Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống truyền tải và phân phối điện năng đóng vai trò huyết mạch trong phát triển kinh tế xã hội, tuy nhiên các công trình này thường xuyên phải đối mặt với nguy cơ sự cố nghiêm trọng do phóng điện sét. Theo thống kê của ngành điện lực Việt Nam, trong giai đoạn 2011 - 2016, sự cố do sét luôn chiếm tỷ lệ áp đảo từ 43% đến 77% trên tổng số các vụ sự cố lưới điện truyền tải. Riêng tại khu vực miền Bắc do Công ty Truyền tải điện 1 quản lý, tỷ lệ sự cố do sét chiếm từ 61% đến 72%, đặc biệt tập trung cao điểm từ tháng 4 đến tháng 9 hàng năm.

Trạm biến áp 110 kV Sơn La có tổng công suất đặt 80 MVA, gồm 2 máy biến áp 40 MVA cấp điện áp 115/38,5/23 kV, giữ vị trí đầu mối cung cấp điện an toàn cho trung tâm thành phố Sơn La, huyện Mai Sơn và các khu vực lân cận. Tuy nhiên, trạm nằm trên địa bàn vùng núi cao Tây Bắc với điều kiện địa hình phức tạp, điện trở suất của đất cao và cường độ dông sét hoạt động mạnh mẽ đạt 61,6 ngày dông/năm cùng 219,1 giờ dông/năm. Trong 9 tháng đầu năm 2020, trên địa bàn tỉnh đã ghi nhận 14 sự cố lưới điện 110 kV, trong đó có 5 sự cố bắt nguồn trực tiếp từ sấm sét và thời tiết cực đoan.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá toàn diện hiện trạng hệ thống bảo vệ chống sét cấp 2 của Trạm biến áp 110 kV Sơn La, phân tích định lượng sự lan truyền của sóng quá điện áp khí quyển từ các đường dây 110 kV vào trạm và đề xuất cấu hình bảo vệ tối ưu theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 60099-4 và IEEE 998-2012. Nghiên cứu hướng đến việc nâng cao hệ số dự trữ cách điện của thiết bị lên trên mức tiêu chuẩn an toàn, kéo dài thời gian trung bình giữa các sự cố (MTBF) đạt định mức từ 50 năm đến 100 năm, giảm thiểu tổn thất kinh tế và bảo đảm an toàn vận hành liên tục cho hệ thống điện khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết phóng điện khí quyển hiện đại kết hợp với mô hình điện hình học (Electrogeometrical Model - EGM) để mô tả tương tác giữa dòng sét và công trình điện lực. Quá trình phóng điện sét xuống đất trải qua các giai đoạn: phóng điện tiên đạo bước với điện áp đầu tia lên tới 50.000 kV, phóng điện ngược với dòng điện trung bình 24 kA di chuyển với tốc độ khoảng 30.000 km/s (tương đương 0,1 lần tốc độ ánh sáng) và phóng điện lặp lại (tiên đạo mũi nhọn) chiếm khoảng 55% số lần phóng điện với nhiệt độ kênh sét đạt 30.000 độ C.

Để xác định khoảng cách sét đánh định hướng ($S$), luận văn áp dụng các mô hình giải tích chuẩn hóa của Wagner ($S = 6,7 \cdot I_s^{0,8}$), IEEE 998-2012 ($S = 8 \cdot I_s^{0,65}$) và mô hình Eriksson/CIGRE với $S = 0,84 \cdot I_s^{0,67}$ đối với cột thu sét và $S = 0,67 \cdot I_s^{0,67}$ đối với dây chống sét. Phân bố xác suất thống kê đỉnh dòng điện sét được tính toán theo hàm Popolansky - Anderson: $P(I \ge I_s) = 100 / [1 + (I_s/31)^{2,6}]$, lấy giá trị dòng điện sét trung bình là 31 kA. Phân bố độ dốc đầu sóng dòng điện sét được xác định theo mô hình Berger với giá trị trung bình 24,3 kA/µs.

Các khái niệm kỹ thuật nền tảng bao gồm: Mức cách điện xung cơ bản (BIL), Mức bảo vệ xung sét của chống sét van (LPL), Điện áp làm việc liên tục lớn nhất (MCOV) và Hệ số dự trữ cách điện ($K_{dt}$). Việc phối hợp cách điện phải đảm bảo $K_{dt}$ giữa mức chịu đựng xung sét của thiết bị và điện áp dư của chống sét van luôn đạt giá trị an toàn trên 15% đến 20%.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm gồm thông số kỹ thuật của 2 máy biến áp 40 MVA ABB, hệ thống máy cắt SF6, dao cách ly và máy biến điện áp đo lường (TU) tại 4 xuất tuyến 110 kV (lộ 171, 172, 173, 174) tại Trạm biến áp 110 kV Sơn La. Mẫu số liệu dông sét được thu thập từ mạng lưới 7 trạm định vị sét quốc gia của Viện Vật lý Địa cầu giai đoạn 2003 - 2020 và chuỗi thống kê 14 sự cố vận hành thực tế tại Công ty Điện lực Sơn La trong năm 2020. Cỡ mẫu nghiên cứu bao phủ toàn bộ phạm vi 1 khoảng trạm và các đoạn đường dây 110 kV đi vào trạm có chiều dài từ 1 km đến 2 km. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu điển hình theo chuỗi sự cố thực tế và các vị trí xung yếu có nguy cơ sét đánh cao nhất.

Phương pháp phân tích chủ đạo là mô phỏng số quá độ điện từ trong miền thời gian bằng chương trình chuyên dụng ATP-EMTP (phân hệ đồ họa ATPDraw). Lý do lựa chọn phần mềm ATP-EMTP là khả năng xử lý mạch điện quá độ quy mô lớn lên đến 6.000 nút, 10.000 nhánh và 2.250 phần tử phi tuyến. ATP-EMTP cho phép mô hình hóa chi tiết đặc tính phi tuyến V-A của tấm điện trở oxit kim loại ZnO trong chống sét van Siemens 3EL2, mô hình đường dây truyền tải đa dây dẫn phụ thuộc tần số (LCC), mô hình sóng phản xạ trên thân cột thép và điện trở tiếp địa phi tuyến chân cột. Toàn bộ quá trình tính toán và phân tích mô phỏng được thực hiện tập trung trong giai đoạn 2019 - 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích dữ liệu mô phỏng trên ATPDraw đã làm sáng tỏ nhiều quy luật quá độ điện từ nguy hiểm tác động lên cách điện của Trạm biến áp 110 kV Sơn La:

Thứ nhất, biên độ đỉnh xung dòng điện sét tác động trực tiếp và phi tuyến lên mức quá điện áp tại đầu cực máy biến áp T1. Khi đỉnh dòng sét tăng từ giá trị trung bình 31 kA lên mức cực đại 100 kA, điện áp cực đại xuất hiện trên đầu cực máy biến áp tăng hơn 35%, đạt mức trên 410 kV, tiệm cận giới hạn chịu đựng xung sét cơ bản 480 kV của cách điện máy biến áp.

Thứ hai, độ dốc đầu sóng dòng sét ($S_s$) quyết định tốc độ gia tăng điện áp tại thanh cái và thiết bị đo lường. Khi độ dốc đầu sóng tăng từ 24 kA/µs lên 50 kA/µs, biên độ điện áp phản xạ tại các điểm phân nhánh tăng thêm từ 18% đến 25%, gây áp lực cách điện cực lớn lên các máy biến điện áp kiểu tụ (TU) tại các lộ xuất tuyến.

Thứ ba, điện trở nối đất chân cột tại đoạn đường dây 1 km - 2 km giáp trạm có ảnh hưởng mang tính quyết định. Khi điện trở tiếp địa chân cột tăng từ 5 Ohm lên 30 Ohm, nguy cơ phóng điện ngược từ thân cột sang dây dẫn tăng gấp 2,8 lần (tương đương mức tăng 180%), khiến toàn bộ năng lượng xung sét truyền thẳng vào trạm biến áp mà không được tiêu tán kịp thời xuống đất.

Thứ tư, sơ đồ bảo vệ hiện trạng chỉ bố trí chống sét van (CSV) tại đầu cực máy biến áp và thanh cái, hoàn toàn để hở các xuất tuyến đường dây 171, 173, 174. Điều này khiến hệ số dự trữ cách điện tại các TU tụ chỉ đạt từ 5% đến 11%, thấp hơn nhiều so với ngưỡng an toàn quy chuẩn là 15%, tạo ra nguy cơ nổ vỡ thiết bị đo lường khi có sét đánh lân cận.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của tình trạng quá điện áp vượt ngưỡng tại các thiết bị đo lường xuất phát từ hiện tượng khúc xạ và phản xạ sóng quá điện áp tại các nút chuyển tiếp thanh cái C11 và C12. Khi sóng quá áp lan truyền dọc theo đường dây vào trạm gặp trở kháng biến đổi, biên độ điện áp sóng tới bị khuếch đại lên từ 1,4 đến 1,8 lần tại các điểm nút hở mạch hoặc có điện dung ký sinh nhỏ.

Dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan qua các đồ thị đáp ứng thời gian của điện áp 3 pha trên đầu cực máy biến áp T1 và bảng so sánh hệ số dự trữ cách điện giữa các kịch bản vận hành. Biểu đồ cho thấy dạng sóng quá áp có tần số dao động cao từ 100 kHz đến 500 kHz trong 20 micro-giây đầu tiên. Khi tiến hành giải pháp bổ sung 04 bộ chống sét van ZnO tại các xuất tuyến 171, 172, 173, 174, biên độ quá điện áp tại các TU giảm mạnh từ 430 kV xuống dưới 320 kV, giúp hệ số dự trữ cách điện tăng từ mức nguy hiểm 8% lên mức an toàn 26% đến 31%.

So sánh với các nghiên cứu tương tự trong hệ thống truyền tải điện khu vực miền núi phía Bắc, kết quả này hoàn toàn nhất quán với khuyến cáo của IEEE Std C62.22 và IEC 60071-2. Việc chỉ dựa vào chống sét van đặt tại máy biến áp là không đủ để bảo vệ toàn diện trạm phân phối 110 kV khi khoảng cách giữa máy biến áp và xuất tuyến vượt quá 30 mét. Bố trí chống sét van phân tán đa tầng là giải pháp kỹ thuật tối ưu để triệt tiêu sóng phản xạ ngay tại điểm đón đầu sóng vào trạm.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng và phân tích định lượng, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật đồng bộ nhằm tối ưu hóa hệ thống bảo vệ chống sét cấp 2 cho Trạm biến áp 110 kV Sơn La:

Thứ nhất, lắp đặt bổ sung 04 bộ chống sét van oxit kim loại không khe hở ZnO (cấp điện áp danh định 120 kV, dòng phóng định mức 10 kA, mức bảo vệ xung sét dưới 290 kV) tại vị trí đầu vào của các xuất tuyến 110 kV lộ 171, 172, 173 và 174. Mục tiêu định lượng là nâng cao hệ số dự trữ cách điện cho toàn bộ máy biến điện áp TU và máy cắt đường dây đạt trên 25%. Thời gian thực hiện: Hoàn thành trong Quý I đến Quý II năm 2021. Chủ thể thực hiện: Công ty Điện lực Sơn La phối hợp với Ban Quản lý Dự án Lưới điện.

Thứ hai, thi công cải tạo và giảm điện trở nối đất chân cột tại 5 khoảng cột liền kề trạm biến áp của các tuyến đường dây 110 kV đi vào trạm. Sử dụng cọc tiếp địa bằng thép mạ đồng chôn sâu kết hợp hóa chất giảm điện trở đất chuyên dụng (hợp chất GEM) nhằm đưa trị số điện trở nối đất về mức dưới 10 Ohm đối với vùng đất đồi đá và dưới 5 Ohm đối với đất thông thường. Thời gian thực hiện: Triển khai trước mùa mưa bão tháng 4 năm 2021. Chủ thể thực hiện: Đội Quản lý Vận hành Lưới điện Cao thế Sơn La.

Thứ ba, thu hẹp góc bảo vệ của dây chống sét trên các đoạn đường dây 110 kV dài 2 km đầu trạm xuống dưới 20 độ, đồng thời lắp đặt bổ sung chống sét van đường dây (TLA) tại các vị trí cột có xác suất sét đánh vượt quá 20%. Giải pháp này nhằm triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ phóng điện ngược và dòng quá áp biên độ lớn truyền vào trạm. Thời gian thực hiện: Giai đoạn 2021 - 2022. Chủ thể thực hiện: Phòng Kỹ thuật Công ty Điện lực Sơn La.

Thứ tư, thiết lập hệ thống giám sát trực tuyến dòng rò và số lần tác động của chống sét van, kết hợp quy trình thí nghiệm định kỳ 6 tháng/lần nhằm phát hiện sớm hiện tượng lão hóa của tấm điện trở oxit kẽm dưới tác động của điện áp làm việc liên tục 89 kV. Thời gian thực hiện: Bắt đầu áp dụng liên tục từ năm 2021. Chủ thể thực hiện: Phân xưởng Thí nghiệm Điện và Điều độ Hệ thống điện Sơn La.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, là tài liệu tham khảo quan trọng cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư thiết kế trạm biến áp và đường dây truyền tải tại các công ty tư vấn điện lực. Luận văn cung cấp quy trình bài bản về việc ứng dụng công cụ mô phỏng quá độ điện từ ATP-EMTP để tính toán phối hợp cách điện, xác định vị trí đặt chống sét van tối ưu theo tiêu chuẩn quốc tế IEC và IEEE, giúp loại bỏ các sai số thiết kế kinh nghiệm truyền thống.

Nhóm thứ hai là cán bộ quản lý kỹ thuật và vận hành tại Tổng công ty Điện lực miền Bắc (EVNNPC) cùng các Công ty Điện lực tỉnh khu vực trung du, miền núi. Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu thực tế về đặc tính dông sét và hướng dẫn giải pháp cải tạo hệ thống tiếp địa chân cột, xử lý triệt để các sự cố phóng điện khí quyển trên lưới điện 110 kV.

Nhóm 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. Luận văn là hình mẫu điển hình trong việc kết hợp giữa cơ sở lý thuyết phóng điện khí quyển, phương pháp thống kê xác suất dòng sét và kỹ thuật mô phỏng số chuyên sâu trên phần mềm công nghiệp.

Nhóm thứ tư là các đơn vị thẩm định dự án và cơ quan quản lý an toàn lưới điện. Nghiên cứu cung cấp các tiêu chí định lượng chuẩn xác về hệ số dự trữ cách điện, mức bảo vệ xung sét LPL và chỉ số MTBF để đánh giá tính khả thi kỹ thuật của các dự án cải tạo, nâng cấp trạm biến áp cao thế.

Câu hỏi thường gặp

Bảo vệ quá điện áp khí quyển cấp 2 cho trạm biến áp 110 kV có ý nghĩa gì? Bảo vệ cấp 2 nhằm hạn chế biên độ và độ dốc đầu sóng của quá điện áp lan truyền từ đường dây vào trạm do sét đánh, triệt tiêu năng lượng xung cắt trước khi tác động lên thiết bị. Giải pháp này bảo vệ an toàn cho máy biến áp lực công suất 40 MVA và các thiết bị phân phối, ngăn ngừa sự cố chọc thủng cách điện và đảm bảo thời gian vận hành không sự cố đạt từ 50 đến 100 năm.

Tại sao chống sét van oxit kim loại ZnO không khe hở lại vượt trội hơn loại SiC truyền thống? Chống sét van ZnO sở hữu đặc tính V-A phi tuyến cực kỳ cao, cho phép dòng rò ở chế độ làm việc bình thường chỉ vài micro-ampe nhưng chuyển sang trạng thái dẫn điện mạnh khi xuất hiện xung sét. Nhờ loại bỏ khe hở phóng điện, chống sét van Siemens 3EL2 dập tắt dòng điện sau xung sét tức thì, hạ thấp điện áp dư xuống dưới 290 kV và chịu được dòng phóng danh định 10 kA mà không gây quá nhiệt.

Điện trở nối đất chân cột ảnh hưởng như thế nào đến nguy cơ quá điện áp trong trạm biến áp? Khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét, dòng sét đi qua điện trở nối đất chân cột tạo nên điện áp giáng $I_s \cdot R_{td}$. Nếu điện trở tiếp địa vượt quá 10 Ohm, điện áp trên thân cột tăng vọt vượt ngưỡng cách điện của chuỗi sứ, gây phóng điện ngược sang dây dẫn pha. Dòng sét cường độ hàng chục kA sẽ truyền thẳng vào trạm biến áp, làm quá tải chống sét van và phá hủy thiết bị.

Phần mềm ATP-EMTP đóng vai trò gì trong việc phân tích phối hợp cách điện trạm 110 kV? ATP-EMTP cho phép mô phỏng chính xác quá trình lan truyền sóng điện từ với tốc độ ánh sáng trong miền thời gian, mô hình hóa các hiện tượng sóng phản xạ, sóng khúc xạ tại các thanh cái và phi tuyến tính của thiết bị. Với khả năng xử lý hơn 6.000 nút và 10.000 nhánh, phần mềm cung cấp đồ thị điện áp tức thời tại từng đầu cực thiết bị với độ sai số dưới 1%.

Lắp đặt thêm 04 chống sét van tại các xuất tuyến mang lại hiệu quả định lượng như thế nào? Việc lắp đặt thêm 04 chống sét van ZnO 120 kV tại các lộ 171, 172, 173, 174 giúp dập tắt sóng quá áp ngay tại lối vào trạm, giảm biên độ điện áp tác dụng lên máy biến điện áp TU từ 430 kV xuống dưới 320 kV. Hệ số dự trữ cách điện của các thiết bị đo lường được nâng từ mức nguy hiểm 8% lên mức an toàn 26% đến 31%, loại trừ hoàn toàn nguy cơ nổ vỡ TU do sét.

Kết luận

Nghiên cứu về phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho Trạm biến áp 110 kV Sơn La đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu khoa học và thực tiễn đề ra:

  • Đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về phóng điện sét, mô hình điện hình học EGM và đặc tính thống kê dông sét với mật độ 6,33 lần/km2.năm tại khu vực miền núi Tây Bắc.
  • Đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng số chi tiết Trạm biến áp 110 kV Sơn La (công suất 80 MVA) và các xuất tuyến trên chương trình chuyên dụng ATP-EMTP/ATPDraw.
  • Đã phát hiện nguy cơ mất an toàn cách điện nghiêm trọng tại các máy biến điện áp đo lường TU do hiện tượng sóng phản xạ khuếch đại khi trạm chỉ lắp CSV tại máy biến áp.
  • Đã chứng minh định lượng vai trò cốt lõi của việc khống chế điện trở nối đất chân cột đường dây giáp trạm dưới 10 Ohm để triệt tiêu 180% nguy cơ phóng điện ngược.
  • Đã đề xuất phương án tối ưu lắp đặt bổ sung 04 bộ chống sét van ZnO 120 kV tại các xuất tuyến, nâng hệ số dự trữ cách điện toàn trạm lên trên 25% theo tiêu chuẩn IEC 60099-4.

Về kế hoạch triển khai tiếp theo, các đơn vị quản lý vận hành cần tiến hành cải tạo tiếp địa và lắp đặt bổ sung thiết bị chống sét van trong giai đoạn 2021 - 2022, đồng thời nhân rộng mô hình phân tích ATP-EMTP cho toàn bộ hệ thống các trạm biến áp 110 kV - 220 kV trên địa bàn tỉnh Sơn La và Tây Bắc. Các doanh nghiệp truyền tải và phân phối điện hãy chủ động áp dụng quy trình mô phỏng phối hợp cách điện hiện đại này để đảm bảo lưới điện vận hành an toàn, tin cậy và bền vững.