Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, đặc biệt chịu ảnh hưởng nặng nề của giông sét với cường độ mạnh, có thể lên đến biên độ dòng sét Imax khoảng 90,67 kA theo số liệu của Viện Nghiên cứu sét Gia Sàng Thái Nguyên. Giông sét gây ra quá điện áp sét lan truyền, ảnh hưởng nghiêm trọng đến các thiết bị điện trong trạm biến áp cao thế, làm giảm độ tin cậy cung cấp điện và gây thiệt hại kinh tế lớn. Do đó, nghiên cứu ảnh hưởng các thông số lên quá điện áp sét lan truyền tại các điểm nút trong trạm biến áp cao thế là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả bảo vệ và vận hành hệ thống điện.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình toán học 8 nút trong trạm biến áp cao thế, áp dụng cho trạm biến áp Thốt Nốt (Cần Thơ), nhằm tính toán điện áp tại các điểm nút khi có sóng sét lan truyền. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của vị trí đặt chống sét van, độ dốc và dạng sóng sét lên quá điện áp tại các điểm nút, từ đó đề xuất các giải pháp giảm thiểu tác động của quá điện áp sét. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng các trường hợp khác nhau bằng phần mềm Matlab trong giai đoạn từ 2012 đến 2015.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu sự cố do giông sét gây ra, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo cho thiết kế và vận hành trạm biến áp cao thế, góp phần đảm bảo chất lượng điện năng và an toàn hệ thống điện quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết sóng đẳng trị và phương pháp truyền sóng: Giúp mô phỏng quá trình lan truyền sóng điện áp sét trong hệ thống điện, xác định điện áp và dòng điện tại các điểm nút trong trạm biến áp.
  • Phương pháp moment lực: Dùng để biến đổi sơ đồ điện thực tế thành sơ đồ đẳng trị với các điện dung tập trung, giúp tính toán điện áp tại các điểm nút một cách chính xác.
  • Khái niệm về đặc tính V-S và V-A của chống sét van: Đặc tính này mô tả mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện qua chống sét van, là cơ sở để xác định thời điểm và hiệu quả làm việc của thiết bị chống sét.
  • Khái niệm về quá điện áp sét lan truyền và ảnh hưởng của các thông số như vị trí chống sét van, độ dốc dạng sóng, dạng sóng sét: Đây là các yếu tố quyết định mức độ nguy hiểm của quá điện áp đối với thiết bị trong trạm biến áp.

Các khái niệm chính bao gồm: điện dung đầu vào của thiết bị, tổng trở sóng đẳng trị, hằng số thời gian tại các nút, đặc tính điện áp và dòng điện của chống sét van, và các dạng sóng điện áp sét (vuông góc, tam giác, hàm mũ, chuẩn).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, số liệu thực tế của trạm biến áp Thốt Nốt, và các đặc tính kỹ thuật của thiết bị chống sét van PBC 220 kV. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Mô hình hóa toán học: Xây dựng mô hình 8 nút đại diện cho các điểm quan trọng trong trạm biến áp cao thế, bao gồm dao cách ly, máy cắt, thanh cái, máy biến áp đo lường, chống sét van và máy biến áp động lực.
  • Phương pháp tính toán: Sử dụng phương pháp moment lực để quy đổi sơ đồ điện sang sơ đồ đẳng trị, kết hợp với phương pháp truyền sóng và phương pháp sai phân Euler để tính toán điện áp tại các điểm nút theo thời gian.
  • Phần mềm Matlab: Dùng để mô phỏng các trường hợp khác nhau, tính toán và vẽ đồ thị điện áp tại các điểm nút, phân tích ảnh hưởng của các thông số như vị trí chống sét van, độ dốc và dạng sóng sét.
  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 3/2012 đến tháng 8/2015, bao gồm thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, thực hiện tính toán, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình 8 nút trong trạm biến áp Thốt Nốt, được lựa chọn vì đây là trạm trung chuyển chính của lưới điện miền Tây, có vai trò quan trọng trong hệ thống điện quốc gia.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng vị trí đặt chống sét van: Việc thay đổi vị trí chống sét van trong trạm biến áp có tác động rõ rệt đến quá điện áp tại các điểm nút. Kết quả mô phỏng cho thấy khi chống sét van được đặt gần thiết bị bảo vệ hơn, điện áp dư trên thiết bị giảm khoảng 15-20%, giúp hạn chế nguy cơ phóng điện và hư hỏng thiết bị.

  2. Ảnh hưởng độ dốc dạng sóng sét: Độ dốc đầu sóng sét (a) thay đổi từ 100 đến 500 kV/μs làm điện áp tại các nút biến đổi đáng kể. Ví dụ, tại nút 1, điện áp tăng từ khoảng 800 kV lên đến hơn 1140 kV khi độ dốc tăng từ 100 lên 500 kV/μs, tương đương mức tăng khoảng 42%. Điều này cho thấy độ dốc dạng sóng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mức độ nguy hiểm của quá điện áp.

  3. Ảnh hưởng dạng sóng sét: Các dạng sóng khác nhau như vuông góc, tam giác, hàm mũ và dạng sóng chuẩn tạo ra các mức điện áp khác nhau tại các điểm nút. Dạng sóng vuông góc và tam giác thường gây ra điện áp cao hơn dạng sóng chuẩn từ 10-15%, trong khi dạng sóng hàm mũ có mức điện áp thấp hơn khoảng 5-7%.

  4. Hiệu quả của chống sét van PBC 220 kV: Đặc tính V-S và V-A của chống sét van cho thấy thiết bị có khả năng hạn chế điện áp dư hiệu quả khi dòng điện qua van không vượt quá dòng phối hợp từ 5 kA đến 14 kA. Khi dòng điện vượt quá giới hạn này, điện áp dư tăng lên, làm giảm hiệu quả bảo vệ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ đặc tính truyền sóng và phản xạ sóng điện áp trong hệ thống điện, cũng như đặc tính phi tuyến của chống sét van. Việc đặt chống sét van gần thiết bị bảo vệ giúp giảm điện áp dư do giảm điện trở đường truyền và thời gian truyền sóng, từ đó hạn chế phóng điện trên cách điện.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với các báo cáo về ảnh hưởng của vị trí chống sét van và dạng sóng sét lên quá điện áp. Việc mô phỏng chi tiết tại trạm biến áp Thốt Nốt cung cấp dữ liệu thực tiễn, giúp cụ thể hóa các giải pháp bảo vệ.

Ý nghĩa của kết quả là giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống chống sét hiệu quả hơn, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu sự cố do giông sét gây ra. Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp theo thời gian tại các nút, so sánh điện áp dư trước và sau khi thay đổi vị trí chống sét van, hoặc theo các dạng sóng khác nhau, giúp trực quan hóa mức độ ảnh hưởng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu vị trí đặt chống sét van: Đề nghị các nhà thiết kế và vận hành trạm biến áp đặt chống sét van càng gần các thiết bị quan trọng càng tốt, nhằm giảm điện áp dư và tăng hiệu quả bảo vệ. Thời gian thực hiện: trong vòng 6 tháng, chủ thể: đơn vị thiết kế và vận hành trạm.

  2. Kiểm soát độ dốc dạng sóng sét: Áp dụng các biện pháp kỹ thuật như tăng cường bảo vệ đoạn đường dây trước trạm (1-3 km) để giảm độ dốc đầu sóng sét truyền vào trạm, ví dụ giảm góc bảo vệ dây chống sét, tăng số lượng dây chống sét. Thời gian thực hiện: 12 tháng, chủ thể: đơn vị quản lý lưới điện.

  3. Sử dụng chống sét van phù hợp: Lựa chọn loại chống sét van có đặc tính V-S và V-A phù hợp với mức điện áp và dòng điện của trạm, đảm bảo dòng điện qua van không vượt quá dòng phối hợp định mức (5-14 kA). Thời gian thực hiện: 3 tháng, chủ thể: nhà cung cấp thiết bị và đơn vị vận hành.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư vận hành và thiết kế về ảnh hưởng các thông số lên quá điện áp sét và cách ứng dụng mô hình tính toán để tối ưu hệ thống chống sét. Thời gian thực hiện: liên tục, chủ thể: các trường đại học và đơn vị đào tạo chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế hệ thống điện: Nghiên cứu cung cấp mô hình toán học và phương pháp tính toán chi tiết giúp thiết kế hệ thống chống sét hiệu quả, giảm thiểu rủi ro do giông sét.

  2. Nhà quản lý và vận hành lưới điện: Hiểu rõ ảnh hưởng của các thông số lên quá điện áp sét giúp đưa ra các quyết định vận hành và bảo trì phù hợp, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về bảo vệ hệ thống điện khỏi tác động của giông sét.

  4. Nhà sản xuất và cung cấp thiết bị chống sét: Thông tin về đặc tính V-S, V-A của chống sét van và ảnh hưởng của các thông số giúp cải tiến sản phẩm phù hợp với yêu cầu thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá điện áp sét lan truyền là gì và tại sao nó nguy hiểm?
    Quá điện áp sét lan truyền là điện áp cao đột ngột do sét đánh gây ra, truyền qua đường dây vào trạm biến áp. Nó có thể vượt quá mức chịu đựng của thiết bị, gây phóng điện, hư hỏng thiết bị và mất điện. Ví dụ, điện áp tại nút 1 có thể tăng lên đến 1140 kV khi độ dốc dạng sóng cao.

  2. Vị trí đặt chống sét van ảnh hưởng thế nào đến quá điện áp?
    Chống sét van đặt gần thiết bị bảo vệ giúp giảm điện áp dư trên thiết bị khoảng 15-20%, hạn chế phóng điện và tăng tuổi thọ thiết bị. Việc này được chứng minh qua mô phỏng tại trạm biến áp Thốt Nốt.

  3. Độ dốc dạng sóng sét có vai trò gì trong quá điện áp?
    Độ dốc dạng sóng quyết định tốc độ tăng điện áp sét. Độ dốc càng lớn, điện áp tại các điểm nút càng cao, làm tăng nguy cơ hư hỏng thiết bị. Ví dụ, điện áp tại nút 1 tăng 42% khi độ dốc tăng từ 100 lên 500 kV/μs.

  4. Chống sét van hoạt động như thế nào để bảo vệ trạm biến áp?
    Chống sét van giới hạn điện áp dư bằng cách phóng dòng điện sét khi điện áp vượt ngưỡng, giữ điện áp trên thiết bị ở mức an toàn. Đặc tính V-S và V-A của van xác định hiệu quả bảo vệ và dòng điện phối hợp tối đa.

  5. Phần mềm Matlab được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Matlab được dùng để mô phỏng mô hình toán học, tính toán điện áp tại các điểm nút theo thời gian, vẽ đồ thị điện áp và dòng điện, giúp phân tích ảnh hưởng của các thông số và đánh giá hiệu quả các giải pháp chống sét.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình toán học 8 nút trạm biến áp cao thế, áp dụng thực tế cho trạm biến áp Thốt Nốt, giúp tính toán chính xác quá điện áp sét lan truyền.
  • Xác định rõ ảnh hưởng của vị trí chống sét van, độ dốc và dạng sóng sét đến mức điện áp tại các điểm nút, cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế hệ thống chống sét.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm giảm thiểu quá điện áp sét, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và bảo vệ thiết bị trong trạm biến áp.
  • Kết quả nghiên cứu có giá trị ứng dụng thực tiễn cao, hỗ trợ công tác đào tạo, thiết kế và vận hành hệ thống điện.
  • Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô hình cho các trạm biến áp khác và ứng dụng các phương pháp tính toán hiện đại hơn trong tương lai.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp đề xuất tại các trạm biến áp trọng điểm, đồng thời phát triển nghiên cứu để nâng cao hiệu quả bảo vệ hệ thống điện quốc gia. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp thực hiện nhằm đảm bảo an toàn và ổn định nguồn điện.