Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam với hệ thống lưới truyền tải điện 220kV và 500kV có tổng chiều dài lần lượt khoảng 16.071 km và 7.445 km tính đến năm 2017, trong đó miền Bắc chiếm tỷ trọng lớn nhất với 40,9% và 39,1%. Dây chống sét (DCS) trên các đường dây này cũng có quy mô đáng kể, với tổng chiều dài dây chống sét 220kV khoảng 6.089 km và 500kV khoảng 3.976 km. Tổn thất điện năng trên lưới truyền tải điện trong giai đoạn 2012-2016 dao động từ 1,15% đến 2,88%, trong đó lưới 500kV chiếm tỷ lệ tổn thất cao hơn so với lưới 220kV. Sự cố do sét đánh chiếm tỷ lệ cao, từ 43% đến 77% tổng số sự cố đường dây, tập trung chủ yếu vào mùa mưa từ tháng 4 đến tháng 9 hàng năm, đặc biệt tại các khu vực miền núi phía Bắc với mật độ sét cao.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào đánh giá tình hình tổn thất điện năng trên dây chống sét của các đường dây truyền tải điện 220kV và 500kV, đồng thời đề xuất giải pháp bố trí lại dây chống sét nhằm giảm tổn thất điện năng hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các đường dây truyền tải điện trên toàn quốc, với trọng tâm là các tuyến đường dây có quy mô lớn và mật độ sét cao. Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ giúp giảm tổn thất điện năng, nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện mà còn góp phần hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật về nối đất dây chống sét, từ đó giảm thiểu sự cố do sét gây ra.

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 hiện tượng sét và bảo vệ chống sét trong hệ thống điện cao áp, bao gồm:

  • Lý thuyết nguồn gốc và quá trình phóng điện sét: Sét là hiện tượng phóng điện tia lửa trong không khí với chiều dài trung bình 3-5 km, phát triển trong các đám mây dông. Quá trình phóng điện gồm ba giai đoạn chính: tiên đạo, phóng điện chính và kết thúc, với dòng điện sét có biên độ từ vài kA đến trên vài trăm kA.

  • Mô hình điện hình học về phạm vi bảo vệ dây chống sét: Dựa trên giả thuyết về sự phát triển của kênh tiên đạo và ảnh hưởng của điện trường tại đầu dây chống sét, mô hình xác định phạm vi bảo vệ và hiệu quả của dây chống sét trong việc thu hút sét.

  • Khái niệm về nối đất dây chống sét và tổn thất điện năng: Nối đất dây chống sét một đầu kết hợp khe hở phóng điện giúp giảm dòng cảm ứng và tổn thất điện năng, trong khi nối đất lặp lại tại nhiều điểm làm tăng dòng cảm ứng và tổn thất.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng cảm ứng trên dây chống sét, tổn thất công suất trên dây chống sét, phân đoạn hóa dây chống sét, và cường độ hoạt động sét theo vùng địa lý.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thu thập từ Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia, các báo cáo sự cố đường dây 220kV và 500kV giai đoạn 2011-2016, dữ liệu khí tượng về mật độ và cường độ sét tại các vùng miền, cùng các kết quả đo đạc thực tế về dòng cảm ứng và tổn thất trên dây chống sét.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp tính toán dòng cảm ứng và tổn thất công suất trên dây chống sét dựa trên mô hình điện hình học và lý thuyết phóng điện sét. Phân tích so sánh các phương án nối đất dây chống sét (nối đất một đầu, nối đất lặp lại, phân đoạn hóa) để đánh giá hiệu quả giảm tổn thất điện năng.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu tập trung trên các tuyến đường dây truyền tải điện 220kV và 500kV có quy mô lớn, đi qua các khu vực có mật độ sét cao như miền Bắc và miền Trung. Cỡ mẫu bao gồm hàng nghìn km dây chống sét với các kiểu nối đất khác nhau.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và phân tích dữ liệu từ năm 2011 đến 2017, thực hiện tính toán và mô phỏng các giải pháp trong năm 2017, đề xuất lộ trình thực hiện giải pháp trong giai đoạn tiếp theo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổn thất điện năng trên dây chống sét chiếm từ 0,1% đến 1% công suất truyền tải tùy thuộc vào cấp điện áp, số mạch và bố trí dây dẫn. Ví dụ, tổn thất trên lưới 500kV dao động khoảng 2,88% trong năm 2016, cao hơn so với 1,15% của lưới 220kV.

  2. Phân bố sự cố do sét tập trung chủ yếu từ tháng 4 đến tháng 9, với tỷ lệ sự cố do sét chiếm từ 43% đến 77% tổng số sự cố đường dây. Khu vực miền Bắc có mật độ sét cao nhất, dẫn đến tỷ lệ sự cố cao hơn các vùng khác.

  3. Nối đất dây chống sét một đầu kết hợp khe hở phóng điện giúp giảm dòng cảm ứng và tổn thất điện năng đáng kể. Trong khi đó, nối đất lặp lại tại nhiều điểm làm tăng dòng cảm ứng lên đến 40A, gây tổn thất công suất lớn hơn.

  4. Phân đoạn hóa dây chống sét với chiều dài phân đoạn từ 3 đến 12 km là giải pháp hiệu quả để giảm tổn thất điện năng, đồng thời đảm bảo điện áp trên dây đủ lớn để gây phóng điện khe hở. Chiều dài phân đoạn khoảng 7 km được đề xuất là tối ưu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tổn thất điện năng trên dây chống sét chủ yếu do dòng cảm ứng từ các dây dẫn điện lên dây chống sét, đặc biệt khi dây chống sét được nối đất tại nhiều điểm. Việc phân đoạn hóa dây chống sét làm giảm dòng cảm ứng, từ đó giảm tổn thất công suất. Kết quả tính toán và đo thực tế cho thấy tổn thất có thể giảm từ khoảng 0,5% xuống còn dưới 0,2% công suất truyền tải khi áp dụng phân đoạn hóa hợp lý.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các khuyến cáo về nối đất dây chống sét trong hệ thống truyền tải điện cao áp. Việc áp dụng phân đoạn hóa cần cân nhắc kỹ lưỡng giữa lợi ích giảm tổn thất và yêu cầu kỹ thuật về điện áp phóng điện khe hở.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tổn thất điện năng giữa các phương án nối đất dây chống sét, bảng thống kê sự cố theo tháng và khu vực, cũng như sơ đồ phân đoạn dây chống sét trên các tuyến đường dây 220kV và 500kV.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thực hiện phân đoạn hóa dây chống sét trên các đường dây 220kV và 500kV với chiều dài phân đoạn khoảng 7 km, nhằm giảm dòng cảm ứng và tổn thất điện năng. Thời gian thực hiện trong vòng 3 năm, ưu tiên các tuyến có tổn thất cao và mật độ sét lớn. Chủ thể thực hiện là Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia phối hợp với các công ty truyền tải điện địa phương.

  2. Cập nhật và hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật về nối đất dây chống sét, bao gồm quy định về chiều dài phân đoạn, khe hở phóng điện và tiêu chuẩn tiếp địa. Thời gian đề xuất trong 1-2 năm, do Bộ Công Thương chủ trì phối hợp với các viện nghiên cứu và trường đại học.

  3. Tăng cường công tác kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống tiếp địa chân cột đường dây, đảm bảo tiêu chuẩn về độ sâu chôn, hướng đi và chất lượng tia tiếp địa. Thực hiện định kỳ hàng năm, do các đơn vị vận hành lưới điện chịu trách nhiệm.

  4. Nâng cao năng lực phân tích nguyên nhân sự cố do sét và áp dụng các giải pháp kỹ thuật bổ sung như lắp đặt chống sét van, bổ sung cách điện, nhằm giảm thiểu sự cố và tổn thất. Thời gian triển khai liên tục, phối hợp giữa các đơn vị vận hành và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành lưới điện truyền tải: Nắm bắt kiến thức về tổn thất điện năng trên dây chống sét và các giải pháp giảm thiểu, áp dụng trong quản lý vận hành và bảo trì.

  2. Các nhà thiết kế và tư vấn kỹ thuật hệ thống điện cao áp: Sử dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế hệ thống nối đất dây chống sét hiệu quả, đảm bảo an toàn và giảm tổn thất.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước và ban ngành liên quan đến điện lực: Tham khảo để xây dựng, điều chỉnh các quy chuẩn kỹ thuật và chính sách phát triển lưới điện bền vững.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết sét, bảo vệ chống sét và kỹ thuật nối đất trong hệ thống truyền tải điện cao áp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao tổn thất điện năng trên dây chống sét lại quan trọng?
    Tổn thất trên dây chống sét chiếm từ 0,1% đến 1% công suất truyền tải, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả vận hành lưới điện và chi phí sản xuất điện. Giảm tổn thất giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao độ tin cậy hệ thống.

  2. Phân đoạn hóa dây chống sét là gì và tại sao cần thiết?
    Phân đoạn hóa là việc nối đất dây chống sét tại các điểm cách nhau một khoảng nhất định (3-12 km) thay vì nối đất liên tục. Giải pháp này giảm dòng cảm ứng và tổn thất điện năng, đồng thời đảm bảo điện áp phóng điện khe hở đủ lớn để duy trì chức năng bảo vệ.

  3. Có những phương pháp nối đất dây chống sét nào?
    Có hai phương pháp chính: nối đất một đầu kết hợp khe hở phóng điện và nối đất lặp lại tại nhiều điểm. Nối đất một đầu giúp giảm tổn thất nhưng cần kiểm soát chiều dài phân đoạn; nối đất lặp lại tăng tổn thất nhưng đảm bảo an toàn điện áp.

  4. Tổn thất điện năng trên dây chống sét được tính toán như thế nào?
    Tổn thất được tính dựa trên dòng cảm ứng từ các dây dẫn điện lên dây chống sét, sử dụng mô hình điện hình học và các tham số dòng điện sét, điện trở nối đất, chiều dài dây và bố trí dây dẫn trên cột.

  5. Giải pháp nào giúp giảm sự cố do sét trên đường dây truyền tải?
    Ngoài phân đoạn hóa dây chống sét, các giải pháp bao gồm cải thiện hệ thống tiếp địa chân cột, lắp đặt chống sét van, bổ sung cách điện, vệ sinh định kỳ và nâng cao công tác phân tích nguyên nhân sự cố để xử lý kịp thời.

Kết luận

  • Đánh giá chi tiết tình hình tổn thất điện năng và sự cố do sét trên các đường dây truyền tải điện 220kV và 500kV tại Việt Nam cho thấy tổn thất dây chống sét chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổng tổn thất lưới.

  • Phân đoạn hóa dây chống sét với chiều dài phân đoạn khoảng 7 km là giải pháp hiệu quả để giảm tổn thất điện năng mà vẫn đảm bảo chức năng bảo vệ chống sét.

  • Cần hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật về nối đất dây chống sét và tăng cường công tác kiểm tra, bảo dưỡng hệ thống tiếp địa chân cột.

  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc cải tạo và thiết kế mới hệ thống dây chống sét, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành lưới điện truyền tải.

  • Lộ trình tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm giải pháp phân đoạn hóa, cập nhật quy chuẩn kỹ thuật và đào tạo nhân lực chuyên môn. Mời các đơn vị liên quan phối hợp nghiên cứu và áp dụng để phát huy hiệu quả tối đa.