I. Tổng Quan Nghiên Cứu Quá Điện Áp Hệ Thống Truyền Tải Hỗn Hợp
Nghiên cứu về quá điện áp trong hệ thống truyền tải hỗn hợp (HTTH) đang trở nên cấp thiết do sự mở rộng và phức tạp của lưới điện Việt Nam. Việc kết hợp đường dây trên không và cáp ngầm đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. Đường dây trên không (ĐDK) có những hạn chế về quỹ đất và môi trường, trong khi cáp ngầm có chi phí cao và kinh nghiệm vận hành còn hạn chế. Do đó, HTTH là giải pháp tiềm năng. Tuy nhiên, sự khác biệt về tổng trở sóng giữa ĐDK và cáp, cùng với ảnh hưởng của môi trường đặt cáp, làm phức tạp việc tính toán quá điện áp. Việc hiểu rõ và kiểm soát quá điện áp là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và tin cậy cho hệ thống. Theo [1], lưới truyền tải tăng trưởng trung bình 20% mỗi 5 năm. Sự tăng trưởng này đặt ra những thách thức lớn trong việc duy trì chất lượng điện năng.
1.1. Tình Hình Nghiên Cứu Quá Điện Áp Hiện Nay
Hiện tại, các nghiên cứu về quá điện áp trong HTTH còn hạn chế. Các cơ quan vận hành lưới truyền tải (TSO) vẫn đang trong giai đoạn học hỏi. Công nghệ chế tạo cáp cần thời gian để đạt độ chín về độ tin cậy và chi phí. Các dự án cáp truyền tải ở cấp điện áp cao (380 kV - 400 kV) cũng chỉ có độ dài từ vài km đến vài chục km. Việc hạ ngầm lưới truyền tải đã được luật hóa ở một số nước, như Đan Mạch. Tuy nhiên, việc thay thế ĐDK bằng cáp ngầm chỉ có thể tiến hành từng bước do chi phí và công nghệ chưa sẵn sàng.
1.2. Đại Học Bách Khoa Hà Nội và Bài Toán Quá Điện Áp
Đại học Bách Khoa Hà Nội đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu và giải quyết các vấn đề liên quan đến quá điện áp trong HTTH. Các nghiên cứu tại đây tập trung vào việc mô phỏng và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá điện áp, như môi trường đặt cáp, phương thức nối đất vỏ cáp và sự xuất hiện của sóng hài. Các kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và vận hành an toàn HTTH. Luận án này nghiên cứu về quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp, ngành Kỹ thuật điện, mã số 9520201.
II. Thách Thức Tính Toán Quá Điện Áp Trong Hệ Thống Hỗn Hợp
Việc tính toán quá điện áp trong HTTH phức tạp hơn nhiều so với hệ thống chỉ có ĐDK hoặc cáp. Sự khác biệt về tổng trở sóng giữa ĐDK và cáp làm xuất hiện sóng phản xạ xếp chồng ở nơi nối tiếp. Đặc điểm cấu trúc khác nhau giữa ĐDK và cáp cũng làm các quá trình quá độ phức tạp hơn. Đối với ĐDK, cảm ứng từ giữa các dây pha là không đáng kể. Ngược lại, đối với cáp, dòng điện trở về nguồn đi qua cả vỏ cáp và đất. Hiện tượng cảm ứng này càng nổi bật ở tần số cao, dẫn đến quá trình truyền sóng trong cáp bị ảnh hưởng mạnh bởi môi trường đặt cáp. Những hiện tượng này kết hợp với môi trường đặt cáp khác nhau và phương thức nối đất vỏ cáp dẫn đến tính toán quá điện áp trên vỏ cáp trở nên phức tạp. Theo [9], cáp ngầm được sử dụng ở khu đông dân cư hoặc khu vực không thể sử dụng đường dây trên không do quy định về cảnh quan và môi trường.
2.1. Ảnh Hưởng Môi Trường Đặt Cáp Lên Quá Điện Áp
Môi trường đặt cáp (cáp ngầm hoàn toàn, cáp đi trên không, cáp đi trên cầu bê tông/kim loại) có ảnh hưởng lớn đến quá điện áp. Mỗi môi trường có đặc tính điện môi và điều kiện tản nhiệt khác nhau. Các yếu tố này ảnh hưởng đến tổng trở sóng, hệ số suy giảm và khả năng chịu đựng quá điện áp của cáp. Nghiên cứu cần xem xét các kịch bản khác nhau để đánh giá đầy đủ ảnh hưởng của môi trường đặt cáp.
2.2. Phương Pháp Nối Đất Vỏ Cáp và Ảnh Hưởng Đến Quá Điện Áp
Phương pháp nối đất vỏ cáp (nối đất một đầu, nối đất hai đầu, nối chéo) cũng ảnh hưởng đến quá điện áp. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng về khả năng giảm thiểu quá điện áp và dòng điện trong vỏ cáp. Việc lựa chọn phương pháp nối đất phù hợp phụ thuộc vào chiều dài cáp, dòng ngắn mạch và yêu cầu về an toàn. Các loại CSV dùng cho cáp truyền tải cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.
2.3. Quá Điện Áp Cộng Hưởng Do Sóng Hài Trong Hệ Thống
Sự xuất hiện của sóng hài trong lưới điện có thể gây ra hiện tượng cộng hưởng, dẫn đến quá điện áp tạm thời. Các nguồn sóng hài có thể là các thiết bị điện tử công suất, lò hồ quang và các tải phi tuyến khác. Tần số cộng hưởng của HTTH phụ thuộc vào điện dung của cáp và điện cảm của ĐDK. Việc tính toán và giảm thiểu quá điện áp cộng hưởng là rất quan trọng để bảo vệ thiết bị và đảm bảo chất lượng điện năng.
III. Phương Pháp Mô Phỏng và Phân Tích Quá Điện Áp EMTP ATP
Để nghiên cứu quá điện áp trong HTTH, cần sử dụng các phương pháp mô phỏng và phân tích hiện đại. Phần mềm EMTP/ATP (Electromagnetic Transients Program/Alternative Transients Program) là công cụ mạnh mẽ để mô phỏng các quá trình quá độ điện từ. Phần mềm này cho phép xây dựng mô hình chi tiết của HTTH, bao gồm ĐDK, cáp, thiết bị đóng cắt và chống sét. Các kết quả mô phỏng giúp đánh giá mức độ quá điện áp trong các tình huống khác nhau và đề xuất các biện pháp giảm thiểu.
3.1. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Chi Tiết Cho Cáp và Đường Dây
Việc xây dựng mô hình mô phỏng chính xác là rất quan trọng. Mô hình cáp cần bao gồm các thông số như điện dung, điện cảm, điện trở và độ tự cảm lẫn nhau giữa lõi và vỏ. Mô hình ĐDK cần xem xét ảnh hưởng của chiều cao cột, khoảng cách giữa các dây pha và điện trở đất. Các mô hình khác như mô hình cột, mô hình chống sét van cũng cần được mô phỏng.
3.2. Phân Tích Quá Độ Đóng Cắt và Quá Điện Áp Do Sét
Các kịch bản quá độ đóng cắt và quá điện áp do sét cần được mô phỏng để đánh giá khả năng chịu đựng của HTTH. Các kết quả mô phỏng giúp xác định vị trí có nguy cơ cao bị quá điện áp và đề xuất các biện pháp bảo vệ thích hợp. Mô hình chống sét van ở cấp 220 kV sử dụng trong mô phỏng là rất quan trọng.
3.3. Tính Toán Truyền Sóng Bằng Phần Mềm EMTP ATP
Phần mềm EMTP/ATP cho phép tính toán quá trình truyền sóng trong cáp. Các phương trình truyền sóng trong cáp có thể được biểu diễn trong miền modal. Phần mềm này cho phép mô phỏng một đoạn cáp 220 kV dài 1km sử dụng mô hình Bergeron.
IV. Bảo Vệ Quá Điện Áp Lựa Chọn và Tính Toán Thông Số SVL
Để bảo vệ HTTH khỏi quá điện áp, cần sử dụng các thiết bị bảo vệ quá điện áp (SVL - Sheath Voltage Limiters). SVL có vai trò hạn chế điện áp trên vỏ cáp và bảo vệ cách điện. Việc lựa chọn và tính toán thông số SVL phù hợp là rất quan trọng. Cần xem xét điện áp định mức, dòng điện sét và năng lượng hấp thụ của SVL. Các phương pháp nối đất vỏ cáp và môi trường đặt cáp cũng ảnh hưởng đến thông số SVL. Theo [57], cần xem xét đặc tính làm việc của CSV 220 kV.
4.1. Phương Pháp Lựa Chọn SVL Bảo Vệ Vỏ Cáp Hiệu Quả
Việc lựa chọn SVL cần dựa trên các tiêu chí như điện áp định mức, dòng điện sét tối đa, năng lượng hấp thụ và đặc tính bảo vệ. Cần xem xét các yếu tố như môi trường đặt cáp, phương pháp nối đất vỏ cáp và mức độ quá điện áp dự kiến. Lựa chọn điện áp định mức của SVL cần được thực hiện cẩn thận.
4.2. Tính Toán Thông Số SVL Khi Có Dòng Điện Sét
Khi có dòng điện sét, SVL cần có khả năng hấp thụ năng lượng lớn để bảo vệ cách điện vỏ cáp. Cần tính toán thông số SVL dựa trên dòng điện sét tối đa và thời gian tác động. Ảnh hưởng của môi trường đặt cáp đến thông số SVL cần được xem xét.
4.3. Ảnh Hưởng Môi Trường Đặt Cáp Đến Thông Số SVL
Môi trường đặt cáp ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt của SVL. Nếu cáp được đặt trong môi trường có nhiệt độ cao, SVL cần có khả năng chịu đựng nhiệt độ cao hơn. Cần lựa chọn SVL phù hợp với môi trường đặt cáp để đảm bảo hiệu quả bảo vệ.
V. Phân Tích Ảnh Hưởng của Cấu Hình Hệ Thống Đến Cộng Hưởng Hài
Cấu hình hệ thống truyền tải, bao gồm chiều dài cáp, vị trí đặt kháng bù ngang và cấu trúc lưới điện, ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng và mức độ quá điện áp do sóng hài. Chuyển từ đường dây trên không thành cáp làm cho tương quan giữa các thành phần điện cảm và điện dung trong mạch Thevenin thay đổi, dẫn đến tần số cộng hưởng của hệ thống có xu hướng dịch về dải tần số thấp. Sự dịch chuyển tần số cộng hưởng này làm cho tương tác giữa tổng trở của lưới với các nguồn sóng hài ở tần số thấp trở nên nguy hiểm hơn trên phương diện quá điện áp. Mô hình tính toán và xác định nguồn sóng hài gây ra cộng hưởng tần số cần được xem xét.
5.1. Tính Toán Tổng Trở Điều Hòa Trong Lưới Truyền Tải
Tổng trở điều hòa trong lưới truyền tải cần được tính toán để xác định tần số cộng hưởng và mức độ khuếch đại sóng hài. Cần xem xét ảnh hưởng của các thành phần như cáp, ĐDK, máy biến áp và kháng bù ngang. Tổng trở đầu vào nhìn từ một nút cần được tính toán.
5.2. Ảnh Hưởng Chiều Dài Cáp Đến Tần Số Cộng Hưởng
Chiều dài cáp có ảnh hưởng đáng kể đến tần số cộng hưởng. Cáp càng dài, tần số cộng hưởng càng thấp. Cần xem xét ảnh hưởng của chiều dài cáp đến khả năng xảy ra hiện tượng cộng hưởng và đề xuất các biện pháp giảm thiểu. Cần so sánh tần số cộng hưởng trong trường hợp cắt và chưa cắt đường dây.
5.3. Tính Toán Quá Điện Áp Cộng Hưởng Trong Hệ Thống Hỗn Hợp
Cần tính toán quá điện áp cộng hưởng trong HTTH để đánh giá mức độ nguy hiểm và đề xuất các biện pháp bảo vệ. Các kết quả tính toán giúp xác định vị trí có nguy cơ cao bị quá điện áp và lựa chọn các thiết bị bảo vệ phù hợp. Mô hình tính toán và xác định nguồn sóng hài gây ra cộng hưởng tần số cần được xem xét.
VI. Kết Luận Nghiên Cứu và Hướng Phát Triển Tiềm Năng
Nghiên cứu về quá điện áp trong hệ thống truyền tải hỗn hợp là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và tin cậy cho lưới điện Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến quá điện áp và đề xuất các biện pháp giảm thiểu. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu về các công nghệ mới để giảm thiểu quá điện áp và nâng cao hiệu quả vận hành HTTH. Các nghiên cứu sâu hơn về các thiết bị FACTS và HVDC cũng rất cần thiết. Theo [95], cần chú trọng đến kết luận và hướng phát triển của nghiên cứu.
6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính Về Quá Điện Áp
Các kết quả nghiên cứu cho thấy sự khác biệt về tổng trở sóng giữa ĐDK và cáp, cùng với ảnh hưởng của môi trường đặt cáp, làm phức tạp việc tính toán quá điện áp. Việc lựa chọn và tính toán thông số SVL phù hợp là rất quan trọng để bảo vệ HTTH. Cấu hình hệ thống truyền tải, bao gồm chiều dài cáp, vị trí đặt kháng bù ngang và cấu trúc lưới điện, ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng và mức độ quá điện áp do sóng hài.
6.2. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Quá Điện Áp
Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu về các công nghệ mới để giảm thiểu quá điện áp, như sử dụng vật liệu cách điện mới, phát triển các thiết bị chống sét tiên tiến và áp dụng các phương pháp điều khiển lưới điện thông minh. Cần nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các thiết bị FACTS (Flexible AC Transmission System) và HVDC (High Voltage Direct Current) đến quá điện áp trong HTTH.
