bảo vệ trạm biến áp trên cơ sở giảm rủi ro hư hỏng do sét

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP TRÊN CƠ SỞ
GIẢM RỦI RO HƯ HỎNG DO SÉT
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2011 - 01TĐ

S KC 0 0 3 6 5 6

Tp. Hồ Chí Minh, 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP TRÊN CƠ SỞ GIẢM
RỦI RO HƯ HỎNG DO SÉT
Mã số: T2011-01TĐ

Chủ nhiệm đề tài: PGS-TS Quyền Huy Ánh

TP. HCM, 11/2011


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP TRÊN CƠ SỞ GIẢM
RỦI RO HƯ HỎNG DO SÉT

Mã số: T2011-01TĐ

Chủ nhiệm đề tài: PGS-TS Quyền Huy Ánh
Thành viên đề tài: KS Nguyễn Mạnh Hùng

TP. HCM, 11/2011
i


DANH SÁCH THÀNH VIÊN VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH
1> PGS_TS Quyền Huy Ánh
2> KS Nguyễn Mạnh Hùng

ii


MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ ........................................................................................................ i
Danh sách những thành viên tham gia NCĐT và đơn vị phối hợp chính ................ii
Mục lục .............................................................................................................. iii
Danh mục bảng biểu .............................................................................................. 1
Danh mục các chữ viết tắt...................................................................................... 2
Danh mục hình vẽ ................................................................................................. 3
Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Việt và tiếng Anh ................................... 6
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 10
0.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ........................... 10
0.2 Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................... 10
0.3 Mục tiêu của đề tài ................................................................................. 11

0.4 Cách tiếp cận .......................................................................................... 11
0.5 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 11
0.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................... 11
0.7 Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 12
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ................................................................................ 13
1.1 Lý do chọn đề tài.............................................................................................. 13
1.2 Các phương pháp chọn vị trí chống sét van ...................................................... 16
1.2.1 Phương pháp xác định vị trí chống sét van dựa trên mô hình Petersen .... 16
1.2.2 Phương pháp D.Fulchiron ....................................................................... 16
1.2.3 Phương pháp Benoît de Metz-Noblat ...................................................... 17
1.2.4 Phương pháp ABB .................................................................................. 21
1.2.4.1Trạm biến áp kết nối với đường dây trên không................................. 21
1.2.4.2Trạm biến áp kết nối với cáp ngầm .................................................. 23
1.3 Các nghiên cứu vị trí lắp đặt chống sét van .................................................... 26

iii


1.3.1 Các nghiên cứu trong nước ................................................................... 26
1.3.2 Các nghiên cứu quốc tế ......................................................................... 27
1.4 Mục tiêu đề tài ............................................................................................... 29
1.5 Điểm mới của đề tài ....................................................................................... 29
1.6 Nội dung đề tài ............................................................................................... 29
CHƯƠNG II: CƠ SỞ TÍNH TOÁN ................................................................ 30
2.1 Rủi ro hư hỏng............................................................................................... 30
2.2 Logic mờ ....................................................................................................... 35
2.3 Mô phỏng bằng simpowersystem ................................................................... 37
CHƯƠNG III: CẤU HÌNH MẠNG ĐIỆN ....................................................... 39
3.1 Cấu hình trạm biến áp .................................................................................... 39
3.1.1 Cấu hình trạm một máy biến áp .............................................................. 39

3.1.2 Cấu hình trạm hai máy biến áp................................................................ 40
3.2 Mô hình các phần tử của mạng ...................................................................... 40
3.2.1 Mô hình đường dây ............................................................................... 40
3.2.1.1 Mô hình hình pi............................................................................. 40
3.2.1.2 Mô hình tổng trở đặc tính .............................................................. 42
3.2.2 Mô hình chống sét van .......................................................................... 43
3.2.3 Mô hình nguồn xung ............................................................................. 45
3.3 Mô hình mạng điện cần mô phỏng ................................................................. 46
CHƯƠNG IV: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ............................................ 49
4.1 Đặc tính ngẫu nhiên của xung sét................................................................... 49
4.2 Tiêu chí bảo vệ .............................................................................................. 50
4.2.1 Bảo vệ dựa trên chỉ số rủi ro trung bình bé nhất..................................... 51
4.2.2 Bảo vệ dựa trên tiêu chí rủi ro hư hỏng cho phép ................................... 51
4.3 Sơ đồ khối chương trình ............................................................................... 52
4.3.1 Chương trình tính toán theo chỉ tiêu rủi ro trung bình thấp nhất ............. 52
4.3.2 Chương trình tính toán theo rủi ro cho phép .......................................... 57

iv


4.3.2.1 Cấu trúc chương trình.................................................................... 57
4.3.2.2 Chương trình logic mờ xác định vị trí chống sét van ..................... 59
4.4 Chương trình tính toán hỗ trợ......................................................................... 61
4.4.1 Giao diện chương trình .......................................................................... 61
4.4.2 Kết quả tính toán ................................................................................... 64
4.4.2.1 Kết quả tính toán cho cấu hình trạm một máy biến áp ................... 64
4.4.2.2 Kết quả tính toán cho cấu hỉnh trạm hai máy biến áp..................... 65
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN ................................................................................ 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 69
PHỤ LỤC ……………………………………………………………………….. 70

v


Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1 Điện áp cực đại trên máy biến áp được bảo vệ bằng chống sét van

19

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 …………………..

23

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

23

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

24

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 không có chống sét van…………………….

25

Bảng 3.1: Các dạng sóng tiêu chuẩn ……………………………………..

45

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

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

60

1


Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
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

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

2


Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ

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

16

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

17

Hình 1.3 Sơ đồ mạch (đường dây và trạm biến áp) dùng trong nghiên cứu
truyền sóng quá điện áp sét

18

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

19

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).

20

Hình 1.6 Quá áp cực đại tại đầu cực máy biến áp (B) theo thời gian 
(trường hợp 2 ở Bảng 1.1)

21

Hình 1.7 Quá điện áp ở cuối đường dây

22

Hình 1.8 Trạm biến áp được kết nối với cáp ngầm

25

Hình 1.9 Xác định vị trí chống sét van dựa trên đánh giá thời gian giữa hai
lần hư hỏng

27

Hình 1.10: Lưu đồ giải thuật tối ưu hóa vị trí chống sét van

28

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

30

Hình 2.2: Lưu đồ tính toán rủi ro hư hỏng

32

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

33

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

34

Hình 2.5: Lưu đồ tính toán rủi ro hư hỏng bằng phương pháp tra bảng

34

Hình 3.1: Cấu hình trạm một máy biến áp

39

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

3


Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
Hình 3.2: Cấu hình trạm hai máy biến áp

40

Hình 3.3: Mô hình hình pi cho đường dây.

41

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

42

Hình 3.5 : Mô hình tổng trở đặc tính

42

Hình 3.6 : Mô hình tổng trở đặc tính đơn giản

43

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

44

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

44

Hình 3.9: Dạng xung sét tiêu chuẩn

45

Hình 3.10: Thông số của mô hình nguồn phát xung sét

46

Hình 3.11. Mô hình cho trạm một máy biến áp

46

Hình 3.12 Mô hình trạm hai máy biến áp khi chống sét van nằm trên
những đoạn cáp ngầm khác nhau

47

Hình 3.13 Mô hình trạm hai máy biến áp khi sử dụng hai chống sét van.

48

Hình 4.1: Xác suất xuất hiện một xung sét có đại lượng ngẫu nhiên lớn hơn
một giá trị xác định

50

Hình 4.2: Phân phối giá trị các biến ngẫu nhiên

50

Hình 4.3: Lưu đồ tính toán bảo vệ theo rủi ro trung bình cho cấu hinh một
máy biến áp

53

Hình 4.4: Lưu đồ sử dụng một chống sét van để bảo vệ cho trạm hai máy
biến áp

55

Hình 4.5: Lưu đồ sử dụng hai chống sét van để bảo vệ cho trạm hai máy
biến áp

56

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

57

Hình 4.7 Lưu đồ chương trình tính toán

58

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

4

Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
Hình 4.8:Cấu tạo bộ quyết định mờ xác định vị trí chống sét van

59

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

60

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

60

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

61

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

61

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

62

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

63

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

64

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

66

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

66

Hình A1 Giao diện khởi đầu của chương trình FUPOSA

70

Hình A2 Lựa chọn tiêu chuẩn bảo vệ cho cấu hình trạm một máy biến áp

70

Hình A3 Các thông số cáp và thông số chống sét van

70

Hình A4 Dữ liệu xung sét có thể nhập từ excel hoặc từ dữ liệu thống kê

71

Hình A5 Nhập số lượng các chống sét van

71

Hình A6 Nhập thông số chiều dài các đoạn cáp ngầm

71

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

5


Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
THÔNG TIN- KẾT QUẢ
1. Thông tin chung:
Tên đề tài: Xác định vị trí chống sét van bằng cách đánh giá rủi ro hư hỏng
Mã số: T2011Chủ nhiệm đề tài: PGS-TS Quyền Huy Ánh
Cơ quan chủ trì: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh
Thời gian thực hiện: T11-2010  T11 2011
2. Mục tiêu:
1 Nghiên cứu mô hình đường dây trên không và cáp ngầm.
2 Nghiên cứ mô hình chống sét van.
3 Nghiên cứu các phương pháp xác định rủi ro hư hỏng dựa trên phân phối quá áp.

4 Nghiên cứu các phương pháp truyền thống xác định vị trí chống sét van bảo vệ
máy biến áp phân phối.
5 Nghiên cứu phương pháp hiện đại xác định chống sét van bảo vệ máy biến áp
phân phối có xét đến vận tốc truyền sóng, các đặc tuyến bảo vệ của chống sét
van …. nhằm bảo vệ không chỉ máy biến áp mà còn các thiết bị khác.
3. Tính mới và sáng tạo:
Đề tài đề xuất phương pháp đánh giá mới để thực hiện việc bảo vệ dựa trên đánh
giá rủi ro hư hỏng tại các vị trí quan trọng trong mạng điện với các cấu hình khác
nhau trong đó có tính đến điện dung, điện kháng của đường dây, các đặc tính ngẫu
nhiên của xung sét bao gồm biên độ đỉnh sóng và độ dốc đầu sóng. Chương trình
FUPOSA giúp người sử dụng dễ dàng xác định vị trí lắp đặt chống sét van dựa theo
tiêu chí rủi ro hư hỏng trung bình bé nhất và theo rủi ro hư hỏng cho phép.

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

6


Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
4. Kết quả nghiên cứu:
 Đề xuất phương pháp cải tiến xác định vị trí lắp đặt hợp lý của chống sét van
bảo vệ trạm biến áp phân phối với các cấu hình khác nhau bằng cách đánh giá rủi ro
hư hỏng của các vị trí quan trọng trong trạm kết hợp kỹ thuật logic mờ có xét tới
các yếu tố như điện kháng và điện dung của dây dẫn và phân phối thống kê của các
thông số ngẫu nhiên của xung sét .
 Chương trình FUPOSA giúp người sử dụng thuận tiện trong việc xác định
khoảng cách phân cách hợp lý, và số lượng chống sét van cần thiết để rủi ro hư
hỏng tại các vị trí nhỏ hơn rủi ro hư hỏng cho phép.
5. Sản phẩm:
Chương trình xác định vị trí lắp đặt chống sét van trên cơ sở đánh giá rủi ro hư hỏng

có xét tới điện cảm, điện kháng của đường dây và phân phối xác suất của độ dốc
đầu sóng và biên độ đỉnh sóng.
Tài liệu hướng dẫn sử dụng chương trình.
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
- Công bố 1 bài báo trên tạp chí chuyên ngành
- Đào tạo 1 thạc sỹ ngành “ Mạng, thiết bị và nhà máy điện”
- Làm cơ sở cho các nhà nghiên cứu và các sinh viên sau đại học.
Trƣởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

(ký, họ và tên)

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

7


Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
INFORMATION-RESULT
1 General infomation
Title Project title: Determine positions of arresters by evaluating risk of
failures.
Code number: T2011-01-TD
Coordinator: assosiate professor Quyền Huy Ánh
Implementing institution : University of Technical Education Ho Chi Minh
city
Duration: from Nov, 2010 to Nov, 2011

2 Objective
1 Research overhed transmission line and caple model
2 Research arrester model.
3 Research methods to determine risk of failure base on over voltage
distribution.
4 Research traditional menthods to determine position of of arrester in
distribution subtation.
5 Research model menthods to determine position of arresters include effects of
characterictis of arrester and lightning velocity to protect transfomer and other
devices.
3 Creativeness and innovativeness
This research proposes a new evaluating method for the protection based on the
analysis of the damage in some important positions in the network with different
configurations including up to capacitance, line resistance, the random
characteristics of lightning impulse waves including peak amplitude and front-wave
slope. FUPOSA program enables users to easily locate the position to install
arresters based on criteria of minimizing the average risk of damage and risk for
damage in limitation.

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

8


Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
4 Research result
 Suggesting a new method to determine suitable positions of arresters to
protect distribution transformers with various structures by evaluating the
risk of failure at some important positions in the subtration, together with
fuzzy logic technique which electrical impedance and capacitance of the line

are included.
 FUPOSA program which helps user to determine seperated distances and the
number of arresters esily to reach the condition that risk of failures in all
nodes are in acceptable limitation.
5 Product
 Computer program to determine the position of arresters base on evaluating
the risk of which inductance and impedance of the line are included, as well
as probability distribution of the front-wave slope and peak amplitude.
 Document for using the program.
6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:
 Announcement of an article in the journal.
 Training a master's degree in "Networks, devices and power plants".
 As a basis for researchers and graduated students.
Trƣởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

(ký, họ và tên)

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

9


Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ

MỞ ĐẦU
a. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI

NƢỚC
Theo yêu cầu phối hợp cách điện và để đảm bảo yêu cầu kinh tế, mức cách điện
của trạm được chọn thấp hơn mức cách điện đường dây. Vì vậy, trạm là chỗ yếu
trong cách điện của hệ thống và quá áp do xung sét lan truyền theo đường dây vào
có thể gây nguy hiểm cho cách điện của trạm, vì biên độ quá áp thường lớn hơn
mức cách điện xung của trạm.
Đối với trạm phân phối, biện pháp chủ yếu để bảo vệ trạm chống xung sét lan
truyền từ đường dây vào trạm là sử dụng chống sét van. Trong đó, khoảng cách
giữa 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 thì máy biến áp được bảo vệ an toàn
nhất, nhưng chống sét van còn phải bảo vệ cho toàn 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.
Hiện nay, các nghiên cứu ngoài nước và trong nước trong việc đề ra phương
pháp xác định vị trí chống sét van ở trạm phân phối thường được theo một số giả
thiết như tốc độ truyền sóng trên đường dây không đổi, bỏ qua ảnh hưởng của điện
dung và điện cảm khi tính toán điện áp cực đại xuất hiện tại các vị trí trong trạm.
Vì vậy cần có một phương pháp mới khắc phục các nhược điểm của các phương
pháp đã tồn tại
b. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Tại Việt Nam, năm 2004 lưới phân phối của Việt Nam có tổng chiều dài khoảng
115.308km và có nhiều trạm biến áp trên lưới phân phối với tổng dung lượng lên
đến 28.604MVA. Do nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng cao (khoảng 15%/năm).
Điều này khiến chiều dài lưới phân phối và số luợng các trạm biến áp phân phối
không ngừng phát triển Tuy nhiên, Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới thuận lợi

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

10

Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
cho việc phát triển dông sét vì vậy việc trải trên diện rộng lưới phân phối và trạm
biến áp luôn là đối tượng bị sét đánh trực tiếp hay nhiễm sét cảm ứng. Điều này,
dẫn đến quá áp trên lưới phân phối làm hư hỏng cách điện đường dây và đặc biệt là
hư hỏng cách điện máy biến áp phân phối dẫn đến thiệt hại lớn do ngừng cung cấp
điện và phải sửa chữa, mua sắm máy biến áp vốn có trị giá cao. Việc sử dụng chống
sét van bảo vệ quá áp máy biến áp phân phối đã được áp dụng từ lâu. Tuy nhiên
các nghiên cứu trước đây chỉ nhằm mục đích bảo vệ chống phá hỏng cách điện máy
biến áp khi xuất hiện quá áp trên lưới phân phối mà chưa tính đến các yếu tố ảnh
hưởng như mức độ hoạt động dông sét trong khu vực đặt máy biến áp, điện trở nối
đất trạm biến áp, các đối tượng che chắn,…. Đề tài nghiên cứu này đề xuất phương
pháp hiện đại xác định vị trí tối ưu lắp đặt chống sét van bảo vệ máy biến áp phân
phối có xét đến các các yếu tố ảnh hưởng thực tế nhằm đạt được tuổi thọ kỳ vọng
của máy biến áp và giảm rủi ro do sét ở mức thấp nhất.
c. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
2 Nghiên cứu mô hình đường dây trên không và cáp ngầm.
3 Nghiên cứ mô hình chống sét van.
4 Nghiên cứu các phương pháp xác định rủi ro hư hỏng dựa trên phân phối quá
áp.
5 Nghiên cứu các phương pháp truyền thống xác định vị trí chống sét van bảo
vệ máy biến áp phân phối.
6 Nghiên cứu phương pháp hiện đại xác định chống sét van bảo vệ máy biến
áp phân phối có xét đến vận tốc truyền sóng, các đặc tuyến bảo vệ của chống
sét van …. nhằm bảo vệ không chỉ máy biến áp mà còn các thiết bị khác.
0.4 CÁCH TIẾP CẬN
1. Nghiên cứu các phương pháp truyền thống xác định vị trí chống sét van bảo
vệ máy biến áp phân phối, phân tích ưu nhược điểm.
2. Đề xuất phương pháp sử dụng mô phỏng để tính toán rủi ro hư hỏng cho
mạng điệ có tính đến các yếu tố ảnh hưởng như: phân phối xác suất của các đặc

tính ngẫu nhiên trong xung sét, điện trở, điện cảm đường dây….

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

11


Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
0.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tham khảo tài liệu, giải tích-tổng hợp, mô hình hóa và mô phỏng.
0.6 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Xác định vị trí lắp đặt hợp lý chống sét van bảo vệ máy biến áp trong mạng phân
phối trung áp.
0.7 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý luận
Chương 3: Cấu hình mạng điện
Chương 4: Chương trình tính toán
Chương 5: Kết luận
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

12


Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
Chƣơng 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 không thể thêm chi phí để tạo cấp cách điện
BIL cao hơn được nữa vì không khả thi về kinh tế.

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

13

Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
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 :

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

14


Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
- 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 còn phải bảo vệ cho
toàn 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 toán 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 toán 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 mô tả chính xác quá trình quá 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 toán 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.

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

15


Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
1.2 Các phƣơng pháp lựa chọn vị trí chống sét van
1.2.1 Phương pháp xác định vị trí chống sét van dựa trên mô 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 không 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.Ut  U p
Z

(1.1)

Ở đây: Ut là biên độ sóng quá áp truyền đến trạm, kV; Z là tổng sóng đường
dây, ; 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:

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

16


Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ
Xét cấu hình trạm biến áp một máy biến áp kết nối với đường dây trên không
(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/s.
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 Benoît 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)

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

17

Đề tài nghiên cứu khoa học T2011-01TĐ

Đường dây

Z

CSV

Z

D, C, 

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, 
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
 = 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 không
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  (Bảng 1.1)

PGS-TS Quyền Huy Ánh - KS Nguyễn Mạnh Hùng

18