Tổng quan nghiên cứu

Quá điện áp khí quyển do sét đánh là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ra các sự cố nghiêm trọng trên hệ thống điện truyền tải và phân phối tại Việt Nam. Theo số liệu thống kê của ngành điện lực, trong năm 2011, toàn hệ thống ghi nhận 100 trong tổng số 145 sự cố đường dây có nguồn gốc từ sét, chiếm tỷ lệ 69%. Tình trạng này tiếp tục duy trì ở mức cao trong các năm tiếp theo, điển hình là năm 2014 với 127 vụ trên 167 sự cố, chiếm 77%. Riêng địa bàn do Công ty Truyền tải điện 1 quản lý, tỷ lệ sự cố do phóng điện sét dao động từ 61% đến 72%, đặc biệt tập trung vào mùa mưa bão từ tháng 4 đến tháng 9.

Khu vực tỉnh Sơn La thuộc vùng núi cao Tây Bắc có mật độ dông sét lớn đạt 6,33 lần/km²/năm và tổng số giờ dông trung bình lên tới 219,1 giờ/năm. Địa hình phức tạp kết hợp với điện trở suất của đất tương đối cao khiến các công trình điện lực tại đây thường xuyên đối mặt với nguy cơ phóng điện sự cố. Trong 9 tháng đầu năm 2020, lưới điện 110 kV trên địa bàn tỉnh Sơn La đã xảy ra 14 vụ sự cố, trong đó có 5 vụ bắt nguồn trực tiếp từ hiện tượng mưa dông và sấm sét.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá hiện trạng, phân tích các yếu tố ảnh hưởng và tối ưu hóa hệ thống bảo vệ chống sét cấp 2 cho Trạm biến áp 110 kV Sơn La có tổng công suất 80 MVA (gồm hai máy biến áp T1 và T2 công suất 40 MVA, cấp điện áp 115/38,5/23 kV). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào trạm 110 kV Sơn La đặt tại phường Chiềng Sinh, thành phố Sơn La cùng các xuất tuyến liên kết 171, 172, 173 và 174 trong giai đoạn vận hành từ năm 2011 đến năm 2020. Ý nghĩa thực tiễn của công trình là nâng cao hệ số dự trữ cách điện cho các thiết bị đo lường và máy biến áp lực, giảm thiểu thời gian ngừng cấp điện, hướng tới mục tiêu thời gian trung bình giữa các lần xuất hiện sự cố (MTBF) đạt từ 50 năm đến 100 năm theo tiêu chuẩn quốc tế IEC và IEEE.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng Mô hình điện hình học (Electrogeometrical Model - EGM) được phát triển bởi Golde, Anderson và Eriksson, kết hợp với các khuyến nghị kỹ thuật từ tiêu chuẩn IEEE Std 998-2012 để tính toán khoảng cách sét đánh và xác định vùng thu lôi an toàn. Khoảng cách phóng điện sét được thiết lập theo hàm phi tuyến phụ thuộc vào biên độ dòng sét và kết cấu hình học của công trình thu lôi.

Lý thuyết lan truyền sóng quá độ điện từ trên đường dây không đồng nhất và quá trình phân bố điện tích trong khí quyển đóng vai trò nền tảng để phân tích sóng quá áp chạy vào trạm. Các khái niệm kỹ thuật then chốt được tích hợp bao gồm: Mức cách điện xung sét cơ bản (BIL), Mức bảo vệ xung sét của chống sét van (LPL), Điện áp vận hành liên tục lớn nhất (MCOV), và Hệ số dự trữ cách điện xung kích. Đặc tính V-A phi tuyến của chống sét van oxit kim loại (ZnO) không khe hở và cơ chế tiêu tán năng lượng của sóng cắt trong hệ thống bảo vệ cấp 2 được chuẩn hóa theo quy chuẩn IEC 60099.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được trích xuất trực tiếp từ nhật ký vận hành lưới điện của Công ty Điện lực Sơn La trong giai đoạn 2011-2020, hồ sơ xuất xưởng kỹ thuật của máy biến áp ABB 40 MVA, thông số kỹ thuật của chống sét van Siemens 3EL2, cùng mạng lưới đo định vị sét đa trạm của Viện Vật lý Địa cầu với bán kính quét 400 km.

Phương pháp phân tích cốt lõi là mô phỏng quá độ điện từ trong miền thời gian bằng bộ công cụ chuyên dụng ATP-EMTP thông qua giao diện đồ họa ATPDraw. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm sơ đồ nguyên lý toàn diện của 4 xuất tuyến 110 kV, kết cấu cột thép hình tháp và hệ thống tiếp địa phân đoạn 2 km đầu trạm với tổng cộng hơn 120 phần tử mạng điện. Phương pháp chọn mẫu điển hình tập trung vào các chế độ vận hành nguy hiểm nhất khi xảy ra sét đánh trực tiếp đỉnh cột hoặc đánh vào dây dẫn pha tại khoảng cột thứ nhất và thứ hai gần trạm. Lý do lựa chọn ATPDraw là khả năng xử lý mạng lưới phi tuyến quy mô lớn lên đến 6000 nút và 10000 nhánh, mô hình hóa chính xác đường dây theo tham số phân bố tần số (LCC) và phản ánh trung thực quá trình phản xạ, khúc xạ sóng quá áp ở thang thời gian microgiây.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, khảo sát dông sét thực tế cho thấy hoạt động sét tại khu vực Sơn La diễn biến phức tạp, đạt mật độ 6,33 lần/km²/năm. Tần suất xuất hiện sét bắt đầu tăng đột biến từ tháng 4 (chiếm trên 20% tổng lượng sét cả năm) và đạt đỉnh vào tháng 7, tập trung chủ yếu trong khung giờ từ 14h đến 20h với đỉnh dòng sét trung bình tính toán là 31 kA.

Thứ hai, kết quả mô phỏng cấu hình bảo vệ hiện hữu cho thấy khi biên độ dòng sét vượt mốc 100 kA với độ dốc đầu sóng trên 24 kA/µs, biên độ điện áp quá áp đặt lên đầu cực máy biến áp lực T1 và máy biến điện áp đo lường (TU) vượt quá mức điện áp chịu đựng xung sét cơ bản từ 15% đến 22%, tiềm ẩn nguy cơ chọc thủng cách điện nghiêm trọng.

Thứ ba, điện trở nối đất chân cột tại các khoảng cột gần trạm có tác động trực tiếp tới nguy cơ phóng điện ngược. Khi điện trở chân cột tăng từ 10 Ohm lên 30 Ohm, biên độ quá điện áp truyền vào trạm tăng thêm 35%, làm gia tăng đáng kể dòng phóng tích lũy qua các chống sét van.

Thứ tư, phương án bổ sung 4 bộ chống sét van ZnO cấp điện áp 120 kV (điện áp làm việc liên tục 89 kV, dòng phóng danh định 10 kA) tại các đầu xuất tuyến 171, 172, 173 và 174 đã giúp cải thiện biên độ an toàn cách điện của toàn trạm, nâng hệ số dự trữ cách điện của thiết bị từ 12% lên trên 28%.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng quá điện áp gia tăng đột biến tại các nút thiết bị được giải thích bởi hiện tượng phản xạ sóng điện áp tại các điểm cuối hở mạch của máy cắt và thanh cái phân đoạn. Do đặc thù địa hình đồi núi dốc đứng ở Sơn La, góc bảo vệ của dây chống sét trên các đoạn tuyến gồ ghề dễ bị suy giảm, tạo điều kiện cho dòng sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây pha.

Khi đối chiếu với các công trình nghiên cứu của Anderson, Popolansky và các tiêu chuẩn IEEE Std 1410, các kết quả mô phỏng trên phần mềm ATPDraw hoàn toàn tương thích về quy luật biến thiên của sóng quá áp theo độ dốc dòng sét và vị trí phóng điện. Để trực quan hóa các dữ liệu phân tích, kết quả nghiên cứu có thể được tổng hợp thành bảng so sánh hệ số dự trữ cách điện giữa các phương án cấu hình và biểu đồ dạng sóng dao động điện áp quá độ theo trục thời gian từ 0 đến 50 microgiây tại từng đầu cực pha A, B, C. Việc kết hợp đồng bộ giữa việc lắp thêm chống sét van và hạ điện trở nối đất tạo ra một hàng rào bảo vệ vững chắc, ngăn chặn hoàn toàn nguy cơ nổ vỡ thiết bị cao áp.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, Công ty Điện lực Sơn La cần tiến hành lắp đặt bổ sung 4 tổ hợp chống sét van ZnO 120 kV (loại 3EL2 do Siemens sản xuất hoặc tương đương với dòng thoát sét danh định 10 kA, MCOV 89 kV) tại điểm đấu nối thanh cái đầu vào của các ngăn lộ đường dây 171, 172, 173, 174. Thời gian hoàn thành mục tiêu trong quý 2 năm 2021 nhằm chủ động đón đầu mùa dông sét.

Thứ hai, đơn vị quản lý vận hành cần thực hiện xử lý hóa chất giảm điện trở đất kết hợp cọc tiếp địa sâu tại các vị trí cột điện trong phạm vi 1,5 km tính từ trạm biến áp, đảm bảo trị số điện trở nối đất chân cột đạt dưới 10 Ohm trước tháng 4 hàng năm. Giải pháp này giúp cắt giảm trên 40% nguy cơ xảy ra hiện tượng phóng điện ngược từ thân cột vào dây dẫn pha.

Thứ third, định kỳ kiểm tra và đo đạc độ liên tục của lưới nối đất trạm biến áp chôn sâu 1,5 m dưới lòng đất, duy trì khoảng cách cách ly an toàn 6 m giữa hệ thống tiếp địa làm việc và tiếp địa chống sét theo đúng thiết kế nguyên bản để tránh hiện tượng dâng cao điện thế đất cục bộ.

Thứ tư, Tổng công ty Điện lực miền Bắc (EVNNPC) cần trang bị các bộ đếm sét kỹ thuật số có khả năng ghi nhận dòng rò và biên độ xung sét tại các máy biến áp lực 40 MVA nhằm giám sát tình trạng lão hóa của các phiến điện trở ZnO, xây dựng cơ sở dữ liệu số hóa phục vụ công tác bảo dưỡng dự đoán trong giai đoạn 2021-2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, kỹ sư thiết kế và chuyên gia tư vấn điện lực có thể khai thác quy trình xây dựng mô hình trạm biến áp trên ATPDraw, các thông số đường dây LCC và phương pháp phối hợp cách điện theo tiêu chuẩn quốc tế IEC và IEEE cho các dự án trạm 110 kV và 220 kV.

Thứ hai, cán bộ kỹ thuật và điều độ viên tại các Công ty Điện lực khu vực miền núi (như Sơn La, Điện Biên, Lai Châu) có thể áp dụng trực tiếp giải pháp bố trí chống sét van và xử lý tiếp địa để khắc phục triệt để các sự cố gián đoạn cung cấp điện do dông sét trên địa bàn quản lý.

Thứ ba, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện có thể sử dụng công trình như một tài liệu tham khảo chuẩn mực về phân tích quá độ điện từ, mô hình hóa hiện tượng sét và tính toán độ tin cậy cách điện công trình điện.

Thứ tư, các nhà quản lý kỹ thuật tại các tập đoàn năng lượng và cơ quan ban hành tiêu chuẩn có thêm cơ sở khoa học thực chứng để xây dựng quy chuẩn kỹ thuật phòng chống thiên tai dông sét cho lưới điện truyền tải vùng Tây Bắc.

Câu hỏi thường gặp

Bảo vệ quá điện áp khí quyển cấp 2 cho trạm biến áp là gì?
Bảo vệ cấp 2 là phương thức kỹ thuật nhằm hạn chế biên độ và độ dốc của sóng quá điện áp lan truyền từ đường dây vào trạm do sét đánh. Giải pháp này sử dụng chống sét van oxit kim loại 120 kV lắp đặt tại đầu vào máy biến áp và thanh cái để tiêu tán năng lượng xung sét, giữ cho điện áp dư luôn thấp hơn mức cách điện chịu đựng của thiết bị.

Tại sao trạm biến áp 110 kV Sơn La lại chịu rủi ro dông sét cao hơn mức trung bình?
Trạm nằm trong khu vực miền núi có mật độ sét lớn đạt 6,33 lần/km²/năm và 219,1 giờ dông mỗi năm. Mùa dông tại đây xuất hiện sớm từ tháng 4 với tần suất trên 20%, kết hợp địa hình đồi núi dốc và điện trở suất của đất cao làm suy giảm hiệu quả tản dòng sét của hệ thống tiếp địa chân cột.

Phần mềm ATP-EMTP mang lại ưu thế gì trong tính toán bảo vệ chống sét?
ATP-EMTP là công cụ tính toán quá độ điện từ hàng đầu thế giới với khả năng mô phỏng mạng điện phức tạp lên đến 6000 nút trong miền thời gian thực. Phần mềm giúp tái hiện chính xác các quá trình truyền sóng, phản xạ sóng sét và phi tuyến tính của chống sét van, mang lại kết quả có độ tin cậy vượt trội so với các công thức giải tích cổ điển.

Điện trở nối đất chân cột ảnh hưởng như thế nào đến sự cố trạm biến áp?
Khi điện trở nối đất chân cột vượt quá 10 Ohm, dòng sét đánh vào đỉnh cột tạo ra sụt áp rất lớn trên thân cột, dẫn đến hiện tượng phóng điện ngược từ chuỗi cách điện vào dây dẫn pha. Sóng quá áp có biên độ hàng trăm kV sẽ truyền thẳng vào trạm biến áp 80 MVA, đe dọa trực tiếp cách điện cuộn dây máy biến áp.

Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của phương án bổ sung 4 bộ chống sét van là gì?
Việc bổ sung 4 bộ chống sét van ZnO 120 kV tại các xuất tuyến 171, 172, 173 và 174 giúp nâng hệ số dự trữ cách điện của trạm từ 12% lên trên 28%. Chi phí lắp đặt thiết bị tương đối nhỏ nhưng giúp ngăn ngừa các sự cố phá hỏng máy biến áp trị giá hàng chục tỷ đồng và giảm thiểu tổn thất do gián đoạn cấp điện.

Kết luận

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ chế hình thành dông sét và đánh giá thực trạng bảo vệ quá điện áp khí quyển tại Trạm biến áp 110 kV Sơn La công suất 80 MVA.
  • Thiết lập thành công mô hình mô phỏng số học chính xác trên phần mềm ATPDraw bao gồm trạm biến áp, 4 xuất tuyến và các phần tử phi tuyến theo đúng tiêu chuẩn IEEE và IEC.
  • Chứng minh định lượng tác động bất lợi của độ dốc dòng sét 24 kA/µs và điện trở tiếp địa cao đối với mức cách điện cơ bản BIL của máy biến áp 40 MVA và biến điện áp TU.
  • Khẳng định giải pháp kỹ thuật bổ sung 4 tổ hợp chống sét van ZnO 120 kV kết hợp hạ điện trở chân cột dưới 10 Ohm là phương án tối ưu, nâng độ an toàn cách điện lên trên 28%.
  • Cung cấp cơ sở khoa học vững chắc giúp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khu vực Tây Bắc với chỉ tiêu thời gian trung bình giữa các sự cố đạt từ 50 năm đến 100 năm.

Kế hoạch tiếp theo cần tập trung vào việc đo kiểm định kỳ trị số tiếp địa trước tháng 4 năm 2021 và lắp đặt thiết bị giám sát xung sét trực tuyến giai đoạn 2022-2025. Các đơn vị quản lý vận hành lưới điện truyền tải nên chủ động áp dụng mô hình phân tích ATPDraw để chuẩn hóa phương thức bảo vệ chống sét cho toàn bộ hệ thống trạm biến áp 110 kV trên toàn quốc.