MỞ ĐẦU LUẬN VĂN THẠC SỸ -3- HVTH: NGUYỄN NGỌC TRIỀU ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Đề tài nghiên cứu sẽ mang đến một cái nhìn hoàn toàn mới, toàn diện và tin cậy về phân tích hồ quang phóng điện phát sinh trong quá trình ngắn mạch, các giải pháp giảm thiểu năng lượng sự cố nhằm đảm bảo an toàn cho người, thiết bị và tuân thủ nghiêm các khuyến nghị của các tổ chức hàng đầu thế giới như IEEE, NFPA, EEA. 3) Bản quyền nghiên cứu, đạo đức khoa học Đề tài nghiên cứu này là hoàn toàn mới được áp dụng phân tích mối nguy hiểm về hồ quang phóng điện phát sinh trên hệ thống điện của nhà máy Fonterra (Te Rapa, Hamilton, New Zealand). Do đó, khả năng vi phạm bản quyền và đạo đức khoa học của đề tài là không thể xảy ra. Mục tiêu Xây dựng một cách đẩy đủ và chính xác nhất mô hình Hệ thống điện của nhà máy Fonterra (Te Rapa, Hamilton, New Zealand) với các cấp điện áp 33kV, 11kV và 0.4kV theo thực tế vận hành của nhà máy đến năm 2023.
Xây dựng các đặc tuyến phối hợp bảo vệ dòng điện và thời gian (TCCs) phía nguồn 33kV, phía 11kV và các thiết bị bảo vệ phía 0.4kV dựa trên dữ liệu ghi nhận thực tế. Phân tích hồ quang trên hệ thống điện, năng lượng sự cố, đường giới hạn biên của hồ quang, khoảng cách làm việc. Đánh giá mức độ nguy hiểm từ kết quả phân tích hồ quang và đề xuất các giải pháp để hạn chế dòng hồ quang, giới hạn năng lượng sự cố để đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Cơ sở lý luận và giả thuyết khoa học về hồ quang phóng điện phát sinh trong quá trình ngắn mạch trên hệ thống điện.
Tiêu chuẩn IEEE 1584 - 2018 về phân tích, tính toán hồ quang phóng điện [3] và một số tiêu chuẩn khác như: IEEE về phân tích hệ thống điện [4] [5], IEC 60909 về phân tích dòng ngắn mạch [6], NFPA 70E-2018 về đánh giá an toàn khi làm việc với hệ thống điện [7]. Toàn bộ hệ thống điện của nhà máy Fonterra (Te Rapa, Hamilton, New Zealand) với các cấp điện áp 33kV, 11kV và 0.4kV theo thực tế vận hành của nhà máy đến năm 2023. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU LUẬN VĂN THẠC SỸ -4- HVTH: NGUYỄN NGỌC TRIỀU ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN 1. Ý nghĩa khoa học Phân tích hồ quang phóng điện trên hệ thống điện, tính toán năng lượng sự cố, đường giới hạn biên của hồ quang, khoảng cách làm việc bằng phương pháp giải tích.
Phân tích và so sánh kết quả với một hệ thống điện đã được công bố bởi IEEE. Thực hiện mô hình toàn bộ hệ thống điện của nhà máy theo thực tế vận hành đến năm 2023 trên phần mềm tính toán ETAP phiên bản 21.2 để phân tích và kiểm chứng kết quả với phương pháp giải tích. Ý nghĩa thực tiễn Căn cứ các kết quả đạt được đánh giá mức độ nguy hiểm và đảm bảo an toàn đối với hệ thống điện của nhà máy cho người vận hành, sửa chữa trong hệ thống điện cũng như giữ an toàn cho các thiết bị điện. Áp dụng đầy đủ, đúng đắn, phối kết hợp hiệu quả các tiêu chuẩn, quy chuẩn của các tổ chức uy tín hàng đầu thế giới trong việc phân tích hệ thống điện, hồ quang phóng điện.
Đề xuất các biện pháp mang tính khả thi, phù hợp với đặc thù đối tượng nghiên cứu nhằm bảo đảm an toàn trong quá trình thao tác, vận hành hệ thống điện. Trang bị các kiến thức về hồ quang phóng điện, các nội dung báo cáo về vấn đề này là rất cần thiết trong yêu cầu lập hồ sơ về thiết kế, vận hành hệ thống điện. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU LUẬN VĂN THẠC SỸ -5- HVTH: NGUYỄN NGỌC TRIỀU ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN 1. Nội dung của đề tài Đề tài “PHÂN TÍCH HỒ QUANG PHÁT SINH TRONG QUÁ TRÌNH NGẮN MẠCH TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN” gồm các nội dung chính sau: Chương 1: Mở đầu - Trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
- Trình bày ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài. Chương 2: Phân tích hồ quang trong hệ thống điện - Trình bày cơ sở lý luận và giả thuyết khoa học về hồ quang phóng điện: Nguyên lý về hồ quang, mô hình hồ quang, các khái niệm và hiện tượng trong nghiên cứu. - Các phần mềm thương mại hiện nay hỗ trợ đánh giá, phân tích về hồ quang. Chương 3: Phân tích hồ quang dựa trên tiêu chuẩn IEEE 1584 - 2018 - Trình bày phạm vi áp dụng - Trình bày phương pháp giải tích, tiến trình thực hiện phân tích hồ quang trên hệ thống điện áp dụng tiêu chuẩn IEEE 1584-2018.
- Phân tích và so sánh kết quả với một HTĐ đã được công bố bởi IEEE Chương 4: Kết quả đạt được - Hệ thống điện của nhà máy sữa Fonterra (Te Rapa, Hamilton, New Zealand): Hệ thống nguồn cấp điện 33kV và các trạm biến áp 33/11/11kV, 11/0.4kV, hệ thống các tủ điện 11kV Switchgear, 11kV RMU, 0.4kV MCC và các thiết bị bảo vệ trên hệ thống điện mô phỏng trên ETAP. - Phân tích ngắn mạch theo các chế độ vận hành - Xây dựng các đặc tuyến phối hợp bảo vệ dòng điện và thời gian. - Phân tích năng lượng sự cố, dòng phóng điện hồ quang. - Xác định đường giới hạn biên của hồ quang, khoảng cách làm việc.
- Đề xuất và thực hiện các giải pháp nhằm giảm thiểu năng lượng sự cố phát sinh trong quá trình phóng điện hồ quang. - Kết quả phân tích hồ quang phóng điện được thực hiện bằng phương pháp giải tích và kiểm chứng trên phần mềm mô phỏng ETAP phiên bản 21. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU LUẬN VĂN THẠC SỸ -6- HVTH: NGUYỄN NGỌC TRIỀU ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỒ QUANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2. Tổng quan về hồ quang phóng điện 2.
Nguyên lý về hồ quang phóng điện Hồ quang phóng điện là dòng điện chạy qua một đường bao gồm hơi của vật liệu dẫn điện. Hơi này có điện trở cao hơn đáng kể so với kim loại dẫn điện, điện áp rơi trên hồ quang khoảng từ 30 – 40 V/cm, gấp vài nghìn lần điện áp rơi trong dây dẫn điện. Vì độ tự cảm của hồ quang không khác biệt đáng kể so với dòng điện của một dây dẫn điện có cùng chiều dài, dòng điện hồ quang về bản chất có điện trở. (Điện áp rơi trong dây dẫn điện khoảng 0,0164 – 0.
Khi có sự cố ngắn mạch xảy ra, nếu tồn tại điện trở tại điểm sự cố, nhiệt độ có thể tăng lên đến điểm nóng chảy và bay hơi của kim loại, và hồ quang có thể bắt đầu sinh ra. Hồ quang càng dài thì điện áp hệ thống càng giảm [1]. Giản đồ vector điện áp và dòng điện, hồ quang giảm khi chiều dài hồ quang thay đổi [1] Điện áp hệ thống Erated, tổng trở hệ thống Zsystem. Vì tổng trở của hồ quang hầu như là điện trở và tổng trở của hệ thống mang tính cảm, do đó điện áp rơi trên hồ quang EArc và điện áp hệ thống lệch nhau góc 90 độ cho 4 trường hợp với 4 chiều dài hồ quang khác nhau (0, 1, 2, 3) [1].
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỒ QUANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ -7- HVTH: NGUYỄN NGỌC TRIỀU ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Công suất cực đại của hồ quang theo các cấp điện áp được mô tả như hình dưới: CÔ NG S UẤT CỰ C ĐẠI CỦA H Ồ Q UANG (MW) 0.5 kV 650 600 550 500 450 400 350 MW 300 250 200 150 100 50 0 1 2 3 5 10 15 20 30 40 50 kA Hình 2. Công suất cực đại của hồ quang theo các cấp điện áp [1] 2. Mô hình hồ quang phóng điện trên hệ thống điện Xét mô hình tương đương của hệ thống điện và hồ quang phóng điện như hình: Hình 2. Mô hình hồ quang phóng điện trên hệ thống điện [8] Trong đó, Vs là điện áp hệ thống, Rs và Xs lần lượt là điện trở và trở kháng của hệ thống, Vd và Rd lần lượt là điện áp và điện trở của dòng hồ quang [8].
Xét các phương trình từ mô hình tương đương: Vs = I a Z (2.1) Va = Vd + Ia Rd (2.2) CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỒ QUANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ -8- HVTH: NGUYỄN NGỌC TRIỀU ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN P = Vd Ia + Ia 2 Rd (2.3) Biên độ của Vs: |Vs | = Ia √R2 + X2 (2.4) Trong đó, Rs : Điện trở của hệ thống (mΩ) Rd : Điện trở của dòng hồ quang (mΩ) Xs : Điện kháng của hệ thống (mΩ) Vs : Điện áp của hệ thống (kV) Vd : Điện áp của dòng hồ quang (kV) Ia : Dòng phóng điện hồ quang (kA) Từ phương trình (2.5) Vs 2 = Ia [(Rs + Rd + ) + Xs 2 ] hay, Ia Ia 2 (Xs 2 + Rs 2 + 2Rs Rd + Rd 2 ) + (2Rs Vd + 2Rd Vd )Ia + Vd 2 - Vs 2 = 0 (2.6) Phương trình (2.6) là phương trình bậc hai của dòng phóng điện hồ quang Ia hay Iarc. CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỒ QUANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ -9- HVTH: NGUYỄN NGỌC TRIỀU ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN 2. Hiện tượng dòng hồ quang phát sinh trong tủ hợp bộ Quá trình phóng điện hồ quang xảy ra trong tủ điện gồm 4 giai đoạn sau [9]: Giai đoạn 1 (A): Kì Nén. Thể tích không khí trong tủ bị quá nóng do giải phóng năng lượng hồ quang và thể tích không khí còn lại bên trong tủ nóng lên do đối lưu và bức xạ (3 – 10ms).
Giai đoạn 2 (B): Mở rộng. Một hoặc nhiều bộ phận của thiết bị có thể bị nổ tung tạo ra một lỗ hở để không khí quá nhiệt bắt đầu thoát ra ngoài. Áp suất đạt đến giá trị tối đa và sau đó giảm dần khi giải phóng không khí nóng và các sản phẩm hồ quang (5 – 10ms). Giai đoạn 3 (C): Phát thải.
Quá trình hồ quang tiếp tục diễn ra và không khí quá nhiệt bị đẩy ra ngoài với áp suất gần như không đổi (50 – 100ms). Giai đoạn 4 (D): Sinh Nhiệt. Sau khi không khí thoát ra, nhiệt độ bên trong thiết bị bảo vệ gần bằng nhiệt độ hồ quang điện. Kéo dài cho đến khi hồ quang bị dập tắt.
