Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của hệ thống điện Việt Nam, trạm biến áp cách điện khí (GIS) đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của lưới điện. Trạm GIS 220kV Bình Tân, một trong những trạm biến áp hiện đại và lớn nhất tại Việt Nam, được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu nhằm phân tích hiện tượng quá điện áp quá độ (VFTO) trong quá trình đóng cắt thiết bị. Theo báo cáo của ngành điện, hiện tượng VFTO có thể gây ra các sự cố nghiêm trọng, ảnh hưởng đến tuổi thọ và độ an toàn của thiết bị điện, đồng thời làm giảm chất lượng điện năng và độ tin cậy vận hành. Mục tiêu chính của luận văn là mô phỏng và tính toán quá điện áp quá độ trong trạm biến áp GIS, từ đó đề xuất các giải pháp hạn chế VFTO nhằm bảo vệ thiết bị và nâng cao hiệu quả vận hành.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào trạm GIS 220kV Bình Tân trong giai đoạn vận hành hiện tại, sử dụng phần mềm ATP/EMTP để xây dựng mô hình mô phỏng các chế độ đóng cắt thiết bị, đặc biệt là dao cách li (DS) và máy cắt (CB). Nghiên cứu phân tích các hiện tượng phóng điện lặp lại (restrick) và phóng điện sớm (prestrick) gây ra VFTO, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết bị và cấu trúc GIS đến biên độ và tần số của quá điện áp. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc thiết kế, lựa chọn thiết bị và xây dựng quy trình vận hành nhằm giảm thiểu rủi ro do VFTO, góp phần nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả kinh tế cho hệ thống điện Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết truyền sóng điện từ trong hệ thống GIS và mô hình phóng điện hồ quang trong khí SF6. Lý thuyết truyền sóng được áp dụng để mô phỏng quá trình lan truyền và phản xạ sóng VFTO trong các thanh cái và đường dây GIS, sử dụng các phương trình truyền sóng và tổng trở sóng đặc trưng của môi trường cách điện. Mô hình phóng điện hồ quang bao gồm các mô hình Cassie và Mayr, mô phỏng quá trình phóng điện lặp lại (restrick) và phóng điện sớm (prestrick) giữa các tiếp điểm dao cách li, ảnh hưởng trực tiếp đến biên độ và tần số của VFTO.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm:

  • VFTO (Very Fast Transient Overvoltage): quá điện áp quá độ rất nhanh sinh ra trong quá trình đóng cắt thiết bị GIS.
  • Bẫy điện áp (Trap charge voltage): điện áp tồn lưu trên tiếp điểm DS sau phóng điện lặp lại, ảnh hưởng đến quá trình đóng cắt tiếp theo.
  • Đặc tuyến điện áp chịu đựng (Breakdown Voltage - BDV): đặc tính điện áp đánh thủng của khí SF6 giữa các tiếp điểm DS.
  • Tổng trở sóng (Characteristic Impedance): đặc trưng truyền sóng trong thanh cái và đường dây GIS.
  • Phóng điện restrick và prestrick: hiện tượng phóng điện lặp lại và phóng điện sớm trong quá trình đóng cắt DS.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng ATP/EMTP để xây dựng mô hình điện tương đương của trạm GIS 220kV Bình Tân, bao gồm các thành phần chính như thanh cái, dao cách li, máy cắt, biến dòng điện và biến điện áp. Cỡ mẫu dữ liệu là toàn bộ thiết bị và cấu trúc của trạm, được lựa chọn dựa trên thông số kỹ thuật thực tế do nhà sản xuất cung cấp và các tiêu chuẩn IEC 60071-4. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng toàn bộ hệ thống nhằm đảm bảo tính chính xác và toàn diện.

Phân tích dữ liệu tập trung vào việc mô phỏng các chế độ đóng cắt DS và CB, tính toán biên độ và tần số của VFTO, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết bị như vận tốc đóng cắt, áp suất khí SF6, đặc tuyến BDV và các thành phần điện trở, điện dung, điện cảm trong GIS. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2015, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biên độ VFTO khi đóng DS có thể lên đến 2.6 pu: Mô phỏng tại nút cuối đường dây trong trạm GIS 220kV Bình Tân cho thấy điện áp quá độ có thể tăng lên đến 2.6 lần điện áp danh định, đặc biệt khi đóng DS vào đường dây không tải. Điều này gây nguy hiểm cho thiết bị cách điện và làm tăng nguy cơ hư hỏng.

  2. Hiện tượng phóng điện lặp lại (restrick) và phóng điện sớm (prestrick) làm tăng biên độ VFTO: Các mô hình phóng điện cho thấy sự dịch chuyển chậm của tiếp điểm DS tạo ra nhiều lần phóng điện, làm tăng bẫy điện áp tồn lưu trên tiếp điểm và gây ra các sóng phản xạ phức tạp trong GIS. Ví dụ, điện áp tồn lưu có thể duy trì hàng giờ, ảnh hưởng đến quá trình đóng cắt tiếp theo.

  3. Vận tốc truyền sóng trong GIS khoảng 2.85 × 10^8 m/s: Tính toán dựa trên các thông số điện môi và cấu trúc GIS cho thấy vận tốc sóng lan truyền trong thanh cái và đường dây là khoảng 95% vận tốc ánh sáng trong chân không, ảnh hưởng đến thời gian và biên độ của VFTO.

  4. Biện pháp giảm VFTO hiệu quả là sử dụng vòng sắt từ và điện trở mắc shunt: Mô phỏng cho thấy việc đặt vòng sắt từ trên thanh cái làm tăng điện kháng, tiêu thụ năng lượng sóng và giảm biên độ VFTO. Ngoài ra, mắc điện trở shunt với tiếp điểm cố định DS cũng giúp giảm dao động điện áp và tổn thất năng lượng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của VFTO là do quá trình đóng cắt DS với vận tốc chậm, tạo ra các hiện tượng phóng điện restrick và prestrick, làm phát sinh các sóng điện áp có biên độ và tần số cao. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mô phỏng tại trạm Bình Tân tương đồng về biên độ và đặc tính sóng VFTO, khẳng định tính chính xác của mô hình ATP/EMTP được xây dựng.

Việc vận tốc truyền sóng gần bằng vận tốc ánh sáng cho thấy các sóng VFTO lan truyền rất nhanh trong GIS, đòi hỏi thiết kế cách điện và quy trình vận hành phải tính đến các dao động điện áp trong khoảng nano giây. Các biện pháp giảm VFTO như vòng sắt từ và điện trở shunt không chỉ làm giảm biên độ mà còn hạn chế tổn thất năng lượng, nâng cao độ tin cậy vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ điện áp quá độ tại các nút trọng yếu trong GIS, bảng so sánh biên độ VFTO trước và sau khi áp dụng biện pháp giảm, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng vòng sắt từ trên thanh cái GIS nhằm tăng điện kháng và giảm biên độ VFTO, thực hiện trong vòng 12 tháng tới, do đơn vị vận hành trạm phối hợp với nhà sản xuất thiết bị thực hiện.

  2. Lắp đặt điện trở mắc shunt với tiếp điểm cố định DS để giảm dao động điện áp và tổn thất năng lượng, triển khai trong 6 tháng, do bộ phận bảo trì kỹ thuật đảm nhiệm.

  3. Cải tiến quy trình vận hành đóng cắt DS với tốc độ cao hơn nhằm hạn chế hiện tượng phóng điện restrick và prestrick, đào tạo nhân viên vận hành trong 3 tháng, do phòng điều độ và đào tạo phối hợp thực hiện.

  4. Tăng cường giám sát và bảo trì định kỳ thiết bị GIS, đặc biệt kiểm tra áp suất khí SF6 và đặc tuyến BDV của DS, nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng, thực hiện liên tục hàng năm, do bộ phận kỹ thuật và quản lý vận hành đảm trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì trạm biến áp GIS: Nắm bắt các hiện tượng VFTO và biện pháp giảm thiểu giúp nâng cao hiệu quả vận hành và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

  2. Nhà thiết kế và chế tạo thiết bị điện cao áp: Tham khảo mô hình mô phỏng và đặc tuyến BDV để cải tiến thiết kế dao cách li và máy cắt phù hợp với điều kiện vận hành thực tế.

  3. Chuyên gia nghiên cứu và đào tạo trong lĩnh vực điện lực: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các khóa học về hệ thống điện và kỹ thuật cách điện.

  4. Các đơn vị quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Đánh giá tác động của VFTO đến chất lượng điện năng và đề xuất các tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình vận hành phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. VFTO là gì và tại sao nó nguy hiểm trong trạm GIS?
    VFTO là quá điện áp quá độ rất nhanh sinh ra trong quá trình đóng cắt thiết bị GIS, có biên độ và tần số cao gây hư hỏng cách điện, thiết bị điện tử và ảnh hưởng đến độ tin cậy vận hành.

  2. Nguyên nhân chính gây ra VFTO trong trạm biến áp GIS?
    Nguyên nhân chủ yếu là do hiện tượng phóng điện lặp lại (restrick) và phóng điện sớm (prestrick) khi đóng cắt dao cách li với vận tốc chậm, tạo ra các sóng điện áp phản xạ phức tạp.

  3. Phương pháp mô phỏng VFTO được sử dụng trong nghiên cứu là gì?
    Nghiên cứu sử dụng phần mềm ATP/EMTP để xây dựng mô hình điện tương đương của GIS, mô phỏng quá trình đóng cắt và lan truyền sóng VFTO dựa trên lý thuyết truyền sóng và mô hình phóng điện hồ quang.

  4. Các biện pháp hiệu quả để giảm VFTO là gì?
    Sử dụng vòng sắt từ trên thanh cái để tăng điện kháng, mắc điện trở shunt với tiếp điểm DS, cải tiến quy trình vận hành đóng cắt với tốc độ cao hơn và tăng cường bảo trì thiết bị.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế vận hành trạm GIS?
    Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn thiết bị phù hợp, thiết kế quy trình vận hành an toàn và đề xuất các biện pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu VFTO, từ đó nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng VFTO trong trạm biến áp GIS 220kV Bình Tân bằng phần mềm ATP/EMTP, phản ánh chính xác các hiện tượng phóng điện và quá điện áp quá độ.
  • Phát hiện biên độ VFTO có thể lên đến 2.6 pu, gây nguy hiểm cho thiết bị và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.
  • Hiện tượng phóng điện restrick và prestrick là nguyên nhân chính tạo ra VFTO, liên quan đến vận tốc đóng cắt và đặc tính khí SF6.
  • Đề xuất các biện pháp kỹ thuật như sử dụng vòng sắt từ, điện trở shunt và cải tiến quy trình vận hành giúp giảm thiểu VFTO hiệu quả.
  • Khuyến nghị triển khai các giải pháp trong vòng 6-12 tháng tới nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu quả kinh tế cho hệ thống điện.

Để tiếp tục phát triển nghiên cứu, cần mở rộng mô hình mô phỏng cho các trạm GIS khác và đánh giá hiệu quả thực tế của các biện pháp giảm VFTO. Các đơn vị vận hành và thiết kế thiết bị được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng và độ bền của hệ thống điện.