Tính toán lựa chọn số lượng và vị trí đặt chống sét van cho trạm biến áp 220kv phả lại 2 bằng EMTP

Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông T. A. Tùng, T. T. Sơn, Đ. A. Tuấn, “Tính toán lựa chọn số lượng bằng EMTP.”                              168     TÍNH TOÁN LỰA CHỌN SỐ LƯỢNG VÀ VỊ TRÍ ĐẶT CHỐNG SÉT VAN CHO TRẠM BIẾN ÁP 220KV PHẢ LẠI 2 BẰNG EMTP Trần Anh Tùng1*, Trần Thanh Sơn1, Đỗ Anh Tuấn2  Tóm tắt: Cách điện của các đường dây và trạm biến áp 220kV thường được lựa chọn dựa trên các tính toán về quá điện áp. Trong một số trường hợp, độ an toàn cách điện trong trạm biến áp 220kV có thể bị vi phạm do quá điện áp khí quyển có trị số lớn. Chính vì vậy, việc tính toán lựa chọn số lượng và vị trí đặt các chống sét van nhằm hạn chế quá điện áp trong thiết kế hệ thống cách điện và phối hợp cách điện đóng một vai trò quan trọng. Bài báo này giới thiệu các mô phỏng quá trình quá độ trong hệ thống 220kV của trạm biến áp Phả Lại 2 bằng chương trình EMTP (Electro-Magnetic Transient Program). Quá điện áp khí quyển được tính toán cho hai trường hợp: sét đánh vào đỉnh cột và sét đánh trực tiếp vào dây pha. Các kết quả tính toán đã cho phép đề xuất phương án lắp đặt thêm chống sét van tại cuối đường dây vào trạm và thanh cái, và tại hai đầu thanh cái nhằm hạn chế quá điện áp lan truyền từ đường dây vào trạm. Từ khóa: Quá điện áp; Chống sét van; Trạm biến áp; EMTP; Cách điện; Phối hợp cách điện; BIL.  1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiệu quả bảo vệ chống sét là một tiêu chí quan trọng trong thiết kế các đường dây và  trạm biến áp 220kV. Tần suất sự cố do sét cần được đảm bảo ở một mức độ thấp nhằm  giảm thiểu thiệt hại do cắt điện cũng như các vấn đề liên quan đến ổn định hệ thống điện.  Hiệu năng chống sét của một đường dây  truyền  tải phụ  thuộc vào nhiều yếu  tố như cấp  điện áp, độ cao của cột, đường dây mạch đơn hay mạch kép, điện trở tiếp đất Các cú sét  có thể gây ra phóng điện ngược khi đánh vào khoảng vượt của dây chống sét hoặc đỉnh cột  của đường dây tải điện. Trong một số trường hợp, dây pha của đường dây cũng có thể bị  sét đánh gây ra sự lan truyền của sóng quá điện áp khí quyển về trạm biến áp. Dây chống  sét kết hợp với điện trở tiếp đất của cột điện có giá trị nhỏ có thể cải thiện hiệu năng chống  sét  và  sự  ứng  dụng  các  chống  sét  van  đường  dây  cung  cấp  một  giải  pháp  bổ  trợ  tăng  cường. Đối với thiết kế bảo vệ chống sét cho trạm biến áp, các yêu cầu đối với chống sét  van (điểm đặt, số lượng) cần được tính toán chi tiết, hợp lí nhằm đảm bảo an toàn cho các  phần tử quan trọng của trạm. Trong bài báo này, tác giả thực hiện tính toán mức độ quá  điện áp khí quyển cho  trạm biến áp 220kV Phả Lại 2 bằng chương  trình EMTP. Cú sét  được giả thiết đánh vào đỉnh cột và vào dây pha của đường dây tải điện đến trạm. Các tính  toán sau đó cho phép tác giả đề xuất các phương án nâng cao hiệu quả bảo vệ chống sét  cho các trạm biến áp 220kV.    2. MÔ HÌNH TRONG PHÂN TÍCH BẢO VỆ CHỐNG SÉT Hình 1. Kịch bản mô phỏng quá điện áp khí quyển của trạm biến áp 220kV Phả Lại 2.  Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017                              169 Các sóng quá điện áp do sét có thể lan truyền đến trạm biến áp theo hai cơ chế: các sóng  do phóng điện ngược trên cột điện khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc sóng đến từ cú sét đánh  trực tiếp lên dây pha của đường dây tải điện. Kịch bản mô phỏng quá điện áp khí quyển cho  trạm biến áp 220kV Phả Lại 2 cho hai trường hợp trên được giới thiệu trên hình 1.  Đường dây mạch kép Sóc Sơn 1-2 đến trạm gồm 7 cột điện và 6 khoảng vượt được mô  phỏng. Trong trường hợp 1, cú sét được giả  thiết đánh vào đỉnh cột 1. Sóng điện áp lan  truyền đến trạm khi có phóng điện ngược xảy ra trên cột. Trường hợp 2 mô phỏng sét đánh  trực  tiếp  vào  giữa  khoảng  vượt  của  pha  trên  cùng  của  một  mạch  gần  cột  1.  Sơ  đồ  mô  phỏng trạm biến áp Phả Lại 2 bằng chương trình EMTP được giới thiệu trên hình 2.  L_imp TOP T6 T6 T6 U TD256 T5 Hình 2. Sơ đồ mô phỏng trạm biến áp 220kV Phả Lại 2 bằng EMTP. 2.1. Mô hình nguồn dòng điện sét, đường dây truyền tải và trạm biến áp trong EMTP Dòng điện sét mô phỏng theo tiêu chuẩn IEC 61000 – 4 – 5 về đặc tính của các dạng  sóng  dòng  điện  sét,  trong  đó:  dạng  sóng  dòng  điện  của  cú  sét  trực  tiếp  có  đặc  tính  10/350µs, dạng sóng dòng điện của cú sét gián tiếp có đặc tính 8/20µs. Các cú sét trực tiếp  và gián  tiếp được mô phỏng có cùng biên độ 150kA để  so  sánh hiệu ứng của các dạng  sóng sét khác nhau. Đường dây mạch kép sử dụng dây dẫn ACSR 330mm2, mỗi pha được  phân làm 2 dây dẫn cách nhau 40cm trong mặt phẳng ngang. Dây chống sét  loại ACSR  90mm2. Mô hình mô phỏng bao gồm 7 cột gần trạm nhất và 6 khoảng vượt với chiều dài  khoảng vượt là 300m, các cột điện còn lại được mô phỏng bằng ma trận hòa hợp tổng trở  nhằm loại bỏ sự phản xạ của sóng điện áp từ phía xa. Mỗi khoảng vượt gồm 8 dây dẫn (6  dây pha của hai mạch và hai dây chống sét) được mô phỏng bằng mô hình J-Marti tần số  phụ thuộc. Hệ thống tiếp địa của các cột điện được thay thế bằng một điện trở nối đất có trị  số điển hình 10Ω. Các thanh cái của trạm biến áp được thay thể bằng các tổng trở sóng.  Cách điện đầu vào máy biến áp được thay thế bằng điện dung có trị số 3nF.  Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông T. A. Tùng, T. T. Sơn, Đ. A. Tuấn, “Tính toán lựa chọn số lượng bằng EMTP.”                              170     2.2. Mô hình cột điện trong EMTP Một mô hình 4 đoạn [1-2] được sử dụng để mô phỏng cột điện như minh họa trên hình  2. Mỗi đoạn được  thay  thế bởi một mô hình đường dây không  tổn  thất nối  tiếp với một  mạch RL song song, nhằm mô phỏng sự suy giảm của sóng quá điện áp khi lan truyền trên  cột. Các tham số của mô hình được tính toán như sau :  (1) (2) (3)  Hình 3. Mô hình cột điện sử dụng trong mô phỏng. (4)    (5)  (6)  Trong đó: Zc: Tổng trở sóng của cột (Ω); H: Chiều cao từ vị trí xà thấp nhất đến đỉnh  cột (m); Ri: Điện trở của mỗi phân đoạn (Ω); Li: Điện cảm của mỗi phân đoạn (mH); γ: Hệ  số  tắt  dần  của  sóng  qua  điện  trở;  α:  Hệ  số  tắt  dần  của  sóng  qua  điện  cảm;  vc:  Vận  tốc  truyền sóng; Rnđ: Điện trở nối đất của cột.  2.3. Mô hình phóng điện trên cách điện đường dây trong EMTP Cơ  chế  phóng  điện  trên  chuỗi  cách  điện  đường  dây  được  mô  phỏng  qua  phần  tử  MODELS/TACS dưới dạng một khóa điều khiển có thời gian. Thời gian của đặc tính V-s  của chuỗi cách điện phải được đồng bộ hóa với thời điểm cú sét tác động lên đường dây.  Phóng điện sẽ xảy ra khi điện áp thực tế đặt lên chuỗi cách điện vượt quá giá trị điện áp  phóng điện [3-4]. Mô hình cơ chế phóng điện trên chuỗi cách điện đường dây được minh  họa trên hình 4.  Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017                              171 Giá trị điện áp phóng điện của chuỗi cách điện trong quá trình mô phỏng được tính toán  theo công thức (7) theo đề xuất của CIGRE và được so sánh với giá trị điện áp thực tế đặt  lên chuỗi cách điện. Điện áp này bằng hiệu điện thế giữa Up và Un trên khóa chuyển mạch  được  truyền  tới  phần  tử  MODELS/TACS.  Tín  hiệu  đóng  khóa  chuyển  mạch  mô  phỏng  phóng điện sẽ được truyền từ mô hình tới EMTP khi điện áp thực tế trên chuỗi cách điện  vượt quá điện áp phóng điện.  (7) Trong  đó:  Upđ:  Điện  áp  phóng  điện  (kV);  t:  Thời  gian  phóng  điện  (µs);  l:  Chiều  dài  chuỗi cách điện (m). Chiều dài chuỗi cách điện đường dây được sử dụng trong mô phỏng  là 2,2m (tương ứng với khoảng cách cách điện của sứ composite đường dây 220kV). Thời  gian phóng điện t được lấy giá trị 0,8µs theo CIGRE. Hình 4. Mô hình cơ chế phóng điện. 2.4. Mô hình chống sét van 220kV trong EMTP Các chống sét van 220kV sử dụng điện trở phi tuyến ZnO được mô phỏng bằng phần tử  MOV  trong EMTP.  Các  thông  số  chính  của  các  chống  sét  van  này được  báo  cáo  trong  bảng 1.  Bảng 1. Thông số các chống sét van 220kV.   Ur (kVrms)  UC (kVrms)  TOV/10s (kVrms)  Trị số  192  154  211  Đặc tính V-A của chống sét van được giới thiệu trong bảng 2:  Bảng 2. Đặc tính V-A của chống sét van 220kV. U (kV)   I (A)   U (kV)  I (A)  40  0.00001  315  450  150  0.000025  335  900  210  0.00009  350  1500  230  0.00045  360  2800  240  0.0009  380  5000  250  0.9  400  10000  265  9  440  20000  295  110  500  40000  300  200  630  90000  Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông T. A. Tùng, T. T. Sơn, Đ. A. Tuấn, “Tính toán lựa chọn số lượng bằng EMTP.”                              172     3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Trạm Phả Lại 2 được bố trí theo sơ đồ một rưỡi, gồm 3 đường dây trong đó một đường  dây mạch kép Sóc Sơn 1-2, một đường dây mạch đơn Bắc Giang và 3 máy biến áp 220kV.  Chúng ta cần lưu ý rằng trạm Phả Lại 2 trong điều kiện hiện tại chỉ trang bị chống sét van  tại cuối đường dây vào trạm và tại các máy biến áp.  Trước hết, điều kiện vận hành nguy hiểm nhất cho cách điện của trạm khi có quá điện  áp khí quyển cần được xác định. Điều kiện này xảy ra khi chỉ có đường dây Sóc Sơn 2 vận  hành,  các đường dây Sóc Sơn 1 và Bắc Giang ngừng hoạt động. Giá  trị  quá điện áp  sẽ  được tính toán tại nhiều vị trí (điểm 1 đến điểm 6 như trên hình 4) đối với từng phương án  bố trí chống sét van trong trạm. Các tính toán được thực hiện trong 2 trường hợp: sét đánh  vào đỉnh cột 1 của đường dây mạch kép Sóc Sơn 1-2 và sét đánh vào giữa khoảng vượt 1  của đường dây Sóc Sơn 2. Các trường hợp tính toán được giới thiệu trên hình 5.  Hình 6(a) và hình 6(b) lần lượt giới thiệu kết quả tính toán quá điện áp theo phương án  1 khi sét đánh vào đỉnh cột và khoảng vượt của dây pha trên cùng của đường dây Sóc Sơn  2. Chúng ta cần lưu ý là chỉ giá trị điện áp pha lớn nhất tại các điểm khảo sát được giới  thiệu. Từ kết quả tính toán quá trên, giá trị điện áp cực đại tại các điểm khảo sát được báo  cáo trong bảng 3.  Các kết quả tính toán trong bảng 3 đã chỉ rõ phần lớn giá trị điện áp tại các điểm cuối  của thanh cái C24 và C25 vượt quá ngưỡng BIL cho phép (900 kV) đối với trạm biến áp  220 kV.  Chính vì vậy, thiết kế bảo vệ chống sét như phương án 1 (phương án hiện tại) sẽ không  đảm bảo an  toàn cho cách điện của  trạm  trong một  số  trường hợp. Phương án 2 với  số  lượng chống sét van tăng lên lên được đề xuất, các kết quả mô phỏng của phương án này  được giới thiệu trên hình 7.  Phương án 1 (hiện tại) Phương án 2 Hình 5. Các phương án bố trí chống sét van cho trạm Phả Lại 2. Trị quá điện áp do sét được tính toán tại các điểm từ 1 đến 6. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017                              173 0 2 4 6 8 10 12 -800 -600 -400 -200 0 200  400  600  800  1 000 t (µs) U  ( kV ) Diem 1 Diem 2 Diem 3 Diem 4 Diem 5 Diem 6        (a)  0 2 4 6 8 10 12 -800  -600  -400  -200  0 200  400  600  800  1 000  t (µs) U  ( kV ) Diem 1 Diem 2 Diem 3 Diem 4 Diem 5 Diem 6        (b)  Hình 6. Điện áp tại các điểm khảo sát từ 1 đến 6 đối với phương án 1 khi sét đánh vào: đỉnh cột 1 của đường dây 2 mạch Sóc Sơn 1-2 (a); Khoảng vượt 1 của pha trên cùng của đường dây Sóc Sơn 2 (b). Bảng 3. Giá trị điện áp cực đại (kV) tại các điểm khảo sát trong phương án 1. Vị trí sét đánh   Điểm 1  Điểm 2  Điểm 3  Đỉnh cột  964  760  870  Dây pha  907  826  1108    Điểm 4  Điểm 5  Điểm 6  Đỉnh cột  1056  726  939  Dây pha  883  721  1041  Từ các kết quả tính toán của các phương án, trạng thái an toàn hay nguy hiểm cho cách  điện  tại các điểm khảo sát so sánh với mức 85% giá  trị BIL (dự phòng 15%) được tổng  hợp trong bảng 4 và bảng 5. Các kết quả mô phỏng từ bảng 4 và bảng 5 đã chỉ ra rằng mức  0 2 4 6 8 10 12 -400 -200 0 200 400 t (µs) U  ( k V ) Diem 1 Diem 2 Diem 3 Diem 4 Diem 5 Diem 6       (a)  0 2 4 6 8 10 12 -200  0 200  400  t (µs) U  ( k V ) Diem 1 Diem 2 Diem 3 Diem 4 Diem 5 Diem 6                                  (b)  Hình 7. Điện áp tại các điểm khảo sát từ 1 đến 6 đối với phương án 2 khi sét đánh vào: đỉnh cột 1 của đường dây 2 mạch Sóc Sơn 1-2 (a); Khoảng vượt 1 của pha trên cùng của đường dây Sóc Sơn 2 (b). Bảng 4. Trạng thái cách điện của trạm khi sét đánh đỉnh cột đường dây mạch kép Sóc Sơn 1-2.   Điểm 1  Điểm 2  Điểm 3  Điểm 4  Điểm 5  Điểm 6  PA 1  Nguy  hiểm  An toàn  Nguy  hiểm  Nguy  hiểm  An toàn  Nguy  hiểm  PA 2  An toàn  An toàn  An toàn  An toàn  An toàn  An toàn  Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông T. A. Tùng, T. T. Sơn, Đ. A. Tuấn, “Tính toán lựa chọn số lượng bằng EMTP.”                              174     Bảng 5. Trạng thái cách điện của trạm khi sét đánh khoảng vượt 1 của pha trên cùng của đường dây Sóc Sơn 2.   Điểm 1  Điểm 2  Điểm 3  Điểm 4  Điểm 5  Điểm 6  PA 1  Nguy  hiểm  Nguy  hiểm  Nguy  hiểm  Nguy  hiểm  An toàn  Nguy  hiểm  PA 2  An toàn  An toàn  An toàn  An toàn  An toàn  An toàn  quá điện áp tại thanh cái của trạm khi sét đánh trực tiếp lên dây pha lớn hơn khi sét đánh  vào đỉnh cột điện. Một số đề xuất bổ sung chống sét van sau đây sẽ cho phép nâng cao khả  năng bảo vệ chống sét cho trạm:  - Bổ sung chống sét van tại điểm nối giữa cuối đường dây vào trạm và thanh cái;  - Bổ sung chống sét van tại hai đầu thanh cái.  4. KẾT LUẬN Mô phỏng tính toán quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp Phả Lại 2 đã được thực hiện  với các trường hợp sét đánh trực tiếp và gián tiếp. Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng quá  điện áp do sét đánh trực tiếp có trị số lớn hơn trường hợp sét đánh gián tiếp. Hơn nữa, mức  độ quá điện áp tại trạm có trị số phụ thuộc vào số lượng và vị trí đặt của chống sét van và  điều kiện vận hành của trạm. Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng việc bố trí thêm các chống  sét van tại điểm nối giữa cuối đường dây vào trạm và thanh cái và tại hai đầu của thanh cái  cho phép nâng cao mức an toàn cho cách điện của trạm khi có quá điện áp khí quyển.  TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].S.  Bedoui,  A.  Bayadi,  A.M.  Haddad,  “Analysis of lightning protection with transmission line arrester using ATP/EMTP: Case of an HV 220kV double circuit line,” Universities Power Engineering Conference (UPEC) (2010), pp. 1-6.  [2].M.  Ishii,  T.  Kawamura,  Kouno,  Teruya,  E.  Ohsaki,  K.  Shiokawa,  K.  Murotani,  T.  Higuchi,  “Multistory transmission tower model for lightning surge analysis,”  IEEE  Trans. on Pow. Deliv. Vol 6 (1991), pp. 1327–1335.  [3]. J.G.  Anderson,  Lightning  Performance  of  Transmissions  Lines,  “Transmission line reference book 345 kV and above,” (1982), pp. 545–578.  [4]. IEEE WG on LPTL, “Estimating Lightning Performance of Transmission Lines II – Updates to Analytical Models,” IEEE Trans. PWRD. 8 (1993).  [5]. “Modeling Guidelines for Fast Front Transients,”  IEEE Trans. PWRD vol. 11 no. 1  pp. 493-506 (1996).  [6]. A.  Bayadi,  K.  Zehar,  S.  Semcheddine,  R.  Kadri,  “A Parameter Identification Technique for a Metal-Oxide Surge Arrester Model based on Genetic Algorithm,”  WSEAS Trans. on Cir. Sys. Vol 5 (2006), pp. 549-554.  [7]. A. Bayadi, “Parameter Identification of ZnO Surge Arrester Models based on Genetic Algorithms,” Electr. Power Syst. Res. Vol 78 (2008), pp. 1204-1209.  [8]. T. Yamada, A. Mochizuki, J. Sawada, E. Zaima, T. Kawamura, A. Ametani, M. Ishii,  S.  Kato,  “Experimental evaluation of a UHV tower model for lightning surge analysis,” IEEE Trans. PWRD. Vol 10 (1995), pp. 393-402.  Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017                              175 ABSTRACT CALCULATION OF THE NUMBER AND ARRESTOR POSITON FOR 220KV PHA  LAI 2 SUBSTATION BY EMTP   The selection of insulation level for 220kV transmission lines and substations is often based on the calculation of the overvoltages. In some cases, the safety of the insulation system at 220kV substations can be violated due to the lightning overvoltages of great value. Therefore, the choice of number and arrestor position to limit the overvoltages in insulation system design and insulation coordination plays a vital role. The transient simulations in 220kV system of Pha Lai 2 substation by EMTP (Electro-Magnetic Transient Program) is introduced in this paper. Lightning overvoltages were calculated in two cases: indirect lightning strike to the top tower and direct lightning strike to conductor. The calculation results proposed to add arrestor at the receiving end of the line and at the extrimity of the busbar to enhance the protection capability in lightning protection design for 220kV substations. Keywords: Overvoltage; Surge arrester; Substation; EMTP; Insulation; Insulation coordination; BIL. Nhận bài ngày 02 tháng 5 năm 2017 Hoàn thiện ngày 10 tháng 6 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 7 năm 2017 Địa chỉ: 1 Khoa Kỹ thuật điện, Trường Đại học Điện lực;                    2 Khoa Điện-Điện tử, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên.                   * Email: tungta@epu.edu.vn