Nghiên cứu quá điện áp sét và bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện

Header Page of 148 MỞ ĐẦU Trong nguồn lượng tái tạo mặt trời, gió, sinh khối, sóng biển, thủy triều, thủy điện nhỏ, địa nhiệt lượng gió đánh giá nguồn triển vọng giầu tiềm năng, dễ khai thác quy mô lớn, thân thiện với môi trường gây ảnh hưởng xấu mặt xã hội Do nguồn lượng đã, nhiều quốc gia giới quan tâm phát triển, có Việt Nam Tuy vậy, tua bin điện gió (WT) công trình cao, thường lắp đặt địa hình trổng trải nên chúng bị sét đánh Thực tế vận hành điện gió nhiều quốc gia giới cho thấy, hàng năm có nhiều WT phải chịu ảnh hưởng điện áp (QĐA) sét đánh trực tiếp sét cảm ứng lan truyền gây cố nghiêm trọng, thiệt hại lớn kinh tế ảnh hưởng không nhỏ đến độ tin cậy hệ thống Vì vấn đề nghiên cứu bảo vệ chống sét WT gió nhiều tổ chức cá nhân quốc tế quan tâm nghiên cứu năm gần Tuy nhiên vấn đề phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố mật độ sét, thông số dòng điện sét, vị trí sét đánh, địa hình lắp đặt - vận hành WT, đặc điểm WT, phương thức kết nối WT, đặc điểm lưới điện, phương thức nối đất, phương pháp mô hình phần tử, phương pháp tính toán mô trình độ điện từ Các lý cho thấy việc “Nghiên cứu điện áp sét bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện” yêu cầu cấp thiết phương diện lý luận thực tiễn Đặc biệt với Việt Nam, quốc gia thúc đẩy phát triển mạnh mẽ nguồn lượng gió, nhu cầu làm chủ kỹ thuật chống sét cho WT việc đào tạo chuyên gia lĩnh vực Mục đích luận án nhằm i) Tìm hiểu đặc trưng WT phương pháp tính toán chống sét cho WT; ii) Xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT phù hợp với công trình động (đầu thu sét gắn cánh quay gió làm việc); iii) Nghiên cứu QĐA sét cảm ứng hệ thống điện hệ thống điều khiển (HTĐ&ĐK) WT, nghiên cứu QĐA sét lan truyền trang trại gió (WF); từ iv) Đề xuất biện pháp phối hợp cách điện để hạn chế QĐA sét WT WF Footer Page of 148 Header Page of 148 - Luận án trình bày chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT Chương 3: Phân tích QĐA sét cảm ứng HTĐ&ĐK WT Chương 4: Phân tích QĐA sét lan truyền lưới điện WF Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình phát triển điện gió giới Việt Nam Tính đến năm 2012, có khoảng 100 quốc gia giới đưa vào vận hành hệ thống điện gió với tổng công suất 282.275MW Tốc độ tăng trưởng tích lũy công suất điện gió giới bình quân chục năm gần đạt 19,2%/năm Với tốc độ tăng trưởng này, Hiệp hội lượng gió giới (WWEA) dự báo công suất điện gió toàn cầu đến cuối năm 2020 đạt 1500GW Việt Nam xem quốc gia có tiềm điện gió lớn khu vực Đông Nam Á với tổng tiềm lý thuyết ước đạt khoảng 513.360MW Tính đến năm 2013, có 50 dự án điện gió đăng ký tập trung 13 tỉnh thành từ Bắc vào Nam với tổng công suất 5.000MW, dự án điện gió Tuy Phong 20WT x 1,5MW (giai đoạn I), Bạc Liêu 10WT x 1,6MW (giai đoạn I) Phú Quý 3WT x 2MW đưa vào vận hành Để tiếp tục thúc đẩy phát triển nguồn lượng tái tạo, đặc biệt lượng gió, ngày 21 tháng năm 2011, Chính phủ thức phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến 2030 (Quy hoạch điện VII) Theo đó, tổng công suất điện gió từ mức không đáng kể lên mốc 1.000MW vào năm 2020 mức 6.200MW vào năm 2030 1.2 Công nghệ điện gió Những năm gần công nghệ điện gió giới liên tục phát triển liên tục công suất lẫn chiều cao Tính đến cuối năm 1980 đầu năm 1990 nhà sản xuất WT hàng đầu giới chế tạo WT thương mại công suất đến 55kW với chiều cao (gồm cánh cột trụ) chưa đến 40m, vài năm trở lại họ sản xuất WT công suất lớn đến 10MW với chiều cao xấp xỉ 200m Các WT có nhiều hình dáng khác nhau, nhiên phân loại theo cấu hình trục quay cánh gồm loại WT là: trục đứng trục ngang Hiện 90% WT thương mại công suất lớn Footer Page of 148 Header Page of 148 sử dụng giới có thiết kế dạng trục ngang cánh đối xứng cách không gian góc 2π/3, xếp cánh theo thiết kế cho phép tua bin luôn tương tác đầy đủ với gió, gây tiếng ồn làm việc, cải thiện hiệu suất nhiều so với loại trục đứng Vì thế, từ trở sau thuật ngữ “WT” phạm vi luận án dùng để loại WT trục ngang công suất lớn (Hình 1.11) Mỗi WT có MPĐ MBA làm nhiệm vụ nâng điện áp thấp (0,69kV) lên cấp trung áp (22kV) kết nối chung với WT khác tạo thành WF tập trung cấp điện cho lưới điện địa phương lưới điện hệ thống Hình 1.11 Cấu tạo WT trục ngang 1.3 Tình hình nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT Giai đoạn trước năm 1990, việc nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT chưa thực quan tâm WT có công suất nhỏ chiều cao thấp, tỷ lệ sét đánh thiệt hại sét không đáng kể Tuy nhiên sau thời điểm này, nhà sản xuất điện gió hàng đầu giới chế tạo WT công suất lớn đến hàng MW - chiều cao trung bình 100m, đưa vào vận hành dự án lớn nhiều WT bị sét đánh gây thiệt hại không nhỏ kinh tế ổn định hệ thống vấn đề nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT thực quan tâm nghiên cứu Các nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT chia thành nhóm chủ đề sau: - Thống kê thông số dòng điện sét liên quan đến WT cho nghiên cứu bảo vệ chống sét WT phù hợp, hiệu - Xác định vị trí sét đánh vào WT để từ khuyến cáo vị trí lắp đặt đầu thu sét cho WT hợp lý - Xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT để dự báo, đánh giá rủi ro sét phần tử, thiết bị WT Footer Page of 148 Header Page of 148 - QĐA cảm ứng lan truyền HTĐ&ĐK WT lưới điện WF để từ khuyến cáo biện pháp phối hợp cách điện đảm bảo an toàn cho phần tử, thiết bị hệ thống điện gió Sau tổng hợp, đánh giá nghiên cứu liên quan, Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) đưa báo cáo kỹ thuật IEC/TR 6140024 (2002) sau tiêu chuẩn IEC 61400-24 (2010) khuyến cáo thực biện pháp bảo vệ chống sét cho WT cụ thể sau: - Hệ thống chống sét đánh trực tiếp gồm đầu thu sét gắn đầu cánh, đường dẫn dòng sét qua vật dẫn cánh, vành trượt chổi than, cột trụ điện cực nối đất (Hình 1.23) - Vị trí lắp đặt CSV chống QĐA sét cho phần tử, thiết bị HTĐ&ĐK WT 1,5 ÷ 2MW trình bày hình 1.25 Hình 1.23 Đường dẫn dòng điện sét WT xuống hệ thống nối đất Hình 1.25 Vị trí lắp đặt CSV bảo vệ chống QĐA sét cho phần tử, thiết bị HTĐ&ĐK WT 1,5 ÷ 2MW hay sử dụng Việt Nam Footer Page of 148 Header Page of 148 Trong trình tìm hiểu, tác giả nhận thấy: - Nhìn chung nghiên cứu liên quan đến việc xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT thường coi đối tượng công trình tĩnh, thực tế công trình động (đầu thu sét gắn cánh chuyển động) có xét đến đặc điểm đối tượng nghiên cứu WT công suất nhỏ chưa xét đến địa hình lắp đặt WT - Việc nghiên cứu QĐA sét hệ thống điện gió nghiên cứu sử dụng đối tượng WT khác kích thước cột trụ, cáp điện, cáp điều khiển khác Chưa rõ ràng mục đích phối hợp cách điện hay chọn CSV phù hợp với QĐA sét, dạng sóng dòng điện sét nghiên cứu chưa thống (10/350μs, 8/20μs 2/70μs), dạng sóng để phối hợp cách điện 1,2/50μs không đề cập Chưa làm rõ ảnh hưởng vị trí lắp đặt MBA, TĐK, đường cáp (điện cáp điều khiển), điện trở nối đất đến trị số QĐA cảm ứng HTĐ&ĐK WT Chưa xét đến ảnh hưởng vị trí sét đánh (các WT khác đường dây trung áp không nối lưới hệ thống lưới điện địa phương với WF), phương thức kết nối WT hệ thống nối đất đến trị số QĐA sét lan truyền lưới điện WF Lưới điện trung áp Việt Nam sử dụng cấp điện áp 22kV, tham số CSV, MBA, cách điện, chiều cao cột điện nghiên cứu trước thường cấp điện áp 6,6kV Với lý đây, luận án đánh giá đề xuất phương pháp số lần sét đánh trực tiếp vào WT - công trình động, đồng thời sâu làm rõ yếu tố ảnh hưởng đến QĐA sét HTĐ&ĐK WT QĐA sét lan truyền lưới điện WF Các nội dung nghiên cứu luận án tác giả ứng dụng xem xét đối tượng WT (WF) điển hình lắp đặt Việt Nam 1.5 Kết luận Chương này, tác giả thực số công việc sau: 1) Tổng hợp tình hình phát triển điện gió giới Việt Nam tình hình phát triển công nghệ điện gió năm gần 2) Tổng hợp, đánh giá nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT liên quan đến đề tài Từ nội dung mà luận án cần tiếp tục giải Footer Page of 148 Header Page of 148 Chương XÁC ĐỊNH SỐ LẦN SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TUA BIN GIÓ Chương này, tác giả trình bày khái quát lý thuyết mô hình điện hình học (EGM), phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT theo đề xuất IEC (Phương pháp IEC) Dolan (Phương pháp EGM) Sau tác giả sử dụng phương pháp EGM xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT có kích thước khác lắp đặt dự án điện gió Việt Nam Trên sở so sánh kết tính toán, tác giả đề xuất sử dụng phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT phù hợp 2.2 Mô hình điện hình học (EGM) Mô hình điện hình học dùng để đánh giá số lần sét đánh vào công trình có chiều cao h (Hình 2.1) Mô hình điện hình học tóm Hình 2.1 Mô hình điện hình học tắt sau: - Khi tiên đạo sét xuất vùng BC phóng điện vào cột thu sét; tiên đạo sét xuất vùng AB CD phóng điện sét xuống đất - Khoảng cách phóng điện sét vào công trình S (m) phụ thuộc vào biên độ dòng điện sét I (kA) theo công thức: S = 10.I0,65 - Diện tích thu hút sét tương đương cột thu sét mặt đất hình tròn tâm O (tâm cột thu sét mặt đất) có bán kính r phụ thuộc vào chiều cao cột thu sét h biên độ dòng điện sét theo công thức sau: + Khi h ≥ βS (hay I ≤ IC): r = S = 10.I0,65 + Khi h < βS (hay I > IC): r   Sh  h  S (1  β ) Với IC dòng điện sét giới hạn xác định theo công thức:  ln  h/10 β   I C  exp   0,65   β hệ số xác định theo công thức: β = 0,36 + 0,17ln(43-h) Khi h > 40m lấy h = 40m Các WT công suất lớn chiều cao tổng thể lớn 40m, nên tính β = 0,547 Footer Page of 148 Header Page of 148 2.3 Phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT 2.3.1 Phương pháp IEC Diện tích thu hút sét tương đương WT mặt đất hình tròn với tâm vị trí lắp đặt WT (Hình 2.2) Số lần sét đánh trực tiếp WT phương pháp xác định theo công thức: N = Ng.Cd.Ae.10-6 (lần/năm) Ng mật độ sét, Ae diện tích thu hút sét tương đương WT mặt đất: Ae = πr2 = 9πh2 (m2), Cd hệ số địa hình lắp đặt WT (bằng phẳng Cd = 1, đồi núi Cd = Hình 2.2 Diện tích thu hút sét tương đương WT mặt đất theo biển Cd = ÷ 5) phương pháp IEC 2.3.2 Phương pháp EGM Khi đầu thu sét gắn cánh chuyển động, tạo thành cung tròn chiều cao thay đổi phụ thuộc vào vị trí đầu thu sét cung tròn Phương pháp xét đến đồng thời thay đổi đầu thu sét chiều cao WT nên diện tích thu hút sét tương đương WT mặt đất có hình tròn mà có thêm phần diện tích hình chữ nhật (Hình 2.3) Hình 2.3 Diện tích thu sét tương đương WT mặt đất theo phương pháp EGM Số lần sét đánh trực tiếp WT phương pháp EGM xác định theo công thức:  I ( )      r C N  N g C d 10 6  A   r1 w ( A ) f  I dI  300   r I C ( A ) 2   r2 w ( A ) f  I dI  f ( A ) d  A   Trong đó: θA góc lệch cánh so với trục hoành: ≤ θA ≤ 2π Chiều rộng hình chữ nhật thu sét: w(θA) = Hb[cosθA- cos(θA+2π/3)] Chiều cao thu sét WT: h(θA) = Ht + HbsinθA Footer Page of 148 Header Page of 148 Dòng điện sét giới hạn xác định theo công thức:  ln h  A  / 10    I C ( A )  exp   , 65   Bán kính hai nửa hình tròn thu sét theo dòng điện sét giới hạn: + Khi I ≤ IC: r  r1  10I 0,65 + Khi I > IC: r  r2  20  h ( A ) I , 65  h ( A )  (10 I , 65 ) (1   ) Hàm mật độ phân bố dòng điện sét f(I) hàm mật độ phân bố góc lệch cánh so với trục hoành f(θA) xác định theo công thức: f(I )  ,6   I       31   31  ,6 ,6   I     1    31    f ( A )  2 Như khác với phương pháp IEC, diện tích thu hút sét tương đương WT mặt đất theo phương pháp EGM xét đến đồng thời biến thiên dòng điện sét chiều cao WT 2.4 Xác định số lần sét đánh WT theo phương pháp EGM Kết xác định số lần sét đánh WT có công suất kích thước khác theo mật độ sét Việt Nam (với giả thiết kích thước WT bảng 2.3 hệ số địa hình Cd = 1) thể hình 2.7 Bảng 2.3 WT có công suất kích thước khác V29-0,225MW Ht (m) 30 Hb (m) 14,5 V47-0,66MW 40 23,5 V52-0,85MW 49 26 V66-1,5MW 65 33 V80-1,5÷2MW 67 39 V90-2÷2,5MW 80 45 V112-3MW 94 56 TT Loại WT Hình 2.7 Số lần sét đánh WT chiều cao khác theo mật độ sét Việt Nam Hình 2.7 cho thấy, số lần sét đánh phụ thuộc vào mật độ sét khu vực lắp đặt WT kích thước WT (chiều cao cột trụ Ht chiều dài cánh Hb) Trong đó, kích thước WT yếu tố có ảnh hưởng lớn đến số lần sét đánh trực tiếp WT trung bình hàng năm Kết Footer Page of 148 Header Page of 148 so sánh gia tăng kích thước WT gia tăng số lần sét đánh trực tiếp vào WT (so với V29) tổng hợp hai cột tô đậm bảng 2.4 cho thấy rõ điều (giả thiết nơi lắp đặt WT mật độ sét Ng = 5,7 lần/km2/năm) Bảng 2.4 So sánh gia tăng kích thước WT gia tăng số lần sét đánh vào WT (so với V29) Kích thước WT Tăng so với V29 (lần) Số lần sét đánh (lần/năm) Số lần sét đánh tăng so với V29 (lần) T T Loại WT Ht (m) Hb (m) h (m) V29 (0,225MW) 30 14,5 44,5 - 0,3 - V47 (0,66MW) 40 23,5 63,5 1,4 0,7 2,3 V52 (0,85MW) 49 26 75 1,7 1,2 4,0 V66 (1,5MW) 65 33 98 2,2 3,0 10,0 V80 (1,5÷2MW) 67 39 106 2,4 3,5 11,7 V90 (2÷2,5MW) 80 45 125 2,8 6,2 20,7 V112 (3MW) 94 56 150 3,4 11,9 39,7 Hình 2.7 cho biết, số lần sét đánh trực tiếp WT trung bình hàng năm Việt Nam cao Với WT điển hình có công suất 1,5 ÷ 2MW (tương đương WT loại V80) lắp đặt Ninh Thuận có mật độ sét thấp số tỉnh thành (Ng = 1,4 ÷ 3,4 lần/km2/năm) số lần sét đánh WT trung bình từ 1,2 ÷ 2,3 lần/năm; lắp đặt Tiền Giang Cà Mau - nơi có mật độ sét lớn nước (Ng = 13,7 lần/km2/năm) số lần sét đánh WT trung bình lên đến 8,7 lần/năm 2.5 Nhận xét Kết tính toán so sánh số lần sét đánh trực tiếp WT phương pháp IEC EGM hình 2.8 cho thấy: Với WT có chiều cao thấp 110m số lần sét đánh hai phương pháp cho kết gần giống nhau, WT có chiều cao lớn từ 110m trở lên Hình 2.8 So sánh So sánh số lần sét số lần sét đánh hai đánh trực tiếp WT theo phương pháp phương pháp sai khác IEC EGM (ứng với kích thước WT mật độ sét khác nhau) nhiều Footer Page of 148 Header Page 10 of 148 Điều dễ hiểu WT công suất nhỏ - cánh ngắn, phần diện tích thu hút sét hình chữ nhật WT mặt đất nhỏ nên kết tính toán số lần sét đánh WT phương pháp gần giống Tuy nhiên, WT công suất lớn - cánh dài, phần diện tích hình chữ nhật thu hút sét WT mặt đất lớn nên số lần sét đánh WT hai phương pháp sai khác nhiều So với phương pháp IEC, phương pháp EGM kể đến đồng thời hai yếu tố sát với thực tế biến thiên dòng điện sét chiều cao tổng thể WT (luôn chuyển động phụ thuộc vào chiều dài cánh) chắn cho kết xác hơn, đặc biệt với WT có kích thước cao 110m 2.6 Kết Luận Trong chương 2, tác giả thực số vấn đề sau: 1) Giới thiệu lý thuyết mô hình điện hình học (EGM) phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT 2) Áp dụng mô hình điện hình học tính toán số lần sét đánh vào tua bin gió 3) Xây dựng đường đặc tính xác định số lần sét đánh tua bin gió điển hình lắp đặt điều kiện Việt Nam Kết tính toán sử dụng làm tài liệu tham khảo cho dự án điện gió tương lai Việt Nam Chương PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT CẢM ỨNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA TUA BIN GIÓ Khi sét đánh vào cánh WT, dòng điện sét dẫn qua: vật dẫn đặt cánh, vành trượt - chổi than, cột trụ thép rỗng xuống hệ thống nối đất Do đường cáp điện cáp điều khiển đường lắp đặt bên cột trụ thép nên dòng điện sét chạy qua cột trụ xuống đất phát sinh QĐA sét cảm ứng đường cáp gây nguy hiểm cho cách điện thiết bị điện thiết bị điều khiển HTĐ&ĐK WT Chương sử dụng phương pháp mô phần mềm ATP/EMTP để nghiên cứu QĐA sét HTĐ&ĐK WT điển hình Việt Nam Từ khuyến cáo biện pháp phối hợp cách điện, góp phần đảm bảo an toàn cho phần tử, thiết bị HTĐ&ĐK WT Footer Page 10 of 148 10 Header Page 11 of 148 3.2 Mô hình phần tử cho nghiên cứu QĐA cảm ứng HTĐ&ĐK WT Để nghiên cứu QĐA sét cảm ứng HTĐ&ĐK WT thiết phải mô hình hóa phần tử liên quan - Vật dẫn cánh WT mô hình tổng trở sóng với tốc độ truyền sóng - Vành trượt - chổi than có kích thước nhỏ nên mô hình điện trở không đổi - Đường dẫn dòng điện sét qua cột trụ, lắp đặt đường cáp chia thành 10 đoạn mô hình mạch tương đương với thông số R, L, C rải đoạn (từ đỉnh xuống chân cột trụ) Hình 3.5 Mô hình mạch tương đương đường dẫn dòng sét qua cột trụ WT hình 3.5 - Nguồn điện sét mô hình nguồn dòng lý tưởng i(t) hàm Heidler nối song song với tổng trở sóng kênh sét Zs - Các CSV sử dụng để hạn chế QĐA sét HTĐ&ĐK WT mô hình điện trở phi tuyến V-A 3.3 Chọn WT tính toán thông số mô hình phần tử Đối tượng WT lựa chọn cho nghiên cứu QĐA sét cảm ứng chương loại điển hình đã, lắp đặt dự án điện gió Việt Nam với thông sô kỹ thuật bản: - Máy phát điện công suất 1,5MW đặt thùng, MBA 2MVA0,69/22kV đặt chân cột trụ - Cánh dài 39m, vật dẫn cánh nhôm tiết diện 25mm2 - Cột trụ thép cao 67m; đường kính kính đỉnh, chân cột trụ là: 2,5m, 3,4m 4,3m - Cáp điện 690V (Cu-XLPE-600mm2) cáp điều khiển (RG58A/U) lắp đặt song song cách thành cột trụ 200mm Footer Page 11 of 148 11 Header Page 12 of 148 - Tổng trở sóng cánh, thông số R, L, C mạch điện tương đương tính toán phù hợp với đối tượng nghiên cứu WT lựa chọn thông số mô hình liên quan cho nghiên cứu QĐA sét cảm ứng HTĐ&ĐK WT lựa chọn tổng hợp bảng 3.3 Bảng 3.3 Kết tính toán thông số 3.4 Kết mô mô hình phần tử liên quan cho nghiên cứu phân tích QĐA sét cảm ứng HTĐ&ĐK WT Mô tác giả xem xét phân bố điện QĐA cách điện cáp điện cáp điều khiển với giả thiết: Sét đánh vào cánh WT với dòng sét 30kA (1,2/50μs); cột trụ lớp kim loại bảo vệ nối đất chung 5Ω; CSV lắp đặt hai đầu đường cáp (phía đỉnh chân cột trụ) Kết mô cho thấy, điện QĐA cách điện điểm đường cáp giảm dần từ điểm đầu (phía đỉnh cột trụ) xuống điểm cuối (phía chân cột trụ) điện dung thành phần cột trụ với đất, cáp với cột trụ có trị số tăng dần từ đỉnh xuống chân cột trụ tổn hao điện trở thành phần QĐA cảm ứng lớn cách điện đường cáp điện phía chân so với phía đỉnh cột trụ giảm khoảng lần (368kV so với 181kV), QĐA sét cảm ứng cách điện đường cáp điều khiển phía chân giảm khoảng 3,4 lần so với phía đỉnh cột trụ (591kV so với 176kV) Điều gợi ý, nên hạn chế bố trí tối đa việc lắp đặt TBĐ&ĐK phía đỉnh cột trụ từ khâu thiết kế Footer Page 12 of 148 12 Header Page 13 of 148 Dòng điện qua CSV lắp đặt cuối đường cáp (phía chân cột trụ) 2,2kA giảm trung bình 1,3 lần so với CSV lắp đặt đầu đường cáp (phía đỉnh cột trụ) Do vậy, nên sử dụng CSV có mức hấp thụ lượng thấp để lắp đặt bảo vệ cho phần tử, TBĐ&TBĐK lắp đặt phía chân cột trụ so với phía đỉnh cột trụ Các mô tác giả xem xét ảnh hưởng của: trị số điện trở nối đất, thông số dòng điện sét, khoảng cách lắp đặt đường cáp so với cột trụ đến QĐA cách điện đầu cuối đường cáp - QĐA cách điện TBĐ&TBĐK lắp đặt phía đỉnh chân cột trụ - Ảnh hưởng trị số điện trở nối đất: Khi sét đánh vào cánh WT với dòng sét 30kA (1,2/50μs), biên độ QĐA cách điện đường cáp phía đỉnh chân cột trụ theo trị số điện trở nối đất số khác nhau: 1, 2, 3, 10Ω so sánh hình 3.23 3.24 Hình 3.24 Biên độ QĐA cảm ứng cách điện cáp phía chân cột trụ theo trị số điện trở nối đất Hình 3.23 Biên độ QĐA cảm ứng cách điện cáp phía đỉnh cột trụ theo trị số điện trở nối đất Ta nhận thấy, trị số điện trở nối đất nhỏ mức QĐA cách điện hai đầu đường cáp nhỏ Tuy nhiên, trị số điện trở nối đất lớn 3Ω gia tăng QĐA cách điện đường cáp lớn Do đó, để dễ hạn chế QĐA sét HTĐ&ĐK WT nên nối đất với trị số điện trở thấp 3Ω - Ảnh hưởng thông số dòng điện sét: + Biên độ dòng điện sét: QĐA cách điện đường cáp phía đỉnh chân cột trụ theo biên độ dòng sét 10, 20, 30, 50 100kA (cùng dạng xung 1,2/50μs) so sánh hình 3.25 3.26 Kết mô cho thấy, QĐA sét cảm ứng cách điện TBĐ&TBĐK phía đỉnh chân cột trụ tăng tỷ lệ thuận theo biên độ dòng điện sét Tuy nhiên, với dòng điện sét nhỏ 10kA QĐA phía chân cột trụ là 60,1kV - lớn lần mức điện áp xung quy định tiêu chuẩn IEC-60364-1 (BIL = 2,5 ÷ 8kV) Footer Page 13 of 148 13 Header Page 14 of 148 thiết bị hạ áp Vì thế, để đảm bảo an toàn cho TBĐ&TBĐK WT thiết phải nghiên cứu biện pháp tăng cường nhằm hạn chế QĐA nguy hiểm với phóng điện sét vào WT Hình 3.25 Biên độ QĐA cách điện đầu đường cáp theo biên độ dòng điện sét Hình 3.26 Biên độ QĐA cách điện cuối đường cáp theo biên độ dòng điện sét + Thời gian đầu sóng: QĐA cách điện hai đầu đường cáp theo thời gian đầu sóng 1,2μs, 2μs, 5μs, 8μs 10μs so sánh hình 3.27 (cùng biên độ 30kA) Kết cho thấy, thời gian nhỏ Hình 3.27 Biên độ QĐA cách 5μs, gia tăng QĐA điện đầu cuối đường cáp theo sét cảm ứng HTĐ&ĐK thời gian đầu sóng dòng điện sét WT lớn, lớn 5μs ảnh hưởng nhỏ Điều cho thấy ảnh hưởng thành phần điện cảm cáp đáng kể sóng sét có độ dốc lớn, với thời gian đầu sóng lớn 5μs thành phần điện dung cáp định trị số QĐA sét cảm ứng cách điện cáp (cũng cách điện TBĐ&TBĐK hai đầu đường cáp) - Khoảng cách đường cáp so với cột trụ: Các mô tính toán QĐA theo khoảng cách cho thấy: + Khoảng cách lắp đặt đường cáp so với cột trụ lớn trị số QĐA HTĐ&ĐK WT nhỏ + QĐA lớn phía đầu đường cáp (phía đỉnh cột trụ) phụ thuộc khoảng cách lắp đặt đường cáp so với cột trụ phụ thuộc vào biên độ thời gian đầu sóng dòng điện sét Bằng mô tính toán (dựa vào xác suất xuất biên độ thời gian đầu sóng dòng điện sét điện trường giới hạn gây Footer Page 14 of 148 14 Header Page 15 of 148 phóng điện), tác giả tính khoảng cánh an toàn lắp đặt cáp so với cột trụ 479mm đảm bảo 50% số lần sét đánh WT không gây phóng điện làm hư hỏng cách điện, để đảm bảo an toàn đến 95% khoảng cách 775mm 3.5 Kết luận Trong chương 3, tác giả thực số vấn đề sau: 1) Trình bày phương pháp mô hình phần tử đường dẫn dòng điện sét WT phần tử liên quan khác nguồn điện sét, CSV tác giá đánh giá, lựa chọn 2) Các thông số mô hình tác giả tính toán xác định phù hợp với đối tượng nghiên cứu với loại WT 1,5MW điển hình Việt Nam 3) Các mô phỏng, tính toán QĐA cảm ứng HTĐ&ĐK WT điển hình sử dụng Việt Nam cho thấy: - Nên sử dụng CSV lắp đặt cuối đường cáp có mức hấp thụ lượng thấp so với đầu đường cáp - Nên thực nối đất với trị số điện trở nhỏ 3Ω để dễ dàng giảm mức QĐA xuống trị số an toàn cho TBĐ&ĐK WT - Thông số dòng điện sét (biên độ thời gian đầu sóng) nơi dự kiến lắp đặt WT nên nghiên cứu đo lường giúp việc xác định QĐA sét cảm ứng HTĐ&ĐK WT xác Từ có biện pháp bảo vệ chống QĐA sét hệ thống phù hợp - Nên lắp đặt đường cáp xa cột trụ để giảm mức QĐA sét cảm ứng cách điện phần tử, thiết bị HTĐ&ĐK WT Chương PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT LAN TRUYỀN TRONG LƯỚI ĐIỆN TRANG TRẠI GIÓ Nguyên nhân phát sinh QĐA sét lan truyền WF sét đánh vào WT sét đánh vào đường dây không trung áp nối WF với lưới điện hệ thống (hoặc lưới điện địa phương) - Khi sét đánh vào WT WF, dòng điện sét dẫn xuống hệ thống nối đất, phần dòng điện sét “xông ngược” qua CSV điện dung ký sinh cuộn dây MBA so với đất gây nên QĐA nguy hiểm lưới điện WF - Sét đánh vào đường dây trung áp không nối với lưới điện gây nên QĐA nguy hiểm lan truyền vào lưới điện WF Footer Page 15 of 148 15 Header Page 16 of 148 Chương nghiên cứu QĐA sét lan truyền lưới điện WF điển hình Việt Nam theo nguyên nhân kể việc sử dụng phần mềm phân tích trình độ điện từ ATP/EMTP 4.2 Mô hình phần tử cho nghiên cứu điện áp sét lan truyền lưới điện trang trại gió Mô hình phần tử cánh, vành trượt - chổi than, CSV nguồn điện sét trình bày mục 3.2 (chương 3) Trong mục tác giả lựa chọn mô hình phần tử liên quan khác cho nghiên cứu QĐA sét lan truyền lưới điện WF, cụ thể sau: - Cột trụ mô hình tổng trở sóng với tốc độ truyền sóng c= 3.108m/s - MBA WT sử dụng mô hình phụ thuộc tần số Trong đó, trị số điện dung giữa: cuộn hạ với đất, cuộn cao với đất cuộn cao với cuộn hạ nhà sản xuất cho đo lường trực tiếp - Đường cáp 690V sử dụng mô hình hình PI Đường cáp 22kV WF sử mô hình Bergeron, đường dây không 22kV nối WF với lưới hệ thống (từ WF đến TBA trung gian 110kV) sử dụng mô hình J Marti - Nối đất WT mô hình điện trở không đổi Thanh ngang nối đất chung WT kề WF sử dụng mô hình mạch điện hình PI với thông rải đoạn dài 10m 4.3 Lựa chọn trang trại gió xác định xác định thông số mô hình cho nghiên cứu điện áp sét lan truyền - Đối tượng lựa chọn nghiên cứu WF tỉnh Ninh Thuận gồm 10WT (được đánh số từ đến 10) chia thành hai hàng giống nhau, hàng 5WT số liệu khác thể hình 4.4 - Kết tính toán lựa chọn thông số mô hình phần tử liên quan cho nghiên cứu QĐA sét lan truyền WF tổng hợp bảng 4.2 Hình 4.4 Mô hình WF tỉnh Ninh Thuận Footer Page 16 of 148 16 Header Page 17 of 148 4.4 Phân tích điện Bảng 4.2 Mô hình kết tính toán thông số mô hình phần tử áp sét lan truyền lưới điện trang trại gió 4.4.1 Sét đánh vào WT Mô đầu tiên, giả thiết sét đánh vào cánh WT1 với dòng sét 30kA (1,2/50μs) điện trở nối đất WT 5Ω Kết mô cho dạng sóng QĐA phía cao áp hạ áp MBA WT1 đến WT5 hình 4.8 4.9 Hình 4.9 cho thấy, biên độ QĐA phía hạ áp MBA WT1 lớn đạt 35kV giảm dần từ 3kV với WT2 (gần WT1 nhất) đến 1kV với WT5 (xa WT1 nhất) Do đó, phía hạ áp MBA WT cần có biện pháp bảo vệ chống QĐA tránh gây phóng điện nguy hiểm Hình 4.8 Sóng QĐA (pha A) phía cao áp MBA WT1 đến WT5 Hình 4.9 Sóng QĐA (pha A) phía hạ áp MBA WT1 đến WT5 Các mô tiếp theo, tác xem xét ảnh hưởng thời gian đầu sóng dòng điện sét, hệ thống nối đất vị trí sét đánh WT đến QĐA sét lan truyền lưới điện WF a) Ảnh hưởng thời gian đầu sóng dòng điện sét Khi sét đánh WT1 có thời gian đầu sóng dòng điện sét khác 1,2μs, 5μs 10μs (cùng biên độ 30kA) sóng QĐA sét pha A phía cao áp phía hạ áp WT hình 4.10 4.11 (WF sử dụng nối đất độc lập WT có trị số điện trở 5Ω) Footer Page 17 of 148 17 Header Page 18 of 148 Hình 4.10 Sóng QĐA phía cao áp MBA WT1 theo thời gian đầu sóng dòng sét 1,2μs, 5μs 10μs Hình 4.11 Sóng QĐA phía hạ áp MBA WT1 theo thời gian đầu sóng dòng sét 1,2μs, 5μs 10μs Khi thời gian đầu sóng nhỏ, QĐA lớn dao động mạnh trước tắt hẳn sóng phản xạ từ WT lân cận xếp chồng với đỉnh dòng điện sét gây Còn thời gian đầu sóng lớn, cộng hưởng xếp chồng không đáng kể làm giảm mạnh trị số QĐA lan truyền b) Ảnh hưởng hệ thống nối đất - Hình 4.14 cho thấy, nối đất WT 10Ω biên độ QĐA phía cao áp hạ áp MBA WT1 180,3kV 56,4kV, nối đất 1Ω 20,1kV 3,6kV Như vậy, trị số điện trở nối đất giảm 10 lần QĐA phía cao áp MBA WT1 giảm lần, phía hạ áp MBA WT1 giảm 15,7 lần Do giảm điện trở nối đất biện pháp đơn giản để hạn chế mức QĐA sét nguy hiểm cách điện Hình 4.14 Biên độ QĐA phía cao hạ áp MBA WT1 theo trị số điện trở nối đất thiết bị hạ áp WT Hình 4.15 Sóng QĐA phía cao áp MBA WT1 theo hình thức nối đất độc lập (1) nối đất chung (2) Footer Page 18 of 148 Hình 4.17 Sóng QĐA phía hạ áp MBA WT1 theo hình thức nối đất độc lập (1) nối đất chung (2) 18 Header Page 19 of 148 - Kết mô so sánh dạng sóng QĐA phía cao áp hạ áp MBA WT1 theo hình thức nối đất độc lập nối đất chung thể hình 4.15 4.17 Như vậy, WF sử dụng hình thức nối đất chung biên độ QĐA WT bị sét đánh giảm lần (cả phía áp cao hạ áp MBA WT) so với hình thức nối đất độc lập c) Ảnh hưởng vị trí sét đánh WT Mô thực với giả thiết, dòng điện sét 30kA (1,2/50μs), hình thức nối đất WF độc lập WT 5Ω Khi sét đánh vào WT1 đến WT5, kết cho dạng sóng QĐA phía cao áp phía hạ áp MBA WT so sánh hình 4.19 4.20 Hình 4.20 Sóng QĐA phía hạ áp MBA WT1 đến WT5 sét vào WT Hình 4.19 Sóng QĐA phía cao áp MBA WT1 đến WT5 sét vào WT Ta thấy, nhóm thứ gồm WT gần lưới hệ thống (WT1 WT2) có biên độ QĐA lớn gần gấp lần nhóm thứ hai gồm WT xa lưới hệ thống (WT3, WT4 WT5) Điều phản xạ từ lưới WT hàng thứ (WT6 đến WT10) đến muộn so với hàng thứ (WT1 đến WT5) Hình 4.21 cho thấy dòng phóng điện qua CSV nhóm thứ (WT1 WT2) lớn hai lần so với nhóm thứ hai (WT3, WT4 WT5) Vì vậy, sử dụng CSV có mức hấp thụ lượng thấp Hình 4.21 Dòng phóng điện qua WT nhóm CSV phía cao áp MBA WT1 đến thứ hai (xa lưới hệ thống) WT5 sét đánh vào WT Footer Page 19 of 148 19 Header Page 20 of 148 4.4.2 Sét đánh vào đường dây không gây QĐA WF a) Đường dây không DCS, sét đánh vào dây pha Vị trí sét đánh gần hay xa WF ảnh hưởng không nhiều đến QĐA sét truyền vào WF Khi dòng sét 30kA (1,2/50μs), WF nối đất độc lập WT 5Ω QĐA lớn phía cao áp hạ áp WT1 dao động 100kV 20kV ứng với hai cấp điện áp kể WT1 Điều lý giải QĐA bị hạn chế tổn thất tự nhiên trình truyền sóng đường dây b) Đường dây DCS, sét đánh vào dây DCS với giả thiết: Dòng sét 30kA (1,2/50μs), WF nối đất độc lập WT 5Ω, sét đánh vào vị trí cách WF (1) 60m, (2) 300m, (3) 600m Kết mô cho thấy: - Biên độ QĐA sét phía cao áp hạ áp MBA WT1 (gần đường dây không nhất) tổng hợp so sánh hình 4.29 Sét đánh vào dây DCS vị trí xa WF QĐA truyền vào WF giảm phần lớn lượng sét hấp thụ trực tiếp xuống hệ thống nối đất cột điện - Trong trường hợp sét đánh vào DCS vị trí (1) gần WF nhất, DCS có tác dụng giảm mức QĐA phía cao áp WT1 xuống mức điện áp xung (BIL = 110÷150kV) Tuy nhiên, QĐA phía hạ áp WT1 giảm lớn mức BIL = 2,5÷8kV Hình 4.29 Biên độ QĐA (pha A) phía thiết bị hạ áp Vì để hạn chế hạ áp cao áp MBA WT1 theo vị trí sét đánh đường dây (1), (2) (3) QĐA phía hạ áp WT xuống trị số BIL, tác giả đề xuất sử dụng thêm CSV điểm nối đường dây không đường cáp ngầm trung áp (22kV) WF - Kết so sánh mức hạn chế QĐA phía cao áp hạ áp WT1 theo hai biện pháp đường dây không: (i) treo DCS (ii) treo DCS kết hợp lắp đặt CSV vị trí đấu nối đường dây với đường cáp WF so với đường dây không treo DCS trình bày hình 4.31 4.32 Khi thực biện pháp (ii), QĐA phía hạ áp WT1 giảm 1,5kV - mức BIL yêu cầu, đồng thời QĐA phía cao áp WT1 giảm 1,5 lần so với sử dụng DCS (41kV so với 60kV) Footer Page 20 of 148 20 Header Page 21 of 148 Hình 4.31 So sánh sóng QĐA (pha A) phía cao áp MBA WT1 trường hợp đường dây không không DCS, có DCS (i) có DCS kết hợp CSV (ii) Hình 4.32 So sánh sóng QĐA (pha A) phía hạ áp MBA WT1 trường hợp đường dây không không DCS, có DCS (i) có DCS kết hợp CSV (ii) 4.4.3 QĐA sét lan truyền WF có cấu hình khác Mục so sánh QĐA WF có cấu hình khác sét đánh WT đường dây không 22kV nối WF với lưới điện Giả thiết rằng: - 5WT nối với theo cấu hình WF khác A, B, C D (Hình 4.33 đến 4.36) Hình 4.33 Cấu hình A Hình 4.36 Cấu hình D Hình 4.34 Cấu hình B Hình 4.35 Cấu hình C - Nối đất WF độc lập WT 10Ω Footer Page 21 of 148 21 Header Page 22 of 148 - Đường cáp 22kV nối WT với 0,3km, đường dây không 22kV nối WF với TBA 110kV dài 10km có treo DCS - Dòng điện sét 30kA (1,2/50μs) a) Khi sét đánh vào WT1 đến WT5 Kết so sánh QĐA phía cao áp hạ áp WT1 đến WT5 sét đánh vào WT theo cấu hình WF khác trình bày hình 4.42 b) a) Hình 4.42 Biên độ QĐA phía cao áp (a) phía hạ áp (b) WT1 đến WT5 sét đánh vào WT theo cấu hình khác b) Sét đánh vào đường dây không 22kV Kết so sánh QĐA phía cao áp hạ áp WT1 đến WT5 sét đánh vào đường dây không hình 4.43 b) a) Hình 4.43 Biên độ QĐA phía cao áp (a) phía hạ áp (b) WT1 đến WT5 sét đánh vào đường dây không 22kV theo cấu hình khác Các kết so sánh hình 4.42 4.43 cho thấy, xét góc độ nguy hiểm QĐA sét cấu hình B nguy hiểm có nhiều WT phải chịu mức QĐA lớn so với cấu hình khác 4.5 Kết luận Trong chương 4, tác giả thực số vấn đề sau: 1) Trình bày nguyên nhân phát sinh QĐA sét lưới điện WF Footer Page 22 of 148 22 Header Page 23 of 148 2) Trình bày phương pháp mô hình phần tử, thiết bị liên quan cho nghiên cứu QĐA lan truyền lưới điện WF 3) Lựa chọn WF điển hình Việt Nam tính toán, lựa chọn thông số mô hình phần tử, thiết bị liên quan cho nghiên cứu QĐA sét 4) Nghiên cứu, xem xét yếu tố ảnh hưởng đến QĐA lan truyền lưới điện WF lựa chọn vị trí sét đánh, thông số dòng điện sét, hệ thống nối đất, cấu hình WF Từ đưa khuyến cáo biện pháp bảo vệ chống QĐA sét nhằm hạn chế nguy hiểm cho cho phần tử, thiết bị WF KẾT LUẬN Kết nghiên cứu đóng góp luận án thể điểm sau đây: 1) Tổng hợp sở lý luận, đánh giá công trình nghiên cứu liên quan, xác định nội dung luận án cần sâu giải 2) Đánh giá, đề xuất sử dụng phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT trung bình hàng năm sở lý thuyết mô hình điện hình học (EGM) Phương pháp EGM xem xét đến đặc điểm khác biệt WT (có cánh quay gió) so với công trình tĩnh trạm biến áp, đường dây tải điện Phương pháp EGM tác giả ứng dụng tính toán số lần sét đánh cho WT có dải chiều cao (ứng với công suất phát) khác lắp đặt, vận hành vùng có mật độ sét khác Việt Nam Kết tính toán số lần sét đánh trực tiếp WT có kích thước khác lặp đặt vùng có mật độ sét khác Việt Nam dùng làm tài liệu tra cứu, tham khảo cho chủ đầu tư nhà tư vấn, thiết kế, xây dựng dự án điện gió Việt Nam 3) Khi WT bị sét đánh, đường dẫn dòng sét qua cột trụ thép rỗng (trong có lắp đặt đường cáp điện điều khiển), thay đổi từ trường dòng điện sét điện trường điện dung ký sinh cột trụ với đất, cột trụ với đường cáp xuất QĐA sét cảm ứng gây nguy hiểm cho phần tử, thiết bị HTĐ&ĐK WT Mô hình mạch điện tương đương với thông số rải đoạn dài đường dẫn dòng điện sét qua cột trụ luận án cho phép tính toán trị số QĐA sét cảm ứng thiết bị điện thiết bị điều khiển WT điển hình Việt Nam Bằng việc sử dụng phần mềm ATP/EMTP, tác giả tiến hành nghiên cứu, mô phỏng, xem xét Footer Page 23 of 148 23 Header Page 24 of 148 ảnh hưởng của: CSV, trị số điện trở nối đất cột trụ, thông số dòng điện sét, khoảng cách lắp đặt đường cáp điện (điều khiển) đến QĐA sét cảm ứng HTĐ&ĐK WT Từ đó, tác giả phân tích, đánh giá để rút kết luận nhằm giảm QĐA sét cảm ứng HTĐ&ĐK WT, góp phần nâng cao độ tin cậy vận hành an toàn cho phần tử - thiết bị WT 4) Khi WT WF bị sét đánh, phần tử WT bị nguy hiểm, thiết bị khác lưới điện WF bị nguy hiểm QĐA sét lan truyền Hai nguyên nhân gây nên QĐA sét lan truyền lưới điện WF do: i) Sét đánh trực tiếp vào WT, dòng điện sét lớn tản xuống hệ thống nối đất xuất hiện tượng dòng điện sét “xông ngược” từ đất hệ thống nối đất (của WT bị sét đánh) qua CSV, điện dung ký sinh cuộn dây MBA so với đất, ii) Sét đánh vào đường dây trung áp không kết nối với WF đề xuất nghiên cứu luận án Phương pháp mô hình phần tử liên quan cho nghiên cứu QĐA sét lan truyền lưới điện WF tổng hợp giới thiệu luận án Các thông số mô hình phần tử - thiết bị liên quan tính toán áp dụng để nghiên cứu, phân tích, đánh giá QĐA sét lan truyền (do hai nguyên nhân kể trên) WF điển hình Việt Nam phần mềm ATP/EMTP 5) Tổng hợp mô hình mô EMTP thành phần WF cho nghiên cứu điện áp sét cảm ứng lan truyền, làm sở hữu ích cho nghiên cứu sau liên quan đến điện áp sét WF Trên sở phần mềm ATP/EMTP, luận án làm rõ yếu tố ảnh hưởng đến trị số điện áp lan truyền WF thông số dòng điện sét (biên độ thời gian đầu sóng), khoảng cách WT WF, vị trí sét đánh, phương thức nối đất trị số điện trở nối đất, DCS CSV, hình thức kết nối WT WF Từ đề xuất biện pháp nhằm giảm thiểu mức độ ảnh hưởng điện áp sét đến cách điện thiết bị phía cao áp hạ áp MBA tăng áp tua bin gió Đây coi gợi ý quan trọng giúp nhà tư vấn, thiết kế lắp đặt dự án điện gió thực biện pháp bảo vệ chống sét hiệu nhằm nâng cao độ tin cậy an toàn cho phần tử, thiết bị WT (WF) đã, xây dựng Việt Nam Footer Page 24 of 148 24 ... đề nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT thực quan tâm nghiên cứu Các nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT chia thành nhóm chủ đề sau: - Thống kê thông số dòng điện sét liên quan đến WT cho nghiên cứu. .. hình nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT Giai đoạn trước năm 1990, việc nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT chưa thực quan tâm WT có công suất nhỏ chiều cao thấp, tỷ lệ sét đánh thiệt hại sét không... hưởng điện áp sét đến cách điện thiết bị phía cao áp hạ áp MBA tăng áp tua bin gió Đây coi gợi ý quan trọng giúp nhà tư vấn, thiết kế lắp đặt dự án điện gió thực biện pháp bảo vệ chống sét hiệu