Độ tin cậy làm việc của các đường dây truyền tải là một chỉ tiêu quan trọng trong bài toán kinh tế kỹ thuật khi thiết kế và vận hành hệ thống điện, bởi vì mọi sự cố trên đường dây đều
Trang 1NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHỐNG SÉT VAN ĐỂ GIẢM SUẤT CẮT
DO QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN TRÊN ĐƯỜNG DÂY CAO ÁP
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
- TRẦN XUÂN TRƯỜNG
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHỐNG SÉT VAN ĐỂ GIẢM SUẤT CẮT
DO QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN TRÊN ĐƯỜNG DÂY CAO ÁP
TRONG TỈNH NAM ĐỊNH
CHUYÊN NGÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG
Trang 3MỤC LỤC
Trang Trang phụ bìa
Lời cam đoan 4
Danh mục từ viết tắt 5
Danh mục các hình vẽ 6
Danh mục các bảng 8
MỞ ĐẦU 9
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY 12
1.1. Khái quát về lưới truyền tải điện của Việt Nam 12
1.2. Tổng quan về sét và các vấn đề bảo vệ chống sét trên đường dây cao áp 14
1.2.1. Quá điện áp khí quyển 14
1.2.2. Nguy hiểm của quá điện áp khí quyển 16
1.2.3. Sự cố do sét đánh trên đường dây cao áp 16
1.3. Tình hình sự cố trên các đường dây truyền tải 18
1.3.1. Các sự cố với ĐDK 110kV của Công ty lưới điện cao thế miền Bắc 18
1.3.2. Các sự cố trên đường dây 220kV của Công ty truyền tải điện 1 20
1.4. Các giải pháp áp dụng để giảm suất cắt và thiệt hại do sét 20
1.4.1. Tăng cường cách điện 20
1.4.2. Giảm trị số điện trở nối đất 21
1.4.3. Khe hở phóng điện 22
1.4.4. Xử lý hệ thống đường thoát sét từ DCS xuống chân cột 22
1.4.5. Thay thế cách điện thủy tinh bằng cách điện Silicone 23
1.4.6. Lắp đặt chống sét van 23
1.5. Phân tích đánh giá các giải pháp chống sét ĐDK 23
1.5.1. Tăng cường cách điện 23
1.5.2. Giảm trị số điện trở nối đất và xử lý hệ thống thoát sét 24
1.5.3. Lắp đặt chống sét van đường dây 24
1.6. Kết luận và xây dựng hướng nghiên cứu của đề tài 24
Trang 42.1. Khái quát lịch sử sử dụng chống sét van đường dây 26
2.2. Tổng quan về chống sét van đường dây 28
2.2.1. Cấu tạo 28
2.2.2. Phân loại 29
2.2.3. Nguyên lý làm việc của chống sét van đường dây 31
2.2.4. Cách lắp đặt chống sét van trên đường dây 33
2.3. Các đặc tính cơ bản của CSV sử dụng cho ĐDK 34
2.4. Quy trình tổng quát khi lựa chọn chống sét van 36
2.5. Phương pháp lựa chọn CSV không khe hở để bảo vệ ĐDK cao áp 38
2.6. Kết luận 39
Chương 3: NGHIÊN CỨU LẮP ĐẶT CSV ĐỂ GIẢM SUẤT CẮT 40
DO QĐAKQ TRÊN ĐDK CAO ÁP 40
3.1. Tổng quan 40
3.2. Suất cắt trên ĐDK không treo DCS 40
3.2.1. Suất cắt ĐDK không treo DCS và không lắp đặt CSV 40
3.2.2. Suất cắt ĐDK không treo DCS và có lắp CSV trên 01 pha 43
3.2.3. Suất cắt ĐDK không treo DCS và có lắp CSV trên 02 pha 50
3.2.4. Suất cắt ĐDK không treo DCS và có lắp CSV trên 03 pha 54
3.3. Suất cắt trên ĐDK có treo DCS 54
3.3.1. Suất cắt ĐDK có treo DCS và lắp CSV trên 01 pha 54
3.3.2. Suất cắt ĐDK có treo DCS và lắp CSV trên 02 pha 62
3.3.3. Suất cắt ĐDK có treo DCS và lắp CSV trên 03 pha 64
3.4. Lắp đặt CSV có chọn lọc 65
3.5. Đánh giá hiệu quả các giải pháp giảm suất cắt khi QĐAKQ 66
3.5.1. Giảm điện trở nối đất tại cột 66
3.5.2. Bảo vệ ĐDK bằng dây chống sét 66
3.5.3. Bảo vệ ĐDK bằng chống sét van 67
3.6. KẾT LUẬN 67
Trang 5TRÊN ĐDK 110kV NAM ĐỊNH – NGHĨA HƯNG 68
4.1. Quy mô lưới điện 110kV trong tỉnh Nam Định 68
4.1.1. Tổng quan 68
4.1.2. Thông số kỹ thuật của ĐDK 110 kV Nam Định – Nghĩa Hưng 69
4.1.3. Số liệu tính toán 69
4.1.4. Giả thiết các trường hợp để tính toán suất cắt 69
4.2. Tính toán chi tiết các trường hợp 70
4.2.1. Suất cắt ĐDK khi treo DCS, không treo CSV (theo thực tế) 70
4.2.2. Suất cắt ĐDK lắp đặt CSV trên 01 pha 76
4.2.3. Suất cắt ĐDK khi lắp đặt 02 CSV gần hai đầu TBA 79
4.2.4. Suất cắt ĐDK khi lắp 3 bộ CSV trên pha A và 2 CSV trên 2 đầu TBA 81
4.3. Tổng hợp kết quả suất cắt trong các trường hợp 82
4.4. So sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa các biện pháp bảo vệ 85
4.4.1. Hiệu quả kinh tế kỹ thuật khi lắp đặt 03 CSV trên pha A 85
4.4.2. Khi lắp 03 CSV trên pha A và 02 CSV trên hai đầu gần tới TBA 86
4.4.3. Biện pháp đóng bổ sung tiếp địa cột 86
4.4.4. Biện pháp bổ sung cách điện 87
4.4.5. Đánh giá hiệu quả các giải pháp giảm suất cắt 87
4.5. KẾT LUẬN 89
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 93
PHỤ LỤC 1 95
PHỤ LỤC 2 99
PHỤ LỤC 3 103
PHỤ LỤC 4 104
Trang 6LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, những vấn đề được trình bày trong luận văn này là nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, các kết quả tính toán trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ một tài liệu nào. Có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác.
Hà Nội, ngày…tháng…năm 2014
Tác giả luận văn
Trần Xuân Trường
Trang 7DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BVCS : Bảo vệ chống sét CSV : Chống sét van
DD : Dây dẫn DCS : Dây chống sét ĐDK : Đường dây trên không ĐTNĐ : Điện trở nối đất
ĐTS : Điện trở suất HTĐ : Hệ thống điện HTNĐ : Hệ thống nối đất MHĐHH : Mô hình điện hình học NĐCS : Nối đất chống sét NGC : Công ty lưới điện cao thế miền Bắc QĐAKQ : Quá điện áp khí quyển
QĐANB : Quá điện áp nội bộ TLA : Transmission Line Surge Arrester TBA : Trạm biến áp
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét và biến thiên 15
của dòng điện theo thời gian. 15
Hình 1.2: Một số hình ảnh về phóng điện sét trên đường dây cao áp 17
Hình 1.3: Biểu đồ tỉ trọng theo các nguyên nhân của sự cố kéo dài [10]. 19
Hình 1.4: Biểu đồ tỉ trọng theo các nguyên nhân sự cố thoáng qua [10]. 19
Hình 2.1: Khả năng phóng điện bề mặt của các cột riêng lẻ được bảo vệ với TLA. 27 Hình 2.2: Khả năng phóng điện bề mặt của các cột liền kề được bảo vệ với TLA. . 27
Hình 2.3: Cấu tạo bên trong của chống sét van đường dây 28
Hình 2.4: Chống sét van không khe hở 30
Hình 2.7: Các kiểu lắp đặt chống sét van trên đường dây 34
Hình 2.8: Đặc tính VA của CSV và các biện pháp giảm Udư 35
Hình 2.9: Quy trình kiểm tra và lựa chọn CSV theo IEC 600995 38
Hình 3.1: Các trường hợp sét đánh vào ĐDK không treo DCS 41
Hình 3.2: Phân bố dòng điện khi sét đánh vào dây dẫn. 41
Hình 3.3: MHĐHH – 3 pha bố trí nằm ngang 43
Hình 3.4: Lắp đặt 01 CSV trên 01 pha ĐDK – 3 pha ngang 44
Hình 3.5: Sét đánh vào khoảng vượt của pha có lắp CSV 45
Hình 3.6: MHĐHH – 3 pha bố trí Δ 47
Hình 3.7: Lắp đặt 01 CSV trên 01 pha ĐDK – 3 pha Δ 48
Hình 3.8: Sét đánh vào khoảng vượt – 3 pha ngang, không có DCS 49
Hình 3.9: Sét đánh vòng – 3 pha Δ, không có DCS 50
Hình 3.10: Lắp đặt CSV trên 02 pha ĐDK – 3 pha ngang 51
Hình 3.11: Lắp đặt CSV trên 02 pha ĐDK – 3 pha bố trí Δ 51
Hình 3.12: Phân bố dòng điện khi sét đánh vòng qua pha 1 vào pha 2 52
3 pha bố trí tam giác. 52
Hình 3.13: Lắp đặt CSV trên 03 pha ĐDK – 3 pha ngang 54
Hình 3.14: Lắp đặt CSV trên 03 pha ĐDK – 3 pha Δ 54
Trang 9Hình 3.16: Lắp đặt CSV trên 01 pha ĐDK có treo DCS – 3 pha Δ 55
Hình 3.17: Kích thước hình học để xác định hệ số K0 57
Hình 3.18: Sơ đồ thay thế sét đánh đỉnh cột – chưa có sóng phản xạ trở về 59
Hình 3.19: Sơ đồ thay thế sét đánh đỉnh cột – có sóng phản xạ trở về 60
Hình 3.20: Lắp đặt CSV trên 02 pha ĐDK có treo DCS – 3 pha ngang 62
Hình 3.21: Lắp đặt CSV trên 02 pha ĐDK có treo DCS – 03 pha Δ 63
Hình 3.22: Các trường hợp sét đánh vào ĐDK có treo DCS 65
Hình 4.1: Sơ đồ kết cấu hình học cột lộ đơn 110kV 70
Hình 4.2: Đồ thị xác suất hình thành hồ quang = f(Elv) 72
Hình 4.3: Sét đánh vào khoảng vượt dây chống sét 72
Hình 4.4: Sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét. 74
Hình 4.5: Sơ đồ cột ĐDK lắp đặt CSV trên pha A 77
Hình 4.6: Biểu đồ tăng điện áp trên cách điện của cột bị sét đánh 83
khi thay đổi trị số điện trở chân cột [14]. 83
Hình 4.7: Đặc tính Vôn – giây của chuỗi cách điện khi được 84
bổ sung 1, 2, 3 bát sứ cách điện 84
Hình 4.8: Biểu đồ suất cắt khi lắp đặt 03 CSV trên pha A 88
Trang 10
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Tình hình tăng trưởng của đường dây và MBA truyền tải của Việt Nam
qua các năm [12]. 13
Bảng 1.2: Thống kê suất sự cố qua các năm của Công ty lưới điện cao thế miền Bắc 18
Bảng 1.3: Quy định điện trở nối đất của ĐDK 21
Bảng 3.1: Hệ số hiệu chỉnh 57
Bảng 4.1: Các thông số ban đầu dùng trong tính toán suất cắt 70
Bảng 4.2: Bảng giá trị xác suất phóng điện khi sét đánh vào khoảng vượt 73
Bảng 4.3: Trị số điện áp đặt lên cách điện của các pha 74
Bảng 4.4: Bảng giá trị xác suất phóng điện khi sét đánh vào đỉnh cột 76
Bảng 4.5: Tổng hợp suất cắt ĐDK trong các trường hợp 82
Bảng 4.6: Tổng hợp chi phí lắp đặt CSV cho ba vị trí cột 85
Bảng 4.7: Tổng hợp chi phí lắp đặt CSV cho năm vị trí cột 86
Bảng 4.8: Tổng hợp chi phí đóng bổ sung tiếp địa cho một vị trí cột 86
Bảng 4.9: Tổng hợp chi phí bổ sung cách điện cho một vị trí cột 87
Trang 11MỞ ĐẦU
1 Lí do chọn đề tài
Việt Nam là một nước thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, mưa nhiều, cường độ hoạt động của giông sét rất mạnh. Thực tế sét đã gây nhiều tác hại đến đời sống con người, gây hư hỏng thiết bị, công trình và là một trong những tác nhân gây
sự cố trong vận hành hệ thống điện và hoạt động của nhiều ngành khác.
Hệ thống đường dây truyền tải điện trên không của nước ta trải dài qua các địa phương với nhiều loại địa hình khác nhau, nên thường bị sét đánh và chịu tác động của quá điện áp khí quyển.
Độ tin cậy làm việc của các đường dây truyền tải là một chỉ tiêu quan trọng trong bài toán kinh tế kỹ thuật khi thiết kế và vận hành hệ thống điện, bởi vì mọi
sự cố trên đường dây đều ảnh hưởng đến khả năng cung cấp điện của hệ thống, có thể dẫn đến ngừng cung cấp điện cho một số phụ tải hoặc cả một khu vực rộng lớn, cũng có thể làm tan rã cả hệ thống, gây thiệt hại lớn đối với nền kinh tế và đời sống
xã hội.
Để bảo vệ đường dây trên không (ĐDK) ngoài giải pháp bảo vệ bằng dây chống sét (DCS), cần nghiên cứu các giải pháp khác để đảm bảo nâng cao chất lượng điện của hệ thống điện (HTĐ), nhằm đáp ứng nhu cầu cung cấp điện liên tục,
độ tin cậy ngày càng cao của phụ tải. Chống sét van là thiết bị bảo vệ hiệu quả nhưng việc nghiên cứu lắp đặt chống sét van (CSV) trên ĐDK cao áp còn hạn chế chưa có tính toán cụ thể mà chỉ dựa vào kinh nghiệm, đánh giá theo chủ quan.
Ở Việt Nam, việc áp dụng các công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực bảo vệ chống sét cho các đường dây 110 kV, 220 kV và 500 kV vẫn còn khiêm tốn, việc lắp đặt chống sét van trên các đường dây 110 kV, 220 kV vẫn còn mang tính thử nghiệm. Mặt khác, hệ thống quy trình quy phạm và các tiêu chuẩn hiện hành dùng cho thiết kế và vận hành hệ thống điện còn một số điểm không phù hợp với yêu cầu mới. Do đó, cần có những nghiên cứu để áp dụng các công nghệ tiên tiến trên thế giới nhằm từng bước giải quyết các vấn đề tồn tại, yếu kém về độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống điện hiện nay.
Trang 12Xuất phát từ các vấn đề nêu trên, đề tài “Nghiên cứu sử dụng chống sét van
để giảm suất cắt do quá điện áp khí quyển trên đường dây cao áp trong tỉnh Nam Định” là cần thiết nhằm đánh giá hiệu quả sử dụng CSV trên lưới điện cao áp để nâng cao hiệu quả bảo vệ chống sét cho ĐDK.
2 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài
Mục đích nghiên cứu: nghiên cứu hiệu quả của việc lắp đặt CSV trên đường dây truyền tải. Kết quả nghiên cứu dựa trên chỉ tiêu chống sét là số lần cắt điện của đường dây do quá điện áp khí quyển (QĐAKQ).
Đối tượng nghiên cứu: là việc ảnh hưởng của hiện tượng QĐAKQ trên ĐDK cao áp đến suất cắt đường dây. Nghiên cứu các giải pháp để giảm suất cắt ĐDK nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế.
Phạm vi nghiên cứu: ảnh hưởng của hiện tượng QĐAKQ trên ĐDK cao áp, các biện pháp để hạn chế suất cắt trên ĐDK do QĐAKQ, cụ thể:
Nghiên cứu các giải pháp để giảm suất cắt: treo DCS, giảm điện trở nối đất tại cột, tăng cường cách điện, lắp CSV trên ĐDK.
Nghiên cứu đặc tính của CSV đường dây và cách lựa chọn CSV cho ĐDK.
Tính toán chỉ tiêu chống sét của ĐDK cao áp trong các trường hợp: có treo DCS và không lắp đặt CSV, có treo DCS và lắp đặt CSV.
Tính toán hiệu quả khi lắp đặt CSV cho ĐDK 110kV Nam Định Nghĩa Hưng.
3 Phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở lý thuyết mô hình điện hình học (MHĐHH), lý thuyết truyền sóng trong hệ nhiều dây, lý thuyết xác suất, hệ phương trình Maxwell và số liệu thực tế
để tính toán, phân tích, nghiên cứu hiệu quả khi lắp đặt chống sét van đường dây trong một số trường hợp.
4 Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có 4 chương.
Chương 1: Tổng quan về bảo vệ chống sét đường dây.
Trang 13Chương 3: Nghiên cứu lắp đặt CSV để giảm suất cắt do QĐAKQ trên ĐDK cao áp.
Chương 4: Tính toán hiệu quả lắp đặt CSV trên ĐDK 110kV Nam Định – Nghĩa Hưng.
Để hoàn thành được luận văn, ngoài sự nỗ lực phấn đấu của bản thân, tác giả nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Đình Thắng, người đã luôn chu đáo, tận tình và có những nhận xét góp ý, chỉ đạo kịp thời về nội dung và tiến độ của luận văn.
Cuối cùng, tác giả cũng không thể quên được những nhận xét góp ý, tạo điều kiện thuận lợi và sự giúp đỡ tận tình của Viện sau đại học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô giáo của Bộ môn Hệ thống điện Viện Điện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và bạn bè đồng nghiệp trong quá trình làm luận văn.
Mặc dù đã hết sức cố gắng song do thời gian và khả năng còn hạn chế, luận văn còn có thiếu sót và hạn chế, tác giả rất mong nhận được sự đánh giá, góp ý của các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để hoàn chỉnh thêm nội dung của luận văn.
Trang 14Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY 1.1 Khái quát về lưới truyền tải điện của Việt Nam
Lưới điện truyền tải Việt Nam bắt đầu được xây dựng từ những năm 1960. Sau nửa thế kỷ hình thành và phát triển, đến nay lưới điện truyền tải đã lớn mạnh với hàng vạn km đường dây và hàng ngàn trạm biến áp với các cấp điện áp khác nhau.
Năm 1994, lưới điện 500kV chính thức được đưa vào vận hành (ngày 27/05/1994) đồng thời Tổng công ty Điện lực Việt Nam được thành lập (theo Quyết định số 562/TTg ngày 10/10/1994 của Thủ tướng Chính phủ) là bước ngoặt quan trọng trong quá trình phát triển của lưới điện truyền tải. Các Công ty Truyền tải điện thực sự chuyển biến về trình độ kỹ thuật và quản lý vận hành nhờ việc tiếp cận với công nghệ truyền tải điện cao áp 500kV.
Năm 2006, Tập đoàn Điện lực Việt Nam được chuyển đổi từ Tổng công ty Điện lực Việt Nam (theo Quyết định số 148/2006/QĐTTg ngày 22/06/2006 của Thủ tướng Chính phủ). Lưới điện truyền tải với gần 9.000km đường dây và 21.000 MVA dung lượng máy biến áp từ 220 kV đến 500 kV được quản lý vận hành bởi các Công ty Truyền tải điện 1, 2, 3, 4 trực thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam.
Năm 2007, “Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2006 – 2015
có xét đến năm 2025 ” được phê duyệt (theo Quyết định số 110/2007/QĐTTg ngày 18/07/2007 của Thủ tướng Chính phủ). Lưới điện truyền tải được định hướng phát triển đồng bộ với nguồn điện nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội của đất nước với mức tăng GDP khoảng 8,5% 9%/năm giai đoạn 2006 – 2010 và dự báo nhu cầu điện tăng ở mức 17% (phương án cơ sở) trong giai đoạn 2006 – 2015.
Dự kiến trong giai đoạn 2006 2015, khoảng 20.000 MVA dung lượng máy biến áp
500 kV, 50.000 MVA dung lượng máy biến áp 220 kV, 5.200 km đường dây 500
kV và 14.000 km đường dây 220 kV sẽ được xây dựng và đưa vào vận hành.
Năm 2008, Tổng Công ty Truyền tải Quốc Gia được thành lập (theo Quyết định số 223/QĐEVN ngày 11/04/2008).Từ khi được thành lập Tổng Công ty Truyền tải Quốc Gia luôn phát triển và có tầm quan trọng trong HTĐ nước nhà.
Trang 15Tính đến 31/12/2012, lưới điện truyền tải bao gồm 15.600 MVA dung lượng máy biến áp 500 kV, 26.226 MVA dung lượng máy biến áp 220 kV, 3.246 MVA dung lượng máy biến áp (MBA) 110 kV, 4.848 km đường dây 500 kV và 11.313
km đường dây 220 kV. Công nghệ đường dây nhiều mạch, nhiều cấp điện áp, cáp ngầm cao áp 220 kV, trạm GIS 220 kV, thiết bị SVC 110 kV, tụ bù dọc 500 kV, hệ thống điều khiển tích hợp bằng máy tính và nhiều công nghệ truyền tải điện tiên tiến trên thế giới đã được áp dụng rộng rãi tại lưới điện truyền tải Việt Nam [12].
Trang 161.2 Tổng quan về sét và các vấn đề bảo vệ chống sét trên đường dây cao áp
1.2.1 Quá điện áp khí quyển
Quá điện áp khí quyển là hiện tượng quá điện áp do sét gây nên. Sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa đám mây giông mang điện tích với đất hoặc giữa các đám mây giông mang điện tích trái dấu nhau [7]. Sét là một trường hợp phóng điện tia lửa khi khoảng cách giữa các điện cực rất lớn (trung bình khoảng 5 km). Quá trình phóng điện của sét giống như quá trình xảy ra trong trường không đồng nhất. Khi các lớp này được tích điện (khoảng 80% số trường hợp phóng điện sét xuống đất điện tích của mây có cực tính âm) tới mức độ có thể tạo nên cường độ trường lớn sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt đất. Giai đoạn này gọi là giai đoạn phóng điện tiên đạo và dòng gọi là dòng tiên đạo. Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần số phóng điện đầu tiên khoảng 1,5.107 cm/s, của các lần sau nhanh hơn và đạt tới 2.108 cm/s (trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau, trung bình là ba lần, điều này được giải thích bởi trong cùng lớp mây điện có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng sẽ lần lượt phóng điện xuống đất).
Tia tiên đạo là môi trường plasma có điện dẫn rất lớn. Đầu tia nối với một trong các trung tâm điện tích của lớp mây điện nên một phần điện tích của trung tâm này đi vào trong tia tiên đạo và phân bố có thể xem như gần đều dọc theo chiều dài tia (hình 1.1a). Dưới tác dụng của điện trường của tia tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích khác dấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tuỳ thuộc vào tình hình dẫn điện của đất. Nếu vùng đất có điện dẫn đồng nhất thì địa điểm này nằm ngay ở phía dưới tia tiên đạo. Trường hợp mặt đất có nhiều nơi điện dẫn khác nhau thì điện tích trong đất sẽ tập trung về nơi có điện dẫn cao ví dụ các ao, hồ, sông, lạch ở vùng đất đá
Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa các tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất vì ở đấy cường độ trường có trị số lớn nhất và như vậy là địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được định sẵn. Tính chất chọn lọc của phóng điện đã được vận dụng trong việc bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình: cột thu lôi có độ cao lớn và trị số điện trở nối đất bé.
Trang 17Cần nêu thêm rằng, nếu ở phía mặt đất điện tích khác dấu được tập trung dễ dàng và có điều kiện thuận lợi để tạo nên khu vực trường mạnh (ví dụ đỉnh cột điện đường dây cao áp) thì có thể đồng thời xuất hiện tia tiên đạo từ phía mặt đất phát triển ngược chiều với tia tiên đạo từ lớp mây điện.
Khi tia tiên đạo phát triển tới gần mặt đất thì trường trong khoảng không gian giữa các điện cực sẽ có trị số rất lớn và bắt đầu có quá trình ion hoá mãnh liệt dẫn đến sự hình thành dòng Plasma với mật độ ion lớn hơn nhiều so với của tia tiên đạo (hình 1.1b). Do có điện dẫn bản thân rất cao nên đầu dòng sẽ có điện thế mặt đất và như vậy toàn bộ hiệu số điện thế (giữa đầu tia đạo với mặt đất) được tập trung vào khu vực giữa nó với đầu tia tiên đạo, trường trong khu vực này tăng cao và gây ion hoá mãnh liệt dòng Plasma được kéo dài và di chuyển ngược lên phía trên. Giai đoạn này gọi là giai đoạn phóng điện ngược (hình 1.1c và d). Tốc độ phát triển của phóng điện ngược thay đổi trong giới hạn 1,5.1091,5.1910 cm.s1 tức là 0,050,5 tốc
độ ánh sáng. Trong giai đoạn này điện tích của lớp máy điện sẽ theo dòng Plasma chuyển về phía mặt đất tạo nên dòng điện ở nơi sét đánh.
Hình 1.1: Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét và biến thiên
của dòng điện theo thời gian.
a) Giai đoạn phóng điện tiên đạo
b) Tia tiên đạo đến gần mặt đất, hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt c) Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu
d) Phóng điện chủ yếu kết thúc, dòng sét đạt giá trị cực đại
1. Tia tiên đạo; 2. Khu vực ion hoá mãnh liệt; 3. Dòng của phóng điện ngược.
Trang 181.2.2 Nguy hiểm của quá điện áp khí quyển
Khi xảy ra hiện tượng QĐAKQ, tức là xảy ra phóng điện sét thì toàn bộ năng lượng của dòng điện sét sẽ thoát vào trong đất qua vật bị sét đánh trực tiếp. QĐAKQ có thể là do sét đánh trực tiếp lên vật cần bảo vệ hoặc do sét đánh xuống mặt đất gần đó, gây nên quá điện áp cảm ứng lên vật cần bảo vệ. Trong đó, trường hợp bị sét đánh trực tiếp là nguy hiểm nhất vì năng lượng của dòng điện sét rất lớn,
sẽ làm phá hủy về nhiệt đối với các chi tiết, bộ phận của vật cần bảo vệ. Ngoài ra, khi sét đánh điện áp sét là rất cao, có thể chọc thủng cách điện của các thiết bị gây thiệt hại lớn về mặt kinh tế.
Đối với các thiết bị điện, QĐAKQ thường lớn hơn điện áp thí nghiệm xung của cách điện, dẫn đến chọc thủng cách điện phá hỏng các thiết bị quan trọng như máy biến áp, tụ bù dọc, kháng bù ngang …
Đặc biệt là đối với các đường dây truyền tải điện, khi bị sét đánh thường dẫn đến khả năng gián đoạn cung cấp điện cho phụ tải do sự cố. Khi xã hội càng phát triển các hoạt động của đời sống xã hội ngày một tăng thì điện năng tiêu thụ càng nhiều. Khi bị ngừng cung cấp điện thì thiệt hại về kinh tế sẽ là rất lớn. Ngoài ra còn ảnh hưởng đến an ninh, quốc phòng và đời sống sinh hoạt của nhân dân.
1.2.3 Sự cố do sét đánh trên đường dây cao áp
Việt Nam là một trong những vùng có mật độ sét cao trong khu vực và trên thế giới, điều này ảnh hưởng tới khả năng cung cấp điện ổn định và an toàn, đặc biệt với lưới điện truyền tải luôn được coi là mắt xích quan trọng của HTĐ Việt Nam.
Do đó việc nghiên cứu các mô hình chống sét hiệu quả nhất đảm bảo được các yếu
tố kỹ thuật – kinh tế và đặc thù trong khu vực của Việt Nam là rất cần thiết.
Theo [10], đa phần việc cắt điện trong lưới điện truyền tải chủ yếu do sét đánh vào ĐDK gây ngắn mạch hay do sét đánh gần ĐDK gây ra hiện tượng phóng điện ngược, từ đó gây ra ngắn mạch duy trì. Trong đó số lần sự cố gây cắt điện do sét chiếm phần lớn trên lưới điện Việt Nam. Đặc biệt là vùng có tuyến ĐDK đi qua
có điện trở suất của đất lớn, hệ thống tiếp đất có điện trở lớn, khu vực đồi núi có mật độ sét cao.
Trang 19Để giảm sự cố do sét gây ra, người ta dùng các biện pháp chống sét trên đường dây, đa phần những lần sét đánh lên đường dây được đưa xuống đất an toàn. Chỉ có một số ít trường hợp dòng điện sét quá lớn gây phóng điện trên bề mặt cách điện. Do đó, để hạn chế số lần sự cố do sét cho đường dây có thể tăng cường cách điện của đường dây hoặc giảm trị số điện trở nối đất của bộ phận chống sét.
Vì sét là một hiện tượng tự nhiên diễn biến rất phức tạp và có tính chất ngẫu nhiên, nên việc bảo vệ đường dây tuyệt đối không bị sự cố do sét đánh là không thể thực hiện được. Ngoài ra, nếu thực hiện mong muốn đó thì đòi hỏi vốn đầu tư là quá lớn. Do đó, phương hướng đúng đắn là việc tính toán mức độ bảo vệ chống sét của đường dây phải xuất phát từ chỉ tiêu kinh tế, nghĩa là một mặt làm cho số lần cắt điện đường dây do sét gây ra giảm đến mức thấp nhất có thể, một mặt vẫn đảm bảo tính kinh tế của các biện pháp chống sét.
Trên hệ thống lưới truyền tải điện Việt Nam, mặc dù các đường dây đều có dây chống sét nhưng sự cố đường dây do QĐAKQ vẫn chiếm một tỷ lệ lớn nhất trong các nguyên nhân gây sự cố. Gây mất điện đường dây, làm ngừng cung cấp điện cho một vùng rộng lớn thậm trí làm phân giã hệ thống và làm thiệt hại rất lớn cho nền kinh tế …
Hình 1.2: Một số hình ảnh về phóng điện sét trên đường dây cao áp
Trang 201.3 Tình hình sự cố trên các đường dây truyền tải
1.3.1 Các sự cố với ĐDK 110kV của Công ty lưới điện cao thế miền Bắc
Trong các năm qua, với ảnh hưởng lớn từ sự thay đổi bất thường của thời tiết, mưa lốc thường xuyên diễn ra trên diện rộng và nhiều yếu tố khách quan mang lại đã gây không ít khó khăn cho Công ty trong việc giảm thiểu sự cố, cụ thể suất sự
cố sau khi trừ các vụ có nguyên nhân khách quan. Kết quả thống kê về tình hình sự
cố đường dây 110kV trong các năm qua chủ yếu nguyên nhân do sét đánh [10]. Bảng 1.2: Thống kê suất sự cố qua các năm của Công ty lưới điện cao thế miền Bắc
(/100km.năm ) 0,624 0,606 0,436 0,434 0,438 0,838 Suất sự cố thoáng qua
(/100km.năm ) 2,672 2,277 2,273 2,201 1,724 3,351 Suất sự cố trạm
(ngăn lộ.năm) 0,01 0,008 0,008 0,008 0,013 0,05
a) Sự cố kéo dài đường dây 110kV
Tổng số vụ sự cố kéo dài trong năm 2013 là 74 vụ (giảm 38 vụ so với năm
2012 là 112 vụ), suất sự cố 1,249 vụ/100km.năm, thấp hơn chỉ tiêu của EVN giao (chỉ tiêu 1,551 vụ/100km.năm) [10].
Trang 21Biểu đồ tỉ trọng theo các nguyên nhân của sự cố kéo dài:
Hình 1.3: Biểu đồ tỉ trọng theo các nguyên nhân của sự cố kéo dài [10].
b) Sự cố thoáng qua đường dây 110kV
Tổng số vụ sự cố thoáng qua ĐDK 110kV là 79 vụ (năm 2012 là 144 vụ, giảm 65 vụ), trong đó có:
Tổng số vụ sự cố thoáng qua là 79 vụ, suất sự cố 1,134 vụ/100km.năm. Thấp hơn chỉ tiêu của EVN giao (chỉ tiêu 1,551 vụ/100km.năm). Qua phân tích tình hình
sự cố lưới điện 110kV của Tổng Công ty, nguyên nhân sự cố thoáng qua chủ yếu do các nguyên nhân sau:
87% các vụ sự cố (69 vụ) do mưa giông sét đánh trực tiếp vào đường dây, sau khi sự cố phát hiện vỡ sứ, tước dây dẫn, đứt dây chống sét tại vị trí sét đánh.
6,3% các vụ sự cố (05 vụ) nguyên nhân do lỗi rơ le bảo vệ.
6,3% các vụ sự cố (05 vụ) có nguyên nhân khác.
Biểu đồ tỉ trọng theo các nguyên nhân sự cố thoáng qua:
Hình 1.4: Biểu đồ tỉ trọng theo các nguyên nhân sự cố thoáng qua [10].
Trang 22Sự cố sét đánh xảy ra trên lưới điện 110kV gây gián đoạn cấp điện cho các phụ tải trên diện rộng đặc biệt là khi xảy ra các sự cố trên đường dây 110kV đầu nguồn, ảnh hưởng rất lớn đến đời sống sinh hoạt của nhân dân và ảnh hưởng đến việc sản xuất kinh doanh, phát triển của nhiều đơn vị sản xuất như nhà máy thép, nhà máy xi măng, khai khoáng… Trong những năm qua, Công ty Lưới điện cao thế miền Bắc đã thực hiện nhiều biện pháp kỹ thuật để giảm thiểu sự cố trên lưới điện thuộc phạm vi quản lý.
1.3.2 Các sự cố trên đường dây 220kV của Công ty truyền tải điện 1
Theo kết quả thông kế về tình hình sự cố trên lưới điện miền Bắc từ năm 20002012 của Công ty Truyền tải điện 1 (PCT1) cho thấy, tần suất sự cố do sét ngày càng tăng, cường độ dòng sét ngày mạnh theo quy mô phát triển của lưới điện.
Các sự cố tập trung chủ yếu ở phía vùng đồi núi Tây Bắc, Thái Nguyên và Đông Bắc. Cụ thể, giai đoạn 20062012, đường dây mua điện Trung Quốc mạch 1 xảy ra 56 sự cố thì có tới 53 vụ do sét đánh. Đường dây mua điện Trung Quốc mạch
2 có tới 120/132 sự cố do sét. Đường dây Tràng Bạch Hoành Bồ cũng có 35 vụ. Đường dây Uông Bí Tràng Bạch có 14/15 lần sự cố. Hậu quả là phải ngừng cung cấp điện, ảnh hưởng không nhỏ đến sản xuất kinh doanh của các doanh nghiệp.
Đặc biệt, trong năm 2012 và những tháng đầu năm 2013, tình hình sự cố trên lưới do sét có chiều hướng tăng so với năm 2011. Riêng năm 2012, có 85/101 vụ sự
cố đường dây do sét (chiếm 84,1%); 8/25 sự cố trạm biến áp do sét đánh (chiếm 32%). Đường dây 500kV Sơn La Hiệp Hòa đưa vào vận hành chưa được bao lâu cũng đã xảy ra 10/12 vụ sự cố do sét đánh.
1.4 Các giải pháp áp dụng để giảm suất cắt và thiệt hại do sét
Trước tình hình sự cố trên đường dây cao áp do sét đánh gây nên hàng năm khá nhiều, tác giả đưa ra một số giải pháp áp dụng cụ thể:
1.4.1 Tăng cường cách điện
Tăng cường cách điện: biện pháp này được áp dụng cho những vị trí cột có điện trở nối đất cao, điện trở suất của đất lớn, địa hình trên đồi núi cao, điều kiện thi
Trang 23vì khi đó làm thay đổi kết cấu đường dây đầu trạm nên phải kiểm tra, tính toán lại các thông số cài đặt bảo vệ khi sóng sét truyền vào trạm từ phía đường dây.
1.4.2 Giảm trị số điện trở nối đất
Nối đất ĐDK có nhiệm vụ tản dòng điện sét vào đất an toàn, hạn chế việc hình thành và lan truyền sóng QĐAKQ do phóng điện sét gây ra tức là hạn chế sóng điện áp dư có khả năng phóng điện ngược làm phá hủy cách điện ĐDK.
Do bộ phận nối đất của cột điện ĐDK thường bố trí độc lập (không liên hệ với các bộ phận khác) nên cần sử dụng hình thức nối đất tập trung để hiệu quả tản dòng điện tốt nhất. Khi sét đánh vào ĐDK, phần điện áp giáng trên bộ phận nối đất cột điện chiếm tỉ trọng lớn trong toàn bộ điện áp đặt lên cách điện ĐDK. Do đó, nếu nối đất có trị số điện trở tản bé sẽ hạn chế được khả năng phóng điện ngược đến dây dẫn (DD), đảm bảo vận hành an toàn. Tuy nhiên việc giảm điện trở nối đất (ĐTNĐ) phải huy động nhiều sắt thép và khối lượng thi công nên tiêu chuẩn nối đất cột điện phải quy định sao cho hợp lí.
Hiện nay theo quy phạm trang bị điện, tiêu chuẩn nối đất cột điện của ĐDK được quy định theo điện trở suất của đất như bảng 1.3[2].
bé và hơn nữa ở các vùng ĐTS cao, việc xây dựng hệ thống nối đất (HTNĐ) sẽ gặp nhiều khó khăn và giá thành cao.
Trang 24HTNĐ có trị số điện trở tản càng bé sẽ càng thực hiện tốt nhiệm vụ tản dòng điện trong đất và giữ được mức điện thế thấp trên các vật nối đất. Giảm điện trở nối đất ĐDK được thực hiện bằng các giải pháp:
Trang 251.4.5 Thay thế cách điện thủy tinh bằng cách điện Silicone
Hiện nay, việc sử dụng cách điện polyme (cách điện composite, polymer insulator) cho đường dây tải điện cao thế đã cho thấy tính hiệu quả, tính khả thi về giải pháp kỹ thuật, đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt và giảm thiểu sự cố, tổn thất điện năng trên đường dây truyền tải.
Khi lắp đặt CSV cho ĐDK, các pha được lắp đặt CSV sẽ không xuất hiện phóng điện hồ quang duy trì trên cách điện nên không bị cắt điện ĐDK.
1.5 Phân tích đánh giá các giải pháp chống sét ĐDK
1.5.1 Tăng cường cách điện
Đối với giải pháp tăng cường cách điện: xét về lý thuyết thì tại vị trí cột nào được tăng cường cách điện cho chuỗi sứ sẽ hạn chế được số lần phóng điện do sét. Nhưng thực tế hiện nay đang áp dụng thì số bát cách điện tăng thêm đều là 01 bát/chuỗi đối với tất cả các loại thiết kế (chuỗi 7 bát, chuỗi 8 bát, chuỗi 9 bát). Mặt khác, việc tăng cường cách điện cần phải thực hiện ở những vị trí cột nào, pha nào
để mang lại hiệu quả tốt nhất mà vẫn không ảnh hưởng xấu đến việc bảo vệ chống sét lan truyền vào trạm thì vẫn chưa có những nghiên cứu cụ thể để làm cơ sở. Việc tăng cường cách điện hiện nay vẫn có tính chất cảm tính.
Bên cạnh đó việc tăng cường cách điện bằng cách tăng cường số lượng bát
sứ hay thay bằng chuỗi Silicon sẽ ảnh hưởng tới độ võng tại các khoảng cột, khoảng cách pha đất dẫn tới có thể phải thay đổi kết cấu của cột để tránh các dạng sự cố khác như vi phạm khoảng cách pha – pha, hoặc các phương tiện đi phía dưới đường dây vi phạm khoảng cách với pha dưới cùng… điều này thực tế đã xảy ra trong quá trình vận hành.
Trang 261.5.2 Giảm trị số điện trở nối đất và xử lý hệ thống thoát sét
Đây là các giải pháp được thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết, khi khả năng thoát sét tốt thì sẽ giảm rõ rệt các sự cố do sét đánh.
Giải pháp giảm ĐTNĐ kết hợp bảo vệ ĐDK bằng DCS chỉ nên thực hiện tại những vùng tuyến đi qua có ĐTS của đất thấp. Khi đó ĐTNĐ giảm nhanh và HTNĐ tốt, có lợi cho việc bảo vệ chống sét (BVCS).
Những nơi có ĐTS đất cao như những vùng đất cát, đất đồi nhiều sỏi đá, núi
đá phong hóa như Tây Bắc, Tây Nguyên của nước ta việc thiết kế HTNĐ sao cho đạt được trị số ĐTNĐ theo yêu cầu quy phạm trang bị điện là một điều khó khăn. Ngoài ra, ĐTNĐ không giảm tuyến tính khi bổ sung số lượng cọc – tia cho HTNĐ, nghĩa là đến một số lượng cọc – tia nhất định thì việc tăng số lượng cọc – tia làm giảm không nhiều giá trị ĐTNĐ, không đem lại hiệu quả cao, đồng thời làm gia tăng chi phí xây dựng.
1.5.3 Lắp đặt chống sét van đường dây
Qua thực tế lắp đặt chống sét van trên các đường dây cho thấy, nhiều tuyến đường dây số vụ sự cố đã giảm, tuy nhiên vẫn còn nhiều tuyến đường dây sự cố vẫn xảy ra hoặc không giảm.
Tại những vùng tuyến ĐDK đi qua có ĐTS của đất lớn, đầu tư HTNĐ tốt sẽ rất tốn kém, nếu không đầu tư HTNĐ thì treo DCS cũng không mang lại hiệu quả nên việc treo CSV cho ĐDK cần được quan tâm để giảm suất cắt ĐDK.
Tuy nhiên để bảo vệ an toàn cho ĐDK, cần phải lắp CSV trên hầu hết các pha tại các vị trí cột của ĐDK dẫn đến chi phí đầu tư cao. Trong điều kiện vốn đầu
tư còn hạn chế thì ĐDK cần phải được lắp đặt CSV một cách có chọn lọc để tăng tính hiệu quả bảo vệ và đảm bảo điều kiện kinh tế kỹ thuật.
1.6 Kết luận và xây dựng hướng nghiên cứu của đề tài
Để giảm thiểu sự cố trên lưới điện cao áp cần phải thực hiện nhiều biện pháp
kỹ thuật khác nhau, đối với các sự cố có nguyên nhân do sét cần chọn lựa cách điện
sử dụng phù hợp với điều kiện môi trường cụ thể và giải quyết các vấn đề có liên quan đến hệ thống thoát sét tại các vị trí cột.
Trang 27Tuy nhiên, để có những cơ sở nghiên cứu cụ thể khi triển khai lắp đặt thí điểm chống sét van đường dây trên lưới điện cao áp trong tỉnh Nam Định nói riêng
và lưới điện truyền tải nói chung nhằm mang lại hiệu quả cao nhất với cùng một số vốn đầu tư, cần phải có những nghiên cứu, đánh giá cụ thể hơn.
Vì vậy, trong phạm vi luận văn này tác giả tập trung đề cập những bước đầu khi nghiên cứu lắp đặt CSV trên đường dây cao áp để giảm suất cắt do QĐAKQ gây
ra. Cụ thể với đường dây 110kV thuộc quản lý vận hành của Công ty lưới điện cao thế Nam Định, tác giả chọn một tuyến đường dây điển hình để lắp đặt và tính toán hiệu quả làm việc của CSV tại một số vị trí cột đã xảy ra sự cố phóng điện trên cách điện có nguyên nhân do sét đánh. Hiệu quả làm việc của CSV trên đường dây được đánh giá là một chỉ tiêu đảm bảo độ tin cậy trong vận hành hệ thống cung cấp điện.
Trang 28Năm 1973, tài liệu đầu tiên hướng dẫn kỹ thuật về bảo vệ chống sét cho đường dây phân phối lần đầu tiên được viết. Trong tài liệu hướng dẫn này, các đường dây phân phối thường không có hệ thống chống sét và các cú sét đánh trực tiếp lên đường dây phân phối luôn luôn gây ra phóng điện và tự động đóng lại làm việc. Để hạn chế số lần sự cố thoáng qua do sét đánh, người ta đã xét đến khả năng lắp đặt các bộ chống sét van làm chuyển hướng dòng điện sét xuống đất một cách
an toàn mà không để máy cắt tác động.
Trên thế giới, chống sét van đường dây đã được sử dụng ở rất nhiều nước với nhiều cấp điện áp khác nhau: 46 kV, 66 kV, 69 kV, 115 kV, 138 kV, 154 kV, 230
kV, 275 kV, 400 kV, 500 kV, 765 kV.
Tại Nhật Bản, sử dụng bộ chống sét van có khe hở trên đường dây truyền tải
ở mức điện áp 66 kV và 154 kV đã có thành công đáng kể trong việc nâng cao chất lượng điện năng. Đối với đường dây 500 kV, Nhật Bản cũng đã tiến hành dự án thí điểm dùng chống sét van có khe hở.
Năm 1989 TU Electric đã xác định đường dây 69 kV dài 720 km không được bảo vệ bằng chống sét van không thể chấp nhận được. Họ đã xem xét nhiều phương
án và chọn ra hai phương án để làm thử nghiệm, lắp đặt dây chống sét và bộ chống sét van trên cả 03 pha [17].
Theo một tài liệu nghiên cứu về TLA khi lắp đặt chống sét van đường dây cải thiện độ tin cậy của đường dây truyền tải 69kV khi bị sét đánh [17].
Năm 1985, ứng dụng đầu tiên TLA oxit kim loại được thực hiện trong hệ thống AEP tại Virginia trên đường dây 138 kV. Đây là một dự án khoa học nhằm
Trang 29Đối với đường dây 230 kV: Chống sét van đã được sử dụng trên hai đường dây 230 kV đi chung cột cung cấp điện cho bán đảo Avalon tại Newfoundland.
Hình 2.1: Khả năng phóng điện bề mặt của các cột riêng lẻ được bảo vệ với TLA Lắp đặt một TLA trên một cột điện riêng lẻ làm giảm khả năng phóng điện
bề mặt. Quan sát tại (vị trí cột 35) trong đó xác suất 80% phóng điện bề mặt, điều này có thể giảm xuống dưới 60% với một TLA lắp đặt vào pha phía dưới. Nếu một TLA thứ hai được lắp đặt thì xác suất giảm là tối thiểu.
Hình 2.2: Khả năng phóng điện bề mặt của các cột liền kề được bảo vệ với TLA. Lắp đặt bổ sung TLA về cột liền kề làm giảm khả năng phóng điện bề mặt trên (cột 35) xuống dưới 30% và sau đó nếu ta lắp đặt một TLA thêm vào (cột 35) một lần nữa khả năng phóng điện bề mặt được giảm xuống dưới 20% [17].
Trang 30Theo số liệu của (PCT1), khi đường dây bị sét đánh thì hiệu quả nhất vẫn là giải pháp lắp CSV. Hiện Công ty đã lắp thử nghiệm trên 3 tuyến: ĐDK mua điện Trung quốc mạch 1 qua Lào Cai lắp đặt 45 bộ, mạch 2 qua Hà Giang lắp đặt 146 bộ CSV. ĐDK Uông Bí Tràng Bạch lắp 57 bộ CSV. ĐDK Tuyên Quang Bắc Cạn Thái Nguyên lắp trên 15 vị trí cột.
Đối với lưới điện 110 kV của Tổng công ty Điện lực miền Bắc, bắt đầu kể từ năm 2005, TLA bắt đầu được lắp đặt và đưa vào sử dụng. Mỗi năm, Tổng công ty Điện lực miền Bắc đã đầu tư hơn 300 chiếc TLA để lắp đặt trên đường dây 110 kV. Tính đến năm 2010 số TLA đã được lắp đặt trên các đường dây 110 kV là 1341 chiếc với tổng vốn đầu tư khoảng 1.600.000 USD [10].
2.2 Tổng quan về chống sét van đường dây
2.2.1 Cấu tạo
a) Cấu tạo bên trong
Trên thế giới, TLA thường được chế tạo bằng điện trở phi tuyến (MOV), đường kính của hình trụ từ 360 mm và dày 1020 mm. Các khối được xếp chồng lên nhau trong 1 chuỗi để tăng điện áp định mức. Hình 2.3 mô tả cấu tạo bên trong của một chống sét van bao gồm:
Trang 31b) Cấu tạo vỏ của chống sét van đường dây
Các chống sét van truyền thống được sử dụng với vỏ gốm và kim loại. Một vấn đề đặt ra đó là độ ẩm thâm nhập vào các khe hở giữa kim loại và gốm chưa bao giờ được giải quyết và điều này làm cho tuổi thọ chống sét van chỉ từ 10 đến 20 năm.
Để khắc phục nhược điểm này, các nhà sản xuất đã nghiên cứu và chế tạo chống sét van với vỏ bằng vật liệu silicone. Xung quanh lõi là một lớp vỏ chống tiếp xúc với môi trường, đó là điều cần thiết trong việc duy trì các đặc tính cách điện của chống sét van ở điện áp bình thường. Vật liệu này thường là cao su hoặc hợp kim silicone hoặc silicone với nhôm trihydra.
c) Các phụ kiện đi kèm
Để lắp đặt chống sét van hoàn chỉnh trên các tuyến đường dây, cần phải có một số phụ kiện đi kèm, bao gồm bộ ngắt nối, kẹp chì, vòng đẳng thế (dùng cho các chống sét van có cấp điện áp trên 220 kV).
2.2.2 Phân loại
a) Chống sét van đường dây có khe hở
Chống sét van có khe hở sử dụng một loạt những khe hở để kiểm soát điện
áp phóng điện, nó giới hạn dòng điện duy trì khoảng 100 A. Với thiết kế tốt (mặc dù phức tạp) sử dụng từ trường sinh ra do dòng điện duy trì ở tần số công nghiệp để dập tắt hồ quang. Chống sét van Silicon carbide đã được thu nhỏ lại để áp dụng trên các hệ thống phân phối. Lúc đầu, một khe hở phóng điện ngoài được sử dụng. Tuy nhiên rất khó để dập tắt hồ quang 100 A trong không khí do đó, các khe hở phóng điện được di chuyển vào bên trong chống sét van nơi mà nó cũng có thể áp dụng một số phương pháp để tăng khả năng dập hồ quang.
b) Chống sét van đường dây không có khe hở ZnO
Chống sét van ZnO chỉ gồm các điện trở phi tuyến ZnO không khe hở. Sự vắng mặt của khe hở phóng điện làm cho các điện trở phi tuyến ZnO luôn đặt dưới điện áp của mạng điện nên nó vẫn dẫn điện. Tuy nhiên dưới tác dụng của điện áp danh định của lưới điện, dòng điện rò qua các điện trở phi tuyến này rất bé (nhỏ hơn
Trang 32Trong các loại chống sét van không khe hở, điện trở phi tuyến được đặt trong
vỏ bọc kín bằng sứ hoặc bằng các vật liệu tổng hợp (composit, sợi thủy tinh, polymer…). Các chống sét van có vỏ bằng vật liệu tổng hợp có ưu điểm so với loại
có vỏ bằng sứ là nhẹ hơn, ít vỡ, các phần tử được bảo vệ tốt hơn chống lại độ ẩm. Đặc tính VS của chống sét van phi tuyến không phải chịu nhiều ảnh hưởng của tỷ lệ gia tăng của xung, giải quyết một khía canh quan trọng trong việc bảo vệ
hệ thống cách điện. Đối với chống sét van không khe hở, bình thường điện áp tần số công nghiệp xuất hiện trên chống sét van và sinh ra dòng điện nhỏ hơn 1 mA sự tổn hao công suất là tối thiểu.
Hình 2.4: Chống sét van không khe hở
Các chống sét van không khe hở có điện áp trên 110 kV còn được trang bị một hoặc vài vòng đẳng thế bằng thép trên đỉnh và dọc xuống thân. Chức năng của các vòng này để đảm bảo điện trường xung quanh chống sét van càng tuyến tính càng tốt và để phân bố đều điện áp dọc theo chiều dài chống sét van.
Trang 332.2.3 Nguyên lý làm việc của chống sét van đường dây
a) Nguyên lý hoạt động của bản thân chống sét van đường dây
Chống sét van đường dây có nguyên lý hoạt động tương tự như các loại chống sét van chúng ta đã từng nghiên cứu. Khi sóng quá điện áp truyền đến chỗ đặt CSV có biên độ vượt quá trị số điện áp xuyên thủng của chuỗi khe hở, tại đây xảy
ra phóng điện và dòng điện xung chạy qua điện trở không đường thẳng R, qua bộ phận nối đất tản vào đất. Dòng điện xung gây nên trên điện trở không đường thẳng một điện áp giáng gọi là điện áp dư trên CSV. Chính điện áp dư này tác động lên cách điện nên trị số của nó phải nhỏ hơn mức cách điện xung của thiết bị với một độ
dự trữ nhất định (20÷30%) để chú ý đến sự gia tăng điện áp do khoảng cách truyền sóng giữa nơi đặt chống sét van và nơi đặt thiết bị được bảo vệ.
Khi dòng điện xung đã kết thúc tức là khi quá điện áp chấm dứt thì dòng chạy qua CSV là dòng điện kèm theo gây nên bởi điện áp làm việc tần số công nghiệp, bản thân là dòng điện ngắn mạch chạm đất một pha. Hồ quang của dòng điện này phải được dập tắt khi nó đi qua trị số không đầu tiên. Điện trở không đường thẳng lúc này có giá trị tăng rất cao do điện áp tác dụng lên CSV đã giảm nhỏ, nhờ đó giảm dòng điện kèm theo đến giới hạn mà khe hở có thể dập tắt hồ quang dễ dàng.
Chống sét van hoạt động theo nguyên lý van như trên là nhờ các điện trở phi tuyến. Quan hệ giữa điện áp – dòng điện của các điện trở phi tuyến (chính là đặc tính VA của chống sét van) được xác định bởi công thức [18]:
IR K
Trong đó: K là hằng số chức năng của số lượng các khối, là hệ số phi tuyến và R là điện trở ứng với dòng điện cao áp.
Thông thường, hệ số phi tuyến là hệ một hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm điện trở, với 10 < < 40 đảm bảo để TLA có giá trị thấp hơn chống sét van trong trạm biến áp. Việc chia sẻ năng lượng giữa chống sét van bị ảnh hưởng bởi hệ số α
và cũng do điện trở nối tiếp R.
Trang 34b) Nguyên lý bảo vệ cách điện của chống sét van đường dây
Trường hợp không có chống sét van
Khi sét đánh trực tiếp vào dây dẫn, điện áp sét có thể gây phóng điện trên cách điện để thoát dòng sét vào hệ thống nối đất như mô tả trên hình 2.5.
Hình 2.5: Phóng điện trên cách điện từ dây dẫn xuống hệ thống nối đất
Khi sét đánh vào dây chống sét, dòng điện sét sẽ chạy trong dây chống sét để tản vào trong đất. Nếu các cột lân cận vị trí sét đánh có điện trở nối đất lớn điện áp đặt lên cách điện tăng đến mức vượt quá khả năng chịu đựng của cách điện đường dây sẽ gây hiện tượng phóng điện ngược từ các bộ phận nối đất của cột vào dây dẫn qua các chuỗi cách điện và làm phá hỏng cách điện, gây sự cố cho đường dây [13].
Hình 2.6: Hiện tượng phóng điện ngược trên cách điện khi sét đánh vào DCS và điện trở nối đất của cột lớn
Trường hợp có lắp chống sét van:
Khi có chống sét van lắp đặt song song với các chuỗi cách điện, dòng điện sét sẽ được đi qua chống sét van và ngăn chặn xảy ra hiện tượng phóng điện trên cách điện [13].
Trang 35Đối với các chống sét van được lắp đặt tại các vị trí cột có điện trở nối đất lớn thì nó có tác dụng làm đường nối giữa dây dẫn và dây chống sét để dẫn dòng điện sét đến các vị trí cột có điện trở nối đất thấp và tản dòng điện sét vào trong đất.
2.2.4 Cách lắp đặt chống sét van trên đường dây
Chống sét van đường dây thường được lắp song song với chuỗi cách điện để bảo vệ cho cách điện. Tùy thuộc vào cấu trúc của từng đường dây, đặc điểm riêng của từng vị trí cột mà ta có cách lắp đặt cho phù hợp.
Số lượng TLA lắp đặt trên cột phụ thuộc cơ bản về kết cấu hình học của cột cũng như các quá trình quá độ trở kháng qua hình thức nối đất.
Với loại cột cấu hình ngang, các dây dẫn trong các pha chạy song song nhau trên cột, thông thường lắp đặt một TLA trên cả 02 dây dẫn (02 pha bên ngoài).
Với các cột có cấu hình tam giác, các dây dẫn được sắp xếp trên các pha có
độ treo cao khác nhau, kết quả quá điện áp xảy ra trên các bộ phận cách điện của pha trên cùng thường cao hơn ở pha phía dưới. Vì vậy, đường dây tải điện với cấu hình tam giác có trở kháng của cột thấp chỉ cần lắp đặt một TLA vào pha phía dưới, nhưng đối với những vị trí có trở kháng cao hơn có thể cần thiết lắp đặt hai và đôi khi ba TLA vào vị trí đó [19].
Trang 36
Hình 2.7: Các kiểu lắp đặt chống sét van trên đường dây
2.3 Các đặc tính cơ bản của CSV sử dụng cho ĐDK
Khi xuất hiện quá điện áp nó sẽ phóng điện trước làm giảm trị số quá điện áp đặt lên cách điện và khi hết quá điện áp sẽ tự động dập tắt hồ quang của dòng điện xoay chiều, phục hồi trạng thái làm việc bình thường.
Ut = K.Uđm (2.2)
Trang 37K hệ số phụ thuộc phương thức làm việc của điểm trung tính của lưới (K= 0,8 đối với lưới chống sét có trung tính nối đất trực tiếp và K = 1,1 đối với lưới có trung tính cách điện).
Uđm điện áp dây định mức.
Tác dụng dập tắt hồ quang của chuỗi khe hở của CSV được đặc trưng bởi hệ
số tắt Kt và tác dụng bảo vệ của điện trở không đường thẳng bởi hệ số bảo vệ Kbv như sau:
U
U (2.4) Với Upđ – là điện áp phóng điện xuyên thủng chuỗi khe hở ở tần số công nghiệp.
Trang 38CSV có một khả năng cho qua dòng điện nhất định, tức là trị số giới hạn của dòng mà CSV có thể cho chạy nhiều lần mà không làm thay đổi tính chất điện của
nó. Khả năng cho qua dòng của CSV phụ thuộc vào tính chịu nhiệt của điện trở không đường thẳng.
Trước đây khả năng cho qua dòng kém nên CSV không được làm việc khi có quá điện áp nội bộ (QĐANB), tức là điện áp xuyên thủng phải cao hơn trị số QĐANB có thể xảy ra và CSV chỉ được dùng để hạn chế QĐAKQ.
Nghiên cứu chế tạo điện trở không đường thẳng có đặc tính VA rất dốc và
có khả năng cho qua dòng đủ cao cũng như nghiên cứu áp dụng những nguyên tắc mới dập tắt hồ quang của dòng điện kèm theo.
Hiện nay, đã chế tạo được những loại CSV vừa có tác dụng hạn chế QĐAKQ vừa có tác dụng hạn chế QĐANB có thời gian duy trì lâu hơn. Điều đó mở ra một triển vọng tiếp tục giảm thấp mức cách điện của trang thiết bị điện và nâng cao chỉ tiêu kinh tế của chúng.
2.4 Quy trình tổng quát khi lựa chọn chống sét van
Theo tiêu chuẩn IEC 600995 [23,24], đề xuất một quy trình lặp khi xem xét lựa chọn chống sét van bao gồm các bước như sau (được biểu diễn trong sơ đồ khối
và cấp phóng điện đường dây của chống sét van (yêu cầu về khả năng chịu đựng các
Trang 398. Xác định mức điện áp chịu đựng phối hợp với CSV của thiết bị được bảo vệ đối với xung quá điện áp thao tác có xem xét tới giá trị điển hình của quá điện áp đầu sóng dài và cấu hình của lưới điện.
9. Xác định mức điện áp chịu đựng phối hợp với CSV của thiết bị bảo vệ với xung phóng điện sét có xem xét tới.
+ Giá trị điển hình của sóng quá áp sét lan truyền theo đường dây vào trạm và tần suất sự cố cho phép của thiết bị được bảo vệ.
+ Giảm khoảng cách từ CSV tới thiết bị cần bảo vệ.
Lưu ý:
Việc giảm trị số điện áp làm việc liên tục lâu dài hoặc giảm trị số điện áp định mức của CSV, điều này cũng đồng nghĩa việc giảm độ tin cậy làm việc của CSV đó.
Trang 40
Hình 2.9: Quy trình kiểm tra và lựa chọn CSV theo IEC 600995
2.5 Phương pháp lựa chọn CSV không khe hở để bảo vệ ĐDK cao áp
Các thông số đặc trưng cho các chống sét van loại ZnO không khe hở (Gapless) như sau:
UR: điện áp định mức của chống sét.
UC: điện áp vận hành liên tục của chống sét.
IN: dòng điện xả danh định.
E: khả năng hấp thụ năng lượng.
