Tổng quan nghiên cứu

Trong cơ cấu vận hành của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, tổng mức tổn thất điện năng toàn hệ thống chiếm khoảng 7% đến 8% tổng sản lượng điện sản xuất, trong đó tổn thất trên lưới điện phân phối chiếm tỷ trọng từ 3% đến 4%. Tại khu vực Tây Nam Bộ, Công ty Điện lực Cà Mau đã nỗ lực hạ tỷ lệ tổn thất kỹ thuật xuống xấp xỉ 6%, riêng địa bàn Thành phố Cà Mau ghi nhận bước tiến nổi bật khi đưa tỷ lệ tổn thất về mức 3,37% vào năm 2017. Mặc dù vậy, khoảng cách giữa tổn thất thực tế và tổn thất lý thuyết tính toán vẫn còn tồn tại một chênh lệch đáng kể lên tới 1,62%, tương đương lượng điện năng thất thoát 7.929.759 kWh trong năm 2017.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn xuất phát từ điều kiện tự nhiên đặc thù của Tỉnh Cà Mau với môi trường khí hậu nhiệt đới gió mùa ven biển và độ nhiễm mặn cao. Môi trường xâm thực mặn khiến các tuyến dây dẫn trên không vận hành lâu năm bị oxy hóa bề mặt nghiêm trọng, làm gia tăng trị số điện trở thực tế so với định mức ban đầu của nhà sản xuất. Đây là nguyên nhân trực tiếp dẫn tới gia tăng phát nóng và tổn thất công suất tác dụng trên đường dây.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài là khảo sát toàn diện hiện trạng lưới điện phân phối, đo đạc thông số nội trở của các chủng loại dây dẫn vận hành trên 10 năm thu hồi từ thực tế, đồng thời ứng dụng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng dòng công suất. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào 10 xuất tuyến trung thế 22 kV và 685 trạm biến áp phân phối thuộc quyền quản lý của Điện lực Thành phố Cà Mau trong giai đoạn 2017–2018. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc định lượng tổn thất kinh tế với mức tổn thất thương mại và kỹ thuật chênh lệch tương đương 13.960.102.827 đồng mỗi năm, tạo tiền đề xây dựng kế hoạch cải tạo lưới điện tối ưu về mặt kinh tế và kỹ thuật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng lý thuyết tổng thể về tổn thất điện năng trong hệ thống cung cấp điện, phân định rạch ròi giữa tổn thất kỹ thuật và tổn thất phi kỹ thuật. Tổn thất kỹ thuật phát sinh từ sự tiêu hao công suất tác dụng và công suất phản kháng trên các phần tử dẫn điện và biến đổi điện áp theo định luật Joule-Lenz. Công thức tích phân năng lượng tiêu hao xác định tổn thất điện năng phụ thuộc trực tiếp vào điện trở dây dẫn và bình phương dòng điện phụ tải biến thiên theo thời gian.

Nghiên cứu ứng dụng và so sánh các phương pháp tính toán tổn thất truyền thống, bao gồm phương pháp bậc thang hóa đồ thị phụ tải, phương pháp thời gian tổn thất công suất lớn nhất, phương pháp hai đường thẳng và phương pháp hệ số tổn thất công suất. Mô hình toán học về hệ số tổn thất công suất kết hợp với hệ số phụ tải và hệ số hình dáng lưới điện được lựa chọn làm nền tảng tính toán lý thuyết.

Ba khái niệm cốt lõi được chuẩn hóa trong nghiên cứu gồm:

  1. Điện trở suất và suất điện trở tác dụng của dây dẫn nhôm lõi thép dưới tác động của quá trình oxy hóa môi trường.
  2. Tổn thất không tải và tổn thất ngắn mạch trong máy biến áp phân phối.
  3. Tổn thất thương mại phát sinh từ sai số đo đếm, chu kỳ kiểm định thiết bị đo (định kỳ 5 năm đối với công tơ 1 pha và 2 năm đối với công tơ 3 pha) cùng hiện tượng vi phạm sử dụng điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được tổng hợp từ báo cáo vận hành kỹ thuật và kinh doanh năm 2017 của Điện lực Thành phố Cà Mau, với tổng điện năng nhận đầu nguồn là 489,49 triệu kWh và sản lượng điện tiêu thụ thương phẩm đạt 472,95 triệu kWh.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 10 phát tuyến trung thế 22 kV với tổng chiều dài 610.363 mét dây dẫn và 685 trạm biến áp phân phối có tổng công suất đặt 59.790 kVA. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp điều tra toàn bộ đối với lưới điện trung thế và chọn mẫu ngẫu nhiên thực nghiệm đối với 11 chủng loại dây dẫn thu hồi đã vận hành trên 10 năm (từ tiết diện AC-50 đến AC-240) tại kho bãi để tiến hành đo đạc chính xác thông số điện trở thực tế.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng bằng phần mềm PSS/ADEPT là khả năng phân tích trào lưu công suất chính xác trên lưới điện phân phối hình tia phân nhánh phức tạp, cho phép tích hợp trực tiếp thông số điện trở suy giảm sau 10 năm vận hành. Phương pháp phân tích kinh tế kỹ thuật được tiến hành dựa trên suất vốn đầu tư xây dựng và cải tạo đường dây tải điện theo Quyết định số 706/QĐ-BXD ngày 30/6/2017 của Bộ Xây dựng, giúp xác định chính xác thời gian hoàn vốn đầu tư. Timeline nghiên cứu và thu thập số liệu thực địa được thực hiện liên tục trong chu kỳ 12 tháng của năm 2017 và hoàn thiện phân tích vào quý 3 năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả tính toán mô phỏng lý thuyết bằng phần mềm PSS/ADEPT chỉ ra tổng mức tổn thất điện năng toàn lưới năm 2017 là 1,75% (tương đương 8,57 triệu kWh), trong khi tổn thất thực tế ghi nhận qua hệ thống đo đếm thương phẩm là 3,37% (tương đương 16,54 triệu kWh). Độ chênh lệch tổn thất giữa thực tế và lý thuyết lên tới 1,62%, gây lãng phí 7.929.759 kWh, tương đương giá trị tài chính hơn 13,96 tỷ đồng theo đơn giá điện bình quân 1.760,47 đồng/kWh.

Thứ hai, mức độ xuống cấp và lão hóa của hạ tầng lưới điện phân phối tại Thành phố Cà Mau ở mức rất cao. Tổng hợp số liệu cho thấy trong tổng số 610.363 mét dây dẫn trung thế 22 kV đang vận hành, có đến 431.342 mét (chiếm tỷ lệ 70,67%) là dây dẫn đã vận hành trên 10 năm. Tương tự, trong 931 máy biến áp phân phối đang vận hành, có 492 máy (chiếm 52,85% tổng số máy) đã vận hành vượt mốc 10 năm.

Thứ ba, thực nghiệm đo điện trở trên các mẫu dây dẫn thu hồi vận hành trên 10 năm cho thấy trị số điện trở thực tế tăng đột biến so với định mức ban đầu của nhà sản xuất. Cụ thể, dây AC-50 có điện trở định mức 0,641 Ohm/km đã tăng lên 0,94 Ohm/km (tăng 46,65%), dây AC-240 có điện trở định mức 0,13 Ohm/km tăng lên 0,26 Ohm/km (tăng 100%), và dây AC-95 tăng từ 0,32 Ohm/km lên mức 0,59 đến 0,94 Ohm/km.

Thứ tư, tỷ lệ tổn thất phân bố không đồng đều giữa các xuất tuyến. Các xuất tuyến nông thôn có bán kính cấp điện dài ghi nhận tỷ lệ tổn thất rất cao, tiêu biểu như tuyến 472AX từ trạm 110 kV An Xuyên đạt tỷ lệ tổn thất thực tế 4,92% (tổn thất lý thuyết 4,56%), tuyến 474T đạt 4,49% và tuyến 473T đạt 4,44%. Ngược lại, các xuất tuyến khu vực trung tâm đô thị như 476T chỉ có tỷ lệ tổn thất thực tế 1,46%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến sự chênh lệch lớn giữa lý thuyết thiết kế và thực tế vận hành nằm ở sự suy giảm chất lượng vật liệu dẫn điện dưới tác động khắc nghiệt của thổ nhưỡng và khí hậu vùng ven biển Cà Mau. Nồng độ muối trong không khí kết hợp độ ẩm cao đẩy nhanh tốc độ ăn mòn điện hóa giữa các tao nhôm và lõi thép, làm tăng điện trở tiếp xúc nội tại của dây dẫn. Khi thông số điện trở tăng từ 46% đến 100%, tổn hao nhiệt Joule trên đường dây trung thế thực tế tăng thêm 0,87% so với tính toán theo dây cũ, và tăng 1,03% so với tính toán theo dây tiêu chuẩn mới.

Dữ liệu phân tích tổn thất theo từng xuất tuyến có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua biểu đồ cột ghép so sánh song song giữa tỷ lệ tổn thất lý thuyết và tổn thất thực tế của 10 phát tuyến, kết hợp biểu đồ tròn thể hiện cơ cấu 70,67% chiều dài đường dây trung thế đã vận hành trên 10 năm. So với các công trình nghiên cứu lưới điện tại các tỉnh đồng bằng nội địa vốn thường giả định thông số dây dẫn cố định theo catalog, phát hiện của luận văn khẳng định tính cấp thiết phải đưa hệ số suy giảm cơ lý của dây dẫn vận hành trên 10 năm vào bài toán tối ưu hóa lưới điện ven biển.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, thực hiện thay thế và nâng cấp đồng loạt 431.342 mét đường dây trung thế 22 kV đã vận hành trên 10 năm bằng các loại dây bọc hoặc dây nhôm lõi thép có mỡ trung tính chống ăn mòn chuyên dụng (ACX, AsXV) với tiết diện tối ưu từ 95 mm2 đến 240 mm2. Mục tiêu đặt ra là kéo giảm tỷ lệ tổn thất trên lưới trung thế từ 0,87% đến 1,03%, tương đương mức tiết kiệm hơn 4,26 triệu kWh mỗi năm. Kế hoạch được phân kỳ thực hiện trong giai đoạn 2019–2022, do Ban Quản lý Dự án và Phòng Kỹ thuật Công ty Điện lực Cà Mau làm đầu mối triển khai.

Thứ hai, hoán chuyển và tái cấu trúc vận hành cho 492 máy biến áp phân phối đã vận hành trên 10 năm. Tiến hành đo tải định kỳ hàng tháng để thực hiện cân pha đối với các trạm biến áp có dòng điện trung tính vượt quá 15% dòng điện trung bình các pha, thay thế triệt để các máy biến áp non tải hoặc thường xuyên vận hành quá tải bằng các dòng máy biến áp hiệu suất cao Amorphous có tổn thất không tải thấp. Mục tiêu là giảm 0,2% đến 0,3% tổn thất kỹ thuật tại trạm, lộ trình hoàn thành theo từng quý do Đội Quản lý Vận hành lưới điện phụ trách.

Thứ ba, tối ưu hóa công suất phản kháng bằng việc lắp đặt bổ sung các bộ tụ bù trung thế và hạ thế tự động điều khiển theo thời gian và điện áp tại các nút tải xa nguồn, duy trì hệ số công suất cos phi toàn tuyến đạt từ 0,95 trở lên. Giải pháp này giúp triệt tiêu dòng công suất phản kháng chạy trên đường dây, giảm bán kính cấp điện hiệu dụng trong giai đoạn 2019–2020 dưới sự giám sát của Phòng Điều độ.

Thứ tư, hiện đại hóa hệ thống đo đếm và chống tổn thất thương mại thông qua việc chuyển đổi 100% công tơ cơ khí sang công tơ điện tử có chức năng đo xa tự động cho các khách hàng lớn và trạm biến áp công cộng. Duy trì nghiêm ngặt chu kỳ kiểm định định kỳ (5 năm đối với công tơ 1 pha, 2 năm đối với công tơ 3 pha) và lắp đặt hệ thống công tơ đo đếm ranh giới giữa các phát tuyến nhằm khoanh vùng chính xác các điểm rò rỉ điện năng, do Phòng Kinh doanh chủ trì thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư quản lý và vận hành lưới điện phân phối: Cán bộ kỹ thuật tại các Công ty Điện lực khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và các tỉnh ven biển có thể ứng dụng trực tiếp quy trình đo đạc nội trở thực nghiệm và phương pháp khoanh vùng xuất tuyến có tổn thất cao để tối ưu hóa phương thức cấp điện hàng ngày.
  2. Chuyên gia quy hoạch và thiết kế hệ thống điện: Luận văn cung cấp hệ số suy giảm chất lượng vật liệu dẫn điện thực tế theo thời gian vận hành trong môi trường nhiễm mặn, giúp các kỹ sư thiết kế lựa chọn chủng loại dây cáp và tính toán tiết diện dây dẫn dự phòng chính xác hơn trong các dự án đầu tư mới.
  3. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điện: Tài liệu là một ca nghiên cứu điển hình về phương pháp kết hợp giữa khảo sát thực địa, đo kiểm thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và mô phỏng số trên phần mềm chuyên ngành PSS/ADEPT để giải quyết bài toán cân bằng năng lượng và giảm tổn thất công suất.
  4. Ban Quản lý dự án và các nhà quản lý tài chính doanh nghiệp điện lực: Cung cấp phương pháp luận và bảng biểu chi tiết về việc tính toán suất đầu tư xây dựng, phân tích chi phí - lợi ích và thời gian thu hồi vốn đầu tư cải tạo lưới điện dựa trên lượng điện năng tiết kiệm được theo các quy định hiện hành của Bộ Xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao điện trở thực tế của dây dẫn sau 10 năm vận hành tại Cà Mau lại tăng cao so với thông số định mức? Môi trường khí hậu Cà Mau có độ ẩm cao và hàm lượng muối biển lớn, dẫn đến hiện tượng oxy hóa mạnh các tao dây nhôm và ăn mòn lõi thép bên trong. Sự ăn mòn làm giảm tiết diện dẫn điện hiệu dụng và tăng điện trở tiếp xúc giữa các tao dây, khiến suất điện trở thực tế của dây dẫn như AC-50 tăng tới 46,65% và AC-240 tăng 100% so với thông số ban đầu.

  2. Phần mềm PSS/ADEPT hỗ trợ giải quyết vấn đề gì trong công trình nghiên cứu này? Phần mềm PSS/ADEPT đóng vai trò là công cụ tính toán mô phỏng trào lưu công suất và tổn thất điện năng cho toàn bộ 10 phát tuyến 22 kV của Điện lực Thành phố Cà Mau. Phần mềm cho phép nhập thông số điện trở thực tế đã suy giảm sau 10 năm để đánh giá chính xác mức độ ảnh hưởng của dây dẫn cũ lên tổn thất kỹ thuật của hệ thống.

  3. Chênh lệch tổn thất 1,62% giữa lý thuyết và thực tế năm 2017 có ý nghĩa kinh tế như thế nào? Mức chênh lệch 1,62% tương ứng với sản lượng điện năng tổn thất chênh lệch là 7.929.759 kWh trong năm 2017. Với giá bán điện bình quân thời điểm đó là 1.760,47 đồng/kWh, lượng điện năng tổn thất này gây thiệt hại tài chính khoảng 13,96 tỷ đồng, khẳng định việc đầu tư vốn cải tạo đường dây cũ mang lại giá trị hoàn vốn kinh tế rất lớn.

  4. Giải pháp thay thế dây dẫn vận hành trên 10 năm của lưới điện trung thế mang lại hiệu quả gì? Việc thay mới 431.342 mét dây dẫn trung thế vận hành trên 10 năm giúp đưa điện trở đường dây về giá trị tiêu chuẩn, làm giảm tổn thất điện năng trên lưới trung thế khoảng 0,87% đến 1,03% (tương đương 4,26 đến 5,04 triệu kWh/năm), giúp thu hồi vốn đầu tư nhanh chóng thông qua việc cắt giảm chi phí thất thoát điện năng.

  5. Luận văn phân biệt nguyên nhân giữa tổn thất kỹ thuật và tổn thất thương mại ra sao? Tổn thất kỹ thuật phát sinh thuần túy do hiệu ứng nhiệt trên dây dẫn, máy biến áp và tình trạng lệch pha tải. Trong khi đó, tổn thất thương mại xuất phát từ sai số thiết bị đo đếm quá hạn kiểm định, sai lệch thời gian ghi chỉ số công tơ và hành vi lấy cắp điện, đòi hỏi phải xử lý kết hợp giữa giải pháp công nghệ đo xa và thanh tra kiểm tra.

Kết luận

  • Luận văn đã hoàn thành việc khảo sát và đánh giá toàn diện hiện trạng kỹ thuật của 10 phát tuyến trung thế 22 kV dài 373,81 km và 685 trạm biến áp phân phối tại Thành phố Cà Mau.
  • Định lượng chính xác sự gia tăng điện trở của 11 loại dây dẫn nhôm lõi thép vận hành trên 10 năm dưới tác động của môi trường khí hậu ven biển nhiễm mặn, với mức tăng từ 46% đến 100%.
  • Làm rõ nguyên nhân gây ra mức chênh lệch tổn thất điện năng thực tế 3,37% so với lý thuyết 1,75% trong năm 2017, tương đương giá trị thất thoát hơn 13,96 tỷ đồng.
  • Xây dựng phương án kinh tế kỹ thuật chi tiết nhằm cải tạo và thay thế 431.342 mét dây dẫn trung thế lão hóa cùng 492 máy biến áp vận hành trên 10 năm.
  • Cung cấp mô hình tính toán tối ưu hóa lưới điện phân phối có tính đến hệ số suy giảm vật liệu dẫn điện theo thời gian thực tế vận hành.

Lộ trình triển khai các giải pháp tiếp theo cần được hoàn thành trong giai đoạn 2019–2023, ưu tiên cải tạo dứt điểm các xuất tuyến có tổn thất cao như 472AX, 474T và 473T. Các đơn vị quản lý vận hành lưới điện phân phối tại các khu vực ven biển cần khẩn trương áp dụng phương pháp luận của đề tài để rà soát tuổi thọ đường dây, chủ động lập kế hoạch đầu tư thay thế nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện vững chắc.