Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sụp đổ điện áp trong hệ thống điện

Luận văn thạc sĩ HCMUTE phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sụp đổ điện áp trong hệ thống điện, cung cấp cái nhìn sâu sắc và giải pháp.

• Tác giả: Nguyễn Văn Vĩnh
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Văn Hiến
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Sụp Đổ Điện Áp Trong Hệ Thống Điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan

Hệ thống điện (HTĐ) là một phần quan trọng trong cơ sở hạ tầng kinh tế của mỗi quốc gia. Việc nghiên cứu về sụp đổ điện áp trong HTĐ trở nên cấp thiết do sự gia tăng nhanh chóng của phụ tải và các yếu tố môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sụp đổ điện áp, từ đó đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao tính ổn định của hệ thống. Các tác giả như C. Kundur đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề này, tuy nhiên, việc ứng dụng thiết bị bù SVC và phần mềm tính toán bù trên đường dây truyền tải điện vẫn chưa được khai thác triệt để. Điều này cho thấy sự cần thiết của nghiên cứu này trong bối cảnh hiện tại.

1.1 Tính cấp thiết ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài

HTĐ đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế, tuy nhiên, nó đang phải đối mặt với nhiều thách thức như sự tăng trưởng nhanh của phụ tải, cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và áp lực về môi trường. Việc nghiên cứu về sụp đổ điện áp không chỉ giúp nâng cao độ tin cậy của hệ thống mà còn đảm bảo cung cấp điện ổn định cho người tiêu dùng. Các sự cố như mất điện tại miền Nam Việt Nam vào năm 2013 đã cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu này. Nghiên cứu sẽ giúp ngành điện lực có những giải pháp hiệu quả hơn trong việc quản lý và vận hành HTĐ.

II. Các nguyên nhân và cơ chế xảy ra tan rã hệ thống điện

Sự cố tan rã HTĐ thường xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm cả vấn đề quy hoạch, thiết kế và bảo trì. Các nguyên nhân chính có thể được phân loại thành nguyên nhân chủ quan và khách quan. Nguyên nhân chủ quan bao gồm thiết kế sai thông số, không đáp ứng tiêu chuẩn và thiếu biện pháp phòng ngừa. Nguyên nhân khách quan có thể là thiên tai hoặc sự tăng tải bất ngờ. Cơ chế xảy ra sự cố thường liên quan đến việc mất ổn định điện áp, dẫn đến sụp đổ điện áp. Khi điện áp giảm xuống dưới mức cho phép, hệ thống sẽ không còn khả năng duy trì hoạt động ổn định, dẫn đến việc tách rời các khu vực trong HTĐ.

2.1 Các nguyên nhân tan rã hệ thống điện

Các nguyên nhân dẫn đến sự cố tan rã HTĐ có thể được tóm tắt như sau: thiết kế và cài đặt sai thông số, không đáp ứng tiêu chuẩn, và thiếu sự bảo trì định kỳ. Những vấn đề này có thể dẫn đến sự cố nghiêm trọng, ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống. Ngoài ra, sự gia tăng đột ngột của phụ tải cũng có thể gây ra tình trạng quá tải, dẫn đến sụp đổ điện áp. Việc phân tích các nguyên nhân này là rất quan trọng để tìm ra giải pháp khắc phục hiệu quả.

III. Phương pháp phòng ngừa sụp đổ điện áp

Để phòng ngừa sụp đổ điện áp, cần áp dụng nhiều biện pháp kỹ thuật khác nhau. Một trong những phương pháp hiệu quả là bù công suất phản kháng, giúp cải thiện khả năng tải của hệ thống. Việc sử dụng thiết bị bù SVC có thể giúp nâng cao tính ổn định điện áp trong HTĐ. Ngoài ra, việc phân đoạn đường dây và sử dụng các thiết bị bù dọc và bù ngang cũng là những giải pháp quan trọng. Các biện pháp này không chỉ giúp giảm thiểu tổn thất điện năng mà còn đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.

3.1 Bù công suất phản kháng

Bù công suất phản kháng là một trong những phương pháp quan trọng để nâng cao tính ổn định của hệ thống điện. Việc sử dụng thiết bị bù SVC giúp cải thiện điện áp tại các nút trong hệ thống, từ đó giảm thiểu nguy cơ sụp đổ điện áp. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc bù công suất phản kháng có thể làm tăng khả năng tải của đường dây, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nhu cầu điện năng ngày càng tăng cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1. Chương 2 các nguyên nhân và cơ chế xảy ra tan rã hệ thống điện.Chương 3 phương pháp phòng ngừa sụp đổ điện áp. Chương 4 các biện pháp tránh sụp đổ điện áp. Chương 5 ứng dụng của thiết bị bù SVC trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện.

Chương 6 kết luận và kiến nghị. -6- Luan van CHƯƠNG 2: CÁC NGUYÊN NHÂN VÀ CƠ CHẾ XẢY RA TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN 2. Các nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện * Các nguyên nhân chung dẫn đến sự cố tan rã HTĐ có thể được tóm tắt như sau: Thông thường, một sự cố tan rã HTĐ là một hiện tượng phức tạp, với nhiều nguyên nhân khác nhau. Một HTĐ bị tan rã là kết quả của một quá trình chia tách, mất đường dây, máy phát điện.liên tục cho đến khi bị phân chia hoàn toàn thành các vùng, khu vực cách ly nhau.

Vấn đề trong quy hoạch và thiết kế: - Thiết kế và cài đặt sai thông số. - Không đáp ứng các tiêu chuẩn. - Không cập nhật các tiêu chuẩn. - Dự đoán sai nhu cầu của phụ tải.

Vấn đề bảo dưỡng: - Những công việc bất thường trong quá trình bảo dưỡng. - Thiết bị quá cũ. - Thiếu sự đào tạo chuyên sâu nhân viên vận hành. Vấn đề vận hành: - Không hiểu rõ HTĐ đang vận hành.

- Thiếu biện pháp phòng ngừa. - Thiếu biện pháp ngăn chặn. - Sự phối hợp vận hành kém. Các nguyên nhân khách quan: - Thảm họa thiên nhiên.

- Phụ tải tăng bất ngờ. - Bảo vệ tác động nhầm. CƠ CHẾ XẢY RA SỰ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN Điều kiện thời Mất một số Vùng phụ tải ở Thiếu công Nặng tải và tiết bất thường máy phát, xa vùng phát suất tác dụng điện áp thấp ở dẫn đến hay tải đường dây, tụ điện, đường và phản kháng một số nút năng đột ngột bù, máy bù … dây truyền tải dự trữ trong HTĐ dãy HỆ THỐNG ĐIỆN Bắt nguồn bởi một sự cố nguy kịch: Mất một đường dây, máy phát điện quan trọng, … Mất ổn định điện Mất ổn định tần số Mất ổn định góc Giảm từ từ Quá tải các thiết bị Vấn đề đồng bộ hóa Thiếu mô men cản dao điện áp tại các nút khác HTĐ động Tổn thất c/s phản OLTC đạt đến nấc cao Máy phát/ bù đạt đến Cắt các thiết bị quá tải kháng tăng mạnh nhất giới hạn phát c/s phản khác trong HTĐ kháng Sụp đổ điện áp Mất đồng bộ Sự cắt nhanh các đường dây, máy phát và thiết bị điện trong HTĐ Tan rã HTĐ -8- Sơ đồ: Cơ chế xảy ra sự tan rã hệ thống điện Luan van 2. Sự mất ổn định điện áp và sụp đổ điện áp Sự mất ổn định điện áp: Xuất phát từ các thay đổi của tải tiêu thụ công suất vượt quá khả năng của hệ thống truyền dẫn và hệ thống phát [1].

Sự sụp đổ điện áp: Là quá trình mà qua đó chuỗi các sự cố liên quan đến sự không ổn định điện áp và cuối cùng dẫn đến tan rã HTĐ hoặc điện áp thấp bất thường trong phần lớn khu vực của HTĐ. Hình vẽ 2-11: Sụp đổ điện áp trong sự cố tan rã HTĐ ở Mỹ 14/08/2003 [2]. An ninh điện áp Khái niệm an ninh điện áp là khả năng của một HTĐ không những vận hành trong trạng thái ổn định, mà còn duy trì trạng thái ổn định sau khi trải qua các sự cố ngẫu nhiên hoặc sự tăng tải [3], [4], [5]. -9- Luan van CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHÒNG NGỪA SỤP ĐỔ ĐIỆN ÁP Khi tính toán các chế độ vận hành của hệ thống điện hợp nhất có đường dây siêu cao áp, do cấp điện áp cao nên lượng công suất phản kháng mà đường dây sinh ra là rất lớn.

Đặc biệt là khi đường dây không mang tải thì lượng công suất phản kháng phát ra rất lớn gây nên hiện tượng quá áp ở cuối đường dây. Để hạn chế hiện tượng này, ta phải dùng các biện pháp kỹ thuật khác nhau như: + Tăng số lượng dây phân nhỏ trong một pha (phân pha) của đường dây để giảm điện kháng và tổng trở sóng, tăng khả năng tải của đường dây. + Bù thông số đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang (bù công suất phản kháng) để giảm bớt cảm kháng và dung dẫn của đường dây làm cho chiều dài tính toán rút ngắn lại. + Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt ở các trạm trung gian trên đường dây.

Đối với đường dây siêu cao áp 500kV, khoảng cách giữa các trạm đặt kháng bù ngang thường không quá 600km. + Đặt các thiết bị bù ngang hoặc bù dọc ở các trạm nút công suất trung gian và trạm cuối để nâng cao ổn định điện áp tại các trạm này. BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Khác với các đường dây cao áp (điện áp nhỏ hơn 330kV), quá trình truyền tải điện xoay chiều trên đường dây siêu cao áp liên quan đến quá trình truyền sóng điện từ dọc theo đường dây. Điện trường của đường dây ít thay đổi trong quá trình vận hành vì điện áp trên đường dây được khống chế trong giới hạn cho phép (thường là  10%), sóng từ trường lại thay đổi trong dãy khá rộng theo sự thay đổi của dòng điện tải của đường dây.

+ Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng điện trường tính trên một đơn vị chiều dài của một pha đường dây là: WE = C.Uf2 (3-1) + Công suất điện trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là: -10- Luan van QE = 3.l (3-2) + Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng từ trường tính trên một đơn vị chiều dài của một pha đường dây khi dòng điện tải là I: WM = L.I2 (3-3) + Công suất từ trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là: QM = 3.l (3-4) + Công suất phản kháng do đường dây sinh ra được xác định như là hiệu giữa công suất điện trường và từ trường: Q = QE - QM = 3.U 2f  (3-6)  + Khi công suất phản kháng của đường dây bằng 0, ta có:  L.U f  Suy ra: C Uf I Uf   I TN L ZC (3-7) C Trong đó: ZC  là tổng trở sóng của đường dây L Việc bù thông số của đường dây siêu cao áp làm tăng khả năng tải của đường dây và qua đó nâng cao tính ổn định. Các biện pháp thường được áp dụng và đem lại hiệu quả cao là bù dọc và bù ngang trên các đường dây siêu cao áp. BÙ DỌC VÀ BÙ NGANG TRONG ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP. Các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn thường được bù thông số thông qua các thiết bị bù dọc và bù ngang.

Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết -11- Luan van bị bù là nâng cao khả năng tải của đường dây và sang bằng điện áp phân bố dọc đường dây. Hơn nữa, bù thông số còn nâng cao tính ổn định tĩnh, ổn định động, giảm sự dao dộng công suất… làm cho việc vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt và hiệu quả hơn. Đây là biện pháp rất cần thiết cho các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn. Trị số cảm kháng lớn của đường dây siêu cao áp làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như: góc lệch pha giữa đầu và cuối đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên đường dây cao, tính ổn định điện áp tại các trạm giữa và cuối đường dây kém… Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện cảm kháng X của đường dây) bằng dung kháng XC của tụ điện.

Giải pháp này được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây. Qua đó giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh được nâng lên. Hơn nữa, giới hạn ổn định động cũng tăng lên một cách gián tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ. Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch tải điện sẽ giảm xuống còn (XL - XC).

Giả sử góc lệch giữa dòng điện phụ tải I và điện áp cuối đường dây U2 không đổi thì độ lệch điện áp U1 ở đầu đường dây và góc lệch pha  giữa vectơ điện áp giữa hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều. Qua đó, ta thấy được hiệu quả của bù dọc: Một là, ổn định điện áp: + Giảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải. + Điểm sụp đổ điện áp được dịch chuyển xa hơn. Hai là, ổn định về góc lệch : + Làm giảm góc lệch trong chế độ vận hành bình thường, qua đó nâng cao độ ổn định tĩnh của hệ thống điện.

-12- Luan van + Làm tăng giới hạn công suất truyền tải của đường dây. + Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là: U 1 .U 2 (3-8) Pgh  XL + Sau khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là: U 1 .U 2 (3-9) P  sin  XL  XC Ta có giới hạn công suất truyền tải là: U 1 .U 2 Pgh  (3-10) XL  XC Ta thấy sau khi bù, giới hạn truyền tải công suất của đường dây tăng lên: k = (XL- X C)/XC Hình 3.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao áp Ba là, giảm tổn thất công suất và điện năng: -13- Luan van + Dòng điện chạy qua tụ điện C sẽ phát ra một lượng công suất phản kháng bù lại phần tổn thất trên cảm kháng của đường dây. + Đặc trưng cho mức độ bù dọc của đường dây là hệ số bù dọc KC: XC KC  100% (3-11) XL Thông thường, đối với các đường dây siêu cao áp thì hệ số bù dọc KC từ 40 -75% tuỳ theo chiều dài của đường dây. Bù ngang được thực hiện bằng cách lắp kháng điện có công suất cố định hay các kháng điện có thể điều khiển tại các thanh cái của các trạm biến áp.

Kháng bù ngang này có thể đặt ở phía cao áp hay phía hạ áp của máy biến áp. Khi đặt ở phía cao áp thì có thể nối trực tiếp song song với đường dây hoặc nối qua máy cắt được điều khiển bằng khe hở phóng điện. Dòng điện I1 của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện IC của điện dung đường dây phát ra do chúng ngược chiều nhau. Nhờ đó mà công suất phản kháng do đường dây phát ra sẽ bị tiêu hao một lượng đáng kể và qua đó có thể hạn chế được hiện tượng quá áp ở cuối đường dây.