Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu một số giải pháp giảm sự cố do sét cho đường dây truyền tải điện trên không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NINH VĂN NAM NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM SỰ CỐ DO SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN TRÊN KHÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NINH VĂN NAM NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM SỰ CỐ DO SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN TRÊN KHÔNG Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM HỒNG THỊNH PGS.TS TRẦN VĂN TỚP Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân dựa hướng dẫn tập thể hướng dẫn khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Các kết đạt luận án xác, trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2020 XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN GV HƯỚNG DẪN GV HƯỚNG DẪN TÁC GIẢ LUẬN ÁN TS Phạm Hồng Thịnh PGS.TS Trần Văn Tớp Ninh Văn Nam i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, TS Phạm Hồng Thịnh PGS.TS Trần Văn Tớp trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học suốt trình nghiên cứu Hai thầy dành nhiều thời gian tâm huyết, hỗ trợ mặt để tơi hồn thành luận án Tơi 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 Bộ môn Hệ thống Điện tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh suốt trình học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, Giảng viên Bộ môn Hệ thống điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tận tình hỗ trợ giúp đỡ trình thực luận án Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban Chủ nhiệm khoa Điện tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt thời gian qua Xin chân thành cảm ơn quan tâm, giúp đỡ động viên đồng nghiệp trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn cán Công ty truyền tải điện 1, Công ty lưới điện cao miền Bắc, cán Viện Năng Lượng TS Nguyễn Thái Thành trường Đại học Quốc gia Incheon Hàn Quốc giúp đỡ thực luận án Cuối cùng, thực cảm động biết ơn đến người vợ yêu quý hai thân yêu Ông Bà nội ngoại hai bên bên tác giả lúc khó khăn, mệt mỏi, để động viên, hỗ trợ tài tinh thần suốt trình nghiên cứu hồn thiện luận án Tác giả luận án Ninh Văn Nam ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .viii DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ xi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu 3 Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Các đóng góp luận án Cấu trúc nội dung luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 1.1 Tổng quan cố sét đường dây truyền tải 1.1.1 Quy mô phát triển đường dây truyền tải Việt Nam 1.1.2 Tình hình giơng sét Việt Nam 1.1.3 Tình hình cố sét đường dây truyền tải Việt Nam 11 1.1.4 Tình hình cố sét đường dây truyền tải giới 13 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước tính tốn chống sét cho đường dây truyền tải 14 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước giải pháp chống sét cho đường dây truyền tải 15 1.3.1 Lắp đặt CSV 15 1.3.2 Sử dụng dây nối đất phía 16 1.3.3 Sử dụng cách điện không đối xứng 16 1.3.4 Bỏ dây chống sét thay CSV 17 1.4 Những vấn đề tồn hướng nghiên cứu 17 1.4.1 Những vấn đề tồn 17 1.4.2 Lựa chọn hướng nghiên cứu 18 1.5 Kết luận 19 CHƯƠNG TÍNH TỐN Q ĐỘ ĐIỆN TỪ DO SÉT TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 20 iii 2.1 Truyền sóng đường dây truyền tải 20 2.1.1 Cơ sở lý thuyết 20 2.1.2 Truyền sóng hệ nhiều dây 21 2.2 Ảnh hưởng thông số đường dây đến điện áp sét 22 2.2.1 Đặt vấn đề 22 2.2.2 Tổng dẫn Y0 đường dây 23 2.2.3 Tổng trở dọc đường dây Z0 24 2.2.3.1 Ma trận tổng trở Zext 24 2.2.3.1.Ma trận tổng trở Zint 25 2.3 Tổng trở sóng phương trình truyền sóng sét hệ số ngẫu hợp 26 2.3.1 Trường hợp đường dây dây chống sét 27 2.3.2 Trường hợp đường dây hai dây chống sét 27 2.4 Tính tốn điện áp sét cách điện 28 2.4.1 Khi sét đánh đỉnh cột 28 2.4.2 Khi sét đánh vào dây pha 30 2.5 Mô điện áp sét chương trình tính tốn q độ điện từ EMTP 30 2.5.1 Giải phương trình truyền sóng EMTP 31 2.5.1.1 Truyền sóng hệ dây 31 2.5.1.2 Truyền sóng hệ nhiều dây 32 2.5.2 Mơ hình phần tử EMTP 33 2.5.2.1 Mơ hình nguồn sét 33 2.5.2.2.Mơ hình cột 33 2.5.2.3.Mơ hình đường dây 35 2.5.2.4.Mơ hình điện trở tiếp địa cột 36 2.5.2.5 Mơ hình chuỗi cách điện khe hở phóng điện 37 2.5.2.6 Mơ hình CSV 38 2.6 Áp dụng EMTP tính tốn điện áp sét đường dây truyền tải 38 2.6.1 Ảnh hưởng thông số đến hệ số K DCS dây pha 39 2.6.3 Kết mô QĐA sét cách điện đường dây truyền tải 44 2.7 Kết luận 46 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN SUẤT CẮT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 48 3.1 Phương pháp mơ hình điện hình học 48 iv 3.1.1 Suất cắt sét đánh đỉnh cột khoảng vượt dây chống sét (BFR) 48 3.1.2 Suất cắt sét đánh vào dây dẫn (SFFOR) 49 3.2 Phương pháp mô Monte Carlo 51 3.2.1 Trình tự tính tốn phương pháp mô Monte Carlo 52 3.2.2 Áp dụng tính tốn 55 3.3 Kết luận 57 CHƯƠNG ỨNG DỤNG CHỐNG SÉT VAN CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 59 4.1 Giới thiệu chống sét van 59 4.1.1 Quá trình phát triển chống sét van 59 4.1.2 Cấu tạo CSV 60 4.1.3 Ứng dụng CSV 61 4.2 CSV đường dây 61 4.2.1 Nguyên tắc làm việc CSV đường dây 61 4.2.2 Đặc tính làm việc CSV đường dây 62 4.2.3 Điện áp làm việc liên tục 63 4.2.4 Khả hấp thụ lượng CSV đường dây 63 4.2.5 Các loại chống sét van đường dây 64 4.3 Hiệu lắp đặt CSV cho đường dây truyền tải 65 4.4 Ảnh hưởng thông số đường dây tới suất cắt lắp đặt chống sét van 66 4.4.1 Ảnh hưởng chiều cao cột 66 4.4.2 Ảnh hưởng chiều dài khoảng vượt 67 4.4.3 Ảnh hưởng điện trở tiếp địa cột 67 4.6 Suất cắt sét theo số lượng CSV lắp đặt 70 4.7 Lựa chọn vị trí lắp đặt CSV theo cấu hình đường dây 71 4.7.1 Đường dây 220 kV 71 4.7.1.1 Đường dây 220 kV hai mạch hai DCS 71 4.7.1.2 Đường dây 220 kV mạch DCS 73 4.7.2 Đường dây 110 kV 74 4.7.2.1 Đường dây 110 kV hai mạch DCS 74 4.7.2.2 Đường dây 110 kV mạch DCS 75 4.8 Năng lượng hấp thụ CSV 77 4.8.1 Năng lượng hấp thụ CSV theo cấp điện áp 77 v 4.8.2 Năng lượng hấp thụ CSV theo điện trở tiếp địa cột 77 4.8.3 Năng lượng hấp thụ CSV theo trị số dòng điện sét 79 4.8.4 Phân bố lượng hấp thụ CSV pha 81 4.9 Lắp đặt chống sét van rời rạc đường dây 83 4.9.1 Cơ chế phóng điện lắp CSV rời rạc 83 4.9.1.1 Khi sét đánh đỉnh cột DCS 84 4.9.1.2 Khi sét đánh dây pha 84 4.9.2 Các kết mô 85 4.9.2.1 Trường hợp lắp CSV 85 4.9.2.2 Trường hợp lắp CSV 87 4.9.2.3 Trường hợp lắp CSV 88 4.9.2.4 Trường hợp sét đánh dây pha 89 4.9.3 Tổng kết 90 4.10 Kết luận 91 CHƯƠNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHỐNG SÉT KẾT HỢP SỬ DỤNG CSV CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 92 5.1 Phương pháp sử dụng chống sét van kết hợp với cách điện không đối xứng 92 5.1.1 Cơ sở phương pháp 92 5.1.2 Kết mô 93 5.2 Phương pháp sử dụng CSV kết hợp với DCS treo phía 94 5.2.1 Cơ sở phương pháp 94 5.2.2 Kết mô 95 5.3 Phương pháp CSV sử dụng thay cho DCS 98 5.3.1 Cở sở phương pháp 98 5.3.2 Số lần sét đánh vào đường dây 99 5.3.3 Suất cắt đường dây CSV sử dụng thay cho DCS 100 5.4 Phương pháp sử dụng CSV kết hợp với dây UGW đường dây DCS 100 5.5 Kết luận 102 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104 Đóng góp khoa học luận án 104 Kiến nghị nghiên cứu 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113 vi PHỤ LỤC 114 PL Chương trình mơ phóng điện cách điện đường dây 500 kV EMTP/ATP 114 PL Chương trình mơ phóng điện cách điện đường dây 220 kV EMTP/ATP 115 PL Chương trình mơ phóng điện cách điện đường dây 110 kV EMTP/ATP 116 PL Đặc tính V- A CSV 117 PL Cấu trúc cột hai mạch cột mạch thơng số mơ hình mơ EMTP 118 PL Dịng điện sét lớn đánh vào dây pha theo mơ hình điện hình học 121 PL Các trị số điện trở điện cảm tầng mơ hình cột nhiều tầng EMTP/ATP 121 PL.8 Mơ hình phần tử EMTP/ATP 122 PL.9 Chương trình tính tốn suất cắt Matlab 124 PL10 Chương trình Matlab tính theo phương pháp Monte Carlo 128 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BFR BIL CĐĐX CĐKĐX CIGRE CSV Dc DCS DD Dg EGLA EVN EGM EMTP/ATP Ic IEC IEEE Im KSF MCOV NASA NC Ng NGC NGLA Nl NPT OHGW P(I > Ic) PTC1 PTC2 PTC3 PTC4 pu QĐA Suất cắt sét đánh vào đường dây gây phóng điện ngược (Back Flashover Rate) Mức chịu đựng xung sét cách điện Cách điện đối xứng Cách điện không đối xứng Conference Internationale des Grands Reseaux Electriques Chống sét van Khu vực sét đánh vào dây dẫn Dây chống sét Dây dẫn Khu vực sét đánh vào dây chống sét Externally Gapped Line Arrester - CSV đường dây khơng khe hở ngồi Tập đồn điện lực Việt Nam Mơ hình điện hình học Electromagnetic transient program/Alternative Transients Programme Dòng điện sét nhỏ gây phóng điện cách điện sét đánh vào đường dây International Electrotechnical Commission Viện kỹ sư kỹ thuật điện điện tử (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Cường độ dòng điện sét lớn đánh vào dây dẫn Hệ số khoảng vượt (Maximum Continuous Operating Voltage)- điện áp làm việc lớn cho phép liên tục CSV National Aeronautics and Space Administration Suất cắt tổng cộng, bao gồm sét dây chống sét dây dẫn Mật độ giông sét Công ty lưới điện cao Miền Bắc Non Gapped Line Arrester - CSV đường dây không khe hở Số lần sét đánh vào đường dây Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia Dây chống sét chạy bên (Overhead Ground Wire ) Xác suất xuất dịng điện sét có cường độ lớn Ic Công ty truyền tải điện Công ty truyền tải điện Công ty truyền tải điện Công ty truyền tải điện Per unit system - Giá trị hệ đơn vị tương đối Quá điện áp viii Bảng PL 5.2 Số liệu dây dẫn, dây chống sét đường dây 220 kV Bán kính ngồi Điện trở chiều R0 Bán kính dây dẫn (mm) dây dẫn (mm) (/km) Dây dẫn 4,6 13,75 0,0689 DCS 5,5 0,77 Bảng PL 5.3 Số liệu dây dẫn, dây chống sét đường dây 110 kV Bán kính ngồi Điện trở chiều R0 Bán kính dây dẫn (mm) dây dẫn (mm) (/km) Dây dẫn 3,04 7,68 0,17 DCS 4,0 3,7 Bảng PL 5.4 Số liệu kích thước cột 500 kV, 220 kV 110 kV Đường dây 500kV Hai mạch Hai mạch 220kV Một mạch Một mạch Hai mạch 110kV Một mạch h(m) 58 46 46 28 33 30 D1(m) 7,9 5 3,5 3,5 D2(m) 10,5 6 4 2x4,3m D4(m) 29,8 29 35 17,5 21,5 22,5 Sg(m) 15 8,6 - 4,3m DCS2 DCS1 A2 A1 DCS D1 D1 A D2 B2 D3(m) 10,5 - D2 B1 D3 C2 C B C1 h h D4 D4 a) b) 119 2x3,5m 2,5m DCS DCS D1 A2 D1 A1 A D2 B2 D2 B1 D3 C2 C B C1 h h D4 D4 c) d) Hình PL 5.2 Cấu hình cột 220 kV (hình a,b) 110 kV (hình c,d) Sg Sg/2 DCS2 DCS1 A2 A1 DCS D1 A D2 B2 D2 B1 D3 C2 h D1 C1 D C B D h Dây UGW D4 Dây UGW D4 Hình PL 5.3 Cấu hình cột hai mạch mạch sử dụng dây UGW 120 PL Dòng điện sét lớn đánh vào dây pha theo mơ hình điện hình học h yA yB yC Im_A Im_B Im_C  Loại cột (m) (m) (m) (m) (kA) (kA) (kA) (độ) 500 kV-2 mạch 58 46,8 36,3 25,8 32,07 19,52 11,77 220 kV-2 mạch 46 38,81 32,81 26,81 20,07 12,72 9,66 110 kV-2 mạch 33 27,5 23,5 7,61 6,5 5,49 19,5 PL Các trị số điện trở điện cảm tầng mơ hình cột nhiều tầng EMTP/ATP Loại cột R1() L1(mH) R2() L2(mH) R3() L3(mH) R4() L4(m) Cột 500 kV-2 mạch 13,4 5,19 17,8 6,9 17,8 6,9 49,1 19 Cột 220 kV- mạch 14,4 4,43 17,3 5,31 17,3 5,31 49,1 15,06 Cột 220 kV- mạch 22,3 6,84 26,8 8,21 - - 33,5 10,27 Cột 110 kV- mạch 14,9 3,29 17,1 63,7 17,1 3,73 49,1 10,8 Cột 110 kV- mạch 22,9 4,58 26,2 5,24 - - 33,5 6,7 121 PL.8 Mô hình phần tử EMTP/ATP Mơ hình đường dây hai mạch hai DCS: Mơ hình đường dây hai mạch DCS: 122 Mơ hình đường dây mạch DCS: 123 PL.9 Chương trình tính tốn suất cắt Matlab */ clc %hold off disp('COMPUTE BFR') disp('IEEE1997') % characteristic of tower hG1= 46; h1= 38.81; dA1= 4.3; dG1= 4.3; % TD = 25; Ng = 10; h=hG1; y=h1; a=dA1-dG1; % alpha=atan(a/(h-y))*180/pi; alpha = 0; %for alpha=0 Icr=3; Arc=10; Arg=6.036; bs=0.65; rg=Arg*Icr^bs; rc=Arc*Icr^bs; gama=rc/rg; alpha1=alpha*pi/180; beta=asin((h-y)*sqrt(1+tan(alpha1)^2)/2/rc); theta=asin((rg-y)/rc); Dc=rc*(cos(theta)-cos(alpha1+beta)); Dcc=rc*(1-cos(alpha1+beta)); % Compute the distance Dc which stroke to the phase syms Ic rg=Arg*Ic^bs; rc=Arc*Ic^bs; gama=rc/rg; alpha1=alpha*pi/180; beta=asin((h-y)*sqrt(1+tan(alpha1)^2)/2/rc); theta=asin((rg-y)/rc); SO=y+rc*sin(alpha1+beta); theta2=asin((SO-y)/rc); % compute the maximum current cause flashover 124 rgm=(h+y)/(2*(1-gama*sin(alpha1))); Im=double((rgm/Arg)^(1/bs)); % compute probability according to andrew R.hileman I=double((gama*y/Arc)^(1/bs)); stand=1.33; M=61.1; Z=log(Ic/M)/stand; % Compute the distance Dc which stroke to the phase Dc1=rc*(theta2-theta); Dc2=rc*(theta2); f1=Dc1*1/(sqrt(2*pi)*stand*Ic)*exp(-Z^2/2); f2=Dc2*1/(sqrt(2*pi)*stand*Ic)*exp(-Z^2/2); I=double((gama*y/Arc)^(1/bs)); if Icr m = ftell(fid)+338; fclose(fid); fid = fopen('temp.atp','w+'); fwrite(fid,temp); % di chuyen tro toi nhanh Ampl fseek(fid, m,'bof'); % Ghi gia tri cuong dong set fwrite(fid,I_peak,'char'); k = ftell(fid); eofp = m+20; % di chuyen tro toi nhanh phase/T0 fseek(fid, eofp,'bof'); % Ghi gia tri time to crest fwrite(fid,tf,'char'); % thay the gia tri A1: 1/2 gia tri cuong dong set fwrite(fid,A1,'char'); % thay the T1 fwrite(fid,th,'char'); eofth = ftell(fid)-276; %% thay the goc pha A, B, C fseek(fid, eofth,'bof'); fwrite(fid,phaseA,'char'); fseek(fid, eofth+82,'bof'); fwrite(fid,phaseB,'char'); 131 fseek(fid, eofth+164,'bof'); fwrite(fid,phaseC,'char'); %fseek(fid, eofth+328,'bof'); %fwrite(fid,phaseA,'char'); %fseek(fid, eofth+410,'bof'); %fwrite(fid,phaseB,'char'); %fseek(fid, eofth+492,'bof'); %fwrite(fid,phaseC,'char'); %endnum = ftell(fid); frewind(fid); ftell(fid); A = fread(fid); temp = char(A'); %% dung dong lenh neu xet den set danh vao day dan % su dung mo hinh dien hinh hoc de xac dinh diem set danh vao dz %if peak data.txt % kiem tra xem file data.txt da co hay chua neu % chua thi doi den nao co file data.txt % str = which('data.txt'); % while isempty(str); % str = which('data.txt'); % end %% mo file data.txt doc va kiem tra ket qua fid = fopen('data.txt','r'); A = fread(fid); temp2 = char(A'); fclose(fid); fid = fopen('data.txt','r'); matches_error = strfind(temp2, 'error'); matches_Totals = strfind(temp2, 'Totals'); 132 matches_pdA = strfind(temp2, 'FLASH_A'); % dong text "FLASH_A" duoc ghi boi MODEL matches_pdB = strfind(temp2, 'FLASH_B'); matches_pdC = strfind(temp2, 'FLASH_C'); errors = length(matches_error); Totals = length(matches_Totals); pdA = length(matches_pdA); pdB = length(matches_pdB); pdC = length(matches_pdC); fclose(fid); % kiem tra xem co loi chay emtp % Neu co thi chay mo phong lai if (errors > || Totals ==0) fault(j) = 1; elseif (errors ==0 && Totals >0) suscess(j) = 1; j=j+1; % kiem tra phong dien tai vi tri pha nao if pdA~=0 flash_A(j-1) = 1; end if pdB~=0 flash_B(j-1) = 1; end if pdC~=0 flash_C(j-1) = 1; end if pdA~=0||pdB~=0||pdC~=0 flash(j-1) = 1; end %%lay dong va nang luong qua CSV (neu duong day lap Chong set van) % Nang luong va dong qua chong set van duoc ghi file data.txt boi MODEL % fid = fopen('data.txt','r'); % while feof(fid) == % tline = fgetl(fid); % matches = strfind(tline, 'MAX ENERGY = '); % num = length(matches); % k=length(tline)-12; % if num > % fseek(fid,-k,'cof'); % en(i) = fscanf(fid,'%f'); % fseek(fid,15,'cof'); % cu(i) = fscanf(fid,'%f'); % i=i+1; % fseek(fid,k-25,'cof'); % end % end % fclose(fid); % energy(j-1)=max(en); % current(j-1)=max(abs(cu)); % clear en, clear cu; end end % !del.bat & PI = sum(flash)/shot; Ng = 10; h = 46;b=8.6; N = Ng*(28*h^0.6 +b)/10; Nc = N*PI %save 12014.mat 133