Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển khoa học công nghệ và nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng, việc đảm bảo vận hành an toàn cho các đường dây truyền tải điện trở thành vấn đề cấp thiết. Theo thống kê từ năm 2010 đến 2019, hệ thống lưới điện truyền tải Việt Nam đã ghi nhận hơn 2.000 sự cố, trong đó 67% xảy ra trên đường dây truyền tải và 64% trong số đó do sét gây ra. Đặc biệt, các đường dây 220kV và 500kV chịu ảnh hưởng lớn từ các hiện tượng quá điện áp khí quyển, gây ra gián đoạn cung cấp điện, ảnh hưởng nghiêm trọng đến kinh tế và an ninh quốc gia.

Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất và đánh giá các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu sự cố do sét trên các đường dây truyền tải điện, tập trung vào việc ứng dụng chống sét van loại có khe hở không khí ngoài (EGLA) trên đường dây 220kV Việt Trì – Yên Bái. Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng quá độ điện từ EMTP-ATP để phân tích tác động của sét và hiệu quả của giải pháp lắp đặt chống sét van. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các đường dây truyền tải điện 220kV và 500kV tại Việt Nam, với dữ liệu thực tế từ năm 2010 đến 2019, đặc biệt tập trung vào tuyến đường dây 220kV Việt Trì – Yên Bái dài 67,57 km, đi qua khu vực có mật độ sét cao.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu tổn thất kinh tế do sự cố, đồng thời góp phần phát triển bền vững hệ thống truyền tải điện quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật điện cao áp, bao gồm:

  • Lý thuyết quá điện áp khí quyển (quá điện áp sét): Giải thích nguyên nhân và cơ chế hình thành quá điện áp do sét đánh trực tiếp hoặc cảm ứng trên đường dây truyền tải, ảnh hưởng đến cách điện và thiết bị.

  • Mô hình điện hình học đường dây và dây chống sét: Xác định khu vực bảo vệ và xác suất sét đánh vào dây dẫn hoặc dây chống sét dựa trên các tham số như chiều cao dây, khoảng cách giữa dây chống sét và dây dẫn, góc bảo vệ.

  • Mô hình cột nhiều tầng (multistory tower): Mô phỏng đặc tính truyền sóng và tổng trở sóng của cột điện, giúp tính toán ngưỡng chịu sét và phân tích sự cố.

  • Mô hình chống sét van EGLA: Cấu tạo gồm điện trở phi tuyến oxit kim loại (ZnO) nối tiếp với khe hở không khí ngoài, có ưu điểm giảm lão hóa, dễ phát hiện hỏng hóc và phù hợp lắp đặt trên đường dây.

  • Phương pháp tính toán suất cắt do sét: Xác định số lần cắt điện do sét trên 100 km đường dây trong một năm, dựa trên xác suất sét đánh, xác suất phóng điện và xác suất hình thành hồ quang.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực tế từ hệ thống truyền tải điện Việt Nam giai đoạn 2010-2019, bao gồm số liệu sự cố, thông số kỹ thuật đường dây, đặc điểm địa hình và khí hậu khu vực nghiên cứu. Cỡ mẫu nghiên cứu tập trung vào tuyến đường dây 220kV Việt Trì – Yên Bái với 188 cột điện.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng quá độ điện từ bằng phần mềm EMTP-ATP, cho phép mô hình hóa chi tiết các hiện tượng sét đánh vào đỉnh cột và dây dẫn, tính toán ngưỡng chịu sét, dòng điện sét lớn nhất, và hiệu quả của việc lắp đặt chống sét van. Các bước nghiên cứu gồm:

  • Thu thập và phân tích số liệu sự cố, đặc điểm kỹ thuật và khí tượng.

  • Mô hình hóa đường dây, cột điện, dây chống sét và chống sét van trong EMTP-ATP.

  • Tính toán ngưỡng chịu sét của từng cột, xác định vị trí ưu tiên lắp đặt chống sét van.

  • Tính toán suất cắt trước và sau khi lắp đặt chống sét van để đánh giá hiệu quả.

  • Đánh giá và đề xuất giải pháp phù hợp với điều kiện thực tế.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2017 đến 2020, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng, phân tích và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tỷ lệ sự cố do sét chiếm 64% trên tổng số 1.393 sự cố đường dây truyền tải giai đoạn 2010-2019. Sự cố do sét tập trung chủ yếu tại khu vực miền Bắc, đặc biệt là Công ty Truyền tải điện 1 (PTC1) chiếm hơn 50% tổng số sự cố do sét, do mật độ sét và địa hình phức tạp.

  2. Ngưỡng chịu sét của các cột trên đường dây 220kV Việt Trì – Yên Bái dao động từ 98 kA đến 240 kA. Khoảng 30 cột được xác định có ngưỡng chịu sét thấp và được ưu tiên lắp đặt chống sét van.

  3. Phân tích các đặc điểm cột dễ bị sự cố do sét gồm: ngưỡng chịu sét thấp, vị trí đặt cột cao, khoảng vượt dài và chênh lệch đỉnh cột lớn. Trong số 188 cột, 30 cột thuộc nhóm ưu tiên số 1 cần lắp đặt chống sét van, 45 cột nhóm ưu tiên số 2, 46 cột nhóm ưu tiên số 3 và 25 cột nhóm ưu tiên số 4.

  4. Hiệu quả của giải pháp lắp đặt chống sét van được thể hiện qua giảm suất cắt đường dây. Mô phỏng cho thấy sau khi lắp đặt chống sét van tại các vị trí ưu tiên, suất cắt do sét giảm đáng kể, góp phần nâng cao độ tin cậy vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cố do sét là do mật độ giông sét cao (khoảng 10 lần/km²/năm) và địa hình đồi núi phức tạp làm tăng khả năng sét đánh trực tiếp vào đường dây và cột điện. Việc sử dụng dây chống sét với góc bảo vệ ≤ 20° hiện tại chưa đủ để bảo vệ toàn diện, đặc biệt khi dòng sét có cường độ lên đến 60-70 kA, vượt ngưỡng phóng điện trên cách điện.

So với các nghiên cứu trước đây, việc áp dụng chống sét van EGLA có ưu điểm vượt trội về khả năng giảm lão hóa thiết bị và dễ dàng phát hiện hỏng hóc, phù hợp với điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam. Kết quả mô phỏng bằng EMTP-ATP cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc lựa chọn vị trí lắp đặt chống sét van, giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư và hiệu quả bảo vệ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố ngưỡng chịu sét của các cột, bảng phân loại mức độ ưu tiên lắp đặt chống sét van, và biểu đồ so sánh suất cắt trước và sau khi áp dụng giải pháp, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Lắp đặt chống sét van EGLA tại các vị trí cột ưu tiên trên đường dây 220kV Việt Trì – Yên Bái trong vòng 1-2 năm tới. Ưu tiên nhóm 30 cột có ngưỡng chịu sét thấp và đặc điểm dễ bị sự cố để giảm suất cắt và tăng độ tin cậy vận hành.

  2. Tăng cường công tác kiểm tra, bảo dưỡng và cải tạo hệ thống tiếp địa tại các vị trí có điện trở tiếp địa cao. Đảm bảo điện trở nối đất dưới 40 Ω, giúp thoát sét nhanh và hiệu quả, giảm thiểu nguy cơ phóng điện ngược.

  3. Duy trì và nâng cao chất lượng dây chống sét, đồng thời nghiên cứu tối ưu hóa góc bảo vệ dây chống sét trong các dự án mới. Áp dụng tiêu chuẩn thiết kế dây chống sét có góc bảo vệ ≤ 0° tại các khu vực có mật độ sét cao.

  4. Xây dựng hệ thống quan trắc sét và cơ sở dữ liệu giông sét để phục vụ công tác dự báo, thiết kế và vận hành lưới điện. Tăng cường phối hợp giữa các đơn vị quản lý vận hành và nghiên cứu để cập nhật thông tin kịp thời.

  5. Tổ chức đào tạo, bồi dưỡng nâng cao trình độ nhân lực vận hành và bảo dưỡng lưới điện truyền tải. Đảm bảo nhân viên nắm vững quy trình vận hành, sử dụng thiết bị giám sát và xử lý sự cố hiệu quả.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành lưới điện truyền tải: Nghiên cứu cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể và thực tiễn để giảm thiểu sự cố do sét, giúp nâng cao độ tin cậy vận hành.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Thông tin về tỷ lệ sự cố, nguyên nhân và giải pháp giúp xây dựng kế hoạch đầu tư, bảo trì và nâng cấp hệ thống truyền tải điện hiệu quả.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn trình bày chi tiết phương pháp mô phỏng quá độ điện từ, mô hình chống sét van và phân tích dữ liệu thực tế, là tài liệu tham khảo quý giá.

  4. Các đơn vị tư vấn thiết kế và thi công lưới điện: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để lựa chọn giải pháp chống sét phù hợp, tối ưu chi phí và đảm bảo an toàn vận hành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao sét lại là nguyên nhân chính gây sự cố trên đường dây truyền tải?
    Sét tạo ra quá điện áp khí quyển rất lớn, gây phóng điện trên cách điện, làm hỏng thiết bị và gây ngắn mạch. Theo thống kê, sét chiếm 64% số sự cố trên đường dây truyền tải.

  2. Chống sét van EGLA có ưu điểm gì so với các loại chống sét khác?
    EGLA kết hợp điện trở phi tuyến ZnO với khe hở không khí ngoài, giảm lão hóa thiết bị, dễ phát hiện hỏng hóc, kích thước nhỏ gọn và phù hợp lắp đặt trên đường dây cao áp.

  3. Phần mềm EMTP-ATP được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    EMTP-ATP mô phỏng quá độ điện từ, giúp tính toán ngưỡng chịu sét, dòng điện sét và hiệu quả của chống sét van, từ đó xác định vị trí ưu tiên lắp đặt.

  4. Giải pháp lắp đặt chống sét van có thể áp dụng cho các đường dây khác không?
    Có, giải pháp phù hợp cho các đường dây 220kV và 500kV, đặc biệt ở khu vực có mật độ sét cao và địa hình phức tạp, giúp giảm suất cắt và tăng độ tin cậy.

  5. Làm thế nào để xác định vị trí cột ưu tiên lắp đặt chống sét van?
    Dựa trên các tiêu chí như ngưỡng chịu sét, chiều cao cột, khoảng vượt và chênh lệch đỉnh cột, kết hợp với lịch sử sự cố để phân nhóm ưu tiên, tối ưu chi phí và hiệu quả bảo vệ.

Kết luận

  • Sét là nguyên nhân chủ yếu gây sự cố trên đường dây truyền tải điện, chiếm 64% số vụ sự cố trong giai đoạn 2010-2019.
  • Nghiên cứu đã xác định ngưỡng chịu sét và các đặc điểm cột dễ bị sự cố trên đường dây 220kV Việt Trì – Yên Bái, phân nhóm ưu tiên lắp đặt chống sét van.
  • Giải pháp lắp đặt chống sét van EGLA được mô phỏng bằng EMTP-ATP cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc giảm suất cắt và nâng cao độ tin cậy vận hành.
  • Đề xuất các giải pháp đồng bộ bao gồm cải tạo tiếp địa, nâng cao chất lượng dây chống sét, xây dựng hệ thống quan trắc sét và đào tạo nhân lực.
  • Các bước tiếp theo là triển khai lắp đặt chống sét van tại các vị trí ưu tiên, theo dõi hiệu quả thực tế và mở rộng áp dụng cho các tuyến đường dây khác.

Hành động ngay: Các đơn vị quản lý vận hành và thiết kế lưới điện cần phối hợp triển khai các giải pháp nghiên cứu để nâng cao an toàn và ổn định cung cấp điện quốc gia.