Tài liệu Nghiên cứu một số giải pháp giảm sự cố do sét cho đường dây truyền tải điện trên không (tt)

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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2020 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Hồng Thịnh PGS. TS Trần Văn Tớp Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU 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]. Yêu cầu về một lưới điện truyền tải tin cậy, ổn định và an toàn là mục tiêu hàng đầu của tất cả các công ty truyền tải điện. 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 đường dây và 1 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 với 1 hoặc 2 DCS. 3. Mọi hiện tượng sau khi CSV làm việc đều được bỏ qua, vì thế ảnh hưởng của dòng điện sét chạy trên DCS, trên dây dẫn và dòng điện khép mạch 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. 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 2 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. Mục tiêu của luận án  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. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 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. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án  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 3 cho lưới điện truyền tải.  Kết quả nghiên cứu gợi ý phương pháp xác định suất cắt do sét chính xác hơn cho lưới điện 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. Phương pháp nghiên cứu  Phân tích các tài liệu khoa học, các công trình nghiên cứu mới nhất về sử dụng CSV cho đường dây truyền tải.  Phương pháp EGM và lý thuyết xác suất trong tính toán Nc cho đường dây truyền tải.  Nghiên cứu lý thuyết truyền sóng trong hệ nhiều dây và tính toán quá độ điện từ trên đường dây truyền tải.  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 EMTP. Điểm mới của luận án  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, CIGRE, IEC và chương trình mô phỏng quá độ điện từ EMTP/ATP.  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. Áp dụng chương trình mô phỏng quá độ điện từ EMTP/ATP cho tính toán chống sét sử dụng CSV cho đường dây truyền tải cho lưới điện Việt Nam. Tính toán vị trí, số lượng CSV phù hợp với cấu trúc của đường dây truyền tải điện. trên cơ sở đó phân tích hiệu quả của việc lắp   4 đặt chống sét van rời rạc trên đường dây với một số lượng chống sét van tối thiểu mà vẫn đảm bảo hiệu quả chống sét.  Đề xuất mới một số phương pháp chống sét cho đường dây truyền tải bằng cách sử dụng CSV kết hợp với các giải pháp khác như sử dụng cách điện không đối xứng, sử dụng DCS treo phía dưới và bỏ DCS thay bằng CSV. Bố cục luận án Chương 1: Tổng quan về chống sét cho đường dây truyền tải Chương 2. Tính toán quá độ điện từ do sét trên đường dây truyền tải Chương 3. Phương pháp tính toán suất cắt cho đường dây truyền tải Chương 4. Ứng dụng chống sét van cho đường dây truyền tải Chương 5. Một số phương pháp chống sét kết hợp sử dụng chống sét van cho đường dây truyền tải. Chương 6. Kết luận và kiến nghị CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI Chương này trình bày tổng quan về quy mô phát triển của lưới điện truyền tải. Tổng quan về tình hình sự cố do sét trên đường dây truyền tải 110 kV, 220kV và 500 kV. Phân tích đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan mật thiết đến đề tài. Từ đó nêu những vấn đề còn tồn tại, chỉ ra những vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. 1.1 Tổng quan về sự cố do sét trên đường dây truyền tải 1.1.1 Quy mô phát triển đường dây truyền tải Việt Nam 21000 500kV 220kV 110kV Chiều dài (km) 18000 15000 12000 9000 6000 3000 0 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Năm Hình 1.1. Quy mô về đường dây 110-220-500 kV từ 2012-2018 [4] 5 Theo EVN [4] tính đến hết năm 2018 EVN đang quản lý hệ thống đường dây gồm trên 43000 km đường dây 500 kV - 220 kV và 110 kV (hình 1.1). Trong đó chiều dài đường dây 110 kV chiếm 43%, đường dây 220 kV chiếm 39% và đường dây 500 kV chiếm 18%. Kết quả dự kiến đến năm 2030 chiều dài đường dây của lưới truyền tải đạt 43000 km, trong đó đường dây 500 kV tăng lên 9000 km và với đường dây 220 kV tăng đến 15000 km. 1.1.2. Tình hình giông sét tại Việt Nam Việt nam nằm trong vùng có mật độ sét cao, mật độ sét tại việt nam phân bố từ 1,4 đến 14,9 lần/km2.năm [7]. Khu vực miền bắc có mật độ sét cao, khu vực này có nhiều đường dây truyền tải. 1.1.3. Tình hình sự cố do sét trên lưới điện truyền tải Việt Nam Các năm gần đây tổng số lần sự cố có xu hướng giảm nhưng số lần sự cố do sét lại có xu hướng tăng lên. Cụ thể, các năm 2015, 2016 và 2017 sự cố do sét chiếm lần lượt 64%, 78% và 86% tổng số sự cố. 200 Tổng số sự cố Sự cố do sét Số lần 160 120 80 40 0 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Năm Hình 1.6. Sự cố theo các năm của NPT [1] 1.1.4. Tình hình sự cố do sét trên lưới điện truyền tải trên thế giới Theo số liệu trong các báo cáo khoa học về sự cố do sét trên một số đường dây truyền của một số nước trên thế giới như Trung Quốc, Malaysia, Nhật Bản, Mexico, Columbia, Brazil, Mỹ, Pháp [12], [13], [14], [15], [16], [17] thì số vụ sự cố do sét trên đường dây truyền tải của một số nước trên thế giới cũng tương tự như trên đường dây truyền tải Việt Nam chiếm từ 50% - 70% tổng số vụ sự cố. 6 1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước về tính toán chống sét cho đường dây truyền tải Tại Việt Nam các nghiên cứu về chống sét cho đường dây truyền tải hấu như rất ít, các nghiên cứu có thể chia làm hai nhóm. Nhóm thứ nhất là các tính toán quá điện áp do sét trên đường dây truyền tải và các biện pháp giảm sự cố do sét, những nghiên cứu này chủ yếu theo phương pháp cổ điển với những giả thiết đơn giản. Nhóm thứ hai là các nghiên cứu về sử dụng CSV trên đường dây truyền tải cũng rất hạn chế và tản mát chứ không tập trung vào khía cạnh chống sét. 1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước về các giải pháp chống sét cho đường dây truyền tải Các nghiên cứu về CSV và các giải pháp mới trên đường dây truyền tải trên thế giới cũng chưa có nhiều, hầu hết các bài báo đều tập trung vào đối tượng là một đường dây với một cấp điện áp cụ thể. Hướng chủ yếu là tập trung vào thay đổi vị trí và số lượng CSV trên một đường dây có treo DCS, sau đó tính suất cắt tương ứng với mỗi vị trí đó. Phần tổng quan về nghiên cứu ngoài nước sẽ tập trung phân tích chi tiết về các công trình đã công bố có liên quan tới hướng nghiên cứu của luận án. 1.4. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu 1.4.1. Những vấn đề còn tồn tại Khi sét đánh vào đường dây, dòng điện sét chỉ chạy xuống hệ thống tiếp địa và qua DCS. Điện áp trên cách điện đường dây phụ thuộc chủ yếu vào điện trở tiếp địa và ngẫu hợp giữa dây chống sét và dây dẫn. Ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây dẫn được bỏ qua. Đường dây đã trang bị sẵn DCS, CSV được sử dụng như một phương pháp chống sét bổ sung cho đường dây truyền tải. Phương pháp sử dụng CSV không được sử dụng như một phương pháp chính, chủ động để kết hợp với các phương pháp khác. Các thông số đường dây là cố định trên toàn bộ đường dây như điện trở, tiếp địa, điện trở suất. Vì thông số đường dây là cố định trên toàn bộ đường dây nên khi lắp đặt CSV, vị trí của pha được lắp CSV hay số lượng CSV trên một cột cũng giống nhau trên toàn bộ đường dây. Điện suất của đất, hiện tượng tần số cao của dòng điện trở về trong đất hoàn toàn bị bỏ qua. 1.4.2. Lựa chọn hướng nghiên cứu Sử dụng phương pháp tiếp cận bằng dòng điện sét, tùy thuộc 7 vào mức độ nguy hiểm của cú sét đánh vào đường dây, dòng điện sét có thể chạy trên dây chống sét và hệ thống tiếp địa, chạy vào dây dẫn nếu hiện tượng phóng điện trên cách điện xảy ra hoặc khi CSV làm việc. Khi đó điện áp trên cách điện của các pha sẽ phụ thuộc vào phân bố dòng điện sét trên DCS và dây dẫn và điện áp cảm ứng trên các dây dẫn do tương tác tĩnh điện và tương tác điện từ giữa dây chống sét với dây dẫn và giữa các dây dẫn với nhau. Ảnh hưởng của quá trình truyền sóng sét trên đường dây (hệ nhiều dây), ảnh hưởng của các thông số đường dây, ảnh hưởng điện trở suất của đất, ảnh hưởng tần số cao của dòng điện sét tới thông số đường dây đến điện áp trên từng pha, từng cột sẽ được nghiên cứu. Từ ảnh hưởng của thông số đường dây và quá trình truyền sóng sét trong hệ nhiều dây, vị trí, số lượng CSV sẽ được lắp đặt tùy thuộc vào cấu hình của đường dây truyền tải điện nhằm đạt được trị số suất cắt tốt nhất. CSV đường dây sẽ đóng vai trò chủ đạo trong bảo vệ chống sét cho đường dây truyền tải dẫn đến quá trình truyền sóng sét trên dây dẫn trước và sau khi làm việc đều được tính đến. Cách tiếp cận này cho phép vị trí CSV có thể thay đổi trên từng vị trí cột phụ thuộc vào thông số của đường dây để đạt được kết quả bảo vệ chống sét tốt nhất. Ngoài ra, với cách tiếp cận bảo vệ chủ động bằng CSV như vậy, một số phương pháp bảo vệ chống sét cho đường dây truyền tải bằng cách sử dụng CSV đường dây kết hợp với các phương pháp khác hoặc bảo vệ cho đường dây không có dây chống sét sẽ được nghiên cứu và đề xuất. CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ DO SÉT TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI Chương này trình bày bản chất quá trình lan truyền sóng sét trên đường dây truyền tải khi xảy ra sét đánh vào đường dây. Quá trình truyền sóng trên cột, trên dây chống sét và trên dây dẫn sau khi CSV làm việc được nghiên cứu chi tiết theo tham số của đường dây. Nguyên tắc mô phỏng nguồn sét, các phần tử của đường dây và cách tính toán bài toán truyền sóng trong EMTP/ATP cũng được trình bày trong chương này. 2.1. Truyền sóng trên đường dây truyền tải 2.1.1. Cơ sở lý thuyết 2.1.2. Truyền sóng trong hệ nhiều dây 2.2. Ảnh hưởng của các thông số đường dây đến quá điện áp sét 2.2.1. Đặt vấn đề 8 2.2.2. Tổng dẫn Y0 của đường dây Phương trình điện thế và điện tích trên từng dây dẫn [30]. u    P  .  q  (0.1) Ma trận hệ số thế P được xác định qua công thức (0.2) [30] D1n   D11  ln r ... ln d  1 1n  1   ... ... ...   P  2 0    ln Dn1 ... ln Dnn  rn   d n1 (0.2) Sau khi đã xác định được hệ số thế P, ma trận điện dung C được tính bằng cách nghịch đảo P: 1 (0.3) C    P  2.2.3. Tổng trở dọc đường dây Z0 Tổng trở dọc đường dây là một ma trận bao gồm tổng trở dọc của từng dây dẫn và tổng trở dọc tương hỗ giữa các dây dẫn với nhau, được ký hiệu là Z0. Tổng trở dọc đường dây thường được chia làm 2 thành phần [30]: (0.4) Z 0  Z ext  Z int với Zext, Zint lần lượt là các ma trận tổng trở ngoài và ma trận tổng trở trong dây dẫn. i dij j yi+p D'ij y j+p yi+p xi y j+p j' i' xj Hình 2.4. Cách xác định các tham số trong tính toán tổng trở ngoài của đường dây dựa trên phương pháp độ sâu phức p [58] p 1 ( je ( e  j e ) (0.5) Tổng trở ngoài của đường dây: 9 Z ext  Z g  Z e D1n   D11  ln r ... ln d  1 1n  j0  Zg   ... ... ...  2    ln Dn1 ... ln Dnn   d n1 rn  (0.6) (0.7) ' '  D11  D1n ln ... ln  D D1n  11 j0  (0.8)  ... ... ...  Ze  2   ' ' ln D1n ... ln D nn   D Dnn  n1  2.3. Tổng trở sóng (Z) trong phương trình truyền sóng sét và hệ số ngẫu hợp (K) 2.3.1. Trường hợp đường dây một dây chống sét Kk1 được gọi là hệ số ngẫu hợp giữa dây pha thứ k với dây chống sét Z (0.9) Kk1  k1 Z 11 2.3.2. Trường hợp đường dây hai dây chống sét Z  Zk2 (0.10) K k 1, 2  k 1 Z 11  Z 12 2.4. Tính toán điện áp do sét trên cách điện 2.5. Mô phỏng QĐA sét bằng chương trình tính toán quá độ điện từ EMTP/ATP 2.6. Áp dụng EMTP tính toán điện áp trên đường dây truyền tải Mô phỏng cho đường dây truyền tải hai mạch hai DCS và đường dây một mạch một DCS với cấp điện áp 220 kV và 110 kV. Các tham số về dây dẫn, dây chống sét trình bày trong bảng 2.1 và chiều cao của dây chống sét, dây dẫn với mặt đất, khoảng cách giữa các dây dẫn với dây chống sét và khoảng vượt được trình bày trong bảng 2.2 và các thông số khác về chiều dài các xà, độ dài các tầng xà, của được trình bày trong PL5 và mô hình mô phỏng trong EMTP/ATP trình bày trong PL7 và PL8. 10 2.6.1. Ảnh hưởng các thông số đến hệ số K giữa DCS và các dây pha 1. Khi không xét và có xét dòng điện trở về trong đất Hình 2.16. So sánh hệ số K các pha với DCS khi không xét và có xét dòng trở về trong đất đường dây 220 kV, đất =1000 .m Hình 2.17. So sánh hệ số K các pha với DCS khi không xét và có xét dòng trở về trong đất đường dây 110 kV, đất =1000 .m 2. Ảnh hưởng của  của đất đến hệ số K giữa dây pha với DSC Hệ số ngẫu hợp 0.5 0.4 0.3 0.2 Một mạch Hai mạch 0.1 0.0 10 100 500 1000 2000 5000 10000 Điện trở suất của đất .m Hình 2.18. Hệ số ngẫu hợp lớn nhất giữa dây pha với DCS theo đất 11 Khi đất tăng từ 10 .m lên 10000 .m, hệ số K của dây pha trên cùng với DCS đường dây 1 mạch tăng 52%, đường dây 2 mạch tăng 33%. 3. Ảnh hưởng của số lượng DCS Hệ số ngẫu hợp 0.5 1 DCS 2 DCS 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Pha A Pha B Số lượng DCS Pha C Hình 2.19. Hệ số ngẫu hợp theo số lượng DCS 2.6.2. Hệ số ngẫu hợp giữa các dây pha Kết quả trên hình 2.22 cho thấy khi trên dây pha A có dòng điện sét chạy qua hệ số ngẫu hợp giữa pha A với pha B và với pha C có sự sai khác nhau 12% đối với đường dây một mạch và 28% đối với đường dây hai mạch. Hình 2.22. Hệ số ngẫu hợp giữa các dây pha a) một mạch, b) hai mạch KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Khi sét đánh vào những vị trí cột có điện trở tiếp địa lớn, một phần đáng kể dòng điện sét sẽ chạy trên dây chống sét sang cột lân cận đi kèm với hiện tượng truyền sóng. Hiện tượng tương tự cũng xảy ra 12 khi dòng điện sét chạy trên dây dẫn do sét đánh vào dây dẫn hoặc khi CSV làm việc. Ảnh hưởng của thông số đường dây như điện cảm, điện trở, điện dung, đường trở về trong đất thông qua tính toán tổng trở sóng của dây đến điện áp do sét trên dây dẫn hoặc DCS. Những phân tích này cho phép xác định mức độ ảnh hưởng của thông số đường dây đến điện áp do sét, để làm cơ sở cho các đề xuất các biện pháp chống sét ở Chương 4 và Chương 5. Kết quả tính toán áp dụng cho thấy khi xét mạch trở về trong đất, hệ số ngẫu hợp lớn nhất của đường dây 220 kV có thể tăng đến 24% đối với đường dây 2 mạch khi xét đến đường trở về trong đất. Kết quả tính toán này cho thấy việc xét mô hình đầy đủ trong tính toán quá độ cho phép xác định điện áp sét cũng như suất cắt do sét chính xác hơn nhiều so với các tính toán đơn giản hóa khi không xét đến đường trở về trong đất. CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN SUẤT CẮT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI Chương này trình bày cách xác định suất cắt do sét cho đường dây truyền tải theo phương pháp mô hình điện hình học (EGM) và theo phương pháp Monte Carlo. 3.1. Phương pháp mô hình điện hình học Suất cắt do sét đường dây truyền tải (NC) là tổng của suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột hoặc DCS (BFR) và suất cắt do sét đánh vào dây pha (SFFOR) trên 100 km trong một năm. (3.1) N C  BFR  SFFOR , (lần/100 km.năm) 3.1.1. Suất cắt do sét đánh đỉnh cột hoặc khoảng vượt (BFR) (3.2) BFR  0, 6 N L .P ( I  I c ) , (lần/100km.năm) NL  Ng 28h 0 ,6  S g P( I  I c )  10 1 2,6 (3.3) (3.4)  I  1    31  3.1.2. Suất cắt do sét đánh vào dây dẫn (SFFOR) Im SFFOR  2 N g .L  Dc f ( I )dI , (lần/100km.năm) (3.5) Ic 13 3.2. Phương pháp Monte Carlo 1. Lập mô hình các phần tử của đường dây trong EMTP/ATP. 2. Dựa trên chiều dài đường dây và độ cao trung bình của cột, ta xác định được diện tích thu hút sét DTts (km2). Nếu lấy mật độ sét là Ng =10 lần/1km2.năm, thì tổng số lần sét đánh vào đường dây là DTts 10 (lần/năm). Lấy tổng số lần sét đánh vào đường dây (hay số lần mô phỏng) là Nmax, sẽ tương đương với số năm vận hành của đường dây là Nmax/(DTts 10). 3. Với một cú sét đánh vào đường dây, ta chọn ngẫu nhiên các tham số bao gồm các tham số dòng điện sét (Im, tf, th ). 4. Từ giá trị dòng điện sét, dựa trên mô hình điện hình học trong mục 3.1.2 và xác định vị trí sét đánh vào DCS hoặc dây pha. 5. Kiểm tra phóng điện, nếu điện áp trên cách điện vượt quá mức điện áp chịu đựng của cách điện thì cú sét đó được tính là một lần cắt điện (Npd). 6. Nếu ở lần mô phỏng tiếp theo, phóng điện trên cách điện xảy ra thì số lần phóng điện sẽ tăng lên và số lần cắt điện được cập nhật. 7. Lặp lại các bước 3, bước 4 và bước 5 cho đến khi tổng số lần sét đánh vào đường dây đạt trị số Nmax. 8. Suất cắt của đường dây được tính bằng số lần cắt điện chia cho tổng số năm vận hành tương đương. 9. Tính toán sai số suất cắt, nếu sai số chưa đạt 5% sẽ dừng mô phỏng. Kết quả áp dụng cho đường dây 220 kV và 110 kV Lần/100km.năm 5 4 BFR SFFOR 3 2 1 0 Phương pháp Phương pháp Thực tế vận EGM Montecarlo hành Hình 3.7. So sánh suất cắt đường dây 220 kV VT - YB theo phương pháp EGM và phương pháp Monte Carlo với thực tế vận hành. 14 BFR SFFOR Lần/100km.năm 15 10 5 0 Phương pháp EGM Phương pháp Montecarlo Thực tế vận hành Hình 3.8. So sánh suất cắt đường dây 110 kV TY- MD theo phương pháp EGM và phương pháp Monte Carlo với thực tế vận hành. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 Suất cắt theo phương pháp mô phỏng Monte Carlo sát thực tế hơn so với phương pháp EGM (đối với trường hợp tính toán cụ thể thì đường dây 220 kV cho suất cắt theo phương pháp Monte Carlo lớn hơn 14% với thống kê, trong khi dụng phương pháp EGM cho kết quả lớn hơn 23% so với thống kê). Suất cắt tính toán theo phương pháp mô phỏng Monte Carlo có khối lượng tính toán và mô phỏng lớn, chạy mô phỏng 10000 lần (tương ứng với 40 năm vận hành ĐD 220 kV VTYB và 50 năm vận hành ĐD 110 kV TY-MD). Tuy nhiên do khối lượng tính toán và mô phỏng rất lớn, nên trong luận án này khi tính toán lựa chọn phương pháp chống sét dựa trên tiêu chí suất cắt do sét thì phương pháp EGM vẫn được sử dụng. CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG CHỐNG SÉT VAN CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 4.1. Giới thiệu về chống sét van 4.2. CSV đường dây 4.3. Hiệu quả của lắp đặt CSV cho đường dây truyền tải Kết quả mô phỏng xác định ngưỡng dòng điện sét (Ing) nhỏ nhất khi sét đánh đỉnh cột gây phóng điện trên cách điện trước và sau khi lắp CSV được trình bày trên hình 4.10. Kết quả mô phỏng cho thấy, trong trường hợp sét đánh đỉnh cột CSV lắp tại pha trên cùng bảo vệ cho cách điện pha đó không xảy ra phóng điện mà còn làm tăng ngưỡng dòng điện sét gây phóng điện trên cách điện của pha không lắp CSV so với khi chưa lắp CSV, với đường dây 500 kV tăng 50 kA, đường dây 220 kV tăng 40 kA và đường dây 110 kV tăng 33 kA 15 300 Trước khi lắp CSV Ing(kA) 250 Sau khi lắp CSV 200 150 100 50 0 500kV 220kV Cấp điện áp 110kV Hình 4.10. Ngưỡng dòng điện sét nhỏ nhất gây phóng điện trên cách điện của pha không lắp CSV 4.4. Ảnh hưởng các thông số tới suất cắt sau khi lắp CSV 4.5. Suất cắt do sét theo số lượng CSV lắp đặt Số lượng CSV trên một mạch được tăng dần từ 1 lên 3 CSV sau khi quan sát điện áp trên các pha không lắp CSV như trình bày trong phần 4.4.1. Ưu điểm của việc lắp 3 CSV trên cả 3 pha của một mạch là sự cố mất cả 2 lộ trong trường hợp dòng sét quá lớn sẽ không bao giờ xảy ra 14 500k V Nc (lần/100km/năm) 12 10 8 6 4 2 0 0 pha 1 pha 2 pha Số lượng CSV 3 pha Hình 4.17. Suất cắt đường dây với các trường hợp lắp CSV 4.6. Lựa chọn vị trí lắp đặt CSV theo cấu hình đường dây 4.6.1. Đường dây 220 kV 4.6.1.1. Đường dây 220 kV hai mạch hai DCS 16 Nc (lần /100km.năm) 30 Không CSV CSV A1 CSV B1 CSV C1 20 10 0 10 20 30 Rtd () 40 50 Nc (lần /100km.năm) Hình 4.18. Suất cắt của đường dây 220 kV hai mạch hai DCS khi lắp 1 CSV 15 CSV A1B1 CSV A1C1 CSV B1C1 10 5 0 10 20 30 Rtd () 40 50 Nc (lần /100km.năm) Hình 4.20. Suất cắt của đường dây 220 kV hai mạch hai DCS khi lắp 2 CSV 10 CSV A1B1C1 CSV A1A2B1 CSV A1A2C1 8 6 4 2 0 10 20 30 Rtd () 40 50 Hình 4.21. Suất cắt của đường dây 220 kV hai mạch hai DCS khi lắp 3 CSV 4.6.1.2. Đường dây 220 kV một mạch một DCS 17 Khác với đường dây 2 mạch, treo 1 CSV ở pha trên cùng (pha A) của đường dây 1 mạch luôn hiệu quả nhất với mọi giá trị Rtđ (hình 4.22). Kết quả này là do tỉ lệ dòng điện sét tản qua DCS sang cột lân cận bị giảm xuống do số lượng DCS giảm xuống. Chính vì vậy, suất cắt ít bị ảnh hưởng bởi hệ số ngẫu hợp mà chủ yếu bị quyết định bởi góc bảo vệ của pha A như đối với trường hợp Rtđ nhỏ ở đường dây treo 2 DCS. Nc (lần /100km.năm) 80 Không CSV CSV A CSV B CSV C 60 40 20 0 10 20 30 Rtd () 40 50 Hình 4.22. Suất cắt của đường dây 220 kV một mạch một DCS khi lắp 1 CSV Nc (lần /100km.năm) 25 CSV AB CSV AC CSV BC 20 15 10 5 0 10 20 30 Rtd () 40 50 Hình 4.23. Suất cắt của đường dây 220 kV một mạch một DCS khi lắp 2 CSV 4.6.2. Đường dây 110 kV 4.6.2.1. Đường dây 110 kV hai mạch một DCS 18