3. CHƢƠNG III: CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH
3.2 Cơ sở lý thuyết và phƣơng pháp nghiên cứu
3.2.1 Cơ sở lý thuyết
Trong mọi trƣờng hợp, dòng điện ngắn mạch đƣợc tính toán trên thƣơng số giữa sức điện động đẳng trị và trở kháng tƣơng đƣơng đến điểm ngắn mạch:
tđ đt N X E I
Nhƣ vậy có thể dễ dàng thấy rằng dòng điện ngắn mạch sẽ có thể đƣợc hạn chế khi tăng trở kháng tƣơng đƣơng.
Trở kháng có thể đƣợc tăng thêm bằng cách đặt các kháng điện nối tiếp (tại đầu cực máy phát, tại các vị trí thích hợp trong trạm biến áp: xuất tuyến đƣờng dây, ngăn lộ tổng máy biến áp, phân đoạn thanh cái...) hoặc tác động tớicácphần tử trong hệ thống điện:
- Tăng trở kháng máy phát.
- Tăng trở kháng máy biến áp tăng áp.
- Tăng trở kháng máy biến áp truyền tải, phân phối
- Tách lƣới (trở kháng giữa hai mảng lƣới tăng lên đến vô cùng).
Có thể dễ dàng thấy rằng các giải pháp trên đều có chung một nhƣợc điểm là luôn tạo ra lƣợng trở kháng gia tăng trong cả trƣờng hợp vận hành bình thƣờng. Đây là tác dụng phụ tiêu cực bởi nó đồng nghĩa với việc sẽ sinh ra một lƣợng tổn thất công suất, tổn thất điện áp do năng lƣợng tiêu hao trên trở kháng tăng thêm. Trị số của lƣợng tổn thất này nhiều hay ít phụ thuộc vào kết cấu lƣới điện cũng nhƣ giải pháp áp dụng.
Sẽ là lý tƣởng khi sử dụng thiết bị không hoạt động trong chế độ vận hành bình thƣờng mà chỉ kích hoạt để tăng điện kháng trong chế độ sự cố để hạn chế dòng ngắn mạch.
- 29/121 -
Đối với các dạng ngắn mạch không đối xứng, điện kháng thứ tự không có thể đƣợc tăng lên (để hạn chế dòng điện ngắn mạch 1 pha) khi:
- Nối đất trung tính của máy biến áp (có trung tính nối đất trực tiếp) qua một điện trở nhỏ.
- Một số máy biến áp có điều kiện phù hợp (thông thƣờng có điện áp định mức nhỏ hơn 110kV) có thể chuyển sang làm việc với trung tính cách điện. Trong trƣờng hợp này trung tính của máy biến áp phải đƣợc bảo vệ bằng bộ chống sét thích ứng Tuy nhiên, giải pháp này không thể áp dụng đối với .
các máy biến áp truyền tải có cấp điện áp trên 110kV do điểm trung tính của các máy biến áp này buộc phải làm việc ở chế độ nối đất trực tiếp.
3.2.2 Trình tự tính toán kiểm tra dòng điện ngắn mạch
Trên cơ sở lý thuyết tính toán dòng điện ngắn mạch đã đƣợc trình bày sơ qua ở trên, ta đƣa ra trình tự thực hiện và các yếu tố tham chiếu trong tính toán xử lý dòng điện ngắn mạch tăng cao trong hệ thống điện nhƣ sau:
- 30/121 -
Hình 3-2 Trình tự tính toán kiểm tra dòng điện ngắn mạch 3.3 Các giải pháp đã đƣợc áp dụng và ƣu nhƣợc điểm.,
Sự phát triển của nguồn điện và tăng cƣờng liên kết lƣới điện dẫn tới kết quả tất yếu là dòng điện ngắn mạch tăng cao. Tuy nhiên, khả năng cắt ngắn mạch của thiết bị ở mỗi cấp điện áp chỉ ở một giới hạn nhất định nên trong vận
Tính toán ngắn mạch toàn hệ thống Xác định các nút vi phạm (1) Giải pháp xử lý Tính toán ngắn mạch theo danh sách (1) Kết thúc Inm (1) Inm (3) Thông số thiết bị Quy phạm kỹ thuật Theo cấp điện áp Theo vùng địa lý Ràng buộc kỹ thuật Ràng buộc kinh tế
Ràng buộc thời gian
Thông số thiết bị Quy phạm kỹ thuật Inm (1) Inm (3) Đánh giá tình trạng dòng ngắn mạch Đánh giá tình trạng dòng ngắn mạch Đạt Không đạt Không đạt Đạt
- 31/121 -
hành cũng nhƣ quy hoạch hệ thống điện phải xét tới các giải pháp để hạn chế dòng điện ngắn mạch.
Việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch đƣợc tiến hành song song với quá trình phát triển hệ thống điện. Trƣớc đây, hầu hết các nghiên cứu không tập trung theo hƣớng hạn chế dòng ngắn mạch mà chủ yếu dựa trên tiêu chí cô lập sự cố để hạn chế tác hại tới các thiết bị điện. Một số các giải pháp đƣợc áp dụng khá phổ biến nhƣ sử dụng các máy cắt có dòng
cắt ngắn mạch lớn, các máy biến áp có trở kháng cao, cầu chì hạn chế ngắn mạch, kháng điện lõi không khí hay tách lƣới. Các giải pháp này đều có vấn đề bất lợi tồn tại: Nâng cấp thiết bị đóng cắt đòi hỏi chi phí đầu tƣ lớn, máy biến áp trở kháng cao gây tổn thất lớn, cầu chì chỉ áp dụng cho dòng ngắn mạch nhỏ và phải thay thế bằng tay. Kháng điện gây điện áp rơi, tổn thất công suất cả trong chế độ vận hành bình thƣờng lẫn sự cố và thƣờng cần phải lắp đặt thêm tụ điện để bù vô công. Tách lƣới vừa gây tăng chi phí (do tăng tổn thất) vừa làm giảm độ tin cậy và linh hoạt cung cấp điện.
Về cơ bản, thiết bị hạn chế dòng điện ngắn mạch cần có các đặc điểm sau đây:
- Đáp ứng nhanh,
- Không tác động trong chế độ vận hành bình thƣờng,
- Có khả năng hạn chế dòng sự cố,
- Tuổi thọ thiết bị cao,
- Có khả năng tự phục hồi,
- Tỷ số lợi nhuận/chi phí lớn.
Tuy nhiên, việc đáp ứng đồng thời các tiêu chí nêu trên là vấn đề không hề dễ dàng đối với các nhà sản xuất thiết bị.
- 32/121 -
Để hiểu rõ hơn về từng thiết bị hạn chế dòng điện ngắn mạch hiện đang đƣợc áp dụng trong hệ thống điện, ta sẽ phân tích kỹ hơn đối với từng thiết bị đó trong phần tiếp theo.
Ƣu nhƣợc điểm của các biện pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch truyền thống tóm tắt trong bảng sau:
Bảng 3-1: Ƣu nhƣợc điểm của các giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch
Giải pháp/thiết bị Ƣu điểm Nhƣợc điểm
Máy biến áp trở
kháng cao
Ứng dụng rộng
rãi
Hiệu quả hệ thống giảm do làm tăng tổn thất trong mọi chế độ.
Cầu chì Đơn giản Tác động thƣờng xuyên.
Phải thay thế bằng tay.
Kháng điện lõi
không khí Tiện dụng
Gây ra điện áp rơi.
Gây tổn thất công suất trong chế độ vận hành bình thƣờng.
Thay đổi cấu hình lƣới điện
Thích hợp đối với những khu vực có lƣới điện phát triển nhanh.
Giảm độ tin cậy hệ thống. Giảmlinh hoạt trong vận hành. Tăng chi phí (cho máy cắt thƣờng mở).
Qua phân tích trên, ta có thể chia các biện pháp hạn chế dòng ngắn mạch thành 2 nhóm: Tiêu cực và Tích cực.
- Nhóm biện pháp tiêu cực: Làm tăng tổng trở hệ thống ở cả chế độ vận hành bình thƣờng và chế độ sự cố.
- Nhóm biện pháp tích cực: Tổng trở rất nhỏ trong chế độ vận hành bình thƣờng và tăng nhanh trong chế độ sự cố.
- 33/121 -
Hình 3- 3:Phân loại các giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch
Vấn đề dòng ngắn mạch tăng cao có các giải pháp xử lý truyền thống nhƣ nâng cấp (nâng mức dòng cắt định mức) thiết bị đóng cắt và các thiết bị liên quan khác, thay đổi cấu hình lƣới điện hoặc sử dụng cấp điện áp cao hơn. Các giải pháp tối ƣu hơn để thay thế cho các lựa chọn truyền thống nêu trên là sử dụng các thiết bị hạn chế dòng sự cố (Fault current Limiter – FCL) hoặc kháng hạn chế dòng điện (Current limiting Reactor – CLR).
Với FCL thì công dụng rất lớn là hạn chế dòng sự cố và cho phép thiết bị làm việc trong tất cả các chế độ vận hành, kể cả vận hành bình thƣờng và sự cố. Tại Cộng hòa liên bang Đức, việc ứng dụng FCL siêu dẫn bắt đầu thực hiện từ năm 2004 ở cấp điện áp 10kV. Qua thực tế vận hành thì dòng điện ngắn
B iệ n ph áp ti êu c ực B iệ n ph áp tí ch c ực Tách lƣới. Tách thanh cái.
Sử dụng cấp điện áp cao hơn.
Máy biến áp có tổng trở ngắn mạch cao. Kháng điện hạn chế dòng ngắn mạch.
Cầu chì cao áp (<1kA, <36kV).
Thiết bị hạn chế Is (<4kA, <36kV).
Các tiếp cận mới:
Thiết bị hạn chế dòng ngắn mạchsiêu dẫn. (Superconducting fault current limiter-SCFCL).
Điện trở nhiệt hệ số tích cực (Positive Temperature Coefficient Resistors PTC resistors). –
Thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (Liquid metal
FCL).
Thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (Solid state FCL). Các hệ thống ghép (Hybrid FCL). G iả i p há p th ay đ ổi cấ u hì nh G iả i p há p th ay th ế, s ử dụ ng t hi ết b ị
- 34/121 -
mạch đã đƣợc hạn chế từ 14kA xuống còn 8kA. Tại Nhật Bản, FCL đƣợc áp dụng đầu tiên tại Công ty Điện lực Tohoku từ năm 1998.
Kháng hạn chế dòng điện CLR đƣợc áp dụng rộng rãi tại Brazil. Mặc dù có những tồn tại nhất định nhƣng giải pháp này vẫn còn kinh tế hơn so với việc phải thay thế thiết bị. Nhƣợc điểm lớn nhất của CLR là điện áp phục hồi quá độ (TRV) tăng cao trên cực máy cắt trong quá trình sự cố.
Ta sẽ lần lƣợt phân tích từng giải pháp áp dụng hạn chế dòng điện ngắn mạch trong hệ thống điện.
3.3.1 Nâng cấp thiết bị
Giải pháp tự nhiên nhất để hạn chế các thiệt hại gây ra bởi dòng điện ngắn mạch là nâng cấp các thiết bị (chủ yếu là máy cắt) sao cho dòng sự cố nếu xảy ra sẽ nhỏ hơn dòng cắt cho phép của thiết bị mới đƣợc thay thế. Đây không phải là giải pháp để hạn chế dòng điện ngắn mạch mà là biện pháp để “sống chung” với dòng ngắn mạch lớn. Trong trƣờng hợp này, tính linh hoạt trong vận hành hệ thống đƣợc đảm bảo do tất cả các thiết bị trên lƣới điện đều có thể vận hành trong các chế độ.
Đối với giải pháp này ngoài yếu tố về chi phí cao khi sử dụng các thiết bị có
dòng cắt định mức lớn còn phải xem xét các yếu tố kỹ thuật liên quan khác. Đối với các công trình xây dựng mới thì các vấn đề phát sinh không ảnh hƣởng đáng kể nhƣng đối với các trạm đang vận hành thì việc thay thế thiết bị toàn trạm là rất khó khăn và phức tạp.
Khi thay thế thiết bị mới có thể sẽ phải thay đổi cả thiết kế, kết cấu xây dựng, thí nghiệm hiệu chỉnh..., đòi hỏi thời gian thi công kéo dài. Hơn nữa, việc cô lập thiết bị khỏi vận hành để thay thế hoặc đáp ứng các yêu cầu về an toàn
trong thi công sẽ gây gián đoạn cung cấp điện. Đối với các trạm cung cấp điện phục vụ dân sinh thì thiệt hại về kinh tế do việc ngừng cấp điện còn có thể ở mức độ chấp nhận đƣợc nhƣng đối với các phụ tải công nghiệp, đặc biệt
- 35/121 -
là các dây truyền sản xuất công nghệ cao và liên tục thì việc tách thiết bị gây gián đoạn cung cấp điện trong thời gian dài rất khó đƣợc chấp nhận.
Một yếu tố quan trọng khác cần xem xét là dòng điện ngắn mạch có khả năng vƣợt quá dòng cắt cho phép của các máy cắt trên thị trƣờng hay không. Hiện
nay, đối với cấp điện áp 220kV, dòng cắt ngắn mạch của máy cắt thông thƣờng là 31,5kA, 40kA và cá biệt tới 63kA. Tuy nhiên, trên thực tế, nhất là đối với các hệ thống điện lớn thì dòng điện ngắn mạch hoàn toàn có khả năng vƣợt quá trị số này. Nhƣ vậy, giải pháp nâng cấp thiết bị cũng không thể giải quyết vấn đề một cách triệt để. Nó chỉ phát huy tác dụng đối với những hệ thống điện vừa và nhỏ. Trong xu thế liên kết hệ thống điện phát triển mạnh mẽ nhƣ hiện nay đòi hỏi phải có các giải pháp xử lý thích hợp hơn.
3.3.2 Giải pháp thay đổi cấu hình lƣới điện
Trên thực tế, giải pháp thay đổi cấu hình lƣới điện (tách lƣới) là giải pháp đơn giản, ít tốn kém hơn so với phƣơng án nâng cấp các thiết bị đóng cắt Nhƣợc .
điểm của giải pháp này là làm giảm tính linh hoạt trong vận hành hệ thống điện, tăng tổn thất công suất, tổn thất điện năng do có một lƣợng công suất bị cƣỡng bức truyền tải phi tự nhiên.
Đối với các hệ thống điện phát triển nhanh, có dòng điện ngắn mạch vƣợt quá mức cho phép của thiết bị nhƣng chƣa có giải pháp nào để xử lý một cách triệt để và phù hợp thì có thể coi tách lƣới nhƣ một bƣớc trung gian để đảm bảo an toàn vận hành hệ thống điện, tránh nguy cơ hƣ hỏng thiết bị do dòng điện ngắn mạch khi xảy ra sự cố.
- 36/121 -
Hình 3-3 Giải pháp tách thanh cái tại trạm biến áp
Trong hình vẽ (a), máy cắt CB1 đóng, nếu có ngắn mạch xảy ra ở vị trí N1 (hoặc N2) thì dòng ngắn mạch tổng sẽ bao gồm 10 thành phần từ 10 xuất tuyến đƣờng dây. Trong hình vẽ (b), khi máy cắt CB1 mở, nếu có ngắn mạch xảy ra tại N1 thì dòng điện này chỉ có các thành phần từ các xuất tuyến 1, 2, 3, 7, 8 và tƣơng tự đối với điểm N2, dòng ngắn mạch chỉ bao gồm các thành phần từ các xuất tuyến 3, 4, 5, 9, 10. Nhƣ vậy, dòng điện ngắn mạch giảm đi do giảm đƣợc nguồn cung cấp công suất ngắn mạch đến điểm sự cố (trở kháng giữa hai hệ thống thanh cái đƣợc tăng lên đến vô cùng).
3.3.3 Giải pháp sử dụng cấp điện áp cao hơn
Với cùng một quy mô công suất nhƣ nhau, ở cấp điện áp càng cao thì dòng
làm việc bình thƣờng cũng nhƣ dòng điện ngắn mạch càng giảm Vấn đề này .
là quá rõ ràng, tuy nhiên chỉ có ý nghĩa khi thiết kế một hệ thống điện mới. Chính vì vậy mà trong tổng sơ đồ VII đã đƣợc phê duyệt thì các công trình xây dựng mới là những công trình có cấp điện áp cao (có thể lên tới 800kV).
Đối với một hệ thống điện đang vận hành, việc cải tạo, nâng cấp để sử dụng cấp điện áp cao hơn là một vấn đề vô cùng phức tạp do liên quan đến nhiều vấn đề cả về kinh tế và kỹ thuật (trong khi lại có thể áp dụng các biện pháp
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 N1 N2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 N1 N2 CB1 CB1 a b
- 37/121 -
khác hiệu quả hơn trong vấn đề hạn chế dòng điện ngắn mạch). Tính khả thi trong trƣờng hợp này là rất thấp.
3.3.4 Lắp đặt kháng hạn chế dòng ngắn mạch
Lắp đặt kháng hạn chế dòng ngắn mạch thực chất là là giải pháp làm tăng trở kháng của hệ thống, qua đó làm hạn chế dòng điện ngắn mạch khi có sự cố xảy ra. Việc lắp đặt kháng điện để hạn chế dòng điện ngắn mạch ta có thể thực hiện một cách linh hoạt, kháng có thể đƣợc lắp đặt ngay tại đầu cực máy phát hoặc tại vị trí phân đoạn thanh cái hoặc các xuất tuyến đƣờng dây tại các trạm biến áp.
Kháng phân đoạn thanh cái
Việc lắp đặt kháng phân đoạn thanh cái để giảm dòng ngắn mạch có các ƣu điểm:
- Cho phép phân chia tải giữa các máy biến áp tốt hơn.
- Giảm công suất cắt ngắn mạch của thiết bị.
- Dòng ngắn mạch từ các nguồn cấp (máy biến áp, máy phát) đến điểm ngắn mạch sẽ đƣợc hạn chế một cách đáng kể.
Nhƣợc điểm:
- Việc giảm dòng ngắn mạch từ mỗi ngăn riêng rẽ là không đáng kể. - Tăng chi phí đầu tƣ
- 38/121 -
Hình 3-4: Phƣơng thức lắp đặt kháng phân đoạn thanh cái
Kháng nối tiếp tại các ngăn nguồn cấp
Lắp đặt kháng nối tiếp tại các ngăn nguồn cấp (máy phát, máy biến áp) ngoài những ƣu điểm nhƣ trƣờng hợp trên còn có thể hạn chế đƣợc giá trị dòng điện ngắn mạch từ mỗi nguồn cấp riêng rẽ.
Tuy nhiên giải pháp này có nhƣợc điểm lớn là làm tăng cao tổn thất hệ thống.
Hình 3-5: Phƣơng thức lắp đặt kháng nối tiếp tại các ngăn nguồn cấp
Kháng nối tiếp tại các ngăn xuất tuyến
Phƣơng thức lắp đặt kháng nối tiếp tại các ngăn xuất tuyến có khả năng hạn chế tốt dòng ngắn mạch nhƣng đòi hỏi số lƣợng kháng điện sử dụng lớn tức là