Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày các kết quả tính toán điện áp cảm ứng trên vỏ cáp trong trường hợp sét đánh trên đường dây truyền tải 220 kV có cấu trúc hỗn hợp, gồm đường dây trên không nối với một đoạn cáp XLPE sử dụng phương pháp hoán vị vỏ để tăng khả năng tải. Các tình huống mô phỏng được thực hiện trên phần mềm EMTP-ATP nhằm phân tích trị số điện áp cảm ứng trên vỏ cáp khi thay đổi môi trường đặt cáp.
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 001-006 Ảnh hưởng môi trường đặt cáp đến điện áp vỏ cáp đường dây truyền tải điện có cấu trúc hỗn hợp Effect of Cable Configuration on Overvoltage on Cable Sheath in “Mix” Transmission Lines Phạm Thành Chung1*, Phạm Hồng Thịnh2, Trần Văn Tớp1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam PSEG Long Island, Hicksville, New York, USA *Email: chung.phamthanh1@hust.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày kết tính tốn điện áp cảm ứng vỏ cáp trường hợp sét đánh đường dây truyền tải 220 kV có cấu trúc hỗn hợp, gồm đường dây không nối với đoạn cáp XLPE sử dụng phương pháp hoán vị vỏ để tăng khả tải Các tình mơ thực phần mềm EMTP-ATP nhằm phân tích trị số điện áp cảm ứng vỏ cáp thay đổi môi trường đặt cáp Kết mô cho thấy tổng trở sóng vỏ cáp thay đổi mạnh mơi trường đặt cáp thay đổi, dẫn đến trị số điện áp vỏ cáp vượt mức độ cách điện vật liệu vỏ cáp cáp không Kết gợi ý cần thiết việc sử dụng thiết bị hạn chế điện áp vỏ cáp đường dây có cấu trúc hỗn hợp, đặc biệt khu vực cáp khơng Từ khố: Điện áp vỏ cáp, hốn vị vỏ cáp, đường dây hỗn hợp, EMTP-ATP Abstract This paper deals with the induced voltage along cross-bonded cable sheaths of a 220 kV mixed overheadcable transmission line when a lightning surge propagates from the overhead line The simulation is performed by using EMTP-ATP software to analyze the effect of surrounding environment of the cable on the sheath voltage and the surge impedance thereof The results show that the sheath voltage can exceed the impulse withstand voltage of the cable jacket in overhead cables The results also suggest that the sheath voltage limiters (SVL) need to be installed at the junction between minor sections of overhead cables to minimize the effects of lightning induced voltage on the sheath Keywords: Sheath voltage, crossbonding, "mixed" overhead-cable line, EMTP-ATP Giới thiệu chung cáp có chế độ truyền sóng bao gồm chế độ đồng trục (coaxial mode), chế độ trở đất chế độ trở vỏ (intersheath) [1] Do dạng dòng điện điện áp lõi cáp cảm ứng vỏ cáp chế độ làm việc bình thường trường hợp độ (đóng cắt, ngắn mạch, sét) phức tạp nhiều cáp kết hợp với đường dây không Sự phức tạp đặt thách thức hoàn toàn tính tốn chỉnh định xác lập phương thức cho bảo vệ rơ le, tính tốn lựa chọn loại máy cắt phù hợp, đặc biệt tính tốn loại điện áp đóng cắt, ngắn mạch sét lõi cáp vỏ cáp Những năm gần đây, mở rộng quy mô lưới truyền tải kết hợp với q trình thị hóa dẫn đến xuất ngày nhiều đường dây hỗn hợp bao gồm cáp ngầm kết hợp với đường dây không lưới truyền tải Sự kết hợp đường dây không cáp toán phức tạp kỹ thuật truyền tải với nhiều tham số không đồng thông số đường dây tần số 50 Hz (điện cảm, điện dung điện dẫn) khác lớn tổng trở sóng (đường dây khơng có tổng trở truyền sóng lớn khoảng 400 Ω đường cáp có tổng trở sóng khoảng vài chục Ω) Trong chế độ truyền sóng (propagation mode) đường dây không đơn giản với hai chế độ chế độ không (aerial mode) dòng điện thứ tự thuận chế độ trở đất (earth return mode) đường dây cáp phức tạp nhiều phần dẫn điện dây cáp có phần bao gồm lõi (core) vỏ (sheath) với giả thiết khơng có phần vỏ kim loại bảo vệ cách điện vỏ (jacket) Chính Nghiên cứu điện áp lưới điện truyền tải với cấu trúc hỗn hợp bắt đầu giới từ khoảng 15 năm trở lại [2,3] Tuy nhiên nghiên cứu sử dụng tham số đặc thù cho khu vực mà đường dây qua, khơng phù hợp với đường dây truyền tải Việt Nam [4] Những nghiên cứu cụ thể chi tiết điện áp đường dây truyền tải hỗn hợp có tính cấp thiết cao đóng góp vào hiểu biết vấn đề cho hệ thống điện Việt Nam ISSN: 2734-9381 https://doi.org/10.51316/jst.149.etsd.2021.1.2.1 Received: December 07, 2020; accepted: March 04, 2021 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 001-006 Hình Mơ hình đường dây truyền tải điện có cấu trúc hỗn hợp Bài báo trình bày kết mơ điện áp vỏ cáp đường dây truyền tải 220 kV hỗn hợp dòng điện sét chạy lõi cáp lan truyền từ đường dây khơng chương trình mơ EMTP/ATP Ảnh hưởng môi trường đặt cáp đến điện áp vỏ cáp làm rõ để đặt sở cho biện pháp hạn chế điện áp vỏ cáp Bảng Thông số cáp ngầm 2500 mm2 r2 32,5 mm r3 64,2 mm r4 65,5 mm r5 71,3 mm 2.1 Đường dây εr1 2,4 Mơ hình sử dụng cho tính tốn đường dây mạch kép 220 kV có cấu trúc hỗn hợp bao gồm đường dây- cáp ngầm- đường dây không minh họa Hình Đường dây khơng mạch kép 220 kV treo dây chống sét có tổng chiều dài 40 km với thơng số cột Hình Đoạn cáp ngầm dài km sử dụng loại cáp XLPE với cáp đơn Cấu tạo cáp thơng số cáp trình bày Hình Bảng Cách bố trí cáp đất khơng trình bày Hình εr2 ρc 1,724.10-8Ωm ρs 2,84.10-8Ωm Mơ hình tính tốn Hình Mặt cắt cấu tạo cáp 220 kV XLPE Hình Cách bố trí cáp trường hợp ngầm khơng Hình Kết cấu cột điện đường dây không 220 kV JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 001-006 Hình Mơ hình mạch mơ hình mơ tương đương EMTP-ATP Mơ hình cột sử dụng tính tốn mơ mơ hình cột nhiều tầng (multistory tower) minh họa Hình Đây mơ hình sử dụng rộng rãi tính tốn mơ q điện áp sét cấp truyền tải [5,6] với điện trở nối đất chân cột điện trở chiều có giá trị 10 Ω Đường dây không mô mơ hình phân bố rải “JMARTI” với thơng số phụ thuộc vào tần số Ma trận chuyển miền modal miền tần số tính tốn tần số 100 kHz [1] với thơng số đường dây tính tốn với đường trở dịng điện đất có điện trở suất 100 Ωm [7] Kết mô 2.2 Đường cáp ngầm 3.1 Trường hợp A: Cáp ngầm toàn Đường dây cáp ngầm 220 kV mơ theo mơ hình thông số rải “Bergeron” [8] với tham số tính tốn tần số 100 kHz Nhằm nâng cao khả tải cáp giảm điện áp cảm ứng vỏ cáp [9], đoạn cáp 2,1 km chia làm đoạn nhỏ (minor section) có tiến hành hốn vị (đảo vỏ) vị trí nối đoạn nhỏ Ở vị trí nối với đường dây không, vỏ cáp nối đất trực tiếp qua điện trở nối đất 4Ω Hình Trong trường hợp cáp giả thiết ngầm toàn chiều dài 2,1 km với cách bố trí nằm mặt phẳng nằm ngang trình bày Hình 4a Để mơ trường hợp dịng điện sét vào đường dây cáp lan truyền từ đường dây khơng, dịng điện sét 90 kA, 1.2/50 µs dạng sóng CIGRE [10] đánh thẳng vào đỉnh cột đường dây không thứ nơi nối trực tiếp với đường cáp ngầm (Hình 1) Dịng sét có xác suất xuất 5% [11] đủ lớn để gây phóng điện cách điện pha B lộ phần dòng điện sét lan truyền vào cáp để sang đường dây khơng thứ Kết tính tốn cho thấy 76,7 kA tản Hình Nguồn dịng CIGRE sử dụng mơ 2.3 Nguồn dịng sét Nguồn xung CIGRE sử dụng để mơ dịng điện sét với dạng sóng 1.2/50 µs minh họa Hình JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 001-006 xuống đất qua tiếp địa cột 11,4 kA vào cáp để sang đường dây không thứ Trong trường hợp này, dịng điện sét vào lõi cáp có trị số lớn xấp xỉ 11,4 kA có dạng dao động tắt dần tổn hao lõi cáp gây (Hình 7) Điện áp pha lõi cáp vị trí cuối cáp (CC) mạch mạch trình bày Hình Ta nhận thấy điện áp lớn xuất pha B pha có dịng điện sét qua, nhiên giá trị lớn điện áp cách điện lõi cáp trường hợp xấp xỉ 500 kV Điện áp cảm ứng lõi pha khác tương đối lớn, xấp xỉ 340 kV Chú ý trị số tính đến giá trị điện áp làm việc lõi cáp (179,6 kV) Thời gian xuất điện áp lõi cáp vị trí cuối cáp (CC) trễ so với dòng điện sét vào vị trí đầu cáp (ĐC) 12 µs, tương đương với vận tốc truyền sóng chế độ đồng trục (coaxial mode) 175 m/µs Điện áp lõi cáp dao động tắt dần tổn hao lõi cáp với tần số động xấp xỉ 6,7 kHz Đây tần số cộng hưởng điện cảm điện dung thân cáp Hình Quá điện áp lõi mạch vị trí CC Điện áp vỏ (so với đất) vị trí đảo vỏ thứ trình bày hình 10 Ta nhận thấy điện áp vỏ pha A pha C lớn pha B, thực tế vị trí đảo vỏ thứ vỏ pha C đảo từ pha B vỏ pha A đảo từ pha C có khoảng cách gần pha B (pha có dịng điện sét qua) Dao động điện áp vỏ với tần số dao động xấp xỉ 48 kHz cộng hưởng điện cảm phần dẫn điện vỏ cáp với điện dung cách điện vỏ cáp Hình Quá điện áp lõi mạch vị trí CC Bảng Điện áp vỏ cáp trường hợp A Vị trí đảo vỏ thứ Vị trí đảo vỏ thứ A1 B1 C1 A1 B1 C1 Vmax (kV) 23 17,2 40,7 22,7 19.1 32,8 Hình 10 Quá điện áp vỏ cáp mạch vị trí đảo vỏ thứ t (µs) 26 507 97,6 182 168 91,1 Bảng trình bày điện áp vị trí đảo vỏ thứ thứ Điện áp vỏ cáp vị trí đảo vỏ thứ hai thấp vị trí đảo vỏ thứ khoảng 24% so với vị trí đảo vỏ thứ tổn hao vỏ cáp gây Tại thời điểm 97,6 µs, điện áp lớn vỏ pha C1 đạt tới trị số Vmax = 40,7 kV, trị số vượt mức cách điện xung BIL (40 kV) vỏ cáp 220 kV [9] Kết gợi ý vị trí đảo vỏ gần nơi có dịng điện sét vào cần phải tính toán cụ thể trị số điện áp cảm ứng nhằm sử dụng thiết bị hạn chế điện áp vỏ (Sheath Voltage Limiter –SVL) cho phù hợp 3.2 Trường hợp B: Cáp khơng Hình 12 mơ tả điện áp vỏ cáp vị trí đảo vỏ thứ trường hợp cáp khơng bố trí mặt phẳng cách mặt đất 10,5 m (Hình 4b) Khi cáp không, suy giảm (attenuation) vỏ cáp nhỏ nhiều so với trường Hình Dịng điện chạy lõi cáp pha JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 001-006 hợp cáp ngầm đất [12] Mặt khác, tổng trở sóng vỏ cáp tổng trở sóng đường dây khơng, lớn nhiều so với trường hợp cáp nằm hoàn toàn đất Sự khác làm cho điện áp vỏ cáp trường hợp cáp không vị trí đảo vỏ tăng gấp 1,7 lần so với trường hợp cáp ngầm toàn bộ, với điện áp lớn vỏ pha C tăng từ 40,7 kV (Trường hợp A) lên 67.7 kV (Trường hợp B) trình bày Bảng Đối với dịng điện sét 11,4 kA vào lõi cáp, điện áp điểm vỏ lớn mức BIL cho phép (40 kV) vỏ cáp XLPE 220 kV lớn vỏ xuất pha C1 với giá trị Vmax = 45,1 kV Trị số nhỏ trường hợp cáp không (67,7 kV) lớn trường hợp cáp ngầm (40,7 kV) Kết cho thấy kết hợp tổng trở sóng cao vỏ cáp đoạn khơng tổng trở sóng thấp đoạn cáp ngầm làm cho điện áp lớn vỏ cáp nằm trị số điện áp ứng với hai trường hợp Bảng Điện áp vỏ cáp trường hợp C Bảng Điện áp vỏ cáp trường hợp B Vị trí đảo vỏ thứ Vị trí đảo vỏ thứ Pha A1 B1 C1 A1 B1 C1 Vị trí đảo vỏ thứ Vị trí đảo vỏ thứ Vmax (kV) 24,8 27,7 45,1 29,3 26,4 26,4 Pha A1 B1 C1 A1 B1 C1 t (µs) 15,5 288 78,6 349 393,3 82,5 Vmax (kV) 55,9 -51,1 67,7 31,5 48,1 57,2 t (µs) 16,2 57,5 71,5 29,7 29,2 68 Hình 12 Quá điện áp vỏ cáp mạch vị trí đảo vỏ thứ Kết luận Trong báo này, điện áp vị trí đảo vỏ đoạn cáp đường dây truyền tải có cấu trúc hỗn hợp tính tốn với mơi trường đặt cáp khác (Trường hợp A: cáp ngầm toàn bộ, Trường hợp B: cáp không Trường hợp C: phần ngầm, phần khơng) có dịng điện sét chạy lõi cáp pha phóng điện đường dây khơng Hình 11 Q điện áp vỏ cáp mạch vị trí đảo vỏ thứ So sánh với trường hợp A, điện áp lớn vị trí đảo vỏ A1 đạt đến giá trị lớn Vmax=23 kV (Hình 10) thời gian 26 µs điện áp lớn vị trí đạt trị số 55,9 kV 16,2 µs, dao động trường hợp cáp không Kết vận tốc truyền sóng vỏ cáp trường hợp B lớn trường hợp A (212 m/µs so với 175 m/µs) xấp xỉ vận tốc ánh sáng làm thời gian để sóng phản xạ từ vị trí đảo vỏ thứ hai trở vị trí đảo vỏ thứ khoảng 2,3 µs, dẫn đến đỉnh bị bào mòn nhiều tần số dao động cao nhiều trường hợp A Trong trường hợp, điện áp vỏ cáp vị trí đảo vỏ ln lớn giảm vị trí đảo vỏ tất pha Điện áp lớn vỏ nguy hiểm trường hợp toàn cáp không kết hợp tượng dao động cộng hưởng phần cáp không với gia tăng tổng trở sóng vỏ cáp không Trong trường hợp cáp không, điện áp cảm ứng lớn vỏ lớn 1,7 lần so với trường hợp cáp hoàn toàn ngầm Giá trị điện áp cảm ứng vượt xa mức chịu đựng cách điện vỏ cáp gây phóng điện vỏ cáp, dẫn đến bắt đầu trình phá hủy cáp Kết tính tốn cho thấy cần thiết phải trang bị thiết bị hạn chế điện áp SVL vị trí đảo vỏ, đặc biệt vị trí đảo vỏ đầu tiên, với đường dây hỗn hợp có phần cáp không 3.3 Trường hợp C: Một phần cáp khơng Trong thực tế có nhiều trường hợp cáp qua cầu, phần cáp ngầm đất phần cầu Phần mô trường hợp giữ nguyên vị trí đảo vỏ đoạn cáp hỗn hợp khơng đất Hình Điện áp vỏ cáp vị trí đảo vỏ thứ Hình 12 Điện áp vỏ cáp vị trí đảo vỏ thời gian đạt đỉnh trình bày Bảng Điện áp JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 001-006 Tài liệu tham khảo [1] A Ametani, T Ohno, and N Nagaoka, Cable system transients Singapore: John Wiley & Sons, 2015, pp.0-550 [2] F M Gatta, A Geri, and S Lauria, Simulation of lightning response of a long mixed overhead-cable EHV line Proc International Conference on Grounding and Earthing (GROUND’2006), Maceio, Brazil, 2006 [3] [4] [5] R Benato and A Paolucci, Operating capability of ac EHV mixed lines with overhead and cables links EHV AC Undergrounding Electrical Power: Performance and Planning, vol 78, no 4, pp 584594, Apr 2008, https://doi.org/10.1016/j.epsr.2007.05.002 [6] M Ishii et al., Multistory transmission tower model for lightning surge analysis, IEEE Transactions on Power Delivery, vol 6, no 3, pp 1327-1335, July 1991, https://doi.org/10.1109/61.85882 [7] N V Nam, Nghiên cứu số giải pháp giảm cố sét cho đường dây truyền tải điện không, Luận án tiến sĩ, Bộ môn Hệ thống điện., Đại học Bách Khoa Hà Nội., Hà Nội, Việt Nam, 2020 [8] W S Meyer, Electro-Magnetic Transients Program, Portland, Oregon, U.S: BPA, 1984 [9] IEEE Guide for Bonding Shields and Sheaths of Single-Conductor Power Cables Rated kV Through 500 kV, IEEE Standard 575, 2014 [10] CIGRE Working Group 01 of SC 33 Guide to Procedures for Estimating the Lightning Performance of Transmission Lines CIGRE Brochure, 1991 F Massaro, G Morana, R Musca, Transient Behavior of a “Mixed” Overhead-Cable EHV Line under Lightning Events, IEEE Proc International Power Engineering Conference, Sep 2009 [11] IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines, IEEE Standard 1243, 1997 A Ametani and T Kawamura, A method of a lightning surge analysis recommended in Japan using EMTP, IEEE Transactions on Power Delivery, vol 20, no 2, pp 867-875, Apr 2005, https://doi.org/ 10.1109/TPWRD.2004.839183 [12] A Ametani, Wave Propagation Characteristics of Cables, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol PAS-99, no 2, pp 499-505, Mar 1980, https://doi.org/10.1109/TPAS.1980.319685 ... Quá điện áp vỏ cáp mạch vị trí đảo vỏ thứ Kết luận Trong báo này, điện áp vị trí đảo vỏ đoạn cáp đường dây truyền tải có cấu trúc hỗn hợp tính tốn với môi trường đặt cáp khác (Trường hợp A: cáp. .. thấp đoạn cáp ngầm làm cho điện áp lớn vỏ cáp nằm trị số điện áp ứng với hai trường hợp Bảng Điện áp vỏ cáp trường hợp C Bảng Điện áp vỏ cáp trường hợp B Vị trí đảo vỏ thứ Vị trí đảo vỏ thứ Pha... Hình Mơ hình đường dây truyền tải điện có cấu trúc hỗn hợp Bài báo trình bày kết mơ q điện áp vỏ cáp đường dây truyền tải 220 kV hỗn hợp dòng điện sét chạy lõi cáp lan truyền từ đường dây không