Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa với hoạt động dông sét cao, đặc biệt ảnh hưởng đến mạng phân phối điện hạ áp có phạm vi phân bố rộng và cung cấp điện trực tiếp cho hộ tiêu thụ. Theo ước tính, các sự cố do sét cảm ứng lan truyền gây ra ngừng dịch vụ và hư hỏng thiết bị điện – điện tử ngày càng phổ biến, làm giảm độ tin cậy và an toàn của hệ thống điện. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất các biện pháp bảo vệ quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp, tập trung vào việc đánh giá hiệu quả bảo vệ của các thiết bị bảo vệ xung (SPD) theo tiêu chuẩn TCVN 9888:2013 và IEC 62305-4:2006. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các thiết bị bảo vệ quá áp do sét cảm ứng trên mạng điện hạ áp tại Việt Nam, với thời gian nghiên cứu chủ yếu từ năm 2010 đến 2018. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra, nâng cao độ bền và tuổi thọ thiết bị điện tử nhạy cảm, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo cho các cơ quan, trung tâm nghiên cứu và cơ sở đào tạo trong lĩnh vực kỹ thuật điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia quan trọng: TCVN 9888:2013 và IEC 62305-4:2006, làm cơ sở cho việc phân loại cấp bảo vệ quá áp và lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp. Hai loại thiết bị bảo vệ chính được nghiên cứu là thiết bị cắt sét (SSD) và thiết bị lọc sét (SRF), với công nghệ chế tạo chủ yếu là khe hở phóng điện (SG) và biến trở oxyt kim loại (MOV). Các khái niệm chính bao gồm:

  • Cấp bảo vệ quá áp: Phân loại theo vị trí lắp đặt và mức điện áp chịu đựng, từ cấp I đến cấp IV theo IEC 62305.
  • Thiết bị bảo vệ xung (SPD): Thiết bị nối song song với tải, có chức năng chuyển hướng dòng xung sét xuống đất để giảm điện áp thông qua.
  • Điện áp thông qua (Let Through Voltage): Điện áp còn lại trên thiết bị được bảo vệ sau khi SPD hoạt động.
  • Mô hình điện trở phi tuyến của MOV: Mô phỏng đặc tính V-I phi tuyến của MOV trong Matlab.
  • Ảnh hưởng chiều dài dây nối: Mối quan hệ giữa chiều dài dây nối SPD với thiết bị được bảo vệ và hiệu quả bảo vệ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tiêu chuẩn kỹ thuật, tài liệu chuyên ngành và số liệu thực nghiệm từ các thiết bị SPD phổ biến trên thị trường. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Mô hình hóa và mô phỏng: Xây dựng mô hình các phần tử bảo vệ SG và MOV trong môi trường Matlab/Simulink, mô phỏng đáp ứng điện áp bảo vệ với các xung dòng chuẩn dạng sóng 8/20µs.
  • Phân tích ảnh hưởng các yếu tố: Nghiên cứu tác động của chiều dài dây nối và các kiểu phối hợp SPD đến hiệu quả bảo vệ thông qua mô phỏng điện áp bảo vệ và điện áp thông qua.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô phỏng được thực hiện với các thông số kỹ thuật của thiết bị từ các hãng sản xuất uy tín như Siemens và Phoenix Contact, đảm bảo tính đại diện cho các thiết bị bảo vệ phổ biến.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài từ năm 2016 đến 2018, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của chiều dài dây nối đến điện áp thông qua: Khi chiều dài dây nối giữa SPD và thiết bị được bảo vệ tăng từ 0 đến 10m, điện áp bảo vệ V1 của SPD gần như không đổi (khoảng 1430V), nhưng điện áp thông qua V2 tăng mạnh từ 1410V lên đến 2539V. Điều này cho thấy khoảng cách dây nối càng lớn thì hiệu quả bảo vệ càng giảm, đặc biệt với thiết bị điện tử nhạy cảm có mức chịu điện áp xung chỉ 1500V, SPD phải được lắp đặt ngay đầu cực tải (L=0m) để đảm bảo an toàn.

  2. Hiệu quả phối hợp các SPD theo kiểu I: Mô phỏng với các tổ hợp 1, 2 và 3 MOV có cùng dòng xung định mức 40kA và điện áp ngưỡng 275Vrms cho thấy điện áp bảo vệ giảm đáng kể khi tăng số lượng MOV phối hợp. Cụ thể, điện áp bảo vệ giảm từ 3121V (1 MOV) xuống còn 801V (3 MOV), tương ứng giảm hơn 74%. Điều này chứng tỏ phối hợp SPD là giải pháp hiệu quả để giảm điện áp thông qua và tăng độ an toàn cho thiết bị.

  3. Độ chính xác mô hình MOV: Mô hình MOV hạ thế của hãng Siemens được xây dựng có sai số điện áp bảo vệ dưới 1,6% so với giá trị catalogue, đảm bảo độ tin cậy cao trong mô phỏng và ứng dụng thực tế.

  4. Yêu cầu kỹ thuật thiết bị bảo vệ: Thiết bị cắt sét và lọc sét phải đáp ứng các yêu cầu về dòng xung sét tản định mức lớn hơn dòng xung cực đại tại vị trí lắp đặt, điện áp vận hành định mức phù hợp, khả năng cắt nhiều xung lập lại, tốc độ đáp ứng nhanh (hàng ns), và có hệ thống báo hiệu tình trạng làm việc.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy chiều dài dây nối là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp. Việc tăng chiều dài dây nối làm tăng điện áp thông qua, gây nguy cơ hư hỏng thiết bị điện tử nhạy cảm. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này phù hợp với tiêu chuẩn IEC 62305-4:2006, khuyến cáo lắp đặt SPD càng gần thiết bị được bảo vệ càng tốt.

Phối hợp nhiều SPD theo kiểu I giúp giảm đáng kể điện áp bảo vệ, đồng thời tăng khả năng chịu dòng xung sét, phù hợp với các hệ thống phân phối điện có mật độ sét cao. Kết quả này tương đồng với các báo cáo của ngành điện lực và các nghiên cứu về bảo vệ chống sét lan truyền.

Mô hình hóa chính xác các thiết bị bảo vệ như MOV và SG trong Matlab giúp đánh giá hiệu quả bảo vệ một cách khoa học và chi tiết, hỗ trợ thiết kế hệ thống bảo vệ phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam. Các biểu đồ điện áp bảo vệ và điện áp thông qua theo chiều dài dây nối và số lượng SPD phối hợp có thể được trình bày qua biểu đồ đường và bảng số liệu để minh họa rõ ràng hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Lắp đặt SPD gần thiết bị được bảo vệ: Để giảm điện áp thông qua và bảo vệ thiết bị điện tử nhạy cảm, cần lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp ngay đầu cực tải, hạn chế chiều dài dây nối không quá 5m đối với thiết bị điện cơ và gần như 0m đối với thiết bị điện tử nhạy cảm. Thời gian thực hiện: trong vòng 6 tháng. Chủ thể thực hiện: các đơn vị quản lý và vận hành mạng điện.

  2. Phối hợp nhiều SPD theo tiêu chuẩn: Áp dụng phối hợp SPD theo kiểu I hoặc các kiểu phối hợp khác theo TCVN 9888:2013 và IEC 62305-4:2006 để giảm điện áp bảo vệ và tăng độ bền thiết bị. Thời gian thực hiện: 1 năm. Chủ thể thực hiện: các nhà thiết kế hệ thống điện và nhà thầu thi công.

  3. Sử dụng thiết bị bảo vệ đạt chuẩn kỹ thuật: Lựa chọn SPD có dòng xung tản định mức lớn hơn dòng xung cực đại tại vị trí lắp đặt, có khả năng cắt nhiều xung lập lại, tốc độ đáp ứng nhanh và có hệ thống báo hiệu tình trạng làm việc để đảm bảo hiệu quả và an toàn. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình bảo trì. Chủ thể thực hiện: các đơn vị bảo trì và vận hành.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo về tiêu chuẩn bảo vệ quá áp do sét và kỹ thuật lắp đặt SPD cho kỹ sư, kỹ thuật viên trong ngành điện lực nhằm nâng cao chất lượng công tác bảo vệ. Thời gian thực hiện: hàng năm. Chủ thể thực hiện: các cơ sở đào tạo và công ty điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên viên ngành điện lực: Nghiên cứu giúp nâng cao kiến thức về bảo vệ quá áp do sét, áp dụng các giải pháp kỹ thuật phù hợp để giảm thiểu sự cố và thiệt hại thiết bị.

  2. Các nhà thiết kế và thi công hệ thống điện: Tham khảo mô hình và tiêu chuẩn để thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét hiệu quả, đảm bảo an toàn cho các công trình điện.

  3. Các cơ sở đào tạo kỹ thuật điện: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy, cập nhật kiến thức mới về thiết bị bảo vệ và tiêu chuẩn kỹ thuật trong lĩnh vực bảo vệ quá áp.

  4. Các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ điện: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các thiết bị bảo vệ mới, nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chiều dài dây nối giữa SPD và thiết bị được bảo vệ lại quan trọng?
    Chiều dài dây nối ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp thông qua, dây càng dài thì điện áp này càng tăng, làm giảm hiệu quả bảo vệ và có thể gây hư hỏng thiết bị điện tử nhạy cảm. Ví dụ, khi dây nối dài 10m, điện áp thông qua có thể tăng lên đến 2539V, vượt xa mức chịu đựng của nhiều thiết bị.

  2. SPD phối hợp theo kiểu I có ưu điểm gì?
    Phối hợp SPD theo kiểu I giúp giảm đáng kể điện áp bảo vệ, từ hơn 3000V xuống còn khoảng 800V khi sử dụng 3 MOV phối hợp, tăng khả năng chịu dòng sét và bảo vệ thiết bị hiệu quả hơn.

  3. Thiết bị cắt sét và thiết bị lọc sét khác nhau như thế nào?
    Thiết bị cắt sét mắc song song với tải, có nhiệm vụ tản năng lượng sét xuống đất với điện áp bảo vệ cao (800-1500V), trong khi thiết bị lọc sét mắc nối tiếp với tải, có điện áp bảo vệ thấp (<240V) và bảo vệ thiết bị điện tử nhạy cảm bằng cách làm chậm tốc độ tăng điện áp.

  4. Tiêu chuẩn nào được áp dụng trong nghiên cứu này?
    Luận văn áp dụng tiêu chuẩn TCVN 9888:2013 và IEC 62305-4:2006, là các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế về bảo vệ chống sét và bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp.

  5. Làm thế nào để biết SPD còn khả năng bảo vệ?
    SPD hiện đại có hệ thống đèn báo phần trăm khả năng cắt sét còn lại, giúp người sử dụng dễ dàng theo dõi và thay thế khi thiết bị giảm hiệu quả bảo vệ.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình các thiết bị bảo vệ quá áp do sét theo công nghệ SG và MOV, mô phỏng chính xác điện áp bảo vệ với sai số dưới 6%.
  • Phân tích mối quan hệ giữa điện áp thông qua và chiều dài dây nối cho thấy dây nối càng dài làm giảm hiệu quả bảo vệ, đặc biệt với thiết bị điện tử nhạy cảm.
  • Các kiểu phối hợp SPD theo tiêu chuẩn TCVN 9888:2013 và IEC 62305-4:2006 được chứng minh là giải pháp hiệu quả để giảm điện áp bảo vệ và tăng độ bền thiết bị.
  • Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, có thể ứng dụng trong thiết kế, vận hành và đào tạo ngành điện lực tại Việt Nam.
  • Đề xuất các giải pháp lắp đặt, phối hợp thiết bị và nâng cao nhận thức nhằm tăng cường bảo vệ quá áp do sét trong hệ thống điện hạ áp.

Next steps: Triển khai áp dụng các giải pháp bảo vệ trong thực tế, mở rộng nghiên cứu về bảo vệ quá áp cho mạng điện trung áp và cao áp, đồng thời phát triển mô hình mô phỏng tích hợp đa yếu tố môi trường.

Call-to-action: Các đơn vị quản lý và vận hành hệ thống điện nên xem xét áp dụng các biện pháp bảo vệ được đề xuất để nâng cao độ tin cậy và an toàn cho hệ thống điện, đồng thời phối hợp với các cơ sở đào tạo để cập nhật kiến thức và kỹ năng chuyên môn.