CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG NGẮN MẠCH LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI
4.2 CƠ SỞ XEM XÉT HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI DC
Truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC) có nhiều thuận lợi hơn truyền tải điện xoay chiều trong một số trường hợp đặc biệt. Áp dụng thương mại đầu tiên của truyền tải điện một chiều là đường dây nối liền giữa đất liền của Thụy Điển và đảo Gotland vào năm 1954.
Một số hạn chế đối với truyền tải bằng nguồn AC, các ưu việt của hệ thống DC và mức độ ứng dụng truyền tải DC trên thế giới như: Truyền tải AC sẽ tuân theo biểu thức truyền sóng của MAXWELL. Mạch tương đương là hình PI. Ở lưới điện truyền tải thì trở kháng X lớn hơn rất nhiều so với điện trở. Điều này làm giảm khả năng truyền tải công suất.
Hình 4.2.1. Mô tả truyền sóng của MAXWELL 3 1 2
V V sin
P X , Trong đó, X = x.L
3 2
max V
P X
Giới hạn truyền tải công suất AC ngoài việc giới hạn ổn định (công suất, điện áp) còn kể đến việc ổn định nhiệt.
V2 V1
I, P JX
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG Nghiên cứu và đề xuất giải pháp hạn chế dòng ngắn NGẮN MẠCH LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI mạch cho lưới điện truyền tải Miền Nam.
HVCH: LÝ PHÚC LẠC Trang 19 CBHD: P.GS – TS. VÕ NGỌC ĐIỀU
Hình 4.2.2. Giới hạn chiều dài ổn định nhiệt
Vấn đề chuyển từ đường dây trên không sang truyền tải bằng cáp ngầm thì:
Lõi là đồng hay nhôm; Vỏ bọc phải là bằng chì để kiểm soát trường điện của cáp dễ hơn, tránh điện áp chọc thủng cáp ngầm. Điều này làm cho bản thân cáp giống như tụ điện bù ngang. Tạo ra điện dung ký sinh lớn đồng nghĩa với việc làm tăng điện áp cuối đường cáp.
Hình 4.2.3. Sử dụng vỏ bọc bằng chì để kiểm soát trường điện cáp ngầm
Ngoài ra, Đối với các đường dây đi trong khu vực trung tâm thành phố thì vấn đề về môi trường, cảnh quan, diện tích đất hạn chế và an toàn cho con người, sẽ không cho phép xây dựng các đường dây trên không mà phải sử dụng cáp ngầm. Do vậy, cáp ngầm truyền tải AC sẽ đặt ra nhiều vấn đề như: tổn hao do dung dẫn ký sinh quá lớn, tổn hao khi phải sử dụng thiết bị bù như kháng bù ngang để hạn chế điện áp
Như vậy, 1 phần dòng điện chia sẻ qua điện dung của tụ, và có thể phần lớn công suất cần cung cấp cho tải lại bị tổn thất trên điện dung ký sinh
Hình 4.2.4. Ảnh hưởng tụ kí sinh đối với cáp ngầm
L Stability limit
0C limit
200km Pmax
V1 JX
I
Load
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG Nghiên cứu và đề xuất giải pháp hạn chế dòng ngắn NGẮN MẠCH LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI mạch cho lưới điện truyền tải Miền Nam.
HVCH: LÝ PHÚC LẠC Trang 20 CBHD: P.GS – TS. VÕ NGỌC ĐIỀU
Ngoài ra, nếu muốn truyền tải đi xa thì phải đẩy điện áp lên cao, tuy nhiên với điện áp cao thì cũng gây hạn chế trong khoảng cách truyền tải. đặc biệt với cáp ngầm thì giới hạn đến 70km do điện dung tụ xuống đến 200nF/km ở cấp điện áp 220kV
Hình 4.2.5. Giới hạn chiều dài khi truyền tải với cáp ngầm
Hệ thống AC không thể liên kết các hệ thống lại với nhau khi có nhiều hệ thống vận hành ở tần số riêng.
Hình 4.2.6. Truyền tải DC
Nếu muốn truyền tải dòng điện một chiều, thì giữa đường dây phải chèn điện kháng để lọc dòng điện DC. Linh kiện sử dụng là Thyristor, cầu 6 linh kiện. Với điện áp lớn hơn 300kV thì cần sử dụng nhiều linh kiện mắc nối tiếp để chịu được điện áp này, hiện nay điện áp lớn nhất của mỗi linh kiện chỉ ở mức 7200V. Truyền tải DC có thể thực hiện giải pháp sử dụng nguồn phát AC được mắc nối tiếp với cuộn dây để chuyển nguồn áp thành nguồn dòng trước khi chỉnh lưu AC/DC. Cách này thì người ta sử dụng linh kiện IGBT. Như vậy dòng điều khiển dòng IGBT nhanh hơn nhiều so với Thyristor. Họa tần ít hơn nên dễ dàng lọc hơn. Vấn đề ở đây là sử dụng IGBT không tiêu thụ công suất phản kháng.
L P/PN
->70km
AC
DC
DC
AC
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG Nghiên cứu và đề xuất giải pháp hạn chế dòng ngắn NGẮN MẠCH LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI mạch cho lưới điện truyền tải Miền Nam.
HVCH: LÝ PHÚC LẠC Trang 21 CBHD: P.GS – TS. VÕ NGỌC ĐIỀU
4.2.1 XEM XÉT THỰC TẾ
Trạm Tao Đàn là trạm nằm trong Trung tâm TPHCM, được đầu tư công nghệ GIS với 02 đường dây cáp ngầm 220kV về trạm Nhà Bè. Chính vì lý do điện áp tại đầu trạm Tao Đàn quá cao mà 02 đường dây này đấu vào riêng 1 thanh cái 220kV Nhà Bè.
Do vậy đã làm mất tính linh hoạt khi 02 thanh cái 220kV trạm Nhà Bè không thể vận hành song song.
Hình 4.2.7. Truyền tải DC bằng sơ đồ nguồn dòng
Với sơ đồ nguồn áp sử dụng những năm 80, hiện nay hầu hết chuyển sang sơ đồ nguồn dòng. Mức chịu áp ngược của IGBT chỉ với 3200V, như vậy ta cần nối tiếp nhiều IGBT để tăng áp. Thế hệ đầu sử dụng dạng single level (đơn bậc) nhưng sau đó chuyển sang muintilevel (đa bậc) sẽ giảm được họa tần.
Tốc độ phát triển của ứng dụng HVDC trên thế giới nở rộ từ năm 1999 và đang tăng tại các nước tiên tiến trên thế giới.
Đối với vấn đề giảm thời gian tồn tại dòng ngắn mạch thì hệ thống DC có thể thực hiện tốt hơn rất nhiều so với AC. Đối với hệ thống AC, dòng điện ngắn mạch do nguồn cung cấp sẽ được loại trừ phụ thuộc vào rơle bảo vệ và thời gian cắt của máy cắt liên quan. Nếu hệ thống rơle bảo vệ hoạt động tin cậy trong trường hợp này thì dòng ngắn mạch tồn tại ít nhất là 50ms (nếu thời gian tác động của rơle bảo vệ là 0s, thời gian hoạt động máy cắt khoảng 45ms, thời gian trễ các rơle trung gian khoảng 5ms). Nếu chuyển đổi từ AC sang DC, khi xảy ra ngắn mạch và rơle hoạt động tin cậy thì dòng ngắn mạch tồn tại chỉ tớnh bằng às (do tần số đúng ngắt linh kiện lờn đến vài chục kHz)
AC
DC
IN1 IN2
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG Nghiên cứu và đề xuất giải pháp hạn chế dòng ngắn NGẮN MẠCH LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI mạch cho lưới điện truyền tải Miền Nam.
HVCH: LÝ PHÚC LẠC Trang 22 CBHD: P.GS – TS. VÕ NGỌC ĐIỀU
0 1
Hình 4.2.8. Thời gian cắt ngắn mạch tương quan giữa AC và DC
Như vậy dòng ngắn mạch khi có lưới DC sẽ có thời gian tồn tại nhỏ hơn so với lưới AC. Vấn đề cắt trên bộ biến đổi mà không phải thông qua máy cắt nên không phát sinh hồ quang, giảm thiểu nguy cơ cháy nổ.
Về truyền tải thì hành lang an toàn đối với truyền tải DC sẽ giảm đi đáng kể, chi phí đầu tư trụ, sứ….. cũng giảm đi đáng kể.
Hình 4.2.9. Hành lang an toàn giữa truyền tải AC và DC
Hình 4.2.10. So sánh chi phí giữa truyền tải AC và DC
AC
DC
DC
AC Control sẽ đk cắt
IN1
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG Nghiên cứu và đề xuất giải pháp hạn chế dòng ngắn NGẮN MẠCH LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI mạch cho lưới điện truyền tải Miền Nam.
HVCH: LÝ PHÚC LẠC Trang 23 CBHD: P.GS – TS. VÕ NGỌC ĐIỀU
Đối với đường dây truyền tải 1 chiều thì giới hạn duy nhất chỉ về nhiệt.
Ngoài ra, truyền tải DC còn có một số nhược điểm như sau:
- Khó khăn về các bộ biến đổi:
- Sẽ không hợp lý nếu cần nhận điện tại nhiều vị trí trung gian dọc đường dây truyền tải DC, vì phải đầu tư bộ biến đổi và trạm biến áp để nghịch lưu DC/AC và đưa điện áp về hạ áp cấp cho hộ tiêu thụ.