MỞ ĐẦU Lý do lựa chọn đề tài Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ ngày càng cao, điện năng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong tất cả các ngành kinh tế và tham gia vào mọi lĩnh vực trong đời sống xã hội. Việc đảm bảo làm việc tin cậy cho các đường dây truyền tải là một vấn đề hết sức quan trọng. Mọi sự cố trên đường dây truyền tải đều gây ảnh hưởng đến khả năng cung cấp điện của hệ thống, có thể dẫn đến ngừng cung cấp điện cho một số phụ tải hoặc cả một khu vực rộng lớn, tác động xấu đến sự phát triển của nền kinh tế và đời sống chính trị xã hội. Ngày nay việc sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng chuyển sang hoạt động theo cơ chế thị trường, trong đó mọi thiệt hại do mất điện gây ra ngành điện phải bồi thường.
Vấn đề độ tin cậy cung cấp điện càng được đặc biệt quan tâm. Sét đánh vào đường dây là một trong những yếu tố chủ yếu gây sự cố và ngừng cung cấp điện của đường dây. Sét đánh vào đường dây truyền tải thường gây ra phóng điện trên chuỗi cách điện, gây ra ngắn mạch 1 pha hoặc phóng điện giữa các pha gây ngắn mạch pha-pha, khiến cho bảo vệ đường dây tác động làm gián đoạn cấp điện. Trường hợp cách điện bị phá huỷ gây ngắn mạch duy trì, máy cắt không tự đóng lại thành công khiến cho cung cấp điện bị ngưng trệ trong thời gian dài có thể gây tổn thất rất lớn về kinh tế.
Ngay cả khi cách điện không bị phá huỷ hoàn toàn, mỗi lần gặp sự cố phóng điện trên bề mặt do sét đánh, bát cách điện thường bị bong rộp, không đảm bảo độ tin cậy trong vận hành và cần được thay thế. Việc thay thế các bát cách điện này cũng đòi hỏi phải cắt điện đường dây trong một thời gian nhất định. Thêm vào đó, ở những vị trí khó đến như các đỉnh đồi, núi cao, công tác sữa chữa gặp rất nhiều khó khăn và tốn kém. Ở Việt Nam các đường dây truyền tải 220kV-500kV trải dài dọc từ Bắc đến Nam, đi qua nhiều khu vực địa hình từ núi cao đến đầm lầy.
Việt Nam nằm trong nhiều vùng khu vực khí hậu khắc nghiệt, thường xuyên có nhiều giông sét xảy ra với mật độ cao và cường độ lớn, đặc biệt là tại các vùng núi đá cao, vùng chuyển tiếp giữa đồi núi với đồng bằng. Mục đích Để giảm thiểu các sự cố có nguyên nhân do sét cần “Nghiên cứu giải pháp đảm bảo vận hành an toàn trên các đường dây truyền tải điện”, qua đó đánh giá lại các giải pháp đã thực hiện giảm số lượng các sự cố do sét trên đường dây. Luận văn nghiên cứu kỹ giải pháp cụ thể: tính toán lắp đặt chống sét van. Thông qua việc thu thập, tính toán mô phỏng, đã áp dụng kết quả tính toán trên một đường dây 220kV đang vận hành với mục tiêu giảm thiểu sự cố có nguyên nhân do sét trên đường dây này.
1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong luận văn là các đường dây 220kV và 500kV trong hệ thống truyền tải điện. Đặc biệt, đối tượng nghiên cứu chính để tính toán mô phỏng và áp dụng giải pháp lắp đặt chống sét van 220kV loại có khe hở ngoài là đường dây 220kV Việt Trì - Yên Bái - một trong các đường dây quan trọng cấp điện cho các tỉnh miền núi phía Tây Bắc của miền Bắc Việt Nam. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Luận văn tổng kết về mặt lý thuyết và thực tế các giải pháp đảm bảo an toàn vận hành hệ thống truyền tải điện nói chung và các đường dây truyền tải điện nói riêng, đặc biệt là áp dụng giải pháp lắp đặt chống sét van để giảm ảnh hưởng của quá điện áp khí quyển đến chỉ tiêu suất sự cố trên các đường dây 220kV và 500kV trong hệ thống điện Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết cơ bản và nâng cao về kỹ thuật điện cao áp, phối hợp cách điện, phóng điện trong môi trường không khí và bề mặt cách điện.
- Khảo sát số liệu thông số kỹ thuật đường dây và các số liệu sự cố, tính toán mô phỏng tác động của quá điện áp khí quyển lên các thành phần của đường dây và áp dụng các giải pháp bảo vệ trên đường dây. - Luận văn sử dụng phần mềm tính toán quá độ điện từ EMTP-ATP mô phỏng ngưỡng chịu sét đánh vào đỉnh cột, dây chống sét và dây dẫn, từ đó lựa chọn các vị trí phù hợp để lắp chống sét van. Đồng thời, sau khi lắp chống sét van, tiến hành tính toán lại suất cắt của đường dây để đánh giá về tính hiệu quả của giải pháp. Các tính toán áp dụng trong luận văn bao gồm: - Tính toán mô phỏng quá trình phóng điện sét bằng phần mềm quá độ điện từ EMTP-ATP.
- Nghiên cứu giải pháp thiết kế lắp chống sét van trên đường dây. - Kiểm nghiệm các kết quả tính toán theo lý thuyết với các thông số thực tế trên đường dây, kiến nghị lựa chọn lắp đặt chống sét van phù hợp thực tế. Đường dây truyền tải điện và giải pháp đảm bảo vận hành an toàn 1. Khái niệm về đường dây truyền tải điện Theo [3], [4], hệ thống điện bao gồm các thành phần chính sau đây: - Các nhà máy điện bao gồm thủy điện, nhiệt điện, tua bin khí, điện nguyên tử (hạt nhân), các nhà máy điện năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió, địa nhiệt, thủy triều.
Các nhà máy điện công suất lớn mang tính hệ thống được đấu nối vào lưới điện truyền tải, còn các nhà máy điện nhỏ mang tính phân tán được đấu nối vào lưới điện phân phối; - Lưới điện (mạng điện) là tập hợp các phần tử đường dây, đường cáp điện, trạm đóng cắt, trạm biến áp và được phân chia thành lưới điện truyền tải và lưới điện phân phối. Tùy vào quy mô của hệ thống điện, các quy định kỹ thuật và chuyên ngành sẽ phân chia cấp điện áp ranh giới giữa lưới điện truyền tải và lưới điện phân phối. Ở Việt Nam, cấp điện áp 220kV trở lên được quy định thuộc về lưới điện truyền tải. Trong khi lưới điện 110kV, lưới điện trung áp (từ 35kV trở xuống) và hạ áp (dưới 1kV) xuống thuộc về lưới điện phân phối.
- Phụ tải tiêu thụ điện là các hộ tiêu thụ điện trong hệ thống điện. Các phụ tải điện lớn có thể đấu vào lưới điện 220kV/110kV. Các phụ tải cỡ vừa đấu nối vào lưới điện trung áp, các hộ tiêu thụ điện nhỏ đấu nối vào hạ áp 380/220V. Theo Quy định của các tiêu chuẩn quốc gia và tiêu chuẩn quốc tế, các thành phần của hệ thống điện cùng hoạt động song song trên cơ sở cân bằng cung cầu công suất và đảm bảo chất lượng điện năng đã được xác định trước.
Lưới điện truyền tải (hay còn gọi là hệ thống truyền tải điện) là mạch xương sống kết nối các nguồn điện công suất lớn với các trung tâm phụ tải lớn thông qua các TBA trung gian. Lưới điện truyền tải có thể có cấu trúc kín (mạch vòng) hoặc cấu trúc hở (hình tia). - Các trạm biến áp và trạm đóng cắt của lưới điện truyền tải bao gồm máy biến áp, các thiết bị đóng cắt nhất thứ, các thiết bị nhị thứ và phụ trợ kèm theo. - Một thành phần quan trọng của lưới điện truyền tải là các đường dây truyền tải điện trên không và các tuyến cáp ngầm.
Do có giá thành cao nên số lượng đường cáp trong lưới điện truyền tải không nhiều, chủ yếu áp dụng ở các khu vực trung tâm các thành phố lớn. Các tuyến đường dây trên không thường có chiều dài khá lớn, từ hàng chục đến hàng trăm km, có khả năng truyền hàng trăm MW đến hàng nghìn MW năng lượng điện từ các nhà máy điện đến các trung tâm phụ tải lớn. Về cấu trúc đường dây truyền tải bao gồm các cột đường dây, các dây dẫn đấu nối giữa các cột với nhau và các phụ kiện. 3 Cột đường dây truyền tải bao gồm các thành phần sau: - Móng cột có thể là loại móng cột hoặc móng băng.
- Cột truyền tải có thể là cột thép hoặc cột đơn thân. o Cột thép bao gồm nhiều thanh thép nhỏ được kết nối với nhau bằng bu lông tạo nên các cột cao từ hàng chục mét đến trăm mét. o Cột đơn thân có thể là các loại cột bê tông, cột gỗ, cột thép đơn thân và trong một số trường hợp sử dụng loại vật liệu đặc biệt. - Cột truyền tải có thể là loại cột đỡ (cột trung gian), cột néo, cột góc, cột một mạch hoặc cột nhiều mạch, cột đơn pha và cột đảo pha.
- Tay xà để treo các dây pha và dây chống sét. - Các chuỗi cách điện loại sứ hoặc composite sử dụng các phụ kiện phù hợp để gắn trên các tay xà (hoặc gắn trực tiếp vào thân cột) với các dây dẫn mang nhiệm vụ truyền dẫn dòng điện cần truyền tải Dây dẫn truyền tải là các loại dây đơn hoặc phân pha, đấu nối theo 3 pha ABC và dây chống sét (có thể kết hợp lõi cáp quang). Các dây dẫn truyền tải thường đi kèm với các phụ kiện đặc biệt. Dây dẫn truyền tải cấu tạo từ bó các sợi hợp kim nhôm với các sợi lõi thép hoặc các sợi lõi hợp kim đặc biệt có tác dụng chịu được lực kéo lớn đấu nối giữa các cột.
Theo tính chất dòng điện, đường dây truyền tải có thể là đường dây xoay chiều (AC) và đường dây một chiều (DC). Hiện nay ở Việt Nam chưa xây dựng đường dây DC nào mà chỉ có các đường dây xoay chiều AC. Sự cố trong lưới điện truyền tải Các thành phần trong lưới điện truyền tải đều có thể xảy ra sự cố. Trải qua hơn 100 năm phát triển, hiện nay áp dụng hệ thống các tiêu chuẩn, quy định, quy trình, quy phạm về xây dựng, vận hành lưới điện truyền tải với mục tiêu đảm bảo vận hành an toàn tin cậy hệ thống điện nói chung và lưới truyển tải điện nói riêng.
Mặc dù vậy hàng năm vẫn xảy ra các sự cố trong hệ thống truyền tải điện. Theo phân loại, sự cố trong lưới điện truyền tải có thể phân thành sự cố nhỏ đơn lẻ, sự cố phức tạp và sự cố hệ thống (là loại sự cố ảnh hưởng đến 1 vùng rộng lớn). Sự cố có thể mang tính chủ quan (có yếu tố tác động nguyên nhân từ con người) và khách quan (các tác động từ bên ngoài hoặc yếu tố không xác định).