Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu quá điện áp và phối hợp cách điện trong Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu đề tài là nghiên cứu tổng quan về bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và hiện trạng của Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình. Từ đó, tính toán và phân tích quá điện áp khí quyển ảnh hưởng tới cách điện của trạm; nghiên cứu các giải pháp cải tiến bảo vệ và đánh giá phối hợp cách điện giữa thiết bị bảo vệ quá điện áp và cách điện của trạm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu quá điện áp và phối hợp cách điện trong Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ VĂN ĐẮC NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP VÀ PHỐI HỢP CÁCH ĐIỆN TRONG TRẠM BIẾN ÁP 220 KV NINH BÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN Thái Nguyên, năm 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ VĂN ĐẮC NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP VÀ PHỐI HỢP CÁCH ĐIỆN TRONG TRẠM BIẾN ÁP 220 KV NINH BÌNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8.52.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Nguyễn Duy Cương Thái Nguyên, năm 2020
LỜI CAM ĐOAN Họ và tên: Lê Văn Đắc Học viên: Lớp cao học K21, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Nơi công tác: Sở Kế hoạch và Đầu tư tỉnh Ninh Bình Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu quá điện áp và phối hợp cách điện trong Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình”. Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Duy Cương và sự giúp đỡ của các thầy, cô và cán bộ Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Nội dung nghiên cứu chưa được công bố. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020 Học viên thực hiện Lê Văn Đắc i
LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS. Nguyễn Duy Cương, người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho tôi. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hòan thành đề tài nghiên cứu này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn những đóng góp quý báu của các bạn cùng lớp động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến các cơ quan xí nghiệp đã giúp tôi khảo sát tìm hiểu thực tế và lấy số liệu phục vụ cho luận văn. Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã luôn động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020 Học viên Lê Văn Đắc ii
MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu ............. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài....................................................................... 2 3.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ......................................................................... 2 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 3 5. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 4 6. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 4 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ........................................................................................................... 5 I. GIỚI THIỆU CHUNG........................................................................................... 5 II. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN . 6 1. Quá điện áp tạm thời ........................................................................................... 6 2. Quá điện áp quá độ ............................................................................................. 8 III. QUÁ ĐIỆN ÁP DO ĐÓNG ĐƯỜNG DÂY KHÔNG TẢI - HIỆU ỨNG FERRANTI ............................................................................................................... 9 IV. QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT ......................................................................................... 11 1. Tham số của phóng điện sét .............................................................................. 13 2. Phân bố đỉnh và độ dốc đầu sóng dòng điện sét ............................................... 16 3. Quá điện áp khí quyển trên đường dây tải điện ................................................ 18 IV. HIỆN TRẠNG TRẠM BIẾN ÁP 220 KV NINH BÌNH ................................. 20 1. Tổng quan trạm biến áp 220 kV Ninh Bình ..................................................... 20 2. Thông số đường dây và thông số các thiết bị điện khác ................................... 20 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ........................................................................................ 21 CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG TRẠM BIẾN ÁP 220 KV NINH BÌNH BẰNG PHẦN MỀM ATPDraw ....................................................................................................... 22 I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÔ ĐUN ATPDRAW ................................... 22 1. Chương trìn ATP-EMTP .................................................................................. 22 2. Mô đun ATPDraw ............................................................................................ 23 iii
II. MÔ PHỎNG TRẠM BIẾN ÁP 220 KV NINH BÌNH BẰNG CHƯƠNG TRÌNH ATPDraw ................................................................................................................ 29 1. Giới thiệu .......................................................................................................... 29 2. Mô hình trạm biến áp 220 kV Ninh Bình ......................................................... 29 3. Mô hình các phần tử trong sơ đồ ...................................................................... 31 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ........................................................................................ 44 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI THAM SỐ CỦA QUÁ ĐIỆN ÁP. .............................................................................................. 45 I. GIỚI THIỆU CHUNG......................................................................................... 45 II. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI THAM SỐ CỦA QUÁ ĐIỆN ÁP. ........... 45 1. Quá điện áp trên các pha tại đầu cực máy biến áp ............................................ 46 2. Ảnh hưởng điện trở chân cột tới quá điện áp ................................................... 48 3. Sự biến thiên của quá điện áp theo vị trí sét đánh ............................................ 49 4. Ảnh hưởng của máy biến áp đo lường kiểu tụ .................................................. 50 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................................ 51 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 2 VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ DỰ TRỮ CÁCH ĐIỆN. ....................................................... 53 I. TỔNG QUAN VỀ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 2 ............................................ 53 II. BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP BẰNG CHỐNG SÉT VAN ..................................... 54 1. Giới thiệu chung. .............................................................................................. 54 2. Đặc tính phi tuyến của chống sét van. .............................................................. 59 III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHI BẢO VỆ BẰNG CHỐNG SÉT VAN .......... 60 1. Không lắp đặt chống sét van ............................................................................. 60 2. Đặt 2 CSV tại đầu AT1 và AT2 ........................................................................ 61 3. Đặt 2 CSV trên thanh góp ................................................................................. 61 4. Đặt 4 chống sét van ........................................................................................... 62 IV. ĐÁNH GIÁ ĐỘ DỰ TRỮ CÁCH ĐIỆN ......................................................... 62 1. Hệ số bảo vệ ...................................................................................................... 63 2. Hệ số dự trữ cách điện ...................................................................................... 65 3. Hệ số dự trữ cách điện của các thiết bị điện trong trạm biến áp....................... 65 iv
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1: a) Sơ đồ nguyên lý đóng đường dây dài không tải vào nguồn điện áp xoay chiều; ........................................................................................................................... 9 Hình 1. 2: a) Sơ đồ vi phân chiều dài đường dây tải điện trên không (dx). .............. 10 Hình 1. 3. Biến thiên dòng điện trong khe sét........................................................... 14 Hình 1. 4: Sét đánh vào dây dẫn pha......................................................................... 18 Hình 1. 5: Sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét ............................................... 19 Hình 1. 6. Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp 220 kV Ninh Bình .................................... 20 Hình 2. 1. Mô hình trạm biến áp ............................................................................... 31 Hình 2. 2. Mô hình và thông số nguồn hệ thống ....................................................... 32 Hình 2. 3. Mô đun một khoảng cột đường dây trên không xuất tuyến 274 .............. 34 Hình 2. 4. Mô hình cột điện ...................................................................................... 36 Hình 2. 5. Mô hình chuỗi sứ ..................................................................................... 37 Hình 2. 6. Mô hình nguồn sét .................................................................................... 37 Hình 2. 7. Mô hình dây dẫn pha trong trạm biến áp ................................................. 38 Hình 2. 8. Thông số máy biến áp AT1 và AT2 ......................................................... 39 Hình 2. 9. Mô hình và thông số máy biến điện áp áp kiểu tụ ................................... 40 Hình 2. 10. Mô hình và thông số chống sét van........................................................ 41 Hình 2. 11. Đặc tính V-A của chống sét van ............................................................ 41 Hình 2. 12. Cài đặt thông số chương trình ATPDraw .............................................. 42 Hình 3. 1. Điện áp đầu cực máy biến áp khi sét đánh vào đỉnh cột cuối .................. 46 Hình 3. 2. a. Biến thiên của điện áp trên đầu cực AT1 khi dòng điện sét bằng 31 kA ..... 47 Hình 3. 3. Biến thiên của quá điện áp trên đầu cực AT1 .......................................... 48 Hình 3. 4. Biến thiên của điện áp xung trên đầu cực AT1 theo điện trở chân cột .... 48 Hình 3. 5. Ảnh hưởng của vị trí sét đánh tới tham số của quá điện áp trên AT1 ..... 49 Hình 3. 6. Ảnh hưởng của máy biến áp kiểu tụ tới quá điện áp sét .......................... 51 Hình 3. 7. Điện áp trên đầu cực thiết bị (TU274, TUC22 và AT1) khi đặt 2 chống sét van tại đầu vào 2 máy biến áp AT1 và AT2. ............................................................ 61 v
Hình 4. 1. Cấu tạo chống sét van trên cơ sở SiC....................................................... 55 Hình 4. 2. Đặc tính làm việc của chống sét van ........................................................ 56 Hình 4. 3. Cấu tạo của CSV không khe hở ZnO ....................................................... 57 Hình 4. 4. Chống sét van ZnO có khe hở song song điện trở ................................... 58 Hình 4. 5. Chống sét van ZnO có khe hở song song tụ điện..................................... 58 Hình 4. 6. Đặc tính phi tuyến (V-A) của tấm điện trở ZnO ...................................... 59 Hình 4. 7. Điện áp trên đầu cực các thiết bị điện khi không có CSV ....................... 60 Hình 4. 8. Điện áp trên đầu cực thiết bị điện khi đặt 2 chống sét van trên thanh góp ...... 62 Hình 4. 9. Điện áp trên đầu cực thiết bị khi đặt 6 chống sét van .............................. 62 Hình 4. 10. Hệ số bảo vệ ........................................................................................... 64 Hình 4. 11. Hệ số dự trữ các điện của TU274........................................................... 66 Hình 4. 12. Hệ số dự trữ cách điện của TUC21C ..................................................... 66 Hình 4. 13. Hệ số dự trữ cách điện AT1 ................................................................... 66 vi
PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu Trạm biến áp trong quá trình vận hành thường xuyên chịu tác động của phóng điện sét, gây ra quá điện áp đánh thủng cách điện, sự cố ngắn mạch, chạm đất… hậu quả là làm hư hỏng thiết bị điện và thiết bị điều khiển trong trạm, gián đoạn cung cấp điện trong thời gian dài, gây mất ổn định hệ thống, mất an toàn cho con người, gây thiệt hại về kinh tế vv… Do vậy, việc bảo vệ chống sét và phối hợp cách điện trong trạm biến áp là đặc biệt quan trọng trong thiết kế và vận hành, nhằm loại trừ hoàn toàn khả năng sét đánh trúng vào thiết bị điện hoặc các phần tử dẫn điện trong trạm. Mặt khác, phải nghiên cứu quá điện áp khí quyển (quá điện áp sét) và phối hợp điện áp dư của các thiết bị chống sét với cường độ cách điện của cách điện trong trạm để đảm bảo rằng mức dự trữ cách điện phải đủ lớn và tần suất phóng điện trung bình trong trạm biến áp do quá điện áp khí quyển tới 50 năm hay 100 năm [1, 2]. Để thực hiện điều đó, trạm biến áp cần được bảo vệ nhiều “cấp bảo vệ” dựa trên cơ sở mức năng lượng[3, 4, 5], bao gồm: Bảo vệ cấp 1: nhằm loại trừ và hạn chế các ảnh hưởng của phóng điện sét và sóng cắt tác động trực tiếp tới các phần tử của hệ thống điện. Bảo vệ cấp 2: nhằm hạn chế độ lớn điện áp dư của sóng cắt. Cấp bảo vệ này thường ứng dụng để bảo vệ các thiết bị điện trong trạm biến áp và/hoặc lắp đặt các thiết bị chống quá áp nhằm tiêu tán năng lượng của xung cắt trước khi vào trạm biến áp. Bảo vệ cấp 3: nhằm hạn chế ảnh hưởng của quá điện áp cảm ứng do sét đánh gần trạm biến áp có thể cao tới hàng chục kV, gây nguy hiểm cho cách điện của các thiết bị điện áp thấp hay các thiết bị điện tử. Bảo vệ ở phía điện áp thấp bằng cách lắp đặt các bộ lọc và/hoặc thiết bị hạn chế quá áp nối tiếp với hệ thống máy tính, hệ thống tự động điều chỉnh, thiết bị truyền tín hiệu. Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình cũng như đại đa số các trạm biến áp cao áp và siêu cao áp tại Việt Nam, trong quá trình thiết kế không được nghiên cứu và đánh giá đúng mức việc bảo vệ chống sét một cách toàn diện, đồng bộ theo các tiêu chuẩn của thế giới như Tiêu chuẩn IEC, IEEE, ANSI… Hơn nữa, trong quá trình vận hành đặc 1
tính bảo vệ của các thiết bị chống sét và cường độ cách điện của cách điện suy giảm theo thời gian nên thường xuyên gây ra các sự cố không mong muốn do ảnh hưởng của quá điện áp sét. Xuất phát từ các yêu cầu trên, trong nội dung nghiên cứu này tác giả đề xuất đề tài “Nghiên cứu quá điện áp khí quyển và phối hợp cách điện trong trạm biến áp 220 kV Ninh Bình”, nhằm áp dụng các công cụ và phương pháp nghiên cứu hiện đại để phân tích và xác định quá điện áp khí quyển nguy hiểm ảnh hưởng tới Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình, đồng thời nghiên cứu giải pháp bảo vệ chống quá điện áp khí quyển; nghiên cứu số lượng, chủng loại, vị trí đặt các thiết bị chống sét và đặc tính phối hợp bảo vệ chống sét với cường độ cách điện của cách điện trạm biến áp nhằm giảm được chi phí thiết kế, chi phí vận hành cũng như đảm bảo cho hệ thống điện làm việc ổn định và tin cậy[6, 7]. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài a) Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu tổng quan về bảo vệ chống sét cho trạm biến áp và hiện trạng của Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình. Từ đó, tính toán và phân tích quá điện áp khí quyển ảnh hưởng tới cách điện của trạm; nghiên cứu các giải pháp cải tiến bảo vệ và đánh giá phối hợp cách điện giữa thiết bị bảo vệ quá điện áp và cách điện của trạm. b) Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu tổng quan về bảo vệ chống sét trong trạm biến áp và hiện trạng Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình. - Nghiên cứu, tính toán và phân tích quá điện áp khí quyển tại các điểm nút quan trọng trong Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình khi không trang bị bảo vệ thiết bị bảo vệ quá điện áp. - Nghiên cứu ảnh hưởng của phương thức bảo vệ quá điện áp tới tham số (độ lớn, độ dốc đầu sóng) của quá điện áp. - Phối hợp cách điện và đánh giá hệ số dự trữ cách điện trong trạm biến áp. 3.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học 2
Nghiên cứu một cách đầy đủ về những nguyên nhân, quy luật biến thiên của quá điện áp khí quyển; nghiên cứu ảnh hưởng của phương thức bảo vệ tới quá điện áp khí quyển và đánh giá độ dự trữ cách điện của trạm biến áp. Kết quả nghiên cứu làm cơ sở cho việc nghiên cứu, xác định phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp 220 kV điển hình và mở rộng nghiên cứu cho các trạm biến áp, đồng thời làm căn cứ khoa học cho việc thiết kế, vận hành và nâng cấp chất lượng bảo vệ chống sét nhằm dự đoán được các tình huống quá điện áp có thể xảy ra để có các ứng phó cần thiết. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu còn làm cơ sở cho việc phân tích và thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét và các phương án bảo vệ quá điện áp. b)Ý nghĩa thực tiễn - Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm chuyên dụng ATP-EMTP trong việc phân tích, tính toán quá điện áp khí quyển trong trạm biến áp. - Xác định được độ lớn và sự biến thiên của quá điện áp khí quyển tại các điểm nút quan trọng trong trạm biến áp 220 kV Ninh Bình khi không trang bị thiết bị chống sét. - Nghiên cứu, đánh giá phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp 220 kV Ninh Bình. - Xây dựng cơ sở khoa học cho việc phối hợp cách điện trong trạm biến áp 220 kV đảm bảo tiêu chuẩn thiết kế. - Xây dựng cơ sở khoa học để thiết kế, vận hành và đưa ra các giải pháp bảo vệ quá điện áp cho trạm biến áp và đánh giá khả năng chịu đựng quá điện áp của cách điện trong vận hành nhằm đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện cũng như đảm bảo vận hành hệ thống ổn định và tin cậy. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu quá điện áp, bảo vệ quá điện áp khí quyển và phối hợp cách điện cho Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình. Trong phạm vi của đề tài, tác giả nghiên cứu tổng quan về quá điện áp khí quyển; nghiên cứu những ảnh hưởng của quá điện áp tới trang thiết bị điện cũng như vận hành hệ thống điện; nghiên cứu việc ứng dụng các kết quả phân tích, tính toán độ lớn của quá điện áp trong việc phối hợp cách điện trong trạm biến áp. 3
5. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu bao gồm nghiên cứu về lý thuyết và tính toán, phân tích trên đối tượng thực bằng phân mềm ATP-EMTP. - Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, sách tham khảo, tài liệu hướng dẫn, các bộ tiêu chuẩn IEC, IEEE và bộ tiêu chuẩn Việt Nam thuộc phạm vi nghiên cứu. - Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu thực tế tại Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình. - Nội dung chính của đề tài dự kiến có các nội dung chính như sau: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về quá điện áp khí quyển. Chương 2: Mô phỏng trạm biến áp 220 kV Ninh Bình bằng phần mềm ATPDraw. Chương 3: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới tham số của quá điện áp. Chương 4: Nghiên cứu phương thức bảo vệ chống sét cấp 2 và đánh giá độ dự trữ cách điện. 6. Phương pháp nghiên cứu Ứng dụng phần mềm ATP-EMTP để phân tính, tính toán đối tượng thực tế. 4
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN I. GIỚI THIỆU CHUNG. Quá điện áp (overvoltage) là điện áp giữa dây dẫn pha và đất (pha-đất), giữa dây dẫn pha với pha (pha-pha) hay dọc theo chiều dài của cách điện, có giá trị đỉnh lớn hơn biên độ của điện áp pha lớn nhất của hệ thống hay thiết bị điện. Quá điện áp trong hệ thống điện được phát sinh do các nguyên nhân nội tại như các thao tác đóng cắt, sự cố, sa thải phụ tải hay do cộng hưởng được gọi chung là quá điện áp nội bộ; quá điện áp phát sinh do các tác động từ bên ngoài như sét đánh được gọi là quá điện áp khí quyển hay quá điện áp sét. Độ lớn của quá điện áp thường lớn hơn điện áp làm việc lớn nhất cho phép của mạng lưới điện hay thiết bị điện, do vậy cần phải có các biện pháp hạn chế quá điện áp và bảo vệ chống lại các nguy cơ làm hư hỏng thiết bị điện hoặc rối loạn sự làm việc bình thường của hệ thống điện. C¸c qu¸ ®iÖn ¸p néi bé th«ng th-êng khã nhËn biÕt vµ ph¸t hiÖn. Trong c¸c nhËt ký vËn hµnh khi ghi vÒ c¸c nguyªn nh©n sù cè th× qu¸ ®iÖn ¸p néi bé kh«ng ®-îc nh¾c tíi trong c¸c nguyªn nh©n liÖt kª. NhiÒu n-íc trªn thÕ giíi nh- Nga, Mü, Ph¸p...viÖc ®o c¸c qu¸ ®iÖn ¸p nãi chung vµ qu¸ ®iÖn ¸p néi bé nãi riªng ®-îc thùc hiÖn b»ng c¸c thiÕt bÞ cã tªn lµ "ThiÕt bÞ tù ®éng ®o ghi vµ ph©n tÝch xung qu¸ ®iÖn ¸p“. C¸c thiÕt bÞ nµy ®-îc ®Æt trªn thanh c¸i c¸c tr¹m biÕn ¸p nhê ®ã mµ ng-êi ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®-îc c¸c dao ®éng ®iÖn ¸p, møc ®é qu¸ ®iÖn ¸p. Tõ ®ã cã nh÷ng ph-¬ng thøc vËn hµnh vµ b¶o vÖ phï hîp ®Ó ®¶m b¶o ®é tin cËy còng nh- an toµn cho viÖc truyÒn t¶i vµ cung cÊp ®iÖn. N-íc ta c¸c c«ng tr×nh vµ ®Ò tµi nghiªn cøu s©u vÒ qu¸ ®iÖn ¸p cßn h¹n chÕ. Cho ®Õn nay ch-a ®Çu t- c¸c lo¹i thiÕt bÞ ®Ó ®o ghi qu¸ ®iÖn ¸p khÝ quyÓn vµ qu¸ ®iÖn ¸p néi bé còng nh- c¸c ph-¬ng tiÖn ®o ®¹c kh¶o s¸t, theo dâi, ph©n lo¹i vµ thèng kª ®Ó ®¸nh gi¸ cô thÓ vÒ tØ lÖ sù cè, møc ®é thiÖt h¹i do qu¸ ®iÖn ¸p néi bé g©y ra trong hÖ thèng ®iÖn. Khi thiết kế thiết bị điện, mạng lưới điện, trạm biến áp hay nhà máy điện, việc lựa chọn, phối hợp cách điện phù hợp để vận hành lâu dài là một trong các vấn đề 5
được quan tâm kỹ lưỡng đặc biệt là trong mạng điện truyền tải. Việc lựa chọn và phối hợp cách điện phải dựa vào đặc tính của cách điện (chủng loại, cường độ cách điện), mức độ quá điện áp phát sinh của hệ thống tác động lên cách điện (quá điện áp nội bộ, quá điện áp sét), đồng thời xem xét tới các vấn đề bảo vệ quá điện áp (chủng loại, số lượng, vị trí lắp đặt thiết bị bảo vệ) và điều kiện môi trường. Tiêu chí lựa chọn cách điện theo điện áp phải đảm bảo nguyên tắc là cường độ cách điện phải lớn hơn các loại quá điện nội bộ, đồng thời chịu được đa số quá điện áp sét (quá điện áp khí quyển), còn một số ít quá điện áp sét có biên độ lớn phải sử dụng các thiết bị bảo vệ để hạn chế. Mặc dù toàn bộ cách điện đã được lựa chọn, phối hợp như trên, nhưng khi t¨ng sè lÇn qu¸ ®iÖn ¸p t¸c ®éng lªn c¸ch ®iÖn th× còng t¨ng t-¬ng øng x¸c suÊt sù cè trªn c¸ch ®iÖn ®ã. HiÖu øng tÝch luü lµ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n ®¸nh thñng c¸ch ®iÖn. MÆc dï qu¸ ®iÖn ¸p néi bé th-êng nhá h¬n nhiÒu so víi ®iÖn ¸p ®¸nh thñng tÇn sè c«ng nghiÖp nh-ng nã lµ nguyªn nh©n dÉn ®Õn sù tiÕn triÓn c¸c khuyÕt tËt côc bé cña c¸ch ®iÖn. Cïng víi sù giµ ho¸ c¸ch ®iÖn vµ tÝnh chÊt tÝch luü c¸c t¸c ®éng nh- vËy, dÇn dÇn sÏ ®¸nh thñng c¸ch ®iÖn ngay c¶ khi qu¸ ®iÖn ¸p néi bé nhá h¬n nhiÒu so víi ®iÖn ¸p ®¸nh thñng. II. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁPTRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1. Quá điện áp tạm thời Quá áp tạm thời (Temporary Overvoltage_TOV) là quá điện áp ở tần số công nghiệp có thời gian tác động tương đối dài (từ 30 ms tới 3600 s).Quá điện áp tạm thời là một thông số quan trọng để lựa chọn chống sét van (ngoại trừ quá điện áp cộng hưởng và cộng hưởng từ). Quá điện áp tạm thời phát sinh do các nguyên nhân sau: - Sự cố chạm đất: khi có sự cố pha-đất sẽ gây ra quá điện áp trên các pha không sự cố (pha lành). Độ lớn của loại quá điện áp này phụ thuộc vào vị trí sự cố và phương thức nối đất điểm trung tính của hệ thống điện. Trong hệ thống có trung tính trực tiếp nối đất thì độ lớn của quá điện áp bằng khoảng 1,3 p.u. và thời gian quá áp (bao gồm cả thời gian giải trừ sự cố) thường nhỏ hơn 1 giây. Trong hệ thống có trung tính nối đất cộng hưởng (nối đất qua cuộn dập hồ quang) thì độ lớp của quá áp lớn hơn hoặc bằng 1,73 p.u. và tồn tại trong khoảng thời gian nhỏ hơn 10 giây. 6
- Sa thải phụ tải: khi cắt phụ tải, quá điện áp sẽ phát sinh, độ lớn của quá áp phụ thuộc vào cấu trúc của hệ thống sau khi cắt tải và đặc tính của nguồn (ví dụ như tốc độ hay điều chỉnh điện áp của máy phát ở thời điểm cắt tải).Ngay sau khi cắt tải, điện áp trên điện cực của máy cắt (phía nối với nguồn) sẽ tăng, mức độ tăng phụ thuộc vào tải và công suất ngắn mạch của xuất tuyến. Để xác định chính xác độ lớn của quá điện áp thì cần tính toán dựa trên cơ sở phân tích quá trình quá độ điện từ được thực hiện bằng máy tính hoặc ứng dụng chương trình ATP-EMTP. Tuy nhiên, trong tính toán thực dụng thì có thể áp dụng như sau: + Các đường dây có chiều dài trung bình, nếu cắt toàn bộ tải thì điện áp pha tăng tới 1,2 p.u. Thời gian quá áp phụ thuộc vào các thiết bị điều chỉnh điện áp trong mạng và có thể tới vài phút. + Các đường dây dài, nếu cắt toàn bộ tải thì điện áp pha có thể tăng tới 1,5 p.u. Thời gian quá áp tới vài giây. + Khi sa thải phụ tải của của máy biến áp tăng áp nối với máy phát thì quá áp tạm thời tăng tới 1,4 p.u đối với các máy phát tuabin và tới 1,5 p.u đối với các máy phát thủy điện. Thời gian quá áp khoảng 3 giây. - Cộng hưởng và cộng hưởng sắt từ: Trong hệ thống điện khi có sự thay đổi đột ngột về cấu trúc (như sa thải phụ tải, cắt máy biến áp 1 pha ở cuối đường dây hay cắt máy biến điện áp kiểu tụ đặt trên thanh góp của trạm biến áp) sẽ có sự tương tác giữa thành phần điện dung (của đường dây, cáp, tụ điện) và thành phần điện cảm (của máy biến áp, cuộn kháng song song) gây ra quá điện áp cộng hưởng hoặc cộng hưởng sắt từ. Độ lớn của quá điện áp này có thể lớn hơn 3,0 p.u. và tồn tại tới khi nó được giải trừ. - Đóng đường dây hoặc máy biến áp: Khi đóng đường dây hoặc máy biến không tải hoặc non tải có thể gây ra quá điện áp cộng hưởng. Trường hợp đóng máy biến áp sẽ xuất hiện dòng điện từ hóa lớn và thành phần hài đáng kể do đặc tính phi tuyến của lõi thép. Dòng điện tần số cao này sẽ tương tác với tần số của hệ thống gây ra quá điện áp cộng hưởng tác dụng lên cách điện dọc. 7
- Hòa đồng bộ:Trong khi hòa đồng bộ có thể gây ra quá điện áp tác dụng lên cách điện dọc (tiếp điểm của thiết bị đóng cắt). Độ lớn của quá điện áp này thường bằng khoảng 2 lần điện áp pha và tồn tại trong khoảng vài giây đến vài phút. 2. Quá điện áp quá độ Quá điện áp quá độ (Transient Overvoltages) tồn tại trong thời gian ngắn vài mini giây hoặc ngắn hơn, dao động hoặc không dao động và thường gây ra thiệt hại lớn. Quá điện áp quá độ được chia thành các loại như sau: - Quá điện áp đầu sóng ít dốc (Slow-Front Overvoltage_SFO): thường phát sinh do các thao tác đóng cắt (đóng đường dây, cáp, giải trừ sự cố ngắn mạch, sa thải phụ tải, cắt dòng điện điện dung hoặc dòng điện điện cảm). Quá điện áp là loại một chiều, với thời gian đầu sóng (thời gian đỉnh) từ 20 s đến 5000 s và thời gian sóng (thời gian nửa đỉnh) tới 20 ms. SFO phát sinh do các nguyên nhân như sau: Đóng hay đóng lặp lại đường dây tải điện trên không hoặc đường dây cáp gây ra quá điện áp trên cả 3 pha. Độ lớn của loại quá điện áp này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ cắt và khả năng dập tắt hồ quang của của máy cắt, bội số quá áp thường khoảng 2 p.u.. Loại quá điện áp này thường được gọi là quá điện áp đóng cắt (Swiching Overvoltagres). Sự cố hay giải trừ sự cố gây ra quá điện áp với bội số quá áp thường lớn hơn 2 p.u. và phụ thuộc chủ yếu vào phương thức nối đất của hệ thống điện. Trong trường hợp chung, bội số quá áp tính bằng (2k-1) p.u., trong đó k là hệ số nối đất. Sa thải phụ tải tạo ra điện áp cưỡng bức tác dụng lên các phía của tiếp điểm máy cắt. Quá điện áp loại này thường có giá trị lớn và phải được hạn chế bằng chống sét van. Cắt dòng điện điện cung hoặc dòng điện điện cảm sẽ gây lên quá điện áp tại vị trí đặt tụ điện, điện kháng cũng như gây quá điện áp tại cuối đường dây và máy biến áp. - Quá điện áp đầu sóng dốc(Fast-Front Overvoltage_FFO): quá điện áp đầu sóng dốc được phát sinh do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn pha của đường dây tải điện trên không; do phóng điện ngược từ xà, cột vào dây dẫn pha hoặc đánh gần đường 8
dây hoặc thiết bị điện. FFO là loại điện áp một chiều biên độ lớn, thời gian đỉnh từ 0,1 s đến 20 s và thời gian nửa đỉnh tới 300 s. - Quá áp đầu sóng rất dốc(Very Fast-Front Overvoltage_VFFO): là loại điện áp một chiều, thời gian đỉnh tới 0,1 s, có hoặc không có dao động ở tần số từ 30 kHz tới 100 MHz. Loại quá điện áp thường phát sinh trong trạm GIS (Gas Insulated Substations) do cắt ngắn mạch hay cắt động cơ, máy biến áp hoặc do sét đánh. III. QUÁ ĐIỆN ÁP DO ĐÓNG ĐƯỜNG DÂY KHÔNG TẢI - HIỆU ỨNG FERRANTI Hiệu ứng Ferranti trong hệ thống điện là hiện tượng tăng điện áp ở cuối đường dây tải điện có chiều dài lớn hoặc trên đường dây cáp so với điện áp tại đầu đường dây khi đóng đường dây không tải (hay non tải) vào nguồn điện hoặc khi sa thải phụ tải. Hiện tượng do quá trình nạp điện của điện dung đường dây qua điện kháng của đường dây gây ra[8, 9]. Hiệu ứng Ferrati được quan sát lần đầu tiên vào năm 1887 do Sebastian Ziani de Ferranti khi nghiên cứu đường dây cáp của mạng điện phân phối ở cấp điện áp 10 kV. Khi đóng đường dây truyền tải vào nguồn điện áp uS=Umsint như  S R L a) US S R0dx L0dx R0dx L0dx R b) uS G 0 C0d G0d C0dx Hình 1. 1: a) Sơ đồ nguyên lý đóng đường dây dài không tải vào nguồn điện áp xoay chiều; b) Sơ đồ thay thế hình  của đường dây L. - Xét vi phân chiều dài đường dây (dx) ta có sơ đồ như hình 1.2: 9
x dx x+dx a) i i R0dx L0dx i dx x u b) u G0dx u dx C0dx x Hình 1. 2: a) Sơ đồ vi phân chiều dài đường dây tải điện trên không (dx). b) Sơ đồ thay thế tương đương hình  của vi phân dx. c Trong đó: R0, G0, L0, C0 là điện trở, điện dẫn, điện cảm và điện dung phân bố (trên đơn vị dài). Từ sơ đồ thay thế tương đương viết hệ phương trình vi phân mô tả mạch như sau:  u(x, t) i(x, t)  x  R 0 .i(x, t)  L0 . t (1.1)   i(x, t)  G .u(x, t)  C . u(x, t) (1.2)  x 0 0 t Hệ phương trình có thể viết dưới dạng toán tử Laplace sẽ là:  U(x, p)  x   R 0  pL0  .I  x, p  (1.1')   I(x, p)   G  pC  .U  x, p  (1.2 ')  x 0 0 Nghiệm của hệ phương trình có dạng: U(x, p)  A(p).e  (p)x  B(p).e  (p)x (1.3) A(p)  (p)x B(p)  (p)x I(x, p)  .e  .e (1.4) ZS (p) ZS (p) Điện áp và dòng điện tại cuối đường dây (x=l) có dạng:  U( , p)  A(p).e  (p)  B(p).e  (p) (1.5)   A(p)  (p) B(p)  (p) I( , p)  Z (p) e  e (1.6)  S ZS (p) 10
 1 A(p)  2  U( , p)  I( , p).ZS (p) .e  (p)  B(p)  1  U( , p)  I( , p).Z (p) .e  (p) o  2 S Thay A(p) và B(p) vào phương trình (1.5) và (1.6) sẽ xác định được quan hệ giữa điện áp, dòng điện ở đầu đường dây và cuối đường dây như sau:  US  U R .cosh(  )  I R .ZS.sinh(  )   IS  I R .cosh(  )  U R .YS .sinh(  )  Trong đó: Z = R + jL là tổng trở của đường dây trên đơn vị dài; Y = G + jC là tổng dẫn của đường dây trên đơn vị dài; l là chiều dài của đường dây; US, IS là điện áp và dòng điện ở đầu đường dây (đầu phát); UR, IR là điện áp và dòng điện ở cuối đường dây (đầu nhận);   Z.Y  (R  jL)(G  jC) là hệ số truyền sóng; Z (R  jL) ZS   là tổng trở sóng của đường dây, Y (G  jC) 1 YS  ;   2f ; ZS Chú ý: tại đầu đường dây x=0; U(X) = US và tại cuối đường dây U(l) = UR Điện áp tại cuối đường dây hở mạch (IR=0) sẽ là: US US U R0  hay U R0  cosh(  ) cosh(  ) Như vậy điện áp tại cuối đường dây hở mạch tăng hơn so với đầu đường dây một lượng: U  U R  US Hiện tượng tăng điện áp này được gọi là hiệu ứng Ferranti. IV. QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT Sét đánh vào đường dây tải điện trên không (DZK) là nguyên nhân chính gây ra quá điện áp quá độ trong hệ thống điện. Quá điện áp phát sinh do nguyên nhân này thường được gọi là quá điện áp sét (Lightning Overvoltages) hay quá điện áp khí 11
quyển (Atmospheric overvoltages). Biên độ và độ dốc đầu sóng của điện áp lớn (độ dốc đầu sóng rất dốc) gây nguy hiểm cho cách điện ngang và cách điện dọc của hệ thống, có thể gây sự cố ngắn mạch làm gián đoạn cung cấp điện, giảm độ tin cậy và gây mất ổn định hệ thống. Do đó, khi thiết kế đường dây tải điện, trạm biến áp và các thiết bị bảo vệ cần nghiên cứu kỹ lưỡng về quá điện áp sét [10, 11]. Quá điện áp sét trên đường dây tải điện là do sét đánh trực tiếp vào đường dây (sét đánh vào dây chống sét, đỉnh cột hoặc đánh vào dây dẫn pha). Quá điện áp lan truyền dọc đường dây và có thể gây lên phóng điện trên cách điện đường dây. Đặc điểm của quá điện áp do sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét gây lên phóng điện ngược vào dây dẫn pha thường có độ dốc rất lớn. Trong trường hợp vị trí bị sét đánh xa trạm biến áp thì biên độ cũng như độ dốc đầu sóng suy giảm trong quá trình lan truyền trên đường dây do tổn hao. Nếu vị trí bị sét đánh gần trạm, thì cách điện trong trạm là nguy hiểm nhất do điện áp truyền vào trong trạm là dạng sóng cắt có độ dốc thẳng đứng và biên độ lớn. Quá trình lan truyền (phản xạ, khúc xạ) của quá điện áp tới có thể làm tăng biên độ của quá điện áp do các thiết bị điện và dây dẫn trong trạm biến áp có tổng trở sóng khác nhau (như trạng thái máy cắt đóng/mở, máy biến điện áp đo lường, dây dẫn, máy biến áp…) Đối với trạm biến áp, việc tính toán bảo vệ chống sét thường áp dụng 3 cấp bảo vệ, bao gồm: - Bảo vệ cấp 1: hạn chế các ảnh hưởng của phóng điện sét trực tiếp vào các thiết bị và các phần tử của hệ thống điện.Bảo vệ loại này thường sử dụng hệ thống chống sét bao gồm cột chống sét hoặc dây chống sét. - Bảo vệ cấp 2: hạn chế độ lớn điện áp dư của sóng cắt tới giới hạn an toàn cho cách điện của các thiết bị điện trong trạm biến áp và nhà máy điện. Bảo vệ loại này thường sử dụng chống sét van và/hoặc phối hợp với tụ điện, cáp... - Bảo vệ cấp 3: bảo vệ quá điện áp cảm ứng cho các thiết bị điện áp thấp, điện tử, hệ thống máy tính, hệ thống tự động điều chỉnh, thiết bị truyền tín hiệu... do sét đánh gần trạm biến áp. Mục đích nghiên cứu về quá điện áp sét trên đường dây tải điện là để xác định suất phóng điện (FOR- Flashover Rate) để lựa chọn chống sét van đường dây, còn 12