Nghiên cứu đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất đối với dòng điện sét trên đường dây truyền tải việt nam tt

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Khả chịu sét đường dây phụ thuộc vào yếu tố: cách bố trí dây chống sét, kết cấu nối đất của cột, sử dụng thiết bị chống điện áp mỏ phóng, chống sét van, cách điện đường dây… Trong đó, việc thiết kế hệ thống nối đất có vai trò quan trọng, nhằm chủ yếu để tản dòng điện sét, hạn chế điện áp, tránh gây phóng điện, đảm bảo độ tin cậy vận hành đường dây truyền tải điện Hệ thống nối đất cho đường dây truyền tải Việt Nam thiết kế dựa theo giá trị điện trở chiều phù hợp với quy phạm trang bị điện Giá trị điện trở chiều khơng thể phản ánh tồn diện tính hiệu hệ thống nối đất việc tản dòng điện sét Việc thiếu nghiên cứu đáp ứng độ hệ thống nối đất với dòng điện sét khiến công tác thiết kế, vận hành quản lý đường dây truyền tải Việt Nam gặp hạn chế sau: + Không lý giải điện trở chiều nhỏ, nhỏ giá trị quy định nhiều lần xảy phóng điện sét + Vì phụ thuộc vào giá trị điện trở chiều mà việc thiết kế cải thiện hệ thống nối đất đơn giản cách tăng kích thước điện cực giảm điện trở suất đất Hình dạng điện cực, số điện mơi, q trình phóng điện đất bị bỏ qua Chính vậy, hiệu tản sét hệ thống nối đất không đạt kỳ vọng, cố sét xảy vị trí cải tạo + Hệ thống nối đất coi độc lập với cột dòng điện sét giả thiết thẳng vào hệ thống nối đất nên bỏ qua trình truyền sóng cột Các tượng phản xạ khúc xạ vị trí cột hệ thống nối đất bị bỏ qua Do suất cắt sét tính tốn với điện trở chiều phóng điện xảy thời gian đầu sóng dẫn đến xác định phóng điện dựa kỹ thuật xác tiêu chuẩn tích phân phát triển tia tiên đạo gây sai số lớn + Do phụ thuộc vào điện trở chiều nên hệ thống nối đất thiết kế để có điện trở chiều thấp tạo nên cảm giác an toàn “giả tạo” phương diện chống sét Những vị trí có điện trở chiều thấp tưởng an tồn thực tạo điện áp độ lớn trên cách điện Điều ảnh hưởng lớn đến đánh giá độ tin cậy đường dây tiêu chí phương diện độ tin cậy phải tính đến trường hợp xấu + Cuối cùng, trị số điện trở chiều có ý nghĩa để ước lượng khả tản dòng điện sét hệ thống nối đất mà khơng có ý nghĩa mặt an tồn Giá trị điện trở chiều cho biết trị số điện áp dâng hệ thống nối đất mà không xác định trị số điện mặt đất (điện áp bước điện áp tiếp xúc) hệ thống nối đất tản dòng điện sét Hạn chế dẫn đến việc so sánh mặt an toàn hệ thống nối đất dựa vào giá trị điện trở chiều Các nghiên cứu nước chưa giải toán xác định đáp ứng hệ thống nối đất dòng điện sét cách đầy đủ Mỗi phương pháp sử dụng vài trường hợp cụ thể có giới hạn khác Đối với điều kiện địa hình truyền thống thiết kế hệ thống nối đất Việt Nam chưa có nghiên cứu đầy đủ vấn đề Do vậy, việc thực đề tài cấp thiết để hiểu rõ phản ứng hệ thối nối đất dòng điện sét Kết nghiên cứu có ý nghĩa cốt lõi việc thiết kế hệ thống nối đất hiệu tiết kiệm, đồng thời tính tốn xác khả chống sét đường dây truyền tải Vì vậy, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu đáp ứng độ hệ thống nối đất dòng điện sét đường dây truyền tải Việt Nam” Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu + Tổng hợp thiết kế điển hình hệ thống nối đất đường dây 220 kV 500 kV vận hành lưới truyền tải Việt Nam Tổng kết nghiên cứu phương pháp tính tốn nước giới nối đất cho mục đích chống sét đường dây truyền tải + Tính toán đáp ứng độ hệ thống nối đất đường dây truyền tải miền tần số để từ nhận dạng đóng góp cụ thể thành phần điện trở tản, điện cảm điện dung vào tổng trở xung hệ thống nối đất tần số khác + Tính tốn đáp ứng độ hệ thống nối đất miền thời gian, qua xác định điện áp dâng hệ thống nối đất miền thời gian Tính tốn ảnh hưởng thơng số điện cực ảnh hưởng qua lại điện cực để từ xác định chiều dài khoảng cách điện cực hiệu cho mục đích chống sét + Nghiên cứu ảnh hưởng q trình ion hóa đất hệ thống nối đất với thiết kế điển hình đường dây truyền tải nhằm xác định hiệu tản sét vị trí điện cực tượng ion hóa đất xảy + Nghiên cứu đáp ứng độ cho hệ thống đầy đủ gồm cột điện điện cực nối đất để đánh giá ảnh hưởng tượng truyền sóng cột tượng phản xạ cột với hệ thống nối đất vào điện áp cách điện sét đánh vào đỉnh cột để từ xác định ảnh hưởng cụ thể hệ thống nối đất đến điện áp cách điện 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu + Hệ thống nối đất cột lưới điện truyền tải Việt Nam + Nghiên cứu đáp ứng độ miền tần số hệ thống nối đất điển hình cho đường dây truyền tải + Nghiên cứu đáp ứng độ miền miền thời gian hệ thống nối đất điển hình cho đường dây truyền tải, có xét đến tượng ion hóa đất + Nghiên cứu đáp ứng độ miền thời gian cho hệ thống gồm cột điện hệ thống nối đất Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng nghiên cứu đáp ứng hệ thống miền thời gian miền tần số để tính tốn tổng trở xung hệ thống nối đất tổng trở sóng cột Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) giải hệ phương trình Maxwell đầy đủ miền tần số miền thời gian để tính tốn mơ phóng đáp ứng q độ hệ thống nối đất, q trình truyền sóng sét tượng đặc trưng cho truyền sóng hệ thống nối đất cột Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học đề tài + Ứng dụng phương pháp FEM để tính tốn phân bố điện từ trường có dịng sét chạy qua hệ thống nối đất tản vào đất Từ đótính tốn điện áp q độ đặt lên hệ thống nối đất tổng trở hệ thống nối đất + Xây dựng mơ hình mơ q trình phóng điện đất Mơ hình cho phép xác định dịng tản vào đất vị trí điện cực ứng với thời điểm khác Từ tính tốn bán kính ion hóa vùng đất bao quanh điện cực + Xây dựng mơ hình sát với thực tế gồm cột điện hệ thống nối đất để mơ q trình truyền sóng từ đỉnh cột đến hệ thống nối đất Xác định trị số tổng trở sóng cột mà khơng phụ thuộc vào hình dạng kích thích đặt vào Mơ hình cho phép tính tốn điện áp cách điện cấu hình hệ thống nối đất thay đổi Kết nghiên cứu cho phép xác định xác hình dạng điện áp độ đặt lên cách điện sét đánh vào đường dây Ý nghĩa thực tiễn đề tài + Kết nghiên cứu đáp ứng độ cho hệ thống nối đất cho phép phân biệt rõ đóng góp điện trở chiều điện trở tần số cao vào khả tản dòng điện sét hệ thống nối đất + Đối với nối đất kiểu tia kết tính toán cho phép xác định chiều dài hiệu điện cực cách bố trí tia để đem lại hiệu tản sét cao + Kết nghiên cứu đáp ứng độ cho hệ thống cọc – tia cho phép xác định thiết kế hệ thống hiệu bao gồm cách phối hợp số lượng cọc với chiều dài tia số lượng cọc với khoảng cách cọc + So sánh đáp ứng độ hình dạng hệ thống nối đất khác với giá trị điện trở chiều cho phép gợi ý hình dạng hệ thống nối đất có hiệu tản sét tốt + Q trình ion hóa đất hệ thống nối đất kiểu tia cọc tia cho phép minh họa giá trị điện trường vị trí điện cực Từ hiểu rõ ảnh hưởng hình dạng điện cực đến trình ion hóa đất Kết gợi ý thiết kế hệ thống nối đất hiệu xét đến ion hóa đất + Kết nghiên cứu truyền sóng hệ cột – nối đất cho phép xác định điện áp độ đặt lên cách điện, ứng dụng nghiên cứu tính tốn khả chịu sét đường dây truyền tải Đồng thời, suy giảm q trình truyền sóng cột phản ánh hệ thống nối đất cho phép xác định xác giá trị điện dâng hệ thống nối đất Những đóng góp luận án + Phân tích đáp ứng độ miền tần số cho hình dạng hệ thống nối đất khác sử dụng đường dây truyền tải Việt Nam để từ xác định ảnh hưởng tham số: hình dạng, kích thước, tính chất điện môi, điện trở suất đất đến tổng trở xung hệ thống nối đất + Làm rõ ảnh hưởng điện cảm, điện dung, điện trở tản đến đáp ứng độ hình dạng hệ thống nối đất ảnh hưởng hình dạng hệ thống nối đất đến dạng điện áp chân cột đỉnh cột; + Xây dựng sở khoa học cho biện pháp cải thiện hệ thống nối đất cho mục đích chống sét; xác định kích thước, hình dạng hiệu hệ thống nối đất cho mục đích chống sét; + Nghiên cứu khả tản dòng điện sét vị trí điện cực; nghiên cứu ảnh hưởng tượng phóng điện đất đến tổng trở xung hệ thống nối đất + Phân tích truyền sóng sét hệ thống đầy đủ gồm cột điện hệ thống nối đất, đánh giá ảnh hưởng hình dạng hệ thống nối đất đến điện áp độ đầu xà, hình dạng nối đất kích thước cột đến điện áp cách điện Cấu trúc nội dung luận án Các nội dung nghiên cứu luận án trình bày chương sau: Chương Tổng quan Chương Tính tốn nối đất phương pháp phần tử hữu hạn tính tốn nối đất Chương Đáp ứng độ hệ thống nối đất miền tần số Chương Đáp ứng độ hệ thống nối đất miền thời gian Chương Đáp ứng hệ thống nối đất hệ đầy đủ gồm cột nối đất Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lưới điện truyền tải Việt Nam 1.2 Nối đất cho đường dây truyền tải giới 1.3 Nghiên cứu đáp ứng độ hệ thống nối đất đường dây truyền tải 1.3.1 Nghiên cứu nước Thiết kế nối đất cho đường dây truyền tải Việt Nam dựa vào điện trở chiều, thơng số điện cực đơn giản hóa nhiều bỏ qua điện cảm điện dung thân điện cực nối đất, bỏ qua q trình phóng điện đất, bỏ qua điện cảm điện dung tương hỗ điện cực nối đất, bỏ qua ảnh hưởng kết cấu nối đất lân cận, ảnh hưởng đất nhiều lớp, chiều dài hiệu dụng của hệ thống nối đất Có nghiên cứu nước thực cho vấn đề đáp ứng độ sét hệ thống nối đất Gần đây, số nghiên cứu nước bắt đầu ý đến toán độ hệ thống nối đất cách sử dụng mơ hình đại tính tốn hệ thống nối đất phản ứng với dịng điện sét mơ hình đường dây dài tính tốn điện áp q độ cho lưới nối đất [25], sử dụng mơ hình truyền sóng đường dây dài [26] tính tốn điện áp tổng trở q độ miền thời gian cho tia nối đất có bổ sung cọc đầu tia, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn [27] để tính tốn trị số điện áp bước trạm, phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian FDTD [28] tính tốn điện áp độ miền thời gian cho tia nối đất dài cho lưới nối đất kích thước Đặc điểm nghiên cứu kể tập trung vào tốn nhỏ với hình dạng nối đất đơn giản, tính tốn q độ tập trung vào tốn an tồn Chưa có cơng trình nghiên cứu cách đầy đủ đáp ứng hệ thống nối đất đường dây truyền tải dòng điện sét ảnh hưởng hệ thống nối đất đến điện áp cách điện tản dòng điện sét 1.3.2 Nghiên cứu giới Trên giới có nhiều nghiên cứu sử dụng chương trình máy tính để tính tốn đáp ứng hệ thống nối đất với dòng điện sét Đây xem phương pháp hiện đại phân làm phương pháp tính tốn chính: + Phương pháp mạch điện (circuit approach) [29-34] + Phương pháp đường dây dài (transmission line approach) [35-46] + Phương pháp số tính tốn điện từ trường (numerical electromagnetic analysis approach) [47-81] Mỗi phương pháp có ưu điểm nhược điểm riêng có phạm vi ứng dụng cụ thể Thông thường, phương pháp mạch điện thay hệ thống nối đất số hữu hạn mạch điện tương đương giải phương trình Kirhoff mạch điện Phương pháp đường dây dài coi hệ thống nối đất đường dây dài kích thích dịng điện sét, hệ thống nối đất nối tiếp vô số phần tử với thông số giống (thông số rải) thường phải có giả thiết đơn giản hố cụ thể cho việc tính tốn Cịn phương pháp số tính tốn điện từ trường, việc biểu diễn mối quan hệ đại lượng mạch điện cụ thể hố phương trình điện từ Maxwell Do đó, phương pháp có độ xác cao thường phải sử dụng với hệ thống máy tính, thơng qua phần mềm chun biệt để mô tượng xảy 1.4 Kết luận Hệ thống nối đất cho đường dây truyền tải Việt Nam thiết kế theo tiêu chí đảm bảo điện trở tản chiều Có hình dạng nối đất phổ biến gồm dạng tia thẳng, dạng cọc – tia, dạng cọc dạng quấn vòng Đáp ứng hệ thống với dịng sét, hay nói cách khác hiệu tản dòng điện sét (chứa nhiều thành phần tần số cao) hình dạng chưa hiểu biết cách đầy đủ trình thiết kế vận hành Các nghiên cứu nước đáp ứng độ chủ yếu tập trung vào khía cạnh an tồn hệ thống nối đất mà chưa có nghiên cứu đầy đủ đáp ứng dòng điện sét điện áp sét cách điện Bài toán đáp ứng độ hệ thống nối đất chủ yếu sử dụng phương pháp: (i) phương pháp mạch, (ii) phương pháp đường dây dài, (iii) phương pháp số tính toán điện từ trường (bao gồm phương pháp MoM, FDTD phương pháp FEM) Phạm vi ứng dụng phương pháp tùy thuộc vào mục đích tính tốn yêu cầu toán nối đất Phương pháp số tính tốn điện từ trường tỏ trội giải hệ phương trình Maxwell dạng đầy đủ sử dụng bước xấp xỉ Phương pháp sử dụng tính tốn đáp ứng hệ thống nối đất đường dây truyền tải luận án Chương TÍNH TỐN NỐI ĐẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG TÍNH TỐN NỐI ĐẤT 2.1 Phương pháp FEM tính tốn hệ thống nối đất Trong phần này, luận án trình bày chi tiết phương pháp FEM để giải hệ phương trình Maxell ứng dụng nghiên cứu hệ thống nối đất hệ phương trình Maxwell dạng vi phân thể mối quan hệ đại lượng điện từ qua phương trình sau: H  J  D t D   B t (2.1) E   (2.3) B  (2.2) (2.4) Giải hệ phương trình Maxwell tương ứng với việc tìm đại lượng điện từ (H B E D) hệ phương trình vi phân từ (2.1) đến (2.4) Phần mềm COMSOL sử dụng luận án dựa phương pháp FEM để giải hệ phương trình Maxwell 2.2 Tính tốn kiểm chứng phương pháp FEM với thực nghiệm 2.2.1 Tính tốn điện trở chiều cọc đất phân tầng Bảng 2.1 So sánh kết tính tốn điện trở nối đất cọc đất tầng với thí nghiệm Ahmeda cơng thức giải tích Taggs [24] Giải tích [24] Thí nghiệm [88] FEM 84,5 Ω 79,6 Ω 75,9 Ω Chênh lệch mô cho giá trị nhỏ kết thực nghiệm 4,6% Trong tính tốn giải tích có kết lớn thực nghiệm 6,2% 2.2.2 Tính tốn điện áp q độ tia nối đất Kết mô so sánh với thực nghiệm hình 2.8 cho thấy, điện áp tính tốn cực đại hệ thống nối đất 29,7 V thí nghiệm Harid cho giá trị điện áp cực đại 27 V với loại điện cực Ngồi ra, hình dạng điện áp biến thiên theo thời gian tương đối phù hợp với kết thực nghiệm Hình 2.8 So sánh kết tính tốn điện điện cực phương pháp FEM (đường màu đỏ) với thí nghiệm Harid [89] (đường màu xanh) 2.2.3 Tính tốn điện áp q độ cột điện Hình 2.11 So sánh kết mơ điện áp đỉnh cột sử dụng phương pháp FEM (đường màu đỏ) với thực nghiệm [90] (đường màu xanh) Cả hình dạng biên độ điện áp đỉnh cột tính phương pháp FEM phù hợp với kết đo đạc từ thực nghiệm 2.2.4 Tính tốn điện áp bước điện áp tiếp xúc 2.3 Kết luận Với cách chọn mơ hình đặt điều kiện phù hợp, phương pháp FEM tính tốn gần tất vấn đề nối đất lưới điện truyền tải, từ tính toán điện trở chiều, điện áp bước, điện áp tiếp xúc, đáp ứng độ theo thời gian điện áp điện cực nối đất cột để từ xác định tổng trở xung hệ thống nối đất tổng trở sóng cột Luận án tính tốn đối chứngvới kết thí nghiệm công bố a = 2m lZl/Ro a = 5m a = 10m 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 Tần số (Hz) Khoảng cách tia chủ yếu ảnh hưởng đến điện trở chiều ảnh hưởng điện trường tia với Khoảng cách tia ảnh hưởng đến điện cảm điện dung hệ thống nối đất nên không làm thay đổi nhiều giá trị tổng trở tần số cao Hình 3.10: Ảnh hưởng khoảng cách tia 3.3.3 Đáp ứng hệ thống dạng cọc – tia Tia 44 m - cọc lZl/Ro Tia 40m - cọc Tia 36m - 12 cọc 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 Tần số (Hz) Hình 3.11 Ảnh hưởng hình dạng cọc – tia đến tổng trở xung tương đối Sự khác biệt đáp ứng cấu hình cọc-tia bắt đầu thể từ 100 kHz trở khác biệt không lớn chiều dài tia tương đối ngắn xung quanh trị số 40 m Với giá trị điện trở chiều, việc sử dụng tia ngắn kết hợp nhiều cọc hiệu sử dụng với tia dài cọc phương diện bảo vệ chống sét 3.3.4 Hệ thống dạng tia quấn vòng 160 Tổng trở (Ω) 120 80 vòng vòng 40 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 Tần số (Hz) Hình 3.13 Ảnh hưởng dạng quấn vòng đến đáp ứng độ 11 Ở tần số 10 kHz, số vịng quấn khơng ảnh hưởng đến tổng trở hệ thống nối đất điện trở chiều đóng góp lớn nhiều so với tổng trở đóng góp từ điện cảm điện cực điện dung hệ thống nối đất Từ 10 kHz trở đi, tổng trở hệ thống nối đất kiểu vịng bắt đầu có xu hướng tăng với tần số Hiện tượng khác hẳn so với cấu trúc nối đất khác ảnh hưởng điện dung tương đối rõ nét tổng trở giảm tần số từ 10 kHz đến 50 kHz 3.3.5 Ảnh hưởng hình dạng hệ thống nối đất Hình 3.19 Ảnh hưởng hình dạng điện cực đến tổng trở hệ thống nối đất tần số 100 kHz MHz Kết mơ hình 3.19 cho thấy đánh giá hiệu hệ thống nối đất qua điện trở chiều mà bỏ qua hình dạng điện cực hồn tồn khơng thỏa đáng Một hệ thống nối đất kiểu quấn vịng làm tăng tổng trở tần số cao lên tới 1,5 lần so với cấu hình tốt dạng cọc 3.3.6 Ảnh hưởng điện trở suất đất f = 1000kHz f = 10kHz lZl/Ro f =100kHz 0 1000 2000 3000 4000 5000 Điện trở suất (Ω.m) Hình 3.20 Ảnh hưởng điện trở suất Tại tần số MHz, ảnh hưởng điện trở suất đến tổng trở điện cực nối đất rõ nét Với điện trở suất đất tăng gấp lần từ 1000 Ω.m đến 2000 Ω.m, tổng trở hệ thống nối đất tăng 1,24 lần Tuy nhiên, giá trị điện trở suất 5000 Ω.m, tổng trở hệ thống nối đất giảm 1,12 lần so với giá trị tổng trở tần số thấp 3.3.7 Ảnh hưởng số điện môi đất 120 f = 1000kHz 100 f = 100kHz lZl ( ) 80 f = 10kHz 60 40 20 0 20 40 60 80 Hằng số điện mơi Hình 3.21 Ảnh hưởng số điện môi đến tổng trở cọc nối đất 35 m tần số cao 12 Hình 3.18 cho thấy số điện mơi ảnh hưởng đến tổng trở tần số thấp 100 kHz Ở dải tần số thấp này, thành phần dòng điện điện dung nhỏ so với thành phần dòng điện chạy qua điện trở tản hệ thống nối đất trình tản dịng điện sét Tại tần số lớn 100 Hz, dòng tản vào đất qua thành phần điện dung bắt đầu Tổng trở 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Điện áp 60 50 40 30 20 Điện áp (kV) Tổng trở (Ω) đáng kể so với dòng tản vào đất qua điện trở tản Giá trị điện dung lớn khả tản dịng qua điện dung cao góp phần làm giảm tổng trở hệ thống nối đất Do vậy, tần số cao, số điện môi tăng từ lên 80, tổng trở hệ thống nối đất giảm 20% tần số 100 kHz giảm 45% tần số MHz 3.4 Kết luận Đáp ứng hệ thống nối đất miền tần số thường chia làm dải tần số: 1-Dải tần số thấp kHz, giá trị tổng trở với giá trị tổng trở đo điện áp chiều; 2- Dải tần số từ kHz đến 50 kHz, tổng trở giảm theo tần số dải tần đóng góp thành phần điện dung tương đương trở nên áp đảo so với đóng góp thành phần khác; 3Dải tần số lớn 50 kHz tổng trở tăng với tần số ảnh hưởng thành phần điện cảm điện cực trở nên rõ ràng dải tần số Hệ điện cực tia quấn vòng đất có ưu điểm sử dụng chiều dài tối đa tia mà không nhiều thời gian để thực Tuy nhiên hình dạng hệ điện cực tạo điện cảm tương đương lớn so với trường hợp tia thẳng Sự tăng cao trị số điện cảm dẫn tới tổng trở tia quấn vòng cao hẳn so với tất loại điện cực lại tần số từ 10 kHz trở lên Tổng trở hệ thống quấn vòng tăng cao 5% số vịng tăng từ vòng lên vòng Đặc điểm cho phép kết luận hệ điện cực tia kiểu quấn vịng hồn tồn khơng phù hợp cho mục đích chống sét Chương ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRONG MIỀN THỜI GIAN 4.1 Đặt vấn đề 4.2 Mơ hình mơ 4.3 Đáp ứng q độ hệ thống nối đất 4.3.1 Hệ thống tia 10 0 Thời gian (µs) Hình 4.4 Tương quan tổng trở q độ tia nối đất với điện áp độ 13 Hình 4.4 thể điện áp tổng trở độ hệ thống nối đât sử dụng tia có chiều dài 50m với điện trở suất 1000 Ω.m Điện áp độ đạt cực đại xấp xỉ 57 kV Tương ứng với thời điểm điện áp đạt cực đại, tổng trở hệ thống nối đất xấp xỉ 80 Ω Sau 2,55 µs tổng trở hệ thống nối đất giảm trị số 30 Ω ổn định giá trị 4.3.2 Ảnh hưởng chiều dài tia Hình 4.6 mơ tả ảnh hưởng chiều dài tổng trở xung lớn chiều dài khác Ta nhận thấy tổng trở xung giảm chiều dài tia nối đất tăng từ 20 m đến 30m Tuy nhiên, chiều dài tia vượt 30 m, tổng trở xung tăng với chiều dài Trong trường hợp này, chiều dài hiệu tia nối đất 30 m 160 Z xung Z tần số thấp Tổng trở (Ω) 120 80 40 15 20 25 30 35 40 Chiều dài (m) 45 50 55 Hình 4.6 Ảnh hưởng chiều dài tia đến tổng trở xung 4.3.3 Hệ thống nhiều tia Hình 4.10 mơ tả ảnh hưởng khoảng cách tia đến điện áp độ tổng trở độ khoảng cách thay đổi từ m đến 20 m Ta nhận thấy khoảng cách ảnh hưởng nhẹ đến tổng trở độ Tổng trở (Ω) 160 a = 5m a = 10m a = 20m 120 80 40 0 Thời gian (µs) Hình 4.10 Đáp ứng q độ với khoảng cách tia thay đổi từ m đến 20 m 4.3.4 Ảnh hưởng số lượng tia 14 60 Điện áp (kV) 50 40 30 x 40 m x 20 m 20 x 10 m 10 0 Thời gian (µs) Hình 4.12 Ảnh hưởng số lượng tia đến đáp ứng độ Một tia dài 40 m chia thành tia dài 20 m tia dài 10 m chôn độ sâu 0,8 m, tia đặt song song với phía cột với kết so sánh đáp ứng độ trình bày hình 4.12 Có thể thấy việc tách tia dài thành nhiều tia ngắn cải thiện rõ rệt điện áp độ hệ thống nối đất 4.3.5 Hệ thống cọc – tia Luận án nghiên cứu hệ thống cọc - tia với điện trở chiều 33 Ω bố trí với số lượng cọc chiều dài tia khác Hình 4.16 cho thấy điện áp hệ thống chia làm hai vùng riêng biệt, vùng ứng với thời gian nhỏ 2,5 µs cịn vùng ứng với thời gian lớn 2,5 µs Ở vùng 1, hệ thống sử dụng tia 44 m kết hợp với cọc có giá trị đỉnh điện áp độ cao nhất, lớn 10% so với hệ thống sử dụng tia 36 m 12 cọc Ở vùng 2, chênh lệch điện áp hệ thống gần không đáng kể Kết nghiên cứu việc sử dụng tia ngắn kết hợp nhiều cọc đem lại hiệu tản sét tốt 60 Điện áp(kV) 50 40 30 20 Tia 44m - cọc Tia 40m - cọc Tia 36m - 12 cọc 10 0 Thời gian (µs) Hình 4.16 Đáp ứng độ hình dạng cọc - tia 4.3.6 Ảnh hưởng số lượng cọc 15 Tổng trở xung ( ) 160 5000 Ohm.m 2000 Ohm.m 140 120 100 0.2 0.4 0.6 0.8 Hệ số cọc Hình 4.20 Ảnh hưởng hệ số cọc đến tổng trở xung hai trị số điện trở suất đất 2000 Ω.m 5000 Ω.m Hình 4.20 thể ảnh hưởng hệ số cọc đến tổng trở xung hai trị số điện trở suất đất 2000 Ω.m 5000 Ω.m Kết nghiên cứu cho thấy số lượng cọc tăng dẫn làm khoảng cách cọc giảm dẫn đến giảm hiệu tản sét cọc tia Do vậy, điện trở suất đất hệ thống cọc tia có hệ số cọc hiệu (lần lượt 0,4 0,67 điện trở suất 2000 Ω 5000 Ω) mà vượt qua trị số việc bổ sung cọc không cải thiện thêm hiệu tản sét hệ thống nối đất 4.3.7 Ảnh hưởng hình dạng hệ thống nối đất Ảnh hưởng bốn dạng điện cực phổ biến lưới điện truyền tải Việt Nam đến trị số điện áp q độ tính tốn mơi trường đất có điện trở suất ρ = 1000 Ω.m Các hệ thống nối đất có chung giá trị điện trở chiều 33 Ω, kết mô trình bày hình 4.21 Hệ thống tia quấn vịng có giá trị điện áp cực đại lớn nhất, lớn gấp 1,4 lần so với hệ thống điện cực sử dụng cọc Như vậy, kết nghiên cứu miền tần số miền thời gian cho thấy hệ thống nối đất kiểu quấn vịng có hiệu tản sét thấp 80 Nhiều vòng vòng Tia thẳng cọc - tia Cọc Điện áp (kV) 60 40 20 0 Thời gian (µs) Hình 4.21 Ảnh hưởng hình dạng điện cực đến đáp ứng độ 16 4.4 Hiện tượng phóng điện đất 4.4.1 Các giá trị đặc trưng cho tượng phóng điện đất 4.4.2 Sơ đồ tính tốn 4.4.3 Kết nghiên cứu hệ thống nối đất kiểu tia Hình 4.27 Quá trình phân bố điện trường mặt phẳng song song với mặt đất quanh điện cực từ 0,1 s đến 0,5 s 2000 Khơng ion hóa Ion hóa Điện áp (kV) 1600 1200 800 400 0 Thời gian (μs) Hình 4.28 Đáp ứng độ tia nối đất dài 50m có xét đến ion hố với dịng điện sét I=30 kA điện trở suất đất ρ = 1000 Ω.m 17 Hình 4.27 cho thấy điện trường phát triến sớm mạnh đoạn đầu tia Do vậy, bán kính ion hóa đoạn có chênh lệch rõ rệt Tại đoạn đầu tia, bán kính ion hóa lớn gấp 6,6 lần so với đoạn cuối tia Hình 4.28 so sánh điện áp độ điện cực tia khơng có ion hóa có ion hóa Q trình ion hóa làm cho bán kính điện cực tăng lên dẫn đến điện áp độ giảm thấp 6% so với trường hợp khơng xét đến ion hố 4.4.4 Kết nghiên cứu hệ thống nối đất kiểu cọc – tia Hình 4.34 Phân bố điện trường mặt phẳng vng góc với mặt đất qua tâm hệ thống cọc – tia Hình 4.34 cho thấy điện trường khu vực đầu cuối tia có trị số lớn khơng chịu ảnh hưởng cọc bên cạnh Hình 4.37 so sánh đáp ứng độ hệ cọc - tia trường hợp điện trở suất 1000 Ω.m Ta nhận thấy phóng điện đất xảy ra, điện áp độ cực giảm tương 4,8 % so với trường hợp khơng có phóng điện đất Như vậy, điều kiện điện trở suất đất cường độ dòng sét, ảnh hưởng qua lại cọc dẫn đến mức giảm hệ thống cọc - tia thấp so với hệ thống tia 2000 Khơng ion hóa Điện áp (kV) 1600 Ion hóa 1200 800 400 0 Thời gian (μs) Hình 4.37 Đáp ứng độ hệ thống kiểu cọc – tia có xét đến ion hóa với dòng điện sét I=30 kA điện trở suất đất ρ = 1000 Ω.m 18 4.5 Kết luận Nghiên cứu với tia nối đất dài 50m điện áp độ sớm pha dòng điện 0,8 s biên độ cực đại cao gấp lần so với trường hợp xét đến điện trở chiều tia nối đất; Đối với điện trở suất 1000 Ω.m, chiều dài hiệu điện cực tia 35 m chiều dài hiệu tăng điện trở suất đất tăng lên; Đối với trị số điện trở suất đất ta xác định hệ số cọc hiệu mà số lượng chiều dài cọc làm cho hệ số cọc vượt giá trị này, hiệu tản sét hệ thống giảm không đáng kể Đối với điện trở suất 1000 Ω.m 5000 Ω.m, hệ số cọc hiệu 0,4 0,67; Kết nghiên cứu cho thấy với giá trị điện trở chiều hệ thống nối đất dạng cọc dạng cọc – tia có hiệu sét tốt tia quấn vịng có hiệu sét nhất; Đối với tia dài 50 m điện trở suất 1000 Ω.m, thời điểm điện áp độ đạt cực đại có vùng đất bao quanh 30 m đầu tia bị ion hóa, dịng điện tản từ 20 m đoạn cuối tia chưa đủ lớn để gây tượng phóng điện đất Hiện tượng ion hóa làm giảm tổng trở độ cực đại điện áp cực đại so với trường hợp khơng xét đến ion hóa; Đối với hệ thống kiểu cọc-tia, tượng ion hóa xảy phức tạp ảnh hưởng qua lại cọc khu vực tia Phần tia cọc hai đầu tia có bán kính ion hóa cao so với phần tia cọc tia Chương ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRONG HỆ ĐẦY ĐỦ CỘT VÀ NỐI ĐẤT 5.1 Đặt vấn đề 5.2 Tính tốn tổng trở sóng cột bỏ qua hệ thống nối đất 5.3 Điện áp đỉnh cột hệ cột – hệ thống nối đất 5.3.1 Mơ hình nghiên cứu Q trình truyền sóng sét hệ thống đầy đủ gồm cột điện, móng cột hệ thống nối đất tính tốn mô Cột điện mô gồm loại, cột điện 500 kV cao 63 m cột điện 220 kV cao 37,5 m Hệ thống nối đất nghiên cứu gồm loại: 1- Loại tia thẳng dài 40 m; 2Loại tia dài 10 m; 3- Hệ thống tia dài 28 m kết hợp 10 cọc dài m 4- Hệ thống tia quấn vịng quanh móng dài 50 m, chơn độ sâu 0,8 m vùng đất có điện trở suất ρ = 1000 Ω.m số điện môi r = Dịng sét biên độ kA (1,2/50 µs) bơm vào đỉnh cột Điện áp đỉnh cột, xà trên, xà giữa, xà chân cột tính tốn nhằm đánh giá ảnh hưởng hình dạng hệ thống nối đất hình dạng cột đến điện áp độ cột hệ thống nối đất 5.3.2 Hệ cột điện 500 kV tia nối đất 19 120 Đỉnh cột Điện áp (kV) Xà 80 Xà Xà Nối đất 40 0 Thời gian (µs) Hình 5.6 Truyền sóng cột điện 500kV Hình 5.6 cho thấy sau 0,4 μs, điện áp đầu xà đạt giá trị cực đại 106 kV xà cùng, 96 kV xà 80 kV xà Do độ trễ q trình truyền sóng, điện áp hệ thống nối đất đạt cực đại 56 kV thời điểm 0,7 μs Có thể thấy, điện áp tầng xà dòng sét chạy qua tổng trở hệ cột nối đất gây điện áp chân cột chủ yếu tổng trở hệ thống nối đất gây Do vậy, điện áp tầng xà lớn nhiều so với điện áp chân cột, lớn từ 2,8 đến 3,6 lần Sự chênh lệch xảy μs đầu Tới thời điểm μs, điện áp tầng xà chân cột hội tụ giá trị Tại thời điểm μs trở giá trị điện áp vị trí cột dòng điện chạy qua tổng trở tần số thấp hệ thống nối đất gây nên 5.3.3 Ảnh hưởng số lượng tia đến điện áp đỉnh cột Nhờ hiệu tản xét cao hơn, điện áp độ chân cột sử dụng tia nối đất ngắn giảm thấp so với trường hợp dùng tia nối đất dài Trong khoảng thời gian 0,4 μs đến 1,5 μs, việc tách tia dài thành tia ngắn giúp điện áp chân cột giảm từ 14% đến 36% 120 Tia 40m 100 Điện áp (kV) tia 10m 80 60 40 20 0 0.5 Thời gian (µs) Hình 5.9 Ảnh hưởng số lượng tia đến điện áp xà 20 1.5 5.3.4 Ảnh hưởng hình dạng nối đất 120 Tia quấn Tia thẳng Điện áp (kV) 100 Cọc - tia 80 60 40 20 0 0.5 1.5 Thời gian (µs) Hình 5.12 Ảnh hưởng hình dạng nối đất đến điện áp xà Trong hệ thống đầy đủ, hệ thống nối đất kiểu quấn vòng tiếp tục cho kết thoát sét với điện áp xà cao tối đa 30% so với trường hợp sử dụng điện cực nối đất dạng tia 5.3.5 Ảnh hưởng kích thước cột Hình 5.15 cho thấy điện áp cực đại xà cột 220 kV nhỏ 1,3 lần so với cột 500 kV với trị số dịng điện sét hình dạng nối đất Cùng với biên độ, hình dạng điện áp có khác biệt chênh lệch thời gian truyền sóng từ đỉnh cột đến chân cột phản xạ ngược lại Rõ ràng, cột 220 kV tượng phản xạ từ chân cột làm giảm đáng kể điện áp cách điện 120 Cột 500kV Điện áp (kV) 90 Cột 220kV 60 30 0 0.5 1.5 Thời gian (µs) Hình 5.15 So sánh điện áp xà cột 220 kV cột 500 kV có dạng nối đất tia 40 m 5.3.6 Ảnh hưởng hình dạng xung 21 210 Xung 1,2/50 180 Xung 3/50 Điện áp (kV) 150 Xung vuông 120 90 60 30 0 0.5 1.5 Thời gian (µs) Hình 5.18 Ảnh hưởng hình dạng xung đến điện áp xà Hình 5.18 cho thấy thời gian đầu sóng ngắn tương ứng với tốc độ biến thiên dòng điện theo thời gian lớn, thành phần điện cảm hệ thống khiến biên độ điện áp cực đại tăng cao Khi xung vuông với thời gian đầu sóng vào đỉnh cột, biên độ điện áp cực đại xà lên đến 194 kV Trong đó, với biên độ dịng điện kA, dạng xung 1,2/50 µs gây điện áp cực đại 106 kV thấp 1,8 lần so với trường hợp xung vng Trường hợp dịng xung 3/50 µs, điện áp cực đại đầu xà giảm xuống 92 kV, thấp 14% so với trường hợp xung 1,2/50 µs 5.3.7 So sánh với mơ hình nối đất tập trung Hình 5.22 cho thấy chênh lệch mơ hình đầy đủ với cọc nối đất mơ hình nối đất tập trung nhỏ, điện áp cực đại chênh lệch 2,5% Kết phù hợp cọc nối đất có chiều dài ngắn, tổng trở tần số cao tương đương với điện trở chiều, tức tương đương với mơ hình nối đất tập trung chương Sự sai khác trị số điện áp đỉnh cột rõ ràng so sánh với nối đất dạng tia Hình 5.22 cho thấy, giai đọan độ từ đến μs đầu tiên, chênh lệch điện áp đỉnh cột mơ hình tia đầy đủ lớn trường hợp nối đất tập trung đến 15% 120 Mơ hình đầy đủ với tia nối đất 100 Điện áp (kV) Mơ hình đầy đủ với cọc nối đất 80 Mơ hình điện trở tập trung 60 40 20 0 Thời gian (µs) Hình 5.22 So sánh điện áp đỉnh cột mơ hình có giá trị điện trở chiều 36 Ω 5.4 Kết luận Đối với cột độc lập, kết tính tốn luận án phù hợp với nghiên cứu trước đó; Khi tính tốn hệ cột nối đất đầy đủ, ảnh 22 hưởng hình dạng tia đến điện áp hệ thống nối đất xác định xác hơn, điện áp xà cột chịu ảnh hưởng tượng sóng phản xạ; hệ thống quấn vịng có ảnh hưởng xấu đến điện áp cách điện Mặc dù tổng trở xung hệ thống quấn vòng lớn hệ thống tia 1,1 lần làm cho điện áp cách điện lớn trường hợp tia 1,3 lần; kích thước cột thay đổi ảnh hưởng đến thời gian truyền sóng cột, dẫn đến tương quan tổng trở sóng cột hệ thống nối đất thay đổi, cột 220 kV có điện áp đỉnh cột nhỏ 1,3 lần so với trường hợp cột 500 kV; thành phần điện cảm toàn hệ thống cột nối đất, thời gian đầu sóng dòng xung ảnh hưởng lớn đến đáp ứng độ cột,với biên độ cực đại dịng sét, dạng xung vng có thời gian đầu sóng 0,2 µs khiến điện áp cực đại đỉnh cột tăng gần lần so với xung sét tiêu chuẩn Kết so sánh điện áp đỉnh cột mô hình nối đất đầy đủ mơ hình nối đất tập trung cho thấy chênh lệch điện áp đỉnh cột thời gian độ tương đối lớn, với điện áp đỉnh cột mơ hình đầy đủ lớn mơ hình nối đất tập trung đến 15% so với mơ hình nối đất tập trung Như vậy, mơ hình điện trở tập trung tính tốn khả chịu sét đường dây truyền tải phù hợp với điện cực có chiều dài ngắn phân tích chương Đối với điện cực có chiều dài lớn hình dạng phức tạp, việc sử dụng mơ hình đầy đủ cho kết tính tốn tin cậy KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận án đáp ứng miền tần số hệ thống nối đất điển hình lưới điện Việt Nam chia làm ba dải tần khác dải tần số thấp đến kHz tương ứng với đóng góp thành phần điện trở tản toàn hệ thống nối đất; dải tần số thứ hai từ kHz đến 50 kHz chủ yếu đóng góp thành phần điện dung chủ yếu; dải tần số thứ ba từ 50 kHz trở lên đóng góp thành phần điện cảm chủ yếu Với loại điện cực điển hình đóng góp thành phần điện trở, điện cảm điện dung khác Hệ thống kiểu quấn vòng tạo dòng điện chạy vòng hệ thống nối đất làm cho điện cảm loại điện cực lớn dẫn đến tổng trở hệ thống dạng lớn dạng cọc đến 50% tần số dòng điện sét, tương ứng với gia tăng gia tăng điện mặt đất điện áp cách điện Với nghiên cứu đáp ứng độ hệ thống nối đất dòng điện sét miền thời gian, luận án tính toán chiều dài hiệu điện cực điện trở suất cụ thể Kết gợi ý cho loại điện trở suất ta xác định chiều dài tia tỉ lệ chiều dài cọc khoảng cách cọc để hệ thống nối đất có khả tản sét tốt Luận án nghiên cứu ảnh hưởng tượng ion hóa đất đáp ứng độ hệ thống hình tia hệ thống cọc-tia điển hình dịng điện sét đủ lớn để gây phóng điện đất Kết tính tốn cho phép xác định suy giảm tổng trở độ hệ thống nối đất tượng 23 ion hóa diễn ra, đồng thời tính tốn bán kính ion hóa tồn chiều dài điện cực điện trở suất định Ảnh hưởng qua lại cọc hệ thống cọc tia làm hiệu tản sét cọc phần tia hệ thống nối đất bị hạn chế đáng kể tản dòng điện sét Kết cung cấp gợi ý quan trọng cho việc thiết kế hệ thống nối đất chống sét hiệu khu vực có dịng điện sét lớn tượng ion hóa đất dễ xảy điện trở suất nhỏ Với nghiên cứu điện dâng hệ thống nối đất điện áp cách điện hệ đầy đủ bao gồm cột nối đất, luận án công trình nghiên cứu vấn đề đối cho nhiều hệ thống nối đất khác đường dây truyền tải Đóng góp tổng trở sóng cột, khác tổng trở sóng cột, thời gian truyền sóng cột tổng trở độ hệ thống nối đất làm cho điện áp dâng hệ thống nối đất điện áp cách điện khác biệt đáng kể so với trường hợp coi dòng điện sét thẳng vào hệ thống nối đất KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Luận án số vấn đề cần giải tốn tính tốn đáp ứng q độ cho hệ thống nối đất lưới truyền tải trở nên đầy đủ hơn, là: + Từ đáp ứng hệ thống nối đất đạt miền thời gian miền tần số, xây dựng mơ hình hệ thống nối đất tương đương miền thời gian phép đặt vào chương trình tính tốn độ điện từ + Tính đến phụ thuộc thành phần điện trở suất, số điện môi độ từ thẩm đất vào tần số để có đánh giá đáp ứng độ hệ thống nối đất cách xác + Đối với hệ thống cột nối đất, luận án giả thiết dòng điện sét chủ yếu vào cột xuống hệ thống nối đất Sự sai số giả thiết khắc phục cách nghiên cứu mơ hình tồn diện bao gồm dây chống sét hai khoảng cột lân cận 24 ... truyền tải Việt Nam + Nghiên cứu đáp ứng độ miền tần số hệ thống nối đất điển hình cho đường dây truyền tải + Nghiên cứu đáp ứng độ miền miền thời gian hệ thống nối đất điển hình cho đường dây truyền. .. cột nối đất Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lưới điện truyền tải Việt Nam 1.2 Nối đất cho đường dây truyền tải giới 1.3 Nghiên cứu đáp ứng độ hệ thống nối đất đường dây truyền tải 1.3.1 Nghiên cứu. .. chống sét đường dây truyền tải Vì vậy, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án: ? ?Nghiên cứu đáp ứng độ hệ thống nối đất dòng điện sét đường dây truyền tải Việt Nam? ?? Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên