Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:119

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp" là nghiên cứu hiện tượng quá điện áp trên cáp sử dụng trong đường dây truyền tải hỗn hợp trong dải tần số từ tần số quá điện áp tạm thời đến quá điện áp sét; quá điện áp trên cách điện được nghiên cứu tính toán cho cả lõi cáp và vỏ cáp để từ đó xác định phương thức nối vỏ và bảo vệ cách điện phù hợp với các thông số đầu vào là của lưới điện truyền tải Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM THÀNH CHUNG NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI HỖN HỢP ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG VÀ CÁP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM THÀNH CHUNG NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI HỖN HỢP ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG VÀ CÁP Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Trần Văn Tớp 2. TS. Phạm Hồng Thịnh Hà Nội – 2023 ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Hà Nội, ngày tháng 08 năm 2023 Thay mặt tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS. TS. Trần Văn Tớp TS. Phạm Hồng Thịnh Phạm Thành Chung i
LỜI CẢM ƠN Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, PGS. TS. Trần Văn Tớp và TS. Phạm Hồng Thịnh đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu. Hai thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Khoa Điện và Trường Điện – Điện tử đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn các giảng viên đồng nghiệp và cán bộ thuộc Bộ môn Hệ thống điện trước đây, đã hỗ trợ tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp, những người bạn thân thiết đã luôn giúp đỡ, động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn trong thời gian tôi học tập để hoàn thành khóa học. Tác giả luận án Phạm Thành Chung ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... xii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................... 1 2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ........................................................ 3 3. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu ................................................ 4 4. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu ............................... 5 A. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................... 5 B. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ............................................ 5 C. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 5 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn .............................................................. 6 6. Các đóng góp mới của luận án........................................................................... 6 7. Cấu trúc nội dung của luận án ........................................................................... 6 CHƯƠNG 1. TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI HỖN HỢP .................................................................................................................................... 8 1.1. Mở đầu ........................................................................................................... 8 1.2. Các loại cáp ngầm ......................................................................................... 8 1.2.1. Cáp dầu .................................................................................................. 8 1.2.2. Cáp siêu dẫn......................................................................................... 10 1.2.3. Cáp cách điện rắn XLPE ..................................................................... 11 1.2.4. Cáp vượt biển HVAC ........................................................................... 13 1.2.5. Một số sự cố điển hình trong cáp truyền tải ........................................ 14 1.3. Truyền sóng trong cáp truyền tải ................................................................. 14 1.3.1. Phương trình truyền sóng trong cáp ..................................................... 14 1.3.2. Biểu diễn phương trình truyền sóng trong miền modal ........................ 19 1.4. Tính toán truyền sóng bằng phần mềm EMTP/ATP ................................... 21 1.4.1. Giới thiệu phần mềm EMTP/ATP ......................................................... 21 iii
1.4.2. Mô hình mô phỏng cho cáp................................................................... 21 1.4.3. Mô hình đường dây trên không ............................................................. 23 1.4.4. Các mô hình khác ................................................................................. 23 1.5. Kết luận ....................................................................................................... 26 CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẶT CÁP ĐẾN QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI HỖN HỢP ......................................... 27 2.1. Đặt vấn đề..................................................................................................... 27 2.2. Mô hình mô phỏng ....................................................................................... 27 2.3. Ảnh hưởng của môi trường đặt cáp ............................................................. 29 2.3.1. Cáp ngầm toàn bộ ............................................................................... 29 2.3.2. Cáp đi trên không- nằm ngang ............................................................ 31 2.3.3. Cáp đi trên cầu bê tông ........................................................................ 32 2.3.4. Cáp đi trên cầu kim loại ....................................................................... 33 2.4. Ảnh hưởng của cách sắp xếp cáp ................................................................. 34 2.4.1. Cáp ngầm ............................................................................................. 34 2.4.2. Đối với cáp đi trên không .................................................................... 35 2.5. Kết luận ........................................................................................................ 36 CHƯƠNG 3. BẢO VỆ CÁCH ĐIỆN VỎ CÁP.................................................... 38 3.1. Đặt vấn đề..................................................................................................... 38 3.2. Các loại CSV dùng cho cáp truyền tải ......................................................... 39 3.3. Các phương pháp nối đất vỏ cáp .................................................................. 40 3.3.1. Nối cứng (Solid bonding) ..................................................................... 40 3.3.2. Nối đất một đầu (Single point bonding) ............................................... 41 3.3.3. Nối chéo (Cross bonding) .................................................................... 42 3.4. Mô hình tính toán và các giả thiết ................................................................ 42 3.5. Phương pháp lựa chọn SVL bảo vệ vỏ cáp .................................................. 43 3.5.1. Lựa chọn điện áp định mức của SVL ................................................... 43 3.5.2. Tính toán thông số SVL khi có dòng điện sét ....................................... 45 3.5.3. Ảnh hưởng của môi trường đặt cáp đến thông số SVL ........................ 52 3.6. Kết luận ........................................................................................................ 54 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP DỌC THEO CHIỀU DÀI CÁP .................................................................................................................................. 56 4.1. Đặt vấn đề..................................................................................................... 56 iv
4.2. Phương pháp tính toán ................................................................................. 57 4.3. Phân bố điện áp trong cáp ngầm của đường dây truyền tải hỗn hợp ........... 59 4.3.1. Mô hình mô phỏng ............................................................................... 59 4.3.2. Cáp ngắn 500 m ................................................................................... 60 4.3.3. Cáp dài 2,4 km ..................................................................................... 66 4.4. Kết luận ........................................................................................................ 70 CHƯƠNG 5. QUÁ ĐIỆN ÁP CỘNG HƯỞNG DO SÓNG HÀI ....................... 72 5.1. Đặt vấn đề..................................................................................................... 72 5.2 Các hiện tượng cộng hưởng trong hệ thống điện .......................................... 73 5.2.1. Cộng hưởng nối tiếp và song song....................................................... 73 5.2.2. Sóng hài ở lưới truyền tải .................................................................... 75 5.2.3 Quá điện áp do cộng hưởng .................................................................. 77 5.3. Tính toán tổng trở điều hòa trong lưới truyền tải ......................................... 78 5.3.1. Tổng trở đầu vào nhìn từ một nút ........................................................ 78 5.3.2. Tính toán tổng trở đầu vào cho mô hình IEEE 9 nút ........................... 78 5.3.3 Tổng trở điều hòa trong đường dây truyền tải hỗn hợp ....................... 80 5.3.4 Ảnh hưởng của cấu hình hệ thống truyền tải đến tổng trở điều hòa .... 82 5.4. Tính toán quá điện áp cộng hưởng trong hệ thống truyền tải hỗn hợp ........ 84 5.4.1. Mô hình tính toán và xác định nguồn sóng hài gây ra cộng hưởng tần số 84 5.4.2. Tính toán quá điện áp cộng hưởng sơ đồ IEEE 9 nút .......................... 85 5.5. Tính toán cho lưới truyền tải 220 kV khu vực Hà Nội ................................ 87 5.5.1. Mô hình mô phỏng ............................................................................... 87 5.5.2. Tổng trở điều hòa ................................................................................. 88 5.5.3. Tổng trở điều hòa ở chế độ N-1 ........................................................... 90 5.5.4. Quá điện áp do cộng hưởng tại thanh cái trạm Hà Đông và Thành Công 92 5.6. Kết luận ........................................................................................................ 94 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................... 95 DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC ....................................................... 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 98 v
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cáp dầu trong ống áp lực ở cấp điện áp 275 kV [2] ....................... 9 Hình 1.2. Cấu tạo của cáp tự chứa dầu [2] ................................................... 10 Hình 1.3. Cấu trúc của cáp điện môi ấm (trên) và cáp điện môi lạnh (dưới) [33] .................................................................................................................................. 10 Hình 1.4. Cấu tạo cáp đơn XLPE [2] ............................................................ 11 Hình 1.5. Cáp vượt biển HVAC [37] ............................................................ 13 Hình 1.6. Sự cố cách điện vỏ cáp của cáp truyền tải 138 kV ........................ 14 Hình 1.7. Sơ đồ tương đương của một sợi cáp .............................................. 15 Hình 1.8. Mô tả đường đi của dòng điện trong một cáp đơn XLPE điển hình khi tính toán tổng trở nối tiếp [44] ........................................................................... 17 Hình 1.9. Mô hình Bergeron cho mô phỏng cáp trong tính toán quá độ [36]22 Hình 1.10. Mô hình mô phỏng một đoạn cáp 220 kV dài 1 km trong EMTP/ATP sử dụng mô hình Bergeron ................................................................... 22 Hình 1.11. Mô hình ĐDK có thông số phụ thuộc tần số sử dụng trong mô phỏng EMTP của ATPDraw .................................................................................... 23 Hình 1.12. Mô hình chống sét van ở cấp 220 kV sử dụng trong mô phỏng . 24 Hình 1.13. Mô hình cột sử dụng trong mô phỏng EMTP của ATPDraw ..... 24 Hình 1.14. Số liệu trị số điện trở Rtđ và mô hình thay thế trong chương trình EMTP........................................................................................................................ 25 Hình 1.15. Nguồn dòng CIGRE sử dụng trong mô phỏng ............................ 25 Hình 2.1. Cấu trúc cơ bản của một đường dây truyền tải điện hỗn hợp đường dây trên không và cáp ............................................................................................... 28 Hình 2.2. Kết cấu cột điện của đường dây trên không 220 kV ..................... 28 Hình 2.3. Cấu tạo và cách bố trí cáp trong tính toán mô phỏng.................... 28 Hình 2.4. Dòng điện chạy trong lõi cáp của pha B trên cả hai mạch ............ 29 Hình 2.5. Quá điện áp trên lõi mạch 1 vị trí CC. .......................................... 30 Hình 2.6. Điện áp trên vỏ cáp mạch 1 tại vị trí đảo vỏ thứ nhất. .................. 30 Hình 2.7. Quá điện áp trên lõi mạch 1 vị trí CC-trường hợp cáp đi trên không .................................................................................................................................. 31 Hình 2.8. Điện áp trên vỏ cáp mạch 1 tại vị trí đảo vỏ thứ nhất ................... 32 Hình 2.9. Cấu trúc của cáp đi trên cầu bê tông ............................................. 32 Hình 2.10. Điện áp trên vỏ cáp mạch 1 tại vị trí đảo vỏ thứ nhất. ................ 33 Hình 2.11. Quá điện áp trên vỏ cáp mạch 1 tại vị trí đảo vỏ thứ nhất. ......... 34 vi
Hình 2.12. Cách bố trí cáp hình tam giác ...................................................... 35 Hình 2.13. Điện áp trên vỏ cáp mạch 1 tại vị trí đảo vỏ thứ nhất trong cách bố trí tam giác ................................................................................................................ 35 Hình 2.14. Điện áp trên vỏ cáp mạch 1 tại vị trí đảo vỏ thứ nhất ................. 36 Hình 3.1. Phương pháp nối đất vỏ cáp một đầu (nối đất ở một đầu của mỗi phân đoạn) ................................................................................................................ 40 Hình 3.2. Nối cứng ........................................................................................ 41 Hình 3.3. Nối đất 1 đầu (2 phân đoạn) với SVL ở giữa (Kiểu 1).................. 41 Hình 3.4. Nối đất 1 đầu (2 phân đoạn) với SVL ở 2 đầu (Kiểu 2). ............... 41 Hình 3.5. Nối chéo (3 phân đoạn) với SVL nối hình sao. ............................. 42 Hình 3.6. Cách bố trí cáp ngầm sử dụng trong mô phỏng ............................ 42 Hình 3.7. Đặc tính làm việc của CSV 220 kV [57] ....................................... 43 Hình 3.8. Trường hợp công suất ngắn mạch 4000 MVA : a) Điện áp trên vỏ tại vị trí SG112 khi ngắn mạch 1 pha và nối đất một đầu với Re= 4 ; b) Điện áp trên vỏ tại vị trí SG112 khi ngắn mạch 3 pha và nối chéo với Re= 4  .......................... 44 Hình 3.9. Điện áp cảm ứng do ngắn mạch lớn nhất trên vỏ cáp theo công suất ngắn mạch của hệ thống ........................................................................................... 44 Hình 3.10. Điện áp cảm ứng do ngắn mạch trên vỏ với chiều dài 1 đoạn cáp thay đổi, công suất ngắn mạch 4000 MVA, điện trở nối đất Re= 4 . .................... 45 Hình 3.11. Điện áp trên vỏ cáp tại vị trí SG212 nối đất một đầu-kiểu 2, sử dụng SVL 7,5 kV ............................................................................................................... 45 Hình 3.12. Điện áp chênh lệch lớn nhất giữa 2 đoạn vỏ cáp tại vị trí SG212 và SG221 nối đất một đầu-kiểu 2 với Re= 4 , sử dụng SVL 7,5 kV .......................... 46 Hình 3.13. Năng lượng hấp thụ của SVL 7,5 kV nối đất một đầu-kiểu 1 với Re= 4 . .................................................................................................................... 46 Hình 3.14. Điện áp lớn nhất trên vỏ cáp theo điện trở nối đất vỏ. ................ 47 Hình 3.15. Điện áp tách vỏ theo điện trở nối đất của vỏ. .............................. 48 Hình 3.16. Năng lượng hấp thụ của SVL theo điện trở nối đất vỏ ở các điện áp định mức khác nhau .................................................................................................. 49 Hình 3.17. Điện áp cảm ứng lớn nhất trên vỏ với điện trở nối đất vỏ 3 , sử dụng loại SVL 7,5 kV ............................................................................................... 50 Hình 3.18. Điện áp tách vỏ khi thay đổi dòng điện sét với Re=3 . ............. 51 Hình 3.19. Năng lượng hấp thụ của SVL khi thay đổi dòng điện sét với Re=3 . .............................................................................................................................. 52 Hình 3.20. Điện áp trên vỏ tại vị trí SG212 nối đất một đầu-kiểu 2 với Re=3  , sử dụng SVL 7,5 kV ............................................................................................... 52 vii
Hình 3.21. Điện áp tách vỏ giữa 2 đoạn vỏ cáp tại vị trí SG212 và SG221 nối đất một đầu-kiểu 2 với Re=3  sử dụng SVL 7,5 kV ............................................. 53 Hình 3.22. Điện áp lớn nhất trên vỏ cáp tại vị trí SG112 với nối đất một đầu và nối chéo..................................................................................................................... 53 Hình 3.23. Điện áp tách vỏ. ........................................................................... 54 Hình 3.24. Năng lượng hấp thụ của các SVL. .............................................. 54 Hình 4.1. Dòng điện sét lan truyền vào lớp vỏ khi CSV ở cả hai đầu cáp (điểm A và B) đều làm việc ................................................................................................ 56 Hình 4.2. Điện áp trên lõi và vỏ cáp tại vị trí đầu cáp................................... 57 Hình 4.3. Sóng lan truyền vào lõi cáp ........................................................... 57 Hình 4.3. Đặc tính làm việc của CSV 220 kV [57] ....................................... 59 Hình 4.4. Đặc tính làm việc của SVL 7,5 kV [61] ........................................ 60 Hình 4.5. Điện áp trên lõi và dòng qua CSV tại vị trí cuối cáp .................... 60 Hình 4.6. Điện áp trên lõi và trên vỏ cáp tại vị trí cuối cáp .......................... 61 Hình 4.7. Sóng điện áp tới và sóng phản xạ trong lõi tại vị trí cuối cáp ....... 61 Hình 4.8. Điện áp trên lõi và dòng qua CSV tại vị trí cuối cáp khi vỏ cáp được lắp đặt SVL ............................................................................................................... 62 Hình 4.9. Sóng điện áp tới và sóng phản xạ trong lõi tại vị trí cuối cáp khi vỏ cáp được lắp đặt SVL ............................................................................................... 62 Hình 4.10. Điện áp trong lõi cáp vị trí đầu cáp, cách đầu cáp 67 m và 100 m, tính toán kiểm tra lại bằng mô phỏng ....................................................................... 63 Hình 4.11. Điện áp và dòng qua SVL tại vị trí cuối cáp ............................... 63 Hình 4.12. Sóng điện áp tới và sóng phản xạ trên vỏ tại vị trí đặt SVL ....... 64 Hình 4.13. Điện áp trên vỏ cáp tại hai vị trí đầu cáp ..................................... 64 Hình 4.14. Điện áp trên lõi tại vị trí đầu cáp, cách đầu cáp 67m và 100 m .. 65 Hình 4.15. Điện áp và dòng qua SVL tại vị trí cuối cáp-cáp đi trên không .. 65 Hình 4.16. Sóng điện áp tới và sóng phản xạ trên vỏ tại vị trí đặt SVL-cáp đi trên không ................................................................................................................. 65 Hình 4.17. Điện áp trên lõi tại vị trí đầu và cuối cáp .................................... 66 Hình 4.18. Sóng điện áp tới và sóng phản xạ trên lõi tại cuối cáp ................ 67 Hình 4.19. Điện áp tại vị trí đầu cáp (điểm A) và vị trí cách đầu cáp 100 m. .................................................................................................................................. 67 Hình 4.20. Vị trí đạt điện áp đỉnh theo tỷ lệ % từ khoảng cách đến cuối cáp trên tổng chiều dài cáp .............................................................................................. 67 Hình 4.21. Sóng điện áp và sóng tới trên vỏ tại vị trí đảo vỏ thứ nhất. ........ 68 viii
Hình 4.22. Sóng điện áp và sóng tới trên vỏ tại vị trí cuối cáp ..................... 69 Hình 4.23. Sóng điện áp và sóng tới trên vỏ tại vị trí đảo vỏ thứ nhất ......... 69 Hình 4.24. Sóng điện áp và sóng tới trên vỏ tại vị trí đảo vỏ thứ hai ........... 70 Hình 4.25. Sóng điện áp và sóng tới trên vỏ tại vị trí cuối cáp ..................... 70 Hình 5.1. Mạch cộng hưởng song song với kích thích là nguồn dòng ......... 73 Hình 5.2. Cộng hưởng song song .................................................................. 74 Hình 5.3. Mạch RLC mắc nối tiếp ................................................................ 74 Hình 5.4. Cộng hưởng nối tiếp ...................................................................... 75 Hình 5.5. Điện áp tổng cộng bao gồm điện áp tần số cơ bản với hài bậc lẻ. 77 Hình 5.6. Mạch điện tương đương mô tả hiện tượng cộng hưởng song song khi đường dây trên không được thay thế bằng cáp .................................................. 77 Hình 5.7 Mô hình IEEE 9 nút [73] ................................................................ 79 Hình 5.8. Mô hình lưới điện IEEE 9 nút được mô phỏng trong phần mềm EMTP/ATP [74] ....................................................................................................... 80 Hình 5.9. Phổ tổng trở điều hòa nhìn từ nút 8 trong dải tần từ 50 Hz đến 1000 Hz- mô hình lưới điện 9 nút của IEEE với chiều dài đường cáp từ nút 7 tới nút 8 thay đổi ............................................................................................................................. 81 Hình 5.10. Ảnh hưởng của chiều dài đoạn cáp đến dịch chuyển tần số cộng hưởng ........................................................................................................................ 82 Hình 5.11. So sánh tần số cộng hưởng trong trường hợp cắt và chưa cắt đường dây nối giữa nút 6 và 9. ................................................................... 83 Hình 5.12. Dịch chuyển tần số cộng hưởng của tổng trở điều hòa tại điểm ĐDK từ nút 7-Cáp với mô hình lưới điện 9 nút của IEEE khi cắt đường dây nối nút nút 6 và nút 9 ..................................................................................................................... 83 Hình 5.13. So sánh tần số cộng hưởng trong trường hợp cắt và chưa cắt đường dây nối giữa nút 6 và 9 khi chiều dài cáp thay đổi ................................................... 84 Hình 5.14. Tổng trở đầu vào nhìn từ một nút với lưới điện được quan tâm . 84 Hình 5.15. Điện áp tại nút 8 trong trường hợp cáp dài 1 km. ....................... 86 Hình 5.16. Hệ thống truyền tải 220 kV khu vực Hà Nội được nghiên cứu .. 87 Hình 5.17. Tổng trở điều hòa của lưới truyền tải 220 kV khu vực Hà Nội .. 88 Hình 5.18. Tổng trở điều hòa tại thanh cái 220 kV Thành Công với chiều dài cáp thay đổi ............................................................................................................... 89 Hình 5.19. Tổng trở điều hòa tại trạm biến áp 220 kV Thành công với sự thay đổi chiều dài cáp trong hệ thống............................................................................... 90 Hình 5.20. Tổng trở điều hòa tại trạm biến áp 220 kV Hà Đông với sự thay đổi chiều dài cáp trong hệ thống ..................................................................................... 90 ix
Hình 5.21. Tổng trở điều hòa tại trạm 220 kV Thành Công khi cắt một số đường dây ................................................................................................................. 91 Hình 5.22. Tổng trở điều hòa tại trạm 220 kV Thành Công khi cắt một số đường dây, tính toán cho trường hợp 2 .................................................................... 91 Hình 5.23. Tổng trở điều hòa tại trạm 220 kV Thành Công khi cắt một số đường dây, tính toán cho trường hợp 3 .................................................................... 92 Hình 5.24. Điện áp tại thanh cái Thành Công và Hà Đông do nguồn sóng hài bơm vào trạm biến áp Hiệp Hòa ............................................................................... 93 Hình 5.25. Điện áp tại thanh cái Thành Công do nguồn sóng hài bơm vào các trạm biến áp .............................................................................................................. 93 x
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Một số dự án xây dựng tuyến cáp gần đây tại Việt Nam ................... 4 Bảng 1.1. Điện trở suất của vật liệu làm lõi cáp ............................................ 12 Bảng 1.2. Tính chất điện môi điển hình của vật liệu XLPE cho cáp truyền tải [32]............................................................................................................................ 12 Bảng 1.3. Kết quả tính toán vận tốc truyền sóng, hệ số suy giảm, tổng trở sóng ở các chế độ truyền sóng khác nhau ứng với mỗi tần số cố định ............................. 21 Bảng 2.1. Điện áp trên vỏ cáp ....................................................................... 30 Bảng 2.2. Điện áp trên vỏ cáp trong trường hợp cáp đi trên không – nằm ngang .................................................................................................................................. 32 Bảng 2.3. Điện áp trên vỏ cáp trong trường hợp một phần cáp đi trên không .................................................................................................................................. 33 Bảng 2.4. Điện áp trên vỏ cáp trong trường hợp một phần cáp đi trên cầu kim loại ............................................................................................................................ 34 Bảng 2.5. So sánh điện áp trên vỏ cáp giữa cách bố trí phẳng và tam giác .. 35 Bảng 2.6. Điện áp trên vỏ cáp trong trường hợp cáp đi trên không theo phương khác nhau .................................................................................................................. 36 Bảng 5.1. Giới hạn dòng điện sóng hài đối với cấp điện áp >161 kV [75] ... 85 Bảng 5.2. Dòng sóng hài bậc cao theo tần số ................................................ 85 Bảng 5.3. Tổng trở tương đương Ztđ(f) khi thay thế 1 km đường dây trên không giữa nút 7 và 8 bằng cáp ........................................................................................... 86 xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BIL Mức điện áp xung sét (BIL - Basic impulse level) CC Cuối cáp CIGRE Tổ chức quốc tế về lưới điện lớn (Conseil International des Grands Reseaux Electriques) CSV Chống sét van ĐC Đầu cáp DCS Dây chống sét ĐDK Đường dây trên không EMTP/ATP Chương trình tính toán quá độ điện từ (Electromagnetic Transients Program) EPDM Cách điện EPDM (Ethylene propylene diene monomer) EPR Cách điện EPR (Ethylene propylen rubber) EVN Tập đoàn Điện lực Việt Nam HPFF Cáp chất lỏng áp suất cao (High presssure fluid filled) HPGF Cáp cách điện khí áp suất cao (High pressure gas filled) HTS Cáp siêu dẫn nhiệt độ cao (High temperature superconducting cable) HVAC Truyền tải điện xoay chiều (High Voltage Alternating Current) IEEE Hội Kỹ sư Điện và Điện tử (Institute of Electrical and Electronics Engineers) LCC Bộ biến đổi theo dòng điện (Line-commutated converter) LPP Giấy polypropylene cán theo lớp (Laminated polypropylene) MCOV Điện áp làm việc liên tục lớn nhất (Maximum continuous operating voltage OF Cáp dầu (Oil filled cables) PCC Điểm đấu nối (Point of Common Coupling) xii
PE Cách điện PE (Polyethylene) POF Cáp khí nén (Presurized gas filled cables) PT Cáp dầu trong ống áp lực (Pipe Type Cable) PV Pin mặt trời (Photovoltaic) SC Cáp đơn lõi đồng trục (Single-core Coaxial cable) SCFF Cáp tự chứa dầu (Seld-contained fluid filleds) SSR Cộng hưởng dưới đồng bộ (Subsynchronous Resonance) SVL Thiết bị hạn chế điện áp vỏ cáp (Sheath Voltage Limiters) TBD Thiết bị điện TDD Tổng độ méo theo dòng tải định mức (Total Demand Distortion) THD Tổng độ méo sóng hài (Total Harmonic Distortion) TOV Quá điện áp tạm thời (Temporary Overvoltage) TSO Cơ quan vận hành hệ thống truyền tải (Transmission System Operators) VSC Bộ biến đổi dạng nguồn áp (Voltage-source converters) XLPE PE liên kết chéo (Cross-Linked Polyethylene) xiii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Mức độ tăng trưởng của phụ tải kèm theo sự xuất hiện các trung tâm phụ tải mới cũng như sự đa dạng về cơ cấu nguồn điện là động lực chính của việc mở rộng hệ thống truyền tải Việt Nam trong những thập kỷ qua. Lưới truyền tải ngày càng được mở rộng cả về quy mô lẫn độ phức tạp với chiều dài đường dây tăng trung bình 20% trong mỗi 5 năm kể từ năm 2015 [1]. Tuy nhiên, việc mở rộng và xây mới đường dây truyền tải trên không ngày càng khó khăn do hạn chế về quỹ đất, giải phóng mặt bằng, các quan ngại về sức khỏe do tiếng ồn, điện từ trường xung quanh đường dây cũng như hạn chế về cảnh quan và môi trường. Chính vì vậy, hạ ngầm một phần lưới truyền tải đang là lựa chọn tất yếu ở Việt Nam cũng như các hệ thống điện trên thế giới. Không những thế việc ngầm hóa lưới điện truyền tải đã được luật hóa ở một số nước trên thế giới, ví dụ như chính phủ Đan Mạch quyết định hạ ngầm toàn bộ đường dây 132 kV đến 150 kV hiện có vào trước năm 2030 và tất cả các đường dây 400 kV xây mới đều phải sử dụng cáp ngầm [2]. Hà Lan có chính sách một km đường dây trên không xây mới phải được đổi bằng việc hạ ngầm một km đường dây trên không hiện tại, Đức có chính sách đường dây 110 kV buộc phải sử dụng cáp ngầm nếu hệ số chi phí so với đường dây trên không nhỏ hơn 2,75 lần [3]. Tuy nhiên, thay thế đường dây trên không bằng cáp ngầm trên diện rộng ở lưới truyền tải trong tương lai chỉ có thể tiến hành từng bước bởi hai lý do. Thứ nhất là chi phí xây dựng một đường dây cáp đắt hơn đường dây trên không có cùng công suất truyền tải nhiều lần [4]. Thứ hai là hiểu biết và kinh nghiệm vận hành cáp ở lưới truyền tải còn rất hạn chế do cáp ngầm chỉ chiếm một tỉ lệ rất khiêm tốn về chiều dài (dưới 2%) ở lưới truyền tải từ 220 kV trở lên [5]. Giá thành cao cộng với sự chưa sẵn sàng về công nghệ làm cho việc sử dụng cáp ngầm chỉ giới hạn ở các đoạn ngắn với lý do đặc biệt về địa hình. Kỷ lục về chiều dài của cáp truyền tải hiện nay chỉ là 40 km cáp 500 kV của Nhật Bản từ năm 2000 [6] và 88 km ở cấp 220 kV ở lưới điện bang Victoria (Úc) [7]. Các dự án cáp truyền tải khác ở cấp 380 kV đến 400 kV cũng chỉ có độ dài từ vài km đến vài chục km [8]. Các cơ quan vận hành lưới truyền tải (Transmission System Operator - TSO) vẫn đang trong giai đoạn học hỏi để làm chủ việc vận hành lưới điện với đường dây cáp dài và phức tạp, công nghệ chế tạo cáp cũng cần thời gian để đạt độ chín (mature) về độ tin cậy và chi phí. Do đó tương lai gần của lưới truyền tải sẽ là kết hợp giữa đường dây trên không và cáp để trở thành các đường dây truyền tải hỗn hợp, trong đó cáp ngầm sẽ được sử dụng ở khu đông dân cư hoặc khu vực không thể sử dụng đường dây trên không do quy định về cảnh quan và môi trường [9]. Chỉ xét riêng trên phương diện quá điện áp, ghép nối giữa đường dây trên không và cáp để thành lưới truyền tải hỗn hợp đặt ra những thách thức lớn về mặt kỹ thuật vận hành. Ở chế độ quá độ đóng cắt hoặc do sét, đặc điểm dễ nhận thấy là sự khác nhau giữa tổng trở sóng của đường dây trên không và cáp làm xuất hiện sóng phản xạ xếp chồng ở nơi nối tiếp giữa cáp với đường dây trên không. Sự khác biệt về 1
mặt cấu trúc giữa đường dây trên không và cáp cũng làm các quá trình quá độ ở đường dây hỗn hợp phức tạp hơn nhiều. Đối với đường dây trên không, do khoảng cách giữa các dây pha lớn, cảm ứng từ (magnetic coupling) giữa các dây pha là không đáng kể dẫn tới dòng trở về nguồn chỉ đi qua đất. Ngược lại, đối với cáp có ít nhất hai phần dẫn điện trong một sợi cáp đơn (lõi cáp và vỏ cáp) chỉ cách nhau chiều dày cách điện. Ngoài ra các sợi cáp cũng đặt gần nhau dẫn tới cảm ứng từ trường giữa lõi với vỏ trong một pha, giữa lõi với lõi và vỏ với vỏ ở các pha khác nhau, có trị số lớn. Do vậy dòng điện trở về nguồn đi qua cả vỏ cáp và đất. Hiện tượng cảm ứng này càng nổi bật ở tần số cao dẫn đến quá trình truyền sóng trong cáp và khi kết hợp với đường dây trên không bị ảnh hưởng mạnh bởi môi trường đặt cáp. Những hiện tượng kể trên kết hợp với môi trường đặt cáp khác nhau và phương thức nối đất vỏ cáp dẫn đến tính toán quá điện áp trên vỏ cáp trở nên phức tạp và chỉ có thể xác định được đối với mỗi đường dây truyền tải cụ thể. Ở chế độ xác lập, do cáp truyền tải có điện dung đơn vị lớn hơn đường dây trên không vài chục lần trong khi điện cảm đơn vị lại nhỏ hơn đường dây trên không nên tổng trở sóng của cáp nhỏ hơn tổng trở sóng của đường dây trên không hàng chục lần. Vì vậy đường dây trên không luôn làm việc ở chế độ tải công suất lớn hơn công suất tự nhiên để đạt giới hạn về nhiệt của dây dẫn. Trong khi đó cáp được vận hành ngược lại, dưới giới hạn về nhiệt nhưng nhỏ hơn công suất tự nhiên của cáp. Điện dung cáp lớn làm điện áp ở cuối cáp và dòng điện điện dung chạy trong cáp rất lớn, có khi lớn hơn cả khả năng tải dòng điện (ampacity) của cáp, dẫn tới phải lắp kháng bù ngang để tiêu thụ phần công suất phản kháng của cáp [10]. Sự có mặt của cả điện dung cáp và điện cảm của kháng bù ngang cho cáp kết hợp với điện cảm của đường dây trên không có thể gây nên hiện tượng quá điện áp tạm thời ở đường dây truyền tải hỗn hợp, hiện tượng mất điểm không (zero missing phenomenon) trong máy cắt và hiện tượng cộng hưởng [11]. Ở chế độ quá độ đóng cắt hoặc do sét, đặc điểm dễ nhận thấy là sự khác nhau giữa tổng trở sóng của đường dây trên không và cáp làm xuất hiện sóng phản xạ xếp chồng ở nơi nối tiếp giữa cáp với đường dây trên không. Sự khác biệt về mặt cấu trúc giữa đường dây trên không và cáp cũng làm các quá trình quá độ ở đường dây hỗn hợp phức tạp hơn nhiều. Thay thế của đường dây trên không bằng cáp làm cho tương quan giữa các thành phần điện cảm và điện dung trong mạch Thevenin thay đổi, dẫn đến tần số cộng hưởng của hệ thống có xu hướng dịch về dải tần số thấp. Sự dịch chuyển tần số cộng hưởng này làm cho tương tác giữa tổng trở của lưới với các nguồn sóng hài ở tần số thấp trở nên nguy hiểm hơn trên phương diện quá điện áp. Ngoài ra, chuyển từ đường dây trên không thành đường dây hỗn hợp cũng có những thách thức khác như giảm độ ổn định của hệ thống [9], phương pháp tính toán tổng trở thứ tự không trong bảo vệ đường dây [12] hay chiều dài tới hạn của cáp có thể được sử dụng [13]. Như vậy khi thay thế đường dây trên không bằng cáp để trở thành đường dây truyền tải hỗn hợp đặt ra hai vấn đề về quá điện áp. Thứ nhất là quá điện áp trên cách điện cáp (bao gồm cách điện chính của cáp và cách điện vỏ cáp) do tác động của các hiện tượng quá độ tần số cao ở đường dây trên không hoặc trạm biến áp lan truyền vào cáp như sét hoặc đóng cắt. Trong trường hợp này mặc dù cáp không chịu trực tiếp các hiện tượng quá độ đó nhưng cấu tạo khác biệt của cáp dẫn đến quá điện áp trên cách điện cáp trở nên nghiêm trọng hơn so với các thiết bị ở đường dây trên không và trạm. Thứ hai là quá điện áp trên các thiết bị khác do sự có mặt của cáp. 2
Điện dung lớn của cáp làm cho các hiện tượng cộng hưởng trên lưới truyền tải dịch chuyển xuống khu vực tần số thấp. Quá điện áp do các hiện tượng này xảy ra ở tần số thấp hơn nhiều so với tần số của sét và đóng cắt dẫn đến quá điện áp trên các thiết bị lân cận của cáp. Trái lại với trường hợp thứ nhất, trong trường hợp này cáp lại trở thành một tác nhân gây quá điện áp ngược lại với các thiết bị khác và xảy ra ở tần số thấp hơn. Do đó nghiên cứu quá điện áp cho đường dây truyền tải hỗn hợp cần phải được tiến hành trên toàn bộ miền tần số, không chỉ cho cách điện của cáp mà cả đối với cách điện của các thiết bị lân cận với cáp. 2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Đường dây truyền tải hỗn hợp chỉ mới xuất hiện gần đây nên các nghiên cứu về chúng thường chỉ tập trung vào khía cạnh khả thi về mặt kỹ thuật của đường dây truyền tải hỗn hợp ở một cấp điện áp cụ thể [9], [10], [14]. Cụ thể hơn các nghiên cứu tập trung vào một vấn đề cho một cấp điện áp như quá điện áp do sét, quá điện áp thao tác [15]–[18], quá điện áp khi đóng kháng vào đường dây hỗn hợp [13], [19], [20]. Tính toán quá điện áp để lựa chọn cách điện chính hoặc bảo vệ cho cách điện chính chỉ thực hiện cho cáp ở cấp 380 kV của lưới điện châu Âu [21], [22]. Quá điện áp trên cả cách điện chính và cách điện vỏ được tính toán cho cáp dầu với cấp điện áp điển hình của 150 kV của Bắc Mỹ [23] hoặc 110 kV và 132 kV của Nhật Bản [24], [25]. Các hiện tượng khác ở đường dây hỗn hợp như mất điểm không ở máy cắt trong khi đóng cắt luân phiên kháng bù ngang ở hai đầu đường dây cũng chỉ xét cho lưới 380 kV [26]–[30]. Tính đặc thù này còn có thể kể đến các nghiên cứu khác về tính toán quá điện áp sét cho đường dây truyền tải hỗn hợp một chiều (HVDC) ở cấp điện áp 525 kV của Đức [31], [32] hoặc 500 kV của Mỹ [33],[34]. Tính toán quá nhiệt đối với cách điện của cáp trong các môi trường đặt cáp khác nhau [35]–[38]. Tính toán lựa chọn thiết bị bảo vệ cho cách điện của cáp ở lưới trung áp [39]–[42]. Đường cáp truyền tải hỗn hợp ở Việt Nam chỉ bắt đầu xuất hiện từ năm 2004, đường dây 220 kV dài 9,64 km giữa trạm Tao Đàn và trạm Nhà Bè với đoạn cáp dài 6,3 km nối với 3,34 km trên không. Kể từ đó đến nay, các đường dây 220 kV hỗn hợp xuất hiện ngày càng nhiều như tóm tắt trong bảng 1. Mặc dù vậy, các tính toán về quá điện áp ở các đường dây này đều phụ thuộc hết vào phía nhà cung cấp cáp. Các đơn vị tư vấn cũng như vận hành trong nước có rất ít kinh nghiệm và khả năng xử lý những vấn đề này khi sự cố do quá điện áp bởi các hiện tượng quá độ điện từ gây ra. Các quy định hiện hành về vận hành và bảo dưỡng dành riêng cho cáp còn khá sơ khai. Quy phạm trang bị điện của Bộ công thương [43] chỉ có phần II.3 đề cập đến các yêu cầu rất chung của cáp như lựa chọn phương thức đặt cáp, lựa chọn loại cáp, đầu nối…, phần nối đất khá sơ sài dường như chỉ viết cho cáp phân phối, không hề có tham chiếu nào đến các tiêu chuẩn hiện hành như IEEE 575 [44] , IEC 60287 [45]. Trong quy phạm hoàn toàn không đề cập đến các giới hạn về quá điện áp do quá độ (sét, đóng cắt, ngắn mạch). Hầu như chưa có bất kỳ nghiên cứu nào về các hiện tượng quá điện áp cho một đường dây có cấu trúc hỗn hợp trong các điều kiện đặc thù về vận hành của lưới truyền tải Việt Nam. 3
Bảng 1. Một số dự án xây dựng tuyến cáp gần đây tại Việt Nam Nghiên cứu về hiện tượng quá điện áp đối với đường dây truyền tải hỗn hợp xét đến đặc thù của lưới truyền tải Việt Nam sẽ đóng góp vào hiểu biết chung về quá điện áp trong xu hướng sử dụng đường dây truyền tải hỗn hợp trên thế giới. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để góp phần vào việc vận hành an toàn lưới điện truyền tải Việt Nam ở hiện tại, đồng thời cung cấp một số hiểu biết nền tảng nhằm xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật cho đường dây truyền tải hỗn hợp của Việt Nam trong tương lai. 3. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu Thông qua tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước liên quan đến bài toán nghiên cứu quá điện áp trong lưới điện truyền tải hỗn hợp, có thể nhận thấy còn một vài vấn đề còn tồn tại sau: - Các nghiên cứu thường có tính địa phương hóa cao, riêng biệt với mục đích để xây dựng đường dây hỗn hợp tại một vị trí cụ thể với các thông số hệ thống (cấp điện áp, loại cách điện, phương thức đặt cáp, môi trường đặt cáp) của địa điểm có đường dây hỗn hợp. - Các nghiên cứu chỉ tập trung vào một dải tần số mà chưa xét đến ảnh hưởng của cáp trong đường dây hỗn hợp trên toàn bộ miền tần số, từ tần số của quá điện áp tạm thời đến quá điện áp sét. - Các nghiên cứu chủ yếu xét đến quá điện áp trên lõi cáp mà ít quan tâm đến quá điện áp trên vỏ cáp cho nên cách lựa chọn thiết bị hạn chế điện áp vỏ cáp (SVL) rất sơ sài và cũng không xét đến môi trường đặt cáp cũng như hiện tượng truyền sóng trên vỏ cáp. Đối với điện áp trên lõi cáp cũng chỉ xét đến 2 đầu cáp, nơi kết nối với đường dây trên không có đặt CSV. 4
- Các nghiên cứu về quá điện áp do cộng hưởng chỉ tập trung vào phần sóng hài do bản thân các phần tử hệ thống điện gây ra như máy biến áp hoặc các tải phi tuyến mà chưa chú ý đến tác động của các nguồn năng lượng mới sẽ kết nối với lưới truyền tải trong tương lai gần. Để khắc phục các vấn đề còn tồn tại trên, nghiên cứu của luận án sẽ tập trung vào các hướng sau: - Nghiên cứu tính toán quá điện áp trên cách điện của lõi và vỏ cáp khi có quá điện áp khí quyển lan truyền từ đường dây trên không vào cáp xét đến ảnh hưởng của cấu trúc cáp cũng như môi trường đặt cáp. - Nghiên cứu phương thức nối đất vỏ cáp phù hợp cho cáp dùng trong đường dây truyền tải hỗn hợp, cách lựa chọn thiết bị hạn chế quá điện áp trên vỏ cáp với các thông số của lưới điện truyền tải Việt Nam. - Nghiên cứu tính toán xác định vị trí xuất hiện quá điện áp lớn nhất trên lõi và vỏ cáp trên đường dây truyền tải điện có cấu trúc hỗn hợp xét đến kiểu nối đất vỏ cáp và chiều dài cáp. - Nghiên cứu ảnh hưởng của các nguồn sóng hài khác nhau đến quá điện áp cộng hưởng của lưới truyền tải có cấu trúc hỗn hợp, tính toán áp dụng cho lưới điện truyền tải Việt Nam. 4. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu A. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm: - Nghiên cứu hiện tượng quá điện áp trên cáp sử dụng trong đường dây truyền tải hỗn hợp trong dải tần số từ tần số quá điện áp tạm thời đến quá điện áp sét. - Quá điện áp trên cách điện được nghiên cứu tính toán cho cả lõi cáp và vỏ cáp để từ đó xác định phương thức nối vỏ và bảo vệ cách điện phù hợp với các thông số đầu vào là của lưới điện truyền tải Việt Nam. B. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là đường dây truyền tải hỗn hợp cáp và đường dây trên không 220 kV với phạm vi nghiên cứu là các thông số của lưới điện truyền tải Việt Nam. C. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết và sử dụng công cụ mô phỏng quá độ điện từ EMTP/ATP Phương pháp nghiên cứu sử dụng kết hợp nhiều cách tiếp cận: - Sử dụng phân tích tổng quan để tìm hướng nghiên cứu. - Sử dụng phân tích lý thuyết để tính toán quá điện áp trên lõi và vỏ cáp. - Tính toán mô phỏng kiểm chứng cho lưới điện Việt Nam để có các ứng dụng cụ thể. 5