst-haui.vn LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả trân trọng cảm ơn Hội Điện lực Việt Nam, Tổng công ty Điện lực Miền Bắc, Công ty Điện lực Bắc Ninh, Công ty Điện lực Nghệ An phối hợp cung cấp số liệu tài trợ cho nhóm tác giả thực nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Drandic, A.Marusic, M Drandic, J Havelka, 2017 Power system neutral point grounding Journal of Energy, vol 66 (2017) Special issue, p.52-68 [2] Nguyen Luong Minh, Vo Nhu Quoc, 2010 Studying the influence of the grounding system on overvoltage and overcurrent in the event of a ground fault in the distribution grid 22 kV phase wire and phase wire Electricity & Life Review, p.12-17 [3] Nguyen Luong Minh, Tran Vinh Tinh, 2012 Overvoltage and overcurrent during single phase ground fault of 22kV distribution network http://nangluongvietnam.vn/stores/customer_file/Maithang/112012/18/Qua_ dien_ap_2.pdf [4] Circular No 39/2015/TT-BCT dated 18/11/2015 of the Minister of Industry and Trade regulating the distribution power system [5] Bui Ngoc Thu, 2005 Mang cung cap va phan phoi dien Science and Technics Publishing House, Hanoi [6] L Yu, R L Henriks, 1991 Selection of system neutral grounding resistor and ground fault protection for industrial power systems Industry Applications Society 38th Annual Petroleum and Chemical Industry Conference, Toronto, Ontario, Canada, 1991, pp 147-153 [7] Manual Guide, Electrical Power System Analysis & Operation Software (ETAP) [8] IEC 60909, Short-circuit currents in three-phase ac systems [9] IEC 60255-151:2009, Measuring relays and protection equipment - Part 151: Functional requirements for over/under current protection [10] Power company of Bac Ninh Technical documents for distribution grid 35kV [11] Power company of Nghe An Technical documents for distribution grid 35kV AUTHORS INFORMATION Tran Thanh Son1, Nguyen Phuc Huy1, Tran Anh Tung1, Vu Thi Thu Nga1, Dang Viet Hung1, Tran Dinh Long1,2 Faculty of Electrical Engineering, Electric Power University Vietnam Electrical Engineering Association Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 13 ... áp tạo trung tính cho thấy phương thức nối đất điểm trung tính lưới 35kV có ảnh hưởng lớn tới thời gian tác động bảo vệ r? ?le Sử dụng phương thức nối đất trực tiếp điểm trung tính nối đất qua... công ty Điện lực Miền Bắc PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để phân tích đánh giá ảnh hưởng chế độ nối đất khác tới hệ thống bảo vệ rơ- le hữu lưới điện 35kV, xuất tuyến 35kV điển hình xây dựng mơ tính tốn... tuyến 35kV thuộc lưới điện Tổng công ty Điện lực Miền Bắc GIỚI THIỆU LƯỚI ĐIỆN 35kV TRONG MÔ PHỎNG Theo thống kê, lưới điện 35kV chiếm khoảng 60% tỉ trọng toàn lưới điện phân phối Tổng công ty Điện