Tóm tắt 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:24

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 3
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: Tóm tắt 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

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. 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]. 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]. 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. Điện dung lớn của cáp làm cho các hiện tượng cộng hưởng trên lưới truyền tải dịch chuyển xuống khu vực 1
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]. Đối với Việt Nam, 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. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu - 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. 2
- 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. 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. Phân bố điện áp trên cáp, lựa chọn thiết bị bảo vệ vỏ cáp và ảnh hưởng của các nguồn sóng hài đến quá điện áp cộng hưởng. 4. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu - 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 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. - Đối tượng nghiên cứu là đường dây truyền tải hỗn hợp cáp và đường dây trên không 220 kV Việt Nam. - Phạm vi nghiên cứu đường dây truyền tải hỗn hợp 220 kV của lưới điện Việt Nam. - Kiểm chứng tính hiệu quả các tinh toán được đề xuất thông qua kết quả mô phỏng. 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Làm sáng tỏ hiện tượng quá độ điện từ trong đường truyền tải hỗn hợp, đặc biệt là đối với lưới truyền tải Việt Nam. Kết quả nghiên cứu nhằm xây dựng cơ sở bổ sung vào quy phạm liên quan đến hệ thống cáp truyền tải của lưới điện Việt Nam. 6. Các đóng góp mới của luận án - Luận án đã tổng hợp các loại cáp phổ biến sử dụng ở cấp truyền tải, trình bày phương pháp xác định thông số cáp và phương pháp tính toán xác định quá điện áp trên lõi cáp và vỏ cáp dựa trên phương trình truyền sóng. 3
- Quá điện áp trên cách điện của lõi và đặc biệt là của vỏ cáp phụ thuộc vào cấu trúc của cáp và môi trường đặt cáp, việc tính toán bảo vệ vỏ cáp phải xét đến toàn bộ phương thức đặt cáp, điện trở tiếp địa tại các vị trí nối đất vỏ cáp và cách nó nối với đường dây trên không. - Phương thức nối đất vỏ cáp và thông số của thiết bị hạn chế điện áp vỏ cáp (SVL) phải được thiết kế, tính toán lựa chọn phù hợp tùy thuộc vào đặc trưng của hệ thống truyền tải (thông qua công suất ngắn mạch), chiều dài cáp, dòng điện sét và điện trở nối đất vỏ cáp cũng như cấu hình của cáp. - Truyền sóng trong lõi cáp và vỏ cáp của đường dây hỗn hợp phụ thuộc vào trạng thái làm việc của chống sét van (CSV) và SVL. Điện áp lớn nhất không nhất thiết xảy ra ở đầu cáp mà có thể xuất hiện cách vị trí đầu cáp một khoảng phụ thuộc vào trạng thái làm việc của điện trở phi tuyến dùng trong thiết bị bảo vệ quá điện áp, chiều dài cáp và phương thức nối đất vỏ cáp. - Cáp trong đường dây hỗn hợp không chỉ chịu đựng các loại quá điện áp ở tần số cao như sét, đóng cắt mà nó còn là tác nhân gây ra quá điện áp ở tần số thấp để tác dụng ngược trở lại cách điện của các thiết bị khác trong hệ thống truyền tải. Thay thế đường dây trên không bằng cáp ngầm làm cho tần số cộng hưởng của tổng trở điều hòa dịch chuyển về phía tần số thấp dẫn đến quá điện áp cộng hưởng gây nguy hiểm cho cách điện của các thiết bị ở gần cáp và các chống sét van sử dụng để bảo vệ chúng. 7. Cấu trúc nội dung của luận án Chương 1: Truyền sóng trên đường dây truyền tải hỗn hợp Giới thiệu các loại cáp truyền tải và một số loại sự cố điển hình trong cáp. Tính toán quá trình truyền sóng trong cáp. Chương 2: Ảnh hưởng của môi trường đặt cáp đến quá điện áp trên đường dây truyền tải hỗn hợp. Trình bày các thông số trong quá trình truyền sóng trên lõi và vỏ cáp. Các kết quả tính toán quá điện áp trên lõi và vỏ cáp trong các môi trường đặt cáp và cách sắp xếp cáp khác nhau. 4
Chương 3: Bảo vệ cách điện vỏ cáp Trình bày kết quả tính toán dòng điện và điện áp cảm ứng trên vỏ cáp. Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đặt cáp, công suất ngắn mạch, phương pháp nối vỏ đến quá điện áp cảm ứng trên vỏ cáp. Chương 4: Tính toán phân bố điện áp dọc theo chiều dài cáp Trình bày kết quả tính toán quá trình truyền sóng từ đường dây trên không vào vào lõi và vỏ cáp để từ đó xác định vị trí xuất hiện điện áp lớn nhất trên lõi và vỏ cáp. Chương 5: Quá điện áp cộng hưởng do sóng hài Tính toán tổng trở điều hòa trong hệ thống truyền tải điện và quá điện áp cộng hưởng tương ứng với sóng hài đặc trưng cho từng nguồn hài cụ thể tính toán cho lưới điện 220 kV khu vực Hà Nội. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Đánh giá tổng hợp các kết quả đã đạt được và so sánh với mục tiêu nghiên cứu đã đề ra; đồng thời đề xuất các hướng nghiên cứu trong tương lai để khắc phục các hạn chế còn tồn tại trong luận án. CHƯƠNG 1. TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI HỖN HỢP 1.1 Mở đầu Nội dung chương giới thiệu cấu tạo của một số cáp truyền tải thông dụng với trọng tâm là cáp truyền tải sử dụng cách điện rắn XLPE, loại cáp truyền tải duy nhất được sử dụng ở lưới điện Việt Nam và được dùng làm đối tượng mô phỏng trong toàn bộ luận án. 1.2 Các loại cáp ngầm 1.2.1. Cáp dầu 1.2.2. Cáp siêu dẫn Cáp siêu dẫn sử dụng tính chất siêu dẫn của kim loại làm lõi cáp khi duy trì ở nhiệt độ rất thấp, khi đó điện trở của cáp gần như bằng không và về nguyên tắc có thể mang được dòng điện vô cùng lớn. 5
1.2.3. Cáp cách điện rắn XLPE Do tính chất phổ biến của cáp XLPE, loại cáp này sẽ dược dùng cho tất cả các nghiên cứu mô phỏng trong luận án. Các thành phần chính của một sợi cáp XLPE được trình bày chi tiết. 1.2.4. Cáp vượt biển HVAC 1.2.5. Một số sự cố điển hình trong cáp truyền tải Ngoài những nguyên nhân do sai kỹ thuật lắp đặt và va chạm cơ khí. Quá điện áp khí quyển hoặc quá điện áp thao tác gây điện áp cảm ứng trên vỏ cáp lớn hơn điện áp chịu đựng của lớp cách điện vỏ cáp. 1.3 Truyền sóng trong cáp truyền tải 1.3.1 Phương trình truyền sóng trong cáp Phương trình truyền sóng với một sợi cáp với sơ đồ tương đương như trong hình 1.7. Hình 1.7. Sơ đồ tương đương của một sợi cáp 𝜕𝐼(𝑥,𝑡) 𝑉(𝑥, 𝑡) − 𝑉(𝑥 + 𝑑𝑥, 𝑑𝑡) = 𝑅𝑑𝑥. 𝐼(𝑥, 𝑡) + 𝐿𝑑𝑥 (1.1) 𝜕𝑡 𝜕𝑉(𝑥,𝑡) 𝐼(𝑥, 𝑡) − 𝐼(𝑥 + 𝑑𝑥, 𝑑𝑡) = 𝐺𝑑𝑥. 𝑉(𝑥, 𝑡) + 𝐶𝑑𝑥 (1.2) 𝜕𝑡 Nghiệm của hệ phương trình này trong miền thời gian: 𝑉(𝑥, 𝑡) = 𝑒 𝛾𝑥 𝑓1 (𝑡) + 𝑒 −𝛾𝑥 𝑓2 (𝑡) (1.7) 1 𝐼(𝑥, 𝑡) = − [𝑒 𝛾𝑥 𝑓1 (𝑡) − 𝑒 −𝛾𝑥 𝑓2 (𝑡)] (1.8) 𝑍 Nghiệm dạng tổng quát theo điện áp và dòng điện trong miền tần số là: 𝑉(𝑥, 𝜔) = 𝑉0 + 𝑒 −𝛾𝑥 + 𝑉0 − 𝑒 𝛾𝑥 (1.13) 𝐼(𝑥, 𝜔) = 𝐼0 + 𝑒 −𝛾𝑥 + 𝐼0 − 𝑒 𝛾𝑥 6
1.3.2 Biểu diễn phương trình truyền sóng trong miền modal Để hiểu rõ cách biến đổi từ miền tần số sang miền modal, ta viết lại hệ phương trình (1.12) với ký hiệu Vph, Iph là điện áp và dòng điện ở miền tần số: 𝛿 2 𝑉 𝑝ℎ = [𝑍 𝑝ℎ ][𝑌 𝑝ℎ ][𝑉 𝑝ℎ ] 𝛿𝑥 2 (1.33) 𝛿 2 𝐼 𝑝ℎ = [𝑌 𝑝ℎ ][𝑍 𝑝ℎ ][𝐼 𝑝ℎ ] 𝛿𝑥 2 Đối với một hệ cáp 3 pha sử dụng 3 cáp đơn kể trên trong miền tần số, sau khi chuyển về miền modal, dòng điện và điện áp sẽ tương ứng với 6 chế độ (mode): • 3 chế độ đồng trục (coaxial mode) trong đó dòng điện đi từ lõi của mỗi cáp và trở về hoàn toàn trên vỏ của chính nó. • 2 chế độ liên vỏ (intersheath mode) trong đó dòng điện đi từ vỏ của cáp này và trở về trên vỏ của 1 trong 2 cáp (hoặc cả 2 cáp) còn lại mà không đi trong lõi cáp. • 1 chế độ đất (ground mode) trong đó dòng đi trên vỏ của cả 3 pha và trở về trong đất mà không đi qua lõi. 1.4 Tính toán truyền sóng bằng phần mềm EMTP/ATP 1.4.1 Giới thiệu phần mềm ATP/EMTP 1.4.2 Mô hình mô phỏng cho cáp Cáp trong mô hình Bergeron được mô phỏng bằng mô hình phân bố không tổn thất với tổng trở sóng Z0, vận tốc truyền sóng c nối tiếp với điện trở R ở hai đầu để mô phỏng hiện tượng suy giảm (hình 1.9). Hình 1.9. Mô hình Bergeron cho mô phỏng cáp trong tính toán quá độ Trong mô hình này thông số của cáp được giả thiết không phụ thuộc vào tần số vì thế được tính toán ở một tần số cố định, là tần số mà ở đó hiện tượng quá độ tương ứng (sét, đóng cắt) xảy ra. Trong 7
luận án này khi sử dụng mô hình Bergeron cho tính toán quá độ, thông số của cáp được tính toán ở tần số đặc trưng f=150 kHz. 1.4.3 Mô hình đường dây trên không 1.4.4 Các mô hình khác 1.5 Kết luận Trong chương này, cấu tạo của một số loại cáp truyền tải phổ biến được trình bày trong đó cáp cách điện rắn XLPE được mô tả chi tiết nhất, đây cũng chính là loại cáp được sử dụng trong tính toán mô phỏng trong toàn bộ luận án. Phương trình truyền sóng trong cáp cho trường hợp đối với cáp một lõi và các tham số của bản thân cáp như tổng trở nối tiếp và tổng dẫn shunt được trình bày rõ theo phương pháp hai dòng điện vòng. Phân tích này cho phép làm rõ ảnh hưởng của cấu tạo cáp và thành phần dòng điện trở về trong đất (tổng trở đất) đến thông số của cáp. Phương pháp biến đổi dòng điện và điện áp từ miền tần số sang miền modal, tương ứng với các chế độ truyền sóng được giới thiệu để làm cơ sở cho các phân tích về dạng dòng điện và điện áp trong các tính toán mô phỏng. Cuối cùng, phương pháp mô phỏng EMTP và mô hình các phần tử cơ bản trong EMTP trên các dải tần số khác nhau cho một đường dây hỗn hợp được trình bày chi tiết để làm cơ sở cho các tính toán trong các chương tiếp theo. CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẶT CÁP ĐẾN QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI HỖN HỢP 2.1. Đặt vấn đề Tùy vào địa hình và cấp điện áp, cáp ngầm có thể được đặt trong các môi trường khác nhau như chôn trực tiếp trong đất, đặt trong ống, đặt trong hầm cáp hoặc đi trên không (đi dưới cầu ở các đoạn vượt sông). Môi trường xung quanh cáp sẽ quyết định giá trị tổng trở đối với dòng điện trở về trong đất và qua dó ảnh hưởng đến điện áp trên vỏ cũng như trên lõi cáp khi hiện tượng quá độ xảy ra. 2.2. Mô hình mô phỏng Mô hình đường dây mạch kép 220 kV có cấu trúc hỗn hợp như minh họa trên hình 2.1. 8
Hình 2.1. Mô hình đường dây truyền tải điện có cấu trúc hỗn hợp 2.3. Ảnh hưởng của môi trường đặt cáp 2.3.1. Cáp ngầm toàn bộ Điện áp lớn nhất trên vỏ cáp ở vị trí đảo vỏ thứ hai thấp hơn ở vị trí đảo vỏ thứ nhất khoảng 24% so với vị trí đảo vỏ thứ nhất do tổn hao trên vỏ cáp gây ra. Tại thời điểm 97,6 s, quá điện áp lớn nhất trên vỏ tại pha C1 có thể đạt tới trị số Vmax= 42,7 kV, trị số này vượt quá mức cách điện xung BIL (40 kV) của vỏ cáp 220 kV. Kết quả này chỉ ra rằng đối với các vị trí đảo vỏ gần nơi có dòng điện sét đi vào cần phải tính toán cụ thể trị số điện áp cảm ứng nhằm sử dụng SVL cho phù hợp. 2.3.2. Cáp đi trên không - nằm ngang Điện áp trên vỏ cáp trong trường hợp cáp đi trên không ở các vị trí đảo vỏ tăng gấp 1,6 lần so với trường hợp cáp đi ngầm toàn bộ, với điện áp lớn nhất ở vỏ pha C tăng từ 42,8 kV (cáp ngầm) lên 67.7 kV (cáp đi trên không) 2.3.3. Cáp đi trên cầu bê tông Điện áp lớn nhất trên vỏ luôn xuất hiện tại pha C1 với giá trị Vmax= 45,1 kV. Trị số này nhỏ hơn trường hợp cáp đi trên không (67,7 kV) và lớn hơn trường hợp cáp đi ngầm (42,8 kV). 2.3.4. Cáp đi trên cầu kim loại Điện áp trên vỏ cáp tại các vị trí đảo vỏ và thời gian đạt đỉnh được trình bày trên hình 2.11 và trong bảng 2.4. Điện áp lớn nhất trên vỏ luôn xuất hiện tại pha C1 với giá trị Vmax= 43 kV. Trị số này nhỏ hơn trường hợp cáp đi cầu bê tông (45,1 kV) và lớn hơn trường hợp cáp đi 9
ngầm (40,7 kV). Nguyên nhân là do sự tương hỗ giữa cáp và dây dẫn được mô phỏng bằng khung dẫn của cầu sắt. 2.4. Ảnh hưởng của cách sắp xếp cáp 2.4.1. Cáp ngầm Điện áp lớn nhất trên vỏ khi cáp bố trí tam giác cũng xuất hiện tại pha C1, điện áp vỏ có giá trị V max= 36,9 kV. Tuy nhiên ta nhận thấy trị số điện áp lớn nhất trên vỏ trong trường hợp bố trí tam giác nhỏ hơn đáng kể so với trường hợp bố trí nằm ngang (42,8 kV). 2.4.2. Đối với cáp đi trên không Trường hợp cáp đi trên không - thẳng đứng, điện áp trên vỏ cáp ở cả 3 pha đều vượt quá mức cách điện của vỏ cáp có thể chịu đựng được với điện áp lớn nhất trên pha C1 là Vmax= 67,8 kV. Ta nhận thấy trị số điện áp vỏ trong trường hợp cáp đi trên không- nằm ngang và thẳng đứng không khác nhau nhiều. 2.5. Kết luận Môi trường đặt cáp, cụ thể là môi trường để dòng điện trở về trong đất, ảnh hưởng rõ ràng đến điện áp trên cách điện vỏ. Trong chương này, điện áp trên các vị trí đảo vỏ của một đoạn cáp của đường dây truyền tải có cấu trúc hỗn hợp được tính toán với 3 môi trường đặt cáp khác nhau; cáp ngầm toàn bộ, cáp đi trên không, một phần ngầm và một phần đi trên không, được tính toán khi có dòng điện sét chạy trong lõi cáp do lan truyền từ đường dây trên không. Trong tất cả các trường hợp, điện áp trên vỏ cáp ở vị trí đảo vỏ đầu tiên luôn lớn nhất và giảm ở vị trí đảo vỏ tiếp theo trên tất cả các pha. Điện áp lớn nhất trên vỏ nguy hiểm nhất trong trường hợp toàn bộ cáp đi trên không do kết hợp giữa hiện tượng dao động cộng hưởng của phần cáp đi trên không với sự gia tăng của tổng trở sóng vỏ cáp do đi trên không. Trong trường hợp cáp đi trên không, điện áp cảm ứng lớn nhất trên vỏ có thể lớn hơn 1,6 lần so với trường hợp cáp hoàn toàn đi ngầm. Giá trị điện áp cảm ứng này có thể gây nguy hiểm cho cách điện vỏ cáp và gây ra phóng điện trên vỏ cáp, dẫn đến phá hủy dần dần của cáp. Cách bố trí cáp cũng ảnh hưởng mạnh đến điện áp cảm ứng trên vỏ cáp. Trong trường hợp cáp đi ngầm, cấu hình đặt cáp dạng tam giác làm giảm điện áp trên vỏ khoảng 10% so với trường hợp cáp được đặt trên mặt phẳng. Trong trường hợp cáp đi trên không, điện áp lớn nhất 10
trên vỏ cáp không bị ảnh hưởng bởi cấu hình đặt cáp nằm ngang hay chiều thẳng đứng. Hiện tượng cảm ứng khi cáp chạy trên cầu kim loại cũng làm cho điện áp trên vỏ cáp giảm so với trường hợp cáp đi trên cầu bê tông. Trái lại, điện áp trên lõi không bị ảnh hưởng bởi đổi môi trường đặt cáp cũng như cách sắp xếp cáp do chế độ truyền sóng đồng trục không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố này. Như vậy, khi thay đổi môi trường đặt cáp như chuyển từ đi ngầm sang đi trên không, thiết bị bảo vệ vỏ cáp (SVL) cũng như điện trở tiếp địa của vỏ cáp cần được tính toán lại để phù hợp cho cách điện vỏ đối với đoạn cáp đi trên không. Tuy nhiên, cách sắp xếp cáp không ảnh hưởng nhiều đến điện áp trên vỏ khi có dòng điện sét lan truyền vào cáp từ đường dây trên không. CHƯƠNG 3. BẢO VỆ CÁCH ĐIỆN VỎ CÁP 3.1. Đặt vấn đề Đối với đường dây truyền tải hỗn hợp, quá điện áp trên vỏ phải tính cả đến trường hợp do dòng điện sét do đường dây truyền tải trên không thường xuyên bị sét đánh và gây sự cố. Kết quả tính toán ở chương 2 cho thấy dòng điện sét chạy trong lõi cáp ở những trường hợp cụ thể đó có thể gây ra quá điện áp vượt quá mức chịu đựng của cách điện vỏ cáp. Những lý do kể trên có thể là nguyên nhân gây ra số lần sự cố trong cáp do sét ở đường dây cấu trúc hỗn hợp lớn hơn nhiều so với cáp ngầm toàn bộ và chủ yếu xuất phát từ sự cố cách điện của vỏ cáp [26] [51]. Chính vì vậy bảo vệ cách điện cho vỏ cáp trong đường dây hỗn hợp là một trong những nội dung quan trọng nhất đối với bảo vệ chống quá điện áp cho cáp. 3.2. Các loại CSV dùng trong truyền tải Lắp đặt CSV ở hai đầu cáp chỉ có nhiệm vụ bảo vệ cách điện chính của cáp khi có sóng sét hoặc sóng đóng cắt lan truyền từ phía đường dây trên không vào cáp. Cách điện của vỏ phải được bảo vệ chống quá điện áp bằng một loại chống sét van khác gọi là thiết bị hạn chế điện áp vỏ SVL. Việc lựa chọn SVL cho cáp dùng trong đường dây truyền tải hỗn hợp khác cơ bản so với lựa chọn SVL cho đường dây toàn bộ cáp ngầm do phải tính đến các thông số của sét nơi đường dây trên không đi qua và trị số điện trở nối đất của cột. 11
3.3. Các phương pháp nối đất vỏ cáp 3.3.1. Nối cứng (Solid boding) Hình 3.2 Nối cứng 3.3.2. Nối đất một đầu (Single boding) Hình 3.3 Nối đất 1 đầu-Kiểu 1 Hình 3.4 Nối đất 1 đầu -Kiểu 2 3.3.3. Nối chéo (Cross boding) Hình 3.5 Nối chéo (3 phân đoạn) với SVL nối hình sao. 3.3. Mô hình tính toán và các giả thiết 3.5. Phương pháp lựa chọn SVL cho bảo vệ vỏ cáp 3.5.1. Lựa chọn điện áp định mức của SVL Xem xét lựa chọn điện áp định mức của SVL theo công suất ngắn mạch và chiều dài 1 phân đoạn thay đổi. 12
Hình 3.9 Điện áp cảm ứng do ngắn Hình 3.17 Điện áp cảm ứng do ngắn mạch lớn nhất trên vỏ cáp theo công mạch lớn nhất trên vỏ cáp theo công suất ngắn mạch của hệ thống suất ngắn mạch của hệ thống 3.4.2. Tính toán thông số SVL khi có dòng điện sét Hình 3.14 Điện áp lớn nhất trên vỏ cáp Hình 3.17 Điện áp cảm ứng lớn nhất theo điện trở nối đất vỏ. trên vỏ cáp sử dụng loại SVL 7.5 kV. 3.4.3. Tính toán thông số của SVL theo môi trường đặt cáp Hình 3.22 Điện áp lớn nhất trên vỏ cáp Hình 3.17 Năng lượng hấp thụ của các tại vị trí SG112 với nối đất một đầu và SVL nối chéo. 13
3.5. Kết luận Việc lựa chọn phương pháp nối đất vỏ cáp của cáp truyền tải phụ thuộc vào quy định về điện áp an toàn trên vỏ và mức độ phức tạp của nối vỏ. Vỏ cáp nối chéo có ưu điểm nổi bật về điện áp an toàn so với nối đất một đầu nhưng lại làm cho vỏ cáp bị chia nhỏ làm nhiều đoạn dẫn đến phức tạp hơn về bảo dưỡng. Tính toán thông số SVL phù hợp cho mỗi loại cáp là một quá trình phức tạp trong đó phương thức nối vỏ phải được xét đến đầu tiên để SVL được lựa chọn đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành. Tính toán cho thấy vỏ nối chéo với đoạn cáp 3 phân đoạn cho phép chọn loại SVL có điện áp định mức thấp nhất mà vẫn đảm bảo điện áp trên vỏ cũng như năng lượng hấp thụ của SVL khi sử dụng các loại CSV của lưới phân phối. Tuy nhiên với mỗi chiều dài cáp cụ thể cũng như biên độ dòng điện sét, điện trở nối đất cột tại nơi tiếp giáp giữa đường dây trên không và cáp phải được duy trì ở dưới một giá trị cụ thể để đảm bảo SVL được lựa chọn có thể bảo vệ được vỏ cáp. Nếu như đoạn cáp quá ngắn để chia làm 3 đoạn hoặc cáp đi trong môi trường mà việc chia đoạn là bất khả thi (cáp vượt sông, cáp đi qua cầu…), việc nối chéo không thể thực hiện được thì nối đất một đầu kiểu 1 có lợi thế hơn. Mặc dù vậy, các thông số của SVL được lựa chọn (điện áp định mức và năng lượng hấp thụ) trong nối đất kiểu 1 phải được tính toán theo công suất ngắn mạch của hệ thống, chiều dài của phân đoạn cáp, điện trở tiếp địa của cột, trị số dòng điện sét lớn nhất của khu vực có đường dây đi qua và môi trường đặt cáp. Chú ý rằng, dòng điện sét lớn nhất chạy trong cáp có thể thay đổi được bằng cách lựa chọn góc bảo vệ của đường dây trên không, điện trở tiếp địa của cột và mức cách điện của đường dây trên không. Kết quả mô phỏng cũng cho thấy cách tính toán lựa chọn thông số cho SVL dùng cho cáp ngầm không còn phù hợp khi cáp được sử dụng trên không đối với bất kể kiểu nối vỏ nào. Chính vì vậy, khi cáp thay đổi môi trường làm việc từ đi ngầm hoàn toàn sang đi trên không, các tính toán lựa chọn SVL cho vỏ cáp phải được thực hiện lại để đảm bảo SVL vận hành an toàn. 14
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP DỌC THEO CHIỀU DÀI CÁP 4.1. Đặt vấn đề Đối với đường dây hỗn hợp, sự khác nhau về tổng trở sóng giữa đường dây trên không và cáp gây ra phản xạ dương từ cuối cáp quay trở lại đầu cáp. Sóng phản xạ này sẽ xếp chồng với sóng tới từ đường dây trên không dẫn tới hệ quả là điện áp lớn nhất có thể xảy ra ở bất kỳ vị trí nào trong cáp.Vị trí xuất hiện điện áp lớn nhất tùy thuộc vào chiều dài của cáp và thời gian sóng sét đạt trị số lớn nhất (thời gian đầu sóng). Xác định được điện áp lớn nhất này và vị trí tương ứng của nó trong cáp sẽ cho phép thiết kế hạn chế dòng điện sét từ đường dây trên không lan truyền vào cáp để đảm bảo an toàn cho cáp. Hình 4.1. Dòng điện sét lan truyền vào lớp vỏ khi CSV ở cả hai đầu cáp đều làm việc 4.2. Phương pháp tính toán Nếu giá trị đỉnh của hai sóng này ở điểm B cách nhau một khoảng thời gian t thì tổng của chúng sẽ lớn nhất ở một vị trí trong cáp nơi tổng của chúng là cực đại và cách B một đoạn x tính bằng: ∆𝑡 ∆𝑥 = 𝑣. (4.3) 2 Giá trị t được tính toán chi tiết như sau. Trước tiên, phương trình dòng điện đi qua CSV ở điểm B được xác định bởi: 2. 𝑣+ (𝑙, 𝑡) 𝑣(𝑙, 𝑡) 𝑣(𝑙, 𝑡) 𝑖 𝐶𝑆𝑉 (𝑡) = − − (4.4) 𝑍𝐶 𝑍𝐶 𝑍𝐿 Với v+(l,t) là sóng tới từ điểm A, còn v(l,t) là điện áp tại điểm B 𝑣(𝑥, 𝑡) = 𝑣+ (𝑥, 𝑡) + 𝑣− (𝑥, 𝑡) (4.5) 15
4.3. Phân bố điện áp trong cáp của đường dây truyền tải hỗn hợp 4.3.1. Mô hình mô phỏng 4.3.2. Cáp ngắn 0,5 km Hình 4.8 Điện áp trên lõi và dòng qua Hình 4.9 Sóng điện áp tới và sóng phản CSV tại vị trí cuối cáp khi có SVL xạ tại cuối cáp khi có SVL Hình 4.11 Điện áp và dòng qua SVL tại Hình 4.12 Sóng điện áp tới và sóng vị trí cuối cáp phản xạ trên vỏ tại vị trí đặt SVL 4.3.3. Cáp dài 2,4 km Hình 4.18 Sóng điện áp tới và sóng Hình 4.20 Vị trí đạt điện áp đỉnh theo tỷ phản xạ trên lõi tại cuối cáp lệ % trên tổng chiều dài cáp 16
Hình 4.21. Sóng điện áp và sóng tới Hình 4.22. Sóng điện áp và sóng tới trên trên vỏ tại vị trí đảo vỏ thứ nhất vỏ tại vị trí cuối cáp 4.4. Kết luận Do sự khác nhau giữa tổng trở sóng của cáp và đường dây trên không, truyền sóng trong đường dây hỗn hợp có phản xạ rất lớn ở vị trí nối giữa đường dây trên không và cáp làm cho điện áp lớn nhất trên lõi cáp có thể xuất hiện ở bên trong cáp chứ không phải tại vị trí đầu cáp nơi có CSV bảo vệ. Ngoài ra, điện trở phi tuyến của CSV và SVL của vỏ cáp cũng làm cho quá trình truyền sóng phức tạp hơn. Điện áp lớn nhất xuất hiện trong cáp phụ thuộc cả vào biên độ sóng tới, đặc tính của CSV, SVL và trị số điện trở tiếp địa tại vị trí cuối cáp. Đối với đường dây 220 kV hỗn hợp, nó có thể cách điểm cuối của cáp từ vài chục đến hàng trăm mét. Điện áp lớn nhất trên vỏ cáp phụ thuộc vào phương thức nối đất vỏ cáp và môi trường đặt cáp. Đối với nối đất một đầu, điện áp lớn nhất trên vỏ cáp nằm ngay ở vị trí đặt SVL do vậy vỏ cáp sẽ được bảo vệ hoàn toàn nếu SVL được lựa chọn phù hợp. Đối với nối chéo, vị trí xuất hiện điện áp lớn nhất trên vỏ cáp không nằm ở vị trí đặt SVL khi có một phân đoạn có cáp nằm trên không. Sự khác biệt lớn về tổng trở sóng vỏ cáp giữa các phân đoạn trong trường hợp này làm cho điện áp lớn nhất trên vỏ xuất hiện ở các vị trí nằm giữa các phân đoạn đi ngầm. CHƯƠNG 5. QUÁ ĐIỆN ÁP CỘNG HƯỞNG DO SÓNG HÀI 5.1. Đặt vấn đề Nội dung trong chương này sẽ trình bày các nguyên lý cơ bản về cộng hưởng trên đường dây truyền tải, các nguồn sóng hài chủ yếu ở 17
cấp truyền tải và dải tần số tương ứng cũng như đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng loại sóng hài đến độ lớn của điện áp đặt lên cách điện. 5.2 Các hiện tượng cộng hưởng trong hệ thống điện 5.2.1. Cộng hưởng nối tiếp và song song 5.2.2. Sóng hài ở lưới truyền tải Hình 5.5. Điện áp tổng cộng bao gồm điện áp tần số cơ bản với hài bậc lẻ. 5.2.3 Quá điện áp do cộng hưởng 5.3. Tính toán tổng trở điều hòa trong lưới truyền tải 5.3.1. Phương pháp xác định tổng trở điều hòa 5.3.2. Tính toán tổng trở đầu vào cho mô hình IEEE 9 nút Hình 5.7 Mô hình IEEE 9 nút 18
5.3.3. Tổng trở điều hòa trong đường dây truyền tải hỗn hợp Hình 5.9 Phổ tổng trở điều hòa nhìn từ nút 8 Khi đoạn đường dây giữa nút 7 và 8 là đường dây trên không hoàn toàn, tổng trở điều hòa tại nút 8 có 3 đỉnh tương ứng với 3 tần số cộng hưởng khác nhau là 860 Hz, 810 Hz và 370 Hz. 5.3.4. Ảnh hưởng của cấu hình hệ thống truyền tải đến tổng trở điều hòa 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 5.4. Tính toán quá điện áp cộng hưởng trong hệ thống truyền tải hỗn hợp 5.4.1. Xác định nguồn sóng hài gây ra cộng hưởng tần số 19
Bảng 5.2. Dòng sóng hài bậc cao theo tần số f (Hz) 50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 I (A) 262 7,86 7,86 7,86 7,86 3,93 3,93 3,93 3,93 3,93 5.4.2 Tính toán quá điện áp cộng hưởng sơ đồ IEEE 9 nút 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 f (Hz) 50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 Ztđ (Ω) 100 250 50 800 200 250 150 1200 2500 500 Ztđ_ĐDK(Ω) 100 200 40 500 100 150 100 500 200 600 I (A) 262 7,86 7,86 7,86 7,86 3,93 3,93 3,93 3,93 3,93 Upeak (pu) 1 1,01 1 1,04 1,01 1,01 1 1,03 1,04 1,01 5.5. Tính toán cho lưới truyền tải 220 kV khu vực Hà Nội 5.5.1 Mô hình mô phỏng Hình 5.16 Hệ thống truyền tải 220 kV khu vực Hà Nội được nghiên cứu 20