Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu quá điện áp sét và bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

78
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án: Tìm hiểu các đặc trưng cơ bản của chống sét cho các WT và các phương pháp tính toán chống sét cho WF kết nối với lưới điện; đề xuất phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT; ứng dụng phương pháp đề xuất xác định số lần sét đánh trực tiếp WT có công suất (ứng với kích thước) khác nhau trong điều kiện mật độ sét Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu quá điện áp sét và bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện

MỞ ĐẦU Trong các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời, gió, sinh khối, sóng biển, thủy triều, thủy điện nhỏ, địa nhiệt thì năng lượng gió được đánh giá là nguồn triển vọng nhất vì giầu tiềm năng, dễ khai thác trên quy mô lớn, thân thiện với môi trường và ít gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội. Do đó nguồn năng lượng này đã, đang và sẽ được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm phát triển, trong đó có Việt Nam. Tuy vậy, các tua bin điện gió (WT) là công trình cao, thường được lắp đặt ở địa hình trổng trải nên chúng rất bị sét đánh. Thực tế vận hành điện gió tại nhiều quốc gia trên thế giới cho thấy, hàng năm có rất nhiều WT phải chịu ảnh hưởng của quá điện áp (QĐA) do sét đánh trực tiếp hoặc sét cảm ứng và lan truyền gây ra những sự cố nghiêm trọng, thiệt hại lớn về kinh tế và ảnh hưởng không nhỏ đến độ tin cậy hệ thống. Vì thế vấn đề nghiên cứu bảo vệ chống sét đối với các WT gió đã được nhiều tổ chức và cá nhân quốc tế quan tâm nghiên cứu những năm gần đây. Tuy nhiên đây là vấn đề phức tạp, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như mật độ sét, thông số dòng điện sét, vị trí sét đánh, địa hình lắp đặt - vận hành WT, đặc điểm của WT, phương thức kết nối các WT, đặc điểm của lưới điện, phương thức nối đất, phương pháp mô hình các phần tử, phương pháp tính toán mô phỏng quá trình quá độ điện từ. Các lý do trên đây cho thấy việc “Nghiên cứu quá điện áp sét và bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện” là một yêu cầu cấp thiết trên cả phương diện lý luận và thực tiễn. Đặc biệt với Việt Nam, quốc gia đang thúc đẩy phát triển mạnh mẽ nguồn năng lượng gió, nhu cầu làm chủ các kỹ thuật chống sét cho các WT cũng như việc đào tạo chuyên gia trong lĩnh vực này. Mục đích của luận án nhằm i) Tìm hiểu các đặc trưng cơ bản của WT và các phương pháp tính toán chống sét cho các WT; ii) Xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT phù hợp với công trình động (đầu thu sét gắn trên cánh quay trong gió khi làm việc); iii) Nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong hệ thống điện và hệ thống điều khiển (HTĐ&ĐK) của WT, nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong trang trại gió (WF); từ đó iv) Đề xuất các biện pháp phối hợp cách điện để hạn chế QĐA sét đối với WT và trong WF. 1
Luận án được trình bày trong 4 chương: - Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT - Chương 3: Phân tích QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT - Chương 4: Phân tích QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan tình hình phát triển điện gió thế giới và Việt Nam Tính đến năm 2012, có khoảng 100 quốc gia trên thế giới đã đưa vào vận hành hệ thống điện gió với tổng công suất 282.275MW. Tốc độ tăng trưởng tích lũy công suất điện gió thế giới bình quân trong hơn chục năm gần đây luôn đạt 19,2%/năm. Với tốc độ tăng trưởng này, Hiệp hội năng lượng gió thế giới (WWEA) dự báo công suất điện gió toàn cầu đến cuối năm 2020 có thể đạt 1500GW. Việt Nam được xem là quốc gia có tiềm điện năng gió lớn nhất khu vực Đông Nam Á với tổng tiềm năng lý thuyết ước đạt khoảng 513.360MW. Tính đến năm 2013, đã có trên 50 dự án điện gió đã được đăng ký tập trung tại 13 tỉnh thành từ Bắc vào Nam với tổng công suất trên 5.000MW, trong đó 3 dự án điện gió Tuy Phong 20WT x 1,5MW (giai đoạn I), Bạc Liêu 10WT x 1,6MW (giai đoạn I) và Phú Quý 3WT x 2MW đã đưa vào vận hành. Để tiếp tục thúc đẩy phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, ngày 21 tháng 7 năm 2011, Chính phủ đã chính thức phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến 2030 (Quy hoạch điện VII). Theo đó, tổng công suất điện gió từ mức không đáng kể hiện nay lên mốc 1.000MW vào năm 2020 và mức 6.200MW vào năm 2030. 1.2. Công nghệ điện gió Những năm gần đây công nghệ điện gió thế giới liên tục phát triển liên tục cả về công suất lẫn chiều cao. Tính đến cuối những năm 1980 đầu những năm 1990 các nhà sản xuất WT hàng đầu thế giới mới chỉ chế tạo được WT thương mại công suất đến 55kW với chiều cao (gồm cánh và cột trụ) chưa đến 40m, nhưng vài năm trở lại đây họ đã có thể sản xuất được WT công suất lớn đến 10MW với chiều cao xấp xỉ 200m. Các WT có nhiều hình dáng khác nhau, tuy nhiên nếu phân loại theo cấu hình trục quay của cánh thì chỉ gồm 2 loại WT cơ bản là: trục đứng và trục ngang. Hiện 90% các WT thương mại công suất lớn 2
đang sử dụng trên thế giới có thiết kế dạng trục ngang 3 cánh đối xứng cách đều trong không gian một góc 2π/3, vì sự sắp xếp của các cánh theo thiết kế này cho phép tua bin luôn luôn tương tác đầy đủ với gió, ít gây tiếng ồn khi làm việc, cải thiện được hiệu suất hơn nhiều so với loại trục đứng. Vì thế, từ đây trở về sau thuật ngữ “WT” trong phạm vi luận án này dùng để chỉ loại WT trục ngang công suất lớn (Hình 1.11). Mỗi WT có một bộ MPĐ - MBA làm nhiệm vụ nâng điện áp thấp (0,69kV) lên cấp trung áp (22kV) kết nối chung với các WT khác tạo thành một WF tập trung cấp điện cho lưới điện địa phương hoặc lưới điện hệ thống. Hình 1.11. Cấu tạo của WT trục ngang 1.3. Tình hình nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT Giai đoạn trước năm 1990, việc nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT chưa thực sự được quan tâm là bởi các WT có công suất nhỏ - chiều cao thấp, tỷ lệ sét đánh và thiệt hại do sét không đáng kể. Tuy nhiên sau thời điểm này, các nhà sản xuất điện gió hàng đầu thế giới đã chế tạo được các WT công suất lớn đến hàng MW - chiều cao trung bình trên 100m, khi đưa vào vận hành tại các dự án lớn rất nhiều WT bị sét đánh gây thiệt hại không nhỏ về kinh tế và sự ổn định hệ thống thì vấn đề nghiên cứu bảo vệ chống sét cho các WT mới thực sự được quan tâm nghiên cứu. Các nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT có thể chia thành các nhóm chủ đề chính sau: - Thống kê thông số dòng điện sét liên quan đến WT cho nghiên cứu bảo vệ chống sét các WT phù hợp, hiệu quả. - Xác định vị trí sét đánh vào WT để từ đó khuyến cáo vị trí lắp đặt đầu thu sét cho WT hợp lý. - Xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT để dự báo, đánh giá rủi ro do sét đối với các phần tử, thiết bị của WT. 3
- QĐA cảm ứng và lan truyền trong HTĐ&ĐK của WT và lưới điện WF để từ đó khuyến cáo các biện pháp phối hợp cách điện đảm bảo an toàn cho các phần tử, thiết bị trong hệ thống điện gió. Sau khi tổng hợp, đánh giá các nghiên cứu liên quan, Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) đã đưa ra báo cáo kỹ thuật IEC/TR 61400- 24 (2002) và sau này là tiêu chuẩn IEC 61400-24 (2010) khuyến cáo thực hiện các biện pháp bảo vệ chống sét cho WT cụ thể như sau: - Hệ thống chống sét đánh trực tiếp gồm đầu thu sét gắn trên đầu các cánh, đường dẫn dòng sét qua vật dẫn trong cánh, vành trượt - chổi than, cột trụ và điện cực nối đất (Hình 1.23). - Vị trí lắp đặt CSV chống QĐA sét cho các phần tử, thiết bị trong HTĐ&ĐK của WT 1,5 ÷ 2MW Hình 1.23. Đường dẫn dòng điện được trình bày trên hình 1.25. sét của WT xuống hệ thống nối đất Hình 1.25. Vị trí lắp đặt CSV bảo vệ chống QĐA sét cho các phần tử, thiết bị trong HTĐ&ĐK của WT 1,5 ÷ 2MW hay được sử dụng ở Việt Nam 4
Trong quá trình tìm hiểu, tác giả nhận thấy: - Nhìn chung các nghiên cứu liên quan đến việc xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT thường coi đối tượng là công trình tĩnh, trong khi thực tế là công trình động (đầu thu sét được gắn trên cánh luôn chuyển động) hoặc có xét đến đặc điểm này nhưng đối tượng nghiên cứu là WT công suất nhỏ và chưa xét đến địa hình lắp đặt WT. - Việc nghiên cứu QĐA sét trong hệ thống điện gió thì mỗi nghiên cứu sử dụng mỗi đối tượng WT khác nhau do đó kích thước cột trụ, cáp điện, cáp điều khiển cũng khác. Chưa rõ ràng về mục đích phối hợp cách điện hay chọn CSV phù hợp với QĐA sét, do đó dạng sóng dòng điện sét trong các nghiên cứu chưa thống nhất (10/350μs, 8/20μs hoặc 2/70μs), trong khi dạng sóng cơ bản để phối hợp cách điện 1,2/50μs không được đề cập. Chưa làm rõ sự ảnh hưởng của vị trí lắp đặt MBA, TĐK, các đường cáp (điện và cáp điều khiển), của điện trở nối đất đến trị số QĐA cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT. Chưa xét đến ảnh hưởng của vị trí sét đánh (các WT khác nhau hoặc đường dây trung áp trên không nối lưới hệ thống hoặc lưới điện địa phương với WF), của phương thức kết nối các WT và hệ thống nối đất đến trị số QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF. Lưới điện trung áp Việt Nam sử dụng cấp điện áp 22kV, trong khi các tham số của CSV, MBA, cách điện, chiều cao cột điện của các nghiên cứu trước đây thường là ở cấp điện áp 6,6kV. Với các lý do trên đây, luận án sẽ đánh giá đề xuất phương pháp số lần sét đánh trực tiếp vào WT - công trình động, đồng thời đi sâu làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến QĐA sét trong HTĐ&ĐK của WT và QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF. Các nội dung nghiên cứu này của luận án được tác giả ứng dụng xem xét trên đối tượng là các WT (WF) điển hình đang được lắp đặt tại Việt Nam. 1.5. Kết luận Chương này, tác giả đã thực hiện được một số công việc sau: 1) Tổng hợp tình hình phát triển điện gió thế giới và Việt Nam cũng như tình hình phát triển công nghệ điện gió những năm gần đây. 2) Tổng hợp, đánh giá các nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT liên quan đến đề tài. Từ đó chỉ ra những nội dung mà luận án cần tiếp tục giải quyết. 5
Chương 2. XÁC ĐỊNH SỐ LẦN SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TUA BIN GIÓ Chương này, tác giả sẽ trình bày khái quát về lý thuyết mô hình điện hình học (EGM), phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT theo đề xuất của IEC (Phương pháp IEC) và Dolan (Phương pháp EGM). Sau đó tác giả sử dụng phương pháp EGM xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT có kích thước khác nhau lắp đặt tại các dự án điện gió Việt Nam. Trên cơ sở so sánh kết quả tính toán, tác giả đề xuất sử dụng phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT phù hợp. 2.2. Mô hình điện hình học (EGM) Mô hình điện hình học dùng để đánh giá số lần sét đánh vào công trình có chiều cao h (Hình 2.1). Mô hình điện hình học có thể được tóm tắt như sau: Hình 2.1. Mô hình điện hình học - Khi tiên đạo sét xuất hiện trong vùng BC thì sẽ phóng điện vào cột thu sét; còn khi tiên đạo sét xuất hiện trong vùng AB hoặc CD sẽ phóng điện sét xuống đất. - Khoảng cách phóng điện sét vào công trình S (m) phụ thuộc vào biên độ dòng điện sét I (kA) theo công thức: S = 10.I0,65 - Diện tích thu hút sét tương đương của cột thu sét trên mặt đất là một hình tròn tâm O (tâm cột thu sét trên mặt đất) có bán kính r phụ thuộc vào chiều cao cột thu sét h và biên độ dòng điện sét theo các công thức sau: + Khi h ≥ βS (hay I ≤ IC): r = S = 10.I0,65 + Khi h < βS (hay I > IC): r  2  Sh  h 2  S 2 (1  β 2 ) Với IC là dòng điện sét giới hạn xác định theo công thức:  ln  h/10 β   I C  exp    0,65  β là hệ số xác định theo công thức: β = 0,36 + 0,17ln(43-h) Khi h > 40m thì lấy h = 40m. Các WT công suất lớn chiều cao tổng thể đều lớn hơn 40m, nên tính được β = 0,547. 6
2.3. Phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT 2.3.1. Phương pháp IEC Diện tích thu hút sét tương đương của WT trên mặt đất là một hình tròn với tâm chính là vị trí lắp đặt WT (Hình 2.2). Số lần sét đánh trực tiếp WT của phương pháp này xác định theo công thức: N = Ng.Cd.Ae.10-6 (lần/năm) Ng là mật độ sét, Ae là diện tích thu hút sét tương đương của WT trên mặt đất: Ae = πr2 = 9πh2 (m2), và Cd là hệ số địa hình lắp đặt WT (bằng phẳng Cd = 1, đồi núi Cd = 2 Hình 2.2. Diện tích thu hút sét tương và ngoài biển Cd = 3 ÷ 5). đương của WT trên mặt đất theo phương pháp IEC 2.3.2. Phương pháp EGM Khi đầu thu sét gắn trên cánh chuyển động, nó tạo thành một cung tròn vì thế chiều cao của nó luôn thay đổi phụ thuộc vào vị trí của đầu thu sét trên cung tròn. Phương pháp này xét đến đồng thời sự thay đổi đầu thu sét và chiều cao của WT nên diện tích thu hút sét tương đương của WT trên mặt đất không phải chỉ có hình tròn mà còn có thêm phần diện tích hình chữ nhật (Hình 2.3). Hình 2.3. Diện tích thu sét tương Số lần sét đánh trực tiếp WT đương của WT trên mặt đất theo của phương pháp EGM xác định phương pháp EGM theo công thức: 2  I ( ) 300      r    r  C A  2 r1 w ( A ) f  I dI   2 r2 w ( A ) f  I dI  f ( A ) d  A 6 N  N g C d . 10 2 2 1 2 0  3 I C ( A )  Trong đó: θA là góc lệch cánh so với trục hoành: 0 ≤ θA ≤ 2π Chiều rộng hình chữ nhật thu sét: w(θA) = Hb[cosθA- cos(θA+2π/3)] Chiều cao thu sét của WT: h(θA) = Ht + HbsinθA 7
Dòng điện sét giới hạn xác định theo công thức:  ln h  A  / 10    I C ( A )  exp    0 , 65  Bán kính hai nửa hình tròn thu sét theo dòng điện sét giới hạn: + Khi I ≤ IC: r  r1  10I 0,65 + Khi I > IC: r  r2  20  h ( A ) I 0 , 65  h 2 ( A )  (10 I 0 , 65 ) 2 (1   2 ) Hàm mật độ phân bố dòng điện sét f(I) và hàm mật độ phân bố góc lệch của cánh so với trục hoành f(θA) xác định theo công thức: 1 ,6  2 ,6   I    .   31   31  f(I ) 2   I   2 ,6 1       31   1 f ( A )  2 Như vậy khác với phương pháp IEC, diện tích thu hút sét tương đương của WT trên mặt đất theo phương pháp EGM xét đến đồng thời sự biến thiên của dòng điện sét và chiều cao của WT. 2.4. Xác định số lần sét đánh WT theo phương pháp EGM Kết quả xác định số lần sét đánh WT có công suất và kích thước khác nhau theo mật độ sét Việt Nam (với các giả thiết kích thước WT như trong bảng 2.3 và hệ số địa hình Cd = 1) thể hiện trên hình 2.7. Bảng 2.3. WT có công suất và kích thước khác nhau Ht Hb TT Loại WT (m) (m) 1 V29-0,225MW 30 14,5 2 V47-0,66MW 40 23,5 3 V52-0,85MW 49 26 4 V66-1,5MW 65 33 5 V80-1,5÷2MW 67 39 6 V90-2÷2,5MW 80 45 7 V112-3MW 94 56 Hình 2.7. Số lần sét đánh WT chiều cao khác nhau theo mật độ sét Việt Nam Hình 2.7 cho thấy, số lần sét đánh phụ thuộc vào mật độ sét khu vực lắp đặt WT và kích thước của WT (chiều cao cột trụ Ht và chiều dài cánh Hb). Trong đó, kích thước của WT là yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đến số lần sét đánh trực tiếp WT trung bình hàng năm. Kết 8
quả so sánh giữa sự gia tăng kích thước của các WT và sự gia tăng số lần sét đánh trực tiếp vào các WT (so với V29) được tổng hợp trong hai cột được tô đậm của bảng 2.4 cho thấy rõ điều này (giả thiết nơi lắp đặt WT cùng mật độ sét Ng = 5,7 lần/km2/năm). Bảng 2.4. So sánh giữa sự gia tăng kích thước của các WT và sự gia tăng số lần sét đánh vào các WT (so với V29) Kích thước của WT Số lần sét Số lần sét T Loại WT Tăng so đánh đánh tăng so T Ht Hb h với V29 (lần/năm) với V29 (lần) (m) (m) (m) (lần) 1 V29 (0,225MW) 30 14,5 44,5 - 0,3 - 2 V47 (0,66MW) 40 23,5 63,5 1,4 0,7 2,3 3 V52 (0,85MW) 49 26 75 1,7 1,2 4,0 4 V66 (1,5MW) 65 33 98 2,2 3,0 10,0 5 V80 (1,5÷2MW) 67 39 106 2,4 3,5 11,7 6 V90 (2÷2,5MW) 80 45 125 2,8 6,2 20,7 7 V112 (3MW) 94 56 150 3,4 11,9 39,7 Hình 2.7 cũng cho biết, số lần sét đánh trực tiếp WT trung bình hàng năm ở Việt Nam là rất cao. Với WT điển hình có công suất 1,5 ÷ 2MW (tương đương WT loại V80) nếu được lắp đặt tại Ninh Thuận có mật độ sét thấp nhất trong số các tỉnh thành (Ng = 1,4 ÷ 3,4 lần/km2/năm) thì số lần sét đánh WT trung bình cũng từ 1,2 ÷ 2,3 lần/năm; còn nếu lắp đặt tại Tiền Giang và Cà Mau - nơi có mật độ sét lớn nhất nước (Ng = 13,7 lần/km2/năm) thì số lần sét đánh WT trung bình lên đến 8,7 lần/năm. 2.5. Nhận xét Kết quả tính toán so sánh số lần sét đánh trực tiếp WT giữa phương pháp IEC và EGM trên hình 2.8 cho thấy: Với các WT có chiều cao thấp dưới 110m số lần sét đánh giữa hai phương pháp cho kết quả gần giống nhau, nhưng khi WT có chiều cao lớn từ 110m trở lên Hình 2.8. So sánh So sánh số lần sét số lần sét đánh giữa hai đánh trực tiếp WT theo phương pháp phương pháp sai khác nhau rất IEC và EGM (ứng với kích thước WT nhiều. và mật độ sét khác nhau) 9
Điều này là dễ hiểu vì khi WT công suất nhỏ - cánh ngắn, phần diện tích thu hút sét hình chữ nhật của WT trên mặt đất nhỏ nên kết quả tính toán số lần sét đánh WT giữa 2 phương pháp gần như giống nhau. Tuy nhiên, khi WT công suất lớn - cánh dài, phần diện tích hình chữ nhật thu hút sét của WT trên mặt đất lớn nên số lần sét đánh WT giữa hai phương pháp sai khác nhau rất nhiều. So với phương pháp IEC, phương pháp EGM kể đến đồng thời hai yếu tố sát với thực tế luôn biến thiên là dòng điện sét và chiều cao tổng thể của WT (luôn chuyển động phụ thuộc vào chiều dài cánh) do đó chắc chắn sẽ cho kết quả chính xác hơn, đặc biệt với các WT có kích thước cao trên 110m. 2.6. Kết Luận Trong chương 2, tác giả đã thực hiện được một số vấn đề sau: 1) Giới thiệu lý thuyết mô hình điện hình học (EGM) và các phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT. 2) Áp dụng mô hình điện hình học trong tính toán số lần sét đánh vào tua bin gió. 3) Xây dựng các đường đặc tính xác định số lần sét đánh đối với các tua bin gió điển hình lắp đặt trong điều kiện Việt Nam. Kết quả tính toán có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các dự án điện gió tương lai tại Việt Nam. Chương 3. PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT CẢM ỨNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA TUA BIN GIÓ Khi sét đánh vào cánh WT, dòng điện sét sẽ được dẫn qua: vật dẫn đặt trong cánh, vành trượt - chổi than, cột trụ thép rỗng rồi xuống hệ thống nối đất. Do đường cáp điện và cáp điều khiển đường lắp đặt bên trong cột trụ thép nên khi dòng điện sét chạy qua cột trụ xuống đất sẽ phát sinh QĐA sét cảm ứng trên các đường cáp này có thể gây nguy hiểm cho cách điện của các thiết bị điện và thiết bị điều khiển trong HTĐ&ĐK của WT. Chương này sẽ sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềm ATP/EMTP để nghiên cứu QĐA sét trong HTĐ&ĐK của WT điển hình của Việt Nam. Từ đó khuyến cáo các biện pháp phối hợp cách điện, góp phần đảm bảo an toàn cho các phần tử, thiết bị trong HTĐ&ĐK của WT. 10
3.2. Mô hình các phần tử cho nghiên cứu QĐA cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT Để nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT nhất thiết phải mô hình hóa được các phần tử liên quan. - Vật dẫn trong cánh WT được mô hình bằng tổng trở sóng với tốc độ truyền sóng. - Vành trượt - chổi than có kích thước nhỏ nên được mô hình bằng điện trở không đổi. - Đường dẫn dòng điện sét qua cột trụ, trong đó lắp đặt các đường cáp được chia đều thành 10 đoạn bằng nhau và mô hình bằng một mạch tương đương với thông số R, L, C rải đều trên mỗi đoạn (từ đỉnh xuống chân cột trụ) như Hình 3.5. Mô hình mạch tương đương trên hình 3.5. trên đường dẫn dòng sét qua cột trụ WT - Nguồn điện sét được mô hình bằng một nguồn dòng lý tưởng i(t) là hàm Heidler nối song song với tổng trở sóng của kênh sét Zs. - Các CSV được sử dụng để hạn chế QĐA sét trong HTĐ&ĐK của WT mô hình bằng điện trở phi tuyến V-A. 3.3. Chọn WT và tính toán thông số mô hình các phần tử Đối tượng WT được lựa chọn cho nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong chương này là loại điển hình đã, đang và sẽ lắp đặt tại các dự án điện gió của Việt Nam với các thông sô kỹ thuật cơ bản: - Máy phát điện công suất 1,5MW đặt trong thùng, MBA 2MVA- 0,69/22kV đặt dưới chân cột trụ. - Cánh dài 39m, vật dẫn trong cánh bằng nhôm tiết diện 25mm2. - Cột trụ thép cao 67m; đường kính kính đỉnh, giữa và chân cột trụ lần lượt là: 2,5m, 3,4m và 4,3m. - Cáp điện 690V (Cu-XLPE-600mm2) và cáp điều khiển (RG58A/U) lắp đặt song song và cách thành trong của cột trụ 200mm. 11
- Tổng trở sóng của cánh, các thông số R, L, C trong mạch điện tương đương được tính toán phù hợp với đối tượng nghiên cứu là WT đã lựa chọn cùng các thông số mô hình liên quan cho nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT được lựa chọn tổng hợp ở bảng 3.3. Bảng 3.3. Kết quả tính toán các thông số 3.4. Kết quả mô phỏng mô hình phần tử liên quan cho nghiên cứu và phân tích QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT Mô phỏng đầu tiên tác giả xem xét sự phân bố điện thế và QĐA trên cách điện của cáp điện và cáp điều khiển với giả thiết: Sét đánh vào cánh WT với dòng sét 30kA (1,2/50μs); cột trụ và lớp kim loại bảo vệ nối đất chung 5Ω; CSV lắp đặt tại hai đầu các đường cáp (phía đỉnh và chân cột trụ). Kết quả mô phỏng cho thấy, điện thế cũng như QĐA trên cách điện tại các điểm trên các đường cáp giảm dần từ điểm đầu (phía đỉnh cột trụ) xuống điểm cuối (phía chân cột trụ) do các điện dung thành phần giữa cột trụ với đất, giữa cáp với cột trụ có trị số tăng dần từ đỉnh xuống chân cột trụ và do tổn hao trên các điện trở thành phần. QĐA cảm ứng lớn nhất trên cách điện của đường cáp điện phía chân so với phía đỉnh cột trụ giảm khoảng 2 lần (368kV so với 181kV), còn QĐA sét cảm ứng trên cách điện đường cáp điều khiển phía chân giảm khoảng 3,4 lần so với phía đỉnh cột trụ (591kV so với 176kV). Điều này gợi ý, nên hạn chế bố trí tối đa việc lắp đặt các TBĐ&ĐK tại phía đỉnh cột trụ ngay từ khâu thiết kế. 12
Dòng điện qua CSV lắp đặt tại cuối đường cáp (phía chân cột trụ) là 2,2kA giảm trung bình 1,3 lần so với CSV lắp đặt tại đầu đường cáp (phía đỉnh cột trụ). Do vậy, nên sử dụng các CSV có mức hấp thụ năng lượng thấp hơn để lắp đặt bảo vệ cho các phần tử, TBĐ&TBĐK lắp đặt phía dưới chân cột trụ so với phía đỉnh cột trụ. Các mô phỏng tiếp theo tác giả sẽ xem xét sự ảnh hưởng của: trị số điện trở nối đất, thông số dòng điện sét, khoảng cách lắp đặt đường cáp so với cột trụ đến QĐA trên cách điện đầu và cuối các đường cáp - đây cũng chính là QĐA trên cách điện của TBĐ&TBĐK lắp đặt phía đỉnh và chân cột trụ. - Ảnh hưởng của trị số điện trở nối đất: Khi sét đánh vào cánh WT với dòng sét 30kA (1,2/50μs), biên độ QĐA trên cách điện của các đường cáp phía đỉnh và chân cột trụ theo trị số điện trở nối đất số khác nhau: 1, 2, 3, 5 và 10Ω được so sánh trên hình 3.23 và 3.24. Hình 3.23. Biên độ QĐA cảm ứng Hình 3.24. Biên độ QĐA cảm ứng trên cách điện cáp phía đỉnh cột trên cách điện cáp phía chân cột trụ theo trị số điện trở nối đất trụ theo trị số điện trở nối đất Ta nhận thấy, trị số điện trở nối đất càng nhỏ thì mức QĐA trên cách điện hai đầu đường cáp càng nhỏ. Tuy nhiên, khi trị số điện trở nối đất lớn hơn hoặc bằng 3Ω thì sự gia tăng QĐA trên cách điện đường cáp rất lớn. Do đó, để dễ hạn chế QĐA sét trong HTĐ&ĐK của WT nên nối đất với trị số điện trở thấp hơn hoặc bằng 3Ω. - Ảnh hưởng của thông số dòng điện sét: + Biên độ dòng điện sét: QĐA trên cách điện của các đường cáp phía đỉnh và chân cột trụ theo biên độ dòng sét 10, 20, 30, 50 và 100kA (cùng dạng xung 1,2/50μs) được so sánh trên hình 3.25 và 3.26. Kết quả mô phỏng cho thấy, QĐA sét cảm ứng trên cách điện của TBĐ&TBĐK phía đỉnh và chân cột trụ tăng tỷ lệ thuận theo biên độ dòng điện sét. Tuy nhiên, với dòng điện sét nhỏ 10kA thì QĐA này phía chân cột trụ là cũng là 60,1kV - lớn hơn 7 lần mức điện áp xung quy định trong tiêu chuẩn IEC-60364-1 (BIL = 2,5 ÷ 8kV) đối với 13
thiết bị hạ áp. Vì thế, để đảm bảo an toàn cho các TBĐ&TBĐK của WT nhất thiết phải nghiên cứu biện pháp tăng cường nhằm hạn chế QĐA nguy hiểm với bất cứ phóng điện sét nào vào WT. Hình 3.25. Biên độ QĐA trên cách Hình 3.26. Biên độ QĐA trên cách điện đầu các đường cáp theo biên điện cuối các đường cáp theo biên độ dòng điện sét độ dòng điện sét + Thời gian đầu sóng: QĐA trên cách điện hai đầu các đường cáp theo thời gian đầu sóng là 1,2μs, 2μs, 5μs, 8μs và 10μs được so sánh trên hình 3.27 (cùng biên độ 30kA). Kết quả cho thấy, khi thời gian này nhỏ hơn hoặc bằng 5μs, sự gia tăng QĐA Hình 3.27. Biên độ QĐA trên cách sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK điện đầu và cuối các đường cáp theo thời gian đầu sóng dòng điện sét của WT là rất lớn, nhưng khi lớn hơn 5μs ảnh hưởng là khá nhỏ. Điều đó cho thấy ảnh hưởng của thành phần điện cảm trong cáp chỉ đáng kể đối với sóng sét có độ dốc lớn, với thời gian đầu sóng lớn hơn 5μs thì thành phần điện dung trong các cáp quyết định trị số QĐA sét cảm ứng trên cách điện các cáp (cũng là cách điện của TBĐ&TBĐK tại hai đầu các đường cáp). - Khoảng cách giữa đường cáp so với cột trụ: Các mô phỏng tính toán QĐA theo khoảng cách này cho thấy: + Khoảng cách lắp đặt các đường cáp so với cột trụ càng lớn thì trị số QĐA trong HTĐ&ĐK của WT càng nhỏ. + QĐA lớn nhất phía đầu các đường cáp (phía đỉnh cột trụ) ngoài phụ thuộc khoảng cách lắp đặt đường cáp so với cột trụ thì còn phụ thuộc vào biên độ và thời gian đầu sóng của dòng điện sét. Bằng các mô phỏng tính toán (dựa vào xác suất xuất hiện biên độ và thời gian đầu sóng của dòng điện sét và điện trường giới hạn gây 14
phóng điện), tác giả tính được khoảng cánh an toàn lắp đặt cáp so với cột trụ là 479mm sẽ đảm bảo 50% số lần sét đánh WT không gây phóng điện làm hư hỏng cách điện, còn để đảm bảo an toàn đến 95% thì khoảng cách này là 775mm. 3.5. Kết luận Trong chương 3, tác giả đã thực hiện được một số vấn đề sau: 1) Trình bày phương pháp mô hình các phần tử trên đường dẫn dòng điện sét của WT cũng như các phần tử liên quan khác như nguồn điện sét, CSV đã được tác giá đánh giá, lựa chọn. 2) Các thông số mô hình được tác giả tính toán xác định phù hợp với đối tượng nghiên cứu với loại WT 1,5MW điển hình của Việt Nam. 3) Các mô phỏng, tính toán QĐA cảm ứng trong HTĐ&ĐK của một WT điển hình đang sử dụng tại Việt Nam cho thấy: - Nên sử dụng các CSV lắp đặt tại cuối đường cáp có mức hấp thụ năng lượng thấp hơn so với tại đầu đường cáp. - Nên thực hiện nối đất với trị số điện trở nhỏ hơn hoặc bằng 3Ω để dễ dàng giảm mức QĐA xuống trị số an toàn cho TBĐ&ĐK của WT. - Thông số dòng điện sét (biên độ và thời gian đầu sóng) nơi dự kiến lắp đặt các WT nên được nghiên cứu đo lường sẽ giúp việc xác định QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT chính xác hơn. Từ đó có biện pháp bảo vệ chống QĐA sét trong hệ thống này phù hợp. - Nên lắp đặt các đường cáp xa cột trụ nhất có thể để giảm mức QĐA sét cảm ứng trên cách điện của các phần tử, thiết bị trong HTĐ&ĐK của WT. Chương 4. PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT LAN TRUYỀN TRONG LƯỚI ĐIỆN TRANG TRẠI GIÓ Nguyên nhân phát sinh QĐA sét lan truyền trong WF có thể do sét đánh vào WT hoặc sét đánh vào đường dây trên không trung áp nối WF với lưới điện hệ thống (hoặc lưới điện địa phương). - Khi sét đánh vào WT bất kỳ trong WF, dòng điện sét được dẫn xuống hệ thống nối đất, một phần dòng điện sét sẽ “xông ngược” qua các CSV và các điện dung ký sinh giữa các cuộn dây của MBA so với đất gây nên QĐA nguy hiểm trong lưới điện WF. - Sét đánh vào đường dây trung áp trên không nối với lưới điện cũng có thể gây nên QĐA nguy hiểm lan truyền vào trong lưới điện WF. 15
Chương này sẽ nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF điển hình của Việt Nam theo các nguyên nhân kể trên bằng việc sử dụng phần mềm phân tích quá trình quá độ điện từ ATP/EMTP. 4.2. Mô hình các phần tử cho nghiên cứu quá điện áp sét lan truyền trong lưới điện trang trại gió Mô hình các phần tử như cánh, vành trượt - chổi than, CSV và nguồn điện sét đã được trình bày trong mục 3.2 (chương 3). Trong mục này tác giả đã lựa chọn mô hình các phần tử liên quan khác cho nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF, cụ thể như sau: - Cột trụ mô hình bằng tổng trở sóng với tốc độ truyền sóng c= 3.108m/s. - MBA WT sử dụng mô hình phụ thuộc tần số. Trong đó, các trị số điện dung giữa: cuộn hạ với đất, cuộn cao với đất và cuộn cao với cuộn hạ nhà sản xuất cho hoặc đo lường trực tiếp. - Đường cáp 690V sử dụng mô hình hình PI. Đường cáp 22kV của WF sử mô hình Bergeron, còn đường dây trên không 22kV nối WF với lưới hệ thống (từ WF đến TBA trung gian 110kV) sử dụng mô hình J Marti. - Nối đất tại mỗi WT được mô hình bằng điện trở không đổi. Thanh ngang nối đất chung giữa các WT kề nhau trong WF sử dụng mô hình mạch điện hình PI với thông rải đều trên mỗi đoạn dài 10m. 4.3. Lựa chọn trang trại gió và xác định xác định các thông số mô hình cho nghiên cứu quá điện áp sét lan truyền - Đối tượng được lựa chọn nghiên cứu là WF tỉnh Ninh Thuận gồm 10WT (được đánh số từ 1 đến 10) chia thành hai hàng giống nhau, mỗi hàng 5WT cùng các số liệu khác thể hiện trên hình 4.4. - Kết quả tính toán và lựa chọn thông số mô hình các phần tử liên quan cho nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong WF được tổng hợp trong bảng 4.2. Hình 4.4. Mô hình WF tỉnh Ninh Thuận 16
4.4. Phân tích quá điện Bảng 4.2. Mô hình và kết quả tính toán áp sét lan truyền trong các thông số mô hình các phần tử lưới điện trang trại gió 4.4.1. Sét đánh vào WT Mô phỏng đầu tiên, giả thiết sét đánh vào cánh WT1 với dòng sét 30kA (1,2/50μs) và điện trở nối đất mỗi WT là 5Ω. Kết quả mô phỏng cho dạng sóng QĐA phía cao áp và hạ áp của MBA WT1 đến WT5 trên hình 4.8 và 4.9. Hình 4.9 cho thấy, biên độ QĐA tại phía hạ áp của MBA WT1 lớn nhất đạt 35kV và giảm dần từ 3kV với WT2 (gần WT1 nhất) đến 1kV với WT5 (xa WT1 nhất). Do đó, phía hạ áp các MBA WT cần có biện pháp bảo vệ chống QĐA tránh gây phóng điện nguy hiểm. Hình 4.8. Sóng QĐA (pha A) phía Hình 4.9. Sóng QĐA (pha A) phía cao áp của các MBA WT1 đến WT5 hạ áp của các MBA WT1 đến WT5 Các mô phỏng tiếp theo, tác xem xét sự ảnh hưởng của thời gian đầu sóng dòng điện sét, hệ thống nối đất và vị trí sét đánh WT đến QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF. a) Ảnh hưởng của thời gian đầu sóng dòng điện sét Khi sét đánh WT1 có thời gian đầu sóng dòng điện sét khác nhau 1,2μs, 5μs và 10μs (cùng biên độ 30kA) thì sóng QĐA sét tại pha A phía cao áp và phía hạ áp của WT này như trên hình 4.10 và 4.11 (WF sử dụng nối đất độc lập tại mỗi WT có trị số điện trở 5Ω). 17
Hình 4.10. Sóng QĐA phía cao áp Hình 4.11. Sóng QĐA phía hạ áp của MBA WT1 theo thời gian đầu của MBA WT1 theo thời gian đầu sóng dòng sét 1,2μs, 5μs và 10μs sóng dòng sét 1,2μs, 5μs và 10μs Khi thời gian đầu sóng nhỏ, QĐA lớn và dao động mạnh trước khi tắt hẳn do sóng phản xạ từ các WT lân cận xếp chồng với đỉnh dòng điện sét gây ra. Còn thời gian đầu sóng lớn, sự cộng hưởng do sự xếp chồng này là không đáng kể làm giảm mạnh trị số QĐA lan truyền. b) Ảnh hưởng của hệ thống nối đất - Hình 4.14 cho thấy, nếu nối đất tại mỗi WT là 10Ω thì biên độ QĐA phía cao áp và hạ áp của MBA WT1 lần lượt là 180,3kV và 56,4kV, còn nếu nối đất là 1Ω thì chỉ là 20,1kV và 3,6kV. Như vậy, nếu trị số điện trở nối đất giảm 10 lần thì QĐA phía cao áp của MBA WT1 giảm 9 lần, còn phía hạ áp của MBA WT1 giảm đi 15,7 lần. Do đó giảm điện trở nối đất là biện pháp đơn giản nhất để hạn chế mức QĐA sét nguy hiểm trên cách điện của Hình 4.14. Biên độ QĐA phía cao và hạ thiết bị hạ áp của WT. áp MBA WT1 theo trị số điện trở nối đất Hình 4.15. Sóng QĐA phía cao áp Hình 4.17. Sóng QĐA phía hạ áp MBA WT1 theo hình thức nối đất MBA WT1 theo hình thức nối đất độc lập (1) và nối đất chung (2) độc lập (1) và nối đất chung (2) 18
- Kết quả mô phỏng so sánh dạng sóng QĐA phía cao áp và hạ áp của MBA WT1 theo hình thức nối đất độc lập và nối đất chung thể hiện trên hình 4.15 và 4.17. Như vậy, nếu WF sử dụng hình thức nối đất chung thì biên độ QĐA tại WT bị sét đánh giảm trên 3 lần (cả phía áp cao và hạ áp của MBA WT) so với hình thức nối đất độc lập. c) Ảnh hưởng của vị trí sét đánh WT Mô phỏng được thực hiện với giả thiết, dòng điện sét 30kA (1,2/50μs), hình thức nối đất WF độc lập tại mỗi WT là 5Ω. Khi sét đánh vào WT1 đến WT5, kết quả cho dạng sóng QĐA phía cao áp và phía hạ áp của các MBA WT này được so sánh lần lượt trên hình 4.19 và 4.20. Hình 4.19. Sóng QĐA phía cao Hình 4.20. Sóng QĐA phía hạ áp MBA WT1 đến WT5 khi sét áp MBA WT1 đến WT5 khi sét vào các WT này vào các WT này Ta thấy, nhóm thứ nhất gồm các WT gần lưới hệ thống nhất (WT1 và WT2) có biên độ QĐA lớn gần gấp 2 lần nhóm thứ hai gồm các WT ở xa lưới hệ thống hơn (WT3, WT4 và WT5). Điều này là do sự phản xạ từ lưới và các WT tại hàng thứ 2 (WT6 đến WT10) đến muộn hơn so với hàng thứ nhất (WT1 đến WT5). Hình 4.21 cho thấy dòng phóng điện qua các CSV của nhóm thứ nhất (WT1 và WT2) lớn trên hai lần so với nhóm thứ hai (WT3, WT4 và WT5). Vì vậy, có thể sử dụng CSV có mức hấp thụ năng lượng thấp Hình 4.21. Dòng phóng điện qua các hơn đối với các WT của nhóm CSV phía cao áp của MBA WT1 đến thứ hai (xa lưới hệ thống) WT5 khi sét đánh vào các WT này 19
4.4.2. Sét đánh vào đường dây trên không gây QĐA trong WF a) Đường dây trên không không có DCS, sét đánh vào dây pha. Vị trí sét đánh gần hay xa WF ảnh hưởng không nhiều đến QĐA sét truyền vào WF. Khi dòng sét là 30kA (1,2/50μs), WF nối đất độc lập tại mỗi WT là 5Ω thì QĐA lớn nhất tại phía cao áp và hạ áp của WT1 dao động lần lượt trên dưới 100kV và 20kV ứng với hai cấp điện áp kể trên của WT1. Điều này được lý giải QĐA chỉ bị hạn chế bởi tổn thất tự nhiên trong quá trình truyền sóng trên đường dây. b) Đường dây trên không có DCS, sét đánh vào dây DCS với giả thiết: Dòng sét 30kA (1,2/50μs), WF nối đất độc lập tại mỗi WT là 5Ω, sét đánh vào tại vị trí cách WF lần lượt là (1) 60m, (2) 300m, và (3) 600m. Kết quả mô phỏng cho thấy: - Biên độ QĐA sét tại phía cao áp và hạ áp của MBA WT1 (gần đường dây trên không nhất) được tổng hợp so sánh trên hình 4.29. Sét đánh vào dây DCS ở vị trí càng xa WF thì QĐA truyền vào WF càng giảm do một phần lớn năng lượng sét được hấp thụ trực tiếp xuống hệ thống nối đất tại các cột điện. - Trong trường hợp sét đánh vào DCS ở vị trí (1) gần WF nhất, DCS có tác dụng giảm mức QĐA phía cao áp của WT1 xuống dưới mức điện áp xung (BIL = 110÷150kV). Tuy nhiên, QĐA phía hạ áp của WT1 mặc dù cũng giảm nhưng vẫn lớn hơn mức BIL = 2,5÷8kV của Hình 4.29. Biên độ QĐA (pha A) phía thiết bị hạ áp. Vì thế để hạn chế hạ áp và cao áp của MBA WT1 theo vị QĐA phía hạ áp của WT xuống trí sét đánh đường dây (1), (2) và (3) dưới trị số BIL, tác giả đề xuất sử dụng thêm CSV tại điểm nối đường dây trên không và đường cáp ngầm trung áp (22kV) của WF. - Kết quả so sánh mức hạn chế QĐA cả phía cao áp và hạ áp của WT1 theo hai biện pháp đường dây trên không: (i) treo DCS và (ii) treo DCS kết hợp lắp đặt CSV tại vị trí đấu nối đường dây này với đường cáp của WF so với khi đường dây không treo DCS được trình bày trên hình 4.31 và 4.32. Khi thực hiện biện pháp (ii), QĐA phía hạ áp của WT1 giảm còn 1,5kV - dưới mức BIL yêu cầu, đồng thời QĐA phía cao áp của WT1 cũng giảm được 1,5 lần so với chỉ sử dụng DCS (41kV so với 60kV). 20