Tổng quan nghiên cứu

Chất lượng điện năng là yếu tố then chốt quyết định hiệu quả vận hành, tuổi thọ của thiết bị công nghiệp và sự ổn định của hệ thống phân phối. Tại huyện Na Rì, một huyện miền núi thuộc tỉnh Bắc Kạn có diện tích tự nhiên 85.300 ha với 21 xã và 1 thị trấn, mạng lưới điện phân phối đang đối mặt với nhiều thách thức nghiêm trọng về mặt kỹ thuật. Lưới điện khu vực chủ yếu được cấp nguồn từ trạm 110 kV E26.1 Bắc Kạn thông qua hai lộ đường dây 35 kV chính gồm lộ 373 E26.1 dài 200 km cấp điện cho 107 trạm biến áp với tổng dung lượng 10.662 kVA và lộ 371 E26.1 dài 56 km cấp cho 25 trạm biến áp với tổng dung lượng 1.831 kVA. Do địa hình đồi núi chia cắt phức tạp và bán kính cấp điện hạ thế kéo dài từ 1,5 km đến 3,5 km, điện áp cuối nguồn tại các xã vùng sâu bị suy giảm nghiêm trọng, xuống mức 170V đến 180V, làm tỷ lệ tổn thất kỹ thuật tại nhiều trạm biến áp tăng vọt lên mức 9,83% đến 11,60%.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng điện áp trên địa bàn huyện Na Rì giai đoạn 2013 - 2018, từ đó xây dựng các giải pháp kỹ thuật điều chỉnh điện áp và thiết kế hệ thống tự động bù công suất phản kháng cho các phụ tải công nghiệp trọng điểm, điển hình là trạm biến áp 560 kVA tại Mỏ đá Lũng Ráo và Mỏ đá Lủng Tráng. Về mặt ý nghĩa thực tiễn, công trình nghiên cứu trực tiếp đóng góp vào việc thực hiện mục tiêu giảm tỷ lệ tổn thất điện năng của Điện lực Na Rì xuống mức 8,15% theo Quyết định số 1708/QĐ-PCBK của Công ty Điện lực Bắc Kạn, đồng thời bảo đảm các chỉ tiêu độ lệch điện áp nằm trong dải cho phép ±5% theo quy định tại Thông tư 32/2010/TT-BCT của Bộ Công Thương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của lý thuyết cân bằng công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện, khẳng định mối quan hệ ràng buộc giữa sự thiếu hụt công suất phản kháng cục bộ với độ sụt giảm biên độ điện áp. Khung lý thuyết thứ hai được vận dụng là phương pháp phân tích các thành phần đối xứng của Fortescue, cho phép phân tách hệ thống ba pha không cân bằng thành ba hệ thống vecto thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không nhằm định lượng chính xác hệ số không đối xứng điện áp và dòng điện.

Bên cạnh đó, đề tài tích hợp mô hình đánh giá chất lượng điện áp theo tiêu chuẩn tích phân độ lệch điện áp kết hợp hàm mật độ phân bố xác suất Gauss và quy tắc 3-sigma để xác định xác suất duy trì chất lượng điện áp đạt chuẩn. Năm khái niệm kỹ thuật trọng tâm xuyên suốt nghiên cứu gồm: độ lệch điện áp tương đối xác định theo tỷ lệ phần trăm so với điện áp danh định, hệ số công suất cos phi phản ánh hiệu quả sử dụng năng lượng, độ méo dạng tổng do sóng hài THD theo chuẩn IEEE 519-1992, hệ số không đối xứng pha và tỷ lệ tổn thất điện năng kỹ thuật trên đường dây truyền tải.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ toàn bộ 132 trạm biến áp phân phối thuộc quyền quản lý của Điện lực Na Rì, kết hợp số liệu đo đếm tự ghi liên tục theo chu kỳ ngày đêm tại các điểm đo ranh giới lưới điện 35 kV giữa Na Rì với Thành phố Bắc Kạn và huyện Ngân Sơn. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm tập dữ liệu giám sát phụ tải 48 chu kỳ mỗi ngày của 2 tuyến lộ 35 kV và thông số vận hành chi tiết của 2 trạm biến áp chuyên dùng 560 kVA cấp điện cho hoạt động khai thác khoáng sản. Phương pháp chọn mẫu được thực hiện theo nguyên tắc chọn mẫu có chủ đích tại các nút phụ tải tập trung và các điểm nút cuối nguồn có bán kính cấp điện lớn trên 2,5 km để ghi nhận các giá trị cực trị phụ tải cực đại và cực tiểu.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích kết hợp giữa giải tích mạng điện truyền thống và xử lý xác suất thống kê là nhằm xử lý thỏa đáng tính ngẫu nhiên, biến động liên tục theo thời gian của phụ tải miền núi. Phương pháp hàm tích phân Laplace và đường quy hồi thực nghiệm tương quan giữa công suất tác dụng P và điện áp U cho phép tính toán chính xác lượng điện năng không đảm bảo chất lượng. Toàn bộ chuỗi số liệu vận hành và thương phẩm được theo dõi, tổng hợp và phân tích đồng bộ trong giai đoạn 5 năm từ năm 2013 đến năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, cơ cấu tiêu thụ điện năng tại huyện Na Rì có sự mất cân đối lớn khi thành phần phụ tải quản lý và sinh hoạt tiêu dùng chiếm tỷ trọng áp đảo lên tới 65,80% tổng sản lượng năm 2018, trong khi phụ tải công nghiệp và xây dựng chiếm 26,31% với tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm bình quân đạt 7,20% mỗi năm.

Thứ hai, kết quả đo đạc thực tế chỉ ra sự phân hóa sâu sắc về chất lượng điện áp và tổn thất điện năng giữa các khu vực. Tại khu vực trung tâm thị trấn Yến Lạc và các xã lân cận, tỷ lệ tổn thất điện năng duy trì ở mức rất thấp, dao động từ 1,40% tại trạm Yến Lạc 7 đến 2,40% tại trạm Phố Cổ 2. Ngược lại, tại các vùng địa hình chia cắt mạnh, tỷ lệ tổn thất tăng cao đột biến như trạm Kim Hỷ 1 đạt 7,93%, trạm Văn Minh 3 đạt 9,83% và trạm Áng Hin lên tới 11,60%.

Thứ ba, điện áp cuối nguồn tại các trạm biến áp nông thôn suy giảm nghiêm trọng ngoài mức cho phép của quy chuẩn kỹ thuật quốc gia. Cụ thể, điện áp đo được tại trạm Văn Minh 3 chỉ đạt 180V, trạm Dương Sơn 2 đạt 182V và trạm Kim Hỷ 1 chạm đáy 170V, tương ứng với mức sụt giảm lên tới 22,72% so với điện áp định mức 220V.

Thứ tư, tại các trạm biến áp công nghiệp 560 kVA Mỏ đá Lũng Ráo và Lủng Tráng, hệ số công suất tự nhiên cos phi ở các thời điểm đầy tải chỉ dao động trong khoảng 0,65 đến 0,75, tạo ra dòng phản kháng lớn gây quá tải đường dây và làm tăng tổn thất công suất truyền tải.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng suy giảm điện áp bắt nguồn từ việc tuyến đường dây trung thế 35 kV lộ 373 E26.1 có chiều dài quá lớn lên tới 200 km nhưng sử dụng tiết diện dây dẫn chưa đồng bộ (AC70 và AC95 cho trục chính, AC50 cho nhánh rẽ). Khi truyền tải công suất lớn về phía cuối nguồn, trở kháng đường dây gây ra độ sụt áp tích lũy cao. Đồng thời, mạng hạ thế sau trạm biến áp có bán kính cấp điện trải dài từ 1,5 km đến 3,5 km phục vụ các cụm dân cư phân tán khiến điện áp cuối đường dây bị méo dạng và sụt áp nặng nề.

Về phương thức biểu diễn trực quan, các dữ liệu phụ tải có thể được trình bày thông qua đồ thị phụ tải ngày điển hình dạng sóng công suất tác dụng dao động từ 500 kW đến 4.800 kW, kết hợp bảng thống kê tỷ lệ tổn thất và biểu đồ cột so sánh mức sụt áp của 132 trạm biến áp phân phối. So sánh với tiêu chuẩn quy định tại Thông tư 32/2010/TT-BCT cho phép độ dao động điện áp khách hàng không vượt quá ±5%, mức sụt áp xuống 170V tại Na Rì đã vượt quá giới hạn an toàn, gây suy giảm từ 20% đến 35% tuổi thọ thiết bị điện và làm giảm mômen khởi động của động cơ không đồng bộ trong các xưởng sản xuất. Nghiên cứu khẳng định việc lắp đặt máy biến áp tự ngẫu 7.000 kVA trên tuyến 373 vào năm 2018 chỉ giải quyết được một phần điện áp trung thế, do đó việc tích hợp hệ thống tụ bù hạ thế tự động tại các trạm 560 kVA là giải pháp kỹ thuật bắt buộc để tối ưu hóa toàn diện hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, triển khai lắp đặt hệ thống tủ tụ bù tự động công suất phản kháng nhiều cấp dung lượng 180 kVAr đến 250 kVAr tại thanh cái hạ áp 0,4 kV của các trạm biến áp 560 kVA Mỏ đá Lũng Ráo và Mỏ đá Lủng Tráng. Giải pháp sử dụng bộ điều khiển Mikro PFR kết hợp tụ khô Dae Yeong và thiết bị đóng cắt bảo vệ của LG nhằm nâng cao hệ số công suất cos phi từ mức 0,72 lên trên 0,95, giúp giảm 15% đến 20% dòng điện chạy trên đường dây, hoàn thành thực hiện trong quý 1 năm 2020 dưới sự chủ trì của các đơn vị doanh nghiệp khai khoáng và Điện lực Na Rì.

Thứ hai, thực hiện cải tạo, nâng cấp lưới điện hạ áp 0,4 kV bằng việc thay thế toàn bộ dây nhôm trần AV50, AV70 cũ kỹ bằng cáp vặn xoắn ABC tiết diện 4x70 mm2 và 4x95 mm2 tại các trạm có tỷ lệ tổn thất trên 7% như Kim Hỷ 1 và Văn Minh 3. Đồng thời tiến hành cân pha phụ tải định kỳ 3 tháng một lần để đưa hệ số không đối xứng điện áp về dưới 3%, do Điện lực Na Rì trực tiếp thi công hoàn thành trong giai đoạn 2019 - 2020.

Thứ ba, điều phối linh hoạt phương thức vận hành nguồn phát cục bộ từ Nhà máy Thủy điện Thượng Ân công suất 2,4 MVA và sớm hoàn thiện đấu nối Nhà máy Thủy điện Pác Cáp công suất 6,0 MVA vào năm 2020. Việc hòa lưới nguồn phát tại chỗ sẽ giải tỏa áp lực truyền tải công suất xa từ trạm 110 kV E26.1, do Công ty Điện lực Bắc Kạn chỉ đạo điều độ thực hiện.

Thứ tư, thiết lập quy trình điều chỉnh nấc phân áp của 107 máy biến áp phân phối trên tuyến 373 phù hợp theo hai mùa phụ tải cực đại và cực tiểu, kết hợp vận hành tối ưu máy biến áp tự ngẫu 7.000 kVA nhằm giữ mức điện áp ổn định 220V ± 5% tại mọi nút tiêu thụ, thực hiện thường xuyên bởi đội ngũ kỹ thuật vận hành trạm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, kỹ sư thiết kế và chuyên viên kỹ thuật vận hành lưới điện phân phối tại các công ty điện lực vùng trung du và miền núi. Nhóm đối tượng này có thể khai thác trực tiếp quy trình tính toán dung lượng bù tối ưu, phương pháp lựa chọn biến dòng CT, tính toán dòng ngắn mạch và cài đặt thông số hệ số C/K cho rơle điều khiển tụ bù tự động hạ thế.

Thứ hai, cán bộ quản lý kỹ thuật và điều độ hệ thống điện thuộc các đơn vị thành viên của Tập đoàn Điện lực Việt Nam. Tài liệu cung cấp khung phương pháp luận đánh giá tổn thất điện năng và kiểm soát chất lượng điện áp theo các chỉ tiêu pháp lý của Thông tư 32/2010/TT-BCT, phục vụ mục tiêu xây dựng kế hoạch giảm tổn thất kỹ thuật hàng năm.

Thứ ba, chủ doanh nghiệp, kỹ sư cơ điện tại các mỏ khai thác khoáng sản và nhà máy sản xuất công nghiệp sử dụng trạm biến áp chuyên dùng từ 250 kVA đến 560 kVA. Luận văn cung cấp bản vẽ thiết kế nguyên lý, hướng dẫn vận hành tủ bù công suất phản kháng giúp triệt tiêu tiền phạt cos phi và nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống máy nghiền đá, máy chế biến gỗ.

Thứ tư, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa hệ thống điện. Đây là nguồn tài liệu tham khảo giá trị về việc ứng dụng lý thuyết xác suất thống kê, mô hình tích phân độ lệch điện áp kết hợp dữ liệu thực nghiệm hiện trường trong phân tích chất lượng điện năng.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng sụt áp sâu tại một số xã vùng sâu huyện Na Rì là gì? Hiện tượng sụt áp xuống mức 170V đến 180V xuất phát từ việc bán kính cấp điện hạ thế quá dài từ 2,5 km đến 3,5 km kết hợp với địa hình đồi núi hiểm trở và mật độ phụ tải phân tán. Thêm vào đó, việc sử dụng dây dẫn tiết diện nhỏ trên các tuyến trục hạ áp làm gia tăng tổn thất trở kháng trên đường dây truyền tải.

Quy chuẩn kỹ thuật nào được sử dụng làm căn cứ pháp lý để đánh giá chất lượng điện áp trong nghiên cứu? Nghiên cứu căn cứ trực tiếp vào Thông tư 32/2010/TT-BCT của Bộ Công Thương quy định độ lệch điện áp bình thường không vượt quá ±5% và tiêu chuẩn quốc tế IEEE 519-1992 về kiểm soát sóng hài dòng và áp. Ngoài ra, mục tiêu giảm tổn thất điện năng bám sát Quyết định số 1708/QĐ-PCBK của Công ty Điện lực Bắc Kạn.

Giải pháp bù công suất phản kháng tại trạm biến áp 560 kVA mang lại lợi ích cụ thể nào cho doanh nghiệp? Việc lắp đặt tủ tụ bù hạ thế tự động giúp nâng hệ số cos phi từ 0,72 lên trên 0,95, loại bỏ hoàn toàn chi phí mua công suất phản kháng hàng tháng. Giải pháp này còn làm giảm tổn hao công suất trên máy biến áp 560 kVA, ổn định điện áp đầu cực động cơ và kéo dài tuổi thọ thiết bị vận hành.

Phương pháp xác suất thống kê đóng vai trò gì trong việc đánh giá độ lệch điện áp của lưới điện? Phương pháp xác suất thống kê dựa trên phân bố chuẩn Gauss và hàm tích phân Laplace cho phép lượng hóa chính xác thời gian và sản lượng điện năng đạt tiêu chuẩn chất lượng. Cách tiếp cận này giúp khắc phục nhược điểm của phương pháp giải tích điểm đo rời rạc khi phụ tải biến thiên ngẫu nhiên liên tục trong 48 chu kỳ mỗi ngày.

Việc đưa các nhà máy thủy điện nhỏ như Thượng Ân và Pác Cáp vào vận hành có tác động như thế nào đến lưới điện Na Rì? Nguồn thủy điện Thượng Ân 2,4 MVA và Thủy điện Pác Cáp 6,0 MVA đóng vai trò là các nguồn phát điện phân tán tại chỗ. Nguồn điện này trực tiếp san sẻ công suất cho hai lộ 35 kV, rút ngắn khoảng cách truyền tải điện từ nguồn 110 kV trung tâm và cải thiện đáng kể biên độ điện áp cho toàn huyện.

Kết luận

  • Đề tài đã phân tích và đánh giá toàn diện hiện trạng lưới điện phân phối 35 kV và 0,4 kV huyện Na Rì với 132 trạm biến áp, chỉ ra mức sụt áp nghiêm trọng xuống 170V tại các trạm vùng sâu có bán kính cấp điện trên 2,5 km.
  • Hệ thống hóa hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết về điều chỉnh điện áp, phân tích thành phần đối xứng và mô hình tích phân xác suất thống kê đánh giá độ lệch điện áp theo chuẩn Thông tư 32/2010/TT-BCT.
  • Thiết kế chi tiết giải pháp kỹ thuật tủ tụ bù tự động công suất phản kháng ứng dụng bộ điều khiển Mikro PFR cho trạm biến áp chuyên dùng 560 kVA Mỏ đá Lũng Ráo và Lủng Tráng, nâng hệ số cos phi lên trên 0,95.
  • Đề xuất đồng bộ 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý vận hành, góp phần hiện thực hóa mục tiêu giảm tỷ lệ tổn thất điện năng toàn huyện xuống 8,15% theo kế hoạch của Công ty Điện lực Bắc Kạn.
  • Hoàn thiện phương án phối hợp vận hành tối ưu nguồn phát phân tán từ Thủy điện Thượng Ân 2,4 MVA và Thủy điện Pác Cáp 6,0 MVA nhằm đảm bảo an ninh năng lượng bền vững cho địa phương.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là đã gắn kết chặt chẽ giữa tính toán lý thuyết chuyên sâu ngành Kỹ thuật điện với các giải pháp công nghệ có tính khả thi cao, giải quyết triệt để bài toán suy giảm chất lượng điện áp tại vùng núi. Lộ trình triển khai tiếp theo cần tập trung hoàn tất lắp đặt hệ thống bù hạ thế trong năm 2019 và hoàn thành nâng cấp lưới điện hạ thế trong năm 2020. Các đơn vị quản lý vận hành và doanh nghiệp tiêu thụ điện cần khẩn trương áp dụng rộng rãi mô hình thiết kế tủ bù tự động nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trên toàn địa bàn.