Giải pháp cải thiện khả năng chịu sét cho đường dây phân phối điện trên không: Đề xuất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 120

ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢI THIỆN KHẢ NĂNG CHỊU SÉT

CỦA ĐIỆN ĐƯỜNG DÂY PHÂN PHỐI ĐIỆN TRÊN KHÔNG

PROPOSED SOLUTIONS TO IMPROVING THE LIGHTNING PERFORMANCE

OF ELECTRIC POWER OVERHEAD DISTRIBUTION LINES

Nguyễn Đức Đông1, Nguyễn Mạnh Hiếu1,

Nguyễn quang Huy1, Ninh Văn Nam2,*

1Lớp Điện 07 - K15, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

2Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

*Email: ninhvannam@haui.edu.vn

TÓM TẮT

Sét đánh là một trong những nguyên nhân chính gây sự cố cắt điện cho các đường dây phân phối điện trên không. Các

đường dây phân phối hiện nay thiết kế đều không có dây chống sét nên xác suất sét đánh trực tiếp vào đường dây là rất

cao, gây phóng điện trên cách điện và gây sự cố mất điện cho các phụ tải. Nghiên cứu này, tính toán xác định số lần sét

đánh vào đường dây phân phối trên không cấp điện áp 22kV theo chiều cao cột và theo mật độ sét. Ngưỡng chịu đựng

dòng điện sét và suất cắt đường dây khi chưa có giải pháp và khi có các giải pháp đề xuất được tính toán so sánh. Lắp

chống sét van (CSV), giảm điện trở tiếp địa cột và sử dụng dây chống sét treo phía dưới các dây pha để nâng cao khả năng

chịu sét cho đường dây phân phối được đề xuất. Các kết quả nghiên cứu góp phần cho các đơn vị thiết kế tham khảo để

tính toán lựa chọn giải pháp chống sét cho đường dây phân phối đạt hiệu quả. Các kết quả nghiên cứa dựa trên các tiêu

chuẩn chống sét của IEEE, CIGRE, IEC và chương trình mô phỏng quá độ điện từ EMTP để để tính toán mô phỏng.

Từ khóa: Lưới điện phân phối, quá điện áp, suất sự cố, EMTP/ATP

ABSTRACT

Lightning strikes are one of the main causes of power cuts to overhead power distribution lines. The current distribution

lines aredesigned without lightning shielding wires, so the probability of lightning strike to the line directly is very high,

causing flash on the insulator and causing power outages for the loads. This study, calculated the number of times lightning

strikes to overhead distribution lines supplying a voltage of 22kV according to tower height and according to the ground

flash density. Lightning thresholds current and outage rate of distribution lines when without solutions and when proposed

solutions are calculated. Install surge arrester, reduce the footing resistance of tower, and use underbuilt ground wires

below the phase conductor to improve lightning for distribution line. The research results help company design reference

to calculate and choose lightning protection solutions for distribution lines are effective. The study results are based on

IEEE, CIGRE, IEC lightning protection standards and EMTP electromagnetic transient simulation programs for simulation

calculations.

Keywords: Distribution lines, overvoltage, outage rate, EMTP/ATP

1. GIỚI THIỆU

Nguyên nhân chính gây cắt điện trên đường dây phân

phối là do sét, giảm độ tin cậy cung cấp điện [1]. Sét đánh

vào đường dây phân phối gây ra quá điện áp, phóng điện sẽ

xảy ra nếu giá trị điện áp đặt lên cách điện lớn hơn giá trị

U50% (trị số điện áp phóng điện xung kích nhỏ nhất của

chuỗi cách điện) [2]. Các sự cố này có thể gây ra gián đoạn

tạm thời hoặc vĩnh viễn trên các mạch phân phối. Mối quan

tâm về chất lượng điện đã tạo ra mối quan tâm nhiều hơn

đến sét, và việc cải thiện khả năng chống sét của đường dây

phân phối trên không khỏi sự cố đang được coi là một cách

để giảm số lần gián đoạn tạm thời và sụt áp. Thống kê từ

Tổng công ty điện lực Miền Bắc (EVNNPC) [3], tính đến

hết năm 2023, khối lượng quản lý vận hành đường dây trung

áp của EVNNPC là 74.249,77km đường dây trung áp (trong

đó lưới 35kV chiếm 66,83%, lưới 22kV chiếm 27,96%, lưới

10 và 6kV chiếm 5,51%). Năm 2023, Tổng số vụ sự cố của

EVNNPC: 14.234 vụ (bằng 135,56% so với KH giao các

đơn vị năm 2022 - giảm 1.674 vụ, tương ứng giảm 11 % so

với cùng kỳ năm 2022 - 15.908 vụ). Tổng thời gian khắc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 121phục sự cố: 2.003.221 phút (Giảm 42% so với cùng kỳ năm

2022 - 3.430.226 phút). Thời gian trung bình khắc phục 01

vụ sự cố năm 2022: 140,7 phút. Các nguyên nhân gây sự cố

được trình bày trong hình 1. Thống kê cho thấy, sự cố

nguyên nhân do sét chiếm tỷ lệ tới 58% tổng số vụ sự cố.

Hình 1. Số vụ sự cố (a) và tỷ lệ nguyên nhân số vụ sự cố (b)

Sét thường gây ra sự cố tạm thời trên đường dây phân

phối trên không. Nếu sự cố được loại bỏ bằng cầu dao hoặc

recloser, thì mạch điện có thể được nối lại thành công.

Trước đây, điều này có thể chấp nhận được - nhưng hiện

nay với sự gia tăng của các tải trọng nhạy cảm, sự gián đoạn

tạm thời là một mối quan tâm lớn. Sét cũng có thể gây ra

các sự cố vĩnh viễn. Khoảng 10% các sự cố do sét gây ra

được cho là có thể gây ra hư hỏng vĩnh viễn cho thiết bị.

Các sự cố tạm thời cũng có thể gây ra gián đoạn vĩnh viễn

nếu sự cố được loại bỏ bằng thiết bị bảo vệ một lần, chẳng

hạn như cầu chì. Với dòng điện sét lớn các thiết bị bảo vệ

này không thể chịu được đáp ứng của dòng điện sét nên rất

dễ bị hư hỏng hay phá hủy hoàn toàn mà không khắc phục

được.

Gần đây, các đường dây phân phối điện trên không ngày

càng được quan tâm chú ý đến quá độ trên hệ thống điện

phân phối. Do khả năng chịu xung của mạng phân phối thấp

hơn nhiều so với các mạng cao áp hoặc siêu cao áp, chúng

dễ bị ảnh hưởng do sét hơn. Có nhiều cách khác nhau mà

sét có thể làm ảnh hưởng đến các đường dây điện áp phân

phối. Sét có thể tạo ra quá điện áp khi nó đánh vào dây dẫn

đường dây (sét đánh trực tiếp) hoặc một điểm trong vùng

lân cận của mạng phân phối (sét đánh gián tiếp). Do đường

dây phân phối có lớp cách điện tương đối yếu so với đường

dây truyền tải điện, không chỉ sét đánh trực tiếp mà còn gây

ra quá điện áp khi sét đánh gần đó có thể gây mất điện,

thống kê cho thấy 80% sự cố mất điện do sét đánh là do

điện áp cảm ứng và 20% do sét đánh trực tiếp [4]. Sét đánh

trực tiếp: Tỷ lệ phóng điện bề mặt (FO) của cách điện trên

một đường dây phân phối bị đánh trực tiếp được ước tính là

99% theo IEEE 1410 [4]. Điều này có nghĩa là nếu một

đường dây bị sét đánh trực tiếp, điện áp phóng điện tới hạn

(CFO) hoặc điện áp cơ bản mức cách điện (BIL) của chất

cách điện rất khó để đảm bảo nó sẽ bị phóng điện. Sét đánh

gián tiếp: Mặc dù quá điện áp liên quan đến sét đánh trực

tiếp vào đường dây nghiêm trọng hơn nhiều, nhưng quá

điện áp do sét đánh gần đường dây gây ra có tần suất xuất

hiện cao hơn và thường là nguyên nhân gây ra nhiều phóng

điện bề mặt cách điện đường dây và làm gián đoạn nguồn

cung cấp trên các hệ thống có điện áp danh định từ 35 kV

trở xuống.

Bài báo này tính toán xác định số lần sét đánh vào đường

dây phân phối trên không cấp điện áp 22 kV theo chiều cao

cột và theo mật độ sét. Ngưỡng chịu đựng dòng điện sét và

suất cắt đường dây khi chưa có giải pháp và khi có các giải

pháp đề xuất được tính toán so sánh. Lắp chống sét van

(CSV), giảm điện trở tiếp địa cột và sử dụng dây chống sét

treo phía dưới các dây pha để nâng cao khả năng chịu sét

cho đường dây phân phối được đề xuất. Các kết quả nghiên

cứu góp phần cho các đơn vị thiết kế tham khảo để tính toán

lựa chọn giải pháp chống sét cho đường dây phân phối đạt

hiệu quả. Các kết quả nghiên cứa dựa trên các tiêu chuẩn

chống sét của IEEE, CIGRE, IEC và chương trình mô

phỏng quá độ điện từ EMTP để để tính toán mô phỏng.

2. XÁC ĐỊNH SỐ LẦN SÉT ĐÁNH VÀO ĐƯỜNG

DÂY

Số lần sét đánh vào đường dây tải điện (N) được xác

định dựa trên mô hình điện hình học [2, 5]. Theo phương

pháp này NL là tổng của số lần sét đánh vào đỉnh cột hoặc

dây chống sét (Ndc+dcs ) và vào dây pha (Np).

p dc+dcs

N=N +N (1)

Mô hình điện hình học cho đường dây treo 2 DCS được

thể hiện như hình 2.

Hình 2. Mô hình điện hình học xác định diện tích thu hút sét vào

dây chống sét và dây pha

Trong đó:

h: chiều cao cột so với mặt đất (m)

y: chiều cao dây pha so với mặt đất (m)

Sg: khoảng cách giữa 2 dây chống sét (m)

: góc bảo vệ của dây chống sét (0)

a: khoảng cách từ dây chống sét tới dây pha (hình 2)

rc: Khoảng cách phóng điện vào dây pha

rg: Khoảng cách phóng điện vào dây chống sét

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 122Khoảng cách phóng điện vào dây chống sét hoặc dây

pha rc và khoảng cách phóng điện xuống đất rg phụ thuộc

vào trị số dòng điện sét I [2]:

r(I)=AI

(2)

Với A, b và β là các hệ số xác định bằng phương pháp

thực nghiệm. Được đề xuất bởi các tác giả khác nhau tổng

hợp trong bảng 6 của [6], trong bài báo này A = 8, b = 0,65.

Giả thiết rằng các cú sét đánh xuống theo phương vuông

góc với mặt đất. Những cú sét đánh vào cung AB sẽ đánh

vào dây dẫn, đánh vào cung BC sẽ đánh vào dây chống sét,

những cú sét đánh ngoài cung AB, BC sẽ đánh xuống mặt

đất. Khu vực mà dây chống sét không bảo vệ được dây dẫn

hay gọi là khu vực sét đánh vào dây dẫn Dc, khu vực sét

đánh vào dây chống sét là Dg. Để xác định Dc và Dg ta xét

một bên của mô hình điện hình học như hình 3.

Hình 3. Xác định Im khi DC =0 [2]

Khu vực sét đánh vào dây dẫn:





c c

D = r cos(

θ)-cos(α+β)

(3)

-1

(h-y) 1+tan (

α)

β = sin 2r

 

 

 

(4)

-1

r -y

θ = sin

 

 

 

(5)

α = tan

h-y

 

 

 

(6)

Cường độ dòng điện sét I có những giá trị khác nhau,

vùng sét đánh vào dây pha Dc và vào dây chống sét Dg cũng

khác nhau (hình 3). Khi tăng dần giá trị cường độ dòng sét

I, khoảng cách thu hút sét rc, rg tăng theo, cung AB giảm

nên Dc giảm dần, cung BC tăng nên Dg tăng lên. Khi tăng I

tới một trị số Im nào đó mà khoảng cách Dc = 0, lúc đó dây

dẫn được bảo vệ hoàn toàn bởi dây chống sét, tất cả các cú

sét sẽ đánh vào dây chống sét hoặc đánh xuống mặt đất. Giá

trị cường độ dòng sét Im này là cường độ dòng sét lớn nhất

có thể đánh vào dây dẫn. Những cú sét có cường độ lớn hơn

giá trị Im thì không đánh vào dây dẫn mà sẽ đánh vào dây

chống sét hoặc đánh xuống mặt đất. Cường độ dòng sét lớn

nhất đánh vào dây dẫn được xác định:

I =

 

 

 

(6)

;

(h+y)/2

r = =

γsinα r

 (7)

Sử dụng hệ số A, b do IEEE-1997 đề xuất trong tiêu

chuẩn IEEE Std 1243-1997 [1].

2.1. Xác định số lần sét đánh vào các dây pha (Np)

Từ mô hình điện hình học xác định được dòng điện sét

lớn nhất đánh vào dây pha là Im, dòng điện sét nhỏ nhất đánh

vào dây pha là Imin, lấy Imin = 3kA [2]. Số lần sét đánh vào

dây pha được xác định theo công thức:

min

p g c

I =3

N =2N .L D .f(I)dI

 (8)

f(I) là hàm phân bố dòng điện sét, xác định theo hàm

phân bố chuẩn logarit [7].

1 1 lnI-ln I

f(I)= exp - 2 σ

2πσI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9)

Với:

σ - độ lệch chuẩn;

- biên độ dòng điện sét trung bình;

I - biên độ dòng điện sét bất kỳ;

I < 20kA:

= 61,1kA; σ = 1,33

I > 20kA:

= 33,3kA; σ = 0,605

2.2. Xác định số lần sét đánh vào đỉnh cột và dây chống

sét (Ndc+dcs)

Số lần sét đánh vào dây chống sét và đỉnh cột được xác

định từ mô hình điện hình học phụ thuộc vào mật độ sét Ng,

khoảng cách Dg, Sg và phân bố dòng điện sét f(I), được xác

định theo [2]:

I¥

dcs+dc g g g g g

3 I

N =2N .L D f(I)dI+ D f(I)dI +N .L.S

 

 

 

  (10)

Với

' '

g c

' -1

D =r cos

r -h

θ =sin

(11)

= 0

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 1233. XÁC ĐỊNH SUẤT CẮT DO SÉT ĐÁNH VÀO

ĐƯỜNG DÂY

3.1. Suất cắt do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn

Từ mô hình điện hình học trên hình 2 suất cắt do sét

đánh vào dây dẫn ký hiệu là SFFOR (lần/100km.năm) bằng

tổng số lần sét đánh trực tiếp vào dây dẫn gây ra phóng điện

trên 100km trong một năm và được xác định như sau [5]:

.f(I).dID..L2.NSFFOR

Clg 

 (12)

trong đó; Im là cường độ dòng sét lớn nhất có thể đánh

vào dây dẫn (kA), những cú sét có cường độ dòng sét lớn

hơn Im sẽ không đánh vào dây dẫn mà đánh xuống đất hoặc

đánh vào dây chống sét, được xác đinh theo [3]; Ic là cường

độ dòng sét nhỏ nhất gây ra phóng điện (kA).

3.2. Suất cắt do sét đánh đỉnh cột hoặc khoảng vượt

Khi sét đánh vào khoảng vượt dòng điện sét tại điểm sét

đánh đi theo hai hướng của dây chống sét, dòng điện sét này

sẽ tạo ra sóng điện áp lan truyền dọc theo dây chống sét.

Khi sóng lan truyền tới cột điện, một phần sóng truyền theo

cột và tản xuống đất, một phần truyền theo dây chống sét

sang cột kế tiếp và một phần phản xạ ngược trở lại điểm

sét đánh. Sự lan truyền sóng trên dây chống sét cảm ứng

sang dây dẫn một giá trị điện áp. Điện áp cảm ứng trên dây

dẫn và điện áp trên dây chống sét tạo nên sự chênh lệch điện

áp. Phóng điện xảy ra khi sự chênh lệch điện áp này lớn hơn

điện áp chịu đựng của cách điện (cách điện có thể là không

khí hoặc chuỗi cách điện tại cột). Phóng điện có thể xảy ra

tại giữa khoảng vượt tuy nhiên là rất nhỏ so với phóng điện

xảy ra tại cột vì khoảng cách giữa dây dẫn và dây chống sét

ở khoảng vượt thì lớn hơn nhiều so với khoảng cách cách

điện tại cột. Còn khi sét đánh đỉnh cột dòng sét phần lớn đi

xuống đất qua điện trở nối đất cột bị sét đánh, phần còn lại

đi theo hai hướng trên dây chống sét, nếu điện trở nối đất

tại cột sét đánh lớn thì điện áp trên cách điện lớn gây ra

phóng điện. Cả hai trường hợp phóng điện này gọi là phóng

điện ngược, suất cắt do phóng điện ngược này hay là suất

cắt khi sét đánh đỉnh cột hoặc khoảng vượt được ký hiệu là

BFR (Backflashover rate) (lần/100km.năm) được xác định

theo [2, 5].

2,6

0,6

)IP(I

)S(28.h

.NN

)I.P(I0,6.NBFR























(13)

trong đó: Nl là số lần sét đánh vào dây dẫn trên 100km

trong một năm; h : chiều cao cột (m); Sg khoảng cách giữa

2 dây chống sét (m); P(I>IC) xác suất xuất hiện dòng sét có

cường độ lớn hơn IC.

Vậy suất cắt do sét đánh trên đường dây bằng tổng suất

cắt do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn và suất cắt do sét đánh

vào đỉnh cột và khoảng vượt.

NC = BFR+SFFOR (lần/100km.năm) (14)

4. THÔNG SỐ ĐƯỜNG DÂY VÀ MÔ HÌNH TRONG

EMTP

A. Mô hình đường dây

Đường dây 22kV mạch đôi, dây dẫn sử dụng loại AC-

150, khoảng vượt trung bình 100m. Đường dây phân phối

trong EMTP sử dụng mô hình phụ thuộc tần số J-Marti [9,

10].

B. Mô hình cột

Mô hình cột trong EMTP được đề xuất bởi [9]. Cột được

thay thế bởi tổng trở sóng ZT xác định theo [2, 8, 10], hình

dạng và kích thước cột trên hình 4.











 1

ln60Z

tđ

T (15)

Trong bài báo này các thống số h =16 (m), rtđ = 0,2m;

D1 = D2 = D3 = 1,2 (m), Sg = 0,65 (m)

Hình 4. Cột hai mạch 22 kV

C. Mô hình chuỗi cách điện và mô hình mỏ phóng

Đường dây 22kV, dùng chuỗi cách điện gồm 2 bát sứ

chiều dài mỗi bát là 14,6 cm. Chuỗi cách điện được thay

thế bởi mô hình phóng điện ngược trong EMTP theo [10].

fo 0.75

710

v =(400+ )L

(16)

Trong đó:

Vf0: Điện áp phóng điện (kV), t: thời gian phóng điện

(s), L: chiều dài khe hở phóng điện (m).

D. Mô hình điện trở nối đất chân cột

Hệ thống tiếp địa cột cho đường dây 22kV, thường dùng

loại cọc, thép tròn hoặc dẹt, dài từ 2m đến 2,5m. Trong

nghiên cứu này hệ thống nối đất cột được thay thế bởi điện

trở một chiều, có điện trở trong dải từ 10Ω đến 50Ω

Sg/2

DCS

A1A2

B1B2

C1C2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 124E. Mô hình chống sét van

CSV sử dụng trong bài báo là loại không khe hở ngoài,

trong EMTP được thay thế bởi một điện trở phi tuyến, có

đặc tính V-S như hình 5.

Hình 5. Đặc tính V-A của CSV

5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

5.1. Số lần sét đánh vào đường dây

Từ phần lý thuyết đã trình bày trong mục 2, xác định số

lần sét đánh vào đường dây theo chiều cao cột và theo mật

độ sét như trên hình 6. Như vậy, số lần sét đánh vào đường

dây phụ thuộc vào chiều cao cột, khi cột cao 10m lên 18 m

số lần sét đánh tăng 1,42 lần (Ng = 8,2 lần/1km2.năm), khi

mật độ sét tăng từ 2 lần/1km2.năm lên 10 lần/1km2.năm

(h = 16m) số lần sét đánh tăng gấp 5 lần.

Hình 6. Số lần sét đánh vào đường dây a) theo chiều cao cột, b)

theo mật độ sét

5.2. Suất cắt đường dây

Với trường hợp đường dây chưa sử dụng giải pháp, điện

trở đất của cột lấy 30Ω. Tính toán mô phỏng xác định suất

cắt do sét đánh đỉnh cột hoặc khoảng vượt theo mục 3.2 xác

định được BFR = 11 lần/100km.năm và suất cắt do sét đánh

trực tiếp dây pha SFFOR = 1,92 lần/100km.năm. Do vậy

suất cắt do sét của đường dây là:

NC = 12,92 lần/100km.năm

5.3. Giải pháp giảm điện trở cột

Đây là giải pháp thường sử dụng nhất, do thi công lắp

đặt hoặc cải tạo hệ thống nối đất

cột cho các đường dây phân phối 22 kV đơn giản, chi

phí đầu tư không cao. Kết quả tính toán suất cắt đường dây

khi giảm điện trở nối đất của cột được trình bày như trên

hình 7. Rõ ràng khi giảm điện trở của hệ thống nối đất cột

sẽ giảm suất cắt do sét gây ra. Cụ thể giảm điện trở nối đất

cột từ 30Ω xuống 10Ω, suất cắt đường dây giảm 2,24 lần

(từ 14,51 lần/100km.năm xuống 6,47 lần/100km.năm). Do

vậy, với các đường dây phân phối, tìm giải pháp giảm điện

trở nối đất của cột là một trong những biện pháp được ưu

tiên.

Hình 7. Suất cắt đường dây theo Rtđ, (Ng = 8,2 lần/1km2.năm)

5.4. Giải pháp tăng chiều dài cách điện

Hình 8. Suất cắt theo số bát cách điện, (Ng = 8,2 lần/1km2.năm)

Như phần 1 đã trình bày, khả năng chịu sét của đường

dây chính là khả năng chịu điện áp lớn nhất có thể trên chuỗi

cách điện mà không gây ra phóng điện trên chuỗi cách điện

U50%. Với đường dây 22kV thì U50% = 125kV [2], dòng

Đề xuất giải pháp cải thiện khả năng chịu sét của điện đường dây phân phối điện trên không

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi