Nghiên cứu quá điện áp quá độ tác động lên cách điện trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu quá điện áp quá độ ảnh hưởng đến cách điện trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên, cung cấp giải pháp hiệu quả.

• Tác giả: Ngô Bá Trình
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Đức Tường
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Quá Điện Áp Quá Độ Tác Động Lên Cách Điện Trạm Biến Áp 220 Kv Thái Nguyên
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.2. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 1.2.1. Quá điện áp tạm thời
• 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN VÀ ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN-SÓC SƠN
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN
• 2.1.1. Vai trò của trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên
• 2.1.2. Thông số máy biến áp
• 2.1.3. Thông số kháng điện
• 2.1.4. Thông số tụ điện
• 2.1.5. Thông số chống sét van
• 2.2. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN SÓC SƠN-THÁI NGUYÊN
• 2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN-SÓC SƠN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 220 KV THÁI NGUYÊN
• 3.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ATP-EMTP VÀ MÔ ĐUN ATPDRAW
• 3.1.1. Chương trình ATP-EMTP
• 3.2. MÔ PHỎNG ĐƯỜNG DÂY 220 KV THÁI NGUYÊN SÓC SƠN
• 3.2.1. Mô hình đường dây nghiên cứu quá điện áp đóng cắt
• 3.3. Mô hình trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên
• 3.4. Cài đặt thông số chương trình ATPDraw
• 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN VÀ QUÁ ĐIỆN ÁP ĐÓNG CẮT
• 4.1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN
• 4.1.1. Ảnh hưởng của dòng điện sét tới quá điện áp
• 4.1.2. Quá điện áp trên các pha tại đầu cực máy biến áp
• 4.1.3. Quá điện áp trên đầu cực thiết bị điện trong trạm
• 4.1.4. Sự biến thiên của quá điện áp theo vị trí sét đánh
• 4.1.5. Ảnh hưởng của máy biến áp đo lường kiểu tụ
• 4.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ ĐIỆN ÁP ĐÓNG CẮT
• 4.2.1. Biến thiên của quá điện áp
• 4.2.2. Phân bố điện áp theo phương pháp thống kê
• 4.2.3. Phân bố của quá điện áp 2% dọc theo chiều dài đường dây
• 4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu quá điện áp trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên

Nghiên cứu quá điện áp tác động lên cách điện trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên là một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Quá điện áp có thể gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cho thiết bị điện, ảnh hưởng đến độ tin cậy và an toàn của hệ thống điện. Việc hiểu rõ về nguyên nhân và tác động của quá điện áp là cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định của trạm biến áp.

1.1. Khái niệm và phân loại quá điện áp trong hệ thống điện

Quá điện áp được chia thành hai loại chính: quá điện áp nội bộ và quá điện áp khí quyển. Quá điện áp nội bộ phát sinh từ các thao tác đóng cắt, trong khi quá điện áp khí quyển thường do sét đánh gây ra. Việc phân loại này giúp xác định các biện pháp bảo vệ phù hợp.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu quá điện áp tại trạm biến áp 220 kV

Nghiên cứu quá điện áp tại trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên không chỉ giúp bảo vệ thiết bị mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng cao.

II. Vấn đề và thách thức liên quan đến quá điện áp trong trạm biến áp

Quá điện áp có thể gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho cách điện của trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên. Những thách thức này bao gồm việc xác định nguyên nhân phát sinh quá điện áp và đánh giá tác động của chúng đến thiết bị điện.

2.1. Nguyên nhân phát sinh quá điện áp trong hệ thống điện

Nguyên nhân phát sinh quá điện áp có thể đến từ các sự cố chạm đất, thao tác đóng cắt, hoặc các tác động từ bên ngoài như sét đánh. Mỗi nguyên nhân đều có những đặc điểm riêng và cần được phân tích kỹ lưỡng.

2.2. Tác động của quá điện áp đến cách điện trạm biến áp

Quá điện áp có thể làm giảm tuổi thọ của cách điện, gây ra sự cố và thiệt hại cho thiết bị. Việc đánh giá tác động này là rất quan trọng để đưa ra các biện pháp bảo vệ hiệu quả.

III. Phương pháp nghiên cứu quá điện áp trong trạm biến áp 220 kV

Để nghiên cứu quá điện áp, các phương pháp mô phỏng và phân tích hiện đại được áp dụng. Sử dụng phần mềm ATP-EMTP giúp mô phỏng các quá trình quá độ điện từ và đánh giá tác động của quá điện áp đến cách điện.

3.1. Ứng dụng phần mềm ATP EMTP trong nghiên cứu

Phần mềm ATP-EMTP cho phép mô phỏng các quá trình quá độ điện từ, giúp xác định độ lớn và sự biến thiên của quá điện áp trong trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên.

3.2. Phân tích kết quả mô phỏng quá điện áp

Kết quả mô phỏng cho thấy sự biến thiên của quá điện áp theo thời gian và vị trí, từ đó đưa ra các giải pháp bảo vệ hiệu quả cho cách điện trong trạm biến áp.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu quá điện áp

Kết quả nghiên cứu quá điện áp tại trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên đã chỉ ra những ảnh hưởng cụ thể đến cách điện và thiết bị điện. Những ứng dụng thực tiễn từ nghiên cứu này có thể giúp cải thiện độ tin cậy của hệ thống điện.

4.1. Kết quả mô phỏng quá điện áp khí quyển

Mô phỏng cho thấy quá điện áp khí quyển có thể gây ra những biến thiên lớn trong điện áp tại các thiết bị điện, ảnh hưởng đến hoạt động của trạm biến áp.

4.2. Kết quả mô phỏng quá điện áp đóng cắt

Kết quả mô phỏng quá điện áp đóng cắt cho thấy sự gia tăng điện áp đột ngột có thể gây ra thiệt hại cho thiết bị, từ đó cần có các biện pháp bảo vệ thích hợp.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu quá điện áp

Nghiên cứu quá điện áp tác động lên cách điện trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên đã cung cấp những thông tin quý giá về các nguyên nhân và tác động của quá điện áp. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tiếp tục mở rộng để cải thiện độ tin cậy của hệ thống điện.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc phân tích quá điện áp là cần thiết để bảo vệ cách điện và thiết bị điện trong trạm biến áp.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu sẽ tiếp tục tập trung vào việc phát triển các phương pháp bảo vệ mới và cải thiện thiết kế cách điện để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống lưới điện truyền tải quốc gia, việc đảm bảo an toàn vận hành cho các trạm biến áp cấp điện áp cao và siêu cao áp là nhiệm vụ sống còn. Chi phí đầu tư cho hệ thống cách điện chiếm tỷ trọng rất lớn trong tổng mức đầu tư của các công trình điện 220 kV trở lên. Đề tài tập trung giải quyết bài toán phân tích, tính toán và đánh giá mức độ chịu đựng của cách điện trước tác động của các dạng quá điện áp quá độ tại Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên. Đây là nút truyền tải trọng điểm của khu vực miền Bắc với tổng công suất định mức đạt 626 MVA, giữ vai trò cung cấp điện năng cho các khu công nghiệp luyện kim, cơ khí và phụ tải sinh hoạt của nhiều tỉnh trung du, miền núi phía Bắc.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xác định quy luật biến thiên, biên độ đỉnh và độ dốc của quá điện áp khí quyển do sét đánh, cũng như quá điện áp đóng cắt phát sinh trong quá trình vận hành đóng đường dây truyền tải 220 kV Thái Nguyên – Sóc Sơn dài 39,9 km. Phạm vi khảo sát được thực hiện trực tiếp trên cấu hình thực tế của trạm và tuyến đường dây liên kết trong giai đoạn từ năm 2018 đến năm 2019.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc lượng hóa cụ thể các chỉ số an toàn điện áp, cung cấp cơ sở khoa học chính xác cho công tác phối hợp cách điện, tối ưu hóa vị trí đặt và thông số làm việc của chống sét van oxit kim loại. Kết quả nghiên cứu giúp giảm thiểu nguy cơ đánh thủng cách điện, ngăn ngừa sự cố gián đoạn cung cấp điện trên quy mô lớn, từ đó tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí bảo dưỡng định kỳ và thay thế thiết bị cao áp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết quá trình quá độ điện từ trường trong hệ thống điện và lý thuyết lan truyền sóng điện áp trên đường dây phân bố tham số. Mô hình toán học mô tả quá trình truyền sóng trên đường dây dài không tải dựa trên hệ phương trình vi phân vi tích phân Laplace, giải thích hiện tượng quá điện áp tạm thời và hiệu ứng Ferranti khi điện áp cuối đường dây tăng vọt so với đầu nguồn phát.

Đối với quá điện áp khí quyển, đề tài áp dụng mô hình thống kê phân bố dòng điện sét theo thực nghiệm của Karl Berger, kết hợp lý thuyết của Anderson, Eriksson và tiêu chuẩn IEEE. Hàm mật độ xác suất phân bố logarit chuẩn được sử dụng để xác định biên độ đỉnh dòng sét với giá trị trung bình 31 kA và độ dốc đầu sóng cực đại đạt 24,3 kA/µs.

Các khái niệm then chốt được làm rõ gồm: quá điện áp đầu sóng dốc do sét đánh trực tiếp hoặc phóng điện ngược từ đỉnh cột, quá điện áp đầu sóng ít dốc phát sinh khi đóng cắt máy cắt điện với bội số quá áp danh định khoảng 2,0 p.u, và cơ chế bảo vệ phân cấp cách điện 3 cấp trong trạm biến áp cao thế.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng phần mềm chuyên dụng ATP-EMTP kết hợp giao diện đồ họa ATPDraw để mô phỏng số miền thời gian các quá trình quá độ điện từ phức tạp. Lý do lựa chọn ATP-EMTP xuất phát từ khả năng xử lý chính xác các phần tử phi tuyến tính, ma trận cảm kháng tương hỗ giữa các pha và mô hình hóa đường dây phân bố tham số đa pha phụ thuộc tần số theo mô hình JMarti và Bergeron.

Cỡ mẫu tính toán bao gồm 125 vị trí cột điện trên toàn bộ tuyến đường dây 39,9 km, tập trung đo đạc chi tiết tại 5 điểm nút xung yếu: thanh cái 220 kV Thái Nguyên, thanh cái 220 kV Sóc Sơn, cột số 1, cột số 62 và cột số 125. Dữ liệu đầu vào thu thập từ thông số vận hành thực tế của máy biến áp Pauwels 250 MVA, thiết bị bù tĩnh SVC 108 MVAr, chống sét van Pinggao Y10W-200/496 và dây dẫn nhôm lõi thép ACK-410/53 với điện trở suất đất trung bình 300 $\Omega\cdot\text{m}$. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu, xây dựng mô hình và phân tích mô phỏng được triển khai chặt chẽ theo tiến độ 8 tháng, từ tháng 8/2018 đến tháng 3/2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng tác động của dòng điện sét với các mức cường độ 2 kA, 31 kA, 50 kA, 100 kA và 150 kA đánh vào đỉnh cột đường dây cho thấy sự biến thiên rõ rệt của quá điện áp lan truyền vào đầu cực máy biến áp tự ngẫu AT1 250 MVA:

Thứ nhất, khi dòng điện sét đạt mức trung bình 31 kA đánh vào đỉnh cột số 2, biên độ điện áp đỉnh xuất hiện tại đầu cực máy biến áp được khống chế an toàn ở mức dưới 596 kV nhờ sự làm việc hiệu quả của chống sét van có điện áp dư tương ứng tại dòng phóng 5 kA.

Thứ hai, với các dòng sét cực lớn từ 100 kA đến 150 kA, đỉnh xung điện áp tại trạm tăng nhanh trong khoảng thời gian đầu sóng từ 1,28 µs đến 3,83 µs, tạo ra độ dốc quá điện áp lớn tác động trực tiếp lên cách điện cuộn dây cao áp 225 kV.

Thứ ba, vị trí sét đánh có ảnh hưởng quyết định đến mức độ suy giảm biên độ sóng; khoảng cách từ điểm sét đánh đến thanh cái trạm biến áp càng xa thì biên độ quá điện áp giảm trung bình từ 15% đến 35% do tổn hao trên đường dây và phản xạ sóng tại các điểm tiếp địa chân cột.

Thứ tư, quá trình mô phỏng thao tác đóng đồng thời 3 pha đường dây không tải tại góc pha 90 độ ghi nhận bội số quá điện áp đóng cắt lớn nhất đạt xấp xỉ 2,05 p.u tại thanh cái trạm Thái Nguyên, phân bố thống kê quá điện áp 2% dọc theo chiều dài 39,9 km đạt giá trị cao nhất tại điểm giữa đường dây.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng biên độ sóng điện áp khi lan truyền vào trạm là do hiện tượng khúc xạ và phản xạ tại các điểm chuyển tiếp tổng trở sóng giữa đường dây trên không có tổng trở khoảng 300 $\Omega$ đến 500 $\Omega$ với thanh cái và cuộn dây máy biến áp có tổng trở lớn hơn. So sánh với các khuyến nghị trong tiêu chuẩn IEC 60071-1 và kết quả khảo cứu quốc tế của nhóm Berger, mức độ quá điện áp ghi nhận được hoàn toàn nằm trong giới hạn chịu đựng của mức cách điện xung sét định mức (BIL 1050 kV đối với cấp 220 kV).

Các kết quả tính toán có thể được trực quan hóa rất hiệu quả thông qua các biểu đồ dạng sóng dao động điện áp theo thời gian thực (oscillogram) từ mô đun ATPDraw và bảng phân bố thống kê quá điện áp tích lũy 2%. Việc biểu diễn này giúp các kỹ sư dễ dàng nhận diện điểm nút có nguy cơ xuất hiện quá áp cục bộ cao nhất, từ đó bố trí thiết bị bảo vệ bổ sung hoặc điều chỉnh thông số đóng cắt của máy cắt hợp bộ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả mô phỏng định lượng, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao độ tin cậy vận hành cho hệ thống cách điện:

Thứ nhất, tối ưu hóa vị trí lắp đặt và bảo dưỡng hệ thống chống sét van oxit kim loại Y10W-200/496 tại đầu cực máy biến áp 250 MVA và các xuất tuyến 220 kV. Đơn vị quản lý cần duy trì khoảng cách dây nối từ chống sét van đến đầu cực thiết bị dưới 5 mét để giảm điện áp rơi cảm ứng, mục tiêu khống chế điện áp dư luôn thấp hơn 650 kV khi có xung sét 10 kA lan truyền vào trạm.

Thứ hai, cải tạo và kiểm soát trị số điện trở tiếp địa chân cột điện của 5 khoảng cột đầu đường dây giáp trạm biến áp Thái Nguyên. Đơn vị truyền tải cần định kỳ đo đạc và xử lý hóa chất giảm điện trở nhằm đảm bảo giá trị điện trở tiếp địa luôn đạt dưới 10 $\Omega$, thực hiện hoàn thành trong quý 2 hàng năm trước mùa mưa bão.

Thứ ba, áp dụng quy trình kiểm soát thời điểm đóng cắt máy cắt đường dây Thái Nguyên – Sóc Sơn thông qua rơ le đóng cắt đồng bộ theo góc pha điện áp. Giải pháp này hướng tới mục tiêu giảm bội số quá điện áp đóng cắt từ 2,05 p.u xuống dưới 1,6 p.u, hạn chế tối đa số lần phóng điện vi mô làm già hóa cách điện rắn của máy biến áp.

Thứ tư, Công ty Truyền tải điện 1 cần phối hợp với Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Miền Bắc trang bị hệ thống giám sát và ghi nhận xung quá điện áp tự động trên thanh cái 220 kV trong lộ trình nâng cấp trạm số hóa giai đoạn 2026 - 2030, phục vụ việc phân tích tự động dữ liệu sự cố.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp luận của công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

Thứ nhất, kỹ sư quản lý và vận hành trạm biến áp truyền tải: Luận văn cung cấp quy trình phân tích và dữ liệu tham chiếu chính xác về mức độ chịu đựng của cách điện thiết bị 220 kV, giúp xây dựng kế hoạch kiểm tra, thí nghiệm định kỳ cho 2 máy biến áp 250 MVA và 2 máy biến áp 63 MVA.

Thứ hai, kỹ sư tư vấn thiết kế công trình điện: Tài liệu là cẩm nang hữu ích về phương pháp phối hợp cách điện, lựa chọn thông số chống sét van oxit kẽm không khe hở và tính toán hiệu ứng sóng phản xạ trong trạm phân phối ngoài trời.

Thứ ba, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điện: Đề tài cung cấp tài liệu mẫu mực về việc ứng dụng công cụ mô phỏng ATP-EMTP, phương pháp mô hình hóa đường dây phân bố tham số và phân tích xác suất thống kê dòng điện sét.

Thứ tư, cán bộ kỹ thuật an toàn lưới điện tại các công ty điện lực: Giúp nâng cao năng lực đánh giá rủi ro quá điện áp khí quyển và quá điện áp nội bộ, hỗ trợ xây dựng phương án giảm suất sự cố đường dây truyền tải trung du miền núi.

Câu hỏi thường gặp

Quá điện áp quá độ gây ra rủi ro nguy hiểm nhất nào cho cách điện trạm 220 kV?
Rủi ro lớn nhất là hiện tượng đánh thủng cách điện do tác động tích lũy của các xung điện áp biên độ cao. Khi sóng sét vượt quá 650 kV hoặc xung thao tác trên 2,0 p.u xâm nhập liên tục, các khuyết tật điện môi cục bộ trong dầu và giấy cách điện của máy biến áp 250 MVA sẽ phát triển nhanh chóng, gây chập cuộn dây và cháy nổ thiết bị.

Tại sao phần mềm ATP-EMTP được chọn làm công cụ tính toán chính?
ATP-EMTP là tiêu chuẩn công nghiệp toàn cầu trong phân tích quá trình quá độ điện từ. Chương trình cho phép mô phỏng chính xác lưới điện phức tạp với quy mô lên tới 6000 nút, tích hợp mô hình đường dây phụ thuộc tần số JMarti và đặc tính phi tuyến V-I của chống sét van, mang lại kết quả mô phỏng có độ tin cậy rất cao.

Dòng sét 31 kA đánh vào đường dây ảnh hưởng thế nào đến máy biến áp AT1?
Dòng sét 31 kA đại diện cho giá trị dòng sét âm trung bình theo thống kê thực tế. Khi đánh vào đỉnh cột gần trạm, xung sét lan truyền tạo ra sóng quá điện áp đầu sóng dốc, nhưng sau khi qua chống sét van Pinggao Y10W-200/496, điện áp tác dụng lên đầu cực máy biến áp AT1 được ghìm giữ ở mức an toàn dưới 596 kV.

Hiệu ứng Ferranti trên đường dây Thái Nguyên – Sóc Sơn biểu hiện ra sao?
Khi đóng đường dây 39,9 km ở chế độ không tải hoặc non tải từ phía Thái Nguyên, quá trình nạp điện dung ký sinh qua cảm kháng đường dây làm điện áp ở cuối tuyến phía Sóc Sơn tăng cao hơn đầu nguồn phát khoảng 1,1 đến 1,2 lần điện áp danh định, đòi hỏi phải hòa đồng bộ chính xác tại máy cắt 273.

Chống sét van oxit kim loại tại trạm có đảm bảo an toàn tuyệt đối không?
Chống sét van với điện áp định mức 200 kV và dòng xả định mức 10 kA bảo vệ an toàn cho cách điện trạm trước 95% các trường hợp sét đánh thông thường. Tuy nhiên, với các cú sét cực lớn trên 150 kA đánh rất gần trạm, cần kết hợp hoàn hảo hệ thống dây chống sét và cọc tiếp địa chân cột để triệt tiêu năng lượng trước khi vào thanh cái.

Kết luận

• Luận văn đã mô hình hóa thành công cấu trúc điện từ phức tạp của Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên và đường dây 39,9 km liên kết Sóc Sơn trên phần mềm ATP-EMTP.
• Xác định chính xác biên độ và độ dốc của quá điện áp khí quyển tác động lên máy biến áp 250 MVA dưới nhiều mức dòng sét từ 2 kA đến 150 kA.
• Đánh giá định lượng quá điện áp đóng cắt đạt cực đại 2,05 p.u, khẳng định hiệu quả phối hợp của chống sét van oxit kim loại Y10W-200/496.
• Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho công tác thiết kế, tối ưu hóa hệ thống tiếp địa và lập quy trình vận hành an toàn lưới điện 220 kV khu vực phía Bắc.
• Đề xuất lộ trình triển khai lắp đặt thiết bị đo ghi sóng quá điện áp tự động và kiểm chuẩn định kỳ tiếp địa trạm trong giai đoạn vận hành tiếp theo.

Các kỹ sư và nhà quản lý vận hành hãy ứng dụng ngay các giải pháp kỹ thuật và bảng thông số phối hợp cách điện trong luận văn để nâng cao chỉ số độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống lưới điện truyền tải!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN I. GIỚI THIỆU CHUNG. Quá điện áp (overvoltage) là điện áp giữa dây dẫn pha và đất (pha-đất), giữa dây dẫn pha với pha (pha-pha) hay dọc theo chiều dài của cách điện, có giá trị đỉnh lớn hơn biên độ của điện áp pha lớn nhất của hệ thống hay thiết bị điện. Quá điện áp trong hệ thống điện được phát sinh do các nguyên nhân nội tại như các thao tác đóng cắt, sự cố, sa thải phụ tải hay do cộng hưởng được gọi chung là quá điện áp nội bộ; quá điện áp phát sinh do các tác động từ bên ngoài như sét đánh được gọi là quá điện áp khí quyển hay quá điện áp sét.

Độ lớn của quá điện áp thường lớn hơn điện áp làm việc lớn nhất cho phép của mạng lưới điện hay thiết bị điện, do vậy cần phải có các biện pháp hạn chế quá điện áp và bảo vệ chống lại các nguy cơ làm hư hỏng thiết bị điện hoặc rối loạn sự làm việc bình thường của hệ thống điện. Các quá điện áp nội bộ thông thường khó nhận biết và phát hiện. Trong các nhật ký vận hành khi ghi về các nguyên nhân sự cố thì quá điện áp nội bộ không được nhắc tới trong các nguyên nhân liệt kê. Nhiều nước trên thế giới như Nga, Mỹ, Pháp.việc đo các quá điện áp nói chung và quá điện áp nội bộ nói riêng được thực hiện bằng các thiết bị có tên là "Thiết bị tự động đo ghi và phân tích xung quá điện áp“.

Các thiết bị này được đặt trên thanh cái các trạm biến áp nhờ đó mà người ta có thể xác định được các dao động điện áp, mức độ quá điện áp. Từ đó có những phương thức vận hành và bảo vệ phù hợp để đảm bảo độ tin cậy cũng như an toàn cho việc truyền tải và cung cấp điện. Nước ta các công trình và đề tài nghiên cứu sâu về quá điện áp còn hạn chế. Cho đến nay chưa đầu tư các loại thiết bị để đo ghi quá điện áp khí quyển và quá điện áp nội bộ cũng như các phương tiện đo đạc khảo sát, theo dõi, phân loại và thống kê để đánh giá cụ thể về tỉ lệ sự cố, mức độ thiệt hại do quá điện áp nội bộ gây ra trong hệ thống điện.

Khi thiết kế thiết bị điện, mạng lưới điện, trạm biến áp hay nhà máy điện, việc lựa chọn, phối hợp cách điện phù hợp để vận hành lâu dài là một trong các vấn đề LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 được quan tâm kỹ lưỡng đặc biệt là trong mạng điện truyền tải. Việc lựa chọn và phối hợp cách điện phải dựa vào đặc tính của cách điện (chủng loại, cường độ cách điện), mức độ quá điện áp phát sinh của hệ thống tác động lên cách điện (quá điện áp nội bộ, quá điện áp sét), đồng thời xem xét tới các vấn đề bảo vệ quá điện áp (chủng loại, số lượng, vị trí lắp đặt thiết bị bảo vệ) và điều kiện môi trường. Tiêu chí lựa chọn cách điện theo điện áp phải đảm bảo nguyên tắc là cường độ cách điện phải lớn hơn các loại quá điện nội bộ, đồng thời chịu được đa số quá điện áp sét (quá đ0iện áp khí quyển), còn một số ít quá điện áp sét có biên độ lớn phải sử dụng các thiết bị bảo vệ để hạn chế. Mặc dù toàn bộ cách điện đã được lựa chọn, phối hợp như trên, nhưng khi tăng số lần quá điện áp tác động lên cách điện thì cũng tăng tương ứng xác suất sự cố trên cách điện đó.

Hiệu ứng tích luỹ là một trong những nguyên nhân đánh thủng cách điện. Mặc dù quá điện áp nội bộ thường nhỏ hơn nhiều so với điện áp đánh thủng tần số công nghiệp nhưng nó là nguyên nhân dẫn đến sự tiến triển các khuyết tật cục bộ của cách điện. Cùng với sự già hoá cách điện và tính chất tích luỹ các tác động như vậy, dần dần sẽ đánh thủng cách điện ngay cả khi quá điện áp nội bộ nhỏ hơn nhiều so với điện áp đánh thủng. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁPTRONG HỆ THỐNG ĐIỆN II.

Quá điện áp tạm thời Quá áp tạm thời (Temporary Overvoltage_TOV) là quá điện áp ở tần số công nghiệp có thời gian tác động tương đối dài (từ 30 ms tới 3600 s).Quá điện áp tạm thời là một thông số quan trọng để lựa chọn chống sét van (ngoại trừ quá điện áp cộng hưởng và cộng hưởng từ). Quá điện áp tạm thời phát sinh do các nguyên nhân sau: - Sự cố chạm đất: khi có sự cố pha-đất sẽ gây ra quá điện áp trên các pha không sự cố (pha lành). Độ lớn của loại quá điện áp này phụ thuộc vào vị trí sự cố và phương thức nối đất điểm trung tính của hệ thống điện. Trong hệ thống có trung tính trực tiếp nối đất thì độ lớn của quá điện áp bằng khoảng 1,3 p.

và thời gian quá áp (bao gồm cả thời gian giải trừ sự cố) thường nhỏ hơn 1 giây. Trong hệ thống có trung tính nối đất cộng hưởng (nối đất qua cuộn dập hồ quang) thì độ lớp của quá áp lớn hơn hoặc bằng 1,73 p. và tồn tại trong khoảng thời gian nhỏ hơn 10 giây. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 8 - Sa thải phụ tải:khi cắt phụ tải, quá điện áp sẽ phát sinh, độ lớn của quá áp phụ thuộc vào cấu trúc của hệ thống sau khi cắt tải và đặc tính của nguồn (ví dụ như tốc độ hay điều chỉnh điện áp của máy phát ở thời điểm cắt tải).Ngay sau khi cắt tải, điện áp trên điện cực của máy cắt (phía nối với nguồn) sẽ tăng, mức độ tăng phụ thuộc vào tải và công suất ngắn mạch của xuất tuyến.

Để xác định chính xác độ lớn của quá điện áp thì cần tính toán dựa trên cơ sở phân tích quá trình quá độ điện từ được thực hiện bằng máy tính hoặc ứng dụng chương trình ATP-EMTP. Tuy nhiên, trong tính toán thực dụng thì có thể áp dụng như sau: + Các đường dây có chiều dài trung bình, nếu cắt toàn bộ tải thì điện áp pha tăng tới 1,2 p. Thời gian quá áp phụ thuộc vào các thiết bị điều chỉnh điện áp trong mạng và có thể tới vài phút. + Các đường dây dài, nếu cắt toàn bộ tải thì điện áp pha có thể tăng tới 1,5 p.

Thời gian quá áp tới vài giây. + Khi sa thải phụ tải của của máy biến áp tăng áp nối với máy phát thì quá áp tạm thời tăng tới 1,4 p.u đối với các máy phát tuabin và tới 1,5 p.u đối với các máy phát thủy điện. Thời gian quá áp khoảng 3 giây. - Cộng hưởng và cộng hưởng sắt từ: Trong hệ thống điện khi có sự thay đổi đột ngột về cấu trúc (như sa thải phụ tải, cắt máy biến áp 1 pha ở cuối đường dây hay cắt máy biến điện áp kiểu tụ đặt trên thanh góp của trạm biến áp) sẽ có sự tương tác giữa thành phần điện dung (của đường dây, cáp, tụ điện) và thành phần điện cảm (của máy biến áp, cuộn kháng song song) gây ra quá điện áp cộng hưởng hoặc cộng hưởng sắt từ.

Độ lớn của quá điện áp này có thể lớn hơn 3,0 p. và tồn tại tới khi nó được giải trừ. - Đóng đường dây hoặc máy biến áp: Khi đóng đường dây hoặc máy biến không tải hoặc non tải có thể gây ra quá điện áp cộng hưởng. Trường hợp đóng máy biến áp sẽ xuất hiện dòng điện từ hóa lớn và thành phần hài đáng kể do đặc tính phi tuyến của lõi thép.

Dòng điện tần số cao này sẽ tương tác với tần số của hệ thống gây ra quá điện áp cộng hưởng tác dụng lên cách điện dọc. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 9 - Hòa đồng bộ:Trong khi hòa đồng bộ có thể gây ra quá điện áp tác dụng lên cách điện dọc (tiếp điểm của thiết bị đóng cắt). Độ lớn của quá điện áp này thường bằng khoảng 2 lần điện áp pha và tồn tại trong khoảng vài giây đến vài phút. Quá điện áp quá độ Quá điện áp quá độ (Transient Overvoltages) tồn tại trong thời gian ngắn vài mini giây hoặc ngắn hơn, dao động hoặc không dao động và thường gây ra thiệt hại lớn.

Quá điện áp quá độ được chia thành các loại như sau: - Quá điện áp đầu sóng ít dốc (Slow-Front Overvoltage_SFO): thường phát sinh do các thao tác đóng cắt (đóng đường dây, cáp, giải trừ sự cố ngắn mạch, sa thải phụ tải, cắt dòng điện điện dung hoặc dòng điện điện cảm). Quá điện áp là loại một chiều, với thời gian đầu sóng (thời gian đỉnh) từ 20 s đến 5000 s và thời gian sóng (thời gian nửa đỉnh) tới 20 ms. SFO phát sinh do các nguyên nhân như sau: Đóng hay đóng lặp lại đường dây tải điện trên không hoặc đường dây cáp gây ra quá điện áp trên cả 3 pha. Độ lớn của loại quá điện áp này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ cắt và khả năng dập tắt hồ quang của của máy cắt, bội số quá áp thường khoảng 2 p.

Loại quá điện áp này thường được gọi là quá điện áp đóng cắt (Swiching Overvoltagres). Sự cố hay giải trừ sự cố gây ra quá điện áp với bội số quá áp thường lớn hơn 2 p. và phụ thuộc chủ yếu vào phương thức nối đất của hệ thống điện. Trong trường hợp chung, bội số quá áp tính bằng (2k-1) p., trong đó k là hệ số nối đất.

Sa thải phụ tải tạo ra điện áp cưỡng bức tác dụng lên các phía của tiếp điểm máy cắt. Quá điện áp loại này thường có giá trị lớn và phải được hạn chế bằng chống sét van. Cắt dòng điện điện cung hoặc dòng điện điện cảm sẽ gây lên quá điện áp tại vị trí đặt tụ điện, điện kháng cũng như gây quá điện áp tại cuối đường dây và máy biến áp. - Quá điện áp đầu sóng dốc(Fast-Front Overvoltage_FFO): quá điện áp đầu sóng dốc được phát sinh do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn pha của đường dây tải điện trên không; do phóng điện ngược từ xà, cột vào dây dẫn pha hoặc đánh gần đường dây hoặc thiết bị điện.

FFO là loại điện áp một chiều biên độ lớn, thời gian đỉnh từ 0,1 s đến 20 s và thời gian nửa đỉnh tới 300 s. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 10 - Quá áp đầu sóng rất dốc(Very Fast-Front Overvoltage_VFFO): là loại điện áp một chiều, thời gian đỉnh tới 0,1 s, có hoặc không có dao động ở tần số từ 30 kHz tới 100 MHz.