Đánh giá tình hình tổn thất và giải pháp giảm tổn thất điện năng trên dây hống sét ủa đường dây truyền tải điện 220kv, 500kv việt nam

Trang 1 --- VÕ LƯƠNG NHÂNĐÁNH GIÁ TÌNH HÌNH TỔN THẤT VÀ GIẢI PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRÊN DÂY CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 220KV, 500KV VIỆT NAMLUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

-

VÕ LƯƠNG NHÂN

ĐÁNH GIÁ TÌNH HÌNH TỔN THẤT VÀ GIẢI PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRÊN DÂY CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 220KV, 500KV VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2017

170833000926887f8d753-8699-4f35-a092-205b4037d271

-

VÕ LƯƠNG NHÂN

ĐÁNH GIÁ TÌNH HÌNH TỔN THẤT VÀ GIẢI PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRÊN DÂY CHỐNG SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 220KV, 500KV VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN ĐỨC CƯỜNG

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập, nghiên cứu tại Khoa Điện Trường Đại học Bách - Khoa Hà Nội, dưới sự chỉ dẫn của các thầy cô và sự giúp đỡ các đồng nghiệp bản luận văn cao học của tôi đến nay đã được hoàn thành Với tất cả sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, cho phép tôi được gửi lời cảm ơn chân thành tới:

- TS Nguyễn Đức Cường Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia đã tận - tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn;

- Các thầy, cô viện Điện, cán bộ Trung tâm đào tạo và bồi dưỡng sau đại học của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận văn này;

- Lãnh đạo và các đồng nghiệp trong Ban Kỹ thuật cũng như các Ban khác của Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia đã luôn quan tâm, động viên và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, tháng 9 năm 2017 Tác giả luận văn

Võ Lương Nhân

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi nghiên cứu, tính toán và phân tích

Số liệu đưa ra trong luận văn dựa trên kết quả tính toán trung thực của tôi, không sao chép của ai hay số liệu đã được công bố

Nếu sai với lời cam kết trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tác giả luận văn

Võ Lương Nhân

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU xi

CHƯƠNG 1: HIỆN TRẠNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG, TÌNH HÌNH TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG CỦA CÁC ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG 1

1.1 Tổng hợp chung về các đường dây 1

1.2 Tổng hợp tình hình tổn thất điện năng 7

1.3 Tổng hợp tình hình sự cố ĐDK do sét đánh từ 2011 đến nay 10

1.4 Các giải pháp chống sét ĐDK đã thực hiện tại EVNNPT 15

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG VÀ NỐI ĐẤT DÂY CHỐNG SÉT 19

2.1 Sét - Nguồn gốc của quá điện áp khí quyển 19

2.2 Bảo vệ sét đánh đường dây tải điện 35

2.3 Nối đất đường dây tải điện 44

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRÊN DÂY CHỐNG SÉT 48

3.1 Hiện trạng nối đất dây chống sét trên đường dây tải điện 48

3.2 Tính tổn thất công suất sơ đồ hai dây chống sét nối với nhau và nối đất 51

3.3 Tính toán cho đường dây 220kV 52

3.4 Tính toán cho đường dây 500kV 58

3.5 Đề xuất giải pháp giảm tổn thất điện năng trên dây chống sét 62

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG VÀ LỘ TRÌNH THỰC HIỆN GIẢI PHÁP BỐ TRÍ DÂY CHỐNG SÉT 64

4.1 Đánh giá tiềm năng, hiệu quả của giải pháp phân đoạn hóa 64

4.1.1 Ảnh hưởng của dòng ngắn mạch 01 pha trên đường dây 65

4.1.1.1 Tính toán cho đường dây 220kV 01 mạch 66

a) Tính toán thông số dây chống sét: 66

hợp nối đất từng khoảng cột (trường hợp 1): 66

c) Tính toán phân bố dòng ngắn mạch trên dây chống sét và dây cáp quang trường hợp DCQ nối đất từng khoảng cột, DCS nối đất tại 02 đầu khoảng néo (trường hợp 2):66 d) Tính toán phân bố dòng ngắn mạch trên dây chống sét và dây cáp quang trường hợp DCQ và DCS nối đất tại 02 đầu khoảng néo (trường hợp 3): 67

e) Nhận xét kết quả tính toán: 67

4.1.1.2 Tính toán cho đường dây 220kV 02 mạch 68

a) Tính toán thông số dây chống sét 68

b) Tính toán phân bố dòng ngắn mạch trên dây chống sét và dây cáp quang trường hợp nối đất từng khoảng cột (trường hợp 1) 68

c) Tính toán phân bố dòng ngắn mạch trên dây chống sét và dây cáp quang trường hợp DCQ nối đất từng khoảng cột, DCS nối đất tại 02 đầu khoảng néo (trường hợp 2)69 d) Tính toán phân bố dòng ngắn mạch trên dây chống sét và dây cáp quang trường hợp DCQ và DCS nối đất tại 02 đầu khoảng néo (trường hợp 3) 69

e) Nhận xét kết quả tính toán: 69

4.1.1.3 Tính toán cho đường dây 500kV 01 mạch 70

a) Tính toán thông số dây chống sét 70

b) Tính toán phân bố dòng ngắn mạch trên dây chống sét và dây cáp quang trường hợp nối đất từng khoảng cột (trường hợp 1) 70

c) Tính toán phân bố dòng ngắn mạch trên dây chống sét và dây cáp quang trường hợp DCQ nối đất từng khoảng cột, DCS nối đất tại 02 đầu khoảng néo (trường hợp 2)71 d) Tính toán phân bố dòng ngắn mạch trên dây chống sét và dây cáp quang trường hợp DCQ và DCS nối đất tại 02 đầu khoảng néo (trường hợp 3) 71

e) Nhận xét kết quả tính toán 71

4.1.1.4 Tính toán cho đường dây 500kV 02 mạch 72

a) Tính toán thông số dây chống sét 72

b) Tính toán phân bố dòng ngắn mạch trên dây chống sét và dây cáp quang trường hợp nối đất từng khoảng cột (trường hợp 1): 72 c) Tính toán phân bố dòng ngắn mạch trên dây chống sét và dây cáp quang trường

hợp DCQ và DCS nối đất tại 02 đầu khoảng néo (trường hợp 3) 73

e) Nhận xét kết quả tính toán 73

4.1.1.5 Kiến nghị 74

4.1.2 Đánh giá phạm vi bảo vệ sét đánh trên đường dây 75

4.1.2.1 Tính toán chống sét 75

4.1.2.2 Kết luận về bảo vệ chống sét 78

4.1.3 Đánh giá tiềm năng 78

4.2 Lộ trình thực hiện 80

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG MỞ RỘNG CỦA ĐỀ TÀI 81

1 Kết luận 81

2 Hướng mở rộng của đề tài 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 AC/DC Xoay chiều/ Một chiều

8 HVAC Hệ thống truyền tải điện cao áp xoay chiều

9 HVDC Hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều

10 NĐ Nhiệt điện

11 NLTT Năng lƣợng tái tạo

12 NPT Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia

13 PTC1 Công ty Truyền tải điện 1

14 PTC2 Công ty Truyền tải điện 2

15 PTC3 Công ty Truyền tải điện 3

16 PTC4 Công ty Truyền tải điện 4

17 QHĐ Quy hoạch điện

18 TBA Trạm biến áp

19 TĐ Thủy điện

20 TSĐ Tổng sơ đồ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng I.1 Tổng quy mô đường dây 500kV 1

Bảng I.2 Tổng quy mô dây chống sét và OPGW 500kV 2

Bảng I.3 Tổng quy mô đường dây 220kV 4

Bảng I.4 Tổng quy mô dây chống sét và OPGW 220kV 4

Bảng I.5 Bảng thống kê sản lượng và tổn thất điện năng lưới truyền tải điện giai đoạn 2012 ÷ 2016 7

Bảng I.6 Bảng thống kê sản lượng, tổn thất điện năng lưới truyền tải điện và các cung đoạn đường dây 500kV giai đoạn 2012 ÷ 2016 8

Bảng I.7 Sự cố đường dây 220kV, 500kV từ năm 2011 đến 30/6/2016 10

Bảng I.8 Sự cố đường dây 220kV, 500kV nguyên nhân do sét đánh của các PTC 10 Bảng I.9 Thống kê sự cố đường dây 220kV, 500kV có nguyên nhân do sét đánh theo tháng 11

Bảng I.10 Một số đường dây điển hình có nhiều sự cố có nguyên nhân do sét: 12

Bảng II.1 Số ngày có dông tại một số trạm tiêu biểu (trung bình tháng và năm) 29

Bảng II.2 Thời gian có dông trung bình (giờ) 30

Bảng II.3.Cường độ hoạt động dông sét tại các khu vực 32

Bảng II.4 Trị số mật độ sét theo khu vực 32

Bảng II.5 Tiêu chuẩn điện trở nối đất cột điện 47

Bảng III.1 Tổng hợp khối lượng nối đất DCS đường dây 500kV 48

Bảng III.2 Tổng hợp khối lượng nối đất DCS đường dây 220kV 49

Bảng III.3 Kết quả tính toán dòng điện cảm ứng trên dây chống sét 57

Bảng III.4 Kết quả tính toán tổn thất trên dây chống sét 57

Bảng III.5 Kết quả tính tdòng điện cảm ứng trên dây chống sét 61

Bảng III.6 Kết quả tính toán tổn thất trên dây chống sét 61

Bảng III.7 Bảng so sánh kế quả tính toán và kết quả đo thực tế 61

Bảng IV.1 Thông số dây chống sét cho đường dây 220kV 01 mạch 66

Bảng IV.2 Thông số dây chống sét cho đường dây 220kV 02 mạch 68

Bảng IV.3 Thông số dây chống sét cho đường dây 500kV 01 mạch 70Bảng IV.4 Thông số dây chống sét cho đường dây 500kV 02 mạch 72Bảng IV.5 Kết quả tính toán dòng ngắn mạch 01 pha trường hợp DCS và DCQ được nối đất tại tất cả các vị trí cột 75Bảng IV.6 Kết quả tính toán dòng ngắn mạch 01 pha trường hợp DCQ được nối đất tại tất cả các vị trí cột, dây chống sét nối đất một đầu khoảng néo 75Bảng IV.7 Xác suất hình thành vầng quang 77Bảng IV.8 Kết quả tính toán xác suất phóng điện qua mỏ phóng 77Bảng IV.9 Kết quả tính toán tính toán tổn thất công suất, tổn thất điện năng trên DCS đường dây 500kV 78Bảng IV.10 Kết quả tính toán tính toán tổn thất công suất, tổn thất điện năng trên DCS đường dây 220kV 79

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Trang

Hình I.1 Sơ đồ cột đường dây 500kV 01 mạch điển hình 3

Hình I.2 Sơ đồ cột đường dây 500kV 02 mạch điển hình 3

Hình I.3 Sơ đồ cột đường dây 220kV 01 mạch điển hình 5

Hình I.4 Sơ đồ cột đường dây 220kV 02 mạch điển hình 5

Hình I.5 Sơ đồ cột đường dây 220kV 03 mạch điển hình 6

Hình I.6 Sơ đồ cột đường dây 220kV 04 mạch điển hình 6

Hình I.7 Tổn thất điện năng lưới truyền tải điện giai đoạn 2012 ÷ 2016 7

Hình I.8 Tổn thất điện năng lưới 500kV giai đoạn 2012 ÷ 2016 9

Hình I.9 Biểu đồ sự cố trên đường dây 10

Hình I.10 Biểu đồ sự cố trên đường dây tại các PTC 11

Hình I.11 Biểu đồ sự cố trên đường dây có nguyên nhân do sét đánh theo tháng 12

Hình II.1 Sự phân bố điện tích trong một đám giông 20

Hình II.2 Dạng dòng điện sét 25

Hình II.3 Mô hình điện hình học 27

Hình II.4 Biến trình ngày tần suất có dông 31

Hình II.5 Đường phân bố xác suất biên độ dòng điện sét 34

Hình II.6 Đường phân bố xác suất biên độ độ dốc dòng điện sét 34

Hình II.7 Nguyên lý cấu tạo của cột thu sét 35

Hình II.8 Phương phát triển của khe sét khi còn ở trên cao (a) và từ độ cao định hướng (b) 36

Hình II.9 Sơ đồ nguyên lý của mô hình xác định phạm vi bảo vệ của cột thu sét 37

Hình II.10 Khu vực có xác suất 100% sét đánh vào cột thu sét 38

Hình II.11 Xác định xác suất sét đánh vào cột thu sét 38

Hình II.12 Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét 40

Hình II.13 Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét 41

Hình II.14 Góc bảo vệ của dây chống sét 42

Hình II.15 Hiện tượng sét đánh trên đường dây có treo dây chống sét 43

Hình III.1 Sơ đồ tính toán tổn thất công suất trên dây chống sét 51Hình III.2 Sơ đồ cột đường dây 220kV một mạch tính toán tổn thất điện năng trên dây chống sét 54Hình III.3 Sơ đồ cột đường dây 220kV hai mạch tính toán tổn thất điện năng trên dây chống sét 55Hình III.4 Sơ đồ cột đường dây 220kV bốn mạch tính toán tổn thất điện năng trên dây chống sét 56Hình II.5 Sơ đồ cột đường dây 500kV một mạch tính toán tổn thất điện năng trên dây chống sét 59Hình III.6 Sơ đồ cột đường dây 500kV hai mạch tính toán tổn thất điện năng trên dây chống sét 60

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Dây chống sét có nhiệm vụ chính là bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào dây dẫn Để giảm tổn thất điện năng do dòng cảm ứng từ các dây dẫn điện lên DCS người ta sử dụng giải pháp nối đất một đầu và cách ly đầu còn lại của DCS bằng khe hở phóng điện trong một khoảng néo Khi tia tiên đạo sét phát triển càng đến gần DCS thì điện áp của DCS tăng dần và đến một thời điểm nào đó sẽ làm cho khe

hở bị phóng điện, như vậy DCS vẫn giữ nguyên tác dụng bảo vệ của nó Theo “Quy phạm trang bị điện” (Phần II: Hệ thống đường dẫn điện, Chương II.5: Đường dây tải điện trên không điện áp trên 1kV đến 500kV, Mục II.5.65): “DCS không có lõi cáp quang trên tất cả các cột của đường dây trên không (ĐDK) 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, DCS được nối đất tại một điểm cột néo Nếu chiều dài khoảng néo lớn hơn thì số điểm nối đất trong khoảng néo ấy cần chọn sao cho trị số sức điện động dọc lớn nhất sinh ra trong DCS khi xảy ra ngắn mạch trên ĐDK không đánh thủng khe hở phóng điện”

Đối với ĐDK sử dụng DCS có lõi cáp quang (OPGW), theo “Quy phạm trang

bị điện” (Phần II: Hệ thống đường dẫn điện, Chương II.5: Đường dây tải điện trên không điện áp trên 1kV đến 500kV): “Khi đã sử dụng DCS có lõi cáp quang đi song song với DCS không có lõi cáp quang thì tất cả các DCS trên đều phải nối đất ở các cột” Vì vậy dòng cảm ứng từ các dây dẫn điện lên các DCS là cực đại dẫn đến tổn thất công suất trên DCS là cực đại Điện áp cảm ứng trên DCS có thể đạt 10-20kV đối với ĐDK 220kV và 35 38kV đối với ĐDK 500kV.-

Hiện nay các đường dây hầu hết được treo 02 dây chống sét: 01 dây chống sét kết hợp cáp quang, 01 dây chống sét thông thường được nối đất trực tiếp tại tất cả các vị trí cột Dẫn đến tổn thất điện năng do dòng cảm ứng từ các dây dẫn điện lên DCS tăng lên so với trường hợp DCS nối đất một đầu và cách ly đầu còn lại của DCS bằng khe hở phóng điện trong một khoảng néo

Nếu bố trí lại nối đất DCS (phân đoạn hóa DCS), dòng cảm ứng từ các dây dẫn điện lên DCS sẽ giảm, phân đoạn càng dài thì dòng cảm ứng càng thấp và như vậy, tổn thất công suất trên DCS sẽ thấp hơn Tất nhiên, trong trường hợp phân đoạn quá dài thì điện áp trên DCS có thể không đủ lớn để gây phóng điện khe hở

Do đó chiều dài phân đoạn thông thường khoảng 7km, lớn nhất khoảng 12km (theo Quy phạm trang bị điện là 10km) và nhỏ nhất khoảng 3km

Tổn thất công suất trên dây dẫn phụ thuộc vào dòng điện trên dây dẫn (thông thường khoảng 400 2000A), tổn thất trên DCS phụ thuộc vào dòng cảm ứng từ các -dây dẫn điện lên DCS (thông thường khoảng 10 40A) Tổn thất trên DCS chiếm -khoảng 0.1 đến 1% công suất truyền tải trên đường dây tùy thuộc vào cấp điện áp,

số mạch, bố trí hình học của dây dẫn trên cột (dọc, ngang, tam giác), các đặc tính về điện và cơ của DCS, độ võng, khoảng cách giữa các dây dẫn với DCS

Thông thường, việc phân đoạn hóa DCS có lợi khi chiều dài đường dây từ 24km trở lên Tất nhiên, nếu giá điện dùng để tính toán hiệu quả giảm tổn thất điện năng được lấy theo biểu giá chi phí tránh được do Bộ Công thương ban hành hàng năm (chi phí tránh được là chi phí sản xuất 1kWh của tổ máy phát có chi phí cao nhất trong hệ thống điện quốc gia, chi phí này có thể tránh được nếu giảm tổn thất điện năng) đồng thời cập nhật chi phí mua sắm, lắp đặt, bảo dưỡng cách điện, phụ kiện, hộp nối (dùng để phân đoạn hóa DCS) thì giới hạn của mức giảm tổn thất công suất và chiều dài đường dây để xét hiệu quả của việc phân đoạn hóa DCS sẽ thay đổi

Trên cơ sở hiện trạng các đường dây truyền tải điện 220kV 500kV của lưới - điện Việt Nam, đề tài đánh giá tình hình tổn thất và giải pháp giảm tổn thất điện năng trên dây chống sét của đường dây truyền tải điện 220kV, 500kV Việt Nam

II Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:

- Giải pháp bố trí DCS để giảm tổn thất điện năng;

- Xác định giới hạn của mức giảm tổn thất công suất và chiều dài ĐDK để xét hiệu quả của việc bố trí lại DCS;

- Xác định danh mục, thứ tự ưu tiên bố trí lại DCS các ĐDK thuộc lưới truyền tải điện

Đối tượng nghiên cứu: Các đường dây truyền tải điện 220kV 500kV của lưới - điện Việt Nam

Phạm vi nghiên cứu: Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu, đánh giá tình hình tổn thất và giải pháp giảm tổn thất điện năng trên dây chống sét của đường dây truyền tải điện 220kV, 500kV Việt Nam

III Ý nghĩa khoa học thực ti ễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học:

- Đề xuất phương pháp đánh giá tổn thất trên dây chống sét;

- Đề xuất phương pháp nối đất dây chống sét;

“Quy phạm trang bị điện” (cụ thể tại Phần II: Hệ thống đường dẫn điện, Chương II.5: Đường dây tải điện trên không điện áp trên 1kV đến 500kV, Mục II.5.65)

IV Cấu trúc luận văn

Luận văn cao học Đánh giá tình hình tổn thất và giải pháp giảm tổn thất điện năng trên dây chống sét của đường dây truyền tải điện 220kV, 500kV Việt Nam với các nội dung chính bao gồm:

Chương 1: Hiện trạng bảo vệ chống sét ĐDK, tình hình tổn thất công suất và điện năng của các ĐDK

Chương 2: Lý thuyết về bảo vệ chống sét ĐDK và nối đất DCS

Chương 3: Giải pháp giảm tổn thất điện năng trên DCS

Chương 4: Đánh giá tiềm năng và lộ trình thực hiện giải pháp bố trí DCS Chương 5: Kết luận và hướng mở rộng của đề tài

Để hoàn thành luận văn này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của TS Nguyễn Đức Cường, Trung tâm điều độ hệ thống điện Quốc gia Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện, Viện Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã có những ý kiến, đóng góp quý báu Do thời gian có hạn, vấn đề nghiên cứu có liên quan đến nhiều lĩnh vực và vốn hiểu biết chưa nhiều nên chắc chắn luận văn này còn nhiều thiếu sót, hạn chế Tác giả rất mong nhận được sự góp

ý của các thầy cô, các chuyên gia, bạn bè đồng nghiệp để hướng nghiên cứu sau này được tốt hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

CHƯƠNG 1: HIỆN TRẠNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG, TÌNH HÌNH TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG CỦA

CÁC ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG

Để có cơ sở đề xuất phương pháp tính toán tổn thất điện năng trên dây chống sét, xem xét đề xu t các gi i pháp nấ ả ối đất dây chống sét, trong chương này sẽ ế ti n hành t ng h p các s u v ổ ợ ố liệ ề các đường dây truy n tề ải điệ 220kV, 500kV như: quy n

mô các đường dây; hi n tr ng t n thệ ạ ổ ất điện năng; tình hình sự ố c ; các gi i pháp ảchống sét đã áp dụng

1.1 Tổng hợp chung về các đường dây

1.1.1. 

Tổng quy mô ĐD 500kV trên toàn quốc tính đến đầ năm 2017 vào khoảu ng 7.445 km, trong đó Miền B c kho ng 2.909 km chi m 39,1%, Mi n Trung kho ng ắ ả ế ề ả2.848 km chi m 38,2% và Mi n Nam kho ng 1.689 km chi m 22,7% Th ng kê ế ề ả ế ốquy mô đường dây 500kV như Bảng I.1

1 Mạch đơn (1 mạch) km 3.347

2 Mạch kép (2 mạch) km 2.049

Nguồn: Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia

Đố ới v i DCS 500kV trên toàn quốc tính đến đầu năm 2017 vào khoảng 3.976

km, trong đó Miền B c kho ng 1.461 km chi m 36,7%, Mi n Trung kho ng 1.872 ắ ả ế ề ả

km chi m 47,1% và Mi n Nam kho ng 643 km chi m 16,2% Th ng kê quy mô ế ề ả ế ốDCS 500kV như Bảng I.2

Đối v i dây ch ng sét 500kV có lõi cáp quang (OPGW) trên toàn qu c tính ớ ố ốđến đầu năm 2017 vào khoảng 4.751 km, trong đó Miền B c kho ng 2.276 km ắ ảchiếm 47,9%, Mi n Trung kho ng 1.852 km chi m 39,0% và Mi n Nam kho ng ề ả ế ề ả

623 km chi m 13,1% Th ng kê quy mô dây ch ng sét 500kV có lõi cáp quang: ế ố ố

0.2 Tổng quy mô dây chống sét và OPGW 500kV

TT Loại dây Kiểu nối đất Chiều dài Ghi chú

2 OPGW Nối đất lặp lại 1,852 Chiếm 39.0%

Nguồn: Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia

Hình I.1 Sơ đồ cột đường dây 500kV 01 mạch điển hình

Hình I.2 Sơ đồ cột đường dây 500kV 02 mạch điển hình

1.1.2. 

Tổng quy mô ĐD 220kV trên toàn quốc tính đến đầu năm 2017 vào khoảng 16.071 km, trong đó Miền Bắc khoảng 6.571 km chiếm 40,9%, Miền Trung khoảng 4.660 km chiếm 29,0% và Miền Nam khoảng 4.840 km chiếm 30 % Thống kê ,1quy mô đường dây 0kV như Bảng I.322

TT Đường dây 220kV ĐVT Chiều dài Ghi chú

Đối với dây chống sét 220kV có lõi cáp quang (OPGW) trên toàn quốc tính đến đầu năm 2017 vào khoảng 5.918 km, trong đó Miền Bắc khoảng 1.843 km chiếm 30,3%, Miền Trung khoảng 2.322 km chiếm 38,1% và Miền Nam khoảng 1.753 km chiếm 28,8% Thống kê quy mô dây chống sét 220kV có lõi cáp quang như Bảng I.4

TT Loại dây Kiểu nối đất Chiều dài Ghi chú

km

1 DCS 1,461 Chiếm 36.7% Nối đất lặp lại 514

Nối đất 1 đầu 947

2 OPGW Nối đất lặp lại 2,276 Chiếm 47.9%

TT Loại dây Kiểu nối đất Chiều dài Ghi chú

km

1 DCS 1,872 Chiếm 47.1% Nối đất lặp lại 555

Nối đất 1 đầu 1,317

2 OPGW Nối đất lặp lại 1,852 Chiếm 39.0%

2 OPGW Nối đất lặp lại 4,751

Nguồn: Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia Hình I.3 Sơ đồ cột đường dây 220kV 01

mạch điển hình

1500

4600 4600

4600 400

4100

2200 2200

4600 4600

Hình I.5 Sơ đồ cột đường dây 220kV 03 mạch điển hình

Hình I.6 Sơ đồ cột đường dây 220kV 04 mạch điển hình

Ghi chú: (*) là % tổn thất lưới 500kV/ tổng sản lượng điện nhận 500kV và 220kV (**) là % tổn thất lưới 220kV/ tổng sản lượng điện nhận 500kV và 220kV

- So sánh tổn thất điện năng lưới 500kV, 220kV và cả lưới truyền tải điện như Hình I.7

Hình I.7 Tổn thất điện năng lưới truyền tải điện giai đoạn 2012 ÷ 2016

0.6 Bảng thống kê sản lượng, tổn thất điện năng lưới truyền tải điện và các

cung đoạn đường dây 500kV giai đoạn 2012 ÷ 2016

→ Trung → Nam (Lai Châu,

Quảng Ninh → Tân Định, Cầu

Bông

tr.kWh 434,0 837,0 837,7 1.189,1 1.459,1

% so với sản lượng cả lưới % 0,41% 0,73% 0,66% 0,83% 0,91% % so với sản lượng lưới 500kV % 1,24% 2,22% 1,96% 2,42% 2,38% % so với tổn thất 500kV % 52,1% 72,1% 70,4% 83,0% 82,8%

Hình I.8 Tổn thất điện năng lưới 500kV giai đoạn 2012 ÷ 2016

Ghi chú: Tổn thất ĐZ 500kV: tính cho các cung đoạn Lai Châu (Sơn La, Quảng Ninh) → Tân Định (Cầu Bông, Sông Mây) chiều công suất Nam → Bắc

Tính cho 02 năm 2015 và 2016, so sánh tổn thất trên các ĐD 500kV đường trục cấp điện từ miền Bắc cho miền Nam với tổn thất toàn bộ lưới 500kV lần lượt là 0,83%/ 1,00% và 0,91%/ 1,10% (tương ứng chiếm tỷ lệ ~ 83% và 82,8% tổn thất của lưới 500kV), như vậy TTĐN trên các Đ 500kV liên kết Bắc D - Trung - Nam

năm 2016 chiếm tỷ trọng ~ 83% TTĐN lưới 500kV, phần còn lại bao gồm TTĐN MBA 500kV vàcác Đ 500kV nội miền chỉ chiếm tỷ trọng rất nhỏ ~ D 17% TTĐN lưới 500kV

1.3 Tổng hợp tình hình sự cố ĐDK do sét đánh từ 20 11 đến nay

1.3.1. 

Tổng số sự cố đường dây Sự cố do Sét đánh Tỷ lệ

Hình I.9 Biểu đồ sự cố trên đường dây

Năm 2011 71 (71%) 19 (19%) 4 (4%) 6 (6%) Năm 2012 80 (67%) 10 (8%) 19 (16%) 11 (9%) Năm 2013 53 (69%) 3 (4%) 7 (9%) 14 (18%)

PTC1 PTC2 PTC3 PTC4 Năm 2014 78 (61%) 6 (5%) 17 (13%) 26 (20%) Năm 2015) 50 (69%) 1 (1%) 5 (7%) 16 (22%) Năm 2016 (30/6) 42 (72%) 8 (14%) 3 (5%) 5 (9%)

Hình I 10 Biểu đồ sự cố trên đường dây tại các PTC

I.9 Thống kê sự cố đường dây 220kV, 500kV có nguyên nhân do sét đánh

Hình I 11 Biểu đồ sự cố trên đường dây có nguyên nhân do sét đánh theo tháng

Biểu đồ thống kê cho thấy sự cố đường dây 220kV, 500kV có nguyên nhân do sét đánh thường tập trung từ tháng 4 đến tháng 9 hàng năm (cao nhất là tháng 5 và tháng 6)

Các đường dây 220kV, 500kV trải dài từ Bắc đến Nam, đi qua nhiều khu vực địa hình từ núi cao đến đầm lầy Do Việt Nam nằm trong khu vực khí hậu khắc nghiệt, thường xuyên có nhiều giông sét xảy ra với mật độ dày và cường độ cao, đặc biệt là tại các vùng núi đá cao, vùng chuyển tiếp giữa đồi núi, trung du với đồng bằng

Qua thống kê, các đường dây 220kV, 500kV đi qua vùng đồi núi cao, rừng rậm, vượt thung lũng; đi qua khu vực có nhiều mỏ than, quặng; đi qua vùng đất có điện trở suất của đất lớn thường xuyên xảy ra sự cố do sét (như khu vực Sơn La, Lai Châu, Hà Giang, Bắc Cạn, Thái Nguyên, Quảng Ninh, )

Tên Đường dây Số sự cố do sét qua các năm

Tên Đường dây Số sự cố do sét qua các năm

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Hòa

Qua th ng kê s c ố ự ố đường dây các năm qua có thể nh n th y s c ậ ấ ự ố đường dây

có nguyên nhân do sét x y ra ch yả ủ ếu vào mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 9 hàng năm; Sự ố ả c x y ra nhi u nh t khu v c phía B c do khu về ấ ở ự ắ ực này có địa hình núi cao với cường độ, mật độ sét l n; trên 70% s c ớ ự ố đường dây do sét t ự động đóng

l p l i thành công, không gây mặ ạ ất điện

Trên cơ sở phân tích nguyên nhân s c , EVNự ố NPT xác định m t s nguyên ộ ốnhân s c ự ố khi có sét đánh vào đường dây, c ụ thể như sau:

1.3.2.1 Thiếu dữ liệu về sét (cường độ, mật độ sét), bản đồ phân vùng sét

- Dữ liệu về giông sét phục vụ thiết kế bảo vệ chống sét đường dây đang sử dụng không còn phù hợp, không chuẩn xác: Hiện nay thiết kế chống sét đang sử dụng dữ liệu sét theo tiêu chuẩn TCVN 4088 1985 đã không còn phù hợp.-

- Số liệu về mưa giông, giông sét đang được các đơn vị tư vấn thiết kế cập nhật trên cơ sở số liệu của các cơ quan khí tượng thủy văn địa phương không chuẩn xác về cường độ, mật độ sét và dạng sét (từ mây - mây, mây - đất) dẫn đến tính toán suất cắt không chuẩn xác

- Hiện nay một số đơn vị tư vấn thiết kế điện có tham khảo thêm dữ liệu giông sét theo QCVN số 02:2009/BXD ngày 14/8/2009 của Bộ Xây Dựng ban hành

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng Tuy nhiên dữ liệu này cũng chưa đáp ứng yêu cầu về cường độ sét, dạng sét (chỉ có mật

1.3.2.2 Nguyên nhân từ giai đoạn thiết kế bảo vệ chống sét cho đường dây

- Chưa có quy định cụ thể trong phối hợp thiết kế bảo vệ chống sét đường dây (phối hợp góc bảo vệ dây chống sét, sơ đồ cột, phối hợp cách điện, thiết kế tiếp địa)

- Hầu hết các thiết kế đường dây không tính suất cắt do sét (không xác định được phạm vi, khả năng bảo vệ chống sét theo thiết kế ban đầu) nên không thể đánh giá được hiệu quả của các giải pháp xử lý giảm sự cố do sét trong quá trình quản lý vận hành

- Công tác thiết kế bảo vệ chống sét cho đường dây trước đây chưa thật sự được chú trọng, thiết kế hệ thống tiếp địa cột đường dây chưa đảm bảo hiệu quả tiêu thoát sét dẫn đến phóng điện ngược do: tiếp địa quấn nhiều vòng quanh trụ móng, xếp vòng dưới đáy móng, đi trong bê tông móng, sợi tiếp địa kéo dài đến 340m quấn quanh trụ móng và kéo dài ra; Thiết kế đồng nhất toàn tuyến đường dây mà chưa xem xét cụ thể đến điều kiện đặc điểm từng vùng, từng vị trí cột để có thiết kế phối hợp các giải pháp bảo vệ chống sét phù hợp cho đường dây;

1.3.2.3 Nguyên nhân do chất lượng thi công tiếp địa đường dây

Tiếp địa thi công không đúng theo thiết kế: Tia tiếp địa chôn không đủ độ sâu; các sợi tiếp địa chập vào nhau và để dưới đáy móng; các sợi tiếp địa chập vào nhau

và chôn cùng vào 01 rãnh; không rải dây đúng hướng tia ra mà quấn vo tròn nhiều

vòng và chôn tại một chỗ; không được đầm chặt khi chôn tiếp địa; lấp đá, đất lẫn sỏi hoặc đất có độ rời rạc cao xung quanh sợi tiếp địa;

1.3.2.4 Đối với công tác quản lý vận hành, sửa chữa

- Một số đường dây đi qua khu vực dễ ăn mòn, do chỉ đo giá trị điện trở theo định kỳ mà chưa chú trọng kiểm tra chất lượng tia tiếp địa Khi xảy ra sự cố mới đào kiểm tra thì phát hiện tiếp địa đã bị đứt, bị ăn mòn hết hoặc gần hết

- Công tác phân tích nguyên nhân sự cố do sét còn yếu, chưa được chú trọng

và chưa quyết liệt

- Các giải pháp giảm sự cố chủ yếu dựa trên kinh nghiệm vì khi phân tích sự

cố chưa xác định đúng nguyên nhân là do đánh vào đỉnh cột, dây chống sét hay trực tiếp vào dây dẫn nên chưa có giải pháp xử lý phù hợp (xử lý tiếp địa cột, góc bảo vệ dây chống sét, phối hợp cách điện, lắp chống sét van, )

1.3.2.5 Một số nguyên nhân khác

- Do các đường dây truyền tải ngày càng mở rộng, chủ yếu đi qua khu vực đồi núi cao có mật độ sét lớn và một phần chịu tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu (giông sét xảy ra nhiều hơn, cường độ lớn hơn)

- Việc xem nguyên nhân sự cố đường dây do sét đánh là khách quan, bất khả kháng nên chưa có sự quan tâm, đầu tư và đánh giá đúng tình hình, vì vậy chưa quyết liệt xử lý giảm sự cố do sét đánh trên đường dây

- Chi phí cho các giải pháp giảm sự cố do sét rất lớn (sửa chữa tiếp địa cột, lắp chống sét van)

1.4 Các giải pháp chống sét ĐDK đã thực hiện tại EVN NPT

Trên cơ sở phân tích, đánh nguyên nhân tại sao sét đánh gây phóng điện để từ

đó có giải pháp giảm thiểu sự cố lưới điện truyền tải hiệu quả Các giải pháp đã được thực hiện:

1.4.1. 

1.4.1.1 Quy định thiết kế hạng mục hệ thống nối đất chân cột đường dây

- Đã có các văn bản chỉ đạo, hướng dẫn trong công tác thiết kế, thi công, sửa chữa, bảo dưỡng, đo kiểm tra định kỳ tiếp địa đường dây

- Đã ban hành “Quy định thiết kế hạng mục hệ thống nối đất đường dây tải điện trên không 220kV, 500kV” nhằm thống nhất quy cách thiết kế hệ thống nối đất chân cột hiệu quả cho đường dây truyền tải điện trên không

1.4.1.2 Sửa chữa, hoàn công tiếp địa

- Công tác sửa chữa tiếp địa đã được quan tâm, đánh giá đúng mức và đưa công tác sửa chữa hàng năm theo thứ tự sắp xếp ưu tiên trên cơ sở nguồn lực có thể đáp ứng Tận dụng nguồn lực,vật tư sẵn có và rẻ tiền như bổ sung tăng thêm sợi tiếp địa tận dụng dây chống sét TK 70 thu hồi để làm sợi tiếp địa; iảm giá trị điện trở - gsuất của đất ở khu vực đồi núi cao (vùng có điện trở suất (ρ) đất lớn) bằng cách dùng bột GEM, bổ sung than hoạt tính, đất mùn; Sửa chữa bảo dưỡng định kỳ tiếp địa (sơn chống rỉ ở mặt tiếp giáp âm dương, hàn nối các sợi tiếp địa bị đứt, …).-

- Nghiên cứu các giải pháp xử lý tiếp địa hiệu quả của một số nước như Nhật Bản, Thái Lan

- Yêu cầu phải kiểm soát tuyệt đối tiếp địa theo 03 tiêu chí gồm độ chôn sâu, hướng đi của tia tiếp địa và chất lượng tia tiếp địa (tia tiếp địa không bị rỉ mọt, ăn mòn 1/2 sợi; vùng đất quanh tia tiếp địa không được lấp đá, đất lẫn đá, đất có độ rời rạc cao; đảm bảo độ đầm chặt khi chôn lấp tiếp địa) trong thi công sửa chữa cũng như trong đầu tư xây dựng

- Có yêu cầu về việc đo, kiểm tra giá trị điện trở (hoặc tổng trở) và xử lý tiếp địa trong quá trính quản lý vận hành cũng như trong quá trình nghiệm thu tiếp địa 1.4.2. 

- Kết quả đề tài Đề tài nghiên cứu các giải pháp giảm sự cố do sét trên đường dây 220kV Thanh Thủy - Hà Giang - TĐ Tuyên Quang - Yên Bái - Thái Nguyên

phân tích, đánh giá và đưa ra nhận định “khi tăng 04 bát cách điện thì dòng điện sét nhỏ nhất tăng từ 73kA lên 98kA, tương đương với giảm điện trở tiếp địa từ 27,63Ω xuống 10Ω” và thực tế chứng minh hiệu quả khi thực hiện bổ sung cách điện cho các cung đoạn đường dây 220kV Guman - Lào Cai, Malutang - Hà Giang (tăng từ

15 bát/chuỗi lên 19 bát/chuỗi)

- Việc bổ sung cách điện kết hợp với điều chỉnh tăng khoảng cách khe hở phóng điện của chuỗi cách điện thật sự mang lại hiệu quả, tuy nhiên giải pháp này

bị giới hạn về khoảng cách an toàn pha đất nên cần xem xét đối với từng vị trí và - khoảng cột cụ thể (có thể chỉ bổ sung được 01 đến 02 bát/chuỗi)

- Trường hợp không bổ sung được bát cách điện riêng lẻ thì thay thế chuỗi cách điện có chiều dài dòng rò lớn hơn, kết hợp kéo dài khoảng cách khe hở phóng điện (thay thế bát cách điện, thay bằng chuỗi cách điện composite có chiều dài dòng

rò lớn hơn) Việc thay thế chuỗi cách điện này thực hiện đối với cả các đường dây

đi qua vùng có mức độ nhiễm bẩn tăng do phát triển kinh tế, xã hội, đô thị hóa, biến đổi khí hậu và các đường dây thiết kế cũ với mức nhiễm bẩn thấp (vùng đất đỏ Tây Nguyên, các vùng núi ven biển có hiện tượng bám rêu, )

- Thực hiện công tác vệ sinh sứ cách điện định kỳ và tăng cường đối với những vùng có độ nhiễm bẩn cao vào các mùa (có cắt điện và vệ sinh hotline) 1.4.3. 

Từ năm 2007 đã lắp đặt 45 bộ chống sét van trên đường dây mua điện Trung Quốc qua Lào Cai, đến năm 2010 lắp đặt chống sét van có khe hở trên đường dây 220kV Uông Bí - Tràng Bạch theo đề án thử nghiệm phối hợp với Toshiba và đến nay đã lắp đặt chống sét van cho các cung đoạn đường dây 220kV mua điện Trung Quốc qua Hà Giang và hoàn thiện lắp đặt chống sét van cho đường dây mua điện Trung Quốc qua Lào Cai; cũng đã triển khai lắp đặt chống sét van cho các cột vượt sông có chiều cao lớn ở khu vực miền Nam

Chủ động điều chuyển chống sét van các vị trí không tác động về lắp cho các

vị trí sự cố do sét và theo dõi diễn biến các khu vực có nhiều dông sét

1.4.4 

Giải pháp này phụ thuộc hoàn toàn vào kết cấu và khả năng chịu lực của cột thiết kế ban đầu Do vậy giải pháp này không được thực hiện rộng rãi (đến nay chỉ thực hiện cho 216 vị trí cột, giảm góc bảo vệ từ 20º xuống 11º đối với đường dây 220kV Phú Mỹ - Long Thành)

1.4.5 

Từ năm 2013 đã triển khai cho lắp dây néo giảm tổng trở cột đối với các vị trí

đã bị sự cố, các vị trí trên đồi núi cao có nguy cơ sự cố (đường dây 220kV mua điện Trung Quốc mạch 2, Nho Quế Cao Bằng, Tràng Bạch Hoành Bồ, …) theo Đề tài - - của Viện Điện - trường ĐHBK Hà Nội phối hợp với PTC1

1.4.6 L

Từ năm 2010 đã nghiên cứu phương pháp lắp chống sét đa tia phân tán trên đỉnh cột và đã cho lắp thử nghiệm 15 bộ trên một cung đoạn có nhiều sự cố của ĐD 220kV Tuyên Quang - Bắc Cạn Thái Nguyên (ĐD có nhiều sự cố nhất) Hiện - nay các đơn vị đang tiếp tục theo dõi, đánh giá để xem xét triển khai lắp cho các vị trí cột sao cho có hiệu quả nhất

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐƯỜNG DÂY TRÊN

KHÔNG VÀ NỐI ĐẤT DÂY CHỐNG SÉT

Trong chương 1, luận văn đã mô tả ề v hi n tr ng và tình hình t n th t công ệ ạ ổ ấsuất, điện năng trên các đường dây truy n tề ải điện 220kV, 500kV Trong chương này trình bày các cơ sở lý thuy t v sét, lý thuy t v gi i pháp ch ng sét và nế ề ế ề ả ố ối đất cho đường dây tải điện trên không (Luận văn tham khảo giáo trình K ỹ thuật điện cao áp c a tác gi Nguy n Hoàng Vi t (2007), NXB ủ ả ễ ệ Đạ ọi h c Qu c gia TP H Chí ố ồMinh)

2.1 Sét - Nguồn gốc của quá điện áp khí quyển

2.1.1. 

Sét thực chất là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách rất lớn Chiều dài trung bình của khe sét khoảng 35 km, phần lớn chiều dài đó phát triển trong các đám mây dông Quá trình phóng điện của sét tương tự như quá trình phóng điện tia lửa trong điện trường rất không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn Chính sự tương tự đó đã cho phép mô phỏng sét trong phòng thí nghiệm

để nghiên cứu những quy luật của nó và nghiên cứu những biện pháp bảo vệ chống sét

Hiển nhiên, sét khác với phóng điện trong không khí tiến hành trong phòng thí nghiệm không chỉ ở qui mô mà còn ở đặc điểm riêng biệt của nguồn điện áp của nó tức là những đám mây dông tích điện

Thực tế, sự hình thành các cơn dông luôn luôn gắn liền với sự xuất hiện của những luồng không khí nóng ẩm khổng lồ từ mặt đất bốc lên Các luồng không khí này được tạo thành hoặc do sự đốt nóng mặt đất bởi ánh nắng mặt trời, đặc biệt ở các vùng cao (dông nhiệt) hoặc do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm với không khí lạnh nặng (dông nhiệt), luồng không khí nóng ẩm bị đẩy lên trên Ở các vùng đồi núi cao, các luồng không khí nóng ẩm trườn theo sườn núi lên cao đó

là dòng địa hình Sau khi đã đạt được một độ cao nhất định (khoảng vài km trở lên),

luồng không khí nóng ẩm này đi vào vùng nhiệt độ âm, bị lạnh đi, hơi nước ngưng

tụ lại thành những giọt nước li ti hoặc thành các tinh thể băng Chúng tạo thành các đám mây dông (Hình II.1), còn được gọi là mây tích tụ

Hình II.1 Sự phân bố điện tích trong một đám giông

Từ lâu, người ta đ khẳng định về nguồn tạo ra điện trường khổã ng l ồ giữa các mây dông và mặt đất chính là những điện tích tích tụ trên các hạt nước li ti và lái tinh thể băng của các đâm mây dông đ ó Nhưng do đâu có sự nhiễm điện của các hạt nước và tinh thể băng cũng như sự phân li các điện tích thì có nhiều giả thuyết khác nhau và chưa được hoàn toàn nhất trí (trong phạm vi cuốn sách này sẽ không

đi sâu vào các giả thuyết đó) Ví dụ, có giả thuyết cho rằng, dưới tác dụng của điện trường của quả đất (quả đất mang một điện tích âm khoảng - 5,4x10+5C), các hạt nước bị phân cực, đầu dưới nhận điện tích dương và đầu trên nhận điện tích âm Các giọt nước lớn, do trọng lượng của nó rơi xuống gặpp các ion tự do (gần mặt đất có khoảng 600 đôi ion trong 1 cm3 không khí, càng lên cao mật độ ion càng cao) bay chậm hơn trong không khí, hấp thu các ion âm bằng đầu dương của nó ở phía trước và đẩy các ion dương tự do ra xa Kết quả là giọt nước mang điện tích âm thừa

Các giọt nước bé đã phân cực, thì bị các luồng không khí đẩy lên phía trên hấp thụ các ion dương bằng đầu âm của mình, đẩy ion âm tự do ra xa và do đó mang điền tích dương thừa Như vậy theo giả thuyết này, phần dưới của các đám mây dông mang điện tích âm, phù hợp với thực tế là phần lớn các phóng điện sét xuống đết (80÷90%) có cực tính âam Nhưng giả thuyết này vẫn chưa giải thích được một

thực tế, là hơn một nửa thể tích của đám mây không phải được tạo thành từ các giọt nước mà từ các tinh thể băng và bông tuyết mà hình dạng và cấu tạo của chúng làm cho chúng khó có thể bị phân cực bởi điện trường của quả đất

Tóm lại, các giả thuyết cho đến nay đều chưa giải thích được một cách triệt để

về nguồn điện tích của các đám mây dông và sự phân li chúng, khiến người ta nghĩ rằng trong thực tế có thể có nhiều nguyên nhân đồng thời tác động và rất phức tạp Nhưng có điều chắc chắn là trong suốt cơn dông, các điện tích dương và điện tích âm bị các luồng không khí mãnh liệt tách rời nhau, gắn liền với sự phân bố các tinh thể băng tuyết trên tầng đỉnh và các giọt nước mưa ở tầng đáy của đám mây dông Sư tách rời điện tích này tùy thuộc vào độ cao của đám mây, nằm trong khoảng từ 200÷10.000m, với tâm của chúng cách nhau ước khoảng từ 300÷5000m Lượng điện tích trong các đám mây tham gia vào cơn sét vào khoảng từ 1÷100C và

có thể cao hơn Điện thế của các đám mây dông vào khoảng 107÷108V Năng lượng tỏa ra bởi một cơn sét khoảng 250kWh

Kết quả quan trắc cho thấy phần dưới của các đám mây dông chủ yếu chứa điện tích âm, do đó cảm ứng trên mặt đất những điện tích dương tương ứng và tạo nên một tụ điện không khí khổng lồ Cường độ điện trường trung bình nơi đồng nhất thường ít khi quá 1kV/cm, nhưng cá biệt nơi mật độ điện tích cao, hoặc nơi có vật dẫn điền tốt nhô lên cao trên mặt đất điện trường cục bộ có thể cao hơn nhiều và

có thể đạt đến ngưỡng ion hóa không khí (ở mặt đất trị số này 25÷30kV/cm và càng lên cao càng giảm, ở đô cao một vài km giảm còn khoảng 10kV/cm) sẽ gây ion hóa không khí tạo thành dòng plasma, mở đầu cho quá trình phóng điện sét phát triển giữa mây dông và mặt đất

Quá trình phóng điện sét này gồm có ba giai đoạn chủ yếu:

1- Thoạt tiên xuất phát từ máy dông một dải sáng mờ kéo dài từng đợt gián đoạn về phía mặt đất với tốc độ trung bình khoảng 105÷106 m/s Đấy là giai đoạn phóng điện tiên đạo từng đợt đượ gọi là tiên đạo bậc (stepped leader) Kênh tiên đạo

là một dòng plasma mật độ điện tích không cao lắm, khoảng 1013÷1014 ion/m3 Một phần điện tích âm của mây dông tràn vào kênh và phân bố tương đối đều dọc theo

chiều dài của nó

Thời gian phát triển của tia tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1µs, tương ứng tia tiên đạo dài thêm trung bình được khoảng vai chục mét đến bốn năm chục mét Thời gian tạm ngưng phát triển giữa hai đợt liên tiếp khoảng 30÷90µs Điện tích âm từ mây tràn vào kênh tiên đạo bằng Q = lσ với là chiều dài l kênh Điện tích này thường chiếm khoảng 10% lượng điện tích chạy vào đất trong một lần pháng điện sét Dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi điện tích âm của mây dông và điện tích âm trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích cảm ứng trái dấu (điện tích dương) trên vùng mặt đất phía dưới đám mây dông Nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên đạo Nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn khác nhau thì điện tích cảm ứng

sẽ tập trung chủ yếu ở vùng kế cận, nơi có điện dẫn cao như vùng quặng kim loại, vùng đất ẩm, ao hồ, sông ngòi, vùng nước ngầm, kết cấu kim loại các nhà cao tầng, cột điện, cây cao bị ướt trong mưa và nơi đó thường là nơi đổ bộ của sét

Cường độ điện trường ở đầu kênh tiên đạo trong phần lớn giai đoạn phát triển của nó (trong mây dông), được xác định bởi điện tích bản thân của kênh và của điện tích tích tụ ở đám mây Đường đi của kênh trong giai đoạn này không phụ thuộc vào tình trạng của mặt đất và các vật thể ở mặt đất, phương có cường đô điện trường cao nhất phụ thuộc vào nhiều nhân tố ngẫu nhiên phức tạp Chỉ khi kênh tiên đạo còn cách mặt đất một độ cao nào đó (độ cao định hướng), thì mới thấy rõ dần ảnh hưởng của sự tập trung điện tích ở mặt đất và ở các vật dẫn nhô khỏi mặt đất đối với hướng phát triển tiếp tục của kênh Kênh sẽ phát triển theo hướng có cường

độ điện trường lớn nhất Như vậy, vị trí đổ bộ của sét mang tính chọn lọc Trong kỹ thuật, người ta đã lợi dụng tính chọn lọc đó để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình, bằng cách dùng các thanh hoặc dây thu sét bằng kim loại được nối đất tốt, đặt cao hơn công trình cần bảo vệ để hướng sét phóng vào đó, hạn chế khả năng sét đánh vào công trình

Ở những vật dẫn có độ cao lớn như các nhà chọc trời, cột điện đường dây cao

áp, cột anten các đài thu phát thanh, truyền hình, bưu điện thì từ đỉnh của nó, nơi

điện tích trái dấu tập trung nhiều làm cho cường độ trường cục bộ tăng cao cũng sẽ đồng thời xuất hiện ion hóa không khí, tạo nên dòng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây dông Chiều dài của kênh tiên đạo từ dưới lên này tăng theo độ cao của vật dẫn, có thể đạt đến độ cao một vài trăm mét và tạo điều kiện dễ dàng cho sự định hướng của sét vào vật dẫn đó Quá trình này thường được gọi là quá trình phóng điện đón sét Những đầu thu sét thế hệ mới xuất hiện vào những năm của thập kỷ 80 và 90 thế kỷ chính là đã ứng dụng hiệu ứng này để tăng khả năng đón bắt kênh tiên đạo từ trênmây dông xuống, hạn chế xác suất sét đánh vào công trình được bảo vệ

2- Giai đoạn phóng điện chính (hay phóng điện ngược) Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất (thời gian vào khoảng 20ms) hoặc tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiều, thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chính, tương tự như các quá trình phóng điện ngược trong chất khí ở điện trường không đồng nhất Trong khoảng cách khí còn lại giữa đầu kênh tiên đạo và mặt đất (hoặc giữa hai đầu kênh tiên đạo ngược chiều) cường độ điện trường tăng cao gây nên ion hóa mãnh liệt không khí, dẫn đến sự hình thành một dòng plasma mới, có mật độ điện tích cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của kênh tiên đạo (1016 ÷

1019 ion/m3) , điện dẫn của nó tăng hàng trăm, hàng ngàn lần, điện tích cảm ứng từ mặt đất tràn vào dòng ngược này trung hòa điện tích âm của kênh tiên đạo trước đây

và thực tế đầu dòng mang điện thế của đất, làm cho cường độ điện trường ở khu vực tiếp giáp của hai dòng plasma ngược chiều nhau tăng lên gây ion hóa mãnh liệt không khí ở khu vực này và như vậy đầu dòng plasma điện dẫn cao tiếp tục phát triển ngược lên trên theo đường đã được dọn sẵn bởi kênh tiên đạo Tốc độ của kênh phóng điện ngược vào khoảng 1,5.107 ÷ 1,5.198 m/s (bằng 0,05 ÷ 0,5 tốc độ ánh sáng) tức là nhanh gấp trên trăm lần tốc độ phát triển của dòng tiên đạo Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt nên kênh phóng điện chính sáng chói chang (đó chính là tia chớp) Nhiệt độ trong kênh phóng điện có thể đến vài ba chục ngàn 0C, (gấp vài ba lần nhiệt độ trên bề mặt mặt trời) Và sự dãn nở đột ngột của không khí bao quanh kênh phóng điện chính tạo nên những đợt sóng âm mãnh liệt, gây nên

những tiếng nổ chát chúa (đó là tiếng sấm) và tiếng rền ì ầm kéo dài Đặc điểm quan trọng nhất của phóng điện chính là cường độ dòng lớn Nếu v là tốc độ của phóng điện chủ yếu và s là mật độ đường của điện tích thì dòng điện sét sẽ đạt giá trị cao nhất khi kênh phóng điện chính lên đến đám mây dông và bằng Is = s.v Đó chính là dòng ngắn mạch khoảng cách khí giữa mây đất, có trị số từ vài kA đến trên vài trăm -

kA

3- Giai đoạn kết thúc được đánh dấu khi kênh phóng điện chính lên tới đám mây, điện tích cảm ứng từ mặt đất theo lên, tràn vào và trung hòa với điện tích âm của đám mây, một phần nhỏ của số điện tích còn lại của mây sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống đất và cũng tạo nên ở chỗ sét đánh một dòng điện có trị số giảm dần tương ứng phần đuôi sóng của xung dòng sét Sự tỏa sáng mờ dần Trong 50% các trường hợp, sự tháo điện tích xuống đất này tạo nên một dòng không đổi khoảng 100A, kéo dài có thể đến 0,1s Do thời gian kéo dài như vậy nên hiệu ứng nhiệt do

nó gây nên cũng không kém phần nguy hiểm cho các công trình bị sét đánh

Kết quả quan trắc sét cho thấy rằng, một cơn sét thường gồm nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau, trung bình là ba lần, nhiều nhất có thể đến vài ba chục lần Thời gian giữa các lần phóng điện kế tiếp nhau trung bình khoảng 30 50ms, nhưng có ÷thể kéo dài đến 0,1s nếu có dòng không đổi trong giai đoạn kết thúc Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục (không phải từng đợt như lần đầu), không phân nhánh và theo đúng quĩ đạo của lần đầu nhưng với tốc độ cao hơn (2.106 m/s) , thường gọi là tiên đạo hình kim (needle leader) cũng còn có tên gọi là tiên đạo hình mũi tên (dart leader) Mỗi lần phóng điện tạo nên một xung dòng sét Các xung sét sau thường có biên độ bé hơn, nhưng độ dốc đầu sóng cao hơn nhiều

so với xung đầu tiên Một cơn sét có thể kéo dài đến 1,33s

Sự phóng điện nhiều lần của sét được giải thích như sau: Đám mây dông có thể có nhiều trung tâm điện tích khác nhau, hình thành do các dòng không khí xoáy trong mây Lần phóng điện đầu tiên, dĩ nhiên sẽ xảy ra giữa đất và trung tâm điện tích có cường độ điện trường cao nhất

Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo thì hiệu thế của trung tâm điện tích này