Trong bài báo “ Lightning induced voltages on multiconductor power distribution line” đã xem xét ảnh hưởng của số lượng dây dẫn và điện trở đất lên điện áp cảm ứng trong đường dây đa dây dẫn đại diện cho đường dây phân phối điện thực tế. Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của độ dẫn đất cũng như sự hiện diện của nhiều dây dẫn đến cường độ và dạng sóng của điện áp cảm ứng trên đường dây phân phối. [18]
Bài báo đã trình bày cách tính điện áp cảm ứng do sét gây ra được tính cho đường dây phân phối mạch đơn và mạch kép với lưới phân phối 33kV bằng các phép tính gần đúng khác nhau cùng những giả định khác nhau:
- Đất là một vật dẫn điện hoàn hảo và độ dẫn đất hữu hạn trong trường điện từ do sét gây cảm ứng được bỏ qua.
- Độ dẫn điện trên mặt đất được tính tốn trong điện trường ngang bằng cơng thức sóng nghiêng.
- Ảnh hưởng của trở kháng đất và đường dây đến sự lan truyền điện áp cảm ứng dọc theo đường dây, cụ thể là cuối đường dây và ở giữa đường dây
- Trở kháng của đất phụ thuộc vào tần số và được biểu diễn trong phương trình ghép miền thời gian bằng tích phân cuộn.
Các cấu hình đường dây cụ thể trong bài báo đánh giá đã làm nổi bật lên sự ảnh hưởng của số mạch đường dây và điện dẫn đất thông qua kết quả mô phỏng với các thơng số như: dịng điện đỉnh của dòng sét là 12kA, dạng sóng của dịng sét là 40kA/ms, vận tốc vr =1,3.108 m/s, chiều dài của đường dây là 1km, các dây dẫn của đường dây được kết nối bằng trở kháng và dây nối đất của hệ thống. Điện áp cảm ứng
25
được tính ở đầu đường dây cũng như cuối đường dây đối với tia sét nằm cách cách tâm đường dây 50m và cách đều đường dây.
Hình 1. 12: Cấu trúc đường dây 1 mạch – thẳng đứng [18]
Hình 1. 13: Cấu trúc đường dây 1 mạch – nằm ngang [18]
26
Điện áp cảm ứng trên các dây dẫn khác nhau khi kết thúc đường dây đối với các cấu hình khác nhau được thể hiện như sau:
Hình 1. 15: Điện áp cảm ứng trên dây dẫn 1 của cấu hình thẳng đứng – nằm ngang với đường dây một mạch tại vị trí ở cuối đường dây [18]
Hình 1. 16: Điện áp cảm ứng trên dây dẫn 1 với cấu hình mạch kép tại vị trí ở cuối đường dây [18]
27
Hình 1. 17: Điện áp cảm ứng trên dây dẫn 2 của cấu hình thẳng đứng – nằm ngang với đường dây một mạch tại vị trí ở cuối đường dây [18]
Hình 1. 18: Điện áp cảm ứng trên dây dẫn 3 của cấu hình thẳng đứng – nằm ngang với đường dây một mạch tại vị trí ở cuối đường dây [18]
28
Hình 1. 19: Điện áp cảm ứng trên dây dẫn 3, 4, 6 với đường dây hai mạch tại vị trí ở cuối đường dây [18]
Hình 1. 20: Điện áp cảm ứng trên dây dẫn 1 của cấu hình thẳng đứng – nằm ngang và cấu hình hai mạch tại vị trí ở giữa đường dây [18]
Từ kết quả mô phỏng, bài báo đã đưa ra được kết luận rằng: Điện áp cảm ứng ở cuối đường dây ít hơn nhiều so với điện áp cảm ứng ở giữa đường dây và điện áp cảm ứng của 2 mạch cũng ít hơn so với điện áp cảm ứng của cấu hình 1 mạch. Điều này là do, khi số lượng dây dẫn nhiều có tác dụng che chắn lẫn nhau, do đó làm giảm điện áp cảm ứng lên các dây dẫn pha trong một hệ thống điện. Điện trường sét tạo ra dòng điện trong tất cả các dây dẫn bao gồm cả dây nối đất, do đó tổng từ trường là sự ghép nối giữa các dây dẫn lẫn nhau, sự ghép nối lẫn nhau này làm giảm điện áp cảm ứng được thể hiện rõ ở điện áp cảm ứng cuối đường dây. Tuy nhiên, tại điểm giữa của đường dây và chịu ảnh hưởng của vị trí cú sét đánh được chọn nên từ trường tổng tại vị trí này khơng ảnh hưởng lên điện áp cảm ứng nên từ trường tại điểm giữa đường
29
dây đã bị triệt tiêu từ hai phía đường dây. Do đó, tại điểm giữa của đường dây điện áp cảm ứng hầu như khơng thay đổi đối với các cấu hình hệ thống điện khác nhau của đường dây phân phối điện được nghiên cứu.
30
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH THEO TIÊU CHUẨN IEEE 1410, TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM LIOV VÀ SỰ CỐ ĐIỂN
HÌNH TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI CỦ CHI 2.1 Tính Điện áp cảm ứng theo tiêu chuẩn IEEE std 1410
Một dạng dòng sét tiêu chuẩn được phân biệt từ 3 thông số sau: Giá trị dòng sét đỉnh (I0), thời gian dòng tăng lên giá trị đỉnh (thời gian đầu sóng), thời gian dịng giảm xuống một nữa giá trị đỉnh (thời gian cuối sóng)
Giá trị dịng sét đỉnh là một giá trị ngẫu nhiên và nó phụ thuộc khá nhiều vào các yếu tố tự nhiên và vị trí địa lý, điều này dẫn đến việc rất khó xác định chính xác giá trị dịng sét. Tuy nhiên, theo tiêu chuẩn IEEE-1410 có đề xuất giá trị trung bình dịng sét đỉnh có giá trị là 31kA (do gặp khó khăn trong q trình thu thập thơng số dịng
sét nên đề xuất sử dụng theo tiêu chuẩn IEEE 1410 để tham khảo trong q trình mơ phỏng) [9].
Để xác định một cách chính xác thời gian và độ dốc đầu sóng dịng điện, có thể sử dụng Tiêu chuẩn TCVN 9888-1:2013 (IEC 62305-1:2010) Bảo vệ chống sét , theo đó tiêu chuẩn đã cung cấp Biểu đồ phân bố tần suất tích lũy của các tham số dịng điện sét được tính từ CIGRE. [16]
Đối với một số hiệu ứng ghép nối cảm ứng, xung mang điện âm đầu tiên dẫn đến các điện áp cảm ứng cao nhất.
31
Bảng 1. 1: Các giá trị của dòng sét chuẩn thống kê theo các tham số dịng điện sét lấy từ CIGRE
32
Hình 2. 1: Phân bố tần suất tích lũy của các tham số dịng điện sét
Từ Bảng 2.1 và hình 2.1, có thể xác định được từng trường hợp, từng tham số để tính dịng điện sét theo thời gian. Xét trường hợp:
- Cú phóng sét ngắn, mang điện tích âm đầu tiên với dịng điện I0 = 31kV, dựa vào hình 2.1 và Bảng 2.1, ta có thể xác định:
Với I0 = 31kV, dựa vào đường 1B, 12 và 6 của hình 2.1 xác định được: + Độ dốc: ≈ 22 (kA/ μs) (tra theo đường số 12)
→ Thời gian dòng tăng: T1 = / = = 1,4 (μs) +Điện tích: Q = 4,3 (C) (tra theo đường số 6)
→ Q = , × I × T
→ T2 = , × = , × ,× = 97 (μs)
Vậy với trường hợp cú phóng sét ngắn, mang điện tích âm đầu tiên thì có cặp giá trị sau: / ≈ 1,4/97 (μs/μs)= 31
33
Bên cạnh đó, tham khảo tiêu chuẩn TCVN 9888-1:2013 (IEC 62305-1:2010) về cách tính hàm số theo thời gian của dịng sét [16]:
= ( ) (2.1)
Trong đó:
I là dòng điện đỉnh;
k là hệ số hiệu chỉnh cho dòng điện đỉnh; t là thời gian;
T1 là hằng số thời gian sườn trước; T2 là hằng số thời gian sườn sau.
Thực tế, đa số những sự cố làm mất điện ở lưới phân phối là do sự cố do sét đánh vào các cơng trình hoặc cây xanh gần lưới điện dẫn đến hiện tượng quá điện áp cảm ứng bằng cách chớp tia sét kết thúc gần đường dây với điện áp cảm ứng nhỏ hơn 300kV. Một số hệ thống lưới điện phân phối có thể lắp đặt các thiết bị chống sét lan truyền để giảm tác động sự cố do cảm ứng sét trong mức điện áp xung tối thiểu của CFO.
Việc tính tốn điện áp cảm ứng địi hỏi phải có mơ hình phù hợp với mơ hình điện từ và xung điện từ sét. Một trong những công thức đơn giản để tính độ lớn điện áp cảm ứng được đưa ra bởi Rusck trong tiêu chuẩn IEEE 1410 [9]. Điện áp cảm ứng lớn nhất trên lưới điện tại một điểm, bỏ qua điện trở suất được xác định bởi công thức:
Umax= . . (1 +√ . ) (2.2)
Trong đó Z0 có thể xác định là
( ) hoặc Z0 = 30Ω
Khoảng cách tối thiểu đsể có thể xảy ra hiện tượng sét đánh gây ra giá trị điện áp cảm ứng được xác định theo công thức:
34
ymin(I0) = − ( − ℎ) = (10 , ) − (9 , − ℎ) (2.3)
2.2 Tính Điện áp cảm ứng theo Saldanha Paulino
Giá trị đỉnh điện áp tại tâm đường dây (giá trị cao nhất) có thể được các định gần đúng bằng thực nghiệm, là tích số của một số hàm của các biến độc lập.
( , , , ) = ( ). ( ). ( ). ( ) (2.4)
Từ cơng thức (2.4) ta có các mối quan hệ tương quan giữa giá trị đỉnh với các biến độc lập
( ) = (2.5)
( ) = (2.6)
( ) = .√ (2.7)
( ) = √3. ( ) (2.8)
Từ công thức (2.5), (2.6), (2.7) và (2.8), điện áp cảm ứng tại điểm gần dòng điện sét khi h=0m, được xác định bởi công thức:
= √3. ( ) . . (2.9)
Tương tư, tác giả Saldanha Paulino có xét đến cơng thức gần đúng khi tính điện áp cảm ứng sét xảy ra trên đường dây thẳng vơ hạn và có xét đến điện trở suất của đất, được trình bày như sau:
Umax = kc( ,h)[ √3( ) / . . + . . (1 + . )] (2.10)
2.3 Tổng quan về phần mềm LIOV: 2.3.1 Giới thiệu phần mềm LIOV: 2.3.1 Giới thiệu phần mềm LIOV:
Chương trình LIOV-EMTP bao gồm liên kết giữa hai mã riêng biệt: LIOV và mã EMTP phổ biến. Mã LIOV đã được phát triển trong khuôn khổ hợp tác quốc tế liên quan đến Đại học Bologna (Khoa Kỹ thuật Điện), Viện Công nghệ Liên bang
35
Thụy Sĩ (Phịng thí nghiệm Hệ thống Điện) và Đại học Rome “LaSapienza” (Khoa Kỹ thuật Điện). Mã LIOV được điều chỉnh thích hợp cho trường hợp đường dây trên khơng đa dẫn phía trên mặt đất bị cảm ứng điện áp do sét đánh gián tiếp. Trường điện từ hành trình quay trở lại được tính tốn bằng cách giả sử các thơng số hành trình quay trở lại của dịng sét. Điện trường thẳng đứng được tính tốn bằng cách sử dụng các biểu thức nổi tiếng suy ra khi giả sử một mặt đất dẫn điện hoàn hảo. Điện trường ngang được tính bằng cơng thức CoorayRubinstein.[15]
Mã LIOV là một mã máy tính cho phép tính tốn điện áp do sét gây ra trên đường dây phân phối trên khơng. Phần mềm tính tốn thơng qua các tham số cơ bản của sét và đường dây phân phối đang xét đến để cho ra dạng sóng điện áp theo thời gian tại các điểm bất kỳ trên đường dây.
Việc đánh giá quá điện áp dó sét được đánh giá như sau [15]:
- Sự thay đổi trường điện từ do sét được tính tốn tại một số điểm dọc theo đường dây bằng cách sử dụng mơ hình mơ tả sự phân bố theo khơng gian và thời gian cua dòng điện sét dọc kênh sét, cụ thể là mơ hình MTLF. Vì vậy, kênh hành trình trở về thường được coi là một ăng-ten thẳng đứng.
- Sự thay đổi trường điện từ được đánh giá ở trên sẽ được sử dụng để tính tốn q điện áp cảm ứng bằng cách sử dụng mơ hình kết nối giữa LEMP (xung điện từ sét) với đường dây.
LIOV code được áp dụng trong IEEE St 1410 kết hợp với phương pháp Monte Carlo để suy ra hiệu suất sét của đường phân phối điển hình.
LIOV code đã được tham khảo trong một số tài liệu kỹ thuật của CIGRE
36
Hình 2. 2: Thơng số đầu vào (page 1/2) trong phần mềm LIOV
Tại page đầu tiên của phần mềm LIOV, ở trang này ta sẽ nhập thông số mô phỏng như: chiều dài kênh sét (km), vận tốc của kênh sét (m/s), dòng điện đỉnh sét (kA), thời gian đầu sóng (μs), thời gian cuối sóng (μs), …..
37
Hình 2. 3: Thơng số đầu vào (page 2/2) của phần mềm LIOV
Tại page 2/2 của phần mềm LIOV, ở trang này ta chọn mơ hình để tính tốn đó là MTL (có xét đến sét di chuyển từ kênh sét cơ sở có sự suy giảm), chiều cao của đường dây phân phối (m), chiều dài đường dây phân phối (m), khoảng cách từ sét đến đường dây (m), thời gian, điện trở nối đất,……
38
Hình 2. 4: Page observation points của phần mềm LIOV
Tại Page observation points trong phần mềm LIOV, ta chọn các vị trí để xác định giá trị điện áp cảm ứng như: ở cuối đường dây, tại 1 điểm, 2 điểm, 3 điểm, 4 điểm và 5 điểm để mơ phỏng.
39
2.3.2 Mơ hình LIOV:
Mã LIOV bao gồm 2 chương trình con: MTLF (Modified-Transmission Line Fields) và MTLV (Modified-Transmission Line Voltages). [15]
- MTLF: Tính tốn trường điện từ gây ra bởi sét thơng qua dịng điện cơ sở kênh sét và vận tốc của sét.
- MTLV: Tính tốn q điện áp gây ra dọc theo đường dây trên không bắt đầu từ trường điện từ được tính tốn tại một số điểm dọc theo đường dây bằng MTLF ở trên.
Hình 2. 6: Mặt phẳng hình học của phần mềm LIOV
Xét mặt phẳng hình học của LIOV, gồm trục tọa độ (x, y, z) được xem là mặt phẳng chiếu trong khơng gian của các tham số. Mặt phẳng hình học LIOV cịn thể hiện phương D1 và D2 tương ứng với phương hướng của dòng sét đánh gần đường dây. Bên cạnh đó, OL được xem như một mặt phẳng của đất để xác định ảnh hưởng của điện trở đất cũng ảnh hưởng trong phần mềm LIOV.
Các thông số đầu vào và công thức được sử dụng trong phần mềm LIOV được trình bày cụ thể như sau:
Dòng điện cơ sở kênh sét được biểu thị bằng tổng hai hàm Heidler: - Cú phóng sét đầu tiên:
40
(0, ) = (( ) ) (2.11)
Trong đó: I01 – Dòng sét đỉnh của cú phóng sét đầu tiên (kA) – Thời gian dịng sét tăng lên 90% dòng sét đỉnh (s) – Thời gian dòng sét giảm xuống 50% dòng sét đỉnh (s) n1 – hệ số độ dốc
= ( )( ) - hằng số chính xác của biên độ dịng sét - Cú phóng sét kế tiếp:
(0, ) = (( ) ) (2.12)
Trong đó: I02 – Dịng sét đỉnh của cú phóng sét đầu tiên (kA) – Thời gian dòng sét tăng lên 90% dòng sét đỉnh (s) – Thời gian dòng sét giảm xuống 50% dòng sét đỉnh (s) n2 – hệ số độ dốc
= ( )( ) - hằng số chính xác của biên độ dịng sét - Dòng điện cơ sở kênh sét:
(0, ) = (0, ) + (0, ) (2.13)
Mơ hình TL, xung dịng điện cơ sở kênh lan truyền mà khơng có sự suy giảm:
(0, ) = (0, − ) z≤vt (2.14)
(0, ) = 0 z>vt
Trong thực thế, ta xét đến mơ hình MTL, xung sét di chuyển từ kênh sét cơ sở có sự suy giảm:
41
(0, ) = 0 z>vt
Bằng cách giả định mặt đất như một vật dẫn điện hồn hảo từ đó suy ra phương trình cho điện trường thẳng đứng và điện trường ngang dọc theo kênh sét bằng phương trình Maxwell, các phương trình được điều chỉnh cho phìu hợp với tia sét quay trở lại MTL:
Ε ( , , ) = ( ) . exp ∫ (0, − − ) +
exp ( ) (0, − − ) − exp ( ) ( , (2.15)
( , , ) = . exp ∫ (0, − − ) +
exp ( ) (0, − − ) + exp ( ) ( , (2.16)
Tổng vecto điện áp đường cảm ứng đường dây:
[ ( , )] = −[ ]. [ ( , )] + [ℎ . ( , 0, )] (2.17)
2.4 Tổng quan về hướng tuyến và sự cố do cảm ứng sét đối với tuyến dây Phú Thuận - Củ Chi Thuận - Củ Chi
2.4.1 Tuyến dây Phú Thuận – Củ Chi
Tuyến dây 22kV Phú Thuận là phát tuyến thuộc trạm trung gian 110/22kV Bàu Đưng – 1x40MV, thuộc quản lý của Công ty Điện Lực Củ Chi. Tuyến dây Phú Thuận có lộ trình: từ trạm trung gian Bàu Đưng đi theo đường An Nhơn Tây đến đường Nguyễn Thị Rành và đi dọc theo Tỉnh lộ 15. Phạm vi cung cấp điện: một phần khu vực các xã An Nhơn Tây, xã An Phú và xã Phú Mỹ Hưng, huyện Củ Chi.
42
Hình 2. 7: Tuyến dây Phú Thuận trên đường Tỉnh lộ 15 – Củ Chi
Các thông số thiết bị được lắp đặt theo quy cách kỹ thuật vật tư thiết bị do Tổng Công ty Điện lực TP.HCM quy định. Để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện do hiện tượng cảm ứng sét, tuyến dây Phú Thuận có lắp đặt hệ thống chống sét van tại các vị trí trụ trung thế có thiết bị hoặc trụ trung thế có cáp ngầm trung thế đấu nối. Bên cạnh đó, có hệ thống nối đất trụ trung thế và thiết bị đảm bảo theo quy phạm kỹ thuật.
2.4.2 Một số sự cố do cảm ứng sét ảnh hưởng đến tuyến dây Phú Thuận trong năm 2021 trong năm 2021
Quá điện áp khí quyển do cảm ứng sét đa số nguy hiểm với cách điện của đường dây 35kV trở xuống. Sóng quá điện áp xuất hiện trên đường dây tác động đến các thiết bị bảo vệ đường dây gây ra một số hiện tượng như: phóng điện, phá vỡ lớp cách điện, đứt dây, chảy chì FCO trạm,….
43
Trong năm 2021, sự cố do cảm ứng sét ảnh hưởng đối với tuyến dây Phú Thuận-Củ Chi tương đối nhiều. Cụ thể như: