Giải pháp hiệu quả giảm dòng ngắn mạch cho lưới truyền tải điện

Luận văn thạc sĩ trình bày giải pháp dòng ngắn mạch cho lưới truyền tải, giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong hệ thống điện.

• Tác giả: Phạm Đình Đức
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hùng
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Giải pháp giảm dòng ngắn mạch cho lưới truyền tải điện
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Mục tiêu của luận văn
• 1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Nhiệm vụ của luận văn
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Điểm mới của luận văn
• 1.6. Nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN
• 2.1. Hiện trạng nguồn và lưới điện Việt Nam
• 2.1.1. Tăng trưởng phụ tải
• 2.1.2. Hiện trạng nguồn điện
• 2.1.3. Hiện trạng lưới điện truyền tải
• 2.2. Chương trình phát triển điện lực toàn quốc
• 2.2.1. Nhu cầu phụ tải
• 2.2.2. Chương trình phát triển nguồn điện
• 2.3. Nguyên nhân dòng ngắn mạch tăng cao
• 2.4. Thông số ảnh hưởng đến sự tăng dòng ngắn mạch
• 2.4.1. Khi ngắn mạch 3 pha (ngắn mạch đối xứng)
• 2.4.2. Ngắn mạch bất đối xứng {N(1), N(1,1), N(2)}
• 2.4.3. Điện kháng thứ tự nghịch (TTN) và thứ tự không (TTK)
• 2.4.4. Công suất, điện áp và dòng ngắn mạch
• 2.5. Kết luận
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP GIẢM DÒNG NGẮN MẠCH
• 3.1. Nguyên nhân tăng cao của dòng ngắn mạch
• 3.2. Giải pháp quy hoạch lưới điện truyền tải
• 3.2.1. Giảm số đường dây đấu nối đến một điểm nút thanh cái
• 3.2.2. Liên kết đấu nối phù hợp trong hệ thống
• 3.2.3. Giảm số liên kết giữa các trạm nguồn lớn
• 3.3. Giải pháp thay đổi cấu hình vận hành lưới điện truyền tải
• 3.4. Giải pháp trang bị các MBA đầu cực máy phát có trở kháng cao
• 3.5. Giải pháp lắp đặt kháng điện hạn dòng
• 3.5.1. Vị trí kháng điện trong trạm biến áp
• 3.5.1.1. Kháng phân đoạn thanh cái
• 3.5.1.2. Kháng nối tiếp các lộ cấp nguồn
• 3.5.1.3. Kháng nối tiếp các lộ ra
• 3.5.2. Các cấu hình lắp đặt kháng hạn dòng được đề xuất
• 3.5.3. Lựa chọn giá trị kháng điện hạn chế dòng ngắn mạch
• 3.6. Giải pháp 5: chiến lược cắt tuần tự để giảm dòng ngắn mạch từ xa
• 3.7. Giải pháp 6: thay thiết bị
• 3.8. Đánh giá lựa chọn giải pháp
• 3.8.1. Đánh giá các giải pháp hạn dòng ngắn mạch
• 3.8.2. Giải pháp được đề xuất
• 3.8.2.1. Lắp kháng phân đoạn tại các nút
• 3.8.2.2. Lắp phối hợp kháng phân đoạn và kháng hạn dòng
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Cấu hình lưới điện lựa chọn trong mô phỏng
• 4.2. Phương pháp lắp kháng phân đoạn
• 4.3. Phương pháp lắp kháng phối hợp kháng phân đoạn và kháng hạn dòng
• 4.3.1. Khi dòng ngắn mạch các đường dây là 20 KA
• 4.3.2. Khi dòng ngắn mạch các đường dây là 25 KA
• 4.3.3. Khi dòng ngắn mạch các đường dây là 30 KA
• 4.3.4. Khi dòng ngắn mạch các đường dây là 35 KA
• 4.3.5. Khi dòng ngắn mạch các đường dây là 40 KA
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Kiến nghị
• TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

Tóm tắt

I. Tổng quan về giải pháp giảm dòng ngắn mạch cho lưới truyền tải điện

Giải pháp giảm dòng ngắn mạch cho lưới truyền tải điện là một vấn đề quan trọng trong vận hành hệ thống điện. Dòng ngắn mạch có thể gây ra nhiều sự cố nghiêm trọng, ảnh hưởng đến an toàn và độ tin cậy của lưới điện. Việc tìm hiểu và áp dụng các giải pháp hiệu quả là cần thiết để bảo vệ hệ thống điện khỏi những rủi ro này. Các phương pháp hiện có bao gồm việc sử dụng các thiết bị bảo vệ, kháng điện và cải tiến cấu hình lưới điện.

1.1. Nguyên nhân gây ra dòng ngắn mạch trong lưới điện

Dòng ngắn mạch trong lưới điện thường xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau. Một số nguyên nhân chính bao gồm sự gia tăng công suất nguồn phát điện, sự kết nối nhiều đường dây vào một thanh cái, và sự giảm tổng trở của hệ thống. Những yếu tố này làm tăng khả năng xảy ra ngắn mạch, dẫn đến dòng ngắn mạch cao hơn mức cho phép.

1.2. Tác động của dòng ngắn mạch đến hệ thống điện

Dòng ngắn mạch có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đến hệ thống điện, bao gồm hư hỏng thiết bị, mất điện và thậm chí là cháy nổ. Khi dòng ngắn mạch xảy ra, điện áp giảm mạnh và có thể làm hỏng các thiết bị bảo vệ, dẫn đến sự cố lớn trong lưới điện. Do đó, việc giảm thiểu dòng ngắn mạch là rất quan trọng.

II. Các phương pháp giảm dòng ngắn mạch hiệu quả cho lưới điện

Có nhiều phương pháp khác nhau để giảm dòng ngắn mạch trong lưới điện. Những phương pháp này không chỉ giúp bảo vệ thiết bị mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện. Một số phương pháp phổ biến bao gồm lắp đặt kháng điện, thay đổi cấu hình lưới điện và sử dụng thiết bị bảo vệ hiện đại.

2.1. Lắp đặt kháng điện hạn dòng

Kháng điện hạn dòng là một trong những giải pháp hiệu quả nhất để giảm dòng ngắn mạch. Việc lắp đặt kháng điện tại các vị trí chiến lược trong lưới điện có thể giúp giảm đáng kể dòng ngắn mạch, bảo vệ các thiết bị khỏi hư hỏng. Các kháng điện này có thể được lắp đặt ở các trạm biến áp hoặc các điểm nút quan trọng trong lưới điện.

2.2. Thay đổi cấu hình lưới điện

Thay đổi cấu hình lưới điện cũng là một phương pháp quan trọng để giảm dòng ngắn mạch. Việc giảm số lượng đường dây đấu nối vào một thanh cái có thể làm giảm tổng trở của hệ thống, từ đó giảm dòng ngắn mạch. Cấu hình lưới điện hợp lý sẽ giúp nâng cao hiệu quả vận hành và an toàn cho hệ thống.

2.3. Sử dụng thiết bị bảo vệ hiện đại

Sử dụng các thiết bị bảo vệ hiện đại có thể giúp phát hiện và ngăn chặn dòng ngắn mạch kịp thời. Các thiết bị này có khả năng tự động ngắt mạch khi phát hiện sự cố, từ đó bảo vệ hệ thống điện khỏi những thiệt hại nghiêm trọng. Việc đầu tư vào công nghệ mới sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của lưới điện.

III. Ứng dụng thực tiễn của các giải pháp giảm dòng ngắn mạch

Các giải pháp giảm dòng ngắn mạch đã được áp dụng thành công trong nhiều hệ thống điện trên thế giới. Những ứng dụng này không chỉ giúp bảo vệ thiết bị mà còn nâng cao hiệu quả vận hành của lưới điện. Việc áp dụng các giải pháp này cần được thực hiện một cách đồng bộ và có kế hoạch để đạt được hiệu quả tối ưu.

3.1. Kết quả nghiên cứu từ các dự án thực tế

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các giải pháp giảm dòng ngắn mạch có thể giảm thiểu đáng kể sự cố trong hệ thống điện. Các dự án thực tế cho thấy rằng việc lắp đặt kháng điện và thay đổi cấu hình lưới điện đã giúp giảm dòng ngắn mạch xuống dưới mức cho phép, bảo vệ thiết bị và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

3.2. Các bài học kinh nghiệm từ việc triển khai

Việc triển khai các giải pháp giảm dòng ngắn mạch cần phải được thực hiện cẩn thận và có kế hoạch. Các bài học kinh nghiệm từ những dự án trước đây cho thấy rằng việc đánh giá đúng tình hình thực tế và lựa chọn giải pháp phù hợp là rất quan trọng. Điều này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả và giảm thiểu rủi ro trong quá trình triển khai.

IV. Kết luận và triển vọng tương lai cho lưới điện

Giảm dòng ngắn mạch cho lưới truyền tải điện là một nhiệm vụ quan trọng và cần thiết trong bối cảnh hiện nay. Các giải pháp đã được đề xuất không chỉ giúp bảo vệ thiết bị mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện. Trong tương lai, việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu dòng ngắn mạch.

4.1. Tương lai của công nghệ giảm dòng ngắn mạch

Công nghệ giảm dòng ngắn mạch đang phát triển nhanh chóng với nhiều giải pháp mới được nghiên cứu và áp dụng. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc phát triển các thiết bị bảo vệ thông minh và các giải pháp tối ưu hóa lưới điện.

4.2. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của các giải pháp đã được áp dụng và tìm kiếm các phương pháp mới để giảm dòng ngắn mạch. Việc hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, kỹ sư và các cơ quan quản lý sẽ giúp thúc đẩy sự phát triển của ngành điện lực và nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung về luận văn.  Chương 2: Tổng quan về tình hình phát triển lưới điện truyền tải Việt Nam hiện nay. Các nguyên nhân làm tăng giá trị dòng ngắn mạch và các thông số ảnh hưởng đến sự tăng dòng ngắn mạch.  Chương 3: Trình bày phương pháp tính toán dòng ngắn mạch.

Đề xuất các phương pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới truyền tải. Qua các giải pháp này sẽ đề xuất giải pháp phù hợp với tình hình cụ thể hiện nay tại lưới điện Miền Nam Việt Nam.  Chương 4: Giải pháp được đề xuất sẽ được chứng minh bằng việc mô phỏng hệ thống điện Miền Nam. Các kết quả và nhận xét sẽ được đưa ra nhằm đánh giá hiệu quả của phương pháp được đề xuất  Chương 5: Kết luận những vấn đề đã đạt được qua luận văn và những vấn đề cần tiếp tục giải quyết trong thời gian tới nhằm hoàn chỉnh hơn vấn đề nghiên cứu.

4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Hiện trạng nguồn và lưới điện việt nam 2.1 Tăng trưởng phụ tải Năm 2013, sản lượng điện sản xuất và nhập khẩu của toàn quốc đạt 130.99 tỷ kWh, công suất cực đại (Pmax) toàn hệ thống là 20,010MW. Năm 2014, điện sản xuất đạt 142.25 tỷ kWh, Pmax đạt khoảng 22,100MW tăng khoảng 10. Tốc độ tăng Pmax bình quân trong 3 năm 2011 - 2013 là9.1%/năm, thấp hơn so với giai đoạn 2006-2010 (10. Trong đó, miền Trung có tốc độ tăng trưởng Pmax bình quân cao nhất đạt 13.1%/năm, miền Bắc đạt 11.5% và miền Nam Nam 8.

Năm 2015, công suất cực đại toàn quốc đạt khoảng 24,138MW, trong đó Miền Bắc đạt khoảng 10,502MW, Miền Trung khoảng 2,836MW và Miền Nam khoảng 11,550MW Bảng 2.1 Tăng trưởng công suất cực đại giai đoạn 2010-2015 2.2 Hiện trạng nguồn điện Tổng công suất đặt nguồn điện đến 2015 đạt 38,650 MW, tăng 27 % so với năm 2014, trong đó 8100 MW nguồn mới đưa vào vận hành bao gồm các tổ máy thủy điện và nhiệt điện than, tập trung chủ yếu ở khu vực miền Bắc và Miền Nam.1 Cơ cấu công suất đặt và điện sản xuất nguồn điện năm 2015 Chi tiết cơ cấu công suất nguồn theo nhiên liệu đến đầu năm 2016 được trình bày trong bảng sau: Bảng 2.2 Công suất nguồn điện theo nhiên liệu đến đầu năm 2016 2.3 Hiện trạng lưới điện truyền tải 6 Phần lưới điện truyền tải 500kV và 220kV do Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia quản lý, theo thống kê tổng khối lượng đường dây và trạm biến áp trên toàn quốc đến đầu năm 2016 như sau: Bảng 2.3 Khối lượng lưới điện truyền tải toàn quốc đến đầu năm 2016 2.2 Chương trình phát triển điện lực toàn quốc 2.1 Nhu cầu phụ tải Nhu cầu phụ tải toàn quốc theo QHĐ 7 hiệu chỉnh đã được phê duyệt, theo đó dự báo nhu cầu phụ tải toàn quốc các năm như sau: Bảng 2.4 Dự báo nhu cầu phụ tải toàn quốc đến năm 2025 2.2 Chương trình phát triển nguồn điện Theo QHĐ 7 HC, tổng công suất nguồn đặt giai đoạn đến năm 2020 toàn quốc đạt khoảng 57200MW, năm 2025 khoảng 89000MW và năm 2030 khoảng 110000MW (không xét các nguồn năng lượng tái tạo chưa có chủ trương đầu tư) trong đó tập trung phần lớn ở khu vực Miền Bắc và Miền Nam (bình quân chiếm khoảng 41%).2 Dự báo công suất nguồn toàn quốc giai đoạn 2016-2030 Cơ cấu nguồn có sự chuyển dịch lớn theo hướng ngày càng tăng tỷ trọng nguồn nhiệt điện than và khí, giảm tỷ trọng nguồn thủy điện, cụ thể:  Khu vực Miền Bắc: Thủy điện giảm từ 45% năm 2016 xuống còn 26% năm 2030, trong khi nhiệt điện tăng từ 51% năm 2016 đến 72% năm 2030;  Khu vực Miền Trung: Thủy điện giảm từ 90% năm 2016 xuống còn 58% năm 2030, trong khi nhiệt điện và tubin khí tăng từ 2% năm 2016 đến 37% năm 2030;  Khu vực Miền Nam: Thủy điện giảm từ 13.5% năm 2016 xuống còn 6% năm 2030, trong khi nhiệt điện và tubin khí tăng từ 75% năm 2016 đến 80% năm 2030. Đến năm 2030 Miền nam được bổ sung thêm khoảng 9% công suất điện Hạt Nhân.3 Cơ cấu nguồn điện toàn quốc Cơ cấu nguồn điện đến năm 2030 các miền được trình bày trong bảng Bảng 2.5 Cơ cấu công suất nguồn đặt toàn quốc đến năm 2030 2.3 Nguyên nhân dòng ngắn mạch tăng cao Thông thường dòng ngắn mạch trên thanh cái của các trạm điện tăng cao do tổng trở hệ thống giảm vì các nguyên nhân chủ yếu sau đây:  Cấu hình hệ thống điện chưa hợp lý như tập trung quá nhiều nguồn đổ vào thanh cái, tập trung nhiều đường dây đấu nối vào thanh cái của trạm biến áp.  Cấp điện áp không còn phù hợp với quy mô công suất chọn ban đầu.  Tổng trở các thiếtbị như máy biến áp, kháng điện thấp 2.4 Thông số ảnh hưởng đến sự tăng dòng ngắn mạch 2.1 Khi ngắn mạch 3 pha (ngắn mạch đối xứng) Dòng ngắn mạch 3 pha (giá trị hiệu dụng ban đầu) tại điểm ngắn mạch được xác định tổng quát theo biểu thức (2.1) x Như vậy, dòng ngắn mạch phụ thuộc tỉ lệ thuận với điện áp trước khi ngắn mạch và tỉ lệ nghịch với tổng trở hệ thống (nhìn từ điểm ngắn mạch) 9 Nhận định 1: với điện áp không đổi để giảm dòng ngắn mạch cần tăng điện trở tương đương từ nút xét bằng việc thay đổi cấu hình lưới, bổ xung hoặc thay thế thiết bị phù hợp.2 Ngắn mạch bất đối xứng {N(1), N(1,1), N(2)} Theo nguyên tắc tương đương thành phần TTT đối với các dạng sự cố khác nhau, dòng TTT (IkA1) được xác định như dòng ngắn mạch 3 pha ở xa thêm tương (𝑛) đương “điện kháng bổ sung” 𝑋∆ tính theo công thức (2.2) như sau:   EA  n (2.2)   I kA1 j x1  x  n (𝑛) Ở đây, 𝑋∆ được xác định theo điện kháng tổng thứ tự nghịch và thứ tự khôngtùy dạng ngắn mạch.

Dòng điện và điện áp được thể hiện dưới dạng số phức Hay dạng giá trị tuyệt đối (module) được thể hiện trong (2.3) x1  x  ' n Hay module của vectơ thành phần chu kỳ của dòng pha sự cố tại điểm ngắn mạch theo biểu thức chung theo (2.4) Áp dụng cho ngắn mạch: I k 1  m  .𝑥0Σ m(1,1) =√3√1 − khi ngắn mạch 2 pha chạm đất (N(1.1)), 𝑥∆ = 𝑥2Σ +𝑥0Σ 𝑥2Σ +𝑥0Σ n – chỉ số dạng ngắn mạch (𝑛) 𝐼𝑘𝐴1 – dòng TTT đối với ngắn mạch xem xét Dòng ngắn mạch 1 pha chạm đất theo (2.5) Hay khi ngắn mạch 2 pha chạm đất: 10 x2 I 31,1  3I kA1 (2.3 Điện kháng thứ tự nghịch (TTN) và thứ tự không (TTK) Đối với máy biến áp, DDK, cáp và kháng điện: x2  x1 (2.7) Đối với máy điện đồng bộ: x2  x"d  x"q (2.8) Trường hợp máy điện không có cuộn cản: x2  xd’.9) Giá trị này sai khác so với biểu thức trên không quá ≤12%. Giá trị trung bình x2 và x0 của máy điện đồng bộ mẫu như sau (pu) Kháng điện có thể lấy: x0  x1 (2.10) Máy biến áp: Điện kháng TTK x0 của máy biến áp (MBA) phụ thuộc cấu tạo và tổ đấu dây của MBA. Luôn có x0 = ∞ đối với MBA bất kỳ từ phía cuộn dây của MBA nối tam giác hoặc Y không nối đất trung tính, vì điện áp TTK của cuộn dây này không tạo ra trong MBAdongf TTK này không phụ thuộc cào cách nối dây. Do vậy, trong hầu hết trường hợp , x0 của MBA chỉ có từ phia cuộn dây Y có trung tính nối đất.

Tóm lại: Đối với tất cả MBA, khi nối cuộn dây Y0/∆: x0  x1 (2.11) Đối với nhóm 3 pha gồm 3 mba 1 pha, mba 3 pha 4 trụ và mba kiểu bọc: 11  Khi nối cuộn dây Y0/Y: x0   (2.12)  Khi nối cuộn dây Y0/Y0 : x0  x1 *  (2.13) (*)Nếu đảm bảo đường đi cho dòng TTK ở cả 2 cuộn dây. Đối với mba 3 pha 3 trụ :  Khi nối cuộn dây Y0/Y0 : x0  x1  x 0 (2.14)  Khi nối cuộn dây Y0/Y0: Cần phải sử dụng sơ đồ thay thế toàn phần khi lấy trong sơ đồ giá trị x0 tương ứng. Ðối với mba 3 cuộn dây, theo nguyên tắc sẽ có 1 cuộn nối tam giác, phải lấy x0   Sơ đồ Y0/∆/Y : x0  xI  xII  xI  II (2.15) Sơ đồ Y0/∆/Y0 và tải Y0 (tạo đường cho dòng TTK): sơ đồ thay thế của mba phải được áp dụng vào sơ đồ TTK.4 Công suất, điện áp và dòng ngắn mạch. Khả năng cắt của máy cắt được đánh giá bằng “dòng điện cắt định mức” (Iđm.cắtMC) hoặc “công suất cắt định mức” (Sđm.cắtMC) của máy cắt.

Khi cắt 3 pha tương ứng có: Sdm.17) Do U dmMC là hằng số nên Sđm.cắtMC tỉ lệ thuận với Iđm.cắtMC Công suất cắt tính toán hay còn gọi là công suất ngắn mạch tính toán (Snm.t) và dòng ngắn mạch tại thời điểm tính toán (Inm.18) Như vậy, nếu tăng điện áp vận hành của lưới thì dòng điện ngắn mạch giảm xuống. Việc lựa chọn hoặc kiểm tra khả năng cắt của máy cắt (CB) có thể so sánh về dòng điện hoặc công suất giữa các thông số này của máy cắt với thông số vận hành tương ứng của lứi tại điểm ngắn mạch và thời điểm ngắn mạch. Theo đó, yêu cầu Sdm.t Thực tế có vấn đề: U dm. Ví dụ 245kV>220kV; 550kV>500kV Khi đó cân xem xét quy đổi dòng cắt định mức hoặc so sánh theo chi tiêu công suất cắt của máy cắt U dm.5 Phương pháp tính toán dòng ngắn mạch.

Theo [20], các bước tính toán dòng ngắn mạch bao gồm:  Bước 1: Chọn hệ đơn vị cơ bản.  Bước 2: Tính toán giá trị điện áp hệ thống hay máy phát trong hệ đơn vị tương đối  Ei . Trong tính toán ngắn mạch, giá trị này thường được chọn 1 p.  Bước 3: Tính toán các giá trị tổng trở trong hệ đơn vị tương đối  Bước 4: Tính giá trị tổng trở tương đối từ vị trí ngắn mạch tới nguồn (hệ thống hay máy phát).

Trong ma trận tổng trở, tổng trở tương đối từ vị trí ngắn mạch i tới nguồn chính là giá trị thứ i trên đường chéo chính của ma trận tổng trở  Zii .  Bước 5: Dòng ngắn mạch tương đối được tính toán theo (2.6 Kết luận Từ các kết luận trên, rút ra tổng kết các nguyên tắc chọn giải pháp tổng thể giảm dòng ngắn mạch trên lưới truyền tải như sau: Cấu hình HTĐ cần thỏa mãn tiêu chí về vận hành tin cậy, điện áp nút và dòng ngắn mạch tổng tại các nút ở mức tối ưu (đáp ứng quy định). Đây là giải pháp quan trọng nhất và kinh tế nhất.