Nghiên cứu các quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện và các phương pháp hạn chế quá điện áp phục hồi khi cắt kháng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.05 MB, 93 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------------
NGUYỄN HỮU DŨNG
NGHIÊN CỨU CÁC QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠN
CHẾ QUÁ ĐIỆN ÁP PHỤC HỒI KHI CẮT KHÁNG
Chuyên ngành: Hệ thống điện
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS.TRẦN BÁCH
Hà Nội - 03 - 2011
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo hướng
dẫn PGS.TS Trần Bách người đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực
hiện đề tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện,
những người đã truyền đạt, trang bị cho tôi kinh nghiệm, kiến thức tạo nền tảng
vững chắc trong suốt khóa học vừa qua.
Hà Nội, ngày 29 tháng 03 năm 2011
Tác giả
KS.Nguyễn Hữu Dũng
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
i
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố.
Hà Nội, ngày 29 tháng 03 năm 2011
Tác giả
KS.Nguyễn Hữu Dũng
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
ii
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
CÁC TỪ VIẾT TẮT
Các từ viết tắt
Giải thích
CĐXL
Chế độ xác lập
CĐQĐ
Chế độ quá độ
CSV
Chống sét van
HTĐ
Hệ thống điện
MBA
Máy biến áp
QĐĐT
Quá độ điện từ
QTQĐ
Quá trình quá độ
QTQĐĐT
Quá trình quá độ điện từ
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
iii
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ii
CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................... iii
MỤC LỤC................................................................................................................ iv
DANH MỤC BẢNG................................................................................................ vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. ix
CHƯƠNG 1: CÁC QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN...........................................................................................................................1
1.1. HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM VÀ ĐẶC ĐIỂM KHÁNG BÙ NGANG .....1
1.1.1. Đặc điểm của hệ thống điện 500kV Việt Nam........................................1
1.1.2. Đặc điểm của kháng bù ngang trên HTĐ 500kV. ....................................3
1.2. QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ..........................................5
1.2.1. Quá độ điện từ trong hệ thống điện ..........................................................5
1.2.2. Phân loại ...................................................................................................6
1.2.3. Tác động của quá độ điện từ đến vận hành hệ thống điện .......................7
1.3. KẾT LUẬN......................................................................................................8
CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM EMTPRV ...............................................................................................................................9
2.1. GIỚI THIỆU VỀ CHƯƠNG TRÌNH EMTP-RV ...........................................9
2.1.1. Giới thiệu..................................................................................................9
2.1.2. Các chức năng chính của chương trình ....................................................9
2.1.3. Các module chính ...................................................................................10
2.2. MÔ PHỎNG CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG EMTP-RV .....12
2.2.1. Các thư viện chính..................................................................................12
2.2.2. Mô phỏng của một số phần tử chính trong EMTP-RV ..........................13
2.3. CÁC MỨC MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN CHÍNH ...................................25
2.3.1. Tính toán trào lưu công suất...................................................................26
2.3.2. Tính toán chế độ xác lập.........................................................................27
2.3.3. Mô phỏng miền thời gian .......................................................................27
2.3.4. Mô phỏng quét tần số .............................................................................27
2.4. KẾT LUẬN....................................................................................................27
CHƯƠNG 3: HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ ĐIỆN ÁP...............................................28
3.1. VẤN ĐỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ...............................28
3.1.1. Quá điện áp trong hệ thống điện ............................................................28
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
iv
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
3.1.2. Quá điện áp thường xuyên......................................................................28
3.1.3. Quá điện áp cộng hưởng dao động tần số thấp ......................................32
3.1.4. Quá điện áp thao tác ...............................................................................33
3.1.5. Quá điện áp do sét ..................................................................................34
3.2. HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP ĐÓNG CẮT...............................................37
3.2.1. Giới thiệu về điện áp phục hồi quá độ máy cắt - TRV...........................37
3.2.2. Quá điện áp khi cắt dòng điện sự cố (đường dây trên không) ...............39
3.2.3. Đóng cắt dòng điện cảm (kháng điện, máy biến áp) ..............................42
3.2.4. Cắt dòng điện dung (tụ điện, cáp, đường dây không tải) .......................47
3.3. HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHI CẮT KHÁNG BÙ NGANG..............50
3.3.1. Tổng Quan. .............................................................................................50
3.3.2. Quá điện áp thay đổi nhanh. ...................................................................52
3.3.3. Quá điện áp phóng điện lặp lại...............................................................53
3.3.4. Mô tả phương pháp luận tính toán giá trị TRV máy cắt kháng..............53
3.4. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN QUÁ ĐỘ ĐIỆN ÁP KHI CẮT KHÁNG..53
3.4.1. Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình hồ quang trong máy cắt ........54
3.4.2. Mô phỏng máy cắt theo mô hình Cassie - Mayer ..................................61
3.4.3. Phương pháp tương đương hóa hệ thống ...............................................63
3.4.4. Tính toán TRV máy cắt kháng ...............................................................65
3.5. TÍNH TOÁN..................................................................................................68
3.5.1. Tính toán kháng bù ngang 91 MVAR ....................................................69
3.5.2. Kháng bù ngang 174 MVAR..................................................................71
3.5.3. Nhận xét..................................................................................................73
CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ GIÁ TRỊ ĐIỆN ÁP PHỤC
HỒI QUÁ ĐỘ MÁY CẮT KHANG ......................................................................75
4.1. GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ GIÁ TRỊ ĐIỆN ÁP
PHỤC HỒI QUÁ ĐỘ MÁY CẮT........................................................................75
4.1.1. Thay đổi thông số các phần tử trên lưới điện .........................................76
4.1.2. Lắp đặt thêm các thiết bị hạn chế TRV ..................................................76
4.2. KẾT QUẢ ÁP DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ TRV MÁY CẮT
KHÁNG ................................................................................................................76
4.2.1. Kháng 91 MVAR. ..................................................................................77
4.2.2. Kháng 174MVAR ..................................................................................79
4.3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................83
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
v
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 - 1: Danh mục đường dây 500kV của lưới điện Việt Nam năm 2009............1
Bảng 1 - 2: Danh mục trạm biến áp 500kV năm 2009 ...............................................2
Bảng 1 - 3: Tổng hợp khối lượng đường dây và trạm 500kV-năm 2009 ...................2
Bảng 1- 4: Tần số dao động của một số quá trình quá độ điện từ...............................6
Bảng 1- 5: Phân loại các nhóm tần số của các quá trình quá độ điện từ.....................7
Bảng 2 - 1: Đặc tính kỹ thuật của kháng bù ngang cao áp và siêu cao áp ...............24
Bảng 2 - 2: Điện cảm và điện dung của hệ thống đấu nối kháng ............................25
Bảng 2 – 3: Điện dung tương đương của các thiết bị................................................25
Bảng 3 - 1: Công thức tính TRV máy cắt kháng bằng phương pháp giải tích..........66
Bảng 4 - 1 : Kết quả hạn chế giá trị TRV .................................................................82
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
vi
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ 1 - 1: Phân bố điện áp dọc đường dây siêu cao áp khi cắt tải một đầu .........4
Hình vẽ 1-2: Khoảng tần số dao động của các dạng sóng ..........................................7
Hình vẽ 2-1: cửa sổ chính của chương trình .............................................................11
Hình vẽ 2-2: giao diện của chương trình ScopeView ...............................................11
Hình vẽ 2-3: Mô hình V with impedance .................................................................13
Hình vẽ 2-4: Mô hình phần tử Load-Flow Bus.........................................................14
Hình vẽ 2-5: Mô hình phụ tải PQ Load ....................................................................15
Hình vẽ 2-6: Sơ đồ khối một máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây....................................16
Hình vẽ 2-7: Sơ đồ mạch của của 1 khối xfmr .........................................................16
Hình vẽ 2-8: Sơ đồ khối một máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây....................................18
Hình vẽ 2-9: Sơ đồ mạch của một khối xfmr............................................................18
Hình vẽ 2-10: Mô hình đường dây thông số tập trung..............................................20
Hình vẽ 2-11: Mô hình cho phép thiết lập dữ liệu đường dây..................................20
Hình vẽ 2-12: Thông số dây dẫn ...............................................................................21
Hình vẽ 2-13: Sơ đồ bố trí dây phân pha ..................................................................22
Hình vẽ 2-14: Mô hình CAPBLE DATA .................................................................22
Hình vẽ 2-15: Mô hình kháng điện bù ngang ...........................................................23
Hình vẽ 2-16: Phần tử Load Flow Option.................................................................26
Hình vẽ 3-1: Hệ thống điện đơn giản........................................................................29
Hình vẽ 3-2: Đồ thị vector điện áp nút......................................................................29
Hình vẽ 3-3: Hiệu ứng Ferranti.................................................................................30
Hình vẽ 3-4: Hiện tượng tự kích của máy phát.........................................................30
Hình vẽ 3-5: Tỉ số quá điện áp trên pha còn lại khi ngắn mạch 1 pha......................32
Hình vẽ 3-6: Sóng đóng máy cắt...............................................................................33
Hình vẽ 3-7: Hiện quá độ do cắt máy cắt..................................................................34
Hình vẽ 3-8: Sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không ......................................35
Hình vẽ 3-9: Sét đánh trực tiếp vào dây chống sét hoặc cột điện .............................36
Hình vẽ 3-10: Hiện tượng cảm ứng dòng điện sét ....................................................36
Hình vẽ 3-11: Điện áp phục hồi dạng mũ .................................................................38
Hình vẽ 3-12: Điện áp phục hồi dạng dao động .......................................................38
Hình vẽ 3-13: Điện áp phục hồi dạng tam giác.........................................................39
Hình vẽ 3-14: Ngắn mạch gần trên đường dây .........................................................40
Hình vẽ 3-15: TRV phía nguồn, đương dây và TRV qua máy cắt ...........................41
Hình vẽ 3-16: Công suất làm mát máy cắt SF6, mô hình hồ quang Mayr................42
Hình vẽ 3-17: Sơ đồ thay thế đơn giản mạch điện có máy cắt kháng.......................43
Hình vẽ 3-18: Các quá trình xảy ra khi cắt kháng. ...................................................44
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
vii
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
Hình vẽ 3-19: Dòng điện và điện áp qua máy cắt kháng ..........................................45
Hình vẽ 3-20: Đường cong từ hóa và vòng lặp trễ từ của lõi thép máy biến áp.......46
Hình vẽ 3-21: Mạch cắt dòng điện dung lớn.............................................................47
Hình vẽ 3-22: Phóng lặp lại trong máy cắt khi cắt dòng điện dung..........................50
Hình vẽ 3 - 23: Dòng điện và điện áp của máy cắt kháng .......................................51
Hình vẽ 3 - 24 : Mô hình mạch tương đương 1 pha nghiên cứu kháng điện ............52
Hình vẽ 3 - 25: Phân bố điện thế dọc vùng hồ quang trong máy cắt ........................57
Hình vẽ 3 - 26: Dòng điện trong máy cắt..................................................................59
Hình vẽ 3 - 27: Mô hình nhánh điện dẫn điều khiển bằng hệ phương trình CasieMayr ..........................................................................................................................62
Hình vẽ 3 - 28: Điện dẫn hồ quang Cassie (phương trình Cassie-dòng điện lớn) ..62
Hình vẽ 3 - 29: Nhánh điện dẫn điều khiển bởi kết hợp hai phương trình CassieMayr ..........................................................................................................................63
Hình vẽ 3 - 30 : Mô hình mạch tương đương hóa hệ thống......................................64
Hình vẽ 3 - 31: Mô hình tính toán TRV máy cắt kháng ...........................................67
Hình vẽ 3 - 32: Mô hình đơn giản hóa tính toán TRV máy cắt kháng .....................68
Hình vẽ 3 - 33 : Dòng điện hồ quang.......................................................................69
Hình vẽ 3 - 34 : Điện áp hồ quang ...........................................................................69
Hình vẽ 3 - 35 : Điện trở hồ quang ..........................................................................70
Hình vẽ 3 - 36 : TRV máy cắt kháng .......................................................................70
Hình vẽ 3 - 37 : Điện áp hai phía máy cắt...............................................................71
Hình vẽ 3 - 38 : Dòng điện hồ quang.......................................................................71
Hình vẽ 3 - 39 : Điện áp hồ quang ............................................................................72
Hình vẽ 3 - 40 : Điện trở hồ quang .........................................................................72
Hình vẽ 3 - 41 : TRV máy cắt kháng .......................................................................73
Hình vẽ 3 - 42 : Điện áp phía hai đầu máy cắt..........................................................73
Hình vẽ 4 - 1 : Dòng điện hồ quang .........................................................................77
Hình vẽ 4 – 2: Điện áp hồ quang...............................................................................77
Hình vẽ 4 – 3: Điện trở hồ quang..............................................................................78
Hình vẽ 4 – 4: TRV máy cắt kháng...........................................................................78
Hình vẽ 4 – 5: Điện áp hai đầu máy cắt kháng .........................................................79
Hình vẽ 4 – 6: Dòng điện hồ quang ..........................................................................79
Hình vẽ 4 – 7: Điện áp hồ quang...............................................................................80
Hình vẽ 4 - 8: Điện trở hồ quang ..............................................................................80
Hình vẽ 4 - 9: TRV máy cắt ......................................................................................81
Hình vẽ 4 - 10: Điện áp hai phía máy cắt..................................................................81
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
viii
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
MỞ ĐẦU
Quá độ điện từ là quá trình đặc biệt xảy ra trong hệ thống điện khi hệ thống
điện khi hệ thống điện chuyển từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác.
Tuy xảy ra trong một khoảng thời gian rất ngắn, nhưng quá độ điện từ đôi khi lại có
thể gây ra những tác động vô cùng lớn đối với hoạt động của các phần tử cũng như
toàn bộ hệ thống điện. Một trong những tác động nguy hiểm đối với hệ thống điện
do quá độ điện từ gây ra chính là hiện tượng quá áp. Tuy nhiên việc nghiên cứu các
hiện tượng này lại gặp rất nhiều khó khăn, do đây là quá trình diễn ra rất nhanh và
phức tạp.
Kháng là một phần tử quan trong trong hệ thống điện, tham gia vào quá
trình giữ ổn định điện áp đường dây khi tải thấp, nhưng khi đường dây mang tải cao
thì kháng lại làm cho tổn thất điện năng tăng cao. Để khắc phục những đặc điểm
trên cần phải lắp máy cắt kháng.
Trong luận văn này, tác giả tiến hành nghiên cứu các quá trình quá độ điện từ
và tập trung vào hiện tượng quá độ điện áp khi cắt kháng, cũng như đề xuất một số
phương pháp hạn chế giá trị Điện áp phục hồi quá độ (TRV) máy cắt trên hệ thống
điện 500kV Việt Nam.
Để thực hiện nghiên cứu tác giả sử dụng phần mềm EMTP_RV, là một trong
những chương trình tính toán các quá trình quá độ điện từ được sử dụng ở Việt Nam
hiện nay.
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
ix
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
CHƯƠNG 1: CÁC QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM VÀ ĐẶC ĐIỂM KHÁNG BÙ NGANG
1.1.1. Đặc điểm của hệ thống điện 500kV Việt Nam
Cấp điện áp chuyên tải chính của hệ thống điện Việt Nam là 220kV và
500kV . Đường dây 500kV liên kết hệ thống điện các miền thành hệ thống điện hợp
nhất. Hệ thống điện 500kV bắt đầu vận hành từ giữa năm 1994, với việc đưa vào
vận hành đường dây 500kV Bắc-Nam dài gần 1500km và hai trạm 500kV Hoà Bình
và Phú Lâm công suất mỗi trạm là 900MVA. Tổng công suất các trạm biến áp
500kV là 2700MVA. Năm 1999, hệ thống 500kV được bổ sung thêm 26km đường
dây 500kV mạch kép Yaly - PleiKu, nâng tổng chiều dài các đường dây 500kV lên
đến 1531km. Cuối quý 3 năm 2007 tổng công suất các trạm 500kV trên tuyến Bắc
Nam lên 6600MVA và tổng chiều dài các đường dây 500kV được nâng lên đến
3239km.
Lưới truyền tải 500kV có thể coi là xương sống của hệ thống điện Việt Nam.
Chạy suốt từ Bắc vào Nam với tổng chiều dài trên 2000 km lưới điện 500kV đóng
một vai trò vô cùng quan trọng trong cân bằng năng lượng của toàn quốc và có ảnh
hưởng lớn tới độ tin cậy cung cấp điện của từng miền.
Danh mục đường dây và trạm biến áp 500kV đến hết năm 2009 của Việt
Nam xem bảng sau :
Bảng 1 - 1: Danh mục đường dây 500kV của lưới điện Việt Nam năm 2009
Tên công trình
STT
1
2
3
4
Hoà Bình
NhoQuan
NhoQuan
NhoQuan
-
1
2
3
4
5
6
Hà Tĩnh
Hà Tĩnh
Đà Nẵng
Dốc Sỏi
Đà Nẵng
Yaly
-
Số mạch x km
Khu vực Miền Bắc
Nho Quan
1
x 89.22
Hà Tĩnh
1
x 289.8
Hà Tĩnh
1
x
307
Thường Tín
1
x
73
Khu vực Miền Trung
Đà Nẵng
1
x 392.8
Đà Nẵng
1
x
393
Dốc Sỏi
1
x
108
Pleiku
1
x
190
PleiKu
1
x
259
PleiKu
2
x
19.9
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
1
Chiều
dài
Ghi chú
89.22
289.8
307
73
mạch 1
mạch 2
392.8
393
108
190
259
39.8
mạch 1
mạch 2
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
Tên công trình
STT
1
2
3
4
5
6
PleiKu
PleiKu
Di Linh
Tân Định
Phú Mỹ
Nhà Bè
Tổng
-
Số mạch x km
Khu vực Miền Nam
Phú Lâm (mạch 1)
1
x
Di Linh
1
x
Tân Định
1
x
Phú Lâm
1
x
Nhà Bè
2
x
Phú Lâm
1
x
497.5
312.6
183.1
49.1
42.6
16
Chiều
dài
Ghi chú
497.5
312.6
183.1
49.1
85.2
16
3285.12
Bảng 1 - 2: Danh mục trạm biến áp 500kV năm 2009
STT
1
2
3
4
5
1
2
1
2
3
4
5
Tên công trình
Khu vực miền Bắc
Hoà Bình
Nho Quan
Thường Tín
HàTĩnh
Quảng Ninh
Khu vực miền Trung
PleiKu
ĐàNẵng
Khu vực miền Nam
Phú Lâm
Phú Mỹ
Tân Định
Nhà Bè
Di Linh
Tổng
Số máy x MVA
2
1
1
1
1
x
x
x
x
x
450
450
450
450
450
2
2
x
x
450
450
2
1
1
2
1
x
x
x
x
x
450
450
450
600
450
Công suất-MVA
2700
900
450
450
450
450
1800
900
900
3450
900
450
450
1200
450
7950
Ghi chú
tháng 8/2005
tháng 9/2005
2002
01/2010
2005
tháng 8/2005
tháng 8/2005
Tổng hợp khối lượng đường dây và trạm biến áp tính đến cuối năm 2009 được
trình bày trong bảng 1 - 3.
Bảng 1 - 3: Tổng hợp khối lượng đường dây và trạm 500kV-năm 2009
Miền
Khối lượng đường dây (km)
Trạm biến áp MVA)
Số máy
Tổng dung lượng
Miền Bắc
759.02
6
2700
Miền Trung
1382.6
4
1800
Miền Nam
1143.5
7
3450
Tổng cộng
15
7950
3285.12
* Dung lượng các trạm biến áp chưa tính tới các máy biến áp tăng áp của máy phát
Hiện nay toàn bộ 2 mạch 500kV đã được vận hành, tạo liên kết hệ thống Bắc
–Trung-Nam từ Hòa Bình tới Phú Lâm với công suất trao đổi khoảng trên
1500MW. Đường dây 500kV mạch 2 vào vận hành đã nâng cao truyền tải công suất
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
2
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
và trao đổi điện năng giữa các HTĐ Bắc -Trung – Nam, tạo điều kiện thuận lợi cho
việc khai thác hợp lý các nguồn điện trong HTĐ Việt Nam, giảm khả năng thiếu
điện cục bộ, nâng cao ổn định toàn hệ thống điện.
1.1.2. Đặc điểm của kháng bù ngang trên HTĐ 500kV.
Các hệ thống đường dây cao áp, nhất là hệ thống siêu cao áp thường sản sinh
ra một lượng công suất phản kháng rất lớn. Thông thường, ở chế độ vận hành vừa
và nặng tải, lượng vô công sinh ra từ đường dây có thể so sánh (và triệt tiêu) với tổn
thất vô công khi truyền tải. Vấn đề cần lưu ý ở đây là khi đường dây nhẹ tải, đặc
biệt là khi cắt tải đột ngột ở một phía đường dây sẽ xuất hiện hiệu ứng Ferranti hiện tượng tăng đột ngột điện áp trên dọc tuyến đường dây, làm đánh hỏng cách
điện, gây trở ngại cho việc đóng lặp lại và trong một số trường hợp làm quá tải các
máy phát do phải chịu dòng điện dung khá cao. Nguyên nhân chính của hiện tượng
trên là do dung dẫn của đường dây sinh ra công suất phản kháng rất lớn. Để khắc
phục tình trạng này người ta thường sử dụng phương pháp đặt các kháng bù ngang
ở hai đầu hoặc trên giữa đường dây (xem hình 1.2). Khi đó điện áp cao nhất trên
đường dây bị hở mạch một đầu được xác định theo công thức:
U max =
E
X
cos β (l − l r ) − S sin β (l − l r )
Z
Trong đó:
β - tốc độ lan truyền sóng thuận 50 Hz trên đường dây. Thông thường, β
nằm trong khoảng 1,05.10-3 - 1,08.10-3;
Z - điện kháng sóng của đường dây;
XR - điện kháng của cuộn kháng bù vào cuối đường dây;
XS - điện trở tương đương của hệ thống;
l - chiều dài đường dây;
lR - chiều dài đoạn đường dây chịu ảnh hưởng của cuộn kháng bù;
LR =
1
β
arctg
Z
XR
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
3
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
Hình vẽ 1 - 1: Phân bố điện áp dọc đường dây siêu cao áp khi cắt tải một đầu
Việc lựa chọn kháng bù ngang trước tiên là để đảm bảo thiết bị vận hành an
toàn trong dải điện áp cho phép trong mọi điều kiện vận hành. Ngoài ra, việc lựa
chọn kháng bù ngang liên quan tới bài toán quy hoạch các nguồn công suất vô công
trong hệ thống điện. Đây là bài toán phức tạp và toàn diện của toàn hệ thống, do
công suất vô công là thành phần mang tính cục bộ, địa phương, có mặt tất cả mọi
điểm trên hệ thống và ở mọi cấp điện áp. Đối với cấp điện áp siêu cao, lượng công
suất vô công sinh ra trên đường dây trong chế độ vận hành thấp tải hoặc chế độ mở
một đầu đường dây chạy vào hệ thống sẽ gây ra điện áp cao, đồng thời làm tăng tổn
thất công suất hữu công. Việc đặt kháng bù ngang sẽ tiêu thụ lượng công suất vô
công này, đảm bảo chất lượng điện áp luôn duy trì ở mức an toàn trong các chế độ
vận hành khác nhau. Đối với đường dây truyền tải siêu cao áp (từ 400kV trở lên),
việc vận hành tại điện áp cao quá 105% điện áp định mức thường không được
khuyến cáo. Chính vì vậy, theo thực tế áp dụng tại tất cả các công ty điện lực trên
thế giới, việc lựa chọn kháng bù ngang dựa trên các tiêu chuẩn sau đây:
• Trong chế độ vận hành bình thường (đối với các chế độ phụ tải): cố gắng
giữ điện áp tại các thanh cái xung quanh giá trị định mức.
• Trong các chế độ khác như: phóng điện đường dây, hoà điện, chế độ vận
hành thiếu phần tử cho phép điện áp đạt giá trị cực đại là 105% điện áp định
mức (mặc dù điện áp vận hành lâu dài cực đại của thiết bị thường là 110%
điện áp định mức).
• Giữ điện áp cao để tăng giới hạn truyền tải và giảm tổn thất trong các chế
độ truyền tải công suất cao.
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
4
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
• Mức bù ngang phải thích hợp để không gây ra các hiệu ứng phụ khác, cụ
thể là không gây ra cộng hưởng điện áp song song do mức độ bù quá cao hoặc
do một số chế độ vận hành không toàn pha.
1.2. QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.2.1. Quá độ điện từ trong hệ thống điện
Hệ thống điện được hình thành nhằm phục vụ mục đích truyền tải và phân
phối điện năng được sinh ra từ các nhà máy điện đến các hộ tiêu thụ một cách an
toàn, liên tục và tin cậy. Các dây dẫn được sử dụng để truyền tải điện năng, các máy
biến áp được sử dụng để biến đổi điện áp và các máy phát được sử dụng để biến đổi
từ cơ năng thành điện năng. Nhắc đến điện năng, chúng ta thường nhắc đến việc
dòng điện đi qua các dây dẫn từ máy phát để đến với các hộ tiêu thụ. Thực tế, điện
năng được truyền tải trong môi trường đặc biệt- Môi trường điện từ, chính là môi
trường xung quanh vật dẫn điện.
Tùy thuộc vào trạng thái tương đối của môi trường, người ta chia trạng thái
vận hành của hệ thống điện thành hai chế độ: chế độ xác lập và chế độ quá độ. Chế
độ xác lập là chế độ vận hành ổn định của các thông số trạng thái hệ thống quanh
một giá trị nhất định gọi là điểm cân bằng. Chế độ quá độ xuất hiện khi hệ thống
thay đổi từ một chế độ xác lập này sang một chế độ xác lập khác. Nó có thể là
trường hợp sét đánh xuống đất trong vùng lân cận một đường dây truyền tải điện
cao áp hoặc khi sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp. Tuy nhiên, phần lớn CĐQĐ
trong hệ thống truyền tải điện lại là do hoạt động chuyển mạch. Hoạt động này có
thể là thao tác đóng cắt máy biến áp dưới tải hoặc không tải, đóng/cắt kháng bù
ngang trong chế độ phụ tải min/max hoặc cắt đường dây sự cố (cô lập sự cố). Thời
gian khi dao động dòng điện và điện áp quá độ xảy ra là khoảng từ µs đến ms.
Vì vậy, đối với việc phân tích chế độ xác lập trào lưu công suất, khi mà tần
số là hằng số 50 hoặc 60Hz, ta có thể sử dụng tính toán số phức và thay thế pha để
biểu diễn điện áp và dòng điện. Tuy nhiên đối với các quá trình quá độ, khi mà tần
số có thể đạt đến kHz, MHz và thay đổi một cách tức thì, thì các tính toán bằng số
phức và thay thế pha không thể áp dụng được nữa. Thêm vào đó, mô hình thay thế
tập trung của các phần tử cũng cần được áp dụng một cách thận trọng. Ví dụ trong
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
5
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
trường hợp máy biến áp, dưới điều kiện vận hành bình thường, tỉ số biến áp là tỉ số
giữa số vòng dây của quận sơ cấp và cuộn thứ cấp. Tuy nhiên, đối với sóng sét, điện
dung kí sinh của các cuộn dây và điện dung kí sinh giữa 2 cuộn dây sẽ xác định tỉ số
biến. Và như vậy là đối với 2 trạng thái vừa nêu, máy biến áp lại cần được mô
phỏng bằng hai mô hình riêng. Điều đó có nghĩa là, khi mà chúng ta không thể sử
dụng mô hình phần tử tập trung, mà ở đó, kháng điện biểu diễn cho từ trường, tụ
điện biểu diễn điện trường và điện trở biểu diễn cho tổn thất, thì chúng ta phải phân
tích sóng truyền, sử dụng các mô hình khác phù hợp hơn.
1.2.2. Phân loại
Như đã đề cập ở trên, chế độ xác lập là chế độ vận hành ổn định của hệ thống
điện là chế độ vận hành thường xuyên và mong muốn của hệ thống. Tuy nhiên,
trong quá trình vận hành không thể tránh khỏi trạng thái quá độ. Nguyên nhân dẫn
đến quá trình quá độ có thể biết trước như: đóng cắt vận hành, sa thải phụ tải hoặc
ngẫu nhiên như: sét đánh, ngắn mạch,.v.v… Các quá trình quá độ điện từ xuất phát
từ các nguyên nhân khác nhau cũng rất khác nhau về bản chất. Chính vì vậy việc
tìm hiểu, phân loại các QTQĐ trong hệ thống điện để từ đó có các phương pháp mô
phỏng chính xác là công việc quan trọng đầu tiên. Các quá trình dao động điện từ
khác nhau rất khác nhau về tần số dao động.
Bảng 1-4: Tần số dao động của một số quá trình quá độ điện từ
Quá trình quá độ điện từ
Khoảng tần số dao động
Cộng hưởng sắt từ
0,1Hz – 1kHz
Sa thải phụ tải
01Hz – 3kHz
Cắt sự cố
50 Hz – 3kHz
Đóng cắt đường dây
50Hz – 20kHz
Điện áp phục hồi quá độ
50Hz – 100kHz
Quá điện áp sét
10kHz – 3MHz
Đóng cắt trong trạm GIS
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
100kHz – 50MHz
6
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
Hình vẽ 1-2: Khoảng tần số dao động của các dạng sóng
Tuy nhiên, có thể phân loại các quá trình quá độ điện từ thành các nhóm tần
số như trình bày trong Bảng 1-5.
Bảng 1-5: Phân loại các nhóm tần số của các quá trình quá độ điện từ
Nhóm Khoảng tần số dao động Dạng sóng
Nguên nhân tiêu biểu
1
0,1 Hz – 3 kHz
Dao động tần số thấp Quá điện áp tạm thời
2
50/60 Hz – 20 kHz
Sóng chậm
Quá điện áp đóng cắt
3
10 kHz – 3 MHz
Sóng nhanh
Quá điện áp sét
4
100 kHz – 50 MHz
Sóng cực nhanh
Quá điện áp phóng điện lặp lại
1.2.3. Tác động của quá độ điện từ đến vận hành hệ thống điện
Với mỗi nhóm các quá trình quá độ điện từ sẽ có các tác động khác nhau đến
chế độ làm việc của các thiết bị cũng như của cả hệ thống. Tác động này hầu hết là
các tác động xấu đến việc vận hành an toàn và kinh tế của hệ thống điện. Chúng làm
thay đổi các thông số trạng thái hệ thống, làm mất cân bằng vốn có trong hệ thống
từ trạng thái xác lập. Các thay đổi này có thể diễn ra từ khoảng vài phần triệu giây
cho đến vài phần chục giây. Hậu quả của chúng có thể là rất nghiêm trọng như:
hỏng hóc, cháy nổ thiết bị, tan rã hệ thống hoặc có thể chỉ là thay đổi chế độ vận
hành của hệ thống sang một chế độ xác lập mới.
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
7
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
Chính vì vậy, việc mô phỏng và tính toán đầy đủ và chính xác các ảnh hưởng
của từng quá trình quá độ lên hệ thống điện là rất cần thiết để có các đánh giá tác
động từ đó xây dựng các biện pháp hạn chế và ngăn chặn tối đa các ảnh hưởng này.
1.3.
KẾT LUẬN
Hệ thống truyền điện 500kV Việt Nam là một hệ thống dài và phức tạp để
nâng cao khả năng tải cũng như giảm tổn thất điện năng và nâng cao độ tin cậy ta sử
dụng biên pháp bù cho các đoạn đường dây.
Đối với trường hợp kháng bù ngang thì giải quyết được vấn đề quá điện áp ở
cuối đường khi đường dây mang tải bé hay trong trường hợp cần phải sa thải phụ
tải. nhưng trong trường hợp đường dây đầy tải thi kháng bù ngang lại gây ra tổn thất
điện năng. Chính vì vậy nên cần phải lắp một máy cắt kháng để đóng kháng khi
đường dây nhẹ tải và cắt kháng ra khỏi đường dây khi đường dây mang tải cao hoặc
quá tải.
Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, dung lượng các kháng và cấu tạo của các
kháng này cũng khác nhau kháng 3 pha có công suất nhỏ hơn 130MVAR và kháng
1 pha có công suất lớn hơn 130MVAR, chính vậy cần tính toán để lựa chọn máy cắt
phù hợp.
Các Quá trình quá độ điện từ là các quá trình xảy ra không thường xuyên,
nhưng lại có thể tác động rất lớn tới việc vận hành an toàn và ổn định của hệ thống
điện. Vì vậy ta cần phải tính toán để tìm ra các ảnh hưởng xấu nhất của từng loại
quá độ, trong đó đặc biệt là quá độ đóng cắt.
Hệ phương trình vi phân mô phỏng QTQĐĐT lại là hệ phương trình vi phân
bậc cao. Chính vì vậy, ngoài việc đơn giản hóa mô phỏng trong từng trường hợp,
ngày nay người ta còn sử dụng máy tính số với các phần mềm chuyên dụng như
một công cụ hữu hiệu để giải các bài toán Quá độ điện từ với kích thước lớn. Và
EMTP_RV (Electromagnetic transient program-EMTP) là một trong các chương
trình như vậy.
Hiện nay, chương trình EMTP_RV đang được rất nhiều cơ quan ở Việt Nam
sử dụng để thực hiện các tính toán Quá trình quá độ điện từ. Do đó, phần tiếp theo
sau đây sẽ mô tả chi tiết hơn cấu tạo cũng như các chức năng của công cụ này.
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
8
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG PHẦN
MỀM EMTP-RV
2.1. GIỚI THIỆU VỀ CHƯƠNG TRÌNH EMTP-RV
2.1.1. Giới thiệu
Như đã trình bày, EMTP là chương trình tính toán QTQĐĐT. Đây là chương
trình máy tính để mô phỏng quá độ điện từ, điện cơ và hệ thống điều khiển trong hệ
thống điện nhiều pha.
EMTP-RV là phiên bản mới của EMTP được phát triển bởi Development
Coordination Group (DCG) với các thành viên: American Electric Power
Corporation, CEA Technologies, CRIEPI of Japan, Électricité de France, EPRI,
Hydro One Networks, Hydro-Québec, US Bureau of Reclamation và Western Area
Power Administration. Chương trình có thể được sử dụng cho phần lớn các tính
toán chế độ tĩnh cũng như mô phỏng các QTQĐ với thời gian khoảng vài giây.
Thông thường EMTP được dùng cho 2 mục đích chính sau:
Hỗ trợ trong thiết kế và lựa chọn thông số cho các phần tử trong hệ thống điện,
được dùng cho các bài toán phối hợp cách điện, lựa chọn thông số định mức
của thiết bị, lựa chọn các thiết bị bảo vệ, thiết kế hệ thống điều khiển, đánh giá
chất lượng điện năng, tính toán sóng hài v.v…
Tính toán kiểm tra các vấn đề đang tồn tại trong hệ thống điện.
2.1.2. Các chức năng chính của chương trình
Dưới đây là các tính toán, mô phỏng đặc trưng EMTP-RV có thể thực hiện:
Quá điện áp khí quyển.
Quá điện áp thao tác
Quá điện áp tạm thời
Phối hợp cách điện
Điện tử công suất và FACTS
Thiết kế hệ thống điều khiển
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
9
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
Các bài toán về chất lượng điện năng
Cộng hưởng giữa phần tử bù ngang và bù dọc
Cộng hưởng sắt từ
Khởi động động cơ
Phân tích chế độ xác lập của hệ thống không đối xứng
Lưới điện phân phối và nguồn phân phối
Mô hình hệ thống động và phụ tải
Các bài toán bảo vệ hệ thống điện
EMTPRV có thể lựa chọn thực hiện các mô phỏng sau:
Tính phân bố công suất (Load-Flow): Phân bố công suất được tính cho hệ
thống nhiều pha và không đối xứng. Kết quả được sử dụng làm dữ liệu cho
thông số điều kiện đầu (biên) cho mô phỏng quá độ.
Chế độ xác lập (Steady-state): Tính toán điều kiện đầu cho mô phỏng theo thời
gian.
Mô phỏng thời gian (Time-domain): Tính toán quá trình quá độ theo thời gian.
2.1.3. Các module chính
Phiên bản EMTP-RV được tích hợp phần giao diện rất mạnh là
EMTPWorks, cho phép người sử dụng có thể thiết kế những hệ thống lớn và phức
tạp.
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
10
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
Hình vẽ 2-1: Cửa sổ chính của chương trình
Ngoài ra, còn có 1 chương trình ScopeView đi kèm cho phép người sử dụng
có thể xem xét và trình bày kết quả một cách thuận tiện và nhanh chóng.
Hình vẽ 2-2: Giao diện của chương trình ScopeView
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
11
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
2.2. MÔ PHỎNG CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG EMTP-RV
2.2.1. Các thư viện chính
Mô hình các phần tử hệ thống điện trong EMTP-RV được tập hợp thành từng
nhóm các thư viện, gồm có:
Advanced.clf: chứa các phần tử bù linh hoạt.
Pseudo Devices.clf: chứa các thiết bị liên kết (giữa các trang, các sơ đồ khối
…)
RLC branches.clf: thư viện này chứa các mô hình RLC của phần tử tập trung.
Control.clf: cung cấp các hàm điều khiển cơ bản như các bộ so sánh, hằng số,
tính phân, vi phân …
Control devices of TACS.clf: chứa các thiết bị điều khiển của TACS.
Control functions.clf: chứa các phần tử có chức năng điều khiển.
Control of machines.clf: thư viện này cung cấp các hàm điều khiển chuẩn sử
dụng cho các máy điện đồng bộ.
Flip flops.clf: chứa các phần tử điều khiển lật mạch.
Lines.clf: cung cấp các mô hình đường dây, cáp. Các hàm chức năng tính toán
thông số của đường dây và cáp.
Machines.clf: chứa các mô hình máy phát và động cơ điện.
Meters.clf: chứa các thiết bị đo (dòng, áp, công suất, các tín hiệu điều khiển).
Nonlinear.clf: cung cấp các mô hình của các phần tử phi tuyến.
Options.clf: cung cấp các lựa chọn mô phỏng và các hàm xử lý dữ liệu trên
EMTP.
Sources.clf: cung cấp các mô hình nguồn đơn giản.
Switches.clf: cung cấp các mô hình khóa chuyển mạch.
Transformers.clf: cung cấp các mô hình máy biến áp xây dựng sẵn.
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
12
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
2.2.2. Mô phỏng của một số phần tử chính trong EMTP-RV
2.2.2.1. Nguồn điện
Mô hình các nguồn điện được đặt trong thư viện sources.clf gồm có:
I ac và V ac:
I ac grounded và V ac grounded
I CIGRE:
I complex rampvà V complex ramp
I controlled và V controlled
I dc và V dc
I dc ground và V dc ground
I point-by-point và V point-by-point
I rampvà V ramp
I surge và V surge
V ac grounded 3-phase:
V with impedance:
Tùy thuộc vào từng mô hình mà các dữ liệu cần thiết được nhập vào khác
nhau. Ví dụ với mô hình nguồn V with impedance là một nguồn điều hòa được đặt
trước là một tổng trở:
v(t ) = Vm cos(ω t+θ );ω =2π f
(1)
VwZ2
+
120kV /_0
Hình vẽ 2-3: Mô hình V with impedance
Dữ liệu cho mô hình này được nhập vào 2 bảng:
Source: chứa các thông số về biên độ, tần số và góc pha.
Impedane: tổng trở nguồn.
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
13
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
Ngoài ra, trong thư viện này còn có phần tử Load-Flow Bus được sử dụng để
thiết lập các dữ liệu ban đầu (điện áp, góc pha) khi tính toán chế độ xác lập. Phần tử
này được đặt tại nút nguồn mà nó thiết lập dữ liệu, và có thể thiết lập nút đó ở một
trong 3 loại nút sau:
Nút cân bằng(slack bus):
Nút phụ tải (PQ bus):
Nút điện áp (PV bus):
Hình vẽ 2-4: Mô hình phần tử Load-Flow Bus
a.Nút cân bằng
Các thông số khai báo cho nút này bao gồm:
Frequency: tần số của nguồn (Hz).
Controlled voltage: Biên độ điện áp thứ thự thuận tại nút mà nguồn này nối vào
(V, kV, MV, kVRMS, kVRMSLL).
Controlled phase: khai báo góc pha điện áp pha thứ tự thuận tại nút đặt thiết bị
LF.
b. Nút phụ tải
Các thông số khai báo cho nút này bao gồm:
Frequency: tần số của nguồn (Hz).
Voltage: Biên độ điện áp pha thứ thự thuận tại nút mà nguồn này nối vào (V,
kV, MV, kVRMS, kVRMSLL). Điện áp này chỉ dùng để khởi tạo cho bước lặp
đầu tiên.
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
14
Lớp Cao học Hệ thống điện
Luận văn cao học chuyên ngành Hệ thống điện
Phase: giá trị ban đầu góc pha điện áp pha thứ tự thuận tại nút đặt thiết bị LF.
P,Q: công suất phát tác dụng và phản kháng tại nút.
Thiết bị này có thể lấy giá trị khởi tạo từ lần giải LoadFlow trước, nếu có.
c. Nút điện áp
Các thông số khai báo cho nút này bao gồm:
Frequency: tần số của nguồn (Hz).
Controlled voltage: Biên độ điện áp pha thứ thự thuận tại nút mà nguồn này nối
vào (V, kV, MV, kVRMS, kVRMSLL).
Phase: giá trị ban đầu góc pha điện áp pha thứ tự thuận tại nút đặt thiết bị LF.
Controlled type: dạng điều chỉnh điện áp: Điện áp pha-đất
P: công suất tác dụng phát.
Qmin, Qmax: giới hạn công suất phản kháng của nguồn.
2.2.2.2. Phụ tải
Hình vẽ 2-5: Mô hình phụ tải PQ Load
Cho phép nhập dưới dạng phụ tải đơn pha. Khi phụ tải được nối với tín hiệu
3 pha, phụ tải được tính đối xứng đối với các pha còn lại (3 pha đối xứng). Các
thông số khai báo cho mô hình:
Vload: Điện áp dây danh định của phụ tải (VRMSLL, kVRMSLL).
P, Q: Công suất tác dụng và phản kháng (1 pha).
Hệ phương trình của thiết bị này mô hình Load-Flow như sau:
Học viên: Nguyễn Hữu Dũng
NP
Pspecified
⎡V ⎤
= P ⎢ LF ⎥
⎣VLoad ⎦
Qspecified
⎡V ⎤
= Q ⎢ LF ⎥
⎣VLoad ⎦
15
NQ
(2)
Lớp Cao học Hệ thống điện
