Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm với điều kiện khí hậu thuận lợi cho sự phát sinh và phát triển của dông sét. Theo ước tính, hàng năm ngành điện Việt Nam ghi nhận khoảng vài ngàn sự cố, trong đó trên 60% nguyên nhân là do sét gây ra. Một ví dụ điển hình là sự cố ngày 30/5/2016, khi sét đánh làm bật hai đường dây 500kV Hà Tĩnh – Đà Nẵng và Vũng Áng – Đà Nẵng, gây mất điện kéo dài khoảng 50 phút tại nhiều khu vực miền Trung và miền Nam. Quá áp do sét là một trong những nguyên nhân nguy hiểm nhất gây hư hại thiết bị điện, làm giảm độ tin cậy và tuổi thọ của hệ thống điện.

Luận văn tập trung nghiên cứu biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối tại huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau, với mục tiêu xây dựng mô hình chống sét van trung áp dạng oxit kim loại (MVLA) trong môi trường Matlab, đánh giá độ chính xác mô hình so với nguyên mẫu thực tế và đề xuất phương án bố trí hợp lý MVLA bảo vệ trạm biến áp phân phối điển hình. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mạng phân phối điện tại huyện Phú Tân trong giai đoạn 2016-2018.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy vận hành lưới điện phân phối, giảm thiểu thiệt hại do quá áp sét gây ra, đồng thời cung cấp công cụ mô phỏng hữu ích cho các công ty điện lực và học viên ngành kỹ thuật điện trong việc nghiên cứu và ứng dụng biện pháp bảo vệ quá áp.

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:

  • Cấu tạo và đặc tính của biến trở oxit kim loại (MOV): MOV là thiết bị phi tuyến, hoạt động như hai diode đấu ngược, có đặc tính V-I phi tuyến mạnh, cho phép hấp thu năng lượng xung quá áp do sét. Thành phần chính là ZnO với các oxit kim loại khác, cấu trúc hạt đa tinh thể tạo nên hiệu ứng biến trở. Điện áp biến trở VN và bề dày D của MOV được xác định theo công thức $VN = 3.5n$ và $D \approx \frac{VN d}{3.5}$, trong đó n là số tiếp giáp hạt ZnO, d là kích thước hạt.

  • Mô hình MVLA theo đề xuất của P-K: Mô hình sử dụng hai điện trở phi tuyến A0 và A1 với đặc tuyến V-I được xác định dựa trên tiêu chuẩn IEEE, kết hợp với điện cảm L1 để mô phỏng chính xác đáp ứng của MVLA với xung sét 8/20µs. Mô hình này cho phép khai báo các thông số kỹ thuật như điện áp định mức, điện áp dư ứng với dòng sét 10kA.

  • Mô hình máy phát xung tiêu chuẩn 8/20µs: Dạng xung dòng tiêu chuẩn mô phỏng xung sét cảm ứng, được mô tả bằng phương trình $i(t) = I (e^{-at} - e^{-bt})$, với các tham số a, b được xác định qua các quan hệ hàm số dựa trên thời gian đạt đỉnh và thời gian giảm một nửa giá trị đỉnh.

Ba khái niệm chính được sử dụng là: đặc tính phi tuyến V-I của MOV, mô hình điện trở phi tuyến A0, A1 trong MVLA, và dạng xung sét tiêu chuẩn 8/20µs.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu chuyên ngành về MOV, MVLA, các catalogue kỹ thuật của nhà sản xuất chống sét van trung áp như Cooper và Ohio Brass; dữ liệu thực tế từ lưới điện phân phối huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích đặc tính vật lý và điện của MOV, xây dựng mô hình toán học và mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink.

  • Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng: Xây dựng mô hình MVLA theo đề xuất của P-K và mô hình máy phát xung 8/20µs trong Matlab, thực hiện mô phỏng đáp ứng điện áp dư của MVLA dưới tác động xung sét tiêu chuẩn.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật của sản phẩm thực tế, mô phỏng trên các trạm biến áp phân phối điển hình tại huyện Phú Tân.

  • Timeline nghiên cứu: Từ 2016 đến 2018, bao gồm thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, thực hiện mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình MVLA theo P-K có độ chính xác cao: So sánh điện áp dư mô phỏng với giá trị trong catalogue của hãng Cooper và Ohio Brass cho thấy sai số nhỏ, đảm bảo độ tin cậy mô hình. Ví dụ, điện áp dư ứng với dòng sét 10kA dạng sóng 8/20µs mô phỏng đạt gần 100% so với catalogue.

  2. Mô hình máy phát xung 8/20µs trong Matlab mô phỏng chính xác dạng sóng xung sét: Các dạng sóng xung dòng 5kA, 10kA và 20kA được mô phỏng với biên độ và thời gian đạt đỉnh phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế, đảm bảo tính thực tiễn của mô hình.

  3. Phương án bố trí MVLA hợp lý tại trạm biến áp phân phối: Qua mô phỏng điện áp đầu cực máy biến áp với các vị trí lắp đặt MVLA khác nhau, kết quả cho thấy vị trí lắp đặt tại điểm đấu nối giữa các máy biến áp hoặc đầu cực máy biến áp giúp giảm điện áp dư hiệu quả, bảo vệ thiết bị tốt hơn. Ví dụ, khi lắp MVLA ở đầu cực máy biến áp, điện áp dư giảm khoảng 15-20% so với không có bảo vệ.

  4. MVLA cải thiện độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị: MVLA có khả năng chịu quá áp tạm thời tốt hơn so với các loại chống sét van SiC, giảm thiểu hiện tượng phóng điện khe hở và tổn thất cách điện, từ đó nâng cao độ bền và tuổi thọ thiết bị phân phối.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân mô hình MVLA theo P-K đạt độ chính xác cao là do mô hình sử dụng đặc tuyến V-I phi tuyến được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE, kết hợp với điện cảm L1 tính toán chính xác. So với mô hình đơn giản trong thư viện Matlab, mô hình này không yêu cầu nhiều thông số phức tạp nhưng vẫn đảm bảo mô phỏng sát thực tế.

Kết quả mô phỏng vị trí lắp đặt MVLA phù hợp với các nghiên cứu trước đây về bảo vệ quá áp do sét, đồng thời phù hợp với đặc thù lưới điện phân phối tại huyện Phú Tân, nơi có nhiều trạm biến áp phân phối nhỏ lẻ. Việc bố trí MVLA đúng vị trí giúp giảm điện áp dư tại đầu cực máy biến áp, hạn chế hư hỏng thiết bị và giảm thiểu sự cố mất điện.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh điện áp dư tại đầu cực máy biến áp với các vị trí lắp đặt MVLA khác nhau, hoặc bảng tổng hợp sai số điện áp dư mô phỏng so với catalogue nhà sản xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai mô hình MVLA theo P-K trong các công ty điện lực: Áp dụng mô hình này để mô phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ quá áp do sét cho các trạm biến áp phân phối, giúp lựa chọn thiết bị và vị trí lắp đặt tối ưu. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các phòng kỹ thuật công ty điện lực.

  2. Đào tạo và nâng cao năng lực sử dụng phần mềm Matlab cho kỹ sư điện: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô hình hóa và mô phỏng MVLA, giúp nâng cao chất lượng nghiên cứu và vận hành hệ thống điện. Thời gian: 3-6 tháng; chủ thể: các trường đại học, trung tâm đào tạo kỹ thuật.

  3. Xây dựng quy trình chuẩn bố trí MVLA tại các trạm biến áp phân phối: Dựa trên kết quả mô phỏng, xây dựng hướng dẫn kỹ thuật chi tiết về vị trí lắp đặt MVLA phù hợp với đặc điểm lưới điện từng khu vực. Thời gian: 6 tháng; chủ thể: Ban kỹ thuật công ty điện lực, Sở Công Thương.

  4. Nghiên cứu mở rộng mô hình bảo vệ quá áp cho các loại lưới điện khác: Phát triển mô hình MVLA cho lưới điện trung áp và cao áp, kết hợp với các thiết bị bảo vệ khác để nâng cao hiệu quả bảo vệ toàn diện. Thời gian: 1-2 năm; chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên viên công ty điện lực: Nghiên cứu giúp hiểu rõ đặc tính và ứng dụng của MVLA trong bảo vệ lưới điện phân phối, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì.

  2. Học viên cao học ngành kỹ thuật điện: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa, mô phỏng thiết bị bảo vệ quá áp, hỗ trợ nghiên cứu và luận văn chuyên ngành.

  3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình vận hành phù hợp với điều kiện thực tế, nâng cao độ tin cậy hệ thống điện.

  4. Các nhà nghiên cứu và phát triển thiết bị điện: Tận dụng mô hình và kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm chống sét van mới, cải tiến thiết bị bảo vệ phù hợp với yêu cầu kỹ thuật hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. MVLA là gì và tại sao cần sử dụng trong lưới điện phân phối?
    MVLA (Metal Oxide Lightning Arrester) là thiết bị chống sét van trung áp dùng để bảo vệ thiết bị điện khỏi quá áp do sét. Nó hấp thu năng lượng xung quá áp, ngăn ngừa hư hại cách điện và thiết bị, nâng cao độ tin cậy vận hành.

  2. Mô hình MVLA theo P-K có ưu điểm gì so với mô hình trong Matlab?
    Mô hình P-K có độ chính xác cao hơn, sử dụng đặc tuyến V-I phi tuyến chuẩn IEEE, không yêu cầu nhiều thông số phức tạp, phù hợp với điều kiện thực tế và dễ dàng áp dụng trong mô phỏng.

  3. Dạng xung sét 8/20µs được sử dụng trong nghiên cứu có ý nghĩa gì?
    Dạng xung 8/20µs là tiêu chuẩn mô phỏng xung sét cảm ứng, phản ánh đặc tính dòng sét thực tế, giúp đánh giá chính xác đáp ứng của thiết bị bảo vệ như MVLA.

  4. Vị trí lắp đặt MVLA ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả bảo vệ?
    Vị trí lắp đặt MVLA tại đầu cực máy biến áp hoặc điểm đấu nối giữa các máy biến áp giúp giảm điện áp dư hiệu quả, bảo vệ thiết bị tốt hơn so với lắp đặt không hợp lý.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế vận hành lưới điện?
    Các công ty điện lực có thể sử dụng mô hình và phương án bố trí MVLA đề xuất để lựa chọn thiết bị và vị trí lắp đặt phù hợp, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên sử dụng phần mềm mô phỏng để đánh giá và tối ưu hệ thống bảo vệ.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình MVLA theo đề xuất của P-K trong môi trường Matlab với độ chính xác cao so với nguyên mẫu thực tế.
  • Mô hình máy phát xung 8/20µs được phát triển đầy đủ, mô phỏng chính xác dạng sóng xung sét tiêu chuẩn.
  • Đề xuất phương án bố trí MVLA hợp lý tại trạm biến áp phân phối huyện Phú Tân giúp giảm điện áp dư, bảo vệ thiết bị hiệu quả.
  • Nghiên cứu cung cấp công cụ mô phỏng hữu ích cho các công ty điện lực và học viên ngành kỹ thuật điện trong việc nghiên cứu và ứng dụng biện pháp bảo vệ quá áp do sét.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai mô hình trong thực tế, đào tạo nhân lực và mở rộng nghiên cứu cho các loại lưới điện khác nhằm nâng cao độ tin cậy và an toàn hệ thống điện quốc gia.

Quý độc giả và các đơn vị liên quan được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả bảo vệ lưới điện phân phối, đồng thời tiếp tục phát triển các giải pháp bảo vệ hiện đại hơn trong tương lai.