Phân Tíh Á Phương Pháp Làm Giảm Trị Số Tiếp Địa Ở Những Vùng Ó Điện Trở Suất Ao, Áp Dụng Thự Tế Vào Trạm Biến Áp 25000Kva 1103522Kv Kỳ Anh Hà Tĩnh.pdf

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội
------------------------------------------------

Luận văn thạc sĩ khoa học

Phân tích các phơng pháp làm giảm trị số tiếp địa
ở những vùng có điện trở suất đất cao, áp dụng
thực tế vào trạm biến áp 25000KVA-110/35/22kV
Kỳ anh - Hà tĩnh

Ngành: Hệ thống điện
MÃ sè: 2-06-07

Ngun trÝ dịng

Ngi híng dÉn khoa häc

PGS. TS. Ngun Đình THắng

Hà nội 2006

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131535141000000


Mục lục
Trang
Danh mục các bảng
Danh mục hình vẽ, đồ thị
Mở đầu

1

Chơng I: Những phơng pháp và thiết bị nghiên cứu dông sét để

4

xây dựng bản đồ mật độ sét ở Việt nam
1.1.ảnh hởng của dông sét đến kinh tế xà hội và hệ thống điện

4

1.2.Phơng pháp và thiết bị nghiên cứu dông sét

6

1.Số liệu phóng điện qua vệ tinh

6

2.Số liệu qua mạng trạm ra đa thời tiết và sân bay

7

3.Thiết bị nghiên cứu dông sét hiện đại

7

1.3.Phơng pháp xử lý số liệu

8

1.Số liệu:

9

2.Phần mềm xử lý số liệu định vị phóng điện

11

1.4.Các kết quả chính

13

1.Tiến trình ngày hoạt động dông sét

13

2.Số xung sét trong một phóng điện

15

3.Các dạng xung sét

16

1.5.Xây dựng bản đồ mật độ sét

19

1.6.Kết luận

22

Chơng II: Vai trò của của nối đất trong vận hành đờng dây và

23

trạm biến áp
2. 1. ảnh hởng của điện trở nối đất tới suất cắt của đờng dây tải

23

điện trung áp
1.ảnh hởng của điện trở nối đất tới suất cắt của đờng dây không
treo dây chống sét

23


2.ảnh hởng của điện trở nốt đất đến suất cắt đối với đờng dây

23

không treo dây chống sét có điểm trung tính không nối đất
3.ảnh hởng của điện trở nốt đất đến suất cắt đối với đờng dây

27

không treo dây chống sét có điểm trung tính nối đất
4.Nhận xét

2.2.Vai trò của nối đất đối với trạm biến áp

31
32

1.Nối đất chống sét

32

2.Nối đất làm việc

33

3.Nối đất an toàn

34

4.Mối liên hệ giữa điện trở nối đất với điện áp tiếp xúc và điện áp

35

bớc
2.3.Kết luận

44

Chơng III: Phơng pháp tính toán nối đất các trạm biến áp

46

3.1.Tính điện trở nối đất trạm biến ¸p theo ph¬ng ph¸p cđa Nga

46

1.C¬ së tÝnh to¸n nèi đất theo phơng pháp mô hình tơng tự

46

2.Phơng pháp tính ®iƯn trë nèi ®Êt tr¹m

48

3.2.TÝnh ®iƯn trë nèi ®Êt d¹ng lới của trạm biến áp theo phơng

53

pháp IEEE
3.2.1.Tính toán về nối đất dạng lới

53

3.3.Chọn phơng pháp tính cho đề tài

59

3.4. Sử dụng chơng trình đà lập để xem xét trị số tiếp địa một số

61

trạm biến áp điển hình

3.5. Kết luận

67

Chơng IV:Những biện pháp làm giảm trị số hệ thống tiếp địa ở
những vùng có điện trở suất đất cao

68

4.1.Hệ thống tiếp địa ở những vùng có điện trở suất đất cao, các biện

68

pháp khắc phục
1.Lợi dụng các vật tiếp đất tự nhiên có sẵn

69


2.Thay ®Êt gèc cã ®iƯn trë st ®Êt cao b»ng ®Êt míi cã ®iƯn trë

69

st ®Êt thÊp
3.¸p dơng hƯ thèng tiếp đất hỗn hợp

69

4.Dùng cực tiếp đất chôn sâu

69

5.Dùng cực tiếp đất kéo dài

71

6.Trộn muối ăn và đất

71

7.Trộn hoá chất dẫn điện vào đất

73

8.Cực tiếp đất hoá học

76

9.Sử dụng công nghệ hàn nhiệt hoá- Cadweld

77

4.2.ứng dụng các biên pháp để giảm trị số tiếp địa ở trạm 110kV Kỳ

78

anh
1.Thực trạng về trạm biến áp 110kV Kỳ anh

78

2.Đánh giá về kết quả nhận đợc của các lần xử lý hệ thống tiếp

79

địa của TBA Kỳ anh
3.Phân tích và thiết kế hệ thống nối đất phù hợp với địa hình, địa

79

chất trạm biến áp 110kV Kỳ anh
4.Phân tích hệ thống nối đất phổ biến hiện nay

79

5.Khảo sát phân tích địa chất khu vực trạm và khu vực xung quanh

80

trạm biến áp
6.Xác định trị số hệ thống tiếp địa cần phải đạt đợc của trạm biến

85

áp 110kV Kỳ anh
7.Xác định vị trí xây dựng hệ thống tiếp địa bổ sung

86

8.Lựa chọn vật liệu

86

9.Phơng án kỹ thuật thi công

88

10.Tính toán hệ thống tiếp địa bổ sung

88

11.Nhận xét, đánh giá kết quả

93

Kết luận
Tài liệu tham kh¶o
Phơ lơc

94


Danh mục các bảng
Trang
Bảng 1.1: Số lần sự cố và số lần sự cố do sét trên một số đờng dây tải

5

điện trong năm 2005
Bảng 1.2. Mẫu số liệu với y là vĩ độ, x là kinh độ tính từ vị trí tâm trạm

10

Bảng 2.1: Giá trị điện trở nối ®Êt cét ®iƯn phơ thc ®iƯn trë st ®Êt

32

B¶ng 2.2: Hệ số tắt dần Df theo thời gian sự cố ts

37

R

R

R

R

Bảng 3.1: Giá trị của hệ thống nối đất tính theo công thức của Nga và

60

IEEE.
Bảng 3.2: Thông số hệ thống tiếp địa dạng lới

62

Bảng 3.3: Thông số hệ thống tiếp địa dạng lới chôn các điện cực

63

thẳng đứng tại các góc ô lới.
Bảng 3.4: Khối lợng sắt thép dùng trong hệ thống tiếp địa trạm

66

Bảng 4.1: Hệ số giảm điện trở suất của đất đợc cải tạo bằng muối

72

Bảng 4.2: Giá trị điện trở suất của các mẫu hoá chất

87

Bảng 4.3: Số liệu tính toán hệ thống tiếp địa trạm 110/35/22kV Kỳ anh

90

Bảng 4.4: Tính kinh tế phơng án 1

91

Bảng 4.5: Tính kinh tế phơng án 2

91

Bảng 4.6: Khối lợng vật t phơng án 3

92

Bảng 4.7: Tính kinh tế phơng án 3

92

Danh mục các hình vẽ
Trang
Hình 1.1: Kênh xung sét qua máy GPI

10

Hình 1.2: Phóng điện tại Phú Thụy theo máy ESID

11

Hình 1.3: Biến trình sét theo giờ trong ngày ở trạm Nghĩa đô

13

Hình 1.4: Biến trình sét trong ngày tại một số trạm định vị sét

14


Hình 1.5: Tần suất xuất hiện sét theo tháng trong năm 2004

15

Hình 1.6: Số xung sét trong một phóng điện sét

15

Hình 1.7: Dạng sóng kênh điện đặc trng cho sét âm xung đầu ngày

16

22/05/2003 tại trạm Nghĩa đô
Hình 1.8: Dạng kênh sóng điện đặc trng cho sét trong mây ngày

17

22/5/2003 tại Nghĩa đô
Hình 1.9: Dạng sóng kênh điện đặc trng cho sét dơng ngày 25/5/2003

17

tại Nghĩa đô
Hình 1.10a,b,c,e: Dạng xung sét

19

Hình 1.11: Bản đồ mật độ sét

20

Hình 1.12: Bản đồ ngày dông sét trung bình

21

Hình 2.1: Sơ đồ khối chơng trình tính suất cắt đờng dây trung áp

28

Hình 2.2: ảnh hởng của điện trở chân cột tới suất cắt đờng dây 35kV

29

trung tính không nối đất
Hình 2.3: ảnh hởng của điện trở chân cột tới suất cắt đờng dây 10kV

29

trung tính không nối đất
Hình 2.4: ảnh hởng của điện trở chân cột tới suất cắt đờng dây

30

6kVtrung tính không nối đất
Hình 2.5: ảnh hởng của điện trở chân cột đến suất cắt đờng dây22kV

30

trung tính nối đất
Hình 2.6: ảnh hởng của điện trở chân cột đến suất cắt đờng dây10kV

31

trung tính nối đất
Hình 2.7: Sơ đồ xác định điện áp bớc, điện áp tiếp xúc trạm biến áp

35

Hình 2.8: Sơ đồ khối chơng trình tính điện áp bớc và điện áp tiếp xúc
trạm biến áp

39

Hình 2.9: Quan hệ giữa điện trở suất đất với điện áp tiếp xúc và điện áp

40

bớc ở lới nối đất có diện tích S= 40x40m2
P

Hình 2.10: Quan hệ giữa điện trở suất đất với điện áp tiếp xúc và điện

41


¸p bíc ë líi nèi ®Êt cã diƯn tÝch S= 60x60m2
P

Hình 2.11: Quan hệ giữa điện trở suất đất với điện áp tiếp xúc và điện

41

áp bớc ở lới nối đất có diện tích S= 80x80m2
P

Hình 2.12: Quan hệ giữa điện trở suất đất với điện áp tiếp xúc và điện

42

áp bớc ở lới nối đất chôn thêm 32 điện cực thẳng đứng
lb =2,5m, có diện tích S= 40x40m2
R

R

P

Hình 2.13: Quan hệ giữa điện trở suất đất với điện áp tiếp xúc và điện

42

áp bớc ở lới nối đất chôn thêm 48 điện cực thẳng đứng
lb =2,5m, có diện tích S= 60x60m2
R

R

P

Hình 2.14: Quan hệ giữa điện trở suất đất với điện áp tiếp xúc và điện

43

áp bớc ở lới nối đất chôn thêm 64 điện cực thẳng đứng
l b =2,5m, cã diƯn tÝch S= 80x80m 2
R

R

P

Hình 3.1: Hệ số tương tự A đối với lưới trong sự phụ thuộc vào số lượng

49

mắt lưới m theo cạnh bên của lưới ở các tỷ số khác nhau d 0 / S
R

R

Hình 3.2: Hệ số ∆h tính đến sự ảnh hưởng của độ sâu bố trí đến điện
R

R

49

trở của lưới
Hình 3.3: Điện trở suất tương đương của đất để tính tốn điện trở lưới

50

Hình 3.4: Hệ số ∆

51

Hình 3.5: Hệ số ∆h
R

51

R

Hình 3.6: Điện trở suất tương đương tương đối

52

Hình 3.7: Nối đất dạng lưới

54

Hình 3.8: Điện trở của 2 điện cực nối đất hình bán cầu

55

Hình 3.9: Giá trị của hệ số K1 và K2 với hệ thống tiếp đất dạng lưới phụ

58

R

R

R

R

thuộc vào tỷ số chiều dài và chiều rộng của diện tích tiếp đất
Hình 3.10: Cọc nối đất chơn giữa 2 lớp đất có điện trở suất khác nhau

58

H×nh 3.11: Sơ đồ khối chơng trình tính điện trở nối đất theo phơng

59

pháp của Nga và của IEEE
Hình 3.12: Sơ đồ bố trí hệ thống tiếp địa làm ví dụ ®Ĩ tÝnh to¸n

60


Hình 3.13: Hệ thống tiếp địa định hình trạm biến áp 110kV

62

Hình 3.14: Giá trị điện trở tiếp đất trạm phụ thuộc vào điện trở suất đất,

63

lới không chôn các cọc thẳng đứng
Hình 3.15: Giá trị điện trở tiếp đất trạm phụ thuộc vào điện trở suất đất,

64

lới chôn các điện cực thẳng đứng

Hình 3.16: Điện trở nối đất phụ thuộc vào chiều dài cọc với hệ thống

64

nối đất có S=40x40m 2
P

Hình 3.17: Điện trở nối đất phụ thuộc vào chiều dài cọc với hệ thống

65

nối đất có S=60x60m2
P

P

Hình 3.18: Điện trở nối đất phụ thuộc vào chiều dài cọc với hệ thống

65

nối đất có S=80x80m2
P

Hình 4.1: Quan hệ giữa điện trở suất đất với hàm lợng muối theo độ

73

ẩm trong đất
Hình 4.2: Lợng RES-LO đối với các loại đất khác nhau

75

Hình 4.3: Sơ đồ bố trí hệ cực đo sâu đối xứng Wener-Schumberger và

81

cách biễu diễn các giá trị k tại một điểm đo sâu trên tuyến
R

R

Hình 4.4: Mặt cắt địa điện tuyến 1

82

Hình 4.5: Mặt cắt địa điện tuyến 2

84

Hình 4.6: Sơ đồ bố trí hệ thống tiếp địa trạm bổ sung

90


1

Mở đầu

Mở đầu
Việc phát triển nguồn điện cũng nh hệ thống điện vào những năm gần

đây đà và đang đợc nhà nớc đầu t xây dựng, đặc biệt trong chiến lợc phát
triển kinh tế xà hội Việt nam những năm tiếp theo Đảng đà xác định các
ngành lĩnh vực khoa học và công nghệ cần đợc u tiên trong đó có lĩnh vực
phát triển năng lợng điện. Vì vậy những năm qua các công trình điện không
ngừng đợc xây dựng nh thủ ®iƯn Yaly, nhiƯt ®iƯn Phó Mü, thủ ®iƯn Sơn
la, đờng dây siêu cao áp 500kV mạch 2 và hàng loạt các tuyến đờng dây
220kV, 110kV trên địa bàn toµn qc.
ViƯt nam lµ mét níc thc vïng khÝ hËu nhiệt đới nóng ẩm ma nhiều
có cờng độ hoạt động dông sét rất mạnh. Thực tế sét đà gây nhiều tác hại đến
đời sống sinh hoạt và tính mạng của con ngời gây h hỏng thiết bị, gây nên
những sự cố trong vận hành hệ thống điện. Trong thời gian qua đà có nhiều
công trình nghiên cứu và đà phân vùng mật độ sét trên lÃnh thổ nớc ta, vì
vậy việc lựa chọn và đa ra bản đồ mật độ sét chi tiết để phục vụ cho công tác
thiết kế và bảo vệ chống sét cho các đờng dây tải điện và trạm biến áp là một
việc cần làm.
Nối đất là một khâu cực kỳ quan trọng để bảo vệ an toàn, đảm bảo chế
độ làm việc tin cậy cho các hệ thống cấp điện và các trang thiết bị điện. Nối
đất có tác dụng cân bằng điện thế và tiêu tán năng lợng quá áp, quá dòng
xuống đất. Những năng lợng quá áp, quá dòng này do hệ thống điện hoặc do
phóng điện khí quyển ( dông, sét) gây ra, mục đích chung của hệ thống nối
đất là đảm bảo cho các thiết bị làm việc theo chế độ đà xác lập và bảo vệ an
toàn cho con ngời, thiết bị cũng nh các tài sản khác khi có sự cố, do nguồn
điện ngắn mạch, quá dòng quá áp do sét hoặc thiết bị đóng, cắt nguồn điện
gây ra. Vì vậy cần phải xây dựng cơ sở tính toán và lập chơng trình tính để
xem xét ảnh hởng của trị số điện trở nối đất đối với suất cắt cđa líi ®iƯn

Ngun TrÝ Dịng - Cao häc HƯ thèng điện 2004-2006

Luận văn tốt nghiệp

2

Mở đầu

trung áp làm cơ sở để đa ra các giải pháp hữu hiệu giảm suất cắt của đờng
dây trung áp. Trong những năm gần đây các đờng dây cao áp và các trạm
biến áp trung gian đợc xây dựng nhiều đặc biệt là các trạm biến áp
110kV/35/22(10)kV. Những vấn đề gặp phải đó là các đờng dây này đi qua
hoặc là các trạm biến áp đặt ở những vùng có điện trở suất của đất cao, nên
việc lắp đặt hệ thống tiếp địa đảm bảo trị số cho phép là một công việc hết sức
khó khăn và tốn kém. Mặt khác công tác khảo sát và thiết kế hệ thống nối đất
của một số trạm biến áp hiện nay cha thật đợc kỹ lỡng do vậy những năm
qua chỉ riêng trong Công ty Điện lực I đà có một số trạm biến áp
110/35/22(10)kV đa vào vận hành không đạt trị số tiếp địa theo quy định nh
trạm biến áp 110kV Kỳ anh, Trạm biến áp 110kV Xuân mai.. và một số vị trí
cột của đờng dây 110kV nh ĐZ 171 E18-1, 172 E15.1 cũng không đạt trị
số quy định. Nghiên cứu các biện pháp làm giảm trị số tiếp địa của hệ thống
nối đất ở những vùng có điện trở suất đất cao là một công việc cần thiết.
Để giải quyết vấn đề nêu trên tôi đà thực hiện đề tài Phân tích các phơng
pháp làm giảm trị số tiếp địa ở những vùng có điện trở suất đất cao, áp dụng
thực tế vào trạm biến áp 25000KVA-110/35/22kV Kỳ anh Hà tĩnh.
Toàn bộ nội dung luận văn đợc trình bày với các nội dung sau đây:
1. Những phơng pháp và thiết bị nghiên cứu dông sét để xây dựng bản
đồ mật độ sét ở Việt nam.
2.Vai trò của nối đất đối với đờng dây và trạm biến áp.
3. Lựa chọn phơng pháp tính toán nối đất trạm biến áp.
4. Các giải pháp làm giảm trị số hệ thống tiếp địa ở những vùng có điện
trở suất đất cao, ¸p dơng thùc tÕ t¹i tr¹m biÕn ¸p 110kV Kú Anh, Hà tĩnh.
Do tài liệu tham khảo cũng nh khả năng nghiên cứu còn nhiều hạn

chế luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót nhất định. Kính mong
sự chỉ bảo giúp đỡ và đóng góp của các thầy cô cùng bạn đồng nghiệp.

Nguyễn Trí Dũng - Cao học Hệ thống điện 2004-2006

Luận văn tốt nghiệp


3

Mở đầu

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hớng dẫn Phó giáo s, Tiến sĩ
Nguyễn Đình Thắng, các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện Trờng
đại học Bách khoa Hà nội, tập thể phòng Kỹ thuật Điện lực Hà tĩnh cùng các
bạn đồng nghiệp đà giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Hà nội, ngày 16 tháng 10 năm 2006
Tác giả
Nguyễn Trí Dũng

Nguyễn Trí Dũng - Cao học Hệ thống điện 2004-2006

Luận văn tốt nghiệp


Chơng I

4

Phơng pháp nghiên cứ dông sét

Chơng I:
Những phơng pháp và thiết bị nghiên cứu dông sét
để xây dựng bản ®å mËt ®é sÐt ë ViƯt nam
1.1. ¶nh hëng cđa dông sét đến kinh tế xà hội và hệ thống điện.
Việt nam nằm ở tâm dông Châu á, một trong ba tâm dông trên thế giới
có hoạt động giông sét mạnh, mùa dông ở Việt Nam tơng đối dài bắt đầu từ
khá sớm (có những nơi bắt đầu ngay từ tháng giêng) và kết thúc khá muộn. Số
ngày dông sét trung bình khoảng 100 ngày/năm. Trên nền hoạt động dông
tơng đối mạnh này có độ chênh lệch khá lớn về mức độ hoạt động dông ở các
vùng có những nơi cã sè giê d«ng sÐt nhá nh Phan rang, song lại có những
khu vực đạt số giờ dông sét tới 544 giờ/năm nh ở Móng cái. Có thể giải thích
bởi những dÃy núi cao có hớng khác nhau, có tác dụng tăng cờng hoạt động
dông sét ở vùng này và hạn chế hoạt động dông sét ở vùng khác.
Hoạt động dông sét gây ảnh hởng trực tiếp đến hoạt động kinh tế - xÃ
hội. Sét thờng xuyên là hiểm họa gây thiệt hại về ngời và của, rất nhiều
công trình, đờng dây tải điện kho tàng, các thiết bị nghiên cứu khoa học các
thiết bị điện điện tử đà bị sét đánh hỏng gây thiệt hại lớn, sét còn gây thiệt hại
về ngời, gây tâm lý hoang mang ở một số địa phơng nh Bắc Giang, Lâm
đồng, Vĩnh long, Long an, Hà tĩnh..... Trong công cuộc công nghiệp hoá, hiện
đại đất nớc, muốn xây dựng các khu công nghiệp lớn thu hút vốn đầu t nớc
ngoài nhất thiết phải bắt đầu từ việc nghiên cứu các thông số về sét.
Nghiên cứu dông sét, ở Việt nam có thể chia làm hai giai đoạn: Trớc
và sau năm 1987. Có thể kể đến các công trình nghiên cứu về điện dông của
Viện vật lý địa cầu, công trình nghiên cứu chống sét và bảo vệ công trình điện
của Viện Năng lợng. Việc nghiên cứu dông sét tại nớc ta đà đạt đợc một
số kết quả nhng nhìn chung số liệu về sét từ trớc đến nay ở nớc ta còn
cha chính xác, các số liệu hoạt động về dông sét trên lÃnh thỉ níc ta cha

Ngun TrÝ Dịng - Cao häc HƯ thống điện 2004-2006

Luận văn tốt nghiệp


5

Chơng I

Phơng pháp nghiên cứ dông sét

đủ và không đủ độ tin cậy để đáp ứng đợc nhu cầu thực tế hiện nay. Trớc
đây bản đồ mật độ sét, ngày sét đợc xây dựng chủ yếu trên số liệu ngày giờ
dông trên các đài trạm khí tợng quan sát bằng mắt thờng, dùng công thức
thực nghiệm của nớc ngoài để tính cho Việt Nam. Hiện nay cần hoàn chỉnh
số liệu về dông sét, cũng nh việc đầu t kinh phí để nghiên cứu sét và phòng
chống sét.
ảnh hởng của sét đến đờng dây tải điện rất lớn, sét đà phá hỏng các
thiết bị trong trạm biến áp, gây sự cố trên các đờng dây, gây mất điện kéo dài
ở các phụ tải, ảnh hởng đến kinh tế, an ninh chính trị xà hội. Trong thời gian
qua sét đà gây nên một số sự cố tại các trạm biến áp nh:
Ngày 13/6/1996 sét đánh nổ MBA tự dùng trạm Pleiku.
Ngày 20/4/2000 sét đánh nổ MBA pha C trạm Hoà bình.
Sự cố do sét trên một số đờng dây cao áp thể hiện ở bảng (1.1).
Bảng 1.1: Số lần sự cố và số lần sự cố do sét trên một số đờng dây tải
điện trong năm 2005
TT

Tên đờng dây

Chiều

Tổng số lần Số lần SC

dài

sự cố

do sét

Công ty truyền tải điện 2
1

Đờng dây 500kV

586

3

0

2

Đờng dây 220kV

288

4

1

3

Đờng dây 110 kV

774

32

12

Công ty truyền tải điện 3
1

Đờng dây 500kV

591,6

6

0

2
3

Đờng dây 220kV
Đờng dây 110kV

548
1098,94

7
21

1
6

590,893

2

0

Công ty truyền tải điện 4
1

Đờng dây 500kV

Nguyễn Trí Dũng - Cao học Hệ thống điện 2004-2006

Luận văn tốt nghiệp


6

Chơng I

Phơng pháp nghiên cứ dông sét

2

Đờng dây 220kV

1913,541

21

13

3

Đờng dây 110kV

1315,435

47

22

1

Điện lực Hồ Chí Minh

302,81

Đờng dây 110kV

302,81

26

3

195

9

2

Điện lực Hải phòng
1

Đờng dây 110kV

Vì vậy để tính toán, thiết kế chống sét hiệu quả cho từng đờng dây với
các cấp điện áp khác nhau, đi qua các vùng khác nhau trên lÃnh thổ Việt Nam,
chúng ta cần có số liệu ngày sét chính xác của từng vùng cụ thể. Từ đó tìm các
phơng pháp và thiết bị phù hợp để bảo vệ chống sét.
1.2. Các phơng pháp và thiết bị nghiên cứu dông sét.
Trớc đây nghiên cứu dông sét ở nớc ta chủ yếu sử dụng ngày, giờ
giông sét quan sát bằng mắt thờng tại các trạm khí tợng, một số hạn chế
máy đếm sét CIGRE đặt tại một số nơi, các thiết bị đo biên độ, độ dốc dòng
sét trên các đờng dây tải điện. Đến nay các nguồn số liệu, thiết bị mới bổ
sung để nghiên cứu dông sét gồm cã:
1. Sè liƯu phãng ®iƯn qua vƯ tinh
Mét híng hiƯu quả trong việc nghiên cứu dông sét đợc phát triển
mạnh trong những năm gần đây là áp dụng chụp ảnh phóng điện qua vệ tinh.
Giáo s Hugh J. Christian. Chủ tịch Hội Điện khí quyển Thế giới là ngời
thực hiện chơng trình này. Hiện nay có 2 vệ tinh đang hoạt động đặt các bộ
cảm biến OTD và LIS. Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ NASA dự tính sẽ
phóng tiếp hai vệ tinh trên đó có đặt thiết bị nghiên cứu sét hoàn thiện hơn vào

các năm tới. Tổ chức nghiên cứu sét của NASA này đà cung cấp số phóng
điện qua vệ tinh TRMM trên lÃnh thổ Việt nam để làm cơ sở xây dựng bản đồ
sét ở Việt nam. Việc sử dụng ảnh chụp phóng điện qua vƯ tinh cã thĨ cho ta
mét bøc tranh toµn cơc trên lÃnh thổ, lÃnh hải việt nam và cả những nơi mà

Nguyễn Trí Dũng - Cao học Hệ thống điện 2004-2006

Luận văn tốt nghiệp


Chơng I

7

Phơng pháp nghiên cứ dông sét

mặt đất rất khó thực hiện. Trong điều kiện kinh phí hạn hẹp nh nớc ta thì
việc sử dụng ảnh chụp phóng điện của vệ tinh nh tài liệu tham khảo để xác
định mật độ sét sẽ góp phần tích cực trong việc phòng chèng sÐt t¹i ViƯt Nam.
ë níc ta, hƯ thèng tr¹m thu ảnh mây vệ tinh phân giải cao đà đợc lắp đặt và
đi vào hoạt động từ giữa năm 1997 bao gåm hƯ thèng thu vµ xư lý sè liƯu ảnh
NOAA, GMS. Thông tin số liệu vệ tinh thu đợc hiện nay cho phép liên tục
theo dõi, phân tích và xác định các yếu tố về trờng mây khí quyển. Dùng vệ
tinh, lợi dụng nó để nghiên cứu dông sét là một việc cần làm và có lợi ích kinh
tế cao. Đây là vấn đề mới đà và đang đợc các nớc trên thế giới ứng dụng
mạnh mẽ. Các số liệu qua ảnh vệ tinh (kết hợp với các số liệu đo bằng những
phơng pháp khác) đó là cơ sở trong việc thiết lập bản đồ mật độ sét trên toàn
lÃnh thổ Việt Nam.
2. Số liệu qua mạng trạm ra đa thời tiết và sân bay.
Trạm ra đa thời tiết có khả năng ghi nhận những đặc điểm cấu trúc mây

qua giá trị phản hồi vô tuyến từ các hạt nớc và các tinh thể băng trong mây.
Các nhà khí tợng sẽ phân tích và phát hiện sớm những mây có khả năng phát
triển mạnh trong vùng bán kính quan trắc của ra đa, theo dõi sự phát triển của
chúng và đánh giá khả năng xuất hiện dông, sét nhờ các chỉ tiêu nhận biết
hiện tợng. Hiện nay ở Việt nam từ năm 2000ữ2002 đà có các trạm ra đa thời
tiết bao gồm 3 trạm (Phù liễn, Việt trì, Vinh) với thiết bị ra đa số hoá TRS2730 do Pháp sản xuất, 3 trạm ra đa đốple, số hoá DWSR do Mỹ sản xuất
(Tam kỳ, Nha trang và thành phố Hồ Chí Minh) với tính năng kỹ thuật khác
nhau. Các trạm có bán kính quan trắc tới vài trăm km.
3. Thiết bị nghiên cứu dông sét hiện đại
Các dụng cụ nghiên cứu dông sét trong những năm gần đây đà có
những bớc tiến đáng kể nhờ vào kỹ thuật điện tử tiên tiến và kiến thức về
dông sét ngày càng tăng lên. Trong năm 2001 tại phòng Vật lý khí quyển
đợc trang bị hai thiết bị. Thiết bị đếm số lần phóng điện trong mây - mây và

Nguyễn Trí Dũng - Cao học Hệ thống điện 2004-2006

Luận văn tốt nghiệp


Chơng I

8

Phơng pháp nghiên cứ dông sét

mây - đất (ESID) với các bán kính hoạt động khác nhau, độ chính xác khá lớn
và thiết bị đo cờng độ điện trờng (ESM). Các thiết bị này hoạt động rất tốt.
Các thiết bị này kết hợp với ra đa thời tiết, ngoài hai thiết bị trên còn có các
thiết bị định vị phóng điện LD-250 của hÃng Boltek- Canada đợc lắp đặt tại
Thái nguyên, Sơn la, Hà nội, Quảng trị, Bình thuận, Bạc liêu vào năm 2001.

Nh vậy để xây dựng nên bản đồ giông sét Việt nam cần những số liệu và
thiết bị để nghiên cứu dông sét chính bao gồm :
1.Mạng máy đếm phóng điện sét tổng hợp từ các thiết bị EID, LD-250,
và thiết bị định vị sét GP1.
2.Số liệu ngày giờ dông sét mạng lới 158 trạm khí tợng quan trắc bề
mặt.
3.Nguồn số liệu thu thập đợc qua vệ tinh TRMM, NOAA, GMS.
4.Số liệu mạng trạm ra đa thời tiết.
5.Các số liệu phụ trợ khác nh các đề tài đà đợc thực hiện trớc đây.
1.3. Phơng pháp xử lý số liệu
Từ năm 2003 đến nay, mạng trạm định vị sét trên phạm vi cả nớc lần
lần đầu tiên đợc duy trì hoạt động 24/24 giờ. Mạng lới gồm 4 trạm phía Bắc
và 4 trạm phía Nam với vùng bao phủ có thể đảm bảo xác định mật độ sét trên
toàn lÃnh thổ Việt nam. Nguyên lý hoạt động là sử dụng các ăngten thu sóng
điện từ do tia sét phát ra, thiết bị đợc chế tạo gồm 2 ăng ten từ có khả năng
định vị hớng sét xảy ra. Tín hiệu tỷ lệ với dòng điện thành phần thẳng đứng
của tia sét, khoảng cách đến tia sét và hớng sét đi tới, khi sét đến gần mặt đất
tia sét thờng đi thẳng và do đó ăng ten từ có khả năng định vị tốt. Với việc sử
dụng ăng ten điện từ nh trong thiết bị GP1, ta có thể có thêm thông tin về cực
của tia sét. Dải tín hiệu của tín hiệu thu nhận là từ 3kHzữ400kHz. Tỷ lệ giữa
hai đỉnh của xung điện và thời gian giữa các đỉnh đợc sử dụng để phân biệt
phóng điện trong mây với phóng điện xuống mặt đất. Khi thiết bị làm việc sẽ
có lỗi hệ thống do vị trí đặt. Các lỗi này xảy ra do những vật kim loại gần ăng

Nguyễn Trí Dũng - Cao học Hệ thống điện 2004-2006

Luận văn tốt nghiệp


Chơng I

9

Phơng pháp nghiên cứ dông sét

ten hấp thụ sóng điện từ và phát xạ lại. Tín hiệu cũng có thể bị nhiễu bởi các
đài phát gần hay do tơng tác với địa hình mặt đất khi sóng lan truyền từ vị trí
sét đánh đến trạm thu. Trong khi lắp đặt phải lựa chọn những vị trí đảm bảo để
cho thiết bị hoạt động tốt nhất. Nh chúng ta đà biết, phóng điện sét biến thiên
rất nhiều trong các cơn dông. Sóng sét gây nên cũng vậy, với phép đo đạc tam
giác khi sử dụng thêm các trạm khác, lỗi xác định vị trí sẽ đợc giảm đi đáng
kể.
Thực chất bài toán đặt ra ở đây là cần giải quyết bài toán xác suất khi số
liệu càng nhiều năm và càng nhiều trạm thì vị trí định vị sẽ đợc đánh giá một
cách tốt hơn. Khoảng cách r có thể đợc tính bởi công thức r = Ayp ở đây y là
P

P

thông số thống kê, là giá trị median từ trờng đỉnh Bmax, trong góc phơng vị
và A, p là các hằng số. Các thông số A, p phụ thuộc vào góc phơng vị đến.
Độ lớn tín hiệu thu nhận của ăng ten phụ thuộc vào đặc tính bề mặt giữa tia sét
và trạm thu, cũng nh phụ thuộc vào tính chất của dông sét. Đối với góc10 sắp
P

P

xếp các giá trị trờng từ nhỏ đến lớn. Chia khoảng giá trị thành các phần bằng
nhau và lấy đại diện. Các giá trị đại diện này đợc sử dụng làm giá trị chuẩn
để xác định khoảng cách đến nguồn sét cho một góc tới. Việc sử dụng kỹ

thuật này, kết hợp với phép đo đạc tam giác giữa các trạm dẫn đến độ chính
xác đến dới 5km khi có tập hợp số liệu nhiều năm.
1. Số liệu:
Trong quá trình vận hành các tập dữ liệu từ các trạm đợc gửi về trung
tâm tại Nghĩa đô (Hà nội) để xử lý. Dạng tƯp gèc cã sè liƯu ghi phãng ®iƯn sÐt
cđa thiÕt bị LD-250 với các thông số là (t,,) hay (t,y,x). MÉu sè liƯu xem
b¶ng (1.2).

Ngun TrÝ Dịng - Cao häc Hệ thống điện 2004-2006

Luận văn tốt nghiệp


10 Phơng pháp nghiên cứ dông sét

Chơng I

Bảng 1.2. Mẫu số liệu với y là vĩ độ, x là kinh độ tính từ vị trí tâm trạm
( mẫu b là mà hoá các gia trị vĩ độ và kinh độ)
T
6
7
8
11
24
28
28
28
31
36

48
49
49
57
58
58
58
60
60
68
71

Y
-10
50
7827
-2656
-29
1097
793
1230
472
-1958
1616
47
-39
-3020
441
-19
-118

-7573
-6352
585
-8018
a

X
978
960
273
-1958
899
3481
2594
5125
2573
5238
3514
969
1034
6946
2608
914
1233
-4862
-4172
2686
2667

T

0.0033
0.0039
0.0044
0.0061
0.0133
0.0156
0.0156
0.0156
0.0172
0.0200
0.0267
0.0272
0.0272
0.0317
0.0322
0.0322
0.0322
0.0333
0.0333
0.0378
0.0394

Y
-0.0056
0.0281
4.3988
-1.4927
-0.0163
0.6165
0.1157

0.6913
0.2653
-1.1004
0.9082
0.0264
-0.0219
-1.6972
0.2478
-0.0107
-0.0663
-4.2560
-3.5698
0.3288
-4.5061
b

X
0.5496
0.5395
0.1534
-1.1004
0.5052
1.9563
1.4578
2.8802
1.4460
2.9438
1.9749
0.5446
0.5811

3.9037
1.4657
0.5137
0.6929
-27324
-2.3447
1.5095
1.4989

Đối với thiết bị GPI, dạng sóng điện từ của tia sét đợc ghi lại ở hình 1.1

Hình 1.1: Kênh từ xung sÐt qua m¸y GP1

Ngun TrÝ Dịng - Cao häc Hệ thống điện 2004-2006

Luận văn tốt nghiệp


11 Phơng pháp nghiên cứ dông sét

Chơng I

Máy ESID có thể định vị sét đến 60km quanh trạm và phân biệt đợc
phóng điện trong mây với mây đất. Trên hình 1.2 là phóng điện sét tại trạm
Phú thụy ngày 08/5/2001. Trong cơn dông có 51 cú sét đánh trong vòng bán
kính 10km quanh trạm, 57 cú sét đánh trong khoảng 10ữ20km quanh trạm, có
323 cú sét đánh ở xa và 187 cú phóng điện trong mây.

350
300

250
200
150
100
50
0

OVH

51

NEART

DISTANT

57

323

CLOUD
187

323
187
51
OVH

57
NEART

DISTANT

CLOUD

Hình 1.2: Phóng điện tại Phú Thụy theo máy ESID
2. Phần mềm xử lý số liệu định vị phóng điện
Để xử lý số liệu máy đếm sét LD-250 sử dụng phần mềm
VNMapDset1.0 trên ngôn ngữ lập trình Visual C++6.0 có tại Viện vật lý địa
cầu. Phần mềm đợc tích hợp từ những modul chính sau:
-Giao diện kết nối với cơ sở dữ liệu hệ thông tin địa lý, tạo việc xây
dựng các thuật toán xử lý trong không gian, thời gian một cách thuận lợi. Các
số liệu sau khi đợc xử lý trong phần mềm này có thể dễ dàng hiển thị trong
những chơng trình làm việc với hệ thông tin địa lý nh MapInfo, Arcview.
-Giao diện điều khiển cơ sở dữ liệu giúp ta cã thĨ lùa chän tr¹m hay sè
liƯu cđa tõng giai đoạn để xử lý. Một thuật toán đà đợc xây dựng để lọc các
tệp theo các trạm. Các thuật toán khác cho phép xem số liệu trong khi lựa
chọn, loại bỏ hay đa thêm số liệu vào khi tính toán mật độ sét, hàm tơng

Nguyễn Trí Dũng - Cao học Hệ thống điện 2004-2006

Luận văn tốt nghiệp


12 Phơng pháp nghiên cứ dông sét

Chơng I

quan, tính hiệu ứng giảm sóng điện từ theo khoảng cách, nghiên cứu lỗi hệ
thống do cáp tín hiệu, nghiên cứu biến thiên theo mật độ sét, theo góc tới và
theo khoảng cách, tính toán các đặc trng theo ngày của hoạt động dông sét

-Giao diện xem từng file số liệu, chuyển đổi sang dạng text, thực hiện
xem ảnh động, hiển thị cơn dông di chuyển.
-Đợc xây dựng trên cơ sở lập trình hớng đối tợng, có thể dễ dàng
nâng cấp, thêm các tiện ích khác nhằm xử lý số liệu tốt hơn.
Các thuật toán, phơng pháp xử lý số liệu:
Dùng thuật toán đo đạc tam giác để xác định vị trí của tia sét theo 3
trạm. Việc xử lý số này nâng cao độ chính xác của hệ thống định vị sét và có
thể đạt độ chính xác tới 1ữ5km. ở nớc ta do các trạm cha đợc trang bị hệ
thống xác định giờ chính xác nên việc thực hiện phép toán này gặp khó khăn.
Trong những năm tới thì tại các trạm có thể sẽ đợc đa các đồng hồ GPS vào
vận hành.
Trong khi xử lý, xem xét kết hợp với số liệu ra đa, vệ tinh, ngày giờ
dông sét của các trạm khí tợng để kiểm tra sự phân bố của các nhóm phóng
điện sét.
Nếu các phóng điện ghi trên máy có cùng thời gian và hớng tới thì coi
đó là một cú sét. Với giả thiết này, số lần phóng điện có cùng thời gian và
hớng tới chính là số xung sét trong một phóng điện sét.
Giải bài toán phân tích không gian thời gian để xác định các thông số
đặc trng của hoạt động dông sét. Xây dựng ô lới theo tọa độ Đề các và tọa
độ cực. Phân bố của sét có thể đợc miêu tả bằng hàm mật độ biến thiên trong
không gian và thời gian:
f (r ,t ) =

N

∑ δ (r − r )δ ( t t )
i

i

(1.1)

1

ở đây là hàm Đirắc.

Nguyễn Trí Dũng - Cao học Hệ thống điện 2004-2006

Luận văn tốt nghiÖp