Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh lưới điện phân phối trung áp tại thành phố Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên, việc bảo vệ trạm phân phối khỏi các hiện tượng quá áp do sét là một yêu cầu cấp thiết nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và giảm thiểu thiệt hại thiết bị. Theo báo cáo của ngành điện lực, lưới điện trung áp 22kV tại Tuy Hòa trải dài trên địa bàn 12 phường và 4 xã, với nhiều trạm biến áp công cộng và chuyên dùng, dễ bị ảnh hưởng bởi sét đánh trực tiếp và sét lan truyền. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình chống sét van trung áp (MVSA) có xét đến chiều dài dây nối trong môi trường Matlab, đồng thời đề xuất vị trí lắp đặt và số lượng MVSA hợp lý cho trạm phân phối có một hoặc hai máy biến áp tại Điện lực Tuy Hòa. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2017-2019, tập trung vào mạng phân phối điện tại thành phố Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên. Kết quả nghiên cứu không chỉ cung cấp công cụ mô phỏng chính xác với sai số điện áp dư thấp nhất 1,65% và cao nhất 3,01%, mà còn góp phần nâng cao hiệu quả bảo vệ quá áp, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ thiết bị trong lưới điện phân phối.

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 có đặc tính V-I gần giống diode đấu ngược, với khả năng chuyển từ trở kháng cao sang thấp khi điện áp vượt ngưỡng, giúp hấp thu năng lượng xung sét. Vi cấu trúc của MOV gồm các hạt ZnO với các tiếp giáp P-N tạo nên hiệu ứng biến trở, cho phép thiết bị hoạt động hiệu quả trong việc khử xung quá độ.

  • Mô hình chống sét van trung áp (MVSA) theo đề xuất của PINCETI: Mô hình này đơn giản hóa dựa trên mô hình IEEE, loại bỏ điện dung ký sinh và sử dụng các phần tử phi tuyến A0, A1 với các thông số điện cảm L0, L1 được xác định qua các công thức liên quan đến điện áp dư và điện áp định mức của MVSA. Mô hình có giao diện thân thiện trong Matlab, cho phép nhập các thông số kỹ thuật từ catalogue nhà sản xuất.

  • Mô hình máy phát xung dòng tiêu chuẩn 8/20µs: Dạng xung dòng tiêu chuẩn được mô phỏng bằng phương trình hàm mũ, mô phỏng chính xác dạng sóng xung sét tác động lên hệ thống điện, là cơ sở để đánh giá hiệu quả của MVSA.

Các khái niệm chính bao gồm: điện áp dư (residual voltage), điện áp định mức (rated voltage), dòng xung sét (surge current), điện trở dây nối, và đặc tính phi tuyến của MOV.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành, catalogue thiết bị MVSA của các hãng như Cooper và Ohio Brass, các bài báo khoa học trong và ngoài nước, cùng số liệu thực tế tại Điện lực Tuy Hòa.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Matlab để xây dựng mô hình MVSA theo PINCETI, mô phỏng điện áp dư dưới tác động của xung dòng tiêu chuẩn 8/20µs với các biên độ 3kA, 5kA, 10kA. So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu catalogue để đánh giá độ chính xác mô hình.

  • Timeline nghiên cứu: Từ năm 2017 đến 2019, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và đề xuất giải pháp bảo vệ quá áp cho trạm phân phối tại Tuy Hòa.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình được áp dụng cho hai trường hợp trạm phân phối điển hình có một máy biến áp và hai máy biến áp, đại diện cho mạng phân phối tại địa phương.

  • Phương pháp tổng hợp: Kết hợp phân tích mô hình, mô phỏng và tham khảo ý kiến chuyên gia để đề xuất vị trí lắp đặt MVSA tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình MVSA theo PINCETI có độ chính xác cao: Sai số điện áp dư so với giá trị catalogue của nhà sản xuất thấp nhất là 1,65% và cao nhất là 3,01%, cho thấy mô hình phù hợp để mô phỏng hiệu quả bảo vệ của MVSA trong môi trường Matlab.

  2. Ảnh hưởng của chiều dài dây nối đến điện áp dư: Mối quan hệ điện áp dư theo chiều dài dây nối từ chống sét van xuống đất được xây dựng thành phương trình cụ thể, cho thấy điện áp dư tăng theo chiều dài dây nối, ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ.

  3. Vị trí và số lượng MVSA hợp lý cho trạm phân phối: Đối với trạm có một máy biến áp, lắp đặt một MVSA tại đầu cực máy biến áp với chiều dài dây nối khoảng 4m là tối ưu. Đối với trạm hai máy biến áp, bố trí một MVSA bảo vệ chung với chiều dài dây nối lần lượt 4m và 8m cho hai máy biến áp, hoặc điều chỉnh khoảng cách dây nối để cân bằng điện áp đầu cực, giúp giảm thiểu quá áp.

  4. So sánh hiệu quả bảo vệ giữa các mô hình: Mô hình MVSA theo PINCETI cho kết quả mô phỏng điện áp dư tương đồng với mô hình Matlab chuẩn và dữ liệu thực tế, vượt trội hơn so với các mô hình chỉ dựa trên đặc tính V-I đơn giản.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ việc mô hình MVSA theo PINCETI tích hợp đầy đủ các yếu tố phi tuyến và điện cảm của thiết bị, đồng thời xét đến điện trở dây nối, yếu tố thường bị bỏ qua trong các mô hình trước đây. Việc mô phỏng điện áp dư theo chiều dài dây nối giúp nhận diện rõ ràng ảnh hưởng của hệ thống dây dẫn đến hiệu quả bảo vệ, từ đó đề xuất vị trí lắp đặt MVSA hợp lý hơn.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này phù hợp với các báo cáo về mô hình chống sét van sử dụng phần mềm ATP/EMTP, nhưng ưu điểm của nghiên cứu là ứng dụng Matlab phổ biến trong đào tạo và vận hành tại Việt Nam, giúp dễ dàng triển khai và áp dụng thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ điện áp dư theo chiều dài dây nối, bảng so sánh điện áp dư mô phỏng và catalogue, cũng như sơ đồ bố trí MVSA trong trạm phân phối để minh họa hiệu quả bảo vệ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai mô hình MVSA theo PINCETI trong phần mềm Matlab để các đơn vị điện lực và học viên cao học ngành kỹ thuật điện có công cụ mô phỏng chính xác, phục vụ nghiên cứu và vận hành bảo vệ quá áp. Thời gian thực hiện: trong vòng 6 tháng; Chủ thể: các trung tâm đào tạo và phòng kỹ thuật điện lực.

  2. Lắp đặt MVSA tại vị trí đầu cực máy biến áp với chiều dài dây nối tối ưu (khoảng 4m cho trạm một máy biến áp, điều chỉnh phù hợp cho trạm hai máy biến áp) nhằm giảm thiểu điện áp dư và tăng hiệu quả bảo vệ. Thời gian thực hiện: 12 tháng; Chủ thể: Công ty Điện lực Phú Yên và các đơn vị quản lý lưới điện.

  3. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ kỹ thuật về ảnh hưởng của chiều dài dây nối đến hiệu quả bảo vệ MVSA, giúp vận hành và bảo trì hệ thống chống sét hiệu quả hơn. Thời gian: 3 tháng; Chủ thể: Ban quản lý kỹ thuật và đào tạo nội bộ.

  4. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng mô hình cho các trạm phân phối khác trong tỉnh Phú Yên, nhằm chuẩn hóa giải pháp bảo vệ quá áp trên toàn bộ mạng lưới phân phối. Thời gian: 18 tháng; Chủ thể: Công ty Điện lực Phú Yên phối hợp với các viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và cán bộ kỹ thuật điện lực: Nghiên cứu giúp hiểu rõ hơn về mô hình và giải pháp bảo vệ quá áp, áp dụng trực tiếp trong vận hành và bảo trì lưới điện phân phối.

  2. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo quan trọng về mô hình MVSA trong Matlab, phương pháp mô phỏng và phân tích điện áp dư, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu chuyên sâu.

  3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong ngành điện: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn, quy trình lắp đặt và bảo vệ thiết bị điện trong mạng phân phối.

  4. Các nhà sản xuất và cung cấp thiết bị chống sét: Tham khảo để cải tiến sản phẩm, tối ưu hóa đặc tính kỹ thuật phù hợp với điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình MVSA theo PINCETI có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    Mô hình này đơn giản, dễ khai báo thông số từ catalogue, loại bỏ điện dung ký sinh không cần thiết, và xét đến điện trở dây nối, giúp mô phỏng chính xác điện áp dư với sai số thấp (1,65%-3,01%). Ví dụ, mô hình cho kết quả gần sát với dữ liệu thực tế của hãng Cooper và Ohio Brass.

  2. Tại sao chiều dài dây nối ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ của MVSA?
    Chiều dài dây nối tạo ra điện cảm và điện trở, làm tăng điện áp dư tại đầu cực máy biến áp, giảm hiệu quả bảo vệ. Do đó, việc xác định chiều dài dây nối tối ưu giúp giảm thiểu quá áp và bảo vệ thiết bị tốt hơn.

  3. Phần mềm Matlab có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Matlab phổ biến trong đào tạo và nghiên cứu tại Việt Nam, có giao diện thân thiện, hỗ trợ mô phỏng phức tạp và dễ dàng tích hợp mô hình MVSA theo PINCETI, giúp các đơn vị điện lực và học viên dễ dàng áp dụng.

  4. Giải pháp lắp đặt MVSA cho trạm có hai máy biến áp như thế nào?
    Có thể lắp một MVSA bảo vệ chung cho hai máy biến áp với chiều dài dây nối khác nhau, hoặc điều chỉnh khoảng cách dây nối để cân bằng điện áp đầu cực, giảm thiểu quá áp và tăng hiệu quả bảo vệ.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng rộng rãi cho các khu vực khác không?
    Có thể, vì mô hình và phương pháp đề xuất có tính tổng quát, phù hợp với các trạm phân phối trung áp có cấu hình tương tự, đặc biệt trong điều kiện khí hậu và lưới điện Việt Nam.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình chống sét van trung áp (MVSA) theo đề xuất của PINCETI trong môi trường Matlab với độ chính xác cao, sai số điện áp dư từ 1,65% đến 3,01%.
  • Xác định được mối quan hệ điện áp dư theo chiều dài dây nối, làm cơ sở đề xuất vị trí lắp đặt MVSA hợp lý cho trạm phân phối tại Tuy Hòa.
  • Đề xuất giải pháp lắp đặt MVSA cho trạm một và hai máy biến áp, giúp giảm thiểu quá áp và tăng độ tin cậy cung cấp điện.
  • Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, hỗ trợ các đơn vị điện lực và học viên ngành kỹ thuật điện trong nghiên cứu và vận hành bảo vệ quá áp.
  • Khuyến nghị triển khai mô hình và giải pháp tại các trạm phân phối trong tỉnh Phú Yên, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các khu vực khác.

Next steps: Triển khai đào tạo, áp dụng mô hình trong thực tế, và mở rộng nghiên cứu ứng dụng.

Call-to-action: Các đơn vị điện lực và học viên ngành kỹ thuật điện nên áp dụng mô hình và giải pháp này để nâng cao hiệu quả bảo vệ quá áp, giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra.