Tóm tắt: Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp

Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp.

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mức độ tăng trưởng phụ tải kèm theo xuất trung tâm phụ tải đa dạng cấu nguồn điện động lực việc mở rộng hệ thống truyền tải Việt Nam thập kỷ qua Lưới truyền tải ngày mở rộng quy mô lẫn độ phức tạp với chiều dài đường dây tăng trung bình 20% năm kể từ năm 2015 [1] Tuy nhiên, việc mở rộng xây đường dây truyền tải khơng ngày khó khăn hạn chế quỹ đất, giải phóng mặt bằng, quan ngại sức khỏe tiếng ồn, điện từ trường xung quanh đường dây hạn chế cảnh quan mơi trường Chính vậy, hạ ngầm phần lưới truyền tải lựa chọn tất yếu Việt Nam hệ thống điện giới Tuy nhiên, thay đường dây không cáp ngầm diện rộng lưới truyền tải tương lai tiến hành bước hai lý Thứ chi phí xây dựng đường dây cáp đắt đường dây khơng có cơng suất truyền tải nhiều lần [4] Thứ hai hiểu biết kinh nghiệm vận hành cáp lưới truyền tải hạn chế cáp ngầm chiếm tỉ lệ khiêm tốn chiều dài (dưới 2%) lưới truyền tải từ 220 kV trở lên [5] Do tương lai gần lưới truyền tải kết hợp đường dây không cáp để trở thành đường dây truyền tải hỗn hợp, cáp ngầm sử dụng khu đông dân cư khu vực sử dụng đường dây không quy định cảnh quan môi trường [9] Khi thay đường dây không cáp để trở thành đường dây truyền tải hỗn hợp đặt hai vấn đề điện áp Thứ điện áp cách điện cáp (bao gồm cách điện cáp cách điện vỏ cáp) tác động tượng độ tần số cao đường dây không trạm biến áp lan truyền vào cáp sét đóng cắt Trong trường hợp cáp không chịu trực tiếp tượng độ cấu tạo khác biệt cáp dẫn đến điện áp cách điện cáp trở nên nghiêm trọng so với thiết bị đường dây không trạm Thứ hai điện áp thiết bị khác có mặt cáp Điện dung lớn cáp làm cho tượng cộng hưởng lưới truyền tải dịch chuyển xuống khu vực tần số thấp Quá điện áp tượng xảy tần số thấp nhiều so với tần số sét đóng cắt dẫn đến điện áp thiết bị lân cận cáp Trái lại với trường hợp thứ nhất, trường hợp cáp lại trở thành tác nhân gây điện áp ngược lại với thiết bị khác xảy tần số thấp Do nghiên cứu điện áp cho đường dây truyền tải hỗn hợp cần phải tiến hành toàn miền tần số, không cho cách điện cáp mà cách điện thiết bị lân cận với cáp Tình hình nghiên cứu ngồi nước Đường dây truyền tải hỗn hợp xuất gần nên nghiên cứu chúng thường tập trung vào khía cạnh khả thi mặt kỹ thuật đường dây truyền tải hỗn hợp cấp điện áp cụ thể [9], [10], [14] Cụ thể nghiên cứu tập trung vào vấn đề cho cấp điện áp điện áp sét, điện áp thao tác [15]–[18], điện áp đóng kháng vào đường dây hỗn hợp [13], [19-20] Tính tốn q điện áp để lựa chọn cách điện bảo vệ cho cách điện thực cho cáp cấp 380 kV lưới điện châu Âu [21-22] Quá điện áp cách điện cách điện vỏ tính tốn cho cáp dầu với cấp điện áp điển hình 150 kV Bắc Mỹ [23] 110 kV 132 kV Nhật Bản [24-25] Các tượng khác đường dây hỗn hợp điểm không máy cắt đóng cắt luân phiên kháng bù ngang hai đầu đường dây xét cho lưới 380 kV [26-30] Tính đặc thù cịn kể đến nghiên cứu khác tính tốn q điện áp sét cho đường dây truyền tải hỗn hợp chiều (HVDC) cấp điện áp 525 kV Đức [31-32] 500 kV Mỹ [33-34] Tính tốn q nhiệt cách điện cáp môi trường đặt cáp khác [35]–[38] Tính tốn lựa chọn thiết bị bảo vệ cho cách điện cáp lưới trung áp [39]–[42] Đối với Việt Nam, chưa có nghiên cứu tượng điện áp cho đường dây có cấu trúc hỗn hợp điều kiện đặc thù vận hành lưới truyền tải Việt Nam Những vấn đề tồn hướng nghiên cứu - Các nghiên cứu tập trung vào dải tần số mà chưa xét đến ảnh hưởng cáp đường dây hỗn hợp toàn miền tần số, từ tần số điện áp tạm thời đến điện áp sét - Các nghiên cứu chủ yếu xét đến điện áp lõi cáp mà quan tâm đến điện áp vỏ cáp cách lựa chọn thiết bị hạn chế điện áp vỏ cáp (SVL) sơ sài không xét đến môi trường đặt cáp tượng truyền sóng vỏ cáp Để khắc phục vấn đề tồn trên, nghiên cứu luận án tập trung vào hướng sau: - Nghiên cứu tính tốn q điện áp cách điện lõi vỏ cáp có q điện áp khí lan truyền từ đường dây không vào cáp xét đến ảnh hưởng cấu trúc cáp môi trường đặt cáp Phân bố điện áp cáp, lựa chọn thiết bị bảo vệ vỏ cáp ảnh hưởng nguồn sóng hài đến điện áp cộng hưởng Mục tiêu, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tượng điện áp cáp sử dụng đường dây truyền tải hỗn hợp dải tần số từ tần số điện áp tạm thời đến điện áp sét để từ xác định phương thức nối vỏ bảo vệ cách điện phù hợp với thông số đầu vào lưới điện truyền tải Việt Nam - Đối tượng nghiên cứu đường dây truyền tải hỗn hợp cáp đường dây không 220 kV Việt Nam - Phạm vi nghiên cứu đường dây truyền tải hỗn hợp 220 kV lưới điện Việt Nam - Kiểm chứng tính hiệu tinh tốn đề xuất thông qua kết mô Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn Làm sáng tỏ tượng độ điện từ đường truyền tải hỗn hợp, đặc biệt lưới truyền tải Việt Nam Kết nghiên cứu nhằm xây dựng sở bổ sung vào quy phạm liên quan đến hệ thống cáp truyền tải lưới điện Việt Nam Các đóng góp luận án - Luận án tổng hợp loại cáp phổ biến sử dụng cấp truyền tải, trình bày phương pháp xác định thơng số cáp phương pháp tính tốn xác định điện áp lõi cáp vỏ cáp dựa phương trình truyền sóng - Q điện áp cách điện lõi đặc biệt vỏ cáp phụ thuộc vào cấu trúc cáp mơi trường đặt cáp, việc tính tốn bảo vệ vỏ cáp phải xét đến toàn phương thức đặt cáp, điện trở tiếp địa vị trí nối đất vỏ cáp cách nối với đường dây không - Phương thức nối đất vỏ cáp thông số thiết bị hạn chế điện áp vỏ cáp (SVL) phải thiết kế, tính tốn lựa chọn phù hợp tùy thuộc vào đặc trưng hệ thống truyền tải (thông qua công suất ngắn mạch), chiều dài cáp, dòng điện sét điện trở nối đất vỏ cáp cấu hình cáp - Truyền sóng lõi cáp vỏ cáp đường dây hỗn hợp phụ thuộc vào trạng thái làm việc chống sét van (CSV) SVL Điện áp lớn không thiết xảy đầu cáp mà xuất cách vị trí đầu cáp khoảng phụ thuộc vào trạng thái làm việc điện trở phi tuyến dùng thiết bị bảo vệ điện áp, chiều dài cáp phương thức nối đất vỏ cáp - Cáp đường dây hỗn hợp không chịu đựng loại điện áp tần số cao sét, đóng cắt mà cịn tác nhân gây điện áp tần số thấp để tác dụng ngược trở lại cách điện thiết bị khác hệ thống truyền tải Thay đường dây không cáp ngầm làm cho tần số cộng hưởng tổng trở điều hịa dịch chuyển phía tần số thấp dẫn đến điện áp cộng hưởng gây nguy hiểm cho cách điện thiết bị gần cáp chống sét van sử dụng để bảo vệ chúng Cấu trúc nội dung luận án Chương 1: Truyền sóng đường dây truyền tải hỗn hợp Giới thiệu loại cáp truyền tải số loại cố điển hình cáp Tính tốn q trình truyền sóng cáp Chương 2: Ảnh hưởng môi trường đặt cáp đến điện áp đường dây truyền tải hỗn hợp Trình bày thơng số q trình truyền sóng lõi vỏ cáp Các kết tính tốn q điện áp lõi vỏ cáp môi trường đặt cáp cách xếp cáp khác Chương 3: Bảo vệ cách điện vỏ cáp Trình bày kết tính tốn dịng điện điện áp cảm ứng vỏ cáp Nghiên cứu ảnh hưởng môi trường đặt cáp, công suất ngắn mạch, phương pháp nối vỏ đến điện áp cảm ứng vỏ cáp Chương 4: Tính tốn phân bố điện áp dọc theo chiều dài cáp Trình bày kết tính tốn q trình truyền sóng từ đường dây khơng vào vào lõi vỏ cáp để từ xác định vị trí xuất điện áp lớn lõi vỏ cáp Chương 5: Quá điện áp cộng hưởng sóng hài Tính tốn tổng trở điều hịa hệ thống truyền tải điện điện áp cộng hưởng tương ứng với sóng hài đặc trưng cho nguồn hài cụ thể tính tốn cho lưới điện 220 kV khu vực Hà Nội Chương 6: Kết luận hướng phát triển Đánh giá tổng hợp kết đạt so sánh với mục tiêu nghiên cứu đề ra; đồng thời đề xuất hướng nghiên cứu tương lai để khắc phục hạn chế cịn tồn luận án CHƯƠNG TRUYỀN SĨNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI HỖN HỢP 1.1 Mở đầu Nội dung chương giới thiệu cấu tạo số cáp truyền tải thông dụng với trọng tâm cáp truyền tải sử dụng cách điện rắn XLPE, loại cáp truyền tải sử dụng lưới điện Việt Nam dùng làm đối tượng mô toàn luận án 1.2 Các loại cáp ngầm 1.2.1 Cáp dầu 1.2.2 Cáp siêu dẫn Cáp siêu dẫn sử dụng tính chất siêu dẫn kim loại làm lõi cáp trì nhiệt độ thấp, điện trở cáp gần khơng ngun tắc mang dịng điện vô lớn 1.2.3 Cáp cách điện rắn XLPE Do tính chất phổ biến cáp XLPE, loại cáp dược dùng cho tất nghiên cứu mơ luận án Các thành phần sợi cáp XLPE trình bày chi tiết 1.2.4 Cáp vượt biển HVAC 1.2.5 Một số cố điển hình cáp truyền tải Ngồi ngun nhân sai kỹ thuật lắp đặt va chạm khí Quá điện áp khí điện áp thao tác gây điện áp cảm ứng vỏ cáp lớn điện áp chịu đựng lớp cách điện vỏ cáp 1.3 Truyền sóng cáp truyền tải 1.3.1 Phương trình truyền sóng cáp Phương trình truyền sóng với sợi cáp với sơ đồ tương đương hình 1.7 Hình 1.7 Sơ đồ tương đương sợi cáp 𝑉(𝑥, 𝑡) − 𝑉(𝑥 + 𝑑𝑥, 𝑑𝑡) = 𝑅𝑑𝑥 𝐼(𝑥, 𝑡) + 𝐿𝑑𝑥 𝐼(𝑥, 𝑡) − 𝐼(𝑥 + 𝑑𝑥, 𝑑𝑡) = 𝐺𝑑𝑥 𝑉(𝑥, 𝑡) + 𝐶𝑑𝑥 𝜕𝐼(𝑥,𝑡) 𝜕𝑡 𝜕𝑉(𝑥,𝑡) 𝜕𝑡 (1.1) (1.2) Nghiệm hệ phương trình miền thời gian: 𝑉(𝑥, 𝑡) = 𝑒 𝛾𝑥 𝑓1 (𝑡) + 𝑒 −𝛾𝑥 𝑓2 (𝑡) (1.7) 𝐼(𝑥, 𝑡) = − [𝑒 𝛾𝑥 𝑓1 (𝑡) − 𝑒 −𝛾𝑥 𝑓2 (𝑡)] (1.8) 𝑍 Nghiệm dạng tổng quát theo điện áp dòng điện miền tần số là: 𝑉(𝑥, 𝜔) = 𝑉0 + 𝑒 −𝛾𝑥 + 𝑉0 − 𝑒 𝛾𝑥 𝐼(𝑥, 𝜔) = 𝐼0 + 𝑒 −𝛾𝑥 + 𝐼0 − 𝑒 𝛾𝑥 (1.13) 1.3.2 Biểu diễn phương trình truyền sóng miền modal Để hiểu rõ cách biến đổi từ miền tần số sang miền modal, ta viết lại hệ phương trình (1.12) với ký hiệu Vph, Iph điện áp dòng điện miền tần số: 𝛿 𝑉𝑝ℎ = [𝑍𝑝ℎ ][𝑌𝑝ℎ ][𝑉𝑝ℎ ] 𝛿𝑥 (1.33) 𝛿 𝐼𝑝ℎ = [𝑌𝑝ℎ ][𝑍𝑝ℎ ][𝐼𝑝ℎ ] 𝛿𝑥 Đối với hệ cáp pha sử dụng cáp đơn kể miền tần số, sau chuyển miền modal, dòng điện điện áp tương ứng với chế độ (mode): • chế độ đồng trục (coaxial mode) dịng điện từ lõi cáp trở hoàn toàn vỏ • chế độ liên vỏ (intersheath mode) dịng điện từ vỏ cáp trở vỏ cáp (hoặc cáp) lại mà khơng lõi cáp • chế độ đất (ground mode) dịng vỏ pha trở đất mà không qua lõi 1.4 Tính tốn truyền sóng phần mềm EMTP/ATP 1.4.1 Giới thiệu phần mềm ATP/EMTP 1.4.2 Mơ hình mơ cho cáp Cáp mơ hình Bergeron mơ mơ hình phân bố khơng tổn thất với tổng trở sóng Z0, vận tốc truyền sóng c nối tiếp với điện trở R hai đầu để mơ tượng suy giảm (hình 1.9) Hình 1.9 Mơ hình Bergeron cho mơ cáp tính tốn q độ Trong mơ hình thơng số cáp giả thiết khơng phụ thuộc vào tần số tính tốn tần số cố định, tần số mà tượng độ tương ứng (sét, đóng cắt) xảy Trong luận án sử dụng mơ hình Bergeron cho tính tốn q độ, thơng số cáp tính tốn tần số đặc trưng f=150 kHz 1.4.3 Mơ hình đường dây khơng 1.4.4 Các mơ hình khác 1.5 Kết luận Trong chương này, cấu tạo số loại cáp truyền tải phổ biến trình bày cáp cách điện rắn XLPE mơ tả chi tiết nhất, loại cáp sử dụng tính tốn mơ tồn luận án Phương trình truyền sóng cáp cho trường hợp cáp lõi tham số thân cáp tổng trở nối tiếp tổng dẫn shunt trình bày rõ theo phương pháp hai dịng điện vịng Phân tích cho phép làm rõ ảnh hưởng cấu tạo cáp thành phần dòng điện trở đất (tổng trở đất) đến thông số cáp Phương pháp biến đổi dòng điện điện áp từ miền tần số sang miền modal, tương ứng với chế độ truyền sóng giới thiệu để làm sở cho phân tích dạng dịng điện điện áp tính tốn mơ Cuối cùng, phương pháp mô EMTP mô hình phần tử EMTP dải tần số khác cho đường dây hỗn hợp trình bày chi tiết để làm sở cho tính tốn chương CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẶT CÁP ĐẾN QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI HỖN HỢP 2.1 Đặt vấn đề Tùy vào địa hình cấp điện áp, cáp ngầm đặt mơi trường khác chôn trực tiếp đất, đặt ống, đặt hầm cáp không (đi cầu đoạn vượt sông) Môi trường xung quanh cáp định giá trị tổng trở dòng điện trở đất qua dó ảnh hưởng đến điện áp vỏ lõi cáp tượng độ xảy 2.2 Mơ hình mơ Mơ hình đường dây mạch kép 220 kV có cấu trúc hỗn hợp minh họa hình 2.1 Hình 2.1 Mơ hình đường dây truyền tải điện có cấu trúc hỗn hợp 2.3 Ảnh hưởng môi trường đặt cáp 2.3.1 Cáp ngầm toàn Điện áp lớn vỏ cáp vị trí đảo vỏ thứ hai thấp vị trí đảo vỏ thứ khoảng 24% so với vị trí đảo vỏ thứ tổn hao vỏ cáp gây Tại thời điểm 97,6 s, điện áp lớn vỏ pha C1 đạt tới trị số Vmax= 42,7 kV, trị số vượt mức cách điện xung BIL (40 kV) vỏ cáp 220 kV Kết vị trí đảo vỏ gần nơi có dịng điện sét vào cần phải tính tốn cụ thể trị số điện áp cảm ứng nhằm sử dụng SVL cho phù hợp 2.3.2 Cáp không - nằm ngang Điện áp vỏ cáp trường hợp cáp khơng vị trí đảo vỏ tăng gấp 1,6 lần so với trường hợp cáp ngầm toàn bộ, với điện áp lớn vỏ pha C tăng từ 42,8 kV (cáp ngầm) lên 67.7 kV (cáp không) 2.3.3 Cáp cầu bê tông Điện áp lớn vỏ xuất pha C1 với giá trị Vmax= 45,1 kV Trị số nhỏ trường hợp cáp không (67,7 kV) lớn trường hợp cáp ngầm (42,8 kV) 2.3.4 Cáp cầu kim loại Điện áp vỏ cáp vị trí đảo vỏ thời gian đạt đỉnh trình bày hình 2.11 bảng 2.4 Điện áp lớn vỏ xuất pha C1 với giá trị Vmax= 43 kV Trị số nhỏ trường hợp cáp cầu bê tông (45,1 kV) lớn trường hợp cáp ngầm (40,7 kV) Nguyên nhân tương hỗ cáp dây dẫn mô khung dẫn cầu sắt 2.4 Ảnh hưởng cách xếp cáp 2.4.1 Cáp ngầm Điện áp lớn vỏ cáp bố trí tam giác xuất pha C1, điện áp vỏ có giá trị V max= 36,9 kV Tuy nhiên ta nhận thấy trị số điện áp lớn vỏ trường hợp bố trí tam giác nhỏ đáng kể so với trường hợp bố trí nằm ngang (42,8 kV) 2.4.2 Đối với cáp không Trường hợp cáp không - thẳng đứng, điện áp vỏ cáp pha vượt mức cách điện vỏ cáp chịu đựng với điện áp lớn pha C1 Vmax= 67,8 kV Ta nhận thấy trị số điện áp vỏ trường hợp cáp không- nằm ngang thẳng đứng không khác nhiều 2.5 Kết luận Môi trường đặt cáp, cụ thể môi trường để dòng điện trở đất, ảnh hưởng rõ ràng đến điện áp cách điện vỏ Trong chương này, điện áp vị trí đảo vỏ đoạn cáp đường dây truyền tải có cấu trúc hỗn hợp tính tốn với mơi trường đặt cáp khác nhau; cáp ngầm toàn bộ, cáp không, phần ngầm phần khơng, tính tốn có dịng điện sét chạy lõi cáp lan truyền từ đường dây không Trong tất trường hợp, điện áp vỏ cáp vị trí đảo vỏ ln lớn giảm vị trí đảo vỏ tất pha Điện áp lớn vỏ nguy hiểm trường hợp toàn cáp không kết hợp tượng dao động cộng hưởng phần cáp không với gia tăng tổng trở sóng vỏ cáp không Trong trường hợp cáp khơng, điện áp cảm ứng lớn vỏ lớn 1,6 lần so với trường hợp cáp hoàn toàn ngầm Giá trị điện áp cảm ứng gây nguy hiểm cho cách điện vỏ cáp gây phóng điện vỏ cáp, dẫn đến phá hủy cáp Cách bố trí cáp ảnh hưởng mạnh đến điện áp cảm ứng vỏ cáp Trong trường hợp cáp ngầm, cấu hình đặt cáp dạng tam giác làm giảm điện áp vỏ khoảng 10% so với trường hợp cáp đặt mặt phẳng Trong trường hợp cáp không, điện áp lớn 10 vỏ cáp không bị ảnh hưởng cấu hình đặt cáp nằm ngang hay chiều thẳng đứng Hiện tượng cảm ứng cáp chạy cầu kim loại làm cho điện áp vỏ cáp giảm so với trường hợp cáp cầu bê tông Trái lại, điện áp lõi không bị ảnh hưởng đổi môi trường đặt cáp cách xếp cáp chế độ truyền sóng đồng trục khơng bị ảnh hưởng yếu tố Như vậy, thay đổi môi trường đặt cáp chuyển từ ngầm sang không, thiết bị bảo vệ vỏ cáp (SVL) điện trở tiếp địa vỏ cáp cần tính tốn lại để phù hợp cho cách điện vỏ đoạn cáp không Tuy nhiên, cách xếp cáp không ảnh hưởng nhiều đến điện áp vỏ có dịng điện sét lan truyền vào cáp từ đường dây không CHƯƠNG BẢO VỆ CÁCH ĐIỆN VỎ CÁP 3.1 Đặt vấn đề Đối với đường dây truyền tải hỗn hợp, điện áp vỏ phải tính đến trường hợp dịng điện sét đường dây truyền tải không thường xuyên bị sét đánh gây cố Kết tính tốn chương cho thấy dòng điện sét chạy lõi cáp trường hợp cụ thể gây điện áp vượt mức chịu đựng cách điện vỏ cáp Những lý kể nguyên nhân gây số lần cố cáp sét đường dây cấu trúc hỗn hợp lớn nhiều so với cáp ngầm toàn chủ yếu xuất phát từ cố cách điện vỏ cáp [26] [51] Chính bảo vệ cách điện cho vỏ cáp đường dây hỗn hợp nội dung quan trọng bảo vệ chống điện áp cho cáp 3.2 Các loại CSV dùng truyền tải Lắp đặt CSV hai đầu cáp có nhiệm vụ bảo vệ cách điện cáp có sóng sét sóng đóng cắt lan truyền từ phía đường dây không vào cáp Cách điện vỏ phải bảo vệ chống điện áp loại chống sét van khác gọi thiết bị hạn chế điện áp vỏ SVL Việc lựa chọn SVL cho cáp dùng đường dây truyền tải hỗn hợp khác so với lựa chọn SVL cho đường dây toàn cáp ngầm phải tính đến thơng số sét nơi đường dây không qua trị số điện trở nối đất cột 11 3.3 Các phương pháp nối đất vỏ cáp 3.3.1 Nối cứng (Solid boding) Hình 3.2 Nối cứng 3.3.2 Nối đất đầu (Single boding) Hình 3.3 Nối đất đầu-Kiểu Hình 3.4 Nối đất đầu -Kiểu 3.3.3 Nối chéo (Cross boding) Hình 3.5 Nối chéo (3 phân đoạn) với SVL nối hình 3.3 Mơ hình tính tốn giả thiết 3.5 Phương pháp lựa chọn SVL cho bảo vệ vỏ cáp 3.5.1 Lựa chọn điện áp định mức SVL Xem xét lựa chọn điện áp định mức SVL theo công suất ngắn mạch chiều dài phân đoạn thay đổi 12 Hình 3.9 Điện áp cảm ứng ngắn mạch lớn vỏ cáp theo cơng suất ngắn mạch hệ thống Hình 3.17 Điện áp cảm ứng ngắn mạch lớn vỏ cáp theo công suất ngắn mạch hệ thống 3.4.2 Tính tốn thơng số SVL có dịng điện sét Hình 3.14 Điện áp lớn vỏ cáp theo điện trở nối đất vỏ Hình 3.17 Điện áp cảm ứng lớn vỏ cáp sử dụng loại SVL 7.5 kV 3.4.3 Tính tốn thơng số SVL theo mơi trường đặt cáp Hình 3.22 Điện áp lớn vỏ cáp vị trí SG112 với nối đất đầu nối chéo Hình 3.17 Năng lượng hấp thụ SVL 13 3.5 Kết luận Việc lựa chọn phương pháp nối đất vỏ cáp cáp truyền tải phụ thuộc vào quy định điện áp an toàn vỏ mức độ phức tạp nối vỏ Vỏ cáp nối chéo có ưu điểm bật điện áp an toàn so với nối đất đầu lại làm cho vỏ cáp bị chia nhỏ làm nhiều đoạn dẫn đến phức tạp bảo dưỡng Tính tốn thơng số SVL phù hợp cho loại cáp trình phức tạp phương thức nối vỏ phải xét đến để SVL lựa chọn đảm bảo an tồn q trình vận hành Tính tốn cho thấy vỏ nối chéo với đoạn cáp phân đoạn cho phép chọn loại SVL có điện áp định mức thấp mà đảm bảo điện áp vỏ lượng hấp thụ SVL sử dụng loại CSV lưới phân phối Tuy nhiên với chiều dài cáp cụ thể biên độ dòng điện sét, điện trở nối đất cột nơi tiếp giáp đường dây không cáp phải trì giá trị cụ thể để đảm bảo SVL lựa chọn bảo vệ vỏ cáp Nếu đoạn cáp ngắn để chia làm đoạn cáp môi trường mà việc chia đoạn bất khả thi (cáp vượt sông, cáp qua cầu…), việc nối chéo thực nối đất đầu kiểu có lợi Mặc dù vậy, thơng số SVL lựa chọn (điện áp định mức lượng hấp thụ) nối đất kiểu phải tính tốn theo cơng suất ngắn mạch hệ thống, chiều dài phân đoạn cáp, điện trở tiếp địa cột, trị số dòng điện sét lớn khu vực có đường dây qua mơi trường đặt cáp Chú ý rằng, dịng điện sét lớn chạy cáp thay đổi cách lựa chọn góc bảo vệ đường dây không, điện trở tiếp địa cột mức cách điện đường dây không Kết mô cho thấy cách tính tốn lựa chọn thơng số cho SVL dùng cho cáp ngầm khơng cịn phù hợp cáp sử dụng không kiểu nối vỏ Chính vậy, cáp thay đổi môi trường làm việc từ ngầm hồn tồn sang khơng, tính tốn lựa chọn SVL cho vỏ cáp phải thực lại để đảm bảo SVL vận hành an toàn 14 CHƯƠNG TÍNH TỐN PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP DỌC THEO CHIỀU DÀI CÁP 4.1 Đặt vấn đề Đối với đường dây hỗn hợp, khác tổng trở sóng đường dây không cáp gây phản xạ dương từ cuối cáp quay trở lại đầu cáp Sóng phản xạ xếp chồng với sóng tới từ đường dây không dẫn tới hệ điện áp lớn xảy vị trí cáp.Vị trí xuất điện áp lớn tùy thuộc vào chiều dài cáp thời gian sóng sét đạt trị số lớn (thời gian đầu sóng) Xác định điện áp lớn vị trí tương ứng cáp cho phép thiết kế hạn chế dòng điện sét từ đường dây không lan truyền vào cáp để đảm bảo an tồn cho cáp Hình 4.1 Dịng điện sét lan truyền vào lớp vỏ CSV hai đầu cáp làm việc 4.2 Phương pháp tính tốn Nếu giá trị đỉnh hai sóng điểm B cách khoảng thời gian t tổng chúng lớn vị trí cáp nơi tổng chúng cực đại cách B đoạn x tính bằng: ∆𝑥 = 𝑣 ∆𝑡 (4.3) Giá trị t tính tốn chi tiết sau Trước tiên, phương trình dịng điện qua CSV điểm B xác định bởi: 𝑖𝐶𝑆𝑉 (𝑡) = 𝑣+ (𝑙, 𝑡) 𝑣(𝑙, 𝑡) 𝑣(𝑙, 𝑡) − − 𝑍𝐶 𝑍𝐶 𝑍𝐿 (4.4) Với v+(l,t) sóng tới từ điểm A, v(l,t) điện áp điểm B 𝑣(𝑥, 𝑡) = 𝑣+ (𝑥, 𝑡) + 𝑣− (𝑥, 𝑡) (4.5) 15 4.3 Phân bố điện áp cáp đường dây truyền tải hỗn hợp 4.3.1 Mô hình mơ 4.3.2 Cáp ngắn 0,5 km Hình 4.8 Điện áp lõi dòng qua CSV vị trí cuối cáp có SVL Hình 4.9 Sóng điện áp tới sóng phản xạ cuối cáp có SVL Hình 4.11 Điện áp dịng qua SVL vị trí cuối cáp Hình 4.12 Sóng điện áp tới sóng phản xạ vỏ vị trí đặt SVL 4.3.3 Cáp dài 2,4 km Hình 4.18 Sóng điện áp tới sóng phản xạ lõi cuối cáp Hình 4.20 Vị trí đạt điện áp đỉnh theo tỷ lệ % tổng chiều dài cáp 16 Hình 4.21 Sóng điện áp sóng tới vỏ vị trí đảo vỏ thứ Hình 4.22 Sóng điện áp sóng tới vỏ vị trí cuối cáp 4.4 Kết luận Do khác tổng trở sóng cáp đường dây khơng, truyền sóng đường dây hỗn hợp có phản xạ lớn vị trí nối đường dây không cáp làm cho điện áp lớn lõi cáp xuất bên cáp khơng phải vị trí đầu cáp nơi có CSV bảo vệ Ngoài ra, điện trở phi tuyến CSV SVL vỏ cáp làm cho trình truyền sóng phức tạp Điện áp lớn xuất cáp phụ thuộc vào biên độ sóng tới, đặc tính CSV, SVL trị số điện trở tiếp địa vị trí cuối cáp Đối với đường dây 220 kV hỗn hợp, cách điểm cuối cáp từ vài chục đến hàng trăm mét Điện áp lớn vỏ cáp phụ thuộc vào phương thức nối đất vỏ cáp môi trường đặt cáp Đối với nối đất đầu, điện áp lớn vỏ cáp nằm vị trí đặt SVL vỏ cáp bảo vệ hoàn toàn SVL lựa chọn phù hợp Đối với nối chéo, vị trí xuất điện áp lớn vỏ cáp khơng nằm vị trí đặt SVL có phân đoạn có cáp nằm khơng Sự khác biệt lớn tổng trở sóng vỏ cáp phân đoạn trường hợp làm cho điện áp lớn vỏ xuất vị trí nằm phân đoạn ngầm CHƯƠNG QUÁ ĐIỆN ÁP CỘNG HƯỞNG DO SÓNG HÀI 5.1 Đặt vấn đề Nội dung chương trình bày nguyên lý cộng hưởng đường dây truyền tải, nguồn sóng hài chủ yếu 17 cấp truyền tải dải tần số tương ứng đánh giá mức độ ảnh hưởng loại sóng hài đến độ lớn điện áp đặt lên cách điện 5.2 Các tượng cộng hưởng hệ thống điện 5.2.1 Cộng hưởng nối tiếp song song 5.2.2 Sóng hài lưới truyền tải Hình 5.5 Điện áp tổng cộng bao gồm điện áp tần số với hài bậc lẻ 5.2.3 Q điện áp cộng hưởng 5.3 Tính tốn tổng trở điều hòa lưới truyền tải 5.3.1 Phương pháp xác định tổng trở điều hịa 5.3.2 Tính tốn tổng trở đầu vào cho mơ hình IEEE nút Hình 5.7 Mơ hình IEEE nút 18 5.3.3 Tổng trở điều hịa đường dây truyền tải hỗn hợp Hình 5.9 Phổ tổng trở điều hịa nhìn từ nút Khi đoạn đường dây nút đường dây khơng hồn tồn, tổng trở điều hịa nút có đỉnh tương ứng với tần số cộng hưởng khác 860 Hz, 810 Hz 370 Hz 5.3.4 Ảnh hưởng cấu hình hệ thống truyền tải đến tổng trở điều hịa Hình 5.12 Dịch chuyển tần số cộng hưởng tổng trở điều hịa điểm ĐDK từ nút 7-Cáp với mơ hình lưới điện nút IEEE cắt đường dây nối nút nút nút 5.4 Tính toán điện áp cộng hưởng hệ thống truyền tải hỗn hợp 5.4.1 Xác định nguồn sóng hài gây cộng hưởng tần số 19 Bảng 5.2 Dịng sóng hài bậc cao theo tần số f (Hz) 50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 I (A) 262 7,86 7,86 7,86 7,86 3,93 3,93 3,93 3,93 3,93 5.4.2 Tính tốn q điện áp cộng hưởng sơ đồ IEEE nút Bảng 5.3 Tổng trở tương đương Ztđ(f) thay km đường dây không nút cáp f (Hz) 50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 Ztđ (Ω) 100 250 50 800 200 250 150 1200 2500 500 Ztđ_ĐDK(Ω) 100 200 40 500 100 150 100 500 200 600 I (A) 262 7,86 7,86 7,86 7,86 3,93 3,93 3,93 3,93 3,93 Upeak (pu) 1,01 1,04 1,01 1,01 1,03 1,04 1,01 5.5 Tính tốn cho lưới truyền tải 220 kV khu vực Hà Nội 5.5.1 Mô hình mơ Hình 5.16 Hệ thống truyền tải 220 kV khu vực Hà Nội nghiên cứu 20 5.5.2 Tổng trở điều hịa Hình 5.17 Tổng trở điều hịa lưới truyền tải 220 kV khu vực Hà Nội Tổng trở điều hòa tất trạm biến áp tổng trở tần số 50 Hz thay đổi với tốc độ khác tần số tăng Đỉnh thứ nằm khu vực tần số thấp khoảng 600 Hz đến 750 Hz (sóng hài bậc 12 đến 15) quan sát thấy tất trạm, hai đỉnh khác sóng bậc thứ 25 sóng hài bậc thứ 32 Trong dải tần số đỉnh thứ nhất, ảnh hưởng đoạn cáp đến phổ tổng trở điều hòa thấy rõ trạm biến áp lân cận đoạn cáp, tức trạm Thành Công, Hà Đông Tây Hà Nội 5.5.3 Tổng trở điều hòa chế độ N-1 5.5.4 Quá điện áp cộng hưởng trạm Hà Đông Thành Cơng Hình 5.24 Điện áp Thành Công Hà Đông 21 5.6 Kết luận Kết tính tốn chương cáp thay đường dây không đường dây truyền tải hỗn hợp nguyên nhân gây điện áp cộng hưởng sóng hài thiết bị khác hệ thống điện Như vận hành đường dây truyền tải hỗn hợp, ta không quan tâm đến điện áp lõi cáp vỏ cáp mà phải quan tâm đến điện áp thiết bị khác gây có mặt cáp Tình trạng làm việc q tải thường xuyên máy biến áp truyền tải với có mặt nguồn lượng nối thẳng vào lưới truyền tải làm cho nguồn sóng hài lưới truyền tải ngày đa dạng chủng loại có độ lớn đáng kể Lưới truyền tải hỗn hợp với thay đường dây không cáp ngầm làm cho tượng cộng hưởng dịch xuống khu vực tần số thấp Kết hợp hai tượng kể dẫn tới sóng hài tần số thấp có biên độ lớn làm cho điện áp cộng hưởng có xu hướng trở lên nguy hiểm Tính tốn với mơ hình IEEE nút cho thấy điện áp cộng hưởng 1,04 pu đoạn cáp ngắn Với lưới điện 220 kV khu vực Hà Nội, thay km đường dây không cáp ngầm điện áp cộng hưởng gây nguồn sóng hài bơm vào từ trạm làm cho điện áp đỉnh tăng khoảng 3% tăng đến 8% nguồn sóng hài bơm thêm trạm xung quang đoạn cáp Tuy nhiên, nguồn sóng hài tồn cách thường trực nên cách điện thiết bị CSV cấp truyền tải chịu điện áp lâu dài dẫn tới hư hỏng Chính vậy, tính tốn q điện áp cộng hưởng đường dây hỗn hợp cần thực cách chi tiết nhiều kịch khác cấu hình lưới, thành phần sóng hài thời điểm xuất để dự đoán mức độ điện áp xuất để có biện pháp bảo vệ điện áp phù hợp CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Những đóng góp luận án bao gồm: - Tổng hợp loại cáp sử dụng cấp truyền tải, đặc biệt cáp XLPE loại cáp thông dụng cấp truyền tải loại cáp truyền tải sử dụng cho lưới truyền tải Việt Nam Cơ sở 22 lý thuyết cho tính tốn thơng số cáp mơ hình tính tốn q độ cho cáp phần mềm EMTP trình bày chi tiết - Quá điện áp cách điện vỏ cáp bị ảnh hưởng mạnh môi trường đặt cáp Kết mô chứng tỏ ảnh hưởng định đường trở dòng điện đất đến điện áp vỏ cáp Sự gia tăng tổng trở sóng vỏ cáp trường hợp cáp khơng làm cho điện áp vỏ cáp tăng cao so với trường hợp cáp hoàn toàn ngầm Đối với trường hợp cáp ngầm, cách bố trí cáp hình tam giác làm cho điện áp vỏ giảm đáng kể so với trường hợp cáp bố trí mặt phẳng Các phương pháp bảo vệ điện áp cách điện vỏ cáp phải tính tốn kỹ mơi trường đặt cáp thay đổi - Mỗi phương thức nối đất vỏ cáp có ưu nhược điểm khác phải tính tốn chi tiết loại cáp, chiều dài, dòng điện định mức dòng cố Đối với thiết bị bảo vệ cách điện vỏ cáp SVL đường dây truyền tải hỗn hợp, dòng điện sét lan truyền từ đường dây không vào cáp yếu tố định lựa chọn thông số SVL Ngồi ra, cơng suất ngắn mạch hệ thống, thông số đường dây, phương thức nối vỏ trị số điện trở tiếp địa vỏ cáp ảnh hưởng đến điện áp định mức lượng hấp thụ SVL - Sự khác biệt đường dây hoàn tồn cáp ngầm đường dây hỗn hợp cịn đến từ trị số điện trở nối đất SVL Trong điện trở tiếp địa đầu cáp ngầm hoàn toàn nối vào tiếp địa trạm với trị số nhỏ tiếp địa vỏ cáp hỗn hợp nối vào tiếp địa cột Điện trở nối đất cột nơi chuyển tiếp đường dây không cáp ngầm phải giữ giới hạn để đảm bảo điện áp vỏ cáp không vượt mức cách điện vỏ cáp với đất hai phần tách vỏ - Sự khác tổng trở sóng đường dây khơng cáp ngầm làm cho đóng góp sóng phản xạ vào điện áp lớn vị trí cuối cáp đáng kể, lõi cáp vỏ cáp Đặc tính phi tuyến điện trở CSV SVL làm cho tượng phản xạ đường dây hỗn hợp trở nên phức tạp Đối với dịng điện sét có thời gian đầu sóng lớn, điện áp lớn lõi cáp vỏ cáp không nằm hai đầu cáp mà dịch chuyển vào phía từ vài mét đến vài chục 23 mét tùy vào chiều dài cáp Giá trị điện áp lớn cần phải tính tốn loại cáp để có biện pháp phối hợp cách điện phù hợp từ phía đường dây khơng - Sự có mặt cáp tác nhân gây điện áp cộng hưởng sóng hài thiếu bị khác nối với gần cáp Với xu xuất ngày nhiều nguồn điện nối trực tiếp với lưới truyền tải thông qua biến đổi điện tử công suất, sóng hài tần số thấp xuất lưới truyền tải ngày nhiều Tình trạng làm việc tải máy biến áp nguyên nhân gây sóng hài lưới truyền tải Thay đường dây không cáp đường dây hỗn hợp cho tần số cộng hưởng dịch chuyển dần xuống phía khu vực tần số thấp dẫn tới điện áp cộng hưởng dễ dàng xảy Mặc dù biên độ điện áp cộng hưởng không lớn có mặt thường trực nguồn sóng hài nguyên nhân làm giảm độ tin cậy thiết bị lưới truyền tải Luận án cịn đầy đủ tiếp tục bổ sung phát triển hướng sau: - Ở điều kiện bình thường, vỏ cáp giả thiết nối đất có điện không Trên thực tế, tượng dâng đất (Earth Potential Rise) làm cho điện vỏ đáng kể tùy thuộc vào mức độ mang tải mạch điện lân cận Nghiên cứu ảnh hưởng tượng làm toán lựa chọn SVL trở nên đầy đủ tổng quát - Do cấu tạo phần nối đất vỏ, điện trường xung quanh khu vực phân bố không đặc biệt chế độ phi tuyến có dịng điện sét Nghiên cứu phân bố điện trường cách điện vỏ cáp có dịng điện sét lan truyền lõi vỏ sở để thiết kế phần nối đất vỏ, cho dù qua SVL nối đất trực tiếp, trở nên đáng tin cậy - Mơ hình cáp tính tốn mơ EMTP cần bổ sung phần bán dẫn lõi dẫn điện cách điện làm kết tính tốn sát với thực tế hơn, ngồi mơ hình dây nối vỏ hệ thống nối đất cần mô chi tiết, đặc biệt dây nối có chiều dài đáng kể, để tăng độ xác điện áp vỏ 24