Luận văn thạc sĩ Thiết bị mạng và nhà máy điện: Tính toán quá điện áp quá độ trong trạm biến áp cách điện khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu và đề xuất giải pháp hạn chế quá điện áp quá độ

GIỚI THIỆU TRẠM GIS 220kV BÌNH TÂN

MÔ TẢ HỆ THỐNG GIS 220kV

Hình 1 Hệ thống Gis 220kV

STT Chú thích hình 1 STT

1 Thanh cái 10 Dao tiếp địa tốc độ cao của đường dây 2 Dao thanh cái 11 Dao cách li đường dây 3 Dao tiếp địa thanh cái 12 Thanh dẫn

4 Biến dòng điện 13 Hạt hút ẩm 5 Buồng cắt máy cắt 14 Gối đỡ thanh dẫn cách điện

6 Máy cắt 15 Giá đỡ chính

7 Spacer 16 Tủ điều khiển máy cắt

9 Dao tiếp địa bảo trì máy cắt

Hệ thống GIS 220kV trạm Bình Tân do nhà sản xuất HYOSUNG cung cấp, 3 pha đƣợc đặt trong 3 ống riêng và đƣợc bơm đầy khí SF6 để cách điện, đƣợc thiết

Trang 4 kế theo dạng môđun có ƣu điểm là dễ dàng vận hành, lắp ráp, ít bảo trì và rất linh hoạt cho việc mở rộng trạm trong tương lai, thiết bị có cấu trúc gọn nhẹ, được đặt kín trong nhà nên ít chịu ảnh hưởng của môi trường

1.1 Thanh cái (Bus bar): đƣợc phân cách thành từng vùng khí riêng bằng các

Spacer kín khí (stop spacer ), ngoài ra còn có các gối đỡ phụ ở những thanh dẫn dài (insulator) Trong nội bộ từng vùng khí có các Spacer thông khí (hole spacer) ở từng môđun mỗi ngăn lộ theo yêu cầu thiết kế và tạo nên một bộ gồm các dao cách ly thanh cái và dao tiếp địa bảo dƣỡng máy cắt

Hình 2 Thanh cái loại ba pha chung phía 110kV

Hình 3 Thanh cái loại ba pha rời phía 220kV

 Sự khác biệt giữa đường ống ba pha chung và ba pha rời:

Bảng 2 Phân biệt các loại đường ống

STT Đặc điểm Loại ba pha chung

1 Từ trường Ổn định Rất ổn định

2 Sự cố Có thể sự cố ba pha

Chỉ có sự cố một pha

3 Lực điện trường Lớn Nhỏ

4 Ảnh hưởng trường điện từ Cao Thấp

5 Chi phí Ít hơn Cao hơn

6 Cấp điện áp Thấp hơn Cao hơn

1.2 Máy cắt (CB): 3 pha rời dùng khí SF6 để cách điện và dập hồ quang có cơ cấu truyền động đóng cắt bằng lò xo

Hình 6 Cấu tạo các tiếp điểm CB

Hình 7 Trạng thái CB đóng

1.3 Biến dòng điện (CT): dùng để đo lường và bảo vệ kiểu lõi hình xuyến, bố trí trước và sau máy cắt, cách điện sơ cấp bằng khí SF6, nên tuổi thọ rất cao

STT Chú thích hình 8 STT Chú thích hình 8

1 Vòng đệm Oring 9 Gía đỡ

3 Thanh dẫn 11 Lỗi sắt từ

4 Vỏ biến dòng điện 12 Lớp cách điện 5 Hộp đấu nối nhị thứ 13 Lớp cách điện ngoài cùng

6 Biến dòng 14 Cuộn dây thứ cấp

7 Ống dẫn (Encloser) 15 Cách điện lỗi từ 8 Điểm nối đất

MOVE ARCING CONTACT INSULATION COVER PUFFER CYLINDER INSULATION NOZZLE

1.4 Biến điện áp : đo lường và bảo vệ thứ cấp gồm có 2 dây quấn Đầu đấu nối cáp đường dây thích hợp với mọi loại cáp cao áp có tiết diện lên đến 2000mm 2

Hình 10 Biến điện áp 1 pha

Hình 9 Biến điện áp thanh cái (VT Bus)

STT Chú thích hình 9 1 Thanh cái

2 Spacer 3 Dao tiếp địa bảo trì thanh cái 4 VT

1.5 Dao nối đất thanh cái và nối đất đường dây: là loại dao tốc độ cao có khả năng đóng dòng ngắn mạch hoàn toàn, xả dòng cảm ứng, dòng dung xuống đất, khả năng chịu đựng dòng trong thời ngắn, đạt đƣợc tốc độ đóng cao nhờ cơ cấu tác động lò xo truyền động bằng động cơ, có thể thao tác bằng tay

Hình 11 Dao tiếp địa đường dây

STT Chú thích hình 11 STT Chú thích hình 11

1 Vòng đệm Oring 5 Cổ góp

2 Sứ tiếp địa 6 Tiếp điểm di động

3 Tiếp điểm cố định 7 Điện trở dập hồ quang 4 Vỏ (Encloser)

1.6 Dao nối đất bảo trì : được đặt trước và sau máy cắt truyền động bằng động cơ

Hình 12 Dao tiếp địa bảo trì thiết bị

STT Chú thích hình 12 STT Chú thích hình 12

1 Vòng đệm Oring 5 Cổ góp

2 Sứ tiếp địa 6 Tiếp điểm di động

3 Tiếp điểm cố định 4 Vỏ (Encloser)

1.7 Ống dẫn thanh cái (G/A BG – GAS TO AIR BUSHING): đƣợc nối trực tiếp từ thiết bị GIS đến sứ xuyên bên ngoài nhà GIS (bên trong sứ xuyên là khí SF6, bên ngoài sứ xuyên là không khí), có 1 đoạn ống dạng lò xo chịu đƣợc dãn nở nhiệt (Below) và dung sai lắp đặt, ngăn ngừa sự rung động MBA trong quá trình vận hành

Hình 13 Sứ xuyên loại Gas to air

Hình 14 Ống dãn nở dạng lò xo(below) và gối đỡ thanh dẫn cách điện

1.8 Ống dẫn thanh cái (CHD – CABLE SEALING END): đƣợc nối trực tiếp từ thiết bị GIS đến sứ xuyên của cáp ngầm bên trong nhà GIS (bên trong sứ xuyên là cáp ngầm, bên ngoài sứ xuyên là khí SF6)

Hình 15 CHD Cable Sealing end

Hệ thống GIS 220kV đƣợc trang bị đồng hồ giám sát mật độ khí SF6 có bù nhiệt cho từng thiết bị, với mỗi loại thiết bị áp suất khí SF6 định mức sẽ khác nhau:

- Các thiết bị khác: 5.0 bar.G Tại mỗi thiết bị đều có thiết bị giải phóng áp suất khí SF6 với GIS là: 12 ± 1.2 bar, với VT là: 10 bar

Mỗi ngăn lộ có tủ điều khiển chứa tất cả các thiết bị cần thiết cho việc điều khiển, tín hiệu hoá, giám sát,

Hình 16 Cấu tạo modul đầu nối cáp ngầm (Cable sealing end)

STT Chú thích hình 10 Vật liệu

2 Shied bọc ngoài Hợp kim đồng 3 Đầu Cách điện Forcelain

8 Lớp chống thấm nước Ống vải

DS là thiết bị đóng cắt nhằm cô lập thiết bị, đường dây hoàn toàn DS đóng cắt không điện hoặc có điện nhƣng không tải Có hai loại DS đƣợc sử dụng:

 Loại đóng cắt thanh cái (DS-Bus)

 Loại đóng cắt đường dây (DS-Line)

Hình 19 Loại DS-Line, ES, CT chung một Modul

Hình 17 Loại DS-Bus và ES chung một module nối vào thanh cái

Hình 18 Loại DS-Bus và CT chung một module nối vào thanh cái

STT Chú thích hình 20 STT Chú thích hình 20

1 Vòng đệm Oring 5 Gối đỡ

2 Tiếp điểm di động 6 Thanh dẫn

4 Tiếp điểm cố định dập hồ quang

Hình 21: Tiếp điểm cố định DS

1.10 Gối đỡ thanh dẫn điện ( INSULATOR ):

Hình 22 Gối đỡ thanh dẫn

STT Chú thích hinh STT Chú thích hinh 1 Gối đỡ (Epoxy Resin) 3 Thanh dẫn

1.11 Thiết bị giải phóng áp suất : Thông thường khi áp suất khí SF6 tăng cao đến ngƣỡng tác động khoảng 12±2 kgf/cm 2 thì van sẽ nổ và khí bay ra ngoài giảm áp lực đường ống

Hình 23 Thiết bị giải phóng áp suất

STT Chú thích hình 23 STT Chú thích hình 23

Có hai loại sứ xuyên:

 Gas to oil: Kết nối trực tiếp đến sứ xuyên của máy biến áp, từ khí SF6 trong GIS đến dầu sứ xuyên máy biến áp

 Gas to air: Kết nối ra ngoài các phát tuyến đường dây, từ khí SF6 trong GIS ra ngoài không khí

Hình 24 Cấu tạo sứ xuyên loại: Gas to oil

Hình 25 Cấu tạo sứ xuyên loại: Gas to air

1.13 Khí SF6 (Sulpher-Hexa-Fluoride)

Khí SF6 nặng hơn 5.5 lần không khí, hóa lỏng -62 0 C ở áp khí quyển hay 0 0 C ở áp suất 11.7bar Áp suất khí SF6 trong CB khoảng 6bar và nhiệt độ lỏng ở -30 0 C

Hình 26 Đặc tuyến làm việc khí SF6

2 Giới thiệu trạm Gis 220kV Bình Tân

Hình 27 Sơ đồ đơn tuyến Gis 220kV Bình Tân

Hình 28 Sơ đồ lắp đặt thiết bị Gis 220kV Bình Tân

Sơ đồ phía 220kV là sơ đồ 2 hệ thống thanh cái có máy cắt kết giàn có chỉ danh 212, hiện tại bố trí 02 MBA 250MVA- 220kV/110kV.( giai đoạn 2 bố trí thêm 1 MBT 250MVA)

Phần trạm 220kV được thiết kế liên hệ với các trạm lân cận qua các đường dây: Đường dây Bình Tân – Cầu Bông1 (D02): đầu Bình Tân CB 271 (D02) - đầu

Cầu Bông1 – (tương lai) Đường dây Bình Tân – Cầu Bông2 (D03): đầu Bình Tân CB 272 (D03) - đầu Cầu Bông2 - (tương lai) Đường dây Bình Tân – Phú Lâm : Đầu Bình Tân CB 273 (D07) - đầu Phú Lâm CB 271 Đường dây Bình Tân – Phú Lâm : Đầu Bình Tân CB 274 (D08) - đầu Phú Lâm

CB 272 Đường dây Bình Tân – Hóc Môn : Đầu Bình Tân CB 275 (D09) - đầu Hóc Môn

CB 276 Đường dây Bình Tân – Hóc Môn : Đầu Bình Tân CB 276 (D10) - đầu Hóc Môn CB 271

Các đường dây 220kV đấu vào trạm đều có thể cấp nguồn vào hoặc ra tại thanh cái 220kV cho trạm

Hiện tại trong giai đoạn đầu chỉ có : Vận hành 2 ngăn đường dây và 2 ngăn MBA nhƣ sau Đường dây Bình Tân – Phú Lâm : Đầu Bình Tân CB 273 (D07) - đầu Phú Lâm CB 271 Đường dây Bình Tân – Hóc Môn : Đầu Bình Tân CB 276 (D10) - đầu Hóc Môn CB 271

Vận hành 02 MBA 250MVA- 220kV/110kV(Có thể đƣợc phép vận hành song song )

TÍNH TOÁN MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VFTO

Những ưu và nhược điểm của trạm GIS so với trạm biến áp thông thường

Diện tích lắp đặt khoảng 10% so với trạm biến áp thông thường.Trạm GIS có thể lắp đặt nơi dưới lòng đất, trong nhà, khu vực đông dân cư, ven biển, khu công nghiệp, đô thị, đặt gần trung tâm phụ tải để giảm tổn thất truyền tải và phân phối

Trạm GIS không ảnh hưởng bởi khí quyển và môi trường, giảm thiểu mất điện và nâng cao độ tin cậy, chi phí bảo trì thấp Giảm thiểu nhiễu sóng điện từ với việc nối đất hệ thống đường ống bên ngoài

Mặc dù GIS đã đƣợc hoạt động trong nhiều năm, rất nhiều vấn đề gặp phải trong thực tế Đóng cắt gây ra quá điện áp nhanh (Very Fast Transient Overvoltage- VFTO) VFTO có thể gây ra sự cố bên trong GIS và quá độ điện áp ngoài

(Transient Enclosure Voltage-TEV) bên ngoài GIS Hiện tƣợng phóng điện hồ quang kéo dài sinh ra những chất độc hại của sản phẩm khí SF6, hƣ hỏng cách điện Ảnh hưởng quá độ điện trường và quá độ từ trường Từ trường không đồng đều làm giảm khả năng chịu đựng của thiết bị Spacer có thể bị hƣ hỏng khi các sản phẩm của hồ quang à nguyên tử kim loại gây ra.

Hiện tƣợng quá điện áp quá độ trong GIS

2.2.1 Các hiện tƣợng VFT (Very Fast Transient) trạm GIS Các hiện tượng quá độ trong GIS được mô tả theo sơ đồ bên dưới, trong đó hiện tượng VFTO mang mức độ ảnh hưởng nghiêm trọng nhất đến thiết bị GIS và cách điện[1]

Trang 22 Hiện tƣợng VFT trạm GIS

GIS VFT ngoài thiết bị GIS

Quá điện áp VFTO giữa thanh dẫn và đường ống

Quá điện áp quá độ bên ngoài đường ống với đất

Quá độ điện từ bức xạ ra từ đường ống

Quá điện áp FTO của đường dây truyền tài ngoài trời Ảnh hưởng đến mạch nhị thứ Ảnh hưởngđến thiết bị cao áp xung quanh Ảnh hưởng đến cách điện trong GIS VFTO (Very Fast

Hình 29 Hiện tượng VFT trạm GIS

Đặc điểm VFTO

Từ những nhƣợc điểm trên VFTO trong trạm GIS đƣợc xem nhƣ là vấn đề quan trọng để thiết kế cách điện và phân tích những sự cố trong GIS VFTO sinh ra do quá trình đóng cắt sự cố đường dây, sự phóng điện bên trong đường ống VFTO là sự lan truyền sóng, sóng VFTO sẽ lan truyền ra bên ngoài thông qua sứ xuyên, cáp ngầm, biến dòng…nguy hiểm cho thiết bị bên ngoài nối với GIS, làm hỏng cách điện, nhiễu điện từ làm hư hỏng thiết bị điện tử, ảnh hưởng đến thiết bị điều khiển và bảo vệ.[2]

Ngoài ra việc điều khiển đóng cắt DS và CB thì mức độ sinh ra VFTO do đóng cắt DS lớn hơn do cấu tạo CB có buồng dập hồ quang hạn chế đƣợc mức độ VFTO mặc khác tốc độ di chuyển của DS chậm nên khi mở sẽ gây ra phóng điện lặp lại (restrick) trước khi cắt hoàn toàn Sóng VFTO sẽ lan truyền ra hai phía của tiếp điểm DS, phản xạ lại tại các thiết bị khác trong GIS tạo nên dạng sóng rất phức tạp[3]

Do trạm GIS nhỏ gọn nên quá trình truyền sóng VFTO xảy ra trong khoảng một vài nano giây và có dãy sóng lan truyền bên trong Cấu hình GIS cũng ảnh hưởng đến giá trị đỉnh của điện áp quá độ Vận tốc sóng lan truyền trong quá trình vận hành DS là khoảng 30cm/ns[4]

Trong trường hợp đường dây chạm đất, điện áp sẽ giảm xuống tại nơi xảy ra chạm đất cũng giống nhƣ phóng điện lập lại tại hai tiếp điểm trong quá trình mở DS Trong trường hợp này có một sóng đột biến được bơm vào Ví dụ về nguồn đột biến trong GIS thì có hai dạng sóng đột biến được tạo ra và có hai hướng trái chiều nhau về hai phía tiếp điểm DS Tuy nhiên nếu điểm sự cố xảy ra ở cuối GIS thì có một sóng lan truyền trên thanh cái[5]

Hình 30 Dạng sóng VFTO (theo tiêu chuẩn IEC 60071-4)

3ns < Tf < 100ns ; 0,3Mhz < f 1 < 100Mhz ; 30Khz < f 2 < 300Khz

Những hiện tƣợng xảy ra trong quá trình tạo VFTO

2.4.1 Phóng điện lặp lại (Restrick) và phóng điện sớm (Prestrick) trong GIS:

Sự dịch chuyển chậm của các tiếp điểm DS sẽ gây ra nhiều phóng điện trong lúc đóng cắt Hiện tƣợng “restrick” và “prestrick” xảy ra khi điện áp giữa các tiếp điểm

Trang 24 vƣợt quá mức cách điện của khí SF6 ở giữa chúng Mõi lần “restrick” và

“prestrick” lại sinh ra một tia lửa điện có điện áp bằng với điện áp giữa hai tiếp điểm Sau khi tia lửa điện bị dập tắt, điện áp phía tải và phía nguồn sẽ bị chênh lệch nhau, tia lửa điện tiếp theo xảy ra khi có sự chênh lệch áp nguồn và tải với điện áp đánh thủng[4]

Số lƣợng tia lửa điện phóng ra phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển của DS, phá hủy một cách đột ngột cách điện sẽ làm tăng độ lớn của bẫy năng lƣợng (trapped charge) và dạng sóng đi qua trong GIS[6]

Khi xảy ra hiện tƣợng đánh thủng cách điện khí SF6 nó đƣợc kết hợp lại rất nhanh, vì nó có đặc tính phân cực cao Vì thuộc tính này thời gian “restrick” và

“prestrick” sẽ tăng lên trong khoảng thời gian nano giây, do đó VFTO chủ yếu là dựa vào thuộc tính của khí SF6.VTFO đƣợc tạo ra với độ dốc điện áp và tần số lớn[7]

Sự đánh thủng khí SF6 bắt đầu là sự bức xạ electron, bức xạ từ trường hay một vài hiện tƣợng bức xạ electron khác Những electron này đƣợc gia tốc bởi điện trường do đó làm tăng động năng của nó và số lượng electron sẽ tăng lên bởi sự va chạm của chúng[7]

2.4.2 Bẫy năng lƣợng (Trapped charge)

Sau khi mở dao cách li sẽ có bẫy điện áp (trap charge voltage) duy trì trên tiếp điểm DS bên phía tải sau khi xảy ra “restrick” (phóng điện lặp lại) cuối cùng Bẫy năng lƣợng sẽ phóng ra từ từ qua Spacer và thiết bị khác (thời gian duy trì hàng giờ hoặc hàng ngày) do đó trong quá trình đóng lặp lại điện áp này cũng phát sinh ra quá điện áp[14,15] Tuy nhiên trong quá trình “restrick” điện áp này cũng gây ảnh hưởng đến sự phát sinh quá điện áp Giá trị của “trap charge votage” này khoảng

0.3 pu – 0.6 pu Tuy nhiên đặc tính phối hợp cách điện đƣợc yêu cầu phân tích cho trường hợp làm việc xấu nhất hệ thống vì vậy đặt giả thiết rằng giá trị trap charge voltage là -1 pu điện áp danh định hệ thống, trong khi điện áp phía nguồn là 1 pu và tần số điện áp cao nhất Điều đó làm chênh lệch điện áp giữa các tiếp điểm của DS trong quá trình xảy ra phóng hồ quang[6] Trong quá trình đóng DS,

“prestrick” (phóng điện sớm) xảy ra khi chênh lệch điện áp giữa phía nguồn và tải vƣợt quá giới hạn đánh thủng cách điện khí SF 6 lúc này bên phía tải cũng còn duy

Trang 25 trì một bẫy điện áp mà còn tồn tại trong các quá trình hoạt động trước đó Qúa trình VFT phụ thuộc vào điện áp giũa các tiếp điểm của DS trước khi xảy ra đánh thủng cách điện do đó biên độ của VFTO phụ thuộc vào bẫy điện áp này

Hình 30 Điện áp phía nguồn và tải do ảnh hưởng của Trap charge trong quá trình mở DS

Dựa vào đặc điểm của bẫy điện áp, giá trị của bẫy điện áp có thể dùng trong mô hình một tia lửa điện (single spark) Điều này có thể dẫn đến một biên độ an toàn bổ sung vào phân tích đặc tính phối hợp cách điện và có thể thiết kế thiết bị với mức chi phí hợp lí hơn

Mô hình “multi-spark disconnector” không chỉ mô phỏng một tia lửa điện mà còn thể hiện nhiều “prestrick” và “restrick” trong quá trình hoạt động của DS Ý tưởng của mô hình dựa trên mô hình của máy cắt chân không Trong mô hình sử dụng điều khiển kháng trở phi tuyến bằng cách sử dụng khối kháng trở phụ thuộc thời gian Mục đích của mô hình điều khiển quá trình phóng điện và dập tắt hồ quang Mô hình dựa trên sự so sánh điện áp phía nguồn và phía tải với điện áp chịu đựng trên hai tiếp điểm DS Điện áp chịu đựng này đƣợc tính toán dựa trên đặc tuyến tốc độ dịch chuyển của DS Bẫy điện áp đƣợc mô hình nhƣ tụ điện nó đƣợc cắt ra bởi một Switch (khối idea Switch trong ATP/EMTP) sau khi phóng điện lần đầu tiên (first spark) xảy ra trong quá trình đóng DS Những thông số để thiết kế mô hình là vận tốc DS, áp suất khí SF6, mức cách điện, đặc tuyến điện áp chịu đựng DS Đặc tuyến tuyến điện áp chịu đựng DS dựa trên đặc tuyến

“breakdown voltage” (BDV) là một yếu tố rất quan trọng trong việc điều khiển bẫy điện áp trong quá trình vận hành DS[15] Có hai loại đặc tuyến BDV sử dụng cho mô hình:

- BDV tuyến tính: Điện áp chịu đựng giữa hai tiếp điểm của DS theo một đặc tuyến cho trước mà tùy thuộc vào loại DS và tốc độ dịch chuyển của hai tiếp điểm

Ta có thể xây dựng đặc tuyến BDV theo phương trình sau: U = A(t-t operation ) +B; t- thời gian tức thời khi mô phỏng; toperation- thời gian vận hạnh DS; A, B-các hệ số của đặc tuyến BDV

Biện pháp giảm VFTO

Đóng cắt không tải thanh cái trong GIS gây ra nhiều phóng điện sớm (prestrick) và phóng điện lặp lại (restrick) giữa hai tiếp điểm của DS, sinh ra dạng sóng có độ dốc lớn lan truyền trên thanh cái và sóng phản xạ rất nhanh trong hệ thống GIS

VFTO có biên độ và độ dốc lớn Để tránh nguy hại do VFTO bằng cách bố trí thiết bị và thực hiện đúng quy trình vận hành DS Tuy nhiên đó là một khó khăn lớn trong thiết kế và điều khiển thiết bị GIS Hoặc sử dụng DS tốc độ cao để giảm VFTO, điều này làm giảm sự lan truyền VFTO nhƣng không thể giảm đƣợc VFT hoàn toàn Một phương pháp mới là đặt vòng sắt từ trên thanh cái có thể tăng điện kháng cho thanh cái và cản trở sự lan truyền sóng qua, tiêu thụ năng lƣợng của sóng và giảm đƣợc VFTO[2].

Những mô hình mô phỏng đã thực hiện

2.6.1 Mô hình đóng DS vào đường dây không tải

Hình 34 Sơ đồ nhất thứ của trạm GIS đơn giản [8]

Trạm GIS trong hình 34 đƣợc phân tích VFTO bằng cách thay thế các thiết bị trong trạm bằng các phần tử điện và mô hình đường dây thông số rải như hình 35

Kết quả phân tích điện áp tại các vị trí trọng yếu đƣợc thể hiện trong hình 36

Hình 35 Mô hình ATP-EMTP

Hình 36 Kết quả đo điện áp khi đóng DS

Trong ví dụ này, điện áp dây hệ thống là 220 kV do đó áp pha hệ thống là 127 kV

Trong mô hình, CB (Ccb) đang mở, khi đóng DS, điện áp pha tại CVD lên đến gần 150 kV và áp cuối đường dây tại VT (PT) lên đến 20 kV Như vậy, ngay khi đóng đường dây không tải điện áp quá độ tăng lên rất cao

2.6.2 Mô hình mở DS trong trạm GIS 550kV

Hình 37 Hệ thống điện 550 kV[9]

Tương tự như ví dụ trên, mô hình ATP-EMTP cho trường hợp mở DS-50543 khi CB-5054 và DS-50546 đã mở đƣợc thành lập trong hình 38 để thay thế cho trạm trong hình 37 Kết quả phân tích quá điện áp tại một số vị trí quan trọng đƣợc thể hiện trong các hình 39-41

Hình 38 Mô hình ATP-EMTP

Hình 39 Kết quả điện áp nút 17s

Hình 40 Kết quả điện áp nút TR4

Hình 41 Kết quả điện áp nút 12UA

Sau khi mở DS-50543, điện áp quá độ pha tại nút 17s là 780kV, nút TR4 là 460kV, nút 12UA là 500kV Vị trí gần DS-50543 khi mở sẽ xảy ra hiện tƣợng

“restrick” làm điện áp tăng cao trong thời gian ngắn, sau đó lan truyền đến các nút 12UA, TR4 với biên độ điện áp nhỏ hơn

2.6.3 Mô hình mở DS trong trạm GIS 245kV

Hình 42 Mô hình ATP-EMTP trạm GIS 220 kV [10]

Hình 43 Kết quả mô phỏng tại nút 21 và 46

Sau khi đóng DS, điện áp quá độ tại nút 21 cuối đường ống tăng lên cao khoảng 2.6 pu do ảnh hưởng của sóng phản xạ cuối đường dây, sóng lan truyền đến VT cuối đường dây tại nút 46 là 1.83pu

Xây dựng mô hình mô phỏng VFO trạm Gis 220kV Bình Tân

Chất lƣợng của quá trình mô phỏng phụ thuộc của mỗi phần tử trong mô hình GIS (Gis component) Để đạt đƣợc kết quả hợp lý với khoảng thời gian dài vài micro giây hoặc cho một mô hình phức tạp GIS, mô hình đồi hỏi độ chính xác cao cho từng thiết bị và cũng cho các thành phần kết nối với GIS là rất cần thiết Để có dạng sóng của VFTO mô hình của các thành phần GIS làm cho việc sử dụng các mạch điện tương đương của đường dây dẫn ngắn và dây dẫn dài với các thông số phù hợp

Những thay đổi trong quá trình đóng cắt dao cách li hay hỏng cách điện khí SF6 là những hƣ hỏng các thiết bị trong trạm biến áp Ngoài ra vận hành không đúng chức năng thiết bị không đúng làm hƣ hỏng thiết bị điện và biến dạng trong cuộn dây máy biến áp quanh và sứ xuyên trong việc sử dụng dây dẫn không hợp lí Lý do của sự cố của thiết bị điện là do quá điện áp sinh ra trong quá trình đóng cắt và sự thay đổi điện môi của khí cách điện trong trạm GIS

Hầu hết các mô hình phần tử GIS mô phỏng rất nhanh quá trình quá độ bởi phương pháp số, sử dụng các mạch tương đương điện bao gồm các phần tử (tụ điện, cuộn cảm và kháng trở) và thông số đường dây phân phối khi xác định được tổng trở sóng và vận tốc sóng đi qua trong quá độ

Tính toán quá điện áp là rất phức tạp vì số lƣợng thanh cái và cáp điện có mô hình thông số rãi, trong khi máy phát điện, máy biến áp và cáp tụ điện đƣợc coi là phần tử gộp Mỗi modul thiết bị Gis được thể hiện qua mô hình tương đương điện dung và điện cảm, có thể xác định theo công thức sau:

Theo tiêu chuẩn IEC 60071-4 vận tốc truyền sóng bị ảnh hưởng của các Spacer, khớp nối, khúc nối hình T, mối nối đàn hồi (below) nên vận tốc truyền sóng đƣợc tính nhƣ sau :

= 1,00204 (hệ số điện môi của khí SF 6 ở nhiệt độ 20 0 c, áp suất 1 bar; khi áp suất tăng lên 20bar thì hệ số điện môi tăng thêm 6%)

= 8.854*10 -12 (hệ số điện môi không khí) = 4 *10 -7 H/m (độ từ thẩm của vật liệu dẫn điện) b: bán kính trong của ống dẫn a: bán kính ngoài của thanh dẫn

L: điện kháng thanh dẫn C: điện dung thanh dẫn Z: tổng trở sóng thanh dẫn V: vận tốc truyền sóng R: điện trở thanh dẫn

 Thời gian tăng của VFT xác định theo công thức sau[11][22]: t = 13,3*

( ) (7) Kt : hằng số Toepler = 0,5*10 -2 (V.sec/m) cho khí SF 6

: Điện trường bị đánh thủng/áp suất (V/m.bar)

: hệ số ảnh hưởng của từ trường = 1 P: Áp suất khí SF6 (bar)

Do đó với áp suất P = 5bar ; điện trường bị đánh thủng/áp suất = 89kV/cm.bar nên E = 445kV/cm suy ra thời gian tăng VFT: 14,9 ns

 Mô hình hồ quang điện [12, 13]:

+ Model 1: Mô hình điện trở hồ quang cố định 2 Ώ mắc nối tiếp DS + Model 2: Mô hình điện trở hồ quang điện biến thiên theo thời gian trong quá trình đóng DS

+ Model 3: Mô hình Cassie và mô hình Mayr nối tiếp với nhau

= + (11) g: điện cảm hồ quang; u, i: điện áp và dòng điện hồ quang

U 0 : điện áp hệ thống T: hằng số thời gian hồ quang điện P: công suất của hồ quang gây ra

 Xây dựng đặc tuyến BDV tuyến tính theo hình 32 [14, 15]:

Trường hợp đóng DS : U = A(t-t operation ) +B (12) Trường hợp mở DS: U = A*t+B (13)

 Quá trình truyền sóng trong Gis [32, 33]:

VFTO sinh ra trong quá trình đóng cắt các thiết bị Gis (DS, CB, ES) và một quá trình lan truyền sóng trong thanh dẫn, do đó dựa trên lý thuyết lan truyền sóng trên đường dây đựa sử dụng để tính toán và phân tích VFTO:

Chuyển đổi Laplace phương trình (14) & (15):

− = γ2(p)i(x,p) (19) Hệ số truyền sóng: γ( p) = √ R + pL G + pC (20) Giải hệ phương trình vi phân: u(x,p) = u2(p) ch[γ(p)x] + Z0(p)i2(p)sh[γ(p)x] (21) i(x,p) = i2(p) ch[γ(p)x] + [u2(p)/Z0(p)]sh[γ(p)x] (12)

Chuyển về miền thời gian phương trình (21), (22) & (23):

Ta có phương trình điện áp và dòng điện tính từ cuối đường dây:

Hình 44: Quá trình truyền sóng trong Gis

 Sự phản xạ nhiều lần của sóng trong Gis trong quá trình hoạt động DS[31]:

Hình 45:Phân tích quá trình truyền sóng trong Gis khi đóng DS

Z1, Z2 tổng trở sóng khác nhau của môi trường IIIB, IIIA Z1, + Z2 tổng trở sóng khác nhau của môi trường II Z2 tổng trở sóng khác nhau của môi trường I Uin ,Uin ‟, UZ1, UZ2 là điện áp của môi trường I, II, III

R2 – r2 : khoảng cách của vỏ ống và thanh dẫn R1 – r1 : khoảng cách của thanh dẫn ngoài và thanh dẫn bên trong

 Tổng trở sóng Z1 có liên quan đến bán kính của thanh dẫn bên ngoài và thanh dẫn bên trong, do đó nó ảnh hưởng đến điện áp UZ1, và có liên quan đến điện áp Uin ‟ Bán kính thanh dẫn cũng ảnh hưởng đến độ dốc của điện trường bên trong thanh dẫn (trong khoảng trống

Trang 37 thanh dẫn ngoài và thanh dẫn nhỏ bên trong) Điện trường này có thể gây phóng điện bề mặt thanh dẫn vì vậy để tránh trường hợp này cần chú ý thiết kế kích thước thanh dẫn cho hợp lý

Ta tính đƣợc r1 = Điện áp bên trong thanh dẫn với Uin ‟ là điện áp đầu vào của môi trường Z(III) gồm hai môi trường Z(IIIA) và Z(IIIB):

Hệ số khúc xạ từ môi trường I (Z1(I) = Z2) sang môi trường II (Z2(II)

= Z1 + Z2 = nZ2 + Z2 = 3 Z2 với n = 2) và ngƣợc lại:

Hệ số khúc xạ từ môi trường I (Z1(I) = Z2) sang môi trường II (Z2(II)

= Z1 + Z2 = nZ2 + Z2 = 3 Z2 với n = 2) và ngƣợc lại:

= =− Đối với môi trường II và III:

Vì r2 – R1 Z(III) không bị ảnh hưởng bởi tổng trở của khoảng cách này do đó: Z(III) = Z1 + Z2 = nZ2 + Z2 = 3 Z2

=> RII->III = RIII->I ≈ 1 ; R12 = R21 ≈ 0 Điện áp sau khi phản xạ nhiều lần của sóng:

Quá trình phản xạ nhiều lần của sóng thể hiện trong Hình 46 Với vận tốc truyền sóng v0 trong môi trường Z(II) thời gian truyền sóng từ B đên C là τ = l/ v0 Chọn thời gian khi sóng tới B lần đầu tiên làm gốc thơi gian Điện áp tại điểm B có dạng sóng bất kì khi:

0 < t < 2 τ => UB = Ub1 = TI-> II * Uin(t) 2 τ < t < 4τ => U B = Ub1 + Ub2 = TI-> II * Uin + TI-> II*RIII->II* TII-> I

*Uin(t-2 τ) 4 τ < t < 6τ => UB = Ub1 + Ub2 + Ub3 = TI-> II * Uin (t)+ TI-> II*RIII->II* TII-> I *Uin(t-2 τ) + TI-> II * TII-> I*(RIII->II) 2 * RI->II*Uin(t-4τ)

Có thể nhận thấy dễ dàng Ub3 khác Ub2 ở hệ số RIII->II*RI->II và thời gian chậm sau bằng 2 τ

Từ đó ta có thể suy ra điện áp tại điểm B một cách tổng quát

UB = TI-> II *[Uin (t) + RIII->II* TII-> I [Uin(t-2 τ) + R I->II * RIII->II* Uin(t- 4 τ) + (RI->II) 2 * (RIII->II) 2 * Uin(t-6 τ) + (RI->II) 3 * (RIII->II) 3 * Uin(t-8 τ) +…+ (RI->II) k * (RIII->II) k * Uin(t-2(k+1) τ … ]

Và tương tự điện áp tại điểm C UC = TI-> II* TII-> III *[Uin (t- τ) + RIII->II* TII-> I [Uin(t-3 τ) + (RI->II) 2 * (RIII->II) 2 * Uin(t-5 τ) +…+ (RI->II) k * (RIII->II) k * Uin[t-(2k+1) τ ]… ]

Uin(t) = U0(t) t= 0 U‟in = U0*T(I->II)*T(II->III)

U0*T (I->I I)*R (III-> II) U0*T (I->I I)*R (III-> II) t= τ U‟in = U0*T(I->II)*T(II->I)*R(II->III) t= 2τ

R(I->II) U‟in = U0*T(I->II)*T(II->III)*R(III->II)*R(I->II) t= 3τ U0*T (I->I I)*R ^2(II I->II )*R( I->II )

U0*T (I->I I)*R ^2(II I->II )*R( I->II ) U‟in = U0*T(I->II)*T(II->I)*R^2(III->II)*R(I->II)

2(III->II )*R^2(I ->II) U‟in = U0*T(I->II)*T(II->III)*R^2(III->II)*R^2(I->II) t= 4τ

U0*T (I->I I)*R ^3(II I->II )*R^ 2(I-> II) U0*T (I->I I)*R ^3(II I->II )*R^ 2(I-> II)

U‟in = U0*T(I->II)*T(II->I)*R^3(III->II)*R^2(I->II) t= 5τ

U‟in = U0*T(I->II)*T(II->III)*R^3(III->II)*R^3(I-

Hình 46: Sự phản xạ nhiều lần của sóng

 Ví dụ 1: Xây dựng mô hình ATP-EMTP mổ phỏng quá trình truyền sóng khi đóng DS Với môi trường 1 Z(I) = Z(1) = 50 Ω, môi trường Z(II) = Z1 + Z2 = 75 Ω, môi trường 3 Z(III) = 75 Ω; Trong môi trường 3 có hai thành phần Z(IIIA) = Z2 = 25 Ω và Z(IIIB) = Z1 = 50 Ω gắn với điện trở R = Z1 = 50 Ω, Nguồn Uin = 1pu, bậc thời gian 1,3ns, thời gian mô phỏng Tmax = 0,01s Thời điểm đóng DS: 0,1μs

Hình 47: Mô hình ATP-EMTP

Hình 48: Kết quả mô phỏng ví dụ 1

Nhận xét: Theo nhƣ tính toán ở trên, điện áp đầu vào Uin = 1pu, sau khi đóng điện điện áp tăng lên 1,6pu và điện áp ở Uin‟ ổn định ở 1,525 pu

Quá trình truyền sóng vào môi trường 3 được chia ra hai môi trường UZ1

 Xây dựng mô hình tương đương tính toán VFTO[9]:

VFTO sinh ra trong quá trình đóng cắt các thiết bị Gis (DS, CB, ES), vận tốc di chuyển của DS chậm (thường lớn hơn 0,6s) vì vậy trước khi hoàn thành quá trình đóng cắt sẽ xảy ra hiện tƣợng phóng điện sớm hoặc phóng điện lập lại Sau đây là mô hình tương đương tính toán VFTO khi đóng cắt

Ls : Kháng trở tương đương của hệ thống Cs: Điện dung hệ thống

Ds: Dao cách li Cm: Điện dung các thanh dẫn (phía tải) Rm: Điện trở các thanh dẫn có giá trị rất nhỏ (phía tải) Trong Gis giá trị 2πfLs 470mT (250C) Với sự gia tăng tân số lớn hơn 100kHz thì công suất tổn thất giảm một cách đột ngột đáp ứng nhanh, giảm đƣợc sóng hài bậc cao Các điện kháng và điện trở của vòng nên phù hợp với sóng VFTO đi qua Tính dẫn từ và tần số sắt từ, kích thước của vòng sắt từ là cần tính toán phù hợp

 Điện áp tại nút 23, 24 là ở cuối đường ống xảy ra các quá trình lan truyền sóng ảnh hưởng của sóng tới và sóng phản xạ nên dao động với biên độ lớn so với các nút khác trên thanh cái Vì năng lƣợng suy hao khi đặt vòng sắt từ biên độ điện áp tại các nút khảo sát giảm đáng kể

 Đối với các nút cáp ngầm do có điện dung nhỏ hơn so với các thiết bị khác trong GIS, tuy nhiên Modul đấu nối cáp ngầm (Cable shied end) có điện dung 400pF nên tần số dao động tại đầu cáp ngầm nhỏ Tổng trở sóng nhỏ (23,7 Ω) nhỏ hơn tổng trở sóng trong GIS và nhỏ hơn tổng trở tổng trở sóng đường dây trên không (300 Ω) do đó giảm độ dốc đầu sóng làm an toàn cho thiết bị đầu dây đối diện Điện áp đường dây trên không ổn định, ít dao động khoảng 1,003 pu

 Đối với điện áp tại các VT điện dung 100pF ở cuối hệ thống, điện áp khi chƣa lắp vòng sắt từ lên đến 4,5pu ; khi lắp điện áp giảm còn 3,7pu; các nút lân cận VT điện áp khoảng 2,7 pu Với tổng trở sóng thấp và điện dung nhỏ nên hằng số thời gian của mạch rất nhỏ sự thay đổi điện áp nhanh Vì nhánh VT điện dung 100pF đặt cuối hệ thống do đó có thể tạo nên mạch dao động làm điện áp lớn hơn các nút khác

 Điện áp tại các nút hai đầu CB (có hai tụ 15pF hai đầu) ; tổng trở sóng CB là 46 Ω; tổng trở sóng hai đầu CB là 75,165 Ω do đó hệ số khúc xạ khi qua môi trường thứ hai lớn hơn khi qua môi trường thứ nhất vì vậy biên độ điện áp sóng VFTO qua môi trường thứ hai cao hơn khi qua môi trường thứ nhất

 Đối với nút điện áp MBA1 và MBA2, đƣợc kết nối với GIS thông qua đoạn qua đoạn dây trên không có tổng trở sóng 350 Ω, đồng thời tại đầu đường dây này có đặt một CSV trong khi tổng trở sóng GIS là 75,165 Ω

Trang 94 Điện áp đầu đoạn dây trên không là 1,6pu; điện áp tại đầu MBA khoảng 1,08pu tại thời điểm 0,2às do quỏ trỡnh truyền súng qua cỏc mụi trường khác nhau trong khi mô hình MBA là tụ 2370pF nối đất ở cuối đường dây nờn điện ỏp; với thời hằng của mạch khoảng 0,82às điện ỏp điện ỏp trờn MBA là 1,05pu và điện áp đoạn đường dây trên không là 1,04pu, đến 88 às điện ỏp hai nỳt ổn định Đối với nỳt điện ỏp gần đường dõy trờn khụng có điện áp khoảng 2,1pu và bị giảm xuống 1,5pu do có CSV đặt đầu đoạn đường dây nếu không đặt CSV điện áp tại đây lên tới 3pu vì tổng trở sóng của GIS nhỏ hơn đoạn đường dây nối đến MBA Việc lắp đặt CSV trước đoạn dây có tổng trở sóng cao làm giảm đáng kể VTO lan truyền đến MBA

 Khi vận hành trong trường hợp này là ít ảnh hưởng đến lưới điện nhất (chuyển dàn hai thanh cái, đóng DS đẳng áp) tuy nhiên sóng VFTO cũng ảnh hưởng đến lưới điện trong khoảng tăng áp 14ns, việc lắp đặt vòng sắt từ với thông số phù hợp cũng hạng chế nguy hiểm đáng kể tới thiết bị

2.9.2 Điện trở mắc shunt với tiếp điểm cố định DS