(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng logic mờ để xác định vị trí chống sét van

Luận văn thạc sỹ 2011

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01/10/2011

Nguyễn Mạnh Hùng

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

iii

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011

Lời cảm ơn
Trước hết,Tôi xin chân thành cảm ơn Cha Mẹ sinh thành và tất cả những
người Thầy đã dạy tôi nên người.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu,các thầy cô giáo trong Khoa
Điện – Điện Tử, Khoa Đào tạo Sau Đại học – Trường Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh đã tham gia giảng dạy,trang bị kiến thức
cho tôi trong toàn khoá học.
Đặc biệt,tôi xin cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS.Quyền Huy nh,
người đã tận tình hướng dẫn,giúp tôi hoàn thành Luận văn tốt nghiệp bậc cao
học này.
Tôi xin chân thành cám ơn các Thầy Cô trong Hội đồng chấm bảo vệ luận

văn Thạc Só ngành Thiết Bị Mạng và Nhà Máy Điện khóa 07 - Trường
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh.
Sau cùng,cảm ơn tất cả những người thân,bạn bè và đồng nghiệp đã hết
lòng hỗ trợ,giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
TP.Hồ Chí Minh,ngày 01/10/2011

Nguyễn Mạnh Hùng

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

iv

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011

TÓM TẮT
Để bảo vệ sét đánh lan truyền vào trạm biến áp phân phối, phía cao thế của trạm
thường sử dụng chống sét van. Trong lắp đặt thiết bị chống sét van, khoảng cách giữa
thiết bị chống sét van và đầu cực cao thế của máy biến áp là hết sức quan trọng. Nếu
chống sét van đặt tại đầu cực máy biến áp thì máy biến áp được bảo vệ an toàn nhất,
nhưng chống sét van cịn phải bảo vệ cho tồn bộ cách điện của trạm, cho nên trong
trường hợp tổng quát giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp cần có một khoảng
cách phân cách. Vì vậy, việc xác định khoảng cách phân cách hợp lý nhằm bảo vệ hiệu
quả máy biến áp và các thiết bị đóng cắt trong trạm là rất cần thiết.
Luận văn này đã đề xuất:
-

Phương pháp mới để tính khoảng phân cách giữa chống sét van và máy

biến áp ở các trạm có cấu hình khác nhau (như trạm có một máy và trạm có hai máy
biến áp) dựa trên đánh giá rủi ro hư hỏng tại các vị trí quan trọng trong trạm kết hợp
với kỹ thuật logic mờ bằng nhiều tiêu chí ( tiêu chí rủi ro trung bình chung thấp nhất và
tiêu chí rủi ro hư hỏng cho phép). Các đặc tính ngẫu nhiên như độ dốc đầu sóng và
biên độ đỉnh sóng của xung sét được sử dụng để tính tốn rủi hư hỏng của mạng điện.
-

Chương trình FUPOSA được xây dựng giúp người sử dụng dễ dàng xác

định vị trí lắp đặt hợp lý chống sét van với các cấu hình trạm điện có sẵn.
Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ giúp cho các công ty tư vấn thiết kế điện,
các cơng ty điện lực xác định vị trí lắp đặt chống sét van hợp lý khi thiết kế trạm biến
áp mới dựa trên đánh giá rủi ro hư hỏng của thiết bị khi có xem xét đến mật độ sét khu
vực và các yếu tố ảnh hưởng.

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

v

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
ABSTRACT
To protect the distribution substation from lightning overvoltage, arresters are
installed at the high voltage side of transformers. In installation of surge arresters, the
separation length between the arresters and the high voltage terminals of transformers
is very importance. If the lightning arrester is installed at the terminals of transformers,
the transformer will be protected safety. However, lightning arresters must to protect

for all insulation of the substation’s components, so that, in general cases between
lightning arrester and the terminals transformer are needed a separation distance. Thus,
the determination of a reasonable distance between the lightning arresters and
terminals of transformer to protect efficiency the transformer and switching devices of
the substation is very necessary.
The thesis has presented:
-

A new menthode to dertermine separated distances between arresters and

transformers with various configurations of substations (such as a substation with one
or two transformers) base on estimating the risk of failure at important positions in
subtation and using fuzzy logic. Random characterictis of lighting impulses such as the
peak value of the return stroke current and the slope of the wave front are considered to
canculate the risk of failure.
-

The FUPOSA program is developed to help the users easily determine

the appropriate installed position of lightning arrester with existing configurations.
The research results of the thesis will help the electrical consultancy and design
companies, the power company determine the appropriate installed position of
lightning arrester when installing a new substation base on evaluating the risk of failure
that incluses traffic density in areas and other effects .

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

vi

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

Luận văn thạc sỹ 2011
MỤC LỤC
Trang
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học

i

Lời cam đoan

iii

Lời cảm tạ

iv

Tóm tắt

v

Mục lục

vii

Danh mục các ký hiệu, chữ cái viết tắt tiếng Anh

x

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

xi

Danh mục các bảng

xiv

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1

1.1 Lý do chọn đề tài

1

1.2 Các phương pháp chọn vị trí chống sét van

4

1.2.1 Phương pháp xác định vị trí chống sét van dựa trên mơ hình Petersen

4

1.2.2 Phương pháp D.Fulchiron

4

1.2.3 Phương pháp Bent de Metz-Noblat

5

1.2.4 Phương pháp ABB

9

1.2.4.1 Trạm biến áp kết nối với đường dây trên không

9

1.2.4.2 Trạm biến áp kết nối với cáp ngầm

11

1.3 Các nghiên cứu vị trí lắp đặt chống sét van

14

1.3.1 Các nghiên cứu trong nước

14

1.3.2 Các nghiên cứu quốc tế

15

1.4 Mục tiêu luận văn

17

1.5 Điểm mới của đề tài

17

1.6 Nội dung luận văn

17

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

vii

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
CHƯƠNG II: CƠ SỞ TÍNH TỐN

18

2.1 Rủi ro hư hỏng

18

2.2 Logic mờ

23

2.3 Mô phỏng bằng simpowersystem

25

CHƯƠNG III: CẤU HÌNH MẠNG ĐIỆN

27

3.1 Cấu hình trạm biến áp

27

3.1.1 Cấu hình trạm một máy biến áp

27

3.1.2 Cấu hình trạm hai máy biến áp

28

3.2 Mơ hình các phần tử của mạng

28

3.2.1 Mơ hình đường dây

28

3.2.1.1 Mơ hình hình pi

28

3.2.1.2 Mơ hình tổng trở đặc tính

30

3.2.2 Mơ hình chống sét van

31

3.2.3 Mơ hình nguồn xung

33

3.3 Mơ hình mạng điện cần mơ phỏng

34

CHƯƠNG IV: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN

37

4.1 Đặc tính ngẫu nhiên của xung sét

37

4.2 Tiêu chí bảo vệ

38

4.2.1 Bảo vệ dựa trên chỉ số rủi ro trung bình bé nhất

38

4.2.2 Bảo vệ dựa trên tiêu chí rủi ro hư hỏng cho phép

39

4.3 Sơ đồ khối chương trình

40

4.3.1 Chương trình tính tốn theo chỉ tiêu rủi ro trung bình thấp nhất

40

4.3.2 Chương trình tính tốn theo rủi ro cho phép

44

4.3.2.1 Cấu trúc chương trình

44

4.3.2.2 Chương trình logic mờ xác định vị trí chống sét van

47

4.4 Chương trình tính tốn hỗ trợ

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

49

viii

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
4.4.1 Giao diện chương trình

49

4.4.2 Kết quả tính tốn

52

4.4.2.1 Kết quả tính tốn cho cấu hình trạm một máy biến áp

52

4.4.2.2 Kết quả tính tốn cho cấu hỉnh trạm hai máy biến áp.

53

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN

56

TÀI LIỆU THAM KHẢO

57

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

ix

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
KÝ TỰ VIẾT TẮT

BIL:

Basic Insulation Level

MOV:

Metal Oxide Varistor

AI:

Artificial Intelligence

FDCL:

Fuzzy Dependency and Command Language

MIQ:

Machine Intelligence quotient

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

x

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011

DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét dòng qua chống sét van

4

Hình 1.2 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét đến khoảng cách phân cách

5

Hình 1.3 Sơ đồ mạch (đường dây và trạm biến áp) dùng trong nghiên cứu
truyền sóng quá điện áp sét
6
Hình 1.4 Sóng tới và sóng phản xạ khi trạm biến áp có chống sét van

7

Hình 1.5 Điện áp trên trên đường dây được bảo vệ bởi chống sét van theo thời
gian (trường hợp 1 và 2 ở Bảng 2.1).

8
Hình 1.6 Quá áp cực đại tại đầu cực máy biến áp (B) theo thời gian τ (trường
hợp 2 ở Bảng 1.1)
9
Hình 1.7 Quá điện áp ở cuối đường dây

10

Hình 1.8 Trạm biến áp được kết nối với cáp ngầm

13

Hình 1.9 Xác định vị trí chống sét van dựa trên đánh giá thời gian giữa hai lần
hư hỏng
15
Hình 1.10: Lưu đồ giải thuật tối ưu hóa vị trí chống sét van

16

Hình 2.1: Dạng sóng hàm mật độ xác suất xuất hiện quá áp, hàm xác suất
phóng điện đánh thủng và rủi ro hư hỏng
18
Hình 2.2: Lưu đồ tính tốn rủi ro hư hỏng

20

Hình 2.3 Đặc tuyến giữa hệ số phối hợp thống kê và rủi ro hư hỏng

21

Hình 2.4: Đặc tuyến của hàm xác suất phóng điện đánh thủng P(V) theo số
lượng các lớp cách điện đồng tâm.
22

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

xi

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
Hình 2.5: Lưu đồ tính tốn rủi ro hư hỏng bằng phương pháp tra bảng

22

Hình 3.1: Cấu hình trạm một máy biến áp

27

Hình 3.2: Cấu hình trạm hai máy biến áp

28

Hình 3.3: Mơ hình hình pi cho đường dây.

29

Hình 3.4 : Các tham số có thể lựa chọn của một mơ hình hình pi

30

Hình 3.5 : Mơ hình tổng trở đặc tính

30

Hình 3.6 : Mơ hình tổng trở đặc tính đơn giản

31

Hình 3.7 : Đặc tuyến V-I của chống sét van

32

Hình 3.8 : Các thơng số có thể lựa chọn của chống sét van

32

Hình 3.9: Dạng xung sét tiêu chuẩn

33

Hình 3.10: Thơng số của mơ hình nguồn phát xung sét

34

Hình 3.11. Mơ hình cho trạm một máy biến áp

34

Hình 3.12 Mơ hình trạm hai máy biến áp khi chống sét van nằm trên những
đoạn cáp ngầm khác nhau
35
Hình 3.13 Mơ hình trạm hai máy biến áp khi sử dụng hai chống sét van.

36

Hình 4.1: Xác suất xuất hiện một xung sét có đại lượng ngẫu nhiên lớn hơn
một giá trị xác định
38
Hình 4.2: Phân phối giá trị các biến ngẫu nhiên

38

Hình 4.3: Lưu đồ tính tốn bảo vệ theo rủi ro trung bình cho cấu hinh một
máy biến áp
41
Hình 4.4: Lưu đồ sử dụng một chống sét van để bảo vệ cho trạm hai máy biến
áp
43

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

xii

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
Hình 4.5: Lưu đồ sử dụng hai chống sét van để bảo vệ cho trạm hai máy biến

áp
44
Hình 4.6 Sơ đồ khối chương trình máy tính xác định vị trí lắp đặt chống sét
van sử dụng logic mờ theo tiêu chuẩn rủi ro cho phép
45
Hình 4.7 Lưu đồ chương trình tính tốn

46

Hình 4.8:Cấu tạo bộ quyết định mờ xác định vị trí chống sét van

47

Hình 4.9: Các biến ngôn ngữ của ngõ vào sai số rủi ro hư hỏng ở lần lặp thứ
(k)

48

Hình 4.10: Các biến ngôn ngữ của ngõ vào độ dịch chuyển của chống sét van
ở lần lặp thứ (k)

48

Hình 4.11 Các biến ngơn ngữ của ngõ ra độ dịch chuyển của chống sét van ở
lần lặp thứ (k+1)

49

Hình 4.12 : Giao diện chính chương trình tính tốn vị trí lắp đặt chống sét van

49

Hình 4.13 Chương trình tính tốn bảo vệ cho trạm một chống sét van

50

Hình 4.14 Giao diện chương trình tính tốn vị trí chống sét van cho cấu hình
trạm hai máy biến áp

51

Hình 4.15 Rủi ro hư hỏng tại máy biến áp và tại điểm nối giữa đường dây trên
không và cáp ngầm

52

Hình 4.16 Rủi ro hư hỏng tại các vị trí khi sử dụng một chống sét van bảo vệ
trạm hai máy biến áp

54

Hình 4.17 Rủi ro hư hỏng tại các vị trí khi sử dụng hai chống sét van bảo vệ
trạm hai máy biến áp

54

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

xiii

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1 Điện áp cực đại trên máy biến áp được bảo vệ bằng chống sét van

7

Bảng 1.2 Mức cách điện cơ bản (BIL) và mức điện áp bảo vệ của chống
sét van (Up) hiện đại với Up = 4.pu

11

Bảng 1.3 Độ dốc và giá trị điện áp phóng điện của cách điện đường dây trên
không

11

Bảng 1.4 Chiều dài cho phép lớn nhất Dk của đoạn cáp với một bên bảo vệ
thiết bị chống sét.

12

Bảng 1.5 Khoảng cách phân cách tối đa cho phép chống sét giữa cáp và máy
biến áp ở Hình 2.8 với b = 0. Hai chống sét van nối hai đầu cáp,
tại MBA khơng có chống sét van

13

Bảng 3.1: Các dạng sóng tiêu chuẩn

33

Bảng 4.3 : Luật mờ của bộ ra quyết định mờ xác định vị trí lắp đặt chống sét van

48

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

xiv

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
Chương 1

TỔNG QUAN
1.1.Lý do chọn đề tài
Sự ổn định và chất lượng của hệ thống điện là điều kiện tiên quyết cho sự phát
triển của nền kinh tế và chất lượng cuộc sống của người dân. Trong hệ thống điện,
mọi thiết bị điện khi lắp đặt đều được dự kiến đưa vào vận hành lâu dài ở một cấp
điện áp xác định và thường được lựa chọn dựa trên điện áp định mức của lưới điện
mà thiết bị đó được đấu nối vào. Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, đôi lúc lại xảy
ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có thể là do các sự cố chạm
đất, do thao tác, do sét…v.v. Trong đó, quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi vì
quá điện áp này rất lớn gây phóng điện đánh thủng cách điện và phá hủy thiết bị.
Có ba yếu tố quan trọng như nhau có liên quan đến việc bảo vệ quá áp: thiết kế

tổng quan lưới điện, cấp độ cách điện xung cơ bản (BIL) của thiết bị (máy biến áp,
bộ điều áp, dàn tụ bù,.v.v.) trên lưới, thiết bị bảo vệ (chống sét van, dây chống sét).
Khả năng cách điện của hệ thống cơ bản được xác định bởi đặc tính kỹ thuật
của các bộ phận sử dụng (cực cách điện, dây dẫn, v.v..) cộng với cấu trúc, khoảng
cách và tất cả các hệ số khác bao gồm trong việc thiết kế hệ thống. Cách điện của
một hệ thống phải chịu được điện áp ở tần số nguồn liên tục trong nhiều năm với
nhiều điều kiện khí quyển. Để đảm bảo tính hợp nhất dài hạn của hệ thống, phải
thiết kế cho lưới điện chịu được điện áp cao hơn mức bình thường. Tuy nhiên, về
mặt kinh tế cũng khó thực hiện được lưới điện có khả năng chịu được điện áp cao
như khi có quá áp quá độ.
Tương tự cấp cách điện của thiết bị phân phối được thiết kế để chịu được điện
áp cao hơn bình thường. Phương pháp này có hiệu quả đến một mức nào đó, nhưng
sẽ nhanh chóng đến một giai đoạn mà khơng thể thêm chi phí để tạo cấp cách điện
BIL cao hơn được nữa vì không khả thi về kinh tế.

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

1

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
Cấp bảo vệ quá áp cần phải bổ sung bằng cách lắp đặt thiết bị bảo vệ để giới
hạn lượng điện áp mà một thiết bị (hay đoạn đường dây) phải chịu. Phương pháp
này còn cho phép giảm cấp độ cách điện của thiết bị, vì có thể dựa vào khả năng
quá áp nhỏ hơn, và nói chung tạo ra một sơ đồ bảo vệ quá áp tiết kiệm hơn. Các
công ty Điện lực đương nhiên cũng áp dụng các thực tế khác nhau nhưng đều phải
tính đến ba yếu tố cơ bản: phục vụ khách hàng, khả năng chịu đựng điện áp (đặc
biệt là quá áp do sét) và yếu tố kinh tế.

Không thể thiết kế một lưới điện có thể đáp ứng được yêu cầu là mọi quá điện
áp phải dưới mức chịu đựng của cách điện của các thiết bị, bởi vì như thế sẽ làm
cho chi phí vượt quá mức. Do vậy, khi thiết kế một lưới điện, cũng như tính chọn
thiết bị lắp đặt trên lưới là hạn chế tối thiểu các tác hại của quá áp, quy trình này
dựa trên cơ sở phối hợp các quá áp dự kiến và khả năng chịu đựng quá áp của các
thiết bị. Muốn đạt được điều này phải đáp ứng hai bước sau đây :
- Thiết kế lưới điện thích hợp để kiểm soát và hạn chế tối thiểu các quá áp.
- Sử dụng các thiết bị bảo vệ quá áp.
Tổng hợp hai bước trên được gọi là bảo vệ quá áp hay phối hợp cách điện.
Khi quá áp lớn quá mức sẽ dẫn đến phóng điện đánh thủng cách điện của thiết
bị, do vậy bảo vệ quá áp bao gồm: thiết kế được phối hợp lưới điện và việc lắp đặt
thích hợp các thiết bị bảo vệ tại các vị trí chiến lược nhằm mục đích hạn chế quá áp
và tránh hoặc giảm thiểu các hư hỏng cách điện.
Thiết kế được phối hợp bao gồm:
- Hệ thống nối đất phải đảm bảo hiệu quả.
- Dùng dây, kim thu sét.
- Điều khiển góc thao tác các máy cắt.
- Sử dụng các tụ điện xung.
Các thiết bị bảo vệ bao gồm :

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

2

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
- Khe hở phóng điện.
- Các loại van chống sét.

Mục tiêu cơ bản của các bảo vệ quá áp trong hệ thống điện là tránh các hư
hỏng cách điện, ngừng làm việc hoặc hư hỏng của thiết bị. Hiện tại, thông thường
sử dụng chống sét van MOV không khe hở để bảo vệ quá áp do sét trên lưới phân
phối.
Trong thực tế, ở lưới phân phối thì máy biến áp thường được bảo vệ bằng thiết
bị chống sét van. Trong đó, khoảng cách giữa thiết bị chống sét van và đầu cực cao
thế của máy biến áp là hết sức quan trọng. Bởi vì chống sét van cịn phải bảo vệ cho
tồn bộ cách điện của trạm, cho nên trong trường hợp tổng quát này giữa chống sét
van và đầu cực máy biến áp cần có một khoảng cách phân cách.
Việc tính tốn lắp đặt bảo vệ cần tính đến các yếu tố ngẫu nhiên của xung sét
để đảm bảo cả tính kinh tế và kỹ thuật của luận văn. Vì vậy các giải pháp thống kê
cần được sử dụng để xác định các thông số ngẫu nhiên của xung sét như độ dốc đầu
sóng và biên độ đỉnh sóng.
Để đánh giá tính hiệu quả của bảo vệ, khoảng thời gian hư hỏng của thiết bị
thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả bảo vệ. Tuy nhiên trong các ngiên cứu
gần đây, thông số rủi ro hư hỏng thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả bảo vệ.
Để tính tốn được rủi ro hư hỏng, phân phối thống kê của điện áp cực đại xuất hiện
tại các vị trí quan trọng cần được tính đến. Tuy nhiên hiện tại vẫn chưa có một
phương trình nào mơ tả chính xác q trình q độ xảy ra trong mạng điện nên các
phương pháp trí tuệ nhân tạo sẽ phù hợp cho bài toán thiết kế.
Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài “Ứng dụng logic mờ để xác định vị trí
chống sét van” đi sâu vào nghiên cứu tính tốn và xây dựng chương trình để xác
định vị trí đặt chống sét van cấp trung thế dạng MOV cho nhiều loại cấu hình trạm
biến áp khác nhau.

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

3

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

Luận văn thạc sỹ 2011
1.2 Các phương pháp lựa chọn vị trí chống sét van
1.2.1 Phương pháp xác định vị trí chống sét van dựa trên mơ hình Petersen
Phương pháp này giả thiết chống sét van đặt tại đầu cực máy biến áp cần bảo
vệ (Hình 1.1). Vì vậy khơng quan tâm đến sóng phản xạ.
Transformer

Ut
Z
Arrester

Up

Hình 1.1 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét dòng qua chống sét van
Trường hợp này dòng định mức chống sét van được chọn theo điều kiện:

ICSV ≥

2.U t − U p

(1.1)

Z

Ở đây: Ut là biên độ sóng quá áp truyền đến trạm, kV; Z là tổng sóng đường
dây, Ω; Up là mức bảo vệ của chống sét van, kV.
Trong đó: Ut lấy bằng với mức cách điện xung của cách điện đường dây, phụ
thuộc vào loại cột (cột gỗ, cột thép hoặc cột bê tông cốt thép).

Kết luận:
Ưu điểm: Phương pháp này đơn giản.
Nhược điểm: Không sử dụng được khi chống sét van không đặt tại đầu cực thiết
bị cần bảo vệ.
1.2.2 Phương pháp D.Fulchiron

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

4

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
Xét cấu hình trạm biến áp một máy biến áp kết nối với đường dây trên khơng
(Hình 2.2).

SJ

D,C

Transformer

J
Arrester

Up

Hình 1.2 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét đến khoảng cách phân cách
Phương pháp này dựa trên sự chênh lệch mức cách điện xung cơ bản của máy

biến áp và mức bảo vệ của chống sét van để xác định được khoảng cách phân cách
tối đa D cho phép:

D≤

C
BIL 
 Up −
S
2 

(1.2)

Ở đây: BIL là mức cách điện xung cơ bản của máy biến áp, kV; S là độ dốc
đầu sóng, kV; C là tốc độ truyền sóng trên đường dây, C = 300 m/µs.
Kết luận: Phương pháp này có ưu điểm là có xét đến khoảng cách phân cách
cho phép giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp. Tuy nhiên vẫn chưa tính đến
thời gian đầu sóng và sóng phản xạ.
1.2.3 Phương pháp Bent de Metz-Noblat
Phương pháp này có xét đến độ dốc đầu sóng (T), sóng phản xạ trong các
trường hợp khác nhau. Sét xung quá điện áp lan truyền theo đường dây đi vào trạm
biến áp được bảo vệ bằng chống sét van (Hình 1.3)

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

5

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

Luận văn thạc sỹ 2011
Đường dây

Z

CSV
Z

D, C, τ

MBA

Hình 1.3 Sơ đồ mạch (đường dây và trạm biến áp) dùng trong nghiên cứu
truyền sóng quá điện áp sét
Những thành phần trong Hình 1.3 bao gồm:
a. Đường dây: Z là tổng trở sóng đường dây, Ω
C là tốc độ truyền sóng trên đường dây, m/µs
D là khoảng cách giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp, m
τ = D/C là thời gian truyền sóng giữa hai điểm A và B
b. Chống sét van: Up là mức bảo vệ của chống sét van, kV
Đặc tuyến bảo vệ phi tuyến lý tưởng.
c. Hệ thống nối đất: Có tổng trở gần bằng khơng
d. Dây nối: Giữa đường dây và chống sét van, chống sét van đến đất không đáng kể.
e. Máy biến áp: Có tổng trở đầu vào lớn hơn nhiều so với tổng trở đường dây Z
f. Sóng quá điện áp: Độ dốc đầu sóng S = du/dt; Thời gian sóng quá điện áp tăng từ
giá trị 0 đến giá trị Up là T = Up/S.
Giá trị quá điện áp cực đại trên đầu cực máy biến áp được xem xét trong 3
trường hợp tương ứng với quan hệ của giá trị T theo τ (Bảng 1.1)

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

6

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
Bảng 1.1 Điện áp cực đại trên máy biến áp được bảo vệ bằng chống sét van

TT

1

Điện áp cực đại

Trường hợp

D>

C.U p
2.S

Sóng với độ dốc S, khoảng cách D lớn. Khoảng cách
phân cách D không ảnh hưởng đến điện áp cực đại trên
máy biến áp. Chống sét van hạn chế điện áp này ở mức
2Up

2Up

hay T < 2τ

D<

2

3

2.S.D
C
2.τ
= U p + Up
T
 2.τ 
= U p 1 +

T 


C.U p

Up +

2.S

hay T > 2τ

D=

Giải thích

trên MBA

Sóng với độ dốc S, khoảng cách D lớn. Khoảng cách
phân cách D có ảnh hưởng đến điện áp cực đại trên máy
biến áp. Chống sét van hạn chế điện áp cực đại trên máy
biến áp: điện áp trên máy biến áp tăng một lượng bằng

2.τ
T

Up

2.S.D
C
2.τ
= Up + U p
Up +

C.U p
2.S

T

hay T = 2τ

Giữa trường hợp 1 và trường hợp 2

= Up + Up
= 2Up

Ở Hình 1.4 trình bày sóng tới và sóng phản xạ khi trạm biến áp có trang bị
chống sét van
Hướng truyền sóng quá điện áp
Thời điểm T0

Điện áp

T1
Điện áp lớn nhất bằng 2U0 ở thời điểm T1
là thời điểm nguy hiểm nhất
Mức bảo vệ của chống sét van Up
Điện áp U0 là sóng tới chống sét van vào
thời điểm T0

D
Vị trí

CSV

MBA

(thiết bế bếo vế)

(thiết bế cến bếo vế)

Hình 1.4 Sóng tới và sóng phản xạ khi trạm biến áp có chống sét van

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

7

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
Quan hệ điện áp của các điểm trên đường dây được bảo vệ theo thời gian được trình
bày ở Hình 1.5
D, C, τ

Đường dây
Máy biến áp
Chống sét van

Trường hợp 1 (T<2τ)

Trường hợp 2 (T > 2τ) T

Hình 1.5 Điện áp trên trên đường dây được bảo vệ bởi chống sét van theo
thời gian (trường hợp 1 và 2 ở Bảng 2.1).
Quan hệ quá điện áp cực đại trên đầu cực máy biến áp theo thời gian được
trình bày ở Hình 1.6

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

8

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011

Hình 1.6 Quá áp cực đại tại đầu cực máy biến áp (B) theo thời gian τ (trường
hợp 2 ở Bảng 1.1)
Kết luận: Phương pháp này có ưu điểm là có xét đến độ dốc đầu sóng, thời gian
truyền sóng và mức bảo vệ của chống sét van khi xác định khoảng cách phân cách
D. Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn một số hạn chế như: chưa tính đến tổng trở
dây nối giữa chống sét van và thiết bị bảo vệ, cũng như giữa chống sét van và đất,
đặc tính thực của chống sét van, cấu hình mạng điện, các phần tử mang tính dung
(như máy biến áp)…
Phương pháp xác định khoảng cách phân cách đề xuất bởi ABB cũng gần như
phương pháp của Bent de Metz-Noblat. Nhưng có tính đến đường dây nối giữa
chống sét van với đường dây và chiều dài dây đến đầu cực máy biến áp, đồng thời
cũng xét đến kiểu kết cấu trạm đường dây trên khơng và trạm có kết cấu đường dây
cáp ngầm.
1.2.4 Phương pháp ABB
1.2.4.1 Trạm biến áp kết nối với đường dây trên không
Xét đường dây phân phối trên khơng trình bày ở Hình 1.7

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

9

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
Ut

S

C

a

UE
E

b
CSV

Ghi chú: Ut: Sóng quá áp lan truyền

CSV: Chống sét van

trên đường dây, kV

a, b : Chiều dài dây, m

C: Tốc độ truyền sóng, m/µs

E : Cuối đường dây

S: Độ dốc đầu sóng, kV/µs

UE: Q áp tại E, kV

Hình 1.7 Quá điện áp ở cuối đường dây
Quá điện áp Ut truyền sóng vào với tốc độ C hướng theo đường dây vào đầu
cực E. Tại điểm E là thiết bị điện được bảo vệ (như máy biến áp). Khi sóng truyền
tới E, nó được phản xạ và điện áp tăng 2Ut. Chức năng chống sét van (CSV) là bảo

vệ thiết bị điện từ lúc bắt đầu tiến tới giá trị điện áp cao không cho phép. Giả sử cho
rằng độ dốc đầu sóng S của sóng quá điện áp truyền vào là hằng số theo thời gian,
giá trị lớn nhất UE được xác định theo biểu thức sau:

UE = UP +

2.S. ( a + b )
; C = 300m / µs
C

(1.3)

Kinh nghiệm cho rằng hệ số an toàn 1,2 là bảo vệ hiệu quả giữa BIL của thiết
bị điện và xung quá áp UE tại thiết bị điện.

2.S. ( a + b )
BIL
≥ UE = UP +
1,2
C

(1.4)

Nếu giá trị giới hạn được đặt L = a + b thì có phương trình sau đây:

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

10

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng

Luận văn thạc sỹ 2011
D≤


C  BIL
.
− UP 
2.S  1,2


(1.5)

Nếu tổng đường dây đấu nối là a + b nhỏ hơn khoảng cách bảo vệ D của thiết
bị chống sét thì thiết bị điện được bảo vệ tại điểm E. Các giá trị BIL, Up và S được
ước tính trong Bảng 1.2 và Bảng 1.3
Bảng 1.2 Mức cách điện cơ bản (BIL) và mức điện áp bảo vệ của chống sét van
(Up) hiện đại với Up = 4.pu
Un

kV

3,6

7,2

12

17,5

24

36

BIL
Up
BIL / Up

kV
kV
---

40
11,8
3,39

60
23,5
2,55

75
39,2
1,91

95
57,2
1,66

125

79,9
1,59

170
117,6
1,45

Bảng 1.3 Độ dốc và giá trị điện áp phóng điện của cách điện đường dây trên không
Đường dây trên khơng
U (kV)
S (kV/µs)

Cột gỗ

Xà đỡ đã nối đất

3000
1550

660
800

1.2.4.2 Trạm biến áp kết nối với cáp ngầm
Bảo vệ quá điện áp cho cáp
Sự khác nhau chủ yếu giữa dữ liệu điện của đường dây trên không và cáp là
trở kháng xung dây dẫn với đất. Giá trị cho đường dây phân phối trên không xấp xỉ
từ 300 Ω đến 450 Ω và cho cáp trong phạm vi từ 20 Ω đến 60 Ω. Trước hết, sự khác
nhau này gây ra sự giảm rõ rệt của quá điện áp do sét khi xung sét truyền vào cáp.
Xung điện áp đi vào cáp bị suy giảm và bị phản xạ tại cuối cáp làm điện áp tăng lên
gấp đơi. Sau đó xung truyền trở lại qua cáp và phản xạ thêm một lần nữa v.v... Bằng

cách này, quá điện áp trong cáp tăng đều đều mặc dù độ dốc quá điện áp trong cáp
thấp hơn thực sự, trị số đỉnh này gần bằng quá điện áp do sét trên đường dây.

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

11

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011
Bảng 1.4 trình bày cách chọn chiều dài cho phép lớn nhất của đoạn cáp với
một bên bảo vệ thiết bị chống sét ứng với hai loại cột (cột gỗ, xà đỡ nối đất). Trong
đó, Zk là tổng trở sóng cáp, Ω; chiều dài dây nối từ đầu cực chống sét van đến cáp là
1 m.
Bảng 1.4 Chiều dài cho phép lớn nhất Dk của đoạn cáp với một bên bảo vệ thiết bị
chống sét.
Chống sét van:
Up = 4 pu

Ut

C

S

Dk

Ut

C

S

Dk

In = 10 kA
Chiều dài dây

CSV

CSV

nối CSV đến
cáp là 1m
Loại cột

Cột gỗ

Xà đỡ nối đất

Zk
Dk
(m)
(Ω
Ω)
30
∞
∞
3,6

60
∞
∞
30
64
64
7,2
60
45
50
30
40
40
12
60
30
32
30
25
26
17,5
60
21
22
30
28
28
24
60
23

24
30
22
22
36
60
20
20
Máy biến áp đặt tại cuối đoạn cáp ngầm

Cột gỗ

Un
(kV)

Xà đỡ nối đất
Dk
(m)

7
3
9
4
9
4
6
3
10
5
8

4

17
10
22
13
19
14
15
13
17
15
15
14

Đây là trường hợp thường gặp ở những khu vực đường dây trên khơng do địa
hình khơng thể đấu nối trực tiếp máy biến áp, sơ đồ nguyên lý Hình 2.8

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

12

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng


Luận văn thạc sỹ 2011

Ut

S

C

Dk

F
CSV 1

MBA

Vk
b

VT
a

CSV 2

Ghi chú: F : Đường dây bị sét đánh

Ut: Quá áp sét, kV

DK : Chiều dài cáp, m

CSV1, CSV2: Các chống sét van

a, b: Chiều dài các dây nối, m

Vk: Điện áp lớn nhất tại cuối đoạn cáp, kV

MBA: Máy biến áp

VT: Điện áp lớn nhất tại MBA, kV

Hình 1.8 Trạm biến áp được kết nối với cáp ngầm
Trong Hình 1.8, CSV 1 là chống sét van ở cột chuyển tiếp đường dây trên
không và đoạn cáp ngầm, CSV 2 là chống sét van nối giữa đầu cuối của đoạn cáp
và máy biến áp với các khoảng cách a, b.
Về nguyên tắc b càng nhỏ càng tốt, để CSV 2 bảo vệ quá áp đầu cuối của cáp.
Nếu b tăng thì Vk tăng rất nhanh. Nếu xem điện dung của máy biến áp là 2nF
(trường hợp điện dung bé hơn thì khoảng cách a tăng lên), trong đó Zk là tổng trở
sóng của cáp, với khoảng cách a trong bảng thì khơng cần lắp đặt thêm chống sét
van ở máy biến áp.
Bảng 1.5 Khoảng cách phân cách tối đa cho phép chống sét giữa cáp và máy biến
áp ở Hình 2.8 với b = 0. Hai chống sét van nối hai đầu cáp, tại MBA
khơng có chống sét van
Chống sét van:
Up = 4 pu ; In = 10 kA

GVHD: PGS-TS Quyền Huy Ánh

Cột gỗ

13

Cột sắt, cột bê tông, xà nối đất

HVTH: Nguyễn Mạnh Hùng