Chương 1 TỔNG QUAN 1.Lý do chọn đề tài Sự ổn định và chất lượng của hệ thống điện là điều kiện tiên quyết cho sự phát triển của nền kinh tế và chất lượng cuộc sống của người dân. Trong hệ thống điện, mọi thiết bị điện khi lắp đặt đều được dự kiến đưa vào vận hành lâu dài ở một cấp điện áp xác định và thường được lựa chọn dựa trên điện áp định mức của lưới điện mà thiết bị đó được đấu nối vào. Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, đôi lúc lại xảy ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có thể là do các sự cố chạm đất, do thao tác, do sét…v. Trong đó, quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi vì quá điện áp này rất lớn gây phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị.
Có ba yếu tố quan trọng như nhau có liên quan đến việc bảo vệ quá áp: thiết kế tổng quan lưới điện, cấp độ cách điện xung cơ bản (BIL) của thiết bị (máy biến áp, bộ điều áp, dàn tụ bù,.) trên lưới, thiết bị bảo vệ (chống sét van, dây chống sét). Khả năng cách điện của hệ thống cơ bản được xác định bởi đặc tính kỹ thuật của các bộ phận sử dụng (cực cách điện, dây dẫn, v.) cộng với cấu trúc, khoảng cách và tất cả các hệ số khác bao gồm trong việc thiết kế hệ thống. Cách điện của một hệ thống phải chịu được điện áp ở tần số nguồn liên tục trong nhiều năm với nhiều điều kiện khí quyển. Để đảm bảo tính hợp nhất dài hạn của hệ thống, phải thiết kế cho lưới điện chịu được điện áp cao hơn mức bình thường.
Tuy nhiên, về mặt kinh tế cũng khó thực hiện được lưới điện có khả năng chịu được điện áp cao như khi có quá áp quá độ. Tương tự cấp cách điện của thiết bị phân phối được thiết kế để chịu được điện áp cao hơn bình thường. Phương pháp này có hiệu quả đến một mức nào đó, nhưng sẽ nhanh chóng đến một giai đoạn mà không thể thêm chi phí để tạo cấp cách điện BIL cao hơn được nữa vì không khả thi về kinh tế. GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 1 HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng Luận văn thạc sỹ 2011 Cấp bảo vệ quá áp cần phải bổ sung bằng cách lắp đặt thiết bị bảo vệ để giới hạn lượng điện áp mà một thiết bị (hay đoạn đường dây) phải chịu.
Phương pháp này còn cho phép giảm cấp độ cách điện của thiết bị, vì có thể dựa vào khả năng quá áp nhỏ hơn, và nói chung tạo ra một sơ đồ bảo vệ quá áp tiết kiệm hơn. Các công ty Điện lực đương nhiên cũng áp dụng các thực tế khác nhau nhưng đều phải tính đến ba yếu tố cơ bản: phục vụ khách hàng, khả năng chịu đựng điện áp (đặc biệt là quá áp do sét) và yếu tố kinh tế. Không thể thiết kế một lưới điện có thể đáp ứng được yêu cầu là mọi quá điện áp phải dưới mức chịu đựng của cách điện của các thiết bị, bởi vì như thế sẽ làm cho chi phí vượt quá mức. Do vậy, khi thiết kế một lưới điện, cũng như tính chọn thiết bị lắp đặt trên lưới là hạn chế tối thiểu các tác hại của quá áp, quy trình này dựa trên cơ sở phối hợp các quá áp dự kiến và khả năng chịu đựng quá áp của các thiết bị.
Muốn đạt được điều này phải đáp ứng hai bước sau đây : - Thiết kế lưới điện thích hợp để kiểm soát và hạn chế tối thiểu các quá áp. - Sử dụng các thiết bị bảo vệ quá áp. Tổng hợp hai bước trên được gọi là bảo vệ quá áp hay phối hợp cách điện. Khi quá áp lớn quá mức sẽ dẫn đến phóng điện đánh thủng cách điện của thiết bị, do vậy bảo vệ quá áp bao gồm: thiết kế được phối hợp lưới điện và việc lắp đặt thích hợp các thiết bị bảo vệ tại các vị trí chiến lược nhằm mục đích hạn chế quá áp và tránh hoặc giảm thiểu các hư hỏng cách điện.
Thiết kế được phối hợp bao gồm: - Hệ thống nối đất phải đảm bảo hiệu quả. - Dùng dây, kim thu sét. - Điều khiển góc thao tác các máy cắt. - Sử dụng các tụ điện xung.
Các thiết bị bảo vệ bao gồm : GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 2 HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng Luận văn thạc sỹ 2011 - Khe hở phóng điện. - Các loại van chống sét. Mục tiêu cơ bản của các bảo vệ quá áp trong hệ thống điện là tránh các hư hỏng cách điện, ngừng làm việc hoặc hư hỏng của thiết bị. Hiện tại, thông thường sử dụng chống sét van MOV không khe hở để bảo vệ quá áp do sét trên lưới phân phối.
Trong thực tế, ở lưới phân phối thì máy biến áp thường được bảo vệ bằng thiết bị chống sét van. Trong đó, khoảng cách giữa thiết bị chống sét van và đầu cực cao thế của máy biến áp là hết sức quan trọng. Bởi vì chống sét van còn phải bảo vệ cho toàn bộ cách điện của trạm, cho nên trong trường hợp tổng quát này giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp cần có một khoảng cách phân cách. Việc tính toán lắp đặt bảo vệ cần tính đến các yếu tố ngẫu nhiên của xung sét để đảm bảo cả tính kinh tế và kỹ thuật của luận văn.
Vì vậy các giải pháp thống kê cần được sử dụng để xác định các thông số ngẫu nhiên của xung sét như độ dốc đầu sóng và biên độ đỉnh sóng. Để đánh giá tính hiệu quả của bảo vệ, khoảng thời gian hư hỏng của thiết bị thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả bảo vệ. Tuy nhiên trong các ngiên cứu gần đây, thông số rủi ro hư hỏng thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả bảo vệ. Để tính toán được rủi ro hư hỏng, phân phối thống kê của điện áp cực đại xuất hiện tại các vị trí quan trọng cần được tính đến.
Tuy nhiên hiện tại vẫn chưa có một phương trình nào mô tả chính xác quá trình quá độ xảy ra trong mạng điện nên các phương pháp trí tuệ nhân tạo sẽ phù hợp cho bài toán thiết kế. Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài “Ứng dụng logic mờ để xác định vị trí chống sét van” đi sâu vào nghiên cứu tính toán và xây dựng chương trình để xác định vị trí đặt chống sét van cấp trung thế dạng MOV cho nhiều loại cấu hình trạm biến áp khác nhau. GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 3 HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng Luận văn thạc sỹ 2011 1.2 Các phương pháp lựa chọn vị trí chống sét van 1.1 Phương pháp xác định vị trí chống sét van dựa trên mô hình Petersen Phương pháp này giả thiết chống sét van đặt tại đầu cực máy biến áp cần bảo vệ (Hình 1. Vì vậy không quan tâm đến sóng phản xạ.
Transformer Ut Z Arrester Up Hình 1.1 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét dòng qua chống sét van Trường hợp này dòng định mức chống sét van được chọn theo điều kiện: 2.1) Z Ở đây: Ut là biên độ sóng quá áp truyền đến trạm, kV; Z là tổng sóng đường dây, Ω; Up là mức bảo vệ của chống sét van, kV. Trong đó: Ut lấy bằng với mức cách điện xung của cách điện đường dây, phụ thuộc vào loại cột (cột gỗ, cột thép hoặc cột bê tông cốt thép). Kết luận: Ưu điểm: Phương pháp này đơn giản. Nhược điểm: Không sử dụng được khi chống sét van không đặt tại đầu cực thiết bị cần bảo vệ.2 Phương pháp D.Fulchiron GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 4 HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng Luận văn thạc sỹ 2011 Xét cấu hình trạm biến áp một máy biến áp kết nối với đường dây trên không (Hình 2.
SJ D,C Transformer J Arrester Up Hình 1.2 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét đến khoảng cách phân cách Phương pháp này dựa trên sự chênh lệch mức cách điện xung cơ bản của máy biến áp và mức bảo vệ của chống sét van để xác định được khoảng cách phân cách tối đa D cho phép: C BIL D≤ Up − (1.2) S 2 Ở đây: BIL là mức cách điện xung cơ bản của máy biến áp, kV; S là độ dốc đầu sóng, kV; C là tốc độ truyền sóng trên đường dây, C = 300 m/µs. Kết luận: Phương pháp này có ưu điểm là có xét đến khoảng cách phân cách cho phép giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp. Tuy nhiên vẫn chưa tính đến thời gian đầu sóng và sóng phản xạ.3 Phương pháp Benoît de Metz-Noblat Phương pháp này có xét đến độ dốc đầu sóng (T), sóng phản xạ trong các trường hợp khác nhau. Sét xung quá điện áp lan truyền theo đường dây đi vào trạm biến áp được bảo vệ bằng chống sét van (Hình 1.3) GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 5 HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng Luận văn thạc sỹ 2011 Đường dây Z CSV Z D, C, τ MBA Hình 1.3 Sơ đồ mạch (đường dây và trạm biến áp) dùng trong nghiên cứu truyền sóng quá điện áp sét Những thành phần trong Hình 1.
Đường dây: Z là tổng trở sóng đường dây, Ω C là tốc độ truyền sóng trên đường dây, m/µs D là khoảng cách giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp, m τ = D/C là thời gian truyền sóng giữa hai điểm A và B b. Chống sét van: Up là mức bảo vệ của chống sét van, kV Đặc tuyến bảo vệ phi tuyến lý tưởng. Hệ thống nối đất: Có tổng trở gần bằng không d. Dây nối: Giữa đường dây và chống sét van, chống sét van đến đất không đáng kể.
Máy biến áp: Có tổng trở đầu vào lớn hơn nhiều so với tổng trở đường dây Z f. Sóng quá điện áp: Độ dốc đầu sóng S = du/dt; Thời gian sóng quá điện áp tăng từ giá trị 0 đến giá trị Up là T = Up/S. Giá trị quá điện áp cực đại trên đầu cực máy biến áp được xem xét trong 3 trường hợp tương ứng với quan hệ của giá trị T theo τ (Bảng 1.1) GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 6 HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng Luận văn thạc sỹ 2011 Bảng 1.1 Điện áp cực đại trên máy biến áp được bảo vệ bằng chống sét van Điện áp cực đại TT Trường hợp Giải thích trên MBA C.U p Sóng với độ dốc S, khoảng cách D lớn. Khoảng cách D> phân cách D không ảnh hưởng đến điện áp cực đại trên 1 2.
Chống sét van hạn chế điện áp này ở mức hay T < 2τ 2Up 2.U p Up + Sóng với độ dốc S, khoảng cách D lớn. Khoảng cách D< C phân cách D có ảnh hưởng đến điện áp cực đại trên máy 2.