Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và đô thị hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng năng lượng điện tăng cao đòi hỏi hệ thống lưới điện phải được mở rộng và nâng cấp. Trạm biến áp 500/220kV Đức Hòa được xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu cung cấp điện ổn định cho khu vực tỉnh Long An và một phần TP.HCM, bao gồm các huyện Đức Hòa, Đức Huệ, Bến Lức, thị xã Tân An, Bình Chánh và Quận 12. Theo báo cáo sự cố ngày 13/7/2020, một hiện tượng quá điện áp khí quyển do sét đánh với biên độ dòng sét lên đến 196kA đã xảy ra tại pha B của đường dây Cầu Bông đấu vào trạm, gây ra quá điện áp khí quyển nhưng không làm hư hại thiết bị chính nhờ hệ thống chống sét van. Tuy nhiên, dòng điện phối hợp qua chống sét van vượt quá giới hạn từ 10 đến 14kA, đạt 25,72kA, dẫn đến hư hỏng thiết bị này.

Luận văn tập trung nghiên cứu hai dạng quá điện áp chính trong trạm biến áp: quá điện áp khí quyển lan truyền do sét và quá điện áp nội bộ phát sinh trong quá trình vận hành, đặc biệt là điện áp quá độ phục hồi (Transient Recovery Voltage - TRV) và tốc độ gia tăng điện áp phục hồi (Rate-of-Rise of Recovery Voltage - RRRV) khi đóng cắt máy cắt 500kV. Mục tiêu nghiên cứu nhằm xây dựng mô hình mô phỏng chính xác bằng phần mềm EMTP-RV dựa trên dữ liệu thực tế, từ đó đề xuất các giải pháp bảo vệ thiết bị, lựa chọn mức cách điện và thông số máy cắt phù hợp, đảm bảo an toàn vận hành và tối ưu chi phí đầu tư. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại trạm biến áp 500/220kV Đức Hòa, tỉnh Long An, với dữ liệu vận hành và sự cố trong giai đoạn năm 2020-2022. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và an toàn của hệ thống điện truyền tải khu vực phía Nam, góp phần giảm thiểu rủi ro sự cố do quá điện áp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết nền tảng về quá điện áp trong trạm biến áp, bao gồm:

  • Quá điện áp khí quyển: Phát sinh do dòng sét đánh trực tiếp hoặc lan truyền trên đường dây truyền tải, gây ra sóng quá điện áp tác động lên cách điện trạm. Các tham số quan trọng gồm biên độ dòng sét, độ dốc đầu sóng, dạng sóng dòng sét (ví dụ dạng sóng 3/100μs với biên độ 196kA), và ảnh hưởng của điện trở nối đất cột điện.

  • Quá điện áp nội bộ: Bao gồm quá điện áp thao tác phát sinh khi đóng cắt các phần tử trong hệ thống điện, đặc biệt là điện áp quá độ phục hồi (TRV) và tốc độ gia tăng điện áp phục hồi (RRRV) trên máy cắt. TRV là điện áp xuất hiện trên hai cực máy cắt sau khi dòng điện bị ngắt, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng cắt dòng ngắn mạch thành công. Các đặc tính TRV phụ thuộc vào điện cảm, điện dung, cấu hình lưới và đặc tính máy cắt.

  • Mô hình truyền sóng trên hệ thống nhiều dây dẫn: Nghiên cứu sự lan truyền và biến dạng sóng quá điện áp trên các dây pha và dây chống sét, bao gồm các hệ số ngẫu hợp tĩnh giữa các dây dẫn, ảnh hưởng của vầng quang xung làm biến dạng và giảm biên độ sóng.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng gồm: EMTP-RV (Electromagnetic Transients Program - Restructured Version), TRV, RRRV, chống sét van (CSV), điện trở nối đất phi tuyến, mô hình CPDL (Constant Parameter Distributed Line), và các dạng sóng dòng sét tiêu chuẩn IEC.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng số dựa trên phần mềm EMTP-RV để xây dựng mô hình chi tiết trạm biến áp 500/220kV Đức Hòa và các đường dây đấu nối. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm toàn bộ thiết bị chính trong trạm như máy biến áp, máy biến điện áp, máy biến dòng, chống sét van, dây dẫn và cột điện với các thông số kỹ thuật thực tế được đo đạc và cung cấp bởi đơn vị quản lý trạm.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các vị trí sự cố điển hình trên đường dây 500kV đấu nối vào trạm, bao gồm các trường hợp sét đánh vào dây pha, dây chống sét và đỉnh cột điện với các khoảng cách khác nhau (300m, 1km, 5km). Các mô hình điện trở nối đất được mô phỏng theo đặc tính phi tuyến để phản ánh chính xác dòng điện sét lan truyền.

Phân tích dữ liệu dựa trên so sánh kết quả mô phỏng với các bài báo khoa học uy tín và tiêu chuẩn quốc tế IEC, IEEE nhằm kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện tượng quá điện áp khí quyển do sét đánh: Mô phỏng dòng sét 3/100μs với biên độ 196kA tại pha B đường dây Cầu Bông cho thấy quá điện áp khí quyển lan truyền vào trạm có biên độ điện áp vượt quá mức định mức cách điện, tuy nhiên chống sét van đã hạn chế hiệu quả, giảm điện áp tác dụng lên thiết bị chính. Dòng điện qua chống sét van đạt 25,72kA, vượt giới hạn 10-14kA, gây hư hỏng thiết bị. So sánh với các trường hợp sét đánh ở khoảng cách 300m, 1km và 5km cho thấy biên độ quá điện áp giảm dần theo khoảng cách.

  2. Ảnh hưởng của vị trí đặt chống sét van: Kết quả mô phỏng cho thấy việc đặt chống sét van tại đầu đường dây và tại máy biến áp giúp giảm đáng kể biên độ quá điện áp lan truyền vào trạm, giảm nguy cơ hư hại thiết bị. Vị trí đặt chống sét van tối ưu là tại các cột cuối đường dây và gần máy biến áp.

  3. Quá điện áp nội bộ (TRV và RRRV) khi cắt mạch: Mô phỏng các sự cố ngắn mạch trên các đường dây đấu nối Đức Hòa – Cầu Bông, Phú Lâm, Mỹ Tho và Sông Hậu cho thấy điện áp quá độ phục hồi có biên độ đỉnh có thể vượt quá 2 lần điện áp định mức, với tốc độ gia tăng điện áp phục hồi cao. Kết quả phân tích xác định mức cách điện xung và số buồng dập hồ quang của máy cắt phù hợp để đảm bảo cắt dòng thành công và an toàn.

  4. Biến dạng sóng do vầng quang xung: Sóng quá điện áp truyền trên đường dây bị biến dạng rõ rệt do tổn hao vầng quang xung, làm giảm biên độ và độ dốc đầu sóng, ảnh hưởng đến tính toán quá điện áp và thiết kế bảo vệ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng quá điện áp khí quyển là do dòng sét có biên độ lớn và độ dốc đầu sóng cao, kết hợp với điện trở nối đất phi tuyến của cột điện làm tăng dòng điện qua chống sét van. Việc mô phỏng chi tiết các thành phần trong trạm, bao gồm các thiết bị đo lường và dây dẫn, giúp phản ánh chính xác ảnh hưởng của quá điện áp lên cách điện.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế cho thấy kết quả mô phỏng phù hợp với các tiêu chuẩn IEC và IEEE, đồng thời bổ sung các thông số thực tế đặc thù của trạm Đức Hòa. Việc lựa chọn vị trí đặt chống sét van và thông số máy cắt dựa trên kết quả mô phỏng giúp giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị và tối ưu chi phí đầu tư.

Biến dạng sóng do vầng quang xung là yếu tố quan trọng cần được tính đến trong thiết kế bảo vệ, vì nó ảnh hưởng đến biên độ và dạng sóng quá điện áp tác dụng lên cách điện. Các biểu đồ phân bố xác suất TRV và RRRV được sử dụng để đánh giá mức độ an toàn và lựa chọn thiết bị phù hợp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng điện áp tại các điểm khác nhau trong trạm, bảng tổng hợp dòng điện qua chống sét van và biểu đồ phân bố xác suất TRV qua máy cắt, giúp trực quan hóa mức độ quá điện áp và hiệu quả các giải pháp bảo vệ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường lắp đặt chống sét van tại các vị trí chiến lược: Đặt chống sét van tại đầu đường dây và gần máy biến áp để giảm biên độ quá điện áp lan truyền, giảm nguy cơ hư hỏng thiết bị. Thời gian thực hiện: trong vòng 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý trạm và đơn vị tư vấn thiết kế.

  2. Cải thiện hệ thống nối đất phi tuyến của cột điện: Tính toán và thiết kế lại hệ thống nối đất để giảm dòng điện sét qua chống sét van, nâng cao hiệu quả tản dòng sét. Thời gian thực hiện: 6-9 tháng. Chủ thể thực hiện: Đơn vị thi công và bảo trì trạm.

  3. Lựa chọn máy cắt có thông số TRV và RRRV phù hợp: Dựa trên kết quả mô phỏng, lựa chọn máy cắt có số buồng dập hồ quang và mức cách điện xung đáp ứng yêu cầu vận hành an toàn, đồng thời tối ưu chi phí đầu tư. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật và nhà cung cấp thiết bị.

  4. Áp dụng phần mềm mô phỏng EMTP-RV trong giám sát và bảo trì định kỳ: Sử dụng mô hình mô phỏng để đánh giá tình trạng quá điện áp và hiệu quả bảo vệ trong quá trình vận hành, từ đó đề xuất các biện pháp điều chỉnh kịp thời. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: Đội ngũ kỹ thuật vận hành trạm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì trạm biến áp: Nắm bắt kiến thức về quá điện áp khí quyển và nội bộ, áp dụng các giải pháp bảo vệ hiệu quả, nâng cao độ tin cậy vận hành.

  2. Chuyên gia thiết kế hệ thống điện và tư vấn kỹ thuật: Sử dụng mô hình mô phỏng EMTP-RV để thiết kế hệ thống cách điện, lựa chọn thiết bị đóng cắt phù hợp, tối ưu chi phí đầu tư.

  3. Nhà quản lý dự án và đầu tư ngành điện: Hiểu rõ các rủi ro do quá điện áp gây ra, đánh giá hiệu quả các biện pháp bảo vệ, đảm bảo an toàn và bền vững cho dự án.

  4. Nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo các phương pháp mô phỏng, phân tích quá điện áp thực tế, nâng cao kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật cao áp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá điện áp khí quyển là gì và tại sao nó nguy hiểm?
    Quá điện áp khí quyển là điện áp cao đột ngột do dòng sét đánh trực tiếp hoặc lan truyền trên đường dây, có thể gây hư hại cách điện và thiết bị trong trạm biến áp. Ví dụ, sự cố tại trạm Đức Hòa năm 2020 với dòng sét 196kA đã làm hư hỏng chống sét van.

  2. Phần mềm EMTP-RV có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    EMTP-RV được sử dụng để mô phỏng quá trình lan truyền sóng quá điện áp và tính toán các thông số TRV, RRRV, giúp đánh giá chính xác tác động lên thiết bị và đề xuất giải pháp bảo vệ phù hợp.

  3. Điện áp quá độ phục hồi (TRV) ảnh hưởng thế nào đến máy cắt?
    TRV là điện áp xuất hiện trên hai cực máy cắt sau khi dòng điện bị ngắt, nếu vượt quá khả năng chịu đựng của máy cắt sẽ gây cắt không thành công, làm hư hỏng thiết bị và mất an toàn vận hành.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu tác động của quá điện áp trong trạm biến áp?
    Có thể giảm thiểu bằng cách lắp đặt chống sét van đúng vị trí, cải thiện hệ thống nối đất, lựa chọn máy cắt có thông số phù hợp và sử dụng mô phỏng để giám sát vận hành.

  5. Tại sao cần tính đến biến dạng sóng do vầng quang xung?
    Vầng quang xung làm biến dạng và giảm biên độ sóng quá điện áp, ảnh hưởng đến tính toán và thiết kế bảo vệ. Bỏ qua yếu tố này có thể dẫn đến đánh giá sai mức độ nguy hiểm của quá điện áp.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng quá điện áp khí quyển và nội bộ tại trạm biến áp 500/220kV Đức Hòa dựa trên dữ liệu thực tế và phần mềm EMTP-RV.
  • Phát hiện dòng điện sét vượt quá giới hạn qua chống sét van là nguyên nhân chính gây hư hỏng thiết bị trong sự cố năm 2020.
  • Kết quả mô phỏng TRV và RRRV giúp lựa chọn máy cắt và mức cách điện xung phù hợp, đảm bảo an toàn vận hành và tối ưu chi phí.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể như lắp đặt chống sét van, cải thiện hệ thống nối đất và áp dụng mô phỏng định kỳ để nâng cao độ tin cậy.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô hình, cập nhật dữ liệu vận hành mới và ứng dụng công nghệ mô phỏng tiên tiến để nâng cao hiệu quả bảo vệ trạm biến áp.

Call-to-action: Các đơn vị quản lý và vận hành trạm biến áp nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao an toàn hệ thống, đồng thời tiếp tục đầu tư nghiên cứu phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng.