Tuy nhiên khi thực hiện biện pháp này thực tế vận hành lại cho thấy trong nhiều trường hợp sự cố lại bị chuyển từ cột được lắp chống sét van sang cột bên cạnh dẫn đến việc lắp đặt chốn[r]
(1)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
1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội
2 Underground Systems Inc., Milford, CT, USA
3Trường 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 địi hỏi chi phí lớn nên thường khơng thể thực Trong thực tế đơn vị vận hành chọn vài vị trí thường xuyên 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 và 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
1 Giới thiệu*
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 thơng 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 tồn tuyến đường dây khó khả thi vốn đầu tư 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
(2)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
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 Cột số có vị trí cao thường đơn vị vận hành chọn lắp CSV
2 Cơ chế phóng điện cách điện cột không 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, cáchđiện 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
vệ hoàn 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 Mơ tả q trình truyền sóng sét đánh đỉnh cột có treo CSV pha A
Khi sét đánh vào đỉnh cột 2điện 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
không 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:
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 cơng thức (1), nên việc Ucđ3 có đủ lớn để gây
(3)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 khơng đánh trực tiếp vào cột
2.2 Khi sét đánh dây pha
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
Hình Mơ tả q trình truyền sóng sét đánh dây pha cột có treo CSV pha A, CSV làm việc Mơ hình tính tốn mơ
6m
17,5m
DCS
A
B C
5m
Hình Kích thước cột 220kV loại Đ212A 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
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]
4 Kết thảo luận
4.1 Trường hợp lắp 1CSV
Hình thể điện áp pha cột sét đánh đỉnh cột với dịng điện sét 147kA (1,2/50µs), Rtđ2 =10 Rtđ3= Kết mô
phỏng 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
Hình Điện áp cách điện cột cột CSV pha A cột làm việc, phóng điện xảy cách điện cột
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 không 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
mỗi giá trị Rtđ3, cặp giá trị dòng điện sét Is điện trở
của 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
của 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)
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
(4)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 dịng điện sét gây
phóng điện giảm Khi khoảng vượt tăng đến 400m ngưỡng dịng 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 đuôi sóng điện áp cách điện cột nên khơng ảnh hưởng đến đặc tính phóng điện cách điện
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 Phân bố vùng xảy phóng điện pha không treo CSV thay đổi khoảng vượt, Rtđ2=10, Rtđ3=5
4.2 Trường hợp lắp 2CSV
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 cịn lại không lắp CSV cột với giá trị Rtđ3 Ở dải Rtd2 này, vùng II
sẽ bị biến cịn vùng I III
Hình Phân bố vùng xảy phóng điện cách điện sét đánh vào cột 2, CSV cột làm việc, Rtđ3 =5
Hình 10 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 dịng ngưỡng Is lớn (23kA so với 15 kA) làm cho
(5)4.3 Trường lắp CSV
Khi cột bị sét đánh lắp CSV, khơng cịn 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 không tồn (hình 11)
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<200m, 200m<Lkv<400m Lkv>400m
(hình 12) Khi khoảng vượt nhỏ 200m, dịng ngưỡng gây phóng điện cột giảm khoảng vượt tăng ảnh hưởng sóng phản xạ thời gian đầu sóng giống trường hợp sử dụng CSV CSV Khi 200m<Lkv<400m, dòng ngưỡng
khơng thay đổi ảnh hưởng sóng phản xạ cân với tổn hao đường dây Khi Lkv>400m, ảnh
hưởng sóng phản xạ gần khơng đáng kể so với tổn hao điện trở dây dẫn gây Do CSV làm việc nên dòng điện sét chạy qua cột bên cạnh qua DCS không đáng kể Do tượng phản xạ từ cột lận trở lại khơng cịn đáng kể Điện áp cách điện cột bên cạnh chủ yếu dòng điện chạy dây dẫn tạo Ud23 gây
Mà Ud23 đến cột tổn hao nhiều
chiều dài khoảng vượt lớn Điều dẫn tới khoảng vượt tăng, dòng sét ngưỡng để xảy phóng điện cột tăng
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 dịng điện ngưỡng gây phóng điện cột lân cận không bị ảnh hưởng điện trở tiếp địa Hình 13 trình bày kết tính tốn dịng ngưỡng xảy phóng điện cột trường hợp lắp 1CSV pha A Ta nhận thấy điện trở tiếp địa cột thay đổi từ đến 120 dịng ngưỡng tăng từ 7,2kA lên 7,5 kA
Hình 13 Quan hệ dịng điện gây phóng điện cột sét đánh dây pha A với Rtđ3 thay đổi từ 10 đến
100
(6)Lkv (m)
200 400 600 800 1000 1200
I
s
(kA
)
7.18 7.20 7.22 7.24 7.26 7.28 7.30 7.32
Hình 14 Quan hệ dịng điện gây phóng điện cột theo chiều dài khoảng vượt sét đánh vào dây pha, Rtđ2=10, Rtđ3=5
5 Kết luận
Lắp CSV rời rạc vài vị trí cột coi nguy hiểm đường dây hiệu dùng để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào dây pha Mà trường hợp có xác suất xảy thấp đường dây có treo dây chống sét Khi dịng sét đánh vào dây pha lớn, CSV vị trí cột bị sét đánh làm việc phóng điện cột lân cận xảy Trong trường hợp này, tượng phóng điện cột lân cận không treo CSV không bị ảnh hưởng trị số tiếp địa cột
Khi sét đánh đỉnh cột dây chống sét, CSV lắp rời rạc vị trí bảo vệ cách điện vị trí Mức độ bảo vệ CSV cột chia làm vùng:
- Vùng I: Nếu dòng điện sét nhỏ, điện trở cột có lắp CSV nhỏ CSV khơng làm việc làm việc khơng có cách điện bị phóng điện Khơng có cố phóng điện sét SSC đường dây cải thiện rõ rệt
- Vùng II: Nếu dòng điện sét đủ lớn để kết hợp với điện trở cột bị sét đánh thành điểm vùng II, phóng điện xảy cột bên cạnh sét không đánh trực tiếp vào cột Sự cố chuyển từ cột có lắp CSV sang cột khơng lắp CSV, SSC đường dây không thay đổi hay việc lắp CSV hiệu
- Vùng III: Nếu dịng điện sét điện trở cột bị sét đánh lớn, phóng điện xảy cách điện khơng lắp CSV cột bị sét đánh trừ trường hợp tất pha cột bị sét đánh có lắp CSV Mặc dầu vậy, tượng xảy phóng điện cột bên cạnh xảy lắp CSV cột bị sét đánh dòng điện sét điện trở cột bị sét đánh đủ lớn
Khoảng vượt yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả phóng điện cột lân cận
khơng lắp CSV Chính vậy, lắp CSV rời rạc đạt hiệu dải trị số định điện trở tiếp địa khoảng vượt Ngoài trị số này, lắp CSV rời rạc không làm cho suất cắt đường dây thay đổi mà vị trí phóng điện chuyển từ cột sang cột Trong trường hợp cần thực lắp đặt CSV liên tục nhóm cột nhằm đảm bảo trị số SSC sau lắp CSV thực giảm
Tài liệu tham khảo
[1] Tổng công ty truyền tải điện quốc gia (NPT), báo cáo số 4457/EVNNPT-KT, báo cáo công tác giảm thiểu cố có nguyên nhân sét đường dây 220kV, 500kV, 2015
[2] IEEE, Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines, IEEE Standard 1243–1997, 1997
[3] J A Tarchini and W Gimenez, Line surge arrester selection to improve lightning performance of transmission lines, IEEE Bol PnwerTech Conf, Bol Italy (2003) 23-26
[4] Y A Wahab, Z Z Abidin, and S Sadovic, Line surge arrester application on the quadruple circuit transmission line, IEEE Bol PowerTech Conf Proc., vol (2003) 299-305
[5] R Rashedin, S Venkatesan, A Haddad, H Griffiths, and N Harid, Lightning Performance of 275 kV Transmission, Univ Power Eng Conf, UPEC 2008 43rd Int (2008) 2-6
[6] T H Pham, S A Boggs, H Suzuki, and T Imai, Effect of externally gapped line arrester placement on insulation coordination of a twin-circuit 220 kv line, IEEE Trans Power Delivery, vol 27, no (2012) 1991–1997
[7] IEEE Std C62.22™, IEEE Guide for the Application of Metal-Oxide Surge Arresters for Alternating-Current Systems, 2009
[8] Juan A Martinez, Ferley Castro-Aranda, Lightning Performance Analysis of Overhead Transmission Lines Using the EMTP, IEEE Trans Power Delivery, vol 20, no (2005), 2200-2010
[9] Nam V Ninh, Thinh Pham, Top V Tran, Coupling effect in transmission line submitted to lightning strikes, The 9th RCEEE 2016, Hanoi University of
Science and Technology (2016) 20-24