Hạn chế dòng ngắn mạch quá độ trong hệ thống phân phối thuộc điện lực Đà Nẵng

Lê Thành Bắc, Nguyễn Văn Tấn, Trần Ngọc Thiên Nam<br /> <br /> 6<br /> <br /> HẠN CHẾ DÒNG NGẮN MẠCH QUÁ ĐỘ TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI<br /> THUỘC ĐIỆN LỰC ĐÀ NẴNG<br /> LIMITING THE SHORTCUT TRANSIENT OVERCURRENT IN THE ELECTRIC<br /> DISTRIBUTION SYSTEM OF DA NANG POWER<br /> Lê Thành Bắc1, Nguyễn Văn Tấn2, Trần Ngọc Thiên Nam2<br /> 1<br /> Đại học Đà Nẵng; lethanhbac2012@yahoo.com<br /> 2<br /> Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng<br /> Tóm tắt - Bài báo trình bày các kết quả khảo sát cấu trúc, đánh giá<br /> về thực trạng vận hành và vấn đề quá dòng quá độ đang xảy ra<br /> trên hệ thống phân phối điện của Điện lực Đà Nẵng. Các tác giả<br /> cũng đề xuất một số phương án với giải pháp kỹ thuật cụ thể để<br /> hạn chế dòng ngắn mạch quá độ trên lưới điện trong phạm vi cho<br /> phép của các thiết bị đóng cắt hiện nay. Các kết quả mô phỏng<br /> bằng các phần mềm chuyên dụng đã chứng minh tính hiệu quả<br /> của các phương án đề xuất. Giải pháp lắp đặt thiết bị tự động hạn<br /> chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp (FCLT) cho phép hạn chế<br /> dòng xung kích quá độ với mức hạn chế bất kỳ, đồng thời vẫn giữ<br /> nguyên cấu trúc lưới cùng các thiết bị đóng cắt hiện nay, đây thực<br /> sự là phương án mang tính khả thi cao.<br /> <br /> Abstract - The paper present results of studying system structure,<br /> estimating the current state of system operation and the transient<br /> over-current problem occurring in the electricity distribution system<br /> of Da Nang Power Company. The authors also propose some<br /> methods with specific technical measures to limit short-circuit<br /> currents on the grid within allowable ranges of current switching<br /> devices. Simulated results from specialized softwares demonstrate<br /> the effectiveness of the proposed methods. The method of<br /> installing automatic Fault Current Limiting device of Transformer<br /> type (FCLT) allows limiting the flow of transient inrush current with<br /> any restriction, while maintaining the same grid structure and<br /> switching equipment. This is a highly feasible option.<br /> <br /> Từ khóa - dòng quá độ; hệ thống điện Đà Nẵng; ngắn mạch; thiết<br /> bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu biến áp (FCLT); mô<br /> phỏng.<br /> <br /> Key words - transient current; Da Nang power system; short<br /> circuit; automatic Fault Current Limiting device of Transformer type<br /> (FCLT); simulation.<br /> <br /> 1. Cấu trúc lưới điện phân phối Đà Nẵng<br /> 1.1. Giới thiệu chung<br /> Hiện nay, hệ thống điện của Công ty Điện lực Đà Nẵng<br /> (PCĐN) đang được cấp điện từ trạm biến áp (TBA) 500 kV<br /> Đà Nẵng qua các TBA (Hình 1): Trạm 110 kV Liên Trì<br /> (E11) và Xuân Hà (E10) cấp điện cho khu vực quận Hải<br /> Châu và quận Thanh Khê; Trạm 110 kV Cầu Đỏ (E12),<br /> Hòa Xuân cấp điện cho khu vực quận Cẩm Lệ, huyện Hoà<br /> Vang; Trạm 220kV Ngũ Hành Sơn và An Đồn (E14), 110<br /> <br /> kV Ngũ Hành Sơn cấp điện cho khu vực quận Sơn Trà và<br /> quận Ngũ Hành Sơn; Trạm 220 kV Hoà Khánh (E9), Liên<br /> Chiểu (Elc) và Hòa Khánh 2 cấp điện cho khu vực quận<br /> Liên Chiểu, huyện Hoà Vang; Trạm 110 kV Hòa Liên cấp<br /> điện khu vực Trường Định, Hòa Bắc, Hòa Liên, Khu Công<br /> nghệ cao.<br /> PCĐN hiện có tổng công suất đặt là 957 MVA, phụ tải<br /> cực đại năm 2017 là 503,8 MW, sản lượng ngày lớn nhất<br /> đạt 10,3 triệu kWh.<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ lưới điện phân phối 110 (220)/22kV thành phố Đà Nẵng<br /> <br /> ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(128).2018<br /> <br /> 1.2. Ưu điểm của lưới điện Đà Nẵng<br /> Các trạm biến áp 110(220) kV trên Hình 1 hiện đang<br /> phân bố đồng đều trên các khu vực trong thành phố, các<br /> trạm đang có nhiều kết nối lưới mạch vòng phía 22 kV cho<br /> phép linh hoạt chuyển tải qua lại khi có công tác yêu cầu<br /> hoặc khi sự cố. Các TBA đang được cấp điện từ nhiều<br /> nguồn khác nhau nên cũng đã góp phần tăng độ tin cậy<br /> cung cấp điện cho toàn hệ thống.<br /> 1.3. Những hạn chế đang tồn tại<br /> 1.3.1. Nhược điểm trong vận hành<br /> Hiện nay, khi công tác đường dây 110/220 kV Hòa<br /> Khánh thì TBA Hòa Khánh 2 bắt buộc phải giảm tải dưới<br /> 30 MW để đảm bảo chất lượng điện năng (điều này làm<br /> PCĐN không chủ động được lịch công tác và thông báo<br /> trước đến khách hàng).<br /> TBA 110 kV An Đồn hiện được cấp điện từ mạch đơn<br /> của TBA 220 kV Ngũ Hành Sơn, điều này khó khăn khi<br /> truyền tải điện công tác trên TU 174/E13 hoặc MC<br /> 174/E13, hoặc nếu xảy ra sự cố trên đường dây 110 kV từ<br /> Ngũ Hành Sơn về TBA An Đồn thì toàn bộ phụ tải thuộc<br /> quận Sơn Trà sẽ bị ảnh hưởng mất điện.<br /> TBA 110 kV Hòa Khánh 2 chủ yếu cung cấp cho các<br /> phụ tải nhà máy thép nên không thể dùng TBA này để<br /> chuyển tải cho phụ tải thuộc các TBA 220 kV Hòa Khánh<br /> hoặc Liên Chiểu khi có nhu cầu. Nếu muốn chuyển tải bắt<br /> buộc phải sa thải các phụ tải nhà máy thép… điều này sẽ<br /> gây thiệt hại lớn về kinh tế.<br /> Về kết lưới 22 kV, các xuất tuyến trung áp phần lớn có<br /> mức độ mang tải cao nên khả năng chuyển tải thực tế chưa<br /> linh hoạt.<br /> 1.3.2. Quá dòng quá độ khi sự cố ngắn mạch<br /> Bảng 1. Giá trị dòng ngắn mạch xung kích tại xuất tuyến khi<br /> được vận hành có khép vòng và không có khép vòng<br /> <br /> Trạm biến<br /> áp trung<br /> gian<br /> <br /> Máy cắt đang dùng<br /> <br /> Mã hiệu<br /> <br /> Giá trị dòng ngắn mạch<br /> xung kích các xuất<br /> tuyến có mạch khép<br /> vòng lớn nhất (kA)<br /> <br /> Dòng cắt Khi khép<br /> Không<br /> Iđm (kA)<br /> vòng<br /> khép vòng<br /> <br /> An Đồn<br /> <br /> GMH/V20<br /> <br /> 25<br /> <br /> 29,3<br /> <br /> 21,5<br /> <br /> Hòa Khánh<br /> <br /> HVX24<br /> <br /> 31,5<br /> <br /> 58,0<br /> <br /> 31,3<br /> <br /> Liên Chiểu<br /> <br /> 3AH5283<br /> <br /> 25<br /> <br /> 33,1<br /> <br /> 19,0<br /> <br /> Liên Trì<br /> <br /> GVBM/2000<br /> <br /> 25<br /> <br /> 42,1<br /> <br /> 27,5<br /> <br /> 220 kV-Ngũ<br /> Hành Sơn<br /> <br /> HVX24<br /> <br /> 31,5<br /> <br /> 45,1<br /> <br /> 31,5<br /> <br /> Xuân Hà<br /> <br /> EVOLIS<br /> <br /> 25<br /> <br /> 32<br /> <br /> 23,7<br /> <br /> Ngoài các nhược điểm nêu trên, việc tăng trị số dòng<br /> xung kích nếu có ngắn mạch tại một số điểm (Bảng 1) như<br /> ở các trạm Liên Trì, Ngũ Hành Sơn, Xuân Hà khi có nối<br /> vòng sẽ vượt xa dòng cắt cho phép của các máy cắt, cũng<br /> như giới hạn độ bền điện động cho phép của các thiết bị đóng<br /> cắt khác đang dùng trong hệ thống. Điều này thực sự là một<br /> nguy cơ tạo rủi ro rất lớn, có thể xảy ra sự cố mất điện trên<br /> diện rộng, gây thiệt hại lớn về kinh tế và an ninh. Hạn chế trị<br /> <br /> 7<br /> <br /> số dòng xung kích khi ngắn mạch qua các thiết bị đóng cắt<br /> trong giới hạn cho phép nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ<br /> thống điện phân phối, đây là yêu cầu cấp thiết đang đặt ra<br /> đối với PCĐN. Thực tế đang đòi hỏi phải sớm tìm ra giải<br /> pháp kỹ thuật hợp lý khắc phục tình trạng tăng quá lớn của<br /> dòng ngắn mạch xung kích xảy ra trên lưới phân phối hiện<br /> nay.<br /> 2. Các giải pháp chung về hạn chế dòng ngắn mạch<br /> xung kích<br /> Để giảm trị số xung kích của dòng điện quá độ trong<br /> trường hợp sự cố, thế giới hiện nay đang có 8 giải pháp kỹ<br /> thuật và vận hành [1, 4, 7], tuy nhiên, mỗi giải pháp đều<br /> tồn tại những hạn chế nhất định. Cụ thể: Dùng các cuộn<br /> kháng không lõi sắt nối tiếp trên lưới, giải pháp kinh điển<br /> này lại gây sụt áp lưới ngay khi làm việc bình thường; Nâng<br /> cấp các thiết bị đóng cắt hiện tại hoặc nâng cấp điện áp<br /> lưới, giải pháp này chi phí sẽ rất cao; Sử dụng thiết bị tự<br /> động hạn chế dòng điện ngắn mạch với vật liệu siêu dẫn,<br /> giải pháp này luôn cần có thiết bị làm lạnh kèm theo, sẽ<br /> tăng tổn hao và chi phí đắt; Sử dụng thiết bị hạn chế dòng<br /> điện ngắn mạch có dạng van bán dẫn kết hợp với điện<br /> kháng hoặc sử dụng các thiết bị chuyển mạch công suất<br /> kiểu mới tác động cực nhanh, cả hai giải pháp này đều có<br /> nhược điểm là yêu cầu cần phải thay thế nhiều thiết bị, sơ<br /> đồ điều khiển phức tạp, giá thành cao, độ tin cậy thấp, rất<br /> tốn kém. Hai trong những giải pháp kỹ thuật - vận hành còn<br /> lại, khả năng có tính khả thi cao đối với hệ thống điện phân<br /> phối Đà Nẵng cũng như của Việt Nam nói chung là: thay<br /> đổi cấu trúc lưới (tách lưới, tách thanh cái, áp dụng các biện<br /> pháp cắt liên động loại dần nguồn cung cấp cho dòng sự<br /> cố) và giải pháp tính toán lắp đặt thiết bị hạn chế dòng ngắn<br /> mạch với chi phí hợp lý để giảm dòng điện sự cố đến giới<br /> hạn cho phép của các thiết bị đóng cắt [2, 6, 7]. Trong bài<br /> báo này, các tác giả trình bày nhóm hai giải pháp kỹ thuật<br /> nêu trên, bằng kết quả mô phỏng qua các phần mềm chuyên<br /> dụng minh chứng hiệu quả cách giải quyết vấn đề dòng quá<br /> độ ngắn mạch khi sự cố trong hệ thống phân phối điện<br /> PCĐN. Thiết bị hạn chế dòng nghiên cứu ở đây là loại tự<br /> động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu FCLT.<br /> 3. Đề xuất giải pháp hạn chế dòng quá độ trong hệ<br /> thống điện Đà Nẵng<br /> 3.1. Giải pháp cắt lưới vòng, tách thanh cái trong vận hành<br /> Trị số dòng ngắn mạch xung kích khi có nối vòng<br /> (Hình 1) xét khi sự cố ngắn mạch ngay đầu cực của máy<br /> cắt 22 kV, cấu trúc lưới hiện tại sẽ có 6 TBA trong hệ thống<br /> của PCĐN có dòng vượt trị số dòng cho phép của máy cắt<br /> (Bảng 1). Trong đó, đặc biệt tại 02 trạm biến áp Hòa Khánh<br /> và Liên Trì, trị số dòng xung kích rất lớn (TBA Hòa Khánh<br /> tăng tới 58 kA; TBA Liên Trì 42,1 kA). Nếu dùng giải pháp<br /> thực hiện cắt các nối vòng khi vận hành, kiểm tra với ngắn<br /> mạch đầu cực các máy cắt 22 kV (cho trong Bảng 1) thì<br /> các trị số dòng xung kích đều đã giảm xuống dưới trị số<br /> dòng cắt định mức của máy cắt. Đặc tính quá độ dòng điện<br /> ngắn mạch tại TBA Hòa Khánh và TBA Liên Trì nhận<br /> được trên Bảng 1, Hình 2 và Hình 3 khi thực hiện 2 phương<br /> án cắt mạch vòng.<br /> <br /> Lê Thành Bắc, Nguyễn Văn Tấn, Trần Ngọc Thiên Nam<br /> <br /> 8<br /> <br /> trở tương đương của FCLT chính là Xc. Khi sự cố ngắn<br /> mạch xảy ra, dòng qua tụ C tăng cao, đồng thời điện áp<br /> tăng sẽ làm tiếp điểm chân không K phóng điện, máy BA<br /> chuyển sang chế độ ngắn mạch (XBA giảm nhanh) làm tổng<br /> trở ZFLC tăng. Trở kháng ZFLC của FCLT được xác định<br /> theo quan hệ:<br /> <br /> z FLC = RFLC + X FLC<br /> 2<br /> <br /> Hình 2. Dòng ngắn mạch tại thanh góp 22 kV của<br /> TBA Hòa Khánh tương ứng với các phương án có nối vòng và<br /> cắt nối vòng<br /> <br /> 2<br /> <br />  X FLC <br /> <br /> X С  X BA<br /> <br /> (1)<br /> <br /> X C - X BA<br /> <br /> Dòng ngắn mạch chu kỳ cực đại [3, 4] khi chưa lắp đặt<br /> FCLT là:<br /> I n.m =<br /> <br /> Um<br /> <br /> Um<br /> <br /> =<br /> <br /> z<br /> <br /> ( RHT + X HТ )<br /> <br /> <br /> <br /> 2<br /> <br /> Um<br /> <br /> (2)<br /> <br /> X HТ<br /> <br /> Với: Um là trị số biên độ điện áp pha của hệ thống; RHT và<br /> XHT là điện trở và điện kháng của hệ thống quy về điểm ngắn<br /> mạch (RHT