Trong phạm vi nghiên cứu, bài báo tìm hiểu nguyên lý và mô phỏng thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp (FLCT) bằng phần mềm MATLAB/SIMULINK. Bài báo cũng phân tích ảnh hưởng các thông số cơ bản của FCLT đến tác dụng giảm dòng ngắn mạch của thiết bị, như một gợi ý cho việc tối ưu hóa cho việc lựa chọn thông số thiết bị. Kết quả mô phỏng áp dụng FCLT trên lưới điện thực tế thuộc Tổng công ty điện lực thành phố Hồ Chí Minh được tiến hành và cho kết quả đáng ghi nhận.
Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 2(3):179-192 Bài nghiên cứu Open Access Full Text Article Mô thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp lưới điện phân phối 22kv Tp Hồ Chí Minh Đồn Tự Do1 , Lê Bửu Toàn2,* , Lê Thị Tịnh Minh2 TÓM TẮT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Ngày nay, với phát triển không ngừng lưới điện, quy mô lưới điện ngày mở rộng, vấn đề kỹ thuật kèm phức tạp theo Một vấn đề quan tâm hàng đầu dòng ngắn mạch tăng cao vượt quy định khả cắt thiết bị bảo vệ lưới điện nói chung lưới phân phối nói riêng Đã có nhiều giải pháp đưa để giải vấn đề sử dụng kháng hạn dòng, thay đổi cấu trúc lưới chia tách cái, thay đổi vật liệu dây dẫn Tuy nhiên giải pháp có tồn riêng Trên quan điểm tìm giải pháp khắc phục tồn này, báo giới thiệu thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (FCL), dựa ngun tắc hoạt động lúc bình thường khơng gây tổn hao công suất điện áp có ngắn mạch, thiết bị tương đương với kháng điện hạn dòng Trong phạm vi nghiên cứu, báo tìm hiểu ngun lý mơ thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp (FLCT) phần mềm MATLAB/SIMULINK Bài báo phân tích ảnh hưởng thông số FCLT đến tác dụng giảm dòng ngắn mạch thiết bị, gợi ý cho việc tối ưu hóa cho việc lựa chọn thông số thiết bị Kết mô áp dụng FCLT lưới điện thực tế thuộc Tổng công ty điện lực thành phố Hồ Chí Minh tiến hành cho kết đáng ghi nhận Từ khoá: Thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch, ngắn mạch, lưới phân phối, máy biến áp Trạm biến áp 220kV Bình Tân, trực thuộc Công ty Lưới Điện Cao Thế Thành phố Hồ Chí Minh – Tổng Cơng ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh, 06 Phổ Quang, P.2, Quận Tân Bình, TP.HCM, Việt Nam Cơng ty thí nghiệm điện miền Nam, 22 bis Phan Đăng Lưu, P.6, Q Bình Thạnh, TPHCM, Việt Nam Liên hệ Lê Bửu Tồn, Cơng ty thí nghiệm điện miền Nam, 22 bis Phan Đăng Lưu, P.6, Q Bình Thạnh, TPHCM, Việt Nam Email: toanlebuu@gmail.com Lịch sử • Ngày nhận: 04-8-2019 • Ngày chấp nhận: 30-8-2019 • Ngày đăng: 30-11-2019 DOI : 10.32508/stdjet.v2i3.530 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo cơng bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license ĐẶT VẤN ĐỀ Để đáp ứng nhu cầu tăng trưởng không ngừng kinh tế xã hội, hệ thống lưới điện Việt Nam quy hoạch với sơ đồ vận hành độ tin cậy cao, mật độ nguồn lượng tái tạo lớn, cụ thể lưới điện Thành phố Hồ Chí Minh có sơ đồ quy hoạch theo 1,2 giai đoạn 2011-2020 có xét đến 2030 Trong đó, cấu trúc lưới vận hành với thiết bị song song nhằm đảm bảo độ tin chất lượng phụ tải, nhiên dẫn đến dòng ngắn mạch phát sinh lưới đạt giá trị cao Lúc này, trị số dòng điện ngắn mạch dễ vượt ngưỡng cho phép quy chuẩn kỹ thuật 3,4 hay ngưỡng cắt thiết bị bảo vệ Ngồi ra, dịng ngắn mạch lớn sinh lực điện động ảnh hưởng xấu đến thiết bị làm viêc lưới Vì vậy, việc nghiên cứu biện pháp giảm dòng ngắn mạch cho lưới điện Thành phố Hồ Chí Minh mang tính cấp thiết quan trọng Một số giải pháp giảm dòng ngắn mạch đề xuất nhiều tài liệu 6–8 , bao gồm: • Thay đổi cấu trúc lưới điện, • Nối đất trung tính máy biến áp thơng qua dao cách ly (để thay đổi số điểm nối đất) thông qua trở kháng • Sử dụng máy biến áp có trở kháng lớn • Sử dụng DVR (Dynamic Voltage Restorer) • Sử dụng kháng điện • Sử dụng thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (Fault Current Limiter – FCL) Mỗi giải pháp có ưu điểm khuyết điểm riêng, thích hợp với lưới điện khác Đối với lưới điện Việt Nam, thường sử dụng phương pháp chính: thay đổi cấu trúc lưới điện, nối đất trung tính, sử dụng kháng điện hạn dịng Hiện nay, giải pháp đặt kháng điện nối tiếp áp dụng rộng rãi nhằm giảm dòng ngắn mạch Tuy nhiên, có số hạn chế việc sử dụng kháng điện, đáng kể đến tổn hao, sụt áp phát nóng điều kiện làm việc bình thường Bài báo đề cập đến giải pháp lắp đặt thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch 9–12 xét cụ thể cho thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp (FCLT) Thiết bị tận dụng ưu điểm sẵn có kháng điện hạn dòng lưới điện gặp cố, đồng thời khắc phục nhược điểm lưới điện làm việc tình trạng bình thường Phương pháp nghiên cứu sử dụng báo cụ thể từ lý thuyết đến mô Lý thuyết đề cập đến cấu tạo, ngun lý hoạt động thiết bị, cịn mơ sử dụng simulink, đánh giá ảnh hưởng thiết bị đến lưới Trích dẫn báo này: Tự Do D, Bửu Tồn L, Tịnh Minh L T Mơ thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp lưới điện phân phối 22kv Tp Hồ Chí Minh Sci Tech Dev J - Eng Tech.; 2(3):179-192 179 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 2(3):179-192 Bài báo chia thành năm phần Phần mở đầu đặt vấn đề Phần giới thiệu nguyên lý làm việc FCL FCLT Phần ba xây dựng mơ hình mô thiết bị FCLT MATLAB/SIMULINK, áp dụng cho lưới điện thực tế khu vực thành phố Hồ Chí Minh Phần cuối dành cho kết luận kiến nghị PHƯƠNG PHÁP CỦA MƠ HÌNH FCL Căn tiêu chuẩn ANSI/IEEE Std 100-1992, cố định nghĩa tượng vật lý khơng bình thường tượng ngắn mạch pha dây pha với dây trung tính hay đất Thuật ngữ cố thường sử dụng đồng nghĩa với thuật ngữ ngắn mạch 13 Việc phân tích cố ngắn mạch yêu cầu trình thiết kế vận hành hệ thống điện Việc phân tích lưới điện chế độ xác lập tiền cố điện áp tần số cần thực 14,15 Tiếp đến, để mô ảnh hưởng đến hệ thống, phân tích lưới điện chế độ động 16,17 cần thực nhằm phục vụ cho việc chỉnh định cài đặt bảo vệ rơle Phân tích ngắn mạch cần phải xác định trị số dòng ngắn mạch lớn điện áp nút lúc ngắn mạch lưới điện nhiều dạng cố khác FCL, cho dù có sử dụng chất siêu dẫn hay khơng, trở kháng nối nối tiếp với máy cắt 18 Thiết bị FCL sử dụng lưới cao trung Chức FCL giới hạn dòng cố mức chấp nhận mà khơng có ảnh hưởng đến lưới điện nên yêu cầu thiết yếu giá trị trở kháng FCL phải cao bình thường trình xảy ngắn mạch 19 Mơ hình mạch hệ thống điện đơn giản có khơng có FCL hiển thị Hình Mạch điện bao gồm nguồn điện áp, trở kháng bên trong, tải, trở kháng cố 19 Dạng sóng cố điển hình có khơng có FCL hiển thị Hình 2, rõ ràng, ta nhận thấy tác dụng tích cực thiết bị FCL giảm dịng ngắn mạch, Tài liệu kỹ thuật số CIGREWG giải thích cụ thể điều 20 Phần trình bày cụ thể nguyên lý làm việc thiết bị FCL GIỚI THIỆU THIẾT BỊ HẠN CHẾ DÒNG NGẮN MẠCH FCL a) Giới thiệu thiết bị Nhằm khắc phục hạn chế kháng điện trường hợp lưới điện vận hành bình thường tận dụng ưu điểm kháng điện lưới điện có ngắn mạch thiết bị hạn chế dịng ngắn mạch (FCL) 180 đời FCL loại thiết bị có trở kháng tự động thay đổi, trạng thái vận hành bình thường, tổng trở thiết bị nhỏ không đáng kể để tổn hao thiết bị nhỏ Khi xuất cố lưới điện, trở kháng thiết bị tăng lên nhiều lần, nhằm tăng trở kháng ngắn mạch lưới điện giảm dịng cố Hiện nay, có nhiều loại thiết bị FCL, tạm thời phân loại sau 21 : FCL siêu dẫn (superconducting FCL) FCL không siêu dẫn Một số loại FCL không siêu dẫn bao gồm: • FCL lõi bão hịa: dựa vào đặc tuyến phi tuyến vật liệu sắt từ để thay đổi giá trị điện cảm • FCL trạng thái rắn: sử dụng sơ đồ với khóa đóng mở cấu tạo thiết bị nhằm thay đổi giá trị điện kháng FCL Các khóa điều khiển thiết bị bán dẫn công suất cao Thyristor SCR, GTO, IGBT sử dụng tính chất tính chất phóng điện cộng hưởng Một số loại FCL siêu dẫn bao gồm: • FCL siêu dẫn dạng điện trở: dựa vào thay đổi điện trở theo nhiệt độ • FCL siêu dẫn cảm ứng hoạt động giống máy biến áp với cuộn dây thứ cấp siêu dẫn ngắn • FCL siêu dẫn cầu sử dụng cầu diode thyristor b) Nguyên lý hoạt động thiết bị Trong số loại thiết bị FCL kể trên, đề tài nghiên cứu thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp (FCLT), thuộc loại không siêu dẫn trạng thái rắn theo nguyên lý phóng điện cộng hưởng Thiết bị FCLT có cấu tạo Hình lắp nối tiếp vào lưới điện Hình Trong đó, tụ điện C lắp song song với máy biến áp, phía thứ cấp máy biến áp có cơng tắc chân khơng K Ở điều kiện bình thường, dịng điện qua tụ C, xuất áp phía sơ cấp máy biến áp (MBA) có giá trị Cơng thức 1: UC = I ∗ XC = I ωC (1) Cơng tắc chân khơng phía thứ cấp MBA thiết kế để khơng phóng điện điều kiện vận hành bình thường, lúc phía thứ cấp MBA xem hở mạch, thiết bị FCLT làm việc tương đương tụ điện C có tác dụng tụ bù dọc lưới Nhờ tụ bù giảm trở kháng đường dây, tăng giới hạn truyền tải công suất, cải thiện phân bố điện áp nhiều điều kiện vận hành công suất khác Khi cố xảy ra, điện áp tụ C tăng lên dẫn đến điện áp đặt vào công tắc chân không tăng cao gây phóng điện nối tắt thứ cấp MBA Lúc thiết bị tương đương tụ C (có trở kháng XC ) song song với trở kháng ngắn mạch MBA XB (bỏ qua giá trị R Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Cơng nghệ, 2(3):179-192 Hình 1: Mơ hình ngắn mạch đơn tuyến chưa gắn cógắn thiết bị FCL Hình 2: Mơ hình dạng sóng dịng điện ngắn mạch chưa gắn có gắn thiết bị FCL Hình 3: Cấu tạo thiết bị FCLT 181 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Cơng nghệ, 2(3):179-192 Hình 4: Lắp FCLT vào hệ thống nhỏ MBA) Hình Tổng trở thiết bị XFCLT tính Cơng thức 2: ∗ j ω LB XC ∗ XB jω C XFCLT = = XC + XB + j ω LB jω C =j − ωC ω LB Cmin = (2) (3) IwithFCL (3) (3) IwithoutFCL (3) - IwithFCL (Ω) Dịng ngắn mạch pha có FCL (3) - IwithoutFCL (Ω) Dịng ngắn mạch pha khơng có FCL β nhỏ hiệu giảm dòng ngắn mạch lớn Với sơ đồ tương đương Hình giá trị β tính Cơng thức Lưu ý tổng trở hệ thống có XHT >> RHT |XHT | |XHT + XFCLT | (4) Để đạt hiệu giảm dịng ngắn mạch 0< β < trở kháng XFCLT phải có giá trị dương c) Xác định thông số thiết bị Như thông số mặt tính tốn cần lựa chọn cho thiết bị bao gồm điện kháng LB điện dung C tụ điện Đối với tụ điện C đóng vai trị tụ bù dọc nên cần chọn hợp lý để không khiến điện áp thay đổi 5% điện áp định mức điều kiện làm việc bình thường 182 (5) Từ công thức (2) (4) giá trị LB chọn (6) Xqđ (6) Xqđ ω 2C + ω ( ) Trong đó: Xqđ = (XHT | β1 − Như thông số thiết bị FCLT định giá trị sụt áp cho phép điều kiện vận hành bình thường mức độ giảm dòng ngắn mạch mong muốn lưới điện XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG THIẾT BỊ FCLT TRÊN MATLAB/SIMULINK a) Xây dựng mơ hình thiết bị FCLT Trong đó: - β Hệ số giảm dòng ngắn mạch β= Ilvmax 0.05 ∗Uđm ∗ ω L= Trong đó, LB điện kháng ngắn mạch MBA Như vậy, tùy thuộc vào giá trị LB C mà thiết bị thêm vào tổng trở ngắn mạch trở kháng XFCLT tương ứng Khả giảm dòng ngắn mạch FCLT đánh giá hệ số giảm dòng ngắn mạch β định nghĩa theo Cơng thức 3: β= Do dựa vào Công thức 1, giá trị điện dung nhỏ cần chọn Cmin tính Cơng thức Theo sơ đồ ngun lý Hình 3, mơ hình FCT xây dựng phần mềm Matlab /Simulink Hình Mơ hình FCLT Hình mơ MATLAB/ SIMULINK dựa cấu tạo FCLT Hình Trong đó, khối máy cắt sử dụng khóa K cơng tắc chân khơng phía thứ cấp MBA điều khiển mạch so sánh, so sánh giá trị điện áp tụ C với giá trị điện áp phóng điện chuẩn (Vre f ) Nếu điện áp C lớn Vre f , dòng điện qua nhánh R-L tương ứng khóa K cơng tắc chân khơng phóng điện, mạch điện nối tắt phía thứ cấp MBA, ngược lại phía thứ cấp hở mạch nêu phần nguyên lý Thông số độ tự cảm LB điện dung C lựa chọn cho tối ưu Để tối ưu hai thơng số nhóm tác giả xét ảnh hưởng thông số hệ thống Đối với tụ C, đóng vai trị tụ bù dọc trạng thái bình thường, nên giá trị điện áp sau thiết bị FCLT tăng so với điện áp lưới điện lúc khơng có thiết bị Và thay đổi giá trị điện dung tụ điện, trị Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Cơng nghệ, 2(3):179-192 Hình 5: Sơ đồ tương đương FCLT có cố Hình 6: Mơ hình FCLT Hình 7: Ảnh hưởng C đến độ thay đổi điện áp điều kiện bình thường 183 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 2(3):179-192 số điện áp biến thiên theo Công thức thể Hình Từ Hình 7, ta nhận thấy, giá trị C nhỏ trị số điện áp nút sau thiết bị FCLT tăng Giá trị điện áp không tăng ngưỡng quy định 5% Với giới hạn này, ta xác định giá trị Cmin , định nghĩa trị số C nhỏ để đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật lưới điện Từ giá trị Cmin , tăng điện dung C độ tăng điện áp giảm Giá trị XB tính theo điện áp ngắn mạch MBA sau: XB = Un ∗ Zcb = Un ∗ Uđm Sđm Xét máy biến áp có điện áp ngắn mạch, giá trị XB tỷ lệ nghịch với Sdm MBA, MBA có cơng suất lớn giá thành lại cao chiếm nhiều diện tích Theo Cơng thức Công thức 5, trị số C LB thay đổi hệ số β biến thiên, Hình thể thay đổi β ứng với LB C khác Ta nhận thấy giá trị β phụ thuộc vào giá trị C XL