Tìm hiểu nguyên nhân về sự cố tan rã hệ thống điện ngày 2252013 tại miền Nam Việt Nam. Vào lúc 14 giờ 15’ ngày 2252013, đã xảy ra sự cố trên đường dây 500 kV Di Linh Tân Định gây mất điện tại các tỉnh phía Nam.
Trang 1TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Buôn Ma Thuột, ngày 15 tháng 07 năm 2015
BÀI TIỂU LUẬN MÔN ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ PHẢN
KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Học viên thực hiện: LÊ THÁI VƯƠNG
Lớp: CH3-KTĐ Buôn Ma Thuột.
Đề bài: Hãy tìm hiểu về sự cố tan rã hệ thống điện ngày 22/5/2013 tại miền
Nam Việt nam?
BÀI LÀM
I Lời mở đầu:
Trong đời sống ngày nay, điện năng có vai trò hết sức quan trọng, có mặt hầu như khắp mọi nơi, trong tất cả mọi lĩnh vực, ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng điện năng tăng cao về cả công suất
và quy mô lãnh thổ đòi hỏi các hệ thống điện không ngừng mở rộng đồng thời phải đảm bảo các yêu cầu về chất lượng, an toàn trong quá trình vận hành Trong bất cứ hệ thống điện nào cũng luôn luôn tồn tại một mối đe dọa đưa hệ thống đến các chế độ làm việc không bình thường Những hỏng hóc, lỗi của các thiết bị trên hệ thống dẫn đến sự tác động sai, ngừng làm việc theo dây chuyền của các phần tử quan trọng trong hệ thống làm mất điện trên phạm vi rộng được gọi là sự cố mất điện trên diện rộng Đây
là sự kiện có xác suất thấp (hiếm khi xảy ra) nhưng hậu quả của lại vô cùng nghiêm trọng Tuy nhiên, vì nhiều lý do khác nhau cả chủ quan lẫn khách quan nên việc nghiên cứu, tìm hiểu các nguyên nhân, cơ chế phát sinh và các hiện tượng gây nên sự
cố mất điện trên diện rộng chưa được quan tâm đúng mức
Một hệ thống điện bị tan rã là kết quả của một quá trình chia tách, mất đường dây quan trọng hay máy phát điện… liên tục cho đến khi bị phân chia hoàn toàn thành các vùng, khu vực cách ly nhau và không thể điều chỉnh được dẫn đến sự cố tan rã hệ thống và mất điện trên diện rộng vô cùng nguy hiểm với hậu quả của nó rất lớn về mặt
Trang 2Một hệ thống điện thường phân chia thành ba phần chính: Phần nguồn điện bao gồm các nhà máy phát điện như: nhiệt điện chạy than, nhiệt điện chạy khí, nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, và một số loại phát điện khác Phần truyền tải, đây được coi là hệ thống xương sống của một hệ thống điện bao gồm các đường dây cao
áp, và máy biến áp truyền tải
Hệ thống điện Việt Nam đang phải đối mặt với nhiều áp lực như phụ tải tăng nhanh trong khi các hệ thống nhà máy điện và lưới truyền tải phát triển không đủ nhu cầu tăng của phụ tải và dẫn đến các nguy cơ mất ổn định - có thể dẫn đến tan rã hệ thống điện Các hệ thống điện có thể sẽ đối mặt với một trong ba loại mất ổn định là:
ổn định góc rotor, ổn định tần số và ổn định điện áp
Ổn định điện áp là khả năng của một hệ thống điện có thể duy trì được mô đun điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống nằm trong một phạm vi cho phép (tuỳ vào tính chất mỗi nút mà cho phép điện áp dao động trong những phạm vi khác nhau) ở điều kiện vận hành bình thường hoặc sau khi trải qua các kích động
Hệ thống chuyển sang trạng thái không ổn định khi xuất hiện các kích động (như ngắn mạch, tăng tải đột ngột hay sự cố mất các đường dây tải điện, máy phát điện …)
có thể làm cho quá trình suy giảm điện áp xảy ra và nặng nề nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển điện áp, gây ra sụp đổ điện áp Yếu tố chính gây ra mất ổn định điện áp là do hệ thống không có khả năng đáp ứng và điều khiển nhu cầu công suất phản kháng trong mạng
Mất ổn định điện áp dẫn đến sụp đổ điện áp là sự cố nghiêm trọng trong vận hành
hệ thống điện, có thể làm mất điện trên một vùng hay trên cả diện rộng, gây thiệt hại rất lớn về kinh tế, chính trị, xã hội Ở Việt Nam cũng đã xảy ra các sự cố mất điện trên diện rộng có các nguyên nhân từ sụp đổ điện áp như ngày 22/5/2013
Hình 1 Biến thiên dòng và áp tại lúc 13h51’53’’ sự cố ngày 22/5/2013
Trang 3II Giới thiệu sơ lược về lưới điện truyền tải quốc gia Việt Nam
1 Sơ lược lưới điện truyền tải Việt Nam:
Lưới điện truyền tải Việt Nam bắt đầu được xây dựng từ những năm 1960 Sau hơn nửa thế kỷ hình thành và phát triển, đến nay lưới điện truyền tải đã phát triển triển với hàng vạn kilomet đường dây và hàng trăm trạm biến áp
Ngày 27/05/1994, công trình đường dây truyền tải điện năng siêu cao áp 500kV đầu tiên tại Việt Nam chính thức được đưa vào vận hành với tổng chiều dài 1.487 km kéo dài từ Hòa Bình đến Thành phố Hồ Chí Minh
Tính đến hêt năm 2012, lưới điện truyền tải bao gồm 15.600MVA dung lượng máy biến áp 500kV, 26.226MVA dung lượng máy biến áp 220kV, 3.246MVA dung lượng MBA 110KV, 4.848km đường dây 500kV và 11.313km đường dây 220kV Công nghệ đường dây nhiều mạch, nhiều cấp điện áp, cáp ngầm cao áp 220kV, trạm GIS 220kV, thiết bị SVC 220kV, tụ bù dọc 500kV
Nói chung, lưới điện truyền tải Việt Nam được đầu tư qua nhiều giai đoạn, từ nhiều nguồn vốn khác nhau Các đường dây dài, truyền tải với công suất lớn Chiều công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào từng mùa do phân bố nhà máy phát điện sử dụng nguồn nhiên liệu khác nhau ở từng miến (miền Bắc: Nguồn thủy điện lớn, nhiệt điện, miền trung chủy yếu là thủy điện, miền Nam: chủ yếu là nhiệt điện)
2 Sơ lược hệ thống điện miền Nam:
Hệ thống điện miền Nam gồm 15 nhà máy với 43 tổ máy, 4.000 km đường dây 110kV, 153 trạm biến áp 110kV, dung lượng 8.977MVA, lưới trung thế gồm hơn 57.500 km đường dây, khoảng gần 125.000 trạm phân phối với tổng công suất 7.300
MW, đáp ứng khoảng 60.70% nhu cầu cả miền Nam
III Phân tích sự cố tan rã hệ thống điện miền Nam ngày 22/5/2013
1 Diễn biến sự cố:
1.1- Tại miền Nam Việt Nam:
Sự cố mất điện ngày 22/5/ 2013: Lúc 14h19 đã xảy ra sự cố, theo nhận định là do cây chạm vào đường dây tại khoảng cột 1072 -1073 gần trạm biến áp Tân Định trên đường dây 500kV Di Linh - Tân Định
Sự cố đường dây 500kV trong lúc truyền tải công suất cao làm mất liên kết hệ thống điện 500kV Bắc - Nam, làm tất cả các tổ máy phát điện trong hệ thống miền Nam tách ra khỏi hệ thống điện quốc gia, dẫn tới mất điện 22 tỉnh phía Nam Việt Nam với tổng lượng công suất bị mất khoảng 9.400MW
Trang 4Vùng bị ảnh hưởng bởi sự cố mất điện ngày 22/5/2013
Hình 2: Bản đồ vùng bị ảnh hưởng bởi sự cố mất điện ở Việt Nam
Đến 15 giờ 54’, Tập đoàn Điện lực Việt Nam đã đưa vào vận hành trở lại đường dây 500 kV Bắc - Nam và đến 22 giờ 40’, Tập đoàn Điện lực Việt Nam đã khôi phục lại toàn bộ hệ thống điện của miền Nam
1.2- Tại Campuchia:
Điện bị mất lúc 2 giờ chiều phần lớn Phnôm Pênh đến tối mới có điện trở lại
2 Nguyên nhân:
Nguyên nhân của sự cố là do một chiếc xe cẩu, cẩu cây gỗ dầu vướng vào đường dây dây tải điện 500kV ở khoảng trụ 1072-1073 gần trạm biến áp 500kV Tân Định, trong lúc đường dây này đang truyền tải công suất cao làm mất liên kết hệ thống điện 500kV Bắc - Nam, gây nhảy máy cắt tất cả các tổ máy phát điện trong hệ thống điện miền Nam và dẫn tới mất điện toàn bộ khu vực với tổng công suất khoảng 9.400MW
3 Ảnh hưởng:
Sự cố trên làm 15 nhà máy điện với 43 tổ máy phải tách ra khỏi lưới điện, tổng thời gian khôi phục dài 8 tiếng Hậu quả của vụ việc được đánh giá là rất nghiêm trọng
Thiệt hại kinh tế ước tính 14 tỷ đồng
4 Cơ chế xảy ra sự cố tan rã hệ thống điện:
Các cơ chế xảy ra sự cố mất điện trên diện rộng rất khác nhau từ hệ thống đơn lẻ đến hệ thống liên kết Tuy nhiên tất cả các sự cố trên đều có một quá trình chung đó là
hệ thống điện đi từ trạng thái vận hành bình thường ổn định đến mất ổn định và cuối
Trang 5cùng là chia tách, sụp đổ thành các hệ thống riêng biệt Cơ chế chung đó chính là sự mất ổn định của hệ thống điện và được thể hiện trên hình 3.
Ban đầu, hệ thống điện đang được vận hành ở những điều kiện bất lợi, khá gần với giới hạn ổn định Ví dụ: mất một số tổ máy/nhà máy điện, một số đường dây tải điện do sự cố hay bảo dưỡng trong khi đó nhu cầu phụ tải lại đang rất lớn hay tăng lên
do những điều kiện bất thường của thời tiết Hơn nữa, vùng trung tâm phụ tải lại ở xa vùng phát, làm tăng tổn thất truyền tải cả công suất tác dụng và phản kháng, hoặc không có đủ công suất dự phòng Những điều kiện bất lợi đó làm cho điện áp ở một số nút bị giảm thấp
Những điều kiện bất lợi này có thể phải tiếp tục chịu một hoặc một số sự cố cực
kỳ nguy kịch do việc mất thêm thiết bị như là mất đường dây, máy phát quan trọng, làm phá vỡ tiêu chuẩn an ninh (N-1 hay N-m (m≥2)) Làm phát sinh các vấn đề ổn định hệ thống điện như mất ổn định điện áp/tần số/ góc pha, làm quá tải các thiết bị còn lại, điện áp giảm thấp tại một số nút, mất đồng bộ giữa các máy phát điện Việc mất cân bằng công suất phát/tải làm nảy sinh sự sụp đổ về tần số và gây mất đồng bộ
hệ thống
Việc thiếu các biện pháp ngăn chặn kịp thời của các trung tâm điều độ hệ thống, lỗi vận hành của con người, sự tác động sai của thiết bị bảo vệ, hay hư hỏng ẩn trong các hệ thống giám sát, điều khiển làm cho tình hình trở lên nghiêm trọng hơn
Sự tác động của máy biến áp điều áp dưới tải, hay các máy phát đã đạt đến giới hạn công suất tác dụng/phản kháng, làm cho hệ thống điện mất khả năng điều khiển điện áp, công suất của các tụ bù bị giảm đi theo bình phương của mức độ giảm điện áp tại các nút đặt tụ bù Kết quả là điện áp tiếp tục giảm thấp, dẫn đến sụp đổ điện áp và tan rã hệ thống
Việc thiếu mô men cản các dao động hay quá trình quá độ dẫn đến các máy phát điện bị mất đồng bộ, các hệ thống bảo vệ chống mất đồng bộ tác động cắt các máy phát này ra khỏi hệ thống điện, làm cho sự mất cân bằng phát/tải tăng lên mạnh hơn nữa, dẫn đến việc cắt hàng loạt các thiết bị khác và cuối cùng là làm sụp đổ hoàn toàn
hệ thống
Trang 6Hình 3 Cơ chế xảy ra sự cố mất điện trên diện rộng (tan rã HTĐ)
5 Các nguyên nhân tan rã lưới điện
5.1- Hệ thống điện khi chưa có sự cố xảy ra:
Tổn thất c/s
tăng mạnh ULTC đạt đến nấc cao nhất
Thiếu công suất tác dụng và phản kháng dự trữ
Máy phát/bù đạt đến giới hạn phát c/s phản kháng
Nặng tải và điện áp thấp ở một số nút trong HTĐ
HỆ THỐNG ĐIỆN
Bắt nguồn bởi một sự cố rất nguy hiểm:
Mất một đường dây 500kV (trong hai mạch)
Giảm từ từ điện
áp tại các nút Quá tải các thiết bị khác
Vấn đề đồng bộ hóa HTĐ
Điều kiện thời tiết bất
thường dẫn đến hay
tải tăng đột ngột
Mất một số máy phát, đường dây, tụ
bù, máy bù …
Vùng phụ tải ở xa vùng phát điện, đường dây truyền tải
dài
Cắt các thiết bị quá tải khác trong HTĐ
Sự cắt nhanh các đường dây, máy phát và thiết bị điện trong HTĐ
Thiếu mô men cản dao động
Mất ổn định tần số
Tan rã hệ thống điện
Trang 7Hệ thống điện khu vực miền Nam Việt Nam được liên kết bởi các nhà máy điện
và đường dây 500kV:
- Tại miền Nam hiện nay có 15 nhà máy phát điện tại chỗ, với tổng công suất đặt gần 11.000MW, trong đó thuỷ điện hơn 2.400MW, nhiệt điện (chủ yếu tua bin khí) hơn 8.500MW
- Đường dây liên kết Pleiku - Di Linh - Tân Định mang tải vào khoảng 750MVA + Trạm biến áp Pleiku có 3 MBA tổng dung lượng 3x450MVA có 4 xuất tuyến: XT1 đi TBA Dốc Sỏi, XT2 đi TBA Đà Nẵng, XT3 đi TBA Đăk Nông và XT3 đi TBA
Di Linh (02 XT đang ĐTXD đi Mỹ Phước - Cầu Bông)
+ Trạm biến áp Di Linh có 1 MBA tổng dung lượng là 1x450MVA có 2 xuất tuyến: XT1 đi TBA Pleiku, XT2 đi TBA Tân Định
Trang 8+ Trạm biến áp Tân Định có 03 MBA tổng dung lượng là 2x450MVA và 01x600MVA có 2 xuất tuyến: XT1 đi TBA Di Linh và XT2 đi TBA Phú Lâm
- Đường dây Pleiku – Đăk Nông - Phú Lâm đang mang tải với mỗi mạch khoảng 750MW
+ Trạm biến áp Đăk Nông có 02 MBA tổng dung lượng 1x450MVA và 1x600MVA có 02 xuất tuyến: XT1 đi TBA Pleiku và XT2 đi TBA Phú Lâm
Trang 9+ Trạm biến áp Phú Lâm có 02 MBA với tổng dung lượng là 2x900MVA có 3 xuất tuyến: XT1 đi TBA Tân Định, XT2 đi TBA Đăk Nông và XT3 đi TBA Nhà Bè (01
XT đang được ĐTXD đi TBA Ô Môn)
Trang 105.2- Hệ thống khi có sự cố xảy ra:
Khi sự cố xảy ra trên đường dây Di Linh – Tân Định sự tác động của rơ le bảo vệ máy cắt nhảy gây chia cắt 2 vùng Di Linh và Tân Định lúc này các thông số về công suất tác dụng, công suất phản kháng, dòng điện, điện áp thay đổi và được mô phỏng bằng hình ảnh quá trình xảy ra sự cố như hình vẽ dưới đây:
Hình vẽ 4: Các thông số về công suất, điện áp, dòng điện
tại đường dây Đắk Nông - Phú Lâm
Hình vẽ 5: Các thông số về công suất, điện áp, dòng điện
tại đường dây Đắk Nông – Pleiku
Trang 11Hình vẽ 6: Điện áp tại trạm Tân Định
Lúc 14h19 đã xảy ra sự cố trên đường dây 500kV Di Linh-Tân Định các bảo vệ tác động cắt đường dây Di Linh-Tân Định khi mạch này đang tải công suất rất lớn 750MW từ trạm biến áp 500kV Di Linh về trạm biến áp 500kV Tân Định gần với công suất truyền tải giới hạn là 1000MW
Sau khi đường dây Di Linh-Tân Định bị cắt ra, toàn bộ công suất truyền tải từ đường dây Di Linh-Tân Định chuyển sang đường dây 500kV Đắk Nông-Phú Lâm lúc này đang mang tải 750MW chuyển sang mang tải 1.500MW vượt giới hạn công suất truyền tải của đường dây Phú Lâm, công suất truyền tải trên đường dây Pleiku-Đăk Nông cũng tăng quá giới hạn truyền tải 1000MW
Do các đường dây liên kết giữa miền Bắc và miền Nam đều đang tải công suất vượt quá giới hạn truyền tải dẫn đến tổn thất điện áp, công suất trên các đường dây tăng, điện áp tại các trạm biến áp 500kV giảm thấp
Điện áp phía 500KV của trạm biến áp 500kV Phú Lâm chỉ còn 370kV kéo theo
sự suy giảm điện áp trên toàn bộ các nút lân cận khác và tiếp theo hiện tượng này sẽ lan truyền trên toàn HTĐ miền Nam và ảnh hưởng đến các các nhà máy điện ở miền Nam đang phát với công suất 7.900MW Do đó, một số máy phát mất tính đồng bộ và
bị ngắt khỏi mạng do sự tác động của các bảo vệ mất đồng bộ Đường dây 500kV Đắc Nông-Phú Lâm càng thêm quá tải và bảo vệ rơ le cắt máy cắt tại trạm Đắc Nông Lúc này hệ thống điện Bắc-Nam bị mất liên kết
HTĐ miền Nam lại càng thiếu nguồn, điện áp càng giảm thấp, hệ thống bảo vệ cắt các nhà máy ra khỏi hệ thống, các miến tải, nguồn bị chia ra thành các đảo độc lập
Trang 12rotor (mất đồng bộ giữa các nhà máy), mất ổn định tần số, mất ổn định điện áp đã làm cho các thông số trạng thái hoặc vật lý của hệ thống nằm ngoài khoảng cách cho phép Lúc đó các thiết bị điều khiển tự động thường không đủ hoặc không kịp khôi phục lại trạng thái cân bằng mới Các thiết bị bảo vệ sẽ lần lượt tách các phần tử nằm ngoài giới hạn chịu đựng của thiết bị làm mất liên kết đường dây, máy phát điện liên tục cho đến khi phân chia hoàn toàn thành các vùng, khu vực cách ly nhau
Sự cố tan rã hệ thống điện là sự mất cân bằng giữa khả năng phát của nguồn và nhu cầu phụ tải, dẫn đến sự phá vỡ cân bằng vật lý như cơ-điện, điện tử, cộng với sự tác động của các thiết bị điều khiển, bảo vệ rơ le làm cho hệ thống bị chia tách, cuối cùng là tan rã
Qua những phân tích, đánh giá trên có thể nhận thấy rằng:
Sự cố trên xảy ra vào thời điểm mùa khô công suất phát của các nhà máy thủy điện tại miền Nam giảm mạnh, chỉ còn khoảng 50% công suất đặt, và các nhà máy này hiện chưa bố trí công suất dự phòng khi xảy ra sự cố, vì vậy tổng công suất cấp điện cho phụ tải còn 11.200MW với lượng công suất này đảm bảo thỏa mãn nhu cầu phụ tải cho hệ thống điện tại miền Nam là 9.400MW, với lượng công suất dự trữ lên tới gần 2.000MW Với lượng dự trữ này, nếu bố trí khoảng 1.000MW dự phòng nóng tại các nhà máy điện thì khi xảy ra sự cố mất điện đường dây 500kV Di Linh - Tân Định đang mang tải hơn 750MW lượng công suất dự phòng nóng sẽ nhanh chóng bù đắp lượng thiếu hụt này và sự cố rã lưới hệ thống điện miền Nam sẽ được hạn chế
Việt Nam là nước đang phát triển, lưới điện trải dài, phân bố phát triển không đồng đều giữa các miền Để đảm bảo đủ nguồn điện, cần phải quy hoạch phát triển các nguồn điện gần nguồn nguyên liệu như thủy điện, khí, than Bên cạnh đó, để giảm bớt lượng công suất truyền tải thì cần quy hoạch các nguồn điện gần trung tâm phụ tải, nhất là việc xây dựng các nhà máy nhiệt điện chạy than
Một xu hướng tất yếu của sự phát triển hệ thống là phải sử dụng các nguồn phân tán và năng lượng tái tạo như thủy điện nhỏ, gió, mặt trời, khi phụ tải còn chưa phát triển, hệ thống điện 500kV đóng vai trò là hệ thống liên kết nhưng ngày nay khi phụ tải tăng cao, lưới điện 500kV lại đóng vai trò như lưới điện truyền tải, do đó sẽ ngày càng quá tải
Việc tất cả các nhà máy lớn liên kết vào hệ thống 500kV làm cho hệ thống bị quá tải sẽ dẫn đến dòng sự cố lớn Vì thế, việc quy hoạch lại nguồn, lưới điện để trả lại vai trò là lưới liên kết hệ thống giữa các miền Bắc-Trung, Trung-Nam là hết sức cấp thiết Điều quan trọng là cần phải nâng cao khả năng truyền tải của các lưới điện 220kV hiện
có bằng việc phân pha dây dẫn, lắp đặt thêm thiết bị bù, đặc biệt là bù dọc cũng như cân nhắc các yếu tố sử dụng các thiết bị bù hiện đại như SCV, TCSC hoặc HVDC Phát triển hệ thống phân phối theo hướng thông minh, tiết kiệm năng lượng, tận dụng tối đa nguồn năng lượng tái tạo, phân tán Ứng dụng ngày càng nhiều hệ thống thông tin-truyền thông trong quản lý, vận hành, điều khiển lưới điện phân phối, phát triển hệ thống điện theo chiều sâu bảo đảm cung cấp điện năng đầy đủ, ổn định và chất lượng cho phát triển kinh tế - xã hội của đất nước
