Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa có mật độ giông sét hoạt động rất mạnh, đe dọa trực tiếp đến an toàn vận hành của hệ thống năng lượng quốc gia. Theo số liệu ghi nhận thực tế từ trạm đo tự động của Viện Nghiên cứu sét Gia Sàng Thái Nguyên, dòng điện sét cực đại đo được trong tự nhiên lên tới 90,67 kA. Sự cố sét đánh vào đường dây truyền tải gây ra các sóng quá điện áp lan truyền vào trạm biến áp cao thế, có thể phá hủy lớp cách điện của các thiết bị đắt tiền, dẫn đến ngắn mạch thanh cái và làm gián đoạn cung cấp điện trên diện rộng. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học tương đương 8 nút, khảo sát định lượng ảnh hưởng của các thông số sóng sét như biên độ, dạng sóng và độ dốc dao động từ 100 kV/μs đến 500 kV/μs, từ đó tìm ra vị trí tối ưu lắp đặt thiết bị chống sét van nhằm giảm điện áp quá mức tại các nút khí cụ điện.

Nghiên cứu được triển khai áp dụng cụ thể tại Trạm biến áp 220/115/23 kV Thốt Nốt thuộc thành phố Cần Thơ, một công trình nút giao truyền tải trọng điểm được đóng điện vận hành chính thức từ ngày 31 tháng 01 năm 2010 nhằm tiếp nhận công suất từ hai trung tâm điện lực lớn là Ô Môn và Rạch Giá. Đề tài có ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm thiểu điện áp dư tác dụng lên cách điện máy biến áp lực xuống dưới mức điện áp thử nghiệm xung định mức 1050 kV, nâng cao chỉ số độ tin cậy cung cấp điện, đồng thời cắt giảm tới hơn 30% nguy cơ xảy ra sự cố do quá điện áp khí quyển cho toàn bộ lưới điện khu vực Tây Nam Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền sóng điện từ dọc đường dây không tổn hao và lý thuyết phân tích mạch quá độ Peterson. Sơ đồ thay thế tương đương của trạm biến áp sử dụng nguồn điện áp có giá trị bằng hai lần sóng tới nối tiếp với tổng trở sóng của môi trường truyền dẫn, thường chọn giá trị chuẩn là 400 Ω. Hệ thống áp dụng quy tắc sóng đẳng trị để tổng hợp các sóng tới từ nhiều nhánh rẽ tại điểm nút, kết hợp với phương pháp moment lực nhằm quy đổi điện dung ký sinh phân bố của các thiết bị về 8 nút trọng yếu. Vận tốc truyền sóng ánh sáng trong không khí được xác định chuẩn là 300 m/μs, từ đó tính ra điện dung trên mỗi mét chiều dài thanh cái là 8,33 pF/m.

Các khái niệm then chốt bao gồm quá điện áp sét lan truyền, thời hằng nút mạch, đặc tính tác động vôn - giây và đặc tính phi tuyến vôn - ampe của thiết bị chống sét van oxit kim loại PBC 220 kV. Trong mô hình, chống sét van PBC 220 kV có điện áp phóng điện chọc thủng định mức từ 530 kV đến 636 kV trong dải thời gian từ 0,5 μs đến 10 μs, với các mức điện áp dư tương ứng là 630 kV ở dòng 3 kA, 670 kV ở dòng 5 kA và 734 kV ở dòng xả 10 kA.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ hồ sơ thiết kế kỹ thuật, bản vẽ mặt bằng và thông số kiểm định thiết bị của Trạm biến áp 220 kV Thốt Nốt. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 8 điểm nút đại diện quan trọng nhất trong cấu trúc thanh cái kép có kết giàn, tương ứng với dao cách ly đầu vào tại nút 1, máy cắt đường dây tại nút 2, thanh cái chính tại nút 3, chống sét van 1 tại nút 4, máy biến áp đo lường tại nút 5, thanh cái phụ tại nút 6, chống sét van 2 tại nút 7 và máy biến áp lực chính tại nút 8. Phương pháp chọn mẫu định hướng theo cấu trúc chuỗi truyền sóng nhằm phản ánh đầy đủ tiến trình phản xạ và khúc xạ điện áp qua từng thành phần khí cụ.

Lý do lựa chọn phương pháp sai phân Euler trên phần mềm Matlab với bước thời gian siêu nhỏ 0,001 μs là nhằm giải quyết chính xác hệ phương trình vi phân phi tuyến bậc cao có xét đến độ trễ thời gian truyền sóng giữa các nút, dao động từ 0,032 μs đến 0,202 μs. Toàn bộ quá trình tính toán, lập trình mô phỏng và kiểm chứng dữ liệu được hoàn thiện trong lộ trình nghiên cứu từ ngày 23 tháng 03 năm 2012 đến ngày 23 tháng 08 năm 2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện đầu tiên chỉ ra rằng độ dốc đầu sóng sét là yếu tố chi phối mạnh mẽ nhất tới biên độ quá điện áp cực đại tại các nút đầu vào của trạm. Khi độ dốc đầu sóng tăng dần từ 100 kV/μs lên 500 kV/μs, biên độ điện áp tại nút 1 và nút 2 tăng vọt từ 68% đến 75%, đạt giá trị điện áp tức thời cực đại vượt mức 1140 kV trong khoảng thời gian đầu sóng 2,28 μs trước khi thiết bị chống sét van bắt đầu dẫn dòng.

Phát hiện thứ hai cho thấy dạng sóng sét quyết định tốc độ dâng áp và phân bố dòng xả qua van chống sét. Trong số 5 dạng sóng được khảo sát bao gồm sóng xiên góc, sóng vuông góc, sóng tam giác, sóng hàm mũ và sóng chuẩn 1,2/50 μs, sóng vuông góc và sóng hàm mũ tạo ra mức độ đe dọa cách điện cao nhất, khiến điện áp tác dụng lên nút 1 và nút 2 trong khoảng thời gian từ 0 đến 1 μs cao hơn dạng sóng chuẩn từ 18% đến 32%. Ngược lại, dạng sóng tam giác có xu hướng suy giảm biên độ nhanh hơn khoảng 15% trong khoảng thời gian từ 1 đến 10 μs.

Phát hiện thứ ba khẳng định vị trí lắp đặt chống sét van có tác dụng trực tiếp đến mức độ bảo vệ máy biến áp. Khi dịch chuyển khoảng cách lắp đặt chống sét van lại gần đầu cực máy biến áp từ nút 6 về nút 8 trong phạm vi chiều dài dưới 15,5 mét, biên độ quá điện áp tác dụng lên cuộn dây máy biến áp giảm được 24,5%, giữ điện áp dư luôn nằm trong ngưỡng an toàn từ 630 kV đến 670 kV với dòng điện xung qua van từ 3 kA đến 5 kA.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng gia tăng điện áp tại các điểm nút là do tốc độ biến thiên dòng điện cực lớn sinh ra sụt áp cảm ứng trên các thanh dẫn, kết hợp với hiện tượng phản xạ sóng dương toàn phần tại các nút có trở kháng hở mạch hoặc có điện dung máy biến áp lớn. Kết quả phân tích hoàn toàn tương thích với các tiêu chuẩn quốc tế về phối hợp cách điện trạm cao áp.

Dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan qua các đồ thị quan hệ điện áp theo thời gian U(t) từ hình 3.14 đến hình 3.176 và các bảng số liệu so sánh đặc tính phóng điện. Các biểu đồ này mô tả chi tiết thời điểm xuất hiện xung đỉnh, khoảng thời gian trễ của sóng phản xạ giữa các khoảng cách 9,5 mét đến 60,5 mét và quá trình ghim điện áp hiệu quả của chống sét van PBC 220 kV khi dòng xả vượt qua ngưỡng 3 kA.

Đề xuất và khuyến nghị

Giải pháp thứ nhất là tối ưu hóa cự ly lắp đặt chống sét van bảo vệ máy biến áp. Ban Quản lý dự án truyền tải điện và các đơn vị tư vấn thiết kế cần rút ngắn khoảng cách dây dẫn nối từ đầu cực máy biến áp lực đến chống sét van xuống dưới 15 mét. Mục tiêu là hạn chế độ dốc sóng sét tác động lên cuộn dây máy biến áp dưới ngưỡng 400 kV/μs và giảm điện áp dư tức thời ít nhất 20%, hoàn thành kiểm toán vị trí lắp đặt trong thời hạn 6 tháng kể từ khi phê duyệt phương án.

Giải pháp thứ hai là tăng cường bảo vệ đoạn đường dây dẫn vào trạm từ 1 km đến 3 km. Các Công ty Truyền tải điện cần chủ động thu hẹp góc bảo vệ của dây chống sét xuống còn 20 đến 25 độ, đồng thời bổ sung cọc tiếp địa để hạ trị số điện trở tản nối đất của các cột điện lân cận trạm xuống dưới 10 đến 15 Ω. Mục tiêu nhằm giảm hơn 80% nguy cơ phóng điện ngược trên chuỗi sứ cách điện, thực hiện định kỳ trước mùa mưa bão hàng năm.

Giải pháp thứ ba là chuẩn hóa quy trình mô phỏng phối hợp cách điện bằng phần mềm số hóa. Các kỹ sư vận hành hệ thống điện cần ứng dụng mô hình thuật toán sóng đẳng trị 8 nút với bước thời gian 0,001 μs để tính toán tự động các kịch bản sự cố sét. Mục tiêu đặt ra là kiểm soát sai số tính toán dưới 3% so với thực tế và ban hành tài liệu hướng dẫn kỹ thuật trong vòng 9 tháng.

Giải pháp thứ tư là nâng cấp hệ thống giám sát dòng rò và số lần tác động của chống sét van. Đơn vị quản lý vận hành trạm biến áp Thốt Nốt cần lắp đặt thiết bị đo đếm xung sét trực tuyến nhằm kiểm soát dòng xả xung sét trên 10 kA, đảm bảo phát hiện sớm nguy cơ suy giảm cách điện của đĩa van oxit kim loại trong chu kỳ bảo dưỡng quý 3 và quý 4.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm đối tượng thứ nhất là các kỹ sư thiết kế phần điện tại các viện năng lượng và công ty tư vấn điện lực. Luận văn cung cấp phương pháp luận chi tiết và thuật toán tính toán 8 nút giúp tối ưu hóa mặt bằng bố trí thiết bị và lựa chọn thông số chống sét van chính xác cho các dự án trạm biến áp 110 kV, 220 kV và 500 kV.

Nhóm đối tượng thứ hai là đội ngũ cán bộ kỹ thuật và quản lý vận hành thuộc Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia. Luận văn mang lại các case study thực tế từ Trạm biến áp 220 kV Thốt Nốt, giúp xây dựng phương án phòng ngừa sự cố quá điện áp khí quyển và kéo dài tuổi thọ vận hành cho các máy biến áp truyền tải công suất lớn.

Nhóm đối tượng thứ ba là giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống Điện tại các trường đại học kỹ thuật. Đề tài là tài liệu tham khảo giá trị về mô hình hóa quá trình quá độ sóng sét, ứng dụng sơ đồ Peterson và kỹ thuật lập trình mô phỏng sai phân trên nền tảng công cụ Matlab.

Nhóm đối tượng thứ tư là các chuyên gia thẩm định an toàn lưới điện và ban xây dựng quy chuẩn kỹ thuật ngành điện. Nghiên cứu cung cấp bằng chứng thực nghiệm về quan hệ giữa độ dốc sóng sét và vị trí đặt van xả sét, hỗ trợ hoàn thiện các tiêu chuẩn thiết kế chống sét lan truyền cho công trình điện cao thế tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình tính toán 8 nút mang lại ưu điểm gì so với các sơ đồ truyền thống? Mô hình 8 nút cho phép biểu diễn đầy đủ các khí cụ điện xung yếu trong trạm bao gồm dao cách ly, máy cắt, thanh cái, biến dòng biến áp đo lường và máy biến áp lực chính. Phương pháp này kết hợp moment lực giúp rút gọn mạch điện nhưng vẫn duy trì độ chính xác của biên độ điện áp đạt trên 95% so với tính toán đầy đủ.

Độ dốc đầu sóng sét tác động thế nào đến sự an toàn của thiết bị trong trạm? Khi độ dốc đầu sóng tăng từ 100 kV/μs lên 500 kV/μs, tốc độ biến thiên điện áp dU/dt tăng mạnh khiến biên độ điện áp tại các nút đầu vào tăng thêm khoảng 68% đến 75%. Xung áp tăng nhanh làm cho sóng phản xạ đạt đỉnh trước khi chống sét van kịp mở thông, tạo áp lực lớn lên cách điện máy biến áp.

Vì sao phải giới hạn khoảng cách giữa chống sét van và máy biến áp lực dưới 15,5 mét? Khoảng cách dây dẫn tạo ra thời gian trễ truyền sóng khoảng 0,052 μs giữa hai thiết bị. Nếu khoảng cách vượt quá 15,5 mét, hiện tượng khúc xạ và phản xạ sóng dương sẽ đẩy điện áp tác dụng lên cuộn dây máy biến áp vượt quá giới hạn chịu đựng xung sét cho phép 1050 kV, gây nguy cơ chọc thủng cách điện.

Tại sao cần xử lý điện trở tiếp địa của đoạn đường dây vào trạm 1 đến 3 km xuống dưới 10 đến 15 Ω? Đoạn đường dây 1 đến 3 km trước trạm là vùng bảo vệ tăng cường nhằm làm giảm độ dốc đầu sóng sét dưới tác dụng của vầng quang xung. Việc hạ điện trở nối đất cột xuống dưới 10 đến 15 Ω giúp dòng sét tản nhanh xuống đất, hạn chế phóng điện ngược và bảo vệ an toàn cho thiết bị trạm.

Thuật toán sai phân Euler trong Matlab giải quyết bài toán sóng truyền như thế nào? Thuật toán sai phân Euler phân chia thời gian khảo sát thành các bước nhảy siêu nhỏ 0,001 μs để giải phương trình vi phân trạng thái nạp xả của tụ điện nút kết hợp tổng trở sóng. Giải thuật tính toán chính xác giá trị điện áp kế tiếp dựa trên sóng tới và đặc tính vôn - ampe phi tuyến của chống sét van.

Kết luận

Năm đóng góp trọng tâm của công trình nghiên cứu bao gồm:

  • Thiết lập thành công mô hình toán học tương đương 8 nút biểu diễn chân thực quá trình truyền sóng sét trong trạm biến áp cao thế 220 kV.
  • Chứng minh định lượng mức độ tăng biên độ quá điện áp từ 68% đến 75% khi độ dốc đầu sóng sét biến thiên từ 100 kV/μs đến 500 kV/μs.
  • Xác định cự ly lắp đặt tối ưu của chống sét van PBC 220 kV cách máy biến áp dưới 15,5 mét để hạ giảm 24,5% điện áp dư tác dụng lên cuộn dây.
  • Xây dựng chương trình mô phỏng sai phân Euler trên Matlab với bước tính 0,001 μs cho độ chính xác cao và xử lý mượt mà đặc tính phi tuyến.
  • Đề xuất gói giải pháp kỹ thuật đồng bộ kết hợp góc bảo vệ 20 đến 25 độ và điện trở nối đất 10 đến 15 Ω cho đoạn 2 km đường dây vào trạm.

Công trình đã cung cấp cơ sở khoa học vững chắc giúp nâng cao hiệu quả phối hợp cách điện và bảo vệ an toàn cho Trạm biến áp 220 kV Thốt Nốt. Hướng phát triển tiếp theo trong giai đoạn tới là mở rộng mô hình cho các trạm biến áp siêu cao áp 500 kV và tích hợp dữ liệu định vị sét thời gian thực. Các đơn vị tư vấn và kỹ sư vận hành quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp các kết quả nghiên cứu này để tối ưu hóa phương án bảo vệ chống sét cho các công trình điện hiện đại.