Tổng quan nghiên cứu

Trạm biến áp 110/22kV Sơn Hải, xã Phước Dinh, huyện Thuận Nam, tỉnh Ninh Thuận, được xây dựng nhằm phục vụ cấp điện cho công tác thi công nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận 1 và các phụ tải lân cận. Với công suất định mức 25 MVA, trạm biến áp này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp điện ổn định cho khu vực, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội địa phương. Công trình được khởi công từ năm 2012, hoàn thành và đưa vào vận hành từ giữa năm 2017. Tuy nhiên, do tính chất quan trọng và yêu cầu vận hành an toàn, hệ thống bảo vệ rơle kỹ thuật số cho trạm biến áp cần được nghiên cứu, đánh giá và thiết kế phù hợp nhằm đảm bảo hoạt động ổn định, giảm thiểu sự cố và nâng cao hiệu quả vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc phân tích hiện trạng hệ thống bảo vệ rơle tại trạm biến áp Sơn Hải, đánh giá các loại rơle kỹ thuật số phổ biến hiện nay, đồng thời tính toán, lựa chọn và chỉnh định các rơle kỹ thuật số phù hợp cho trạm. Phạm vi nghiên cứu giới hạn tại trạm biến áp 110kV Sơn Hải, với dữ liệu thu thập từ quá trình vận hành thực tế và các tài liệu kỹ thuật liên quan. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện, giảm thiểu thời gian ngừng cung cấp điện và hỗ trợ công tác bảo trì, vận hành trạm biến áp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết bảo vệ rơle kỹ thuật số và mô hình bảo vệ so lệch máy biến áp. Rơle kỹ thuật số là thiết bị tự động hóa dùng để phát hiện và cô lập sự cố trong hệ thống điện bằng cách xử lý tín hiệu số, thay thế cho rơle điện cơ truyền thống với nhiều ưu điểm như độ chính xác cao, khả năng tích hợp chức năng đa dạng và dễ dàng kết nối truyền thông.

Khái niệm bảo vệ so lệch (differential protection) được áp dụng để bảo vệ máy biến áp khỏi các sự cố nội bộ bằng cách so sánh dòng điện đầu vào và đầu ra của máy biến áp. Rơle số 7UT633 của Siemens là một ví dụ điển hình, tích hợp nhiều chức năng bảo vệ như bảo vệ so lệch, bảo vệ quá dòng, bảo vệ chống chạm đất hạn chế (REF), và bảo vệ quá tải nhiệt. Ngoài ra, rơle 7SJ621 được sử dụng để bảo vệ đường dây với các chức năng bảo vệ quá dòng, chống chạm đất và giám sát nhiệt độ.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Rơle kỹ thuật số và cấu trúc phần cứng
  • Bảo vệ so lệch máy biến áp
  • Bảo vệ quá dòng và bảo vệ chống chạm đất hạn chế
  • Giao diện truyền thông và cài đặt thông số rơle

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ trạm biến áp 110kV Sơn Hải, bao gồm số liệu vận hành, thông số kỹ thuật thiết bị và các sự cố đã ghi nhận. Ngoài ra, tài liệu kỹ thuật của các rơle số Siemens 7UT633 và 7SJ621 được sử dụng làm cơ sở lý thuyết và tham khảo. Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích cấu trúc phần cứng và nguyên lý hoạt động của rơle kỹ thuật số
  • Tính toán ngắn mạch và lựa chọn phương thức bảo vệ phù hợp cho trạm biến áp
  • Chỉnh định thông số rơle dựa trên đặc tính kỹ thuật và yêu cầu vận hành thực tế
  • Mô phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ qua các kịch bản sự cố

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2016 đến 2017, song song với việc thu thập số liệu vận hành thực tế và thử nghiệm tại trạm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ thiết bị bảo vệ và các thông số vận hành của trạm biến áp Sơn Hải. Phương pháp chọn mẫu là lấy toàn bộ dữ liệu liên quan đến hệ thống bảo vệ rơle tại trạm để đảm bảo tính toàn diện và chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng hệ thống bảo vệ rơle tại trạm biến áp Sơn Hải: Trạm sử dụng rơle kỹ thuật số 7UT633 cho bảo vệ so lệch máy biến áp và rơle 7SJ621 cho bảo vệ đường dây. Các thiết bị đều được trang bị đầy đủ chức năng bảo vệ quá dòng, chống chạm đất và bảo vệ quá tải nhiệt. Số liệu vận hành cho thấy hệ thống bảo vệ đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật với độ chính xác cao, giảm thiểu sai số do bão hòa máy biến dòng.

  2. Tính toán ngắn mạch và lựa chọn phương thức bảo vệ: Qua tính toán ngắn mạch tại các phía nguồn 110kV Ninh Phước và Tháp Chàm, các giá trị dòng ngắn mạch được xác định cụ thể, từ đó lựa chọn các ngưỡng tác động và đặc tính bảo vệ phù hợp. Ví dụ, dòng cắt ngắn mạch định mức của máy cắt 110kV là 25kA/3s, đảm bảo khả năng chịu đựng sự cố lớn.

  3. Chỉnh định thông số rơle kỹ thuật số: Việc cài đặt thông số cho rơle 7UT633 và 7SJ621 được thực hiện thông qua phần mềm DIGSI 4, cho phép điều chỉnh các ngưỡng dòng điện khởi động, thời gian trễ và đặc tính bảo vệ theo tiêu chuẩn IEC và IEEE. Kết quả chỉnh định cho thấy khả năng phát hiện sự cố nhanh chóng, chính xác với thời gian tác động dưới 100ms.

  4. Hiệu quả bảo vệ và độ tin cậy: Hệ thống bảo vệ rơle kỹ thuật số giúp giảm thiểu thời gian ngắt mạch không cần thiết, tăng độ ổn định cho lưới điện. So với rơle điện cơ truyền thống, rơle số tiêu thụ công suất thấp hơn khoảng 0,2VA so với 10VA, giảm chi phí vận hành và bảo trì. Ngoài ra, chức năng ghi lại sự cố và truyền thông giúp phân tích nguyên nhân sự cố chính xác hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống bảo vệ rơle kỹ thuật số tại trạm biến áp Sơn Hải hoạt động hiệu quả là do việc áp dụng các công nghệ xử lý tín hiệu số hiện đại, tích hợp nhiều chức năng bảo vệ trong một thiết bị nhỏ gọn. So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với xu hướng chuyển đổi từ rơle điện cơ sang rơle kỹ thuật số nhằm nâng cao độ tin cậy và giảm chi phí vận hành.

Việc sử dụng rơle 7UT633 với chức năng bảo vệ so lệch có hãm bổ sung giúp hạn chế tác động sai do hiện tượng bão hòa máy biến dòng, một vấn đề phổ biến trong các trạm biến áp lớn. Các đặc tính bảo vệ quá dòng và chống chạm đất hạn chế cũng được thiết kế theo chuẩn quốc tế, đảm bảo khả năng phát hiện sự cố nhanh và chính xác.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đặc tính tác động của rơle 7UT633, thể hiện các vùng tác động và vùng hãm bổ sung, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả bảo vệ. Bảng so sánh thông số kỹ thuật và kết quả chỉnh định cũng hỗ trợ đánh giá chi tiết hơn về hiệu quả vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp hệ thống bảo vệ rơle kỹ thuật số: Thực hiện đồng bộ việc nâng cấp các rơle kỹ thuật số tại trạm biến áp Sơn Hải nhằm tăng cường độ tin cậy và khả năng giám sát. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do Công ty Lưới điện cao thế miền Nam chủ trì.

  2. Đào tạo và nâng cao trình độ vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành và chỉnh định rơle kỹ thuật số cho đội ngũ kỹ thuật viên, đảm bảo vận hành chính xác và kịp thời xử lý sự cố. Thời gian đào tạo định kỳ 6 tháng/lần, do Bộ môn Kỹ thuật điện, Trường Đại học Thủy lợi phối hợp thực hiện.

  3. Tăng cường giám sát và bảo trì định kỳ: Thiết lập quy trình giám sát liên tục và bảo trì định kỳ hệ thống bảo vệ rơle, giảm thiểu rủi ro do hư hỏng thiết bị. Thời gian bảo trì 3-6 năm/lần, do đơn vị vận hành trạm biến áp chịu trách nhiệm.

  4. Ứng dụng công nghệ truyền thông hiện đại: Áp dụng các giao thức truyền thông chuẩn IEC 60870-5-103, PROFIBUS, MODBUS để kết nối hệ thống bảo vệ với trung tâm điều khiển SCADA, nâng cao khả năng điều khiển và giám sát từ xa. Thời gian triển khai trong 1 năm, do Ban Quản lý dự án phối hợp với nhà cung cấp thiết bị thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì trạm biến áp: Nghiên cứu giúp hiểu rõ về cấu trúc, chức năng và cách chỉnh định hệ thống bảo vệ rơle kỹ thuật số, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố.

  2. Chuyên gia thiết kế hệ thống điện: Tham khảo để lựa chọn và thiết kế hệ thống bảo vệ phù hợp cho các trạm biến áp tương tự, đảm bảo an toàn và ổn định lưới điện.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về rơle kỹ thuật số, bảo vệ so lệch và các phương pháp tính toán bảo vệ, hỗ trợ học tập và nghiên cứu.

  4. Nhà quản lý dự án và đầu tư ngành điện: Hiểu rõ về tầm quan trọng của hệ thống bảo vệ rơle trong vận hành trạm biến áp, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và nâng cấp hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

  1. Rơle kỹ thuật số khác gì so với rơle điện cơ truyền thống?
    Rơle kỹ thuật số sử dụng vi xử lý để xử lý tín hiệu số, cho độ chính xác cao, tích hợp nhiều chức năng bảo vệ và dễ dàng kết nối truyền thông, trong khi rơle điện cơ hoạt động dựa trên cơ cấu cơ học, có độ nhạy thấp và chi phí bảo trì cao.

  2. Tại sao cần bảo vệ so lệch cho máy biến áp?
    Bảo vệ so lệch phát hiện sự cố nội bộ máy biến áp bằng cách so sánh dòng điện đầu vào và đầu ra, giúp cô lập nhanh sự cố, giảm thiểu thiệt hại và đảm bảo an toàn cho thiết bị.

  3. Làm thế nào để chỉnh định thông số rơle kỹ thuật số?
    Thông số rơle được chỉnh định qua phần mềm chuyên dụng như DIGSI 4, dựa trên các tính toán ngắn mạch, đặc tính kỹ thuật của thiết bị và yêu cầu vận hành thực tế.

  4. Chức năng chống chạm đất hạn chế (REF) hoạt động ra sao?
    Chức năng REF phát hiện sự cố chạm đất trong vùng bảo vệ bằng cách so sánh dòng điện thứ tự không và dòng điện tổng, giúp bảo vệ chính xác và tránh tác động sai do hiện tượng bão hòa máy biến dòng.

  5. Hệ thống bảo vệ rơle kỹ thuật số có thể kết nối với hệ thống SCADA không?
    Có, rơle kỹ thuật số hỗ trợ các giao thức truyền thông chuẩn như IEC 60870-5-103, PROFIBUS, MODBUS, cho phép kết nối và điều khiển từ xa qua hệ thống SCADA, nâng cao hiệu quả giám sát và vận hành.

Kết luận

  • Trạm biến áp 110/22kV Sơn Hải đóng vai trò quan trọng trong cung cấp điện cho khu vực, đòi hỏi hệ thống bảo vệ rơle kỹ thuật số hiện đại và tin cậy.
  • Rơle kỹ thuật số 7UT633 và 7SJ621 được lựa chọn và chỉnh định phù hợp, đáp ứng các yêu cầu bảo vệ so lệch, quá dòng, chống chạm đất và quá tải nhiệt.
  • Việc áp dụng công nghệ số giúp nâng cao độ chính xác, giảm chi phí vận hành và tăng khả năng giám sát sự cố.
  • Đề xuất nâng cấp hệ thống, đào tạo nhân lực và ứng dụng truyền thông hiện đại nhằm đảm bảo vận hành an toàn, ổn định lâu dài.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cho các trạm biến áp tương lai, góp phần nâng cao chất lượng cung cấp điện và phát triển ngành điện lực Việt Nam.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp nâng cấp và đào tạo theo khuyến nghị, đồng thời áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn vận hành trạm biến áp Sơn Hải và các trạm tương tự.