Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Thiết kế và thi công mô hình định vị sự cố cáp ngầm trung thế

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn “Thiết kế và thi công mô hình định vị sự cố cáp ngầm trung thế” có nội dung chủ yếu: Nêu được tầm quan trọng của luận văn. Từ đó nói được yêu cầu và tính cấp thiết của; Phân loại và sự ảnh hưởng của các loại sự cố lên lưới điện phân phối; Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán vị trí sự cố và giá trị điện trở tại điểm sự cố.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Thiết kế và thi công mô hình định vị sự cố cáp ngầm trung thế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TẤN VĂN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ÐỊNH VỊ SỰ CỐ CÁP NGẦM TRUNG THẾ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 0 5 9 7 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TẤN VĂN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ SỰ CỐ CÁP NGẦM TRUNG THẾ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2018 i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ SỰ CỐ CÁP NGẦM TRUNG THẾ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 HVTH: NGUYỄN TẤN VĂN MSHV: 1680627 GVHD: P.GS TS TRƯƠNG VIỆT ANH Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2018 ii
iii
iv
v
vi
vii
viii
ix
x
xi
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Tấn Văn xii
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS. Trương Việt Anh, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện quyển luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện- Điện Tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, các cán bộ phòng Đào Tạo đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập và trong quá trình hoàn thành quyển luận văn này. Tôi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và người thân đã luôn ở bên tôi và động viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này. Nguyễn Tấn Văn xiii
TÓM TẮT Việc nhanh chóng xác định vị trí sự cố ngắn mạch rất quan trọng trong lưới phân phối với đặc trưng nhiều đoạn dây dẫn nối tiếp nhau. Thời gian xác định vị trí ngắn mạch càng nhanh thì công tác chuẩn bị khắc phục sự cố để khôi phục hoạt động bình thường trên lưới càng nhanh chóng và thuận tiện. Vấn đề này đặt biệt hữu ích đối với các vùng có địa hình khó khăn hay các đường dây ngầm mà lưới điện phân phối đi qua khi hầu như không thể quan sát được bằng mắt thường. Để thực hiện nhiệm vụ xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên lưới cáp ngầm phân phối, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và đã có nhiều thiết bị xây dựng dựa trên các nghiên cứu này được chế tạo để xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm. Thống kê các nghiên cứu đã được thực hiện từ trước đến nay trong lĩnh vực phát hiện vị trí ngắn mạch được phân thành ba phương pháp chính đó là phương pháp bơm xung phản xạ vào đoạn cáp bị sự cố ngắn mạch, phương pháp tổng trở và phương pháp dùng phân tích sóng dòng điện và điện áp tần số cao (phương pháp sóng truyền). Các nghiên cứu phương pháp bơm xung phản xạ chỉ được thực hiện bằng các máy phát xung chuyên dụng có tần số cao và chỉ xác định được vị trí ngắn mạch sau khi đã cô lập lưới điện. Điều này làm tăng thời gian mất điện, giảm chất lượng cung cấp điện và phải đầu tư khá lớn cho máy tạo xung công suất lớn, tần số cao và yêu cầu thiết bị đo lường chất lượng tốt với tần số đo lớn rất mắc tiền. Phương pháp tổng trở sử dụng phương pháp giải lặp nên sai số tính toán khá cao. Các nghiên cứu trong phương pháp sóng truyền yêu cầu phải có các thiết bị đo tần số cao với độ phân giải lớn nên thiết bị phải được thiết kế với yêu cầu kỹ thuật khắc khe làm tăng giá thành thiết bị. Qua phân tích về các giải thuật xác định vị trí ngắn mạch đã được thực thi, với tính chất thuần trở của điện trở hồ quang, luận văn đề xuất một phương pháp xác định vị trí ngắn mạch dựa trên phương pháp tổng trở kết hợp với đặc tính thuần trở của điện trở ngắn mạch. xiv
ABSTRACT Fault location is very important in power network with the long distance of transmission lines. Fault location time effect to repair time of transmission power cables. Reducing of fault location time mean increasing power quality of power grid. Especially, full of obstacles and difficult of access topography area or underground cables, fault location approach is more useful when the sisual checking are impossible. There are some researchs on fault location matter in power cables were done recently. There are three approach groups in this field. The first is reflection wave, were known as time domain reﬂectometry (TDR) for current and voltage source. The sencond is impedance-base approach, the approach used the characteristic of impedance in the power grid for calculation current and voltage in the power network for find short circuit point. The last approach is wavelet analysis, this way base on traveling wave of transent stage of network when fault occur. There are some limited conditions in the first and the third approachs when apply to power network for fault location. The first approach was practise when fault section is isolation from power grid and they need the special device which can make high voltage pulses and sensitive sensors for receiving reflection wave. This disadvantage increasing fault location time and the device cost is too high. Impedance-base approach have less cost than the first approach but the accuracy is low. The third approach no need special pulse maker as the first approach but they need the high accuracy, high frequency measurement equipment which is high cost. Base on the analyses of those fault location approachs as above, this thesis propose the new fault location approach base on impedance and arc resistor characteristic. This appraoch no need the sensitive measurement equipment and more accuracy than impedance-base others. xv
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... xii LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ xiii TÓM TẮT .................................................................................................................. xiv ABSTRACT ................................................................................................................ xv MỤC LỤC .................................................................................................................. xvi MỤC LỤC CÁC HÌNH ............................................................................................. xix MỤC LỤC CÁC BẢNG ........................................................................................... xxii Chương 1: GIỚI THIỆU ............................................................................................. 23 1.1 Đặt vấn đề. .......................................................................................................... 23 1.2 Nhiệm vụ của luận văn ....................................................................................... 24 1.3 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 25 1.4 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 25 1.5 Điểm mới của luận văn....................................................................................... 25 1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài .................................................................................. 26 1.7 Nội dung luận văn .............................................................................................. 26 Chương 2 TỔNG QUAN ............................................................................................ 27 2.1 Tính cần thiết ...................................................................................................... 27 2.2 Cáp ngầm điện lực .............................................................................................. 28 2.2.1 Cấu tạo cáp ngầm điện lực ........................................................................... 28 2.2.1.1 Dây dẫn điện.......................................................................................... 29 2.2.1.2 Chất cách điện ....................................................................................... 29 2.2.1.3 Màn bảo vệ ............................................................................................ 31 2.2.1.4 Vỏ cáp.................................................................................................... 31 2.2.2 So sánh giữa cáp ngầm điện lực và đường dây trên không ......................... 32 2.2.2.1 Ưu điểm của cáp ngầm điện lực ............................................................ 32 2.2.2.2 Nhược điểm của cáp ngầm điện lực ....................................................... 32 2.2.3 Xu thế phát triển của cáp ngầm điện lực hiện nay ....................................... 33 2.3 Ngắn mạch trong cáp ngầm điện lực .................................................................. 34 2.3.1 Các nguyên nhân gây ngắn mạch cáp ngầm ................................................ 34 2.3.2 Các loại sự cố ngắn mạch cáp ngầm ............................................................ 35 xvi
2.3.2.1 Ngắn mạch một pha chạm đất ............................................................... 35 2.3.2.2 Ngắn mạch hai pha chạm đất ................................................................ 36 2.3.2.3 Ngắn mạch ba pha chạm đất ................................................................. 37 2.4 Nhận dạng các dạng ngắn mạch cáp ngầm điện lực........................................... 38 2.5 Hồ quang điện..................................................................................................... 39 2.5.1 Hiện tượng hồ quang điện............................................................................ 39 2.5.1.1 Khái niệm .............................................................................................. 39 2.5.1.2 Quá trình phát sinh hồ quang ................................................................ 39 2.5.1.3 Quá trình dập tắt hồ quang .................................................................... 40 2.5.2 Hồ quang điện trong sự cố ngắn mạch cáp ngầm ........................................ 41 2.5.3 Điện trở hồ quang điện trong sự cố ngắn mạch ........................................... 41 2.6 Các nghiên cứu khoa học liên quan .................................................................... 43 2.6.1 Phương pháp xung phản xạ.......................................................................... 43 2.6.2 Phương pháp tổng trở .................................................................................. 44 2.6.3 Phương pháp phân tích sóng truyền............................................................. 45 2.7 Hướng nghiên cứu của luận văn ......................................................................... 47 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG TRÌNH TOÁN .................................................................... 48 3.1 Phương trình tổng trở các thành phần trong lưới điện ....................................... 48 3.1.1 Tổng trở đường dây điện ............................................................................. 48 3.1.2 Tổng trở đường dây cáp ngầm điện lực ....................................................... 49 3.1.3 Tổng trở phụ tải ba pha ................................................................................ 50 3.2 Tính toán dòng điện và điện áp trên lưới điện phân phối. .................................. 50 3.2.1 Tính toán dòng điện đổ vào một đoạn dây phân phối.................................. 51 3.2.2 Tính toán điện áp tại nút phụ tải trên lưới điện phân phối........................... 52 3.3 Tính toán tổng trở ngắn mạch khi biết vị trí ngắn mạch .................................... 52 3.4 Phương pháp xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm được đề xuất ....................... 53 3.4.1 Các kết quả tính toán kiểm nghiệm ............................................................. 53 3.4.2 Các minh chứng khoa học liên quan ............................................................ 55 3.4.3 Đề xuất phương pháp định vị trí sự cố ngắn mạch cáp ngầm dựa trên tổng trở có xét đến điện trở ngắn mạch ..................................................................... 55 3.5 Lưu đồ và giải thuật tính toán mô phỏng ........................................................... 56 3.5.1 Lưu đồ tính toán cho chương trình chính .................................................... 56 xvii
3.5.2 Lưu đồ chương trình con tính toán vị trí và điện trở sự cố .......................... 58 Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM ....................................... 60 4.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm ......................................................................... 60 4.1.1 Mô hình nguồn ba pha. ................................................................................ 60 4.1.2 Mô hình đường dây cáp ngầm ..................................................................... 62 4.1.3 Mô hình phụ tải ba pha ................................................................................ 64 4.1.4 Mô hình giả lập ngắn mạch.......................................................................... 65 4.1.4.1 Phần mạch tạo ngắn mạch. .................................................................... 66 4.1.4.2 Mô hình điện trở nối đất ........................................................................ 66 4.1.5 Mô hình thiết bị đo lường ............................................................................ 67 4.1.5.1 Mạch đo MSP430F 6779 3-Phase Energy Meter .................................. 67 4.1.5.2 Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch đo dòng và áp ..................................... 69 4.1.5.3 Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp ................................................................. 70 4.1.5.4 Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng ............................................................. 71 4.1.5.5 Bộ ADC ΣΔ24 ....................................................................................... 71 4.1.5.6 Kết nối với lưới điện ............................................................................. 72 4.1.6 Mô hình vật lý tổng thể của bộ thí nghiệm .................................................. 74 4.2 Xây dựng chương trình phần mềm định vị sự cố ngắn mạch ............................ 75 4.3 Kết quả thí nghiệm ............................................................................................. 76 4.3.1 Trường hợp ngắn mạch tại vị trí 560 m ....................................................... 77 4.3.2 Trường hợp ngắn mạch tại vị trí 785 m ....................................................... 79 4.3.3 Trường hợp ngắn mạch tại vị trí 1065 m ..................................................... 81 4.3.4 Trường hợp ngắn mạch tại vị trí 1395 m ..................................................... 84 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ............................................... 88 5.1 Kết luận ................................................................................................................. 88 5.2 Kiến nghị và hướng phát triển............................................................................... 89 xviii
MỤC LỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Mặt cắt ngang một số cáp ngầm cách điện giấy tẩm dầu............................. 29 Hình 2.2 Cấu tạo cáp ngầm điện lực dùng cách điện XLPE ....................................... 30 Hình 2.3 Cấu tạo cáp ngầm điện lực dùng cách điện EPR. ........................................ 31 Hình 2.4 Dạng sóng dòng điện khi có sự cố ngắn mạch một pha chạm đất. .............. 36 Hình 2.5 Dạng sóng điện áp khi có sự cố ngắn mạch một pha chạm đất. .................. 36 Hình 2.6 Dạng sóng dòng điện khi có sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất. ............... 37 Hình 2.7 Dạng sóng điện áp khi có sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất. .................... 37 Hình 2.8 Dạng sóng dòng điện khi có sự cố ngắn mạch ba pha ................................. 38 Hình 2.9 Dạng sóng điện áp khi có sự cố ngắn mạch ba pha ..................................... 38 Hình 2.10 Phương thức bơm xung vào cáp ngầm. ...................................................... 43 Hình 2.11 Dạng sóng xung tới và xung phản xạ ......................................................... 44 Hình 2.12 Mạch tương đương ngắn mạch một pha chạm đất. .................................... 45 Hình 2.13 Sự lan truyền sóng cao tần khi có ngắn mạch. ........................................... 46 Hình 2.14 Tín hiệu điện áp tại các bus trong miền thời gian. ..................................... 46 Hình 2. 15 Phổ tín hiệu điện áp qua biến đổi wavelet liên tục. .................................. 46 Hình 3.1 Mô hình đường dây có tổng trở tương hỗ. ................................................... 48 Hình 3.2 Lưới điện phân phối với hai nút phụ tải ....................................................... 51 Hình 3.3 Sơ đồ đường dây có sự cố tại vị trí cách đầu nguồn 1 km. .......................... 53 Hình 3.4 Phần ảo điện trở ngắn mạch theo các vị trí ngắn mạch giả định khi có sự cố ngắn mạch tại vị trí 1 km............................................................................................. 54 Hình 3.5 Phần ảo điện trở ngắn mạch theo các vị trí ngắn mạch giả định khi có sự cố ngắn mạch tại vị trí 2, 3, 4, 5.5 km ............................................................................. 55 Hình 3.6 Lưu đồ chương trình tính toán sự cố ngắn mạch ......................................... 57 Hình 3.7 Lưu đồ tính toán vị trí sự cố cho các chương trình con ............................... 59 Hình 4.1 Sơ đồ đơn tuyến bộ thí nghiệm định vị sự cố ngắn mạch. ........................... 60 Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý của Module nguồn 3 pha ................................................... 61 Hình 4.3 Mặt trước của mô hình nguồn 3 pha. ........................................................... 61 Hình 4.4 Mặt sau của mô hình nguồn 3 pha. .............................................................. 62 xix