Nghiên cứu phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp 110 KV sơn la

CWW chopped wave withstand- Cường độ cách điện đỉnh xung sét FACTS Flexible Alternating Current Transmission System Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FOW front of wave- Điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Hữu Thức

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Đức Tường

Đề tài luận văn: “nghiên cứu phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm

các nội dung sau:

- Đã sửa một số lỗi chính tả, lỗi chế bản trong luận văn

- Đã chỉnh sửa một số nội dung theo ý kiến của Hội đồng bào vệ

Thái Nguyên, ngày 26 tháng 10 năm 2020

Người hướng dẫn khoa học

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên: Nguyễn Hữu Thức

Học viên: Lớp cao học K21, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Nơi công tác: Công ty Điện lực Sơn La

Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu phương thức bảo vệ quá điện áp

khí quyển cho trạm biến áp 110 kV Sơn La.”

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Đức Tường và

sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 9 năm 2020

Học viên thực hiện

Nguyễn Hữu Thức

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận được sự

hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của TS Nguyễn Đức Tường, người trực tiếp hướng dẫn

luận văn cho tôi Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trường Đại

học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi có

thể hòan thành đề tài nghiên cứu này Tôi cũng xin chân thành cảm ơn những đóng

góp quý báu của các bạn cùng lớp động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện

đề tài Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến các cơ quan xí nghiệp đã giúp tôi khảo sát

tìm hiểu thực tế và lấy số liệu phục vụ cho luận văn

Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp

và bạn bè đã luôn động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng tôi trong suốt quá trình

học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 9 năm 2020

Học viên

Nguyễn Hữu Thức

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC VIẾT TẮT vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

PHẦN MỞ ĐẦU 1

I Tính cấp thiết của đề tài 1

II Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

III Phạm vi nghiên cứu 2

IV Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

V Phương pháp nghiên cứu 2

VI Kết cấu của luận văn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH DÔNG SÉT VÀ PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 2 CHO TRẠM BIẾN ÁP 4

I Cơ chế hình thành và phát triển dông sét 4

II Quá trình hình thành phóng điện sét 6

1 Giai đoạn phóng điện tiên đạo bước 6

2 Phóng điện ngược 7

III Tham số của phóng điện sét ảnh hưởng tới hệ thống điện 9

1 Khoảng cách sét đánh 9

2 Dòng điện sét 10

3 Độ dốc đầu sóng dòng điện sét 11

4 Cường độ hoạt động của sét 11

5 Mật độ sét phóng điện xuống đất 13

IV Phương thức bảo vệ chống sét cho trạm biến áp 14

1 Phương pháp thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 16

2 Bảo vệ chống sét cấp 2 cho trạm biến áp 18

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 20

CHƯƠNG 2: HIỆN TRẠNG TRẠM BIẾN ÁP 110 KV SƠN LA 21

I Tổng quan về trạm biến áp 110kV Sơn La 21

1 Vai trò của trạm biến áp 110kV Sơn La 21

2 Thông số máy biến áp 22

3 Thông số máy biến áp T2: 25

II Hiện trạng của hệ thống bảo vệ chống sét cấp 2 của trạm 110kV Sơn La 27

III Tình hình sự cố lưới điện tỉnh sơn la và trạm biến áp 110kV Sơn La 28

IV Khảo sát tình hình dông sét trên địa bàn Tỉnh Sơn La 29

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 30

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TRẠM BIẾN ÁP 110 KV SƠN LA BẰNG CHƯƠNG TRÌNH ATPDRAW 31

I Chương trình ATP-EMTP 31

II Phân hệ chương trình ATPDraw 32

1 Phần tử đo lường: 32

2 Nh¸nh (Branches) 33

3 Đường dây và cáp (Lines/Cables) 34

4 Chuyển mạch (Switches) 35

5 Nguồn (Sources) 36

6 Máy biến áp điện lực (Transformers) 37

III Mô phỏng Trạm biến áp 110 kV Sơn La bằng chương trình ATPDraw 38

1 Giới thiệu 38

2 Mô hình trạm biến áp 110 kV Sơn La trong chương trình ATPDraw 38

3 Mô hình các phần tử trong sơ đồ 40

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 53

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ TIN CẬY CỦA BẢO VỆ CẤP 2 CỦA TRẠM BIẾN ÁP 110 KV SƠN LA 54

I Giới thiệu chung về chống sét van 54

2 Đặc tính phi tuyến của chống sét van 58

III Độ dự trữ cách điện 60

1 Hệ số bảo vệ 60

2 Hệ số dự trữ cách điện 62

3 Hệ số dự trữ cách điện của các thiết bị điện trong trạm biến áp 63

III Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số dòng điện sét 63

1 Ảnh hưởng độ lớn đỉnh xung dòng điện sét 63

2 Ảnh hưởng độ dốc đầu sóng dòng điện sét 65

IV Ảnh hưởng phương thức bảo vệ các xuất tuyến 66

1 Ảnh hưởng của điện trở chân cột tới quá điện áp 67

2 Ảnh hưởng của vị trí sét đánh 69

V Ảnh hưởng của số lượng và vị trí chống sét van 71

1 Không lắp đặt chống sét van 71

2 Bổ sung thêm chống sét van 72

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 74

PHỤ LỤC 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

CWW chopped wave withstand- Cường độ cách điện đỉnh xung sét

FACTS Flexible Alternating Current Transmission System

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FOW front of wave- Điện áp phóng điện thời gian đầu sóng

IEC International Electrotechnical Commission

Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers-

Viện kỹ nghệ điện và điện tử LPL Lightning impulse Protective Level- Mức bảo vệ xung sét

MOCV Maximum Fundamental Frequency Continuous Operating Voltage

Applied to Arrester Điện áp làm việc liên tục lớn nhất ở tần số 50Hz đặt lên chống sét SPL switching surge protective (sparkover) level- Mức bảo vệ xung đóng

cắt STATCO

M

Static Synchronous Compensator- Tụ bù đồng bộ kiểu tĩn

SVC Static VAR compensator

Thiết bị bù công suất phản kháng kiểu tĩnh TACS Transients Analysis Control System- hệ thống kiểm soát phân tích

quá độ TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor

tụ điện được nối song song với một điện cảm điều khiển bằng cách thay đổi góc mở của thyristor TOV Temporary fundamental frequency overvoltages to which the

arrester may be exposed-Điện áp quá áp tạm thời ở tần số 50Hz mà chống sét có thể phải chịu đựng

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Quá trình hình thành đám mây dông 4

Hình 1 2 Sự phân bố điện tích trong đám mây 5

Hình 1 3 Các giai đoạn phóng điện sét từ đám mây xuống đất 7

Hình 1 4 Quá trình hình thành của sét được ghi lại bằng camera tốc độ cao 8

Hình 1 5 Phương thức bảo vệ chống sét cấp 2 cho trạm biến áp 18

Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý 1 sợi trạm biến áp 110 kV Sơn La 21

Hình 2 2.Tần suất xuất hiện sét theo tháng 29

Hình 2 2.Tần suất xuất hiện sét theo giờ trong ngày 29

Hình 3 1 Mô hình trạm biến áp 110 kV Sơn La trong chương trình ATPDraw 40

Hình 3 2 Mô hình và thông số nguồn hệ thống 40

Hình 3 3 Mô hình 1 khoảng cột của xuất tuyến 172/173 42

Hình 3 4 Mô hình cột điện 44

Hình 3 5 Mô hình và thông số chuỗi cách điện 46

Hình 3 6 Mô hình và thông số nguồn sét 46

Hình 3 7 Mô hình và thông số dây dẫn trong trạm 47

Hình 3 8 Mô hình và thông số máy biến áp kiểu tụ 48

Hình 3 9 Đặc tính V-A của chống sét van 50

Hình 3 10 Cài đặt thông số chương trình ATPDraw 50

Hình 4 1 Cấu tạo chống sét van trên cơ sở SiC 55

Hình 4 2 Đặc tính làm việc của chống sét van 55

Hình 4 3 Cấu tạo của CSV không khe hở ZnO 56

Hình 4 4 Chống sét van ZnO có khe hở song song điện trở 57

Hình 4 5 Chống sét van ZnO có khe hở song song tụ điện 58

Hình 4 6 Đặc tính phi tuyến (V-A) của tấm điện trở ZnO 59

Hình 4 7 Hệ số dự trữ các điện 62

Hình 4 8 Điện áp 3 pha trên đầu cực máy biến áp T1 64

Hình 4 9 a) Điện áp pha A trên đầu cực T1 theo độ lớn của đỉnh xung sét 64

Hình 4 10 Điện áp trên đầu cực T1 phụ thuộc độ dốc đầu sóng dòng điện 66

Hình 4 11 Sự phụ thuộc điện áp trên đầu cực T1 vào điện trở nối đất chân cột 67

Hình 4 12 Điện áp trên đầu cực máy biến điện áp đo lường đường dây 67

Hình 4 13 Điện áp trên đầu cực máy biến áp T1 69

Hình 4 14 Điện áp trên đầu cực T1 và các TU 69

Hình 4 15 Điện áp trên đầu cực T1, TU173 và TUC11 71

Hình 4 16 Điện áp trên đầu cực TU171, TU173, TU174 và TU176 72

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1: Giá trị trung bình của đỉnh I và S 10

Bảng 1 2: Cường độ hoạt động của dông sét tại các khu vực trong cả nước 13

Bảng 1 3: Tổng hợp các nghiên cứu về mật độ phóng điện sét xuống đất 14

Bảng 2 1 Đặc tính kỹ thuật của máy biến áp T1 23

Bảng 2 2 Điện áp các nấc điều chỉnh của máy biến áp T1 24

Bảng 2 3 Đặc tính kỹ thuật của máy biến áp T2 25

Bảng 2 4 Điện áp các nấc điều chỉnh của máy biến áp T1 26

Bảng 3 1 Khả năng mô phỏng của ATPDraw 32

Bảng 3 2 Nhánh tuyến tính đơn 33

Bảng 3 3 Nhánh phi tuyến 33

Bảng 3 4 Các mô đun thông số tập trung 34

Bảng 3 5 Các mô đun không phụ thuộc tần số 34

Bảng 3 6 Đường dây LCC 35

Bảng 3 7 Chuyển mạch 35

Bảng 3 8 Nguồn dòng điện và điện áp 36

Bảng 3 9 Máy biến áp 37

Bảng 3 10 Các dạng nguồn và nhánh khác 38

Bảng 3 11 Thông số xuất tuyến 172/173 trong LCC 43

Bảng 3 12 Thông số cột điện 45

Bảng 3 13 Thông số máy biến áp 48

Bảng 3 14 Thông số chống sét van 49

Bảng 3 15 Thông số chống sét van pha 49

Bảng 3 16 Thông số chống sét van trung tính 49

Bảng 4 1 Quy đổi cường độ các điện xung kích cơ bản (BIL) 61

Bảng 4 2 Điện áp chịu đựng tính toán của máy biến áp và TU 63

Bảng 4 3 Xác suất xuất hiện dòng điện sét lớn hơn hoặc bằng I (kA) 63

Bảng 4 4 Sự phụ thuộc đỉnh xung điện áp vào độ dốc đầu sóng dòng điện sét 66

Bảng 4 5 Đánh giá độ dự trữ cách điện cho các thiết bị điện trong TBA 68

Bảng 4 6 Độ dự trữ cách điện cho các thiết bị điện trong TBA 70

Bảng 4 7 Độ dự trữ cách điện khi lắp đặt thêm 04 chống sét van 73

PHẦN MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Trạm biến áp trong quá trình vận hành thường xuyên chịu tác động của phóng điện sét gây ra quá điện áp đánh thủng cách điện, sự cố ngắn mạch, chạm đất vv… hậu quả là làm hư hỏng thiết bị điện và thiết bị điều khiển trong trạm, gián đoạn cung cấp điện trong thời gian dài, gây mất ổn định hệ thống, mất an toàn cho con người, gây thiệt hại về kinh tế [1, 2, 3] vv… Do vậy việc bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp (bảo vệ chống sét cấp 2) là đặc biệt quan trọng trong thiết kế và vận hành, nhằm hạn chế tối đa quá điện áp nguy hiểm xuất hiện trong trạm biến áp Bảo

vệ chống sét cấp 2 nhằm hạn chế độ lớn điện áp dư của sóng cắt [4, 5] Cấp bảo vệ này thường ứng dụng để bảo vệ các thiết bị điện trong trạm biến áp và/hoặc lắp đặt các thiết bị chống quá áp nhằm tiêu tán năng lượng của xung cắt Phương thức bảo

vệ phải đảm bảo rằng độ lớn và độ dốc đầu sóng của quá điện áp tác dụng lên cách điện của trạm biến áp phải đủ nhỏ (mức dự trữ cách điện đủ lớn) sao cho tần suất phóng điện trung bình trong trạm biến áp do quá điện áp khí quyển đạt tới 50 năm hay 100 năm [5, 6, 7]

Theo thống kê, năm 2011, có 145 sự cố đường dây thì có 100 sự cố do sét, chiếm

tỉ lệ 69%; năm 2012, có 119 sự cố do sét/173 sự cố, chiếm 68%; năm 2013, 77 sự cố

do sét/149 sự cố, chiếm 52%; năm 2014, 127 sự cố do sét/167 sự cố, chiếm 77%; năm

2015, 72 sự cố do sét/168 sự cố, chiếm 43% và 6 tháng đầu năm 2016 có 58 sự cố do sét/84 sự cố, chiếm 69% Trong đó, phần lớn sự cố do sét xảy ra trên địa bàn do Công

ty Truyền tải điện 1 quản lý (từ tỉnh Hà Tĩnh trở ra Bắc): Năm 2011 chiếm 71%; năm

2012 chiếm 67%; năm 2013 chiếm 69%; năm 2014 chiếm 61%; năm 2014 chiếm 69% và 6 tháng đầu năm 2016 là 72% Các sự cố có nguyên nhân do sét thường tập trung từ tháng 4 đến tháng 9 hàng năm [8] Mặt khác, Sơn La nằm trong vùng miền núi phía Tây Bắc Việt Nam có mật độ sét lớn, điện trở suất của đất tương đối cao Hơn nữa do thiếu dữ liệu về sét đã dẫn đến các tính toán thiết kế bảo vệ chống sét cho đường dây và trạm biến áp chưa đạt yêu cầu, việc phân tích nguyên nhân sự cố gặp khó khăn do không xác định được các nguyên nhân, vị trí sét đánh nên giải pháp bảo

vệ chưa phù hợp và chưa hiệu quả [8]

Xuất phát từ các yêu cầu trên, trong nội dung nghiên cứu này tác giả đề xuất đề tài “Nghiên cứu phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp 110 kV Sơn La”, nhằm áp dụng các công cụ và phương pháp nghiên cứu hiện đại để phân tích và đánh giá chất lượng bảo vệ của phương thức bảo vệ hiện tại Trên cơ sở đó đề xuất phương thức cải tiến hệ thống bảo vệ chống sét cấp 2 trên cơ sở phối hợp giữa nhiều giải pháp đồng bộ cho trạm biến áp, đảm bảo cho trạm biến áp làm việc ổn định, tin cậy [9, 10] và đạt tiêu chuẩn quốc tế

II Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu hệ thống bảo vệ quá điện áp cấp 2 cho Trạm biến áp 110 kV Sơn

La

III Phạm vi nghiên cứu

Trong phạm vi của đề tài, tác giả nghiên cứu và đánh giá hiện trạng hệ thống bảo vệ chống sét cấp 2 tại Trạm biến áp 110kV Sơn La bằng phương pháp hiện đại

và áp dụng tiêu chuẩn thiết kế IEC, IEEE Nghiên cứu một cách toàn diện các yếu tố ảnh hưởng tới độ tin cậy của hệ thống bảo vệ chống sét như: tham số của các phóng điện sét; tình hình bảo vệ đoạn đường dây gần trạm như góc bảo vệ, hệ thống nối đất chân cột; vị trí, số lượng và chất lượng của chống sét van; sơ đồ tự bảo vệ và cáp Đặc biệt, quá trình tính toán và phân tích được thực hiện bằng chương trình ATP-

EMTP (Alternative Transients Program- Electromagnetic Transients Program)

nghiên cứu quá độ xoay chiều và quá độ điện từ

IV Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu hiện trạng bảo vệ chống sét cấp 2 cho Trạm biến áp 110 kV Sơn

La Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của bảo vệ bằng chương trình

ATP-EMTP, từ đó nghiên cứu các giải pháp cải tiến bảo vệ theo tiêu chuẩn chuẩn quốc tế

V Phương pháp nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu bao gồm nội dung nghiên cứu về lý thuyết và tính toán, phân tích trên đối tượng thực bằng phân mềm ATP-EMTP

- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình

nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, sách tham khảo, tài liệu

hướng dẫn, các bộ tiêu chuẩn IEC, IEEE và bộ tiêu chuẩn Việt Nam thuộc phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu thực tế tại trạm biến áp 110kV Sơn La

VI Kết cấu của luận văn

Chương 1: Tổng quan về tình hình dông sét và phương thức bảo vệ chống sét cấp 2 cho trạm biến áp

Chương 2: Hiện trạng Trạm biến áp 110 kV Sơn La

Chương 3: Mô phỏng Trạm biến áp 110 kV Sơn La bằng chương trình ATPDraw

Chương 4: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới độ tin cậy của bảo vệ cấp 2 của Trạm biến áp 110 kV Sơn La

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH DÔNG SÉT VÀ PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 2 CHO TRẠM BIẾN ÁP

I Cơ chế hình thành và phát triển dông sét

Quá trình hình thành các đám mây điện và phóng điện sét đã được nghiên cứu

từ năm 1730-1752 bởi Thomas-François Dalibard (Pháp) và Benjamin Franklin (Mỹ) Tuy nhiên, hiện tượng tự nhiên phức tạp và mang tính ngẫu nhiên này đến nay là vấn

đề khó khăn đối với các nhà khoa học

Cơ chế hình thành đám mây dông và đám mây điện là do bề mặt trái đất và lớp khí quyển gần mặt đất bị hâm nóng thường xuyên bởi năng lượng của ánh sáng mặt trời, gia tăng quá trình bốc hơi nước trên bề mặt và mất ổn định không khí Sự hấp thụ nhiệt của không khí một phần từ năng lượng bức xạ trực tiếp của ánh sáng mặt trời và một phần lớn phản xạ từ phía mặt đất Điều này có thể lý giải tại sao các cơn dông bão xảy ra ở lục địa (khoảng 80%) nhiều hơn đại dương (20%) Các đám mây này thường được hình thành ở độ cao trên 1 km so với mặt đất và ở nhiệt độ gần 0oC khi các hạt nước bắt đầu đóng băng Tuy nhiên, các đám mây này chưa được tích điện đến mức có thể tạo ra các phóng điện sét

Hình 1 1 Quá trình hình thành đám mây dông

Những cơn dông được hình thành từ sự mất ổn định trong một khoảng thời gian ngắn của những vùng không khí nóng ẩm và vùng không khí lạnh chuyển động đối lưu do có sự chênh lệch mạnh về nhiệt độ Trong quá trình chuyển động đối lưu, dòng không khí lạnh có xu hướng đi xuống và dòng không khí nóng ẩm có xu hướng bị đẩy lên trên tạo thành cột hay tháp như Hình 1 1 Trong quá trình chuyển động dòng không khí nóng liên tục giải phóng lượng (dưới dạng nhiệt ẩn hóa hơi) làm cho nó càng bị đẩy lên phía trên và làm tăng thêm sự mất ổn định

Tháp mây có kích thước khá lớn với độ cao trung bình từ 3 km tới 10 km và có một số ít trường hợp tới 20 km tính từ mặt đất, đường kính tới 4 km, nhiệt độ từ 0oC tới -40oC, tốc độ di chuyển ở phía dưới khoảng từ 5 đến 10 m/giây và trên đỉnh đạt khoảng 30 m/giây [11] Vùng hoạt động của cơn bão kéo dài tới hàng trăm kilometre Năng lượng tích lũy trong các đám mây dông chủ yếu là nhiệt ẩn hóa hơi Trong một trường hợp điển hình, người ta đo được năng lượng của cơn bão vào khoảng 100 kWh, tương đương với một vụ nổ 20 kiloton nguyên tử Tuy nhiên, mức năng lượng còn tùy thuộc vào quy mô của cơn bão và năng lượng tích lũy trước đó, có thể lớn hơn 10 đến 100 lần số liệu trên

Các điện tử tự do, các ion âm và dương luôn tồn tại sẵn có trong không khí, do

có sự ion hóa liên tục bởi các tia vũ trụ, bức xạ nhiệt của tia mặt trời, do va chạm v.v Hơn nữa, trong quá trình chuyển động đối lưu mạnh và sự phân ly của các hạt nước lớn siêu lạnh và các tinh thể băng do va chạm thành các hạt nước nhỏ, quá trình đứt

Hình 1 2 Sự phân bố điện tích trong đám mây

gãy liên kết như vậy sẽ sản sinh ra nhiều các điện tử dư và các ion dương hơn trong

đám mây hơn Các điện tích âm được tích lũy trong các hạt tuyết (graupel - hạt nước

bị đông lạnh và liên kết với tinh thể băng) có xu hướng phân bố trong vùng có nhiệt

độ khoảng từ -5 oC đến -15 oC Còn các ion dương có xu hướng tích lũy trong các tinh thể băng nhỏ ở phía trên (đa phần) và phía dưới (một phần nhỏ) của tháp mây dông, trong vùng có nhiệt độ tương ứng khoảng -15 oC đến -40 oC và -5 oC Sự hình thành như vậy được gọi là đám mây điện (Hình 1 2), và sự tập trung các điện tích trái dấu hình các đám mây dông phân cực với cường độ điện trường cao, khoảng 400 kV/m Những nghiên cứu và giải thích cấu trúc của đám mây điện được cho là những đám mây có kích thước lớn hơn và nặng hơn có xu hướng tích điện âm, nên thường phân bố ở vùng giữa và phía dưới của đám mây dông Ngược lại, các thành phần nhỏ

và nhẹ hơn tích lũy điện tích dương bị đẩy lên trên và một phần nhỏ bị đẩy xuống phía dưới Cơ chế phân bố này cũng phù hợp với các thực nghiệm trong phòng thí nghiệm của G.C Simpson và Scrase F.J [12]

Sự tích lũy các điện tử và điện tích dương của đám mây sẽ kéo theo sự tập trung các điện tích trái dấu phía dưới mặt đất với mật độ lớn Khi cường độ điện trường đạt tới khoảng từ 1000 kV/m đến 3000 kV/m [13] sẽ xảy ra phóng điện giữa các vùng tích điện trái dấu trong nội bộ đám mây điện, các đám mây điện khác dấu hoặc đám mây điện với mặt đất

II Quá trình hình thành phóng điện sét

Phóng điện sét có thể xẩy ra giữa các đám mây điện khác dấu với nhau, các đám mây điện với cấu trúc cao hay các phóng điện phát triển về phía mặt đất thường được

gọi là sét (lightning) Phóng điện sét xuống đất có thể là phóng điện âm có thể là

phóng điện dương Mỗi đợt phóng điện sét hoàn thành được phân chia thành nhiều giai đoạn phát triển phóng điện, thông thường từ 3-5 giai đoạn

1 Giai đoạn phóng điện tiên đạo bước

Trong giai đoạn đầu của phóng điện sét được gọi là phóng điện tiên đạo bước (Stepped leader) thường được hình thành qua 2 bước Trước tiên, sự tập trung các

điện tích đủ lớn để gây ion hóa mạnh lớp không khí xung quanh trung tâm điện tích đám mây, sau đó phát triển thành tiên đạo bước (Hình 1 3a) Phía đầu tia tiên đạo được nối với các trung tâm điện tích của đám mây, điện dẫn của dòng tiên đạo rất lớn

vì vậy điện trường phía đầu tia tiên đạo bằng với điện trường của đám mây Điện thế

đầu tia tiên đạo khoảng 50 000 kV, dòng điện tiên đạo tương đối nhỏ khoảng 100 A [14], tốc độ từ 105–2.106 m/giây [15, 16] Dòng phóng điện là dòng Plasma tiếp tục phát triển nhanh và hướng về phía mặt đất (Hình 1 3b), khi khoảng cách giữa đầu tia tiên đạo cách mặt đất khoảng vài trăm mét, cường độ điện trường giữa đầu tia tiên đạo và mặt đất tăng mạnh gây ion hóa không khí mạnh mẽ, hình thành dòng phóng điện từ phía mặt đất lên phía đám mây

2 Phóng điện ngược

Giai đoạn thứ hai của quá trình hình thành phóng điện sét là phóng điện ngược Khi tia tiên đạo gây ion hóa mạnh khoảng không khí gần mặt đất sẽ xuất hiện dòng điện phóng điện ngược từ phía mặt đất lên đám mây (Hình 1 3c, d) Dòng phóng điện ngược có giá trị trung bình là 24 kA [17] Vận tốc của phóng điện ngược bằng khoảng 0,1 lần tốc độ ánh sáng (khoảng 3.107 m/giây), phụ thuộc vào điều kiện khí hậu Phóng điện sét kết thúc khi dòng plasma nối liền giữa đám mây điện với đất tạo thành kênh sét Trong giai đoạn này đa số các điện tích âm của đám mây chuyển động về phía mặt đất và ngược lại các điện tích dương chuyển động từ phía mặt đất lên đám mây theo xu hướng trung hòa về điện tích, tạo lên dòng điện sét tại nơi bị sét đánh Lượng điện tích từ đám mây theo kênh sét đi vào trong đất bằng với lượng điện tích trái dấu chuyển động về phía đám mây

Phóng điện ngược

Quá trình kết nối

Phóng điện lặp lại

Tiên đạo mũi nhọn

Hình 1 3 Các giai đoạn phóng điện sét từ đám mây xuống đất

Phóng điện sét là loại phóng điện tia lửa không liên tục và có thời gian dừng giữa các giai đoạn phóng điện Trong một đợt sét có thể xuất hiện nhiều lần phóng điện kế tiếp hay được gọi là phóng điện lặp lại (Hình 1 3f, g, h) phát triển trên cùng kênh sét ban đầu Theo Wagner thì có tới 55% số lần phóng điện sét có phóng điện lặp lại, tốc độ lan truyền của tia tiên đạo lặp lại bằng từ 1% tới 3% tốc độ ánh sáng

và thường được gọi là tiên đạo mũi nhọn (dart leader) Tiên đạo mũi nhọn phát triển

sau tia tiên đạo ban đầu một khoảng thời gian từ 0,01 giây tới 0,1 giây Khi tiên đạo mũi nhọn phát triển gần tới mặt đất sẽ có dòng phóng điện ngược phát triển từ dưới mặt đất lên Dòng điện này thường chỉ bằng 40% dòng sét ban đầu

Theo thống kê thì dòng điện sét biến thiên trong một phạm vi khá rộng từ khoảng

2 kA tới trên 270 kA Nhiệt độ lớn nhất trong kênh sét đạt tới 30.000 oC, gấp 5 lần nhiệt độ của bề mặt mặt trời Áp suất khoảng 1.000 kPa Tốc độ của phát triển khoảng

từ 5.107 tới 2.108 m/giây Có tới 75 % các phóng điện xẩy ra trong nội bộ đám mây

và giữa các đám mây điện Khoảng 85 tới 95 % các lần phóng điện xuống đất đám mây mang điện tích âm [18, 19] Chiều dài kênh sét trung bình khoảng từ 5 km đến

Mặt đất

Phóng điện ngược

Tiên đạo mũi nhọn Tiên đạo mũi nhọn

Phóng điện ngược

Dòng điện do phía mặt đất

Thời gian

Hình 1 4 Quá trình hình thành của sét được ghi lại bằng camera tốc độ cao

III Tham số của phóng điện sét ảnh hưởng tới hệ thống điện

Tham số của phóng điện sét là một số liệu mang tính ngẫu nhiên, nó phản ánh các cơ chế hình thành và phóng điện của những trường hợp cụ thể Nghĩa là, nó phụ thuộc vào quá trình và qui mô hình thành đám mây điện, đặc thù vùng khí hậu, cũng như khả năng tập trung điện tích trái dấu phía mặt đất Như vậy, tham số của phóng điện sét chỉ được xác định qua những số liệu thống kê bằng cách đo đạc nhiều năm trên thực địa và từ đó xây dựng những hàm thống kê để tính toán một cách gần đúng nhất

1 Khoảng cách sét đánh

Khi tia tiên đạo sét phát triển về phía mặt đất tới một độ cao nhất định (thường gọi là điểm định hướng), tia tiên đạo sẽ hướng tới điểm tập trung các điện tích trái dấu phía mặt đất (điểm bị sét đánh) Khoảng cách giữa “điểm định hướng” tới điểm

bị sét đánh được gọi là khoảng cách sét đánh (Striking distance) và được ký hiện là

“S” Quá trình phóng điện nối liền giữa tia tiên đạo sét và điểm tập trung các điện tích phía mặt đất là quá trình xẩy ra phức tạp của phóng điện sét Các nghiên cứu cho kết quả rất khác nhau về quá trình này Tuy nhiên, trong các nghiên cứu đều chỉ ra rằng khoảng cách sét đánh (S) phụ thuộc vào độ lớn dòng điện trong khe sét (IS) Hiện nay, trong tính toán bảo vệ chống sét cho công trình điện có thể sử dụng một trong các công thức sau để tính toán:

- Theo Wagner [22]:

0,8 S

Các nghiên cứu của Eriksson từ những năm 1980 cho thấy khoảng cách sét đánh không những phụ thuộc vào độ lớn của dòng điện trong khe sét mà còn phụ thuộc vào

độ cao và kết cấu của cấu trúc phía dưới mặt đất Những kết quả nghiên cứu này cũng được CIRGE xác định lại và đề xuất sử dụng trong tính toán bảo vệ chống sét Khoảng cách sét đánh được xác định như sau [27, 28]:

Từ những năm 1950, nhóm nghiên cứu của AIEE phân tích mối quan hệ giữa

từ trường với đỉnh dòng điện sét cho các phóng điện sét có cực tính âm và xác định được giá trị trung bình của đỉnh dòng điện sét là 15 kA Sau những những năm 1950 các nhà nghiên cứu khác như J G Anderson, Popolansky, Eriksson và nhóm của IEEE và CIRGE đưa ra những số liệu về trị số trung bình tương đối khác so với kết quả nghiên cứu trước đây Trong Bảng 1 1 cho kết quả của một số nghiên cứu quan trọng về đỉnh dòng điện sét trung bình và độ dốc đầu sóng dòng điện sét trung bình trên các đối tượng nghiên cứu khác nhau

Bảng 1 1: Giá trị trung bình của đỉnh I và S

nghiên cứu

Đỉnh dòng điện (kA)

Độ dốc (kA/s)

Phân bố dòng điện sét âm với lần phóng điện đầu tiên được Anderson [29] và IEEE [26] phát triển những nghiên cứu của Popolansky ứng với dòng điện sét trung bình khi sét đánh vào dây chống sét, dây dẫn, kết cấu kim loại và phần kim loại nối đất là 31 kA Khi đó, xác suất xuất hiện dòng điện sét có giá trị đỉnh lớn hơn giá trị nào đó được biểu diễn dưới dạng:

S

2,6 S

100

I

1 ( )31

4 Cường độ hoạt động của sét

Cường độ hoạt động của sét (Keraunic Level, Isokeraunic Level) được định

nghĩa là số ngày (hoặc giờ) dông sét trung bình trong một năm ở một khu vực xác định, thường được ký hiệu là Td Một ngày sét (24 giờ) được hiểu là trong vòng một ngày có tối thiểu một lần dông sét Có nghĩa rằng, trong khoảng 24 giờ có thể có nhiều lần dông sét xẩy ra trong một khu vực nhất định

Nếu cường độ hoạt động của dông sét tính theo giờ thì được gọi là số giờ dông

sét (Hourly Keraunic Level) là trong thời gian 1 giờ có ít nhất một lần xẩy ra dông

sét trong một khu vực nhất định

Tại Việt Nam, để phục vụ cho công tác nghiên cứu dông sét và định vị sét, Viện Vật lý Địa cầu đã lắp đặt mạng lưới máy định vị sét tại một số địa phương Nguyên

lý hoạt động của máy định vị là sử dụng các anten thu sóng điện từ do tia sét phát ra

Tỷ lệ giữa hai đỉnh của xung điện và thời gian giữa các đỉnh được sử dụng để phân biệt phóng điện trong đám mây với phóng điện xuống mặt đất Trong khi lắp đặt, các nhà khoa học Viện Vật lý Địa cầu đã lựa chọn những vị trí đảm bảo để thiết bị hoạt động tốt nhất Từ đầu năm 2003, mạng lưới máy định vị sét gồm các trạm Thái Nguyên, Phú Thụy và Nghĩa Đô (Hà Nội), Mộc Châu (Sơn La), Phú Yên, Bình Thuận, Bạc Liêu đã được đưa vào hoạt động Với khả năng định vị bán kính đến 400

km, mạng lưới này đã bao phủ toàn bộ lãnh thổ Việt Nam [31]

Theo kết quả nghiên cứu của Viện Năng lượng [32], cường độ hoạt động của dông sét trong một năm trên miền bắc nước ta thường dao động trong khoảng từ 70 đến 110 ngày và số lần dông từ 150 đến 300 lần/năm Vùng dông nhiều nhất trên miền Bắc là vùng Tiên Yên, Móng Cái; tại đây hàng năm có từ 100 đến 110 ngày, tháng nhiều dông nhất là các tháng 7, 8 có tới 25 ngày/ tháng Một số vùng khác có địa hình chuyển tiếp giữa đồng bằng số lần dông trong một năm cũng nhiều tới 200 lần với số ngày dông khoảng trên 100 ngày, các vùng còn lại từ 150 đến 200 cơn dông mỗi năm, tập trung khoảng 90 đến 100 ngày trong năm

Nơi ít dông nhất là vùng Quảng Bình hàng năm chỉ có 80 ngày dông Xét về diễn biến của mùa dông trong năm cho thấy mùa dông không hoàn toàn đồng nhất giữa các vùng Nói chung ở Bắc Bộ mùa mưa bão tập chung khoảng từ tháng 5 đến tháng 9 Ở phía tây Bắc Bộ mùa dông tập trung trong khoảng từ đầu tháng 4 đến tháng

8 Ở các nơi khác thuộc Bắc Bộ tháng 5, tháng 9 ở Hà Tĩnh, Quảng Bình

Vùng duyên hải trung bộ ở phần phía bắc đến Quảng Ngãi là khu vực tương đối nhiều dông trong tháng 4 và từ tháng 5 đến tháng 8 Số ngày dông tập trung xấp xỉ

10 ngày/tháng Tháng nhiều dông nhất (tháng 5 ) quan sát được 12 đến 15 ngày Những tháng đầu mùa (tháng 4) và tháng cuối mùa (tháng 10) mỗi tháng chỉ gặp từ 2 đến 5 lần dông Phía nam Duyên Hải trung bộ (từ Bình định trở vào) là khu vực ít dông nhất thường chỉ có tháng 5 số ngày dông chỉ xấp xỉ hoặc lớn hơn 10 ngày (Tuy Hoà 10 ngày, Nha Trang 8 ngày, Phan Thiết 13 ngày) còn các tháng khác của mùa đông mỗi tháng chỉ quan sát được từ 5 đến 7 ngày dông

Các tỉnh miền Nam cũng khá nhiều dông hàng năm trung bình quan sát được từ

40 đến 50 ngày đến trên 100 ngày tuỳ từng nơi Khu vực nhiều dông nhất là vùng đồng bằng Nam Bộ số ngày dông trung bình hàng năm lên tới 120 đến 140 ngày

Ở Bắc Bộ chỉ vào khoảng 100 ngày Mùa dông ở Nam bộ từ tháng 4 đến tháng

11, trừ tháng đầu mùa là tháng 4 tháng cuối mùa là tháng 11 số ngày dông trung bình

là 10 ngày trên mỗi tháng còn các tháng 5 tháng 6 đến tháng 10 mỗi tháng quan sát trung bình gặp trên 20 ngày dông

Tây Nguyên mùa dông thường chỉ có 2, 3 tháng số ngày dông đạt tới 10 đến 15 ngày đó là các tháng 4, tháng 5 và tháng 9 Tháng cực đại (tháng 5) trung bình quan sát được chừng 15 ngày dông Ở bắc Tây Nguyên 10 đến 12 ngày, nam Tây Nguyên (Plây-ku 17 ngày Kon Tum 14 ngày, Đà Lạt 10 ngày) còn các tháng khác trong mùa đông mỗi tháng trung bình từ 5 đến 7 ngày dông Trên Bảng 1 2 tổng hợp cường độ hoạt động của dông sét trên các khu vực trong cả nước [33]

Bảng 1 2: Cường độ hoạt động của dông sét tại các khu vực trong cả nước

Vùng

Ngày dông trung bình (ngày/năm)

Giờ dông trung bình (giờ/năm)

Mật độ sét trung bình (lần/km2.năm)

Tháng dông cực đại

Đồng bằng ven biển phía

Miền núi trung du miền

5 Mật độ sét phóng điện xuống đất

Mật độ sét phóng điện xuống đất (Ground Flash Density_GFD) là số lần sét

đánh xuống đất trung bình trên một đơn vị diện tích trong một năm GFD thường được tính toán cho đường dây tải điện, diện tích trạm biến áp hay một diện tích mặt

đất xác định GFD tỉ lệ với cường độ hoạt động của sét ở vùng nhất định Các nghiên cứu của các tác giả hay nhóm tác giả khác nhau trên toàn thế giới đưa ra hệ số tỉ lệ tương đối khác nhau, thường từ khoảng 0,1Td đến 0,19Td Quan hệ này được xác định qua biểu thức:

Nd = A.Td (lần/km2.năm) (1.10) Trong đó:

Nd là mật độ sét (lần/km2.năm)

A, b là hệ số

Td là cường độ hoạt động của sét (ngày dông/năm)

Trong Bảng 1 3 là mật độ sét của một số tác giả nghiên cứu trên các khu vực khác nhau trên toàn Thế giới [26]

Bảng 1 3: Tổng hợp các nghiên cứu về mật độ phóng điện sét xuống đất

Vùng Mật độ sét (lần/km2.năm) Tác giả/nhóm tác giả Toàn Thế giới

IV Phương thức bảo vệ chống sét cho trạm biến áp

Bảo vệ chống sét cho các phần tử hệ thống điện như đường dây, trạm biến áp hay nhà máy điện đạt mức độ hiệu quả nhất định phụ thuộc vào quá trình hình thành

và phóng điện của sét do một số nguyên nhân sau:

- Khó dự báo do xác suất ngẫu nhiên của sét,

- Thiếu dữ liệu do tần suất của sét,

- Phân tích chi tiết phức tạp, đòi hỏi chi phí cao,

- Các phương pháp không đảm bảo bảo vệ 100%

Do vậy, tùy thuộc vào mức độ quan trọng của đối tượng bảo vệ mà lựa chọn hệ thống chống sét và phương pháp tính toán phù hợp ứng với suất rủi ro trong giới hạn chấp nhận được Ở các cấp điện áp thấp sử dụng những phương pháp tính toán đơn giản dựa trên kinh nghiệm và suất rủi ro cao hơn Đối với các phần tử quan trọng hơn, cấp điện áp cao hơn thường có các thiết bị đắt tiền, đòi hỏi thiết kế hệ thống chống sét phức tạp và các phương pháp tính toán chính xác hơn để loại trừ đại đa số các nguy cơ và thiệt hại do sét gây ra Tuy nhiên, người thiết kế cần cân đối về thiệt hại

do sét với việc đầu tư hệ thống thu sét và phần mềm tính toán, phân tích bảo vệ Người thiết kế cần đánh giá và phân tích các vấn đề sau:

- Đánh giá tầm quan trọng của công trình cần bảo vệ,

- Hậu quả có thể có khi công trình bị sét đánh trực tiếp,

- Tần suất và mức độ nguy hiểm của vùng bão,

- Phương pháp bảo vệ,

- Đánh giá hiệu quả và chi phí thiết kế

Bảo vệ chống sét thường được chia thành nhiều “cấp bảo vệ” dựa trên cơ sở

mức năng lượng, bao gồm:

Bảo vệ cấp 1: Loại trừ các phóng điện sét và sóng cắt tác động trực tiếp tới các

phần tử của hệ thống điện Mức bảo vệ này thường được ứng dụng cho bảo vệ đường dây tải điện trên không và trạm biến áp

Yêu cầu của bảo vệ cấp 1 là hạn chế các ảnh hưởng của phóng điện sét trực tiếp vào các thiết bị và các phần tử của hệ thống điện Như đã giới thiệu, các quá trình hình thành và phóng điện sét là hoàn toàn mang tính ngẫu nhiên Đồng thời, các nghiên cứu về phóng điện sét cho tới nay cơ bản vẫn dựa trên mô hình trong phòng thí nghiệm hay ngoài thực địa Các phương pháp tính tương đối khác nhau Tuy nhiên, các phương pháp tính được ứng dụng trong thực tiễn tương đối tin cậy, dựa trên 3 mô hình chính là Mô hình hình học, Mô hình điện hình học, và Mô hình tổng quát

Hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp bao gồm 3 thành phần chính là: kim hay dây thu sét, bộ phận dẫn dòng điện sét và hệ thống nối đất Dưới tác dụng của điện tích phía đám mây, hệ thống thu sét sẽ tập trung các điện tích trái dấu phía dưới mặt đất lên kim (dây) thu sét, tạo lên điện trường lớn nhất giữa nó với đầu tia tiên đạo, rễ ràng thu hút các phóng điện sét về phía mình và tạo ra một vùng an toàn bao quanh hệ thống thu sét Để làm được như vậy, bộ phận thu sét phải được đặt ở vị trí cao nhất của công trình cần bảo vệ

Bảo vệ cấp 2: nhằm hạn chế độ lớn điện áp dư của sóng cắt Cấp bảo vệ này

thường ứng dụng để bảo vệ các thiết bị điện trong trạm biến áp và/hoặc lắp đặt các thiết bị chống quá áp nhằm tiêu tán năng lượng của xung cắt trước khi vào trạm biến

áp

Trạm biến áp hoặc nhà máy điện thường nối với các đường dây tải điện trên không, nên thường xuyên chịu tác động của quá điện áp khí quyển lan truyền từ đường dây vào trạm biến áp do sét đánh trên đường dây, đặc biệt là sét đánh vào đoạn đường dây gần trạm Quá điện áp này có dạng toàn sóng hoặc xung cắt có thể vượt mức cách điện xung sét của các thiết bị điện hoặc hệ thống thanh góp Để hạn chế và loại trừ quá điện áp này người ta thường sử dụng các thiết bị chống sét như chống sét van lắp trên đầu vào của máy biến áp và/hoặc trên các xuất tuyến hay trên thanh góp trạm biến áp đảm bảo rằng các thiết bị điện trong trạm biến áp nằm trong vùng bảo vệ của chống sét van Nghĩa là, điện áp dư của chống sét van luôn nhỏ hơn mức cách điện xung của thiết bị điện một hệ số an toàn

Bảo vệ cấp 3: Quá điện áp cảm ứng do sét đánh gần trạm biến áp hoặc đường

dây có thể cao tới hàng chục kV, gây nguy hiểm cho cách điện của các thiết bị điện

áp thấp hay các thiết bị điện tử Bảo vệ ở phía điện áp thấp bằng cách lắp đặt các bộ lọc và/hoặc thiết bị hạn chế quá áp nối tiếp với hệ thống máy tính, hệ thống tự động điều chỉnh, thiết bị truyền tín hiệu

1 Phương pháp thiết kế bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

a) Mô hình thực nghiệm:

Dựa trên thực nghiệm để xác định vùng bảo vệ của hệ thống thu sét (dây, kim) bằng mô tả, biến đổi hình học Vùng bảo vệ chỉ phụ thuộc vào độ cao của hệ thống thu sét

sét một góc nhất định Do vậy, phương pháp này ngày nay được gọi là Phương pháp góc cố định và được dùng phổ biến ở nhiều nước cũng như được IEEE khuyến cáo

sử dụng ở cấp điện áp 69 kV trở xuống

Phương pháp này có thể tính toán cho cột chống sét và dây chống sét Ưu điểm của phương pháp là tính toán đơn giản Nhưng độ chính xác không cao, với sai số 0,1% và:

- Không chính xác khi chiều cao của cột thu sét lớn hơn nhiều đối tượng bảo vệ,

- Không kể tới độ lớn của dòng điện sét

c) Phương pháp đường cong thực nghiệm

Năm 1941, nhóm của Wagner đã thực hiện nghiên cứu phương pháp đường cong dựa trên mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm Quá trình phóng điện của sét được mô phỏng bằng xung dương 1,5/40 s, cho phóng điện từ một điện cực đặt trên cao xuống mặt đất hoặc dây chống sét đặt nằm ngang hay cột thu sét với các kích thước khác nhau Từ bộ số liệu thực nghiệm vẽ thành các đường cong quan hệ giữa chiều cao hệ thống chống sét và bán kính bảo vệ như hình… Kết quả cũng đã được thử nghiệm trên các đường dây tải điện có đặt dây chống sét

d) Mô hình điện hình học (EGM – Electrogeometrical Model)

Mô hình điện hình học lần đầu tiên được Golde phát triển vào năm 1945i Nhưng chưa phù hợp với các kết quả của hệ thống bảo vệ nên chưa được ứng dụng trong thực tế Vào giữa những năm 50, với sự xuất hiện của đường dây truyền tải 345 kV

ở khu vực Bắc Mỹ, đường dây này được thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực

tiếp theo phương pháp của AIEE (American Institute of Electrical Engineers) Tuy

nhiên, qua thời gian vận hành thấy rằng suất cắt điện đường dây do sét đánh cao hơn

nhiều so với thiết kế Do vậy, các nhà nghiên cứu đã tập trung tìm nguyên nhân và chú ý đến việc nghiên cứu EGM Năm 1960, J G Anderson đã phát triển một chương trình máy tính sử dụng phương pháp Monte Carlo để tính toán hiệu quả chống sét của đường dây truyền tải Phương pháp này cho kết quả tương đối tốt có thể ứng dụng cho đường dây thực tế

Năm 1976, Mousa tiếp tục phát triển EGM trên đường dây truyền tải và mở rộng nghiên cứu trên các trạm biến áp Năm 1980, Anderson và Eriksson cũng đã đưa

ra các kết quả nghiên cứu khác với nghiên cứu trước đó Về cơ bản là trong công thức tính toán khoảng cách sét đánh cũng chỉ ra sự khác nhau giữa cột và dây chống sét và đưa thêm hệ số kinh nghiệm k vào tính toán Ngoài ra, trong nghiên cứu của Eriksson ngoài dòng điện sét còn xem xét thêm ảnh hưởng của độ cao của hệ thống chống sét tới khoảng cách sét đánh

2 Bảo vệ chống sét cấp 2 cho trạm biến áp

Các thiết bị điện thường xuyên chịu tác động của quá điện áp sét, quá điện áp đóng cắt, quá điện áp tạm thời Các loại quá điện áp này phát sinh trong hệ thống điện hay trên chính các xuất tuyến sẽ lan truyền tới trạm biến áp và tác động lên cách điện của các thiết bị điện trong trạm Việc thiết kế cách điện trong trạm biến áp và trên các thiết bị điện về cơ bản phải chịu đựng được đa số các quá điện áp tạm thời, quá điện

áp đóng cắt và một số quá điện áp sét có trị số nhỏ Cách điện có cường độ cách điện càng cao sẽ càng làm tăng chi phí xây dựng Mặt khác, quá điện áp sét lan truyền từ các đường dây vào trạm biến áp có thể từ vài MV tới hàng chục MV Độ lớn quá điện

áp sét phụ thuộc nhiều yếu tố như, độ lớn dòng điện sét, độ dốc đầu sóng dòng điện,

vị trí sét đánh, tình hình nối đất chân cột, kết cấu đường dây nối vào trạm biến áp và

số lượng máy biến áp làm việc song song Do vậy, lựa chọn cách điện của trạm biến

áp chịu được quá điện áp này là không khả thi

Các xung quá điện áp lớn lan truyền vào trạm biến áp, có thể gây phóng điện trên cách điện của các thiết bị điện làm hư hỏng thiết bị cũng như gây sự cố ngắn mạch trên thanh góp của trạm Các sự cố thường kéo theo thiệt hại về thiết bị, gián đoạn cung cấp điện lâu dài để khắc phục sự cố, sửa chữa hay thay thế thiết bị

Để hạn chế các thiệt hại do quá điện áp gây ra, ngày nay thường dùng kỹ thuật bảo vệ như đặt chống sét van ở cột cuối của các xuất tuyến, đặt song song với các thiết bị điện trong trạm như máy biến áp, máy biến áp đo lường Việc bảo vệ bằng chống sét van phải được kết hợp với các kỹ thuật khác như giảm điện trở nối đất chân cột, tăng cường bảo vệ bằng dây chống sét ở đoạn gần trạm nhằm hạn chế phóng điện ngược trên đoạn này Tăng điện dung của đoạn đường dây nối vào trạm bằng cách nối thêm các đoạn cáp kết hợp với chống sét van Một số sơ đồ điển hình cho trên Hình 1 5

Chỉ tiêu bảo vệ chống sét cho trạm biến áp cao hơn nhiều so với đường dây Thời gian trung bình xảy ra một sự cố (MTBF) là 50 năm, 150 năm, 400 năm hay 600 năm

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Nội dung chương 1 trình bày tóm tắt cơ chế hình thành của phóng điện sét và những ảnh hưởng của sét tới hệ thống điện và một số giải pháp bảo vệ chống sét cho trạm biến áp tiên tiến nhất hiện nay đảm bảo đúng tiêu chuẩn thiết kế của IEC cũng như IEEE Từ các nội dung trên, tác giả tóm tắt một số nội dung chính như sau:

- Quá trình phóng điện sét diễn biến phức tạp, xảy ra trên diện rộng, tham số biến thiên trong dải rộng, khó đo lường và nghiên cứu

- Tác động xấu tới hệ thống điện nói chung và trạm biến áp nói riêng Các hậu quả chủ yếu là làm hư hỏng cách điện, gây sự cố ngắn mạch, làm gián đoạn cung cấp điện

- Các phần tử hệ thống điện nói chung và trạm biến áp nói riêng phải có giải pháp bảo vệ chống sét phù phợp để giảm thiểu thiệt hại về kinh tế cũng như nâng cao chất lượng phục vụ

- Giải pháp bảo vệ chống sét trạm biến áp bao gồm 3 cấp bảo vệ: bảo vệ cấp 1 nhằm loại trừ hoàn toàn khả năng sét đánh trực tiếp vào phần tử dẫn điện; bảo vệ cấp

2 nhằm hạn chế biên độ, độ dốc đầu sóng của quá điện áp lan truyền từ đường dây vào trạm biến áp tới giới hạn an toàn cho cách điện của trạm biến áp; bảo vệ cấp 3 nhằm bảo vệ an toàn cho các thiết bị điện, điện tử sử dụng điện áp thấp

CHƯƠNG 2: HIỆN TRẠNG TRẠM BIẾN ÁP 110 KV SƠN LA

I Tổng quan về trạm biến áp 110kV Sơn La

1 Vai trò của trạm biến áp 110kV Sơn La

Trạm biến áp 110kV Sơn La được xây dựng năm 1997 thuộc Công ty Điện lực Sơn La, đóng trên địa bàn Phường Chiềng Sinh – TP Sơn La ,có nhiệm vụ đảm bảo cung cấp điện phát triển kinh tế xã hội ổn định an ninh quốc phòng tỉnh Sơn La Trạm biến áp 110kV Sơn La có công suất 80 MVA trong đó có:

- MBA T1 40 MVA – 115/38.5/23 kV

- MBA T2 40 MVA – 115/38.5/23 kV

- Lộ 371 cấp điện cho TBA trung gian 2/9

- Lộ 373 cấp điện cho huyện Mai Sơn

- Lộ 374 cấp điện cho 1 phần TP Sơn La và xã Phiêng Tam Trạm 110kV Sơn La có sơ đồ nối điện chính hình 2.1

Phía 110kV: Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý 1 sợi trạm biến áp 110 kV Sơn La

2 Thông số máy biến áp

1 Thông số máy biến áp T1:

- Kiểu loại - Mã hiệu: Máy biến áp 3 pha, 3 cuộn dây, ngâm trong dầu, đặt ngoài

trời

- Nhà chế tạo: ABB-Việt Nam

- Số chế tạo: VN00305

- Năm sản xuất: 2008

- Năm đưa vào vận hành: 21/7/2016 ( Chuyển từ Văn Quán – Hà Nội về)

- Kiểu làm mát: Bằng dầu có cưỡng bức bằng quạt mát

- Tổng trọng lượng MBA: 76000 Kg

- Trọng lượng dầu: 23000 Kg

Cao thế

Trung thế

Hạ thế

115 38,5

23 Dòng điện định mức (A)

b) Các thông số thí nghiệm xuất xưởng

Điện áp của các bối dây:

+ Cao áp: 115kV ± 9x1,78%kV ( điều chỉnh điện áp dưới tải)

+ Trung áp: 38,5kV ± 2x2,5% kV ( điều chỉnh điện áp không điện)

Dòng điện không tải: Io =0.3248% Iđm

Tổn thất không tải: Po= 39,24 kW

Tổn hao có tải (ở nấc 10), nhiệt độ 750C công suất 40MVA:

+ Cao – Hạ (23kV): Pk= 144,4kW

Điện áp ngắn mạch: C-T: 10,24 %; C-H: 18,67 %; TH: 6,23 %

d- Thông số kỹ thuật của bộ điều áp dưới tải

Kiểu loại -Mã hiệu: OLTC: VVIII – 400Y – 76 – 10191 W trục đứng

Nhà chế tạo: MR - CHLB Đức

Số chế tạo: 1069806

Năm sản xuất: 2008

Năm đưa vào vận hành: 2016 ( Chuyển từ Văn Quán – Hà Nội về)

Dòng điện định mức của OLTC: 239A

Điện áp định mức: 115kV

Số nấc điều chỉnh: 19 ( ± 9)

Phạm vi điều chỉnh: Cuộn dây phía 110

Bảng 2 2 Điện áp các nấc điều chỉnh của máy biến áp T1

3 Thông số máy biến áp T2:

Kiểu loại - Mã hiệu: MBA 3 pha 3 cuộn dây đặt ngoài trời, ngâm trong trong dầu

Nhà chế tạo: ABB- Việt Nam

Số chế tạo: VN00756

Năm sản xuất: 2012

Năm đưa vào vận hành: 13/01/2018 ( Được điều chuyển từ Yên Bái về)

Kiểu làm mát: Dầu + Quạt gió

Cao thế

Hạ thế

Trung thế

32.000 32.000 32.000 Điện áp định mức (kV)

Cao thế

Trung thế

Hạ thế

115 38.5

23 Dòng điện định mức (A)

b) Điện áp và dòng điện các nấc phân áp

Bảng 2 4 Điện áp các nấc điều chỉnh của máy biến áp T1

c) Các thông số thí nghiệm xuất xưởng

Dòng điện không tải: 0.0821%

Tổn thất không tải: 23kW

Điện áp ngắn mạch: C-T: 10,35 %; C-H: 18,02 %; T-H: 6,79 %

Tổn thất ngắn mạch: C-T: 159.87 kW; C-H: 176.28 kW; T-H: 152.79 kW

II Hiện trạng của hệ thống bảo vệ chống sét cấp 2 của trạm 110kV Sơn La

Hệ thống chống sét trạm 110kV Sơn La E17.2 có cột thu sét, chống sét đánh thẳng và hệ thống chống sét lan truyền từ đường dây vào trạm

Đoạn đường dây gần trạm được bảo vệ bằng các dây chống sét để ngăn ngừa sét đánh trực tiếp vào đường dây và sự xuất hiện sóng quá điện áp có biên độ dốc lớn ngay gần trạm

Chống sét van bảo vệ mỗi máy biến áp T1 và T2 được đặt ở 3 phía 110kV, 35kV, 22kV và cuộn dây trung tính của mỗi máy biến áp

CSV0T1

Kiểu loại: 3EL2