Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện trung áp 22 kV tỉnh Lạng Sơn hiện đang vận hành với nhiều đặc điểm phức tạp, bao gồm các lộ đường dây dài, nhiều trạm biến áp và liên kết mạch vòng với các tỉnh lân cận như Bắc Giang, Quảng Ninh, Thái Nguyên, Cao Bằng và Bắc Cạn. Theo số liệu năm 2019, các lộ đường dây trung áp như 472 và 473 có công suất tối đa lần lượt là 8,5 MW và 15,9 MW, với chiều dài 47,63 km và 20,07 km. Lưới điện này được cấp nguồn chủ yếu từ các nhà máy nhiệt điện và thủy điện trong khu vực, trong đó có Nhà máy nhiệt điện Na Dương công suất 110 MVA và các nhà máy thủy điện như Thác Xăng 20 MW.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào phương pháp phối hợp bảo vệ của các Recloser trên lưới điện trung áp 22 kV nhằm nâng cao hiệu quả vận hành, đảm bảo tính chọn lọc và độ tin cậy cung cấp điện. Hiện tại, việc phối hợp các thiết bị bảo vệ như Recloser NULEC và NOJA còn gặp nhiều khó khăn do đặc tính vận hành độc lập, khoảng cách thiết bị gần nhau và sự thay đổi kết dây thường xuyên trong lưới điện. Ngoài ra, việc tính toán ngắn mạch và cài đặt thông số bảo vệ còn thực hiện thủ công, tốn nhiều thời gian và dễ xảy ra sai sót.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, mô hình hóa và tính toán phối hợp bảo vệ các Recloser trên lưới điện trung áp 22 kV tỉnh Lạng Sơn, đặc biệt tập trung vào hai lộ đường dây 472 và 473. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát thực tế tại Công ty Điện lực Lạng Sơn, sử dụng phần mềm ETAP để mô phỏng và tính toán, đồng thời đề xuất các giải pháp cài đặt thông số bảo vệ phù hợp. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu sự cố và tổn thất điện năng, đồng thời hỗ trợ phát triển lưới điện thông minh tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về bảo vệ lưới điện phân phối, trong đó có:

  • Lý thuyết bảo vệ quá dòng và bảo vệ chạm đất: Bao gồm các đặc tính bảo vệ như cắt nhanh (Instantaneous), cắt có thời gian (Definite time) và cắt theo đường cong đặc tính (Inverse time), áp dụng cho các Recloser NULEC và NOJA.
  • Mô hình phối hợp bảo vệ theo đặc tính thời gian phụ thuộc: Giúp tránh hiện tượng mất chọn lọc và nhảy vượt cấp bằng cách điều chỉnh thời gian tác động của các thiết bị bảo vệ theo nguyên tắc phối hợp đặc tính.
  • Mô hình hóa lưới điện trên phần mềm ETAP: Sử dụng sơ đồ thay thế đường dây tải điện, máy biến áp 3 cuộn dây và các khối nguồn, biến áp, truyền tải, phụ tải để mô phỏng lưới điện phân phối phức tạp.
  • Phương pháp tính toán ngắn mạch theo chuẩn IEC 60909: Được áp dụng để xác định dòng ngắn mạch lớn nhất tại các vị trí trên lưới điện, làm cơ sở cho việc cài đặt thông số bảo vệ.

Các khái niệm chính bao gồm: Recloser (máy cắt tự đóng lại), đặc tính bảo vệ quá dòng, phối hợp bảo vệ, mô hình hóa lưới điện, tính toán ngắn mạch, và hệ thống điều khiển máy cắt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ Công ty Điện lực Lạng Sơn, bao gồm số liệu vận hành lưới điện, thông số kỹ thuật các thiết bị bảo vệ và kết quả khảo sát thực tế. Phương pháp nghiên cứu gồm:

  • Mô hình hóa lưới điện trung áp 22 kV: Tập trung vào hai lộ đường dây 472 và 473, sử dụng phần mềm ETAP để xây dựng mô hình mạng điện với các khối nguồn, biến áp, đường dây và phụ tải.
  • Tính toán ngắn mạch và phân tích phối hợp bảo vệ: Áp dụng chuẩn IEC 60909 và các thuật toán giải tích lưới điện để xác định dòng ngắn mạch và thiết lập thông số bảo vệ phù hợp cho các Recloser.
  • Cài đặt và kiểm tra thông số bảo vệ trên thiết bị thực tế: Sử dụng phần mềm WSOS5 cho Recloser NULEC và CMS cho Recloser NOJA để cài đặt thông số, đồng thời kiểm tra phối hợp đặc tính bảo vệ trên thiết bị thực tế.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2020, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu, mô hình hóa và tính toán (6 tháng), cài đặt và kiểm tra thiết bị (3 tháng), tổng hợp kết quả và đề xuất giải pháp (3 tháng).

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ các Recloser trên lưới điện trung áp 22 kV tỉnh Lạng Sơn, với trọng tâm là các thiết bị trên lộ 472 và 473. Phương pháp chọn mẫu là chọn các lộ đường dây có đặc điểm vận hành điển hình và có liên kết mạch vòng để đảm bảo tính đại diện. Phương pháp phân tích sử dụng mô phỏng phần mềm kết hợp với phân tích thực nghiệm nhằm đảm bảo độ chính xác và tính khả thi của các giải pháp đề xuất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình hóa và tính toán ngắn mạch chính xác: Kết quả mô phỏng trên phần mềm ETAP cho thấy dòng ngắn mạch lớn nhất tại các vị trí trên lộ 472 và 473 dao động trong khoảng 4,5 kA đến 12,5 kA, phù hợp với các thông số kỹ thuật của máy cắt và Recloser. Việc áp dụng chuẩn IEC 60909 giúp xác định chính xác các giá trị dòng ngắn mạch, hỗ trợ hiệu quả cho việc cài đặt thông số bảo vệ.

  2. Phối hợp bảo vệ giữa các Recloser được cải thiện rõ rệt: Sau khi điều chỉnh thông số bảo vệ theo nguyên tắc phối hợp đặc tính thời gian phụ thuộc, tỷ lệ nhảy vượt cấp giảm từ khoảng 15% xuống dưới 3%, đảm bảo tính chọn lọc và giảm thiểu sự cố không cần thiết trên lưới điện.

  3. Hiệu quả vận hành lưới điện được nâng cao: Việc phối hợp bảo vệ tốt giúp giảm thời gian mất điện trung bình (SAIDI) cho khách hàng xuống khoảng 20%, đồng thời giảm tổn thất điện năng do sự cố và cắt điện không hợp lý.

  4. Khả năng giám sát và điều khiển từ xa còn hạn chế: Hệ thống hiện tại chỉ cho phép truy cập và cài đặt thông số trên từng Recloser riêng lẻ, chưa có phần mềm tổng quan để giám sát đồng thời nhiều thiết bị, gây khó khăn trong việc xử lý sự cố nhanh chóng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các tồn tại trước đây là do đặc tính bảo vệ của các Recloser được cài đặt độc lập, không đồng bộ về thời gian tác động, dẫn đến hiện tượng mất chọn lọc và nhảy vượt cấp. Việc sử dụng phần mềm ETAP để mô hình hóa và tính toán phối hợp bảo vệ đã giúp khắc phục nhược điểm này bằng cách xác định chính xác các thông số dòng điện và thời gian cần thiết cho từng thiết bị.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phối hợp bảo vệ đạt được tương đương hoặc vượt trội hơn nhờ áp dụng chuẩn IEC 60909 và mô hình hóa chi tiết lưới điện. Việc giảm tỷ lệ nhảy vượt cấp và cải thiện SAIDI có ý nghĩa lớn trong việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, đặc biệt trong điều kiện lưới điện có nhiều mạch vòng và thay đổi kết dây thường xuyên như tại Lạng Sơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dòng ngắn mạch tại các vị trí khác nhau, biểu đồ so sánh tỷ lệ nhảy vượt cấp trước và sau khi điều chỉnh, cũng như bảng tổng hợp các thông số cài đặt bảo vệ trên từng Recloser. Các biểu đồ này giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp phối hợp bảo vệ được nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp hệ thống giám sát và điều khiển tập trung: Triển khai phần mềm giám sát online cho phép theo dõi đồng thời trạng thái và thông số của tất cả các Recloser trên lưới điện trung áp 22 kV. Mục tiêu giảm thời gian xử lý sự cố xuống dưới 10 phút, thực hiện trong vòng 12 tháng, do Công ty Điện lực Lạng Sơn chủ trì.

  2. Áp dụng phần mềm chuyên dụng trong tính toán và cài đặt bảo vệ: Sử dụng phần mềm ETAP hoặc tương đương để tính toán phối hợp bảo vệ, tránh việc tính toán thủ công tốn thời gian và dễ sai sót. Thời gian áp dụng ngay trong năm 2021, do bộ phận kỹ thuật vận hành đảm nhận.

  3. Đào tạo nâng cao năng lực cho cán bộ vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về phương pháp phối hợp bảo vệ, cài đặt thông số Recloser và sử dụng phần mềm giám sát mới. Mục tiêu nâng cao kỹ năng vận hành và xử lý sự cố, thực hiện trong 6 tháng, do phòng đào tạo phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

  4. Mở rộng mạch vòng và cải thiện kết nối lưới điện: Xây dựng thêm các mạch vòng kết nối giữa các lộ đường dây để tăng tính linh hoạt trong cấp điện và hỗ trợ lẫn nhau khi có sự cố. Kế hoạch thực hiện trong 2-3 năm, phối hợp giữa Công ty Điện lực và các đơn vị quy hoạch điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ kỹ thuật và vận hành lưới điện phân phối: Nghiên cứu giúp hiểu rõ phương pháp phối hợp bảo vệ, cách cài đặt thông số Recloser và sử dụng phần mềm mô phỏng, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, phát triển lưới điện thông minh và đầu tư thiết bị bảo vệ hiện đại.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo về mô hình hóa lưới điện, tính toán ngắn mạch theo chuẩn IEC 60909 và phối hợp bảo vệ thiết bị điện trong lưới phân phối.

  4. Nhà cung cấp thiết bị và phần mềm bảo vệ lưới điện: Giúp hiểu rõ yêu cầu thực tế của lưới điện trung áp tại địa phương, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp và hỗ trợ kỹ thuật hiệu quả hơn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Recloser là gì và vai trò của nó trong lưới điện?
    Recloser là máy cắt tự động có khả năng đóng lại sau khi cắt mạch do sự cố thoáng qua. Nó giúp giảm thời gian mất điện và tăng độ tin cậy cung cấp điện bằng cách tự động cô lập sự cố và khôi phục cấp điện nhanh chóng.

  2. Tại sao cần phối hợp bảo vệ giữa các Recloser?
    Phối hợp bảo vệ giúp đảm bảo các thiết bị bảo vệ tác động theo thứ tự ưu tiên, tránh hiện tượng nhảy vượt cấp và mất chọn lọc, từ đó giảm thiểu diện tích mất điện và tổn thất do sự cố.

  3. Phần mềm ETAP được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    ETAP được dùng để mô hình hóa lưới điện, tính toán dòng ngắn mạch và mô phỏng phối hợp bảo vệ các Recloser, giúp xác định thông số cài đặt chính xác và hiệu quả.

  4. Các khó khăn khi vận hành lưới điện 22 kV tại Lạng Sơn là gì?
    Khó khăn gồm có sự thay đổi kết dây thường xuyên, khoảng cách các Recloser gần nhau gây khó khăn trong cài đặt, tính toán thủ công tốn thời gian và hệ thống giám sát chưa đồng bộ.

  5. Làm thế nào để nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện trung áp?
    Nâng cao hiệu quả bằng cách áp dụng phần mềm chuyên dụng trong tính toán bảo vệ, nâng cấp hệ thống giám sát tập trung, đào tạo nhân viên và mở rộng mạch vòng kết nối lưới điện.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã mô hình hóa thành công lưới điện trung áp 22 kV tỉnh Lạng Sơn, tập trung vào hai lộ đường dây 472 và 473, sử dụng phần mềm ETAP để tính toán dòng ngắn mạch và phối hợp bảo vệ.
  • Phương pháp phối hợp bảo vệ theo đặc tính thời gian phụ thuộc giúp giảm tỷ lệ nhảy vượt cấp từ khoảng 15% xuống dưới 3%, nâng cao tính chọn lọc và độ tin cậy cung cấp điện.
  • Việc cài đặt thông số bảo vệ trên thiết bị thực tế được thực hiện hiệu quả qua phần mềm WSOS5 và CMS, đảm bảo vận hành ổn định và liên tục.
  • Đề xuất nâng cấp hệ thống giám sát tập trung, áp dụng phần mềm chuyên dụng và đào tạo nhân viên nhằm nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện trong thời gian tới.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai phần mềm giám sát online, mở rộng mạch vòng kết nối và tiếp tục nghiên cứu nâng cao tính tự động hóa cho lưới điện phân phối.

Quý độc giả và các đơn vị liên quan được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả vận hành và phát triển bền vững hệ thống điện trung áp tại địa phương.