Nghiên cứu quá điện áp sét và bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện709

Mục đích của lu n án ậ nhằm i Tìm hiểu các đặc trưng cơ bản của WT và các phương pháp tính toán ch ng sét cho các WT; ii Xác ố định s lố ần sét đánh trực ti p vào ế WT phù hợp với công t

B GIÁO D Ộ ỤC VÀ ĐÀO TẠ O

TRƯỜNG ĐẠ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

NGUY N QUANG THU N Ễ Ấ

NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT VÀ

Công trình đượ c hoàn thành t ại:

Vào h 08 ồi giờ 30, ngày 12 tháng 01 năm 2016

Có th tìm hi u lu n án t ể ể ậ ại thư việ n:

1 Thư việ n T Quang B u - ạ ử Trường ĐHBK Hà Nộ i

2 Thư việ n Qu c gia Vi t Nam ố ệ

DANH M C CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG B Ụ Ố

C A LU N ÁN Ủ Ậ

1 Thuan Q Nguyen, Thinh Pham, Top V Tran (2013),

“Analysis of o vervoltage cause by lightning in windfarm”, Journal of Science & Technology Technical Universities, № 95, p.46-50

2 Thuan Q Nguyen, Thinh H Pham, Top V Tran (2014), “Calculation de la tension induite dans des câbles de contrôle et électrique dans une turbine éolienne” , Conférence Francophone sur l'Eco-

1

M Ở ĐẦ U

Trong các nguồn năng lượng tái t o ạ như mặt tr i, gió, sinh kh i, ờ ốsóng bi n, th y tri u, ể ủ ề thủy điện nh , a nhiỏ đị ệt thì năng lượng gió được đánh giá là nguồn tri n v ng nh t vì gi u tiể ọ ấ ầ ềm năng, dễ khai thác trên quy mô l n, thân thi n vớ ệ ới môi trườ g n và ít gây ảnh hưởng

x u v m t xã h ấ ề ặ ội Do đó nguồn năng lượng này đã, đang và sẽ được

r t nhiấ ều WT ph i chả ịu ảnh hưởng của quá điện áp (QĐA) do sét đánh trực ti p ho c sét c m ng và lan truy n gây ra nh ng s c ế ặ ả ứ ề ữ ự ốnghiêm tr ng, thi t h i l n v kinh t và ọ ệ ạ ớ ề ế ảnh hưởng không nh n ỏ đế

nối đất, phương pháp mô hình các phần tử, phương pháp tính toán

mô phỏng quá trình quá độ điệ ừn t

Các lý do trên đây cho thấy việc “Nghiên cứu quá điện áp sét và

b o v ả ệ chống sét cho tua bin gió có k t nế ối lưới điệ ” là m t yêu n ộ

c u c p thi t trên c ầ ấ ế ả phương diện lý lu n và th c ti nậ ự ễ Đặc bi t vệ ới Việt Nam, qu c giố a đang thúc đẩy phát tri n m nh m nguể ạ ẽ ồn năng lượng gió, nhu c u làm ch các k thu t ch ng sét cho các ầ ủ ỹ ậ ố WT cũng như việ đào tạo chuyên gia trong lĩnh vực c này

Mục đích của lu n án ậ nhằm i) Tìm hiểu các đặc trưng cơ bản của

WT và các phương pháp tính toán ch ng sét cho các WT; ii) Xác ố

định s lố ần sét đánh trực ti p vào ế WT phù hợp với công trình động (đầu thu sét g n trên cánh quay trong gió khi làm vi c); iii) Nghiên ắ ệ

cứu QĐA sét cảm ứng trong h ệ thống điện và h ệ thống điều khi n ể(HTĐ&ĐK) của WT, nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong trang tr i ạgió (WF); t iv) ừ đó Đề xuất các biện pháp ph i hố ợp cách điện để ạn hchế QĐA sét i v i WT và trong WF đố ớ

2

Lu n án ậ được trình bày trong 4 chương:

- Chương 1: Tổng quan

- C hương 2: Xác định s lố ần sét đánh trực ti p vào ế WT

- Chương 3: Phân tích QĐA sét c m ả ứng trong HTĐ&ĐK của WT

- Chương 4: Phân tích QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 T ng quan tình hình phát triổ ển điện gió th ế giới và Vi t Nam ệ

Tính đến năm 2012, có khoảng 100 qu c gia trên th gi i ố ế ớ đã đưa vào v n hành h ậ ệ thống điện gió v i t ng công su t 282.275MW Tớ ổ ấ ốc

độ tăng trưởng tích lũy công suất điện gió th gi i bình quân trong ế ớhơn chục năm gần đây luôn đạ t 19,2%/năm V i tớ ốc độ tăng trưởng này, Hi p hệ ội năng lượng gió th ế giới (WWEA) d báo công su t ự ấđiện gió toàn c u n cuối năm 2020 ầ đế có th t 1500GW ể đạ

Việt Nam được xem là qu c gia ố có tiềm điệ năng gió ớn l n nhất khu vực Đông Nam Á ớ ổ v i t ng tiềm năng lý thuy t ế ước đạt kho ng ả513.360MW Tính đến năm 2013 đã, có trên 50 d ự án điện gió đã được đăng ký ậ t p trung t i 13 t nh thành t B c vào Nam v i t ng ạ ỉ ừ ắ ớ ổcông su t trên 5.000MWấ , trong đó 3 dự án điện gió Tuy Phong 20WT x 1,5MW (giai đoạn I), B c Liêu 10ạ WT x 1,6MW (giai đoạn I) và Phú Quý 3WT x 2MW đã đưa vào vận hành

Để tiếp tục thúc đẩy phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, gày 21 tháng 7 năm 2011, Chính phủ đã nchính thức phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai

1.2 Công ngh ệ điện gió

Những năm gần đây công ngh ệ điện gió thế giới liên t c phát triụ ển

liên t c c v công su t l n chi u cao ụ ả ề ấ ẫ ề Tính đến cuối những năm

1980 đầu những năm 1990 các nhà s n xuả ất WT hàng đầu th ếgiới m i ch ch tớ ỉ ế ạo được WT thương mại công su t n 55kW ấ đế

v i chiớ ều cao (gồm cánh và c t tr ) ộ ụ chưa đến 40m, nhưng vài năm trở

lại đây ọ đã h có th s n xuể ả ất được WT công su l n n 10MW v i ất ớ đế ớchi u cao x p x 200m ề ấ ỉ

Các WT có nhi u hình dáng khác nhau, tuy nhiên n u phân loề ế ại theo c u hình tr c quay c a cánh thì ch g m 2 loấ ụ ủ ỉ ồ ại WT cơ bản là: trục đứng và tr c ngang Hi n ụ ệ 90% các WT thương mại công su t l n ấ ớ

3

đang sử ụ d ng trên th gi i có thi t k d ng tr c ngang ế ớ ế ế ạ ụ 3 cánh đối

xứng cách đều trong không gian một góc 2π/3, vì s s p x p cự ắ ế ủa các

1.3 Tình hình nghiên cứu ảb o v ệ chống sét cho WT

Giai đoạn trướ năm 1990, việc c nghiên c u b o v ứ ả ệ chống sét cho

WT chưa thực s ự được quan tâm là b i các WT có công su t nh - ở ấ ỏchi u cao th p, t l ề ấ ỷ ệ sét đánh và thi t h i do sét ệ ạ không đáng kể Tuy nhiên sau thời điểm này, các nhà s n xuả ất điện gió hàng đầu th ế giới

đã chế ạo đượ t c các WT công su t l n n hàng ấ ớ đế MW - chiều cao

cánh theo thi t k này cho ế ế

phép tua bin luôn luôn tương

tác đầy đủ ớ v i gió, ít gây ti ng ế

4

- QĐA ảm ứ c ng và lan truyền trong HTĐ&ĐK của WT và lưới điện

WF t để ừ đó khuyến cáo các bi n pháp ph i hệ ố ợp cách điện đảm bảo

an toàn cho các ph n t , thi t b trong h ầ ử ế ị ệ thống điện gió

Hình 1.25 V trí l ị ắp đặ t CSV b o v ả ệ chống QĐA sét cho các phầ ử n t , thi ết

b ị trong HTĐ&ĐK ủ c a WT 1,5 ÷ 2MW hay đượ ử ụng ở Việ c s d t Nam

sét c a WT xu ng h ủ ố ệ thố ng n ối đấ t

Sau khi t ng h pổ ợ , đánh giá các

nghiên c u liên quan, y ban k ứ Ủ ỹ

thuật điện qu c t (IEC) ố ế đã đưa ra

báo cáo k thu t IEC/TR 61400-ỹ ậ

24 (2002) và sau này là tiêu chuẩn

IEC 61400-24 (2010) khuy n cáo ế

5

Trong quá trình tìm hi u, tác gi nh n th y: ể ả ậ ấ

- Nhìn chung các nghiên cứu liên quan đến việc xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT thường coi đối tượng là công trình tĩnh, trong khi thực tế là công trình động (đầu thu sét được gắn trên cánh luôn chuyển động) hoặc có xét đến đặc điểm này nhưng đối tượng nghiên cứu là WT công suất nhỏ và chưa xét đến địa hình lắp đặt WT

- Việc nghiên cứu QĐA sét trong hệ thống điện gió thì mỗi nghiên cứu sử dụng mỗi đối tượng WT khác nhau do đó kích thước cột trụ, cáp điện, cáp điều khiển cũng khác Chưa rõ ràng về mục đích phối hợp cách điện hay chọn CSV phù hợp với QĐA sét do đó , dạng sóng dòng điện sét trong các nghiên cứu chưa thống nhất(10/350μs, 8/20μs hoặc 2/70μs , trong khi dạng ) sóng cơ bản để phối hợp cách điện 1,2/50μs không được đề cập Chưa làm rõ sự ảnh hưởng của vị trí lắp đặt MBA, TĐK, các đường cáp điện và (cáp điều khiển), của điện trở nối đất đến trị số QĐA cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT Chưa xét đến ảnh hưởng của vị trí sét đánh (các WT khác nhau hoặc đường dây trung áp trên không nối lưới

hệ thống hoặc lưới điện địa phương với WF của phương thức kết ), nối các WT và hệ thống nối đất đến trị số QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF Lưới điện trung áp Việt Nam sử dụng cấp điện áp22kV, trong khi các tham số của CSV, MBA, cách điện, chiều cao

cột điện của ác nghiên cứu trước đây thường là ở cấp điện áp c6,6kV

V i các lýớ do trên đây luậ, n án s ẽ đánh giá đề xuất phương pháp

s lố ần sét đánh trực ti p vào WT - ế công trình động, đồng thời đi sâu làm rõ các y u t ế ố ảnh hưởng đến QĐA sét trong HTĐ&ĐK của

WT và QĐA sét lan truyền trong lưới điệ WFn Các n i dung ộnghiên c u này c a luứ ủ ận án được tác gi ng dả ứ ụng xem xét trên đối tượng là các WT (WF) điển hình đang đượ ắp đặ ạc l t t i Vi t Nam ệ1.5 K t luế ận

Chương này, tác giả đã thực hiện được m t s công vi c sau: ộ ố ệ1) T ng h p tình hình phát triổ ợ ển điện gió th ế giới và Vi t Nam ệ cũng như tình hình phát triển công ngh ệ điện gió những năm gần đây 2) T ng h ổ ợp, đánh giá các nghiên cứu b o v ả ệ chống sét cho WT liên quan đến đề tài T ừ đó chỉ ra nh ng n i dung mà lu n án c n tiữ ộ ậ ầ ếp

t c gi i quy t ụ ả ế

6

Chương 2 XÁC ĐỊNH S LỐ ẦN SÉT ĐÁNH TRỰC TI P Ế

VÀO TUA BIN GIÓ Chương này, tác gi s trình bày khái quát v lý thuy t mô hình ả ẽ ề ế

điện hình h c (EGM), ọ phương pháp xác định s lố ần sét đánh trực ti p ế

WT theo đề xu t c a IEC ấ ủ (Phương pháp IEC) và Dolan (Phương

pháp EGM) Sau đó tác giả ử ụng phương pháp EGM xác đị s d nh s ố

lần sét đánh trực ti p vào ế WT có kích thước khác nhau lắp đặ ạt t i các

d ự án điện gió Vi t Nam ệ Trên cơ sở so sánh k t qu tính toán, tác ế ả

giả đề xu t s dấ ử ụng phương pháp xác định s lố ần sét đánh trực tiếp

WT phù h p ợ

2.2 Mô hình điện hình h c (EGM) ọ

- Khi tiên đạo sét xu t hi n trong vùng BC thì s ấ ệ ẽ phóng điện vào cột

thu sét; còn khi tiên đạo sét xu t hi n trong vùng AB ho c CD s ấ ệ ặ ẽ

phóng điện sét xuống đất

- Khoảng cách phóng điện sét vào công trình S (m) ph thu c vào ụ ộ

biên độ dòng điện sét I (kA) theo công th c: ứ

S = 10.I0,65

- Diện tích thu hút sét tương đương của ộc t thu sét trên mặt đất là

m t hình tròn tâm O (tâm c t thu sét trên mộ ộ ặt đất) có bán kính r

ph thu c vào chi u cao cụ ộ ề ột thu sét h và biên độ dòng điện sét theo

exp

IC

β là hệ ố xác đị s nh theo công th c: ứ β = 0,36 + 0,17ln(43-h) Khi h > 40m thì l y h = 40m Các WT công su t l n chiấ ấ ớ ều

cao t ng th u lổ ể đề ớn hơn 40m, nên tính được β = 0,547

A I

A d

N

N

A C

A C

) ( )

( 2 )

( 2 10

.

2

0

) (

3

2

2 2 300

) ( 1

2 1 6

Trong đó:

θA là góc lệch cánh so với trục hoành: 0 ≤ θA ≤ 2π

Chi u r ng hình ch nh t thu sét: ề ộ ữ ậ w(θA) = Hb[cosθA- cos(θA+2π/3)]

Chi u cao thu sét c a WT: ề ủ h(θA) = Ht + HbsinθA

đương của WT trên mặt đất theo

Hình 2.3 Diện tích thu sét tương

phương pháp EGM

Khi đầu thu sét g n trên cánh ắ

chuyển động, nó t o thành mạ ột

cung tròn vì th chi u cao c a nó ế ề ủ

luôn thay đổi ph thu c vào v trí ụ ộ ị

của đầu thu sét trên cung tròn

Phương pháp này xét đến đồng

thời s ự thay đổi đầu thu sét và

chi u cao c a WT nên di n tích ề ủ ệ

thu hút sét tương đương của WT

8

Dòng điện sét gi i h n ớ ạ xác định theo công th c: ứ

10 / ln

exp )

A C

h I

Bán kính hai nửa hình tròn thu sét theo dòng điện sét gi i hớ ạn:

+ Khi I ≤ IC: r r1 10I0,65

+ Khi I > IC: 20 ( ) 0 , 65 2( ) (10 0 , 65)2(1 2)

Hàm mật độ phân b ố dòng điện sét f(I) và hàm mật độ phân b góc ố

l ch c a cánh so vệ ủ ới tr c hoành f(θụ A) xác định theo công thức:

2 6 6

31 1

31 31

6 2

, ,

I

I , ) I f

2

1 )

Như vậy khác với phương pháp IEC, diện tích thu hút sét tương đương của WT trên mặt đất theo phương pháp EGM xét đế đồn ng

th i ờ sự bi n thiên c a ế ủ dòng điện sét và chi u cao c a WT ề ủ

2.4 Xác định s lần sét đánh WT theo phương pháp EGM ố

K t qu ế ả xác định s lố ần sét đánh WT có công suất và kích thước khác nhau theo mật độ sét Việt Nam (v i các gi thiớ ả ết kích thước WT như trong bảng 2.3 và h s a hình Cệ ố đị d = 1) th ể hiện trên hình 2.7

Hình 2.7 cho th y, s lấ ố ần sét đánh phụ thu c vào mộ ật độ sét khu

v c lự ắp đặt WT và kích thước c a WT (chi u cao c t tr Hủ ề ộ ụ t và chi u ềdài cánh Hb) Trong đó, kích thước c a WT là y u t có nh ủ ế ố ả hưởng

9

qu so sánh gi a s ả ữ ự gia tăng kích thước c a các WT và s ủ ự gia tăng số

lần sét đánh trực ti p vào các WT (so vế ới V29) đượ ổc t ng h p trong ợhai cột được tô đậm c a b ng 2.4 cho thủ ả ấy rõ điều này (gi thiả ết nơi

lắp đặt WT cùng mật độ sét Ng 5,7 l n/km= ầ 2/năm)

Bảng 2.4 So sánh giữa sự gia tăng kích thước của các WT và sự gia tăng số

lần sét đánh vào các WT (so với V29)

T

Kích thướ c c a WT ủ

S l n sét ố ầ đánh (lần/năm)

S l n sét ố ầ đánh tăng so

v i V29 (l ớ ần)

H t (m) (m) Hb (m) h

Tăng so

v i V29 ớ (lần)

phương pháp IEC và EGM

trên hình 2.8 cho thấy: Với các

WT có chiều cao thấp dưới

110m số lần sét đánh giữa hai

phương pháp cho kết quả gần

giống nhau, nhưng khi WT có

chiều cao lớn từ 110m trở lên

số lần sét đánh giữa hai

phương pháp sai khác nhau rất

nhiều

10

Điều này là d hi u vì khi WT công su t nh - cánh ng n, ph n ễ ể ấ ỏ ắ ầ

di n tích thu hút sét hình ch nh t c a WT trên mệ ữ ậ ủ ặt đất nh nên kỏ ết

qu tính toán s lả ố ần sét đánh WT giữa 2 phương pháp gần như giống nhau Tuy nhiên, khi WT công su t l n - cánh dài, ph n di n tích ấ ớ ầ ệhình ch nh thu hút sét c a WT trên mữ ật ủ ặt đấ ớt l n nên s lố ần sét đánh

WT giữa hai phương pháp sai khác nhau rất nhi u ề

So với phương pháp IEC, phương pháp EGM kể đến đồng thời hai y u t sát v i th c t luôn biế ố ớ ự ế ến thiên là dòng điện sét và chi u cao ề

t ng th c a WT (luôn chuyổ ể ủ ển động ph thu c vào chi u dài cánh) ụ ộ ề

2) Áp dụng mô hình điện hình h c trong tính toán s lọ ố ần sét đánh vào tua bin gió

3) Xây dựng các đường đặc tính xác định s lố ần sét đánh đố ới v i các tua bin gió điển hình lắp đặt trong điều ki n Vi t Nam K t qu ệ ệ ế ảtính toán có th ể được s d ng làm tài li u tham kh o cho các d ử ụ ệ ả ự

án điện gió tương lai tại Vi t Nam ệ

Chương 3 PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT C M NG Ả Ứ

TRONG H Ệ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHI N Ể

C A TUA BIN GIÓỦ Khi sét đánh vào cánh WT, dòng điện sét s ẽ được d n qua: vẫ ật

dẫn đặt trong cánh, vành trượt chổ- i than, c t tr thép r ng r i xu ng ộ ụ ỗ ồ ố

h ệ thống nối đấ Do đường cáp điện và cáp điềt u khiển đường lắp đặt bên trong c t tr thép nên khi ộ ụ dòng điện sét ch y qua c t tr xu ng ạ ộ ụ ố

đấ ẽt s phát sinh QĐA sét c m ng ả ứ trên các đường cáp này có th gây ểnguy hiểm cho cách điện c a các thi t b đi n và thi t b ủ ế ị ệ ế ị điều khi n ểtrong HTĐ&ĐK của WT

Chương này sẽ ử ụng phương pháp s d mô ph ng trên ph n mỏ ầ ềm ATP/EMTP để nghiên cứu QĐA sét trong HTĐ&ĐK của WT điển hình c a Vi t Nam T ủ ệ ừ đó khuyến cáo các bi n pháp ph i h p cách ệ ố ợ

điện, góp phần đảm b o an toàn cho các ph n t , thi t b trong ả ầ ử ế ịHTĐ&ĐK của WT

- Các CSV được s dử ụng để ạ h n ch ế QĐA sét trong HTĐ&ĐK của

WT mô hình bằng điện tr phi tuy n V-A ở ế

3.3 Ch n WT và tính toán thông s mô hình các ph n tọ ố ầ ử

Đối tượng WT đượ ực l a ch n cho nghiên cọ ứu QĐA sét cảm ứng trong chương này là loại điển hình đã, đang và sẽ ắp đặ ạ l t t i các d ự

án điện gió c a Vi t Nam v i các thông sô k thuủ ệ ớ ỹ ật cơ bản:

- Máy phát điện công su t 1,5ấ MW đặt trong thùng, MBA 0,69/22kV đặt dưới chân c t tr ộ ụ

2MVA Cánh dài 39m, vậ ẫt d n trong cánh b ng nhôm ti t di n 25mmằ ế ệ 2

- C t tr ộ ụ thép cao 67m; đường kính kính đỉnh, gi a và chân c t tr ữ ộ ụ

lần lượt là: 2,5m, 3,4m và 4,3m

- Cáp điện 690V ( Cu -XLPE-600mm2) và cáp điều khi n (RG58A/U) ể

lắp đặt song song và cách thành trong c a c t tr 200mm ủ ộ ụ

Hình 3.5 Mô hình mạch tương đương trên đườ ng d n dòng sét qua c t tr WT ẫ ộ ụ

B ng 3 ả 3 K t ế quả tính toán các thông s ố

mô hình ph n t liên quan cho nghiên c u ầ ử ứ

3.4 K t qu mô ph ng ế ả ỏ

và phân tích

Mô phỏng đầu tiên tác

giả xem xét s phân b ự ố

điện th ế và QĐA trên

cách điện của cáp điện và

QĐA trên cách điện t i ạ

các điểm trên các đường

13

Dòng điện qua CSV lắp đặ ại cuối đườt t ng cáp (phía chân c t tr ) ộ ụ

là 2,2kA giảm trung bình 1,3 l n so v i CSV lầ ớ ắp đặ ại đầu đườt t ng cáp (phía đỉnh c t tr ) Do vậộ ụ y, nên s d ng các CSV có mứử ụ c h p th ấ ụnăng lượng thấp hơn để ắp đặ ả l t b o v cho các ph n t , TBệ ầ ử Đ&TBĐK

l p ắ đặt phía dưới chân c t tr so vộ ụ ới phía đỉnh c t tr ộ ụ

Các mô ph ng ti p theo tác gi s xem xét s ỏ ế ả ẽ ự ảnh hưởng c a: ủ trị

s ố điện tr nở ối đất, thông s ố dòng điện sét, kho ng cách lả ắp đặt đường cáp so v i c t tr ớ ộ ụ đến QĐA trên cách điện đầu và cu i các ốđường cáp - đây cũng chính là QĐA trên cách điện của TBĐ&TBĐK

lắp đặt phía đỉnh và chân c t tr ộ ụ

- Ảnh hưởng c a tr s ủ ị ố điện tr nở ối đất: Khi sét đánh vào cánh WT

với dòng sét 30kA (1,2/50μs), biên độ QĐA trên cách điện c a các ủđường cáp phía đỉnh và chân c t tr theo tr s ộ ụ ị ố điện tr nở ối đấ ốt s khác nhau: 1, 2, 3, 5 và 10Ω được so sánh trên hình 3.23 và 3.24

Ta nh n th y, tr s ậ ấ ị ố điện tr nở ối đất càng nh thì mỏ ức QĐA trên cách điện hai đầu đường cáp càng nh Tuy nhiên, khi tr s ỏ ị ố điện tr ở

nối đất ớn hơn hoặl c b ng ằ 3Ω thì s ự gia tăng QĐA trên cách điện đường cáp r t lấ ớn Do đó, để ễ ạ d h n ch ế QĐA sét trong HTĐ&ĐK

c a WT nên nủ ối đất v i ớ trị ố điệ s n tr thở ấp hơn hoặc bằng 3Ω

- Ảnh hưởng c a thông s ủ ố dòng điện sét :

+ Biên độ dòng điện sét: QĐA trên cách điện của các đường cáp phía

đỉnh và chân c t tr theo ộ ụ biên độ dòng sét 10, 20, 30, 50 và 100kA (cùng dạng xung 1,2/50μs) được so sánh trên hình 3.25 và 3.26

K t qu mô ph ng cho th y, ế ả ỏ ấ QĐA sét cảm ứng trên cách điện của TBĐ&TBĐK phía đỉnh và chân c t tr ộ ụ tăng tỷ ệ l thuận theo biên độdòng điện sét Tuy nhiên, với dòng điện sét nh 10kA ỏ thì QĐA này phía chân c t tr ộ ụ là cũng là 60,1kV ớn hơn 7 lầ- l n mức điện áp xung quy định trong tiêu chu n IEC-60364-1 (BIL 2,5 ÷ 8kV) ẩ = đối với

trên cách điện cáp phía đỉ nh c t ộ

trụ theo tr s đi n tr n ị ố ệ ở ối đấ t

trên cách điệ n cáp phía chân c t ộ trụ theo tr s đi n tr n ị ố ệ ở ối đấ t

14

thi t b h áp Vì thế ị ạ ế, để đả m bảo an toàn cho các TBĐ&TBĐK của

WT nh t thi t ph i nghiên c u biấ ế ả ứ ện pháp tăng cường nh m h n ch ằ ạ ếQĐA nguy hiểm v i b t c ớ ấ ứ phóng điện sét nào vào WT

- Kho ng cách gi a ả ữ đường cáp so v i c t trớ ộ ụ: Các mô ph ng tính ỏtoán QĐA theo khoảng cách này cho th y: ấ

+ Kho ng cách lả ắp đặt các đường cáp so v i c t tr càng l n thì tr s ớ ộ ụ ớ ị ốQĐA trong HTĐ&ĐK của WT càng nh ỏ

+ QĐA lớn nhất phía đầu các đường cáp (phía đỉnh c t tr ) ngoài ộ ụ

ph thu c kho ng cách lụ ộ ả ắp đặt đường cáp so v i c t tr thì còn ph ớ ộ ụ ụthuộc vào biên độ và thời gian đầu sóng của dòng điện sét

B ng các mô ph ng tính toán (d a vào xác su t xu t hiằ ỏ ự ấ ấ ện biên độ

và thời gian đầu sóng của dòng điện sét và điện trường gi i h n gây ớ ạ

+ Thời gian đầu sóng: QĐA

trên cách điệ hai đần u các

đường cáp theo thời gian đầu

sóng 1,2 , 2 , 5 , 8 là μs μs μs μs

và 10μs được so sánh trên

hình 3.27 (cùng biên độ

30kA) K t qu cho th y, khi ế ả ấ

thời gian này nh ỏ hơn hoặc

b ng 5 s, s ằ μ ự gia tăng QĐA

sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK

c a WT là r t l n, ủ ấ ớ nhưng khi

đi ện đầ u và cu i các ờng cáp theo ố đư thời gian đầu sóng dòng điện sét

điện đầu các đường cáp theo biên

15

phóng điện), tác gi ả tính được kho ng cánh an toàn lả ắp đặt cáp so v i ớ

c t tr 479ộ ụ là mm ẽ đảs m b o 50% s lả ố ần sét đánh WT không gây phóng điện làm hư hỏng cách điện, còn để đả m b o an toàn n 95% ả đếthì kho ng cách này là 775ả mm

3.5 K t lu n ế ậ

Trong chương 3, tác gi ả đã thực hiện được mộ ố ấn đềt s v sau:

1 Trình bày p) hương pháp mô hình các phầ ử trên đườn t ng d n dòng ẫđiện sét của WT cũng như các phần t ử liên quan khác như nguồn điện sét, CSV đã được tác giá đánh giá ự, l a ch n ọ

2) Các thông s ố mô hình được tác gi ả tính toán xác định phù h p vợ ới đối tượng nghiên c u v i loứ ớ ại WT 1,5MW điển hình của Vi t Nam ệ3) Các mô ph ng, tính toán ỏ QĐA ảm ứng trong HTĐ&ĐK của ột c m

WT điển hình đang sử ụ d ng t i ạ Việt Nam cho thấy:

- Nên s d ng các CSV lử ụ ắp đặ ạ cuối đườt t i ng cáp có m c h p th ứ ấ ụnăng lượng thấp hơn so v i t i ớ ạ đầu đường cáp

- Nên thực hi n nệ ối đất ớv i tr s ị ố điện tr nh ở ỏ hơn hoặc bằng 3Ω để

d dàng gi m mễ ả ức QĐA xuống tr s ị ố an toàn cho TBĐ&ĐK của WT

- Thông s ố dòng điện sét (biên và thđộ ời gian đầu sóng) nơi dự kiến

lắp đặt các WT nên được nghiên cứu đo lường s giúp viẽ ệc xác định QĐA sét cả ứng trong HTĐ&ĐK của WT chính xác hơn Từ đó có m

bi n pháp b o vệ ả ệ chống QĐA sét trong hệ ố th ng này phù hợp

- Nên lắp đặt các đường cáp xa c t tr nh t có th ộ ụ ấ ể để giảm mức QĐA sét cảm ứng trên cách điện c a các ph n t , thi t b ủ ầ ử ế ị trong HTĐ&ĐK

c a WT ủ

Chương 4 PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT LAN TRUYỀN

TRONG LƯỚI ĐIỆN TRANG TR I GIÓẠ Nguyên nhân phát sinh QĐA sét lan truy n trong WF có th do ề ể

sét đánh vào WT hoặc sét đánh vào đường dây trên không trung áp

n i WF vố ới lưới điện hệ ố th ng (hoặc lưới điện địa phương)

- Khi sét đánh vào WT bất k trong WF, ỳ dòng điện sét được ẫd n

xu ng h ố ệ thống nối đất, m t phộ ần dòng điện sét s ẽ “xông ngược” qua các CSV và các điện dung ký sinh gi a các cu n dây c a MBA so ữ ộ ủvới đất gây nên QĐA nguy hiểm trong lưới điện WF

- Sét đánh vào đường dây trung áp trên không nối với lưới điện cũng

có thể gây nên QĐA nguy hiểm lan truyền vào trong lưới điện WF

16

Chương này ẽs nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong lưới điện

WF điển hình c a Vi t Nam theo các nguyên nhân k trên b ng viủ ệ ể ằ ệc

s d ng ph n mử ụ ầ ềm phân tích quá trình quá độ ệ ừ đi n t ATP/EMTP

- MBA WT s d ng mô hình ph thu c t n sử ụ ụ ộ ầ ố Trong đó, các s trị ốđiện dung gi a: cu n h vữ ộ ạ ới đất, cu n cao vộ ới đất và cu n cao v i ộ ớcuộn h nhà s n xuấạ ả t cho hoặc đo lường tr c ti p ự ế

- Đường cáp 690V s dử ụng mô hình hình PI Đường cáp 22kV c a ủ

WF s mô hình Bergeron, còn ử đường dây trên không 22kV nối WF

với lưới h ệ thống (t ừ WF đến TBA trung gian 110kV) s d ng mô ử ụhình J Marti

- Nối đấ ạt t i mỗi WT được mô hình bằng điện tr ở không đổi Thanh ngang nối đất chung giữa các WT k nhau trong WF s d ng mô ề ử ụhình mạch điện hình PI v i thông rớ ải đều trên mỗi đoạn dài 10m 4.3 L a ch n trang trự ọ ại gió và xác định xác định các thông s mô ốhình cho nghiên cứu quá điện áp sét lan truy n ề

- Đối tượng được lựa

các ph n t liên quan cho ầ ử

nghiên cứu QĐA sét lan

truy n tề rong WF được

t ng h p trong b ng 4.2 ổ ợ ả

17

v i WT2 (g n WT1 nhớ ầ ất) đến 1kV v i WT5 (xa WT1 nhớ ất) Do đó, phía h áp các MBA WT c n có bi n pháp b o v ạ ầ ệ ả ệ chống QĐA tránh gây phóng điện nguy hiểm

Các mô ph ng ti p theo, tác xem xét s ỏ ế ự ảnh hưởng c a th i gian ủ ờđầu sóng dòng điện sét, h th ng nệ ố ối đất và v ị trí sét đánh WT đến QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF

a) Ảnh hưởng c a ủ thời gian đầu sóng dòng điện sét

Khi sét đánh WT1 có thời gian đầu sóng dòng điện sét khác nhau 1,2μs, 5μs và 10μs (cùng biên độ 30kA) thì sóng QĐA sét ạt i pha A phía cao áp và phía h áp c a WT ạ ủ này như trên hình 4.10 và 4.11 (WF s d ng nử ụ ối đất độ ậ ạc l p t i m i WT có tr s ỗ ị ố điện tr ở 5Ω)

Hình 4.8 Sóng QĐA (pha A) phía

cao áp của các MBA WT1 đến WT5

Hình 4.9 Sóng QĐA (pha A) phía

B ng 4.2 ả Mô hình và k t qu tính toán ế ả các thông s mô hình các ph n t ố ầ ử

4.4 Phân tích quá điện

áp sét lan truy n trong ề

lưới điện trang tr i gióạ

b) Ảnh hưởng c a hủ ệ ố th ng nối đất

- Hình 4.14 cho th y, n u nấ ế ối đất ạt i mỗi WT là 10Ω thì biên độQĐA phía cao áp và hạ áp c a MBA WT1 lủ ần lượt là 180,3kV và 56,4kV, còn n u nế ối đất là 1Ω thì chỉ là 20,1kV và 3,6kV

Hình 4.10 Sóng QĐA phía cao áp

của MBA WT1 theo thời gian đầu

của MBA WT1 theo thời gian đầu

áp MBA WT1 theo tr s ị ố điệ n tr n ở ối đấ t

Hình 4.15 Sóng QĐA phía cao áp

MBA WT1 theo hình thức nối đất

Hình 4.17 Sóng QĐA phía hạ áp MBA WT1 theo hình thức nối đất

19

- K t qu mô ph ng so sánh d ế ả ỏ ạng sóng QĐA phía cao áp và h áp ạ

c a MBA WT1 theo hình th c nủ ứ ối đất độ ậc l p và nối đất chung th ể

hi n trên hình 4.15 và 4.17 ệ

Như vậy, n u WF s d ng hình th c nế ử ụ ứ ối đất chung thì biên độ QĐA tại WT b ị sét đánh giảm trên 3 l n (c phía áp cao và h áp cầ ả ạ ủa MBA WT) so với hình th c nứ ối đất độc l p ậ

c) Ảnh hưởng c a v ủ ị trí sét đánh WT

Mô phỏng được th c hi n v i gi thi ự ệ ớ ả ết, dòng điện sét 30kA (1,2/50μs), hình thức nối đất WF độ ậ ạc l p t i mỗi WT là 5Ω Khi sét đánh vào WT1 đến WT5, k t qu cho dế ả ạng sóng QĐA phía cao áp vàphía h áp cạ ủa các MBA WT này được so sánh lần lượt trên hình 4.19 và 4.20

Ta th y, nhóm th nh t g m các WT gấ ứ ấ ồ ần lướ ệ ối h th ng nh t (WT1 ấ

và WT2) có biên độ QĐA lớn g n g p 2 l n nhóm th hai g m các ầ ấ ầ ứ ồ

WT ở xa lướ ệ thống hơn (WT3, WT4 và WT5) Điềi h u này là do s ự

ph n x t ả ạ ừ lưới và các WT t i hàng th ạ ứ 2 (WT6 đến WT10) đến muộn hơn so với hàng th nhứ ất (WT1 đến WT5)

Hình 4.19 Sóng QĐA phía cao

Vì vậy, có thể sử dụng CSV có

mức hấp thụ năng lượng thấp

hơn đối với các WT của nhóm

thứ hai (xa lưới hệ thống)

CSV phía cao áp của MBA WT1 đến WT5 khi sét đánh vào các WT này

20

4.4.2 Sét đánh vào đường dây trên không gây QĐA trong WF

a) Đường dây trên không không có DCS , sét đánh vào dây pha ị V trí sét đánh gần hay xa WF ảnh hưởng không nhiều đến QĐA séttruy n vào WF Khi dòng sét là ề 30kA (1,2/50μs), WF nối đất độ ập c l

t i m i WT là ạ ỗ 5Ω thì QĐA ớl n nh t t i phía cao áp và h áp cấ ạ ạ ủa WT1 dao động lần lượt trên dưới 100kV và 20kV ng v i hai c p ứ ớ ấđiện áp k trên c a WT1 Điể ủ ều này được lý giải QĐA chỉ ị ạ b h n ch ế

b i t n th t t nhiên trong quá trình truyở ổ ấ ự ền sóng trên đường dây b) Đường dây trên không có DCS ,sét đánh vào dây DCS với gi ảthi t: Dòng sét ế 30kA (1,2/50μs), WF nối đất độ ậc l p t i m i WT là ạ ỗ5Ω, sét đánh vào ạ ịt i v trí cách WF lần lượt là (1) 60m, (2) 300m, và (3) 600m K t qu mô ph ng cho thế ả ỏ ấy:

Khi th c hi n biự ệ ện pháp (ii), QĐA phía hạ áp c a WT1 ủ giảm còn 1,5kV - dưới ức BIL yêu c um ầ , đồng th i ờ QĐA phía cao áp của WT1 cũng ả đượgi m c 1,5 l n so vớầ i ch s d ng DCS (41kV so với 60kV) ỉ ử ụ

- Trong trường hợp sét đánh vào

DCS v trí (1) g n WF nh t, ở ị ầ ấ

DCS có tác d ng gi m m c ụ ả ứ

QĐA phía cao áp ủc a WT1

xuống dưới ứ điệm c n áp xung

(BIL = 110÷150kV) Tuy nhiên,

QĐA phía ạ h áp c a WT ủ xuống

trí sét đánh đường dây (1), (2) và (3)

(pha A) phía cao áp của MBA WT1

trong trường hợp đường dây trên

không không DCS, có DCS (i) và

có DCS kết hợp CSV (ii)

Hình 4.32 So sánh sóng QĐA (pha

trường hợp đường dây trên không không DCS, có DCS (i) và có DCS

kết hợp CSV (ii)

M c này s sụ ẽ o sánh QĐA trong WF

có c u hình khác nhau ấ khi sét đánh các

WT và đường dây trên không 22kV

n i WF vố ới lưới điện Gi thi t r ng: ả ế ằ

- 5WT n i v i nhau theo 4 c u hình ố ớ ấ

WF khác nhau A, B, C và D (Hình

4.33 đến 4.36)

b) Sét đánh vào đường dây trên không 22kV

K t qu ế ả so sánh QĐA phía cao áp và hạ áp của WT1 đến WT5 khi sét đánh vào đường dây trên không trên hình 4.43

WT5 khi sét đánh vào đường dây trên không 22kV

Các k t qu so sánh trên hình 4.42 và 4.43 cho th y, xét ế ả ấ dưới góc

độ nguy hiểm do QĐA sét thì cấu hình B là nguy hi m nh vì có ể ất nhi u WT ph i ch u mề ả ị ức QĐA lớn hơn so với các c u hình khấ ác

4.5 K t lu n ế ậ

Trong chương 4 tác giả đã thực hiện được một số vấn đề sau:,

1) Trình bày nguyên nhân phát sinh QĐA sét trong lưới điện WF

23

2) Trình bày phương pháp mô hình các phần tử, thiết bị liên quan cho nghiên cứu QĐA lan truyền trong lưới điện WF

3) Lựa chọn WF điển hình của Việt Nam và tính toán, lựa chọn thông

số mô hình các phần tử, thiết bị liên quan cho nghiên cứu QĐA sét 4) Nghiên cứu, xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến QĐA lan truyền trong lưới điện WF đã lựa chọn như vị trí sét đánh, thông số dòng điện sét, hệ thống nối đất, cấu hình WF Từ đó đưa ra khuyến cáo các biện pháp bảo vệ chống QĐA sét nhằm hạn chế sự nguy hiểm cho cho các phần tử, thiết bị của WF

KẾT LUẬN

K t qu nghiên cế ả ứu và đóng góp mớ ủi c a luận án được th ể hiệ ởn

nh ng ữ điểm sau đây:

1) T ng hổ ợp cơ sở lý lu n, ánh giá các công trình nghiên c u liên ậ đ ứquan, xác định n i dung luộ ận án cần đi sâu giải quy t ế

2) Đánh giá, đề xu t s dấ ử ụng phương pháp xác định s lố ần sét đánh trực tiếp WT trung bình hàng năm trên cơ sở lý thuy t mô hình ếđiện hình học (EGM) Phương pháp EGM xem xét đến đặc điểm khác bi t c a WT (có các cánh luôn quay trong gió) so v i các ệ ủ ớcông trình tĩnh như trạm biến áp, đường dây tải điện Phương pháp EGM cũng đã được tác gi ng d ng tính toán s l n sét ả ứ ụ ố ầđánh cho WT có dải chi u cao ( ng v i công su t phát) khác ề ứ ớ ấnhau đượ ắp đặc l t, v n hành t i các vùng có mậ ạ ật độ sét khác nhau

ở Vi t Nam Kệ ết qu tính toán s lả ố ần sét đánh trực tiếp đố ới v i các WT có kích thước khác nhau đượ ặp đặ ởc l t nh ng vùng có ữ

mật độ sét khác nhau t i Vi t Nam có th dùng làm tài li u tra ạ ệ ể ệ

c u, tham kh o cho các ch ứ ả ủ đầu tư cũng như các nhà tư vấn, thi t ế

k , xây d ng các d án ế ự ự điện gió ở Việt Nam

3) Khi các WT b ị sét đánh, trên đường d n dòng sét qua c t tr thép ẫ ộ ụ

rỗng (trong đó có lắp đặt các đường cáp điện và điều khi n), do ể

s ự thay đổ ừ trười t ng của dòng điện sét và điện trường trên các điện dung ký sinh gi a c t tr vữ ộ ụ ới đất, c t tr vộ ụ ới các đường cáp

s xu t hiẽ ấ ện QĐA sét cảm ứng gây nguy hi m cho các ph n t , ể ầ ửthi t b ế ị trong HTĐ&ĐK của WT Mô hình mạch điện tương đương với các thông s rố ải đều trên mỗi đoạn dài của đường d n ẫdòng điện sét qua c t tr c a lu n án cho phép tính toán tr s ộ ụ ủ ậ ị ốQĐA sét cả ứm ng trên các thi t b đi n và thi t b đi u khi n c a ế ị ệ ế ị ề ể ủ

WT điển hình t i Vi t Nam B ng vi c s d ng ph n m m ạ ệ ằ ệ ử ụ ầ ềATP/EMTP, tác gi ả đã tiến hành nghiên c u, mô ph ng, xem xét ứ ỏ