Nghiên ứu biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới truyền tải 220kv bằng áh táh nối đất trên dây hống sét

66 Trang 5 5 LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan, luận văn “Nghiên cứu biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lƣới truyền tải 220kV bằng cách tách nối đất trên dây chống sét” là những nghiên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2018

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057208484371000000

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS-TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

Hà Nội - 2018

3

LỜI CAM ĐOAN 5

LỜI CẢM ƠN 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9

PHẦN MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 DÂY CHỐNG SÉT, DÂY CÁP QUANG TRÊN ĐƯỜNG DÂY 14

I DÂY CHỐNG SÉT 14

1.1 Tác dụng của dây chống sét 14

1.2 Nối đất trên dây chống sét 14

II DÂY CHỐNG SÉT KẾT HỢP CÁP QUANG 15

2.1 Tác dụng của dây cáp quang 15

2.2 Nối đất trên dây cáp quang 17

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ĐIỆN TRƯỜNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY 18

I ĐẶT VẤN ĐỀ 18

II LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐIỆN DUNG CỦA ĐƯỜNG DÂY CAO ÁP 19

2.1 Điện dung của hệ “3 dây đất” có dây pha bố trí bất kỳ- 20

2.2 Điện dung của hệ “3 dây đất” có 3 pha bố trí nằm ngang- 23

2.3 Điện dung của hệ “3 dây đất” có 3 pha bố trí thẳng đứng- 24

2.4 Điện dung của đường dây 3 pha dùng dây dẫn phân pha 25

III ẢNH HƯỞNG CỦA DÂY CHỐNG SÉT ĐẾN ĐIỆN DUNG CỦA ĐƯỜNG DÂY 28

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM EMTP 32

I PHƯƠNG PHÁP LUẬN 32

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 32

4

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 33

1.3 Phương pháp giải tích 35

II ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 40

1.1 Đường dây 220kV mạch kép 40

1.2 Đường dây 500kV 40

III PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MÁY TÍNH 41

IV TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG MÁY TÍNH 54

1.1 Đặc điểm của đường dây nghiên cứu tính toán 54

1.2 Thông số đầu vào 55

1.3 Kết quả mô phỏng máy tính cho đường dây 220kV 60

V ĐO ĐẠC, THÍ NGHIỆM TẠI HIỆN TRƯỜNG 66

VI GIẢI PHÁP THIẾT KẾ TÁCH NỐI ĐẤT 67

1.1 Giải pháp 67

1.2 Phân tích kinh tế 67

VII ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁCH NỐI ĐẤT DÂY CHỐNG SÉT, DÂY CÁP QUANG 68

1.1 Dây chống sét thường 69

1.2 Dây cáp quang 70

1.3 Tính toán suất cắt đường dây 220kV 70

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 71

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

5

Tôi xin cam đoan, luận văn “Nghiên cứu biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới truyền tải 220kV bằng cách tách nối đất trên dây chống sét” là những nghiên cứu, tính toán của riêng cá nhân tôi, trong luận văn có tham khảo một số giáo trình, tài liệu

và bài báo của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sử dụng kết quả của người khác

Hà Nội, tháng 9 năm 2018 Tác giả ận văn lu

Ngô Minh Thành

6

LỜ I CẢM ƠN

Em xin trân tr ng cọ ảm ơn PGS TS Nguyễn Đình Thắng đã tận tình hướng d n, ẫgiúp đỡ em trong su t quá trình th c hi n luố ự ệ ận văn này Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo thu c Vi n Đi n-Trưộ ệ ệ ờng đại h c bách khoa Hà Nọ ội đã góp ý về ộ n i dung cũng như bố ụ c c c a bài luủ ận văn

Xin trân tr ng cọ ảm ơn các đồng nghiệp đang công tác tạ ập đoàn Điệ ựi t n l c Việt Nam, Viện Năng lượng, … đã hỗ các thông tin, thông s d u và các vtrợ ố ữliệ ấn đềliên quan để em hoàn thi n bài luệ ận văn

Trong quá trình thực hiện đề tài do thời gian có hạn và năng lực còn hạn chế nên luận văn sẽ có những thiếu sót nhất định, em xin kính mong nhận được sự chỉ bảo của các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn Hệ thống điện trường đại học bách khoa Hà Nội và các bạn đồng nghiệp

Hà Nội, ngày 27 tháng 9 năm 2018

Tác giả Ngô Minh Thành

7

DANH MỤ C CÁC KÝ HI U VÀ CH ẾT TẮT Ệ ỮVI

EMTP : Electro Magnetic Transients Program – Chương trình quá độ điện từSCADA : Supervisory Control And Data Acquisition – Hệ thống giám sát, điều

khiển và thu thập dữ liệu

OPGW : Optical Ground Wire – Dây chống sét kết hợp cáp quang

CGW : Common Ground Wire – Dây chống sét truyền thống

TCVN : Tiêu chuẩn Vi t Nam ệ

TCN : Tiêu chuẩn Ngành

ACCC : Aluminum Conductor Composite Core Dây d n nhôm lõi composite – ẫ

(Dây siêu nhi ệt)

HTĐ : H thệ ống điện

TBA : Trạm bi n áp ế

PT : Pooctich trạm bi n áp ế

trường hợp hiện trạng nối đất dây chống sét.

62

Bảng 3.9 Tổng hợp kết quả tổn thất trên toàn bộ đường dây 220kV trong

trường hợp tách nối đất dây chống sét

64

Bảng 3.10 Thống kê dòng điện cảm ứng trên mỗi dây chống sét tại một số

khoảng cột của đường dây 220kV T500 Thường Tín – Hải

Dương

65

Bảng 3.11 So sánh kết quả đo đạc hiện trường và mô phỏng máy tính của

đường dây 220kV T500 Thường Tín – Hải Dương

65

Bảng 4.1 So sánh chi phí tổn thất điện năng trước và sau khi tách nối đất

dây chống sét, dây cáp quang

67

Bảng 5.1 So sánh suất cắt đường dây trước và sau khi tách nối đất dây

chống sét, dây cáp quang

69

Phụ lục 1 Kết quả tổng hợp phân bố dòng ngắn mạch trên đường dây

220kV T500 Thường Tín – Hải Dương trường hợp hiện trạng

71

Phụ lục 2 Kết quả tổng hợp phân bố dòng ngắn mạch trên đường dây

220kV T500 Thường Tín – Hải Dương trường hợp tách nối đất

DCS

72

Phụ lục 3 Kết quả tính suất cắt trường hợp không tách nối đất dây chống

sét đường dây 220kV Thường Tín – Hải Dương

74

Phụ lục 4 Kết quả tính suất cắt trường hợp đã tách nối đất dây chống sét

đường dây 220kV Thường Tín – Hải Dương

77

9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ TH Ị

Hình 2.1 Bố trí dây chống sét, dây cáp quang trên đường dây truyền tải 17 Hình 2.2 Sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trên dây chống sét 18 Hình 2.3 Điện dung của hệ “3 dây-đất” có dây pha bố trí bất kỳ 19 Hình 2.4 Điện dung của hệ “3 dây-đất” có 3 pha bố trí nằm ngang 22 Hình 2.5 Điện dung của hệ “dây-đất” có 3 pha bố trí thẳng đứng 23

Hình 3.1 Kỹ thuật giảm tổn thất trên dây chống sét; a) Hoán vị, b) Phân

đoạn, c) Vòng mở [6]

33

Hình 3.2 Mô hình tính toán tổn thất trên dây chống sét của Keri [8] 36 Hình 3.3 Mô hình tính toán dòng điện trong dây chống sét của Keri [8] 37

Hình 3.5 Phân bố điện áp cảm ứng trên dây OPGW và CGW tại các vị trí

cột khi các dây chống sét được nối đất tại điểm giữa đường dây (các dây chống sét được cách điện ở hai đầu) [10]

46

Hình 3.6 (a) Hoán vị dây chống sét tại điểm giữa và nối đất tại một đầu,

cách điện tại đầu còn lại (b) Nối đất dây chống sét tại điểm giữa của một nửa chiều dài đường dây, hoán vị tại điểm giữa và cách điện tại hai đầu đường dây

47

Hình 3.7 Phân bố điện áp cảm ứng trên dây OPGW và CGW tại các vị trí

cột khi các dây được nối đất tại một đầu và hoán vị tại điểm giữa, đầu còn lại cách điện

48

Hình 3.8 Phân bố điện áp cảm ứng trên dây OPGW và CGW tại các vị trí

cột khi các dây được nối đất tại điểm giữa của nửa chiều dài đường dây, hoán vị tại điểm giữa, hai đầu cách điện

49

Hình 3.9 (a) Hoán vị dây chống sét tại hai vị trí 1/3 và 2/3 chiều dài đường

dây, nối đất tại một đầu (b) Hoán vị dây chống sét tại hai vị trí 1/3 và 2/3 chiều dài đường dây, nối đất tại điểm giữa của 1/3 chiều dài đường dây

50

Hình 3.10 Phân bố điện áp cảm ứng trên dây OPGW và CGW tại các vị trí

cột khi các dây được nối đất tại một đầu và hoán vị tại hai điểm ở

vị trí 1/3 và 2/3 chiều dài đường dây

51

10

Hình 3.11 Phân bố điện áp cảm ứng trên dây OPGW và CGW tại các vị trí

cột khi các dây được nối đất tại điểm giữa của 1/3 chiều dài đường dây và hoán vị tại hai điểm ở vị trí 1/3 và 2/3 chiều dài đường dây

51

Hình 3.12 Mô hình thông số dây dẫn và dây chống sét 57 Hình 3.13 Mô hình hiện trạng nối đất chống sét đường dây 220kV 58 Hình 3.14 Mô hình tách nối đất dây chống sét đường dây 220kV 59 Hình 3.15 Dòng điện cảm ứng trên dây chống sét thường Phlox116 60 Hình 3.16 Dòng điện cảm ứng trên dây cáp quang OPGW70 60

Hình 3.18 Tổn thất công suất trên toàn bộ tuyến đường dây 220kV 62 Hình 3.19 Dòng điện cảm ứng trên chống sét thường Phlox116 63 Hình 3.20 Dòng điện cảm ứng trên dây cáp quang OPGW70 63 Hình 3.21 Tổng thất trên toàn bộ tuyến đường dây 220kV 64 Hình 3.22 Sơ đồ tính toán kiểm tra dòng ngắn mạch trên dây chống sét 68 Hình 3.23 Dòng điện ngắn mạch trên dây chống thường Phlox116 68

Cùng với việc trang bị các thiết bị hiện đại, công nghệ mới trên thế giới, các thiết

bị bảo vệ cho thiết bị điện Việc đầu tư trang bị bị hệ thống chống quá điện áp khí quyển trên đường dây cũng là rất cần thiết Đặc biệt trong giai đoạn phát triển như vũ bão của mạng thông tin viễn thông, mạng thông tin sử dụng cáp quang cũng đang được đầu tư cả về chiều sâu lẫn chiều rộng Hệ thống thông tin sử dụng dây chống sét kết hợp cáp quang trong hệ thống điện có ý nghĩa hết sức quan trọng và cần thiết chẳng hạn như hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), thị trường điện, … Trong đó, việc đưa vào sử dụng đồng thời hệ thống dây chống sét với hệ thống dây chống sét kết hợp cáp quang (OPGW) là rất cấp bách để đồng thời đảm nhiệm nhiệm vụ chống quá điện áp khí quyển cho đường dây và hệ thống thông tin trong hệ thống điện

Song song với việc thiết kế, xây dựng và quản lý vận hành lưới điện truyền tải bao gồm các đường dây và trạm biến áp là vấn đề giảm thiểu tổn thất điện năng trên lưới điện Theo Điều II.5.65 của Quy phạm trang bị điện phần II (Hệ thống đường dẫn điện 11TCN-19-2006) có quy định khi sử dụng dây chống sét kết hợp cáp quang đi

12

song song với dây chống sét không có lõi cáp quang thì đều phải nối đất trực tiếp Chính việc nối đất dây chống sét và dây chống sét kết hợp cáp quang trên toàn tuyến của hầu hết các đường dây tải điện trên không có cấp điện áp từ 110kV trở lên đều gây

ra hiện tượng tổn thất điện năng theo nguyên lý cảm ứng điện từ qua mạch kín Do đó, việc nghiên cứu tính toán tách nối đất trên dây chống sét và dây chống sét kết hợp cáp quang trên các đường dây truyền tải là hết sức cần thiết Việc tách nối đất này phải đảm bảo được đồng thời giảm tổn thất điện năng trên lưới truyền tải nhưng vẫn đảm bảo được chức năng giảm thiểu sét đánh trực tiếp vào dây dẫn nên em lựa chọn đề tài:

Nghiên cứu ện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới truyền tải 220kV bằng cách bi

tách nối đất trên dây chống sét.

II Mục đích nghiên cứu của luận văn.

Tổn thất điện năng trên các đường dây truyền tải ngoài các nguyên nhân do phát nhiệt tại các điểm tiếp xúc, tổn thất vầng quang, … thì một phần tổn thất khác do dòng điện cảm ứng chạy trên các dây chống sét, dây cáp quang khi nối đất trực tiếp và tản xuống đất Do đó, cần nghiên cứu giải pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới bằng cách tách nối đất trực tiếp các dây chống sét, dây cáp quang tại các cột

III Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính là các đường dây 220kV, 500kV có sử dụng dây chống sét và dây chống sét kết hợp cáp quang Tuy nhiên, phạm vi của luận văn này chỉ tính toán mô phỏng trên đường dây 220kV

IV Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Luận văn sử dụng phần mềm mô phỏng điện từ EMTP mô phỏng điện áp, dòng điện cảm ứng chạy trên các dây chống sét, dây cáp quang So sánh, đối chiếu trước khi tách nối đất và sau khi tách để so sánh dòng điện cảm ứng này, từ đó sẽ biết được lượng điện năng tổn thất trên các dây chống sét và hệ thống nối đất này và đưa ra giải pháp tách rời các điểm nối đất trực tiếp tại các cột để giảm tổn thất điện năng Đồng thời, sau khi tách nối đất, tiến hành tính toán lại để đánh giá ảnh hưởng của việc tách

Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết chung v ề cảm ứng điện từ, dòng điện và điện

áp cảm ứng

Mô phỏng, tính toán, đo đạc thực tế tại hiện trường

Luận văn bao gồm các nội dung chủ yếu sau:

- Dây chống sét, dây cáp quang

- Tính toán điện trường trên đường dây

- Mô phỏng bằng phần mềm

- Giải pháp thiết kế tách nối đất

- Đánh giá ảnh hưởng của tách nối đất dây chống sét, dây cáp quang

- Kết luận

- Các phụ lục

- Dây chống sét lưỡng kim: ấu tạo bởi 2 thành phần:c

+ Phần chịu lực: được cấu tạo bởi các sợi thép cường độ cao, đặt phía giữa dây chống sét

+ Phần dẫn: được cấu tạo bởi các sợi hợp kim nhôm hoặc thép mạ kẽm, nhôm và đặt bên ngoài của dây chống sét

1.2 Nố ấ i đ t trên dây ch ng sét ố

Tại tất cả các cột của đường dây trên không cấp điện áp từ 220kV trở lên phải mắc qua cách điện song song với khe hở phóng điện là 40mm Trong mỗi khoảng néo dài đến 10km, dây chống sét được nối đất tại một điểm cột néo Nếu chiều dài khoảng néo lớn hơn thì số điểm nối đất trong khoảng néo đó cần chọn sao cho trị số sức điện động dọc lớn nhất sinh ra trong dây chống sét khi xảy ra ngắn mạch trên đường dây không không đánh thủng khe hở phóng điện

Đoạn vào trạm của đường dây 220kV từ 2 đến 3km, nếu dây chống sét không sử dụng để lấy điện bằng phương pháp điện dung hoặc thông tin liên lạc thì phải nối đất ở từng cột

về truyền tải thông tin hiện nay đặc biệt là trong ngành điện So với các loại dây dẫn thông tin khác, cáp quang OPGW có nhiều ưu điểm nổi bật như:

- Tín hiệu thông tin rõ ràng, không bị ảnh hưởng nhiễu của điện từ trường, thời tiết, các vật cản che khuất

- Dung lượng truyền thông tin rất lớn

- Sử dụng dây cáp quang OPGW như một dây chống sét nên không gia tăng tải trọng phụ cho cột, móng đường dây

- Độ an toàn cơ học cao do cột, móng đường dây tải điện thường được thiết kế với độ an toàn cao hơn so với các đường dây thông tin thông thường

- Số lượng sợi cáp thông tin chứa trong lõi dây lớn nên ngoài phục vụ nhu cầu thông tin quang cho ngành điện còn có thể phục vụ nhiều ngành kinh tế khác Trên thế giới hiện nay có nhiều hãng chế tạo cáp quang Công nghệ của các hãng cũng khác nhau, tuy nhiên có thể phân ra các bộ phận chính sau:

- Phần chịu lực: ồm các sợi thép cường độ cao bọc nhôm, hoặc sợi thép mạ gkẽm Ngoài ra một số hãng còn kết hợp với sợi hợp kim nhôm hoặc nhôm để nâng cao tính dẫn điện, giảm nhiệt độ dây cáp quang khi trên đường dây xảy ra

+ Sợi quang được đặt trong một lõi nhôm hoặc hợp kim nhôm có rãnh khía Sau đó toàn bộ lõi này được đặt trong một ống ống nhôm hoặc hợp kim nhôm Phần ống chứa cáp quang phải đảm bảo kín trong suốt chiều dài cáp quang, không được để nước, các chất ô nhiễm thấm vào phá hoại cáp quang Ngoài ra sợi quang đặt trong ống phải có chiều dài dự trữ lớn để đảm bảo khi cáp quang dãn dài trong quá trình làm việc cũng không bị ảnh hưởng.

Các sợi quang được chế tạo bằng thủy tinh quang học có vỏ bọc bằng ilic hoặc ssợi tổng hợp có đường kính khoảng 10µm Bên ngoài lớp này là một lớp vỏ bọc có các mầu khác nhau để phân biệt các sợi Sợi quang ilic có khả năng chịu nhiệt cao hơn sợi squang sử dụng vật liệu tổng hợp

Dây OPGW ngoài vai trò chống sét đánh trực tiếp vào dây dẫn còn đảm nhận nhiệm vụ của hệ thống thông tin viễn thông là:

+ Kênh thông tin cho rơle bảo vệ so lệch đường dây và bảo vệ khoảng cách; + Kênh thông tin phục vụ cho điều độ hệ thống Kênh điện thoại trực thông (Hot line) và hệ thống SCADA cho điều độ HTĐ miền và điều độ HTĐ Quốc gia;

+ Kênh thuê bao xa của tổng đài điện tử số tại các TBA để liên lạc trong nội bộ ngành điện;

+ Phục vụ cho truyền dữ liệu vận hành

+ Nhu cầu về thông tin quang:

17

Việc sử dụng OPGW trên đường dây điện lực để liên lạc và truyền dữ liệu giữa các trạm biến áp, nhà máy điện sẽ hạn chế tối đa ảnh hưởng của điện từ trường phát sinh do giao chéo với các đường dây điện lực cao áp trong khu vực mà tuyến đi qua 2.2 Nố ấ i đ t trên dây cáp quang

Dây cáp quang (OPGW) được quy định nối đất trực tiếp tại tất cả các cột trên toàn tuyến

Hiện nay nhu cầu thông tin quang rất quan trọng và cần thiết để trang bị trên các đường dây tải điện Do đó các đường dây truyền tải hều hết được trang bị trên toàn tuyến hệ thống 01 dây chống sét kết hợp với 01 dây chống sét kết hợp cáp quang (OPGW) hoặc hệ thống 02 dây chống sét kết hợp cáp quang (OPGW) Do đó theo Điều II.5.65 của Quy phạm trang bị điện phần II (Hệ thống đường dẫn điện 11TCN-19-2006) có quy định khi sử dụng dây chống sét kết hợp cáp quang đi song song với dây chống sét không có lõi cáp quang thì đều phải nối đất trực tiếp

-Chương I

Dây chống sét kết hợp cáp quang OPGW được nối đất tại mỗi vị trí cột, trong khi

đó dây chống sét truyền thống CGW thường được cách điện và chỉ nối đất tại một điểm (hoặc nối đất trực tiếp tại các cột) Việc sử dụng hai dây chống sét sẽ cải thiện góc bảo

vệ của dây chống sét đối với các đường dây cao áp và siêu cáo áp, do đó sẽ làm giảm suất cắt điện do quá điện áp khí quyển

Hình 2.1: Bố trí dây chống sét, dây cáp quang trên đường dây truyền tải

OPGW CGW

D

OPGW CGW

19

Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng tổn thất năng lượng sinh ra bởi dòng cảm ứng xuất hiện trên hệ thống điện khi sử dụng dây chống sét kết hợp cáp quang (OPGW) cũng như điện áp cảm ứng cao xuất hiện trên dây chống sét (CGW) là một vấn đề quan trọng cần tính toán và xem xét cụ thể Vì vậy, cần thiết phải tiến hành nghiên cứu tách nối đất dây chống sét trên đường dây truyền tải nhằm giảm tổn thất điện năng, đặc biệt là lưới truyền tải 220kV 500kV ở Việt Nam.-

Do đặc tính nối đất tại mỗi vị trí cột tạo thành các mạch vòng kín nên sẽ xuất hiện một dòng điện cảm ứng xuất hiện và chảy trong dây chống sét và gây ra tổn thất năng lượng Các tổn thất này là nhỏ so với tổn thất trên dây pha, tuy nhiên giảm được tổn thất này cũng tiết kiệm được các chi phí trong truyền tải điện năng Sự khép vòng của dòng điện cảm ứng trên dây chống sét được minh họa trên hình 2.2

Hình 2.2: Sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trên dây chống sét

Vì vậy, việc nghiên cứu tách nối đất của các dây chống sét là cần thiết nhằm giảm tổn thất trên lưới truyền tải

II LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐIỆN DUNG CỦA ĐƯỜNG DÂY CAO ÁP

Điện dung của đường dây và đất được xác định từ bài toán phân bố điện trường không đồng nhất (do một phần không gian có điện môi là không khí, một phần là đất) Không khí là môi trường cách điện nên điện dẫn suất γk rất bé, cỡ 10 - 18(1/Ω.cm), còn

20

đất là môi trường dẫn điện, tuy dẫn điện kém nhưng cũng có điện dẫn suất cỡ

107(1/Ω.cm), lớn gấp triệu lần so với không khí

Như vậy so với không khí, mặt đất vẫn được xem là mặt phẳng dẫn lý tưởng mà các đường sức điện trường khi tới mặt đất buộc phải vuông góc với nó (tại mặt đất điện trường không có thành phần tiếp tuyến do mặt đất là mặt đẳng thế và có thế bằng không) Dùng phương pháp soi gương ta các điện tích ta sẽ có được sự phân bố điện trường trong miền không khí như sau:

+ Lấp kín miền đất bằng miền không khí có hằng số điện môi là ε

+ Soi gương điện tích và đổi dấu

Từ đây ta sẽ các định được sự phân bố điện thế, điện trường và xác định điện dung của hệ “dây dẫn đất”.-

2.1 Điện dung c a h ủ ệ “3 dây đất” có dây pha bố- trí b t k ấ ỳ

Xét một hệ “3 dây đất”, mỗi dây có độ cao treo dây là h- i, bán kính dây dẫn là ri và

có điện tích trên một đơn vị dài là qi (với i=1, 2, 3) như trên hình 2.1

Hình 2.3: Điện dung của hệ “3 dây đất”- có dây pha bố trí bất kỳ

Đối với các đường dây tải điện 3 pha dòng điện xoay chiều có dây dẫn bố trí theo

sơ đồ đầu cột bất kỳ thì điện dung làm việc C1, C2, C3 của các pha được xác định trên

cơ sở giải hệ phương trình Maxwell:

D '1

22

2 1

22 33 23 33 12 23 23 22 13 12 23 1

2 2

11 33 13 11 23 12 13 33 12 23 13 2

2 3

11 22 12 3

Trường hợp đường dây có 3 pha hoán vị thì vị trí tương đối của các pha với đất sẽ giống nhau, hệ số thế riêng trung bình sẽ bằng:

23

Nếu xét đến hoán vị pha (đảo pha) thì vị trí tương đối giữa các pha với nhau cũng

sẽ giống nhau do đó ta có:

3 11' 22' 33'

- Các kích thước D , D , d được thể hiện như trên hình 2.1 ii' ij' ij

- ε : Hằng số điện môi tuyệt đối 0

1

4π×9×102.2 Điện dung c a h ủ ệ “3 dây đất” có - 3 pha b ố trí nằm ngang

Trường hợp đường dây không một mạch bố trí nằm ngang và các dây 1, 2, 3 trong Hình 2.1 tương ứng với các dây pha A, B, Cđược sơ họa trong Hình 2.2

Hình 2.4: Điện dung của hệ “3 dây đất” có 3 pha bố trí nằm ngang-

D ' 33

3 C

q 2 , r 2

1'

D ' 22

A'

D ' 11

q3, r3

2'

2 2 23' BC'

2 2 31' CA'

2.3 Điện dung c a h ủ ệ “3 dây đất” có - 3 pha b ố trí thẳ ng đ ứng

Đối với đường dây 2 mạch có dây dẫn một mạch bố trí thẳng đứng Trong trường hợp này các dây pha 1, 2, 3 trong hình tương ứng với các dây pha A, B, C của đường dây 2 mạch được minh họa như Hình 2.3

Hình 2.5: Điện dung của hệ “dây đất” có 3 pha bố trí thẳng đứng.

-D x

A ' 1

C ' 2

C 2

A ' 2

C ' 1

A 1

D

B ' 2

D x

D

C 1

2.4 Điện dung của đường dây 3 pha dùng dây dẫn phân pha

Dây phân pha có kết cấu một pha gồm n dây dẫn có bán kính r0, có độ cao so với mặt đất là h thì bán kính khung định vị được xác định bởi:

a

R=

π2sin

n

(2.14)

Trong đó:

a: khoảng cách giữa 2 dây nhỏ lân cận nhau

n: số dây trong một pha

Gọi U, q là điện thế và điện tích trên đơn vị dài mỗi pha Viết phương trình Maxwell cho các dây phân pha mà mỗi dây có điện thế U và điện tích q

26

Do khoảng cách giữa các dây phân pha (≤2R) rất bé so với độ cao treo dây phân pha nên ta có thể viết gần đúng các hệ số thế riêng và hệ số tương hỗ giữa các dây phân nhỏ với nhau

Hình 2.6: Kết cấu của dây dẫn phân pha

i ii

ik' ik

n

0 1 2 n-1

2πεq

d 2

1

n

h

27

Điện dung hệ dây dẫn-đất có trị số bằng:

0 0

2πεq

dt 0

Thay (2.19) vào (2.11) ta đƣợc:

0 0

12 23 31 dt

Xét trường hợp đơn giản nhất, đường dây có 1 dây chống sét và 1 dây dẫn Áp dụng hệ phương trình Macxell ta được hệ phương trình (ký hiệu dây 1 là dây dẫn, dây ,

11 22

C =

αU

αα



Từ công thức (2.24) ta có:

α và tính theo công thức:

''2 ''2 '' 2 ' '' TT 1T 1T' 1T 1T' TT'

23 32

α α )1

Eh=11,5 Eh=11

Eh=10,5 Eh=10

Eh=7 Eh=7,5 Eh=8 Eh=8,5 Eh=9 Eh=9,5

32

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Đố ới lĩnh vựi v c này, các tài li u nghiên cệ ứu cũng như tham khảo trong nước m i ớchỉ ừ d ng l i ở ệạ vi c nhận định có s ự ảnh hưởng của điện áp c m ứng lên dây ch ng sét ả ố

và m t vài tính toán mang tính lý thuy t Viộ ế ệc xác định nối đất cho dây OPGW t i mạ ỗi

v trí c t c a Vi t Nam, theo ị ộ ủ ệ TCVN cho đường dây truy n tề ải điện, được th c hi n dự ệ ựa trên căn cứ các tiêu chu n c a qu c tẩ ủ ố ế, đối với các quốc gia phát tri n, ể chưa có một tính toán c thụ ể nào

Hiện nay, các công trình nghiên cứu liên quan đến dây ch ng sét hố ầu như lạ ậi t p trung vào một vài khía c nh ch o sau: ạ ủ đạ

- Nghiên c u thi t k dây ch ng sét nhứ ế ế ố ằm đảm b o an toàn cho TBA hay các ảđường dây, mang tính chất cơ bản nh t c a dây ch ng sét (l a chấ ủ ố ự ọn sơ đồ treo dây, thiế ết k chi u cao, khoề ảng vượ ủt c a dây chống sét ) Lĩnh vực này được th c hi n khá ự ệnhi u trong cáề c công trình điện, các lu n án thậ ạc sĩ, tiến sĩ chuyên ngành kĩ thuật điện

- Nghiên c u s d ng chứ ử ụ ống sét van để ả gi m su t cấ ắt do quá điện áp khí quyển trên đường dây cao áp Nội dung này được các trường đạ ọ ại h c t i Vi t Nam tham gia ệkhá nhi u, trong vi c h p tác về ệ ợ ới các điện lực hay hướng d n nghiên c u sinh trong ẫ ứnước

Trong 02 lĩnh vực k trên, có r t nhiể ấ ều đề tài đã được th c hi n, ví d ự ệ ụ như đề tài

do Công ty Lưới điện Cao th mi n Bế ề ắc đã phố ợi h p v i Viớ ện Điệ –n Trường ĐHBK

Hà Nội triển khai “Giảm thi u s c ể ự ố do sét trên các đường dây 110kV” năm 2016 Một cách tổng quát, tại Việt Nam hiện có rất ít các công trình nghiên cứu, tính toán cụ thể điện áp cảm ứng trên dây chống sét/tiếp địa

33

1.2 Tình hình nghiên cứ u ngoài nư ớc

Hiện nay, các nghiên cứu trên thế giới về dòng điện cảm ứng và đặc tính tổn thất trên dây chống sét vẫn còn chưa nhiều và chưa đủ gây chú ý do còn thiếu các dữ liệu định lượng về dòng điện cảm ứng, tổn thất trên dây OPGW và điện áp cảm ứng trên dây CGW [3-7]

Một số nghiên cứu tập trung xem xét mô hình tính toán dòng điện cảm ứng và một số đặc tính tổn thất năng lượng của dây tiếp địa trên hệ thống đường dây OPGW

và điện áp cảm ứng trên CGW có trong các tài liệu [3 7] Bài báo [8] đã đề xuất phương pháp mở vòng lặp bằng cách đơn giản hóa mô hình tính toán trên đường dây truyền tải 765kV Công trình [9] đã trình bày nghiên cứu tính toán dòng điện cảm ứng

-và điện áp cảm ứng của dây tiếp địa trên đường dây truyền tải xoay chiều 1000-kV có xét tới ảnh hưởng của các yếu tố như: khoảng cách giữa các dây dẫn và dây tiếp địa, công suất truyền tải và chiều dài phân đoạn

Một số tính toán giải tích cũng được sử dụng để xác định điện áp cảm ứng trên đơn vị chiều dài (km), áp dụng cho đường dây 500kV, giá trị điện áp thu được là 73,55V [10] №ura và đồng sự cũng đã trình bày hiệu quả của việc giảm tổn thất năng lượng khi áp dụng phương pháp phân pha và đảo pha cho các đường dây truyền tải mạch kép [11] Với đường dây mạch đơn, việc tính toán điện áp cảm ứng và tổn thất công suất với các phương pháp tiếp địa khác nhau đã được trình bày trong bài báo [12].Một trong các kỹ thuật phổ biến nhất để làm giảm tổn thất trên dây chống sét là hoán vị và phân đoạn Keri bằng nghiên cứu của mình đã đề xuất kỹ thuật vòng mở đối với dây chống sét và ứng dụng trên đường dây 765kV [6] Các kỹ thuật giảm tổn thất trên dây chống sét được minh họa trên Hình 3.1

34

Hình 3.1: Kỹ thuật giảm tổn thất trên dây chống sét; a) Hoán vị, b) Phân đoạn, c)

Vòng mở [6]

điện tr nở ối đấ ủt c a cột, s kho ng c t trong mố ả ộ ột vòng, điện tr su t cở ấ ủa đất và

Hu Xiande đã tính toán dòng điện và điện áp cảm ứng trên đường dây truyền tải xoay chiều 1000kV Jindongnan-Nanyang-Jingmen, có tính đến ảnh hưởng của các yếu

tố như khoảng cách dây pha và dây chống sét, cột điện và chiều dài khoảng vượt [7] Nourai tranh luận về ảnh hưởng của sự sắp xếp thứ tự pha của đường dây hai mạch thẳng đứng đối với tổn thất trên dây chống sét [8] Ngoài ra, điện áp cảm ứng trên kilomét dài trên dây chống sét cũng được báo cáo có giá trị 73,55 V/km đối với đường dây 500kV dựa trên các tính toán lý thuyết [9] Nghiên cứu về đặc tính của các phương pháp nối đất khác nhau và phương pháp làm giảm điện áp cảm ứng trên dây chống sét của đường dây 500kV mạch đơn ít được báo cáo hơn

Bên cạnh đó, các mô hình mô phỏng s dử ụng chương trình quá độ điệ ừn t EMTP cũng được ứng dụng để nghiên c u vứ ấn đề này Các nghiên cứu điển hình có th k n ể ể đế

b)

c)

a)

35

như Xiande [7] và Wang [10] Các mô phỏng này cho phép h p th c hóa các mô hình ợ ứ

đề xu t thông qua so sánh vấ ới đo lường th c nghi m T ự ệ ừ đó, các giải pháp nối đất và

b trí dây ch ng sét có th ố ố ể được tính toán h p lí và d ợ ễ dàng hơn khi sử ụ d ng các chương trình mô phỏng

D a trên các thông s cự ố ủa đường dây truy n tề ải, các đặc tính v t n thề ổ ất năng lượng và điện áp c m ng c a dây ch ng sét cả ứ ủ ố ủa đường dây truy n tề ải trên không được chia thành ba phương pháp tiếp địa:

a) Dây ch ng sét s i quang k t hố ợ ế ợp composite OPGW được nối đấ ạt t i m i c t, ỗ ộ

và dây chống sét chung CGW được cách điện và nố ấi đ t tại một điểm

b) Hai dây chống sét cùng được nối đất tại từng cột;

c) Cả hai dây chống sét đều được cách điện và chỉ nối đất tại một đầu

1.3 Phương pháp giải tích

1.3.1 Nghiên c u c a Kai [5] ứ ủ

Khi dây chống sét và đất tạo thành mạch kín, dòng khép vòng sẽ xuất hiện gây ra tổn thất năng lượng do cảm ứng điện từ trên dây chống sét loại OPGW Dòng điện khép vòng này bao gồm hai thành phần là dòng điện cảm ứng tĩnh điện và dòng điện cảm ứng điện từ

a Dòng điện cảm ứng tĩnh điện

Dòng điện cảm ứng tĩnh điện được tạo ra bởi điện dung kết hợp giữa dây pha và dây chống sét Theo phương trình Maxwell, hệ phương trình ma trận sau được viết nếu như dây pha và dây chống sét không thay đổi vị trí:

Trong đó φ là điện thế của dây pha và dây chống sét, p là hệ số thế được tính toán bởi các phương trình (3.1) và (3.2); q là điện tích trên đơn vị dài của dây pha và dây chống sét; i là dòng điện cảm ứng tĩnh điện trên đơn vị dài của dây pha và dây chống sét; C là điện dung giữa dây pha và dây chống sét

Trong công thức ( 1), nếu dây chống sét được cách điện, điện tích của nó q bằng 3.0; nếu dây chống sét được nối đất thì điện thế φ của nó bằng 0 Như vậy, các đại lượng chưa biết q và φ có thể được tính toán và từ đó tính toán được dòng điện cảm ứng tĩnh điện trên dây chống sét theo phương trình (3.2)

Biểu thức ( 5) giới thiệu ma trận cảm ứng điện từ Dòng điện cảm ứng điện từ 3.của dây chống sét có thể được tính toán từ biểu thức này

Khi tính toán dòng điện cảm ứng điện từ, điện áp cảm ứng điện từ trên dây chống sét có thể đặt U1= U2= 0 Dòng điện cảm ứng điện từ trên dây chống sét phụ thuộc vào dòng tải, chiều dài đường dây và thứ tự pha và cách bố trí dây

Nếu bỏ qua vầng quang trên dây chống sét, tổn thất trên dây này chủ yếu do dòng điện cảm ứng Khi dây chống sét được nối đất trực tiếp tại mỗi cột, điện năng tổn thất trên dây OPGW của đường dây 220kV vào khoảng 5÷10×104kWh/100 km Đối với đường dây 500kV, tổn thất trên dây OPGW vào khoảng 3÷5×106kWh/100 km

1.3.2 Nghiên c u c a Keri [8] ứ ủ

Xét đường dây treo hai dây chống sét x và y như minh họa trên Hình 4.1

37

Hình 3.2: Mô hình tính toán tổn thất trên dây chống sét của Keri [8]

Điện áp (UxΦ, UyΦ) cảm ứng trên dây chống sét do dòng điện pha có thể tính toán theo công thức:

a

b

ya yb yc yΦ

Mô hình đơn giản hóa của đường dây có hai dây chống sét trên Hình 4 để tính toán dòng điện cảm ứng trên các dây chống sét được giới thiệu trên Hình 5.1

38

Hình 3.3: Mô hình tính toán dòng điện trong dây chống sét của Keri [8]

Từ mô hình trên, dòng điện trên hai dây chống sét đƣợc tính theo công thức:

Trong đó, Zg=rg+jxg là tổng trở của dây chống sét, Ze là tổng trở đất ở tần số công

nghiệp có thể đƣợc tính toán bởi công thức:

0 nn

0 mn

mn

D

Z =0,05+j0,145lg

Trong đó dmn là khoảng cách giữa dây pha và dây chống sét

Trong quá trình vận hành bình thường của đường dây, dòng tải trên các pha là cân bằng:

Các đại lượng khác được suy ra một cách tương tự

1.1 Đường dây 220kV m ch kép ạ

Trên thực tế, các đường dây 220kV được xây dựng trước dây từ những năm 1980

đa số là đường dây 1 mạch, dây chống sét chỉ sử dụng một loại dây chống sét truyền thống không có cáp quang

Thiết kế dây chống sét không có lõi cáp quang trên tất các cột của đường dây không điện áp 220kV trở lên, phải mắc qua cách điện song song với khe hở phóng điện

là 40mm trong mỗi khoảng néo dài đến 10km, dây chống sét được nối đất tại một điểm cột néo

Ở đoạn vào trạm của đường dây 220kV có chiều dài từ 2÷3km, nếu dây chống sét không sử dụng để lấy điện bằng phương pháp điện dung hoặc thông tin liên lạc thì phải nối đất ở từng cột

Do vậy, ta chỉ nghiên cứu tính toán tách nối đất trên dây chống sét đối với đường dây 220kV mạch kép và sử dụng một dây chống sét, một dây chống sét kết hợp cáp quang để mô phỏng

Thực tế, trên các đường dây 500kV mạch đơn và mạch kép đều được lắp đặt dây chống sét (CGW) và dây chống sét kết hợp cáp quang (OPGW) ngoài mục đích bảo vệ quá điện áp khi quyển cho đường ây còn mục đích cung cấp d nhu cầu thông tin trong

hệ thống điện Trong luận văn này, không đề cập đến tính toán mô phỏng trên đường dây 500kV