Hạn chế dòng ngắn mạch quá độ trong hệ thống phân phối thuộc điện lực Đà Nẵng

6 Lê Thành Bắc, Nguyễn Văn Tấn, Trần Ngọc Thiên Nam HẠN CHẾ DÒNG NGẮN MẠCH QUÁ ĐỘ TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI THUỘC ĐIỆN LỰC ĐÀ NẴNG LIMITING THE SHORTCUT TRANSIENT OVERCURRENT IN THE ELECTRIC DISTRIBUTION SYSTEM OF DA NANG POWER Lê Thành Bắc1, Nguyễn Văn Tấn2, Trần Ngọc Thiên Nam2 1Đại học Đà Nẵng; lethanhbac2012@yahoo.com 2Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Bài báo trình bày các kết quả khảo sát cấu trúc, đánh giá về thực trạng vận hành và vấn đề quá dòng quá độ đang xảy ra trên hệ thống phân phối điện của Điện lực Đà Nẵng. Các tác giả cũng đề xuất một số phương án với giải pháp kỹ thuật cụ thể để hạn chế dòng ngắn mạch quá độ trên lưới điện trong phạm vi cho phép của các thiết bị đóng cắt hiện nay. Các kết quả mô phỏng bằng các phần mềm chuyên dụng đã chứng minh tính hiệu quả của các phương án đề xuất. Giải pháp lắp đặt thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp (FCLT) cho phép hạn chế dòng xung kích quá độ với mức hạn chế bất kỳ, đồng thời vẫn giữ nguyên cấu trúc lưới cùng các thiết bị đóng cắt hiện nay, đây thực sự là phương án mang tính khả thi cao. Abstract - The paper present results of studying system structure, estimating the current state of system operation and the transient over-current problem occurring in the electricity distribution system of Da Nang Power Company. The authors also propose some methods with specific technical measures to limit short-circuit currents on the grid within allowable ranges of current switching devices. Simulated results from specialized softwares demonstrate the effectiveness of the proposed methods. The method of installing automatic Fault Current Limiting device of Transformer type (FCLT) allows limiting the flow of transient inrush current with any restriction, while maintaining the same grid structure and switching equipment. This is a highly feasible option. Từ khóa - dòng quá độ; hệ thống điện Đà Nẵng; ngắn mạch; thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu biến áp (FCLT); mô phỏng. Key words - transient current; Da Nang power system; short circuit; automatic Fault Current Limiting device of Transformer type (FCLT); simulation. 1. Cấu trúc lưới điện phân phối Đà Nẵng 1.1. Giới thiệu chung Hiện nay, hệ thống điện của Công ty Điện lực Đà Nẵng (PCĐN) đang được cấp điện từ trạm biến áp (TBA) 500 kV Đà Nẵng qua các TBA (Hình 1): Trạm 110 kV Liên Trì (E11) và Xuân Hà (E10) cấp điện cho khu vực quận Hải Châu và quận Thanh Khê; Trạm 110 kV Cầu Đỏ (E12), Hòa Xuân cấp điện cho khu vực quận Cẩm Lệ, huyện Hoà Vang; Trạm 220kV Ngũ Hành Sơn và An Đồn (E14), 110 kV Ngũ Hành Sơn cấp điện cho khu vực quận Sơn Trà và quận Ngũ Hành Sơn; Trạm 220 kV Hoà Khánh (E9), Liên Chiểu (Elc) và Hòa Khánh 2 cấp điện cho khu vực quận Liên Chiểu, huyện Hoà Vang; Trạm 110 kV Hòa Liên cấp điện khu vực Trường Định, Hòa Bắc, Hòa Liên, Khu Công nghệ cao. PCĐN hiện có tổng công suất đặt là 957 MVA, phụ tải cực đại năm 2017 là 503,8 MW, sản lượng ngày lớn nhất đạt 10,3 triệu kWh. Hình 1. Sơ đồ lưới điện phân phối 110 (220)/22kV thành phố Đà Nẵng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(128).2018 7 1.2. Ưu điểm của lưới điện Đà Nẵng Các trạm biến áp 110(220) kV trên Hình 1 hiện đang phân bố đồng đều trên các khu vực trong thành phố, các trạm đang có nhiều kết nối lưới mạch vòng phía 22 kV cho phép linh hoạt chuyển tải qua lại khi có công tác yêu cầu hoặc khi sự cố. Các TBA đang được cấp điện từ nhiều nguồn khác nhau nên cũng đã góp phần tăng độ tin cậy cung cấp điện cho toàn hệ thống. 1.3. Những hạn chế đang tồn tại 1.3.1. Nhược điểm trong vận hành Hiện nay, khi công tác đường dây 110/220 kV Hòa Khánh thì TBA Hòa Khánh 2 bắt buộc phải giảm tải dưới 30 MW để đảm bảo chất lượng điện năng (điều này làm PCĐN không chủ động được lịch công tác và thông báo trước đến khách hàng). TBA 110 kV An Đồn hiện được cấp điện từ mạch đơn của TBA 220 kV Ngũ Hành Sơn, điều này khó khăn khi truyền tải điện công tác trên TU 174/E13 hoặc MC 174/E13, hoặc nếu xảy ra sự cố trên đường dây 110 kV từ Ngũ Hành Sơn về TBA An Đồn thì toàn bộ phụ tải thuộc quận Sơn Trà sẽ bị ảnh hưởng mất điện. TBA 110 kV Hòa Khánh 2 chủ yếu cung cấp cho các phụ tải nhà máy thép nên không thể dùng TBA này để chuyển tải cho phụ tải thuộc các TBA 220 kV Hòa Khánh hoặc Liên Chiểu khi có nhu cầu. Nếu muốn chuyển tải bắt buộc phải sa thải các phụ tải nhà máy thép điều này sẽ gây thiệt hại lớn về kinh tế. Về kết lưới 22 kV, các xuất tuyến trung áp phần lớn có mức độ mang tải cao nên khả năng chuyển tải thực tế chưa linh hoạt. 1.3.2. Quá dòng quá độ khi sự cố ngắn mạch Bảng 1. Giá trị dòng ngắn mạch xung kích tại xuất tuyến khi được vận hành có khép vòng và không có khép vòng Trạm biến áp trung gian Máy cắt đang dùng Giá trị dòng ngắn mạch xung kích các xuất tuyến có mạch khép vòng lớn nhất (kA) Mã hiệu Dòng cắt Iđm (kA) Khi khép vòng Không khép vòng An Đồn GMH/V20 25 29,3 21,5 Hòa Khánh HVX24 31,5 58,0 31,3 Liên Chiểu 3AH5283 25 33,1 19,0 Liên Trì GVB- M/2000 25 42,1 27,5 220 kV-Ngũ Hành Sơn HVX24 31,5 45,1 31,5 Xuân Hà EVOLIS 25 32 23,7 Ngoài các nhược điểm nêu trên, việc tăng trị số dòng xung kích nếu có ngắn mạch tại một số điểm (Bảng 1) như ở các trạm Liên Trì, Ngũ Hành Sơn, Xuân Hà khi có nối vòng sẽ vượt xa dòng cắt cho phép của các máy cắt, cũng như giới hạn độ bền điện động cho phép của các thiết bị đóng cắt khác đang dùng trong hệ thống. Điều này thực sự là một nguy cơ tạo rủi ro rất lớn, có thể xảy ra sự cố mất điện trên diện rộng, gây thiệt hại lớn về kinh tế và an ninh. Hạn chế trị số dòng xung kích khi ngắn mạch qua các thiết bị đóng cắt trong giới hạn cho phép nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện phân phối, đây là yêu cầu cấp thiết đang đặt ra đối với PCĐN. Thực tế đang đòi hỏi phải sớm tìm ra giải pháp kỹ thuật hợp lý khắc phục tình trạng tăng quá lớn của dòng ngắn mạch xung kích xảy ra trên lưới phân phối hiện nay. 2. Các giải pháp chung về hạn chế dòng ngắn mạch xung kích Để giảm trị số xung kích của dòng điện quá độ trong trường hợp sự cố, thế giới hiện nay đang có 8 giải pháp kỹ thuật và vận hành [1, 4, 7], tuy nhiên, mỗi giải pháp đều tồn tại những hạn chế nhất định. Cụ thể: Dùng các cuộn kháng không lõi sắt nối tiếp trên lưới, giải pháp kinh điển này lại gây sụt áp lưới ngay khi làm việc bình thường; Nâng cấp các thiết bị đóng cắt hiện tại hoặc nâng cấp điện áp lưới, giải pháp này chi phí sẽ rất cao; Sử dụng thiết bị tự động hạn chế dòng điện ngắn mạch với vật liệu siêu dẫn, giải pháp này luôn cần có thiết bị làm lạnh kèm theo, sẽ tăng tổn hao và chi phí đắt; Sử dụng thiết bị hạn chế dòng điện ngắn mạch có dạng van bán dẫn kết hợp với điện kháng hoặc sử dụng các thiết bị chuyển mạch công suất kiểu mới tác động cực nhanh, cả hai giải pháp này đều có nhược điểm là yêu cầu cần phải thay thế nhiều thiết bị, sơ đồ điều khiển phức tạp, giá thành cao, độ tin cậy thấp, rất tốn kém. Hai trong những giải pháp kỹ thuật - vận hành còn lại, khả năng có tính khả thi cao đối với hệ thống điện phân phối Đà Nẵng cũng như của Việt Nam nói chung là: thay đổi cấu trúc lưới (tách lưới, tách thanh cái, áp dụng các biện pháp cắt liên động loại dần nguồn cung cấp cho dòng sự cố) và giải pháp tính toán lắp đặt thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch với chi phí hợp lý để giảm dòng điện sự cố đến giới hạn cho phép của các thiết bị đóng cắt [2, 6, 7]. Trong bài báo này, các tác giả trình bày nhóm hai giải pháp kỹ thuật nêu trên, bằng kết quả mô phỏng qua các phần mềm chuyên dụng minh chứng hiệu quả cách giải quyết vấn đề dòng quá độ ngắn mạch khi sự cố trong hệ thống phân phối điện PCĐN. Thiết bị hạn chế dòng nghiên cứu ở đây là loại tự động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu FCLT. 3. Đề xuất giải pháp hạn chế dòng quá độ trong hệ thống điện Đà Nẵng 3.1. Giải pháp cắt lưới vòng, tách thanh cái trong vận hành Trị số dòng ngắn mạch xung kích khi có nối vòng (Hình 1) xét khi sự cố ngắn mạch ngay đầu cực của máy cắt 22 kV, cấu trúc lưới hiện tại sẽ có 6 TBA trong hệ thống của PCĐN có dòng vượt trị số dòng cho phép của máy cắt (Bảng 1). Trong đó, đặc biệt tại 02 trạm biến áp Hòa Khánh và Liên Trì, trị số dòng xung kích rất lớn (TBA Hòa Khánh tăng tới 58 kA; TBA Liên Trì 42,1 kA). Nếu dùng giải pháp thực hiện cắt các nối vòng khi vận hành, kiểm tra với ngắn mạch đầu cực các máy cắt 22 kV (cho trong Bảng 1) thì các trị số dòng xung kích đều đã giảm xuống dưới trị số dòng cắt định mức của máy cắt. Đặc tính quá độ dòng điện ngắn mạch tại TBA Hòa Khánh và TBA Liên Trì nhận được trên Bảng 1, Hình 2 và Hình 3 khi thực hiện 2 phương án cắt mạch vòng. 8 Lê Thành Bắc, Nguyễn Văn Tấn, Trần Ngọc Thiên Nam Hình 2. Dòng ngắn mạch tại thanh góp 22 kV của TBA Hòa Khánh tương ứng với các phương án có nối vòng và cắt nối vòng Hình 3. Dòng ngắn mạch tại thanh góp 22 kV của TBA Liên Trì tương ứng với các phương án có nối vòng và cắt nối vòng Kết quả tính toán và mô phỏng cho thấy giải pháp cắt mạch nối vòng để vận hành hở rõ ràng là giảm ngay được trị số xung kích của dòng ngắn mạch, đưa về trong giới hạn cho phép của máy cắt cũng như các thiết bị hiện có (Bảng 1). Tuy nhiên, giải pháp này sẽ làm giảm đáng kể độ tin cậy cấp điện và không thể đảm bảo công tác khi có biến thiên phụ tải lớn hoặc khi có sự cố cục bộ. Nếu PCĐN sử dụng phương án này thì rõ ràng đây chỉ là một giải pháp tình huống trước mắt, không thể là giải pháp lâu dài khi mức độ ưu tiên của các phụ tải dùng điện thực tế ngày càng tăng. 3.2. Giải pháp lắp đặt thiết bị hạn chế dòng kiểu FCLT Thiết bị FCLT [1, 2, 5] sẽ nối vào mạch điện ngay sau máy cắt 22 kV, khi có sự cố ngắn mạch như trên Hình 4: Hình 4. Sơ đồ nối FCLT vào lưới điện Khi hệ thống làm việc bình thường thì điện áp rơi trên tụ C bằng khoảng 5% điện áp định mức lưới, lúc này biến áp (BA) trong FCLT ở chế độ không tải (XBA rất lớn), tổng trở tương đương của FCLT chính là Xc. Khi sự cố ngắn mạch xảy ra, dòng qua tụ C tăng cao, đồng thời điện áp tăng sẽ làm tiếp điểm chân không K phóng điện, máy BA chuyển sang chế độ ngắn mạch (XBA giảm nhanh) làm tổng trở ZFLC tăng. Trở kháng ZFLC của FCLT được xác định theo quan hệ: 2 2 z = - С BA FLC FLC FLC FLC C BA X X R X X X X  +   (1) Dòng ngắn mạch chu kỳ cực đại [3, 4] khi chưa lắp đặt FCLT là: . 2 ( ) HТ HT HТ U U Um m mIn m z XR X = =  + (2) Với: Um là trị số biên độ điện áp pha của hệ thống; RHT và XHT là điện trở và điện kháng của hệ thống quy về điểm ngắn mạch (RHT << XHT = ω.LHT, thường thì RHT/LHT ≈ 5 [3, 7]). Từ (1), (2) ta có dòng ngắn mạch chu kỳ cực đại khi có bộ FCLT là: . . 2 2 ( ) ( ) (3) FLC HТ FLC HT FLC HТ FLC U U m mI n m X XR R X X = ++ + + Trở kháng ZFLC của FCLT tăng nhanh sẽ làm giảm gần như tức thời trị số dòng ngắn mạch, chọn tương đương với hệ số xung kích của dòng ngắn mạch, tức là: 0,01 1 <2 Ta XK K e − = + Với: Ta=LHT/RHT = XHT/(ω.RHT) là hằng số thời gian suy giảm của thành phần dòng không tuần hoàn. Từ (2) và (3), mức hạn chế dòng ngắn mạch khi có bộ FLCT so với khi không có là: . . . 1 HТ FLC FLCn m n m FLC HТ HT X X XI I X X  + =  = + (4) Từ các thông số của lưới điện, tình trạng quá dòng hiện tại sẽ cho phép tính toán lựa chọn bộ FCLT với các thông số tụ C, máy BA và điện áp phóng điện phù hợp lắp đặt sau máy cắt tại vị trí cần thiết để hạn chế dòng ngắn mạch xuống giới hạn (β) yêu cầu. Sơ đồ mô phỏng hệ thống khi có nối thêm FCLT tại TBA Hòa Khánh biểu diễn trên Hình 5. Hình 5. Sơ đồ mạch mô phỏng có đặt bộ FCLT tại xuất tuyến 22 kV Hòa Khánh trong Matlab/Simulink ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(128).2018 9 Kết quả mô phỏng dòng quá độ tại xuất tuyến 22 kV khi sự cố ngắn mạch xảy ra tại đầu cực máy cắt 22 kV trạm Hòa Khánh khi không có và khi có lắp đặt bộ hạn chế dòng (HCD) kiểu FCLT, được đưa ra trên Hình 6 và Hình 7. Hình 6. Dòng ngắn mạch khi không và khi có HCD loại FCLT với giá trị β = 1,6 Hình 7. Dòng ngắn mạch khi không và khi có HCD loại FCLT với giá trị β = 1,8 Biên độ dòng xung kích giảm tức thời (Hình 6 khoảng 1,6 lần và Hình 7 khoảng 1,8 lần) xuống giá trị giới hạn cho phép của các thiết bị đóng cắt (Bảng 1), sau một khoảng thời gian máy cắt sẽ cắt mạch để loại trừ sự cố. Nếu là sự cố thoảng qua thì khi giá trị dòng điện ngắn mạch quá độ giảm, dẫn đến làm giảm nhanh giá trị của điện áp trên bộ hạn chế dòng và cũng dẫn đến giảm nhanh dòng điện qua công tắc phóng điện K (phóng điện chân không), thì FCLT sẽ tự động phục hồi lại trở kháng ban đầu ngay khi dòng giảm về giá trị nhỏ hơn khoảng 2 lần dòng định mức. 4. Kết luận Hệ thống điện phân phối tại thành phố Đà Nẵng trong hàng chục năm qua đã phát triển nhanh để đáp ứng tốc độ tăng phụ tải ở mức rất lớn (từ 12 - 15% mỗi năm) và đồng thời là yêu cầu về độ tin cậy cấp điện ngày càng cao cho các phụ tải quan trọng. Hệ thống phân phối điện Đà Nẵng đang gặp phải vấn đề mang tính cấp bách là hiện tượng quá dòng rất lớn tại nhiều điểm trên lưới điện khi ngắn mạch, hiện tượng này đang tiềm ẩn nguy cơ cao, có thể xảy ra sự cố mất điện diện rộng, gây thiệt hại lớn về kinh tế, xã hội. Trước mắt, phương án vận hành theo giải pháp cắt mạch vòng như các tác giả nghiên cứu có thể tạm thời khắc phục được quá dòng trên lưới tại một số điểm đang nguy cơ, tuy nhiên phương án này sẽ làm giảm đáng kể độ tin cậy cung cấp điện và khả năng linh hoạt vận hành. Phương án ứng dụng thiết bị HCD kiểu FCLT với các kết quả tính toán và mô phỏng nhận được chứng minh rằng có thể bảo đảm mức hạn chế dòng điện ngắn mạch cần thiết tại vị trí lắp đặt bất kỳ trong hệ thống điện. Khi sử dụng phương án lắp FCLT thì không cần thay đổi cấu trúc lưới điện và giữ nguyên các thiết bị, kể cả các thiết bị đóng cắt hiện có. Với những ưu điểm vượt trội của FCL kiểu máy biến áp, việc nghiên cứu để triển khai lắp đặt tại những vị trí cần hạn chế trị số dòng quá độ trong các hệ thống phân phối điện tại PCĐN mang tính khả thi cao. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Thành Bắc, “Thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Đà Nẵng, Số 26, 2008, trang 10-16. [2] Lê Thành Bắc, “Hiệu quả tác động của thiết bị tự động hạn chế dòng điện ngắn mạch”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Đà Nẵng, Số 37, 2010, trang 10-16. [3] Крючков И. П., Неклепаев Б. Н., Старшинов В. А., Пираторов М. В., Гусев Ю. П., Пойдо А. И., Жуков В.В ., Монаков В. К., Кузнецов Ю. П., Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования, Учеб. Пособие для студ. высш. учеб. заведений/М.: Изадательский центр «Академия», 2005 г. [4] Александров Г. Н., Смоловик С. В. Переходные процессы в сетях с резонансным токоограничивающим устройством. – Электричество PAH, 2002, № 1. [5] H. Yamaguchi and T. Kataoka. “Current Limiting Characteristics of Tranformer Type Superconducting Fault Current Limiter With Shunt Imepedance”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 17, June 2007, pp. 1919-1923. [6] S-H. Lim et al., “Faul Current Limiting Characteristics of Resistive Type SPCL Using A Tranformer”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 15, June 2005, pp. 2055-2058. [7] Xiaoqing Zang, Member IEEE and Ming Li, Using The Fault Current Limiter with Transformer-Type Reactor Reduce Short Circuit Currents, IEEE/PES Transmission & Distribution Conference & Exposition: Asia and Pacific, China 2005, pp. 1-5. (BBT nhận bài: 01/7/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 18/7/2018)