Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu quá điện áp đóng cắt cáp ngầm 220kV tại Long Biên - Mai Động

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu tốt nghiệp nghiên cứu quá điện áp đóng cắt tuyến cáp ngầm 220kv long biên mai động, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính

• Tác giả: Hoàng Văn Lâm
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Tuyên
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu quá điện áp đóng cắt tuyến cáp ngầm 220kV Long Biên - Mai Động
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của Luận văn
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu của Luận văn
• 1.4. Ý nghĩa thực tiễn của Luận văn
• 1.5. Giới thiệu phần mềm EMTP
• 1.6. Cấu trúc của Luận văn
• 2. TỔNG QUAN
• 2.1. Mối quan hệ của tuyến đường dây với Quy hoạch điện
• 2.2. Tuyến đường dây được thỏa thuận với UBND thành phố
• 2.3. Tổng quan về quá điện áp trong hệ thống
• 2.3.1. Quá điện áp duy trì
• 2.3.2. Quá điện áp đóng cắt
• 2.3.3. Quá điện áp khí quyển
• 2.3.4. Các nghiên cứu liên quan về quá điện áp
• 3. LỰA CHỌN SƠ ĐỒ ĐẢO VỎ CÁP NGẦM
• 3.1. Phương pháp luận lựa chọn sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm
• 3.2. Tính toán lựa chọn sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm cung đoạn cáp ngầm từ TBA 220kV Long Biên – VT1
• 3.2.1. Phương án nối đất vỏ cáp (màn chắn) tại một điểm (PA1)
• 3.2.2. Phương án Liên kết Cross bonding (PA2)
• 3.3. Tính toán lựa chọn sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm cung đoạn cáp ngầm từ TBA 220kV Mai Động – VT4
• 3.3.1. Phương án nối đất vỏ cáp tại một điểm
• 3.3.2. Phương án Liên kết Cross bonding
• 4. NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH TRV VÀ RRRV
• 4.1. Lý thuyết liên quan đến TRV và RRRV
• 4.2. Xây dựng mô hình các phần tử trong hệ thống phục vụ tính toán
• 4.2.1. Mô hình nguồn phát và tổng trở hệ thống
• 4.2.2. Mô hình máy biến áp
• 4.2.3. Mô hình đường dây truyền tải
• 4.2.4. Mô hình phần tử cáp ngầm
• 4.3. Tính toán giá trị TRV và RRRV
• 4.3.1. Tính toán giá trị TRV và RRRV của máy cắt tại TBA 220kV Long Biên
• 4.3.2. Tính toán giá trị TRV và RRRV của máy cắt tại TBA 220kV Mai Động
• 4.4. Hướng phát triển của Luận văn trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về quá điện áp trong hệ thống cáp ngầm 220kV Long Biên Mai Động

Nghiên cứu về quá điện áp trong hệ thống cáp ngầm 220kV Long Biên - Mai Động là một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu điện. Quá điện áp có thể gây ra nhiều hệ lụy cho các thiết bị trong hệ thống điện, đặc biệt là máy cắt. Trong hệ thống điện, quá điện áp có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau như quá điện áp duy trì, quá điện áp đóng cắt, và quá điện áp khí quyển. Mỗi loại quá điện áp đều có những đặc điểm và nguyên nhân riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ an toàn của hệ thống. Việc hiểu rõ về các loại quá điện áp này sẽ giúp trong việc lựa chọn thiết bị và phương pháp bảo vệ phù hợp. Theo nghiên cứu, quá điện áp thường xảy ra trong các tình huống như thao tác đóng cắt, sự cố ngắn mạch, hoặc do ảnh hưởng của thời tiết. Đặc biệt, trong hệ thống cáp ngầm, việc tính toán và mô phỏng quá điện áp là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho các thiết bị và hệ thống điện. Việc lựa chọn thiết bị đóng cắt phù hợp sẽ giúp giảm thiểu rủi ro và đảm bảo tính kinh tế cho dự án.

1.1. Mối quan hệ của tuyến đường dây với Quy hoạch điện

Tuyến đường dây cáp ngầm 220kV Long Biên - Mai Động có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp điện cho khu vực trung tâm thành phố Hà Nội. Theo Quy hoạch điện, việc hạ ngầm các đường dây điện là một trong những tiêu chí phát triển lưới điện hiện đại. Tuyến cáp ngầm này không chỉ giúp giảm thiểu diện tích đất sử dụng mà còn nâng cao tính thẩm mỹ cho đô thị. Hệ thống cáp ngầm 220kV này sẽ hỗ trợ cấp điện cho các khu vực có nhu cầu cao, đồng thời đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện trong quá trình vận hành. Việc thực hiện quy hoạch này không chỉ đáp ứng nhu cầu sử dụng điện mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của hệ thống điện quốc gia.

1.2. Tổng quan về quá điện áp trong hệ thống

Quá điện áp trong hệ thống điện là hiện tượng điện áp vượt quá mức cho phép, gây ra hư hỏng cho các thiết bị điện. Các loại quá điện áp như quá điện áp duy trì, quá điện áp đóng cắt, và quá điện áp khí quyển đều có những nguyên nhân và ảnh hưởng khác nhau. Quá điện áp duy trì thường xảy ra trong các đường dây truyền tải dài, trong khi quá điện áp đóng cắt xuất hiện do thao tác đóng cắt thiết bị. Quá điện áp khí quyển thường do ảnh hưởng của thời tiết, như sét đánh. Việc nghiên cứu và phân tích các loại quá điện áp này là cần thiết để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện, đặc biệt là trong các dự án cáp ngầm như Long Biên - Mai Động. Các thiết bị bảo vệ như máy cắt cần được lựa chọn và thiết kế phù hợp để giảm thiểu rủi ro từ quá điện áp.

II. Lựa chọn sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm

Việc lựa chọn sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm là một trong những bước quan trọng trong thiết kế hệ thống cáp ngầm 220kV Long Biên - Mai Động. Sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm giúp phân phối điện áp đều và giảm thiểu quá điện áp trong quá trình vận hành. Có nhiều phương pháp để lựa chọn sơ đồ đảo vỏ, trong đó phương pháp Cross bonding được đánh giá cao về hiệu quả. Phương pháp này giúp giảm thiểu điện áp cảm ứng trên vỏ cáp, từ đó bảo vệ các thiết bị điện khỏi quá điện áp. Việc tính toán và mô phỏng sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả. Các kết quả từ mô phỏng sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc lựa chọn thiết bị đóng cắt phù hợp, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho hệ thống điện.

2.1. Phương pháp luận lựa chọn sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm

Phương pháp luận lựa chọn sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm dựa trên các tiêu chí như tính toán điện áp cảm ứng, độ bền của cáp và khả năng bảo vệ thiết bị. Việc lựa chọn sơ đồ cần phải xem xét đến các yếu tố như chiều dài cáp, loại cáp sử dụng và điều kiện môi trường. Các phương pháp tính toán hiện đại như mô phỏng bằng phần mềm EMTP sẽ giúp đánh giá chính xác các thông số cần thiết. Kết quả từ mô phỏng sẽ cung cấp cơ sở để đưa ra quyết định cuối cùng về sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm, đảm bảo tính an toàn và hiệu quả cho hệ thống điện.

2.2. Tính toán lựa chọn sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm

Tính toán lựa chọn sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm là một quá trình phức tạp, yêu cầu sự chính xác và cẩn thận. Các thông số như điện áp cảm ứng, điện dung và điện trở của cáp cần được tính toán kỹ lưỡng. Việc sử dụng phần mềm EMTP giúp mô phỏng và phân tích các tình huống khác nhau, từ đó đưa ra lựa chọn tối ưu cho sơ đồ đảo vỏ. Kết quả tính toán sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ an toàn của hệ thống cáp ngầm. Do đó, việc thực hiện tính toán một cách chính xác là rất quan trọng để đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động ổn định và hiệu quả trong suốt thời gian dài.

III. Nghiên cứu và phân tích TRV và RRRV

Nghiên cứu và phân tích TRV (Transient Recovery Voltage) và RRRV (Rate of Rise of Recovery Voltage) là một phần quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho hệ thống cáp ngầm 220kV Long Biên - Mai Động. TRV là điện áp phục hồi quá độ sau khi máy cắt mở, trong khi RRRV là tốc độ tăng điện áp phục hồi. Cả hai thông số này đều có ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động của máy cắt. Việc tính toán TRV và RRRV giúp xác định khả năng chịu đựng của máy cắt trong các tình huống khác nhau, từ đó lựa chọn thiết bị phù hợp. Các nghiên cứu cho thấy rằng TRV có thể đạt mức cao trong các tình huống cắt tải lớn, do đó việc lựa chọn máy cắt cần phải dựa trên các giá trị TRV và RRRV đã được tính toán.

3.1. Lý thuyết liên quan đến TRV và RRRV

Lý thuyết về TRV và RRRV cung cấp cơ sở cho việc tính toán và phân tích các thông số này trong hệ thống điện. TRV được xác định bởi nhiều yếu tố như loại tải, chiều dài đường dây và các thiết bị kết nối. RRRV là một thông số quan trọng trong việc đánh giá khả năng hoạt động của máy cắt. Việc hiểu rõ lý thuyết này sẽ giúp trong việc lựa chọn thiết bị và thiết kế hệ thống điện một cách hiệu quả. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng TRV có thể đạt mức cao trong các tình huống cắt tải lớn, do đó việc lựa chọn máy cắt cần phải dựa trên các giá trị TRV và RRRV đã được tính toán.

3.2. Tính toán giá trị TRV và RRRV

Tính toán giá trị TRV và RRRV là một quá trình phức tạp, yêu cầu sự chính xác và cẩn thận. Các thông số như điện áp, dòng điện và các yếu tố khác cần được tính toán kỹ lưỡng. Việc sử dụng phần mềm EMTP giúp mô phỏng và phân tích các tình huống khác nhau, từ đó đưa ra lựa chọn tối ưu cho máy cắt. Kết quả tính toán sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ an toàn của hệ thống cáp ngầm. Do đó, việc thực hiện tính toán một cách chính xác là rất quan trọng để đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động ổn định và hiệu quả trong suốt thời gian dài.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống truyền tải điện cao áp tại Việt Nam đang đối mặt với nhu cầu cấp điện ngày càng tăng, đặc biệt trong các đô thị lớn như Hà Nội. Theo dự thảo Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2021 – 2030, tầm nhìn đến năm 2045, có khoảng 1657 dự án đường dây và trạm biến áp cần xây dựng hoặc nâng cấp, trong đó có 1315 dự án cấp điện áp 220kV. Việc phát triển hệ thống cáp ngầm 220kV trở thành xu hướng tất yếu nhằm đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ, tiết kiệm diện tích và nâng cao độ tin cậy cấp điện trong các khu vực đô thị đông dân cư. Tuy nhiên, việc ứng dụng cáp ngầm cao áp còn mới mẻ và chưa được nghiên cứu sâu rộng tại Việt Nam, đặc biệt về các hiện tượng quá điện áp đóng cắt (Transient Overvoltage) ảnh hưởng đến thiết bị đóng cắt như máy cắt tại các trạm biến áp.

Luận văn tập trung nghiên cứu quá điện áp đóng cắt trên tuyến cáp ngầm 220kV Long Biên – Mai Động dài 15,3 km, nhằm tính toán giá trị TRV (Transient Recovery Voltage) và RRRV (Rate of Rise of Recovery Voltage) để lựa chọn thiết bị đóng cắt phù hợp tại hai trạm biến áp 220kV Long Biên và Mai Động. Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng EMTPWorks để mô hình hóa hệ thống điện, lựa chọn sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm và tính toán các thông số kỹ thuật quan trọng. Kết quả giúp đảm bảo tính an toàn, kinh tế trong quá trình mua sắm và vận hành thiết bị, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống truyền tải điện trong đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Quá điện áp đóng cắt (Transient Overvoltage): Là hiện tượng điện áp quá độ xuất hiện trong quá trình đóng cắt mạch điện, gây ra dao động điện áp cao tần trên hệ thống. Quá điện áp này được đặc trưng bởi hai thông số chính là TRV và RRRV, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu đựng và hoạt động an toàn của máy cắt.

• Sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm (Cross bonding): Là phương pháp nối đất màn chắn cáp ngầm nhằm giảm điện áp cảm ứng trên vỏ cáp, hạn chế tổn thất điện trở và tăng tuổi thọ cáp. Các phương án nối đất gồm nối đất một điểm, nối đất hai đầu và liên kết cross bonding với số chu kỳ đảo vỏ khác nhau.

• Mô hình đường dây truyền tải: Sử dụng mô hình CP-line (Constant Parameter Line) và FD-line (Frequency Dependent Line) để mô phỏng đặc tính phân bố điện trở, điện cảm và điện dung của đường dây và cáp ngầm, từ đó tính toán chính xác các hiện tượng quá độ.

• Mô hình máy biến áp và nguồn điện: Mô hình hóa máy biến áp với đặc tính từ hóa và trễ từ, cùng mô hình nguồn điện và tổng trở hệ thống dựa trên dữ liệu ngắn mạch thực tế, phục vụ cho việc mô phỏng quá độ điện áp.

Các khái niệm chính bao gồm: TRV, RRRV, sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm, quá điện áp đóng cắt, mô hình đường dây CP-line và FD-line.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng EMTPWorks để xây dựng mô hình hệ thống điện gồm hai trạm biến áp 220kV Long Biên và Mai Động, cùng tuyến cáp ngầm dài 15,3 km. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ tuyến cáp và các thiết bị liên quan trong hệ thống. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng toàn bộ hệ thống với các chế độ vận hành và sự cố khác nhau.

Quá trình nghiên cứu gồm các bước:

1. Mô hình hóa hệ thống điện: Đơn giản hóa và xây dựng mô hình nguồn, máy biến áp, đường dây và cáp ngầm theo các mô hình CP-line và FD-line phù hợp với chiều dài và đặc tính kỹ thuật.

2. Lựa chọn sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm: Tính toán điện áp cảm ứng trên màn chắn cáp với các phương án nối đất khác nhau (nối đất một điểm, cross bonding với số chu kỳ đảo vỏ từ 2 đến 6), đánh giá theo giới hạn an toàn điện áp cảm ứng 100V.

3. Tính toán TRV và RRRV: Mô phỏng các chế độ cắt mạch, sự cố ngắn mạch 2 pha và 3 pha, phân bố xác suất thời điểm ngắn mạch và mở máy cắt để xác định giá trị cực đại TRV và RRRV tại hai trạm biến áp.

4. Phân tích kết quả: So sánh các phương án sơ đồ đảo vỏ và giá trị TRV, RRRV để lựa chọn thiết bị đóng cắt phù hợp, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

Thời gian nghiên cứu tập trung trong năm 2022, với dữ liệu thu thập từ hệ thống điện miền Bắc và các thông số kỹ thuật thiết bị thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của sơ đồ nối đất màn chắn cáp ngầm đến điện áp cảm ứng:

   • Phương án nối đất một điểm tại một đầu cáp ngầm dài 10 km gây ra điện áp cảm ứng trên màn chắn lên đến khoảng 1646 V, vượt quá giới hạn an toàn 100 V hơn 16 lần.

   • Khi chia nhỏ đoạn cáp thành 10 đoạn (mỗi đoạn ~1 km), điện áp cảm ứng giảm nhẹ còn khoảng 1646 V nhưng vẫn vượt quá giới hạn an toàn.

   • Phương án liên kết cross bonding với 4 chu kỳ đảo vỏ giảm điện áp cảm ứng xuống còn khoảng 153 V, vẫn vượt quá giới hạn an toàn.

   • Cross bonding với 5 chu kỳ đảo vỏ giảm điện áp cảm ứng xuống còn khoảng 124 V, gần đạt giới hạn an toàn nhưng vẫn hơi cao.

   • Cross bonding với 6 chu kỳ đảo vỏ tiếp tục giảm điện áp cảm ứng và dòng điện cảm ứng trên màn chắn, tuy nhiên chi phí tăng cao do số lượng hầm nối và phụ kiện nhiều hơn.

2. Lựa chọn sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm cho từng đoạn cáp:

   • Đoạn cáp từ TBA 220kV Long Biên đến VT01 dài 10 km phù hợp với phương án cross bonding 5 chu kỳ đảo vỏ, đảm bảo điện áp cảm ứng dưới 124 V và dòng điện cảm ứng khoảng 14,5 A.

   • Đoạn cáp từ TBA 220kV Mai Động đến VT04 dài 4,3 km, phương án cross bonding 2 chu kỳ đảo vỏ cho điện áp cảm ứng khoảng 122 V và dòng điện cảm ứng 14 A, đảm bảo an toàn.

3. Giá trị TRV và RRRV tại hai trạm biến áp:

   • Giá trị TRV và RRRV được tính toán cho các chế độ ngắn mạch 2 pha và 3 pha, với phân bố xác suất thời điểm ngắn mạch và mở máy cắt ngẫu nhiên.

   • TRV tại TBA 220kV Long Biên và Mai Động đạt mức cao nhất phù hợp với thông số kỹ thuật máy cắt được lựa chọn, đảm bảo an toàn vận hành.

   • Việc tính toán chính xác TRV và RRRV giúp lựa chọn máy cắt có thông số kỹ thuật phù hợp, tránh hiện tượng phóng điện trở lại, giảm thiểu rủi ro sự cố.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương án nối đất màn chắn cáp ngầm có ảnh hưởng rất lớn đến điện áp cảm ứng trên vỏ cáp, từ đó ảnh hưởng đến tổn thất điện trở và tuổi thọ cáp. Phương án nối đất một điểm không phù hợp với các đoạn cáp dài do điện áp cảm ứng vượt quá giới hạn an toàn nhiều lần. Liên kết cross bonding với số chu kỳ đảo vỏ phù hợp giúp giảm đáng kể điện áp cảm ứng, đồng thời cân bằng giữa yêu cầu kỹ thuật và chi phí đầu tư.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với nguyên lý giảm điện áp cảm ứng bằng cross bonding và số chu kỳ đảo vỏ tăng lên sẽ giảm điện áp cảm ứng nhưng chi phí tăng theo. Việc lựa chọn số chu kỳ đảo vỏ tối ưu là bài toán cân bằng kỹ thuật và kinh tế.

Phân tích TRV và RRRV dựa trên mô hình mô phỏng EMTPWorks với dữ liệu thực tế giúp đảm bảo tính chính xác và khả thi trong vận hành. Kết quả này hỗ trợ trực tiếp cho việc lựa chọn máy cắt phù hợp, góp phần nâng cao độ tin cậy và an toàn của hệ thống truyền tải điện 220kV trong đô thị.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp cảm ứng theo chiều dài cáp, phân bố xác suất TRV và RRRV tại các điểm tính toán, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của các phương án nối đất và điều kiện vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phương án nối đất màn chắn cáp ngầm cross bonding với số chu kỳ đảo vỏ phù hợp:

   • Đối với đoạn cáp dài 10 km từ TBA Long Biên đến VT01, sử dụng 5 chu kỳ đảo vỏ để đảm bảo điện áp cảm ứng dưới 124 V.

   • Đối với đoạn cáp dài 4,3 km từ TBA Mai Động đến VT04, sử dụng 2 chu kỳ đảo vỏ để đảm bảo an toàn điện áp cảm ứng.

2. Lựa chọn máy cắt có thông số kỹ thuật phù hợp với giá trị TRV và RRRV tính toán:

   • Đảm bảo máy cắt có khả năng chịu được điện áp quá độ phục hồi và tốc độ tăng điện áp phục hồi theo các chế độ ngắn mạch 2 pha và 3 pha.

   • Thực hiện kiểm tra và hiệu chỉnh thông số máy cắt định kỳ dựa trên kết quả vận hành thực tế.

3. Tăng cường sử dụng phần mềm mô phỏng EMTPWorks trong thiết kế và vận hành hệ thống điện:

   • Áp dụng mô hình hóa chính xác các phần tử hệ thống để dự báo hiện tượng quá điện áp và lựa chọn thiết bị phù hợp.

   • Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành sử dụng phần mềm để nâng cao năng lực phân tích và xử lý sự cố.

4. Nghiên cứu tiếp tục về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và vận hành thực tế đến quá điện áp đóng cắt:

   • Thu thập dữ liệu vận hành thực tế để hiệu chỉnh mô hình và nâng cao độ chính xác dự báo.

   • Xem xét các biện pháp giảm thiểu TRV và RRRV như lắp điện trở song song, tụ điện song song với máy cắt.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tới, phối hợp giữa các đơn vị quản lý vận hành, nhà thầu cung cấp thiết bị và các viện nghiên cứu để đảm bảo hiệu quả và tính khả thi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện cao áp:

   • Nắm bắt kiến thức về quá điện áp đóng cắt, sơ đồ nối đất màn chắn cáp ngầm và lựa chọn thiết bị đóng cắt phù hợp.

   • Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao độ tin cậy và an toàn vận hành hệ thống truyền tải điện.

2. Nhà thiết kế và tư vấn kỹ thuật trong lĩnh vực truyền tải điện:

   • Sử dụng mô hình và phương pháp tính toán để thiết kế hệ thống cáp ngầm và lựa chọn thiết bị đóng cắt tối ưu.

   • Đánh giá các phương án kỹ thuật dựa trên phân tích điện áp cảm ứng và quá điện áp đóng cắt.

3. Các đơn vị quản lý dự án và đầu tư xây dựng lưới điện:

   • Hiểu rõ các yêu cầu kỹ thuật và kinh tế trong lựa chọn sơ đồ nối đất và thiết bị đóng cắt.

   • Lập kế hoạch đầu tư hợp lý, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh trong quá trình thi công và vận hành.

4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện, hệ thống điện:

   • Tham khảo tài liệu nghiên cứu thực tiễn về quá điện áp đóng cắt và ứng dụng phần mềm mô phỏng EMTPWorks.

   • Phát triển kỹ năng phân tích, mô phỏng và thiết kế hệ thống điện cao áp.

Câu hỏi thường gặp

1. Quá điện áp đóng cắt là gì và tại sao nó quan trọng trong hệ thống điện?

   Quá điện áp đóng cắt là hiện tượng điện áp quá độ xuất hiện khi máy cắt đóng hoặc ngắt mạch điện, gây dao động điện áp cao tần. Nó ảnh hưởng đến tuổi thọ và an toàn của máy cắt, nếu không được kiểm soát có thể gây hư hỏng thiết bị và sự cố hệ thống.

2. Tại sao phải lựa chọn sơ đồ nối đất màn chắn cáp ngầm phù hợp?

   Sơ đồ nối đất ảnh hưởng đến điện áp cảm ứng trên vỏ cáp, từ đó ảnh hưởng đến tổn thất điện trở và tuổi thọ cáp. Lựa chọn sơ đồ phù hợp giúp giảm điện áp cảm ứng, đảm bảo an toàn vận hành và giảm chi phí bảo trì.

3. Phần mềm EMTPWorks được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?

   EMTPWorks mô phỏng quá trình quá độ điện áp trong hệ thống điện, giúp tính toán giá trị TRV, RRRV và điện áp cảm ứng trên màn chắn cáp. Phần mềm cho phép mô hình hóa chi tiết các phần tử hệ thống và phân tích các chế độ vận hành khác nhau.

4. Giá trị TRV và RRRV ảnh hưởng thế nào đến việc lựa chọn máy cắt?

   TRV là biên độ điện áp quá độ phục hồi, RRRV là tốc độ tăng điện áp phục hồi. Máy cắt phải chịu được các giá trị này để tránh phóng điện trở lại và đảm bảo ngắt mạch an toàn. Lựa chọn máy cắt dựa trên TRV và RRRV giúp tăng độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị.

5. Liên kết cross bonding có ưu điểm gì so với nối đất một điểm?

   Cross bonding giảm đáng kể điện áp cảm ứng trên màn chắn cáp, hạn chế tổn thất điện trở và tăng khả năng truyền tải. Trong khi nối đất một điểm gây điện áp cảm ứng cao, không phù hợp với cáp ngầm dài. Cross bonding là giải pháp kỹ thuật hiệu quả cho cáp ngầm cao áp.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu và tính toán thành công giá trị quá điện áp đóng cắt (TRV, RRRV) trên tuyến cáp ngầm 220kV Long Biên – Mai Động, phục vụ lựa chọn thiết bị đóng cắt phù hợp.

• Phương án nối đất màn chắn cáp ngầm cross bonding với số chu kỳ đảo vỏ tối ưu được xác định là 5 chu kỳ cho đoạn 10 km và 2 chu kỳ cho đoạn 4,3 km, đảm bảo điện áp cảm ứng dưới giới hạn an toàn.

• Kết quả mô phỏng bằng phần mềm EMTPWorks cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và vận hành hệ thống truyền tải điện cao áp bằng cáp ngầm trong đô thị.

• Nghiên cứu góp phần nâng cao độ tin cậy, an toàn và hiệu quả kinh tế cho dự án đường dây 220kV Long Biên – Mai Động và các dự án tương tự.

• Đề xuất tiếp tục ứng dụng mô phỏng quá độ điện trong thiết kế và vận hành, đồng thời nghiên cứu các biện pháp giảm TRV, RRRV để tối ưu hóa hệ thống.

Để nâng cao hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn hệ thống, các đơn vị quản lý và vận hành nên áp dụng kết quả nghiên cứu trong thực tế, đồng thời tiếp tục cập nhật và phát triển các giải pháp kỹ thuật mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Mối quan hệ của tuyến đường dây với Quy hoạch điện Theo tiêu chí phát triển lưới điện 110kV, 220kV của Thành phố Hà Nội được Bộ Công Thương phê duyệt tại Quyết định phê duyệt số 4720/QĐ-BCT ngày 02/12/2016, lưới điện từ vành đai 3 trở vào trung tâm Thành phố phải được hạ ngầm toàn bộ để góp phần xây dựng diện mao đô thị văn minh hiện đại. Trên cơ sở tốc độ tăng trưởng của phụ tải điện thành phố Hà Nội và lưới điện cao áp của thành phố Hà Nội đã được các cấp có thẩm quyền phê duyệt, việc đưa vào vận hành Đường dây cáp ngầm 220kV từ Long Biên - Mai Động có tác dụng hỗ trợ cấp điện và bổ sung nguồn cho vùng 1 (vùng phụ tải trung tâm) trong các chế độ vận hành bình thường cũng như sự cố hết sức là cần thiết. Đồng thời, Đường dây cáp ngầm 220kV Long Biên – Mai Động đảm bảo cấp điện cho trạm 220kV Gia Lâm - trạm cấp nguồn cho các phụ tải của KĐT Vincity Ocean Gia Lâm.1: Sơ đồ địa dư kết lưới của Đường dây 220kV Long Biên – Mai Động 1.2 Tuyến đường dây được thỏa thuận với UBND thành phố Tuyến cáp ngầm 220kV Long Biên – Mai Động, xuất phát từ vị trí trạm 220kV Long Biên, đặt gần khu tái định cư Giang Biên (gần đường Đê vàng) và kết thúc tại trạm 220kV Mai Động, đặt tại đường Hoàng Văn Thụ, quận Hoàng Mai với tổng chiều dài là 15,3km. Tuyến cáp ngầm chủ yếu đi dưới lòng đường thuộc địa phận thành phố Hà Nội như: đường Mai Chí Thọ, Hội Xá, đường gom Quốc Lộ 1, Lĩnh Nam, Đường 5 tạm Vĩnh Hoàng.

Do tuyến đi ngầm dưới lòng đường nên giao chéo với nhiều công trình ngầm như: hệ thống thông tin viễn thông, tuyến cáp ngầm 110kV, tuyến cáp điện trung áp và hạ áp, hệ thống cung cấp nước, hệ thống thoát nước và các hạng mục khác có liên quan… nằm xen kẽ với nhau. TBA 220kV Long Biên TBA 220kV Mai Động Hình 1.2: Hướng tuyến đường dây sau theo thỏa thuận của UBND Tp.3 Tổng quan về quá điện áp trong hệ thống Quá điện áp (QĐA) được hiểu là các nhiễu loạn xếp chồng lên điện áp làm việc của hệ thống điện. Quá điện áp trong hệ thống điện là hiện tượng điện áp tăng quá định mức (110%) là nguyên nhân phổ biến gây nên hư hỏng các thiết bị trong hệ thống điện và làm giảm hiệu quả cung cấp điện liên tục của hệ thống. Trong hệ thống điện có các loại quá điện áp như: - QĐA duy trì: Xuất hiện trên các đường dây truyền tải, có tần số tương ứng với tần số công nghiệp và duy trì trong thời gian dài.

- QĐA nội bộ (đóng cắt): Xuất hiện do thao tác, đóng cắt, sự cố ngắn mạch. - QĐA khí quyển: Xuất hiện do dòng điện (điện áp sét gây ra) 1.4 Quá điện áp duy trì Khi đường dây dài vận hành không tải và hở mạch cuối. Khi cho công suất nguồn lớn vô cùng thì điện áp tại nút 1 sẽ giữ là hằng số.3: Đường dây dài vận hành không tải 6 Điện áp tại nút 2 sẽ được xác định theo phương trình đường dây dài [4]: U1 = U 2 ch (  + j ) l U1 PT 1 U2 = = U1 ( A − jB ) ch (  + j ) l Trong đó ch1 cos 1 A= cos 2  l + sh 2  l PT 2 sh1 sin 1 B= cos 2  l + sh 2  l U2 Gọi K = là bội số QĐA ta có: U1 1 K = A2 + B 2 = PT 3 cos  l + sh 2  l 2 1 Nếu không xét đến tổn hao thì K =. Do K > 1 nên U2 > U1 nghĩa là có cos l QĐA ở cuối đường dây.5 Quá điện áp đóng cắt Trong mục 1.4 đã trình bày dạng quá điện áp duy trì, nó có tần số bằng hoặc tương đương tần số công nghiệp và duy trì trong thời gian dài.

Trong mục này luận án sẽ trình bày dạng quá điện áp đóng cắt xuất hiện trong quá trình quá độ của thao tác đóng mạch đường dây dài. Hệ thống điện được xem như 1 tổng thể gồm nhiều phần tử R, L, C, các thao tác đóng cắt hệ thống sẽ gây nên sự thay đổi những thông số của mạch điện và làm xuất hiện các quá trình quá độ bằng dao động L - C. Những dao động này (dao động cao tần) sẽ gây nên quá điện áp quá độ (Transient Overvoltage). Theo [4], đưa ra các trị số cơ sơ của QĐA đóng cắt (theo đơn vị tương đối pu), các số liệu cơ sở để tính toán lựa chọn.

Điện áp định mức (kV) 110-220 500 QĐA đóng cắt (pu) 3 2,5 Bảng 1: Trị số quá điện áp đóng cắt Trong quá trình vận hành các đường dây cao áp, siêu cao áp vấn đề QĐA đóng cắt càng trở lên nghiêm trọng với các lý do: - Khi đường dây không tải hoặc hở mạch ở đầu cuối, dòng điện trên đường dây là dòng điện dung (Ic). Dòng điện này khi đi qua điện kháng của nguồn và đường dây sẽ gây tăng áp phía đường dây. Vì độ lớn của dòng điện điện dung tỷ lệ với chiều dài đường dây nên khi đường dây càng dài thì hậu quả gây tăng áp càng nghiêm trọng. 7 Đóng nguồn U0 vào đường dây dài hở mạch ở cuối Hình 1.4: Đóng nguồn áp U0 vào đường dây dài hở mạch ở cuối Theo [4], kết quả điện áp ở dạng tổng quát như sau:    u ( x, t ) = U 0 1 −  AK cos k t   k =0  2k + 1 l − x ( −1) cos k PT 4 AK = 2 l 4 2k + 1  2k + 1 l k =  2 v Điện áp u(x,t) gồm thành phần xác lập và thành phần quá độ hình thành bởi các dao động có biên độ dao động AK và tần số K.

Biên độ AK phụ thuộc vào tọa độ x nên nó gắn liền với phân bố áp dọc theo đường dây. Biên độ AK còn phụ thuộc vào bậc của dao động. Ứng với tần số dao động cơ bản (k=0) và x=l sẽ có AK = 4/ điều đó chứng tỏ rằng biên độ của dao động ở tần số này còn lớn hơn điện áp nguồn. Tần số dao động còn được xác định theo: f k = ( 2k + 1) f 0 PT 5 v f0 = 4l Trong đó v là tốc độ truyền song, có giá trị bằng tốc độ ánh sang (300m/s).

Tần số f0 là tần số dao động cơ bản, các tần số này đề phụ thuộc vào chiều dài đường dây và bậc của dao động. Chiều dài đường dây l 300 500 1000 1500 3000 (km) Tần số dao động f0 (Hz) 250 150 75 50 25 Bảng 1: Tần số dao động cơ bản theo chiều dài Với chiều dài tuyến là 1500km sẽ là chiều dài cộng hưởng ở tần số công nghiệp, còn chiều dài 500km là chiều dài cộng hưởng ở tần số 3f (sóng điều hòa bậc 3) của điện áp xoay chiều trong hệ thống điện. Với các chiều dài trên sẽ hiện tượng cộng hưởng tần số sẽ gây nên quá điện áp. Đóng nguồn xoay chiều vào đường dây dài hở mạch ở cuối Từ kết quả ở mục 1.1 sẽ được nghiệm ứng với nguồn áp 1(t): 8  u ( x, t ) = 1 −  AK cos k t PT 6 k =0 Theo [4], Điện áp ứng khi cho nguồn áp f(t) sẽ được xác định:   K sin  K t −  sin  t u ( x, t ) = U m sin  t −  U m  AK k =0  K − 2 2 PT 7 f ( t ) = U m sin  t Điện áp u(x,t) sẽ tăng cao khi có cộng hưởng giữa tần số nguồn () với tần số dao động (k) Sự cộng hưởng đó là nguyên nhân dây nên quá điện áp duy trì ở chế độ xác lập.6 Quá điện áp khí quyển Nguồn gây nên quá điện áp khí quyển trong hệ thống điện (HTĐ) là phóng điện sét giữa mây dông và mặt đất.

Cũng như bất kỳ một kích động điện từ nào vào HTĐ: quá trình đóng cắt bình thường, khi xảy ra sự cố… phóng điện sét gây nên sóng điện từ. Sóng điện từ xuất phát từ nơi sét đén truyền dọc theo đường dây tải điện, gây nên quá điện áp tác dụng đối với cách điện đường dây. Trường hợp sét đánh trực tiếp vào dây dẫn, thì trị số của QĐA phụ thuộc vào biên độ dòng sét có thể lên đến hàng triệu có khi đến hàng chục triệu volt, vượt quá nhiều lần mức cách điện xung quá điện áp của đường dây, trạm biến áp. Trường hợp sét đánh gần đường dây gây nên điện áp cảm ứng có biên độ tương đối bé, cao nhất khoảng vài trăm ngàn volt, nên thực tế chỉ nguy hiểm đối với cách điện của các cấp điện áp từ 35kV trở xuống.

Sóng QĐA xuất hiện trên đường dây lan truyền đến trạm biến áp sẽ tác dụng lên cách điện của các thiết bị trong trạm. Để bảo đảm sự làm việc liên tục của đường dây và sự an toàn của các thiết bị trong trạm biên áp, do đó cần phải có những biện pháp chống sét có hiệu quả và thích hợp cho đường dây tải điện và trạm phân phối. Sét đánh trực tiếp vào dây dẫn của đường dây tải điện, vào các thiết bị và bộ phận mang điện của nhà máy điện và trạm biến áp sẽ gây nên quá điện áp nguy hiểm, làm ngắn mạch, chạm đất các pha, làm hư hỏng cách điện của các thiết bị, gây gián đoạn sự cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ điện, làm thiệt hại cho nền kinh tế. Vì vậy phải bảo vệ các hệ thống điện chống sét đánh trực tiếp: - Sử dụng cột thu sét hoặc dây chống sét để bảo vệ sét đánh trực tiếp.

- Sử dụng chống sét van; giảm điện trở nối đất cột để tản dòng điện sét.7 Các nghiên cứu liên quan về quá điện áp Hiện này trong nước đã có rất nhiều bài báo, Luận văn nghiên cứu tìm hiểu về QĐA ví dụ như: - Bài báo “Nghiên cứu điện áp quá độ phục hồi trong hệ thống điện Việt Nam” của Nguyễn Hồng Anh, Lê Cao Quyền, Trần Quốc Tuấn năm 2014 [5].