bảo vệ trạm biến áp trên cơ sở giảm rủi ro hư hỏng do sét

DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.3 Sơ đồ mạch đường dây và trạm biến áp dùng trong nghiên cứu Hình 1.5 Điện áp trên trên đường dây được bảo vệ bởi chống sét van theo Hình 1.6 Quá áp cực

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP TRÊN CƠ SỞ GIẢM RỦI RO HƯ HỎNG DO SÉT

MÃ SỐ: T2011 - 01TĐ

S 0 9

S KC 0 0 3 6 5 6

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP TRÊN CƠ SỞ GIẢM

RỦI RO HƯ HỎNG DO SÉT

Mã số: T2011-01TĐ

Chủ nhiệm đề tài: PGS-TS Quyền Huy Ánh

Thành viên đề tài: KS Nguyễn Mạnh Hùng

TP HCM, 11/2011

2> KS Nguyễn Mạnh Hùng

Trang bìa phụ i

Danh sách những thành viên tham gia NCĐT và đơn vị phối hợp chính ii

Mục lục iii

Danh mục bảng biểu 1

Danh mục các chữ viết tắt 2

Danh mục hình vẽ 3

Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Việt và tiếng Anh 6

MỞ ĐẦU 10

0.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 10

0.2 Tính cấp thiết của đề tài 10

0.3 Mục tiêu của đề tài 11

0.4 Cách tiếp cận 11

0.5 Phương pháp nghiên cứu 11

0.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

0.7 Nội dung nghiên cứu 12

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 13

1.1 Lý do chọn đề tài 13

1.2 Các phương pháp chọn vị trí chống sét van 16

1.2.1 Phương pháp xác định vị trí chống sét van dựa trên mô hình Petersen 16

1.2.2 Phương pháp D.Fulchiron 16

1.2.3 Phương pháp Benoît de Metz-Noblat 17

1.2.4 Phương pháp ABB 21

1.2.4.1 Trạm biến áp kết nối với đường dây trên không 21

1.2.4.2 Trạm biến áp kết nối với cáp ngầm 23

1.3 Các nghiên cứu vị trí lắp đặt chống sét van 26

1.4 Mục tiêu đề tài 29

1.5 Điểm mới của đề tài 29

1.6 Nội dung đề tài 29

CHƯƠNG II: CƠ SỞ TÍNH TOÁN 30

2.1 Rủi ro hư hỏng 30

2.2 Logic mờ 35

2.3 Mô phỏng bằng simpowersystem 37

CHƯƠNG III: CẤU HÌNH MẠNG ĐIỆN 39

3.1 Cấu hình trạm biến áp 39

3.1.1 Cấu hình trạm một máy biến áp 39

3.1.2 Cấu hình trạm hai máy biến áp 40

3.2 Mô hình các phần tử của mạng 40

3.2.1 Mô hình đường dây 40

3.2.1.1 Mô hình hình pi 40

3.2.1.2 Mô hình tổng trở đặc tính 42

3.2.2 Mô hình chống sét van 43

3.2.3 Mô hình nguồn xung 45

3.3 Mô hình mạng điện cần mô phỏng 46

CHƯƠNG IV: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN 49

4.1 Đặc tính ngẫu nhiên của xung sét 49

4.2 Tiêu chí bảo vệ 50

4.2.1 Bảo vệ dựa trên chỉ số rủi ro trung bình bé nhất 51

4.2.2 Bảo vệ dựa trên tiêu chí rủi ro hư hỏng cho phép 51

4.3 Sơ đồ khối chương trình 52

4.3.1 Chương trình tính toán theo chỉ tiêu rủi ro trung bình thấp nhất 52

4.3.2 Chương trình tính toán theo rủi ro cho phép 57

4.4 Chương trình tính toán hỗ trợ 61

4.4.1 Giao diện chương trình 61

4.4.2 Kết quả tính toán 64

4.4.2.1 Kết quả tính toán cho cấu hình trạm một máy biến áp 64

4.4.2.2 Kết quả tính toán cho cấu hỉnh trạm hai máy biến áp 65

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC ……… 70

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.2 Mức cách điện cơ bản (BIL) và mức điện áp bảo vệ của

chống sét van (Up) hiện đại với Up = 4.pu ……… 23

Bảng 1.3 Độ dốc và giá trị điện áp phóng điện của cách điện đường dây

Bảng 1.5 Khoảng cách phân cách tối đa cho phép chống sét giữa cáp và

máy biến áp ở Hình 2.8 với b = 0 Hai chống sét van nối hai

đầu cáp, tại MBA không có chống sét van……… 25

Bảng 4.3 : Luật mờ của bộ ra quyết định mờ xác định vị trí lắp đặt chống

KÝ TỰ VIẾT TẮT

BIL: Basic Insulation Level

MOV: Metal Oxide Varistor

AI: Artificial Intelligence

FDCL: Fuzzy Dependency and Command Language

MIQ: Machine Intelligence quotient

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.3 Sơ đồ mạch (đường dây và trạm biến áp) dùng trong nghiên cứu

Hình 1.5 Điện áp trên trên đường dây được bảo vệ bởi chống sét van theo

Hình 1.6 Quá áp cực đại tại đầu cực máy biến áp (B) theo thời gian 

Hình 1.9 Xác định vị trí chống sét van dựa trên đánh giá thời gian giữa hai

Hình 2.1: Dạng sóng hàm mật độ xác suất xuất hiện quá áp, hàm xác suất

Hình 2.4: Đặc tuyến của hàm xác suất phóng điện đánh thủng P(V) theo số

Hình 3.2: Cấu hình trạm hai máy biến áp 40

Hình 3.12 Mô hình trạm hai máy biến áp khi chống sét van nằm trên

Hình 4.1: Xác suất xuất hiện một xung sét có đại lượng ngẫu nhiên lớn hơn

Hình 4.3: Lưu đồ tính toán bảo vệ theo rủi ro trung bình cho cấu hinh một

Hình 4.6 Sơ đồ khối chương trình máy tính xác định vị trí lắp đặt chống sét

Hình 4.8:Cấu tạo bộ quyết định mờ xác định vị trí chống sét van 59

Hình 4.9: Các biến ngôn ngữ của ngõ vào sai số rủi ro hư hỏng ở lần lặp

Hình 4.14 Giao diện chương trình tính toán vị trí chống sét van cho cấu

Hình 4.15 Rủi ro hư hỏng tại máy biến áp và tại điểm nối giữa đường dây

Hình 4.16 Rủi ro hư hỏng tại các vị trí khi sử dụng một chống sét van bảo

Hình 4.17 Rủi ro hư hỏng tại các vị trí khi sử dụng hai chống sét van bảo

THÔNG TIN- KẾT QUẢ

1 Thông tin chung:

Tên đề tài: Xác định vị trí chống sét van bằng cách đánh giá rủi ro hư hỏng

Mã số: T2011-

Chủ nhiệm đề tài: PGS-TS Quyền Huy Ánh

Cơ quan chủ trì: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh

Thời gian thực hiện: T11-2010  T11 2011

2 Mục tiêu:

1 Nghiên cứu mô hình đường dây trên không và cáp ngầm

2 Nghiên cứ mô hình chống sét van

3 Nghiên cứu các phương pháp xác định rủi ro hư hỏng dựa trên phân phối quá áp

4 Nghiên cứu các phương pháp truyền thống xác định vị trí chống sét van bảo vệ máy biến áp phân phối

5 Nghiên cứu phương pháp hiện đại xác định chống sét van bảo vệ máy biến áp phân phối có xét đến vận tốc truyền sóng, các đặc tuyến bảo vệ của chống sét van … nhằm bảo vệ không chỉ máy biến áp mà còn các thiết bị khác

3 Tính mới và sáng tạo:

Đề tài đề xuất phương pháp đánh giá mới để thực hiện việc bảo vệ dựa trên đánh giá rủi ro hư hỏng tại các vị trí quan trọng trong mạng điện với các cấu hình khác nhau trong đó có tính đến điện dung, điện kháng của đường dây, các đặc tính ngẫu nhiên của xung sét bao gồm biên độ đỉnh sóng và độ dốc đầu sóng Chương trình FUPOSA giúp người sử dụng dễ dàng xác định vị trí lắp đặt chống sét van dựa theo tiêu chí rủi ro hư hỏng trung bình bé nhất và theo rủi ro hư hỏng cho phép

4 Kết quả nghiên cứu:

 Đề xuất phương pháp cải tiến xác định vị trí lắp đặt hợp lý của chống sét van bảo vệ trạm biến áp phân phối với các cấu hình khác nhau bằng cách đánh giá rủi ro

hư hỏng của các vị trí quan trọng trong trạm kết hợp kỹ thuật logic mờ có xét tới các yếu tố như điện kháng và điện dung của dây dẫn và phân phối thống kê của các thông số ngẫu nhiên của xung sét

 Chương trình FUPOSA giúp người sử dụng thuận tiện trong việc xác định khoảng cách phân cách hợp lý, và số lượng chống sét van cần thiết để rủi ro hư hỏng tại các vị trí nhỏ hơn rủi ro hư hỏng cho phép

5 Sản phẩm:

Chương trình xác định vị trí lắp đặt chống sét van trên cơ sở đánh giá rủi ro hư hỏng

có xét tới điện cảm, điện kháng của đường dây và phân phối xác suất của độ dốc đầu sóng và biên độ đỉnh sóng

Tài liệu hướng dẫn sử dụng chương trình

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Công bố 1 bài báo trên tạp chí chuyên ngành

- Đào tạo 1 thạc sỹ ngành “ Mạng, thiết bị và nhà máy điện”

- Làm cơ sở cho các nhà nghiên cứu và các sinh viên sau đại học

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

Coordinator: assosiate professor Quyền Huy Ánh

Implementing institution : University of Technical Education Ho Chi Minh city

Duration: from Nov, 2010 to Nov, 2011

2 Objective

1 Research overhed transmission line and caple model

2 Research arrester model

3 Research methods to determine risk of failure base on over voltage distribution

4 Research traditional menthods to determine position of of arrester in distribution subtation

5 Research model menthods to determine position of arresters include effects of characterictis of arrester and lightning velocity to protect transfomer and other devices

3 Creativeness and innovativeness

This research proposes a new evaluating method for the protection based on the analysis of the damage in some important positions in the network with different configurations including up to capacitance, line resistance, the random characteristics of lightning impulse waves including peak amplitude and front-wave slope FUPOSA program enables users to easily locate the position to install arresters based on criteria of minimizing the average risk of damage and risk for

4 Research result

 Suggesting a new method to determine suitable positions of arresters to protect distribution transformers with various structures by evaluating the risk of failure at some important positions in the subtration, together with fuzzy logic technique which electrical impedance and capacitance of the line are included

 FUPOSA program which helps user to determine seperated distances and the number of arresters esily to reach the condition that risk of failures in all nodes are in acceptable limitation

5 Product

 Computer program to determine the position of arresters base on evaluating the risk of which inductance and impedance of the line are included, as well

as probability distribution of the front-wave slope and peak amplitude

 Document for using the program

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability :

 Announcement of an article in the journal

 Training a master's degree in "Networks, devices and power plants"

 As a basis for researchers and graduated students

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

có thể gây nguy hiểm cho cách điện của trạm, vì biên độ quá áp thường lớn hơn mức cách điện xung của trạm

Đối với trạm phân phối, biện pháp chủ yếu để bảo vệ trạm chống xung sét lan truyền từ đường dây vào trạm là sử dụng chống sét van Trong đó, khoảng cách giữa chống sét van và đầu cực cao thế của máy biến áp là hết sức quan trọng Nếu chống sét van đặt tại đầu cực máy biến áp thì thì máy biến áp được bảo vệ an toàn nhất, nhưng chống sét van còn phải bảo vệ cho toàn bộ cách điện của trạm, cho nên trong trường hợp tổng quát này giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp cần có một khoảng cách phân cách

Hiện nay, các nghiên cứu ngoài nước và trong nước trong việc đề ra phương pháp xác định vị trí chống sét van ở trạm phân phối thường được theo một số giả thiết như tốc độ truyền sóng trên đường dây không đổi, bỏ qua ảnh hưởng của điện dung và điện cảm khi tính toán điện áp cực đại xuất hiện tại các vị trí trong trạm

Vì vậy cần có một phương pháp mới khắc phục các nhược điểm của các phương pháp đã tồn tại

b TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Tại Việt Nam, năm 2004 lưới phân phối của Việt Nam có tổng chiều dài khoảng 115.308km và có nhiều trạm biến áp trên lưới phân phối với tổng dung lượng lên đến 28.604MVA Do nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng cao (khoảng 15%/năm) Điều này khiến chiều dài lưới phân phối và số luợng các trạm biến áp phân phối

cho việc phát triển dông sét vì vậy việc trải trên diện rộng lưới phân phối và trạm biến áp luôn là đối tượng bị sét đánh trực tiếp hay nhiễm sét cảm ứng Điều này, dẫn đến quá áp trên lưới phân phối làm hư hỏng cách điện đường dây và đặc biệt là

hư hỏng cách điện máy biến áp phân phối dẫn đến thiệt hại lớn do ngừng cung cấp điện và phải sửa chữa, mua sắm máy biến áp vốn có trị giá cao Việc sử dụng chống sét van bảo vệ quá áp máy biến áp phân phối đã được áp dụng từ lâu Tuy nhiên các nghiên cứu trước đây chỉ nhằm mục đích bảo vệ chống phá hỏng cách điện máy biến áp khi xuất hiện quá áp trên lưới phân phối mà chưa tính đến các yếu tố ảnh hưởng như mức độ hoạt động dông sét trong khu vực đặt máy biến áp, điện trở nối đất trạm biến áp, các đối tượng che chắn,… Đề tài nghiên cứu này đề xuất phương pháp hiện đại xác định vị trí tối ưu lắp đặt chống sét van bảo vệ máy biến áp phân phối có xét đến các các yếu tố ảnh hưởng thực tế nhằm đạt được tuổi thọ kỳ vọng của máy biến áp và giảm rủi ro do sét ở mức thấp nhất

c MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

2 Nghiên cứu mô hình đường dây trên không và cáp ngầm

3 Nghiên cứ mô hình chống sét van

4 Nghiên cứu các phương pháp xác định rủi ro hư hỏng dựa trên phân phối quá

áp

5 Nghiên cứu các phương pháp truyền thống xác định vị trí chống sét van bảo

vệ máy biến áp phân phối

6 Nghiên cứu phương pháp hiện đại xác định chống sét van bảo vệ máy biến

áp phân phối có xét đến vận tốc truyền sóng, các đặc tuyến bảo vệ của chống sét van … nhằm bảo vệ không chỉ máy biến áp mà còn các thiết bị khác

0.4 CÁCH TIẾP CẬN

1 Nghiên cứu các phương pháp truyền thống xác định vị trí chống sét van bảo

vệ máy biến áp phân phối, phân tích ưu nhược điểm

2 Đề xuất phương pháp sử dụng mô phỏng để tính toán rủi ro hư hỏng cho mạng điệ có tính đến các yếu tố ảnh hưởng như: phân phối xác suất của các đặc

tính ngẫu nhiên trong xung sét, điện trở, điện cảm đường dây…

0.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Tham khảo tài liệu, giải tích-tổng hợp, mô hình hóa và mô phỏng

0.6 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Xác định vị trí lắp đặt hợp lý chống sét van bảo vệ máy biến áp trong mạng phân

phối trung áp

0.7 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý luận

Chương 3: Cấu hình mạng điện

Chương 4: Chương trình tính toán

Chương 5: Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1.Lý do chọn đề tài

Sự ổn định và chất lượng của hệ thống điện là điều kiện tiên quyết cho sự phát triển của nền kinh tế và chất lượng cuộc sống của người dân Trong hệ thống điện, mọi thiết bị điện khi lắp đặt đều được dự kiến đưa vào vận hành lâu dài ở một cấp điện áp xác định và thường được lựa chọn dựa trên điện áp định mức của lưới điện

mà thiết bị đó được đấu nối vào Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, đôi lúc lại xảy

ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có thể là do các sự cố chạm đất, do thao tác, do sét…v.v Trong đó, quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi vì quá điện áp này rất lớn gây phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị

Có ba yếu tố quan trọng như nhau có liên quan đến việc bảo vệ quá áp: thiết kế tổng quan lưới điện, cấp độ cách điện xung cơ bản (BIL) của thiết bị (máy biến áp,

bộ điều áp, dàn tụ bù,.v.v.) trên lưới, thiết bị bảo vệ (chống sét van, dây chống sét) Khả năng cách điện của hệ thống cơ bản được xác định bởi đặc tính kỹ thuật của các bộ phận sử dụng (cực cách điện, dây dẫn, v.v ) cộng với cấu trúc, khoảng cách và tất cả các hệ số khác bao gồm trong việc thiết kế hệ thống Cách điện của một hệ thống phải chịu được điện áp ở tần số nguồn liên tục trong nhiều năm với nhiều điều kiện khí quyển Để đảm bảo tính hợp nhất dài hạn của hệ thống, phải thiết kế cho lưới điện chịu được điện áp cao hơn mức bình thường Tuy nhiên, về mặt kinh tế cũng khó thực hiện được lưới điện có khả năng chịu được điện áp cao như khi có quá áp quá độ

Tương tự cấp cách điện của thiết bị phân phối được thiết kế để chịu được điện

áp cao hơn bình thường Phương pháp này có hiệu quả đến một mức nào đó, nhưng

sẽ nhanh chóng đến một giai đoạn mà không thể thêm chi phí để tạo cấp cách điện BIL cao hơn được nữa vì không khả thi về kinh tế

Cấp bảo vệ quá áp cần phải bổ sung bằng cách lắp đặt thiết bị bảo vệ để giới hạn lượng điện áp mà một thiết bị (hay đoạn đường dây) phải chịu Phương pháp này còn cho phép giảm cấp độ cách điện của thiết bị, vì có thể dựa vào khả năng quá áp nhỏ hơn, và nói chung tạo ra một sơ đồ bảo vệ quá áp tiết kiệm hơn Các công ty Điện lực đương nhiên cũng áp dụng các thực tế khác nhau nhưng đều phải tính đến ba yếu tố cơ bản: phục vụ khách hàng, khả năng chịu đựng điện áp (đặc biệt là quá áp do sét) và yếu tố kinh tế

Không thể thiết kế một lưới điện có thể đáp ứng được yêu cầu là mọi quá điện

áp phải dưới mức chịu đựng của cách điện của các thiết bị, bởi vì như thế sẽ làm cho chi phí vượt quá mức Do vậy, khi thiết kế một lưới điện, cũng như tính chọn thiết bị lắp đặt trên lưới là hạn chế tối thiểu các tác hại của quá áp, quy trình này dựa trên cơ sở phối hợp các quá áp dự kiến và khả năng chịu đựng quá áp của các thiết bị Muốn đạt được điều này phải đáp ứng hai bước sau đây :

- Thiết kế lưới điện thích hợp để kiểm soát và hạn chế tối thiểu các quá áp

- Sử dụng các thiết bị bảo vệ quá áp

Tổng hợp hai bước trên được gọi là bảo vệ quá áp hay phối hợp cách điện Khi quá áp lớn quá mức sẽ dẫn đến phóng điện đánh thủng cách điện của thiết

bị, do vậy bảo vệ quá áp bao gồm: thiết kế được phối hợp lưới điện và việc lắp đặt thích hợp các thiết bị bảo vệ tại các vị trí chiến lược nhằm mục đích hạn chế quá áp

và tránh hoặc giảm thiểu các hư hỏng cách điện

Thiết kế được phối hợp bao gồm:

- Hệ thống nối đất phải đảm bảo hiệu quả

- Dùng dây, kim thu sét

- Điều khiển góc thao tác các máy cắt

- Sử dụng các tụ điện xung

Các thiết bị bảo vệ bao gồm :

Trong thực tế, ở lưới phân phối thì máy biến áp thường được bảo vệ bằng thiết

bị chống sét van Trong đó, khoảng cách giữa thiết bị chống sét van và đầu cực cao thế của máy biến áp là hết sức quan trọng Bởi vì chống sét van còn phải bảo vệ cho toàn bộ cách điện của trạm, cho nên trong trường hợp tổng quát này giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp cần có một khoảng cách phân cách

Việc tính toán lắp đặt bảo vệ cần tính đến các yếu tố ngẫu nhiên của xung sét

để đảm bảo cả tính kinh tế và kỹ thuật của luận văn Vì vậy các giải pháp thống kê cần được sử dụng để xác định các thông số ngẫu nhiên của xung sét như độ dốc đầu sóng và biên độ đỉnh sóng

Để đánh giá tính hiệu quả của bảo vệ, khoảng thời gian hư hỏng của thiết bị thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả bảo vệ Tuy nhiên trong các ngiên cứu gần đây, thông số rủi ro hư hỏng thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả bảo vệ

Để tính toán được rủi ro hư hỏng, phân phối thống kê của điện áp cực đại xuất hiện tại các vị trí quan trọng cần được tính đến Tuy nhiên hiện tại vẫn chưa có một phương trình nào mô tả chính xác quá trình quá độ xảy ra trong mạng điện nên các phương pháp trí tuệ nhân tạo sẽ phù hợp cho bài toán thiết kế

Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài “Ứng dụng logic mờ để xác định vị trí chống sét van” đi sâu vào nghiên cứu tính toán và xây dựng chương trình để xác

định vị trí đặt chống sét van cấp trung thế dạng MOV cho nhiều loại cấu hình trạm biến áp khác nhau

1.2 Các phương pháp lựa chọn vị trí chống sét van

1.2.1 Phương pháp xác định vị trí chống sét van dựa trên mô hình Petersen:

Phương pháp này giả thiết chống sét van đặt tại đầu cực máy biến áp cần bảo

vệ (Hình 1.1) Vì vậy không quan tâm đến sóng phản xạ

Hình 1.1 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét dòng qua chống sét van

Trường hợp này dòng định mức chống sét van được chọn theo điều kiện:

CSV 2.U Ut pI

Ưu điểm: Phương pháp này đơn giản

Nhược điểm: Không sử dụng được khi chống sét van không đặt tại đầu cực thiết

Xét cấu hình trạm biến áp một máy biến áp kết nối với đường dây trên không (Hình 2.2)

Hình 1.2 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét đến khoảng cách phân cách

Phương pháp này dựa trên sự chênh lệch mức cách điện xung cơ bản của máy biến áp và mức bảo vệ của chống sét van để xác định được khoảng cách phân cách tối đa D cho phép:

Kết luận: Phương pháp này có ưu điểm là có xét đến khoảng cách phân cách

cho phép giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp Tuy nhiên vẫn chưa tính đến thời gian đầu sóng và sóng phản xạ

1.2.3 Phương pháp Benoît de Metz-Noblat :

Phương pháp này có xét đến độ dốc đầu sóng (T), sóng phản xạ trong các trường hợp khác nhau Sét xung quá điện áp lan truyền theo đường dây đi vào trạm biến áp được bảo vệ bằng chống sét van (Hình 1.3)

Transformer

Arrester

D,C

Up J

SJ

Hình 1.3 Sơ đồ mạch (đường dây và trạm biến áp) dùng trong nghiên cứu

truyền sóng quá điện áp sét Những thành phần trong Hình 1.3 bao gồm:

a Đường dây: Z là tổng trở sóng đường dây, 

C là tốc độ truyền sóng trên đường dây, m/µs

D là khoảng cách giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp, m  = D/C là thời gian truyền sóng giữa hai điểm A và B

b Chống sét van: Up là mức bảo vệ của chống sét van, kV

Đặc tuyến bảo vệ phi tuyến lý tưởng

c Hệ thống nối đất: Có tổng trở gần bằng không

d Dây nối: Giữa đường dây và chống sét van, chống sét van đến đất không đáng kể

e Máy biến áp: Có tổng trở đầu vào lớn hơn nhiều so với tổng trở đường dây Z

f Sóng quá điện áp: Độ dốc đầu sóng S = du/dt; Thời gian sóng quá điện áp tăng từ

Bảng 1.1 Điện áp cực đại trên máy biến áp được bảo vệ bằng chống sét van

2

p

C.U D

T

2 U

3

p C.U

Giữa trường hợp 1 và trường hợp 2

Ở Hình 1.4 trình bày sóng tới và sóng phản xạ khi trạm biến áp có trang bị chống sét van

Hình 1.4 Sóng tới và sóng phản xạ khi trạm biến áp có chống sét van

Vị trí

D

Điện áp lớn nhất bằng 2U 0 ở thời điểm T 1

là thời điểm nguy hiểm nhất Mức bảo vệ của chống sét van U p

Điện áp U 0 là sóng tới chống sét van vào thời điểm T 0

Điện áp u là sóng phản xạ về tới chống sét van vào thời điểm T 0

(U 0 + U = U p => bắt đầu dẫn điện)

Thời điểm T0 T1

Hướng truyền sóng quá điện áp Điện áp

CSV (thiết bị bảo vệ)

MBA (thiết bị cần bảo vệ)

Quan hệ điện áp của các điểm trên đường dây được bảo vệ theo thời gian được trình bày ở Hình 1.5

Hình 1.5 Điện áp trên trên đường dây được bảo vệ bởi chống sét van theo

thời gian (trường hợp 1 và 2 ở Bảng 2.1)

Quan hệ quá điện áp cực đại trên đầu cực máy biến áp theo thời gian được trình bày ở Hình 1.6

Hình 1.6 Quá áp cực đại tại đầu cực máy biến áp (B) theo thời gian  (trường

hợp 2 ở Bảng 1.1)

Kết luận: Phương pháp này có ưu điểm là có xét đến độ dốc đầu sóng, thời gian

truyền sóng và mức bảo vệ của chống sét van khi xác định khoảng cách phân cách

D Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn một số hạn chế như: chưa tính đến tổng trở dây nối giữa chống sét van và thiết bị bảo vệ, cũng như giữa chống sét van và đất, đặc tính thực của chống sét van, cấu hình mạng điện, các phần tử mang tính dung (như máy biến áp)…

Phương pháp xác định khoảng cách phân cách đề xuất bởi ABB cũng gần như phương pháp của Benoît de Metz-Noblat Nhưng có tính đến đường dây nối giữa chống sét van với đường dây và chiều dài dây đến đầu cực máy biến áp, đồng thời cũng xét đến kiểu kết cấu trạm đường dây trên không và trạm có kết cấu đường dây cáp ngầm

1.2.4 Phương pháp ABB:

1.2.4.1 Trạm biến áp kết nối với đường dây trên không:

Xét đường dây phân phối trên không trình bày ở Hình 1.7

Ghi chú: Ut: Sóng quá áp lan truyền CSV: Chống sét van

trên đường dây, kV a, b : Chiều dài dây, m

C: Tốc độ truyền sóng, m/µs E : Cuối đường dây

S: Độ dốc đầu sóng, kV/µs UE: Quá áp tại E, kV

Hình 1.7 Quá điện áp ở cuối đường dây

Quá điện áp Ut truyền sóng vào với tốc độ C hướng theo đường dây vào đầu

cực E Tại điểm E là thiết bị điện được bảo vệ (như máy biến áp) Khi sóng truyền tới E, nó được phản xạ và điện áp tăng 2Ut Chức năng chống sét van (CSV) là bảo

vệ thiết bị điện từ lúc bắt đầu tiến tới giá trị điện áp cao không cho phép Giả sử cho rằng độ dốc đầu sóng S của sóng quá điện áp truyền vào là hằng số theo thời gian, giá trị lớn nhất UE được xác định theo biểu thức sau:

Kinh nghiệm cho rằng hệ số an toàn 1,2 là bảo vệ hiệu quả giữa BIL của thiết

bị điện và xung quá áp UE tại thiết bị điện

 

E P

2.S a bBIL U U

Nếu tổng đường dây đấu nối là a + b nhỏ hơn khoảng cách bảo vệ D của thiết

bị chống sét thì thiết bị điện được bảo vệ tại điểm E Các giá trị BIL, Up và S được ước tính trong Bảng 1.2 và Bảng 1.3

Bảng 1.2 Mức cách điện cơ bản (BIL) và mức điện áp bảo vệ của chống sét van

(Up) hiện đại với Up = 4.pu

Bảng 1.3 Độ dốc và giá trị điện áp phóng điện của cách điện đường dây trên không

1.2.4.2 Trạm biến áp kết nối với cáp ngầm:

Bảo vệ quá điện áp cho cáp

Sự khác nhau chủ yếu giữa dữ liệu điện của đường dây trên không và cáp là trở kháng xung dây dẫn với đất Giá trị cho đường dây phân phối trên không xấp xỉ

từ 300  đến 450  và cho cáp trong phạm vi từ 20  đến 60  Trước hết, sự khác nhau này gây ra sự giảm rõ rệt của quá điện áp do sét khi xung sét truyền vào cáp Xung điện áp đi vào cáp bị suy giảm và bị phản xạ tại cuối cáp làm điện áp tăng lên gấp đôi Sau đó xung truyền trở lại qua cáp và phản xạ thêm một lần nữa v.v Bằng cách này, quá điện áp trong cáp tăng đều đều mặc dù độ dốc quá điện áp trong cáp thấp hơn thực sự, trị số đỉnh này gần bằng quá điện áp do sét trên đường dây

Bảng 1.4 trình bày cách chọn chiều dài cho phép lớn nhất của đoạn cáp với một bên bảo vệ thiết bị chống sét ứng với hai loại cột (cột gỗ, xà đỡ nối đất) Trong

đó, Zk là tổng trở sóng cáp, ; chiều dài dây nối từ đầu cực chống sét van đến cáp là

Máy biến áp đặt tại cuối đoạn cáp ngầm

Đây là trường hợp thường gặp ở những khu vực đường dây trên không do địa hình không thể đấu nối trực tiếp máy biến áp, sơ đồ nguyên lý Hình 2.8

Ghi chú: F : Đường dây bị sét đánh Ut: Quá áp sét, kV

DK : Chiều dài cáp, m CSV1, CSV2: Các chống sét van

a, b: Chiều dài các dây nối, m Vk: Điện áp lớn nhất tại cuối đoạn cáp, kV MBA: Máy biến áp VT: Điện áp lớn nhất tại MBA, kV

Hình 1.8 Trạm biến áp được kết nối với cáp ngầm

Trong Hình 1.8, CSV 1 là chống sét van ở cột chuyển tiếp đường dây trên không và đoạn cáp ngầm, CSV 2 là chống sét van nối giữa đầu cuối của đoạn cáp

và máy biến áp với các khoảng cách a, b

Về nguyên tắc b càng nhỏ càng tốt, để CSV 2 bảo vệ quá áp đầu cuối của cáp Nếu b tăng thì Vk tăng rất nhanh Nếu xem điện dung của máy biến áp là 2nF (trường hợp điện dung bé hơn thì khoảng cách a tăng lên), trong đó Zk là tổng trở sóng của cáp, với khoảng cách a trong bảng thì không cần lắp đặt thêm chống sét van ở máy biến áp

Bảng 1.5 Khoảng cách phân cách tối đa cho phép chống sét giữa cáp và máy biến

áp ở Hình 2.8 với b = 0 Hai chống sét van nối hai đầu cáp, tại MBA không có chống sét van

V k

MBA S

CSV 1

C U

V T

t

Đối với trạm kết nối với đường dây trên không: có tính đến khoảng cách từ

chống sét van đến đường dây trên không (b) và khoảng cách từ điểm chung dây nối chống sét van với đường dây đến đầu cực máy biến áp (a), độ dốc sóng (S)

Đối với trạm kết nối với đường dây kết nối với cáp ngầm: có tính đến tổng trở

sóng của cáp, chiều dài cáp, quá áp đoạn cuối cáp, loại cột, phần tử mang tính dung (máy biến áp)

Tuy nhiên, phương pháp này chưa quan tấm đến hệ số che chắn, cấu hình trạm phức tạp, mật độ sét khu vực, tổng trở các dây nối của hai đầu chống sét van, độ dốc chọn lựa theo kinh nghiệm

1.3 Các nghiên cứu vị trí lắp đặt chống sét van

1.3.1 Các nghiên cứu trong nước:

Một số nghiên cức trong nước [1] xác định vị trí chống sét van nhằm đảm bảo thời gian giữa hai lần hư hỏng dựa theo các yếu tố ảnh hưởng như hệ số che chắn, mật độ sét khu vực, giá trị điện cảm của đường dây

Phương án này giả sử vận tốc truyền sóng bằng vận tốc ánh sang và tiêu chí

để đánh giá bảo vệ là khoảng thời gian giữa hai lần hư hỏng

Hình 1.9 Xác định vị trí chống sét van dựa trên đánh giá thời gian giữa hai

lần hư hỏng 1.3.2 Các nghiên cứu quốc tế:

Một số nghiên nước ngoài [4] sử dụng chỉ tiêu rủi ro hư hỏng để đánh giá bảo vệ Theo đó một hàm mục tiêu về rủi ro hư hỏng trung bình cho tất cả các vị trí quan trọng trong mạng điện được thành lập và vị trí chống sét van được chọn là vị trí làm cho giá trị trung bình đó nhỏ nhất Giải thuật tối ưu hóa vị trí chống sét van được thực hiện theo lưu đồ giải thuật ở Hình 1.10

Nhận xét: giải thuật này chỉ tìm được những cưc trị địa phương chứ không thể tìm được giá trị nhỏ nhất cho tất cả các trường hợp Vì vậy một phương pháp được đề nghị là giá trị rủi ro hư hỏng sẽ được khảo sát trên khắp đoạn cáp ngầm một cách sơ bộ để tìm vị trí có cực tiểu toàn cục, sau đó sẽ tiến hành việc hiệu chỉnh

Thời gian giữa hai lần

hư hỏng> thời gian hư hỏng cho phép???

Vị trí chống sét van

Hệ số che chắn

Mật độ sét khu vực

L đường dây

Di chuyển về hướng - Di chuyển về hướng +

Rủi ro hư hỏng tăng?

Rủi ro hư hỏng tăng?

1.4 Mục tiêu đề tài:

- Tổng quan về các phương pháp bảo vệ máy biến áp mạng phân phối

- Nghiên cứu phương pháp tính toán rủi ro hư hỏng tại các vị trí trong mạng điện sử dụng kỹ thuật logic mờ

- Xây dựng một chương trình xác định vị trí hợp lý của chống sét van

1.5 Điểm mới của đề tài

- Sử dụng thông số đánh giá mới là rủi ro hư hỏng để tính toán vị trí đặt chống sét van trong trạm biến áp bằng các tiêu chí:

 Rủi ro hư hỏng trung bình là nhỏ nhất

 Rủi ro tại mọi nút đều nhỏ hơn rủi ro cho phép

- Áp dụng kỹ thuật mô phỏng để xác định điện áp lớn nhất tại các vị trí trong trạm

Nếu xuất hiện nhiều hơn một xung sét tại một thời điểm nào đó, rủi ro hư hỏng chung của một pha có thể được tính toán từ rủi ro hư hỏng của mọi đỉnh theo công thức:

1

n

i i



Ở đây: Ri là rủi ro hư hỏng của xung sét thứ i tạo ra

Nếu phân phối quá áp được tính toán dựa trên điện áp giữa các pha, và cách điện giữa các pha là như nhau, thì rui ro hư hỏng chung sẽ được tính theo công thức:

total

Việc tính tích phân một bất định của hàm số rủi ro hư hỏng như trên là không thể thực hiện với một hàm phức tạp

Tuy nhiên từ số liệu thí nghiệm thực tế thì:

 V50-σ và V50 +σ bao gồm 76% toàn bộ các lần phóng điện

 V50-2σ và V50 +2σ bao gồm 95% toàn bộ các lần phóng điện

 V50-3σ và V50 +3σ bao gồm 96.6% toàn bộ các lần phóng điện

Như vậy phép tính rủi ro hư hỏng có thể tính gần đúng bằng công thức

𝑅 = 𝑉50 +3𝜎𝑃 𝑉 𝑓 𝑉 𝑑𝑉

Giá trị của rủi ro hư hỏng là phần diện tích tạo bởi trục hoàng và hàm số

Y= 𝑃 𝑉 𝑓 𝑉 Để tính giá trị rủi ro hư hỏng với một sai số (er) cho trước, một

kỹ thuật lặp được thể hiện như trong Hình 2.2

n=n+10 V=(V50-3σ)+i*dV