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

Mặt khác, Sơn La nằm trong vùng miềnnúi 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

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

- 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

TS Nguyễn Đức Tường

Tác giả luận văn

Nguyễn Hữu Thức CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS Đỗ Trung Hải

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên: Nguyễn Hữu Thức

Học viên: Lớp cao học K21, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại họcThái 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 lànhững nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn ĐứcTường và sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật CôngNghiệp - Đại học Thái Nguyên Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn này đã đượcghi 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

5KẾT 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

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Quá trì n h h ì nh thành đ á m m â y dô n g 4

Hình 1 2 Sự phân b ố điện tích t r ong đ á m m â y 5

Hình 1 3 Các giai đ o ạ n phóng đ i ện sét từ đ á m m â y xu ố ng đất 7

Hình 1 4 Quá trì n h h ì nh thành c ủ a sét đ ư ợc ghi lại bằ n g c a m era t ốc độ cao 8

Hình 1 5 Ph ư ơng t h ứ c bảo vệ ch ố ng sét c ấ p 2 cho tr ạ m b i ến áp 18

Hình 2 1 Sơ đồ ng u y ê n lý 1 sợi tr ạ m bi ế n áp 110 kV S ơn 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 hì n h t r ạ m biến áp 1 10 kV Sơn La trong ch ư ơ ng trình ATPDraw 40

Hình 3 2 Mô hì n h và t hông s ố n guồn hệ thố n g 40

Hình 3 3 Mô hì n h 1 k h o ảng cột c ủa xuất t u y ến 172/17 3 42

Hình 3 4 Mô hì n h cột điện 44

Hình 3 5 Mô hì n h và t hông số c h uỗi cách đ i ệ n 46

Hình 3 6 Mô hì n h và t hông s ố n guồn sét 46

Hình 3 7 Mô hì n h và t hông s ố d â y d ẫn t r ong t r ạm 47

Hình 3 8 Mô hì n h và t hông s ố m á y bi ế n áp k i ểu t ụ 48

Hình 3 9 Đặc tính V - A của chố n g sét van 50

Hình 3 1 0 Cài đ ặ t th ô ng số ch ư ơng trình AT PDraw 50

Hình 4 1 Cấu t ạo ch ố ng sét van t rên cơ s ở S iC 55

Hình 4 2 Đặc tính l à m v i ệc của ch ố ng sét va n 55

Hình 4 3 Cấu t ạo của CSV kh ô ng khe h ở Z n O 56

Hình 4 4 Chống sét v an ZnO có khe h ở song song điện trở 57

Hình 4 5 Chống sét v an ZnO có khe h ở song song tụ đ i ệ n 58

Hình 4 6 Đặc tính phi t u y ế n (V- A ) c ủa t ấ m đ i ện trở Zn O 59

Hình 4 7 Hệ số dự trữ các điệ n 62

Hình 4 8 Điện áp 3 p h a trên đầu c ự c m á y bi ế n áp T 1 64

Hình 4 9 a) Điện á p p ha A trên đ ầ u c ự c T1 t heo độ l ớ n của đ ỉ n h x u ng sét 64

Hình 4 1 0 Điện á p tr ê n đầu c ự c T1 p hụ thu ộ c độ dốc đ ầ u sóng dò n g điện 66

Hình 4 1 1 Sự p h ụ t h u ộc điện áp t r ên đ ầu c ự c T1 vào đi ệ n trở n ối đất chân c ộ t 67

Hình 4 1 2 Điện á p tr ê n đ ầu c ự c m á y b i ến đi ệ n áp đo l ư ờng đ ư ờng dâ y 67

Hình 4 1 3 Điện á p tr ê n đầu c ự c m á y biến áp T1 69

Hình 4 1 4 Điện á p tr ê n đầu c ự c T1 và các T U 69

Hình 4 1 5 Điện á p tr ê n đầu c ự c T1, T U173 v à TUC1 1 71

Hình 4 1 6 Điện á p tr ê n đầu c ự c TU 1 71, TU 1 73, TU174 và TU 1 76 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 1 1 Thông s ố x uất t u y ến 1 72/173 tro n g LCC 43

Bảng 3 12 Thông số cột điện 45

Bảng 3 1 3 Thông s ố m á y b i ến á p 48

Bảng 3 14 Thông số chống sét van 49

Bảng 3 1 5 Thông s ố c hống sét v a n pha 49

Bảng 3 1 6 Thông s ố c hống sét v a n trung tín h 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

kế và vận hành, nhằm hạn chế tối đa quá điện áp nguy hiểm xuất hiện trong trạmbiến 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 ápvà/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 áptác 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 quyểnđạt 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, chiếm77%; 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 doCông ty Truyền tải điện 1 quản lý (từ tỉnh Hà Tĩnh trở ra Bắc): Năm 2011 chiếm71%; năm

2012 chiếm 67%; năm 2013 chiếm 69%; năm 2014 chiếm 61%; năm 2014 chiếm69% và 6 tháng đầu năm 2016 là 72% Các sự cố có nguyên nhân do sét thường tậptrung từ tháng 4 đến tháng 9 hàng năm [8] Mặt khác, Sơn La nằm trong vùng miềnnúi 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 sétcho đường dây và trạm biến áp chưa đạt yêu cầu, việc phân tích nguyên nhân sự cố

2gặp khó khăn do không xác định được các nguyên nhân, vị trí sét đánh nên giải phápbảo 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 đềtài “Nghiên cứu phương thức bảo vệ quá điện áp khí quyển cho trạm biến áp 110 kVSơn La”, nhằm áp dụng các công cụ và phương pháp nghiên cứu hiện đại để phântích 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 hợpgiữa 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 SơnLa

III Phạm vi nghiên cứu

Trong phạm vi của đề tài, tác giả nghiên cứu và đánh giá hiện trạng hệ thốngbảo 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 tốảnh hưởng tới độ tin cậy của hệ thống bảo vệ chống sét như: tham số của các phóngđiện sét; tình hình bảo vệ đoạn đường dây gần trạm như góc bảo vệ, hệ thống nối đấtchân 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 trìnhATP- 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 trìnhATPDraw

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 đếnnay 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 lớpkhí quyển gần mặt đất bị hâm nóng thường xuyên bởi năng lượng của ánh sáng mặttrời, gia tăng quá trình bốc hơi nước trên bề mặt và mất ổn định không khí Sự hấpthụ nhiệt của không khí một phần từ năng lượng bức xạ trực tiếp của ánh sáng mặttrời và một phần lớn phản xạ từ phía mặt đất Điều này có thể lý giải tại sao các cơndông bão xảy ra ở lục địa (khoảng 80%) nhiều hơn đại dương (20%) Các đám mâynày thường được hình thành ở độ cao trên 1 km so với mặt đất và ở nhiệt độ gần 0oCkhi các hạt nước bắt đầu đóng băng Tuy nhiên, các đám mây này chưa được tíchđiện 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 thờigian ngắn của những vùng không khí nóng ẩm và vùng không khí lạnh chuyển độngđối 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 xuhướng bị đẩy lên trên tạo thành cột hay tháp như Hình 1 1 Trong quá trình chuyểnđộng 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 cómột số ít trường hợp tới 20 km tính từ mặt đất, đường kính tới 4 km, nhiệt độ từ 0oCtới -40oC, tốc độ di chuyển ở phía dưới khoảng từ 5 đến 10 m/giây và trên đỉnh đạtkhoảng 30 m/giây [11] Vùng hoạt động của cơn bão kéo dài tới hàng trămkilometre 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 vàokhoảng 100 kWh, tương đương với một vụ nổ 20 kiloton nguyên tử Tuy nhiên, mứcnăng 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

Hình 1 2 Sự phân bố điện tích trong đám mây

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 chạmv.v Hơn nữa, trong quá trình chuyển động đối lưu mạnh và sự phân ly của các hạtnước lớn siêu lạnh và các tinh thể băng do va chạm thành các hạt nước nhỏ, quátrình đứt

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 trongcác tinh thể băng nhỏ ở phía trên (đa phần) và phía dưới (một phần nhỏ) của thápmây dông, trong vùng có nhiệt độ tương ứng khoảng -15 oC đến -40 oC và -5 oC Sựhình thành như vậy được gọi là đám mây điện (Hình 1 2), và sự tập trung các điệntích 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 đượccho 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 phầnnhỏ bị đẩy xuống phía dưới Cơ chế phân bố này cũng phù hợp với các thực nghiệmtrong 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 tậptrung các điện tích trái dấu phía dưới mặt đất với mật độ lớn Khi cường độ điệntrường đạt tới khoảng từ 1000 kV/m đến 3000 kV/m [13] sẽ xảy ra phóng điện giữacác vùng tích điện trái dấu trong nội bộ đám mây điện, các đám mây điện khác dấuhoặc 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, cácđám 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 thànhnhiều 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 tíchđám mây, sau đó phát triển thành tiên đạo bước (Hình 1 3a) Phía đầu tia tiên đạođược nối với các trung tâm điện tích của đám mây, điện dẫn của dòng tiên đạo rấtlớn 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 tụcphát triển nhanh và hướng về phía mặt đất (Hình 1 3b), khi khoảng cách giữa đầutia tiên đạo cách mặt đất khoảng vài trăm mét, cường độ điện trường giữa đầu tiatiên đạo và mặt đất tăng mạnh gây ion hóa không khí mạnh mẽ, hình thành dòngphóng 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 dòngđiện phóng điện ngược từ phía mặt đất lên đám mây (Hình 1 3c, d) Dòng phóngđiện ngược có giá trị trung bình là 24 kA [17] Vận tốc của phóng điện ngược bằngkhoảng

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 tạothành kênh sét Trong giai đoạn này đa số các điện tích âm của đám mây chuyểnđộng về phía mặt đất và ngược lại các điện tích dương chuyển động từ phía mặt đấtlên đám mây theo xu hướng trung hòa về điện tích, tạo lên dòng điện sét tại nơi bịsét đánh Lượng điện tích từ đám mây theo kênh sét đi vào trong đất bằng với lượngđiện tích

trái dấu chuyển động về phía đám mây

Quá trình kết nối

Phóng điện ngược

a) b) c) d) e)

Tiên đạo mũi nhọn

Phóng điện lặp lại

f) g) h)

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 dừnggiữa các giai đoạn phóng điện Trong một đợt sét có thể xuất hiện nhiều lần phóngđiện kế tiếp hay được gọi là phóng điện lặp lại (Hình 1 3f, g, h) phát triển trên cùngkênh sét ban đầu Theo Wagner thì có tới 55% số lần phóng điện sét có phóng điệnlặp 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 đạomũi nhọn phát triển gần tới mặt đất sẽ có dòng phóng điện ngược phát triển từ dướimặt 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 lầnnhiệt độ của bề mặt mặt trời Áp suất khoảng 1.000 kPa Tốc độ của phát triểnkhoảng từ 5.107 tới 2.108 m/giây Có tới 75 % các phóng điện xẩy ra trong nội bộđám mây và giữa các đám mây điện Khoảng 85 tới 95 % các lần phóng điện xuốngđất đám mây mang điện tích âm [18, 19] Chiều dài kênh sét trung bình khoảng từ 5

Mặt đất

Tiên đạo mũi nhọn

Phóng điện ngược

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 ánhcác cơ chế hình thành và phóng điện của những trường hợp cụ thể Nghĩa là, nó phụthuộc vào quá trình và qui mô hình thành đám mây điện, đặc thù vùng khí hậu, cũngnhư khả năng tập trung điện tích trái dấu phía mặt đất Như vậy, tham số của phóngđiện sét chỉ được xác định qua những số liệu thống kê bằng cách đo đạc nhiều nămtrên thực địa và từ đó xây dựng những hàm thống kê để tính toán một cách gần đúngnhất

1 Khoảng cách sét đánh

Khi tia tiên đạo sét phát triển về phía mặt đất tới một độ cao nhất định (thườnggọi là điểm định hướng), tia tiên đạo sẽ hướng tới điểm tập trung các điện tích tráidấu 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 điệntích phía mặt đất là quá trình xẩy ra phức tạp của phóng điện sét Các nghiên cứucho 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 mộttrong các công thức sau để tính toán:

Các nghiên cứu của Eriksson từ những năm 1980 cho thấy khoảng cách sétđánh không những phụ thuộc vào độ lớn của dòng điện trong khe sét mà còn phụthuộc vào độ cao và kết cấu của cấu trúc phía dưới mặt đất Những kết quả nghiêncứu này cũng được CIRGE xác định lại và đề xuất sử dụng trong tính toán bảo vệchống 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 địnhđược giá trị trung bình của đỉnh dòng điện sét là 15 kA Sau những những năm 1950các nhà nghiên cứu khác như J G Anderson, Popolansky, Eriksson và nhóm củaIEEE và CIRGE đưa ra những số liệu về trị số trung bình tương đối khác so với kếtquả nghiên cứu trước đây Trong Bảng 1 1 cho kết quả của một số nghiên cứu quantrọng về đỉnh dòng điện sét trung bình và độ dốc đầu sóng dòng điện sét trung bìnhtrên các đối tượng nghiên cứu khác nhau

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

S

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

1 ( IS )2,631

Trong đó: P(IIS) là xác suất xuất hiện những lần sét có giá trị đỉnh dòngđiện lớn hơn hoặc bằng IS

SS

- P(SSS) là xác suất xuất hiện độ dốc đầu sóng dòng điện sét lớn hơn hoặc bằng

- SS là độ dốc dòng điện sét xác định (kA/µs)

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 xácđịnh, thường được ký hiệu là Td Một ngày sét (24 giờ) được hiểu là trong vòng mộtngày có tối thiểu một lần dông sét Có nghĩa rằng, trong khoảng 24 giờ có thể cónhiều 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, ViệnVật 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 phânbiệt 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 bịhoạt động tốt nhất Từ đầu năm 2003, mạng lưới máy định vị sét gồm các trạm TháiNguyên, Phú Thụy và Nghĩa Đô (Hà Nội), Mộc Châu (Sơn La), Phú Yên, BìnhThuận, 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 củadông sét trong một năm trên miền bắc nước ta thường dao động trong khoảng từ 70đến 110 ngày và số lần dông từ 150 đến 300 lần/năm Vùng dông nhiều nhất trênmiền 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 cóđịa hình chuyển tiếp giữa đồng bằng số lần dông trong một năm cũng nhiều tới 200lần với số ngày dông khoảng trên 100 ngày, các vùng còn lại từ 150 đến 200 cơndông 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 vềdiễn biến của mùa dông trong năm cho thấy mùa dông không hoàn toàn đồng nhấtgiữa các vùng Nói chung ở Bắc Bộ mùa mưa bão tập chung khoảng từ tháng 5 đếntháng 9 Ở phía tây Bắc Bộ mùa dông tập trung trong khoảng từ đầu tháng 4 đếntháng

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 tươngđối nhiều dông trong tháng 4 và từ tháng 5 đến tháng 8 Số ngày dông tập trungxấp 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 ítdông nhất thường chỉ có tháng 5 số ngày dông chỉ xấp xỉ hoặc lớn hơn 10 ngày (TuyHoà 10 ngày, Nha Trang 8 ngày, Phan Thiết 13 ngày) còn các tháng khác của mùađông 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 vùngđồng 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 trungbình là 10 ngày trên mỗi tháng còn các tháng 5 tháng 6 đến tháng 10 mỗi thángquan 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 15ngày đó là các tháng 4, tháng 5 và tháng 9 Tháng cực đại (tháng 5) trung bình quansát 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 mùađông mỗi tháng trung bình từ 5 đến 7 ngày dông Trên Bảng 1 2 tổng hợp cường độhoạt 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

ThángdĐ

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 thườngđược tính toán cho đường dây tải điện, diện tích trạm biến áp hay một diện tích mặt

Mật độ sét

(lần/km2.nă

m)

Tác

, Hor0

rson

0,0,

Br

1, Ko

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

d

1,12 d

0,026Td

0,036Td

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 áphay 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 hệthống chống sét và phương pháp tính toán phù hợp ứng với suất rủi ro trong giới hạnchấp nhận được Ở các cấp điện áp thấp sử dụng những phương pháp tính toán đơngiản dựa trên kinh nghiệm và suất rủi ro cao hơn Đối với các phần tử quan trọnghơn, cấp điện áp cao hơn thường có các thiết bị đắt tiền, đòi hỏi thiết kế hệ thốngchống 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 vềthiệt hại do sét với việc đầu tư hệ thống thu sét và phần mềm tính toán, phân tíchbảo 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 vệđường 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 trựctiếp vào các thiết bị và các phần tử của hệ thống điện Như đã giới thiệu, các quátrình 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 trongphòng 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 hìnhtổng quát.

Hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp bao gồm 3 thành phần chính là: kimhay dây thu sét, bộ phận dẫn dòng điện sét và hệ thống nối đất Dưới tác dụng củađiện tích phía đám mây, hệ thống thu sét sẽ tập trung các điện tích trái dấu phía dướimặt đất lên kim (dây) thu sét, tạo lên điện trường lớn nhất giữa nó với đầu tia tiênđạo, rễ ràng thu hút các phóng điện sét về phía mình và tạo ra một vùng an toàn baoquanh hệ thống thu sét Để làm được như vậy, bộ phận thu sét phải được đặt ở vị trícao 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 cácthiết bị chống quá áp nhằm tiêu tán năng lượng của xung cắt trước khi vào trạm biếnáp

Trạm biến áp hoặc nhà máy điện thường nối với các đường dây tải điện trênkhông, nên thường xuyên chịu tác động của quá điện áp khí quyển lan truyền từđường dây vào trạm biến áp do sét đánh trên đường dây, đặc biệt là sét đánh vàođoạn đường dây gần trạm Quá điện áp này có dạng toàn sóng hoặc xung cắt có thểvượt mức cách điện xung sét của các thiết bị điện hoặc hệ thống thanh góp Để hạnchế và loại trừ quá điện áp này người ta thường sử dụng các thiết bị chống sét nhưchống sét van lắp trên đầu vào của máy biến áp và/hoặc trên các xuất tuyến hay trênthanh góp trạm biến áp đảm bảo rằng các thiết bị điện trong trạm biến áp nằm trongvùng bảo vệ của chống sét van Nghĩa là, điện áp dư của chống sét van luôn nhỏhơn 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 bộlọc và/hoặc thiết bị hạn chế quá áp nối tiếp với hệ thống máy tính, hệ thống tự độngđiều 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 thốngthu sét

và MacLane hiệu chỉnh và coi mặt cong của vùng bảo vệ là mặt phẳng hợp với cột

thu 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 điểmcủa phương pháp là tính toán đơn giản Nhưng độ chính xác không cao, với sai số0,1% 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 đườngcong dựa trên mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm Quá trình phóng điệncủa sét được mô phỏng bằng xung dương 1,5/40 s, cho phóng điện từ một điện cựcđặt trên cao xuống mặt đất hoặc dây chống sét đặt nằm ngang hay cột thu sét với cáckích thước khác nhau Từ bộ số liệu thực nghiệm vẽ thành các đường cong quan hệgiữa chiều cao hệ thống chống sét và bán kính bảo vệ như hình… Kết quả cũng đãđược 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 dụngtrong 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 vàchú ý đến việc nghiên cứu EGM Năm 1960, J G Anderson đã phát triển mộtchương trình máy tính sử dụng phương pháp Monte Carlo để tính toán hiệu quảchống sét của đường dây truyền tải Phương pháp này cho kết quả tương đối tốt cóthể ứng dụng cho đường dây thực tế

Năm 1976, Mousa tiếp tục phát triển EGM trên đường dây truyền tải và mởrộng nghiên cứu trên các trạm biến áp Năm 1980, Anderson và Eriksson cũng đãđưa ra các kết quả nghiên cứu khác với nghiên cứu trước đó Về cơ bản là trongcông thức tính toán khoảng cách sét đánh cũng chỉ ra sự khác nhau giữa cột và dâychống sét và đưa thêm hệ số kinh nghiệm k vào tính toán Ngoài ra, trong nghiêncứu 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 ápđóng cắt, quá điện áp tạm thời Các loại quá điện áp này phát sinh trong hệ thốngđiện hay trên chính các xuất tuyến sẽ lan truyền tới trạm biến áp và tác động lêncách 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 tạmthời, quá điện áp đóng cắt và một số quá điện áp sét có trị số nhỏ Cách điện cócường 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, độdốc đầu sóng dòng điện, vị trí sét đánh, tình hình nối đất chân cột, kết cấu đườngdây nối vào trạm biến áp và số lượng máy biến áp làm việc song song Do vậy, lựachọn 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 điệntrên cách điện của các thiết bị điện làm hư hỏng thiết bị cũng như gây sự cố ngắnmạch trên thanh góp của trạm Các sự cố thường kéo theo thiệt hại về thiết bị, giánđoạn 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 thuậtbảo vệ như đặt chống sét van ở cột cuối của các xuất tuyến, đặt song song với cácthiết bị điện trong trạm như máy biến áp, máy biến áp đo lường Việc bảo vệ bằngchống sét van phải được kết hợp với các kỹ thuật khác như giảm điện trở nối đấtchân cột, tăng cường bảo vệ bằng dây chống sét ở đoạn gần trạm nhằm hạn chếphóng điện ngược trên đoạn này Tăng điện dung của đoạn đường dây nối vào trạmbằng cách nối thêm các đoạn cáp kết hợp với chống sét van Một số sơ đồ điển hìnhcho 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 vànhững ảnh hưởng của sét tới hệ thống điện và một số giải pháp bảo vệ chống sét chotrạm biến áp tiên tiến nhất hiện nay đảm bảo đúng tiêu chuẩn thiết kế của IEC cũngnhư 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 sốbiến 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 hậuquả chủ yếu là làm hư hỏng cách điện, gây sự cố ngắn mạch, làm gián đoạn cungcấp điện

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

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

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