Nghiên cứu quá điện áp quá độ tác động lên cách điện trạm biếp áp 220 KV thái nguyên

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP NGƠ BÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU Q ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ TÁC ĐỘNG LÊN CÁCH ĐIỆN TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Mã ngành: 52 02 01 Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN ĐỨC TƯỜNG PHÒNG ĐÀO TẠO Thái Nguyên - 2019 ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Ngô Bá Trình Sinh ngày 01 tháng 04 năm 1986 Học viên lớp cao học khóa 20 – Kỹ thuật điện – Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải Sau hai năm học tập nghiên cứu, dậy giúp đỡ tận tình thầy giáo đặc biệt thầy giáo hướng trực tiếp dẫn thực luận văn tốt nghiệp TS Nguyễn Đức Tường Tơi hồn thành chương trình học tập đề tài luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu điện áp độ tác động lên cách điện Trạm biến áp 220 KV Thái Nguyên” Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Ngồi tài liệu tham khảo trích dẫn, số liệu kết mô phỏng, thực nghiệm thực hướng dẫn TS Nguyễn Đức Tường trung thực Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2019 Học viên Ngơ Bá Trình iii LỜI CẢM ƠN Sau khoảng thời gian nghiên cứu làm việc, động viên giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Nguyễn Đức Tường luận văn với đề tài: “Nghiên cứu điện áp độ tác động lên cách điện Trạm biến áp 220 KV Thái Nguyên” hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn: TS Nguyễn Đức Tường tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Khoa đào tạo Sau đại học, thầy cô giáo Khoa Điện – Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên giúp đỡ tác giả suốt trình học tập trình nghiên cứu khoa học thực luận văn Toàn thể học viên lớp Cao học Kỹ Thuật Điện khóa 20, đồng nghiệp, bạn bè, gia đình quan tâm, động viên giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng, nhiên trình độ kinh nghiệm cịn nhiều hạn chế nên luận văn cịn gặp phải vài thiếu sót Tác giả mong nhận đóng góp ý kiến từ thầy giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2019 Học viên Ngơ Bá Trình iv MỤC LỤC ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT viii CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .6 I GIỚI THIỆU CHUNG II NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN7 II.1 Quá điện áp tạm thời II.2 Quá điện áp độ III QUÁ ĐIỆN ÁP DO ĐÓNG ĐƯỜNG DÂY KHÔNG TẢI - HIỆU ỨNG FERRANTI 10 IV QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT 12 IV.1 Tham số phóng điện sét 13 IV.2 Phân bố đỉnh độ dốc đầu sóng dịng điện sét 17 IV.3 Quá điện áp khí đường dây tải điện 18 KẾT LUẬN CHƯƠNG 21 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN VÀ ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN-SÓC SƠN 22 I TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN 22 I.1 Vai trò trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên 22 I.2 Thông số máy biến áp 25 I.3 Thông số kháng điện 26 I.4 Thông số tụ điện 27 I.5 Thông số chống sét van 28 II TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN SÓC SƠN-THÁI NGUYÊN 29 KẾT LUẬN CHƯƠNG 30 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUN-SĨC SƠN 31 VÀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN 31 v I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ATP-EMTP VÀ MÔ ĐUN ATPDRAW 31 I.1 Ch-ơng trình ATP-EMTP 31 II MÔ PHỎNG ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN SÓC SƠN .38 II.1 Giới thiệu 38 II.2 Mơ hình đường dây nghiên cứu điện áp đóng cắt 38 II.3 Mơ hình trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên 43 II.4 Cài đặt thơng số chương trình ATPDraw 48 KẾT LUẬN CHƯƠNG 51 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Q ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN VÀ Q ĐIỆN ÁP ĐÓNG CẮT 52 I KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN 52 I.1 Ảnh hưởng dòng điện sét tới điện áp 52 I.2 Quá điện áp pha đầu cực máy biến áp 53 I.3 Quá điện áp đầu cực thiết bị điện trạm 56 I.4 Sự biến thiên điện áp theo vị trí sét đánh 57 I.5 Ảnh hưởng máy biến áp đo lường kiểu tụ 58 II KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Q ĐIỆN ÁP ĐĨNG CẮT 59 II.1 Biến thiên điện áp 60 II.2 Phân bố điện áp theo phương pháp thống kê 60 II.3 Phân bố điện áp 2% dọc theo chiều dài đường dây .62 KẾT LUẬN CHƯƠNG 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Nội dung hình Hình 1: a) Sơ đồ ngun lý đóng đường dây dài không tải vào nguồn điện áp xoay chiều; b) Sơ đồ thay hình Π đường dây L Hình 2: a) Sơ đồ vi phân chiều dài đường dây tải điện không (dx) b) Sơ đồ thay tương đương hình Π vi phân dx c Hình 3: Biến thiên dịng điện khe sét Hình 4: Sét đánh vào dây dẫn pha Hình 5: Sét đánh vào đỉnh cột dây chống sét Hình 1: Sơ đồ thứ trạm Hình 2: Sơ đồ mạch vịng 220 kV Hình 1: Mơ hình đường dây 220 kV Thái Ngun-Sóc Sơn Hình 2: Mơ hình nguồn Hình 3: Mơ hình đường dây Thái Ngun-Sóc Sơn Hình 4: Thơng số đường dây 220 kV Thái Ngun-Sóc Sơn Hình 5: a Mơ hình máy cắt; b Dữ liệu máy cắt Hình 6: Mơ hình trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên Hình 7: Mơ hình cột điện Hình 8: Mơ hình chuỗi sứ Hình 9: Mơ hình nguồn sét Hình 10: Mơ hình dây dẫn pha trạm biến áp Hình 11: Cài đặt thơng số chương trình ATPDraw Hình 1: Điện áp đầu cực máy biến áp sét đánh vào đỉnh cột thứ với dịng điện sét kA vii Hình 2: a Biến thiên điện áp đầu cực AT1 dòng điện sét 31 kA b Cấu trúc cột điện đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn Hình 3: a Biến thiên điện áp đầu cực AT1 với I=50 kA; b Đỉnh điện áp pha Hình 4: a Biến thiên điện áp đầu cực AT1 với I=100 kA; b Biến thiên điện áp đầu cực AT1 với I=150 kA Hình 5:a) Quá điện áp tác dụng lên thiết bị điện trạm biến áp b) Đỉnh xung điện áp Hình 6: Ảnh hưởng vị trí sét đánh tới tham số điện áp AT1 a Điện áp AT1 sét đánh đỉnh cột từ 1-5; b Biến thiên điện áp đỉnh thời gian đỉnh AT1 theo vị trí sét đánh Hình 7: Ảnh hưởng máy biến áp kiểu tụ tới điện áp sét Hình 8: Điện áp pha cuối đường dây tải điện Hình 9: a Phương pháp phối hợp cách điện tiêu chuẩn b.Phương pháp thống kê Hình 10: Phân bố thống kê điện áp pha A thang góp Thái Ngun Hình 11: Quá điện áp pha A góp Thái Nguyên góp Sóc Sơn viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Tham số Bảng 2: Tham số Bảng 1: Xác suất Bảng 2: Phân bố PHẦN MỞ ĐẦU Họ tên học viên: Đơn vị công tác: Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – ĐH Thái Nguyên Ngành đào tạo: Kỹ thuật điện Khoá học: 2017 – 2019 TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ TÁC ĐỘNG LÊN CÁCH ĐIỆN TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN Mã ngành: 8520201 Người hướng dẫn: TS Nguyễn Đức Tường Tổng quan vấn đề nghiên cứu cần thiết tiến hành nghiên cứu Ngày nay, quốc gia ngày sử dụng rộng rãi hệ thống điện cao áp, siêu cao áp cực cao áp Chi phí thiết kế cho hệ thống điện lớn chi phí cho phần cách điện tỉ lệ thuận với cấp điện áp[1, 2] Điều địi hỏi việc tính tốn, lựa chọn phối hợp cách điện phải phù hợp với cấp điện áp vận hành hệ thống điện; vừa phải đảm bảo hệ thống điện vận hành an toàn, tin cậy vừa phải có mức chi phí cho cách điện mức hợp lý[3] Yêu cầu quan trọng cách điện dùng hệ thống điện (các điện thiết bị điện lực, cách điện đường dây tải điện, cách điện trạm biến áp) phải chịu điện áp làm việc lâu dài (tần số công nghiệp), điện áp đóng cắt (switching overvoltages) lớn nhất, đồng thời phải chịu đa số điện áp sét (lightning overvoltages) mà không gây cố nguy hiểm nào[4, 5, 6] Do đó, việc phân tích, tính tốn loại q điện áp xuất hệ thống điện có cấp điện áp cấu trúc cụ thể cách xác quan trọng việc thiết kế, phối hợp cách điện đánh giá khả vận hành cách điện hệ thống điện có sẵn Ngồi ra, việc tính tốn phân tích loại q điện áp q độ hệ thống sở cho việc thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét, hệ thống bảo vệ hạn chế điện áp nhằm giảm chi phí thiết kế, chi phí vận hành đảm bảo cho hệ thống điện làm việc ổn định tin cậy[7, 8] 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 Summary of preceding table follows: Mean = 2.06600000E+00 Variance = 3.62089899E-01 Standard deviation = 6.01739062E-01 6.00817512E-01 6) Statistical distribution of peak voltage at node "C62C" Interval number 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 76 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 7) Statistical distribution of peak voltage at node "C125A" Interval number 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 78 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 Summary of preceding table follows: ) Statistical distribution of peak voltage at node "C125B " Interval number 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 79 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 Summary of preceding table follows: 9) Statistical distribution of peak voltage at node "C125C" Interval number 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 80 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 Summary of preceding table follows: 10 ) Statistical distribution of peak voltage at node "TG-SSA" Interval number 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 Summary of preceding table follows: Mean = 1.84050000E+00 Variance = 1.56802778E-01 Standard deviation = 3.95983305E-01 3.93040834E-01 11) The following is a distribution of peak overvoltages among all output nodes of the last data card that have the same base voltage Interval number 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 83 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 Summary of preceding table follows: 12 ) Statistical distribution of peak voltage at node "TG-SSC" Interval number 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 84 53 54 55 Mean Variance Standard de 13 ) Statistical distribution of peak voltage at node "TG-TNA" Interval number 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 voltage in per un 85 65 66 67 68 69 70 71 14 ) Statistical distribution of peak voltage at node "TG-TNB" Interval number 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 15 ) Statistical distribution of peak voltage at node "TG-TNC" Interval number 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 Summary of preceding table follows: Mean = 1.61000000E+00 Variance = 1.29570707E-01 Standard deviation = 3.59959313E-01 3.61372487E-01 16) The following is a distribution of peak overvoltages among all output nodes of the last data card that have the same base voltage Interval number 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Summary of preceding table follows: Mean = 2.10200000E+00 Variance = 2.71788889E-01 Standard deviation = 5.21333760E-01 5.19520813E-01 88 [1] TÀI LIỆU THAM KHẢO V V Đạn, "Kỹ thuật điện cao áp", Khoa học Kỹ thuật, 1975 [2] Farouk A M Rizk, Giao N Trinh, "High voltage engineering", CRC Press, 2014 [3] E Kiessling· P Nefzger· J.E Nolasco· U Kaintzyk, "Overhead Power Lines, Planning, Design, Construction", Spinger, 2002 [4] Andrew R Hileman, "Insulation co-ordination for power systems", CRC Press, 1999 [5] Std IEC 60071-1, "Insulation Co-ordilation , Part 1: Definitions, Principles and Rules", International Electrotechnical Commission Press, 2006 [6] Std IEC 60071-4, "Insulation co-ordination, Part 4: Computational guide to insulation co-ordination and modelling of electrical networks", International Electrotechnical Commission Press, 2004 [7] Juergen Schlabbach and Karl-Heinz Rofalski, "Power System Engineering, Planning, Design, and Operation of Power", Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, 2008 [8] Mircea Eremia, Mohammad Shahidehpour, "Handbook of Electrical Power System Dynamics, Modeling, Stability, and Control", Piscataway: IEEE Press, 2013 [9] B N Mali et al., Performance Study of Transmission Line Ferranti Effect and Fault Simulation Model Using MATLAB, INTERNATIONAL JOURNAL OF INNOVATIVE RESEARCH IN ELECTRICAL, ELECTRONICS, INSTRUMENTATION AND CONTROL ENGINEERING (IJIREEICE), 2016 [10] A Divya Swarna Sri et al., Depiction and Compensation of Ferranti Effect in Transmission Line, International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology (IJRASET), 2018 [11] A Hileman, Insulation Coordination for Power Systems, Marcel Dekker, 1999 [12] Transmission Line Reference Book, 345 kV and Above, Palo Alto, California: Electric Power Research Institute, 1982 89 [13] Berger, K., Anderson, R B., and Kroninger, H.,, Parameters of lightning, Electra, 1975 [14] Anderson, R B., and Eriksson, A J., Lightning parameters for engineering application, Electra, 1980 [15] Juan A Martinez-Velasco, Transient Analysis of Power Systems: Solution Techniques, Tools and Applications, John Wiley & Sons, Ltd, 2015 [16] Mansour Moradi, Hamdi Abdi, Arash Atefi, “Analyzing and Modeling the Lightning Transient Effects of 400 KV Single Circuit Transmission Lines,” International Journal of Science and Engineering Investigations, tập 2, số 19, pp 61-67, 2013 [17] IEC Std 60071-2004, “Part 4: Computational guide to insulation coordination and modelling of electrical networks,” Insulation coordination, 2004 [18] Std IEC 60071-1-2006 [19] Std IEC 60909 [20] Std IEEE C62.92.1-2016, IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems—Part I: Introduction, IEEE Power and Energy Society, 2016 [21] K Foreman et al, Temporary Overvoltages and Their Stresses on Metal Oxide Arresters, Electra, 1990 [22] Std IEC 60909-0, Short-circuit currents in three phase a.c system-Part 0: Calculation of currents, 2016 ... VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN VÀ ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN-SÓC SƠN I TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN I.1 Vai trò trạm biến áp 220 kVThái Nguyên Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên. .. tổng quát Nghiên cứu tổng quan loại điện áp tác dụng lên cách điện hệ thống điện 220 kV Từ đó, phân tích tính tốn q điện áp khí điện đóng cắt tác động lên cách điện trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên. .. - Nghiên cứu tổng quan điện áp hệ thống điện ảnh hưởng điện áp tới hệ thống điện - Nghiên cứu, tính tốn phân tích độ lớn điện áp khí mà cách điện trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên theo độ lớn độ