Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống nối đất đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành của lưới điện, đặc biệt trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành điện lực và xu hướng xây dựng lưới điện thông minh. Theo ước tính, việc thiết kế và vận hành hệ thống nối đất phù hợp giúp giảm thiểu rủi ro chập cháy, bảo vệ thiết bị điện và đảm bảo an toàn cho con người khi tiếp xúc hoặc vận hành thiết bị điện. Luận văn tập trung nghiên cứu phân bố thế trong hệ thống nối đất của ba đối tượng chính: trạm biến áp trung gian 220/110/22kV, trạm biến áp phân phối 22/0,4kV và hệ thống nối đất lặp lại trên đường dây trung thế 22kV tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 4 đến tháng 8 năm 2019, với dữ liệu thu thập từ các công ty điện lực và đơn vị tư vấn xây dựng điện lực tại địa phương. Mục tiêu cụ thể là phân tích phân bố thế, đánh giá hiệu quả hệ thống nối đất hiện tại và đề xuất các giải pháp cải thiện nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và an toàn hiện hành. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và an toàn của hệ thống điện, đồng thời hỗ trợ các đơn vị quản lý vận hành trong việc tối ưu hóa thiết kế và bảo trì hệ thống nối đất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong lĩnh vực kỹ thuật điện, đặc biệt là các nguyên lý về điện trở suất đất, phân bố điện áp và phương trình Laplace trong điện tĩnh. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Phương trình Laplace và Poisson: Dùng để mô tả phân bố thế điện trong môi trường đất, với giả định môi trường đồng nhất và đẳng hướng, không có điện tích tự do. Phương trình Laplace được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để xác định điện áp phân bố trong hệ thống nối đất.

  2. Tiêu chuẩn IEEE về thiết kế hệ thống nối đất: Cung cấp các quy định về điện trở nối đất, điện áp bước và điện áp tiếp xúc cho các hệ thống điện có điện áp khác nhau, làm cơ sở để đánh giá và thiết kế hệ thống nối đất an toàn.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: điện trở suất đất, điện áp bước, điện áp tiếp xúc, hệ thống nối đất làm việc, nối đất an toàn và nối đất chống sét.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các công ty điện lực tại Thành phố Hồ Chí Minh, bao gồm số liệu đo điện trở đất, cấu trúc hệ thống nối đất và các thông số vận hành của trạm biến áp và đường dây trung thế. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm ba hệ thống nối đất tiêu biểu: trạm biến áp trung gian 220/110/22kV Củ Chi, trạm biến áp phân phối 22/0,4kV Đại Hiền Tâm và DNTN sản xuất Ngọc Lan, cùng hệ thống nối đất lặp lại trên đường dây 22kV.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng phân bố thế bằng phần mềm ETAP, sử dụng hai phương pháp tính toán: phương pháp IEEE và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Quá trình nghiên cứu diễn ra trong vòng 5 tháng, từ tháng 4 đến tháng 8 năm 2019, bao gồm khảo sát thực địa, thu thập số liệu, mô phỏng và đánh giá kết quả. Phương pháp chọn mẫu là chọn các hệ thống nối đất đại diện cho các cấp điện áp và loại hình khác nhau nhằm đảm bảo tính tổng quát và khả năng áp dụng kết quả nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố thế trong hệ thống nối đất trạm biến áp trung gian 220/110/22kV Củ Chi: Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp tiếp xúc và điện áp bước tại các vị trí đo đều nằm trong giới hạn an toàn theo tiêu chuẩn IEEE, với điện trở nối đất trung bình khoảng 0,45Ω, thấp hơn ngưỡng 0,5Ω quy định cho vùng đất có điện trở suất dưới 500Ωm.

  2. Hệ thống nối đất trạm biến áp phân phối 22/0,4kV Đại Hiền Tâm và DNTN sản xuất Ngọc Lan: Điện trở nối đất tại Đại Hiền Tâm dao động trong khoảng 3,5 - 4,2Ω, gần sát giới hạn 4Ω cho trạm dưới 35kV, trong khi tại DNTN Ngọc Lan, giá trị này vượt mức cho phép, lên đến khoảng 6,8Ω. Điện áp tiếp xúc tại các vị trí đo tại DNTN Ngọc Lan cũng vượt quá giới hạn an toàn, gây nguy cơ mất an toàn cho người vận hành.

  3. Hệ thống nối đất lặp lại trên đường dây 22kV: Khoảng cách nối đất lặp lại trung bình từ 200 đến 250m, phù hợp với quy định. Tuy nhiên, điện trở nối đất lặp lại tại một số vị trí đạt tới 12Ω, vượt quá giới hạn 10Ω cho vùng đất có điện trở suất lớn, làm giảm hiệu quả bảo vệ an toàn.

  4. Đề xuất giải pháp xử lý: Các hệ thống nối đất chưa đạt yêu cầu chủ yếu do điện trở đất cao và thiết kế chưa tối ưu. Việc tăng số lượng cọc nối đất, sử dụng vật liệu có tiết diện lớn hơn và áp dụng các chất giảm điện trở suất đất được đề xuất nhằm giảm điện trở nối đất xuống dưới mức quy định.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến các hệ thống nối đất chưa đạt yêu cầu là do đặc tính điện trở suất đất thay đổi theo mùa, đặc biệt vào mùa khô, điện trở suất đất tăng lên đáng kể. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả tại trạm biến áp trung gian Củ Chi tương đồng với các báo cáo của ngành điện lực về hiệu quả hệ thống nối đất tại các trạm biến áp lớn. Trong khi đó, các trạm biến áp phân phối và hệ thống nối đất lặp lại trên đường dây 22kV cần được cải thiện để đảm bảo an toàn vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố điện áp tiếp xúc và điện áp bước tại các vị trí đo, cùng bảng tổng hợp điện trở nối đất của từng hệ thống. Điều này giúp trực quan hóa mức độ an toàn và hiệu quả của từng hệ thống nối đất, từ đó hỗ trợ việc ra quyết định cải tiến.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường số lượng cọc nối đất và chiều dài cọc: Động từ hành động "tăng cường" nhằm giảm điện trở nối đất xuống dưới mức quy định, đặc biệt tại các trạm biến áp phân phối và các vị trí nối đất lặp lại trên đường dây 22kV. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do các đơn vị điện lực quản lý vận hành thực hiện.

  2. Sử dụng vật liệu dây nối đất có tiết diện lớn hơn: Đề xuất thay thế dây đồng trần tiết diện tối thiểu 25mm² bằng dây có tiết diện lớn hơn để giảm điện trở dây nối đất, nâng cao hiệu quả san bằng điện áp. Thời gian áp dụng trong vòng 3 tháng, chủ yếu do các nhà thầu thi công và đơn vị quản lý thiết bị thực hiện.

  3. Áp dụng các chất giảm điện trở suất đất tại vùng đất có điện trở suất cao: Sử dụng các loại hóa chất hoặc vật liệu chuyên dụng để cải thiện điện trở suất đất, giảm điện trở nối đất trong mùa khô. Giải pháp này cần được triển khai trước mùa khô tiếp theo, do các đơn vị tư vấn và công ty điện lực phối hợp thực hiện.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức về an toàn nối đất cho nhân viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, kiểm tra và bảo trì hệ thống nối đất nhằm đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả. Thời gian thực hiện liên tục hàng năm, do các đơn vị đào tạo và phòng an toàn điện lực đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên viên ngành điện lực: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về thiết kế và vận hành hệ thống nối đất, áp dụng các giải pháp cải tiến nhằm nâng cao an toàn và hiệu quả vận hành.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong ngành điện: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định và kế hoạch phát triển hệ thống nối đất phù hợp với điều kiện thực tế tại địa phương.

  3. Đơn vị tư vấn thiết kế và thi công hệ thống điện: Áp dụng các phương pháp tính toán, mô phỏng phân bố thế và tiêu chuẩn kỹ thuật để thiết kế hệ thống nối đất đạt chuẩn, giảm thiểu rủi ro sự cố.

  4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện: Tham khảo luận văn để hiểu rõ về các phương pháp đo đạc, phân tích và mô phỏng hệ thống nối đất, phục vụ cho nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống nối đất có vai trò gì trong an toàn điện?
    Hệ thống nối đất giúp phân tán dòng điện sự cố xuống đất, giảm điện áp tiếp xúc và điện áp bước, bảo vệ con người và thiết bị khỏi nguy cơ điện giật và hư hỏng. Ví dụ, tại trạm biến áp trung gian, điện trở nối đất thấp giúp ngăn ngừa sự cố lan rộng.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để đo điện trở suất đất?
    Phương pháp bốn điểm (Wenner hoặc Schlumberger-Palmer) là phổ biến, cho phép đo điện trở suất đất ở các độ sâu khác nhau, giúp xác định đặc tính đất phục vụ thiết kế hệ thống nối đất.

  3. Tại sao cần sử dụng phần mềm ETAP trong nghiên cứu phân bố thế?
    ETAP cung cấp mô phỏng chính xác phân bố điện áp trong hệ thống nối đất, hỗ trợ đánh giá hiệu quả và đề xuất giải pháp cải tiến, giúp giảm thiểu rủi ro sự cố điện.

  4. Điện áp bước và điện áp tiếp xúc khác nhau như thế nào?
    Điện áp bước là hiệu điện thế giữa hai điểm trên mặt đất cách nhau khoảng 0,8m, trong khi điện áp tiếp xúc là điện áp giữa người hoặc thiết bị tiếp xúc với đất và điểm nối đất. Cả hai đều cần được kiểm soát để đảm bảo an toàn.

  5. Giải pháp nào hiệu quả nhất để giảm điện trở nối đất tại vùng đất có điện trở suất cao?
    Tăng số lượng cọc nối đất, sử dụng cọc dài hơn, dây nối đất tiết diện lớn và áp dụng các chất giảm điện trở suất đất là các giải pháp hiệu quả, đặc biệt khi kết hợp với mô phỏng và kiểm tra định kỳ.

Kết luận

  • Hệ thống nối đất là yếu tố thiết yếu đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành lưới điện, đặc biệt trong các trạm biến áp và đường dây trung thế.
  • Phân bố thế trong hệ thống nối đất tại trạm biến áp trung gian 220/110/22kV Củ Chi đạt tiêu chuẩn an toàn với điện trở nối đất trung bình khoảng 0,45Ω.
  • Một số hệ thống nối đất tại trạm biến áp phân phối và đường dây 22kV chưa đạt yêu cầu do điện trở nối đất vượt mức cho phép, gây nguy cơ an toàn.
  • Đề xuất các giải pháp tăng cường cọc nối đất, sử dụng vật liệu tiết diện lớn và áp dụng chất giảm điện trở suất đất nhằm cải thiện hiệu quả hệ thống nối đất.
  • Tiếp tục nghiên cứu và áp dụng công nghệ mô phỏng hiện đại, đồng thời đào tạo nhân lực chuyên môn để nâng cao chất lượng vận hành hệ thống nối đất trong tương lai.

Luận văn khuyến nghị các đơn vị điện lực và nhà quản lý áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao an toàn hệ thống điện, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các khu vực khác nhằm phát triển hệ thống nối đất toàn diện và bền vững.