BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NINH VĂN NAM NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM SỰ CỐ DO SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN TRÊN KHÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NINH VĂN NAM NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM SỰ CỐ DO SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN TRÊN KHÔNG Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM HỒNG THỊNH PGS.TS TRẦN VĂN TỚP Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân dựa hướng dẫn tập thể hướng dẫn khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Các kết đạt luận án xác, trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2020 XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN GV HƯỚNG DẪN GV HƯỚNG DẪN TÁC GIẢ LUẬN ÁN TS Phạm Hồng Thịnh PGS.TS Trần Văn Tớp Ninh Văn Nam i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, TS Phạm Hồng Thịnh PGS.TS Trần Văn Tớp trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học suốt trình nghiên cứu Hai thầy dành nhiều thời gian tâm huyết, hỗ trợ mặt để tơi hồn thành luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng đào tạo - Bộ phận đào tạo Sau đại học, Viện Điện Bộ môn Hệ thống Điện tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh suốt trình học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, Giảng viên Bộ môn Hệ thống điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tận tình hỗ trợ giúp đỡ trình thực luận án Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban Chủ nhiệm khoa Điện tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt thời gian qua Xin chân thành cảm ơn quan tâm, giúp đỡ động viên đồng nghiệp trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn cán Công ty truyền tải điện 1, Công ty lưới điện cao miền Bắc, cán Viện Năng Lượng TS Nguyễn Thái Thành trường Đại học Quốc gia Incheon Hàn Quốc giúp đỡ thực luận án Cuối cùng, thực cảm động biết ơn đến người vợ yêu quý hai thân yêu Ông Bà nội ngoại hai bên bên tác giả lúc khó khăn, mệt mỏi, để động viên, hỗ trợ tài tinh thần suốt trình nghiên cứu hồn thiện luận án Tác giả luận án Ninh Văn Nam ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .viii DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ xi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu 3 Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Các đóng góp luận án Cấu trúc nội dung luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 1.1 Tổng quan cố sét đường dây truyền tải 1.1.1 Quy mô phát triển đường dây truyền tải Việt Nam 1.1.2 Tình hình giơng sét Việt Nam 1.1.3 Tình hình cố sét đường dây truyền tải Việt Nam 11 1.1.4 Tình hình cố sét đường dây truyền tải giới 13 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước tính tốn chống sét cho đường dây truyền tải 14 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước giải pháp chống sét cho đường dây truyền tải 15 1.3.1 Lắp đặt CSV 15 1.3.2 Sử dụng dây nối đất phía 16 1.3.3 Sử dụng cách điện không đối xứng 16 1.3.4 Bỏ dây chống sét thay CSV 17 1.4 Những vấn đề tồn hướng nghiên cứu 17 1.4.1 Những vấn đề tồn 17 1.4.2 Lựa chọn hướng nghiên cứu 18 1.5 Kết luận 19 CHƯƠNG TÍNH TỐN Q ĐỘ ĐIỆN TỪ DO SÉT TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 20 iii 2.1 Truyền sóng đường dây truyền tải 20 2.1.1 Cơ sở lý thuyết 20 2.1.2 Truyền sóng hệ nhiều dây 21 2.2 Ảnh hưởng thông số đường dây đến điện áp sét 22 2.2.1 Đặt vấn đề 22 2.2.2 Tổng dẫn Y0 đường dây 23 2.2.3 Tổng trở dọc đường dây Z0 24 2.2.3.1 Ma trận tổng trở Zext 24 2.2.3.1.Ma trận tổng trở Zint 25 2.3 Tổng trở sóng phương trình truyền sóng sét hệ số ngẫu hợp 26 2.3.1 Trường hợp đường dây dây chống sét 27 2.3.2 Trường hợp đường dây hai dây chống sét 27 2.4 Tính tốn điện áp sét cách điện 28 2.4.1 Khi sét đánh đỉnh cột 28 2.4.2 Khi sét đánh vào dây pha 30 2.5 Mô điện áp sét chương trình tính tốn q độ điện từ EMTP 30 2.5.1 Giải phương trình truyền sóng EMTP 31 2.5.1.1 Truyền sóng hệ dây 31 2.5.1.2 Truyền sóng hệ nhiều dây 32 2.5.2 Mơ hình phần tử EMTP 33 2.5.2.1 Mơ hình nguồn sét 33 2.5.2.2.Mơ hình cột 33 2.5.2.3.Mơ hình đường dây 35 2.5.2.4.Mơ hình điện trở tiếp địa cột 36 2.5.2.5 Mơ hình chuỗi cách điện khe hở phóng điện 37 2.5.2.6 Mơ hình CSV 38 2.6 Áp dụng EMTP tính tốn điện áp sét đường dây truyền tải 38 2.6.1 Ảnh hưởng thông số đến hệ số K DCS dây pha 39 2.6.3 Kết mô QĐA sét cách điện đường dây truyền tải 44 2.7 Kết luận 46 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN SUẤT CẮT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 48 3.1 Phương pháp mơ hình điện hình học 48 iv 3.1.1 Suất cắt sét đánh đỉnh cột khoảng vượt dây chống sét (BFR) 48 3.1.2 Suất cắt sét đánh vào dây dẫn (SFFOR) 49 3.2 Phương pháp mô Monte Carlo 51 3.2.1 Trình tự tính tốn phương pháp mô Monte Carlo 52 3.2.2 Áp dụng tính tốn 55 3.3 Kết luận 57 CHƯƠNG ỨNG DỤNG CHỐNG SÉT VAN CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 59 4.1 Giới thiệu chống sét van 59 4.1.1 Quá trình phát triển chống sét van 59 4.1.2 Cấu tạo CSV 60 4.1.3 Ứng dụng CSV 61 4.2 CSV đường dây 61 4.2.1 Nguyên tắc làm việc CSV đường dây 61 4.2.2 Đặc tính làm việc CSV đường dây 62 4.2.3 Điện áp làm việc liên tục 63 4.2.4 Khả hấp thụ lượng CSV đường dây 63 4.2.5 Các loại chống sét van đường dây 64 4.3 Hiệu lắp đặt CSV cho đường dây truyền tải 65 4.4 Ảnh hưởng thông số đường dây tới suất cắt lắp đặt chống sét van 66 4.4.1 Ảnh hưởng chiều cao cột 66 4.4.2 Ảnh hưởng chiều dài khoảng vượt 67 4.4.3 Ảnh hưởng điện trở tiếp địa cột 67 4.6 Suất cắt sét theo số lượng CSV lắp đặt 70 4.7 Lựa chọn vị trí lắp đặt CSV theo cấu hình đường dây 71 4.7.1 Đường dây 220 kV 71 4.7.1.1 Đường dây 220 kV hai mạch hai DCS 71 4.7.1.2 Đường dây 220 kV mạch DCS 73 4.7.2 Đường dây 110 kV 74 4.7.2.1 Đường dây 110 kV hai mạch DCS 74 4.7.2.2 Đường dây 110 kV mạch DCS 75 4.8 Năng lượng hấp thụ CSV 77 4.8.1 Năng lượng hấp thụ CSV theo cấp điện áp 77 v 4.8.2 Năng lượng hấp thụ CSV theo điện trở tiếp địa cột 77 4.8.3 Năng lượng hấp thụ CSV theo trị số dòng điện sét 79 4.8.4 Phân bố lượng hấp thụ CSV pha 81 4.9 Lắp đặt chống sét van rời rạc đường dây 83 4.9.1 Cơ chế phóng điện lắp CSV rời rạc 83 4.9.1.1 Khi sét đánh đỉnh cột DCS 84 4.9.1.2 Khi sét đánh dây pha 84 4.9.2 Các kết mô 85 4.9.2.1 Trường hợp lắp CSV 85 4.9.2.2 Trường hợp lắp CSV 87 4.9.2.3 Trường hợp lắp CSV 88 4.9.2.4 Trường hợp sét đánh dây pha 89 4.9.3 Tổng kết 90 4.10 Kết luận 91 CHƯƠNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHỐNG SÉT KẾT HỢP SỬ DỤNG CSV CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 92 5.1 Phương pháp sử dụng chống sét van kết hợp với cách điện không đối xứng 92 5.1.1 Cơ sở phương pháp 92 5.1.2 Kết mô 93 5.2 Phương pháp sử dụng CSV kết hợp với DCS treo phía 94 5.2.1 Cơ sở phương pháp 94 5.2.2 Kết mô 95 5.3 Phương pháp CSV sử dụng thay cho DCS 98 5.3.1 Cở sở phương pháp 98 5.3.2 Số lần sét đánh vào đường dây 99 5.3.3 Suất cắt đường dây CSV sử dụng thay cho DCS 100 5.4 Phương pháp sử dụng CSV kết hợp với dây UGW đường dây DCS 100 5.5 Kết luận 102 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104 Đóng góp khoa học luận án 104 Kiến nghị nghiên cứu 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113 vi PHỤ LỤC 114 PL Chương trình mơ phóng điện cách điện đường dây 500 kV EMTP/ATP 114 PL Chương trình mơ phóng điện cách điện đường dây 220 kV EMTP/ATP 115 PL Chương trình mơ phóng điện cách điện đường dây 110 kV EMTP/ATP 116 PL Đặc tính V- A CSV 117 PL Cấu trúc cột hai mạch cột mạch thơng số mơ hình mơ EMTP 118 PL Dịng điện sét lớn đánh vào dây pha theo mơ hình điện hình học 121 PL Các trị số điện trở điện cảm tầng mơ hình cột nhiều tầng EMTP/ATP 121 PL.8 Mơ hình phần tử EMTP/ATP 122 PL.9 Chương trình tính tốn suất cắt Matlab 124 PL10 Chương trình Matlab tính theo phương pháp Monte Carlo 128 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BFR BIL CĐĐX CĐKĐX CIGRE CSV Dc DCS DD Dg EGLA EVN EGM EMTP/ATP Ic IEC IEEE Im KSF MCOV NASA NC Ng NGC NGLA Nl NPT OHGW P(I > Ic) PTC1 PTC2 PTC3 PTC4 pu QĐA Suất cắt sét đánh vào đường dây gây phóng điện ngược (Back Flashover Rate) Mức chịu đựng xung sét cách điện Cách điện đối xứng Cách điện không đối xứng Conference Internationale des Grands Reseaux Electriques Chống sét van Khu vực sét đánh vào dây dẫn Dây chống sét Dây dẫn Khu vực sét đánh vào dây chống sét Externally Gapped Line Arrester - CSV đường dây khơng khe hở ngồi Tập đồn điện lực Việt Nam Mơ hình điện hình học Electromagnetic transient program/Alternative Transients Programme Dòng điện sét nhỏ gây phóng điện cách điện sét đánh vào đường dây International Electrotechnical Commission Viện kỹ sư kỹ thuật điện điện tử (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Cường độ dòng điện sét lớn đánh vào dây dẫn Hệ số khoảng vượt (Maximum Continuous Operating Voltage)- điện áp làm việc lớn cho phép liên tục CSV National Aeronautics and Space Administration Suất cắt tổng cộng, bao gồm sét dây chống sét dây dẫn Mật độ giông sét Công ty lưới điện cao Miền Bắc Non Gapped Line Arrester - CSV đường dây không khe hở Số lần sét đánh vào đường dây Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia Dây chống sét chạy bên (Overhead Ground Wire ) Xác suất xuất dịng điện sét có cường độ lớn Ic Công ty truyền tải điện Công ty truyền tải điện Công ty truyền tải điện Công ty truyền tải điện Per unit system - Giá trị hệ đơn vị tương đối Quá điện áp viii Rtd SCADA SFFOR Sg SVL TBA tf TT UA, B, C Ucđ Udd Uđc UGW v Zcột Zdcs Zdd Điện trở tiếp địa cột Hê thống giám sát, điều khiển thu thập xử lý liệu Suất cắt sét đánh vào dây dẫn (Shielding Failure Flashover Rate) Khoảng cách hai dây chống sét Bộ hạn chế điện áp vỏ cáp (Sheath Voltage Limiter) Trạm biến áp Thời gian đầu sóng dịng điện sét Thời gian truyền sóng cột Điện áp pha A, pha B pha C Điện áp cách điện Điện áp dây dẫn Điện áp đỉnh cột Dây chống sét chạy phía (Under Built Ground Wire) Vận tốc truyền sóng Tổng trở sóng cột Tổng trở sóng dây chống sét Tổng trở sóng dây dẫn ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Chỉ tiêu suất cắt đường dây truyền tải 220 kV 500 kV 12 Bảng 1.2 Chỉ tiêu suất cắt đường dây 110 kV NGC 13 Bảng 2.1 Số liệu dây dẫn, dây chống sét 39 Bảng 2.2 Số liệu kích thước cột 39 Bảng 3.1 Tham số hàm phân bố log-chuẩn cho dòng điện sét 53 Bảng 3.2 Tham số hàm phân bố điện trở tiếp địa cột 55 x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Quy mơ đường dây 110-220-500 kV từ 2012-2018 Hình 1.2 Chiều dài đường dây truyền tải theo quy hoạch điện VII Hình 1.3 Khối lượng quản lý vận hành đường dây truyền tải đơn vị tính đến năm 2018 Hình 1.4 Bản đồ mật độ giông sét Việt Nam Hình 1.5 Bản đồ Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 10 Hình 1.6 Sự cố theo năm NPT 11 Hình 1.7 Suất cắt sét đường dây truyền tải theo thống kê Công ty truyền tải 11 Hình 1.8 Sự cố theo năm PTC1 12 Hình 1.9 Suất cắt sét theo thống kê số đường dây PTC1 quản lý 12 Hình 1.10 Sự cố theo năm lưới 110 kV NGC quản lý 13 Hình 1.11 Suất cắt đường dây 110 kV theo thống kê 13 Hình 2.1 Sơ đồ đường dây thơng rải tính tốn truyền sóng 20 Hình 2.2 Sơ đồ mạch xét ảnh hưởng tương hỗ dây với 21 Hình 2.3 Phương pháp ảnh xác định hệ số đường dây 23 Hình 2.4 Cách xác định tham số tính tốn tổng trở ngồi đường dây dựa phương pháp ảnh phức 25 Hình 2.5 Trường hợp sét đánh đỉnh cột 28 Hình 2.6 Phân bố dòng điện sét đánh trực tiếp vào dây dẫn 30 Hình 2.7 Mơ hình nguồn điện sét 33 Hình 2.8 Sóng dịng điện sét slope-Ramp 33 Hình 2.9 Cột hai mạch với mơ hình mạch mơ hình mơ EMTP 34 Hình 2.10 Cột mạch với mơ hình mạch mơ hình mơ EMTP 35 Hình 2.11 Thơng số đường dây mạch hai dây chống sét EMTP 35 Hình 2.12 Mơ hình đường dây với cột khoảng vượt 36 Hình 2.13 Số liệu trị số Rtd mơ hình thay chương trình EMTP 37 Hình 2.14 Khe hở phóng điện chuỗi cách điện (a) mơ hình EMTP (b) 37 Hình 2.15 CSV có khe hở ngồi (a), Mơ hình CSV có khe hở ngồi EMTP (b) 38 Hình 2.16 Cấu hình cột hai mạch cột mạch 39 Hình 2.17 So sánh hệ số ngẫu hợp pha với DCS khơng xét có xét dịng trở đất đường dây 220 kV, điện trở suất đất 1000 .m 40 Hình 2.18 So sánh hệ số ngẫu hợp pha với DCS khơng xét có xét dịng trở đất đường dây 110 kV, điện trở suất đất 1000 .m 40 Hình 2.19 Hệ số ngẫu hợp dây pha với DCS theo điện trở suất đất 41 Hình 2.20 Hệ số ngẫu hợp theo số lượng DCS 41 Hình 2.21 Hệ số ngẫu hợp theo cấp điện áp 42 Hình 2.22 Hệ số ngẫu hợp theo tần số dòng điện sét 43 xi Hình 2.23 Hệ số ngẫu hợp dây pha a) mạch, b) hai mạch 43 Hình 2.24 Phân bố điện áp pha cột bị sét đánh 44 Hình 2.25 Sóng QĐA cách điện pha cột 44 Hình 2.26 Biên độ QĐA sét cách điện pha theo trị số Rtđ 45 Hình 2.27 Biên độ QĐA sét cách điện pha theo biên độ dòng điện sét 45 Hình 2.28 Biên độ QĐA sét cách điện pha theo thời gian đầu sóng 46 Hình 3.1 Mơ hình EGM xác định diện tích thu hút sét vào DCS dây dẫn 49 Hình 3.2 Xác định Dc Dg theo mơ hình điện hình học 50 Hình 3.3 Xác suất tích lũy biên độ dịng điện sét theo CIGRE 51 Hình 3.4 Sơ đồ khối ứng dụng phương pháp………………………………………….52 Hình 3.5 Sơ đồ thuật tốn tính tốn suất cắt sét theo phương pháp mô Monte Carlo 54 Hình 3.6 Phân bố giá trị điện trở tiếp địa cột 55 Hình 3.7 So sánh suất cắt đường dây 220 kV Việt Trì – Yên Bái theo phương pháp EGM phương pháp Monte Carlo với thực tế vận hành 56 Hình 3.8 So sánh suất cắt đường dây 110 kV Tiên Yên-Mông Dương theo phương pháp EGM phương pháp Montecarlo với thực tế vận hành 56 Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc vật liệu ZnO 59 Hình 4.2 Ảnh vật liệu ZnO kính hiển vi điện tử 59 Hình 4.3 Các ZnO đúc với đường kính khác dùng cho cấp điện áp khác [92] 60 Hình 4.4 Cấu tạo CSV với cách điện bao sứ 60 Hình 4.5 CSV đường dây 220 kV Thanh Thủy - Hà Giang 61 Hình 4.6 Nguyên tắc làm việc CSV đường dây 62 Hình 4.7 Đặc tính làm việc CSV cấp điện áp 220 kV 63 Hình 4.8 CSV đường dây loại khơng khe hở (a) loại có khe hở (b) 64 Hình 4.9 Cấu hình cột hai mạch đường dây 500 kV, 220 kV 110 kV 65 Hình 4.10 Ngưỡng dịng điện sét nhỏ gây phóng điện cách điện pha khơng lắp CSV 66 Hình 4.11 Ảnh hưởng chiều cao 67 Hình 4.12 Ảnh hưởng chiều dài khoảng vượt tới suất cắt 67 Hình 4.13 Ảnh hưởng điện trở tiếp địa tới suất cắt 68 Hình 4.14 Điện áp cách điện pha A1 trước sau lắp CSV 69 Hình 4.15 Điện áp cách điện pha B1, pha C1 CSV làm việc, Rtđ =10 69 Hình 4.16 Điện áp cách điện pha B1, pha C1 CSV làm việc, Rtđ =40 70 Hình 4.17 Suất cắt đường dây với trường hợp lắp CSV khác 70 Hình 4.18 Suất cắt đường dây 220 kV hai mạch hai DCS lắp CSV 72 Hình 4.19 Tỉ lệ % dịng điện sét qua DCS qua Rtđ 72 Hình 4.20 Suất cắt đường dây 220 kV hai mạch hai DCS lắp CSV 72 Hình 4.21 Suất cắt đường dây 220 kV hai mạch hai DCS lắp CSV 73 Hình 4.22 Suất cắt đường dây 220 kV mạch DCS lắp CSV 73 Hình 4.23 Suất cắt đường dây 220 kV mạch DCS lắp CSV 74 xii Hình 4.24 Suất cắt đường dây 110 kV hai mạch DCS lắp CSV 74 Hình 4.25 Suất cắt đường dây 110 kV hai mạch DCS lắp CSV 75 Hình 4.26 Suất cắt đường dây 110 kV hai mạch DCS lắp CSV 75 Hình 4.27 Suất cắt đường dây 110 kV mạch DCS lắp CSV 76 Hình 4.28 Suất cắt đường dây 110 kV mạch DCS lắp CSV 76 Hình 4.29 Năng lượng hấp thụ CSV sét đánh đỉnh cột với dòng sét Ing sét đánh dây pha với dòng sét Im 77 Hình 4.30 Năng lượng hấp thụ lớn CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo Rtđ dòng sét 300 kA đường dây 500 Kv 78 Hình 4.31 Năng lượng hấp thụ lớn CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo Rtđ dòng sét 300 kA đường dây 220 kV 78 Hình 4.32 Năng lượng hấp thụ lớn CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo Rtđ dòng sét 300 kA đường dây 110 kV 78 Hình 4.33 Năng lượng hấp thụ lớn CSV trường hợp sét đánh dây pha theo Rtđ với dòng điện sét Im 79 Hình 4.34 Năng lượng hấp thụ lớn CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo dòng sét đường dây 500 kV, Rtđ =20  80 Hình 4.35 Năng lượng hấp thụ lớn CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo dòng sét đường dây 220 kV, Rtđ =50  80 Hình 4.36 Năng lượng hấp thụ lớn CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo dòng sét đường dây 110 kV, Rtđ =50  80 Hình 4.37 Phân bố lượng hấp thụ CSV pha trường hợp sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 300 kA 81 Hình 4.38 Phân bố lượng hấp thụ CSV pha đường dây 110 kV trường hợp sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 300 kA theo Rtđ 82 Hình 4.39 Phân bố lượng hấp thụ CSV pha đường dây 220 kV trường hợp sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 300 kA theo Rtđ 82 Hình 4.40 Phân bố lượng hấp thụ CSV pha đường dây 500 kV trường hợp sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 300 kA theo Rtđ 82 Hình 4.41 Cột số khả sét đánh cao thường đơn vị vận hành chọn lắp CSV 83 Hình 4.42 Quá trình truyền sóng sét đánh đỉnh cột có treo CSV pha A 84 Hình 4.43 Q trình truyền sóng sét đánh dây pha cột có lắp đặt CSV pha A 85 Hình 4.44 Điện áp cách điện pha A cột cột chưa lắp CSV 85 Hình 4.45 Điện áp cách điện pha A cột cột lắp CSV 86 Hình 4.46 Phân bố vùng xảy phóng điện cách điện sét đánh vào đỉnh cột2, CSV cột làm việc, Rtđ3 =5 Vùng I: khơng phóng điện, vùng II: phóng điện cách điện cột 3, vùng III: phóng điện cách điện cột 86 Hình 4.47 Phân bố vùng xảy phóng điện pha không treo CSV thay đổi khoảng vượt, Rtđ2 =10 , Rtđ3 =5  87 xiii Hình 4.48 Phân bố vùng xảy phóng điện cách điện sét đánh vào cột 2, CSV cột làm việc, Rtđ3 =5  87 Hình 4.49 Phân bố vùng xảy phóng điện pha không treo CSV thay đổi khoảng vượt, Rtđ2=10 , Rtđ3=5  88 Hình 4.50 Phân bố vùng xảy phóng điện cách điện sét đánh vào cột 2, CSV cột làm việc, Rtđ3 =5  88 Hình 4.51 Phân bố vùng xảy phóng điện pha không treo CSV thay đổi khoảng vượt, Rtđ2=10 , Rtđ3=5  89 Hình 4.52 Quan hệ dịng điện gây phóng điện cột sét đánh dây pha A với Rtđ3 thay đổi từ 10  đến 100  89 Hình 4.53 Quan hệ dịng điện gây phóng điện cột theo chiều dài khoảng vượt sét đánh vào dây pha, Rtđ2=10 , Rtđ3=5  90 Hình 5.1 Minh họa cột nhiều mạch a) hai mạch hai DCS, b) hai mạch DCS, c) bốn mạch hai DCS 93 Hình 5.2 Suất cắt đường dây 94 Hình 5.3 Điện áp cách điện pha A (a), pha B (b), pha C (c) đường dây 220 kV hai mạch 96 Hình 5.4 Điện áp cách điện pha A (a), pha B (b), pha C (c) đường dây 220 kV mạch 97 Hình 5.5 So sánh suất cắt đường dây khơng có có dây UGW theo điện trở tiếp địa cột a) hai mạch, b) mạch 97 Hình 5.6 Giải pháp CSV sử dụng thay cho DCS 99 Hình 5.7 Giải pháp đề xuất cấu hình C1 chuyển thành cấu hình C3 99 Hình 5.8 Số lần sét đánh vào đường dây thay đổi chiều cao cột 100 Hình 5.9 Suất cắt đường dây theo cấu hình C1,C2 C3 100 Hình 5.10 Sử dụng CSV kết hợp với dây UGW đường dây khơng có DCS 101 Hình 5.11 Giải pháp đề xuất cấu hình C3 chuyển thành cấu hình C4 101 Hình 5.12 Suất cắt đường dây sử dụng CSV kết hợp với dây UGW đường dây khơng có DCS 102 xiv MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Yêu cầu đường dây truyền tải tin cậy, ổn định an toàn mục tiêu hàng đầu tất công ty truyền tải điện chống sét vấn đề cần quan tâm công tác vận hành Thống kê Việt Nam cho thấy cố sét chiếm 70% tổng số cố đường dây 220 kV 500 kV [1] 65% đường dây 110 kV [2] Đường dây truyền tải đại ngày trở nên rộng lớn phức tạp với cấu ngày nhiều nguồn lượng mới, đường dây truyền tải có xu hướng sử dụng nhiều đường dây nhỏ gọn (đường dây compact) đường dây tải điện chiều Vì thế, tính tốn chống sét cần phải phù hợp với thay đổi Đặt bối cảnh vậy, vấn đề chống sét cấp thiết không Việt Nam mà quốc gia Thử nghiệm thành công chống sét van (CSV) sử dụng oxit kim loại ZnO cho đường dây 138 kV công ty điện lực Mỹ AEP (American Electric Power) năm 1985 mở giai đoạn hoàn toàn cho bảo vệ chống sét cho đường dây truyền tải [3], lĩnh vực mà trước hồn tồn phụ thuộc vào việc sử dụng dây chống sét (DCS), cột chống sét hệ thống tiếp địa Sử dụng CSV bảo vệ cho đường dây không giới hạn việc tăng độ tin cậy đường dây bảo vệ cách điện đường dây, mà giảm biên độ điện áp lan truyền vào trạm, hạn chế số lần thao tác máy cắt tự động đóng lại, dẫn đến tăng tuổi thọ thiết bị Từ đến nay, CSV đường dây sử dụng ZnO liên tục hoàn thiện phát triển để ứng dụng cho hầu hết cấp điện áp truyền tải sử dụng đến cấp phân phối Đối với hệ thống điện Việt Nam, CSV đường dây xuất lưới 110 kV Việt Nam vào đầu năm 2000 mở rộng lên lưới 220 kV 500 kV Do liên quan đến nhiều vấn đề phức tạp đường dây truyền tải truyền sóng, phóng điện, cảm ứng, tượng phi tuyến phối hợp cách điện, tính toán chống sét sử dụng CSV toán lớn phức tạp thực với phần mềm chun dụng tính tốn q độ điện từ (EMTP/ATP) với nhiều giả thiết đơn giản hóa Với đặc điểm vậy, tính tốn chống sét sử dụng cho đường dây truyền tải chương trình tính toán độ điện từ thường phải dựa nguyên tắc điện áp, nghĩa CSV làm việc để tản dòng điện sét xuống hệ thống nối đất dây pha điện áp đặt lên vượt ngưỡng điện áp an toàn cách điện mà bảo vệ Nguyên tắc bảo vệ dựa giả thiết sau: Vị trí lắp đặt CSV giống toàn đường dây CSV lắp đặt toàn đường dây CSV lắp đặt đường dây truyền tải điện áp xoay chiều pha, cấp điện áp trang bị sẵn DCS Mọi tượng sau CSV làm việc không xét đến, ảnh hưởng dịng điện sét chạy DCS, dây dẫn dòng điện khép mạch đất bị bỏ qua CSV sử dụng biện pháp bảo vệ bổ sung cho đường dây truyền tải biện pháp bảo vệ chống sét sử dụng DCS Với giả thiết vậy, phương pháp tiếp cận điện áp (QĐA) có nhiều hạn chế thực tế khơng cần lắp CSV toàn đường dây mà cần lắp đoạn cần bảo vệ CSV khơng cần phải lắp đặt vị trí giống mà vị trí pha thích hợp tùy thuộc vào tính chất đường dây Quá trình lan truyền dịng điện sét dây dẫn sau CSV làm việc bị bỏ qua, dòng điện sét chạy DCS dây dẫn sau khép mạch qua đất khơng tính đến, dẫn đến ảnh hưởng thông số đường dây, điện trở suất đất, tượng tần số cao dòng điện sét đất bị bỏ qua Mặt khác, đường dây truyền tải ngày có xu hướng thu nhỏ kích thước để hạn chế diện tích hành lang tuyến Xu dẫn đến nhiều đường dây truyền tải sử dụng nhiều cấp điện áp cột, đường dây tải điện chiều có dây pha, đường dây compact với khoảng cách dây pha thu ngắn lại, chí DCS hồn tồn loại bỏ để giảm kích thước đường dây Do đó, vai trị CSV từ thiết bị phụ trợ cho DCS trở thành thành phần chủ đạo chống sét cho đường dây truyền tải Những hạn chế kể với xu đường dây truyền tải đòi hỏi cách tiếp cận khác nghiên cứu chống sét cho đường dây truyền tải sử dụng CSV Trong luận án này, phương pháp tiếp cận dòng điện sét sử dụng nghiên cứu tính tốn sử dụng CSV cho đường dây truyền tải Vai trị thơng số đường dây bao gồm tổng trở sóng dây dẫn DCS, ảnh hưởng điện trở suất đất đến tổng trở sóng đường dây điện áp sét đặt lên cách điện làm rõ Từ xây dựng sở lý thuyết cho việc sử dụng CSV đường dây cấp điện áp khác nhau, cấu hình cột khác nhau, đường dây sử dụng nhiều DCS hay sử dụng DCS phía phía dây dẫn Cơ sở cho phép đề xuất biện pháp bảo vệ chống sét phù hợp tùy thuộc vào cấu hình đường dây truyền tải Quá trình lan truyền dòng điện sét sau CSV làm việc nghiên cứu chi tiết, cho phép xác định điểm yếu khác đường dây sau CSV làm việc Kết nghiên cứu cho phép lý giải tượng thực tế vận hành phóng điện xảy cột có vị trí tưởng tốt mặt chống sét, bị bỏ qua không lắp đặt CSV sử dụng cách tiếp cận cũ phương pháp điện áp Kết cho phép đề xuất giải pháp sử dụng phương pháp lắp đặt CSV rời rạc phù hợp với địa hình, kết hợp với biện pháp khác sử dụng phần tử sẵn có tin cậy đường dây bổ sung cách điện, dùng dây chống sét chạy phía để nâng cao khả chống sét đường dây Những phân tích nêu cho thấy việc thực luận án “Nghiên cứu số giải pháp giảm cố sét cho đường dây truyền tải điện khơng” có đóng góp định cho lĩnh vực nghiên cứu chống sét cho đường dây truyền tải, đặc biệt sử dụng CSV đường dây Ngoài đóng góp mặt sở lý thuyết, luận án cịn có kết thực tế cho phép ứng dụng cho đường dây truyền tải tương lai, đặc biệt cho đường dây truyền tải điện Việt Nam 2 Mục đích nghiên cứu  Xác định suất cắt sét cho đường dây truyền tải điện theo phương pháp mơ hình điện hình học (EGM) phương pháp mô Monte Carlo  Thiết lập sở lý thuyết truyền sóng sét đường dây truyền tải, q trình truyền sóng hệ nhiều dây với sóng sét chạy DCS dây pha CSV làm việc, từ xác định ảnh hưởng thông số đường dây đến điện áp cách điện đường dây truyền tải  Nghiên cứu tính tốn số lượng vị trí lắp đặt CSV tùy theo cấu hình đường dây truyền tải địa hình (thơng qua điện trở suất đất điện trở tiếp địa cột) nhằm đạt suất cắt nhỏ  Đề xuất giải pháp giảm cố sét đường dây truyền tải tương lai Việt Nam việc kết hợp phương pháp sử dụng CSV với phương pháp khác Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu tượng điện áp sét đường dây truyền tải Việt Nam từ cấp 110 kV đến 500 kV Nghiên cứu tính tốn suất cắt đường dây truyền tải, nghiên cứu trình độ điện từ sét đường dây truyền tải với thông số khác nhau, sử dụng biện pháp bảo vệ chống sét khác Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu tập trung cho bảo vệ chống sét sử dụng CSV đường dây phương pháp khác cho đường dây truyền tải từ cấp điện áp 110 kV đến 500 kV với cấu hình đường dây cột sử dụng hệ thống điện Việt Nam Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng cách tiếp cận sau:  Sử dụng phân tích tổng quan để tìm hướng phát triển nghiên cứu  Sử dụng mơ hình EGM lý thuyết xác suất để xác định suất cắt sét  Sử dụng lý thuyết truyền sóng sét hệ nhiều dây với tổng trở sóng có tính đến tượng tần số cao dòng điện sét dòng trở đất  Sử dụng phần mềm EMTP/ATP để tính tốn mơ  Sử dụng phần mềm MATLAB để chạy toán xác suất  Khảo sát, phân tích số liệu thực tế kiểm chứng tính hiệu giải pháp đề xuất thơng qua kết mô Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Với vấn đề đặt mục đích nghiên cứu thực luận án, điểm sau xem ý nghĩa khoa học thực tiễn chính: Ý nghĩa khoa học  Xây dựng sở lý thuyết ảnh hưởng thông số đường dây đến điện áp sét cách điện đường dây thơng qua cấu hình đường đây, địa hình đường dây, cách sử dụng CSV đường dây  Đề xuất phương pháp lắp đặt CSV phù hợp cho loại đường dây truyền tải theo đặc trưng đường dây  Lý giải số tượng phóng điện đường dây khơng giải thích với phương pháp tiếp cận cũ Đề xuất số giải pháp kết hợp với việc sử dụng CSV nhằm giảm suất cắt sét cho đường dây truyền tải  Tính tốn suất cắt sét đường dây truyền tải Việt Nam phù hợp với tiêu chuẩn hành giới kiểm chứng với thực tế vận hành Ý nghĩa thực tiễn  Kết nghiên cứu gợi ý phương pháp xác định suất cắt sét xác cho đường dây truyền tải Việt Nam  Kết nghiên cứu gợi ý biện pháp chống sét hiệu giúp đơn vị quản lý vận hành áp dụng để đạt hiệu vận hành cao mặt chống sét  Tính tốn sở bước đầu cho việc sử dụng CSV phương pháp bảo vệ chống sét cho đường dây truyền tải, đóng góp vào việc ứng dụng đường dây tương lai Việt Nam  Luận án mong muốn đặt tảng ban đầu để tiến tới xây dựng tiêu chuẩn chống sét cho lưới truyền tải từ giai đoạn thiết kế phù hợp với điều kiện Việt Nam Các đóng góp luận án Nội dung luận án tập trung nghiên cứu điện áp sét lưới truyền tải biện pháp chống sét, đề xuất số phương pháp tính tốn cải thiện suất cắt cho đường dây truyền tải điện Việt Nam Các kết nghiên cứu luận án tóm lược sau: Đóng góp 1: Đề xuất phương pháp xác định suất cắt theo phương pháp mơ hình điện hình học theo phương pháp mô Monte Carlo cho đường dây truyền tải điện Việt Nam sở hướng dẫn IEEE Std 1243-1997, CIGRE SC33-WG01 IEC TR-60071-4 chương trình mơ q độ điện từ EMTP/ATP Đóng góp 2: Xây dựng sở lý thuyết cho tượng truyền sóng sét đường dây truyền tải với cách tiếp cận sử dụng dòng điện sét Làm rõ ảnh hưởng thơng số đường dây, dịng điện trở đất, điện trở suất đất, tần số dịng điện sét đến hệ số ngẫu hợp Đóng góp 3: Áp dụng chương trình mơ q độ điện từ EMTP/ATP tính tốn chống sét sử dụng CSV đường dây truyền tải điện Việt Nam Đóng góp 4: Căn vào kết đóng góp 2, tính tốn vị trí số lượng CSV lắp đặt phù hợp với cấu trúc đường dây truyền tải điện Đóng góp 5: Lý giải số tượng thực tế phóng điện bất thường cột có xác suất sét đánh thấp sau CSV lắp đặt cột lân cận Kết cho phép đề xuất phương pháp lắt đặt CSV rời rạc đường dây với số lượng CSV định mà đảm bảo hiệu chống sét cao Đóng góp 6: Đề xuất số phương pháp chống sét cho đường dây truyền tải cách sử dụng CSV kết hợp với giải pháp khác sử dụng cách điện không đối xứng (CĐKĐX), sử dụng DCS treo phía dây pha bỏ DCS thay CSV Cấu trúc nội dung luận án Bản luận án phần mở đầu mục theo quy định, nội dung nghiên cứu luận án trình bày chương phụ lục Mở đầu: Trình bày vấn đề chung luận án: Tính cấp thiết đề tài; mục tiêu, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu; ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài; đóng góp luận án Chương 1: Tổng quan chống sét cho đường dây truyền tải Giới thiệu tổng quát tình hình cố sét đường dây truyền tải Việt Nam giới Phân tích đánh giá giải pháp giảm cố sét đường dây truyền tải điện cơng trình nghiên cứu tác giả ngồi nước liên đến luận án Từ nêu vấn đề tồn tại, vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu Chương Tính tốn q độ điện từ sét đường dây truyền tải Nội dung chương trình bày chất q trình lan truyền sóng sét đường dây truyền tải xảy sét đánh vào đường dây Q trình truyền sóng cột, DCS dây dẫn sau CSV làm việc nghiên cứu chi tiết theo tham số đường dây Kết cho phép xây dựng sở lý thuyết ảnh hưởng tham số sét tham số đường dây đến điện áp (QĐA) sét cách điện cột, trước sau CSV làm việc Nguyên tắc mô nguồn sét, phần tử đường dây cách tính tốn tốn truyền sóng EMTP/ATP trình bày chương Chương Phương pháp tính tốn suất cắt cho đường dây truyền tải Trình bày cách xác định suất cắt cho đường dây truyền tải theo phương pháp mơ hình điện hình học (EGM) phương pháp mô Monte Carlo Suất cắt sét đường dây truyền tải tổng suất cắt sét đánh đỉnh cột dây chống sét (BFR) suất cắt sét đánh trực tiếp vào dây pha (SFFOR) Phương pháp EGM xác định số lần sét đánh vào đường dây xác định ngưỡng dòng điện sét lớn đánh vào dây pha CIGRE-SC33WG01, IEEE Std 1243-1997 sử dụng Kết hợp với chương trình mơ EMTP/ATP nhằm xác định ngưỡng dòng điện sét gây phóng điện chuỗi cách điện sét đánh đỉnh cột DCS đánh trực tiếp vào dây pha Phương pháp mô Monte Carlo kết hợp lý thuyết Monte Carlo với chương trình mơ q trình độ điện từ (EMTP/ATP) tham số sét (biên độ, thời gian đầu sóng thời gian tồn tại), vị trí sét đánh, góc pha điện áp, tham số ngẫu nhiên phân bố theo hàm mật độ xác suất IEEE Std 1243 - 1997 đề xuất, riêng phân bố điện trở tiếp địa cột lấy từ kết đo đạc Kết tính tốn so sánh với thực tế vận hành để ước lượng độ xác phương pháp đường dây truyền tải Việt Nam Chương Ứng dụng chống sét van cho đường dây truyền tải Trình bày ứng dụng lắp đặt CSV đường dây truyền tải Xác định suất cắt đường dây truyền tải có cấp điện áp 500 kV, 220 kV 110 kV trước sau lắp đặt CSV Đánh giá ảnh hưởng số thông số đường dây tới suất cắt lắp CSV Đánh giá ảnh hưởng số lượng CSV lắp đặt đến suất cắt đường dây truyền tải Phương pháp lựa chọn vị trí lắp đặt chống sét van theo cấu hình đường dây, qua việc xác định suất cắt để lựa chọn vị trí lắp đặt CSV tốt Đánh giá hiệu việc lắp đặt CSV rời rạc đường dây truyền tải, xác định mối tương quan điện trở tiếp địa cột bị sét đánh cột lân cận nhằm chọn lựa phương pháp lắp đặt CSV tốt Xác định lượng hấp thụ CSV ảnh hưởng tham số sét tham số đường dây tới lượng hấp thụ CSV Chương Một số phương pháp chống sét kết hợp sử dụng chống sét van cho đường dây truyền tải Trình bày số phương pháp giảm suất cắt sét kết hợp với sử dụng CSV đường dây truyền tải phương pháp sử dụng cách điện không đối xứng, phương pháp dùng DCS treo phía Ngồi ra, phương pháp giảm chiều cao cột kết hợp lắp đặt CSV tương đương với đường dây compact trình bày để làm sở cho ứng dụng đường dây lưới điện truyền tải Việt Nam tương lai Qua việc đánh giá phương pháp, kết thu gợi ý ứng dụng cách sử dụng CSV phương pháp chống sét chủ đạo cho đường dây truyền tải Chương Kết luận kiến nghị Đánh giá tổng hợp kết đạt luận án, so sánh với mục tiêu nghiên cứu đề ra, đồng thời đề xuất hướng nghiên cứu tương lai để khắc phục hạn chế tồn luận án Phần cuối luận án tài liệu tham khảo, danh mục cơng trình cơng bố luận án phần phụ lục CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 1.1 Tổng quan cố sét đường dây truyền tải 1.1.1 Quy mô phát triển đường dây truyền tải Việt Nam Đường dây truyền tải Việt Nam xây dựng từ năm 1960, sau nửa kỷ phát triển hình thành hệ thống điện quốc gia với hàng chục ngàn km đường dây Theo EVN [4], tính đến hết năm 2018 EVN quản lý hệ thống lưới điện gồm 43000 km đường dây 500 kV, 220 kV 110 kV (hình 1.1) Trong chiều dài đường dây 110 kV chiếm 43%, đường dây 220 kV chiếm 39% đường dây 500 kV chiếm 18% 21000 500kV 220kV 110kV 18000 Chiều dài (km) 15000 12000 9000 6000 3000 2011 2012 2013 2014 2015 Năm 2016 2017 2018 Hình 1.1 Quy mơ đường dây 110-220-500 kV từ 2012-2018 [4] 35000 Chiều dài ( km) 30000 ĐD500 kV ĐD220 kV 25000 20000 15000 10000 5000 2015 2020 Năm 2025 2030 Hình 1.2 Chiều dài đường dây truyền tải theo quy hoạch điện VII [5] Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia (quy hoạch điện VII điều chỉnh) giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 [5] dự kiến cần xây dựng hàng chục nghìn km đường dây truyền tải 220 kV 500 kV (hình 1.2) Kết dự kiến 15 năm từ năm 2015 đến năm 2030 chiều dài đường dây lưới truyền tải đạt 43500 km (tăng 2,13 lần), đường dây 500 kV tăng lên 9000 km (tăng 2,96 lần) với đường dây 220 kV tăng đến 15000 km (tăng 2,19 lần) Hệ thống đường dây truyền tải quốc gia vươn tới hầu hết tỉnh, thành phố nước bước kết nối với lưới truyền tải điện nước khu vực với công nghệ ngày đại công nghệ vật liệu, giám sát, bảo vệ đường dây, sử dụng dây dẫn siêu nhiệt, truyền thông, giám sát phụ tải, thiết bị định vị cố, bảo vệ chống sét đường dây, đường dây nhiều mạch, nhiều cấp điện áp, cáp ngầm cao áp 220 kV, hệ thống điều khiển tích hợp máy tính, giám sát dầu online, hệ thống SCADA v.v Các đường dây truyền tải 220 kV 500 kV quản lý vận hành công ty truyền tải điện PTC1, PTC2, PTC3, PTC4 trải rộng khắp nước, khối lượng đường dây cơng ty quản lý vận hành tính tới năm 2018 thể hình 1.3 [6] 4500 ĐD 500 kV 4000 ĐD 220 kV Chiều dài (km) 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 PTC1 PTC2 PTC3 Các cơng ty truyền tải điện PTC4 Hình 1.3 Khối lượng quản lý vận hành đường dây truyền tải đơn vị tính đến năm 2018 [6] 1.1.2 Tình hình giơng sét Việt Nam Mỗi năm có khoảng triệu cú sét đánh xuống đất toàn lãnh thổ Việt Nam, hoạt động giông sét nước ta diễn mạnh từ tháng tư đến tháng mười Thống kê cho thấy số ngày giơng trung bình khoảng 100 ngày/năm có chênh lệch vùng miền Cam Ranh- Khánh Hịa 55 giờ/năm A Lưới Thừa Thiên Huế 489 giờ/năm, số giông trung bình 250 giờ/năm [7] Mật độ sét tỉnh, thành phố lãnh thổ Việt Nam thống kê [8] cho thấy mật độ sét trung bình có trị số từ 1,4÷14,9 lần/km2.năm theo vùng lãnh thổ Theo “Bản đồ mật độ sét” toàn quốc Viện Vật lý Địa cầu lập (hình 1.4) mật độ giông sét phân bố không đều, cao số huyện tỉnh Bình Dương số huyện tỉnh Bình Phước lên tới 14,9 lần/km2.năm, tiếp đến Hồ Bình 10,9 lần/km2.năm, vùng núi phía bắc Hà Giang, Tuyên Quang, Yên Bái có mật độ giơng sét 8,2 lần/100 km2.năm, Ninh Thuận mật độ giông sét thấp (1,4 lần/km2.năm) Hình 1.5 cho thấy đường dây truyền tải trải dài khắp ba miền đất nước, phân bố theo khu vực có mật độ sét khác nhau, đường dây truyền tải tập trung nhiều khu vực phía bắc nơi có mật độ sét tương đối cao từ 8,2 đến 10,9 lần/km2.năm Hình 1.4 Bản đồ mật độ giông sét Việt Nam [7] Hình 1.5 Bản đồ Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 [5] 10 1.1.3 Tình hình cố sét đường dây truyền tải Việt Nam Kết thống kê từ Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia (NPT) tình hình cố đường dây truyền tải từ năm 2011 đến 2017 [1] thể hình 1.6 cho thấy cố sét chiếm 70% tổng số lần cố đường dây truyền tải Các năm gần tổng số lần cố có xu hướng giảm số lần cố sét lại có xu hướng tăng lên Cụ thể năm 2015, 2016 2017 cố sét chiếm 64%, 78% 86% tổng số cố Hình 1.7 cho thấy suất cắt đường dây truyền tải theo thống kê PTC1 PTC4 cao so với PTC2 PTC3 chiều dài đường dây PTC1 PTC4 lớn hơn, đồng thời đường dây PTC vùng có mật độ sét cao 200 Tổng số cố Sự cố sét Số lần 160 120 80 40 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Năm Hình 1.6 Sự cố theo năm NPT [1] Số lần/100km năm 2.0 PTC1 PTC2 PTC3 PTC4 1.5 1.0 0.5 0.0 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Năm Hình 1.7 Suất cắt sét đường dây truyền tải theo thống kê Công ty truyền tải Thống kê PTC1 [9] tình hình cố đường dây truyền tải 220 kV 500 kV từ năm 2011 đến năm 2017 trình bày hình 1.8 cho thấy cố sét chiếm từ 70 80% tổng số cố Tổng số cố năm gần có xu hướng giảm năm 2016 giảm 6% so với năm 2015, năm 2017 giảm 14% lần so với năm 2016, nhiên tỷ lệ cố sét tổng số lần cố sét lại tăng lên Một số đường dây PTC1 cố sét chiếm 100 % Tràng Bạch - Hoành Bồ, Nhánh Rẽ - Sơn Động Suất cắt theo thống kê từ năm 2011 đến 2017 số đường dây 220 kV trình bày hình 1.9 11 Tổng số cố 140 Sự cố sét 120 Số lần 100 80 60 40 20 2011 2012 2013 2014 Năm 2015 2016 2017 Hình 1.8 Sự cố theo năm PTC1 [9] Lần/100km.năm Việt Trì -Yên Bái Nho Quế - Cao Bằng Phả Lại - Mạo Khê Tràng Bạch - Hoành Bồ Nhánh Rẽ - Sơn Động 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Năm Hình 1.9 Suất cắt sét theo thống kê số đường dây PTC1 quản lý Trong thực tế vận hành, đơn vị vận hành phải đảm bảo suất cắt không vượt quy định Chỉ tiêu suất cắt quy định đường dây 220 kV 500 kV tóm tắt bảng 1.1 [10] Suất cắt theo thống kê đường dây truyền tải NPT lớn so với tiêu đề từ đến lần Một số đường dây 220 kV PTC1 lớn từ 11 đến 12 lần đường dây Nhánh Rẽ - Sơn Động, Tràng Bạch - Hoành Bồ Bảng 1.1 Chỉ tiêu suất cắt đường dây truyền tải 220 kV 500 kV [10] Chỉ tiêu suất cắt (lần/100 km.năm) Kéo dài Đường dây 500 kV Thoáng qua Kéo dài Đường dây 220 kV Thoáng qua 2016 0,153 0,094 0,196 0,481 2017 0,131 0,080 0,167 0,410 2018 0,111 0,068 0,142 0,349 2019 0,095 0,058 0,121 0,297 2020 0,081 0,050 0,103 0,253 Thống kê cố sét đường dây 110 kV Công ty lưới điện cao Miền Bắc giai đoạn 2014 - 2017 trình bày hình 1.10 Kết cho thấy cố sét đến 68% tổng số cố [2] Một số đường dây có suất cắt theo thực tế vận hành cao Quảng Ninh - Mông Dương 17,5 (lần/100 km.năm), Bảo Thắng - Yên Bái 14,2 (lần/100 km.năm) hình 1.11 12 350 Tổng số cố 300 Sự cố sét Số lần 250 200 150 100 50 2014 2015 2016 2017 Năm Hình 1.10 Sự cố theo năm lưới 110 kV NGC quản lý [2] 20 17.50 14.17 Lần/100km.năm 15 10 8.6 11.40 10.20 Ninh Bình Phủ lý Thác Bà - Bảo Thắng- Quảng Ninh Cao Bằng Bắc Kạn Tuyên Quang Yên Bái Mông Dương Hình 1.11 Suất cắt đường dây 110 kV theo thống kê Như vậy, suất cắt thực tế đường dây truyền tải thuộc NGC lớn tiêu từ đến lần (Bảng 1.2), số đường dây 110 kV NGC lớn tiêu đến 20 lần đường dây Bảo Thắng - Yên Bái, Quảng Ninh - Mông Dương So sánh đơn giản để thấy đơn vị vận hành đường dây truyền tải gặp nhiều khó khăn việc vận hành ổn định đường dây, đặc biệt cố sét Bảng 1.2 Chỉ tiêu suất cắt đường dây 110 kV NGC [11] Chỉ tiêu suất cắt (lần/100 km.năm) Kéo dài Thoáng qua 2016 0,88 0,88 2017 0,78 0,78 2018 0,70 0,70 2019 0,62 0,62 2020 0,55 0,55 1.1.4 Tình hình cố sét đường dây truyền tải giới Theo số liệu báo cáo khoa học cố sét số đường dây truyền số nước giới Trung Quốc, Malaysia, Nhật Bản, Mexico, Columbia, Brazil, Mỹ, Pháp [12], [13], [14], [15], [16], [17] số vụ cố sét đường dây truyền tải số nước giới tương tự đường dây truyền tải Việt Nam chiếm từ 50% - 70% tổng số vụ cố: 13  Trung Quốc [12]: Số liệu thống kê cố đường dây 500 kV - 220 kV - 110 kV từ 2005 đến 2011 lưới điện phía nam Trung Quốc, lưới điện HuBei, lưới điện Hejiang cố sét chiếm 87,1%  Malaysia [13] từ năm 2008 đến2015 cố gây cắt điện lưới truyền tải 70% sét  Mexico: Theo [14], [15] cơng ty điện lực Comisión Federal de Electricidad (CFF) năm 2005 cố sét chiếm 42% tổng cố năm 2006 chiếm 49% đường dây 230 kV Đối với đường dây 400kV cố sét năm 2005 2006 38% 47% tổng số cố  Tại Nhật Bản [16], số liệu thống kê từ 1993 Công ty điện lực Hokuriku cho thấy 60% cố đường dây tải điện 154 kV gây sét  Columbia: Số liệu thống kê từ Công ty điện lực Bogota (EEB) [17] cho thấysự cố sét chiểm 57% tổng số cố 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước tính tốn chống sét cho đường dây truyền tải Tại Việt Nam nghiên cứu chống sét cho đường dây truyền tải chia làm hai nhóm Nhóm thứ tính tốn q điện áp sét đường dây truyền tải biện pháp giảm thiểu cố sét Những nghiên cứu chủ yếu dựa vào phương pháp cổ điển hướng dẫn giáo trình kỹ thuật điện cao áp [18], [19] với giả thiết đơn giản phương pháp sử dụng khoảng cột đại diện cho tồn đường dây để tính tốn suất cắt sét Coi nguồn sét nguồn dịng tăng tuyến tính, coi điện áp vị trí cột Gần đây, tốn tính tốn suất cắt có tính đến tham số dạng sóng sét, vị trí sét đánh, thời điểm sét đánh với góc pha điện áp sử dụng phương pháp Monte Carlo mô EMTP/ATP bắt đầu ứng dụng cho đường dây truyền tải Việt Nam [20] Nghiên cứu giải pháp giảm thiểu cố sét cho đường dây tải điện khơng có, chủ yếu xuất số báo cáo đơn vị vận hành, chuyên đề tìm giải pháp giảm thiểu cố lưới điện sét công ty điện lực số luận văn thạc sỹ [21], [22], [23] Giải pháp giảm thiểu cố sét đường dây truyền tải dựa số phương pháp truyền thống áp dụng phổ biến giảm điện trở tiếp địa [24], tăng cường cách điện, treo DCS, giảm góc bảo vệ giảm tổng trở sóng cột [25] Tuy nhiên, báo cáo nghiên cứu thường tổng kết cố đưa nhiều khuyến nghị chung, cách tiếp cận mặt lý thuyết công cụ tính tốn tương đối hạn chế nên kết chưa rõ ràng Nhóm thứ hai nghiên cứu sử dụng CSV đường dây truyền tải hạn chế tản mát không tập trung vào khía cạnh chống sét Nghiên cứu [26] trình bày nghiên cứu tượng điện áp đóng đường dây 220 kV không tải dài 100 km để từ đề xuất phương án bảo vệ chống điện áp đóng cắt cách sử dụng CSV đường dây Nghiên cứu [27] sử dụng cách tiếp cận điện áp để tính tốn vị trí lắp đặt CSV cho đường dây 500 kV với giả thiết cột giống Tuy nhiên, cách tiếp cận hạn chế mặt lý thuyết nên có ý nghĩa tham khảo cho đường dây xét Nghiên cứu [25], [28] nghiên cứu ứng dụng CSV đường dây cho đường dây truyền 14 tải Việt Nam Tuy nhiên, kết nghiên cứu áp dụng cho đường dây 220 kV CSV đường dây coi nhiều biện pháp để giảm cố sét 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước giải pháp chống sét cho đường dây truyền tải Các nghiên cứu CSV giải pháp đường dây truyền tải giới chưa có nhiều, hầu hết báo tập trung vào đối tượng đường dây với cấp điện áp cụ thể Hướng chủ yếu tập trung vào thay đổi vị trí số lượng CSV đường dây có treo DCS, sau tính suất cắt tương ứng với vị trí Phần tổng quan nghiên cứu ngồi nước tập trung phân tích chi tiết cơng trình cơng bố có liên quan tới hướng nghiên cứu luận án 1.3.1 Lắp đặt CSV Các nghiên cứu CSV đường dây truyền tải giới chưa có nhiều, hầu hết báo tập trung vào đối tượng đường dây với cấp điện áp cụ thể Hướng chủ yếu tập trung vào thay đổi vị trí số lượng CSV đường dây có treo DCS, sau tính suất cắt tương ứng với vị trí Nghiên cứu [29, 30] tập trung vào nghiên cứu hiệu CSV đường dây 123 kV sử dụng DCS Nghiên cứu đánh giá hiệu điện trở tiếp địa cột mà không đề cập đến thông số khác đường dây Nghiên cứu [31] trình bày nghiên cứu ứng dụng CSV cho đường dây 115 kV hai mạch sử dụng DCS với điện trở tiếp địa lớn đến 100  toàn đường dây Nghiên cứu lắp CSV suất cắt mạch lắp CSV giảm mạch không lắp CSV giảm Nghiên cứu [32] cho thấy lắp đặt CSV cho đường dây 63 kV 90 kV khơng có DCS hiệu điện trở tiếp địa cột lớn 60  có DCS Nghiên cứu [33] cho phép xác định vị trí lắp đặt CSV dựa vào giá trị điện trở tiếp địa cột Nghiên cứu [33] đưa vị trí lắp đặt CSV cho đường dây mạch cấp điện áp 132 kV 275 kV với điện trở tiếp địa tương đối thấp từ 10 đến 40 , [34] tập trung vào đường dây 275 kV hai mạch với dải điện trở rộng từ 10  đến 80  Nghiên cứu [35, 36] kết hợp tính tốn mơ hệ thống định vị sét để nghiên cứu vị trí lắp đặt CSV cho đường dây 220 kV cho phép xác định vị trí lắp đặt CSV dựa vào giá trị điện trở tiếp địa cột Nghiên cứu [37, 38] trình bày kết nghiên cứu tính toán suất cắt cho đường dây cấp điện áp 400 kV mạch sử dụng DCS với hai cấu hình cột khác sử dụng CSV pha khác cho trị số điện trở tiếp địa trị số điện trở suất đất Trong [28] tính tốn nghiên cứu ứng dụng lắp đặt CSV có khe hở ngồi cho đường dây 220 kV mạch đơi có hai DCS với giá trị điện trở tiếp địa (30 ) độ cao cột 60 m Nghiên cứu [39] trình bày nghiên cứu ảnh hưởng số lượng vị trí lắp đặt CSV tới suất cắt cho hai cấu hình đường dây có cấp điện áp 115 kV Nghiên cứu [39] mô tả ảnh hưởng khoảng cách cột lắp đặt CSV, cách hai khoảng vượt cách ba 15 khoảng vượt Ảnh hưởng số lượng CSV lắp đặt cột đánh giá Kết cho thấy lắp đặt CSV tất các pha vị trí cột, cách điện cột bảo vệ hồn tồn cho tất giá trị dịng điện sét Lắp CSV vị trí cột, giải pháp bảo vệ với dòng điện sét nhỏ 50 kA Tuy nhiên phương pháp không hiệu cho dịng điện sét 80 kA phóng điện xảy pha không lắp CSV Nghiên cứu [40] trình bày phương pháp tối ưu hóa vị trí lắp đặt CSV lưới điện phân phối 25 kV dựa tối thiểu rủi hưng hỏng mạng lưới điện phương pháp Monte Carlo Nghiên cứu [41] trình bày phương pháp tối ưu hóa vị trí lắp đặt CSV mạng lưới điện phân phối để giảm suất cắt sét dựa thuật toán di truyền Phương pháp Monte Carlo áp dụng để chọn lựa đại lượng ngẫu nhiên tính tốn cho vị trí lắp đặt CSV so sánh Tóm lại, nghiên cứu lắp đặt CSV cho đường dây truyền tải có đặc điểm chung nghiên cứu cho loại đường dây cụ thể với loại cột điện trở tiếp địa cố định CSV thay đổi vị trí số lượng để tìm cách lắp đặt tối ưu Mỗi kết coi ứng dụng cho đường dây mà khơng có tính tổng qt khơng làm rõ mối liên hệ thông số đường dây với trình truyền sóng sét điện áp cách điện đường dây Đồng thời, CSV sử dụng phương pháp chống sét bổ sung cho đường dây treo sẵn dây chống sét 1.3.2 Sử dụng dây nối đất phía Các nghiên cứu sử dụng dây nối đất phía đường dây truyền tải chưa nhiều, có vài nghiên cứu áp dụng lưới điện phân phối [42, 43] đường dây truyền tải [44], [45] Giải pháp IEEE std 1243-1997 [46] gợi ý đề xuất Theo Hileman [42], lắp đặt DCS phía cho đường dây hai mạch hai DCS cấp điện áp 230 kV làm cho điện áp cách điện pha giảm 15% Đồng thời hiệu phương pháp lớn điện trở tiếp địa cột cao Nghiên cứu [43] trình bày kết nghiên cứu lắp đặt dây nối đất phía đường dây 22 kV mạch hai mạch Kết nghiên cứu cho thấy sử dụng dây chống sét phía giảm suất cắt sét dây mạch 1,9 lần đường dây hai mạch tới 2,8 lần Nghiên cứu [44] trình bày hiệu sử dụng dây nối đất phía hai dây nối đất phía đường dây 230 kV để cải thiện khả chịu sét đường dây Kết nghiên cứu cho thấy phương pháp hiệu cột có điện trở tiếp địa cao Suất cắt đường dây giảm gần nửa sử dụng hai dây nối đất phía điện trở tiếp địa 40  Nghiên cứu [45] cho kết tương tự đường dây truyền tải 154 kV Ngưỡng dịng điện sét gây phóng điện cách điện tăng từ 54 kA lên 68 kA sử dụng dây nối đất phía 1.3.3 Sử dụng cách điện không đối xứng Năm 1965 Kawai cộng [47] trình bày thiết kế thực tế cách điện không cân đường dây truyền tải 140 kV 250 kV hai mạch Nghiên cứu thể qua thử nghiệm phòng thí nghiệm kinh nghiệm thực địa Kết cho thấy giải pháp giảm cố cắt điện đồng thời trên hai mạch tới 50%, 16 tổng suất cắt đường dây tăng tới 1,5 lần mạch có mức cách điện yếu bị phóng điện nhiều Nghiên cứu [48] trình bày giải pháp sử dụng cách điện không đối xứng kết hợp vởi khe hở phóng điện đường dây 220 kV bốn mạch để giảm số lần cắt điện đồng thời hai mạch đồng thời giảm tổng số lần cắt điện đường dây Kết nghiên cứu cho thấy suất cắt hai mạch sử dụng cách điện không đối xứng giảm 5,5 lần so với không sử dụng cách điện không đối xứng Khi cách điện không đối xứng với khe hở phóng điện suất cắt hai mạch sử dụng cách điện không đối xứng giảm tới 7,8 lần Nghiên cứu [49, 50] trình bày kết nghiên cứu sử dụng cách điện không đối xứng cho đường dây 220 kV hai mạch Kết nghiên cứu cho thấy tăng từ 15 phần tử cách điện lên 17 phần tử cách điện ngưỡng dòng điện sét gây phóng điện đồng thời hai mạch tăng 50,3% suất cắt hai mạch giảm xuống 11 lần 1.3.4 Bỏ dây chống sét thay CSV Các nghiên cứu bỏ dây chống sét thay CSV đường dây tải điện chưa công bố, có vài nghiên cứu trình bày giới thiệu cách tóm lược [32], [51], [52] Nghiên cứu [32] trình bày kết nghiên cứu so sánh suất cắt sét đường dây 63 kV 90 kV khơng có DCS có DCS kết hợp với lắp đặt CSV Kết nghiên cứu cho thấy đường dây khơng có DCS lắp CSV hiệu đường dây có trị số điện trở tiếp địa cột lớn Nghiên cứu [51], [52] trình bày ứng dụng CSV đường dây compact (đường dây bỏ DCS) mạch cấp điện áp 123 kV đường dây mạch cấp điện áp 138 kV phần mềm Sigma slp Suất cắt sét đường dây khơng có DCS với lắp đặt CSV so sánh với suất cắt đường dây có DCS không lắp đặt CSV Kết nghiên cứu cho thấy đường dây khơng có DCS có lắp đặt CSV pha có suất cắt nhỏ đường dây sử dụng DCS, điện trở tiếp địa cao phương pháp khơng có DCS lắp đặt CSV hiệu 1.4 Những vấn đề tồn hướng nghiên cứu 1.4.1 Những vấn đề cịn tồn Từ phân tích tổng quan nghiên cứu nước liên quan đến toán sử dụng CSV đường dây truyền tải, ta nhận thấy tất nghiên cứu dựa cách tiếp cận điện áp, nghĩa sét đánh vào đường dây, điện áp cách điện quan tâm tính tốn Các tượng dịng điện sét sau phóng điện sau CSV làm việc bỏ qua Một số biện pháp cải thiện chống sét cho đường dây truyền tải lại nghiên cứu cách độc lập mà không kết hợp với sử dụng CSV Cách tiếp cận buộc phải chấp nhận hạn chế kèm với giả thiết sau:  Khi sét đánh vào đường dây, dòng điện sét chạy xuống hệ thống tiếp địa cột qua dây chống sét Điện áp cách điện đường dây phụ thuộc chủ yếu 17 vào điện trở tiếp địa ngẫu hợp dây chống sét với dây dẫn Ngẫu hợp dây dẫn với dây dẫn bỏ qua  Đường dây trang bị sẵn dây chống sét, CSV sử dụng phương pháp chống sét bổ sung cho đường dây truyền tải Phương pháp sử dụng CSV không sử dụng phương pháp chính, khơng chủ động để kết hợp với phương pháp khác  Các thông số đường dây cố định toàn tuyến đường dây điện trở tiếp địa, điện trở suất đất  Vì thơng số đường dây cố định tồn đường dây truyền tải lắp đặt CSV, vị trí pha lắp CSV hay số lượng CSV cột giống toàn đường dây  Điện trở suất đất, tượng tần số cao dịng điện sét trở đất hồn toàn bị bỏ qua  Các biện pháp cải thiện khả chống sét cho đường dây truyền tải dùng dây chống sét treo phía dưới, sử dụng cách điện không đối xứng đề xuất cách độc lập mà không sử dụng với CSV 1.4.2 Lựa chọn hướng nghiên cứu Để khắc phụ vấn đề kể trên, luận án đề xuất cách tiếp cận nghiên cứu chống sét cho đường dây truyền tải, đặc biệt sử dụng CSV cách độc lập sử dụng CSV kết hợp với biện pháp khác: Sử dụng phương pháp tiếp cận dòng điện sét, tùy thuộc vào mức độ nguy hiểm cú sét đánh vào đường dây, dòng điện sét chạy dây chống sét hệ thống tiếp địa, chạy vào dây dẫn tượng phóng điện cách điện xảy CSV làm việc Khi điện áp cách điện pha phụ thuộc vào phân bố dòng điện sét dây chống sét dây dẫn điện áp cảm ứng dây dẫn tương tác tĩnh điện tương tác điện từ dây chống sét với dây dẫn dây dẫn với Ảnh hưởng q trình truyền sóng sét đường dây (hệ nhiều dây), ảnh hưởng thông số đường dây, ảnh hưởng điện trở suất đất, ảnh hưởng tần số cao dịng điện sét tới thơng số đường dây đến điện áp pha, cột nghiên cứu Cách tiếp cận cho phép tính tốn tốn CSV đường dây truyền tải cách tổng quát Từ ảnh hưởng thơng số đường dây q trình truyền sóng sét hệ nhiều dây, vị trí, số lượng CSV lắp đặt tùy thuộc vào cấu hình đường dây truyền tải điện nhằm đạt trị số suất cắt tốt CSV đường dây đóng vai trị chủ đạo bảo vệ chống sét cho đường dây truyền tải dẫn đến q trình truyền sóng sét dây dẫn trước sau làm việc tính đến Cách tiếp cận cho phép vị trí CSV thay đổi vị trí cột phụ thuộc vào thông số đường dây để đạt kết bảo vệ chống sét tốt Ngoài ra, với cách tiếp cận bảo vệ chủ động CSV vậy, số phương pháp bảo vệ chống sét cho 18 đường dây truyền tải cách sử dụng CSV kết hợp với phương pháp khác bảo vệ cho đường dây khơng có dây chống sét nghiên cứu đề xuất Các tính tốn mơ thực chương trình tính tốn q độ điện từ kết hợp với phương pháp mơ hình điện hình học, cách tính tốn suất cắt sét tính tốn phương pháp phổ biến giới với thông số đường dây truyền tải Việt Nam Cách tính tốn cho phép sử dụng phần kết tính tốn ứng dụng trực tiếp cho đường dây truyền tải Việt Nam 1.5 Kết luận Sự cố sét chiếm tới 70% tổng số cố đường dây truyền tải Với tình hình cố sét nay, phát triển mở rộng lưới điện truyền tải Việt Nam năm tới đặt thêm nhiều thách thức cho việc vận hành đường dây truyền tải Mặc dù coi biện pháp chống sét hiệu cho đường dây truyền tải nay, nghiên cứu giới CSV cho đường dây truyền tải không nhiều thường thực cho đường dây cụ thể Các nghiên cứu tiếp cận vấn đề phương pháp điện áp với CSV thành phần hỗ trợ chống sét cho DCS Khi dịng điện sét chủ yếu chạy dây chống sét, CSV có nhiệm vụ bảo vệ cách điện Hiện tượng dòng điện sét chạy dây dẫn sau CSV làm việc bị bỏ qua dẫn tới ảnh hưởng thông số đường dây đến điện áp cách điện pha cịn lại khơng tính đến Bài tốn khơng có tính tổng qt áp dụng cho đường dây cụ thể với thông số cố định, CSV sử dụng cách giống toàn tuyến đường dây Các nghiên cứu giải pháp giảm thiểu cố sét đường dây truyền tải thường đề xuất cách độc lập mà không kết hợp với việc sử dụng CSV Luận án đề xuất phương pháp nghiên cứu sử dụng CSV đường dây truyền tải phương pháp dòng điện Với cách tiếp cận này, cách di chuyển dòng điện sét dây chống sét qua CSV vào dây dẫn xem xét kỹ lưỡng Từ ảnh hưởng thơng số đường dây, tượng tương tác tĩnh điện điện từ, tượng tần số cao đất tính đến cho phép giải toán lắp đặt CSV cách tổng quát Vị trí, số lượng CSV đường dây định tùy vào vị trí cột, vị trí pha để đạt hiệu suất cắt sét cao Ngoài ra, coi CSV đường dây thành phần chủ đạo chống sét cho đường dây truyền tải, tính tốn ảnh hưởng thông số đường dây cho phép sử dụng CSV đường dây kết hợp với biện pháp khác để đạt kết chống sét cao 19 CHƯƠNG TÍNH TỐN Q ĐỘ ĐIỆN TỪ DO SÉT TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 2.1 Truyền sóng đường dây truyền tải 2.1.1 Cơ sở lý thuyết Hiện tượng sét đánh vào cột, dây dẫn, dây chống sét giống đóng vào nguồn dịng hay nguồn áp có thời gian tồn từ vài chục µs đến vài ms Khi chiều dài bước sóng cịn vài mét, chí cịn nhỏ với kích thước vật lý của cột hay khoảng cách hai xà, dẫn đến điện áp cột hay đường dây phụ thuộc vào thời gian vị trí mà ta xét Do đó, phần tử đường dây dây dẫn, dây chống sét, cột tính tốn q điện áp sét phải mơ tả mơ hình thơng số rải cho phần tử chiều dài dx hình 2.1 [18] Hình 2.1 Sơ đồ đường dây thơng rải tính tốn truyền sóng Các thơng số đơn vị dài đường dây phương trình truyền sóng bao gồm điện trở R0, điện cảm L0, điện dung C0 điện dẫn G0 Xét trường hợp đơn giản đường dây có dây dài vơ với dịng điện sét lan truyền đường dây Phương trình vi phân biểu diễn q trình truyền sóng điện áp dịng điện đơn vị dài dx đường dây thiết lập sau [18, 53]: u ( x, t ) i ( x, t )  R0i ( x, t )  L0 x t i ( x, t ) u ( x, t )   G0u ( x, t )  C0 x t  (2.1) Hệ phương trình (2.1) viết dạng tốn tử Laplace trở thành: u ( x, p)  ( R0  pL0 )i( x, p)  Z 0i( x, p) x i ( x, p)   (G0  pC0 )u ( x, p )  Y0u ( x, p) x  (2.2) Với: Z0 =R0 + pL0 tổng trở dọc đường dây Y0 =G0 +pC0 tổng dẫn shunt đường 20 dây Nghiệm tổng quát giải hệ hệ phương trình vi phân tắc (2.1) xác định điện áp dòng điện đường dây phụ thuộc vào vị trí x thời gian t sau: u ( x, t )  u   u   f  ( x  vt )  f  ( x  vt ) i ( x, t )  i   i    f  ( x  vt )  f  ( x  vt )  Z (2.3) Với: f+(x-vt) f-(x+vt) hàm ngẫu nhiên thời gian, đặc trưng cho thành phần sóng tới sóng phản xạ dịng điện điện áp, v vận tốc truyền sóng (m/s) cịn Z tổng trở sóng đường dây () xác định theo biểu thức (2.4) [18]: Z0 Y0 Z (2.4) Như vậy, sóng điện áp dịng điện đường dây vị trí, thời điểm tổng hai thành phần sóng tới u+, i+ truyền đường dây thành phần sóng phản xạ u, i- truyền theo chiều ngược lại Từ biểu thức (2.3) cho thấy điện áp sét đường dây phụ thuộc vào thông số đường dây R0, L0, G0, C0 qua tổng trở sóng Z Ngồi ra, q trình sóng nên điện áp phần tử đường dây có tượng phản xạ, khúc xạ qua mơi trường có tổng trở sóng khác [42] 2.1.2 Truyền sóng hệ nhiều dây Rn L nn R2 g 12 R1 L 22 C12 L 12 L 11 g 11 n C11 dx Hình 2.2 Sơ đồ mạch xét ảnh hưởng tương hỗ dây với Các đại lượng hình 2.2 là: Lii: Điện cảm thân dây dẫn i Lij: Điện cảm tương hỗ dây dẫn i dây dẫn j Cii: Điện dung thân dây dẫn i Cij: Điện dung tương hỗ dây dẫn i dây dẫn j Ri: Điện trở dây dẫn i gii: Điện dẫn dây dẫn i gij: Điện dẫn tương hỗ dây dẫn i dây dẫn j Phương trình (2.1) thích hợp để giải thích cách tượng truyền sóng đường dây, trường hợp xét đến sóng truyền dây mà bỏ qua ảnh hưởng dây bên cạnh (dây pha, dây chống sét) mặt đất trình truyền 21 sóng Trên thực tế, đường dây truyền tải bao gồm dây pha DCS, có DCS đến dây pha (đường dây mạch) nhiều (đường dây mạch đường dây có cấp điện áp sử dụng chung cột) Chính sóng sét lan truyền đường dây bị ảnh hưởng dây bên cạnh Ảnh hưởng dây dẫn bên cạnh mặt đất mô tả thông qua giá trị điện cảm tương hỗ, điện dung tương hỗ điện dẫn dây dẫn với với mặt đất Giả thiết đường dây truyền tải gồm có n dây dẫn song song với với mặt đất, hiệu ứng dịng điện điện áp dây cảm ứng dây khác Hiện tượng tương hỗ dây đặc trưng giá trị điện dẫn, điện dung điện cảm tương hỗ mạch thông số rải thể hình 2.2 Trong tính tốn truyền sóng sét đường dây truyền tải, trị số gii gij bỏ qua Vì vậy, điện áp đường dây thiết lập sau [54]: u1  Z11i1  Z12i2  Z13i3   Z1nin u2  Z21i1  Z22i2  Z23i3   Z2nin u3  Z31i1  Z32i2  Z33i3   Z3 nin (2.5) un  Z n1i1  Z n 2i2  Z n3i3   Z nnin Trong đó: Zii tổng trở sóng thân dây dẫn i (i=1n), tính cơng thức (2.4) ; Zij tổng trở sóng tương hỗ dây dẫn i j (i=1n, j=1 n), trình bày chi tiết phần 2.2; ii dòng điện chạy dây dẫn i (bao gồm thành phần sóng dịng điện tới i+i thành phần sóng phản xạ i-i) Như vậy, điện áp sét đường dây phụ thuộc vào độ lớn dòng điện sét chạy dây cịn phụ thuộc vào tổng trở sóng thân dây dẫn Zii, dòng điện chạy dây bên cạnh tổng trở sóng tương hỗ với dây bên cạnh Zij 2.2 Ảnh hưởng thông số đường dây đến điện áp sét 2.2.1 Đặt vấn đề Quá điện áp sét đường dây truyền tải sét đánh trực tiếp lên đường dây, cảm ứng sét đánh vào khu vực gần đường dây Tuy nhiên, trường hợp sét đánh trực tiếp vào đường dây nguy hiểm nên chọn để tính tốn ảnh hưởng thơng số đường dây đến điện áp sét Khi sét đánh trực tiếp vào đường dây, đường lan truyền dịng điện sét phóng điện q điện áp xảy khơng khí dây dẫn, cách điện dây dẫn cột Như trình bày phương trình (2.5) , độ lớn điện áp phụ thuộc vào yếu tố:  Thứ tham số thân dòng điện sét biên độ, độ dốc đầu sóng, độ dốc sóng, thời gian tồn tại, đặc trưng cú sét (cú sét đơn lẻ hay liên tiếp) [55, 46, 56, 57]  Thứ hai trị số tổng trở sóng đường dây bao gồm tổng trở sóng thân dây Zii tổng trở sóng tương hỗ dây Zij Như minh họa hình 2.2, giá trị tổng trở sóng phụ thuộc vào tổng trở dọc đường dây Z0 (bao gồm điện trở Ri điện cảm Lii, Lij dọc đường dây) tổng dẫn shunt Y0 22 (bao gồm điện dung shunt Cii, Cij tổng dẫn shunt gii, gij) Trị số tổng trở dọc đường dây tổng dẫn shunt đường dây bao gồm đóng góp thân dây dẫn giá trị tương hỗ dây dẫn với Do giá trị tổng dẫn shunt g không đáng kể bỏ qua nên trị số điện trở, điện dung điện cảm tương hỗ đóng vai trò quan trọng định trị số tổng trở sóng hệ nhiều dây trình bày chi tiết phần  Yếu tố thứ ba ảnh hưởng đến điện áp sét giá trị điện trở tiếp địa, tổng trở sóng cột, cách bố trí chống sét van (nếu có), đặc tính phóng điện cách điện Do lan truyền dịng sét q trình truyền sóng, tham số đường dây ảnh hưởng đến q trình truyền sóng tượng phản xạ, khúc xạ, tổn hao, cảm ứng v.v… định biên độ dạng điện áp cách điện Nếu yếu tố thứ phụ thuộc vào khu vực địa lý yếu tố thứ hai thứ ba thay đổi để làm giảm điện áp sét đặt lên cách điện, từ tăng cường khả chống sét cho đường dây Mục 2.2.2 trình bày chi tiết cách tính tốn thơng số đường dây bao gồm điện trở, điện cảm điện dung đường dây để từ tính tốn tổng trở sóng hệ số ngẫu hợp đường dây toán truyền sóng dịng điện sét 2.2.2 Tổng dẫn Y0 đường dây Như đề cập mục 2.1.2, ma trận tổng dẫn shunt Y0 đường dây tính đến điện dung đường dây bỏ qua giá trị điện dẫn Chính ma trận tổng dẫn đường dây lại điện dung tính thơng qua phương trình điện điện tích dây dẫn [53]:  u    P   q  (2.6) Trong đó: u điện đường dây; q điện tích dây dẫn P ma trận hệ số i dij j yi Dij Mặt đất yj yi xi yj j' i' xj Hình 2.3 Phương pháp ảnh xác định hệ số đường dây [53] Ma trận hệ số P tính thơng qua kích thước hình học đường dây phương pháp ảnh (Hình 2.3), xác định qua cơng thức (2.7) [53]: 23 D1n   D11 ln r ln d  1n      P  2   ln Dn1 ln Dnn   d n1 rn  (2.7) Với: 0 số điện môi khơng khí, 0 =8,85.10-12 (F/m); ri bán kính dây dẫn; Dij  ( x j  xi )2  ( y j  yi )2 ; d ij  ( x j  xi )2  ( y j  yi )2 Sau xác định hệ số P, ma trận điện dung C tính cách nghịch đảo ma trận hệ số P: C    P  1 (2.8) Từ biểu thức (2.8) xác định ma trận tổng dẫn tổng dẫn Y0 2.2.3 Tổng trở dọc đường dây Z0 Tổng trở dọc đường dây Z0 ma trận bao gồm tổng trở dọc dây dẫn tổng trở dọc tương hỗ dây dẫn với Tổng trở dọc đường dây chia làm thành phần [53]: (2.9) Z0  Z ext  Zint Với Zext, Zint ma trận tổng trở ma trận tổng trở dây dẫn, tương ứng với từ trường bên bên dây dẫn Phần dướiđây trình bày cách xác định Zext, Zint 2.2.3.1 Ma trận tổng trở Zext Ma trận tổng trở đường dây truyền tải xác định dựa kích thước hình học đường dây phương pháp ảnh phức (Hình 2.4) với mặt đất thay dây dẫn tuyệt đối nằm mặt đất thật độ sâu phức p, xác định biểu thức (2.10): p ( jme ( e  j e ) (2.10) Trong đó: me độ từ thẩm đất (H/m); e điện dẫn suất đất (S/m); e số điện mơi đất (F/m) Khi tổng trở ngồi đường dây tính sau: Z ext ' '  D11  D1n ln ln  r d1n   jm0    2   ' ' ln D1n ln D nn   d rn  n1  (2.11) Với:m0: độ từ thẩm khơng khí, m0 = 4.10-7 (H/m); Dij'  (x j  x i )2  (y j  yi  2p )2 24 Nhân phần tử phương trình (2.11) với Dij/D’ij tổng trở ngồi đường dây biểu diễn thành phần: Z ext  Z g  Z e (2.12) Trong đó:  Zg tổng trở hình học đường dây phụ thuộc vào kích thước hình học đường dây (bán kính độ cao dây dẫn): D1n   D11 ln r ln d  1n  jm0  Zg    2   ln Dn1 ln Dnn   d n1 rn   (2.13) Ze tổng trở đường trở đất dòng điện, Ze phụ thuộc vào vào kích thước hình học đường dây điện dẫn suất đất: ' '  D11  D1n ln ln   D11 D1n   jm0   Ze  2   ' ' ln D1n ln D nn   D Dnn  n1  i dij yi+p D'ij j y j+p y j+p yi+p xi (2.14) j' i' xj Hình 2.4 Cách xác định tham số tính tốn tổng trở ngồi đường dây dựa phương pháp ảnh phức [53] 2.2.3.1 Ma trận tổng trở Zint Tổng trở đường dây tương tác dòng điện chạy bên dây dẫn từ trường bên ngồi mà dịng điện sinh ra, thể qua hiệu ứng bề mặt (skin effect), hiệu ứng lân cận (proximity effect) dịng xốy (eddy current), hiệu ứng bề mặt đóng vai trị quan trọng [58] Tổng trở đường dây tính cách giải hệ phương trình Maxwell cho dây dẫn tính cơng thức [53]: 25 Zint   Z cw I ( c rc ) 2 rc I1 ( c rc ) (2.15) Với: I0, I1 hàm Bessel thay đổi (modified Bessel functions); rc bán kính dây dẫn; Zcw tổng trở sóng bên dây dẫn tính công thức: jmc  c  jmc (2.16) jmc ( c  j c ) (2.17) Z cw  c hệ số lan truyền dây dẫn: c  Trị số Zint tính tốn cách khai triển chuỗi hàm Bessel thay đổi, viết gọn lại cho toàn miền tần số: Zint  Rdc2  Z HF Với: Rdc điện trở chiều tính cơng thức: Rdc   rc  c Còn ZHF tổng trở ứng với tần số cao dịng điện sét, tính công thức: Z HF  2 rc pc c Với: pc  jmc c (2.18) (2.19) (2.20) (2.21) Trong đó: mc độ từ thẩm dây dẫn (H/m), c điện dẫn suất dây dẫn (S/m), c số điện môi dây dẫn (F/m) 2.3 Tổng trở sóng phương trình truyền sóng sét hệ số ngẫu hợp Phương trình truyền sóng (2.5) cho thấy đóng góp vào độ lớn điện áp dây dẫn bao gồm thành phần: 1- điện áp dây dẫn dòng điện chạy dây dẫn nhân với tổng trở sóng thân dây đó; 2- thành phần điện áp cảm ứng dịng điện dây bên cạnh thơng qua tổng trở sóng tương hỗ dây bên cạnh với dây dẫn xét Tỷ số thành phần điện áp cảm ứng (2) điện áp dòng điện tổng trở sóng thân dây dẫn (1) gọi hệ số ngẫu hợp Chú ý tổng trở sóng xác định qua tổng trở dọc đường dây tổng dẫn shunt đường dây theo công thức (2.4) Như vậy, ma trận tổng trở sóng đường dây ngồi việc phụ thuộc vào cấu hình đường dây (độ cao dây dẫn, khoảng cách dây dẫn, bán kính dây dẫn) cịn phụ thuộc vào trị số điện trở suất đất nơi đường dây qua (các công thức (2.7) đến (2.21)) Ngồi ra, dịng điện sét với tần số cao làm cho ma trận tổng trở sóng đường dây thay đổi qua thay đổi độ sâu phức p công thức (2.10) trị số Zint 26 Tương tự vậy, hệ số ngẫu hợp có độ lớn tùy thuộc vào cấu hình đường dây khoảng cách dây (dây dẫn, dây chống sét), số mạch đường dây, số lượng dây chống sét điện trở suất đất Dưới ta xét cụ thể trường hợp 2.3.1 Trường hợp đường dây dây chống sét Giả thiết dây ký hiệu 1, 2, 3, với dây dây chống sét, dây 2, 3, dây pha, phương trình sóng điện áp (2.5) viết lại sau: u1  Z11i1  Z12i2  Z13i3  Z14i4 u2  Z 21i1  Z 22i2  Z 23i3  Z 24i4 u3  Z 31i1  Z 32i2  Z 33i3  Z 34i4 (2.22) u4  Z 41i1  Z 42i2  Z 43i3  Z 44i4 Giả thiết dòng điện dây pha nhỏ so với dòng điện sét chạy dây chống sét nên bỏ qua ảnh hưởng thành phần điện áp dòng điện i2, i3, i4 Điện áp cảm ứng dây pha thứ k dòng điện sét chạy dây chống sét i1 tạo là: uk  u1 Zk1  K k u; (k   4) Z11 Với Kk1 gọi hệ số ngẫu hợp dây pha thứ k với dây chống sét Z Kk  k1 Z11 (2.23) (2.24) Trong đó: Zk1 tổng trở sóng tương hỗ dây pha thứ k dây chống sét cịn Z11 tổng trở sóng thân dây chống sét 2.3.2 Trường hợp đường dây hai dây chống sét Trường hợp giả thiết dây số dây chống sét, dây 3,4,5 dây pha, phương trình sóng điện áp (2.5) viết lại sau: u1  Z11i1  Z12i2  Z13i3  Z14i4  Z15i5 u2  Z21i1  Z22i2  Z23i3  Z24i4  Z25i5 u3  Z 31i1  Z32i2  Z 33i3  Z34i4  Z35i5 (2.25) u4  Z 41i1  Z 42i2  Z 43i3  Z 44i4  Z 45i5 u5  Z51i1  Z52i2  Z53i3  Z54i4  Z55i5 Tương tự trường hợp đường dây truyền tải có dây chống sét, điện áp hai dây chống sét u1 = u2 = u điện áp cảm ứng dòng điện sét dây chống sét gây dây pha có trị số là: uk  Z k ( Z12  Z 22 )  Z k ( Z21  Z11 ) u  K k 1,2u; (k   5) Z12 Z21  Z11 Z 22 (2.26) Hai dây chống sét thường mặt phẳng ngang có kích thước nên Z11 = Z22, phương trình (2.26) viết lại sau: uk  Zk1  Zk u  K k 1,2u; (k   5) Z11  Z12 (2.27) 27 Với Kk1,2 gọi hệ số ngẫu hợp DCS DCS với dây pha thứ k K k 1,2  Zk1  Zk Z11  Z12 (2.28) 2.4 Tính tốn điện áp sét cách điện Khi sét đánh vào dây dẫn, dòng điện sét chạy dây dẫn chuỗi cách điện chịu tồn điện áp dịng điện sét gây Do dòng điện sét chạy dây dẫn chia làm đơi chạy phía đường dây, điện áp sét ước lượng nhanh nửa trị số dịng điện sét nhân với tổng trở sóng dây dẫn (tổng trở sóng có giá trị xấp xỉ 500 ) [42] Khi sét đánh vào đỉnh cột dây chống sét đỉnh cột, dòng điện sét chủ yếu xuống hệ thống tiếp địa cột tản vào đất, phần tản sang hai cột lân cận theo dây chống sét Trong trường hợp sét đánh vào dây chống sét khoảng vượt, dòng điện sét chia sang hai bên xuống đất cột bên cạnh Do đó, tượng sét đánh vào đỉnh cột gây nguy hiểm so với trường hợp đánh vào dây chống sét khoảng vượt [59] Trong phần trình bày cách tính tốn điện áp cách điện hai trường hợp sét đánh đỉnh cột sét đánh vào dây dẫn 2.4.1 Khi sét đánh đỉnh cột Khi sét đánh đỉnh cột, phần dòng điện sét lan truyền dây chống sét sang hai phía cột bị sét đánh sang cột bên cạnh, phần lan truyền cột xuống đất qua hệ thống tiếp địa Giả thiết dòng điện sét có biên độ Is đánh vào đỉnh cột (Hình 2.5) gây điện áp đỉnh cột (Uđc), điện áp cách điện pha (ví dụ pha A) UcđA hiệu điện điện áp xà pha A UxAvà điện áp dây pha UddA Is Udc UxA Ucd A Udd Rtd Hình 2.5 Trường hợp sét đánh đỉnh cột Do ảnh hưởng tượng phản xạ, khúc xạ cột hệ thống tiếp địa, ảnh hưởng ngẫu hợp dây dẫn dây chống sét ảnh hưởng đến điện áp đỉnh cột bị 28 sét đánh, điện áp xà điện áp dây dẫn xác định theo công thức [42]: U dc =K SP KTT I s (2.29) U xA= K SP KTA I s (2.30) U ddA= K A K SP KTT I s (2.31) Trong đó: KA hệ số ngẫu hợp dây chống sét dây dẫn pha A; KSP, KTT, KTA hệ số phụ thuộc vào đại lượng sóng điện áp phản xạ, tổng trở sóng cột, điện trở tiếp địa cột, thời gian truyền sóng xác định:  T K SP    R (1  T )   S  tf  KTT =Re +αT Z cot Tdc tf (2.32) KTA=Re +αT Z cot TTA tf (2.33)        (2.34) Z dcs Rtd Z  Rtd Z dcs ; T  cot ; R  Z dcs  Rtd Z cot  Rtd Z dcs  Rtd (2.35)   T    RT   S tf   Re   T 2    RT    S tf   Trong đó: Zcot tổng trở sóng cột (); Zdcs tổng trở sóng dây chống sét (); Rtd điện trở tiếp địa (); Is biên độ dòng điện sét đánh (kA); tf thời gian đầu sóng dịng điện sét (ms); TS thời gian truyền sóng khoảng vượt (ms); Tdc thời gian truyền sóng từ đỉnh cột xuống tiếp địa (ms); TxA thời gian truyền sóng từ xà pha A xuống tiếp địa (ms); h chiều cao cột (m); hA chiều cao từ mặt đất đến xà pha A cột (m); v vận tốc truyền sóng láy 3.108 m/s h h Tdc  ; TTA  A v v (2.36) Vì vậy, điện áp cách điện pha A xác định sau: U cdA= U xA -U dd = K SP (KTA - K A KTT ).I s (2.37) Trong trường hợp đơn giản bỏ qua thời gian truyền sóng dây chống sét cột, bỏ qua thành phần sóng điện áp phản xạ từ cột bên cạnh từ điện trở tiếp địa cột, xét tới tổng trở sóng cột tổng trở sóng dây chống sét Do vậy, từ công thức (2.29) đến (2.37) điện áp đỉnh cột trường hợp sét đánh đỉnh cột viết lại sau: U dc  I s Z cot   Z cot   1  2   Z dcs    (2.38) Điện áp lan truyền dây chống sét sang hai cột lân cận với trị số Udc Sóng điện áp cảm ứng sang dây dẫn điện áp cảm ứng K.Udc (K: hệ số ngẫu hợp 29 dây chống sét dây pha), nên điện áp cách điện xác định theo công thức: U cd  U dc (1  K ) (2.39) 2.4.2 Khi sét đánh vào dây pha Trường hợp sét đánh trực tiếp vào dây pha dòng điện sét lan truyền dây pha phía để sang cột bên cạnh (hình 2.6) với trị số: Z0 I  s Z Z  dd Trong đó: Zdd tổng trở sóng dây dẫn (); Z0 tổng trở sóng khe sét () I  Is (2.40) Hình 2.6 Phân bố dòng điện sét đánh trực tiếp vào dây dẫn Do vậy, điện áp dây dẫn pha xác định: Is (2.41) Z dd Điện áp đặt lên cách điện có xét tới điện áp làm việc mạng điện là: U dd  Is (2.42) Z dd  U lv Nếu trị số điện áp lớn điện áp mà cách điện đường dây chịu (Ucd ≥ U50%) gây phóng điện cách điện U cd  2.5 Mơ q điện áp sét chương trình tính tốn q độ điện từ EMTP Chương trình q độ điện từ EMTP chương trình mơ phổ biến để mơ q trình q độ điện từ hệ thống điện Chương trình EMTP bắt đầu vào năm cuối thập kỷ 60 kỷ XX Hermann Dommel [60] sau tác giả khác phát triển thêm phiên khác bao gồm EMTP/ATP, EMTP/RV, EMTDC/PSCAD [61] Chương trình EMTP tính tốn giá trị cần quan tâm hệ thống điện theo miền thời gian Phương trình vi phân dòng điện điện áp điểm hệ thống điện giải cách biến đổi từ phương trình vi phân điện áp dịng điện miền thời gian thành phương trình đại số phép biến đổi thích hợp [62, 60] Trình tự tính tốn tốn q độ EMTP thực sau [61, 60]: 30    Thay tất phần tử mạch điện (kể đường dây thông số rải, phần tử phi tuyến, điện cảm hay điện dung) điện trở nguồn dòng tương đương [60] Thiết lập ma trận tổng dẫn nút (nodal conductance matrix) thay cho mạch điện cần giải Giải ma trận tổng dẫn nút từ nguồn dòng nguồn áp biết (nguồn xoay chiều hay nguồn sét) Với mạch điện có n nút, ta thiết lập hệ phương trình bao gồm n phương trình [60]: G u (t )  i(t )   hist  (2.43) Với: G ma trận tổng dẫn nút với kích thước nn; u(t) véc tơ điện nút; [i(t) véc tơ nguồn dòng tương đương quy nút; [hist véc tơ biến (dòng điện, điện áp) biết từ bước thời gian trước hay điều kiện đầu tốn Như vậy, với nguồn dịng, nguồn áp điều kiện đầu biết, ta tìm trị số điện nút mạch điện 2.5.1 Giải phương trình truyền sóng EMTP Như trình bày phần 2.1, sóng sét có tần số cao nên tất phần tử đường truyền sóng sét ta thay đường dây dài với thông số rải, nghĩa tất phần tử đường dây truyền tải thay tổng trở sóng tương đương 2.5.1.1 Truyền sóng hệ dây Để đơn giản, giả thiết truyền sóng hệ dây (hình 2.1) khơng có tổn thất (bỏ qua thành phần R0 G0 phương trình (2.1) (2.2) để Z trở thành số thực, hệ phương trình (2.3) viết lại thành [60]: u  Zi  2.Z f ( x  vt ) (2.44) Giả thiết sóng truyền từ nút k đến nút m, thời gian truyền sóng từ nút k đến nút m tính cơng thức: l  v với: l khoảng cách hai nút k m, v vận tốc truyền sóng, nút k sóng có trị số uk(t-)+Zikm(t-) đến nút m có trị số um(t)-Zimk(t), dấu trừ cơng thức dịng điện imk ngược chiều với dịng ikm Do sóng khơng có tổn thất nên: uk (t   )  Zikm (t   )  um (t )  Zimk (t ) Ta viết trị số dòng điện đoạn mk sau: imk (t )   uk (t )  histmk (t   ) Z Trong đó: (2.45) (2.46) 31 histmn (t   )   um (t   )  imk (t   ) Z (2.47) tính từ giá trị điện áp dịng điện bước thời gian trước hay từ điều kiện đầu Đối với toán độ, giá trị điện áp dòng điện chế độ xác lập lấy làm điều kiện để tính tốn cho bước Như phương trình vi phân truyền sóng (2.1) biến thành phương trình đại số (2.46) với bước thời gian truyền sóng  bội số bước thời gian t Như vậy, điện áp dòng điện điểm đường truyền sóng tính tốn biết dạng sóng kích thích, trường hợp dịng điện sét có dạng biết điện áp ban đầu không 2.5.1.2 Truyền sóng hệ nhiều dây Hệ phương trình truyền sóng hệ nhiều dây (2.5) giải tương tự phương trình (2.44), nhiên trường hợp tổng trở sóng tương hỗ Zij xuất Do mạch đường dây tính tốn chống sét có thêm dây chống sét nên ma trận tổng trở sóng khơng cịn đối xứng Để giải hệ phương trình cần khử thành phần tổng trở sóng tương hỗ cách chéo hóa ma trận Z [63] Phương pháp gọi biến đổi modal (modal transformation) sử dụng trị riêng/vector riêng ma trận đường chéo tính tốn từ ma trận tổng trở tổng dẫn [64, 60] Trước tiên, trị số điện áp miền thời gian biến đổi miền modal cách sử dụng ma trận biến đổi Tu Ti [61]: u   Tu U m  (2.48) i   Ti  I m  (2.49) Trong [Um] [Im] ma trận điện áp đòng điện tương ứng miền modal Lưu ý miền modal, ma trận tổng trở sóng Z trở thành ma trận đường chéo Ma trận biến đổi Tu Ti xác định phép biến đổi đại số tuyến tính thơng qua giá trị trị riêng véc tơ riêng tương ứng: Tu   Z0 Y0 Tu      (2.50) Ti   Z Y0 Ti      (2.51) 1 1 Với:  ma trận đường chéo; [Z0], [Y0] ma trận tổng dẫn shunt ma trận tổng trở sóng miền thời gian Khi đó, hệ phương trình (2.2) miền modal viết cho hệ nhiều dây trở thành: dU m 1  Tu   Z Ti   I m  dx dI 1  m  Ti   Z Tu  U m  dx  (2.52) Do [Tu]-1 = [Ti]T, với [Ti]T ma trận hốn vị ma trận [Ti], nên tích [Tu]-1[Z0][Ti] = [Zm] [Ti]-1[Y0][Tu ]= [Ym] ma trận đường chéo 32 Như vậy, hệ phương trình (2.52) có dạng tương tự hệ (2.2) có điều viết miền modal với thành phần tương hỗ ma trận tổng trở tổng dẫn bị loại bỏ Giải hệ phương trình ta tìm điện áp dịng điện miền modal có dạng giống phương trình (2.3), dịng điện điện áp miền thời gian tính tốn phép biến đổi ngược sử dụng ma trận chuyển Tu Ti Như đề cập phần 2.2, tham số đường dây (trừ điện dung) phụ thuộc vào tần số ma trận tổng trở tổng dẫn phụ thuộc vào tần số, dẫn tới ma trận chuyển Tu Ti phụ thuộc vào tần số Tuy nhiên, luận án ma trận chuyển tính tốn với thơng số đường dây tính tần số MHz, tương ứng với dạng dòng điện sét 1,2/50 ms sử dụng tồn tính tốn 2.5.2 Mơ hình phần tử EMTP 2.5.2.1 Mơ hình nguồn sét Dạng sóng điện sét nhiều tác giả nghiên cứu cơng trình [65, 55, 66, 67] Dạng sóng sét ảnh hưởng trực tiếp tới điện áp trên đường dây Các tham số sóng điện sét bao gồm: biên độ, độ dốc đầu sóng, độ dài sóng Trong EMTP nguồn điện sét thay nguồn dòng lý tưởng biến thiên theo thời gian i(t) nối song song với tổng trở sóng kênh sét Zs (Hình 2.7) Hình 2.7 Mơ hình nguồn điện sét Hình 2.8 Sóng dịng điện sét slope-Ramp Nguồn sét nối vào đỉnh cột trực tiếp vào dây dẫn tùy theo tính tốn trường hợp sét đánh trực tiếp vào đỉnh cột dây dẫn Luận án sử dụng nguồn sét dạng Slope - Ramp (1,2/50 ms) có đặc tính hình 2.8 trình bày IEC TR 60071- [68], nguồn sét mắc song song với tổng trở kênh sét có tổng trở sóng Zs = 400 Ω [69, 70] 2.5.2.2 Mơ hình cột Mơ hình cột sử dụng tính tốn mơ mơ hình cột nhiều tầng (Multistory tower), sử dụng rộng rãi tính tốn mơ q điện áp sét khuyến cáo IEC TR 60071 - [68] Trong mô hình này, cột chia làm tầng cột hai mạch (Hình 2.9) ba tầng cột mạch với cách tính tốn tương tự (Hình 2.10) Tầng đoạn cột từ đỉnh cột đến xà pha trên, tầng từ xà pha xuống xà pha giữa, tầng từ xà pha đến xà pha tầng thứ từ xà pha xuống mặt đất Mỗi tầng mơ tổng trở sóng ký hiệu ZT1, ZT2, ZT3 ZT4 nối với điện cảm mắc song song với điện trở để mơ tả suy giảm sóng Vận tốc 33 truyền sóng giả thiết khơng đổi có trị số 300 m/ms Theo IEC TR 60071- [68] cột khác khác hệ số suy giảm, cịn trị số tổng trở sóng giống đoạn Tổng trở sóng với đoạn ZT1 = ZT2 = ZT3 = 220 () tổng trở sóng đoạn ZT4 = 150 () [68] Các trị số điện trở R điện cảm L tầng tính từ kích thước loại cột cụ thể sau [68]: R1 = r1.l1; R2 = r1.l2; R3 = r1.l3; R4 = r2.l4; L1 = R1.; L2 = R2.; L3 = R3.; L4 = R4. Trong đó: h chiều cao cột; r1 r2 trị số điện trở đơn vị xác định theo công thức (2.53) (2.54): r1  2ZT ln  ; Ω/m (l1  l2  l3 ) (2.53) ln  ; Ω/m l4 (2.54) r2  2ZT Trong đó:  số suy giảm dọc theo cột  = 0,8944 [68];  số thời gian truyền sóng cột  = h/v (ms); l1 chiều dài thân cột từ đỉnh cột tới xà pha cùng; l2 chiều dài thân cột từ xà pha tới xà pha giữa, l3 chiều dài thân cột từ xà pha tới xà pha dưới, l4 chiều dài thân cột từ xà pha tới mặt đất Thông số cột đường dây cấp điện áp 110 kV, 220 kV 500 kV số loại cột sử dụng luận án trình bày PL7 Hình 2.9 Cột hai mạch với mơ hình mạch mơ hình mơ EMTP 34 Hình 2.10 Cột mạch với mơ hình mạch mơ hình mơ EMTP 2.5.2.3 Mơ hình đường dây Ở tần số dòng điện sét (từ vài trăm kHz đến vài MHz), đường dây phải thay tính tốn đường dây dài với thông số rải Trong luận án này, khoảng cột đường dây thay mơ hình LCC - J.Marti’s mơ EMTP [28] Mơ hình phụ thuộc tần số J.Marti’s tính tốn thay đổi tổng trở sóng dây dẫn theo tần số điện trở suất đất Hình 2.11 minh họa thơng số đường dây truyền tải hai mạch nhập vào chương trình EMTP Số pha mơ hình tùy thuộc vào loại đường dây (một mạch hay hai mạch) số lượng dây chống sét, dây chống sét coi dây pha mơ hình Các thơng số bán kính dây dẫn, dây chống sét, giá trị điện trở chiều dây dẫn, chiều cao dây dẫn so với mặt đất, số dây phân pha khoảng cách dây phân pha nhập từ số liệu kích thước thực tế đường dây Độ võng khoảng cột xác định từ điểm khoảng cột chiều dài khoảng cột lấy khoảng cột trung bình tồn tuyến đương dây Hình 2.11 Thơng số đường dây mạch hai dây chống sét EMTP 35 Đường dây truyền tải thường có chiều dài từ vài chục km đến hàng nghìn km nên số lượng vị trí cột lớn dẫn đến tốn mơ cho tồn đường dây có khối lượng lớn phức tạp Theo [68] cần mô với chiều dài khoảng km cho đường dây không phản ảnh tương đối đầy đủ tượng điện áp sét đường dây Trong luận án đường dây mô cột với khoảng cột phía vị trí bị sét đánh hình 2.12 Chú ý đường dây 500 kV khoảng cột trung bình lấy 500 m, đường dây 220 kV khoảng cột trung bình 350 m đường dây 110 kV khoảng cột trung bình 250 m Hình 2.12 Mơ hình đường dây với cột khoảng vượt Hai nguồn xoay chiều nối với đầu đường dây thông qua ma trận tổng trở, để triệt tiêu sóng phản xạ từ đầu đường dây luận án tổng trở thay đường dây đủ dài Các thông số cột, dây dẫn, DCS nhập vào mơ hình LCC sau:  Ph.no vị trí dây dẫn, DCS, vị trí từ đến vị trí dây dẫn, vị trí 7,8 vị trí dây chống sét với đường dây hai mạch hai DCS, đường dây mạch dây chống sét vị trí từ đến dây dẫn, vị trí dây chống sét  Rin, Rout bán kính trong, bán kính dây dẫn, DCS  Horiz khoảng cách theo phương ngang dây dẫn DCS tới tâm cột  Vtower khoảng cách so với mặt đất  Vmid = Vtower – f; f độ võng dây dẫn DCS  Separ: khoảng cách dây phân pha (cm)  NB: số dây dẫn/1pha 2.5.2.4 Mô hình điện trở tiếp địa cột Khi dịng điện sét vào hệ thống nối đất chân cột, giá trị điện trở tiếp địa cột khơng cịn giá trị cố định đo điện áp chiều mà điện trở phi tuyến có trị số phụ thuộc vào độ lớn dòng điện sét q trình phóng điện đất Trị số điện trở phi tuyến xác định sau [68]:  Nếu I < Ig Rtđ = R0  Nếu I > Ig R td  R0 1 I Ig 36 Trong đó: R0 điện trở tiếp địa cột điện áp chiều (); I dòng điện sét qua tiếp địa (A); Ig cường độ dòng điện giới hạn (A);  điện trở suất đất (.m); E0 điện trường xảy phóng điện đất hay gradient điện áp ion hóa đất có giá trị từ 100 đến 1000 kV/m [42] Rtđ Hình 2.13 Số liệu trị số Rtd mơ hình thay chương trình EMTP Như vậy, nhận thấy trường hợp dòng điện sét vượt trị số tới hạn gây phóng điện đất, giá trị điện trở tiếp địa giảm so với trị số R0 Do vậy, q trình mơ cần xét điện trở chiều trường hợp tính đến tượng nguy hiểm Mơ hình thay điện trở tiếp địa cột liệu nhập vào EMTP trình bày hình 2.13 2.5.2.5 Mơ hình chuỗi cách điện khe hở phóng điện Số phần tử cách điện hay chiều dài chuỗi cách điện đường dây phụ thuộc vào cấp điện áp Chuỗi cách điện đường dây cấp điện áp 110 kV thường có đến phần tử, đường dây 220 kV có từ 11 đến 15 phần tử đường dây 500 kV có từ 22 đến 28 phần tử, chiều dài phần tử cách điện thường từ 127 mm đến 146 mm Chuỗi cách điện mô điện dung, giá trị điện dung phần tử cách điện (thủy tinh sứ) khoảng 100 pF/1 đơn vị Đối với cách điện polymer [52], trị số điện dung chuỗi thường nhỏ trị số điện dung chuỗi sứ khoảng mười lần (một đơn vị thập phân) Để bảo vệ điện áp cho chuỗi cách điện, mỏ phóng lắp đặt hai đầu chuỗi cách điện, cực mỏ phóng điện nối trực tiếp vào dây dẫn, cực lại nối với xà đỡ chuỗi cách điện (Hình 2.14.a) a) b) Hình 2.14 Khe hở phóng điện chuỗi cách điện (a) mơ hình EMTP (b) 37 Đã có nhiều nghiên cứu đề xuất mơ hình phóng điện cách điện sử dụng để mơ Mơ hình phóng điện cách điện luận án sử dụng mơ hình theo IEEE [71], chế phóng điện thể đường đặc tính V- t phụ thuộc vào chiều dài khe hở phóng điện biểu thức (2.55): 710   (2.55) U fo (t )   400  ,75  g t   Trong đó: Ufo (t) điện áp phóng điện (kV); t thời gian phóng điện (ms); g hiều dài khe hở phóng điện chiều dài chuỗi cách điện (m); khe hở phóng điện cấp điện áp 500 kV 3,4 m, cấp 220 kV 1,8 m, cấp điện áp 110 kV 1,1 m Trong EMTP/ATP khe hở phóng điện thể mơ hình khóa điều khiển MODELS dựa cơng thức (2.55), chương trình Models mơ mơ hình phóng điện chuỗi cách điện, khe hở phóng điện cấp điện áp 110 kV, 220 kV 500 kV trình bày phụ lục PL1, PL2, PL3 2.5.2.6 Mô hình CSV CSV lắp đặt đường dây để bảo vệ cho cách điện xảy điện áp CSV lắp đặt đường dây sử dụng hai loại là: loại khơng có khe hở ngồi loại có khe hở ngồi CSV gồm nhiều điện trở phi tuyến xít kim loại (MOV) ghép lại với Mơ hình CSV sử dụng để mơ có nhiều nghiên cứu mơ hình đơn giản [72], [73], mơ hình IEEE [74], Pinceti–Giannettoni [75], Fernandez–Diaz model [76] Tuy nhiên mơ hình CSV cho kết điện áp cách điện đường dây khác không đáng kể [77, 73] Do vậy, luận án sử dụng mơ hình CSV đơn giản phẩn tử phi tuyến NLRES92 với đặc tính phi tuyến V-A nhà sản xuất phù hợp với cấp điện áp đường dây truyền tải Hình 2.15 trình bày mơ hình chống sét van EMTP/ATP với hai loại có khe hở ngồi khơng khe hở ngồi Đặc tính V-A CSV đường dây cấp điện áp 500 kV, 220 kV 110 kV trình bày PL4 a) b) Hình 2.15 CSV có khe hở ngồi (a), Mơ hình CSV có khe hở ngồi EMTP (b) 2.6 Áp dụng EMTP tính tốn điện áp sét đường dây truyền tải Tiến hành mô cho đường dây truyền tải hai mạch hai DCS đường dây mạch DCS với cấp điện áp 220 kV 110 kV sử dụng lưới điện Việt Nam, có cấu hình cột hình 2.16 Các tham số dây dẫn, dây chống sét trình bày bảng 2.1 chiều cao dây chống sét, dây dẫn với mặt đất, khoảng cách dây dẫn với dây chống sét khoảng vượt trình bày bảng 2.2 thơng số 38 khác chiều dài xà, độ dài tầng xà, trình bày PL5 mơ hình mơ EMTP/ATP trình bày PL7 PL8 Bảng 2.1 Số liệu dây dẫn, dây chống sét Bán kính dây dẫn (mm) Bán kính ngồi dây dẫn (mm) Điện trở chiều R0 (/km) 4,6 13,75 5,5 0,0689 0,77 Dây dẫn Dây chống sét Bảng 2.2 Số liệu kích thước cột Cấp điện áp Đường dây 220 kV 110 kV Hai mạch Một mạch Hai mạch Một mạch h(m) yA (m) yB(m) yC(m) Sg(m) 46 46 33 30,8 38,31 38,31 27,5 26 32,31 32,31 23,5 22 26,31 32,31 19,5 22 8,6 3,5 - Khoảng vượt (m) 350 350 300 300 Sg DCS2 DCS1 A A B B C DCS A C yC yB yA h C B h yA yB=yC a) Hai mạch b) Một mạch Hình 2.16 Cấu hình cột hai mạch cột mạch 2.6.1 Ảnh hưởng thông số đến hệ số K DCS dây pha Ảnh hưởng dòng điện trở đất Tiến hành tính tốn mơ đường dây mạch hai mạch cấp điện áp 220 kV 110 kV Kết so sánh hệ số ngẫu hợp DCS với dây pha trường hợp coi đất dẫn điện tuyệt đối điện trở suất đất (ĐTS) khơng xét dịng trở đất đường màu xanh nét đứt (ĐTS = 0, Itv = 0) trường hợp có xét đến dịng trở đất điện trở suất đất đường màu đỏ (ĐTS 0 .m, ITV  0) thể hình 2.17 hình 2.18 39 0.3 Hệ số ngẫu hợp K Hệ số ngẫu hợp K 0.5 0.2 0.1 0.0 ĐTS= 0, Itv =0 ĐTS, Itv khác Pha A Pha B Các dây pha Pha C 0.4 0.3 0.2 ĐTS= 0, Itv =0 0.1 0.0 ĐTS, Itv khác Pha A Pha B Các dây pha Pha C a) Một mạch b) Hai mạch Hình 2.17 So sánh hệ số ngẫu hợp pha với DCS khơng xét có xét dịng trở đất đường dây 220 kV, điện trở suất đất 1000 .m 0.3 Hệ số ngẫu hợp K Hệ số ngẫu hợp K 0.5 0.2 0.1 0.0 ĐTS= 0, Itv =0 ĐTS, Itv khác Pha A Pha B Các dây pha a) Một mạch Pha C 0.4 0.3 0.2 ĐTS= 0, Itv =0 0.1 0.0 ĐTS, Itv khác Pha A Pha B Các dây pha Pha C b) Hai mạch Hình 2.18 So sánh hệ số ngẫu hợp pha với DCS khơng xét có xét dịng trở đất đường dây 110 kV, điện trở suất đất 1000 .m Hình 2.17 hình 2.18 cho thấy xét ảnh hưởng dòng trở đất, hệ số ngẫu hợp pha trường hợp hai mạch mạch cấp điện áp 220 kV 110 kV lớn so với trường hợp khơng xét dịng trở đất Cụ thể cấp điện áp 220 kV hệ số ngẫu hợp pha A, pha B, pha C với DCS đường dây mạch có xét dịng trở đất tăng 10%, 16%, 16% so với khơng xét dịng trở đất, cịn đường dây hai mạch tăng 7%, 13%, 24% Ở cấp điện áp 110 kV hệ số ngẫu hợp pha A, pha B, pha C với DCS đường dây mạch có xét dịng trở đất tăng 39%, 59%, 59% so với không xét dòng trở đất, đường dây hai mạch tăng 2%, 9%, 24% Hệ số ngẫu hợp pha trường hợp đường dây có hai dây chống sét lớn so với trường hợp đường dây có dây chống sét, cụ thể cấp điện áp 220 kV hệ số ngẫu hợp pha A, pha B, pha C lớn 1,8; 2,1 1,5 lần cấp điện áp 110 kV hệ số ngẫu hợp pha A, pha B, pha C lớn 2,2; 2,4 1,6 lần Ảnh hưởng điện trở suất đất đến hệ số ngẫu hợp dây pha với dây chống sét Trong phần xem xét ảnh hưởng điện trở suất đất đến trị số ngẫu hợp pha đường dây hai mạch mạch cấp điện áp 220 kV Tiến hành mô cho trường hợp điện trở suất đất có trị số thay đổi từ 10 .m đến 10000 .m Kết 40 xác định hệ số ngẫu hợp dây pha với DCS (pha có hệ số ngẫu hợp lớn nhất) trình bày hình 2.19 Hệ số ngẫu hợp 0.5 0.4 0.3 0.2 Một mạch Hai mạch 0.1 0.0 10 100 500 1000 2000 5000 10000 Điện trở suất đất m Hình 2.19 Hệ số ngẫu hợp dây pha với DCS theo điện trở suất đất Kết mô cho thấy, điện trở suất đất tăng từ 10 .m lên 10000 .m, hệ số ngẫu hợp dây pha với DCS đường dây mạch tăng 52%, đường dây hai mạch tăng 33% Trị số ngẫu hợp thay đổi dao động nhiều điện trở suất đất thay đổi khoảng 10 .m đến 2000 .m Khi điện trở suất đất lớn 2000 .m trị số ngẫu hợp thay đổi cho dù điện trở suất đất có tăng Ảnh hưởng số lượng DCS Tiến hành mô cho đường dây 220 kV mạch (cấu hình cột 2.16 b) có DCS trường hợp đường dây treo thêm DCS sét đánh đỉnh cột với điện trở suất đất 1000 .m Hệ số ngẫu hợp 0.5 DCS DCS 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Pha A Pha B Số lượng DCS Pha C Hình 2.20 Hệ số ngẫu hợp theo số lượng DCS Kết xác định hệ số ngẫu hợp pha với DCS đường dây có DCS có hai DCS trình bày hình 2.20 Kết cho thấy, tăng từ DCS lên DCS hệ số ngẫu hợp dây pha với DCS tăng tới 54% hệ số ngẫu hợp pha pha với DCS tăng 21 % Do vậy, tăng số lượng DCS ngồi việc giảm góc bảo vệ giảm số lần sét đánh vào dây pha làm tăng hệ số ngẫu hợp, dẫn tới giảm điện áp đặt lên cách điện tất pha từ khả chịu sét cho đường dây truyền tải tăng lên 41 Hệ số ngẫu hợp theo cấp điện áp Ở cấp điện áp khác chiều cao cột, khoảng cách pha với DCS khác nhau, nên tổng trở sóng DCS tổng trở sóng tương hỗ dây pha với DCS khác dẫn đến hệ số ngẫu hợp khác Tiến hành mô cho đường dây mạch với cấp điện áp 220 kV 110 kV có cấu hình cột hình 2.16.b thay đổi khoảng cách DCS với dây pha (pha có hệ số ngẫu hợp lớn nhất) với đường dây 110 kV từ m đến m với đường dây 220 kV từ m đến 10 m Kết mô xác định hệ số ngẫu hợp theo cấp điện áp trình bày hình 2.21 Do khoảng cách dây pha với DCS cấp điện áp bị giới hạn khoảng cách phóng điện đến mặt đất nên khoảng cách thay đổi phạm vi định Với đường dây 110 kV từ m đến m với đường dây 220 kV từ m đến 10 m Kết mô cho thấy, khoảng cách dây pha với DCS tăng hệ số ngẫu hợp giảm, với đường dây 110 kV hệ số ngẫu hợp giảm từ 0,281 xuống 0,217 đường dây 220 kV giảm từ 0,272 xuống 0,208 Đối với cấp điện áp 110kV 220 kV, mức chịu đựng xung sét 650 kV 1050 kV Do đó, ảnh hưởng hệ số ngẫu hợp làm điện áp thay đổi đến 41 kV cấp 110 kV 75 kV cấp 220 kV Sự thay đổi làm cho thứ tự pha bị phóng điện bị ảnh hưởng đáng kể Điều có nghĩa sét đánh vào DCS, phóng điện pha xa dây chống sét có hệ số ngẫu hợp nhỏ dễ xảy Nói cách khác, pha thấp suất cố sét đánh vào đỉnh cột dây chống sét (BFR) lớn Hệ số ngẫu hợp K 0.3 110 kV 220 kV 0.28 0.26 0.24 0.22 0.2 Khoảng cách pha - DCS (m) 10 Hình 2.21 Hệ số ngẫu hợp theo cấp điện áp Ảnh hưởng tần số dịng điện sét Mơ cho trường hợp dịng điện sét có trị số 104 Hz, 106 Hz 107 Hz đánh đỉnh cột Kết mô xác định hệ số ngẫu hợp pha đường dây mạch với DCS trình bày hình 2.22 Kết mơ cho thấy, tần số dòng điện sét ảnh hưởng không đáng kể tới trị số hệ số ngẫu hợp dây pha với DCS tổng trở sóng tổng trở sóng tương hỗ dây pha với DCS thay đổi đáng kể tần số sét thay đổi Khi điện trở suất đất 10 .m hệ số ngẫu hợp dây pha với DCS không thay đổi tần số thay đổi Khi điện trở suất đất 104 .m, trị số ngẫu hợp dây pha với DCS sai lệch 0,5% 1,5% tần số dòng điện sét MHz 10 MHz 42 Hệ số ngẫu hợp K 0.4 0.3 0.2 10 Ohm.m 1000 Ohm.m 10000 Ohm.m 0.1 0.0 0.01 Tần số dịng điện sét (MHz) 10 Hình 2.22 Hệ số ngẫu hợp theo tần số dòng điện sét 2.6.2 Hệ số ngẫu hợp dây pha Trong phần 2.6.1 hệ số ngẫu hợp xét DCS với dây pha trường hợp đường dây chưa lắp đặt CSV chưa có pha phóng điện Nội dung phần trình bày hệ số ngẫu hợp dây pha với đường dây 220 kV mạch hai mạch Hệ số ngẫu hợp dây pha với xác định cách cho sét đánh trực tiếp dây pha, điện trở tiếp địa cột Rtđ =10  trình bày hình 2.23 Ta nhận thấy hệ số ngẫu hợp pha A với pha B (KAB) pha A với pha C (KAC) có sai khác 26% đường dây mạch 33% đường dây hai mạch Trong trường hợp điện áp cảm ứng pha B C đóng góp tương tác điện từ (do cảm ứng dòng điện sét pha A) tĩnh điện (do cảm ứng điện áp pha A) dẫn đến hệ số ngẫu hợp thay đổi so với trường hợp dòng điện sét chạy dây chống sét Hệ số ngẫu hợp KAB lớn KAC điện áp đặt lên cách điện pha C lớn điện áp đặt lên cách điện pha B trường hợp sét đánh vào đỉnh cột dây chống sét Trên thực tế, pha A (pha cùng) đường dây ưu tiên lắp CSV có góc bảo vệ lớn Thực tế kết hợp với tính tốn hệ số ngẫu hợp đường dây 220 kV, pha A lắp CSV pha ưu tiên chọn để lắp đặt CSV pha C 0.4 0.3 0.2 K_AB K_AC K_BC 0.1 0.0 100 1000 5000 10000 Điện trở suất đất (.m) a) Hệ số ngẫu hợp K Hệ số ngẫu hợp K 0.4 0.3 0.2 K_AB K_AC K_BC 0.1 0.0 100 1000 5000 10000 Điện trở suất đất (.m) b) Hình 2.23 Hệ số ngẫu hợp dây pha a) mạch, b) hai mạch 43 2.6.3 Kết mô QĐA sét cách điện đường dây truyền tải Quá điện áp cảm ứng pha đường dây truyền tải Mơ trước tiên xem xét dạng sóng QĐA sét cảm ứng dây pha dòng điện sét gây Với giả thiết sở là:  Sét đánh vào đỉnh cột đường dây hai mạch có dạng sóng Slope - Ramp 50 kA (1,2/50μs)  Tiếp địa cột có trị số điện trở 10 Ω  Các thông số sử dụng mô đường dây 220 kV hai mạch Kết mô phân bố điện áp dây pha cột bị sét đánh trình bày hình 2.24, điện áp cách điện pha thể hình 2.25 Kết mơ cho thấy tổng trở sóng tương hỗ DCS dây pha giảm dần từ pha xuống pha thấp (pha cùng) Điện áp lớn xuất pha có trị số biên độ điện áp lớn 742 kV 0,37 lần trị số biên độ điện áp lớn đỉnh cột (1994 kV), pha pha có trị số biên độ điện áp cảm ứng lớn 0,28 lần 0,22 lần trị số biên độ điện áp lớn đỉnh cột Hình 2.25 cho thấy, điện áp nguy hiểm cách điện pha (pha gần DCS nhất) Quan sát hồn tồn phù hợp với cách tính hệ số ngẫu hợp Điều gợi ý góc bảo vệ pha nhỏ pha sử dụng CSV pha ln chọn lựa để lắp đặt 800 U pha A U pha B U pha C Điện áp U (kV) 600 400 200 0 10 Thời gian (ms) 15 20 Hình 2.24 Phân bố điện áp pha cột bị sét đánh 1200 U cđ A U cđ B U cđ C Điện áp U (kV) 1000 800 600 400 200 -200 10 15 20 Thời gian (ms) Hình 2.25 Sóng QĐA cách điện pha cột 44 Ảnh hưởng điện trở tiếp địa cột đến điện áp cách điện Mơ thực với giả thiết, dịng điện sét 50 kA (1,2/50μs) đánh vào đỉnh cột có điện trở nối đất cột có trị số thay đổi từ 10 đến 50 Ω Pha Pha Ucđ (kV) 1500 1000 500 10 20 30 Rtđ () 40 50 Hình 2.26 Biên độ QĐA sét cách điện pha theo trị số Rtđ Kết so sánh biên độ điện áp lớn cách điện pha đường dây truyền tải theo trị số điện trở tiếp địa cột khác thể hình 2.26 Ta nhận thấy điện trở tiếp địa cột giảm từ 50  xuống 10  biên độ điện áp cách điện pha giảm mạnh nhất, đến gần lần Điều gợi ý để nâng cao khả chịu sét cho đường dây, biện pháp giảm điện trở tiếp địa cột biện pháp đơn giản hiệu Ảnh hưởng biên độ dòng điện sét đến QĐA cách điện  Ảnh hưởng biên độ dòng sét Với biên độ dòng điện sét thay đổi từ 30 kA đến 250 kA (cùng dạng sóng 1,2/50μs, điện trở tiếp địa 10 ), điện áp lớn cách điện đường dây 220 kV hai mạch trình bày hình 2.27 Ta nhận thấy, biên độ QĐA sét cách điện pha đường dây truyền tải cột tăng tỷ lệ thuận theo biên độ dòng điện sét trị số dòng điện sét lớn 50 kA gia tăng biên độ điện áp cách điện rõ nét dòng điện sét nhỏ 7000 Pha Pha Pha Ucđ (kV) 6000 5000 4000 3000 2000 1000 30 50 100 Is (kA) 150 200 Hình 2.27 Biên độ QĐA sét cách điện pha theo biên độ dòng điện sét  Ảnh hưởng thời gian đầu sóng dịng điện sét Mơ với giả thiết dịng điện sét đánh vào đỉnh cột có biên độ 50 kA, cịn thời gian đầu sóng 1,2 μs; μs; μs; 5μs 10 μs, trị số điện trở nối đất tiếp địa cột 10 Ω Kết so sánh biên độ QĐA sét lớn cách điện đường dây theo thời gian 45 đầu sóng dịng điện sét khác thể hình 2.28 Kết so sánh cho thấy thời gian đầu sóng dịng điện sét tăng làm cho mức QĐA sét lớn cách điện pha giảm Khi thời gian lớn μs, chênh lệch củaQĐA sét cách điện pha thời gian đầu sóng khác gần không đáng kể Điều cho thấy thành phần điện cảm tổng trở sóng cột ảnh hưởng lớn đến điện áp cách điện đường dây 1200 Pha Pha Pha Ucđ (kV) 1000 800 600 400 200 1,2 Thời gian đầu sóng (ms) 10 Hình 2.28 Biên độ QĐA sét cách điện pha theo thời gian đầu sóng 2.7 Kết luận Khi sét đánh vào vị trí cột có điện trở tiếp địa lớn, phần đáng kể dòng điện sét chạy dây chống sét sang cột lân cận kèm với tượng truyền sóng Hiện tượng tương tự xảy dòng điện sét chạy dây dẫn sét đánh vào dây dẫn chống sét van làm việc Chính phần lý thuyết trình bày chương mô tả chi tiết cách xác định điện áp cách điện đường dây sét theo phương trình truyền sóng Ảnh hưởng thơng số đường dây điện cảm, điện trở, điện dung, đường trở đất thơng qua tính tốn tổng trở sóng dây đến điện áp sét dây dẫn dây chống sét trình bày chi tiết Những phân tích cho phép xác định mức độ ảnh hưởng thông số đường dây đến điện áp sét dòng điện sét chạy dây chống sét (do sét đánh vào dây chống sét) dòng điện sét chạy dây dẫn (do sét đánh vào dây dẫn CSV làm việc) để làm sở cho đề xuất biện pháp chống sét Chương Chương Cách giải phương trình truyền sóng EMTP mơ hình phần tử chương trình mơ EMTP để tính tốn q điện áp sét trình bày chi tiết để làm sở cho tính tốn Các mơ hình bao gồm nguồn sét, cột, dây dẫn, chuỗi cách điện, khe hở phóng điện, điện trở tiếp địa cột CSV đường dây Việc xác định thông số mơ hình phần tử liên quan đến QĐA sét đường dây truyền tải dựa khuyến cáo IEC TR 60071-4 [68], IEEE Std 1243-1997 [46] CIGRE-SC33WG01 [55] tính tốn áp dụng đường dây truyền tải cấp điện áp 110 kV, 220 kV 500 kV mạch hai mạch đường dây truyền tải Việt Nam Một điểm quan trọng luận án xác định hệ số ngẫu hợp dây dẫn dây chống sét dây dẫn với Do tượng ngẫu hợp hoàn toàn phụ thuộc vào thông số đường dây mà không phụ thuộc vào biến thiên dòng điện sét, hệ số ngẫu hợp thông số quan trọng việc xác định vị trí pha có điện áp sét lớn Kết tính tốn áp dụng cho thấy xét mạch trở đất, hệ số ngẫu hợp lớn 46 đường dây 220 kV tăng đến 24% đường dây mạch xét đến đường trở đất Kết tính tốn cho thấy việc xét mơ hình đầy đủ tính tốn q độ cho phép xác định điện áp sét suất cắt sét xác nhiều so với tính tốn đơn giản hóa khơng xét đến đường trở đất Mặc dù biện pháp lúc thực được, kết mơ cho thấy giảm điện trở tiếp địa cột biện pháp hữu hiệu để giảm điện áp cách điện trường hợp sét đánh vào đỉnh cột Đối với cột 220 kV, giảm điện trở tiếp địa cột từ 50  xuống 10  làm giảm điện áp lớn cách điện xuống gần 50% Q trình truyền sóng trị số điện cảm cột thể rõ kết mô thay đổi thời gian đầu sóng Đối với cú sét có thời gian đầu sóng lớn ms, khác biên độ điện áp sét pha thân cột gần không đáng kể ảnh hưởng hệ số ngẫu hợp bị trung hòa trị số điện cảm Tính tốn mơ rõ vị trí ưu tiên để lắp thiết bị bảo vệ CSV pha Tuy nhiên, CSV pha làm việc pha cần ưu tiên bảo vệ pha Quan sát giải thích thơng qua tính tốn hệ số ngẫu hợp thực chương 47 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN SUẤT CẮT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 3.1 Phương pháp mơ hình điện hình học Nội dung phần trình bày cách tính tốn suất cắt đường dây truyền tải theo phương pháp mơ hình điện hình học [55] Theo phương pháp suất cắt sét đường dây truyền tải (NC) tổng suất cắt sét đánh vào đỉnh cột DCS (BFR) suất cắt sét đánh vào dây pha (SFFOR) 100 km năm NC  BFR  SFFOR , (lần/100 km.năm) (3.1) Sau trình bày cụ thể cách xác định BFR SFFOR đường dây truyền tải 3.1.1 Suất cắt sét đánh đỉnh cột khoảng vượt dây chống sét (BFR) Suất cắt sét đánh đỉnh cột khoảng vượt xác định sau [55]: BFR  0, N L P ( I  I c ) , (lần/100 km.năm) (3.2) Trong đó:  NL số lần sét đánh vào đường dây 100 km năm xác định theo IEEE [46]: NL  Ng 28 h ,6  S g 10 (3.3) Với: Ng mật độ sét (lần/1km2.năm), biết số ngày giông sét năm (Nd) số giơng sét năm (Gd) mật độ sét xác định theo [46]: N g  0, 04 N d0 ,125 (3.4) N g  0, 04Gd1,1 Với: h chiều cao cột (m); Sg khoảng cách hai DCS (m) đường dây có DCS Sg =0  P(I>Ic) xác suất xuất dịng điện sét có cường độ lớn Ic (Ic cường độ dòng điện nhỏ gây phóng điện chuỗi cách điện) xác định theo đề xuất J.G.Anderson IEEE 1243-1997 sử dụng [78]: P( I  I c )   I  1    31  2, (3.5) Hệ số 0,6 công thức (3.2) gọi hệ số khoảng vượt Kkv tính đến trường hợp sét đánh vào đỉnh cột khoảng vượt [74] 48 3.1.2 Suất cắt sét đánh vào dây dẫn (SFFOR) Suất cắt sét đánh vào dây dẫn đường dây truyền tải xác định dựa phương pháp mơ hình điện hình học [55] Mơ hình điện hình học đường dây treo DCS thể hình 3.1 Hình 3.1 Mơ hình EGM xác định diện tích thu hút sét vào DCS dây dẫn [55] Trong đó: y chiều cao dây pha so với mặt đất (m); Sg khoảng cách DCS (m);  góc bảo vệ DCS (0); a khoảng cách từ DCS tới dây dẫn rc khoảng cách phóng điện vào dây dẫn DCS; rg khoảng cách phóng điện xuống đất Khoảng cách phóng điện vào dây dẫn, DCS khoảng cách phóng điện xuống đất phụ thuộc vào trị số dòng điện sét I, xác định theo công thức (3.7) [55]: r ( I )  AI b (3.6) Với A, b hệ số xác định phương pháp thực nghiệm phụ thuộc vào mô hình lựa chọn để tính tốn đề xuất tác giả khác [42, 55, 46] Trong luận án hệ số A, b chọn theo IEEE Stđ 1234-1997 [46] sau: rc  10 I ,65 ,65 3,  1, ln(43  y ) I rg   ,65 5, 5I (3.7) y < 40 m y  40 m (3.8) Giả thiết cú sét đánh xuống theo phương vng góc với mặt đất Những cú sét đánh vào cung AB đánh vào dây dẫn, đánh vào cung BC đánh vào DCS, cú sét đánh cung AB, BC đánh xuống mặt đất Khu vực sét đánh vào dây dẫn vòng qua dây chống sét gọi Dc khu vực sét đánh vào DCS Dg (Hình 3.1) Để xác định Dc Dg xét nửa mơ hình điện hình học hình 3.2  Khu vực sét đánh vào dây dẫn: Dc  rc  cos( )  cos(   )  (h  y )  tan ( )     2rc     sin 1  (3.9) (3.10) 49  rg  y    rc  (3.11)  a    h y (3.12)   sin 1    tan 1  Nếu rg < y thì:  Dc  rc 1  cos(   ) (3.13) Dg  rc cos(   ) (3.14) Khu vực sét đánh vào DCS: Dg Dc rc   h c  rc rc -y  rc y Hình 3.2 Xác định Dc Dg theo mơ hình điện hình học [42] Từ suất cắt sét đánh vào dây dẫn (SFFOR) xác định theo công thức (3.15) [55]: Im SFFOR  N g L  Dc f ( I )dI , (lần/100 km.năm) (3.15) Ic Trong đó: Dc khu vực sét đánh vào dây dẫn (m) xác định theo công thức (3.9) (3.13) ; chiều dài đường dây (100 km); Im cường độ dịng sét lớn đánh vào dây dẫn (kA) PL6; Ic cường độ dịng sét nhỏ gây phóng điện (kA); f(I) hàm phân bố mật độ dòng điện sét, xác định theo hàm phân bố log chuẩn [46]:   ln I  ln I 2  m f (I )  exp    (3.16)   m 2 m I     Với: m độ lệch chuẩn; Im biên độ dòng điện sét trung bình; I biên độ dịng điện sét Xác suất tích luỹ cường độ dịng sét sử dụng rộng rãi tính tốn suất cắt sử dụng IEEE Stđ 1243-1997 [46], CIGRE-SC33-WG01 [55] (Hình 3.3) Chương trình tính tốn suất cắt sét đánh vào đỉnh cột suất cắt sét đánh vào dây dẫn trình bày phụ lục 50 Hình 3.3 Xác suất tích lũy biên độ dòng điện sét theo CIGRE [55] 3.2 Phương pháp mơ Monte Carlo Phương pháp tính tốn suất cắt mơ hình điện hình học trình bày kể thực với thông số đường dây (chiều cao cột, góc bảo vệ, điện trở tiếp địa cột) tham số dòng điện sét (độ lớn dòng điện sét, độ dốc) cố định Trên thực tế, đường dây có nhiều loại cột khác địa hình có điện trở tiếp địa khác nhau, việc tính tốn suất cắt cho tồn đường dây dựa vào tham số cột khoảng vượt có yếu tố tham khảo thường sử dụng kết cực đoan Do phù hợp khâu thiết kế ước lượng hiệu biện pháp chống sét đường dây cụ thể Hơn nữa, dòng điện sét khơng cố định mà có hình dạng độ lớn thay đổi theo cú sét Như vậy, có cú sét đánh vào đường dây cụ thể, tham số tốn tính tốn suất cắt cho tồn đường dây trở thành toàn với toàn yếu tố ngẫu nhiên độ lớn hình dạng sóng sét (độ lớn, thời gian đầu sóng), vị trí sét đánh (khoảng vượt, đỉnh cột), vị trí cột (loại cột, chiều cao cột), vị trí pha (pha trên, pha hay pha giữa), trị số điện trở tiếp địa, thời điểm cú sét đánh vào đường dây tương quan với trị số điện áp làm việc Với đặc điểm vậy, phương pháp mô Monte Carlo coi phương pháp phù hợp tính tốn suất cắt cho đường dây truyền tải sẵn có [20, 79-84, 38, 85-87], nghiên cứu [83] có xét đến ảnh hưởng phân bố góc sét Dựa vùng địa lý nơi có đường dây truyền tải qua, ta tính tốn số lần sét đánh vào toàn đường dây năm dựa giá trị mật độ sét vùng diện tích đường dây mà sét đánh vào Từ ta biết giả sử có N cú sét đánh vào đường dây, tương đương với T năm vận hành đường dây Số lần chạy mô hay tiêu chuẩn dừng mô dựa hai tiêu chuẩn dừng số lần sét đánh vào đường dây tài liệu [63], [66], [67] hay tiêu chuẩn sai số () suất cắt hai lần mô liên tiếp [62], [88] với sai số nhỏ 5% Đặc thù đường dây truyền tải điện Việt Nam suất cắt thường có giá trị nhỏ 10 lần/100.km.năm, nghĩa sai số 5% suất cắt tương đương với suất cắt dao động từ 9,5 51 tới 10,5 lần/100km.năm, đủ nhỏ để kết thúc mơ Ngồi theo quy phạm trang bị điện năm 2006, thời gian sử dụng cơng trình đường dây 110 kV 20 năm, đường dây 220 kV 30 năm Vì vậy, thực mô tương ứng với số năm vận hành lớn số năm sử dụng cơng trình vừa đảm bảo sai số hai lần mô đủ nhỏ vừa đảm bảo tính tốn xét đến tồn tuổi thọ đường dây Trong mơ Monte Carlo, cú sét đánh vào đường dây tổng số N cú sét kể có giá trị ngẫu nhiên dòng điện sét, vị trí cột, vị trí pha, điện trở tiếp địa Nếu điện áp cách điện lớn điện áp chịu đựng cách điện, phóng điện xảy chương trình ghi nhận lần cố Với mơ hình EMTP/ATP phần tử đường dây, điện áp cách điện tính tốn sau lần mô Từ tổng số cố ghi nhận số N cú sét chia cho tổng số năm vận hành xác định suất cắt đường dây Trên hình 3.4 trình bày minh họa sơ đồ khối xác định lần phóng điện mơ EMTP Lập mơ hình phần từ EMTP Chọn giá trị Is, tf th Rtđ Chạy mô EMTP/ATP Tính tốn điện áp cách điện đường dây (Ucđ) S So sánh Ucđ > U50% Đ Đếm lần phóng điện Hình 3.4 Sơ đồ khối ứng dụng phương pháp 3.2.1 Trình tự tính tốn phương pháp mô Monte Carlo Phương pháp Monte Carlo tính tốn suất cắt đường dây xét nhiều kịch khác nhau, với tất tham số đầu vào ngẫu nhiên bao gồm tham số dòng điện sét (bao gồm biên độ Im, thời gian đầu sóng tf độ dài sóng th) sét đánh vào loại cột đường dây với điện trở cột tương ứng (với phân bố xác định thống kê thực tế) Trong luận án này, bước mô Monte Carlo áp dụng tính tốn suất cắt sét cho đường dây truyền tải bao gồm bước sau: 52 Lập mơ hình phần tử đường dây EMTP/ATP cột, dây dẫn, cách điện, tiếp địa cột, chống sét van (nếu có) nguồn sét trình bày mục 2.5.2 Chương 2 Dựa chiều dài đường dây độ cao trung bình cột, ta xác định diện tích thu hút sét DTts (km2) Nếu lấy mật độ sét Ng =10 lần/1km2.năm, tổng số lần sét đánh vào đường dây DTts 10 (lần/năm) Lấy tổng số lần sét đánh vào đường dây (hay số lần mô phỏng) Nmax, tương đương với số năm vận hành đường dây Nmax/(DTts 10) Với cú sét đánh vào đường dây, ta chọn ngẫu nhiên tham số bao gồm tham số dòng điện sét (Im, tf, th ) vị trí sét đánh, thời điểm sét đánh so với góc pha điện áp  Im lấy theo hàm phân bố log-chuẩn dịng sét cực tính âm, theo IEEE 1243-1997 [46] xác định theo cơng thức (3.16) giá trị trung bình Im độ lệch chuẩn m bảng 3.1  Thời gian đầu sóng tf độ dài sóng th lấy theo hàm phân bố logchuẩn theo bảng 3.1  Giá trị điện trở tiếp địa cột giả thiết biến thiên theo hàm phân bố lấy từ số liệu điện trở đo thực tế vị trí cột, tham số giá trị trung bình Rm độ lệch chuẩn m  Thời điểm xảy sét đánh so với vị trí góc pha điện áp làm việc coi phân bố liên tục từ 0o đến 360o Từ giá trị dịng điện sét, dựa mơ hình điện hình học mục 3.1.2 xác định vị trí sét đánh vào DCS dây pha Kiểm tra phóng điện, điện áp cách điện vượt mức điện áp chịu đựng cách điện cú sét tính lần cắt điện (Npd) Nếu lần mơ tiếp theo, phóng điện cách điện xảy số lần phóng điện tăng lên số lần cắt điện cập nhật Lặp lại bước 3, bước bước tổng số lần sét đánh vào đường dây đạt trị số Nmax Suất cắt đường dây tính số lần cắt điện chia cho tổng số năm vận hành tương đương Tính tốn sai số suất cắt, sai số chưa đạt 5% lặp lại bước 3, bước bước sai số đạt giá trị nhỏ 5% dừng mô Bảng 3.1 Tham số hàm phân bố log-chuẩn cho dòng điện sét [84] Tham số Biên độ Im (kA) Thời gian đầu sóng tf (ms) Độ dài sóng th(ms) Giá trị trung bình 34,0 2,0 77,5 Độ lệch chuẩn 0,74 0,494 0,577 Quá trình mơ dừng lại số kịch đạt đến giá trị Nmax Kết thúc q trình mơ cho phép ta xác định trị số suất cắt sét đường dây: 53 NC  N L N pd (3.17) , (lần/100 km.năm) N max Trình tự bước tính tốn suất cắt đường dây truyền tải theo phương pháp Monte Carlo trình bày theo sơ đồ thuật tốn tính hình 3.5 Trình tự bước để chạy mơ chương trình mơ EMTP kết hợp với chương trình Matlab PL10 Lập mơ hình phần tử EMTP Khởi tạo số lần chạy mô Nmax, N=1 Chọn ngẫu nhiên tham số dòng điện sét (I, tr, tn) Chọn ngẫu nhiên góc pha điện áp làm việc pha A so với thời điểm xảy sét đánh vào đường dây (00-3600) N=N+1 Chọn ngẫu nhiên giá trị điện trở tiếp địa cột theo phân bổ xác suất (Rtd) Áp dụng mơ hình điện hình học xác định điểm mà sét đánh vào đường dây chống sét dây dẫn S N=Nmax Đ S Kiểm tra phóng điện Đ Cập nhật số lần phóng điện Suất cắt đường dây ε S ε Hình 4.7 mơ tả đặc tính phi tuyến CSV đường dây cấp điện áp 220 kV, điện áp đặt lên CSV nhỏ điện áp làm việc CSV, dòng điện rò qua CSV nhỏ vài mA, chí khe hở khơng khí nối tiếp với trường hợp CSV có khe hở Khi điện áp (do sét, đóng cắt điện áp tạm thời) đặt lên 62 CSV lớn mức bảo vệ cách điện (protection level) CSV, CSV làm việc, điện áp rơi CSV gần không đổi khơng phụ thuộc vào dịng điện qua CSV Đặc tính phi tuyến CSV đường dây cấp điện áp 500 kV 110 kV trình bày PL4 1000.0 Arrester Voltage (kVp) 900.0 800.0 700.0 600.0 500.0 400.0 300.0 200.0 100.0 0.0 0.00001 0.001 0.1 10 Arrester Current (A) 1000 100000 Hình 4.7 Đặc tính làm việc CSV cấp điện áp 220 kV [99] 4.2.3 Điện áp làm việc liên tục Giống điện áp định mức thiết bị điện khác, điện áp làm việc liên tục CSV hay gọi MCOV (Maximum Continuous Operating Voltage) tham số quan trọng CSV đường dây Điện áp làm việc liên tục (MCOV) trị số điện áp lớn pha - đất tần số công nghiệp (giá trị hiệu dụng - rms) đặt liên tục lên CSV mà không làm hỏng CSV Trị số MCOV cho nhà sản xuất tùy vào chế độ điểm trung tính hệ thống mà CSV chọn phải có trị số MCOV phù hợp Như trình bày trên, CSV đường dây chủ yếu dùng để bảo vệ chống điện áp sét điện áp đóng cắt nên khơng làm việc với q điện áp tạm thời Vì vậy, nguyên tắc chung MCOV = kan tồn Ud /√3 hệ thống có trung tính nối đất trực tiếp với Ud điện áp dây cịn kan tồn hệ số an tồn (thường kan toàn > 1,05) 4.2.4 Khả hấp thụ lượng CSV đường dây Một đặc tính quan trọng CSV đường dây khả hấp thụ lượng CSV (Energy capability) CSV hỏng nhiệt phát nổ lượng điện áp (sét đóng cắt) lớn khả năng lượng hấp thụ CSV Năng lượng qua CSV tính cơng thức [97]: t t 0 E   (U I )dt  U  I 11/ t dt  U  Idt  UQ (4.2) Với: U điện áp rơi CSV; I dòng qua CSV; t thời gian CSV làm việc cịn Q điện tích xả qua CSV Khả hấp thụ lượng CSV tính đơn vị kJ/kV MCOV, nghĩa kJ kV điện áp làm việc liên tục Do giá thành CSV phụ thuộc vào khả hấp thụ lượng, tùy vào mục đích CSV đường dây để chống QĐA sét hay QĐA đóng cắt mà khả hấp thụ lượng CSV phải tính tốn cho phù hợp Đối với CSV để bảo vệ q điện áp sét, cần tính tốn đến dòng điện sét lớn với độ dốc 63 lớn xảy khu vực đó, đồng thời có xét đến đặc trưng thơng số đường dây số lượng DCS sử dụng, trị số điện trở tiếp địa Thông thường, CSV sử dụng cho đường dây khơng treo DCS có khả hấp thụ lượng lớn lần so với loại dùng cho đường dây có sử dụng DCS Cịn sử dụng CSV để chống điện áp đóng cắt, lượng qua CSV phụ thuộc vào thơng số đường dây chiều dài đường dây, điện áp làm việc cần tính tốn cụ thể 4.2.5 Các loại chống sét van đường dây CSV đường dây bao gồm hai loại: khơng khe hở có khe hở (Hình 4.8) Loại CSV khơng có khe hở ngồi thực chất loại có khe hở ngồi với chiều dài khe hở khơng Do đặc tính phối hợp cách điện khe hở EGLA, loại làm việc q điện áp sét, cịn NGLA làm việc với điện áp sét điện áp thao tác Thành phần quan trọng điện trở phi tuyến (MOV) hai loại EGLA NGLA để bảo vệ điện áp sét cho cách điện hai loại Cả hai loại CSV có khơng có khe hở có ưu nhược điểm riêng [93]: a) b) Hình 4.8 CSV đường dây loại khơng khe hở (a) loại có khe hở (b) [98] Chống sét van không khe hở Ưu điểm:  Lắp đặt đơn giản, CSV có phần MOV, chí lắp đặt đường dây mang điện  Có thể sử dụng để chống QĐA đóng cắt cột gần trạm biến áp (TBA)  Tất CSV lân cận chia sẻ lượng sét, dẫn đến CSV sử dụng loại lượng hấp thụ thấp Nhược điểm:  Thường xuyên mang dòng điện 50 Hz liên tục chạy qua CSV dẫn đến tổn thất MOV bị phát nóng liên tục nhanh bị lão hóa  Phần MOV liên tục chịu điện áp khác điện áp làm việc, điện áp đóng cắt nên bị lão hóa nhanh  Bộ phận (ngắt kết nối) disconnector dễ bị hỏng hóc rung lắc, gỉ sét chí khơng làm việc dịng ngắn mạch không đủ lớn  Khi dùng cho đường dây, dây nối đất chống sét van tới thân cột dài dễ gây cố ngắn mạch dây nối đất bị tuột bị đứt 64 Chống sét van có khe hở Ưu điểm:   Tuổi thọ cao CSV có khe hở khơng khí ngồi nên CSV khơng phải chịu đựng dịng điện 50 Hz liên tục chạy qua, CSV chịu loại điện áp khác Ngay phần MOV bị hỏng, đường dây làm việc bình thường phần khe hở thiết kế để chịu đựng điện áp làm việc, chí chịu điện áp làm việc thao tác Nhược điểm:    Khó lắp đặt cấu tạo phức tạp, thường phải cắt điện đường dây lắp đặt CSV không làm việc lúc lượng hấp thụ yêu cầu cao Phối hợp cách điện khe hở phóng điện cách điện đường dây cần thực cẩn thận đường đặc tính cách điện khe hở phóng điện cách điện đường dây có độ dốc khác 4.3 Hiệu lắp đặt CSV cho đường dây truyền tải Để đánh giá hiệu việc sử dụng CSV cho đường dây truyền tải, phần tiến hành mô cho đường dây 500 kV, 220 kV 110 kV hai mạch hai DCS có cấu hình sử dụng đường dây Việt Nam Các đường dây có cấu hình cột hình 4.9 số liệu kích thước cột thông số đường dây sử dụng mơ trình bày PL Sg h DCS2 DCS1 A2 A1 B2 B1 C2 C1 D1 D2 D3 D4 Hình 4.9 Cấu hình cột hai mạch đường dây 500 kV, 220 kV 110 kV Giả thiết đường dây lắp đặt CSV pha (pha A1) toàn tuyến đường dây Đặc tính V- t CSV tương ứng với cấp điện áp 65 trình bày PL4, đường dây khu vực có mật độ sét 10 lần/km2.năm Điện trở tiếp địa cột giống toàn tuyến đường dây ứng với đường dây 500 kV , 220 kV 10  110 kV 20  Kết mơ xác định ngưỡng dịng điện sét (Ing) nhỏ sét đánh đỉnh cột gây phóng điện cách điện trước sau lắp CSV trình bày hình 4.10 300 Trước lắp CSV Ing(kA) 250 Sau lắp CSV 200 150 100 50 500kV 220kV Cấp điện áp 110kV Hình 4.10 Ngưỡng dịng điện sét nhỏ gây phóng điện cách điện pha không lắp CSV Kết mô cho thấy, trường hợp sét đánh đỉnh cột CSV lắp pha bảo vệ cho cách điện pha khơng xảy phóng điện mà cịn làm tăng ngưỡng dịng điện sét gây phóng điện cách điện pha không lắp CSV so với chưa lắp CSV, cụ thể với đường dây 500 kV trị số tăng 50 kA, đường dây 220 kV tăng 40 kA đường dây 110 kV tăng 33 kA (hình 4.10) Dịng điện ngưỡng xảy phóng điện tăng lên làm cho suất cắt đường dây giảm xuống 42% đường dây 500 kV (từ 0,84 lần/100 km.năm xuống 0,49 lần/100 km.năm), giảm 63% đường dây 220 kV (từ 6,75 lần/100 km.năm xuống 2,49 lần/100 km.năm) giảm 66% đường dây 110 kV (từ 12,49 lần/100 km.năm xuống 4,39 lần/100 km.năm) Ví dụ đơn giản chứng tỏ hiệu lớn việc lắp đặt CSV cho đường dây truyền tải, đường dây 110 kV lắp đặt CSV đường dây tải điện tỏ rõ hiệu 4.4 Ảnh hưởng thông số đường dây tới suất cắt lắp đặt chống sét van 4.4.1 Ảnh hưởng chiều cao cột Đường dây truyền tải thơng thường có số loại cột cột néo, cột đỡ cột vượt với khác loại cột chiều cao cột Tiến hành mô cho đường dây 220 kV hai mạch có cấu hình 4.9 số liệu PL5 lắp CSV pha mạch (pha A1) toàn tuyến đường dây, với loại cột có chiều cao 33 m, 39 m, 46 m 49 m, điện trở tiếp địa cột Rtđ =10 , mật độ sét 10 lần/km2.năm Ta nhận thấy suất cắt đường dây tỷ lệ thuận với chiều cao cột, chiều cao cột tăng 1,48 lần (từ 33 m lên 49 m) suất cắt đường dây tăng 3,16 lần (từ 1,2 lần/100 km.năm lên 3,8 lần/100 km.năm) Ngoài việc tăng chiều cao cột làm tăng diện tích thu hút sét, dẫn đến tăng số lần sét đánh vào đường dây thể công thức 3.3 (Chương 66 300 250 200 Nc Nl 150 100 50 33 39 46 Chiều cao cột h (m) Nl (số cú sét/100km.năm) Nc (lần/100km/năm) 3), chiều cao cột tăng cịn làm cho tổng trở sóng thân DCS tăng lên (công thức 2.7, 2.11, 2.13 2.14 Chương 2) làm cho phóng điện xảy dễ dàng hệ số ngẫu hợp dây pha với DCS giảm 49 Hình 4.11 Ảnh hưởng chiều cao 4.4.2 Ảnh hưởng chiều dài khoảng vượt Nc (lần/100km/năm) Các đường dây truyền tải qua khu vực có địa hình khác nên chiều dài khoảng vượt khác nhau, q trình truyền sóng khoảng vượt khác gây QĐA cách điện khác nhau, để xét ảnh hưởng chiều dài khoảng vượt tiến hành mô cho đường dây 220 kV hai mạch có cấu hình cột hình 4.9 tham số cột, đường dây PL5, điện trở tiếp địa cột Rtđ =10 , lắp CSV pha mạch (pha A1) toàn tuyến đường dây, độ võng khoảng vượt giống lấy m, mật độ sét 10 lần/km2.năm Chiều dài khoảng vượt từ 200 m đến 600 m, kết mô cho thấy ảnh hưởng chiều dài khoảng vượt tới suất cắt khơng nhiều (Hình 4.12), khoảng vượt tăng từ 200 m lên 600 m, suất cắt tăng 9% 3.0 2.0 1.0 0.0 200 300 400 500 Chiều dài khoảng vượt (m) 600 Hình 4.12 Ảnh hưởng chiều dài khoảng vượt tới suất cắt 4.4.3 Ảnh hưởng điện trở tiếp địa cột Các đường dây truyền tải qua khu vực có địa hình khác nên điện trở tiếp địa cột khác Hình 4.13 trình bày kết tính tốn suất cắt đường dây 220 kV hai mạch có cấu hình cột hình 4.9 tham số PL5, chiều dài khoảng vượt trung bình tồn tuyến 350 m, CSV lắp pha mạch (pha A1) toàn tuyến 67 Nc (lần/100km.năm) 25 Không lắp CSV Lắp CSV pha A1 20 15 10 5 10 20 30 Rtđ () 40 50 Hình 4.13 Ảnh hưởng điện trở tiếp địa tới suất cắt Kết mô cho thấy suất cắt đường dây tăng gần tuyến tính với trị số điện trở tiếp địa cột dải điện trở từ  đến 50  Qua kết cho thấy sử dụng CSV suất cắt đường dây tương đương với việc giảm điện trở tiếp địa 30  Đối với đường dây chưa lắp CSV giảm điện trở tiếp địa cột từ 50  xuống 10  suất cắt giảm gần 3,7 lần, cịn lắp CSV suất cắt giảm 4,6 lần 4.5 Điện áp cách điện lắp đặt CSV Trong phần mô xác định điện áp cảm ứng pha không lắp CSV trường hợp CSV làm việc để thấy ảnh hưởng hệ số ngẫu hợp dòng điện sét chạy dây pha, dẫn tới ảnh hưởng đến điện áp cách điện Điện áp cảm ứng pha khác lớn hay bé định pha có bị phóng điện hay khơng, điện áp cảm ứng ngồi phụ thuộc vào trị số dòng điện sét, điện trở tiếp địa cột mà phụ thuộc vào hệ số ngẫu hợp trình bày chi tiết Chương Ta biết lắp đặt CSV pha pha khơng xảy phóng điện, cịn khả phóng điện pha khơng lắp CSV phụ thuộc vào điện áp đặt cách điện pha Tiến hành mơ cho đường dây 220 kV hai mạch hai DCS có cấu hình 4.9 PL.5, dòng điện sét 85 kA (1,2/50 ms) đánh đỉnh cột, trị số dòng điện sét gây phóng điện cách điện pha A1 trường hợp chưa lắp CSV, điện trở tiếp địa cột 10 , CSV lắp pha (pha A1) toàn tuyến đường dây Điện áp cách điện pha A1 sau lắp CSV giảm xuống gần lần so với chưa lắp CSV (Hình 4.14) Điện áp đặt lên cách điện hai pha khơng lắp CSV khơng có khác nhiều (Hình 4.15) Khi điện trở tiếp địa cột 40 , phóng điện xảy cách điện pha C1, khơng xảy phóng điện cách điện pha B1 (Hình 4.16) Điều cho thấy ảnh hưởng hệ số ngẫu hợp làm cho điện áp cách điện pha không lắp CSV thay đổi Khi điện trở tiếp địa cột nhỏ (Rtđ =10 ) dòng điện sét qua tiếp địa cột chiếm 90% dòng điện sét tổng, dòng sét chạy DCS dây pha A1 (do CSV làm việc) chiếm 10% Do đó, hệ số ngẫu hợp pha B1 C1 với DCS pha A1 nhỏ nên điện áp cảm ứng từ DSC dây pha A1 sang dây pha B1 pha C1 nhỏ Do vậy, điện áp cách điện nhỏ dẫn đến điện áp cách điện pha B1 pha C1 sai khác nhiều Nhưng điện trở tiếp địa cột tăng lên 40  dòng điện sét qua tiếp địa cột chiếm 60% dòng điện sét tổng, dòng điện sét chạy 68 DCS dây pha A1 (do CSV làm việc) chiếm đến 40 % Do đó, điện áp cảm ứng pha B1 pha C1 tăng lên so với trường hợp điện trở tiếp địa cột có trị số 10  Do dây B1 gần DCS dây pha A1 pha C1 nên hệ số ngẫu hợp pha B1 với pha A1 DCS lớn hệ số ngẫu hợp pha C1 với DSC với dây pha A1, điện áp cảm ứng pha B1 lớn Kết điện áp đặt lên cách điện pha B1 nhỏ pha C1, nên xảy phóng điện pha C1 xảy trước so với pha B1 Do đó, pha C1 chọn để lắp đặt CSV trường hợp tăng số lượng lắp đặt lên CSV Ví dụ đơn giản để nói việc định số lượng CSV, vị trí CSV phải xét đến nhiều yếu tố hệ số ngẫu hợp dây pha với dây bên cạnh (thông qua thông số đường dây) điện trở tiếp địa cột 1500 Khơng lắp CSV Có lắp CSV Điện áp U (kV) 1250 1000 750 500 250 -250 2.5 -500 7.5 10 12.5 15 17.5 20 Thời gian (ms) Hình 4.14 Điện áp cách điện pha A1 trước sau lắp CSV 1400 U_cd pha B1 Điện áp U (kV) 1200 U_cd pha C1 1000 800 600 400 200 -200 2.5 7.5 10 12.5 Thời gian (ms) 15 17.5 20 Hình 4.15 Điện áp cách điện pha B1, pha C1 CSV làm việc, Rtđ =10 69 1500 U_cd pha B1 U_cd pha C1 Điện áp U (kV) 1000 500 0 2.5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 -500 -1000 Thời gian (ms) Hình 4.16 Điện áp cách điện pha B1, pha C1 CSV làm việc, Rtđ =40 4.6 Suất cắt sét theo số lượng CSV lắp đặt Số lượng CSV mạch tăng dần từ lên CSV sau quan sát điện áp pha khơng lắp CSV trình bày phần 4.4.1 Suất cắt tiếp tục giảm nhiên hiệu không cao tăng từ lên CSV (Hình 4.17) Ưu điểm việc lắp CSV pha mạch cố lộ trường hợp dịng sét q lớn khơng xảy Mặt khác, cần lắp CSV pha lộ pha tương ứng lộ thứ hai tự động bảo vệ sét đánh vào đỉnh cột DCS ngưỡng dịng điện sét gây phóng điện pha khơng lắp CSV tăng lên Tuy nhiên khơng có tác dụng trường hợp sét đánh vào dây pha lộ khơng lắp CSV Vì phương án lắp CSV lộ buộc phải chấp nhận xác suất mà sét đánh trực tiếp vào dây dẫn lộ không lắp CSV Ở cấp điện áp 110 kV sử dụng CSV làm cho suất cắt giảm nhiều Ngoài đường dây 110 kV, khoảng cách dây pha với DCS, dây pha với chiều cao so với đất nhỏ hai đường dây 220 kV 500 kV hệ số ngẫu hợp ảnh hưởng rõ 14 500kV 220kV 110kV Nc (lần/100km/năm) 12 10 0 pha pha pha Số lượng CSV pha Hình 4.17 Suất cắt đường dây với trường hợp lắp CSV khác 70 4.7 Lựa chọn vị trí lắp đặt CSV theo cấu hình đường dây Như trình bày chương 2, điện áp cách điện đường dây sét đánh phụ thuộc vào tượng truyền sóng phức tạp đường dây Vì CSV hiệu lắp đặt pha có điện áp cao Vị trí pha xác định tính tốn mô cho trường hợp cụ thể Suất cắt loại đường dây xem xét xác định mơ hình điện hình học chương trình mơ q độ điện từ EMTP/ATP với mơ hình cách tính tốn trinh bày chương Vị trí tốt CSV đường dây định xác định cách nghiên cứu ảnh hưởng tham số đường dây, chẳng hạn loại cột, số lượng DCS, tiếp địa cột, số lượng CSV lắp đặt đến suất cắt đạt sau Các tính tốn tiến hành cho đường dây 110 kV 220 kV với thơng số chi tiết trình bày PL5 Về ngun tắc, có (hoặc 2) DCS bảo vệ cho ba pha thực tế dây pha đóng vai trị DCS cho pha phía Đối với đường dây mạch DCS góc bảo vệ pha lớn nhất, cịn góc bảo vệ pha bên Đặc điểm dẫn tới suất cắt sét đánh vào dây pha (SFFOR) giảm xuống pha phía Mặt khác, đường dây mạch, góc bảo vệ pha khác cấp điện áp, suất cắt sét đánh vào pha thay đổi tùy vào cấp điện áp cụ thể Chính vậy, lắp đặt CSV cho đường dây 110 kV khác với đường dây 220 kV cần phải tính tốn chi tiết để đảm bảo hiệu tốt phương án lắp đặt CSV Sau xét cho trường hợp 4.7.1 Đường dây 220 kV 4.7.1.1 Đường dây 220 kV hai mạch hai DCS Kết mô cho thấy cần lắp đặt CSV pha suất cắt giảm xuống (Hình 4.18) Tuy nhiên, với Rtđ < 15 , sử dụng CSV pha hiệu Khi Rtđ > 15 , CSV treo pha mang lại kết tốt Kết thể quan trọng trị số hệ số ngẫu hợp Để giải thích rõ điểm ta xét trường hợp điện trở tiếp địa nhỏ, ví dụ Rtđ = 10 , dịng điện sét qua Rtđ chân cột chiếm tới 90% dịng sét tổng cộng, có 10% dòng điện sét tản qua DCS để sang tiếp địa cột bên cạnh Khi Rtđ tăng lên 50 , dòng điện sét qua điện trở tiếp địa giảm 64% dòng sét tổng cộng giảm 50 % điện trở tiếp địa lớn 75  (Hình 4.19) Chính Rtđ nhỏ, điện áp cảm ứng pha có giá trị khơng đáng kể có hệ số ngẫu hợp lớn pha Tuy nhiên, suất cắt sét đánh trực tiếp vào dây pha (SFFOR) pha A1 lại lớn nhất, dẫn đến việc treo CSV pha A1 hiệu SFFOR giảm nhiều pha Khi Rtđ lớn (>15 ), tượng ngược lại diễn ra, dòng điện sét chạy qua DCS tăng đến giá trị đủ lớn để làm cho điện áp cảm ứng pha A1 ngẫu hợp lớn nhiều điện áp cảm ứng pha B1 C1 dẫn đến pha B1 C1 dễ bị phóng điện 71 Nc (lần /100km.năm 25 Không CSV CSV A1 CSV B1 CSV C1 20 15 10 10 20 30 Rtd () 40 50 Hình 4.18 Suất cắt đường dây 220 kV hai mạch hai DCS lắp CSV 100 Dòng sét qua Rtđ Dòng sét qua DCS Dòng điện sét (%) 80 60 40 20 10 20 30 40 Rtd () 50 100 Hình 4.19 Tỉ lệ % dòng điện sét qua DCS qua Rtđ Đối với trường hợp sử dụng CSV (hình 4.20), có CSV làm việc hệ số ngẫu hợp thay đổi so với dùng CSV Lý dịng điện sét khơng chạy DCS mà chạy qua dây pha nơi có CSV làm việc Khi Rtđ < 20 , lắp CSV pha (A1B1 A2B2) hiệu Khi Rtđ > 20 , lắp CSV pha (B1C1 B2C2) lại hiệu Ở vùng điện trở cao (Rtđ > 40 ), cấu hình A1B1 lại trở nên hiệu Nc (lần /100km.năm) 12 CSV A1B1 CSV A1C1 CSV B1C1 10 10 20 30 Rtd () 40 50 Hình 4.20 Suất cắt đường dây 220 kV hai mạch hai DCS lắp CSV 72 Khi lắp CSV mạch cố sét mạch loại trừ hồn tồn, cịn mạch khơng lắp CSV cố sét xảy Kết mô hình 4.21 cho thấy việc lắp CSV mạch suất cắt giảm xuống cịn 0,5 đến 0,7 lần so với trường hợp lắp CSV, giảm xuống 0,3 đến 0,4 lần so với trường hợp lắp CSV Khi chuyển CSV sang mạch cịn lại suất cắt thay đổi phụ thuộc vào trị số Rtđ Nếu Rtđ < 15  lắp CSV pha mạch pha mạch lại (A1A2B1 A1A2B2) suất cắt nhỏ Nhưng Rtđ vượt 30  suất cắt lại nhỏ lắp CSV toàn mạch (A1B1C1 A2B2C2) Ở khoảng giá trị điện trở tiếp địa (15  < Rtđ < 30 ), lắp CSV pha pha (A1A2C1 A1A2C2) lại hiệu Như giải thích Rtđ nhỏ ảnh hưởng hệ số ngẫu hợp tới dây pha (pha C1 C2) khơng đáng kể dịng điện sét chủ yếu qua Rtđ cột bị sét đánh, Rtđ đủ lớn dòng điện sét chạy DCS lớn nên ảnh hưởng hệ số ngẫu hợp lớn Nc (lần /100km.năm) 10 CSV A1B1C1 CSV A1A2B1 CSV A1A2C1 10 20 30 Rtd () 40 50 Hình 4.21 Suất cắt đường dây 220 kV hai mạch hai DCS lắp CSV 4.7.1.2 Đường dây 220 kV mạch DCS Khác với đường dây mạch, treo CSV pha (pha A) đường dây mạch hiệu với giá trị Rtđ (Hình 4.22) 70 Khơng CSV CSV A CSV B CSV C Nc (lần /100km.năm) 60 50 40 30 20 10 10 20 30 Rtd () 40 50 Hình 4.22 Suất cắt đường dây 220 kV mạch DCS lắp CSV 73 Kết tỉ lệ dòng điện sét tản qua DCS sang cột lân cận bị giảm xuống số lượng DCS giảm xuống Chính vậy, suất cắt bị ảnh hưởng hệ số ngẫu hợp mà chủ yếu bị định góc bảo vệ pha A trường hợp Rtđ nhỏ đường dây treo DCS Nc (lần /100km.năm) 25 CSV AB CSV AC CSV BC 20 15 10 10 20 30 Rtd () 40 50 Hình 4.23 Suất cắt đường dây 220 kV mạch DCS lắp CSV Khi sử dụng CSV CSV nên lắp pha (pha có góc bảo vệ lớn nhất), CSV lại nên lắp pha (cấu hình AC) tạo hiệu lớn (Hình 4.23) 4.7.2 Đường dây 110 kV 4.7.2.1 Đường dây 110 kV hai mạch DCS Đối với đường dây 110 kV hai mạch DCS, góc bảo vệ pha lớn nên suất cắt cao nhiều so với suất cắt đường dây 220 kV hai mạch hai DCS Dễ dàng nhận thấy lắp CSV, vị trí lắp đặt CSV cao tốt giá trị Rtđ (Hình 4.24) Lắp CSV pha làm suất cắt giảm gần không đáng kể so với khơng lắp CSV Ví dụ giá trị Rtđ =10 , suất cắt giảm xuống 23 lần/100 km.năm so với 25 lần/100 km.năm chưa lắp CSV (280) 50 Không CSV CSV A1 CSV B1 CSV C1 Nc (lần /100km.năm) 40 30 20 10 10 20 30 Rtd () 40 50 Hình 4.24 Suất cắt đường dây 110 kV hai mạch DCS lắp CSV 74 35 CSV A1B1 CSV A1C1 CSV B1C1 Nc (lần /100km.năm) 30 25 20 15 10 10 20 30 40 50 Rtd () Hình 4.25 Suất cắt đường dây 110 kV hai mạch DCS lắp CSV Xu hướng tương tự đường dây 220 kV mạch DCS quan sát thấy lắp CSV (Hình 4.25) Hiệu việc lắp CSV cao CSV lắp pha pha (A1C1) Lắp CSV pha B1C1 mang lại hiệu thấp Trong trường hợp suất cắt giảm tương đương lắp CSV pha hình 4.22 Hình 4.26 cho thấy lắp CSV pha A1A2B1 suất cắt nhỏ Như đường dây mạch treo DCS lắp CSV pha mạch pha mạch mang lại hiệu tốt Nc (lần /100km.năm) 25 CSV A1B1C1 CSV A1A2B1 CSV A1A2C1 20 15 10 10 20 30 40 50 Rtd () Hình 4.26 Suất cắt đường dây 110 kV hai mạch DCS lắp CSV 4.7.2.2 Đường dây 110 kV mạch DCS Cũng giống với đường dây 110 kV hai mạch, lắp CSV pha hiệu so với lắp CSV pha Lắp CSV pha B hiệu suất cắt giảm gần không đáng kể so với khơng lắp CSV (Hình 4.27) Điều dễ hiểu pha B pha A bảo vệ nên khả sét đánh vào dây pha thấp so với pha C nên không cần thiết phải sử dụng thêm biện pháp bảo vệ CSV 75 Nc (lần /100km.năm) 80 Không CSV CSV A CSV B CSV C 70 60 50 40 30 20 10 10 20 30 Rtd () 40 50 Hình 4.27 Suất cắt đường dây 110 kV mạch DCS lắp CSV Khi sử dụng CSV (Hình 4.28), kết tính tốn suất cắt tương tự với đường dây 220 kV-1 mạch DCS CSV nên lắp pha pha (pha B pha C) để đảm bảo hiệu tốt Nc (lần /100km.năm) 50 CSV AB CSV BC CSV AC 40 30 20 10 10 20 30 Rtd () 40 50 Hình 4.28 Suất cắt đường dây 110 kV mạch DCS lắp CSV Nhận xét  Do đặc điểm độ cao cột khoảng cách dây chống sét với dây pha, lắp đặt CSV cấp điện áp khác có đặc thù hồn tồn khác Việc lắp đặt CSV phụ thuộc vào số lượng DCS, số mạch đường dây giá trị điện trở tiếp địa cột đường dây  Đối với đường dây 220 kV hai mạch hai DCS, dòng điện sét chạy qua DCS dây pha CSV làm việc nên vị trí pha ưu tiên lắp CSV phụ thuộc mạnh vào trị số Rtđ Khi định số lượng CSV lắp đặt 1, hay CSV vị trí lắp đặt ưu tiên phải thay đổi cho phù hợp tùy thuộc vào giá trị Rtđ  Đối với đường dây DCS (220 kV hay 110 kV), đặc điểm vị trí ưu tiên lắp đặt CSV giống đường mạch hay mạch Trị số điện trở tiếp địa không ảnh hưởng đến vị trí lắp đặt CSV Khi có CSV sử dụng 76 nên lắp pha Khi phép lắp CSV, nên ưu tiên cho lắp đặt cho pha pha 4.8 Năng lượng hấp thụ CSV Tính tốn lượng hấp thụ CSV sử dụng lưới truyền tải cho phép ta lựa chọn CSV có đặc tính phù hợp cho đường dây Trong luận án CSV đường dây sử dụng với mục đích chống sét, lượng hấp thụ tính tốn CSV dùng để hạn chế q điện áp sét 4.8.1 Năng lượng hấp thụ CSV theo cấp điện áp Ảnh hưởng cấp điện áp đến lượng hấp thụ CSV mô sét đánh đỉnh cột sét đánh vào dây pha đường dây 500 kV, 220 kV, 110 kV hai mạch, điện trở tiếp địa cột đường dây tương ứng với cấp điện áp , 10 , 20  Kết mô xác định lượng theo cấp điện áp lắp CSV pha mạch (pha A1) thể hình 4.29 350 Sét đánh đỉnh cột Sét đánh dây pha 300 E(kJ) 250 200 150 100 50 500 kV 220 kV Cấp điện áp 110 kV Hình 4.29 Năng lượng hấp thụ CSV sét đánh đỉnh cột với dòng sét Ing sét đánh dây pha với dòng sét Im Kết mơ hình 4.29 cho thấy sét đánh vào dây dẫn, toàn lượng dòng điện qua chống sét van nên dòng điện sét nhỏ (đường dây 500kV Im =28 kA, đường dây 220 kV Im =20 kA, đường dây 110 kV Im =7,5 kA), CSV chịu tác động nặng nề hẳn so với trường hợp sét đánh vào đỉnh cột dòng điện sét lớn (Ing =195 kA đường dây 500 kV, Ing =80 kA đường dây 220 kV Ing =50 kA đường dây 110 kV) Đặc tính CSV lựa chọn theo trường hợp sét đánh vào dây dẫn 4.8.2 Năng lượng hấp thụ CSV theo điện trở tiếp địa cột Để xác định lượng hấp thụ CSV điện trở tiếp địa cột thay đổi (đường dây 500 kV điện trở tiếp địa cột thay đổi từ  đến 20 , đường dây 220 kV đường dây 110 kV điện trở tiếp địa cột thay đổi từ  đến 50 ) Tiến hành mô cho hai trường hợp: i) sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 300 kA dòng điện sét lớn (xác suất xuất dòng sét nhỏ 0,02% theo phân bố CIGRE [55]) ii) trường 77 hợp sét đánh vào dây pha với dòng điện sét lớn đánh vào dây pha theo mơ hình điện hình học Kết mơ xác định lượng hấp thụ CSV lắp đặt đường dây 500 kV, 220 kV, 110 kV điện trở tiếp địa cột thay đổi trường hợp sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét Is =300 kA thể hình 4.30, hình 4.31 hình 4.32 30 25 E (kJ) 20 15 CSV CSV CSV 10 5 10 Rtđ () 15 20 Hình 4.30 Năng lượng hấp thụ lớn CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo Rtđ dòng sét 300 kA đường dây 500 Kv 140 CSV CSV CSV 120 E (kJ) 100 80 60 40 20 10 20 30 Rtđ () 40 50 Hình 4.31 Năng lượng hấp thụ lớn CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo Rtđ dòng sét 300 kA đường dây 220 kV 120 CSV CSV CSV 100 E (kJ) 80 60 40 20 10 20 30 Rtđ () 40 50 Hình 4.32 Năng lượng hấp thụ lớn CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo Rtđ dòng sét 300 kA đường dây 110 kV 78 Năng lượng hấp thụ CSV lắp đặt đường dây 500 kV, 220 kV, 110 kV điện trở tiếp địa cột thay đổi trường hợp sét đánh trực tiếp dây pha với dòng điện sét lớn đánh vào dây pha theo mơ hình điện hình học thể hình 4.33 140 500 kV 220 kV 110 kV 120 E (kJ) 100 80 60 40 20 10 20 30 Rtđ () 40 50 Hình 4.33 Năng lượng hấp thụ lớn CSV trường hợp sét đánh dây pha theo Rtđ với dòng điện sét Im Rõ ràng sét đánh vào dây pha lượng hấp thụ CSV khơng phụ thuộc vào cấu hình cột điện điện trở tiếp địa cột, mà phụ thuộc vào tổng trở sóng đường dây Năng lượng hấp thụ cần cho CSV cấp điện áp 500 kV cao tổng trở sóng đường dây cấp cao Khi sử dụng dòng điện sét cao (300 kA) đánh vào đỉnh cột, lượng hấp thụ CSV cấp điện áp 500 kV nhỏ trường hợp sét đánh vào dây dẫn Đối với cấp điện áp 110 kV 220 kV xảy điều ngược lại Kết tương quan dòng điện sét đánh trực tiếp vào dây dẫn cấp điện áp Ở đường dây 110 kV 220 kV trị số dịng điện sét trực tiếp vào dây dẫn có 12 kA đến 20 kA cấp 500 kV trị số dịng điện sét lên đến 30 kA Khi tính tốn lượng hấp thụ ứng với dòng điện sét 300 kA, kết trường hợp sử dụng CSV cần phải sử dụng với thận trọng Lý trường hợp này, phóng điện xảy cách điện pha khơng lắp CSV, phần lớn lượng giải phóng hồ quang tương đối lớn cách điện (trong luận án này, mô hồ quang thay điện cảm có trị số 1mH/m) Năng lượng hấp thụ trường hợp sử dụng CSV phản ánh xác dùng để lựa chọn CSV 4.8.3 Năng lượng hấp thụ CSV theo trị số dòng điện sét Để xác định lượng hấp thụ CSV với trị số dòng điện sét khác nhau, mô cho trường hợp sét đánh đỉnh cột, trường hợp sét đánh trực tiếp dây pha dòng sét lớn đạt giá trị Im, với giá trị dòng điện sét lớn Im đánh xuống đất đánh vào DCS Khi sét đánh vào đỉnh cột lượng hấp thụ CSV phụ thuộc vào trị số điện trở tiếp địa cột phụ thuộc vào trị số dịng điện sét Kết mơ xác định lượng hấp thụ CSV lắp đặt đường dây 500 kV, 220 kV, 110 kV với dòng điện sét từ 50 kA đến 300 kA thể hình 4.34 hình 4.35 hình 4.36 79 30 CSV CSV CSV 25 E (kJ) 20 15 10 50 100 150 Is (kA) 200 250 300 Hình 4.34 Năng lượng hấp thụ lớn CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo dòng sét đường dây 500 kV, Rtđ =20  140 CSV CSV CSV 120 E (kJ) 100 80 60 40 20 50 100 150 Is(kA) 200 250 300 Hình 4.35 Năng lượng hấp thụ lớn CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo dòng sét đường dây 220 kV, Rtđ =50  120 CSV CSV CSV 100 E (kJ) 80 60 40 20 50 100 150 Is (kA) 200 250 300 Hình 4.36 Năng lượng hấp thụ lớn CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo dòng sét đường dây 110 kV, Rtđ =50  Khi dòng điện sét đánh đỉnh cột tăng lên, lượng hấp thụ CSV đường dây 500 kV nhỏ điện trở tiếp địa đường dây thấp Khi sử dụng trị số điện trở tiếp địa CSV cấp 220 kV yêu cầu lượng hấp thụ lớn cấp 110 kV 80 Đối với đường dây 500 kV dải dòng điện sét nhỏ 150 kA CSV chưa làm việc nên lượng hấp thụ CSV gần khơng Khi dịng điện sét đánh đỉnh cột tăng lên tới 300 kA lượng hấp thụ trường hợp lắp CSV, CSV CSV tăng lên không vượt 30 kJ nhỏ khoảng lần so với sét đánh vào dây pha với dòng điện sét 15 kA Đối với đường dây 110 kV 220 kV, lượng hấp thụ tỉ lệ thuận với dòng điện sét Như lưu ý phần 4.7.2, tính tốn lượng hấp thụ cho CSV gặp sai sót trường hợp xảy phóng điện cách điện trị số điện trở hồ quang khơng khí thay đổi so với mơ Chính vậy, để có kết trường hợp cực đoan, nên giả thiết khơng có cách điện bị phóng điện CSV sử dụng pha 4.8.4 Phân bố lượng hấp thụ CSV pha Sét đánh vào dây pha có CSV pha làm việc dịng điện sét đủ lớn, cịn CSV lắp đặt pha khác khơng có tác dụng cho pha bị sét đánh Do phân bố lượng CSV pha xét trường hợp sét đánh đỉnh cột Năng lượng hấp thụ CSV trường hợp phụ thuộc vào biên độ dòng điện sét giá trị điện trở tiếp địa cột Mơ cho trường hợp nguy hiểm dịng điện sét có trị số 300 kA điện trở tiếp địa cột đường dây 500 kV Rtđ = 20  đường dây 220 kV, 110 kV với Rtđ = 50 , CSV lắp tất pha Kết mô phân bố lượng hấp thụ CSV pha lắp đặt pha hình 4.37 Kết mơ cho thấy, đường dây cấp điện áp 500 kV 110 kV lượng hấp thụ phân bố tương đối pha Đối với đường dây 220 kV lượng hấp thụ CSV pha lớn gấp lần so với pha gấp 1,5 lần so với pha 400 350 E (kJ) 300 500 kV 220 kV 110 kV 250 200 150 100 50 Pha Pha Pha Hình 4.37 Phân bố lượng hấp thụ CSV pha trường hợp sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 300 kA Kết mô xác định phân bố lượng hấp thụ CSV pha theo trị số điện trở tiếp địa đường dây lắp CSV tất vị trí trình bày hình 4.38, 4.39 4.40 Kết mơ cho thấy đường dây 110 kV lượng hấp thụ CSV pha phân bố tương đối pha Đối với đường dây 220 kV lượng hấp thụ pha C lớn Đối với dây 500 kV Rtđ nhỏ 10  lượng hấp thụ 81 CSV pha lớn nhất, Rtđ lớn 10  lượng hấp thụ CSV pha lớn 200 Pha A Pha B Pha C E (kJ) 150 100 50 10 20 30 Rtđ () 40 50 Hình 4.38 Phân bố lượng hấp thụ CSV pha đường dây 110 kV trường hợp sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 300 kA theo Rtđ 400 Pha A Pha B Pha C 350 E (kJ) 300 250 200 150 100 50 10 20 30 Rtđ () 40 50 Hình 4.39 Phân bố lượng hấp thụ CSV pha đường dây 220 kV trường hợp sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 300 kA theo Rtđ 70 60 Pha A Pha B Pha C E (kJ) 50 40 30 20 10 10 Rtđ () 15 20 Hình 4.40 Phân bố lượng hấp thụ CSV pha đường dây 500 kV trường hợp sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 300 kA theo Rtđ 82 4.9 Lắp đặt chống sét van rời rạc đường dây Tính tốn mơ phần rõ lắp đặt CSV biện pháp hiệu việc giảm cố sét Tuy nhiên, lắp đặt CSV tất vị trí cột tất pha toàn tuyến đường dây khó khả thi vốn đầu tư q lớn Mặt khác, đường dây có vài vị trí cột thường xuyên bị sét đánh vị trí định suất cắt tồn đường dây Chính vậy, để giảm suất cắt mà khơng tốn nhiều chi phí, cơng ty truyền tải thường chọn lắp CSV vài vị trí cột coi nguy hiểm cột bị sét đánh, cột có vị trí cao (ví dụ cột 2, hình 4.41) cột có điện trở tiếp địa lớn, phương pháp gọi phương pháp lắp CSV rời rạc Thực tế vận hành cho thấy cách lắp đặt chống sét van rời rạc có kết khơng ổn định Trong số khu vực việc lắp CSV rời rạc chứng minh hiệu số khu vực khác vị trí bị cố lại chuyển từ cột lắp CSV sang cột lân cận chưa lắp CSV Do đó, suất cắt đường dây sau lắp CSV gần không thay đổi Hiện tượng [94] nêu khơng sâu vào nghiên cứu chi tiết có kết để ứng dụng thực tế Vì đơn vị vận hành gặp nhiều khó khăn việc xác định xác vị trí cần lắp đặt CSV để cải thiện suất cắt đường dây Mục tiêu phần dựa sở tính tốn vị trí, số lượng chống sét van phù hợp với cấu trúc đường dây phần 4.7 phân tích hiệu việc lắp đặt CSV rời rạc đường dây với số lượng CSV tối thiểu mà đảm bảo hiệu chống sét Hình 4.41 Cột số khả sét đánh cao thường đơn vị vận hành chọn lắp CSV 4.9.1 Cơ chế phóng điện lắp CSV rời rạc Khi CSV lắp liên tục tồn vị trí cột đường dây, vị trí cột tương đương lắp CSV pha nào, cách điện pha tồn đường dây bảo vệ Còn CSV lắp rời rạc, sét đánh vào đỉnh cột có lắp CSV, cách điện pha lắp CSV bảo vệ hoàn toàn Tuy nhiên, sóng sét lan truyền sang cột lân cận khơng lắp CSV gây phóng điện cột Để hiểu rõ chế xảy phóng điện cách điện trường hợp lắp CSV rời rạc, xét ví dụ đơn giản đường dây mạch treo dây chống sét hình 4.42, CSV lắp pha (Pha A), cột khơng lắp CSV 83 Hình 4.42 Q trình truyền sóng sét đánh đỉnh cột có treo CSV pha A 4.9.1.1 Khi sét đánh đỉnh cột DCS Sơ đồ thay mô tả truyền sóng sét đánh vào đỉnh cột thể hình 4.42, mơ tả cho pha A lắp CSV Khi sét đánh vào đỉnh cột điện áp sét tản theo hướng: 1- theo tiếp địa cột tản vào đất Uc2, 2- theo DCS sang tiếp địa hai cột lân cận có độ lớn Ucs21 Ucs23, 3- qua CSV (nếu CSV làm việc) lan truyền dây pha sang cột lân cận Ud21 Ud23 Tại cột điện áp dây chống sét lại chia làm phần: phần xuống tiếp địa cột (Uc3), phần phản xạ lại cột (Ucs32) phần lại tiếp tục lan truyền sang cột lân cận (Ucs34) Nếu coi tổn hao dây chống sét không đáng kể, điện áp lan truyền sang cột biểu diễn quan hệ: Ucs23  Uc3  Ucs34  Ucs32 (4.3) Nếu ta coi sóng lan truyền dây dẫn từ cột sang cột có tổn hao khơng đáng kể, hiệu điện cách điện cột lúc chênh lệch điện áp điện áp dây dẫn cột điện áp đỉnh cột 3: Ucd3  Ud23  Uc3 (4.4) Lý luận tương tự cột ta ước lượng điện áp đặt lên cách điện cột Ta biết cột khơng có CSV nên Ucd3 lớn điện áp chịu đựng cách điện, phóng điện xảy cột sét khơng đánh trực tiếp vào cột Vì điện áp đỉnh cột phụ thuộc vào trị số điện trở tiếp địa cột điện áp từ cột lan truyền tới theo công thức (4.3), nên việc Ucđ3 có đủ lớn để gây phóng điện cột thứ tùy thuộc vào tương quan trị số điện trở tiếp địa cột cột Tương tự ta nhận thấy cách điện cột (cột 1, cột vv ) bị phóng điện sét không đánh trực tiếp vào cột 4.9.1.2 Khi sét đánh dây pha Khi sét đánh trực tiếp vào dây pha cột 2, dòng điện sét lan truyền dây pha sang cột cột (Ud23 Ud21) Nếu CSV làm việc, phần điện áp sét tản xuống điện trở tiếp địa cột với giá trị Uc2, phần lại tản sang cột lân cận qua dây chống sét Ucs21 Ucs23 (Hình 4.43) Điện áp cách điện cột xác định theo công thức (4.3) giống trường hợp sét đánh đỉnh cột Vì phóng điện 84 cột cột nơi khơng treo CSV hồn tồn xảy tùy thuộc vào tương quan Rtđ2 Rtđ3 Rtđ1 Hình 4.43 Q trình truyền sóng sét đánh dây pha cột có lắp đặt CSV pha A Trong nội dung mơ cho đường dây có cấu hình cột thông số đường dây 220 kV mạch sử dụng đường dây truyền tải Việt Nam sử dụng làm đối tượng nghiên cứu Loại cột sử dụng cột dạng Đ212A (phụ lục PL.5), dây dẫn loại ACSR330/42- phân pha dây, DCS dùng loại PHLOX116, khoảng vượt trung bình tồn tuyến đường dây 350 m 4.9.2 Các kết mô 4.9.2.1 Trường hợp lắp CSV Tiến hành mô trường hợp sét đánh đỉnh cột số hình 4.41 lắp CSV cho pha A Kết mơ hình 4.44 hình 4.45 thể điện áp pha cột sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 147 kA (1,2/50 µs), Rtđ2 =10  Rtđ3 =  Đường đặc tính V-t cách điện 220 kV vẽ kèm để minh họa phóng điện có khả xảy Kết mô cho thấy trường hợp cột bị sét đánh chưa lắp CSV phóng điện xảy cách điện pha A pha B, C cột khơng xảy phóng điện Trên cách điện pha A cách điện pha B, C cột bên cạnh (cột 3) khơng xảy phóng điện (Hình 4.44) 1800 V- t Điện áp U (kV) 1500 Ucd pha A 1200 900 600 300 -300 -600 10 Thời gian (ms) Hình 4.44 Điện áp cách điện pha A cột cột chưa lắp CSV Trong trường hợp cột số lắp CSV pha A, sét đánh đỉnh cột cách điện pha A cột bảo vệ CSV, pha không lắp CSV cột khơng xảy phóng điện, cột phóng điện lại xảy cách điện pha A (Hình 4.45), pha khác khơng xảy phóng điện Như phần 4.9.1.1 giải thích, phóng điện 85 chênh lệch điện áp cách điện pha A cột vượt khả chịu đựng cách điện dòng điện sét qua CSV lắp pha A cột chạy dây pha A sang cột gây 1800 V- t 1500 Ucd pha A Điện áp U (kV) 1200 900 600 300 -300 -600 10 Thời gian (ms) Hình 4.45 Điện áp cách điện pha A cột cột lắp CSV Ing (kA) Mô cho thấy điện trở tiếp địa cột có trị số lớn 10 Ω dịng điện sét lớn 147 kA, phóng điện ln xảy pha không lắp CSV cột mà khơng phụ thuộc vào giá trị Rtđ3 Phóng điện có xảy pha khơng lắp CSV (cột 2) pha cột hay không tùy thuộc thuộc vào giá trị điện trở tiếp địa Rtđ2, Rtđ3 cường độ dòng điện sét Ứng với giá trị Rtđ3, cặp giá trị dòng điện sét Ing điện trở cột bị sét đánh Rtđ2 chia làm vùng (Hình 4.46) Xét trường hợp điện trở tiếp địa cột lân cận Rtđ3 = , phóng điện xảy cách điện cột bên cạnh không lắp CSV Ing Rtđ2 nằm vùng II hình 4.46 Ở vùng I, khơng có phóng điện cách điện cột mà có CSV cột làm việc Khi Ing Rtđ2 nằm vùng III, phóng điện xảy cách điện pha không lắp CSV cột (cột bị sét đánh) 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 Vùng III Vùng II Vùng I 10 15 20 25 30 Rtd2 () 35 40 45 50 Hình 4.46 Phân bố vùng xảy phóng điện cách điện sét đánh vào đỉnh cột2, CSV cột làm việc, Rtđ3 =5 Vùng I: khơng phóng điện, vùng II: phóng điện cách điện cột 3, vùng III: phóng điện cách điện cột Do sóng phản xạ từ cột bên cạnh trở lại làm cho điện áp đặt lên cách điện giảm xuống nên khả xảy phóng điện cột phụ thuộc vào chiều dài khoảng vượt (Lkv) Trên hình 4.47, Lkv tăng từ 100 m đến 350 m, dịng điện sét gây phóng điện giảm 15 kA Hiện tượng khoảng vượt tăng từ 100 m đến 350 m tương đương với thời gian bắt đầu có sóng phản xạ quay cột từ cột lân cận tăng từ 0,67 µs lên 2,3 µs (tốc độ truyền sóng lấy tốc độ ánh sáng) làm cho Ucs23 giảm phía sóng dẫn đến 86 điện áp đặt lên cách điện cột Ucđ3 tăng, ngưỡng dịng điện sét gây phóng điện giảm Khi khoảng vượt tăng đến 400 m ngưỡng dịng sét gây phóng điện cột bên cạnh thay đổi dao động quanh giá trị 147 kA Hiện tượng điện áp phản xạ ảnh hưởng đến thời gian sóng điện áp cách điện cột nên không ảnh hưởng đến đặc tính phóng điện cách điện 240 220 Vùng III Ing (kA) 200 180 Vùng II 160 140 120 Vùng I 100 80 100 200 300 400 Chiều dài khoảng vượt (m)) 500 Hình 4.47 Phân bố vùng xảy phóng điện pha không treo CSV thay đổi khoảng vượt, Rtđ2 =10 , Rtđ3 =5  4.9.2.2 Trường hợp lắp CSV Ing (kA) Do số lượng CSV tăng lên 2, ngưỡng dịng điện sét xảy phóng điện cách điện cột lân cận tăng lên (Hình 4.48) so với trường hợp dùng CSV Chú ý ngưỡng phóng điện ứng với trường hợp CSV cột làm việc phóng điện ghi nhận pha A cột Mô cho thấy với Rtđ2 > 18 Ω, dịng điện sét lớn 130 kA ln gây phóng điện pha cịn lại khơng lắp CSV cột với giá trị Rtđ3 Ở dải Rtd2 này, vùng II bị biến vùng I III 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 Vùng III Vùng II Vùng I 10 15 20 25 30 Rtd2 () 35 40 45 50 Hình 4.48 Phân bố vùng xảy phóng điện cách điện sét đánh vào cột 2, CSV cột làm việc, Rtđ3 =5  Cũng giống trường hợp lắp CSV, khoảng vượt tăng ngưỡng chịu đựng dịng điện sét cách điện cột giảm ảnh hưởng sóng phản xạ giảm (Hình 4.49) Mặc dù vậy, chênh lệch dòng ngưỡng Is lớn (23 kA so với 15 kA) làm cho diện tích vùng II lớn trường hợp có CSV 87 240 220 Vùng III Ing (kA) 200 Vùng II 180 160 140 Vùng I 120 100 80 100 200 300 400 Chiều dài khoảng vượt (m) 500 Hình 4.49 Phân bố vùng xảy phóng điện pha không treo CSV thay đổi khoảng vượt, Rtđ2=10 , Rtđ3=5  4.9.2.3 Trường hợp lắp CSV Ing (kA) Khi cột bị sét đánh lắp CSV, không cịn tượng phóng điện cách điện cột bị sét đánh Mặc dù vậy, phóng điện cột lân cận phụ thuộc vào điện trở tiếp địa cột Khi Rtđ3 cột lân cận nhỏ để gây hiệu điện dây pha đỉnh cột Ucđ3 đủ lớn gây phóng điện cách điện cột Khi Rtđ3 tăng lên, phóng điện khơng xảy cột lân cận mà dòng sét tiếp tục lan truyền cột xa tổn hao hết dây pha dây chống sét Trong trường hợp đường đặc tính (Is, Rtđ2) cịn vùng vùng I vùng II vùng III khơng tồn (Hình 4.50) 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 Vùng II Vùng I 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Rtd2 () Hình 4.50 Phân bố vùng xảy phóng điện cách điện sét đánh vào cột 2, CSV cột làm việc, Rtđ3 =5  Đối với trường hợp phụ thuộc phóng điện cột lân cận vào khoảng vượt chia làm dải, Lkv < 200 m, 200 m < Lkv < 400 m Lkv > 400 m (Hình 4.51) Khi khoảng vượt nhỏ 200m, dịng ngưỡng gây phóng điện cột giảm khoảng vượt tăng ảnh hưởng sóng phản xạ thời gian đầu sóng giống trường hợp sử dụng CSV CSV Khi 200 m < Lkv < 400 m, dịng ngưỡng khơng thay đổi ảnh hưởng sóng phản xạ cân với tổn hao đường dây Khi Lkv > 400m, ảnh hưởng sóng phản xạ gần khơng đáng kể so với tổn hao điện trở dây dẫn gây Do CSV làm việc nên dòng điện sét chạy qua cột bên cạnh qua DCS không 88 Ing (kA) đáng kể, nên tượng phản xạ từ cột lận cận trở lại khơng cịn đáng kể Điện áp cách điện cột bên cạnh (U cd3) chủ yếu phụ thuộc vào điện áp Ud23 (công thức 4.4) Khi khoảng vượt từ cột đến cột lớn Ud23 lan truyền từ cột đến cột tổn hao nhiều Chính vậy, khoảng vượt tăng ngưỡng dịng sét gây xảy phóng điện cột lớn 240 220 200 180 160 140 120 100 80 Vùng II Vùng I 100 200 300 400 500 Chiều dài khoảng vượt (m) Hình 4.51 Phân bố vùng xảy phóng điện pha khơng treo CSV thay đổi khoảng vượt, Rtđ2=10 , Rtđ3=5  4.9.2.4 Trường hợp sét đánh dây pha Khi dòng sét đánh vào dây pha đủ lớn để CSV làm việc, dòng sét chủ yếu tản xuống tiếp địa chân cột phần nhỏ chạy dây pha sang cột lân cận cho dù với điện trở tiếp địa Kết mơ cho thấy trị số dịng điện ngưỡng gây phóng điện cột lân cận không bị ảnh hưởng điện trở tiếp địa Hình 4.52 trình bày kết tính tốn dịng ngưỡng xảy phóng điện cột trường hợp lắp CSV pha A Ta nhận thấy điện trở tiếp địa cột thay đổi từ  đến 120  dịng ngưỡng tăng từ 7,2 kA lên 7,5 kA 7.6 R tđ = 100  Ing (kA) 7.5 R tđ = 50  7.4 R tđ = 30  7.3 R tđ < 10  7.2 7.1 20 40 60 80 100 120 Rtd2 () Hình 4.52 Quan hệ dịng điện gây phóng điện cột sét đánh dây pha A với Rtđ3 thay đổi từ 10  đến 100  Tương tự vậy, chiều dài khoảng vượt khơng ảnh hưởng đến giá trị dịng sét ngưỡng xảy phóng điện cách điện cột lân cận (Hình 4.53) Khi chiều dài khoảng vượt tăng từ 100 m đến 1200 m dịng ngưỡng tăng từ 7,2 kA đến 7,3 kA 89 7.35 Ing (kA) 7.30 7.25 7.20 7.15 200 400 600 800 1000 Chiều dài khoảng vượt (m) 1200 Hình 4.53 Quan hệ dịng điện gây phóng điện cột theo chiều dài khoảng vượt sét đánh vào dây pha, Rtđ2=10 , Rtđ3=5  4.9.3 Tổng kết Lắp CSV rời rạc vài vị trí cột coi nguy hiểm đường dây đạt hiệu dùng để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào dây pha Trường hợp có xác suất xảy thấp đường dây có treo dây chống sét Khi dòng sét đánh vào dây pha lớn, CSV vị trí cột bị sét đánh làm việc phóng điện cột lân cận xảy Trong trường hợp này, tượng phóng điện cột lân cận khơng treo CSV không bị ảnh hưởng trị số tiếp địa cột Khi sét đánh đỉnh cột dây chống sét, CSV lắp rời rạc vị trí bảo vệ cách điện vị trí Mức độ bảo vệ CSV cột chia làm vùng:  Vùng I: Nếu dòng điện sét nhỏ, điện trở cột có lắp CSV nhỏ CSV khơng làm việc làm việc khơng có cách điện bị phóng điện Khơng có cố phóng điện sét suất cắt đường dây cải thiện rõ rệt  Vùng II: Nếu dòng điện sét đủ lớn để kết hợp với điện trở cột bị sét đánh thành điểm vùng II, phóng điện xảy cột bên cạnh sét không đánh trực tiếp vào cột Sự cố chuyển từ cột có lắp CSV sang cột không lắp CSV, suất cắt đường dây không thay đổi hay việc lắp CSV khơng có hiệu  Vùng III: Nếu dòng điện sét điện trở cột bị sét đánh lớn, phóng điện xảy cách điện không lắp CSV cột bị sét đánh trừ trường hợp tất pha cột bị sét đánh có lắp CSV Mặc dù vậy, tượng xảy phóng điện cột bên cạnh xảy lắp 3CSV cột bị sét đánh dòng điện sét điện trở cột bị sét đánh đủ lớn Khoảng vượt yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả phóng điện cột lân cận khơng lắp CSV Chính vậy, lắp CSV rời rạc đạt hiệu dải trị số định điện trở tiếp địa khoảng vượt Ngoài trị số này, lắp CSV rời rạc không làm cho suất cắt đường dây thay đổi mà vị trí phóng điện chuyển từ cột sang cột 90 Trong trường hợp cần thực lắp đặt CSV liên tục nhóm cột nhằm đảm bảo trị số suất cắt sau lắp CSV thực giảm 4.10 Kết luận Mặc dù có nguyên tắc hoạt động giống loại CSV cho thiết bị điện khác, CSV đường dây dùng với mục đích bảo vệ chống điện áp sét điện áp đóng cắt cho cách điện đường dây CSV đường dây có hai loại loại khơng khe hở loại có khe hở Mỗi loại có ưu nhược điểm riêng loại khơng có khe hở tin có tuổi thọ cao khơng có dịng điện tần số 50 Hz chạy qua không làm việc Trong luận án này, CSV đường dây tính tốn trường hợp chống điện áp sét Lắp đặt CSV cho đường dây cải thiện rõ rệt suất cắt dường dây, với CSV lắp pha cột, suất cắt giảm xuống tương đương với việc giảm điện trở tiếp địa cột từ 30  xuống  Lưu ý biện pháp giảm điện trở cột hiệu khó thực đặc biệt khu vực đồi núi nơi có địa hình hiểm trở điện trở suất đất cao Chính vậy, biện pháp sử dụng CSV hiệu coi giải pháp vị trí Lắp đặt CSV hiệu rõ ĐD 110 kV (suất cắt giảm tới 46% đường dây 110 kV, 30% đường dây 220 kV 20% đường dây 500 kV) Việc xác định vị trí lắp đặt CSV để đạt kết tốt phụ thuộc vào nhiều tượng truyền sóng phức tạp đường dây thực qua tính tốn mơ độ điện từ Khi chưa lắp đặt CSV, điện áp lớn xuất pha gần nguồn sét (pha cùng) Nhưng CSV lắp đặt CSV làm việc, điện áp lớn lại xuất pha có hệ số ngẫu hợp pha với pha có dịng điện sét hệ số ngẫu hợp pha với DCS nhỏ Các hệ số ngẫu hợp lại phụ thuộc vào thông số đường dây độ cao, khoảng cách dây DCS, dây pha điện trở suất đất nghiên cứu Chương Vì ứng với đường dây cần phải tính tốn cụ thể để tìm vị trí cần lắp đặt CSV cho phù hợp Khả hấp thụ lượng CSV lựa chọn cấp điện áp phải tính tốn phù hợp cho cấp điện áp điện trở tiếp địa khu vực Tính tốn đường dây 500 kV khả hấp thụ CSV cần tính cho trường hợp sét đánh vào dây dẫn, đường dây 220 kV trở xuống cần tính cho trường hợp sét đánh trực tiếp đỉnh cột Để tiết kiệm chi phí, giải pháp lắp đặt CSV rời rạc đường dây truyền tải thường sử dụng Tuy nhiên, kết tính tốn luận án rằng, để đảm bảo hiệu số lượng vị trí CSV lắp đặt cần tính tốn phù hợp với điện trở tiếp địa chiều dài khoảng vượt Hiệu lắp đặt CSV rời rạc ngồi phụ thuộc vào trị số dịng điện sét phụ thuộc vào tương quan Rtđ cột lắp CSV với cột bên cạnh không lắp CSV Phóng điện xảy cột lân cận cột bị sét đánh việc phối hợp bảo vệ khơng thực tốt Kết tính tốn luận án cho phép thiết lập vùng tương ứng với trị số dòng điện sét tham số đường dây nơi dự định lắp CSV rời rạc, điều kiện cần thực cho tham số cột cần bảo vệ nằm vùng I 91 CHƯƠNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHỐNG SÉT KẾT HỢP SỬ DỤNG CSV CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI Các tính tốn lắp đặt CSV đường dây truyền tải Chương dựa giả định CSV sử dụng biện pháp chống sét hỗ trợ cho biện pháp treo DCS cố gắng giảm trị số điện trở tiếp địa cột Khi tính tốn với giả định này, kết luận tương đối rõ ràng suất cắt giảm số CSV tăng suất cắt không CSV treo tất pha tất cột Giả định đồng thời sở cho tính toán chống sét sử dụng CSV Tuy nhiên giả định có hạn chế sau:  Thứ nhất, trình bày Chương (Hình 4.4) CSV đường dây có cấu tạo tương đối phức tạp nên khả CSV đường dây bị cố vận hành tránh khỏi Các cố đến từ dây nối, mối nối bị đứt vỡ, cách điện bao bị hỏng, bị nhiễm bẩn, bị nước xâm nhập vào bên trong, lượng lớn từ đường dây (do điện áp tạm thời) từ sét (cú sét có lượng lớn dòng sét lớn thời gian tồn dài) [97] Càng nhiều CSV sử dụng đường dây dẫn tới cố tích lũy từ CSV lớn đến mức hiệu từ việc giảm suất cắt mang lại từ việc lắp đặt CSV bị cân với cố xuất hỏng hóc từ thân CSV đường dây Ngoài ra, số lượng CSV lớn kéo theo chi phí đầu tư vận hành tăng lên cao  Thứ hai với xu hướng phát triển đường dây truyền tải với xuất đường dây Compact [52], [98], [100], [101], đường dây chiều với kích thước đường dây ngày giảm độ tin cậy yêu cầu ngày tăng lên, CSV từ biện pháp hỗ trợ trở thành biện pháp bảo vệ chống sét cho đường dây Nghiên cứu chương xét đến hai hạn chế kể với mục đích làm cho toán lắp đặt CSV đường dây truyền tải trở lên đầy đủ Một số phương pháp chống sét khác với thông thường (dùng DCS, giảm điện trở tiếp địa) sử dụng phần tử có độ tin cậy cao DCS, cách điện kết hợp với sử dụng CSV đường dây với mục đích vừa giảm suất cắt đường dây vừa hạn chế số lượng CSV lắp đặt đường dây Trường hợp đường dây không sử dụng DCS đường dây Compact xét đến, trường hợp CSV dây pha hoàn toàn thay DCS bảo vệ chống sét cho đường dây truyền tải 5.1 Phương pháp sử dụng chống sét van kết hợp với cách điện không đối xứng 5.1.1 Cơ sở phương pháp Tất đường dây nhiều lộ đường dây truyền tải hệ thống điện Việt Nam sử dụng cách điện có chiều dài giống hình 5.1 Điều nghĩa có điện áp sét, xác suất phóng điện pha tên lộ giống Thực tế điều quan sát thấy thực tế vận hành, sét gây phóng điện 92 cách điện hai lộ dẫn đến cố điện hai lộ lúc Trên phương diện độ tin cậy hệ thống điện, trường hợp cố tương đương với kịch N-2, kịch mà hệ thống điện cần thiết kế với với độ dự trữ cao chịu mà khơng gây ổn định cho tồn hệ thống DCS DCS CSV DCS Mach DCS DCS Mach CSV CSV CSV Mach Mach Mach a) Mach Mach Mach b) c) Hình 5.1 Minh họa cột nhiều mạch a) hai mạch hai DCS, b) hai mạch DCS, c) bốn mạch hai DCS Để tránh cố lộ kép vậy, số công ty điện lực giới [49, 47, 48, 50] thường sử dụng cách điện không đối xứng (CĐKĐX), nghĩa cách điện lộ cao lộ lại từ vài đơn vị cách điện trở lên Trong trường hợp này, dòng điện sét có trị số lớn phóng điện xảy tất pha lộ có cách điện yếu xác suất xảy cố hai lộ giảm xuống đáng kể Tuy nhiên, trình bày chương Tổng quan (phần 1.3.3), giải pháp giảm suất cố mạch kép lại làm tăng suất cố mạch có cách điện yếu Để khắc phục nhược điểm này, luận án nghiên cứu sử dụng CSV kết hợp với phương pháp cách điện không đối xứng (CSV+ CĐKĐX) mạch có mức cách điện lắp CSV 5.1.2 Kết mô Trong luận án tiến hành áp dụng đường dây 220 kV hai mạch hai DCS có cấu hình 5.1.a, thơng số khoảng cách dây pha, DCS với đất, loại dây dẫn, DCS phần 4.2 chương Số phần tử cách điện sử dụng 15, chiều dài phần tử cách điện 146 mm, tham số cột, đường dây trình bày PL.5 Mơ với trường hợp sau: thứ đường dây sử dụng CĐĐX hai mạch có số phần tử cách điện gồm 15 phần tử, thứ hai đường dây sử dụng phương pháp CĐKĐX mạch có số phần tử cách điện 15 mạch có số phần tử cách điện 18, thứ ba sử dụng phương pháp đề xuất luận án mạch có mức cách điện (mạch có 15 phần tử) lắp CSV mạch có 18 phần tử cách điện Kết mô 93 suất cắt đường dây theo điện trở tiếp địa cột với phương pháp khác thể hình 5.2 Nc (Số lần/100km.năm) CĐĐX PP CĐKĐX PP CSV + CĐKĐX 5 10 20 Rtđ () 30 40 50 Hình 5.2 Suất cắt đường dây Kết tính tốn mơ cho thấy:  Phương pháp sử dụng cách điện không đối xứng kết hợp với lắp CSV cho mạch có cách điện yếu đạt hiệu tốt  Suất cắt đường dây giải pháp đề xuất luận án giảm gần lần so với phương pháp CĐĐX giảm 2,4 lần so với phương pháp CĐKĐX Rtđ 50   Để đạt suất cắt giải pháp đề xuất luận án phương pháp CĐĐX phải giảm điện trở tiếp địa cột từ 50  tới , phương pháp CĐKĐX phải giảm điện trở tiếp địa cột từ 50  tới 20  5.2 Phương pháp sử dụng CSV kết hợp với DCS treo phía 5.2.1 Cơ sở phương pháp Giải pháp sử dụng DCS treo phía dưới, tức lắp đặt DCS phía dây pha thấp dây pha, song song với dây pha phía đường dây truyền tải hay gọi dây Underbuilt Ground Wire (UGW) giải pháp để cải thiện khả chịu sét đường dây truyền tải điện [42, 46] Dây UGW tác dụng che chắn cho dây pha DCS lắp đặt phía mà có tác dụng làm tăng hệ số ngẫu hợp cho dây pha, điện áp cách điện dây pha giảm xuống Những đoạn đường dây qua khu vực có điện trở suất lớn biện pháp sử dụng dây UGW kết hợp với biện pháp khác giải pháp hiệu để cải thiện khả chịu sét đường dây truyền tải [25] Ngoài việc tăng hệ số ngẫu hợp dây pha với DCS, DCS treo phía cịn giúp phần dịng điện sét sang cột bên cạnh để giảm điện áp đặt lên cách điện cột bị sét đánh Độ treo cao dây UGW phải đảm bảo hai yếu tố: thứ khoảng cách từ dây UGW xuống mặt đất phải tuân thủ khoảng cách an toàn với mặt đất Thứ hai khoảng cách từ dây UGW tới dây pha phải lớn chiều dài phóng điện khơng khí Đồng thời, đảm bảo khoảng cách cách điện nhỏ cột phần mang điện phần nối đất đường dây khoảng cách cách điện nhỏ pha cột đường dây không 94 theo quy phạm trang bị điện năm 2006 [24] Do vậy, đường dây 220 kV lựa chọn chiều cao dây UGW 20 m so với mặt đất để đảm bảo hai yếu tố Để thuận tiện cho việc tính toán luận án sử dụng dây chống sét có để làm dây UGW 5.2.2 Kết mơ Cũng giống trường hợp sử dụng CSV khác, CSV làm việc điện áp cảm ứng pha khơng có dịng sét qua thay đổi đáng kể hệ số ngẫu hợp pha với dây pha lắp CSV làm việc bị thay đổi, hiệu việc treo dây UGW rõ nét Áp dụng phương pháp đề xuất, tiến hành mô cho đường dây 220 kV mạch hai mạch, sử dụng CSV lắp pha (pha A) kết hợp với dây UGW, số liệu cột, dây dây UGW trình bày PL.5 Hình 5.3 hình 5.4 trình bày kết mô điện áp cách điện pha A, B C đường dây hai mạch mạch với Rtd = 10 , Is = 60 kA (1,2/50 ms) cho trường hợp đường dây khơng có dây UGW, trường hợp có dây UGW trường hợp sử dụng CSV lắp pha (pha A) kết hợp với dây UGW 1400 Khơng có dây UGW Có dây UGW CSV+ dây UGW 1200 Điện áp U (kV) 1000 800 600 400 200 -200 2.5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 Thời gian (ms) a) 1400 Khơng có dây UGW Có dây UGW CSV+ dây UGW 1200 Điện áp U (kV) 1000 800 600 400 200 -200 2.5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 -400 Thời gian (ms) b) 95 1400 Khơng có dây UGW Có dây UGW CSV+ dây UGW 1200 Điện áp U (kV) 1000 800 600 400 200 -200 2.5 -400 7.5 10 12.5 15 17.5 20 Thời gian (ms) c) Hình 5.3 Điện áp cách điện pha A (a), pha B (b), pha C (c) đường dây 220 kV hai mạch 1200 Khơng có dây UGW Có dây UGW CSV+ dây UGW Điện áp U (kV) 1000 800 600 400 200 -200 2.5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 Thời gian (ms) a) 1200 Khơng có dây UGW Có dây UGW CSV+ dây UGW Điện áp U (kV) 1000 800 600 400 200 0 2.5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 Thời gian (ms) b) 96 1200 Khơng có dây UGW Có dây UGW CSV+ dây UGW Điện áp U (kV) 1000 800 600 400 200 0 2.5 7.5 10 12.5 15 Thời gian (ms) 17.5 20 c) Hình 5.4 Điện áp cách điện pha A (a), pha B (b), pha C (c) đường dây 220 kV mạch Kết mô cho thấy sử dụng dây UGW điện áp đặt cách điện pha giảm mạnh so với khơng có dây UGW đặc biệt đường dây hai mạch, hệ sô ngẫu hợp pha với DCS dây UGW tăng lên Nc (lần /100km.năm) Mơ tính tốn suất cắt suất đường dây 220 kV hai mạch mạch trường hợp khơng sử dụng dây UGW, trường hợp có sử dụng dây UGW sử dụng CSV lắp pha A kết hợp với dây UGW trình bày hình 5.5 Khơng có dây UGW Có dây UGW CSV+dây UGW 15 10 10 20 30 40 50 40 50 Rtd () a) Nc (lần /100km.năm) 20 Khơng có dây UGW Có dây UGW 15 CSV+dây UGW 10 10 20 30 Rtd () b) Hình 5.5 So sánh suất cắt đường dây khơng có có dây UGW theo điện trở tiếp địa cột a) hai mạch, b) mạch 97 Kết mô cho thấy:  Sử dụng CSV kết hợp với dây UGW suất cắt đường dây hai mạch mạch giảm so với phương pháp dây UGW so với phương pháp sử dụng dây UGW Điện trở tiếp địa cột lớn hiệu sử dụng phương pháp UGW kết hợp với CSV cao  Đối với đường dây hai mạch (Hình 5.5.a) điện trở tiếp địa 50  suất cắt đường dây sử dụng CSV kết hợp với dây UGW giảm 2,1 so với sử dụng dây UGW giảm 3,5 lần khơng có dây UGW  Đối với đường dây mạch (Hình 5.5.b) điện trở tiếp địa 50  suất cắt đường dây sử dụng CSV kết hợp với dây UGW giảm 1,4 so với sử dụng dây UGW giảm 2,4 lần dây UGW  Chỉ cần lắp CSV suất cắt đường dây sử dụng CSV kết hợp với dây UGW tương đương với giảm điện trở tiếp địa xuống 20  so với phương pháp có dây UGW gần 35  so với khơng sử dụng phương pháp 5.3 Phương pháp CSV sử dụng thay cho DCS 5.3.1 Cở sở phương pháp Thực tế ghi nhận số vị trí cột có điện trở tiếp địa cao PTC dịng điện sét lớn đến mức đánh vỡ CSV đường dây bị cố bảo vệ dây chống sét CSV Điều gợi ý dịng điện sét lớn vị trí có điện trở tiếp địa cao cách sử dụng CSV cần nghiên cứu kỹ Ta biết rằng, theo mô hình điện hình học cột cao trị số dòng điện sét thu hút lớn, chiều cao cột giảm trị số dịng điện sét giảm xuống, đồng thời diện tích thu hút sét giảm xuống Loại bỏ hoàn toàn DCS sử dụng CSV tương đương với việc sử dụng đường dây compact với DCS hoàn toàn loại bỏ thay CSV đường dây [49, 100, 52, 101] Mặc dù đường dây compact chưa xuất Việt Nam, việc loại bỏ DCS đường dây thông thường làm cho chiều cao cột giảm xuống từ m đường dây 110 kV m đường dây 220 kV Như phần 3.1 (Chương 3) trình bày, số lần sét đánh vào đường dây phụ thuộc vào tham số dòng điện sét, mật độ sét phụ thuộc vào cấu hình đường dây truyền tải Hai đại lượng mật độ sét tham số dịng điện sét hồn tồn phụ thuộc vào yếu tố tự nhiên thay đổi Số lần sét đánh vào đường dây giảm chiều cao cột giảm xuống Khi khơng có DCS, dây pha đóng vai trị DCS CSV lắp vào pha bảo vệ trường hợp sét đánh trực tiếp vào dây pha Ngày công nghệ CSV phát triển đến mức sản xuất CSV có lượng hấp thụ lớn tới hàng ngàn kJ [16], cao nhiều mức lượng hấp thụ cần thiết CSV tính tốn cho trường hợp xấu Chương Vì thế, sử dụng CSV lắp trực tiếp cho đường dây không treo DCS hoàn toàn khả thi Trong nội dung phần tác giả đề xuất giải pháp giảm độ cao cột cách bỏ đoạn cột (đoạn từ pha tới đỉnh cột), cột không lắp DCS, hai dây pha đường dây hai mạch dây pha đường dây mạch lắp chống sét van (Hình 5.6) 98 DCS2 DCS1 DCS2 DCS1 CSV CSV CSV C2 C1 CSV C3 Hình 5.6 Giải pháp CSV sử dụng thay cho DCS    Ở cấu hình (C1) đường dây bảo vệ DCS lắp đặt phía đỉnh cột Cấu hình (C2) đường dây bảo vệ DCS CSV lắp pha mạch Cấu hình (C3) bỏ phần đoạn cột phía trên, khơng sử dụng DCS, lắp đặt CSV pha mạch 5.3.2 Số lần sét đánh vào đường dây Tính tốn cho đường dây truyền tải hai mạch có cấu hình cột ban đầu với thơng số hình 5.7.a Bỏ phần đoạn cột từ pha tới đỉnh cột, lắp CSV vào pha hai mạch hình 5.7.b 8.6m DCS DCS Pha A Pha A Pha B Pha B Pha C Pha C 5m 6m 6m Pha A Pha A Pha B Pha B Pha C Pha C 6m 29m 29m (a) 6m (b) Hình 5.7 Giải pháp đề xuất cấu hình C1 chuyển thành cấu hình C3 Kết xác định số lần sét đánh vào đường dây theo chiều cao cột hình 5.8 cho thấy, giảm độ cao cột từ 45 m xuống 40 m số lần sét đánh vào đường dây giảm từ 283 lần/100 km.năm xuống 255 lần/100 km.năm Điều có nghĩa giảm chiều cao cột 11% giảm 10% số lần sét đánh vào đường dây truyền tải Tính tốn cho thấy riêng việc bỏ phần cột đóng góp vào việc cải thiện suất cắt giảm số lần sét đánh vào đường dây 99 Nl (lần/100km.năm) 430 380 330 280 230 180 25 35 45 55 h(m) 65 75 85 Hình 5.8 Số lần sét đánh vào đường dây thay đổi chiều cao cột 5.3.3 Suất cắt đường dây CSV sử dụng thay cho DCS Tiến hành mơ tính tốn suất cắt sét đường dây 220 kV hai mạch với cấu hình C1, C2 C3 điện trở tiếp địa cột thay đổi từ 10  đến 100 , tham số cột dây dẫn PL 5, kết tính tốn thể hình 5.9 Kết mơ hình 5.9 cho thấy, khơng sử dụng DCS treo CSV pha mang lại hiệu gần tương đương với trường hợp sử dụng DCS CSV đường dây dải điện trở tiếp địa cột có trị số nhỏ 35  Phương pháp đặc biệt hiệu vị trí có trị số điện trở tiếp địa Rtd lớn 35  Ta biết rằng, việc giảm điện trở tiếp địa cột có Rtđ lớn tốn nhiều vị trí khơng thể thực kết gợi ý việc bỏ hẳn DCS kết hợp sử dụng CSV đường dây mang lại hiệu lớn 45 C1 C2 C3 Nc (lần/100km.năm) 40 35 30 25 20 15 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Rtd () Hình 5.9 Suất cắt đường dây theo cấu hình C1,C2 C3 5.4 Phương pháp sử dụng CSV kết hợp với dây UGW đường dây khơng có DCS Kết mơ phần 5.2 cho thấy đường dây treo dây UGW phía làm giảm đáng kể điện áp dây pha Khi DCS bị loại bỏ, dây UGW sử dụng để tản dòng điện sét sang cột bên cạnh tăng hệ số ngẫu hợp với dây pha Tính tốn phần mở rộng phương pháp trình bày phần 5.3 đường 100 dây 220 kV lộ khơng có DCS với CSV lắp pha bổ sung thêm dây UGW (Hình 5.10) CSV CSV CSV CSV UGW C3 C4 Hình 5.10 Sử dụng CSV kết hợp với dây UGW đường dây khơng có DCS Tiến hành mơ cho trường hợp cột có cấu hình tham số hình 5.11, bỏ DCS phía lắp đặt dây UGW phía dây pha, độ treo cao dây UGW cách mặt đất 20 m, số liệu cột dây dẫn PL.5 Pha A Pha A Pha B Pha B Pha C Pha C 6m 6m UGW 29m Hình 5.11 Giải pháp đề xuất cấu hình C3 chuyển thành cấu hình C4 Hình 5.12 so sánh suất cắt đường dây dây UGW treo bổ sung cho đường dây 220 kV lộ khơng có DCS tính tốn cho điện trở tiếp địa từ 10  đến 100  Ta nhận thấy, sử dụng UGW cho đường dây khơng có DCS mang lại hiệu cột có điện trở tiếp địa lớn 40  Điều dễ dàng giải thích vị trí có điện trở tiếp địa cao, việc chia sẻ dòng điện sét sang cột bên cạnh mang ý nghĩa lớn làm cho suất cắt giảm xuống 101 Nc (lần/100km.năm) 30 C3 C4 25 20 15 10 10 20 30 40 50 60 Rtd () 70 80 90 100 Hình 5.12 Suất cắt đường dây sử dụng CSV kết hợp với dây UGW đường dây khơng có DCS 5.5 Kết luận Do cấu tạo CSV đường dây tương đối phức tạp, số lượng CSV sử dụng nhiều việc làm cho vốn đầu tư tăng cao dẫn đến suất cố CSV hỏng tăng lên Hiệu giảm suất cắt sét bị cân lại suất cắt hỏng CSV Trong chương phương pháp giảm số lượng CSV sử dụng đường dây kết hợp với biện pháp đơn giản thực Các kết luận rút bao gồm:  Sử dụng cách điện không đối xứng kết hợp với CSV lắp đặt pha lộ có cách điện yếu đường dây 220 kV lộ kép biện pháp đặc biệt hiệu để giảm suất cắt sét Phương pháp cho phép giảm cố điện hai lộ xuống gần không Suất cắt giảm tương ứng 56% so với trường hợp không sử dụng cách điện không đối xứng tương đương với việc sử dụng CSV  DCS thành phần đáng tin cậy đường dây truyền tải xác suất hỏng hóc thấp, việc sử dụng DCS treo phía đường dây để trở thành dây UGW làm tăng đáng kể hệ số ngẫu hợp dây pha DCS đồng thời tạo thêm đường tản cho dòng điện sét sang cột bên cạnh Kết hợp sử dụng dây UGW với CSV cho đường dây 220 kV cho phép giảm suất cắt đường dây xuống tương đương với việc sử dụng CSV  Với công nghệ ZnO tại, CSV đường dây hồn tồn chế tạo để tản dòng điện sét đánh trực tiếp vào dây dẫn Cùng với xu hướng đường dây truyền tải compact, sử dụng CSV đường dây thay hoàn toàn cho DCS ứng dụng nhiều hứa hẹn cho đường dây truyền tải Việt Nam Ngoài ra, việc không sử dụng DCS làm chiều cao cột giảm đáng kể dẫn đến số lần sét đánh vào đường dây giảm xuống Kết tính tốn cho thấy đường dây 220 kV lộ sử dụng CSV thay cho DCS mang lại hiệu tương đương với đường dây có sử dụng DCS CSV Ở cột có điện trở cột lớn 35 , phương pháp tỏ hiệu hẳn với suất cắt giảm xuống tới 25% so với trường hợp sử dụng DCS CSV đường dây 102  Sử dụng dây UGW cho đường dây 220 kV lộ khơng có DCS hiệu cột có tiếp địa lớn 35  Ở đây, dây UGW chủ yếu nhằm mục đích tản dòng điện sét sang cột bên cạnh để giảm điện áp đặt lên cách điện cột bị sét đánh 103 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đóng góp khoa học luận án Luận án trình bày sở thuyết tính tốn mơ chương trình tính tốn q độ điện từ EMTP/ATP cho tốn tính tốn q điện áp sét đường dây truyền tải, để làm sở cho việc tính tốn sử dụng CSV đường dây đường dây truyền tải Cách mơ hình hóa phần tử, thơng số mơ hình, bước tính tốn giải tốn truyền sóng chương trình QĐĐT thực từ làm rõ ảnh hưởng thơng số đường dây, khoảng cách dây, điện trở suất đất vv… đến điện áp cách điện đường dây trường hợp dòng điện sét chạy DCS dây dẫn Kết tính tốn cho phép đánh giá hai phương pháp tính tốn suất cắt cho đường dây phương pháp EGM phương pháp Monte Carlo so với thực tế vận hành Trong phương pháp Monte Carlo cho kết sát với thực tế vận hành tính đến thay đổi hầu hết tham số dòng điện sét cấu hình đường dây phương pháp EGM tiết kiệm thời gian tính tốn Do tính tốn đơn giản, phương pháp EGM phù hợp khâu thiết kế đánh giá hiệu biện pháp nâng cao khả chống sét cho đường dây truyền tải Luận án đề xuất phương pháp tính tốn q điện áp sét đường dây truyền tải phương pháp dịng điện CSV đóng vai trị chủ đạo bảo vệ chống sét Điện áp cách điện pha tính tốn cho nhiều trường hợp đường dây truyền tải cấp điện áp khác nhau, địa hình khác nhau, thơng số đường dây khác Từ xác định vị trí thích hợp sử dụng CSV đường dây tùy vào cấu trúc đường dây Tính tốn lượng hóa mức độ cải thiện suất cắt sét đường dây truyền tải số lượng vị trí CSV thay đổi Các kết mang tính tổng qt áp dụng cho đường dây truyền tải khác Kết nghiên cứu cho phép xác định mối liên hệ thông số CSV với cấp điện áp, từ cho phép xác định loại CSV đường dây phù hợp cho cấp điện áp tương ứng Luận án tính tốn làm rõ sở việc sử dụng CSV rời rạc đường dây truyền tải, lý giải tính tốn trường hợp cố xảy thực tế lắp đặt CSV rời rạc, xây dựng đường đặc tính mối tương quan điện trở tiếp địa cột có nguy xảy sét đánh CSV với cột bên cạnh Mối quan hệ vị trí lắp đặt CSV thơng số đường dây tính tốn luận án sử dụng làm công cụ tham khảo việc sử dụng CSVtrong lưới điện truyền tải Việt Nam Luận án mở rộng việc tính tốn CSV đường dây để kết hợp với số phương pháp khác nhằm mục đích sử dụng biện pháp đơn giản với độ tin cậy cao giảm số lượng CSV lắp đặt mà giữ suất cố thấp Sử dụng dây UGW có tác dụng khơng nâng cao hệ số ngẫu hợp dây pha, giảm điện áp đặt lên cách điện pha từ giảm suất cắt đường dây, mà tác dụng tản phần dòng điện sét sang cột bên cạnh giảm dòng điện qua tiếp địa cột Ngoài ra, kết nghiên cứu sử dụng CSV để thay hoàn toàn cho DCS đường dây truyền tải với cấu hình cột tham số đường 104 dây đường dây truyền tải Việt Nam cho thấy biện pháp hiệu quả, đặc biệt khu vực có điện trở tiếp địa cao Kiến nghị nghiên cứu Bài toán chống sét cho đường dây truyền tải toán lớn phức tạp, kết luận án hạn chế giới hạn mặt thời gian Luận án trở nên hoàn thiện tiếp tục nghiên cứu vấn đề sau:  Xây dựng mơ hình xác định mối quan hệ suất cố hỏng CSV đường dây với số lượng vị trí lắp đặt Từ kết hợp với tính tốn sẵn có luận án để xác định số lượng tối ưu CSV cần sử dụng cho đường dây truyền tải Đồng thời nghiên sâu yếu tố kinh tế- kỹ thuật cho biện pháp sử dụng CSV  CSV đường dây sử dụng mục đích chống điện áp sét điện áp đóng cắt Luận án quan tâm đến mục đích chống sét đường dây, nghiên cứu bổ sung phối hợp cách điện CSV để bảo vệ chống điện áp đóng cắt hướng cần nghiên cứu tương lai  Mơ hình phần tử tính tốn mơ mơ hình đường dây, điện trở tiếp địa, mơ hình cột, cách xác định suất cắt sử dụng mơ hình đơn giản cực đoan nhằm tính đến trường hợp xấu bảo vệ chống sét Các thông số dây dẫn sử dụng dây dẫn dây chống sét phổ biến Các mơ hình cải thiện cách sử dụng mơ hình sát với thực tế  Ứng dụng phương pháp Monte Carlo để tính tốn suất cắt cho trường hợp sử dụng CSV lượng hấp thụ cần thiết CSV cho đường dây truyền tải Việt Nam 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tổng công ty truyền tải điện Quốc gia (2017), Báo cáo công tác giảm thiểu cố có nguyên nhân sét đường dây 220, 500 kV [2] Công ty lưới điện cao miền bắc (2017), Báo tổng kết công tác sản xuất kinh doanh năm 2017 kế hoạch triển khai năm 2018 [3] Koch R., J Timoshenko, J Anderson ,C Shih (1985), Design of zinc oxide transmission line arresters for application on 138 kV towers, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems no 10, pp 2675-2680 [4] Tập đoàn điện lực Việt Nam (2017), Số liệu báo cáo vận hành 2017 [5] EVN (2016), Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 (gọi tắt Quy hoạch điện VII Điều chỉnh) [6] Tổng công ty truyền tải điện Quốc gia (2017), Báo cáo vận hành năm 2017 [7] Viện vật lý địa cầu (2009), Mật độ giông sét Việt Nam [8] Bộ xây dựng (2008), Quy chuẩn xây dựng Việt Nam số liệu điều kiện tự nhiên dùng xây dựng (QCXDVN 02 : 2008/BXD) [9] Công ty truyền tải điện (2017), Đánh giá giải pháp giảm thiểu cố đường dây 220-500 kV [10] EVN (2015), Quyết định số 174/QĐ-EVN ngày 2/10/2015 Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) việc phê duyệt đề án nâng cao hiệu sản xuất kinh doanh Năng suất lao động giai đoạn 2016-2020 Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia [11] NGC (2015), Quyết định số 4920/QĐ-EVN ngày 23/12/2015 Tổng công ty điện lực miền bắc (NGC) việc phê duyệt kế hoạch sản xuất kinh doanh đầu tư phát triển giai đoạn 2016-2020 [12] He J., X Wang, Z Yu ,R Zeng (2015), Statistical analysis on lightning performance of transmission lines in several regions of china, IEEE Transactions on Power Delivery vol 30, no 3, pp 1543-1551 [13] Ab-Kadir M Z A (2016), Lightning severity in Malaysia and some parameters of interest for engineering applications, Thermal Science vol 20, no suppl 2, pp 437450 [14] Romualdo-Torres C ,F Martínez-Fonseca (2010), Field experience on the application of surge arresters on transmission lines, Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2010 IEEE PES, IEEE, pp 1-5 [15] C.Romualdo-Torres, M.Ramirez-Gonzaez ,A.Escamilla-Paz (2016), Lightning outage transmission line reliability improvement with surge arresters, Transmission and Distribution Conference and Exposition (T&D), 2016 IEEE/PES, IEEE, pp 1-5 106 [16] Wakai T., N Itamoto, T Sakai ,M Ishii (2000), Evaluation of transmission line arresters against winter lightning, IEEE Transactions on Power Delivery vol 15, no 2, pp 684-690 [17] D.Aranguren, J.González, A.Cruz, J.Inampués, H.Torres ,P P.-T Sarmiento (2017), Lightning strikes on power transmission lines and lightning detection in Colombia, Lightning Protection (XIV SIPDA), 2017 International Symposium on, IEEE, pp 273-278 [18] Võ Viết Đạn (1972), Giáo trình kỹ thuật điện cao áp, Đại học Bách Khoa Hà Nội [19] Hoàng Việt (2007), Kỹ thuật điện cao áp-Tập 2, NXB Đại học Quốc gia thành phố HCM [20] Nguyễn Thái Thành (2013), Mơ tính tốn q điện áp sét đường dây truyền tải sử dụng phương pháp Monte Carlo, ĐHBK Hà Nội [21] Lê Ngọc Hà (2011), Luận văn Ths Nghiên cứu sử dụng chống sét van đường dây cao áp để giảm suất cắt điện áp khí quyển, ĐH Đà Nẵng [22] Trần Xuân Trường (2014), Nghiên cứu sử dụng chống sét van để giảm suất cắt điện áp khí đường dây cao áp tỉnh nam định, ĐH Bách khoa Hà Nội [23] Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia (2016), Hội thảo chuyên đề chống sét cho lưới điện truyền tải [24] Bộ Công Nghiệp (2006), Quy Phạm Trang Bị Điện, Phần II Hệ Thống Đường Dẫn Điện 11 TCN -19 [25] Phạm Hồng Thịnh cộng (2016), Nghiên cứu giải pháp giảm cố sét đường dây truyền tải 220 kV Thanh Thủy- Hà Giang- Thủy điện Tuyên QuangYên Bái- Thái Nguyên, Tổng công ty truyền tải điện quốc gia [26] Đức Tường N ,T Văn Tớp (2009), Hạn chế điện áp thao tác cho đường dây tải điện cao áp chống sét van đường dây, Tạp chí Khoa học Công nghệ trường đại học kỹ thuật, số 71, pp 46-50 [27] Đinh Thành Việt ,N T Tiến (2014), Nghiên cứu xác định vị trí tối ưu lắp chống sét van đường dây 500kV nhằm hạn chế tượng phóng điện ngược, Tạp chí KHCN, ĐH Đà Nẵng Số (76), pp 1-6 [28] Pham T H., S A Boggs, H Suzuki ,T Imai (2012), Effect of Externally Gapped Line Arrester Placement on Insulation Coordination of a Twin-Circuit 220 kV Line, IEEE Transactions on power delivery vol 27, no 4, pp 1991-1997 [29] Babuder M., M Kenda, P Kotar, E Brocard, S Tartier, R Joulie ,S Sadovic (1999), Lightning performance improvement of 123 kV transmission line by use of line surge arresters, High Voltage Engineering, 1999 Eleventh International Symposium on (Conf Publ No 467), IET, pp 250-253 107 [30] Sadovic S., M Babuder, M Hrast, D Bokal, M Marnisek ,T Sadovic (2009), Line Surge Arrester Application on 123 kV Double Circuit Line, International Symposium on High Voltage Engineering, Johannesburg, South Africa [31] Short T., C Warren, J Burke, C Burns, J Godlewski, F Graydon ,H Morosini (1996), Application of surge arresters to a 115-kV circuit, Transmission and Distribution Conference, 1996 Proceedings, 1996 IEEE, IEEE, pp 276-282 [32] Sadovic S., R Joulie, S Tartier ,E Brocard (1997), Use of line surge arresters for the improvement of the lightning performance of 63 kV and 90 kV shielded and unshielded transmission lines, IEEE Transactions on Power Delivery vol 12, no 3, pp 1232-1240 [33] Wahab Y., Z Abidin ,S Sadovic (2003), Line surge arrester application on the quadruple circuit transmission line, Power Tech Conference Proceedings, 2003 IEEE Bologna, IEEE vol 3.pp 7- 12 [34] Bhattarai R., R Rashedin, S Venkatesan, A Haddad, H Griffiths ,N Harid (2008), Lightning performance of 275 kV transmission lines, 2008 43rd International Universities Power Engineering Conference, IEEE, pp 1-5 [35] Milardić V., I Uglešić ,A Xemard (2012), Optimal Line Surge Arresters Installation Using Lightning Location System, International Review of Electrical EngineeringIREE vol 7, no 2, pp 4077-4083 [36] Uglešić I., A Xemard, V Milardić, B Milešević, B Filipović-Grčić ,I Ivanković (2009), Reduction of flashovers on 220 kV double-circuits line, International Conference on Power Systems Transients (IPST2009) [37] Martinez J ,F Castro-Aranda (2007), Lightning flashover rate of an overhead transmission line protected by surge arresters, 2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting, IEEE, pp 1-6 [38] Martinez J A ,F Castro-Aranda (2009), Lightning performance analysis of an overhead transmission line protected by surge arresters, IEEE Latin America Transactions vol 7, no 1, pp 62-70 [39] Munukutla K., V Vittal, G T Heydt, D Chipman ,B Keel (2010), A practical evaluation of surge arrester placement for transmission line lightning protection, IEEE Transactions on Power Delivery vol 25, no 3, pp 1742-1748 [40] Orille-Fernández Á L., S B Rodríguez ,M A Gotes (2004), Optimization of surge arrester's location, IEEE transactions on power delivery vol 19, no 1, pp 145-150 [41] Perez E., A Delgadillo, D Urrutia ,H Torres (2007), Optimizing the surge arresters location for improving lightning induced voltage performance of distribution network, 2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting, IEEE, pp 1-6 [42] Andrew R.Hileman (1999), Insulation coordination for power systems, CRC Press [43] Thanasaksiri T (2013), Improving the lightning performance of overhead lines applying additional underbuilt shield wire, 2013 10th International Conference on 108 Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology, IEEE, pp 1-6 [44] Visacro S., F H Silveira ,A De Conti (2011), The use of underbuilt wires to improve the lightning performance of transmission lines, IEEE Transactions on Power Delivery vol 27, no 1, pp 205-213 [45] Jae-Kwan Kim, Jong-Beom Lee ,Han-Goo Cho (2004), A Protection of Substation Equipment Applying Underbuilt Ground Wire and Guy Wire, Proceedings of the KIEE Conference, The Korean Institute of Electrical Engineers, pp 610-612 [46] IEEE Std 1243-1997 (1997), IEEE guide for improving the lightning performance of transmission lines, Standard IEEE [47] Kawai M ,H Azuma (1965), Design and performance of unbalanced insulation in double-circuit transmission lines, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems vol 84, no 9, pp 839-846 [48] Li Z., Z Yu, X Wang ,J He (2012), A design of unbalanced insulation to improve the lightning performance of multi-circuit transmission lines, 2012 International Conference on Lightning Protection (ICLP), IEEE, pp 1-4 [49] Deng Xu ,Zhou Hao (2011), Research of the lightning protection performance for 220 kV double-circuit transmission line, 2011 7th Asia-Pacific International Conference on Lightning, IEEE, pp 314-317 [50] Shen.Z, Zhou.H, Deng.X ,Chen.J (2013), Application of Unbalanced Insulation in 220 kV and 110 kV Double-Circuit Transmission Lines on the Same Tower [J], Power System Technology [51] Paolo Villa, Aarnaldo bertazzi ,Maurizio leva (2002), Compact transmission line with inverted delta configuration, CIGRE 2002, pp 1-4 [52] Sadovic S., D Lepley, E Brocard ,J George (2011), Line Surge Arresters Applications on the Compact Transmission Lines, Journal of Energy vol 60, no 4146, pp 26-32 [53] Martinez-Velasco J A (2010), Power system transients: parameter determination, CRC press [54] Bewley.LV (1951), Traveling waves on transmission systems, Transactions of the American Institute of Electrical Engineers [55] CIGRE SC -33-WG01 (1991), Guide to procedures for estimating the lightning performance of transmission lines, CIGRE Technical Brochure no 63 [56] Rakov V (2010), Lightning parameters for engineering applications (keynote speech), 2010 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility, IEEE, pp 1120-1123 109 [57] Soares A., M A O Schroeder ,S Visacro (2005), Transient voltages in transmission lines caused by direct lightning strikes, IEEE Transactions on Power Delivery vol 20, no 2, pp 1447-1452 [58] Sakis Meliopoulos A (1988), Power System Grounding and Transients-An Introduction, Mar & Dekker, Inc., New York and Basel [59] Võ Viết Đạn (1977), Luận án PTS Tính tốn sét đánh khoảng vượt, ĐHBK Hà Nội [60] Dommel H W (1986), Electromagnetic Transients Program: Reference Manual:(EMTP theory book), Bonneville Power Administration, Portland [61] Ametani A., N Nagaoka, Y Baba, T Ohno ,K Yamabuki (2016), Power system transients: theory and applications, CRC Press [62] Bienvenido R.-M ,Marianela Santiago-Luna (2002), EMTP/ATP Quick Guide Electric Power Engineering Group - UPR,, Mayagüez PR [63] Wedepohl L (1963), Application of matrix methods to the solution of travelling-wave phenomena in polyphase systems, Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, IET.Digital Library, pp 2200-2212 [64] Võ Viết Đạn ,Nguyễn Minh Chước (1998), Một số vấn đề điện áp nối đất hệ thống điện ĐHBK Hà Nội [65] Chowdhuri P (2001), Parameters of lightning strokes and their effects on power systems, 2001 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition,, IEEE, pp 1047-1051 [66] Martinez-Velasco J A ,F Castro-Aranda (2003), Parametric analysis of the lightning performance of overhead transmission lines using an electromagnetic transients program, International Conference on Power Systems Transients-IPST, pp 1-6 [67] Udo T (1993), Estimation of lightning current wave front duration by the lightning performance of Japanese EHV transmission lines, IEEE transactions on power delivery vol 8, no 2, pp 660-671 [68] IEC TR 60071- (2004), Insulation co-ordination, part 4: computational guide to insulation co-ordination and modeling of electrical networks, Standard IEC [69] Ametani A ,T Kawamura (2005), A method of a lightning surge analysis recommended in Japan using EMTP, IEEE Transactions on Power Delivery vol 20, no 2, pp 867-875 [70] Martinez J A ,F Castro-Aranda (2005), Lightning performance analysis of overhead transmission lines using the EMTP, IEEE Transactions on Power Delivery vol 20, no 3, pp 2200-2210 [71] IEEE Working Group (1996), Modeling guidelines for fast front transients, IEEE Transactions on Power Delivery vol 11, pp 493 – 503 110 [72] EChristodoulou C A., F A Assimakopoulou, I F Gonos ,I A Stathopulos (2008), Simulation of metal oxide surge arresters behavior, 2008 IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2008 PESC, IEEE, pp 1862-1866 [73] Vita V., A Mitropoulou, L Ekonomou, S Panetsos ,I Stathopulos (2010), Comparison of metal-oxide surge arresters circuit models and implementation on high-voltage transmission lines of the Hellenic network, IET generation, transmission & distribution vol 4, no 7, pp 846-853 [74] IEEE Working Group 3.4.1.1 (1992), Modeling of metal-oxide surge arresters, IEEE Transactions on Power Delivery vol 7, no 1, pp 302-309 [75] Pinceti P ,M Giannettoni (1999), A simplified model for zinc oxide surge arresters, IEEE transactions on power delivery vol 14, no 2, pp 393-398 [76] Fernandez F ,R Diaz (2001), Metal oxide surge arrester model for fast transient simulations, The Int Conf on Power System Transients IPAT, Citeseer [77] Meister A., R A Shayani ,M A G de Oliveira (2011), Comparison of metal oxide surge arrester models in overvoltage studies, International Journal of Engineering, Science and Technology vol 3, no 11, pp 35-45 [78] IEEE Working Group (1985), A simplified method for estimating lightning performance of transmission lines, IEEE Trans Power App Syst vol 104, no 4, pp 919-932 [79] Anderson.J.G (1961), Monte Carlo computer calculation of transmission-line lightning performance, Transactions of the American Institute of Electrical Engineers Part III: Power Apparatus and Systems vol 80, no 3, pp 414-419 [80] de Castro Assis S., W Couto Boaventura ,J O S Paulino (2017), Lightning Performance of Transmission Line: Comparison IEEE Flash and Monte Carlo Method, IEEE Latin America Transactions vol 15, no 2, pp 269-274 [81] Gatta F., A Geri, S Lauria, M Maccioni ,A Santarpia (2014), An ATP-EMTP Monte Carlo procedure for backflashover rate evaluation: A comparison with the CIGRE method, Electric Power Systems Research vol 113, pp 134-140 [82] Martínez-Velasco J A ,F Castro-Aranda (2008), EMTP implementation of a Monte Carlo method for lightning performance analysis of transmission lines, Ingeniare Revista chilena de ingeniería vol 16, no 2, pp.169-180 [83] Martinez J A ,F Castro-Aranda (2006), Influence of the stroke angle on the flashover rate of an overhead transmission line, 2006 IEEE Power Engineering Society General Meeting, IEEE [84] Martinez J A ,F Castro-Aranda (2006), Lightning characterization for flashover rate calculation of overhead transmission lines, 2006 IEEE, Power Engineering Society General Meeting, IEEE [85] Sarajcev P (2015), Monte Carlo method for estimating backflashover rates on high voltage transmission lines, Electric Power Systems Research vol 119, pp 247-257 111 [86] Shafaei A., A Gholami ,R Shariatinasab (2011), A new developed method for evaluation of lighting performance of overhead transmission lines with considering impact of stroke angle, 2011 International Conference on Circuit System and Simulation IPCSIT [87] Shelemy S ,D Swatek (2001), Monte Carlo simulation of lightning strikes to the Nelson River HVDC transmission lines, International Conference on Power System Transients [88] Amir Shafaei, Ahmad Gholami ,Reza Shariatinasab (2011), A new developed method for evaluation of lighting performance of overhead transmission lines with considering impact of stroke angle, 2011 International Conference on Circuit System and Simulation IPCSIT [89] Công ty Công ty truyền tải điện (2016), Thuyết minh tổng kê đường dây 220kV Việt Trì-n Bái, Phịng Kỹ Thuật [90] Haddad A., M Haddad, D Warne ,D Warne (2004), Advances in high voltage engineering, Vol 40, IET [91] Pillai S C., J M Kelly, D E McCormack ,R Ramesh (2008), High performance ZnO varistors prepared from nanocrystalline precursors for miniaturised electronic devices, Journal of Materials Chemistry vol 18, no 33, pp 3926-3932 [92] Hinrichsen V (2001), Metal-oxide surge arresters, Fundamentals, Siemens, Vol [93] CIGRE WG C4 301 (2010), Use of Surge Arresters for Lightning Protection of Transmission Lines, CIGRE Technical Brochure [94] IEEE Std C62 22 (2009), IEEE guide for the application of metal‐oxide surge arresters for alternating‐current systems, Standard IEEE [95] IEC 60099-4 (2009), Surge arresters – Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c systems, Standard IEC [96] IEC 60099-8 (2011), Surge arresters – Part 8: Metal-oxide surge arresters with external series gap (EGLA) for overhead transmission and distribution lines of a.c systems above kV, Standard IEC [97] EPRI (2013), Outline of Guide for Application of Transmission Line Surge Arresters—42 to 765 kV [98] Jonathan Woodworth (2018), Improving Power System’s Performance with Line Arresters, ArresterWorks [99] http://www.arresterworks.com/arresterfacts/Arresterfacts_Arrester_Modeling.php [100] Paolo villa, Arnaldo bertazzi ,Maurizio Leva (2002), Compact transmission line with inverted delta configuration, CIGRE 2002, pp 1-4 [101] Sadovic S., M Muhr ,T Sadovic (2007), Line Surge Arrester Energy Duty Considerations on the Compact Unshielded Transmission Lines, 15th International Symposium on High-Voltage Engineering, ISH, pp 27-31 112 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Nam V Ninh, Thinh H Pham, Top V T (2016) Coupling Effect in Transmission Line Submitted to Lightning Strikes The 9th Regional Conference on Electrical and Electronics Engineering (RCEEE 2016) November 17-18, 2016, HUST, Hanoi, Vietnam, pp.20-24 [2] Ninh Văn Nam, Nguyễn Xuân Phúc (2017) Ứng dụng chống sét van giảm suất cắt sét đường dây truyền tải Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, số 38, pp.16-165 [3] Nam V Ninh, Thinh H Pham, Top V T (2017) A Method to Improve Lightning Performance of Transmission Lines in High Footing Resistance Areas Electrical Insulating Materials (ISEIM), 2017 International Symposium on, IEEE, Vol 2, pp.761764 [4] Ninh Văn Nam (2017) Cải thiện khả chịu sét đường dây truyền tải 220kV cách sử dụng dây nối đất phía Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, số 43, pp 38 - 43 [5] Ninh Văn Nam, Trần Văn Tớp (2018) Lựa chọn vị trí số lượng chống sét van để cải thiện khả chịu sét đường dây truyền tải 220kV Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, số 48, pp 16-20 [6] Ninh Văn Nam, Phạm Hồng Thịnh, Trần Văn Tớp (2018) Effect of Transmission Line Configuration on the Installation of Surge Arrester Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ trường Ðại học Kỹ thuật, số 131, pp 49-54 [7] Ninh Văn Nam, Phạm Hồng Thịnh, Trần Văn Tớp (2019) Nghiên cứu hiệu lắp chống sét van rời rạc đường dây truyền tải Tạp chí Khoa học & Công nghệ trường Ðại học Kỹ thuật, số 132, pp 16-21 113 PHỤ LỤC PL Chương trình mơ phóng điện cách điện đường dây 500 kV EMTP/ATP 114 PL Chương trình mơ phóng điện cách điện đường dây 220 kV EMTP/ATP 115 PL Chương trình mơ phóng điện cách điện đường dây 110 kV EMTP/ATP 116 PL Đặc tính V- A CSV 2500.0 Arrester Voltage (kVp) 2000.0 1500.0 1000.0 500.0 0.0 0.00001 0.001 0.1 10 Arrester Current (A) 1000 100000 Hình PL4.1 Đường đặc tính V-A CSV 500 kV 1000.0 Arrester Voltage (kVp) 900.0 800.0 700.0 600.0 500.0 400.0 300.0 200.0 100.0 0.0 0.00001 0.001 0.1 10 Arrester Current (A) 1000 100000 Hình PL4.2 Đường đặc tính V-A CSV 220 kV 500.0 450.0 Arrester Voltage (kVp) 400.0 350.0 300.0 250.0 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 0.00001 0.001 0.1 10 Arrester Current (A) 1000 100000 Hình PL4.3 Đường đặc tính V-A CSV 110 kV 117 PL Cấu trúc cột hai mạch cột mạch thơng số mơ hình mô EMTP Cấu trúc cột hai mạch mạch Sg h Sg/2 DCS2 DCS1 A2 A1 B2 B1 C2 C1 DCS D1 D1 A D2 D2 D3 C B h D4 D4 a) b) Sg Sg/2 DCS h DCS D1 A2 A1 B2 B1 C2 D1 A D2 D2 D3 C1 C B h D4 D4 c) d) Hình PL 5.1 Cấu hình cột 500 kV (hình a), 220 kV (hình a, b) 110 kV (hình c, d) Số liệu kích thước cột dây Bảng PL5.1 Số liệu dây dẫn, dây chống sét đường dây 500 kV Bán kính ngồi Điện trở chiều R0 Bán kính dây dẫn (mm) dây dẫn (mm) (/km) Dây dẫn 4,6 12,6 0,0869 DCS 4,7 0,58 118 Bảng PL 5.2 Số liệu dây dẫn, dây chống sét đường dây 220 kV Bán kính ngồi Điện trở chiều R0 Bán kính dây dẫn (mm) dây dẫn (mm) (/km) Dây dẫn 4,6 13,75 0,0689 DCS 5,5 0,77 Bảng PL 5.3 Số liệu dây dẫn, dây chống sét đường dây 110 kV Bán kính ngồi Điện trở chiều R0 Bán kính dây dẫn (mm) dây dẫn (mm) (/km) Dây dẫn 3,04 7,68 0,17 DCS 4,0 3,7 Bảng PL 5.4 Số liệu kích thước cột 500 kV, 220 kV 110 kV Đường dây 500kV Hai mạch Hai mạch 220kV Một mạch Một mạch Hai mạch 110kV Một mạch h(m) 58 46 46 28 33 30 D1(m) 7,9 5 3,5 3,5 D2(m) 10,5 6 4 2x4,3m h DCS1 A2 A1 B2 B1 DCS D1 Sg(m) 15 8,6 - D1 A D2 D2 D3 C1 C B h D4 D4 a) D4(m) 29,8 29 35 17,5 21,5 22,5 4,3m DCS2 C2 D3(m) 10,5 - b) 119 2x3,5m 2,5m DCS h DCS D1 A2 A1 B2 B1 C2 C1 D1 A D2 D2 D3 C B h D4 D4 c) d) Hình PL 5.2 Cấu hình cột 220 kV (hình a,b) 110 kV (hình c,d) Sg h Sg/2 DCS2 DCS1 A2 A1 B2 B1 C2 C1 DCS D1 A D2 D2 D3 D D1 C B D h Dây UGW D4 Dây UGW D4 Hình PL 5.3 Cấu hình cột hai mạch mạch sử dụng dây UGW 120 PL Dòng điện sét lớn đánh vào dây pha theo mơ hình điện hình học Im_A Im_B Im_C h yA yB yC  Loại cột (kA) (kA) (kA) (m) (m) (m) (m) (độ) 500 kV-2 mạch 58 46,8 36,3 25,8 32,07 19,52 11,77 220 kV-2 mạch 46 38,81 32,81 26,81 20,07 12,72 9,66 110 kV-2 mạch 33 27,5 23,5 7,61 6,5 5,49 19,5 PL Các trị số điện trở điện cảm tầng mơ hình cột nhiều tầng EMTP/ATP Loại cột R1() L1(mH) R2() L2(mH) R3() L3(mH) R4() L4(m) Cột 500 kV-2 mạch 13,4 5,19 17,8 6,9 17,8 6,9 49,1 19 Cột 220 kV- mạch 14,4 4,43 17,3 5,31 17,3 5,31 49,1 15,06 Cột 220 kV- mạch 22,3 6,84 26,8 8,21 - - 33,5 10,27 Cột 110 kV- mạch 14,9 3,29 17,1 63,7 17,1 3,73 49,1 10,8 Cột 110 kV- mạch 22,9 4,58 26,2 5,24 - - 33,5 6,7 121 PL.8 Mơ hình phần tử EMTP/ATP Mơ hình đường dây hai mạch hai DCS: Mơ hình đường dây hai mạch DCS: 122 Mơ hình đường dây mạch DCS: 123 PL.9 Chương trình tính tốn suất cắt Matlab */ clc %hold off disp('COMPUTE BFR') disp('IEEE1997') % characteristic of tower hG1= 46; h1= 38.81; dA1= 4.3; dG1= 4.3; % TD = 25; Ng = 10; h=hG1; y=h1; a=dA1-dG1; % alpha=atan(a/(h-y))*180/pi; alpha = 0; %for alpha=0 Icr=3; Arc=10; Arg=6.036; bs=0.65; rg=Arg*Icr^bs; rc=Arc*Icr^bs; gama=rc/rg; alpha1=alpha*pi/180; beta=asin((h-y)*sqrt(1+tan(alpha1)^2)/2/rc); theta=asin((rg-y)/rc); Dc=rc*(cos(theta)-cos(alpha1+beta)); Dcc=rc*(1-cos(alpha1+beta)); % Compute the distance Dc which stroke to the phase syms Ic rg=Arg*Ic^bs; rc=Arc*Ic^bs; gama=rc/rg; alpha1=alpha*pi/180; beta=asin((h-y)*sqrt(1+tan(alpha1)^2)/2/rc); theta=asin((rg-y)/rc); SO=y+rc*sin(alpha1+beta); theta2=asin((SO-y)/rc); % compute the maximum current cause flashover 124 rgm=(h+y)/(2*(1-gama*sin(alpha1))); Im=double((rgm/Arg)^(1/bs)); % compute probability according to andrew R.hileman I=double((gama*y/Arc)^(1/bs)); stand=1.33; M=61.1; Z=log(Ic/M)/stand; % Compute the distance Dc which stroke to the phase Dc1=rc*(theta2-theta); Dc2=rc*(theta2); f1=Dc1*1/(sqrt(2*pi)*stand*Ic)*exp(-Z^2/2); f2=Dc2*1/(sqrt(2*pi)*stand*Ic)*exp(-Z^2/2); I=double((gama*y/Arc)^(1/bs)); if Icr m = ftell(fid)+338; fclose(fid); fid = fopen('temp.atp','w+'); fwrite(fid,temp); % di chuyen tro toi nhanh Ampl fseek(fid, m,'bof'); % Ghi gia tri cuong dong set fwrite(fid,I_peak,'char'); k = ftell(fid); eofp = m+20; % di chuyen tro toi nhanh phase/T0 fseek(fid, eofp,'bof'); % Ghi gia tri time to crest fwrite(fid,tf,'char'); % thay the gia tri A1: 1/2 gia tri cuong dong set fwrite(fid,A1,'char'); % thay the T1 fwrite(fid,th,'char'); eofth = ftell(fid)-276; %% thay the goc pha A, B, C fseek(fid, eofth,'bof'); fwrite(fid,phaseA,'char'); fseek(fid, eofth+82,'bof'); fwrite(fid,phaseB,'char'); 131 fseek(fid, eofth+164,'bof'); fwrite(fid,phaseC,'char'); %fseek(fid, eofth+328,'bof'); %fwrite(fid,phaseA,'char'); %fseek(fid, eofth+410,'bof'); %fwrite(fid,phaseB,'char'); %fseek(fid, eofth+492,'bof'); %fwrite(fid,phaseC,'char'); %endnum = ftell(fid); frewind(fid); ftell(fid); A = fread(fid); temp = char(A'); %% dung dong lenh neu xet den set danh vao day dan % su dung mo hinh dien hinh hoc de xac dinh diem set danh vao dz %if peak data.txt % kiem tra xem file data.txt da co hay chua neu % chua thi doi den nao co file data.txt % str = which('data.txt'); % while isempty(str); % str = which('data.txt'); % end %% mo file data.txt doc va kiem tra ket qua fid = fopen('data.txt','r'); A = fread(fid); temp2 = char(A'); fclose(fid); fid = fopen('data.txt','r'); matches_error = strfind(temp2, 'error'); matches_Totals = strfind(temp2, 'Totals'); 132 matches_pdA = strfind(temp2, 'FLASH_A'); % dong text "FLASH_A" duoc ghi boi MODEL matches_pdB = strfind(temp2, 'FLASH_B'); matches_pdC = strfind(temp2, 'FLASH_C'); errors = length(matches_error); Totals = length(matches_Totals); pdA = length(matches_pdA); pdB = length(matches_pdB); pdC = length(matches_pdC); fclose(fid); % kiem tra xem co loi chay emtp % Neu co thi chay mo phong lai if (errors > || Totals ==0) fault(j) = 1; elseif (errors ==0 && Totals >0) suscess(j) = 1; j=j+1; % kiem tra phong dien tai vi tri pha nao if pdA~=0 flash_A(j-1) = 1; end if pdB~=0 flash_B(j-1) = 1; end if pdC~=0 flash_C(j-1) = 1; end if pdA~=0||pdB~=0||pdC~=0 flash(j-1) = 1; end %%lay dong va nang luong qua CSV (neu duong day lap Chong set van) % Nang luong va dong qua chong set van duoc ghi file data.txt boi MODEL % fid = fopen('data.txt','r'); % while feof(fid) == % tline = fgetl(fid); % matches = strfind(tline, 'MAX ENERGY = '); % num = length(matches); % k=length(tline)-12; % if num > % fseek(fid,-k,'cof'); % en(i) = fscanf(fid,'%f'); % fseek(fid,15,'cof'); % cu(i) = fscanf(fid,'%f'); % i=i+1; % fseek(fid,k-25,'cof'); % end % end % fclose(fid); % energy(j-1)=max(en); % current(j-1)=max(abs(cu)); % clear en, clear cu; end end % !del.bat & PI = sum(flash)/shot; Ng = 10; h = 46;b=8.6; N = Ng*(28*h^0.6 +b)/10; Nc = N*PI %save 12014.mat 133 ... chống sét cho đường dây truyền tải Tại Việt Nam nghiên cứu chống sét cho đường dây truyền tải chia làm hai nhóm Nhóm thứ tính tốn q điện áp sét đường dây truyền tải biện pháp giảm thiểu cố sét. .. ? ?Nghiên cứu số giải pháp giảm cố sét cho đường dây truyền tải điện khơng” có đóng góp định cho lĩnh vực nghiên cứu chống sét cho đường dây truyền tải, đặc biệt sử dụng CSV đường dây Ngồi đóng... cho phép ứng dụng cho đường dây truyền tải tương lai, đặc biệt cho đường dây truyền tải điện Việt Nam 2 Mục đích nghiên cứu  Xác định suất cắt sét cho đường dây truyền tải điện theo phương pháp