Lập trình tính toán chế độ xác lập của hệ thống phân phối swer

Giới thiệu phương pháp đánh số nhánh mạng điện dạng hình tia và đề xuất giải thuật quét thuận/quét nghịch để xây dựng thuật toán tính bài toán phân bố công suất cho lưới điện SWER trong

-

NGUYỄN ANH HUY

LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA HỆ THỐNG PHÂN PHỐI SWER

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Mã số: 605251

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Nguyễn Văn Liêm Chữ ký:…

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Anh Huy MSHV:12820134

Ngày, tháng, năm sinh: 30/03/1983 Nơi sinh: Huyện Lấp Vò - Tỉnh Đồng Tháp

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số : 605251

I TÊN ĐỀ TÀI: Lập trình tính toán chế độ xác lập của hệ thống phân phối SWER

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng thuật toán để tính toán các giá trị điện áp,

góc pha, công suất thực và công suất phản kháng ở chế độ xác lập của hệ thống phân phối SWER Xây dựng tiêu chuẩn thiết kế của hệ thống SWER và tính toán cho một thiết kế tiêu biểu lưới điện SWER trong thực tế

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07/07/2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/05/2015

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Nguyễn Văn Liêm

Tp HCM, ngày tháng năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

(Họ tên và chữ ký)

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Thầy Nguyễn Văn Liêm, người đã tận tình hướng dẫn, cung cấp những tài liệu vô cùng quí giá và giúp đỡ

em trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô người đã giảng dạy và truyền đạt những tri thức khoa học giúp em hoàn thiện các kiến thức trong suốt quá trình theo học cao học

Con vô cùng biết ơn Cha Mẹ và gia đình nuôi con khôn lớn, luôn là chỗ dựa vững chắc về vật chất lẫn tinh thần, tạo mọi điều kiện để con được học tập, trưởng thành cho đến ngày hôm nay

Xin chân thành cảm ơn các Anh Chị, bạn bè cùng lớp Thiết bị, mạng và nhà máy điện khoá 2012 (đào tạo tại trường Đại Học Cần Thơ) đã giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như trong cuộc sống

Cần Thơ, tháng 05 năm 2015

Nguyễn Anh Huy

The high cost of grid extension to rural areas, which are often characterized by scattered communities with low load densities, requires the use of low cost electrification technologies to ensure economic viability In Single Wire Earth Return (SWER) power distribution networks, the earth itself forms the current return path of the single phase system leading to significant cost savings on conductors, poles and poletop hardware compared to conventional systems However, challenges exist in SWER with regard to earthing and safety as well as the dependence on earth conductivity to supply consumer loads This work presents models for the optimal planning of SWER power distribution networks The earth return path is modeled as a conductor based on the Carson line model taking into consideration specific ground properties of the considered location A load flow algorithm for radial SWER networks is subsequently formulated whereby the overhead line and ground voltages and currents are determined using the backward/forward sweep method

The developed models are applied to a case study in Southern of Viet Nam to test their practical application In addition, comparative studies are done to determine how the proposed optimization models compare with previous distribution planning models The numerical analysis includes the impact of deterministic distributed generation on the SWER planning problem

TÓM TẮT

Đáp ứng nhu cầu cung cấp điện đến các vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa và vùng cao có mật độ dân cư thưa thớt, tải nhỏ phân bố rãi với chi phí đầu tư thấp đang là một bài toán thách thức đối với các đơn vị cung ứng điện.

Để giải quyết bài toán đó trong phạm vi đề tài này đề xuất một phương pháp phân phối điện 1 dây dùng đất dẫn dòng trở về (Single Wire Earth Return-SWER)

để đáp ứng nhu cầu phân phối điện cho các khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa, vùng cao Với lợi thế chỉ có 1 dây dẫn điện góp phần giảm thiểu các loại vật tư thiết

bị trên lưới cũng như giảm số lượng trụ điện giúp hệ thống lưới điện SWER kinh tế hơn so với các dạng lưới điện truyền thống Tuy nhiên vấn đề then chốt của lưới điện SWER là làm sao xử lý được hệ thống nối đất đạt yêu cầu vận hành cũng như cách ly được với nguồn cung cấp Giới thiệu phương pháp đánh số nhánh mạng điện dạng hình tia và đề xuất giải thuật quét thuận/quét nghịch để xây dựng thuật toán tính bài toán phân bố công suất cho lưới điện SWER trong đó hệ thống nối đất trở về được xây dựng dựa trên mô hình Carson

Tính toán các giá trị và ứng dụng mô hình này vào các lưới điện thực tế tại miền nam Việt Nam So sánh với các dạng lưới điện hiện hữu để kết luận

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Văn Liêm

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên thực hiện

Nguyễn Anh Huy

MỤC LỤC

PHẦN 1: MÔ HÌNH VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA SWER 1

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề: 1

2 Khái niệm về hệ thống SWER: 1

3 Sự cần thiết của bài toán tính toán chế độ xác lập đối với việc quy hoạch, thiết kế và vận hành một hệ thống SWER: 3

4 Các hạn chế trước đây: 4

5 Mục tiêu của đề tài: 5

6 Phạm vi nghiên cứu: 5

7 Nội dung nghiên cứu: 6

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI ĐIỆN 1 DÂY DÙNG DẤT DẪN DÒNG TRUNG HÒA-SWER 7

1 Lịch sử hình thành của hệ thống SWER: 7

2 Các ưu điểm của hệ thống SWER: 8

3 Giới thiệu một số hệ thống SWER tiêu biểu trên Thế Giới: 10

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU CÁC THÀNH PHẦN TRONG MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY SWER 12

1 Máy biến áp cách ly: 12

2 Dây dẫn trong hệ thống SWER: 13

3 Hệ thống sứ đỡ và sứ dừng dây trong hệ thống SWER: 14

4 Máy biến áp phân phối cho phụ tải trong hệ thống SWER: 15

5 Bộ điều chỉnh điện áp: 17

6 Thiết bị bảo vệ: 19

6.1 Máy cắt tự đóng lại (Reclosers): 20

6.2 Bảo vệ chống sóng điện áp lan truyền trên đường dây: 21

7 Thiết bị nối đất trong hệ thống SWER: 22

8 Hiện tượng tăng áp và hiệu ứng Ferranti: 25

9 Dao động dọc đường dây do gió: 26

CHƯƠNG IV: MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐƯỜNG DÂY SWER 28

1 Mô hình trở kháng đường dây: 29

2 Mô hình đường dây J.R.Carson: 29

3 Dung dẫn trên dọc đường dây: 31

4 Giải thuật phân bố công suất: 32

CHƯƠNG V: LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN CÁC GIÁ TRỊ XÁC LẬP CỦA MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY SWER BẰNG PHẦN MỀM MATLAB 35

I Phân tích bài toán SWER: 35

1 Khảo sát nhu cầu cấp điện cho một khu vực thực tế: 35

2 Giải thuật tính toán cho sơ đồ lưới điện hình tia (SWER): 38

II Các thuật toán lập trình trong Matlab và kết quả tính toán cho bài toán phân bố công suất của hệ thống điện SWER: 42

1 Giới thiệu sơ lược về Matlab Simulink: 42

2 Thực hiện lập trình tính toán các giá trị đầu vào cho hệ thống SWER: 42

PHẦN 2: XÂY DỰNG TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 47

VÀ THIẾT KẾ TIÊU BIỂU 47

CHƯƠNG VI: TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN SWER 47

I Phạm vi ứng dụng của SWER: 47

1 Giới thiệu một số quy định về hiệu quả đầu tư trong cung cấp điện của ngành điện tại Việt Nam: 47

2 Đánh giá tình hình cung cấp điện cho các khu vực nông thôn tại miền nam Việt Nam: 47

3 Đánh giá khả năng ứng dụng SWER trong cung cấp điện cho các khu vực nông thôn tại miền nam Việt Nam: 48

II Tiêu chuẩn thiết kế lưới điện SWER các khu vực nông thôn tại miền nam Việt Nam: 48 1 Giới thiệu các tiêu chuẩn thiết kế lưới điện phân phối đang ứng dụng: 48

2 Đánh giá khả năng ứng dụng các tiêu chuẩn thiết kế hiện hữu cho lưới điện SWER: 49

3 Chi tiết thiết kế của các phần tử lưới điện SWER: 50

CHƯƠNG VII: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT KẾ TIÊU BIỂU HỆ THỐNG ĐIỆN SWER 61

I Khảo sát nhu cầu cung cấp điện cho một khu vực nông thôn có phụ tải 100kVA: 61

1 Sơ đồ vị trí mặt bằng: 61

2 Mục đích đầu tư: 62

3 Hiện trạng lưới điện của khu vực: 62

II Phương án 1 – Xây dựng thiết kế và dự toán công trình cấp điện cho khu vực nêu trên theo thiết kế đường dây trung áp 1 pha 12,7kV 2 dây truyền thống: 63

A Tổng quan về công trình: 63

1 Điều kiện khí hậu tính toán: 63

2 Lựa chọn dây dẫn điện và dây trung hòa: 64

3 Lựa chọn cách điện và phụ kiện: 67

4 Các biện pháp bảo vệ: 69

4.1 Các thiết bị đóng cắt đầu tuyến: 69

4.2 Tiếp đất đường dây: 69

5 Các giải pháp thiết kế cột và móng: 69

5.1 Các giải pháp kết cấu cột: 69

5.2 Các giải pháp phần móng: 70

B Các bản vẽ chi tiết của hệ thống lưới điện: 71

1 Bản vẽ mặt bằng bố trí trụ: 71

2 Bản vẽ trụ vượt sông: 72

3 Bản vẽ chi tiết trụ 18m: 73

4 Bản vẽ chi tiết trụ 14m: 74

5 Bản vẽ chi tiết móng trụ: 75

5.1 Loại móng đà cản 1,2m và 1,5m (móng b-a) dùng cho trụ 14m đỡ thẳng, trụ 14m đỡ góc và trụ 14m dừng giữa tuyến: 75

5.2 Loại móng 2 đà cản 1,5m (móng b-b) dùng cho trụ 14m dừng cuối tuyến: 76

5.3 Loại móng bê tông 1,5x1,5x1 m3 dùng cho trụ đấu nối 18m, trụ đầu tuyến 18m: 77

6 Bản vẽ chi tiết chằng và móng neo: 78

7 Bản vẽ trụ đấu nối 18m: 79

8 Bản vẽ trụ đầu tuyến: 80

9 Bản vẽ trụ đỡ thẳng: 81

10 Bản vẽ trụ đỡ góc: 82

11 Bản vẽ trụ dừng giữa tuyến: 83

12 Bản vẽ trụ dừng cuối tuyến: 83

13 Bản vẽ chi tiết trụ lắp đặt MBA phân phối: 84

14 Bản vẽ chi tiết hệ thống tiếp đất: 85

14.1 Bản vẽ bộ tiếp đất lặp lại có dây tiếp đất luồng trong thân trụ: 85

14.2 Bản vẽ bộ tiếp đất lặp lại có dây tiếp đất ngoài trụ: 86

14.3 Bản vẽ bộ tiếp đất lặp lại có dây tiếp đất đặt trong bê tông trụ: 87

14.4 Bản vẽ chi tiết phương pháp đóng cọc tiếp đất: 88

14.5 Bản vẽ chi tiết phương pháp đóng cọc tiếp đất: 89

C Tổng mức đầu tư cho công trình: 89

III Phương án 2 – Xây dựng thiết kế và dự toán công trình cấp điện cho khu vực nêu trên

theo thiết kế đường dây trung áp 12,7kV 1 pha 1 dây (SWER): 90

A Tổng quan về công trình: 90

1 Điều kiện khí hậu tính toán: không thay đổi so với phương án 1 (Chi tiết xem tại mục II.A.1 - Chương 7) 90

2 Lựa chọn dây dẫn điện: tính tương như phương án 1, chọn cùng loại cáp nhôm trần lõi thép ACSR 35 để dễ so sánh (đặc tính cáp đã nêu trong tại mục II.A.2 – Bảng 7.2 – Chương 7) 90

3 Lựa chọn cách điện và phụ kiện: do đặc tính lưới điện SWER có cùng cấp điện áp với dạng lưới điện đang vận hành nên tiêu chuẩn vật tư và cấp cách điện giống như các loại vật tư đã nêu tại mục II.A.3 - Chương 7 90

4 Các biện pháp bảo vệ: 90

5 Các giải pháp thiết kế cột và móng: 91

5.1 Các giải pháp kết cấu cột: 91

5.2 Các giải pháp phần móng: 91

B Các bản vẽ chi tiết của hệ thống lưới điện SWER: 92

1 Bản vẽ mặt bằng bố trí trụ: 92

2 Bản vẽ mặt cắt vượt sông: 92

3 Bản vẽ trụ đấu nối 18m và máy biến áp cách ly 100kVA: 93

4 Bản vẽ trụ đầu tuyến 18m: 94

5 Bản vẽ trụ đỡ thẳng và trụ đỡ góc: 95

6 Bản vẽ trụ dừng giữa tuyến: 96

7 Bản vẽ trụ dừng cuối tuyến: 97

8 Bản vẽ chi tiết móng trụ: 98

8.1 Loại móng 02 đà cản 1,2m (móng a-a) dùng cho trụ 14m đỡ thẳng và trụ 14m dừng giữa tuyến: 98

8.2 Loại móng 2 đà cản 1,5m (móng b-b) dùng cho trụ 14m dừng cuối tuyến: 99

8.3 Loại móng bê tông 1,5x1,5x1 m3 dùng cho trụ đấu nối 18m, trụ đầu tuyến 18m: 100

9 Bản vẽ chi tiết chằng và móng neo: 101

10 Bản vẽ vị trí trụ lắp MBA cách ly: 102

11 Bản vẽ chi tiết hệ thống nối đất: 103

11.1 Bản vẽ chi tiết nối đất tại các TBA phân phối: 103

11.2 Bản vẽ chi tiết nối đất tại TBA cách ly: 104

11.3 Bản vẽ chi tiết phương pháp đóng cọc tiếp đất: 105

C Tổng mức đầu tư cho công trình: 105

1 Xây dựng chi phí hoán chuyển một MBA 1 pha 100kVA loại có điện áp 12,7/0,23kV sang cấp điện áp 22/12,7kV: 105

2 Tính toán tổng mức đầu tư cho công trình bao gồm đường dây trung áp SWER và MBA cách ly 100kVA: 106

IV So sánh kết quả của hai phương án: 106

V Xây dựng mối liên hệ giữa chi phí theo chiều dài đường dây: 107

CHƯƠNG VIII : ỨNG DỤNG VÀ Ý TƯỞNG TƯƠNG LAI 110

1 Ứng dụng : 110

2 Ý tưởng cho tương lai: 110

PHẦN 1: MÔ HÌNH VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA SWER

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề:

Ngày nay, để đáp ứng nhu cầu cung cấp điện đến các vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa và vùng cao có mật độ dân cư thưa thớt (tải nhỏ phân bố rãi) với chi phí đầu tư thấp nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu an toàn, độ tin cậy cao, đảm bảo tính kinh tế khi vận hành đang là một bài toán thách thức đối với các đơn vị cung ứng điện Để giải quyết bài toán đó trong phạm vi đề tài này đề xuất

một phương pháp phân phối điện 1 dây dùng đất dẫn dòng trở về (Single Wire

Earth Return-SWER) để đáp ứng nhu cầu phân phối điện cho các khu vực

nông thôn, vùng sâu, vùng xa, vùng cao có mật độ dân cư thưa thớt với chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành thấp

2 Khái niệm về hệ thống SWER:

Hệ thống phân phối điện 1 dây dùng đất dẫn dòng trở về (SWER) thường được sử dụng để cấp nguồn cho các khu vực nông thôn, các khu vực dân cư thưa thớt với chi phí đầu tư và vận hành thấp Hệ thống SWER thường được cấp nguồn trung áp 1 pha thông qua 1 máy biến áp cách ly 1 pha Mục đích của việc

sử dụng máy biến áp cách ly là để tạo điểm nối đất riêng cho nguồn của hệ SWER ở chế độ vận hành 1 dây dùng đất dẫn dòng trở về Các phần tử trong hệ thống SWER đều được nối đất Đất (Earth) đóng vay trò là dây dẫn dòng trở về nguồn trong hệ thống SWER

Hình 1.1 giới thiệu một sơ đồ mô phỏng hệ thống SWER điển hình Các thành phần chính của mạng điện SWER trong hình 1.1 như sau: máy biến áp cách ly có đầu sơ cấp được đấu nối với điện áp dây của lưới điện trung áp 3 pha 22kV và đầu sơ cấp có điện áp 12,7kV, trong đó có một đầu được nối đất trực tiếp Nguồn trung áp 1 pha 12,7kV được truyền dẫn đến các máy biến áp phân phối 12,7/0,24kV trong mạng điện SWER để cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ,

dòng trở về nguồn tại các hộ tiêu thụ điện được dẫn về nguồn thông qua hệ thống nối đất tại các máy biến áp phân phối

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống SWER điển hình

Hình 1.2 và 1.3 giới thiệu về đường dây cấp nguồn cho một hệ thống SWER và máy biến áp cách ly

Hình 1.2 Nhánh rẽ cấp nguồn cho hệ thống SWER điển hình

Hình 1.3 Máy biến áp cách ly trong hệ thống SWER

đầu vào 2 pha và đầu ra 1 pha

3 Sự cần thiết của bài toán tính toán chế độ xác lập đối với việc quy hoạch, thiết kế và vận hành một hệ thống SWER:

Bài toán phân bố công suất là nền tảng của mọi bài toán phân tích và điều khiển hệ thống điện Bài toán phân bố công suất là cơ sở cho cho các nghiên cứu về:

Hiện nay, một số nước trên thế giới đã xây dựng các hệ thống mạng phân phối dạng SWER cho các khu vực nông thôn và đã đáp ứng được các nhu cầu điện khí hóa nông thôn với mức chi phí đầu tư và vận hành thấp Để có thể áp dụng mô hình lưới điện dạng SWER phục vụ mục đích điện khí hóa các khu vực nông thôn Việt Nam đòi hỏi phải xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học cho mạng điện phân phối SWER với các thông số đầu vào lấy từ điều kiện thực tế tại Việt Nam qua đó mới phân tích chính xác được các lợi thế của hệ thống điện dạng SWER và làm căn cứ tính toán quy hoạch, thiết kế cũng như vận hành sau này cho hệ thống SWER – đó là tính cấp thiết của đề tài này

4 Các hạn chế trước đây:

Mặc dù việc xây dựng hệ thống phân phối điện dạng SWER đã được ứng dụng tại nhiều nước trên Thế Giới tuy nhiên công nghệ này vẫn chưa được áp dụng tại Việt Nam Mục tiêu cơ bản của đề tài này là phân tích mô phỏng một hệ thống SWER theo các thông số đầu vào thu thập từ thực tế tại các khu vực nông thôn miền nam Việt Nam qua đó rút ra các nhận định và so sánh với các phương

án cung ứng điện hiện hữu nhằm góp phần nâng cao khả năng điện khí hóa các khu vực nông thôn Việt Nam

Một số nước trên thế giới đã xây dựng và đưa vào vận hành các hệ thống mạng phân phối dạng SWER từ rất lâu nhằm thúc đẩy các khu vực nông thôn phát triển hơn Tuy nhiên việc đầu tư hệ thống SWER phải được phân tích sâu hơn ở các khía cạnh sau:

nhanh hơn quy hoạch dẫn đến phải đầu tư các dạng lưới điện khác để đáp ứng nhu cầu phụ tải nên gây ra tình trạng lãng phí khi đầu tư lưới điện dạng SWER

chế về khả năng dẫn dòng điện của đất (tối đa 8A theo NZECP 41:1993)

Ghi chú: “NZECP 41:1993”: NEW ZEALAND ELECTRICAL CODE

OF PRACTICE PAGE 41, PUBLISH 1993

 Người dân tại các khu vực nông thôn ngày càng có nhiều cơ hội hơn trong việc tiếp cận các nguồn điện thay thế khác chẳng hạn như: điện gió, điện mặt trời,…

điện phải nâng cao chất lượng điện cung ứng

hỏi phải nâng cao tính tự động hóa Cụ thể nhu cầu về việc sử dụng các dạng motor công suất lớn trong tưới tiêu ngày càng tăng

vùng xa, tuy nhiên cũng có thể vì nó mà làm cho các nhà đầu tư trì hoãn tính cấp bách trong việc xây dựng mới lưới điện 3 pha cho các khu vực nông thôn xa xôi

5 Mục tiêu của đề tài:

Mục tiêu của đề tài là mô phỏng một mô hình phân phối điện 1 dây dùng đất dẫn dòng trở về (SWER) để tính toán được các giá trị: điện áp (V), góc pha

Mô phỏng được các thành phần lưới điện SWER bằng các mô hình toán học như: mô hình đường dây, máy biến áp phân phối, phụ tải 1 pha và các hệ thống nối đất,…

Tính toán các chi phí đầu tư và xây dựng thiết tiêu biểu lưới điện SWER cho một khu vực tại miền nam Việt Nam

7 Nội dung nghiên cứu:

Xây dựng được mô hình các phần tử trong lưới điện SWER bao gồm: đường dây, máy biến áp phân phối 1 pha, hệ thống nối đất, phụ tải 1 pha, các thiết bị đóng cắt (Recloser, FCO…) và các thiết bị bào vệ (LA, relay…)

Xây dựng được thuật toán xác định các thông số đường dây

Xây dựng được thuật toán để tính toán tại chế độ xác lập cho bài toán phân bố công suất của môt hệ thống SWER Tính toán được các giá trị điện áp

lập

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI ĐIỆN 1 DÂY

DÙNG DẤT DẪN DÒNG TRUNG HÒA-SWER

1 Lịch sử hình thành của hệ thống SWER:

Lloyd Mandeno (1888-1973) một kỹ sư điện New Zealand là người đã đề xuất phương pháp phân phối điện dưới dạng 1 dây dùng đất dẫn dòng trung hòa (SWER) Mandeno trình bày ý kiến của mình trong một bài báo có nội dung

“Cấp điện cho các khu vực nông thôn New Zealand” vào năm 1947 tại Viện nghiên cứu và hội nghị các kỹ sư Mandeno nêu bật được sự cần thiết cho việc cấp điện đến các cộng đồng nông thôn ở New Zealand nhằm thúc đẩy nền kinh

tế New Zealand Trước đó đã có nhiều phương pháp cung cấp điện ba pha tần số 50Hz đến các vùng nông thôn tuy nhiên với chi phí lớn nên chưa mang lại được hiệu quả mong muốn

Hình 2.1 Kỹ sư điện Lloyd Mandeno mang quốc tịch New Zealand

Trong công trình nghiên cứu, Mandeno đề xuất các khu vực nông thôn được điện khí hóa bằng việc xây dựng hệ thống SWER một pha nhận nguồn từ mạng ba pha bằng cách sử dụng các máy biến áp cách ly có sơ cấp nối vào điện

áp dây của mạng 3 pha và thứ cấp 1 pha Những ưu điểm của cấu hình dạng này như sau:

dây dẫn lân cận, đồng thời tổn thất hổ cảm giữa các đường dây cũng được loại

bỏ

 Sự cố do chạm đất dây chuyền được giảm thiểu ở mức thấp nhất vì các rơle bảo vệ chống chạm đất chỉ hoạt động trên hệ thống ba pha Sự cố chạm đất trên các nhánh rẽ sẽ không kích hoạt các rơ le chạm đất do dòng đất đã bị cách ly thông qua hệ thống MBA cách ly

thụ

đáng kể số lượng thiết bị trên lưới cụ thể là giảm sứ cách điện, trụ điện, giảm lực căng đầu trụ dẫn tới giảm kích thước trụ so với lưới điện phân phối ba pha

xảy ra sự cố do thiết bị gây ra đồng thời làm giảm chi phí bảo trì

Hình 2.2 Giới thiệu mô hình máy biến áp cách ly

trong hệ thống SWER

2 Các ưu điểm của hệ thống SWER:

Tính hiệu quả của các hệ thống SWER trong việc phân phối cung cấp điện trên một khoảng cách dài đến các vùng nông thôn dân cư thưa thớt đã được ghi nhận tại một số quốc gia trên thế giới Cụ thể công nghệ này đã được ứng dụng tại New Zealand, Australia, Brazil, Namibia và Nam Phi Công nghệ SWER đã

đi tiên phong ở New Zealand vào năm 1925 và nhanh chóng trở nên phổ biến như là phương pháp tối ưu cho viêc điện khí hóa nông thôn

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điện hệ thống SWER

Chi phí lắp đặt một hệ thống SWER thường khoảng một phần ba hoặc một nửa so với các hệ thống ba pha và một pha thông thường Việc sử dụng 1 dây truyền tải góp phần làm giảm trọng lượng dây dẫn, giảm lực căng đầu trụ dẫn đến việc giảm khả năng chịu lực của trụ điện đồng thời giảm số lượng vật tư thiết bị điện trên lưới Vì vậy, hệ thống SWER thường đòi hỏi ít hơn khoảng 50% sứ đỡ dây (đối với dây dẫn nhôm bình thường), việc xây dựng hạ tầng nhẹ hơn giúp giảm đáng kể chi phí trong đầu tư

Ngày nay hệ thống SWER đã được sử dụng rộng rãi và góp phần cung ứng điện cho hơn 2 triệu người trên Thế Giới giải quyết bài toán cung cấp điện cho các khu vực nông thôn, miền núi, vùng cao, hải đảo nơi mà con người chỉ sống phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống để chiếu sáng sinh hoạt

Nhằm để thúc đẩy sự phát triển tại các vùng nông thôn thông qua việc đầu

tư lưới điện phân phối, hệ thống SWER được đánh giá nổi trội và có thể đáp ứng được các tiêu chí về giá thành và kỹ thuật Tuy nhiên hệ thống SWER chỉ có thể cung ứng tốt cho các phụ tải thỏa mãn tiêu chí sau:

 Mật độ phân bố dân cư có công suất sử dụng điện dưới 0,5kVA/km

3 Giới thiệu một số hệ thống SWER tiêu biểu trên Thế Giới:

Hệ thống SWER đã được sử dụng để cung ứng điện tại một số khu vực nông thôn thuộc Lào, Cambodia và Cộng hòa Nam Phi,… Đặc biệt đơn vị cung ứng điện tại Nam Phi – Công ty Eskom tỏ ra hào hứng với các mô hình SWER

và bỏ ra rất nhiều công sức để nghiên cứu phát triển các hệ thống SWER, kết quả là họ đã đạt được một số kết quả rất khả quan Điều này có phần trái ngược với việc nghiên cứu phát triển hệ thống dạng SWER tại New Zealand và Australia, nơi mà việc cung cấp điện dạng SWER đã phát triển từ rất lâu Ở Nam Phi khi đầu tư mới lưới điện thì hệ thống dạng SWER luôn được cân nhắc trước tiên do đặc tính phụ tải tại đất nước này thường phân bố rãi và công suất tiêu thụ nhỏ

Hình 2.4 Giới thiệu lưới điện SWER thực tế tại Queensland

Trong một hệ thống SWER thì thành phần phức tạp về mặt kỹ thuật và có giá thành cao là máy biến áp cách ly Điều này đã được chứng minh rằng hệ thống SWER ít có hiệu quả kinh tế khi bán kính cung cấp điện nhỏ hơn 3km Vì vậy Nam Phi đã có những nghiên cứu xây dựng hệ thống lưới điện Micro SWER cho phép mở rộng bán kính cung cấp điện mà không cần đến các máy biến áp cách ly với các phụ tải dưới 5kVA Một sáng kiến tại Nam Phi về việc xây dựng một hệ thống lưới điện Micro SWER để đáp ứng các yêu cầu trên Dạng mạng điện này đặc biệt hữu dụng trong việc cung cấp điện cho các trạm phát sóng viễn thông

Công ty Eskom đã nghiên cứu và phát triển mạng điện SWER trung áp 19kV Điều này có một số khác biệt so với các dạng mạng điện SWER tại Australia trước đây Mô hình SWER của Công ty Eskom đặc biệt hữu ích cho các đơn vị cung ứng điện xem xét việc sử dụng trong lần đầu tiên đầu tư Mô hình SWER của Công ty Eskom có một số ưu điểm như sau:

lại

cho các motor bơm nước tưới tiêu

nhằm tiết kiệm chi phí đối với một số nơi có đặc tính điện trở đất cao

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU CÁC THÀNH PHẦN TRONG MÔ HÌNH

ĐƯỜNG DÂY SWER

Chương này sẽ trình bày tổng quan về các thiết bị cấu thành nên hệ thống lưới điện SWER Các thiết bị này phải được phân tích và xem xét kỹ trong việc thiết kế và vận hành mạng điện SWER Hầu hết đây là các thành phần đóng vay trò tuyền dẫn điện và các phần mềm ứng dụng mô phỏng các thiết bị truyền dẫn Ngoài ra, một số yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng vận hành an toàn của hệ thống cũng được khảo sát nhằm đáp ứng yêu cầu vận hành an toàn liên tục và có độ tin cậy cao cho hệ thống SWER

1 Máy biến áp cách ly:

Thông thường hệ thống SWER nhận nguồn từ các lưới trung áp 3 pha 22kV hoặc 33kV, tương ứng giá trị điện áp 1 pha trong hệ thống SWER là 12,7kV hoặc 19kV Nhiệm vụ chính của máy biến áp cách ly trong hệ thống SWER là cách ly dòng đất (dòng thứ tự 0) từ lưới 3 pha Bằng cách này có thể hạn chế tác động của relay chống sự cố chạm đất cho hệ thống 3 pha đầu nguồn

Máy biến áp cách ly trong hệ thống SWER cung cấp dòng điện cho phụ tải bao gồm dòng tải và dòng đất trở về Máy biến áp cách ly thường có gam công suất từ 100kVA đến 300kVA Hình 3.1 giới thiệu sơ đồ máy biến áp cách

ly trong hệ thống SWER và hình 3.2 Máy biến áp cách ly thực tế trong hệ thống SWER

Hình 3.1 Giới thiệu sơ đồ máy biến áp cách ly trong hệ thống SWER

Hình 3.2 Máy biến áp cách ly thực tế trong hệ thống SWER

2 Dây dẫn trong hệ thống SWER:

Thực tế dây dẫn trong hệ thống SWER chuyển tải 1 dòng điện khá nhỏ so với các dây dẫn trong mạng 3 pha vì vậy nó cũng đòi hỏi một lượng ít hơn về các thiết bị cách điện Dạng dây dẫn thường hay sử dụng là Steel Cored Galvanized Zinc (SC/GZ) hoặc Steel Cored Aluminium Clad (SC/AC) Một dạng dây dẫn khác cũng có sử dụng nhưng không phổ biến là Aluminium Conductor Steel Reinforced (ACSR) Hình 3.3 Bảng thông số dây dẫn hệ thống SWER

Hình 3.1 Bảng thông số dây dẫn hệ thống SWER

Lợi ích của việc sử dụng dây dẫn lõi thép đơn hoặc dây dẫn lõi thép xoắn giúp làm tăng khả năng chịu lực căng của dây dẫn hơn các loại cáp nhôm không lỏi thép (Aluminium Conductor Cable) Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc gia tăng khoảng cách giữa các trụ đỡ dây Tại một số nơi sử dụng hệ thống SWER thì có khoảng cách giữa hai khoảng trụ lên đến 250m Ngày nay các lưới điện dạng SWER có chiều dài lên đến hàng trăm kilomet, vì vậy việc tăng chiều dài giữa các khoảng trụ giúp tiết kiệm một lượng đáng kể các vật tư thiết bị trên lưới điện và cũng đồng nghĩa với việc giảm chi phí thay thế bảo dưỡng, bảo trì khi vận hành

Hình 3.3 Giới thiệu các loại dây dẫn có lõi thép

3 Hệ thống sứ đỡ và sứ dừng dây trong hệ thống SWER:

Sứ đứng đỡ dây trong hệ thống SWER thường đơn giản và dễ lắp đặt vì chỉ có 1 dây dẫn điện, tương ứng các loại đà đỡ sứ cũng được tiết giảm thay vào

đó là các chân sứ đứng có giá thành thấp hơn Hệ thống sứ đơn đỡ dây lắp vào chân sứ đứng thường được sử dụng nhất trong hệ thống SWER

Hình 3.4 Sứ đứng đơn đỡ dây

Tại các vị trí dừng dây để đấu nối vào máy biến áp hoặc dừng dây giảm lực căng thường sử dụng 2 bát sứ thủy tinh cách điện (mỗi bát sứ có khả năng cách điện 12,7kV)

Hình 3.5 Sứ dừng dây

4 Máy biến áp phân phối cho phụ tải trong hệ thống SWER:

Do đặc tính phụ tải trong hệ thống SWER là phân bố rãi, công suất tiêu thụ nhỏ thường vào khoảng 0,5kVA/km Sau khi dự đoán đặc tính phụ tải và ước tính tốc độ tăng trưởng theo phương pháp đa dạng hóa nhu cầu phụ tải

(After Diversity Maximum Demand -ADMD) thường thì các nhà cung ứng điện

dự đoán phụ tải tăng từ 0,5kVA/km đến tối đa 3,5kVA/km (giá trị này đã được thống kê ghi nhận tại nhiều khu vực nông thôn trên Thế Giới) Bên cạnh việc các phụ tải có giá trị nhỏ thì do phụ tải cách xa nhau hàng chục kilomet nên độ sụt áp trên đường dây rất rõ rệt vì vậy để xác định công suất cần lắp đặt cho các máy biến áp phân phối trong hệ thống SWER các Đơn vị phân phối điện thường chỉnh định giá trị điện áp ngõ ra lên đến 250V (đấu nối theo dạng 2 pha 3 dây)

và công suất các máy biến áp phân phối thường vào khoảng 10kVA đến 50kVA (theo số liệu thống kê tại Công ty cung cấp điện Ergon thuộc Australia năm 2011) Sơ đồ nguyên lý máy biến áp phân phối theo hình 3.6

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp phân phối trong hệ thống SWER

Máy biến áp phân phối trong hệ thống SWER nhận nguồn 1 pha (thường 12,7kV hoặc 19kV cung cấp từ các máy biến áp cách ly) hoạt động cũng trên nguyên lý cảm ứng điện từ để chuyển đổi từ cấp điện áp 1 pha 12,7kV sang 1 pha 250V Thông thường máy biến áp phân phối trong hệ thống SWER có 2 cuộn dây hạ áp, mỗi cuộn hạ áp có công suất bằng một nữa công suất thiết kế

hình 3.6 Các cọc a2, a3 được nối đất và xem như dây trung tính, cọc a1, a4 mang điện áp 250V Sơ cấp máy biến áp phân phối cọc A1 đấu nối với lưới trung áp 12,7kV hoặc 19kV, cọc ER nối đất Bảo vệ phía trung áp dùng cầu chì tự rơi, ngoài ra các cọc A1, a1 và a4 còn đuợc lắp đặt bảo vệ chống quá điện áp lan truyền

= Zcosβ = tổng trở đường dây, X = Z sinβ = tổng dẫn đường dây

Hình 3.7 Mô hình đường dây ngắn

Góc lệch pha giữa vectơ tổng trở Z và vectơ thành phần thuần trở R

được định nghĩa là góc điện kháng β, góc lệch pha giữa vectơ điện áp đầu đường

Trong hệ thống SWER, để duy trì giá trị điện áp trong giới hạn cho phép thường đòi hỏi sự sự kết hợp của nhiều yếu tố Thông thường các hệ thống lưới phân phối SWER nằm ở phần cuối của một hệ thống ba pha hoặc 1 pha, nơi

mà giá trị điện áp thường xảy ra hiện tượng tăng áp về cuối đường dây do phụ tải tiêu thụ nhỏ Đi đôi với điều này là các giá trị trở kháng cách ly góp phần làm tăng điện áp trên hệ thống SWER Trong một số trường hợp được ghi nhận tại nhà cung cấp CAPELEC (đơn vị phân phối điện tại khu vực miền Trung Australia) báo cáo rằng giá trị điện áp tại các hộ tiêu thụ lên đến 280V và thường ở mức 230V

Các bộ điều chỉnh điện áp trên lưới điện SWER thường phải thỏa mãn

cả hai điều kiện là điều chỉnh tăng và giảm áp trên đường dây Mặt khác để giảm trở kháng của đường dây ta phải xây dựng các hệ thống dây dẫn riêng biệt có kháng trở thấp Bộ điều chỉnh điện áp được đặt tại cả hai đầu của hệ thống SWER, tại đầu cực MBA và tại các hộ tiêu thụ, các MBA phân phối trong mạng điện SWER cũng phải được thiết kế riêng các đầu phân áp để có thể điều chỉnh giá trị điện áp tại đầu ra của MBA Hiện nay, Công ty phân phối điện Ergon đã xây dựng chương trình thiết lập các thiết bị điều chỉnh giảm điện áp tại các hộ tiêu thụ (Low Voltage Regulators -LVRs) và đã mang lại một số hiệu quả nhất định cho việc phân phối điện trong hệ thống SWER

6.1 Máy cắt tự đóng lại (Reclosers):

Thông thường hệ thống SWER được bảo vệ quá dòng chạm đất bằng các máy cắt dạng OCRs (Oil Circuit Reclosers) OCRs là máy cắt tự đóng lại có cuộn dập hồ quang bằng dầu cách điện, có chức năng tự đóng lại (theo các thông

số khi thiết lập) giúp giảm thiểu thời gian mất điện do các dạng sự cố thoáng qua Ngoài ra máy cắt dạng OCRs còn có chức năng tự cắt khi xảy ra tình trạng quá áp trong thời gian ngắn Toàn bộ máy cắt OCRs được đặt ngập trong dầu cách điện, sử dụng dầu cách điện để dập tắt hồ quang điện sinh ra khi cắt có tải Tuy nhiên ngày nay các máy cắt dạng OCRs đã dần bị thay thế bằng các máy cắt dạng ACRs (Automatic Circuit Reclosers)

Máy cắt dạng ACRs thường được lắp đặt chung với máy biến áp và tích hợp sẵn các chức năng bộ điều khiển công suất và các thiết bị thông tin cho phép quan sát và điều khiển từ xa thiết bị Bộ phận đóng cắt được đặt trong môi trường chân không Thiết bị hoạt động bằng một cuộn nam châm điện điều khiển đóng cắt bằng các xung điện áp Hình 3.9 là một máy cắt ACR của hãng Schneider Electric thường được dùng trong hệ thống SWER

Hình 3.9 Máy cắt 1 pha ACR (Automatic Circuit Reclosers)

6.2 Bảo vệ chống sóng điện áp lan truyền trên đường dây:

Để bảo vệ các thiết bị trên đường dây chống các sóng quá điện áp lan truyền do các hiện tượng xung sét gây nên ta phải thiết kế các thiết bị chống sóng quá điện áp lan truyền (Surge arrestors) Các thiết bị trên đường dây đều được thiết kế ở một cấp cách điện nhất định dựa trên gia trị điện áp vận hành (basic insulation level (BIL) do đó để bảo vệ các thiết bị này trước các sóng quá điện áp lan truyền có biên độ lớn (thường là do sét gây ra thì các nhà thiết kế chọn giải pháp là đấu song song một thiết bị bảo vệ quá điện áp trên mỗi pha ngay trước các thiết bị quan trọng trên lưới điện như máy biến áp, cáp ngầm,…

Sơ đồ nguyên lý của thiết bị chống sóng quá điện áp lan truyền được trình bày trong hình 3.10

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị chống sóng quá điện áp lan truyền (Surge arrestors)

Các thiết bị chống quá điện áp lan truyền trên đường dây phải thỏa mãn các tiêu chí sau:

1 Có giá trị điện trở vô cùng lớn trong điều kiện điện áp vận hành, có tổn thất rơi trên thiết bị nhỏ nhất

2 Giá trị điện trở giảm về 0 nhanh nhất trong điều kiện có sóng quá điện áp lan truyền vượt giá trị điện áp thiết kế

3 Có khả năng giải phóng năng lượng do sóng quá điện áp lan truyền sinh ra và không gây hư hỏng cho thiết bị

4 Có khả năng phục hồi trở về giá trị điện trở cách điện ở trạng thái vận hành bình thường

Thiết bị chống quá điện áp lan truyền trên đường dây hoạt động dựa trên đặc tính của điện trở phi tuyến, có chức năng dập hồ quang Khi xảy ra tình

suất của thành phần sóng quá điện áp gây ra sẽ được xả xuống đất Sau khi xảy

ra tình trạng quá điện áp thì điện trở phi tuyến phục hồi trở về giá trị cách điện trong trạng thái vận hành bình thường Ngoài ra điện trở phi tuyến được đặt trong môi trường chân không nhằm dập tắt các hồ quang điện sinh ra trong quá trình xả các xung quá điện áp Hình 3.11 là một thiết bị chống quá điện áp lan truyền đặt ngay trước MBA phân phối

Hình 3.11 Thiết bị chống quá điện áp lan truyền đặt trước MBA phân phối

7 Thiết bị nối đất trong hệ thống SWER:

Khi vận hành các hệ thống SWER đầu tiên trong lịch sử đã ghi nhận các trường hợp sự cố đối với các thiết bị nối đất tại các vị trí máy biến áp cách ly

và máy biến áp phân phối Thông qua các sự cố này đã đặt ra thách thức là làm sau tăng độ an toàn và tin cậy cho hệ thống nối đất trong hệ thống SWER

Hỏng 1 hệ thống nối đất có thể gây ra các tác động lan truyền làm hỏng các hệ thống nối đất còn lại trong hệ thống, gây ra các sự cố trên diện rộng Trong một số trường hợp sự cố còn gây đốt cháy các hệ thống nối đất còn lại Taylor và Effeney (1988) đã khảo sát thống kê một số sự cố nối đất tiêu biểu và ghi nhận các nguyên nhân gây ra sự cố như sau:

a) Sử dụng các loại vật liệu không thích hợp để làm điện trở nối đất:

Việc sử dụng các loại vật liệu dẫn điện kém như: cọc nối đất mạ kẽm,

mạ đồng đồng hoặc mạ thép không gỉ, các chi tiết kết nối với hệ thống nối đất nằm phía dưới mặt đất và làm bằng nhiều loai vật liệu khác nhau sẽ làm giảm tuổi thọ của hệ thống nối đất Nguyên nhân chính là do đất có tính axit gây ăn mòn các chi tiết kết nối làm tăng giá trị điện trở nối đất

b) Hệ thống cọc nối đất cạn trong đất sét:

Đối với đất sét, khi bị khô đất sẽ bị nứt làm giảm diện tích tiếp xúc giữa đất và cọc nối đất, hậu quả là giảm khả năng tản dòng điện vào đất Khi diện tích tiếp xúc giữa đất và cọc nối đất giảm sẽ làm tập trung dòng điện tản vào đất tại một số vị trí nhất định gây ra hiện tương tăng nhiệt, làm giảm độ ẩm của đất hậu quả là làm tăng giá trị điện trở nối đất

Dòng tản xuống đất sẽ chuyển sang các vị trí cọc nối đất khác trong hệ thống và lặp lại quá trình làm cho toàn bộ hệ thống nối đất bị suy giảm khả năng tản dòng trong đất

c) Hệ thống cọc nối đất cạn trong đất cát:

Đất cát hoặc đất mùn có đặc tính ít co giãn dẫn đến việc nước trong đất thấm rút nhanh hơn so với đất bình thường Hệ quả là các điện cực nối đất khô dẫn đến việc làm giảm mật độ các ion dẫn điện gây khó khăn cho quá trình tản dòng điện xuống đất Khi việc tản các điện tích qua các cọc nối đất bị suy giảm sẽ gây ra các tia lửa điện trên bề mặt cọc nối đất Các tia lửa điện này đẩy nhanh tốc độ ăn mòn các cọc nối đất, đôi khi gây nóng chảy các chi tiết kim loại

của hệ thống nối đất, nếu hệ thống nối đất bị hủy hoại hoàn toàn các trụ điện trở thành hệ thống dẫn dòng điện tản xuống đất, nếu trong trường hợp sử dụng trụ

gỗ sẽ gây ra tình trạng phóng điện dọc thân trụ đốt cháy trụ Mặt khác hỏng hệ thống nối đất sẽ gây ra tình trạng nguy hiểm cho người và gia súc khi vô tình chạm vào các thiết bị điện Bảng 3.2 trình bày các thông số điện trở nối đất của TBA phân phối trong hệ thống SWER được ghi nhận tại Công ty Ergon Energy Australia

Bảng 3.2 Thông số điện trở nối đất TBA phân phối trong hệ thống SWER

tại Công ty Ergon Energy Australia

Để tăng khả năng tản dòng điện vào đất (giảm điện trở nối đất) các đơn vị cung cấp điện có nhiều giải pháp, cụ thể như đóng các cọc nối đất sâu hơn, đóng nhiều cọc nối đất, sử dụng các cọc nối đất bằng đồng (Cu) để giảm tình trạng ăn mòn kim loại Gới thiệu một phương pháp đóng cọc nối đất cho lưới điện SWER tại Ergon Energy như hình sau:

Hình 3.12 Giới thiệu phương pháp đóng cọc tiếp đất tại Công ty Ergon Energy

8 Hiện tượng tăng áp và hiệu ứng Ferranti:

Hiệu ứng Ferranti mô tả tình trạng quá áp dọc đường dây trong hệ thống SWER, gây nên bởi các phụ tải nhỏ và cách xa nhau Hiệu ứng này gây nên một số hệ quả không mong muốn là quá áp về phía cuối đường dây, tiềm ẩn những nguy cơ gây hư hỏng thiết bị của khách hàng Tình trạng này đặc biệt thường gặp trong hệ thống SWER với lưới điện có chiều dài lớn và phụ tải nhỏ cách xa nhau Hiệu ứng Ferranti được hình thành bởi hiện tượng dung dẫn dọc đường dây Khi chiều dài đường dây truyền tải điện tăng, giá trị điện áp tại cuối đường dây tăng cao hơn giá trị điện áp tại đầu đường dây (đầu cực MBA cách ly) do dung dẫn dọc đường dây gây ra (theo “Power Quality World 2011”) Trong mô hình đường dây hình π, giá trị điện áp tại đầu đường dây được tính toán là:

 IR : dòng điện;

Trong điều kiện phụ tải nhỏ hoặc không tải, thì thành phần dòng điện

IR có thể bỏ qua, biểu thức 3.7 được viết lại như sau:

2 2

S R

V V

Từ các biểu thức trên ta nhận thấy rằng hiệu ứng tăng áp Ferranti được

mối liên hệ giữa hiệu ứng tăng áp Ferranti theo chiều dài lưới điện SWER

Hình 3.13 Mối liên hệ giữa hiệu ứng tăng áp Ferranti

theo chiều dài lưới điện SWER

9 Dao động dọc đường dây do gió:

Đặc trưng của lưới điện SWER là dây có tiết diện nhỏ, khoảng cách giữa các trụ lớn, kéo dọc các khu vực nông thôn trống trãi nên hay xảy ra trường hợp dây bị gió mạnh thổi gây ra tình trạng dao động Dây dẫn dao động trong thời gian dài sẽ dễ bị tuột khỏi sứ đỡ, gây sự cố cho mạng điện, đặc biệt gây nguy hiểm cho người và gia súc khi bị dây dẫn điện rơi trúng Vì vậy khi thiết

kế lưới điện SWER ta phải khảo sát kỹ đặc tính gió, đồng thời xây dựng phương

án giảm dao động dây đồng thời có giải pháp cố định dây chắc chắn trên sứ đỡ

Hình 3.14 mô tả các trạng thái gió thổi có khảng năng gây ra tình trạng dao động dây dẫn Khi gió thổi mạnh, thổi thẳng theo từng lớp thì sẽ gây

ra tình trạng dao động dây nghiêm trọng (Hình 3.14-a), trong khi gió thổi xoáy nhiều hướng thì ít gây ra tình trạng dao động dây hơn (Hình 3.14-b) Theo một

số ghi nhận thực tế lưới điện SWER tại Energex (Australia) năm 2012 thì dây dẫn có tần số dao động trong khoảng từ 10-100Hz, tình trạng dao động trở nên nguy hiểm khi có tần số khoảng 20Hz

Hình 3.14 Trạng thái gió đối với dây dẫn điện

Để ngăn ngừa tình trạng dây dẫn bị dao động ta sử dụng phương pháp dùng các giáp níu (amour rods) để cố định dây trên sứ đứng và lắp các bộ chống dao động (vibration damper) hai bên sứ đỡ dây cụ thể như hình 3.15

Hình 3.15 Lắp đặt giáp níu và bộ dây chống dao động cho đường dây SWER

CHƯƠNG IV: MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐƯỜNG DÂY SWER

Chương này trình bày các mô hình toán học của lưới phân phối SWER Trở kháng đường dây được xây dựng dựa trên mô hình Carson, tổng trở tương hổ của đất được quy đổi tương đương như một dạng dây dẫn có giá trị điện trở thay đổi Mô hình Carson quy đổi các giá trị trở kháng của đường dây trên không và trở kháng của mặt đất về cùng một hệ đơn vị để tính toán Từ đó

ta có thể tính toán được các tổng trở tương đương, dòng điện chạy trên hệ thống, Ngoài ra trong chương này cũng sẽ đề xuất các giải thuật toán học nhằm để tính toán được các giá trị xác lập của các thông số như: điện áp (V),

SWER

Các hệ thống điện SWER có một số ưu điểm nhất định nên nó vẫn còn được sử dụng tại nhiều nơi như: Brazil, Australia, South Africa, Iceland,…Lý do các quốc gia này vẫn còn tin dùng hệ thống SWER rất đơn giản là vì hệ thống này có chi phí đầu tư thấp hơn các lưới điện tiêu chuẩn, mặt khác các khu vực nông thôn thường không đòi hỏi quá khắt khe về chất lượng điện năng cung cấp

và bên cạnh đó chi phí đầu tư cho các thiết bị để cải thiện chất lượng điện năng cho hệ thống SWER cũng tương đối rẽ

Một số vấn đề về sóng lan truyền trên đường dây và bài toán phân bố công suất trong các hệ thống điện sử dụng đất để dẫn dòng trung tính bao gồm

cả hệ thống 1 dây hoặc 3 dây chưa đáp ứng được các yêu cầu tính toán như mong muốn Trong khi một giải thuật hoàn chỉnh của bài toán phân bố công suất trong các hệ thống SWER đến nay vẫn chưa đáp ứng được, cụ thể chưa có một giải thuật quy đổi các giá trị tính toán cho thành phần điện trở suất đất về một dạng đồng nhất để tính toán, nguyên nhân là do các giá trị điện trở suất đất phụ thuộc vào yếu tố thời tiết

Trong phạm vi đề tài này đề xuất một giải thuật cho hệ thống 1 dây (SWER) dựa trên thuật toán quét thuận/quét nghịch sơ đồ mạng điện hình cây

(hình tia) Mục đích chính của đề tài này là chứng minh được việc sử dụng giải thuật quét thuận/quét nghịch cho mô hình SWER với các sai khác so với thực tế

là nhỏ nhất

Thêm vào đó, việc xây dựng một giải thuật lặp nhằm tính toán các giá trị trở kháng đường dây dạng SWER đáp ứng việc giải bài toán trào lưu công suất, dựa trên các thông số cơ bản

Mô hình đường dây Carson giúp xác định được các giá trị tổng trở tương đương đất và tổng trở tương hổ Mục 3, trình bày giải thuật trào lưu công suất cho mô hình đường dây SWER, dựa trên giải thuật quét thuận/quét nghịch

1 Mô hình trở kháng đường dây:

Mô hình phân phối điện và giải thuật trào lưu công suất cho hệ thống SWER đã được J.R.Carson trình bày trong một bài báo xuất bản năm 1926 Trong bài báo, Carson đã đề xuất một phương pháp quy đổi tương đương giá trị trở kháng giữa dây dẫn trên không và trở kháng của đất khi dẫn dòng trung hòa Tuy nhiên tại thời điểm này, phương pháp của ông chưa nhận được sự quan tâm

là vì các công cụ tính toán chưa phát triển đủ để chứng minh phương pháp của Carson là đúng Ngày nay, những tiến bộ trong công nghệ máy tính đã chứng minh được tính hiệu quả của mô hình Carson

2 Mô hình đường dây J.R.Carson:

Mô hình đường dây Carson trình bày phương pháp xác định các giá trị tổng trở đường dây trên không và tổng trở tương hổ của đất

Hình 4.1 Trình bày mô hình đường dây Carson

Một phương pháp tính toán dòng điện Ia chạy trên dây dẫn, và dòng

trị điện trở suất của đất được xem không đổi Khi tính toán cho mô hình đường dây Carson ta phải khảo sát giá trị bán kính hình học (geometric mean radius - GMR) theo chiều dài là mét (hoặc ft), chiều cao trụ đỡ dây Dag (meters hoặc feet), với Dag là 2 lần chiều cao trụ đỡ dây

giá trị tương đối, với Vg = 0:

Hiệu hai phương trình của ma trận trên, ta có: