Xác định vị trí chống sét van trên cơ sở giảm rủi ro hư hỏng

Nội dung text: Xác định vị trí chống sét van trên cơ sở giảm rủi ro hư hỏng

1. Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ Thuật Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CHỐNG SÉT VAN TRÊN CƠ SỞ GIẢM RỦI RO HƢ HỎNG DETERMINE POSITIONS OF ARESTERS BASE ON REDUCING RISK OF FAILURE PGS. TS QUYỀN HUY ÁNH ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM NGUYỄN MẠNH HÙNG ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Tóm tắt Vị trí của chống sét van trong sơ đồ bảo vệ sẽ ảnh hƣởng đến hiệu quả bảo vệ quá áp lan truyền vào trạm biến áp. Độ tăng độ dốc đầu sóng và biên độ đỉnh sóng sẽ ảnh hƣởng đến rủi ro hƣ hỏng của các thiết bị trong trạm biến áp. Bài báo này sử dụng kỹ thuật mô phỏng và xử lý thống kê các thông số ngẫu nhiên của xung sét để tính toán rủi ro hƣ hỏng cho các nút trong mạng, làm cơ sở xác định vị trí chống sét van hợp lý. Tiêu chí kinh tế và tiêu chí rủi ro hƣ hỏng cho phép đƣợc sử dụng để xây dựng chƣơng trình hỗ trợ lựa chọn vị trí bố trí chống sét van trong mạng phân phối. Abstract Locations of arresters in protection schematic affect significantly to the preserve performance against stroke- lightning to stations. The peak value of the return stroke current and the slope of the wave front have effects on failure risks of distributing stations. This paper presents the simulation technology and statistic analysis of random-lighting-characteristics to estimate risk of failure of important nodes and dispose locations of arresters in electric network. Economic and permissible risk criteria are used to construct a program determines positions of arresters to protect distribution stations. 1. Giới thiệu Để bảo vệ trạm biến áp phân phối, thƣờng sử dụng thiết bị chống sét van. Chống sét van sẽ bảo vệ tốt nhất cho máy biến áp khi đƣợc đặt tại đầu cực của máy biến áp. Tuy nhiên, chống sét van còn phải bảo vệ các phần tử khác trong mạng nên giữa chống sét van và máy biến áp cần phải có một khoảng cách nhất định. Các nghiên cứu về vấn đề này trƣớc đây dựa trên đánh giá điện áp xung tại đầu cực máy biến áp và thời gian hƣ hỏng của thiết bị để đƣa ra phƣơng án lựa chọn vị trí lắp đặt chống sét van [1,2]. Các phƣơng pháp này, tuy có xét đến các yếu tố nhƣ hệ số che chắn và điện cảm dây nối, nhƣng vẫn có nhƣợc điểm là điện áp tại các nút đƣợc tính toán một cách giản lƣợc, bỏ qua vận tốc truyền sóng và đặt giả thiết là điện áp tại chống sét van luôn là điện áp kẹp. Bài báo này trình bày phƣơng pháp xác định vị trí lắp đặt chống sét van có tính đến vận tốc truyền sóng trên cơ sở đánh giá rủi ro hƣ hỏng của các nút quan trọng trong mạng và kỹ thuật logic mờ. 2. Rủi ro hƣ hỏng
2. Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ Thuật Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh 2.1 Định nghĩa Rủi ro hƣ hỏng của một phần tử trong mạng điện do sét đánh đƣợc định nghĩa là xác suất mà xung sét đó vƣợt qua điện áp chịu đựng của phần tử đó [6]: R P V f V dV (1) 0 Ở đây: R là rủi ro hƣ hỏng của thiết bị; f(V) là hàm mật độ xác suất xuất hiện quá áp; P(V) là xác suất xuất hiện phóng điện đánh thủng. Với: V50% là xác suất tại đó phóng điện đánh thủng là 50%; σ là độ lệch chuẩn thì: 1 f V exp V V 2 / 2 2 (2a) 50%  2 Hình 1: Dạng sóng hàm mật độ xác suất V xuất hiện quá áp, hàm xác suất phóng 1 2 2 P V exp V V / 2 dV (2b) điện đánh thủng và rủi ro hư hỏng 50%  2 Dạng sóng của hàm mật độ xác suất xuất hiện quá áp f(V), hàm xác suất phóng điện đánh thủng P(V) và rủi ro hƣ hỏng R đƣợc trình bày ở Hình 1. 2.2 Tính toán rủi ro hƣ hỏng Hình 2: Đặc tuyến rủi ro hư hỏng tính Hình 3: Đặc tuyến của hàm xác suất theo hệ số phối hợp thống kê phóng điện đánh thủng P(V) theo số lượng các lớp cách điện đồng tâm. Rủi ro hƣ hỏng đƣợc xác định từ đặc tuyến hệ số phối hợp thống kê (Kcs) nhƣ Hình 2: Ucw Với Kcs (3) Ue2
3. Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ Thuật Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Ở đây: Ue2 là giá trị điện áp pha đất có xác suất xuất hiện phóng điện là 2%; Ucw là điện áp chịu đựng phối hợp, đƣợc lấy bằng điện áp pha và đất mà tại đó xác suất phóng điện bằng 10%. Giá trị rủi ro hƣ hỏng phụ thuộc vào giá trị tƣơng đối của ue2 [5]: Ue2 ue2 US Ở đây: Us là điện áp lớn nhất xuất hiện trên lƣới trong điều kiện làm việc bình thƣờng. Các giá trị Ue2 và Ucw đƣợc thực hiện bằng cách thức tra các đặc tuyến ở Hình 3 [6]. 3. Bảo vệ trạm biến áp dựa trên rủi ro hƣ hỏng 3.1 Mục tiêu bảo vệ Mạng điện đƣợc xem là đƣợc bảo vệ nếu rủi ro hƣ hỏng ở các phần tử thấp hơn mức độ rủi ro có thể chấp nhận đƣợc. Sai số rủi ro hƣ hỏng đƣợc định nghĩa là giá trị rủi ro hƣ hỏng trừ giá trị rủi ro cho phép. Sai số này đƣợc dùng để tính toán vị trí lắp đặt chống sét van, nếu sai số rủi ro tại tất cả các nút âm thì mạng đƣợc bảo vệ. Sai số rủi ro ở một phần tử mạng điện giảm xuống khi khoảng cách giữa chống sét van và phần tử đƣợc bảo vệ giảm xuống. Nếu nhƣ chống sét van đƣợc kết nối trực tiếp ngay tại phần tử đƣợc bảo vệ thì quá áp cực đại trên thiết bị đó sẽ gần bằng điện áp dƣ của chống sét van nhất, nghĩa là rủi ro sẽ bé nhất. Để cực tiểu chi phí thay thể các thiết bị trong trạm biến áp, việc lựa chọn vị trí chống sét van có thể thực hiện dựa theo vị trí làm cho rủi ro hƣ hỏng chung nhỏ nhất [4]: nm RR 0.1 Ti Ci R ii 11 (4) global mn Ở đây: n là số lƣợng máy biến áp; m là số lƣợng các nút nối cáp; RTi là rủi ro tại nút của máy biến áp thứ i; RCi là rủi ro tại nút cáp thứ i. Nếu thực hiện bảo vệ bằng cách đảm bảo rủi ro tại các nút nhỏ hơn một giá trị cho trƣớc, việc xác định số lƣợng chống sét van và vị trí tốt nhất của chúng cho việc bảo vệ mạng phân phối đƣợc tiến hành theo các bƣớc sau: a. Quá trình bảo vệ này đƣợc bắt đầu bằng việc bảo vệ các phần tử gần nút kết nối giữa đƣờng dây trên không và cáp ngầm nhất. b. Chống sét van này có thể đƣợc lắp đặt xa dần từ nút kết nối đƣờng dây và cáp ngầm để bảo vệ các nút khác, nếu rủi ro tại điểm nối này vẫn còn nhỏ hơn rủi ro cho phép. c. Nếu không có vị trí nào thỏa điều kiện rủi ro tại mọi nút nhỏ hơn giá trị mong muốn, cần sử dụng thêm chống sét van để bảo vệ tất cả các nút của mạng điện. d. Các chống sét van thêm vào ƣu tiên bảo vệ nút có rủi ro cao nhất. e. Quá trình bảo vệ bị dừng lại khi tất cả các nút đều có sai số rủi ro âm.
4. Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ Thuật Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh f. Số lƣợng chống sét van lớn nhất giữa hai nút là hai, mỗi chống sét van tại mỗi nút. 3.2 Sơ đồ khối chƣơng trình xác định vị trí chống sét van Sơ đồ khối chƣơng trình máy tính xác định phƣơng án bảo vệ trạm phân phối đƣợc trình bày ở Hình 4. Công cụ Simpowersystem của Matlab đƣợc sử dụng để tạo ra mạng điện cần mô phỏng. Chƣơng trình chính sẽ tạo ra một tập hợp các xung sét từ thống kê của độ dốc đầu sóng và biên độ đỉnh sóng có dạng nhƣ Hình 5 [3]. Mạng điện này sẽ thực thi và trả về giá trị điện áp lớn nhất tại mỗi nút ứng với mỗi xung sét đƣợc đƣa vào mô phỏng, giá trị điện áp lớn nhất này sẽ đƣợc đƣa về chƣơng trình chính để tính toán rủi ro hƣ hỏng tại các nút và sai số rủi ro tƣơng ứng. Một chƣơng trình sử dụng logic mờ sẽ nhận dữ liệu về sai số rủi ro và độ dịch chuyển cả chống sét van ở lần lặp trƣớc để đƣa ra khoảng các dịch chuyển ở lần lặp hiện tại. Khoảng cách này sẽ đƣợc đƣa về chƣơng trình chính để tính toán lại vị trí chống sét van, từ đó thay đổi mô hình mạng điện. Hình 4: Sơ đồ khối chương trình máy tính xác định vị Hình 5: Phân phối thống kê các biến trí chống sét van bảo vệ trạm biến áp phân phối ngẫu nhiên của xung sét 4. Bộ ra quyết định mờ Cấu tạo bộ ra quyết định mờ gồm bộ chuẩn hóa, hệ thống suy luận mờ và bộ giải chuẩn hóa đƣợc thể hiện nhƣ trong Hình 6. Sai số rủi ro khi chống sét van ở vị trí hiện tại (ei) và độ dịch chuyển ở lần lặp trƣớc đó (si-1) là cơ sơ để hệ thống suy luận mờ đƣa ra độ dịch chuyển cho lần hiện tại (si). Sau đó, độ dịch chuyển si sẽ đƣợc giải chuẩn hóa để đƣa ra khoảng dịch chuyển của chống sét van trong mạng điện (dLi) bằng công thức dLi=si*L. Trong đó, L là chiều dài của đoạn cáp mà chống sét van đang dịch chuyển. Bảng 1: Các luật của bộ logic mờ. Hình 6: Cấu trúc bộ ra quyết định mờ
5. Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ Thuật Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Hệ thống suy luận mờ gồm ba khâu: khâu mờ hóa chuyển giá trị trị thực của ei và si-1 sang giá trị mờ; bộ suy luận mờ xử lý các giá trị này để đƣa ra độ dịch chuyển; bộ giải mờ sẽ chuyển độ dịch chuyển này từ trong miền mờ sang giá trị thực. Hệ thống điều khiển mờ đƣợc xây dựng gồm hai ngõ vào là sai số rủi ro hƣ hỏng và độ dịch chuyển ở lần lặp trƣớc đó đã đƣợc chuẩn hóa, ngõ ra là độ dịch chuyển cho lần lặp hiện tại. Ngõ vào sai số rủi ro hƣ hỏng sử dụng ba biến ngôn ngữ là “Negative (N)”, “Zero (Z)”, và “Positive (P)”; ngõ vào độ dịch chuyển ở lần lặp liền trƣớc sử dụng các biến ngôn ngữ “Negative (N)’, “Zero Negative (ZN)”, “Zero Positive (ZP)” và “Positive (P)”; ngõ ra sử dụng các biến ngôn ngữ “Negative High (NH)”, “Negative Low (NL)”, “Zero (Z)”, “Positive Low (PL)” và “Positive High (PH)” với các hàm thành viên thể hiện nhƣ trong Hình7. Bảng luật mờ đƣợc cho nhƣ trong Bảng 1. a. Ngõ vào sai số rủi b. Ngõ vào độ dịch chuyển của c. Ngõ ra độ dịch chuyển của ro hư hỏng chống sét van ở lần lặp thứ (k) chống sét van ở lần lặp thứ (k+1) Hình 7. Các biến ngôn ngữ của bộ suy luận mờ. 5. Cấu hình trạm Cấu hình của trạm biến áp phân phối gồm một đƣờng dây trên không nối với cáp ngầm dẫn vào máy biến áp, chống sét van đƣợc kết nối trên đoạn cáp ngầm để bảo vệ máy biến áp và điểm nối giữa đƣờng dây trên không và cáp ngầm thể hiện nhƣ Hình 8. Các nút cần quan tâm là nút nối giữa đƣờng dây trên không và cáp ngầm, các nút nối giữa các cáp ngầm, và nút tại đầu cực máy biến áp. Trong đó, mô hình các phần tử đƣợc lấy từ Simpower system của Matlab. Riêng đối với mô hình cáp ngầm, để phù hợp với đặc điểm nghiên cứu về chống sét, mô hình tổng trở đặc tính cần phải xem xét đến vận tốc truyền sóng [7]. a. Cấu hình trạm một máy biến áp b. Cấu hình trạm hai máy biến áp Hình 8: Cấu hình tr ạm biến áp
6. Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ Thuật Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh 6. Chƣơng trình tính toán Chƣơng trình FUPOSAR xác định vị trí lắp đặt chống sét van trong trạm phân phối đƣợc xây dựng dựa trên cấu trúc ở mục 3.2. Trong chƣơng trình này, cấu trúc bộ suy luận mờ đƣợc trình bày trong mục 4 và các cấu hình trạm biến áp đƣợc nghiên cứu trình bày ở mục 5. Ứng với mỗi cấu hình, chƣơng trình cho phép tính toán dựa trên đánh giá rủi ro hƣ hỏng tổng quát theo chỉ tiêu kinh tế hoặc tính toán dựa trên rủi ro hƣ hỏng cho phép. Các biến ngẫu nhiên của xung sét bao gồm độ dốc đầu sóng và biên độ đỉnh sóng, các dữ liệu dữ liệu ngẫu nhiên này có thể đƣợc tạo ra bằng máy tính hoặc nhập từ một tập tin excel nếu có số liệu thực tế. Giao diện chƣơng trình đƣợc thể hiện nhƣ Hình 9. a.Chương trình tính toán vị trí chống sét van b. Giao diện tính toán cho cấu hình một máybiến áp Hình 9: Giao diện chương trình xác định vị trí chống sét van 7. Ví dụ phân tích rủi ro hƣ hỏng 7.1 Phân tích cấu hình một máy biến áp Trong cấu hình trạm một máy biến áp, chọn chiều dài đoạn cáp ngầm nối giữa đƣờng dây trên không và máy biến áp là L= 30m. Khi chọn vị trí chống sét van theo tiêu chuẩn cực tiểu rủi ro hƣ hỏng chung của các nút, chƣơng trình FUPOSAR xác định vị trí chống sét van nằm tại nút máy biến áp. Rủi ro hƣ hỏng cho phép thƣờng đƣợc chọn từ trong khoảng từ 0.7 ÷ 0.8 [5], khi áp dụng tiêu chuẩn rủi ro hƣ hỏng cho phép với rủi ro cho phép bằng 0.75, chƣơng trình FUPOSAR đƣa vị trí lắp đặt chống sét van là La=18.7m cách điểm nối giữa cáp ngầm với đƣờng dây trên không. Tƣơng quan giữa vị trí lắp đặt chống sét van và rủi ro hƣ hỏng của máy biến áp và đầu nối cáp thể hiện trên Hình 10.
7. Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ Thuật Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Nhận xét: Khi lựa chọn phƣơng pháp bảo vệ dựa trên cực tiểu rủi ro hƣ hỏng chung nhƣ công thức (4) thì chống sét van sẽ đƣợc ƣu tiên đặt tại máy biến áp vì nút máy biến áp có trọng số cao. Khi chống sét van di chuyển về phía máy biến áp, rủi ro cho đầu nối cáp ngầm tăng lên trong khi rủi ro tại nút máy biến áp giảm xuống. Sự diễn biến của rủi ro hƣ hỏng là hợp lý. Khoảng cách từ chống sét van tới đối tƣợng bảo vệ sẽ quyết định độ lớn Hình 10: Rủi ro hư hỏng tại các nút của rủi ro hƣ hỏng. 7.2 Phân tích cấu hình hai máy biến áp Trên Hình 8(b), chọn chiều dài cáp a, cáp b, cáp c lần lƣợc là 30m, 10m, 30m. Đầu tiên, cho chống sét van chuyển động trên đoạn từ nút 1 đến nút 2. Để rủi ro chung cho các nút nhỏ nhất, chống sét van sẽ hƣớng tới nút 3 vì sẽ làm giảm tổng khoảng cách từ chống sét van đến nút 1, nút 2 và nút 4. Kết quả phân tích rủi ro hƣ hỏng cho ở Hình 11(a). Nhận xét: Rủi ro hƣ hỏng của một nút phụ thuộc vào khoảng cách từ chống sét van tới nút đó. Khoảng cách càng nhỏ thì rủi ro càng bé. Khi sử dụng một chống sét van, chống sét van nên nằm giữa nút 1 và nút 2 để đảm bảo rủi ro tại nút 1 không tăng quá cao. a. Rủi ro khi sử dụng một chống sét van b. Rủi ro khi sử dụng hai chống sét van Hình 11: Rủi ro hư hỏng tại các nút của cấu hình hai máy biến áp
8. Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ Thuật Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Xem xét khả năng bảo vệ trạm bằng hai chống sét van. Đặt một chống sét van tại nút 2, chống sét van còn lại chuyển động trên cáp c để giảm rủi ro tại nút 4, kết quả phân tích rủi ro hƣ hỏng có đƣợc nhƣ Hình 11 (b). Kết quả cho thấy chống sét van thêm vào có tác dụng giảm rủi ro hƣ hỏng tại tất cả các nút và những nút đặt gần chống sét van sẽ có rủi ro hƣ hỏng thấp hơn. Khi áp dụng phƣơng pháp bảo vệ dựa trên chỉ tiêu kinh tế, ứng với trƣờng hợp sử dụng một chống sét van để bảo vệ trạm, vị trí có rủi ro thấp nhất là tại nút 2. Trong trƣờng hợp sử dụng hai chống sét van để thực hiện chức năng bảo vệ, rủi ro hƣ hỏng đạt đƣợc thấp nhất khi chống sét van một đặt tại nút 2 và chống sét van hai đặt cách nút 2 một khoảng10 m trên đoạn cáp c. Khi áp dụng phƣơng pháp bảo vệ dựa trên rủi ro hƣ hỏng cho phép và bộ logic mờ, ứng với rủi ro cho phép bằng 0.755, hai chống sét van sẽ đƣợc sử dụng với chống sét van thứ nhất đặt trên đoạn cáp a cách nút 1 một khoảng 10.8m, chống sét van thứ hai đặt ở tại máy biến áp số 2. 8. Kết luận Bài báo này giới thiệu kỹ thuật mô phỏng, xử lý thống kê các thông số ngẫu nhiên của xung sét và giải thuật logic mờ để tính toán rủi ro hƣ hỏng cho các nút trong mạng điện và xác định vị trí chống sét van hợp lý. Chƣơng trình FUPOSAR đƣợc phát triển để hỗ trợ tính toán vị trí và số lƣợng chống sét van hợp lý cho cấu hình một máy và hai máy biến áp. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Quyền Huy Ánh, Nguyễn Phan Thanh, Nguyễn Công Tráng, “Tối ƣu hóa vị trí lắp đặt chống sét van trong lƣới phân phối”, Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật, số 14-2010. [2] Quyền Huy Ánh, Nguyễn Phan Thanh,Nguyễn Ngọc Âu, Trƣơng Ngọc Hƣng, “Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ máy biến áp của chống sét van có xét đến các yếu tố ảnh hƣởng”, Tạp chí Phát triển KH&CN,tập 12 , số 8-2009. [3] A. L. Orille, S. Bogarra, M. A. Grau, J. Iglesias, “Fuzzy Logic Techniques to Limit Lightning Surges in a Power Transformer”, IEEE Bologna Power Tech Conference, June 23th- 26th 2003, Bologna, Italy. [4] Orille-Fernández, Member, IEEE, Santiago Bogarra Rodríguez, and Ma. Àngela Grau Gotés,”Optimization of Surge Arrester’s Location Ángel L”, IEEE transactions on power delivery, vol. 19, no. 1, january 2004. [5] International standard, IEC 60071-1. [6] International standard, IEC 60071-2. [7] B. Metz-Nobalt, 1998, “ Lightning and HV electrical installations, Schneider Electric”, nº 168.
9. 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 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.