Bằng phương pháp mô phỏng số kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn, Madsen và Erichsen [60] đã tiến hành xác định vị trí sét đánh vào WT hiện đại loại ba cánh đặt cách đều nhau 2π/3 trong không gian. Mô phỏng được thực hiện với bốn biên độ dòng điện sét khác nhau: 60kA, 40kA, 20kA và 10kA khi các cánh WT ở hai vị trí: 300 và 600 so với trục hoành. Trên các cánh và thùng WT, tác giả đánh dấu tổng cộng 18 điểm, ký hiệu bằng các chữ cái từ A đến R như trên hình 1.28.
Bảng .6. Xác suất sét đánh vào các điểm đã đánh dấu của WT
Vị trí cánh 300 so với trục hoành (Hình 1.28a) Vị trí cánh 600 so với trục hoành (Hình 1.28b)
Xác suất sét đánh các điểm (%) Xác suất sét đánh các điểm (%) Điểm 60kA 40kA 20kA 10kA Điểm 60kA 40kA 20kA 10kA
A 50 50 50 50 A 100 100 99 98
F 50 50 50 50 F 0 0 1 2
32
Kết quả mô phỏng cho thấy, xác suất sét đánh chỉ tập trung tại điểm A và F phía đầu cánh WT (Bảng 1.6) trong khi các điểm khác hầu như không bị sét đánh, đặc biệt trong trường hợp biên độ dòng điện sét lớn.
Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình WT thu nhỏ đang làm việc với tốc quay của các cánh khác nhau (Hình 1.29), Radičević và cộng sự đã chỉ ra rằng gần như toàn bộ các phóng điện sét đều vào đầu thu sét gắn phía đầu các cánh WT [20] [21].
Hình 1.29. Mô hình thực nghiệm xác định điểm sét đánh WT [21]
Một nghiên cứu xác định số lần sét đánh vào các vị trí khác nhau của WT công suất lớn cao 180m theo biên độ dòng điện sét khác nhau (5 ÷ 100kA) trên chương trình mô phỏng số RSPHERE [36] cho thấy, khoảng 90% phóng điện sét đánh vào cánh, 7% sét đánh vào thùng và còn lại (3%) sét đánh vào cột trụ. Trường hợp sét đánh vào thùng hoặc cột trụ chỉ xuất hiện khi biên độ dòng điện nhỏ hơn 20kA. Một số nghiên cứu khác [19] [61] cũng cho ta thấy rằng, sét đánh vào WT chủ yếu tập trung vào cánh và đặc biệt là phía đầu cánh.
Các nghiên cứu nhằm xác định vị trí sét đánh vào WT góp phần đáng kể trong việc thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các WT trong những năm qua và đã được cụ thể hóa trong tiêu chuẩn IEC 61400-24 [43].
33
1.5.3. Xác định số lần sét đánh trực tiếp WT
Tiêu chuẩn IEC 61400-24 [43] sử dụng phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT giống như công trình tĩnh có chiều cao lớn nhất h không đổi gồm chiều cao cột trụ Ht và chiều dài cánh Hb (khi vị trí một trong ba cánh vuông góc với mặt đất). Diện tích thu hút sét tương đương trên mặt đất của WT là một hình tròn có bán kính (r = 3h) và tâm là chân cột trụ WT [43]. Từ đó xác định được số lần sét đánh trực tiếp vào WT trung bình hàng năm. Cách xác định số lần sét đánh vào WT như vậy sẽ chỉ cho kết quả gần đúng vì thực tế các cánh WT liên tục quay nên nó sẽ quét một cung tròn so với đất, tức là cánh WT không thể là một điểm mà phải là một tập hợp điểm nằm trên một cung tròn. Do đó, diện tích thu hút sét tương đương của WT trên mặt đất không chỉ là một hình tròn mà nó còn có thêm diện tích quét của các cánh WT. Bởi vậy kết quả tính toán xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT hàng năm theo đề xuất trong tiêu chuẩn IEC 61400-24 chưa thật sự chính xác.
Kazuo Yamamoto và Tadashi Sakata [57] đề xuất phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT sử dụng cột thu sét độc lập đặt bên cạnh dựa trên lý thuyết mô hình điện hình học (Electro Geometrical Method - EGM). Đề xuất này chỉ sử dụng để tính toán xác định số lần sét đánh trực tiếp WT sử dụng cột thu sét độc lập đặt bên cạnh mà ngày nay rất hiếm gặp trong thực tế.
Dolan và các cộng sự [26] đề xuất một phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT có đầu thu sét gắn tại đầu các cánh. Phương pháp đề xuất dựa trên cơ sở mô hình điện hình học (EGM), xét đến sự thay đổi tổng chiều cao của WT (gồm chiều cao cột trụ Ht và chiều dài cánh Hb). Phương pháp được các tác giả ứng dụng để xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT loại V29-0,225MW (Ht = 30m, Hb = 14,5m) và V47-0,66MW (Ht = 40m, Hb = 23,5m) lắp đặt tại Đan Mạch. Hạn chế của phương pháp là chưa xét đến hệ số địa hình lắp đặt WT khác nhau (trên đất liền bằng phẳng hay vùng đồi núi và ngoài biển khơi). Bên cạnh đó, phương pháp này chưa xác định được số lần sét đánh trực tiếp vào các WT có công suất lớn hơn (ứng với kích thước lớn hơn) lắp đặt tại các vùng có mật độ sét khác nhau.
Những lý do trên đây cho thấy, vấn đề xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT trung bình hàng năm phù hợp với các công trình động như WT (các cánh luôn chuyển động trong quá trình làm việc) vẫn cần phải được nghiên cứu, so sánh, đánh giá.
34
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 TĐ&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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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