Ảnh hưởng của sét đến đường dây tải điện

Theo thống kê, sét là một trong những nguyên nhân chủ yếu gây sự cố trên lưới điện làm ngừng cung cấp điện gây nhiều thiệt hại kinh tế. Hiểu rõ quá trình hình thành của sét, ảnh hưởng của sét đến lưới điện để từ đó đưa ra các giải pháp phù hợp nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của sét đến lưới điện là hết sức cần thiết. Bài viết này, tổng hợp các nghiên cứu lý thuyết về sét và đưa ra các khuyến nghị về các giải pháp giảm ảnh hưởng sét đến lưới điện 110kV.

ẢNH HƯỞNG CỦA SÉT ĐẾN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN Ks Đ i nh H oài P h ng Ban KTSX EVN SPC TÓM TẮT Theo thống kê, sét nguyên nhân chủ yếu gây cố lưới điện làm ngừng cung cấp điện gây nhiều thiệt hại kinh tế Hiểu rõ trình hình thành sét, ảnh hưởng sét đến lưới điện để từ đưa giải pháp phù hợp nhằm giảm thiểu ảnh hưởng sét đến lưới điện cần thiết Bài báo này, tổng hợp nghiên cứu lý thuyết sét đưa khuyến nghị giải pháp giảm ảnh hưởng sét đến lưới điện 110kV I Quá trình hình thành sét: Sét dạng phóng tia lửa điện khơng khí, q trình phóng điện xảy đám mây dông với mặt đất đám mây dơng với Dịng điện sét (Hình 1) có dạng sóng xung Trung bình khoảng vài ba micro giây, dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sóng sau giảm xuống chầm chậm khoảng 20 ÷ 100μs [1, trang 14] Hình 1: Dạng sóng xung sét [1] Khi sét đánh vào dây dẫn làm xuất điện áp, tỉ lệ thuận với biên độ dịng điện sét thời gian trì thường khơng quỏ 50 ữ 100às [1, trang 14] Theo quan trc sét nhiều năm nhiều nước cho thấy biên độ dòng điện sét đại lượng thống kê, thay đổi phạm vi rộng từ vài kA đến vài trăm kA tuân theo quy luật phân bổ xác suất định Biên độ cao xác suất xuất thấp Biên độ lớn dòng điện sét đo lên đến 200kA II Ảnh hưởng sét đến đường tải dây điện: Sét đánh yếu tố chủ yếu gây cố đường dây làm ngừng cung cấp điện gây nhiều thiệt hại kinh tế Theo số liệu thống kê Công ty Điện lực KEPCO (Hàn Quốc) từ năm 1996 đến 2004 [4], cố đường dây 154kV có nguyên nhân sét chiếm khoảng 75% tổng số cố Theo Per Pettersson [2, trang 5-6], sét đánh vào đường dây đánh gần đường dây gây cảm ứng dây dẫn, có xác suất xảy phóng điện hồ quang (Flashover) cách điện Thực tế chia làm trường hợp sau: Hình 2: Thống kê cố sét – KEPCO (1996-2004) [4] Trường hợp 1: Sét đánh vào dây pha đường dây điện (Shielding Failure, sét đánh vòng vào dây pha đường dây bảo vệ dây chống sét) sét đánh gần đường dây gây điện áp cảm ứng lên dây dẫn mà điện áp sét tạo lớn khả chịu điện áp xung cách điện, gây phóng điện từ dây pha vào phần tử nối đất (Flashover, Hình 3) Trường hợp 2: Sét đánh vào dây chống sét điện áp sét đặt lên cách điện đường dây lớn khả chịu điện áp xung cách điện gây phóng điện ngược nghĩa phóng điện từ phần tử nối đất vào dây pha tin hội miền nam - tháng 4/2016  23 (Back-Flashover, Hình 4) Ví dụ: điện trở tiếp đất vị trí trụ n = 10Ω, biên độ dòng sét xả qua dây tiếp đất trụ n = 60kA, điện áp đặt lên cách điện đường dây trụ n vào khoảng 600kV Nếu giá trị lớn mức cách điện xung cách điện, xảy tượng phóng điện ngược cách điện đường dây Nói cách khác, xác suất xảy phóng điện ngược tỷ lệ thuận với giá trị điện trở tiếp địa đường dây tỷ lệ nghịch với mức cách điện xung cách điện Theo TS.Hoàng Việt [1, trang 28], trường hợp sét đánh trực tiếp vào dây pha đường dây (sét đánh vòng vào dây pha đường dây có bảo vệ chống sét), tùy biên độ dịng sét, điện áp sét gây có biên độ lên đến từ hàng triệu đến hàng chục triệu Volt, vượt nhiều lần mức cách điện xung đường dây cấp điện áp Cũng theo TS.Hoàng Việt [1, trang 28], trường hợp sét đánh gần đường dây gây cảm ứng lên dây dẫn, biên độ điện áp cảm ứng tương đối bé thường ảnh hưởng nguy hiểm đến cách điện đường dây điện áp từ 35kV trở xuống Như đối đường dây cấp điện áp từ 110kV, thực tế quan tâm trường hợp sét đánh trực tiếp vào đường dây (Shielding Failure Back-Flashover) mà không cần xét đến trường hợp điện áp cảm ứng sét Mặc khác, thời gian trì xung sét bé khoảng 100 µs (bé nhiều so với thời gian ghi nhận tác động thiết bị bảo vệ) nên khơng phải 100% lần xảy phóng điện cách điện đường dây xảy cố (thiết bị bảo vệ đường dây tác động) mà lần phóng điện cách điện đường điện hình thành hồ quang ổn định trì điện áp đường dây dẫn đến cố [1, trang 143] Xác suất hình thành hồ quang trì phụ thuộc vào nhiều yếu tố (công suất nguồn, điều kiện khí tượng, điện áp đặt đơn vị chiều dài cách điện đường dây) Theo thực nghiệm, dây điện áp ≤ 220kV, xác xuất xảy phóng điện hồ quang trì khoảng 0,7 [1, trang 144] Theo TS.Hoàng Việt [1, trang 14224  tin hội miền nam - tháng 4/2016 Hình 3: Flashover [3] Hình 4: Back – Flashover [3] 145], để đánh giá ảnh hưởng sét đến đường dây điện, người ta tính tốn suất cắt đường dây sét (là số lần lần cắt điện sét hàng năm / 100km đường dây) Suất cắt đường dây (lần/năm) tính sau [1, trang 168]: Đối với đường dây có dây chống sét: Đối với đường dây có dây chống sét: Trong đó: S: khoảng cách dây chống sét (m) : độ treo cao trung bình dây chống sét (m) n: số ngày có dơng sét trung bình năm (ngày có dơng sét) m: mật độ sét trung bình ngày có dông sét (lần sét/1km2/ngày) : độ cao cột (m) l: chiều dài khoảng vượt (m) : xác suất sét đánh vịng vào dây dẫn; với , α góc bảo vệ dây chống sét : xác suất hình thành hồ quan ổn định phóng điện chuỗi sứ : xác suất hình thành hồ quan ổn định phóng điện khoảng cách khơng khí khoảng vượt : xác suất phóng điện chuỗi sứ sét đánh vịng vào dây dẫn : xác suất phóng điện chuỗi sứ sét đánh vào đỉnh cột : xác suất phóng điện khoảng cách khơng khí dây chống sét dây dẫn sét dây vào dây chống sét khoảng vượt : xác suất phóng điện chuỗi sứ sét đánh vào dây chống sét khoảng vượt III Các giải giảm thiểu ảnh hưởng sét đến đường dây điện: Như trình bày trên, dịng sét có biên độ cao, xác suất xuất thấp Do đặt yêu cầu bảo vệ chống sét cho đường dây điện, khơng có nghĩa loại trừ hồn tồn khả xảy cố sét mà giảm số lần cố sét tới mức giới hạn hợp lý kinh tế [1, trang 141] Để giảm thiểu tượng sét đánh trực tiếp vào dây pha đường dây tải điện, giải pháp phổ biến treo dây chống sét Theo TS.Hoàng Việt [1, trang 90], để bảo vệ tốt cho đường dây góc bảo vệ α không lớn 31O Tuy nhiên, đường dây quan trọng, góc bảo vệ dây chống sét thường chọn khoảng từ 20O – 25O Đây tiêu chuẩn mà đơn vị tư vấn áp dụng thiết kế đường dây điện cho EVN SPC Tuy nhiên, đường dây có bảo vệ dây chống sét có xác suất sét đánh vịng vào dây pha trình bày Với cơng thức tính suất cắt đường dây sét trình bày trên, đường dây có bảo vệ dây chống sét, giải pháp để giảm suất cắt đường dây sét giảm xác suất phóng điện chuỗi sứ xác suất hình thành hồ quan ổn định chuỗi sứ mà giải pháp cụ thể tăng cường cách điện đường dây (tăng chiều dài đường rò, mức chịu điện áp xung cách điện) giảm điện trở nối đất cột điện [1, trang 145] Ngoài ra, lắp đặt chống sét đường dây giải pháp để giảm suất cắt đường dây sét (giảm xác suất phóng điện chuỗi sứ) IV.Kết luận kiến nghị Với nhận định trên, đề suất giải pháp để giảm cố đường dây điện sét sau: thử nghiệm) Trong năm 2015, triển khai giải pháp nêu cho đường dây 110kV Hà Tiên – Phú Quốc Bảo Lộc – ĐamBri bước đầu cho thấy hiệu Tài liệu tham khảo TS Hoàng Việt (2004), Kỹ thuật điện cao áp, Đại học Quốc gia TP HCM Per Pettersson (2003), Analytical Methods for Study of Transmission Line Lightning Protection, Royal Institute of Technology Stockholm - Sweden Jonathan J Woodworth (2009), What is a Transmission Line Arrester, ArresterWorks 2009 Hình 5: Góc bảo vệ dây chống sét [1] 1.Đối với đường dây thiết kế qua khu vực có mật độ sét cao khu vực địa hình đồi núi: - Chọn cách điện có mức chịu điện áp xung chiều dài đường rò lớn (sứ polymer) tăng cường số bát sứ (sứ gốm) Tham khảo thông số cách điện Polimer NGK/Mỹ sản xuất: J.S Kwak, J.W Woo, E.B Shim, H.J Kim (2006), Application of Arrester to Double Circuit Transmission Line to Enhance Lightning Performance and Introduction About the Obtained Lightning Waveforms by Monitoring Systems, 19th International Lightning Detection Conference C.A Christodoulou (2012), Evaluation of lightning performance of transmission lines protected by metal oxide surge arresters using artificial intelligence techniques, Journal of Energy Systems December 2012, Volume 3, Issue 4, pp 379-399  - Khảo sát địa chất vị trí trụ cụ thể để có giải pháp phù hợp nhằm giảm thấp điện trở tiếp đất cột điện (bao gồm giải pháp khoan giếng tiếp địa) 2.Đối với đường dây vận hành: - Thực giải pháp đối đường dây thiết kế - Trường hợp giảm điện trở tiếp đất cột điện chi phí thực q lớn có q nhiều vị trí cột có điện trở tiếp đất khơng đạt, giải pháp lắp đặt chống sét đường dây xem xét (do chi phí giải pháp lớn) Suất cắt đường dây sét đại lượng mang tính xác suất Do đó, tính tốn lựa chọn vị trí lắp đặt đặt chống sét đường dây, việc sử dụng phần mềm tính tốn vị trí lắp đặt tối ưu (dựa thông tin cấu trúc đường dây liệu thống kê liên quan đến số lần sét đánh vào đường dây, …) cần thiết Thông thường nhà cung cấp thiết bị có phần mềm tính tốn riêng, phương pháp tính tốn trình bày [5] điển hình Ngồi ra, tính chất xác suất nên việc lắp đặt đếm sét cho chống sét đường dây khơng có nhiều ý nghĩa (lắp đếm sét có ý nghĩa giai đoạn đánh giá tin hội miền nam - tháng 4/2016  25 ... [3] 145], để đánh giá ảnh hưởng sét đến đường dây điện, người ta tính tốn suất cắt đường dây sét (là số lần lần cắt điện sét hàng năm / 100km đường dây) Suất cắt đường dây (lần/năm) tính sau... trường hợp sét đánh trực tiếp vào dây pha đường dây (sét đánh vòng vào dây pha đường dây có bảo vệ chống sét) , tùy biên độ dòng sét, điện áp sét gây có biên độ lên đến từ hàng triệu đến hàng chục... phóng điện khoảng cách khơng khí dây chống sét dây dẫn sét dây vào dây chống sét khoảng vượt : xác suất phóng điện chuỗi sứ sét đánh vào dây chống sét khoảng vượt III Các giải giảm thiểu ảnh hưởng