Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế nhanh chóng, nhu cầu tiêu thụ điện tại Việt Nam tăng trưởng liên tục, đặc biệt trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Hệ thống điện quốc gia, trong đó có trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên, đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp điện ổn định cho khu vực miền Bắc, phục vụ các khu công nghiệp lớn như Gang Thép Thái Nguyên, Sông Công và các tỉnh lân cận. Trạm biến áp này có tổng công suất 626 MVA, với nhiều thiết bị và ngăn lộ điện áp cao, trung và thấp, đặt tại khu vực miền núi có mật độ sét cao và hệ thống đường dây phân phối dài, cũ kỹ, dẫn đến suất sự cố lớn.

Quá điện áp nội bộ là một trong những nguyên nhân chính gây hư hỏng thiết bị và mất ổn định hệ thống điện, xuất hiện do các thao tác đóng cắt, tự động đóng lại đường dây, cắt tụ điện hoặc do sự cố hồ quang. Việc nghiên cứu, đánh giá và bảo vệ hệ thống khỏi quá điện áp nội bộ là cần thiết để đảm bảo vận hành an toàn, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, mô phỏng và đánh giá hệ thống bảo vệ quá điện áp nội bộ cho trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên, sử dụng phần mềm mô phỏng ATP-EMTP, trong phạm vi thời gian nghiên cứu năm 2017.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm hạn chế quá điện áp, giảm thiểu sự cố và nâng cao hiệu quả vận hành trạm biến áp, góp phần ổn định hệ thống điện miền Bắc và đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các khu công nghiệp trọng điểm.

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 quá điện áp nội bộ: Quá điện áp nội bộ phát sinh do các thao tác đóng cắt, tự động đóng lại đường dây, cắt tụ điện, gây ra dao động điện áp quá độ trong hệ thống điện. Quá điện áp này bao gồm thành phần cưỡng bức và thành phần dao động tự do với tần số cao hơn tần số nguồn, ảnh hưởng đến cách điện và thiết bị.

  • Mô hình mạch dao động RLC: Hệ thống điện được mô phỏng như mạch dao động gồm các phần tử điện trở (R), điện cảm (L) và điện dung (C), tạo thành các dao động năng lượng điện từ gây ra quá điện áp.

  • Mô hình bảo vệ quá điện áp: Bao gồm các thiết bị như khe hở phóng điện, chống sét van SiC và ZnO, với đặc tính điện trở phi tuyến và khả năng dập hồ quang khác nhau, được lựa chọn phù hợp với cấp điện áp và đặc điểm vận hành của trạm biến áp.

  • Phần mềm mô phỏng ATP-EMTP: Sử dụng chương trình mô phỏng quá độ điện từ ATP-EMTP để phân tích các hiện tượng quá điện áp nội bộ, mô phỏng các thao tác đóng cắt, tự động đóng lại, và đánh giá hiệu quả của các thiết bị bảo vệ.

Các khái niệm chính bao gồm: quá điện áp nội bộ, dao động quá độ, điện trở phi tuyến, khe hở phóng điện, chống sét van, tự động đóng lại đường dây, và mô phỏng quá độ điện từ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu kỹ thuật và vận hành thực tế của trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên, bao gồm thông số máy biến áp, đường dây, thiết bị bảo vệ, và các sự cố quá điện áp ghi nhận trong quá trình vận hành.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng quá trình quá điện áp nội bộ bằng phần mềm ATP-EMTP, xây dựng mô hình trạm biến áp và các thiết bị liên quan trong môi trường mô phỏng ATPDraw. Phân tích các kịch bản đóng cắt, tự động đóng lại, cắt tụ điện và đánh giá điện áp quá độ tại các vị trí khác nhau trong trạm.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình nghiên cứu tập trung vào trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên với các thiết bị chính và đường dây liên quan, lựa chọn các tình huống vận hành điển hình để mô phỏng và đánh giá.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2017, bao gồm thu thập số liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Phương pháp luận kết hợp giữa phân tích lý thuyết, mô phỏng số và đánh giá thực nghiệm nhằm đảm bảo tính chính xác và khả thi của các giải pháp bảo vệ quá điện áp nội bộ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Quá điện áp do đóng đường dây không tải: Mô phỏng cho thấy điện áp tại cuối đường dây hở mạch có thể vượt quá 3 lần điện áp nguồn, với thành phần dao động tự do có tần số cao hơn tần số nguồn. Điện áp quá độ này phụ thuộc vào thời điểm đóng máy cắt, cấu trúc mạch dao động và đặc tính đường dây.

  2. Quá điện áp do cắt bộ tụ điện: Khi cắt tụ điện, điện áp trên tụ có thể đạt tới 5 lần điện áp nguồn do hiện tượng hồ quang cháy lại nhiều lần, gây dao động điện áp lớn và kéo dài. Điều này làm tăng nguy cơ hư hỏng thiết bị và giảm tuổi thọ cách điện.

  3. Ảnh hưởng của tự động đóng lại đường dây (TĐL): Khoảng 80-90% sự cố do hồ quang thoáng qua có thể được khắc phục bằng TĐL, tuy nhiên quá trình này cũng tạo ra các dao động điện áp lớn, với điện áp quá độ có thể tăng cao do hiệu ứng điện dung và dao động cộng hưởng.

  4. Hiệu quả của các thiết bị bảo vệ quá điện áp: Chống sét van ZnO với đặc tính điện trở phi tuyến thấp (hệ số van α = 0,02-0,03) cho phép nối trực tiếp với điện áp pha, có khả năng dập tắt hồ quang hiệu quả và dòng điện rò qua nhỏ hơn 10 mA, phù hợp bảo vệ cho trạm biến áp và đường dây cao áp. Trong khi đó, chống sét van SiC có hạn chế về dòng điện kế tục và cần chuỗi khe hở để cách ly, ít phù hợp cho bảo vệ đường dây tải điện.

Các kết quả mô phỏng được minh họa qua các biểu đồ điện áp tại các cuộn dây máy biến áp (220 kV, 110 kV, 22 kV), đường cong đặc tính U-I của chống sét van, và đồ thị dao động điện áp quá độ theo thời gian.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của quá điện áp nội bộ là do các thao tác đóng cắt và sự cố hồ quang trong hệ thống điện, gây ra dao động điện áp quá độ với biên độ lớn và tần số cao. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng tại trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên phù hợp với các đặc điểm kỹ thuật và điều kiện vận hành thực tế, đồng thời làm rõ vai trò quan trọng của thời điểm đóng cắt và đặc tính thiết bị trong việc kiểm soát quá điện áp.

Việc sử dụng phần mềm ATP-EMTP cho phép mô phỏng chi tiết các hiện tượng quá độ, giúp đánh giá chính xác mức độ quá điện áp và hiệu quả của các thiết bị bảo vệ. Kết quả cho thấy chống sét van ZnO là lựa chọn ưu việt hơn so với SiC trong việc bảo vệ quá điện áp nội bộ, nhờ đặc tính điện trở phi tuyến thấp và khả năng chịu dòng cao.

Ngoài ra, việc áp dụng các biện pháp kỹ thuật như lựa chọn thời điểm đóng máy cắt, sử dụng thiết bị tự động đóng lại hợp lý, và phối hợp các thiết bị bảo vệ giúp giảm thiểu nguy cơ quá điện áp, nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị trong trạm biến áp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thời điểm đóng cắt máy cắt: Áp dụng các thuật toán điều khiển để lựa chọn thời điểm đóng cắt phù hợp, giảm thiểu biên độ quá điện áp nội bộ, đặc biệt trong các thao tác đóng đường dây không tải và cắt tụ điện. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do phòng kỹ thuật trạm phối hợp với đơn vị vận hành.

  2. Lắp đặt và nâng cấp chống sét van ZnO: Thay thế hoặc bổ sung chống sét van ZnO cho các vị trí trọng yếu trong trạm biến áp và trên đường dây, nhằm tăng khả năng dập hồ quang và giảm dòng điện rò. Thời gian triển khai 12 tháng, do công ty truyền tải điện và nhà thầu thiết bị thực hiện.

  3. Áp dụng hệ thống tự động đóng lại (TĐL) thông minh: Cải tiến hệ thống TĐL với khả năng nhận diện sự cố thoáng qua và điều chỉnh thời gian đóng lại phù hợp, hạn chế dao động điện áp quá độ. Thời gian thực hiện 9 tháng, do phòng điều khiển và công ty điện lực phối hợp.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành, bảo trì hệ thống bảo vệ quá điện áp cho cán bộ kỹ thuật và vận hành trạm, nâng cao khả năng phát hiện và xử lý sự cố kịp thời. Thời gian liên tục, do trường đại học kỹ thuật công nghiệp và công ty điện lực phối hợp.

Các giải pháp trên nhằm giảm suất sự cố do quá điện áp nội bộ, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và kéo dài tuổi thọ thiết bị, góp phần ổn định hệ thống điện miền Bắc.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì trạm biến áp: Nắm bắt kiến thức về quá điện áp nội bộ và các thiết bị bảo vệ, áp dụng các giải pháp kỹ thuật để nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu sự cố.

  2. Chuyên gia thiết kế hệ thống điện: Tham khảo các mô hình và phương pháp mô phỏng quá độ điện từ, lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp cho các trạm biến áp và đường dây tải điện.

  3. Nhà quản lý ngành điện lực: Hiểu rõ tầm quan trọng của bảo vệ quá điện áp nội bộ trong việc đảm bảo an toàn và ổn định cung cấp điện, từ đó hoạch định chính sách đầu tư và phát triển hệ thống.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết quá điện áp, mô phỏng bằng phần mềm ATP-EMTP và các thiết bị bảo vệ trong hệ thống điện cao áp.

Mỗi nhóm đối tượng có thể ứng dụng kiến thức và kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả công việc, từ vận hành, thiết kế đến quản lý và đào tạo trong lĩnh vực kỹ thuật điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá điện áp nội bộ là gì và tại sao nó nguy hiểm?
    Quá điện áp nội bộ là hiện tượng điện áp tăng cao đột ngột trong hệ thống điện do các thao tác đóng cắt hoặc sự cố hồ quang. Nó gây hư hỏng cách điện, thiết bị và làm mất ổn định hệ thống, ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện.

  2. Phần mềm ATP-EMTP được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    ATP-EMTP mô phỏng quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện, giúp phân tích các hiện tượng quá điện áp nội bộ, đánh giá hiệu quả thiết bị bảo vệ và đề xuất giải pháp kỹ thuật phù hợp.

  3. Chống sét van ZnO có ưu điểm gì so với loại SiC?
    Chống sét van ZnO có đặc tính điện trở phi tuyến thấp, cho phép nối trực tiếp với điện áp pha, dòng điện rò nhỏ hơn 10 mA, khả năng dập hồ quang tốt và trọng lượng nhẹ hơn, phù hợp bảo vệ trạm biến áp và đường dây cao áp.

  4. Tự động đóng lại đường dây (TĐL) hoạt động ra sao?
    TĐL tự động đóng lại đường dây sau khi sự cố thoáng qua được loại bỏ, giúp nhanh chóng khôi phục cung cấp điện. Tuy nhiên, quá trình này có thể tạo ra dao động điện áp lớn nếu không được điều khiển hợp lý.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu quá điện áp nội bộ trong trạm biến áp?
    Có thể giảm thiểu bằng cách tối ưu thời điểm đóng cắt máy cắt, sử dụng thiết bị bảo vệ phù hợp như chống sét van ZnO, áp dụng hệ thống TĐL thông minh và nâng cao năng lực vận hành, bảo trì thiết bị.

Kết luận

  • Quá điện áp nội bộ là nguyên nhân chính gây hư hỏng thiết bị và mất ổn định hệ thống điện tại trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên.
  • Mô phỏng bằng phần mềm ATP-EMTP cho phép phân tích chi tiết các hiện tượng quá độ và đánh giá hiệu quả thiết bị bảo vệ.
  • Chống sét van ZnO được xác định là thiết bị bảo vệ ưu việt, phù hợp với đặc điểm vận hành và yêu cầu kỹ thuật của trạm.
  • Các giải pháp kỹ thuật như tối ưu đóng cắt, nâng cấp thiết bị bảo vệ và hệ thống tự động đóng lại góp phần giảm thiểu quá điện áp và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.
  • Nghiên cứu mở hướng phát triển các công nghệ bảo vệ quá điện áp nội bộ tiên tiến, đồng thời đề xuất đào tạo nâng cao năng lực vận hành cho cán bộ kỹ thuật.

Để tiếp tục, cần triển khai các giải pháp đề xuất, theo dõi hiệu quả thực tế và cập nhật công nghệ mới nhằm đảm bảo vận hành an toàn, ổn định hệ thống điện. Mời các chuyên gia và nhà quản lý ngành điện lực tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu này trong thực tiễn.