Luận Văn Thạc Sĩ: Đánh Giá Hệ Thống Bảo Vệ Quá Điện Áp Nội Bộ Trạm Biến Áp 220kV Thái Nguyên

Các nguyên nhân gây ra quá điện áp nội bộ rất đa dạng. Thao tác đóng cắt điện, giải trừ và khắc phục sự cố, đóng cắt điện theo kế hoạch, tự động đóng lại (TĐL) đều có thể gây ra quá điện áp. Ngoài ra, quá điện áp khí quyển do sét đánh cũng là một nguyên nhân quan trọng. Tuy nhiên, quá điện áp nội bộ thường khó nhận biết hơn và ít được nhắc đến trong các nhật ký vận hành khi ghi về các nguyên nhân sự cố. Hệ thống điện được xem như một tổng thể gồm các phần tử R, L, C hình thành mạch dao động. Khi trong hệ thống điện có các tác động làm thay đổi chế độ làm việc mới gây ra sự dao động năng lượng điện từ mà hậu quả của nó là gây ra quá điện áp nội bộ trong hệ thống điện.

Quá điện áp nội bộ có thể được phân loại dựa trên nguồn gốc và đặc điểm của chúng. Có quá điện áp thao tác phát sinh từ các thao tác đóng cắt, và quá điện áp tạm thời (TOV) kéo dài trong một khoảng thời gian ngắn. Mỗi loại quá điện áp này có thể gây ra những tác động khác nhau lên thiết bị điện. Việc phân loại giúp xác định các biện pháp bảo vệ phù hợp. Theo tài liệu gốc, quá điện áp nội bộ được phát sinh và duy trì dưới tác dụng của nguồn xoay chiều, thường khó nhận biết và phát hiện vỡ trong các nhật ký vận hành khi ghi về các nguyên nhân sự cố thì quá điện áp nội bộ không được nhắc tới trong các nguyên nhân liệt kê.

Trạm biến áp 220kV Thái Nguyên đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp điện cho khu vực miền Bắc. Nhiệm vụ chính của trạm là cung cấp điện cho khu công nghiệp Gang Thép Thái Nguyên, khu công nghiệp Sông Công và cho các nhu cầu kinh tế, chính trị, dân sinh các tỉnh phía Bắc như: Bắc Giang, Cao Bằng, Bắc Cạn, Tuyên Quang, Hà Giang,… Do đó, việc đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của trạm là vô cùng quan trọng. Bất kỳ sự cố nào xảy ra tại trạm đều có thể gây ảnh hưởng lớn đến việc cung cấp điện cho khu vực.

Vị trí địa lý của trạm biến áp 220kV Thái Nguyên, nằm trong khu vực miền núi có mật độ sét cao, làm tăng nguy cơ quá điện áp khí quyển. Bên cạnh đó, hệ thống đường dây phân phối phụ tải 35 kV dài và cũ nát cũng góp phần làm tăng suất sự cố. Các sự cố này thường kèm theo dòng điện tăng lên khá cao và điện áp giảm thấp, gây hư hỏng thiết bị và có thể làm mất ổn định hệ thống. Các chế độ làm việc không bình thường làm cho điện áp và tần số lệch khỏi giới hạn cho phép.

Chống sét van là thiết bị quan trọng nhất trong hệ thống bảo vệ quá điện áp. Chức năng chính của chống sét van là hạn chế biên độ quá điện áp bằng cách dẫn dòng điện quá áp xuống đất. Khi điện áp vượt quá ngưỡng cho phép, chống sét van sẽ chuyển sang trạng thái dẫn điện, tạo đường dẫn cho dòng điện quá áp và bảo vệ các thiết bị khác khỏi bị hư hỏng. Sau khi điện áp trở lại bình thường, chống sét van sẽ tự động trở về trạng thái cách điện.

Việc kiểm tra và đánh giá thông số kỹ thuật của chống sét van là rất quan trọng để đảm bảo khả năng bảo vệ hiệu quả. Các thông số cần kiểm tra bao gồm điện áp định mức, dòng điện xả định mức, điện áp dư, và khả năng chịu đựng xung sét. Các thông số này cần phải phù hợp với cấp điện áp và đặc điểm của hệ thống điện. Ngoài ra, cần kiểm tra tình trạng vật lý của chống sét van để phát hiện các dấu hiệu hư hỏng như nứt vỡ, rò rỉ.

ATP-EMTP (Alternative Transients Program - Electromagnetic Transients Program) là một phần mềm mô phỏng mạnh mẽ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Phần mềm này cho phép mô phỏng các quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện, bao gồm quá điện áp, quá dòng, và các hiện tượng chuyển mạch. ATP-EMTP có khả năng mô phỏng các hệ thống phức tạp với độ chính xác cao, giúp các kỹ sư điện phân tích và thiết kế hệ thống điện một cách hiệu quả.

Để mô phỏng quá điện áp trong trạm biến áp 220kV bằng ATP-EMTP, cần xây dựng một mô hình chi tiết của trạm. Mô hình này bao gồm các thành phần chính như máy biến áp, đường dây, máy cắt, chống sét van, và các thiết bị bảo vệ khác. Các thông số kỹ thuật của các thành phần này cần được nhập vào phần mềm một cách chính xác để đảm bảo kết quả mô phỏng có độ tin cậy cao. Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp 220 Kv được mô phỏng bằng atpdraw.

Sau khi hoàn thành mô phỏng, cần phân tích kết quả để đánh giá hiệu quả của hệ thống bảo vệ quá điện áp. Kết quả mô phỏng cho thấy độ lớn và dạng sóng của quá điện áp tại các vị trí khác nhau trong trạm. Dựa trên kết quả này, có thể xác định được liệu hệ thống bảo vệ có đáp ứng được yêu cầu hay không, và cần có những cải thiện gì để nâng cao hiệu quả bảo vệ. Đánh giá vai trò của chống sét van đặt trong trạm.

Thời điểm đóng máy cắt có ảnh hưởng lớn đến độ lớn của quá điện áp. Việc lựa chọn thời điểm đóng máy cắt phù hợp có thể giúp giảm thiểu quá điện áp. Thông thường, nên tránh đóng máy cắt vào thời điểm điện áp đạt giá trị đỉnh. Các máy cắt hiện đại thường được trang bị bộ điều khiển cho phép lựa chọn thời điểm đóng tối ưu.

Điện trở nối đất có tác dụng hạn chế dòng điện sự cố chạm đất, từ đó giảm thiểu quá điện áp. Giá trị của điện trở nối đất cần được lựa chọn phù hợp với đặc điểm của hệ thống điện. Việc sử dụng điện trở nối đất là một biện pháp hiệu quả để bảo vệ thiết bị điện khỏi quá điện áp do sự cố chạm đất.

Nghiên cứu đã đánh giá hệ thống bảo vệ quá điện áp hiện tại của trạm biến áp 220kV Thái Nguyên, sử dụng phần mềm ATP-EMTP để mô phỏng các tình huống quá điện áp khác nhau. Kết quả cho thấy hệ thống bảo vệ hiện tại có khả năng bảo vệ trạm khỏi một số loại quá điện áp, nhưng vẫn còn một số hạn chế cần được khắc phục. Cần có những cải thiện để nâng cao hiệu quả bảo vệ và đảm bảo an toàn cho trạm.

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp bảo vệ quá điện áp tiên tiến hơn, phù hợp với sự phát triển của hệ thống điện. Các hướng nghiên cứu có thể bao gồm sử dụng các thiết bị bảo vệ thông minh, áp dụng các phương pháp điều khiển linh hoạt, và phát triển các mô hình mô phỏng chính xác hơn. Việc hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất thiết bị, và các đơn vị vận hành hệ thống điện là rất quan trọng để đạt được những tiến bộ trong lĩnh vực này.