Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa và nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng tăng, hệ thống lưới điện truyền tải cao áp tại Việt Nam, đặc biệt là lưới 220kV và 500kV, đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo cung cấp điện ổn định và an toàn. Theo ước tính, tổn thất điện năng trên lưới truyền tải chiếm một phần không nhỏ trong tổng tổn thất của hệ thống điện quốc gia, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kinh tế và độ tin cậy vận hành. Một trong những nguyên nhân gây tổn thất là dòng điện cảm ứng chạy trên dây chống sét và dây cáp quang (OPGW) khi được nối đất trực tiếp tại các cột, tạo thành các mạch vòng kín dẫn đến tổn thất năng lượng không mong muốn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất và đánh giá biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới truyền tải 220kV bằng cách tách nối đất trên dây chống sét, đồng thời đảm bảo chức năng bảo vệ chống sét hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các đường dây 220kV mạch kép sử dụng dây chống sét truyền thống (CGW) và dây chống sét kết hợp cáp quang (OPGW) tại Việt Nam, với thời gian nghiên cứu chủ yếu trong giai đoạn trước năm 2018.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả truyền tải điện, giảm chi phí tổn thất năng lượng, đồng thời góp phần bảo vệ an toàn thiết bị và hệ thống thông tin viễn thông tích hợp trên lưới điện. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho các đơn vị quản lý vận hành và thiết kế lưới điện trong việc lựa chọn phương án nối đất dây chống sét phù hợp, góp phần phát triển bền vững hệ thống 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 nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết cảm ứng điện từ và điện dung đường dây cao áp: Phân tích điện trường không đồng nhất giữa dây dẫn và mặt đất, xác định điện dung hệ “dây dẫn - đất” theo các sơ đồ bố trí dây pha (bố trí bất kỳ, nằm ngang, thẳng đứng) và dây phân pha. Công thức Maxwell được sử dụng để tính toán điện tích và điện áp cảm ứng trên dây chống sét.

  • Mô hình dòng điện cảm ứng trên dây chống sét: Bao gồm dòng điện cảm ứng tĩnh điện do điện dung giữa dây pha và dây chống sét, và dòng điện cảm ứng điện từ do dòng tải trên dây pha gây ra. Mô hình mạch kín nối đất dây chống sét tạo ra dòng điện cảm ứng chạy trên dây và xuống đất, gây tổn thất năng lượng.

  • Mô hình mô phỏng bằng phần mềm EMTP (Electro Magnetic Transients Program): Sử dụng để mô phỏng dòng điện và điện áp cảm ứng trên dây chống sét, đánh giá tổn thất điện năng và hiệu quả các phương án nối đất.

Các khái niệm chính bao gồm: dây chống sét truyền thống (CGW), dây chống sét kết hợp cáp quang (OPGW), điện dung đường dây, dòng điện cảm ứng, tổn thất điện năng, nối đất dây chống sét, và kỹ thuật tách nối đất.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế từ các đường dây 220kV mạch kép tại Việt Nam, đặc biệt là tuyến T500 Thường Tín – Hải Dương; dữ liệu kỹ thuật dây dẫn, dây chống sét, thông số nối đất và điều kiện vận hành.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp phương pháp giải tích dựa trên lý thuyết điện trường và dòng điện cảm ứng, cùng với mô phỏng máy tính bằng phần mềm EMTP để tính toán dòng điện cảm ứng, điện áp cảm ứng và tổn thất điện năng trên dây chống sét trong các trường hợp nối đất khác nhau.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2017-2018, bao gồm khảo sát hiện trường, thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình tính toán, mô phỏng và phân tích kết quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Tập trung nghiên cứu trên đường dây 220kV mạch kép có sử dụng dây chống sét CGW và OPGW, lựa chọn các đoạn dây có chiều dài từ 2 đến 10 km, với các điểm nối đất tại cột theo quy định hiện hành.

  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Phương pháp kết hợp giải tích và mô phỏng EMTP cho phép đánh giá chính xác dòng điện cảm ứng và tổn thất điện năng, đồng thời so sánh hiệu quả các phương án nối đất dây chống sét trong điều kiện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Dòng điện cảm ứng và tổn thất điện năng trên dây chống sét nối đất trực tiếp: Kết quả mô phỏng cho thấy dòng điện cảm ứng trên dây OPGW dao động từ khoảng 55,7A đến 70,3A tại các cột, với tổn thất điện năng trên dây OPGW vào khoảng 5÷10×10^4 kWh/100 km đối với đường dây 220kV. Tổn thất này chiếm khoảng 27,5% tổng tổn thất khi sử dụng phương pháp nối đất trực tiếp trên toàn tuyến.

  2. Ảnh hưởng của các phương pháp nối đất dây chống sét: So sánh ba phương án nối đất dây chống sét cho thấy:

    • Phương án 1 (OPGW nối đất tại mỗi cột, CGW cách điện và nối đất một đầu) có tổn thất năng lượng cao, điện áp cảm ứng cực đại lên đến 760,87V, dòng điện cảm ứng qua cột lớn (16,71A).
    • Phương án 2 (cả hai dây nối đất tại mỗi cột) giảm tổn thất xuống còn khoảng 6,59×10^4 kWh/km nhưng điện áp cảm ứng vẫn cao, khoảng 2600V tại đầu cách điện.
    • Phương án 3 (cả hai dây cách điện và nối đất một đầu) loại bỏ tổn thất điện năng trên dây chống sét nhưng điện áp cảm ứng tăng rất cao, không phù hợp cho đường dây dài.

  3. Hiệu quả của giải pháp tách nối đất dây chống sét: Việc tách nối đất tại các điểm cột, giữ nối đất trực tiếp tại 2-3 km đầu và cuối tuyến, đồng thời sử dụng khe hở mỏ phóng để nối đất tại các điểm còn lại, giúp giảm đáng kể dòng điện cảm ứng và tổn thất điện năng trên dây chống sét. Mô phỏng cho thấy tổn thất giảm khoảng 20-30% so với nối đất trực tiếp toàn tuyến.

  4. Ảnh hưởng đến suất cắt và an toàn vận hành: Sau khi tách nối đất, tính toán dòng ngắn mạch và suất cắt cho thấy không làm giảm khả năng bảo vệ chống sét và an toàn vận hành của đường dây 220kV. Điện áp cảm ứng được kiểm soát ở mức an toàn, giảm nguy cơ phát sinh sự cố do điện áp cao trên dây chống sét.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tổn thất điện năng chủ yếu do dòng điện cảm ứng chạy trên dây chống sét khi nối đất trực tiếp tại mỗi cột tạo thành mạch vòng kín, gây dòng điện cảm ứng lớn và tổn thất năng lượng. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế tại tuyến 220kV T500 Thường Tín – Hải Dương cho thấy sự phù hợp giữa mô hình và thực tế với sai số dưới 6%, khẳng định độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tổn thất và điện áp cảm ứng tương đồng với các báo cáo về đường dây 500kV và 765kV, tuy nhiên việc áp dụng giải pháp tách nối đất phù hợp với điều kiện kỹ thuật và quy chuẩn Việt Nam là điểm mới và có tính ứng dụng cao.

Việc tách nối đất không chỉ giảm tổn thất điện năng mà còn hạn chế điện áp cảm ứng cao trên dây chống sét, giảm nguy cơ hư hỏng thiết bị và tăng tuổi thọ hệ thống. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố dòng điện cảm ứng và tổn thất điện năng theo từng phương án nối đất, giúp trực quan hóa hiệu quả giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thực hiện tách nối đất dây chống sét trên các đường dây 220kV: Áp dụng giải pháp tách nối đất tại các cột giữa tuyến, giữ nối đất trực tiếp tại 2-3 km đầu và cuối tuyến để đảm bảo an toàn thiết bị. Mục tiêu giảm tổn thất điện năng ít nhất 20% trong vòng 1 năm. Chủ thể thực hiện: các đơn vị quản lý vận hành lưới điện.

  2. Sử dụng khe hở mỏ phóng để nối đất dây chống sét tại các điểm tách nối đất: Giải pháp này giúp ngăn chặn dòng điện cảm ứng chạy qua mạch vòng kín, giảm tổn thất và điện áp cảm ứng. Thời gian triển khai trong 6 tháng sau khi hoàn thành khảo sát kỹ thuật. Chủ thể: các nhà thầu thi công và bảo trì lưới điện.

  3. Đầu tư nâng cấp hệ thống đo đạc và giám sát dòng điện cảm ứng trên dây chống sét: Lắp đặt thiết bị đo tại các cột trọng điểm để theo dõi dòng điện cảm ứng và đánh giá hiệu quả giải pháp tách nối đất liên tục. Mục tiêu hoàn thành trong 1 năm. Chủ thể: Trung tâm điều độ và các đơn vị kỹ thuật.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ kỹ thuật về kỹ thuật tách nối đất và quản lý tổn thất điện năng: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu, cập nhật kiến thức mới về kỹ thuật nối đất dây chống sét và mô phỏng EMTP. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm. Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và các công ty điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên viên vận hành lưới điện truyền tải: Nắm bắt kiến thức về tổn thất điện năng do dây chống sét và giải pháp tách nối đất để áp dụng trong quản lý vận hành, giảm thiểu tổn thất và sự cố.

  2. Các nhà thiết kế và tư vấn kỹ thuật hệ thống điện: Sử dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế hệ thống nối đất dây chống sét tối ưu, đảm bảo an toàn và hiệu quả truyền tải điện.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo phương pháp tính toán, mô phỏng và phân tích tổn thất điện năng trên lưới truyền tải, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và luận văn.

  4. Các đơn vị quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Đánh giá tác động của tổn thất điện năng trên lưới truyền tải và xây dựng các chính sách hỗ trợ đầu tư công nghệ giảm tổn thất, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải tách nối đất dây chống sét trên lưới truyền tải 220kV?
    Dây chống sét nối đất trực tiếp tại mỗi cột tạo thành mạch vòng kín, gây dòng điện cảm ứng lớn chạy trên dây và xuống đất, dẫn đến tổn thất điện năng không mong muốn. Tách nối đất giúp phá vỡ mạch vòng này, giảm tổn thất và điện áp cảm ứng.

  2. Giải pháp tách nối đất có ảnh hưởng đến an toàn vận hành không?
    Nghiên cứu cho thấy tách nối đất đúng cách không làm giảm khả năng bảo vệ chống sét và an toàn vận hành. Việc giữ nối đất trực tiếp tại đầu tuyến và sử dụng khe hở mỏ phóng giúp kiểm soát điện áp cảm ứng ở mức an toàn.

  3. Phương pháp mô phỏng EMTP có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    EMTP cho phép mô phỏng chính xác dòng điện và điện áp cảm ứng trên dây chống sét trong các điều kiện nối đất khác nhau, giúp đánh giá hiệu quả các phương án giảm tổn thất điện năng một cách tin cậy và thực tiễn.

  4. Tổn thất điện năng do dây chống sét chiếm tỷ lệ bao nhiêu trong tổng tổn thất lưới?
    Theo mô phỏng, tổn thất trên dây chống sét có thể chiếm khoảng 5-10% tổng tổn thất trên tuyến 220kV, tương đương hàng chục nghìn kWh mỗi năm trên 100 km đường dây, là con số đáng kể cần được giảm thiểu.

  5. Có thể áp dụng giải pháp tách nối đất cho các lưới điện có điện áp cao hơn không?
    Giải pháp có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các lưới điện 500kV hoặc cao hơn, tuy nhiên cần nghiên cứu kỹ lưỡng về đặc tính điện trường và dòng cảm ứng riêng biệt của từng cấp điện áp để đảm bảo hiệu quả và an toàn.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định rõ nguyên nhân tổn thất điện năng trên lưới truyền tải 220kV do dòng điện cảm ứng trên dây chống sét nối đất trực tiếp tại mỗi cột.
  • Phương pháp tách nối đất dây chống sét được đề xuất và mô phỏng bằng phần mềm EMTP cho thấy hiệu quả giảm tổn thất điện năng từ 20-30%.
  • Giải pháp tách nối đất không làm giảm khả năng bảo vệ chống sét và đảm bảo an toàn vận hành hệ thống.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho các đơn vị vận hành và thiết kế lưới điện trong việc tối ưu hóa hệ thống nối đất dây chống sét.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thí điểm giải pháp tách nối đất trên các tuyến đường dây 220kV trọng điểm và mở rộng nghiên cứu cho các cấp điện áp cao hơn.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị quản lý vận hành lưới điện nên xem xét áp dụng giải pháp tách nối đất dây chống sét để giảm tổn thất điện năng, đồng thời phối hợp với các viện nghiên cứu để tiếp tục hoàn thiện và mở rộng ứng dụng kỹ thuật này.