NGHIÊN CỨU GIẢM SUẤT CẮT ĐƢỜNG DÂY 220kV TUYÊN QUANG – THÁI NGUYÊN. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Trong khoảng cách khí còn lại giữa đầu kênh tiên đạo và mặt đất cường độ điện trường tăng cao gây nên ion hóa mãnh liệt dẫn đến sự hình thành một dòng plasma mật độ điện tích 1016  1019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH CÔNG PHONG

NGHIÊN CỨU GIẢM SUẤT CẮT

ĐƯỜNG DÂY 220kV TUYÊN QUANG – THÁI NGUYÊN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học:

TS Trịnh Trung Hiếu

Đà Nẵng - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Huỳnh Công Phong

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SÉT, HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP VÀ GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ CHỐNG SÉT 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ SÉT 3

1.1.1 Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét 3

1.1.2 Các tham số chủ yếu của sét 6

1.1.3 Tình hình dông sét ở Việt Nam 10

1.1.4 Ảnh hưởng của dông sét đến lưới điện Việt Nam 14

1.2 HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN [10] 15

1.3 GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ CHỐNG SÉT 15

1.3.1 Lịch sử hình thành và phát triển 15

1.3.2 Tổng quan về chống sét van đường dây trên không 16

1.3.3 Các vị trí lắp đặt chống sét van 18

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN SUẤT CẮT TRÊN ĐƯỜNG DÂY CAO ÁP 220KV TUYÊN QUANG – THÁI NGUYÊN 19

2.1 GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN 19

2.2 CÁC SỐ LIỆU TÍNH TOÁN 22

2.3 TÍNH TOÁN SUẤT CẮT ĐƯỜNG DÂY: 23

2.3.1 Suất cắt đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn : 24

2.3.2 Suất cắt đường dây do sét đánh vào dây chống sét ở khoảng vượt: 25

2.3.3 Suất cắt đường dây khi sét đánh vào khu vực đỉnh cột 36

2.4 TỔNG SUẤT CẮT ĐƯỜNG DÂY 220kV 53

CHƯƠNG 3 CÁC GIẢI PHÁP NHẰM GIẢM SUẤT CẮT ĐƯỜNG DÂY 220kV TUYÊN QUANG – THÁI NGUYÊN 54

3.1 TỔNG QUÁT 54

3.2 GIẢM XÁC SUẤT PHÓNG ĐIỆN DO SÉT ĐÁNH VÕNG 61

3.2.1 Giảm xác suất phóng điện do sét đánh vòng bằng cách đặt chống sét van61 3.2.2 Tính toán chi phí với việc lắp chống sét van: 54

3.3 GIẢM XÁC SUẤT PHÓNG ĐIỆN KHI SÉT ĐÁNH VÀO KHOẢNG VƯỢT VÀ SÉT ĐÁNH VÀO ĐỈNH CỘT: 54

3.3.1 Thay đổi giá trị điện trở cột 62

3.3.2 Tăng cường cách điện đường dây Error! Bookmark not defined

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 74

NGHIÊN CỨU GIẢM SUẤT CẮT ĐƯỜNG DÂY 220kV TUYÊN QUANG – THÁI NGUYÊN

Mã số : 60520202 Khóa : K31 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - Luận văn đã đi nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng dông sét đến độ tin

cậy cung cấp điện và đã tính toán suất cắt cho đường dây 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên Trong đó luận văn đã đi tính toán suất cắt của đường dây trong các trường hợp sét đánh vào đỉnh cột, khoảng vượt và đánh vòng

Từ kết quả tính toán suất cắt đường dây 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên trong cách trường hợp sét đánh và công thức tính toán, luận văn đã đưa ra các giải pháp nhằm giảm suất cắt đường dây nhằm mang lại lợi ích về kinh tế giữa việc đầu tư lắp đặt và thiệt hại giảm được trong vòng 8 năm Từ đó đưa ra giải pháp giảm điện trở cột bằng cách thực hiện nối đất bổ sung vào hệ thống nối đất hiện có và giải pháp chôn thêm 4 cọc vào hệ thống nối đất là mang lại hiệu quả về kinh tế trong thời gian 8 năm

Abstract - The thesis has investigated the effect of thunderstorm on power supply

reliability and calculated the cutting power for Tuyen Quang - Thai Nguyen 220kV transmission line In which the thesis has to calculate the cutting power of the line in the case of lightning at the top of the column, overcoming and rounding

From the calculation results of the Tuyen Quang-Thai Nguyen 220kV transmission line in the case of lightning strike and the calculation formula, the thesis proposes measures to reduce the line cutting rate to bring about economic benefits between Installation investment and damage reduction within 8 years From there, the solution

to reduce the column resistance by doing additional grounding to the existing grounding system and the solution of adding 4 additional piles to the grounding system

is economically effective for 8 years

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

dây chống sét vào dây dẫn pha A

33

vào dây dẫn pha A

34

dây chống sét vào dây dẫn pha C

35

vào dây dẫn pha C

36

trong 8 năm

63

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

thời gian [1]

4

chống sét vào dây dẫn pha A

33

chống sét vào dây dẫn pha C

35

thống cọc

63

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đất nước đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa và ngành điện luôn giữ một vai trò quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế quốc dân Trong cuộc sống, điện năng rất cần cho phục vụ sản xuất và sinh hoạt Cùng với sự phát triển của

xã hội đòi hỏi việc cung cấp điện phải đảm bảo liên tục, có chất lượng tốt và độ tin cậy cao Xuất phát từ thực tế đó, việc đảm bảo cho các trạm biến áp và đường dây làm việc

an toàn, không gặp sự cố, không gây gián đoạn cung cấp điện là đặc biệt quan trọng

Và sét là nguyên nhân chủ yếu gây ra các sự cố trên đường dây, làm ngừng hoạt động hay hư hỏng các phần tử của hệ thống

Trạm biến áp thường được bảo vệ chống sóng quá điện áp, chống sét đánh trực tiếp

do vậy sự cố sét đánh trực tiếp hay do sóng truyền vào trạm biến áp thường rất nhỏ Tuy nhiên các đường dây tải điện là phần tử có chiều dài lớn nhất trong hệ thống lại đi qua nhiều địa hình phức tạp khác nhau Cụ thể là địa hình tuyến đường dây 220 kV Tuyên Quang – Thái Nguyên rất phức tạp, chủ yếu là rừng núi có nhiều sườn dốc và vực sâu xen kẽ, gần như toàn tuyến cắt qua rừng già hoặc rừng tái sinh, độ dốc địa hình tuyến cắt qua lớn từ 6o – 40o Chính vì thế nên đường dây thường bị sét đánh và chịu tác dụng của quá điện áp khí quyển

Quá điện áp khí quyển có thể do sét đánh thẳng lên đường dây hoặc sét đánh xuống mặt đất gần đó và gây nên quá điện áp cảm ứng trên đường dây Có thể thấy trường hợp đầu nguy hiểm hơn trường hợp sau rất nhiều vì đường dây phải chịu toàn bộ năng lượng của phóng điện sét Do đường dây cao áp có mức cách điện khá lớn nên số lần phóng điện do sét cảm ứng nhỏ, và vì thế khi tính toán người ta thường bỏ qua Điều này dẫn đến việc kết quả tính toán bị sai lệch, thông số đưa ra không chính xác

Được lắp đặt và đưa vào vận hành 4/2017 thống kê số lần mất điện khá lớn, bình quân lên đến 5,5 lần/100km/năm (cao nhất 6,73 lần/100km/năm) cao hơn so với suất cắt cho phép khoảng 4,5 lần/100km/năm Trong đó số lần mất điện do sét gây ra chiếm khoảng 70% số lần mất điện, gây sự cố gián đoạn đến độ tin cậy cung cấp điện

Do đó trên cơ sở thu thập được số liệu đường dây từ Tư vấn điện 4, để đạt được chỉ tiêu của Tập đoàn đưa ra, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện rất quan trọng Vì vậy tên

đề tài của em là “Nghiên cứu giảm suất cắt đường dây 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu hiện tượng quá điện áp khí quyển

Nghiên cứu sử dụng hiệu quả chống sét van

Giảm số vụ sự cố do sét gây ra nhằm đảm bảo đường dây vận hành an toàn, cung cấp điện liên tục

3 Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đường dây 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên

3.2 Phạm vi nghiên cứu

1 Nghiên cứu hiện tượng quá điện áp khí quyển

2 Tính toán suất cắt điện đường dây 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên

3 Nghiên cứu các giải pháp giảm suất cắt điện đường dây 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên

4 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở lý thuyết mô hình điện hình học, phạm vi bảo vệ của dây chống sét, hiện tượng quá điện áp khí quyển và số liệu thực tế để tính toán, phân tích các giải pháp được nêu ra

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học

1 Tinh toán suất cắt điện của một đường dây,ở đây là đường dây cao áp 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên, đưa ra các giải pháp giảm suất cắt phù hợp cho 1 đường dây trong thực tế

2 So sánh các giải pháp bảo vệ chống sét để giảm suất cắt trên đường dây cao áp

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đề xuất các giải pháp bảo vệ chống sét tốt nhất để đảm bảo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật nhầm nâng cao hiệu quả kinh tế

6 Bố cục đề tài

Luận văn gồm 3 chương

Chương 1 Tổng quan về sét, hiện tượng quá điện áp và giới thiệu về thiết bị chống sét

Chương 2 Tính toán suất cắt trên đường dây cao áp 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên

Chương 3 Các giải pháp nhằm giảm suất cắt đường dây 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ SÉT, HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP VÀ GIỚI THIỆU

VỀ THIẾT BỊ CHỐNG SÉT

1.1 TỔNG QUAN VỀ SÉT

1.1.1 Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét

Hình 1.1 Phóng điện sét trong tự nhiên Sét thực chất là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách rất lớn Quá trình phóng điện của sét tương tự như quá trình phóng điện tia lửa trong điện trường rất không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn Chính sự tương tự đó đã cho phép mô phỏng sét trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu những quy luật của nó

và nghiên cứu những biện pháp bảo vệ chống sét

Hình 1.2 Mô phỏng phóng điện sét với U = 50 kV bởi cuộn dây Tesla

Ban đầu xuất phát từ mây dông một dải sáng mờ kéo dài từng đợt gián đoạn về phía mặt đất với tốc độ trung bình khoảng 105 ÷ 106 m/s Đây là giai đoạn phóng điện tiên

đạo từng đợt được gọi là tiên đạo bậc Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện tích không cao lắm, khoảng 1013 ÷ 1014 ion/m3 Một phần điện tích âm của mây dông tràn vào kênh và phân bố tương đối đều dọc theo chiều dài của nó (Hình 1.3a)

Hình 1.3a Hình 1.3b Hình 1.3c Hình 1.3d

Hình 1.3 Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét

theo thời gian [1]

Hình 1.3a) Giai đoạn phóng điện tiên đạo

Hình 1.3b) Tia tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt Hình 1.3c) Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu

Hình 1.3d) Phóng điện chủ yếu kết thúc, dòng sét đạt giá trị cực đại

Thời gian phát triển của kênh tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1s, tương ứng tia tiên đạo dài thêm trung bình được khoảng vài chục mét đến bốn năm chục mét Thời gian tạm ngưng phát triển giữa hai đợt liên tiếp khoảng 30  90 s Điện tích âm tổng từ mây tràn vào kênh tiên đạo bằng Q = .L(với là mật độ điện tích và L là chiều dài kênh) Điện tích này thường chiếm khoảng 10% lượng điện tích chạy vào đất trong một lần phóng điện sét Dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi điện tích của các đám mây dông và điện tích trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích trái dấu (thường là điện tích dương) trên vùng mặt đất phía dưới đám mây dông Nếu vùng đất phía dưới bằng phẳng và có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích cảm ứng tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên đạo Nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn khác nhau thì điện tích sẽ tập trung chủ yếu ở vùng kế cận, nơi có điện dẫn cao và nơi đó sẽ là nơi đổ bộ của sét

Cường độ điện trường ở đầu kênh tiên đạo trong phần lớn giai đoạn phát triển của

nó (trong mây dông), được xác định bởi điện tích bản thân của kênh và của điện tích tích

tụ ở đám mây Đường đi của kênh tiên đạo này không phụ thuộc vào tình trạng của mặt đất và các vật thể ở mặt đất Chỉ khi kênh tiên đạo còn cách mặt đất một độ cao nào đó thì mới thấy rõ dần ảnh hưởng của tập trung điện tích ở mặt đất và ở các vật thể dẫn điện nhô khỏi mặt đất đối với hướng phát triển tiếp tục của kênh Kênh sẽ phát triển theo hướng có cường độ điện trường lớn nhất Như vậy, vị trí đổ bộ của sét mang tính chọn lọc Nên trong kỹ thuật người ta lợi dụng tính chọn lọc này để bảo vệ chống sét đánh

thẳng cho các công trình bằng cách dùng các thanh hoặc dây thu sét bằng kim loại được nối đất tốt, đặt cao hơn công trình cần bảo vệ để hướng sét phóng vào đó, hạn chế khả năng sét đánh vào công trình

Ở những nơi vật dẫn có độ cao (nhà chọc trời, cột ăng ten) thì từ đỉnh của nó nơi điện tích trái dấu tập trung nhiều cũng sẽ đồng thời xuất hiện ion hóa tạo nên dòng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây dông Chiều dài của kênh tiên đạo từ dưới lên mây tăng theo độ cao của vật dẫn và tạo điều kiện dễ dàng cho sự định hướng của sét đánh vào vật dẫn đó

Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất hay tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiều thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược lại hay phóng điện chủ yếu, tương tự như các quá trình phóng điện ngược trong chất khí ở điện trường không đồng nhất (Hình 1.3b) Trong khoảng cách khí còn lại giữa đầu kênh tiên đạo và mặt đất cường độ điện trường tăng cao gây nên ion hóa mãnh liệt dẫn đến sự hình thành một dòng plasma mật độ điện tích 1016  1019 ion/m3 cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của tia tiên đạo, điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm lần, điện tích cảm ứng từ mặt đất tràn ngược và thực tế đầu dòng mang điện thế của đất làm cho cường độ trường đầu dòng tăng lên gây ion hóa mãnh liệt và cứ như vậy dòng plasma điện dẫn cao tiếp tục phát triển ngược lên trên theo đường chọn sẵn của kênh tiên đạo Tốc độ phát triển của kênh phóng ngược rất cao vào khoảng 1,5x1017  1,5x108 m/s (bằng 0,05 vận tốc ánh sáng) tức là nhanh gấp trên trăm lần tốc độ phát triển của tiên đạo hướng xuống Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt nên tia phóng điện chủ yếu sáng chói (gọi là chớp) và sự giản nỡ đột ngột của không khí bao quanh phóng điện chủ yếu tạo nên những đợt sóng âm mãnh liệt gây nên những tiếng nổ chát chúa (gọi là sấm) Đặc điểm quan trọng nhất của phóng điện chủ yếu là cường độ dòng điện lớn Nếu v là tốc độ của phóng điên và  là mật độ điện tích thì dòng sét sẽ đạt giá trị cao nhất khi kênh phóng điện chủ yếu lên đến đám mây dông và bằng: is = .(Hình 1.3c) Khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây thì số điện tích còn lại của mây sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống đất và cũng tạo nên ở chỗ sét đánh một dòng điện có trị số nhất định giảm nhanh tương ứng với phần đuôi sóng (Hình 1.3d)

Kết quả quan trắc sét cho thấy rằng, một cơn sét thường gồm nhiều lần phóng điện

kế tiếp nhau, trung bình là ba lần, nhiều nhất có thể đến vài ba chục lần Thời gian

dài đến 0,1s nếu có dòng không đổi trong giai đoạn kết thúc Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục (không phải từng đợt như lần đầu), không phân nhánh

và theo đúng quĩ đạo của lần đầu nhưng với tốc độ cao hơn 2x106

m/s, thường gọi là tiên đạo hình kim cũng còn có tên gọi là tiên đạo hình mũi tên Mỗi lần phóng điện tạo nên một xung dòng sét Các xung sét sau thường có biên độ bé hơn, nhưng độ dốc đầu sóng cao hơn nhiều so với xung đầu tiên Một cơn sét có thể kéo dài đến 1,33s

Sự phóng điện nhiều lần của sét được giải thích như sau: đám mây dông có thể có nhiều trung tâm điện tích khác nhau hình thành do các dòng không khí xoáy trong mây Lần phóng điện đầu tiên dĩ nhiên sẽ xảy ra giữa đất và trung tâm điện tích có cường độ điện trường cao nhất

Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo thì hiệu thế của trung tâm điện tích này với các trung tâm điện tích khác kế cận thực tế không thay đổi đáng kể và ít có ảnh hưởng qua lại giữa chúng Nhưng khi kênh phóng điện chủ yếu đã lên đến mây thì trung tâm điện tích đầu tiên của đám mây thực tế mang điện thế của đất làm cho hiệu thế giữa trung tâm điện tích đã phóng với các trung tâm điện tích lân cận tăng lên và có thể dẫn đến phóng điện giữa chúng với nhau Quá trình này xảy ra rất nhanh Trong khi đó thì kênh phóng điện cũ vẫn còn một điện dẫn nhất định do sự khử ion chưa hoàn toàn, nên phóng điện tiên đạo lần sau theo đúng quĩ đạo đó, liên tục và với tốc độ cao hơn lần đầu Phóng điện sét cũng có thể xảy ra giữa các đám mây mang điện tích khác nhau hoặc giữa các trung tâm điện tích của một đám mây lưỡng cực, tuy nhiên quá điện áp trong hệ thống điện, hỏa hoạn hoặc hư hỏng các công trình trên mặt đất chỉ xảy ra khi có phóng điện sét về phía mặt đất Vì vậy, ở đây chỉ xét đến sét giữa mây dông và mặt đất cùng tác hại của nó đối với hệ thống điện Sét mây - đất cũng có thể xảy ra với tiên đạo mang điện tích dương xuất phát từ phần mang điện tích dương của đám mây, nhưng rất hiếm thấy Loại sét dương này chỉ có một xung duy nhất, có biên độ dòng và tổng điện tích rất lớn, thời gian sóng kéo dài Tác dụng phá hoại của nó rất lớn, đặc biệt là hiệu ứng nhiệt

Sự lan truyền sóng điện từ tạo nên bởi dòng điện sét gây nên quá điện áp trong hệ thống điện, do đó cần phải biết những tham số chủ yếu của nó

- Biên độ dòng điện sét là giá trị lớn nhất của dòng điện sét Biên độ dòng sét không vượt quá 200  300 kA

- Độ dốc đầu sóng dòng điện sét hoặc thời gian đầu sóng đs là thời gian mà dòng sét tăng từ 0 đến giá trị cực đại trong khoảng từ 1  100 s với tia tiên đạo đầu tiên và (550) s với các tia sét lặp lại

- Độ dài sóng dòng điện sét s là thời gian từ đầu dòng sét cho đến khi dòng sét giảm còn bằng 1/2 biên độ trong khoảng từ 20  350 s với các tia sét đầu tiên và 550 s với các tia sét lặp lại

- Tốc độ tăng dòng di/dt có thể đạt tới 70 kA/s đối với tia sét đầu tiên và vượt quá

200 kA/s với các tia sét tiếp theo

- Cực tính dòng điện sét

Ngoài ra, phải biết cường độ hoạt động trung bình của sét tức là số ngày có dông sét trung bình hoặc tổng số giờ có dông sét trung bình trong một năm ở mỗi khu vực lãnh thổ và mật độ trung bình của sét trong khu vực đó, tức là số lần sét đánh vào một đơn vị diện tích mặt đất (1km2

) trong một ngày sét

a Biên độ dòng sét và sự xuất hiện của nó

Dòng điện sét có trị số lớn nhất vào lúc kênh phóng điện chủ yếu lên đến trung tâm điện tích của đám mây dông Nếu nơi bị sét đánh có nối đất tốt, điện trở nối đất không đáng kể, thì trị số lớn nhất của dòng điện sét, như đã trình bày ở trên, bằng dòng điện is

= σ.υ Nhưng nếu điện trở nối đất của vật bị sét đánh có một trị số R nào đó thì dòng

Như vậy, nếu điện trở nối đất R thay đổi từ 0 ÷ 30Ω thì dòng điện qua vật bị sét đánh chỉ giảm khoảng 10% Điện trở nối đất của cột và dây thu sét trong hệ thống điện thường ít khi quá 20 ÷ 30Ω, nên trong tính toán có thể lấy gần đúng trị số cực đại của dòng điện sét is = σ.υ

Kết quả đo đạt trong nhiều năm ở nhiều nơi cho thấy biên độ dòng điện sét biến thiên trong phạm vi rất rộng, từ vài kA đến vài trăm kA, nhưng phần lớn thường dưới 50kVA và rất hiếm khi vượt quá 100kA

Trong tính toán chống sét có thể dùng quy luật phân bố xác suất biên độ chống sét gần đúng sau, cho vùng đồng bằng:

với

s

i

 là xác suất xuất hiện dòng điện sét có biên độ bằng hoặc lớn hơn is

Ở những vùng đồi núi, biên độ dòng điện sét thường bé hơn so với những vùng đồng bằng khoảng vài lần, do khoảng cách từ đất đến các đám mây dông ngắn hơn nên phóng điện sét đã có thể xảy ra, ngay khi mật độ điện tích của các đám mây còn bé hơn Nói một cách khác, ở đây xác suất xuất hiện dòng điện sét có biên độ lớn thấp hơn

Hình 1.5 Xác suất phân bố dòng sét có biên độ bằng và lớn hơn i s [10]

b Độ dốc đầu sóng dòng điện sét và xác suất xuất hiện của nó

Để đo độ dốc dòng điện sét, người ta thường dùng một khung bằng dây dẫn treo cạnh cột thu sét Các đầu dây của khung nối vào một hoa điện kế để đo biện độ của điện

áp

Độ dốc đầu sóng dòng điện sét cũng thay đổi trong một phạm vi rộng và cũng được cho dưới dạng đường cong xác suất Thường dùng đường cong thực nghiệm sau Cho vùng đồng bằng:

7,82 18

10

a a

Kết quả đo đạc cho thấy phần lớn sóng dòng điện sét có thời gian đầu sóng từ τđs =

1 ÷ 10 µs thường gặp là từ 1 ÷ 4µs và độ dài sóng trong khoảng τs = 20 ÷ 100 µs Trong tính toán thiết kế thường lấy thời gian đầu sóng τđs = 1,2 µs và độ dài sóng trung bình là

50 µs tương ứng với dạng sóng chuẩn

Hình 1.6 Đường cong xác suất độ dốc đầu sóng dòng sét [10]

sự hình thành mây dông

Theo số liệu thống kê của nhiều nước, số ngày sét hàng năm ở các vùng nam, bắc cực vào khoảng 2 ÷ 3, vùng ôn đới khoảng 30 ÷ 50, vùng nhiệt đới khoảng 75 ÷ 100 và vùng xích đạo khoảng 100 ÷ 150

Tuy nhiên khuynh hướng trên cũng không phải là tuyệt đối Thực tế ngay trong cùng một miền khí hậu, cường độ hoạt động của sét cũng có thể khác nhau nhiều, do các điều kiện khí tượng thuỷ văn địa chất của từng khu vực tiểu khí hậu thay đổi phức tạp Trên toàn bộ bề mặt quả đất trong mỗi giây xảy ra khoảng 100 lần phóng điện sét, tức mỗi ngày có khoảng 8 ÷ 9 triệu lần sét đánh xuống mặt đất

Mật độ của sét là số lần sét đánh trung bình trên một đơn vị diện tích mặt đất (1km2) trong một ngày sét hoặc trong một giờ sét Số liệu này cũng thay đổi theo vùng lãnh thổ

d Cực tính của sét

Số liệu quan trắc sét ở nhiều nước trong nhiều năm cho thấy, sóng dòng điện sét mang cực tính âm xuất hiện thường xuyên hơn và chiếm khoảng 80 ÷ 90% toàn bộ số lần phóng điện sét

1.1.3 Tình hình dông sét ở Việt Nam

Việt Nam là một nước thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, mưa nhiều, cường

độ hoạt động của dông sét rất mạnh Thực tế sét đã gây nhiều tác hại đến đời sống con người, gây hư hỏng công trình, thiết bị và là một trong những nguyên nhân gây ra sự cố trong vận hành hệ thống điện

a Đặc điểm và phân hóa mùa của dông:

Dông có khả năng xuất hiện hầu như quanh năm ở các vùng, tuy nhiên thời kỳ tập trung nhất là mùa mưa hay còn gọi là mùa dông Từ kết quả thống kê của hơn 100 trạm nghiên cứu sét, ta có nhận xét sau:

- Phía Tây Bắc, mùa đông đến sớm hơn, cực đại hằng năm cũng xảy ra sớm hơn Tháng 3 dông phát triển khá mạnh, số ngày dông cực đại thường vào tháng 4 còn những tháng ít dông là tháng 1, 6, 7

- Vùng ven biển Trung Bộ, biến trình năm của dông có đến 2 cực đại Cực đại chính là tháng 7-9, cực đại còn lại là tháng 5 Các tháng 6, 7 có số ngày dông giảm đáng

kể

- Khu vực Tây Nguyên, biến trình năm của dông cũng có đến 2 cực đại Cực đại chính tập trung vào tháng 5, cực đại còn lại là tháng 9 Tháng 6-8 có số ngày dông giảm

đi một nửa so với tháng 5 và tháng 9

- Phía Nam Bộ, biến trình của dông cũng tương tự như khu vực Tây Nguyên khi cực đại chính tập trung vào tháng 5 và cực đại còn lại là tháng 9 Tuy nhiên sau tháng 9 thì dông vẫn còn phát triển mạnh và mãi đến tháng 12 trị số này mới giảm

b Phân vùng mật độ sét Việt Nam:

Từ các nguồn số liệu khác nhau về ngày dông, giờ dông, số lần sét đánh xuống các khu vực, ngày giờ xuất hiện và kết thúc dông hằng năm, qua xử lý, tính toán đã phân ra được năm vùng đặc trưng về cường độ hoạt động dông sét trên toàn quốc như sau:

- Khu vực đồng bằng ven biển miền Bắc

- Khu vực miền núi trung du miền Bắc

- Khu vực miền núi trung du miền Trung

- Khu vực ven biển miền Trung

- Khu vực đồng bằng miền Nam

Bảng 1.1 Cường độ hoạt động dông sét tại các khu vực

Khu vực

Ngày dông sét trung bình

n ngs

(ngày/năm)

Giờ dông sét trung bình (giờ/năm)

Mật độ sét trung bình (lần/km 2 năm)

Tháng dông sét cực đại

cho các khu vực như sau:

Bảng 1.2 Trị số dự kiến mật độ sét theo khu vực [10]

Số ngày

dông

Đồng bằng ven biển miền Bắc

Miền núi trung du miền Bắc

Miền núi trung du miền Trung

Ven biển miền Trung

Đồng bằng miền Nam

Khu vực miền núi trung du miền Bắc: là khu vực có cường độ hoạt động dông sét mạnh, những tháng có nhiều dông sét từ tháng 3 đến tháng 9, mạnh nhất là các tháng 5,

6, 7, 8 và cực đại là tháng 7 Khu vực này có thời gian mùa sét dài nhất Trung bình một ngày sét dài 3,5 giờ

Khu vực miền núi trung du miền Trung: là khu vực ít sét hơn, biến trình hoạt động dông sét thất thường, mùa sét thường kéo dài từ tháng 2 đến tháng 9, mạnh nhất vào tháng 5, sau đó giảm dần rồi lại tăng mạnh dần vào tháng 8, tháng 9 Giờ dông trung bình trong ngày dông của khu vực này là 2 giờ

Khu vực ven biển miền Trung: là khu vực có đặc điểm hoạt dộng dông sét gần giống như khu vực cao nguyên miền Trung Tuy nhiên mức độ hoạt động dông sét tăng dần vào cuối mùa sét Giờ dông trung bình trong ngày dông của khu vực này là 2,03 giờ Khu vực đồng bằng miền Nam: là khu vực có số ngày dông lớn Tuy nhiên giờ dông trong ngày dông thường ngắn hơn Thời gian giờ dông kéo dài trung bình là 2,1 giờ

Hình 1.7 Bản đồ mật độ sét trung bình năm của Việt Nam

(tham khảo: Viện Vật Lý Địa Cầu)

1.1.4 Ảnh hưởng của dông sét đến lưới điện Việt Nam

Một trong những nỗi lo lớn nhất của lĩnh vực truyền tải điện là lưới điện bị sét đánh Đây là sự cố do thiên nhiên, nằm ngoài tầm kiểm soát của con người nên việc ngăn ngừa không đơn giản

Theo kết quả thông kế về tình hình sự cố trên lưới điện miền Bắc từ năm

2000-2012 của Công ty Truyền tải điện 1(PTC1) 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 2006-2012, 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 sự cố do sét Đường dây Uông Bí - Tràng Bạch có 14/15 lần vụ sự cố do sét 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

Những năm qua, PTC1 đã triển khai hàng loạt giải pháp nhằm giảm thiểu sự cố do sét Điển hình nhất là giải pháp cải tạo hệ thống nối đất Tuy nhiên, hạn chế của giải pháp này là: ở một số vị trí có hiện tượng các sợi nối đất quấn quanh trụ móng, đế móng; độ chôn sâu sợi nối đất chưa đạt yêu cầu, hướng đi sợi tiếp địa đi sát nhau, không đúng thiết kế, đè lên nhau dẫn đến phóng điện ngược và hiệu quả tản sét kém Một số sợi có trị số điện trở nối đất cao, hoặc thấp bất thường; một số vị trí cột nằm ở khu vực

có phèn chua, hóa chất, độ ăn mòn cao nên bị đứt hoặc bào mòn theo thời gian; một số

vị trí cột cao hơn 40m chưa đáp ứng trị số điện trở theo quy phạm

Để khắc phục tình trạng này, các đơn vị đã giảm điện trở xuống một cấp ở những vùng điện trở suất cao Tùy điện trở suất đất ở từng vùng để thiết kế bổ sung sợi nối đất dài từ 20-80m Những vùng có điện trở suất cao thì đóng thêm cọc, bổ sung than bùn, bổ sung đất có điện trở suất thấp nhỏ hơn 100m hoặc hóa chất giảm điện trở… Ngoài ra, năm 2011-2012, các đơn vị của PTC1 đã lắp bổ sung trên 4.000 bát cách điện cho các đường dây bị sét đánh nhiều ở các khu vực truyền tải điện Quảng Ninh, Thái Nguyên, Tây Bắc

Đặc biệt, phương pháp hiệu quả nhất vẫn là giải pháp lắp chống sét van Tuy nhiên, do khó khăn về kinh phí nên việc lắp chống sét van mới áp dụng thử nghiệm trên

3 tuyến đường dây

Hiện PCT1 đang đề nghị tính toán lại một số thông số như thiết kế tiếp địa của đường dây, khoảng cách khe hở phóng điện của chuỗi sứ cách điện ở đường dây 500 kV Sơn La – Hiệp Hòa để có phương án giảm thiểu sự cố Xem xét qui định nghiệm thu các

mối nối, khóa ép đường dây 220kV, 500kV Ngoài ra, PTC1 đã lắp thử nghiệm chống sét van trên ba tuyến:

- Đường dây mua bán điện Trung Quốc mạch 1 qua Lào Cai lắp đặt 45 bộ chống sét van, mạch 2 qua Hà Giang lắp đặt 146 bộ chống sét van

- Đường dây Uông Bí – Tràng Bạch lắp 57 bộ chống sét van

- Đường dây Tuyên Quang – Bắc Kạn – Thái Nguyên lắp trên 15 vị trí cột

Kết quả cho thấy tại những vị trí đã lắp chống sét van thì chưa có vị trí nào xảy ra

sự cố mặc dù số lần nhảy của chống sét van ghi lại được rất nhiều

1.2 HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN [10]

Đường dây là phần tử dài nhất trong hệ thống điện, đi qua nhiều địa hình phức tạp nên thường bị sét đánh gây nên quá điện áp gọi là quá điện áp khí quyển

Quá điện áp khí quyển có thể do sét đánh thẳng lên đường dây hoặc sét đánh xuống gần mặt đất và gây nên quá điện áp cảm ứng trên đường dây, có thể gây ra phóng điện trên cách điện đường dây dẫn đến ngắn mạch buộc phải cắt điện Có thể thấy trường hợp đầu nguy hiểm nhất vì đường dây phải chịu toàn bộ năng lượng của dòng điện sét

Vì trị số của quá điện áp khí quyển rất lớn nên không thể chọn mức cách điện đường dây đáp ứng hoàn toàn yêu cầu của quá điện áp khí quyển mà chỉ được chọn theo mức độ hợp lý về kinh tế và kỹ thuật Do đó yêu cầu đối với bảo vệ chống sét đường dây không phải là loại trừ hoàn toàn khả năng sự cố do sét đánh mà chỉ giảm số lần sự cố do sét tới một giới hạn hợp lý (xuất phát từ yêu cầu và sơ đồ cung cấp điện của phụ tải, số lần cắt dòng điện ngắn mạch cho phép của máy cắt điện, đường dây có hay không có thiết bị tự động đóng lại, v.v ) Tức là phải tìm phương thức bảo vệ đường dây sao cho

số lần cắt điện do sét đánh gây ra là thấp nhất, trên cơ sở đó xác định phương hướng và biện pháp giảm số lần cắt điện của đường dây nói chung và một số đường dây cụ thể nói riêng

Trong tính toán bảo vệ chống sét hiện nay, người ta tính suất cắt đường dây do sét đánh tức là số lần cắt điện đường dây do sét đánh gây ra sự cố trong một năm cho chiều dài đường dây L = 100 km, trên cơ sở đó người ta tính suất cắt của một số đường dây điển hình được xem là hợp lý, so sánh trị số suất cắt của đường dây đang thiết kế với các đường dây điển hình này cho phép ta đánh giá về mức độ bảo vệ chống sét của các

- 1990: Khe hở phóng điện (Sparl air gap arrester)

- Thập niên 1920: Chống sét ống (Expulsion gas arrester)

- Thập niên 1930: Chống sét van Carbua Silic-SiC

- Thập niên 1960: Chống sét SiC có khe hở kèm điện trở (Resistance graded gapped silicon carbide)

- Thập niên 1970: Chống sét không khe hở Oxit kim loại ( Gapless metal oxide varistor MOV)

- Thập niên 1980: Chống sét MOV vỏ bọc polymer cho lưới phân phối (Polymer housed distribution overhead arrester)

- Thập niên 1990: Chống sét MOV có khe hở (Gapped MOV designs)

1.3.2 Tổng quan về chống sét van đường dây trên không

a Khái niệm

Phần chính của chống sét van là chuỗi khe hở phóng điện ghép nối tiếp với các tấm điện trở không đường thẳng (điện trở làm việc) Điện trở không đường thẳng chế tạo bằng vật liệu vilit, có đặc điểm là có thể duy trì được mức điện áp dư tương đối ổn định khi dòng điện tăng

Sau khi tản dòng sét sẽ có dòng điện ngắn mạch duy trì bởi nguồn điện áp xoay chiều (ngắn mạch qua điện trở làm việc) đi qua chống sét van, dòng này gọi là dòng kế tục Khi cho tác dụng điện trở rất bé do đó dòng sét được tản trong đất dễ dàng và nhanh chóng, ngược lại ở điện áp làm việc thì điện trở tăng cao do đó hạn chế trị số dòng kế tục (thường không quá 80A) tạo điều kiện thuận lợi cho việc dập hồ quang ở chuỗi khe

hở Chính do tính chất cho qua dòng điện lớn khi điện áp lớn và ngăn dòng điện khi điện

áp bé nên loại chống sét này được gọi là chống sét van Trị số điện áp cực đại ở tần số công nghiệp mà chống sét van có thể dập tắt hồ quang của dòng điện kế tục gọi là điện

áp dập hồ quang, đó là một trong các tham số chủ yếu của chống sét van

b Cấu tạo chống sét van đường dây

Có vài bộ phận cơ bản là chung cho tất cả các loại chống sét van đường dây Tuy nhiên, mỗi chống sét van đường dây lại có một cấu hình khác nhau và phải được thiết kế cho từng ứng dụng cụ thể Thậm chí trong một số trường hợp có thể cần tới vài cấu hình khác nhau tuỳ thuộc vào vị trí và phương thức đấu nối chống sét Bộ phận kết nối và định hướng của chống sét phải được thiết kế cho từng vị trí lắp đặt cụ thể Tuy nhiên một chống sét van đường dây có những thành phần cơ bản như sau:

- Kẹp máng: Bộ phận này giống như bộ phận nối dây dẫn với chuỗi cách điện

- Khớp nối mềm: Là bộ phận rất quan trọng quyết định tuổi thọ của chống sét, nó loại trừ ứng lực trên chống sét do chuyển động của dây dẫn gây ra

- Shunt: Bộ phận dẫn điện từ dây dẫn đến chống sét van, giúp cho khớp nối mềm không phải dẫn dòng điện

- Thân chống sét: Thân của chống sét được thiết kế hàng loạt, phải xác định rõ chống sét chỉ để dẫn xung sét hoặc cả xung sét và xung quá áp do thao tác đóng, cắt thiết

bị gây nên

- Bộ phận ngắt khi sự cố: Trong trường hợp chống sét van bị sự cố, khi đó chống sét van trở thành điểm ngắn mạch trên đường dây, bộ phận ngắt khi sự cố sẽ hoạt động (tương tự cầu chì) cách ly chống sét van với đất

- Dây nối đất: Dây nối đất dùng để nối chống sét van với nối đất cột Việc kiểm tra dây nối đất rất quan trọng để chắc chắn rằng dây nối đất không bao giờ tiếp xúc với dây pha

Bên trong ống chứa hai phần tử chính là khe hở phóng điện và điện trở phi tuyến Khe hở phóng điện bao gồm nhiều cặp khe hở ghép nối tiếp, mỗi cặp khe hở được chế tạo bởi 2 đĩa đồng mỏng dập định hình Ở giữa là một tấm đệm mica hoặc bìa cách điện dày khoảng 1mm để tạo khe hở phóng điện Mỗi chống sét van có số cặp khe hở phóng điện tùy theo nhà chế tạo thiết kế Điện trở phi tuyến gồm các tấm hình trụ tròn ghép nối tiếp, nó có thể là Vilit hoặc Tirit hoặc ZnO thường là Vilit

Hình 1.8 Cấu tạo chống sét van đường dây [8]

c Nguyên lý làm việc

Nguyên lý hoạt động của chống sét van chủ yếu phụ thuộc vào tính chất của điện trở Vilit Khi điện áp đặt lên Vilit tăng cao thì giá trị điện trở của nó giảm và ngược lại khi điện áp giảm xuống thì điện trở sẽ tăng lên nhanh chóng Khi có quá điện áp đặt lên chống sét van, điện trở của chống sét van nhanh chóng hạ thấp xuống tạo điều kiện để tháo hết sóng sét qua nó xuống đất, đến khi đặt lên chống sét van chỉ còn là điện áp mạng thì điện trở của chống sét van lại tăng lên rất lớn chấm dứt dòng kế tục vào thời điểm thích hợp nhất Đồng thời trong khi tháo sét, điện áp dư trên chống sét van cũng có giá trị nhỏ, điều này sẽ đảm bảo an toàn cho thiết bị được bảo vệ

Chống sét van có đặc tính tác động tương đối bằng phẳng nên chống sét van không những có tác dụng hạ thấp biên độ mà còn làm giảm độ dốc của sóng sét Vì thế, nó có thể bảo vệ chống được hiện tượng xuyên kích giữa các vòng dây trong cùng một pha của các máy điện

1.3.3 Các vị trí lắp đặt chống sét van

Việc xác định vị trí lắp đặt chống sét van nhằm khai thác hiệu quả số chống sét van hiện có và đạt được một xác suất sự cố trong giới hạn cho phép không phải là đơn giản Thực tế, nếu trên một đường dây không có dây chống sét và không lắp đặt chống sét van, thì khả năng chọc thủng cách điện khi bị sét đánh trực tiếp vào dây pha là 100% Mặt khác, nếu trên đường dây có dây chống sét và có lắp chống sét van trên tất cả các dây pha của tất cả các vị trí cột thì khả năng xảy ra chọc thủng cách điện khi sét đánh trực tiếp vào dây pha là 0%

Bất kỳ kiểu lắp chống sét van nào khác nằm giữa hai kiểu trên đều làm giảm khả năng xảy ra chọc thủng cách điện Tuy nhiên, nếu không có nghiên cứu về việc hạn chế dòng sét thì khả năng bị phóng điện chọc thủng là một ẩn số

CHƯƠNG 2

TÍNH TOÁN SUẤT CẮT TRÊN ĐƯỜNG DÂY CAO ÁP 220KV TUYÊN

QUANG – THÁI NGUYÊN

2.1 GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN

Đường dây là phần tử dài nhất trong hệ thống điện nên thường bị sét đánh và chịu tác dụng của quá điện áp khí quyển

Quá điện áp khí quyển không những chỉ gây nên phóng điện trên cách điện đường dây mà còn truyền sóng vào trạm biến áp gây sự cố phá hoại cách điện trong trạm Do đó khi giải quyết vấn đề bảo vệ chống sét đường dây phải có quan điểm tổng hợp nghĩa là phải có kết hợp chặt chẽ với việc chống sét ở trạm, đặc biệt ở các đoạn đường dây gần trạm (đoạn tới trạm) phải được bảo vệ cẩn thận vì khi sét đánh ở khu vực này sẽ đưa vào trạm các quá điện áp với các tham số rất lớn, rất nguy hiểm cho cách điện của trạm Quá điện áp khí quyển có thể là do sét đánh thẳng lên đường dây hoặc sét đánh xuống mặt đất gần đó và gây nên quá điện áp cảm ứng trên đường dây Có thể thấy trường hợp đầu nguy hiểm nhất vì đường dây phải chịu đựng toàn bộ năng lượng của phóng điện sét, do đó nó được chọn để tính toán chống sét đường dây

Vì trị số của quá điện áp khí quyển rất lớn nên không thể chọn mức cách điện đường dây đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu của quá điện áp khí quyển mà chỉ chọn theo mức độ hợp lý về kinh tế và kỹ thuật Do đó yêu cầu đối với bảo vệ chống sét đường dây không phải là loại trừ hoàn toàn khả năng sự cố do sét mà chỉ là giảm sự cố tới giới hạn hợp lý (xuất phát từ yêu cầu và sơ đồ cung cấp điện của phụ tải, số lần cắt đóng điện ngắn mạch cho phép của máy cắt điện, đường dây có hoặc không có trang bị thiết bị tự động đóng lại )

Trong phạm vi chương này, tập trung vào cách tính toán số lần cắt điện do sét, trên cơ sở đó xác định phương hướng và biện pháp để giảm số lần cắt điện nói chung

Hình 2.1 Cấu trúc cột điện

Với độ treo cao trung bình của dây trên cùng (dây dẫn hoặc dây chống sét) là h, đường dây sẽ thu hút về phía mình các phóng điện của sét trên dải đất có chiều rộng là 6h và chiều dài là bằng chiều dài đường dây L Từ số lần có phóng điện sét xuống đất trên diện tích 1 km2 ứng với một ngày sét là 0,1÷0,15 có thể tính được tổng số lần có sét đánh thẳng lên đường dây hàng năm:

3 .6 .10

Trong đó:

- m = (0,1 ÷ 0,15) [lần/km2.ngày] s

- h : Độ cao trung bình của dây trên cùng (m) tb

-n ng s. : Số ngày có sét trong một năm (ngày/năm)

- L : chiều dài đường dây (km)

Nếu ta xét trên 100 km đường dây, thì số lần sét đánh lên 100 km đường dây trong một năm được xác định:

Vì tham số của phóng điện sét - biên độ dòng điện I và độ dốc của dòng điện s di

a

dt

lên đường dây đều dẫn đến phóng điện trên cách điện Để có phóng điện, quá điện áp khí quyển phải có trị số lớn hơn mức cách điện xung kích của đường dây, khả năng này được biểu thị bởi xác suất phóng điện (v ) và như vậy số lần xảy ra phóng điện trên d

cách điện sẽ là:

N pd N v pd (0,06 0,09) . h n tb ng s. v pd

Đây chưa phải là số lần nhảy máy cắt điện do sét hàng năm vì thời gian tác dụng của quá điện áp khí quyển rất ngắn, khoảng 100µs Trong khi thời gian làm việc của hệ thống bảo vệ rơ le thường không bé quá một nửa chu kỳ tần số công nghiệp tức 0,01s

Do phóng điện xung kích chỉ gây nên cắt điện đường dây khi tia lửa phóng điện xung kích trên cách điện chuyển thành hồ quang duy trì bởi điện áp làm việc của lưới điện Xác suất chuyển từ tia lửa phóng điện xung kích thành hồ quang phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố quan trọng nhất là Gradien của điện áp làm việc dọc theo đường phóng điện Trị số Gradien càng lớn thì việc duy trì điện dẫn trong khe phóng điện và chuyển thành hồ quang càng thuận lợi

Sự phụ thuộc vào xác suất chuyển thành hồ quang - gọi tắt là xác suất hình thành

hồ quang - vào Gradien của điện áp làm việc dọc theo đường phóng điện cho trong bảng sau:

Bảng 2.1: Xác suất hình thành hồ quang

lv lv pd

U E

l

Cuối cùng tính được số lần cắt điện do sét hàng năm của đường dây

- Dây chống sét làm nhiệm vụ bảo vệ chống sét đánh thẳng cho dây dẫn (dây pha), nhưng chưa phải là an toàn tuyệt đối mà vẫn còn khả năng sét đánh vào dây dẫn Trong thời gian gần đây, ở nhiều nước ngày càng sử dụng rộng rãi đường dây hai lộ đi trên cùng một cột điện, chiều cao cột có thể lên tới 40 50 (m) Kinh nghiệm vận hành của các đường dây này cho thấy xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn (

v) không những chỉ phụ thuộc vào góc bảo vệ α mà còn tăng theo chiều cao cột điện, xác suất này được biểu thị bởi công thức kinh nghiệm:

90

c h

V 

Trong đó: α - góc bảo vệ của dây chống sét ( độ )

h - chiều cao cột điện ( m ) c

- Dù không xét đến khả năng sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn thì việc bảo vệ bằng dây chống sét cũng không thể đảm bảo có mức chịu sét tuyệt đối Khi sét đánh vào dây chống sét sẽ gây nên điện áp tác dụng lên cách điện mà phần chủ yếu của nó là điện áp giáng lên bộ phận nối đất của cột điện Nếu dòng điện sét và điện trở nối đất cột điện lớn thì điện áp tác dụng lên cách điện có khả năng vượt quá mức cách điện xung kích của nó và gây nên phóng điện ngược tới dây dẫn Như vậy dây chống sét phát huy tác dụng nhiều hay ít còn phụ thuộc vào tình hình nối đất cột điện Trong vùng đất xấu dây chống sét sẽ không còn phát huy tác dụng nên có thể không dùng nó ngay cả

ở các đường dây 110 ÷ 330 kV

Cũng với lý do trên ở các đường dây điện áp thấp ( từ 35 kV trở xuống ) cũng không dùng dây chống sét Các đường dây này có mức cách điện không cao nên khi sét đánh vào dây chống sét thường đưa đến phóng điện ngược tới dây dẫn

Giảm xác suất hình thành hố quang η được thực hiện bằng cách giảm cường độ điện trường dọc theo đường phóng điện, như dùng cột, xà gỗ để tăng chiều dài của đường phóng điện Trong trường hợp này Gradien điện áp làm việc có thể giảm tới khoảng 0,1 ÷ 0,2 kV/m và xác suất hình thành hồ quang chỉ còn 10 ÷ 20 % Dùng cách điện gỗ còn có tác dụng làm tăng mức cách điện xung kích của đường dây nên xác suất

d

- Độ võng dây dẫn fdd 10m

- Độ võng dây chống sét f dcs 5m

- Điện trở nối đất của phần lớn cột điện của đường dây đo được la R c 21, 2 do

đó ta sử dụng giá trị điện trở cột này để tính toán suất cắt cho đường dây

- Chiều dài khoảng vượt l kv 300400m

- Điện áp phóng điện xung kích 50% của chuỗi sứ U50% 1050kV

- Chiều cao của cột điện: h c 42,5m

- Khoảng cách giữa hai dây chống sét là: d12 9, 2( )m

- Số ngày có sét hàng năm là n ng s 85 ngày/năm (theo báo cáo khảo sát)

Tính các tổng trở sóng khi chưa xét đến sự ảnh hưởng của vầng quang

dcs

h Z

42,5( )

ddA

h Z

bình của dây dẫn pha A

12,6 10

dd

là bán kính dây dẫn

2.3 TÍNH TOÁN SUẤT CẮT ĐƯỜNG DÂY:

Số lần sét đánh lên 100km chiều dài đường dây hàng năm:

(0,06 0,09). .

tb dcs ng s

h h  f     m

(0,06 0,09).39,16.85 (199.75 299.625)

2.3.1 Suất cắt đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn :

2.3.1.1 Số lần sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn:

như sau :

dd

0,8 50%

h U Z

2.10502

6, 72

6, 72

392, 066

cs cs

h U Z

Vậy xác suất xuất hiện sét đánh vòng qua dây chống sét là:

2.3.1.2 Xác suất phóng điện khi sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn:

Do góc bảo vệ     0 20 nên V pd được xác định theo công thức sau:

50%

4.

100.26,1 d

Theo bảng 3-2 sách thiết kế cao áp trang 37 thì   f E( lv)0,68

Vậy suất cắt đường dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn là:

2.3.2 Suất cắt đường dây do sét đánh vào dây chống sét ở khoảng vượt:

Để đơn giản trong tính toán ta giả thiết sét đánh vào chính giữa khoảng vượt Khi

đó dòng điện sét được chia đều cho hai phía như hình vẽ sau:

Hình 2.2: Sét đánh khoảng vƣợt

2.3.2.1 Số lần sét đánh vào khoảng vượt

Số lần sét đánh vào khoảng vƣợt đƣợc xác định theo công thức:

vào khoảng vƣợt của dây chống sét

a Xác suất phóng điện qua không khí giữa dây chống sét và dây dẫn:

- Khi sét đánh vào dây chống sét giữa khoảng vƣợt, ở nơi sét đánh cũng đƣợc

2

c Z

với tổng trở sóng của khe sét Z0d sc

- Trong thời gian đầu chƣa có sóng phản xạ từ hai cột bên cạnh về thì điện áp đặt lên dây chống sét bằng:

Z dcs là tổng trở sóng của dây chống sét có xét đến ảnh hưởng của vầng

dcs

Z Z



 Khi chưa kể đến ảnh hưởng của vầng quang, tổng trở sóng của một dây chống sét

dcs

td

h Z

td

h Z

dcs dcs

Z Z



- Sau khoảng thời gian 2 l kv 2 l kv

Trong đó: S là khoảng cách từ dây chống sét đến dây dẫn

- Tính xác suất phóng điện theo biểu thức:

* Tính k : Theo công thức tính xác suất phóng điện trên, nếu d k càng lớn thì d v d

càng lớn mặt khác, đường dây ta có 3 pha đặt theo trục thẳng đứng theo thứ tự từ trên xuống là A, B, C nên để tính chọn được k ta phải tiến hành tính toán hệ số kd với cả d

pha A và pha C, sau đó mới tiến hành chọn

h r



Vậy

0

82,256ln

5, 253

0.457

85, 25ln

0,016

a A

h r

11, 75

0, 297

85, 25ln

11,3 10

a C

- Gradien điện áp trên khoảng không khí:

Tra bảng 3-2 sách "Hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp kỹ thuật điện cao áp" ta lấy xác suất hình thành hồ quang  0,54

b Xác suất phóng điện trên cách điện của chuỗi sứ do sóng truyền vào cột khi sét đánh vào khoảng vượt của dây chống sét

- Khi sóng quá điện áp truyền tới các cột lân cận, do điện trở nối đất của cột điện

21, 2

c

phản xạ âm toàn phần, còn sóng dòng điện phản xạ dương, nên khi dòng điện ( )

- Và cảm ứng lên dây dẫn một điện áp là:U cu t k U d cs t

- Như vậy điện áp đặt lên cách điện của cột là:

2

cs i

- Ứng với mỗi a i ta có biên độ dòng điện sétI i  a i t i

tại thời điểm t i

Tra đặc tính V-S của chuỗi sứ kết hợp với biểu thức xác địnha , và i I với các thời i

gian t ta xác định được các cặp ( , ) i I a của những dòng điện sét nguy hiểm Từ đây vẽ i i

được đường cong tham số nguy hiểm của sét đánh vào khoảng vượt có treo dây chống sét

Theo công thức trên ta lập được bảng tham số đường cong nguy hiểm khi sét đánh vào khoảng vượt như sau: