Tối ưu hóa Hệ thống bù dọc 500kV: Tăng cường khả năng truyền tải điện

Tụ bù dọc lắp đặt tại TBA 500kV Nobel (Canada)

Do nhu cầu năng lượng tăng ở nhiều nơi trên thế giới, truyền tải điện cần phải được phát triển tương ứng. Tuy nhiên, việc đầu tư xây dựng các đường dây truyền tải điện rất tốn kém về chi phí và thời gian và có thể tác động đến môi trường nghiêm trọng. Đây cũng là thách thức không nhỏ đối với nhiều công ty truyền tải điện trên thế giới, trong đó có Việt Nam, nhất là trong bối cảnh nguồn tài chính còn eo hẹp.

Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật ngày nay, ngành điện có thể giải quyết bài toán nêu trên bằng giải pháp bù dọc để tăng khả năng truyền tải điện của đường dây dài hiện hữu.

Theo các chuyên gia năng lượng, bù dọc là phương pháp nối tiếp các thiết bị bù, thông thường là bộ tụ điện tĩnh (hoặc máy bù đồng bộ) được lắp chen vào các đường dây truyền tải điện dùng trong hệ thống điện truyền tải xa. Tác dụng của bù dọc là nhằm thay đổi giá trị điện kháng của đường dây.

Đại diện Công ty ABB – một công ty hàng đầu thế giới về thiết bị điện cho biết, việc lắp các tụ bù dọc là nhằm mục đích nâng cao khả năng truyền tải của đường dây tải điện mà không làm mất độ ổn định góc pha hoặc điện áp; nâng cao sự ổn định góc pha và điện áp mà không giảm công suất truyền tải điện; đồng thời, giảm số lượng các đường dây truyền tải điện; giảm tổn thất điện áp trên đường dây, giảm quá điện áp phục hồi TRV.

Vì những ưu điểm này, tụ bù dọc đã được sử dụng phổ biến ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Đơn cử như Công ty Truyền tải và phân phối điện Hydro One (tỉnh Ontario, Canada). Hiện Hydro One đang vận hành hai tụ bù dọc vừa được lắp đặt trong thời gian gần đây trên lưới truyền tải 500 kV của họ ở địa phương. Mỗi tụ bù dọc với điện kháng định mức 750 MVAr ở điện áp hệ thống 500kV. Thiết bị và giải pháp do ABB cung cấp thông qua đấu thầu công khai, minh bạch và đáp ứng được tất cả các thông số về tiêu chuẩn kỹ thuật, chất lượng, chi phí vòng đời, chi phí vốn đầu tư và kinh nghiệm thực hiện dự án tương tự.

Trên thực tế, để có thể thắng thầu, các nhà khoa học của ABB đã phải tốn nhiều công sức nghiên cứu thực tế tuyến đường dây 500kV từ trạm biến áp (TBA) Hanmer tới TBA Essa. Kết quả cho thấy nếu lắp tụ bù dọc sẽ làm tăng điện áp quá độ phục hồi (TRV -Transient recovery voltage) của các máy cắt trên đường dây (sự phản ứng của hệ thống đến dòng cắt là nguyên nhân sinh ra TRV) vì vậy ABB đã tuân theo khuyến nghị của tiêu chuẩn IEC-60143 về tối ưu hóa hệ thống bù dọc bằng việc lựa chọn cấp bảo vệ cho tụ bù dọc theo trong phạm vi từ 2 – 2.5 pu và kết hợp sử dụng Thiết bị bảo vệ nhanh (Fast Protective Device - FPD) cho tụ bù dọc để không làm tăng TRV, đồng thời giảm năng lượng tiêu thụ đi qua MOV, tiết kiệm chi phí.

ABB đã đưa ra thiết kế sơ đồ một sợi theo đó, mỗi bộ tụ bù dọc bao gồm ba bộ tụ một pha. Hệ thống các thiết bị bảo vệ tụ bù dọc bao gồm một thiết bị hấp thu năng lượng (MOV), Damping reactor (CLDE), thiết bị bảo vệ nhanh (Fast Protective Device) và một máy cắt By-pass loại SF6, với cuộn đóng kiểu lò xo. Các MOV đã được thiết kế để chịu được năng lượng từ những sự cố bên ngoài. Mỗi tụ bù dọc được kết nối và ngắt kết nối từ các dao cách ly.

Công nghệ của ABB sẽ giúp hỗ trợ cho mất cân bằng pha. Cụ thể, trở kháng trên các pha của đường dây truyền tải trong một số trường hợp là không cân bằng làm hạn chế khả năng truyền tải của đường dây 500kV, do đó, tạo ra dòng ngắn mạch khác nhau giữa các pha. Để hạn chế sự khác biệt này, các giá trị MOV đã được thiết lập khác nhau giữa các pha cho cả hai tụ bù dọc ở hai đầu của đường dây truyền tải. Để đơn giản hóa việc thiết kế, giá trị MOV được lựa chọn tương tự nhau cho mỗi pha ở các đầu đối điện của đường dây.

Đi cùng với đó, thiết bị bảo vệ nhanh FPD (một thiết bị chuyển mạch rất nhanh với công suất lớn và được đặt trong vỏ bọc kín, gọi là CapThor ™), được sử dụng thay thế cho khe hở phóng điện không khí TAG truyền thống. FPD làm việc kết hợp với MOV đảm bảo dòng điện đi qua một cách có kiểm soát để giảm tiêu hao năng lượng trong MOV. Ưu điểm của FPD là nhỏ gọn hơn, không bị ảnh hưởng bởi môi trường, có độ nhạy cao ngay ở ngưỡng dòng sự cố thấp, tiết kiệm năng lượng MOV, đặc biệt rất linh hoạt để nâng cấp hàng tụ bù dọc trong tương lai.

Việc vận hành các tụ bù sẽ được điều khiển dựa trên MACH 2 thông qua phần mềm máy tính. Các tụ bù dọc có thể được điều khiển từ hai vị trí khác nhau. Một là điều khiển tại chỗ được thực hiện trong phòng điều khiển tụ bù dọc có một trạm làm việc điều hành (OWS) dựa trên một máy tính cá nhân. Hai là điều khiển từ một trung tâm điều khiển từ xa thông qua một trạm Gateway (GWS).

Hệ thống này có các lợi ích như không cần sử dụng thiết bị rơle bảo vệ trên nền tảng EHV; Các cảm biến quang điện được cung cấp hoàn toàn bằng phương pháp ánh sáng. Bằng những công nghệ tiên tiến, ABB đã tích hợp các chức năng sẵn có trong các tụ bù dọc như bảo vệ mất cân bằng, chống quá tải, giám sát dòng điện, bảo vệ phóng điện bề mặt, bảo vệ quá tải và sự cố cho MOV, By-pass, CapThor ™...

Theo các chuyên gia, việc lắp đặt một tụ bù dọc trên lưới điện truyền tải có thể gây ra sự gia tăng đáng kể vào biên độ của điện áp quá độ xuất hiện khi mở máy cắt đường dây để loại trừ sự cố trên đường dây. Điện áp, xuất hiện khi thực hiện đóng cắt máy cắt đường dây, được gọi là quá điện áp phục hồi (TRV). TRV tăng là do điện áp bị tích lũy trên các tụ bù dọc khi máy cắt đường dây được mở ra. Để hạn chế tách động này thiết bị bảo vệ nhanh (FPD) được kích hoạt, cho phép by-pass dòng điện rất nhanh qua các tụ bù dọc kết hợp với đóng máy cắt đường dây của đường dây có lắp đặt các bộ tụ bù dọc. Điều này có nghĩa tác động của quá trình phóng điện của các tụ bù dọc được loại bỏ, và không làm tăng thêm TRV cho các máy cắt đường dây.

Mô phỏng trên PSCAD được thực hiện với nhiều loại sự cố, vị trí sự cố, dạng sóng sự cố và thời gian by-pass khác nhau. Có thể kết luận rằng miễn là các tụ bù dọc có thể hoàn toàn bypass trong 2 ms (mili giây) trước khi mở cực đầu tiên của máy cắt, thì TRV được giảm đến một mức độ chấp nhận được.

Thông qua thử nghiệm Zone Trip Tests đã chứng minh tính hiệu quả của việc thiết kế; thiết bị bảo vệ nhanh đã phóng điện cả ba pha trong vòng 6 ms khi nhận được tín hiệu điều khiển từ xa với độ trễ truyền tin và đã thực hiện thành công quá trình cắt.

Từ kết quả thực tế của hai tụ bù dọc được lắp đặt trên đường dây 500kV Hanmer-Essa của lưới điện Ontario, Canada cho thấy tính hiệu quả của giải pháp công nghệ mà ABB đưa ra. Đó là tối ưu hóa hệ thống tụ bù dọc bằng cách lựa chọn cấp bảo vệ theo tiêu chuẩn IEC - 60143, và kết hợp với công nghệ mỏ phóng nhanh FPD, đã làm tăng sự ổn định truyền tải của đường dây cao áp, đảm bảo sự an toàn trong vận hành, tăng độ tin cậy cấp điện. Đặc biệt, nếu áp dụng rộng rãi sẽ giảm bớt chi phí đầu tư đường dây mới.