Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành điện lực, việc bảo vệ an toàn cho con người và thiết bị điện là vô cùng quan trọng, đặc biệt trong các trạm biến áp. Theo ước tính, hàng năm ngành điện Việt Nam chịu tổn thất lớn do các sự cố chạm đất và sét đánh gây ra, làm gián đoạn cung cấp điện và thiệt hại kinh tế nghiêm trọng. Một trong những yếu tố then chốt để giảm thiểu rủi ro này là thiết kế hệ thống nối đất hiệu quả, đảm bảo dòng điện sự cố được tản nhanh vào đất, giữ điện áp tiếp xúc và điện áp bước ở mức an toàn.

Tuy nhiên, tại các vùng có điện trở suất đất cao như đồi núi, cao nguyên, đá sỏi, việc thiết kế hệ thống nối đất gặp nhiều khó khăn do điện trở đất lớn, diện tích thi công hạn chế. Để khắc phục, việc sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất như San Earth M5C được xem là giải pháp kỹ thuật và kinh tế khả thi. Luận văn tập trung nghiên cứu và tính toán hệ thống nối đất trạm biến áp trong vùng có điện trở suất đất cao, áp dụng tiêu chuẩn IEEE Std. 80-2013, đồng thời phát triển hai chương trình tự động thiết kế hệ thống nối đất có và không sử dụng hóa chất giảm điện trở.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các trạm biến áp điển hình 115/13 kV tại Việt Nam, với dữ liệu điện trở suất đất được đo thực tế và các thông số kỹ thuật theo tiêu chuẩn quốc tế. Mục tiêu chính là đề xuất quy trình tính toán, thiết kế hệ thống nối đất an toàn, tối ưu chi phí và thời gian thi công, góp phần nâng cao độ tin cậy và an toàn cho hệ thống điện. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn đối với các công ty điện lực, đơn vị tư vấn thiết kế và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính:

  1. Tiêu chuẩn IEEE Std. 80-2013: Đây là tiêu chuẩn quốc tế hướng dẫn thiết kế hệ thống nối đất an toàn cho trạm biến áp, bao gồm các công thức tính toán điện trở nối đất, điện áp tiếp xúc, điện áp bước, và các hệ số hiệu chỉnh liên quan đến hình dạng lưới nối đất, vật liệu, thời gian sự cố. Tiêu chuẩn này được cập nhật từ phiên bản 2000 nhằm đơn giản hóa và chuẩn hóa quy trình thiết kế.

  2. Tính năng và ứng dụng hóa chất giảm điện trở nối đất San Earth M5C: Hóa chất này có khả năng làm giảm điện trở đất hiệu quả, bền vững, không gây ô nhiễm môi trường. Các công thức tính toán điện trở nối đất khi sử dụng San Earth được luận văn trình bày chi tiết, bao gồm các dạng điện cực đơn, song song, hình chữ L, chữ thập và hình vuông.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: điện trở suất đất (ρ), điện áp tiếp xúc (Etouch), điện áp bước (Estep), dòng điện chạm đất (I0), hệ số suy giảm Df, hệ số hiệu chỉnh Km, Ks, Ki, Kii, và các thông số kỹ thuật của dây dẫn, cọc nối đất.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp:

  • Thu thập và phân tích tài liệu: Tổng hợp các tiêu chuẩn quốc tế, nghiên cứu trong và ngoài nước về thiết kế nối đất, tính năng hóa chất San Earth, các công thức tính toán và thực nghiệm đo điện trở đất.

  • Phân tích số liệu thực tế: Sử dụng số liệu điện trở suất đất đo tại các vùng có điện trở suất cao, đặc biệt tại các trạm biến áp 115/13 kV điển hình.

  • Lập trình mô phỏng: Xây dựng hai chương trình tự động tính toán và thiết kế hệ thống nối đất trên nền Matlab, gồm chương trình GCP (không sử dụng hóa chất) và LGCP (có sử dụng hóa chất San Earth). Cỡ mẫu dữ liệu đầu vào gồm các thông số kỹ thuật, điện trở suất đất, dòng điện sự cố, diện tích lưới nối đất.

  • Phân tích so sánh: Đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế giữa hai phương án có và không sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất, dựa trên chi phí thi công, điện trở nối đất đạt được, và thời gian thi công.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2018-2019, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, phân tích lý thuyết, lập trình mô phỏng, và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả giảm điện trở nối đất khi sử dụng hóa chất San Earth M5C: Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy điện trở nối đất giảm trung bình từ 30% đến 50% so với phương án không sử dụng hóa chất, đặc biệt hiệu quả tại các vùng đất có điện trở suất cao trên 300 Ω.m. Ví dụ, tại trạm biến áp 115/13 kV, điện trở nối đất giảm từ khoảng 15 Ω xuống còn khoảng 8 Ω khi sử dụng San Earth.

  2. Tiết kiệm diện tích và chi phí thi công: Việc sử dụng hóa chất giúp giảm diện tích lưới nối đất cần thiết từ 20% đến 35%, đồng thời giảm chi phí vật liệu và nhân công. Chi phí hóa chất San Earth chiếm khoảng 15-20% tổng chi phí thi công nhưng bù lại tiết kiệm được diện tích đất và vật liệu dây dẫn.

  3. Chương trình tự động thiết kế GCP và LGCP: Hai chương trình được xây dựng giúp rút ngắn thời gian tính toán từ vài giờ xuống còn vài phút, đồng thời đảm bảo tính chính xác và tuân thủ tiêu chuẩn IEEE Std. 80-2013. Chương trình LGCP đặc biệt hữu ích trong việc thiết kế hệ thống nối đất có sử dụng hóa chất, cho phép lựa chọn tối ưu giữa các phương án.

  4. An toàn điện áp tiếp xúc và điện áp bước: Các thiết kế hệ thống nối đất theo tiêu chuẩn đảm bảo điện áp tiếp xúc và điện áp bước luôn nằm dưới giới hạn cho phép (ví dụ, điện áp tiếp xúc dưới 50 V đối với người nặng 70 kg), đảm bảo an toàn cho công nhân vận hành và người dân xung quanh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả giảm điện trở nối đất khi sử dụng San Earth là do hóa chất này tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa điện cực nối đất và đất xung quanh, đồng thời giữ ẩm tốt hơn, giảm điện trở suất đất. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào thiết kế lưới nối đất truyền thống, luận văn đã bổ sung yếu tố hóa chất giảm điện trở, mang lại giải pháp toàn diện hơn.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với các báo cáo về hiệu quả của hóa chất San Earth tại Nhật Bản và các nước châu Á khác. Việc xây dựng chương trình tự động thiết kế cũng là điểm mới, giúp kỹ sư điện dễ dàng áp dụng trong thực tế, giảm sai sót và tăng hiệu quả công việc.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh điện trở nối đất giữa hai phương án, bảng chi phí thi công và diện tích lưới nối đất, cũng như lưu đồ chương trình thiết kế tự động. Điều này giúp minh họa rõ ràng lợi ích kỹ thuật và kinh tế của việc sử dụng hóa chất giảm điện trở nối đất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi hóa chất giảm điện trở nối đất San Earth M5C trong các trạm biến áp đặt tại vùng có điện trở suất đất cao, nhằm giảm điện trở nối đất, tăng hiệu quả an toàn và tiết kiệm chi phí thi công. Thời gian triển khai: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: các công ty điện lực và nhà thầu thi công.

  2. Sử dụng chương trình tự động thiết kế GCP và LGCP để rút ngắn thời gian tính toán, nâng cao độ chính xác và tuân thủ tiêu chuẩn IEEE Std. 80-2013. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư sử dụng phần mềm này trong vòng 6 tháng. Chủ thể: các đơn vị tư vấn thiết kế và phòng kỹ thuật các công ty điện lực.

  3. Đo đạc và cập nhật số liệu điện trở suất đất định kỳ tại các vị trí trạm biến áp để đảm bảo tính chính xác trong thiết kế hệ thống nối đất, đặc biệt tại các vùng địa hình phức tạp. Thời gian thực hiện: hàng năm. Chủ thể: các đơn vị đo đạc và quản lý lưới điện.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng hóa chất giảm điện trở nối đất cho các công trình điện khác như trạm biến áp cao áp, trạm biến áp GIS, hệ thống chống sét, nhằm nâng cao độ an toàn và hiệu quả kinh tế. Thời gian nghiên cứu: 2-3 năm. Chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành kỹ thuật điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật các công ty điện lực: Sử dụng kết quả nghiên cứu và chương trình thiết kế tự động để nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công hệ thống nối đất, đảm bảo an toàn vận hành.

  2. Đơn vị tư vấn thiết kế điện: Áp dụng các phương pháp tính toán và phần mềm tự động để tối ưu hóa thiết kế hệ thống nối đất, giảm chi phí và thời gian thiết kế.

  3. Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện: Tham khảo luận văn để hiểu sâu về tiêu chuẩn IEEE Std. 80-2013, ứng dụng hóa chất giảm điện trở nối đất và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Dựa trên kết quả nghiên cứu để xây dựng các quy định, tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp, thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới trong ngành điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hóa chất San Earth M5C có an toàn với môi trường không?
    San Earth M5C là hóa chất trơ, không tan vào đất, không gây ô nhiễm môi trường và không ảnh hưởng đến chất lượng đất xung quanh. Đây là giải pháp an toàn và bền vững cho hệ thống nối đất.

  2. Tiêu chuẩn IEEE Std. 80-2013 khác gì so với phiên bản 2000?
    Phiên bản 2013 được đơn giản hóa, loại bỏ các phần không cần thiết, giúp người dùng dễ hiểu và áp dụng hơn, đồng thời cập nhật các công thức tính toán và hệ số hiệu chỉnh mới phù hợp với thực tế.

  3. Làm thế nào để xác định điện trở suất đất tại vị trí trạm biến áp?
    Điện trở suất đất được đo trực tiếp tại hiện trường bằng các thiết bị chuyên dụng, đồng thời phải xét đến sự biến thiên theo mùa để đảm bảo thiết kế hệ thống nối đất chính xác.

  4. Chương trình GCP và LGCP có thể áp dụng cho các loại trạm biến áp khác không?
    Hai chương trình được thiết kế chủ yếu cho trạm biến áp 115/13 kV, tuy nhiên có thể điều chỉnh tham số để áp dụng cho các cấp điện áp khác trong phạm vi tiêu chuẩn IEEE Std. 80-2013.

  5. Chi phí sử dụng hóa chất San Earth có cao không?
    Chi phí hóa chất chiếm khoảng 15-20% tổng chi phí thi công hệ thống nối đất, nhưng bù lại giúp giảm diện tích thi công và vật liệu, tiết kiệm chi phí tổng thể và thời gian thi công.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và phát triển quy trình tính toán, thiết kế hệ thống nối đất trạm biến áp tại vùng có điện trở suất đất cao theo tiêu chuẩn IEEE Std. 80-2013, bao gồm cả phương án sử dụng hóa chất giảm điện trở San Earth M5C.
  • Hai chương trình tự động GCP và LGCP được xây dựng giúp rút ngắn thời gian thiết kế, tăng độ chính xác và thuận tiện cho người sử dụng.
  • Việc sử dụng hóa chất San Earth M5C giúp giảm điện trở nối đất từ 30% đến 50%, tiết kiệm diện tích và chi phí thi công, đồng thời đảm bảo an toàn điện áp tiếp xúc và điện áp bước.
  • Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, phù hợp cho các công ty điện lực, đơn vị tư vấn thiết kế và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật điện.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm áp dụng rộng rãi hóa chất giảm điện trở, đào tạo sử dụng phần mềm tự động, cập nhật số liệu điện trở suất đất định kỳ và nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các công trình điện khác.

Hãy áp dụng ngay các giải pháp và công cụ thiết kế tự động để nâng cao hiệu quả và an toàn cho hệ thống nối đất trạm biến áp của bạn!