Báo cáo nghiên cứu khoa học: "NGHIÊN CỨU ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ PHỤC HỒI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM" pps

NGHIÊN CỨU ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ PHỤC HỒI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM A STUDY OF THE TRANSIENT RECOVERY OVERVOLTAGES IN THE VIETNAM POWER SYSTEM NGUYỄN HỒNG ANH, Đại học Đà Nẵng LÊ CAO QUYỀN, Công ty tư vấn xây dựng Điện 4 TRẦN QUỐC TUẤN, INPG, Pháp TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu về điện áp quá độ phục hồi (TRV) và phối hợp cách điện đối với hệ thống lưới điện Việt Nam. Các hiện tượng tạo ra mức quá điện áp cao sẽ được khảo sát qua phần mềm EMTP. Kết quả nghiên cứu có ích trong việc xây dựng cũng như vận hành hệ thống điện này. ABSTRACT This paper investigates the transient recovery overvoltages (TRV) and the insulation coordination in the Vietnam power system. Several events that can produce high levels of overvoltage are examined by using the EMTP. The study is useful for contructing and operating this system. 1. GIỚI THIỆU Quá điện áp phục hồi (TRV) là hiện tượng quá điện áp xuất hiện giữa hai cực của máy cắt khi máy cắt mở và thông thường có liên quan đến pha ngắt dòng đầu tiên. Có hai thông số quan trọng nhất trong nghiên cứu TRV là 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 và tốc độ gia tăng quá điện áp phục hồi trong suốt quá trình dao động phụ thuộc vào tần số dao động. Các thông số của TRV này là thành phần vô cùng quan trọng trong việc thiết kế và vận hành của máy cắt. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến mức TRV cao xuất hiện trên máy cắt như : loại trừ sự cố, cắt đường dây không tải, cắt đột ngột dòng tải và đóng mở ngược pha. Trên các đường dây truyền tải 500kV, TRV phụ thuộc vào: dạng sự cố, vị trí sự cố, thời gian xuất hiện và loại trừ sự cố, thời điểm và cấu hình vận hành của hệ thống. Do vậy một số trường hợp có thể sinh ra mức TRV cao trên máy cắt 500kV sẽ được đưa vào khảo sát bao gồm cắt sự cố ba pha chạm đất, hai pha chạm nhau, một pha chạm đất. Trong mỗi trường hợp sự cố, mô phỏng xác suất xuất hiện ngẫu nhiên giá trị TRV cũng được xét đến nhằm tìm ra trường hợp xuất hiện TRV xấu nhất. Cuối cùng các phương pháp giới hạn mức TRV ứng dụng trong máy cắt cũng được đưa vào khảo sát. Bài báo này nghiên cứu phối hợp cách điện đối với đường dây cáp ngầm 220kV Nhà Bè – Tao Đàn được đưa ra nhằm xác định mức cách điện cho hệ thống cáp ngầm 220kV đồng thời xem xét sự ảnh hưởng của hệ thống chống sét van dùng bảo vệ cáp đối với các hiện tượng quá điện áp do sét cũng như quá điện áp thao tác. Mô hình hoá hệ thống được mô tả như [ 8 ]. 2. ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ PHỤC HỒI A. Giới thiệu: Trong hệ thống điện Việt Nam, ngày càng có nhiều đường 500kV được xây dựng. Do đó việc tính toán TRV trên những đường dây truyền tải này là cần thiết nhằm chọn được thông số máy cắt một cách phù hợp. Mô hình đường dây 500kV có thực hiện bù dọc được xem xét như trong hình 1. Sáu vị trí sự cố (đánh số từ 1 đến 6) được giả lập cho việc nghiên cứu TRV trên các máy cắt của đường dây này. N N D1 D2 1 2 3 4 6 5 Hình 1. Mô hình đường dây 500kV có bù dọc B. Các kết quả mô phỏng TRV: Hệ thống điện thực 500/220kV của Việt Nam được đưa vào mô phỏng nhằm xem xét ảnh hưởng của vị trí và loại sự cố đến các dạng TRV. Do thời điểm xuất hiện của các sự cố là ngẫu nhiên và thời gian các máy cắt thực hiện cắt là không xác định chính xác, do đó mô phỏng phân bố xác suất với 100 lần tính toán ứng với các thời điểm này sẽ được thực hiện nhằm tìm ra giá trị cực đại của TRV. Bảng 1. TRV trên máy cắt 500kV đối trường hợp cắt sự cố ba pha chạm đất ứng với các vị trí ngắn mạch khác nhau Vị trí sự cố (Đoạn dường dây) Máy cắt tại phía Pha A Pha B Pha C 1 (Pleiku) Nam Pleiku 1.40 1.45 1.40 (Pleiku-Di Linh) Bắc Di Linh 2.85 2.80 2.75 6 (Di Linh) Nam Pleiku 2.35 2.30 2.30 (Pleiku-Di Linh) Bắc Di Linh 1.80 1.85 1.80 1 (Di Linh) Nam Di Linh 1.75 1.80 1.75 (Di Linh-Tân Định) Bắc Tân Định 2.15 2.25 2.20 6 (Tân Định) Nam Di Linh 2.30 2.40 2.35 (Di Linh-Tân Định) Bắc Tân Định 1.05 1.10 1.15 1 (Tan Dinh) Nam Tân Định 1.50 1.55 1.50 (Tân Định- Phú Lâm) B ắc Phú Lâm 1.25 1.25 1.20 6 (Phú Lâm) Nam Tân Định 2.10 2.00 1.85 (Tân Định- Phú Lâm) B ắc Phú Lâm 2.10 1.95 1.80 Bảng 1 trình bày các giá trị TRV ở các máy cắt trên đường dây 500kV mạch 2 đoạn từ Pleiku đi Phú Lâm qua Di Linh và Tân Định trong trường hợp cắt ngắn mạch ba pha chạm đất ứng với các vị trí sự cố khác nhau. Các kết quả này ghi nhận được qua 100 lần tính toán ngẫu nhiên đối với mỗi trường hợp sự cố. Hình 2 thể hiện dao động điện áp phía đường dây và phía trạm 500kV trước và sau khi máy cắt 500kV Bắc Di Linh cắt giải trừ sự cố ba pha chạm đất. TRV cực đại đối với loại sự cố này có thể đạt đến giá trị 2.84pu. Hình 3 trình bày giản đồ phân phối xác suất của TRV tại máy cắt 500kV Nam Pleiku đối với trường hợp cắt ngắn mạch ba pha chạm đất qua 100 lần tính toán ngẫu nhiên. 0 50 100 150 200 - 1.5 - 1.0 - 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t (mS) U (pu) Hình 2. Điện áp pha A phía đường dây và tại trạm khi máy cắt 50kV Bắc Di Linh cắt sự cố ba pha chạm đất 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 0 5 10 15 20 25 Quaï âiãûn aïp (pu) Phán bäú xaïc suáút (%) Hình 3. Phân bố xác suất của TRV (pha B) tại máy cắt 500kV Nam Pleiku sau khi cắt loại trừ sự cố ba pha chạm đất Đối với các trường hợp cắt ngắn mạch ba pha chạm đất cho đường dây 500kV Ômôn-Nhà Bè, giá trị TRV cực đại ghi nhận được là 1.75pu tại máy cắt 500kV Nhà Bè. Các mô phỏng cho thấy giá trị TRV đều ở dưới mức 1.8pu và kết quả này có thể giải thích được là vì đường dây 500kV Ômôn-Nhà Bè không thực hiện biện pháp bù dọc. C. Biện pháp làm giảm TRV: Một số phương pháp ứng dụng nhằm giảm TRV như: đấu nối từng pha máy cắt xuống đất thông qua MOV, sử dụng MOV đấu song song với tiếp điểm chính máy cắt, thực hiện nối tắt nhanh tụ bù dọc khi sự cố trên đường dây. Trong hệ thống lưới điện 500kV Việt Nam, chống sét van pha đất 468kV thường dùng để giảm thành phần quá điện áp. Điều này cho thấy các chống sét van này đóng vai trò quan trọng để giảm thành phần quá điện áp tạm thời cũng như các quá điện áp do sự cố. Điện áp phía trạm Điện áp phía đường dây 50 60 70 80 90 100 - 3 - 2 - 1 0 1 2 t (mS) U (pu) Hình 4. TRV trên máy cắt 500kV Bắc Di Linh sau khi cắt sự cố ba pha chạm đất, đối với hai trường hợp có hoặc không xét đến biện pháp thực hiện nối tắt nhanh tụ bù dọc trên đường dây sự cố. Hình 4 cho thấy TRV tại máy cắt 500kV Bắc Di Linh sau khi thực hiện cắt sự cố ba pha chạm đất đối với hai trường hợp có hoặc không thực hiện nối tắt nhanh tụ bù dọc. Kết quả cho thấy với việc nối tắt nhanh tụ bù dọc trên tuyến đường dây bị sự cố (500kV Pleiku-Di Linh) TRV giảm từ 2.84pu xuống 2.43pu. Trong trường hợp tiếp điểm chính ở mỗi pha của máy cắt được nối tắt thông qua một MOV, TRV giảm từ 2.84pu xuống 2.25pu. 3. NGHIÊN CỨU PHỐI HỢP CÁCH ĐIỆN A. Giới thiệu: Đề án đường dây 220kV Nhà Bè đi trạm biến áp 220kV Tao Đàn (sử dụng công nghệ cách điện bằng khí-GIS) được lập với mục đích nâng cao sự vận hành tin cậy hệ thống và đảm bảo chất lượng cung cấp điện trực tiếp đến trung tâm phụ tải là thành phố Hồ Chí Minh (HCM). Các phụ tải tiêu thụ thông qua TBA 220kV Tao Đàn là yêu cầu cấp thiết trong việc gia tăng khả năng cấp điện của hệ thống điện thành phố HCM. Do nằm trong khu vực thành phố, đông dân cư nên việc thiết kế hệ thống đường dây tải điện 220kV bằng cáp ngầm kết hợp với TBA 220/110/15kV Tao Đàn kiểu trong nhà là yêu cầu nhằm đảm bảo phù hợp với quy hoạch thành phố cũng như các tiêu chuẩn môi trường. TBA 220kV Tao Đàn sẽ là trạm nút kết nối đến các TBA khác trong tương lai [1]. B. Mô hình hoá: Phần này trình bày cách mô hình hoá các thành phần hệ thống khi nghiên cứu các hiện tượng về xung sét. Đoạn đường dây trên không mạch kép (bao gồm hai dây chống sét bảo vệ) từ TBA Nhà Bè đến đấu nối với đoạn cáp ngầm được mô hình thành năm đoạn đường dây nối tiếp nhau (1 đoạn 2550m, 3 đoạn 350m và 1 đoạn 100m). Mô tả 5 đoạn đường dây này theo mô hình thông số đường phụ thuộc tần số (Mô hình J. Marti) trong đó đoạn đường dây trước khi đấu nối với đường dây cáp được mô hình bằng đường dây dài 100m. Các đoạn cáp ngầm cũng như thanh cái GIS cũng được mô tả bằng mô hình J. Marti. Phần cáp ngầm dài 6300m được mô hình bởi 9 đoạn cáp mắc nối tiếp nhau, mỗi đoạn dài 700m. Sơ đồ nguyên lý tuyến cáp ngầm này được trình bày ở hình 5. Hình 6 trình bày mặt cắt ngang trong mương cáp của tuyến cáp ngầm 220 kV XLPE (2 mạch), trong đó thể hiện khoảng cách bố trí giữa các pha của hai tuyến cáp này. Nhằm giảm tổn thất do dòng tuần hoàn trong cáp đến mức thấp nhất, tại các vị trí đấu nối giữa các đoạn cáp, vỏ cáp sẽ được nối đất. Vỏ cáp ở các vị trí J3, J6, đầu vào, đầu ra được nối trực tiếp xuống đất, riêng các vị trí J1, J2, J4, J5, J7 và J8 sẽ nối đất thông qua chống sét van nhằm giảm mức quá điện áp xuất hiện trên vỏ. Không thực hiện nối tắt nhanh tụ bù Nối tắt nhanh tụ bù L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 MOV MOV MOV J1 J7 J8 J6 J5 J4 J3 J2 Hình 5. Sơ đồ nguyên lý đấu nối các đoạn cáp trong một hệ thống cáp ngầm 1.5 m 0.3 m 0.3 m 0.3 m 0.3 m0.4 m Hình 6. Bố trí nằm ngang giữa các pha của hai mạch đường dây cáp ngầm 220 kV XLPE Mô hình hoá chống sét van với đặc tính bảo vệ dạng sóng hình thang được đưa vào phân tích nhằm xem xét quá điện áp do thành phần đầu sóng của dạng sóng sét này gây ra. Bảo vệ quá điện áp đối với lỏi cáp sẽ sử dụng các chống sét van với điện áp định mức 192kV (giá trị hiệu dụng). Các chống sét van điện áp định mức 12kV sẽ sử dụng nhằm hạn chế quá điện áp xuất hiện ở vỏ cáp. Quá điện áp do sét tác động đối với cách điện của đường dây trên không được biểu diễn bằng các đường đặc tính điện áp theo thời gian. Trong khi đó đối với hiện tượng sét đánh gây ra phóng điện ngược hoặc đánh trực tiếp được mô hình hóa bằng các nguồn dòng nối đến cột hoặc đoạn đường dây trên không nối đến đầu cáp. C. Kết quả mô phỏng: Trong phần này nghiên cứu sẽ khảo sát ở 20m đoạn thanh cái của trạm GIS và một đoạn cáp ngắn đấu nối từ thanh cái đến MBA. Các kết quả tính toán quá điện áp do sét và quá điện áp thao tác bằng phần mềm EMTP dùng để kiểm tra, so sánh với điện áp chịu đựng xung sét định mức (sóng sét 1.2/50 s) và điện áp chịu đựng ở tần số công nghiệp (trong 1 phút) của thiết bị. Trong đó đối với thiết bị 500kV mức cách điện xung xét cơ bản (BIL) là 1050kV (giá trị đỉnh) và mức cách điện ở tần số công nghiệp là 460kV (giá trị hiệu dụng) [1]. 1. Sét đánh trực tiếp: Mô phỏng dạng sóng sét 1/50 s với biên độ 16kA đánh trực tiếp lên một pha tại cột thứ 2 (cách đầu vào nối cáp 100m) Trong trường hợp không sử dụng chống sét van nối đất gián tiếp, quá điện áp có thể đạt đến giá trị cực đại là 543kV trên đoạn cáp ngầm và 594kV tại TBA Tao Đàn. Hình 7 trình bày các dạng sóng quá điện áp tác động trên lõi cáp. 0.00 0.05 0.10 0.15 - 600000 - 400000 - 200000 0 200000 t (mS) U (V) Hình 7. Điện áp trên lõi cáp trường hợp không thực hiện nối đất không qua chống sét van 0.00 0.05 0.10 0.15 - 60000 - 40000 - 20000 0 20000 40000 60000 t (mS) U (V) Hình 8. Điện áp xuất hiện trên vỏ cáp tại các nối J1 và J2 Trong trường hợp sử dụng chống sét van, quá điện áp đến giá trị cực đại là 542kV trên đoạn cáp ngầm và 526kV tại TBA Tao Đàn. Quá điện áp cực đại giữa lõi và vỏ cáp có thể đạt đến giá trị 526kV. Hình 8 cho thấy các dạng sóng quá điện áp trên vỏ cáp tại các mắc nối giữa các đoạn cáp J1 và J2. Điện áp cực đại trên vỏ cáp tại điểm nối J1 đạt khoảng 55.7kV. Tiến hành các phân tích nhằm xem xét sự ảnh hưởng của việc thay đổi thông số biên độ dòng xung sét đến biên độ của quá điện áp trên cáp và TBA cho thấy: giá trị này chiều hướng giảm dần khi sét đánh trên đường dây trên không càng xa điểm đấu nối giữa nó với cáp. Khảo sát với dạng sóng sét 1/50 s với biên độ 12.5kA đánh trực tiếp lên một pha tại cột thứ 2 (cách đầu vào nối cáp 100m), giá trị cực đại của quá điện áp đạt được là 429kV. 2. Phóng điện ngược Phóng điện ngược xuất hiện khi sét đánh vào cột hoặc dây chống sét và kết quả là điện áp xuất hiện trên cột đủ lớn để gây ra phóng điện từ cột lên dây tải điện và phá hỏng cách điện đường dây. 0.00 0.05 0.10 0.15 - 800000 - 600000 - 400000 - 200000 0 200000 400000 Time (mS) U (V) Hình 9. Quá điện áp trên lõi cáp trong trường hợp phóng điện ngược Trong trường hợp mô phỏng dạng sóng sét 3/50 s với biên độ 200kA đánh trực tiếp lên cột thứ 2, quá điện áp cực đại có thể đạt đến giá trị 669kV trên cáp và 662kV tại TBA Tao Đàn. Hình 9 trình bày các dạng sóng quá điện áp xuất hiện trên lỏi cáp. Giá trị điện áp cực đại trên vỏ cáp tại nối J1 khoảng 62.3kV. 4. KẾT LUẬN Từ các kết quả mô phỏng TRV cho thấy hai trường hợp tạo ra giá trị TRV cao nhất là : trên máy cắt Nam Pleiku khi sự cố tại vị trí số 6 (Phú Lâm) và trên máy cắt Bắc Di Linh khi sự cố xuất hiện tại vị trí số 1 (Nam Pleiku). Nguyên nhân gây gia tăng giá trị TRV là do thành phần năng lượng bẫy còn lưu lại trong tụ bù dọc tại thời điểm đường dây bị cắt ra. Mức TRV trên các máy cắt đường dây 500kV thứ ba và thứ tư (Phú Lâm-Nhà Bè-Phú Mỹ và Phú Lâm-Nhà Bè-Ômôn) đều dưới 1.8pu. Trong các trường hợp khảo sát này tốc độ gia tăng điện áp quá độ phục hồi đều thấp hơn mức 0.5 kV/s. Các nghiên cứu phối hợp cách điện cho đường dây cáp ngầm 220kV Tao Đàn-Nhà Bè cũng được trình bày trong bài báo này. Trong đó các kết quả quá điện áp có được từ việc mô phỏng các hiện tượng do sét nhằm để cung cấp biên bảo vệ an toàn phù hợp đối với tuyến cáp ngầm 220kV Nhà Bè- Tao Đàn và TBA GIS 220kV Tao Đàn thông qua các giá trị về mức cách điện xung xét cơ bản (BIL), mức cách điện xung thao tác cơ bản (BSL) và mức cách điện ở tần số công nghiệp của các thiết bị này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. T. Tran-Quoc, and all, "Reducing Dead Time for Single-Phase Auto-Reclosing on a Series- Capacitor Compensated Transmission Line", IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 15, No. 1, January 2000 [2]. T. Tran-Quoc, L. Pierrat, "An Efficient Non Linear Transformer Model and Its Application to Ferroresonance Study," IEEE Trans. on Magnetics, vol. MAG-31, no. 3, May 1995, pp. 2060- 2063. [3]. F. Iliceto, E. Cineri, M. Cazzani, G. Santagostino, "Transient Voltages and Currents in Series- Compensated EHV Lines", Proceeding IEE, Vol. 123, No. 8, August 1976, pp. 811-817. [4]. Groupe de Travail 33.10, "Surtensions Temporaires: Origines, Effets et Evaluation," CIGRE, 1990, Paris, FRANCE, Aug Sept. 1990. [5]. T. Tran-Quoc, S. Lam-Du, "Temporary Overvoltages in the Vietnam 500 kV Transmission Line," IEEE/ESMO'98, April 1998, Orlando, USA. [6]. T. Tran-Quoc, S. Lam-Du, "Calculation of Circuit Breaker Transient Recovery Voltage on the Vietnam 500 kV System", IEEE/BPT Conference, Budapest, HUNGARY, Aug Sept. 1999. [7]. T. Tran-Quoc, Lam Du Son"Insulation Coordination Study for a 220 kV Cable Line", IEEE Winter Meeting 2000, Singapore, January 2000. [8]. Nguyễn Hồng Anh, Trần Quốc Tuấn, Lê Cao Quyền: Nghiên cứu quá điện áp tạm thời trong hệ thống điện Việt Nam, Tạp chí KH&CN Đại học Đà Nẵng số 1/2007, trang 6-10. . nhất trong nghiên cứu TRV là 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 và tốc độ gia tăng quá điện áp phục hồi trong. dựng Điện 4 TRẦN QUỐC TUẤN, INPG, Pháp TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu về điện áp quá độ phục hồi (TRV) và phối hợp cách điện đối với hệ thống lưới điện Việt Nam. Các hiện tượng tạo ra mức quá. tốc độ gia tăng điện áp quá độ phục hồi đều thấp hơn mức 0.5 kV/s. Các nghiên cứu phối hợp cách điện cho đường dây cáp ngầm 220kV Tao Đàn-Nhà Bè cũng được trình bày trong bài báo này. Trong