- Trang Chủ
- Điện - Điện tử
- Phân tích, tính toán và lựa chọn giải pháp hiệu quả để hạn chế dòng điện ngắn mạch trên các hệ thống điện có cấu trúc phức tạp
Xem mẫu
- ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 9, 2019 25
PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP HIỆU QUẢ ĐỂ
HẠN CHẾ DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH TRÊN CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ
CẤU TRÚC PHỨC TẠP
ANALYZING, CALCULATING AND SELECTING EFFICIENT SOLUTIONS FOR LIMITING
SHORT-CIRCUIT CURRENTS IN COMPLEX POWER SYSTEMS
Đặng Hoàng Minh1, Ngô Văn Dưỡng2, Lê Đình Dương3
1
Trường Đại học Trà Vinh; hoangminhcsp@gmail.com
2
Đại học Đà Nẵng; nvduong@ac.udn.vn
3
Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; ldduong@dut.udn.vn
Tóm tắt - Để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày càng gia tăng, hệ Abstract - In order to meet the increasing demand for electricity
thống điện cũng không ngừng phát triển và mở rộng. Cấu trúc lưới consumption, the power system is also continuously growing and
điện ngày càng phức tạp dẫn đến dòng điện ngắn mạch càng lớn và expanding. The grid structure is increasingly complex, leading to greater
chúng phụ thuộc vào chế độ vận hành do đó cần thiết phải có giải short-circuit currents and they depend on the operating mode, so an
pháp hiệu quả để hạn chế dòng điện ngắn mạch. Hiện nay, có một effective solution is needed to limit short-circuit current. At present, there
số phương pháp hạn chế dòng ngắn mạch đang được sử dụng trong are a number of methods of limiting short-circuit current being used in
thực tế và mỗi phương pháp đều có những hạn chế nhất định. practice and each of them has its own limitations. This paper represents a
Bài báo trình bày phương pháp sử dụng thiết bị SCCL lắp đặt nối methodology using SCCL (Short-Circuit Current Limiter) device that
tiếp trên đường dây hoặc phân đoạn thanh góp để hạn chế dòng is installed in series with the line or busbar segments to limit the short-
điện ngắn mạch. Giải pháp đề xuất được áp dụng cho lưới điện mẫu circuit current. The proposed method is applied to the IEEE 39-bus system
IEEE 39 nút và kết quả được phân tích và đánh giá để thể hiện tính and the obtained results are analyzed and evaluated to demonstrate the
hiệu quả của giải pháp đối với hệ thống điện phức tạp. effectiveness of the solutions for complex power systems.
Từ khóa - Ngắn mạch; cấu trúc lưới điện; chế độ vận hành; dòng Key words - Short-circuit; the grid structure; the operating mode;
ngắn mạch; thiết bị SCCL. short-circuit currents; Short-Circuit Current Limiter (SCCL).
1. Đặt vấn đề - Gây nhiễu đối với đường dây thông tin ở gần do dòng
Sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và khoa học thứ tự không sinh ra khi ngắn mạch chạm đất.
công nghệ đã dẫn đến nhu cầu tiêu thụ năng lượng nói - Gây mất ổn định: khi không cách ly kịp thời phần tử
chung và năng lượng điện nói riêng ở Việt Nam ngày càng bị ngắn mạch, hệ thống có thể mất ổn định và tan rã, đây là
tăng. Để đáp ứng nhu cầu tăng trưởng phụ tải khoảng hậu quả trầm trọng nhất.
12,3%/năm giai đoạn 2011-2020 và 8,7%/năm [1] giai - Làm hỏng hóc các thiết bị như máy biến áp, thiết bị
đoạn 2021-2030, hệ thống điện Việt Nam trong những năm đóng cắt, cáp ngầm, đường dây trên không...
qua cũng liên tục phát triển cả về qui mô lẫn công nghệ.
- Bảo vệ tác động khi xảy ra sự cố dẫn đến ngừng cung
Lưới điện truyền tải và phân phối ngày càng dày đặc, mật
cấp điện cho phụ tải.
độ các trạm biến áp 500kV và 220kV ngày càng tăng, đặc
biệt trong giai đoạn từ 2010 đến nay có nhiều trung tâm Để hạn chế các ảnh hưởng của dòng ngắn mạch gây ra cho
nhiệt điện đã được xây dựng và đưa vào vận hành như: hệ thống điện Việt Nam nói riêng và hệ thống điện nói chung,
Vĩnh Tân, Ô Môn, Long Phú, Duyên Hải… cần thiết phải tìm được giải pháp phù hợp để hạn chế dòng
ngắn mạch. Bài báo trình bày phương pháp sử dụng thiết bị
Sự phát triển nhanh chóng của hệ thống điện: nhiều
SCCL lắp đặt nối tiếp trên đường dây hoặc phân đoạn thanh
nguồn điện mới được đưa vào vận hành, liên kết lưới điện
góp để hạn chế dòng điện ngắn mạch. Áp dụng lắp đặt thiết bị
tăng, hệ thống tiêu thu năng lượng điện liên tục tăng ở nước
SCCL để hạn chế dòng điện ngắn mạch trên lưới điện IEEE
ta hiện nay đã và đang dẫn đến làm tăng công suất ngắn
39 nút, phân tích đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất.
mạch trong lưới phân phối làm vượt giá trị dòng cắt ngắn
mạch của máy cắt gây mất an toàn vận hành thiết bị. 2. Lựa chọn giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch
Hậu quả ngắn mạch của lưới điện có thể gây ra:
Về nguyên tắc chung để hạn chế dòng điện ngắn mạch,
- Phát nóng: dòng ngắn mạch rất lớn so với dòng định giải pháp duy nhất là tăng tổng trở của hệ thống khi có ngắn
mức làm cho các phần tử có dòng ngắn mạch đi qua nóng mạch xảy ra. Trên cơ sở đó đã có nhiều giải pháp hạn chế
quá mức cho phép dù với một thời gian rất ngắn. dòng điện ngắn mạch được áp dụng, mỗi giải pháp đều có
- Tăng lực điện động: ứng lực điện từ giữa các dây dẫn những ưu nhược điểm nhất định, cho nên cần có sự phân
có giá trị lớn ở thời gian đầu của ngắn mạch có thể phá tích để lựa chọn giải pháp phù hợp để sử dụng.
hỏng thiết bị. 2.1. Giải pháp thay đổi cấu trúc lưới điện
- Điện áp giảm và mất đối xứng: làm ảnh hưởng đến Trong quá trình vận hành có thể thay đổi cấu trúc lưới
phụ tải, điện áp giảm 30% đến 40% trong vòng một giây điện bằng cách thay đổi sơ đồ phương thức lưới điện (sơ đồ
làm động cơ điện có thể ngừng quay, sản xuất đình trệ, có kết dây lưới điện) như tách các mạch vòng, tách thanh cái
thể làm hỏng sản phẩm. các trạm biến áp khi đó sẽ làm thay đổi tổng trở của hệ thống
- 26 Đặng Hoàng Minh, Ngô Văn Dưỡng, Lê Đình Dương
[2]. Tuy nhiên, việc tách các mạch vòng sẽ làm giảm độ tin trở thành vật liệu cách điện đưa cuộn kháng vào để hạn chế
cậy cung cấp điện, đồng thời hệ thống điện liên tục phát triển dòng điện ngắn mạch. Ưu điểm của thiết bị SFCL là khả
cho nên giải pháp này thường không hiệu quả. năng phục hồi trạng thái nhanh sau ngắn mạch, cho nên
2.2. Giải pháp nối đất trung tính qua tổng trở không cần phải cắt điện để thay thế sau mỗi lần sự cố.
Thực hiện nối đất trung tính máy biến áp qua tổng trở 2.5. Giải pháp sử dụng thiết bị SCCL
sẽ làm thay đổi tổng trở thứ tự không của hệ thống điện khi 2.5.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị SCCL
ngắn mạch. Do đó, giải pháp này chỉ hiệu quả đối với ngắn Ghép nối tiếp thiết bị TPSC (Thyristor Protected Series
mạch 1 pha chạm đất và chỉ phù hợp với phụ tải 3 pha đối Capacitor) với một cuộn kháng sẽ tạo thành thiết bị SCCL
xứng [3]. Trong thực tế đối với lưới điện phân phối thường như Hình 3a. TPSC là một tụ bù nối tiếp thường được sử
phụ tải không đối xứng sẽ có dòng điện liên tục chạy qua dụng để bù trở kháng trên các đường dây truyền tải nhằm
tổng trở nối đất gây tổn thất điện năng trên thiết bị này. Cho nâng cao giới hạn ổn định, thyristor được sử dụng để bảo
nên giải pháp này thường chỉ áp dUJng đối với các lưới vệ quá áp cho tụ khi có ngắn mạch. Trong thiết bị SCCL
điện có dòng thứ tự không tương đối thấp. thì giá trị điện dung của tụ điện được tính toán bù đủ trở
2.3. Giải pháp sử dụng thiết bị FCL kháng của cuộn kháng, cho nên ở chế độ làm việc bình
Sử dụng thiết bị FCL (Fault Current Limiter) dạng dây thường điện kháng của SCCL gần như bằng không, khi có
chì ghép song song với kháng điện (ký hiệu KĐ) và lắp đặt ngắn mạch xảy ra thyrirtor đóng, nối tắt tụ điện làm cho
nối tiếp trên lưới điện như Hình 1 để làm tăng đột biến tổng điện kháng của SCCL tăng lên bằng XK như Hình 3b [7].
trở hệ thống khi xảy ra ngắn mạch [4]. Ở dòng điện làm
việc bình thường FCL ở trạng thái đóng, khi xảy ra sự cố
dòng điện lớn FCL sẽ cắt trong vòng ½ chu kỳ, đưa kháng
điện vào làm tăng tổng trở hệ thống giảm nhanh dòng ngắn
mạch. Giải pháp này khắc phục được các hạn chế của giải
pháp nối đất trung tính qua tổng trở. Tuy nhiên, do dây chì
của thiết bị chỉ được sử dụng một lần, nên sau mỗi lần sự
cố phải thay mới bộ phận chứa dây chì, cho nên giải pháp
này không thể áp dụng cho các lưới điện có suất sự cố cao.
Hình 3. a) Sơ đồ nguyên lý của thiết bị SCCL;
b)Minh họa điện kháng SCCL tăng khi có ngắn mạch xảy ra
2.5.2. Hiệu quả hạn chế dòng ngắn mạch của thiết bị SCCL
Xét sơ đồ nối điện như Hình 4a, ở chế độ làm việc bình
thường dao cách ly ở trạng thái đóng. Khi có ngắn mạch xảy
ra, dòng ngắn mạch do mỗi máy phát cung cấp là 30kA, kết
quả dòng ngắn mạch chạy qua máy cắt là 60kA vượt khả năng
cắt của máy cắt (40kA). Trường hợp đang xét máy phát có
điện áp định mức 15kV và điện kháng XF = 0,2886 [Om].
Hình 1. Minh họa lắp đặt FCL trên lưới điện
2.4. Giải pháp sử dụng thiết bị SFCL
Thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch SFCL (Superconductor
Fault Current Limiter) được Nexans phối hợp với Siemens
nghiên cứu thử nghiệm vào năm 2009 và Applied Materials
lắp đặt thiết bị đầu tiên vào năm 2013 [5, 6]. Cấu tạo của
thiết bị SFCL như Hình 2, thay vì cắt bằng dây chì SFCL cắt
bằng vật liệu siêu dẫn theo 2 chế độ vận hành.
Hình 4a. Minh họa trường hợp chưa lắp đặt SCCL
Hình 2. Cấu tạo của thiết bị SFCL
Ở chế độ dòng điện làm việc bình thường SFCL là vật
liệu dẫn điện, khi xảy ra ngắn mạch dòng điện lớn SFCL Hình 4b. Minh họa trường hợp có lắp đặt SCCL
- ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 9, 2019 27
Để hạn chế dòng ngắn mạch nằm trong giới hạn khả năng
cắt của máy cắt, có thể tính toán lựa chọn thiết bị SCCL có
XK = 1,4435[Om] lắp đặt trên thanh góp như Hình 4b. Trong
trường hợp này, nếu xảy ra ngắn mạch như trên thì dòng
ngắn mạch I1 do máy phát F1 cung cấp cho điểm ngắn mạch
bị hạn chế bởi XK của thiết bị SCCL nên giảm xuống còn
5kA. Kết quả dòng ngắn mạch chạy qua máy cắt giảm xuống
còn 35kA nhỏ hơn khả năng cắt của máy cắt.
Dạng sóng điện áp và sóng dòng điện khi xảy ra ngắn
mạch trường hợp không có thiết bị SCCL như trên Hình 5a
và có thiết bị SCCL như trên Hình 5b.
Hình 6. Hệ thống điện mẫu IEEE 39 nút
Bảng 1. Kết quả tính toán ngắn mạch
Thanh góp IN [kA] Thanh góp IN [kA]
1 9,37 16 15,24
2 14,68 17 12,81
3 12,58 18 10,99
4 11,94 19 11,85
5 12,32 20 14,07
6 12,75 21 9,13
Hình 5a. Dạng sóng điện áp và dòng điện khi xảy ra ngắn mạch
7 10,03 22 11,44
trường hợp không có thiết bị SCCL
8 10,42 23 10,92
9 9,10 24 11,37
10 11,68 25 12,36
11 11,39 26 8,92
12 12,02 27 8,61
13 10,94 28 5,64
14 11,43 29 7,19
15 10,94
3.2. Lắp đặt thiết bị SCCL để hạn chế dòng ngắn mạch
Để thực hiện lắp đặt thiết bị SCCL, tiến hành tách thanh
góp 2 thành hai phân đoạn và lắp đặt thiết bị SCCL với
Hình 5b. Dạng sóng điện áp và dòng điện khi xảy ra ngắn mạch XK = 59,5[Om] (với điện áp lưới cao áp là 345kV) trên
trường hợp có thiết bị SCCL mạch phân đoạn như trên Hình 7.
Qua các giải pháp nêu trên cho thấy, giải pháp sử dụng
thiết bị SCCL cho hiệu quả hạn chế dòng ngắn mạch cao
và thuận tiện trong vận hành. Sự phát triển về công nghệ
chế tạo các thiết bị FACTS, thiết bị TPST được chế tạo với PĐ1 SCCL PĐ2
công suất lớn và giá thành hợp lý cho phép sử dụng cho các
hệ thống truyển tải điện cao áp. Do đó, thiết bị SCCL được
lựa chọn để tính toán lắp đặt nhằm hạn chế dòng điện ngắn
mạch cho các hệ thống điện thực tế.
3. Áp dụng tính toán, lắp đặt thiết bị SCCL trên lưới
điện IEEE 39 nút Hình 7. Sơ đồ lắp đặt thiết bị SCCL trên mạch phân đoạn
3.1. Tính toán dòng ngắn mạch trên lưới điện IEEE 39 nút a. Xét trường hợp xảy ra ngắn mạch tại điểm N 1 trên
Xét hệ thống điện mẫu IEEE 39 nút như Hình 6, sử dụng đầu đường dây L2-3 như trên Hình 8a. Kết quả tính toán
phần mềm PSSE để tính toán dòng ngắn mạch ba pha khi có sự dòng ngắn mạch từ các nguồn cung cấp đến điểm ngắn
cố trên các thanh góp cao áp (trừ thanh góp đầu cực máy phát). mạch trong 2 trường hợp trước và sau khi lắp đặt thiết bị
SCCL như Bảng 2.
Qua kết quả (Bảng 1) cho thấy, dòng ngắn mạch lớn nhất
Bảng 2. Kết quả tính toán ngắn mạch tại N1
khi có sự cố trên thanh góp 2, thanh góp 16 và thanh góp 20.
Chọn thanh góp 2 để lắp đặt và tính toán đánh giá hiệu Dòng ngắn mạch [kA] IN IPĐ1-PĐ2 I25-2 I3-2
quả hạn chế dòng ngắn mạch của thiết bị SCCL đối với các Không lắp đặt SCCL 14,68 6,63 4,19 4,04
lưới điện thực tế. Lắp đặt SCCL 9,65 1,52 4,22 4,05
- 28 Đặng Hoàng Minh, Ngô Văn Dưỡng, Lê Đình Dương
Dòng điện chạy qua máy cắt đầu đường dây L2-1:
- Chưa lắp đặt SCCL: IMC = IPĐ2-PĐ1 + I30-2 = 12,18 kA
IPĐ1-PĐ2
I25-2 - Sau khi lắp đặt SCCL: IMC = IPĐ2-PĐ1 + I30-2 = 5,93 kA
PĐ1 SCCL PĐ2 Giả sử khả năng cắt của các MC đầu đường dây L 2-3,
N1 L2-25 và L2-1 là 6kA, như vậy khi lắp đặt SCCL đã hạn chế
I3-2 dòng ngắn mạch lần lược từ 10,82kA, 10,67kA và 12,18kA
(vượt khả năng cắt của MC) xuống còn 5,77kA, 5,57kA và
5,93kA (đảm bảo MC làm việc an toàn).
Qua kết quả cho thấy, đối với các hệ thống điện thực tế
Hình 8a. Trường hợp xảy ra ngắn mạch tại điểm N1 có cấu trúc phức tạp (như lưới IEEE 39 nút) gồm nhiều
Dòng điện chạy qua máy cắt đầu đường dây L2-3: nguồn cung cấp và các đường dây liên kết có cả mạch vòng,
nếu lựa chọn vị trí lắp đặt phù hợp thì khả năng hạn chế
- Chưa lắp đặt SCCL: IMC = IPĐ1-PĐ2 + I25-2 = 10,82 kA
dòng ngắn mạch của thiết bị SCCL cũng rất hiệu quả. Từ
- Sau khi lắp đặt SCCL: IMC = IPĐ1-PĐ2 + I25-2 = 5,77 kA sơ đồ trên Hình 8 a, b, c cho thấy, nếu lựa chọn thiết bị
b. Xét trường hợp xảy ra ngắn mạch tại điểm N2 trên đầu SCCL phù hợp thì sẽ hạn chế được dòng ngắn mạch nằm
đường dây L2-25 như trên Hình 8b. Kết quả tính toán dòng ngắn trong giới hạn khả năng cắt cho phép của các máy cắt đầu
mạch từ các nguồn cung cấp đến điểm ngắn mạch trong 2 các xuất tuyến nối vào thanh góp 2, như vậy chi phí sẽ thấp
trường hợp trước và sau khi lắp đặt thiết bị SCCL như Bảng 3. hơn việc tăng công suất cắt của các máy cắt này.
4. Kết luận
Để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng, hệ
IPĐ1-PĐ2 N2 I25-2 thống điện cũng liên tục phát triển, nguồn cung cấp ngày
PĐ1 SCCL PĐ2 càng nhiều và đa dạng, cấu trúc lưới ngày càng phức tạp đã
dẫn đến giá trị dòng ngắn mạch càng lớn và phụ thuộc vào
I3-2 chế độ vận hành. Tăng công suất của các thiết bị đóng cắt
thì sẽ dẫn đến tăng nguồn vốn đầu tư.
Qua phân tích các giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch
cho thấy việc sử dụng công nghệ FACTS trong thiết bị
SCCL là giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch hiệu quả nhất
Hình 8b. Trường hợp xảy ra ngắn mạch tại điểm N2 hiện nay. Áp dụng tính toán trên lưới điện IEE 39 nút cho
Bảng 3. Kết quả tính toán ngắn mạch tại N2 thấy, giải pháp có thể áp dụng cho các hệ thống điện thực
Dòng ngắn mạch [kA] IN IPĐ1-PĐ2 I25-2 I3-2 tế có cấu trúc phức tạp, khi có sự cố xảy ra thiết bị SCCL
Không lắp đặt SCCL 14,68 6,63 4,19 4,04 nhận được tín hiệu sẽ tác động tăng tổng trở hệ thống gần
Lắp đặt SCCL 9,65 1,52 4,22 4,05 như tức thời (khoảng vài mili giây) để hạn chế dòng ngắn
Dòng điện chạy qua máy cắt đầu đường dây L2-25: mạch. Về mặt kinh tế thì việc sử dụng thiết bị SCCL sẽ
- Chưa lắp đặt SCCL: IMC = IPĐ1-PĐ2 + I3-2 = 10,67 kA hiệu quả hơn giải pháp thay thiết bị đóng cắt có công suất
lớn hơn, nhất là đối với các trường hợp trên thanh góp có
- Sau khi lắp đặt SCCL: IMC = IPĐ1-PĐ2 + I3-2 = 5,57 kA
nhiều xuất tuyến đường dây.
c. Xét trường hợp xảy ra ngắn mạch tại điểm N3 trên đầu
đường dây L2-1 như trên Hình 8c. Kết quả tính toán dòng ngắn TÀI LIỆU THAM KHẢO
mạch từ các nguồn cung cấp đến điểm ngắn mạch trong 2 [1] Viện Năng lượng - Bộ Công Thương, "Quy hoạch phát triển điện lực
trường hợp trước và sau khi lắp đặt thiết bị SCCL như Bảng 4. quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến 2030”, Hà Nội 2011.
[2] Lã Văn Út, “Ngắn mạch trong hệ thống điện”, NXB Khoa học và
Kỹ thuật, 2000.
[3] Nguyễn Hoàng Việt, “Các bài toán tính toán ngắn mạch và bảo vệ rơ le trong
IPĐ2-PĐ1 hệ thống điện”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2001.
I30-2 [4] Soo-Hoan Lee, et. al., “FCL Application Issues in Korean Electric Power
PĐ1 SCCL PĐ2
Grid”, Power Engineering Society General Meeting, IEEE PES2006.
N3
I1-2 [5] S. M. Cho, H. S. Shin, and J. C. Kim, “Study on coordination of
protectiverelays between primary feeder and interconnecting
transformer groundedby SFCL of wind farm”, IEEE Trans. Appl.
Supercond., vol. 22, no. 3, Jun. 2012, Art. no. 5500404.
[6] Y. Kim, H. C. Jo, and S. K. Joo, “Analysis of impacts of
superconductingfaultcurrent limiter (SFCL) placement on
distributed generation (DG)expansion”, IEEE Trans. Appl.
Hình 8c. Trường hợp xảy ra ngắn mạch tại điểm N3 Supercond., vol. 26, no. 4, Jun. 2016, Art.no. 5602305.
Bảng 4. Kết quả tính toán ngắn mạch tại N3 [7] SEMENS, “UseofHigh-Power ThyristorTechnology for Short-
Circuit CurrentLimitation in High Voltage Systems”, PTD H
Dòng ngắn mạch [kA] IN IPĐ2-PĐ1 I30-2 I1-2 1PD/Re 05-2004 SCCL V 8.0_XP.
Không lắp đặt SCCL 14,68 8,05 4,12 2,51
Lắp đặt SCCL 9,79 1,81 4,12 2,52
(BBT nhận bài: 20/7/2019, hoàn tất thủ tục phản biện: 21/8/2019)
nguon tai.lieu . vn
