Tài liệu Luận án nghiên cứu một số giải pháp giảm sự cố do sét cho đường dây truyền tải điện trên không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------------------- NINH VĂN NAM NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM SỰ CỐ DO SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN TRÊN KHÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------------------- NINH VĂN NAM NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM SỰ CỐ DO SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN TRÊN KHÔNG Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. PHẠM HỒNG THỊNH 2. PGS.TS. TRẦN VĂN TỚP Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dựa trên hướng dẫn của tập thể hướng dẫn khoa học và những tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Các kết quả đạt được trong luận án là chính xác, trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng 6 năm 2020 XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN GV. HƯỚNG DẪN 1 GV. HƯỚNG DẪN 2 TÁC GIẢ LUẬN ÁN TS. Phạm Hồng Thịnh PGS.TS. Trần Văn Tớp Ninh Văn Nam i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, TS. Phạm Hồng Thịnh và PGS.TS. Trần Văn Tớp đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong suốt quá trình nghiên cứu. Hai thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng đào tạo-Bộ phận đào tạo Sau đại học, Viện Điện và Bộ môn Hệ thống Điện đã luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các Giảng viên và cán lãnh đạo bộ Bộ môn Hệ thống điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tận tình hỗ trợ và giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban Chủ nhiệm khoa Điện đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của các đồng nghiệp tại trường Đại học Công nghiệp Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ tại công ty truyền tải điện 1, Công ty lưới điện cao thế miền Bắc, các cán bộ tại Viện năng lượng và TS Nguyễn Thái Thành Đại học Quốc gia Incheon Hàn Quốc đã giúp đỡ tôi thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi thực sự cảm động và biết ơn đến người vợ yêu quý và hai con thân yêu cùng Ông Bà nội ngoại hai bên đã luôn ở bên tác giả những lúc khó khăn, mệt mỏi, để động viên, hỗ trợ về tài chính và tinh thần trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện bản luận án này. Tác giả luận án Ninh Văn Nam ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN................................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .......................................................viii DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ ................................................................... xi MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................................... 3 3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ............................................................ 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ....................................................................... 3 5. Các đóng góp mới của luận án ....................................................................................... 4 6. Cấu trúc nội dung của luận án ........................................................................................ 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ........ 7 1.1. Tổng quan về sự cố do sét trên đường dây truyền tải ................................................... 7 1.1.1. Quy mô phát triển đường dây truyền tải Việt Nam .............................................. 7 1.1.2. Tình hình giông sét tại Việt Nam ........................................................................ 8 1.1.3. Tình hình sự cố do sét trên đường dây truyền tải Việt Nam ............................... 11 1.1.4. Tình hình sự cố do sét trên đường dây truyền tải trên thế giới ........................... 13 1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước về tính toán chống sét cho đường dây truyền tải .......................................................................................................................... 14 1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước về các giải pháp chống sét cho đường dây truyền tải 15 1.3.1. Lắp đặt CSV ..................................................................................................... 15 1.3.2. Sử dụng dây nối đất phía dưới .......................................................................... 16 1.3.3. Sử dụng cách điện không đối xứng ................................................................... 16 1.3.4. Bỏ dây chống sét thay bằng CSV ...................................................................... 17 1.4. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu ........................................................ 17 1.4.1. Những vấn đề còn tồn tại .................................................................................. 17 1.4.2. Lựa chọn hướng nghiên cứu ............................................................................ 18 1.5. Kết luận .................................................................................................................... 19 CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ DO SÉT TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 20 iii 2.1. Truyền sóng trên đường dây truyền tải ...................................................................... 20 2.1.1. Cơ sở lý thuyết ................................................................................................. 20 2.1.2. Truyền sóng trong hệ nhiều dây ........................................................................ 21 2.2. Ảnh hưởng của các thông số đường dây đến quá điện áp sét ...................................... 22 2.2.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 22 2.2.2. Tổng dẫn Y0 của đường dây.............................................................................. 23 2.2.3. Tổng trở dọc đường dây Z0 ............................................................................... 24 2.2.3.1. Ma trận tổng trở ngoài Zext ......................................................................... 24 2.2.3.1.Ma trận tổng trở trong Zint ........................................................................... 25 2.3. Tổng trở sóng trong phương trình truyền sóng sét và hệ số ngẫu hợp ......................... 26 2.3.1. Trường hợp đường dây một dây chống sét ........................................................ 27 2.3.2. Trường hợp đường dây hai dây chống sét ......................................................... 27 2.4. Tính toán điện áp do sét trên cách điện ...................................................................... 28 2.4.1. Khi sét đánh đỉnh cột ........................................................................................ 28 2.4.2. Khi sét đánh vào dây pha .................................................................................. 30 2.5. Mô phỏng quá điện áp sét bằng chương trình tính toán quá độ điện từ EMTP ............ 30 2.5.1. Giải phương trình truyền sóng trong EMTP ...................................................... 31 2.5.1.1. Truyền sóng trong hệ một dây .................................................................... 31 2.5.1.2. Truyền sóng trong hệ nhiều dây.................................................................. 32 2.5.2. Mô hình các phần tử trong EMTP ..................................................................... 33 2.5.2.1. Mô hình nguồn sét ...................................................................................... 33 2.5.2.2.Mô hình cột ................................................................................................. 33 2.5.2.3.Mô hình đường dây ..................................................................................... 35 2.5.2.4.Mô hình điện trở tiếp địa cột........................................................................ 36 2.5.2.5. Mô hình chuỗi cách điện và khe hở phóng điện .......................................... 37 2.5.2.6. Mô hình CSV ............................................................................................. 38 2.6. Áp dụng EMTP tính toán điện áp sét trên đường dây truyền tải ................................. 38 2.6.1. Ảnh hưởng các thông số đến hệ số K giữa DCS và các dây pha ........................ 39 2.6.3. Kết quả mô phỏng QĐA sét trên cách điện của đường dây truyền tải ................ 44 2.7. Kết luận .................................................................................................................... 46 CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN SUẤT CẮT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 48 3.1. Phương pháp mô hình điện hình học ......................................................................... 48 iv 3.1.1. Suất cắt do sét đánh đỉnh cột hoặc khoảng vượt của dây chống sét (BFR) ......... 48 3.1.2. Suất cắt do sét đánh vào dây dẫn (SFFOR) ....................................................... 49 3.2. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo ....................................................................... 51 3.2.1. Trình tự tính toán của phương pháp mô phỏng Monte Carlo ........................... 52 3.2.2. Áp dụng tính toán ........................................................................................... 55 3.3. Kết luận ................................................................................................................... 57 CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG CHỐNG SÉT VAN CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ..... 59 4.1. Giới thiệu về chống sét van ....................................................................................... 59 4.1.1. Quá trình phát triển của chống sét van .............................................................. 59 4.1.2. Cấu tạo của CSV .............................................................................................. 60 4.1.3. Ứng dụng của CSV........................................................................................... 61 4.2. CSV đường dây ......................................................................................................... 61 4.2.1. Nguyên tắc làm việc của CSV đường dây ......................................................... 61 4.2.2. Đặc tính làm việc của CSV đường dây.............................................................. 62 4.2.3. Điện áp làm việc liên tục .................................................................................. 63 4.2.4. Khả năng hấp thụ năng lượng của CSV đường dây ........................................... 63 4.2.5. Các loại chống sét van đường dây ..................................................................... 64 4.3. Hiệu quả của lắp đặt CSV cho đường dây truyền tải .................................................. 65 4.4. Ảnh hưởng của thông số đường dây tới suất cắt khi lắp đặt chống sét van ................. 66 4.4.1. Ảnh hưởng của chiều cao cột ........................................................................... 66 4.4.2. Ảnh hưởng chiều dài khoảng vượt .................................................................... 67 4.4.3. Ảnh hưởng điện trở tiếp địa cột ........................................................................ 67 4.6. Suất cắt do sét theo số lượng CSV lắp đặt ................................................................. 70 4.7. Lựa chọn vị trí lắp đặt CSV theo cấu hình đường dây ................................................ 71 4.7.1. Đường dây 220 kV ........................................................................................... 71 4.7.1.1. Đường dây 220 kV hai mạch hai DCS ........................................................ 71 4.7.1.2. Đường dây 220 kV một mạch một DCS ..................................................... 73 4.7.2. Đường dây 110 kV ........................................................................................... 74 4.7.2.1. Đường dây 110 kV hai mạch một DCS ...................................................... 74 4.7.2.2. Đường dây 110 kV một mạch một DCS ..................................................... 75 4.8. Năng lượng hấp thụ CSV .......................................................................................... 77 4.8.1. Năng lượng hấp thụ CSV theo cấp điện áp ........................................................ 77 v 4.8.2. Năng lượng hấp thụ CSV theo điện trở tiếp địa cột ........................................... 77 4.8.3. Năng lượng hấp thụ CSV theo trị số dòng điện sét ............................................ 79 4.8.4. Phân bố năng lượng hấp thụ CSV trên các pha.................................................. 81 4.9. Lắp đặt chống sét van rời rạc trên đường dây ............................................................ 83 4.9.1. Cơ chế phóng điện khi lắp CSV rời rạc ............................................................. 83 4.9.1.1. Khi sét đánh đỉnh cột hoặc DCS ................................................................. 84 4.9.1.2. Khi sét đánh dây pha .................................................................................. 84 4.9.2. Các kết quả mô phỏng ...................................................................................... 85 4.9.2.1. Trường hợp lắp 1 CSV ............................................................................... 85 4.9.2.2. Trường hợp lắp 2 CSV ............................................................................... 87 4.9.2.3. Trường hợp lắp 3 CSV ............................................................................... 88 4.9.2.4. Trường hợp sét đánh dây pha...................................................................... 89 4.9.3. Tổng kết ........................................................................................................... 90 4.10. Kết luận .................................................................................................................. 91 CHƯƠNG 5. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHỐNG SÉT KẾT HỢP SỬ DỤNG CSV CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ......................................................................................... 92 5.1. Phương pháp sử dụng chống sét van kết hợp với cách điện không đối xứng .............. 92 5.1.1. Cơ sở của phương pháp .................................................................................... 92 5.1.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................................ 93 5.2. Phương pháp sử dụng CSV kết hợp với DCS treo phía dưới ..................................... 94 5.2.1. Cơ sở của phương pháp .................................................................................... 94 5.2.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................................ 95 5.3. Phương pháp CSV được sử dụng thay cho DCS ........................................................ 98 5.3.1. Cở sở của phương pháp .................................................................................... 98 5.3.2. Số lần sét đánh vào đường dây.......................................................................... 99 5.3.3. Suất cắt đường dây khi CSV được sử dụng thay cho DCS .............................. 100 5.4. Phương pháp sử dụng CSV kết hợp với dây UGW trên đường dây không có DCS .. 100 5.5. Kết luận .................................................................................................................. 102 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 104 1. Đóng góp khoa học của luận án .................................................................................. 104 2. Kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo .................................................................. 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 106 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................................... 113 vi PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 114 PL 1. Chương trình mô phỏng phóng điện trên cách điện đường dây 500 kV trong EMTP/ATP .............................................................................................................. 114 PL 2. Chương trình mô phỏng phóng điện trên cách điện đường dây 220 kV trong EMTP/ATP .............................................................................................................. 115 PL 3. Chương trình mô phỏng phóng điện trên cách điện đường dây 110 kV trong EMTP/ATP .............................................................................................................. 116 PL 4. Đặc tính V- A của CSV................................................................................... 117 PL 5. Cấu trúc cột hai mạch và cột một mạch và các thông số trong mô hình mô phỏng EMTP 118 PL 6. Dòng điện sét lớn nhất đánh vào dây pha theo mô hình điện hình học ............. 121 PL 7. Các trị số điện trở và điện cảm của từng tầng trong mô hình cột nhiều tầng trong EMTP/ATP .............................................................................................................. 121 PL.8. Mô hình các phần tử trong EMTP/ATP ........................................................... 122 PL.9. Chương trình tính toán suất cắt trong Matlab .................................................. 124 PL10. Chương trình Matlab tính theo phương pháp Monte Carlo.............................. 128 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BFR BIL CĐĐX CĐKĐX CIGRE CSV Dc DCS DD Dg EGLA EVN EGM EMTP/ATP Ic IEC IEEE Im KSF MCOV NASA NC Ng NGC NGLA Nl NPT OHGW P(I > Ic) PTC1 PTC2 PTC3 PTC4 pu QĐA Suất cắt do sét đánh vào đường dây gây phóng điện ngược (Back Flashover Rate) Mức chịu đựng xung sét của cách điện Cách điện đối xứng Cách điện không đối xứng Conference Internationale des Grands Reseaux Electriques Chống sét van Khu vực sét đánh vào dây dẫn Dây chống sét Dây dẫn Khu vực sét đánh vào dây chống sét Externally Gapped Line Arrester - CSV đường dây không khe hở ngoài Tập đoàn điện lực Việt Nam Mô hình điện hình học Electromagnetic transient program/Alternative Transients Programme Dòng điện sét nhỏ nhất gây ra phóng điện trên cách điện khi sét đánh vào đường dây International Electrotechnical Commission Viện các kỹ sư kỹ thuật điện và điện tử (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Cường độ dòng điện sét lớn nhất đánh vào dây dẫn Hệ số khoảng vượt (Maximum Continuous Operating Voltage)- điện áp làm việc lớn nhất cho phép liên tục của CSV National Aeronautics and Space Administration Suất cắt tổng cộng, bao gồm do sét dây chống sét và dây dẫn Mật độ giông sét Công ty lưới điện cao thế Miền Bắc Non Gapped Line Arrester - CSV đường dây không khe hở Số lần sét đánh vào đường dây Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia Dây chống sét chạy bên trên (Overhead Ground Wire ) Xác suất xuất hiện dòng điện sét có cường độ lớn hơn Ic Công ty truyền tải điện 1 Công ty truyền tải điện 2 Công ty truyền tải điện 3 Công ty truyền tải điện 4 Per unit system - Giá trị trong hệ đơn vị tương đối Quá điện áp viii Rtd SCADA SFFOR Sg SVL TBA tf TT UA, B, C Ucđ Udd Uđc UGW v Zcột Zdcs Zdd Điện trở tiếp địa cột Hê thống giám sát, điều khiển và thu thập xử lý dữ liệu Suất cắt do sét đánh vào dây dẫn (Shielding Failure Flashover Rate) Khoảng cách giữa hai dây chống sét Bộ hạn chế điện áp trên vỏ cáp (Sheath Voltage Limiter) Trạm biến áp Thời gian đầu sóng của dòng điện sét Thời gian truyền sóng trên cột Điện áp trên pha A, pha B hoặc pha C Điện áp trên cách điện Điện áp trên dây dẫn Điện áp tại đỉnh cột Dây chống sét chạy phía dưới (Under Built Ground Wire) Vận tốc truyền sóng Tổng trở sóng của cột Tổng trở sóng của dây chống sét Tổng trở sóng của dây dẫn ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Chỉ tiêu suất cắt đối với các đường dây truyền tải 220 kV và 500 kV ............... 12 Bảng 1.2 Chỉ tiêu suất cắt đối với các đường dây 110 kV của NGC ................................ 13 Bảng 2.1. Số liệu về dây dẫn, dây chống sét..................................................................... 39 Bảng 2.2. Số liệu về kích thước cột.................................................................................. 39 Bảng 3.1. Tham số của hàm phân bố log-chuẩn cho dòng điện sét ................................... 53 Bảng 3.2. Tham số của hàm phân bố của điện trở tiếp địa cột .......................................... 55 x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Quy mô về đường dây 110-220-500 kV từ 2012-2018........................................ 7 Hình 1.2. Chiều dài đường dây truyền tải theo quy hoạch điện VII ................................... 7 Hình 1.3. Khối lượng quản lý vận hành đường dây truyền tải các đơn vị tính đến năm 2018 .......................................................................................................................................... 8 Hình 1.4. Bản đồ mật độ giông sét tại Việt Nam ................................................................ 9 Hình 1.5. Bản đồ Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 ......................................................................................................................... 10 Hình 1.6. Sự cố theo các năm của NPT............................................................................ 11 Hình 1.7. Suất cắt do sét trên đường dây truyền tải theo thống kê của các Công ty truyền tải ........................................................................................................................................ 11 Hình 1.8. Sự cố theo các năm của PTC1 .......................................................................... 12 Hình 1.9. Suất cắt do sét theo thống kê một số đường dây do PTC1 quản lý .................... 12 Hình 1.10. Sự cố theo các năm trên lưới 110 kV do NGC quản lý ................................... 13 Hình 1.11 Suất cắt của đường dây 110 kV theo thống kê ................................................. 13 Hình 2.1. Sơ đồ đường dây thông rải trong tính toán truyền sóng..................................... 20 Hình 2.2. Sơ đồ mạch khi xét ảnh hưởng tương hỗ giữa các dây với nhau ....................... 21 Hình 2.3. Phương pháp ảnh trong xác định hệ số thế của đường dây ................................ 23 Hình 2.4. Cách xác định các tham số trong tính toán tổng trở ngoài của đường dây dựa trên phương pháp ảnh phức ..................................................................................................... 25 Hình 2.5. Trường hợp sét đánh đỉnh cột........................................................................... 28 Hình 2.6. Phân bố dòng điện sét khi đánh trực tiếp vào dây dẫn....................................... 30 Hình 2.7. Mô hình nguồn điện sét.................................................................................... 33 Hình 2.8. Sóng dòng điện sét slope-Ramp ....................................................................... 33 Hình 2.9. Cột hai mạch với mô hình mạch và mô hình mô phỏng trong EMTP ................ 34 Hình 2.10. Cột một mạch với mô hình mạch và mô hình mô phỏng trong EMTP............. 35 Hình 2.11. Thông số đường dây 2 mạch hai dây chống sét trong EMTP .......................... 35 Hình 2.12. Mô hình đường dây với 7 cột và 6 khoảng vượt ............................................. 36 Hình 2.13. Số liệu trị số Rtd và mô hình thay thế trong chương trình EMTP..................... 37 Hình 2.14. Khe hở phóng điện trên chuỗi cách điện (a) và mô hình trong EMTP (b)........ 37 Hình 2.15. CSV có khe hở ngoài (a), Mô hình CSV có khe hở ngoài trong EMTP (b) ..... 38 Hình 2.16. Cấu hình cột hai mạch và cột một mạch ......................................................... 39 Hình 2.17. So sánh hệ số ngẫu hợp các pha với DCS khi không xét và có xét dòng trở về trong đất đường dây 220 kV, điện trở suất đất 1000 .m ................................................. 40 Hình 2.18. So sánh hệ số ngẫu hợp các pha với DCS khi không xét và có xét dòng trở về trong đất đường dây 110 kV, điện trở suất đất 1000 .m ................................................. 40 Hình 2.19. Hệ số ngẫu hợp giữa dây pha với DCS theo điện trở suất của đất .................. 41 Hình 2.20. Hệ số ngẫu hợp theo số lượng DCS ................................................................ 41 Hình 2.21. Hệ số ngẫu hợp theo cấp điện áp .................................................................... 42 Hình 2.22. Hệ số ngẫu hợp theo tần số dòng điện sét ....................................................... 43 xi Hình 2.23. Hệ số ngẫu hợp giữa các dây pha a) một mạch, b) hai mạch .......................... 43 Hình 2.24. Phân bố điện áp trên các pha tại cột bị sét đánh .............................................. 44 Hình 2.25. Sóng QĐA trên cách điện các pha tại cột ....................................................... 44 Hình 2.26. Biên độ QĐA sét trên cách điện các pha theo trị số Rtđ ................................... 45 Hình 2.27. Biên độ QĐA sét trên cách điện các pha theo biên độ dòng điện sét ............... 45 Hình 2.28. Biên độ QĐA sét trên cách điện các pha theo thời gian đầu sóng.................... 46 Hình 3.1. Mô hình EGM xác định diện tích thu hút sét vào DCS và dây dẫn.................... 49 Hình 3.2. Xác định Dc và Dg theo mô hình điện hình học................................................. 50 Hình 3.3. Xác suất tích lũy của biên độ dòng điện sét theo CIGRE .................................. 51 Hình 3.5. Sơ đồ thuật toán tính toán suất cắt do sét theo phương pháp mô phỏng Monte Carlo ................................................................................................................................ 54 Hình 3.6. Phân bố giá trị điện trở tiếp địa cột. .................................................................. 55 Hình 3.7. So sánh suất cắt đường dây 220 kV Việt Trì – Yên Bái theo phương pháp EGM và phương pháp Monte Carlo với thực tế vận hành........................................................... 56 Hình 3.8. So sánh suất cắt đường dây 110 kV Tiên Yên-Mông Dương theo phương pháp EGM và phương pháp Montecarlo với thực tế vận hành. .................................................. 56 Hình 4.1. Sơ đồ cấu trúc của vật liệu ZnO ....................................................................... 59 Hình 4.2. Ảnh của vật liệu ZnO dưới kính hiển vi điện tử ................................................ 59 Hình 4.3. Các tấm ZnO được đúc với đường kính khác nhau dùng cho các cấp điện áp khác nhau [92] ......................................................................................................................... 60 Hình 4.4. Cấu tạo của một CSV với cách điện bao bằng sứ.............................................. 60 Hình 4.5. CSV đường dây 220 kV Thanh Thủy - Hà Giang ............................................. 61 Hình 4.6. Nguyên tắc làm việc của CSV đường dây ........................................................ 62 Hình 4.7. Đặc tính làm việc của CSV cấp điện áp 220 kV ............................................... 63 Hình 4.8. CSV đường dây loại không khe hở (a) và loại có khe hở (b)............................. 64 Hình 4.9. Cấu hình cột hai mạch đường dây 500 kV, 220 kV và 110 kV.......................... 65 Hình 4.10. Ngưỡng dòng điện sét nhỏ nhất gây phóng điện trên cách điện của pha không lắp CSV ................................................................................................................................. 66 Hình 4.11. Ảnh hưởng của chiều cao ............................................................................... 67 Hình 4.12. Ảnh hưởng của chiều dài khoảng vượt tới suất cắt ......................................... 67 Hình 4.13. Ảnh hưởng của điện trở tiếp địa tới suất cắt ................................................... 68 Hình 4.14. Điện áp trên cách điện các pha A1 trước và sau khi lắp CSV .......................... 69 Hình 4.15. Điện áp trên cách điện các pha B1, pha C1 khi CSV làm việc, Rtđ =10 ........ 69 Hình 4.16. Điện áp trên cách điện các pha B1, pha C1 khi CSV làm việc, Rtđ =40 ........ 70 Hình 4.17. Suất cắt đường dây với các trường hợp lắp CSV khác nhau ............................ 70 Hình 4.18. Suất cắt của đường dây 220 kV hai mạch hai DCS khi lắp 1 CSV .................. 72 Hình 4.19. Tỉ lệ % dòng điện sét đi qua DCS và qua Rtđ .................................................. 72 Hình 4.20. Suất cắt của đường dây 220 kV hai mạch hai DCS khi lắp 2 CSV .................. 72 Hình 4.21. Suất cắt của đường dây 220 kV hai mạch hai DCS khi lắp 3 CSV .................. 73 Hình 4.22. Suất cắt của đường dây 220 kV một mạch một DCS khi lắp 1 CSV ............... 73 Hình 4.23. Suất cắt của đường dây 220 kV một mạch một DCS khi lắp 2 CSV ............... 74 Hình 4.24. Suất cắt của đường dây 110 kV hai mạch một DCS khi lắp 1 CSV ................. 74 xii Hình 4.25. Suất cắt của đường dây 110 kV hai mạch một DCS khi lắp 2 CSV ................. 75 Hình 4.26. Suất cắt của đường dây 110 kV hai mạch một DCS khi lắp 3 CSV ................. 75 Hình 4.27. Suất cắt của đường dây 110 kV một mạch một DCS khi lắp 1 CSV ............... 76 Hình 4.28. Suất cắt của đường dây 110 kV một mạch một DCS khi lắp 2 CSV ............... 76 Hình 4.29. Năng lượng hấp thụ của CSV khi sét đánh đỉnh cột với dòng sét Ing và khi sét đánh dây pha với dòng sét Im............................................................................................ 77 Hình 4.30. Năng lượng hấp thụ lớn nhất của CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo Rtđ dòng sét 300 kA đường dây 500 Kv ................................................................................. 78 Hình 4.31. Năng lượng hấp thụ lớn nhất của CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo Rtđ dòng sét 300 kA đường dây 220 kV .......................................................................................... 78 Hình 4.32. Năng lượng hấp thụ lớn nhất của CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo Rtđ dòng sét 300 kA đường dây 110 kV ................................................................................. 78 Hình 4.33. Năng lượng hấp thụ lớn nhất của CSV trường hợp sét đánh dây pha trên cùng theo Rtđ với dòng điện sét Im ............................................................................................ 79 Hình 4.34. Năng lượng hấp thụ lớn nhất của CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo dòng sét đường dây 500 kV, Rtđ =20  ..................................................................................... 80 Hình 4.35. Năng lượng hấp thụ lớn nhất của CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo dòng sét đường dây 220 kV, Rtđ =50  ..................................................................................... 80 Hình 4.36. Năng lượng hấp thụ lớn nhất của CSV trường hợp sét đánh đỉnh cột theo dòng sét đường dây 110 kV, Rtđ =50  ..................................................................................... 80 Hình 4.37. Phân bố năng lượng hấp thụ của CSV các pha trường hợp sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 300 kA ....................................................................................................... 81 Hình 4.38. Phân bố năng lượng hấp thụ của CSV các pha đường dây 110 kV trường hợp sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 300 kA theo Rtđ .............................................................. 82 Hình 4.39. Phân bố năng lượng hấp thụ của CSV các pha đường dây 220 kV trường hợp sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 300 kA theo Rtđ .............................................................. 82 Hình 4.40. Phân bố năng lượng hấp thụ của CSV các pha đường dây 500 kV trường hợp sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 300 kA theo Rtđ .............................................................. 82 Hình 4.41. Cột số 2 khả năng sét đánh cao nhất thường được các đơn vị vận hành chọn lắp CSV ................................................................................................................................. 83 Hình 4.42. Quá trình truyền sóng khi sét đánh đỉnh cột 2 có treo CSV ở pha A................ 84 Hình 4.43. Quá trình truyền sóng khi sét đánh dây pha tại cột 2 có lắp đặt CSV tại pha A ..................................................................................................................................... 85 Hình 4.44. Điện áp trên cách điện pha A của cột 3 khi cột 2 chưa lắp CSV ...................... 85 Hình 4.45. Điện áp trên cách điện pha A của cột 3 khi cột 2 lắp CSV .............................. 86 Hình 4.46. Phân bố các vùng xảy ra phóng điện trên cách điện khi sét đánh vào đỉnh cột2, CSV cột 2 làm việc, khi Rtđ3 =5. Vùng I: không phóng điện, vùng II: phóng điện trên cách điện cột 3, vùng III: phóng điện trên cách điện cột 2 ........................................................ 86 Hình 4.47. Phân bố các vùng xảy ra phóng điện trên các pha không treo CSV khi thay đổi khoảng vượt, Rtđ2 =10 , Rtđ3 =5  .................................................................................. 87 Hình 4.48. Phân bố các vùng xảy ra phóng điện trên cách điện khi sét đánh vào cột 2, CSV cột 2 làm việc, khi Rtđ3 =5 . ........................................................................................... 87 xiii Hình 4.49. Phân bố các vùng xảy ra phóng điện trên các pha không treo CSV khi thay đổi khoảng vượt, Rtđ2=10 , Rtđ3=5  ................................................................................... 88 Hình 4.50. Phân bố các vùng xảy ra phóng điện trên cách điện khi sét đánh vào cột 2, CSV cột 2 làm việc, khi Rtđ3 =5 . ........................................................................................... 88 Hình 4.51. Phân bố các vùng xảy ra phóng điện trên các pha không treo CSV khi thay đổi khoảng vượt, Rtđ2=10 , Rtđ3=5  ................................................................................... 89 Hình 4.52. Quan hệ giữa dòng điện gây phóng điện cột 3 khi sét đánh dây pha A với Rtđ3 thay đổi từ 10  đến 100  .............................................................................................. 89 Hình 4.53. Quan hệ giữa dòng điện gây phóng điện cột 3 theo chiều dài khoảng vượt khi sét đánh vào dây pha, Rtđ2=10 , Rtđ3=5  ............................................................................ 90 Hình 5.1. Minh họa cột nhiều mạch a) hai mạch hai DCS, b) hai mạch một DCS, c) bốn mạch hai DCS .................................................................................................................. 93 Hình 5.2. Suất cắt đường dây........................................................................................... 94 Hình 5.3. Điện áp trên cách điện các pha A (a), pha B (b), pha C (c) đường dây 220 kV hai mạch ................................................................................................................................ 96 Hình 5.4. Điện áp trên cách điện các pha A (a), pha B (b), pha C (c) đường dây 220 kV một mạch ................................................................................................................................ 97 Hình 5.5. So sánh suất cắt đường dây khi không có và khi có dây UGW theo điện trở tiếp địa cột a) hai mạch, b) một mạch...................................................................................... 97 Hình 5.6. Giải pháp CSV được sử dụng thay cho DCS .................................................... 99 Hình 5.7. Giải pháp đề xuất cấu hình C1 chuyển thành cấu hình C3 ................................ 99 Hình 5.8. Số lần sét đánh vào đường dây khi thay đổi chiều cao cột .............................. 100 Hình 5.9. Suất cắt đường dây theo cấu hình C1,C2 và C3 .............................................. 100 Hình 5.10. Sử dụng CSV kết hợp với dây UGW trên đường dây không có DCS ............ 101 Hình 5.11. Giải pháp đề xuất cấu hình C3 chuyển thành cấu hình C4 ............................ 101 Hình 5.12 Suất cắt đường dây khi sử dụng CSV kết hợp với dây UGW trên đường dây không có DCS................................................................................................................ 102 xiv MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Yêu cầu về một đường dây truyền tải tin cậy, ổn định và an toàn là mục tiêu hàng đầu của tất cả các công ty truyền tải điện trong đó chống sét là một trong những vấn đề cần quan tâm nhất trong công tác vận. Thống kê tại Việt Nam cho thấy sự cố do sét chiếm hơn 70% tổng số sự cố trên đường dây 220 kV và 500 kV [1] và hơn 65% đối với đường dây 110 kV [2]. Đường dây truyền tải hiện đại ngày càng trở nên rộng lớn và phức tạp với cơ cấu ngày càng nhiều các nguồn năng lượng mới, đường dây truyền tải cũng có xu hướng sử dụng nhiều các đường dây nhỏ gọn hơn (đường dây compact) hoặc đường dây tải điện một chiều. Vì thế, tính toán chống sét cũng cần phải phù hợp với những sự thay đổi này. Đặt trong bối cảnh như vậy, vấn đề chống sét là cấp thiết không chỉ ở Việt Nam mà đối với bất kỳ quốc gia nào. Thử nghiệm thành công chống sét van (CSV) sử dụng oxit kim loại ZnO cho đường dây 138 kV của công ty điện lực Mỹ AEP (American Electric Power) năm 1985 đã mở ra một giai đoạn hoàn toàn mới cho bảo vệ chống sét cho đường dây truyền tải [3], lĩnh vực mà trước đó hoàn toàn phụ thuộc vào việc sử dụng dây chống sét (DCS), cột chống sét và hệ thống tiếp địa. Sử dụng CSV bảo vệ cho đường dây không chỉ giới hạn trong việc tăng độ tin cậy của đường dây và bảo vệ cách điện đường dây, mà còn giảm biên độ điện áp lan truyền vào trạm, hạn chế số lần thao tác của máy cắt do tự động đóng lại, dẫn đến tăng tuổi thọ thiết bị. Từ đó đến nay, CSV đường dây sử dụng ZnO liên tục được hoàn thiện và phát triển để ứng dụng cho hầu hết các cấp điện áp truyền tải và đã sử dụng đến cả cấp phân phối. Đối với hệ thống điện Việt Nam, CSV đường dây mới chỉ xuất hiện trên lưới 110 kV của Việt Nam vào đầu những năm 2000 và đang được mở rộng lên lưới 220 kV và 500 kV. Do liên quan đến nhiều vấn đề phức tạp của đường dây truyền tải như truyền sóng, phóng điện, cảm ứng, hiện tượng phi tuyến và phối hợp cách điện,tính toán chống sét sử dụng CSV là một bài toán lớn và phức tạp và chỉ có thể thực hiện được với phần mềm chuyên dụng tính toán quá độ điện từ (EMTP/ATP) với nhiều giả thiết đơn giản hóa. Với đặc điểm như vậy, tính toán chống sét sử dụng cho đường dây truyền tải bằng chương trình tính toán quá độ điện từ thường phải dựa trên nguyên tắc quá điện áp, nghĩa là CSV sẽ làm việc để tản dòng điện sét xuống hệ thống nối đất hoặc dây pha khi điện áp đặt lên nó vượt ngưỡng điện áp an toàn đối với cách điện mà nó bảo vệ. Nguyên tắc bảo vệ này được dựa trên các giả thiết sau: 1. Vị trí lắp đặt CSV giống nhau trên toàn bộ đường dây và CSV được lắp đặt trên toàn bộ đường dây. 2. CSV được lắp đặt trên đường dây truyền tải điện áp xoay chiều 3 pha, 1 cấp điện áp đã trang bị sẵn1 hoặc 2 DCS. 3. Mọi hiện tượng sau khi CSV làm việc đều không được xét đến, chính vì thế ảnh hưởng của dòng điện sét chạy trên DCS, trên dây dẫn và dòng điện khép mạch 1 trong đất bị bỏ qua. 4. CSV được sử dụng như một biện pháp bảo vệ bổ sung cho đường dây truyền tải trong khi biện pháp bảo vệ chống sét chính vẫn là sử dụng DCS. Với những giả thiết như vậy, phương pháp tiếp cận quá điện áp (QĐA) có nhiều hạn chế do thực tế không cần lắp CSV trên toàn bộ đường dây mà chỉ cần lắp trên những đoạn cần được bảo vệ. CSV cũng không cần phải lắp đặt trên các vị trí giống nhau mà có thể ở vị trí pha thích hợp tùy thuộc vào tính chất của đường dây. Quá trình lan truyền của dòng điện sét trên dây dẫn sau khi CSV làm việc bị bỏ qua, dòng điện sét chạy trên DCS và dây dẫn sau đó khép mạch qua đất không được tính đến, dẫn đến ảnh hưởng của các thông số của đường dây, điện trở suất của đất, các hiện tượng tần số cao của dòng điện sét trong đất bị bỏ qua. Mặt khác, đường dây truyền tải ngày càng có xu hướng thu nhỏ về kích thước để hạn chế diện tích hành lang tuyến. Xu thế này dẫn đến càng nhiều các đường dây truyền tải sử dụng nhiều hơn 2 cấp điện áp trên một cột, đường dây tải điện một chiều chỉ có 2 dây pha, đường dây compact với khoảng cách dây pha được thu ngắn lại, thậm chí DCS có thể hoàn toàn được loại bỏ để giảm kích thước đường dây. Do đó, vai trò của CSV từ một thiết bị phụ trợ cho DCS sẽ trở thành thành phần chủ đạo trong chống sét cho đường dây truyền tải. Những hạn chế kể trên cùng với xu thế mới của đường dây truyền tải đòi hỏi một cách tiếp cận khác về nghiên cứu chống sét cho đường dây truyền tải sử dụng CSV. Trong luận án này, phương pháp tiếp cận bằng dòng điện sét được sử dụng trong nghiên cứu tính toán sử dụng CSV cho đường dây truyền tải. Vai trò của thông số đường dây bao gồm tổng trở sóng của dây dẫn và DCS, ảnh hưởng của điện trở suất của đất đến tổng trở sóng của đường dây và điện áp do sét đặt lên cách điện được làm rõ. Từ đó xây dựng cơ sở lý thuyết cho việc sử dụng CSV trên các đường dây ở các cấp điện áp khác nhau, ở cấu hình cột khác nhau, ở đường dây sử dụng một hoặc nhiều DCS hay sử dụng DCS phía trên và phía dưới dây dẫn. Cơ sở này cho phép đề xuất các biện pháp bảo vệ chống sét phù hợp tùy thuộc vào cấu hình của đường dây truyền tải. Quá trình lan truyền dòng điện sét sau khi CSV làm việc cũng được nghiên cứu chi tiết, cho phép xác định những điểm yếu khác trên đường dây sau khi CSV làm việc. Kết quả nghiên cứu cho phép lý giải những hiện tượng trong thực tế vận hành như phóng điện xảy ra ở những cột có vị trí tưởng như rất tốt về mặt chống sét, do đó bị bỏ qua không lắp đặt CSV khi sử dụng cách tiếp cận cũ bằng phương pháp quá điện áp. Kết quả này cho phép đề xuất giải pháp sử dụng phương pháp lắp đặt CSV rời rạc phù hợp với địa hình, kết hợp với các biện pháp khác sử dụng các phần tử sẵn có và tin cậy của đường dây như bổ sung cách điện, dùng dây chống sét chạy phía dưới để nâng cao khả năng chống sét của đường dây. Những phân tích nêu trên cho thấy việc thực hiện luận án “Nghiên cứu một số giải pháp giảm sự cố do sét cho đường dây truyền tải điện trên không” có những đóng góp nhất định cho lĩnh vực nghiên cứu chống sét cho đường dây truyền tải, đặc biệt khi sử dụng CSV đường dây. Ngoài những đóng góp về mặt cơ sở lý thuyết, luận án còn có những kết quả thực tế cho phép ứng dụng cho đường dây truyền tải hiện tại và tương lai, đặc biệt cho đường dây truyền tải điện Việt Nam. 2 2. Mục đích nghiên cứu  Xác định suất cắt do sét cho đường dây truyền tải điện theo phương pháp mô hình điện hình học (EGM) và phương pháp mô phỏng Monte Carlo.  Thiết lập cơ sở lý thuyết về truyền sóng sét trên đường dây truyền tải, quá trình truyền sóng trên hệ nhiều dây với sóng sét chạy trên cả DCS và dây pha khi CSV làm việc, từ đó xác định ảnh hưởng của các thông số đường dây đến quá điện áp trên cách điện của đường dây truyền tải.  Nghiên cứu tính toán số lượng và vị trí lắp đặt CSV tùy theo cấu hình đường dây truyền tải và địa hình (thông qua điện trở suất của đất và điện trở tiếp địa của cột) nhằm đạt được suất cắt nhỏ nhất.  Đề xuất các giải pháp mới giảm sự cố do sét trên đường dây truyền tải hiện nay và tương lai của Việt Nam bằng việc kết hợp phương pháp sử dụng CSV với các phương pháp khác. 3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu hiện tượng quá điện áp do sét trên đường dây truyền tải Việt Nam từ cấp 110 kV đến 500 kV. Nghiên cứu tính toán suất cắt của đường dây truyền tải, nghiên cứu quá trình quá độ điện từ do sét trên đường dây truyền tải với các thông số khác nhau, sử dụng các biện pháp bảo vệ chống sét khác nhau. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu tập trung cho bảo vệ chống sét sử dụng CSV đường dây và các phương pháp khác cho đường dây truyền tải từ cấp điện áp 110 kV đến 500 kV với cấu hình đường dây và cột đang sử dụng trong hệ thống điện Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng các cách tiếp cận sau:  Sử dụng phân tích tổng quan để tìm hướng phát triển của nghiên cứu.  Sử dụng mô hình EGM và lý thuyết xác suất để xác định suất cắt do sét.  Sử dụng lý thuyết truyền sóng sét trong hệ nhiều dây với tổng trở sóng có tính đến hiện tượng tần số cao của dòng điện sét và dòng trở về trong đất.  Sử dụng phần mềm EMTP/ATP để tính toán mô phỏng.  Sử dụng phần mềm MATLAB để chạy các bài toán xác suất.  Khảo sát, phân tích số liệu thực tế và kiểm chứng tính hiệu quả của giải pháp được đề xuất thông qua kết quả mô phỏng. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Với những vấn đề đặt ra và mục đích nghiên cứu thực hiện trên đây của luận án, những điểm sau đây được xem là những ý nghĩa khoa học và thực tiễn chính: 3 Ý nghĩa khoa học  Xây dựng cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của thông số đường dây đến quá điện áp do sét trên cách điện đường dây thông qua cấu hình đường đây, địa hình đường dây, cách sử dụng CSV trên đường dây.  Đề xuất phương pháp lắp đặt CSV phù hợp cho từng loại đường dây truyền tải theo đặc trưng của đường dây.  Lý giải một số hiện tượng phóng điện trên đường dây không giải thích được với phương pháp tiếp cận cũ. Đề xuất một số giải pháp kết hợp với việc sử dụng CSV nhằm giảm suất cắt do sét cho đường dây truyền tải.  Tính toán suất cắt do sét trên đường dây truyền tải Việt Nam phù hợp với tiêu chuẩn hiện hành của thế giới và kiểm chứng với thực tế vận hành. Ý nghĩa thực tiễn  Kết quả nghiên cứu gợi ý phương pháp xác định suất cắt do sét chính xác hơn cho đường dây truyền tải Việt Nam.  Kết quả nghiên cứu gợi ý các biện pháp chống sét hiệu quả giúp các đơn vị quản lý vận hành áp dụng để đạt được hiệu quả vận hành cao nhất về mặt chống sét.  Tính toán cơ sở bước đầu cho việc sử dụng CSV như một phương pháp bảo vệ chống sét duy nhất cho đường dây truyền tải, đóng góp vào việc ứng dụng đường dây này trong tương lai ở Việt Nam.  Luận án cũng mong muốn đặt nền tảng ban đầu để tiến tới xây dựng một tiêu chuẩn về chống sét cho lưới truyền tải ngay từ giai đoạn thiết kế phù hợp với điều kiện của Việt Nam. 5. Các đóng góp mới của luận án Nội dung của luận án đã tập trung nghiên cứu quá điện áp sét trên lưới truyền tải và các biện pháp chống sét, đề xuất một số phương pháp mới trong tính toán và cải thiện suất cắt cho đường dây truyền tải điện Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể được tóm lược như sau: Đóng góp 1: Đề xuất được phương pháp xác định suất cắt theo phương pháp mô hình điện hình học và theo phương pháp mô phỏng Monte Carlo cho đường dây truyền tải điện Việt Nam trên cơ sở hướng dẫn của IEEE Std 1243-1997, CIGRE SC33-WG01 và IEC TR-60071-4 và chương trình mô phỏng quá độ điện từ EMTP/ATP. Đóng góp 2: Xây dựng cơ sở lý thuyết cho hiện tượng truyền sóng sét trên đường dây truyền tải với cách tiếp cận sử dụng dòng điện sét. Làm rõ hơn ảnh hưởng của các thông số đường dây, dòng điện trở về trong đất, điện trở suất của đất, tần số dòng điện sét đến hệ số ngẫu hợp. 4