Tổng quan nghiên cứu

Trạm biến áp 110kV Ninh Phước, tỉnh Ninh Thuận, được xây dựng từ năm 2000 và chính thức vận hành giai đoạn đầu vào năm 2004 với công suất lắp đặt 25MVA, sau đó hoàn thiện giai đoạn hai vào năm 2016 với tổng công suất 50MVA. Trạm cung cấp điện cho huyện Ninh Phước, Thuận Nam và một phần thành phố Phan Rang - Tháp Chàm, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện khu vực. Với quy mô gồm hai máy biến áp 25MVA, các ngăn lộ 110kV và 22kV cùng hệ thống thiết bị bảo vệ hiện đại, trạm đảm bảo cung cấp điện ổn định cho các phụ tải trọng điểm.

Hệ thống bảo vệ rơ le kỹ thuật số tại trạm là yếu tố then chốt quyết định sự an toàn và ổn định vận hành. Bảo vệ rơ le có nhiệm vụ phát hiện nhanh chóng các sự cố, cách ly phần tử hư hỏng, từ đó giảm thiểu thiệt hại và duy trì chế độ làm việc liên tục của hệ thống. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiện trạng hệ thống bảo vệ rơ le tại trạm, lựa chọn và tính toán chính xác các thông số bảo vệ kỹ thuật số phù hợp, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và độ tin cậy của trạm biến áp.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào trạm biến áp 110kV Ninh Phước, với dữ liệu thu thập từ thực tế vận hành và các thiết bị bảo vệ kỹ thuật số của các hãng Siemens và Alstom. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc ứng dụng công nghệ bảo vệ hiện đại, góp phần nâng cao chất lượng cung cấp điện và phát triển kinh tế - xã hội địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình bảo vệ rơ le kỹ thuật số, trong đó nổi bật là:

  • Lý thuyết bảo vệ so lệch (Differential Protection): Đây là phương pháp bảo vệ chính cho máy biến áp, dựa trên nguyên lý so sánh dòng điện vào và ra thiết bị để phát hiện sự cố nội bộ. Bảo vệ so lệch có khả năng phát hiện nhanh các sự cố ngắn mạch, chạm đất bên trong máy biến áp.

  • Lý thuyết bảo vệ chống chạm đất hạn chế (Restricted Earth Fault - REF): Bảo vệ REF phát hiện dòng điện chạm đất trong phạm vi giới hạn, giúp bảo vệ máy biến áp khi có sự cố chạm đất trung tính hoặc vỏ máy.

  • Mô hình bảo vệ quá dòng có thời gian và không thời gian: Bảo vệ quá dòng được sử dụng để phát hiện các sự cố quá tải hoặc ngắn mạch ngoài phạm vi bảo vệ so lệch, với các đặc tính thời gian tác động khác nhau nhằm đảm bảo chọn lọc và phối hợp bảo vệ.

Các khái niệm chính bao gồm: rơ le kỹ thuật số, bảo vệ so lệch, bảo vệ REF, bảo vệ quá dòng, đặc tính hãm (harmonic restraint), và các thông số chỉnh định bảo vệ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa thu thập số liệu thực tế, phân tích lý thuyết và mô phỏng tính toán:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu kỹ thuật và vận hành từ trạm biến áp 110kV Ninh Phước, bao gồm thông số thiết bị điện, dữ liệu dòng điện, điện áp, và các thông số bảo vệ rơ le kỹ thuật số của hãng Siemens (7UT513, 7UT613) và Alstom.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán ngắn mạch, lựa chọn và chỉnh định các thông số bảo vệ dựa trên tiêu chuẩn kỹ thuật và đặc tính thiết bị. Sử dụng phần mềm DIGSI 4 để cài đặt và mô phỏng hoạt động của rơ le kỹ thuật số.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập số liệu và khảo sát thực tế trong năm 2016-2017, phân tích và mô phỏng trong vòng 6 tháng, hoàn thiện luận văn trong năm 2017.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn cao, đồng thời phù hợp với yêu cầu vận hành an toàn, ổn định của trạm biến áp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng hệ thống bảo vệ rơ le tại trạm: Trạm biến áp 110kV Ninh Phước sử dụng các rơ le kỹ thuật số hiện đại của Siemens và Alstom, trong đó rơ le 7UT613 được lựa chọn làm bảo vệ chính cho máy biến áp với các chức năng bảo vệ so lệch, bảo vệ chống chạm đất hạn chế, bảo vệ quá dòng và bảo vệ quá tải nhiệt. Các thiết bị đều đáp ứng tiêu chuẩn IEC và có độ tin cậy cao.

  2. Tính toán và chỉnh định thông số bảo vệ: Dòng ngắn mạch qua các máy biến dòng được xác định lần lượt là khoảng 7A, 16A và 19A tùy vị trí, từ đó xác định các ngưỡng dòng so lệch thấp (0.15-0.2 lần dòng định mức) và cao (khoảng 1.05-1.2 lần dòng định mức) cho rơ le 7UT613. Thời gian tác động bảo vệ được thiết lập trong khoảng 25-40ms, đảm bảo phát hiện nhanh sự cố.

  3. Hiệu quả của chức năng hãm sóng hài: Rơ le 7UT613 có khả năng lọc sóng hài bậc 2, 3 và 5 để tránh tác động sai do hiện tượng quá kích thích hoặc đóng cắt máy biến áp. Điều này giúp giảm thiểu sai số và tăng độ chính xác của bảo vệ so lệch.

  4. Khả năng giám sát và truyền thông: Rơ le kỹ thuật số được trang bị các cổng giao tiếp chuẩn RS232, RS485, cáp quang và hỗ trợ giao thức IEC 60870-5-103, PROFIBUS, giúp dễ dàng kết nối với hệ thống SCADA và trung tâm điều khiển từ xa, nâng cao hiệu quả quản lý vận hành.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng rơ le kỹ thuật số 7UT613 tại trạm biến áp 110kV Ninh Phước mang lại nhiều lợi ích về độ tin cậy và chính xác trong bảo vệ. So với các rơ le điện cơ và tĩnh cũ, rơ le kỹ thuật số giảm thiểu sai số do nhiễu và bão hòa máy biến dòng, đồng thời tích hợp nhiều chức năng bảo vệ trong một thiết bị duy nhất, giúp tiết kiệm chi phí và đơn giản hóa hệ thống.

Việc chỉnh định các thông số bảo vệ dựa trên số liệu thực tế và tiêu chuẩn kỹ thuật đảm bảo bảo vệ hoạt động hiệu quả, giảm thiểu nguy cơ tác động sai và gián đoạn cung cấp điện. Chức năng hãm sóng hài và bảo vệ chống chạm đất hạn chế giúp bảo vệ máy biến áp khỏi các sự cố phức tạp, nâng cao tuổi thọ thiết bị.

So sánh với một số nghiên cứu trong ngành, việc sử dụng rơ le kỹ thuật số của Siemens và Alstom được đánh giá cao về tính năng và khả năng tích hợp, phù hợp với yêu cầu vận hành hiện đại. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đặc tính tác động của rơ le, bảng chỉnh định thông số và sơ đồ kết nối truyền thông để minh họa rõ ràng hiệu quả bảo vệ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai đồng bộ hệ thống rơ le kỹ thuật số: Đề xuất thay thế các rơ le điện cơ, tĩnh còn lại bằng rơ le kỹ thuật số hiện đại như 7UT613 để nâng cao độ tin cậy và tính chính xác của hệ thống bảo vệ. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do Công ty Điện lực Ninh Thuận chủ trì.

  2. Đào tạo nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành, cài đặt và bảo trì rơ le kỹ thuật số cho đội ngũ kỹ thuật viên nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và xử lý sự cố kịp thời. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm, do Trường Đại học Thủy Lợi phối hợp với Công ty Điện lực thực hiện.

  3. Tăng cường giám sát và truyền thông: Cải tiến hệ thống giám sát từ xa qua SCADA, tận dụng các cổng giao tiếp của rơ le kỹ thuật số để theo dõi trạng thái thiết bị và sự cố nhanh chóng. Thực hiện trong 6 tháng, do Ban Quản lý vận hành lưới điện đảm nhiệm.

  4. Nâng cấp phần mềm và thiết bị hỗ trợ: Cập nhật phần mềm DIGSI 4 và các công cụ hỗ trợ để tối ưu hóa việc cài đặt, chỉnh định và phân tích dữ liệu bảo vệ. Thời gian thực hiện trong vòng 3 tháng, do nhà cung cấp thiết bị phối hợp với đơn vị vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì trạm biến áp: Nắm bắt kiến thức về bảo vệ rơ le kỹ thuật số, cách chỉnh định và vận hành hệ thống bảo vệ hiện đại, từ đó nâng cao hiệu quả công việc và giảm thiểu sự cố.

  2. Chuyên gia thiết kế hệ thống điện: Áp dụng các phương pháp tính toán và lựa chọn rơ le bảo vệ phù hợp cho các trạm biến áp tương tự, đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống điện.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng thực tiễn của rơ le kỹ thuật số, các lý thuyết bảo vệ và phương pháp phân tích số liệu trong ngành điện.

  4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ tầm quan trọng của việc đầu tư hệ thống bảo vệ hiện đại, từ đó xây dựng kế hoạch phát triển hạ tầng điện phù hợp với xu hướng công nghệ mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Rơ le kỹ thuật số khác gì so với rơ le điện cơ truyền thống?
    Rơ le kỹ thuật số sử dụng vi xử lý để xử lý tín hiệu số, cho độ chính xác cao, khả năng lọc nhiễu tốt và tích hợp nhiều chức năng bảo vệ trong một thiết bị, trong khi rơ le điện cơ dựa trên cơ cấu cơ học, dễ bị sai số và hạn chế chức năng.

  2. Tại sao cần bảo vệ so lệch cho máy biến áp?
    Bảo vệ so lệch phát hiện sự khác biệt dòng điện vào và ra máy biến áp, giúp phát hiện nhanh các sự cố nội bộ như ngắn mạch hoặc chạm đất, từ đó ngăn ngừa hư hỏng nghiêm trọng và giảm thiểu thời gian mất điện.

  3. Chức năng hãm sóng hài trong rơ le kỹ thuật số có vai trò gì?
    Chức năng này giúp loại bỏ ảnh hưởng của các thành phần sóng hài (như sóng hài bậc 2, 3, 5) gây ra bởi quá kích thích hoặc đóng cắt máy biến áp, tránh bảo vệ tác động sai và tăng độ tin cậy.

  4. Làm thế nào để chỉnh định thông số bảo vệ phù hợp?
    Thông số bảo vệ được tính toán dựa trên dữ liệu dòng ngắn mạch, đặc tính thiết bị và tiêu chuẩn kỹ thuật. Việc chỉnh định được thực hiện qua phần mềm chuyên dụng như DIGSI 4, đảm bảo bảo vệ hoạt động chính xác và chọn lọc.

  5. Vai trò của hệ thống truyền thông trong bảo vệ rơ le kỹ thuật số?
    Hệ thống truyền thông giúp giám sát trạng thái thiết bị, truyền dữ liệu sự cố và điều khiển từ xa, nâng cao hiệu quả quản lý vận hành và giảm thiểu thời gian xử lý sự cố.

Kết luận

  • Trạm biến áp 110kV Ninh Phước là nguồn cung cấp điện quan trọng cho khu vực, với hệ thống thiết bị bảo vệ hiện đại, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và vận hành an toàn.
  • Rơ le kỹ thuật số 7UT613 của Siemens được lựa chọn và chỉnh định phù hợp, đảm bảo bảo vệ chính xác, nhanh chóng các sự cố máy biến áp.
  • Chức năng hãm sóng hài và bảo vệ chống chạm đất hạn chế nâng cao độ tin cậy và giảm thiểu tác động sai của bảo vệ.
  • Hệ thống truyền thông tích hợp giúp giám sát và điều khiển từ xa hiệu quả, phù hợp với xu hướng tự động hóa ngành điện.
  • Đề xuất triển khai đồng bộ rơ le kỹ thuật số, đào tạo nhân lực và nâng cấp hệ thống truyền thông nhằm nâng cao chất lượng vận hành trạm trong vòng 1-2 năm tới.

Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc ứng dụng rơ le kỹ thuật số trong bảo vệ trạm biến áp, góp phần phát triển hệ thống điện thông minh và bền vững. Đề nghị các đơn vị liên quan nghiên cứu áp dụng và tiếp tục hoàn thiện hệ thống bảo vệ theo hướng hiện đại hóa.