Tính toán quá điện áp quá độ trong trạm biến áp cách điện khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
--------- oOo --------

NGUYỄN THANH HUY

TÍNH TỐN Q ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ TRONG TRẠM BIẾN
ÁP CÁCH ĐIỆN KHÍ

Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
Mã số: 60 52 50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2015


Cơng trình đƣợc hồn thành tại: Trƣờng Đại Học Bách Khoa-ĐHQG-HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học 1: TS. NGUYỄN NHẬT NAM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học 2: PGS-TS. VŨ PHAN TÚ
Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS-TS. HỒ VĂN NHẬT CHUƠNG
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. HỒ VĂN HIẾN

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 28 tháng 12 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.

PGS-TS. PHAN QUỐC DŨNG

2.

TS. HUỲNH QUANG MINH

3.

PGS-TS. HỒ VĂN NHẬT CHUƠNG

4.

TS. HỒ VĂN HIẾN

5.

TS. ĐINH HOÀNG BÁCH

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN THANH HUY

MSHV: 12214300

Ngày, tháng, năm sinh: 17/06/1989

Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện

Mã số: 60 52 50

I. TÊN ĐỀ TÀI: “TÍNH TỐN Q ĐIỆN ÁP Q ĐỘ TRONG TRẠM BIẾN
ÁP CÁCH ĐIỆN KHÍ”
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu và đề xuất giải pháp hạn chế quá điện áp
quá độ VFTO cho trạm biến áp cách điện khí:
-

Thực hiện mơ phỏng các chế độ đóng cắt thiết bị trong trạm biến áp cách
điện khí và xem xét đánh giá quá điện điện áp quá độ gây ra.

-

Xem xét đề xuất giải pháp để hạn chế quá điện áp quá độ ở một trạm
biến áp cụ thể ở Việt Nam. Nhằm bảo vệ thiết bị và tính khả thi khi áp
dụng vào lƣới điện.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

18/08/2015

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

04/12/2015

IV. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: 1. TS. NGUYỄN NHẬT NAM
2. PGS-TS. VŨ PHAN TÚ
Tp. HCM, ngày
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN 1

tháng

năm 2015

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. NGUYỄN NHẬT NAM
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN 2

PGS-TS. VŨ PHAN TÖ
TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


LỜI CẢM ƠN
Học viên thực hiện đề tài “TÍNH TỐN QUÁ ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ TRONG TRẠM
BIẾN ÁP CÁCH ĐIỆN KHÍ” xin trân trọng gởi lời cảm ơn chân thành đến:
1. Thầy Nguyễn Nhật Nam, Tiến sĩ, phòng TN & TT Điện, Khoa điện – điện tử,
trƣờng Đại Học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh và thầy Vũ Phan Tú, Phó
giáo sƣ-Tiến sĩ, Phó trƣởng ban ĐH & SĐH ĐHQG TP.HCM, đã hƣớng dẫn
toàn bộ nội dung luận văn và giới thiệu phần lớn tài liệu tham khảo.

2. Các Thầy, Cô bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện- Điện Tử; Phòng Quản Lý
Sau Đại Học giúp ý kiến và thực hiện trình thủ tục, cơng tác học vụ, tạo điều
kiện tốt nhất để tôi thực hiện luận văn này.
3. Các Bạn đồng nghiệp đang công tác tại Công ty Truyền tải điện 4, Công ty
Cổ phần tƣ vấn điện 2 và Công ty Hyosung đã giúp đỡ tôi có dữ liệu cơ sở
để hồn thành luận văn.
Trong q trình nghiên cứu và hồn thành luận văn, vì thời gian và trình độ có
hạn nên khơng tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp của
Quý thầy, cô và bạn bè đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Ở nƣớc ta hiện nay chƣa có cơng trình nghiên cứu hồn chỉnh nào về mơ phỏng
q độ trong trạm GIS, đề tài áp dụng thực tế trạm 220kV GIS Bình Tân để mơ
phỏng đóng cắt q độ, trạm biến áp lớn và hiện đại nhất Việt Nam hiện nay.
Luận văn này sử dụng chƣơng trình ATP/EMTP để xây dựng mơ hình mơ
phỏng đóng cắt q độ trong GIS. Mơ phỏng và tính tốn q điện áp q độ VFTO
trong việc đóng cắt DS. Phân tích những ảnh hƣởng dẫn đến quá điện áp. Phân tích
những nguy hại của VFTO đến thiết bị. Tìm ra những giải pháp hạn chế đƣợc
VFTO khi đóng cắt DS.
Tìm ra ngun nhân gây hƣ hỏng thiết bị do đóng cắt gây ra VFTO, tính tốn
thiết kế lựa chọn thiết bị và đặc tính phối hợp cách điện cho phù hợp với mức độ
VFTO gây ra, hạn chế VFTO để nâng cao chất lƣợng điện năng, vận hành tin cậy
và mang lại lợi ích kinh tế.


ABSTRACT

In our country there is currently no complete studies regarding transition

simulation GIS substation, practical application threads 220kV GIS Binh Tan to
simulate switching transients, transformer stations and most modern large Viet
Nam today.
This thesis use the program ATP / EMTP to build simulation models in GIS
switching transients. Simulation and computation overvoltage transients in
switching DS. Analyzing the effects lead to overvoltage. Analysis of VFTO harm
to the device. Find solutions VFTO limiting when switching DS.
Find out what caused equipment damage caused by switching DS, computational
design and equipment selection and coordination insulating properties suitable for
causing VFTO level, limiting VFTO to improve power quality performance,
reliable operation and economic benefits.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của riêng tôi.
Các kết quả nêu trong luận văn chƣa đƣợc cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào
khác.
Các số liệu, ví dụ, trích dẫn đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 12
NGƢỜI CAM ĐOAN

Nguyễn Thanh Huy

năm 2015


MỤC LỤC
CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU TRẠM GIS 220kV BÌNH TÂN................................................................. 3
1. MÔ TẢ HỆ THỐNG GIS 220kV ...................................................................................................... 3
1.1. Thanh cái (Bus bar): ............................................................................................................... 4

1.2. Máy cắt (CB): ......................................................................................................................... 6
1.3. Biến dòng điện (CT): .............................................................................................................. 7
1.4. Biến điện áp ............................................................................................................................ 8
1.5. Dao nối đất thanh cái và nối đất đƣờng dây ............................................................................. 9
1.6. Dao nối đất bảo trì ................................................................................................................ 10
1.7. Ống dẫn thanh cái (G/A BG – GAS TO AIR BUSHING): .................................................. 10
1.8. Ống dẫn thanh cái (CHD – CABLE SEALING END): ........................................................ 12
1.9. Dao cách li (DS) ................................................................................................................... 14
1.10. Gối đỡ thanh dẫn điện (INSULATOR): ............................................................................... 16
1.11. Thiết bị giải phóng áp suất.................................................................................................. 16
1.12. Sứ xun ............................................................................................................................. 17
1.13. Khí SF6 (Sulpher-Hexa-Fluoride) ...................................................................................... 18
CHƢƠNG II. TÍNH TỐN MƠ HÌNH MƠ PHỎNG VFTO ............................................................. 21
2.1. Những ƣu và nhƣợc điểm của trạm GIS so với trạm biến áp thông thƣờng ............................. 21
2.2. Hiện tƣợng quá điện áp quá độ trong GIS ................................................................................ 21
2.2.1. Các hiện tƣợng VFT (Very Fast Transient) trạm GIS ......................................................... 21
2.3. Đặc điểm VFTO ....................................................................................................................... 22
2.4. Những hiện tƣợng xảy ra trong quá trình tạo VFTO ................................................................ 23
2.5. Biện pháp giảm VFTO.............................................................................................................. 27
2.6. Những mơ hình mơ phỏng đã thực hiện ................................................................................... 27
2.7. Xây dựng mơ hình mơ phỏng VFO trạm Gis 220kV Bình Tân................................................ 32
2.7.1. Tính tốn lựa chọn thiết bị cho mơ hình VFTO................................................................. 32
2.7.1.1. Thơng số thiết bị và tính tốn cho mơ hình mơ phỏng .................................................. 43
2.7.1.2. Ngăn lộ máy biến áp ....................................................................................................... 50
2.7.1.3. Thông số ngăn lộ đƣờng dây .......................................................................................... 54
2.7.1.4. Thông số ngăn lộ kết dàn hai thanh cái .......................................................................... 57
2.7.1.5. Thông số biến điện áp thanh cái (VT Bus) ..................................................................... 60
2.7.1.6. Thơng số thanh cái .......................................................................................................... 61
2.7.1.7. Xây dựng mơ hình ATP .................................................................................................. 63
2.8. Ảnh hƣởng của “Bẫy điện áp” (Trap charge voltage) .............................................................. 77

2.9. Biện pháp giảm VFTO.............................................................................................................. 86
Trang 1


2.9.1 Sử dụng vòng sắt từ ............................................................................................................ 86
2.9.2 Điện trở mắc shunt với tiếp điểm cố định DS.................................................................... 94
CHƢƠNG III. KẾT LUẬN ................................................................................................................. 98
CHƢƠNG IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 99
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................................... 99
PHỤ LỤC 1 ................................................................................................................................... 106
PHỤ LỤC 2: MODE 1 .................................................................................................................. 111
PHỤ LỤC 3: MODE 2 .................................................................................................................. 116
PHỤ LỤC 4: MODE 3 .................................................................................................................. 120
PHỤ LỤC 5: MODE 4 .................................................................................................................. 124
PHỤ LỤC 6: MODE 5 .................................................................................................................. 129

Trang 2


CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU TRẠM GIS 220kV BÌNH TÂN
1. MƠ TẢ HỆ THỐNG GIS 220kV

Hình 1. Hệ thống Gis 220kV
Bảng 1. Chú thích hình 1
STT
Chú thích hình 1
STT
1 Thanh cái
10 Dao tiếp địa tốc độ cao của
đƣờng dây

2 Dao thanh cái
11 Dao cách li đƣờng dây
3 Dao tiếp địa thanh cái
12 Thanh dẫn
4 Biến dòng điện
13 Hạt hút ẩm
5 Buồng cắt máy cắt
14 Gối đỡ thanh dẫn cách điện
6 Máy cắt
15 Giá đỡ chính
7 Spacer
16 Tủ điều khiển máy cắt
9 Dao tiếp địa bảo trì máy
cắt
Hệ thống GIS 220kV trạm Bình Tân do nhà sản xuất HYOSUNG cung cấp, 3
pha đƣợc đặt trong 3 ống riêng và đƣợc bơm đầy khí SF6 để cách điện, đƣợc thiết
Trang 3


kế theo dạng mơđun có ƣu điểm là dễ dàng vận hành, lắp ráp, ít bảo trì và rất linh
hoạt cho việc mở rộng trạm trong tƣơng lai, thiết bị có cấu trúc gọn nhẹ, đƣợc đặt
kín trong nhà nên ít chịu ảnh hƣởng của môi trƣờng.
1.1. Thanh cái (Bus bar): đƣợc phân cách thành từng vùng khí riêng bằng các

Spacer kín khí (stop spacer ), ngồi ra cịn có các gối đỡ phụ ở những thanh dẫn
dài (insulator). Trong nội bộ từng vùng khí có các Spacer thơng khí (hole spacer) ở
từng môđun mỗi ngăn lộ theo yêu cầu thiết kế và tạo nên một bộ gồm các dao cách
ly thanh cái và dao tiếp địa bảo dƣỡng máy cắt.

Hình 2. Thanh cái loại ba pha chung phía 110kV

Hình 3. Thanh cái loại ba pha rời phía 220kV

Trang 4


Hình 4. Cấu tạo Spacer
 Sự khác biệt giữa đường ống ba pha chung và ba pha rời:
Bảng 2. Phân biệt các loại đƣờng ống
STT

Đặc điểm

1

Từ trƣờng

2

Sự cố

3
4
5
6

Lực điện
trƣờng
Ảnh hƣởng
trƣờng điện từ

Chi phí
Cấp điện áp

Loại ba pha
chung
Ổn định
Có thể sự cố ba
pha

Loại ba pha
rời
Rất ổn định
Chỉ có sự cố một
pha

Lớn

Nhỏ

Cao

Thấp

Ít hơn
Thấp hơn

Cao hơn
Cao hơn

Trang 5

1.2. Máy cắt (CB): 3 pha rời dùng khí SF6 để cách điện và dập hồ quang có cơ cấu

truyền động đóng cắt bằng lị xo.

Hình 5. Cấu tạo CB

COVER

MOVING
ARCING
CONTACT

STATIONARY
ARCING
CONTACT
NOZZLE

PUFFER
CYLINDER
INSULATION
TUBE

STATIONARY
MAIN
CONTACT

Hình 6. Cấu tạo các tiếp điểm CB

Trang 6


INSULATION NOZZLE
INSULATION COVER

STATIONARY ARCING
CONTACT

PUFFER CYLINDER

CONTACT BASIC
MOVE ARCING CONTACT

Hình 7. Trạng thái CB đóng
1.3. Biến dịng điện (CT): dùng để đo lƣờng và bảo vệ kiểu lõi hình xuyến, bố trí

trƣớc và sau máy cắt, cách điện sơ cấp bằng khí SF6, nên tuổi thọ rất cao.

CT

Hình 8. Biến dịng điện
Bảng 3. Chú thích hình 8
STT
1
2
3
4
5
6

7
8

Chú thích hình 8
Vịng đệm Oring
Spacer
Thanh dẫn
Vỏ biến dòng điện
Hộp đấu nối nhị thứ
Biến dòng
Ống dẫn (Encloser)
Điểm nối đất

STT
9
10
11
12
13
14
15

Chú thích hình 8
Gía đỡ
Mạch thứ cấp
Lỗi sắt từ
Lớp cách điện
Lớp cách điện ngoài cùng
Cuộn dây thứ cấp
Cách điện lỗi từ

Trang 7


1.4. Biến điện áp: đo lƣờng và bảo vệ thứ cấp gồm có 2 dây quấn.

Đầu đấu nối cáp đƣờng dây thích hợp với mọi loại cáp cao áp có tiết diện lên
đến 2000mm2.

Hình 10. Biến điện áp 1 pha
Bảng 4. Chú thích hình 9
STT

Chú thích hình 9

1

Thanh cái

2

Spacer

3

Dao tiếp địa bảo trì thanh cái

4

VT

Hình 9. Biến điện áp thanh cái (VT Bus)

Trang 8


1.5. Dao nối đất thanh cái và nối đất đƣờng dây: là loại dao tốc độ cao có khả năng

đóng dịng ngắn mạch hồn tồn, xả dịng cảm ứng, dịng dung xuống đất, khả năng
chịu đựng dòng trong thời ngắn, đạt đƣợc tốc độ đóng cao nhờ cơ cấu tác động lị xo
truyền động bằng động cơ, có thể thao tác bằng tay.

Hình 11. Dao tiếp địa đường dây
Bảng 5. Chú thích hình 11
STT

Chú thích hình 11

STT

Chú thích hình 11

1

Vịng đệm Oring

5

Cổ góp

2

Sứ tiếp địa

6

Tiếp điểm di động

3

Tiếp điểm cố định

7

Điện trở dập hồ quang

4

Vỏ (Encloser)

Trang 9


1.6. Dao nối đất bảo trì: đƣợc đặt trƣớc và sau máy cắt truyền động bằng động cơ.

Hình 12. Dao tiếp địa bảo trì thiết bị
Bảng 6. Chú thích hình 12
STT

Chú thích hình 12

STT

Chú thích hình 12

1

Vịng đệm Oring

5

Cổ góp

2

Sứ tiếp địa

6

Tiếp điểm di động

3

Tiếp điểm cố định

4

Vỏ (Encloser)

1.7. Ống dẫn thanh cái (G/A BG – GAS TO AIR BUSHING): đƣợc nối trực tiếp từ

thiết bị GIS đến sứ xuyên bên ngồi nhà GIS (bên trong sứ xun là khí SF6, bên
ngồi sứ xun là khơng khí), có 1 đoạn ống dạng lò xo chịu đƣợc dãn nở nhiệt
(Below) và dung sai lắp đặt, ngăn ngừa sự rung động MBA trong quá trình vận
hành.

Trang 10


Hình 13. Sứ xuyên loại Gas to air

Hình 14. Ống dãn nở dạng lò xo(below) và gối đỡ thanh dẫn cách điện

Trang 11


1.8. Ống dẫn thanh cái (CHD – CABLE SEALING END): đƣợc nối trực tiếp từ thiết

bị GIS đến sứ xuyên của cáp ngầm bên trong nhà GIS (bên trong sứ xun là cáp
ngầm, bên ngồi sứ xun là khí SF6).

Hình 15. CHD. Cable Sealing end
Hệ thống GIS 220kV đƣợc trang bị đồng hồ giám sát mật độ khí SF6 có bù nhiệt
cho từng thiết bị, với mỗi loại thiết bị áp suất khí SF6 định mức sẽ khác nhau:
- Máy cắt: 6.0 bar.G
- Các thiết bị khác: 5.0 bar.G
Tại mỗi thiết bị đều có thiết bị giải phóng áp suất khí SF6 với GIS là: 12 ± 1.2
bar, với VT là: 10 bar.
Mỗi ngăn lộ có tủ điều khiển chứa tất cả các thiết bị cần thiết cho việc điều
khiển, tín hiệu hố, giám sát, ...

Trang 12


Hình 16. Cấu tạo modul đầu nối cáp ngầm (Cable sealing end)
Bảng 7. Chú thích hình 10
STT
1
2
3
4
5
6
7
8

Chú thích hình 10
Dây dẫn
Shied bọc ngoài
Đầu Cách điện
Cách điện
Ống bọc ngoài
Giá đỡ
Vỏ bọc
Lớp chống thấm nƣớc

Vật liệu
Đồng
Hợp kim đồng
Forcelain

Compound
Silicon
Forcelain
Nhôm
Ống vải

Trang 13


1.9. Dao cách li (DS)
DS là thiết bị đóng cắt nhằm cơ lập thiết bị, đƣờng dây hồn tồn. DS đóng cắt
khơng điện hoặc có điện nhƣng khơng tải. Có hai loại DS đƣợc sử dụng:
 Loại đóng cắt thanh cái (DS-Bus)
 Loại đóng cắt đƣờng dây (DS-Line)
CT
Vale

DS

DS

380

1095
512

512

1030

515

Support

SPACER
SPACER

SPACER

BUSBAR

BUSBAR

Hình 17. Loại DS-Bus và ES chung một

Hình 18. Loại DS-Bus và CT chung

module nối vào thanh cái

một module nối vào thanh cái

ES

CT

DS

ES

Hình 19. Loại DS-Line, ES, CT chung một Modul

Trang 14


Hình 20. DS-Line
Bảng 8. Chú thích hình 20
STT

Chú thích hình 20

STT

Chú thích hình 20

1

Vịng đệm Oring

5

Gối đỡ

2

Tiếp điểm di động

6

Thanh dẫn

3

Shield

7

Cổ góp

4

Tiếp điểm cố định dập hồ
quang

Hình 21: Tiếp điểm cố định DS

Trang 15


1.10. Gối đỡ thanh dẫn điện (INSULATOR):

Hình 22. Gối đỡ thanh dẫn
Bảng 9. Chú thích hình 22
STT

Chú thích hinh

STT

Chú thích hinh

1

Gối đỡ (Epoxy Resin)

3

Thanh dẫn

2

Vít gia cố

1.11. Thiết bị giải phóng áp suất: Thơng thƣờng khi áp suất khí SF6 tăng cao đến

ngƣỡng tác động khoảng 12±2 kgf/cm2 thì van sẽ nổ và khí bay ra ngồi giảm áp
lực đƣờng ống.

Hình 23. Thiết bị giải phóng áp suất

Trang 16


Bảng 10. Chú thích hình 23
STT

Chú thích hình 23

STT

Chú thích hình 23

1

Vịng đệm Oring

3

Hộp

2

Đĩa

1.12. Sứ xun
Có hai loại sứ xun:
 Gas to oil: Kết nối trực tiếp đến sứ xuyên của máy biến áp, từ khí SF6 trong
GIS đến dầu sứ xuyên máy biến áp
 Gas to air: Kết nối ra ngồi các phát tuyến đƣờng dây, từ khí SF6 trong GIS
ra ngồi khơng khí.

Hình 24. Cấu tạo sứ xun loại: Gas to oil

Hình 25. Cấu tạo sứ xuyên loại: Gas to air

Trang 17


1.13. Khí SF6 (Sulpher-Hexa-Fluoride)
Khí SF6 nặng hơn 5.5 lần khơng khí, hóa lỏng -620C ở áp khí quyển hay 00C ở
áp suất 11.7bar. Áp suất khí SF6 trong CB khoảng 6bar và nhiệt độ lỏng ở -300C.

Hình 26. Đặc tuyến làm việc khí SF6
2. Giới thiệu trạm Gis 220kV Bình Tân

Hình 27. Sơ đồ đơn tuyến Gis 220kV Bình Tân

Trang 18