Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp 110kv Sơn La

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:102

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu hiện trạng bảo vệ chống sét cấp 2 cho Trạm biến áp 110 kV Sơn La. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của bảo vệ bằng chương trình ATPEMTP, từ đó nghiên cứu các giải pháp cải tiến bảo vệ theo tiêu chuẩn chuẩn quốc tế.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp 110kv Sơn La

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN HỮU THỨC NGHIÊN CỨU PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN CHO TRẠM BIẾN ÁP 110 KV SƠN LA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN THÁI NGUYÊN, 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN HỮU THỨC NGHIÊN CỨU PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN CHO TRẠM BIẾN ÁP 110 KV SƠN LA NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Đức Tường THÁI NGUYÊN, 2020
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Hữu Thức Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Đức Tường Đề tài luận văn: “nghiên cứu phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp 110kv Sơn La ”. Ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 8520201 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 10/10/2020 với các nội dung sau: - Đã sửa một số lỗi chính tả, lỗi chế bản trong luận văn. - Đã chỉnh sửa một số nội dung theo ý kiến của Hội đồng bào vệ. Thái Nguyên, ngày 26 tháng 10 năm 2020 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận văn TS. Nguyễn Đức Tường Nguyễn Hữu Thức CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS. Đỗ Trung Hải i
LỜI CAM ĐOAN Họ và tên: Nguyễn Hữu Thức Học viên: Lớp cao học K21, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Nơi công tác: Công ty Điện lực Sơn La Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp 110 kV Sơn La.”. Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Đức Tường và sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 9 năm 2020 Học viên thực hiện Nguyễn Hữu Thức ii
LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của TS. Nguyễn Đức Tường, người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho tôi. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hòan thành đề tài nghiên cứu này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn những đóng góp quý báu của các bạn cùng lớp động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến các cơ quan xí nghiệp đã giúp tôi khảo sát tìm hiểu thực tế và lấy số liệu phục vụ cho luận văn. Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã luôn động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 9 năm 2020 Học viên Nguyễn Hữu Thức iii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii MỤC LỤC .................................................................................................................iv DANH MỤC VIẾT TẮT ........................................................................................vii DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... x PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 I. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 1 II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 2 III. Phạm vi nghiên cứu............................................................................................. 2 IV. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ........................................................................... 2 V. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 2 VI. Kết cấu của luận văn ........................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH DÔNG SÉT VÀ PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 2 CHO TRẠM BIẾN ÁP ........................................ 4 I. Cơ chế hình thành và phát triển dông sét. ............................................................. 4 II. Quá trình hình thành phóng điện sét. ................................................................... 6 1. Giai đoạn phóng điện tiên đạo bước ................................................................... 6 2. Phóng điện ngược ............................................................................................... 7 III. Tham số của phóng điện sét ảnh hưởng tới hệ thống điện ................................. 9 1. Khoảng cách sét đánh ......................................................................................... 9 2. Dòng điện sét .................................................................................................... 10 3. Độ dốc đầu sóng dòng điện sét ......................................................................... 11 4. Cường độ hoạt động của sét.............................................................................. 11 5. Mật độ sét phóng điện xuống đất ...................................................................... 13 IV. Phương thức bảo vệ chống sét cho trạm biến áp .............................................. 14 1. Phương pháp thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp ..................................... 16 2. Bảo vệ chống sét cấp 2 cho trạm biến áp.......................................................... 18 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.......................................................................................... 20 iv
CHƯƠNG 2: HIỆN TRẠNG TRẠM BIẾN ÁP 110 KV SƠN LA ..................... 21 I. Tổng quan về trạm biến áp 110kV Sơn La .......................................................... 21 1. Vai trò của trạm biến áp 110kV Sơn La ........................................................... 21 2. Thông số máy biến áp ....................................................................................... 22 3. Thông số máy biến áp T2: ................................................................................ 25 II. Hiện trạng của hệ thống bảo vệ chống sét cấp 2 của trạm 110kV Sơn La ......... 27 III. Tình hình sự cố lưới điện tỉnh sơn la và trạm biến áp 110kV Sơn La .............. 28 IV. Khảo sát tình hình dông sét trên địa bàn Tỉnh Sơn La ..................................... 29 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.......................................................................................... 30 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TRẠM BIẾN ÁP 110 KV SƠN LA BẰNG CHƯƠNG TRÌNH ATPDRAW ................................................................................................ 31 I. Chương trình ATP-EMTP ................................................................................... 31 II. Phân hệ chương trình ATPDraw ........................................................................ 32 1. Phần tử đo lường: .............................................................................................. 32 2. Nh¸nh (Branches) ............................................................................................. 33 3. Đường dây và cáp (Lines/Cables)..................................................................... 34 4. Chuyển mạch (Switches). ................................................................................. 35 5. Nguồn (Sources). .............................................................................................. 36 6. Máy biến áp điện lực (Transformers). .............................................................. 37 III. Mô phỏng Trạm biến áp 110 kV Sơn La bằng chương trình ATPDraw .......... 38 1. Giới thiệu .......................................................................................................... 38 2. Mô hình trạm biến áp 110 kV Sơn La trong chương trình ATPDraw.............. 38 3. Mô hình các phần tử trong sơ đồ ...................................................................... 40 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.......................................................................................... 53 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ TIN CẬY CỦA BẢO VỆ CẤP 2 CỦA TRẠM BIẾN ÁP 110 KV SƠN LA. ....................... 54 I. Giới thiệu chung về chống sét van ...................................................................... 54 2. Đặc tính phi tuyến của chống sét van. .............................................................. 58 III. Độ dự trữ cách điện ........................................................................................... 60 1. Hệ số bảo vệ ...................................................................................................... 60 v
2. Hệ số dự trữ cách điện ...................................................................................... 62 3. Hệ số dự trữ cách điện của các thiết bị điện trong trạm biến áp....................... 63 III. Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số dòng điện sét ........................................... 63 1. Ảnh hưởng độ lớn đỉnh xung dòng điện sét. .................................................... 63 2. Ảnh hưởng độ dốc đầu sóng dòng điện sét. ...................................................... 65 IV. Ảnh hưởng phương thức bảo vệ các xuất tuyến ............................................... 66 1. Ảnh hưởng của điện trở chân cột tới quá điện áp ............................................. 67 2. Ảnh hưởng của vị trí sét đánh ........................................................................... 69 V. Ảnh hưởng của số lượng và vị trí chống sét van ............................................... 71 1. Không lắp đặt chống sét van ............................................................................. 71 2. Bổ sung thêm chống sét van ............................................................................. 72 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ........................................................................................ 74 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 84 vi
DANH MỤC VIẾT TẮT ATP- Alternative Transients Program- Electromagnetic Transients EMTP Program Chương trình nghiên cứu quá độ điện từ BIL Basic insulation level- Mức cách điện xung cơ bản BSL basic surge withstand lever- Cường độ cách điện xung đóng cắt CĐ Cách điện CSV Chống sét van CWW chopped wave withstand- Cường độ cách điện đỉnh xung sét FACTS Flexible Alternating Current Transmission System Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FOW front of wave- Điện áp phóng điện thời gian đầu sóng IEC International Electrotechnical Commission Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers- Viện kỹ nghệ điện và điện tử LPL Lightning impulse Protective Level- Mức bảo vệ xung sét MOCV Maximum Fundamental Frequency Continuous Operating Voltage Applied to Arrester Điện áp làm việc liên tục lớn nhất ở tần số 50Hz đặt lên chống sét SPL switching surge protective (sparkover) level- Mức bảo vệ xung đóng cắt STATCO Static Synchronous Compensator- Tụ bù đồng bộ kiểu tĩn M SVC Static VAR compensator Thiết bị bù công suất phản kháng kiểu tĩnh TACS Transients Analysis Control System- hệ thống kiểm soát phân tích quá độ TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor tụ điện được nối song song với một điện cảm điều khiển bằng cách thay đổi góc mở của thyristor TOV Temporary fundamental frequency overvoltages to which the arrester may be exposed-Điện áp quá áp tạm thời ở tần số 50Hz mà chống sét có thể phải chịu đựng vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. 1. Quá trình hình thành đám mây dông .......................................................... 4 Hình 1. 2. Sự phân bố điện tích trong đám mây ......................................................... 5 Hình 1. 3. Các giai đoạn phóng điện sét từ đám mây xuống đất ................................ 7 Hình 1. 4. Quá trình hình thành của sét được ghi lại bằng camera tốc độ cao ........... 8 Hình 1. 5. Phương thức bảo vệ chống sét cấp 2 cho trạm biến áp ............................ 18 Hình 2. 1. Sơ đồ nguyên lý 1 sợi trạm biến áp 110 kV Sơn La ................................ 21 Hình 2. 2.Tần suất xuất hiện sét theo tháng ............................................................. 29 Hình 2. 2.Tần suất xuất hiện sét theo giờ trong ngày .............................................. 29 Hình 3. 1. Mô hình trạm biến áp 110 kV Sơn La trong chương trình ATPDraw ..... 40 Hình 3. 2. Mô hình và thông số nguồn hệ thống ....................................................... 40 Hình 3. 3. Mô hình 1 khoảng cột của xuất tuyến 172/173 ........................................ 42 Hình 3. 4. Mô hình cột điện ...................................................................................... 44 Hình 3. 5. Mô hình và thông số chuỗi cách điện ...................................................... 46 Hình 3. 6. Mô hình và thông số nguồn sét ................................................................ 46 Hình 3. 7. Mô hình và thông số dây dẫn trong trạm ................................................. 47 Hình 3. 8. Mô hình và thông số máy biến áp kiểu tụ ................................................ 48 Hình 3. 9. Đặc tính V-A của chống sét van .............................................................. 50 Hình 3. 10. Cài đặt thông số chương trình ATPDraw .............................................. 50 Hình 4. 1. Cấu tạo chống sét van trên cơ sở SiC.......................................................55 Hình 4. 2. Đặc tính làm việc của chống sét van ........................................................55 Hình 4. 3. Cấu tạo của CSV không khe hở ZnO .......................................................56 Hình 4. 4. Chống sét van ZnO có khe hở song song điện trở ...................................57 Hình 4. 5. Chống sét van ZnO có khe hở song song tụ điện.....................................58 Hình 4. 6. Đặc tính phi tuyến (V-A) của tấm điện trở ZnO ......................................59 Hình 4. 7. Hệ số dự trữ các điện................................................................................62 viii
Hình 4. 8. Điện áp 3 pha trên đầu cực máy biến áp T1 .............................................64 Hình 4. 9. a) Điện áp pha A trên đầu cực T1 theo độ lớn của đỉnh xung sét. ...........64 Hình 4. 10. Điện áp trên đầu cực T1 phụ thuộc độ dốc đầu sóng dòng điện ............66 Hình 4. 11. Sự phụ thuộc điện áp trên đầu cực T1 vào điện trở nối đất chân cột .....67 Hình 4. 12. Điện áp trên đầu cực máy biến điện áp đo lường đường dây ................67 Hình 4. 13.. Điện áp trên đầu cực máy biến áp T1 ...................................................69 Hình 4. 14. Điện áp trên đầu cực T1 và các TU........................................................69 Hình 4. 15. Điện áp trên đầu cực T1, TU173 và TUC11 ..........................................71 Hình 4. 16. Điện áp trên đầu cực TU171, TU173, TU174 và TU176 ......................72 ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1: Giá trị trung bình của đỉnh I và S. ........................................................... 10 Bảng 1. 2: Cường độ hoạt động của dông sét tại các khu vực trong cả nước ........... 13 Bảng 1. 3: Tổng hợp các nghiên cứu về mật độ phóng điện sét xuống đất .............. 14 Bảng 2. 1. Đặc tính kỹ thuật của máy biến áp T1 ..................................................... 23 Bảng 2. 2. Điện áp các nấc điều chỉnh của máy biến áp T1 ..................................... 24 Bảng 2. 3. Đặc tính kỹ thuật của máy biến áp T2 ..................................................... 25 Bảng 2. 4. Điện áp các nấc điều chỉnh của máy biến áp T1 ..................................... 26 Bảng 3. 1. Khả năng mô phỏng của ATPDraw ......................................................... 32 Bảng 3. 2. Nhánh tuyến tính đơn .............................................................................. 33 Bảng 3. 3. Nhánh phi tuyến ....................................................................................... 33 Bảng 3. 4. Các mô đun thông số tập trung ................................................................ 34 Bảng 3. 5. Các mô đun không phụ thuộc tần số........................................................ 34 Bảng 3. 6. Đường dây LCC....................................................................................... 35 Bảng 3. 7. Chuyển mạch ........................................................................................... 35 Bảng 3. 8. Nguồn dòng điện và điện áp .................................................................... 36 Bảng 3. 9. Máy biến áp ............................................................................................. 37 Bảng 3. 10. Các dạng nguồn và nhánh khác ............................................................. 38 Bảng 3. 11. Thông số xuất tuyến 172/173 trong LCC .............................................. 43 Bảng 3. 12. Thông số cột điện................................................................................... 45 Bảng 3. 13. Thông số máy biến áp. ........................................................................... 48 Bảng 3. 14. Thông số chống sét van ......................................................................... 49 Bảng 3. 15. Thông số chống sét van pha .................................................................. 49 Bảng 3. 16. Thông số chống sét van trung tính......................................................... 49 Bảng 4. 1. Quy đổi cường độ các điện xung kích cơ bản (BIL) ...............................61 Bảng 4. 2. Điện áp chịu đựng tính toán của máy biến áp và TU ..............................63 x
Bảng 4. 3. Xác suất xuất hiện dòng điện sét lớn hơn hoặc bằng I (kA)....................63 Bảng 4. 4. Sự phụ thuộc đỉnh xung điện áp vào độ dốc đầu sóng dòng điện sét. .....66 Bảng 4. 5. Đánh giá độ dự trữ cách điện cho các thiết bị điện trong TBA ...............68 Bảng 4. 6. Độ dự trữ cách điện cho các thiết bị điện trong TBA ..............................70 Bảng 4. 7. Độ dự trữ cách điện khi lắp đặt thêm 04 chống sét van ..........................73 xi
PHẦN MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài Trạm biến áp trong quá trình vận hành thường xuyên chịu tác động của phóng điện sét gây ra quá điện áp đánh thủng cách điện, sự cố ngắn mạch, chạm đất vv… hậu quả là làm hư hỏng thiết bị điện và thiết bị điều khiển trong trạm, gián đoạn cung cấp điện trong thời gian dài, gây mất ổn định hệ thống, mất an toàn cho con người, gây thiệt hại về kinh tế [1, 2, 3] vv… Do vậy việc bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp (bảo vệ chống sét cấp 2) là đặc biệt quan trọng trong thiết kế và vận hành, nhằm hạn chế tối đa quá điện áp nguy hiểm xuất hiện trong trạm biến áp. Bảo vệ chống sét cấp 2 nhằm hạn chế độ lớn điện áp dư của sóng cắt [4, 5]. Cấp bảo vệ này thường ứng dụng để bảo vệ các thiết bị điện trong trạm biến áp và/hoặc lắp đặt các thiết bị chống quá áp nhằm tiêu tán năng lượng của xung cắt. Phương thức bảo vệ phải đảm bảo rằng độ lớn và độ dốc đầu sóng của quá điện áp tác dụng lên cách điện của trạm biến áp phải đủ nhỏ (mức dự trữ cách điện đủ lớn) sao cho tần suất phóng điện trung bình trong trạm biến áp do quá điện áp khí quyển đạt tới 50 năm hay 100 năm [5, 6, 7]. Theo thống kê, năm 2011, có 145 sự cố đường dây thì có 100 sự cố do sét, chiếm tỉ lệ 69%; năm 2012, có 119 sự cố do sét/173 sự cố, chiếm 68%; năm 2013, 77 sự cố do sét/149 sự cố, chiếm 52%; năm 2014, 127 sự cố do sét/167 sự cố, chiếm 77%; năm 2015, 72 sự cố do sét/168 sự cố, chiếm 43% và 6 tháng đầu năm 2016 có 58 sự cố do sét/84 sự cố, chiếm 69% . Trong đó, phần lớn sự cố do sét xảy ra trên địa bàn do Công ty Truyền tải điện 1 quản lý (từ tỉnh Hà Tĩnh trở ra Bắc): Năm 2011 chiếm 71%; năm 2012 chiếm 67%; năm 2013 chiếm 69%; năm 2014 chiếm 61%; năm 2014 chiếm 69% và 6 tháng đầu năm 2016 là 72%. Các sự cố có nguyên nhân do sét thường tập trung từ tháng 4 đến tháng 9 hàng năm [8]. Mặt khác, Sơn La nằm trong vùng miền núi phía Tây Bắc Việt Nam có mật độ sét lớn, điện trở suất của đất tương đối cao. Hơn nữa do thiếu dữ liệu về sét đã dẫn đến các tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho đường dây và trạm biến áp chưa đạt yêu cầu, việc phân tích nguyên nhân sự cố gặp khó khăn do không xác định được các nguyên nhân, vị trí sét đánh nên giải pháp bảo vệ chưa phù hợp và chưa hiệu quả [8]. 1
Xuất phát từ các yêu cầu trên, trong nội dung nghiên cứu này tác giả đề xuất đề tài “Nghiên cứu phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp 110 kV Sơn La”, nhằm áp dụng các công cụ và phương pháp nghiên cứu hiện đại để phân tích và đánh giá chất lượng bảo vệ của phương thức bảo vệ hiện tại. Trên cơ sở đó đề xuất phương thức cải tiến hệ thống bảo vệ chống sét cấp 2 trên cơ sở phối hợp giữa nhiều giải pháp đồng bộ cho trạm biến áp, đảm bảo cho trạm biến áp làm việc ổn định, tin cậy [9, 10] và đạt tiêu chuẩn quốc tế. II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu hệ thống bảo vệ quá điện áp cấp 2 cho Trạm biến áp 110 kV Sơn La. III. Phạm vi nghiên cứu Trong phạm vi của đề tài, tác giả nghiên cứu và đánh giá hiện trạng hệ thống bảo vệ chống sét cấp 2 tại Trạm biến áp 110kV Sơn La bằng phương pháp hiện đại và áp dụng tiêu chuẩn thiết kế IEC, IEEE. Nghiên cứu một cách toàn diện các yếu tố ảnh hưởng tới độ tin cậy của hệ thống bảo vệ chống sét như: tham số của các phóng điện sét; tình hình bảo vệ đoạn đường dây gần trạm như góc bảo vệ, hệ thống nối đất chân cột; vị trí, số lượng và chất lượng của chống sét van; sơ đồ tự bảo vệ và cáp. Đặc biệt, quá trình tính toán và phân tích được thực hiện bằng chương trình ATP- EMTP (Alternative Transients Program- Electromagnetic Transients Program) nghiên cứu quá độ xoay chiều và quá độ điện từ. IV. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu hiện trạng bảo vệ chống sét cấp 2 cho Trạm biến áp 110 kV Sơn La. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của bảo vệ bằng chương trình ATP- EMTP, từ đó nghiên cứu các giải pháp cải tiến bảo vệ theo tiêu chuẩn chuẩn quốc tế. V. Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu bao gồm nội dung nghiên cứu về lý thuyết và tính toán, phân tích trên đối tượng thực bằng phân mềm ATP-EMTP. - Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, sách tham khảo, tài liệu 2
hướng dẫn, các bộ tiêu chuẩn IEC, IEEE và bộ tiêu chuẩn Việt Nam thuộc phạm vi nghiên cứu. - Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu thực tế tại trạm biến áp 110kV Sơn La. VI. Kết cấu của luận văn Chương 1: Tổng quan về tình hình dông sét và phương thức bảo vệ chống sét cấp 2 cho trạm biến áp Chương 2: Hiện trạng Trạm biến áp 110 kV Sơn La Chương 3: Mô phỏng Trạm biến áp 110 kV Sơn La bằng chương trình ATPDraw Chương 4: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới độ tin cậy của bảo vệ cấp 2 của Trạm biến áp 110 kV Sơn La 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH DÔNG SÉT VÀ PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 2 CHO TRẠM BIẾN ÁP I. Cơ chế hình thành và phát triển dông sét. Quá trình hình thành các đám mây điện và phóng điện sét đã được nghiên cứu từ năm 1730-1752 bởi Thomas-François Dalibard (Pháp) và Benjamin Franklin (Mỹ). Tuy nhiên, hiện tượng tự nhiên phức tạp và mang tính ngẫu nhiên này đến nay là vấn đề khó khăn đối với các nhà khoa học. Cơ chế hình thành đám mây dông và đám mây điện là do bề mặt trái đất và lớp khí quyển gần mặt đất bị hâm nóng thường xuyên bởi năng lượng của ánh sáng mặt trời, gia tăng quá trình bốc hơi nước trên bề mặt và mất ổn định không khí. Sự hấp thụ nhiệt của không khí một phần từ năng lượng bức xạ trực tiếp của ánh sáng mặt trời và một phần lớn phản xạ từ phía mặt đất. Điều này có thể lý giải tại sao các cơn dông bão xảy ra ở lục địa (khoảng 80%) nhiều hơn đại dương (20%). Các đám mây này thường được hình thành ở độ cao trên 1 km so với mặt đất và ở nhiệt độ gần 0oC khi các hạt nước bắt đầu đóng băng. Tuy nhiên, các đám mây này chưa được tích điện đến mức có thể tạo ra các phóng điện sét. Hình 1. 1. Quá trình hình thành đám mây dông 4
Những cơn dông được hình thành từ sự mất ổn định trong một khoảng thời gian ngắn của những vùng không khí nóng ẩm và vùng không khí lạnh chuyển động đối lưu do có sự chênh lệch mạnh về nhiệt độ. Trong quá trình chuyển động đối lưu, dòng không khí lạnh có xu hướng đi xuống và dòng không khí nóng ẩm có xu hướng bị đẩy lên trên tạo thành cột hay tháp như Hình 1. 1. Trong quá trình chuyển động dòng không khí nóng liên tục giải phóng lượng (dưới dạng nhiệt ẩn hóa hơi) làm cho nó càng bị đẩy lên phía trên và làm tăng thêm sự mất ổn định. Tháp mây có kích thước khá lớn với độ cao trung bình từ 3 km tới 10 km và có một số ít trường hợp tới 20 km tính từ mặt đất, đường kính tới 4 km, nhiệt độ từ 0oC tới -40oC, tốc độ di chuyển ở phía dưới khoảng từ 5 đến 10 m/giây và trên đỉnh đạt khoảng 30 m/giây [11]. Vùng hoạt động của cơn bão kéo dài tới hàng trăm kilometre. Năng lượng tích lũy trong các đám mây dông chủ yếu là nhiệt ẩn hóa hơi. Trong một trường hợp điển hình, người ta đo được năng lượng của cơn bão vào khoảng 100 kWh, tương đương với một vụ nổ 20 kiloton nguyên tử. Tuy nhiên, mức năng lượng còn tùy thuộc vào quy mô của cơn bão và năng lượng tích lũy trước đó, có thể lớn hơn 10 đến 100 lần số liệu trên. Hình 1. 2. Sự phân bố điện tích trong đám mây Các điện tử tự do, các ion âm và dương luôn tồn tại sẵn có trong không khí, do có sự ion hóa liên tục bởi các tia vũ trụ, bức xạ nhiệt của tia mặt trời, do va chạm v.v.. Hơn nữa, trong quá trình chuyển động đối lưu mạnh và sự phân ly của các hạt nước lớn siêu lạnh và các tinh thể băng do va chạm thành các hạt nước nhỏ, quá trình đứt 5
gãy liên kết như vậy sẽ sản sinh ra nhiều các điện tử dư và các ion dương hơn trong đám mây hơn. Các điện tích âm được tích lũy trong các hạt tuyết (graupel - hạt nước bị đông lạnh và liên kết với tinh thể băng) có xu hướng phân bố trong vùng có nhiệt độ khoảng từ -5 oC đến -15 oC. Còn các ion dương có xu hướng tích lũy trong các tinh thể băng nhỏ ở phía trên (đa phần) và phía dưới (một phần nhỏ) của tháp mây dông, trong vùng có nhiệt độ tương ứng khoảng -15 oC đến -40 oC và -5 oC. Sự hình thành như vậy được gọi là đám mây điện (Hình 1. 2), và sự tập trung các điện tích trái dấu hình các đám mây dông phân cực với cường độ điện trường cao, khoảng 400 kV/m. Những nghiên cứu và giải thích cấu trúc của đám mây điện được cho là những đám mây có kích thước lớn hơn và nặng hơn có xu hướng tích điện âm, nên thường phân bố ở vùng giữa và phía dưới của đám mây dông. Ngược lại, các thành phần nhỏ và nhẹ hơn tích lũy điện tích dương bị đẩy lên trên và một phần nhỏ bị đẩy xuống phía dưới. Cơ chế phân bố này cũng phù hợp với các thực nghiệm trong phòng thí nghiệm của G.C. Simpson và Scrase F.J. [12]. Sự tích lũy các điện tử và điện tích dương của đám mây sẽ kéo theo sự tập trung các điện tích trái dấu phía dưới mặt đất với mật độ lớn. Khi cường độ điện trường đạt tới khoảng từ 1000 kV/m đến 3000 kV/m [13] sẽ xảy ra phóng điện giữa các vùng tích điện trái dấu trong nội bộ đám mây điện, các đám mây điện khác dấu hoặc đám mây điện với mặt đất. II. Quá trình hình thành phóng điện sét. Phóng điện sét có thể xẩy ra giữa các đám mây điện khác dấu với nhau, các đám mây điện với cấu trúc cao hay các phóng điện phát triển về phía mặt đất thường được gọi là sét (lightning). Phóng điện sét xuống đất có thể là phóng điện âm có thể là phóng điện dương. Mỗi đợt phóng điện sét hoàn thành được phân chia thành nhiều giai đoạn phát triển phóng điện, thông thường từ 3-5 giai đoạn. 1. Giai đoạn phóng điện tiên đạo bước Trong giai đoạn đầu của phóng điện sét được gọi là phóng điện tiên đạo bước (Stepped leader) thường được hình thành qua 2 bước. Trước tiên, sự tập trung các điện tích đủ lớn để gây ion hóa mạnh lớp không khí xung quanh trung tâm điện tích đám mây, sau đó phát triển thành tiên đạo bước (Hình 1. 3a). Phía đầu tia tiên đạo được nối với các trung tâm điện tích của đám mây, điện dẫn của dòng tiên đạo rất lớn vì vậy điện trường phía đầu tia tiên đạo bằng với điện trường của đám mây. Điện thế 6
đầu tia tiên đạo khoảng 50 000 kV, dòng điện tiên đạo tương đối nhỏ khoảng 100 A [14], tốc độ từ 105–2.106 m/giây [15, 16]. Dòng phóng điện là dòng Plasma tiếp tục phát triển nhanh và hướng về phía mặt đất (Hình 1. 3b), khi khoảng cách giữa đầu tia tiên đạo cách mặt đất khoảng vài trăm mét, cường độ điện trường giữa đầu tia tiên đạo và mặt đất tăng mạnh gây ion hóa không khí mạnh mẽ, hình thành dòng phóng điện từ phía mặt đất lên phía đám mây. 2. Phóng điện ngược Giai đoạn thứ hai của quá trình hình thành phóng điện sét là phóng điện ngược. Khi tia tiên đạo gây ion hóa mạnh khoảng không khí gần mặt đất sẽ xuất hiện dòng điện phóng điện ngược từ phía mặt đất lên đám mây (Hình 1. 3c, d). Dòng phóng điện ngược có giá trị trung bình là 24 kA [17]. Vận tốc của phóng điện ngược bằng khoảng 0,1 lần tốc độ ánh sáng (khoảng 3.107 m/giây), phụ thuộc vào điều kiện khí hậu. Phóng điện sét kết thúc khi dòng plasma nối liền giữa đám mây điện với đất tạo thành kênh sét. Trong giai đoạn này đa số các điện tích âm của đám mây chuyển động về phía mặt đất và ngược lại các điện tích dương chuyển động từ phía mặt đất lên đám mây theo xu hướng trung hòa về điện tích, tạo lên dòng điện sét tại nơi bị sét đánh. Lượng điện tích từ đám mây theo kênh sét đi vào trong đất bằng với lượng điện tích trái dấu chuyển động về phía đám mây. Phóng Quá trình điện kết nối ngược a) b) c) d) e) Phóng Tiên đạo điện lặp mũi nhọn lại f) g) h) Hình 1. 3. Các giai đoạn phóng điện sét từ đám mây xuống đất 7