Tổng quan nghiên cứu

Giông sét là hiện tượng tự nhiên với tính ngẫu nhiên cao về thời gian và cường độ, gây ra quá điện áp nguy hiểm trong hệ thống điện. Tại Việt Nam, trung bình mỗi năm có khoảng hai triệu lần sét đánh xuống đất, với số ngày giông trung bình khoảng 100 ngày/năm và số giờ giông trung bình là 250 giờ/năm. Hoạt động giông sét không đồng đều giữa các vùng, ví dụ như Cam Ranh có 55 giờ giông/năm trong khi A Lưới (Thừa Thiên - Huế) lên đến 489 giờ giông/năm. Trạm biến áp cao thế là thành phần quan trọng trong hệ thống điện, chịu ảnh hưởng nghiêm trọng từ sét do cách điện của thiết bị yếu hơn so với đường dây. Việc phóng điện trên cách điện có thể gây ngắn mạch, làm hỏng thiết bị và gây mất điện kéo dài, ảnh hưởng đến sản xuất và kinh tế quốc dân.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật lên chỉ tiêu chống sét của trạm biến áp cao thế, nhằm xây dựng thuật toán tính toán nhanh và chính xác, hỗ trợ đánh giá và thiết kế các biện pháp bảo vệ hiệu quả. Nghiên cứu áp dụng cho các trạm biến áp cao thế tại Việt Nam trong giai đoạn 2018, với phạm vi tập trung vào các thông số như điện trở nối đất cột điện, số lượng dây chống sét, góc bảo vệ dây chống sét, chiều cao dây dẫn và khoảng cách bảo vệ tăng cường. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ an toàn vận hành, giảm thiểu sự cố do sét gây ra, góp phần đảm bảo cung cấp điện ổn định và bền vững.

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 về dòng điện sét và sóng xung: Dòng điện sét có dạng sóng xung với biên độ và độ dốc đầu sóng đặc trưng, ảnh hưởng trực tiếp đến quá điện áp trong hệ thống điện. Thông số sóng xung được mô tả qua biên độ, độ dốc đầu sóng và thời gian giảm dòng điện.
  • Mô hình xác suất phóng điện trên chuỗi sứ: Xác suất phóng điện được tính dựa trên điện áp tác dụng lên chuỗi sứ, đặc tính volt-giây của chuỗi sứ và các xác suất phóng điện khi sét đánh vào đỉnh cột, dây chống sét hoặc xảy ra phóng điện vòng qua dây chống sét.
  • Mô hình điện trở nối đất và điện cảm cột điện: Điện trở nối đất cột điện và điện cảm của cột được tính toán dựa trên hình dạng, kích thước cột và chiều cao treo dây chống sét, ảnh hưởng đến điện áp giáng trên cột và khả năng phóng điện.
  • Mô hình truyền sóng và ảnh hưởng vang quang xung: Sóng điện từ truyền qua khoảng cách bảo vệ được tăng cường sẽ bị giảm độ dốc đầu sóng do tác dụng vang quang xung, ảnh hưởng đến mức độ nguy hiểm của quá điện áp truyền vào trạm.
  • Mô hình tính toán chỉ tiêu chống sét: Chỉ tiêu chống sét được xác định bằng số năm vận hành an toàn không có sự cố phóng điện nguy hiểm, dựa trên số lần sét đánh, xác suất phóng điện và các thông số kỹ thuật của trạm và đường dây.

Các khái niệm chính bao gồm: xác suất phóng điện (Vay, Vpazca, Vpa2kk, Vpa3), điện áp phóng điện chuỗi sứ, điện trở nối đất cột điện, góc bảo vệ dây chống sét, và chỉ tiêu chống sét (M).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực tế về hoạt động giông sét tại Việt Nam, số liệu khí hậu và đặc tính kỹ thuật của trạm biến áp cao thế Bình Long 2 làm case study. Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thu thập số liệu: Số liệu về mật độ sét đánh trung bình, số ngày sét trong năm, đặc tính kỹ thuật của dây dẫn, dây chống sét, cột điện và chuỗi sứ.
  • Phân tích mô hình toán học: Xây dựng các công thức tính xác suất phóng điện, suất cắt điện, và chỉ tiêu chống sét dựa trên các mô hình lý thuyết đã nêu.
  • Phát triển thuật toán trên Matlab: Viết chương trình tính toán chỉ tiêu chống sét cho trạm biến áp cao thế với nhiều đường dây, cho phép mô phỏng và khảo sát ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật.
  • Thời gian nghiên cứu: Từ 15/01/2018 đến 17/06/2018, với các bước khảo sát, xây dựng mô hình, lập trình và phân tích kết quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu tập trung vào trạm biến áp Bình Long 2 với 4 đường dây cao thế, lựa chọn phương pháp phân tích giải tích kết hợp mô phỏng số nhằm đảm bảo độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện: Khi điện trở nối đất cột điện thay đổi trong khoảng từ 10 Ω đến 30 Ω, chỉ tiêu chống sét của trạm biến áp có sự biến động rõ rệt. Cụ thể, điện trở thấp giúp giảm xác suất phóng điện trên chuỗi sứ, nâng cao số năm vận hành an toàn lên đến hàng trăm năm, trong khi điện trở cao làm giảm hiệu quả bảo vệ khoảng 15-20%.

  2. Số lượng dây chống sét: Việc sử dụng hai dây chống sét thay vì một dây làm tăng góc bảo vệ và giảm xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn. Kết quả tính toán cho thấy chỉ tiêu chống sét tăng khoảng 25% khi chuyển từ một dây sang hai dây chống sét.

  3. Góc bảo vệ dây chống sét (góc α): Thay đổi góc bảo vệ từ 20° đến 40° ảnh hưởng trực tiếp đến xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét. Góc bảo vệ lớn hơn giúp giảm xác suất này, nâng cao chỉ tiêu chống sét của trạm khoảng 10-15%.

  4. Chiều cao dây dẫn và khoảng cách bảo vệ tăng cường: Tăng chiều cao dây dẫn và khoảng cách bảo vệ trước khi đến trạm làm giảm độ dốc đầu sóng truyền vào trạm, từ đó giảm nguy cơ phóng điện. Kết quả mô phỏng cho thấy chỉ tiêu chống sét có thể tăng thêm 10-12% khi chiều cao dây dẫn tăng 1-2 mét và khoảng cách bảo vệ tăng thêm 5 km.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các phát hiện trên xuất phát từ cơ chế phóng điện và truyền sóng điện từ trong hệ thống điện cao thế. Điện trở nối đất thấp giúp dòng điện sét dễ dàng truyền xuống đất, giảm điện áp giáng trên cột và chuỗi sứ, từ đó giảm xác suất phóng điện. Số lượng dây chống sét và góc bảo vệ lớn hơn làm tăng vùng bảo vệ, hạn chế sét đánh trực tiếp vào dây dẫn.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành điện lực về hiệu quả của dây chống sét và điện trở nối đất trong việc giảm sự cố do sét. Việc sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng giúp đánh giá toàn diện và trực quan hơn, hỗ trợ thiết kế các biện pháp bảo vệ tối ưu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa điện trở nối đất và chỉ tiêu chống sét, biểu đồ so sánh chỉ tiêu chống sét với số lượng dây chống sét, và bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến xác suất phóng điện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giảm điện trở nối đất cột điện: Thực hiện các biện pháp cải thiện hệ thống nối đất, như sử dụng vật liệu dẫn điện tốt hơn hoặc tăng diện tích tiếp xúc đất, nhằm giảm điện trở xuống dưới 10 Ω trong vòng 12 tháng tới. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý trạm biến áp và đơn vị bảo trì.

  2. Lắp đặt tối thiểu hai dây chống sét trên đường dây cao thế: Đề xuất nâng cấp hệ thống dây chống sét hiện tại từ một dây lên hai dây để mở rộng góc bảo vệ, giảm xác suất sét đánh vòng qua dây dẫn trong 18 tháng. Chủ thể thực hiện: Công ty lưới điện và nhà thầu thi công.

  3. Điều chỉnh góc bảo vệ dây chống sét: Thiết kế và bố trí dây chống sét với góc bảo vệ tối ưu từ 30° trở lên, đảm bảo vùng bảo vệ rộng và hiệu quả chống sét cao hơn, thực hiện trong kế hoạch bảo trì định kỳ hàng năm.

  4. Tăng chiều cao dây dẫn và khoảng cách bảo vệ: Nâng chiều cao dây dẫn thêm 1-2 mét và mở rộng khoảng cách bảo vệ tăng cường trước trạm biến áp ít nhất 5 km để giảm độ dốc đầu sóng truyền vào trạm, thực hiện trong các dự án nâng cấp lưới điện trong 2 năm tới.

Các giải pháp trên cần phối hợp đồng bộ giữa các đơn vị quản lý, vận hành và bảo trì để đảm bảo hiệu quả lâu dài, giảm thiểu rủi ro do sét gây ra và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia ngành điện: Nghiên cứu cung cấp các công thức tính toán và mô hình phân tích chi tiết, hỗ trợ thiết kế và vận hành hệ thống chống sét hiệu quả.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Thông tin về ảnh hưởng các thông số kỹ thuật đến độ an toàn vận hành giúp xây dựng các tiêu chuẩn và quy định kỹ thuật phù hợp.

  3. Đơn vị bảo trì và vận hành trạm biến áp: Hướng dẫn thực tiễn về các biện pháp cải thiện hệ thống chống sét, từ đó nâng cao chất lượng bảo trì và giảm thiểu sự cố.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo học thuật với các mô hình toán học, thuật toán tính toán và ứng dụng Matlab, phục vụ nghiên cứu và giảng dạy chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chỉ tiêu chống sét của trạm biến áp là gì?
    Chỉ tiêu chống sét là số năm vận hành an toàn của trạm biến áp không xảy ra sự cố phóng điện nguy hiểm do sét, thường đạt mức hàng trăm năm để đảm bảo độ tin cậy.

  2. Tại sao điện trở nối đất cột điện lại quan trọng?
    Điện trở nối đất thấp giúp dòng điện sét dễ dàng truyền xuống đất, giảm điện áp giáng trên cột và chuỗi sứ, từ đó giảm xác suất phóng điện và tăng độ an toàn.

  3. Làm thế nào để xác định xác suất phóng điện trên chuỗi sứ?
    Xác suất phóng điện được tính dựa trên điện áp tác dụng lên chuỗi sứ, đặc tính volt-giây của chuỗi sứ và các xác suất phóng điện khi sét đánh vào các vị trí khác nhau như đỉnh cột, dây chống sét.

  4. Phần mềm Matlab được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Matlab được dùng để xây dựng thuật toán tính toán chỉ tiêu chống sét, mô phỏng các trường hợp khác nhau và xuất kết quả trực quan, giúp đánh giá toàn diện hơn các thông số ảnh hưởng.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các trạm biến áp khác không?
    Có, mô hình và thuật toán có thể điều chỉnh thông số phù hợp với đặc điểm kỹ thuật và điều kiện khí hậu của các trạm biến áp khác, giúp nâng cao hiệu quả bảo vệ chống sét.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công thuật toán tính toán chỉ tiêu chống sét cho trạm biến áp cao thế dựa trên các thông số kỹ thuật và đặc tính sét tại Việt Nam.
  • Kết quả cho thấy điện trở nối đất, số lượng dây chống sét, góc bảo vệ và chiều cao dây dẫn là các yếu tố ảnh hưởng chính đến chỉ tiêu chống sét.
  • Việc sử dụng phần mềm Matlab giúp mô phỏng và đánh giá hiệu quả các biện pháp bảo vệ một cách trực quan và chính xác.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao độ an toàn vận hành trạm biến áp trong thời gian tới.
  • Khuyến nghị các đơn vị quản lý, vận hành và nghiên cứu tiếp tục ứng dụng và phát triển mô hình để đảm bảo hệ thống điện quốc gia vận hành ổn định, bền vững.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các trạm biến áp khác và cập nhật dữ liệu thực tế để hoàn thiện mô hình. Đề nghị các chuyên gia và nhà quản lý ngành điện tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả bảo vệ chống sét.