Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu quá điện áp trong trạm biến áp 500

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

TRẦN THƯỢNG SÁCH

NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG TRẠM BIẾN ÁP 500/220kV ĐỨC HÒA BẰNG PHẦN MỀM EMTP – RV

OVERVOLTAGE RESEARCH FOR A 500/220kV DUC HOA

SUBSTATION USING EMTP-RV

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành : 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Đình Anh Khôi

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Nhật Nam

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Lê Văn Đại

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 16 tháng 07 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 PGS.TS Võ Ngọc Điều - Chủ tịch Hội đồng 2 TS Huỳnh Quang Minh - Thư ký Hội đồng 3 TS Nguyễn Nhật Nam - Cán bộ phản biện 1 4 TS Lê Văn Đại - Cán bộ phản biện 2 5 TS Huỳnh Văn Vạn - Ủy viên hội đồng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 27/04/1995 Nơi sinh: Đăk Lăk

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu quá điện áp trong trạm biến áp 500/220kV Đức Hòa bằng phần mềm EMTP – RV

(Overvoltage research for a 500/220kV Duc Hoa substation using EMTP – RV)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Tìm hiểu lý thuyết về hiện tượng quá điện áp trong trạm gồm: quá điện áp khí quyển lan truyền vào trạm do sét gây nên và điện áp quá độ hồi phục do các thao tác đóng – mở máy cắt 500kV, nguyên nhân và các phương pháp nghiên cứu phân tích các hiện tượng quá điện áp

Sử dụng phần mêm EMTP – RV để nghiên cứu và khảo sát tác động của các hiện tượng trên Từ đó đưa ra các giải pháp phù hợp nhằm bảo vệ các thiết bị khi hiện tượng đó xảy ra

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/06/2022

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Phạm Đình Anh Khôi

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Kiến thức rộng lớn muôn màu muôn vẻ, nắm bắt được kiến thức và làm chủ được công nghệ là một hành trình gian khổ và vất vả Trên con đường thành công đó không có sự thành công nào mà không gắn liền với sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp Trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa TP.HCM em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, điều đó thật đáng quý và trân trọng

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô giáo trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, đặc biệt là các thầy cô bộ môn Hệ thống điện, khoa Điện – Điện tử đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ tích, giúp em khắc phục được nhiều thiếu sót trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm việc

Đặc biệt, em xin gửi đến Phó giáo sư, Tiến sĩ Phạm Đình Anh Khôi người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này lời cảm ơn sâu sắc nhất Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến các thành viên Phòng Thiết kế trạm, Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 3 đã không ngừng hỗ trợ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu thực hiện luận văn Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn đã luôn giúp đỡ, sát cánh trong quá trình làm luận văn và trong quãng thời gian tươi đẹp trên ghế nhà trường Sau cùng, em xin kính chúc Quý Thầy, Cô thật dồi dào sức khỏe, tràn đầy vui tươi để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ tiếp nối mai sau

TP.HCM, ngày…….tháng… năm 2022

Học viên thực hiện

Trần Thượng Sách

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hiện nay, do tốc độ công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, tốc độ đô thị hóa ngày càng tăng, do đó nhu cầu về năng lượng điện theo đó cũng rất cấp bách đòi hỏi việc xuất hiện của các trạm biến áp và đường dây tải điện cũng tăng theo Trạm biến áp 500kV Đức Hòa được xây dựng nhằm tăng cường cung cấp điện cho phụ tải khu vực tỉnh Long An gồm huyện Đức Hòa, Đức Huệ, Bến Lức, thị xã Tân An và TP.HCM gồm khu vực Bình Chánh, Quận 12 Tiêu thụ công suất phát ra từ Trung tâm Điện lực Long Phú, Trung tâm Điện lực Kiên Lương và Trung tâm Điện lực Long Hậu do các nhà máy nhiệt điện phát lên lưới Do đó việc xây dựng và vận hành trạm an toàn là điều tiên quyết

Vào ngày 13/7/2020, lúc 15h23’ đã xảy ra hiện tượng quá điện áp xảy do sét đánh với biên độ của dòng sét lan truyền đo được trước khi sự cố là 196kA vào pha B tại cột cuối đấu vào trạm 500kV Đức Hòa của đường dây Cầu Bông gây ra quá điện áp khí quyển đối với pha B, chống sét van đã hạn chế quá điện áp nên không gây ra nguy hiểm đối với các thiết bị chính trong trạm Tuy nhiên sau khi làm việc thì chống sét van này đã hư hỏng do dòng điện phối hợp qua nó vượt quá giới hạn từ 10 đến 14kA , cụ thể dòng diện qua chống sét van là 25,72kA Do đó việc nghiên cứu quá điện áp từ những thông số thực tế thông qua phần mềm mô phỏng EMTP-RV nhằm có biện pháp hạn chế trường hợp tương tự xảy ra trong tương lai cũng như hiểu rõ hơn những lý thuyết cũng như các bài báo khoa học liên quan đến vần đề này

Một vấn đề nữa mà luận văn muốn tìm hiểu là quá điện áp nội bộ, cụ thể là quá điện áp làm việc (điện áp quá độ phục hồi – Transient Recovery Voltage-TRV, tốc độ gia tăng điện áp quá độ phục hồi – Rate – of – Rise of Recovery Voltage-RRRV) trong lúc vận hành trạm 500kV Đức Hòa từ đó lựa chọn mức cách điện xung đóng-cắt cho trạm, cũng như lựa chọn thông số cho máy cắt điện nhằm giảm tối đa chi phí thiết bị cũng như an toàn trong vận hành trạm sau này

Trang 6

ABSTRACT

Currently, due to the speed of industrialization and modernization of the country, the speed of urbanization is increasing, so the demand for electric energy is also very urgent, requiring the appearance of substations and transformers Power transmission lines also increased Duc Hoa 500kV substation was built to: increase power supply for loads in Long An province including Duc Hoa, Duc Hue, Ben Luc, Tan An town and Ho Chi Minh City including Binh Chanh area, Duc Hoa district, Tan An town, district 12 Power consumption from Long Phu Power Center, Kien Luong Power Center and Long Hau Power Center generated by thermal power plants Therefore, the construction and operation of a safe station is a prerequisite

On July 13, 2020, at 3:23 pm, there was an overvoltage phenomenon caused by a lightning strike with the amplitude of the transmitted lightning current measured before the fault was 196kA into phase B at the last column connected to the substation 500kV Duc Hoa of Cau Bong transmission line causes atmospheric overvoltage for phase B, the lightning protection valve has limited the overvoltage, so it does not cause danger to the main equipment in the station, but after working This valve lightning arrester was damaged because the combined current through it exceeded the limit from 10 to 14kA that current through lightning arrester is 25,72kA Therefore, the study of overvoltage from actual parameters through EMTP-RV simulation software in order to take measures to limit similar cases in the future as well as to better understand theories as well as problems scientific journals related to this topic.

Another problem that the thesis wants to find out is the internal overvoltage, specifically the working voltage (Transient Recovery Voltage-TRV, the rate of rise of the recovery transient voltage – Rate - of - Rise of Recovery Voltage-RRRV) during the operation of the Duc Hoa 500kV station from which to select the switching-switching impulse insulation level for the station, as well as selecting the parameters for the circuit breaker to minimize the equipment cost equipment as well as safety in station operation in the future

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Trần Thượng Sách, xin cam đoan luận văn thạc sĩ đề tài “Nghiên cứu quá điện áp trong trạm biến áp 500/220kV Đức Hòa băng phần mềm EMTP – RV” là công trình nghiên cứu của chính bản thân tôi, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Đình Anh Khôi

Các số liệu, kết quả mô phỏng trong luận văn này là trung thực Tôi cam đoan không sao chép bất kỳ công trình khoa học nào của người khác, mọi sự tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng

TP.HCM, ngày …… tháng … năm 2022 Người cam đoan

Trần Thượng Sách

Trang 8

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 2

1.3.2 Tình hình nghiên cứu quốc tế 3

1.4MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

1.4.1 Mục tiêu 5

1.4.1.1Mục tiêu tổng quan 5

1.4.1.2Mục tiêu cụ thể 5

1.4.2 Đối tượng nghiên cứu 6

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu 6

1.5Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 6

1.5.1 Ý nghĩa thực tiễn 6

1.5.2 Ý nghĩa khoa học 7

QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG TRẠM BIẾN ÁP 8

2.1QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN 8

2.1.1 Sét – nguồn gốc của quá điện áp khí quyển 8

2.1.2 Các tham số chủ yếu của sét 11

2.1.3 Biên độ dòng sét 11

2.1.4 Độ dốc đầu sóng dòng điện sét 12

2.1.5 Cực tính của sét 13

2.2QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ 13

2.2.1 Phân loại quá điện áp nội bộ 13

2.2.2 Điện áp quá độ phục hồi (Transient Recovery Voltage), tốc độ tăng điện áp phục hồi (Rate-of-rise of recovery voltage) của máy cắt 14

Trang 9

2.2.3.2Các dây dẫn cùng được nối vào một nguồn phát sóng 24

2.2.3.3Một dây dẫn nối với nguồn sóng, một dây dẫn nối với đất 25

2.2.3.4Một dây dẫn nối với nguồn sóng, một dây dẫn đặt cách điện với đất 26

2.2.3.5Sóng truyền theo hai dây dẫn, dây thứ ba đặt cách điện 27

2.2.3.6Biến dạng và tắt dần của sóng do tổn hao vầng quang xung trên đường xung trên đường dây 28

BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG TRẠM BIẾN ÁP 33

3.1BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN 33

3.1.1 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa chống sét van và thiết bị được bảo vệ đến điện áp tác dụng lên cách điện 33

3.1.2 Ảnh hưởng của dòng điện xung qua chống sét van đến trị số điện áp dư của nó……… 35

3.1.3 Điện áp trên cách điện của trạm 36

3.2BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ 40

Trang 10

4.1.2 Quy mô phần trạm biến áp (phía sân 500kV) 44

4.1.3 Yêu cầu chung về hệ thống điện áp dụng tại trạm biến áp 500kV Đức Hòa

44

4.2TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM EMTP-RV 45

4.2.1 Sơ lược về lịch sử phát triển của phần mềm EMTP-RV 45

4.2.2 Các ứng dụng và lợi ích của phần mềm EMTP-RV 46

4.2.3 Mô hình cơ bản của các phần tử hệ thống điện sử dụng trong luận văn 47

4.2.3.1Nguồn sét 47

4.2.3.2Nguồn điện 47

4.2.3.3Máy biến áp nối tam giác 48

4.2.3.4Phụ tải 50

4.2.3.5Mô hình đường dây 51

4.2.3.6Mô hình điện trở nối đất của cột 53

4.2.3.7Mô hình chống sét van 53

4.2.3.8Dây dẫn trong trạm 54

4.2.3.9Điện dung thay thế của các thiết bị chính trong trạm 55

TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP CHO TRẠM 500KV ĐỨC HÒA 56

5.1TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN 56

5.1.1 Kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình sử dụng trong luận văn 56

5.1.1.1Các mô hình chính sử dụng trong bài báo 56

5.1.1.2So sánh kết quả mô phỏng 58

5.1.2 Tính toán quá điện áp đối với TBA 500kV Đức Hòa – Trường hợp có 1 đường dây 500kV đấu vào trạm 59

5.1.2.1Trường hợp chưa đặt CVS tại đầu đường dây vào trạm và MBA 61

5.1.2.2Trường hợp đặt CSV tại đầu đường dây và MBA 65

5.1.3 Tính toán quá điện áp đối với TBA 500kV Đức Hòa – Trường hợp có 2 đường dây 500kV đấu vào trạm 69

5.1.3.1Trường hợp chưa đặt CSV đầu đường dây vào trạm và MBA 69

5.1.3.2Trường hợp đặt CSV đầu đường dây và MBA 74

Trang 11

5.1.4 Tính toán quá điện áp đối với TBA 500kV Đức Hòa – Trường hợp có 4 đường

dây 500kV đấu vào trạm 80

5.1.4.1Trường hợp chưa đặt CVS đầu đường dây và MBA 80

5.1.4.2Trường hợp đặt CSV đầu đường dây và MBA 84

5.1.5 Xác định quá điện áp lan truyền đối với các dạng dòng sét và vị trí sét đánh trên đường dây truyền tải đấu vào trạm 88

5.1.6 Xác định vị trí lắp đặt chống sét van đường dây để hạn chế biên độ sóng truyền vào trạm 95

5.2TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ (TRV, RRRV) 98

5.2.1 Kết quả tính toán TRV, RRRV khi ngắn mạch 99

5.2.1.1Ngắn mạch trên đường dây Đức Hòa – Cầu Bông 99

5.2.1.2Ngắn mạch trên đường dây Đức Hòa – Phú Lâm 102

5.2.1.3Ngắn mạch trên đường dây Đức Hòa – Mỹ Tho 106

5.2.1.4Ngắn mạch trên đường dây Đức Hòa – Sông Hậu 110

5.2.2 Kết luận 118

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 120

6.1KẾT LUẬN 120

6.2HƯỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

PHỤ LỤC 123

Phụ lục I: Ứng dụng phần mềm EMTP-RV 123

Phụ lục II: Thông số mô hình đường dây 131

Phụ lục III: Tính toán mô hình cột điện 132

Phụ lục IV: Thông số chống sét van phía 500kV 134

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 135

Trang 12

DANH MỤC VIẾT TẮT

o TBA, MBA : Trạm biến áp, máy biến áp

o CPDL : Constant parameter Distributed Line

Trang 13

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Sự phân bố điện tích trong một đám mây dông 9

Hình 2.2: Kênh tiên đạo bậc âm 9

Hình 2.3: Quá trình phát triển của phóng điện sét 10

Hình 2.4: Dạng dòng điện sét 11

Hình 2.5: Đường cong xác suất độ dốc đầu sóng dòng sét 12

Hình 2.6: Các dạng sóng tính toán dòng điện sét 12

Hình 2.7: Hình dạng điện áp quá độ phục hồi 15

Hình 2.8: Dòng điện và dạng sóng TRV khi cắt mạch điện cảm 16

Hình 2.9: Dòng điện và dạng sóng TRV khi cắt mạch thuần trở 16

Hình 2.10: TRV và điện áp phục hồi trong mạch thuần trở, điện cảm và điện dung 17

Hình 2.11: Thông số TRV của máy cắt và của hệ thống Error! Bookmark not defined.Hình 2.12: Mạch điện đơn giản mô phỏng và dạng sóng của điện áp 18

Hình 2.13: Đặc tính hàm mũ của TRV 21

Hình 2.14: Sự cố - mạch 1 pha 21

Hình 2.15: Sự cố - mạch 3 pha 21

Hình 2.16: Kích thước hình học của dây dẫn 23

Hình 2.17: Ba dây dẫn cùng được nối vào nguồn sóng 24

Hình 2.18: Sét đánh vào dây dẫn (2) của đường dây có một dây chống sét (1) 25

Hình 2.19: Sét đánh vào dây chống sét (1) và sự kết nối với dây dẫn (2) 26

Hình 2.20: Hệ số ngẫu hợp tĩnh của dây 2 đối với dây 1 27

Hình 2.21: Sét đánh vào đỉnh cột của dây có hai DCS (1) và (2) và sự kết nối với Đồ thị pha (3) 27

Hình 2.22: Biến dạng của sóng do tác dụng của vầng quang xung 29

Hình 2.23: Đặc tính volt – coulomb của vầng quang xung trên đường dây tải điện cao áp 30

Hình 2.24: Sự biến dạng của đầu sóng do tác dụng của vầng quang xung trên đường dây tải điện 31

Hình 3.1: Sơ đồ bảo vệ trạm cụt 34

Hình 3.2: Sơ đồ bảo vệ trạm để xét dòng qua chống sét va 36

Trang 14

Hình 3.3: Chống sét van nằm trước các thiết bị bảo vệ 37

Hình 3.4: Điện áp trên chống sét van và cách điện 37

Hình 3.5: Thay thế đoạn thanh góp bằng sơ đồ hình π và giải bằng phương pháp giải tích 38

Hình 3.6: Sơ đồ mạch phức hợp (a) và đặc tính V-A của loại CSV phức hợp tương ứng (b) cấp điện áp U=500kV 40

Hình 3.7: Lựa chọn phân bố xác suất cho vận hành của máy cắ 42

Hình 3.8: Các vị trí sự cố cần tính toán đối với đường dây không lắp đặt tụ bù dọc 43

Hình 4.1: Mô hình nguồn sét trong EMTP – RV 47

Hình 4.2: Mô hình nhập thông số nguồn 47

Hình 4.3: Sơ đồ máy biến áp nối tam giác 49

Hình 4.4: Mô hình thông số máy biến áp sử dụng trong luận văn 49

Hình 4.5: Mô hình nhập thông số phụ tải 50

Hình 4.6: Thông số dân dẫn trong mô hình Line Data 51

Hình 4.7: Mô hình cột điện sử dụng trong luận văn 52

Hình 4.8: Mô hình điện trở nối đất của cột trong EMTP –RV 53

Hình 4.9: Mô hình chống sét van 54

Hình 5.1: Mô hình nguồn sét trong bài báo 56

Hình 5.2: Mô hình và thông số cột điện sử dụng trong bài báo 57

Hình 5.3: Sơ đồ bố trí mặt bằng sân 500kV 60

Hình 5.4: Mặt cắt ngăn đường dây – ngăn MBA 60

Hình 5.5: Sơ đồ một sợi phía 500kV 61

Hình 5.6: Điện áp tại điểm 1-CVT đầu đường dây (5.1.2.1a) 62

Hình 5.7: Điện áp tại điểm 2-Thanh cái TC51 (5.1.2.1a) 62

Hình 5.8: Điện áp tại điểm 3-CB ngăn đường dây (5.1.2.1a) 62

Hình 5.9: Điện áp tại điểm 4-thanh cái TC52 (5.1.2.1a) 63

Hình 5.10: Điện áp tại điểm 3-MBA (5.1.2.1a) 63

Hình 5.11: Điện áp tại điểm 1-CVT đầu đường dây (5.1.2.1b) 64

Hình 5.12: Điện áp tại điểm 2-thanh cái TC52 (5.1.2.1b) 64

Hình 5.13: Điện áp tại điểm 3-CB ngăn đường dây (5.1.2.1b) 64

Trang 15

Hình 5.15: Điện áp tại điểm 5-MBA (5.1.2.1b) 65

Hình 5.16: Điện áp tại điểm 1-CVT đầu đường dây (5.1.2.2) 66

Hình 5.17: Điện áp tại điểm 2-thanh cái TC51 (5.1.2.2) 66

Hình 5.18: Điện áp tại điểm 3-CB ngăn đường dây (5.1.2.2) 66

Hình 5.20: Điện áp tại điểm 5-MBA (5.1.2.2) 67

Hình 5.21: Dòng điện qua chống sét van (5.1.2.2) 67

Hình 5.22: Điện áp giáng lên chuỗi sứ (5.1.3.1) 69

Hình 5.25: Điện áp tại điểm 3-CB ngăn đường dây (5.1.3.1) 70

Hình 5.27: Điện áp tại điểm 5-MBA (5.1.3.1) 71

Hình 5.28: Điện áp giáng lên chuỗi sứ (5.1.3.1b) 72

Hình 5.29: Điện áp tài điểm 1-CVT đầu đường dây (5.1.3.1b) 72

Hình 5.34: Dòng điện qua chống sét van (5.1.3.2a) 74

Hình 5.39: Dòng điện phối hợp qua chống sét van 77

Trang 16

Hình 5.49: Điện áp tại điểm 5-MBA (5.1.4.1a) 82

Hình 5.60: Dòng điện phối hợp qua chống sét van (5.1.4.1b) 87

Hình 5.67: Dạng dòng sét 3/75μs-139kA đánh trên giữa khoảng vượt cách trạm 300m 90

Hình 5.68: Dạng dòng sét 3/75μs-139kA đánh trên giữa khoảng vượt cách trạm 1km 90

Hình 5.69: : Dạng dòng sét 3/75μs-139kA đánh trên giữa khoảng vượt cách trạm 5km 91

Hình 5.70: Dạng dòng sét 3/75μs-139kA đánh trên pha B cách trạm 300m 91

Hình 5.71: Dạng dòng sét 3/75μs-139kA đánh trên pha B cách trạm 1km 91

Hình 5.72: Dạng dòng sét 3/75μs-139kA đánh trên pha B cách trạm 5km 92

Trang 17

Hình 5.73: Vị trí chống sét van đường dây 2 mạch 95

Hình 5.74: Sơ đồ lưới điện TBA 500kV Đức Hòa 98

Hình 5.75: TRV pha-pha tại Đức Hòa 99

Hình 5.76: Bảng phân phối xác suất 99

Hình 5.77: TRV 3 pha tại Đức Hòa 100

Hình 5.78: Biểu đồ phân bố xác suất TRV qua máy cắt 500kV Đức Hòa 100

Hình 5.79: TRV pha – pha tại Đức Hòa (NM tại Cầu Bông) 101

Hình 5.81: TRV 3 pha – đất tại Đức Hòa (NM tại Cầu Bông) 101

Hình 5.83: TRV 3 pha – đất tại Đức Hòa 102

Hình 5.84: Dạng sóng dòng điện qua máy cắt 500kV tại Đức Hòa 103

Hình 5.86: TRV pha – pha tại Đức Hòa 103

Hình 5.87: Dạng sóng dòng điện qua máy cắt 500kV Đức Hòa 104

Hình 5.89: Dạng sóng TRV máy cắt 500kV Đức Hòa 104

Trang 18

Trang 19

Hình 5.131: Đặc tính thử nghiệm của máy cắt 500kV theo IEC 119

Hình 0.1:Ứng dụng của phần mềm EMTP – RV 123

Hình 0.2: Trạng thái ổn định 125

Hình 0.3: Mối quan hệ giữa những tập tin và chương trình hỗ trợ 127

Hình 0.4: Giao điện phần mềm EMTP – RV 128

Hình 0.5: Giao diện chức năng mô phỏng (Simulate) 129

Hình 0.6: Thư viện có sẵn trong EMTP 129

Hình 0.7: Thư viện đường dây (Line) 130

Hình 0.8: Mô hình cột điện điển hình sử dụng trong mô phỏng 133

Trang 20

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Số vị trí sự cố trên đường dây cần tính toán với chiều dài khác nhau 43

Bảng 4.1: Bảng thông số nguồn kết nối với trạm biến áp 500kV Đức Hòa 48

Bảng 4.2: Bảng thông số phụ tải cực đại năm 2022 TBA 500kV Đức Hòa 50

Bảng 4.3: Điện dung các thiết bị 55

Bảng 5.1:Điện áp tại các điểm TBA trong trường hợp sét đánh vào DCS 63

Bảng 5.2: Điện áp tại các điểm TBA trong trường hợp sét đánh vào dây dẫn pha B 65

Bảng 5.3: Điện áp tại các điểm TBA trong trường hợp sét đánh vào dây dẫn pha B, có đặt CSV tại đầu đường dây và MBA 68

Bảng 5.4: Điện áp tại các điểm TBA trong trường hợp sét đánh vào DCS, chưa đặt CSV tại đầu đường dây và MBA 71

Bảng 5.5: Điện áp tại các điểm TBA trong trường hợp sét đánh vào dây dẫn, chưa đặt CSV tại đầu đường dây và MBA 74

Bảng 5.6: Điện áp tại các điểm TBA trong trường hợp sét đánh vào DCS, đặt CSV tại đầu đường dây và MBA 76

Bảng 5.7: Điện áp tại các điểm TBA trong trường hợp sét đánh vào dây dẫn, đặt CSV tại đầu đường dây và MBA 79

Bảng 5.8: Điện áp tại các điểm TBA trong trường hợp sét đánh vào DCS, chưa CSV tại đầu đường dây và MBA 82

Bảng 5.9: Điện áp tại các điểm TBA trong trường hợp sét đánh vào dây dẫn, chưa CSV tại đầu đường dây và MBA 84

Bảng 5.10: Điện áp tại các điểm TBA trong trường hợp sét đánh vào dây dẫn, đặt CSV tại đầu đường dây và MBA 86

Bảng 5.11: Bảng tổng hợp điện áp tại điểm 1 và điểm 5 94

Bảng 5.12: Tổng hợp điện áp giáng lên chuỗi sứ 96

Bảng 5.13: Bảng tổng hợp vị trí đặt CSV đường dây hiệu quả nhất 98

Bảng 5.14: Số vị trí sự cố trên đường dây cần tính toán với chiều dài khác nhau 98

Bảng 5.15: Bảng tổng hợp TRV, RRRV của máy cắt 118

Bảng 0.1: Nguồn gốc quá độ và phạm vi tần số liên quan 125

Bảng 0.2: Phân loại giải tần số 126

Bảng 0.3: Bảng thông số kỹ thuật của dây dẫn ACSR 330/43 131

Trang 21

Bảng 0.4: Bảng thông số kỹ thuật của dây dẫn chống sét hợp kim nhôm PHLOX181,6 132Bảng 0.5: Bảng thông số kỹ thuật của dây dẫn chống sét kết hợp cáp quang OPGW180 132Bảng 0.6: Bảng: Đặc tính V-I của chống sét van 134Bảng 0.7: Chống sét van sử dụng trong luận văn 134

Trang 22

MỞ ĐẦU

Phóng điện ở cách điện trong trạm trong nhiều trường hợp dẫn đến sự cố trầm trọng trong hệ thống, nó có thể pha huỷ nhiều thiết bị đắt tiền, gây ngắn mạch trên thanh góp ngay cả khi có hệ thống rơle bảo vệ hiện đại Vì vậy, yêu cầu đối với việc bảo vệ chống sét cho trạm cao hơn nhiều so với đường dây

Trạm phải được bảo vệ với độ an toàn rất cao, chống sét đánh thẳng bằng hệ thống thu sét bao gồm cột hoặc dây thu sét sẽ như được bày trong chương 3 Ngoài ra trạm còn phải được bảo vệ chống sóng quá điện áp do sét gây ra trên đường dây truyền vào trạm Mức độ bảo vệ ở đây được tăng cường bằng những biện pháp đặc biệt so với bảo vệ chống sét cho đường dây Tuy nhiên, chủ yếu vì lý do kinh tế không thể loại trừ hoàn toàn khả năng xảy ra sự cố ở trạm do sóng truyền theo đường dây vào, mà chỉ có thể hạn chế tới mức hợp lỹ kinh tế và kỹ thuật Mức độ an toàn chịu sét của trạm được đặc trưng bởi chỉ tiêu chống sét của trạm – nó được định nghĩa bằng số năm trung bình vận hành an toàn, không xuất hiện quá điện áp nguy hiểm đối với cách điện trạm, với phương tiên bảo vệ ngày càng hoàn thiện, chỉ tiêu chống sét của trạm có thể đến hàng trăm năm Để có một ý niệm đầy đủ về con số đó, ta nên nhớ rằng trong những hệ thống điện phát triển, số trạm phân phối, số nhà máy điện có thể đến hàng trăm, số máy biến áp (MBA) lên đến hành ngàn, khả năng hư hỏng MBA và thiết bị trong toàn hệ thống do sét gây nên do đó có những trị số đáng kể [1] Ngoài ra, một vấn đề quan trọng nữa ảnh hưởng tới cách điện của trạm, cũng như các thiết bị đóng cắt là quá điện áp nội bộ Quá điện áp nội bộ xảy ra khi có sự thay đổi chế độ làm việc trong hệ thống điện Sự chuyển từ một chế độ làm việc này sang một chế độ làm việc khác gắn liền với sự phân bố lại năng lượng điện trường và từ trường tích luỹ trong các điện dung và điện cảm của mạch, kèm theo quá trình dao động quá độ và gây nên quá điện áp

Nguyên nhân trực tiếp làm phát sinh quá điện áp nội bộ có thể là những thao tác đóng cắt các phần tự của hệ thống trong chế độ làm việc bình thường như đóng cắt một đường dây không tải, cắt một máy biến áp không tải nhưng cũng có thể là do bản thân của những tình trạng sự cố khác nhau trong hệ thống điện như chạm đất, ngắn mạch, đứt dây…Trong đó điện áp quá độ phục hồi máy cắt là điện áp xuất hiện dọc trên 2 cực máy cắt sau khi dòng qua máy cắt bị ngắt Nó là một thông số tới hạn cho việc cắt sự cố đối với máy cắt cao áp Các đặc tính của nó như biên độ, tốc độ tăng có thể dẫn đến việc cắt dòng ngắn mạch thành công hoặc thất bại [2]

Trang 23

1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Để thực hiện đề tài, yêu cầu trước tiên cần đặt ra là nắm vững các kiến thức từ môn học đã được học như : Kỹ thuật cao áp, Nhà máy điện và trạm,… cũng như nắm nó các phần mềm ứng dụng liên quan như EMTP-RV (Electromagnetic Transients Programme), MATLAB (MATrix LABoratory)…các phương thức mô phỏng từ dự án thực tế lên mô hình Sau khi nắm vững các kiến thức đó, cần tham chiếu với những đề tài gần giống hoặc tương tự để xác minh tính đúng đắn đối với những mô hình đã lựa chọn, cũng như các thông số cài đặt trong mô phỏng

Từ đó xây dựng lại các mô hình, cơ sở dữ liệu đã được đo đạc và được cấp từ nhà cấp hàng đối với các mô hình liên quan trong trạm biến áp Mô hình sẽ được tiêu chuẩn hóa cũng như các thông số cần thiết mà chưa có sẽ được áp dụng theo khuyến cáo của các tiêu chuẩn hoặc từ phát hành phần mềm EMTP-RV để tạo mô phỏng sao cho gần giống nhất với thực tế hiện nay

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến quá điện áp khí quyển lan truyền trên đường dây truyền tải và trong trạm biến áp, mà kết quả của quá trình ngày gây ảnh hưởng đến cách điện của đường dây và trạm, nghiêm trọng hơn có thể phá hủy cách điện gây tê liệt quá trình truyền tải công suất và ảnh hưởng đến an ninh năng lượng Quốc gia Điển hình một vài nghiên cứu như:

 Công trình nghiên cứu “Nghiên cứu bảo vệ chống sét lan truyền cho trạm biến áp bằng phần mềm EMTP-RV” của TS.Đặng Thu Huyền [1], tác giả đã nghiên cứu chống sét lan truyền và ảnh hưởng của vị trí đặt chống sét van trong trạm với nguồn sét sử dụng trong mô phỏng là dạng dòng sét tiêu chuẩn theo IEC 62043-3:2001 với xung 1,2/50 ms, cột điện sử dụng mô hình CPDL (Constant paramerter Distributed Line), đường dây được mô hình hóa bằng mô hình thông số rải Nhìn chung tác giả đã thành công trong việc mô phỏng sét lan truyền vào trạm, mô phỏng các trường hợp đặt chống sét van tại cột cổng trạm và đặt tại thanh góp cao áp cho thấy khi có sóng quá điện áp do sét lan truyền từ đường dây vào trạm thì không có ảnh hưởng gì tới cách điện của trạm Nhưng vẫn còn một số điều cần thảo luận như:

 Dạng sóng của nguồn sét sử dụng trong mô phòng là xung 1,2/50ms, với dạng xung này chưa đáp ứng được tiêu chí đánh giá tác động của sét lên cách điện của trạm và đường dây thường mô phỏng dạng xung ở cấp độ μs và biên độ dòng xung sử dụng trong mô phỏng chỉ ở mức 10kA Cần mô phỏng thêm một số dạng xung như 1/30,2 μs với biên độ 20kA, 1/30,2 μs với biên độ 34,5kA,

Trang 24

1,2/50 μs với biên độ 50kA, 2/77,5 μs với biên độ 100kA, 3/75 μs với biên độ 139kA… để đánh giá được tác động của dòng sét

 Điện trở nối đất của cột là 8, ở đây tác giả đã lấy điện trở nối đất cột là một hằng số Thực chất điện trở nối đất của cột là một điện trở phi tuyến, nghĩa là giá trị điện trở thay đổi theo biên độ điện áp giáng trên điện trở nối đất xung của cột Giá trị này cần tính toán và mô phỏng theo đúng bản chất để thấy được ảnh hưởng của điện trở nối đất đến việc tản dòng sét và giảm rủi ro phóng điện ngược

 Tác giả đã mô hình hóa trạm còn đơn giản (chỉ mô phỏng máy biến áp đặt tại trạm) bởi thực tế trạm còn rất nhiều thiết bị đặt trong trạm như: biến điện áp, dao cách ly, máy cắt, biến dòng điện… trị số điện dung của chúng ít nhiều cũng có tác động giảm đi độ dốc đầu sóng truyền vào trạm…

 Công trình nghiên cứu “Mô hình xung sét cải tiến và quá điện áp do sét đánh trực tiếp vào đường dây phân phối trung áp” của PGS.TS Quyền Huy Ánh, Ths Lê Hữu Chí [2] Bài báo giới thiệu mô hình xung sét 10/350 μs cải tiến mức độ tương thích cao với xung sét chuẩn quốc tế, đồng thời cũng đánh giá hiệu quả bảo vệ của chống sét van trung áp và sự cần thiết phải trang bị chống sét van nhằm bảo vệ thiết bị điện hạ áp khi sét lan truyền từ phía trung áp sang hạ áp của máy biến áp khi sét đánh trực tiếp vào đường dây phân phối trung áp

 Công trình nghiên cứu “Tính toán lựa chọn số lượng và vị trí đặt chống sét van cho trạm biến áp 220kV Phả Lại bằng EMTP” của Trần Anh Tùng và các đồng tác giả [3] Bài báo giới thiệu các mô phỏng quá trình quá độ trong hệ thống 220kV của trạm biến áp phả lại 2 bằng chương trình EMTP-RV Quá điện áp khí quyển được tính toán cho 2 trường hợp: sét đánh vào đỉnh cột và sét đánh trực tiếp vào dây pha Các kết quả tính toán đã cho phép đề xuất phương án lắp đặt thêm chống sét van tại cuối đường dây vào trạm và thanh cái, và tại hai đầu thanh cái nhằm hạn chế quá điện áp lan truyền từ đường dây vào trạm

 Và còn nhiều những nghiên cứu, những bài báo khác trong nước nhưng luận văn chỉ nêu lên một số bài báo điển hình mà tác giả tìm được cũng như có những trích dẫn từ số liệu từ những bài báo trên…

1.3.2 Tình hình nghiên cứu quốc tế

 Công trình nghiên cứu “Detail Modeling of Overhead Line for the Elecromagnetic Transients Studies” của Selma Grebovic [4], tác giả đã nghiên cứu mô hình quá điện áp trên đường dây truyền tải 110kV với chiều dài 42,9km gồm 144 cột điện cao áp Tuy nhiên, trong mô phỏng tác giả chỉ mô phỏng khoảng 10 cột, khoảng nhịp giữa các cột là 300m, điện trở suất của đất là 1200m Ở đây tác giả đã thêm

Trang 25

vào mô hình cách điện của đường dây có xét đến phóng điện ngược trên chuỗi sứ để xem xét ảnh hưởng thực tế của dòng sét đến các pha khi đã có bảo vệ chống sét đánh trực tiếp bằng dây chống sét Nhìn chung tác giả đã mô phỏng thành công quá điện áp lan truyền trên đường dây tải điện, với dòng sét có biên độ -52,86kA thì hiện tượng phóng điện ngược đã xảy ra ở pha A của đường dây tải điện và quá điện áp suất hiện làm ngắn mạch ở pha này tại đầu đường dây là 585,656kA, tại cuối đường dây là 373,027kV, tại điểm ngắn mạch là 848,468kV và tại đỉnh cột là 1385,290kV Qua đó cho thấy mặc dù đã được bảo vệ chống sét đánh trực tiếp nhưng sét vẫn đánh vào cột gây phóng điện ngược lên các pha của đường dây truyền tải và tác giả cũng đã đưa mô hình chống sét van vào mô hình đường dây truyền tải cho hiệu quả hoạt động của chống sét van đã giảm được đỉnh dòng sét và không gây nguy hiểm cho các pha của đường dây truyền tải Tuy nhiên, trong nghiên cứu này cần thảo luận như:

 Tác giả chưa nêu rõ trong nghiên cứu về việc lựa chọn mô hình đường dây truyền tải, việc này rất quan trọng trong mô phỏng quá trình lan truyền sét  Tác giả cũng chưa đề cập đến hiện tượng vần quang suất hiện trên đường dây

truyền tải, hiện hượng này có tác dụng làm giảm độ dốc đầu sóng là một nhân tố quan trọng trong việc nghiên cứu quá điện áp lan truyền do sét đánh

 Như đã đề cập ở trên, việc mô phỏng cột điện trong nghiên cứu còn đơn giản Tác giả tiến hành mô phỏng mỗi đoạn của cột điện là một cuộn cảm, điều này cần phải xem xét khi mô phỏng bởi các cột điện sử dụng trong mô phỏng thường được mô hình hóa bằng một mô hình đường dây không tổn thất nối tiếp với một mạch RL song song nhằm mô phỏng sự suy giảm của sóng quá điện áp khi lan truyền trên cột

 Công trình nghiên cứu “Comparison between Different Installation Locations of Surge Arresters at Transmission Line Using EMTP-RV” [5] của hai tác giả Soheil Derafshi Beigvand và Mohammad Morady đã nghiên cứu vị trí đặt chống sét van đường dây tại một số cột trên đường dây tải điện cấp 220kV để so sánh và đánh giá vị trí đặt tối ưu của chúng trên 2 mạch đó Bài báo này được thực hiện ở trên nghiên cứu cho tất cả các vị trí trên một phần của đường dây tải điện trên không cao áp 220kV mạch kép tới so sánh và đánh giá các vị trí tối ưu Vì vậy đã chủ động thay đổi thông số của mô hình chống sét van do IEEE đề xuất cũng như dựa trên kết quả mô phỏng khuyến nghị số lượng chống sét van là 2, 3, 4, 5, 6 cái đặt trên hai mạch của đường dây để giảm suất cắt của đường dây tới giá trị phù hợp với quy định

Trang 26

 Và còn nhiều những nghiên cứu, những bài báo khác ở ngoài nước nhưng luận văn chỉ nêu lên một số bài báo điển hình mà tác giả tìm được cũng như có những trích dẫn từ số liệu từ những bài báo trên…

Qua hai mục trên cho thấy đề tài mà luận văn thực hiện đã được thực hiện khá nhiều ở trong và ngoài nước, ở các khía cạnh khác nhau của vấn đề quá điện áp do sét Ở đây luận văn cũng tiếp nối các lý thuyết, các tiêu chuẩn quốc tế mà các bài báo này đề cập, tuy nhiên các thông số có sự thay đổi để phù hợp với tình hình thực tế của đề tài

1.4.1.1 Mục tiêu tổng quan

Đề tài này nhằm mục tiêu xây dựng mô hình đường dây và trạm biến áp cùng các thiết bị quan trọng của trạm biến áp theo điện dung của chúng nhằm có thể tính toán chính xác tác động của sóng quá điện áp lan truyền vào trạm và tác dụng lên cách điện của trạm để có thể yêu cầu mức cách điện xung của thiết bị cao hơn đối với nhà cấp hàng cùng các biện pháp làm giảm độ dốc đầu sóng cũng như giảm giá trị điện trở của hệ thống nối đất trong trạm một cách có hiệu quả khi có quá điện áp khí quyển hoặc quá điện áp nội bộ xảy ra

1.4.1.2 Mục tiêu cụ thể

(a) Đối với khảo sát quá điện áp khí quyển

 Xây dựng sơ đồ điện dung tương đương của các thiết bị trong trạm biến áp gồm máy biến áp, máy biến điện áp đo lường, máy biến dòng điện đo lường, chống sét van…bằng phần mềm EMTP-RV

 Từ mô hình cột điện thực tế, xây dựng mô hình cột trên phần mêm EMTP-RV, cũng như các thành phần của cột như chuỗi sứ cách điện, điện trở nối đất …  Xây dựng mô hình đường dây truyền tải có tính đến ảnh hưởng tổn thất như mô

hình đường dây đáp ứng theo tần số kết nối với trạm biến áp đối với dữ liệu dây dẫn thực tế

 Xây dựng mô hình nguồn sét có biên độ 200kA, dạng sóng 3/100μs gần giống với thực tế là 196kA

 Phân tích quá điện áp khí quyển đối thực tế đã xảy ra đối với trạm biến áp như đã đề cập ở mục “Tóm tắt luận văn thạc sĩ” cũng như đề xuất thêm một số dạng quá điện áp nhằm mục đích nghiên cứu

Trang 27

(b) Đối với khảo sát quá điện áp nội bộ

 Tiếp nối mô hình đã đề cập ở trên, mục này xây dựng mô hình máy cắt nhằm tính toán quá điện áp phục hồi (Transient Recovery Voltage) và tốc độ quá điện áp phục hồi (Rate-of -Rise of Restriking Voltage) từ dữ liệu vận hành thực tế tại trạm phụ tải cực đại năm 2020 để khảo sát cũng như xem xét liệu rằng máy cắt có chịu được điện áp đóng cắt khi vận hành hay không

1.4.2 Đối tượng nghiên cứu

Luận văn tập trung phân tích quá điện áp tại trạm biến áp 500kV Đức Hòa và đường dây đấu nối thuộc địa phận xã Hòa Khánh Đông, huyện Đức Hòa, tỉnh Long An với hai dạng quá điện áp là: quá điện áp khí quyển và quá điện áp nội bộ lan truyền trong trạm từ đó đề xuất mức cách điện xung của thiết bị hoặc có biện pháp làm giảm đến mức thấp nhất độ lớn của quá điện áp khi có sự cố xảy ra

Dựa vào Luận cứ lý thuyết tức là các mô hình trong mô phỏng mà luận văn sử dụng đều được tham khảo, trích dẫn từ các sách giáo khoa trong nước, cũng như các bài bào trên các tạp chí khoa học uy tín

Từ dữ liệu thực tế về sự cố đã xảy ra đối với trạm 500kV Đức Hòa, tiến hành mô phỏng đối với mô hình đã xây dựng để xem mức tác động đối với cách điện của trạm, qua đó để thấy được điện áp mà cách điện phải chịu trước khi sự cố xảy ra

Sử dụng phương pháp mô phỏng kiểm chứng là mô phỏng lại một bài báo khoa học nhằm so sánh kết của bài báo với kết quả của mô hình để chứng minh tính đúng đắn của mô hình

1.5.1 Ý nghĩa thực tiễn

Trạm biến áp 500kV Đức Hòa và các đường dây đấu nối chủ yếu cung cấp điện cho khu vực tỉnh Long An và thành phố Hồ Chí Minh đã được phê duyệt ở quyết định số “4986/QĐ-BCT ngày 03/06/2014 của Bộ Công Thương về phê duyệt dự án đầu tư xây dựng công trình trạm biến áp 500kV Đức Hòa và các đường dây đấu nối” cho thấy tầm quan trọng của dự án này Trạm biến áp được đưa vào sử dụng sẽ giải quyết được nhu cầu phụ tải đang ngày càng tăng của khu vực kinh tế trong điểm phía Nam Qua đó vấn đề ở giai đoạn thiết kế để trạm vận hành an toàn cần hết sức được lưu tâm, vì khi sự cố xảy ra sẽ ảnh hưởng rất lớn tới tổn thất kinh tế cho khu vực phía Nam cũng như lưới điện cục bộ

Quá trình phân tích quá điện áp lan truyền trong trạm vừa đảm bảo được việc lựa chọn mức cách điện cho trạm được phù hợp cả về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế, đảm bảo

Trang 28

cho trạm vận hành được lâu dài vừa cho thấy tầm vóc của đội ngũ kỹ sư của đơn vị tư vấn cho trạm

Đề tài cũng góp phần vào mục đích nghiên cứu quá điện áp khí quyển cũng như quá điện áp nội bộ xảy ra đối với dự án thực tế Các mô hình tính toán sử dụng trong đề tài đều là các mô hình dựa trên số liệu thực tế đã được đo đạc và kiểm chứng bởi các đơn vị có chức năng Việc sử dụng các phần mềm tính toán như EMTP-RV để mô phỏng các quá trình quá độ cũng cũng góp phần bổ sung nội dung lý thuyết trong sách giao khoa chuyên ngành cũng như các hướng dẫn tính toán đang được lưu hành trong nội bộ Tập đoàn Điện lực Việt Nam

Trang 29

QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG TRẠM BIẾN ÁP

Quá điện áp trong trạm biến áp gồm quá điện áp khí quyển và quá điện áp nội bộ Trong đó quá điện áp khí quyển gây nên bởi dòng điện sét đánh trên đường dây truyền tải tạo nên sóng quá điện áp lan truyền vào trạm; quá điện áp nội bộ xảy ra khi có sự thay đổi chế độ làm việc trong hệ thống điện Sự chuyển từ một chế độ làm việc này sang một chế độ làm việc khác gắn liền với sự phân bố lại năng lượng điện trường và từ trường tích lũy trong các điện dung và điện cảm của mạch, kèm theo quá trình dao động quá độ và gây nên quá điện áp [6]

Do đó, để nghiên cứu quá trình quá độ này trước hết cần tìm hiểu một số cơ sở lý thuyết nền tản về quá điện áp trong trạm biến áp

2.1.1 Sét – nguồn gốc của quá điện áp khí quyển

Sét thực chất là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách rất lớn Chiều dài trung bình của khe sét khoảng 3-5 km, phần lớn chiều dài đó phát triển trong các đám mây dông Quá trình phóng điện của sét tương tự như quá trình phóng điện tia lửa trong điện trường rất không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn Chính sự tương tự đó đã cho phép mô phỏng sét trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu những qui luật của nó và nghiên cứu những biện phát bảo vệ chống sét

Hiển nhiên sét khác với phóng điện trong không khí tiến hành trong phòng thí nghiệm không chỉ ở qui mô mà còn ở đặc điểm riêng biệt của nguồn điện áp của nó tức là những đám mây dông tích điện

Thực tế sự hình thành các cơn dông luôn luôn gắn liền với sự xuất hiện của những luồng không khí nóng ẩm khổng lồ từ mặt đất bốc lên Các luồng không khí này được tạo thành hoặc do sự đốt nóng mặt đất bởi ánh nắng mặt trời, đặt biệt ở các vùng cao (dông nhiệt) hoặc do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ấm với không khí lạnh nặng (dông front), luồng không khí nóng ẩm bí đẩy lên trên Sau khi đạt được một độ cao nhất (khoảng vài km trở lên), luồng k nóng ẩm này đi vào vùng nhiệt độ ẩm, bị lạnh đi, hơi nước ngưng tụ lại thành những giọt nước li ti hoặc thành các tinh thể băng Chúng tạo thành các đám mây dông được thể hiện ở Hình 2.1

Trang 30

Hình 2.1: Sự phân bố điện tích trong một đám mây dông [5]

Quá trình phóng điện sét này gồm 3 giai đoạn chủ yếu:

 Thoạt tiên xuất phát từ mây dông một dải sáng mờ kéo dài từng đợt gián đoạn về phía mặt đất với tốc độ trung bình khoảng 105-106 m/s Đấy là giai đoạn phóng điện tiền đạo từng đợt được gọi là tiên đạo bậc (stepped leader) Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện tích không cao lắm, khoảng 1013-1014 ion/m3 Một phần điện tích âm của mây dông tràn vào kênh và phân bố tương đối đều dọc theo chiều của nó được thể hiện ở Hình 2.2a

Hình 2.2: Kênh tiên đạo bậc âm [6]

 Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét theo thời gian: o Giai đoạn phóng điện tiên đạo

o Tia tiền đạo đến gần mặt đất, hình thành khu vực ion hoá mãnh liệt o Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu

o Phóng điện chủ yếu kết thúc, dòng sét đạt giá trị cực đại

 Thời gian phát triển của tia tiền đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1µs, tương ứng tia tiền đạo kéo dài trung bình được khoảng vài chục mét đến bốn năm chục mét Thời gian tạm ngừng phát triển giữa hai đợt liên tiếp khoảng 30÷90µs

Trang 31

 Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất (thời gian vào khoảng 20ms) hoặc tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiều, thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu, tương tự như các quá trình phóng điện ngược trong chất khí ở điện trường không đồng nhất được thể hiện ở Hình 2.2b Tốc độ của kênh phóng điện ngược vào khoảng 1,5x107÷1,5x108m/sét (bằng 0,05÷0,5 tốc độ ánh sáng) tức là nhanh gấp trên trăm lần tốc độ phát triển của dòng tiên đạo được thể hiện ở Hình 2.2c Đặc điểm quan trọng nhất của phóng điện củ yếu là cường độ dòng lớn nếu v là tốc độ của phóng điện chủ yếu và σ là mật độ đường của điện tích thì dòng điện sét sẽ đạt giá trị cao nhất khi kênh phóng điện chủ yếu lên đến đám mây dông và bằng Is = σ.v được thể hiện ở Hình 2.3d Đó chính là dòng ngắn mạch khoảng cách khí giữa mây-đất, có trị số từ vài kA đến trên vài trăm kA

 Gia đoạn kết thúc được đánh dấu khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây, điện tích cảm ứng từ đất theo lên, tràn vào và trung hoà với điện tích âm của nó, một phần nhỏ của số điện tích còn lại của mây sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống đất và cũng tạo nên ở chỗ sét đánh một dòng điện có trị số giảm dần tương ứng phần đuôi sóng sét Dự toả sáng mờ dần Trong 50% các trường hợp, sự tháo điện tích xuống đất này tạo nên một dòng không đổi khoảng 100A, kéo dài có thể đến 0,1s Do thời gian kéo dài như vậy nên hiệu ứng nhiệt độ do nó gây nên cũng không kém phần nguy hiểm cho các công trình bị sét đánh

Hình 2.3: Quá trình phát triển của phóng điện sét [6]

Quá trình phát triển của tia sét được trình bày ở Hình 2.3 gồm các giai đoạn sau: 1- giai đoạn tiền đạo; 2- giai đoạn phóng điện chủ yếu; 3- Giao đoạn sau phóng điện – sáng mờ; 4- Tia tiền đạo hình mũi tên hoặc hình kim; 5- Giai đoạn tiên đạo của các cú sét kế tục; 6- Dòng điện tiên đạo; 7- Dòng điện chủ yếu; 8- Dòng điện trong giai đoạn sáng mờ

Trang 32

2.1.2 Các tham số chủ yếu của sét

Dòng điện sét như Hình 2.4 có dạng một sóng xung Trung bình trong khoảng vài ba micro giây, dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sóng và sau đó giảm xuống chầm chậm trong khoảng 20÷100μs, tạo nên phần đuôi sóng

Hình 2.4: Dạng dòng điện sét [6]

Sự lan truyền sóng điện từ tạo nên bởi dòng điện sét gây nên quá điện áp trong hệ thống điện, do đó cần phải thiết những tham số chủ yếu của nó

 Biên độ dòng sét với xác suất xuất hiện của nó

 Độ dốc đầu sóng dòng điện sét hoặc thời gian đầu sóng τđs với xác suất xuất hiện của nó

 Độ dài sóng dòng điện sét τs (tức thời gian cho đến khi dòng sét giảm bằng ½ biên độ của nó)

 Cực tính dòng điện sét

2.1.3 Biên độ dòng sét

Dòng điện sét có trị số lớn nhất vào lúc kênh phóng điện chủ yếu lên đến trung tâm điện tích của đám mây dông Nếu nơi (vật) bị sét đánh có nối đất tốt, điện trở nối đất không đáng kể, thì trị số lớn nhất của dòng điện sét, như đã trình bày ở trên, bằng dòng điện = σ.υ Nhưng nếu điện trở nối đất của vật bị sét đánh có một trị số R nào đó thì dòng điện sét qua vật đó sẽ giảm theo quan hệ [6]:

Trang 33

v: tốc độ phóng điện chủ yếu của dòng sét, m/s

Như vậy, nếu điện trở nối đất R thay đổi từ 0÷30 thì dòng điện qua vật bị sét đánh chỉ giảm 10% Điện trở nối đất của cột và dây thu sét trong hệ thống điện thường ít khi quá 20÷30, nên trong tính toán có thể lấy gần đúng trị số cực đại của dòng điện sét is= σ.υ

2.1.4 Độ dốc đầu sóng dòng điện sét

Độ dốc đầu sóng dòng điện sét cũng thay đổi trong một phạm vi rộng và cũng được cho dưới dạng đường cong xác suất Thường dùng đường cong thực nghiệm được trình bày ở Hình 2.5:

Hình 2.5: Đường cong xác suất độ dốc đầu sóng dòng sét [6]

Cho vùng đồng bằng: va = e−a/15,7 = 10−a/36 hay: lnva = − a

15,7; lgva = − a

trong đó va là xác suất phóng điện sét độ dốc đầu sóng dòng điện bằng và lớn hơn a Kết quả đo đạc cho thấy phần lớn sóng dòng điện sét có thời gian đầu sóng từ τđs = 1÷10µs thường gặp là từ 1 ÷4µs và độ dài sóng trong khoảng τs = 20 ÷100µs Trong tính toán thiết kế thường lấy thời gian đầu sóng τđs = 1,2µs và độ dài sóng trung bình là 50µs tương ứng với dạng sóng chuẩn ( sóng 1,2/50)

Hình 2.6: Các dạng sóng tính toán dòng điện sét [6]

Trang 34

 Dạng sóng hình thang is = at (Hình 2.6a) dùng khi quá trình cần xét chịu ảnh hưởng chủ yếu của phần đầu sóng, còn sự giảm dòng điện sau trị số cực đại theo qui luật này hay qui luật kia không có ảnh hưởng đến quá trình Ví dụ như khi xét quá trình sóng trong cuộn dây máy biến áp

 Dạng hàm mũ is =Ise-t/T (Hình 2.6b) dùng khi tính toán các quá trình phát triển chậm, như khi tính hiệu ứng nhiệt của dòng điện sét, trong đó sự tăng dòng điện ở đầu sóng theo qui luật này hay qui luật kia thực tế không có ảnh hưởng nhiều đến kết quả

T là hằng số thời gian của sự giảm dòng điện: T = τs

0,7 với τs là thời gian toàn sóng (tức là thời gian tính đến khi dòng điện giảm còn bằng một nửa biên độ)

2.1.5 Cực tính của sét

Số liệu quan trắc sét ở nhiều nước trong nhiều năm cho thấy, sóng dòng điện sét mang cực tính âm xuất hiện thường xuyên hơn và chiếm khoảng 80÷90% toàn bộ số lần phóng điện sét

2.2.1 Phân loại quá điện áp nội bộ [6]

Theo điều kiện làm việc của cách điện, thường có thể chia qua điện áp nội bộ thành 2 nhóm chính :

 Nhóm I: Quá điện áp thao tác

Xảy ra khi đóng cắt các phần tử của hệ thống trong chế độ làm việc bình thường và sau sự cố cũng như khi xảy ra chạm đất bằng hồ quang Nói chung, loại quá điện áp này đều có kèm theo sự xuất hiện hồ quang Thuộc nhóm I có:

 Quá điện áp khi cắt phụ tải điện dung như cắt đường dây dài không tải, cắt bộ tụ điện bù

 Quá điện áp khi đóng dây dài đặc biệt ở các máy cắt có bộ phận tự động đóng lại

 Quá điện áp khi cắt những dòng điện điện cảm bé, đặc biệt khi cắt máy biến áp không tải, động cơ không đồng bộ và máy bù

 Quá điện áp khi chạm đất bằng hồ quang không ổn định trong lưới có trung tính cách điện và trung tính nối đất cộng hưởng

 Nhóm II: Quá điện áp cộng hưởng

 Quá điện áp cộng hưởng ở tần số làm việc (cộng hưởng điều hoà)  Quá điện áp cộng hưởng ở tần số cao

Trang 35

 Quá điện áp cộng hưởng ở tần số thấp hơn tần số nguồn

 Quá điện áp cộng hưởng tham số xảy ra do sự thay đởi chu kỳ tham số của mạch

Do tính chất, đặc điểm riêng của đề tài nên trong luận văn chỉ đề cập đến nhóm I: Quá điện áp thao tác

Quá điện áp thao tác được đặc trưng bởi các tham số sau:

 Trị số cực đại, được đặc trưng bởi bội số của biên độ điện áp pha định mức  Thời gian duy trì của quá điện áp thay đổi trong một phạm vi rộng từ vài trăm

micro giây (quá điện áp thao tác) đến hàng giây, thậm chí hàng chục giây

 Tính lặp lại và mức độ lan truyền: cục bộ trong phần tử sự cố hay lan truyền toàn hệ thống

Nói chung, quá điện áp thao tác có thể duy trì tương đối lâu nên đối với cách điện của các trang thiết bị điện nó cũng không kém nguy hiểm so với các xung quá điện áp khí quyển trong thời gian rất ngắn, đặc biệt là đối với cách điện của các hệ thống siêu cao áp (330÷750kV) mà ở đó mức cách điện chỉ vào khoảng (2÷2,5)Up

Quá điện áp thao tác là những sự kiện mà sự xuất hiện và diễn biến của nó chịu sự chi phối của nhiều yếu tố ngẫu nhiên, nên các thông số của nó mang tính chất thống kê

Phương thức làm việc của điểm trung tính của hệ thống ảnh hưởng đến trị số của quá điện áp thao tác

Trong lưới có trung tính cách điện, chạm đất một pha trong phần lớn các trường hợp không phá hoại sự làm việc của hệ thống, nhưng điện áp của hai pha không chạm đất tăng lên điện áp dây Quá điện áp thao tác, do đo, có hệ số bội cao hơn so với trường hợp lưới có trung tính trực tiếp nối đất

Quá điện áp thao tác có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn mức cách điện của đường dây, của các thiết bị trong trạm phân phối và trong sự phối hợp cách điện với các đặc tính của chống sét van bảo vệ

2.2.2 Điện áp quá độ phục hồi (Transient Recovery Voltage), tốc độ tăng điện áp phục hồi (Rate-of-rise of recovery voltage) của máy cắt [7]

Như đã trình bày ở trên nguyên nhân trực tiếp làm phát sinh quá điện áp nội bộ có thể là những thao tác đóng cắt các phần tự của hệ thống trong chế độ làm việc bình thường như đóng cắt một đường dây không tải, cắt một máy biến áp không tải nhưng cũng có thể là do bản thân của những tình trạng sự cố khác nhau trong hệ thống điện như chạm đất, ngắn mạch, đứt dây… Vì vậy khi thao tác như vậy hoặc khi xuất hiện sự cố dẫn đến dòng qua máy cắt bị ngắt sẽ làm xuất hiện điện áp dọc trên 2 cực máy cắt

Trang 36

Nó là một thông số tới hạn cho việc cắt sự cố đối với máy cắt cao áp Các đặc tính của nó như biên độ, tốc độ gia tăng có thể dẫn đến việc cắt dòng ngắn mạch thành công hoặc thất bại

Hình 2.7: Hình dạng điện áp quá độ phục hồi [7]

Trong quá trình ngắt, hồ quang của máy cắt xuất hiện và dòng điện tiến tới giá trị không Trong khoảng thời gian rất ngắn sau khi dòng điện về giá trị bằng không, tức là dòng điện không còn chạy trong mạch Khi đó sẽ xuất hiện điện áp giữa 2 tiếp điểm máy cắt ở cả phía tải và phía nguồn để chống lại sự tắt dần của dòng điện được thể hiện ở Hình 2.7 Điện áp này gọi là điện áp quá độ phục hồi (TRV) Điện áp quá độ phục hồi là hiệu điện thế giữa hai cực máy cắt khi mở ra

Quá trình cắt thành công của máy cắt là khi máy cắt chịu đựng được điện áp quá độ phục hồi

TRV phụ thuộc vào điện trở suất, điện dung, điện kháng, phụ tải … thêm vào đó cấu hình lưới cũng sẽ làm thay đổi dạng sóng của TRV

Về cơ bản điện áp chống lại sự giảm đột ngột dòng điện giữa 2 tiếp điểm trong máy cắt có thể được phân tích riêng biệt và kết quả TRV là hiệu điện thế giữa 2 tiếp điểm đó Điện áp kích thích sẽ là điện áp tức thời ngang qua các phần tử của mạch ngay khi dòng điện tắt Nếu như không có biện pháp giảm thì điện áp đỉnh cao nhất có thể lớn hơn hai lần điện áp danh định Tỷ lệ điện áp hệ thống qua mỗi tiếp điểm chuyển mạch được xác định bởi trở kháng của nó ở tần số điện lực

Hình 2.8 thể hiện khi cắt sự cố thì điện áp ở đầu tiếp điểm l cực đại khi dòng điện bằng không

Trang 37

Hình 2.8: Dòng điện và dạng sóng TRV khi cắt mạch điện cảm [7]

Hình 2.9: Dòng điện và dạng sóng TRV khi cắt mạch thuần trở [7]

Mạch điện dung: sẽ có điện áp đỉnh chạy qua các phần tử ngay khi có dòng điện bị ngắt, điều này làm xuất hiện thành phần một chiều DC trên TRV Trong trường hợp đơn giản nhất, TRV sẽ là đường sin và dao động trong khoảng 0÷2 pu

Trong mạch điện cảm, điện áp tại thời điểm dòng điện bị ngắt ra sẽ tiến gần đến đỉnh Một mạch điện thuần cảm ,TRV là hàm bậc thang 1pu và dao động theo hàm sin tần số công nghiệp Hiện tượng này có tốc độ gia tăng cực nhanh và chỉ được cắt bởi máy cắt lý tưởng

Trong thực tế thì luôn có điện dung trong bộ cảm ứng, do đó trong trường hợp xấu nhất làm tăng sự dao động của TRV

Trang 38

Do vậy, tần số của dao động của TRV sẽ được xác định bởi hai thông số L và C TRV đỉnh sẽ xấu nhất có khi lớn hơn 2 lần điện áp danh định Trong một số trường hợp thì cuộn cảm sẽ cho dạng sóng là 1 – e-t

Hình 2.10 mô phỏng điện áp phục hồi trong các mạch thuần trở, điện cảm và điện dụng

Hình 2.10: TRV và điện áp phục hồi trong mạch thuần trở, điện cảm và điện dung [7]

Hai thông số quan trọng nhất trong nghiên cứu TRV là biên độ cực đại và tốc độ gia tăng điện áp

Biên độ cực đại mà thành phần quá điện áp này đạt được phụ thuộc vào giá trị điện áp vận hành bình thường của hệ thống

Tốc độ gia tăng quá điện áp phục hồi trong suốt quá trình giao động phụ thuộc vào tần số giao động

Hình 2.11 thể hiện thông số TRV của máy cắt và so sánh với cấu hình máy cắt được mô phỏng của hệ thống

Hình 2.11: Thông số TRV của máy cắt và của hệ thống [6]

Giá trị TRV sẽ quyết định đến việc chế tạo 1, 2 hay là 4 buồng dập hồ quang của máy cắt

Độ lớn của TRV cũng như tốc độ gia tăng có ý nghĩa quyết định trong việc lựa chọn máy cắt một cách an toàn và kinh tế Đối với các đường dây cấp điện áp dưới 220kV, hoặc đối với đường dây siêu cao áp 500kV có chiều dài nhỏ hơn 30km và không có tụ bù dọc, vấn đề TRV thường không được đặt ra Tuy nhiên đối với các đường dây

Trang 39

siêu cao áp 500kV có chiều dài từ 30km trở lên và đặc biệt là các đường dây có tụ bù dọc, TRV thường đạt mức rất cao

Việc tính toán giá trị TRV vì vậy đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn thiết kế Lựa chọn giá trị TRV hợp lý vừa đảm bảo an toàn cho thiết bị vừa tiết kiệm được chi phí đầu tư các thiết bị đóng cắt 500kV

Tùy theo giá trị TRV mà giá thành của máy cắt cũng khác nhau rõ rệt, vì thông số TRV khác nhau sẽ đòi hỏi máy cắt điện phải có cấu tạo khác nhau Ví dụ, nếu giá thành ở mức 3 có thể gấp đôi giá thành ở mức 2, với giá trị TRV ở mức 3 đòi hỏi máy cắt phải có 4 buồng dập hồ quang, có nghĩa là gần như 2 máy cắt ghép lại

Vì vậy để một máy cắt vận hành kinh tế và tin cậy thì cần phải tính toán lựa chọn giá trị TRV phù hợp

2.2.2.2 Tính toán các điện áp phục hồi quá độ cho các sự cố trên đường dây ngắn dựa vào các đặt tính định mức

(a) Mở đầu

Về các đặc tính định mức và các thử nghiệm khi có sự cố trên đường dây, người ta đã quyết định chỉ xem xét trường hợp sự cố một pha chạm đất trên lưới có trung tính nối đất vì trường hợp này ứng với mức nghiêm ngặt đầy đủ để thỏa mãn các trường hợp khác, trừ các trường hợp đặc biệt khi các thông số của lưới có thể là nghiêm ngặt hơn các giá trị tiêu chuẩn

Mạch điện một pha đơn giản hóa có thể được biểu diễn như ở Hình 2.12 Trong thời gian ngắn mạch điện áp bằng [7]:

UG = Ur

trong đó: Ur là điện áp định mức của máy cắt, kV

Hình 2.12: Mạch điện đơn giản mô phỏng và dạng sóng của điện áp [7]

Điện áp này sinh ra dòng điện IL trong một mạch gồm điện kháng XS và XL nối tiếp nhau Giá trị hiệu dụng của điện dung phía nguồn là [7]:

Trang 40

và dọc theo đường dây là[6]:

UT = UG √2 = Ur √2

trong đó UT: điện áp đỉnh của TRV, kV

Điện áp phục hồi quá độ tổng quy định cho các sự cố trên đường dây xuất hiện ở các đầu cực máy cắt là hiệu số giữa điện áp quá độ phía nguồn và điện áp quá độ phía đường dây

(b) Điện áp quá độ phía đường dây

Biến thiên uL của điện áp quá độ uL của đường dây so với giá trị ban đầu uo đạt được bằng cách nhân giá trị uo với hệ số đỉnh thích hợp k [7]:

Thời gian tL tính đến đỉnh đầu tiên của điện áp uL đạt được từ tốc độ tăng duL/dt của điện áp quá độ uL của đường dây khi cắt dòng điện i = IL V2 sin (2πft) khi dòng điện đi qua giá trị 0 bởi [7]:

tL = uL

Trong đó: s: hệ số gia tăng của điện áp quá độ Z: tổng trở sóng của đường dây, f: tần số định mức, Hz