4. CHƢƠNG IV: GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG NGẮN MẠCH TRÊN LƢỚ
4.3 Giải pháp lắp đặt kháng điện hạn chế dòng ngắn mạch
Giải pháp sử dụng kháng điện để hạn chế dòng điện ngắn mạch là giải pháp truyền thống, đƣợc áp dụng rộng rãi trên thế giới ở cấp điện áp trung, cao và thậm chí cả siêu cao áp nhƣ đã nêu ở Chƣơng 3. Trên hệ thống điện Việt Nam (do EVN quản lý) hiện nay đã có nắp đặt 02 kháng điện cho mục đích hạn chế dòng ngắn mạch tại trạm Phú Mỹ, tuy nhiên kháng này vẫn đang loại khỏi vận hành bởi một phần do kết cấu lƣới tại khu vực xung quang Phú Mỹ đã có sự thay đổi lớn một phần do việc áp dụng giải pháp tách thanh cái tại các nút
- 80/121 -
Phú Mỹ, Phú Lâm, Nhà Bè làm giảm đáng kể dòng điện ngắn mạch qua các phần tử.
Trong bối cảnh dòng điện ngắn mạch trên hệ thống điện Việt Nam có xu hƣớng tăng cao nhƣ hiện nay và tƣơng lai sau này, vấn đề nghiên cứu ứng dụng các giải pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch, trong đó có lắp đặt kháng điện là cần thiết.
Tiêu chí để xem xét việc lắp đặt kháng điện hạn chế dòng ngắn mạch cho lƣới điện truyền tải của Việt Nam chúng ta nhƣ sau:
- Điểm cần đặt kháng (trạm biến áp) có dòng ngắn mạch vƣợt quá dòng cắt cho phép của thiết bị đóng cắt và khả thi về mặt bằng xây dựng.
- Bố trí các xuất tuyến ở các phân đoạn sao cho trào lƣu công suất qua kháng trong trƣờng hợp vận hành bình thƣờng là nhỏ nhất có thể đƣợc (để giảm tổn thất).
- Phƣơng thức đấu nối cụ thể của kháng điện (sử dụng 02 máy cắt, 01 máy cắt kết hợp dao cách ly hay chỉ dùng dao cách ly).
Phƣơng pháp tính toán trong quá trình lựa chọn thông số kháng điện nhƣ sau:
- Tính toán trị số dòng điện ngắn mạch ứng với một chuỗi các giá trị của dung lƣợng kháng điện.
- Từ kết quả tính toán xây dựng các đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện ngắn mạch và dung lƣợng kháng.
- Xác định dung lƣợng kháng điện lắp đặt tối ƣu để vừa đảm bảo hạn chế dòng điện ngắn mạch, vừa sử dụng hiệu quả vốn đầu tƣ do tác dụng hạn chế dòng điện ngắn mạch của kháng điện sẽ dần bão hòa khi tăng thêm dung lƣợng.
- 81/121 -
Việc lắp đặt kháng điện hạn chế dòng ngắn mạch trên hệ thống điện Việt Nam sẽ đƣợc xem xét trƣớc hết ở những vị trí có dòng ngắn mạch tăng cao hiện đang phải thực hiện giải pháp tách thanh cái.
Giải pháp lắp đặt kháng điện ở tại thanh cái đầu cực máy phát cũng đƣợc tính toán để đánh giá khả năng ứng dụng để giảm dòng điện ngắn mạch, nhất là đối với các tổ máy sẽ vào vận hành trong tƣơng lai.
4.3.1 Xét một ví dụ cụ thể lắp đặt kháng điện tại trạm biến áp 500/220/110kV Phú Mỹ
Tại trạm biến áp 500/220/110kV Phú Mỹ, theo kết quả tính toán dòng điện ngắn mạch trong trƣờng hợp vận hành bình thƣờng (không tách thanh cái) cho thấy đến năm 2010 ta có dòng ngắn mạch tại thanh cái 220kV có thể đạt tới xấp xỉ 60kA đối với ngắn mạch 1 pha và 51kA đối với dòng ngắn mạch 3 pha. Xu thế tăng này sẽ tiếp tục trong các năm sau 2010 khi có sự tham của các nguồn điện mới.
Giá trị dòng điện ngắn mạch 1 pha (60kA) đã vƣợt qua mức cho phép của máy cắt 150% và gần đạt tới ngƣỡng của loại máy cắt có dòng cắt lớn nhất hiện nay (63kA). Đây chính là điểm có dòng ngắn mạch lớn nhất trên hệ thống điện Việt Nam trong quá khứ, hiện tại cũng nhƣ tƣơng lai gần. Dòng điện ngắn mạch tại Phú Mỹ qua vài năm đƣợc thể hiện qua biểu đồ sau:
- 82/121 -
Inm_Phú Mỹ 220kV trường hợp vận hành bình thường
30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 2008 2008 2009 2009 2010 2010 2011 Năm In m (k A ) In(3) In(1)
Hình 4-3: Inm tại thanh cái 220kV Phú Mỹ khi vận hành bình thƣờng Để hạn chế dòng điện ngắn mạch trong các chế độ sự cố, kháng điện đƣợc xem xét lắp đặt giữa hai cặp thanh cái 220kV Phú Mỹ: C21, 24 và C22, 25 (thay vì vị trí thƣờng mở của máy cắt liên lạc 200A, 200B nhƣ phƣơng thức tách lƣới hiện tại).
Vào các năm 2008-2010, phƣơng thức kết dây đã đƣợc điều chỉnh cho phù hợp với những thay đổi của cấu hình lƣới điện. Nguyên tắc chung là phân bổ các xuất tuyến trên các thanh cái sao cho trào lƣu công suất qua kháng điện là nhỏ nhất có thể đƣợc để hạn chế các loại tổn thất.
- 83/121 -
Hình 4-4: Lắp đặt kháng điện tại thanh cái 220kV TBA Phú Mỹ
Để dễ so sánh ta có thể tham khảo bảng kết quả tính toán cho giai đoạn 2008 – 2010 khi thay đổi dung lƣợng kháng nhƣ sau:
Bảng 4-4: Kết quả tính toán lắp đặt kháng điện tại Phú Mỹ Kháng
(µH)
Thanh cái
In 2008 (kA) In 2009 (kA) In 2010 (kA) In(3) In(1) In(3) In(1) In(3) In(1) 0 C22,25 46.1 56.9 49.0 58.3 50.5 59.3 C21,24 46.1 56.9 49.0 58.3 50.5 59.3 24000 C22,25 35.8 44.0 37.0 44.2 38.0 44.4 C21,24 34.6 40.0 37.4 41.2 39.0 43.2 48000 C22,25 33.3 41.0 34.3 41.0 35.5 41.4 C21,24 32.0 36.5 34.7 37.6 36.6 40.0 96000 C22,25 31.6 38.7 32.4 38.8 33.8 39.4 C21,24 30.2 34.2 32.9 35.2 35.1 37.8 144000 C22,25 31.0 38.0 31.7 37.9 33.2 38.6
- 84/121 - C21,24 29.5 33.3 32.2 34.3 34.4 37.0 192000 C22,25 30.6 37.6 31.3 37.4 32.8 38.2 C21,24 29.1 32.8 31.8 33.8 34.1 36.6 216000 C22,25 30.5 37.5 31.1 37.2 32.7 38.0 C21,24 29.0 32.7 31.7 33.6 34.0 36.4
Các biểu đồ biểu thị quan hệ giữa dòng điện ngắn mạch (1 pha và 3 pha) trên hai hệ thống thanh cái C21, 24 và C22, 25 với dung lƣợng kháng điện lắp đặt.
Inm(3) tại Phú Mỹ C21,24 với các mức dung lượng kháng điện
25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 0 50000 100000 150000 200000 250000 Dung lượng (µH) In m (k A ) 2008 2009 2010
- 85/121 -
Inm(1) tại Phú Mỹ C21,24 với các mức dung lượng kháng điện
25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 0 50000 100000 150000 200000 250000 Dung lượng (µH) In m (k A ) 2008 2009 2010 `
Hình 4-6: Inm 1 pha tại thanh cái C21, 24 Phú Mỹ khi lắp đặt kháng điện Inm(3) tại Phú Mỹ C22,25 với các mức dung lượng kháng điện
25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 0 50000 100000 150000 200000 250000 Dung lượng (µH) In m (k A ) 2008 2009 2010
- 86/121 -
Inm(1) tại Phú Mỹ C22,25 với các mức dung lượng kháng điện
25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 0 50000 100000 150000 200000 250000 Dung lượng (µH) In m (k A ) 2008 2009 2010 `
Hình 4-8: Inm 1 pha tại thanh cái C22, 25 Phú Mỹ khi lắp đặt kháng điện Kết quả tính toán và các đồ thị trên cho thấy:
- Dung lƣợng kháng điện tỷ lệ nghịch với dòng điện ngắn mạch (dòng điện ngắn mạch giảm khi dung lƣợng kháng điện tăng lên).
- Hiệu quả hạn chế dòng điện ngắn mạch tốt nhất đối với kháng điện có dung lƣợng khoảng 30000 µH và sau đó có xu hƣớng bão hòa. Khi tăng dung lƣợng kháng điện trên mức 48000µH, khả năng hạn chế dòng ngắn mạch giảm đi rất mạnh. Ở trong khoảng từ 48000µH đến 216000µH, dung lƣợng kháng điện tăng lên 4.5 lần trong khi dòng điện ngắn mạch chỉ giảm đi đƣợc xấp xỉ 8%.
- Giá trị tối ƣu đối với kháng điện lắp đặt tại thanh cái 220kV Phú Lâm ở trong khoảng từ 24000 - 48000µH.
Sở dĩ ta chỉ tính toán dòng ngắn mạch cho giai đoạn từ 2008 – 2010 vì tại Phú Mỹ, sau khi áp dụng giải pháp vận hành với chế độ tách thanh cái (MC 200A, 200B) thƣờng mở kết hợp với việc bố trí đấu nối một cách hợp lý các tổ máy phát của cụm Phú Mỹ - Bà Rịa thì dòng điện ngắn mạch đo
- 87/121 -
đƣợc là luôn ở phạm vi cho phép (nhỏ hơn dòng điện cắt định mức của máy cắt).
4.3.2 Lắp đặt kháng điện tại đầu cực máy phát
Nhƣ đã trình bày trong các phần trƣớc, việc ứng dụng kháng điện để hạn chế dòng điện ngắn mạch có thể thực hiện tại thanh cái, xuất tuyến đƣờng dây, máy biến áp hay đầu cực máy phát.
Với đặc thù của hệ thống điện Việt Nam, dòng điện ngắn mạch có trị số cao trên hệ thống điện miền Nam và tập trung chủ yếu tại khu vực Phú Mỹ, Phú Lâm do mật độ nguồn điện phân bố nhiều với công suất lớn ở vùng này.
Do sử dụng cùng loại công nghệ phát điện (tuabin khí hỗn hợp) và nhiên liệu sơ cấp (khí, dầu) nên nhiều tổ máy của các nhà máy điện trong khu vực Phú Mỹ có dải công suất là tƣơng tự nhau. Phổ biến là ~150MW và 250MW. Tác dụng hạn chế dòng điện ngắn mạch đối với các kháng điện đầu cực máy phát đƣợc tính toán kiểm chứng đối với các tổ máy của nhà máy điện Phú Mỹ 1 (bao gồm 3 tổ tuabin khí và 1 tổ tuabin hơi – đuôi hơi) ở thời điểm 2010. Từ kết quả tính toán đối với các tổ máy của Phú Mỹ 1 có thể phát triển để áp dụng cho các tổ máy khác trong khu vực cũng nhƣ trong hệ thống.
Kết quả tính toán khả năng hạn chế dòng điện ngắn mạch đối với các kháng điện có dung lƣợng từ 100 đến 800 µH đối với các tổ máy của nhà máy điện Phú Mỹ 1 (thời điểm 2010) nhƣ sau:
Bảng 4-5: Kết quả tính toán lắp đặt kháng điện tại Phú Mỹ Dung lƣợng kháng (µH) In 2010 (kA) Điện áp (kV) In(3) In(1) 0 50.5 59.3 231.6 100 49.5 58.1 230.5 200 48.7 57.2 229.6
- 88/121 - 300 48.0 56.4 228.7 400 47.4 55.7 228.0 500 46.9 55.1 227.3 600 46.4 54.6 226.6 700 46.0 54.2 225.9 800 45.6 53.8 225.3
Quan hệ giữa Inm và dung lượng kháng tại đầu cực các tổ máy Phú Mỹ 1 - 2010 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 0 200 400 600 800 1000 Dung lượng (µH) In m (k A ) Inm(3) Inm(1)
- 89/121 -
Quan hệ giữa điện áp tại TC 220kV và dung lượng kháng tại đầu cực các tổ máy Phú Mỹ 1 - 2010 220.0 222.0 224.0 226.0 228.0 230.0 232.0 234.0 0 200 400 600 800 1000 Dung lượng (µH) U (k V ) U(PM1)
Hình 4-10: Ảnh hƣởng của kháng đầu cực MF NMĐ Phú Mỹ 1 tới điện áp Có thể thấy rằng trong dải dung lƣợng kháng điện khảo sát, dòng điện ngắn mạch giảm khá đều khi tăng dần giá trị kháng điện. Trên phƣơng diện hạn chế dòng ngắn mạch thì đây là tín hiệu khả quan tuy nhiên song song với nó là tác dụng tiêu cực của việc giảm huy động vô công của các tổ máy cho hệ thống khiến điện áp tại thanh cái 220kV cũng suy giảm với tốc độ khá cao.
Kết quả tính toán và minh họa trên đồ thị cho thấy việc lựa chọn kháng điện đầu cực máy phát cần dung hòa cả hai yếu tố: Yếu tố tích cực là hạn chế dòng điện ngắn mạch và yếu tố tiêu cực là suy giảm điện áp.
Để kiểm chứng khả năng hạn chế dòng ngắn mạch khi áp dụng kháng điện ở đồng thời cả hai vị trí thanh cái (Phú Mỹ, Phú Lâm) và đầu cực các tổ máy (Phú Mỹ 1, Phú Mỹ 2.1, Nhơn Trạch), tính toán đƣợc tiến hành với các giả thiết nhƣ sau:
Kháng điện tại thanh cái Phú Mỹ, Nhà Bè và Phú Lâm: 48000µH Kháng điện tại đầu cực các tổ máy Phú Mỹ 1: 200µH
- 90/121 -
Kháng điện tại đầu cực các tổ máy Nhơn Trạch: 400µH
(Dung lƣợng các kháng điện chọn khác nhau do điện áp đầu cực các tổ máy có trị số khác nhau).
Kết quả:
Bảng 4-6: Kết quả tính toán lắp đặt kháng điện đồng thời tại thanh cái và đầu cực
Thanh cái In 2010 (kA) In(3) In(1) Phú Mỹ C22, 25 33.5 39.4 Phú Mỹ C21, 24 34.3 37.3 Nhà Bè C21 35.3 39.9 Nhà Bè C22 35.3 39.9 Phú Lâm C21 32.3 35.1 Phú Lâm C22 33.8 38.0
Nhƣ vậy, việc kết hợp sử dụng kháng điện ở đồng thời thanh cái các trạm biến áp có dòng ngắn mạch lớn và tại đầu cực các tổ máy có thể hạn chế dòng điện ngắn mạch trên lƣới điện xuống dƣới mức 40kA.
Về bản chất vật lý, việc lắp đặt thêm kháng điện tại đầu cực các tổ máy phát điện có tác dụng tƣơng đƣơng với việc sử dụng các máy biến áp tăng áp có trở kháng cao. Để hạn chế dòng điện ngắn mạch có thể sử dụng các máy biến áp có Uk% ~20% thay vì mức phổ biến ~ 15% nhƣ hiện tại. Đây cũng là một yếu tố rất quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị điện trong giai đoạn 2015 – 2020 mà EVN đang quan tâm.
- 91/121 -