Lựa chọn vị trí và số lượng chống sét van để cải thiện khả năng chịu sét của đường dây truyền tải 220kV

Bài viết này trình bày giải pháp lựa chọn vị trí, số lượng CSV lắp đặt trên đường dây truyền tải. Một số yếu tố như khả năng chịu sét của mỗi vị trí cột, điện trở tiếp địa cột, chiều cao cột, chiều dài khoảng cột, độ cao của cột được xét tới. Kết quả tính toán dựa trên phương pháp mô hình điện hình học và chương trình mô phỏng quá độ điện từ EMTP.

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ LỰA CHỌN VỊ TRÍ VÀ SỐ LƯỢNG CHỐNG SÉT VAN ĐỂ CẢI THIỆN KHẢ NĂNG CHỊU SÉT CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 220KV SELECTING LOCATION AND NUMBER OF SURGE ARRESTERS FOR IMPROVEMENT THE LIGHTNING PERFORMANCE OF 220KV TRANSMISSION LINES Ninh Văn Nam1,2,*, Trần Văn Tớp2 TÓM TẮT Xác định vị trí số lượng chống sét van (CSV) lắp đặt đường dây truyền tải để đạt suất cắt tốt ln tốn mang tính thời sự, có ý nghĩa quan trọng vấn đề giảm thiểu cố sét đường dây truyền tải Bài báo trình bày giải pháp lựa chọn vị trí, số lượng CSV lắp đặt đường dây truyền tải Một số yếu tố khả chịu sét vị trí cột, điện trở tiếp địa cột, chiều cao cột, chiều dài khoảng cột, độ cao cột xét tới Kết tính tốn dựa phương pháp mơ hình điện hình học chương trình mơ q độ điện từ EMTP Nghiên cứu kết tính tốn mơ thực với đường dây 220kV nhánh rẽ Sơn Động Kết nghiên cứu sở tham khảo, gợi ý cho việc lựa chọn vị trí, số lượng CSV tốt để lắp đặt cho đường dây truyền tải điện Từ khóa: Chống sét van; đường dây truyền tải; dây chống sét; mô EMTP ABSTRACT Determining the location and number of surge arrester installed on the transmission line to achieve the best flashover rate is always an important issue, which is important in minimizing the incident due to lightning on transmission lines This paper mentions a solution choice of location and number of surge arrester installed on the transmission line Some elements such as the lightning current threshold of each tower position, the footing resistance, the span and the altitude of the tower are considered Calculation results were based on the electrogeometric model (EGM) and Electromagnetic Transients Program EMTP Research and simulation results are made with the 220 kV transmission line of Son Dong branch These results provide the basis for reference, suggestion for the location selection, the best number of surge arrester to install for transmission lines Keywords: Surge Arrester; transmission line; shielding wire; EMTP simulation Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Bộ môn HTĐ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email: namnv@haui.edu.vn Ngày nhận bài: 03/01/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 02/4/2018 Ngày chấp nhận đăng: 21/8/2018 Phản biện khoa học: PGS TS Trịnh Trọng Chưởng GIỚI THIỆU Chống sét cho lưới điện truyền tải vấn đề quan tâm nhiều, đặc biệt đường dây 16 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 48.2018 khu vực có mật độ sét cao điện trở suất đất lớn Lắp đặt CSV đường dây giải pháp hiệu giảm cắt điện sét gây [1] Lắp đặt CSV tất vị trí cột tất pha cố sét loại trừ [2] Nhưng vốn đầu tư lớn, nên với số lượng CSV hạn chế việc lựa chọn vị trí, số lượng CSV lắp đặt cho hiệu để đạt suất cắt tốt quan trọng Lựa chọn vị trí, số lượng CSV lắp đặt dựa yếu tố: i) Kinh nghiệm thống kê trình quản lý, vận hành (vị trí cột pha hay bị sét đánh), ii) Đặc điểm địa hình (mật độ sét) iii) Các đặc điểm đường dây (các vị trí cột bất lợi với sét như: cột có điện trở nối đất (Rtđ) cao, chiều cao cột (h), chiều dài khoảng cột (L), cao độ cột (H) chênh lệch đỉnh cột so với cột kế cận (H) lớn) Ở đường dây 500kV, theo tính tốn [3] thực tế chứng tỏ CSV thường lắp cho vị trí cột có Rtđ cao Tuy nhiên, tính tốn xét cho đường dây 500kV mạch vị trí lựa chọn lắp CSV dựa vào ngưỡng dòng điện gây phóng điện ngược nhỏ số vị trí cột Suất cắt sét đánh đỉnh cột khoảng vượt suất cắt sét đánh trực tiếp dây dẫn chưa tính tốn cụ thể yếu tố cao độ cột, khoảng vượt cực đại chưa đề cập Nội dung báo trình bày kết nghiên cứu lựa chọn số lượng vị trí lắp đặt CSV theo tiêu chí suất cắt sét đường dây truyền tải Các yếu tố ảnh hưởng xem xét, từ có gợi ý cho việc lựa chọn vị trí, số lượng CSV lắp đặt phù hợp để đạt suất cắt tốt Kết tính tốn dựa phương pháp mơ hình điện hình học phần mềm mô EMTP CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT Để đảm bảo tính kinh tế đồng thời đáp ứng độ tin cậy vận hành, phạm vi khuôn khổ nghiên cứu CSV lắp đặt mạch, vị trí lắp đặt CSV lắp pha Vị trí số lượng CSV xác định dựa theo tiêu chí giảm suất cắt đường dây tới giá trị u cầu Vì vậy, trước hết cần tính tốn khả chịu sét đường dây suất cắt đường dây tương ứng với tình trạng vận hành Lựa chọn vị trí cột cần lắp đặt CSV dựa tiêu chí xác định vị trí cột có nhiều khả gặp cố sét đánh như: cột bị cố khứ, cột có mức chịu sét thấp, cột có khả bị sét SCIENCE TECHNOLOGY đánh tương lai (tiêu chí cao độ cột, chiều dài khoảng cột, chênh lệch độ cao đỉnh cột) Giải pháp lựa chọn vị trí lắp đặt CSV thực theo bước: Bước 1: Xác định ngưỡng dòng điện sét (Ings) cột toàn tuyến sét đánh vào đỉnh cột dây chống sét, giá trị Ings xác định từ mô EMTP [4] Bước 2: Phân tích đặc điểm cột xảy cố: (1) Cột có ngưỡng chịu sét thấp: Cột bị cố Cột cố Cột cố n Ngưỡng chịu sét Ingsc1 Ingscn (2) Cột có cao độ cột lớn Cột bị cố Cột cố Cột cố n Cao độ cột lớn Hsc1 Hscn (3) Cột có chiều dài khoảng cột lớn Cột bị cố Cột cố Cột cố n Khoảng vượt lớn Lsc1 Lscn (4) Cột có chênh lệch đỉnh cột so với cột kế cận lớn Cột bị cố Cột cố Cột cố n Chênh lệch đỉnh cột lớn Hsc1 Hscn Ngưỡng chịu sét thấp Cao độ cột lớn Chiều dài khoảng cột Chênh lệch đỉnh cột Tiêu chí Mức Mức Mức Mức Ngưỡng chịu sét Ings < Ings1 thấp Ings1 < Ings< Ings2 Ings2 < Ings< Ings3 Ings3 Hsc > Hsc2 Hsc2 > Hsc > Hsc3 Hsc3 >Hsc > Hsc4 Hsc > Hsc1 Chiều dài khoảng Lsc > Lsc1 cột Lsc1 > Lsc > Lsc2 Lsc2 > Lsc > Lsc3 Lsc3 > Lsc > Lsc4 Chênh lệch đỉnh Hsc> cột Hsc1 Hsc1>Hsc> Hsc2 Hsc2>Hsc> Hsc3 Hsc3>Hsc> Hsc4 Bước 4: Tính tốn suất cắt (NC) đường dây trước lắp đặt CSV sau khi lắp đặt CSV theo mức ưu tiên Suất cắt đường dây tính tốn theo phương pháp CIGRE [5] Các bước giải pháp đề xuất lựa chọn vị trí, số lượng CSV lắp đặt để đạt suất cắt yêu cầu ( NCYC) trình bày hình Thu thập số cácđường Liệu liệu dây Lập mơ hình EMTP Phân tích cột bị cố theo đặc điểm để định mức độ dễ gặp cố theo bảng Bảng Mức độ cố Tiêu chí Bảng Mức ưu tiên Mức Mức Mức Mức Ings1 chiếm 85% số cột tuyến trở lên Ings2 chiếm 75% đến 85% số cột tuyến trở lên Ings3 chiếm 65% đến 75% số cột tuyến trở lên Ings4 chiếm 50% đến 65% số cột tuyến trở lên H1 chiếm 85% số cột tuyến trở lên H2 chiếm 75% đến 85% số cột tuyến trở lên H3 chiếm 65% đến 75% số cột tuyến trở lên H4 chiếm 50% đến 65% số cột tuyến trở lên L1 chiếm 85% số cột tuyến trở lên L2 chiếm 75% đến 85% số cột tuyến trở lên L3 chiếm 65% đến 75% số cột tuyến trở lên L4 chiếm 50% đến 65% số cột tuyến trở lên H1 chiếm 85% số cột tuyến trở lên H2 chiếm 75% đến 85% số cột tuyến trở lên H3 chiếm 65% đến 75% số cột tuyến trở lên H4 chiếm 50% đến 65% số cột tuyến trở lên Bước 3: Dựa vào kết phân tích từ bước để định mức ưu tiên cho cột đó, có mức ưu tiên bảng Xác định I ngs Xác định N C Đ NC < N CYC Xác định vị trí số lượng CSV đưng lắp đặt S Xét yếu tố ảnh hưởng Chọn mức ưu tiên Chọn vị trí lắp đặt CSV Hình1 Các bước chọn vị trí, số lượng CSV lắp đặt Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 17 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ ĐƯỜNG DÂY 220KV NHÁNH RẼ SƠN ĐỘNG Tuyến đường dây 220kV nhánh rẽ Sơn Động xét báo dài 18,4km nối từ trạm biến áp 220kV Hồnh Bồ tới Nhiệt điện Sơn Động (hình 2) sử dụng đường dây mạch, dây dẫn loại 2ACSR 330/43 DCS gồm dây loại TK 70 dây cáp quang OPGW70 Tuyến đường dây sử dụng loại cột khác với chiều cao từ 33m 44,5m bao gồm loại cột đỡ loại cột néo, đường dây gồm có 39 vị trí cột [6], Rtđ phân bố trải dài từ 3 tới 22 (hình 3) [7] Theo thống kê từ cơng ty Truyền tải điện từ năm 2013 tới năm 2016 thống kê số lần có sét [7] Từ tính suất cắt sét tuyến đường dây thể hình Trong tiêu suất cắt đường dây 220kV mà công ty truyền tải điện quốc gia (NPT) đưa cố vĩnh cửu 0,895 cố thoáng qua 0,263 lần/100km/năm [9] Như suất cắt đường dây lớn từ 2,8 đến 5,5 lần so với tiêu mà NPT đề Hình Suất cắt sét theo thống kê tuyến đường dây Hình Sơ đồ sợi đường dây 220kV nhánh rẽ Sơn Động Rtđ tập trung lớn dải giá trị từ đến 10 từ 18 đến 22 Đường dây nằm vùng có mật độ sét Ng = 10,9 số lần/km2/năm [8] CÁC PHẦN TỬ TRONG MÔ PHỎNG EMTP Các phần tử mô EMTP nguồn sét, cột, dây dẫn, dây chống sét, chuỗi sứ, tiếp địa, CSV trình bày [4,10], nghiên cứu sử dụng loại CSV có khe hở ngồi thông số nêu bảng Bảng Tham số CSV Điện áp danh định 192kV Dòng phóng điện danh định In Dòng phóng điện lớn Imax  10kA  25kA Điện áp dư lớn với sóng sét: + 10kA + 20kA 525 kVp 538 kVp Khe hở phóng điện ngồi 1000 mm Chịu điện áp xung (1,2/50s )  1140kV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 5.1 Xác định ngưỡng dòng điện sét gây phóng điện 5.1.1 Khi sét đánh đỉnh cột DCS Hình Phân bố mật độ xác suất (a) phân bố tích lũy (b) giá trị điện trở tiếp địa tên tuyến 18 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 48.2018 Hình Phân bố dòng điện sét gây phóng điện sét đánh đỉnh cột DCS SCIENCE TECHNOLOGY Kết mô cho thấy ngưỡng dòng điện sét gây phóng điện trường hợp sét đánh vào đỉnh cột DCS, với dạng sóng sét (1,2/50µs) vị trí cột có trị số từ 83kA đến 141kA Phân bố cường độ dòng sét gây phóng điện hình cho thấy cú sét đánh vào đỉnh cột DCS có xác suất gây phóng điện cao nằm dải từ 90kA tới 120kA Đó trị số điện trở Rtđ tăng, phần điện áp đặt lên hệ thống nối đất (I.Rtđ) tăng tương ứng làm cho điện áp đặt lên chuỗi cách điện tăng lên Vì vậy, trị số cường độ dòng sét gây phóng điện giảm 5.1.2 Khi sét đánh vào dây dẫn Khi sét đánh vào dây dẫn, ngưỡng phóng điện khơng phụ thuộc vào kiểu cột, điện trở nối đất, mà phụ thuộc vào tổng trở sóng dây dẫn (tức phụ thuộc độ cao bán kính dây dẫn) Phân bố dòng điện sét lớn đánh vào dây dẫn thể hình Kết tính tốn mơ cho thấy dải dòng điện sét lớn đánh vào dây dẫn có giá trị từ 6,6kA đến 9,8kA Ngưỡng dòng điện sét gây phóng điện sét đánh vào dây dẫn 8,5kA Phân tích mức ưu tiên từ đến vị trí cột tuyến đường dây nhánh rẽ Sơn Động xác định vị trí, số lượng cột lắp đặt CSV theo mức ưu tiên bảng Bảng Số lượng, vị trí cột theo nhóm ưu tiên STT Nhóm ưu tiên Số lượng cột Các vị trí cột Nhóm ưu tiên 10 7, 13, 24, 26,27,28,29,30,35,36 Nhóm ưu tiên 3,6, 12,19,23,24,25 Nhóm ưu tiên 11 4,8,14,16,17,20,21,31,32,33,34 Nhóm ưu tiên 9,11,22,35,36,38,39 5.3 Xác định suất cắt Đường dây nhánh rẽ Sơn Động qua khu vực có mật độ sét 10,9 lần/100km2/năm, chiều cao cột từ 33m đến 44,5m Kết tính tốn mơ không lắp CSV suất cắt đường dây 3,8 lần/100km/năm, suất cắt thực tế trung bình hàng năm đường dây theo thống kê 3,4 lần/100km/năm, mô với thống kê cho kết tương đồng Kết tính tốn suất cắt theo số lượng vị trí cột lắp đặt CSV thể trình hình Hình Phân bố dòng điện sét lớn đánh vào dây dẫn 5.2 Xác định mức ưu tiên chọn lựa vị trí cột Từ kết mơ ngưỡng dòng điện sét gây phóng điện phân tích yếu tố cột cố như: ngưỡng chịu sét, cao độ cột, chiều dài khoảng cột, chênh lệch đỉnh cột Và từ số liệu thống kê vận hành, thông tin đường dây xác định mức ưu tiên bảng Bảng Mức ưu tiên Hình Suất cắt đường dây theo số lượng vị trí CSV lắp đặt Tiêu chí Mức Mức Mức Mức Ngưỡng chịu sét thấp (kA) Is  85 85 < Ings  90 - - Từ kết hình cho thấy, lắp CSV 10 vị trí cột (tương ứng với 25% tổng số cột toàn tuyến) mức suy giảm suất cắt đường dây so với khơng lắp CSV 1,6 lần, lắp 34 vị trí cột (tương ứng với 87% tổng số cột toàn tuyến) mức suy giảm suất cắt đường dây so với không lắp CSV 15 lần Kết suy giảm suất cắt sét đánh đỉnh cột DCS ngưỡng dòng điện sét gây phóng điện nâng lên, nên xác suất ngây phóng điện giảm Cao độ cột lớn (m) Hsc  543,1 392  Hsc < 543,1 308.8  Hsc < 392 296  Hsc < 308,8 5.4 Dòng điện sét gây phóng điện, điện trở tiếp địa chiều cao vị trí cột Lsc > 992,1 893  Lsc < 992,1 825  Lsc < 893 800  Lsc 15 ngưỡng dòng điện sét gây phóng điện Ing < 100kA Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 19 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình Ngưỡng dòng điện sét đánh đỉnh cột gây phóng điện vị trí cột Hình Giá trị điện trở tiếp địa vị trí cột Hình 10 Chiều cao cột vị trí KẾT LUẬN Mơ thực cho đường dây 220kV nhánh rẽ Sơn Động, xét tới yếu tố ngưỡng chịu sét thấp, cao độ cột lớn, chiều dài khoảng cột, chênh lệch đỉnh cột, để chọn lựa vị trí số lượng CSV lắp đặt Mơ hình điện hình học sử dụng để xác định số lần sét đánh vào đỉnh cột (hoặc vào dây chống sét) dây pha Suất cắt đường dây tính tốn theo CIGRE Ngưỡng dòng điện sét gây phóng điện đường dây có giá trị từ 83kA đến 141kA sét đánh đỉnh cột DCS 8,5kA sét đánh vào dây pha Để đạt suất cắt 0,58 lần/100km/năm phải lắp đặt CSV cho 28 vị trí cột có mức ưu tiên từ 1-3, tương ứng với 84 20 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 48.2018 CSV để đạt suất cắt 0,24 lần/100km/năm phải lắp đặt CSV cho 34 vị trí cột có mức ưu tiên từ 1-4, tương ứng với 102 CSV Cho nên, để đảm bảo tiêu kinh tế giải pháp lắp đặt CSV nên kết hợp giải pháp giảm trị số Rtđ Trên quan điểm kỹ thuật, vị trí số lượng CSV lắp đặt xét tới yếu tố đường dây, trình vận hành gợi ý giải pháp để suất cắt đường dây sét gây đạt giá trị tốt Với vị trí cột, có thiết phải lắp pha hay không, việc chọn lựa pha để ưu tiên lắp đặt, phân bố góc sét đánh xuống đỉnh cột khoảng vượt đánh vào dây dẫn, nội dung mà nghiên cứu thời gian tới TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IEEE Std 1243-1997 IEEE guide for improving the lightning performance of transmission lines [2] T H Pham, S A Boggs, H Suzuki, and T Imai, 2012 Effect of externally gapped line arrester placement on insulation coordination of a twin-circuit 220 kV line IEEE Trans Power Delivery, vol 27, no 4, pp 1991–1997 [3] Đinh Thành Việt, Nguyễn Tấn Tiến, 2014 Nghiên cứu xác định vị trí tối ưu lắp chống sét van đường dây 500kV nhằm hạn chế tượng phóng điện ngược Tạp chí khoa học cơng nghệ Đại học Đà nẵng số (76) [4] A.Ametani and T Kawamura, 2005 A Method of a Lightning Surge Analysis Recommended in Japan Using EMTP IEEE Trans Power Delivery, vol 20, no 2, pp 867–875 [5] CIGRE WG 33-01, 1991 Guide to Procedures for Estimating the Lightning Performance of Transmission Lines, CIGRE Brochure 63 [6] Tập đoàn điện lực Việt Nam, Công ty tư vấn xây dựng 1, 2007 Đường dây 220kV đấu nối NĐ Sơn động vào HTĐ [7] Công ty truyền tải điện 1, 2016 Báo cáo vận hành đường dây 220kV nhánh rẽ Sơn động [8] QCXDVN 02:2008/BXD, 2008 Quy chuẩn xây dựng Việt Nam số liệu điều kiện tự nhiên dùng xây dựng (phần I) [9] Công ty truyền tải điện 1, 2012 Tổng kê cố tuyến đường dây mua điện Trung Quốc từ năm 2006 đến 2012 [10] Nam V Ninh, Thinh Pham, Top V.Tran, 2017 A Method to Improve Lightning Performance of Transmission Lines in High Footing Resistance Areas, 2017 International Symposium on Electrical Insulating Materials (ISEIM) IEEE, vol 2, no pp 761–764  ... vị trí cột tuyến đường dây nhánh rẽ Sơn Động xác định vị trí, số lượng cột lắp đặt CSV theo mức ưu tiên bảng Bảng Số lượng, vị trí cột theo nhóm ưu tiên STT Nhóm ưu tiên Số lượng cột Các vị trí. .. tiên Chọn vị trí lắp đặt CSV Hình1 Các bước chọn vị trí, số lượng CSV lắp đặt Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 17 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐƯỜNG DÂY 220KV NHÁNH RẼ SƠN ĐỘNG Tuyến đường dây 220kV. .. dụng để xác định số lần sét đánh vào đỉnh cột (hoặc vào dây chống sét) dây pha Suất cắt đường dây tính tốn theo CIGRE Ngưỡng dòng điện sét gây phóng điện đường dây có giá trị từ 83kA đến 141kA sét