Tính Toán Quá Điện Áp Quá Độ Trong Trạm Biến Áp Cách Điện Khí

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết bị mạng và tính toán quá điện áp quá độ trong trạm biến áp cách điện khí, ứng dụng trong ngành điện.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Huy
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Nhật Nam
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Thiết Bị, Mạng Và Nhà Máy Điện
• Đề tài: Tính Toán Quá Điện Áp Quá Độ Trong Trạm Biến Áp Cách Điện Khí
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TRẠM GIS 220kV BÌNH TÂN
• 1.1. MÔ TẢ HỆ THỐNG GIS 220kV
• 1.2. Biến dòng điện (CT)
• 1.3. Dao nối đất thanh cái và nối đất đường dây
• 1.4. Dao nối đất bảo trì
• 1.5. Ống dẫn thanh cái (G/A BG – GAS TO AIR BUSHING)
• 1.6. Ống dẫn thanh cái (CHD – CABLE SEALING END)
• 1.7. Dao cách li (DS)
• 1.8. Gối đỡ thanh dẫn điện (INSULATOR)
• 1.9. Thiết bị giải phóng áp suất
• 2. CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VFTO
• 2.1. Những ưu và nhược điểm của trạm GIS so với trạm biến áp thông thường
• 2.2. Hiện tượng quá điện áp quá độ trong GIS
• 2.3. Các hiện tượng VFT (Very Fast Transient) trạm GIS
• 2.4. Đặc điểm VFTO
• 2.5. Những hiện tượng xảy ra trong quá trình tạo VFTO
• 2.6. Biện pháp giảm VFTO
• 2.7. Những mô hình mô phỏng đã thực hiện
• 2.8. Xây dựng mô hình mô phỏng VFTO trạm GIS 220kV Bình Tân
• 2.9. Tính toán lựa chọn thiết bị cho mô hình VFTO
• 2.10. Thông số thiết bị và tính toán cho mô hình mô phỏng
• 2.10.1. Ngăn lộ máy biến áp
• 2.10.2. Thông số ngăn lộ đường dây
• 2.10.3. Thông số ngăn lộ kết dàn hai thanh cái
• 2.10.4. Thông số biến điện áp thanh cái (VT Bus)
• 2.10.5. Thông số thanh cái
• 2.11. Xây dựng mô hình ATP
• 2.12. Ảnh hưởng của “Bẫy điện áp” (Trap charge voltage)
• 2.13. Biện pháp giảm VFTO: 1 Sử dụng vòng sắt từ
• 2.14. Biện pháp giảm VFTO: 2 Điện trở mắc shunt với tiếp điểm cố định DS
• 3. CHƯƠNG III
• 4. CHƯƠNG IV: TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 2: MODE 1
• PHỤ LỤC 3: MODE 2
• PHỤ LỤC 4: MODE 3
• PHỤ LỤC 5: MODE 4
• PHỤ LỤC 6: MODE 5

Tóm tắt

I. Tổng Quan Quá Điện Áp Quá Độ Trong Trạm Biến Áp GIS

Trạm biến áp cách điện khí (GIS) ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ ưu điểm vượt trội về kích thước, độ tin cậy và khả năng vận hành trong môi trường khắc nghiệt. Tuy nhiên, việc đóng cắt các thiết bị trong GIS, đặc biệt là dao cách ly (DS), có thể gây ra hiện tượng quá điện áp quá độ GIS (VFTO – Very Fast Transient Overvoltage) với biên độ lớn và tốc độ tăng rất nhanh. VFTO là một trong những vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu và kiểm soát để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của thiết bị trong trạm GIS. Các nghiên cứu đã chỉ ra, nếu không có các biện pháp bảo vệ thích hợp, quá điện áp quá độ có thể gây ra hư hỏng cách điện, làm giảm độ tin cậy của hệ thống điện. Luận văn này tập trung vào việc tính toán, mô phỏng và đề xuất các giải pháp hạn chế VFTO trong trạm biến áp cách điện khí.

1.1. Giới thiệu chung về trạm biến áp cách điện khí GIS

Trạm GIS sử dụng khí SF6 làm môi trường cách điện, cho phép thu nhỏ kích thước trạm đáng kể so với trạm truyền thống. Ưu điểm này đặc biệt quan trọng trong các khu vực đô thị hoặc nơi có diện tích đất hạn chế. Hệ thống cách điện khí SF6 có khả năng chịu đựng điện áp cao và ít bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài, đảm bảo độ tin cậy cao trong vận hành. Tuy nhiên, trạm GIS cũng có những nhược điểm nhất định, như chi phí đầu tư ban đầu cao hơn và sự phức tạp trong việc bảo trì, sửa chữa. Một nhược điểm nữa là sự xuất hiện của quá điện áp quá độ khi thao tác đóng cắt.

1.2. Vai trò của khí SF6 trong trạm biến áp GIS

Khí SF6 (Sulfur Hexafluoride) đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo khả năng cách điện của trạm GIS. Khí này có đặc tính điện môi vượt trội so với không khí, cho phép giảm đáng kể khoảng cách cách điện giữa các bộ phận mang điện. Ngoài ra, SF6 còn có khả năng dập tắt hồ quang rất tốt, giúp bảo vệ thiết bị khỏi các tác động tiêu cực do phóng điện gây ra. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng SF6 là một loại khí nhà kính mạnh, do đó việc sử dụng và xử lý SF6 cần tuân thủ các quy định nghiêm ngặt để giảm thiểu tác động đến môi trường.

1.3. Các thành phần chính trong trạm biến áp GIS

Trạm GIS bao gồm nhiều thành phần quan trọng như máy cắt, dao cách ly, biến dòng, biến điện áp, và thanh dẫn. Các thiết bị này được đặt trong vỏ kín chứa khí SF6 để đảm bảo cách điện. Dao cách ly (DS) là thiết bị quan trọng dùng để cô lập các phần của hệ thống. Tuy nhiên, thao tác đóng cắt DS có thể gây ra quá điện áp quá độ, đặc biệt là quá điện áp quá độ GIS. Máy cắt có buồng dập hồ quang nên hạn chế được VFTO.

II. Nguyên Nhân Gây Ra Quá Điện Áp Quá Độ Trong Trạm GIS

Hiện tượng quá điện áp quá độ trạm biến áp trong GIS chủ yếu xuất phát từ quá trình đóng cắt các thiết bị, đặc biệt là dao cách ly (DS). Quá trình đóng cắt DS tạo ra sự thay đổi đột ngột về điện áp và dòng điện, gây ra các sóng điện áp lan truyền với tốc độ rất cao trong hệ thống. Các yếu tố khác như cấu trúc trạm GIS, đặc tính của các thiết bị đóng cắt, và sự tồn tại của các bẫy điện áp (trapped charge) cũng góp phần làm gia tăng mức độ nghiêm trọng của quá điện áp quá độ. Sét đánh vào trạm biến áp cũng là một nguyên nhân gây ra sóng quá điện áp.

2.1. Tác động của thao tác đóng cắt dao cách ly DS

Khi dao cách ly (DS) đóng hoặc cắt mạch, quá trình này thường đi kèm với sự phóng điện giữa các tiếp điểm, tạo ra các sóng quá điện áp. Do tốc độ đóng cắt của DS không nhanh bằng máy cắt, quá trình phóng điện có thể xảy ra nhiều lần (hiện tượng re-strike và pre-strike), làm gia tăng biên độ và tần số của VFTO. Điều này đặc biệt nguy hiểm đối với các thiết bị nhạy cảm với quá điện áp quá độ.

2.2. Ảnh hưởng của cấu trúc trạm GIS đến VFTO

Cấu trúc hình học của trạm GIS, bao gồm chiều dài của thanh dẫn, vị trí của các thiết bị, và cách bố trí nối đất, có ảnh hưởng đáng kể đến sự lan truyền và phản xạ của các sóng quá điện áp. Các điểm không liên tục về trở kháng có thể gây ra hiện tượng phản xạ sóng, làm tăng biên độ VFTO tại một số vị trí nhất định trong trạm. Vì vậy, việc thiết kế cấu trúc trạm cần được thực hiện cẩn thận để giảm thiểu tác động của quá điện áp quá độ.

2.3. Vai trò của bẫy điện áp Trapped Charge Voltage

Sau khi mở dao cách ly, một lượng điện tích có thể bị giữ lại trên các phần tử của mạch điện (hiện tượng bẫy điện áp). Khi đóng lại dao cách ly, điện áp này sẽ cộng hưởng với điện áp nguồn, làm gia tăng biên độ của quá điện áp quá độ. Giá trị điện áp này có thể lên đến -1 pu. Do đó, cần có các biện pháp để xả hết điện tích dư trước khi thực hiện thao tác đóng lại DS.

III. Phương Pháp Tính Toán và Mô Phỏng Quá Điện Áp Quá Độ VFTO

Để đánh giá chính xác mức độ nghiêm trọng của quá điện áp quá độ GIS, cần tiến hành tính toán và mô phỏng bằng các phần mềm chuyên dụng. Các phương pháp mô phỏng phổ biến bao gồm sử dụng phần mềm ATP/EMTP, Matlab/Simulink, hoặc các phần mềm mô phỏng trường điện từ như COMSOL. Quá trình mô phỏng bao gồm việc xây dựng mô hình trạm GIS, xác định các thông số của thiết bị, và mô phỏng các chế độ vận hành khác nhau để xác định mức độ quá điện áp quá độ trong từng trường hợp. Các phần mềm như phần mềm mô phỏng quá điện áp ATP/EMTP thường được sử dụng.

3.1. Xây dựng mô hình trạm GIS để mô phỏng VFTO

Việc xây dựng mô hình trạm GIS đòi hỏi phải có thông tin chi tiết về cấu trúc, kích thước, và các thông số của từng thành phần trong trạm. Mô hình cần phản ánh chính xác các đặc tính điện từ của thiết bị và môi trường xung quanh. Việc mô hình hóa dao cách ly và các thiết bị đóng cắt khác cần đặc biệt chú ý để đảm bảo độ chính xác của kết quả mô phỏng quá điện áp quá độ.

3.2. Sử dụng phần mềm ATP EMTP để phân tích quá độ

ATP/EMTP là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng các hiện tượng quá độ trong hệ thống điện. Phần mềm này cho phép người dùng xây dựng mô hình mạch điện, nhập các thông số của thiết bị, và mô phỏng các chế độ vận hành khác nhau để phân tích các hiện tượng quá điện áp quá độ và các hiện tượng quá độ khác. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin quan trọng để đánh giá mức độ rủi ro và thiết kế các biện pháp bảo vệ.

3.3. Các thông số cần thiết cho mô phỏng quá điện áp VFTO

Để mô phỏng quá điện áp quá độ một cách chính xác, cần có các thông số sau: điện cảm và điện dung của các thanh dẫn, điện trở nối đất, đặc tính đóng cắt của dao cách ly và máy cắt, các thông số của chống sét van, và điện áp nguồn. Việc thu thập và xác định chính xác các thông số này là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của kết quả mô phỏng. Các thông số cần thiết thường được lấy từ nhà sản xuất hoặc đo đạc thực tế.

IV. Biện Pháp Hạn Chế Quá Điện Áp Quá Độ VFTO trong Trạm GIS

Để bảo vệ thiết bị và đảm bảo vận hành an toàn, cần áp dụng các biện pháp hạn chế quá điện áp quá độ GIS. Các biện pháp này bao gồm sử dụng chống sét van, lắp đặt điện trở giảm chấn, thay đổi cấu trúc trạm, và cải thiện đặc tính đóng cắt của thiết bị. Việc lựa chọn và áp dụng các biện pháp phù hợp cần dựa trên kết quả tính toán và mô phỏng để đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Các biện pháp giảm thiểu quá điện áp cần được xem xét ngay từ giai đoạn thiết kế.

4.1. Sử dụng chống sét van MOV để bảo vệ quá điện áp

Chống sét van (Metal Oxide Varistor - MOV) là một thiết bị bảo vệ quan trọng chống lại quá điện áp quá độ. MOV có khả năng hạn chế điện áp đến một mức an toàn bằng cách chuyển hướng dòng điện quá áp xuống đất. Việc lựa chọn và đặt chống sét van đúng vị trí là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả bảo vệ cao nhất. Điện áp chịu đựng xung sét của thiết bị cần được xem xét.

4.2. Lắp đặt điện trở giảm chấn Damping Resistors

Điện trở giảm chấn có tác dụng làm giảm biên độ và tốc độ tăng của sóng quá điện áp bằng cách hấp thụ năng lượng. Điện trở này thường được lắp đặt song song với các thiết bị đóng cắt hoặc tại các vị trí phản xạ sóng. Việc lựa chọn giá trị điện trở phù hợp cần dựa trên kết quả tính toán và mô phỏng để đạt được hiệu quả giảm chấn tối ưu.

4.3. Cải thiện đặc tính đóng cắt của thiết bị GIS

Việc cải thiện đặc tính đóng cắt của dao cách ly và máy cắt có thể giúp giảm thiểu sự phát sinh quá điện áp quá độ. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng các thiết bị đóng cắt có tốc độ cao hơn, giảm thiểu hiện tượng re-strike và pre-strike, hoặc sử dụng các biện pháp dập hồ quang hiệu quả hơn. Nghiên cứu về thiết bị đóng cắt GIS là rất quan trọng.

V. Nghiên Cứu Thực Tiễn Đánh Giá VFTO tại Trạm 220kV GIS Bình Tân

Luận văn đã áp dụng các phương pháp tính toán và mô phỏng để đánh giá mức độ quá điện áp quá độ tại trạm 220kV GIS Bình Tân, một trong những trạm biến áp lớn và hiện đại nhất Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cho thấy, quá điện áp quá độ có thể vượt quá mức cho phép trong một số chế độ vận hành nhất định. Do đó, cần áp dụng các biện pháp bảo vệ và hạn chế để đảm bảo an toàn cho thiết bị và hệ thống điện. Cần có các tiêu chuẩn quá điện áp để tham khảo.

5.1. Mô tả hệ thống GIS 220kV Bình Tân

Trạm 220kV GIS Bình Tân là một trạm biến áp hiện đại sử dụng công nghệ GIS. Trạm này có sơ đồ hai hệ thống thanh cái có máy cắt kết giàn. Các đường dây 220kV đấu vào trạm đều có thể cấp nguồn vào hoặc ra tại thanh cái 220kV. Hệ thống GIS do nhà sản xuất Hyosung cung cấp, với 3 pha đặt trong 3 ống riêng và được bơm đầy khí SF6 để cách điện. Sơ đồ cấu trúc trạm biến áp GIS cần được nắm rõ.

5.2. Kết quả mô phỏng VFTO trong các chế độ đóng cắt

Quá trình mô phỏng đã được thực hiện trong các chế độ đóng cắt khác nhau, bao gồm đóng cắt dao cách ly đường dây, dao cách ly thanh cái, và máy cắt. Kết quả cho thấy mức độ quá điện áp quá độ khác nhau tùy thuộc vào chế độ đóng cắt và vị trí đo. Trong một số trường hợp, điện áp quá độ có thể vượt quá mức chịu đựng của thiết bị, gây nguy cơ hư hỏng. Ảnh hưởng của quá điện áp đến thiết bị cần được đánh giá.

5.3. Đề xuất giải pháp hạn chế VFTO cho trạm Bình Tân

Dựa trên kết quả mô phỏng, luận văn đề xuất các giải pháp hạn chế quá điện áp quá độ cho trạm 220kV GIS Bình Tân, bao gồm lắp đặt thêm chống sét van tại các vị trí xung yếu, điều chỉnh thời điểm đóng cắt của dao cách ly, và cải thiện hệ thống nối đất. Các giải pháp này cần được đánh giá kỹ lưỡng về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trước khi triển khai.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Về VFTO

Nghiên cứu về quá điện áp quá độ GIS là một lĩnh vực quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và độ tin cậy của hệ thống điện. Luận văn đã trình bày một phương pháp tiếp cận toàn diện để tính toán, mô phỏng, và đề xuất các giải pháp hạn chế VFTO trong trạm GIS. Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để thiết kế và vận hành trạm GIS một cách an toàn và hiệu quả. Cần có các nghiên cứu sâu hơn về độ bền cách điện của thiết bị.

6.1. Tổng kết các kết quả nghiên cứu chính

Luận văn đã thành công trong việc xây dựng mô hình mô phỏng trạm GIS, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá điện áp quá độ, và đề xuất các giải pháp hạn chế VFTO. Các kết quả nghiên cứu cung cấp thông tin quan trọng cho các kỹ sư thiết kế và vận hành trạm GIS. Phân tích quá độ điện từ trường cũng là một hướng nghiên cứu quan trọng.

6.2. Hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai

Các hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai bao gồm nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của quá điện áp quá độ đến tuổi thọ của thiết bị, phát triển các phương pháp mô phỏng VFTO chính xác hơn, và nghiên cứu các vật liệu cách điện mới có khả năng chịu đựng quá điện áp quá độ tốt hơn. Nguyên nhân quá điện áp cần được nghiên cứu sâu hơn.

6.3. Tầm quan trọng của bảo vệ quá điện áp trong trạm GIS

Bảo vệ quá điện áp là một yếu tố then chốt trong việc đảm bảo an toàn và độ tin cậy của trạm GIS. Việc áp dụng các biện pháp bảo vệ hiệu quả có thể giúp giảm thiểu nguy cơ hư hỏng thiết bị, kéo dài tuổi thọ của hệ thống, và giảm chi phí bảo trì. Tổn thất do quá điện áp có thể rất lớn nếu không có các biện pháp bảo vệ phù hợp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của hệ thống điện Việt Nam, trạm biến áp cách điện khí (GIS) đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của lưới điện. Trạm GIS 220kV Bình Tân, một trong những trạm biến áp hiện đại và lớn nhất tại Việt Nam, được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu nhằm phân tích hiện tượng quá điện áp quá độ (VFTO) trong quá trình đóng cắt thiết bị. Theo báo cáo của ngành điện, hiện tượng VFTO có thể gây ra các sự cố nghiêm trọng, ảnh hưởng đến tuổi thọ và độ an toàn của thiết bị điện, đồng thời làm giảm chất lượng điện năng và độ tin cậy vận hành. Mục tiêu chính của luận văn là mô phỏng và tính toán quá điện áp quá độ trong trạm biến áp GIS, từ đó đề xuất các giải pháp hạn chế VFTO nhằm bảo vệ thiết bị và nâng cao hiệu quả vận hành.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào trạm GIS 220kV Bình Tân trong giai đoạn vận hành hiện tại, sử dụng phần mềm ATP/EMTP để xây dựng mô hình mô phỏng các chế độ đóng cắt thiết bị, đặc biệt là dao cách li (DS) và máy cắt (CB). Nghiên cứu phân tích các hiện tượng phóng điện lặp lại (restrick) và phóng điện sớm (prestrick) gây ra VFTO, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết bị và cấu trúc GIS đến biên độ và tần số của quá điện áp. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc thiết kế, lựa chọn thiết bị và xây dựng quy trình vận hành nhằm giảm thiểu rủi ro do VFTO, góp phần nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả kinh tế cho hệ thống điện Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết truyền sóng điện từ trong hệ thống GIS và mô hình phóng điện hồ quang trong khí SF6. Lý thuyết truyền sóng được áp dụng để mô phỏng quá trình lan truyền và phản xạ sóng VFTO trong các thanh cái và đường dây GIS, sử dụng các phương trình truyền sóng và tổng trở sóng đặc trưng của môi trường cách điện. Mô hình phóng điện hồ quang bao gồm các mô hình Cassie và Mayr, mô phỏng quá trình phóng điện lặp lại (restrick) và phóng điện sớm (prestrick) giữa các tiếp điểm dao cách li, ảnh hưởng trực tiếp đến biên độ và tần số của VFTO.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm:

• VFTO (Very Fast Transient Overvoltage): quá điện áp quá độ rất nhanh sinh ra trong quá trình đóng cắt thiết bị GIS.
• Bẫy điện áp (Trap charge voltage): điện áp tồn lưu trên tiếp điểm DS sau phóng điện lặp lại, ảnh hưởng đến quá trình đóng cắt tiếp theo.
• Đặc tuyến điện áp chịu đựng (Breakdown Voltage - BDV): đặc tính điện áp đánh thủng của khí SF6 giữa các tiếp điểm DS.
• Tổng trở sóng (Characteristic Impedance): đặc trưng truyền sóng trong thanh cái và đường dây GIS.
• Phóng điện restrick và prestrick: hiện tượng phóng điện lặp lại và phóng điện sớm trong quá trình đóng cắt DS.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng ATP/EMTP để xây dựng mô hình điện tương đương của trạm GIS 220kV Bình Tân, bao gồm các thành phần chính như thanh cái, dao cách li, máy cắt, biến dòng điện và biến điện áp. Cỡ mẫu dữ liệu là toàn bộ thiết bị và cấu trúc của trạm, được lựa chọn dựa trên thông số kỹ thuật thực tế do nhà sản xuất cung cấp và các tiêu chuẩn IEC 60071-4. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng toàn bộ hệ thống nhằm đảm bảo tính chính xác và toàn diện.

Phân tích dữ liệu tập trung vào việc mô phỏng các chế độ đóng cắt DS và CB, tính toán biên độ và tần số của VFTO, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết bị như vận tốc đóng cắt, áp suất khí SF6, đặc tuyến BDV và các thành phần điện trở, điện dung, điện cảm trong GIS. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2015, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Biên độ VFTO khi đóng DS có thể lên đến 2.6 pu: Mô phỏng tại nút cuối đường dây trong trạm GIS 220kV Bình Tân cho thấy điện áp quá độ có thể tăng lên đến 2.6 lần điện áp danh định, đặc biệt khi đóng DS vào đường dây không tải. Điều này gây nguy hiểm cho thiết bị cách điện và làm tăng nguy cơ hư hỏng.

2. Hiện tượng phóng điện lặp lại (restrick) và phóng điện sớm (prestrick) làm tăng biên độ VFTO: Các mô hình phóng điện cho thấy sự dịch chuyển chậm của tiếp điểm DS tạo ra nhiều lần phóng điện, làm tăng bẫy điện áp tồn lưu trên tiếp điểm và gây ra các sóng phản xạ phức tạp trong GIS. Ví dụ, điện áp tồn lưu có thể duy trì hàng giờ, ảnh hưởng đến quá trình đóng cắt tiếp theo.

3. Vận tốc truyền sóng trong GIS khoảng 2.85 × 10^8 m/s: Tính toán dựa trên các thông số điện môi và cấu trúc GIS cho thấy vận tốc sóng lan truyền trong thanh cái và đường dây là khoảng 95% vận tốc ánh sáng trong chân không, ảnh hưởng đến thời gian và biên độ của VFTO.

4. Biện pháp giảm VFTO hiệu quả là sử dụng vòng sắt từ và điện trở mắc shunt: Mô phỏng cho thấy việc đặt vòng sắt từ trên thanh cái làm tăng điện kháng, tiêu thụ năng lượng sóng và giảm biên độ VFTO. Ngoài ra, mắc điện trở shunt với tiếp điểm cố định DS cũng giúp giảm dao động điện áp và tổn thất năng lượng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của VFTO là do quá trình đóng cắt DS với vận tốc chậm, tạo ra các hiện tượng phóng điện restrick và prestrick, làm phát sinh các sóng điện áp có biên độ và tần số cao. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mô phỏng tại trạm Bình Tân tương đồng về biên độ và đặc tính sóng VFTO, khẳng định tính chính xác của mô hình ATP/EMTP được xây dựng.

Việc vận tốc truyền sóng gần bằng vận tốc ánh sáng cho thấy các sóng VFTO lan truyền rất nhanh trong GIS, đòi hỏi thiết kế cách điện và quy trình vận hành phải tính đến các dao động điện áp trong khoảng nano giây. Các biện pháp giảm VFTO như vòng sắt từ và điện trở shunt không chỉ làm giảm biên độ mà còn hạn chế tổn thất năng lượng, nâng cao độ tin cậy vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ điện áp quá độ tại các nút trọng yếu trong GIS, bảng so sánh biên độ VFTO trước và sau khi áp dụng biện pháp giảm, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng vòng sắt từ trên thanh cái GIS nhằm tăng điện kháng và giảm biên độ VFTO, thực hiện trong vòng 12 tháng tới, do đơn vị vận hành trạm phối hợp với nhà sản xuất thiết bị thực hiện.

2. Lắp đặt điện trở mắc shunt với tiếp điểm cố định DS để giảm dao động điện áp và tổn thất năng lượng, triển khai trong 6 tháng, do bộ phận bảo trì kỹ thuật đảm nhiệm.

3. Cải tiến quy trình vận hành đóng cắt DS với tốc độ cao hơn nhằm hạn chế hiện tượng phóng điện restrick và prestrick, đào tạo nhân viên vận hành trong 3 tháng, do phòng điều độ và đào tạo phối hợp thực hiện.

4. Tăng cường giám sát và bảo trì định kỳ thiết bị GIS, đặc biệt kiểm tra áp suất khí SF6 và đặc tuyến BDV của DS, nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng, thực hiện liên tục hàng năm, do bộ phận kỹ thuật và quản lý vận hành đảm trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư vận hành và bảo trì trạm biến áp GIS: Nắm bắt các hiện tượng VFTO và biện pháp giảm thiểu giúp nâng cao hiệu quả vận hành và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

2. Nhà thiết kế và chế tạo thiết bị điện cao áp: Tham khảo mô hình mô phỏng và đặc tuyến BDV để cải tiến thiết kế dao cách li và máy cắt phù hợp với điều kiện vận hành thực tế.

3. Chuyên gia nghiên cứu và đào tạo trong lĩnh vực điện lực: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các khóa học về hệ thống điện và kỹ thuật cách điện.

4. Các đơn vị quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Đánh giá tác động của VFTO đến chất lượng điện năng và đề xuất các tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình vận hành phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. VFTO là gì và tại sao nó nguy hiểm trong trạm GIS?
   VFTO là quá điện áp quá độ rất nhanh sinh ra trong quá trình đóng cắt thiết bị GIS, có biên độ và tần số cao gây hư hỏng cách điện, thiết bị điện tử và ảnh hưởng đến độ tin cậy vận hành.

2. Nguyên nhân chính gây ra VFTO trong trạm biến áp GIS?
   Nguyên nhân chủ yếu là do hiện tượng phóng điện lặp lại (restrick) và phóng điện sớm (prestrick) khi đóng cắt dao cách li với vận tốc chậm, tạo ra các sóng điện áp phản xạ phức tạp.

3. Phương pháp mô phỏng VFTO được sử dụng trong nghiên cứu là gì?
   Nghiên cứu sử dụng phần mềm ATP/EMTP để xây dựng mô hình điện tương đương của GIS, mô phỏng quá trình đóng cắt và lan truyền sóng VFTO dựa trên lý thuyết truyền sóng và mô hình phóng điện hồ quang.

4. Các biện pháp hiệu quả để giảm VFTO là gì?
   Sử dụng vòng sắt từ trên thanh cái để tăng điện kháng, mắc điện trở shunt với tiếp điểm DS, cải tiến quy trình vận hành đóng cắt với tốc độ cao hơn và tăng cường bảo trì thiết bị.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế vận hành trạm GIS?
   Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn thiết bị phù hợp, thiết kế quy trình vận hành an toàn và đề xuất các biện pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu VFTO, từ đó nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng VFTO trong trạm biến áp GIS 220kV Bình Tân bằng phần mềm ATP/EMTP, phản ánh chính xác các hiện tượng phóng điện và quá điện áp quá độ.
• Phát hiện biên độ VFTO có thể lên đến 2.6 pu, gây nguy hiểm cho thiết bị và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.
• Hiện tượng phóng điện restrick và prestrick là nguyên nhân chính tạo ra VFTO, liên quan đến vận tốc đóng cắt và đặc tính khí SF6.
• Đề xuất các biện pháp kỹ thuật như sử dụng vòng sắt từ, điện trở shunt và cải tiến quy trình vận hành giúp giảm thiểu VFTO hiệu quả.
• Khuyến nghị triển khai các giải pháp trong vòng 6-12 tháng tới nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu quả kinh tế cho hệ thống điện.

Để tiếp tục phát triển nghiên cứu, cần mở rộng mô hình mô phỏng cho các trạm GIS khác và đánh giá hiệu quả thực tế của các biện pháp giảm VFTO. Các đơn vị vận hành và thiết kế thiết bị được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng và độ bền của hệ thống điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH --------- oOo -------- NGUYỄN THANH HUY TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ TRONG TRẠM BIẾN ÁP CÁCH ĐIỆN KHÍ Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Mã số: 60 52 50 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2015 Công trình đƣợc hoàn thành tại: Trƣờng Đại Học Bách Khoa-ĐHQG-HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học 1: TS. NGUYỄN NHẬT NAM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học 2: PGS-TS. VŨ PHAN TÚ Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS-TS.

HỒ VĂN NHẬT CHUƠNG Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. HỒ VĂN HIẾN Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 28 tháng 12 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. PHAN QUỐC DŨNG 2.

HUỲNH QUANG MINH 3. HỒ VĂN NHẬT CHUƠNG 4. ĐINH HOÀNG BÁCH CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THANH HUY MSHV: 12214300 Ngày, tháng, năm sinh: 17/06/1989 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện Mã số: 60 52 50 I. TÊN ĐỀ TÀI: “TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ TRONG TRẠM BIẾN ÁP CÁCH ĐIỆN KHÍ” NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu và đề xuất giải pháp hạn chế quá điện áp quá độ VFTO cho trạm biến áp cách điện khí: - Thực hiện mô phỏng các chế độ đóng cắt thiết bị trong trạm biến áp cách điện khí và xem xét đánh giá quá điện điện áp quá độ gây ra.

- Xem xét đề xuất giải pháp để hạn chế quá điện áp quá độ ở một trạm biến áp cụ thể ở Việt Nam. Nhằm bảo vệ thiết bị và tính khả thi khi áp dụng vào lƣới điện. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/08/2015 III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2015 IV.

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: 1. NGUYỄN NHẬT NAM 2. HCM, ngày tháng năm 2015 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN 1 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS. NGUYỄN NHẬT NAM CÁN BỘ HƢỚNG DẪN 2 PGS-TS.

VŨ PHAN TÖ TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ LỜI CẢM ƠN Học viên thực hiện đề tài “TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ TRONG TRẠM BIẾN ÁP CÁCH ĐIỆN KHÍ” xin trân trọng gởi lời cảm ơn chân thành đến: 1. Thầy Nguyễn Nhật Nam, Tiến sĩ, phòng TN & TT Điện, Khoa điện – điện tử, trƣờng Đại Học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh và thầy Vũ Phan Tú, Phó giáo sƣ-Tiến sĩ, Phó trƣởng ban ĐH & SĐH ĐHQG TP.HCM, đã hƣớng dẫn toàn bộ nội dung luận văn và giới thiệu phần lớn tài liệu tham khảo. Các Thầy, Cô bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện- Điện Tử; Phòng Quản Lý Sau Đại Học giúp ý kiến và thực hiện trình thủ tục, công tác học vụ, tạo điều kiện tốt nhất để tôi thực hiện luận văn này. Các Bạn đồng nghiệp đang công tác tại Công ty Truyền tải điện 4, Công ty Cổ phần tƣ vấn điện 2 và Công ty Hyosung đã giúp đỡ tôi có dữ liệu cơ sở để hoàn thành luận văn.

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, vì thời gian và trình độ có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp của Quý thầy, cô và bạn bè đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT LUẬN VĂN Ở nƣớc ta hiện nay chƣa có công trình nghiên cứu hoàn chỉnh nào về mô phỏng quá độ trong trạm GIS, đề tài áp dụng thực tế trạm 220kV GIS Bình Tân để mô phỏng đóng cắt quá độ, trạm biến áp lớn và hiện đại nhất Việt Nam hiện nay. Luận văn này sử dụng chƣơng trình ATP/EMTP để xây dựng mô hình mô phỏng đóng cắt quá độ trong GIS.

Mô phỏng và tính toán quá điện áp quá độ VFTO trong việc đóng cắt DS. Phân tích những ảnh hƣởng dẫn đến quá điện áp. Phân tích những nguy hại của VFTO đến thiết bị. Tìm ra những giải pháp hạn chế đƣợc VFTO khi đóng cắt DS.

Tìm ra nguyên nhân gây hƣ hỏng thiết bị do đóng cắt gây ra VFTO, tính toán thiết kế lựa chọn thiết bị và đặc tính phối hợp cách điện cho phù hợp với mức độ VFTO gây ra, hạn chế VFTO để nâng cao chất lƣợng điện năng, vận hành tin cậy và mang lại lợi ích kinh tế. ABSTRACT In our country there is currently no complete studies regarding transition simulation GIS substation, practical application threads 220kV GIS Binh Tan to simulate switching transients, transformer stations and most modern large Viet Nam today. This thesis use the program ATP / EMTP to build simulation models in GIS switching transients. Simulation and computation overvoltage transients in switching DS.

Analyzing the effects lead to overvoltage. Analysis of VFTO harm to the device. Find solutions VFTO limiting when switching DS. Find out what caused equipment damage caused by switching DS, computational design and equipment selection and coordination insulating properties suitable for causing VFTO level, limiting VFTO to improve power quality performance, reliable operation and economic benefits.

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu trong luận văn chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các số liệu, ví dụ, trích dẫn đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 12 năm 2015 NGƢỜI CAM ĐOAN Nguyễn Thanh Huy MỤC LỤC CHƢƠNG I.

GIỚI THIỆU TRẠM GIS 220kV BÌNH TÂN. MÔ TẢ HỆ THỐNG GIS 220kV. Biến dòng điện (CT):. Dao nối đất thanh cái và nối đất đƣờng dây.

Dao nối đất bảo trì. Ống dẫn thanh cái (G/A BG – GAS TO AIR BUSHING):. Ống dẫn thanh cái (CHD – CABLE SEALING END):. Dao cách li (DS).

Gối đỡ thanh dẫn điện (INSULATOR):. Thiết bị giải phóng áp suất. 18 CHƢƠNG II. TÍNH TOÁN MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VFTO.

Những ƣu và nhƣợc điểm của trạm GIS so với trạm biến áp thông thƣờng. Hiện tƣợng quá điện áp quá độ trong GIS. Các hiện tƣợng VFT (Very Fast Transient) trạm GIS. Đặc điểm VFTO.

Những hiện tƣợng xảy ra trong quá trình tạo VFTO. Biện pháp giảm VFTO. Những mô hình mô phỏng đã thực hiện. Xây dựng mô hình mô phỏng VFO trạm Gis 220kV Bình Tân.

Tính toán lựa chọn thiết bị cho mô hình VFTO. Thông số thiết bị và tính toán cho mô hình mô phỏng. Ngăn lộ máy biến áp. Thông số ngăn lộ đƣờng dây.

Thông số ngăn lộ kết dàn hai thanh cái. Thông số biến điện áp thanh cái (VT Bus). Thông số thanh cái. Xây dựng mô hình ATP.

Ảnh hƣởng của “Bẫy điện áp” (Trap charge voltage). Biện pháp giảm VFTO.1 Sử dụng vòng sắt từ .2 Điện trở mắc shunt với tiếp điểm cố định DS. 94 CHƢƠNG III. 98 CHƢƠNG IV.

TÀI LIỆU THAM KHẢO. 99 Tài liệu tham khảo. 106 PHỤ LỤC 2: MODE 1. 111 PHỤ LỤC 3: MODE 2.

116 PHỤ LỤC 4: MODE 3. 120 PHỤ LỤC 5: MODE 4. 124 PHỤ LỤC 6: MODE 5. 129 Trang 2 CHƢƠNG I.

GIỚI THIỆU TRẠM GIS 220kV BÌNH TÂN 1. MÔ TẢ HỆ THỐNG GIS 220kV Hình 1. Hệ thống Gis 220kV Bảng 1. Chú thích hình 1 STT Chú thích hình 1 STT 1 Thanh cái 10 Dao tiếp địa tốc độ cao của đƣờng dây 2 Dao thanh cái 11 Dao cách li đƣờng dây 3 Dao tiếp địa thanh cái 12 Thanh dẫn 4 Biến dòng điện 13 Hạt hút ẩm 5 Buồng cắt máy cắt 14 Gối đỡ thanh dẫn cách điện 6 Máy cắt 15 Giá đỡ chính 7 Spacer 16 Tủ điều khiển máy cắt 9 Dao tiếp địa bảo trì máy cắt Hệ thống GIS 220kV trạm Bình Tân do nhà sản xuất HYOSUNG cung cấp, 3 pha đƣợc đặt trong 3 ống riêng và đƣợc bơm đầy khí SF6 để cách điện, đƣợc thiết Trang 3 kế theo dạng môđun có ƣu điểm là dễ dàng vận hành, lắp ráp, ít bảo trì và rất linh hoạt cho việc mở rộng trạm trong tƣơng lai, thiết bị có cấu trúc gọn nhẹ, đƣợc đặt kín trong nhà nên ít chịu ảnh hƣởng của môi trƣờng.

Trong nội bộ từng vùng khí có các Spacer thông khí (hole spacer) ở từng môđun mỗi ngăn lộ theo yêu cầu thiết kế và tạo nên một bộ gồm các dao cách ly thanh cái và dao tiếp địa bảo dƣỡng máy cắt. Thanh cái loại ba pha chung phía 110kV Hình 3. Thanh cái loại ba pha rời phía 220kV Trang 4 Hình 4. Cấu tạo Spacer  Sự khác biệt giữa đường ống ba pha chung và ba pha rời: Bảng 2.

Phân biệt các loại đƣờng ống Loại ba pha Loại ba pha STT Đặc điểm chung rời 1 Từ trƣờng Ổn định Rất ổn định Có thể sự cố ba Chỉ có sự cố một 2 Sự cố pha pha Lực điện 3 Lớn Nhỏ trƣờng Ảnh hƣởng 4 Cao Thấp trƣờng điện từ 5 Chi phí Ít hơn Cao hơn 6 Cấp điện áp Thấp hơn Cao hơn Trang 5 1. Máy cắt (CB): 3 pha rời dùng khí SF6 để cách điện và dập hồ quang có cơ cấu truyền động đóng cắt bằng lò xo. Cấu tạo CB COVER STATIONARY ARCING MOVING CONTACT ARCING CONTACT NOZZLE PUFFER CYLINDER INSULATION STATIONARY TUBE MAIN CONTACT Hình 6. Cấu tạo các tiếp điểm CB Trang 6 INSULATION NOZZLE INSULATION COVER PUFFER CYLINDER STATIONARY ARCING CONTACT BASIC CONTACT MOVE ARCING CONTACT Hình 7.

Trạng thái CB đóng 1. Biến dòng điện (CT): dùng để đo lƣờng và bảo vệ kiểu lõi hình xuyến, bố trí trƣớc và sau máy cắt, cách điện sơ cấp bằng khí SF6, nên tuổi thọ rất cao. Biến dòng điện Bảng 3. Chú thích hình 8 STT Chú thích hình 8 STT Chú thích hình 8 1 Vòng đệm Oring 9 Gía đỡ 2 Spacer 10 Mạch thứ cấp 3 Thanh dẫn 11 Lỗi sắt từ 4 Vỏ biến dòng điện 12 Lớp cách điện 5 Hộp đấu nối nhị thứ 13 Lớp cách điện ngoài cùng 6 Biến dòng 14 Cuộn dây thứ cấp 7 Ống dẫn (Encloser) 15 Cách điện lỗi từ 8 Điểm nối đất Trang 7 1.

Biến điện áp: đo lƣờng và bảo vệ thứ cấp gồm có 2 dây quấn. Đầu đấu nối cáp đƣờng dây thích hợp với mọi loại cáp cao áp có tiết diện lên đến 2000mm2. Biến điện áp 1 pha Bảng 4. Chú thích hình 9 STT Chú thích hình 9 1 Thanh cái 2 Spacer 3 Dao tiếp địa bảo trì thanh cái 4 VT Hình 9.

Biến điện áp thanh cái (VT Bus) Trang 8 1.