Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống điện lực, quá điện áp do sét đánh trực tiếp hoặc lan truyền là nguyên nhân hàng đầu dẫn đến sự cố phá hủy cách điện và làm gián đoạn cung cấp điện. Thống kê thực tế cho thấy các xung dòng điện sét có thể biến thiên từ 1000A đến 200kA với độ dốc sườn đầu sóng cực lớn, trong đó khoảng 15% xung sét đạt giá trị đỉnh trong thời gian dưới 1 microgiây. Trên các đường dây phân phối và truyền tải, khoảng 5% sự cố sét có dòng điện vượt quá 10kA, tạo áp lực quá tải cực lớn lên cách điện của máy biến áp và các thiết bị nhạy cảm.

Vấn đề nghiên cứu cốt lõi được đặt ra là sự thiếu hụt các mô hình toán học chuẩn xác, dễ ứng dụng trên phần mềm thương mại để đánh giá phản ứng động của thiết bị chống sét van oxit kim loại trước các xung sét tốc độ cao. Mục tiêu cụ thể của công trình là nghiên cứu cấu tạo, đặc tính phi tuyến của biến trở oxit kẽm, xây dựng và so sánh ba mô hình mô phỏng phụ thuộc tần số gồm IEEE, Pinceti và P-K trên nền tảng Matlab/Simulink. Nghiên cứu được thực hiện trong khung thời gian năm 2017 tại Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung vào lưới điện cao áp và trung áp.

Ý nghĩa học thuật và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc cung cấp giải pháp mô phỏng đạt sai số dưới 10% so với thông số thực nghiệm của các hãng sản xuất hàng đầu như Ohio Brass và Siemens. Kết quả này cho phép kỹ sư hệ thống kiểm tra phối hợp cách điện trực quan, giảm thiểu hơn 80% rủi ro thử nghiệm phá hủy trong phòng thí nghiệm cao áp và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết phối hợp cách điện theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE C62.11 và IEC 60099-4, kết hợp với vật lý chất bán dẫn về lớp biên tiếp giáp trong gốm oxit kẽm đa tinh thể. Thành phần chính của biến trở oxit kẽm chiếm hơn 90% trọng lượng ZnO cùng khoảng 10% các phụ gia oxit kim loại như Bismuth, Cobalt, Mangan và Antimon. Tại các biên hạt có kích thước từ 15 đến 100 micromet, các rào thế Schottky hình thành với điện áp sụp đổ khoảng 2V đến 3.5V trên mỗi tiếp giáp vi mô, tạo nên tính chất phi tuyến vượt trội tuân theo quy luật hàm mũ.

Bốn khái niệm kỹ thuật giữ vai trò nền tảng trong nghiên cứu gồm: Mức cách điện xung cơ bản, Điện áp dư của chống sét van, Đáp ứng động phụ thuộc tần số và Dòng điện theo sau tần số công nghiệp. So với công nghệ chống sét điện trở Silicon Carbide truyền thống có dòng duy trì lớn từ 100A đến 500A, chống sét van oxit kẽm đã triệt tiêu hoàn toàn dòng duy trì, giảm dòng rò ở chế độ xác lập xuống dưới 2A, giúp tăng khả năng chịu quá điện áp tạm thời và độ bền nhiệt của thiết bị.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ tài liệu kỹ thuật của hai dòng chống sét van thương mại gồm Ohio Brass dòng EVP và Siemens dòng 3EL2 với cấp điện áp định mức 96kV. Mẫu dữ liệu thử nghiệm bao gồm đặc tính điện áp dư ứng với dạng sóng dòng điện sét tiêu chuẩn 8/20 microgiây tại các biên độ 5kA, 10kA và xung dòng sét đầu dốc nhanh 1 microgiây. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các thiết bị trạm và đường dây cao áp có đầy đủ biên bản kiểm định xuất xưởng.

Phương pháp mô hình hóa số trị trên phần mềm Matlab/Simulink được lựa chọn nhờ khả năng xử lý phương trình vi phân phi tuyến mạnh mẽ và tính phổ biến cao. Nghiên cứu sử dụng các khối hàm truyền, bảng tra cứu dữ liệu hai chiều và giao diện đóng gói Mask Editor để thiết lập mạch tương đương. Quá trình mô phỏng được triển khai xuyên suốt từ tháng 2 năm 2017 đến tháng 11 năm 2017, đảm bảo tính chuẩn hóa và khả năng tái lập kết quả cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, mô hình nguồn phát xung dòng không chu kỳ chuẩn được xây dựng thành công trong Simulink, tái tạo chính xác dạng sóng 8/20 microgiây với biên độ thử nghiệm 5kA và 10kA, đảm bảo sai số thời gian sườn trước và thời gian đuôi sóng dưới 1%.

Thứ hai, tất cả ba mô hình phụ thuộc tần số gồm IEEE, Pinceti và P-K đều phản ánh chính xác hiện tượng quá điện áp dư phụ thuộc vào độ dốc của dòng điện vào. Độ sai số giữa kết quả mô phỏng và số liệu công bố của nhà sản xuất Siemens cho thiết bị 96kV đều nằm trong giới hạn kiểm định cho phép dưới 10%, dao động trung bình từ 3.2% đến 7.8% tùy cấp dòng điện.

Thứ ba, nghiên cứu xác nhận hiện tượng tăng điện áp dư khi thời gian đạt đỉnh dòng sét rút ngắn từ 8 microgiây xuống còn 1.3 microgiây làm giá trị điện áp đỉnh tăng thêm khoảng 6%. Điều này chứng minh tính cần thiết của việc sử dụng các mô hình mạch lọc tần số thay vì chỉ dùng điện trở phi tuyến tĩnh thông thường.

Thứ tư, mô hình P-K thể hiện tính ưu việt vượt trội về mặt ứng dụng kỹ thuật khi chỉ cần sử dụng hai thông số điện áp dư cơ bản trong catalogue để tính trực tiếp điện cảm L1 qua công thức giải tích, loại bỏ hoàn toàn quy trình điều chỉnh lặp phức tạp của mô hình IEEE.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến sự gia tăng điện áp dư ở xung đầu dốc cao bắt nguồn từ cấu trúc mạch tương đương hai nhánh phi tuyến A0 và A1 được ngăn cách bởi bộ lọc điện cảm L1 và điện trở R1. Khi tần số xung sét tăng cao, tổng trở nhánh L1-R1 tăng mạnh, ép phần lớn dòng điện đi qua nhánh điện trở phi tuyến A0 có điện áp sụp đổ cao hơn, tạo nên độ vọt lố điện áp sát với thực tế vận hành.

Dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị dạng sóng quá độ điện áp theo thời gian và bảng so sánh sai số điện áp dư. Kết quả đồ thị cho thấy phản ứng dập tắt xung quá áp diễn ra nhanh chóng trong phạm vi nano giây, không xuất hiện hiện tượng dao động số ký sinh nhờ vào việc cài đặt điện trở suy giảm 1 Megaohm song song giữa hai đầu cực. So với các công bố học thuật quốc tế của nhóm tác giả Pinceti hay IEEE Working Group, các mô hình thiết lập trong luận văn hoàn toàn tương thích và đạt độ tin cậy cao khi áp dụng trực tiếp cho thiết bị lưới điện tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tích hợp trực tiếp bộ thư viện mô hình chống sét van P-K đã đóng gói vào hệ thống phần mềm mô phỏng dùng chung của Tập đoàn Điện lực Việt Nam trong vòng 6 tháng tới, giúp rút ngắn 40% thời gian tính toán phân tích quá độ điện từ cho các dự án trạm biến áp 110kV và 220kV.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình nhập liệu thông số thiết bị bảo vệ quá áp cho các công ty tư vấn thiết kế điện lực. Các đơn vị tư vấn cần thu thập đầy đủ hai thông số điện áp dư ở xung dòng 8/20 microgiây và xung nhanh 1 microgiây từ catalogue nhà thầu để thiết lập mô hình tính toán ngay trong giai đoạn lập báo cáo kỹ thuật.

Thứ ba, triển khai ứng dụng mô hình chống sét van phụ thuộc tần số để rà soát, đánh giá lại khoảng cách an toàn và cấp cách điện cơ bản cho các thiết bị điện tử công suất nhạy cảm như bộ biến đổi trạm FACTS, hệ thống SCADA và tụ bù trong kế hoạch bảo trì lưới điện 12 tháng định kỳ.

Thứ tư, các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành kỹ thuật điện tiếp tục phát triển mô hình hóa quá nhiệt và lão hóa biến trở ZnO dưới tác động của các luồng sét liên tục đa xung, hoàn thiện đề tài trong lộ trình nghiên cứu 24 tháng tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, các kỹ sư thiết kế và vận hành trạm biến áp, đường dây truyền tải điện tại các công ty điện lực: Tài liệu cung cấp phương pháp lựa chọn dung lượng và thông số chống sét van tối ưu cho từng cấp điện áp từ 22kV đến 500kV.

Thứ hai, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống Điện: Luận văn là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp luận mô hình hóa thiết bị phi tuyến và kỹ thuật lập trình mô phỏng quá độ trong môi trường Matlab/Simulink.

Thứ ba, giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật: Nguồn học liệu giá trị phục vụ trực tiếp công tác giảng dạy các môn học Khí cụ điện, Quá điện áp và Kỹ thuật Điện cao áp với các bài thí nghiệm ảo trực quan.

Thứ tư, các chuyên gia phân tích chất lượng điện năng và an toàn lưới điện: Giúp nắm bắt sâu sắc cơ chế lan truyền xung sét và phối hợp cách điện để đưa ra giải pháp giảm thiểu suất sự cố trên lưới phân phối.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao chống sét van oxit kẽm lại vượt trội hơn chống sét van Silicon Carbide? Chống sét van oxit kẽm sở hữu đặc tuyến V-I phi tuyến cực dốc, giúp loại bỏ hoàn toàn dòng điện duy trì tần số công nghiệp từ 100A đến 500A vốn có ở loại Silicon Carbide. Nhờ vậy, thiết bị không cần khe hở phóng điện, tăng khả năng hấp thụ năng lượng sét và giảm thiểu nguy cơ nổ vỡ cách điện.

Mô hình P-K có ưu điểm gì so với mô hình tiêu chuẩn của IEEE? Mô hình IEEE đòi hỏi các thông số kích thước vật lý như chiều cao và số cột song song của đĩa van vốn khó tìm thấy trong catalogue. Ngược lại, mô hình P-K tính toán độ tự cảm trực tiếp từ hai giá trị điện áp dư công bố, loại bỏ bước căn chỉnh tham số lặp mà vẫn duy trì sai số dưới 10%.

Hiện tượng đáp ứng động phụ thuộc tần số của chống sét van diễn ra như thế nào? Khi chịu xung sét có thời gian đầu sóng siêu ngắn dưới 1.3 microgiây, các điện cảm ký sinh nội bộ làm tăng điện áp rơi trên biến trở thêm khoảng 6% so với xung chuẩn 8/20 microgiây. Mô hình mạch lọc tần số giúp ghi nhận chính xác lượng tăng điện áp này để bảo vệ cách điện an toàn.

Mô hình mô phỏng trong luận văn có thể áp dụng cho các cấp điện áp nào? Các khối mô hình xây dựng trong Matlab/Simulink có tính mở cao, áp dụng linh hoạt cho mọi cấp điện áp từ trung thế 22kV, 35kV đến cao thế 110kV, 220kV và 500kV thông qua việc thay đổi các giá trị điện áp định mức và điện áp dư tham chiếu.

Độ chính xác của các mô hình trong Matlab đã được kiểm chứng bằng cách nào? Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thử nghiệm xuất xưởng thực tế từ các nhà sản xuất lớn như Siemens và Ohio Brass để đối chứng. Kết quả mô phỏng điện áp dư tại các mức dòng 5kA và 10kA cho thấy độ lệch tuyệt đối đều nhỏ hơn 10%, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn kiểm định quốc tế.

Kết luận

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết vật lý bán dẫn và đặc tính phi tuyến của gốm biến trở oxit kẽm không khe hở.
  • Xây dựng thành công các khối mô hình nguồn xung sét chuẩn 8/20 microgiây và bộ ba mô hình chống sét van IEEE, Pinceti, P-K trên Matlab/Simulink.
  • Đánh giá định lượng độ chính xác của các mô hình với sai số kiểm chứng thực tế luôn duy trì ở mức dưới 10%.
  • Xác lập tính ưu việt của mô hình P-K trong việc đơn giản hóa tham số đầu vào từ tài liệu nhà sản xuất phục vụ thiết kế kỹ thuật.
  • Cung cấp bộ công cụ mô phỏng quá độ điện từ tin cậy, đóng góp thiết thực cho công tác phối hợp cách điện trên lưới điện Việt Nam.

Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, các nhóm nghiên cứu cần tiếp tục mở rộng mô hình để tích hợp thêm yếu tố phân bố nhiệt độ và suy hao vật liệu theo thời gian. Các kỹ sư và chuyên gia hệ thống điện hãy ứng dụng ngay mô hình mô phỏng này vào quy trình thẩm tra thiết kế để nâng cao tối đa độ an toàn và ổn định cho hệ thống điện quốc gia.