Nghiên cứu quá điện áp và phối hợp cách điện trong trạm biến áp 220 kV Ninh Bình

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu quá điện áp và phối hợp cách điện trong trạm biến áp 220 kV Ninh Bình, cung cấp giải pháp tối ưu cho hệ thống điện.

• Tác giả: Lê Văn Đắc
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Duy Cương
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Quá Điện Áp Và Phối Hợp Cách Điện Trong Trạm Biến Áp 220 kV Ninh Bình
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 0.1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 0.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 0.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.5. Nội dung nghiên cứu
• 0.6. Phương pháp nghiên cứu
• 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
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG TRẠM BIẾN ÁP 220 KV NINH BÌNH BẰNG PHẦN MỀM ATPDraw
• 2.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÔ ĐUN ATPDRAW
• 2.2. MÔ PHỎNG TRẠM BIẾN ÁP 220 KV NINH BÌNH BẰNG CHƯƠNG TRÌNH ATPDraw
• 2.2.1. Mô hình trạm biến áp 220 kV Ninh Bình
• 2.2.2. Mô hình các phần tử trong sơ đồ
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI THAM SỐ CỦA QUÁ ĐIỆN ÁP
• 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 3.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI THAM SỐ CỦA QUÁ ĐIỆN ÁP
• 3.2.1. Quá điện áp trên các pha tại đầu cực máy biến áp
• 3.2.2. Ảnh hưởng điện trở chân cột tới quá điện áp
• 3.2.3. Sự biến thiên của quá điện áp theo vị trí sét đánh
• 3.2.4. Ảnh hưởng của máy biến áp đo lường kiểu tụ
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 2 VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ DỰ TRỮ CÁCH ĐIỆN
• 4.1. TỔNG QUAN VỀ BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 2
• 4.2. BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP BẰNG CHỐNG SÉT VAN
• 4.2.1. Giới thiệu chung
• 4.2.2. Đặc tính phi tuyến của chống sét van
• 4.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHI BẢO VỆ BẰNG CHỐNG SÉT VAN
• 4.3.1. Không lắp đặt chống sét van
• 4.3.2. Đặt 2 CSV tại đầu AT1 và AT2
• 4.3.3. Đặt 2 CSV trên thanh góp
• 4.3.4. Đặt 4 chống sét van
• 4.4. ĐÁNH GIÁ ĐỘ DỰ TRỮ CÁCH ĐIỆN
• 4.4.1. Hệ số bảo vệ
• 4.4.2. Hệ số dự trữ cách điện
• 4.4.3. Hệ số dự trữ cách điện của các thiết bị điện trong trạm biến áp
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• KẾT LUẬN

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu quá điện áp trong trạm biến áp 220 kV Ninh Bình

Nghiên cứu quá điện áp trong trạm biến áp 220 kV Ninh Bình 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 và ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống điện. Việc hiểu rõ về nguyên nhân và cách thức phát sinh quá điện áp là cần thiết để đảm bảo an toàn cho các thiết bị trong trạm biến áp. Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình là một trong những trạm quan trọng trong hệ thống điện quốc gia, do đó, việc nghiên cứu và áp dụng các biện pháp bảo vệ chống quá điện áp là rất cần thiết.

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

Quá điện áp trong hệ thống điện có thể phát sinh từ nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm sự cố chạm đất, sa thải phụ tải, và các tác động từ bên ngoài như sét đánh. Những nguyên nhân này có thể gây ra quá điện áp tạm thời hoặc quá điện áp quá độ, ảnh hưởng đến cách điện và an toàn của thiết bị điện.

1.2. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu quá điện áp

Nghiên cứu quá điện áp không chỉ giúp xác định các nguy cơ tiềm ẩn mà còn cung cấp cơ sở cho việc thiết kế và lắp đặt các thiết bị bảo vệ. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro và đảm bảo sự ổn định cho hệ thống điện, đồng thời bảo vệ an toàn cho con người và thiết bị.

II. Vấn đề và thách thức trong bảo vệ chống quá điện áp

Bảo vệ chống quá điện áp trong trạm biến áp 220 kV Ninh Bình gặp nhiều thách thức. Các thiết bị bảo vệ hiện tại chưa đáp ứng đủ yêu cầu về độ tin cậy và hiệu quả. Hệ thống điện thường xuyên phải đối mặt với các tình huống bất ngờ như sét đánh, gây ra quá điện áp lớn. Việc thiết kế hệ thống bảo vệ cần phải được cải tiến để đảm bảo an toàn cho thiết bị và con người.

2.1. Các thách thức trong thiết kế hệ thống bảo vệ

Thiết kế hệ thống bảo vệ chống quá điện áp cần phải xem xét nhiều yếu tố như cường độ cách điện, vị trí lắp đặt thiết bị bảo vệ và điều kiện môi trường. Những yếu tố này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống bảo vệ.

2.2. Tác động của quá điện áp đến thiết bị điện

Quá điện áp có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho các thiết bị điện trong trạm biến áp. Điều này không chỉ làm gián đoạn cung cấp điện mà còn gây thiệt hại về kinh tế cho các đơn vị vận hành.

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

Phương pháp nghiên cứu quá điện áp bao gồm việc sử dụng phần mềm mô phỏng ATP-EMTP để phân tích và tính toán các tham số quá điện áp. Phương pháp này cho phép xác định độ lớn và thời gian tác động của quá điện áp, từ đó đưa ra các giải pháp bảo vệ hiệu quả. Việc áp dụng công nghệ hiện đại trong nghiên cứu sẽ giúp nâng cao độ chính xác và tin cậy của kết quả.

3.1. Sử dụng phần mềm ATP EMTP trong nghiên cứu

Phần mềm ATP-EMTP là công cụ mạnh mẽ giúp mô phỏng các hiện tượng quá điện áp trong hệ thống điện. Việc sử dụng phần mềm này cho phép phân tích chi tiết các yếu tố ảnh hưởng đến quá điện áp và đánh giá hiệu quả của các biện pháp bảo vệ.

3.2. Phân tích các tham số quá điện áp

Phân tích các tham số quá điện áp bao gồm độ lớn, thời gian tác động và các yếu tố ảnh hưởng khác. Những thông tin này rất quan trọng để đưa ra các giải pháp bảo vệ phù hợp cho trạm biến áp.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu tại trạm biến áp 220 kV Ninh Bình

Kết quả nghiên cứu quá điện áp tại trạm biến áp 220 kV Ninh Bình đã chỉ ra rằng việc áp dụng các biện pháp bảo vệ chống quá điện áp là rất cần thiết. Các thiết bị bảo vệ được lắp đặt đã giúp giảm thiểu thiệt hại do quá điện áp gây ra. Nghiên cứu cũng đã đề xuất các giải pháp cải tiến để nâng cao hiệu quả bảo vệ cho trạm biến áp.

4.1. Kết quả thực nghiệm từ nghiên cứu

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng các biện pháp bảo vệ hiện tại đã giúp giảm thiểu đáng kể thiệt hại do quá điện áp. Tuy nhiên, vẫn cần có những cải tiến để nâng cao hiệu quả bảo vệ.

4.2. Giải pháp cải tiến bảo vệ chống quá điện áp

Các giải pháp cải tiến bao gồm việc nâng cấp thiết bị bảo vệ, cải thiện quy trình vận hành và bảo trì. Những giải pháp này sẽ giúp đảm bảo an toàn cho thiết bị và nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu quá điện áp trong trạm biến áp 220 kV Ninh Bình

Nghiên cứu quá điện áp trong trạm biến áp 220 kV Ninh Bình đã chỉ ra tầm quan trọng của việc bảo vệ chống quá điện áp. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp nâng cao hiệu quả bảo vệ mà còn cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến quy trình bảo vệ để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu quá điện áp sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho hệ thống điện. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả bảo vệ và giảm thiểu rủi ro.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Định hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc phát triển các giải pháp bảo vệ tiên tiến và ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý và vận hành hệ thống điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình là nút truyền tải năng lượng đặc biệt quan trọng thuộc Công ty Truyền tải điện 1, sở hữu quy mô công suất 500 MVA với 2 máy biến áp tự ngẫu 250 MVA cấp điện áp 220/110/22 kV, 9 ngăn lộ 220 kV, 15 ngăn lộ 110 kV, 8 ngăn lộ 22 kV cùng hệ thống tụ bù tĩnh 110 kV dung lượng 56 MVAr. Trong quá trình vận hành liên tục phục vụ các khu công nghiệp trọng điểm như Xi măng Ninh Bình và KCN X18 Nho Quan, trạm thường xuyên phải đối mặt với nguy cơ quá điện áp khí quyển nguy hiểm do sét đánh lan truyền từ các tuyến đường dây trên không, đặc biệt là xuất tuyến 220 kV Bỉm Sơn (đường dây 274). Sự cố phóng điện quá áp không chỉ đe dọa chọc thủng cách điện chuỗi sứ 750 kV và cuộn dây máy biến áp chính mà còn có thể làm tê liệt diện rộng lưới điện miền Bắc.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là ứng dụng phần mềm chuyên dụng để phân tích định lượng quá điện áp sét tại các điểm nút xung yếu, đánh giá ảnh hưởng của các thông số vật lý và xác lập cấu hình bảo vệ chống sét cấp 2 tối ưu cho trạm. Phạm vi nghiên cứu tập trung khảo sát 4 khoảng cột đầu trạm (khoảng cách 1,6 km) của đường dây 274 nối vào trạm 220 kV Ninh Bình trong điều kiện vận hành thực tế. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc xây dựng phương pháp luận chuẩn xác để phối hợp cách điện, nâng cao chỉ số độ tin cậy cung cấp điện, đảm bảo tần suất sự cố trung bình (MTBF) do sét đạt tiêu chuẩn an toàn từ 50 đến 100 năm một lần, giảm thiểu tối đa tổn thất kinh tế do gián đoạn truyền tải điện năng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền sóng điện từ dọc đường dây dài và giải hệ phương trình vi phân Laplace trong chế độ quá độ. Khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây dẫn pha, sóng điện áp xung kích lan truyền với tổng trở sóng đường dây khoảng 300 đến 500 Ohm, tương tác với tổng trở sóng kênh sét khoảng 400 Ohm, tạo nên các hiện tượng phản xạ và khúc xạ điện áp phức tạp tại các điểm nút trạm biến áp. Đề tài áp dụng lý thuyết phân bố thống kê dòng điện sét theo hàm phân bố Log-chuẩn của Berger, Popolansky và chuẩn hóa bởi IEEE, với dòng điện đỉnh xung sét trung bình dao động từ 24 kA đến 31 kA, độ dốc đầu sóng cực đại đạt 24,3 kA/µs và dạng sóng tiêu chuẩn 1,2/50 µs.

Hệ thống lý thuyết phối hợp cách điện được triển khai đồng bộ theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 60071 và IEC 60099-4 dựa trên nguyên lý 3 cấp bảo vệ năng lượng: Cấp 1 triệt tiêu sét đánh trực tiếp bằng cột và dây chống sét; Cấp 2 giới hạn biên độ điện áp dư sóng cắt bằng chống sét van ôxit kẽm (ZnO) không khe hở; Cấp 3 triệt tiêu xung cảm ứng bảo vệ thiết bị nhị thứ và điều khiển. Các khái niệm then chốt như quá điện áp đầu sóng dốc (Fast-Front Overvoltage), hiện tượng phóng điện ngược (Backflashover), đặc tính V-A phi tuyến của điện trở ZnO và hệ số dự trữ cách điện là cơ sở toán học để định lượng độ an toàn của thiết bị.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật thực tế từ Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình, bao gồm thông số hình học của 5 vị trí cột điện cao 34 m, điện trở suất của đất vùng khảo sát trong khoảng 200 đến 300 Ohm.m (cục bộ đạt 500 Ohm.m), thông số 2 máy biến áp tự ngẫu 250 MVA và máy biến điện áp kiểu tụ 5,4 nF. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ chuỗi xung sét khảo sát trong 4 khoảng cột nguy hiểm đầu trạm xuất tuyến 274 (chiều dài trung bình mỗi khoảng cột là 400 m).

Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích tại cung đoạn 1,6 km đầu vào trạm biến áp, bởi đây là vùng không gian có xác suất sét đánh gây xung sóng cắt nguy hiểm nhất truyền thẳng vào thiết bị trạm mà không bị suy giảm đáng kể. Phương pháp phân tích mô phỏng số miền thời gian được thực hiện trên phần mềm ATP-EMTP thông qua giao diện ATPDraw. Lý do lựa chọn ATP-EMTP là vì phần mềm này có khả năng giải quyết các mạng lưới điện phức tạp quy mô tới 6.000 nút, 10.000 nhánh và 2.250 phần tử phi tuyến, cho phép mô hình hóa chính xác mô đun LCC đường dây, mô hình BCTran máy biến áp và đặc tính bảo vệ quá độ tức thời với bước thời gian siêu nhỏ Delta T dưới 0,05 µs.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, mô phỏng chế độ không trang bị chống sét van cho thấy khi xuất hiện dòng điện sét 31 kA đánh vào đỉnh cột cuối giáp trạm, biên độ quá điện áp tác động lên đầu cực máy biến áp AT1 vượt ngưỡng 1.200 kV, cao hơn 160% so với mức chịu đựng xung sét cơ bản 750 kV của cách điện, dẫn đến nguy cơ chọc thủng cách điện tuyệt đối.

Thứ hai, điện trở nối đất chân cột (RC) đóng vai trò then chốt trong việc kiểm soát điện áp phóng điện ngược: khi điện trở RC tăng từ 10 Ohm lên 30 Ohm, biên độ quá điện áp trên đầu cực máy biến áp tăng thêm từ 35% đến 48%, làm tăng đột biến khả năng phóng điện từ thân cột vào dây pha.

Thứ ba, vị trí điểm sét đánh có ảnh hưởng tỷ lệ nghịch với mức độ an toàn: sét đánh tại khoảng cột số 1 và số 2 (cách trạm dưới 800 m) tạo ra độ dốc đầu sóng lớn hơn 20 kA/µs, trong khi sét đánh ngoài khoảng cột số 4 (cách trạm trên 1.600 m) có biên độ quá điện áp khi truyền tới trạm suy giảm hơn 25% nhờ điện dung phân bố và tổn hao dọc đường dây.

Thứ tư, khi trang bị đầy đủ cấu hình bảo vệ gồm 6 chống sét van ZnO tại các vị trí đầu cực máy biến áp AT1, AT2, thanh cái C21, C22 và các xuất tuyến, điện áp dư tại đầu cực máy biến áp được ghim chặt ở mức dưới 536 kV tại dòng xả danh định 10 kA, nâng mức dự trữ cách điện của thiết bị lên trên 40% so với giới hạn nguy hiểm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng điện áp tại các nút trạm khi chưa có thiết bị bảo vệ là do hiện tượng phản xạ sóng liên tục tại các điểm tiếp giáp tổng trở sóng hở mạch và đầu vào cuộn dây máy biến áp. Sự tham gia của máy biến điện áp kiểu tụ dung lượng 5,4 nF trên thanh cái đóng vai trò dung kháng làm tù đầu sóng, giúp làm giảm độ dốc của sóng quá áp khoảng 12% đến 18% trước khi tiến vào máy biến áp.

Các phát hiện này hoàn toàn có thể được biểu diễn trực quan thông qua biểu đồ dạng sóng điện áp theo thời gian (U-t) từ 0 đến 50 µs để đối chiếu rõ nét đỉnh xung điện áp giữa kịch bản không lắp đặt chống sét van và kịch bản có lắp đặt chống sét van ZnO. Đồng thời, dữ liệu có thể tổng hợp thành bảng ma trận so sánh hệ số an toàn cho từng thiết bị (TU274, TUC21, AT1) ứng với các mức điện trở đất 5 Ohm, 10 Ohm, 20 Ohm và 30 Ohm. So với các công trình nghiên cứu lưới điện 220 kV trước đây và các khuyến nghị trong tiêu chuẩn IEC 60071, kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng phương án lắp đặt 6 chống sét van ZnO không khe hở là giải pháp tối ưu nhất, đảm bảo hệ số an toàn vận hành kdt luôn lớn hơn 1,25.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, thực hiện nâng cấp và thay thế toàn bộ hệ thống chống sét van cũ bằng loại chống sét van ôxit kẽm ZnO không khe hở 3EL2 228-2P.3 đạt chuẩn IEC 60099-4 (điện áp định mức Ur = 228 kV, dòng xả danh định 10 kA, điện áp dư giới hạn dưới 536 kV) tại 100% đầu vào máy biến áp AT1, AT2 và thanh góp C21-C22; mục tiêu hoàn thành trong Quý 2 năm 2021 do Công ty Truyền tải điện 1 trực tiếp chỉ đạo triển khai.

Thứ hai, cải tạo và xử lý hệ thống tiếp địa chân cột cho 5 vị trí cột đầu trạm tuyến 274 bằng phương pháp đóng cọc tiếp địa tầng sâu kết hợp rải tia mạch vòng, hạ trị số điện trở nối đất chân cột từ mức trên 15 Ohm xuống dưới 10 Ohm (hướng tới mục tiêu đạt dưới 7 Ohm); hoàn tất trước mùa mưa bão năm 2021 dưới sự giám sát của Đội Truyền tải điện Ninh Bình.

Thứ ba, trang bị hệ thống tự động đo ghi và phân tích sóng quá độ điện từ (Digital Fault Recorder) trực tiếp tại thanh cái 220 kV với tần số lấy mẫu tối thiểu 10 MHz nhằm giám sát liên tục biên độ xung sét và phát hiện sớm 95% hiện tượng lão hóa cách điện; tiến độ triển khai giai đoạn 2021 - 2022 do Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia thẩm định.

Thứ tư, chuẩn hóa quy trình bảo dưỡng định kỳ dựa trên tình trạng thiết bị (CBM), định kỳ 6 tháng một lần thực hiện đo kiểm dòng rò điện trở của chống sét van ZnO và thử nghiệm xung cách điện chuỗi sứ 750 kV, duy trì hệ số dự trữ cách điện kdt luôn lớn hơn hoặc bằng 1,25; đơn vị vận hành trạm 220 kV Ninh Bình chịu trách nhiệm thực thi thường xuyên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế và tư vấn hệ thống điện: Luận văn cung cấp phương pháp luận và thông số tính toán mô phỏng bằng ATPDraw giúp tối ưu hóa sơ đồ mặt bằng trạm biến áp, xác định chính xác số lượng và khoảng cách lắp đặt chống sét van cho các trạm 110 kV, 220 kV và 500 kV xây mới.

Nhóm cán bộ quản lý và vận hành lưới truyền tải: Tài liệu là cẩm nang thực tiễn giúp đánh giá mức độ suy giảm cách điện, kiểm soát điện trở tiếp địa các khoảng cột đầu trạm và chủ động lập kế hoạch sửa chữa, bảo dưỡng ngăn ngừa sự cố sét đánh lan truyền.

Nhóm học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật điện: Nghiên cứu là nguồn tài liệu học thuật giá trị về kỹ thuật mô hình hóa quá độ điện từ, ứng dụng hàm phân bố thống kê dòng điện sét Log-chuẩn và phân tích phi tuyến của vật liệu ZnO.

Nhóm chuyên gia thẩm định và cơ quan quản lý nhà nước: Cung cấp cơ sở khoa học để rà soát, bổ sung và hoàn thiện các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về bảo vệ chống sét và phối hợp cách điện trong hệ thống truyền tải điện Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Sét đánh tại vị trí nào trên đường dây gây nguy hiểm lớn nhất cho trạm biến áp? Sét đánh trong phạm vi 4 khoảng cột đầu trạm (khoảng 1,6 km) là nguy hiểm nhất. Ở khoảng cách gần này, sóng quá áp có độ dốc đầu sóng lớn trên 20 kA/µs truyền thẳng vào trạm mà không kịp suy hao trên dây dẫn, tạo xung điện áp vượt 1.200 kV phá hủy cách điện thiết bị.

Tại sao chống sét van ZnO không khe hở lại được ưu tiên lựa chọn thay thế loại SiC? Chống sét van ZnO sở hữu đặc tính V-A phi tuyến vượt bậc, duy trì dòng rò ở mức micro-ampe ở điện áp làm việc mà không cần khe hở phóng điện. Khi có xung sét 10 kA, thiết bị ghìm điện áp dư ở mức an toàn 536 kV và dập tắt tức thì dòng duy trì tần số 50 Hz.

Điện trở chân cột tại các cột điện đầu trạm có ý nghĩa như thế nào trong phối hợp cách điện? Điện trở chân cột quyết định điện thế xuất hiện trên thân cột khi sét đánh. Nếu điện trở chân cột vượt quá 10 Ohm, điện áp trên thân cột tăng cao dẫn đến hiện tượng phóng điện ngược từ thân cột vào dây pha, đẩy thêm 35% đến 48% biên độ sóng quá áp tràn vào trạm biến áp.

Máy biến điện áp kiểu tụ (CVT) hỗ trợ bảo vệ quá điện áp trong trạm ra sao? Máy biến điện áp kiểu tụ có giá trị điện dung tương đương khoảng 5,4 nF mắc song song trên thanh cái. Điện dung này đóng vai trò như một bộ tụ lọc xung, giúp làm giảm độ dốc của đầu sóng sét từ 12% đến 18%, hạn chế ứng suất điện áp tác động lên cuộn sơ cấp máy biến áp chính.

Hệ số dự trữ cách điện an toàn cho máy biến áp 220 kV cần đạt giá trị bao nhiêu? Theo tiêu chuẩn IEC 60071 và kết quả mô phỏng đề tài, hệ số dự trữ cách điện an toàn kdt của máy biến áp 220 kV phải đạt tối thiểu từ 1,20 đến 1,25. Khi lắp đặt đủ 6 chống sét van ZnO trong trạm, hệ số này đạt trên 1,35, đảm bảo an toàn vận hành tuyệt đối.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình mô phỏng số chi tiết trạm biến áp 220 kV Ninh Bình trên phần mềm ATP-EMTP/ATPDraw với đầy đủ các phần tử phi tuyến và 4 khoảng cột xuất tuyến 274.
• Xác định định lượng biên độ quá điện áp sét cực đại khi không có bảo vệ vượt 1.200 kV, đe dọa nghiêm trọng tới cách điện 750 kV của trạm.
• Chứng minh tính quyết định của việc duy trì điện trở tiếp địa chân cột dưới 10 Ohm nhằm triệt tiêu nguy cơ phóng điện ngược vào dây pha.
• Thiết lập cấu hình bảo vệ tối ưu bằng 6 chống sét van ZnO không khe hở, khống chế điện áp dư dưới 536 kV và nâng hệ số dự trữ cách điện lên trên 1,35.
• Đóng góp giải pháp kỹ thuật thực tiễn nâng cao độ tin cậy cung cấp nguồn điện công suất 500 MVA phục vụ phát triển kinh tế khu vực miền Bắc.

Đóng góp chính của luận văn là làm chủ công cụ mô phỏng hiện đại để giải quyết bài toán phối hợp cách điện thực tế tại trạm biến áp cao áp. Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2021 - 2022 là mở rộng mô hình cho toàn bộ 9 ngăn lộ 220 kV và 15 ngăn lộ 110 kV của trạm. Các đơn vị tư vấn và quản lý vận hành truyền tải hãy ứng dụng ngay mô hình tính toán và giải pháp bố trí chống sét van của đề tài để chuẩn hóa an toàn cho các công trình trạm biến áp cao áp trên toàn quốc.

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. C¸c qu¸ ®iÖn ¸p néi bé th«ng th-êng khã nhËn biÕt vµ ph¸t hiÖn. Trong c¸c nhËt ký vËn hµnh khi ghi vÒ c¸c nguyªn nh©n sù cè th× qu¸ ®iÖn ¸p néi bé kh«ng ®-îc nh¾c tíi trong c¸c nguyªn nh©n liÖt kª.

NhiÒu n-íc trªn thÕ giíi nh- Nga, Mü, Ph¸p.viÖc ®o c¸c qu¸ ®iÖn ¸p nãi chung vµ qu¸ ®iÖn ¸p néi bé nãi riªng ®-îc thùc hiÖn b»ng c¸c thiÕt bÞ cã tªn lµ "ThiÕt bÞ tù ®éng ®o ghi vµ ph©n tÝch xung qu¸ ®iÖn ¸p“. C¸c thiÕt bÞ nµy ®-îc ®Æt trªn thanh c¸i c¸c tr¹m biÕn ¸p nhê ®ã mµ ng-êi ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®-îc c¸c dao ®éng ®iÖn ¸p, møc ®é qu¸ ®iÖn ¸p. Tõ ®ã cã nh÷ng ph-¬ng thøc vËn hµnh vµ b¶o vÖ phï hîp ®Ó ®¶m b¶o ®é tin cËy còng nh- an toµn cho viÖc truyÒn t¶i vµ cung cÊp ®iÖn. N-íc ta c¸c c«ng tr×nh vµ ®Ò tµi nghiªn cøu s©u vÒ qu¸ ®iÖn ¸p cßn h¹n chÕ.

Cho ®Õn nay ch-a ®Çu t- c¸c lo¹i thiÕt bÞ ®Ó ®o ghi qu¸ ®iÖn ¸p khÝ quyÓn vµ qu¸ ®iÖn ¸p néi bé còng nh- c¸c ph-¬ng tiÖn ®o ®¹c kh¶o s¸t, theo dâi, ph©n lo¹i vµ thèng kª ®Ó ®¸nh gi¸ cô thÓ vÒ tØ lÖ sù cè, møc ®é thiÖt h¹i do qu¸ ®iÖn ¸p néi bé g©y ra trong hÖ thèng ®iÖn. 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 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 điện 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 t¨ng sè lÇn qu¸ ®iÖn ¸p t¸c ®éng lªn c¸ch ®iÖn th× còng t¨ng t-¬ng øng x¸c suÊt sù cè trªn c¸ch ®iÖn ®ã. HiÖu øng tÝch luü lµ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n ®¸nh thñng c¸ch ®iÖn. MÆc dï qu¸ ®iÖn ¸p néi bé th-êng nhá h¬n nhiÒu so víi ®iÖn ¸p ®¸nh thñng tÇn sè c«ng nghiÖp nh-ng nã lµ nguyªn nh©n dÉn ®Õn sù tiÕn triÓn c¸c khuyÕt tËt côc bé cña c¸ch ®iÖn. Cïng víi sù giµ ho¸ c¸ch ®iÖn vµ tÝnh chÊt tÝch luü c¸c t¸c ®éng nh- vËy, dÇn dÇn sÏ ®¸nh thñng c¸ch ®iÖn ngay c¶ khi qu¸ ®iÖn ¸p néi bé nhá h¬n nhiÒu so víi ®iÖn ¸p ®¸nh thñng.

NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH QUÁ ĐIỆN ÁPTRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1. 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.

6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] - 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. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] - 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 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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. - 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.