Nghiên cứu các biện pháp giảm điện áp phục hồi trên đường dây 500KV Đà Nẵng - Thạnh Mỹ - Pleiku

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 248 NGHIÊN CỨU CÁC BIỆN PHÁP GIẢM ĐIỆN ÁP PHỤC HỒI TRÊN ĐƯỜNG DÂY 500KV ĐÀ NẴNG-THẠNH MỸ-PLEIKU A RESEARCH ON METHODS TO REDUCE RECOVERY VOLTAGE ON 500KV DA NANG-THANH MY-PLEIKU TRANSMISSION LINE Trần Vinh Tịnh Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Lương Hữu Nhân Công ty CP Tư vấn Xây dựng điện 4 TÓM TẮT Nghiên cứu các biện pháp và ứng dụng các thiết bị nhằm giảm giá trị điện áp phục hồi trên đường dây truyền tải siêu cao áp 500kV như: Lắp điện trở song song với tiếp điểm chính máy cắt (MC); Lắp điện trở phi tuyến vào từng pha MC xuống đất ; Lắp tụ điện song song với tiếp điểm chính MC; Lắp tụ điện vào từng pha MC xuống đất; Nối tắt tụ bù dọc bằng MC bypass (nối tắt sau khi xảy ra sự cố và trước khi tiếp điểm máy cắt mở), kết hợp hai trong các biện pháp trên với mục đích giúp ích cho việc chế tạo, thiết kế, lựa chọn, vận hành máy cắt an toàn và kinh tế. Đây là một vấn đề đang rất cần thiết cho hệ thống điện. Bài báo này trình bày các biện pháp và ứng dụng các thiết bị giảm điện áp phục hồi trên đường dây 500kV Đà Nẵng-Thạnh Mỹ-Pleiku. Thực hiện mô phỏng trường hợp máy cắt ngắt mạch cho giá trị điện áp phục hồi cao nhất và các trường hợp ứng dụng các thiết bị nêu trên bằng phần mềm EMTP(Electro Magnetic Transients Program). Kết quả cho thấy các biện pháp đơn giản, áp dụng cho hệ thống điện siêu cao áp 500kV ở Việt nam có tính khả thi cao. ABSTRACT It is essential for the power system to study the methods and application equipment to reduce the value of recovery voltage on 500kV super high voltage transmission lines by installing a resistor in parallel with the main-contact of a circuit breaker (CB), a nonlinear resistor between each phase of the CB with ground, or a capacitor between each phase of the CB with ground, by using a bypass serial-capacitor or a bypass circuit breaker (using a bypass after the occurrence of faults and before opening contacts of a circuit breaker), or by combining two of these measures for the purpose of manufacturing, designing, selecting and operating circuit breakers safely and economically. This paper presents methods and application equipment to reduce the recovery voltage on the 500kV Danang-Thanhmy-Pleiku Transmission Line. The performance of simulation for isolated short circuit case received results of the highest value in recovery voltage and cases of equipment application by using the Electro Magnetic Transients Program (EMTP) Software. The results show that the simple methods applied for the 500kV super high voltage power system is really feasible in Vietnam. 1. Đặt vấn đề [6], [7], [10] Điện áp phục hồi (RV: Recovery voltage) trong máy cắt (MC) là điện áp xuất hiện giữa hai đầu cực của MC khi cắt sự cố. Điện áp này được xét trong hai khoảng thời gian liên tục: Khoảng thời gian ban đầu tồn tại điện áp quá độ (dao động cao tần) hay gọi điện áp quá độ phục hồi (TRV) khoảng thời gian kế tiếp tồn tại điện áp xác lập ở tần TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 249 số công nghiệp. Trong quá trình mở tiếp điểm MC, hồ quang xuất hiện và dòng điện qua máy cắt giảm dần về giá trị zero. Sự phản ứng của hệ thống đến dòng cắt là nguyên nhân sinh ra TRV (Transient recovery voltage). Nói cách khác trong hệ thống, điện áp phản ứng từ phía nguồn đến tải qua MC gọi là TRV, đây là thông số quyết định giới hạn cắt của MC. Thao tác cắt sẽ thành công nếu MC có khả năng chịu đựng được TRV và điện áp phục hồi ở tần số công nghiệp (hình 1). Có hai thông số quan trọng trong nghiên cứu TRV là: Biên độ cực đại mà thành phần quá điện áp này đạt được, phụ thuộc vào giá trị điện áp vận hành bình thường của hệ thống, nó thể hiện đặc tính cắt của máy cắt điện và đặc tính của tốc độ gia tăng TRV là RRRV (rate of rise of recovery voltage) quyết định sự thành công của quá trình cắt mạch hoặc thất bại (phóng điện trở lại giữa hai cực tiếp xúc của máy cắt), phụ thuộc vào tần số dao động trong suốt quá trình ngắt mạch. Hai thông số này quan trọng trong việc thiết kế, chế tạo cũng như vận hành MC. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến mức TRV cao xuất hiện trên MC như: Cắt ngắn mạch, cắt đường dây không tải, cắt đột ngột dòng tải và đóng mở ngược pha. 2. Các yếu tố ảnh hưỡng đến TRV và các biện pháp giảm TRV và RRRV [1], [2], [4], [6], [8], [9] Giá trị TRV không những phụ thuộc vào chế độ phụ tải mà còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố ngẫu nhiên khác. Các yếu tố ngẫu nhiên này bao gồm: - Các chế độ cắt MC: như cắt sự cố, cắt không tải, đóng mở ngược pha 1800 . - Các dạng sự cố ngắn mạch: một pha, 2 pha - đất, 2 pha, 3 pha. - Vị trí sự cố. - Thời điểm mở các cực của máy cắt. - Chế độ vận hành của hệ thống. Để có thể tìm ra được giá trị TRV lớn nhất có thể, cần phải tính toán với các chế độ phụ tải khác nhau và các dạng sự cố khác nhau. Đối với mỗi đường dây, các dạng sự cố cần được mô phỏng và tính toán cho nhiều điểm sự cố khác nhau. Do giá trị TRV phụ thuộc rất nhiều vào thời điểm sự cố cũng như thời điểm mở các cực của MC. Vì vậy, khi tính toán giá trị TRV nhất thiết phải tính đến sự phấn bố xác suất của các thời điểm này. Phần mềm EMTP cho phép mô phỏng xác suất thời điểm sự cố và thời điểm mở các cực tiếp xúc của MC được thực hiện bằng các khoá xác suất (statistical switch). Do đó đối với từng dạng mô phỏng sự cố, 100 tính toán với thời điểm sự cố và thời điểm mở các cực MC là ngẫu nhiên (hình 1). - Thời điểm sự cố được là giá trị ngẫu nhiên theo phân bố đều trong khoảng 0,015 ± 0,00577 sec. Hình 1. Dạng sóng điện áp phục hồi TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 250 - Thời điểm mở máy cắt là giá trị ngẫu nhiên theo phân bố đều trong khoảng 0,05 ± 0,00577 sec. Để giảm TRV và RRRV có thể sử dụng một số biện pháp sau: Lắp điện trở song song với tiếp điểm chính MC; Lắp điện trở phi tuyến vào từng pha MC xuống đất ; Lắp tụ điện song song với tiếp điểm chính MC; Lắp tụ điện vào từng pha MC xuống đất; Nối tắt tụ bù dọc bằng MC bypass khi xảy ra sự cố trên đường dây (nối tắt sau khi xảy ra sự cố và trước khi tiếp điểm máy cắt mở), kết hợp hai trong các biện pháp trên. 3. Phân tích các biện pháp giảm giá trị TRV trên đường dây 500KV Đà Nẵng – Thạnh Mỹ - Pleiku, mô phỏng bằng phần mềm Emtp (Electro-Magnetic Transient Program) 3.1. Giới thiệu [3], [5], [11]. Đường dây 500kV Đà Nẵng-Thạnh Mỹ-Pleiku hình thành trên đường dây 500kV Đà Nẵng-Pleiku (mạch 1) sau khi đưa trạm biến áp 500kV Thạnh Mỹ vào vận hành, dự kiến vào năm 2015, có công suất 2x450MVA được xây dựng tại huyện Nam Giang, tỉnh Quảng Nam, cách TBA 500kV Đà Nẵng 76km và cách TBA 500kV Pleiku 203km, với mục đích chuyển nguồn công suất từ các NMTĐ Xekaman 3, Sông Bung 2, 4, Đăk Mi 1, 4, lên hệ thống 500kV. Đoạn đường dây 500kV Thạnh Mỹ - Đà Nẵng có chiều dài 76km và không có tụ bù dọc, giá trị TRV không đáng kể. Đoạn đường dây 500kV Thạnh Mỹ - Pleiku có chiều dài 203km và có tụ bù dọc, giá trị TRV rất cao nên việc tính toán và nghiên cứu biện pháp giảm giá trị TRV cũng như RRRV rất cần thiết nhằm thuận lợi cho việc lựa chọn MC hợp lý và giá thành hạ. Để phân tích sự thay đổi giá trị TRV, RRRV ứng với mỗi biện pháp do các dạng sóng TRV, RRRV của các dạng cũng như vị trí sự cố trên đường dây có hình dạng gần giống nhau, nên ở đây chỉ xét dạng sóng tiêu biểu cho dạng sự cố và vị trí sự cố cho giá trị TRV cực đại, cụ thể ngắn mạch 2 pha tại điểm 1 (hình 2), kết quả tính toán tương ứng cho MC phía Thạnh Mỹ, tại TBA 500kV Thạnh Mỹ. 0 5 1 2 4 5 6 ms Thời điểm sự cố Df Lệnh cắt D1 và D2 Hình 2. Khung thời gian sự cố Df và thời điểm cắt máy cắt D1, D2 THẠNH MỸ PLEIKU D1 D2 Df TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 251 3.2. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm EMTP 3.2.1. Chưa lắp thiết bị giảm TRV và RRRV Xét trường hợp ngắn mạch pha – pha, sự cố tại điểm 1 ở chế độ phụ tải cực đại của hệ thống điện Việt Nam vào năm 2015. Cho giá trị TRV = 3,25pu; RRRV = 0,355kV/µs và dòng ngắn mạch qua máy cắt INM = 3,9kA. Được mô tả trên hình 3. 3.2.2. Lắp điện trở phi tuyến vào từng pha MC xuống đất phía đường dây. Giá trị TRV = 2,8pu; RRRV = 0,316kV/µs và dòng ngắn mạch qua máy cắt INM = 3, 76kA. Được mô tả trên hình 4. THẠNH MỸPLEIKU D1 D2 1 2 3 4 5 113km90km Hình 3. Thứ tự vị trí sự cố trên đường dây 500kV Thạnh Mỹ-Pleiku Hình 4b. Dạng sóng RRRV pha B MC Hình 4a. Dạng sóng TRV 3 pha MC Hình 3a. Dạng sóng TRV 3 pha MC Hình 3b. Dạng sóng RRRV pha B MC TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 252 3.2.3. Lắp tụ điện song song với tiếp điểm chính máy cắt đồng thời lắp điện trở phi tuyến vào từng pha MC xuống đất phía đường dây. Giá trị TRV = 2,5pu; RRRV = 0,165kV/µs và dòng ngắn mạch qua MC INM = 4,8kA. Được mô tả trên hình 5. 3.2.4. Lắp điện trở song song với tiếp điểm chính máy cắt. Giá trị TRV = 2,5pu; RRRV = 0,417kV/µs, dòng ngắn mạch qua MC INM = 3,6kA. Được mô tả trên hình 6. 3.2.5. Lắp điện trở song song với tiếp điểm chính máy cắt và lắp điện trở phi tuyến vào từng pha MC xuốngs đất phía đường dây. Giá trị TRV = 2,15pu; RRRV = 0,28kV/µs, dòng ngắn mạch qua MC INM = 3,8kA. Được mô tả trên hình 7. Hình 5a. Dạng sóng TRV 3 pha MC Hình 5b. Dạng sóng RRRV pha C MC Hình 6a. Dạng sóng TRV 3 pha MC Hình 6b. Dạng sóng RRRV pha B MC TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 253 4. Kết luận Kết quả tính tóan giá trị TRV và RRRV của MC 500kV trên đường dây 500kV Thạnh Mỹ-Pleiku với các trường hợp lắp thiết bị giảm giá trị TRV, xét với dạng sự cố ngắn mạch pha-pha tại điểm 1, được mô tả trên hình 8. Cho thấy các trường hợp đều cho giá trị TRV giảm đáng kể so với khi chưa lắp thiết bị giảm TRV, giá trị TRV = 3,25pu. Trường hợp lắp điện trở phi tuyến vào từng pha MC xuống đất, giá trị TRV = 2,8pu, giảm 13,8%, trường hợp này hiện nay được sử dụng phổ biến trên hệ thống điện Việt Nam. Trường hợp lắp điện trở song song với tiếp điểm chính máy cắt, giá trị TRV = 2,5pu giảm 23,07%, trường hợp này phải lắp thêm điện trở mở, làm tăng giá thành máy cắt. Hình 8. Dạng sóng TRV của máy cắt ứng với các biện pháp giảm TRV. Hình 7a. Dạng sóng TRV 3 pha MC Hình 7b. Dạng sóng RRRV pha B MC TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 254 Trường hợp lắp tụ điện song song với tiếp điểm chính máy cắt và lắp điện trở phi tuyến vào từng pha MC xuống đất phía đường dây, giá trị TRV = 2,5pu, giảm 23,07%, trường hợp này chưa được sử dụng, chi phí lắp bộ tụ sẽ làm tăng chi phí dự án. Trường hợp lắp điện trở song song với tiếp điểm chính máy cắt và lắp điện trở phi tuyến vào từng pha MC xuống đất phía đường dây, giá trị TRV = 2,15pu, giảm 33,85%, trường hợp này phải lắp thêm điện trở mở, giá trị TRV giảm đáng kể. Hiện nay khả năng chế tạo MC của các hãng chế tạo có gá trị TRV nhỏ hơn giá trị yêu cầu của MC 500kV Thạnh Mỹ (3,25pu), gây khó khăn cho việc sản xuất máy cắt điện, đồng thời chi phí rất cao nên việc nghiên cứu biện pháp giảm TRV là rất cần thiết. Theo kết quả thí nghiệm TRV cho MC của một số nhà chế tạo MC trong những năm gần đây cho thấy trường hợp áp dụng biện pháp lắp điện trở song song với tiếp điểm chính máy cắt và lắp điện trở phi tuyến vào từng pha máy cắt xuống đất phía đường dây, giá trị TRV = 2,15pu xác suất xuất hiện là 1%. Trường hợp này TRV của máy cắt được chế tạo hiện nay thoả mãn TRV yêu cầu nên làm giảm chi phí cho việc lắp đặt máy cắt (chỉ dùng 01 máy cắt). TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Chới, Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tôn, Khí, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2008. [2] Trần Văn Tớp, Kỹ thuật điện Cao áp, Hà Nội, 2007. [3] Trạm biến áp 500kV Thạnh Mỹ, Hồ sơ thiết kế kỹ thuật, giai đoạn 2, Nha Trang, 2007. [4] Lê Cao Quyền, Trần Quốc Tuấn, Lâm Du Sơn, Nguyễn Hồng Anh (2007), “Nghiên cứu quá trình quá độ điện từ trên hệ thống điện 500kV Việt Nam”, Báo khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng. [5] Tập đoàn Điện lực Việt Nam, Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2010-2015 có xét đến năm 2025, Hà Nội, 2007. [6] R.W.Alexander, PPL, D.Dufournet, Alstom T&D, Transient Recovery Voltage (TRV) for high-voltage circuit-breakers. [7] Ruben D. Garzon, High voltage Circuit breakers, New York. [8] H.S.Park, J.W.Woo, J.W.Kang, K.S.Han, S.O.Han, “Analyzing TRV of CB when installing current limit reactors in UHV Power systems”. [9] Q.Bui-Van, B.Khodabakhchian, H.Huynh, B.de-Metz-Noblat, “Transient simulation study for the 1500km North-South 500kV interconnection in VietNam”. [10] Lou van der Sluis, Transients in Power Systems, England, 2001. [11] Branch of System Engineering Bonnerille Power Adminitration Portlan, Oregon 97208-3621 – United States of America “Electro-Magnetic Transients Program” Theory Book.