Hạn chế quá điện áp thao tác cho đường dây tải điện cao áp bằng chống sét van đừờng dây

Nội dung text: Hạn chế quá điện áp thao tác cho đường dây tải điện cao áp bằng chống sét van đừờng dây

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 HẠN CHẾ QUÁ ĐIỆN ÁP THAO TÁC CHO ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN CAO ÁP BẰNG CHỐNG SÉT VAN ĐƢỜNG DÂY LIMITATION OF SWITCHING OVERVOLTAGE BY USING TRANSMISSION LINE SURGE ARRESTER Nguyễn Đức Tường Trần Văn Tớp Trường Đại học KTCN - Đại học Thái Nguyên Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TÓM TẮT Trong những năm gần đây, việc sử dụng chống sét van để bảo vệ chống quá điện áp cho các đường dây tải điện được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện. Trên các đường dây tải điện cao áp khi đóng đường dây có chiều dài không quá lớn trong chế độ hở mạch ở cuối đường dây, quá điện áp thường có giá trị nằm trong giới hạn cho phép. Trường hợp đóng không đồng pha sẽ dẫn đến quá điện áp vượt quá giới hạn cho phép được mô phỏng bởi phần mềm EMTP. Bài báo trình bày nghiên cứu hiện tượng quá điện áp do đóng đường dây 220kV không tải, xác suất xuất hiện quá điện áp nguy hiểm của nhiều lần đóng cắt. Trên cơ sở nghiên cứu này, đề xuất các phương án bảo vệ chống quá điện áp bằng cách sử dụng chống sét van đường dây loại ZnO và xét khả năng hấp thụ năng lượng của chống sét van. ABSTRACT Application of Metal Oxide Surge Arresters in power systems has been traditionally linked to electrical equipment protection. In recent years, the industry has noted a significant increase in the application of metal oxide arresters on transmission lines in an effort to reduce overvoltage. Swiching overvoltage on high voltage transmission line of short length when a open line is closed is not very high and normally in limit value. Non simultaneous close of the circuit breaker lead to the high overvoltage and it will be simulated by using the program EMTP. From an investigation of overvoltage when an 220kV opened circuited high voltage transmission line is energized, we propose a limitation of overvoltage level by using transmission line surge arrester ZnO. This paper also presents the characteristics or energy absorption of transmission line surge arresters. I. MỞ ĐẦU lượng tương đối cao và có thể sử dụng để bảo vệ quá nội bộ cho hệ thống điện nói chung và Quá điện áp thao tác là một trong những cho đường dây tải điện nói riêng. Ứng dụng yếu tố quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ biện pháp này sẽ hạn chế được quá điện áp nội thống điện nói chung và đường dây tải điện nói bộ, góp phần nâng cao độ tin cậy và ổn định hệ riêng. Nó không những ảnh hưởng tới tính kinh thống điện. tế mà còn ảnh hưởng tới tính kỹ thuật của một mạng điện. Quá điện áp nội bộ tuy có độ lớn II. ĐỐI TƢỢNG KHẢO SÁT VÀ MÔ HÌNH không bằng quá điện áp khí quyển nhưng hiệu MẠNG ĐIỆN TRONG CHƢƠNG TRÌNH ứng tích luỹ là nguyên nhân phát triển các ATPDraw khuyết tật cục bộ, già hoá cách điện dần dần 2.1 Đối tƣợng và nhiệm vụ khảo sát gây lên các phóng điện ngay cả khi quá điện áp nhỏ hơn nhiều điện áp đánh thủng ở tần số công - Đối tượng khảo sát là đường dây truyền tải nghiệp. Hiện nay trong hệ thống điện đã áp 220kV Sóc Sơn - Thái Nguyên tổng chiều dài dụng một số biện pháp hạn chế quá điện áp như truyền tải 39,9 km [2], có xét tới mạch vòng sử dụng máy cắt có mắc điện trở Shunt, phương Phả Lại - Sóc Sơn - Thái Nguyên - Bắc Giang - pháp sơ đồ, điều khiển tiếp điểm đóng của máy Phả Lại [3], có sơ đồ nguyên lý như trên hình 1. cắt Tuy nhiên, các biện pháp nêu trên chỉ có - Nhiệm vụ khảo sát, thống kê mức quá điện áp thể hạn chế được một số ít loại quá điện áp nội của 100 lần đóng đường dây Thái Nguyên - Sóc bộ [1], mặt khác làm sơ đồ phức tạp, vận hành Sơn khi không tải trong trường hợp không đặt khó khăn. Ngày nay, với sự ra đời của chống sét và có đặt chống sét van và có xét tới việc tiếp van ôxít kẽm (ZnO) có khả năng hấp thụ năng xúc không đồng thời của các tiếp điểm máy cắt. 46
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 Sơn. Trong nội dung nghiên cứu có chia đường THÁI NGUYÊN BẮC GIANG dây Thái Nguyên – Sóc Sơn ra thành 4 đoạn: 100 131 - Đoạn 1: Từ vị trí cột 125 tới vị trí cột 90. 131 100 125 MVA - Đoạn 2: Từ vị trí cột 90 đến cột số 60. 125 MVA 231-1 231-1 - Đoạn 3: Từ vị trí cột 60 đến cột số 30. 271 271 272 ACK-400/52-62,62km 272 - Đoạn 4: Từ vị trí cột 30 đến cột số 1. Bảng 1. Các phần tử trong chương trình ATPDraw 39,9 km 39,9 - 26,9 km26,9 - Phần tử của mạng Phần tử trong STT điện ATPDraw 410/53 - 520/67 ACSR-520/67-57,9km - Nguồn NMĐ và ACK 1 Sources ACRS HT ACSR-612/104-57,9km 272 274 273 271 2 Tổng trở trong Nhánh RL 224 285 287 286 200 Đường dây tải 255 257 256 3 Nhánh LLC 125 MVA điện 100 235 237 236 Statistic Swich 112 225 4 Máy cắt SÓC SƠN Swich time 3-ph 5 Chống sét van MOV 3-ph C5 G6 2x353 MVA Quá điện áp do đóng đường dây hở mạch PHẢ LẠI 2 thường xuất hiện trị số lớn phía cuối đường dây. 2x300 MW Mặt khác, khi chống sét van làm việc với quá điện áp nội bộ cần phải quan tâm tới khả năng hấp thụ năng lượng của chống sét van. Trong nội Hình 1. Sơ đồ nguyên lý mạch vòng khảo sát dung nghiên cứu có lựa chọn ba phương án lắp 2.2 Mô hình mạng điện và dự kiến phƣơng đặt chống sét van: án đặt chống sét van - Phương án 1: Đặt chống sét van tại cuối - Mô hình mạng điện 220kV Phả Lại - đường dây (vị trí cột 1) như hình 3a. Bắc Giang – Thái Nguyên – Sóc Sơn. - Phương án 2: Đặt chống sét van tại hai đầu đường dây (vị trí cột 1 và 125) hình 3b. - Phương án 3: Đặt chống sét van tại hai đầu và Hình 2. Mô hình mạng điện trong chương trình giữa đường dây (vị trí cột 1, 125 và 60) hình 3c. ATPDraw Mô hình mạng điện trong chương trình ATPDraw được thể hiện như trên hình 2. Trong a) đó các phần tử của mạng điện được thay thế bằng các phần tử tương ứng trong chương trình ATPDraw [5, 6, 7, 8] như bảng 1. b) Thống kê quá điện áp trên đường dây của 100 lần đóng cắt, ở đây thực hiện đóng đường dây không mang tải ở phía thanh góp Thái c) Nguyên và hoà đồng bộ bằng máy cắt phía Sóc Hình 3. Vị trí đặt chống sét van 47
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 Đặc tính Vôn-Ampe (V-A) của chống sét van - Đường dây đặt 1, 2 và 3 chống sét van. [4] được cho dưới bảng 2: Ph©n bè ®iÖn ¸ p t ¹ i Bảng 2. Đặc tính V-A của chống sét van 220kV cuèi ®• êng d©y hë m¹ ch 0 CSV 1 CSV 2 CSV 3 CSV Điện áp dư (kV) 100 90 Xung 8/20s Xung đóng cắt 80 1.5kA 3kA 5kA 10kA 20kA 40kA 125A 500A 70 549 577 596 627 697 818 470 502 60 III. KẾT QUẢ KHẢO SÁT 50 Kết quả khảo sát quá điện áp xuất hiện 40 trên đường dây được mô phỏng bằng chương 30 X¸ c suÊt xuÊt hiÖn (%) X¸hiÖn xuÊt suÊt c trình Plotxy [5, 6, 7, 8]. Quá điện áp ứng với trị 20 số trung bình như hình 4 và hình 5: 10 0 - Góc đóng 90 . 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 400 [kV] HÖ sè qu¸ ¸ p (p.u) 300 200 Hình 6. 100 0 Từ kết quả cho thấy sự xuất hiện của quá -100 điện áp trong trường hợp không lắp đặt chống sét -200 van với biên độ càng lớn thì xác suất xuất hiện -300 càng nhỏ và ngược lại. Xác suất 2% (p.u) tại -400 0 10 20 30 40 [ms] 50 cuối đường dây 220kV có thể đạt tới trị số 4,75 (file 0csv-t.nguyen-s.son-kdt-90.pl4; x-var t) v:1A v:1B v:1C v:TG-SSA v:TG-SSB v:TG-SSC (p.u). Như vậy, quá điện áp do đóng đường dây Hình 4. Quá điện áp pha ở đường dây hở hở mạch có giá trị lớn hơn nhiều so với mức dự - Góc đóng 00. trữ cách điện ở cấp điện áp tương ứng (3 p.u) [2]. Trong trường hợp có đặt chống sét van 300 [kV] (1, 2 hay 3) thì điện áp tại cuối đường dây 200 không vượt quá trị số 2p.u. Như vậy, với đường 100 dây có chiều dài truyền tải không lớn chỉ cần sử 0 dụng số ít chống sét van cũng có thể hạn chế -100 được quá điện áp tới mức thấp. Tuy nhiên, số -200 lượng lựa chọn cần phải xem xét khả năng hấp -300 thụ năng lượng của chống sét van sử dụng. 0 10 20 30 40 [ms] 50 (file 0csv-t.nguyen-s.son-kdt-0.pl4; x-var t) v:1A v:1B v:1C - Phân bố quá điện áp theo chiều dài v:TG-SSA v:TG-SSB v:TG-SSC Hình 5. Quá điện áp pha ở đường dây hở đường dây trong chương trình ATPDraw có kết quả như trên hình 7 và hình 8, ứng với các thời Điện áp xuất hiện trên đường dây có điểm đóng của các tiếp điểm của máy cắt là dạng xung nhọn là kết quả của điện áp cao tần khác nhau (kết quả thống kê quá điện áp trên xếp chồng lên điện áp tần số công nghiệp. Mặt pha A, còn với các pha B và C có kết quả gần khác biên độ của quá điện áp có trị số lớn nhất giống pha A). khi góc đóng bằng 900, khi góc đóng càng xa 900 thì biên độ giảm. Trong tất cả các trường hợp đóng đường dây với góc đóng khác nhau có xét tới quá trình Mô tả quy luật phân bố quá điện áp tại cuối đóng không đồng thời của các tiếp điểm nhận đường dây hở mạch ứng với các trường hợp như thấy: hình 6: - Quá điện áp có trị số lớn dần về phía - Đường dây không lắp đặt chống sét van. cuối đường dây. 48
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 - Tại vị trí đặt chống sét van quá điện áp Trong đó : không vượt quá 2p.u. Còn tại các vị trí không U - điện áp dư của chống sét van. đặt chống sét van điện áp có lớn hn chút ít. a Ia - dòng điện qua chống sét van. ĐÓNG KHÔNG ĐỒNG THỜI GÓC ĐÓNG 00 td - thời gian tồn tại xung đóng cắt. 0 CSV 1 CSV 2 CSV 3 CSV 4.5 U (kV) 4.0 USS 3.5 Uarr=f(I) a 3.0 Ua độ dốc -Z 2.5 0 2.0 USS - I.Z0 1.5 I (A) 1.0 Quá điện áp 2% (p.u) 2% áp điện Quá Ia 0.5 Hình 9. Quan hệ U-I của chống sét van và của 0.0 đường dây 1 2 3 4 5 Điểm đo quá điện áp trên đường dây Khoảng thời gian tồn tại xung đóng cắt có thể được lấy bằng 1-2 giây nếu khoảng cách Hình 7. Phân bố điện áp theo chiều dài đường dây truyền sóng từ 150-300km, hoặc có thể lấy td bằng khoảng thời gian truyền sóng với 2 lần ĐÓNG KHÔNG ĐỒNG THỜI GÓC ĐÓNG 900 chiều dài đường dây và tốc độ truyền sóng lấy 0 CSV 1 CSV 2 CSV 3 CSV bằng tốc độ ánh sáng.Điện áp và dòng phóng 4.5 điện chống sét van có thể xác định được qua 4.0 các tham số của chống sét van, đường dây và 3.5 mức quá điện áp đặt lên chống sét van. Giả sử đường dây có mức quá điện áp thao tác với biên 3.0 độ xung là U . Khi đó nguồn quá điện áp được 2.5 SS mắc nối tiếp với tổng trở sóng của đường dây 2.0 và điện trở của chống sét van (có kể tới điện trở 1.5 nối đất chân cột). Nếu gọi Z0 là tổng trở sóng 1.0 của đường dây thì ta có quan hệ: Uss = Ia.Z0 + Quá điện áp 2% (p.u) 2% áp điện Quá 0.5 Ua (2) 0.0 Khi thông số trong mạch có dạng phi 1 2 3 4 5 tuyến (phụ thuộc quan hệ V-A của chống sét Điểm đo điện áp trên đường dây van). Để giải bài toán ta áp dụng phương pháp đồ thị với đặc tuyến V-A của chống sét van đã Hình 8. Phân bố điện áp theo chiều dài đường dây biết. IV. NĂNG LƢỢNG HẤP THỤ CỦA U U CHỐNG SÉT VAN [9] Khi đó: I ss a (2’) a Z Khi xuất hiện quá điện áp thao tác trên 0 đường dây, chống sét van đường dây đặt dưới Điện áp và dòng điện qua chống sét van giá trị điện áp cao sẽ phóng điện. Dòng phóng là toạ độ của điểm a có (Ua; Ia) là điểm giao của qua chống sét van có dạng xung vuông góc và đường cong Uarr và đường xiên góc USS– Ia.Z0 điện áp dư trên chống sét van có dạng chữ nhật. (có độ dốc -Z0) thoả mãn phương trình (2). Năng lượng hấp thụ của chống sét van khi đó Trong tính toán lấy gần đúng Z = 400, được xác định theo biểu thức: 0 thời gian tồn tại xung đóng cắt td = 266 (S). W = Ua.Ia.td (1) 49
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 Năng lượng hấp thụ trên chống sét van chống sét van đặt tại cuối đường dây thì vẫn trong các trường hợp góc đóng của máy cắt là hạn chế được quá điện áp (do đóng đường dây 900 và 00 ứng với các phương án lắp đặt chống không tải) xuống mức < 2p.u mà vẫn đảm bảo sét van được thể hiện trên bảng 3. độ bền nhiệt cần thiết. Bảng 3. V. KẾT LUẬN Năng lượng hấp thụ của chống sét van W (kJ) - Quá điện áp thao tác trên các đường dây tải điện cao áp 220kV chiều dàI dưới 100km, Vị trí đặt CSV Số CSV khi đóng đường dây không tải không gây guy Cột 125 Cột 60 Cột 1 hiểm cho cách điện. 1 CSV - - 81 - Xác suất 2% các lần đóng cắt có thể dẫn đến quá điện áp ở cuối đường dây vượt quá 2 CSV 51 - 80 mức cách điện cho phép. 3 CSV 51 64 80 - Sử dụng 1 bộ chống sét van đường dây Năng lượng hấp thụ trên chống sét van có đặt ở cuối đường dây cho phép hạn chế quá thể đạt tới 118kJ tại cuối đường dây trong điện áp ở mức 2,5pu. Nừu sử dụng 2 bộ chống trường hợp các tiếp điểm của máy cắt tiếp xúc sét van đặt ở hai đầu đường dây có thể giảm đồng thời. Tuy nhiên, với chống sét van đường mức quá điện áp xuống mức 2pu. dây (ZnO) thì khả năng hấp thụ lớn hơn nhiều. - Khi chống sét van tác động, năng lượng Ví dụ như loại AZG2 [2] có thể tới W = qua chống sét van thấp hơn khả năng thông 2,7x240 = 648 (kJ). Như vậy, với các đường thoát của nó. dây ngắn (vài chục km) nếu chỉ dùng một TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trần Văn Áp; Báo cáo tổng hợp đề tài NCKH Nghiên cứu các giải pháp bảo vệ, các giải pháp giảm thiểu tác động đến môi trường trong vận hành hệ thống điện truyền tải cao áp và siêu cao áp; Hà Nội năm 2005. 2. Trần Đức Cường; Cải tạo đường dây 110kV Sóc Sơn - Thái Nguyên kết hợp đường dây 220kV Sóc Sơn Thái Nguyên; Công ty tư vấn xây dựng điện 1; Hà Nội năm 2006. 3. Phạm Văn Ngà; Thuyết minh và bản vẽ thi công đường dây 220kV Bắc Giang - Thái Nguyên; Công ty tư vấn xây dựng điện 1; Hà Nội năm 2006. 4. Cooper power systems-Surge Arresters. 5. ATP Rule book, EMTP–ATP Programs, 2004. 6. László Prikler, Hans Kristian Høidalen-ATPDRAW version 3.5, 2004. 7. ATP Theory book, EMTP–ATP Programs, 2004. 8. ATP Manual book, EMTP–ATP Programs, 2004. 9. Calculation of Arrester Energy During Transmission Line Switching Surge Discharge – HUBELL POWER SYSTEMS, INC. Địa chỉ liên hệ: Nguyễn Đức Tường - Tel: 0912.739.229 Email: nguyenductuonghtd@yahoo.com.vn Bộ môn: Hệ thống điện, Khoa Điện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. 50