Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện Thành phố Hồ Chí Minh là một trong những hệ thống điện hiện đại và tập trung cao bậc nhất tại Việt Nam, với chiều dài cáp ngầm trung thế tăng từ khoảng 1300 km năm 2015 lên gần 2000 km vào năm 2019. Việc vận hành hiệu quả hệ thống này ngày càng trở nên quan trọng nhằm đáp ứng nhu cầu cung cấp điện ngày càng cao và phát triển kinh tế - xã hội. Trong bối cảnh đó, bảo trì dựa trên điều kiện (Condition Based Maintenance - CBM) được xem là giải pháp tối ưu giúp giảm chi phí và thời gian bảo dưỡng. Một trong những công cụ quan trọng để đánh giá tình trạng cách điện của cáp ngầm là đo phóng điện cục bộ (Partial Discharge - PD).

Luận văn tập trung nghiên cứu các phương pháp đo PD trên cáp ngầm theo tiêu chuẩn IEC 60270 (phương pháp đo truyền thống) và các phương pháp không theo tiêu chuẩn (phương pháp đo phi truyền thống) với các nguồn điện thử nghiệm khác nhau như Very Low Frequency (VLF), Damped AC Voltage (DAC) và nguồn cộng hưởng. Mục tiêu chính là cung cấp cái nhìn tổng quan về PD trong cáp, đánh giá tình trạng cách điện, từ đó đề xuất các giải pháp vận hành hiệu quả nhằm giảm thiểu sự cố và kéo dài tuổi thọ cáp.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cáp ngầm trung và cao thế tại lưới điện TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2016-2019, với các số liệu thực nghiệm và phân tích từ các thiết bị đo PD hiện đại. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện các chỉ số độ tin cậy như SAIFI và SAIDI, góp phần nâng cao chất lượng cung cấp điện và giảm thiểu sự cố trên lưới điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết phóng điện cục bộ (PD): PD là hiện tượng phóng điện nhỏ xảy ra bên trong hoặc trên bề mặt cách điện của cáp ngầm do các khuyết tật hoặc lão hóa. PD tạo ra các xung điện áp và dòng điện đặc trưng, có thể phát hiện qua các tín hiệu điện từ, âm thanh hoặc điện áp tạm thời.

  • Mô hình hóa PD: Sử dụng mô hình điện dung nội bộ và rò rỉ của khuyết tật trong cáp để mô phỏng quá trình phóng điện và sự dịch chuyển điện tích. Các thông số như điện dung nội bộ, điện áp kích thích và điện áp phản hồi được phân tích để đánh giá mức độ PD.

  • Phân tích tín hiệu PD: Áp dụng các kỹ thuật phân tích miền thời gian, miền tần số (FFT), phân tích mẫu PRPD (Phase Resolved Partial Discharge) và sơ đồ tần số trung tâm (3CFRD) để nhận dạng và phân biệt các loại PD khác nhau.

  • Mô hình truyền sóng xung PD trong cáp ngầm: Nghiên cứu sự suy hao và biến dạng của xung PD khi truyền trong cáp, ảnh hưởng bởi các đặc tính vật liệu và cấu trúc cáp, từ đó xác định vận tốc truyền sóng và các yếu tố làm giảm tín hiệu.

Các khái niệm chính bao gồm: PD lan truyền, PD Townsend, PD corona, điện dung nội bộ và rò rỉ, tần số cộng hưởng, và các loại nguồn điện thử nghiệm (VLF, DAC).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm đo PD offline và online trên các tuyến cáp ngầm trung và cao thế thuộc lưới điện TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2016-2019. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hàng chục đoạn cáp với chiều dài từ vài km đến hơn 20 km, được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có chủ đích nhằm đảm bảo tính đại diện.

Phương pháp phân tích dữ liệu bao gồm:

  • Đo PD theo tiêu chuẩn IEC 60270 sử dụng các thiết bị MPD600 (Omicron) và HVPD Longshot (HVPD).

  • So sánh kết quả đo PD với các nguồn điện thử nghiệm khác nhau: VLF (tần số rất thấp 0.1 Hz), DAC (nguồn xoay chiều tắt dần), và nguồn cộng hưởng.

  • Phân tích tín hiệu PD bằng kỹ thuật PRPD, FFT, và 3CFRD để nhận dạng loại PD và đánh giá mức độ hư hỏng.

  • Sử dụng mô hình truyền sóng và phân tích TDR (Time Domain Reflectometry) để xác định vị trí khuyết tật và đánh giá mức độ suy hao tín hiệu PD.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2019 đến tháng 12/2019, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tình trạng phóng điện cục bộ trong cáp ngầm trung và cao thế: Qua thí nghiệm offline và online, phát hiện khoảng 71% các đoạn cáp có hiện tượng PD với mức độ khác nhau. Số lượng khuyết tật và mức độ PD có xu hướng giảm sau khi áp dụng các biện pháp sửa chữa và bảo trì dựa trên điều kiện.

  2. So sánh hiệu quả các nguồn điện thử nghiệm: Nguồn VLF (0.1 Hz) cho kết quả PD tương đương hoặc cao hơn khoảng 15-20% so với nguồn 50 Hz truyền thống, trong khi nguồn DAC cho tín hiệu PD ổn định hơn nhưng yêu cầu nhiều xung thử nghiệm hơn. Nguồn cộng hưởng giúp phát hiện các khuyết tật nhỏ với độ nhạy cao hơn khoảng 10% so với VLF.

  3. Phân tích tín hiệu PD: Mẫu PRPD và phân tích FFT cho thấy các loại PD bên trong (internal PD) chiếm khoảng 60% tổng số PD phát hiện, trong khi PD corona và PD bề mặt chiếm phần còn lại. Tần số trung tâm của các xung PD tập trung chủ yếu trong khoảng 100 kHz đến 1 MHz.

  4. Vị trí và mức độ suy hao tín hiệu PD: Sử dụng kỹ thuật TDR và mô hình truyền sóng, xác định được vị trí khuyết tật với sai số dưới 1% chiều dài cáp. Sự suy hao tín hiệu PD tăng lên đáng kể với chiều dài cáp trên 10 km, làm giảm độ chính xác của đo PD online.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng PD là do các khuyết tật trong cấu trúc cách điện như lỗ khí, vết nứt, hoặc sự lão hóa vật liệu XLPE. Việc sử dụng các nguồn điện thử nghiệm khác nhau ảnh hưởng đến khả năng phát hiện PD do đặc tính tần số và công suất khác nhau. Kết quả so sánh cho thấy nguồn VLF là lựa chọn phù hợp cho các thí nghiệm offline nhờ khả năng kích thích PD hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

Phân tích tín hiệu PD qua các kỹ thuật hiện đại giúp phân biệt rõ ràng các loại PD, từ đó đánh giá chính xác tình trạng cách điện. Việc xác định vị trí khuyết tật bằng TDR hỗ trợ công tác bảo trì và sửa chữa kịp thời, giảm thiểu rủi ro sự cố.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này khẳng định tính hiệu quả của CBM trong quản lý cáp ngầm, đồng thời mở rộng ứng dụng các phương pháp đo PD phi truyền thống. Việc áp dụng các thiết bị đo hiện đại và kỹ thuật phân tích tín hiệu nâng cao góp phần cải thiện độ tin cậy vận hành lưới điện.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh mức độ PD theo nguồn điện thử nghiệm, bảng phân loại loại PD và bản đồ vị trí khuyết tật trên tuyến cáp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi phương pháp đo PD bằng nguồn VLF: Khuyến nghị các đơn vị vận hành sử dụng nguồn VLF 0.1 Hz trong các thí nghiệm offline để phát hiện PD hiệu quả, giảm chi phí năng lượng và thời gian thử nghiệm. Thời gian triển khai trong vòng 6 tháng, chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm và đơn vị quản lý lưới điện.

  2. Triển khai hệ thống đo PD online kết hợp thiết bị HFCT và TEV: Đề xuất lắp đặt các cảm biến HFCT và TEV trên các tuyến cáp ngầm trọng điểm nhằm giám sát liên tục tình trạng PD, phát hiện sớm sự cố. Mục tiêu giảm 20% sự cố cáp trong 2 năm tới, do các công ty điện lực và đơn vị bảo trì thực hiện.

  3. Sử dụng kỹ thuật TDR để xác định vị trí khuyết tật: Khuyến khích áp dụng kỹ thuật TDR trong công tác bảo trì để xác định chính xác vị trí hư hỏng, từ đó tối ưu hóa công tác sửa chữa. Thời gian áp dụng trong 1 năm, chủ thể là đội ngũ kỹ thuật và phòng kỹ thuật vận hành.

  4. Đào tạo nâng cao năng lực phân tích tín hiệu PD: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về phân tích PRPD, FFT và 3CFRD cho cán bộ kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng đánh giá tình trạng cách điện. Mục tiêu hoàn thành trong 12 tháng, do các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư vận hành và bảo trì lưới điện: Giúp hiểu rõ về các phương pháp đo PD, kỹ thuật phân tích tín hiệu và ứng dụng trong công tác bảo trì dựa trên điều kiện, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý tài sản.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành điện: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về hiện tượng PD, mô hình hóa và kỹ thuật đo lường, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  3. Các đơn vị sản xuất và cung cấp thiết bị đo PD: Tham khảo để cải tiến công nghệ, phát triển thiết bị phù hợp với yêu cầu thực tế của lưới điện Việt Nam.

  4. Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Hỗ trợ xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình vận hành, bảo trì lưới điện nhằm nâng cao độ tin cậy và an toàn hệ thống điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phóng điện cục bộ (PD) là gì và tại sao nó quan trọng trong cáp ngầm?
    PD là hiện tượng phóng điện nhỏ xảy ra trong cách điện do khuyết tật hoặc lão hóa, gây suy giảm tuổi thọ và có thể dẫn đến sự cố nghiêm trọng. Việc phát hiện PD giúp đánh giá tình trạng cách điện và lên kế hoạch bảo trì kịp thời.

  2. Các phương pháp đo PD phổ biến hiện nay là gì?
    Phương pháp đo PD bao gồm đo offline theo tiêu chuẩn IEC 60270 với nguồn 50 Hz truyền thống, và các phương pháp đo với nguồn VLF, DAC, cộng hưởng. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng về độ nhạy và khả năng áp dụng.

  3. Làm thế nào để xác định vị trí khuyết tật trên cáp ngầm?
    Kỹ thuật TDR sử dụng tín hiệu phản hồi từ xung PD để xác định vị trí khuyết tật với sai số dưới 1% chiều dài cáp, giúp tối ưu công tác sửa chữa và bảo trì.

  4. Nguồn VLF có ưu điểm gì so với nguồn 50 Hz trong đo PD?
    Nguồn VLF có tần số rất thấp giúp giảm công suất tiêu thụ, kích thích PD hiệu quả hơn và giảm thiểu tổn thất trong quá trình thử nghiệm, phù hợp với các thí nghiệm offline trên cáp dài.

  5. Thiết bị HFCT và TEV hoạt động như thế nào trong đo PD online?
    HFCT cảm biến dòng xung PD trên dây dẫn, còn TEV đo điện áp tạm thời phát sinh trên bề mặt kim loại thiết bị. Kết hợp hai thiết bị này giúp giám sát liên tục và phát hiện sớm PD trong vận hành thực tế.

Kết luận

  • Lưới điện TP. Hồ Chí Minh có chiều dài cáp ngầm trung và cao thế tăng nhanh, đòi hỏi giải pháp bảo trì hiệu quả như CBM dựa trên đo PD.
  • Nghiên cứu đã phân tích và so sánh các phương pháp đo PD theo tiêu chuẩn IEC 60270 và các phương pháp phi truyền thống với nguồn VLF, DAC, cộng hưởng.
  • Kỹ thuật phân tích tín hiệu PD hiện đại giúp phân biệt loại PD và đánh giá chính xác tình trạng cách điện.
  • Kỹ thuật TDR hỗ trợ xác định vị trí khuyết tật với độ chính xác cao, góp phần nâng cao hiệu quả bảo trì.
  • Đề xuất áp dụng các giải pháp đo PD phù hợp, triển khai hệ thống giám sát online và đào tạo nâng cao năng lực kỹ thuật nhằm cải thiện độ tin cậy lưới điện trong 1-2 năm tới.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng thiết thực trong quản lý vận hành lưới điện hiện đại. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp triển khai các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả bảo trì và giảm thiểu sự cố cáp ngầm.