Xác định vị trí chống sét van tại HCMUTE để giảm thiểu rủi ro hư hỏng

Chuyên khảo phân tích Hcmute xác định vị trí chống sét van trên cơ sở giảm rủi ro hư hỏng, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: PGS. Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Xác Định Vị Trí Chống Sét Van Để Giảm Rủi Ro Hư Hỏng
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ LẮP ĐẶT CHỐNG SÉT VAN
• 1.1. Các phương pháp lựa chọn vị trí lắp đặt chống sét van
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN
• 3. CHƯƠNG 3: CẤU HÌNH MẠNG ĐIỆN
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP & CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Vị trí chống sét và giảm rủi ro hư hỏng tại HCMUTE

Đề tài nghiên cứu [Xác định vị trí chống sét van trên cơ sở giảm rủi ro hư hỏng] tại HCMUTE tập trung vào việc xác định [vị trí tối ưu chống sét van] nhằm giảm thiểu [rủi ro hư hỏng] cho các thiết bị điện, đặc biệt là máy biến áp. Nghiên cứu đề xuất phương pháp mới dựa trên đánh giá [rủi ro hư hỏng] và kết hợp kỹ thuật [logic mờ] để xác định vị trí lắp đặt [chống sét van] tối ưu. Đây là một đóng góp quan trọng cho lĩnh vực [an toàn chống sét] và [bảo vệ thiết bị điện] tại HCMUTE nói riêng và Việt Nam nói chung. Nghiên cứu sử dụng phần mềm [SimPowerSystem] để mô phỏng và tính toán các thông số liên quan. Kết quả nghiên cứu cung cấp một chương trình phần mềm [FUPOSAR] hỗ trợ việc xác định vị trí lắp đặt [chống sét van] một cách hiệu quả. Các [tiêu chuẩn chống sét] hiện hành được tham khảo và áp dụng trong quá trình nghiên cứu.

1.1 Phương pháp xác định vị trí chống sét van

Đề tài đánh giá một số phương pháp hiện có như phương pháp [Petersen], [Fulchiron] và [Benoît de Metz-Noblat]. Phương pháp [Petersen] đơn giản nhưng có hạn chế khi [chống sét van] không đặt tại đầu cực thiết bị. Phương pháp [Fulchiron] xét đến [khoảng cách phân cách] giữa [chống sét van] và máy biến áp nhưng chưa tính đến thời gian đầu sóng và sóng phản xạ. Phương pháp [Benoît de Metz-Noblat] xét đến độ dốc đầu sóng, thời gian truyền sóng, nhưng chưa tính đến tổng trở dây nối và đặc tính thực của [chống sét van]. Đề tài đề xuất phương pháp cải tiến, kết hợp [mô phỏng] bằng [SimPowerSystem] và kỹ thuật [logic mờ] để xác định vị trí [chống sét van] tối ưu dựa trên [rủi ro hư hỏng] trung bình nhỏ nhất và rủi ro tại mọi nút nhỏ hơn rủi ro cho phép. Việc lựa chọn [vật liệu chống sét] và [thiết bị chống sét] phù hợp cũng được đề cập đến trong nghiên cứu, đảm bảo hiệu quả bảo vệ và tuân thủ các [tiêu chuẩn an toàn chống sét Việt Nam]. [Giải pháp chống sét hiệu quả] được đề xuất dựa trên sự kết hợp giữa phương pháp tính toán và mô phỏng.

1.2 Tính toán rủi ro hư hỏng và mô phỏng hệ thống

Một trong những điểm mới của nghiên cứu là sử dụng [rủi ro hư hỏng] làm tiêu chí đánh giá hiệu quả [phương pháp chống sét] . [Rủi ro sét đánh] và [hư hỏng do sét đánh] được tính toán dựa trên phân phối thống kê của điện áp cực đại tại các vị trí quan trọng trong hệ thống. Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng [SimPowerSystem] để mô phỏng các [cấu hình mạng điện] khác nhau, bao gồm các [cấu hình trạm biến áp] với một hoặc hai máy biến áp. Mô hình mô phỏng bao gồm các thông số như tổng trở đường dây, tốc độ truyền sóng, đặc tính của [chống sét van] ([MOV]), và đặc tính của máy biến áp. Việc [lắp đặt chống sét] được mô phỏng và đánh giá dựa trên các [nguyên lý hoạt động của chống sét]. Các kết quả mô phỏng cho phép đánh giá chính xác [rủi ro sét đánh vào nhà] và [khu vực dễ bị sét đánh]. [Nguyên nhân hư hỏng thiết bị do sét] được xác định rõ ràng để đưa ra giải pháp phòng ngừa hiệu quả.

1.3 Ứng dụng và hiệu quả của chương trình FUPOSAR

Chương trình [FUPOSAR] được phát triển dựa trên kết quả nghiên cứu, hỗ trợ việc xác định vị trí lắp đặt [chống sét van] một cách thuận tiện và chính xác. Chương trình này giúp người dùng dễ dàng tính toán [rủi ro hư hỏng] tại các vị trí khác nhau trong hệ thống, dựa trên các thông số đầu vào như cấu hình mạng điện, đặc tính của [chống sét van] và các thông số thống kê của xung sét. Việc sử dụng chương trình [FUPOSAR] giúp tối ưu hóa [chi phí lắp đặt chống sét] và đảm bảo [an toàn điện năng lượng mặt trời chống sét] . Chương trình cũng cung cấp các gợi ý về [lựa chọn thiết bị chống sét] phù hợp với từng điều kiện cụ thể. Việc ứng dụng chương trình [FUPOSAR] sẽ góp phần nâng cao hiệu quả [bảo vệ chống sét] cho các tòa nhà cao tầng và hệ thống điện tại HCMUTE và các khu vực khác. [Thiết kế hệ thống tiếp địa chống sét] cũng là một phần quan trọng được xem xét trong chương trình này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ LẮP ĐẶT CHỐNG SÉT VAN 1.1 Các phương pháp lựa chọn vị trí lắp đặt chống sét van 1.1 Phương pháp xác định vị trí lắp đặt chống sét van dựa trên mô hình Petersen [1, 2] 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. MBA Transformer Ut Z Arrester CSV Up Hình 1.1 Mô hình Petersen bảo vệ trạm 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, ; Up là điện áp 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. PGS-TS Quyền Huy Ánh 13 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học T2013-01TĐ 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 [1, 2] Xét cấu hình trạm biến áp một máy biến áp kết nối với đường dây trên không (Hình 1. SJ D,C Transformer J Arrester Up Hình 1.2 Sơ đồ bảo vệ trạm có 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  2  (1.2) S 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/s.

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. PGS-TS Quyền Huy Ánh 14 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học T2013-01TĐ 1.3 Phương pháp Benoît de Metz-Noblat [7] Phương pháp này có xét đến độ dốc đầu sóng (T), sóng phản xạ trong các trường hợp khác nhau. Xét xung quá điện áp lan truyền theo đường dây đi vào trạm biến áp được bảo vệ bằng chống sét van (Hình 1.

Đường dây Z CSV Z D, C,  MBA Hình 1.3 Mô hình Benoit de Metz-Noblat đường dây và trạm biến áp Những thành phần trong Hình 1. Đường dây: với Z là tổng trở sóng đường dây, ; 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; = D/C là thời gian truyền sóng giữa hai điểm A và B. Chống sét van: với Up là điện áp bảo vệ của chống sét van, kV với đặc tuyến bảo vệ phi tuyến lý tưởng. Hệ thống nối đất: Có tổng trở giả thiết gần bằng không.

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. 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  (Bảng 1.

PGS-TS Quyền Huy Ánh 15 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học T2013-01TĐ 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 sét với độ dốc S và khoảng cách D lớn. Khoảng D cách phân cách D không ảnh hưởng đến điện áp cực đại 1 2.S 2Up trên máy biến áp. Chống sét van hạn chế điện áp này ở hay T  2 mức 2Up 2.D Sóng sét với độ dốc S và khoảng cách D lớn.U p Up  D C cách phân cách D có ảnh hưởng đến điện áp cực đại trên 2. Chống sét van hạn chế điện áp cực đại trên 2  Up  Up máy biến áp: điện áp trên máy biến áp tăng một lượng hay T  2 T  2.S  Up  Up Giữa trường hợp 1 và trường hợp 2 T hay T  2 = Up + Up = 2Up Hình 1.4 trình bày sóng tới và sóng phản xạ khi trạm biến áp có trang bị chống sét van.

Hướng truyền sóng quá điện áp Điện áp Thời điểm T0 T1 Điện áp lớn nhất bằng 2U0 ở thời điểm T1 là thời điểm nguy hiểm nhất Mức bảo vệ của chống sét van Up Điện áp U0 là sóng tới chống sét van vào thời điểm T0 D Vị trí CSV MBAĐiện áp u là sóng phản xạ về tới chống sét van vào thời điểm T0 Hình 1.4 Sóng tới và sóng phản xạ khi (thiết (thiết bị bảo vệ) trạm bị biến áp có chống sét van cần bảo (U0 + U = Up => bắt đầu dẫn điện) vệ) Quan hệ điện áp của các điểm trên đường dây được bảo vệ theo thời gian được trình bày ở Hình 1. PGS-TS Quyền Huy Ánh 16 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học T2013-01TĐ Đường dây Máy biến áp D, C,  Chống sét van Trường hợp 1 (T<2) T Trường hợp 2 (T > 2) Hình 1.5 Điện áp trên trên đường dây được bảo vệ bởi chống sét van theo thời gian (trường hợp 1 và 2 ở Bảng 1. Quan hệ quá điện áp cực đại trên đầu cực máy biến áp theo thời gian được trình bày ở Hình 1. Kết luận: Phương pháp này có ưu điểm là có xét đến độ dốc đầu sóng, thời gian truyền sóng và mức bảo vệ của chống sét van khi xác định khoảng cách phân cách D.

Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn một số hạn chế như: chưa tính đến tổng trở dây PGS-TS Quyền Huy Ánh 17 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học T2013-01TĐ nối giữa chống sét van và thiết bị bảo vệ, cũng như dây nối giữa chống sét van và đất, đặc tính thực của chống sét van, cấu hình mạng điện, các phần tử mang tính dung … Hình 1.6 Quá áp cực đại tại đầu cực máy biến áp (B) theo thời gian  (trường hợp 2 ở Bảng 1.4 Phương pháp ABB [1, 2] Phương pháp xác định khoảng cách phân cách đề xuất bởi ABB cũng gần như phương pháp của Benoît de Metz-Noblat. Nhưng có tính đến đường dây nối giữa chống sét van với đường dây và chiều dài dây đến đầu cực máy biến áp, đồng thời cũng xét đến kiểu kết cấu trạm đường dây trên không và trạm có kết cấu đường dây cáp ngầm.1 Trạm biến áp kết nối với đường dây trên không Xét đường dây phân phối trên không trình bày ở Hình 1. Quá điện áp Ut truyền sóng vào với tốc độ C hướng theo đường dây vào đầu cực E. Tại điểm E là thiết bị điện được bảo vệ (như máy biến áp).

Khi sóng truyền tới E, nó được phản xạ và điện áp tăng 2Ut. PGS-TS Quyền Huy Ánh 18 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học T2013-01TĐ S a Ut C UE b E CSV Ghi chú: Ut: Sóng quá áp lan truyền CSV: Chống sét van trên đường dây, kV a, b : Chiều dài dây, m C: Tốc độ truyền sóng, m/µs E : Cuối đường dây S: Độ dốc đầu sóng, kV/µs UE: Quá áp tại E, kV Hình 1.7 Quá điện áp ở cuối đường dây Chức năng chống sét van là bảo vệ thiết bị điện từ lúc bắt đầu xuất hiện quá áp tiến tới giá trị điện áp cao không cho phép. Giả sử rằng độ dốc đầu sóng S của sóng quá điện áp truyền vào là hằng số theo thời gian, giá trị lớn nhất UE được xác định theo biểu thức sau: 2.3) C Kinh nghiệm cho rằng hệ số an toàn 1,2 là bảo vệ hiệu quả giữa BIL của thiết bị điện và xung quá áp UE tại thiết bị điện.4) 1,2 C Nếu giá trị giới hạn được đặt D = a + b thì có phương trình sau đây: C  BIL  D .S  1,2  Nếu tổng đường dây đấu nối là a + b nhỏ hơn khoảng cách bảo vệ D của thiết bị chống sét thì thiết bị điện được bảo vệ tại điểm E. Các giá trị BIL, Up và S được ước tính trong Bảng 1.

PGS-TS Quyền Huy Ánh 19 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học T2013-01TĐ Bảng 1.2 Mức cách điện cơ bản (BIL) và mức điện áp bảo vệ của chống sét van (Up) hiện đại với Up = 4pu. Un kV 3,6 7,2 12 17,5 24 36 BIL kV 40 60 75 95 125 170 Up kV 11,8 23,5 39,2 57,2 79,9 117,6 BIL / Up --- 3,39 2,55 1,91 1,66 1,59 1,45 Bảng 1.3 Độ dốc và giá trị điện áp phóng điện của cách điện đường dây trên không Đường dây trên không Cột gỗ Xà đỡ đã nối đất U (kV) 3000 660 S (kV/s) 1550 800 1.2Trạm biến áp kết nối với cáp ngầm 1. Bảo vệ quá điện áp cho cáp Sự khác nhau chủ yếu giữa dữ liệu điện của đường dây trên không và cáp là trở kháng xung dây dẫn với đất. Giá trị cho đường dây phân phối trên không xấp xỉ từ 300 đến 450 và cho cáp trong phạm vi từ 20 đến 60.

Trước hết, sự khác nhau này gây ra sự giảm rõ rệt của quá điện áp do sét khi xung sét truyền vào cáp. Xung điện áp đi vào cáp bị suy giảm và bị phản xạ tại cuối cáp làm điện áp tăng lên gấp đôi. Sau đó, xung truyền trở lại qua cáp và phản xạ thêm một lần nữa v. Bằng cách này, quá điện áp trong cáp tăng đều đều mặc dù độ dốc quá điện áp trong cáp thấp hơn thực sự, trị số đỉnh này gần bằng quá điện áp do sét trên đường dây.4 trình bày cách chọn chiều dài cho phép lớn nhất của đoạn cáp với một bên bảo vệ thiết bị chống sét ứng với hai loại cột (cột gỗ, xà đỡ nối đất).

Trong đó, Zk là tổng trở sóng cáp, ; chiều dài dây nối từ đầu cực chống sét van đến cáp là 1m. PGS-TS Quyền Huy Ánh 20 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học T2013-01TĐ Bảng 1.4 Chiều dài cho phép lớn nhất Dk của đoạn cáp với một bên bảo vệ thiết bị chống sét.