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 .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 .
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Thành Chung NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI HỖN HỢP ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG VÀ CÁP Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội - 2023 Cơng trình hồn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Trần Văn Tớp TS Phạm Hồng Thịnh Phản biện 1: PGS TS Trần Bách Phản biện 2: TSKH Trần Kỳ Phúc Phản biện 3: TS Lê Xuân Thành Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách Khoa Hà Nội họp Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 30, ngày 06 tháng 10 năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam 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 môi 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 công 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 tồn miền tần số, khơng 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 khơng 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 cứu Những vấn đề tồn hướng nghiên - 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 HVAC 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 q 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 môi 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 khơng - 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 cơng suất ngắn mạch), chiều dài cáp, dịng 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 tồn luận án CHƯƠNG TRUYỀN SÓNG 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 mô 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 Ngoài nguyên 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) ( 1.2 ) ∂t ∂V (x,t) (1.3) ∂t Nghiệm hệ phương trình miền thời gian: V ( x , t )=e γxx f ( t ) +e−γxx f ( t ) ( 1.8 ) I ( x , t )= −1 γxx [e f ( t )−e−γxx f ( t ) ](1.9) Nghiệm Z dạng tổng quát theo điện áp dòng điện miền tần số là: −γxx V ( x , ω )=V 0+¿ e γxx −¿e ¿ +V + ¿e I ( x, ω ) =I ¿ −γxx −¿ e +I γxx ¿ ¿ (1.14) 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 V ph =[ Z ph ][ Y ph ] [ V ph ] δ x2 ( 1.33 ) δ I ph =[ Y ph ][ Z ph ] [ I ph ] 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 hồn tồn vỏ • chế độ liên vỏ (intersheath mode) dịng điện từ vỏ cáp trở vỏ cáp (hoặc cáp) cịn lại mà khơng lõi cáp • chế độ đất (ground mode) dịng vỏ pha trở đất mà không qua lõi nối đất đầu nối chéo thụ SVL 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 khơng thể thực nối đất đầu kiểu có lợi Mặc dù vậy, thông 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 16 Kết mơ cho thấy cách tính tốn lựa chọn thông số cho SVL dùng cho cáp ngầm không cịn phù hợp cáp sử dụng khơng kiểu nối vỏ Chính vậy, cáp thay đổi môi trường làm việc từ ngầm hồn tồn sang khơng, tính toán lựa chọn SVL cho vỏ cáp phải thực lại để đảm bảo SVL vận hành an toàn 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: 17 ∆ 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: i CSV ( t )= v+ ¿ (l , t ) ZC − v ( l ,t ) v ( l, t ) − ( 4.4 ) ¿ ZC ZL 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) ¿ ¿ 18