Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất đối với dòng điện sét trên đường dây truyền tải Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:150

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài này được thực hiện nhằm nghiên cứu một cách toàn diện về hệ thống nối đất cho đường dây truyền tải điện của Việt Nam với mục đích định hướng thiết kế hệ thống nối đất chống sét hiệu quả, góp phần nâng cao độ tin cậy vận hành cho đường dây truyền tải Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất đối với dòng điện sét trên đường dây truyền tải Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------------------- NGUYỄN XUÂN PHÚC NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT ĐỐI VỚI DÒNG ĐIỆN SÉT TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------------------- NGUYỄN XUÂN PHÚC NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT ĐỐI VỚI DÒNG ĐIỆN SÉT TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI VIỆT NAM 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 … 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 Nguyễn Xuân Phúc i
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể hướng dẫn khoa học, TS. Phạm Hồng Thịnh và PGS. TS. Trần Văn Tớp đã luôn tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo tôi 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 nhất 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 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. Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Viện Năng lượng, Trung tâm Tư vấn Năng lượng và Chuyển giao công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của các đồng nghiệp tại Viện Năng lượng. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè và gia đình đã luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020 Tác giả luận án Nguyễn Xuân Phúc ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... vi DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................ xiii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu của luận án .....................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .....................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..........................................................3 6. Những đóng góp của luận án ............................................................................4 7. Cấu trúc của luận án ..........................................................................................4 Chương 1 .......................................................................................................... 6 TỔNG QUAN ................................................................................................... 6 1.1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI VIỆT NAM................................... 6 1.1.1. Tình hình phát triển lưới điện truyền tải .....................................................6 1.1.2. Tình hình sự cố trên lưới điện truyền tải.....................................................7 1.1.3. Các hệ thống nối đất trên đường dây truyền tải Việt Nam .........................7 1.2. NỐI ĐẤT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI TRÊN THẾ GIỚI ....................... 13 1.2.1. Quy phạm cho hệ thống nối đất ................................................................13 1.2.2 Hình dạng nối đất .......................................................................................15 1.3. NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI .......................................................................................... 15 1.3.1. Nghiên cứu trong nước .............................................................................15 1.3.2. Nghiên cứu trên thế giới ...........................................................................16 1.4. KẾT LUẬN ................................................................................................................. 21 Chương 2 ........................................................................................................ 23 TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT .................................................................. 23 iii
2.1. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (FEM) TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT............................................................................................................ 23 2.1.1. Giới thiệu chung ........................................................................................23 2.1.2. Các bước giải bài toán sử dụng phương pháp FEM .................................24 2.2. TÍNH TOÁN KIỂM CHỨNG GIỮA PHƯƠNG PHÁP FEM VỚI THỰC NGHIỆM ........................................................................................................................... 26 2.2.1. Tính toán điện trở một chiều của cọc trong đất phân tầng ........................26 2.2.2. Tính toán điện áp quá độ của tia nối đất. ..................................................28 2.2.3. Tính toán điện áp quá độ trên cột điện ......................................................31 2.2.4. Tính toán điện áp bước và điện áp tiếp xúc ..............................................32 2.3. KẾT LUẬN ................................................................................................................. 34 Chương 3 ........................................................................................................ 35 ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRONG MIỀN TẦN SỐ ............. 35 3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................. 35 3.2. THÔNG SỐ MÔ PHỎNG ......................................................................................... 37 3.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG............................................................................................ 38 3.3.1. Đáp ứng trong miền tần số của hệ thống dạng cọc ...................................38 3.3.2. Đáp ứng của hệ thống dạng tia..................................................................41 3.3.3. Đáp ứng của hệ thống dạng cọc - tia .........................................................44 3.3.4. Hệ thống dạng tia quấn vòng ....................................................................47 3.3.5. Ảnh hưởng hình dạng hệ thống nối đất .....................................................48 3.3.6. Ảnh hưởng của điện trở suất của đất.........................................................51 3.3.7. Ảnh hưởng của hằng số điện môi của đất .................................................52 3.3.8. Tính toán cho đất phân tầng ......................................................................53 3.4. KẾT LUẬN ................................................................................................................. 57 Chương 4 ........................................................................................................ 59 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRONG MIỀN THỜI GIAN ............................................................................................................... 59 4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................. 59 4.2. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ........................................................................................... 61 4.3. ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ CỦA CÁC HỆ THỐNG NỐI ĐẤT ...................................... 61 4.3.1 Hệ thống 1 tia .............................................................................................61 4.3.2. Ảnh hưởng của chiều dài tia .....................................................................63 4.3.3. Hệ thống nhiều tia .....................................................................................66 iv
4.3.4. Ảnh hưởng của số lượng tia ......................................................................68 4.3.5. Hệ thống dạng cọc – tia.............................................................................71 4.3.6. Ảnh hưởng của số lượng cọc ....................................................................72 4.3.7. Ảnh hưởng hình dạng hệ thống nối đất .....................................................74 4.4. HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐẤT ....................................................... 75 4.4.1. Các giá trị đặc trưng cho hiện tượng phóng điện trong đất ......................75 4.4.2. Sơ đồ tính toán ..........................................................................................77 4.4.3. Kết quả nghiên cứu ...................................................................................78 4.5. KẾT LUẬN ................................................................................................................. 89 Chương 5 ........................................................................................................ 91 ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRONG HỆ ĐẦY ĐỦ CỘT VÀ NỐI ĐẤT ........................................................................................................ 91 5.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................. 91 5.2. TÍNH TOÁN TỔNG TRỞ SÓNG CỦA CỘT KHI BỎ QUA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT .................................................................................................................................... 92 5.2.1. Lý thuyết về tổng trở sóng của cột ............................................................92 5.2.2. Tính toán tổng trở sóng của cột bằng phương pháp giải tích....................93 5.2.3. Tính toán tổng trở sóng cột theo phương pháp số ....................................94 5.2.4. Đánh giá phương pháp mô phỏng .............................................................95 5.2.5. Tổng trở sóng của cột điển hình trên đường dây truyền tải ......................96 5.3. ĐIỆN ÁP ĐỈNH CỘT TRONG HỆ CỘT – HỆ THỐNG NỐI ĐẤT .................... 96 5.3.1. Mô hình nghiên cứu ..................................................................................96 5.3.2. Hệ cột điện 500 kV và 1 tia nối đất ..........................................................98 5.3.3. Ảnh hưởng của số lượng tia đến điện áp đỉnh cột ....................................99 5.3.4. Ảnh hưởng của hình dạng nối đất ...........................................................101 5.3.5. Ảnh hưởng của kích thước cột ................................................................103 5.3.6. Ảnh hưởng của hình dạng xung ..............................................................105 5.3.7. So sánh với mô hình nối đất tập trung ....................................................107 5.4. KẾT LUẬN ............................................................................................................... 109 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 111 KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 111 KIẾN NGHỊ..................................................................................................................... 112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............... 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 114 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 123 v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Nguyên nghĩa 1 HTĐ Hệ thống điện 2 EVN Tập đoàn điện lực Việt Nam 3 EVNNPT Tổng công ty truyền tải điện Quốc gia 5 FEM Phần tử hữu hạn 6 MoM Phương pháp Mô men 7 FDTD Sai phân hữu hạn trên miền thời gian 8 GPR Điện thế dâng trên đất (Ground Potential Rise) (V) 9 Z Tổng trở () 10 ρ Điện trở suất đất (.m) 11 ε0 Hằng số điện môi của chân không (ε0 = 8,854.10-12 F/m) 12 μ0 Độ từ thẩm của chân không (μ 0 = 1,256.10-6 H/m) 13 εr Hằng số điện môi tương đối 14 μr Độ từ thẩm tương đối 15 re Điện trở đơn vị (/m) 16 L Điện cảm đơn vị (H/m) 17 G Điện dẫn đơn vị (S/m) 18 C Điện dung đơn vị (F/m) 19 J Mật độ dòng điện (A/m2) 20 E Cường độ điện trường (V/m) 21 D Mật độ điện cảm (C/m2) 22 H Cường độ từ trường (A/m) 23 B Cảm ứng từ (T/m2) 24 A Vec tơ từ thế (A) vi
STT Từ viết tắt Nguyên nghĩa 25 V Điện thế (V) 26 i(t) Xung dòng biến đổi theo thời gian (A) 27 v(t) Điện áp quá độ biến đổi theo thời gian (V) 28 Zp Tổng trở xung (impulse impedance) của hệ thống nối đất (Ω) 29 Vp Điện thế cực đại (V) 30 Ip Dòng điện cực đại (A) 31  Thời gian đầu sóng (μs) 32 ZT Tổng trở sóng của cột điện (Ω) 33 Zg Tổng trở sóng của dây chống sét (Ω) 34 αT Hệ số phản xạ tại đỉnh cột 35 T Thời gian truyền sóng trên cột 36 Zw Tổng trở dạng sóng của cột (tower wave impedance) (Ω) 37  Hệ số suy giảm (damping factor) (Ω) 38 c Vận tốc ánh sáng (299.792 km/s) vii
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Chiều dài đường dây 220 kV và 500 kV trong giai đoạn 2011 – 2019 [2, 3]............ 6 Hình 1.2. Chiều dài đường dây 220 kV và 500 kV trong giai đoạn 2020 – 2030 [4]................ 6 Hình 1.3. Thống kê sự cố trên lưới truyền tải Việt Nam [2, 3] .................................................. 7 Hình 1.4. Nối đất dạng tia thẳng ............................................................................................... 8 Hình 1.5. Cách bố trí tia thông thường ..................................................................................... 9 Hình 1.6. Cách bố trí tia đặc biệt .............................................................................................. 9 Hình1.7. Cấu trúc nối đất kiểu cọc chôn sâu ........................................................................... 10 Hình 1.8. Nối đất dạng cọc – tia .............................................................................................. 10 Hình 1.9. Thống kê khoảng cách giữa các cọc của hệ thống nối đất tại 123 vị trí cột đường dây 220 kV Hòa Bình – Tây Hà Nội [6] ................................................................. 11 Hình 1.10. Cấu trúc điển hình của nối đất kiểu quấn vòng ..................................................... 12 Hình 1.11. Thống kê các hình dạng hệ thống nối đất sử dụng trên lưới điện truyền tải do PTC1 quản lý [7] .................................................................................................... 13 Hình 1.12. Các cách bố trí tia nối đất [22] ............................................................................. 15 Hình 1.13. Nối đất dạng vòng kín [13] .................................................................................... 15 Hình 1.14. Sơ đồ mạch thay thế tia nối đất [29] ..................................................................... 17 Hình 1.15. Mô hình thay thế và phương pháp tính phân bố dòng và áp dọc theo chiều dài tia nối đất Lorentzou et.al. [43]................................................................................... 17 Hình 1.12. Các phần từ lưới [ 83] ........................................................................................... 25 Hình 2.1. Cách thiết lập mô hình tính toán điện trở nối đất của cọc nối đất trong lớp đất hai tầng trong so sánh đối chứng với thí nghiệm của Ahmeda .................................... 26 Hình 2.2. Kết quả mô phỏng cho cọc nối đất được thí nghiệm trong [88] .............................. 27 Hình 2.3. Mô hình mô phỏng cho tia nối đất được thí nghiệm bởi Harid [89] ....................... 28 Hình 2.4. Biên ”lumped port” trong modul RF (Lumped port boundary) [86] ...................... 29 Hình 2.5. Thiết lập biên “Lumped port” trong mô hình hệ thống nối đất .............................. 29 Hình 2.6. Dòng điện 4,9/13 s biên độ 2,4 A đi vào điện cực trong mô hình COMSOL ........ 30 Hình 2.7. Phân bố điện trường trên mặt phẳng song song với mặt đất và đi qua tia ............. 30 Hình 2.8. So sánh kết quả tính toán điện thế trên điện cực bằng phương pháp FEM (đường màu đỏ) với thí nghiệm của Harid [89] (đường màu xanh) ................................... 30 Hình 2.9. Dòng xung ramp 1/70 s biên độ 1A đi vào đỉnh cột .............................................. 31 Hình 2.10. Mô hình mô phỏng thí nghiệm của Yamada [90] .................................................. 31 viii
Hình 2.11. So sánh kết quả mô phỏng điện áp trên đỉnh cột sử dụng phương pháp FEM (đường màu đỏ) với thực nghiệm [90] (đường màu xanh) ..................................... 32 Hình 2.12. Các hệ thống nối đất được nghiên cứu .................................................................. 33 Hình 2.13. Điện áp bước với các dạng hệ thống nối đất khác nhau ....................................... 33 Hình 3.1. Xung sét tiêu chuẩn và biến đổi Fourier (FFT) tương ứng sang miền tần số ......... 36 Hình 3.2. Mô hình nghiên cứu trong miền tần số .................................................................... 37 Hình 3.3. Phân bố điện trường tại 2 m đầu của điện cực dạng cọc dài 35 m ......................... 39 Hình 3.4. Biên độ và góc pha của tổng trở xung trên miền tần số của cọc 35 m .................... 40 Hình 3.5. Ảnh hưởng của chiều dài cọc ................................................................................... 41 Hình 3.6. Ảnh hưởng của chiều dài tia .................................................................................... 41 Hình 3.7. Ảnh hưởng của chiều dài tia đến tổng trở ở tần số 1 MHz ...................................... 42 Hình 3.8. Phân bố điện trường dọc theo tia nối đất dài 50 m với độ sâu 0,8 m tại tần số 1 MHz ........................................................................................................................ 43 Hình 3.9. Cường độ điện trường tại vị trí cách tia 1 m ........................................................... 44 Hình 3.10: Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các tia ............................................................. 44 Hình 3.11. Ảnh hưởng của hình dạng cọc – tia đến tổng trở xung tương đối ......................... 46 Hình 3.12. Ảnh hưởng hệ số cọc / tia đến tổng trở tần số cao ................................................ 46 Hình 3.13. Ảnh hưởng của dạng quấn vòng đến đáp ứng quá độ ........................................... 47 Hình 3.14. Phân bố điện trường xung quanh điện cực quấn vòng tại tần số 1 MHz ............. 48 Hình 3.15. Phân bố điện trường xung quanh điện cực cọc - tia tại tần số 1 MHz ................. 49 Hình 3.16. Phân bố điện trường xung quanh điện cực tia tại tần số 1 MHz ........................... 49 Hình 3.17. Phân bố điện trường trong mặt phẳng vuông góc và đi qua điện cực cọc tại tần số 1 MHz ..................................................................................................................... 50 Hình 3.18. Ảnh hưởng của dạng điện cực nối đất đến đáp ứng trong miền tần số ................. 50 Hình 3.19. Ảnh hưởng của hình dạng điện cực đến tổng trở của hệ thống nối đất ở tần số 100 kHz và 1 MHz ......................................................................................................... 51 Hình 3.20. Ảnh hưởng của điện trở suất.................................................................................. 52 Hình 3.21. Ảnh hưởng của hằng số điện môi đến tổng trở của cọc nối đất 35 m ở tần số cao ................................................................................................................................ 53 Hình 3.22. Mặt cắt địa điện khu vực miền núi trung du .......................................................... 53 Hình 3.23. Các trường hợp nghiên cứu: (a) 5 m đầu cọc nằm trong lớp 1 và 30 m dưới nằm trong lớp 2; (b) 30 m đầu cọc nằm trong lớp 1 và 5 m dưới nằm trong lớp 2; (c) tia dài 50 m đặt trong lớp 1 ......................................................................................... 54 ix
Hình 3.24. Ảnh hưởng của lớp đất phân tầng đến đáp ứng quá độ của cọc nối đất dài 35 m, độ sâu tầng 1 là 5 m................................................................................................ 55 Hình 3.25. Ảnh hưởng của lớp đất phân tầng đến đáp ứng quá độ của cọc nối đất dài 35 m, độ sâu tầng 1 là 30 m.............................................................................................. 56 Hình 3.26. Ảnh hưởng của lớp đất phân tầng đến đáp ứng quá độ của tia nối đất dài 50 m, độ sâu tầng 1 là 5 m..................................................................................................... 56 Hình 4.1. Quan hệ giữa điện thế dâng tại điểm dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất và dòng điện sét đối với một điện cực tia ............................................................................. 59 Hình 4.2. Tương quan giữa điện áp quá độ trên điểm dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất và dòng điện sét ........................................................................................................... 62 Hình 4.3. Hình dạng điện áp trên hệ thống nối đất khi có dòng điện sét 1,2/50 s đi vào trong hai trường hợp : 1-Tính toán theo điện trở một chiều (đường màu cam) và 2- Tính toán theo tổng trở quá độ Z (đường màu đen) ....................................................... 62 Hình 4.4. Tương quan giữa tổng trở quá độ của tia nối đất với điện áp quá độ ..................... 63 Hình 4.5. Ảnh hưởng của chiều dài điện cực đến đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất kiểu tia ............................................................................................................................ 64 Hình 4.6. Ảnh hưởng chiều dài tia đến tổng trở xung ............................................................. 64 Hình 4.7. Ảnh hưởng chiều dài điện cực đến điện áp cực đại trên hệ thống nối đất kiểu tia . 65 Hình 4.8: Ảnh hưởng của chiều dài tia đến thời gian sớm pha ............................................... 66 Hình 4.9. Ảnh hưởng điện trở suất đến chiều dài hiệu quả ..................................................... 66 Hình 4.10. Đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất gồm 2 tia đặt song song có chiều dài 50 m và khoảng cách tia thay đổi từ 5 m đến 20 m ......................................................... 67 Hình 4.11. Ảnh hưởng của khoảng cách tia đến tổng trở xung ............................................... 68 Hình 4.12. Ảnh hưởng của số lượng tia đến đáp ứng quá độ .................................................. 69 Hình 4.13. Ảnh hưởng của số lượng tia đến thời gian sớm pha .............................................. 70 Hình 4.14. Ảnh hưởng của số lượng tia đến tổng trở xung ..................................................... 70 Hình 4.15. Ảnh hưởng của số lượng tia đến điện áp quá độ cực đại ...................................... 70 Hình 4.16. Đáp ứng quá độ của các hình dạng cọc - tia ......................................................... 71 Hình 4.17. Ảnh hưởng của hệ số cọc – tia đến tổng trở xung ................................................. 71 Hình 4.18. Đáp ứng quá độ của các hình dạng cọc – tia với  = 2000 Ω.m .......................... 73 Hình 4.19. Đáp ứng quá độ của các hình dạng cọc – tia với  = 5000 Ω.m .......................... 73 Hình 4.20. Ảnh hưởng của hệ số cọc đến tổng trở xung ở hai trị số điện trở suất của đất 2000 Ω.m và 5000 Ω.m.................................................................................................... 74 Hình 4.21. Ảnh hưởng của hình dạng điện cực đến đáp ứng quá độ ...................................... 75 x
Hình 4.22. Sơ đồ tính toán đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất có tính đến hiện tượng ion hóa trong đất .......................................................................................................... 77 Hình 4.23. Sơ đồ khảo sát hệ thống kiểu tia ............................................................................ 78 Hình 4.24. Dòng điện tại các điểm khảo sát ............................................................................ 78 Hình 4.25. Dòng điện tản vào đất từ từng phân đoạn ............................................................. 79 Hình 4.26. Bán kính ion hóa tại từng phân đoạn..................................................................... 79 Hình 4.27. Quá trình phân bố điện trường trong mặt phẳng song song với mặt đất quanh điện cực từ 0,1 s đến 0,5 s .................................................................................. 81 Hình 4.28. Đáp ứng quá độ của tia nối đất có xét đến ion hoá ............................................... 82 Hình 4.29. Ảnh hưởng điện trở suất đất đến bán kính ion hóa cực đại ................................... 83 Hình 4.30. Ảnh hưởng của ion hoá đến tổng trở quá độ với điện trở suất đất 2000 .m....... 83 Hình 4.31. Ảnh hưởng của ion hoá đến tổng trở quá độ với điện trở suất đất 5000 .m....... 84 Hình 4.32. Tổng trở xung với các trường hợp dòng sét........................................................... 84 Hình 4.33. Cấu hình hệ thống kiểu cọc – tia sử dụng trong mô phỏng hiện tượng phóng điện trong đất ................................................................................................................. 85 Hình 4.34. Phân bố điện trường trên mặt phẳng vuông góc với mặt đất và đi qua tâm của hệ thống cọc - tia ......................................................................................................... 86 Hình 4.35. Bán kính ion hóa dọc theo tia và cọc ..................................................................... 87 Hình 4.36. Bán kính ion của các cọc ....................................................................................... 87 Hình 4.37. Đáp ứng quá độ hệ thống kiểu cọc – tia trên hình 4.33 với dòng điện sét I=30 kA và điện trở suất đất ρ = 1000 Ω.m ......................................................................... 88 Hình 5.1. Truyền sóng trên cột ................................................................................................ 92 Hình 5.2. Mô hình 3D của cột cao 120 m trong COMSOL ..................................................... 95 Hình 5.3. Kết mô phỏng điện áp đỉnh cột sử dụng FEM trong luận án (đường màu đỏ) và so sánh với kết quả mô phỏng sử dụng phương pháp MoM [115] (đường màu xanh) ................................................................................................................................ 95 Hình 5.4. Mô hình COMSOL mô phỏng truyền sóng trên hệ cột – nối đất ............................. 97 Hình 5.5. Mô hình cột điện 500 kV – tia nối đất 40 m ............................................................. 98 Hình 5.6. Truyền sóng trên cột điện 500kV ............................................................................. 98 Hình 5.7. Truyền sóng trên cột điện 500kV trong khoảng thời gian 0,5 μs đầu ...................... 99 Hình 5.8. Ảnh hưởng số lượng tia đến điện áp chân cột. ...................................................... 100 Hình 5.9. Ảnh hưởng số lượng tia đến điện áp xà trên .......................................................... 100 Hình 5.10. Tỷ lệ giảm điện áp của 4 tia ngắn so với 1 tia dài. .............................................. 101 Hình 5.11. Mô hình cột – nối đất cọc tia và cột – nối đất quấn vòng ................................... 102 xi
Hình 5.12. Ảnh hưởng của hình dạng nối đất đến điện áp xà trên ........................................ 102 Hình 5.13. Ảnh hưởng của hình dạng điện cực đến điện áp trên hệ thống nối đất ............... 103 Hình 5.14. Truyền sóng trên cột điện 220kV trong khoảng thời gian 0,5 μs đầu .................. 104 Hình 5.15. So sánh điện áp tại xà trên của cột 220 kV và cột 500 kV có cùng dạng nối đất tia 40 m ...................................................................................................................... 104 Hình 5.16. So sánh điện thế dâng trên hệ thống nối đất khi dòng điện sét đi vào đỉnh cột của cột đỡ 220 kV với cột đỡ 500 kV cùng sử dụng nối đất dạng tia 40 m với trường hợp dòng sét đi thẳng vào tia nối đất ................................................................... 105 Hình 5.17. Các dạng xung đi vào đỉnh cột ............................................................................ 106 Hình 5.18. Ảnh hưởng hình dạng xung đến điện áp xà trên .................................................. 106 Hình 5.19. Ảnh hưởng hình dạng xung đến điện thế dâng trên hệ thống nối đất .................. 106 Hình 5.20. Ảnh hưởng hình dạng xung đến tổng trở quá độ của cột .................................... 107 Hình 5.21. Phân bố điện trường quanh đoạn thân dưới của cột điện với 2 mô hình (a) Mô hình nối đất tập trung, (b) Mô hình đầy đủ với cọc nối đất ................................. 108 Hình 5.22. So sánh điện áp đỉnh cột giữa 3 mô hình có cùng giá trị điện trở 1 chiều là 36 Ω .............................................................................................................................. 109 xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Điện trở nối đất của đường dây trên không ............................................................. 7 Bảng 1.2. Bảng so sánh về yêu cầu điện nối đất lớn nhất cho phép của Việt Nam, Nga và Trung Quốc ............................................................................................................. 14 Bảng 1.3. Yêu cầu điện trở nối đất cho phép của Anh, Pháp và Nhật ..................................... 14 Bảng 2.1. So sánh kết quả tính toán điện trở nối đất của cọc trong đất 2 tầng với thí nghiệm của Ahmeda và công thức giải tích của Taggs [24] ............................................... 28 Bảng 3.1. Các dạng điện cực nối đất sử dụng trong mô phỏng ............................................... 38 Bảng 3.2. Các hệ thống cọc tia sử dụng trong mô phỏng ........................................................ 45 Bảng 3.3. Các trường hợp điện trở suất đất ............................................................................ 55 Bảng 4.1. Hệ số cọc ................................................................................................................. 72 Bảng 5.1 Tổng trở sóng của cột 500 kV và 220 kV .................................................................. 96 xiii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Khả năng chịu sét của một đường dây truyền tải phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cách bố trí dây chống sét, kết cấu và nối đất của của cột, sử dụng các thiết bị chống quá điện áp như mỏ phóng, chống sét van, cách điện đường dây…. Trong đó việc thiết kế hệ thống nối đất có vai trò rất quan trọng với mục đích chủ yếu tản dòng điện sét để hạn chế quá điện áp, tránh gây phóng điện trên cách điện của đường dây. Hệ thống nối đất cho đường dây truyền tải Việt Nam được thiết kế dựa theo giá trị điện trở một chiều phù hợp với quy phạm trang bị điện [1]. Vai trò chính của hệ thống nối đất là tản dòng điện sét vào đất khi có sét vào đường dây truyền tải. Dòng điện sét, với đặc trưng có độ dốc cao và thời gian tồn tại ngắn, khi tản trong đất sẽ xuất hiện một điện áp quá độ đặt trên hệ thống nối đất. Khi đó giá trị điện trở một chiều sẽ không thể phản ánh toàn diện hiệu quả của hệ thống nối đất đối với việc tản dòng điện sét. Việc thiếu các nghiên cứu về đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất với dòng điện sét khiến công tác thiết kế, vận hành và quản lý đường dây truyền tải Việt Nam còn gặp các hạn chế như sau:  Không lý giải được khi điện trở một chiều nhỏ, nhỏ hơn giá trị quy định nhiều lần nhưng vẫn xảy ra phóng điện do sét.  Vì phụ thuộc vào giá trị của điện trở một chiều mà việc thiết kế và cải thiện hệ thống nối đất chỉ đơn giản bằng cách tăng kích thước điện cực và giảm điện trở suất đất. Hình dạng điện cực, hằng số điện môi, quá trình phóng điện trong đất bị bỏ qua. Chính vì vậy, hiệu quả tản sét của các hệ thống nối đất không đạt được như kỳ vọng, sự cố do sét vẫn xảy tại chính những vị trí cải tạo.  Hệ thống nối đất được coi là độc lập với cột và dòng điện sét được giả thiết đi thẳng vào hệ thống nối đất nên bỏ qua quá trình truyền sóng trên cột. Các hiện tượng phản xạ và khúc xạ tại vị trí giữa cột và hệ thống nối đất bị bỏ qua. Do suất cắt do sét tính toán với điện trở một chiều chỉ đúng khi phóng điện xảy ra ở thời gian đầu sóng dẫn đến khi xác định phóng điện dựa trên các kỹ thuật chính xác hơn như tiêu chuẩn tích phân hoặc phát triển tia tiên đạo sẽ gây sai số lớn.  Do phụ thuộc vào điện trở một chiều nên một hệ thống nối đất được thiết kế để có điện trở một chiều thấp tạo nên một cảm giác an toàn “giả tạo” trên phương diện chống sét. Những vị trí có điện trở một chiều thấp tưởng như đã an toàn thực ra có thể vẫn tạo ra điện áp quá độ lớn trên trên cách điện. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến đánh giá độ tin cậy của đường dây trong đó mọi tiêu chí trên phương diện độ tin cậy đều phải tính đến trường hợp xấu nhất.  Cuối cùng, trị số điện trở một chiều chỉ có ý nghĩa để ước lượng khả năng tản dòng điện sét của hệ thống nối đất mà không có ý nghĩa về mặt an toàn. Giá trị điện trở một chiều chỉ cho biết trị số điện áp dâng trên hệ thống nối đất mà không xác định trị số điện thế trên mặt đất (điện áp bước và điện áp tiếp xúc) khi hệ thống nối đất đang tản 1
dòng điện sét. Hạn chế này dẫn đến việc không thể so sánh về mặt an toàn giữa các hệ thống nối đất nếu chỉ dựa vào giá trị điện trở một chiều. Các nghiên cứu trong và ngoài nước vẫn chưa giải quyết được bài toán xác định đáp ứng của hệ thống nối đất do dòng điện sét một cách đầy đủ. Mỗi phương pháp chỉ đúng trong một vài trường hợp cụ thể và có những giới hạn khác nhau. Đối với điều kiện về địa hình và truyền thống thiết kế hệ thống nối đất của Việt Nam hiện vẫn chưa có một nghiên cứu nào đầy đủ về vấn đề này. Do vậy, việc thực hiện đề tài là hết sức cấp thiết để hiểu rõ về phản ứng của hệ thối nối đất đối với dòng điện sét. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa cốt lõi trong việc thiết kế một hệ thống nối đất hiệu quả và tiết kiệm, đồng thời tính toán chính xác khả năng chống sét của đường dây truyền tải. Do các tính toán được thực hiện trên các hệ thống nối đất của đường dây truyền tải của Việt Nam, các kết quả có thể ứng dụng trực tiếp vào các đường dây truyền tải Việt Nam. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án Đề tài này được thực hiện nhằm nghiên cứu một cách toàn diện về hệ thống nối đất cho đường dây truyền tải điện của Việt Nam với mục đích định hướng thiết kế hệ thống nối đất chống sét hiệu quả, góp phần nâng cao độ tin cậy vận hành cho đường dây truyền tải Việt Nam. Mục đích nghiên cứu của luận án bao gồm:  Tổng hợp các thiết kế điển hình của hệ thống nối đất của các đường dây 220 kV và 500 kV đang vận hành trên lưới truyền tải Việt Nam. Tổng kết các nghiên cứu và các phương pháp tính toán trong nước và trên thế giới về nối đất cho mục đích chống sét của đường dây truyền tải.  Tính toán đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất của đường dây truyền tải trong miền tần số để từ đó nhận dạng các đóng góp cụ thể của từng thành phần điện trở tản, điện cảm và điện dung vào tổng trở xung của hệ thống nối đất ở các tần số khác nhau  Tính toán đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất trong miền thời gian, qua đó xác định được điện áp dâng trên hệ thống nối đất trong miền thời gian. Tính toán ảnh hưởng của thông số điện cực cũng như ảnh hưởng qua lại giữa các điện cực để từ đó xác định chiều dài cũng như khoảng cách giữa các điện cực hiệu quả cho mục đích chống sét  Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình ion hóa trong đất trong các hệ thống nối đất với các thiết kế điển hình của đường dây truyền tải nhằm xác định hiệu quả tản sét trên từng vị trí của điện cực khi hiện tượng ion hóa trong đất xảy ra.  Nghiên cứu đáp ứng quá độ cho một hệ thống đầy đủ gồm cột điện và điện cực nối đất để đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng truyền sóng trên cột và hiện tượng phản xạ giữa cột với hệ thống nối đất vào điện áp trên cách điện khi sét đánh vào đỉnh cột để từ đó xác định được ảnh hưởng cụ thể của hệ thống nối đất đến điện áp trên cách điện. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Hệ thống nối đất và cột trong lưới điện truyền tải Việt Nam 2
 Nghiên cứu đáp ứng quá độ trong miền tần số của hệ thống nối đất điển hình cho đường dây truyền tải.  Nghiên cứu đáp ứng quá độ trong miền miền thời gian của hệ thống nối đất điển hình cho đường dây truyền tải, có xét đến hiện tượng ion hóa trong đất  Nghiên cứu đáp ứng quá độ trong miền thời gian cho hệ thống gồm cột điện và hệ thống nối đất. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án nghiên cứu đáp ứng của hệ thống trong miền thời gian và trong miền tần số để tính toán tổng trở xung của hệ thống nối đất và tổng trở sóng của cột. Luận án sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) giải hệ phương trình Maxwell đầy đủ trong miền tần số và miền thời gian để tính toán mô phóng đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất, quá trình truyền sóng sét và các hiện tượng đặc trưng cho truyền sóng trên hệ thống nối đất và trên cột. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài  Ứng dụng phương pháp FEM để tính toán phân bố điện từ trường khi có dòng sét chạy qua hệ thống nối đất và tản vào đất. Từ đó tính toán được điện áp quá độ đặt lên hệ thống nối đất và tổng trở của hệ thống nối đất.  Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình phóng điện trong đất. Mô hình cho phép xác định dòng tản vào đất tại từng vị trí điện cực ứng với mỗi thời điểm khác nhau. Từ đó tính toán được bán kính ion hóa của vùng đất bao quanh điện cực.  Xây dựng mô hình sát với thực tế gồm cột điện và hệ thống nối đất để mô phỏng quá trình truyền sóng từ đỉnh cột đến hệ thống nối đất. Xác định được trị số tổng trở sóng của cột mà không phụ thuộc vào hình dạng kích thích đặt vào. Mô hình cho phép tính toán điện áp trên cách điện khi cấu hình của hệ thống nối đất thay đổi. Kết quả nghiên cứu cho phép xác định chính xác hơn hình dạng điện áp quá độ đặt lên cách điện khi sét đánh vào đường dây. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài  Kết quả nghiên cứu đáp ứng quá độ cho hệ thống nối đất cho phép phân biệt rõ đóng góp của điện trở một chiều và điện trở ở tần số cao vào khả năng tản dòng điện sét của một hệ thống nối đất.  Đối với nối đất kiểu tia kết quả tính toán cho phép xác định chiều dài hiệu quả của điện cực và cách bố trí tia để đem lại hiệu quả tản sét cao nhất.  Kết quả nghiên cứu đáp ứng quá độ cho hệ thống cọc – tia cho phép xác định thiết kế hệ thống hiệu quả bao gồm cách phối hợp số lượng cọc với chiều dài tia và số lượng cọc với khoảng cách cọc. 3
 So sánh đáp ứng quá độ của các hình dạng hệ thống nối đất khác nhau với cùng giá trị điện trở một chiều cho phép gợi ý về hình dạng hệ thống nối đất có hiệu quả tản sét tốt nhất.  Quá trình ion hóa trong đất đối với hệ thống nối đất kiểu tia và cọc - tia cho phép minh họa giá trị điện trường trên từng vị trí trên điện cực. Từ đó hiểu rõ ảnh hưởng của hình dạng điện cực đến quá trình ion hóa trong đất. Kết quả gợi ý về thiết kế hệ thống nối đất hiệu quả khi xét đến ion hóa trong đất.  Kết quả nghiên cứu truyền sóng trong hệ cột – nối đất cho phép xác định điện áp quá độ đặt lên cách điện, ứng dụng trong nghiên cứu tính toán khả năng chịu sét của đường dây truyền tải. Đồng thời, sự suy giảm của quá trình truyền sóng trên cột được phản ánh trên hệ thống nối đất cho phép xác định chính xác hơn giá trị điện thế dâng trên hệ thống nối đất. 6. Những đóng góp của luận án  Phân tích đáp ứng quá độ trong miền tần số cho các hình dạng hệ thống nối đất khác nhau đang được sử dụng trên đường dây truyền tải Việt Nam để từ đó xác định ảnh hưởng của từng tham số bao gồm hình dạng, kích thước, tính chất điện môi, điện trở suất đất đến tổng trở xung hệ thống nối đất.  Làm rõ hơn ảnh hưởng của điện cảm, điện dung, điện trở tản đến đáp ứng quá độ của từng hình dạng hệ thống nối đất và ảnh hưởng của hình dạng hệ thống nối đất đến dạng điện áp tại chân cột và đỉnh cột.  Xây dựng cơ sở khoa học cho các biện pháp cải thiện hệ thống nối đất cho mục đích chống sét.  Xác định kích thước hiệu quả của hệ thống nối đất cho mục đích chống sét.  Nghiên cứu khả năng tản dòng điện sét trên từng vị trí của nối đất.  Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng phóng điện trong đất đến tổng trở xung của hệ thống nối đất.  Phân tích truyền sóng sét của một hệ thống đầy đủ gồm cột điện và hệ thống nối đất, đánh giá ảnh hưởng của hình dạng hệ thống nối đất đến điện áp quá độ tại các đầu xà, hình dạng nối đất và kích thước cột đến điện áp trên cách điện.  Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể áp dụng cho công tác thiết kế, cải tạo hệ thống nối đất của đường dây truyền tải Việt Nam để nâng cao khả năng chịu sét của đường dây và tăng cường độ tin cậy vận hành. 7. Cấu trúc của luận án Luận án sẽ được trình bày theo cấu trúc sau:  Phần mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài, mục đích đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án. 4
 Phần nội dung bao gồm 5 chương: Chương 1. Tổng quan Trình bày những vấn đề chung nhất về tình hình phát triển của đường dây truyền tải Việt Nam và tổng hợp sự cố do sét trên đường dây truyền tải, tổng hợp hiện trạng thiết kế hệ thống nối đất của đường dây truyền tải Việt Nam và thế giới, đánh giá các nghiên cứu đã công bố liên quan đến nghiên cứu đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất từ đó lựa chọn hướng nghiên cứu phát triển luận án. Chương 2. Tính toán nối đất và phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán nối đất Chương này trình bày chi tiết thiết lập mô hình để tính toán nối đất bằng phương pháp FEM thông qua việc mô phỏng lại các thí nghiệm đã được công bố. Sự tiện lợi của phương pháp FEM trong tính toán nối đất được thể hiện thông qua việc tính toán được tất cả những thông số cần quan tâm trong một hệ thống nối đất chống sét như tổng trở quá độ, điện thế dâng, điện áp bước và điện áp tiếp xúc, tổng trở sóng của cột riêng lẻ. Kết quả này là cơ sở để phát triển mô hình cho các hệ thống phức tạp hơn tại các chương tiếp theo của luận án. Chương 3. Đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất trong miền tần số Trong chương này, đáp ứng của các hệ thống nối đất điển hình trong lưới điện truyền tải Việt Nam được nghiên cứu trong miền tần số từ 1 Hz đến 1 MHz. Vai trò của các thành phần điện trở tản, điện cảm và điện dung đối với tổng trở của hệ thống nối đất được làm rõ ở từng dải tần số. Các tham số của hệ thống nối đất như hình dạng, kích thước, tính chất điện môi của đất đến tổng trở xung hệ thống nối đất được nghiên cứu kỹ lưỡng nhằm gợi ý cấu hình tốt nhất của một hệ thống nối đất trên phương diện chống sét. Chương 4. Đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất trong miền thời gian Mục đích cuối cùng của hệ thống nối đất vẫn là giảm khả năng phóng điện do sét trên cách điện cột để nâng cao khả năng chống sét của đường dây. Chính vì vậy cách nối đất ảnh hưởng đến điện áp trên cách điện được thể hiện trong miền thời gian sẽ được trình bày trong chương 3. Ngoài hiện tượng phóng điện trong đất, khả năng tản dòng điện sét trên từng vị trí của nối đất, chiều dài hiệu quả của nối đất cũng được trình bày chi tiết để gợi ý các cấu hình nối đất hiệu quả nhất cho mục đích chống sét Chương 5. Đáp ứng của hệ thống nối đất trong hệ đầy đủ gồm cột và nối đất Chương này nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng hệ thống nối đất đến dạng điện áp tại chân cột và đỉnh cột, ảnh hưởng của quá trình truyền sóng trên cột đến dòng điện sét trước khi đi vào hệ thống nối đất. Trong chương này thời gian truyền sóng trên cột, hiện tượng phản xạ giữa cột và hệ thống nối đất ảnh hưởng đến điện áp trên hệ thống nối đất và điện áp trên cách điện cũng được tính toán nhằm xác định một hệ thống nối đất hiệu quả trên phương diện chống sét. 5