Tổng quan nghiên cứu

Tây Ninh ghi nhận tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm bình quân liên tục đạt trên 15% mỗi năm, trong đó thành phần phụ tải công nghiệp chiếm tỷ trọng áp đảo 72,2% tại các khu công nghiệp trọng điểm như Trảng Bàng, Phước Đông – Bời Lời và Thành Thành Công. Với quy mô tiêu thụ điện năng đứng thứ 5 trong toàn bộ Tổng Công ty Điện lực Miền Nam, nhu cầu ngầm hóa và hiện đại hóa lưới điện phân phối 22kV trở thành yêu cầu cấp thiết nhằm bảo đảm mỹ quan đô thị và an toàn vận hành. Tuy nhiên, việc áp dụng sơ đồ cấp điện cáp ngầm nối với máy biến áp 22/0,4kV kết hợp thiết bị đóng cắt cầu chì tự rơi thao tác thủ công đơn pha đang tiềm ẩn nhiều rủi ro kỹ thuật nghiêm trọng.

Vấn đề cốt lõi phát sinh từ các thao tác đóng cắt không đồng thời giữa các pha, vô tình hình thành mạch vòng dao động phi tuyến giữa điện dung rải của cáp ngầm và điện cảm bão hòa của lõi từ máy biến áp. Quá trình này kích hoạt hiện tượng cộng hưởng sắt từ với mức độ quá điện áp nguy hiểm. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là khảo sát toàn diện bản chất, xác định các điều kiện biên xuất hiện cộng hưởng và đánh giá mức độ quá điện áp trên xuất tuyến 479 trạm 110/22kV Thành Công trong giai đoạn 2019-2020. Luận văn mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi trực tiếp giải quyết bài toán an toàn cho hệ thống điện ngầm, ngăn ngừa các đợt quá điện áp duy trì cao từ 2 đến 9 lần định mức, tương đương điện áp đỉnh vượt 150kV, từ đó bảo vệ cách điện thiết bị và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho toàn tỉnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện nhiều pha của Hermann Dommel và lý thuyết dao động phi tuyến trong mạch sắt từ kế thừa từ các công trình kinh điển của Rudenberg và Hayashi. Mô hình toán học tập trung phân tích sự tương tác giữa hai phần tử tích trữ năng lượng là điện cảm phi tuyến L của lõi thép máy biến áp ba pha ba trụ và điện dung rải C của tuyến cáp ngầm trung áp 22kV.

Bốn khái niệm kỹ thuật giữ vai trò cốt lõi trong nghiên cứu bao gồm:

  1. Hiện tượng cộng hưởng sắt từ: Dao động phi tuyến sinh ra do sự tích trữ và trao đổi năng lượng giữa điện dung cáp ngầm và nhánh từ hóa phi tuyến của máy biến áp khi có xáo trộn đóng cắt không đồng pha.
  2. Trạng thái bước nhảy dao động: Sự chuyển tiếp đột ngột từ điểm làm việc ổn định tuyến tính sang trạng thái cộng hưởng quá điện áp duy trì cao ở tần số cơ bản 50Hz hoặc các dải tần hài bậc lẻ.
  3. Hiện tượng từ gião và quá nhiệt: Hiện tượng biến dạng cơ học của lõi thép khi mật độ từ thông bão hòa vượt ngưỡng 1,25 lần định mức, gây tiếng ồn cực lớn và phát sinh nhiệt lượng tản phá hủy kết cấu cách điện.
  4. Chống sét van oxit kim loại MOV: Phần tử bảo vệ phi tuyến dùng để hấp thụ năng lượng quá áp nhưng có giới hạn nhiệt lượng chịu đựng nhất định khi quá điện áp kéo dài.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật thực tế thu thập từ Công ty Điện lực Tây Ninh trên xuất tuyến 479 trạm 110/22kV Thành Công. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 4 cấp dung lượng máy biến áp phân phối tiêu biểu là 100kVA, 250kVA, 630kVA và 2000kVA, cùng 5 dải khoảng cách chiều dài cáp ngầm khảo sát thực tế từ 50 mét đến 250 mét. Phương pháp chọn mẫu áp dụng theo phương pháp nghiên cứu trường hợp điển hình, lấy trạm biến áp chuyên dùng 2000kVA của Công ty Thức ăn RICO tại trụ 13/6 làm đối tượng trọng điểm để đại diện cho các phụ tải công nghiệp của tỉnh.

Về phương pháp phân tích, luận văn lựa chọn công cụ mô phỏng số bằng chương trình EMTPWorks có bản quyền tiếp nhận từ Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 2. Lý do lựa chọn EMTPWorks là vì phần mềm này sử dụng thuật toán tích phân hình thang với bước thời gian lấy mẫu cực nhỏ, bảo đảm nhỏ hơn 1/10 chu kỳ của tần số dao động cao nhất để giải chính xác hệ phương trình vi tích phân phi tuyến. Phương pháp mô phỏng số giúp khắc phục hoàn toàn rào cản chi phí tốn kém của các thử nghiệm thực địa phá hủy, đồng thời giải quyết được tính phi tuyến phức tạp của bài toán từ trễ mà các phương pháp giải tích thông thường không thể thực hiện. Toàn bộ timeline nghiên cứu và xử lý dữ liệu được tiến hành tập trung từ tháng 8 năm 2019 đến tháng 12 năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng các kịch bản đóng cắt trên phần mềm EMTP mang lại ba phát hiện quan trọng có giá trị khoa học và thực tiễn cao:

Thứ nhất, khi đóng điện không đồng thời các pha cho máy biến áp 630kVA không tải nối với cáp ngầm, hiện tượng cộng hưởng sắt từ xuất hiện với biên độ quá điện áp cực đại tại pha mở mạch lên tới 152kV, cao gấp 8,5 lần so với giá trị đỉnh của điện áp pha định mức 17,9kV. Đặc biệt, tại khoảng cách chiều dài cáp ngầm 140 mét, hệ thống ghi nhận điểm tới hạn khi dung kháng cáp cân bằng hoàn toàn với cảm kháng từ hóa bão hòa, tạo ra dạng sóng điện áp biến dạng vô chu kỳ và có năng lượng phá hủy lớn nhất.

Thứ hai, tải máy biến áp thể hiện vai trò dập tắt dao động cộng hưởng sắt từ một cách rõ rệt. Khi máy biến áp 630kVA mang tải chỉ 0,5% công suất định mức, biên độ quá điện áp đã giảm mạnh từ 152kV xuống còn 42kV, tức giảm hơn 72% mức độ nguy hiểm. Khi tải của máy biến áp được nâng lên mức 5% công suất định mức, hiện tượng cộng hưởng sắt từ hoàn toàn biến mất, dạng sóng điện áp trở lại dạng sin chuẩn với độ lệch biên độ dưới 3% so với điện áp nguồn bình thường.

Thứ ba, vị trí lắp đặt chống sét van MOV quyết định trực tiếp đến sự an toàn của thiết bị bảo vệ. Khi thiết bị MOV được bố trí sau cầu chì tự rơi có tải LBFCO, thời gian quá điện áp kéo dài trên 1,5 giây đã làm năng lượng tích lũy vượt quá giới hạn hấp thụ nhiệt, dẫn đến nổ phá hủy chống sét van. Ngược lại, khi thực hiện đóng điện đồng thời cả 3 pha bằng máy cắt MC479 hoặc Recloser, quá điện áp thao tác cao nhất chỉ đạt 23,8kV, thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng chịu đựng xung điện áp 50kV trong 5 phút của cách điện thiết bị 22kV.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng quá điện áp cực hạn là do sự thao tác lệch thời gian giữa các pha khi đóng cầu chì LBFCO bằng tay, tạo điều kiện cho điện dung rải của cáp ngầm mắc nối tiếp với cuộn cảm sơ cấp máy biến áp. Khi nguồn điện cấp năng lượng liên tục, điểm làm việc của mạch bị kéo sâu vào vùng bão hòa phi tuyến ở góc phần tư thứ ba trên đường đặc tính từ hóa.

Kết quả này hoàn toàn thống nhất với các nghiên cứu thực nghiệm trước đây của tác giả Lâm Du Sơn vào năm 1998 đối với máy biến áp 100kVA và 250kVA, đồng thời củng cố vững chắc các công bố quốc tế của Surya Santoso và Garikoitz Buigues về quy tắc duy trì mức tải tối thiểu 5% để loại trừ hoàn toàn nguy cơ cộng hưởng.

Dữ liệu mô phỏng từ phần mềm được tổng hợp chi tiết qua các bảng thống kê biên độ quá áp theo tỷ lệ tải từ 0% đến 20% và các biểu đồ sóng điện áp tức thời phân tích theo miền thời gian. Việc trực quan hóa các đường cong điện áp pha A, pha B và pha C cho thấy pha đóng sau cùng luôn gánh chịu mức quá điện áp cao nhất, cung cấp bằng chứng định lượng rõ ràng giúp kỹ sư vận hành nhận diện chính xác pha có nguy cơ sự cố cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm triệt tiêu nguy cơ sự cố do cộng hưởng sắt từ trên lưới điện trung áp Tây Ninh, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và vận hành đồng bộ:

  1. Bổ sung bộ thiết bị đóng cắt thứ hai LBFCO-2 tại đầu cực máy biến áp kết hợp quy trình đóng cáp trước - đóng biến áp sau: Giải pháp này nhằm cách ly hoàn toàn điện dung rải của tuyến cáp ngầm khỏi cuộn dây máy biến áp trong quá trình thao tác đóng điện. Target metric là giảm 100% nguy cơ hình thành mạch cộng hưởng nối tiếp. Timeline áp dụng ngay trong quý 1 năm 2020 do Phòng Kỹ thuật Công ty Điện lực Tây Ninh chủ trì ban hành quy trình.

  2. Chuẩn hóa quy trình thao tác đóng cắt máy biến áp phân phối có phụ tải: Yêu cầu nhân viên vận hành chỉ thực hiện thao tác đóng cắt các thiết bị đơn pha khi máy biến áp đã được kết nối với tải thứ cấp đạt mức tối thiểu từ 5% đến 10% công suất định mức. Target metric là kìm hãm biên độ quá điện áp duy trì ở mức dưới 25kV. Timeline triển khai tập huấn định kỳ từ tháng 2 năm 2020 do các Đội Quản lý vận hành lưới điện thực hiện.

  3. Điều chỉnh vị trí lắp đặt thiết bị chống sét van MOV: Thực hiện di dời toàn bộ các bộ chống sét van MOV về phía trước bộ chì tự rơi LBFCO thay vì lắp phía sau máy biến áp. Target metric là ngăn chặn 100% sự cố nổ vỡ chống sét van do quá nhiệt khi xảy ra hiện tượng đứt chì một pha. Timeline hoàn thành rà soát và thay đổi vị trí trên 100% trạm biến áp cấp điện ngầm trong năm 2020 do các Điện lực trực thuộc triển khai.

  4. Nâng cấp thiết bị đóng cắt đồng thời 3 pha cho các xuất tuyến ngầm trọng điểm: Từng bước thay thế cầu chì đơn pha bằng thiết bị Recloser hoặc máy cắt phân đoạn tự động cho các tuyến cáp ngầm có chiều dài từ 100 mét đến 300 mét và công suất máy biến áp trên 1600kVA. Target metric là đưa tỷ lệ sự cố quá điện áp thao tác về mức 0%. Timeline thực hiện theo kế hoạch đầu tư lưới điện giai đoạn 2020-2025 do Ban Quản lý Dự án Điện lực Tây Ninh phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư tư vấn thiết kế tại các công ty tư vấn xây dựng điện như PECC2 và các đơn vị thiết kế cơ điện. Luận văn cung cấp phương pháp tính toán chiều dài cáp tới hạn và công thức lựa chọn thiết bị đóng cắt phù hợp nhằm ngăn chặn các cấu hình mạch cộng hưởng sắt từ nguy hiểm ngay từ giai đoạn lập dự án thiết kế trạm ngầm 22kV.

Nhóm thứ hai là cán bộ quản lý kỹ thuật, kỹ sư điều độ và nhân viên vận hành tại các Công ty Điện lực trực thuộc Tổng Công ty Điện lực Miền Nam. Tài liệu giúp người vận hành hiểu rõ bản chất vật lý của hiện tượng, từ đó chuẩn hóa quy trình thao tác đóng cắt thiết bị đơn pha trên lưới điện phân phối 22kV an toàn và hiệu quả.

Nhóm thứ ba là giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện tại các trường đại học khối kỹ thuật. Luận văn là tài liệu tham khảo chất lượng về kỹ thuật mô hình hóa phần tử phi tuyến máy biến áp và phương pháp ứng dụng phần mềm chuyên dụng EMTP trong tính toán quá trình quá độ điện từ.

Nhóm thứ tư là các kỹ sư quản lý hạ tầng năng lượng tại các khu công nghiệp, khu chế xuất quy mô lớn. Kết quả nghiên cứu giúp các đơn vị này xây dựng phương án vận hành tối ưu cho các trạm biến áp chuyên dùng từ 630kVA đến 2000kVA, bảo vệ an toàn cho hệ thống điện nội bộ của doanh nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng cộng hưởng sắt từ trên lưới điện trung áp là gì và phát sinh do đâu? Hiện tượng cộng hưởng sắt từ là dao động phi tuyến giữa điện cảm bão hòa của lõi từ máy biến áp và điện dung rải của đường cáp ngầm. Hiện tượng này phát sinh chủ yếu khi thao tác đóng cắt không đồng thời từng pha bằng cầu chì tự rơi LBFCO trong trạng thái máy biến áp 22kV đang không tải hoặc non tải.

Mức độ quá điện áp do cộng hưởng sắt từ có thể đạt tới ngưỡng nào? Quá điện áp do cộng hưởng sắt từ có thể đạt từ 2 đến 9 lần điện áp pha định mức, vượt quá 150kV và thậm chí lên đến vài trăm kV ở các điểm tới hạn. Mức điện áp cực lớn này sẽ ngay lập tức phá hủy cách điện của cáp ngầm, chọc thủng cuộn dây máy biến áp và gây nổ thiết bị chống sét van.

Máy biến áp cần mang mức tải tối thiểu bao nhiêu để loại bỏ hiện tượng cộng hưởng? Theo các kết quả tính toán mô phỏng trên EMTP, chỉ cần máy biến áp mang tải đạt mức tối thiểu từ 5% công suất định mức thì hiện tượng cộng hưởng sắt từ sẽ bị triệt tiêu hoàn toàn. Năng lượng tiêu thụ trên tải sẽ hấp thụ các dao động phi tuyến, giúp điện áp hệ thống nhanh chóng ổn định về dạng sin chuẩn.

Vì sao không thể thay thế toàn bộ cầu chì đơn pha bằng máy cắt 3 pha để ngăn ngừa sự cố? Mặc dù máy cắt 3 pha giúp đóng cắt đồng thời và triệt tiêu hoàn toàn cộng hưởng, nhưng hơn 80% các trạm biến áp phân phối dưới 1600kVA hiện nay đang sử dụng cầu chì LBFCO đơn pha vì chi phí đầu tư thấp. Việc thay thế đồng loạt đòi hỏi nguồn vốn rất lớn, do đó giải pháp tối ưu kinh tế là bổ sung bộ LBFCO-2 và chuẩn hóa quy trình thao tác.

Thiết bị chống sét van MOV nên được lắp đặt ở vị trí nào để bảo đảm an toàn? Chống sét van MOV bắt buộc phải được bố trí lắp đặt ở phía trước bộ cầu chì tự rơi LBFCO. Vị trí này giúp thiết bị MOV không bị ngâm trong điện áp quá độ kéo dài khi có một pha bị hở mạch, ngăn ngừa hiện tượng tích lũy nhiệt lượng vượt mức dẫn đến phá hủy nổ vỡ chống sét van.

Kết luận

  • Luận văn đã mô hình hóa thành công hiện tượng cộng hưởng sắt từ phi tuyến trên lưới điện phân phối trung áp 22kV Công ty Điện lực Tây Ninh bằng phần mềm chuyên dụng EMTPWorks.
  • Nghiên cứu đã định lượng chính xác vùng chiều dài cáp ngầm nguy hiểm từ 50 mét đến 140 mét và chứng minh ngưỡng phụ tải 5% giúp dập tắt hoàn toàn dao động quá điện áp.
  • Đề tài đã phân tích cơ chế phá hủy nhiệt của thiết bị chống sét van MOV khi lắp đặt sai vị trí sau cầu chì LBFCO dưới tác động của quá áp duy trì trên 1,5 giây.
  • Tác giả đã đề xuất giải pháp lắp đặt bổ sung bộ đóng cắt LBFCO-2 và hoàn thiện quy trình đóng cáp trước - đóng máy biến áp sau với chi phí thấp và tính khả thi kỹ thuật cao.
  • Công trình đóng góp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng, sẵn sàng nhân rộng áp dụng cho toàn bộ các đơn vị thành viên trong Tổng Công ty Điện lực Miền Nam giai đoạn 2020-2025.

Các bước nghiên cứu tiếp theo cần tập trung mở rộng mô hình phân tích cho hệ thống cáp ngầm điện áp 110kV và phát triển các bộ lọc cộng hưởng chuyên dụng trong năm tới. Các kỹ sư vận hành và đơn vị quản lý lưới điện hãy nhanh chóng tham khảo và áp dụng các giải pháp kỹ thuật nêu trên để bảo đảm an toàn tuyệt đối cho hệ thống điện ngầm trung áp.