NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP TẠM THỜI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM STUDY OF THE TEMPORARY OVERVOLTAGES IN VIETNAM’S POWER SYSTEM NGUYỄN HỒNG ANH Đại học Đà Nẵng LÊ CAO QUYỀN Công ty Tư vấn Xây dựng Điện 4 TRẦN QUỐC TUẤN INPG, Pháp TÓM TẮT Bài báo này nghiên cứu về hiện tượng quá điện áp tạm thời (TOV) đối với hệ thống lưới điện 500kV Việt Nam. Để nghiên cứu về hiện tượng quá độ này các thông số của hệ thống như đường dây, máy biến áp, phụ tải, kháng điện, chống sét van được mô hình hóa và có xem xét đến đặc tính bão hòa cũng như đặc tính v-i của hiện tượng vầng quang (corona). Các hiện tượng tạo ra mức quá điện áp cao được khảo sát qua phần mềm EMTP. ABSTRACT This paper investigates the temporary overvoltages (TOV) in Vietnam’s 500KV system. In order to study this transient phenomena the modeling of the system components as well as lines, transformers, machines, loads, shunt reactors, surge arresters is presented by taking into account the saturation of transformers and shunt reactors and v-i characteristics of corona. Several events that can produce high levels of overvoltage are examined by using the EMTP. 1. GIỚI THIỆU Quá điện áp tạm thời là sự dao động quá áp trong khoảng thời gian tương đối dài. Quá điện áp tạm thời xuất hiện như là một kết quả của sự vận hành đóng cắt hệ thống hoặc hiện tượng ngắn mạch cũng như loại trừ sự cố. Quá điện áp tạm thời có những ảnh hưởng rất khác nhau lên hệ thống. Đa số chúng đều gây ra hồ quang, đánh thủng cách điện của thiết bị nếu biên độ quá điện áp cao. Chúng cũng gây ra hiện tượng từ hóa làm phát nóng cuộn dây của máy biến áp và kháng điện. Bên cạnh đó đối với chống sét van, hiện tượng quá điện áp làm ảnh hưởng đến đặc tính và khả năng hấp thụ nhiệt ổn định của nó. Hệ thống điện 500kV Việt Nam với chiều dài rất lớn (1438km) kết hợp với trở kháng nguồn tương đối cao là nguyên nhân gây ra các mức quá áp. Trong giai đoạn thiết kế vấn đề nghiên cứu chính xác để chọn lựa giá trị tối ưu cho thông số điện áp định mức của chống sét van nhằm bảo vệ thiết bị là rất cần thiết. Việc chọn giá trị này cho phép lựa chọn cách điện của thiết bị ở mức thấp hơn, qua đó đạt được hiệu quả về kinh tế. Trong vận hành hệ thống, vấn đề phân tích TOV cũng rất quan trọng. Khi cấu hình lưới và phụ tải thay đổi biên độ và thời gian quá điện áp tạm thời cũng thay đổi. Hệ thống thực 500/220kV Việt Nam được dùng cho nghiên cứu này. Các trường hợp gây ra mức TOV cao như sa thải phụ tải ba pha, mở một pha, mất kháng hoặc MBA đột ngột cũng được đưa vào khảo sát. Ngoài ra năng lượng hấp thụ của chống sét van cũng được xác định qua các hiện tượng quá điện áp tạm thời này. Cuối cùng là một số phương pháp ứng dụng thiết bị trong việc hạn chế biên độ của quá điện áp và thời gian xuất hiện quá điện áp này. Một chương trình tương thích với EMTP được phát triển nhằm nghiên cứu các hiện tượng TOV và những hiện tượng quá độ khác. Quá điện áp do sét tác động lên đường dây hoặc trạm biến áp là nguyên nhân gây ra bởi hiện tượng sét đánh vòng qua dây chống sét hoặc phóng điện ngược từ cột đến đường dây tải điện. Thông thường những cú sét có biên độ nhỏ (vài kA) đánh vòng qua dây chống sét và trực tiếp đến đường dây dẫn điện. Phạm vi nghiên cứu ở đây tập trung đến trường hợp phóng điện ngược đối với hiện tượng quá điện áp do sét. 2. HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM Hệ thống điện Việt Nam bao gồm ba miền: Bắc, Trung và Nam. Vào mùa mưa công suất được truyền từ miền Bắc vào miền Trung và miền Nam (với 1.920MW của nhà máy thủy điện Hòa Bình) qua đường dây 500kV từ Hòa Bình đến Phú Lâm (dài 1.483km hình 1). Vào mùa khô đường dây này lại truyền công suất ngược lại từ miền Nam ra miền Trung và miền Bắc. Đường dây 500kV từ Hòa Bình đến Phú Lâm với hệ số bù ngang 70% và bù dọc 60% được trình bày trên hình 1. Đường dây 500kV mạch 2 (536,3km) từ Pleiku đến Phú Lâm trong đó nhà máy thuỷ điện (NMTĐ) Yaly công suất 720MW đấu nối lên thanh cái 500kV tại trạm biến áp (TBA) 500kV Pleiku. Hình 1. Hệ thống điện 500kV Việt Nam TBA 500kV Di Linh tiếp nhận công suất 300MW từ NMTĐ Đại Ninh. Đường dây 500kV thứ ba Phú Lâm-Nhà Bè-Phú Mỹ và thứ tư Phú Lâm-Ômôn-Nhà Bè tiếp nhận công suất khoảng 600MW từ nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) Ômôn và 3600MW từ NMNĐ Phú Mỹ. Phụ tải cực đại yêu cầu cho hệ thống điện Việt Nam khoảng 9.500MW. 3. MÔ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG Để xem xét sự ảnh hưởng quan trọng của các mô hình đường dây 500kV đối với các hiện tượng quá độ xuất hiện trong hệ thống, tất cả các đường dây 500 kV được mô tả bằng các đoạn đường dây không hoán vị với các thông số phụ thuộc vào tần số (mô hình J. Marti). Nhằm giảm thời gian tính toán trong suốt quá trình mô phỏng, các đường dây có chiều dài dưới 20km sẽ được mô tả theo mô hình hình π tương đương. Tất cả các đường dây 220kV có chiều dài lớn hơn hoặc bằng 20km được mô tả theo mô hình đường dây phân bố rãi. Kích thước cột để tạo ra mô hình đường dây 220kV cũng được tính toán. Về tổn thất do hiệu ứng của vầng quang cũng có ảnh hưởng quan trọng đến vấn đề giảm thành phần quá điện áp. Trong nghiên cứu này tổn thất vầng quang được mô tả bởi một điện trở không đường thẳng. Cuối cùng, công cụ chuyển đổi đặc tính từ đường cong P-V thành v-i sẽ được sử dụng nhằm tạo ra sự tương thích cho dữ liệu đầu vào đối với chương trình EMTP. Các máy biến áp (MBA) 500-225-35kV công suất 450MVA được mô hình hoá là các MBA bão hoà với ba cuộn dây cao áp, trung áp và hạ áp. Việc xem xét các hiện tượng từ hoá và từ trễ trong MBA và cuộn kháng cho phép mô hình hoá MBA, cuộn kháng được chính xác. Các MBA tăng áp được mô tả theo mô hình MBA bão hoà hai cuộn dây. Tất cả các phụ tải hệ thống được qui về thanh cái 220 kV và được thể hiện dưới dạng tổng trở (R,X). Các giá trị này được tính toán dựa trên công suất tác dụng, công suất phản kháng và giá trị điện áp của hệ thống thông qua chương trình tính toán phân bố công suất. Mô hình phụ tải tích cực (động cơ, phụ tải công nghiệp, ) không được xét đến do chúng ảnh hưởng rất ít đến các quá trình quá độ trên lưới điện 500 kV. Để mô phỏng mức quá điện áp cũng như các giới hạn đối với thiết bị, nguồn của hệ thống được mô phỏng bởi điện áp không đổi sau trở kháng siêu quá độ. Đối với mô hình điện trở phi tuyến của chống sét van pha-đất 468kV dùng trong nghiên cứu này, mô hình đường cong v-i sẽ được ứng dụng. Mô hình kháng bù ngang trên các đường dây 500kV được mô tả bởi mô hình kháng bão hoà. Đặc tính bão hoà này có dạng đường gấp khúc. Kháng trung tính được nối đến vị trí trung tính của kháng bù ngang và được mô tả như là một thành phần điện trở và điện kháng mắc nối tiếp. 4. QUÁ ĐIỆN ÁP TẠM THỜI 4.1. Giới thiệu Các hiện tượng xuất hiện TOV nguy hiểm nhất đối với lưới 500kV Việt Nam thường là nhảy máy cắt dẫn đến sa thải phụ tải. Nguyên nhân dẫn đến giá trị TOV cao là vì điện áp gia tăng do sự phóng điện của điện dung đường dây 500kV đến các thành phần nguồn cảm ứng như máy phát, MBA và đường dây 500kV khác. Hiện tượng này còn nguy hiểm hơn đối với sơ đồ nguồn được kết nối đến một trung tâm phụ tải lớn thông qua một đường dây dài. Các cuộn kháng bù ngang kết nối dọc đường dây 500kV ngoài nhiệm vụ bù một phần quá điện áp trên đường dây 500kV còn được xem như là thành phần quan trọng đối với vấn đề điều khiển biên độ của quá điện áp. 4.2. Kết quả mô phỏng TOV Sử dụng một chương trình tương thích để chuẩn bị số liệu và các điều kiện tính toán ban đầu đối với cấu hình hệ thống mong muốn cho EMTP (ví dụ như giả lập sự cố, chọn lựa mô hình mô phỏng, vv…), sau đó các kết quả tính toán từ chương trình EMTP sẽ được đưa qua chương trình phân tích dạng sóng. Trong mục này, quá điện áp tạm thời do nguyên nhân sa thải phụ tải và hiện tượng nhảy máy cắt một pha đối với hệ thống 500kV được nghiên cứu. Đồng thời sáu mô hình trình bày ở bảng 1 nhằm so sánh sự ảnh hưởng của nó đến vấn đề TOV cũng được đưa ra. Bảng 1. Các mô hình sử dụng trong nghiên cứu Mô hình Nguồn Hệ thống kích từ Kháng bão hoà Vầng quang A X" d , R" d Không không Không B X" d , R" d Không có Có C Mô hình máy phát loại 59 Không không Không D Mô hình máy phát loại 59 Không có Có E Mô hình máy phát loại 59 Có không Không F Mô hình máy phát loại 59 Có có Có 4.2.1. Sa thải phụ tải ba pha với cấu hình lưới đầy đủ Hình 2 trình bày các đường cong dao động điện áp tại thanh cái 500kV Phú Lâm đối với trường hợp mở ba pha của máy cắt phía 220kV Phú Lâm. Giá trị điện áp đỉnh ghi nhận được tại thanh cái 500kV lên đến 1.65pu cho trường hợp phụ tải mất 421MW và 1.74pu khi mất 228MW. 0 100 200 300 - 2.0 - 1.5 - 1.0 - 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Time (mS) V o l t a g e ( p u ) Hình 2. Điện áp tại thanh cái 500kV Phú Lâm 4.2.2. Sa thải phụ tải ba pha với cấu hình lưới vận hành thiếu Trong trường hợp mô phỏng này, kháng bù ngang tại Phú Lâm và MBA 550/220kV tại Pleiku không được đưa vào vận hành. Điện áp đỉnh tại thanh cái 500kV Phú Lâm đạt đến giá trị 1.61pu cho mô hình B, 1.62pu cho mô hình D và 1.57pu cho mô hình F. Điều này cho thấy mô tả hệ thống có xem xét đến ảnh hưởng của mô hình kích từ là rất quan trọng. 4.2.3. Sự cố sau khi sa thải phụ tải ba pha Hình 3 trình bày điện áp tại thanh cái 500kV Pleiku (xét mô hình B) đối với trường hợp nhảy máy cắt 500kV ở Phú Lâm tiếp theo sau đó sự cố chạm đất tại Pleiku. Trong trường hợp này kháng ba pha tại Phú Lâm không được đưa vào xem xét. Ghi nhận cho thấy quá điện áp với biên độ đỉnh đạt được là 1.57pu ở thanh cái 500kV Phú Lâm và 1.45pu tại thanh cái 500kV Pleiku. 0 100 200 300 - 1.5 - 1.0 - 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 Time (mS) V o l t a g e ( p u ) Hình 3. Điện áp tại thanh cái 500kV Pleiku 4.2.4. Mở một pha Đối với trường hợp mô phỏng này, cấu hình lưới vận hành thiếu kháng bù ngang tại Phú Lâm và MBA 500/220kV tại Pleiku. Giá trị điện áp đỉnh đạt được là 1.74pu tại thanh cái 500kV Phú Lâm. 4.2.5. Năng lượng hấp thụ trong chống sét van Hình 4 trình bày các đường năng lượng tích luỹ của chống sét van đường dây tại TBA 500kV Phú Lâm ứng với các mô phỏng nhảy máy cắt ba pha phía 220kV trong ba trường hợp: kháng bù ngang không bị bão hoà và không xét hiệu ứng vầng quang, kháng bù ngang không bão hoà và có xét đến hiệu ứng vầng quang, kháng bù ngang có bão hoà và có xét hiệu ứng vầng quang. Đối với trường hợp kháng bù ngang ở Phú Lâm không đưa vào vận hành, các kháng bù ngang khác có xét đến hiện tượng bão hoà và hiệu ứng vầng quang thì quá điện áp giảm từ 1.85pu đến 1.81pu. Như vậy sau khoảng thời gian vài giây các chống sét van 468kV trên đường dây 500kV Việt Nam với khả năng hấp thụ năng lượng nhiệt là 7.5MJ có thể bị hư hỏng. Hình 4. Năng lượng tích luỹ của chống sét van tại TBA 500kV Phú Lâm khi nhảy máy cắt 220kV Phú Lâm, xét trường hợp kháng bù ngang tại Phú Lâm không được đưa vào vận hành 4.3. Biện pháp hạn chế quá điện áp tạm thời Nhằm hạn chế biên độ và thời gian của quá điện áp tạm thời, các thiết bị quan trọng như MBA, kháng bù ngang, tụ bù dọc đều được trang bị chống sét van. Một phương pháp khác cũng để hạn chế hiện tượng TOV là thực hiện phối hợp cắt liên động giữa các TBA 0 200 400 600 800 1000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Time (mS) E n e r g y ( M J ) Xét đến hiện tượng bão hoà và corona Không xét đến hiện tượng bão hoà nhưng có corona Không xét đến hiện tượng bão hoà và corona 500kV bằng hệ thống rơle bảo vệ quá áp trong trạm. Phương pháp sử dụng kháng bù ngang cũng rất quan trọng trong việc hạn chế các hiện tượng TOV này. 5. KẾT LUẬN Bài báo này trình bày các nghiên cứu về hiện tượng TOV đối với các cấu trúc vận hành khác nhau của hệ thống điện 500kV qua sự trợ giúp của chương trình EMTP. Các kết quả cho thấy các mức TOV cao nhất được xuất hiện khi sa thải phụ tải tại Phú Lâm trong trường hợp kháng bù ngang tại Phú Lâm và MBA tại TBA 500kV Pleiku không đưa vào vận hành. Bài báo này cũng cho thấy việc sử dụng chống sét van, kháng bù ngang, xét đến ảnh hưởng vầng quang hay xét đến hệ thống kích từ đều đóng một vai trò quan trọng trong việc làm giảm biên độ và thời gian của thành phần quá điện áp tạm thời. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T. Tran-Quoc, and all, "Reducing Dead Time for Single-Phase Auto-Reclosing on a Series-Capacitor Compensated Transmission Line", IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 15, No. 1, January 2000. [2] T. Tran-Quoc, L. Pierrat, "An Efficient Non Linear Transformer Model and Its Application to Ferroresonance Study," IEEE Trans. on Magnetics, vol. MAG-31, no. 3, May 1995, pp. 2060-2063. [3] F. Iliceto, E. Cineri, M. Cazzani, G. Santagostino, "Transient Voltages and Currents in Series-Compensated EHV Lines", Proceeding IEE, Vol. 123, No. 8, August 1976, pp. 811-817. [4] Papers from Conference Proceedings (Published): Groupe de Travail 33.10, "Surtensions Temporaires: Origines, Effets et Evaluation," CIGRE, 1990, Paris, FRANCE, Aug Sept. 1990. . EMTP. 1. GIỚI THIỆU Quá điện áp tạm thời là sự dao động quá áp trong khoảng thời gian tương đối dài. Quá điện áp tạm thời xuất hiện như là một kết quả của sự vận hành đóng cắt hệ thống hoặc hiện. hiện tượng quá điện áp do sét. 2. HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM Hệ thống điện Việt Nam bao gồm ba miền: Bắc, Trung và Nam. Vào mùa mưa công suất được truyền từ miền Bắc vào miền Trung và miền Nam (với. qua các hiện tượng quá điện áp tạm thời này. Cuối cùng là một số phương pháp ứng dụng thiết bị trong việc hạn chế biên độ của quá điện áp và thời gian xuất hiện quá điện áp này. Một chương