NGHIÊN CỨU THỰC ĐỊA VỀ PHÁT SINH SAI SÓT TRONG ĐƯỜNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN DO HIỆN TƯỢNG SÉT GÂY RA Tóm tắt Độ ổn định trong cung cấp điện là một vấn đề có tầm quan trọng lớn đối với xã hội định hướng thông tin và các công ty điện. Bài viết này tập trung vào các tác động của sét trên đường truyền tải điện.
Trang 1NGHIÊN CỨU THỰC ĐỊA VỀ PHÁT SINH SAI SÓT TRONG ĐƯỜNG
TRUYỀN TẢI ĐIỆN DO HIỆN TƯỢNG SÉT GÂY RA
Teru Miyazaki, Member, IEEE, and Shigemitsu Okabe, Member, IEEE
Tóm tắt - Độ ổn định trong cung cấp điện là một vấn đề có tầm quan trọng lớn
đối với xã hội định hướng thông tin và các công ty điện Bài viết này tập trung vào cáctác động của sét trên đường truyền tải điện Nghiên cứu thực địa này hiện đang đượctiến hành ở miền phía bắc của đồng bằng Kanto ở Nhật Bản, dạng sóng điện áp vàdòng điện ở những đường truyền tải điện gây ra do sét đánh đã được quan sát từ năm
1996 Hiện nay có 284 bộ dữ liệu, bao gồm dữ liệu về 62 lần đánh trực tiếp vào đườngdây Nghiên cứu này cho thấy rằng một đường dây truyền tải điện có thể được bảo vệchống lại sét đánh trực tiếp Trong một số trường hợp, không có dòng quá áp (powerfollow current) nào phát sinh sau khi có sự phóng điện liên tiếp, một phân tích thống
kế được tiến hành để xem xét các yêu tó ảnh hưởng đến sự sản sinh ra dòng quá áp.Những kết quả có thể rất có giá trị trong việc làm rõ những cơ cấu hoạt động bêntrong của việc phát sinh lỗi trên đường truyền tải điện gây ra bởi sét
Chỉ dẫn Thuật ngữ: sét đánh trực tiếp, đường truyền tải điện, sự phóng điện, sét đánh gián tiếp, chắn sét, dòng quá áp
I GIỚI THIỆU
Những lỗi trong truyền tải điện có thể do sét đánh gián tiếp gần đường truyềntải điện cũng như đánh trực tiếp lên đường dây do mức độ cách điện thấp của chúng[1] Các công ty điện lực đã lắp đặt các thiết bị chống sét, chẳng hạn như dây chốngsét và bộ chống sét, để giảm tỷ lệ lỗi đường truyền, và các thiết bị này có thể góp phầnnâng cao độ ổn định của các đường truyền hơn so với những đường không có các thiết
bị bảo vệ[2], [3] Nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng đường dây truyền điện có thểchống được cả sét đánh trực tiếp bằng cách sắp xếp bộ chống sét và dây chống sét mộtcách thích hợp [4] - [6], nhờ chức năng của các thiết bị này ngăn chặn sự hình thànhcác xung sét phóng điện bề mặt và tần số điện hồ quang [3] Tuy nhiên, các lỗi trongđường dây truyền điện của Nhật Bản, , vẫn còn chủ yếu là do sét, và sét ảnh hưởngđến đường dây thế nào vẫn còn một vấn đề gây tranh luận Những nghiên cứu thực địa
về tác động của sét, đặc biệt là những cơ chế hình thành lỗi đường truyền tải, là điềucốt yếu yếu để thiết kế ra những biện pháp chống sét thích hợp cho các đường dây tảiđiện.1
2010 Ngày công bố 10 tháng 12 năm 2010, ngày 16 tháng 2 năm 2011 đưa ra phiên bản hiện tại Các tác giả với Tập đoàn điện áp và cách điện cao, Trung tâm R & D, Công ty Điện lực Tokyo, Yokohama 230-8510, Nhật Bản
Trang 2Hình1.Cấu trúc đường dây phân phối điện và bộ máy quan sát (a) Cấu hình của bộ
cảm biến dòng (b) điểm đo của các cảm biến điện áp
Theo phần khái quát trên, Công ty Điện lực Tokyo đã tiến hành nghiên cứuthực địa các hiện tượng đi kèm khi sét đánh lên hệ thống phân phối điện 6,6 kV từnăm 1996, điện áp và dòng điện trên các đường dây phân phối được đo trực tiếp, vàquan sát các hiệu ứng sét trực tiếp hoặc gián tiếp bằng hệ thống camera nhạy với sét.[7] - [9] Kết hợp các dạng sóng sét và các hình ảnh cho kết quả quan sát toàn diệnmỗi khi có sét và các hiệu ứng do nó gây ra Trong nghiên cứu trước đây, mỗi dữ liệuquan trắc được đưa ra chi tiết [9] Nhưng tài liệu này tập trung nghiên cứu cơ chế gây
ra lỗi trên các đường phân phối điện tiến hành phân tích thống kê dữ liệu quan sátđược nhằm xác định số lượng các yếu tố ảnh hưởng đến việc gây lỗi đường truyền tải
Trang 3điện do sét Kết quả này làm sáng tỏ tác động của các thiết bị chống sét như phần tửZnO đối với việc tạo thành sự phóng điện hay dòng quá áp trên đường truyền tải điện,
và được xem như tài liệu có giá trị phục vụ cho việc thiết kế vị trí các thiết bị này trênđường dây phân phối
II HỆ THỐNG QUAN SÁT
A Khu vực quan sát và cấu trúc đường truyền tải điện
Vùng có mật độ sét mặt đất cao được chọn làm khu vực quan sát ở đồng bằngKanto [7] - [9] Nghiên cứu thực địa đã được tiến hành từ năm 1996
Cấu trúc của các đường truyền tải điện được thể hiện trong hình 1 Thôngthường, ở nhũng khu vực như thế này, dây chống sét được lắp trên đỉnh của hầu hếtcác cột bê tông Nhưng trong một số khu vực, chúng không được lắp đặt để phục vụviệc quan sát Dây chống sét được nối đất thông qua các dây nối đất thông thườngbằng kim loại Nói đến sự phối hợp cách điện, các thiết bị cách điện hỗ trợ dây điện áp(voltage wires) có cấp độ cách điện cao nhất trong đường dây phân phối do các sự cốđường dây gây hư hỏng lớn trên diện rộng Mặt khác, máy biến áp có cấp độ thấpnhất Nhưng chúng đã được lắp kèm phần tử ZnO Điều này có nghĩa là máy biến ápđược bảo vệ khỏi sét
B Cấu hình hệ thống
Thiết bị quan sát đồng thời có thể cung cấp hình ảnh và dạng sóng của một lầnsét duy nhất [7] - [9] Với cả camera và thiết bị đo dạng sóng, thời gian được ghi lạibằng cách sử dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS), được ghi kèm với vị trí sét và dữliệu của hệ thống theo dấu (LPATS) [10], [11] Hệ thống các camera giám sát các khuvực thực địa để thu thập các lần sét đánh Các camera được lắp đặt tại 63 vị trí trongcác khu vực quan sát và được thiết kế để có thể tự động chụp hình bằng cách kiểmsoát màn trập theo cường độ sét bên ngoài Có hai loại cảm biến đã được sử dụng đểquan sát dạng sóng sét: cảm biến dòng điện và cảm biến điện áp Các cảm biến điện
áp và dòng điện đo điện áp bộ cách điện và dạng sóng dòng điện của dây nối đất Cáccảm biến được lắp tại 103 vị trí trên cùng khu vực Hình 1 cho một cái nhìn tổng quan
về các điểm đo của cảm biến Băng tần của các cảm biến là 250 Hz-250 kHz
Trang 4Tất cả các trường hợp quan sát được được phân loại thành trực tiếp hoặc giántiếp dựa trên các hình ảnh của tia chớp Các hình ảnh được ghi nhận là sét đánh trựctiếp biểu thị tia sét đánh đến bất kỳ thiết bị phân phối nào bao gồm các dây chống sét,đường dây tải điện, cột bê tông cốt thép, và do đó, khi sét đánh vào phần khác hệthống phân phối được coi là sét đánh gián tiếp Hình 2 mô tả mối quan hệ giữa sốlượng tia chớp trực tiếp và gián tiếp và các lỗi đường dây xảy ra trong thời gian đó, lànguyên nhân khiến rơle quá dòng trong trạm biến áp hoạt động Khảo sát rơle quádòng được hoạt động hay không tại thời điểm quan sát ảnh GPS Những kết quả nàyxác nhận rằng sét đánh trực tiếp gây ra 83% lỗi, theo đó nhận định rằng sét đánh trựctiếp là nguyên nhân chính gây ra các lỗi đường dây, trong khi dữ liệu cũng cho thấyrằng 48% trong số các lần sét đánh trực tiếp gây ra hư hỏng, và chỉ có 3% số lần sétđánh gián tiếp gây hư hại Nói cách khác, khoảng một nửa số sét đánh trực tiếp khônggây ra lỗi đường dây, có nghĩa là các đường dây có thể được bảo vệ khỏi sét đánh trựctiếp – đang được cho là chắc chắn gây tổn hại đường truyền Các tác giả tập trung vàovấn đề này, và phân tích dữ liệu quan sát được từ số lần sét đánh trực tiếp.
Hình 2 Mối quan hệ giữa số lần sét đánh quan sát được và các lỗi liên quan (1996–
2006)
Bảng 1 – Điểm sét đánh trên hệ thống phân phối (a) đường dây phân phối có dây
chống sét (b) đường dây phân phối không có dây chống sét
Trang 6chiếm có 5% Một báo cáo thử nghiệm cho thấy rằng sét có khả năng tấn công các dâytrần cao hơn so với dây có vỏ bọc do sự phóng điện theo hướng lên bị hạn chế do chấtcách điện [12] Kết quả này chỉ ra khoảng cách sét đánh của dây dẫn cách điện nhỏhơn so với dây trần Trong một số trường hợp không có dây chống sét, như trongBảng 1(b), mũ kim loại được trang bị ở đầu cột bê tông cốt thép - có thể ảnh hưởngđến tỷ lệ sét trực tiếp tới đường dây điện Trong các khu vực quan sát này, độ dài củađường dây có dây chống sét là gấp 10 lần không có dây chống sét Hình 3 cho thấymột ví dụ về hình ảnh của sét đánh đỉnh cột không có dây chống sét
Hình 3 Sét đánh trực tiếp đến một đỉnh cột không có dây chống sét
C Phân tích các trường hợp sét đánh trực tiếp
Việc quan sát dạng sóng tăng đột biến do sét đánh trực tiếp - nguyên nhânchính của lỗi đường dây, được thực hiện bằng cách sử dụng chương trình quá độ điện
từ (EMTP) để dự đoán việc có hay không có sự phóng điện Trong nghiên cứu trướcđây của chúng tôi [8], có đưa ra một ví dụ về sét đánh trực tiếp đỉnh cột điện để sosánh giữa các dạng sóng quan sát được và tính toán Hình 4 chỉ ra một ví dụ về điện
áp của lớp cách điện theo tính toán và theo kết quả quan sát, các mô hình phân tích chitiết có thể tham khảo tạo tài liệu [8], [13] Khoảng cách giữa các điểm đo và khu vực
bị sét đánh là 57 m Điện áp được tính bằng cách sử dụng mô hình phóng điện bề mặtcho thấy sự sai lệch tại các đỉnh sóng bắt đầu vào khoảng 3 μs sau khi xảy ra hiệns sau khi xảy ra hiện
Trang 7tượng phóng điện bề mặt [xem hình 4(b)], điều này cũng được khẳng định khi quansát [xem hình 4(a)] [8] Trong nghiên cứu này, dạng sóng được tính toán mà khôngcần mô phỏng sự hình thành phóng điện bề mặt Như thể hiện trong hình 4(b), cácdạng sóng tính toán không mô phỏng sự hình thành phóng điện bề mặt không cho thấy
sự sai lệch mức đỉnh, điều này phù hợp với các dạng sóng đột biến khi quan sát,nhưng nó cũng cho thấy sự đảo cực tại đầu sóng khi phóng điện bề mặt được hìnhthành
IV KHẢO SÁT THỰC ĐỊA CÁC LỖI ĐƯỜNG TRUYỀN
Việc hình thành sự phóng điện và dòng quá áp đã được nghiên cứu để làm rõ
cơ chế gây ra lỗi đường dây phân phối điện dựa trên các dữ liệu quan sát sét đánh trựctiếp
A Mô hình dạng sóng sét
Đường đặc tính dạng sóng điện áp sét có thể giúp cho việc nghiên cứu sự phóng điện
và dòng quá áp có được hình thành hay không
(Hình 4a)
Trang 8(Hình 4b)Hình 4 So sánh giữa dạng sóng điện áp cách điện quan sát quan sát được và theo tính
toán (a) Dạng sóng quan sát được (b) Dạng sóng theo tính toán
số điện áp (50 Hz) Điện áp điểm không trong thời gian này tại hai hoặc ba pha chứng
tỏ sự hình thành dòng quá áp – là nguyên nhân rơle quá dòng hoạt động tại trạm biếnáp
Trang 9B Tỷ lệ của phóng điện bề mặt
Trong số 62 dữ liệu được quan sát trực tiếp bằng camera, 56 lần sét đánh cùngvới dạng sóng điện áp đã được lựa chọn làm dữ liệu cho bản phân tích để dự đoán cóhình thành phóng điện bề mặt không Các kết quả được thể hiện trong Bảng 2, sétđánh gây ra phóng điện bề mặt ở 42 trường hợp (75%) trong số 56 trường hợp, vàphóng điện bề mặt ba pha chiếm tỷ lệ cao nhất (55%) Trong trường hợp phóng điệnhai pha, chỉ xảy ra ở pha R và T, có lẽ do điện áp tại pha S bị chặn so với các giaiđoạn khác do hiệu lực liên kết Người ta ghi nhận rằng 25% lần sét trực tiếp khônggây phóng điện bề mặt, đây là một vấn đề đáng chú ý vì trước đó người ta cho rằng séttrực tiếp chắc chắn gây ra phóng điện bề mặt do mức độ cách điện thấp
Bảng 2 - Số lượng phóng điện bề mặt do sét đánh trực tiếp được quan sát
Số pha có phóng
điện bề mặt Pha phóng điện
Số phóng điện được quan
Ghi chú: R – Pha R; S – Pha S; T – Pha T
Bảng 3 - Số lượng dòng quá áp được ghi nhận sau khi xảy ra phóng điện bề mặt do sét
đánh trực tiếp
Số pha có phóng
điện bề mặt
Pha phóng điện
Pha điện
áp dòng
Số dữ liệu (% trên tổng)
Không cóđiện quá áp 4 (10%)
1 pha
điện quá áp 3 (8%)
Trang 11Hình 5 Phân bố tần số tích lũy của dòng điện đỉnh của sét dựa trên dữ liệu LPATScho các mô hình quan sát phóng điện bề mặt (xác suất tích lũy được tính cho từng
loại)
V NHỮNG YẾU TỔ CÓ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỖI ĐƯỜNG TRUYỀN
Trong phần IV, tần số hình thành phóng điện bề mặt và kéo theo sự hình thànhdòng quá áp được ước tính bằng cách sử dụng dạng sóng sét Trong một số trườnghợp, phóng điện bề mặt nhiều pha gây ra dòng quá áp Phải lưu ý rằng sự hình thànhphóng điện bề mặt và các dòng quá áp có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như dâyche chắn, bộ chống sét, trở kháng dây và góc pha của điện áp nguồn xoay chiều(power-frequency voltages) và v.v… Những nghiên cứu chi tiết hơn đã được tiến hành
để đánh giá những yếu tố nào có thể ảnh hưởng đến hiện tượng phóng điện bề mặt vàdòng quá áp gây ra bởi sét đánh trực tiếp lên do hệ thống truyền tải điện
A Ảnh hưởng của dòng điện sét
Trang 12Hình 6 Phân phối tần số tích lũy dòng điện đỉnh của sét dựa trên dữ liệu LPATS chocác mô hình quan sát dòng quá áp sau phóng điện 3 pha (xác suất tích lũy được tính
cho từng trường hợp)
Biên độ của dòng sét liên quan đến quá áp sét có thể ảnh hưởng đến xác suấtxảy ra lỗi đường dây Hình 5 cho thấy tần số tích lũy của các biên độ dòng điện ướctính bởi dữ liệu LPATS của từng loại phóng điện bề mặt Hình 6 cho thấy tần số tíchlũy của dòng quá áp do những lần sét đánh trực tiếp quan sát được Các loại phóngđiện bề mặt được ước tính dựa trên các dạng sóng điện áp liên quan Trong nhữnghình trên, mỗi tập hợp các phân phối được vẽ bằng cách chọn dòng sét liên quan tớicác trường hợp cụ thể về các phóng điện bề mặt hoặc dòng quá áp Không có dữ liệunào vượt quá 60 kA, và các phân phối này cho mức trung bình 25 kA, cho thấy hầunhư không có sự khác biệt đặc trưng nào so với các nghiên cứu trước đây [14], [15].Trong hình 5, chỉ có 6 trường hợp của phóng điện bề mặt một pha Vì vậy, chúng cầnđược thu thập và phân tích để tìm ra các dòng điện sét tương quan, điện áp cao nhấtmột cách rõ ràng trong tương lai Cần lưu ý đến tính không chắc chắn của dữ liệuLPATS Một nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng những cú đánh đầu tiên mangđiện tích âm ước tính bởi LPATS có xu hướng nhỏ hơn so với những giá trị cao nhất
đo được đặc biệt trong trường hợp những dòng điện có cường độ lớn hơn 40 kA [10],[11] Nhìn vào hình 4 và 5, biên độ dòng sét được suy ra bởi hệ thống LPATS có thể
đã đánh giá thấp giá trị thực tế Một nghiên cứu báo cáo rằng biến đổi trung bình củacác dòng sét suy ra bởi hệ thống định vị sét (LLS) được ước tính là từ 20% đến 30%[16] Khoảng "20% -30%" độ bất định ở dòng đỉnh ước tính trong [16] là cho những
Trang 13cú sét tiếp sau mang điện âm ở những kênh sẵn có Độ bất định càng lớn hơn trongtrường hợp những cú sét đầu tiên Độ chính xác của dòng sét ước tính bởi hệ thốngLLS tương đương với độ chính xác khi tính qua LPATS trong nghiên cứu của chúngtôi Vì vậy, người ta cho là Hình 4 và 5 có thể được đánh giá với độ chính xác nóitrên
B Tác động của dây che chắn
Hình 7 cho thấy mối liên hệ với số lượng sét trực tiếp, phóng điện bề mặt nhiềupha và lỗi đường dây với sự tồn tại của dây che chắn tại các điểm bị sét đánh Khi cácdây che chắn đã được lắp đặt trên các đường dây, tỷ lệ xảy ra phóng điện bề mặt nhiềupha là 56% (= 22/39), tỉ lệ này thấp so với giá trị là 82% (14/17) trong trường hợpkhông có dây che chắn tại điểm bị sét đánh
Mặt khác, tỷ lệ lỗi đường dây sau khi có sự phóng điện nhiều pha trong trườnghợp có dây che chắn là 59% (= 13/22), gần bằng tỉ lệ 57% (14/08) trong trường hợpkhông có dây che chắn Thực tế này cho thấy sự hiện diện của dây che chắn tại cácđiểm bị đánh đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành phóng điện bề mặtnhiều pha hơn là trong việc hình thành dòng quá áp
Hình 7 Mối quan hệ về số lượng giữa những đợt sét đánh trực tiếp được quan sát với
phóng điện nhiều pha và lỗi đường dây
C Ảnh hưởng của góc pha của điện áp nguồn xoay chiều
Trang 14Các góc pha của điện áp nguồn xoay chiều khi xảy ra phóng điện bề mặt đượcước tính dựa trên các dạng sóng sét quan sát được do sét đánh trực tiếp Các góc phađược ghi nhận trên dạng sóng của 52 lần sét đánh trực tiếp, và hình 8 cho thấy các gócpha của điện áp đường dây, khi phóng điện bề mặt hai hoặc ba pha được tạo ra, hầunhư không cho thấy tác động đặc trưng đối với việc tạo ra phóng điện bề mặt Hình 9cũng cho thấy các góc pha của điện áp đường dây khi dòng quá áp được tạo ra khi cóphóng điện bề mặt ba pha Khi dòng quá áp được tạo ra ở 2 pha, hầu hết các góc phatập trung xung quanh giá trị tối đa của điện áp nguồn xoay chiều [xem hình 9 (a)].Những hiện tượng này cho thấy rằng góc pha của điện áp nguồn xoay chiều có thể cóảnh hưởng đến việc sinh ra dòng quá áp, dẫn đến lỗi đường dây Trong trường hợpdòng quá áp 3 pha, các góc pha phân tán và không có mối quan hệ giữa góc và điệntheo dòng, như thể hiện trong hình 9 (b).
D Ảnh hưởng của trở kháng giữa một trạm biến áp và địa điểm bị sét đánh
Trở kháng của các dây giữa một trạm biến áp và điểm bị sét đánh được nghiêncứu bởi vì trở kháng này có thể ảnh hưởng đến dòng ngắn mạch trong khoảng thờigian xảy ra dòng quá áp Trở kháng này được tính bằng chiều dài cáp từ một trạm biến
áp đến điểm sét đánh bằng cách sử dụng giá trị trở kháng trên 1 m thể hiện trong chitiết kỹ thuật Hình 10 cho thấy sự phân bố tần số tích lũy của trở kháng trong cáctrường hợp có hoặc không có phóng điện bề mặt, và trở kháng này được tính toán trên
cơ sở là 10 MVA Đồ thị của cả hai trường hợp này gần giống nhau Hình 11 thể hiện
sự phân bố tần số tích lũy của trở kháng theo mô hình dòng quá áp sau khi xảy raphóng điện bề mặt tại 3 pha, và từng trường hợp cho thấy sự phân bố tương ứng Mốitương quan giữa trở kháng và việc hình thành phóng điện bề mặt hoặc dòng quá ápđược dự đoán là yếu trong các đường dây
