Vận hành hệ thống điện: Kinh tế & chất lượng

Vận hành hệ thống điện đòi hỏi sự tuân thủ nghiêm ngặt các qui trình, qui phạm của ngành, quốc gia và nhà cung cấp. Qui trình vận hành được xây dựng dựa trên các hướng dẫn vận hành, bảo trì, bảo dưỡng thiết bị, đồng thời xét đến đặc điểm công nghệ của hệ thống. Hệ thống điện là một hệ thống thống nhất, sự thay đổi của một thành phần ảnh hưởng đến các phần tử khác, dù cách xa hàng trăm km. Vì vậy, sự thống nhất trong điều khiển và vận hành là cần thiết để duy trì chất lượng lưới điện ở mức độ hợp lý. Để đảm bảo tính kinh tế, cần xác định phân bố công suất tối ưu, lựa chọn tổ hợp các phần tử giảm thiểu tổn hao (tổn hao cố định và tổn hao thay đổi), và đảm bảo giá thành sản xuất, truyền tải, phân phối thấp nhất.

Thử nghiệm các phần tử hệ thống nhằm kiểm tra và đánh giá tình trạng thiết bị. Khối lượng công việc phụ thuộc vào từng loại thiết bị và mục đích thử nghiệm. Thử nghiệm có thể tiến hành tại hiện trường hoặc phòng thí nghiệm. Các công việc thử nghiệm được thực hiện theo phiếu công tác, yêu cầu rõ ràng, đầy đủ chữ ký của thành viên tham gia. Người vận hành, sửa chữa thiết bị phải có đủ trình độ chuyên môn và bậc an toàn phù hợp. Thao tác đóng cắt thiết bị cao áp phải do hai người thực hiện, người thực hiện có bậc an toàn trên bậc 3 và người giám sát có bậc an toàn trên 4, cùng chịu trách nhiệm. Việc nghiên cứu chế độ nhiệt của thiết bị điện rất phức tạp, phụ thuộc nhiều yếu tố như dòng điện, điện áp, tần số, tổn thất, cấu trúc vật liệu, môi trường… Tuổi thọ thiết bị điện phụ thuộc vào chế độ làm việc và điều kiện làm mát.

Chế độ nhiệt của máy biến áp (MBA) khi làm việc bình thường đạt giá trị ổn định nhờ quá trình trao đổi nhiệt với hệ thống làm mát. Với điều kiện làm việc định mức, tuổi thọ MBA có thể lên đến 25-30 năm. Điểm nóng nhất của MBA là cuộn dây, nhiệt độ giảm dần đến bề mặt tiếp xúc với môi trường. Nhiệm vụ của nhân viên vận hành là giữ cho nhiệt độ các phần tử nóng nhất không vượt quá giá trị cho phép. Phụ tải cho phép lâu dài được cung cấp dưới dạng bảng biểu và biểu đồ sau khi thử nghiệm. Sự đốt nóng tiếp điểm trong mạch điện là do điện trở quá độ lớn, phụ thuộc vào lực ép giữa các điện cực. Các bộ điều chỉnh tốc độ và bộ bảo vệ vượt tốc trên tuabin giúp duy trì tốc độ quay ổn định và tránh vượt quá tốc độ cho phép.

Một trong những yếu tố quan trọng nhất để tối ưu hóa kinh tế hệ thống điện là xác định được sự phân bố công suất tối ưu giữa các phần tử trong hệ thống. Điều này giúp giảm thiểu tổn hao điện năng, bao gồm cả tổn hao cố định (tổn hao không tải) và tổn hao thay đổi (tổn hao phụ thuộc hệ số mang tải). Lựa chọn tối ưu tổ hợp các phần tử trong hệ thống cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu tổn hao này. Mục tiêu cuối cùng là đảm bảo giá thành sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng ở mức thấp nhất có thể. Việc lựa chọn số lượng máy biến áp làm việc song song cũng được tính toán kỹ lưỡng để tối thiểu hóa chi phí tổn thất điện năng trong mạng lưới.

Để đạt được hiệu quả kinh tế cao nhất, cần cân bằng suất tăng chi phí giữa các tổ máy. Nguyên lý là nếu hai tổ máy làm việc song song với suất tăng chi phí khác nhau, việc tăng công suất của tổ máy có suất tăng chi phí thấp hơn và giảm công suất của tổ máy có suất tăng chi phí cao hơn sẽ làm giảm chi phí sản xuất điện năng chung. Quá trình này được lặp lại cho đến khi suất tăng chi phí của cả hai tổ máy bằng nhau. Nếu bỏ qua ảnh hưởng của tổn thất, bài toán phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy tương tự như phân bố công suất tối ưu giữa các tổ máy, tức là suất tăng chi phí của tất cả các nhà máy phải bằng nhau. Tổn thất điện năng trong mạng điện phụ thuộc nhiều vào công suất phản kháng Q của máy biến áp, và lượng công suất Q thường gấp 3-4 lần công suất tác dụng P.

Một số biện pháp cụ thể để cải thiện chế độ làm việc kinh tế của hệ thống điện bao gồm: san bằng đồ thị phụ tải bằng cách lắp đặt công tơ nhiều biểu giá để khuyến khích người tiêu dùng sử dụng điện hợp lý hơn; nâng cao hệ số cosφ bằng cách giảm điện áp động cơ non tải, đổi tổ đấu dây động cơ, tăng cường sử dụng phụ tải 3 pha, và chọn thiết bị điện hợp lý, tránh để thiết bị làm việc quá non tải; điều chỉnh điện áp trung tâm và tại các trạm biến áp để duy trì mức điện áp cần thiết cho các hộ tiêu dùng. Điều chỉnh điện áp trung tâm được thực hiện bằng cách thay đổi công suất phản kháng của máy phát và máy bù đồng bộ, thay đổi hệ số máy biến áp. Điều chỉnh điện áp tại trạm biến áp được thực hiện bằng cách thay đổi các đầu phân áp và dung lượng thiết bị bù. Việc theo dõi thường xuyên và điều chỉnh kịp thời là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả kinh tế.

Hệ số cosφ thấp, thường do thiết bị làm việc non tải, dẫn đến tăng tổn thất trong hệ thống. Để nâng cao hệ số cosφ, cần áp dụng các biện pháp như: giảm điện áp ở động cơ làm việc non tải; đổi tổ đấu dây động cơ từ tam giác sang sao; tăng cường sử dụng phụ tải 3 pha để giảm độ bất đối xứng của lưới điện; và chọn thiết bị điện hợp lý, tránh để thiết bị hoạt động ở chế độ quá non tải. Việc làm việc non tải không chỉ làm giảm hệ số cosφ mà còn làm tăng công suất phản kháng, dẫn đến sụt giảm điện áp hệ thống. Giảm tần số cũng dẫn đến thiếu hụt công suất phản kháng, gây quá tải máy phát nếu không có dự phòng. Trong trường hợp này, giảm dòng kích từ sẽ làm giảm điện áp và ảnh hưởng đến các thông số khác của hệ thống. Tần số giảm làm suy giảm năng suất thiết bị, đặc biệt nguy hiểm đối với nhà máy điện, có thể gây ngưng trệ toàn nhà máy nếu không xử lý kịp thời.

Điều chỉnh điện áp trung tâm nhằm duy trì mức điện áp cho phép tại các nút kiểm tra. Nhân viên vận hành thay đổi đại lượng đặt của bộ điều chỉnh kích từ hoặc thiết bị hiệu chỉnh độc lập theo đồ thị điện áp hàng ngày. Việc giảm kích từ để giảm tải máy phát có thể gây suy giảm điện áp hệ thống nghiêm trọng, buộc nhân viên vận hành ở các nhà máy khác cũng phải thực hiện tương tự. Trong trường hợp này, cần nhanh chóng đưa máy phát và máy bù đồng bộ dự trữ vào hoạt động. Nếu vẫn không hiệu quả, phải tận dụng khả năng quá tải của máy phát trong thời gian nhất định để tránh điện áp xuống dưới mức giới hạn. Khi điện áp giảm xuống dưới mức cực tiểu cho phép, cần sử dụng toàn bộ công suất phản kháng dự trữ nóng.

Điều chỉnh điện áp trung tâm không đủ để duy trì mức điện áp cần thiết tại đầu vào của các hộ tiêu dùng, đặc biệt trong mạng điện lớn. Do đó, cần điều chỉnh điện áp phân tán (cục bộ) bằng cách thay đổi đầu phân áp tại các trạm biến áp trung gian và phân phối, cũng như thay đổi dung lượng các thiết bị bù. Mức điện áp tại các điểm nút phụ thuộc vào sự cân bằng công suất phản kháng, trong khi phụ tải liên tục thay đổi. Điều độ viên cần theo dõi thường xuyên để điều chỉnh kịp thời và hiệu quả. Đối với trạm biến áp phục vụ sinh hoạt, do phụ tải mùa đông và mùa hè chênh lệch lớn, nên cần điều chỉnh các nấc máy biến áp hàng quý cho phù hợp.

Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống điện là cung cấp điện đủ số lượng và chất lượng. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, việc cung cấp điện có thể bị giảm về số lượng hoặc chất lượng, phụ thuộc vào độ tin cậy của hệ thống. Sự cố là những hỏng hóc ngẫu nhiên của thiết bị gây gián đoạn cung cấp điện. Sự gián đoạn còn có thể do dự báo nhu cầu năng lượng thiếu chính xác hoặc các hiện tượng thiên nhiên như hạn hán, bão lụt, sấm sét. Độ tin cậy trên phương diện kinh tế được xem xét theo thiệt hại do mất điện. Thiệt hại này rất đa dạng, bao gồm cả những thiệt hại khó lượng hoá được như uy tín chính trị, ngoại giao, tinh thần. Các nhóm phụ tải bị ảnh hưởng bởi mất điện cũng có mức độ thiệt hại khác nhau: nhóm 1 chỉ thiếu hụt sản phẩm; nhóm 2 thiếu hụt sản phẩm và rối loạn quy trình công nghệ; nhóm 3 ngoài rối loạn quy trình còn làm hỏng thiết bị. Nguyên nhân do người vận hành gây ra chiếm tỷ lệ khá lớn, nên nâng cao trình độ lý thuyết và tay nghề cho nhân viên vận hành là giải pháp quan trọng.

Mục tiêu của các hoạt động độc lập là nhanh chóng loại trừ nguy hiểm đến tính mạng con người và thiết bị, khôi phục cung cấp điện và tách riêng khu vực sự cố. Một số thao tác bị cấm thực hiện để tránh sự cố lan rộng, ví dụ: đóng đường dây mang tải song song chưa kiểm tra đồng bộ; đóng đường dây bị cắt tự động do thiếu hụt công suất nguồn. Các sự cố có thể liên quan đến mất đồng bộ của tổ máy hoặc nhà máy điện nhỏ. Các biện pháp phòng ngừa tập trung vào việc lựa chọn giải pháp hợp lý khi tách tổ máy phát khỏi hệ thống mà không gây thiếu hụt công suất, suy giảm điện áp và tần số. Cần tăng tốc độ cắt sự cố xuống còn 0,04 ÷ 0,08 giây để loại trừ khả năng làm tan rã hệ thống do mất ổn định động. Sử dụng thiết bị tự động điều chỉnh kích từ và tự động giảm tải theo tần số giúp loại trừ sự cố nhẹ nhàng hơn, ngăn chặn suy giảm điện áp và tần số.

Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ giúp nhanh chóng khôi phục suất điện động của máy phát, tăng moment điện từ và tạo ra công suất phản kháng để ngăn chặn suy giảm điện áp. Cơ cấu tự động điều chỉnh kích từ cần luôn ở chế độ sẵn sàng. Sự cố trong sơ đồ chính của nhà máy điện là cực kỳ nghiêm trọng và nguy hiểm, thường dẫn đến suy giảm công suất máy phát, suy giảm tần số, phá vỡ chế độ làm việc song song của các tổ máy phát và phá vỡ sự cân bằng công suất trong hệ thống. Vận hành viên phải thường xuyên thông báo về tình trạng làm việc của các tổ máy phát. Việc tăng tốc độ quay tuabin không diễn ra quá nhanh, khi tốc độ quay gần tốc độ định mức thì hệ thống điều khiển tuabin bắt đầu hoạt động và việc tăng tốc được thực hiện nhờ thiết bị đồng bộ.