ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP GIẢM SỰ CỐ DO SÉT TRÊN TUYẾN ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP 500KV XUẤT TUYẾN 578/PLEIKU – 572/DỐC SỎI”. LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP GIẢM SỰ CỐ DO SÉT TRÊN TUYẾN ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP 500KV XUẤT TUYẾN 578/PLEIKU ĐẾN 572/DỐC SỎI Học viên: Nguyễn Bá Dũng Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2018

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS ĐOÀN ANH TUẤN

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Bá Dũng

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Tóm tắt luận văn

Danh mục các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài: 1

1.1 Tình hình thực tế trong 5 năm (2013 - 2017): 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài: 1

2 Mục tiêu nghiên cứu: 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2

3.1 Đối tượng nghiên cứu: 2

3.2 Phạm vi nghiên cứu: 2

4 Phương pháp nghiên cứu: 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: 2

5.1 Ý nghĩa khoa học: 2

5.2 Ý nghĩa thực tiễn: 2

6 Bố cục đề tài: 2

Chương 1 - 3

TỔNG QUAN VỀ SÉT – QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN – BIỆN PHÁP BẢO VỆ 3 1.1 Tổng quan về sét: 3

1.1.1 Nguồn gốc của sét: 3

1.1.2 Các giai đoạn phát triển của sét: 3

1.1.2.1 Giai đoạn phóng điện tiên đạo: 3

1.1.2.2 Giai đoạn hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt khi tia tiên đạo đến độ cao định hướng: 4

1.1.2.3 Giai đoạn phóng điện ngược: 4

1.1.2.4 Giai đoạn phóng điện chủ yếu kết thúc: 5

1.1.3 Các tham số chủ yếu của sét: 5

1.1.4 Mật độ sét trên thế giới và Việt Nam: 6

1.1.4.1 Mật độ sét trên thế giới: 6

1.1.4.2 Mật độ sét ở Việt Nam [11]: 7

1.1.5 Ảnh hưởng của giông sét đến HTĐ Việt Nam: 8

1.2 Hiện tượng quá điện áp khí quyển: 10

1.3 Các biện pháp bảo vệ chống sét: 10

1.3.1 Biện pháp BVCS đường dây tải điện trên không: 10

1.3.2 Biện pháp BVCS TBA: 11

1.4 Phạm vi bảo vệ của DCS: 11

1.5 Lý thuyết mô hình điện hình học (MHĐHH): 12

1.5.1 Hiệu quả bảo vệ của thu lôi Franklin: 14

1.5.2 Hiệu quả bảo vệ của DCS: 15

1.5.2.1 Hiện tượng sét đánh dây dẫn trên ĐD có DCS: 15

1.5.2.2 Chọn góc bảo vệ của DCS: 16

1.5.2.3 Xác định số lần sét đánh vào DCS: 17

1.5.2.4 Phân bố giữa số lần sét đánh đỉnh cột và số lần sét đánh vào khoảng vượt: 18

Chương 2 - 19

TÍNH SUẤT CẮT ĐƯỜNG DÂY - ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐƯỜNG DÂY 500KV XUẤT TUYẾN 578/PLEIKU – 572/DỐC SỎI 19

2.1 Tổng quan về suất cắt: 19

2.1.1 Số lần sét đánh vào dây dẫn tải điện trên không: 19

2.1.2 Số lần phóng điện của cách điện ĐD: 19

2.1.3 Số lần cắt điện ĐD do sét: 20

2.2 Các phương pháp tính suất cắt ĐD tải điện cao áp: 21

2.2.1 Phương pháp cổ điển: 21

2.2.1.1 Các điều kiện giả thiết trong tính toán: 21

2.2.1.2 Suất cắt do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn: 22

2.2.1.3 Suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột hoặc lân cận đỉnh cột: 23

2.2.1.4 Suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt: 27

2.2.2 Phương pháp CIGRE tính suất cắt dựa trên mô hình điện hình học: 29

2.2.2.1 Các điều kiện giả thiết trong tính toán: 29

2.2.2.2 Xác định xác suất phóng điện: 29

2.2.3 Sơ đồ khối tính toán suất cắt ĐD: 31

2.3 Tính suất cắt ĐD 500kV xuất tuyến 578/Pleiku đến 572/Dốc Sỏi: 32

2.3.1 Giới thiệu chung về ĐD 500kV xuất tuyến 578/Pleiku - 572/Dốc Sỏi: 32

2.3.2 Kết quả tính toán: 34

2.4 Kết luận: 35

Chương 3 – 36

CÁC GIẢI PHÁP NHẰM GIẢM SUẤT CẮT ĐƯỜNG DÂY 500KV 36

XUẤT TUYẾN 578/PLEIKU ĐẾN 572/DỐC SỎI 36

3.1 Khái quát về tính toán chỉ tiêu chống sét của ĐD tải điện: 36

3.2 Giảm điện trở nối đất: 36

3.2.1 Khái quát về nối đất trong hệ thống điện: 36

3.2.1.1 Điện trở nối đất [11]: 38

3.2.1.2 Thực hiện nối đất: 39

3.2.1.3 ĐTS của đất và các nhân tố ảnh hưởng [11]: 39

3.2.1.4 Các phương pháp thường được sử dụng để giảm ĐTNĐ [6]: 40

3.2.1.5 Các yêu cầu về kinh tế - kỹ thuật khi thiết kế HTNĐ [7]: 41

3.2.1.6 Tính toán ĐTNĐ: 42

3.2.1.7 Nối đất chống sét: 45

3.2.1.8 Giảm ĐTNĐ đường dây: 52

3.2.2 Chương trình tính toán: 52

3.3 Phân tích hiệu quả kinh tế của giải pháp giảm điện trở nối đất: 56

3.3.1 Các chỉ tiêu dùng trong phân tích và đánh giá hiệu quả kinh tế-tài chính [12]: 56

3.3.2 Cơ sở tính toán: 57

3.3.3 Chương trình tính toán hiệu quả của giảm ĐTNĐ: 58

3.3.4 Kết quả tính toán: 58

3.3.5 Nhận xét: 60

3.4 Lắp chống sét van trên đường dây: 61

3.4.1 Khái quát về lắp CSV trên ĐD tải điện trên không: 61

3.4.2 Tính toán chi phí lắp CSV: 62

3.5 Giảm góc bảo vệ đường dây: 62

3.5.1 Khái quát chung: 62

3.5.2 Góc bảo vệ cụ thể đối với cột tiêu biểu đường dây 500kV: 63

3.5.3 Tính toán chi phí khi lắp chuỗi sứ V cho 01 vị trí: 65

3.6 Lắp bổ sung dây chống sét chạy bên dưới dây dẫn: 67

3.6.1 Khái quát chung: 67

3.6.2 Tính toán chi phí khi lắp bổ sung DCS tại 01 khoảng cột: 69

3.7 Kết luận: 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

1 Kết luận: 71

2 Kiến nghị: 71

3 Hướng phát triển của đề tài: 71

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 1

ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP GIẢM SỰ CỐ DO SÉT TRÊN TUYẾN ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP 500KV XUẤT TUYẾN 578/PLEIKU ĐẾN 572/DỐC SỎI

Học viên: Nguyễn Bá Dũng Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202 Khóa: K34 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt: Luận văn đã đi nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng quá điện áp khí quyển đến

đường dây tải điện trên không và đã tính toán suất cắt cho đường dây siêu cao áp 500kV xuất tuyến 578/Pleiku đến 572/Dốc Sỏi

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 sét đánh vòng dây chống sét vào dây dẫn

Từ kết quả tính toán suất cắt đường dây siêu cao áp 500kV 578/Pleiku đến 572/Dốc Sỏi, luận văn đã đưa ra các giải pháp nhằm giảm suất cắt đường dây như sau:

+ Giảm điện trở nối đất bằng phương pháp bổ sung nối đất đường dây Hiệu quả kinh tế

- kỹ thuật khi áp dụng giải pháp này

+ Lắp chống sét van trên đường dây và chi phí lắp đặt cho một vị trí

+ Giảm góc bảo vệ đường dây bằng phương pháp bổ sung chuỗi sứ V và chi phí cho một vị trí

+ Tăng hệ số ngẫu hợp bằng phương pháp lắp bổ sung dây chống sét và chi phí cho một khoảng cột

PROPOSAL OF THE MEASURES FOR REDUCING SHUT-DOWN BY LIGHTNING ON 500KV EXTRA HIGH VOLTAGE LINE, FEEDER

578/PLEIKU- 572/DOC SOI

Abstract: The thesis studied the effect of atmospheric overvoltage on the overhead

transmission line and calculated the cutting power for 500kV extra high voltage line, feeder

578/Pleiku - 572/Doc Soi

In which the thesis has to calculate the rate of line disconnecting in the case of lightning

at the top of the tower, line span and lightning strike rounding ground wires to conductor From the calculation results of 500kV high voltage line, feeder 578/Pleiku - 572/Doc Soi, the thesis proposes measures to reduce the rate of line disconnecting as follows:

+ To reduce earthing resistance by implementing earthing system Economic and technical efficiency when applying this measure

+ To install lightning arrester valve on the line and calculate the cost for one position + To reduce the line protection angle by adding V – shape insulator string and calculate cost for one tower

+ To increase coefficient factor of coupling by adding grounding wires and calculate cost for one line span

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BVCS Bảo vệ chống sét CSV Chống sét van DCS Dây chống sét

ĐD Đường dây ĐTNĐ Điện trở nối đất ĐTS Điện trở suất HTĐ Hệ thống điện HTNĐ Hệ thống nối đất MBA Máy biến áp NĐCS Nối đất chống sét PTC2 Công ty Truyền tải điện 2 PVBV Phạm vi bảo vệ

QĐA Quá điện áp TBA Trạm biến áp

XT Xuất tuyến

độ dòng sét

13

2.1 Xác suất hình thành hồ quang 20 2.2 Các thông số riêng của đường dây tính toán suất cắt 32 2.3 Tổng hợp kết quả tính suất cắt đường dây theo ĐTNĐ 35 3.1 Quy định ĐTNĐ ĐD trên không theo 11TCN-19-2006 37

3.3 Quy định kích thước tối thiểu của các loại điện cực NÐ 42 3.4 Biểu thức tính ĐTNĐ của cọc thẳng đứng 43 3.5 Giới hạn về chiều dài điện cực của nối đất phân bố dài 51 3.6 Kinh nghiệm sử dụng CSV của các nước 61 3.7 Chi phí lắp CSV tại 01 vị trí 62 3.8 Chi tiết vật liệu lắp bổ sung chuỗi sứ V cho 01 vị trí 66 3.9 Chi phí đầu tư lắp bổ sung chuỗi sứ V tại 01 vị trí 66 3.10 Chi tiết vật liệu lắp bổ sung DCS cho 01 khoảng cột 69 3.11 Chi phí đầu tư lắp bổ sung DCS tại 01 khoảng cột 69 3.12 Thiệt hại một lần sự cố đường dây do giông sét 70 3.13 Tổng hợp chi phí đầu tư của các giải pháp và thiệt hại 01

lần do sét

70

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hiệu

1.2 Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét

theo thời gian

4

1.5 Mật độ sét theo giờ qua các năm 7 1.6 Sét đánh vào đường dây tải điện trên không 9 1.7 Phạm vi bảo vệ của một và hai DCS 12 1.8 Quá trình phóng điện trực tiếp (lý thuyết MHĐHH) 13

2.2 Dòng điện sét theo thời gian 22 2.3 Dòng điện sét khi sét đánh vào dây dẫn 22 2.4 Sét đánh đỉnh cột ĐD có dây chống sét bảo vệ 23 2.5 Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng sét khi chưa có sóng phản

xạ tới

24

2.6 Sơ đồ tương đương mạch dẫn DĐ khi có sóng phản xạ tới 26 2.7 Khi sét đánh vào khoảng vượt 27

2.9 Sét đánh vào dây chống sét giữa khoảng vượt 29 2.10 Sơ đồ tính toán suất cắt theo phương pháp CIGRE 29 2.11 Sơ đồ khối tính toán suất cắt ĐD 500kV 31 2.12 Sơ đồ cột điện tiêu biểu tính suất cắt ĐD 500kV 33 2.13 Điện áp trên cách điện ĐD khi sét đánh vào khoảng vượt với 34

các biên độ khác nhau (Rnđ=15) 2.14 Điện áp trên cách điện ĐD khi sét đánh vào khoảng vượt với

3.2 Sơ đồ thay thế của mạng nối đất 38 3.3 Xác định điện trở của điện cực bán hình cầu 42 3.4 Ảnh hưởng của điện cực cạnh nhau 44 3.5 Sơ đồ thay thế hệ thống nối đất phân phối dài 49 3.6 Sơ đồ khối tính bổ sung ĐTNĐ bằng thanh 53 3.7 Sơ đồ khối tính bổ sung ĐTNĐ bằng cọc - thanh hỗn hợp 54 3.8 So sánh chi phí của ĐTNĐ bổ sung bằng thanh và thanh cọc

hỗn hợp với giá trị ĐTS của đất bằng 1556 .m

55

3.9 So sánh chi phí của ĐTNĐ bổ sung bằng thanh và thanh cọc

hỗn hợp với giá trị ĐTS của đất bằng 350 .m

55

3.10 So sánh chi phí của ĐTNĐ bổ sung bằng thanh và thanh cọc

hỗn hợp với giá trị ĐTS của đất bằng 884 .m

Biểu đồ thống kê sự cố do sét trên các tuyến ĐD 500kV thuộc PTC2 quản lý

1.2 Tính cấp thiết của đề tài:

- Hiện nay nhận định của cơ quan quản lý và thiết kế đối với “sét” là hiện tượng

tự nhiên, không thể có giải pháp để tránh triệt để sét đánh vào đường dây truyền tải điện trên không mà chỉ có thể nắm rõ các quy luật và hiện tượng của sét để từ đó chúng ta đưa ra những giải pháp phù hợp nhằm giảm suất sự cố do sét đánh vào đường dây, cũng như hạn chế các hư hỏng thiết bị do sét

- Tính chất đặc biệt của đường dây siêu cao áp 500kV khi mất điện sẽ gây mất điện trên diện rộng vùng, miền làm ảnh hưởng không nhỏ đến quá trình sản xuất kinh doanh sinh hoạt của nhân dân

- Quyết định số 1944/QĐ-TTg ngày 04/12/2017 của Thủ tướng Chính phủ: Đưa

Hệ thống truyền tải điện 500kV vào Danh mục công trình quan trọng liên quan đến An ninh Quốc gia

- Đường dây siêu cao áp 500kV thường đi qua các địa hình đồi, núi và trải dài qua nhiều địa phương nên khi sự cố thường gây khó khăn trong công tác kiểm tra phát hiện và khắc phục sự cố

- Đảm bảo VH an toàn liên tục các tuyến đường dây cao áp, siêu cao áp là nhiệm

vụ cấp thiết đối với ngành Truyền tải điện; việc nghiên cứu giảm sự cố do sét trên các tuyến ĐD 500kV là bổ sung thêm cho một giải pháp nhằm giảm thiểu suất sự cố ĐD

2 Mục tiêu nghiên cứu:

- Thứ nhất, nghiên cứu hiện tượng quá điện áp khí quyển

- Thứ hai, cơ sở lý thuyết để tiến hành tính toán suất cắt đường dây

- Thứ ba, các giải pháp giảm suất cắt 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 siêu cao áp 500kV xuất tuyến 578/Pleiku đến 572/Dốc Sỏi

3.2 Phạm vi nghiên cứu:

- Ảnh hưởng của hiện tượng quá điện áp khí quyển trên đường dây trên không

- Tính toán suất cắt điện đường dây 500kV XT 578/Pleiku - 572/Dốc Sỏi

- Đề xuất các giải pháp giảm suất cắt điện đường dây siêu cao áp 500kV xuất tuyến 578/Pleiku đến 572/Dốc Sỏi

4 Phương pháp nghiên cứu:

Trên cơ sở lý thuyết tính toán và số liệu thực tế vận hành lưới điện để tính toán, phân tích hiệu quả của giải pháp đưa ra dựa trên phần mềm Matlab, Excel

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Luận văn gồm 3 chương

Chương 1 - Tổng quan về sét, hiện tượng quá điện áp khí quyển và biện pháp bảo vệ Chương 2 - Tính suất cắt đường dây và ứng dụng tính toán trên đường dây siêu cao

áp 500kV xuất tuyến 578/Pleiku đến 572/Dốc Sỏi

Chương 3 - Các giải pháp nhằm giảm suất cắt đường dây siêu cao áp 500kV xuất

tuyến 578/Pleiku đến 572/Dốc Sỏi

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ SÉT – QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN – BIỆN PHÁP BẢO VỆ

1.1 Tổng quan về sét:

1.1.1 Nguồn gốc của sét:

Sét là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách rất lớn Nguồn sét chính là các đám mây mưa giông mang điện tích dương và âm ở các phần trên và dưới của đám mây, chúng tạo ra xung quanh đám mây này một điện trường có cường độ lớn

Hình 1.1: Hiện tượng giông sét

1.1.2 Các giai đoạn phát triển của sét:

1.1.2.1 Giai đoạn phóng điện tiên đạo:

Ban đầu xuất phát từ mây dông, các tia sáng mờ kéo dài từng đợt gián đoạn về phía mặt đất gọi là tia tiên đạo bậc, với tốc độ trung bình khoảng 1,5.107

cm/s

Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện 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

Thời gian phát triển của tia tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1µs, thời gian tạm ngưng phát triển giữa hai đợt khoảng 30 ÷ 90 µs

Đường đi của tia tiên đạo trong giai đoạn này không phụ thuộc vào tình trạng của mặt đất và tia tiên đạo phát triển theo phương có cường độ điện trường cao nhất phụ thuộc vào nhiều yếu tố ngẫu nhiên phức tạp

Chỉ khi kênh tiên đạo còn cách mặt đất một độ cao định hướng thì nó mới bị ảnh hưởng bởi các vùng tập trung điện tích ở mặt đất

Hình 1.2a Hình 1.2b Hình 1.2c Hình 1.2d

Hình 1.2: Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét theo thời gian

Hình 1.2a) Giai đoạn phóng điện tiên đạo

Hình 1.2b) Giai đoạn hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt

Hình 1.2c) Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu

Hình 1.2d) Phóng điện chủ yếu kết thúc, dòng sét đạt giá trị cực đại

1.1.2.2 Giai đoạn hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt khi tia tiên đạo đến độ cao định hướng:

Dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi điện tích của mây dông và điện tích trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích cảm ứng trái dấu trên vùng mặt đất phía dưới đám mây dông Nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới tia tiên đạo, nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn khác nhau thì điện tích cảm ứng sẽ tập trung chủ yếu ở vùng kế cận, nơi có điện dẫn cao như vùng ao hồ, sông ngòi, vùng đất ẩm, nước ngầm, khu vực có quặng kim loại, cột điện, kết cấu kim loại các nhà cao tầng, Kênh tiên đạo sẽ phát triển theo hướng

có điện trường lớn nhất Do đó các vùng tập trung điện tích cao sẽ là nơi đổ bộ của sét Như vậy vị trí sét đánh mang tính chọn lọc Đây là một đặc điểm của sét mà người ta

có thể tận dụng thiết kế các hệ thống bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình

1.1.2.3 Giai đoạn phóng điện ngược:

Khi kênh tiên đạo xuất phát từ đám mây giông tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiều (hay mặt đất), thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu bắt đầu

Cường độ điện trường trong khoảng cách còn lại giữa đầu kênh tiên đạo và mặt đất (hoặc giữa 2 đầu kênh tiên đạo ngược chiều) tăng cao gây nên sự ion hóa mãnh liệt trong không khí, hình thành một dòng plasma mới có mật độ điện tích rất cao (1016

đến

1019 ion/m3) Tốc độ của kênh phóng điện ngược vào khoảng 1,5.107-1,5.108 m/s (bằng

0,05-0,5 tốc độ ánh sáng) tức là nhanh gấp trên trăm lần tốc độ phát triển của tia tiên đạo Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt nên kênh phóng điện chính sáng chói chang (đó chính là tia chớp) Nhiệt độ trong kênh phóng điện có thể đến vài ba chục ngàn độ C Và sự dãn nở đột ngột của không khí bao quanh kênh phóng điện chính tạo nên những đợt sóng âm mãnh liệt gây nên những tiếng nổ chát chúa (đó là tiếng sấm)

và tiếng rền ì ầm kéo dài Đặc điểm quan trọng nhất của phóng điện chính là cường độ dòng lớn Nếu v là vận tốc của phóng điện chủ yếu và  là mật độ của điện tích thì dòng điện sét sẽ đạt giá trị cao nhất khi kênh phóng điện chính lên đám mây giông và bằng Is=v., đó chính là dòng điện ngắn mạch khoảng cách giữa mây - đất, có trị số từ vài kA đến vài trăm kA

1.1.2.4 Giai đoạn phóng điện chủ yếu kết thúc:

Khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây thì điện tích cảm ứng từ mặt đất cũng lên theo, tràn vào và trung hòa với điện tích âm của đám mây, số điện tích còn lại của đám mây sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống đất và tạo nên ở chỗ sét đánh một dòng điện có trị số giảm dần tương ứng với phần đuôi sóng của xung dòng sét Sự tỏa sáng mờ dần Trong 50% trường hợp sự tháo điện tích xuống đất này tạo nên một dòng không đổi khoảng 100A, kéo dài có thể đến 0,1s

Do thời gian kéo dài như vậy nên hiệu ứng nhiệt do nó gây ra cũng không kém phần nguy hiểm cho các công trình bị sét đánh

1.1.3 Các tham số chủ yếu của sét:

Hình 1.3: Dạng dòng điện sét

Dạng dòng điện sét như hình 1.3 có dạng một sóng xung Trung bình trong khoảng vài ba micro giây, dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sóng và sau đó giảm xuống chậm trong khoảng 20100 s, tạo nên phần đuôi sóng

- 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

Thời gian (  s)

- 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: 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

- Cường độ hoạt động của sét: Được biểu thị bằng số ngày trung bình có giông sét hằng năm hoặc bằng tổng số giờ trung bình có giông sét hằng năm

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

- Mật độ của sét: Tần suất (mật độ) phóng điện sét là số lần sét đánh trong 01 năm trong phạm vi 01 km2

trên mặt đất, ký hiệu ng ng phụ thuộc vào từng khu vực và xác định bằng phương pháp thống kê trong nhiều năm, được xác định như sau:

ng = nngs m Trong đó:

+ nngs: Số ngày giông sét trung bình trong năm

Thông số này phụ thuộc vào từng khu vực

+ m: Mật độ sét trung bình mỗi ngày sét (lần/km2.ngày sét)

Theo số liệu quan trắc trên thế giới, ở vùng đất có độ cao bình thường so với mực nước biển, thì trung bình m = 0,10,15

- Phân bổ dạng sóng dòng điện sét: Dạng sóng của dòng điện sét được biểu diễn

Hình 1.4: Bản đồ toàn cầu của sét frequency strikes/km 2 / năm

Các khu vực sét là không phân bố đều trên khắp hành tinh, có khoảng 70% sét xảy ra trên đất nằm trong vùng nhiệt đới, nơi phần lớn các cơn dông xảy ra; Còn ở các vùng phía bắc, cực nam và các khu vực trên các đại dương có sét đánh ít nhất

Hình 1.5: Mật độ sét theo giờ qua các năm (NASA OTD / LIS)

Bảng 1.1: Cường độ hoạt động giông sét tại các khu vực

Khu vực

Số ngày giông sét trung bình trong năm

nngs (ngày /năm)

Giờ giông trung bình (giờ /năm)

Mật độ sét trung bình (lần/km2.năm)

Tháng giông sét cực đại

Viện Vật lý Địa cầu đã lập “Bản đồ mật độ sét” trên toàn quốc khá chính xác và

đã phân ra 5 vùng đặc trưng về cường độ hoạt động giông sét trên toàn lãnh thổ Việt Nam như bảng 1.1, bao gồm: Khu vực đồng bằng ven biển miền Bắc (khu vực A) Khu vực miền núi trung du miền Bắc (khu vực B) Khu vực miền núi trung du miền Trung (khu vực C) Khu vực ven biển miền Trung (khu vực D) Khu vực đồng bằng miền Nam (khu vực E)

Xuất phát từ các số liệu về ngày giờ dông trong năm đối với 05 khu vực lãnh thổ Việt Nam, có thể tính toán đưa ra các giá trị dự kiến về mật độ phóng điện xuống đất cho các khu vực như bảng 1.2

Bảng 1.2: Trị số dự kiến mật độ sét theo khu vực

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

1.1.5 Ảnh hưởng của giông sét đến HTĐ 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

Khi có sét đánh vào công trình điện, nếu dòng sét đủ lớn, sẽ gây nên quá điện áp khí quyển vượt quá mức cách điện xung kích của cách điện sẽ gây phóng điện, làm cắt điện ĐD và trạm, thậm chí có thể hư hỏng cháy thiết bị

Những năm qua, PTC2 đã triển khai hàng loạt các 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 hoặc hóa chất giảm điện trở…

Hiện PTC2 cũng đang có kế hoạch 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, góc bảo vệ của dây chống sét ở các tuyến đường dây 500 kV để có phương án giảm thiểu sự cố

Hình 1.6: Sét đánh vào đường dây tải điện trên không

Hiện tượng sét đánh có thể xảy ra các trường hợp sau đây:

- Sét đánh vào đỉnh cột và DCS: Trường hợp này, nếu ĐTNĐ cột điện lớn thì điện áp giáng tại đỉnh cột và DCS đặt lên chuỗi cách điện ĐD sẽ lớn (điện áp này tỷ lệ với điện trở cột điện) Nếu giá trị điện áp này vượt mức cách điện xung kích ĐD (Uqa>U50%) thì sẽ gây ra phóng điện ngược từ DCS - dây dẫn qua cách điện ĐD

- Sét đánh trực tiếp vào dây dẫn, tức là sét đánh vòng qua DCS vào dây dẫn: Đây

là trường hợp sét đánh nguy hiểm nhất, khi đó toàn bộ điện áp sét sẽ đặt lên cách điện

ĐD và truyền vào trạm gây hậu quả nghiêm trọng Nếu giá trị điện áp này lớn hơn mức

cách điện xung kích ĐD (Uqa>U50%) thì sẽ gây ra phóng điện qua cách điện ĐD Mặt khác, sóng điện áp truyền vào trạm có thể gây quá áp và hư hỏng thiết bị

1.2 Hiện tượng quá điện áp khí quyển:

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, ĐD có hay không có thiết bị tự động đóng lại, ) 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 đường dây

1.3 Các biện pháp bảo vệ chống sét:

Bảo vệ quá áp trong hệ thống điện đã được đặt ra từ những năm cuối của năm 1800 Ban đầu là những hư hỏng của các đường dây trên không do bị sét đánh, các thiết bị bảo vệ chống sét liên tục được cải thiện về thiết kế, công nghệ cũng như định mức làm việc

1.3.1 Biện pháp BVCS đường dây tải điện trên không:

Để giảm bớt sự cố do sét gây nên, người ta dùng các biện pháp BVCS ĐD, như vậy đa phần những lần sét đánh lên ĐD sẽ được đưa xuống đất một cách an toàn Chỉ có một ít trường hợp dòng sét quá lớn hoặc sét đánh vòng qua DCS vào dây dẫn gây ra phóng điện ngược mặt ngoài cách điện

Việc BVCS ĐD đến mức an toàn tuyệt đối thường không thể thực hiện được vì vốn đầu tư vào ĐD quá lớn như: Tăng cường cách điện ĐD, giảm ĐTNĐ cột điện ĐD, hoặc dùng các thiết bị BVCS đắt tiền …

Do đó phương hướng đúng đắn là việc tính toán mức độ BVCS của ĐD phải xuất phát từ chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, nghĩa là một mặt làm cho số lần cắt điện ĐD do sét gây ra giảm đến mức thấp nhất có thể, một mặt đảm bảo tính kinh tế của biện pháp chống sét Điều này có nghĩa là phải tìm ra được phương thức BVCS ĐD sao cho hợp

lý nhất

Tuy nhiên, việc đưa ra một chỉ tiêu kinh tế cho BVCS ĐD là một vấn đề phức tạp Trước hết bài toán phụ thuộc quá nhiều yếu tố về kết cấu và yêu cầu cung cấp điện của lưới cũng như về các thiết bị BVCS của trạm, việc tính toán khá phức tạp và không thể đưa ra một chỉ tiêu chung

Hơn nữa hiện nay ta chưa có đủ số liệu về độ tin cậy, chỉ tiêu kinh tế cung cấp điện hoặc ảnh hưởng độ tin cậy đến tổn thất của phụ tải, …

Biện pháp BVCS ĐD tải điện cao áp đang sử dụng phổ biến nhất là treo DCS trên cùng cột với dây dẫn cần bảo vệ để bảo vệ sét đánh trực tiếp vào dây dẫn, kết hợp với giải pháp nối đất cột điện có giá trị điện trở thấp trong phạm vi cho phép

Các thông số quan trọng trong tính toán treo DCS là: Xác định độ cao và góc bảo

vệ của DCS, số lượng DCS cần sử dụng để có thể bảo vệ tất cả các dây dẫn pha

Đối với ĐD có cấp điện áp 110kV trở lên, DCS được treo trên suốt chiều dài ĐD Đối với ĐD có cấp điện áp 35kV, thường chỉ treo DCS đoạn gần tới trạm (1  2km) Đối với ĐD có cấp điện áp thấp hơn sẽ không thực hiện treo DCS

1.3.2 Biện pháp BVCS TBA:

BVCS cho TBA gồm: Bảo vệ sét đánh trực tiếp và BVCS lan truyền từ ĐD vào trạm BVCS đánh trực tiếp thường sử dụng bằng cột thu sét hoặc DCS treo phía trên các thiết bị và các xà đỡ dây, thanh cái của trạm

BVCS lan truyền vào trạm người ta dùng chống sét ống, chống sét van hoặc tăng cường bảo vệ ĐD đoạn gần tới trạm

Chỉ tiêu BVCS truyền vào trạm là một số liệu quan trọng nó cho phép đánh giá mức độ an toàn với sóng QĐA của trạm

Tuy nhiên, việc tính toán khá phức tạp, khối lượng tính toán lớn, do tham số của sóng từ ĐD truyền vào trạm rất khác nhau (phụ thuộc vào dòng điện sét, kết cấu ĐD,

vị trí sét đánh)

1.4 Phạm vi bảo vệ của DCS:

Để BVCS ĐD tải điện, người ta dùng DCS thay cho cột thu lôi DCS với mục đích BVCS đánh trực tiếp cho các dây pha ĐD hoặc TBA

DCS có 2 nhiệm vụ: vai trò tĩnh và vai trò động

Vai trò tĩnh là nhiệm vụ giảm điện thế của dây pha khi có mây giông; vai trò động là BVCS đánh trực tiếp, làm tắt dần các sóng QĐA bằng cách giảm tổng trở của dây pha, tạo sự che chắn chống QĐA cảm ứng

Hình 1.7: Phạm vi bảo vệ của một và hai DCS

Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với DCS của PVBV được xác định tương tự như cột thu lôi với các hoành độ là 0,6h và 1,2h

Chiều rộng của PVBV bx ở độ cao hx cũng được xác định tương tự như cột thu lôi:

bx = 1,2h 1

0,8

x h h

Có thể tính toán được trị số giới hạn của góc α là 310

Trong quy phạm trang bị điện 11TCN-19-2006, góc bảo vệ DCS đối với dây dẫn ngoài cùng phải <300 (đối với 1 DCS) và 200 (đối với 2 DCS) và thực tế thường chọn góc bảo vệ khoảng 200÷250

1.5 Lý thuyết mô hình điện hình học (MHĐHH):

Lý thuyết MHĐHH xuất hiện từ các năm 60 trong công trình của R.N Golde Golde giả thiết rằng khi tiên đạo sét bắt đầu định hướng tới công trình nào đó trên mặt đất như hình 1.8 thì sẽ xảy ra một quá trình phóng điện trực tiếp trên khoảng cách phóng điện rs từ đầu tiên đạo tới đỉnh công trình Quá trình này giống với phóng điện khoảng cách dài trong phòng thí nghiệm

Hình 1.8: Quá trình phóng điện trực tiếp (lý thuyết MHĐHH)

Từ đó xây dựng được quan hệ: Grad U = f(rs,Q) = 35kV/cm (1.2) Trong đó:

- Grad U: Điện trường phóng điện trung bình ở khoảng cách dài có trị số bằng

35KV/cm

- rs: Khoảng cách phóng điện

- Q: Điện tích của lớp mây giông tích điện

Theo kết quả thống kê quan hệ giữa dòng điện sét I với điện tích Q được thể hiện dưới dạng:

Trước khi đi vào vận dụng, khai thác lý thuyết MHĐHH sẽ giới thiệu các quy ước về mật độ sét (số lần sét đánh trên diện tích 01 Km2

Và khi kết hợp với (1.5); (1.6) sẽ được:

1.5.1 Hiệu quả bảo vệ của thu lôi Franklin:

(1.5)

(1.6)

(1.7) Hình 1.9: Phân bố góc lệch Hình 1.10: Mật độ sét trên diện tích ngang

Hình 1.11: Hiệu quả bảo vệ của thu lôi Franklin

Cho dòng điện sét lấy giá trị Ii sẽ xác định được khoảng cách phóng điện rSi

=6,72Ii0,8 và vẽ đường ABCD cách đều mặt đất

Khi tiên đạo sét xuất hiện trên đoạn thẳng AB và CD thì quá trình phóng điện trực tiếp sẽ hướng tới mặt đất Khi tiên đạo sét xuất hiện trên cung BC thì sét sẽ đánh vào đỉnh thu lôi PVBV (PVBV) - miền mà tiên đạo sét không thể vươn tới là hình nón tròn xoay có đường sinh là cung vòng tròn TM; vòng tròn này có tâm là điểm C (hoặc B) và có bán kính là rs như hình 1.11

Bán kính đáy của PVBV là:

Chứng minh từ quan hệ OM2 = OT OT’ và OT=h; OT’= h+2(rsi-h)

Biểu thức trên cho thấy PVBV của thu lôi Franklin phụ thuộc vào 2 yếu tố:

- Độ cao thu lôi (h)

- Dòng điện sét (Ii)

1.5.2 Hiệu quả bảo vệ của DCS:

1.5.2.1 Hiện tượng sét đánh dây dẫn trên ĐD có DCS:

Cho dòng điện sét lấy giá trị Ii sẽ xác định được khoảng cách phóng điện rsi và vẽ đường ABCD như trên hình 1.12

Nếu tiên đạo sét xuất hiện trên cung AB thì sét sẽ đánh vào DCS và khi tiên đạo xuất hiện trên CD thì sẽ phóng điện xuống đất Chú ý rằng khi tiên đạo sét xuất hiện trên cung BC thì sét sẽ đánh vào dây dẫn

Ở trị số dòng điện lớn hơn (I > Ii) thì vòng cung B’C’ bị rút ngắn và cho tới điểm

M thì vòng cung này triệt tiêu Như vậy hiện tượng sét đánh dây dẫn chỉ xảy ra khi dòng điện sét bé hơn trị số ngưỡng I01 xác định từ khoảng cách phóng điện:

Dễ dàng chứng minh được:

Hình 1.12: Xác định sét đánh dây dẫn trên ĐD có DCS

Và suy ra:

Ở các trị số dòng điện I I01 thì sét chỉ có thể đánh vào DCS hoặc đánh xuống đất

mà không đánh vào dây dẫn

Zdd - Tổng trở sóng dây dẫn ()

Phóng điện trên cách điện ĐD xảy ra khi QĐA vượt trên mức cách điện U50 (BIL) của cách điện và từ đó xác định được ngưỡng dòng điện I02:

I02 = 2U50/Zdd (1.9) Với yêu cầu như đã nêu góc bảo vệ  sẽ được chọn theo điều kiện I01 I02

Và suy ra:

Biểu thức trên dẫn đến quan hệ  (hcs) được minh họa trên hình 1.13 Đáng chú ý

là khi cột rất cao góc  có thể lấy giá trị âm Lúc này DCS được treo phía bên ngoài khoảng không gian của các dây dẫn

Hình 1.13: Quan hệ góc bảo vệ α của DCS

(1.10)

1.5.2.3 Xác định số lần sét đánh vào DCS:

Trong tính toán đã giả thiết DCS treo ngang và ở độ cao bằng độ treo cao trung bình Ứng với giá trị dòng điện sét Ii sẽ có khoảng cách phóng điện rsi và xác định được mặt trụ thu sét của DCS như trên hình 1.14

Hình 1.14: Xác định mặt trụ thu sét của DCS

Vi phân diện tích mặt trụ được xác định theo:

Vi phân diện tích dAđược đặt vuông góc với tiên đạo sét sẽ bằng:

Từ đó sẽ xác định được vi phân của số lần sét đánh vào DCS ở dòng điện Ii (tính với chiều dài 100 km):

và được:

Các cận tích phân được xác định bởi:

Riêng cận tích phân 1 sẽ được xác định theo 2 trường hợp:

a/ Khi I  I01 - Lúc này góc 1 ứng với điểm B hình 1.12 và có trị số:

1 = /2 - +

1.5.2.4 Phân bố giữa số lần sét đánh đỉnh cột và số lần sét đánh vào khoảng vượt:

Từ khoảng cách phóng điện rs ứng với giá trị dòng điện sét I sẽ vẽ được đường ABCD phân định ranh giới giữa các cú sét đánh vào đỉnh cột (khi tiên đạo xuất hiện trên các cung AB và CD) và vào khoảng vượt (khi tiên đạo xuất hiện trên cung BC) Miền thu sét vào đỉnh cột được biểu thị bởi tọa độ x0 xác định gần đúng theo:

Hình 1.15: Ranh giới giữa các cú sét đánh vào đỉnh cột và khoảng vượt

Từ kết quả trên nhận thấy nếu đạt điều kiện:

x0  l/2 hoặc f.rs = l2/8 thì các cú sét sẽ tập trung vào đỉnh cột mà không còn đánh vào DCS Tình hình trên xảy ra khi dòng điện sét rất lớn hoặc khi khoảng vượt có độ võng (f) lớn Số lần sét đánh đỉnh cột được xác định tương tự như các tính toán ở phần trên:

Số lần sét đánh vào DCS trong khoảng vượt sẽ bằng:

NKV = N - Nc (1.12)

(1.11)

Chương 2 - TÍNH SUẤT CẮT ĐƯỜNG DÂY - ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐƯỜNG

DÂY 500KV XUẤT TUYẾN 578/PLEIKU – 572/DỐC SỎI

2.1 Tổng quan về suất cắt:

Khi ĐD bị phóng điện sét nếu biên độ dòng sét lớn tới mức làm cho QĐA xuất hiện lớn hơn điện áp phóng điện xung kích của cách điện sẽ dẫn đến phóng điện và gây ngắn mạch ĐD, buộc máy cắt đầu ĐD phải tác động

Như vậy việc cung cấp điện bị gián đoạn BVCS cho ĐD phải xuất phát từ chỉ tiêu kinh tế kết hợp với yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu cung cấp điện của ĐD đó

2.1.1 Số lần sét đánh vào dây dẫn tải điện trên không:

Khi xác định PVBV của DCS đã nhận thấy xác suất sét đánh vào ĐD phụ thuộc vào độ treo cao của dây dẫn trên cùng (dây dẫn hoặc DCS)

Nếu hcstb là độ treo cao trung bình của dây trên cùng thì phạm vi bề rộng B=2hcstb

về mỗi phía của ĐD, toàn bộ sét đánh sẽ vào dây dẫn Khi B>2hcstb thì xác suất đánh vào dây dẫn giảm dần và khi B5hcstb thì toàn bộ số lần sét đánh đều xuống đất

Như vậy trung bình có thể tính khi B≤3hcstb về mỗi phía của dây dẫn thì toàn bộ sét đánh vào dây dẫn Hay nói cách khác, dây dẫn có khả năng thu toàn bộ số lần sét đánh về phía mình trong phạm vi 2B≤6hcstb ở cả về 2 phía của nó

Nếu đường dây có chiều dài là L thì diện tích của khu vực 100% sét đánh vào

ĐD là 6hcstbL đối với ĐD có 1 DCS và (6hcstb+S)L đối với ĐD có 2 DCS Trong đó, S

là khoảng cách giữa 2 DCS (hoặc pha cao nhất đối với ĐD không có DCS)

Gọi m là mật độ sét trung bình trong mỗi ngày (hoặc mỗi giờ) có giông sét và n

là số ngày (hoặc mỗi giờ) có giông sét trung bình mỗi năm trong khu vực có ĐD đi qua, thì số lần sét đánh trung bình vào ĐD trong 01 năm là:

- Đối với ĐD có một DCS: N=6h cs tb m.n.10 -3 (2.1)

- Đối với ĐD có hai DCS: N=(6h cs tb +S).m.n.10 -3

Với h cs tb tính bằng m; L tính bằng km và S tính bằng m

2.1.2 Số lần phóng điện của cách điện ĐD:

Phóng điện trên cách điện chỉ xảy ra khi QĐA khí quyển có trị số cao hơn hoặc bằng mức cách điện xung (U50%) của ĐD

Dòng sét có biên độ và độ dốc tương ứng với QĐA bằng mức cách điện xung của

ĐD được gọi là mức chịu sét hay mức BVCS của ĐD: ibv, abv

Xác suất xuất hiện dòng sét bằng hoặc lớn hơn mức chịu sét đó của ĐD cũng

chính là xác suất phóng điện v p trên cách điện ĐD

Như vậy, số lần phóng điện trên cách điện ĐD trong một năm là:

- Đối với ĐD có một DCS: N p =N.v p =6h cs tb m.n.v p. 10 -3 (2.2)

- Đối với ĐD có hai DCS: N p =(6h cs tb +S).m.n.v p 10 -3

2.1.3 Số lần cắt điện ĐD do sét:

Cắt điện đường dây chỉ xảy ra khi phóng điện tia lửa xung chuyển thành phóng điện hồ quang ổn định duy trì bởi điện áp làm việc của ĐD tức là ngắn mạch chạm đất bằng hồ quang ổn định

Xác suất chuyển từ phóng điện tia lửa thành phóng điện hồ quang ổn định phụ thuộc vào nhiều yếu tố (như công suất nguồn, điều kiện khí tượng ) trong đó quan trọng nhất là gradient điện áp dọc theo chiều dài cách điện (tức điện áp trên một đơn vị chiều dài của cách điện ĐD)

Gradient điện áp làm việc càng cao thì dẫn đến trong khe phóng điện càng duy trì lâu, do đó việc chuyển thành hồ quang càng thuận lợi

Xác suất chuyển thành hồ quang ổn định trên bề mặt chuỗi cách điện được xác định bằng thực nghiệm như bảng 2.1

Bảng 2.1: Xác suất hình thành hồ quang

Đối với ĐD 500kV cột thép có thể tính gần đúng xác suất chuyển thành hồ quang

ổn định tại chuỗi cách điện 1

Như vậy, số lần cắt điện ĐD do sét hằng năm bằng:

- Đối với ĐD có một DCS: N c =6h cs tb m.n.v p 10 -3 (2.3)

- Đối với ĐD có hai DCS: N c =(6h cs tb +S).m.n.v p 10 -3

Để so sánh khả năng chịu sét các ĐD có thông số khác nhau, đi qua những vùng

có hoạt động của sét khác nhau thường dùng suất cắt điện đường dây nc, tức là số lần trung bình cắt điện hằng năm do sét trên 100km ĐD như sau:

- Đối với ĐD có một DCS: n c =0,6h cs tb m.n.v p  (2.4)

- Đối với ĐD có hai DCS: n c =(6h cs tb +S).m.n.v p 10 -1

Từ (2.4) thấy rằng, muốn giảm suất cắt ĐD phải giảm xác suất phóng điện v p và xác suất hình thành hồ quang ổn định

Như đã biết v p =P{UcđU50%}, do đó để giảm xác suất phóng điện v p tùy từng trường hợp cụ thể, có thể bằng:

- Tăng cường cách điện ĐD (tăng số lượng đĩa sứ, dùng cột xà gỗ) để tăng mức cách điện xung U50% của ĐD

- Treo DCS (hoặc tăng số DCS) để giảm số lần sét đánh thẳng vào dây dẫn và giảm điện áp tác dụng lên cách điện

- Giảm ĐTNĐ cột điện để giảm điện áp tác dụng lên cách điện

(kV/m) l

3

U E

2.2 Các phương pháp tính suất cắt ĐD tải điện cao áp:

Suất cắt do sét là số lần sự cố do sét gây nên trên đoạn ĐD dài 100km trong 01 năm Đây là một chỉ tiêu nói lên phẩm chất chống sét của ĐD và mức độ an toàn vận hành khi ĐD bị sét đánh

Để xác định suất cắt do sét của một đường dây truyền tải, người ta thường sử dụng một trong các phương pháp sau

2.2.1 Phương pháp cổ điển:

2.2.1.1 Các điều kiện giả thiết trong tính toán:

* Các trường hợp sét đánh vào ĐD được phân ra các trường hợp sau đây:

- Sét đánh vào đỉnh cột hoặc trên DCS nơi lân cận đỉnh cột

Số lần sét đánh vào ĐD tương ứng với trường hợp này là:

Nc N/2 (lần/100km/năm) (2.5)

Trong đó: N là tổng số lần sét đánh vào ĐD (chiều dài 100km trong 01 năm) Thành phần suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột được ký hiệu là nc

- Sét đánh vào DCS trong khoảng vượt

Số lần sét đánh vào ĐD tương ứng với trường hợp này là:

h α

Hình 2.1: Sét đánh vào đường dây

Trong đó: : góc bảo vệ của DCS (độ) hcs: chiều cao cột đỡ DCS (m)

Suất cắt do sét đánh vào dây dẫn được ký hiệu là ndd

Như vậy biểu thức của suất cắt do sét được viết theo:

tkhi







ds s

a

t a

Xác suất để dòng điện sét vượt quá trị số I sẽ là:

26,1 I i

i

e v



Xác suất để độ dốc dòng điện sét vượt quá trị số a sẽ là:

10,9 a a

i

e v

Khi ĐD có DCS thì phần lớn số lần sét đánh vào DCS Tuy nhiên cũng còn một

số ít lần sét đánh vòng qua khu vực bảo vệ của DCS vào dây dẫn với xác suất như công thức (2.8)

Khi dây dẫn bị sét đánh, dòng trên dây dẫn là IS/4, vì mạch của khe sét sẽ được nối với tổng trở sóng của dây dẫn có trị số như hình 2.3

Có thể coi dây dẫn hai phía ghép song song và Zdd = (400500)  nên dòng điện sét giảm đi nhiều so với khi sét đánh vào nơi có nối đất tốt

Ta có dòng điện sét ở nơi sét đánh là:

2 I 2

Z Z

Z I

dd 0

U 4

.Z I



dd

50%

s Z

s

26,1.Z 4.U 26,1 I

pd e e v

ici

c

Ic s

Ic s

các bộ phận nối đất của các cột lân cận Điện áp trên cách điện của ĐD khi sét đánh

vào đỉnh cột có treo DCS là:

lv cs

d cu is dd iC dd c c c

dt

d (t) M dt

d L R i (t)

Trong biểu thức (2.17) điện áp xuất hiện trên cách điện gồm:

- Thành phần điện áp giáng trên điện trở và điện cảm của cột do dòng sét đi trong cột gây ra:

dt

d L R



- Thành phần điện áp do dòng điện đi trong DCS gây ra, k là hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và DCS: kUcs

- Điện áp làm việc trung bình của ĐD: Ulv

Dấu trừ (-) thể hiện điện áp này ngược dấu với thành phần điện áp khác trong công thức (2.17), thành phần này làm giảm điện áp trên cách điện khi bị sét đánh

* Các thành phần điện áp giáng trên điện trở và điện cảm của cột do dòng điện sét đi trong cột gây ra và điện áp trên DCS liên quan với nhau vì chúng phụ thuộc vào điện

áp đi trong cột và DCS Để tính toán các thành phần này có thể dựa vào sơ đồ tương đương của mạch dẫn dòng điện sét Ta chia làm hai trường hợp:

- Trường hợp khi chưa có sóng phản xạ từ cột bên trở về:

Z

dt

di (t).

2ics

Rc

cs cL

is

ic

Trong sơ đồ dòng sét được coi như một nguồn dòng, còn thành phần từ của điện

áp cảm ứng trên DCS như một nguồn áp

Δhβ).H(1

Hv.tln.0,2.h(t)

M

cs cs

Trong đó:

+ hcs độ cao DCS; hdd độ treo cao của dây dẫn; hc độ cao của cột; H = hdd + hcs;

h = hc - hdd

+  tốc độ phóng điện ngược tương đối của dòng sét Theo sách hướng dẫn thiết

kế kỹ thuật điện cao áp ta có  = 0,3

+  = .c với c là tốc độ ánh sáng, c = 3.108

m/s = 300m/s + Lccs; Lcdd là điện cảm của cột từ mặt đất tới DCS hoặc dây dẫn

Δhr

2Hln0,2.hL

dd td

dd dd

c (2.19) Khi tính cho DCS ta chỉ việc thay hdd bởi hcs

rtd: Bán kính tương đương của dây tiếp địa từ cột xuống cọc nối đất chính là dây dẫn dòng sét trong thân cột

Từ sơ đồ thay thế DCS được biểu thị bởi tổng trở sóng của DCS, có xét đến ảnh hưởng của vầng quang Từ sơ đồ hình 2.5 ta viết hệ phương trình như sau:

i 2i i

(*) 0 2

Z 2i (t) a.M dt

di L R i

s cs c

vq cs s cs

c cs c

vq cs vq cs c

α

Z(t)2M.tZZ

a(t)

c vq

cs

vq cs c

cs c c vq

cs 1

2.R Z

a.Z dt

di

2.L

2.R Z

r

2.h 60.ln

Trong đó:

2

dsr

;f3

2h

hcstb  cs cs cs

Điện áp giáng trên DCS Ucs (t) =ics (t).Zcs

- Trường hợp khi có sóng phản xạ từ cột bên trở về: t > 2lkV/v

Trường hợp này tính chính xác phải áp dụng phương pháp đặc tính, ở đây để đơn

giản ta tính gần đúng tức là có thể thay DCS bằng điện cảm tập trung nối tiếp với điện trở của đất của hai cột bên cạnh như hình 2.6

M cs( ). s2i cs

R c

cs c

Hình 2.6: Sơ đồ tương đương mạch dẫn dòng điện khi có sóng phản xạ tới

Lcs: là điện cảm của một khoảng vượt DCS không kể đến ảnh hưởng của vầng quang

c

.lZ

L o.cs kv

cs 

Trong đó:

Zo.cs: là tổng trở sóng của DCS không kể đến ảnh hưởng của vầng quang;

lkV: chiều dài khoảng vượt; c: tốc độ ánh sáng c =300/s

c

.t α cs

cs c

2 2

.e α 2R

(t) 2M L

a.

dt di

) e (1 2R

(t) 2M L

a.

(t) i

2

2.L L

2R α

.a 0,1.h (t)

cu.o d

cu

h

hK1(t)

U(t)

Với K là hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn với DCS

* Thành phần từ của điện áp cảm ứng: Độ dốc của dòng sét a = (dic/dt) có thể coi là một hằng số đối với mỗi dòng điện sét

Do đó để tính thành phần từ của điện áp cảm ứng ta phải xác định Mdd(t)

Δhβ).H(1

Hv.tln0,2h(t)M

dd dd

dd

(2.22)

(2.27)

* Xác định suất phóng điện Vpđ: Từ các giá trị điện áp giáng trên chuỗi cách điện và

từ đặc tuyến vôn – giây của chuỗi sứ ta có các giá trị thời gian xảy ra phóng điện (ti) Biên độ dòng điện sét nguy hiểm sẽ là: Ii = ai ti

Từ đây ta có xác suất phóng điện là:





 n1 i

a I

pd Vi.ΔΔiV

Suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột: nc = Vpđ Nc.

2.2.1.4 Suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt:

Hình 2.7: Khi sét đánh vào khoảng vượt

Số lần sét đánh vào khoảng vượt là: NkV= N / 2 (2.29)

(I,

U cd là thành phần QĐA do dòng sét gây ra phụ thuộc vào biên độ (I) và độ dốc sét (a)

Ulv: điện áp làm việc của ĐD

Xác suất các dòng điện sét có biên độ I  Is và độ dốc a  as là:

) 10,9 a 26,1 I a

I,

s s

e V

i pd lv i i cd i

cd

.taI

)(tUU)a

;.(IU)(tU

Upđ(ti) điện áp phóng điện lấy theo đặc tính vôn giây (V - S) tại ti

(2.28)

Do coi dòng điện có dạng I = a t thì thành phần Ucđ' (I,a) tỷ lệ với độ dốc a

Ta có thể đặt: Ucđ' (I,a) = Z.a (2.33) Vậy: Upđ (ti) = Z.ai + Ulv (2.34) Hay ta có độ dốc đầu sóng nguy hiểm ai tại thời điểm ti:

Z

U ) (t U

U)(tUa

i cd

lv i pd

I

a

H×nh (2 – 8): §-êng cong nguy hiÓm

Hình 2.8: Đường cong nguy hiểm

Xác suất phóng điện được tính theo xác suất xuất hiện ở miền bên phải phía trên đường cong nguy hiểm ở hình 2.8

Từ đường cong nguy hiểm ta có thể xác định được:



 1

0

a i

pd V.dV

a a 26,1 I i

i i

e V

; e V







Bằng phương pháp gần đúng và tuyến tính hoá đường cong nguy hiểm chia đường cong thành n = (10  15) khoảng

Ta có:





 n1 i

a I

pd Vi.ΔΔ iV

Sau khi xác định được Vpđ, thay số vào (2.30) ta có suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt của ĐD

(2.38)

Hình 2.9: Sét đánh vào dây chống sét giữa khoảng vượt

2.2.2 Phương pháp CIGRE tính suất cắt dựa trên mô hình điện hình học:

2.2.2.1 Các điều kiện giả thiết trong tính toán:

- Không xét thành phần điện áp cảm ứng, điện áp làm việc, điện cảm thân cột

- Góc bảo vệ của DCS đã được chọn theo lý thuyết mô hình điện hình học nên không tồn tại khả năng sét đánh vào dây dẫn (ndd =0)

- Sự cố sét chỉ được gây nên bởi các trường hợp sét đánh đỉnh cột, số trường hợp này chiếm khoảng 60% tổng số lần sét đánh ĐD

Ta có: N=0,6.N.vpđ (lần /100km.năm) (2.39)

2.2.2.2 Xác định xác suất phóng điện:

* Đối với ĐD treo 2 DCS: Sơ đồ cột điện và tính toán được biểu thị trên hình 2.10

Để xác định hệ số ngẫu hợp sẽ viết hệ phương trình Maxwell:

I

Z Z