I. Tổng Quan Quá Điện Áp Quá Độ Trong Trạm Biến Áp GIS
Trạm biến áp cách điện khí (GIS) ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ ưu điểm vượt trội về kích thước, độ tin cậy và khả năng vận hành trong môi trường khắc nghiệt. Tuy nhiên, việc đóng cắt các thiết bị trong GIS, đặc biệt là dao cách ly (DS), có thể gây ra hiện tượng quá điện áp quá độ GIS (VFTO – Very Fast Transient Overvoltage) với biên độ lớn và tốc độ tăng rất nhanh. VFTO là một trong những vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu và kiểm soát để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của thiết bị trong trạm GIS. Các nghiên cứu đã chỉ ra, nếu không có các biện pháp bảo vệ thích hợp, quá điện áp quá độ có thể gây ra hư hỏng cách điện, làm giảm độ tin cậy của hệ thống điện. Luận văn này tập trung vào việc tính toán, mô phỏng và đề xuất các giải pháp hạn chế VFTO trong trạm biến áp cách điện khí.
1.1. Giới thiệu chung về trạm biến áp cách điện khí GIS
Trạm GIS sử dụng khí SF6 làm môi trường cách điện, cho phép thu nhỏ kích thước trạm đáng kể so với trạm truyền thống. Ưu điểm này đặc biệt quan trọng trong các khu vực đô thị hoặc nơi có diện tích đất hạn chế. Hệ thống cách điện khí SF6 có khả năng chịu đựng điện áp cao và ít bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài, đảm bảo độ tin cậy cao trong vận hành. Tuy nhiên, trạm GIS cũng có những nhược điểm nhất định, như chi phí đầu tư ban đầu cao hơn và sự phức tạp trong việc bảo trì, sửa chữa. Một nhược điểm nữa là sự xuất hiện của quá điện áp quá độ khi thao tác đóng cắt.
1.2. Vai trò của khí SF6 trong trạm biến áp GIS
Khí SF6 (Sulfur Hexafluoride) đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo khả năng cách điện của trạm GIS. Khí này có đặc tính điện môi vượt trội so với không khí, cho phép giảm đáng kể khoảng cách cách điện giữa các bộ phận mang điện. Ngoài ra, SF6 còn có khả năng dập tắt hồ quang rất tốt, giúp bảo vệ thiết bị khỏi các tác động tiêu cực do phóng điện gây ra. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng SF6 là một loại khí nhà kính mạnh, do đó việc sử dụng và xử lý SF6 cần tuân thủ các quy định nghiêm ngặt để giảm thiểu tác động đến môi trường.
1.3. Các thành phần chính trong trạm biến áp GIS
Trạm GIS bao gồm nhiều thành phần quan trọng như máy cắt, dao cách ly, biến dòng, biến điện áp, và thanh dẫn. Các thiết bị này được đặt trong vỏ kín chứa khí SF6 để đảm bảo cách điện. Dao cách ly (DS) là thiết bị quan trọng dùng để cô lập các phần của hệ thống. Tuy nhiên, thao tác đóng cắt DS có thể gây ra quá điện áp quá độ, đặc biệt là quá điện áp quá độ GIS. Máy cắt có buồng dập hồ quang nên hạn chế được VFTO.
II. Nguyên Nhân Gây Ra Quá Điện Áp Quá Độ Trong Trạm GIS
Hiện tượng quá điện áp quá độ trạm biến áp trong GIS chủ yếu xuất phát từ quá trình đóng cắt các thiết bị, đặc biệt là dao cách ly (DS). Quá trình đóng cắt DS tạo ra sự thay đổi đột ngột về điện áp và dòng điện, gây ra các sóng điện áp lan truyền với tốc độ rất cao trong hệ thống. Các yếu tố khác như cấu trúc trạm GIS, đặc tính của các thiết bị đóng cắt, và sự tồn tại của các bẫy điện áp (trapped charge) cũng góp phần làm gia tăng mức độ nghiêm trọng của quá điện áp quá độ. Sét đánh vào trạm biến áp cũng là một nguyên nhân gây ra sóng quá điện áp.
2.1. Tác động của thao tác đóng cắt dao cách ly DS
Khi dao cách ly (DS) đóng hoặc cắt mạch, quá trình này thường đi kèm với sự phóng điện giữa các tiếp điểm, tạo ra các sóng quá điện áp. Do tốc độ đóng cắt của DS không nhanh bằng máy cắt, quá trình phóng điện có thể xảy ra nhiều lần (hiện tượng re-strike và pre-strike), làm gia tăng biên độ và tần số của VFTO. Điều này đặc biệt nguy hiểm đối với các thiết bị nhạy cảm với quá điện áp quá độ.
2.2. Ảnh hưởng của cấu trúc trạm GIS đến VFTO
Cấu trúc hình học của trạm GIS, bao gồm chiều dài của thanh dẫn, vị trí của các thiết bị, và cách bố trí nối đất, có ảnh hưởng đáng kể đến sự lan truyền và phản xạ của các sóng quá điện áp. Các điểm không liên tục về trở kháng có thể gây ra hiện tượng phản xạ sóng, làm tăng biên độ VFTO tại một số vị trí nhất định trong trạm. Vì vậy, việc thiết kế cấu trúc trạm cần được thực hiện cẩn thận để giảm thiểu tác động của quá điện áp quá độ.
2.3. Vai trò của bẫy điện áp Trapped Charge Voltage
Sau khi mở dao cách ly, một lượng điện tích có thể bị giữ lại trên các phần tử của mạch điện (hiện tượng bẫy điện áp). Khi đóng lại dao cách ly, điện áp này sẽ cộng hưởng với điện áp nguồn, làm gia tăng biên độ của quá điện áp quá độ. Giá trị điện áp này có thể lên đến -1 pu. Do đó, cần có các biện pháp để xả hết điện tích dư trước khi thực hiện thao tác đóng lại DS.
III. Phương Pháp Tính Toán và Mô Phỏng Quá Điện Áp Quá Độ VFTO
Để đánh giá chính xác mức độ nghiêm trọng của quá điện áp quá độ GIS, cần tiến hành tính toán và mô phỏng bằng các phần mềm chuyên dụng. Các phương pháp mô phỏng phổ biến bao gồm sử dụng phần mềm ATP/EMTP, Matlab/Simulink, hoặc các phần mềm mô phỏng trường điện từ như COMSOL. Quá trình mô phỏng bao gồm việc xây dựng mô hình trạm GIS, xác định các thông số của thiết bị, và mô phỏng các chế độ vận hành khác nhau để xác định mức độ quá điện áp quá độ trong từng trường hợp. Các phần mềm như phần mềm mô phỏng quá điện áp ATP/EMTP thường được sử dụng.
3.1. Xây dựng mô hình trạm GIS để mô phỏng VFTO
Việc xây dựng mô hình trạm GIS đòi hỏi phải có thông tin chi tiết về cấu trúc, kích thước, và các thông số của từng thành phần trong trạm. Mô hình cần phản ánh chính xác các đặc tính điện từ của thiết bị và môi trường xung quanh. Việc mô hình hóa dao cách ly và các thiết bị đóng cắt khác cần đặc biệt chú ý để đảm bảo độ chính xác của kết quả mô phỏng quá điện áp quá độ.
3.2. Sử dụng phần mềm ATP EMTP để phân tích quá độ
ATP/EMTP là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng các hiện tượng quá độ trong hệ thống điện. Phần mềm này cho phép người dùng xây dựng mô hình mạch điện, nhập các thông số của thiết bị, và mô phỏng các chế độ vận hành khác nhau để phân tích các hiện tượng quá điện áp quá độ và các hiện tượng quá độ khác. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin quan trọng để đánh giá mức độ rủi ro và thiết kế các biện pháp bảo vệ.
3.3. Các thông số cần thiết cho mô phỏng quá điện áp VFTO
Để mô phỏng quá điện áp quá độ một cách chính xác, cần có các thông số sau: điện cảm và điện dung của các thanh dẫn, điện trở nối đất, đặc tính đóng cắt của dao cách ly và máy cắt, các thông số của chống sét van, và điện áp nguồn. Việc thu thập và xác định chính xác các thông số này là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của kết quả mô phỏng. Các thông số cần thiết thường được lấy từ nhà sản xuất hoặc đo đạc thực tế.
IV. Biện Pháp Hạn Chế Quá Điện Áp Quá Độ VFTO trong Trạm GIS
Để bảo vệ thiết bị và đảm bảo vận hành an toàn, cần áp dụng các biện pháp hạn chế quá điện áp quá độ GIS. Các biện pháp này bao gồm sử dụng chống sét van, lắp đặt điện trở giảm chấn, thay đổi cấu trúc trạm, và cải thiện đặc tính đóng cắt của thiết bị. Việc lựa chọn và áp dụng các biện pháp phù hợp cần dựa trên kết quả tính toán và mô phỏng để đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Các biện pháp giảm thiểu quá điện áp cần được xem xét ngay từ giai đoạn thiết kế.
4.1. Sử dụng chống sét van MOV để bảo vệ quá điện áp
Chống sét van (Metal Oxide Varistor - MOV) là một thiết bị bảo vệ quan trọng chống lại quá điện áp quá độ. MOV có khả năng hạn chế điện áp đến một mức an toàn bằng cách chuyển hướng dòng điện quá áp xuống đất. Việc lựa chọn và đặt chống sét van đúng vị trí là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả bảo vệ cao nhất. Điện áp chịu đựng xung sét của thiết bị cần được xem xét.
4.2. Lắp đặt điện trở giảm chấn Damping Resistors
Điện trở giảm chấn có tác dụng làm giảm biên độ và tốc độ tăng của sóng quá điện áp bằng cách hấp thụ năng lượng. Điện trở này thường được lắp đặt song song với các thiết bị đóng cắt hoặc tại các vị trí phản xạ sóng. Việc lựa chọn giá trị điện trở phù hợp cần dựa trên kết quả tính toán và mô phỏng để đạt được hiệu quả giảm chấn tối ưu.
4.3. Cải thiện đặc tính đóng cắt của thiết bị GIS
Việc cải thiện đặc tính đóng cắt của dao cách ly và máy cắt có thể giúp giảm thiểu sự phát sinh quá điện áp quá độ. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng các thiết bị đóng cắt có tốc độ cao hơn, giảm thiểu hiện tượng re-strike và pre-strike, hoặc sử dụng các biện pháp dập hồ quang hiệu quả hơn. Nghiên cứu về thiết bị đóng cắt GIS là rất quan trọng.
V. Nghiên Cứu Thực Tiễn Đánh Giá VFTO tại Trạm 220kV GIS Bình Tân
Luận văn đã áp dụng các phương pháp tính toán và mô phỏng để đánh giá mức độ quá điện áp quá độ tại trạm 220kV GIS Bình Tân, một trong những trạm biến áp lớn và hiện đại nhất Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cho thấy, quá điện áp quá độ có thể vượt quá mức cho phép trong một số chế độ vận hành nhất định. Do đó, cần áp dụng các biện pháp bảo vệ và hạn chế để đảm bảo an toàn cho thiết bị và hệ thống điện. Cần có các tiêu chuẩn quá điện áp để tham khảo.
5.1. Mô tả hệ thống GIS 220kV Bình Tân
Trạm 220kV GIS Bình Tân là một trạm biến áp hiện đại sử dụng công nghệ GIS. Trạm này có sơ đồ hai hệ thống thanh cái có máy cắt kết giàn. Các đường dây 220kV đấu vào trạm đều có thể cấp nguồn vào hoặc ra tại thanh cái 220kV. Hệ thống GIS do nhà sản xuất Hyosung cung cấp, với 3 pha đặt trong 3 ống riêng và được bơm đầy khí SF6 để cách điện. Sơ đồ cấu trúc trạm biến áp GIS cần được nắm rõ.
5.2. Kết quả mô phỏng VFTO trong các chế độ đóng cắt
Quá trình mô phỏng đã được thực hiện trong các chế độ đóng cắt khác nhau, bao gồm đóng cắt dao cách ly đường dây, dao cách ly thanh cái, và máy cắt. Kết quả cho thấy mức độ quá điện áp quá độ khác nhau tùy thuộc vào chế độ đóng cắt và vị trí đo. Trong một số trường hợp, điện áp quá độ có thể vượt quá mức chịu đựng của thiết bị, gây nguy cơ hư hỏng. Ảnh hưởng của quá điện áp đến thiết bị cần được đánh giá.
5.3. Đề xuất giải pháp hạn chế VFTO cho trạm Bình Tân
Dựa trên kết quả mô phỏng, luận văn đề xuất các giải pháp hạn chế quá điện áp quá độ cho trạm 220kV GIS Bình Tân, bao gồm lắp đặt thêm chống sét van tại các vị trí xung yếu, điều chỉnh thời điểm đóng cắt của dao cách ly, và cải thiện hệ thống nối đất. Các giải pháp này cần được đánh giá kỹ lưỡng về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trước khi triển khai.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Về VFTO
Nghiên cứu về quá điện áp quá độ GIS là một lĩnh vực quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và độ tin cậy của hệ thống điện. Luận văn đã trình bày một phương pháp tiếp cận toàn diện để tính toán, mô phỏng, và đề xuất các giải pháp hạn chế VFTO trong trạm GIS. Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để thiết kế và vận hành trạm GIS một cách an toàn và hiệu quả. Cần có các nghiên cứu sâu hơn về độ bền cách điện của thiết bị.
6.1. Tổng kết các kết quả nghiên cứu chính
Luận văn đã thành công trong việc xây dựng mô hình mô phỏng trạm GIS, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá điện áp quá độ, và đề xuất các giải pháp hạn chế VFTO. Các kết quả nghiên cứu cung cấp thông tin quan trọng cho các kỹ sư thiết kế và vận hành trạm GIS. Phân tích quá độ điện từ trường cũng là một hướng nghiên cứu quan trọng.
6.2. Hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai
Các hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai bao gồm nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của quá điện áp quá độ đến tuổi thọ của thiết bị, phát triển các phương pháp mô phỏng VFTO chính xác hơn, và nghiên cứu các vật liệu cách điện mới có khả năng chịu đựng quá điện áp quá độ tốt hơn. Nguyên nhân quá điện áp cần được nghiên cứu sâu hơn.
6.3. Tầm quan trọng của bảo vệ quá điện áp trong trạm GIS
Bảo vệ quá điện áp là một yếu tố then chốt trong việc đảm bảo an toàn và độ tin cậy của trạm GIS. Việc áp dụng các biện pháp bảo vệ hiệu quả có thể giúp giảm thiểu nguy cơ hư hỏng thiết bị, kéo dài tuổi thọ của hệ thống, và giảm chi phí bảo trì. Tổn thất do quá điện áp có thể rất lớn nếu không có các biện pháp bảo vệ phù hợp.
