Nghiên cứu giải pháp bảo vệ quá áp cho trạm phân phối thành phố Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu giải pháp bảo vệ quá áp cho trạm phân phối tại thành phố Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên, góp phần nâng cao an toàn điện.

• Tác giả: Phạm Đình Quyền
• Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu giải pháp bảo vệ quá áp cho trạm phân phối thành phố Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Phú Yên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.2. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.2.1. Các nghiên cứu trong nước
• 1.2.2. Các nghiên cứu ngoài nước
• 1.3. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
• 1.4. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
• 1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.6. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.7. ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI
• 1.8. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN
• 1.9. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP (MVSA)
• 2.1. CẤU TẠO MOV
• 2.2. ĐẶC TÍNH V-I của MOV
• 2.3. THỜI GIAN ĐÁP ỨNG của MOV
• 2.4. CHỐNG SÉT VAN TRUNG THẾ (MVSA)
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH MÁY PHÁT XUNG DÒNG VÀ CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP
• 3.1. MÔ HÌNH MÁY PHÁT XUNG DÒNG TIÊU CHUẨN 8/20µS
• 3.2. Dạng xung dòng tiêu chuẩn 8/20µs
• 3.3. Xây dựng sơ đồ khối máy phát xung 8/20µs
• 3.4. Thực hiện mô phỏng
• 3.5. MÔ HÌNH MVSA CỦA MATLAB
• 3.5.1. Mô hình chống sét van trong Matlab
• 3.5.2. Giao diện khai báo mô hình chống sét van trong Matlab
• 3.5.3. Mô hình MVSA theo PINCETI
• 3.5.4. Xây dựng mô hình các phần tử phi tuyến A0 , A1
• 3.5.5. Xây dựng mô hình MVSA hoàn chỉnh
• 3.5.6. Mạch mô phỏng MVSA theo PINCETI
• 3.5.7. So sánh và đánh giá các mô hình MVSA
• 3.5.8. Mô phỏng điện áp dư của MVSA AZG2 của hãng Cooper
• 3.5.9. Mô phỏng đáp ứng của MVSA EVP của hãng Ohio Brass
• 3.5.10. Đánh giá chung
• 3.5.11. Xác định điện áp dư của MVSA có xét đến chiều dài dây nối
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BẢO VỆ QUÁ ÁP CHO TRẠM PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ TUY HÒA, TỈNH PHÚ YÊN
• 4.1. Tổng quan về lưới điện và trạm biến áp phân phối thành phố Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên
• 4.2. Quan hệ điện áp đầu cực máy biến áp theo vị trí lắp đặt chống sét van trung áp
• 4.3. Trường hợp lắp đặt 1 MVSA bảo vệ TBA có một MBA
• 4.4. Trường hợp lắp đặt 1 MVSA bảo vệ 2 MBA
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN
• 5.1. HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về giải pháp bảo vệ quá áp cho trạm phân phối điện tại Tuy Hòa

Giải pháp bảo vệ quá áp cho trạm phân phối điện tại Tuy Hòa, Phú Yên là một vấn đề quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho hệ thống điện. Quá áp có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị điện, ảnh hưởng đến chất lượng cung cấp điện. Việc nghiên cứu và áp dụng các giải pháp bảo vệ quá áp là cần thiết để nâng cao độ tin cậy của lưới điện.

1.1. Tình trạng quá áp và ảnh hưởng đến trạm phân phối điện

Quá áp xảy ra khi có sự gia tăng đột ngột điện áp trong hệ thống điện, thường do sét đánh hoặc các sự cố khác. Tình trạng này có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị, giảm tuổi thọ của trạm phân phối điện và gây gián đoạn cung cấp điện cho người tiêu dùng.

1.2. Các thiết bị bảo vệ quá áp hiện có trên thị trường

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại thiết bị bảo vệ quá áp như chống sét van trung áp (MVSA), thiết bị bảo vệ điện áp dư, và các công nghệ mới khác. Mỗi loại thiết bị có những ưu điểm và nhược điểm riêng, cần được xem xét kỹ lưỡng trước khi lựa chọn.

II. Vấn đề và thách thức trong bảo vệ quá áp cho trạm phân phối điện

Bảo vệ quá áp cho trạm phân phối điện tại Tuy Hòa đối mặt với nhiều thách thức. Các yếu tố như điều kiện thời tiết, thiết kế lưới điện và công nghệ hiện có đều ảnh hưởng đến hiệu quả của các giải pháp bảo vệ.

2.1. Thách thức từ điều kiện thời tiết tại Tuy Hòa

Tuy Hòa có khí hậu nhiệt đới gió mùa, thường xuyên xảy ra mưa bão và sét đánh. Điều này làm tăng nguy cơ quá áp cho hệ thống điện, đòi hỏi các giải pháp bảo vệ phải có khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện khắc nghiệt.

2.2. Thiết kế lưới điện và ảnh hưởng đến bảo vệ quá áp

Thiết kế lưới điện tại Tuy Hòa cần được tối ưu hóa để giảm thiểu rủi ro quá áp. Việc bố trí các thiết bị bảo vệ cần phải được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả bảo vệ tối ưu cho trạm phân phối điện.

III. Phương pháp nghiên cứu và giải pháp bảo vệ quá áp hiệu quả

Nghiên cứu này đề xuất các phương pháp và giải pháp bảo vệ quá áp cho trạm phân phối điện tại Tuy Hòa. Các giải pháp này bao gồm việc sử dụng mô hình chống sét van trung áp (MVSA) và các công nghệ tiên tiến khác.

3.1. Mô hình chống sét van trung áp MVSA và ứng dụng

Mô hình MVSA được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế và có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường thực tế. Việc áp dụng mô hình này giúp giảm thiểu rủi ro quá áp và bảo vệ thiết bị điện trong trạm phân phối.

3.2. Đề xuất vị trí lắp đặt và số lượng MVSA

Đề xuất vị trí lắp đặt MVSA cần dựa trên các yếu tố như chiều dài dây nối và cấu trúc lưới điện. Số lượng MVSA cũng cần được tính toán hợp lý để đảm bảo hiệu quả bảo vệ tối ưu cho trạm biến áp.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu tại Tuy Hòa

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng các giải pháp bảo vệ quá áp tại trạm phân phối điện Tuy Hòa đã mang lại hiệu quả tích cực. Các thiết bị bảo vệ đã giảm thiểu đáng kể thiệt hại do quá áp gây ra.

4.1. Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ

Mô phỏng cho thấy rằng các thiết bị bảo vệ quá áp đã hoạt động hiệu quả trong các tình huống khác nhau. Đánh giá hiệu quả bảo vệ cho thấy tỷ lệ hư hỏng thiết bị giảm đáng kể sau khi áp dụng các giải pháp này.

4.2. Ứng dụng công nghệ mới trong bảo vệ quá áp

Công nghệ mới như cảm biến và hệ thống giám sát từ xa đã được áp dụng để nâng cao hiệu quả bảo vệ quá áp. Những công nghệ này giúp theo dõi tình trạng hệ thống và phát hiện sớm các sự cố.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển trong tương lai

Nghiên cứu về giải pháp bảo vệ quá áp cho trạm phân phối điện tại Tuy Hòa đã chỉ ra nhiều hướng đi mới cho việc nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp bảo vệ là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng.

5.1. Tầm quan trọng của việc nâng cao giải pháp bảo vệ quá áp

Việc nâng cao giải pháp bảo vệ quá áp không chỉ giúp bảo vệ thiết bị mà còn đảm bảo an toàn cho người vận hành và người tiêu dùng. Đây là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển bền vững hệ thống điện.

5.2. Hướng nghiên cứu phát triển trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới, cải tiến mô hình bảo vệ và tối ưu hóa thiết kế lưới điện để nâng cao hiệu quả bảo vệ quá áp cho trạm phân phối điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống lưới điện phân phối 22kV tại thành phố Tuy Hòa, trực thuộc Công ty Điện lực Phú Yên, bao gồm mạng lưới trải rộng trên địa bàn 12 phường và 4 xã. Do đặc thù đường dây trung áp đi trên không tại vùng Duyên hải Nam Trung Bộ có mật độ giông sét cao, các sự cố do sét đánh trực tiếp và sét lan truyền chiếm từ 40% đến 60% tổng số vụ sự cố thoáng qua lẫn vĩnh cửu hàng năm. Tình trạng quá điện áp khí quyển không chỉ gây gián đoạn cung cấp điện nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ số độ tin cậy SAIFI và SAIDI của toàn tỉnh, mà còn tiềm ẩn nguy cơ phá hỏng lớp cách điện đắt tiền của các máy biến áp phân phối.

Vấn đề cốt lõi hiện nay là việc tính toán và bố trí chống sét van trung áp (MVSA) kiểu biến trở oxit kim loại (MOV) trong thực tế vận hành còn bộc lộ nhiều điểm bất cập. Các mô hình tính toán truyền thống hoặc mô phỏng trên các phần mềm như ATP/EMTP thường đòi hỏi nhiều tham số phức tạp khó thu thập, đồng thời thường bỏ qua ảnh hưởng của tổng trở dây nối đất, dẫn đến việc đánh giá sai lệch biên độ điện áp dư thực tế tác động lên đầu cực máy biến áp.

Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng thành công mô hình chống sét van trung áp theo cấu trúc Pinceti cải tiến trong môi trường Matlab/Simulink có xét đến thông số chiều dài dây nối (từ 1 mét đến 10 mét). Nghiên cứu tiến hành mô phỏng, kiểm chứng độ chính xác với số liệu thực tế từ nhà sản xuất, từ đó đề xuất phương án bố trí vị trí và số lượng MVSA tối ưu cho các trạm biến áp phân phối 1 máy biến áp và cụm 2 máy biến áp 22kV điển hình tại Tuy Hòa. Kết quả nghiên cứu vào tháng 6 năm 2019 đã giúp kiểm soát sai số điện áp dư dưới mức 3,01%, góp phần bảo vệ an toàn cách điện và kéo dài tuổi thọ vận hành của máy biến áp lên trên 15 năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp của hai nền tảng lý thuyết và mô hình chuyên ngành:

Thứ nhất, lý thuyết về biến trở oxit kim loại (MOV) và cơ chế phi tuyến tiếp giáp hạt bán dẫn: Cấu trúc MOV bao gồm các hạt oxit kẽm ZnO dẫn điện tốt với điện trở suất dưới 0,3 Ω.cm, được bao bọc bởi lớp biên mỏng giàu bismuth Bi2O3 có điện trở rất cao. Các tiếp giáp vi mô này hoạt động như các diode Zener đối xứng có rào điện thế từ 2,0V đến 3,5V, tạo nên đặc tính V-I phi tuyến đối xứng dạng hàm mũ. Khi điện áp lưới ở mức bình thường, MOV duy trì trạng thái cách điện với dòng rò chỉ vài microampe; khi có xung sét quá áp, rào điện thế nhanh chóng sụp đổ trong thời gian nano giây để xả dòng xung sét xuống đất.

Thứ hai, mô hình chống sét van trung áp Pinceti: Được phát triển dựa trên mô hình phụ thuộc tần số kinh điển của IEEE Working Group 3.11 nhưng đã được tinh gọn hóa. Mô hình Pinceti loại bỏ nhánh điện dung ký sinh phức tạp và thay thế các điện trở phi tuyến bằng hai phần tử A0 và A1 kết hợp với điện trở song song R = 1 MΩ nhằm triệt tiêu hiện tượng mất ổn định số học trong quá trình giải thuật toán. Giá trị các cuộn cảm L0 và L1 được tự động xác định trực tiếp thông qua điện áp định mức và điện áp dư tại xung dòng 10kA dạng sóng 8/20µs và xung sét nhanh 1/T2.

Các khái niệm chính được ứng dụng xuyên suốt bao gồm: Mức chịu đựng xung cơ bản (BIL), điện áp làm việc liên tục cực đại (MCOV = 15,3kV), điện áp định mức (Ur = 18kV), điện áp dư (Vr), và hệ số phi tuyến alpha theo các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế IEC 60099-4 và IEC 62848-1.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được thu thập từ hai nguồn chính: Dữ liệu thông số kỹ thuật và kết quả thử nghiệm xung sét từ catalogue chính hãng của hai dòng thiết bị MVSA phổ biến tại Việt Nam là Cooper AZG2 18kV và Ohio Brass EVP 18kV; cùng với thông số cấu trúc hình học, dây dẫn và mặt bằng trạm biến áp phân phối thực tế được cung cấp bởi Điện lực Tuy Hòa.

Cỡ mẫu và quy trình chọn mẫu: Nghiên cứu lựa chọn mẫu khảo sát có chủ đích gồm 2 dòng chống sét van thương mại hàng đầu, thử nghiệm qua 3 mức biên độ dòng xung sét chuẩn gồm 3kA, 5kA và 10kA dạng sóng 8/20µs, kết hợp kiểm chứng trên 2 dạng trạm biến áp phân phối điển hình (trạm treo 1 MBA và trạm 2 MBA tại Công ty Dược). Quy mô mẫu này bảo đảm độ bao phủ hoàn toàn các tình huống vận hành thực tế tại địa phương.

Phương pháp phân tích: Luận văn sử dụng công cụ Curve Fitting Toolbox trong Matlab để giải tích hóa phương trình toán học của dạng sóng xung sét chuẩn 8/20µs. Đồng thời, công cụ Simulink/SimPowerSystems được sử dụng để xây dựng các khối chức năng con Mask Subsystem cho máy phát xung sét và mô hình MVSA Pinceti. Lý do lựa chọn Matlab/Simulink thay vì phần mềm ATP/EMTP là vì tính trực quan, độ phổ biến cao trong đào tạo học thuật tại Việt Nam, cùng khả năng liên kết dữ liệu linh hoạt giúp người dùng chỉ cần nhập trực tiếp thông số từ catalogue mà không phải thực hiện các bước tinh chỉnh lặp tham số phức tạp. Tiến độ nghiên cứu được thực hiện và hoàn tất nghiệm thu vào tháng 6 năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, mô hình Pinceti xây dựng trên môi trường Matlab chứng minh độ chuẩn xác vượt trội khi mô phỏng phản ứng quá điện áp. Đối với chống sét van Cooper AZG2 cấp điện áp 18kV, mô hình Pinceti ghi nhận sai số điện áp dư mô phỏng so với dữ liệu kiểm định của nhà sản xuất chỉ là 2,30% ở xung 5kA (đạt 45,63kV so với 46,7kV) và 1,65% ở xung 10kA (đạt 49,86kV so với 50,7kV). Trong khi đó, mô hình mặc định của Matlab cho mức sai số cao hơn, dao động từ 1,22% đến 5,48%.

Thứ hai, đối với chủng loại chống sét van Ohio Brass EVP 18kV, ưu thế của mô hình Pinceti càng thể hiện rõ rệt. Sai số điện áp dư của mô hình Pinceti chỉ đạt 1,95% ở mức xung 5kA (đạt 41,67kV so với 42,5kV) và 3,01% ở mức xung 10kA (đạt 44,13kV so với 45,5kV). Ngược lại, mô hình chống sét van mặc định trong thư viện Matlab xuất hiện sai số rất lớn, lệch từ 11,53% ở xung 5kA lên tới 16,50% ở xung 10kA.

Thứ ba, nghiên cứu phát hiện tác động phi tuyến nghiêm trọng của chiều dài dây nối đất chống sét van đến mức điện áp dư tác động lên máy biến áp. Khảo sát với dây cáp đồng tiết diện 35 mm2 (điện trở R0 = 0,643 Ω/km, độ tự cảm L0 = 0,00253 H/km), khi chiều dài dây tăng từ 1 mét lên 10 mét, điện cảm ký sinh đã làm gia tăng điện áp đỉnh tại đầu cực MBA từ 15% đến 35% dưới tác động của dòng sét 10kA, làm suy giảm nghiêm trọng khoảng an toàn cách điện.

Thứ tư, đối với cấu hình cụm trạm 2 máy biến áp dùng chung thiết bị bảo vệ (điển hình tại TBA Công ty Dược 1 và 2), sự chênh lệch khoảng cách nối dây từ MVSA đến từng đầu cực máy biến áp (L1 = 4 mét và L2 = 8 mét) tạo ra sự lệch pha và biên độ quá áp phản xạ lên tới hơn 18% giữa hai máy, đòi hỏi phải tái cấu trúc điểm đấu nối.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự chênh lệch sai số thấp ở mô hình Pinceti là nhờ việc tích hợp hai điện cảm động học L0 và L1. Hai thông số này đại diện cho độ trễ điện từ và đáp ứng cảm ứng của biến trở khi dòng sét tăng vọt với độ dốc sườn trước lớn, điều mà mô hình điện trở phi tuyến thuần túy của Matlab đã bỏ qua.

Khi so sánh với các công trình quốc tế, điển hình như nghiên cứu của Pramuk Unahalekhaka sử dụng mô hình P-K trên phần mềm ATP/EMTP với sai số 5,39%, mô hình Pinceti cải tiến trong luận văn này đạt độ chuẩn xác cao hơn đáng kể với sai số tối đa chỉ 3,01%, thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng sai số cho phép 20% trong tiêu chuẩn kỹ thuật điện.

Về mặt trực quan hóa, toàn bộ dữ liệu phản ứng quá độ được thể hiện trực quan qua các bảng thống kê sai số tương đối và đồ thị sóng điện áp theo miền thời gian từ 0 đến 50 microgiây. Các biểu đồ này thể hiện rõ biên độ điện áp kẹp và thời gian phục hồi của van MOV, giúp kỹ sư nhận diện chính xác thời điểm xuất hiện đỉnh xung sét nguy hiểm nhất.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả bảo vệ quá áp cho lưới điện trung áp 22kV thành phố Tuy Hòa, tác giả đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

Thứ nhất, rút ngắn chiều dài dây nối đất của chống sét van. Đội Quản lý Vận hành thuộc Điện lực Tuy Hòa cần thực hiện nắn thẳng và thu ngắn tuyến dây nối từ cực dưới của MVSA xuống hệ thống tiếp địa máy biến áp xuống dưới 2 mét (thay vì để dài tới 4 - 10 mét như nhiều trạm hiện hữu). Giải pháp này giúp triệt tiêu độ tự cảm ký sinh, giảm trực tiếp từ 20% đến 25% biên độ điện áp dư tác động vào cuộn dây máy biến áp, hoàn thành rà soát trong giai đoạn 2019 - 2020.

Thứ hai, chuẩn hóa công cụ tính toán mô phỏng tại đơn vị quản lý. Phòng Kỹ thuật Công ty Điện lực Phú Yên nên đưa khối mô hình MVSA Pinceti trên nền Matlab/Simulink vào quy trình tính toán phối hợp cách điện định kỳ cho 100% các trạm biến áp phân phối xây mới hoặc nâng cấp công suất từ năm 2020.

Thứ ba, tái bố trí cấu hình chống sét cho cụm trạm có từ 2 máy biến áp trở lên. Đối với các trạm có nhiều máy biến áp đặt cách nhau trên 5 mét, không nên sử dụng chung một bộ 3 chống sét van ở đầu nhánh phân phối. Đơn vị thi công cần lắp đặt riêng biệt từng bộ MVSA ngay tại đầu cực cao áp của từng máy biến áp nhằm ngăn ngừa hiện tượng sóng phản xạ quá áp lan truyền, triển khai từ quý 1 năm 2020.

Thứ tư, nâng cấp tiết diện và chất lượng dây nối đất thoát sét. Chuyển đổi toàn bộ dây thoát sét bằng đồng trần từ tiết diện 35 mm2 sang tối thiểu 50 mm2 tại các trạm biến áp cấp điện cho 12 phường trung tâm, nhằm giảm điện trở nối đất xung sét và hạ tỷ lệ sự cố phóng điện cách điện xuống dưới mức 0,5% mỗi năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng:

Thứ nhất, kỹ sư thiết kế và quy hoạch lưới điện: Nắm vững phương pháp mô hình hóa Pinceti trên Matlab để tính toán chính xác mức phối hợp cách điện, từ đó lựa chọn đúng thông số MCOV và dòng xả định mức cho các dự án lưới điện 22kV và 35kV.

Thứ hai, cán bộ quản lý kỹ thuật và vận hành tại các công ty điện lực: Có thêm cơ sở khoa học để đánh giá hiện trạng vận hành, rà soát lại chiều dài dây nối đất và cấu hình chống sét cho hơn 500 trạm biến áp phân phối, giảm thiểu sự cố cháy hỏng máy biến áp do sét lan truyền.

Thứ ba, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điện: Sử dụng luận văn như một tài liệu tham khảo mẫu mực về quy trình xây dựng khối giao diện Mask Subsystem trong Simulink, phương pháp giải tích đường cong xung sét 8/20µs và xử lý phần tử phi tuyến.

Thứ tư, các nhà sản xuất và đơn vị kiểm định thiết bị chống sét: Tham khảo mô hình toán học và phương pháp đánh giá sai số điện áp dư thực nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 60099-4 phục vụ công tác tối ưu hóa vật liệu biến trở oxit kim loại.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình Pinceti có ưu thế gì nổi bật so với mô hình chống sét van mặc định trong Matlab? Mô hình Pinceti tích hợp thêm hai điện cảm động học L0 và L1 phản ánh chính xác đáp ứng của biến trở với độ dốc sườn trước của xung sét, giúp giảm sai số điện áp dư xuống chỉ còn từ 1,65% đến 3,01%, trong khi mô hình mặc định của Matlab có sai số lệch tới 16,50%.

Tại sao chiều dài dây nối đất của chống sét van lại ảnh hưởng lớn đến mức bảo vệ máy biến áp? Dây dẫn có độ tự cảm ký sinh khoảng 0,00253 H/km. Dưới tác động của xung sét có tốc độ biến thiên dòng điện cực lớn di/dt, sụt áp cảm ứng trên dây nối (L.di/dt) sẽ cộng dồn trực tiếp vào điện áp dư của van, làm tăng tổng điện áp đặt lên cách điện máy biến áp từ 15% đến 35% khi dây dài tới 10 mét.

Tại sao tác giả lại chọn Matlab/Simulink thay vì phần mềm ATP/EMTP chuyên dụng? Matlab/Simulink là phần mềm trực quan, phổ biến trong giảng dạy và nghiên cứu tại Việt Nam. Mô hình Pinceti trên Matlab cho phép nhập trực tiếp các thông số từ catalogue mà không cần lặp thử nghiệm tham số phức tạp như trên ATP/EMTP, mang lại sự tiện lợi vượt trội cho kỹ sư.

Cụm trạm có 2 máy biến áp đặt cạnh nhau có nên dùng chung một bộ chống sét van hay không? Nếu khoảng cách nối dây từ chống sét van đến máy biến áp thứ hai vượt quá 5 mét, hiện tượng sóng phản xạ sẽ làm điện áp đầu cực tăng cao vượt ngưỡng an toàn. Do đó, giải pháp tối ưu là lắp đặt riêng rẽ từng bộ 3 MVSA tại đầu cực của mỗi máy biến áp.

Độ chính xác của mô hình trong luận văn có đáp ứng tiêu chuẩn ngành điện hay không? Kết quả kiểm chứng trên hai dòng sản phẩm Cooper AZG2 và Ohio Brass EVP 18kV cho thấy sai số mô phỏng dao động từ 1,65% đến 3,01%, hoàn toàn đáp ứng xuất sắc yêu cầu kỹ thuật với ngưỡng sai số cho phép dưới 20% theo quy định kiểm định quốc tế.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán cấp bách về bảo vệ quá áp cho lưới điện trung áp thành phố Tuy Hòa thông qua 5 đóng góp trọng tâm:

• Xây dựng thành công mô hình chống sét van trung áp Pinceti có xét đến chiều dài dây nối đất trên phần mềm Matlab/Simulink với giao diện khối trực quan, dễ sử dụng.
• Kiểm chứng độ chuẩn xác của mô hình với sai số điện áp dư cực thấp, chỉ từ 1,65% đến 3,01%, vượt trội so với mô hình mặc định của Matlab và các nghiên cứu quốc tế trước đây.
• Xác lập định lượng mức độ ảnh hưởng của chiều dài dây nối đất (từ 1 mét đến 10 mét) đối với sự gia tăng quá điện áp đầu cực máy biến áp.
• Đề xuất phương án bố trí vị trí và cấu hình lắp đặt MVSA tối ưu cho các trạm phân phối 1 máy biến áp và cụm 2 máy biến áp 22kV thực tế tại Điện lực Tuy Hòa.
• Đóng góp nguồn tài liệu tham khảo và công cụ mô phỏng giá trị cho công tác đào tạo học thuật sau đại học ngành Kỹ thuật điện cũng như ứng dụng nhân rộng trong toàn bộ Công ty Điện lực Phú Yên giai đoạn 2020 - 2025.

Các đơn vị quản lý vận hành lưới điện phân phối và các nhóm nghiên cứu chuyên ngành được khuyến khích áp dụng ngay mô hình mô phỏng này để tối ưu hóa thiết kế bảo vệ quá áp, nâng cao chất lượng và độ tin cậy cung cấp điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Công ty Điện lực Phú Yên mà Điện lực Tuy Hòa là một đơn vị trực thuộc. Với phân vùng quản lý và vận hành bao gồm cả 12 phường và 4 xã với rất nhiều trạm biến áp chuyên dùng, trạm biến áp công cộng cũng như đường dây phân phối trung áp 22kV gần như đi trên không trải rộng cả thành phố Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên nên rất dễ bị sét đánh trực tiếp cũng như sét lan truyền trên đường dây trung thế và trạm biến áp có cấp điện áp 22kV, cấp điện phục vụ sản xuất kinh doanh trên địa bàn. Hiện tại, nhằm giảm hư hỏng do giông sét gây ra trên lưới điện trung áp, Điện lực Tuy Hòa - Công ty Điện lực Phú Yên có rất nhiều biện pháp như: gắn các chống sét van trung áp trên tất cả các phát tuyến chính, và các nhánh rẽ cho trạm phân phối.

Việc phải giảm thiểu rủi ro thiệt hại do sét nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, cũng như giảm chi phí thay thế các vật tư thiết bị hư hỏng do sét gây ra cho lưới điện và trạm biến áp phân phối cho Điện lực Tuy Hòa nói riêng và Công ty Điện lực Phú Yên nói chung là yêu cầu bức thiết. Các đề tài nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra những ưu và nhược điểm của các thiết bị chống sét hiện tại mà Điện lực Tuy Hòa - Công ty Điện lực Phú Yên đang sử dụng, các hãng cung cấp thiết bị chống sét lớn trong và ngoài nước như: Ohio Brass, Cooper, Tuấn Ân, Sahra, … cũng có những buổi thuyết trình về công nghệ cũng những đặc tính của từng loại. Tuy nhiên, đề tài này chỉ ra hướng nghiên cứu sâu rộng hơn và có bài toán giải quyết cấp thiết cho hệ thống chống sét, bảo vệ tài sản và an toàn cho người quản lý vận hành. Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài: “Nghiên cứu giải pháp bảo vệ quá áp cho trạm phân phối thành phố Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên” đi sâu vào nghiên cứu và xây dựng mô hình chống sét van trung thế (MVSA) và đề xuất phương án hợp lý bố trí MVSA bảo vệ trạm biến áp phân phối điển hình một MBA và hai MBA trong lưới điện phân phối thành phố Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên.

CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC HVTH: Phạm Đình Quyền Trang 1 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 1. Các nghiên cứu trong nƣớc. Nghiên cứu và lập mô hình mô phòng chống sét van kiểu MOV trên lưới trung thế; Lê Vũ Minh Quang; LV ThS, Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, 2004. Công trình này trình bày phương thức xây dựng mô hình chống sét van trung áp dựa trên đề xuất của IEEE.

Nghiên cứu và lập mô hình mô phỏng thiết bị chống sét van trên lưới trung thế; Võ Thị Thảo Phương; LV ThS, Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 2005. Công trình này trình bày phương thức xây dựng mô hình chống sét van trung áp dựa trên đề xuất của IEEE, có cải tiến về cách xác định các thông số của mô hình 3. Nghiên cứu hiệu quả của chống sét van trong mạng phân phối có xét đến vị trí lắp đặt và điện trở nối đất; Trương Ngọc Hưng; LV ThS, Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, 2006. Công trình này nghiên cứu hiệu quả bảo vệ của chống sét van khi xét đến việc thay đổi vị trí lắp đặt và điện trở nối đất.

Định vị trí lắp đặt chống sét van tối ưu trong lưới phân phối; Nguyễn Công Tráng; LV ThS, Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 2010. Công trình này tính toán vị trí lắp đặt tối ưu chống sét van bảo vệ cách điện máy biến áp trong trường hợp trạm có một máy và hai máy biến áp. Mô hình biến trở oxyt kẽm cho các nghiên cứu về sự phối hợp cách điện; Nguyễn Thị Lệ Hải; LV ThS, Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 2013. Công trình này xây dựng mô hình biến trở oxyt kẽm cho các nghiên cứu phối hợp bảo vệ cách điện khi xuất hiện quá áp do sét.

Nghiên cứu biện pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau; Mai Nguyễn Trưởng; LV ThS, Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 2017. Công trình này trình bày cách sử dụng mô hình chống sét van trung áp theo đề xuất của P-K và giải pháp bảo vệ quá áp do sét cho lưới điện phân phối huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau. HVTH: Phạm Đình Quyền Trang 2 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 1. Các nghiên cứu ngoài nƣớc.

ALBA, “Evaluation Of Metal Oxide Surge Arrester Models Based On Laboratory Experiments”, High Voltage Department, Center of Research and Electro-Energetic Tests, Superior Polytechnic Institute Jose Antonio Echeverria, Cuba, Volume- 5, Issue-1, Jan. Bài báo này trình bày phương thức xây dựng mô hình chống sét van kiểu oxyt kim loại bằng phần mềm ATP trên cơ sở các thông số thử nghiệm. Analysis of MOV Surge Arrester Models by using Alternative Transient Program ATP/EMTP; Vishal R. Sudarshana Reddy; IJSTE - International Journal of Science Technology & Engineering | Volume 3 | Issue 02 | August 2016.

Bài báo này trình bày cách xây dựng mô hình chống sét van với sự trợ giúp của phần mềm ATP/EMTP. Mirzaie, “Condition Assessment of Metal Oxide Surge Arrester Based on Multi-Layer SVM Classifier”, Iranian Journal of Electrical & Electronic Engineering, Vol. Simulations of lightning overvoltages in HV electric power system for various surge arresters and transmission lines models; Piotr Oramus, Marek Florkowski; Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. Bài báo này mô phỏng quá điện áp do sét khi sét đánh vào đường dây truyền tải và sét đánh vào đỉnh cột với các mô hình chống sét van và mô hình đường dây truyền tải khác nhau.

Mehdi Nafar, Ghahraman Solookinejad and Masoud Jabbari, “Comparison of IEEE and Pinceti Models of Surge Arresters”, Department of Electrical Engineering, College of Engineering, Marvdasht Branch, Islamic Azad University, Marvdasht, IRAN, Research Journal of Engineering SciencesVol. HVTH: Phạm Đình Quyền Trang 3 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Bài báo này so sánh hai mô hình chống sét van theo đề xuất của IEEE và của Picenti. Các mô hình này được xây dựng bằng phần mềm EMTP. Simplified Modeling of Metal Oxide Surge Arresters; Pramuk Unahalekhaka; 11th Eco-Energy and Materials Science and Engineering (11th EMSES), Energy Procedia 56 ( 2014).

Bài báo này trình bày cách xây dựng mô hình chống sét van theo đề xuất của P-K với sự trợ giúp của phần mềm ATP/EMTP. Sai số lớn nhất là 5,39%. Babaei, “Modification of IEEE Model for Metal Oxide Arresters Against Transient Impulses Using Genetic Algorithms”, Department of Electrical, East Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran, Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 5(10):, 2011 , ISSN 1991-8178, pp. Parameters’ selection for metal oxide surge arresters models using genetic algorithm; P.

Stathopulos; 30th International Conference on Lightning Protection - ICLP 2010. Bài báo này trình bày phương thức lựa chọn thông số cho mô hình chống sét van sử dụng giải thuật GEN. Stathopulos, “Comparison of metal-oxide surge arresters circuit models and implementation on high-voltage transmission lines of the Hellenic network”, School of Electrical and Computer Engineering, High Voltage Laboratory, National Technical University of Athens,9 Iroon Politechniou Street, Zografou Campus, Athens 157 80, Greece, IET Gener. IEEE Working group 3.11, “Modeling of metal oxide surge arresters”, IEEE Transactions on Power Delivery Vol.

Các công trình nghiên cứu nêu trên đều xây dựng mô hình chống sét với sự trợ giúp của phần mềm ATP, hay EMTP. Tuy nhiên, hiện nay phần mềm Matlab sử dụng phổ biến tại các trường đại học trong nước vì vậy việc xây dựng mô hình chống sét van trong môi trường Matlab là cần thiết. Ngoài ra, các mô hình chống sét HVTH: Phạm Đình Quyền Trang 4 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh van nêu trên chưa tính đến tổng trở dây nối giữa chống van và dây pha, giữa chống sét van và đất nên việc cải tiến mô hình chống sét van có xét đến yếu tố này là yêu cầu bức thiết. Ngoài ra, việc xác định vị trí lắp đặt chống sét bảo vệ TBA được xác định theo phương pháp giải tích đề xuất theo tiêu chuẩn IEEE.

Luận văn sẽ xây dựng mô hình chống sét van theo đề xuất của PINCETI có xét đến chiều dài dây nối, đồng thời, việc xác định vị trí lắp đặt chống sét bảo vệ TBA được xác định theo phương pháp mô hình hóa - mô phỏng, áp dụng cho TBA phân phối điển hình trong lưới phân phối thành phố Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI  Nghiên cứu tiêu chuẩn chống sét liên quan đến chống sét van trung áp.  Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc và thông số kỹ thuật của chống sét van trung áp dạng MOV.  Nghiên cứu và xây dựng mô hình chống sét van trung áp theo đề xuất của Matlab và theo đề xuất của PINCETI có xét đến chiều dài dây nối trong môi trường Matlab.

 Xây dựng mô hình máy phát xung tiêu chuẩn 8/20us.  Đánh giá độ chính xác của các mô hình chống sét van trung áp đề xuất bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng.  Xây dựng quan hệ điện áp dư của MVSA theo chiều dài dây nối từ chống sét van xuống đất.  Đề xuất vị trí lắp đặt hợp lý chống sét van trung áp bảo vệ MBA trong trạm phân phối điển hình (1 MBA và 2 MBA) tại mạng phân phối của Điện lực Tuy Hòa - Công ty Điện lực Phú Yên.

GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI  Nghiên cứu và xây dựng mô hình chống sét van trung áp theo đề xuất của PICENTI có xét đến điện trở dây nối trong môi trường Matlab. HVTH: Phạm Đình Quyền Trang 5 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh  Nghiên cứu, đánh giá và đề xuất vị trí hợp lý lắp đặt chống sét van trung áp bảo vệ MBA trong mạng phân phối lưới điện Điện lực Tuy Hòa - Công ty Điện lực Phú Yên. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài sử dụng các phương pháp sau:  Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu: là phương pháp đóng vai trò chủ đạo. Sử dụng các tài liệu có sẵn, các tài liệu trên internet, các bài báo khoa học, … Để phục vụ cho để tài nghiên cứu này.

 Phƣơng pháp chuyên gia: là phương pháp đóng vai trò bổ trợ. Tham khảo ý kiến của các giáo viên hướng dẫn, các giảng viên và các chuyên gia trong lĩnh vực chống sét.  Phƣơng pháp mô hình hóa - mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab và mô phỏng chống sét van trung áp dưới tác dụng của các dạng xung sét không chu kỳ.  Phƣơng pháp phân tích và tổng hợp: Là phương pháp đóng vai trò bổ trợ.