Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện cao áp ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, trong đó các trạm biến áp 220 kV đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải và phân phối điện năng. Tại Việt Nam, trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên là một trong những trạm trọng điểm phục vụ khu vực miền Bắc với tổng công suất 626 MVA, cung cấp điện cho các khu công nghiệp và các tỉnh lân cận. Tuy nhiên, quá điện áp quá độ (transient overvoltage) do các hiện tượng như sét đánh và thao tác đóng cắt đường dây có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến cách điện của trạm, làm giảm tuổi thọ thiết bị và gây ra sự cố vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích và đánh giá các loại quá điện áp khí quyển và quá điện áp đóng cắt tác động lên cách điện trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên, từ đó đề xuất các giải pháp phối hợp cách điện và bảo vệ phù hợp nhằm đảm bảo vận hành an toàn, tin cậy và tối ưu chi phí. Nghiên cứu tập trung vào phân tích quá điện áp quá độ trong giai đoạn 2018-2019, sử dụng dữ liệu thực tế từ trạm biến áp và đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn dài gần 40 km.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế cách điện, hệ thống bảo vệ chống sét và các biện pháp hạn chế quá điện áp, góp phần nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và giảm thiểu rủi ro sự cố. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ vận hành và bảo trì trạm biến áp, đồng thời mở rộng ứng dụng cho các hệ thống điện cao áp khác.

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 quá điện áp trong hệ thống điện, bao gồm:

  • Lý thuyết quá điện áp quá độ (Transient Overvoltage Theory): Phân loại quá điện áp thành quá điện áp khí quyển (do sét đánh) và quá điện áp đóng cắt (do thao tác đóng cắt thiết bị). Quá điện áp khí quyển thường có dạng xung một chiều với biên độ lớn, trong khi quá điện áp đóng cắt có dạng sóng hài bậc cao với biên độ khoảng 2 p.u.

  • Mô hình hiệu ứng Ferranti: Giải thích hiện tượng tăng điện áp ở cuối đường dây tải điện khi đóng đường dây không tải, dựa trên các tham số điện trở, điện cảm và điện dung phân bố trên đường dây.

  • Mô hình phóng điện sét và tham số thống kê: Sử dụng phân bố logarit chuẩn để mô tả các tham số dòng điện sét như đỉnh dòng, độ dốc đầu sóng, thời gian đầu sóng, dựa trên số liệu thống kê nhiều năm từ các nghiên cứu quốc tế.

  • Khái niệm và tiêu chuẩn cách điện: Đánh giá khả năng chịu đựng của cách điện dựa trên các tiêu chuẩn IEC, IEEE và Việt Nam, đồng thời xem xét phối hợp cách điện với hệ thống bảo vệ chống sét.

Các khái niệm chính bao gồm: quá điện áp tạm thời, quá điện áp quá độ, quá điện áp khí quyển, quá điện áp đóng cắt, hiệu ứng Ferranti, tham số phóng điện sét, và phối hợp cách điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng điện từ trường quá độ bằng phần mềm chuyên dụng ATP-EMTP kết hợp mô đun ATPDraw để xây dựng mô hình chi tiết trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên và đường dây 220 kV Thái Nguyên-Sóc Sơn. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống trạm và đường dây với chiều dài 39,9 km, dữ liệu thu thập từ thực tế vận hành và thông số kỹ thuật thiết bị.

Phương pháp chọn mẫu là nghiên cứu toàn diện trên hệ thống thực tế nhằm đảm bảo tính chính xác và khả năng áp dụng thực tiễn. Phân tích dữ liệu dựa trên mô phỏng các trường hợp sét đánh tại nhiều vị trí khác nhau trên đường dây và các thao tác đóng cắt đường dây không tải, hòa đồng bộ.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2018 đến tháng 3/2019, bao gồm các bước: thu thập tài liệu, khảo sát thực tế, nghiên cứu lý thuyết, ứng dụng phần mềm mô phỏng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Quá điện áp khí quyển tại trạm biến áp: Mô phỏng cho thấy khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét gần trạm, quá điện áp tại đầu cực máy biến áp có thể đạt đỉnh lên tới 150 kV, vượt quá điện áp định mức cách điện. Độ dốc đầu sóng dòng điện sét lên tới 24,3 kA/μs, gây nguy hiểm cho cách điện dọc và ngang trong trạm.

  2. Phân bố quá điện áp dọc đường dây: Quá điện áp đóng cắt do thao tác đóng đường dây không tải có biên độ trung bình khoảng 2 p.u, với phân bố điện áp 2% dọc theo chiều dài đường dây dao động từ 1,8 đến 2,1 p.u. Tại vị trí giữa đường dây (cột điện số 62), quá điện áp có xu hướng giảm nhẹ so với đầu cuối.

  3. Ảnh hưởng vị trí sét đánh: Quá điện áp tại trạm biến áp thay đổi đáng kể theo vị trí sét đánh trên đường dây. Sét đánh gần trạm gây ra quá điện áp đỉnh cao hơn 30% so với sét đánh xa trạm do tổn hao lan truyền trên đường dây.

  4. Tác động của máy biến áp đo lường kiểu tụ: Mô phỏng cho thấy máy biến áp đo lường kiểu tụ làm tăng biên độ quá điện áp sét tại các điểm đo trong trạm lên khoảng 10%, ảnh hưởng đến thiết kế cách điện và bảo vệ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các quá điện áp khí quyển là do dòng điện sét có đỉnh lớn và độ dốc cao, gây ra xung điện áp một chiều với biên độ vượt quá khả năng chịu đựng của cách điện. Quá điện áp đóng cắt phát sinh do năng lượng tích tụ trong hệ thống khi đóng đường dây không tải, tạo ra sóng hài bậc cao với biên độ khoảng 2 p.u.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mô phỏng phù hợp với các tham số dòng điện sét trung bình từ 24 đến 31 kA và độ dốc đầu sóng từ 20 đến 40 kA/μs. Việc mô phỏng chi tiết vị trí sét đánh và thao tác đóng cắt giúp đánh giá chính xác hơn ảnh hưởng lên cách điện trạm biến áp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến thiên điện áp tại các điểm đo trong trạm và bảng phân bố xác suất quá điện áp dọc đường dây, giúp trực quan hóa mức độ nguy hiểm và hỗ trợ thiết kế bảo vệ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường hệ thống bảo vệ chống sét: Lắp đặt thêm chống sét van tại các vị trí trọng yếu trong trạm biến áp và trên đường dây, nhằm hạn chế quá điện áp khí quyển vượt quá mức cho phép. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể là Công ty Truyền tải điện.

  2. Phối hợp cách điện hợp lý: Căn cứ vào kết quả mô phỏng, lựa chọn cách điện có cường độ chịu đựng cao hơn 20% so với mức quá điện áp đỉnh dự kiến, đặc biệt tại các thiết bị máy biến áp và máy biến điện áp đo lường. Thời gian áp dụng trong các dự án nâng cấp và bảo trì.

  3. Áp dụng quy trình vận hành an toàn: Xây dựng quy trình đóng cắt đường dây phù hợp, tránh đóng đồng thời các pha khi điện áp đang ở đỉnh cực đại, giảm thiểu quá điện áp đóng cắt. Đào tạo nhân viên vận hành trong 6 tháng.

  4. Nâng cao giám sát và đo đạc quá điện áp: Đầu tư thiết bị đo ghi và phân tích xung quá điện áp tự động tại trạm biến áp để theo dõi và đánh giá thực tế, từ đó điều chỉnh các biện pháp bảo vệ kịp thời. Kế hoạch triển khai trong 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì trạm biến áp: Nắm bắt các nguy cơ quá điện áp và biện pháp phòng tránh, nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu sự cố.

  2. Chuyên gia thiết kế hệ thống điện: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn cách điện và thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét phù hợp với đặc điểm trạm biến áp và đường dây.

  3. Nhà quản lý ngành điện: Đưa ra các chính sách đầu tư, nâng cấp hệ thống bảo vệ và quy trình vận hành an toàn dựa trên cơ sở khoa học.

  4. Nghiên cứu sinh và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo phương pháp mô phỏng quá điện áp bằng ATP-EMTP và các phân tích chuyên sâu về hiện tượng quá điện áp trong hệ thống điện cao áp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá điện áp quá độ là gì và tại sao nó nguy hiểm?
    Quá điện áp quá độ là điện áp có biên độ đỉnh vượt quá điện áp làm việc bình thường, tồn tại trong thời gian rất ngắn (vài micro giây đến vài mili giây). Nó có thể gây hư hỏng cách điện, làm gián đoạn vận hành và giảm tuổi thọ thiết bị.

  2. Phần mềm ATP-EMTP được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    ATP-EMTP mô phỏng các quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện, giúp phân tích biến thiên điện áp và dòng điện khi có sự cố hoặc thao tác đóng cắt, từ đó đánh giá ảnh hưởng lên cách điện và thiết bị.

  3. Hiệu ứng Ferranti ảnh hưởng thế nào đến quá điện áp?
    Hiệu ứng Ferranti làm tăng điện áp ở cuối đường dây khi đóng đường dây không tải, do sự cộng hưởng giữa điện dung và điện cảm của đường dây, có thể gây quá điện áp nội bộ ảnh hưởng đến cách điện.

  4. Làm sao để giảm thiểu quá điện áp đóng cắt?
    Có thể giảm thiểu bằng cách điều chỉnh thời điểm đóng cắt, sử dụng máy cắt có khả năng dập hồ quang tốt, phối hợp cách điện và lắp đặt thiết bị bảo vệ phù hợp.

  5. Tại sao vị trí sét đánh lại ảnh hưởng đến quá điện áp trong trạm biến áp?
    Vị trí sét đánh gần trạm làm giảm tổn hao lan truyền trên đường dây, dẫn đến quá điện áp đỉnh cao hơn tại trạm, tăng nguy cơ phóng điện và hư hỏng thiết bị.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phân tích và mô phỏng thành công các loại quá điện áp khí quyển và đóng cắt tác động lên cách điện trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên.
  • Quá điện áp sét có biên độ đỉnh lên tới 150 kV và độ dốc đầu sóng cao, gây nguy hiểm cho cách điện trong trạm.
  • Quá điện áp đóng cắt có biên độ khoảng 2 p.u, phân bố không đồng đều dọc đường dây 39,9 km.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn cách điện, thiết kế hệ thống bảo vệ và quy trình vận hành an toàn.
  • Đề xuất các giải pháp bảo vệ chống sét, phối hợp cách điện và nâng cao giám sát nhằm đảm bảo vận hành ổn định, tin cậy hệ thống điện.

Tiếp theo, cần triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các trạm biến áp và đường dây tải điện khác trong khu vực. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp thực hiện để nâng cao hiệu quả vận hành và bảo vệ hệ thống điện quốc gia.