Nghiên cứu quá điện áp khí quyển trong trạm biến áp bằng phần mềm ATP-EMTP

Trong nội dung nghiên cứu này, tác giả xem xét các yếu tố ảnh hưởng tới độ lớn của điện áp tác dụng lên cách điện của Trạm biến áp 110 kV Sơn La bằng chương trình phân tích quá độ điện từ ATPEMTP.

TNU Journal of Science and Technology 227(08): 70 - 77 RESEARCH OF THE ATMOSPHERIC OVERVOLTAGES IN A SUBSTATION BY USING ATP-EMTP Nguyen Duc Tuong* TNU - University of Technology ARTICLE INFO ABSTRACT Received: 08/02/2022 In this research, the author considers the factors affecting the magnitude of the overvoltage acting on the insulation of the 110 kV Son La substation by the electromagnetic transients program ATPEMTP Research results show that overvoltage (pulse magnitude and voltage wavefront) propagated from the line to the substation depends on the parameters of the lightning current, the location of the lightning strike and the grounding resistance of the pole When the lightning current is greater than 200 kA, it will generate an overvoltage greater than the basic impulse insulation level (BIL) of electrical equipement in the substation Lightning strikes the last tower or the last span, the overvoltage generated and propagates into the substation with large parameters On the other hand, the grounding resistance of the tower foot In addition, the results of the study are used to enhance our understanding about the factors that contribute to overvoltage in the substation which enables us to provide better protection for the Substation insulation Revised: 20/4/2022 Published: 21/4/2022 KEYWORDS Atmospheric overvoltages Transient analysis Co-ordilation insulation Overvoltage protection ATP-EMTP ATPDraw NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN TRONG TRẠM BIẾN ÁP BẰNG PHẦN MỀM ATP-EMTP Nguyễn Đức Tường Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên THƠNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 08/02/2022 Ngày hồn thiện: 20/4/2022 Ngày đăng: 21/4/2022 TỪ KHÓA Quá điện áp khí Phân tích độ điện từ Phối hợp cách điện Bảo vệ điện áp ATP-EMTP ATPDRaw TÓM TẮT Trong nội dung nghiên cứu này, tác giả xem xét yếu tố ảnh hưởng tới độ lớn điện áp tác dụng lên cách điện Trạm biến áp 110 kV Sơn La chương trình phân tích độ điện từ ATPEMTP Kết nghiên cứu cho thấy điện áp (độ lớn đỉnh xung độ dốc đầu sóng điện áp) lan truyền từ đường dây vào trạm biến áp phụ thuộc vào tham số dịng điện sét, vị trí sét đánh đường dây phụ thuộc vào phương thức bảo vệ xuất tuyến Khi dòng điện sét lớn 200 kA tạo đỉnh xung điện áp vượt mức cách điện xung sét (BIL) thiết bị điện trạm biến áp Sét đánh vào cột cuối khoảng cột cuối phát sinh điện áp có tham số lớn lan truyền vào trạm biến áp Mặt khác, điện trở nối đất chân cột điện ảnh hưởng trực tiếp tới độ lớn điện áp máy biến điện áp đặt xuất tuyến Hơn nữa, kết nghiên cứu cung cấp thêm thông tin yếu tố ảnh hưởng tới điện áp trạm biến áp nhằm bảo vệ tốt cách điện trạm biến áp DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.5512 Email: d.t.nguyen@tnut.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 70 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 70 - 77 Giới thiệu Trong trình vận hành, trạm biến áp thường xuyên chịu tác động phóng điện sét gây điện áp đánh thủng cách điện, cố ngắn mạch, chạm đất v.v… [1]-[4] hậu làm hư hỏng thiết bị điện thiết bị điều khiển trạm biến áp, gián đoạn cung cấp điện thời gian dài, gây ổn định hệ thống, an toàn cho người, gây thiệt hại kinh tế [5]-[9] Do vậy, việc bảo vệ điện áp khí cho trạm biến áp nhằm hạn chế tối đa điện áp nguy hiểm xuất trạm biến áp [10]-[12], cho tần suất phóng điện trung bình trạm biến áp điện áp khí đạt tới 50 năm hay 100 năm [11], [13], [14] Kết khảo sát đường dây tải điện cấp điện áp 110 kV 220 kV từ năm 2011 đến năm 2015, trung bình có tới 70% cố có liên quan đến phóng điện sét thường tập trung vào khoảng tháng đến tháng hàng năm [15] Trong nội dung tác giả nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng điện áp sét lan truyền từ đường dây vào Trạm biến áp 110 kV Sơn La Trạm biến áp bao gồm máy biến áp có tổng cơng suất 80 MVA xuất tuyến (Hình 1): 176E17.6 176 E21.1 171 E17.4 174E17.6 MBA T2 MBA T1 112-1 171-7 173-7 174-7 172-7 112 173 TU173 171 TU171 174 172 112-2 173-1 171-1 131 132 TU174 131-1 132-2 174-2 172-2 C12 C11 CS1T2 CS1T1 TUC11 TUC12 T2-40000KVA 115/38.5/23KV 132-08 T1-40000KVA 115/38.5/23KV 131-08 CS 0T2 CS 0T1 CS3T1 CS4T2 CS 3T2 C32 C42 C31 CS4T1 C41 Hình Sơ đồ nối điện Trạm biến áp 110 kV Sơn La Mô chương trình ATPDraw Trong nội dung nghiên cứu này, tác giả xem xét mức độ nguy hiểm điện áp sét lan truyền từ xuất tuyến 173 vào trạm biến áp 110 kV Sơn La sét đánh vào đỉnh cột khoảng cột đầu trạm tương ứng với trạng thái vận hành không tải, độc lập máy biến áp T1 T2 Mơ hình tổng qt trạm biến áp đường dây 110 kV nối tới trạm thể Hình 2.1 Mơ hình nguồn hệ thống Mơ hình nguồn hệ thống thay mơ đun điện áp tổng trở có thơng số cho Bảng 2.2 Mơ hình đường dây LCC Xuất tuyến 172/173 đường dây kép, có khoảng cột trung bình 300 m biểu diễn mơ đun LCC (Hình 3) http://jst.tnu.edu.vn 71 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 70 - 77 Hình Mơ hình trạm biến áp 110 kV Sơn La chương trình ATPDr Bảng Mơ hình liệu nguồn hệ thống Hình Mơ hình xuất tuyến 172/173 2.3 Mơ hình cột điện Kết cấu cột điện đầu trạm tuyến 172/173, cột chia thành nhiều phân đoạn cột tương ứng với tổng trở sóng cột (Hình 4) Mỗi phân đoạn cột điện h1, h2, h3 xác định theo biểu thức [11], [16], [17]: h Z = 60.ln(2 i − 1) (1) ri Trong đó: ri bán kính trung bình cột điện; hi phân đoạn chiều cao i Điện trở điện cảm thay tính theo cơng thức: −2 Z1 ln√γ Ri = hi (2) h1 + h2 R = −2Z3 ln√γ (3) Li = R i τ (4) http://jst.tnu.edu.vn 72 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 70 - 77 H với: 𝛾 = 0,8944 hệ số truyền sóng cột; τ = ϑ m μs ϑ = 300 ( ) vận tốc truyền sóng; Li (mH) điện cảm phân đoạn i; Ri (Ω) điện trở phân đoạn i; (i = 14) RC điện trở nối đất chân cột Z1 Z2 Z3 Z4 R1; L1 6m R2; L2 4m R3; L3 4m R4; L4 19m RC Hình Mơ hình cột điện 110 kV Hình Mơ hình thơng số chuỗi cách điện Kết tính tốn cho Bảng 2: Kết tính tốn thơng số (R, L, Z) cột điện 110 kV hi (m) 4 19 ri (m) 1 2.5 hi/ri 6,00 4,00 4,00 7,60 Ri (Ω) 7,95 2,31 2,31 20,22 Li (mH) 0,32 0,06 0,06 2,56 Zi (Ω) 166,24 140,01 140,01 181,21 2.4 Mô hình chuỗi cách điện Chuỗi cách điện thay điện dung tương đương (Hình 5), sứ néo bát sứ thay điện dung 100 pF, với cường độ cách điện xung sét (BIL) chọn 550 kV [10]: 2.5 Mơ hình nguồn sét Dịng điện khe sét số liệu mang tính ngẫu nhiên biến thiên phạm vi rộng từ kA tới 270 kA [13] Xác suất xuất dòng điện sét ứng với giá trị I xác định theo công thức sau [14]: P ( I) = 100 I + ( ) 2, 31 (%) Mơ hình sét gồm có mơ hình dịng sét nối song song với tổng trở (Hình 6): Hình Mơ hình nguồn sét http://jst.tnu.edu.vn 73 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 70 - 77 2.6 Mơ hình chống sét van Trong nội dung nghiên cứu có sử dụng chống sét van ôxit kẽm (ZnO) không khe hở loại 3EL1 096-1P.2 lắp đặt đầu vào T1, T2 phía 110 kV, sản xuất thử nghiệm theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 6009-4, với đường đặc tính làm việc chương trình ATPDraw thể Hình 700 [kV] 600 500 400 300 200 100 -100 0,00 5ka.pl4: v :T1A 0,02 0,04 0,06 0,08 [ms]0,10 31ka.pl4: v :T1A 100ka.pl4: v :T1A 150ka.pl4: v :T1A 200ka.pl4: v :T1A 250ka.pl4: v :T1A Hình Đặc tính V-A chống sét van Hình Đỉnh xung điện áp pha A đầu cực T1 2.7 Hệ số dự trữ cách điện Hệ số bảo vệ tỉ số điện áp chịu đựng điện áp tác dụng lên đầu cực thiết bị điện bảo vệ Theo tiêu chuẩn IEEE C62.22 [18], hệ số bảo vệ điện áp khí (PRL) xác định theo biểu thức: PR L = BIL  1,2 LPL Trong đó: BIL = 550 kV cường độ cách điện xung sét cấp điện áp 110 kV [10]; LPL điện áp thực tế đầu cực thiết bị điện (kV) Kết quả bàn luận 3.1 Ảnh hưởng độ lớn dòng điện sét Nghiên cứu biến thiên điện áp pha theo độ lớn dòng điện khe sét với trị số dòng điện sét (IS) biến thiên từ kA đến 250 kA ứng với xác suất xuất xác định Bảng Vị trí sét đánh đỉnh cột thứ tính từ trạm biến áp, điện trở nối đất chân cột 40 () Bảng Xác suất xuất dòng điện sét IS IS (kA) 31 100 150 200 250 PIS (%) 99,1 50,0 4,5 1,6 0,8 0,4 500 [kV] 400 300 200 100 -100 0,5 1,5 100ka_5.pl4: v :T1A 2,5 3,5 4,5 [us] 5,5 Hình Điện áp đầu cực T1 phụ thuộc độ dốc đầu sóng dịng điện sét (S) 100ka_20.pl4: v :T1A 100ka_1.2.pl4: v :T1A 100ka_10.pl4: v :T1A Trên Hình kết phân tích điện áp biến thiên đầu cực máy biến áp T (lấy pha A làm đại diện) chương trình mơ ứng với độ lớn dòng điện sét khác Từ kết cho thấy độ lớn điện áp tác dụng lên đầu cực T1 nói riêng cách điện trạm nói http://jst.tnu.edu.vn 74 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 70 - 77 chung phụ thuộc đáng kể vào độ lớn đỉnh xung dòng điện sét Độ lớn điện áp khí tỷ lệ thuận với dòng điện sét 3.2 Ảnh hưởng độ dốc đầu sóng dịng điện sét Độ dốc đầu sóng dịng điện sét xác định theo biểu thức: S= diS dt (kA /  s) Phân bố độ dốc đầu sóng xác định theo cơng thức Berger [19]: P(S  SS ) = 100 S + ( S )4 24 (%) với: P(SSS) xác suất xuất độ dốc đầu sóng dịng điện sét lớn SS SS độ dốc dòng điện sét (kA/µs) Trong nội dung nghiên cứu này, tác giả chọn độ lớn dòng điện sét 100 kA thời gian đỉnh cho Bảng Kết mơ (Hình 9) tính tốn đỉnh xung điện áp đầu cực máy biến áp (Bảng 4) cho thấy ứng với độ dốc đầu sóng dịng điện khe sét lớn điện áp trạm cao Bảng Sự phụ thuộc đỉnh xung điện áp vào độ dốc đầu sóng dịng điện sét T (µs) S (kA/µs) P (%) UT1 (kV) PRL 1,2 83 99,8 400 1,38 20 97 333 1,65 10 10 67 283 1,94 20 0,7 249 2,21 3.3 Ảnh hưởng vị trí sét đánh Khảo sát biến thiên điện áp đầu cực thiết bị điện, tác giả xét vị trí sét đánh khoảng cột gần trạm biến áp giả thiết dòng điện sét 100 kA Điện áp đầu cực máy biến áp T1 biểu diễn Hình 10, kết nghiên cứu cho thấy cú sét phóng điện vào khoảng cột cuối nguy hiểm cho cách điện máy biến áp nói riêng thiết bị điện trạm nói chung tham số (đỉnh xung điện áp độ dốc đầu sóng điện áp) lớn, gây phóng điện pha hay phóng điện cuộn dây pha máy biến áp Trong trường hợp này, điện áp đầu cực máy biến áp T1 đạt tới 740 kV lớn điện áp chịu đựng (550kV) 800 [kV] 650 3,5 [MV] 3,0 500 2,0 2,5 1,5 350 1,0 200 0,5 0,0 50 -100 -0,5 0v :T1A cot1.pl4: cot5.pl4: cot4.pl4: cot3.pl4: cot2.pl4: (f ile cot1.pl4; x-v ar t) v :T1A [us] 10 Hình 10 Điện áp đầu cực máy biến áp T1 v :TU173A v :TU176A v :TU174A v :TUC11A v :TU171A [us] Hình 11 Điện áp đầu cực T1 TU v :T1A v :T1A v :T1A v :T1A Khi xem xét trường hợp nguy hiểm ứng với dòng điện sét 100 kA, sét đánh đỉnh cột cuối điện áp tác dụng lên cách điện thiết bị điện trạm (T 1, TU176, TU173, TU174 TUC11) biến thiên Hình 11 Kết tính tốn PRL trường hợp thống kê Bảng Trường hợp sét đánh đỉnh cột cuối cho thấy tham số điện áp lớn, tổn hao đường truyền thấp, cách điện thiết bị điện trạm khơng an tồn http://jst.tnu.edu.vn 75 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 70 - 77 (PRL1,2) với điện áp thân sóng (3 s) Bảng Ảnh hưởng vị trí sét đánh STT Tên thiết bị TU171 TU173 TU174 TU176 TUC11 TUC12 T1 T2 Thời gian (µs) 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Điện Áp (kV) 1647 234 3292 303 1145 225 1027 224 1197 243 920 444 760 215 460 440 Hệ số bảo vệ (PRL) 0,38 2,66 0,19 2,06 0,54 2,77 0,61 2,78 0,52 2,57 0,68 1,40 0,82 2,90 1,36 1,42 3.4 Ảnh hưởng điện trở chân cột điện Trên Hình 12 biểu diễn biến thiên xung điện áp tác dụng lên cách điện pha A máy biến áp T1 T2 ứng với dòng điện 100 kA điện trở nối đất chân cột (điện trở chân cột) thay đổi từ , 10 , 20 , 30  40  Kết cho thấy điện trở chân cột không ảnh hưởng nhiều đến máy biến áp máy biến áp đặt xa bảo vệ chắn chống sét van Tuy nhiên, xét điện áp tác dụng lên máy biến áp đo lường TU (Hình 13) cho thấy, TU173 bị điện áp đặt gần vị trí cột bị sét đánh Kết phân tích điện áp đầu cực thiết bị điện tính tốn hệ số bảo vệ (PRL) cho Bảng 500 [kV] 400 1,6 [MV] 1,3 300 1,0 200 0,7 100 0,4 100ka_5o.pl4: v :T1A 100ka_10o.pl4: v :T1A 100ka_20o.pl4: v :T1A 100ka_30o.pl4: v :T1A 100ka_40o.pl4: v :T1A STT [us] 0,1 -0,2 10 (f ile 100ka_40o.pl4; x-v ar t) v :TU173A 15 v :TU174A 20v :TU172A 25 v :TU176A 30 [us] 35 Hình 12 Điện áp đầu cực T1 Hình 13 Điện áp đầu cực TU Bảng Điện áp đầu cực hệ số bảo vệ Tên thiết bị Điện áp đầu cực (kV) Hệ số bảo vệ TU171 234 2,66 TU173 682 0,91 TU174 225 2,77 TU176 224 2,78 TUC11 236 2,64 TUC12 234 2,66 T1 211 2,95 T2 197 3,16 http://jst.tnu.edu.vn 76 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 70 - 77 Kết luận Quá điện áp tác dụng lên cách điện thiết bị điện trạm biến áp sét đánh đường dây tải điện không phụ thuộc vào tham số phóng điện sét, phương thức bảo vệ đoạn đường dây gần trạm vị trí sét đánh Độ tin cậy bảo vệ cấp điện áp lan truyền chống sét van đặt trạm biến áp đánh giá qua hệ số bảo vệ (PRL) Kết nghiên cứu cho thấy độ tin cậy bảo vệ trạm biến áp 110 kV Sơn La phụ thuộc trực tiếp vào yếu tố: - Tham số dòng điện sét (độ lớn đỉnh xung độ dốc đầu sóng xung dịng điện sét) lớn độ tin cậy bảo vệ giảm - Điện trở nối đất chân cột điện đoạn đường dây gần trạm biết áp định phần lớn điện áp giáng thân cột, trị số điện áp đỉnh lớn, gây nguy phóng điện ngược từ thân cột/xà vào dây dẫn pha tạo lên điện áp xung có tham số lớn tác dụng lên cách điện thiết bị trạm làm giảm độ tin cậy bảo vệ - Các cú sét đánh gần trạm biến áp có tham số điện áp cao không bị tổn hao lan truyền Do đó, cách điện thiết bị điện trạm chịu tồn q điện áp khí sét đánh gần trạm, đặc biệt sét đánh trúng vào cột cuối TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] J A Martinez-Velasco, Transient Analysis of Power Systems: A Practical Approach, JohnWiley & Sons Ltd, 2020 [2] M.A Laughton and D.J Warne, Electrical Engineer's Reference Book, Sixteenth Edition, Elsevier Ltd., 2003 [3] M Vasileva and D Stanchev, "Lightning overvoltages in electrical substation 220 kv due to shielding failure of overhead transmission line," in 10th Electrical Engineering Faculty Conference (BulEF), Sozopol, Bulgaria, 2018 [4] M Trainba, C A Christodoulou, V Vita, and L Ekonomou, "Lightning overvoltage and protection of power substations," WSEAS Transactions on Power Systems, vol 12, pp 107-114, 2017 [5] IEC Std 62305-1:2010, Protection against lightning - Part 1: General principles, International Electrotechnical Commission Press, 2010 [6] F A M Rizk and G N Trinh, High voltage engineering, CRC Press, 2014 [7] IEC Std 62305, Protection against lightning, International Electrotechnical Commission Press, 2013 [8] A Rahiminejad and B Vahidi, "An Application of Fractal-Based Lightning for SFR Calculation of High Voltage Substations," Indian Journal of Science and Technology, vol 10, no 15, pp 1-12, 2017 [9] J Li et al, "A New Estimation Model of the Lightning Shielding Performance of Transmission Lines Using a Fractal Approach," IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol 18, no 5, pp 1712-1723, 2011 [10] IEC Std 60071-1-2006, Insulation co-ordination, Part 1: Definitions, principales and rules, International Electrotechnical Commission Press, 2006 [11] IEC Std 60071-4, Insulation co-ordination Part 4: Computational guide to insulation co-ordination and modelling of electrical networks, International Electrotechnical Commission Press, 2004 [12] B Franc, B Filipovic-Grcic, and V Milardic, "Lightning Overvoltage Performance of 110 kV AirInsulated Substation," Electric Power Systems Research, vol 138, pp 78-84, 2016 [13] Andrew R Hileman, Insulation co-ordination for power systems, CRC Press, 1999 [14] IEEE Std 998, Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations, New York: The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 2012 [15] T Mai, "Sự cố lưới điện truyền tải: Hiểm họa từ sét," EVN NPT, 21 11 2016 [Online] Available: https://www.npt.com.vn/d6/vi-VN/news/Su-co-luoi-dien-truyen-tai-Hiem-hoa-tu-set-5-227-2784 [Accessed Feb 4, 2022] [16] Juan A Martinez-Velasco, Transient Analysis of Power Systems: Solution Techniques, Tools and Applications, John Wiley & Sons, Ltd, 2015 [17] Mansour Moradi, Hamdi Abdi, Arash Atefi, "Analyzing and Modeling the Lightning Transient Effects of 400 KV Single Circuit Transmission Lines," International Journal of Science and Engineering Investigations, vol 2, no 19, pp 61-67, 2013 [18] IEEE Std C62.22, Guide for the Application of Metal-Oxide Surge Arresters for Alternating-Current Systems, New York: The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 2009 [19] K Berger, "The Earth flash In Lightning," Academic Press, vol 1, pp 119-190, 1977 http://jst.tnu.edu.vn 77 Email: jst@tnu.edu.vn ... đa điện áp nguy hiểm xuất trạm biến áp [10]-[12], cho tần suất phóng điện trung bình trạm biến áp điện áp khí đạt tới 50 năm hay 100 năm [11], [13], [14] Kết khảo sát đường dây tải điện cấp điện. .. biến thiên điện áp đầu cực thiết bị điện, tác giả xét vị trí sét đánh khoảng cột gần trạm biến áp giả thiết dòng điện sét 100 kA Điện áp đầu cực máy biến áp T1 biểu diễn Hình 10, kết nghiên cứu. .. đồ nối điện Trạm biến áp 110 kV Sơn La Mô chương trình ATPDraw Trong nội dung nghiên cứu này, tác giả xem xét mức độ nguy hiểm điện áp sét lan truyền từ xuất tuyến 173 vào trạm biến áp 110 kV