7. Cấu trúc của luận án
1.5.4. Nghiên cứu QĐA cảm ứng và lan truyền trong HTĐ&ĐK của WT và WF
Nghiên cứu QĐA sét cảm ứng và lan truyền trong hệ thống điện gió có một ý nghĩa hết sức quan trọng, giúp đề ra các biện pháp phối hợp bảo vệ một cách phù hợp, góp phần đảm bảo hệ thống điện gió vận hành liên tục, giảm thiểu thiệt hại về kinh tế do phải khắc phục sự cố và chi phí trong thời gian dừng hoạt động để khắc phục sự cố. Các nghiên cứu liên quan đến vấn đề này trong các tài liệu [15] [29] [31] [55] [56] [59] [62] [63] [53] [71] [72] [73] [87] [94] [95] [96] [97] [99] [101] có thể chia thành hai nhóm chủ đề chính, đó là: a) Nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT và b) Nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF.
Luận án sẽ tóm lược một số nghiên cứu tiêu biểu đã được công bố theo hai nhóm chủ đề vừa nêu, từ đó phân tích đánh giá những điểm còn tồn tại, đề ra hướng nghiên cứu tiếp theo.
a. Nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT
Như minh họa trong hình 1.11, các phần tử, thiết bị trong HTĐ&ĐK của WT công suất lớn gồm máy phát điện (MPĐ) và các bộ cảm biến (đo tốc độ, hướng gió) được thiết kế lắp đặt phía đỉnh cột trụ; còn máy biến áp (MBA), bộ biến đổi điện tử công suất, tủ điện (TĐ) và tủ điều khiển (TĐK) có thể được thiết kế - bố trí lắp đặt theo các phương án sau:
(i) MBA, TĐ&TĐK lắp đặt phía chân cột trụ;
(ii) MBA, TĐ lắp đặt trong thùng cùng với MPĐ, còn TĐK lắp đặt phía chân cột trụ; (iii) MBA, TĐ&TĐK lắp đặt trong thùng trên đỉnh cột trụ cùng với MPĐ.
Để liên kết giữa các phần tử - thiết bị của WT, người ta sử dụng các đường cáp (cáp điện lực và điều khiển) đi trong thùng và / hoặc bên trong cột trụ thép rỗng.
Trong những năm gần đây nhiều nghiên cứu được công bố nhằm đánh giá sự nguy hiểm của QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT [53] [59] [101]. Nhìn chung, các nghiên cứu này đều thực hiện trên đối tượng WT có thiết kế, bố trí: MBA, TĐK dưới chân cột trụ bằng thép rỗng; trong cột trụ lắp đặt đường cáp điện và cáp điều khiển. Trên đường dẫn dòng điện sét qua cột trụ thép, Zhao và Wang [101] đã đề xuất một mô hình mạch điện tương đương với các thông số phân rải cho nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT. Tiếp sau đó Liu và cộng sự [59] phát triển mô hình mạch điện tương đương này để xem xét sự phân bố QĐA sét cảm ứng lan truyền trong các vòng dây stator của MPĐ. Kết quả nghiên cứu cho thấy, điện áp
35
lớn nhất xuất hiện tại vòng dây cuối cùng hoặc gần điểm trung tính của cuộn dây stator. Điện áp rơi lớn nhất xuất hiện tại vòng dây đầu tiên và giảm dần đến cuộn cuối cùng. Các điện áp này có thể gây nguy hiểm cho cách điện của máy phát điện. Khi không lắp đặt CSV tại đầu cực máy phát điện, QĐA sét cảm ứng - lan truyền trên vòng dây cuối cùng lên đến 19,5kV, nhưng khi CSV lắp đặt tại đầu cực MPĐ thì điện áp trên vòng dây này giảm xuống chỉ còn 2,7kV (với dòng sét 200kA-10/350μs). Qua đây các tác giả khuyến cáo rằng, để hạn chế QĐA sét cảm ứng - lan truyền nguy hiểm cho cách điện của cuộn dây stator nhất thiết phải lắp đặt CSV tại đầu cực MPĐ của WT.
Jheng và các cộng sự tiếp tục ứng dụng mô hình mạch tương đương này để nghiên cứu đánh giá QĐA sét cảm ứng trong hệ thống điều khiển của WT 1,5MW lắp đặt, vận hành tại Đài Loan [53]. Các tác giả đã mô phỏng xác định điện áp cảm ứng do sét tác động lên: lớp cách điện cáp điều khiển; thiết bị điều khiển và điện áp trên cách điện giữa cột trụ với đường dây điều khiển. Trong mô phỏng, các tác giả giả thiết biên độ dòng điện sét 28kA và 42kA (cùng dạng sóng 8/20μs) và xem xét hai hình thức nối đất (chung và riêng) giữa cột trụ WT với lớp kim loại bảo vệ cáp khi trị số điện trở nối đất khác nhau 1Ω, 5Ω và 10Ω. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng: QĐA sét cảm ứng trên cách điện trong hệ thống điều khiển của WT phụ thuộc rất lớn vào hình thức nối đất và trị số điện trở nối đất. Điện áp giữa cột trụ với cáp điều khiển rất lớn (từ 1,3 đến 2,3MV) có thể dẫn đến phóng điện chọc thủng lớp cách điện không khí giữa cột trụ với đường cáp điều khiển. Do đó, khoảng cách lắp đặt đường cáp đi song song bên trong cột trụ cần phải được tính toán sao cho không dẫn đến phóng điện trong không khí.
Rodrigues và các cộng sự [71] [72] [73] đã mô phỏng xem xét QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT khi sét đánh vào cánh (dòng điện sét 10kA_10/350μs) với giả thiết điện trở nối đất của WT có trị số 1Ω. Kết quả cho thấy, khi không lắp đặt CSV ở bất cứ vị trí nào trong mạch thì biên độ QĐA sét cảm ứng tại phía thứ cấp của MBA tăng áp (cấp điện lên lưới) và MBA tự dùng (cấp điện cho hệ thống ĐK) của WT có trị số khoảng 80kV. Còn khi CSV được lắp đặt tại trung tính của các MBA, biên độ QĐA sét cảm ứng suy giảm đáng kể, từ 80kV xuống còn khoảng 6kV. Tuy vậy, điện áp 6kV vẫn cao hơn so với điện áp dư 1,5kV của CSV trong mạch ĐK, do đó các tác giả đề xuất giảm thấp điện trở nối đất để đảm bảo QĐA nhỏ hơn trị số 1,5kV.
36
Bằng thí nghiệm trên mô hình WT thu nhỏ 3/300 so với loại WT thực có chiều dài cánh 25m và chiều cao cột trụ 50m, Yamamoto cùng cộng sự [55] [56] [94] đã xem xét, đánh giá sự phân bố điện thế sét cảm ứng sang đường cáp điện (và/hoặc cáp điều khiển) của WT ứng với hai vị trí dòng sét (trị số 1A với thời gian đầu sóng khác nhau: 4ns, 10ns, 20ns hoặc 60ns còn thời gian sóng là 70μs) được bơm vào cánh (A) và dòng sét được bơm vào thùng (B) của WT trong các trường hợp điện trở nối đất của WT là 0Ω, 9,4Ω và 20Ω. Các điện áp: giữa cột trụ với lõi cáp (V11), giữa cột trụ với lớp kim loại bảo vệ cáp (V12) và giữa lõi và lớp kim loại bảo vệ cáp (V14) được các tác giả đo lường, so sánh chi tiết và chỉ ra rằng:
- Biên độ điện áp V11 đến V14 trong hai trường hợp A (bơm dòng sét vào cánh) và B (bơm dòng sét vào thùng) không có sự sai khác đáng kể.
- Sự gia tăng điện áp V11 đến V14 phụ thuộc rất lớn vào trị số điện trở nối đất và thời gian đầu sóng của dòng điện sét, đặc biệt là trị số điện trở nối đất.
b. Nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF
Nguyên nhân gây ra QĐA sét lan truyền nguy hiểm trong lưới điện WF có thể do: i) sét đánh trực tiếp vào WT hoặc ii) sét đường dây trung áp trên không kết nối WF với lưới điện truyền tải (hoặc lưới điện địa phương).
i) Khi sét đánh trực tiếp vào WT, trên đường dẫn dòng điện sét xuống đất đi qua cột trụ thép rỗng sẽ phát sinh QĐA sét cảm ứng sang đường cáp điện đi trong cột trụ như đã nêu ở mục 1.5.4a hoặc khi dòng điện sét tản xuống hệ thống đất của WT. Nếu điện áp đủ lớn, một phần dòng điện sét sẽ xông ngược trở lại lưới (“back - flow”) qua một trong các đường sau:
- Từ hệ thống nối đất qua CSV chạy ngược lên hệ thống gây QĐA trên MBA (cả phía sơ cấp và thứ cấp của MBA), MPĐ và lan truyền trong lưới điện WF.
- Phóng điện có thể xảy ra ở lớp không khí giữa đường dẫn sét trong cột trụ sang đường cáp điện gần đó, làm cho dòng điện sét chạy thẳng vào hệ thống điện của WT và lan truyền trong lưới điện WF.
Các nghiên cứu đã công bố liên quan đến vấn đề này được tổng hợp, đánh giá dưới đây:
Yasuda và Funabashi [95] [96] [97] [99] phân tích QĐA sét trong điều kiện sét mùa hè và sét mùa đông trong lưới điện WF (gồm các WT liên kết với nhau cấp điện lên lưới trung áp 6,6kV). Dòng điện sét được sử dụng nghiên cứu là giá trị trung bình
37
mùa hè 30kA (2/70μs), còn mùa đông 51kA (2/631μs). Nghiên cứu [97] xem xét QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF gồm 10WTx1MW với loại sét mùa hè ở Nhật Bản. Kết quả nghiên cứu cho thấy QĐA không chỉ gây nguy hiểm cho WT bị sét đánh mà còn gây nguy hiểm cho các WT khác trong WF do QĐA sét lan truyền. Lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp cũng là một hướng quan trọng trong các nghiên cứu về QĐA. Các nghiên cứu [95] [96] [99] mô phỏng năng lượng hấp thụ trong các CSV lắp đặt trong lưới điện trung áp 6,6kV của WF khi WT gần và WT xa lưới hệ thống 66kV nhất bị sét đánh. Kết quả mô phỏng cho thấy, năng lượng hấp thụ trong các CSV phụ thuộc vào dòng điện sét mùa hè và mùa đông [95] [96], đồng thời phụ thuộc đường dây trên không 6,6kV có treo dây chống sét hay không treo dây chống sét [99]. Sét mùa đông nguy hiểm hơn (mức năng lượng hấp thụ trong các CSV lớn hơn) so với sét mùa hè (do biên độ và thời gian sóng của dòng điện sét mùa đông lớn hơn so với sét mùa hè).
Badran và cộng sự [31] phân tích hiện tượng “back flow” trong WF gồm 2WT nối với nhau cấp điện lên lưới hệ thống 66kV qua đường dây trên không 6,6kV. Các tác giả so sánh dòng điện qua các CSV lắp đặt tại phía sơ cấp cũng như thứ cấp của các MBA WT (0,66/6,6kV) và MBA WF (6,6/66kV) - nối với lưới hệ thống trong các trường hợp phóng điện sét cực tính dương và cực tính âm vào WT1 (gần lưới hệ thống hơn so với WT2). Kết quả cho thấy, khi nối đất của WT1, WT2 và lưới hệ thống sử dụng mô hình điện trở nối đất phi tuyến, dòng điện sét qua các CSV nhỏ hơn đáng kể so với khi sử dụng mô hình điện trở nối đất không đổi. Tuy nhiên, trong cả hai trường hợp sử dụng hai mô hình điện trở nối đất kể trên thì dòng điện chạy qua các CSV (hay năng lượng hấp thụ trong các CSV) vẫn lớn hơn mức giới hạn nhiệt. Khi sử dụng hệ thống nối đất chung giữa các WT trong WF thì dòng điện qua các CSV giảm đi đáng kể và dễ dàng đảm bảo được dòng điện qua các CSV thấp hơn mức giới hạn nhiệt. Ngoài những nghiên cứu kể trên, còn có một số nghiên khác xem xét sự ảnh hưởng của một số yếu tố khác (ví dụ: điện trở suất của vùng đất lắp đặt WF [62] [63], cấu hình kết nối các WT [29] [87], mô hình CSV [15]) đến QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF do hiện tượng “back flow” gây ra.
ii)Khi sét đánh vào đường dây trung áp trên không, do mức cách điện của đường dây thấp nên cho dù sét đánh vào dây chống sét (DCS) hay dây pha đều có thểgây phóng điện trên chuỗi cách điện. Dòng điện sét lớn tản vào trong đất qua hệ thống đất của phía thứ cấp MBA (22kV) xông ngược lên hệ thống sơ cấp của MBA (0,69kV) gây ra QĐA lan truyền trong lưới điện WF. Sekioka và Funabashi [79] đã mô phỏng, nghiên
38
cứu sự ảnh hưởng của điện trở nối đất WT đến QĐA lan truyền trong WF khi sét đánh trực tiếp vào DCS của đường dây phân phối trung áp trên không 6,6kV kết nối WF với lưới hệ thống. Kết quả cho thấy, ở trị số điện trở nối đất của các WT không ảnh hưởng nhiều đến dạng sóng QĐA sét lan truyền trong WF nhưng sự gia tăng điện thế tại hệ thống nối đất sẽ càng cao khi trị số điện trở nối đất càng lớn.
TÓM LẠI:
Qua các nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT cũng như nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF trình bày trên đây cho ta thấy:
Mỗi nghiên cứu sử dụng đối tượng WT khác nhau, kích thước cột trụ, cáp điện, cáp điều khiển của các WT cũng khác nhau.
Dòng điện sét sử dụng các thông số trung bình, chưa xét đến ảnh hưởng của biên độ, thời gian đầu sóng. Trong khi các thông số này của dòng điện sét đều mang tính thống kê và có thể có trị số khác nhiều với trị số trung bình.
Các nghiên cứu chưa rõ ràng về mục đích nghiên cứu phối hợp cách điện hay nghiên cứu chọn CSV phù hợp trong trường hợp QĐA sét. Vì thế dạng sóng dòng điện sét sử dụng không thống nhất (10/350μs, 8/20μs, 2/70μs hoặc 2/631μs), trong khi dạng sóng dòng điện sét cơ bản để phối hợp cách điện là 1,2/50μs không được đề cập.
Chưa làm rõ sự ảnh hưởng của vị trí lắp đặt: MBA, tủ điều khiển, đường cáp điện và cáp điều khiển so với cột trụ, hệ thống nối đất đến QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT.
Chưa xét đến ảnh hưởng của vị trí sét đánh WT, vị trí sét đánh đường dây trung áp trên không nối WF với lưới hệ thống (hoặc phụ tải địa phương), ảnh hưởng của phương thức kết nối (topology) WT và hệ thống nối đất của WF đến trị số QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF.
Lưới điện trung áp Việt Nam sử dụng cấp điện áp 22kV, vì thế các tham số của CSV, MBA, cách điện, chiều cao cột điện cũng khác so với các nghiên cứu trước đây thường là ở cấp điện áp 6,6kV.
Các lý do trên đây cho thấy vấn đề nghiên cứu QĐA sét trong HTĐ&ĐK của WT và nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong WF vẫn cần được xem xét, từ đó đề ra các biện pháp phối hợp cách điện nhằm góp phần nâng cao độ tin cậy, an toàn hơn cho các phần tử của WT (WF), đặc biệt là các WT (WF) đặc thù của Việt Nam.
39