I. Tổng Quan về Quá Điện Áp Nội Bộ Nguyên Nhân và Ảnh Hưởng
Trong hệ thống điện, các nguyên nhân bất thường như thao tác đóng cắt, giải trừ sự cố, hoặc sét đánh có thể gây ra quá điện áp. Quá điện áp khí quyển thường nguy hiểm hơn do biên độ lớn. Tuy nhiên, quá điện áp nội bộ, phát sinh và duy trì dưới tác dụng của nguồn xoay chiều, lại thường khó nhận biết. Hệ thống điện được xem như một tổng thể RLC, hình thành mạch dao động. Các tác động làm thay đổi chế độ làm việc gây ra dao động năng lượng điện từ, dẫn đến quá điện áp nội bộ. Ví dụ, xuất hiện hoặc khắc phục ngắn mạch, đứt dây dẫn, hoặc thao tác đóng cắt có thể gây ra sự thay đổi tham số mạch điện, tạo ra dao động và quá điện áp.
1.1. Các Nguyên Nhân Chính Gây Quá Điện Áp Nội Bộ
Các nguyên nhân chính bao gồm chuyển mạch giữa các pha, chuyển mạch giữa các tiếp điểm, cắt đường dây non tải, đóng đường dây hở mạch, tự động đóng lặp lại, cắt tụ điện, cắt dòng điện ngắn mạch, và cắt các dòng điện điện cảm nhỏ. Các thao tác đóng cắt trong hệ thống có thể gây nên sự thay đổi tham số trong mạch điện và làm xuất hiện các quá điện áp quá độ bằng dao động trong mạch L-C. Những dao động này gây nên quá điện áp nội bộ hay gọi là quá điện áp thao tác.
1.2. Ảnh Hưởng của Quá Điện Áp Đến Tuổi Thọ Thiết Bị Trạm Biến Áp
Quá điện áp có thể gây hư hỏng cho thiết bị, giảm tuổi thọ thiết bị và gây mất ổn định hệ thống. Các chế độ làm việc không bình thường làm cho điện áp và tần số lệch khỏi giới hạn cho phép, dẫn đến sự cố lan rộng. Do đó, việc nghiên cứu hệ thống bảo vệ quá điện áp là rất cần thiết để duy trì hoạt động bình thường và hạn chế thiệt hại.
II. Thách Thức Bảo Vệ Quá Điện Áp Nội Bộ tại Trạm 220kV Thái Nguyên
Trạm biến áp 220kV Thái Nguyên đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phân phối điện miền Bắc. Nhiệm vụ chính của trạm là cung cấp điện cho khu công nghiệp Gang Thép Thái Nguyên, khu công nghiệp Sông Công và cho các nhu cầu kinh tế, chính trị, dân sinh các tỉnh phía Bắc như: Bắc Giang, Cao Bằng, Bắc Cạn, Tuyên Quang, Hà Giang… Tuy nhiên, trạm nằm trong khu vực miền núi có mật độ sét cao, hệ thống đường dây phân phối phụ tải 35 kV dài, cũ nát nên suất sự cố lớn. Các sự cố này thường kèm theo dòng điện tăng lên khá cao và điện áp giảm thấp, gây hư hỏng thiết bị và có thể làm mất ổn định hệ thống.
2.1. Vấn Đề Sét Đánh và Ảnh Hưởng Đến Hệ Thống Bảo Vệ
Khu vực miền núi có mật độ sét cao tạo ra thách thức lớn cho hệ thống bảo vệ quá điện áp. Sét đánh trực tiếp hoặc lan truyền có thể gây ra sóng quá điện áp lớn, vượt quá khả năng chịu đựng của thiết bị. Điều này đòi hỏi hệ thống bảo vệ phải có khả năng phản ứng nhanh và hiệu quả.
2.2. Hệ Thống Đường Dây Phân Phối Cũ Nát Nguyên Nhân Gây Ra Sự Cố
Hệ thống đường dây phân phối 35kV dài và cũ nát làm tăng nguy cơ xảy ra sự cố, đặc biệt là sự cố quá điện áp. Các đường dây này có thể bị hỏng do nhiều nguyên nhân, gây ra dòng điện tăng cao và điện áp giảm thấp, ảnh hưởng đến hoạt động của trạm.
2.3. Yêu cầu về một hệ thống bảo vệ quá điện áp trạm biến áp hiệu quả
Bài luận văn này bước đầu đưa ra những đánh giá cho hệ thống bảo vệ quá áp cho trạm, trình bày phần mềm mô phỏng quá trình quá điện áp xảy ra trong trạm 220 kV Thái Nguyên. Vì vậy việc nghiên cứu hệ thống bảo vệ quá điện áp cho trạm biến áp là rất cần thiết.
III. Nghiên Cứu Bảo Vệ Quá Điện Áp bằng Mô Phỏng ATP EMTP
Để nghiên cứu bảo vệ quá điện áp, phần mềm ATP-EMTP (Electro-Magnetic Transients Program) được sử dụng. ATP-EMTP cho phép mô phỏng quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện. Nó giúp xác định độ lớn và dạng sóng quá điện áp tại các vị trí khác nhau trong trạm. Mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả của các thiết bị bảo vệ như chống sét van và đưa ra các giải pháp giảm thiểu quá điện áp.
3.1. Giới Thiệu về Phần Mềm ATP EMTP và Ứng Dụng
ATP-EMTP là một công cụ mạnh mẽ để phân tích các quá trình quá độ trong hệ thống điện. Nó có nhiều module để mô phỏng các thành phần khác nhau của hệ thống, từ đường dây truyền tải đến máy biến áp và thiết bị bảo vệ. Ứng dụng của ATP-EMTP giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về hành vi của hệ thống trong các điều kiện khác nhau.
3.2. Mô Phỏng Trạm Biến Áp 220kV bằng ATPDraw
ATPDraw là giao diện đồ họa cho ATP-EMTP, giúp người dùng dễ dàng xây dựng và mô phỏng sơ đồ mạch điện. Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp 220kV được mô hình hóa trong ATPDraw, bao gồm các thành phần như nguồn điện áp, đường dây, máy biến áp, và máy cắt. Việc cài đặt thông số cho các thành phần này rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của kết quả mô phỏng.
3.3. Xác định thông số nguồn điện áp và nhánh đường dây
Từ tính toán trên ta thấy rằng điện áp và dòng điện trên đường dây tại một toạ độ l và thời gian t bất kỳ bao gồm hai thành phần sóng: Sóng từ đầu tới cuối đường dây (sóng tới ) Sóng ngược từ cuối đường dây trở về (sóng phản xạ). Khi đóng đường dây không tải vào nguồn xoay chiều thỡ súng điện áp lan truyền dọc đường dây, tới cuối đường dây gặp tổng trở vô cùng lớn (đường dây hở mạch) sẽ cho sóng phản xạ lan truyên ngược trở lại.
IV. Đánh Giá Vai Trò Chống Sét Van trong Bảo Vệ Quá Điện Áp
Chống sét van (CSV) là thiết bị quan trọng trong hệ thống bảo vệ quá điện áp. CSV có khả năng hạn chế điện áp quá độ bằng cách tạo ra đường dẫn có trở kháng thấp cho dòng điện quá điện áp xuống đất. Việc lựa chọn và lắp đặt CSV đúng cách có thể bảo vệ hiệu quả các thiết bị trong trạm. CSV có hai loại chính: CSV có khe hở SiC và CSV không khe hở ZnO. Loại ZnO được ưu tiên sử dụng hiện nay do đặc tính tốt hơn.
4.1. So sánh các loại Chống Sét Van SiC và ZnO
CSV có khe hở SiC (Silic Cacbua) và CSV không khe hở ZnO (Kẽm Oxit) có nguyên lý hoạt động khác nhau. CSV ZnO có đặc tính phi tuyến tốt hơn, khả năng dập quá điện áp nhanh hơn và tuổi thọ cao hơn so với CSV SiC. Vì vậy, CSV ZnO được sử dụng rộng rãi hơn trong các ứng dụng hiện đại.
4.2. Nhập thông số chống sét van để mô phỏng
Từ hệ phương trỡnh trờn thực hiện biến đổi Laplace với điều kiện đầu: Ip, l 0; Up, l Ip,0 shγp l Zp Up, l Up, l chγp l E(p) U(p,0) pLi I(p,0) Xác định được điện áp tại cuối đường dây hở mạch có dạng : u (l, t ) A od cos t A k e t cos k t k k 1
4.3. Đánh Giá Hiệu Quả CSV thông qua mô phỏng ATPDraw
Các khảo sát trên mô hình ATPDraw cho thấy điện áp tại cuối đường dây hở mạch do đóng đường dây không tải bao gồm 2 thành phần, một là thành phần cưỡng bức được quyết định bởi sức điện động nguồn, thành phần thứ 2 là thành phần dao động tự do tần số cao hơn tần số nguồn (hài)gây ra bởi sự trao đổi năng lượng của các thành phần R, L, C của mạch dao động.
V. Biện Pháp Giảm Quá Điện Áp Nội Bộ Cách Lựa Chọn và Áp Dụng
Ngoài việc sử dụng CSV, có nhiều biện pháp giảm quá điện áp nội bộ. Một trong số đó là lựa chọn thời điểm đóng máy cắt. Thời điểm đóng máy cắt ảnh hưởng lớn đến độ lớn của quá điện áp. Việc đóng máy cắt tại thời điểm thích hợp có thể giảm đáng kể quá điện áp. Các biện pháp khác bao gồm sử dụng điện trở nối đất, lắp đặt kháng điện, và sử dụng thiết bị điều khiển điện áp.
5.1. Hướng Dẫn Lựa Chọn Thời Điểm Đóng Máy Cắt Tối Ưu
Thời điểm đóng máy cắt nên được lựa chọn sao cho điện áp quá độ được giảm thiểu. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng máy cắt có khả năng điều khiển thời điểm đóng, hoặc bằng cách tính toán và dự đoán thời điểm đóng phù hợp. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu quả bảo vệ.
5.2. Áp Dụng Điện Trở Nối Đất để Hạn Chế Quá Điện Áp
Điện trở nối đất giúp hạn chế dòng điện sự cố và giảm quá điện áp trong hệ thống. Việc lựa chọn giá trị điện trở phù hợp là quan trọng để đảm bảo hiệu quả bảo vệ mà không gây ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của hệ thống.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Bảo Vệ Quá Điện Áp
Nghiên cứu bảo vệ quá điện áp là một lĩnh vực quan trọng để đảm bảo hoạt động an toàn và tin cậy của trạm biến áp. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng như ATP-EMTP và áp dụng các biện pháp giảm quá điện áp có thể cải thiện đáng kể độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm nghiên cứu các thiết bị bảo vệ tiên tiến hơn, ứng dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán và phòng ngừa quá điện áp, và phát triển các giải pháp kinh tế và kỹ thuật hiệu quả.
6.1. Tổng Kết Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tế
Luận văn đã bước đầu đánh giá hệ thống bảo vệ quá áp cho trạm biến áp 220kV Thái Nguyên và trình bày phần mềm mô phỏng quá trình quá điện áp xảy ra trong trạm. Các kết quả nghiên cứu này có thể được ứng dụng trong thực tế để cải thiện hệ thống bảo vệ và giảm thiểu rủi ro sự cố.
6.2. Hướng Phát Triển Nghiên Cứu và Giải Pháp Tương Lai
Trong tương lai, cần tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị bảo vệ tiên tiến hơn, ứng dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán và phòng ngừa quá điện áp, và phát triển các giải pháp kinh tế và kỹ thuật hiệu quả. Điều này sẽ giúp nâng cao độ tin cậy và an toàn của hệ thống điện.
