Nghiên cứu đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất đối với dòng điện sét trên đường dây truyền tải việt nam tt

Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Khả năng chịu sét của một đường dây phụ thuộc vào các yếu tố: cách bố trí dây chống sét, kết cấu và nối đất của của cột, sử dụng các thiết bị chống

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Khả năng chịu sét của một đường dây phụ thuộc vào các yếu tố: cách

bố trí dây chống sét, kết cấu và nối đất của của cột, sử dụng các thiết bị chống quá điện áp như mỏ phóng, chống sét van, cách điện đường dây… Trong đó, việc thiết kế hệ thống nối đất có vai trò rất quan trọng, nhằm chủ yếu để tản dòng điện sét, hạn chế quá điện áp, tránh gây phóng điện, đảm bảo độ tin cậy vận hành đường dây truyền tải điện

Hệ thống nối đất cho đường dây truyền tải Việt Nam được thiết kế dựa theo giá trị điện trở một chiều phù hợp với quy phạm trang bị điện Giá trị điện trở một chiều sẽ không thể phản ánh toàn diện tính hiệu quả của hệ thống nối đất đối với việc tản dòng điện sét Việc thiếu các nghiên cứu về đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất với dòng điện sét khiến công tác thiết kế, vận hành và quản lý đường dây truyền tải Việt Nam còn gặp các hạn chế như sau: + Không lý giải được khi điện trở một chiều nhỏ, nhỏ hơn giá trị quy định nhiều lần nhưng vẫn xảy ra phóng điện do sét

+ Vì phụ thuộc vào giá trị của điện trở một chiều mà việc thiết kế và cải thiện hệ thống nối đất chỉ đơn giản bằng cách tăng kích thước điện cực và giảm điện trở suất đất Hình dạng điện cực, hằng số điện môi, quá trình phóng điện trong đất bị bỏ qua Chính vì vậy, hiệu quả tản sét của các hệ thống nối đất không đạt được như kỳ vọng, sự cố do sét vẫn xảy tại chính những vị trí cải tạo

+ Hệ thống nối đất được coi là độc lập với cột và dòng điện sét được giả thiết đi thẳng vào hệ thống nối đất nên bỏ qua quá trình truyền sóng trên cột Các hiện tượng phản xạ và khúc xạ tại vị trí giữa cột và hệ thống nối đất bị

bỏ qua Do suất cắt do sét tính toán với điện trở một chiều chỉ đúng khi phóng điện xảy ra ở thời gian đầu sóng dẫn đến khi xác định phóng điện dựa trên các kỹ thuật chính xác hơn như tiêu chuẩn tích phân hoặc phát triển tia tiên đạo sẽ gây sai số lớn

+ Do phụ thuộc vào điện trở một chiều nên một hệ thống nối đất được thiết kế để có điện trở một chiều thấp tạo nên một cảm giác an toàn “giả tạo” trên phương diện chống sét Những vị trí có điện trở một chiều thấp tưởng như đã an toàn thực ra có thể vẫn tạo ra điện áp quá độ lớn trên trên cách điện Điều này ảnh hưởng rất lớn đến đánh giá độ tin cậy của đường dây trong đó mọi tiêu chí trên phương diện độ tin cậy đều phải tính đến trường hợp xấu nhất

+ Cuối cùng, trị số điện trở một chiều chỉ có ý nghĩa để ước lượng khả năng tản dòng điện sét của hệ thống nối đất mà không có ý nghĩa về mặt an

Các nghiên cứu trong và ngoài nước vẫn chưa giải quyết được bài toán xác định đáp ứng của hệ thống nối đất do dòng điện sét một cách đầy đủ Mỗi phương pháp đã sử dụng chỉ đúng trong một vài trường hợp cụ thể và có những giới hạn khác nhau Đối với điều kiện về địa hình và truyền thống thiết

kế hệ thống nối đất của Việt Nam hiện vẫn chưa có một nghiên cứu nào đầy

đủ về vấn đề này Do vậy, việc thực hiện đề tài là hết sức cấp thiết để hiểu rõ

về phản ứng của hệ thối nối đất đối với dòng điện sét Kết quả nghiên cứu có

ý nghĩa cốt lõi trong việc thiết kế một hệ thống nối đất hiệu quả và tiết kiệm, đồng thời tính toán chính xác khả năng chống sét của đường dây truyền tải

Vì vậy, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án:

“Nghiên cứu đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất đối với dòng điện sét

trên đường dây truyền tải Việt Nam”

2 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu

+ Tổng hợp các thiết kế điển hình của hệ thống nối đất của các đường dây 220 kV và 500 kV đang vận hành trên lưới truyền tải Việt Nam Tổng kết các nghiên cứu và các phương pháp tính toán trong nước và trên thế giới

về nối đất cho mục đích chống sét của đường dây truyền tải

+ Tính toán đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất của đường dây truyền tải trong miền tần số để từ đó nhận dạng các đóng góp cụ thể của từng thành phần điện trở tản, điện cảm và điện dung vào tổng trở xung của hệ thống nối đất ở các tần số khác nhau

+ Tính toán đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất trong miền thời gian, qua đó xác định được điện áp dâng trên hệ thống nối đất trong miền thời gian Tính toán ảnh hưởng của thông số điện cực cũng như ảnh hưởng qua lại giữa các điện cực để từ đó xác định chiều dài cũng như khoảng cách giữa các điện cực hiệu quả cho mục đích chống sét

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình ion hóa trong đất trong các hệ thống nối đất với các thiết kế điển hình của đường dây truyền tải nhằm xác định hiệu quả tản sét trên từng vị trí của điện cực khi hiện tượng ion hóa trong đất xảy ra

+ Nghiên cứu đáp ứng quá độ cho một hệ thống đầy đủ gồm cột điện và điện cực nối đất để đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng truyền sóng trên cột

3

và hiện tượng phản xạ giữa cột với hệ thống nối đất vào điện áp trên cách điện khi sét đánh vào đỉnh cột để từ đó xác định được ảnh hưởng cụ thể của

hệ thống nối đất đến điện áp trên cách điện

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Hệ thống nối đất và cột trong lưới điện truyền tải Việt Nam

+ Nghiên cứu đáp ứng quá độ trong miền tần số của hệ thống nối đất điển hình cho đường dây truyền tải

+ Nghiên cứu đáp ứng quá độ trong miền miền thời gian của hệ thống nối đất điển hình cho đường dây truyền tải, có xét đến hiện tượng ion hóa trong đất

+ Nghiên cứu đáp ứng quá độ trong miền thời gian cho hệ thống gồm cột điện và hệ thống nối đất

3 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng nghiên cứu đáp ứng của hệ thống trong miền thời gian

và trong miền tần số để tính toán tổng trở xung của hệ thống nối đất và tổng trở sóng của cột Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) giải hệ phương trình Maxwell đầy đủ trong miền tần số và miền thời gian để tính toán mô phóng đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất, quá trình truyền sóng sét và các hiện tượng đặc trưng cho truyền sóng trên hệ thống nối đất và trên cột

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học của đề tài

+ Ứng dụng phương pháp FEM để tính toán phân bố điện từ trường khi

có dòng sét chạy qua hệ thống nối đất và tản vào đất Từ đótính toán được điện áp quá độ đặt lên hệ thống nối đất và tổng trở của hệ thống nối đất + Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình phóng điện trong đất Mô hình cho phép xác định dòng tản vào đất tại từng vị trí điện cực ứng với mỗi thời điểm khác nhau Từ đó tính toán được bán kính ion hóa của vùng đất bao quanh điện cực

+ Xây dựng mô hình sát với thực tế gồm cột điện và hệ thống nối đất để

mô phỏng quá trình truyền sóng từ đỉnh cột đến hệ thống nối đất Xác định được trị số tổng trở sóng của cột mà không phụ thuộc vào hình dạng kích thích đặt vào Mô hình cho phép tính toán điện áp trên cách điện khi cấu hình của hệ thống nối đất thay đổi Kết quả nghiên cứu cho phép xác định chính xác hơn hình dạng điện áp quá độ đặt lên cách điện khi sét đánh vào đường dây

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

4

+ Kết quả nghiên cứu đáp ứng quá độ cho hệ thống nối đất cho phép phân biệt rõ đóng góp của điện trở một chiều và điện trở ở tần số cao vào khả năng tản dòng điện sét của một hệ thống nối đất

+ Đối với nối đất kiểu tia kết quả tính toán cho phép xác định chiều dài hiệu quả của điện cực và cách bố trí tia để đem lại hiệu quả tản sét cao nhất + Kết quả nghiên cứu đáp ứng quá độ cho hệ thống cọc – tia cho phép xác định thiết kế hệ thống hiệu quả bao gồm cách phối hợp số lượng cọc với chiều dài tia và số lượng cọc với khoảng cách cọc

+ So sánh đáp ứng quá độ của các hình dạng hệ thống nối đất khác nhau với cùng giá trị điện trở một chiều cho phép gợi ý về hình dạng hệ thống nối đất có hiệu quả tản sét tốt nhất

+ Quá trình ion hóa trong đất đối với hệ thống nối đất kiểu tia và cọc - tia cho phép minh họa giá trị điện trường trên từng vị trí trên điện cực Từ đó hiểu rõ ảnh hưởng của hình dạng điện cực đến quá trình ion hóa trong đất Kết quả gợi ý về thiết kế hệ thống nối đất hiệu quả khi xét đến ion hóa trong đất

+ Kết quả nghiên cứu truyền sóng trong hệ cột – nối đất cho phép xác định điện áp quá độ đặt lên cách điện, ứng dụng trong nghiên cứu tính toán khả năng chịu sét của đường dây truyền tải Đồng thời, sự suy giảm của quá trình truyền sóng trên cột được phản ánh trên hệ thống nối đất cho phép xác

định chính xác hơn giá trị điện thế dâng trên hệ thống nối đất

5 Những đóng góp mới của luận án

+ Phân tích đáp ứng quá độ trong miền tần số cho các hình dạng hệ thống nối đất khác nhau đang được sử dụng trên đường dây truyền tải Việt Nam để

từ đó xác định ảnh hưởng của từng tham số: hình dạng, kích thước, tính chất điện môi, điện trở suất đất đến tổng trở xung hệ thống nối đất

+ Làm rõ hơn ảnh hưởng của điện cảm, điện dung, điện trở tản đến đáp ứng quá độ của từng hình dạng hệ thống nối đất và ảnh hưởng của hình dạng

hệ thống nối đất đến dạng điện áp tại chân cột và đỉnh cột;

+ Xây dựng cơ sở khoa học cho các biện pháp cải thiện hệ thống nối đất cho mục đích chống sét; xác định kích thước, hình dạng hiệu quả của hệ thống nối đất cho mục đích chống sét;

+ Nghiên cứu khả năng tản dòng điện sét trên từng vị trí của điện cực; nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng phóng điện trong đất đến tổng trở xung của hệ thống nối đất

+ Phân tích truyền sóng sét của một hệ thống đầy đủ gồm cột điện và hệ thống nối đất, đánh giá ảnh hưởng của hình dạng hệ thống nối đất đến điện

5

áp quá độ tại các đầu xà, hình dạng nối đất và kích thước cột đến điện áp trên cách điện

6 Cấu trúc nội dung luận án

Các nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 5 chương như sau:

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về lưới điện truyền tải Việt Nam

1.2 Nối đất cho đường dây truyền tải trên thế giới

1.3 Nghiên cứu đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất của đường dây truyền tải

1.3.1 Nghiên cứu trong nước

Thiết kế nối đất cho đường dây truyền tải ở Việt Nam hiện nay vẫn dựa vào điện trở một chiều, trong đó các thông số của điện cực đã được đơn giản hóa đi rất nhiều như bỏ qua điện cảm và điện dung của bản thân điện cực nối đất, bỏ qua quá trình phóng điện trong đất, bỏ qua điện cảm và điện dung tương hỗ giữa các điện cực nối đất, bỏ qua ảnh hưởng của các kết cấu nối đất lân cận, ảnh hưởng của đất nhiều lớp, chiều dài hiệu dụng của của hệ thống nối đất Có rất ít nghiên cứu trong nước được thực hiện cho vấn đề đáp ứng quá độ do sét của hệ thống nối đất Gần đây, một số nghiên cứu trong nước bắt đầu chú ý đến bài toán quá độ của hệ thống nối đất bằng cách sử dụng các

mô hình hiện đại trong tính toán hệ thống nối đất khi phản ứng với dòng điện sét như mô hình đường dây dài tính toán điện áp quá độ cho lưới nối đất [25],

sử dụng mô hình truyền sóng trên đường dây dài [26] tính toán điện áp và tổng trở quá độ trong miền thời gian cho tia nối đất có bổ sung các cọc ở đầu tia, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn [27] để tính toán trị số điện áp bước trong trạm, phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian FDTD [28] trong tính toán điện áp quá độ trong miền thời gian cho tia nối đất dài và cho lưới nối đất kích thước Đặc điểm của các nghiên cứu kể trên là tập trung vào những bài toán nhỏ với hình dạng nối đất đơn giản, tính toán quá độ mới chỉ tập trung vào bài toán an toàn Chưa có công trình nào nghiên cứu một cách đầy đủ đáp ứng của hệ thống nối đất của đường dây truyền tải đối với dòng

6

điện sét và ảnh hưởng của hệ thống nối đất đến điện áp trên cách điện khi tản

dòng điện sét

1.3.2 Nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu sử dụng chương trình máy tính để tính toán đáp ứng của hệ thống nối đất với dòng điện sét Đây được xem là các phương pháp hiện hiện đại và có thể phân ra làm 3 phương pháp tính toán chính:

+ Phương pháp mạch điện (circuit approach) [29-34]

+ Phương pháp đường dây dài (transmission line approach) [35-46] + Phương pháp số tính toán điện từ trường (numerical electromagnetic analysis approach) [47-81]

Mỗi phương pháp có những ưu điểm và những nhược điểm riêng và có phạm vi ứng dụng cụ thể Thông thường, phương pháp mạch điện thay thế hệ thống nối đất bằng một số hữu hạn các mạch điện tương đương và giải phương trình Kirhoff đối với các mạch điện đó Phương pháp đường dây dài coi trên

hệ thống nối đất là một đường dây dài đối với kích thích dòng điện sét, hệ thống nối đất là nối tiếp của vô số các phần tử với các thông số giống nhau (thông số rải) và thường phải có những giả thiết đơn giản hoá cụ thể cho việc tính toán Còn đối với phương pháp số tính toán điện từ trường, việc biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng trên mạch điện được cụ thể hoá bằng các phương trình điện từ Maxwell Do đó, phương pháp này có độ chính xác cao nhưng thường phải được sử dụng cùng với hệ thống máy tính, thông qua các phần mềm chuyên biệt để mô phỏng các hiện tượng xảy ra

1.4 Kết luận

Hệ thống nối đất cho đường dây truyền tải Việt Nam chỉ được thiết kế theo tiêu chí đảm bảo điện trở tản một chiều Có 4 hình dạng nối đất phổ biến gồm dạng tia thẳng, dạng cọc – tia, dạng cọc và dạng quấn vòng Đáp ứng của các hệ thống này với dòng sét, hay nói cách khác là hiệu quả tản dòng điện sét (chứa nhiều thành phần tần số cao) của các hình dạng này chưa được hiểu biết một cách đầy đủ trong quá trình thiết kế cũng như vận hành Các nghiên cứu trong nước về đáp ứng quá độ chủ yếu tập trung vào khía cạnh an toàn của hệ thống nối đất mà chưa có những nghiên cứu đầy đủ về đáp ứng đối với dòng điện sét cũng như quá điện áp sét trên cách điện

Bài toán đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất chủ yếu sử dụng các phương pháp: (i) phương pháp mạch, (ii) phương pháp đường dây dài, (iii) phương pháp số tính toán điện từ trường (bao gồm phương pháp MoM, FDTD

và phương pháp FEM) Phạm vi ứng dụng của mỗi phương pháp tùy thuộc vào mục đích tính toán và yêu cầu của bài toán nối đất Phương pháp số tính

7

toán điện từ trường tỏ ra nổi trội do giải hệ phương trình Maxwell ở dạng đầy

đủ và ít sử dụng các bước xấp xỉ Phương pháp này sẽ được sử dụng trong tính toán đáp ứng của hệ thống nối đất của đường dây truyền tải trong luận

án này

Chương 2 TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ

HỮU HẠN TRONG TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT

2.1 Phương pháp FEM trong tính toán hệ thống nối đất

Trong phần này, luận án trình bày chi tiết phương pháp FEM để giải hệ phương trình Maxell và ứng dụng trong nghiên cứu hệ thống nối đất hệ phương trình Maxwell dạng vi phân thể hiện mối quan hệ giữa các đại lượng điện từ qua 4 phương trình cơ bản sau:

t

D J

FEM để giải hệ phương trình Maxwell

2.2 Tính toán kiểm chứng giữa phương pháp FEM với thực nghiệm 2.2.1 Tính toán điện trở một chiều của cọc trong đất phân tầng

Bảng 2.1 So sánh kết quả tính toán điện trở nối đất của cọc trong đất 2 tầng với thí nghiệm

của Ahmeda và công thức giải tích của Taggs [24]

Giải tích [24] Thí nghiệm [88] FEM

Chênh lệch giữa mô phỏng cho giá trị nhỏ hơn kết quả thực nghiệm là 4,6% Trong khi tính toán bằng giải tích có kết quả lớn hơn thực nghiệm là

6,2%

2.2.2 Tính toán điện áp quá độ của tia nối đất

Kết quả mô phỏng so sánh với thực nghiệm trên hình 2.8 cho thấy, điện

áp tính toán cực đại trên hệ thống nối đất là 29,7 V trong khi thí nghiệm của Harid cho giá trị điện áp cực đại là 27 V với cả 2 loại điện cực Ngoài ra, hình dạng điện áp biến thiên theo thời gian cũng tương đối phù hợp với kết quả

thực nghiệm

8

Hình 2.8 So sánh kết quả tính toán điện thế trên điện cực bằng phương pháp FEM (đường

màu đỏ) với thí nghiệm của Harid [89] (đường màu xanh)

2.2.3 Tính toán điện áp quá độ trên cột điện

Hình 2.11 So sánh kết quả mô phỏng điện áp trên đỉnh cột sử dụng phương pháp FEM (đường màu đỏ) với thực nghiệm [90] (đường màu xanh)

Cả hình dạng và biên độ của điện áp trên đỉnh cột tính bằng phương

pháp FEM đều phù hợp với kết quả đo đạc được từ thực nghiệm

2.2.4 Tính toán điện áp bước và điện áp tiếp xúc

2.3 Kết luận

Với cách chọn mô hình và đặt điều kiện phù hợp, phương pháp FEM có thể tính toán được gần như tất cả các vấn đề về nối đất trong lưới điện truyền tải, từ tính toán điện trở một chiều, điện áp bước, điện áp tiếp xúc, đáp ứng quá độ theo thời gian của điện áp trên điện cực nối đất cũng như trên cột để

từ đó xác định tổng trở xung của hệ thống nối đất hoặc tổng trở sóng của cột Luận án tính toán đối chứngvới kết quả thí nghiệm đã được công bố trên thế

9

giới để chứng minh độ tin cậy của mô hình (bao gồm kích thước mô hình 3D, kích thước chia lưới, điều kiện biên và khai thác kết quả) Các kết quả đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm trong chương 2 này cho phép sử dụng cách tính toán tương tự để mô phỏng cho các hình dạng nối đất phức tạp hơn trong các chương tiếp theo của luận án

Chương 3 ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRONG MIỀN

TẦN SỐ 3.1 Đặt vấn đề

3.2 Thông số mô phỏng

Hình 3.2 Mô hình nghiên cứu trong miền tần số

 Điện trở suất đất: 1000 .m, 2000 .m và 5000 .m

 Hằng số điện môi của đất: 5  80

 Điện cực: tia thẳng, cọc, cọc – tia, tia quấn vòng

 Dòng điện 1A, tần số từ 1 Hz đến 1 MHz

3.3 Kết quả mô phỏng

3.3.1 Đáp ứng trong miền tần số của hệ thống dạng cọc

Hình 3.5 Ảnh hưởng của chiều dài cọc

0 1 2 3 4

Tần số (Hz)

Cọc 35m Cọc 20m Cọc 10m

Điện cực Vùng đất

Chiều dài điện cực càng nhỏ, ảnh hưởng của điện cảm ở tần số cao cũng giảm dần do phần lớn dòng điện vẫn được tản trên toàn bộ chiều dài của cọc

Ở chiều dài nhỏ (l = 10 m), các giá trị điện cảm và điện dung của hệ thống nối đất cọc không đáng kể nên tổng trở của hệ thống nối đất gần như không thay đổi theo tần số

3.3.2 Đáp ứng của hệ thống dạng tia

Cũng giống như trường hợp điện cực cọc, khi tia càng dài thành phần điện cảm của tia sẽ ngăn cản dòng điện tần số cao đi về phía cuối tia dẫn đến mức độ tản dòng điện sét của phần điện dẫn và điện dung gần như không đáng

kể Khi đó, thành phần điện cảm

sẽ đóng vai trò chính trong tổng trở của hệ thống nối đất và có giá trị càng lớn ở tần số càng cao

Hình 3.6 Ảnh hưởng của chiều dài tia

3.3.3 Đáp ứng của hệ thống dạng cọc – tia

Hình 3.11 Ảnh hưởng của hình dạng cọc – tia

đến tổng trở xung tương đối

Sự khác biệt về đáp ứng của các cấu hình cọc-tia bắt đầu được thể hiện từ 100 kHz trở đi nhưng sự khác biệt này cũng không lớn do chiều dài của tia tương đối ngắn xung quanh trị số 40 m Với cùng một giá trị điện trở một chiều, việc sử dụng tia ngắn kết hợp nhiều cọc sẽ hiệu quả hơn là sử dụng với một tia dài và ít cọc trên phương diện bảo vệ chống sét

3.3.4 Hệ thống dạng tia quấn vòng

Hình 3.13 Ảnh hưởng của dạng quấn vòng đến

đáp ứng quá độ

Ở tần số dưới 10 kHz, số vòng quấn không ảnh hưởng đến tổng trở hệ thống nối đất do điện trở một chiều đóng góp lớn hơn nhiều

so với tổng trở đóng góp từ điện cảm của điện cực và điện dung của hệ thống nối đất Từ 10 kHz trở đi, tổng trở của hệ thống nối đất kiểu vòng bắt đầu có xu hướng tăng cùng với tần số Hiện tượng này khác hẳn so với các cấu trúc