Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống điện truyền tải quốc gia, các trạm biến áp cao áp và siêu cao áp luôn phải đối mặt với nguy cơ sự cố nghiêm trọng do sét đánh và quá điện áp thao tác, trong đó sự cố do giông sét chiếm từ 50% đến 60% tổng số vụ gián đoạn cung cấp điện hàng năm. Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình thuộc Công ty Truyền tải điện 1 giữ vị trí trung tâm năng lượng chiến lược tại khu vực đồng bằng sông Hồng với quy mô tổng công suất 500 MVA, bao gồm 2 máy biến áp tự ngẫu 250 MVA cấp điện áp 220/110/22 kV, vận hành 9 ngăn lộ 220 kV, 15 ngăn lộ 110 kV và 8 ngăn lộ 22 kV. Trạm đảm nhận trọng trách cấp điện liên tục cho các nhà máy công nghiệp lớn như Nhà máy Xi măng Ninh Bình, Khu công nghiệp X18 Nho Quan, đồng thời liên kết truyền tải an toàn cho các tỉnh lân cận như Nam Định và Hà Nam.

Mặc dù có vai trò thiết yếu, công tác thiết kế bảo vệ chống sét ban đầu tại các trạm 220 kV vẫn chưa được tối ưu hóa toàn diện theo các tiêu chuẩn quốc tế như tiêu chuẩn IEC 60071 hay IEEE C62. Quá trình vận hành lâu năm khiến đặc tính bảo vệ của chống sét van và cường độ cách điện suy giảm cơ học, làm gia tăng rủi ro phóng điện đánh thủng cách điện máy biến áp. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là mô phỏng chính xác biên độ và độ dốc xung quá điện áp lan truyền vào trạm, phân tích các yếu tố ảnh hưởng, từ đó xây dựng cấu hình bố trí chống sét van tối ưu nhằm đảm bảo hệ số dự trữ cách điện an toàn cho thiết bị trong chu kỳ vận hành từ 50 đến 100 năm. Nghiên cứu tập trung vào phạm vi trạm 220 kV Ninh Bình và khoảng cột đầu vào xuất tuyến 274 trong giai đoạn vận hành năm 2020. Kết quả đạt được góp phần nâng cao chỉ số độ tin cậy MTBF, giảm thiểu nguy cơ gián đoạn lưới điện truyền tải và tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí bảo dưỡng, thay thế thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết quá độ điện từ và truyền sóng trên đường dây dài. Quá trình lan truyền của sóng quá điện áp được mô tả thông qua hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng d’Alembert, xác định mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện dọc theo đường dây có thông số phân bố gồm điện trở, điện dẫn, điện cảm và điện dung. Tổng trở sóng của đường dây tải điện trên không được xác định dao động trong dải từ 300 Ohm đến 500 Ohm.

Về quá điện áp nội bộ, nghiên cứu phân tích cơ chế hình thành hiệu ứng Ferranti khi đóng đường dây dài không tải hoặc khi sa thải phụ tải đột ngột, làm điện áp cuối đường dây tăng vọt từ 1.2 đến 1.5 lần điện áp định mức. Hiện tượng quá điện áp tạm thời khi xảy ra sự cố chạm đất một pha có thể đạt giá trị từ 1.3 đến 1.73 lần điện áp pha bình thường.

Đối với quá điện áp khí quyển, đề tài áp dụng mô hình phân bố thống kê dòng sét theo hàm Log-Normal chuẩn dựa trên dữ liệu thực nghiệm quốc tế của Berger, Anderson và Eriksson. Các tham số dòng sét âm đánh thẳng hoặc phóng điện ngược từ đỉnh cột có biên độ đỉnh trung bình từ 24 kA đến 31.1 kA với độ dốc đầu sóng cực đại từ 24.3 kA/µs đến 39.9 kA/µs. Khung bảo vệ chống sét 3 cấp tiêu chuẩn được thiết lập gồm: Cấp 1 bảo vệ chống sét đánh trực tiếp bằng cột và dây chống sét; Cấp 2 hạn chế sóng quá điện áp lan truyền vào trạm bằng chống sét van oxit kim loại ZnO phi tuyến; Cấp 3 bảo vệ quá áp cảm ứng cho hệ thống nhị thứ và thiết bị điều khiển tự động.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của đề tài được thu thập từ các thông số thực tế của trạm 220 kV Ninh Bình, bao gồm thông số 2 máy biến áp AT1 và AT2 công suất 250 MVA, máy biến điện áp kiểu tụ TU274, chuỗi sứ cách điện và kết cấu hình học cột xuất tuyến 274.

Phương pháp mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng ATP-EMTP kết hợp giao diện đồ họa ATPDraw được lựa chọn làm công cụ phân tích chủ đạo. Đây là chương trình tiêu chuẩn toàn cầu có khả năng giải bài toán quá độ điện từ phi tuyến trong miền thời gian với quy mô mạng lưới lên tới 6000 nút, 10000 nhánh và 2250 phần tử phi tuyến.

Cỡ mẫu khảo sát bao gồm 150 kịch bản mô phỏng đa biến, quét các mức dòng điện sét từ 10 kA đến 100 kA, tiêu biểu ở giá trị dòng sét định mức 31 kA và 34 kA. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các vị trí xung yếu nhất như đỉnh cột cuối giáp trạm và các khoảng cột trên xuất tuyến 274 cách trạm từ 100 mét đến 2000 mét. Lý do lựa chọn ATPDraw là vì phần mềm cho phép mô hình hóa chi tiết đặc tính V-A phi tuyến của chống sét van ZnO và phản ánh trung thực hiện tượng phản xạ, khúc xạ sóng tại các điểm nút rẽ nhánh, điều mà phương pháp giải tích truyền thống không thể tính toán chuẩn xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng quá độ khi sét đánh biên độ 31 kA vào đỉnh cột xuất tuyến 274 cho thấy, nếu trạm không lắp đặt thiết bị chống sét van, biên độ quá điện áp xuất hiện tại đầu cực máy biến áp AT1 lên tới 1250 kV. Giá trị này vượt quá mức chịu đựng xung sét cơ bản BIL danh định 1050 kV khoảng 19%, tạo ra nguy cơ phóng điện phá hủy lớp cách điện cuộn dây máy biến áp ngay trong 5 micro-giây đầu tiên.

Nghiên cứu chỉ ra rằng điện trở nối đất chân cột có vai trò quyết định đối với mức quá áp phóng điện ngược. Khi điện trở tiếp địa chân cột tăng từ 10 Ohm lên 30 Ohm, biên độ quá điện áp tại đầu cực tăng mạnh thêm 42%, đồng thời làm gia tăng nguy cơ phóng điện ngược từ thân cột vào dây dẫn pha. Ngược lại, việc kiểm soát điện trở tiếp địa dưới mức 10 Ohm giúp triệt tiêu hơn 35% năng lượng sóng phản xạ.

Về phương thức bố trí chống sét van, khi chỉ lắp đặt 2 bộ chống sét van tại đầu cực 2 máy biến áp AT1 và AT2, điện áp dư tại máy biến áp giảm xuống còn 720 kV, nhưng điện áp tại máy biến điện áp TU274 vẫn ở mức cao 890 kV, khiến hệ số dự trữ cách điện của TU274 chỉ đạt 1.08 (thấp hơn ngưỡng an toàn tối thiểu 1.15). Khi chuyển sang phương án lắp đặt đồng bộ 6 bộ chống sét van tại cả thanh góp và đầu vào các máy biến áp, biên độ điện áp tại mọi điểm nút đều được ghim chắc chắn dưới 650 kV, nâng hệ số dự trữ cách điện của toàn trạm lên mức 1.45 đến 1.58.

Sự hiện diện của máy biến điện áp kiểu tụ TU cũng góp phần đáng kể vào việc làm suy giảm biên độ và độ dốc sóng sét. Nhờ dung lượng tụ điện ký sinh, TU đóng vai trò như bộ lọc thông thấp tự nhiên, giúp làm giảm độ dốc đầu sóng sét đi vào cuộn cao áp máy biến áp khoảng 15% đến 20%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng điện áp đột biến tại các điểm nút trong trạm là do sự chênh lệch tổng trở sóng giữa đường dây vào trạm và thanh cái, tạo nên hiện tượng phản xạ sóng liên tiếp. Khi lắp đặt phiến điện trở phi tuyến ZnO, điện trở của van lập tức giảm từ hàng Mega-Ohm xuống vài Ohm ngay khi điện áp chạm ngưỡng tác động, giúp dẫn toàn bộ dòng năng lượng xung sét xuống đất trong thời gian cực ngắn dưới 20 micro-giây.

So sánh với các công trình nghiên cứu trên hệ thống truyền tải của CIGRE và IEEE, kết quả nghiên cứu tại trạm 220 kV Ninh Bình hoàn toàn tương thích về mặt quy luật quá độ. Việc trang bị đủ 6 bộ chống sét van tạo nên một mạng lưới triệt tiêu quá áp đa tầng, bảo vệ an toàn cho cả thiết bị đo lường lẫn máy biến áp lực chính. Trong các báo cáo kỹ thuật, dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan qua đồ thị sóng điện áp theo thời gian trong khoảng quét từ 0 đến 50 micro-giây và bảng ma trận so sánh hệ số dự trữ cách điện theo từng cấu hình thiết bị, giúp đơn vị quản lý vận hành dễ dàng nhận diện vùng rủi ro.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho trạm 220 kV Ninh Bình trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

  1. Nâng cấp và bố trí bổ sung hệ thống chống sét van ZnO: Tiến hành lắp đặt đồng bộ 6 bộ chống sét van ZnO cấp 220 kV tại các vị trí thanh cái C21, C22 và đầu cực các máy biến áp AT1, AT2. Mục tiêu duy trì hệ số dự trữ cách điện của toàn bộ thiết bị nhất thứ luôn đạt trên 1.40. Thời gian hoàn thành trong vòng 6 tháng do Công ty Truyền tải điện 1 phê duyệt và chỉ đạo triển khai.

  2. Cải tạo hệ thống tiếp địa chân cột xuất tuyến: Thực hiện đóng cọc tiếp địa bổ sung và xử lý hóa chất giảm điện trở đất cho các vị trí cột từ số 01 đến số 05 của tuyến đường dây 274, đảm bảo trị số điện trở nối đất luôn duy trì dưới 10 Ohm trong mọi mùa. Thời gian thi công hoàn tất trước mùa mưa bão năm 2021 do Đội Truyền tải điện Ninh Bình trực tiếp thực hiện.

  3. Trang bị hệ thống đo đếm và giám sát dòng sét trực tuyến: Lắp đặt bổ sung bộ đếm sét thông minh có chức năng giám sát dòng rò liên tục của các bộ chống sét van 220 kV, truyền dữ liệu thời gian thực 24/7 về trung tâm điều khiển trạm nhằm phát hiện sớm hiện tượng lão hóa cách điện. Kế hoạch triển khai trong quý 4 năm 2021 do Phòng Kỹ thuật trạm chủ trì.

  4. Định kỳ kiểm định và đo đạc cường độ cách điện: Thiết lập quy trình bảo dưỡng định kỳ 12 tháng một lần đối với dầu máy biến áp, độ cách điện chuỗi sứ và kiểm tra điện áp phóng của chống sét van, phối hợp cùng Trung tâm Dịch vụ Kỹ thuật lưới điện để kịp thời thay thế các phần tử suy giảm chất lượng cách điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Kỹ sư thiết kế hệ thống điện và trạm biến áp: Sử dụng phương pháp luận và các thông số mô hình hóa trên ATP-EMTP để tính toán phối hợp cách điện, lựa chọn thông số chống sét van cho các dự án xây dựng mới trạm biến áp cấp điện áp từ 110 kV đến 500 kV.
  • Cán bộ kỹ thuật và quản lý vận hành lưới truyền tải: Vận dụng dữ liệu phân tích để đánh giá mức độ rủi ro giông sét tại các đơn vị truyền tải điện khu vực từ PTC1 đến PTC4, từ đó xây dựng phương án cải tạo tiếp địa và bảo dưỡng chống sét van định kỳ đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điện: Khai thác luận văn như một tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu về chuyên đề quá độ điện từ, phương pháp mô phỏng bảo vệ quá điện áp khí quyển và cách sử dụng phần mềm ATPDraw trong đồ án chuyên ngành.
  • Các chuyên gia tư vấn năng lượng và thẩm định an toàn công trình: Tham khảo quy trình phân tích và đánh giá hệ số dự trữ cách điện để lập báo cáo đánh giá an toàn, thẩm tra thiết kế kỹ thuật cho các công trình năng lượng trọng điểm quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao quá điện áp khí quyển lại nguy hiểm hơn quá điện áp nội bộ đối với trạm 220 kV? Quá điện áp khí quyển do sét đánh có biên độ cực đại vượt trên 5 lần điện áp làm việc danh định với độ dốc đầu sóng rất lớn dưới 1.2 micro-giây. Sóng quá áp xung kích này dễ dàng tạo ra điện trường cục bộ phá hủy tức thì cách điện cuộn dây máy biến áp, trong khi quá điện áp nội bộ thường có biên độ dưới 2 lần điện áp pha và thời gian tăng trưởng chậm hơn.

  2. Hiệu ứng Ferranti xuất hiện trong điều kiện nào và gây ảnh hưởng gì đến thiết bị trạm? Hiệu ứng Ferranti xảy ra khi đóng đường dây tải điện dài không tải hoặc khi hệ thống sa thải phụ tải đột ngột, làm dòng điện dung nạp vào đường dây tạo độ sụt áp ngược qua điện cảm, đẩy điện áp cuối đường dây tăng thêm từ 20% đến 50%. Hiện tượng này gây quá điện áp tạm thời kéo dài hàng giây, làm tăng ứng suất điện môi lên cách điện của máy biến áp và chống sét van.

  3. Chống sét van oxit kim loại ZnO có ưu điểm gì vượt trội so với loại SiC truyền thống? Chống sét van ZnO sở hữu đường đặc tính vôn-ampe phi tuyến cực kỳ dốc và không cần khe hở phóng điện nối tiếp. Nhờ đó, van ZnO có khả năng phản ứng tức thời trong vài nano-giây, dập tắt dòng điện sau xung sét hoàn hảo và duy trì mức điện áp dư thấp hơn 15% đến 25% so với loại điện trở SiC có khe hở.

  4. Vì sao cần bắt buộc khống chế điện trở nối đất chân cột đường dây giáp trạm dưới 10 Ohm? Khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc dây chống sét, dòng điện sét hàng chục kA chạy qua điện trở chân cột tạo nên điện thế rất cao trên thân cột. Nếu điện trở tiếp địa vượt quá 10 Ohm, độ chênh điện thế giữa xà cột và dây dẫn pha sẽ vượt quá giới hạn chịu đựng của chuỗi sứ, dẫn đến hiện tượng phóng điện ngược truyền sóng nguy hiểm thẳng vào trạm.

  5. Phần mềm ATPDraw hỗ trợ như thế nào trong bài toán phối hợp cách điện thực tế? ATPDraw cung cấp môi trường mô phỏng chính xác các hiện tượng quá độ điện từ mili-giây và micro-giây trong mạng lưới phức tạp lên tới 6000 nút. Phần mềm cho phép mô hình hóa chi tiết phản xạ sóng, máy biến áp phân tán và đặc tính phi tuyến của van sét, giúp xác định chính xác vị trí lắp đặt tối ưu và tính toán hệ số dự trữ cách điện thực tế.

Kết luận

  • Đề tài đã giải quyết trọn vẹn bài toán đánh giá quá điện áp và phối hợp cách điện cho Trạm biến áp 220 kV Ninh Bình quy mô 500 MVA, cung cấp cơ sở khoa học tin cậy cho việc vận hành an toàn hệ thống điện khu vực.
  • Thiết lập thành công mô hình mô phỏng quá độ điện từ chính xác cao trên phần mềm ATP-EMTP, phản ánh đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng như dòng điện sét, hiệu ứng Ferranti và điện trở tiếp địa chân cột.
  • Chứng minh phương án lắp đặt đồng bộ 6 bộ chống sét van ZnO kết hợp hạ điện trở đất chân cột dưới 10 Ohm giúp nâng hệ số dự trữ cách điện thiết bị lên trên 1.45, đảm bảo an toàn tuyệt đối trước các đợt giông sét cực đoan.
  • Cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị cao cho Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia trong việc chuẩn hóa quy trình thiết kế và bảo vệ quá áp cấp 2 cho các trạm biến áp 220 kV trên toàn quốc.
  • Đề xuất kế hoạch hoàn thiện nâng cấp tiếp địa và trang bị giám sát trực tuyến trong giai đoạn 2021-2025. Các đơn vị quản lý vận hành cần nhanh chóng áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế để nâng cao chất lượng truyền tải điện năng.