7. Cấu trúc của luận án
4.2.2. Mô hình máy biến áp
Trong một WF, thường có các loại MBA sau:
- MBA truyền tải: Dùng để kết nối lưới điện WF với lưới điện quốc gia điện áp 110kV hoặc 220kV (lưới điện truyền tải).
- MBA tăng áp: Được lắp đặt tại mỗi WT, nâng điện áp đầu cực MPĐ từ điện áp 0,69kV lên cấp trung áp và sau đó nối với MBA truyền tải.
Ngoài hai loại MBA kể trên, thông thường mỗi WT còn có MBA tự dùng (Auxiliary transformer) cho WT.
Mô hình MBA cho nghiên cứu phân tích quá độ điện từ do sét có dạng mạch điện với thông số phụ thuộc tần số như trên hình 4.2 [23] [28], trong đó điện dung giữa: cuộn dây hạ áp với đất là CH0, cuộn dây cao áp với đất là CC0, và giữa cuộn dây hạ áp và cao áp của MBA là CCH. Trị số của các điện dung này được các nhà sản xuất máy biến áp cho hoặc xác định bằng phương pháp đo lường trực tiếp. Bảng 4.1 cho biết trị số điện dung điển hình của MBA có dung lượng từ 1 ÷ 70MVA [28].
Hình 4.2. Mô hình MBA
C H
CC0 CH0
CCH
96
Bảng 4. . Trị số điện dung ký sinh điển hình của MBA theo dung lượng [28]
Dung lƣợng MBA Điện dung (nF)
CC0 CCH CH0 1 MVA 1,2-14 1,2-17 3,1-16 2 MVA 1,2-16 1-18 3-16 5 MVA 1,2-14 1,1-20 5,5-17 10 MVA 4-7 4-11 8-18 25 MVA 2,8-4,2 2,5-18 5,2-20 50 MVA 4-6,8 3,4-11 3-24 75 MVA 3,5-7 5,5-13 2,8-13
4.2.3. Mô hình đƣờng dây tải điện
Mô h nh đường dây không phụ thuộc tần số:
i- Mô hình hình PI (π) ii- Mô hình Bergeron iii-Mô hình Taku Noda
Mô hình đường dây phụ thuộc tần số:
iv-Mô hình Semlyen v- Mô hình J Marti
Các mô hình đường dây này có sẵn trong thư viện của phần mềm phân tích quá độ điện từ ATP/EMTP. Việc lựa chọn mô hình nào trong số các mô hình đường dây kể trên cho nghiên cứu phụ thuộc vào chiều dài đường dây, loại đường dây (trên không hay cáp ngầm) và cấp điện áp sử dụng. Đường dây sử dụng trong các WF thường chỉ có hai cấp điện áp cơ bản, đó là đường dây hạ áp và đường dây trung áp.
a. Đường dây hạ áp
Đường dây hạ áp tại các WF thường có chiều dài rất ngắn (chỉ từ vài mét đến trên 100m), nó được dùng để nối điện giữa MPĐ và MBA của một WT trong WF. Do đó trong mô phỏng nghiên cứu, đường dây hạ áp này được thay thế bằng mô hình mạch thông số hình π [62][63][75].
97
b. Đường dây trung áp
Đường dây trung áp dùng để kết nối MBA của các WT trong WF với nhau sau đó kết nối với lưới điện truyền tải. Tại các dự án điện gió ở Việt Nam, đường dây trung áp thường có cấp điện áp 22kV. Các đường dây này có thể sử dụng mô hình sau:
- Đường dây trên không sử dụng mô hình J Marti [62][63][75].
- Đường cáp sử dụng mô hình Bergeron.
4.2.4. Mô hình hệ thống nối đất
Trong WF, thông thường mỗi WT có một hệ thống nối đất chống sét. Ngoài ra, có thể sử dụng thêm hệ thống thanh nối kết nối hệ thống nối đất của các WT với nhau tạo thành một hệ thống nối đất chung cho toàn bộ WF.
a. Mô hình hệ thống nối đất của mỗi WT
Trong thiết kế nối đất chống sét cho các công trình, trong đó có WT thường phải tính toán đảm bảo một trị số điện trở nối đất yêu cầu nào đó theo quy định (ở tần số thấp). Một cách gần đúng có thể mô hình toàn bộ hệ thống nối đất của WT bằng một điện trở không đổi R0.
b. Mô h nh thanh ngang liên kết hệ thống nối đất của các WT trong WF
Hình 4.3. Sơ đồ thay thế của điện cực nối đất chôn nằm ngang
Để tăng hiệu quả của nối đất trong WF, người ta sử dụng điện cực chôn nằm ngang (thanh ngang) để kết nối hệ thống nối đất của các WT với nhau tạo thành một hệ thống nối đất chung của toàn WF. Khi thực hiện như vậy, trị số điện trở nối đất sẽ giảm đáng kể, đồng thời giúp giảm điện áp tiếp xúc và điện áp bước nhằm đảm bảo an toàn cho con người tham gia vận hành WF. Do các WT trong WF thường cách xa nhau từ 200-300m, nên thanh ngang cũng có chiều dài tương ứng. Mô hình thanh ngang trong nghiên cứu được mô hình bằng mạch điện tương đương hình π với các thông số phân tán trên mỗi đoạn dài i được trình bày trên hình 4.3 [75].
Ri Li
Gi/2 Ci/2 Ci/2
Gi/2
98
Các thông số trên mỗi đoạn dài được xác định theo công thức dưới đây:
- Điện trở của điện cực đoạn thứ i:
2 2 2 2 2 2 2 1 2 ln 1 ln 2 2 i i i i i i i i i h h a a a a a h R (4.2)
- Điện cảm của điện cực đoạn thứ i:
ln 2 1 2 0 a Li i i (4.3)
- Điện dung của đoạn điện cực thứ i so với đất xác định theo phương pháp ảnh:
Ci = Ci(a) + Ci(2h-a) (4.4) Với: 2 2 2 1 ln 2 ) ( i i i i i i a a a a a C (4.5)
- Điện dẫn của đoạn điện cực thứ i:
i i
C
G (4.6)
Các thành phần cấu thành trong các công thức từ (4.2) đến (4.6): ρ - điện trở suất của đất;
a - đường kính điện cực;
h - độ chôn sâu điện cực trong đất; ℓi - chiều dài của điện cực đoạn thứ i; ε - hằng số điện môi.
4.3. LỰA CHỌN TRANG TRẠI GIÓ VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH CHO NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT LAN TRUYỀN MÔ HÌNH CHO NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT LAN TRUYỀN
4.3.1. Lựa chọn trang trại gió
Đối tượng nghiên cứu ở đây được lựa chọn làm đại diện cho các dự án điện gió Việt Nam là WF tại tỉnh Ninh Thuận. WF này gồm 10WT (được đánh số từ 1 đến 10) chia thành hai hàng giống nhau, mỗi hàng 5WT như trên hình 4.4. Khoảng cách giữa hai hàng là 550m và khoảng cách giữa hai WT kề nhau trong một hàng là 217m. Mỗi WT có công suất 2MW, chiều cao cột trụ 67m và chiều dài cánh 39m. MBA WT 0,69/22 kV đặt trong thùng trên cột trụ. WF kết nối với lưới truyền tải 110kV qua đường dây trên không 22kV dài 15km. Để kết nối phía trung áp 22kV các MBA của mỗi WT trong WF với nhau, người ta sử dụng cáp ngầm trung áp.
99
Hình 4.4. Mô hình WF tỉnh Ninh Thuận
Sơ đồ chi tiết của WF Ninh Thuận mô phỏng trong EMTP được trình bày trên hình 4.5 cho trường hợp sét đánh vào WT1. Trong đó:
- Hệ thống điện quốc gia được coi là một nguồn áp.
- Máy biến áp trung gian 110/22kV (nối WF với hệ thống điện quốc gia) và máy biến áp tăng áp 0,69/22kV tại mỗi WT (nối máy phát điện với lưới điện 22kV) được khai báo theo mô hình máy biến áp tần số cao (trong đó kể đến các điện dung: giữa cuộn cao với cuộn hạ CCH, giữa cuộn cao với đất CC0 và giữa cuộn hạ với đất CH0).
- Tại phía cao áp (22kV) và hạ áp (0,69kV) của máy biến áp tăng áp các WT đều được lắp đặt chống sét van phù hợp. Các chống sét van được mô hình bằng điện trở phi tuyến.
- Đường dây trên không 22kV nối WF với lưới hệ thống được khai báo theo mô hình J-Marti.
- Đường dây cáp ngầm nối phía thứ cấp máy biến áp tăng áp của mỗi WT với đường dây trên không cùng cấp điện áp 22kV được khai báo theo mô hình Bergeron.
- Đường cáp 0,69kV nối máy phát điện với máy biến áp tăng áp của mỗi WT được khai báo theo mô hình hình PI.
100
- Nguồn điện sét gồm nguồn dòng lý tưởng i(t) mắc song song với tổng trở kênh sét Zs đánh vào cánh WT bất kỳ.
- Trên đường dẫn dòng điện sét từ cánh của mỗi WT qua vành trượt - chổi than, cột trụ thép xuống hệ thống nối đất được khai báo lần lượt bằng tổng trở sóng. Riêng vành trượt - chổi than và hệ thống nối đất của WT được mô hình bằng điện trở có trị số không đổi.
Các thông số trong mô hình các phần tử được khai báo báo trong phần mềm ATP/EMTP xem chi tiết tại mục 4.3.2.
Hình 4.5. Mô hình mô phỏng của WF tỉnh Ninh Thuận trong EMTP
101
4.3.2. Kết quả tính toán các thông số mô hình cho nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong WF đã lựa chọn trong WF đã lựa chọn
Mô hình các phần tử và kết quả tính toán thông số mô hình nhập dữ liệu mô phỏng trong phần mềm ATP/EMTP được tổng hợp ở bảng 4.2.
Bảng 4.2. Lựa chọn mô hình và kết quả tính toán các thông số mô hình các phần tử
TT Phần tử
Mô hình sử dụng và thông số mô hình nhập trong ATP/EMTP
Mô hình sử dụng Thông số mô hình 1 Nguồn phóng điện sét Heidler 30kA (1,2/50μs)
Zs = 400Ω 2 Cánh WT (dài 39m, đường dẫn
đặt trong cánh tiết diện 25mm2
)
Tổng trở sóng Zb và tốc độ truyền sóng v
Zb = 662Ω v = 3.108m/s 3 Vành trượt - Chổi than Điện trở Ri Ri ≈ 0Ω 4
Cột trụ WT (thép cao 67m; đường kính đỉnh, giữa và chân lần lượt là: 2,5m; 3,4m và 4,3m)
Tổng trở sóng Zt và tốc độ truyền sóng v
Zt = 198Ω v = 3.108m/s 5 MBAWT (2MVA-0,69/22kV) Mô hình tần số cao CCH, CH0 và CC0 6 MBAWF (25MVA-22/110kV) Mô hình tần số cao CCH, CH0 và CC0 7 Cáp 0,69kV (nối MPĐ với MBA
WT, dài 10m) Mô hình hình PI Bảng 4.3
8
Cáp 22kV (kết nối phía trung áp các MBA WT với nhau trong WF, dài 300m)
Mô hình Bergeron Bảng 4.4
9 Đường dây không 22kV (kết nối
WF với lưới hệ thống, dài 15km) Mô hình J-Marti Bảng 4.5 10 Chống sét van lắp đặt phía
0,69kV và 22kV của MBA WT
Điện trở phi tuyến (MO) không khe hở
Có đặc tính V-A như trên hình 4.6 và 4.7 11 Hệ thống nối đất của mỗi WT Điện trở không đổi 1, 2, 5 và 10Ω 12 Hệ thống thanh nối chung giữa
các WT trong WF
Thông số rải trên mỗi đoạn dài 10m
Ri= 21,34Ω, Li=0,013mH, Ci = 0,0019μF, Gi = 5,32S Các thông số đề cập trong bảng 4.2 xác định như sau:
- Tổng trở sóng của cánh WT Zb = 662Ω đã đề cập trong mục 3.3 của chương 3.
- Tổng trở cột trụ Zt: Từ chiều cao cột trụ Ht = 67m và rt = 3,5m, áp dụng công thức (4.1) xác định được Zt = 198Ω.
- Thông số đường dây hạ áp và trung áp của WF khai báo như trong bảng 4.3 đến 4.5.
102
Bảng 4.3. Thông số mô hình cáp hạ áp 0,69kV trong ATP/EMTP
Bảng 4.4. Thông số mô hình cáp ngầm trung áp 22kV trong ATP/EMTP
Bảng 4.5. Thông số mô hình đường dây không trung áp 22kV trong ATP/EMTP
Hình 4.6. Đặc tính V-A của CSV hạ áp (0,69kV)
103
Hình 4.7. Đặc tính V-A của CSV trung áp (22kV)
- Điện trở Ri, điện cảm Li, điện dung Ci và điện dẫn Gi trên mỗi đoạn dài 10m của thanh dẫn nối đất chung các WT kề nhau cùng một số thông số khác đề cập trong bảng 4.2 nhập trong phần mềm ATP/EMTP cho mô phỏng nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong WF được tính toán xác định (hoặc lựa chọn) tương tự theo các thông số kể trên.
4.4. PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT LAN TRUYỀN TRONG TRANG TRẠI GIÓ ĐÃ LỰA CHỌN TRẠI GIÓ ĐÃ LỰA CHỌN
4.4.1. Khi sét đánh vào một WT bất kỳ trong WF
Vì WF Ninh Thuận có 2 hàng WT đối xứng, mỗi hàng có 5WT, vì thế khi thực hiện các mô phỏng dưới đây tác giả chỉ xem xét QĐA sét lan truyền trong hàng thứ nhất (gồm WT1 đến WT5), còn hàng thứ 2 (WT6 đến WT10) là hoàn toàn tương tự. Mô phỏng đầu tiên với giả thiết sét đánh vào cánh WT1, dòng điện sét có dạng sóng 30kA (1,2/50μs) truyền qua vật dẫn trong cánh, vành trượt - chổi than, cột trụ rồi tản xuống hệ thống nối đất. Do dòng sét lớn nên một phần dòng điện sét sẽ “xông ngược” (back-flow) từ hệ thống nối đất lên lưới điện qua các CSV và các điện dung ký sinh giữa các cuộn dây của MBA so với đất gây ra QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF. Khi điện trở nối đất của WT có trị số 5Ω, kết quả mô phỏng cho dạng sóng QĐA (pha A) phía cao áp và hạ áp của MBA WT1 đến WT5 lần lượt được trình bày trên hình 4.8 và 4.9.
Kết quả mô phỏng trên hình 4.9 cho thấy, biên độ QĐA tại phía hạ áp MBA WT1 lớn nhất khoảng 35kV, vì vậy nếu các thiết bị kết nối với phía hạ áp của MBA
104
không được bảo vệ hợp lý thì với điện áp này có thể dẫn đến phóng điện gây nguy hiểm. QĐA sét lan truyền sang phía hạ áp của MBA WT khác có biên độ thấp hơn nhiều lần so với phía hạ áp của MBA WT1. Biên độ QĐA giảm dần từ 3kV đối với WT2 (gần WT1 nhất) đến 1kV đối với WT5 (xa WT1 nhất).
Hình 4.8. Sóng QĐA (pha A) phía cao áp của các MBA WT1 đến WT5
Hình 4.9. Sóng QĐA (pha A) phía hạ áp của các máy biến áp WT1 đến WT5
Các mô phỏng tiếp theo dưới đây, tác giả sẽ xem xét sự ảnh hưởng của các yếu tố sau đây đến QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF:
- Thời gian đầu sóng của dòng điện sét - Hệ thống nối đất
- Vị trí sét đánh các WT khác nhau trong WF
a. Ảnh hưởng của thời gian đầu sóng dòng điện sét
Dưới đây, tác giả sẽ mô phỏng xem xét sự ảnh hưởng của ba giá trị thời gian đầu sóng là 1,2μs, 5μs và 10μs đến QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF (khi sử dụng hình thức nối đất độc lập, điện trở nối đất tại mỗi WT là 5Ω).
105
Kết quả mô phỏng cho dạng sóng QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF tại pha A phía cao áp (Hình 4.10) và phía hạ áp (Hình 4.11) của MBA WT1 khi sét đánh vào WT1 với dòng sét có biên độ 30kA theo ba thời gian đầu sóng khác nhau 1,2μs, 5μs và 10μs.
Hình 4.10. Sóng QĐA phía cao áp của MBA WT1 theo ba giá trị thời gian đầu sóng dòng điện sét: 1,2μs, 5μs và 10μs (cùng biên độ 30kA)
Hình 4.11. Sóng QĐA phía hạ áp của MBA WT1 theo ba giá trị thời gian đầu sóng dòng điện sét: 1,2μs, 5μs và 10μs (cùng biên độ 30kA)
Kết quả mô phỏng cho ta thấy, thời gian đầu sóng của dòng điện sét càng nhỏ thì điện áp phía cao áp và hạ áp của MBA WT1 càng cao và ngược lại. Khi thời gian đầu sóng nhỏ, ta nhận thấy quá điện áp dao động rất mạnh trước khi tắt hẳn. Sự dao động này là do thời gian đầu sóng tương đương với khoảng thời gian truyền sóng giữa giữa các WT (217m), vì vậy sóng phản xạ từ các WT lân cận xếp chồng với đỉnh của dòng điện sét gây ra các dao động này. Khi thời gian đầu sóng lớn, sự cộng hưởng do xếp chồng này là không đáng kể nên làm giảm mạnh trị số quá điện áp lan truyền. Như
106
vậy, số liệu thống kê về thời gian đầu sóng của dòng điện sét tại nơi xây dựng WF rất quan trọng trong việc quyết định khoảng cách cần thiết giữa các WT để hạn chế quá điện áp do sét.
b. Ảnh hưởng của hệ thống nối đất
Trong mô phỏng này, tác giả sẽ xem xét sự ảnh hưởng của hình thức nối đất độc lập và hình thức nối đất chung của các WT đến QĐA lan truyền trong WF.
Hình thức nối đất độc lập:
Mô phỏng được thực hiện với các giả thiết:
- Mỗi WT trong WF có một hệ thống nối đất độc lập với trị số điện trở khác nhau