Nghiên cứu quá điện áp sét và bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện709

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN QUANG THUẤN NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT VÀ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TUA BIN GIÓ CÓ KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 62520202 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội - 2016 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Trần Văn Tớp TS Phạm Hồng Thịnh Phản biện 1: GS.TS Lê Kim Hùng Phản biện 2: PGS TS Lê Văn Doanh Phản biện 3: TSKH Trần Kỳ Phúc Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 08 30, ngày 12 tháng 01 năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Thuan Q Nguyen, Thinh Pham, Top V Tran (2013), “Analysis of overvoltage cause by lightning in windfarm”, Journal of Science & Technology Technical Universities, № 95, p.46-50 Thuan Q Nguyen, Thinh H Pham, Top V Tran (2014), “Calculation de la tension induite dans des câbles de contrôle et électrique dans une turbine éolienne”, Conférence Francophone sur l'Ecoconception en Génie Electrique (CONFREGE), Albi, France, 26&27 mai 2014 Top V Tran, Thinh H Pham, Thuan Q Nguyen (2014), “La mise en oeuvre des énergies éolienne au Vietnam”, Conférence Francophone sur l'Ecoconception en Génie Electrique (CONFREGE), Albi, France, 26&27 mai 2014 Nguyễn Quang Thuấn, Trần Văn Tớp Phạm Hồng Thịnh (2014), “Xác định số lần sét đánh trực tiếp tua bin gió điều kiện Việt Nam”, Tạp chí khoa học Cơng nghệ trường đại học kỹ thu ật, số 102 trang 12-16 MỞ ĐẦU Trong nguồn lượng tái t ạo mặt trời, gió, sinh khối, sóng biể n, thủy triều, thủy điện nhỏ, địa nhiệt lượng gió đánh giá nguồn triển vọng giầu tiềm năng, dễ khai thác quy mô lớn, thân thiện với mơi trường gây ảnh hưởng xấu mặt xã hội Do nguồn lượng đã, nhiều quốc gia giới quan tâm phát triển, có Việt Nam Tuy vậy, tua bin điện gió (WT) cơng trình cao, thường lắp đặt địa hình trổng trải nên chúng bị sét đánh Thực tế vận hành điện gió nhiều quốc gia giới cho thấy, hàng năm có nhiều WT phải chịu ảnh hưởng điện áp (QĐA) sét đánh trực tiếp sét c ảm ứng lan truyền gây cố nghiêm trọng, thiệt hại lớn kinh tế ảnh hưởng không nhỏ đến độ tin cậy hệ thống Vì vấn đề nghiên c ứu bảo vệ chống sét WT gió nhiều t ổ chức cá nhân quốc tế quan tâm nghiên c ứu năm gần Tuy nhiên vấn đề phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu t ố mật độ sét, thông số dịng điện sét, vị trí sét đánh, địa hình lắp đặt - vận hành WT, đặc điểm WT, phương thức kết nối WT, đặc điểm lưới điện, phương thức nối đất, phương pháp mơ hình phần tử, phương pháp tính tốn mơ q trình độ điện từ Các lý cho thấy việc “Nghiên cứu điện áp sét bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện” yêu cầu cấp thiết phương diện lý luận thực tiễn Đặc biệt với Việt Nam, quốc gia thúc đẩy phát triển mạnh mẽ nguồn lượng gió, nhu cầu làm chủ kỹ thuật chống sét cho WT việc đào tạo chuyên gia lĩnh vực Mục đích luận án nhằm i) Tìm hiểu đặc trưng bả n WT phương pháp tính toán chống sét cho WT; ii) Xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT phù hợp với cơng trình động (đầu thu sét gắn cánh quay gió làm vi ệc); iii) Nghiên cứu QĐA sét cảm ứng hệ thống điện hệ thống điều khiển (HTĐ&ĐK) WT, nghiên cứu QĐA sét lan truyền trang trại gió (WF); từ iv) Đề xuất biện pháp phối hợp cách điện để hạn chế QĐA sét WT WF - Luận án trình bày chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT Chương 3: Phân tích QĐA sét cảm ứng HTĐ&ĐK WT Chương 4: Phân tích QĐA sét lan truyền lưới điện WF Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình phát triển điện gió giới Việt Nam Tính đến năm 2012, có khoảng 100 qu ốc gia giới đưa vào vận hành hệ thống điện gió với tổng cơng suất 282.275MW Tốc độ tăng trưởng tích lũy cơng suất điện gió giới bình qn chục năm gần đạt 19,2%/năm Với t ốc độ tăng trưởng này, Hiệ p hội lượng gió giới (WWEA) dự báo cơng suất điện gió tồn cầu đến cuối năm 2020 đạt 1500GW Việt Nam xem quốc gia có tiềm điện gió lớn khu vực Đơng Nam Á với tổng tiềm lý thuyết ước đạt khoảng 513.360MW Tính đến năm 2013 , có 50 dự án điện gió đăng ký tập trung 13 tỉnh thành từ Bắc vào Nam với t công suất 5.000MW, dự án điện gió Tuy Phong 20WT x 1,5MW (giai đoạn I), Bạc Liêu 10WT x 1,6MW (giai đoạn I) Phú Quý 3WT x 2MW đưa vào vận hành Để tiếp tục thúc đẩy phát triển nguồn lượng tái tạo, đặc biệt lượng gió, ngày 21 tháng năm 2011, Chính phủ thức phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến 2030 (Quy hoạch điện VII) Theo đó, tổng cơng suất điện gió từ mức khơng đáng kể lên mốc 1.000MW vào năm 2020 mức 6.200MW vào năm 2030 1.2 Cơng nghệ điện gió Những năm gần cơng nghệ điện gió giới liên tục phát triển liên tục công suất lẫn chiều cao Tính đến cuối năm 1980 đầ u nh ững năm 1990 nhà s ả n xu ất WT hàng đầ u th ế giớ i m i ch ỉ ch ế t ạo đượ c WT thương mại công suất đến 55kW với chiều cao (gồm cánh cột trụ) chưa đến 40m, vài năm trở lại họ sản xuất WT công suất lớ n đến 10MW với chiều cao xấ p xỉ 200m Các WT có nhiều hình dáng khác nhau, nhiên phân loại theo cấu hình tr ục quay cánh gồm loại WT là: trục đứng trục ngang Hiện 90% WT thương mại công suất lớn sử dụng giới có thiết kế dạng tr ục ngang cánh đối xứng cách không gian góc 2π/3, xếp cánh theo thiết kế cho phép tua bin ln tương tác đầy đủ với gió, gây tiếng ồn làm việc, cải thiện hiệu suất nhiều so với loại trục đứng Vì thế, từ trở sau thuật ngữ “WT” phạm vi luận án dùng để loại WT trục ngang công suất lớ n (Hình 1.11) Mỗi WT có MPĐ MBA làm nhiệm vụ nâng điện áp thấp (0,69kV) lên cấp trung áp (22kV) kết nối chung với WT khác tạo thành WF tập trung cấp điện cho lưới điện địa phương lưới điện hệ thống Hình 1.11 Cấu tạo WT trục ngang 1.3 Tình hình nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT Giai đoạn trước năm 1990, việc nghiên c ứu bảo vệ chố ng sét cho WT chưa thực quan tâm WT có cơng su ất nhỏ chiều cao thấp, tỷ lệ sét đánh thiệt hại sét không đáng kể Tuy nhiên sau thời điểm này, nhà sản xuất điện gió hàng đầu giới chế t ạo WT công suất lớ n đến hàng MW - chiều cao trung bình 100m, đưa vào vận hành dự án lớn r ất nhiều WT bị sét đánh gây thiệt hại không nhỏ kinh tế ổn định hệ thống vấn đề nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT thực quan tâm nghiên cứu Các nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT chia thành nhóm chủ đề sau: - Thống kê thơng số dịng điệ n sét liên quan đến WT cho nghiên cứu bảo vệ chống sét WT phù hợp, hiệu - Xác định vị trí sét đánh vào WT để từ khuyến cáo vị trí lắp đặt đầu thu sét cho WT hợp lý - Xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT để dự báo, đánh giá rủi ro sét phần tử, thiết bị WT - QĐA cảm ứng lan truyền HTĐ&ĐK WT lưới điện WF để từ khuyến cáo bi ện pháp phối hợp cách điện đảm bảo an toàn cho phần tử, thiết bị hệ thống điện gió Sau tổng h ợp, đánh giá nghiên cứu liên quan, Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) đưa báo cáo kỹ thuật IEC/TR 6140024 (2002) sau tiêu chuẩn IEC 61400-24 (2010) khuyến cáo thực biện pháp bảo vệ chống sét cho WT cụ thể sau: - Hệ thống chống sét đánh trực tiếp gồm đầu thu sét gắn đầu cánh, đườ ng d ẫn dòng sét qua vật dẫn cánh, vành trượt chổi than, cột trụ điện c ực nối đất (Hình 1.23) - Vị trí lắp đặt CSV chống QĐA sét cho phần t ử, thiết bị HTĐ&ĐK WT 1,5 ÷ 2MW trình bày hình 1.25 Hình 1.23 Đường dẫn dịng điện sét WT xuống hệ thống nối đấ t Hình 1.25 Vị trí lắp đặt CSV bảo vệ chống QĐA sét cho phần tử, thiết bị HTĐ&ĐK WT 1,5 ÷ 2MW hay sử dụng Việt Nam Trong trình tìm hiểu, tác giả nhận thấy: - Nhìn chung nghiên cứu liên quan đến việc xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT thường coi đối tượng cơng trình tĩnh, thực tế cơng trình động (đầu thu sét gắn cánh ln chuyển động) có xét đến đặc điểm đối tượng nghiên cứu WT cơng suất nhỏ chưa xét đến địa hình lắp đặt WT - Việc nghiên cứu QĐA sét hệ thống điện gió nghiên cứu sử dụng đối tượng WT khác kích thước cột trụ, cáp điện, cáp điều khiển khác Chưa rõ ràng mục đích phối hợp cách điện hay chọn CSV phù hợp với QĐA sét , dạng sóng dịng điện sét nghiên cứu chưa thống (10/350μs, 8/20μs 2/70μs), dạng sóng để phối hợp cách điện 1,2/50μs không đề cập Chưa làm rõ ảnh hưởng vị trí lắp đặt MBA, TĐK, đường cáp (điện cáp điều khiển), điện trở nối đất đến trị số QĐA cảm ứng HTĐ&ĐK WT Chưa xét đến ảnh hưởng vị trí sét đánh (các WT khác đường dây trung áp không nối lưới hệ thống lưới điện địa phương với WF), phương thức kết nối WT hệ thống nối đất đến trị số QĐA sét lan truyền lưới điện WF Lưới điện trung áp Việt Nam sử dụng cấp điện áp 22kV, tham số CSV, MBA, cách điện, chiều cao cột điện nghiên cứu trước thường cấp điện áp 6,6kV Với lý đây, luận án đánh giá đề xuất phương pháp số lần sét đánh trực tiếp vào WT - cơng trình động, đồng thời sâu làm rõ yếu tố ảnh hưởng đến QĐA sét HTĐ&ĐK WT QĐA sét lan truyền lưới điện WF Các nội dung nghiên cứu luận án tác giả ứng dụng xem xét đối tượng WT (WF) điển hình lắp đặt Việt Nam 1.5 Kết luận Chương này, tác giả thực số cơng việc sau: 1) Tổng hợp tình hình phát triển điện gió giới Việt Nam tình hình phát triển cơng nghệ điện gió năm gần 2) Tổng hợp, đánh giá nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT liên quan đến đề tài Từ n ội dung mà luận án cần tiếp tục giải Chương XÁC ĐỊNH SỐ LẦN SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TUA BIN GIĨ Chương này, tác giả trình bày khái qt lý thuyết mơ hình điện hình học (EGM), phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT theo đề xuất IEC (Phương pháp IEC) Dolan (Phương pháp EGM) Sau tác giả sử dụng phương pháp EGM xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT có kích thước khác lắp đặt dự án điện gió Việt Nam Trên sở so sánh kết tính tốn, tác giả đề xuất s dụng phương pháp xác định số l ần sét đánh trực tiếp WT phù hợp 2.2 Mơ hình điện hình học (EGM) Mơ hình điện hình học dùng để đánh giá số lần sét đánh vào cơng trình có chiều cao h (Hình 2.1) Mơ hình điện hình học tóm Hình 2.1 Mơ hình điện hình học tắt sau: - Khi tiên đạo sét xuất vùng BC phóng điện vào cột thu sét; tiên đạo sét xuất vùng AB CD phóng điện sét xuống đất - Khoảng cách phóng điện sét vào cơng trình S (m) ph ụ thuộc vào biên độ dòng điện sét I (kA) theo công thức: S = 10.I0,65 - Diện tích thu hút sét tương đương cột thu sét mặt đất hình trịn tâm O (tâm cột thu sét mặt đất) có bán kính r phụ thuộc vào chiều cao cột thu sét h biên độ dịng điện sét theo cơng thức sau: + Khi h ≥ βS (hay I ≤ IC): r = S = 10.I0,65 + Khi h < βS (hay I > IC): r Sh h2 S2 (1 β2 ) Với I C dòng điện sét giới hạn xác định theo công thức: IC exp ln h/10β 0,65 β hệ số xác định theo công thức: β = 0,36 + 0,17ln(43-h) Khi h > 40m l h = 40m Các WT công suất lớn chi ều cao tổng thể lớn 40m, nên tính β = 0,547 2.3 Phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT 2.3.1 Phương pháp IEC Diện tích thu hút sét tương đương WT mặt đất hình trịn với tâm vị trí lắp đặt WT (Hình 2.2) Số lần sét đánh trực tiếp WT phương pháp xác định theo công thức: N = Ng.Cd.Ae.10-6 (lần/năm) Ng mật độ sét, Ae diện tích thu hút sét tương đương WT mặt đất: Ae = πr2 = 9πh2 (m2), Cd hệ số địa hình lắp đặt WT (bằng phẳng Cd = 1, đồi núi C d = Hình 2.2 Diện tích thu hút sét tương đương WT mặt đất theo ngồi biển Cd = ÷ 5) phương pháp IEC 2.3.2 Phương pháp EGM Khi đầu thu sét gắn cánh chuyển động, tạo thành cung trịn chiều cao ln thay đổi phụ thuộc vào vị trí đầu thu sét cung tròn Phương pháp xét đến đồng thời thay đổi đầu thu sét chiều cao WT nên diện tích thu hút sét tương đương WT mặt đất khơng phải có hình trịn mà cịn có thêm phần diện tích hình chữ nhật (Hình 2.3) Hình 2.3 Diện tích thu sét tương đương WT mặt đất theo phương pháp EGM Số lần sét đánh trực tiếp WT phương pháp EGM xác định N N g C d 10 IC( A) 300 r r22 r2 w( A ) f I dI f ( A)d r1 w( A ) f I dI IC( A) Trong đó: θA góc lệch cánh so với trục hồnh: ≤ θA ≤ 2π Chiều rộng hình chữ nhật thu sét: w(θA) = Hb [cosθA- cos(θ A+2π/3)] Chiều cao thu sét WT: h(θ A) = Ht + Hbsinθ A A Điều dễ hiểu WT cơng su ất nhỏ - cánh ngắn, phần diện tích thu hút sét hình chữ nhật WT mặt đất nh ỏ nên kết tính tốn số lần sét đánh WT phương pháp gần giống Tuy nhiên, WT công suất lớn - cánh dài, phần diện tích hình chữ nhật thu hút sét WT mặt đất lớn nên số lần sét đánh WT hai phương pháp sai khác nhiều So với phương pháp IEC, phương pháp EGM kể đến đồng thời hai yếu tố sát với thực tế ln biến thiên dịng điện sét chiều cao tổng thể WT (luôn chuyển động ph ụ thuộc vào chiều dài cánh) chắn cho kết xác hơn, đặc biệt với WT có kích thước cao 110m 2.6 Kết Luận Trong chương 2, tác giả thực đượ c số vấn đề sau: 1) Giới thiệu lý thuyết mô hình điện hình h ọc (EGM) phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT 2) Áp dụng mơ hình điện hình học tính tốn số lần sét đánh vào tua bin gió 3) Xây dựng đường đặc tính xác định số lần sét đánh tua bin gió điển hình lắp đặt điều kiện Vi ệt Nam Kết tính tốn sử dụng làm tài liệu tham khảo cho dự án điện gió tương lai Việt Nam Chương PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT CẢM ỨNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA TUA BIN GIĨ Khi sét đánh vào cánh WT, dịng điện sét dẫn qua: vật dẫn đặt cánh, vành trượt - chổi than, cột trụ thép rỗng xuống hệ thống nối đất Do đường cáp điện cáp điều khiển đường l ắp đặt bên cột trụ thép nên dòng điện sét chạy qua cột trụ xuống đất phát sinh QĐA sét cảm ứng đường cáp gây nguy hiểm cho cách điện thiết bị điện thi ết bị điều khiển HTĐ&ĐK WT Chương sử dụng phương pháp mô phần mềm ATP/EMTP để nghiên cứu QĐA sét HTĐ&ĐK WT điển hình Việt Nam Từ khuyến cáo biện pháp phối hợp cách điện, góp phần đảm bảo an toàn cho phần tử, thiết bị HTĐ&ĐK WT 10 3.2 Mơ hình ph ần tử cho nghiên cứu QĐA cảm ứng HTĐ&ĐK WT Để nghiên cứu QĐA sét cảm ứng HTĐ&ĐK WT thiết phải mơ hình hóa phần tử liên quan - Vật dẫn cánh WT mơ hình tổng trở sóng với tốc độ truyền sóng - Vành trượt - chổi than có kích thước nhỏ nên mơ hình điện trở khơng đổi - Đường dẫn dòng điện sét qua c ột trụ, lắp đặt đường cáp chia thành 10 đoạn mơ hình bằ ng mạch tương đương với thông số R, L, C rải đoạn (từ đỉnh xuống chân cột trụ) Hình 3.5 Mơ hình mạch tương đương đường d ẫn dòng sét qua cột trụ WT hình 3.5 - Nguồn điện sét mơ hình nguồn dòng lý tưởng i(t) hàm Heidler nối song song với tổng trở sóng kênh sét Zs - Các CSV sử dụng để hạn chế QĐA sét HTĐ&ĐK WT mơ hình điện trở phi tuyến V-A 3.3 Chọn WT tính tốn thơng số mơ hình phần tử Đối tượng WT lựa chọn cho nghiên cứu QĐA sét cảm ứng chương loại điển hình đã, lắp đặt dự án điện gió Việt Nam với thông sô kỹ thuật bản: - Máy phát điện công suất 1,5MW đặt thùng, MBA 2MVA0,69/22kV đặt chân cột trụ - Cánh dài 39m, vật dẫn cánh nhôm tiế t diện 25mm - Cột trụ thép cao 67m; đường kính kính đỉ nh, chân cột trụ là: 2,5m, 3,4m 4,3m - Cáp điện 690V (Cu-XLPE-600mm2) cáp điều khiển (RG58A/U) lắp đặt song song cách thành cột trụ 200mm 11 - Tổng trở sóng cánh, thơng s ố R, L, C mạch điệ n tương đương tính tốn phù hợ p với đối tượng nghiên u WT lựa chọn thông s ố mô hình liên quan cho nghiên cứu QĐA sét cảm ứng HTĐ&ĐK WT lựa chọn tổng hợp bảng 3.3 Bảng 3.3 Kết tính tốn thơng số 3.4 Kết mơ mơ hình ph ần tử liên quan cho nghiên c ứu phân tích QĐA sét cảm ứng HTĐ&ĐK WT Mô tác giả xem xét phân bố điện QĐA cách điện cáp điện cáp điều khiển vớ i giả thiết: Sét đánh vào cánh WT với dòng sét 30kA (1,2/50μs); cột trụ lớp kim loại bảo vệ nối đất chung 5Ω; CSV lắp đặt hai đầu đường cáp (phía đỉnh chân cột trụ) Kết mô cho thấy, điện QĐA cách điện điểm đường cáp giảm dần từ điểm đầu (phía đỉnh cột trụ) xuống điểm cuối (phía chân cột trụ) điện dung thành phần cột trụ với đất, cáp với cột trụ có trị số tăng dần từ đỉnh xuống chân cột trụ tổ n hao điện trở thành phần QĐA m ứng lớ n cách điện đường cáp điện phía chân so với phía đỉnh cột trụ giảm khoảng lần (368kV so với 181kV), QĐA sét cảm ứng cách điện đường cáp điều khiển phía chân giảm khoảng 3,4 lần so với phía đỉnh cột trụ (591kV so với 176kV) Điều gợi ý, nên hạn chế bố trí tối đa việc lắp đặt TBĐ&ĐK phía đỉnh cột trụ từ khâu thiết kế 12 Dòng điện qua CSV lắp đặt cuối đường cáp (phía chân c ột trụ) 2,2kA giảm trung bình 1,3 lần so với CSV lắp đặt đầu đường cáp (phía đỉnh cột trụ) Do vậy, nên sử dụng CSV có mứ c hấp thụ lượng thấp để lắp đặt bảo vệ cho phần tử, TBĐ&TBĐK lắp đặt phía chân cột trụ so với phía đỉnh cột trụ Các mơ tiế p theo tác giả xem xét ảnh hưởng của: trị số điện trở nối đất, thông số dòng điện sét, khoảng cách lắp đặt đường cáp so với c ột trụ đến QĐA cách điện đầu cuối đường cáp - QĐA cách điện TBĐ&TBĐK lắp đặt phía đỉnh chân cột trụ - Ảnh hưởng trị số điện trở nối đất: Khi sét đánh vào cánh WT với dòng sét 30kA (1,2/50μs), biên độ QĐA cách điệ n đường cáp phía đỉnh chân cột trụ theo trị số điện trở nối đất số khác nhau: 1, 2, 3, 10Ω so sánh hình 3.23 3.24 Hình 3.24 Biên độ QĐA cảm ứng cách điện cáp phía chân cộ t trụ theo trị số điện trở nối đất Hình 3.23 Biên độ QĐA cảm ứng cách điện cáp phía đỉnh cột trụ theo trị số điện trở nối đất Ta nhận thấy, trị số điện trở nối đất nhỏ mức QĐA cách điện hai đầu đường cáp nhỏ Tuy nhiên, trị số điện trở nối đất lớn 3Ω s ự gia tăng QĐA cách điện đường cáp lớn Do đó, để dễ hạn chế QĐA sét HTĐ&ĐK WT nên nối đất với trị số điện trở thấp 3Ω - Ảnh hưởng thơng số dịng điện sét : + Biên độ dòng điện sét: QĐA cách điện đường cáp phía đỉnh chân cột tr ụ theo biên độ dòng sét 10, 20, 30, 50 100kA (cùng dạng xung 1,2/50μs) so sánh hình 3.25 3.26 Kết qu ả mô cho th ấy, QĐA sét cảm ứng cách điện TBĐ&TBĐK phía đỉnh chân cột trụ tăng tỷ lệ thuận theo biên độ dòng điện sét Tuy nhiên, với dòng điện sét nhỏ 10kA QĐA phía chân cột trụ là 60,1kV - lớn lần mức điện áp xung quy định tiêu chuẩn IEC-60364-1 (BIL = 2,5 ÷ 8kV) 13 thiết bị hạ áp Vì thế, để đảm bảo an tồn cho TBĐ&TBĐK WT thiết phải nghiên cứu biện pháp tăng cường nh ằm hạn chế QĐA nguy hiểm với phóng điện sét vào WT Hình 3.25 Biên độ QĐA cách điện đầu đường cáp theo biên độ dịng điện sét Hình 3.26 Biên độ QĐA cách điện cuối đường cáp theo biên độ dịng điện sét + Thời gian đầu sóng: QĐA cách điện hai đầu đường cáp theo thời gian đầu sóng 1,2μs, 2μs , 5μs, 8μs 10μs so sánh hình 3.27 (cùng biên độ 30kA) Kết cho thấy, thời gian nhỏ Hình 3.27 Biên độ QĐA cách 5μs, gia tăng QĐA ện đầu cuối đường cáp theo sét cảm ứng HTĐ&ĐK thời gian đầu sóng dịng điện sét WT lớn, lớn 5μs ảnh hưởng nhỏ Điều cho thấy ảnh hưởng thành phần điện cảm cáp đáng kể sóng sét có độ dốc lớn, với thời gian đầu sóng l ớn 5μs thành phần điện dung cáp định trị số QĐA sét cảm ứng cách điện cáp (cũng cách điện TBĐ&TBĐK hai đầu đường cáp) - Khoảng cách đường cáp so với cột tr ụ: Các mô tính tốn QĐA theo khoảng cách cho thấy: + Khoảng cách lắp đặt đường cáp so với cột trụ lớn trị số QĐA HTĐ&ĐK WT nhỏ + QĐA lớn phía đầu đường cáp (phía đỉnh cột trụ) ngồi phụ thuộc khoảng cách lắp đặt đường cáp so với cột trụ phụ thuộc vào biên độ thời gian đầu sóng dịng điện sét Bằng mơ tính toán (dựa vào xác suất xuất biên độ thời gian đầu sóng dịng điện sét điện trường giới hạn gây 14 phóng điện), tác giả tính khoảng cánh an toàn lắp đặt cáp so với cột tr ụ 479mm đảm bảo 50% số lần sét đánh WT khơng gây phóng điện làm hư hỏng cách điện, cịn để đảm bảo an tồn đến 95% khoảng cách 775mm 3.5 Kết luận Trong chương 3, tác giả thực số vấn đề sau: 1) Trình bày phương pháp mơ hình phần tử đường dẫn dịng điện sét WT phần tử liên quan khác nguồn điện sét, CSV tác giá đánh giá, lựa chọn 2) Các thơng số mơ hình tác giả tính tốn xác định phù h ợp với đối tượng nghiên cứu với loại WT 1,5MW điển hình Vi ệt Nam 3) Các mơ phỏng, tính tốn QĐA cảm ứng HTĐ&ĐK WT điển hình sử dụng tạ i Việt Nam cho thấy: - Nên sử dụng CSV lắp đặt cuối đường cáp có mức hấp thụ lượng thấp so với đầu đường cáp - Nên thực nối đất với trị số điện trở nhỏ 3Ω để dễ dàng giảm mức QĐA xuống trị số an tồn cho TBĐ&ĐK WT - Thơng số dịng điện sét (biên độ thời gian đầu sóng) nơi dự kiến lắp đặt WT nên nghiên cứu đo lường giúp việc xác định QĐA sét cảm ứng HTĐ&ĐK WT xác Từ có biện pháp bảo vệ chống QĐA sét hệ thống phù hợp - Nên lắp đặt đường cáp xa cột trụ để giảm mức QĐA sét cảm ứng cách điện phần tử, thiết bị HTĐ&ĐK WT Chương PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT LAN TRUYỀN TRONG LƯỚI ĐIỆN TRANG TRẠI GIÓ Nguyên nhân phát sinh QĐA sét lan truyền WF sét đánh vào WT sét đánh vào đường dây không trung áp nối WF với lưới điện hệ thống (hoặc lưới điện địa phương) - Khi sét đánh vào WT WF, dòng điện sét dẫn xuống hệ thống nối đất, phần dịng điện sét “xơng ngược” qua CSV điện dung ký sinh cuộn dây MBA so với đất gây nên QĐA nguy hiểm lưới điện WF - Sét đánh vào đường dây trung áp không nối với lưới điện gây nên QĐA nguy hiểm lan truyền vào lưới điện WF 15 Chương nghiên cứu QĐA sét lan truyền lưới điện WF điển hình Việt Nam theo nguyên nhân kể việc sử dụng phần mềm phân tích trình q độ điện từ ATP/EMTP 4.2 Mơ hình phần tử cho nghiên cứu điện áp sét lan truyền lưới điện trang trại gió Mơ hình phần tử cánh, vành trượt - chổi than, CSV nguồn điện sét trình bày mục 3.2 (chương 3) Trong mục tác giả l ựa chọn mơ hình ph ần tử liên quan khác cho nghiên cứu QĐA sét lan truyền lưới điện WF, cụ thể sau: - Cột trụ mô hình tổng trở sóng với tốc độ truyền sóng c= 3.108m/s - MBA WT sử dụng mơ hình phụ thuộc tần số Trong đó, trị số điện dung giữa: cuộn hạ với đất, cuộn cao với đất cu ộn cao với cuộn hạ nhà sản xuất cho đo lường trực tiếp - Đường cáp 690V sử dụng mơ hình hình PI Đường cáp 22kV c WF sử mơ hình Bergeron, cịn đường dây khơng 22kV n ối WF với lưới hệ thống (từ WF đến TBA trung gian 110kV) sử dụng mơ hình J Marti - Nối đất WT mơ hình điện trở không đổi Thanh ngang nối đất chung WT kề WF sử dụng mô hình mạch điện hình PI với thơng rải đoạn dài 10m 4.3 Lựa chọn trang trại gió xác định xác định thơng số mơ hình cho nghiên cứu điện áp sét lan truyền - Đối tượng lựa chọn nghiên cứu WF tỉnh Ninh Thuận gồm 10WT (được đánh số từ đến 10) chia thành hai hàng giống nhau, hàng 5WT số liệu khác thể hình 4.4 - Kết tính tốn lựa chọn thơng số mơ hình phần tử liên quan cho nghiên cứu QĐA sét lan truyền WF tổng hợp bảng 4.2 Hình 4.4 Mơ hình WF tỉnh Ninh Thuận 16 4.4 Phân tích q điện Bảng 4.2 Mơ hình kết tính tốn thơng s ố mơ hình phần tử áp sét lan truyền lưới điện trang trại gió 4.4.1 Sét đánh vào WT Mơ đầu tiên, giả thiết sét đánh vào cánh WT1 với dòng sét 30kA (1,2/50μs) điệ n trở nối đất WT 5Ω Kết mô cho d ạng sóng QĐA phía cao áp hạ áp MBA WT1 đến WT5 hình 4.8 4.9 Hình 4.9 cho thấy, biên độ QĐA phía hạ áp MBA WT1 lớn đạt 35kV giảm dần từ 3kV với WT2 (gần WT1 nhất) đến 1kV với WT5 (xa WT1 nhất) Do đó, phía hạ áp MBA WT cần có bi ện pháp bảo vệ chống QĐA tránh gây phóng điện nguy hi ểm Hình 4.8 Sóng QĐA (pha A) phía cao áp MBA WT1 đến WT5 Hình 4.9 Sóng QĐA (pha A) phía hạ áp MBA WT1 đến WT5 Các mô tiếp theo, tác xem xét ảnh hưởng th ời gian đầu sóng dịng điện sét, h ệ thống nối đất vị trí sét đánh WT đến QĐA sét lan truyền lưới điện WF a) Ảnh hưởng thời gian đầu sóng dịng điện sét Khi sét đánh WT1 có thời gian đầu sóng dịng điện sét khác 1,2μs, 5μs 10μs (cùng biên độ 30kA) sóng QĐA sét pha A phía cao áp phía hạ áp WT hình 4.10 4.11 (WF sử dụng nối đất độc lập WT có trị số điện trở 5Ω) 17 Hình 4.10 Sóng QĐA phía cao áp MBA WT1 theo thời gian đầu sóng dịng sét 1,2μs, 5μs 10μs Hình 4.11 Sóng QĐA phía hạ áp MBA WT1 theo thời gian đầu sóng dịng sét 1,2μs, 5μs 10μs Khi thời gian đầu sóng nhỏ, QĐA lớn dao động mạnh trước tắt hẳn sóng phả n xạ từ WT lân cận xếp chồng với đỉ nh dòng điện sét gây Cịn thời gian đầu sóng lớn, s ự cộng hưởng xếp chồng không đáng kể làm giảm mạnh trị số QĐA lan truyền b) Ảnh hưởng hệ thống nối đất - Hình 4.14 cho thấy, nế u nối đất WT 10Ω biên độ QĐA phía cao áp hạ áp MBA WT1 180,3kV 56,4kV, nối đất 1Ω 20,1kV 3,6kV Như vậy, trị số điện trở nối đất giảm 10 lần QĐA phía cao áp MBA WT1 giảm lần, cịn phía h áp MBA WT1 giảm 15,7 l ần Do giảm điện trở nối đất biện pháp đơn giản để hạn chế mức QĐA sét nguy hiểm cách điện Hình 4.14 Biên độ QĐA phía cao hạ áp MBA WT1 theo tr ị số điện trở nối đấ t thiết bị hạ áp WT Hình 4.15 Sóng QĐA phía cao áp MBA WT1 theo hình thức nối đất độc lập (1) nối đất chung (2) Hình 4.17 Sóng QĐA phía hạ áp MBA WT1 theo hình thức nối đất độc lập (1) nối đất chung (2) 18 - Kết mô so sánh dạng sóng QĐA phía cao áp hạ áp MBA WT1 theo hình thức nối đất độc lập nối đất chung thể hình 4.15 4.17 Như vậy, WF sử dụng hình thứ c nối đất chung biên độ QĐA WT bị sét đánh giảm lần (cả phía áp cao h áp MBA WT) so với hình thức nối đất độc lập c) Ảnh hưởng v ị trí sét đánh WT Mơ thực với giả thiết, dịng điện sét 30kA (1,2/50μs), hình thức nối đất WF độc lập WT 5Ω Khi sét đánh vào WT1 đến WT5, kết cho dạng sóng QĐA phía cao áp phía hạ áp MBA WT so sánh l ần lượt hình 4.19 4.20 Hình 4.19 Sóng QĐA phía cao áp MBA WT1 đến WT5 sét vào WT Hình 4.20 Sóng QĐA phía hạ áp MBA WT1 đến WT5 sét vào WT Ta thấy, nhóm th ứ gồm WT gần lưới hệ thống (WT1 WT2) có biên độ QĐA lớn gần gấp lần nhóm thứ hai gồm WT xa lưới hệ thống (WT3, WT4 WT5) Điều s ự phản xạ từ lưới WT hàng thứ (WT6 đến WT10) đến muộn so với hàng thứ (WT1 đến WT5) Hình 4.21 cho thấy dịng phóng điện qua CSV nhóm thứ (WT1 WT2) lớn hai lần so với nhóm thứ hai (WT3, WT4 WT5) Vì vậy, sử dụng CSV có mức hấp thụ lượng thấp Hình 4.21 Dịng phóng điện qua WT nhóm CSV phía cao áp MBA WT1 đến thứ hai (xa lưới hệ thống) WT5 sét đánh vào WT 19 4.4.2 Sét đánh vào đường dây không gây QĐA WF a) Đường dây không khơng có DCS, sét đánh vào dây pha Vị trí sét đánh gần hay xa WF ảnh hưởng không nhiều đến QĐA sét truyền vào WF Khi dòng sét 30kA (1,2/50μs), WF nối đất độc lập WT 5Ω QĐA lớn phía cao áp hạ áp WT1 dao động 100kV 20kV ứng với hai cấp điện áp kể WT1 Điều lý giải QĐA bị hạn chế tổn thất tự nhiên q trình truyền sóng đường dây b) Đường dây khơng có DCS, sét đánh vào dây DCS với giả thiết: Dòng sét 30kA (1,2/50μs), WF nối đất độc lập WT 5Ω, sét đánh vào vị trí cách WF (1) 60m, (2) 300m, (3) 600m Kết mô cho thấy: - Biên độ QĐA sét phía cao áp hạ áp MBA WT1 (gần đường dây không nh ất) tổng hợp so sánh hình 4.29 Sét đánh vào dây DCS vị trí xa WF QĐA truyền vào WF giảm ph ần lớn lượng sét hấp thụ trực tiếp xuống hệ thống nối đất cột điện - Trong trường hợp sét đánh vào DCS vị trí (1) gần WF nhất, DCS có tác dụng giảm mức QĐA phía cao áp WT1 xuống mức điện áp xung (BIL = 110÷150kV) Tuy nhiên, QĐA phía hạ áp WT1 giảm vẫ n lớn mức BIL = 2,5÷8kV Hình 4.29 Biên độ QĐA (pha A) phía thiết bị hạ áp Vì để hạn ch ế hạ áp cao áp MBA WT1 theo vị trí sét đánh đường dây (1), (2) (3) QĐA phía hạ áp WT xuống trị số BIL, tác giả đề xuất sử dụng thêm CSV điểm nối đường dây không đường cáp ngầm trung áp (22kV) WF - Kết so sánh mức hạn chế QĐA phía cao áp hạ áp WT1 theo hai biện pháp đường dây không: (i) treo DCS (ii) treo DCS kết hợp lắp đặt CSV vị trí đấu nối đường dây với đường cáp WF so với đường dây không treo DCS trình bày hình 4.31 4.32 Khi thực bi ện pháp (ii), QĐA phía hạ áp WT1 giảm 1,5kV - mức BIL yêu cầu, đồng thời QĐA phía cao áp WT1 giảm 1,5 lần so vớ i sử dụng DCS (41kV so với 60kV) 20 Hình 4.31 So sánh sóng QĐA (pha A) phía cao áp MBA WT1 trường hợp đường dây khơng khơng DCS, có DCS (i) có DCS kết hợp CSV (ii) Hình 4.32 So sánh sóng QĐA (pha A) phía hạ áp MBA WT1 trường hợp đường dây không không DCS, có DCS (i) có DCS kết hợp CSV (ii) 4.4.3 QĐA sét lan truyền WF có cấu hình khác Mục so sánh QĐA WF có c ấu hình khác sét đánh WT đường dây không 22kV nối WF với lưới điện Giả thiết rằng: - 5WT nối với theo cấu hình WF khác A, B, C D (Hình 4.33 đến 4.36) Hình 4.33 Cấu hình A Hình 4.36 Cấu hình D Hình 4.34 Cấu hình B Hình 4.35 Cấu hình C - Nối đất WF độc lập WT 10Ω 21 - Đường cáp 22kV nối WT với 0,3km, đường dây không 22kV nối WF với TBA 110kV dài 10km có treo DCS - Dịng điện sét 30kA (1,2/50μs) a) Khi sét đánh vào WT1 đến WT5 Kết so sánh QĐA phía cao áp hạ áp WT1 đến WT5 sét đánh vào WT theo cấu hình WF khác trình bày hình 4.42 a) b) Hình 4.42 Biên độ QĐA phía cao áp (a) phía hạ áp (b) WT1 đến WT5 sét đánh vào WT theo cấu hình khác b) Sét đánh vào đường dây không 22kV Kết so sánh QĐA phía cao áp hạ áp WT1 đến WT5 sét đánh vào đường dây không hình 4.43 b) a) Hình 4.43 Biên độ QĐA phía cao áp (a) phía hạ áp (b) WT1 đến WT5 sét đánh vào đường dây khơng 22kV theo cấu hình khác Các kết so sánh hình 4.42 4.43 cho thấy, xét góc độ nguy hiểm QĐA sét cấu hình B nguy hiể m có nhiều WT phải chịu mức QĐA lớn so với cấu hình khác 4.5 Kết luận Trong chương 4, tác giả thực số vấn đề sau: 1) Trình bày nguyên nhân phát sinh QĐA sét lưới điện WF 22 2) Trình bày phương pháp mơ hình phần tử, thiết bị liên quan cho nghiên cứu QĐA lan truyền lưới điện WF 3) Lựa chọn WF điển hình Việt Nam tính tốn, lựa chọn thơng số mơ hình phần tử, thiết bị liên quan cho nghiên cứu QĐA sét 4) Nghiên cứu, xem xét yếu tố ảnh hưởng đến QĐA lan truyền lưới điện WF lựa chọn vị trí sét đánh, thơng số dịng điện sét, hệ thống nối đất, cấu hình WF Từ đưa khuyến cáo biện pháp bảo vệ chống QĐA sét nhằm hạn chế nguy hiểm cho cho phần tử, thiết bị WF KẾT LUẬN Kết nghiên cứu đóng góp c luận án thể điểm sau đây: 1) Tổng hợp sở lý luận, đánh giá cơng trình nghiên cứu liên quan, xác định nội dung luận án cần sâu giải 2) Đánh giá, đề xuất sử dụng phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT trung bình hàng năm sở lý thuyết mơ hình điện hình học (EGM) Phương pháp EGM xem xét đến đặc điểm khác biệt WT (có cánh ln quay gió) so v ới cơng trình tĩnh trạm biến áp, đường dây tải điện Phương pháp EGM tác giả ứng dụng tính tốn số lần sét đánh cho WT có dải chiều cao (ứng với cơng su ất phát) khác lắp đặt, vận hành t ại vùng có mật độ sét khác Việt Nam K ết tính tốn số lần sét đánh trực tiếp WT có kích thước khác lặp đặt vùng có mật độ sét khác t ại Việt Nam dùng làm tài liệu tra cứu, tham khảo cho chủ đầu tư nhà tư vấn, thi ết kế, xây dựng dự án điện gió Việt Nam 3) Khi WT b ị sét đánh, đường dẫn dịng sét qua cột trụ thép rỗng (trong có lắp đặt đường cáp điện điều khiển), thay đổi từ trường dòng điện sét điện trường điện dung ký sinh cột trụ với đất, cột trụ với đường cáp xuất QĐA sét cảm ứng gây nguy hi ểm cho phần t ử, thiết bị HTĐ&ĐK WT Mơ hình mạch điện tương đương với thông s ố rải đoạn dài đường d ẫn dòng điện sét qua cột tr ụ luận án cho phép tính tốn trị số QĐA sét cảm ứng thiết bị điện thiết bị điều khiển c WT điển hình t ại Việt Nam Bằng việc sử dụng phần mềm ATP/EMTP, tác giả tiến hành nghiên cứu, mô phỏng, xem xét 23 ảnh hưởng của: CSV, trị số điện trở nối đất cột trụ, thơng s ố dịng điện sét, khoảng cách lắp đặt đường cáp điện (điề u khiển) đến QĐA sét cảm ứng HTĐ&ĐK WT Từ đó, tác giả phân tích, đánh giá để rút kết luận nhằm giảm QĐA sét cảm ứng HTĐ&ĐK WT, góp phần nâng cao độ tin cậy vận hành an toàn cho phần tử - thiết bị WT 4) Khi WT WF bị sét đánh, phần tử WT bị nguy hiểm, thiết bị khác lưới điện WF bị nguy hiểm QĐA sét lan truyền Hai nguyên nhân gây nên QĐA sét lan truyền lưới điện WF do: i) Sét đánh trực tiếp vào WT, dòng điện sét lớn tản xuống hệ thống nối đất xuất hiện tượng dịng điện sét “xơng ngược” từ đất hệ thống nối đất (của WT bị sét đánh) qua CSV, điện dung ký sinh cu ộn dây MBA so với đất, ii) Sét đánh vào đường dây trung áp không kết nối với WF đề xuất nghiên cứu luận án Phương pháp mơ hình phần tử liên quan cho nghiên c ứu QĐA sét lan truyền lưới điện WF tổng hợp giới thiệu luận án Các thơng số mơ hình phần tử - thiết bị liên quan tính tốn áp dụng để nghiên c ứu, phân tích, đánh giá QĐA sét lan truyền (do hai nguyên nhân kể trên) WF điển hình Việt Nam phầ n mềm ATP/EMTP 5) Tổng hợp mơ hình mô ph ỏng EMTP thành ph ần WF cho nghiên cứu điện áp sét c ảm ứng lan truyền, làm sở hữu ích cho nghiên cứu sau liên quan đến điện áp sét WF Trên sở phần mềm ATP/EMTP, luậ n án làm rõ yếu t ố ảnh hưởng đến tr ị số điệ n áp lan truyền WF thơng số dịng điện sét (biên độ th ời gian đầu sóng), khoảng cách WT WF, vị trí sét đánh, phương thức nối đất trị số điện trở nối đất, DCS CSV, hình th ức kết nối WT WF Từ đề xuất biện pháp nhằm giảm thi ểu mức độ ảnh hưở ng điện áp sét đến cách điện thiết bị phía cao áp hạ áp MBA tăng áp tua bin gió Đây coi gợi ý quan trọng giúp nhà tư vấn, thiết kế lắp đặt dự án điện gió thực bi ện pháp bảo vệ chống sét hiệu nhằm nâng cao độ tin cậy an toàn cho phần tử, thiết bị WT (WF) đã, xây dựng Việt Nam 24 ... điểm lưới điện, phương thức nối đất, phương pháp mô hình phần tử, phương pháp tính tốn mơ trình độ điện từ Các lý cho thấy việc ? ?Nghiên cứu điện áp sét bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối. .. điểm lưới điện, phương thức nối đất, phương pháp mơ hình phần tử, phương pháp tính tốn mơ q trình q độ điện từ Các lý cho thấy việc ? ?Nghiên cứu điện áp sét bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết. .. nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT thực quan tâm nghiên cứu Các nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT chia thành nhóm chủ đề sau: - Thống kê thơng số dịng điệ n sét liên quan đến WT cho nghiên cứu