TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 HIỆU QUẢ TÁC ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HẠN CHẾ DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH EFFECTIVE IMPACTS OF AUTOMATIC FAULT CURRENT LIMITERS Lê Thành Bắc Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo trình bày tính khả thi việc ứng dụng thiết bị tự động hạn chế dòng điện ngắn mạch lưới điện phân phối Việt Nam Đồng thời phân tích so sánh trình động học xảy trình độ có cố ngắn mạch lưới điện phân phối đường dây có lắp đặt không lắp đặt thiết bị tự động hạn chế dòng Các kết mô nhận phần mềm chuyên dụng ATP cho thấy tác động tức thời khả linh hoạt cho phép thay đổi mức hạn chế dòng điện ngắn mạch lưới điện thiết bị tự động hạn chế dòng kiểu máy biến áp ABSTRACT This paper presents a feasible application of automatic fault current limiters (FCL) to the power distribution grid in Vietnam In addition, it analyses and compares electromagnetic transient results of two cases with/without automatic FCLs when short circuits occur in the distribution network The simulation of the transformer type automatic fault current limiters can be obtained by specific Alternative Transients Program (ATP) The results indicate that the automatic fault current limiters response is immediate and flexible, creating a change in the short circuit of the transformer type automatic fault current limiters in the power grid Đặt vấn đề Hiện nay, thiết bị tự động hạn chế dòng điện ngắn mạch lưới điện phân phối lắp đặt hệ thống điện nhiều nước giới Các thiết bị cho phép tự động tăng nhanh tổng trở đường dây có cố ngắn mạch xảy để làm giảm biên độ dòng ngắn mạch xung kích qua máy ngắt, máy biến áp thiết bị đường dây, đồng thời tự động trở trạng thái ban đầu cố loại trừ Lắp đặt thiết bị cho phép tăng đáng kể dòng cắt so với giá trị dòng cắt định mức máy ngắt dòng điện ngắn mạch tính toán máy biến áp lực mà không cần phải thay nâng cấp lưới điện mà phụ tải phát triển thêm đáng kể Bộ tự động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp (TOY) thiết bị cho phép tự động hạn chế dòng ngắn mạch tác động nhanh gần tức thời thay đổi dễ dàng mức hạn chế dòng điện ngắn mạch phạm vi rộng Cấu trúc đơn giản gồm mạch tụ điện máy biến áp nối song song (Hình 1,a), dòng lưới điện tăng lên đến giá trị đặt TOY tổng trở thiết bị TOY tăng đột ngột làm giảm nhanh dòng đường dây xuống lại Trong chế độ làm việc bình thường lưới điện máy biến áp 10 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 thiết bị TOY làm việc không tải thiết bị tương ứng tụ điện bù dọc hệ thống điện [1] Hệ thống phân phối điện nước ta có phụ tải phát triển với tốc độ tăng nhanh chóng tới khoảng 16% năm, liên tục năm gần theo đà phát triển kinh tế Nếu lắp đặt thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch cho phép tiết kiệm đáng kể việc xây dựng đường dây phân phối hay chi phí đầu tư nâng cấp thiết bị điện lưới điện Để tiến hành bước nghiên cứu chi tiết tính kinh tế-kỹ thuật cho thiết kế, đầu tư sản xuất lắp đặt thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch hệ thống phân phối điện nghiên cứu đánh giá hiệu tác động thiết bị bước quan trọng cần thiết Bài báo đưa kết nghiên cứu, khảo sát hiệu tác động tức thời thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp đường dây phân phối có cố ngắn mạch có so sánh với phương án đường dây lắp thiết bị Ngắn mạch đường dây có lắp đặt TOY Phân tích nhằm làm sáng tỏ trình động lực học đường dây xảy ngắn mạch đột suất khoảng thời gian từ thời điểm xảy ngắn mạch đến thời điểm đánh thủng khoảng cách phóng điện tia lửa công tắc chân không (ИП) TOY Sau ИП bị đánh thủng máy biến áp thiết bị hạn chế dòng đặt đường dây coi tương đương với mạch gồm r, LР tuyến tính (Hình 1,c) Mạch điện thay tương đương phần tử phức để tính toán hệ thống làm việc bình thường độ có ngắn mạch phía sau TOY hình.1,b Phương trình trạng thái biểu diễn trình độ hệ thống (Hình 1) ngắn mạch [2] là: ⎞ ⎛ ⎞ 1 ⎛⎜ d 2u(t) du(t) d 3i(t) ⎛ 1 ⎞ d 2i(t) ⎛ 2 ⎞ di(t) ⎜ ω02 ω01 ⎟ ⎟ ⎜⎜ + ⎟⎟ ⎜⎜ ω01 + ⎟ + ( ) = + + ω ( ) + + ω + + i t u t 02 02 ⎟ ⎟ τс τ Р τР ⎟⎠ τР dt Lс ⎜⎝ dt2 dt3 ⎝ τс τР ⎠ dt2 ⎝ ⎠ dt ⎜⎝ τс ⎠ Trong đó: τ с = Lс XC ; ω01 = =ω = ω αC X Lс LсC Rс τР = LР XC ; ω02 = =ω = ω αР XР LР C r (1) Với Rc, Lc, XLc điện trở, điện cảm điện kháng hệ thống tới điểm ngắn mạch (chưa kể TOY), C XC điện dung điện kháng dung tụ TOY; r, Lp Xp điện trở, điện cảm điện kháng thay tương đương máy biến áp TOY công tắc chân không phóng điện; ω tần số góc áp nguồn; hệ số α c = X C / X Lc ; α p = X C / X p 11 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 uф(t) iкз TOY Lc Rc iC ip=iw1 a) C W1 N W2 ИП b) U ф I кз uTOY= uC Lc Rc it c) jXTOY jXLc Rc iC ip ut = U m sin[ ω ( t + t 0' ) + ψ u ] r C Lp Hình.1 Sơ đồ nguyên lý biểu diễn pha đường dây truyền tải với hạn chế dòng kiểu máy biến áp (а), sơ đồ phức thay chế độ bình thường chế độ cố ngắn mạch đường dây (b) sơ đồ thay để phân tích trình tác động dòng điện cố sau công tắc chân không ИП bị phóng điện đánh thủng (c) Nghiệm phương trình (1) cho ta dòng độ có tính chất dao động, tồn thành phần chu kỳ không chu kỳ [3] Bởi giải phương trình (1) dòng điện đường dây sau công tắc chân không ИП bị đánh thủng có dạng: i(t ) = A1e − t τ1 I mТОУ 2U ф XL = + A2 e − t τ2 ′ sin(ω ′t + ψ ′) + I mТОУ XL sin[ω (t + t ) + ψ i ] , Rс + jX Lс + (2) (r + jX Р ) ⋅ (− jX C ) – biên độ dòng ngắn mạch xác r + jX Р − jX C lập đường dây có hạn chế dòng ТОУ, biểu thức (2) thì: ω ′ = ω012 + ω022 = ω (ω01 ω )2 + (ω02 ω )2 = ω α C + α Р , τ ≈ (α C + α Р ) (α Р τ с + α C τ Р ); τ ≈ 2(α C + α Р ) (α C τ с + α Р τ Р ) (3) (4) Các hệ số A1 , A2 ψ ′ xác định giải tích theo dạng điều kiện đầu i (0) , uC (0) , iР (0) , lấy với giá trị cuối thời điểm phóng điện công tắc chân không ИП 12 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 Giới thiệu phần mềm ATP mô hiệu tác động TOY 3.1 Tổng quan phần mềm ATP ATP phần mềm chuyên dụng viết để tính toán lưới điện có tần số công nghiệp Chương trình cho phép khảo sát trình độ với đại lượng điện biến đổi theo thời gian trình điện áp chuyển mạch cầu dao hay biến thiên dòng điện độ cố mạch Kết mô nhằm phục vụ trình điều khiển vận hành hệ thống cho tối ưu có biến đổi nguồn hay có cố khác Phần mềm ATP xây dựng sở phương pháp phần tử hữu hạn (EMTP), đời đánh dấu kết công bố hội nghị cục lượng Mỹ Portland đưa vào khai thác thương mại hóa 1984 Từ ATP kế thừa tiếp tục phát triển nâng cấp thêm Drs W scott Meyer, Tsuhusei Liu nhóm nhà khoa học Canada Mỹ Cài đặt ATP từ đĩa CD, muốn khởi động ATP ta nhấp chuột vào biểu tượng Desktop hay vào start/ATP/ATP Draw cửa sổ mạch xuất hiển thị, bao gồm thành phần File, View, Edit, Tool, Window, Help Chương trình cho phép thiết lập cấu hình hệ thống với thông số cần khảo sát tính toán khảo sát trình độ theo yêu cầu toán cách đơn giản tiện lợi 3.2 Ứng dụng phần mềm ATP để mô hiệu tác động TOY Việc mô trình độ mạch điện thực phần mềm ATP mạch điện giả định (tương ứng với mạch điện tính toán) với thông số lấy từ kết tính toán hệ thống phân phối thiết bị hạn chế dòng lắp đặt Xét ví dụ khảo sát trình độ xảy ngắn mạch đường dây phân phối với thông số: U ф = 127 kV − trị số điện áp pha lưới điện phân phối; Z đm = 60,33 Ω − Tổng trở định mức phụ tải; I đm = kA − dòng điện định mức đường dây; Rc = 0,178 Ω X Lс = 3,56 Ω − Điện trở điện kháng hệ thống đường dây đến điểm ngắn mạch N Ta có trị số biên độ dòng điện ngắn mạch đường dây N lắp đặt tự động hạn chế dòng I mкз = 2U ф X Lс = ⋅127 3,56 = 50,44 kA Bằng phương pháp xác định thông số tự động hạn chế dòng kiểu máy biến áp ТОУ [1] với nhiệm vụ yêu cầu mức hạn кз chế dòng điện ngắn mạch đường dây β = I mТОУ XL I m Ví dụ chọn β = 0,5 xét mạch hình có tính toán sau: -Trở kháng yêu cầu ТОУ ngắn mạch (bỏ qua thành phần điện trở r): XL = X ТОУ 2U ф I ТОУ m XL − X Lc = 2U ф κ∋ β ⋅ Im − X Lc = 2U ф β ⋅ 2U ф X Lс ⎛1 ⎞ − X Lc = ⎜⎜ − 1⎟⎟ X Lc = 3,56 Ω ⎝β ⎠ (5) 13 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 - Điện áp lớn đặt ТОУ cố là: U XL m ТОУ = 2U ф − X Lc ⋅ β ⋅ I mκ ∋ = 2U ф − X Lc ⋅ β ⋅ 2U ф X Lс = (1 − β )U ф = 89,79 kV (6) - Trở kháng cảm xác lập tương đương máy biến áp TOY cố [1] là: ⎛1 X pXL = XC ⋅ X XL ТОУ XL ТОУ XC + X = ⎞ − 1⎟⎟ α C (1 − β ) ⎝β ⎠ = ⋅ X Lc = 1,78 Ω (khi α C = ); ⎛1 ⎞ − β (1 − α C ) + X Lc ⎜⎜ − 1⎟⎟ ⎝β ⎠ α C ⋅ X Lc ⋅ X Lc ⎜⎜ α C ⋅ X Lc (7) Từ biểu thức (1) đến (7) nêu ta thiết lập mối quan hệ gồm: hệ số hạn chế dòng β = (α Р − 1) (α Р + α C − 1) trị số tương đối điện áp cực đại tụ C so với trị cực đại điện áp nguồn U m C = U mXLC U m ф = − β XL (8) Các biểu thức (6) (8) cần kiểm tra độ xác qua tính toán trình độ t → ∞ Quá trình động lực học cố ngắn mạch biểu diễn qua kết mô phần mềm ATP nêu phần sau 3.3 Kết mô phần mềm ATP nhận xét đánh giá Khởi động phần mềm ATP [4], thiết lập cấu hình mạch điện (Hình 1), nhập thông số đường dây thiết bị có chạy chương trình mô cho ta kết sau b) a) Hình Các trị số tương đối dòng điện ngắn mạch đường dây so với trị số cực đại dòng ngắn mạch xác lập ТОУ ( i кз ( t ) ) có lắp đặt ТОУ ( i огр кз ( t ) ), trị tương đối điện áp ТОУ ( u Cкз ( t ) ) a- Khi α p = 2, β = 0,5 ; b – Khi α p = 1, β = (với ТОУ kiểu cộng hưởng, tổng trở TOY tăng tới vô lớn [1]) Dựa kết mô thu được, ta chia trình độ cố ngắn mạch hệ thống có lắp thiết bị tự động hạn chế dòng TOY thành giai đoạn sau: 14 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 - Giai đoạn đầu từ xuất cố ngắn mạch (0 ÷ 0,01s): dòng đường dây tăng lên đột ngột, đồng thời tăng điện áp rơi tụ C TOY làm tăng điện áp đặt vào hai cực công tắc chân không ИП, tăng đến điện áp phóng điện khe hở ИП (có thể điều chỉnh được) làm tăng nhanh tổng trở tương đương TOY giảm tức thời dòng xung kích (dòng cực đại sau cố khoảng 0,01 s) [1,5] - Giai đoạn (0,01 ÷ 0,1s): dòng điện ngắn mạch dao động với biên độ giảm dần dòng xác lập - Giai đoạn cuối (sau 0,1s): dòng điện ngắn mạch giảm tới dòng xác lập (bằng 0,5 lần dòng ngắn mạch xác lập I mk ∋ mạch TOY hình 2,b gần hình 2,b) Kết mô hình 2,a cho thấy đường dây không lắp đặt TOY trị số dòng xung kích ngắn mạch khoảng 1,8 lần biên độ dòng ngắn mạch xác lập I mk ∋ lắp đặt TOY với α p = 2, β = 0,5 trị số dòng điện xung kích giảm xuống khoảng 1,02 I mk ∋ Nếu lắp đặt hạn chế dòng có tác động cộng hưởng (với α p = 1, β = ) trị số dòng điện xung kích giảm 0,94 I mk ∋ (Hình 2,b) Tuy nhiên với TOY cộng hưởng giảm thêm trị số dòng xung kích lại làm tăng đáng kể (khoảng lần) trị số điện áp đặt vào tụ điện TOY so với chọn TOY có α p = 2, β = 0,5 Kết luận Quá trình độ qua mô phần mềm ATP cho ta quan sát trình động học hiệu làm việc ТОУ hạn chế đỉnh nhọn dòng ngắn mạch xung kích có cố ngắn mạch đường dây Kết nghiên cứu nhận cho thấy tính toán lựa chọn thông số β , α C α Р theo chế độ làm việc lưới điện cần phải xác định sở đánh giá yêu cầu hạn chế dòng ngắn mạch xung kích điện áp tụ điện ТОУ trình độ Bộ tự động hạn chế dòng TOY tác động tức thời (xảy thời gian ngắn cỡ 0,01s) cho phép nhanh chóng giảm dòng cố, đồng thời cho phép thay đổi linh hoạt mức hạn chế dòng ngắn mạch theo yêu cầu kỹ thuật trang thiết bị đường dây phân phối tính toán Nghiên cứu ứng dụng TOY hướng phát triển hứa hẹn cho hiệu kinh tế-kỹ thuật cao, tăng độ tin cậy cấp điện cho phép giữ nguyên hầu hết thiệt bị cũ lưới phụ tải phát triển thêm Lắp đặt thêm TOY đặc biệt cần thiết Việt Nam nước nghèo, lưới điện phân phối lớn, thiết bị cũ dùng nhiều, kinh phí hàng năm cần để thay thiết bị cải tạo lưới lớn 15 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Thành Bắc, Thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp.-Tạp chí Khoa học Công Nghệ Đại học Đà Nẵng, №3-2008 [2] Крючков И.П., Неклепаев Б.Н., Старшинов В.А., Пираторов М.В., Гусев Ю.П., Пойдо А.И., Жуков В.В., Монаков В.К., Кузнецов Ю.П., Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования, Учеб Пособие для студ высш учеб заведений/ - М.: Изадательский центр «Академия», 2005 г [3] Yang Jie, Chen Xi Ying, Shao Jian Xiong, ANALYSIS OF SHORT CIRCUIT CURRENT LEVEL OF THREE GORGES HYDROELECTRIC POWER PLANT AND LIMITING MEASURES, Design Institute of Yangtze River Resource Commission, Wuhan 430010 China, Power System Technology, 1997 №: [4] Vladimir Sokolovsky, Victor Meerovich, Istvan Vajda et al Superconducting FCL: Design and application IEEE Trans Application Superconduct, 2003, 13 (6): 2112-2115 [5] Александров Г.Н., Смоловик С.В Переходные процессы в сетях с резонансным токоограничивающим устройством – Электричество PAH, 2002, № 16 ... thiết kế, đầu tư sản xuất lắp đặt thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch hệ thống phân phối điện nghiên cứu đánh giá hiệu tác động thiết bị bước quan trọng cần thiết Bài báo đưa kết nghiên cứu, ... cứu, khảo sát hiệu tác động tức thời thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp đường dây phân phối có cố ngắn mạch có so sánh với phương án đường dây lắp thiết bị Ngắn mạch đường... làm việc lưới điện cần phải xác định sở đánh giá yêu cầu hạn chế dòng ngắn mạch xung kích điện áp tụ điện ТОУ trình độ Bộ tự động hạn chế dòng TOY tác động tức thời (xảy thời gian ngắn cỡ 0,01s)