Thiết bị tự động hạn chế dòng ngắn mạch kiểu máy biến áp

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 10 THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HẠN CHẾ DÒNG NGẮN MẠCH KIỂU MÁY BIẾN ÁP AN AUTOMATIC FAULT CURRENT LIMITING DEVICE OF TRANSFORMER TYPE LÊ THÀNH BẮC Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo trình bày về thiết bị tự động hạn chế dòng điện ngắn mạch trong lưới điện phân phối với cấu trúc cơ bản gồm máy biến áp và tụ điện mắc song song. Các kết quả nhận được cho thấy rằng khi thay đổi quan hệ giữa trở kháng tụ điện và máy biến áp sẽ cho phép đảm bảo bất kỳ mức hạn chế yêu cầu nào đối với dòng ngắn mạch trong lưới điện. ABSTRACT This paper presents an automatic fault current limiting device for power distribution systems. Basic components of the device are a transformer connected in parallel with a capacitor. The study results show that when the ratio of transformer impedance and capacitive impedance is changing, it will allow for limiting any fault current in the power system. 1. Đặt vấn đề Sự phát triển nhanh chóng của hệ thống tiêu thu năng lượng điện ở nước ta hiện nay đã và đang dẫn đến làm tăng công suất ngắn mạch trong lưới phân phối và làm xấu thêm điều kiện làm việc của các thiết bị điện trong chế độ sự cố (tăng đáng kể dòng đến máy ngắt và máy biến áp lực). Điều đó đưa đến các yêu cầu cao hơn trong quan hệ điện - động lực học cũng như đối với độ bền nhiệt của mỗi phần tử thiết bị điện trong hệ thống năng lượng. Đồng thời nó cũng dẫn đến yêu cầu tăng độ tin cậy đối với các phương pháp chuyển mạch của các thiết bị điện đóng cắt. Theo dự báo ở Việt Nam trong các lưới phân phối cấp 22 kV thì đầu ra ở nhiều trạm biến áp 110/22 kV dòng điện ngắn mạch xác lập trong hệ thống sau trạm có thể tăng hơn đáng kể so với giá trị dòng cắt định mức của máy ngắt và dòng điện ngắn mạch tính toán của các máy biến áp lực. Nhằm để hạn chế dòng điện ngắn mạch trong các trường hợp sự cố, hiện nay trên thế giới đang sử dụng một số phương pháp khác nhau để giải quyết nhiệm vụ này gồm: 1) Nâng cấp các thiết bị đóng cắt hiện tại hoặc nâng cấp điện áp lưới; 2) Thay đổi cấu trúc lưới như: tách lưới, tách thanh cái hay áp dụng các biện pháp cắt liên động [2], hai phương án này đều đưa đến việc thay thế nhiều thiết bị hoặc phải xây dựng thêm một số đường dây truyền tải để tăng độ đảm bảo đối với mỗi máy phát; 3) Sử dụng thiết bị TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 11 tự động hạn chế dòng điện ngắn mạch với vật liệu siêu dẫn [3], loại này thiết bị có cấu trúc là các vật liệu siêu dẫn khi đạt tới giá trị xác định của dòng ngắn mạch sẽ dẫn đến trạng thái tăng nhanh tổng trở thiết bị so với trạng thái dòng định mức (cần có thiết bị làm lạnh kèm theo); 4) Sử dụng thiết bị hạn chế dòng điện ngắn mạch có dạng van bán dẫn kết hợp với điện kháng; 5) Chế tạo và sử dụng các thiết bị chuyển mạch công suất kiểu mới tác động cực nhanh. Trong các phương án thiết bị vừa nêu đều có chung một số nhược điểm là: sơ đồ điều khiển phức tạp, giá thành cao, độ tin cậy thấp. Bài báo này đưa ra một cấu trúc mới của thiết bị tự động hạn chế dòng (HCD) với thành phần cơ bản là máy biến áp (BA). Cuộn dây sơ cấp của máy biến áp được nối vào đường dây song song với tụ điện và cuộn dây thứ cấp nối tới một công tắc phóng điện (xem hình.1). Trong chế độ làm việc định mức của đường dây (lưới phân phối) cuộn dây thứ cấp của biến áp hở mạch nên không tồn tại dòng điện, bởi vậy từ thông toàn bộ sẽ mắc vòng trong mạch dẫn từ và đồng thời mắc vòng qua toàn bộ các cuộn dây [1]. Lúc này dòng điện trong cuộn dây lưới là rất nhỏ và trở kháng của biến áp lúc này rất lớn (trở kháng của máy biến áp không tải). Dòng điện qua tụ điện lớn hơn nhiều lần dòng điện qua cuộn dây sơ cấp của biến áp, giá trị này xác định dòng điện qua bộ HCD. Tụ điện ở đây được lựa chọn với điều kiện, khi mà dòng điện trên đường dây định mức thì sụt điện áp trên bộ HCD bằng khoảng 5% giá trị điện áp pha định mức của đường dây. 2. Nguyên lý tác động của bộ HCD Ngắn mạch cuộn dây thứ cấp của biến áp BA khi xảy ra ngắn mạch trong lưới điện (do công tắc chân không CT phóng điện) dẫn đến tăng từ thông bị đẩy ra từ trụ giữa vào vùng khoảng cách giữa các cuộn dây [1]. Lúc này trở kháng của biến áp tự động giảm nhanh (giảm khoảng 2 lần so với giá trị khi làm việc bình thường) và trở nên ngang bằng với trở kháng của tụ điện. Khi nối song song biến áp với tụ điện (xem hình.2) điều này dẫn đến tăng rất nhanh trở kháng của bộ HCD. С CT BA Hình 1. Sơ đồ một pha nối bộ hạn chế dòng vào đường dây. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 12 Thật vậy, lúc này trở kháng của HCD được xác định theo quan hệ: С BAHCD С BA BA X X 1 X 1X -X ω С ω L       (1) Ở đây СX và С - trở kháng và điện dung tụ điện của bộ HCD; BAX và LBA - trở kháng và điện cảm danh định máy biến áp BA của bộ HCD; ω -tần số góc của dòng điện áp lưới. Từ biểu thức (1) ta thấy rằng khi thay đổi quan hệ giữa trở kháng cảm của máy biến áp BA với trở kháng dung của tụ điện thì có thể nhận được giá trị trở kháng yêu cầu bất kỳ nào đó của bộ hạn chế dòng ngắn mạch HCD từ 1 ω С   đến  hoặc từ BAω L đến  . Để hạn chế trị số của dòng điện ngắn mạch trong các lưới điện thì bộ hạn chế dòng được điều khiển với phạm vi thay đổi cần thiết của trở kháng BAX . Khi có lắp đặt bộ hạn chế dòng ngắn mạch trong hệ thống điện thì dòng điện ngắn mạch 3 pha được xác định với quan hệ sau: ф.2 ф.2 n.m BAHT HCD T 2 BA U U I ωLX X X 1 ω L С        (2) Và giá trị điện áp trên bộ hạn chế dòng được xác định: ф.2 HCD n.m HCD T HCD U U I X = X 1 X    (3) Ở đây: HTX - trở kháng của hệ thống điện đến điểm đặt bộ HCD; ТX - trở kháng của máy biến áp đầu nguồn; HCDX - trở kháng tương đương được thiết lập của HCD sau khi xảy ra ngắn mạch. Sau khi cắt dòng điện ngắn mạch 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 (phóng điện chân không) đồng thời tự động phục hồi lại trở kháng ban đầu của bộ HCD. С LBA Hình.2. Sơ đồ thay thế bộ HCD khi xảy ra ngắn mạch trong lưới điện TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 13 3. Ví dụ tính toán Ta xem xét phương án khi cần hạn chế dòng điện ngắn mạch trong lưới điện phân phối có máy biến áp nguồn công suất 40 MVA, điện áp 110/22 kV cùng các thông số trên sơ đồ thay thế hình 3 (giả sử máy ngắt hiện có dòng cắt định mức 10 kA). Trong chế độ làm việc với tải định mức của máy biến áp thì dòng điện ở lưới 22 kV là: dm 2dm 2dm S 40000 I 1050А 3 U 3 22      Hình 3. Sơ đồ một pha khi ngắn mạch gần trong lưới điện 22 kV khi không có bộ hạn chế dòng ngắn mạch (HCD). Trên hình 3 thì: U1 – điện áp dây phía sơ cấp máy biến áp nguồn; U2 – điện áp dây trên thanh cái đầu ra của máy biến áp nguồn. Tổng trở của máy biến áp nguồn khi tính tương ứng quy về thứ cấp: n 2dm T dm U % U 10,5 22000 z 1,27 3 I 100 3 1050          Điện trở tác dụng của máy biến áp nguồn quy về thứ cấp là: n T 2 2 2dm P 200000 R 0,06 3 I 3 1050       Trở kháng cảm của máy biến áp tương ứng quy về thứ cấp: 2 2 2 2 T T TX = z -R 1,27 0,06 1,27    Ở đây thì dmS - là công suất định mức của máy biến áp nguồn; nU % - điện áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp nguồn; 1dmU và 2dmU - điện áp dây sơ và thứ cấp định mức của máy biến áp nguồn; nP - công suất ngắn mạch của máy biến áp nguồn. 1U dmS 40000 kVA TК 110 /22kV kV nU % 10,5% nP 200 wk MC 2U T TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 14 Khi không có bộ HCD thì trị dòng ngắn mạch một pha bằng: 3 2dm n.m.0 U 22 10 I 10 3 3 1,27T kA z       Và dòng điện ngắn mạch xung kích [5] bằng: а 0,01 T n.m.xk n.m.0I (1 e ) 2 I 27 kA      Trong đó hằng số thời gian suy giảm của thành phần dòng không tuần hoàn được tạo ra bằng: T a T X 1,27 T 0,067 s ω 100 0,06R        Với trị số dòng ngắn mạch như trên thì máy ngắt đang lắp đặt không đảm bảo độ tin cậy làm việc, cần thiết phải thay thế máy ngắt mới hoặc tìm cách hạn chế dòng ngắn mạch xuống dưới 80 % dòng cắt định mức của máy ngắt. Nếu như lắp đặt bộ hạn chế dòng trên đường dây (xem hình.3), thì cần thiết phải lựa chọn các thông số của bộ HCD như thế nào đó để bộ HCD không gây ảnh hưởng xấu trong chế độ làm việc bình thường của đường dây truyền tải.. Trong chế độ làm việc bình thường thì dòng điện chính chỉ chảy qua điện dung của bộ HCD, trong cuộn dây lưới của biến áp BA thì thực tế dòng điện không chảy qua, bởi vì trong cuộn thứ cấp của biến áp BA đã hở mạch nên trở kháng của nó vô cùng lớn. Bởi vậy HCD không có ảnh hưởng gì đến chế độ làm việc định mức của đường dây truyền tải, ngược lại tụ mắc nối tiếp sẽ đóng vai trò như tụ bù dọc làm giảm trở kháng đường dây, cải thiện thêm chế độ làm việc của lưới. Sụt điện áp trên tụ điện trong chế độ làm việc bình thường vào khoảng 5% giá trị của điện áp Uф, khi này thì giá trị của điện dung được tính như sau: 1U MC С BA dm S 40000 kVA TК 110 /22kV kV nU % 10,5% nP 200 wk CTU T Hình.3. Sơ đồ một pha khi ngắn mạch trong lưới điện có lắp bộ hạn chế dòng HCD. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 15 dm 3 ф I 1050 3 С 0,0053 0,05 U ω 0,05 22 10 ω F          Công tắc chân không với điện áp phóng điện trong khoảng cách chân không của nó Uphóng. ngang với khoảng 3 kV. Như vậy thì trong chế độ làm việc bình thường của đường dây truyền tải thì công tắc chân không này không làm việc, biên độ của điện áp định mức trên khoảng cách phóng điện cần phải nhỏ hơn điện áp xuyên thủng, trong trường hợp này nhận: CT.dmU 1,5 kV Bởi vậy đến thời điểm ngắn mạch thì xung điện áp trên khe hở phóng điện (trên cuộn dây điều khiển) tạo ra bằng 1,5 kV và khi đạt đến điện áp xuyên thủng trên công tắc chân không sau thời điểm ngắn mạch thì cuộn dây thứ cấp của biến áp BA lúc này bị ngắn mạch và tương ứng điện áp trên chúng giảm nhanh về 0. Khi ở đây sẽ nhanh chóng giảm trở kháng của biến áp BA và làm tăng nhanh chóng trở kháng của bộ hạn chế dòng ngắn mạch XHCD. Khi lắp đặt bộ HCD thì giá trị của dòng điện ngắn mạch: 2dm 2dm n.m.HCD 2 2 Т HCDT HCD Т HCD U U I 3 X X3 (R +R ) (X X )       (4) Và mức hạn chế dòng ngắn mạch là: Тn.m.HCD n.m.0 Т HCD XI β I X X    (5) Hay: XHCD= T T X -X β Đối với mỗi phương án khi cần mức hạn chế dòng điện ngắn mạch khác nhau có thể tính toán giá trị của trở kháng bộ hạn chế dòng HCDX tương ứng với trở kháng cảm của biến áp BA là XBA khi ngắn mạch cuộn thứ cấp với quan hệ BA с X X (xem bảng 1). Khi đòi hỏi tăng cao mức hạn chế dòng điện ngắn mạch thì điện áp cực đại trên tụ điện sẽ rất lớn (xem bảng 1), điều đó đòi hỏi tăng cao điện áp định mức của tụ điện khi thiết kế và sẽ làm tăng giá thành bộ HCD. Bởi vậy hợp lý hơn sẽ là chọn bộ HCD để mức hạn chế dòng ngắn mạch tương đối nhỏ (β cỡ 0,7 đến 0,8), khi đó giảm bớt mức tăng cao của điện áp trên tụ. Các kết quả nhận được trong bảng 1 chứng tỏ rằng tương ứng với sự lựa chọn quan hệ trở kháng nối song song của tụ điện và biến áp BA có thể bảo đảm mức hạn chế dòng điện ngắn mạch cần thiết bất kỳ trong lưới điện phân phối. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 16 Nhưng mức hạn chế của dòng ngắn mạch càng lớn thì càng làm tăng lớn hơn điện áp trên bộ hạn chế dòng được lắp đặt. Bảng 1. Sự phụ thuộc của trở kháng và sụt áp trên bộ HCD vào mức hạn chế dòng Mức hạn chế dòng ngắn mạch (β ) 0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Trở kháng của bộ hạn chế dòng (HCD)- XHCD [ ] ∞ 5,08 2,96 1,91 1,27 0,85 0,54 0,32 0,14 Trở kháng của biến áp XBA [ ] 0,6 0,537 0,499 0,457 0,407 0,352 0,284 0,209 0,114 Quan hệ tỷ số BA с X X 1 0,895 0,832 0,762 0,678 0,587 0,473 0,348 0,189 Điện áp cực đại trên HCD Uс.max [kV] 22,0 10,16 8,88 7,64 6,35 5,1 3,78 2,56 1,26 4. Kết luận Thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch vừa trình bày có cấu trúc đơn giản, trên cơ sở nguyên lý máy biến áp với độ tin cậy làm việc cao, bảo đảm hạn chế dòng điện ngắn mạch trong lưới điện một cách hiệu quả. Trong chế độ làm việc bình thường thì bộ hạn chế dòng loại này có vai trò như tụ bù dọc làm tăng thêm độ tin cậy làm việc của lưới điện. Đồng thời cho thấy rằng có thể thiết kế thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch cho phép bảo đảm với bất kỳ mức hạn chế dòng ngắn mạch yêu cầu nào với cấp điện áp lưới bất kỳ. Tuy nhiên khi mức hạn chế dòng ngắn mạch càng lớn thì sẽ làm tăng điện áp trên thiết bị hạn chế dòng và dẫn đến làm tăng giá thành của nó. Nghiên cứu thiết kế, sản xuất và lắp đặt thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch vừa nêu vào hệ thống điện nước ta hoàn toàn là phương án khả thi và thực sự là yêu cầu cần thiết để bảo đảm độ tin cậy và kinh tế trong hệ thống phân phối điện hiện nay. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Thành Bắc, Lê Kim Hùng, Alexandrop G. N., Nghiên cứu đặc tính từ trường của các máy biến áp công suất lớn, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 1 năm 2008. [2] Yang Jie, Chen Xi Ying, Shao Jian Xiong, Analysis of Short Circuit Current Level of Three Gorges Hydroelectric Power Plant And Limiting Measures, Design Institute of Yangtze River Resource Commission, Wuhan 430010 China, Power System Technology, 1997 №: 7. [3] Vladimir Sokolovsky, Victor Meerovich, Istvan Vajda et al. Superconducting FCL: design and application. IEEE Trans. Application Superconduct, 2003, 13 (6): 2112- 2115. [4] Александров Г.Н., Смоловик С.В, Переходные процессы в сетях с резонансным токоограничивающим устройством, Электричество PAH, 2002, № 1. [5] 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., Издательский центр «Академия», 2005 г.