mô phỏng tính toán quá điện áp do sét trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp monte carlo

mô phỏng tính toán quá điện áp do sét trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp monte carlo

Mục lục

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ CỐ DO SÉT ĐỐI VỚI ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 6

1.1 Tình hình giông sét tại Việt Nam 6

1.2 Ảnh hưởng của giông sét đến đường dây truyền tải 8

1.3 Hiện tượng quá điện áp do sét trên đường dây truyền tải 9

1.4 Kết luận 11

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN SUẤT CẮT DO SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 12

2.1 Phương pháp cổ điển 12

2.1.1 Suất cắt do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn 12

2.1.2 Suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột hoặc đánh vào khoảng vượt 15

2.1.3 Nhận xét 17

2.2 Phương pháp CIGRE 18

2.2.1 Suất cắt do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn 18

2.2.2 Suất cắt do sét đánh đỉnh cột hoặc khoảng vượt 22

2.2.3 Nhận xét 32

2.3 Phương pháp Monte Carlo 33

2.3.1 Các bước tính toán của phương pháp Monte Carlo 34

2.3.2 Tính hội tụ của phương pháp Monte Carlo 37

2.3.3 Nhận xét 38

2.4 Chương trình EMTP/ATP (Electromagnetic transient program) 38

2.5 Kết luận 39

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN SUẤT CẮT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 220kV BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO 41

3.1 Giới thiệu về đường dây 220kV sử dụng trong tính toán mô phỏng 41

3.2 Các mô hình sử dụng trong mô phỏng EMTP 44

3.2.1 Xây dựng mô hình đường dây 44

3.2.2 Mô hình cột 46

3.2.3 Sóng sét 47

3.2.4 Mô hình chuỗi cách điện và mô hình mỏ phóng 48

3.2.5 Mô hình chống sét van 48

3.3 Xác định các tham số ngẫu nhiên 49

3.3.1 Biên độ dòng sét, thời gian đầu sóng, thời gian đuôi sóng 49

3.3.2 Phân bố góc của cú sét 51

3.3.3 Phân bố điện trở chân cột 51

3.3.4 Thời điểm xảy ra sét đánh 52

3.4 Kết quả mô phỏng tính toán suất cắt bốn tuyến đường dây 220kV 52

3.4.2 Phân bố cường độ dòng sét gây ra phóng điện khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vượt 53

3.4.3 Phân bố giá trị thời gian đầu sóng tf của cú sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vượt gây phóng điện 55

3.4.4 Mối quan hệ giữa cường độ dòng sét và giá trị thời gian đầu sóng tf khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vượt gây phóng điện 56

3.4.5 Mối quan hệ giữa cường độ dòng sét và giá trị điện trở cột khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vượt gây ra phóng điện 56

3.4.6 Phân bố góc sét khi sét đánh vào dây dẫn gây phóng điện 58

3.5 Kết luận 58

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 60

4.1 Kết luận 60

4.2 Hướng phát triển đề tài 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bản đồ mật độ giông sét thế giới 6

Hình 1.2 Bản đồ mật độ sét tại Việt Nam 7

Hình 1.3 Thống kê sự cố của Công ty truyền tải điện 1 8

Hình 1.4 Suất cắt của đường dây 220kV theo thống kê 8

Hình 1.5 Quá điện áp do sét trên đường dây truyền tải 9

Hình 2.1 Các bước tính toán suất cắt do sét đánh vào dây dẫn theo phương pháp cổ điển 12

Hình 2.2 Diện tích thu hút sét của đường dây xác định theo phương pháp cổ điển 14

Hình 2.3 Các bước tính toán suất cắt khi sét đánh vào khoảng vượt 15

Hình 2.4 Xác định thời gian xảy ra phóng điện theo phương pháp cổ điển và miền nguy hiểm 17

Hình 2.5 Mô hình điện hình học xác định diện tích thu hút sét do sét đánh vào dây dẫn theo phương pháp CIGRE 18

Hình 2.6 Một bên mô hình điện hình học 19

Hình 2.7 Xác định rgm và Im 20

Hình 2.8 Phân bố xác suất tích luỹ cường độ dòng sét 22

Hình 2.9 Sự lan truyền sóng khi sét đánh vào dây chống sét 23

Hình 2.10 Điện áp tại các điểm trên cột và điện áp đặt lên chuỗi cách điện khi sét đánh vào đỉnh cột 23

Hình 2.11 Hệ số khoảng vượt 26

Hình 2.12 Điện áp đặt lên chuỗi cách điện và dạng xung chuẩn để thử nghiệm xác định CFO của cách điện 28

Hình 2.13 Xác định miền nguy hiểm của từng pha đối với đường dây 345kV 29

Hình 2.14 Ảnh hưởng của thời gian đầu sóng tới cường độ dòng sét nhỏ nhất gây phóng điện trên cách điện của đường dây 230kV và 500kV 30

Hình 2.15 Vòng lặp xác định tf và IC theo phương pháp CIGRE 31

Hình 2.16 Hình dạng cột đường dây 400kV được Martinez sử dụng trong tính toán suất cắt sử dụng phương pháp Monter Carlo 33

Hình 2.17 Sơ đồ thuật toán tính toán suất cắt do sét của đường dây theo phương pháp Monte Carlo dựa trên mô hình tính toán quá điện áp xây dựng trong EMTP/ATP 34

Hình 2.18 Mô hình điện hình học khi xét đến phân bố góc của sét 36

Hình 2.19 Chương trình con trong EMTP/ATP 39

Hình 3.1 Phân bố mật độ xác suất và phân bố tích luỹ giá trị điện trở trên tuyến Thanh

Thuỷ Hà Giang 41

Hình 3.2 Phân bố mật độ xác suất và phân bố tích luỹ giá trị điện trở trên tuyến Hà Giang – Thuỷ điện Tuyên Quang 42

Hình 3.3 Phân bố mật độ xác suất và phân bố tích luỹ giá trị điện trở trên tuyến Tuyên Quang – Yên Bái 42

Hình 3.4 Phân bố mật độ xác suất và phân bố tích luỹ giá trị điện trở trên tuyến Tuyên Quang – Bắc Cạn – Thái Nguyên 43

Hình 3.5 Suất cắt do sét theo thống kê của bốn tuyến đường dây 44

Hình 3.6 Mô hình đường dây trong EMTP/ATP 44

Hình 3.7 Thông số đường dây sử dụng trong chương trình EMTP 45

Hình 3.8 Mô hình cột sử dụng trong chương trình EMTP 46

Hình 3.9 Dạng sóng nguồn dòng Slope – ramp 47

Hình 3.10 Các tham số của nguồn dòng sét trong mô phỏng EMTP 47

Hình 3.11 Đặc tính chống sét van có khe hở (EGLA) 49

Hình 3.12 Hàm phân bố mật độ xác suất của cường độ dòng sét sử dụng trong mô phỏng 50

Hình 3.13 Hàm phân bố mật độ xác suất của thời gian đầu sóng sử dụng trong mô phỏng 50

Hình 3.14 Phân bố góc của cú sét 51

Hình 3.15 So sánh suất cắt của một số đường dây theo thống kê với kết quả tính theo phương pháp Monte Carlo và phương pháp cổ điển 52

Hình 3.16 Phân bố cường độ dòng sét gây ra phóng điện khi sét đánh vào đỉnh cột 54

Hình 3.17 Phân bố giá trị thời gian đầu sóng của những cú sét đánh vào đỉnh cột gây ra phóng điện 55

Hình 3.19 Mối quan hệ giữa cường độ dòng sét và giá trị thời gian đầu sóng tf khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vượt gây phóng điện 56

Hình 3.20 Mối quan hệ giữa cường độ dòng sét và giá trị điện trở cột khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vượt gây ra phóng điện 57

Hình 3.21 Phân bố góc sét của những cú sét đánh vào dây dẫn gây phóng điện 58

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

BFR Suất cắt do phóng điện ngược (Back Flashover Rate)

c Vận tốc truyền sóng

CFO Điện áp phóng điện bề mặt (Critical Flashover)

CFONS Điện áp phóng điện bề mặt ở điện áp không tiêu chuẩn (Critical Flashover

Non-Standard)

DC Khu vực sét đánh vào dây dẫn

Dg Khu vực sét đánh vào dây chống sét

g() Phân bố góc sét

IC Cường độ dòng sét nhỏ nhất gây ra phóng điện khi sét đánh vào dây dẫn

Im Cường độ dòng sét lớn nhất gây ra phóng điện khi sét đánh vào dây dẫn

KSF Hệ số khoảng vượt

KSP Hệ số suy giảm do chiều dài khoảng vượt

KTA Tỷ số giữa điện áp tại vị trí pha A với cường độ dòng sét

KTT Tỷ số giữa điện áp tại đỉnh cột với cường độ dòng sét

Nc Suất cắt do sét của đường dây

Nđc Số lần sét đánh vào đỉnh cột

Ndd Số lần sét đánh vào dây dẫn

Ng Mật độ giông sét

P (I > Ic) Xác suất xuất hiện dòng điện sét có cường độ lớn hơn Ic

SFFOR Suất cắt do sét của đường dây khi sét đánh vào dây dẫn (Shielding Failure

Flashover Rate)

Sg Khoảng cách giữa hai dây chống sét

TA Thời gian truyền sóng từ vị trí dây dẫn pha A

tf Thời gian đầu sóng

TT Thời gian truyền sóng trên cột

VTA Điện áp tại vị trí pha A

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ CỐ DO SÉT ĐỐI VỚI ĐƯỜNG

DÂY TRUYỀN TẢI

1.1 Tình hình giông sét tại Việt Nam

độ giông sét là 8,2 lần/100km.năm, trong khi đó ở Bình Thuận mật độ giông sét rất thấp (1,4 lần/1km2.năm)

Hình 1.2 Bản đồ mật độ sét tại Việt Nam [2]

1.2 Ảnh hưởng của giông sét đến đường dây truyền tải

Đường dây truyền tải điện có đặc điểm là độ cao cột lớn, đường dây dài và thường chạy qua các khu vực núi cao, nơi có mật độ giông sét cao nên không thể tránh khỏi sự cố do sét Kết quả thống kê của Công ty Truyền tải điện 1 (PCT1) về tình hình sự cố trên một số đường dây 220kV từ năm 2006 đến 2012 thể hiện trên hình 1.3 cho thấy sự cố trên đường dây truyền tải chủ yếu là sự cố do sét Đặc biệt tuyến đường dây Thanh Thuỷ - Hà Giang, Tràng Bạch - Hoành Bồ có 100% sự cố

là do sét

Hình 1.3 Thống kê sự cố của Công ty truyền tải điện 1

Hình 1.4 Suất cắt của đường dây 220kV theo thống kê [3,4]

0 20 40 60 80 100 120 140

Thanh thuỷ -

HG

Uông Bí - Tràng Bạch

Tràng Bạch - Hoành Bồ

TQ – VN mạch 1

TQ – VN mạch 2

TQ - VN mạch 1 Thanh thuỷ - HG

TQ - VN mạch 2 Tràng Bạch Uông Bí - Tràng Bạch - Hoành Bồ

Suất cắt (lần/100km.năm)

Hình 1.4 chỉ ra suất cắt do sét theo thống kê của các tuyến đường dây trên Suất

cắt là số lần cắt điện trong 1 năm tính trên 100km Suất cắt do sét của đường dây

Tràng Bạch – Hoành Bồ là cao nhất (13,47 lần/100km.năm) Đường dây này dài

43,3 km, vậy tính trung bình trong 1 năm thì đường dây này bị cắt điện tới ~6 lần

Trong công tác vận hành, mỗi đường dây được qui định một trị số suất cắt Mặc dù

ý nghĩa của việc qui định như vậy vẫn còn nhiều tranh cãi nhưng nó là một tiêu chí

duy nhất hiện nay để xác định năng lực vận hành của từng đơn vị Chỉ tiêu về suất

cắt đối với các công ty truyền tải thuộc công ty Truyền tải điện quốc gia (NPT)

được cho trong bảng 1.1 Đối với đường dây 220kV, chỉ tiêu đối với sự cố thoáng

qua là 0,985 lần/100km.năm Suất cắt theo thống kê của các đường dây kể trên lớn

hơn rất nhiều so với chỉ tiêu công ty truyền tải điện 1 đề ra, từ 5,6 lần (đường dây

mua điện Trung Quốc mạch 1) đến 11,2 lần (đường dây Tràng Bạch – Hoành Bồ)

Bảng 1.1 Chỉ tiêu về suất cắt đối với các công ty truyền tải của NPT [4]

Vĩnh cửu(** )

Thoáng qua(*) Vĩnh cửu Thoáng qua Vĩnh cửu Thoáng qua

1.3 Hiện tượng quá điện áp do sét trên đường dây truyền tải

Hình 1.5 Quá điện áp do sét trên đường dây truyền tải

* Sự cố thoáng qua là sự cố mà phần tử sự cố được khôi phục trong thời gian nhỏ hơn hoặc bằng 20

Quá điện áp do sét trên đường dây xuất hiện do sét đánh vào đỉnh cột, khoảng vượt, dây dẫn hoặc sét đánh xuống đất gần đường dây tạo nên quá điện áp cảm ứng (hình 1.5) Quá điện áp cảm ứng có trị số không lớn nên chỉ nguy hiểm với đường dây hạ áp có mức cách điện thấp [5] Đường dây truyền tải có điện áp 110kV trở lên

có mức cách điện cao nên quá điện áp cảm ứng không đáng quan tâm, do đó quá điện áp khí quyển xuất hiện chủ yếu do sét đánh vào dây dẫn, đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vượt

Khi sét đánh vào đỉnh cột dòng điện sét chủ yếu đi xuống đất, một phần nhỏ tản sang hai cột lân cận theo dây chống sét Trong trường hợp sét đánh vào khoảng vượt, dòng điện sét sẽ chia đều sang hai bên và đi xuống đất ở cột ngay cạnh nó

Do đó hiện tượng sét đánh vào đỉnh cột sẽ gây nguy hiểm hơn so với trường hợp đánh vào khoảng vượt Điện áp đặt lên chuỗi cách điện có giá trị tuỳ thuộc vào các tham số của dòng điện sét Nếu giá trị điệp áp này vượt quá ngưỡng chịu đựng điện

áp của chuỗi cách điện, hiện tượng phóng điện ngược sẽ xảy ra Suất cắt do hiện tượng phóng điện ngược (Back Flashover Rate hay gọi tắt là BFR theo định nghĩa của CIGRE [6]) được tính bằng số lần sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vượt gây

ra phóng điện trên 100km tính trong 1 năm

Hiện tượng nguy hiểm nhất là khi sét đánh trực tiếp vào dây dẫn Khi đó dòng sét không thể tản xuống đất được do dây dẫn cách điện với cột thông qua chuỗi cách điện Chuỗi cách điện sẽ chịu toàn bộ điện áp do kênh sét gây ra Số lần sét đánh trực tiếp vào dây dẫn gây nên phóng điện trên 100km trong 1 năm được gọi là suất cắt do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn (theo định nghĩa của CIGRE là Shielding Failure Flashover Rate hay gọi tắt là SFFOR [6])

Suất cắt do sét của một đường dây (NC) được tính bằng tổng suất cắt do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn (SFFOR) và suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vượt (BFR)

Thông thường suất cắt do sét đánh vào đường dây phải được tính toán từ khâu thiết kế Nghĩa là với mỗi đường dây với các thông số cụ thể về cột, điện trở tiếp

địa, địa hình có một suất cắt cụ thể Các thông số của đường dây phải được thay đổi

ngay từ khâu thiết kế để đạt được trị số suất cắt do sét mong muốn

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN SUẤT CẮT DO

SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI

Để xác định suất cắt do sét của một đường dây truyền tải, người ta thường sử

dụng một trong ba phương pháp sau:

1- Phương pháp cổ điển

2- Phương pháp CIGRE

3- Phương pháp mô phỏng quá trình quá độ kết hợp với phương pháp Monte

Carlo gọi tắt là phương pháp Monte Carlo

Sau đây sẽ xét lần lượt 3 phương pháp tính toán trên

2.1 Phương pháp cổ điển

Phương pháp này được sử dụng trong các tính toán đồ án giáo học [7] Phương

pháp này sử dụng một khoảng cột đại diện cho toàn bộ đường dây để tính toán suất

cắt do sét Suất cắt cho đường dây Nc là tổng của suất cắt do sét đánh vào dây dẫn

và suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vượt Suất cắt của từng loại được

tính như sau

2.1.1 Suất cắt do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn

Hình 2.1 Các bước tính toán suất cắt do sét đánh vào dây dẫn theo phương pháp cổ điển

Thông số cột (chiều cao cột, góc bảo vệ, điện trở cột, chiều dài cách điện, chiều cao treo dây, bán kính dây dẫn)

Mật độ sét, số

ngày giông sét

Số lần sét đánh vào đường dây: N

Xác suất sét đánh vào dây dẫn: 𝜗𝛼

Xác suất hình thành hồ quang: η Xác suất xảy ra phóng

Hình 2.1 chỉ ra các bước để tính suất cắt do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn theo phương pháp cổ điển Suất cắt do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn được xác định bởi:

Với: ms là mật độ sét đánh ở vùng có đường dây đi qua

ns là số ngày sét trong 1 năm

h là chiều cao trung bình của dây dẫn

L là chiều dài của đường dây

* Xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn α

Trong đó Ulv là điện áp làm việc, lcs là chiều dài chuỗi cách điện

* Xác suất xảy ra phóng điện khi sét đánh vào dây dẫn pđ

đ >4 50%

/ ( 50%) ( 2.4)

Trong đó Zdd là tổng trở sóng của dây dẫn:

Hình 2.2 Diện tích thu hút sét của đường dây xác định theo phương pháp cổ điển [7]

2.1.2 Suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột hoặc đánh vào khoảng vượt

Các bước tính toán suất cắt do sét khi sét đánh vào khoảng vượt thể hiện trên hình 2.3

Hình 2.3 Các bước tính toán suất cắt khi sét đánh vào khoảng vượt

Hệ số ngẫu hợp

Sự khác nhau khi tính suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột và suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt là bước xác định điện áp đặt lên chuỗi cách điện Việc xác định suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột có các bước hoàn toàn tương tự như hình 2.3 Khi sét đánh vào khoảng vượt, điệp áp đặt lên cách điện sẽ thấp hơn so với trường hợp sét đánh vào đỉnh cột Suất cắt do sét đánh vào khoảng vượt được xác định theo công thức (2.6)

pđ là xác suất xảy ra phóng điện khi sét đánh vào khoảng vượt

Để xác định xác suất xảy ra phóng điện khi sét đánh vào khoảng vượt pđ ta thực hiện như sau:

Đầu tiên xác định điện áp đặt lên chuỗi cách điện:

K : hệ số ngẫu hợp của dây dẫn

Từ đây ta vẽ được các đường điện áp đặt lên cách điện ở các độ dốc a khác nhau (hình 2.4a) Phóng điện xảy ra khi đường đặc tính này cắt đường đặc tính V-S của chuỗi cách điện Từ hình 2.4a ta xác định được các cặp thông số (Ii,ai) là giao của đường cong Ucđ(t) với đường đặc tính V-S của chuỗi cách điện Dựa vào các cặp

thông số này ta xây dựng được đường cong nguy hiểm I = f(a) từ đó xác định miền nguy hiểm (hình 2.4b) và xác suất xảy ra phóng điện pđ

- Phương pháp này chỉ tính cho một loại cột sau đó suy ra suất cắt của toàn bộ đường dây Thực tế đường dây có nhiều loại cột, nhiều điện trở tiếp địa cột, vì thế sai sót của tính toán bởi phương pháp này là không thể tránh khỏi

2.2 Phương pháp CIGRE

Phương pháp CIGRE [6] được trình bày trong hướng dẫn các biện pháp đánh giá khả năng chống sét của đường dây (WG 33.01 xuất bản năm 1991) Hướng dẫn này trình bày phương pháp đánh giá suất cắt do sét đánh vào dây dẫn và suất cắt do sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vượt Sau đây sẽ trình bày cụ thể phương pháp này

2.2.1 Suất cắt do sét đánh trực tiếp vào dây dẫn

Không giống với phương pháp cổ điển, phương pháp CIGRE dựa trên mô hình điện hình học để xác định diện tích thu hút sét [8] Mô hình điện hình học cho đường dây treo 2 dây chống sét được vẽ như hình 2.5 Các bước thực hiện để tính suất cắt do sét khi sét đánh vào dây dẫn như sau

- Từ trị số của dòng điện sét ta xác định khoảng cách thu hút sét rc, rg:

Với: A, b là các hằng số, phụ thuộc vào mô hình lựa chọn để tính toán [6]

- Vẽ một đường thẳng song song với mặt đất cách mặt đất một khoảng bằng rg

- Vẽ cung tròn bán kính rc với tâm là vị trí dây dẫn hoặc dây chống sét Các cung này giao nhau tại điểm B,C và cắt với đường thẳng vừa vẽ tại điểm A

Hình 2.5 Mô hình điện hình học xác định diện tích thu hút sét do sét đánh vào dây dẫn

theo phương pháp CIGRE [9]

Với: h : chiều cao của dây chống sét so với mặt đất (m)

y : chiều cao của dây dẫn so với mặt đất (m)

Sg : khoảng cách giữa 2 dây chống sét (m)

α : góc bảo vệ của dây chống sét (0) Giả thiết rằng tất cả các cú sét đánh xuống theo phương vuông góc với mặt đất Những cú sét đánh vào giữa cung AB sẽ đánh vào dây dẫn, đánh vào cung BC sẽ đánh vào dây chống sét, những cú sét đánh ngoài cung AB, BC sẽ đánh xuống mặt đất Khu vực mà dây chống sét không thể bảo vệ được dây dẫn hay gọi là khu vực sét đánh vào dây dẫn DC, khu vực sét đánh vào dây chống sét là Dg Để xác định DC

và Dg ta xét một bên của mô hình điện hình học như hình 2.6

Hình 2.6 Một bên mô hình điện hình học [9]

 Khu vực sét đánh vào dây dẫn DC

α : góc bảo vệ (độ)

rc : khoảng cách thu hút sét của dây dẫn và dây chống sét (m)

h, y: chiều cao của dây chống sét và dây dẫn (m)

Dg tăng lên Khi tăng I tới một trị số nào đó mà khoảng cách DC = 0, lúc đó dây dẫn được bảo vệ hoàn toàn bởi dây chống sét Tất cả các cú sét sẽ đánh vào dây chống sét hoặc đánh xuống mặt đất Giá trị cường độ dòng sét đó là cường độ dòng sét lớn nhất có thể đánh vào dây dẫn Im Những cú sét có cường độ lớn hơn giá trị Im thì không đánh vào dây dẫn mà sẽ đánh vào dây chống sét hoặc đánh xuống mặt đất Cường độ dòng sét lớn nhất có thể đánh vào dây dẫn được xác định bởi:

∫ ( ) (lần/100km.năm) ( 2.18)

Với DC : Khu vực sét đánh vào dây dẫn (m)

Ng : Mật độ giông sét (lần/1km2.năm)

Ll : Chiều dài của đường dây (100km)

Im : Cường độ dòng sét lớn nhất có thể đánh vào dây dẫn (kA)

IC : Cường độ dòng sét nhỏ nhất gây ra phóng điện (kA) xác định theo công thức (2.19)

Bảng 2.2 Phân bố cường độ dòng điện sét [6]

Tham số I < 20kA I > 20kA

Hình 2.8 thể hiện phân bố xác suất tích luỹ cường độ dòng sét được sử dụng rộng rãi trong các tính toán suất cắt và được khuyến cáo bởi IEEE [10], CIGRE[6], IEC [11] Đồ thị 2.8 thể hiện số phần trăm cú sét có cường độ nhỏ hơn giá trị I (kA) ví

dụ có 20% cú sét có cường độ nhỏ hơn 20kA và có tới 95% số cú sét có cường độ nhỏ hơn 100kA

Hình 2.8 Phân bố xác suất tích luỹ cường độ dòng sét [6]

2.2.2 Suất cắt do sét đánh đỉnh cột hoặc khoảng vượt

Khi sét đánh vào khoảng vượt (hình 2.9), tạo ra sóng điện áp lan truyền dọc theo dây chống sét Khi sóng lan truyền tới cột điện, một phần sóng truyền theo cột và tản xuống đất, một phần truyền theo dây chống sét sang cột kế tiếp, một phần phản

xạ ngược trở lại điểm sét đánh (sóng phản xạ sinh ra do gặp môi trường không đồng nhất, ở đây là do tổng trở sóng của cột khác với tổng trở sóng của dây dẫn) Sự lan truyền sóng trên dây chống sét cảm ứng sang dây dẫn một giá trị điện áp Điện áp cảm ứng trên dây dẫn và điện áp trên dây chống sét tạo nên một độ chênh lệch điện

áp Phóng điện xảy ra khi sự chênh lệch điện áp này lớn hơn điện áp chịu đựng của cách điện (cách điện có thể là không khí hoặc chuỗi cách điện tại cột) Phóng điện hoàn toàn có thể xảy ra tại giữa khoảng vượt tuy nhiên không đáng kể so với phóng điện xảy ra tại cột vì khoảng cách giữa dây dẫn và dây chống sét ở khoảng vượt lớn hơn rất nhiều so với chiều dài cách điện tại cột Vì vậy, trong phương pháp của CIGRE chỉ xét cho trường hợp phóng điện tại cột khi tính suất cắt do sét khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vượt

Hình 2.9 Sự lan truyền sóng khi sét đánh vào dây chống sét (TT là thời gian truyền sóng

từ đỉnh cột xuống tiếp địa, TA là thời gian truyền sóng từ vị trí pha A xuống tiếp địa)

Hình vẽ được sửa lại từ [9]

Khi cú sét có cường độ I (kA) đánh vào đỉnh cột (hình 2.10a), dạng sóng điện áp tại điểm đối diện trực tiếp với dây dẫn (điểm TA) nằm trên cột có đặc tính như hình 2.10b Điện áp này giảm từ giá trị đỉnh VTA tới giá trị VF là do ảnh hưởng của cột Điện áp giảm dần ở phần đuôi sóng là do sóng phản xạ từ các cột lân cận trở về

Hình 2.10 Điện áp tại các điểm trên cột và điện áp đặt lên chuỗi cách điện khi sét đánh

vào đỉnh cột (b) [9]

Sóng điện áp trên dây dẫn đƣợc xác định bằng tích của hệ số ngẫu hợp C của dây dẫn với sóng điện áp trên dây chống sét Điện áp đặt lên chuỗi cách điện VI đƣợc xác định theo công thức (2.21)

( ) [( ) ( ) ( ) ( ) ] ( 2.26)

Trong đó, Nl : Số lần sét đánh vào đường dây trên 100km trong 1 năm

1- Khả năng sét đánh vào khoảng vượt Phương trình (2.28) xây dựng cho trường hợp sét chỉ đánh vào đỉnh cột Thực tế sét có thể đánh vào bất kỳ điểm nào trên dây chống sét

2- Ảnh hưởng của dòng điện sét tới trị số điện trở nối đất Dòng điện sét có cường độ rất lớn Khi tản xuống đất sẽ gây ion hoá môi trường xung quanh tiếp địa Giá trị điện trở lúc này không còn là giá trị điện trở đo được ở tần số thấp

3- Điện áp điện áp phóng điện bề mặt ở điện áp không tiêu chuẩn CFONS Thông thường giá trị điện áp đặt lên chuỗi cách điện để xảy ra phóng điện U50% hay gọi là CFO được xác định ở dạng xung chuẩn 1,2/50 s Tuy nhiên, khi xuất hiện sóng phản xạ từ các cột lân cận trở về, sóng phản xạ từ hệ thống nối đất thì xung này không còn ở dạng chuẩn

4- Ảnh hưởng của số pha và điện áp tần số 50Hz Tính toán BFR theo công thức (2.28) chỉ xét cho pha có hệ số ngẫu hợp nhỏ nhất Thực tế phóng điện có thể xảy ra ở bất kỳ pha nào Giá trị điện áp pha còn làm giảm điện áp rơi trên chuỗi cách điện

5- Thời gian đầu sóng tf ở đây được coi là cố định, tuy nhiên tf có một phân bố xác suất và nó phụ thuộc vào cường độ dòng sét Giá trị điện áp đỉnh VTA phụ thuộc vào thời gian đầu sóng tf Vậy chọn giá trị tf là bao nhiêu để tính toán cho phù hợp cũng là một vấn đề đáng quan tâm

Để xác định chính xác suất cắt BFR ta cần phải xét tới tất cả 5 yếu tố ảnh hưởng trên Các phần sau đây sẽ làm rõ điều đó

a Khả năng sét đánh vào khoảng vượt

Phần 1.3 đã chỉ ra rằng sét đánh vào đỉnh cột gây nguy hiểm hơn khi sét đánh vào khoảng vượt Nếu giả sử sét chỉ đánh vào đỉnh cột thì trị số suất cắt do sét tính được trong trường hợp này sẽ cao hơn trị số suất cắt do sét tính được trong trường hợp sét đánh vào cả đỉnh cột và khoảng vượt Để so sánh hai trị số suất cắt do sét này ta sử dụng hệ số khoảng vượt KSF Hệ số KSF được tính theo công thức (2.31)

( > ) (lần/100km.năm) ( 2.32)

Hình 2.11 Hệ số khoảng vượt [6]

b Ảnh hưởng của điện trở nối đất

Khi dòng điện sét có cường độ lớn chạy qua tiếp địa, nó làm cho lớp đất xung quanh bị ion hoá và xảy ra phóng điện Điện trở khi đó được xác định bởi:

: Điện trở suất của đất (m)

E0: Điện trường xảy ra phóng điện trong đất thường lấy E0 = 400kV/m

Như vậy dòng điện sét càng cao thì khả năng xảy ra ion hoá càng lớn, do đó giá trị điện trở cột càng giảm xuống

c Điện áp điện áp phóng điện bề mặt ở điện áp không tiêu chuẩn CFO NS

Dạng sóng điện áp đặt lên chuỗi cách điện của cột được vẽ bởi đường nét đậm trên hình 2.12a bao gồm ảnh hưởng của điện áp tần số công nghiệp VPF, điện áp gây

ra bởi điện trở cột VIF, và điện áp gây ra bởi cột V Sự suy giảm điện áp ở phần đuôi sóng gây ra bởi sóng phản xạ từ cột lân cận Ta thấy rằng dạng sóng này khác rất nhiều so với dạng xung chuẩn 1,2/50 s, xung mà dùng để xác định giá trị CFO của cách điện (hình 2.12b) Giá trị CFONS được tính xấp xỉ theo công thức (2.35)

( 2.35)

Trong đó ( )

Hình 2.12 Điện áp đặt lên chuỗi cách điện (a) và dạng xung chuẩn để thử nghiệm xác

định CFO của cách điện (b)

d Ảnh hưởng của số pha và điện áp làm việc

Trong phần tính toán BFR theo công thức (2.28), người ta chỉ xét tới pha với hệ

số ngẫu hợp C nhỏ nhất Ta cần phải xét ảnh hưởng của các pha tới giá trị BFR Để đơn giản ta xét đường dây 1 mạch (đường dây 2 mạch cũng làm tương tự) Các dây dẫn 3 pha có các hệ số ngẫu hợp lần lượt là CA, CB, CC Khi xét cả ảnh hưởng của điện áp dây VLN, điện áp đặt lên chuỗi cách điện của 3 pha lần lượt là:

( ) ( ) ( 2.38) ( ) ( ) ( 2.39) ( ) ( ) ( 2.40)

Giả thiết cả ba pha đều có cùng giá trị CFONS Khi đó cường độ dòng sét nhỏ nhất gây phóng điện của 3 pha là:

cường độ dòng sét IC nhỏ nhất Hình 2.13 minh hoạ xác suất xảy ra phóng điện tại các pha được tính cho đường dây một mạch 345kV với giá trị điện trở tiếp địa là 16

 [12] Trong trường hợp này, có 49,1% phóng điện tại pha A, 34,2% phóng điện tại pha B và 16,7% phóng điện tại pha C

Hình 2.13 Xác định miền nguy hiểm của từng pha đối với đường dây 345kV [12]

e Ảnh hưởng của thời gian đầu sóng t f

Thời gian đầu sóng tf ảnh hưởng lớn đến trị số cường độ dòng sét nhỏ nhất gây phóng điện IC Khi thời gian đầu sóng tf tăng lên, cường độ dòng sét IC cũng tăng theo (hình 2.14) Thời gian đầu sóng tf là một hàm phụ thuộc vào cường độ dòng sét

IC xác định theo công thức (2.44)

Hình 2.14 Ảnh hưởng của thời gian đầu sóng tới cường độ dòng sét nhỏ nhất gây phóng

điện trên cách điện của đường dây 230kV và 500kV [9]

Trị số tf thay đổi, IC cũng thay đổi theo cho nên cần phải xác định chính xác trị

số tf để tính BFR Để xác định giá trị thời gian đầu sóng tf và cường độ dòng sét IC

ta thực hiện vòng lặp như hình 2.15 Đầu tiên chúng ta sẽ chọn một giá trị tf Theo gợi ý của CIGRE [6] thì với đường dây 115-230kV ta chọn tf = 2,5s, đường dây 345kV trở lên ta chọn tf = 4,0s, sau đó chọn Ri = 0,5R0 (Ri là giá trị điện trở xung kích khi xảy ra phóng điện, R0 là giá trị điện trở một chiều đo được từ thực tế) Tiếp theo ta xác định được cường độ dòng sét nhỏ nhất gây ra phóng điện (IC) Sau đó tính lại được giá trị Ri Nếu sai số giữa 2 giá trị Ri ban đầu và Ri tính được lớn hơn giá trị cho phép , ta chọn lại Ri và thực hiện bước lặp như trên Nếu đã tìm được Rithoả mãn điều kiện nhỏ hơn , ta tính được giá trị thời gian đầu sóng tf mới Nếu sai

số giữa hai trị số tf này lớn hơn ’ thì chọn lại tf, thực hiện vòng lặp Ri để tìm tf mới, nếu hai giá trị tf có sai số nằm trong khoảng cho phép ’, ta dừng phép lặp Quá trình lặp kết thúc, ta xác định được giá trị tf và IC [6]

Hình 2.15 Vòng lặp xác định t f và I C theo phương pháp CIGRE [9]

Sau khi xác định đƣợc tất cả các tham số trên, suất cắt do sét đánh vào khoảng vƣợt hoặc đỉnh cột BFR xác định theo công thức (2.45)

Chọn RiChọn tf

Yes

𝐼𝐶 𝑡𝑓

No

- Phương pháp này được các tổ chức trên thế giới khuyến cáo sử dụng như: IEEE, CIGRE, IEC