Tổng quan nghiên cứu

Theo số liệu năm 2017, lưới điện phân phối tại TP. Hồ Chí Minh gồm 680 tuyến trung áp, trong đó có 203 tuyến trung áp ngầm với tổng chiều dài khoảng 2.379 km, chiếm tỷ lệ ngầm hóa trung thế khoảng 30%. Tổng Công ty Điện lực TP.HCM đặt mục tiêu đến năm 2020 đạt tỷ lệ ngầm hóa lưới điện trung thế nội thành khoảng 60%, riêng khu vực trung tâm Quận 1 và Quận 3 đạt 100%. Tuy nhiên, sự cố cáp ngầm trung thế vẫn chiếm khoảng 32% nguyên nhân mất điện lưới trung thế, ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy cung cấp điện.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng công nghệ phóng điện cục bộ (Partial Discharge - PD) để chẩn đoán và đánh giá tình trạng cách điện của cáp ngầm 22 kV, nhằm phát hiện sớm các khiếm khuyết, từ đó đề xuất các biện pháp phòng ngừa sự cố. Mục tiêu cụ thể của luận văn là phân tích thực trạng vận hành cáp ngầm trung thế tại TP.HCM, ứng dụng các phương pháp đo PD truyền thống và phi truyền thống, đồng thời sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics để mô phỏng sự tăng cao điện trường tại các vị trí lỗi.

Phạm vi nghiên cứu tập trung trên lưới điện trung thế của Tổng Công ty Điện lực TP.HCM trong giai đoạn 2016-2019. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ tin cậy vận hành lưới điện, giảm thiểu sự cố mất điện do cáp ngầm, đồng thời góp phần phát triển công nghệ chẩn đoán cách điện hiện đại, hỗ trợ công tác bảo trì và quản lý tài sản điện lực hiệu quả hơn.

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:

  • Lý thuyết phóng điện cục bộ (PD): Theo tiêu chuẩn IEC 60270, PD là hiện tượng phóng điện cục bộ trong điện môi rắn hoặc lỏng do các khiếm khuyết như bọt khí, khe hở, hoặc vết nứt, gây suy giảm cách điện. PD được mô hình hóa bằng mạch tương đương gồm các điện dung đại diện cho phần cách điện tốt và phần có khuyết tật.

  • Mô hình cây điện và cây nước: Mô tả quá trình phát triển của các nhánh phóng điện bên trong vật liệu cách điện XLPE, từ cây nước (water tree) đến cây điện (electrical tree), là nguyên nhân chính dẫn đến phá hủy cách điện.

  • Mô hình điện trường bằng phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics để mô phỏng sự tăng cao điện trường tại các vị trí khiếm khuyết trong cáp ngầm, giúp xác định nguyên nhân phát sinh PD.

Các khái niệm chính bao gồm: điện áp khởi đầu xuất hiện phóng điện cục bộ (PDIV), điện áp triệt tiêu phóng điện cục bộ (PDEV), tổn hao điện môi (tanδ), và các phương pháp đo PD on-line, off-line.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu vận hành cáp ngầm trung thế từ Tổng Công ty Điện lực TP.HCM, bao gồm các báo cáo sự cố, kết quả đo PD thực tế tại các tuyến cáp, và tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng.

  • Phương pháp phân tích:

    • Ứng dụng phần mềm Comsol Multiphysics để mô phỏng điện trường tại các vị trí lỗi, với mô hình cáp ngầm 3 pha, tiết diện 240 mm², điện áp 22 kV. Mô hình giả định vị trí khuyết tật là lỗ rỗng khí có đường kính 0,1 mm cách tâm lõi dẫn 11 mm.

    • Thực hiện đo PD bằng các thiết bị Megger PDS 60, BAUR-Viola TD1-42, Seba OWTS 28 theo các phương pháp on-line và off-line, bao gồm đo ở tần số công nghiệp 50 Hz, tần số thấp (VLF), và nguồn áp xoay chiều có biên độ giảm dần (DAC).

    • Phân tích dữ liệu PD dựa trên tiêu chuẩn kỹ thuật của nhà sản xuất và tiêu chuẩn ngành điện, đánh giá mức độ suy giảm cách điện và đề xuất kế hoạch bảo trì, thay thế.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 3 đến tháng 8 năm 2019, bao gồm thu thập số liệu, mô phỏng, đo thử nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tỷ lệ sự cố cáp ngầm chiếm 32% nguyên nhân mất điện trung thế: Trong năm 2017, có 457 vụ mất điện trung thế, trong đó 65 vụ do hư cáp ngầm (14,22%), 59 vụ do hư đầu cáp (12,91%), và 23 vụ do hư hộp nối cáp (5,03%).

  2. Phương pháp đo PD hiệu quả trong phát hiện khiếm khuyết cách điện: Kết quả đo PD trên các tuyến cáp ngầm cho thấy các mức PDIV và PDEV khác nhau, phản ánh tình trạng cách điện đa dạng. Ví dụ, một số cáp có mức PD vượt ngưỡng tiêu chuẩn 10 pC, cần theo dõi hoặc thay thế.

  3. Mô phỏng điện trường bằng Comsol Multiphysics xác định vị trí và mức độ tăng cao điện trường tại khuyết tật: Mô hình cho thấy điện trường tại vị trí lỗ rỗng khí tăng cao đáng kể, là nguyên nhân chính gây ra PD. Kết quả mô phỏng tương thích với dữ liệu đo PD thực tế.

  4. So sánh các phương pháp đo PD: Phương pháp đo PD on-line cho phép giám sát liên tục, phát hiện sớm sự cố trong tủ điện trung thế; trong khi đo PD off-line với nguồn DAC và VLF cung cấp dữ liệu chi tiết về mức độ và vị trí khuyết tật, hỗ trợ đánh giá chính xác tình trạng cách điện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cố cáp ngầm là do các khiếm khuyết cách điện như lỗ rỗng khí, ẩm, và sự phát triển của cây điện, cây nước trong lớp cách điện XLPE. Việc sử dụng công nghệ đo PD giúp phát hiện sớm các khiếm khuyết này, từ đó giảm thiểu nguy cơ sự cố nghiêm trọng.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả đo PD tại TP.HCM tương đồng với các báo cáo ngành điện về tỷ lệ sự cố và hiệu quả của phương pháp PD trong chẩn đoán cách điện. Việc mô phỏng điện trường bằng phần mềm đa vật lý là bước tiến quan trọng, giúp hiểu rõ cơ chế phát sinh PD và hỗ trợ thiết kế các biện pháp phòng ngừa hiệu quả hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố mức PD trên các tuyến cáp, bảng so sánh các chỉ số PDIV, PDEV theo từng phương pháp đo, và hình ảnh mô phỏng điện trường tại vị trí lỗi để minh họa trực quan.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai đo PD định kỳ trên toàn bộ lưới cáp ngầm trung thế: Áp dụng phương pháp đo PD on-line và off-line kết hợp để giám sát liên tục và đánh giá chi tiết tình trạng cách điện, nhằm phát hiện sớm các khiếm khuyết. Thời gian thực hiện: hàng quý; Chủ thể: Tổng Công ty Điện lực TP.HCM.

  2. Sử dụng phần mềm mô phỏng điện trường để phân tích các vị trí nghi ngờ: Hỗ trợ xác định nguyên nhân và mức độ nguy hiểm của các khuyết tật, từ đó lập kế hoạch bảo trì hoặc thay thế hợp lý. Thời gian: theo yêu cầu khi phát hiện sự cố; Chủ thể: Trung tâm kỹ thuật và phòng thí nghiệm điện.

  3. Đào tạo nâng cao năng lực kỹ thuật viên về phân tích dữ liệu PD: Tăng cường kỹ năng phân tích dạng sóng PD, đánh giá mức độ suy giảm cách điện, đặc biệt với phương pháp DAC và VLF. Thời gian: 6 tháng; Chủ thể: Ban đào tạo Tổng Công ty Điện lực.

  4. Cập nhật và hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật đo PD phù hợp với điều kiện thực tế: Xây dựng quy trình đo và đánh giá PD chuẩn hóa, phù hợp với các loại cáp và phụ kiện đang sử dụng tại TP.HCM. Thời gian: 1 năm; Chủ thể: Ban kỹ thuật và quản lý chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì lưới điện: Nắm bắt công nghệ đo PD để áp dụng trong công tác giám sát và bảo dưỡng cáp ngầm, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

  2. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ điện: Tham khảo mô hình mô phỏng điện trường và phương pháp đo PD để phát triển các thiết bị và giải pháp chẩn đoán mới.

  3. Quản lý dự án và hoạch định chính sách điện lực: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch ngầm hóa lưới điện và chính sách bảo trì hiệu quả, giảm thiểu sự cố.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về ứng dụng công nghệ PD và mô phỏng điện trường trong chẩn đoán cách điện cáp ngầm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phóng điện cục bộ là gì và tại sao nó quan trọng trong chẩn đoán cáp ngầm?
    Phóng điện cục bộ là hiện tượng phóng điện nhỏ xảy ra tại các khiếm khuyết trong cách điện, có thể dẫn đến suy giảm và phá hủy cách điện. Phát hiện PD giúp ngăn ngừa sự cố nghiêm trọng, nâng cao độ tin cậy lưới điện.

  2. Các phương pháp đo PD on-line và off-line khác nhau như thế nào?
    Đo PD on-line giám sát liên tục trong quá trình vận hành, phát hiện sớm sự cố; đo off-line thực hiện khi tách cáp khỏi vận hành, cung cấp dữ liệu chi tiết về mức độ và vị trí khuyết tật.

  3. Phần mềm Comsol Multiphysics được sử dụng để làm gì trong nghiên cứu này?
    Comsol được dùng để mô phỏng sự tăng cao điện trường tại các vị trí lỗi trong cáp ngầm, giúp xác định nguyên nhân phát sinh PD và đánh giá mức độ nguy hiểm của khuyết tật.

  4. Tại sao cần kết hợp nhiều phương pháp đo PD khác nhau?
    Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, kết hợp giúp đánh giá toàn diện tình trạng cách điện, từ phát hiện sớm đến xác định chính xác vị trí và mức độ hư hỏng.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế vận hành lưới điện?
    Thông qua triển khai đo PD định kỳ, đào tạo kỹ thuật viên, cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật và sử dụng mô phỏng điện trường để hỗ trợ quyết định bảo trì, thay thế cáp ngầm.

Kết luận

  • Phóng điện cục bộ là nguyên nhân chính gây suy giảm và sự cố cách điện cáp ngầm 22 kV tại TP.HCM.
  • Ứng dụng công nghệ đo PD kết hợp mô phỏng điện trường giúp phát hiện và đánh giá chính xác tình trạng cách điện.
  • Tỷ lệ sự cố cáp ngầm chiếm khoảng 32% nguyên nhân mất điện trung thế, cần ưu tiên công tác giám sát và bảo trì.
  • Đề xuất triển khai đo PD định kỳ, đào tạo kỹ thuật viên và hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật để nâng cao hiệu quả quản lý lưới điện.
  • Nghiên cứu mở hướng phát triển công nghệ chẩn đoán cách điện hiện đại, góp phần nâng cao độ tin cậy và an toàn cung cấp điện trong tương lai.

Hành động tiếp theo là áp dụng các giải pháp đề xuất trong kế hoạch bảo trì và giám sát lưới điện trung thế TP.HCM, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ PD cho các cấp điện áp khác.