Nghiên cứu chuẩn hóa các yêu cầu kỹ thuật đối với máy cắt cho hệ thống bù trên lưới điện truyền tải việt nam

Trình bày tổng quan về máy cắt trong lưới điện truyền tải Việt Nam. Tính toán mô phỏng quá trình đóng cắt tụ bù ngang tại Trạm biến áp 220kV Chèm. Phân tích, nhận xét các kết quả tính toán, mô phỏng và đưa ra các kiến nghị.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG HỆ THỐNG ĐIỆN

Nguyễn Thị Hà

NGHIÊN CỨU, CHUẨN HÓA CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI

MÁY CẮT CHO HỆ THỐNG BÙ TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI

VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện hướng Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt

M ỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 4

LỜI CẢM ƠN 5

Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng 7

Danh mục các hình vẽ 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 11

TỔNG QUAN VỀ MÁY CẮT TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI VIỆT NAM 11 1.1 Giới thiệu chung 11

1.2 Cấu tạo chung của máy cắt cao áp 12

1.2.1 Trụ cực 12

1.2.2 Bộ truyền động 13

1.2.3 Khung, giá đỡ máy cắt 13

1.3 Máy cắt tụ bù ngang 14

CHƯƠNG 2 16

TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐÓNG – CẮT TỤ BÙ NGANG TẠI TRẠM BIẾN ÁP 220kV CHÈM 16

2.1 Giới thiệu về chương trình tính toán, mô phỏng ATP/EMTP 16

2.1.1 Giới thiệu chung 16

2.1.2 Nguyên tắc hoạt động 17

2.1.3 Khả năng của phần mềm 17

2.1.4 Mô hình hợp nhất các Module mô phỏng trong ATP 18

2.1.5 Các thiết bị tiêu chuẩn trong ATPDraw 21

2.1.5.1 Nguồn điện (Sources) 21

2.1.5.2 Nhánh (Branch) 23

2.1.5.3 Máy biến áp (Transformers) 27

2.1.5.4 Công t ắc (Switch) 27

2.1.5.5 Máy điện (Machines) 28

2.1.6 Một số ứng dụng quan trọng của ATP/EMTP 29

2.2 Thông số vật lý các phần tử hệ thống điện cần nghiên cứu 30

2.2.1 Thông số đường dây 30

2.2.2 Thông số thiết bị trạm biến áp 220kV Chèm 30

2.2.2.1 Thông số máy biến áp 30

2.2.2.2 Thông số tụ bù ngang 31

2.2.2.3 Ph ụ tải 31

2.3 Mô hình tính toán mô phỏng các phần tử của hệ thống điện cần nghiên cứu 31

2.2.3 Mô hình nguồn điện 31

2.2.4 Mô hình đường dây 33

2.2.5 Mô hình máy biến áp AT1, AT2, AT5 34

2.2.6 Mô hình tụ bù ngang 36

2.2.7 Mô hình phụ tải 36

2.4 Kết quả tính toán, mô phỏng quá trình đóng – cắt tụ bù ngang của trạm biến áp 220kV Chèm 39

2.4.1 Kết quả tính toán, mô phỏng quá trình đóng tụ bù ngang của trạm biến áp 220kV Chèm 40

2.4.1.1 Tiếp điểm của máy cắt tiếp xúc khi điện áp pha A đạt đỉnh(máy cắt đóng

tr ực tiếp, không thông qua cuộn kháng hoặc điện trở) 40

2.4.1.2 Tiếp điểm của máy cắt tiếp xúc khi điện áp pha A đi qua giá trị “0” 47

2.4.1.3 Đóng máy cắt tụ qua cuộn kháng 54

2.4.1.4 Đóng máy cắt tụ qua điện trở 63

2.4.1.5 Tách cuộn kháng sau khi đóng máy cắt tụ qua cuộn kháng 72

2.4.1.6 Tách điện trở sau khi đóng máy cắt tụ qua điện trở 80

2.4.2 Cắt máy cắt tụ ra khỏi lưới điện 89

CHƯƠNG 3 95

PHÂN TÍCH, NHẬN XÉT CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ ĐƯA RA CÁC KIẾN NGHỊ 95

3.1 Phân tích, nhận xét về thời điểm đóng máy cắt tụ bù ngang 95

3.2 Phân tích, nhận xét về đóng máy cắt tụ bù ngang thông qua cuộn kháng và điện trở 96

3.2.1 Đóng cuộn kháng và điện trở cố định 96

3.2.2 Nối tắt cuộn kháng và điện trở sau khi đóng máy cắt tụ 97

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi Nội dung, số liệu được tập hợp từ nhiều nguồn khác nhau Thuyết minh, mô phỏng và kết quả tính toán được bản thân tôi thực hiện

Hà Nội, ngày 18 tháng 03 năm 2013

Nguyễn Thị Hà Khóa CH2010B

L ỜI CẢM ƠN

Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn

hướng dẫn giúp đỡ tôi xây dựng và hoàn thành luận văn này

Vì thời gian và kiến thức còn hạn chế bản luận văn này không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp để bản luận văn này ngày càng hoàn thiện

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt

Danh m ục các bảng

Bảng 2.1: Khả năng mô phỏng của ATP 17

Bảng 2.2: Các loại nguồn trong ATP 23

Bảng 2.3: Các phần tử phi tuyến 24

Bảng 2.4: Các dạng đường dây có thông số tập trung 25

Bảng 2.5: Các loại đường dây có thông số dải (đường dây hoán vị) 25

Bảng 2.6: Các loại đường dây có thông số dải (đường dây không hoán vị) 26

Bảng 2.7: Các phần tử “cable constants” hoặc “line constants” 26

Bảng 2.8: Các loại máy biến áp 27

Bảng 2.9: Các loại công tắc 28

Bảng 2.10: Các loại máy điện 29

Danh m ục các hình vẽ

Hình 1.1: Cấu tạo máy cắt cao áp 12

Hình 1.2: Sơ đồ nối điện chính trạm biến áp 220kV Chèm 15

Hình 2.1: Mô hình ATP/EMTP 18

Hình 2.2: Mối tương quan giữa ATPDraw và các module khác 20

Hình 2.3: Cửa sổ giao diện của ATPDraw 21

Hình 2.3: Mô hình và nhập số liệu cho nguồn điện AC 3 pha 32

Hình 2.4: Mô hình và nhập số liệu cho đường dây 34

Hình 2.5: Mô hình và nhập số liệu cho máy biến áp AT1, AT2, AT5 35

Hình 2.6: Mô hình và nhập số liệu cho tụ bù ngang 36

Hình 2.7: Mô hình và nhập số liệu cho phụ tải 37

Hình 2.8: Mô hình thay thế trạm biến áp 220kV Chèm 38

Hình 3.1: Điện áp thanh cái 220kV và dòng điện qua máy cắt khi đóng tại thời điểm điện áp pha A đạt đỉnh và đi qua giá trị “0” 95

Hình 3.2: Điện áp thanh cái 220kV và dòng điện đi qua máy cắt pha A khi đóng máy cắt tụ bù ngang trực tiếp 96

Hình 3.3: Điện áp thanh cái 220kV và dòng điện đi qua máy cắt pha A khi đóng máy cắt tụ bù ngang thông qua cuộn kháng 96

Hình 3.4: Điện áp thanh cái 220kV và dòng điện đi qua máy cắt pha A khi đóng máy cắt tụ bù ngang thông qua điện trở 96

Hình 3.5: Điện áp thanh cái 220kV và dòng điện đi qua máy cắt pha A trường hợp nối tắt cuộn kháng sau khi đóng máy cắt tụ bù ngang thông qua cuộn kháng 97

Hình 3.6: Điện áp thanh cái 220kV và dòng điện đi qua máy cắt pha A trường hợp nối tắt điện trở sau khi đóng máy cắt tụ bù ngang thông qua điện trở 97

M Ở ĐẦU

Điện năng sau khi sản xuất sẽ được truyền tải tới các phụ tải thông qua lưới điện Trong chế độ vận hành bình thường của hệ thống điện, việc sản xuất công suất tác dụng phải đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ bao gồm cả các tổn thất nếu không tần

số của hệ thống sẽ bị thay đổi Cũng như vậy, có một sự gắn bó chặt chẽ giữa cân bằng công suất phản kháng với điện áp các nút hệ thống Công suất phản kháng ở một khu vực nào đó dư thừa thì ở đó sẽ có hiện tượng quá điện áp (điện áp quá cao)

và ngược lại nếu nút nào đó bị thiếu công suất phản kháng thì điện áp tại nút đó sẽ

bị sụt thấp Bởi vậy, công suất phản kháng cũng luôn phải được điều chỉnh để giữ cân bằng Tuy nhiên có sự khác nhau cơ bản giữa điều chỉnh công suất tác dụng và điều chỉnh công suất phản kháng Tần số hệ thống sẽ được đảm bảo bằng việc điều chỉnh cân bằng công suất tác dụng ở bất kỳ máy phát điện Nhưng, điện áp các nút trong hệ thống không bằng nhau mà phụ thuộc vào điều kiện cân bằng công suất phản kháng theo từng khu vực Như vậy nguồn công suất phản kháng (các thiết bị bù) cần được lắp đặt phân bố và điều chỉnh theo từng khu vực

Việc bù công suất phản kháng trong hệ thống điện không chỉ đảm bảo cho việc cân bằng công suất phản kháng mà còn làm giảm tổn thất công suất, điện năng

các dàn tụ bù ngang để bù công suất phản kháng cho hệ thống

Trạm biến áp 220kV Chèm được bù công suất phản kháng bằng một dàn tụ

bù ngang, có công suất 50,85MVAr Khi đóng tụ bù ngang vào hệ thống thường xảy

ra các dao động điện áp trên thanh cái, tác giả nghiên cứu, tính toán, mô phỏng quá trình đóng – cắt máy cắt tụ bù ngang, từ đó đưa ra các nhận xết, kết luận, kiến nghị khi vận hành, lựa chọn máy cắt

Nội dung của luận văn được trình bày trong 3 chương chính:

Chương 1: Tổng quan về máy cắt trong lưới điện truyền tải Việt Nam

Chương 2: Tính toán, mô phỏng quá trình đóng – cắt tụ bù ngang của Trạm biến áp 220kV Chèm

Chương 3: Phân tích, nhận xét các kết quả tính toán, mô phỏng và đưa ra các kiến nghị

C HƯƠNG 1

Điện năng là loại năng lượng không thể lưu giữ mà phải sử dụng ngay sau khi được sản xuất Những nơi đặt nhà máy sản xuất điện (nguồn điện) thường là những vùng xa khu dân cư, phụ tải nên để truyền tải điện đến nơi tiêu thụ cần một mạng lưới vô cùng phức tạp bao gồm: các máy phát điện, máy biến áp tăng áp, đường dây truyền tải, các máy biến áp hạ áp và đường dây phân phối Ta phải sử dụng nhiều máy cắt để tác động nhanh, chính xác nhằm nhanh chóng cách ly sự cố

ra khỏi hệ thống cũng như đóng lại các thiết bị sau khi sự cố đã được xử lý Chính

vì vậy, máy cắt là phần tử rất quan trọng trong hệ thống điện nói chung và hệ thống truyền tải điện cao áp nói riêng

Phân loại theo chức năng của máy cắt trong lưới điện cao áp, hiện nay tại

- Máy cắt các phía của máy biến áp lực

1.2 C ấu tạo chung của máy cắt cao áp

Máy cắt được chia thành 3 khối chính: 1 Trụ cực

- Máy cắt chân không

- Máy cắt SF6 (hiện tại, lưới điện truyền tải cao áp Việt Nam thường sử dụng loại máy cắt này)

Chức năng của trụ cực:

- Cách điện giữa phần dẫn điện với khung giá của máy

- Cách điện giữa tiếp điểm chính và điếm động khi máy cắt cắt, dẫn

- Thi hành lệnh thao tác (đóng, cắt) từ bộ truyền động và dập hồ quang khi cắt

Bộ truyền động gồm 5 khối chức năng chính:

- Khối tích trữ năng lượng (lò xo, khí nén,…)

- Khối thao tác (đóng, mở) máy cắt: bằng cơ khí, thủy lực, khí nén

- Khóa liên động (điện, cơ khí, thủy khí, khí nén, )

- Các bộ chỉ thị (trạng thái tiếp điểm chính, trạng thái khối tích năng, bộ đếm số lần thao tác, )

- Các thiết bị phụ (sấy, chiếu sáng,…)

1.2.3 Khung, giá đỡ máy cắt

Khung, giá đỡ dùng để lắp các trụ cực, bộ truyền động máy cắt Khung giá

đỡ máy cắt phải đủ chắc chắn để tạo được liên kết ổn định giữa các bộ phận của máy cắt trong vận hành, hạn chế tối đa rung lắc của máy và trụ cực, đảm bảo độ bền

cơ khí trong các bộ phận của máy cắt

1.3 Máy c ắt tụ bù ngang

Trong các dàn tụ bù ngang, việc đóng xung điện vào các dàn tụ và nạp điện vào các tụ điện khiến các đại lượng điện thay đổi đột biến gây ra dao động cho lưới

về quá dòng đột ngột và quá điện áp đột ngột làm chọc thủng cách điện của các thiết

bị điện trong hệ thống và làm hỏng các thiết bị Bởi vậy, luận văn này nghiên cứu quá trình đóng – cắt tụ bù ngang, từ đó đưa ra những kiến nghị khi vận hành tụ bù ngang trong lưới điện

C HƯƠNG 2

Chương 2 sẽ giới thiệu tồng quan về chương trình tính toán, mô phỏng ATP/EMTP, các thông số vật lý của các phần tử hệ thống điện của trạm biến áp 220kV Chèm, từ đó đưa ra các mô hình hóa của các phần tử tương ứng trong chương trình ATP/EMTP, các kết quả tính toán, mô phỏng quá trình đóng – cắt tụ

bù ngang của trạm biến áp 220kV Chèm và các nhận xét kết quả

2.1.1 Giới thiệu chung

Chương trình quá độ điện từ (EMTP – Electromagnetic Transients Programme) là một phần mềm máy tính dùng cho việc mô phỏng các quá trình quá

độ điện từ, điện cơ và hệ thống điều khiển trong hệ thống điện nhiều pha

Hermann Dommel Phần mềm này đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong các lĩnh vực tính toán thiết kế cũng như vận hành cho các loại thiết bị trong hệ thống điện EMTP là một trong những công cụ phân tích hệ thống rất linh hoạt và hiệu quả

Với sự đóng góp của hàng loạt các công ty điện lực và các trường đại học Bắc Mỹ, EMTP đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi từ đầu những năm 1970 EMTP được chính thức thương mại hóa từ năm 1984 Đến năm 1986, phiên bản độc lập của EMTP là ATP (Alternative Transients Programme) đã được hình thành ATP/EMTP là phần mềm mã nguồn mở và được cung cấp hoàn toàn miễn phí

TACS (Transient Analysis of Control Systems) và MODELS (a simulation

đặc tính phi tuyến

Mô phỏng hiện tượng hỏng hóc, xung sét và các dạng đóng cắt kể cả chuyển mạch của các van

quét tần số FREQUENCY SCAN

Phân tích harmonics (hài) trong miền tần số bằng cách sử dụng HARMONIC FREQUENCY SCAN (harmonic current injection method)

Số lượng nguồn 900

2.1.4 Mô hình hợp nhất các Module mô phỏng trong ATP

Hình 2.1: Mô hình ATP/EMTP

+ Module ATP control center: Khối trung tâm, điều khiển các khối còn lại

+ Module ATPDraw: Chương trình chạy trên nền Windows với giao diện đồ họa trực quan, dễ sử dụng, dùng để tạo các mạch mô phỏng quá độ Trong đó có nhiều phần tử trong hệ thống điện và người sử dụng có thể tạo các mô phỏng mới nhờ ngôn ngữ MODELS của chương trình

+ Module PCPlot: là module để in kết quả và vẽ đồ thị ở chế độ quá độ của các thông số (điện áp nút, điện áp nhánh, dòng điện nhánh, momen, tốc độ…)

+ Module PlotXY: là module để in kết quả ở chế độ xác lập của các thông số (điện áp nút, dòng điện nhánh, dòng công suất nhánh, tổn thất công suất trên nhánh, tổng công suất phát và tổng tổn thất công suất…)

+ Module Programme’s File Editor (PFE): là module quản lý các file dữ liệu đầu vào và xem/in danh sách đầu ra

trình hỗ trợ khác Trong 6 module chính trên thì module ATPDraw đóng vai trò nền tảng cho các module khác

Hình 2.2: M ối tương quan giữa ATPDraw và các module khác

2.1.5 Các thiết bị tiêu chuẩn trong ATPDraw

Hình 2.3: Cửa sổ giao diện của ATPDraw

ATPDraw là chương trình đồ họa, đồng thời là phiên bản ATP của EMTP trên nền windows Trong ATPDraw người dùng có thể xây dựng các mạch điện và lựa chọn các thành phần có trong thư viện ATPDraw cung cấp các phần tử mẫu, các phần tử mẫu này có thể làm việc đồng thời trên nhiều mạch và sao chép thông tin giữa các mạch Hầu hết các thiết bị tiêu chuẩn trong ATPDraw (cả 1 pha và 3 pha) đều được cung cấp trong TACS, đồng thời người dùng có thể tạo ra thiết bị mới trong MODELS Các thiết bị tiêu chuẩn đều có đầy đủ chức năng điều chỉnh hình họa, dữ liệu và có thể kiểm tra, thực hiện trong miền tần số

2.1.5.1 Nguồn điện (Sources)

Trong chương trình ATP/EMTP có hai loại nguồn được mô phỏng là nguồn điện tĩnh và nguồn điện động Nguồn điện tĩnh là dạng nguồn điện cho trước giá trị biên độ (điện áp hoặc dòng điện), góc pha, thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc Nguồn điện đông là các dạng máy điện quay (đồng bộ hay không đồng bộ)

Chương trình ATP/EMTP có thể mô phỏng các dạng nguồn sau đây:

+ Nguồn theo yêu cầu người đặt bài toán nhờ ứng dụng module điều khiển TACS (Transient Analysis of Control Systems)

+ Nguồn một chiều

+ Nguồn hình thang

+ Nguồn dạng răng cưa (Ramp function)

+ Nguồn hình sin (Sinussoidal function) f(t)=A.cos(2πft+φ)

+ Nguồn điều biến

Tất cả các nguồn trên đều là nguồn dòng hoặc nguồn áp

Bảng 2.2: Các loại nguồn trong ATP

+ Máy biến áp các loại

Khi cần nghiên cứu chi tiết mô hình đường dây, có thể sử dụng các module

“cable constants” hoặc “line constants” để xây dựng ma trận tổng trở (đường kính dây dẫn, khoảng cách giữa các pha, chiều cao treo dây…) đều được thể hiện trong các module này

Bảng 2.3: Các phần tử phi tuyến

Bảng 2.4: Các dạng đường dây có thông số tập trung

Bảng 2.5: Các loại đường dây có thông số dải (đường dây hoán vị)

Bảng 2.6: Các loại đường dây có thông số dải (đường dây không hoán vị)

Bảng 2.7: Các phần tử “cable constants” hoặc “line constants”

2.1.5.3 Máy biến áp (Transformers)

Bảng 2.8: Các loại máy biến áp

2.1.5.4 Công tắc (Switch)

ATP có thể mô tả các loại công tắc sau đây:

không khi đóng mạch và dòng điện qua nó bằng không khi ngắt mạch

công tắc với các loại tín hiệu điều khiển khác nhau (Diode, thyristor, triac…)

sét

Bảng 2.9: Các loại công tắc

2.1.5.5 Máy điện (Machines)

ATP cho phép mô phỏng chi tiết các loại máy điện như: máy phát điện 3 pha, động cơ đồng bộ, không đồng bộ một pha, hai pha hoặc 3 pha, động cơ một chiều với các dạng kích thích khác nhau; có thể mô phỏng chi tiết các tầng turbine của máy phát cùng các thiết bị điều khiển như bộ tự động điều chỉnh kích từ, điều chỉnh tốc độ…

Bảng 2.10: Các loại máy điện

Các bài toán sau đây thường được giải quyết nhờ chương trình ATP/EMTP:

- Quá độ do đóng cắt và sự cố

- Cộng hưởng sắt từ

2.2 Thông s ố vật lý các phần tử hệ thống điện cần nghiên cứu

2.2.1 Thông số đường dây

- Đường dây 220kV TĐ.Hòa Bình về Chèm có chiều dài 74km sử dụng dây AC500

AC500

- Đường dây 110kVCầu Diễn về Chèm có chiều dài 5,5km sử dụng dây GZTACSR200

2.2.2 Thông số thiết bị trạm biến áp 220kV Chèm

Trạm biến áp 220kV Chèm gồm 3 máy biến áp: AT1, AT2, AT5 có thông số:

2.2.3 Mô hình ngu ồn điện

Trong phạm vi luận văn, ta coi nguồn cung cấp cho hệ thống truyền tải

pha, ký hiệu là loại nguồn 14 Loại nguồn này có thể hoạt động trong suốt quá trình xác lập

Hình 2.3: Mô hình và nh ập số liệu cho nguồn điện AC 3 pha

Dạng nguồn là nguồn điện áp:

+ Applitude [A]: giá trị đỉnh của nguồn điện Nguồn điện cấp cho đường dây

+ f [Hz]: tần số của nguồn điện: 50Hz

+ Pha: thông số góc pha của nguồn tính bằng độ hoặc giây, phụ thuộc vào giá

A1=0: góc pha tính bằng độ, u(t)=Amp.cos[2Πf + pha]

A1>0: góc pha tính bằng giây, u(t)=Amp.cos[2Πf(t+pha)] Khi góc pha tính bằng độ thì thứ tự pha được quy ước như sau:

+ Tstart: thời điểm tại đó nguồn bắt đầu hoạt động

+ Tstop: thời điểm tại đó nguồn bắt đầu ngừng hoạt động

2.2.4 Mô hình đường dây

Để đơn giản trong việc tính toán và đường dây cũng không quá dài nên ta sử dụng mô hình thay thế thông số tập trung LINEPI_3

Hình 2.4: Mô hình và nhập số liệu cho đường dây

2.2.5 Mô hình máy bi ến áp AT1, AT2, AT5

Máy biến áp AT1, AT2, AT5 được mô phỏng bằng mô hình BCTRAN

Hình 2.5: Mô hình và nh ập số liệu cho máy biến áp AT1, AT2, AT5

2.2.6 Mô hình t ụ bù ngang

Tụ bù ngang trị số 9,59μF, có điện trở ký sinh 1nΩ được mô phỏng bằng một

tụ điện C mắc nối tiếp với một điện trở R với thông số thực tế, đấu sao

2.2.7 Mô hình ph ụ tải

Hình 2.7: Mô hình và nhập số liệu cho phụ tải

Dựa vào sơ đồ trạm và mô hình thay thế thông số trên, ta có mô hình thay thế

hệ thống điện rút gọn của trạm biến áp 220kV Chèm: