Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ tin cậy của hệ thống bảo vệ quá điện áp cho trạm biến áp 220kV Thái Nguyên

• Tác giả: Phí Hồng Hải
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Tường
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu, Đánh Giá Đưa Ra Giải Pháp Nâng Cao Độ Tin Cậy Của Hệ Thống Bảo Vệ Quá Điện Áp Khí Quyển Cho Trạm Biến Áp 220Kv Thái Nguyên
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN
• 1.1. Phân tích hoạt động dông sét trên lãnh thổ việt nam và tỉnh Thái Nguyên
• 1.1.1. Tình hình dông sét ở Việt Nam
• 1.1.2. Hoạt động của dông sét trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên
• 1.1.3. Những vấn đề liên quan đến quá điện áp có thể phát sinh lan truyền trong hệ thống diện
• 1.1.4. Ảnh hưởng dông sét tới hệ thống điện
• 1.1.4.1. Ảnh hưởng do sét đánh trực tiếp
• 1.1.4.2. Ảnh hưởng do lan truyền điện từ trường
• 1.1.5. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TRẠM BIẾN ÁP 220KV THÁI NGUYÊN
• 2.1. Tình hình sự cố lưới điện
• 2.2. Giới thiệu về trạm biến áp 220KV – Thái Nguyên
• 2.3. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH ATP-EMTP
• 3.1. Khảo sát quá điện áp khí quyển bằng chương trình ATP-EMTP
• 3.2. Những ứng dụng của chương trình ATP
• 3.3. Những chương trình tương hỗ với ATP
• 3.4. Những mẫu mô phỏng tăng hợp trong ATP
• 3.5. Chương trình mô phỏng ATPDraw
• 3.6. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN VÀ GIẢI PHÁP BẢO VỆ CHO TRẠM BIẾN ÁP 220KV
• 4.1. Khảo sát quá điện áp khí quyển
• 4.2. Giải pháp bảo vệ cho trạm biến áp 220KV
• 4.3. Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp 220 kV
• 4.4. Điện áp hệ thống
• 4.5. Khoảng cột đoạn đường dây đầu trạm
• 4.6. Mô hình nguồn sét
• 4.7. Mô hình đường dây trong trạm
• 4.8. Mô hình chống sét van
• 4.9. Kết quả khảo sát
• 4.9.1. Những ảnh hưởng do quá áp khí quyển tới trạm biến áp
• 4.9.2. Khảo sát quá điện áp khi chưa đặt chống sét van
• 4.9.3. Đánh giá hiện trạng bảo vệ bằng chống sét van của trạm
• 4.10. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về quá điện áp khí quyển Nguyên nhân và ảnh hưởng

Điện năng đóng vai trò then chốt trong nền kinh tế hiện đại. Nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng, đòi hỏi hệ thống cung cấp điện phải hoạt động liên tục, ổn định, an toàn và đảm bảo chất lượng. Một trong những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng và độ tin cậy của hệ thống là các hiện tượng quá độ điện áp, dòng điện, tần số, sóng hài. Các hiện tượng này có thể do các yếu tố tự nhiên như sét đánh hoặc do các thao tác đóng cắt trong hệ thống. Mặc dù thời gian tác động ngắn, năng lượng của các hiện tượng quá độ rất lớn, dễ gây hư hỏng thiết bị và ảnh hưởng đến vận hành hệ thống. Luận văn này tập trung vào nghiên cứu, nhận dạng và phân tích các hiện tượng quá độ, từ đó đề xuất các giải pháp khắc phục, hạn chế tối đa sự cố và bảo vệ thiết bị, đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và tin cậy. Ứng dụng phần mềm ATP để mô phỏng và phân tích dự đoán chính xác cường độ và năng lượng của quá độ để lựa chọn thiết bị bảo vệ hợp lý nhất.

1.1. Quá điện áp khí quyển Định nghĩa phân loại và đặc điểm

Quá điện áp khí quyển là hiện tượng tăng vọt điện áp do sét đánh trực tiếp hoặc gián tiếp vào hệ thống điện. Hiện tượng này có thể gây ra các hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị điện, đặc biệt là các thiết bị đặt ngoài trời như máy biến áp, đường dây tải điện. Quá điện áp khí quyển được chia thành hai loại chính: quá điện áp do sét đánh trực tiếp và quá điện áp do sét đánh gián tiếp. Quá điện áp do sét đánh trực tiếp xảy ra khi sét đánh trực tiếp vào đường dây hoặc thiết bị điện. Quá điện áp do sét đánh gián tiếp xảy ra khi sét đánh xuống đất gần đường dây hoặc thiết bị điện, tạo ra một điện áp cảm ứng trên đường dây hoặc thiết bị.

1.2. Ảnh hưởng của quá điện áp đến trạm biến áp 220kV

Trạm biến áp là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện. Đối với trạm 220kV, các thiết bị thường được đặt ngoài trời, do đó dễ bị ảnh hưởng bởi quá điện áp khí quyển. Khi sét đánh vào trạm, nó có thể gây ra các hậu quả nghiêm trọng, bao gồm hư hỏng thiết bị, ngừng cung cấp điện và thậm chí là gây nguy hiểm cho người. Do đó, việc bảo vệ trạm biến áp khỏi quá điện áp khí quyển là rất quan trọng. Theo thống kê, dông sét gây ra 10% hỏa hoạn, trên 40 người và 20.000 động vật bị chết, 50.000 lần cắt đường dây điện và điện thoại, các đường dây tải điện trên không.

II. Phân tích hoạt động dông sét và ảnh hưởng tại Thái Nguyên

Việt Nam là một trong những quốc gia có số ngày dông sét cao. Theo thống kê, số ngày dông ở miền Bắc dao động từ 70 đến 110 ngày/năm. Dông sét gây ra nhiều thiệt hại cho lưới điện và các công trình trên mặt đất. Tình hình dông sét ở Việt Nam do ảnh hưởng của các yếu tố địa hình, có thể thấy mức hoạt động của dông sét giảm dần theo vĩ độ. Miền Bắc là khu vực có cường độ dông sét mạnh nhất, miền Trung yếu dần sau đó lại tăng dần ở miền Nam. Về thời gian bắt đầu mùa giông có thể thấy mức hoạt động dông sét tăng dần từ vĩ độ cao xuống thấp. Vào tháng 2 chủ yếu là dông sét phía Bắc, tháng 11 chủ yếu dông sét phía Nam.

2.1. Đặc điểm dông sét tại tỉnh Thái Nguyên Mật độ và thời gian

Thái Nguyên là một trong những tỉnh có mật độ sét cao nhất cả nước, với khoảng 7-8,5 lần/km²/năm. Điều này là do vị trí địa lý và đặc điểm khoáng sản của tỉnh. Thái Nguyên là một tỉnh trung du và miền núi, có nhiều nguồn khoáng sản. Các khu vực Đồng Hỷ, Phú Bình, Đại Từ, Phú Lương, Thành phố có mật độ sét rất cao do khu vực này có nhiều mỏ như sắt Trại Cau, quặng Đại Từ, kẽm Đồng Hỷ… nhiều nhà máy sản xuất công nghiệp như khu Gang Thép Thái Nguyên, khu công nghiệp Sông Công được coi là những vùng tập trung dông sét. Đây là lý do ngành điện đã đặt tại Thái Nguyên một Trạm nghiên cứu sét duy nhất của ngành.

2.2. Ảnh hưởng của dông sét đến hệ thống điện Thái Nguyên

Hoạt động dông sét tại Thái Nguyên diễn ra khá mạnh và tập trung: + Ngày dông trung bình năm: 87 ngày. + Giờ dông trung bình năm: 329 giờ. + Thời gian kéo dài dông trung bình ngày: 3,5 giờ. + Các ngày dông được tập trung vào các tháng từ tháng 7 –tháng 8 hàng năm với trung bình số ngày dông là 10 ngày/ tháng. + Mật độ sét từ 7-8,5 lần/km². Theo số liệu thống kê của toàn quốc và của tỉnh thì Thái Nguyên được xếp vào nhóm những khu vực có sét hoạt động mạnh. Số ngày dông khá cao so với khu vực có ngày giông cao nhất là Trà Mi-Quảng Nam 131 ngày, mật độ sét rất cao và tập trung chủ yếu vào các tháng 7-9 hàng năm, số ngày giông trong các tháng này cao nhất cả nước 10 ngày/tháng.

III. Giải pháp nâng cao độ tin cậy bảo vệ quá điện áp cho TBA

Để bảo vệ trạm biến áp 220kV khỏi quá điện áp khí quyển, cần áp dụng các giải pháp đồng bộ, bao gồm lắp đặt chống sét van, tăng cường điện trở nối đất, và phối hợp cách điện hợp lý. Chống sét van có tác dụng hạn chế điện áp quá độ, bảo vệ thiết bị khỏi hư hỏng. Điện trở nối đất thấp giúp giảm điện áp đặt lên thiết bị khi có sét đánh. Phối hợp cách điện đảm bảo các thiết bị có khả năng chịu đựng được điện áp quá độ. Ngoài ra, cần thường xuyên kiểm tra, bảo trì hệ thống bảo vệ để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

3.1. Lựa chọn và lắp đặt chống sét van phù hợp

Việc lựa chọn chống sét van (CSV) phù hợp là yếu tố then chốt để bảo vệ trạm biến áp khỏi quá điện áp. Cần xem xét các thông số kỹ thuật của CSV như điện áp định mức, dòng điện xung kích chịu đựng, và mức bảo vệ điện áp. CSV nên được lắp đặt gần các thiết bị cần bảo vệ, như máy biến áp, máy cắt, và dao cách ly. Vị trí lắp đặt CSV cũng cần được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả bảo vệ cao nhất. Mô hình chống sét van được thể hiện trong tài liệu gốc.

3.2. Tăng cường điện trở nối đất cho trạm biến áp

Điện trở nối đất thấp giúp giảm điện áp đặt lên thiết bị khi có sét đánh. Để giảm điện trở nối đất, có thể sử dụng nhiều cọc nối đất, tăng diện tích tiếp xúc của cọc với đất, hoặc sử dụng các vật liệu dẫn điện tốt để làm cọc nối đất. Cần thường xuyên kiểm tra điện trở nối đất để đảm bảo giá trị nằm trong giới hạn cho phép. Theo tài liệu gốc, việc giảm điện trở nối đất là một trong những biện pháp hiệu quả để giảm thiểu ảnh hưởng của quá điện áp.

3.3. Phối hợp cách điện Đảm bảo khả năng chịu đựng quá điện áp

Phối hợp cách điện là quá trình lựa chọn và bố trí các thiết bị điện sao cho chúng có khả năng chịu đựng được các mức điện áp khác nhau, bao gồm cả điện áp làm việc bình thường và quá điện áp. Cần xem xét các yếu tố như điện áp chịu đựng xung sét, điện áp chịu đựng tần số công nghiệp, và hệ số an toàn cách điện. Phối hợp cách điện hợp lý giúp đảm bảo an toàn và độ tin cậy cho hệ thống điện.

IV. Ứng dụng phần mềm ATP EMTP mô phỏng quá điện áp

Phần mềm ATP-EMTP là công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và phân tích các hiện tượng quá độ điện từ trong hệ thống điện. ATP-EMTP cho phép mô phỏng các trường hợp sét đánh khác nhau, từ đó đánh giá hiệu quả của các giải pháp bảo vệ. Kết quả mô phỏng giúp lựa chọn các thông số kỹ thuật phù hợp cho chống sét van, điện trở nối đất, và phối hợp cách điện. ATP-EMTP cũng giúp dự đoán các điểm yếu trong hệ thống, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời.

4.1. Xây dựng mô hình trạm biến áp 220kV trên ATP EMTP

Để mô phỏng quá điện áp trên ATP-EMTP, cần xây dựng mô hình trạm biến áp 220kV một cách chi tiết. Mô hình bao gồm các thành phần như đường dây tải điện, máy biến áp, máy cắt, dao cách ly, chống sét van, và hệ thống nối đất. Các thông số kỹ thuật của các thành phần này cần được nhập vào phần mềm một cách chính xác. Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp 220 kV được thể hiện trong tài liệu gốc.

4.2. Mô phỏng các trường hợp sét đánh và phân tích kết quả

Sau khi xây dựng mô hình, có thể mô phỏng các trường hợp sét đánh khác nhau, như sét đánh trực tiếp vào đường dây, sét đánh gần trạm biến áp, và sét đánh vào cột điện. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp quá độ tại các vị trí khác nhau trong trạm biến áp. Phân tích kết quả giúp đánh giá hiệu quả của các giải pháp bảo vệ và xác định các điểm yếu trong hệ thống. Biểu đồ điện áp trên máy biến áp AT2 được thể hiện trong tài liệu gốc.

V. Đánh giá hiệu quả và đề xuất cải tiến hệ thống bảo vệ quá điện áp

Dựa trên kết quả mô phỏng và phân tích, cần đánh giá hiệu quả của hệ thống bảo vệ quá điện áp hiện tại. Nếu hệ thống chưa đáp ứng được yêu cầu, cần đề xuất các giải pháp cải tiến, như thay thế chống sét van có thông số kỹ thuật tốt hơn, tăng cường điện trở nối đất, hoặc cải thiện phối hợp cách điện. Các giải pháp cải tiến cần được mô phỏng lại trên ATP-EMTP để đảm bảo hiệu quả.

5.1. So sánh các giải pháp bảo vệ quá điện áp Ưu và nhược điểm

Có nhiều giải pháp để bảo vệ trạm biến áp khỏi quá điện áp, mỗi giải pháp có những ưu và nhược điểm riêng. Ví dụ, chống sét van có hiệu quả cao trong việc hạn chế điện áp quá độ, nhưng có thể bị hư hỏng nếu dòng điện xung kích quá lớn. Điện trở nối đất thấp giúp giảm điện áp đặt lên thiết bị, nhưng có thể khó đạt được giá trị thấp ở những vùng có điện trở suất đất cao. Cần so sánh các giải pháp này để lựa chọn giải pháp phù hợp nhất với điều kiện cụ thể của trạm biến áp.

5.2. Đề xuất giải pháp tối ưu cho trạm biến áp 220kV Thái Nguyên

Dựa trên phân tích tình hình thực tế của trạm biến áp 220kV Thái Nguyên, cần đề xuất một giải pháp bảo vệ quá điện áp tối ưu. Giải pháp này cần kết hợp các biện pháp như lắp đặt chống sét van phù hợp, tăng cường điện trở nối đất, và cải thiện phối hợp cách điện. Giải pháp cũng cần tính đến các yếu tố kinh tế và kỹ thuật để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả.

VI. Kết luận và hướng phát triển trong bảo vệ quá điện áp

Bảo vệ trạm biến áp khỏi quá điện áp khí quyển là một vấn đề quan trọng, đặc biệt là ở những khu vực có mật độ sét cao như Thái Nguyên. Việc áp dụng các giải pháp đồng bộ, kết hợp với công cụ mô phỏng ATP-EMTP, giúp nâng cao độ tin cậy và an toàn cho hệ thống điện. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong bảo vệ quá điện áp, như sử dụng vật liệu mới, thiết kế hệ thống nối đất tiên tiến, và ứng dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán và phòng ngừa sự cố.

6.1. Tổng kết các kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Luận văn đã trình bày các kết quả nghiên cứu về quá điện áp khí quyển và các giải pháp bảo vệ trạm biến áp. Các kết quả này có thể được ứng dụng vào thực tế để nâng cao độ tin cậy và an toàn cho trạm biến áp 220kV Thái Nguyên và các trạm biến áp khác có điều kiện tương tự. Cần tiếp tục theo dõi và đánh giá hiệu quả của các giải pháp đã áp dụng để có những điều chỉnh phù hợp.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo Ứng dụng công nghệ mới

Trong tương lai, cần tập trung nghiên cứu các công nghệ mới trong bảo vệ quá điện áp, như sử dụng vật liệu nano để chế tạo chống sét van có hiệu suất cao hơn, thiết kế hệ thống nối đất thông minh có khả năng tự điều chỉnh điện trở nối đất theo điều kiện thời tiết, và ứng dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán và phòng ngừa sự cố do quá điện áp. Các công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại những đột phá trong lĩnh vực bảo vệ hệ thống điện.