Tổng quan nghiên cứu

Đường dây bọc cách điện trung áp trên không hiện được sử dụng phổ biến tại nhiều quốc gia, trong đó khu vực phía Nam Việt Nam có tổng khối lượng dây bọc trung áp lên đến khoảng 24.477 km, chiếm 33,6% tổng khối lượng đường dây trung áp quản lý vận hành. Tại tỉnh Sóc Trăng, khối lượng dây bọc trung áp là khoảng 561,72 km, chiếm 16,2% tổng chiều dài đường dây trung áp. Việc sử dụng dây bọc giúp giảm thiểu sự cố ngắn mạch, hạn chế tai nạn điện do tiếp xúc vô ý, đồng thời giảm hành lang an toàn lưới điện. Tuy nhiên, một hạn chế lớn là sự cố đứt dây bọc do sét đánh vẫn xảy ra thường xuyên, gây mất điện kéo dài và thiệt hại kinh tế đáng kể.

Theo thống kê tại Sóc Trăng, số vụ sự cố đứt dây bọc do sét trong giai đoạn 2018-2022 dao động từ 3 đến 7 vụ mỗi năm, trong khi toàn bộ các đơn vị thuộc Tổng Công ty Điện lực miền Nam ghi nhận từ 57 đến 180 vụ/năm. Mặc dù đã có nhiều giải pháp phòng chống sét được triển khai, sự cố vẫn chưa có chiều hướng giảm. Do đó, nghiên cứu nhằm hoàn thiện các giải pháp chống sét cho đường dây bọc trung áp trên không tại lưới điện phân phối Sóc Trăng là cần thiết.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát thực trạng các giải pháp chống sét hiện hữu, phân tích nguyên nhân sự cố và đề xuất các giải pháp hoàn thiện phù hợp với đặc điểm lưới điện Việt Nam, đặc biệt tại Sóc Trăng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đường dây bọc trung áp trên không tại tỉnh Sóc Trăng trong giai đoạn gần đây. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu thiệt hại do sự cố sét gây ra, đồng thời làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng tiêu chuẩn thiết kế áp dụng rộng rãi tại các tỉnh phía Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về điện trường và phóng điện trên dây bọc cách điện trung áp, bao gồm:

  • Hiệu ứng bề mặt và phóng điện corona: Điện trường không đều xung quanh dây dẫn mang điện áp cao tạo ra các điểm yếu trên lớp cách điện, dẫn đến phóng điện corona và suy giảm cách điện.
  • Quá áp do sét và phóng điện bề mặt (flashover): Sét đánh trực tiếp hoặc cảm ứng gây ra quá áp lớn vượt quá khả năng chịu đựng của lớp cách điện, dẫn đến hồ quang ngắn mạch và đứt dây bọc.
  • Suất cắt điện (Outage Rate): Số lần mất điện do sét gây ra trên đoạn đường dây dài 100 km trong một năm, được tính toán dựa trên mật độ sét, độ cao dây dẫn, hệ số che chắn và các đặc tính cách điện.
  • Mô hình dây chống sét và thiết bị chống sét: Phân tích phạm vi bảo vệ của dây chống sét, hiệu quả giảm quá áp cảm ứng và hấp thụ năng lượng sét của các thiết bị chống sét như chống sét van, kẹp chống hồ quang.

Các khái niệm chính bao gồm: điện áp phóng điện xung (CFO), điện trở nối đất, hệ số che chắn, hồ quang tần số công nghiệp, và cấu trúc dây bọc cách điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu khoa học, báo cáo ngành và các văn bản pháp luật liên quan như Quy phạm trang bị điện và tiêu chuẩn IEEE 1410:2010 về chống sét cho lưới điện phân phối. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ các sự cố đứt dây bọc trung áp tại Sóc Trăng trong giai đoạn 2017-2023, với cỡ mẫu gồm hàng chục vụ sự cố được phân tích chi tiết.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Tính toán suất cắt điện đường dây theo tiêu chuẩn IEEE dựa trên mật độ sét, độ cao dây dẫn, hệ số che chắn và điện trở nối đất.
  • Mô phỏng điện áp đặt lên cách điện khi sét đánh trực tiếp hoặc cảm ứng bằng phần mềm ATP, so sánh trường hợp có và không có dây chống sét.
  • Đánh giá hiệu quả các giải pháp chống sét hiện hữu và thí điểm tại Công ty Điện lực Sóc Trăng qua khảo sát thực tế và phân tích chi phí.
  • Thời gian nghiên cứu từ tháng 11/2023 đến tháng 6/2024, bao gồm khảo sát hiện trường, thu thập số liệu, mô phỏng và áp dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tỷ lệ sự cố đứt dây bọc do sét tại Sóc Trăng dao động từ 3 đến 7 vụ/năm trong giai đoạn 2018-2022, chiếm khoảng 5% tổng số sự cố sét đánh trên lưới điện phân phối khu vực này. Tại các đơn vị thuộc Tổng Công ty Điện lực miền Nam, số vụ sự cố dao động từ 57 đến 180 vụ/năm.

  2. Phân tích nguyên nhân cho thấy phóng điện bề mặt do quá áp sét là nguyên nhân chủ yếu gây đứt dây bọc, đặc biệt tại các điểm yếu như lỗ hổng, vết rạn trên lớp cách điện hoặc vị trí giáp buộc composite cố định dây bọc vào đầu sứ cách điện. Ví dụ, sự cố ngày 14/8/2017 tại huyện Kế Sách do sét đánh gần trụ điện đã gây đứt dây bọc ACX 185mm2 pha A và C.

  3. Hiệu quả của dây chống sét trong giảm quá áp cảm ứng được xác định rõ ràng: Mô phỏng cho thấy khi không có dây chống sét, điện áp cảm ứng đỉnh có thể lên đến 500 kV, trong khi có dây chống sét giảm xuống còn khoảng 330 kV, tương đương giảm 40%. Suất cắt điện tính toán cho đường dây 22kV dài 10 km tại Sóc Trăng giảm đáng kể khi có dây chống sét và hệ thống nối đất tốt.

  4. Các giải pháp thí điểm tại Công ty Điện lực Sóc Trăng gồm treo dây chống sét, tăng cường cách điện và hoàn thiện hệ thống nối đất đã cho kết quả khả quan, chưa ghi nhận sự cố đứt dây bọc do sét sau khi áp dụng. Tuy nhiên, chi phí đầu tư trung bình khoảng 105 triệu đồng/km cho dây chống sét và bộ tháp đầu trụ là một hạn chế cần cân nhắc.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cố đứt dây bọc là do phóng điện hồ quang tại các điểm yếu của lớp cách điện, được kích hoạt bởi quá áp do sét đánh trực tiếp hoặc cảm ứng. So với dây dẫn trần, dây bọc có lớp cách điện ngăn hồ quang di chuyển, khiến hồ quang cháy tại một điểm cố định và gây đứt dây nhanh hơn. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về hiện tượng này.

Việc lắp đặt dây chống sét và thiết bị chống sét van giúp giảm đáng kể suất cắt điện và nguy cơ đứt dây, đồng thời cải thiện độ tin cậy cung cấp điện. Tuy nhiên, chi phí và kỹ thuật thi công là những thách thức cần giải quyết. So sánh với các nghiên cứu tại Mỹ và Trung Quốc, tỷ lệ sự cố tại Sóc Trăng tương đối thấp nhưng vẫn cần cải thiện để đạt chuẩn quốc tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ suất cắt điện so sánh giữa các phương án có và không có dây chống sét, bảng thống kê số vụ sự cố theo năm và sơ đồ vị trí đứt dây trên tuyến đường dây. Các phân tích này giúp minh chứng hiệu quả của giải pháp và làm cơ sở cho việc nhân rộng áp dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai đồng bộ giải pháp treo dây chống sét trên toàn bộ các tuyến đường dây bọc trung áp tại Sóc Trăng nhằm giảm suất cắt điện do sét xuống dưới mức trung bình hiện tại trong vòng 2 năm tới. Chủ thể thực hiện là Công ty Điện lực Sóc Trăng phối hợp với Tổng Công ty Điện lực miền Nam.

  2. Tăng cường lựa chọn và sử dụng sứ đứng có điện áp phóng điện xung cao hơn (≥ 35kV) tại các vị trí trọng yếu như giao lộ, trường học, bệnh viện để nâng cao khả năng chịu đựng quá áp sét. Thời gian thực hiện trong 1-3 năm, ưu tiên các khu vực có mật độ sét cao.

  3. Hoàn thiện hệ thống nối đất chống sét với điện trở ≤ 10Ω và sử dụng kẹp nối chuyên dụng đảm bảo tiếp xúc lâu dài, giảm thiểu rủi ro tuột dây khi có sự cố. Khuyến nghị kiểm tra định kỳ và bảo trì hàng năm.

  4. Áp dụng thiết bị chống sét van (LA) tại các trụ dừng suốt tuyến và các vị trí dễ bị sét đánh để hấp thụ năng lượng sét và hạn chế quá áp. Thí điểm và đánh giá hiệu quả trong 1 năm trước khi nhân rộng.

  5. Xây dựng tiêu chuẩn thiết kế chống sét cho đường dây bọc trung áp phù hợp với đặc điểm khí hậu và lưới điện Việt Nam, làm cơ sở áp dụng chung cho các tỉnh phía Nam trong vòng 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia quản lý vận hành lưới điện phân phối: Nắm bắt nguyên nhân sự cố và giải pháp chống sét hiệu quả để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

  2. Các nhà thiết kế và thi công công trình điện: Áp dụng các tiêu chuẩn và giải pháp hoàn thiện trong thiết kế, thi công đường dây bọc trung áp nhằm giảm thiểu sự cố.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán suất cắt điện và mô phỏng điện áp sét để phát triển nghiên cứu sâu hơn.

  4. Các đơn vị quản lý nhà nước và ban ngành liên quan đến an toàn điện và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy định về an toàn lưới điện và phòng chống sét.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao dây bọc trung áp dễ bị đứt do sét hơn dây trần?
    Dây bọc có lớp cách điện ngăn hồ quang di chuyển tự do, khiến hồ quang cháy tại một điểm cố định lâu dài, làm dây bị đứt nhanh hơn so với dây trần, nơi hồ quang di chuyển và không gây cháy điểm cố định.

  2. Dây chống sét có tác dụng gì trong việc bảo vệ đường dây bọc?
    Dây chống sét giảm điện áp cảm ứng do sét, chuyển hướng dòng sét xuống đất, giảm suất cắt điện và nguy cơ đứt dây. Mô phỏng cho thấy điện áp cảm ứng giảm khoảng 40% khi có dây chống sét.

  3. Giải pháp tăng cường cách điện gồm những gì?
    Bao gồm chọn sứ đứng có điện áp phóng điện xung cao hơn, tăng độ dày lớp cách điện dây bọc và cải tiến cấu trúc dây để nâng cao khả năng chịu đựng quá áp sét.

  4. Hệ thống nối đất ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả chống sét?
    Hệ thống nối đất có điện trở thấp (≤ 10Ω) giúp dòng sét nhanh chóng thoát xuống đất, giảm quá áp trên đường dây và thiết bị, từ đó giảm nguy cơ đứt dây bọc.

  5. Chi phí đầu tư cho giải pháp chống sét có cao không?
    Chi phí trung bình cho dây chống sét và bộ tháp đầu trụ khoảng 105 triệu đồng/km, chưa kể chi phí tăng cường cách điện và thiết bị chống sét van. Tuy nhiên, chi phí này được bù đắp bằng việc giảm thiểu sự cố và thiệt hại do mất điện kéo dài.

Kết luận

  • Đứt dây bọc trung áp do sét là nguyên nhân chính gây mất điện kéo dài và thiệt hại kinh tế tại Sóc Trăng.
  • Phóng điện bề mặt và quá áp sét vượt quá khả năng chịu đựng cách điện là cơ chế gây đứt dây chủ yếu.
  • Dây chống sét và thiết bị chống sét van giúp giảm đáng kể suất cắt điện và nguy cơ đứt dây.
  • Giải pháp thí điểm tại Sóc Trăng cho thấy hiệu quả thực tế, tuy nhiên cần hoàn thiện về thiết kế, tiêu chuẩn và hệ thống nối đất.
  • Khuyến nghị triển khai đồng bộ các giải pháp chống sét, xây dựng tiêu chuẩn thiết kế và tiếp tục nghiên cứu để nâng cao độ tin cậy lưới điện trung áp khu vực phía Nam.

Hành động tiếp theo là áp dụng các giải pháp hoàn thiện vào các công trình điện tại Sóc Trăng và mở rộng nghiên cứu sang các tỉnh lân cận nhằm nâng cao hiệu quả phòng chống sự cố do sét. Các đơn vị quản lý vận hành và thiết kế lưới điện nên phối hợp chặt chẽ để triển khai đồng bộ các giải pháp này.