Tổng quan nghiên cứu

Trong vận hành hệ thống điện, hiện tượng ngắn mạch là không thể tránh khỏi và gây ra nhiều ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn và độ tin cậy của lưới điện truyền tải. Theo số liệu năm 2015, công suất cực đại toàn quốc đạt khoảng 24,138 MW, trong đó miền Nam chiếm khoảng 11,550 MW, với sự gia tăng nhanh chóng của các nguồn điện và đường dây truyền tải. Điều này dẫn đến dòng ngắn mạch tại các thanh cái truyền tải ngày càng tăng cao, vượt quá khả năng chịu đựng của các thiết bị bảo vệ, gây ra nguy cơ cháy nổ, hư hỏng thiết bị và gián đoạn cung cấp điện.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất các giải pháp tổng thể nhằm hạn chế dòng ngắn mạch trên lưới truyền tải điện miền Nam Việt Nam trong giai đoạn 2016-2025, đảm bảo dòng ngắn mạch tại các thanh cái không vượt quá giới hạn cho phép của thiết bị bảo vệ. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các cấp điện áp 500kV và 220kV, với dữ liệu thu thập từ hệ thống điện miền Nam, bao gồm các đường dây, trạm biến áp và máy phát điện chính.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy vận hành hệ thống điện, giảm thiểu rủi ro sự cố và tối ưu hóa chi phí đầu tư thiết bị bảo vệ. Các giải pháp đề xuất không chỉ mang tính kỹ thuật mà còn phù hợp với điều kiện kinh tế hiện tại, góp phần định hướng quy hoạch và vận hành lưới điện truyền tải 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 nghiên cứu về dòng ngắn mạch trong hệ thống điện, bao gồm:

  • Lý thuyết dòng ngắn mạch 3 pha đối xứng và bất đối xứng: Phân tích các dạng ngắn mạch phổ biến như ngắn mạch 1 pha chạm đất, 2 pha, 3 pha, trong đó ngắn mạch 3 pha được xem là nguy hiểm nhất do dòng điện ngắn mạch cao nhất. Công thức tính dòng ngắn mạch dựa trên tổng trở hệ thống và điện áp vận hành, thể hiện mối quan hệ tỉ lệ nghịch giữa dòng ngắn mạch và tổng trở hệ thống.

  • Điện kháng thứ tự nghịch và thứ tự không: Xác định các thành phần điện kháng trong máy biến áp, máy phát và các thiết bị truyền tải, ảnh hưởng đến dòng ngắn mạch và khả năng cắt của thiết bị bảo vệ.

  • Mô hình kháng hạn dòng (Current Limiting Reactors - CLR): Phân tích các cấu hình lắp đặt kháng phân đoạn thanh cái và kháng nối tiếp đường dây nhằm tăng tổng trở hệ thống, từ đó giảm dòng ngắn mạch tại các điểm nút.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng ngắn mạch định mức, tổng trở hệ thống, kháng phân đoạn, kháng nối tiếp, và công suất cắt định mức của máy cắt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực tế từ hệ thống điện miền Nam Việt Nam, bao gồm thông số các thanh cái, đường dây, máy phát và trạm biến áp. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống điện truyền tải cấp 500kV và 220kV trong khu vực từ Gia Lai, Bình Thuận trở vào, với hơn 39 thanh cái có dòng ngắn mạch vượt quá giới hạn cho phép.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng dòng ngắn mạch bằng phần mềm Matlab, sử dụng hộp công cụ “Tool power system” để tính toán dòng ngắn mạch tại từng thanh cái và đường dây. Quá trình nghiên cứu gồm các bước:

  1. Xây dựng cấu hình hệ thống điện dựa trên dữ liệu thu thập.
  2. Tính toán dòng ngắn mạch tại các thanh cái và so sánh với giới hạn cho phép.
  3. Đề xuất và mô phỏng các giải pháp lắp kháng phân đoạn và kháng hạn dòng.
  4. Đánh giá hiệu quả giảm dòng ngắn mạch và chi phí đầu tư.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong giai đoạn 2016-2018, tập trung vào phân tích và đề xuất giải pháp cho giai đoạn 2016-2025.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Dòng ngắn mạch vượt quá giới hạn cho phép tại nhiều thanh cái: Kết quả tính toán cho thấy có đến 39 thanh cái trong hệ thống điện miền Nam có dòng ngắn mạch vượt quá dòng định mức thiết bị bảo vệ, với giá trị dòng ngắn mạch lên đến trên 40 kA, trong khi giới hạn cho phép là 40 kA.

  2. Hiệu quả của giải pháp lắp kháng phân đoạn: Việc lắp đặt 68 kháng phân đoạn tại các thanh cái vượt ngưỡng đã giúp giảm dòng ngắn mạch xuống dưới mức cho phép. Ví dụ, dòng ngắn mạch tại thanh cái '5TANDINH' giảm từ 60768 A xuống còn 35318 A, giảm gần 42%.

  3. Giải pháp phối hợp lắp kháng phân đoạn và kháng hạn dòng: Khi áp dụng phối hợp lắp kháng nối tiếp trên các đường dây có dòng ngắn mạch trên 20 kA (với 80 đường dây được lắp kháng) cùng với kháng phân đoạn tại các thanh cái, dòng ngắn mạch tổng thể được kiểm soát hiệu quả hơn, giảm áp lực lên các thiết bị bảo vệ và nâng cao độ ổn định hệ thống.

  4. Giá trị điện kháng tối ưu: Qua phân tích, giá trị điện kháng 7.5 Ω được xác định là tối ưu, giúp giảm dòng ngắn mạch hiệu quả mà không làm tăng chi phí và kích thước thiết bị quá mức. Tăng điện kháng lên 15 Ω chỉ giảm thêm 0.5 kA dòng ngắn mạch nhưng chi phí và kích thước thiết bị tăng gấp đôi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến dòng ngắn mạch tăng cao là do sự phát triển nhanh chóng của nguồn điện và lưới truyền tải, tập trung nhiều đường dây và nguồn vào cùng một thanh cái, làm giảm tổng trở hệ thống. Việc áp dụng các giải pháp quy hoạch lưới điện và thay đổi cấu hình vận hành là cần thiết nhưng khó thực hiện do chi phí và tính khả thi trong hệ thống hiện hữu.

Giải pháp sử dụng các cuộn kháng hạn dòng, đặc biệt là phối hợp giữa kháng phân đoạn và kháng nối tiếp, được chứng minh qua mô phỏng là hiệu quả và phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam. Kết quả mô phỏng cho thấy dòng ngắn mạch được giảm đáng kể, đảm bảo an toàn cho thiết bị bảo vệ và nâng cao độ tin cậy vận hành.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, phương pháp này tương đồng với các giải pháp hạn dòng được áp dụng rộng rãi trên thế giới, đồng thời có sự điều chỉnh phù hợp với đặc thù lưới điện Việt Nam. Việc lựa chọn giá trị điện kháng hợp lý giúp cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí đầu tư, là điểm mới và đóng góp quan trọng của luận văn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch trước và sau khi lắp kháng tại các thanh cái chính, cũng như bảng tổng hợp số lượng thiết bị kháng cần lắp đặt và chi phí tương ứng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt kháng phân đoạn tại các thanh cái có dòng ngắn mạch vượt ngưỡng: Ưu tiên các thanh cái có dòng ngắn mạch trên 40 kA, thực hiện trong vòng 3 năm tới (2019-2021) do các đơn vị quản lý lưới điện truyền tải thực hiện.

  2. Phối hợp lắp kháng nối tiếp trên các đường dây có dòng ngắn mạch lớn hơn 20 kA: Giảm dòng ngắn mạch trên đường dây, hỗ trợ giảm áp lực lên thanh cái, tiến hành song song với việc lắp kháng phân đoạn, đảm bảo hiệu quả tổng thể.

  3. Cập nhật quy hoạch lưới điện truyền tải theo tiêu chí hạn chế dòng ngắn mạch: Giảm số lượng đường dây đấu nối vào một thanh cái, điều chỉnh cấu hình đấu nối phù hợp, thực hiện trong các dự án mở rộng và nâng cấp lưới điện giai đoạn 2020-2025.

  4. Khuyến khích sử dụng máy biến áp và máy phát có trở kháng cao: Đặt ra quy định về giá trị dòng ngắn mạch tối đa mà các nhà máy điện được phép đổ vào hệ thống, nhằm giảm dòng ngắn mạch từ nguồn phát, áp dụng cho các nhà máy mới và nâng cấp thiết bị hiện hữu.

  5. Nâng cao năng lực thiết bị bảo vệ và máy cắt: Thay thế các thiết bị có công suất cắt thấp bằng thiết bị có công suất cắt cao hơn tại các trạm biến áp trọng yếu, đảm bảo an toàn vận hành khi dòng ngắn mạch vẫn còn cao.

Các giải pháp trên cần được phối hợp đồng bộ, có kế hoạch thực hiện rõ ràng, với sự phối hợp giữa các cơ quan quản lý, đơn vị vận hành và các nhà đầu tư.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện truyền tải: Nghiên cứu các giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch để nâng cao độ tin cậy và an toàn vận hành hệ thống.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật, quy hoạch phát triển lưới điện phù hợp với điều kiện thực tế.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về dòng ngắn mạch, phương pháp tính toán và giải pháp kỹ thuật hạn chế dòng ngắn mạch trong hệ thống truyền tải.

  4. Các nhà đầu tư và nhà sản xuất thiết bị điện: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và xu hướng phát triển thiết bị bảo vệ, kháng hạn dòng phù hợp với hệ thống điện Việt Nam.

Luận văn cung cấp kiến thức toàn diện và cập nhật, giúp các đối tượng trên có cơ sở khoa học và thực tiễn để áp dụng và phát triển trong lĩnh vực điện lực.

Câu hỏi thường gặp

  1. Dòng ngắn mạch là gì và tại sao nó nguy hiểm?
    Dòng ngắn mạch là dòng điện tăng đột ngột vượt quá giá trị bình thường do sự cố như chạm đất hoặc chạm pha. Nó nguy hiểm vì có thể làm hỏng thiết bị, gây cháy nổ và gián đoạn cung cấp điện. Ví dụ, dòng ngắn mạch tại thanh cái có thể lên đến trên 40 kA, vượt quá khả năng chịu đựng của máy cắt.

  2. Tại sao dòng ngắn mạch lại tăng theo thời gian?
    Do sự phát triển nhanh chóng của nguồn điện và lưới truyền tải, nhiều đường dây và nguồn điện được đấu nối vào cùng một điểm, làm giảm tổng trở hệ thống và tăng dòng ngắn mạch. Ngoài ra, nâng cấp điện áp và công suất trạm biến áp cũng góp phần làm tăng dòng ngắn mạch.

  3. Kháng phân đoạn và kháng nối tiếp có khác nhau như thế nào?
    Kháng phân đoạn được lắp đặt tại thanh cái để giảm dòng ngắn mạch tổng tại điểm đó, trong khi kháng nối tiếp được lắp trên đường dây để giảm dòng ngắn mạch trên từng nhánh đường dây. Phối hợp cả hai giúp kiểm soát dòng ngắn mạch hiệu quả hơn.

  4. Giá trị điện kháng 7.5 Ω có ý nghĩa gì trong giải pháp hạn dòng?
    Giá trị 7.5 Ω được xác định là tối ưu vì nó giảm dòng ngắn mạch hiệu quả mà không làm tăng chi phí và kích thước thiết bị quá mức. Tăng giá trị điện kháng lên cao hơn không mang lại lợi ích kỹ thuật tương xứng với chi phí tăng.

  5. Giải pháp thay thế thiết bị bảo vệ có ưu điểm và hạn chế gì?
    Ưu điểm là nâng cao khả năng chịu dòng ngắn mạch, đảm bảo an toàn vận hành. Hạn chế là chi phí đầu tư lớn, chỉ phù hợp với các trạm mới hoặc trọng yếu. Do đó, giải pháp này thường được kết hợp với các biện pháp hạn dòng để tối ưu chi phí.

Kết luận

  • Dòng ngắn mạch tại các thanh cái truyền tải miền Nam Việt Nam đang vượt quá giới hạn cho phép, gây nguy cơ an toàn và vận hành.
  • Giải pháp lắp kháng phân đoạn và phối hợp với kháng nối tiếp trên đường dây được chứng minh hiệu quả qua mô phỏng Matlab, giảm dòng ngắn mạch đáng kể.
  • Giá trị điện kháng 7.5 Ω được lựa chọn tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế.
  • Các giải pháp quy hoạch lưới điện và nâng cấp thiết bị bảo vệ cần được phối hợp thực hiện đồng bộ.
  • Nghiên cứu đề xuất lộ trình thực hiện giải pháp trong giai đoạn 2019-2025, góp phần nâng cao độ tin cậy và an toàn hệ thống điện truyền tải.

Để tiếp tục, các đơn vị quản lý và vận hành cần triển khai thử nghiệm thực tế các giải pháp đề xuất, đồng thời cập nhật dữ liệu vận hành để điều chỉnh phương án phù hợp. Mời quý độc giả và chuyên gia ngành điện tham khảo và áp dụng các kết quả nghiên cứu nhằm phát triển hệ thống điện bền vững và hiệu quả.