Đề xuất phương pháp xác định vị trí lắp đặt hợp lý của chống sét van bảo vệ trạm biến áp phân phối với các cấu hình khác nhau, đồng thời có xem xét đến mật độ sét khu vực và các yếu tố ảnh hưởng. Đề xuất phương pháp kiểm tra thời gian trung bình giữa các lần hư hỏng của máy biến áp (MTBF) đối với cấu hình trạm có sẵn. Xây dựng các phương trình đặc tuyến quan hệ giữa chiều cao vật thể che chắn, khoảng cách từ đường dây đến vật thể che chắn và hệ số che chắn đối với đường dây phân phối; các phương trình đặc tuyến quan hệ giữa MTBF, hệ số che chắn và mật độ sét khu vực nhằm tạo điều kiện cho lập trình tính toán tự động.
Luận văn Thạc sĩ Chương mở đầu GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 0.1 Tính cần thiết đề tài Trong thị trường cạnh tranh ngày nay, lượng điện nhu cầu thiết yếu Thậm chí cố nhỏ làm thất hàng triệu đôla Những cố tượng tự nhiên gây ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng điện năng, điển hình tượng sét Sét tượng phóng điện khí đám mây đất hay đám mây mang điện tích khác dấu Số vụ cường độ sét đánh thường xác định theo quy luật xác suất chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố Bên cạnh đó, hầu hết cơng trình điện gồm đường dây trạm biến áp xây dựng trời, kết cấu chủ yếu kim loại có chiều cao lớn, nguyên nhân làm tăng nguy tiềm tàng gây cố bất khả kháng sét Sét đánh vào đường dây làm vỡ sứ đứt dây, đồng thời lan truyền vào trạm biến áp gây cháy hỏng thiết bị, chủ yếu máy biến áp, làm gián đoạn cung cấp điện gây thiệt hại kinh tế phí cho sửa chữa, ngừng trệ sản xuất ảnh hưởng đến sinh hoạt nhân dân Việc xác định xác khu vực bị sét đánh khó khơng thể đảm bảo xác suất 100% hướng sét đến hệ thống chống sét, thực tế, nguồn kinh phí giới hạn nên lắp đặt thiết bị chống sét tất điểm theo dự đốn Vì vậy, việc nghiên cứu để lựa chọn, áp dụng biện pháp hạn chế tác hại sét khu vực, đối tượng cụ thể cho đảm bảo kinh tế kỹ thuật cần thiết không riêng ngành điện, mà nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác… Trong thực tế, lưới phân phối máy biến áp thường bảo vệ thiết bị chống sét van Trong đó, khoảng cách thiết bị chống sét van đầu cực cao máy biến áp quan trọng Bởi chống sét van phải bảo vệ cho tồn cách điện trạm, trường hợp tổng quát chống sét van đầu cực máy biến áp cần có khoảng cách phân cách Luận văn Thạc sĩ Xuất phát từ thực tế trên, đề tài “Định vị trí đặt tối ưu chống sét van lưới phân phối” sâu vào nghiên cứu tính tốn xây dựng chương trình để xác định vị trí đặt chống sét van cấp trung dạng MOV cho nhiều loại cấu hình trạm biến áp khác 0.2 Nhiệm vụ luận văn - Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc, tính kỹ thuật ưu nhược điểm chống sét van - Tổng quan phương pháp bảo vệ máy biến áp mạng phân phối - Nghiên cứu phương pháp cải tiến xác định vị trí đặt thiết bị chống sét van bảo vệ máy biến áp mạng phân phối - Áp dụng phương pháp cải tiến để tính tốn vị trí đặt chống sét van trạm biến áp 0.3 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu cấu tạo nguyên lý làm việc chống sét van - Các phương pháp bảo vệ áp sét máy biến áp phân phối đề xuất phương pháp cải tiến - Áp dụng phương pháp cải tiến tính tốn vị trí đặt chống sét van trạm biến áp 0.4 Các bước tiến hành - Thu thập tài liệu nước liên quan đến đề tài - Nghiên cứu cấu tạo nguyên lý làm việc chống sét van kiểu biến trở ơxít kim loại (MOV) - Nghiên cứu tiêu chuẩn lựa chọn chống sét lưới trung - Nghiên cứu phương pháp cải tiến xác định vị trí đặt thiết bị chống sét van bảo vệ máy biến áp mạng phân phối - Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ Matlab - Xây dựng chương trình hổ trợ người sử dụng xác định vị trí đặt chống sét van trạm biến áp phân phối - Đánh giá kết luận Luận văn Thạc sĩ 0.5 Tính đề tài - Đề xuất phương pháp xác định vị trí lắp đặt hợp lý chống sét van bảo vệ trạm biến áp phân phối với cấu hình khác nhau, đồng thời có xem xét đến mật độ sét khu vực yếu tố ảnh hưởng - Đề xuất phương pháp kiểm tra thời gian trung bình lần hư hỏng máy biến áp (MTBF) cấu hình trạm có sẵn - Xây dựng phương trình đặc tuyến quan hệ chiều cao vật thể che chắn, khoảng cách từ đường dây đến vật thể che chắn hệ số che chắn đường dây phân phối; phương trình đặc tuyến quan hệ MTBF, hệ số che chắn mật độ sét khu vực nhằm tạo điều kiện cho lập trình tính tốn tự động - Xây dựng chương trình OPSOLA giúp người sử dụng thuận tiện việc xác định khoảng cách phân cách hợp lý, đồng thời kiểm tra MTBF máy biến áp cấu hình trạm máy biến áp cụ thể 0.6 Tính thực tiễn đề tài - Giúp cho công ty tư vấn thiết kế điện, cơng ty điện lực xác định vị trí lắp đặt chống sét van hợp lý thiết kế trạm biến áp - Kiểm tra giá trị MTBF trạm biến áp có sẵn nhằm đề xuất phương án thay đổi vị trí lắp đặt chống sét van cần thiết có xem xét đến mật độ sét khu vực yếu tố ảnh hưởng 0.7 Nội dung luận văn Chương 01: Tổng quan chống sét van Chương 02: Các phương pháp xác định vị trí lắp đặt chống sét van bảo vệ trạm biến áp phân phối Chương 03: Phương pháp cải tiến xác định vị trí đặt chống sét van bảo vệ trạm biến áp phân phối Chương 04: Xây dựng chương trình tính tốn số tốn áp dụng Chương 05: Kết luận Luận văn Thạc sĩ Chương 01 TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT VAN 1.1 Đặt vấn đề Mọi thiết bị điện lắp đặt dự kiến đưa vào vận hành lâu dài cấp điện áp xác định thường lựa chọn dựa điện áp định mức lưới điện mà thiết bị đấu nối vào Tuy nhiên, thực tế vận hành, đôi lúc lại xảy điện áp tạm thời nhiều nguyên nhân gây ra, cố chạm đất, thao tác, sét v.v Trong đó, điện áp sét nguy hiểm nhất, điện áp lớn gây phóng điện đánh thủng cách điện phá hủy thiết bị Có ba yếu tố quan trọng có liên quan đến việc bảo vệ áp: thiết kế tổng quan lưới điện, cấp độ cách điện xung (BIL) thiết bị (máy biến áp, điều áp, dàn tụ bù,.v.v.) lưới, thiết bị bảo vệ (chống sét van, dây chống sét) Khả cách điện hệ thống xác định đặc tính kỹ thuật phận sử dụng (cực cách điện, dây dẫn, v.v ) cộng với cấu trúc, khoảng cách tất hệ số khác bao gồm việc thiết kế hệ thống Cách điện hệ thống phải chịu điện áp tần số nguồn liên tục nhiều năm với nhiều điều kiện khí Để đảm bảo tính hợp dài hạn hệ thống, phải thiết kế cho lưới điện chịu điện áp cao mức bình thường Tuy nhiên, mặt kinh tế khó thực lưới điện có khả chịu điện áp cao có áp độ Tương tự cấp cách điện thiết bị phân phối thiết kế để chịu điện áp cao bình thường Phương pháp có hiệu đến mức đó, nhanh chóng đến giai đoạn mà khơng thể thêm chi phí để tạo cấp cách điện BIL cao khơng khả thi kinh tế Cấp bảo vệ áp cần phải bổ sung cách lắp đặt thiết bị bảo vệ để giới hạn lượng điện áp mà thiết bị (hay đoạn đường dây) phải chịu Phương pháp cho phép giảm cấp độ cách điện thiết bị, dựa vào khả áp nhỏ hơn, nói chung tạo sơ đồ bảo vệ áp tiết kiệm Các Luận văn Thạc sĩ công ty Điện lực đương nhiên áp dụng thực tế khác phải tính đến ba yếu tố bản: phục vụ khách hàng, khả chịu đựng điện áp (đặc biệt áp sét) yếu tố kinh tế Khơng thể thiết kế lưới điện đáp ứng yêu cầu điện áp phải mức chịu đựng cách điện thiết bị, làm cho chi phí vượt mức Do vậy, thiết kế lưới điện, tính chọn thiết bị lắp đặt lưới hạn chế tối thiểu tác hại áp, quy trình dựa sở phối hợp áp dự kiến khả chịu đựng áp thiết bị Muốn đạt điều phải đáp ứng hai bước sau : - Thiết kế lưới điện thích hợp để kiểm soát hạn chế tối thiểu áp - Sử dụng thiết bị bảo vệ áp Tổng hợp hai bước gọi bảo vệ áp hay phối hợp cách điện Khi áp lớn mức dẫn đến phóng điện đánh thủng cách điện thiết bị, bảo vệ áp bao gồm: thiết kế phối hợp lưới điện việc lắp đặt thích hợp thiết bị bảo vệ vị trí chiến lược nhằm mục đích hạn chế áp tránh giảm thiểu hư hỏng cách điện Thiết kế phối hợp bao gồm: - Hệ thống nối đất phải đảm bảo hiệu - Dùng dây, kim thu sét - Điều khiển góc thao tác máy cắt - Sử dụng tụ điện xung Các thiết bị bảo vệ bao gồm : - Khe hở phóng điện - Các loại van chống sét Mục tiêu bảo vệ áp hệ thống điện tránh hư hỏng cách điện, ngừng làm việc hư hỏng thiết bị Hiện tại, thông thường sử dụng chống sét van MOV không khe hở để bảo vệ áp sét lưới phân phối Luận văn Thạc sĩ 1.2 Khái niệm tượng sét tình hình dơng sét Việt Nam Khái niệm tượng sét Hầu hết nguyên nhân gây áp có tính q độ, kéo dài vài micrơgiây đến vài chu kỳ có nguồn gốc từ hệ thống hay hệ thống Nguồn bên chủ yếu dơng sét, tượng khó dự đốn trước, tạo áp lực hệ thống Các nguồn gốc bên chủ yếu thao tác đóng cắt mạch điện cố pha đất Một nguồn phổ biến đóng cắt cụm tụ điện nguồn áp gây áp lực cho thiết bị so với dơng sét Như vậy, sóng xung phát sinh từ hệ thống (ví dụ đóng cắt), rõ ràng dơng sét ngun nhân có nguy gây q áp có hại cho hệ thống Dơng sét nguồn gốc q áp có hại lưới phân phối, sinh sét đánh trực tiếp hay cảm ứng Xung điện áp sinh thay đổi từ tăng tương đối nhỏ đến lớn gấp lần điện áp pha đất bình thường cấp cách điện hệ thống cho phép Khi sét đánh vào đường dây, vùng rộng lớn bị ảnh hưởng xung quanh vị trí sét đánh, điện áp vượt mức cách điện định mức đường dây hồ quang dòng sét chạy xuống đất Đồng thời, sóng điện sét cảm ứng dây dẫn lan truyền dọc theo đường dây Những sóng điện sét gồm hai thành phần: điện áp dòng điện Biên độ điện áp biên độ dòng điện nhân với trở kháng sóng đường dây, trị số nhỏ điện áp phóng điện hồ quang cách điện hệ thống Các xung lan truyền đường dây không với tốc độ ánh sáng Càng nắm đặc tính sét việc lắp đặt thiết bị bảo vệ hiệu Đây lĩnh vực mà nhà khoa học có bước nghiên cứu nhiều tiến triển kỹ sư thiết kế phân xung sét thành dạng khác dựa vào kích thước phạm vi xung điện áp Một xung sét tiêu biểu có xung đầu sóng dốc, có nghĩa điện áp tăng với tỷ lệ triệu vôn giây Thực tế 15% đỉnh sét xảy 1µs Xung đầu dốc nối tiếp sóng ngắn, nghĩa sau điện áp đạt đỉnh thời gian mà Luận văn Thạc sĩ cố điện áp giảm xuống nửa giá trị điện áp đỉnh khoảng thời gian 200µs hồn tồn triệt tiêu khoảng 1000µs Tính khơng dự đốn sét cho thấy khó xác định biên độ cú đánh sét, nhiên thực tế có nhiều cú sét đánh liên tục vào vị trí Kết quan trắc cho thấy sét gồm nhiều đợt phóng điện nhau, trung bình ba lần, nhiều đến vài chục lần Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục (không phải đợt lần đầu), không phân nhánh theo quỹ đạo lần phóng điện đầu có tốc độ nhanh (2.106m/s) Mỗi lần phóng điện tạo nên xung dòng sét Các xung sét sau thường có biên độ bé hơn, độ dốc đầu sóng cao nhiều so với xung Một sét kéo dài 1,33s, điều trái ngược với khái niệm sét xảy thời gian ngắn, mà có nhiều lần phóng điện liên tiếp nên xem kéo dài Tình hình dơng sét Việt Nam Việt Nam nước thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, cường độ hoạt động dông sét mạnh Thực tế sét gây nhiều tác hại đời sống người, gây hư hỏng thiết bị, cơng trình Là tác nhân gây cố vận hành hệ thống điện hoạt động ngành khác Ở vùng lãnh thổ với điều kiện khí hậu, thời tiết địa hình khác đặt điểm hoạt động dơng sét khác nhau, mặt khác điều kiện trang bị kỹ thuật khác mức độ thiệt hại sét gây khác Vì vậy, ngồi việc tiếp nhận kết nghiên cứu giới, nước cần phải tự tiến hành điều tra, nghiên cứu đặc tính hoạt động dơng sét thơng số phóng điện sét lãnh thổ để từ đề biện pháp phòng, chống sét thích hợp hiệu Từ nguồn số liệu khác ngày dông, dông đài trạm thuộc tỉnh thành (xem PHỤ LỤC – Đặc điểm dông sét Việt Nam), qua xử lý tính tốn phân vùng đặt trưng cường độ dơng sét tồn lãnh thổ Việt Nam, bao gồm: - Khu vực đồng ven biển miền Bắc (khu vực A) Luận văn Thạc sĩ - Khu vực miền núi trung du miền Bắc (khu vực B) - Khu vực miền núi trung du miền Trung (khu vực C) - Khu vực ven biển miền Trung (khu vực D) - Khu vực đồng miền Nam (khu vực E) Bảng 1.1 Cường độ dông sét khu vực Khu vực A B C D E Ngày dông TB Giờ dông TB Mật độ sét TB (ngày/năm) 51,1 61,1 47,6 44,0 60,1 (giờ/năm) 219,1 215,6 95,2 89,32 126,21 (lần/km2.năm) 6,47 6,33 3,31 3,55 5,37 Kết luận: Sét có điện áp vơ lớn dòng điện sét đo đạt dựa ảnh hưởng thiết bị Các thiết bị nhạy sét MOV cho dòng sét chạy qua Chống sét van MOV có vật mang dòng điện với điện trở giảm thấp thời gian sét xảy Các thành phần chủ yếu đặc tính bảo vệ chống sét thể qua dòng xung phóng điện Nhiều thiết bị khoa học đại dùng để đo lường ghi lại dòng sét, cho thấy phạm vi thay đổi rộng giá trị dòng điện từ: 1000A đến 200kA cho thấy mức độ khó đốn biên độ sét Sự nghiên cứu phân tích cho thấy dòng chạy qua chống sét van MOV khoảng 1/10 tổng giá trị dòng điện sét đặc biệt lưu ý khoảng 5% số sét lưới điện phân phối vượt giá trị 10kA 1.3 Một số thuật ngữ Có hai tiêu chuẩn sử dụng phổ biến để thiết kế chống sét IEC ANSI, cần lưu ý có số khác biệt nhỏ hai tiêu chuẩn chọn chống sét van, để tránh nhầm lẫn, sau giới thiệu thuật ngữ gặp vấn đề Luận văn Thạc sĩ Điện áp định mức Ur (Rated Voltage) Thông thường điện áp định mức thiết bị giá trị điện áp đặt liên tục thiết bị mà thiết bị đảm bảo tính nó, nhiều trường hợp chống sét van Theo IEC: Điện áp định mức chống sét giá trị hiệu dụng cho phép tối đa điện áp tần số công nghiệp đặt vào hai cực chống sét mà chống sét thiết kế để vận hành điều kiện thiết lập thí nghiệm chu kỳ làm việc (Operating duty test) Điện áp định mức sử dụng thơng số tham khảo đặc tính vận hành chống sét Theo IEC, chống sét van đáp ứng tiêu chuẩn phải chịu đựng điện áp định mức 10 giây, sau gia nhiệt trước đến 60 oC chịu tác động xung dòng cao hay hai xung dòng thời gian dài sau phối hợp kiểm tra độ ổn định nhiệt điện áp vận hành liên tục (Continuous Operating Voltage) khoảng thời gian 30 phút Chu trình thử nghiệm phức tạp hiển nhiên U r giá trị đo trực tiếp chống sét Theo ANSI: Điện áp định mức chu kỳ làm việc (Duty Cycle Voltage Rating) thuật ngữ gần với Ur IEC Theo ANSI, điện áp chu kỳ làm việc định nghĩa chu kỳ thử nghiệm phức tạp Điện áp định mức chu kỳ làm việc điện áp mà giá trị mẫu thử nghiệm nạp điện mà không gia nhiệt trước Điện áp thử nghiệm giữ khoảng 20 phút, thời gian 20 xung dòng phân loại (thí dụ 10kA, 8/20 µs) sử dụng với khoảng thời gian lần thao tác 50 giây đến 60 giây Hiển nhiên, xác định định mức chống sét theo ANSI đo trực tiếp chống sét, không liên quan đến điều kiện làm việc gắn chặt với đánh giá thử nghiệm Mặc dù thử nghiệm khác IEC ANSI, thực tế định mức xác định nhà sản xuất khác nhau, đặc tính Luận văn Thạc sĩ tương tự dù xác định theo IEC hay ANSI Lý thực tế điện áp định mức sử dụng thông số tham khảo đặc tính khác chống sét mà xác định từ hệ thống hay yêu cầu thử nghiệm Do vậy, lựa chọn thiết bị chống sét, điều quan trọng định thông số đo được, chẳng hạn mức bảo vệ tuyệt đối Dòng điện quy chuẩn Iref (Reference current) Theo IEC: Dòng điện quy chuẩn giá trị đỉnh (giá trị đỉnh hai cực cao dòng điện bất đối xứng) thành phần điện trở dòng điện tần số cơng nghiệp sử dụng để xác định điện áp quy chuẩn chống sét Dòng điện quy chuẩn phải đủ lớn để bỏ qua ảnh hưởng điện dung tản chống sét giá trị điện áp quy chuẩn đo quy định nhà sản xuất Theo tiêu chuẩn IEC 99 - dòng điện quy chuẩn cho phép đặt điện áp xoay chiều tần số công nghiệp vào hai cực chống sét tương ứng với mật độ dòng điện khoảng (0,05m 1,0mA)/cm2 tiết diện đĩa MOV chống sét loại trụ Theo ANSI: Dòng điện quy chuẩn giá trị đỉnh thành phần điện trở dòng điện tần số cơng nghiệp đủ lớn để bỏ qua ảnh hưởng điện dung tản chống sét Mức dòng điện nhà sản xuất quy định Theo tiêu chuẩn ANSI C62 - 11 nâng điện áp lên 1,25 lần điện áp làm việc liên tục lớn MCOV (Maximum Continuous Operating Voltage) vào hai cực chống sét dòng điện qua chống sét dòng điện quy chuẩn Dòng điện quy chuẩn cho phép theo tiêu chuẩn (0,05 mA ÷ 1,0 mA)/cm2 tiết diện đĩa MOV Điện áp quy chuẩn Uref (Reference Voltage) Theo IEC: Điện áp quy chuẩn giá trị đỉnh điện áp tần số công nghiệp chia cho sử dụng cho chống sét để đạt dòng điện quy chuẩn Điện áp quy chuẩn tổ hợp gồm nhiều chống sét ghép lại tổng số điện áp quy chuẩn thành phần 10 ... cho chống sét van bảo vệ máy biến áp tốt chống sét van phải đặt đầu cực máy biến áp, chống sét van phải bảo vệ cho toàn 20 Luận văn Thạc sĩ cách điện trạm, trường hợp tổng quát chống sét van. .. chống sét van Chương 02: Các phương pháp xác định vị trí lắp đặt chống sét van bảo vệ trạm biến áp phân phối Chương 03: Phương pháp cải tiến xác định vị trí đặt chống sét van bảo vệ trạm biến áp. .. phương pháp cải tiến để tính tốn vị trí đặt chống sét van trạm biến áp 0.3 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu cấu tạo nguyên lý làm việc chống sét van - Các phương pháp bảo vệ áp sét máy biến áp phân