Nghiên cứu giải pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch và áp dụng cho lưới điện truyền tải việt nam giai đoạn 2015 – 2020

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài nghiên cứu một cách tổng hợp các giải pháp có thể áp dụng để hạn chế dòng điện ngắn mạch xảy ra trong hệ thống điện, qua đó đánh giá k

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- PHẠM VĂN CƯỜNG

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG ĐIỆN

NGẮN MẠCH VÀ ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI VIỆT NAM

GIAI ĐOẠN 2015 - 2020

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN - HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

T.S ĐINH QUANG HUY

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

1 CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 3

1.1 Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài 3

1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 4

1.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 4

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5

1.5 Tên đề tài 5

1.6 Cấu trúc của luận văn 5

2 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM VÀ VẤN ĐỀ DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH 6

2.1 Hiện trạng HTĐ Việt Nam 6

2.2 Quy hoạch phát triển HTĐ Việt Nam giai đoạn 2015-2020 11

2.3 Những vấn đề đối với dòng ngắn mạch lưới điện truyền tải Việt Nam 15

3 CHƯƠNG III: CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH 24

3.1 Các vấn đề về dòng điện ngắn mạch 24

3.2 Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu 28

3.3 Các giải pháp đã được áp dụng và ưu, nhược điểm 30

3.4 Một số giải pháp tiêu biểu đã được áp dụng trên thế giới 52

3.5 Công cụ tính toán 70

4 CHƯƠNG IV: GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG NGẮN MẠCH TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI VIỆT NAM 72

4.1 Đánh giá tính khả thi của các giải pháp đối với HTĐ Việt Nam 72

4.2 Giải pháp thay đổi cấu hình lưới điện 76

4.3 Giải pháp lắp đặt kháng điện hạn chế dòng ngắn mạch 79

4.4 Tính toán dòng ngắn mạch đối với lưới truyền tải điện Việt Nam giai đoạn 2015 -2020 91

4.5 Đề xuất giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch ứng dụng cho lưới điện truyền tải Việt Nam giai đoạn 2015 -2020 94

5 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

5.1 Kết luận 96

5.2 Kiến nghị 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

PHỤ LỤC 100

1 CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài

Với sự phát triển chung của nền kinh tế đất nước, Điện lực là ngành công nghiệp hạ tầng đã được đầu tư khá đồng bộ về cả nguồn và lưới điện nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội Sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống điện Việt Nam trong những năm gần đây, đặc biệt là sau khi đưa vào vận hành hệ thống đường dây tải điện siêu cao áp 500kV Bắc Nam đã góp phần cải thiện đáng kể khả năng vận hành kinh tế của toàn hệ thống cũng như khai thác triệt để lợi thế về năng lượng sơ cấp giữa các vùng miền trong cả nước

Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của hệ thống điện quốc gia, vấn đề dòng điện ngắn mạch tăng cao đang là một vấn đề hết sức quan trọng đối với các nhà quản lý cũng như các đơn vị trực tiếp vận hành hệ thống điện Cho đến nay, hầu hết các thiết bị trên lưới điện chỉ có khả năng chịu được dòng điện ngắn mạch ở mức 40kA, thậm chí nhiều thiết bị chỉ có dòng cắt định mức 31.5kA trong khi ngay từ thời điểm cuối năm 2005, tính toán cho thấy trị số mức dòng ngắn mạch trên lưới điện 220kV tại một số nơi thuộc khu vực miền Nam đã vượt quá trị số 40kA Để hạn chế dòng điện ngắn mạch, từ tháng 10/2005, để hạn chế dòng ngắn mạch trên lưới điện cấp 220kV ở pía Nam, Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia đã phải thực hiện việc tách thanh cái 220kV tại các trạm 500/220kV như: Phú Mỹ, Phú Lâm và Hóc Môn

Thêm vào đó, Quy định đấu nối vào hệ thống điện quốc gia được Bộ Công nghiệp (nay là Bộ Công Thương) ban hành ngày 16/10/2006 cũng quy định trị

số dòng điện ngắn mạch lớn nhất trong hệ thống điện 500kV và 220kV là 40kA Quy định đó được thể hiện qua bảng sau:

Bảng 1-1: Dòng điện và thời gian loại trừ ngắn mạch

(Theo Quy định đấu nối - BCT)

Vì hệ thống điện luôn luôn thay đổi và phát triển nên dòng điện ngắn mạch tính toán được trong hệ thống điện cũng thường xuyên thay đổi theo Vì vậy cho đến hiện tại mặc dù đã có rất nhiều đề án nghiên cứu về dòng điện ngắn mạch trong hệ thống điện nhưng cũng chưa có một đề án nào đảm bào có thể

áp dụng được một cách tổng thể về vấn đề dòng ngắn mạch cho hệ thống điện nói chung và lưới điện truyền tải nói riêng

1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục đích nghiên cứu của đề tài này là đánh giá tình trạng dòng điện ngắn mạch trên lưới điện truyền tải của Việt Nam giai đoạn 2015-2020 (dựa trên tổng sơ đồ VII đã được Chính phủ phê duyệt), qua đó nghiên cứu các giải pháp có thể áp dụng để hạn chế trị số này trong giai đoạn nêu trên

1.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là: Hệ thống lưới điện truyền tải Việt Nam Phạm vi nghiên cứu: Giai đoạn 2015-2020

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài nghiên cứu một cách tổng hợp các giải pháp có thể áp dụng để hạn chế dòng điện ngắn mạch xảy ra trong hệ thống điện, qua đó đánh giá khả năng ứng dụng và tính toán kiểm chứng đối với lưới điện truyền tải Việt Nam

1.5 Tên đề tài

Tên đề tài là:

Nghiên cứu giải pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch và áp dụng cho lưới

điện truyền tải Việt Nam giai đoạn 2015 – 2020

1.6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm có 5 chương và phần phụ lục, được bố cục như sau:

Chương 1: Phần mở đầu

Chương 2: Trình bày khái quát về hệ thống lưới điện truyền tải Việt Nam và vấn đề dòng điện ngắn mạch trong hệ thống

Chương 3: Các giải pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch, cơ sở lý thuyết, một

số biện pháp của các nước trên thế giới và công cụ sử dụng để tính toán ngắn mạch

Chương 4: Ứng dụng các giải pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch và tính toán đối với lưới điện truyền tải Việt Nam giai đoạn 2015 - 2020

Chương 5: Kết luận và đưa ra kiến nghị về khả năng áp dụng các giải pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch đối với lưới truyền tải điện Việt Nam giai đoạn

2015 – 2020

Phụ lục: Danh mục các công trình nguồn, lưới giai đoạn 2015-2020, kết quả tính toán dòng điện ngắn mạch

2 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM VÀ VẤN ĐỀ DÒNG

ĐIỆN NGẮN MẠCH

2.1 Hiện trạng HTĐ Việt Nam

2.1.1 Sơ đồ lưới điện truyền tải Việt Nam (cấp điện áp 500- 220kV)

Hệ thống lưới điện truyền tải điện Việt Nam gồm các cấp điện áp 500 – 220

và một phần lưới có cấp điện áp 110kV (theo qui định tại Thông tư 12 – BCT/2012) Trong hơn 2 thập kỷ qua (1990 – 2012), cùng với sự tăng trưởng của các ngành trong cả nước thì ngành điện đã có những đầu tư rất lớn cho nguồn và lưới điện Về lưới điện, nhiều công trình đường dây và trạm đã liên tục được đưa vào vận hành góp phần quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp điện, cải thiện chất lượng điện áp, giảm tổn thất, chống quá tải và nâng cao độ

ổn định vận hành của hệ thống Qui mô của Hệ thống điện Việt Nam được thể hiện qua sơ đồ sau:

Sơ đồ lưới điện truyền tải hiện tại của HTĐViệt Nam:

Xem tại Phụ lục 01

Lưới điện truyền tải Việt Nam có các cấp điện áp 220kV – 500kV với khối lượng đường dây và máy biến áp như sau:

Bảng 2 – 1: Thống kê khối lượng đường dây truyền tải 2012

(Tài liệu tham khảo [3])

2011 4132 10387

Bảng 2 – 2: Thống kê khối lượng máy biến áp truyền tải 2012

(Tài liệu tham khảo [3])

Cấp điện áp Miền Bắc Miền Trung Miền Nam Tổng hệ thống

Trong năm 2012, điện năng sản xuất và nhập khẩu toàn hệ thống điện Quốc

Gia đạt 120,257 tỷ kWh (bao gồm cả sản lượng điện bán cho Campuchia), sản

lượng điện tiêu thụ toàn quốc là 119,033 tỷ kWh, tăng 10,61 % so với năm

2011 Mức tăng trưởng này là tương đối thấp trong vòng 10 năm qua (tốc độ tăng trung bình từ năm 2001 đến 2011 là 13,22%)

Cơ cấu nguồn điện (tính đến hết năm 2012) của HTĐ Việt Nam được thể hiện qua các số liệu sau:

Loại nguồn Sản lượng

Nhập khẩu Trung Quốc 2676 2,22%

Bảng 2 - 3 Sản lượng điện các loại nguồn năm 2012

* Ghi chú: - Nhiệt điện chạy khí: bao gồm các nhà máy Đạm Phú Mỹ, Vê Đan

- Nguồn khác:bao gồm Dung Quất, Điện gió Tuy Phong, Bourbon

(Tài liệu tham khảo [3]) Tương quan giữa tăng trưởng nguồn và phụ tải trong giai đoạn 1997 – 2012 thể hiện ở hình sau:

Hình 2 - 1: Tương quan giữa tăng trưởng nguồn và phụ tải cực đại

(Tài liệu tham khảo [3]) Tổng công suất đặt các nguồn điện tính đến tháng 12- 2012 là 26475 MW, và

tỷ trọng công suất đặt các loại nguồn điện được thể hiện trong biểu đồ sau:

Thủy điện 47%

Nhiệt điện than 18%

Nhiệt điện dầu 2%

T uabin khí 27%

Nhập khẩu 4%

Khác 0.2%

Nhiệt điện chạy khí 2%

Hình 2 - 2: Biểu đồ tỷ trọng công suất đặt nguồn điện năm 2012

(Tài liệu tham khảo [3]) Sản lượng điện phát và nhập khẩu của toàn hệ thống điện năm 2012 là

120257GWh (gồm cả sản lượng điện bán Campuchia) Tổng phụ tải của HTĐ Quốc Gia là 119033 GWh, tăng trưởng so với năm 2011 là 10,61% Trong đó, điện sản xuất của các NMĐ thuộc EVN là 71921 GWh, điện mua ngoài là

45661 GWh và điện mua Trung Quốc là 2676 GWh chi tiết tại bảng sau: Tổng sản lượng toàn hệ thống (gồm cả

điện bán Campuchia)

a

=(c+d+e)

120.257 100%

Tổng sản lượng sản xuất của EVN và

mua ngoài (phụ tải HTĐ Việt Nam)

suất (do cắt tải đỉnh, F81, thiếu nguồn,

quá tải …)

Bảng 2 - 4: Sản lượng điện của HTĐ Việt Nam năm 2012

(Tài liệu tham khảo [3])

2.1.3 Phụ Tải

Tỷ trọng các thành phần phụ tải năm 2012 về cơ bản vẫn tương tự như các năm trước Phụ tải chủ yếu vẫn tập trung ở 02 miền Nam và Bắc (chiếm

>90%), còn phụ tải miền Trung chỉ chiếm một tỷ trọng nhỏ (8-10%)

Phụ tải của các miền trong cả nước qua các năm trong giai đoạn 1995 – 2012 được thể hiện qua bảng sau:

Với bảng thống kê ở trên ta có thể biểu diễn phụ tải quốc gia trong giai đoạn

trên qua đồ thị sau:

Hình 2 – 3: Biểu đồ phụ tải điện Việt Nam giai đoạn 1997 – 2012

2.1.4 Đánh giá phụ tải HTĐ Việt Nam

Qua các số liệu về phụ tải HTĐ quốc gia như trên ta có thấy bức tranh toàn

cảnh của HTĐ Việt Nam là có sự phân bố phụ tải chủ yếu ở 02 miền Nam và

Bắc của đất nước Trên cơ sở đó, việc phát triển nguồn điện để đáp ứng cho

việc phát triển phụ tải một cách phù hợp thì mật độ nguồn điện phát cũng sẽ

tập trung chủ yếu ở 02 miền trên Với sự phân bố nguồn như vậy thì vấn đề

dòng điện ngắn mạch cũng cần phải được xem xét một cách thấu đáo tại các

điểm nút chính trên hệ thống lưới điện truyền tải tại 02 miền đó

2.2 Quy hoạch phát triển HTĐ Việt Nam giai đoạn 2015-2020

Ngày 21 tháng 07 năm 2011, Thủ tướng Chính phủ đã có Quyết định số 1028/QĐ-TTg phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn

2.2.1 Dự báo phụ tải

Theo đánh giá của chính phủ thì mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội của cả nước ta với mức tăng GDP khoảng 8.5% - 9%/năm và cao hơn trong giai đoạn 2015-2020 Để phục vụ cho sự phát triển kinh tế - xã hội, dự báo nhu cầu điện năng toàn quốc sẽ tăng ở mức 13.5% (phương án cơ sở) và 15-17% (phương án cao) trong giai đoạn 2015-2020

2.2.2 Nguồn điện

Phát triển nguồn điện phải đáp ứng các nhu cầu phụ tải nêu trên, đảm bảo thực hiện tiến độ xây dựng các nhà máy thuỷ điện có lợi ích tổng hợp như: chống lũ, cấp nước, sản xuất điện, phát triển hợp lý và có hiệu quả các nguồn nhiệt điện khí, đẩy mạnh xây dựng nhiệt điện than, phát triển thuỷ điện nhỏ, năng lượng mới và tái tạo cho các vùng sâu, vùng xa, miền núi, biên giới, hải đảo, chủ động trao đổi điện năng có hiệu quả với các nước trong khu vực, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia và phát triển bền vững

Phát triển phù hợp các trung tâm điện lực ở các khu vực trong cả nước nhằm đảm bảo tin cậy cung cấp điện tại chỗ và giảm tổn thất kỹ thuật trên hệ thống điện quốc gia cũng như đảm bảo tính kinh tế của các dự án, góp phần phát triển kinh tế - xã hội cho từng vùng và cả nước

Phát triển nguồn điện mới phải tính toán với các phương án đầu tư chiều sâu

và đổi mới công nghệ các nhà máy đang vận hành, đáp ứng tiêu chuẩn môi trường, sử dụng công nghệ hiện đại đối với các nhà máy điện mới

Phát triển các nguồn điện theo các hình thức đã được nhà nước quy định, Bộ Công Thương xác định tỷ lệ hợp lý các dự án áp dụng hình thức đầu tư BOT, BOO

Bảng 2 – 6: Công suất các nguồn điện mới giai đoạn 2015 – 2020(MW)

(Tài liệu tham khảo [2])

Năm Bắc Trung Nam Quốc gia

Danh mục chi tiết các dự án nguồn điện giai đoạn 2015-2020 cho phương án

cơ sở được liệt kê trong các phụ lục 06 đến phụ lục 11

2.2.3 Lưới điện

Đồng thời với việc đầu tư phát triển nguồn điện thì tổng sơ đồ VII cũng đã định hướng một cách rõ ràng việc phát triển hệ thống lưới điện truyền tải để đảm bảo cho một hệ thống điện vận hành an toàn, liên tục và hiệu quả

Với phương án cơ sở thì trong giai đoạn từ năm 2015 – 2020, hệ thống lưới truyền tải sẽ được bổ sung một loạt những trạm biến áp 500kV như: Sóc Sơn, Hiệp Hòa, Nha Trang, Sông Mây và các đường dây 500kV, 220kV như:Bắc Ninh – Việt Trì, Ninh Thuận – Vĩnh Tân

Lưới điện truyền tải Việt Nam có các cấp điện áp 220kV – 500kV được đưa vào vận hành theo tổng sơ đồ VII với khối lượng đường dây và trạm biến áp như sau:

Bảng 2-7 Thống kê khối lượng máy biến áp truyền tải cấp 500kV

đưa vào giai đoạn 2015 - 2020 (Tài liệu tham khảo [2])

Miền Trung 4 2400

Chi tiết được thể hiện tại Phụ lục 02

Bảng 2-8 Thống kê khối lượng máy biến áp truyền tải cấp 220kV

đưa vào giai đoạn 2015 – 2020 (Tài liệu tham khảo [2])

Chi tiết được thể hiện tai Phụ lục.04

Bảng 2-9 Thống kê khối lượng đường dây truyền tải cấp 500kV

đưa vào giai đoạn 2015 - 2020 (Tài liệu tham khảo [2])

Chi tiết được thể hiện tại Phụ lục 03

Bảng 2-10 Thống kê khối lượng đường dây truyền tải cấp 220kV

đưa vào giai đoạn 2015 – 2020

(Tài liệu tham khảo [2])

2.3 Những vấn đề đối với dòng ngắn mạch lưới điện truyền tải Việt Nam

2.3.1 Xu thế tăng cao của dòng ngắn mạch trên HTĐ Việt Nam

Từ thời điểm 1994 về trở về trước, hệ thống điện tại Việt Nam bao gồm 3 khu vực vận hành độc lập tại 3 miền Bắc, Trung, Nam với tổng công suất hệ thống chỉ khoảng 2000MW Trong thời kỳ này, dòng điện ngắn mạch trên hệ thống trong tất cả các chế độ vận hành đều đảm bảo không vượt quá dòng cắt ngắn mạch định mức của thiết bị

Để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho phát triển kinh tế xã hội cả nước, đường dây siêu cao áp 500kV Bắc – Nam được đầu tư xây dựng từ năm 1992 và đóng điện vận hành tháng 05/1994, chấm dứt thời kỳ vận hành riêng rẽ các hệ thống điện miền, khởi đầu cho việc hình thành và phát triển một hệ thống điện quốc gia duy nhất Ngay từ khi mới đi vào vận hành, đường dây 500kV

đã lập tức phát huy hiệu quả tích cực Trong những năm 1994-1997, đường dây đã truyền tải một lượng lớn công suất và điện năng để cung cấp cho nhu cầu phát triển kinh tế xã hội tại miền Nam và miền Trung, chấm dứt tình trạng cắt điện triền miên trước đó tại các khu vực này và nâng cao đáng kể độ tin cậy cũng như chất lượng cung cấp điện Hệ thống truyền tải siêu cao áp Bắc – Nam đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cung cấp điện và vận hành kinh tế hệ thống điện thông qua việc phối hợp khai thác tối

ưu các nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện trên toàn quốc

Trong giai đoạn 1994-2012, công suất cực đại hệ thống điện quốc gia tăng từ 2483MW lên 18603MW (~ 7,5 lần), công suất đặt các nhà máy điện tăng từ 3880MW lên 26475 MW (~ 7 lần) Trong giai đoạn từ 1994-2008 thì thành phần các nhà máy điện mới tham gia vào HTĐ chiếm đa số là loại hình tuabin khí (chiếm khoảng 55%), phần còn lại bao gồm thuỷ điện, nhiệt điện than,

đƣợc xây dựng tại miền Nam với tổng công suất xấp xỉ 6000MW, trong đó chỉ riêng tại cụm Phú Mỹ, Bà Rịa đã có công suất đặt trên 4000MW Tính đến thời điểm cuối năm 2012, tỷ trọng công suất nguồn điện phân bố trên 3 miền Bắc, Trung, Nam lần lƣợt là 39,6%, 9,9% và 50,5%

Để để dàng theo dõi, ta có thể thông qua bảng thống kê sau:

Bảng 2-11.Công suất các nhà máy điện giai đoạn 1994 – 2012

(Tài liệu tham khảo [4])

Lƣợng NMĐ Số (MW) (MW) (tr.kWh)

Theo qui định đấu nối thì dòng điện cắt ngắn mạch tối đa của hầu hết các thiết

bị cắt trên hệ thống điện Việt Nam là 40kA Tuy nhiên theo kết quả tính toán thu được trong thời gian vừa qua thì dòng ngắn mạch cao nhất có thể đạt mức 39kA tại một vài vị trí (như thanh cái 220kV Phú Mỹ, Phú Lâm )

Để đảm bảo an toàn vận hành các thiết bị trên lưới điện, ngành điện mà cụ thể

là Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia đã buộc phải tính toán để thay đổi kết lưới bằng cách tách thanh cái 220kV (mở MC liên lạc giữa 2 thanh cái) tại một số nơi như: trạm biến áp 500/220kV Phú Mỹ, Phú Lâm, Hóc Môn nhằm hạn chế trị số dòng điện ngắn mạch khi xảy ra sự cố Giải pháp này tuy hạn chế được giá trị dòng điện ngắn mạch xuống dưới mức 40kA nhưng lại có những hạn chế đi kèm, đó là tăng tổn thất công suất, tổn thất điện năng hệ thống điện, làm giảm độ linh hoạt và tin cậy cung cấp điện cho phụ tải trong khi điều kiện về chất lượng điện năng là một yếu tố ngày càng được chú trọng

để cải thiện tốt hơn

2.3.2 Dòng điện ngắn mạch trên lưới điện 500kV

Thời điểm tính toán với cấu hình lưới: 9/2013

Phạm vi tính toán: Các nút (thanh cái) 500kV của các trạm biến áp 500/220kV

Kết quả tính toán dòng điện ngắn mạch tại các nút 500kV như sau:

Bảng 2-12 Dòng ngắn mạch trên lưới điện 500kV

Thanh cái Dòng ngắn mạch (kA)

2.3.3 Dòng điện ngắn mạch trên lưới điện 220kV

Thời điểm tính toán với cấu hình lưới: 9/2013

Phạm vi tính toán: Các nút (thanh cái) 220kV của các trạm biến áp 220/110kV

Kết quả tính toán dòng điện ngắn mạch cho lưới điện 220kV năm 2012 xem phụ lục Các tính toán được thực hiện với cấu hình tách thanh cái tại các trạm biến áp Phú Mỹ, Phú Lâm, Nhà Bè để hạn chế dòng điện ngắn mạch, cụ thể như sau:

- Tách thanh cái 220kV và 110kV Phú Lâm tại các máy cắt: 200A, 100A

- Tách thanh cái 220kV Phú Mỹ tại các máy cắt: 200A, 200B

- Tách thanh cái 220kV Nhà Bè tại máy cắt: 212

Một số nút có dòng điện ngắn mạch lớn (sau khi đã tách thanh cái):

Phú Mỹ C21-24 32.46 33.70 40

Nhận xét:

Hệ thống điện miền Trung có dòng ngắn mạch trên lưới điện 220kV nhỏ, giá trị này ở hầu hết các trạm biến áp nhỏ hơn 10kA, chỉ có 2 trạm có dòng ngắn mạch lớn hơn 10kA là Đà Nẵng và Plêiku (~ 12-13kA) Điều này phản ánh thực tế hệ thống điện miền Trung là một hệ thống nhỏ với đầu mối cấp điện chính là các trạm biến áp 500kV Đà Nẵng và Plêiku Nguồn điện có công suất lớn nhất trên địa bàn là Nhà máy thủy điện Ialy không phát trực tiếp vào lưới điện miền Trung mà phát thẳng lên hệ thống 500kV Các nhà máy điện còn lại (Sê San 3, Sê San 3A, Vĩnh Sơn, Sông Hinh, Quảng Trị) đều là có quy mô vừa và nhỏ nên mức độ ảnh hưởng đến dòng điện ngắn mạch không nhiều Dòng điện ngắn mạch tại các nút 220kV trên hệ thống điện miền Bắc nhìn chung có trị số cao hơn so với hệ thống điện miền Trung Ngoại trừ một số nút xa nguồn có dòng ngắn mạch nhỏ (Nghi Sơn ~ 3kA, Vinh ~ 5kA, Thanh Hoá ~ 6.5kA, Thái Bình ~ 8kA, Nam Định ~ 9kA, ), dòng ngắn mạch hầu hết nằm trong khoảng 10-20kA Các nút có trị số dòng ngắn mạch lớn hơn 20kA là Tràng Bạch (20.5kA), Thường Tín (20.5kA), Hà Đông (20.9kA), Phả Lại (25.8kA), Hoà Bình (26.3kA) Đây đều là các nút nguồn lớn của hệ thống điện miền Bắc (Thuỷ điện Hoà Bình, Nhiệt điện Phả Lại, Uông Bí, trạm biến

áp 500kV Thường Tín) So với tiêu chuẩn cho phép về giá trị dòng ngắn mạch của “Quy định đấu nối” (40kA) thì có thể nói chỉ tiêu này đối với hệ thống điện miền Bắc vẫn nằm trong giới hạn an toàn

Hệ thống điện miền Nam là khu vực có dòng ngắn mạch lớn nhất trên toàn hệ thống điện quốc gia Ngoại trừ các nút ở miền Tây Nam bộ và phía Bắc của Đông Nam bộ (khu vực có ít nguồn điện) có dòng ngắn mạch thấp (<20kA), hầu hết các trạm khu vực Phú Mỹ và lân cận có dòng ngắn mạch rất cao mặc

dù đã phải dùng giải pháp tách thanh cái từ cuối năm 2005

Một số trạm biến áp có dòng ngắn mạch cao như Nhà Bè (~40kA), Nam Sài Gòn (~36kA), Phú Mỹ (~35kA), Phú Lâm (~30kA), Long Bình (~29kA) Các giá trị này đều đã xấp xỉ với dòng cắt định mức của thiết bị đóng cắt (31.5kA, 40kA)

Theo tính toán, nếu không áp dụng giải pháp hạn chế nào thì đến thời điểm

2010, dòng ngắn mạch tại Phú Mỹ có thể đạt tới trị số 59.3kA, tại Phú Lâm đạt tới 45.7kA

Bảng 2-14: Dòng điện ngắn mạch tại Phú Mỹ, Phú Lâm giai đoạn 2006-2010

In(1) In(3) In(1) In(3) In(1) In(3) In(1) In(3) In(1) In(3)Phú Mỹ 50.7 42.5 53.7 44.5 56.9 46.1 58.3 49 59.3 50.5 Phú Lâm 36.3 31.4 39.2 33.5 40.9 35.8 41.3 37 45.7 39.3

Dòng điện ngắn mạch tại Phú Mỹ, Phú Lâm

Hình 2-3 Dòng điện ngắn mạch tại Phú Mỹ, Phú Lâm giai đoạn 2006-2010

2.3.4 Dòng điện ngắn mạch trên lưới điện 110kV

Kết quả tính toán dòng điện ngắn mạch trên lưới điện 110kV (thời điểm

Nhìn chung trị số dòng điện ngắn mạch trên lưới điện 110kV đều không vượt quá 31.5kA theo quy định của “Quy định đấu nối”

Phân bố trị số dòng điện ngắn mạch trên lưới điện 110kV cũng tương tự như đối với cấp điện áp 500kV và 220kV là tập trung cao trên lưới điện miền Nam, mức độ trung bình đối với lưới điện miền Bắc và thấp nhất đối với lưới điện miền Trung

Dòng điện ngắn mạch lớn tập trung chủ yếu trên lưới điện miền Nam với một

số trạm biến áp có trị số gần đến ngưỡng 31.5kA (Nhà Bè, Phú Mỹ, Việt Thành, Phú Định, Vikimco) Khoảng 25 trạm (14%) có dòng ngắn mạch trên mức 20kA

Dòng điện ngắn mạch trên lưới điện 110kV miền Bắc nhìn chung nằm trong giới hạn an toàn Khoảng 10 trạm (chiếm 5%) có dòng ngắn mạch trên mức 20kA

Dòng ngắn mạch trên lưới điện 110kV miền Trung lớn nhất đạt ~15kA

Kết quả tính toán chi tiết xem phụ lục 7

2.3.5 Đánh giá hiện trạng và xác định đối tượng cần xử lý

Qua kết quả tính toán dòng điện ngắn mạch cho toàn hệ thống có thể thấy rằng:

- Dòng điện ngắn mạch trên lưới điện 500kV nằm trong giới hạn cho phép

- Dòng điện ngắn mạch trên lưới điện 220kV, đặc biệt ở Phú Mỹ và vùng phụ cận tăng rất cao, vượt quá khả năng cắt của các thiết bị đóng cắt Mặc

dù giải pháp tách lưới đã được thực hiện tại một số điểm nhưng không hạn chế được triệt để vấn đề này

- Dòng điện ngắn mạch trên lưới điện 110kV về cơ bản nằm trong giới hạn cho phép Tuy nhiên, tại một số điểm trên hệ thống điện miền Nam cũng bị tăng cao cục bộ (Hóc Môn, Long Bình )

Như vậy, vấn đề dòng điện ngắn mạch tăng cao của hệ thống điện Việt Nam xảy ra chủ yếu ở lưới truyền tải cấp điện áp 220kV tại khu vực có mật độ nguồn điện tập trung lớn là Phú Mỹ và vùng lân cận (Nhà Bè, Phú Lâm)

Do các thiết bị đóng cắt hiện tại chỉ có khả năng làm việc với dòng ngắn mạch tối đa là 40kA (trừ trạm Tao Đàn là 50kA) nên buộc phải có giải pháp

để hạn chế dòng điện ngắn mạch trên lưới điện 220kV (đặc biệt là khu vực Phú Mỹ) xuống dưới mức chịu đựng của thiết bị

3 CHƯƠNG III: CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ DÒNG ĐIỆN NGẮN

MẠCH

3.1 Các vấn đề về dòng điện ngắn mạch

Như các phần trên ta đã phân tích thì hiện tượng ngắn mạch trong hệ thống điện là một vấn đề luôn luôn được quan tâm một cách thường xuyên và nghiêm túc Với một hệ thống điện càng lớn thì vấn đề dòng điện ngắn mạch lại càng trở lên phức tạp hơn Trong vận hành hệ thống điện thì ngắn mạch là một dạng sự cố xảy ra ngoài sự mong muốn, vì vậy chúng ta cần phải tìm hiểu kỹ để đưa ra được những giải pháp tốt nhất nhằm khắc phục những hậu quả do dòng điện ngắn mạch gây ra

Trong hệ thống điện, ngắn mạch là hiện tượng các pha chập nhau hoặc trong trường hợp hệ thống có trung tính nối đất (hay hệ thống 4 dây) – chỉ hiện tượng các pha chập nhau và chập đất (hay chập dây trung tính)

Tại thời điểm ngắn mạch, tổng trở của toàn hệ thống giảm xuống, mức độ nhiều hay ít phụ thuộc vào điểm ngắn mạch ở gần hay xa nguồn Dòng điện lúc đó tăng lên và điện áp các điểm trong hệ thống giảm xuống, nhất là các điểm ở gần chỗ ngắn mạch

Nếu trung tính của hệ thống điện nối đất trực tiếp hoặc nối đất qua tổng trở bé thì gọi là hệ thống có dòng điện nối đất lớn Nếu trung tính của hệ thống điện không nối đất hay nối đất qua tổng trở lớn hoặc cuộn diệt hồ quang gọi là hệ thống có dòng điện nối đất bé

Trong hệ thống có dòng điện nối đất lớn có các loại ngắn mạch:

-Ngắn mạch 3 pha (3 pha chập nhau)

- Ngắn mạch 2 pha (2 pha chập nhau)

- Ngắn mạch 1 pha (1 pha chạm đất hoặc chập dây trung tính)

- Ngắn mạch 2 pha nối đất (hai pha chập nhau đồng thời chạm đất)

Tổng quan các hiện tượng ngắn mạch ta có thể biểu diễn qua hình vẽ sau:

Hình 3-1 Các dạng ngắn mạch (Tài liệu tham khảo [5])Ngắn mạch 3 pha là loại ngắn mạch đơn giản nhất (đối xứng), cả 3 pha đều được đặt dưới điện áp như nhau và lệch pha nhau 1200 Các loại ngắn mạch còn lại là không đối xứng vì điện áp các pha khác nhau, do đó dòng điện cũng khác nhau và lệch pha nhau nói chung khác 1200

Trường hợp hệ thống điện có dòng điện nối đất bé thì một pha chạm đất không tạo thành ngắn mạch, ngắn mạch 2 pha nối đất sẽ tạo thành ngắn mạch

2 pha (vì dòng điện ngắn mạch không đi qua đất) Như vậy trong hệ thống này chỉ còn hai trường hợp ngắn mạch: 3 pha và 2 pha

3.1.1 Nguyên nhân gây ra dòng điện ngắn mạch

Nguyên nhân chung và chủ yếu sinh ra ngắn mạch là do cách điện bị hỏng

Lý do làm cho cách điện bị hỏng có thể do: Cách điện bị già cỗi khi làm việc

lâu ngày, chịu tác động cơ khí gây vỡ nát, bị tác động của nhiệt độ phá huỷ môi chất, xuất hiện điện trường mạnh làm phóng điện chọc thủng vỏ bọc Những nguyên nhân tác động cơ khí có thể do con người (đào đất, thả diều ),

do loài vật (rắn bò, chim đậu ) hoặc gió bão làm gãy cây, đổ cột, dây dẫn chập nhau

Sét đánh gây phóng điện cũng là một nguyên nhân đáng kể gây ra hiện tượng ngắn mạch (tạo ra hồ quang điện giữa các dây dẫn)

Ngắn mạch còn có thể do thao tác nhầm, ví dụ đóng điện sau sửa chữa mà chưa tháo dây nối đất

3.1.2 Tác hại của dòng điện ngắn mạch

Đối với hệ thống điện mà cụ thể là các thiết bị điện tham gia trong hệ thống thì ngắn mạch là một loại sự cố nguy hiểm Khi ngắn mạch dòng điện đột ngột tăng lên rất lớn, dòng điện này chạy trong các phần tử của hệ thống điện gây ra những tác hại như:

- Phát nóng cục bộ rất nhanh, nhiệt độ tăng cao, gây cháy nổ

- Sinh ra ứng lực cơ khí lớn giữa các phần của thiết bị điện, làm biến dạng hoặc gãy vỡ các bộ phận (sứ đỡ, thanh dẫn )

- Gây sụt áp lưới điện làm động cơ ngừng quay, ảnh hưởng đến năng suất làm việc của máy móc, thiết bị

- Gây ra mất ổn định hệ thống điện do các máy phát bị mất cân bằng công suất, quay theo các vận tốc khác nhau dẫn đến mất đồng bộ

- Tạo ra các thành phần dòng điện không đối xứng gây can nhiễu đường dây thông tin ở gần

- Nhiều phần của mạng điện bị cắt ra để loại trừ điểm ngắn mạch, làm gián đoạn cung cấp điện

Trong trường hợp xấu nhất là dòng điện ngắn mạch gây cháy nổ, hư hỏng thiết bị, nhất là các thiết bị đóng cắt trên hệ thống thì tác hại gây ra là rất lớn bởi việc gián đoạn cung cấp điện hoặc bắt buộc phải thay đổi phương thức vận hành khác (kém kinh tế hơn) sẽ xảy ra, ít nhất là trong thời gian đầu tư, lắp đặt thiết bị thay thế khác Đây là điều khó chấp nhận đối với cả người vận hành hệ thống điện cũng như các đơn vị, cá nhân quản lý, sử dụng điện, nhất

là trong điều kiện hội nhập kinh tế quốc tế hiện nay

3.1.3 Xu thế tăng cao của dòng điện ngắn mạch

Sự phát triển của hệ thống điện theo thời gian từ quy mô nhỏ đến quy mô lớn

là xu thế tất yếu xảy ra ở tất cả các quốc gia và vùng lãnh thổ nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển của nền kinh tế - xã hội Công suất nguồn phát tăng lên đồng nghĩa với dòng điện ngắn mạch cũng tăng lên ở tất cả các cấp điện áp trong hệ thống

Ngày nay, cùng với việc tái cơ cấu từ mô hình độc quyền tích hợp ngành dọc sang phân tách riêng các khâu phát điện, truyền tải và phân phối là xu thế liên kết lưới điện thành các hệ thống liên vùng, liên quốc gia Điều này giúp cho các hệ thống điện vận hành kinh tế và linh hoạt hơn do phát huy được tính cạnh tranh trong các khâu của quá trình sản xuất, kinh doanh điện cũng như khai thác được lợi thế về nguồn nhiên liệu sơ cấp một cách triệt để

Tuy nhiên, việc đấu nối các nhà máy điện độc lập vào lưới truyền tải hoặc phân phối đã làm cho dòng điện ngắn mạch tăng cao, vượt quá ngưỡng chịu đựng của thiết bị trong khi điều này lại chưa được xem xét một cách kỹ lưỡng trong các kế hoạch dài hạn trong quá khứ Đây là vấn đề khó khăn đối với những người vận hành hệ thống điện, nhất là ở các hệ thống điện lớn và là tiền đề để tiến hành các nghiên cứu và phát triển các thiết bị hạn chế dòng điện ngắn mạch

3.2 Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

- Tăng trở kháng máy phát

- Tăng trở kháng máy biến áp tăng áp

- Tăng trở kháng máy biến áp truyền tải, phân phối

- Tách lưới (trở kháng giữa hai mảng lưới tăng lên đến vô cùng)

Có thể dễ dàng thấy rằng các giải pháp trên đều có chung một nhược điểm là luôn tạo ra lượng trở kháng gia tăng trong cả trường hợp vận hành bình thường Đây là tác dụng phụ tiêu cực bởi nó đồng nghĩa với việc sẽ sinh ra một lượng tổn thất công suất, tổn thất điện áp do năng lượng tiêu hao trên trở kháng tăng thêm Trị số của lượng tổn thất này nhiều hay ít phụ thuộc vào kết cấu lưới điện cũng như giải pháp áp dụng

Sẽ là lý tưởng khi sử dụng thiết bị không hoạt động trong chế độ vận hành bình thường mà chỉ kích hoạt để tăng điện kháng trong chế độ sự cố để hạn chế dòng ngắn mạch

Đối với các dạng ngắn mạch không đối xứng, điện kháng thứ tự không có thể được tăng lên (để hạn chế dòng điện ngắn mạch 1 pha) khi:

- Nối đất trung tính của máy biến áp (có trung tính nối đất trực tiếp) qua một điện trở nhỏ

- Một số máy biến áp có điều kiện phù hợp (thông thường có điện áp định mức nhỏ hơn 110kV) có thể chuyển sang làm việc với trung tính cách điện Trong trường hợp này trung tính của máy biến áp phải được bảo vệ bằng

bộ chống sét thích ứng Tuy nhiên, giải pháp này không thể áp dụng đối với các máy biến áp truyền tải có cấp điện áp trên 110kV do điểm trung tính của các máy biến áp này buộc phải làm việc ở chế độ nối đất trực tiếp

3.2.2 Trình tự tính toán kiểm tra dòng điện ngắn mạch

Trên cơ sở lý thuyết tính toán dòng điện ngắn mạch đã được trình bày sơ qua

ở trên, ta đưa ra trình tự thực hiện và các yếu tố tham chiếu trong tính toán xử

lý dòng điện ngắn mạch tăng cao trong hệ thống điện như sau:

Hình 3-2 Trình tự tính toán kiểm tra dòng điện ngắn mạch

3.3 Các giải pháp đã được áp dụng và ưu, nhược điểm

Sự phát triển của nguồn điện và tăng cường liên kết lưới điện dẫn tới kết quả tất yếu là dòng điện ngắn mạch tăng cao Tuy nhiên, khả năng cắt ngắn mạch của thiết bị ở mỗi cấp điện áp chỉ ở một giới hạn nhất định nên trong vận

Tính toán ngắn mạch toàn hệ thống

Xác định các nút vi phạm (1)

Giải pháp xử lý

Tính toán ngắn mạch theo danh sách (1)

Đánh giá tình trạng dòng ngắn mạch

Đạt

Không đạt

Không đạt Đạt

hành cũng như quy hoạch hệ thống điện phải xét tới các giải pháp để hạn chế dòng điện ngắn mạch

Việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch được tiến hành song song với quá trình phát triển hệ thống điện Trước đây, hầu hết các nghiên cứu không tập trung theo hướng hạn chế dòng ngắn mạch mà chủ yếu dựa trên tiêu chí cô lập sự cố để hạn chế tác hại tới các thiết bị điện Một số các giải pháp được áp dụng khá phổ biến như sử dụng các máy cắt có dòng cắt ngắn mạch lớn, các máy biến áp có trở kháng cao, cầu chì hạn chế ngắn mạch, kháng điện lõi không khí hay tách lưới Các giải pháp này đều có vấn

đề bất lợi tồn tại: Nâng cấp thiết bị đóng cắt đòi hỏi chi phí đầu tư lớn, máy biến áp trở kháng cao gây tổn thất lớn, cầu chì chỉ áp dụng cho dòng ngắn mạch nhỏ và phải thay thế bằng tay Kháng điện gây điện áp rơi, tổn thất công suất cả trong chế độ vận hành bình thường lẫn sự cố và thường cần phải lắp đặt thêm tụ điện để bù vô công Tách lưới vừa gây tăng chi phí (do tăng tổn thất) vừa làm giảm độ tin cậy và linh hoạt cung cấp điện

Về cơ bản, thiết bị hạn chế dòng điện ngắn mạch cần có các đặc điểm sau đây:

Để hiểu rõ hơn về từng thiết bị hạn chế dòng điện ngắn mạch hiện đang được

áp dụng trong hệ thống điện, ta sẽ phân tích kỹ hơn đối với từng thiết bị đó trong phần tiếp theo

Ưu nhược điểm của các biện pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch truyền thống tóm tắt trong bảng sau:

Bảng 3-1: Ưu nhược điểm của các giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch

Máy biến áp trở

kháng cao

Ứng dụng rộng rãi

Hiệu quả hệ thống giảm do làm tăng tổn thất trong mọi chế độ

Cầu chì Đơn giản Tác động thường xuyên

Phải thay thế bằng tay

Kháng điện lõi

không khí Tiện dụng

Gây ra điện áp rơi

Gây tổn thất công suất trong chế

độ vận hành bình thường

Thay đổi cấu hình

lưới điện

Thích hợp đối với những khu vực có lưới điện phát triển nhanh

Giảm độ tin cậy hệ thống

Giảm linh hoạt trong vận hành Tăng chi phí (cho máy cắt thường mở)

Qua phân tích trên, ta có thể chia các biện pháp hạn chế dòng ngắn mạch thành 2 nhóm: Tiêu cực và Tích cực

- Nhóm biện pháp tiêu cực: Làm tăng tổng trở hệ thống ở cả chế độ vận hành bình thường và chế độ sự cố

- Nhóm biện pháp tích cực: Tổng trở rất nhỏ trong chế độ vận hành bình thường và tăng nhanh trong chế độ sự cố

Hình 3-3: Phân loại các giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch

Vấn đề dòng ngắn mạch tăng cao có các giải pháp xử lý truyền thống như nâng cấp (nâng mức dòng cắt định mức) thiết bị đóng cắt và các thiết bị liên quan khác, thay đổi cấu hình lưới điện hoặc sử dụng cấp điện áp cao hơn Các giải pháp tối ưu hơn để thay thế cho các lựa chọn truyền thống nêu trên là

sử dụng các thiết bị hạn chế dòng sự cố (Fault current Limiter – FCL) hoặc kháng hạn chế dòng điện (Current limiting Reactor – CLR)

Với FCL thì công dụng rất lớn là hạn chế dòng sự cố và cho phép thiết bị làm việc trong tất cả các chế độ vận hành, kể cả vận hành bình thường và sự cố Tại Cộng hòa liên bang Đức, việc ứng dụng FCL siêu dẫn bắt đầu thực hiện

từ năm 2004 ở cấp điện áp 10kV Qua thực tế vận hành thì dòng điện ngắn

 Sử dụng cấp điện áp cao hơn

 Máy biến áp có tổng trở ngắn mạch cao

(Superconducting fault current limiter-SCFCL)

 Điện trở nhiệt hệ số tích cực (Positive Temperature

Coefficient Resistors – PTC resistors)

 Thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (Liquid metal

mạch đã được hạn chế từ 14kA xuống còn 8kA Tại Nhật Bản, FCL được áp dụng đầu tiên tại Công ty Điện lực Tohoku từ năm 1998

Kháng hạn chế dòng điện CLR được áp dụng rộng rãi tại Brazil Mặc dù có những tồn tại nhất định nhưng giải pháp này vẫn còn kinh tế hơn so với việc phải thay thế thiết bị Nhược điểm lớn nhất của CLR là điện áp phục hồi quá

độ (TRV) tăng cao trên cực máy cắt trong quá trình sự cố

Ta sẽ lần lượt phân tích từng giải pháp áp dụng hạn chế dòng điện ngắn mạch trong hệ thống điện

Đối với giải pháp này ngoài yếu tố về chi phí cao khi sử dụng các thiết bị có dòng cắt định mức lớn còn phải xem xét các yếu tố kỹ thuật liên quan khác Đối với các công trình xây dựng mới thì các vấn đề phát sinh không ảnh hưởng đáng kể nhưng đối với các trạm đang vận hành thì việc thay thế thiết bị toàn trạm là rất khó khăn và phức tạp

Khi thay thế thiết bị mới có thể sẽ phải thay đổi cả thiết kế, kết cấu xây dựng, thí nghiệm hiệu chỉnh , đòi hỏi thời gian thi công kéo dài Hơn nữa, việc cô lập thiết bị khỏi vận hành để thay thế hoặc đáp ứng các yêu cầu về an toàn trong thi công sẽ gây gián đoạn cung cấp điện Đối với các trạm cung cấp điện phục vụ dân sinh thì thiệt hại về kinh tế do việc ngừng cấp điện còn có thể ở mức độ chấp nhận được nhưng đối với các phụ tải công nghiệp, đặc biệt

là các dây truyền sản xuất công nghệ cao và liên tục thì việc tách thiết bị gây gián đoạn cung cấp điện trong thời gian dài rất khó được chấp nhận

Một yếu tố quan trọng khác cần xem xét là dòng điện ngắn mạch có khả năng vượt quá dòng cắt cho phép của các máy cắt trên thị trường hay không Hiện nay, đối với cấp điện áp 220kV, dòng cắt ngắn mạch của máy cắt thông thường là 31,5kA, 40kA và cá biệt tới 63kA Tuy nhiên, trên thực tế, nhất là đối với các hệ thống điện lớn thì dòng điện ngắn mạch hoàn toàn có khả năng vượt quá trị số này Như vậy, giải pháp nâng cấp thiết bị cũng không thể giải quyết vấn đề một cách triệt để Nó chỉ phát huy tác dụng đối với những hệ thống điện vừa và nhỏ Trong xu thế liên kết hệ thống điện phát triển mạnh

mẽ như hiện nay đòi hỏi phải có các giải pháp xử lý thích hợp hơn

3.3.2 Giải pháp thay đổi cấu hình lưới điện

Trên thực tế, giải pháp thay đổi cấu hình lưới điện (tách lưới) là giải pháp đơn giản, ít tốn kém hơn so với phương án nâng cấp các thiết bị đóng cắt Nhược điểm của giải pháp này là làm giảm tính linh hoạt trong vận hành hệ thống điện, tăng tổn thất công suất, tổn thất điện năng do có một lượng công suất bị cưỡng bức truyền tải phi tự nhiên

Đối với các hệ thống điện phát triển nhanh, có dòng điện ngắn mạch vượt quá mức cho phép của thiết bị nhưng chưa có giải pháp nào để xử lý một cách triệt để và phù hợp thì có thể coi tách lưới như một bước trung gian để đảm bảo an toàn vận hành hệ thống điện, tránh nguy cơ hư hỏng thiết bị do dòng điện ngắn mạch khi xảy ra sự cố

Hình 3-3 Giải pháp tách thanh cái tại trạm biến áp Trong hình vẽ (a), máy cắt CB1 đóng, nếu có ngắn mạch xảy ra ở vị trí N1 (hoặc N2) thì dòng ngắn mạch tổng sẽ bao gồm 10 thành phần từ 10 xuất tuyến đường dây Trong hình vẽ (b), khi máy cắt CB1 mở, nếu có ngắn mạch xảy ra tại N1 thì dòng điện này chỉ có các thành phần từ các xuất tuyến 1, 2,

3, 7, 8 và tương tự đối với điểm N2, dòng ngắn mạch chỉ bao gồm các thành phần từ các xuất tuyến 3, 4, 5, 9, 10 Như vậy, dòng điện ngắn mạch giảm đi

do giảm được nguồn cung cấp công suất ngắn mạch đến điểm sự cố (trở kháng giữa hai hệ thống thanh cái được tăng lên đến vô cùng)

3.3.3 Giải pháp sử dụng cấp điện áp cao hơn

Với cùng một quy mô công suất như nhau, ở cấp điện áp càng cao thì dòng làm việc bình thường cũng như dòng điện ngắn mạch càng giảm Vấn đề này

là quá rõ ràng, tuy nhiên chỉ có ý nghĩa khi thiết kế một hệ thống điện mới Chính vì vậy mà trong tổng sơ đồ VII đã được phê duyệt thì các công trình xây dựng mới là những công trình có cấp điện áp cao (có thể lên tới 800kV) Đối với một hệ thống điện đang vận hành, việc cải tạo, nâng cấp để sử dụng cấp điện áp cao hơn là một vấn đề vô cùng phức tạp do liên quan đến nhiều vấn đề cả về kinh tế và kỹ thuật (trong khi lại có thể áp dụng các biện pháp

khác hiệu quả hơn trong vấn đề hạn chế dòng điện ngắn mạch) Tính khả thi trong trường hợp này là rất thấp

3.3.4 Lắp đặt kháng hạn chế dòng ngắn mạch

Lắp đặt kháng hạn chế dòng ngắn mạch thực chất là là giải pháp làm tăng trở kháng của hệ thống, qua đó làm hạn chế dòng điện ngắn mạch khi có sự cố xảy ra Việc lắp đặt kháng điện để hạn chế dòng điện ngắn mạch ta có thể thực hiện một cách linh hoạt, kháng có thể được lắp đặt ngay tại đầu cực máy phát hoặc tại vị trí phân đoạn thanh cái hoặc các xuất tuyến đường dây tại các trạm biến áp

Kháng phân đoạn thanh cái

Việc lắp đặt kháng phân đoạn thanh cái để giảm dòng ngắn mạch có các ưu điểm:

- Cho phép phân chia tải giữa các máy biến áp tốt hơn

- Giảm công suất cắt ngắn mạch của thiết bị

- Dòng ngắn mạch từ các nguồn cấp (máy biến áp, máy phát) đến điểm ngắn mạch sẽ được hạn chế một cách đáng kể

Nhược điểm:

- Việc giảm dòng ngắn mạch từ mỗi ngăn riêng rẽ là không đáng kể

- Tăng chi phí đầu tư

- Tăng tổn thất trong chế độ vận hành bình thường

Hình 3-4: Phương thức lắp đặt kháng phân đoạn thanh cái

Kháng nối tiếp tại các ngăn nguồn cấp

Lắp đặt kháng nối tiếp tại các ngăn nguồn cấp (máy phát, máy biến áp) ngoài những ưu điểm như trường hợp trên còn có thể hạn chế được giá trị dòng điện ngắn mạch từ mỗi nguồn cấp riêng rẽ

Tuy nhiên giải pháp này có nhược điểm lớn là làm tăng cao tổn thất hệ thống

Hình 3-5: Phương thức lắp đặt kháng nối tiếp tại các ngăn nguồn cấp

Kháng nối tiếp tại các ngăn xuất tuyến

Phương thức lắp đặt kháng nối tiếp tại các ngăn xuất tuyến có khả năng hạn chế tốt dòng ngắn mạch nhưng đòi hỏi số lượng kháng điện sử dụng lớn tức là chi phí đầu tư đồng nghĩa tăng cao

Hình 3-6: Phương thức lắp đặt kháng nối tiếp tại các ngăn xuất tuyến

3.3.5 Sử dụng máy biến áp có tổng trở ngắn mạch cao

Giải pháp sử dụng máy biến áp có tổng trở ngắn mạch cao về mặt tổng thể có thể giải quyết được vấn đề hạn chế dòng điện ngắn mạch trong hệ thống điện Tuy nhiên, giải pháp này chỉ phát huy hiệu quả với điều kiện công tác quy hoạch phát triển hệ thống được định hướng, thực hiện và tuân thủ một cách nghiêm túc do một số nguyên nhân sau:

- Máy biến áp là thiết bị đắt tiền và chế độ làm việc là liên tục nên không dễ

để cô lập thay thế, nhất là đối với các trạm chỉ có 1 máy biến áp

- Tổng trở cao của một (hoặc một vài) máy biến áp không giải quyết được vấn đề mà đòi hỏi sự đồng bộ và thống nhất trong việc đầu tư, cải tạo các trạm biến áp để đảm bảo các máy biến áp trong toàn hệ thống đều có trị số tổng trở ngắn mạch cao, nhất là đối với các máy biến áp tăng áp của các máy phát điện

Như vậy, tính khả thi của việc ứng dụng giải pháp này đối với lưới điện đã bị hiện tượng dòng ngắn mạch tăng cao sẽ bị hạn chế do đây là giải pháp có tính lâu dài, không thể áp dụng trong xử lý tình huống tức thời

3.3.6 Giải pháp sử dụng cầu chì cao áp

Cầu chì là thiết bị thông dụng được sử dụng rộng rãi trên mạng điện sinh hoạt cũng như lưới điện trung áp đến 36kV

Thiết bị này cho phép bảo vệ chống dòng sự cố một cách hữu hiệu với chi phí thấp, tuy nhiên có nhược điểm là thiết bị sẽ cô lập khỏi lưới điện và chỉ tái lập lại sau đó bằng thao tác của con người

Hình 3-7: Cầu chì cao áp và vị trí lắp đặt

(Tài liệu tham khảo [8]) Cấu tạo đặc trưng của cầu chì cao áp gồm có 6 bộ phận như mô tải trong hình 3-9 Quan trọng nhất là lõi cầu chì, được làm bằng vật liệu có trở kháng nhỏ

và đảm bảo tác động (cắt) đúng ở ngưỡng yêu cầu