Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hệ thống điện tại TP. Hồ Chí Minh ngày càng phát triển, việc đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của nguồn điện là yêu cầu cấp thiết. Hiện tại, khu vực này được cung cấp điện 22kV từ 66 trạm biến áp 220-110kV/22kV, trong đó các bộ tụ bù trung thế 22kV đóng vai trò quan trọng trong việc bù công suất phản kháng, ổn định điện áp và giảm tổn thất điện năng. Tuy nhiên, quá trình đóng cắt các bộ tụ bù tại các trạm biến áp 110kV thường phát sinh các hiện tượng quá độ như dòng điện xung kích và điện áp phục hồi quá độ (TRV), có thể gây hư hỏng cách điện, tác động sai lệch đến hệ thống bảo vệ rơ-le và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát, phân tích và đề xuất các giải pháp nhằm hạn chế các hiện tượng quá độ khi thao tác đóng cắt bộ tụ bù trung thế 22kV tại các trạm biến áp 220-110kV/22kV, đặc biệt tại trạm biến áp 110kV Lê Minh Xuân, TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu tập trung vào các trường hợp thao tác đóng cắt trong điều kiện bình thường và khi có sự cố quá dòng, nhằm nâng cao độ tin cậy vận hành và bảo vệ thiết bị.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng quá trình đóng cắt bộ tụ bù 22kV tại trạm biến áp 110kV Lê Minh Xuân trong khoảng thời gian từ năm 2016 đến 2017, sử dụng phần mềm mô phỏng ATP/EMTP để phân tích các hiện tượng quá độ. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống bảo vệ, giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị và nâng cao chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết quá độ điện từ trong hệ thống điện cao áp: Phân tích các hiện tượng quá độ như dòng điện xung kích, điện áp phục hồi quá độ (TRV) và điện áp phục hồi (RV) khi đóng cắt bộ tụ bù, ảnh hưởng đến cách điện và hoạt động của máy cắt.

  • Mô hình hồ quang điện Cassie và Mayr cải tiến: Mô phỏng quá trình dập hồ quang trong máy cắt, giúp dự đoán điện áp và dòng điện trong quá trình cắt tải hoặc sự cố, từ đó đánh giá khả năng chịu đựng của máy cắt.

  • Mô hình thevenin hệ thống điện: Đại diện cho nguồn điện và mạng lưới tại thanh cái 22kV của trạm biến áp, giúp mô phỏng chính xác các điều kiện vận hành thực tế.

  • Hệ thống bảo vệ rơ-le: Các chức năng bảo vệ quá dòng, bảo vệ chạm pha, chạm đất, bảo vệ khoảng cách và bảo vệ so lệch được áp dụng để đảm bảo an toàn và độ tin cậy cho hệ thống điện.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng điện xung kích, điện áp phục hồi quá độ (TRV), điện áp phục hồi (RV), mô hình hồ quang điện, máy cắt trung thế, bộ tụ bù trung thế, và phần mềm mô phỏng ATP/EMTP.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu vận hành thực tế và báo cáo sự cố tại trạm biến áp 110kV Lê Minh Xuân, TP. Hồ Chí Minh trong năm 2016-2017. Tham khảo tài liệu chuyên ngành, các công trình nghiên cứu và tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm mô phỏng ATP/EMTP để xây dựng mô hình hệ thống điện, bao gồm nguồn điện 3 pha 22,3kV, máy biến áp, máy cắt bộ tụ bù 22kV và bộ tụ bù 3 pha. Mô phỏng các quá trình đóng cắt bộ tụ bù trong điều kiện bình thường và khi có sự cố quá dòng.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình được xây dựng dựa trên thông số kỹ thuật thực tế của trạm biến áp Lê Minh Xuân, bao gồm máy biến áp 115kV/23kV, máy cắt VD4/P-24-12-25, bộ tụ bù CHD-850B dung lượng 6MVAr. Các trường hợp mô phỏng được lựa chọn đại diện cho các tình huống vận hành phổ biến và sự cố thường gặp.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 10/2016 đến tháng 7/2017, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Dòng điện xung kích khi đóng bộ tụ bù: Mô phỏng cho thấy dòng điện xung kích pha A có thể đạt đỉnh khoảng 1,25 lần dòng định mức (40A), tùy thuộc vào góc pha đóng điện. Dòng xung kích này gây ra hiện tượng quá điện áp thao tác, ảnh hưởng đến cách điện của bộ tụ bù.

  2. Điện áp phục hồi quá độ (TRV) khi cắt bộ tụ bù: TRV xuất hiện ngay sau khi dòng điện về không, có biên độ dao động cao gấp 2 lần điện áp định mức 22kV, đặc biệt trong trường hợp cắt khi có sự cố quá dòng. Điều này làm tăng nguy cơ phóng điện hồ quang trở lại tại máy cắt.

  3. Ảnh hưởng của sự cố quá dòng: Khi xảy ra sự cố một pha chạm đất, dòng điện xung kích tăng lên khoảng 1,5 lần dòng định mức, đồng thời TRV có biên độ và tần số dao động cao hơn so với điều kiện bình thường, làm tăng nguy cơ hư hỏng thiết bị và tác động sai lệch của rơ-le bảo vệ.

  4. Hiệu quả của cuộn kháng nối tiếp với máy cắt: Việc lắp đặt cuộn kháng làm giảm dòng điện xung kích đỉnh và giảm biên độ TRV, giúp hạn chế quá điện áp thao tác và tăng tuổi thọ máy cắt bộ tụ bù.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng được trình bày qua các biểu đồ dòng điện xung kích và điện áp TRV tại các pha, cho thấy rõ sự biến đổi theo góc pha đóng cắt và điều kiện sự cố. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với các báo cáo về hiện tượng quá độ trong hệ thống điện cao áp.

Nguyên nhân chính của các hiện tượng quá độ là do đặc tính điện dung của bộ tụ bù và sự tương tác với hệ thống điện qua máy cắt. Dòng điện xung kích và TRV cao gây áp lực lớn lên cách điện và thiết bị đóng cắt, làm tăng nguy cơ hư hỏng và giảm độ tin cậy vận hành.

Việc sử dụng mô hình hồ quang điện Cassie và Mayr cải tiến trong mô phỏng giúp dự đoán chính xác hơn các hiện tượng hồ quang trong máy cắt, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn trong việc thiết kế hệ thống bảo vệ rơ-le, lựa chọn máy cắt phù hợp và xây dựng quy trình vận hành an toàn, góp phần nâng cao chất lượng điện năng và độ ổn định của lưới điện TP. Hồ Chí Minh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường sử dụng cuộn kháng nối tiếp với máy cắt bộ tụ bù nhằm giảm dòng điện xung kích và biên độ TRV, nâng cao khả năng chịu đựng của máy cắt. Thời gian thực hiện: trong vòng 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Công ty Lưới điện Cao thế TP.HCM.

  2. Cập nhật và hiệu chỉnh các trị số bảo vệ rơ-le quá dòng và bảo vệ chạm đất dựa trên kết quả mô phỏng để tránh tác động sai lệch, đảm bảo ngắt kịp thời khi có sự cố. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện TP.HCM.

  3. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ vận hành về các hiện tượng quá độ khi thao tác đóng cắt bộ tụ bù, giúp họ hiểu rõ các rủi ro và quy trình vận hành an toàn. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: Bộ môn Hệ Thống Điện, Trường Đại học Công nghệ TP.HCM phối hợp với Công ty Lưới điện.

  4. Áp dụng phần mềm mô phỏng ATP/EMTP trong công tác thiết kế và vận hành trạm biến áp, nhằm dự báo và xử lý kịp thời các hiện tượng quá độ, giảm thiểu sự cố và tổn thất thiết bị. Thời gian thực hiện: triển khai ngay và duy trì thường xuyên. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật và vận hành các trạm biến áp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống điện cao áp: Nắm bắt các hiện tượng quá độ khi thao tác đóng cắt bộ tụ bù, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu sự cố.

  2. Chuyên gia thiết kế hệ thống điện và thiết bị đóng cắt: Áp dụng các mô hình mô phỏng và kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa thiết kế máy cắt và hệ thống bảo vệ.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành Kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc nghiên cứu, giảng dạy về hiện tượng quá độ và ứng dụng phần mềm mô phỏng ATP/EMTP.

  4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong ngành điện lực: Hiểu rõ các rủi ro kỹ thuật và đề xuất các chính sách nâng cao độ tin cậy, an toàn cho hệ thống điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nghiên cứu hiện tượng quá độ khi đóng cắt bộ tụ bù?
    Hiện tượng quá độ như dòng điện xung kích và điện áp phục hồi quá độ có thể gây hư hỏng cách điện, làm sai lệch hệ thống bảo vệ và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Nghiên cứu giúp đề xuất giải pháp giảm thiểu rủi ro này.

  2. Phần mềm ATP/EMTP có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    ATP/EMTP là công cụ mô phỏng các hiện tượng quá độ điện từ và điện cơ, giúp phân tích chính xác các quá trình đóng cắt, từ đó đưa ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp.

  3. Mô hình hồ quang điện Cassie và Mayr cải tiến được sử dụng như thế nào?
    Mô hình này mô phỏng quá trình dập hồ quang trong máy cắt, giúp dự đoán điện áp và dòng điện trong quá trình cắt tải hoặc sự cố, từ đó đánh giá khả năng chịu đựng của máy cắt.

  4. Các giải pháp kỹ thuật nào được đề xuất để giảm thiểu hiện tượng quá độ?
    Đề xuất sử dụng cuộn kháng nối tiếp với máy cắt, hiệu chỉnh bảo vệ rơ-le, đào tạo nhân viên vận hành và ứng dụng phần mềm mô phỏng trong thiết kế và vận hành.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các trạm biến áp khác không?
    Có, các kết quả và phương pháp mô phỏng có thể áp dụng cho các trạm biến áp 110kV/22kV khác có cấu hình tương tự, giúp nâng cao độ tin cậy và an toàn hệ thống điện.

Kết luận

  • Mô phỏng bằng ATP/EMTP đã phân tích thành công các hiện tượng quá độ khi thao tác đóng cắt bộ tụ bù 22kV tại trạm biến áp 110kV Lê Minh Xuân, với các số liệu dòng điện xung kích và điện áp TRV cụ thể.

  • Hiện tượng quá độ có thể gây hư hỏng cách điện và tác động sai lệch đến hệ thống bảo vệ, đặc biệt khi có sự cố quá dòng.

  • Việc sử dụng cuộn kháng nối tiếp với máy cắt và hiệu chỉnh bảo vệ rơ-le là các giải pháp hiệu quả để giảm thiểu rủi ro.

  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về quá trình đóng cắt bộ tụ bù, hỗ trợ công tác vận hành và bảo trì hệ thống điện tại TP. Hồ Chí Minh.

  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai các giải pháp đề xuất, đào tạo nhân viên và mở rộng nghiên cứu cho các trạm biến áp khác nhằm nâng cao độ tin cậy toàn hệ thống.

Quý độc giả và các chuyên gia trong ngành được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để cải thiện hiệu quả vận hành và bảo vệ hệ thống điện cao áp.