Tiểu luận tương thích điện từ NGHIÊN CỨU THỰC ĐỊA VỀ PHÁT SINH SAI SÓT TRONG ĐƯỜNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN DO HIỆN TƯỢNG SÉT GÂY RA

Tiểu luận tương thích điện từ

1

NGHIÊN CỨU THỰC ĐỊA VỀ PHÁT SINH SAI SÓT TRONG ĐƯỜNG
TRUYỀN TẢI ĐIỆN DO HIỆN TƯỢNG SÉT GÂY RA
Teru Miyazaki, Member, IEEE, and Shigemitsu Okabe, Member, IEEE
Tóm tắt - Độ ổn định trong cung cấp điện là một vấn đề có tầm quan trọng lớn
đối với xã hội định hướng thông tin và các công ty điện. Bài viết này tập trung vào các
tác động của sét trên đường truyền tải điện. Nghiên cứu thực địa này hiện đang được
tiến hành ở miền phía bắc của đồng bằng Kanto ở Nhật Bản, dạng sóng điện áp và
dòng điện ở những đường truyền tải điện gây ra do sét đánh đã được quan sát từ năm
1996. Hiện nay có 284 bộ dữ liệu, bao gồm dữ liệu về 62 lần đánh trực tiếp vào đường
dây. Nghiên cứu này cho thấy rằng một đường dây truyền tải điện có thể được bảo vệ
chống lại sét đánh trực tiếp. Trong một số trường hợp, khơng có dịng q áp (power
follow current) nào phát sinh sau khi có sự phóng điện liên tiếp, một phân tích thống
kế được tiến hành để xem xét các yêu tó ảnh hưởng đến sự sản sinh ra dịng q áp.
Những kết quả có thể rất có giá trị trong việc làm rõ những cơ cấu hoạt động bên
trong của việc phát sinh lỗi trên đường truyền tải điện gây ra bởi sét.
Chỉ dẫn Thuật ngữ: sét đánh trực tiếp, đường truyền tải điện, sự phóng điện, sét đánh
gián tiếp, chắn sét, dịng q áp.
I. GIỚI THIỆU
Những lỗi trong truyền tải điện có thể do sét đánh gián tiếp gần đường truyền
tải điện cũng như đánh trực tiếp lên đường dây do mức độ cách điện thấp của chúng
[1]. Các công ty điện lực đã lắp đặt các thiết bị chống sét, chẳng hạn như dây chống
sét và bộ chống sét, để giảm tỷ lệ lỗi đường truyền, và các thiết bị này có thể góp phần
nâng cao độ ổn định của các đường truyền hơn so với những đường khơng có các thiết
bị bảo vệ[2], [3]. Nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng đường dây truyền điện có thể
chống được cả sét đánh trực tiếp bằng cách sắp xếp bộ chống sét và dây chống sét một
cách thích hợp [4] - [6], nhờ chức năng của các thiết bị này ngăn chặn sự hình thành
các xung sét phóng điện bề mặt và tần số điện hồ quang [3]. Tuy nhiên, các lỗi trong

đường dây truyền điện của Nhật Bản, , vẫn còn chủ yếu là do sét, và sét ảnh hưởng
đến đường dây thế nào vẫn còn một vấn đề gây tranh luận. Những nghiên cứu thực địa
về tác động của sét, đặc biệt là những cơ chế hình thành lỗi đường truyền tải, là điều
cốt yếu yếu để thiết kế ra những biện pháp chống sét thích hợp cho các đường dây tải
điện.1

1

Bản thảo được gửi ngày 17 tháng 12 năm 2009; sửa đổi ngày 08 tháng 6 năm 2010; duyệt ngày 09 tháng 8 năm
2010. Ngày công bố 10 tháng 12 năm 2010, ngày 16 tháng 2 năm 2011 đưa ra phiên bản hiện tại. Các tác giả với
Tập đoàn điện áp và cách điện cao, Trung tâm R & D, Công ty Điện lực Tokyo, Yokohama 230-8510, Nhật Bản
(e-mail: miyazaki.teru @ tepco.co.jp; okabe.s @ tepco.co.jp) . Mã số nhận dạng 10.1109/TEMC.2010.2068301.

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

2

Hình1.Cấu trúc đường dây phân phối điện và bộ máy quan sát. (a) Cấu hình của bộ
cảm biến dòng. (b) điểm đo của các cảm biến điện áp.
Theo phần khái quát trên, Công ty Điện lực Tokyo đã tiến hành nghiên cứu
thực địa các hiện tượng đi kèm khi sét đánh lên hệ thống phân phối điện 6,6 kV từ
năm 1996, điện áp và dòng điện trên các đường dây phân phối được đo trực tiếp, và
quan sát các hiệu ứng sét trực tiếp hoặc gián tiếp bằng hệ thống camera nhạy với sét.
[7] - [9]. Kết hợp các dạng sóng sét và các hình ảnh cho kết quả quan sát tồn diện
mỗi khi có sét và các hiệu ứng do nó gây ra. Trong nghiên cứu trước đây, mỗi dữ liệu

quan trắc được đưa ra chi tiết [9]. Nhưng tài liệu này tập trung nghiên cứu cơ chế gây
ra lỗi trên các đường phân phối điện tiến hành phân tích thống kê dữ liệu quan sát
được nhằm xác định số lượng các yếu tố ảnh hưởng đến việc gây lỗi đường truyền tải

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

3

điện do sét. Kết quả này làm sáng tỏ tác động của các thiết bị chống sét như phần tử
ZnO đối với việc tạo thành sự phóng điện hay dịng q áp trên đường truyền tải điện,
và được xem như tài liệu có giá trị phục vụ cho việc thiết kế vị trí các thiết bị này trên
đường dây phân phối.
II. HỆ THỐNG QUAN SÁT
A. Khu vực quan sát và cấu trúc đường truyền tải điện
Vùng có mật độ sét mặt đất cao được chọn làm khu vực quan sát ở đồng bằng
Kanto [7] - [9]. Nghiên cứu thực địa đã được tiến hành từ năm 1996.
Cấu trúc của các đường truyền tải điện được thể hiện trong hình 1. Thơng
thường, ở nhũng khu vực như thế này, dây chống sét được lắp trên đỉnh của hầu hết
các cột bê tông. Nhưng trong một số khu vực, chúng không được lắp đặt để phục vụ
việc quan sát. Dây chống sét được nối đất thông qua các dây nối đất thơng thường
bằng kim loại. Nói đến sự phối hợp cách điện, các thiết bị cách điện hỗ trợ dây điện áp
(voltage wires) có cấp độ cách điện cao nhất trong đường dây phân phối do các sự cố
đường dây gây hư hỏng lớn trên diện rộng. Mặt khác, máy biến áp có cấp độ thấp
nhất. Nhưng chúng đã được lắp kèm phần tử ZnO. Điều này có nghĩa là máy biến áp
được bảo vệ khỏi sét.

B. Cấu hình hệ thống
Thiết bị quan sát đồng thời có thể cung cấp hình ảnh và dạng sóng của một lần
sét duy nhất [7] - [9]. Với cả camera và thiết bị đo dạng sóng, thời gian được ghi lại
bằng cách sử dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS), được ghi kèm với vị trí sét và dữ
liệu của hệ thống theo dấu (LPATS) [10], [11]. Hệ thống các camera giám sát các khu
vực thực địa để thu thập các lần sét đánh. Các camera được lắp đặt tại 63 vị trí trong
các khu vực quan sát và được thiết kế để có thể tự động chụp hình bằng cách kiểm
sốt màn trập theo cường độ sét bên ngồi. Có hai loại cảm biến đã được sử dụng để
quan sát dạng sóng sét: cảm biến dịng điện và cảm biến điện áp. Các cảm biến điện
áp và dòng điện đo điện áp bộ cách điện và dạng sóng dịng điện của dây nối đất. Các
cảm biến được lắp tại 103 vị trí trên cùng khu vực. Hình 1 cho một cái nhìn tổng quan
về các điểm đo của cảm biến. Băng tần của các cảm biến là 250 Hz-250 kHz.
III. QUAN SÁT
Trong suốt 11 năm từ 1996 đến 2006, có 284 lần sét đánh được ghi nhận (62
lần trực tiếp và 222 lần gián tiếp), tất cả các trường hợp quan sát được trong mùa hè.
Vì vậy, nội dung thảo luận trong tài liệu này được giới hạn sét đánh vào mùa hè. Tỷ lệ
phóng điện tích cực trong thời gian đó là khoảng 1%.
A. Lỗi đường dây do sét đánh trực tiếp và gián tiếp.

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

4

Tất cả các trường hợp quan sát được được phân loại thành trực tiếp hoặc gián
tiếp dựa trên các hình ảnh của tia chớp. Các hình ảnh được ghi nhận là sét đánh trực

tiếp biểu thị tia sét đánh đến bất kỳ thiết bị phân phối nào bao gồm các dây chống sét,
đường dây tải điện, cột bê tơng cốt thép, và do đó, khi sét đánh vào phần khác hệ
thống phân phối được coi là sét đánh gián tiếp. Hình 2 mơ tả mối quan hệ giữa số
lượng tia chớp trực tiếp và gián tiếp và các lỗi đường dây xảy ra trong thời gian đó, là
ngun nhân khiến rơle q dịng trong trạm biến áp hoạt động. Khảo sát rơle quá
dòng được hoạt động hay không tại thời điểm quan sát ảnh GPS. Những kết quả này
xác nhận rằng sét đánh trực tiếp gây ra 83% lỗi, theo đó nhận định rằng sét đánh trực
tiếp là nguyên nhân chính gây ra các lỗi đường dây, trong khi dữ liệu cũng cho thấy
rằng 48% trong số các lần sét đánh trực tiếp gây ra hư hỏng, và chỉ có 3% số lần sét
đánh gián tiếp gây hư hại. Nói cách khác, khoảng một nửa số sét đánh trực tiếp không
gây ra lỗi đường dây, có nghĩa là các đường dây có thể được bảo vệ khỏi sét đánh trực
tiếp – đang được cho là chắc chắn gây tổn hại đường truyền. Các tác giả tập trung vào
vấn đề này, và phân tích dữ liệu quan sát được từ số lần sét đánh trực tiếp.

Hình 2. Mối quan hệ giữa số lần sét đánh quan sát được và các lỗi liên quan (1996–
2006).
Bảng 1 – Điểm sét đánh trên hệ thống phân phối. (a) đường dây phân phối có dây
chống sét. (b) đường dây phân phối khơng có dây chống sét

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ
Mơ hình
(1)
(2)
(3)

5

Vị trí sét đánh
Đỉnh cột
Dây nối đất
Dây điện
Vị trí khác
Tỏng cộng

24
14
2
3
43

Số lần sét đánh
(56%)
(33%)
(5%)
(7%)
(100%)

(a)
Mơ hình
(4)
(5)

Vị trí sét đánh
Đỉnh cột
Dây điện

Vị trí khác
Tỏng cộng

Số lần sét đánh
18
(95%)
1
(5%)
0
(0%)
19
(100%)

(b)
B. Các điểm sét đánh trực tiếp
Dựa trên các bức ảnh chụp tia chớp trực tiếp, các điểm sét đánh đã được ước
tính và phân loại thành năm mẫu. Tất cả các kết quả suy ra được tóm tắt trong Bảng 1.
Sét đánh đến đỉnh cột được ghi nhận với tỷ lệ cao nhất dù có hay khơng có dây chống
sét (xem Bảng (a) và (b)) và sét đánh vào đường dây điện khơng có dây chống sét chỉ

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

6

chiếm có 5%. Một báo cáo thử nghiệm cho thấy rằng sét có khả năng tấn cơng các dây

trần cao hơn so với dây có vỏ bọc do sự phóng điện theo hướng lên bị hạn chế do chất
cách điện [12]. Kết quả này chỉ ra khoảng cách sét đánh của dây dẫn cách điện nhỏ
hơn so với dây trần. Trong một số trường hợp khơng có dây chống sét, như trong
Bảng 1(b), mũ kim loại được trang bị ở đầu cột bê tông cốt thép - có thể ảnh hưởng
đến tỷ lệ sét trực tiếp tới đường dây điện. Trong các khu vực quan sát này, độ dài của
đường dây có dây chống sét là gấp 10 lần khơng có dây chống sét. Hình 3 cho thấy
một ví dụ về hình ảnh của sét đánh đỉnh cột khơng có dây chống sét.

Hình 3. Sét đánh trực tiếp đến một đỉnh cột khơng có dây chống sét.
C. Phân tích các trường hợp sét đánh trực tiếp
Việc quan sát dạng sóng tăng đột biến do sét đánh trực tiếp - nguyên nhân
chính của lỗi đường dây, được thực hiện bằng cách sử dụng chương trình quá độ điện
từ (EMTP) để dự đốn việc có hay khơng có sự phóng điện. Trong nghiên cứu trước
đây của chúng tơi [8], có đưa ra một ví dụ về sét đánh trực tiếp đỉnh cột điện để so
sánh giữa các dạng sóng quan sát được và tính tốn. Hình 4 chỉ ra một ví dụ về điện
áp của lớp cách điện theo tính tốn và theo kết quả quan sát, các mơ hình phân tích chi
tiết có thể tham khảo tạo tài liệu [8], [13]. Khoảng cách giữa các điểm đo và khu vực
bị sét đánh là 57 m. Điện áp được tính bằng cách sử dụng mơ hình phóng điện bề mặt
cho thấy sự sai lệch tại các đỉnh sóng bắt đầu vào khoảng 3 μs sau khi xảy ra hiện

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

7

tượng phóng điện bề mặt [xem hình 4(b)], điều này cũng được khẳng định khi quan

sát [xem hình 4(a)] [8]. Trong nghiên cứu này, dạng sóng được tính tốn mà khơng
cần mơ phỏng sự hình thành phóng điện bề mặt. Như thể hiện trong hình 4(b), các
dạng sóng tính tốn khơng mơ phỏng sự hình thành phóng điện bề mặt khơng cho thấy
sự sai lệch mức đỉnh, điều này phù hợp với các dạng sóng đột biến khi quan sát,
nhưng nó cũng cho thấy sự đảo cực tại đầu sóng khi phóng điện bề mặt được hình
thành.
IV. KHẢO SÁT THỰC ĐỊA CÁC LỖI ĐƯỜNG TRUYỀN
Việc hình thành sự phóng điện và dịng q áp đã được nghiên cứu để làm rõ
cơ chế gây ra lỗi đường dây phân phối điện dựa trên các dữ liệu quan sát sét đánh trực
tiếp.
A. Mơ hình dạng sóng sét
Đường đặc tính dạng sóng điện áp sét có thể giúp cho việc nghiên cứu sự phóng điện
và dịng q áp có được hình thành hay khơng

(Hình 4a)

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

8

(Hình 4b)
Hình 4. So sánh giữa dạng sóng điện áp cách điện quan sát quan sát được và theo tính
tốn. (a) Dạng sóng quan sát được. (b) Dạng sóng theo tính tốn.
1) Hình thành phóng điện bề mặt:
Việc hình thành phóng điện bề mặt được đánh giá dựa trên các đặc điểm dạng

sóng điện áp cách điện được mơ tả trước đây.
Dạng sóng đảo cực nhanh ở phía đầu sóng cho thấy có hình thành sự phóng
điện bề mặt, dạng sóng khơng đảo cực ở phía đầu sóng có nghĩa là khơng hình thành
sự phóng điện bề mặt. Nếu điện áp quá độ được đo ở xa, như tại đầu cuối của các dây
tiếp sóng, các đường phản xạ của sóng chạy tại các kết nối khác nhau của kênh ngang
và máy biến áp được kỳ vọng sẽ làm thay đổi dạng sóng và làm cho phân tích này trở
nên khó khăn hơn.
2) Hình thành dịng q áp:
Việc hình thành dịng q áp cũng được đánh giá dựa trên việc quan sát dạng
sóng điện áp cách điện trong khoảng thời gian lên đến 20 ms - là một chu kỳ của tần
số điện áp (50 Hz). Điện áp điểm không trong thời gian này tại hai hoặc ba pha chứng
tỏ sự hình thành dịng q áp – là nguyên nhân rơle quá dòng hoạt động tại trạm biến
áp.

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

9

B. Tỷ lệ của phóng điện bề mặt
Trong số 62 dữ liệu được quan sát trực tiếp bằng camera, 56 lần sét đánh cùng
với dạng sóng điện áp đã được lựa chọn làm dữ liệu cho bản phân tích để dự đốn có
hình thành phóng điện bề mặt không. Các kết quả được thể hiện trong Bảng 2, sét
đánh gây ra phóng điện bề mặt ở 42 trường hợp (75%) trong số 56 trường hợp, và
phóng điện bề mặt ba pha chiếm tỷ lệ cao nhất (55%). Trong trường hợp phóng điện
hai pha, chỉ xảy ra ở pha R và T, có lẽ do điện áp tại pha S bị chặn so với các giai

đoạn khác do hiệu lực liên kết. Người ta ghi nhận rằng 25% lần sét trực tiếp khơng
gây phóng điện bề mặt, đây là một vấn đề đáng chú ý vì trước đó người ta cho rằng sét
trực tiếp chắc chắn gây ra phóng điện bề mặt do mức độ cách điện thấp.
Bảng 2 - Số lượng phóng điện bề mặt do sét đánh trực tiếp được quan sát
Số pha có phóng
điện bề mặt
3 pha
2 pha
1 pha

Pha phóng điện
R, S, T
R, S
S, T
R, T
R
S
T

Số phóng điện được quan
sát (%)
31
(55%)
0
(0%)
0
(0%)
5
(9%)
4

(7%)
2
(4%)
0
(0%)

Tỷ lệ (%)
55%
9%
11%

Khơng có phóng
14
(25%)
25%
điện bề mặt
Tổng cộng
56
(100%)
100%
Ghi chú: R – Pha R; S – Pha S; T – Pha T
Bảng 3 - Số lượng dòng quá áp được ghi nhận sau khi xảy ra phóng điện bề mặt do sét
đánh trực tiếp
Số pha có phóng Pha phóng
điện bề mặt
điện

3 pha

R, S, T

2 pha

R, T

1 pha

R
T

Pha điện
Số dữ liệu
Tỷ lệ (%)
áp dòng (% trên tổng) Số lượng (% trên tổng)
R, S, T
7
(18%)
R, S
3
(8%)
20
(67%)
S, T
1
(3%)
R, T
9
(23%)
Khơng có
10

(25%)
điện q áp
R, T
1
(3%)
1
(20%)
Khơng có
4
(10%)
điện q áp
Khơng có
3
(8%)
điện q áp
Khơng có
2
(5%)

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

10
điện quá áp

Tổng cộng

40

100%

21

(53%)

C. Tỷ lệ của dòng quá áp
Hiện tượng dòng quá áp sau phóng điện nhiều pha gây ra hiện tượng chuyển
mạch trong một trạm biến áp. Sự hình thành dịng điện tại 40 trường hợp được xem
xét, kèm dạng sóng sét đo được lên đến 20 ms, trong đó dịng q áp được ghi nhận
trong 42 trường hợp, tập hợp các dữ liệu sét đánh trực tiếp có phóng điện bề mặt được
ghi nhận trong bảng 2. Phỏng đoán nguyên nhân thu được kết quả khác nhau với các
dây dẫn khác nhau, pha S dường như là pha được bảo vệ tốt nhất trong ba pha bởi
tương thích điện từ với dây che chắn do có chiều dài ngắn nhất. Kết quả được thể hiện
trong Bảng 3.. Khơng có dịng q áp nào xảy ra sau khi có phóng điện một pha.
Nguyên nhân có lẽ là như sau: hầu hết các đường dây điện ở Nhật Bản sử dụng hệ
thống dây trung tính được cách điện. Nếu phóng điện bề mặt chỉ xảy ra trong một pha,
dòng quá áp sẽ bị triệt tiêu một cách tự nhiên do dòng nối đất. Dòng quá áp cũng được
ghi nhận sau khi có phóng điện bề mặt hai hoặc ba pha, cụ thể tỷ lệ dịng q áp sau
phóng điện 2 pha là (20%), nhỏ hơn tỉ lệ dịng q áp sau phóng điện 3 pha (67%).
Ngay cả khi dòng quá áp được tạo ra sau phóng điện bề mặt 3 pha (20 trường hợp),
trong 13 trường hợp dòng điện chỉ được tạo ra ở 2 pha. Trong 77% (= 23 / 30) các
trường hợp gây ra phóng điện bề mặt ba pha, hồ quang của các phóng điện bề mặt bị
triệt tiêu tại một pha hoặc hơn. Xem xét tất cả các trường hợp, tổng tỷ lệ sinh ra điện
dẫn dòng là 53%. Thực tế chỉ có 53% trường hợp có phóng điện bề mặt là ngun
nhân gây ra dịng q áp có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế dịng lỗi và đưa ra
việc cải thiện phương pháp tính tỷ lệ ngừng truyền điện do sét đánh, vì phóng điện bề

mặt nhiều pha được coi là nguyên nhân gây lỗi đường truyền theo nghiên cứu hiện
nay, bao gồm cả tính toán về các lỗi đường dây do sét. Hoạt động của các chuyển
mạch q dịng được gây ra bởi phóng điện bề mặt và dịng q áp. Vì vậy, "phóng
điện bề mặt" hầu như được xác định là "lỗi".

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

11

Hình 5. Phân bố tần số tích lũy của dịng điện đỉnh của sét dựa trên dữ liệu LPATS
cho các mơ hình quan sát phóng điện bề mặt (xác suất tích lũy được tính cho từng
loại).
V. NHỮNG YẾU TỔ CÓ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỖI ĐƯỜNG TRUYỀN
Trong phần IV, tần số hình thành phóng điện bề mặt và kéo theo sự hình thành
dịng q áp được ước tính bằng cách sử dụng dạng sóng sét. Trong một số trường
hợp, phóng điện bề mặt nhiều pha gây ra dịng q áp. Phải lưu ý rằng sự hình thành
phóng điện bề mặt và các dịng q áp có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như dây
che chắn, bộ chống sét, trở kháng dây và góc pha của điện áp nguồn xoay chiều
(power-frequency voltages) và v.v… Những nghiên cứu chi tiết hơn đã được tiến hành
để đánh giá những yếu tố nào có thể ảnh hưởng đến hiện tượng phóng điện bề mặt và
dịng q áp gây ra bởi sét đánh trực tiếp lên do hệ thống truyền tải điện.
A. Ảnh hưởng của dòng điện sét

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

12

Hình 6. Phân phối tần số tích lũy dịng điện đỉnh của sét dựa trên dữ liệu LPATS cho
các mơ hình quan sát dịng q áp sau phóng điện 3 pha (xác suất tích lũy được tính
cho từng trường hợp).
Biên độ của dịng sét liên quan đến quá áp sét có thể ảnh hưởng đến xác suất
xảy ra lỗi đường dây. Hình 5 cho thấy tần số tích lũy của các biên độ dịng điện ước
tính bởi dữ liệu LPATS của từng loại phóng điện bề mặt. Hình 6 cho thấy tần số tích
lũy của dòng quá áp do những lần sét đánh trực tiếp quan sát được. Các loại phóng
điện bề mặt được ước tính dựa trên các dạng sóng điện áp liên quan. Trong những
hình trên, mỗi tập hợp các phân phối được vẽ bằng cách chọn dòng sét liên quan tới
các trường hợp cụ thể về các phóng điện bề mặt hoặc dịng q áp. Khơng có dữ liệu
nào vượt q 60 kA, và các phân phối này cho mức trung bình 25 kA, cho thấy hầu
như khơng có sự khác biệt đặc trưng nào so với các nghiên cứu trước đây [14], [15].
Trong hình 5, chỉ có 6 trường hợp của phóng điện bề mặt một pha. Vì vậy, chúng cần
được thu thập và phân tích để tìm ra các dịng điện sét tương quan, điện áp cao nhất
một cách rõ ràng trong tương lai. Cần lưu ý đến tính khơng chắc chắn của dữ liệu
LPATS. Một nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng những cú đánh đầu tiên mang
điện tích âm ước tính bởi LPATS có xu hướng nhỏ hơn so với những giá trị cao nhất
đo được đặc biệt trong trường hợp những dịng điện có cường độ lớn hơn 40 kA [10],
[11]. Nhìn vào hình 4 và 5, biên độ dòng sét được suy ra bởi hệ thống LPATS có thể
đã đánh giá thấp giá trị thực tế. Một nghiên cứu báo cáo rằng biến đổi trung bình của
các dòng sét suy ra bởi hệ thống định vị sét (LLS) được ước tính là từ 20% đến 30%
[16]. Khoảng "20% -30%" độ bất định ở dòng đỉnh ước tính trong [16] là cho những

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

13

cú sét tiếp sau mang điện âm ở những kênh sẵn có. Độ bất định càng lớn hơn trong
trường hợp những cú sét đầu tiên. Độ chính xác của dịng sét ước tính bởi hệ thống
LLS tương đương với độ chính xác khi tính qua LPATS trong nghiên cứu của chúng
tơi. Vì vậy, người ta cho là Hình 4 và 5 có thể được đánh giá với độ chính xác nói
trên.
B. Tác động của dây che chắn
Hình 7 cho thấy mối liên hệ với số lượng sét trực tiếp, phóng điện bề mặt nhiều
pha và lỗi đường dây với sự tồn tại của dây che chắn tại các điểm bị sét đánh. Khi các
dây che chắn đã được lắp đặt trên các đường dây, tỷ lệ xảy ra phóng điện bề mặt nhiều
pha là 56% (= 22/39), tỉ lệ này thấp so với giá trị là 82% (14/17) trong trường hợp
khơng có dây che chắn tại điểm bị sét đánh.
Mặt khác, tỷ lệ lỗi đường dây sau khi có sự phóng điện nhiều pha trong trường
hợp có dây che chắn là 59% (= 13/22), gần bằng tỉ lệ 57% (14/08) trong trường hợp
khơng có dây che chắn. Thực tế này cho thấy sự hiện diện của dây che chắn tại các
điểm bị đánh đóng một vai trị quan trọng trong việc hình thành phóng điện bề mặt
nhiều pha hơn là trong việc hình thành dịng quá áp.

Hình 7. Mối quan hệ về số lượng giữa những đợt sét đánh trực tiếp được quan sát với
phóng điện nhiều pha và lỗi đường dây.
C. Ảnh hưởng của góc pha của điện áp nguồn xoay chiều

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

14

Các góc pha của điện áp nguồn xoay chiều khi xảy ra phóng điện bề mặt được
ước tính dựa trên các dạng sóng sét quan sát được do sét đánh trực tiếp. Các góc pha
được ghi nhận trên dạng sóng của 52 lần sét đánh trực tiếp, và hình 8 cho thấy các góc
pha của điện áp đường dây, khi phóng điện bề mặt hai hoặc ba pha được tạo ra, hầu
như không cho thấy tác động đặc trưng đối với việc tạo ra phóng điện bề mặt. Hình 9
cũng cho thấy các góc pha của điện áp đường dây khi dòng quá áp được tạo ra khi có
phóng điện bề mặt ba pha. Khi dòng quá áp được tạo ra ở 2 pha, hầu hết các góc pha
tập trung xung quanh giá trị tối đa của điện áp nguồn xoay chiều [xem hình 9 (a)].
Những hiện tượng này cho thấy rằng góc pha của điện áp nguồn xoay chiều có thể có
ảnh hưởng đến việc sinh ra dòng quá áp, dẫn đến lỗi đường dây. Trong trường hợp
dịng q áp 3 pha, các góc pha phân tán và khơng có mối quan hệ giữa góc và điện
theo dịng, như thể hiện trong hình. 9 (b).
D. Ảnh hưởng của trở kháng giữa một trạm biến áp và địa điểm bị sét đánh
Trở kháng của các dây giữa một trạm biến áp và điểm bị sét đánh được nghiên
cứu bởi vì trở kháng này có thể ảnh hưởng đến dòng ngắn mạch trong khoảng thời
gian xảy ra dịng q áp. Trở kháng này được tính bằng chiều dài cáp từ một trạm biến
áp đến điểm sét đánh bằng cách sử dụng giá trị trở kháng trên 1 m thể hiện trong chi
tiết kỹ thuật. Hình 10 cho thấy sự phân bố tần số tích lũy của trở kháng trong các
trường hợp có hoặc khơng có phóng điện bề mặt, và trở kháng này được tính tốn trên
cơ sở là 10 MVA. Đồ thị của cả hai trường hợp này gần giống nhau. Hình 11 thể hiện
sự phân bố tần số tích lũy của trở kháng theo mơ hình dịng q áp sau khi xảy ra

phóng điện bề mặt tại 3 pha, và từng trường hợp cho thấy sự phân bố tương ứng. Mối
tương quan giữa trở kháng và việc hình thành phóng điện bề mặt hoặc dịng q áp
được dự đốn là yếu trong các đường dây.

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

15

Hình 8.Góc pha của điện áp dịng khi phóng điện bề mặt được hình thành (dữ liệu
được vẽ cho từng loại). (a) phóng điện bề mặt 2 pha. (b) phóng điện bề mặt 3 pha.

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

16

E. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các phần tử ZnO và vị trí sét đánh
Phân tích tiếp theo là về khoảng cách giữa một cực với phần tử ZnO, chẳng hạn
như một cột thu lơi và một điểm bị sét đánh. Hình 12 cho thấy sự phân bố tần số tích
lũy của khoảng cách giữa phần tử ZnO và điểm sét đánh. Trường hợp khơng có hiện
tượng phóng điện có khoảng cách ngắn hơn so với trường hợp có hiện tượng phóng

điện. Giá trị 50% sẽ tương ứng với khoảng cách 64 m trong trường hợp có phóng điện
và sẽ là 30 m khi khơng có phóng điện. Hình.13 cho thấy sự phân bố tần số tích lũy
của khoảng cách tới các dạng dịng điện quá áp sau khi xảy ra hiện tượng phóng điện
ở cả 3 pha. Khoảng cách sẽ có giá trị thấp hơn trong trường hợp khơng có dịng q áp
so với trường hợp xuất hiện dòng quá áp, và khoảng cách đối với dòng điện 3 pha sẽ
lớn hơn dòng điện 2 pha. Những kết quả trên cho thấy khoảng cách giữa phần tử ZnO
và điểm sét đánh đóng một vai trò quyết định trong việc bảo vệ các đường dây điện
chống lại sét đánh trực tiếp, vì nó ảnh hưởng đến sự xuất hiện của hiện tượng phóng
điện cũng như dòng quá áp. Tuy nhiên, khoảng cách đo trong Hình 11 và 12 dường
như bao gồm cả các sai số kỳ vọng, nhiều nhất là 10 m, bằng cách đo từ hai hoặc
nhiều hướng.
F. Đánh giá các kết quả
Có thể sẽ xem xét lại kết quả trong một thời gian ngắn. Trong phần V, một số
yếu tố, chẳng hạn như ảnh hưởng của các phần tử ZnO được cho là đã tác động đến sự
xuất hiện hiện tượng phóng điện và dòng quá áp do sét đánh trực tiếp. Các kết quả này
được tóm tắt trong Bảng IV.
1) Sự hình thành phóng điện: Qua quan sát đã thấy rằng hai yếu tố có ảnh hưởng tới
việc sinh ra hiện tượng phóng điện là: Có hay khơng sử dụng dây chống sét, và
khoảng cách giữa phần tử ZnO và điểm sét đánh.
2) Sự hình thành dịng q áp: khoảng cách giữa các phần tử ZnO và điểm sét đánh
cũng ảnh hưởng đến sự hình thành dịng q áp cũng như hiện tượng phóng điện,
ngồi ra cịn có ảnh hưởng của góc pha của tần số lưới điện-điện áp đối với việc hình
thành dịng q áp ở 2 pha sau khi xảy ra hiện tượng phóng điện ở 3 pha

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

17

.
Hình 9. Góc pha của điện áp dây khi dòng quá áp được sinh ra sau hiện tượng phóng
điện 3 pha (dữ liệu được mơ tả cho từng loại). (a) Dòng quá áp 2 pha. (b) Dòng quá áp
3 pha.

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

18

Hình 10. Sự phân bố tần số tích lũy theo trở kháng đường dây giữa một trạm biến áp
và là một điểm sét đánh trong các trường hợp có hoặc khơng có phóng điện (xác suất
tích lũy được tính cho mỗi loại).

Hình11.Sự phân bố tần số tích lũy theo trở kháng đường dây giữa một trạm biến áp và
một điểm sét đánh theo mơ hình dịng q áp sau khi xảy ra phóng điện trên 3 pha
(xác suất tích lũy được tính cho từng loại).

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương

Tiểu luận tương thích điện từ

19

Hình 12. Sự phân bố tần số tích lũy theo khoảng cách giữa phần tử ZnO và một điểm
sét đánh trong trường hợp có hoặc khơng có phóng điện (xác suất tích lũy được tính
cho từng loại).

Hình 13. Phân phối tần số tích lũy theo khoảng cách giữa phần tử ZnO và một điểm
sét đánh theo mơ hình dịng q áp sau khi có phóng điện trên 3 pha (xác suất tích lũy
được tính cho từng loại).

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

20

VI. THIẾT BỊ CHỐNG SÉT TRONG CÁC HỆ THỐNG PHÂN PHỐI ĐIỆN
Các phân tích chỉ ra rằng phần tử ZnO có chức năng ngăn chặn sự hình thành
việc phóng điện và dịng q áp tại các cực ngay cả khi khơng có phần tử ZnO.
Bảng 4: Đánh giá các yếu tố gây ảnh hưởng tới việc hình thành sự phóng điện bề mặt
và dịng q áp
Ảnh hưởng tới
sự phóng điện

Ảnh hưởng tới

Dịng q áp

Dịng sét đánh

Chưa chứng thực

Chưa chứng thực

Dây che chắn

Có ảnh hưởng

Chưa chứng thực

Phóng điện
2 pha

Chưa chứng thực

-

Phóng điện
3 pha

Chưa chứng thực

Có ảnh hưởng

Trở kháng giữa trạm biến áp và vị
trí bị sét đánh

Chưa chứng thực

Chưa chứng thực

Khoảng cách giữa phần tử ZnO và
vị trí bị sét đánh

Có ảnh hưởng

Có ảnh hưởng

Yếu tố

Góc pha của tần số
điện áp đường dây

Chúng ta hãy dành một chút thời gian để xem xét vấn đề này từ quan điểm của
việc lan truyền của các dạng sóng sét. Một xung sét lan truyền qua dây tiếp địa (hoặc
dây che chắn) đến các phần tử ZnO gần nhất, và dòng điện sẽ chạy tới các điện cực
nối đất.. Sau đó, điện áp cách điện của cực bị sét đánh sẽ bị chọc thủng sau khi có sự
phản xạ của điện áp sét truyền trở lại cực bị sét đánh. Như vậy, các phần tử ZnO của
các cực khác gây ảnh hưởng đối với cực bị sét đánh sau một khoảng thời gian trễ, và
đó là một trong những nguyên nhân giải thích tại sao khoảng cách giữa phần tử ZnO
và một điểm bị sét đánh ảnh hưởng tới dịng q áp cũng như hiện tượng phóng điện.
Schoene et al. [17] thu được dữ liệu thực nghiệm từ quá trình kiểm tra dịng điện sét
rocket-triggered, và đánh giá rằng bộ chống sét có thể làm giảm điện sét để chống lại
một tia sét đánh trực tiếp với thời gian trễ. Mặt khác, dây che chắn có ảnh hưởng đến
sự hình thành phóng điện. Có thể lời giải thích ở đây sẽ là dây che chắn làm giảm điện
áp cách điện ngay lập tức sau khi sét đánh vào một cực do sự dẫn dòng vào trong các

sợi dây. Tiếp theo chúng ta sẽ xem xét tới các yếu tố khác. Các kết quả cũng khẳng
định dòng điện sét hoặc trở kháng không chịu ảnh hưởng giữa một trạm biến áp và
điểm bị sét đánh. Liên quan đến sự hình thành dịng q áp, mối tương quan giữa góc
pha của tần số điện áp đã được xác nhận trong trường hợp hình thành dịng q áp trên

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

21

2 pha sau khi 3 pha phóng điện. Các dữ liệu cho thấy rằng các thiết bị chống sét,
chẳng hạn như dây che chắn và phần tử ZnO đóng một vai trị quyết định hơn trong
việc chống lại sét đánh so với các yếu tố khác trong đường dây khi xem xét hệ thống
phân phối với một số thiết bị chống sét. Tuy nhiên, các bộ chống sét q mức (ví dụ,
trên mỗi cột) khơng phải luôn bảo vệ được đường truyền tải điện. Lưu ý rằng việc
một bộ chống sét bị hỏng còn gây ra tần suất tắt điện nghiêm trọng hơn nhiều so với
việc phóng điện thơng thường [18]. Về hiệu quả sử dựng của các bộ chống sét, các tác
giả cũng khẳng định rằng hầu hết các điện áp cách điện có xu hướng tập trung dưới 36
kV, đó chính là điện áp giới hạn của các phần tử ZnO trong một trạm biến áp [8].
Những kết quả này chỉ ra rằng điện áp sét khơng tăng tương ứng với dịng điện sét, và
đây có thể là một trong những nguyên nhân giải thích tại sao dịng điện sét có vẻ như
khơng ảnh hưởng đến sự hình thành các lỗi trên đường dây như được đã được trình
bày ở trên.
VII. KẾT LUẬN
Tài liệu này tập trung nghiên cứu trường hợp sét đánh trực tiếp lên đường
truyền tải điện, và tiến hành các phân tích để làm rõ các yếu tố có thể ảnh hưởng đến

việc hình thành sự phóng điện và dịng quá áp do sét đánh trực tiếp.
Các kết quả khẳng định hai yếu tố gây ảnh hưởng đến sự phóng điện: sự tồn tại
dây che chắn tại điểm sét đánh, và khoảng cách giữa các phần tử ZnO và điểm sét
đánh. Việc hình thành dịng q áp cũng như sự phóng điện được đánh giá dựa trên
khoảng cách giữa các phần tử ZnO và vị trí bị sét đánh, và xác nhận ảnh hưởng của
góc pha của tần số điện áp trong việc hình thành dịng q áp tại 2 pha sau khi có hiện
tượng phóng điện trên 3 pha, trong khi khơng có mối liên hệ nào giữa góc pha và dòng
quá áp được xác nhận trong các trường hợp khác.
Kết luận được đưa ra là, từ những vấn đề đã được trình bày trên đây, một số
yếu tố có thể ảnh hưởng đến việc hình thành lỗi trên đường truyền tải điện và các thiết
bị chống sét, chẳng hạn như van chống sét và dây che chắn có hiệu quả để bảo vệ
đường dây phân phối điện chống lại sét đánh trực tiếp.
Trong tương lai, nhóm tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu thiết kế các thiết bị chống
sét cho đường dây phân phối điện bằng cách phân tích nhiều dữ kiện quan sát được
hơn và hồn thiện phương pháp tính tốn các lỗi xảy ra trên đường dây phân phối.
VIII. LỜI CẢM ƠN
Tác giả chân thành cảm ơn S. Amemiya của Tổng công ty Điện lực Tokyo,
người đã hợp tác và hỗ trợ rất nhiều trong quá trình thực hiện nghiên cứu này. Đồng
thời gửi lời cảm ơn tới sự hỗ trợ và hợp tác của các phòng ban liên quan, như bộ phận
phân phối điện của công ty.

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

22
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] P. D. Kannu and M. J. Thomas, “Lightning induced voltages on multiconductor
power distribution line,” Inst. Elect. Eng. (IEE) Proc. Gener. Transm. Distrib., vol.
152, no. 6, pp. 855–863, Nov. 2005.
[2] M. Paolone, C. A. Nucci, E. Petrache, and F. Rachidi, “Mitigation of lightninginduced overvoltages in medium voltage distribution lines by means of periodical
grounding of shielding wires and of surge arresters: Modeling and experimental
validation,” IEEE Trans. Power Del., vol. 19, no. 1, pp. 423–431, Jan. 2004.
[3] J. He, S. Gu, S. Chen, R. Zeng, and W. Chen, “Discussion on measures against
lightning breakage of covered conductors on distribution lines,” IEEE Trans. Power
Del., vol. 23, no. 2, pp. 693–702, Apr. 2008.
[4] S.Yokoyama, “Lightning protection of overhead power distribution lines,” Inst.
Elect. Eng. Jpn. (IEEJ) Trans. Power Del., vol. 22, no. 4, pp. 2236– 2244, 2007.
[5] P. Barker, “Photography helps solve distribution lightning problems,” IEEE Power
Eng. Rev., vol. 13, no. 6, pp. 23–26, Jun. 1993.
[6] H. Taniguchi, H. Sugimoto, and S. Yokoyama, “Observation of lightning
performance on power distribution line by still camera,” in Proc. 23 rd Int. Conf.
Lightning Protection, 1996, vol. 1, pp. 119–124.
[7] T. Takao, S. Okabe, T. Miyazaki, and K. Aiba, “Analysis of lightning phenomena
observed in distribution lines,” in Proc 28th Int. Conf. on Lightning Protection, no.
VI-2, Sep. 2006.
[8] T. Miyazaki, S. Okabe, and S. Sekioka, “An experimental validation of lightning
performance in distribution lines,” IEEE Trans. Power Del.,vol. 23, no. 4, pp. 2182–
2190, Oct. 2008.
[9] T.Miyazaki and S. Okabe, “Detailed field study of lightning stroke effects on
distribution lines,” IEEE Trans. Power Del., vol. 24, no. 1, pp. 352–359, Jan. 2009.
[10] T. Shioda, T. Narita, E. Zaima, and M. Ishii, “Performance evaluation of LPATST at TEPCO,” in Proc. 25th Int. Conf. on Lightning Protection, 2000, pp. 170–175.
[11] T. Shioda, N. Fukiyama, A. Mochizuki, E. Zaima, M. Ishii, and K. Cummins,
“Performance evaluation of new generation LPATS at TEPCO,” in Proc. 24th Int.
Conf. on Lightning Protection, 1998, pp. 162–167.
[12] Y. Hashimoto, S. Yokoyama, T. Yokota, and A. Asakawa, “Studies on

characteristics of lightning stroke distance to power distribution linesdischarge

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

23

characteristics of open wire and insulated wire,” Trans Inst. Elect. Eng., Jpn, vol. 115B, no. 12, pp. 1508–1514, Dec. 1996.
[13] S. Sekioka, “Lightning-surge analysis model of reinforced concrete pole and
grounding lead conductor in distribution line,” presented at the Int. Workshop High
Voltage Eng., Sapporo, Japan, 2004.
[14] R. B. Anderson and A. J. Eriksson, “Lightning parameters for engineering
Application,” Int. Conf. on Large Electric High-Tension Systems (CIGRE) Electra,
no. 69, pp. 65–102, Mar. 1980.
[15] K. Berger, R. B. Anderson, and H Kroeninger, “Parameters of Lightning flashes,”
Int. Conf. on Large Electric High-Tension Systems (CIGRE) Electra, vol. 41, pp. 23–
27, Jul., 1975.
[16] K. L. Cummins, M. J. Murphy, E. A. Bardo, W. L. Hiscox, R. B. Pyle, and A. E.
Piper, “A combined TOA/MDF technology upgrade of the U. S. national lightning
detection network,” J. Geophysical Research, vol. 103, no. D8, pp. 9035–9044.
[17] J. Schoene, M. Uman, V. Rakov, A. Mata, C. Mata, K. Rambo, J. Jerauld, D.
Jordan, and G. Schnetzer, “Direct lightning strikes to test power distribution lines—
Part I: Experiment and overall results,” IEEE Trans. Power Del., vol. 22, no. 4, pp.
2236–2244, Oct. 2007.
[18] T. E. McDermot, T. A. Short, and J. G. Anderson, “Lightning protection of
distribution lines,” IEEE Trans. Power Del., vol. 9, no. 1, pp. 138–152, Jan. 1994.

Teru Miyazaki (M’07) được công
nhận là cử nhân, thạc sỹ kỹ thuật điện từ
chương trình đào tạo bằng tiếng Anh tại
trường Đại học Điện tử viễn thông,
Tokyo, Japan, các năm tương ứng 1995,
1997. Ông bảo vệ tiến sỹ năm 2008 tại
Viện công nghệ Shonan, Kanagawa,
Japan.
Năm 1997, ông làm việc tại Công ty
Điện lực Tokyo, Tokyo, Japan, và trở
thành thành viên của nhóm điện áp cao
và cách điện, thuộc trung tâm nghiên cứu
và phát triển. Lĩnh vực nghiên cứu chính
của Teru Miyazaki là thiết kế bảo vệ
chống sét cho đường dây phân phối điện.

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương


Tiểu luận tương thích điện từ

24
Shigemitsu Okabe (M’98) được cơng
nhận là cử nhân, thạc sỹ, và bảo vệ tiến
sỹ kỹ thuật điện từ chương trình đào tạo
bằng tiếng Anh tại trường Đại học
Tokyo, Tokyo, Japan, các năm tương ứng
1981, 1983, và 1986.

Ơng đã làm việc với Cơng ty Điện lực
Tokyo từ năm 1986, hiện ơng là Trưởng
nhóm của Nhóm Điện áp cao và cách
điện, Trung tâm R & D. Năm 1992, ông
là một nhà khoa học thỉnh giảng tại Đại
học Kỹ thuật Munich. Ông cũng đã được
mời làm giáo sư tại Đại học Doshisha từ
năm 2005, tại Đại học Nagoya từ năm
2006, và là giảng viên thỉnh giảng tại Đại
học Tokyo. Ông là thư ký /Thành viên

WG/MT tại CIGRE và IEC.
Tiến sĩ Okabe là biên tập viên cộng tác của IEEE chuyên về các vấn đề chất điện môi
và cách điện.

GVHD: PGS-TS Đào Ngọc Chiến

Học viên: Đinh Thùy Hương