Tài liệu Tính toán, đề xuất các giải pháp giảm suất cắt đường dây 110kv quy nhơn 220 an nhơn, tỉnh bình định

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT, TIẾNG ANH TÍNH TOÁN, ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP GIẢM SUẤT CẮT ĐƯỜNG DÂY 110KV QUY NHƠN 220 - AN NHƠN, TỈNH BÌNH ĐỊNH Học viên: Nguyễn Thanh Hùng Mã số: Khoá: K34- ĐN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Đường dây truyền tải là phần từ dài nhất trong lưới điện truyền tải và nó thường chịu tác dụng của sét. Để hạn chế ảnh hưởng của sét lên đường dây, người ta thường treo dây chống sét trên đường dây. Dù các đường dây truyền tải đã thực hiện treo dây chống sét nhằm hạn chế sét đánh trực tiếp vào dây dẫn nhưng số lần sự cố do sét trên đường dây vẫn cao và gây ảnh hưởng đến vận hành an toàn lưới điện. Do đó, việc làm thế nào để giảm thiểu sự cố do sét gây ra trên đường dây truyền tải đang là một trong những vấn đề quan trọng hiện nay của các đơn vị quản lý vận hành lưới điện. Thực tế vận hành cho thấy đường dây 110kV từ trạm biến áp 220kV Quy Nhơn đến trạm biến áp 110kV An Nhơn dù đã treo dây chống sét nhưng số lần sự cố do sét vẫn cao. Vì vậy, mục tiêu của luận văn này là xác định được các vị trí cột có số lần sự cố do sét lớn của trên đường dây 110kV từ trạm biến áp Quy Nhơn 220 - An Nhơn và đề xuất giải pháp cải tạo các vị trí cột đó phù hợp để giảm số lần sự cố/suất cắt cho toàn đường dây này. Để đạt được mục tiêu này, tác giả đã nghiên cứu phương pháp tính số lần sự cố do sét tại từng vị trí cột và xây dựng chương trình tính toán số lần sự cố/suất cắt của đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn theo từng vị trí cột trên phần mềm Matlab. Kết quả tính bằng chương trình này cho thấy rằng số lần sự cố do sét khi tính theo phương pháp từng vị trí cột và phương pháp cổ điển là tương đương nhau. Từ đó, tác giả sử dụng chương trình này để tính toán số lần sự cố từng vị trí cột và đề xuất 3 giải pháp nhằm cải tạo một số vị trí cột trên đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn. Ba giải pháp này gồm tăng chiều dài chuỗi sứ, đặt chống sét van và giải pháp kết hợp đặt chống sét van với tăng chiều dài chuỗi sứ. Các giải pháp đạt được về mặt kỹ thuật được đem ra so sánh về kinh tế. Kết quả so sánh cho thấy giải pháp tăng 2 bát sứ tại các chuỗi sứ của 37 vị trí cột và lắp chống sét van cho 3 vị trí cột là kinh tế nhất. Đó là giải pháp được đề xuất cho đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn để suất cắt của đường dây đạt được yêu cầu đặt ra. Từ khóa: Giảm sự cố suất cắt đường dây 110kV, Quy Nhơn 220 - An Nhơn, tỉnh Bình Định CALCULATING AND PROPOSING SOLUTIONS TO REDUCE THE CUTTING CAPACITY OF QUY NHON 110KV LINE - AN NHON, BINH DINH PROVINCE Abstract: Transmission lines are the longest component of the transmission grid and are often affected by lightning (lightning strikes directly or nearby the line). To limit the effect of lightning on the line, shielding wires are often hanged on the top of towers. Although the transmission line has protected by the shielding wires, the number of fault caused by lightning on the line is still quite high and this affects the safety operation of the power grid. Therefore, the reduction of the fault number caused by lightning on transmission lines is one of the most important issues of the grid operators. Actual operation shows that 110kV line from Quy Nhon 220kV substation to An Nhon substation despite hanging lightning protection wire but the lightning-caused fault number is still quite high. Therefore, the objective of this thesis is to determine the tower positions on the 110kV line from Quy Nhon 220 - An Nhon with high lightning-caused fault number and propose suitale solutions to improve them so that the lightning tripping rate satisfies the requirement. To achieve this goal, the author has studied the method of calculating the lightning - caused fault number at each tower position and developed a Matlab program to calculate the number of incidents / tripping rate caused by lightning of 110kV line Quy Nhon 220 - An Nhon. The calculation results by this program shown that the lightning - caused fault number when we using the method of the lightning caused fault number at each tower position and that by the classical method are similar. Therefore, the author used this program to calculate the lightning - caused fault number of each tower position and proposed three solutions to improve some tower positions on the 110kV line Quy Nhon 220 - An Nhon. These three solutions include increasing the length of the porcelain string, installing the line arrester, and combination of line arrester with increase in the porcelain string length. Some of these solutions which satisfy the technical requirement are compared in term of the investerment cost. The comparison results show that the solution of increasing 2 porcelain units at 37 tower positions and installing line arrester for 3 tower positions is the cheapest. That is also the proposed solution for Quy Nhon 220 - An Nhon 110kV line to obtain the required lightning tripping rate. Từ khóa: Reduce the problem of cutting 110kV and Quy Nhon 220 - An Nhon, Binh Dinh province MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT, TIẾNG ANH MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài ............................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................1 4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..............................................................2 6. Đặt tên đề tài .........................................................................................................2 7. Cấu trúc luận văn ..................................................................................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .........................................................................................3 1.1. Tổng quan về sét và hiện tượng quá điện áp khí quyển ...................................................... 3 1.1.1. Sét - Nguồn gốc của quá điện áp khí quyển ............................................................. 3 1.1.2. Sự nguy hiểm của quá điện áp khí quyển .................................................................. 6 1.1.3. Tình hình giông sét tại Việt Nam và trên địa bàn tỉnh Bình Định ........................... 6 1.2. Tổng quan về lưới điện 110kV .............................................................................................. 7 1.2.1. Quy mô quản lý ............................................................................................................ 7 1.2.2. Thông số kỹ thuật chính của đường dây .................................................................... 8 1.2.3. Các biện pháp bảo vệ chống sét hiện tại áp dụng trên đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn ..................................................................................................................... 9 1.3. Tình hình sự cố do giông sét trên các tuyến đường dây 110kV của CGC nói chung và của Chi nhánh Điện cao thế Bình Định nói riêng .................................................................. 9 1.3.1. Các sự cố đường dây 110kV do giông sét tính từ năm 2012 đến hết tháng 12/2017 của CGC ........................................................................................................................... 9 1.3.2. Các sự cố đường dây 110kV do sét trên địa bàn tỉnh Bình Định .......................... 10 1.3.3. Các sự cố đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn ....................................... 10 CHƯƠNG 2. SUẤT CẮT ĐƯỜNG DÂY 110KV QUY NHƠN 220 - AN NHƠN .13 2.1. Lý thuyết về tính suất cắt/số lần sự cố đường dây ............................................................. 13 2.1.1. Phương pháp tính suất cắt/số lần sự cố theo cột điển hình (cổ điển) .................... 13 2.1.2. Phương pháp tính suất cắt/ số lần sự cố theo từng vị trí cột ................................... 29 2.2. Tính toán suất cắt đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn .................................... 30 2.2.1. Số liệu hiện trạng đường dây110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn........................... 30 2.2.2. Tính toán suất cắt đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn theo cột điển hình ................................................................................................................................................ 35 2.2.3. Tính toán suất cắt/số lần sự cố đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn theo phương pháp từng vị trí cột ................................................................................................. 37 CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP GIẢM SUẤT CẮT .............................40 3.1. Các giải pháp giảm suất cắt hiện thường được sử dụng .................................................... 40 3.1.1. Giải pháp bổ sung cách điện...................................................................................... 40 3.1.2. Lắp đặt chống sét van trên dây dẫn .......................................................................... 44 3.1.3. Kết hợp bổ sung cách điện và lắp đặt chống sét van trên dây dẫn. ....................... 48 3.2. So Sánh kinh tế các phương án............................................................................................ 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................54 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................55 PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CGC Công ty Lưới điện cao thế miền Trung CSV Chống sét van DCS Dây chống sét TBA Trạm biến áp VT Vị trí DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Số vụ sự cố đường dây 110kV do sét trên lưới điện 110kV do CGC quản lý từ năm 2012 đến hết tháng 12/2017 ................................................................ 9 Bảng 1.2. Số vụ sự cố đường dây 110kV do sét trên địa bàn Bình Định từ năm 2012 đến hết tháng 12/2017 .................................................................................... 10 Bảng 1.3. Các sự cố xảy ra đối với đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn ...... 10 Bảng 2.1. Xác suất hình thành hồ quang duy trì ........................................................... 14 Bảng 2.2. Giá trị hệ số hiệu chỉnh theo cấp điện áp ...................................................... 16 Bảng 2.3. Bảng thu thập số liệu của đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn ..... 31 Bảng 2.4. Bảng giá trị trung bình của đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn. . 36 Bảng 2.5. Bảng giá trị cột điển hình của đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn36 Bảng 2.6. Kết quả tính suất cắt/số lần sự cố theo cột điển hình. ................................... 37 Bảng 2.7. Kết quả số lần sự cố từng vị trí cột. .............................................................. 37 Bảng 2.8. Kết quả tính suất cắt/số lần sự cố của đường dây. ........................................ 38 Bảng 3.1. Vị trí tăng chiều dài chuỗi sứ và số bát sứ cần tăng tại mỗi vị trí................. 43 Bảng 3.2. Kết quả số lần sự cố từng vị trí cột sau khi tăng chiều dài chuỗi sứ ............. 43 Bảng 3.3.Kết quả tính suất cắt/số lần sự cố của đường dây sau khi tăng chiều dài chuỗi sứ .................................................................................................................... 44 Bảng 3.4. Vị trí lần lượt được chọn để lắp đặt chống sét van trên đường dây .............. 46 Bảng 3.5. Kết quả số lần sự cố từng vị trí cột sau khi lắp đặt chống sét van. ............... 47 Bảng 3.6. Kết quả tính suất cắt/số lần sự cố sau khi đặt chống sét van ........................ 48 Bảng 3.7. Số vị trí bổ sung 02 bát cách điện/ 1 chuỗi và lắp đặt CSV .......................... 51 Bảng 3.8. Kết quả số lần sự cố từng vị trí cột sau khi áp dụng giải pháp bổ sung 02 bát cách điện/ 1 chuỗi và lắp đặt chống sét van................................................... 51 Bảng 3.9. Kết quả tính suất cắt/số lần sự cố sau khi kết hợp đặt CSV và bổ sung cách điện................................................................................................................. 52 Bảng 3.10. Bảng tổng hợp chi phí đầu tư ...................................................................... 53 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét theo thời gian .3 Hình 1.2. Loại cột điện sử dụng ở đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn ..........8 Hình 2.1. Đồ thị tính toán quan hệ giữa η và Elv ...........................................................14 Hình 2.2. Tính hệ số ngẫu hợp giữa dây dẫn và dây chống sét có kể đến vầng quang .17 Hình 2.3. Tính góc bảo vệ của dây chống sét đối với các pha ......................................18 Hình 2.4. Phân bố dòng điện khi sét đánh vào dây dẫn ................................................19 Hình 2.5. Sơ đồ mạch điện sét đánh đỉnh cột khi chưa có sóng phản xạ trở về ............25 Hình 2.6. Sơ đồ mạch điện sét đánh đỉnh cột khi chưa có sóng phản xạ trở về ............27 Hình 2.7. Sơ đồ mô tả phương pháp theo cách tính chia nhỏ đường dây thành m đường dây nhỏ. ......................................................................................................29 Hình 2.8. Đồ thị biểu diễn số lần sự cố tại các vị `trí cột của đường dây .....................38 Hình 3.1. Sơ đồ thuật toán tăng chiều dài chuỗi sứ .......................................................42 Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn số lần sự cố tại các vị trí của đường dây trước và sau khi cải tạo tăng chiều dài chuỗi cách điện .............................................................44 Hình 3.3. Sơ đồ thuật toán lựa chọn vị trí lắp đặt chống sét van ..................................45 Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn số lần sự cố tại các vị trí của đường dây trước và sau khi cải tạo lắp đặt chống sét van ............................................................................48 Hình 3.5. Sơ đồ thuật toán phương án lắp đặt bổ sung cách điện và kết hợp lắp đặt CSV ............................................................................................................50 Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn số lần sự cố tại các vị trí của đường dây trước và sau khi cải tạo bổ sung 02 bát cách điện/ 1 chuỗi kết hợp lắp đặt CSV .......................52 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Đường dây là phần từ dài nhất trong lưới điện truyền tải nên thường bị sét đánh gây phóng điện trên đường dây là rất cao. Ngoài ra, nước ta có khí hậu nhiệt đới, có nhiều mỏ quặng, khí hậu khắc nghiệt, nhiều giông sét, đồng thời đa phần các đường dây truyền tải điện thường được đi trên các vùng đồi núi có độ cao lớn để giảm chi phí đầu tư ban đầu, đi trong rừng rậm, vượt thung lũng, vùng có điện trở suất lớn có tần suất sét nhiều nên thường xảy ra sự cố do sét. Sét đánh vào đường dây không chỉ gây phóng điện trên cách điện đường dây mà còn sóng truyền vào trạm biến áp gây sự cố phá hoại cách điện trong trạm. Theo thống kê của Công ty Lưới điện cao thế miền Trung năm 2012 có 46/72 sự cố do sét, chiếm tỷ lệ 64%; năm 2013 có 42/61 sự cố do sét, chiếm tỷ lệ 69%; năm 2014 có 39/56 sự cố do sét, chiếm tỷ lệ 70%; năm 2015 có 31/56 sự cố do sét, chiếm tỷ lệ 55%; năm 2016 có 24/43 sự cố do sét, chiếm tỷ lệ 56%; năm 2017 có 29/47 sự cố do sét, chiếm tỷ lệ 62%. Trong đó, đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn, tỉnh Bình Định có số vụ sự cố do sét trung bình trong 1 năm (tính từ năm 2008-2017) là: 0,8 lần/năm. Suất cắt thực tế của đường dây là: 6,390 lần/100km/năm. Theo yêu cầu của Tập đoàn Điện lực Việt Nam phải giảm tỷ lệ sự cố do sét xuống 50%. Do đó để bảo vệ đường dây truyền tải điện nhằm làm giảm suất sự cố phóng điện do sét đánh vào đường dây ngoài giải pháp bảo vệ bằng phương pháp treo dây chống sét cần nghiên cứu thêm các phương pháp khác để giảm suất sự cố phóng điện trên đường dây nhằm tăng đáp ứng nhu cầu cung cấp điện liên tục, tin cậy ngày càng cao của các phụ tải. Trong khi đó việc áp dụng các giải pháp làm giảm suất cắt đường dây hiện tại chỉ mang tính rời rạc, đơn lẻ, chưa có tính toán cụ thể mà chủ yếu dựa vào số liệu đo đạc và mang tính chủ quan của từng chủ đầu tư. Chính vì lý do đó đề trên, đề tài vừa mang tính khoa học và thực tiển cao. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài Đề tài tìm hiểu, tính toán số lần sự cố do sét trên đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn, tỉnh Bình Định từ đó tìm vị trí có số lần sự cố lớn cần cải tạo và để đề xuất giải pháp tối ưu để làm giảm số lần sự cố nhằm làm giảm suất cắt do sét cho đường dây này. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn, tỉnh Bình Định. - Phạm vi nghiên cứu: Suất cắt đường dây. 2 4. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập số liệu thực trạng, áp dụng vào lý thuyết tính suất cắt do sét cho đường dây để xây dựng chương trình tính số lần sự cố trên từng vị trí cột của đường dây trên phần mềm Matlab. - Đánh giá phân tích số lần sự cố do sét từng vị trí cột trên đường dây nhằm xác định vị trí cột có số lần phóng điện do sét lớn nhất để giảm số lần sự cố tại các vị trí trên đề giảm suất cắt toàn đường dây. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Tính toán, so sánh các giải pháp để giảm xuất cắt do sét cho đường dây 110kV Quy Nhơn 2 - An Nhơn, tỉnh Bình Định để tìm ra phương án hiệu quả. - Làm cơ sở để giúp các đơn vị quản lý vận hành hạn chế tối đa mất điện do sét đến đường dây truyền tải 110kV, góp phần nâng cao đảm bảo cung cấp điện an toàn và liên tục cho khu vực miền Trung và Tây Nguyên. 6. Đặt tên đề tài Căn cứ vào mục tiêu và nhiệm vụ nêu trên đề tài được đặt tên: “Tính toán, đề xuất các giải pháp giảm suất cắt đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn, tỉnh Bình Định”. 7. Cấu trúc luận văn Nội dung luận văn được biên chế thành: Ngoài phần Mở đầu và Kết luận sẽ có 3 chương và phụ lục. Bố cục nội dung chính của luận văn gồm các phần sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Suất cắt đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn. Chương 3: Đề xuất các giải pháp giảm suất cắt. Kết luận và kiến nghị. Quá trình nghiên cứu cùng với sự cố gắng nỗ lực của bản thân, sự quan tâm tạo điều kiện của Chi nhánh Điện cao thế Bình Định, Công ty Lưới điện cao thế miền Trung, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của TS. Đoàn Anh Tuấn, luận văn này đã được hoàn thành. Nhưng do thời gian có hạn, nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót cần bổ sung, tham gia góp ý của thầy cô, đồng nghiệp và bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống Điện trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã giúp đỡ, hướng dẫn cho em hoàn thành bản luận văn này. Tác giả mong muốn sau luận văn này sẽ tiếp tục có những nghiên cứu sâu sắc hơn về đề tài giảm suất cắt đường dây do sét cho các đường dây 110kV. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về sét và hiện tượng quá điện áp khí quyển 1.1.1. Sét - Nguồn gốc của quá điện áp khí quyển [1] Quá điện áp khí quyển có thể do sét đánh thẳng lên đường dây hoặc sét đánh xuống gần mặt đất và gây nên quá điện áp cảm ứng trên đường dây, có thể gây ra phóng điện trên cách điện đường dây dẫn đến ngắn mạch buộc phải cắt điện. Sét thực chất là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí trong không khí với khoảng cách rất lớn. Quá trình phóng điện của sét tương tự như quá trình phóng điện tia lửa trong điện trường rất không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn. Chính sự tương tự đó đã cho phép mô phỏng sét trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu những quy luật của nó và nghiên cứu những biện pháp bảo vệ chống sét. Ban đầu xuất phát từ mây dông một dải sáng mờ kéo dài từng đợt gián đoạn về phía mặt đất với tốc độ trung bình khoảng 105÷106 m/s. Đây là giai đoạn phóng điện tiên đạo từng đợt được gọi là tiên đạo bậc. Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện tích không cao lắm, khoảng 1013÷ 1014 ion/m3. Một phần điện tích âm của mây dông tràn vào kênh và phân bố tương đối đều dọc theo chiều dài của nó (Hình 1.1a). Hình 1.1a Hình 1.1b Hình 1.1c Hình 1.1d Hình 1.1. Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét theo thời gian Hình 1.1a) Giai đoạn phóng điện tiên đạo. Hình 1.1b) Tia tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt. Hình 1.1c) Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu. Hình 1.1d) Phóng điện chủ yếu kết thúc, dòng sét đạt giá trị cực đại. Thời gian phát triển của kênh tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1μs, 4 tương ứng tia tiên đạo dài thêm trung bình được khoảng vài chục mét đến bốn năm chục mét. Thời gian tạm ngưng phát triển giữa hai đợt liên tiếp khoảng 30 ÷ 90μs. Điện tích âm tổng từ mây tràn vào kênh tiên đạo bằng Q = σ.L (với σ là mật độ điện tích và L là chiều dài kênh). Điện tích này thường chiếm khoảng 10% lượng diện tích chạy vào đất trong một lần phóng điện sét. Dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi điện tích của các đám mây dông và điện tích trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích trái dấu (thường là điện tích dương) trên vùng mặt đất phía dưới đám mây dông. Nếu vùng đất phía dưới bằng phẳng và có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích cảm ứng tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên đạo. Nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn khác nhau thì điện tích sẽ tập trung chủ yếu ở vùng kế cận, nới có điện dẫn cao và nơi đó sẽ là nơi đổ bộ của sét. Cường độ điện trường ở đầu kênh tiên đạo trong phần lớn giai đoạn phát triển của nó (trong mây dông), được xác định bởi điện tích bản thân của kênh và của điện tích tích tụ ở đám mây. Đường đi của kênh tiên đạo này không phụ thuộc vào tình trạng của mặt đất và các vật thể ở mặt đất. Chỉ khi kênh tiên đạo còn cách mặt đất một độ cao nào đó thì mới thấy rõ dần ảnh hưởng của tập trung điện tích ở mặt đất và ở các vật thể dẫn điện nhô khỏi mặt đất đối với hướng phát triển tiếp tục của kênh. Kênh sẽ phát triển theo hướng có cường độ điện trường lớn nhất. Như vậy, vị trí đổ bộ của sét mang tính chọn lọc. Nên trong kỹ thuật người ta lợi dụng tính chọn lọc này để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình bằng cách dùng các thanh hoặc dây thu sét bằng kim loại được nối đất tốt, đặt cao hơn công trình cần bảo vệ để hướng sét phóng vào đó, hạn chế khả năng sét đánh vào công trình. Ở những nơi vật dẫn có độ cao (nhà chọc trời, cột ăng ten) thì từ đỉnh của nó nơi điện tích trái dấu tập trung nhiều cũng sẽ đồng thời xuất hiện ion hóa tạo nên dòng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây dông. Chiều dài của kênh tiên đạo từ dưới lên mây tăng theo độ cao của vật dẫn và tạo điều kiện dễ dàng cho sự định hướng của sét đánh vào vật dẫn đó. Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất hay tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiều thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược lại hay phóng điện chủ yếu, tương tự như các quá trình phóng điện ngược trong chất khí ở điện trường không đồng nhất (Hình 1.1b). Trong khoảng cách khí còn lại giữa đầu kênh tiên đạo và mặt đất cường độ điện trường tăng cao gây nên ion hóa mãnh liệt dẫn đến sự hình thành một dòng plasma mật độ điện tích 1016÷ 1019 ion/m3 cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của tia tiên đạo, điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm lần, điện tích cảm ứng từ mặt đất tràn ngược và thực tế đầu dòng mang điện thế của đất làm cho cường độ trường đầu dòng tăng lên gây ion hóa mãnh liệt và cứ như vậy dòng plasma điện dẫn cao tiếp tục 5 phát triển ngược lên trên theo đường chọn sẵn của kênh tiên đạo. Tốc độ phát triển của kênh của kênh phóng ngược rất cao vào khoảng 1,5x1017÷ 1,5x108 m/s (bằng 0,05 ÷0,05 lần vận tốc ánh sáng) tức là nhanh gấp trên trăm lần tốc độ phát triển của tiên đạo hướng xuống. Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt nên tia phóng điện chủ yếu sáng chói (gọi là chớp) và sự giản nỡ đột ngột của không khí bao quanh phóng điện chủ yếu tạo nên những đợt sóng âm mãnh liệt gây nên những tiếng nổ chát chúa (gọi là sấm). Đặc điểm quan trọng nhất của phóng điện chủ yếu là cường độ dòng điện lớn. Nếu ν là tốc độ của phóng điện và σ là mật độ điện tích thì dòng sét sẽ đạt giá trị cao nhất khi kênh phóng điện chủ yếu lên đến đám mây dông và bằng: is = ν.σ(Hình 1.1c). Khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mấy thì số điện tích còn lại của mây sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống đất và cũng tạo nên ở chỗ sét đánh một dòng điện có trị số nhất định giảm nhanh tương ứng với phần đuôi sóng (Hình 1.1d). Kết quả quan trắc sét cho thấy rằng, một cơn sét thường gồm nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau, trung bình là ba lần, nhiều nhất có thể đến vài ba chục lần. Thời gian giữa các lần phóng điện kế tiếp nhau trung bình khoảng 30 ÷ 50 ms, nhưng có thể kéo dài đến 0,1s nếu có dòng không đổi trong giai đoạn kết thúc. Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục (không phải từng đợt như lần đầu), không phân nhánh và theo đúng quĩ đạo của lần đầu nhưng với tốc độ cao hơn 2x106 m/s, thường gọi là tiên đạo hình kim cũng còn có tên gọi là tiên đạo hình mũi tên. Mỗi lần phóng điện tạo nên một xung dòng sét. Các xung sét sau thường có biên độ bé hơn, nhưng độ dốc đầu sóng cao hơn nhiều so với xung đầu tiên. Một cơn sét có thể kéo dài đến 1,33s. Sự phóng điện nhiều lần của sét được giải thích như sau: đám mây dông có thể có nhiều trung tâm điện tích khác nhau hình thành do các dòng không khí xoáy trong mây. Lần phóng điện đầu tiên dĩ nhiên sẽ xảy ra giữa đất và trung tâm điện tích có cường độ điện trường cao nhất. Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo thì hiệu thế của trung tâm điện tích này với các trung tâm điện tích khác kế cận thực tế không thay đổi đáng kể và ít có ảnh hưởng qua lại giữa chúng. Nhưng khi kênh phóng điện chủ yếu đã lên đến mây thì trung tâm điện tích đầu tiên của đám mây thực tế mang điện thế của đất làm cho hiệu thế giữa trung tâm điện tích đã phóng với các trung tâm điện tích lân cận tăng lên và có thể dẫn đến phóng điện giữa chúng với nhau, quá trình này xảy ra rất nhanh. Trong khi đó thì kênh phóng điện cũ vẫn còn một điện dẫn nhất định do sự khử ion chưa hoàn toàn, nên phóng điện tiên đạo lần sau theo đúng quĩ đạo đó, liên tục và với tốc độ cao hơn lần đầu. Phóng điện sét cũng có thể xảy ra giữa các đám mây mang điện tích khác nhau hoặc giữa các trung tâm điện tích của một đám mây lưỡng cực, tuy nhiên quá 6 điện áp trong hệ thống điện, hỏa hoạn hoặc hư hỏng các công trình trên mặt đất chỉ xảy ra khi có phóng điện sét về phía mặt đất. Vì vậy, ở đây chỉ xét đến sét giữa mây dông và mặt đất cùng tác hại của nó đối với hệ thống điện.Sét mây - đất cũng có thể xảy ra với tiên đạo mang điện tích dương xuất phát từ phần mang điện tích dương của đám mây, nhưng rất hiếm thấy. Loại sét dương này chỉ có một xung duy nhất, có biên độ dòng và tổng điện tích rất lớn, thời gian sóng kéo dài. Tác dụng phá hoại của nó rất lớn, đặc biệt là hiệu ứng nhiệt của nó. 1.1.2. Sự nguy hiểm của quá điện áp khí quyển Khi xảy ra quá điện áp khí quyển tức là xảy ra phóng điện sét thì toàn bộ năng lượng của dòng sét sẽ tản vào trong lòng đất qua hệ thống nối đất của vật bị sét đánh trực tiếp. Quá điện áp khí quyển có thể là do sét đánh trực tiếp vào vật cần bảo vệ hoặc do sét đánh xuống mặt đất gần đó gây nên quá điện áp cảm ứng lên vật cần bảo vệ. Khi sét đánh điện áp sét rất cao có thể chọc thủng cách điện của các thiết bị gây thiệt hại về kinh tế và nguy hiểm cho người. Đối với thiết bị điện, quá điện áp khí quyển thường lớn hơn rất nhiều điện áp thí nghiệm xung kích của cách điện dẫn đến chọc thủng cách điện, phá hỏng thiết bị quan trọng như máy biến áp, máy cắt, thiết bị bù,… Đặc biệt đối với đường dây tải điện trên không là phần tử có chiều dài lớn nhất trong hệ thống điện nên thường bị sét đánh và chịu tác dụng của quá điện áp khí quyển. Sóng quá điện áp không chỉ gây nên phóng điện trên cách điện đường dây, đưa đến cắt điện mà còn có thể truyền theo đường dây vào trạm gây nguy hiểm cho các điện của các thiết bị trong trạm, và khi sét đánh trực tiếp vào dây dẫn hoặc vào cột gây phóng điện ngược ở các đoạn đường dây gần trạm dẫn đến khả năng gián đoạn cấp điện cho phụ tải do sự cố cắt điện gây thiệt hại và ảnh hưởng lớn về kinh tế - xã hội - an ninh - quốc phòng. 1.1.3. Tình hình giông sét tại Việt Nam và trên địa bàn tỉnh Bình Định Theo các nghiên cứu của Viện Vật lý địa cầu, Việt Nam nằm ở tâm dông sét châu Á, một trong ba tâm dông trên thế giới có hoạt động dông sét mạnh.Mùa dông ở Việt Nam tương đối dài bắt đầu từ tháng 4 và kết thúc vào tháng 10. Số ngày dông trung bình khoảng 100 ngày/năm và số giờ dông trung bình là 250 giờ/năm. Trên nền hoạt động dông tương đối mạnh này có độ chênh lệch khá lớn về mức độ hoạt động dông ở các vùng. Sự chênh lệch này do nhiều yếu tố khác nhau gây ra, trong đó có yếu tố phân chia lãnh thổ bởi những dãy núi cao có hướng khác nhau, làm tăng cường hoạt động dông ở vùng này và hạn chế hoạt động dông ở vùng khác[2]. Bình Định là một trong những địa bàn có mật độ giông sét cao trên cả nước, đặc biệt là khu vực An Lão, Vĩnh Thạnh, Tây Sơn, Vân Canh, Hoài Ân. Gần như hàng năm, trên địa bàn tỉnh Bình Định đều xảy ra vụ việc thiệt hại về người, tài sản do sét đánh. 7 Theo số liệu thống kê của nhiều nước, số ngày sét hàng năm ở các vùng nam, bắc cực vào khoảng 2 3, vùng ôn đới khoảng 30 50, vùng nhiệt đới khoảng 75 100 và vùng xích đạo khoảng 100 150. 1.2. Tổng quan về lưới điện 110kV 1.2.1. Quy mô quản lý[3] Công ty Lưới điện cao thế miền Trung là đơn vị trực tiếp quản lý, vận hành các trạm biến áp, đường dây 110kV khu vực miền Trung từ Quảng Bình đến Phú Yên và 4 tỉnh Tây Nguyên bao gồm 102 trạm biến áp với 104 máy biến áp, có tổng dung lượng 2866 MVA; 1616,97 km đường dây 110kV mạch đơn và 523,895 km đường dây 110kV mạch kép (quy đổi 2664,76 km); 6 nhà máy thuỷ điện với tổng công suất đặt 24 MW (tính đến thời điểm 31/12/2017). Lưới điện 110kV của CGC quản lý phân bố trải dài qua nhiều khu vực có địa hình đồi núi cao, phức tạp, hiểm trở và vùng duyên hải có điều kiện khí hậu khắc nghiệt, nhiễm mặn, thường xảy ra lũ lụt, giông sét. Kết lưới hệ thống lưới điện 110kV vẫn còn một số khu vực chưa được khép vòng, khi đường dây 110kV bị cô lập do sự cố hay đưa ra công tác phải hạn chế công suất phụ tải, chất lượng điện áp giảm thấp, thậm chí một số nơi phải mất điện như Ba Đồn, Sông Gianh, An Khê, Chư Prông, Đăk Nông… Một số TBA đang sử dụng sơ đồ tối thiểu nên khi sự cố hoặc khi thao tác cô lập thiết bị để vệ sinh sửa chữa, thời gian thao tác lâu, phạm vi mất điện do ảnh hưởng của thao tác và sự cố lớn. Đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn được đưa vào vận hành từ năm 2002 được đấu nối từ TBA 220kV Quy Nhơn đến TBA 110kV An Nhơn. Đây là tuyến đường dây thực hiện nhiệm vụ truyền tải công suất từ lưới 220kV cấp cho khu vực tỉnh Bình Định bao gồm các trạm An Nhơn, Phù Cát, Phù Mỹ, Mỹ Thành, Hoài Nhơn. Đường dây được thiết kế sử dụng cột thép, được chia thành nhiều cung đoạn: cung đoạn từ trạm biến áp 220kV đến vị trí cột số 4 là sử dụng cột thép 4 mạch dây dẫn treo 2 dây chống sét, cung đoạn từ vị trí số 4 đến vị trí số 12 là sử dụng cột thép 3 mạch dây dẫn treo 2 dây chống sét, từ vị trí số 12 đến trạm biến áp An Nhơn là sử dụng cột thép 2 mạch dây dẫn treo 2 dây chống sét và tổng chiều dài đường dây là 12,519km/mạch. Tuyến đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn chạy qua nhiều vùng có địa hình khác nhau như ruộng lúa, trung du, vùng núi cao với đặc điểm về địa chất, địa vật khác nhau, các địa phương có tuyến đường dây đi qua gồm: thành phố Quy Nhơn, huyện Tuy Phước, huyện An Nhơn. 8 1.2.2. Thông số kỹ thuật chính của đường dây[4] - Điểm đầu: XT 172/ TBA 220kV Quy Nhơn 2. - Điểm cuối: XT 174/An Nhơn - Số mạch: 01 mạch. - Loại cột: Cột thép hình 2 mạch như hình 1.1 - Loại cách điện: Cách điện thủy tinh. - Bố trí DCS: 02 DCS treo trên đỉnh cột. - Loại tiếp địa: Kiểu tia và kiểu tia - cọc kết hợp - Bố trí dây dẫn: Dây dẫn bố trí dọc từ trên xuống dưới - Loại dây dẫn: ACSR-185/29. - Loại DCS: OPGW-57 (Cáp quang) - Tổng chiều dài đường dây (mạch kép): 12,519km. Hình 1.2. Loại cột điện sử dụng ở đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn 9 1.2.3. Các biện pháp bảo vệ chống sét hiện tại áp dụng trên đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn[4] a) Thiết kế tiếp địa: Đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn được thiết kế treo dây chống sét trên đỉnh cột về 02 phía. Để tản dòng điện sét xuống đất, dây chống sét được liên kết với cột thép và hệ thống tiếp địa bằng các đoạn dây lèo nối đất đỉnh cột tại tất cả các vị trí. Hệ thống tiếp địa được lắp đặt tại khu vực chân cột điện và liên kết với cột thép bằng đoạn cờ tiếp địa là loại thép fi-12. Hệ thống tiếp địa hiện hữu được thiết kế theo kiểu tia hoặc tia - cọc kết hợp, số lượng cọc tiếp địa sử dụng tại mỗi vị trí từ 0 đến 8 cọc. Các chủng loại tiếp địa được sử dụng trên tuyến đường dây gồm có:TĐ1x30&TĐG1x12-1; TĐ1x37&TĐG1x12-1; TĐ1x45&TĐG1x12-1; TĐ1x50&TĐG1x12-1; TĐ1x59&TĐ1x20; TĐ1x70&TĐ1x20; TĐ4x25-12; TĐ1x50&TĐ1x20; RS4-40; RS4-30; RS4-20; TĐ4x40; TĐ2-8. b) Các giải pháp trong quản lý vận hành của Chi nhánh Điện cao thế Bình Định: - Giá trị điện trở của hệ thống tiếp địa được đơn vị đo kiểm tra định kỳ 1 năm 1 lần nhằm kịp thời phát hiện ra các khiếm khuyết, hư hỏng đối với hệ thống tiếp địa. Khi kết quả đo điện trở tiếp địa không đạt theo các Quy phạm và quy định hiện hành, đơn vị quản lý sẽ khẩn trương thực hiện ngay các hạng mục sử chữa như bổ sung hoặc thay thế hệ thống tiếp địa. Tuy nhiên trên đường dây hiện trạng có một số vị trí do địa hình đồi núi đá nên không thể cải tạo để giảm điện trở nối đất đạt theo các quy định hình hành. - Các hạng mục sửa chữa thường xuyên khác cũng được đơn vị thực hiện song song với quá trình quản lý vận hành đường dây như: Sơn tiếp địa rỉ, hàn các tia tiếp địa bị đứt gãy, xử lý tiếp xúc tiếp địa ngọn và tiếp xúc tiếp địa chân cột… Hiện tại đường dây trên chưa được áp dụng các giải pháp chống sét khác. 1.3. Tình hình sự cố do giông sét trên các tuyến đường dây 110kV của CGC nói chung và của Chi nhánh Điện cao thế Bình Định nói riêng[4]. 1.3.1. Các sự cố đường dây 110kV do giông sét tính từ năm 2012 đến hết tháng 12/2017 của CGC Bảng 1.1. Số vụ sự cố đường dây 110kV do sét trên lưới điện 110kV do CGC quản lý từ năm 2012 đến hết tháng 12/2017 Năm Số vụ sự cố 2012 72 Số vụ sự cố do sét (vụ) (%) 46 64 10 Năm Số vụ sự cố 2013 Số vụ sự cố do sét (vụ) (%) 61 42 69 2014 56 39 70 2015 56 31 55 2016 43 24 56 2017 47 29 62 1.3.2. Các sự cố đường dây 110kV do sét trên địa bàn tỉnh Bình Định Bảng 1.2. Số vụ sự cố đường dây 110kV do sét trên địa bàn Bình Định từ năm 2012 đến hết tháng 12/2017 Năm Số vụ sự cố do sét trên địa bàn tỉnh Bình Định Số vụ sự cố do sét toàn Công ty (vụ) (%) 2012 46 4 8.7 2013 42 9 21.4 2014 39 5 12.8 2015 31 4 12.9 2016 24 6 25.0 2017 29 5 17.2 1.3.3. Các sự cố đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn Bảng 1.3. Các sự cố xảy ra đối với đường dây 110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn Năm Số vụ sự cố Số vụ sự cố do sét 2008 1 1 2009 0 0 2010 0 0 2011 1 1 2012 0 0 2013 1 1 2014 1 1 2015 3 2 2016 0 0 2017 2 2 11 Các thời điểm và nguyên nhân xảy ra sự cố như sau TT Thời điểm sự cố Vị trí bị sự cố Diễn biến * Kiểm tra, phát hiện tại chuỗi néo pha 1 2 Ngày 04/10/2008 20h46’ ngày 23/5/2011 30 10 C tại VT 30 bị phóng điện tràn chuỗi sứ. * Thời tiết có giông sét và mưa. * Kiểm tra, phát hiện tại chuỗi néo pha B tại VT 10 bị phóng điện tràn chuỗi sứ. * Thời tiết có giông sét và mưa. 3 14h15’ ngày 27/4/2013 18 * Kiểm tra, phát hiện tại chuỗi néo pha C tại VT 18 bị phóng điện tràn chuỗi sứ. * Thời tiết có giông sét và mưa. * Kiểm tra, phát hiện tại chuỗi néo pha 4 14h33’ ngày 21/8/2014 18 A tại VT 18 bị phóng điện tràn chuỗi sứ. * Thời tiết có giông sét và mưa. 5 6 07h34’ ngày 02/7/2015 20h12’ ngày 03/8/2015 VT36-VT37 * Kiểm tra, phát hiện tại tại VT36VT37 bị phóng điện pha - pha. * Thời tiết có mưa và gió lốc. 30 * Kiểm tra, phát hiện tại chuỗi néo pha A tại VT 30 bị phóng điện tràn chuỗi sứ. * Thời tiết có giông sét và mưa. * Kiểm tra, phát hiện tại chuỗi đỡ pha 7 14h33’ ngày 26/3/2017 8 06h37’ ngày 04/11/2017 49 15 C tại VT 49 bị phóng điện tràn chuỗi sứ. * Thời tiết có giông sét và mưa. * Kiểm tra, phát hiện tại VT 15 bị phóng điện vào thân cột * Thời tiết có gió bão và mưa lớn. 12 Từ những số liệu đã nêu ở trên, ta có thể thấy: - Số vụ sự cố do sét trung bình trong 1 năm (tính từ năm 2008-2017) của đường dây là: 8/10 = 0,8 lần/ năm. Suất cắt thực tế của đường dây là: 0,8 x 100/ 12,519 = 6,390 lần/100km/năm. - Mặc dù đường dây khi thiết kế đã có treo dây chống sét và lắp đặt hệ thống nối đất, tuy nhiên sự cố do sét vẫn xảy ra tương đối nhiều, chính vì vậy cần xem xét đề xuất thêm các giải pháp khác để giảm số vụ sự cố do sét. Kết luận Tình hình sự cố do giông sét của đường dây đang xét là rất lớn, mặc dù đã có các giải pháp chống sét như treo dây chống sét, nối đất cột thép, tác giả luận văn nhận thấy cần thiết phải đề xuất các giải pháp giảm suất cắt do sét gây nên cho đường dây trên. 13 CHƯƠNG 2 SUẤT CẮT ĐƯỜNG DÂY 110KV QUY NHƠN 220 - AN NHƠN 2.1. Lý thuyết về tính suất cắt/số lần sự cố đường dây[5], [6] 2.1.1. Phương pháp tính suất cắt/số lần sự cố theo cột điển hình (cổ điển) Phương pháp này được áp dụng cho đường dây đồng nhất, có nghĩa là thông số các cột đường dây là giống nhau. Tuy nhiên, trên thực tế, chúng ta khó có thể xây dựng đường dây đồng nhất do nhiều yếu tố khác nhau (địa hình, đường đi tuyến đường đi…). Vì vậy, thông thường để tính suất cắt đường dây trong trường hợp này, người ta sử dụng cột điển hình cho toàn bộ đường dây để tính. Giả sử đường dây tải điện là hoàn toàn đồng nhất, với độ treo cao trung bình của dây chống sét là htbcs [m], đường dây sẽ thu hút về phía mìnhcác phóng điện của sét trên dải đất có chiều rộng là (6. htbcs +b) với b[m] là khoảng cách 2 dây chống sét và chiều dài là bằng chiều dài đường dây L [km]. Từ cường độ hoạt động của sét là 0,15 lần/ngày/km2, ta có thể tính được tổng số lần có sét đánh thẳng lên đường dây hằng năm N 0.15.(6.htbcs b).L.10-3.nng.s (2.1) với: nngs: số ngày sét hàng năm trong khu vực có đường dây đi qua. htbcs h cs 2 cs . f : độ treo cao trung bình của dây chống sét. 3 fcs: độ võng dây chống sét. Vì tham số của phóng điện sét - biên độ dòng điện I s và độ dốc của dòng điện a di dt có thể có nhiều trị số khác nhau, do đó không phải tất cả các lần sét đánh lên đường dây đều dẫn đến phóng điện trên cách điện. Để xảy ra phóng điện, quá điện áp khí quyển phải có trị số lớn hơn mức cách điện xung kích của đường dây. Khả năng này được biểu thị bởi xác suất phóng điện (Vpđ) và như vậy số lần xảy ra phóng điện trên cách điện sẽ là (lấy theo mật độ sét lớn nhất): N pđ N.vpđ 0.15.(6.htbcs b).nng.s .vpđ .L.10 3 (2.2) Đây chưa phải là số lần nhảy máy cắt điện do sét hàng năm vì thời gian tác dụng của quá điện áp khí quyển rất ngắn, khoảng 100µs. Trong khi thời gian làm việc của hệ thống bảo vệ rơ le thường không bé quá một nửa chu kỳ tần số công nghiệp tức là 0,01s. Do phóng điện xung kích chỉ gây nên cắt điện đường dây khi tia lửa phóng điện