Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện truyền tải đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo cung cấp điện năng ổn định và liên tục cho sản xuất và sinh hoạt. Tại Việt Nam, đặc biệt khu vực miền Nam, dòng ngắn mạch trong hệ thống truyền tải điện có xu hướng tăng cao do sự phát triển nhanh chóng của các nguồn điện mới và sự liên kết phức tạp của lưới điện. Theo số liệu năm 2017, công suất cực đại khu vực miền Nam đạt khoảng 11.550 MW, chiếm gần 44,3% tổng công suất nguồn điện toàn quốc. Tuy nhiên, dòng ngắn mạch tại một số trạm biến áp như Thủ Đức và Cát Lái đã vượt ngưỡng 40 kA, vượt quá khả năng chịu đựng của thiết bị, gây nguy cơ hư hỏng và mất an toàn vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là giảm giá trị dòng ngắn mạch trong lưới truyền tải điện miền Nam nhằm đảm bảo vận hành an toàn, ổn định và tối ưu chi phí đầu tư, vận hành. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống truyền tải điện 500 kV và 220 kV khu vực miền Nam trong giai đoạn 2017-2018, sử dụng phần mềm mô phỏng PSS/E của Siemens để tính toán và phân tích dòng ngắn mạch tại các nút trọng điểm. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quy hoạch nhằm hạn chế dòng ngắn mạch, góp phần nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị, đồng thời hỗ trợ hoạch định phát triển lưới điện bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết dòng ngắn mạch trong hệ thống điện: Dòng ngắn mạch được xác định theo tổng trở hệ thống nhìn từ điểm ngắn mạch, phụ thuộc vào điện áp vận hành và điện kháng tổng hợp của các thiết bị như máy biến áp, đường dây, máy phát. Dòng ngắn mạch 3 pha đối xứng được tính theo biểu thức $I_{k,0} = \frac{E''}{X_\Sigma}$, trong đó $E''$ là điện áp trước ngắn mạch, $X_\Sigma$ là tổng trở hệ thống.

  • Mô hình điện kháng thứ tự nghịch và không: Các thông số điện kháng thứ tự nghịch (x2) và không (x0) của máy biến áp, máy phát, cáp và đường dây được sử dụng để tính toán dòng ngắn mạch không đối xứng, giúp đánh giá chính xác các dạng sự cố khác nhau.

  • Mô hình cấu hình lưới điện và sơ đồ thay thế: Phân tích ảnh hưởng của cấu hình lưới điện, số lượng đường dây song song, đấu nối nguồn đến tổng trở hệ thống và dòng ngắn mạch. Các sơ đồ thay thế điện kháng song song, nối tiếp được áp dụng để mô phỏng các phương án vận hành và quy hoạch.

  • Tiêu chuẩn và quy định kỹ thuật: Áp dụng các quy định của Bộ Công Thương về giới hạn dòng ngắn mạch cho thiết bị, khả năng cắt của máy cắt, tiêu chuẩn vận hành lưới điện truyền tải.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng dữ liệu thực tế từ Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia (EVNNPT) và Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0) năm 2017, bao gồm thông số kỹ thuật các trạm biến áp, đường dây, công suất nguồn điện, sơ đồ lưới điện miền Nam.

  • Phần mềm mô phỏng: Áp dụng phần mềm PSS/E (Power System Simulator for Engineering) của Siemens để mô phỏng và tính toán dòng ngắn mạch tại các nút 500 kV và 220 kV. PSS/E sử dụng các thuật toán lặp Gauss-Seidel và Newton-Raphson để giải hệ phương trình trào lưu công suất và tính toán dòng ngắn mạch chính xác.

  • Phương pháp phân tích: Thực hiện tính toán dòng ngắn mạch trong các phương án vận hành khác nhau (PA0 - vận hành bình thường, PA1, PA2, PA3 với các giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch). So sánh kết quả dòng ngắn mạch tại các nút trọng điểm để đánh giá hiệu quả các giải pháp.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn 2017-2018, dựa trên dữ liệu và quy hoạch điện lực đã được phê duyệt đến năm 2020, nhằm đề xuất các giải pháp khả thi trong ngắn hạn và trung hạn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Dòng ngắn mạch vượt ngưỡng tại các trạm biến áp 220 kV: Kết quả tính toán năm 2017 cho thấy dòng ngắn mạch tại thanh cái trạm Thủ Đức đạt 40.688 A, vượt ngưỡng 40 kA cho phép, trong khi các trạm 500 kV không có điểm vượt ngưỡng. Một số trạm khác như Cát Lái, Bình Chánh cũng có dòng ngắn mạch gần đạt ngưỡng này.

  2. Ảnh hưởng của cấu hình lưới và số lượng đường dây đấu nối: Các thanh cái có số lượng đường dây đấu nối lớn (8-13 ngăn lộ) như Ô Môn, Long Bình, Long Thành có dòng ngắn mạch cao hơn đáng kể so với các thanh cái có 2-4 ngăn lộ. Mỗi đường dây đấu nối đóng góp khoảng 3-9 kA vào tổng dòng ngắn mạch.

  3. Hiệu quả các giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch: Thay đổi cấu hình vận hành lưới điện (vận hành một mạch các đường dây 220 kV mạch kép), lắp đặt kháng điện hạn dòng tại các ngăn phân đoạn thanh cái, tách thanh cái tại các trạm có dòng ngắn mạch cao giúp giảm dòng ngắn mạch từ 5-15% tùy phương án. Ví dụ, phương án vận hành PA2 với kháng hạn dòng giảm dòng ngắn mạch tại trạm Thủ Đức từ trên 40 kA xuống dưới 38 kA.

  4. Tác động của việc tập trung nguồn và đấu nối song song: Việc tập trung nhiều nguồn điện đấu nối trực tiếp song song vào một nút làm giảm tổng trở hệ thống, tăng dòng ngắn mạch. Giảm số lượng đường dây đấu nối và chuyển đấu nối tại các trạm trung gian giúp tăng tổng trở tương đương, giảm dòng ngắn mạch.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính làm tăng dòng ngắn mạch là do tổng trở hệ thống giảm khi nhiều nguồn điện mới được đưa vào vận hành và cấu hình lưới điện chưa tối ưu. Việc tập trung nhiều đường dây đấu nối vào một thanh cái làm tăng dòng ngắn mạch tổng tại nút đó, gây áp lực lên thiết bị đóng cắt và máy biến áp. Kết quả mô phỏng với PSS/E cho thấy các giải pháp quy hoạch và vận hành có thể giảm dòng ngắn mạch hiệu quả, đồng thời vẫn đảm bảo độ tin cậy và ổn định hệ thống.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng chung về việc sử dụng kháng nối tiếp, thay đổi cấu hình vận hành và nâng cao điện áp truyền tải để hạn chế dòng ngắn mạch. Việc áp dụng phần mềm PSS/E giúp mô phỏng chính xác các phương án, hỗ trợ quyết định đầu tư và vận hành lưới điện hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch tại các trạm biến áp theo từng phương án vận hành, bảng thống kê số lượng đường dây đấu nối và dòng ngắn mạch tương ứng, giúp minh họa rõ ràng tác động của từng giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu quy hoạch lưới điện truyền tải: Giảm số lượng đường dây đấu nối vào một thanh cái xuống còn 2-4 ngăn lộ để hạn chế dòng ngắn mạch. Thực hiện chuyển đấu nối tại các trạm trung gian ra ngoài hàng rào trạm nhằm giảm dòng ngắn mạch trên thanh cái. Chủ thể thực hiện: Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia (EVNNPT). Thời gian: 2-3 năm.

  2. Thay đổi cấu hình vận hành lưới điện: Vận hành một mạch các đường dây 220 kV mạch kép tại các khu vực có dòng ngắn mạch cao, kết hợp lắp đặt kháng điện hạn dòng tại các ngăn phân đoạn thanh cái. Chủ thể: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Nam. Thời gian: triển khai ngay trong 1-2 năm.

  3. Trang bị máy biến áp đầu cực máy phát có trở kháng cao: Đầu tư thay thế hoặc bổ sung máy biến áp có trở kháng cao tại các nhà máy điện lớn để tăng tổng trở hệ thống, giảm dòng ngắn mạch. Chủ thể: Các công ty phát điện và EVNNPT. Thời gian: 3-5 năm.

  4. Chiến lược cắt tuần tự và thay thế thiết bị: Áp dụng chiến lược cắt tuần tự để giảm dòng ngắn mạch từ xa, đồng thời thay thế các thiết bị đóng cắt có khả năng chịu đựng dòng ngắn mạch thấp hơn yêu cầu. Chủ thể: EVNNPT và các đơn vị vận hành trạm biến áp. Thời gian: 1-3 năm.

Các giải pháp cần được phối hợp đồng bộ, cân nhắc chi phí đầu tư và hiệu quả vận hành để đảm bảo an toàn, ổn định và bền vững cho hệ thống truyền tải điện miền Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia ngành điện: Nghiên cứu, vận hành và bảo trì hệ thống truyền tải điện có thể áp dụng các giải pháp kỹ thuật và mô hình tính toán dòng ngắn mạch để nâng cao hiệu quả công tác.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng quy hoạch phát triển lưới điện, chính sách đầu tư và tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp với xu hướng phát triển nguồn điện và lưới điện.

  3. Các công ty phát điện và truyền tải điện: Áp dụng các giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch trong vận hành và đầu tư thiết bị mới nhằm giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị và tăng tuổi thọ hệ thống.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu về tính toán dòng ngắn mạch, mô phỏng hệ thống điện và các giải pháp kỹ thuật trong truyền tải điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Dòng ngắn mạch là gì và tại sao cần hạn chế?
    Dòng ngắn mạch là dòng điện tăng đột ngột khi xảy ra sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện, có thể gây hư hỏng thiết bị và mất an toàn vận hành. Hạn chế dòng ngắn mạch giúp bảo vệ thiết bị, duy trì ổn định hệ thống và giảm chi phí sửa chữa.

  2. Phần mềm PSS/E có vai trò gì trong nghiên cứu?
    PSS/E là công cụ mô phỏng hệ thống điện, giúp tính toán dòng ngắn mạch chính xác tại các nút lưới điện, đánh giá hiệu quả các giải pháp vận hành và quy hoạch, từ đó hỗ trợ quyết định kỹ thuật và đầu tư.

  3. Giải pháp nào hiệu quả nhất để giảm dòng ngắn mạch?
    Quy hoạch lưới điện hợp lý, giảm số lượng đường dây đấu nối vào một thanh cái và thay đổi cấu hình vận hành là giải pháp kinh tế và hiệu quả nhất, kết hợp với lắp đặt kháng hạn dòng và nâng cấp thiết bị.

  4. Tại sao dòng ngắn mạch tại trạm Thủ Đức vượt ngưỡng?
    Do số lượng đường dây đấu nối lớn và tập trung nhiều nguồn điện, tổng trở hệ thống tại nút này giảm mạnh, làm dòng ngắn mạch tăng vượt khả năng chịu đựng của thiết bị.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Các đơn vị vận hành và quản lý lưới điện cần phối hợp triển khai các giải pháp quy hoạch, vận hành và đầu tư thiết bị theo đề xuất, đồng thời cập nhật thường xuyên dữ liệu và mô phỏng để điều chỉnh phù hợp với tình hình thực tế.

Kết luận

  • Dòng ngắn mạch trong hệ thống truyền tải điện miền Nam có xu hướng tăng do phát triển nguồn điện và cấu hình lưới chưa tối ưu, gây áp lực lên thiết bị và an toàn vận hành.
  • Sử dụng phần mềm PSS/E để tính toán dòng ngắn mạch tại các nút 500 kV và 220 kV cho phép đánh giá chính xác và đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp.
  • Các giải pháp chính bao gồm quy hoạch lưới điện hợp lý, thay đổi cấu hình vận hành, lắp đặt kháng hạn dòng và nâng cấp thiết bị đóng cắt.
  • Việc phối hợp đồng bộ các giải pháp sẽ giúp giảm dòng ngắn mạch, nâng cao độ tin cậy và ổn định hệ thống truyền tải điện miền Nam.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và cập nhật dữ liệu để hỗ trợ phát triển lưới điện bền vững trong tương lai.

Đề nghị các đơn vị liên quan nhanh chóng triển khai các giải pháp đã đề xuất nhằm đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả và đáp ứng nhu cầu phát triển điện lực khu vực miền Nam trong giai đoạn tới.