Tài liệu giảng dạy Môn: Kỹ thuật cao áp ……………………………………………………….72
BÀI 4: TÍNH TOÁN CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN
Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể:
- Trình bày được ý nghĩa, công thức tính giá tri của các thông số (N,
p
v
,Np, Nc, nc, M).
- Xác định được thành phần, giá trị điện áp khi xảy ra hiện tượng quá điện áp cảm ứng.
- Tính toán được dòng điện sét, xác suất phóng, cắt điện và chỉ tiêu chống sét.
I. XÁC ĐỊNH CHỈ TIÊU CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN.
1. Số lần sét đánh vào đường dây tải điện trên không
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, đặc biệt khi sét đánh trực tiếp vào dây dẫn hoặc cột gây phóng điện ngược ở các
đoạn đường dây gần trạm.
Quá điện áp khí quyển xuất hiện trên đường dây theo hai khả năng: hoặc do sét đánh vào
đường dây, hoặc do sét đánh gần đường dây gây nên quá điện áp cảm ứng. Dễ hiểu là trường
hợp đầu nguy hiểm nhất, vì đường dây chịu toàn bộ năng lượng của phóng điện sét và việc bảo
vệ chống sét cho đường dây chính là nhằm hạn chế điện áp trong trường hợp này.
Sét với tham số cao (biên độ, độ dốc) xuất hiện với xác suất bé, nên sẽ không hợp lý nếu
lựa chọn cách điện đường dây thỏa mãn quá điện áp lớn nhất có thể xảy ra, mà chỉ chọn theo
một mức độ hợp lý về kinh tế và kỹ thuật. Như vậy, yêu cầu bảo vệ chống sét đối với đường
dây tải điện không phải là loại trừ hoàn toàn khả năng xảy ra sự cố do sét mà chỉ có thể giảm
số lần sự cố tới một giới hạn hợp lý về kinh tế, tương ứng với một tổn thất bé nhất. Nói một
cách khác, phải so sánh chi phí đầu tư cho các biện pháp tăng cường chống sét với tổn thất cho
nền kinh tế quốc dân do mất điện khi đường dây bị cắt do quá điện áp khí quyển, để tìm ra một
lời giải tối ưu. Vì vậy cần xác định chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện.
Khi xác định phạm vi bảo vệ của dây chống sét đã nhận thấy xác suất sét đánh vào đường
dây phụ thuộc vào độ treo cao của dây dẫn trên cùng (dây dẫn hoặc dây chống sét). Nếu ℎ
là độ
treo cao trung bình của dây trên cùng thì trong phạm vi bề rộng 𝐵 = 2ℎ
về mỗi phía của đường
dây, toàn bộ số lần sét đánh sẽ vào dây dẫn. khi 𝐵 > 2ℎ
thì xác suất sét đánh vào dây dẫn giảm
dần và khi 𝐵 ≤ 5ℎ
thì toàn bộ số lần sét đánh đều xuống đất. Như vậy trung bình có thể tính,
khi 𝐵 ≤ 3ℎ
về mỗi phía của dây dẫn thì toàn bộ sét đánh vào dây đẫn. Hay nói một cách khác,
dây dẫn có khả năng thu toàn bộ số lần sét đánh về phía trong phạm vi 2𝐵 ≤ 6ℎ
ở cả về hai
phía của nó như hình 4.1.
Tài liệu giảng dạy Môn: Kỹ thuật cao áp ……………………………………………………….73
Hình 4.1: Xác suất sét đánh phụ thuộc và khoảng cách B
Nếu đường dây có chiều dài bằng L thì diện tích của khu vực 100% sét đánh vào đường
dây là 6ℎ
𝐿 đối với đường dây có một dây chống sét và (6ℎ
+ 𝑆)L đối với đường dây có hai dây
chông sét, với S là khoảng cách giữa hai dây chống sét (hoặc dây pha cao nhất đối với đường
dây không có dây chống sét).
Gọi m là mật độ trung bình trong mỗi ngày (hoặc mỗi giờ) có dông sét và n là số ngày
(hoặc số giờ) có dông sét trung bình mỗi năm trong khu vực có đường dây đi qua, thì số lần sét
đánh trung bình vào đường dây trong một năm:
Đối với đường dây có một dây chống sét:
3
106
.n.m.LhN
(4.1)
Đối với đường dây có hai dây chống sét:
3
10...6
nmSLhN
(4.2)
Với ℎ
tính bằng m và L tính bằng km (hoặc dây pha cao áp nhất đối với đường dây không
có dây chống sét).
Theo các số liệu quan trắc sét trên thế giới, ở vùng đất có độ cao trung bình thường so với
mực nước biển, trung bình trong một ngày sét có khoảng 0,1 ÷ 0,15 lần sét đánh vào 1 𝑘𝑚2 mặt
đất.
Ở nước ta, việc quan trắc sét một cách có hệ thống mới ở giai đoạn bắt đầu, thời gian còn
ngắn, cần một thời gian nữa để có những số liệu thống kê có độ tin cây cao và có tính chất pháp
lý về các thông số sét.
2. Số lần phóng điện của cách điện đường dây
Phóng điện trên cách điện chỉ xảy ra khi quá điện áp khí quyển có trị số cao hơn hoặc
bằng mức cách điện xung (
50,
U
) của đường dây. Dòng sét có biên độ và độ dốc tương ứng với
điện áp bằng mức cách điện xung của đường dây được gọi là mức chịu sét hay mức bảo vệ
chống sét của đường dây:
bv
i
,
.abv
Xác suất xuất hiện dòng sét bằng hoặc lớn hơn mức chịu sét
đó của đường dây cũng chính là xác suất phóng điện
p
v
trên cách điện đường dây:
0,5p S bv qa
P i i P U U
(4.3)
Như vậy, số lần phóng điện trên cách điện đường dây trong một năm:
Tài liệu giảng dạy Môn: Kỹ thuật cao áp ……………………………………………………….74
Đối với đường dây có một dây chống sét:
3
106
.v.n.m.LhNvNppp
(lần/năm) (4.4)
Đối với đường dây có hai dây chống sét:
(lần/năm)
3. Số lần cắt điện đường dây do sét
Không phải bất cứ lần phóng điện nào trên cách điện đường dây đều đưa đến cắt điện, mà
cắt điện đường dây chỉ xảy ra khi phóng điện tia lửa xung chuyển thành phóng điện hồ quang
ổn định, duy trì bởi điện áp làm việc của đường dây tức là ngắn mạch chạm đất bằng hồ quang
ổn định. Thời gian cần thiết để phóng điện tia lửa phát triển thành hồ quang ổn định bằng hoặc
lớn hơn thời gian tác động của rơle bảo vệ, tức không bé hơn một nữa chu kỳ tần số công nghiệp
(0,01s), trong khi đó thời gian tồn tại của quá điện áp khí quyển thường ít khi vượt quá
s
100
(
4
10 s
).
Xác suất chuyển từ phóng điện tia lửa thành phóng điện hồ quang ổn định phụ thuộc vào
nhiều yếu tố (như công suất nguồn, điều kiện khí tượng,…) trong đó quan trọng nhất là gradient
điện áp dọc theo chiều dài cách điện (tức là điện áp trên một đơn vị chiều dài của cách điện
đường dây). Gradient điện áp làm việc cao thì điện dẫn trong khe phóng điện càng duy trì lâu,
do đó việc chuyển thành hồ quang càng thuận lợi.
Bảng 4.1: Xác suất chuyển thành hồ quang ổn định bằng thực nghiệm.
3
dm
lv
cd
UkV
Em
I



50
30
20
10
n (chuỗi sứ)
0,6
0,45
0,25
0,1
Đối với đường dây tải điện từ 220kV trở xuống có cột thép hoặc bê tông cốt thép, có thể
tính gần đúng xác suất chuyển thành hồ quang ổn định tại chuỗi cách điện với
0,7
đối với
điện áp từ 330kV trở lên có thể tính với
1
Đối với đường dây cột gỗ và các khoảng cách không khí lớn có thể xác định
theo biểu
thức thực nghiệm sau:
2
1
1,5 4 .10
v
E

(4.5)
Với:
pd
đm
vI
U
E3
1
– gradient điện áp làm việc trung bình dọc theo chiều dài phóng điện
(kV/m)
pd
l
- chiều dài của đường phóng điện, m.
Tóm lại số lần cắt điện đường dây do sét hằng năm bằng:
Đối với đường dây có một dây chống sét:
3
6 . . . . .10
c p p
N Nv hL m n v n

(lần/năm) (4.6)
Đối với đường dây có hai dây chống sét:
3
6 . . . . .10
cp
N h S L m n v n

(lần/năm)
Tài liệu giảng dạy Môn: Kỹ thuật cao áp ……………………………………………………….75
Để so sánh khả năng chịu sét của các đường dây có thông số khác nhau, đi qua những
vùng có hoạt động của sét khác nhau: thường dùng suất cắt điện đường dây
,nc
tức là số lần
trung bình cắt điện hằng năm so sét trên 100km đường dây.
Đối với đường dây có một dây chống sét:
n.v.n.m.h,n pc 60
(lần/năm) (4.7)
Đối với đường dây có hai dây chống sét:
1
1060
.n.v.n.m.Sh,n pc
(lần/năm) (4.8)
Từ (4.7) suy ra, muốn giảm suất cắt điện đường dây phải giảm xác suất phóng điện
p
v
và
xác suất hình thành hồ quang ổn định
.
Như đã biết:
50,cđpUUPv
do đó để giảm xác suất phóng điện
p
v
tuy trường hợp cụ
thể, có thể bằng cách tăng cường cách điện đường dây (ví dụ tăng số lượng đĩa sứ, dùng cột gỗ
xà gỗ) để tăng mức cách điện xung
50,
U
của đường dây, bằng cách treo dây chông sét (hoặc
tăng số dây chống sét) để giảm số lần sét đánh thẳng vô dây dẫn và giảm điện áp tác dụng trên
cách điện, bằng cách giảm điện trở nối đất cột điện để giảm điện áp tác dụng trên cách điện.
Để giảm xác suất hình thành hồ quang ổn định
, phải giảm gradient điện áp làm việc
trung bình, bằng cách tăng chiều dài phóng điện như tăng số đĩa sứ trong chuỗi, dùng cột xà gỗ
(những biện pháp này vừa có tác dụng tăng chiều dài phóng điện vừa có tác dụng tăng mức
cách điện xung của đường dây).
Ngoài ra, một số biện pháp nhằm mục tiêu chủ yếu khác, nhưng cũng có tác dụng giảm
suất cắt điện đường dây như dùng máy cắt có thiết bị tự động đống lại (TĐL) (vì sự cố do sét
chỉ có tính chất thoáng qua), như nối đất điểm trung tính qua cuộn dập hồ quang (có tác dụng
giảm
).
Xuất phát từ điều kiện an toàn cung cấp điện, số lần cắt điện cho phép trong một năm có
thể tính sơ bộ theo.
TĐĐ
β1 cpcp,c NN
Với:
,c cp
N
: số lần ngừng cung cấp điện cho phép trong năm (𝑁𝑐𝑝 ≤ 0,1 khi không có
dự trữ và
1
cp
N
khi có dự trữ).
βTĐL: hệ số tự đóng lại thành công, lấy bằng 0.8 ÷ 0,9 đối với đường dây từ 110kV trở
lên có cột thép hoặc cột bê tông cốt thép.
Một giới hạn nữa cần tính đến là điều kiện làm việc của máy cắt: số lần cắt ngắn mạch
cho phép giữa hai lần đại tu hoặc số lần làm việc của máy cắt trong chu kỳ TĐL, giữa hai lần
kiểm tra. Trên cơ sở những điều kiện trên, tùy loại máy cắt, số lần cắt điện cho phép:
,(1 4)
c cp
N
.
Đối với đường dây siêu cao áp đặc biệt quang trọng thì số lần cắt cho phép phải nhỏ hơn
trị số trên.
4. Chỉ tiêu chống sét của đường dây:
Tài liệu giảng dạy Môn: Kỹ thuật cao áp ……………………………………………………….76
c
n
M1
(4.9)
Trong đó M là khoảng thời gian trung bình giữa hai lần cắt điện đường dây liên tiếp do
sét gây ra.
5. Các ví dụ:
Ví dụ 1: Một đường dây dài 200 km, cao 14 m. Hãy tính số lần phóng điện trên cách điện
của đường dây này trong một năm. Cho biết dường dây nằm trong vùng có mật độ sét 0,15
lần/ng.sét. km2 và số ngày có dông sét trong năm là 100. Giả sử xác suất phóng điện trên đường
dây này là 0,02.
Giải: Áp dụng các biểu thức (4.1) cho số lần sét đánh vào đường dây trong một năm:
N = Fmn = 6 hLmn
2521001502001406 .,..,.N
lần/năm
Số lần xảy ra phóng điện trên đường dây trong một năm,từ công thức (4.4), tính được:
045020252 ,,.N.υNpp
lần/năm
Ví dụ 2: Một đường dây 110 kV, dài 200 km, cao 14 m. Hãy tính số lần cắt điện, đường
dây này trong một năm. Biết đường dây nằm trong vùng có mật độ sét 0,15 lần/ng.sét.km2 và
số ngày có dông sét trong năm là 100. Giả sử xác suất phóng điện trên đường dây này là 0,02.
Giải: Áp dụng các biểu thức (4.1) cho số lần sét đánh vào đường dây trong một năm:
N = Fmn = 6 hLmn
25210015020001406 .,..,.N
lần/năm
Số lần xảy ra phóng điện trên đường dây trong 1 năm, áp dụng công thức (4.4), tính được:
045020252 ,,.N.υNpp
lần/năm
Số lần cắt điện đường dây trong một năm, áp dạng công thức (4.6), tính được:
. 5,04.0,7 3,53
Cp
NNη
lần/năm
Ví dụ 3: Một đường dây 110 kV, dài 200 km, cao 14 m. Hãy tính suất cắt điện đường dây
này trong một năm. Cho biết đường dây nằm trong vùng có mật độ sét 0,15 lần/ng.sét.km2 và
số ngày có dông sét trong năm là 100. Giả sử xác suất phóng điện trên đường dây này là 0,02.
Giải: Áp dụng các biểu thức (4.1) cho số lần sét đánh vào đường dây trong một năm:
N = Fmn = 6 hLmn
25210015020001406 .,..,.N
lần/năm
Số lần xảy ra phóng điện trên đường dây trong 1năm, áp dụng công thức (4.4), tính được:
045020252 ,,.N.υNpp
lần/năm
Số lần cắt điện đường dây trong một năm, áp dạng công thức (4.6), tính được:
53370045,,.,η.NN pC
lần/năm