Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng phóng điện sét là một trong những nguyên nhân chính gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho hệ thống điện, đặc biệt là các trạm biến áp cao thế. Theo ước tính, các sự cố do sét đánh trực tiếp hoặc lan truyền có thể làm hư hỏng thiết bị, gián đoạn cung cấp điện và đe dọa an toàn con người. Trong đó, hệ thống nối đất đóng vai trò then chốt trong việc tản dòng sét vào đất, bảo vệ an toàn cho thiết bị và người vận hành. Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống nối đất chưa tối ưu có thể làm tăng nguy cơ quá điện áp quá độ, gây hư hại nghiêm trọng hơn.

Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng quá độ sét trong hệ thống nối đất của trạm cao thế 110kV Phú Châu, tỉnh An Giang, trong giai đoạn từ năm 2023 đến 2024. Mục tiêu chính là đề xuất và ứng dụng phương pháp số RBF-FDTD (Radial Basis Function - Finite Difference Time Domain) để mô phỏng phân bố điện áp quá độ sét trên hệ thống nối đất, từ đó đánh giá hiệu quả và độ chính xác của phương pháp so với các phương pháp truyền thống. Nghiên cứu cũng nhằm xác định hệ số hình dạng tối ưu c trong phương pháp RBF-FDTD để nâng cao hiệu quả tính toán.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế hệ thống nối đất an toàn, tối ưu chi phí và nâng cao độ tin cậy vận hành các trạm biến áp cao thế tại Việt Nam. Việc mô phỏng chính xác quá độ sét giúp phát hiện điểm yếu trong hệ thống nối đất, từ đó đề xuất các giải pháp bảo vệ phù hợp, giảm thiểu rủi ro 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 sau:

  • Lý thuyết đường dây truyền tải: Mô hình đường dây truyền tải đồng nhất và không đồng nhất được sử dụng để mô phỏng đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất. Mô hình đồng nhất giả định các tham số điện trở, điện cảm, điện dung và điện dẫn trên đơn vị chiều dài là hằng số, trong khi mô hình không đồng nhất cho phép các tham số này thay đổi theo không gian và thời gian, phản ánh chính xác hơn bản chất vật lý của hệ thống.

  • Phương pháp số RBF-FDTD: Kết hợp phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD) với hàm cơ sở xuyên tâm (RBF) để xấp xỉ các đạo hàm không gian. Phương pháp này cải thiện độ chính xác và giảm thời gian tính toán so với FDTD truyền thống. Việc tìm hệ số hình dạng tối ưu c giúp giảm sai số và tăng hiệu quả mô phỏng.

  • Các khái niệm chính: Quá độ sét, hệ thống nối đất, điện áp quá độ, điện trở nối đất, điện trở suất đất, điện áp bước và điện áp tiếp xúc, mô hình đường dây truyền tải, hàm cơ sở xuyên tâm (RBF), phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm và thông số kỹ thuật của hệ thống nối đất trạm biến áp 110kV Phú Châu, tỉnh An Giang; các tài liệu khoa học quốc tế và trong nước về mô hình hệ thống nối đất và phương pháp số.

  • Phương pháp phân tích: Áp dụng phương pháp RBF-FDTD để mô phỏng quá độ sét trên các mô hình hệ thống nối đất khác nhau, bao gồm thanh nối đất dài 20m và 100m, lưới nối đất kích thước 1x1, 2x2, 6x6, và hệ thống nối đất thực tế của trạm 110kV Phú Châu. So sánh kết quả với phương pháp FDTD truyền thống và các kết quả tham khảo từ tài liệu khoa học.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 11/2023, hoàn thành mô phỏng và phân tích vào tháng 4/2024, hoàn thiện luận văn và bảo vệ vào tháng 6/2024.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình số hóa hệ thống nối đất thành các phân đoạn nhỏ (độ dài từ 0,5 đến 2m) để tính toán tham số trên đơn vị dài. Việc chọn mẫu dựa trên cấu trúc thực tế của hệ thống nối đất trạm 110kV Phú Châu và các mô hình chuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của phương pháp RBF-FDTD: Phương pháp RBF-FDTD với hệ số hình dạng tối ưu c giúp giảm thời gian tính toán đáng kể so với phương pháp FDTD truyền thống. Ví dụ, thời gian tìm hệ số c trên thanh nối đất 20m giảm khoảng 30%, đồng thời sai số điện áp quá độ giảm xuống dưới 2%, thể hiện qua các đồ thị so sánh điện áp tại đầu và cuối đường dây.

  2. Mô phỏng quá độ sét trên các mô hình nối đất: Kết quả mô phỏng trên các lưới nối đất 1x1, 2x2, 6x6 cho thấy điện áp quá độ tại vị trí vào lưới tăng theo kích thước lưới, với lưới 6x6 có điện áp quá độ cao hơn khoảng 15% so với lưới 1x1. Phương pháp RBF-FDTD cho kết quả ổn định và chính xác hơn so với FDTD, đặc biệt trong các trường hợp dòng sét đổ bộ vào góc và tâm lưới.

  3. Mô phỏng hệ thống nối đất trạm 110kV Phú Châu: Điện áp quá độ tại vị trí vào của dòng sét khi sét đánh vào góc lưới đạt giá trị cực đại khoảng 9.5kV, thấp hơn giới hạn an toàn 10kV theo quy định. Quá trình lan truyền quá điện áp trên lưới nối đất được mô phỏng chi tiết tại các thời điểm 0µs, 1µs và 2µs, cho thấy sự phân bố điện áp không đồng đều, tập trung tại các vị trí sét đánh vào.

  4. So sánh mô hình đồng nhất và không đồng nhất: Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất cho kết quả mô phỏng chính xác hơn, phản ánh đúng sự thay đổi tham số theo không gian và thời gian, giảm sai số điện áp quá độ khoảng 10% so với mô hình đồng nhất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp phương pháp RBF-FDTD vượt trội là do việc sử dụng hàm cơ sở xuyên tâm để xấp xỉ đạo hàm không gian, kết hợp với phương pháp sai phân hữu hạn cho đạo hàm thời gian, giúp giảm sai số và tăng tốc độ tính toán. Việc tìm hệ số hình dạng tối ưu c mà không cần lời giải chính xác tham khảo là bước đột phá, mở rộng khả năng ứng dụng cho các bài toán thực tế phức tạp.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng của luận văn phù hợp với các báo cáo quốc tế về mô hình đường dây truyền tải và mô phỏng quá độ sét. Việc áp dụng mô hình không đồng nhất giúp phản ánh chính xác hơn các hiện tượng vật lý trong hệ thống nối đất, đặc biệt trong điều kiện đất có điện trở suất thay đổi theo thời tiết.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp quá độ tại các vị trí khác nhau trên hệ thống nối đất, bảng so sánh thời gian tính toán và sai số giữa các phương pháp, cũng như hình ảnh mô phỏng quá trình lan truyền quá điện áp theo thời gian.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi phương pháp RBF-FDTD trong thiết kế hệ thống nối đất: Khuyến nghị các đơn vị quản lý và thiết kế trạm biến áp sử dụng phương pháp RBF-FDTD để mô phỏng quá độ sét, nhằm nâng cao độ chính xác và tiết kiệm thời gian tính toán. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 6-12 tháng.

  2. Tối ưu cấu trúc lưới nối đất dựa trên kết quả mô phỏng: Đề xuất điều chỉnh kích thước và bố trí các thanh nối đất để giảm điện áp quá độ tại các vị trí nhạy cảm, đảm bảo an toàn điện áp bước và điện áp tiếp xúc. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế và vận hành trạm biến áp.

  3. Nâng cao chất lượng dữ liệu điện trở suất đất theo mùa: Khuyến khích thực hiện đo đạc điện trở suất đất định kỳ để cập nhật dữ liệu chính xác, phục vụ cho mô phỏng và thiết kế hệ thống nối đất phù hợp với điều kiện thực tế. Thời gian thực hiện hàng năm, do các đơn vị khảo sát địa chất và điện lực phối hợp thực hiện.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ mô phỏng RBF-FDTD: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư và cán bộ kỹ thuật về phương pháp RBF-FDTD và ứng dụng trong mô phỏng hệ thống nối đất, nhằm nâng cao năng lực chuyên môn và áp dụng hiệu quả trong thực tế. Chủ thể thực hiện là các trường đại học, viện nghiên cứu và các công ty điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện cao thế: Nghiên cứu giúp cải thiện thiết kế hệ thống nối đất, nâng cao độ an toàn và độ tin cậy vận hành trạm biến áp.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật điện: Cung cấp phương pháp mới và kết quả nghiên cứu cập nhật để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  3. Các đơn vị quản lý và quy hoạch điện lực: Hỗ trợ trong việc xây dựng tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật về hệ thống nối đất và bảo vệ chống sét.

  4. Sinh viên ngành kỹ thuật điện và công nghệ thông tin: Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng phương pháp số hiện đại trong mô phỏng kỹ thuật điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp RBF-FDTD khác gì so với FDTD truyền thống?
    Phương pháp RBF-FDTD sử dụng hàm cơ sở xuyên tâm để xấp xỉ đạo hàm không gian, giúp giảm sai số và tăng tốc độ tính toán so với FDTD truyền thống, vốn dùng sai phân hữu hạn cho cả không gian và thời gian.

  2. Làm thế nào để tìm hệ số hình dạng tối ưu c trong RBF-FDTD?
    Luận văn đề xuất một thuật toán tìm hệ số c tối ưu dựa trên sai số cục bộ mà không cần lời giải chính xác tham khảo, giúp tiết kiệm thời gian và tăng khả năng ứng dụng trong thực tế.

  3. Phương pháp này có thể áp dụng cho các hệ thống nối đất khác ngoài trạm 110kV Phú Châu không?
    Có, phương pháp được thiết kế linh hoạt và đã được thử nghiệm trên nhiều mô hình nối đất khác nhau, phù hợp với các trạm biến áp cao áp tại Việt Nam và quốc tế.

  4. Điện áp quá độ sét có ảnh hưởng như thế nào đến an toàn vận hành?
    Điện áp quá độ sét cao có thể gây hư hỏng thiết bị, nguy hiểm cho con người do điện áp bước và điện áp tiếp xúc vượt ngưỡng an toàn. Mô phỏng giúp xác định và giảm thiểu các nguy cơ này.

  5. Thời gian và tài nguyên tính toán của RBF-FDTD so với các phương pháp khác ra sao?
    RBF-FDTD giảm thời gian tính toán khoảng 20-30% so với FDTD truyền thống, đồng thời giảm sai số, nhờ việc chỉ cần tìm một hệ số hình dạng tối ưu và sử dụng ma trận tính toán đơn giản hơn.

Kết luận

  • Đã đề xuất và phát triển thành công phương pháp RBF-FDTD với thuật toán tìm hệ số hình dạng tối ưu c, giúp mô phỏng quá độ sét trên hệ thống nối đất chính xác và hiệu quả hơn.

  • Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất được áp dụng thành công, phản ánh đúng đặc tính vật lý của hệ thống nối đất trong điều kiện thực tế.

  • Kết quả mô phỏng trên hệ thống nối đất trạm 110kV Phú Châu cho thấy điện áp quá độ sét nằm trong giới hạn an toàn, đảm bảo vận hành ổn định.

  • Phương pháp RBF-FDTD có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thiết kế và đánh giá hệ thống nối đất các trạm biến áp cao thế tại Việt Nam.

  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng mô hình cho các hệ thống nối đất phức tạp hơn, đào tạo chuyển giao công nghệ và triển khai thực tế tại các đơn vị điện lực.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị thiết kế và vận hành hệ thống điện nên nghiên cứu và áp dụng phương pháp RBF-FDTD để nâng cao hiệu quả bảo vệ chống sét, đảm bảo an toàn và tối ưu chi phí đầu tư.