Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu việc lắp đặt chống sét van rời rạc trên đường dây truyền tải 220kV để lý giải nguyên nhân dẫn đến sự không hiệu quả này. Mối tương quan giữa điện trở tiếp địa, chiều dài khoảng vượt và trị số dòng điện sét đến vị trí xảy ra phóng điện trên cách điện của từng cột được phân tích bằng chương trình tính toán quá độ điện từ EMTP/ATP.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 132 (2019) 016-021 Nghiên cứu hiệu lắp chống sét van rời rạc đường dây truyền tải Effectiveness of the Discrete Installation of Lightning Arresters on Transmission Lines Ninh Văn Nam 1,3,*, Phạm Hồng Thịnh2, Trần Văn Tớp1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Underground Systems Inc., Milford, CT, USA Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Số 298, đường Cầu Diễn, Bắc Từ Liêm, Hà Nội Đến Tòa soạn: 03-4-2018; chấp nhận đăng: 18-01-2019 Tóm tắt Lắp đặt chống sét van tất pha tất vị trí cột tồn tuyến phương án bảo vệ cho đường dây tốt đòi hỏi chi phí lớn nên thường thực Trong thực tế đơn vị vận hành chọn vài vị trí thường xun bị sét đánh vị trí có nguy cao để lắp đặt chống sét van hay gọi lắp chống sét van rời rạc Tuy nhiên thực biện pháp thực tế vận hành lại cho thấy nhiều trường hợp cố lại bị chuyển từ cột lắp chống sét van sang cột bên cạnh dẫn đến việc lắp đặt chống sét van trở nên khơng có hiệu mà khơng giải thích Bài báo trình bày kết nghiên cứu việc lắp đặt chống sét van rời rạc đường dây truyền tải 220kV để lý giải nguyên nhân dẫn đến không hiệu Mối tương quan điện trở tiếp địa, chiều dài khoảng vượt trị số dòng điện sét đến vị trí xảy phóng điện cách điện cột phân tích chương trình tính tốn q độ điện từ EMTP/ATP Kết thu được sử dụng tài liệu tham khảo cho đơn vị vận hành việc chọn vị trí lắp đặt phù hợp cho chống sét van Từ khóa: Đường dây truyền tải, chống sét van rời rạc, chống sét, phần mềm EMTP Abstract Installation of lightning arresters on all phases of every tower theoretically eliminates the lightning outage of a transmission line However, this measure has been found to be unaffordable due to its excessive cost In practice, the so-called discrete installation of surge arrester in which arresters are installed in some selected towers is usually adopted The effectiveness of this method remains questionable since the flashover still occurred in adjacent towers of the protected ones, which makes the outage rate unchanged even after installing surge arresters This paper deals with the discrete installation of arresters in a 220 kV- one circuit transmission line The influence of footing resistances, spans and the amplitude of lightning current on the tower position of flashover was investigated by using the Electromagnetic Transient Program (EMTP/ATP) The results can be used as a practical guide for the utilities to identify whether or not the discrete installation of arresters should be used in a specific tower Keywords: Transmission line, discrete installation of surge arresters, lightning protection, EMTP simulation Giới thiệu* định suất cố tồn đường dây Chính vậy, để giảm suất cố (SSC) mà khơng tốn nhiều chi phí, công ty truyền tải thường chọn lắp CSV vài vị trí cột coi nguy hiểm cột bị sét đánh, cột có vị trí cao (cột 2, hình 2) cột có điện trở tiếp địa lớn Phương pháp gọi phương pháp lắp CSV rời rạc Thực tế vận hành cho thấy cách lắp đặt chống sét van rời rạc có kết khơng ổn định Trong số khu vực việc lắp CSV rời rạc chứng minh hiệu số khu vực khác vị trí bị cố lại chuyển từ cột lắp CSV sang cột lân cận chưa lắp Do đó, SSC đường dây sau lắp CSV gần khơng thay đổi Chính đơn vị vận hành gặp nhiều khó khăn việc xác định xác vị trí cần lắp đặt CSV để cải thiện SSC đường dây Thống kê năm gần tổng công ty truyền tải điện Việt Nam (NPT) cho thấy, tỉ lệ cố sét thường chiếm tỉ lệ gần 70% tổng số cố đường dây truyền tải (hình 1) [1] Ngồi biện pháp thông thường giảm điện trở tiếp địa cột, tăng số lượng cách điện lắp đặt chống sét van (CSV) coi biện pháp hiệu việc giảm cố sét [2] Tuy nhiên, lắp đặt CSV tất vị trí cột tất pha toàn tuyến đường dây khó khả thi vốn đầu tư q lớn Mặt khác, đường dây có vài vị trí cột thường xuyên bị sét đánh vị trí * Địa liên hệ: Tel.: (+84) 912.485.051 Email: ninhnamhaui@gmail.com 16 Tạp chí Khoa học Công nghệ 132 (2019) 016-021 Hiệu CSV đường dây truyền tải nghiên cứu từ nhiều năm qua [3-6] kết xét lắp CSV pha nhiều pha toàn đường dây Vấn đề lắp CSV rời rạc chưa nghiên cứu Theo hiểu biết nhóm tác giả, có [7] nêu tượng không sâu vào nghiên cứu chi tiết có kết để ứng dụng thực tế vệ hồn tồn Tuy nhiên, sóng sét lan truyền sang cột lân cận khơng lắp CSV gây phóng điện cột Để hiểu rõ chế xảy phóng điện cách điện trường hợp lắp CSV rời rạc, ta xét ví dụ đơn giản đường dây mạch treo dây chống sét hình 2, CSV lắp pha (Pha A), cột không lắp CSV 2.1 Khi sét đánh đỉnh cột DCS Sơ đồ thay mơ tả truyền sóng sét đánh vào đỉnh cột thể hình 3, mơ tả cho pha A lắp CSV Hình Số lần cố sét NPT Trong báo này, vấn đề lắp CSV rời rạc nghiên cứu chi tiết dựa tham số đường dây 220 kV lộ điển hình lưới điện Việt Nam Ảnh hưởng tham số điện trở tiếp địa, khoảng vượt, số lượng CSV lắp đặt kết hợp với dòng điện sét cho phép nhận dạng trường hợp đặc biệt mà việc lắp CSV rời rạc hồn tồn khơng có hiệu Từ khuyến nghị áp dụng phương pháp lắp CSV rời rạc đưa nhằm đạt hiệu giảm SSC tốt Hình Mơ tả q trình truyền sóng sét đánh đỉnh cột có treo CSV pha A Khi sét đánh vào đỉnh cột điện áp sét tản theo hướng: 1- theo tiếp địa cột tản vào đất Uc2, 2- theo DCS sang tiếp địa hai cột lân cận có độ lớn Ucs21 Ucs23, 3-qua CSV (nếu CSV làm việc) lan truyền dây pha sang cột lân cận Ud21 Ud23 Tại cột điện áp sét dây chống sét lại chia làm phần: phần xuống tiếp địa cột (Uc3), phần phản xạ lại cột (Ucs32) phần lại tiếp tục lan truyền sang cột lân cận (Ucs34) Nếu coi tổn hao dây chống sét khơng đáng kể, điện áp cột biểu diễn quan hệ: Ucs23=Uc3+Ucs34-Ucs32 (1) Nếu ta coi sóng lan truyền dây dẫn từ cột sang cột có tổn hao khơng đáng kể, hiệu điện cách điện cột lúc chênh lệch điện áp điện áp dây dẫn cột điện áp đỉnh cột 3: Hình Cột số có vị trí cao thường đơn vị vận hành chọn lắp CSV Ucđ3=Ud23-Uc3 (2) Lý luận tương tự cột ta ước lượng điện áp đặt lên cách điện cột Ta biết cột khơng có CSV nên Ucđ3 lớn điện áp chịu đựng cách điện, phóng điện xảy cột sét không đánh trực tiếp vào cột Vì điện áp đỉnh cột phụ thuộc vào trị số điện trở tiếp địa cột điện áp từ cột lan truyền tới theo công thức (1), nên việc Ucđ3 có đủ lớn để gây phóng điện cột thứ tùy thuộc vào tương quan Cơ chế phóng điện cách điện cột khơng lắp CSV lắp CSV rời rạc Khi CSV lắp liên tục tồn vị trí cột đường dây, vị trí cột tương đương lắp CSV pha nào, cách điện pha tồn đường dây bảo vệ Còn CSV lắp rời rạc, sét đánh vào đỉnh cột có lắp CSV, cách điện pha lắp CSV bảo 17 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 132 (2019) 016-021 trị số điện trở tiếp địa cột cột Tương tự ta nhận thấy cách điện cột (cột 1, cột v.v ) bị phóng điện sét không đánh trực tiếp vào cột tần số J-Marti [8] với dây chống sét dây pha Mơ hình phần tử nguồn sét, cột, dây dẫn, cách điện, tiếp địa cột, CSV miêu tả [9,10] 2.2 Khi sét đánh dây pha Kết thảo luận Khi sét đánh trực tiếp vào dây pha cột 2, dòng điện sét lan truyền dây pha sang cột cột (Ud23 Ud21) Nếu CSV làm việc, phần điện áp sét tản xuống điện trở tiếp địa cột với giá trị Uc2, phần lại tản sang cột lân cận qua dây chống sét Ucs21 Ucs23 (hình 4) Điện áp cách điện cột xác định theo công thức (2) giống trường hợp sét đánh đỉnh cột Vì phóng điện cột cột nơi khơng treo CSV hồn tồn xảy tùy thuộc vào tương quan Rtđ2 Rtđ3 Rtđ1 4.1 Trường hợp lắp 1CSV Hình Mơ tả q trình truyền sóng sét đánh dây pha cột có treo CSV pha A, CSV làm việc Hình Điện áp cách điện cột cột CSV pha A cột làm việc, phóng điện xảy cách điện cột Hình thể điện áp pha cột sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 147kA (1,2/50µs), Rtđ2 =10 Rtđ3= Kết mô cho thấy cột có phóng điện cách điện pha A, pha khác khơng bị phóng điện Như phần 2.1 giải thích, phóng điện chênh lệch điện áp cách điện cột vượt khả chịu đựng cách điện dòng điện sét qua CSV chạy dây pha A sang cột gây Mơ hình tính tốn mơ Hình Kích thước cột 220kV loại Đ212A Mô cho thấy điện trở tiếp địa cột Rtđ2 > 10 Ω dòng điện sét > 147kA, phóng điện ln xảy pha không lắp CSV cột mà không phụ thuộc vào giá trị Rtđ3 Phóng điện có xảy pha khơng lắp CSV (cột 2) pha cột hay không tùy thuộc thuộc vào giá trị điện trở tiếp địa Rtđ2, Rtđ3 cường độ dòng điện sét Ứng với giá trị Rtđ3, cặp giá trị dòng điện sét Is điện trở cột bị sét đánh Rtđ2 chia làm vùng (hình 7) Xét trường hợp điện trở tiếp địa cột lân cận Rtđ3 = 5, phóng điện xảy cách điện cột bên cạnh không lắp CSV Is Rtđ2 nằm vùng II hình Ở vùng I, khơng có phóng điện cách điện cột mà có CSV cột làm việc Khi Is Rtđ2 nằm vùng III, phóng điện xảy cách điện pha không lắp CSV cột (cột bị sét đánh) Trong báo này, cột thông số đường dây 220 kV mạch điển hình lưới điện Việt Nam sử dụng làm đối tượng nghiên cứu Loại cột sử dụng cột dạng Đ212A (hình 5), dây dẫn loại ACSR330/42- phân pha, DCS dùng loại PHLOX116, khoảng vượt 350 m Đường dây truyền tải EMTP sử dụng mơ hình phụ thuộc Do sóng phản xạ từ cột bên cạnh trở lại làm cho điện áp đặt lên cách điện giảm xuống nên khả xảy phóng điện cột phụ thuộc vào chiều dài khoảng vượt (Lkv).Trên hình 8, Lkv tăng từ 100m đến 350m, dòng điện sét gây phóng điện giảm 15kA Hiện tượng khoảng vượt tăng từ 100m đến 350m tương đương với thời gian DCS 5m A 6m C B 17,5m 18 Tạp chí Khoa học Công nghệ 132 (2019) 016-021 bắt đầu có sóng phản xạ quay cột từ cột lân cận tăng từ 0,67µs lên 2,3 µs (tốc độ truyền sóng lấy tốc độ ánh sáng) làm cho Ucs23 giảm phía sóng dẫn đến điện áp đặt lên cách điện cột Ucđ3 tăng, ngưỡng dòng điện sét gây phóng điện giảm Khi khoảng vượt tăng đến 400m ngưỡng dòng sét gây phóng điện cột bên cạnh thay đổi dao động quanh giá trị 147kA Hiện tượng điện áp phản xạ ảnh hưởng đến thời gian sóng điện áp cách điện cột nên không ảnh hưởng đến đặc tính phóng điện cách điện Do số CSV tăng lên 2, ngưỡng dòng điện sét xảy phóng điện cách điện cột lân cận tăng lên (hình 9) so với trường hợp dùng CSV Chú ý ngưỡng phóng điện ứng với trường hợp CSV cột làm việc phóng điện ghi nhận pha A cột Mô cho thấy với Rtđ2 > 18 Ω, dòng điện sét lớn 130kA ln gây phóng điện pha lại khơng lắp CSV cột với giá trị Rtđ3 Ở dải Rtd2 này, vùng II bị biến vùng I III Hình Phân bố vùng xảy phóng điện cách điện sét đánh vào cột 2, CSV cột làm việc, Rtđ3 =5 Hình Phân bố vùng xảy phóng điện cách điện sét đánh vào cột 2, CSV cột làm việc, Rtđ3 =5 Vùng I: khơng phóng điện, vùng II: phóng điện cách điện cột 3, vùng III: phóng điện cách điện cột Hình 10 Phân bố vùng xảy phóng điện pha không treo CSV thay đổi khoảng vượt, Rtđ2=10, Rtđ3=5 Hình Phân bố vùng xảy phóng điện pha khơng treo CSV thay đổi khoảng vượt, Rtđ2=10, Rtđ3=5 Cũng giống trường hợp lắp CSV, khoảng vượt tăng ngưỡng chịu đựng dòng điện sét cách điện cột giảm ảnh hưởng sóng phản xạ giảm (hình 10) Mặc dù vậy, chênh lệch dòng ngưỡng Is lớn (23kA so với 15 kA) làm cho diện tích vùng II lớn trường hợp có CSV 4.2 Trường hợp lắp 2CSV 19 Tạp chí Khoa học Công nghệ 132 (2019) 016-021 4.3 Trường lắp CSV Khi cột bị sét đánh lắp CSV, khơng tượng phóng điện cách điện cột bị sét đánh Mặc dù vậy, phóng điện cột lân cận phụ thuộc vào điện trở tiếp địa cột Khi Rtđ3 cột lân cận nhỏ để gây hiệu điện dây pha đỉnh cột Ucđ3 đủ lớn gây phóng điện cách điện cột Khi Rtđ3 tăng lên, phóng điện khơng xảy cột lân cận mà dòng sét tiếp tục lan truyền cột xa tổn hao hết dây pha dây chống sét Trong trường hợp đường đặc tính (Is, Rtđ2) vùng vùng I vùng II vùng III khơng tồn (hình 11) Hình 12 Phân bố vùng xảy phóng điện pha không treo CSV thay đổi khoảng vượt, Rtđ2=10, Rtđ3=5 4.4 Trường hợp sét đánh dây pha Khi dòng sét đánh vào dây pha đủ lớn để CSV làm việc, dòng sét chủ yếu tản xuống tiếp địa chân cột phần nhỏ chạy dây pha sang cột lân cận cho dù với điện trở tiếp địa Kết mô cho thấy trị số dòng điện ngưỡng gây phóng điện cột lân cận không bị ảnh hưởng điện trở tiếp địa Hình 13 trình bày kết tính tốn dòng ngưỡng xảy phóng điện cột trường hợp lắp 1CSV pha A Ta nhận thấy điện trở tiếp địa cột thay đổi từ đến 120 dòng ngưỡng tăng từ 7,2kA lên 7,5 kA Hình 11 Phân bố vùng xảy phóng điện cách điện sét đánh vào cột 2, CSV cột làm việc, Rtđ3 =5 Đối với trường hợp phụ thuộc phóng điện cột lân cận vào khoảng vượt chia làm dải, Lkv