3. CHƢƠNG III: CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH
3.4 Một số giải pháp tiêu biểu đã đƣợc áp dụng trên thế giới
Brazil là một quốc gia đã áp dụng tƣơng đối sớm và phổ biến các loại kháng để hạn chế dòng ngắn mạch trong lƣới điện truyền tải. Một trong những công ty điện lực của Brazil đã áp dụng thành công giải pháp dùng kháng điện lõi không khí vào việc giảm dòng điện ngắn mạch là công ty Furnas Centrais Electricas S.A.
Furnas Centrais Electricas S.A là một công ty sở hữu nguồn và lƣới điện truyền tải, chịu trách nhiệm cung cấp năng lƣợng cho khu vực Tây nam Brazil. Hệ thống lƣới điện truyền tải của Funas bao gồm các cấp điện áp 138kV, 230kV, 345kV, 500kV và 765kV xoay chiều cùng với điện áp 1 chiều 600kV. Tổng chiều dài đƣờng dây xấp xỉ 17500km.
Công ty Furnas Centrais Electricas S.A đã sử dụng kháng điện lõi không khí để hạn chế dòng điện ngắn mạch trong lƣới điện truyền tải do công ty quản lý.
- 53/121 -
Tuy nhiên, các kháng điện này thƣờng đƣợc lắp đặt tại cuộn thứ 3 của các máy biến thế để cung cấp điện tự dùng (tức là ở cấp trung áp -15kV) cho các trạm biến áp có dòng điện ngắn mạch vƣợt quá dung lƣợng cắt của thiết bị. Thông số của kháng và một số vị trí lắp đặt trong lƣới điện của công ty Furnas Centrais Electricas S.A - Brazil đƣợc thể hiện qua bảng thống kê sau đây:
Bảng 3-2: Một số vị trí và thông số kháng hạn chế ngắn mạch(cấp điện áp 15kV)
(Tài liệu tham khảo [7])
Trạm biến áp Dung kháng (µH) Iđm (A) Giới hạn thiết bị (kA) Hạn chế dòng ngắn mạch Từ Xuống Adrianopolis 273 2000 40 44 29 Furnas 4213 272 5.4 15 4 Grajau 1061 1083 25 124 17 Jacarepague 598 1924 39 40 20
Việc sử dụng kháng hạn chế dòng ngắn mạch lắp đặt ở cấp điện áp trung áp mới chỉ đáp ứng đƣợc một phần nhỏ của lƣới điện. Trong khi đó hệ thống điện ngày một phát triển và dòng điện ngắn mạch trên lƣới điện truyền tải ngày một tăng cao đã đòi hỏi giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch trên lƣới điện truyền tải là ngày càng bức thiết. Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng kháng hạn chế dòng điện ngắn mạch ở lƣới điện truyền tải điện áp cao đƣợc bắt đầu thực hiện từ hơn 10 năm trƣớc đây. Tiêu biểu cho việc sử dụng kháng
- 54/121 -
điện hạn chế dòng ngắn mạch trên lƣới điện truyền tải của Brazil là công ty Electronorte.
Electronorte là công ty điện lực hoạt động ở khu vực phía bắc Brazil (58% lãnh thổ), nơi có rừng nhiệt đới Amazon. Khu vực này có tiềm năng thuỷ điện lớn nhƣng lại xa trung tâm phụ tải.
Cũng nhƣ công ty Furnas Centrais Electricas S.A, trƣớc đây công ty Electronorte thƣờng là sử dụng kháng hạn chế ngắn mạch ở cấp điện áp 13.8kV, đặc biệt là ở cuộn thứ 3 của các máy biến áp truyền tải lớn. Có 18 kháng đã đƣợc lắp đặt tại 9 trạm biến áp truyền tải. Nhƣng từ tháng 7/2004 công ty Electronorte bắt đầu sử dụng kháng hạn chế ngắn mạch điện áp cao tại nhà máy điện Tucurui.
Tucurui là một trong số các nhà máy thuỷ điện thuộc loại lớn nhất trên thế giới và là nhà máy điện lớn nhất của Brazil tổng với công suất 8370MW (bao gồm 23 tổ máy, trong đó có 12 tổ máy đƣợc lắp đặt trong giai đoạn 1 và 11 tổ máy lắp đặt trong giai đoạn 2). Nhà máy này có 2 hệ thống sân phân phối ngoài trời độc lập tƣơng ứng với 2 giai đoạn đầu tƣ xây dựng.
Để tăng tính linh hoạt trong vận hành hệ thống, hai hệ thống thanh cái đƣợc quyết định đấu nối với nhau nhƣng điều này khiến cho giá trị dòng điện ngắn mạch vƣợt quá khả năng cắt định mức của các thiết bị đóng cắt ở sân phân phối cũ (40kA). Điều này dẫn tới yêu cầu phải có biện pháp để hạn chế dòng điện ngắn mạch xuống giá trị thích hợp, ở mức khoảng 90% giá trị cắt định mức của thiết bị. Công ty đã áp dụng giải pháp thích hợp nhất là sử dụng thiết bị nối tiếp giữa hai hệ thống ở cấp điện áp 550kV.
Thiết bị công ty đã sử dụng là kháng điện một pha lõi không khí, đƣợc lựa chọn dựa trên các kết quả tính toán trào lƣu công suất ở chế độ vận hành bình thƣờng, sự cố và các nghiên cứu ngắn mạch tiêu chuẩn.
- 55/121 -
Hình 3-234: Sơ đồ đấu nối kháng điện 550kV (Tài liệu tham khảo [11])
Các tính toán về hiệu quả hạn chế dòng điện ngắn mạch đƣợc thực hiện cho tới thời điểm 2010 cho thấy rằng với giá trị trở kháng lớn hơn 30Ω thì bắt đầu xuất hiện dấu hiệu bão hoà, dòng điện ngắn mạch vẫn tiếp tục giảm khi tăng dung lƣợng kháng nhƣng mức độ giảm đáng kể.
Hình 3-245: Hiệu quả hạn chế dòng điện ngắn mạch (Tài liệu tham khảo [11])
- 56/121 -
Có một số giới hạn liên quan đến kích thƣớc kháng điện: giới hạn về vật lý do các hạn chế về lắp đặt, giới hạn về điện do mức dòng ngắn mạch và quá tải của các xuất tuyến đƣờng dây. Bên cạnh đó, hiệu quả của việc ứng dụng kháng dọc để hạn chế dòng ngắn mạch chỉ giới hạn ở một phạm vi nhất định. Trong trƣờng hợp cụ thể này, việc tăng giá trị điện kháng lên trên 27Ω không có lợi bởi một loạt các vấn đề nảy sinh liên quan đến quá tải của một số đƣờng dây.
Các tính toán về chế độ vận hành trong trƣờng hợp bình thƣờng và sự cố đối với cả thiết bị và hệ thống đƣợc thực hiện để đƣa ra các giá trị giới hạn. Mức thấp nhất liên quan tới dòng cắt định mức của các máy cắt tại sân phân phối Tucurui 1, mức cao nhất liên quan tới khả năng quá tải của các xuất tuyến đƣờng dây truyền tải. Giá trị đƣợc lựa chọn là 20Ω mỗi pha.
Các thông số kỹ thuật chính của kháng điện hạn chế dòng ngắn mạch ở cấp điện áp 550kV nhƣ sau:
Bảng 3-3: Thông số kỹ thuật của kháng điện 550kV (Tài liệu tham khảo [11])
Chỉ số Giá trị Điện áp định mức (kV) 550/ 3 Tần số định mức (Hz) 60 Trở kháng 1 pha (Ω) 20 Điện cảm một pha (µH) 53050 Dòng điện định mức (A) 2600 Điện áp rơi lớn nhất (kV, RMS) 52
- 57/121 -
Mức cách điện xung (kV) 1550
Mức cách điện đóng cắt (kV) 1180
Loại Ngoài trời
Hình 3-25 Kháng điện 550kV (Tài liệu tham khảo [11])
Ngoài ra, trên lƣới điện truyền tải của Brazil còn sử dụng các loại kháng với các cấp điện áp cao khác nhƣ cấp 145kV hay 362kV.
- 58/121 -
Hình 3-27:26 Lắp đặt kháng điện 362kV. (Tài liệu tham khảo [11])
Các thông số kỹ thuật chính của kháng điện hạn chế dòng ngắn mạch ở cấp điện áp 362kV nhƣ sau:
Bảng 3-4 Thông số kỹ thuật chính của kháng điện 362kV (Tài liệu tham khảo [11])
Chỉ số Giá trị Điện áp định mức (kV) 345 Tần số định mức (Hz) 60 Điện cảm một pha (µH) 24000 Dòng điện định mức (A) 2100 Điện áp rơi lớn nhất (kV, RMS) 18.9
Công suất (MVAr) 40
- 59/121 -
Mức cách điện đóng cắt (kV) 800
Loại Ngoài trời
3.4.2 Hàn Quốc
Lƣới điện truyền tải chính của KEPCO (Korean Electric Power Grid Company) quanh khu vực thủ đô Seoul của Hàn quốc có cấp điện áp 745kV, 345kV và 154kV. Nhu cầu phụ tải tăng cao tƣơng ứng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế trong những thập kỷ gần đây đã gây ra vấn đề dòng ngắn mạch trên lƣới điện tăng cao, vƣợt quá khả năng làm việc của các máy cắt tại một số trạm biến áp chính.
Theo dự báo của KEPCO, dự báo tăng trƣởng phụ tải của hệ thống điện Hàn quốc trong giai đoạn từ 2005 đến 2017 sẽ từ 1,6% đến 3,3%. Công suất nguồn và phụ tải tƣơng ứng ở các thời điểm nhƣ sau:
Bảng 3-3 Dự báo phụ tải của KEPCO đến 2017 (Tài liệu tham khảo [12])
Năm Công suất nguồn (MW) Phụ tải (MW) Tăng trƣởng (%) 2005 61730 54631 3.3 2010 76781 60643 2.3 2017 88038 68737 1.6
Một trong những yêu cầu quan trọng nhất là hoàn thành đúng tiến độ xây dựng nguồn điện và lƣới điện truyền tải, phân phối. Để đảm bảo truyền tải và cung cấp điện ổn định, lƣới điện đƣợc thiết kế theo nguyên tắc kết vòng để nâng cao độ tin cậy và điều này tất yếu dẫn tới trị số dòng điện ngắn mạch tăng cao khi xảy ra sự cố.
- 60/121 -
Mặc dù lƣới điện truyền tải của KEPCO có cấp điện áp từ 154kV đến 745kV nhƣng lƣới điện 345kV là có mật độ dày đặc nhất và đóng vai trò chủ đạo trong quá trình truyền tải điện. Trong những năm gần đây, dòng điện ngắn mạch trên lƣới 345kV tăng cao và theo tính toán sẽ vƣợt quá dòng cắt định mức của máy cắt hiện hữu trên lƣới (40kA) ở nhiều trạm biến áp trong tƣơng lai gần. Số lƣợng nút có dòng ngắn mạch vƣợt quá 40kA nhƣ sau:
Bảng 3-4 Số nút có dòng ngắn mạch lớn hơn 40kA trên lƣới điện (Tài liệu tham khảo [11])
Năm 2005 2010 2017
Số nút 8 29 29
Để xử lý vấn đề dòng ngắn mạch tăng cao trên lƣới điện 345kV, giải pháp hiện đang đƣợc KEPCO áp dụng là thay thế các máy cắt có dòng cắt lớn hơn. Các giải pháp khác đã đƣợc nghiên cứu và so sánh là: Tách thanh cái, lắp đặt kháng điện (CLR) và thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (FCL)... thực tế là FCL siêu dẫn (SFCL) để thay thế cho CLR.
Theo nhƣ tính toán trong tài liệu tham khảo, tác giả đã đƣa ra sơ đồ tƣơng đƣơng của lƣới điện 345kV khu vực thủ đô Seoul và phụ cận đƣợc thể hiện trên hình 3-28. Các nhà máy điện trong khu vực này hầu hết là các nguồn điện có giá thành cao. Hầu hết điện năng tiêu thụ của khu vực này đƣợc sản xuất và truyền tải về từ phía Nam và phía Tây Hàn Quốc. Ký hiệu B1-B8 là thanh cái của các trạm biến áp, ký hiệu “X” là tách thanh cái. Trạm biến áp A thực tế đang tách thanh cái và sẽ đƣợc tính toán, phân tích đối với các trƣờng hợp lắp đặt CLR hoặc FCL.
Tính toán cho thấy lắp đặt kháng điện có dung lƣợng 29Ω tại thanh cái B3 sẽ hạn chế dòng ngắn mạch xuống dƣới 40kA, vì thế ta sẽ giả thiết lắp đặt kháng có trị số có dung lƣợng là 29Ω để tiến hành tính toán đánh giá. Để thuận lợi
- 61/121 -
cho việc đánh giá, thiết bị FCL có trở kháng 29Ω đƣợc giả thiết sẽ lắp đặt tại vị trí B3.
Hình 3-27 Sơ đồ tƣơng đƣơng của lƣới điện 345kV Seoul (Tài liệu tham khảo [11])
Kết quả tính toán so sánh 3 giải pháp: Tách thanh cái, lắp đặt CLR và FCL trên lƣới điện truyền tải 345kV trong các trƣờng hợp ổn định quá độ, thời gian loại trừ sự cố và giới hạn truyền tải công suất theo ổn định điện áp cho thấy:
Tách thanh cái cho kết quả kém nhất đối với ổn định hệ thống và trào lƣu công suất mặc dù khả năng hạn chế dòng điện ngắn mạch rất tốt.
Kháng điện 29Ω hạn chế dòng ngắn mạch xuống dƣới 40kA cho kết quả trung bình trong số 3 giải pháp đƣợc đƣa ra nhƣng lại là hƣớng khả thi nhất bởi công nghệ đã đƣợc kiểm chứng.
FCL có kết quả đánh giá tốt nhất so với 2 giải pháp còn lại cả về ổn định quá độ, thời gian loại trừ sự cố và giới hạn truyền tải công suất. Tuy nhiên, FCL hay FCL siêu dẫn vẫn đang trong quá trình nghiên cứu phát triển và cần có
- 62/121 -
những nghiên cứu sâu hơn, vì vậy việc triển khai ứng dụng thực tế là chƣa khả thi.
3.4.3 Trung Quốc
Với tốc độ tăng trƣởng rất lớn của các ngành kinh tế Trung quốc, theo đó lƣới điện tại các thành phố lớn của Trung Quốc nhƣ Bắc Kinh, Thƣợng Hải, Quảng Châu cũng phát triển theo một cách rất mạnh mẽ trong vài thập niên gần đây, và dòng điện ngắn mạch theo đó cũng tăng lên ngày càng cao. Do bị ràng buộc bởi nhiều nhiều yếu tố, trong đó nổi lên là về vấn đề môi trƣờng, các nhà máy điện gây nhiều ô nhiễm buộc phải di dời ra khỏi khu vực trung tâm và điện năng tiêu thụ phần lớn đƣợc cung cấp từ các nguồn điện ở xa. Ví dụ tại Bắc Kinh, nguồn cấp từ nơi khác đến chiếm 2/3 công suất hệ thống. Vì lý do đó đã làm cho dòng điện ngắn mạch trên lƣới điện truyền tải tăng cao. Theo kết quả thu nhận đƣợc, có vị trí dòng điện ngắn mạch đã lên tới 63kA, đó chính là giá trị dòng điện lớn nhất mà các máy cắt có thể xử lý đƣợc. Vấn đề dòng điện ngắn mạch tăng cao đã làm hạn chế khả năng mở rộng lƣới điện để đáp ứng nhu cầu phụ tải đang tăng trƣởng mạnh mẽ của khu vực nói riêng và của cả hệ thống nói chung.
Để khắc phục tình trạng dòng điện ngắn mạch tăng cao, ngành điện Trung quốc đã áp dụng một số giải pháp trong đó “tách lƣới” là giải pháp đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Lƣới điện 220kV của Bắc Kinh đƣợc chia tách thành 2 khu vực: phía Đông và phía Tây. Lƣới điện Thƣợng Hải cũng đƣợc tách thành các phần khác nhau.
Ngoài giải pháp tách lƣới ra, điện lực Trung quốc cũng đồng thời xem xét 2 giải pháp khác là: Sử dụng thiết bị DYNACUR (đây là một thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch mới) cùng với SVC và sử dụng đƣờng dây 1 chiều cao áp kết hợp với một DYNACUR nhỏ.
- 63/121 -
Lƣới điện thành phố Thƣợng Hải đƣợc sử dụng để tính toán. Phần chính là các đƣờng dây mạch kép 500kV kết vòng. Để hạn chế dòng ngắn mạch, lƣới điện 220kV đƣợc chia thành các khu vực nhỏ nhƣ minh họa trong hình 3-29.
Hình 3-28: Lƣới điện Thƣợng Hải (Tài liệu tham khảo [9])
Theo tính toán thu đƣợc đối với lƣới điện này, dòng điện ngắn mạch 3 pha ở một số nút 220kV vẫn vƣợt quá 50kA và một số nút 500kV vƣợt quá 55kA. Trên thực tế, do thực hiện giải pháp tách lƣới nên hai khu vực không có các tổ máy lớn bị thiếu sự hỗ trợ về điện áp trong chế độ quá độ, vì vậy khi có sự cố xảy ra thì điện áp là rất khó phục hồi.
Khi xảy ra sự cố 3 pha ở khu vực 1, điện áp không thể phục hồi lên trên mức 0.8pu. Điều này gây ra sự cố ở trạm chuyển đổi DC và làm điện áp càng suy giảm thấp hơn. Tƣơng tự đối với khu vực 2, điện áp cũng không phục hồi đƣợc tới 0.8pu khi xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha.
- 64/121 -
Hình 3-29: Đáp ứng điện áp ở khu vực 1 (Tài liệu tham khảo [9])
Hai yêu cầu cơ bản đối với vấn đề này nhƣ sau:
- Dòng ngắn mạch tại các nút 500kV phải đƣợc hạn chế thấp hơn 50kA và tại các nút 220kV thấp hơn 42kA.
- Điện áp tại các khu vực 1, 2 phục hồi đƣợc đến 0.8pu sau khi loại trừ sự cố (trong vòng 1 giây).
Ngoài ra, lƣới điện phải thoả mãn tiêu chí sự cố N-1.
Giải pháp 1 (sử dụng DYNACUR và SVC):
Thiết bị DYNACUR đƣợc xây dựng dựa trên kinh nghiệm của ABB về các thiết bị FACTS. Đây là tổ hợp của một kháng điện và một tụ điện nối tiếp. Nhƣ vậy, trở kháng của DYNACUR trong trƣờng hợp vận hành bình thƣờng sẽ bằng không. Khi sự cố xảy ra, tụ điện sẽ đƣợc cô lập tức thời bằng thiết bị bảo vệ nhanh (FPD – fast protective device), dòng ngắn mạch sẽ đƣợc hạn chế bằng kháng điện nối tiếp.
- 65/121 -
Hình 3-30: Sơ đồ nguyên lý của DYNACUR (Tài liệu tham khảo [9])
SVC (Light) là thƣơng hiệu của STATCOM do hãng ABB sản xuất. Đây có thể đƣợc xem nhƣ một nguồn điện áp đặt sau một trở kháng. Về mặt vật lý, đây là thiết bị đƣợc tạo bởi một nguồn biến đổi điện áp (VSC – Voltage Source Converter) kết hợp với Transitor lƣỡng cực (IGBTs – Insulated Gate Bipolar Transitors) và đƣợc điều khiển bằng bộ điều biến xung rộng (PWM – Pulse Width Modulation). VSC biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ và tần số thích hợp, nói cách khác, SVC Light cung cấp nguồn vô công cho lƣới điện xoay chiều “yếu”, thiếu vô công để hỗ trợ