Nghiên cứu các biện pháp bảo vệ quá độ do sét trong mạng phân phối mô phỏng bằng chương trình ATP-EMTP

Nội dung text: Nghiên cứu các biện pháp bảo vệ quá độ do sét trong mạng phân phối mô phỏng bằng chương trình ATP-EMTP

1. NGHIÊN CỨU CÁC BIỆN PHÁP BẢO VỆ QUÁ ĐỘ DO SÉT TRONG MẠNG PHÂN PHỐI MÔ PHỎNG BẰNG CHƯƠNG TRÌNH ATP-EMTP Hồ Văn Thắng Trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh TÓM TẮT: Bài báo này trình bày một cái nhìn tổng quan về sét và mô hình tác động của chúng trên hệ thống mạng điện phân phối điển hình. Các mô phỏng được thực hiện bằng chương trình ATP-EMTP (chương trình quá độ điện từ) khi sét đánh đường dây và trạm biến áp trong trường hợp hệ thống có và không có trang bị thiết bị chống sét. Các điện áp được ghi nhận tại trạm biến áp 110/22 kV và tại tất cả các tải trong mạng điện phân phối được rút ra bởi chương trình PlotXY, nhận thấy mạng điện phân phối cần thiết phải lắp đặt chống sét van tại các thanh góp của hệ thống (đầu vào trạm biến áp và đầu vào các nhánh mang tải). Ngoài ra, cần thiết xây dựng giá trị điện trở nối đất càng nhỏ càng tốt và nên nhỏ hơn 10Ω. Các dạng xung dòng sét (8/20 μs và 10/350 μs) tuy có thay đổi giá trị quá điện áp nhưng sự thay đổi không đáng kể. Trường hợp trạm biến áp có hai máy biến áp thì chỉ cần lắp đặt chống sét van tại đầu thanh góp của trạm biến áp với khoảng cách hai máy biến áp ≤ 8m để bảo vệ an toàn cho các thiết bị trong mạng phân phối. Từ khóa: chống sét van, hiệu quả bảo vệ, yếu tố ảnh hưởng, vị trí lắp đặt. 1. GIỚI THIỆU Sét đánh là nguyên nhân thường gặp nhất gây ra quá điện áp trên các hệ thống phân phối. Về cơ bản, sét là một tia lửa khổng lồ thu được từ sự phát triển của hàng triệu volt giữa các đám mây hoặc giữa đám mây và mặt đất. Mặc dù các giá trị này không tiếp cận mặt đất, hàng triệu volt có thể được đánh vào các tòa nhà, cây cối hoặc đường dây phân phối. Trong trường hợp sét đánh đường dây phân phối trên không, nó gây ra quá độ điện áp trong hệ thống làm quá điện áp nguy hiểm cho thiết bị. Sét được phân loại như là một sự cố thoáng qua. Sét là lý do chính gây ra gián đoạn trong đường dây phân phối [3]. Khi sét đánh xuống đường dây điện, nó cũng giống như đóng một "chuyển đổi lớn" giữa một nguồn dòng điện lớn và các mạch đường dây điện. Việc đóng đột ngột này "chuyển đổi lớn" gây ra sự cố thoáng qua vì sự thay đổi đột ngột trong điều kiện mạch điện. Ngoài ra còn có những trường hợp khi sét đánh các vùng lân cận, dòng điện và từ trường lớn được tạo ra từ những tia sét gây ra phóng điện giữa đường dây điện và sét. Các sự cố gây ra quá điện áp trong mạng điện phân phối [4]. 2. MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT CHUẨN Dòng sét lan truyền và dòng sét đánh trực tiếp vào đường dây trung áp trên không được mô phỏng bởi nguồn phát xung dòng lý tưởng 10/350μs và 8/10μs. Trước đây, trong các tài liệu về chống sét [1, 5], nguồn phát xung được mô tả bởi hàm mũ a bt i Im () e e . Tuy nhiên, dạng sóng mô phỏng theo phương thức này không hoàn toàn phù hợp với dạng sóng tiêu chuẩn được qui định trong các tiêu chuẩn về chống sét 1
2. quốc tế, đặc biệt là thời đoạn khi xung dòng tăng từ 0% đến 10% giá trị biên độ đỉnh. Dưới đây, đề nghị mô hình nguồn phát xung sét chuẩn khắc phục được nhược điểm này dựa trên hàm toán học của Heidler [6]. Dòng sét được mô tả bởi biểu thức: 10 Imax (/)t 1 it exp(/)10  2 (1) ht(/)11 Trong đó: Imax là dòng điện đỉnh; t là thời gian; 1 là hằng số thời gian đầu sóng;  2 là hằng số thời gian suy giảm; h là hệ số hiệu chỉnh đối với dòng điện đỉnh phụ thuộc vào thời gian tăng và thời gian suy giảm của dạng sóng. Phương thức xác định giá trị các thông số của mô hình xung sét đánh trực tiếp dạng sóng 10/350 μs và xung sét lan truyền dạng sóng 8/20 μs với giá trị đỉnh 10 kA được trình bày chi tiết ở tài liệu tham khảo [2]. Mô hình xung dòng sét chuẩn dạng sóng 10/350 μs và dạng sóng 8/20 μs xây dựng trong ATP-Draw được trình bày ở Hình 1. Kết quả dạng sóng mô phỏng trình bày ở Hình 2. Hình 1. Mô hình nguồn phát xung sét (dạng sóng 10/350 μs và dạng sóng 8/20 μs) (a) (b) Hình 2. (a) Dạng xung dòng 10kA- 8/20μs và (b) Dạng xung dòng 10kA- 10/350μs 3. MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN Theo kết quả nghiên cứu như Bảng 1 cho thấy, giữa các mô hình chống sét van khác nhau không có sự sai khác đáng kể trong việc hạn chế mức quá điện áp do sét. Do vậy, để thuận tiện mô phỏng sẽ lựa chọn sử dụng mô hình chống sét van đơn giản được thay thế bằng điện trở phi tuyến sẵn có trong thư viện chương trình ATP-Draw (mô hình MOV type 92). Khi sử dụng chỉ cần khai báo quan hệ phi tuyến V-A của CSV (nhà sản xuất cho) phù hợp với cấp điện áp. Đường đặc tuyến V-A của chống sét van sử dụng trong mô phỏng được khai báo trong chương trình ATP theo như Hình 3. Bảng 1. Kết quả so sánh sai số điện áp dư ứng với các mô hình CSV và dạng xung dòng khác nhau [7] 8x20µs - 10 kA 1x2µs - 10 kA Mô hình Điện áp [kV] Sai số Điện áp [kV] Sai số Cổ điển 1028.77 1.30% 1028.77 7.50% IEEE 1023.62 0.84% 1158.03 4.70% Pinceti và Giannettoni 1017.6 0.25% 1121.57 1.40% Fernandez và Diaz model 998.25 1.60% 1137.79 2.80% 2
3. . Hình 3. Mô hình và đường đặc tính V-A của CSV sử dụng trong mô phỏng 4. MÔ HÌNH HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM Để đánh giá sự nguy hiểm bởi sét cảm ứng (dạng sóng 8/20μs) và sét đánh trực tiếp (dạng sóng 10/350μs), hiệu quả bảo vệ của chống sét van, cũng như ảnh hưởng của các yếu tố điện trở nối đất, biên độ sét tiến hành mô phỏng bảo vệ quá điện áp trong mạng phân phối điển hình trình bày ở Hình 4. Hình 4 trình bày mạng phân phối 22kV được khảo sát. Nguồn cung cấp cho hệ thống 22kV là nguồn 110kV thông qua máy biến áp T1 110/22kV; đường truyền chính có tổng chiều dài là 60km, chiều dài các nhánh như Hình 4, nhánh 1, 2, 3 mang tải RLC, tải nhánh 3 được cấp nguồn thông qua máy biến áp T2A 22/0,4kV. Xét trường hợp sét đánh vào đường dây phân phối tại ba vị trí 1, 2 và 3. Hình 4. Mô hình mạng điện cần bảo vệ chống sét được đề nghị Từ sơ đồ mạng phân phối trình bày trong Hình 4, xây dựng mô hình tương đương trong ATP (Hình 5), với các thông số được nhập trình bày ở Bảng 2. Hình 5. Mô hình tương đương trong ATPDraw 3
4. Bảng 2. Thông số của mô hình các phần tử, thiết bị liên quan trong mạng điện phân phối khảo sát STT Tên thông số Ký hiệu Số liệu / kết quả tính toán A Nguồn phóng điện sét 1 Dòng điện sét dạng hàm Heidler i(t) 2 Biên độ Ip 1kA, 5kA, 10kA 3 Dạng sóng 8/20μs và 10/350μs B Nguồn phát điện áp 1 Điện áp U 110 [kV] 2 Tần số f 50.0 [Hz] C Hệ thống nối đất 1 Điện trở nối đất hệ thống Rd 1, 3, 5, 7, 10, 12, 15, 20Ω 2 Điện trở nối đất các MBA RdMBA 4Ω D Máy biến áp 110/22kV T1 Y / Δ, 110/22 kV 1 Điện kháng rò z 0.15 [p.u] 2 Tần số f 50.0 [Hz] 3 Điện trở cuộn sơ/thứ cấp R 1 [Ω] 4 Điện cảm cuộn sơ/thứ cấp L 1 [mH] E Máy biến áp 22/0,4kV T2A, T2B Y / Δ, 22/0,4 kV 1 Điện kháng rò z 0.15 [p.u] 2 Tần số f 50.0 [Hz] 3 Điện trở cuộn sơ/thứ cấp R 1 [Ω] 4 Điện cảm cuộn sơ/thứ cấp L 1 [mH] F Chống sét van Ri Đặc tính V-A như Hình 3 G Tải 1 Điện trở R1,2,3 1[Ω] 2 Cuộn cảm L1,2,3 0.001[mH] 3 Tụ điện C1,2,3 C1 = 1, C2,3 = 0 [μF] 5. CÁC THỬ NGHIỆM 5.1. Trường hợp không trang bị chống sét van Trong mô phỏng này sẽ xem xét dạng sóng quá áp do sét trong hệ thống điện khi không lắp đặt chống sét van bao gồm các vị trí: đầu cực MBA 110/22kV, các nhánh rẽ mang tải và cuối đường dây, theo hai dạng sóng sét phổ biến là: 8/20μs và 10/350μs. Khi xung sét đánh vào vị trí 1, 2, 3. Các mô phỏng được thực hiện với giá trị điện trở của nối đất của các MBA là 4Ω. Điện áp tại đầu cực MBA 110/22kV khi không lắp chống sét van trình bày ở Hình 6. Hình 6. Điện áp tại đầu cực MBA 110/22kV khi không lắp chống sét van, sét đánh vị trí 1 với xung sét 10kA-8/20μs 4
5. Bảng 3. Kết quả mô phỏng điện áp đo được trên hệ thống điện khi không lắp chống sét van, sét đánh vị trí 1, 2, 3. STT Các vị trí đo Pha Biên độ giá trị điện áp đo tại các pha (kV) Xung sét vị trí 1 Xung sét vị trí 2 Xung sét vị trí 3 8/20μs 10/350μs 8/20μs 10/350μs 8/20μs 10/350μs 1 Đầu cực MBA A 1600 4848 661 3335 720 3741 110/22kV T1 B 1385 4642 648 3304 695 3708 C 1432 4863 659 3317 692 3731 2 Tải 1 A 800 3786 1300 3870 1300 4860 B 758 3747 841 2409 1170 2533 C 792 3757 819 2338 1432 2826 3 Tải 2 A 531 3148 667 3347 2175 6288 B 577 3010 379 1504 1414 3387 C 510 3132 526 1870 1525 3991 4 Tải 3 A 266 1294 488 2008 1253 3896 B 207 1173 249 884 688 1649 C 240 1259 411 1332 771 2097 5 Cuối đường dây A 723 3750 905 2694 3558 7130 B 764 3600 648 1936 2386 4537 C 694 3730 783 2410 3092 5412 5.2. Trường hợp có trang bị chống sét van Trong mô phỏng này, sẽ xem xét dạng sóng quá áp do sét trong hệ thống điện tại các vị trí: đầu cực máy biến áp 110/22kV, các nhánh rẽ mang tải và cuối đường dây, trong các trường hợp có lắp đặt chống sét van theo hai dạng sóng sét 8/20μs và 10/350μs, có cùng biên độ là 10kA. Các mô phỏng được thực hiện với giá trị điện trở của nối đất hệ thống là 10Ω và giá trị điện trở nối đất của các máy biến áp là 4Ω. Điện áp tại đầu cực máy biến áp 110/22kV khi có lắp chống sét van tại tất cả các bus trong hệ thống điện, sét đánh vị trí 1 với xung sét 10kA-8/20μs trình bày ở Hình 7. Hình 7. Điện áp tại đầu cực máy biến áp 110/22kV khi có lắp chống sét van tại tất cả các bus, sét đánh vị trí 1 với xung sét 10kA-8/20μs Bảng 4. Kết quả mô phỏng điện áp đo được trên hệ thống điện khi có lắp chống sét van tại tất cả các bus trong hệ thống điện, sét đánh vị trí 1, 2, 3 STT Các vị trí đo Pha Biên độ giá trị điện áp đo tại các pha (kV) Xung sét vị trí 1 Xung sét vị trí 2 Xung sét vị trí 3 8/20μs 10/350μs 8/20μs 10/350μs 8/20μs 10/350μs 1 Đầu cực MBA A 93 99 14 68 11 11 110/22kV T1 B 93 99 14 68 0,3 0,7 C 93 99 14 68 0,5 0,5 2 Tải 1 A 11 11 20 83 11 11 B 0,6 4 20 83 0,2 1,4 C 0,6 4 20 83 0,3 1,4 5
6. 3 Tải 2 A 11 11 11 22 11 12 B 0,2 1 7 22 1,8 12 C 0,2 1 7 22 1,8 12 4 Tải 3 A 11 11 15 48 11 11 B 0,4 1,8 15 48 0,4 2,5 C 0,4 1,8 15 48 0,3 2,5 5 Cuối đường dây A 11 11 11 11 97 99 B 0,2 0,7 1,7 6 97 99 C 0,4 0,7 1,7 6 97 99 5.3. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ Phần này sẽ xem xét ảnh hưởng của các yếu tố như: dạng sóng, biên độ sóng sét, và giá trị điện trở của hệ thống nối đất đến biên độ quá áp do sét lớn nhất trên cách điện đo được tại pha A vị trí đầu cực máy biến áp 110/22 kV. Khi sét đánh vào vị trí 1 như trên Hình 4. 5.3.1. Dạng xung sét và biên độ Các mô phỏng được thực hiện với giá trị điện trở của nối đất hệ thống là 10Ω và giá trị điện trở của nối đất của các máy biến áp là 4Ω. Xem sét sự ảnh hưởng của ba biên độ dòng điện sét khác nhau: 1kA, 5kA, 10kA cùng dạng sóng 8/20μs và 10/350μs. Hình 8. So sánh biên độ quá áp do sét gây ra trên pha A máy biến áp 110/22kV theo các biên độ dòng sét khác nhau và dạng sóng khác nhau 5.3.2. Giá trị điện trở của hệ thống nối đất Các mô phỏng được thực hiện với giá trị điện trở của nối đất hệ thống khác nhau: 1Ω, 3Ω, 5Ω, 7Ω, 10Ω, 12Ω, 15Ω, 20Ω và giá trị điện trở của nối đất của các máy biến áp là 4Ω cùng dạng sóng 8/20μs và 10/350μs, biên độ dòng sét 10kA. Hình 9. So sánh biên độ quá áp do sét gây ra trên pha A máy biến áp 110/22kV theo các chỉ số điện trở nối đất khác nhau và dạng sóng khác nhau 6
7. 5.4. Xét trường hợp trạm có số lượng 2 máy biến áp Hình 10. Mô hình mạng phân phối trường hợp tải được cấp điện bằng trạm có hai máy biến áp Với giả thiết sét có dạng sóng Heidler 10kA (8/20μs và 10/350μs) đánh vào p h a A vị trí 4, 5, 6 (hình 10). Giá trị điện trở của nối đất hệ thống là 10Ω và giá trị điện trở nối đất của các máy biến áp là 4Ω với khoảng cách d khác nhau: 5m, 6m, 7m, 8m, 9m, 10m, 11m. Mô phỏng này xem xét dạng sóng quá áp do sét trong hệ thống điện tại pha A các vị trí: đầu cực hai máy biến áp (22/0,4kV) T2A và T2B trong trường hợp có lắp đặt CSV tại đầu thanh góp tải 3 và tấc cả các bus. Điện áp tại đầu cực pha A máy biến áp (22/0,4) T2A khi sét đánh vị trí 4 với xung sét 10kA-8/20μs và d =5m trình bày ở Hình 11. Hình 11. Điện áp tại đầu cực máy biến áp (22/0,4) T2A khi sét đánh vị trí 4 với xung sét 10kA-8/20μs và d=5m Bảng 5. Kết quả mô phỏng điện áp đo được tại pha A máy biến áp (22/0,4kV) T2A và T2B khi thay đổi khoảng cách d, sét đánh vào vị trí 4, 5, 6 Khoảng cách Biên độ giá trị điện áp đo tại pha A MBA T2A và T2B (kV) d (m) Xung sét vị trí 4 Xung sét vị trí 5 Xung sét vị trí 6 STT 8/20μs 10/350μs 8/20μs 10/350μs 8/20μs 10/350μs MBA MBA MBA MBA MBA MBA MBA MBA MBA MBA MBA MBA T2A T2B T2A T2B T2A T2B T2A T2B T2A T2B T2A T2B 1 5 31 32 88 89 98 99 98 99 99 110 99 109 2 6 31 32 88 89 98 99 98 99 99 123 99 113 3 7 31 32 88 89 98 99 98 99 99 135 99 121 4 8 31 32 88 89 98 99 98 99 99 148 99 130 5 9 31 32 88 89 98 99 98 99 99 161 99 139 6 10 31 32 88 89 98 99 98 99 99 173 99 148 7 11 31 32 88 89 98 99 98 99 99 186 99 156 7
8. 6. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu đánh giá các biện pháp bảo vệ quá độ do sét trong mạng phân phối nhận thấy: - Cần thiết phải lắp đặt chống sét van tại các thanh góp hệ thống (đầu vào trạm biến áp, đầu vào của các thanh góp cung cấp điện cho các tải) để giới hạn giá trị quá điện áp không vượt quá mức cách điện cơ bản của mạng 22kV là 150kV. - Các dạng xung dòng sét (8/20μs và 10/350μs) tuy có ảnh hưởng đến giá trị quá điện áp khi lắp đặt chống sét van nhưng giá trị quá điện áp chênh lệch không đáng kể. - Cần thiết thực hiện nối đất với trị số điện trở càng nhỏ càng tốt và nên xây dựng trị số điện trở nối đất nhỏ hơn hoặc bằng 10Ω để đảm bảo về mặt cách điện của thiết bị điện trong mạng phân phối. - Việc lắp đặt chống sét van tại tất cả các máy biến áp là cần thiết để bảo vệ quá điện áp do sét. Tuy nhiên, đối với trạm biến áp có hai máy biến áp có thể lắp đặt chống sét van tại đầu thanh góp của hệ thống cấp điện để bảo vệ cho cả hai máy biến áp nhưng khoảng cách giữa hai máy biến áp phải nhỏ hơn hoặc bằng 8m để đảm bảo về mặt cách điện của thiết bị điện góp phần giảm chi phí xây dựng. 8
9. RESEARCH ON THE SOLUTION TO PROTECT OVERVOLTAGE BY LIGHTNING IN DISTRIBUTION USING ATP -EMTP PROGRAM Ho Van Thang Ho Chi Minh City of University Technical Education ABSTRACT: The article presents a general view about lightning and its impacted model in the typical electricity distribution system. The simulations are used ATP–EMTP program (overvoltage program) when the lines and transformers struck by lightning with and without surge arrester in distribution system. The voltages which are recorded in the 110/22 kV substation and in all transmission in electricity distribution based on PlotXY program, realize that it is necessary to install surge arrester in busbar (the substation and line tap inputs). Moreover, it should fix the value of ground resistance as small as well (lower than 10 Ω). Although the lightning surges (8/20 μs and 10/350 μs) change the overvoltage value but insignificant. In the case that the substation with two transformers, it necessary to set up surge arrester at the terminal of busbar substation with two transformers to protect the devices in distribution. Key words: Lightning arrester, protection performance, effect factor, installation position. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Quyền Huy Ánh, Lê Vũ Minh Quang. Nghiên cứu mô hình chống sét van dạng oxit kim loại. Tạp chí phát triển khoa học và công nghệ. ĐHQG Tp.HCM, Tập 8, số 09, trang 77- 82, 2005. [2] Hồ Văn Thắng, Nghiên cứu các biện pháp bảo vệ quá độ do sét trong mạng phân phối, Luận văn Thạc Sĩ, ĐH SPKT Tp. HCM, tháng 04/2017. [3] GREENWOOD, A. Electrical Transients in Power Systems. New York: John Wiley & Sons, 1991. ISBN 978-0471620587. [4] RODRIGUEZ-SANABRIA, D. and C. RAMOSROBLES. Lightning and Lightning Arrester Simulation in Electrical Power Distribution Systems. In: Electrical and Computer Engineering:University of Puerto Rico [online]. 2005. Available at: Rayos03.pdf. [5]. Bassi W., Janiszewski J.M Eveluation of Currents and Charges in low-voltage Surge Arresters Due to nightning Strikes. IEEE trans. On Power Delivery, vol.18, No1, 2003. [6]. F. Heidler, M.Cvetic, B.V.Stanic. Calculation of Lightning Current Parameters. IEEE Transactions on Power Delivery Vol.14, No.2, pp. 399 - 404, April 1999. [7]. André Meister1, Rafael Amaral Shayani, Marco Aurélio Gonçalves de Oliveira .Comparison of metal oxide surge arrester models in overvoltage studies.International Journal of Engineering, Science and Technology Vol. 3. No. 11. 2011. pp. 35-45 Thông tin liên hệ tác giả: Xác nhận của GVHD Họ tên: Hồ Văn Thắng Điện thoại: 01689.419.461 Email: hovanthang0123@gmail.com 9
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.