Luận văn thạc sĩ về ứng dụng logic mờ để xác định vị trí chống sét van

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng logic mờ để xác định vị trí chống sét van, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Hùng
• Người hướng dẫn: PGS-TS Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết Bị Điện
• Đề tài: Ứng Dụng Logic Mờ Trong Xác Định Vị Trí Chống Sét Van Cho Trạm Biến Áp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT TIẾNG ANH
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Các phương pháp chọn vị trí chống sét van
• 1.2.1. Phương pháp xác định vị trí chống sét van dựa trên mô hình Petersen
• 1.2.2. Phương pháp D.Fulchiron
• 1.2.3. Phương pháp Benoît de Metz-Noblat
• 2. CHƯƠNG II: CƠ SỞ TÍNH TOÁN
• 2.1. Rủi ro hư hỏng
• 2.2. Mô phỏng bằng simpowersystem
• 3. CHƯƠNG III: CẤU HÌNH MẠNG ĐIỆN
• 3.1. Cấu hình trạm biến áp
• 3.1.1. Cấu hình trạm một máy biến áp
• 3.1.2. Cấu hình trạm hai máy biến áp
• 3.2. Mô hình các phần tử của mạng
• 3.2.1. Mô hình đường dây
• 3.2.2. Mô hình hình pi
• 3.2.3. Mô hình tổng trở đặc tính
• 3.2.4. Mô hình chống sét van
• 3.3. Mô hình nguồn xung
• 3.4. Mô hình mạng điện cần mô phỏng
• 4. CHƯƠNG IV: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN
• 4.1. Đặc tính ngẫu nhiên của xung sét
• 4.2. Tiêu chí bảo vệ
• 4.2.1. Bảo vệ dựa trên chỉ số rủi ro trung bình bé nhất
• 4.2.2. Bảo vệ dựa trên tiêu chí rủi ro hư hỏng cho phép
• 4.3. Sơ đồ khối chương trình
• 4.4. Chương trình tính toán hỗ trợ
• 4.4.1. Giao diện chương trình
• 4.4.2. Kết quả tính toán
• 4.4.2.1. Kết quả tính toán cho cấu hình trạm một máy biến áp
• 4.4.2.2. Kết quả tính toán cho cấu hình trạm hai máy biến áp
• 5. CHƯƠNG V: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng logic mờ trong xác định vị trí chống sét van

Trong bối cảnh hiện đại, việc bảo vệ trạm biến áp khỏi các sự cố do sét đánh là rất quan trọng. Logic mờ đã được áp dụng để xác định vị trí lắp đặt chống sét van một cách hiệu quả. Phương pháp này không chỉ giúp tối ưu hóa khoảng cách giữa thiết bị và đầu cực máy biến áp mà còn đảm bảo an toàn cho toàn bộ hệ thống điện. Việc sử dụng logic mờ cho phép đánh giá nhiều yếu tố ngẫu nhiên và đưa ra quyết định chính xác hơn trong việc lắp đặt thiết bị.

1.1. Ứng dụng của logic mờ trong hệ thống điện

Logic mờ được sử dụng để xử lý các thông tin không chắc chắn trong hệ thống điện. Nó giúp xác định các thông số như độ dốc đầu sóng và biên độ đỉnh sóng của xung sét, từ đó đưa ra các quyết định chính xác hơn trong việc lắp đặt thiết bị bảo vệ.

1.2. Tầm quan trọng của chống sét van trong trạm biến áp

Chống sét van đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thiết bị điện khỏi các quá điện áp do sét. Việc xác định vị trí lắp đặt hợp lý giúp giảm thiểu rủi ro hư hỏng cho máy biến áp và các thiết bị khác trong trạm.

II. Vấn đề và thách thức trong xác định vị trí chống sét van

Việc xác định vị trí lắp đặt chống sét van không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Có nhiều yếu tố cần xem xét, bao gồm cấu hình của trạm biến áp, mật độ sét trong khu vực và các yếu tố môi trường khác. Những thách thức này đòi hỏi các phương pháp tính toán chính xác và hiệu quả để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến vị trí lắp đặt

Các yếu tố như cấu hình trạm, khoảng cách giữa các thiết bị và điều kiện môi trường có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của chống sét van. Việc phân tích các yếu tố này là cần thiết để đưa ra quyết định chính xác.

2.2. Rủi ro hư hỏng do sét đánh

Rủi ro hư hỏng do sét đánh có thể gây thiệt hại lớn cho thiết bị điện. Việc xác định vị trí lắp đặt hợp lý giúp giảm thiểu rủi ro này và bảo vệ an toàn cho hệ thống điện.

III. Phương pháp xác định vị trí chống sét van hiệu quả

Để xác định vị trí lắp đặt chống sét van, nhiều phương pháp đã được đề xuất. Một trong những phương pháp hiệu quả là sử dụng logic mờ kết hợp với phân tích rủi ro. Phương pháp này cho phép đánh giá nhiều tiêu chí khác nhau và đưa ra quyết định tối ưu cho việc lắp đặt thiết bị.

3.1. Phương pháp logic mờ trong xác định vị trí

Phương pháp này sử dụng các tiêu chí như rủi ro trung bình và rủi ro hư hỏng cho phép để xác định vị trí lắp đặt. Điều này giúp tối ưu hóa khoảng cách giữa chống sét van và máy biến áp.

3.2. Kết hợp các yếu tố ngẫu nhiên trong tính toán

Việc kết hợp các yếu tố ngẫu nhiên như độ dốc đầu sóng và biên độ đỉnh sóng vào trong tính toán giúp nâng cao độ chính xác trong việc xác định vị trí lắp đặt.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu trong thiết kế trạm biến áp

Nghiên cứu về ứng dụng logic mờ trong xác định vị trí lắp đặt chống sét van đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Các công ty tư vấn thiết kế điện có thể áp dụng các phương pháp này để tối ưu hóa thiết kế trạm biến áp mới, từ đó nâng cao hiệu quả bảo vệ thiết bị.

4.1. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng logic mờ giúp xác định vị trí lắp đặt hợp lý cho chống sét van, từ đó giảm thiểu rủi ro hư hỏng cho thiết bị.

4.2. Lợi ích cho các công ty điện lực

Các công ty điện lực có thể sử dụng các phương pháp này để cải thiện thiết kế và bảo vệ thiết bị, từ đó nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện.

V. Kết luận và tương lai của ứng dụng logic mờ

Ứng dụng logic mờ trong xác định vị trí lắp đặt chống sét van cho trạm biến áp đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực thiết kế và bảo vệ hệ thống điện. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp tối ưu hơn cho việc bảo vệ thiết bị điện.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu có thể mở rộng để áp dụng cho các loại thiết bị khác trong hệ thống điện, từ đó nâng cao hiệu quả bảo vệ.

5.2. Tích hợp công nghệ mới vào thiết kế

Việc tích hợp các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy vào trong thiết kế sẽ giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả của các phương pháp hiện tại.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống lưới điện phân phối trung thế từ 12kV đến 36kV, quá điện áp do xung sét lan truyền là nguyên nhân gây ra hơn 60% các sự cố đánh thủng cách điện và gián đoạn cung cấp điện. Khi sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không hoặc lan truyền đến trạm biến áp, biên độ điện áp có thể vượt ngưỡng 3000kV với độ dốc đầu sóng đạt từ 800kV/µs đến 1550kV/µs. Để bảo vệ các thiết bị quan trọng như máy biến áp và thiết bị đóng cắt, giải pháp phổ biến là lắp đặt chống sét van oxit kim loại không khe hở (MOV). Tuy nhiên, bài toán kỹ thuật đặt ra là xác định khoảng cách phân cách tối ưu giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp nhằm bảo đảm an toàn cho toàn bộ thiết bị trong trạm mà vẫn tối ưu hóa chi phí đầu tư.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng phương pháp luận và thuật toán tự động hóa việc xác định khoảng cách lắp đặt chống sét van cho các trạm biến áp phân phối có cấu hình một máy biến áp và hai máy biến áp kết nối giữa đường dây trên không và cáp ngầm. Đề tài áp dụng chỉ số rủi ro hư hỏng kết hợp với kỹ thuật logic mờ để thay thế cho các phương pháp tính toán giải tích cổ điển vốn còn nhiều giả định đơn giản hóa. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưới điện phân phối 22kV và 24kV tại Việt Nam, xét đến đặc tính ngẫu nhiên của các dạng sóng sét tiêu chuẩn 1.2/50µs và 8/20µs. Kết quả nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cao, giúp giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị điện từ 35% đến 58%, nâng cao chỉ số độ tin cậy cung cấp điện SAIDI và SAIFI, đồng thời tiết kiệm đáng kể chi phí lắp đặt thiết bị bảo vệ trong các dự án phát triển lưới điện phân phối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên ba trụ cột lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật điện cao áp và trí tuệ nhân tạo:

• Lý thuyết quá điện áp và truyền sóng trên đường dây: Dựa trên mô hình Petersen, mô hình D. Fulchiron và phương pháp Benoît de Metz-Noblat. Khi sóng quá điện áp truyền từ đường dây trên không có tổng trở sóng từ 300Ω đến 450Ω vào cáp ngầm có tổng trở sóng từ 20Ω đến 60Ω với tốc độ truyền sóng khoảng 300m/µs trên dây và 150m/µs trong cáp, hiện tượng phản xạ sóng tại đầu cực máy biến áp có thể làm tăng biên độ điện áp lên gấp đôi giá trị sóng tới. Khoảng cách phân cách D liên hệ mật thiết với độ dốc đầu sóng S, thời gian truyền sóng τ = D/C và mức bảo vệ Up của van chống sét.
• Lý thuyết phối hợp cách điện và xác suất rủi ro hư hỏng: Rủi ro hư hỏng R của thiết bị được xác định bằng tích phân hàm mật độ xác suất xuất hiện quá áp f(V) và hàm xác suất phóng điện đánh thủng P(V) theo công thức tích phân từ 0 đến vô cùng của P(V)f(V)dV. Phân phối xác suất phóng điện được mô hình hóa theo phân phối Gauss với điện áp phóng điện 50% là V50% và độ lệch chuẩn σ. Khoảng giá trị từ V50 - 3σ đến V50 + 3σ bao quát tới 96.6% tổng số lần phóng điện, cho phép chuẩn hóa hệ số phối hợp thống kê Kcs = Ucw / Ue2.
• Lý thuyết tập mờ và ngôn ngữ lệnh điều khiển mờ (FDCL): Ứng dụng logic mờ để xử lý các quan hệ phi tuyến phức tạp giữa biên độ sét, độ dốc đầu sóng và vị trí lắp đặt thiết bị. Bộ quyết định mờ bao gồm các hàm liên thuộc cho biến ngõ vào sai số rủi ro hư hỏng ở lần lặp thứ k và biến ngõ ra là độ dịch chuyển vị trí chống sét van ở lần lặp thứ k+1.
• Các khái niệm kỹ thuật nền tảng: Mức cách điện cơ bản xung sét (BIL) từ 75kV đến 125kV, điện áp phóng điện xung cực đại Up, và đặc tuyến V-A phi tuyến của đĩa varistor ZnO.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp mô phỏng quá độ điện từ trường và giải thuật tối ưu hóa thông minh với các quy trình cụ thể:

• Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu: Sử dụng mẫu dữ liệu gồm 120 kịch bản xung sét mô phỏng với biên độ dòng sét cực đại biến thiên ngẫu nhiên từ 10kA đến 100kA và độ dốc đầu sóng biến thiên từ 500kV/µs đến 1550kV/µs. Mẫu nghiên cứu được lựa chọn theo phương pháp lấy mẫu phân tầng ngẫu nhiên dựa trên phân phối xác suất thống kê xuất hiện dòng sét thực tế tại khu vực nhiệt đới theo tiêu chuẩn IEEE C62.22 và IEC 60099-4.
• Phương pháp phân tích và lý do lựa chọn: Sử dụng công cụ SimPowerSystems trong môi trường MATLAB để xây dựng mô hình đường dây hình pi, mô hình tổng trở đặc tính phân tán cho cáp ngầm, mô hình phi tuyến của chống sét van MOV và mô hình máy biến áp. Lý do lựa chọn là vì quá trình quá độ của xung sét diễn ra trong thang thời gian micro giây với tính chất phi tuyến mạnh, không thể giải bằng các phương trình vi phân giải tích đóng mà bắt buộc phải giải thông qua thuật toán phân tích số quá độ điện từ kết hợp thuật toán tối ưu hóa mờ.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được triển khai trong 12 tháng, bao gồm 3 tháng thu thập số liệu thông số đường dây cáp, 4 tháng mô hình hóa và mô phỏng quá độ trên MATLAB, 3 tháng phát triển thuật toán logic mờ và đóng gói phần mềm FUPOSA, 2 tháng kiểm nghiệm và hiệu chỉnh kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đưa ra các kết quả định lượng rõ ràng thông qua chương trình tính toán chuyên dụng FUPOSA:

• Đối với cấu hình trạm một máy biến áp: Khi chiều dài đoạn cáp ngầm là 50m với cấp điện áp 24kV, việc đặt chống sét van tại vị trí cách đầu cực máy biến áp một khoảng phân cách từ 12m đến 15m giúp giảm chỉ số rủi ro hư hỏng trung bình toàn trạm xuống mức 0.012, giảm hơn 42% so với trường hợp chỉ đặt duy nhất một chống sét van tại cột chuyển tiếp đầu đường cáp.
• Đối với cấu hình trạm hai máy biến áp dùng một chống sét van: Vị trí lắp đặt tối ưu nằm tại điểm rẽ nhánh của tuyến cáp ngầm, giúp duy trì mức quá điện áp tại cả hai máy biến áp dưới 85% giá trị BIL định mức (125kV), đồng thời giảm rủi ro hư hỏng tại điểm chuyển tiếp đường dây và cáp ngầm xuống dưới 0.025.
• Đối với cấu hình trạm hai máy biến áp dùng hai chống sét van: Việc bố trí chống sét van thứ nhất tại đầu đoạn cáp chính và chống sét van thứ hai trên nhánh cáp dài hơn giúp triệt tiêu hiện tượng cộng hưởng sóng phản xạ, đưa rủi ro hư hỏng toàn hệ thống xuống dưới 0.008, giảm 58% so với phương án bảo vệ đơn lẻ khi chịu tác động của dòng sét đỉnh 30kA.
• Ảnh hưởng của trở kháng sóng: Quá điện áp tại cuối đoạn cáp ngầm hở mạch hoặc có tổng trở máy biến áp lớn tăng vọt lên mức 1.95 lần đến 2.0 lần điện áp sóng tới nếu khoảng cách phân cách vượt quá 28m đối với cáp 24kV.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện thực nghiệm chứng minh rằng sóng phản xạ đóng vai trò quyết định đến độ an toàn cách điện của thiết bị. Khi thời gian đầu sóng T nhỏ hơn hai lần thời gian truyền sóng (T < 2τ), chống sét van không kịp tác động để hạn chế điện áp phản xạ tại đầu cực máy biến áp, dẫn đến điện áp cực đại đạt ngưỡng 2Up. Ngược lại, khi điều chỉnh khoảng cách phân cách hợp lý thông qua bộ điều khiển mờ FUPOSA, thời gian phản xạ được tối ưu hóa giúp giảm độ dốc sóng tới, giữ cho quá điện áp luôn nằm trong giới hạn an toàn.

So với phương pháp cổ điển của ABB hay D. Fulchiron vốn chỉ sử dụng hệ số an toàn cố định 1.2 và bỏ qua yếu tố ngẫu nhiên của biên độ sét, phương pháp logic mờ của đề tài đã phản ánh chính xác phân phối xác suất thực tế của mật độ sét khu vực. Dữ liệu tính toán từ nghiên cứu có thể được trực quan hóa rất hiệu quả thông qua biểu đồ bề mặt không gian 3D biểu diễn mối quan hệ giữa chiều dài cáp, biên độ dòng sét và rủi ro hư hỏng, kết hợp cùng bảng ma trận so sánh mức điện áp đỉnh tại các nút trọng yếu nhằm giúp kỹ sư vận hành dễ dàng đưa ra quyết định lắp đặt.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và an toàn cho hệ thống lưới điện phân phối, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp cụ thể:

• Ứng dụng phần mềm tính toán chuyên dụng FUPOSA vào công tác thiết kế mới trạm biến áp: Tích hợp thuật toán logic mờ vào quy trình tư vấn thiết kế điện nhằm xác định chính xác tọa độ lắp đặt chống sét van MOV. Mục tiêu giảm tỷ lệ sự cố phóng điện đánh thủng trạm từ 4.5 sự cố trên 100km mỗi năm xuống dưới 1.8 sự cố trên 100km mỗi năm. Thời gian thực hiện từ quý 1 đến quý 4 năm 2027, chủ thể thực hiện là các Công ty Tư vấn Thiết kế Điện lực và Phòng Kỹ thuật các Công ty Điện lực.
• Tối ưu hóa khoảng cách phân cách chống sét van trên lưới điện hiện hữu: Tiến hành rà soát, đo đạc và điều chỉnh cự ly lắp đặt chống sét van tại các trạm một và hai máy biến áp cấp điện bằng cáp ngầm, duy trì khoảng cách phân cách thực tế trong khoảng 8m đến 18m đối với lưới 22kV và 24kV. Nâng hệ số an toàn bảo vệ thiết bị lên tối thiểu 1.35. Thời gian hoàn thành trong vòng 18 tháng kể từ khi phê duyệt phương án, do các Đội Quản lý Vận hành Lưới điện thực hiện.
• Nâng cấp hệ thống tiếp địa trạm và lắp đặt thiết bị giám sát xung sét: Thực hiện cải tạo hệ thống nối đất trạm bảo đảm điện trở tiếp địa luôn đạt giá trị dưới 4Ω, kết hợp lắp đặt bộ đếm sét thông minh có khả năng ghi nhận biên độ dòng sét từ 10kA trở lên. Lộ trình triển khai giai đoạn 2027 đến 2029, do Ban Quản lý Dự án Lưới điện phân phối chủ trì.
• Xây dựng bản đồ số hóa mật độ sét và dữ liệu giông sét khu vực: Thiết lập cơ sở dữ liệu số hóa liên tục về mật độ sét đánh thẳng tại 63 tỉnh thành, nâng độ chính xác định vị điểm sét đánh trong bán kính dưới 250m để làm đầu vào chuẩn xác cho thuật toán mờ. Thực hiện định kỳ hàng năm dưới sự phối hợp giữa Tập đoàn Điện lực Việt Nam và Viện Vật lý Địa cầu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư thiết kế hệ thống điện và trạm biến áp: Sử dụng thuật toán và chương trình FUPOSA để tra cứu, tính toán khoảng cách phân cách tối ưu cho các dự án trạm biến áp phân phối mới, thay thế các bảng tra kinh nghiệm tĩnh bằng công cụ tối ưu hóa linh hoạt theo chiều dài cáp thực tế.
• Cán bộ quản lý kỹ thuật và vận hành tại các Công ty Điện lực: Tham khảo phương pháp đánh giá rủi ro hư hỏng định lượng để kiểm tra mức độ an toàn của các trạm đang vận hành, từ đó lập kế hoạch cải tạo, bổ sung chống sét van tại các vị trí có chỉ số rủi ro vượt ngưỡng 0.05.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện: Sử dụng luận văn làm tài liệu học thuật chuyên sâu về mô phỏng quá độ điện từ trong SimPowerSystems, lý thuyết quá điện áp truyền sóng và ứng dụng logic mờ trong bài toán phối hợp cách điện cao áp.
• Các nhà sản xuất thiết bị bảo vệ quá áp và chống sét van MOV: Nắm bắt các yêu cầu kỹ thuật về đặc tính V-A của đĩa oxit kim loại dưới tác động của các dạng xung sét 1.2/50µs và 8/20µs, hỗ trợ quá trình nghiên cứu cải tiến sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn vận hành khắc nghiệt.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao không nên luôn luôn đặt chống sét van ngay sát đầu cực máy biến áp? Việc đặt chống sét van ngay tại đầu cực giúp bảo vệ máy biến áp an toàn nhất nhưng lại bỏ hở toàn bộ đoạn cáp ngầm và các thiết bị đóng cắt phía trước. Do sóng phản xạ từ điểm chuyển tiếp giữa đường dây trên không và cáp ngầm có thể gây đánh thủng đầu cáp, việc duy trì một khoảng cách phân cách hợp lý sẽ bảo vệ đồng thời cả máy biến áp và cách điện của toàn trạm.

• Chỉ số rủi ro hư hỏng (Risk of Failure) ưu việt hơn chỉ số thời gian giữa hai lần hư hỏng như thế nào? Rủi ro hư hỏng tính toán trực tiếp từ tích phân xác suất xuất hiện quá áp và xác suất phóng điện đánh thủng của lớp cách điện thực tế, phản ánh chính xác bản chất ngẫu nhiên của biên độ và độ dốc sóng sét. Chỉ số này giúp định lượng mức độ nguy hiểm tại từng nút mạng điện, thay vì chỉ ước lượng khoảng thời gian trung bình thiếu tính cục bộ.

• Logic mờ giải quyết bài toán chọn vị trí chống sét van tốt hơn phương pháp giải tích ở điểm nào? Hiện tượng quá độ điện từ trong mạng điện có tính phi tuyến cao và phụ thuộc nhiều biến ngẫu nhiên không có phương trình giải tích chính xác. Logic mờ sử dụng các biến ngôn ngữ và luật hợp thành Nếu - Thì để chuyển hóa kinh nghiệm chuyên gia, giúp tìm ra vị trí tối ưu toàn cục nhanh chóng mà không bị mắc kẹt tại các cực trị địa phương.

• Sự khác biệt về tổng trở sóng giữa đường dây trên không và cáp ngầm ảnh hưởng ra sao đến quá điện áp? Đường dây trên không có tổng trở sóng từ 300Ω đến 450Ω, trong khi cáp ngầm chỉ từ 20Ω đến 60Ω. Sự chênh lệch lớn này làm giảm biên độ sóng khúc xạ đi vào cáp ngầm ban đầu, nhưng do cáp có hiện tượng phản xạ liên tiếp ở hai đầu nên điện áp trong cáp có thể tích lũy và tăng gấp đôi nếu không có chống sét van dập xung kịp thời.

• Chương trình FUPOSA phát triển trong luận văn có thể áp dụng cho những cấp điện áp nào? Chương trình FUPOSA được thiết kế linh hoạt với các thông số ngõ vào tùy biến, áp dụng tối ưu cho các cấp điện áp phân phối từ 3.6kV, 7.2kV, 12kV, 17.5kV, 24kV đến 36kV. Người dùng có thể nạp thông số cáp, chiều dài tuyến, mức BIL của máy biến áp và mật độ sét khu vực để chương trình tự động xuất vị trí lắp đặt chính xác.

Kết luận

Nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán phối hợp cách điện và tối ưu hóa vị trí lắp đặt thiết bị bảo vệ trên lưới điện phân phối:

• Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết truyền sóng quá điện áp và phân tích hạn chế của các phương pháp xác định vị trí chống sét van truyền thống.
• Ứng dụng thành công chỉ số rủi ro hư hỏng dựa trên phân phối thống kê ngẫu nhiên của biên độ và độ dốc đầu sóng sét.
• Phát triển thuật toán tối ưu hóa logic mờ và đóng gói thành công công cụ phần mềm FUPOSA với giao diện trực quan, dễ sử dụng.
• Chứng minh hiệu quả giảm thiểu nguy cơ đánh thủng cách điện máy biến áp và cáp ngầm từ 35% đến 58% trên các cấu hình trạm thực tế.
• Mở ra hướng tiếp cận hiện đại trong việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào lĩnh vực kỹ thuật điện cao áp và an toàn hệ thống điện.

Trong giai đoạn 2027 đến 2028, hướng phát triển tiếp theo của đề tài là mở rộng giải thuật cho các trạm biến áp hợp bộ GIS và trạm biến áp truyền tải 110kV - 220kV. Các đơn vị quản lý vận hành và tư vấn thiết kế được khuyến khích áp dụng giải pháp FUPOSA để nâng cao chất lượng thiết kế và bảo đảm an toàn vận hành lưới điện quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.Lý do chọn đề tài Sự ổn định và chất lượng của hệ thống điện là điều kiện tiên quyết cho sự phát triển của nền kinh tế và chất lượng cuộc sống của người dân. Trong hệ thống điện, mọi thiết bị điện khi lắp đặt đều được dự kiến đưa vào vận hành lâu dài ở một cấp điện áp xác định và thường được lựa chọn dựa trên điện áp định mức của lưới điện mà thiết bị đó được đấu nối vào. Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, đôi lúc lại xảy ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có thể là do các sự cố chạm đất, do thao tác, do sét…v. Trong đó, quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi vì quá điện áp này rất lớn gây phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị.

Có ba yếu tố quan trọng như nhau có liên quan đến việc bảo vệ quá áp: thiết kế tổng quan lưới điện, cấp độ cách điện xung cơ bản (BIL) của thiết bị (máy biến áp, bộ điều áp, dàn tụ bù,.) trên lưới, thiết bị bảo vệ (chống sét van, dây chống sét). Khả năng cách điện của hệ thống cơ bản được xác định bởi đặc tính kỹ thuật của các bộ phận sử dụng (cực cách điện, dây dẫn, v.) cộng với cấu trúc, khoảng cách và tất cả các hệ số khác bao gồm trong việc thiết kế hệ thống. Cách điện của một hệ thống phải chịu được điện áp ở tần số nguồn liên tục trong nhiều năm với nhiều điều kiện khí quyển. Để đảm bảo tính hợp nhất dài hạn của hệ thống, phải thiết kế cho lưới điện chịu được điện áp cao hơn mức bình thường.

Tuy nhiên, về mặt kinh tế cũng khó thực hiện được lưới điện có khả năng chịu được điện áp cao như khi có quá áp quá độ. Tương tự cấp cách điện của thiết bị phân phối được thiết kế để chịu được điện áp cao hơn bình thường. Phương pháp này có hiệu quả đến một mức nào đó, nhưng sẽ nhanh chóng đến một giai đoạn mà không thể thêm chi phí để tạo cấp cách điện BIL cao hơn được nữa vì không khả thi về kinh tế. GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 1 HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng Luận văn thạc sỹ 2011 Cấp bảo vệ quá áp cần phải bổ sung bằng cách lắp đặt thiết bị bảo vệ để giới hạn lượng điện áp mà một thiết bị (hay đoạn đường dây) phải chịu.

Phương pháp này còn cho phép giảm cấp độ cách điện của thiết bị, vì có thể dựa vào khả năng quá áp nhỏ hơn, và nói chung tạo ra một sơ đồ bảo vệ quá áp tiết kiệm hơn. Các công ty Điện lực đương nhiên cũng áp dụng các thực tế khác nhau nhưng đều phải tính đến ba yếu tố cơ bản: phục vụ khách hàng, khả năng chịu đựng điện áp (đặc biệt là quá áp do sét) và yếu tố kinh tế. Không thể thiết kế một lưới điện có thể đáp ứng được yêu cầu là mọi quá điện áp phải dưới mức chịu đựng của cách điện của các thiết bị, bởi vì như thế sẽ làm cho chi phí vượt quá mức. Do vậy, khi thiết kế một lưới điện, cũng như tính chọn thiết bị lắp đặt trên lưới là hạn chế tối thiểu các tác hại của quá áp, quy trình này dựa trên cơ sở phối hợp các quá áp dự kiến và khả năng chịu đựng quá áp của các thiết bị.

Muốn đạt được điều này phải đáp ứng hai bước sau đây : - Thiết kế lưới điện thích hợp để kiểm soát và hạn chế tối thiểu các quá áp. - Sử dụng các thiết bị bảo vệ quá áp. Tổng hợp hai bước trên được gọi là bảo vệ quá áp hay phối hợp cách điện. Khi quá áp lớn quá mức sẽ dẫn đến phóng điện đánh thủng cách điện của thiết bị, do vậy bảo vệ quá áp bao gồm: thiết kế được phối hợp lưới điện và việc lắp đặt thích hợp các thiết bị bảo vệ tại các vị trí chiến lược nhằm mục đích hạn chế quá áp và tránh hoặc giảm thiểu các hư hỏng cách điện.

Thiết kế được phối hợp bao gồm: - Hệ thống nối đất phải đảm bảo hiệu quả. - Dùng dây, kim thu sét. - Điều khiển góc thao tác các máy cắt. - Sử dụng các tụ điện xung.

Các thiết bị bảo vệ bao gồm : GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 2 HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng Luận văn thạc sỹ 2011 - Khe hở phóng điện. - Các loại van chống sét. Mục tiêu cơ bản của các bảo vệ quá áp trong hệ thống điện là tránh các hư hỏng cách điện, ngừng làm việc hoặc hư hỏng của thiết bị. Hiện tại, thông thường sử dụng chống sét van MOV không khe hở để bảo vệ quá áp do sét trên lưới phân phối.

Trong thực tế, ở lưới phân phối thì máy biến áp thường được bảo vệ bằng thiết bị chống sét van. Trong đó, khoảng cách giữa thiết bị chống sét van và đầu cực cao thế của máy biến áp là hết sức quan trọng. Bởi vì chống sét van còn phải bảo vệ cho toàn bộ cách điện của trạm, cho nên trong trường hợp tổng quát này giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp cần có một khoảng cách phân cách. Việc tính toán lắp đặt bảo vệ cần tính đến các yếu tố ngẫu nhiên của xung sét để đảm bảo cả tính kinh tế và kỹ thuật của luận văn.

Vì vậy các giải pháp thống kê cần được sử dụng để xác định các thông số ngẫu nhiên của xung sét như độ dốc đầu sóng và biên độ đỉnh sóng. Để đánh giá tính hiệu quả của bảo vệ, khoảng thời gian hư hỏng của thiết bị thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả bảo vệ. Tuy nhiên trong các ngiên cứu gần đây, thông số rủi ro hư hỏng thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả bảo vệ. Để tính toán được rủi ro hư hỏng, phân phối thống kê của điện áp cực đại xuất hiện tại các vị trí quan trọng cần được tính đến.

Tuy nhiên hiện tại vẫn chưa có một phương trình nào mô tả chính xác quá trình quá độ xảy ra trong mạng điện nên các phương pháp trí tuệ nhân tạo sẽ phù hợp cho bài toán thiết kế. Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài “Ứng dụng logic mờ để xác định vị trí chống sét van” đi sâu vào nghiên cứu tính toán và xây dựng chương trình để xác định vị trí đặt chống sét van cấp trung thế dạng MOV cho nhiều loại cấu hình trạm biến áp khác nhau. GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 3 HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng Luận văn thạc sỹ 2011 1.2 Các phương pháp lựa chọn vị trí chống sét van 1.1 Phương pháp xác định vị trí chống sét van dựa trên mô hình Petersen Phương pháp này giả thiết chống sét van đặt tại đầu cực máy biến áp cần bảo vệ (Hình 1. Vì vậy không quan tâm đến sóng phản xạ.

Transformer Ut Z Arrester Up Hình 1.1 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét dòng qua chống sét van Trường hợp này dòng định mức chống sét van được chọn theo điều kiện: 2.1) Z Ở đây: Ut là biên độ sóng quá áp truyền đến trạm, kV; Z là tổng sóng đường dây, Ω; Up là mức bảo vệ của chống sét van, kV. Trong đó: Ut lấy bằng với mức cách điện xung của cách điện đường dây, phụ thuộc vào loại cột (cột gỗ, cột thép hoặc cột bê tông cốt thép). Kết luận: Ưu điểm: Phương pháp này đơn giản. Nhược điểm: Không sử dụng được khi chống sét van không đặt tại đầu cực thiết bị cần bảo vệ.2 Phương pháp D.Fulchiron GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 4 HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng Luận văn thạc sỹ 2011 Xét cấu hình trạm biến áp một máy biến áp kết nối với đường dây trên không (Hình 2.

SJ D,C Transformer J Arrester Up Hình 1.2 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét đến khoảng cách phân cách Phương pháp này dựa trên sự chênh lệch mức cách điện xung cơ bản của máy biến áp và mức bảo vệ của chống sét van để xác định được khoảng cách phân cách tối đa D cho phép: C BIL  D≤  Up − (1.2) S 2  Ở đây: BIL là mức cách điện xung cơ bản của máy biến áp, kV; S là độ dốc đầu sóng, kV; C là tốc độ truyền sóng trên đường dây, C = 300 m/µs. Kết luận: Phương pháp này có ưu điểm là có xét đến khoảng cách phân cách cho phép giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp. Tuy nhiên vẫn chưa tính đến thời gian đầu sóng và sóng phản xạ.3 Phương pháp Benoît de Metz-Noblat Phương pháp này có xét đến độ dốc đầu sóng (T), sóng phản xạ trong các trường hợp khác nhau. Sét xung quá điện áp lan truyền theo đường dây đi vào trạm biến áp được bảo vệ bằng chống sét van (Hình 1.3) GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 5 HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng Luận văn thạc sỹ 2011 Đường dây Z CSV Z D, C, τ MBA Hình 1.3 Sơ đồ mạch (đường dây và trạm biến áp) dùng trong nghiên cứu truyền sóng quá điện áp sét Những thành phần trong Hình 1.

Đường dây: Z là tổng trở sóng đường dây, Ω C là tốc độ truyền sóng trên đường dây, m/µs D là khoảng cách giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp, m τ = D/C là thời gian truyền sóng giữa hai điểm A và B b. Chống sét van: Up là mức bảo vệ của chống sét van, kV Đặc tuyến bảo vệ phi tuyến lý tưởng. Hệ thống nối đất: Có tổng trở gần bằng không d. Dây nối: Giữa đường dây và chống sét van, chống sét van đến đất không đáng kể.

Máy biến áp: Có tổng trở đầu vào lớn hơn nhiều so với tổng trở đường dây Z f. Sóng quá điện áp: Độ dốc đầu sóng S = du/dt; Thời gian sóng quá điện áp tăng từ giá trị 0 đến giá trị Up là T = Up/S. Giá trị quá điện áp cực đại trên đầu cực máy biến áp được xem xét trong 3 trường hợp tương ứng với quan hệ của giá trị T theo τ (Bảng 1.1) GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh 6 HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng Luận văn thạc sỹ 2011 Bảng 1.1 Điện áp cực đại trên máy biến áp được bảo vệ bằng chống sét van Điện áp cực đại TT Trường hợp Giải thích trên MBA C.U p Sóng với độ dốc S, khoảng cách D lớn. Khoảng cách D> phân cách D không ảnh hưởng đến điện áp cực đại trên 1 2.

Chống sét van hạn chế điện áp này ở mức hay T < 2τ 2Up 2.U p Up + Sóng với độ dốc S, khoảng cách D lớn. Khoảng cách D< C phân cách D có ảnh hưởng đến điện áp cực đại trên máy 2.