Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống truyền tải điện cao áp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp điện ổn định và an toàn cho các khu vực đô thị phát triển nhanh chóng. Theo Dự thảo Đề án Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2021 – 2030, tầm nhìn đến năm 2045, Việt Nam cần thực hiện khoảng 1657 dự án đường dây và trạm biến áp, trong đó có 1315 dự án cấp điện áp 220kV nhằm đáp ứng nhu cầu tăng trưởng phụ tải. Đặc biệt, việc xây dựng các tuyến cáp ngầm 220kV trong các thành phố lớn như Hà Nội là xu hướng tất yếu nhằm giảm diện tích hành lang và đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ đô thị hiện đại.

Luận văn tập trung nghiên cứu quá điện áp đóng cắt trên tuyến cáp ngầm 220kV Long Biên – Mai Động dài 15,3 km, đi qua các khu vực đông dân cư và nhiều công trình ngầm phức tạp. Mục tiêu chính là tính toán giá trị quá điện áp đóng cắt (Transient Recovery Voltage - TRV) và tốc độ tăng điện áp phục hồi (Rate of Rise Recovery Voltage - RRRV) để lựa chọn thiết bị đóng cắt phù hợp tại hai trạm biến áp 220kV Long Biên và Mai Động. Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng EMTPWorks để mô hình hóa hệ thống điện, lựa chọn sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm và tính toán các thông số kỹ thuật quan trọng.

Việc nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc đảm bảo an toàn vận hành, nâng cao độ tin cậy và tính kinh tế cho dự án đường dây 220kV Long Biên – Mai Động, đồng thời góp phần phát triển kỹ thuật điện trong lĩnh vực truyền tải cáp ngầm cao áp tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Quá điện áp đóng cắt (Transient Overvoltage): Là hiện tượng điện áp quá độ xuất hiện trong quá trình đóng cắt mạch điện, gây ra dao động điện áp cao tần trên hệ thống. TRV và RRRV là hai thông số quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của quá điện áp đến thiết bị đóng cắt.

  • Sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm (Cross bonding): Phương pháp nối đất vỏ kim loại cáp ngầm nhằm giảm điện áp cảm ứng trên vỏ cáp, hạn chế tổn thất và tăng tuổi thọ cáp. Các phương án nối đất gồm nối đất một điểm, nối đất hai đầu và liên kết Cross bonding với số chu kỳ đảo vỏ khác nhau.

  • Mô hình hệ thống điện trong phần mềm EMTPWorks: Bao gồm mô hình nguồn phát, máy biến áp, đường dây truyền tải và cáp ngầm với các đặc tính điện dung, điện trở, từ hóa và các phần tử điều khiển. Mô hình hóa này giúp mô phỏng quá trình quá độ và tính toán TRV, RRRV chính xác.

Các khái niệm chính bao gồm: TRV, RRRV, sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm, điện áp cảm ứng vỏ cáp, dòng điện cảm ứng vỏ cáp, và các thông số kỹ thuật của máy cắt.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng số dựa trên phần mềm EMTPWorks để phân tích quá điện áp đóng cắt trên tuyến cáp ngầm 220kV Long Biên – Mai Động. Cụ thể:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu kỹ thuật của tuyến cáp, máy biến áp, kết quả tính toán ngắn mạch từ phần mềm PSS/E, các thông số điện dung ký sinh và đặc tính vật liệu cáp.

  • Phương pháp phân tích: Mô hình hóa hệ thống điện đơn giản hóa tập trung vào các phần tử chính liên quan đến tuyến cáp ngầm. Tính toán điện áp cảm ứng trên vỏ cáp với các phương án nối đất khác nhau (nối đất một điểm, Cross bonding với 2-6 chu kỳ đảo vỏ). Mô phỏng TRV và RRRV tại hai trạm biến áp bằng mô hình nguồn, máy biến áp, đường dây và máy cắt trong EMTPWorks.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu tập trung trên tuyến cáp dài 15,3 km, chia thành các đoạn cáp nhỏ phù hợp với chiều dài cuộn cáp thực tế (dưới 1 km). Thời gian nghiên cứu kéo dài trong quá trình học tập thạc sĩ, hoàn thành năm 2022.

Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác ảnh hưởng của sơ đồ nối đất vỏ cáp và các điều kiện vận hành đến quá điện áp đóng cắt, từ đó lựa chọn thiết bị đóng cắt phù hợp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của sơ đồ nối đất vỏ cáp đến điện áp cảm ứng:

    • Phương án nối đất một điểm tại một đầu cáp ngầm 10 km gây ra điện áp cảm ứng trên vỏ cáp lớn nhất khoảng 1717 V, vượt quá 13,5 lần giới hạn an toàn 127 V.

    • Khi chia đoạn cáp 10 km thành 10 đoạn nhỏ (mỗi đoạn ~1 km), điện áp cảm ứng giảm nhẹ còn khoảng 1646 V, vẫn vượt quá giới hạn an toàn hơn 11 lần.

    • Phương án Cross bonding với 4 chu kỳ đảo vỏ giảm điện áp cảm ứng xuống khoảng 153 V, tuy giảm đáng kể nhưng vẫn vượt giới hạn an toàn 20%.

    • Cross bonding với 5 chu kỳ đảo vỏ tiếp tục giảm điện áp cảm ứng xuống 124 V, tương đương 88 V hiệu dụng, đảm bảo an toàn theo tiêu chuẩn (dưới 127 V).

  2. Dòng điện cảm ứng trên vỏ cáp:

    • Dòng điện cảm ứng lớn nhất đo được khoảng 15 A với phương án nối đất một điểm, giảm xuống còn khoảng 14,5 A với Cross bonding 5 chu kỳ, cho thấy giảm nhẹ tổn thất điện trở vỏ cáp.

  3. Tuyến cáp ngầm 4,3 km từ Mai Động đến VT4:

    • Nối đất một điểm gây điện áp cảm ứng lên đến 741 V, vượt 5,3 lần giới hạn an toàn.

    • Cross bonding với 2 chu kỳ đảo vỏ giảm điện áp cảm ứng xuống 122 V, tương đương 86 V hiệu dụng, đảm bảo an toàn.

  4. Tính toán TRV và RRRV tại hai trạm biến áp:

    • Giá trị TRV và RRRV được mô phỏng với các chế độ ngắn mạch 2 pha và 3 pha, tại các điểm khác nhau trên tuyến cáp.

    • Kết quả cho thấy TRV và RRRV phụ thuộc vào vị trí sự cố, thời điểm cắt và sơ đồ nối đất vỏ cáp, ảnh hưởng trực tiếp đến lựa chọn máy cắt phù hợp.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy sơ đồ nối đất vỏ cáp ngầm có ảnh hưởng rất lớn đến điện áp cảm ứng và dòng điện cảm ứng trên vỏ kim loại cáp. Phương án nối đất một điểm không đảm bảo an toàn kỹ thuật do điện áp cảm ứng vượt quá giới hạn cho phép, gây nguy cơ hư hỏng cách điện và giảm tuổi thọ cáp.

Phương án Cross bonding với số chu kỳ đảo vỏ phù hợp (5 chu kỳ cho đoạn 10 km, 2 chu kỳ cho đoạn 4,3 km) là giải pháp tối ưu, vừa đảm bảo an toàn điện áp cảm ứng, vừa cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí đầu tư (giảm số lượng hầm nối cáp và phụ kiện).

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với nguyên lý giảm điện áp cảm ứng bằng Cross bonding và mô hình hóa TRV, RRRV trong hệ thống điện có cáp ngầm dài. Việc sử dụng phần mềm EMTPWorks cho phép mô phỏng chính xác các hiện tượng quá độ, hỗ trợ lựa chọn thiết bị đóng cắt phù hợp, đảm bảo vận hành an toàn và kinh tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ điện áp cảm ứng theo chiều dài cáp, bảng tổng hợp giá trị TRV, RRRV tại các điểm tính toán, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của các phương án nối đất và điều kiện vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng sơ đồ nối đất Cross bonding với số chu kỳ đảo vỏ phù hợp:

    • Đối với đoạn cáp 10 km Long Biên – VT01, sử dụng Cross bonding 5 chu kỳ đảo vỏ để đảm bảo điện áp cảm ứng dưới 127 V.

    • Đối với đoạn cáp 4,3 km Mai Động – VT4, sử dụng Cross bonding 2 chu kỳ đảo vỏ.

    • Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thi công và lắp đặt cáp.

  2. Lựa chọn máy cắt phù hợp dựa trên giá trị TRV và RRRV tính toán:

    • Sử dụng kết quả mô phỏng để chọn máy cắt có thông số kỹ thuật đáp ứng biên độ TRV và tốc độ tăng RRRV cao nhất.

    • Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật dự án và nhà cung cấp thiết bị.

  3. Tăng cường giám sát và bảo trì hệ thống cáp ngầm:

    • Định kỳ kiểm tra điện áp cảm ứng và dòng điện cảm ứng trên vỏ cáp để phát hiện sớm các hiện tượng bất thường.

    • Thời gian: hàng năm hoặc theo khuyến cáo nhà sản xuất.

  4. Nâng cao năng lực mô phỏng và đào tạo kỹ thuật viên:

    • Đào tạo sử dụng phần mềm EMTPWorks và các công cụ mô phỏng khác để phân tích quá điện áp và lựa chọn thiết bị.

    • Chủ thể thực hiện: Các trường đại học, viện nghiên cứu và đơn vị vận hành.

  5. Nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và vận hành:

    • Đánh giá tác động của nhiệt độ, độ ẩm, và các sự cố vận hành đến quá điện áp và tuổi thọ cáp.

    • Thời gian: nghiên cứu tiếp theo trong vòng 2-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện cao áp:

    • Hưởng lợi từ các phương pháp tính toán và lựa chọn thiết bị đóng cắt phù hợp, nâng cao độ tin cậy vận hành.

  2. Các nhà thiết kế và tư vấn kỹ thuật dự án truyền tải điện:

    • Áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế sơ đồ nối đất vỏ cáp ngầm tối ưu, đảm bảo an toàn và tiết kiệm chi phí.

  3. Các nhà sản xuất và cung cấp thiết bị đóng cắt:

    • Tham khảo thông số TRV, RRRV để phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của hệ thống cáp ngầm 220kV.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện:

    • Nắm bắt kiến thức về quá điện áp đóng cắt, mô hình hóa hệ thống điện và ứng dụng phần mềm mô phỏng EMTPWorks trong nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá điện áp đóng cắt là gì và tại sao nó quan trọng?

    Quá điện áp đóng cắt là hiện tượng điện áp quá độ xuất hiện khi máy cắt đóng hoặc ngắt mạch điện, có thể gây hư hỏng thiết bị nếu không được kiểm soát. Ví dụ, TRV cao có thể làm máy cắt bị phóng điện trở lại, gây sự cố vận hành.

  2. Tại sao phải sử dụng sơ đồ đảo vỏ cáp ngầm (Cross bonding)?

    Cross bonding giúp giảm điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại cáp ngầm, hạn chế tổn thất điện trở và tăng tuổi thọ cáp. Trong nghiên cứu, phương án này giảm điện áp cảm ứng từ hơn 1700 V xuống dưới 130 V, đảm bảo an toàn.

  3. Phần mềm EMTPWorks được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?

    EMTPWorks mô phỏng quá trình quá độ điện trong hệ thống điện, giúp tính toán chính xác TRV, RRRV và điện áp cảm ứng vỏ cáp, hỗ trợ lựa chọn thiết bị đóng cắt và sơ đồ nối đất phù hợp.

  4. Giá trị TRV và RRRV ảnh hưởng thế nào đến lựa chọn máy cắt?

    TRV biểu thị biên độ điện áp phục hồi, RRRV là tốc độ tăng điện áp. Máy cắt phải có khả năng chịu đựng các giá trị này để tránh phóng điện trở lại, đảm bảo an toàn và tuổi thọ thiết bị.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các tuyến cáp ngầm khác không?

    Có thể, nhưng cần điều chỉnh theo đặc điểm kỹ thuật, chiều dài và điều kiện vận hành cụ thể của từng tuyến cáp. Nghiên cứu cung cấp phương pháp và cơ sở lý thuyết để áp dụng linh hoạt.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc mô hình hóa và tính toán quá điện áp đóng cắt trên tuyến cáp ngầm 220kV Long Biên – Mai Động bằng phần mềm EMTPWorks.

  • Phương án nối đất Cross bonding với số chu kỳ đảo vỏ phù hợp là giải pháp kỹ thuật tối ưu, đảm bảo điện áp cảm ứng vỏ cáp dưới giới hạn an toàn.

  • Giá trị TRV và RRRV được xác định giúp lựa chọn máy cắt phù hợp, đảm bảo vận hành an toàn và kinh tế cho dự án.

  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về kỹ thuật truyền tải cáp ngầm cao áp tại Việt Nam, hỗ trợ phát triển hệ thống điện đô thị hiện đại.

  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm áp dụng kết quả vào thiết kế thực tế, đào tạo nhân lực và nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng môi trường và vận hành. Các đơn vị quản lý và kỹ thuật được khuyến khích áp dụng và phát triển nghiên cứu này.