Phân tích Độ tin cậy của Giới hạn Dòng điện Sự cố trong Trạm biến áp Cao áp

1 Giới thiệu

Để đáp ứng nhu cầu năng lượng điện đang tăng nhanh, hệ thống phát điện, truyền tải và phân phối phải phát triển tương ứng. Một trong những vấn đề quan trọng phát sinh từ sự phát triển này là sự gia tăng nhanh chóng của dòng điện ngắn mạch. Sự gia tăng của dòng điện ngắn mạch dẫn đến một số nguy cơ:

• quá nhiệt của các thiết bị nối tiếp dọc theo đường đi của lỗi;
• tăng áp suất tạm thời và phục hồi trong quá trình ngắt dòng, có thể gây hư hại hệ thống cách điện;
• tạo ra lực cơ học cực kỳ lớn trong các thiết bị cuộn dây (ví dụ: biến áp, máy phát điện, cuộn cảm);
• khả năng không ổn định của hệ thống tùy thuộc vào mức độ và thời gian loại bỏ dòng điện lỗi;
• các cầu chì hiện tại có thể không còn khả năng ngắt dòng điện lỗi tăng lên, đòi hỏi phải thay thế tốn kém về thời gian và tiền bạc; để tránh chi phí này, có thể hạn chế các biến áp song song hoặc giảm tính liên kết của hệ thống, điều này làm giảm công suất truyền tải và độ tin cậy của hệ thống;
• dòng điện lỗi tăng lên kéo dài thời gian khắc phục, dẫn đến thời gian mất điện lâu hơn và tổn thất kinh tế lớn hơn;
• giảm độ tin cậy của lưới điện.

Hiện nay, có ba giải pháp chính để giảm bớt những tác động này:

• xây dựng cấu trúc lưới với xác suất lỗi tối thiểu;
• sử dụng các cầu chì có khả năng ngắt dòng cao hơn hoặc thay thế các cầu chì yếu bằng các cầu chì mạnh hơn;
• sửa đổi lưới để giảm mức độ ngắn mạch. Thông thường, sự kết hợp của các giải pháp này được sử dụng để đạt được thiết kế mạng tối ưu trong khi vẫn duy trì độ tin cậy của hệ thống trong giới hạn chấp nhận được. Tuy nhiên, khả năng xảy ra lỗi không bao giờ có thể bị loại bỏ hoàn toàn, và việc thiết kế thiết bị điện dựa trên dòng điện ngắn mạch ngày càng tăng là không thực tế về mặt thương mại. Giải pháp thứ ba có thể được chia nhỏ thành:
  • giảm tính liên kết của hệ thống (ví dụ: tách bus);
  • áp dụng các bộ hạn chế dòng điện lỗi (FCLs).

Thay thế các cầu chì có khả năng ngắt dòng cao hơn là một giải pháp tốn kém và có thể không khả thi trong một số trường hợp. Hơn nữa, các hệ thống bảo vệ có độ trễ trong việc phát hiện lỗi dựa trên thông số kỹ thuật của rơ-le. Việc vận hành cầu chì và dập hồ quang không tức thì, thường yêu cầu 3-5 chu kỳ để loại bỏ hoàn toàn lỗi. Do đó, dòng điện lỗi thường không thể được ngắt trong 2-8 chu kỳ đầu tiên sau khi lỗi xảy ra. Trong khoảng thời gian này, dòng điện rất lớn chảy qua các thiết bị nối tiếp dọc theo đường đi của lỗi, và thậm chí thời gian ngắn này cũng có thể phá hủy, đặc biệt là trong chu kỳ đầu tiên khi thành phần DC của dòng điện lỗi đặc biệt cao.

Tách bus và giảm tính liên kết của hệ thống có thể được coi là các giải pháp thay thế để giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên, chúng mang lại các thách thức vận hành khác, chẳng hạn như giảm công suất truyền tải, thay đổi dòng điện và tăng tổn thất. Nhu cầu về FCLs xuất phát từ nhu cầu bảo vệ các thiết bị đắt tiền và dễ bị tổn thương. Tổng thể, tất cả các chiến lược FCL được đề xuất đều dựa trên việc chèn trở kháng cao vào đường đi nối tiếp trong trường hợp lỗi, chỉ khác nhau về cách thực hiện. Các đặc điểm mong muốn của một FCL lý tưởng thường là:

• trở kháng rất thấp dưới điều kiện hoạt động bình thường của hệ thống điện;
• chèn trở kháng cao trong trường hợp lỗi;
• vận hành nhanh để hạn chế thành phần DC của dòng điện lỗi;
• có khả năng hoạt động nhiều lần trong thời gian ngắn và tự phục hồi;
• không tạo ra các sóng hài vào hệ thống điện;
• giảm thiểu điện áp quá cao tạm thời;
• độ tin cậy cao.

2 Độ tin cậy của Bộ Hạn chế Dòng Điện Lỗi

Việc áp dụng FCLs trong các trạm biến áp thường được thúc đẩy bởi hai lý do chính:

• tránh giải pháp tốn kém của việc thay thế các cầu chì đã lắp đặt bằng các cầu chì có khả năng ngắn mạch cao hơn;
• duy trì cấu trúc trạm biến áp và tránh việc tách bus do các vấn đề vận hành hoặc độ tin cậy. Hiện nay, không có nguồn tin đáng tin cậy hoặc tài liệu nào về các đặc tính độ tin cậy của FCLs; do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi nhằm mục đích phân tích vấn đề này bằng cách xem xét các đặc tính kỹ thuật. Một số FCLs sử dụng công nghệ phức tạp, có thể làm giảm độ tin cậy của chúng.

Có nhiều loại FCLs, trong đó FCL cộng hưởng và FCL siêu dẫn nổi bật hơn.

A. FCLs Cộng hưởng

Nhiều cấu hình cho FCLs cộng hưởng đã được đề xuất. Chúng thường được phân loại là FCLs cộng hưởng nối tiếp và FCLs cộng hưởng song song. FCLs cộng hưởng có một số đặc điểm thuận lợi cho việc hạn chế lỗi, bao gồm:

• Hoạt động mà không cần ngắt dòng;
• Phản ứng nhanh với lỗi;
• Có khả năng chịu dòng điện ngắn mạch trong thời gian lỗi;
• Khả năng reset.

Tuy nhiên, FCLs cộng hưởng thường bao gồm nhiều thành phần, và độ tin cậy tổng thể phụ thuộc vào việc hoạt động đúng của từng thành phần. Ngoài ra, một số FCLs cộng hưởng yêu cầu thiết bị kích hoạt bên ngoài, nghĩa là cần thêm các thành phần để cảm nhận sự ngắn mạch và bắt đầu kích hoạt. Điều này làm tăng độ phức tạp của hệ thống và giảm độ tin cậy. Do đó, FCLs tự kích hoạt rõ ràng đáng tin cậy hơn.

B. FCLs Siêu Dẫn

So với FCLs cộng hưởng, FCLs siêu dẫn yêu cầu ít thành phần hơn và tự kích hoạt. Chiến lược hạn chế dòng điện lỗi đơn giản và dựa trên hành vi tự nhiên của vật liệu siêu dẫn. Siêu dẫn chỉ tồn tại ở nhiệt độ rất thấp, vì vậy FCLs siêu dẫn yêu cầu thiết bị làm lạnh bổ sung, làm tăng chi phí đầu tư. Khái niệm được đề xuất trong bài báo này giới hạn ở việc đánh giá tác động của việc áp dụng FCLs đối với độ tin cậy của trạm biến áp.

3 Các Chế Độ Hỏng Hóc của FCLs

Giống như các thành phần khác trong các trạm biến áp điện áp cao, FCLs có các chế độ hỏng hóc khác nhau cần được xem xét khi đánh giá độ tin cậy của các trạm biến áp truyền tải có FCLs. Phần này so sánh tỷ lệ hỏng hóc của các loại FCLs khác nhau.

Có mối quan hệ cơ bản giữa độ tin cậy của hệ thống hoàn chỉnh và số lượng các hệ con, tất cả đều phải hoạt động đúng để đạt được chức năng tổng thể mong muốn.

• A. Các chế độ hỏng hóc chủ động
• B. Các chế độ hỏng hóc thụ động
• C. Các chế độ hỏng hóc cố định

Rõ ràng, FCLs yêu cầu hệ thống kích hoạt (FCLs kích hoạt bên ngoài) có tỷ lệ hỏng hóc cao hơn. Nhìn chung, bất kỳ FCL nào liên quan đến kích hoạt hoặc chuyển mạch đều liên quan đến các hoạt động tuần tự của nhiều thiết bị chuyển mạch, đòi hỏi sự đồng bộ và phối hợp chính xác, làm tăng đáng kể độ phức tạp so với các cầu chì thông thường.

Trong FCLs cộng hưởng (cả kích hoạt bên ngoài và tự kích hoạt), các chế độ hỏng hóc cố định có thể xuất hiện do sự thay đổi đặc tính của phần tử cộng hưởng do sự thay đổi điều kiện hoạt động như nhiệt độ, hoặc hoạt động dưới điều kiện không định mức.

FCLs siêu dẫn chỉ biểu hiện các chế độ hỏng hóc này khi làm mát quá mức, điều này hiếm khi xảy ra. Do đó, có thể nói rằng FCLs siêu dẫn cơ bản không có chế độ hỏng hóc này. Trong hầu hết các trường hợp, FCLs siêu dẫn có thể được thiết kế với các tham số có thể dự đoán và chịu được hàng nghìn chu kỳ kích hoạt và phục hồi. Hơn nữa, việc sử dụng các FCL nhỏ hơn thay vì lớn hơn có thể cải thiện cả độ tin cậy và khả năng hạn chế dòng điện. Bảng 1 so sánh ngắn gọn tỷ lệ xuất hiện của các chế độ hỏng hóc khác nhau trên các loại FCL khác nhau.

4 Áp dụng Thực tế

Một trạm biến áp mẫu được hiển thị trong Hình 1 được sử dụng để đánh giá tác động của việc triển khai FCLs đối với độ tin cậy của trạm biến áp. Như mọi người đều biết, trong quá trình bảo dưỡng, việc sử dụng các cầu chì tách bus để quản lý các sơ đồ bảo vệ và tăng cường tính linh hoạt của cấu hình trạm biến áp là thực hành phổ biến. Khi mức dòng điện lỗi trong trạm biến áp vượt quá khả năng ngắt của các cầu chì, việc thay thế cầu chì tách bus bằng FCL trở thành một giải pháp khả thi. Thật vậy, FCL giữa các bus là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của FCLs.

Giả sử rằng tất cả các tải được kết nối với bus 330 kV đều giống nhau. Đánh giá độ tin cậy tập trung vào Tải 1 ở bus 330 kV bên trái và Tải 5 ở bus 330 kV bên phải. Độ tin cậy của tải được đánh giá bằng các chỉ số sau: (1) Xác suất mất tải (%); (2) Thời gian mất điện hàng năm (U). Bus 330 kV được giả định là hoàn toàn tin cậy. Để tránh các phép tính không cần thiết, các chế độ hỏng hóc liên quan đến sự hỏng hóc đồng thời của hơn ba thành phần không được xem xét. Do tỷ lệ xuất hiện của các chế độ hỏng hóc này rất thấp, giả định này không gây ra sai số đáng kể.

Bảng 2 hiển thị tỷ lệ hỏng hóc và thời gian sửa chữa của các thành phần. Đối với phân tích ban đầu, chúng ta bắt đầu bằng cách tính toán các chỉ số độ tin cậy liên quan đến bus 330 kV bên trái. Để có một so sánh thông tin và toàn diện, lý thuyết, chúng ta nên tính toán các chỉ số độ tin cậy cho tất cả các điểm tải từ L1 đến L7. Tuy nhiên, do các tải này tương tự và được kết nối với cùng một bus, chúng sẽ có các chế độ hỏng hóc tương tự. Do đó, chúng ta chỉ cần tính toán các chỉ số độ tin cậy cho Điểm Tải 1 (L1) trên bus bên trái và Điểm Tải 5 (L5) trên bus bên phải.

Như đã đề cập ở trên, hai chỉ số xác suất được sử dụng cho phân tích: xác suất mất tải (trong f/năm) và thời gian mất điện hàng năm (trong giờ/năm, A). Các chỉ số này được đánh giá cho trường hợp hỏng hóc của một thành phần.

Đối với trường hợp hỏng hóc đồng thời của hai thành phần, tỷ lệ hỏng hóc tương đương (λₑ), thời gian mất điện trung bình (r) và thời gian mất điện hàng năm (u) được biểu diễn như sau:

Đối với trường hợp hỏng hóc đồng thời ở ba cấp, nó được biểu diễn như sau:

Xét tất cả các chế độ hỏng hóc, tỷ lệ hỏng hóc tổng cộng và thời gian mất điện hàng năm tổng cộng có thể được tính như sau:

Bảng 3 hiển thị kết quả phân tích độ tin cậy cho các tải.

Bây giờ, cùng tính toán cho các đường dây trên bus 230 kV khác. Bảng 4 hiển thị kết quả liên quan đến điểm tải LS.

5 Kết luận

Bài báo này trình bày việc áp dụng các bộ hạn chế dòng điện lỗi (FCLs) để tăng cường độ tin cậy của trạm biến áp, mô tả mô hình toán học và quy trình tính toán độ tin cậy, và đánh giá tác động của việc triển khai FCLs đối với độ tin cậy của trạm biến áp. Kết quả cho thấy độ tin cậy của trạm biến áp được cải thiện khi sử dụng FCLs. Một phân tích nhạy cảm cũng được tiến hành để kiểm tra ảnh hưởng của các tham số khác nhau - như tỷ lệ hỏng hóc chủ động, tỷ lệ hỏng hóc thụ động và thời gian sửa chữa của FCL - đối với các chỉ số độ tin cậy.