Tài liệu Nâng cao độ tin cậy lưới điện phân phối bằng thiết bị tự động đóng lặp lại và dao phân đoạn tự động

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------- ĐỖ VIỆT HƯNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI BẰNG THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG ĐÓNG LẶP LẠI VÀ DAO PHÂN ĐOẠN TỰ ĐỘNG Chuyên ngành : Thiết bị, mạng & Nhà máy điện Mã số : 605250 THÁI NGUYÊN - 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ...................................................................... 2 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................. 2 1.2. PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI .............................................................................. 3 1.3. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI .......................................................................... 3 1.4. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ............................. 3 CHƯƠNG 2: LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ CÁC THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT TỰ ĐỘNG ........................................................................................................................ 4 2.1.TÌM HIỂU VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ................................................ 4 2.1.1. Định nghĩa .......................................................................................... 4 2.1.2. Vai trò lưới điện phân phối ................................................................ 4 2.1.3. Các phần tử chính trong lưới điện phân phối ..................................... 5 2.1.4. Cấu trúc lưới điện phân phối .............................................................. 6 2.1.5. Đặc điểm lưới điện phân phối ............................................................ 7 2.2. CÁC THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT TỰ ĐỘNG ................................................. 7 2.2.1. Máy cắt tự động .................................................................................. 7 2.2.2. Thiết bị đóng lặp tự động Autoreclosers ............................................ 9 2.2.3. Dao phân loại tự động ...................................................................... 10 CHƯƠNG 3: CÁC CHỈ SỐ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI ....... 12 3.1. ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN ............................................................. 12 3.1.1. Khái niệm về độ tin cậy..................................................................... 12 3.1.2. Độ tin cậy của hệ thống ..................................................................... 12 3.1.3. Độ tin cậy của phần tử....................................................................... 13 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY................................. 21 3.2.1. Phương pháp đồ thị giải tích ............................................................. 21 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.2.2. Phương pháp không gian trạng thái .................................................. 22 3.2.3. Phương pháp cây hỏng hóc ............................................................... 23 3.2.4. Phương pháp mô phỏng Monte – Carlo ............................................ 24 3.3. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ......................................................................................................................... 24 3.3.1. Tần suất mất điện trung bình của hệ thống – SAIF .......................... 25 3.3.2. Tần suất mất điện trung bình của khách hàng – CAIFI .................... 25 3.3.3. Thời gian mất điện trung bình của hệ thống ..................................... 25 3.3.4. Thời gian mất điện trung bình của khách hàng – CAIDI .................. 25 3.3.5. Tổng thời gian mất điện trung bình của khách hàng ......................... 26 3.3.6. Độ sẵn sàng (không sẵn sàng) phục vụ trung bình, ASAI và (ASUI) ..................................................................................................................... 26 3.3.7. Năng lượng không được cung cấp – ENS ......................................... 26 3.3.8. Điện năng trung bình không được cung cấp – AENS ....................... 26 3.3.9. Chỉ số mất điện khách hàng trung bình – ACCI ............................... 27 3.4. TÍNH TOÁN CÁC CHỈ SỐ TIN CẬY CỦA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THEO SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG .................................................................................. 27 3.4.1. Vận hành theo sơ đồ lưới điện hình tia có rẽ nhánh.......................... 27 3.4.1.1. Lưới điện hình tia rẽ nhánh có bảo vệ bằng cầu chì ...................... 30 3.4.1.2. Lưới điện hình tia phân đoạn bằng các dai cách ly và rẽ nhánh có bảo vệ bằng cầu chì ..................................................................................... 31 3.4.1.3. Lưới điện hình tia phân loại bằng máy cắt ..................................... 32 3.4.2. Vận hành theo sơ đồ lưới điện kín vận hành hở................................ 34 3.4.3. Kết luận về các thong số khi tiến hành lắp đặt các thiết bị đóng cắt 37 3.5. TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ KINH TẾ ........................................................ 38 3.5.1. Mô hình I – Đường dây một nguồn, không phân đoạn ..................... 38 3.5.2. Mô hình II – Đường dây một nguồn, phân đoạn bằng dao cách ly (M phân đoạn) ........................................................................... 39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.5.3. Mô hình III – Đường dây hai nguồn, phân đoan bằng dao cách ly (M phân đoạn) ............................................................................................ 41 3.5.4. Mô hình IV – Đường dây một nguồn, phân đoạn bằng Autorecloser (M phân đoạn) .............................................................. 42 3.5.5. Mô hình V - Đường dây hai nguồn, phân đoạn bằng Autorecloser (M phân đoạn) .............................................................. 43 3.6. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN CỦA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ...................................................................... 43 3.7. CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN CHO LƯỚI ĐIÊN PHÂN PHỐI ................................................................................ 44 3.7.1. Sử dụng các thiết bị điện có độ tin cậy cao ....................................... 44 3.7.2. Sử dụng các thiết bị tự động, các thiết bị điều khiển từ xa ............... 44 4.7.3. Sử dụng linh hoạt sơ đồ đi dây, kết dây ............................................ 45 4.7.4. Tổ chức và sửa chữa nhanh sự cố ..................................................... 46 4.7.5. Đối với các TBA phân phối .............................................................. 46 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG VỚI LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TP THÁI NGUYÊN ................................................................................................................ 47 4.1. HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN THÁI NGUYÊN ........................................ 47 4.1.1. Tổng quan về lưới điện Thái Nguyên ............................................... 47 4.1.2. Lưới điện ........................................................................................... 48 4.1.2.1. Lưới 220 kV ................................................................................... 48 4.1.2.1. Lưới 110 kV ................................................................................... 48 4.1.3. Lưới trung thế .................................................................................... 52 4.1.3.1. Lưới 35 kV ..................................................................................... 52 4.1.3.2. Lưới 22 kV ..................................................................................... 53 4.1.3.3. Lưới 10 kV ..................................................................................... 53 4.1.3.4. Lưới 6 kV ....................................................................................... 53 4.2. LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN .................. 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4.3. ỨNG DỤNG LẮP ĐẶT, CÀI ĐẶT THÔNG SỐ CỦA AUTORECLOSER, DCLTĐ TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN ...................................................................................................... 59 4.3.1. Hiệu quả khi áp dụng Autorecloser, DCLTĐ: Rút ngắn thời gian mất điện .............................................................................................................. 59 4.3.2. Giảm kỳ vọng thiếu hụt điện năng, sử dụng phần mềm PSS/ADEP để tính toán .................................................................... 61 4.3.2.1. Giới thiệu chung về phần mềm PSS/ADEP ................................... 61 4.3.2.2. Đề xuất các giải pháp lắp đặt Autorecloser, DCLTĐ trên đường dây ............................................................................................................... 68 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................... 75 5.1. KẾT LUẬN ................................................................................................. 75 5.2. CÁC KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 77 Phụ lục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 2-1: Máy cắt trung thế ....................................................................................... 9 Hình 2-2: Autorecloser trung thế .............................................................................. 10 Hình 2-3: Sơ đồ sử dụng TĐLđể loại trừ sự cố ........................................................ 11 Hình 3-1: Hàm tin cậy R(t) ....................................................................................... 14 Hình 3-2: Cường độ hỏng hóc λ(t) ............................................................................ 16 Hình 3-3: Mô hình và giản đồ chuyển trạng thái (LV- lam việc, H- hỏng) .............. 17 Hình 3-4: Mối liên hệ giữa các trạng thái của phần tử.............................................. 20 Hình 3-5: Sơ đồ nối tiếp ............................................................................................ 22 Hình 3-6: Sơ đồ song song ........................................................................................ 22 Hình 3-7: Sơ đồ hỗn hợp ........................................................................................... 22 Hình 3-8: Sơ đồ lưới điện hình tia không phân đoạn ................................................ 28 Hình 3-9:Sơ đồ lưới điện hình tia có nhánh rẽ được bảo vệ bằng cầu chì ................ 30 Hình 3-10: Sơ đồ lưới điện hình tia phân đoạn bằng dao cách ly, nhánh rẽ bảo vệ bằng cầu chì ............................................................................................................... 31 Hình 3-11: Sơ đồ lưới điện hình tia phân đoạn bằng máy cắt ................................. 32 Hình 3-12:Sơ đồ lưới kín vận hành hở ...................................................................... 34 Hình 3-13: Đường dây một nguồn, không phân đoạn .............................................. 38 Hình 3-14: Đường dây một nguồn, phân đoạn bằng dao cách ly ............................. 39 Hình 3-15: Đường dây hai nguồn, phân đoạn bằng dao cách ly ............................... 41 Hình 3-16: Đường dây một nguồn, phần đoạn Autorecloser .................................... 42 Hình 3-17: Đường dây hai nguồn, phân đoạn bằng DAS ......................................... 43 Hình 4-1: Đường dây trên không 4 phân đoạn ......................................................... 60 Hình 4-2: Xác định thư viên dây dẫn ........................................................................ 64 Hình 4-3: Thiết đặt thông số thuộc tính của lưới điện .............................................. 65 Hình 4-4: Thiết lập hằng số kinh tế của lưới điện .................................................... 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 3-1: Thông số của hệ thống ............................................................................. 28 Bảng 3-2: Số liệu về khách hàng và tải trung bình ở các nút phụ tải ....................... 28 Bảng 3-3: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 3-8 ................... 29 Bảng 3-4: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 3-9 ................... 30 Bảng 3-5: Các chỉ tiêu độ tin cây tại các nút tải của hệ thống hình 3-10 ................. 32 Bảng 3-6: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 3-11 ................. 33 Bảng 3-7: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 3-12 trong trường hợp không hạn chế công suất chuyển tải .................................................................. 35 Bảng 3-8: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 3-12 trong trường hợp không hạn chế công suất chuyển tải .................................................................. 36 Bảng 3-9: Tổng hợp các chỉ tiêu độ tin cậy của các hệ thống từ hình 3-8 đến hình 3-12 ................................................................................................................... 37 Bảng 4-1: Các trạm 220 – 110kv hiện có của tỉnh Thái Nguyên .............................. 49 Bảng 4-2: Thống kê mạng tải hiện tại của các đường dây cao thế ........................... 50 Bảng 4-3: Thống kê mạng tải của các đường dây trung thế sau các trạm 110kv ..... 54 Bảng 4-4: Thống kê mạng tải của các đường dây trung thế sau các trạm trung gian ................................................................................................................................... 57 Bảng 4-5: Thống kê số lần sự cố (năm 2010) ........................................................... 58 Bảng 4-6: Các đường dây xảy ra nhiều sự cố (năm 2010) ........................................ 58 Bảng 4-7: Thời gian mất điện trên các phân đoạn .................................................... 61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống điện bao gồm sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng đến các hộ tiêu thụ. Để đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng điện năng theo qui định và độ tin cậy cung cấp điện thì việc nâng cao chất lượng điện năng, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện là hai chỉ tiêu quan trọng để đánh giá về một hệ thống điện. Mọi nghiên cứu, tính toán, áp dụng các máy móc, thiết bị công nghệ cao cho hệ thống điện đều cho mục đích nêu trên. Khi quy hoạch, thiết kế, đầu tư xây dựng hệ thống điện đều tính đến việc vận hành đạt hiệu quả tối ưu nhất. Trên cơ sở đó để nâng cao chất lượng điện năng, giảm tổn thất, nâng cao độ tin cây cung cấp điện. Việc đầu tư, lắp đặt các thiết bị tự động trên lưới điện phân phối góp phần nâng cao chất lượng điện năng. Từ những lý do trên, tác giả đã chọn đề tài “Nâng cao độ tin cậy lưới điện phân phối bằng thiết bị tự động đóng lặp lại và dao phân đoạn tự động” Nội dung của đề tài là tìm hiểu về lưới điện phân phối, độ tin cậy cung cấp điện, các yếu tố, phương pháp đáng giá độ tin cậy. Tìm hiểu về các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của lưới phân phối. Tìm hiểu về các thiết bị bảo vệ trong hệ thống điện phân phối. Ứng dụng các thiết bị này để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống điện TP Thái Nguyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG Các hệ thống điện phân phối của Việt Nam đang phải đối mặt với các thách thức như sau: Thứ nhất là sự tăng lên quá nhanh của nhu cầu phụ tải do sự phát triển nhanh về kinh tế. Trong khi đó, chúng ta lại đang phải đối phó với sự cạn kiệt về tài nguyên thiên nhiên như than đá, dầu mỏ… (kể cả tiềm năng về nguồn thủy điện). Các áp lực về việc gìn giữ môi trường cũng làm cho việc xây dựng thêm các nhà máy điện gặp nhiều khó khăn. Dẫn đến là chúng ta đang thiếu nguồn điện. Thứ hai là các lưới điện phân phối phức tạp, nhiều nút, nhánh, có nhiều cấp điện áp khác nhau, một số thiết bị đã xuống cấp. Bên cạnh đó, lưới điện gặp nhiều các sự cố, với các nguyên nhân từ tự nhiên, sự hư hỏng, già hoá thiết thiết bị, và cả các sai sót của con người trong vận hành. Và một thách thức nữa đó là sự xuất hiện các nguồn điện phân tán ở phía tải. Chính vì vậy mà hệ thống điện phân phối ngày càng trở lên phức tạp trọng quản lý, vận hành, đặc biệt là có thể dẫn đến các sự cố mất điện trong thời gian dài, gây ra những tổn thất về kinh tế. Với sự phát triển của công nghệ, hiện nay người ta đã và đang áp dụng các thiết bị tự động trong hệ thống điện (HTĐ) phân phối để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện (thường biết đến là DAS: Distribution Automation System Hệ thống tự động lưới phân phối). Bước đầu tiên của việc tự động lưới phân phối chính là sự lắp đặt các thiết bị đóng cắt tự động như là: AutoRecloser, Dao phân đoạn tự động. Vì vậy trong luận văn này, tác giả sẽ dành để phân tích các ưu nhược điểm, phạm vi ứng dụng, nâng cao độ tin cậy trong lưới phân phối với sự có mặt của AutoRecloser và Dao phân đoạn tự động. Phân tích kinh tế, sự hiệu quả khi đầu tư sử dụng các thiết bị tự động đóng cắt trên lưới điện phân phối. Từ những lý do đó, tác giả đã chọn đề tài "Nâng cao độ tin cậy lưới điện phân phối bằng thiết bị tự động đóng lặp lại và dao phân đoạn tự động". Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 1.2. PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI Áp dụng các thiết bị tự động đóng lặp lại và dao phân đoạn tự động đường dây cho lưới điện phân phối Thành phố Thái Nguyên tỉnh Thái Nguyên. 1.3. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Phân tích các ưu nhược điểm, phạm vi ứng dụng, nâng cao độ tin cậy trong lưới phân phối với sự có mặt của Autorecloser và Dao phân đoạn tự động. Đồng thời phân tích kinh tế, sự hiệu quả khi đầu tư sử dụng các thiết bị tự động đóng lặp lại và dao phân đoạn tự động đường dây cho lưới điện phân phối. 1.4. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Ngày nay đã có rất nhiều nghiên cứu về độ tin cậy lưới điện phân phối và ứng dụng các thiết bị mới nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Song trong đề tài này, tác giả muốn tìm hiểu thêm về các thiết bị mới, ứng dụng tính hiệu quả của thiết bị này trong lưới điện phân phối, nhất là khi có sự thay đổi quan niệm về hệ thống phân phối khi có DAS. Áp dụng thiết bị mới nêu trên cho một lưới điện phân phối thành phố Thái Nguyên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 CHƢƠNG 2: LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ CÁC THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT TỰ ĐỘNG 2.1. TÌM HIỂU VỀ LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 2.1.1. Định nghĩa Lưới điện phân phối là một phần của HTĐ làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy điện cấp điện cho phụ tải. Lưới điện phân phối là khâu cuối cùng của hệ thống điện đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng. Lưới điện phân phối bao gồm lưới điện trung áp và lưới điện hạ áp. Tính đến nay lưới điện phân phối đã trải khắp các xã trên đất nước, tuy nhiên còn một vài thôn, bản vẫn chưa được dùng điện lưới quốc gia mà họ vẫn phải dùng điện từ các thuỷ điện nhỏ hoặc máy phát điện diesel. - Lưới điện phân phối gồm hai phần: - Lưới điện phân phối trung áp chủ yếu ở các cấp điện áp 6kV; 10kV; 22kV; 35kV phân phối điện cho các trạm phân phối trung áp/hạ áp và các phụ tải trung áp. - Lưới điện phân phối hạ áp có cấp điện áp 380/220V cấp điện cho các phụ tải hạ áp. 2.1.2. Vai trò lưới điện phân phối Lưới điện phân phối làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian; trạm khu vực hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải. Lưới điện phân phối được xây dựng, lắp đặt phải đảm bảo nhận điện năng từ một hay nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ. Đảm bảo cấp điện tiêu thụ sao cho ít gây ra mất điện nhất, lưới phải đảm bảo cho nhu cầu phát triển của phụ tải. Đảm bảo chất lượng điện năng cao nhất về ổn định tần số và ổn định điện áp trong giới hạn cho phép. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 2.1.3. Các phần tử chính trong lưới điện phân phối Các phần tử chủ yếu trong lưới điện phân phối: - Máy biến áp trung gian và máy biến áp phân phối. - Thiết bị dẫn điện: Đường dây điện. - Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Máy cắt, dao cách ly, cầu chì, chống sét van, áp tô mát, hệ thống bảo vệ rơ le, giảm dòng ngắn mạch. - Thiết bị điều chỉnh điện áp: Thiết bị điều áp dưới tải, thiết bị thay đổi đầu phân áp ngoài tải, tụ bù ngang, tụ bù dọc, thiết bị đối xứng hóa, thiết bị lọc sóng hài bậc cao. - Thiết bị đo lường: Công tơ đo điện năng tác dụng, điện năng phản kháng, đồng hồ đo điện áp và dòng điện, thiết bị truyền thông tin đo lường... - Thiết bị giảm tổn thất điện năng: Tụ bù. - Thiết bị nâng cao độ tin cậy: Thiết bị tự động đóng lại, thiết bị tự đóng nguồn dự trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo trên đường dây, kháng điện hạn chế ngắn mạch, ... - Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động: Máy tính điện tử, thiết bị đo xa, thiết bị truyền, thu và xử lý thông tin, thiết bị điều khiển xa, thiết bị thực hiện, ... Mỗi phần tử trên lưới điện đều có các thông số đặc trưng (công suất, điện áp định mức, tiết diện dây dẫn, điện kháng, điện dung, dòng điện cho phép, tần số định mức, khả năng đóng cắt ...) được chọn trên cơ sở tính toán kỹ thuật. Những phần tử có dòng công suất đi qua (máy biến áp, dây dẫn, thiết bị đóng cắt, máy biến dòng, tụ bù ...) thì thông số của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến thông số chế độ (điện áp, dòng điện, công suất) nên được dùng để tính toán chế độ làm việc của lưới điện phân phối. Nói chung, các phần tử chỉ có 2 trạng thái: Làm việc và không làm việc. Một số ít phần tử có nhiều trạng thái như: Hệ thống điều áp, tụ bù có điều khiển, mỗi trạng thái ứng với một khả năng làm việc. Một số phần tử có thể thay đổi trạng thái trong khi mang điện (dưới tải) như: Máy cắt, áp tô mát, các thiết bị điều chỉnh dưới tải. Một số khác có thể Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 thay đổi khi cắt điện như: Dao cách ly, đầu phân áp cố định. Máy biến áp và đường dây nhờ các máy cắt có thể thay đổi trạng thái dưới tải. Nhờ các thiết bị phân đoạn, đường dây điện được chia thành nhiều phần tử của hệ thống điện. Không phải lúc nào các phần tử của lưới phân phối cũng tham gia vận hành, một số phần tử có thể nghỉ vì lý do sự cố hoặc lý do kỹ thuật, kinh tế khác. Ví dụ tụ bù có thể bị cắt lúc phụ tải thấp để giữ điện áp, một số phần tử lưới không làm việc để lưới phân phối vận hành hở theo điều kiện tổn thất công suất nhỏ nhất. 2.1.4. Cấu trúc lưới điện phân phối Cấu trúc tổng thể: Bao gồm tất cả các phần tử và sơ đồ lưới đầy đủ. Muốn lưới điện có độ tin cậy cung cấp điện cao thì cấu trúc tổng thể phải là cấu trúc thừa. Thừa về số phần tử, về khả năng tải của các phần tử, thừa về khả năng lập sơ đồ. Ngoài ra trong vận hành còn phải dự trữ các thiết bị thay thế và vật liệu để sửa chữa. Cấu trúc vận hành: Là một phần của cấu trúc tổng thể, có thể là một, một vài phần tử của cấu trúc tổng thể và gọi đó là một trạng thái của lưới điện Có cấu trúc vận hành bình thường gồm các phần tử tham gia vận hành và các sơ đồ vận hành do người vận hành lựa chọn. Có thể có nhiều cấu trúc vận hành thỏa mãn điều kiện kỹ thuật, người ta phải chọn cấu trúc vận hành tối ưu theo điều kiện kinh tế (tổn thất nhỏ nhất). Khi xảy ra sự cố, một phần tử đang tham gia vận hành bị hỏng thì cấu trúc vận hành bị rối loạn, người ta phải nhanh chóng chuyển qua cấu trúc vận hành sự cố bằng cách thay đổi các trạng thái phần tử cần thiết. Cấu trúc vận hành sự cố có chất lượng vận hành thấp hơn so với cấu trúc vận hành bình thường. Trong chế độ vận hành sau sự cố có thể xảy ra mất điện phụ tải. Cấu trúc vận hành sự cố chọn theo độ an toàn cao và khả năng thao tác thuận lợi. Cấu trúc tĩnh: Với cấu trúc này lưới điện phân phối không thể thay đổi sơ đồ vận hành. Khi cần bảo dưỡng hay sự cố thì toàn lưới phân phối hoặc một phần lưới phân phối phải ngừng điện. Đó là lưới phân phối hìnhtia không phân đoạn và hìnhtia phân đoạn bằng dao cách ly hoặc máy cắt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Cấu trúc động không hoàn toàn: Trong cấu trúc này lưới điện phân phối có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngoài tải, tức là trong khi lưới phân phối cắt điện để thao tác. Đó là lưới điện phân phối có cấu trúc kín vận hành hở. Cấu trúc động hoàn toàn: Trong cấu trúc này lưới điện phân phối có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngay cả khi đang làm việc, đó là hệ thống phân phối điện. Cấu trúc động được áp dụng là do nhu cầu ngày càng cao về độ tin cậy cung cấp điện. Ngoài ra cấu trúc động cho phép vận hành kinh tế lưới điện phân phối, trong đó cấu trúc động không hoàn toàn và cấu trúc động hoàn toàn mức thấp cho phép vận hành kinh tế lưới điện theo mùa, khi đồ thị phụ tải thay đổi đáng kể. Cấu trúc động ở mức cao cho phép vận hành lưới điện trong thời gian thực, lưới phân phối trong cấu trúc này phải được thiết kế sao cho có thể vận hành kín trong thời gian ngắn trong khi thao tác sơ đồ. 2.1.5. Đặc điểm lưới điện phân phối: Lưới điện phân phối phân bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng và có tổn thất lớn. Qua nghiên cứu các điện lực trên cho thấy tổn thất thấp nhất trên lưới phân phối vào khoảng 4%, Vấn đề tổn thất trên lưới phân phối liên quan chặt chẽ đến các vấn đề kỹ thuật của lưới điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành. Do đó trên cơ sở các số liệu về tổn thất có thể đánh giá sơ bộ chất lượng vận hành của lưới điện phân phối. Trong những năm gần đây, lưới điện phân phối của nước ta phát triển mạnh, các Công ty Điện lực cũng được phân cấp mạnh về quản lý. Chất lượng vận hành của lưới phân phối được câng cao rõ rệt, tỷ lệ tổn thất điện năng giảm mạnh song vẫn còn rất khiêm tốn. 2.2. CÁC THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT TỰ ĐỘNG 2.2.1. Máy cắt tự động Máy cắt điện cao áp dùng để đóng , cắt mạ ch khi có dòng phụ tải và cả khi có dòng ngắn mạch . Thiết bị này chỉ tự động cắt khi có sự cố trên đường dây, thao tác đóng lại sẽ được thao tác bằng tay. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Máy cắt cao áp là cơ cấu đóng mở cơ khí có khả năng đóng , dẫn liên tục và cắ t dòng điện trong điều kiện bình thường và cả trong thời gian giới hạn khi xảy ra điều kiện bất thường trong mạch (ví dụ như ngắn mạch ). Máy cắt được sử dụng để đóng mở đường dây trên không , các nhánh cáp, máy biến áp , cuộn kháng điện và tụ điện . Yêu cầu với chúng phải cắt nhanh , khi đóng /cắt không gây nổ hoặc cháy , kích thước gọn nhẹ , giá thành hạ. Trong máy cắt cao áp , vấn đề dập tắt hồ quang khi cắt ngắn mạch rất quan trọng . Do vậy th ường căn cứ phương pháp dập hồ quang để phân loại máy cắt. - Máy cắt nhiều dầu : Dầu vừa là chất cách điện đồng thời sinh khí để dập tắt hồ quang . - Máy cắt ít dầu: Lượng dầu í t chỉ đủ sinh khí dập tắt hồ quang còn cách điện là chất rắn. - Máy cắt không khí: Dùng khí nén để dập tắt hồ quang. - Máy cắt tự sinh khí: Dùng vật liệu cách điện có khả năng tự sinh khí dưới tác dụng của nhiệt độ cao của hồ quang . Khí tự sinh ra có áp suất cao dập tắt hồ quang. - Máy cắt điện từ : Hồ quang được dập trong khe hẹp làm bằng vật liệu rắn chịu được hồ quang, lực điện từ đẩy hồ quang vào khe. - Máy cắt chân không: Hồ quang được dập trong môi trường chân không. - Máy cắt SF6: Dùng khí SF6 để dập hồ quang. Nguyên lý cắt của máy cắt đó là việc dập tắt hồ quang . Trong máy ngắt cao áp, thiết bị dập hồ quang là bộ phận chí nh , khi ngắt mạch điện ở đó xảy ra các quá trình cơ bản dập hồ quang và tiếp theo đ ó là phục hồi độ bền về điện giữa các khoảng trống tiếp điểm . Quá trình xảy ra rất phức tạp , phụ thuộc vào sự làm việc của kiểu thiết bị dập hồ quang, phụ thuộc khả năng dập hồ quang của thiết bị và phụ thuộc vào đặc tuyến của quá trì nh đó . Dạng đặc tuyến của quá trình này phụ thuộc vào nguyên tắc tác động của thiết bị và vào các đặc điểm kết quả từng chi tiết của máy cắt. Vì vậy việc tính và thiết kế thiết bị dập hồ quang l à một trong các nhiệm vụ quan trọng khi thiết kế máy cắt. Trong tí nh toán cần phải xác đị nh các tham số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 của thiết bị và các đặc tuyến của nó. - Phạm vi ứng dụng của máy cắt: Máy cắt thường được dùng trong các nhà máy, xí nghiệp, trạm biến áp trung gian nơi có người trực vận hành. - Các máy cắt điện thường dùng: Hìnhvẽ 2-1: Máy cắt trung thế 2.2.2. Thiết bị đóng lặp lại tự động Autoreclosers Phần lớn sự cố trong hệ thống phân phối điện là sự cố thoáng qua. Vì vậy, để tăng cường độ liên tục cung cấp điện cho phụ tải, thay vì sử dụng máy cắt người ta sử dụng máy cắt thường đóng lại (Recloser). Thực chất máy cắt tự đóng lại là máy cắt có kèm thêm bộ điều khiển cho phép người ta lập trình số lần đóng cắt lập đi lập lại theo yêu cầu đặt trước. Đồng thời đo và lưu trữ 1 số đại lượng cần thiết như: U, I, P, thời điểm xuất hiện ngắn mạch. Khi xuất hiện ngắn mạch Recloser mở ra (cắt mạch) sau một thời gian t1 nó sẽ tự đóng mạch. Nếu sự cố còn tồn tại nó sẽ cắt mạch, sau thời gian t2, Recloser sẽ tự đóng lại mạch. Và nếu sự cố vẫn còn tồn tại nó sẽ lại cắt mạch và sau thời gian t3 nó sẽ tự đóng lại mạch một lần nữa và nếu sự cố vẫn còn tồn tại thì lần này Recloser sẽ cắt mạch luôn. Số lần và thời gian Recloser đóng cắt do người vận hành lập. Nguyên lý làm việc: Khi đường dây đang tải bình thường, trong khoảng cho phép của dòng điện làm việc đối với các thiết bị, RC không có bất kỳ một tác động nào, các tiếp điểm của RC liền mạch (CLOSE), đột nhiên có dòng sự cố đi qua Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 đường dây các tiếp điểm của RC sẽ hở mạch (RC sẽ TRIP). Nếu là sự cố thoáng qua, giả sử như có sự va chạm dây pha với đất (do cây va vào, rắn bò,…) khi bị cúp điện hồ quang tại nơi sự cố coi như bị dập tắt, sau thời gian cúp điện đường dây trở lại bình thường ở dạng vật lý, theo quy định, đường dây sẽ được cung cấp điện trở lại, nếu dòng điện trên đường dây không bị vượt quá mức cho phép, hộ tiêu thụ điện sẽ được cung cấp điện liên tục trở lại, nếu sự cố vẫn tiếp tục duy trì RC. Sẽ cắt (TRIP) tiếp tục, sau số lần đóng lại (theo lập trình) mà vẫn không phục hồi được sự cố RC sẽ cắt vĩnh viễn (look out) chờ người sửa chữa đến kiểm tra phục hồi sự cố. Phạm vi ứng dụng: - Recloser thường được trang bị cho những đường trục chính công suất lớn và đường dây dài đắt tiền. - Ngoài ra thiết bị trên còn cho phép các nhà kỹ thuật theo dõi một cách tin cậy nhất các tình trạng tác động của thiết bị, tình trạng hoạt động của phụ tải trong một khoảng thời gian lớn, nhờ vào bộ phận lưu trữ dữ liệu sự cố, tin cậy đảm bảo thông tin không bị mất đi khi xảy ra bất cứ trường hợp nào. Mô hìnhthiết bị: Hìnhvẽ 2-2: Autorecloser trung thế 2.2.3. Dao phân đoạn tự động Áp dụng cho lưới hìnhtia một nguồn cung cấp có phân nhánh. Ở đầu đường dây ta sử dụng máy cắt có trang bị rơle tự đóng lại hoặc sử dụng Recloser. Tại đầu mỗi phân nhánh, ta đặt một dao cách ly tự động (DCLTĐ). Khi xảy ra sự cố trên một nhánh rẽ nào đó, máy cắt đầu đường dây sẽ cắt. Trong khoảng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 thời gian không điện dao cách ly tự động ở đầu nhánh rẽ bị sự cố được tự động cắt ra, tách phần tử sự cố ra khỏi lưới điện. Sau khi dao cách ly tự động đã tách nhánh sự cố, rơle tự đóng lại đặt ở đầu đường dây đóng trở lại máy cắt nguồn, khôi phục cấp điện cho các nhánh không bị sự cố. Các dao ngắn mạch (DNM) được dùng để gây ngắn mạch nhân tạo phía trước máy biến áp với mục đích tăng độ nhậy cho bảo vệ đầu đường dây. Hìnhvẽ 2-3: Sơ đồ sử dụng TĐL để loại trừ sự cố Thời gian mất điện của phụ tải được giảm xuống nhiều l ần so với phương pháp thủ công. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 CHƢƠNG 3: CÁC CHỈ SỐ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI 3.1. ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN 3.1.1. Khái niệm về độ tin cậy Độ tin cậy là xác suất để hệ thống (hoặc phần tử) hoàn thành nhiệm vụ yêu cầu trong khoảng thời gian nhất định và trong điều kiện vận hành nhất định [1]. Như vậy độ tin cậy luôn gắn với việc hoàn thành một nhiệm vụ cụ thể, trong một thời gian nhất định và trong một hoàn cảnh nhất định. Mức đo độ tin cậy luôn gắn với việc hoàn thành nhiệm vụ trong khoảng thời gian xác định và xác suất này được gọi là độ tin cậy của hệ thống hay phần tử. Đối với hệ thống hay phần tử không phục hồi, xác suất là đại lượng thống kê, do đó độ tin cậy là khái niệm có tính thống kê từ kinh nghiệm làm việc trong quá khứ của hệ thống hay phần tử. Đối với hệ thống hay phần tử phục hồi như hệ thống điện và các phần tử của nó, khái niệm khoảng thời gian không có ý nghĩa bắt buộc, vì hệ thống làm việc liên tục. Do đó độ tin cậy được đo bởi đại lượng thích hợp hơn, đó là độ sẵn sàng. Độ sẵn sàng là xác suất để hệ thống hay phần tử hoàn thành hoặc sẵn sàng hoàn thành nhiệm vụ trong thời điểm bất kỳ. Độ sẵn sàng cũng là xác suất để hệ thống ở trạng thái tốt trong thời điểm bất kỳ và được tính bằng tỷ số giữa thời gian hệ thống ở trạng thái tốt và tổng thời gian hoạt động. Ngược lại với độ sẵn sàng là độ không sẵn sàng, nó là xác suất để hệ thống hoặc phần tử ở trạng thái hỏng. 3.1.2. Độ tin cậy của hệ thống Như đã giới thiệu ở phần trên, hệ thống điện là một hệ thống phức tạp, gồm nhièu phần tử, các phần tử liên kết với nhau theo những sơ đồ phức tạp. Hệ thống điện thường nằm trên địa bàn rộng của một quốc gia hay vùng lãnh thổ. Khi các phần tử của hệ thống hư hỏng có thể dẫn đến ngừng cung cấp điện cho từng vùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 hoặc toàn hệ thống. Có thể chia thành 4 nhóm nguyên nhân gây mất điện như sau: - Do thời tiết: Giông sét, lũ lụt, mưa, bão, lốc xoáy, ... - Do hư hỏng các phần tử của hệ thống điện. - Do hoạt động của hệ thống: + Do trạng thái của hệ thống: Độ ổn định, tần số, điện áp, quá tải, ... + Do nhân viên vận hành hệ thống điện. - Các nguyên nhân khác: Do động vật, cây cối, phương tiện vận tải, đào đất, hoả hoạn, phá hoại, .... Khi xảy ra sự cố hệ thống sẽ gây mất điện trên diện rộng, một số sự cố nguy hiểm và lan rộng do lụt, bão, khi đó các đơn vị điện lực không đủ người, phương tiện, máy móc, thiết bị để phục hồi nhanh lưới điện trên một vùng địa lý rộng lớn và phức tạp. 3.1.3. Độ tin cậy của phần tử Độ tin cậy của phần tử có ý nghĩa quyết định độ tin cậy của hệ thống. Các khái niệm cơ bản về độ tin cậy của phần tử cũng đúng cho hệ thống. Do đó nghiên cứu kỹ những khái niệm cơ bản về độ tin cậy của phần tử là điều rất cần thiết. Ở đây sẽ xét cụ thể độ tin cậy của phần tử phục hồi và phần tử không phục hồi. 3.1.3.1. Phần tử không phục hồi Phần tử phục hồi chỉ làm việc đến phần hỏng đầu tiên. Thời gian làm việc của phần tử từ lúc bắt đầu hoạt động cho đến khi hỏng hay còn gọi là thời gian phục vụ T là đại lượng ngẫu nhiên, vì thời điểm hỏng của phần tử là ngẫu nhiên không biết trước. Ta có hàm phân bố là FT(t) 1: FT(t) = P (T  t) (3.1) P (T  t) là xác suất để phần tử làm việc từ thời điểm 0 đến thời điểm t bất kỳ; t là biến số. Đó cũng là xác suất để phần tử hỏng trước hoặc đúng thời điểm t. Hàm mật độ là fT(t) 1: f T (t )  lim t 0 1 P(t  T  t  t ) t Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên (3.2) http://www.lrc-tnu.edu.vn