Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong các hệ thống năng lượng hiện đại, việc ứng dụng các cấp điện áp cao áp, siêu cao áp và cực cao áp đóng vai trò quyết định đối với khả năng truyền tải công suất lớn đi xa và giảm thiểu tổn thất kỹ thuật. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho hệ thống cách điện của thiết bị điện, đường dây tải điện và trạm biến áp chiếm tỷ trọng rất lớn và tỷ lệ thuận với cấp điện áp vận hành. Điều này đặt ra yêu cầu kỹ thuật phải tính toán, lựa chọn và phối hợp cách điện chính xác nhằm đảm bảo hệ thống vận hành an toàn, tin cậy đồng thời tối ưu hóa chi phí đầu tư và vận hành.
Cách điện trong hệ thống điện phải chịu đựng đồng thời điện áp làm việc lâu dài ở tần số công nghiệp, quá điện áp đóng cắt lớn nhất và đa số các xung quá điện áp sét mà không phát sinh sự cố phóng điện phá hủy. Mặc dù biên độ của các quá điện áp nội bộ thường thấp hơn điện áp đánh thủng tần số công nghiệp, nhưng sự lặp lại của các đợt quá điện áp kết hợp với hiệu ứng tích lũy và quá trình già hóa vật liệu sẽ thúc đẩy sự phát triển của các khuyết tật cục bộ, dẫn đến nguy cơ đánh thủng cách điện.
Tại Việt Nam, các trang thiết bị tự động đo ghi và phân tích xung quá điện áp chuyên dụng đặt trên thanh cái trạm biến áp còn hạn chế, chưa có đầy đủ chuỗi số liệu thống kê thực địa để phân loại định lượng mức độ thiệt hại do quá điện áp gây ra. Do đó, việc ứng dụng các công cụ mô phỏng số hiện đại để nghiên cứu quá trình quá độ điện từ là cơ sở khoa học cấp thiết phục vụ thiết kế bảo vệ và điều hành hệ thống.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Ngô Bá Trình (chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Tường) tập trung giải quyết bài toán tính toán quá điện áp tác động lên cách điện Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên khi có xung sét lan truyền hoặc thao tác đóng cắt từ đường dây 220 kV Thái Nguyên – Sóc Sơn.
Hệ thống mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản:
- Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu tổng quan về các loại quá điện áp tác dụng lên cách điện của hệ thống điện 220 kV; phân tích và tính toán quá điện áp khí quyển và quá điện áp đóng cắt tác động lên cách điện Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên trong quá trình vận hành.
- Mục tiêu cụ thể:
- Nghiên cứu tổng quan về quá điện áp trong hệ thống điện và những ảnh hưởng của quá điện áp tới hệ thống điện.
- Nghiên cứu, tính toán và phân tích độ lớn của quá điện áp khí quyển mà cách điện của Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên phải chịu theo độ lớn và độ dốc của dòng điện sét.
- Tính toán và phân tích độ lớn của quá điện áp đóng cắt tác dụng lên cách điện của Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên do quá trình thao tác đóng cắt đường dây Thái Nguyên – Sóc Sơn.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Quá trình quá độ điện từ trường do sét đánh và do các thao tác đóng cắt (sự cố hoặc theo kế hoạch) trên đường dây tải điện trên không 220 kV Thái Nguyên – Sóc Sơn gây ra quá điện áp trong Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên.
- Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các nguyên nhân xuất hiện quá điện áp; phân tích ảnh hưởng của quá điện áp tới trang thiết bị điện và sự phối hợp cách điện; mô phỏng tính toán trên đối tượng thực tế là Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên và tuyến đường dây 220 kV Thái Nguyên – Sóc Sơn chiều dài 39,9 km bằng phần mềm ATP-EMTP.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình toán học
Nghiên cứu dựa trên lý thuyết quá độ điện từ trong hệ thống điện và các tiêu chuẩn phối hợp cách điện quốc tế (IEC, IEEE) cùng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật điện lực Việt Nam. Các dạng quá điện áp được phân loại theo hai nhóm chính:
- Quá điện áp tạm thời (TOV - Temporary Overvoltage): Quá điện áp ở tần số công nghiệp có thời gian duy trì từ 30 ms đến 3600 s. Nguyên nhân phát sinh bao gồm sự cố chạm đất (trong hệ thống trung tính nối đất trực tiếp, biên độ quá áp pha lành đạt khoảng 1,3 p.u., duy trì dưới 1 s; trong hệ thống nối đất qua cuộn dập hồ quang đạt $\ge 1,73$ p.u., duy trì dưới 10 s), sa thải phụ tải (quá áp từ 1,2 p.u. đến 1,5 p.u.), hiện tượng cộng hưởng và cộng hưởng sắt từ (biên độ có thể vượt 3,0 p.u.), thao tác đóng đường dây/máy biến áp không tải hoặc hòa đồng bộ (quá áp khoảng 2 lần điện áp pha).
- Quá điện áp quá độ (Transient Overvoltages):
- Quá điện áp đầu sóng ít dốc / Quá điện áp đóng cắt (SFO - Slow-Front Overvoltage): Thời gian đầu sóng từ 20 $\mu$s đến 5000 $\mu$s, thời gian nửa đỉnh tới 20 ms; phát sinh do đóng/cắt đường dây, giải trừ ngắn mạch hoặc cắt dòng điện cảm/dung, bội số quá áp thường đạt khoảng 2 p.u. hoặc tính theo biểu thức $(2k-1)$ p.u. (với $k$ là hệ số nối đất).
- Quá điện áp đầu sóng dốc / Quá điện áp sét (FFO - Fast-Front Overvoltage): Biên độ lớn, thời gian đỉnh từ 0,1 $\mu$s đến 20 $\mu$s, thời gian nửa đỉnh tới 300 $\mu$s; sinh ra do sét đánh trực tiếp vào dây pha hoặc phóng điện ngược từ cột/dây chống sét vào dây dẫn pha.
- Quá điện áp đầu sóng rất dốc (VFFO - Very Fast-Front Overvoltage): Thời gian đỉnh dưới 0,1 $\mu$s, dao động tần số cao từ 30 kHz đến 100 MHz, đặc trưng trong trạm biến áp cách điện khí GIS.
Về lý thuyết truyền sóng và hiệu ứng Ferranti trên đường dây dài không tải, phương trình vi phân mô tả sự phân bố điện áp và dòng điện dọc theo đường dây được thiết lập qua hệ phương trình:
$$\frac{\partial u(x, t)}{\partial x} = -R_0 i(x, t) - L_0 \frac{\partial i(x, t)}{\partial t}$$
$$\frac{\partial i(x, t)}{\partial x} = -G_0 u(x, t) - C_0 \frac{\partial u(x, t)}{\partial t}$$
Trong đó $R_0, L_0, G_0, C_0$ là các thông số điện trở, điện cảm, điện dẫn và điện dung phân bố trên một đơn vị chiều dài. Dưới dạng toán tử Laplace, điện áp tại cuối đường dây hở mạch ($I_r = 0$) tăng cao hơn so với đầu nguồn theo biểu thức:
$$U_{ro} = \frac{U_s}{\cosh(\gamma l)}$$
Với $\gamma = \sqrt{ZY} = \sqrt{(R + j\omega L)(G + j\omega C)}$ là hệ số truyền sóng, $Z_c = \sqrt{Z/Y}$ là tổng trở sóng của đường dây (dao động từ 300 $\Omega$ đến 500 $\Omega$ đối với đường dây trên không), $l$ là chiều dài tuyến dây.
Đối với quá điện áp sét, khi sét đánh trực tiếp vào dây pha, xung điện áp tạo ra có biên độ xác định bởi:
$$u(t) = \frac{Z_s \cdot i(t)}{2}$$
Khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét, điện thế phát sinh trên đỉnh cột do dòng điện sét thoát xuống đất qua thân cột và hệ thống nối đất chân cột xác định theo công thức:
$$u(t) = k \cdot \left[ R_{cd} \cdot i(t) + L_c \frac{di(t)}{dt} \right]$$
Trong đó $k$ là hệ số phân số dòng điện đi vào đất, $R_{cd}$ là điện trở nối đất chân cột, $L_c$ là điện cảm thân cột, $i(t)$ là dòng điện tức thời trong khe sét.
Mô hình thống kê tham số phóng điện sét âm áp dụng hàm phân phối log-chuẩn:
$$f(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\beta x} e^{-\frac{(\ln x - \ln M)^2}{2\beta^2}}$$
Xác suất xuất hiện dòng điện sét có biên độ lớn hơn hoặc bằng giá trị đỉnh $I$ theo mô hình Anderson/IEEE và Mousa:
$$P(I) = \frac{100}{1 + \left(\frac{I}{31}\right)^{2,6}} \quad (%) \quad \text{(Anderson & IEEE)}$$
$$P(I) = \frac{100}{1 + \left(\frac{I}{24}\right)^{2,6}} \quad (%) \quad \text{(Mousa)}$$
| Tác giả / Nguồn dữ liệu |
Đối tượng nghiên cứu |
Đỉnh dòng điện sét trung bình $I$ (kA) |
Độ dốc đầu sóng $S$ (kA/$\mu$s) |
| AIEE |
Đường dây tải điện |
15 |
4 |
| Popolansky |
Tổng hợp |
25 |
5,5 |
| Anderson, Eriksson & IEEE |
Tổng hợp cột $< 60$ m |
31 |
- |
| Mousa |
Tổng hợp |
24 |
- |
| CIGRE (Tiên đạo âm, lần đầu) |
Tổng hợp |
34 |
24,3 |
| CIGRE (Lặp lại âm) |
Tổng hợp |
12,3 |
39,9 |
Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu
- Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết kết hợp mô phỏng số quá trình quá độ điện từ trường trên công cụ ATP-EMTP (Electromagnetic Transients Program) với module tiền xử lý giao diện đồ họa ATPDraw.
- Nguồn dữ liệu thực tế: Hồ sơ kỹ thuật và nhật ký vận hành thu thập tại Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên thuộc Truyền tải điện Thái Nguyên – Công ty Truyền tải điện 1; thông số máy biến áp Pauwels (Bỉ), kháng điện, tụ điện ABB Xi'an Tongxin, chống sét van PINGGAO (Trung Quốc) và cấu trúc tuyến đường dây 220 kV Thái Nguyên – Sóc Sơn.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về quá điện áp trong hệ thống điện
Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các khái niệm, cơ chế phát sinh và bản chất vật lý của các dạng quá điện áp xuất hiện trong mạng lưới truyền tải điện. Nội dung làm rõ sự khác biệt giữa quá điện áp nội bộ (quá điện áp tạm thời TOV, quá điện áp đóng cắt SFO) phát sinh từ năng lượng bản thân hệ thống và quá điện áp khí quyển (FFO) do sét đánh từ môi trường bên ngoài.
Tác giả phân tích hiện tượng hiệu ứng Ferranti khi đóng đường dây dài không tải, thiết lập sơ đồ thay thế tương đương hình $\Pi$ của vi phân đường dây $dx$ và giải hệ phương trình sóng bằng phép biến đổi Laplace. Đồng thời, chương này trình bày nguyên lý 3 cấp bảo vệ chống sét trạm biến áp:
- Cấp 1: Cột và dây chống sét ngăn ngừa phóng điện trực tiếp vào thiết bị.
- Cấp 2: Hệ thống chống sét van (kết hợp cáp, tụ điện) hạn chế biên độ sóng cắt và bảo vệ cách điện thiết bị chính.
- Cấp 3: Bảo vệ quá điện áp cảm ứng cho các mạch nhị thứ, thiết bị điều khiển, đo lường và tín hiệu viễn thông.
Phần cuối chương phân tích chi tiết các tham số phóng điện sét (dạng sóng, đỉnh dòng điện, độ dốc đầu sóng $S_{10/90}, S_{30/90}$, thời gian đầu sóng $T_{10/90}, T_{30/90}$, thời gian thân sóng $t_h$) dựa trên tập dữ liệu thống kê của Berger, Anderson, Eriksson và CIGRE.
| Tham số phóng điện sét |
Phóng điện lần đầu: Trung bình $M$ |
Phóng điện lần đầu: Độ lệch $\beta$ |
Phóng điện lặp lại: Trung bình $M$ |
Phóng điện lặp lại: Độ lệch $\beta$ |
| Đỉnh dòng điện $I_1$ (kA) |
27,7 |
0,461 |
11,8 |
0,530 |
| Đỉnh dòng điện $I_2$ (kA) |
31,1 |
0,484 |
12,3 |
0,530 |
| Độ dốc cực đại $S_{max}$ (kA/$\mu$s) |
24,3 |
0,599 |
39,9 |
0,852 |
| Độ dốc $S_{10/90}$ (kA/$\mu$s) |
5,0 |
0,645 |
15,4 |
0,944 |
| Độ dốc $S_{30/90}$ (kA/$\mu$s) |
7,2 |
0,622 |
20,1 |
0,967 |
| Thời gian đầu sóng $t_{10/90}$ ($\mu$s) |
5,63 |
0,576 |
0,75 |
0,921 |
| Thời gian đầu sóng $t_{30/90}$ ($\mu$s) |
3,83 |
0,553 |
0,67 |
1,013 |
| Thời gian sóng $t_h$ ($\mu$s) |
71,5 |
0,58 |
30,2 |
0,93 |
Chương 2: Giới thiệu tổng quan về trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên và đường dây 220 kV Thái Nguyên - Sóc Sơn
Chương 2 mô tả cấu hình kỹ thuật thực tế của Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên (đặt tại phường Quán Triều, TP. Thái Nguyên) và xuất tuyến đường dây 220 kV Thái Nguyên – Sóc Sơn. Trạm giữ vai trò trung tâm phân phối điện áp cho khu công nghiệp Gang Thép Thái Nguyên, khu công nghiệp Sông Công và các tỉnh miền núi phía Bắc (Bắc Kạn, Cao Bằng, Tuyên Quang, Hà Giang, Bắc Giang).
Trạm có tổng công suất 626 MVA, gồm:
- 02 máy biến áp tự ngẫu 250 MVA – 220/110/22 kV (AT1, AT2).
- 02 máy biến áp 63 MVA – 110/35/22 kV (T3, T4).
- Quy mô ngăn lộ: 07 ngăn 220 kV, 16 ngăn 110 kV, 09 ngăn 35 kV và 10 ngăn 22 kV.
- Hệ thống bù: 02 bộ tụ bù tĩnh 110 kV dung lượng $2 \times 40$ MVAr; 01 bộ tụ bù dọc FSC 51 MVAr (TBD202); 01 hệ thống bù tĩnh SVC 108 MVAr phục vụ lọc sóng hài bậc cao từ phụ tải lò luyện thép.
- Sơ đồ nối điện 220 kV gồm hai thanh cái C21 và C22 vận hành độc lập (không sử dụng máy cắt liên lạc do lệch pha/điện áp từ các nguồn Tuyên Quang, Sóc Sơn, Bắc Giang và nguồn nhập khẩu Trung Quốc qua lộ Hà Giang 1).
| Tên ngăn lộ |
Ký hiệu lộ |
Tiết diện và loại dây dẫn |
Chiều dài tuyến (km) |
Dòng định mức (A) |
| Thái Nguyên - Phú Bình |
271 |
ACSR 400 |
- |
810 |
| Thái Nguyên - Hà Giang 1 |
272 |
ACSR 400 / ACSR $2 \times 300$ |
51,9 / 251,8 |
810 |
| Thái Nguyên - Bắc Giang |
273 |
ACSR 400 |
62,2 |
810 |
| Thái Nguyên - Hà Giang 2 |
274 |
ACSR 400 / ACSR $2 \times 300$ |
41,9 / 189,8 |
810 |
| Thái Nguyên - TĐ Tuyên Quang |
275 |
ACSR $2 \times 300$ |
134,0 |
810 |
| Thái Nguyên - Gò Đầm |
171 |
ACSR 400 |
21,2 |
800 |
| Thái Nguyên - An Khánh |
172 |
ACSR 400 |
5,6 |
800 |
| Thái Nguyên - Quán Triều |
173 |
AC 185 |
7,6 |
510 |
| Thái Nguyên - Bắc Kạn |
174 |
AC 185 |
82,2 |
510 |
| Thanh cái C21, C22 (220 kV) |
- |
ACSR 500 |
- |
945 |
| Thanh cái C11, C12 (110 kV) |
- |
ACSR $2 \times 500$ |
- |
1890 |
| Thanh cái C31, C32 (35 kV) |
- |
ACSR $2 \times 500$ |
- |
1890 |
Thông số kỹ thuật máy biến áp tự ngẫu 250 MVA (AT1, AT2):
- Kiểu: OBD 250/400, hãng Pauwels (Bỉ), vận hành từ tháng 02/2007.
- Điện áp định mức: $225/115/23$ kV; Tần số: 50 Hz; Công suất định mức: 250/250/85 MVA.
- Tổ đấu dây: $Y_0/\Delta - 11$.
- Dòng điện định mức cuộn cao áp (nấc 9A, 9B, 9C - 225 kV): 641,5 A; cuộn trung áp (115 kV): 1255 A; cuộn hạ áp (23 kV): 2134 A.
- Điện áp ngắn mạch ($U_n%$ ở $75^\circ$C): Cao/Trung = 10,27%; Cao/Hạ = 30,53%; Trung/Hạ = 17,9%.
- Tổn thất không tải: $P_0 = 57,797$ kW; dòng không tải $I_0 = 0,03% I_{dm}$.
Thông số cuộn kháng và tụ điện hệ thống lọc sóng hài:
- Kháng TCT: BKGKL-23/1645/213.16W, công suất 108 MVA, điện cảm $L = 26,26$ mH, $I_{dm} = 1645$ A, $U_{dm} = 23$ kV.
- Kháng bậc 3: LKGKL-23-725-8231W, công suất 26064 kVA, điện cảm $L = 8,231$ mH, $I_{dm} = 725$ A.
- Kháng bậc 5: LKGKL-23-580-3721W, công suất 19210 kVA, điện cảm $L = 3,729$ mH, $I_{dm} = 580$ A.
- Kháng bậc 7: LKGKL-23-445-344W, công suất 15184 kVA, điện cảm $L = 2,344$ mH, $I_{dm} = 445$ A.
- Tụ điện bậc 3 (ABB Xi'an): TALA-AMM 8.3-600-1W, $Q = 26064$ kVar, điện dung $C = 27,7,\mu$F (60 bình).
- Tụ điện bậc 5 (ABB Xi'an): TALA-AMM 8.3-600-1W, $Q = 19210$ kVar, điện dung $C = 27,7,\mu$F (48 bình).
- Tụ điện bậc 7 (ABB Xi'an): TALA-AMM 7.9-585-1W, $Q = 15184$ kVar, điện dung $C = 29,8,\mu$F (36 bình).
Thông số chống sét van:
- Loại: Y10W-200/496 do hãng PINGGAO (Trung Quốc) sản xuất.
- Điện áp định mức: $U_r = 200$ kV; Điện áp làm việc liên tục: $U_{mcov} = 156$ kV; Dòng xả định mức: $I_n = 10$ kA (kết cấu 02 phần tử).
- Mức cách điện xung sét (BIL 1,2/50 $\mu$s): 1185 kV; Chiều dài đường rò: 6452 mm; Chiều dài khoảng cách dòng rò: 2055 mm.
- Điện áp dư theo các mức dòng xung: 125 A (470 kV), 500 A (502 kV), 1,5 kA (549 kV), 3 kA (577 kV), 5 kA (596 kV), 10 kA (627 kV), 20 kA (697 kV), 40 kA (818 kV).
Đặc tính đường dây 220 kV Thái Nguyên – Sóc Sơn:
Tuyến dây là mạch đơn có chiều dài 39,9 km, sử dụng dây dẫn nhôm lõi thép tăng cường ACK-410/53, đấu nối vào thanh góp 220 kV Trạm Thái Nguyên qua máy cắt 271 và thanh góp 220 kV Trạm Sóc Sơn qua máy cắt 273. Tuyến dây nằm trong cấu trúc mạch vòng kín 220 kV khu vực miền Bắc: Phả Lại – Bắc Giang – Thái Nguyên – Sóc Sơn – Phả Lại.
Chương 3: Mô phỏng trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên và đường dây 220 kV Thái Nguyên - Sóc Sơn bằng phần mềm ATPDraw
Chương 3 trình bày quy trình xây dựng mô hình phần tử và thiết lập thuật toán mô phỏng trên giao diện ATPDraw. Các khối mô hình hóa bao gồm:
- Mô hình nguồn hệ thống: Đại diện cho hệ thống điện đẳng lưu cấp nguồn 220 kV từ phía Sóc Sơn và Thái Nguyên.
- Mô hình đường dây truyền tải: Sử dụng mô hình tham số phân bố phụ thuộc tần số để mô tả chính xác đặc tính truyền sóng trên dây dẫn ACK-410/53 và dây chống sét.
- Mô hình trạm biến áp: Mô hình hóa máy biến áp AT1 (250 MVA), các chuỗi cách điện đứng, thanh cái C21/C22, dao cách ly, máy biến dòng điện (CT), máy biến điện áp kiểu tụ (CVT) và hệ thống chống sét van ZnO phi tuyến PINGGAO Y10W-200/496.
- Mô hình cột điện và phóng điện chớp: Cột thép hình tháp được mô hình hóa bằng đường dây tổn hao với tổng trở sóng tương đương; chuỗi cách điện được mô hình hóa kết hợp cơ chế chuyển mạch đóng cắt khi điện áp vượt quá ngưỡng phóng điện xung kích (Flashover model).
- Mô hình nguồn xung sét: Sử dụng nguồn bơm dòng xung Heidler hoặc nguồn xung hàm số hai mũ để tạo lập dạng sóng dòng sét tiêu chuẩn tác động vào đỉnh cột, dây chống sét hoặc đánh trực tiếp vào dây dẫn pha.
Chương 4: Kết quả mô phỏng quá điện áp khí quyển và quá điện áp đóng cắt
Chương 4 cung cấp dữ liệu tính toán và phân tích các trường hợp mô phỏng:
-
Quá điện áp khí quyển (sét đánh):
- Khảo sát sự biến thiên của quá điện áp trên đầu cực máy biến áp AT1 khi biên độ dòng điện sét thay đổi ở các mức: 2 kA, 31 kA, 50 kA, 100 kA và 150 kA.
- Khi sét đánh vào đỉnh cột thứ 2 với dòng sét $I = 2$ kA, quá điện áp xuất hiện trên đầu cực AT1 có biên độ nhỏ. Khi dòng sét tăng lên 31 kA, 50 kA, 100 kA và 150 kA, biên độ quá điện áp trên 3 pha tăng nhanh và được giới hạn bởi đặc tính làm việc của chống sét van.
- Khảo sát ảnh hưởng của vị trí sét đánh: Thực hiện mô phỏng sét đánh tại đỉnh các cột từ cột 1 đến cột 5 tính từ trạm. Kết quả chỉ ra vị trí sét đánh càng gần trạm (cột 1, cột 2), độ dốc đầu sóng và biên độ đỉnh điện áp tác dụng lên cách điện đầu cực máy biến áp AT1 và các thiết bị phân phối trong trạm càng nguy hiểm.
- Đánh giá ảnh hưởng của máy biến điện áp đo lường kiểu tụ (CVT): Thành phần dung tính của CVT tham gia làm giảm nhẹ độ dốc sóng quá điện áp lan truyền vào thanh cái trạm.
-
Quá điện áp đóng cắt:
- Mô phỏng quá trình đóng cắt không tải đường dây 220 kV Thái Nguyên – Sóc Sơn (39,9 km).
- Phân tích dạng sóng quá điện áp 3 pha tại cuối đường dây khi đóng máy cắt.
- Áp dụng phương pháp phối hợp cách điện tiêu chuẩn và phương pháp thống kê để xác định phân bố xác suất quá điện áp.
- Tính toán phân bố quá điện áp $2%$ thống kê dọc theo chiều dài 39,9 km của đường dây và so sánh quá điện áp pha A tại thanh góp Thái Nguyên so với thanh góp Sóc Sơn.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính
- Thiết lập thành công mô hình mô phỏng số chi tiết Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên và đường dây liên kết 220 kV Thái Nguyên – Sóc Sơn trên phần mềm chuyên dụng ATPDraw/ATP-EMTP, tích hợp đầy đủ thông số máy biến áp Pauwels 250 MVA, các dàn tụ/kháng bậc 3, 5, 7, hệ thống SVC 108 MVAr, chống sét van PINGGAO và cấu trúc cột điện.
- Định lượng hóa biên độ và dạng sóng quá điện áp khí quyển tác động lên đầu cực máy biến áp AT1 và các thiết bị trong trạm theo các cấp dòng điện sét ($I = 2$ kA, 31 kA, 50 kA, 100 kA, 150 kA) cũng như theo khoảng cách vị trí sét đánh (từ cột 1 đến cột 5).
- Xác định được quy luật phân bố quá điện áp đóng cắt 3 pha và giá trị quá điện áp thống kê $2%$ dọc theo chiều dài tuyến đường dây 39,9 km và tại các thanh góp 220 kV của trạm Thái Nguyên và trạm Sóc Sơn.
Giải pháp và kiến nghị của tác giả
- Cung cấp cơ sở tính toán để kiểm tra, đánh giá mức độ an toàn của cách điện hiện hữu trong Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên trước tác động của các xung sét lan truyền có biên độ dòng sét lớn.
- Kiến nghị vị trí lắp đặt và kiểm tra định kỳ thông số vận hành của hệ thống chống sét van oxit kim loại (ZnO) nhằm đảm bảo bảo vệ an toàn cho máy biến áp lực AT1, AT2 và hệ thống thanh cái.
- Đề xuất áp dụng quy trình vận hành đóng cắt đường dây 220 kV Thái Nguyên – Sóc Sơn hợp lý, tránh các chế độ đóng lặp lại trong điều kiện thời tiết dông sét nguy hiểm nhằm hạn chế quá điện áp cộng hưởng.
Đóng góp về mặt học thuật
- Luận văn chuẩn hóa phương pháp luận ứng dụng phần mềm ATP-EMTP để tính toán các quá trình quá độ điện từ trường cho một nút trạm biến áp 220 kV thực tế có cấu trúc phức tạp (kết hợp cả hệ thống tụ bù dọc FSC và bù tĩnh SVC lọc sóng hài).
- Cung cấp tập số liệu mô phỏng tham khảo cho bài toán phối hợp cách điện và bảo vệ chống sét trong lưới điện truyền tải 220 kV khu vực Đông Bắc Việt Nam.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
-
Hạn chế:
- Nghiên cứu tập trung mô phỏng quá trình quá độ trên một xuất tuyến đường dây 220 kV Thái Nguyên – Sóc Sơn (39,9 km); chưa mô phỏng đồng thời trạng thái quá độ phức hợp khi xuất hiện sự cố đồng thời trên các xuất tuyến 220 kV khác nối về trạm (Phú Bình, Hà Giang 1, Hà Giang 2, Bắc Giang, Tuyên Quang).
- Do điều kiện thực tế tại trạm chưa trang bị hệ thống đo ghi sóng quá độ tự động, các kết quả chưa được đối chiếu trực tiếp với dạng sóng xung đo đạc thực tế tại hiện trường mà dựa hoàn toàn trên mô hình tính toán số theo thông số thiết kế và tham số thống kê quốc tế (Berger, IEEE).
-
Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng mô hình mô phỏng cho toàn bộ các ngăn lộ 220 kV, 110 kV còn lại của Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên để đánh giá toàn diện nguy cơ quá điện áp đa điểm.
- Nghiên cứu sâu hơn ảnh hưởng phi tuyến của các bộ bù tĩnh SVC và kháng điện lọc sóng hài trong quá trình chuyển tiếp xung sét tần số cao.
- Tích hợp số liệu đo đạc thực tế từ thiết bị ghi sự cố (Fault Recorder) hoặc thiết bị đo xung chuyên dụng khi được đầu tư lắp đặt tại trạm.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:
- Sinh viên, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống điện, Kỹ thuật điện cao áp: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình trạm biến áp và đường dây truyền tải trên phần mềm ATPDraw/ATP-EMTP; nắm vững cơ sở toán học về hiệu ứng Ferranti, phân bố dòng sét log-chuẩn và quy trình phối hợp cách điện.
- Kỹ sư vận hành và thiết kế thuộc các Công ty Truyền tải điện (EVNNPT, PTC1), Trung tâm Điều độ Hệ thống điện và các Công ty Tư vấn Xây dựng điện: Sử dụng dữ liệu thông số thiết bị thực tế (MBA 250 MVA Pauwels, kháng, tụ lọc sóng hài ABB, chống sét van PINGGAO) để phục vụ công tác tính toán chỉnh định rơ le bảo vệ, đánh giá an toàn cách điện và thiết kế chống sét cho các trạm biến áp 220 kV tương tự.
Câu hỏi thường gặp
1. Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên có quy mô công suất và các cấp điện áp như thế nào?
Trạm có tổng công suất 626 MVA, bao gồm 02 máy biến áp tự ngẫu 250 MVA (220/110/22 kV) kiểu OBD 250/400 do hãng Pauwels (Bỉ) sản xuất và 02 máy biến áp 63 MVA (110/35/22 kV). Trạm phân phối điện qua 07 ngăn lộ 220 kV, 16 ngăn lộ 110 kV, 09 ngăn lộ 35 kV và 10 ngăn lộ 22 kV.
2. Tuyến đường dây 220 kV Thái Nguyên – Sóc Sơn có đặc tính kỹ thuật gì trong mô hình nghiên cứu?
Tuyến dây là mạch đơn có chiều dài 39,9 km, sử dụng dây dẫn nhôm lõi thép tăng cường mã hiệu ACK-410/53. Đường dây kết nối từ máy cắt 271 tại Trạm 220 kV Thái Nguyên đến máy cắt 273 tại Trạm 220 kV Sóc Sơn, nằm trong cấu trúc mạch vòng kín 220 kV Phả Lại – Bắc Giang – Thái Nguyên – Sóc Sơn – Phả Lại.
3. Thiết bị chống sét van được lắp đặt tại Trạm 220 kV Thái Nguyên có thông số định mức ra sao?
Trạm sử dụng chống sét van oxit kim loại loại Y10W-200/496 do hãng PINGGAO (Trung Quốc) sản xuất. Thiết bị gồm 02 phần tử, có điện áp định mức $U_r = 200$ kV, điện áp làm việc liên tục $U_{mcov} = 156$ kV, dòng xả định mức $I_n = 10$ kA, chiều dài đường rò 6452 mm và mức cách điện xung sét (BIL 1,2/50 $\mu$s) đạt 1185 kV.
4. Luận văn đã khảo sát các mức biên độ dòng điện sét nào khi đánh giá quá điện áp khí quyển tác động lên máy biến áp AT1?
Tác giả đã tiến hành mô phỏng quá điện áp khí quyển tác động lên đầu cực máy biến áp AT1 với 5 cấp biên độ dòng điện sét khác nhau: 2 kA, 31 kA, 50 kA, 100 kA và 150 kA, đồng thời khảo sát vị trí sét đánh thay đổi từ cột số 1 đến cột số 5 tính từ trạm biến áp.
5. Tại sao Trạm 220 kV Thái Nguyên phải trang bị hệ thống bù tĩnh SVC công suất 108 MVAr?
Hệ thống bù tĩnh SVC 108 MVAr cùng các dàn kháng/tụ lọc sóng hài bậc 3, bậc 5 và bậc 7 được trang bị nhằm bù công suất phản kháng và triệt tiêu các thành phần sóng hài bậc cao phát sinh từ các lò luyện thép công suất lớn thuộc khu công nghiệp Gang Thép Thái Nguyên cấp điện từ trạm.
Kết luận
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của học viên Ngô Bá Trình đã giải quyết trọn vẹn bài toán phân tích và tính toán quá điện áp quá độ tác động lên cách điện Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên bằng phần mềm chuyên dụng ATP-EMTP. Các kết quả mô phỏng đã lượng hóa chính xác mức độ biến thiên của quá điện áp khí quyển theo biên độ dòng sét (từ 2 kA đến 150 kA), vị trí sét đánh và đặc tính phân bố quá điện áp đóng cắt trên tuyến đường dây 220 kV Thái Nguyên – Sóc Sơn dài 39,9 km. Công trình cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học và phương pháp luận đáng tin cậy phục vụ công tác phối hợp cách điện, kiểm tra an toàn thiết bị và hoàn thiện quy trình vận hành lưới điện truyền tải 220 kV.
