1. Khái niệm vềựộ tin cậy cung cấp ựiện
độ tin cậy là xác suất làm việc tốt của một thiết bị trong một chu kỳ, dưới các ựiều kiện vận hành ựã ựược thử nghiệm.
độ tin cậy cung cấp ựiện là khả năng của hệ thống cung cấp ựiện, cung cấp ựiện liên tục và ựảm bảo chất lượng ựiện năng trong mọi thời ựiểm.
Sự ngừng cung cấp ựiện phụ thuộc vào các loại phụ tải ựiện và sẽ gây ra các thiệt hại to lớn về kinh tế. Do ựó, việc nâng cao ựộ tin cậy cung cấp ựiện là nhiệm vụ trọng tâm của hệ thống cung cấp ựiện nhằm ựảm bảo chất lượng ựiện.
2. Các yếu tố liên quan ựến ựộ tin cậy cung cấp ựiện:
- Xác suất tự nhiên của sự cố.
- Chếựộ làm việc thắch hợp (tùy thuộc vào các yêu cầu và tắnh chất của các loại phụ tải).
- Thời gian cung cấp công suất liên tục. - Các ựiều kiện vận hành (có thể khác nhau).
3. độ tin cậy của hệ thống ựiện gồm hai hướng cơ bản:
- đáp ứng hệ thống: Là khả năng làm việc của máy phát, của lưới ựiện trong việc cung cấp ựiện tới khách hàng.
- An ninh hệ thống: Là khả năng ựáp ứng với các nhiễu loạn xảy ra trong chắnh hệ thống ựó. Hiện nay, các kỹ thuật tắnh toán ựộ tin cậy nằm trong phạm vi các
ựáp ứng tĩnh (các nhiễu loạn nhỏ) của hệ thống ựiện.
4. Các chỉ số tin cậy:
- Sự cố hỏng hóc: Là trạng thái của một phần tử hệ thống mà nó không hoạt ựộng như mong muốn, có thể dẫn ựến phải cắt phần tửựó ra khỏi hệ thống.
- Cắt thiết bị: Là trạng thái của thiết bị khi nó không ựược hoạt ựộng vì một số
các lý do liên quan ựến thiết bịựó.
- Cắt cưỡng bức: Là hậu quả do các ựiều kiện khẩn cấp liên quan ựến thiết bị cần phải cắt tức thời hoặc tựựộng như thiết bị bảo vệ rơle, do thao tác ựóng cắt, do tác ựộng sai của thiết bị bảo vệ hay do người vận hành thao tác sai.
+ Cắt theo lịch: Thiết bị ựược ựưa ra khỏi vận hành theo thời gian ựịnh trước, thông thường là khi bảo trì, sửa chữa hoặc xây dựng.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ kỹ thuậtẦẦẦ.. ẦẦẦ 18
+ Cắt cưỡng bức ngắn hạn: Do các sự cố thoáng qua gây ra và có thể vận hành trở lại do thiết bịựược sử chữa hoặc có thiết bị tựựóng lại.
- Ngừng cung cấp ựiện: Mất ựiện một hay nhiều khách hàng. Nguyên nhân là do một hay nhiều thiết bị bị cắt khỏi vận hành.
+ Mất ựiện ựịnh kỳ: Mất ựiện cắt theo lịch. + Mất ựiện cưỡng bức: Do cắt cưỡng bức.
+ Mất ựiện thoáng qua: Mất ựiện có thời gian nhỏ, thiết bị vận hành trở lại tức thời.
+ Mất ựiện duy trì: Thời gian mất ựiện kéo dài và không thuộc các loại mất
ựiện thoáng qua.
5. Mục ựắch của các biện pháp nâng cao ựộ tin cậy cung cấp ựiện:
Giảm số lần mất ựiện và thời gian mất ựiện của hệ thống, ựảm bảo cung cấp ựiện an toàn. liên tục, ựảm bảo chất lượng ựiện năng.
Ở nước ta, từ năm 2010, việc ựánh giá ựộ tin cậy cung cấp ựiện thực hiện theo tiêu chuẩn IEEE -1366 của Mỹ (theo Thông tư 32/TT-BCT ngày 30/7/2010 của Bộ công thương). Các công ty ựiện lực hiện ựang triển khai nghiên cứu, áp dụng tắnh toán cho các lưới ựiện khu vực và chưa ựưa ra một tiêu chuẩn chung vềựộ tin cậy lưới ựiện.
2.2. CÁC YẾU TỐẢNH HƯỞNG đẾN CHẤT LƯỢNG đIỆN NĂNG 2.3.1. Ngắn mạch
2.3.1.1. Khái niệm chung
Ngắn mạch là một loại sự cố xảy ra trong hệ thống ựiện do hiện tượng chạm chập giữa các pha, không thuộc chếựộ làm việc bình thường.
Khi xảy ra ngắn mạch, tổng trở của hệ thống ựiện giảm, làm dòng ựiện tăng lên,
ựiện áp giảm xuống. Nếu không nhanh chóng cô lập ựiểm ngắn mạch thì hệ thống sẽ
chuyển sang chếựộ ngắn mạch duy trì.
- Các dạng ngắn mạch thường gặp và xác suất xảy ra: Bảng 2.2.Các dạng ngắn mạch và xác suất xảy ra[6] Các dạng ngắn mạch thường gặp Ký hiệu Xác suất xảy ra Ngắn mạch 3 pha ( Hình 2.8a) N(3) 2% Ngắn mạch 2 pha ( Hình 2.8b) N(2) 5% Ngắn mạch 1 pha ( Hình 2.8c) N(1) 90% Ngắn mạch 2 pha với ựất ( Hình 2.8d) N(2,1) 3%
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ kỹ thuậtẦẦẦ.. ẦẦẦ 19
Hình 2.8.Các dạng ngắn mạch thường gặp
Hai dạng ngắn mạch c) và d) chỉ tồn tại trong mạng ựiện có dây trung tắnh hoặc có trung tắnh nối ựất. Trong các dạng ngắn mạch trên thì chỉ có ngắn mạch ba pha (dạng a) là ngắn mạch ựối xứng, vì sau khi ngắn mạch, sơựồ và thông số của mạng vẫn ựối xứng. Các dạng ngắn mạch còn lại ựều là ngắn mạch không ựối xứng.
Ngắn mạch ba pha tuy xảy ra ắt nhưng lại ựược quan tâm nhiều nhất, vì ngắn mạch ba pha thường nặng nề nhất, ảnh hưởng nhiều ựến chếựộ hệ thống ựiện. Ngoài ra, còn do ngắn mạch ba pha là loại ngắn mạch ựơn giản nhất (vì có tắnh ựối xứng), là dạng ngắn mạch cơ sở. Tắnh toán các dạng ngắn mạch khác ựều dựa trên cơ sởựưa về tắnh ngắn mạch ba pha.
2.3.1.2. Nguyên nhân và hậu quả của ngắn mạch 1. Nguyên nhân của ngắn mạch
Nguyên nhân chung và chủ yếu của ngắn mạch là do cách ựiện bị hỏng. Lý do cách
ựiện bị hỏng có thể là: bị già cỗi khi làm việc lâu ngày, chịu tác ựộng cơ khắ gây vỡ
nát, bị tác ựộng của nhiệt ựộ phá hủy môi chất, xuất hiện ựiện trường mạnh làm phóng
ựiện chọc thủng cách ựiện...
Những nguyên nhân tác ựộng cơ khắ có thể là do con người (như ựào ựất, thả diềuẦ), do loài vật (rắn bò qua, chim ựậu...) hoặc gió bão làm gẫy cây, ựổ cột, dây dẫn chập nhau...
Sét ựánh gây phóng ựiện là một nguyên nhân ựáng kể gây ra hiện tượng ngắn mạch. Ngắn mạch còn có thể do thao tác nhầm, vắ dụ: ựóng ựiện sau khi sửa chữa quên tháo dây nối ựất....
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ kỹ thuậtẦẦẦ.. ẦẦẦ 20
Hình 2.9.Một số hình ảnh minh họa
2. Hậu quả của ngắn mạch
Ngắn mạch là một loại sự cố nguy hiểm, vì khi ngắn mạch, dòng ựiện ựột ngột tăng lên rất lớn, ựiện áp giảm thấp. Dòng ựiện ngắn mạch có thể gây ra:
- Phát nóng cục bộ rất nhanh, nhiệt ựộ tăng cao, có thể gây cháy nổ.
- Sinh ra lực cơ khắ lớn giữa các phần của thiết bịựiện, làm biến dạng hoặc gây vỡ các bộ phận như sứựỡ, thanh dẫn...
- Gây sụt áp và mất ựối xứng lưới ựiện (ựiện áp giảm 30 Ờ 40% trong vòng một giây) làm ựộng cơ ựiện có thể ngừng quay, ảnh hưởng ựến năng suất làm việc của máy móc, thiết bị.
- Gây ra mất ổn ựịnh HTđ do các máy phát bị mất cân bằng công suất, quay theo những vận tốc khác nhau dẫn ựến mất ựồng bộ. Nếu không cách ly kịp thời phần tử bị ngắn mạch có thể làm cho hệ thống mất ổn ựịnh và tan rã. đây là hậu quả trầm trọng nhất do ngắn mạch gây ra.
- Tạo ra các thành phần dòng ựiện không ựối xứng, gây nhiễu các ựường dây thông tin ở gần.
- Khi xảy ra ngắn mạch, nhiều phần của mạng ựiện bị cắt ra ựể loại trừựiểm ngắn mạch, làm gián ựoạn cung cấp ựiện, ảnh hưởng ựến ựộ tin cậy cung cấp ựiện.
Bảng 2.3. Tỉ lệ hư hỏng thiết bị khi ngắn mạch[7]
TT Dạng thiết bị trong HTđ Tỉ lệ hư hỏng khi bị ngắn mạch
1 đường dây tải ựiện trên không 50%
2 đường dây cáp 10%
3 Máy cắt ựiện 15%
4 Máy biến áp 12%
5 Máy biến dòng ựiện, máy biến ựiện áp 2%
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ kỹ thuậtẦẦẦ.. ẦẦẦ 21
7 Các loại khác 8%
Kết luận: Khi xảy ra ngắn mạch trên hệ thống ựiện sẽ gây ra sụt giảm ựiện áp và gây mất ựối xứng lưới ựiện, làm giảm chất lượng ựiện năng, giảm ựộ tin cậy cung cấp
ựiện, nghiêm trọng có thể gây mất ổn ựịnh và tan rã hệ thống ựiện và gây ra nhiều ảnh hưởng xấu tới lưới ựiện, phụ tải ựiện.
2.3.2. Chạm ựất trong lưới ựiện có trung ựiểm không nối ựất hoặc nối ựất qua cuộn dây dập hồ quang. cuộn dây dập hồ quang.
Khi chạm ựất một pha, dòng ựiện tại nơi chạm ựất chỉ xuất hiện rất bé, chạy qua các
ựiện dung ký sinh của các ựường dây ựể trở vềựiểm ngắn mạch. Về lý thuyết, nếu các dây dẫn cách ựiện lý tưởng (ựiện dẫn g = 0), không tồn tại các ựiện dung ký sinh và trung tắnh không nối ựất thì dòng chạm ựất bằng 0. Khi ựiện dung ký sinh tương ựối lớn, dòng ựiện chạm ựất một pha chạy qua ựiểm chạm ựất có trị sốựáng kể, có thể tạo ra hồ quang chập chờn tại nơi tiếp xúc. Trong trường hợp này, ở một số trung ựiểm của mạng ựiện, người ta lắp ựặt thêm cuộn dây ựiện cảm (gọi là cuộn dây dập hồ quang Petersen). Cuộn dây này tạo ra mạch vòng thứ 2 có dòng ựiện chạy qua ựiểm ngắn mạch, ngược chiều với dòng ựiện ựiện dung, do ựó làm giảm hoặc triệt tiêu hoàn toàn dòng ựiện chạm ựất tổng ựi qua ựiểm tiếp xúc, dập tắt ựược hồ quang chập chờn.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ kỹ thuậtẦẦẦ.. ẦẦẦ 22
Hình 2.10. Chạm ựất một pha trong lưới ựiện có trung tắnh không nối ựất hoặc nối ựất qua cuộn dập hồ quang. a) Sơựồ nguyên lý; b) Hệ thống ựiện áp khi 1 pha chạm ựất; c) Dòng ựiện khi một pha
chạm ựất.
Khi chạm ựất một pha, trung ựiểm của lưới ựiện sẽ mang ựiện áp pha so với ựất, các pha còn lại không bị chạm ựất sẽ mang ựiện áp dây so với ựất.
Dòng ựiện sự cố chủ yếu phụ thuộc vào ựiện dung của các phần tử dẫn ựiện so với
ựất. Giá trị xác lập của dòng ựiện chạm ựất là[8]:
Iđ =3I0= 3.jωCđUựm (2.16)
Trong ựó: Cđ Ờ là ựiện dung của các phần tử dẫn ựiện so với ựất.
Dao ựộng của dòng ựiện chạm ựất có thể gây ra quá ựiện áp quá ựộ trên các pha không bị chạm (có thể ựạt ựến 2,5Upha) làm phóng ựiện trên các pha này và dẫn ựến ngắn mạch nhiều pha.
Theo một nghiên cứu về ngắn mạch một pha trên lưới ựiện phân phối 22kV, khi xảy ra sự cố chạm ựất, dòng ựiện sự cố chạm ựất IN(1) xấp xỉ (60-K95)% IN(3) và giá trịựiện áp quá ựộ cực ựại của pha không sự cố không vượt quá 2 lần ựiện áp pha ựịnh mức (UTOV <2.Uf.ựm). Khi chiều dài ựường dây lớn hơn 10km, lưới ựiện có tắnh chất nối ựất qua ựiện trở nhỏ (hay ựiện kháng nhỏ). Nếu có sự cố chạm ựất ở những nút cuối ựường dây, dòng ựiện IN(1)< 60% IN(3) và ựiện áp quá ựộ cực ựại của pha lành có thể tăng ựến 2,5 Uf.ựm[9].
Kết luận: Khi xảy ra sự cố chạm ựất một pha trong lưới ựiện có trung ựiểm không nối ựất hoặc nối ựất qua cuộn dây dập hồ quang sẽ gây quá ựiện áp trên các pha không bị chập, làm cho ựiện áp của các pha này tăng cao, có thể dẫn tới ngắn mạch nhiều pha. Do ựó sẽ gây ảnh hưởng ựến chất lượng ựiện năng và ựộ tin cậy cung cấp ựiện của lưới ựiện.
2.3.3. đứt dây (hoặc hở mạch) một pha
Thực tế vận hành hệ thống ựiện cho thấy, có thể xảy ra trường hợp hở mạch một hoặc hai pha do ựứt dây, tụt lèo hoặc ựầu tiếp xúc của máy cắt bị hởẦgây nên chế ựộ
vận hành không toàn pha trong hệ thống ựiện. Thường gặp nhất là chếựộựứt dây một pha.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ kỹ thuậtẦẦẦ.. ẦẦẦ 23 Ở chếựộ vận hành không ựủ cả ba pha sẽ xuất hiện chếựộ không cân bằng và thành phần thứ tự nghịch chạy vào các máy ựiện quay, tạo nên từ thông thứ tự nghịch quay ngược chiều với roto với tốc ựộ tương ựối bằng hai lần tốc ựộ ựồng bộ làm xuất hiện trong thân roto và cuộn dây roto dòng ựiện cảm ứng rất lớn, ựốt nóng roto và stato của máy ựiện quay.
Biên ựộ của thành phần thứ tự nghịch trong dòng ựiện stato của máy phát ựiện ựồng bộ phụ thuộc vào cấu hình hệ thống ựiện. Với ựường dây truyền tải ựơn như hình vẽ
dưới ựây:
Hình 2.11. đứt dây một pha trên ựường dây truyền tải (a)
Hình 2.12. Sơựồựẳng trị phức hợp ựể tắnh toán dòng thứ tự nghịch (b)
Giả sử vị trắ ựứt dây tại ựiểm D. Khi ựó, trên ựường dây sẽ xuất hiện các thành phần dòng ựiện và ựiện áp thứ tự nghịch, thứ tự không. Tổng trở ựường dây chia làm hai thành phần.
Một số trường hợp ựứt dây, ựầu dây dẫn bị rơi xuống ựất gây nên sự cố kết hợp: vừa
ựứt dây vừa chạm ựất.
Trong trường hợp ựứt dây một pha, trị số dòng ựiện thứ tự nghịch không phụ thuộc vào ựiểm sự cố và bé hơn nhiều so với dòng ựiện ựịnh mức của máy phát ựiện. Trong
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ kỹ thuậtẦẦẦ.. ẦẦẦ 24
trường hợp này, thông số của ựường dây không ảnh hưởng ựáng kểựến trị số của dòng
ựiện sự cố thứ tự nghịch.
Ngược lại, ựối với trường hợp vừa ựứt dây vừa chạm ựất một pha, thông số của
ựường dây tải ựiện và vị trắ của sự cố có ảnh hưởng lớn ựến trị số của dòng ựiện thứ tự
nghịch (ựường 2 trên hình 2.13):
Hình 2.13. Dòng thứ tự nghịch chạy vào máy phát ựiện: khi ựứt một pha (1); khi vừa ựứt dây vừa chạm ựất một pha (2)
Kết luận: Sự cố ựứt dây một pha sẽ dẫn tới chế ựộ không ựối xứng của lưới ựiện, làm xuất hiện thành phần thứ tự nghịch, ảnh hưởng xấu tới chất lượng ựiện năng và phụ tải ựiện.
2.3.4. Quá tải
Ở nước ta, lưới ựiện hiện nay thường không ựáp ứng kịp thời và ựầy ựủ công suất theo nhu cầu của sự gia tăng và biến thiên của phụ tải. Sự cố quá tải thường diễn ra vào các giờ cao ựiểm, gây sụt giảm ựiện áp, không ựảm bảo chất lượng ựiện cung cấp cho các loại phụ tải, làm giảm chất lượng ánh sáng, dừng ựộng cơ ựiện, tăng tổn thất