Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng cảm ứng điện từ do sét là một vấn đề quan trọng trong kỹ thuật điện, đặc biệt ảnh hưởng lớn đến hệ thống lưới điện phân phối. Ở Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới ẩm, số ngày giông sét trung bình hàng năm dao động từ khoảng 75 đến 100 ngày, tạo điều kiện thuận lợi cho các sự cố do sét xảy ra trên đường dây phân phối 22kV. Các sự cố này không chỉ gây mất điện tạm thời mà còn làm hư hỏng thiết bị, tăng chi phí bảo trì và giảm hiệu quả vận hành hệ thống điện. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích hiện tượng điện áp cảm ứng sét trên đường dây phân phối, tính toán giá trị điện áp cảm ứng theo tiêu chuẩn IEEE 1410 và mô phỏng bằng phần mềm LIOV, từ đó đề xuất các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng này. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống lưới điện phân phối 22kV, với mô hình thực tế tuyến dây Phú Thuận – Củ Chi, TP. Hồ Chí Minh, trong giai đoạn từ năm 2021 đến 2022. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu sự cố do sét và tối ưu chi phí vận hành lưới điện phân phối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về hiện tượng sét và hiện tượng cảm ứng sét trên đường dây phân phối, cùng với mô hình điện từ trường và mô hình electrogeometric để xác định phạm vi ảnh hưởng của sét. Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

  • Dòng điện sét tiêu chuẩn: Dòng sét đỉnh trung bình 31kA, thời gian đầu sóng 1,4μs, thời gian cuối sóng 97μs theo tiêu chuẩn IEEE 1410.
  • Điện áp cảm ứng sét: Quá điện áp cảm ứng trên đường dây do sét đánh gián tiếp, được tính toán dựa trên các tham số dòng sét, khoảng cách sét đánh đến đường dây, điện trở suất đất và chiều cao đường dây.
  • Mô hình electrogeometric: Xác định bán kính thu sét và phạm vi sét đánh trực tiếp hoặc cảm ứng.
  • Phần mềm LIOV: Mô phỏng điện áp cảm ứng sét trên đường dây phân phối dựa trên mô hình điện từ và các tham số thực tế của sét và đường dây.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm thông số kỹ thuật của đường dây phân phối 22kV tại TP. Hồ Chí Minh, số liệu sự cố cảm ứng sét trên tuyến dây Phú Thuận – Củ Chi năm 2021, và các tham số dòng sét theo tiêu chuẩn IEEE 1410 và TCVN 9888-1:2013. Phương pháp nghiên cứu gồm:

  • Phân tích lý thuyết: Tìm hiểu hiện tượng sét, quá điện áp cảm ứng và các tham số kỹ thuật liên quan.
  • Tính toán điện áp cảm ứng: Áp dụng công thức theo tiêu chuẩn IEEE 1410 và phương pháp Saldanha Paulino để tính toán điện áp cảm ứng sét.
  • Mô phỏng bằng phần mềm LIOV: Sử dụng phần mềm LIOV để mô phỏng hiện tượng cảm ứng sét trên tuyến dây phân phối thực tế, với cỡ mẫu mô phỏng gồm nhiều điểm quan sát dọc tuyến dây, lựa chọn phương pháp Monte Carlo để đánh giá hiệu suất sét.
  • So sánh và đánh giá: Đối chiếu kết quả tính toán và mô phỏng với các nghiên cứu thực nghiệm và số liệu thực tế để đánh giá độ chính xác và hiệu quả của các phương pháp.
  • Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 9/2021 đến tháng 7/2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giá trị điện áp cảm ứng sét trên đường dây phân phối: Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp cảm ứng sét tại vị trí giữa đường dây có thể đạt đến khoảng 300kV khi sét đánh cách đường dây từ 40m đến 80m, giảm dần khi khoảng cách tăng lên. Điện áp cảm ứng tại cuối đường dây thấp hơn khoảng 20-30% so với vị trí giữa đường dây.

  2. Ảnh hưởng của cấu hình đường dây: Đường dây mạch kép có điện áp cảm ứng thấp hơn khoảng 15-25% so với đường dây một mạch do hiệu ứng che chắn lẫn nhau giữa các dây dẫn. Điều này phù hợp với kết quả nghiên cứu trước đây về sự giảm điện áp cảm ứng khi tăng số lượng dây dẫn.

  3. Tác động của điện trở suất đất: Điện áp cảm ứng sét tăng khi điện trở suất đất tăng, đặc biệt với đất có điện trở suất trên 100 Ωm, điện áp cảm ứng có thể tăng thêm khoảng 10-15%. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc khảo sát điện trở đất trong thiết kế bảo vệ chống sét.

  4. Hiệu quả của thiết bị chống sét van: Việc lắp đặt chống sét van trung thế 18kV theo tiêu chuẩn IEC 60099-4 giúp giảm thiểu điện áp cảm ứng sét xuống dưới mức điện áp cách điện cho phép, giảm thiểu sự cố phóng điện và cắt điện trên lưới phân phối.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng điện áp cảm ứng sét là do sự thay đổi nhanh chóng của dòng điện sét tạo ra trường điện từ biến thiên mạnh, cảm ứng lên các dây dẫn trên không. Kết quả mô phỏng và tính toán phù hợp với các nghiên cứu quốc tế và thực tế vận hành tại TP. Hồ Chí Minh. Việc cấu hình đường dây mạch kép và sử dụng thiết bị chống sét van là các biện pháp kỹ thuật hiệu quả để giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng này. Biểu đồ điện áp cảm ứng theo khoảng cách sét đánh thể hiện rõ xu hướng giảm điện áp khi tăng khoảng cách, giúp xác định phạm vi bảo vệ cần thiết. Bảng so sánh kết quả tính toán theo IEEE 1410 và mô phỏng LIOV cho thấy sự tương đồng trong phạm vi sai số dưới 10%, khẳng định tính khả thi của phương pháp nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Lắp đặt chống sét van trung thế 18kV trên các tuyến dây phân phối 22kV, đặc biệt tại các khu vực có điện trở đất cao và mật độ sét lớn, nhằm giảm điện áp cảm ứng sét xuống dưới mức cách điện cho phép. Thời gian thực hiện: trong vòng 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Công ty Điện lực và đơn vị thi công.

  2. Thiết kế cấu hình đường dây mạch kép thay thế cho đường dây một mạch tại các đoạn tuyến trọng yếu để tận dụng hiệu ứng che chắn, giảm điện áp cảm ứng sét. Thời gian thực hiện: 2-3 năm. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật lưới điện.

  3. Khảo sát và cải thiện điện trở đất tại các vị trí trụ cột và thiết bị chống sét để đảm bảo điện trở đất dưới 100 Ωm, giảm thiểu điện áp cảm ứng sét. Thời gian thực hiện: 6-9 tháng. Chủ thể thực hiện: Đơn vị bảo trì và đo đạc kỹ thuật.

  4. Áp dụng phần mềm mô phỏng LIOV trong quy trình thiết kế và đánh giá bảo vệ chống sét cho lưới điện phân phối, giúp dự báo chính xác hiện tượng cảm ứng sét và lựa chọn giải pháp phù hợp. Thời gian áp dụng: ngay lập tức. Chủ thể thực hiện: Trung tâm nghiên cứu và phát triển kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế lưới điện phân phối: Nắm bắt kiến thức về hiện tượng cảm ứng sét và các phương pháp tính toán, mô phỏng để thiết kế hệ thống bảo vệ hiệu quả, giảm thiểu sự cố.

  2. Nhà quản lý vận hành lưới điện: Hiểu rõ tác động của sét đến hệ thống, từ đó xây dựng kế hoạch bảo trì, đầu tư thiết bị chống sét phù hợp nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết, mô hình và phương pháp mô phỏng hiện tượng cảm ứng sét, phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo.

  4. Đơn vị cung cấp thiết bị chống sét: Cơ sở để đánh giá hiệu quả sản phẩm, tư vấn kỹ thuật và phát triển các giải pháp chống sét phù hợp với đặc điểm lưới điện Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Điện áp cảm ứng sét là gì và tại sao nó quan trọng?
    Điện áp cảm ứng sét là quá điện áp xuất hiện trên đường dây phân phối do trường điện từ biến thiên từ dòng sét đánh gần đó. Nó quan trọng vì có thể gây phóng điện, hư hỏng thiết bị và mất điện, ảnh hưởng đến độ tin cậy lưới điện.

  2. Tiêu chuẩn IEEE 1410 có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    IEEE 1410 cung cấp phương pháp tính toán dòng điện sét tiêu chuẩn và điện áp cảm ứng sét, giúp xác định các tham số đầu vào chính xác cho mô phỏng và đánh giá hiện tượng cảm ứng sét.

  3. Phần mềm LIOV được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    LIOV mô phỏng điện áp cảm ứng sét trên đường dây phân phối dựa trên mô hình điện từ và các tham số thực tế, giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của sét và hiệu quả các giải pháp bảo vệ.

  4. Tại sao cấu hình đường dây mạch kép giảm điện áp cảm ứng sét?
    Do hiệu ứng che chắn lẫn nhau giữa các dây dẫn, từ trường cảm ứng bị triệt tiêu phần nào, làm giảm điện áp cảm ứng trên từng dây dẫn so với đường dây một mạch.

  5. Giải pháp chống sét van có hiệu quả như thế nào?
    Chống sét van giúp dẫn dòng điện sét năng lượng cao xuống đất, giảm điện áp cảm ứng trên đường dây, bảo vệ thiết bị khỏi hư hỏng và giảm sự cố mất điện do sét.

Kết luận

  • Hiện tượng điện áp cảm ứng sét trên đường dây phân phối 22kV là nguyên nhân chính gây ra sự cố và hư hỏng thiết bị trong lưới điện phân phối tại Việt Nam.
  • Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn IEEE 1410 kết hợp mô phỏng bằng phần mềm LIOV cho kết quả chính xác, phù hợp với thực tế vận hành.
  • Cấu hình đường dây mạch kép và thiết bị chống sét van là các giải pháp kỹ thuật hiệu quả để giảm thiểu điện áp cảm ứng sét.
  • Việc khảo sát điện trở đất và áp dụng các biện pháp cải thiện điện trở đất góp phần nâng cao hiệu quả bảo vệ chống sét.
  • Khuyến nghị triển khai các giải pháp bảo vệ trong vòng 1-3 năm nhằm nâng cao độ tin cậy và giảm thiểu chi phí vận hành lưới điện phân phối.

Tiếp theo, các đơn vị quản lý và kỹ thuật nên áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống điện phân phối hiệu quả hơn, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và ứng dụng các công nghệ mới trong bảo vệ chống sét.