Nghiên cứu một số giải pháp giảm sự cố do sét cho đường dây truyền tải điện trên không tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Ninh Văn Nam

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM SỰ CỐ DO SÉT
CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN TRÊN KHÔNG

Ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 9520201

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – 2020


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
TS. Phạm Hồng Thịnh
PGS.TS. Trần Văn Tớp

Phản biện 1: PGS.TS. Lê Văn Doanh
Phản biện 2: PGS.TS. Trịnh Trọng Chưởng
Phản biện 3: TS. Trần Anh Tùng

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Yêu cầu về một đường dây truyền tải tin cậy, ổn định và an
toàn là mục tiêu hàng đầu của tất cả các công ty truyền tải điện trong
đó chống sét là một trong những vấn đề cần quan tâm nhất. Thống kê
tại Việt Nam cho thấy sự cố do sét chiếm hơn 70% tổng số sự cố trên
đường dây 220 kV và 500 kV [1] và hơn 65% đối với đường dây 110
kV [2]. Đường dây truyền tải hiện đại ngày càng trở nên rộng lớn và
phức tạp với cơ cấu ngày càng nhiều các nguồn năng lượng mới,
đường dây truyền tải cũng có xu hướng sử dụng nhiều các đường dây
nhỏ gọn hơn (đường dây compact) hoặc đường dây tải điện một chiều.
Vì thế, tính toán chống sét cũng cần phải phù hợp với những sự thay
đổi này. Đặt trong bối cảnh như vậy, vấn đề chống sét là cấp thiết
không chỉ ở Việt Nam mà đối với bất kỳ quốc gia nào.
Thử nghiệm thành công chống sét van (CSV) sử dụng oxit
kim loại ZnO cho đường dây 138 kV của công ty điện lực Mỹ AEP
(American Electric Power) năm 1985 đã mở ra một giai đoạn hoàn
toàn mới cho bảo vệ chống sét cho đường dây truyền tải [3], lĩnh vực
mà trước đó hoàn toàn phụ thuộc vào việc sử dụng dây chống sét
(DCS), cột chống sét và hệ thống tiếp địa. Sử dụng CSV bảo vệ cho
đường dây không chỉ giới hạn trong việc tăng độ tin cậy của đường
dây và bảo vệ cách điện đường dây, mà còn giảm biên độ điện áp lan
truyền vào trạm, hạn chế số lần thao tác của máy cắt do tự động đóng
lại, dẫn đến tăng tuổi thọ thiết bị. Từ đó đến nay, CSV đường dây sử

dụng ZnO liên tục được hoàn thiện và phát triển để ứng dụng cho hầu
hết các cấp điện áp truyền tải và đã sử dụng đến cả cấp phân phối. Đối
với hệ thống điện Việt Nam, CSV đường dây mới chỉ xuất hiện trên
lưới 110 kV của Việt Nam vào đầu những năm 2000 và đang được mở
rộng lên lưới 220 kV và 500 kV.
Do liên quan đến nhiều vấn đề phức tạp của đường dây truyền
tải như truyền sóng, phóng điện, cảm ứng, hiện tượng phi tuyến và
phối hợp cách điện, tính toán chống sét sử dụng CSV là một bài toán
lớn và phức tạp và chỉ có thể thực hiện được với phần mềm chuyên
dụng tính toán quá độ điện từ (EMTP/ATP). Với đặc điểm như vậy,
tính toán chống sét sử dụng cho đường dây truyền tải bằng chương
trình tính toán quá độ điện từ thường phải dựa trên nguyên tắc quá
điện áp, nghĩa là CSV sẽ làm việc để tản dòng điện sét xuống hệ thống
1


nối đất hoặc dây pha khi điện áp đặt lên nó vượt ngưỡng điện áp an
toàn đối với cách điện mà nó bảo vệ. Nguyên tắc bảo vệ này được dựa
trên các giả thiết sau:
1. Vị trí lắp đặt CSV giống nhau trên toàn đường dây và
CSV được lắp đặt trên toàn bộ đường dây.
2. CSV được lắp đặt trên đường dây truyền tải điện áp xoay
chiều 3 pha, 1 cấp điện áp với 1 hoặc 2 DCS.
3. Mọi hiện tượng sau khi CSV làm việc đều được bỏ qua,
vì thế ảnh hưởng của dòng điện sét chạy trên DCS, trên
dây dẫn và dòng điện khép mạch trong đất bị bỏ qua.
4. CSV được sử dụng như một biện pháp bảo vệ bổ sung cho
đường dây truyền tải trong khi biện pháp bảo vệ chống sét
chính vẫn là sử dụng DCS.
Với những giả thiết như vậy, phương pháp tiếp cận quá điện

áp (QĐA) có nhiều hạn chế do thực tế không cần lắp CSV trên toàn
bộ đường dây mà chỉ cần lắp trên những đoạn cần được bảo vệ. CSV
cũng không cần phải lắp đặt trên các vị trí giống nhau mà có thể ở vị
trí pha thích hợp tùy thuộc vào tính chất của đường dây. Quá trình lan
truyền của dòng điện sét trên dây dẫn sau khi CSV làm việc bị bỏ qua,
dòng điện sét chạy trên DCS và dây dẫn sau đó khép mạch qua đất
không được tính đến, dẫn đến ảnh hưởng của các thông số của đường
dây, điện trở suất của đất, các hiện tượng tần số cao của dòng điện sét
trong đất bị bỏ qua. Mặt khác, đường dây truyền tải ngày càng có xu
hướng thu nhỏ về kích thước để hạn chế diện tích hành lang tuyến. Xu
thế này dẫn đến càng nhiều các đường dây truyền tải sử dụng nhiều
hơn 2 cấp điện áp trên một cột, đường dây tải điện một chiều chỉ có 2
dây pha, đường dây compact với khoảng cách dây pha được thu ngắn
lại, thậm chí DCS có thể hoàn toàn được loại bỏ để giảm kích thước
đường dây. Do đó, vai trò của CSV từ một thiết bị phụ trợ cho DCS sẽ
trở thành thành phần chủ đạo trong chống sét cho đường dây truyền
tải.
Trong luận án này, phương pháp tiếp cận bằng dòng điện sét
được sử dụng trong nghiên cứu tính toán sử dụng CSV cho đường dây
truyền tải. Vai trò của thông số đường dây bao gồm tổng trở sóng của
dây dẫn và DCS, ảnh hưởng điện trở suất của đất đến tổng trở sóng
đường dây và điện áp do sét đặt lên cách điện được làm rõ. Từ đó xây
dựng cơ sở lý thuyết cho việc sử dụng CSV trên các đường dây ở các
cấp điện áp khác nhau, ở cấu hình cột khác nhau, ở đường dây sử dụng
2


một hoặc nhiều DCS hay sử dụng DCS phía trên và phía dưới dây dẫn.
Cơ sở này cho phép đề xuất các biện pháp bảo vệ chống sét phù hợp
tùy thuộc vào cấu hình của đường dây truyền tải. Quá trình lan truyền

dòng điện sét sau khi CSV làm việc cũng được nghiên cứu chi tiết, cho
phép xác định những điểm yếu khác trên đường dây sau khi CSV làm
việc. Kết quả nghiên cứu cho phép lý giải những hiện tượng trong thực
tế vận hành như phóng điện xảy ra ở những cột có vị trí tưởng như rất
tốt về mặt chống sét, do đó bị bỏ qua không lắp đặt CSV khi sử dụng
cách tiếp cận cũ bằng phương pháp quá điện áp. Kết quả này cho phép
đề xuất giải pháp sử dụng phương pháp lắp đặt CSV rời rạc phù hợp
với địa hình, kết hợp với các biện pháp khác sử dụng các phần tử sẵn
có và tin cậy của đường dây như bổ sung cách điện, dùng dây chống
sét chạy phía dưới để nâng cao khả năng chống sét của đường dây.
Mục tiêu của luận án
 Xác định suất cắt do sét cho đường dây truyền tải điện theo
phương pháp mô hình điện hình học (EGM) và phương pháp mô
phỏng Monte Carlo.
 Thiết lập cơ sở lý thuyết về truyền sóng sét trên đường dây
truyền tải, quá trình truyền sóng trên hệ nhiều dây với sóng sét
chạy trên cả DCS và dây pha khi CSV làm việc, từ đó xác định
ảnh hưởng của các thông số đường dây đến quá điện áp trên cách
điện của đường dây truyền tải.
 Nghiên cứu tính toán số lượng và vị trí lắp đặt CSV tùy theo cấu
hình đường dây truyền tải và địa hình (thông qua điện trở suất
của đất và điện trở tiếp địa của cột) nhằm đạt được suất cắt nhỏ
nhất.
 Đề xuất các giải pháp mới giảm sự cố do sét trên đường dây
truyền tải hiện nay và tương lai của Việt Nam bằng việc kết hợp
phương pháp sử dụng CSV với các phương pháp khác.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Luận án tập trung nghiên cứu hiện tượng quá điện áp do sét
trên đường dây truyền tải Việt Nam từ cấp 110 kV đến 500 kV.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
 Đề xuất phương pháp lắp đặt CSV phù hợp cho từng loại đường
dây truyền tải theo đặc trưng của đường dây.
 Lý giải một số hiện tượng phóng điện trên đường dây không giải
thích được với phương pháp tiếp cận cũ. Đề xuất một số giải
3


pháp kết hợp với việc sử dụng CSV nhằm giảm suất cắt do sét
cho đường dây truyền tải.
 Kết quả nghiên cứu gợi ý phương pháp xác định suất cắt do sét
chính xác hơn cho đường dây truyền tải điện Việt Nam.
 Kết quả nghiên cứu gợi ý các biện pháp chống sét hiệu quả giúp
các đơn vị quản lý vận hành áp dụng để đạt được hiệu quả cao
nhất về mặt chống sét.
 Tính toán cơ sở bước đầu cho việc sử dụng CSV như một
phương pháp bảo vệ chống sét duy nhất cho đường dây truyền
tải, đóng góp vào việc ứng dụng đường dây này trong tương lai
ở Việt Nam.
 Luận án cũng mong muốn đặt nền tảng ban đầu để tiến tới xây
dựng một tiêu chuẩn về chống sét cho đường dây truyền tải ngay
từ giai đoạn thiết kế phù hợp với điều kiện của Việt Nam.
Phương pháp nghiên cứu
 Phân tích các tài liệu khoa học, các công trình nghiên cứu mới
nhất về sử dụng CSV cho đường dây truyền tải.
 Phương pháp EGM và lý thuyết xác suất trong tính toán suất cắt
cho đường dây truyền tải.
 Nghiên cứu lý thuyết truyền sóng trong hệ nhiều dây và tính toán
quá độ điện từ trên đường dây truyền tải.
 Khảo sát, phân tích số liệu thực tế và kiểm chứng tính hiệu quả

của giải pháp được đề xuất thông qua kết quả mô phỏng EMTP.
Điểm mới của luận án
 Đề xuất được phương pháp xác định suất cắt theo phương pháp
mô hình điện hình học và theo phương pháp mô phỏng Monte
Carlo cho đường dây truyền tải điện Việt Nam trên cơ sở hướng
dẫn của IEEE, CIGRE, IEC và chương trình mô phỏng quá độ
điện từ EMTP/ATP.
 Xây dựng cơ sở lý thuyết cho hiện tượng truyền sóng sét trên
đường dây truyền tải với cách tiếp cận sử dụng dòng điện sét.
Làm rõ hơn ảnh hưởng của các thông số đường dây, dòng điện
trở về trong đất, điện trở suất của đất, tần số dòng điện sét đến
hệ số ngẫu hợp.
 Áp dụng chương trình mô phỏng quá độ điện từ EMTP/ATP cho
tính toán chống sét sử dụng CSV cho đường dây truyền tải cho
lưới điện Việt Nam.
4


Tính toán vị trí, số lượng CSV phù hợp với cấu trúc của đường
dây truyền tải điện. Trên cơ sở đó phân tích hiệu quả của việc
lắp đặt chống sét van rời rạc trên đường dây với số lượng CSV
tối thiểu mà vẫn đảm bảo hiệu quả chống sét.
 Đề xuất mới một số phương pháp chống sét cho đường dây
truyền tải bằng cách sử dụng CSV kết hợp với các giải pháp khác
như sử dụng cách điện không đối xứng, sử dụng DCS treo phía
dưới và bỏ DCS thay bằng CSV.
Bố cục luận án
Chương 1. Tổng quan về chống sét cho đường dây truyền tải
Chương 2. Tính toán quá độ điện từ do sét trên đường dây truyền tải
Chương 3. Phương pháp tính toán suất cắt cho đường dây truyền tải

Chương 4. Ứng dụng chống sét van cho đường dây truyền tải
Chương 5. Một số phương pháp chống sét kết hợp sử dụng chống sét
van cho đường dây truyền tải.
Chương 6. Kết luận và kiến nghị
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG
DÂY TRUYỀN TẢI
1.1 Tổng quan về sự cố do sét trên đường dây truyền tải
1.1.1 Quy mô phát triển đường dây truyền tải Việt Nam


Chiều dài (km)

21000
500kV
220kV
110kV
18000
15000
12000
9000
6000
3000
0
2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
Năm
Hình 1.1. Quy mô về đường dây 110-220-500 kV từ 2012-2018 [4]

Theo EVN [4] tính đến hết năm 2018 EVN đang quản lý hệ
thống lưới điện gồm trên 43000 km đường dây 500 kV - 220 kV và
110 kV (Hình 1.1). Trong đó chiều dài đường dây 110 kV chiếm 43%,

đường dây 220 kV chiếm 39% và đường dây 500 kV chiếm 18%. Kết
quả dự kiến đến năm 2030 chiều dài đường dây truyền tải 500 kV và
5


220 kV đạt 43500 km, trong đó đường dây 500 kV tăng lên 9000 km
và đường dây 220 kV tăng lên 15000 km.
1.1.2. Tình hình giông sét tại Việt Nam
Việt nam nằm trong vùng có mật độ sét cao, mật độ sét tại việt
nam phân bố từ 1,4 đến 14,9 lần/km2.năm [7]. Khu vực miền bắc có
mật độ sét cao, khu vực này có nhiều đường dây truyền tải.
1.1.3. Tình hình sự cố do sét trên lưới điện truyền tải Việt Nam
Các năm gần đây tổng số lần sự cố có xu hướng giảm nhưng
số lần sự cố do sét lại có xu hướng tăng lên. Cụ thể, các năm 2015,
2016 và 2017 sự cố do sét chiếm lần lượt 64%, 78% và 86% tổng số
sự cố.
200

Tổng số sự cố
Sự cố do sét

Số lần

160
120
80
40
0
2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

Năm
Hình 1.6. Sự cố theo các năm của NPT [1]

1.1.4. Tình hình sự cố do sét trên đường dây truyền tải trên thế giới
Theo số liệu trong các báo cáo khoa học về sự cố do sét trên
một số đường dây truyền tải một số nước trên thế giới [12], [13], [14],
[15], [16], [17] thì số vụ sự cố do sét trên đường dây truyền tải cũng
tương tự như trên đường dây truyền tải Việt Nam chiếm từ 50% - 70%
tổng số vụ sự cố.
1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước về tính toán
chống sét cho đường dây truyền tải
Tại Việt Nam các nghiên cứu về chống sét cho đường dây
truyền tải hầu như rất ít, các nghiên cứu có thể chia làm hai nhóm.
Nhóm thứ nhất là các tính toán quá điện áp do sét trên đường dây
truyền tải và các biện pháp giảm sự cố do sét, các nghiên cứu này chủ
yếu theo phương pháp cổ điển với những giả thiết đơn giản. Nhóm thứ
6

hai là các nghiên cứu về sử dụng CSV trên đường dây truyền tải cũng
rất hạn chế và tản mát chứ không tập trung vào khía cạnh chống sét.
1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước về các giải pháp chống sét
cho đường dây truyền tải
Các nghiên cứu về CSV trên đường dây truyền tải và các giải
pháp mới về chống sét cho đường dây truyền tải điện trên thế giới cũng
chưa có nhiều, hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào đối tượng là
một đường dây với một cấp điện áp cụ thể. Hướng chủ yếu là tập trung
vào thay đổi vị trí và số lượng CSV trên một đường dây có treo DCS,
sau đó tính suất cắt tương ứng với mỗi vị trí đó.
1.4. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu
1.4.1. Những vấn đề còn tồn tại
Khi sét đánh vào đường dây, dòng điện sét chỉ chạy xuống hệ
thống tiếp địa và qua DCS. Điện áp trên cách điện đường dây phụ
thuộc chủ yếu vào điện trở tiếp địa và ngẫu hợp giữa DCS với dây dẫn.
Ngẫu hợp giữa dây dẫn với dây dẫn thường bỏ qua. Đường dây đã
trang bị sẵn DCS, CSV được sử dụng như một phương pháp chống sét
bổ sung cho đường dây truyền tải. Phương pháp sử dụng CSV không
được sử dụng như một phương pháp chính, chủ động để kết hợp với
các phương pháp khác. Các thông số đường dây là cố định trên toàn
bộ đường dây như điện trở tiếp địa, điện trở suất của đất. Vì thông số
đường dây là cố định trên toàn bộ đường dây nên khi lắp đặt CSV, vị
trí của pha được lắp CSV hay số lượng CSV trên một cột cũng giống
nhau trên toàn bộ đường dây.
1.4.2. Lựa chọn hướng nghiên cứu
Sử dụng phương pháp tiếp cận bằng dòng điện sét, tùy thuộc
vào mức độ nguy hiểm của cú sét đánh vào đường dây, dòng điện sét
có thể chạy trên DCS và hệ thống tiếp địa, chạy vào dây dẫn nếu hiện
tượng phóng điện trên cách điện xảy ra hoặc khi CSV làm việc. Khi

đó điện áp trên cách điện của các pha sẽ phụ thuộc vào phân bố dòng
điện sét trên DCS và dây dẫn và điện áp cảm ứng trên các dây dẫn do
tương tác tĩnh điện và tương tác điện từ giữa DCS với dây dẫn và giữa
các dây dẫn với nhau. Ảnh hưởng của quá trình truyền sóng sét trên
đường dây (hệ nhiều dây), ảnh hưởng của các thông số đường dây, ảnh
hưởng điện trở suất của đất, ảnh hưởng tần số cao của dòng điện sét
tới thông số đường dây đến điện áp trên từng pha, từng cột sẽ được
nghiên cứu. Từ ảnh hưởng của thông số đường dây và quá trình truyền
sóng sét trong hệ nhiều dây, vị trí, số lượng CSV sẽ được lắp đặt tùy
7


thuộc vào cấu hình của đường dây truyền tải điện nhằm đạt được trị
số suất cắt tốt nhất. CSV đường dây sẽ đóng vai trò chủ đạo trong bảo
vệ chống sét cho đường dây truyền tải dẫn đến quá trình truyền sóng
sét trên dây dẫn trước và sau khi làm việc đều được tính đến. Cách tiếp
cận này cho phép vị trí CSV có thể thay đổi trên từng vị trí cột phụ
thuộc vào thông số của đường dây để đạt được kết quả bảo vệ chống
sét tốt nhất. Ngoài ra, với cách tiếp cận bảo vệ chủ động bằng CSV
như vậy, một số phương pháp bảo vệ chống sét cho đường dây truyền
tải bằng cách sử dụng CSV đường dây kết hợp với các phương pháp
khác hoặc bảo vệ cho đường dây không có DCS sẽ được nghiên cứu
và đề xuất.
CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ DO SÉT
TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI
Chương này trình bày bản chất quá trình lan truyền sóng sét
trên đường dây truyền tải khi xảy ra sét đánh vào đường dây. Quá trình
truyền sóng trên cột, trên dây chống sét và trên dây dẫn sau khi CSV
làm việc được nghiên cứu chi tiết theo tham số của đường dây. Nguyên
tắc mô phỏng nguồn sét, các phần tử của đường dây và cách tính toán

bài toán truyền sóng trong EMTP/ATP cũng được trình bày trong
chương này.
2.1. Truyền sóng trên đường dây truyền tải
2.1.1. Cơ sở lý thuyết
2.1.2. Truyền sóng trong hệ nhiều dây
2.2. Ảnh hưởng của các thông số đường dây đến quá điện áp sét
2.2.1. Đặt vấn đề
2.2.2. Tổng dẫn Y0 của đường dây
Phương trình điện thế và điện tích trên từng dây dẫn [30]:
(2.6)
u    P  .  q 
Ma trận hệ số thế P được xác định qua công thức [30]:
D1n 
 D11
ln r ... ln d 
1
1n

1 
 ... ... ...

 P 
2 0 

ln Dn1 ... ln Dnn 
 d n1
rn 

(2.7)

Sau khi đã xác định được hệ số thế P, ma trận điện dung C được tính
bằng cách nghịch đảo P:
1
(2.8)
C    P 

8


2.2.3. Tổng trở dọc đường dây Z0
Tổng trở dọc đường dây là một ma trận bao gồm tổng trở dọc
của từng dây dẫn và tổng trở dọc tương hỗ giữa các dây dẫn với nhau,
được ký hiệu là Z0. Tổng trở dọc đường dây thường được chia làm 2
thành phần [30]:
Z0  Z ext  Z int
(2.9)
với Zext, Zint lần lượt là các ma trận tổng trở ngoài và ma trận tổng trở
trong dây dẫn.
Tổng trở ngoài của đường dây:
(2.12)
Z ext  Z g  Z e
D1n 
 D11
ln r ... ln d 
1
1n

j0 
Zg 
 ...

... ...

2 

ln Dn1 ... ln Dnn 
 d n1
rn 
'
'
 D11

D1n
ln D ... ln D 
11
1n 
j0 
 ...

Ze 
... ...
2 

'
'
ln D1n ... ln D nn 
 D
Dnn 
n1


(2.13)

(2.14)

i
dij
j

yi+p

D'ij

y j+p

yi+p
xi

y j+p

j'
i'
xj

Hình 2.4. Cách xác định các tham số trong tính toán tổng trở ngoài của
đường dây dựa trên phương pháp độ sâu phức p [58]

9


Độ sâu phưc p xác định như sau:

p

1
( je ( e  j e )

2.3. Tổng trở sóng (Z) trong phương trình truyền sóng sét và hệ
số ngẫu hợp (K)
2.3.1. Trường hợp đường dây một dây chống sét
2.3.2. Trường hợp đường dây hai dây chống sét
2.4. Tính toán điện áp do sét trên cách điện
2.5. Mô phỏng QĐA sét bằng chương trình tính toán quá độ điện
từ EMTP/ATP
2.6. Áp dụng EMTP tính toán điện áp trên đường dây truyền tải
2.6.1. Ảnh hưởng các thông số đến hệ số K giữa DCS và các dây pha
1. Khi không xét và có xét dòng điện trở về trong đất

Hình 2.16. So sánh hệ số K các pha với DCS khi không xét và có xét dòng
trở về trong đất đường dây 220 kV, đất =1000 .m

Hình 2.17. So sánh hệ số K các pha với DCS khi không xét và có xét dòng
trở về trong đất đường dây 110 kV, đất =1000 .m

2. Ảnh hưởng  của đất đến hệ số K giữa dây pha với DSC
Khi  của đất tăng từ 10 .m lên 10000 .m, hệ số K của dây
10


pha trên cùng với DCS đường dây 1 mạch tăng 52%, đường dây 2
mạch tăng 33%.

Hệ số ngẫu hợp

0.5
0.4
0.3
0.2
Một mạch
Hai mạch

0.1
0.0
10

100 500 1000 2000 5000 10000
Điện trở suất của đất .m
Hình 2.18. Hệ số ngẫu hợp lớn nhất giữa dây pha với DCS theo đất

3. Ảnh hưởng của số lượng DCS

Hệ số ngẫu hợp

0.5

1 DCS
2 DCS

0.4
0.3
0.2

0.1
0.0
Pha A

Pha B
Số lượng DCS

Pha C

Hình 2.19. Hệ số ngẫu hợp theo số lượng DCS

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Kết quả tính toán áp dụng cho thấy khi xét mạch trở về trong
đất, hệ số ngẫu hợp lớn nhất của đường dây 220 kV có thể tăng đến
24% đối với đường dây 2 mạch khi xét đến đường trở về trong đất.
Kết quả tính toán này cho thấy việc xét mô hình đầy đủ trong tính toán
quá độ cho phép xác định điện áp sét cũng như suất cắt do sét chính
xác hơn nhiều so với các tính toán đơn giản hóa khi không xét đến
đường trở về trong đất. Những kết quả này cho phép xác định mức độ
ảnh hưởng của thông số đường dây đến điện áp do sét, để làm cơ sở
cho các đề xuất các biện pháp chống sét ở Chương 4 và Chương 5.
11


CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN SUẤT CẮT CHO
ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI
Chương này trình bày cách xác định suất cắt do sét cho đường
dây truyền tải theo phương pháp mô hình điện hình học (EGM) và
theo phương pháp Monte Carlo.
3.1. Phương pháp mô hình điện hình học

3.1.1. Suất cắt do sét đánh đỉnh cột hoặc khoảng vượt (BFR)
BFR  0, 6 N L .P ( I  I c ) , (lần/100km.năm)
(3.2)

NL  Ng

28h 0 ,6  S g

P( I  I c ) 

10
1
2,6

(3.3)
(3.5)

 I 
1 
 31 
3.1.2. Suất cắt do sét đánh vào dây dẫn (SFFOR)
Im

SFFOR  2 N g .L  Dc f ( I ) dI , (lần/100km.năm)

(3.15)

Ic

3.2. Phương pháp Monte Carlo

Trong mô phỏng Monte Carlo, mỗi cú sét đánh vào đường dây
đều có các giá trị ngẫu nhiên về dòng điện sét, vị trí cột, vị trí pha, điện
trở tiếp địa. Nếu điện áp trên cách điện lớn hơn điện áp chịu đựng của
cách điện phóng điện sẽ xảy ra và được chương trình ghi nhận là một
lần sự cố. Từ tổng số sự cố ghi nhận được chia cho tổng số lần chạy
mô phỏng nhân với số lần sét đánh vào đường dây sẽ xác định được
suất cắt của đường dây. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo áp dụng
tính toán suất cắt do sét cho đường dây truyền tải bao gồm các bước:
1. Lập mô hình các phần tử của đường dây trong EMTP/ATP.
2. Dựa trên chiều dài đường dây và độ cao trung bình của cột, ta
xác định được diện tích thu hút sét DTts (km2). Nếu lấy mật độ
sét là Ng =10 lần/1km2.năm, thì tổng số lần sét đánh vào đường
dây là DTts 10 (lần/năm). Lấy tổng số lần sét đánh vào đường
dây (hay số lần mô phỏng) là Nmax, sẽ tương đương với số năm
vận hành của đường dây là Nmax/(DTts 10).
3. Với một cú sét đánh vào đường dây, ta chọn ngẫu nhiên các
tham số bao gồm các tham số dòng điện sét (Im, tf, th ).

12


4.
5.

6.

7.
8.
9.

Từ giá trị dòng điện sét, dựa trên mô hình điện hình học trong
mục 3.1.2 và xác định vị trí sét đánh vào DCS hoặc dây pha.
Kiểm tra phóng điện, nếu điện áp trên cách điện vượt quá mức
điện áp chịu đựng của cách điện thì cú sét đó được tính là một
lần cắt điện (Npd).
Nếu ở lần mô phỏng tiếp theo, phóng điện trên cách điện xảy
ra thì số lần phóng điện sẽ tăng lên và số lần cắt điện được cập
nhật.
Lặp lại các bước 3, bước 4 và bước 5 cho đến khi tổng số lần
sét đánh vào đường dây đạt trị số Nmax.
Suất cắt của đường dây được tính bằng số lần cắt điện chia
cho tổng số năm vận hành tương đương.
Tính toán sai số suất cắt, nếu sai số đạt giá trị nhỏ hơn 5%
hoặc khi số lần chạy mô phỏng đạt Nmax sẽ dừng mô phỏng.
Lần/100km.năm

6
BFR

SFFOR

4
2
0

Lần/100km.năm

Phương pháp Phương pháp Thực tế vận
EGM
Montecarlo

hành
Hình 3.7. So sánh suất cắt đường dây 220 kV VT - YB theo phương pháp
EGM và phương pháp Monte Carlo với thực tế vận hành.
15
BFR

SFFOR

10
5
0
Phương pháp
EGM

Phương pháp
Montecarlo

Thực tế vận
hành

Hình 3.8. So sánh suất cắt đường dây 110 kV TY- MD theo phương pháp
EGM và phương pháp Monte Carlo với thực tế vận hành.

13


KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Suất cắt theo phương pháp mô phỏng Monte Carlo sát thực tế
hơn so với phương pháp EGM (đối với trường hợp tính toán cụ thể
thì đường dây 220 kV cho suất cắt theo phương pháp Monte Carlo lớn

hơn 14% với thống kê, trong khi dụng phương pháp EGM cho kết quả
lớn hơn 23% so với thống kê). Suất cắt tính toán theo phương pháp mô
phỏng Monte Carlo có khối lượng tính toán và mô phỏng lớn, chạy
mô phỏng 10000 lần (tương ứng với 40 năm vận hành ĐD 220 kV VTYB và 50 năm vận hành ĐD 110 kV TY-MD).
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG CHỐNG SÉT VAN CHO ĐƯỜNG
DÂY TRUYỀN TẢI
4.1. Giới thiệu về chống sét van
4.2. CSV đường dây
4.3. Hiệu quả của lắp đặt CSV cho đường dây truyền tải
Ing(kA)

300
Trước khi lắp CSV
Sau khi lắp CSV

200
100
0
500kV

220kV
110kV
Cấp điện áp
Hình 4.10. Ngưỡng dòng điện sét nhỏ nhất gây phóng điện trên cách điện
của pha không lắp CSV

Nc (lần/100km/năm)

4.4. Ảnh hưởng các thông số tới suất cắt sau khi lắp CSV
4.5. Điện áp trên cách điện khi lắp đặt CSV

4.6. Suất cắt do sét theo số lượng CSV lắp đặt
15

500kV
220kV
110kV

10
5
0
0 pha

1 pha
2 pha
3 pha
Số lượng CSV
Hình 4.17. Suất cắt đường dây với các trường hợp lắp CSV

14


4.7. Lựa chọn vị trí lắp đặt CSV theo cấu hình đường dây
Như đã trình bày trong chương 2, điện áp trên cách điện đường
dây khi sét đánh phụ thuộc vào các hiện tượng truyền sóng phức tạp
trên đường dây. Vì CSV sẽ hiệu quả nhất khi được lắp đặt trên pha có
điện áp cao nhất. Vị trí pha này chỉ có thể xác định được khi tính
toán mô phỏng cho từng trường hợp cụ thể. Suất cắt của mỗi loại
đường dây xem xét được xác định bởi mô hình điện hình học và
chương trình mô phỏng quá độ điện từ EMTP/ATP với các mô hình
và cách tính toán đã được trinh bày trong chương 2. Vị trí tốt nhất của

CSV trên đường dây nhất định được xác định bằng cách nghiên cứu
ảnh hưởng của các tham số chính của đường dây, chẳng hạn như loại
cột, số lượng DCS, tiếp địa của cột.
4.7.1. Đường dây 220 kV
4.7.1.1. Đường dây 220 kV hai mạch hai DCS
Nc (lần/100km.năm)

30

Không CSV
CSV A1
CSV B1
CSV C1

20
10
0

Nc (lần /100km.năm)

10

20

30
40
50
Rtd ()
Hình 4.18. Suất cắt đường dây 220 kV hai mạch
hai DCS khi lắp 1 CSV

15
CSV A1B1
CSV A1C1
CSV B1C1

10
5
0
10

20

30
40
50
Rtd ()
Hình 4.20. Suất cắt đường dây 220 kV hai mạch
hai DCS khi lắp 2 CSV

15


Nc (lần /100km.năm)

10

CSV A1B1C1
CSV A1A2B1
CSV A1A2C1

8
6
4
2
0
10

20

30
40
50
Rtd ()
Hình 4.21. Suất cắt đường dây 220 kV hai mạch
hai DCS khi lắp 3 CSV

4.7.1.2. Đường dây 220 kV một mạch một DCS
Nc (lần /100km.năm)

60

Không CSV
CSV A
CSV B
CSV C

40
20
0

30
40
50
Rtd ()
Hình 4.22. Suất cắt của đường dây 220 kV một mạch
một DCS khi lắp 1 CSV
30

Nc (lần /100km.năm)

10

20

CSV AB
CSV AC
CSV BC

20
10
0
10

20

30
40
50
Rtd ()
Hình 4.23. Suất cắt của đường dây 220 kV một mạch

một DCS khi lắp 2 CSV

4.7.2. Đường dây 110 kV
4.7.2.1. Đường dây 110 kV hai mạch một DCS
16


Nc (lần /100km.năm)

Lắp CSV ở pha dưới cùng làm suất cắt giảm gần nhưng không
đáng kể so với khi không lắp CSV. Ví dụ ở giá trị Rtđ =10 , suất cắt
chỉ giảm từ 25 lần/100km.năm so với 23 lần/100km.năm khi chưa lắp
CSV (Hình 4.24).
50
40
30
Không CSV
CSV A1
CSV B1
CSV C1

20
10
0

30
40
50
Rtd ()
Hình 4.24. Suất cắt của đường dây 110 kV hai mạch

một DCS khi lắp 1 CSV
40

Nc (lần /100km.năm)

10

20

30
20
CSV A1B1
CSV A1C1
CSV B1C1

10
0

30
40
50
Rtd ()
Hình 4.25. Suất cắt của đường dây 110 kV hai mạch
một DCS lắp 2 CSV
30
CSV A1B1C1

Nc (lần /100km.năm)

10

20

CSV A1A2B1
CSV A1A2C1

20
10
0
10

20

30
Rtd ()

40

50

Hình 4.26. Suất cắt của đường dây 110 kV hai mạch một DCS lắp 3 CSV

17


Nc (lần /100km.năm)

4.7.2.2. Đường dây 110 kV một mạch một DCS
80

Không CSV
CSV A
CSV B
CSV C

60
40
20
0

30
40
50
Rtd ()
Hình 4.27. Suất cắt của đường dây 110 kV một mạch
một DCS khi lắp 1 CSV
Nc (lần /100km.năm)

10

50

20

CSV AB
CSV BC
CSV AC

40
30

20
10
0
10

20

30
Rtd ()

40

50

Hình 4.28. Suất cắt của đường dây 110 kV một mạch
một DCS khi lắp 2 CSV
Nhận xét






Do đặc điểm về độ cao cột và khoảng cách giữa DCS với các dây
pha, lắp đặt CSV ở từng các cấp điện áp khác nhau có các đặc thù
hoàn toàn khác nhau. Việc lắp đặt CSV còn phụ thuộc vào số lượng
DCS, số mạch đường dây và giá trị điện trở tiếp địa cột.
Đối với đường dây 220 kV hai mạch hai DCS, do dòng điện sét chạy
qua cả DCS và dây pha khi CSV làm việc nên vị trí các pha ưu tiên
lắp CSV phụ thuộc rất mạnh vào trị số Rtđ. Khi quyết định số lượng

CSV được lắp đặt là 1, 2 hay 3 CSV thì vị trí lắp đặt ưu tiên phải
được thay đổi cho phù hợp tùy thuộc vào giá trị Rtđ.
Đối với các đường dây chỉ một DCS (220 kV hay 110 kV), đặc điểm
của vị trí ưu tiên lắp đặt CSV giống nhau ở cả đường 1 mạch hay 2
mạch. Trị số điện trở tiếp địa hầu như không ảnh hưởng đến vị trí

18


lắp đặt CSV. Khi có 1 CSV được sử dụng thì nên được lắp ở pha
trên cùng. Khi được phép lắp 2 CSV, nên ưu tiên cho lắp đặt cho pha
trên cùng và pha dưới cùng.

4.8. Năng lượng hấp thụ CSV
4.9. Lắp đặt chống sét van rời rạc trên đường dây
Do chi phí lớn nên lắp CSV trên tất cả các vị trí và trên tất cả
các pha là không thực hiện được, các đơn vị vận hành thường chọn cột
có nguy cơ sét đánh cao để lắp CSV (cột số 2), cột số 2 bị sét đánh
nhưng sự cố lại xảy ra trên cột 3.

Hình 4.41. Cột số 2 khả năng sét đánh cao nhất thường được các đơn vị vận
hành chọn lắp CSV

4.8.1. Cơ chế phóng điện khi lắp CSV rời rạc
4.8.2. Các kết quả mô phỏng

Hình 4.42. Phân bố các vùng xảy ra phóng điện trên cách điện khi
sét đánh vào cột 2, CSV cột 2 làm việc, khi Rtđ3 =5. Vùng I: không
phóng điện, vùng II: phóng điện trên cách điện cột 3, vùng III:
phóng điện trên cách điện cột 2

19


Hình 4.44. Phân bố các vùng xảy ra phóng điện trên cách điện
khi sét đánh vào cột 2, CSV cột 2 làm việc, khi Rtđ3 =5 .
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
Lắp CSV trên đường dây truyền tải cải thiện rõ rệt suất cắt
đường dây, chỉ với 1 CSV lắp trên một pha trên cùng, suất cắt có thể
giảm xuống tương đương với việc giảm điện trở tiếp địa cột từ 30 
xuống 5 . Lắp dặt CSV hiệu quả rõ nhất ở đường dây 110 kV (suất
cắt giảm 46% đường dây 110 kV, 30% đường dây 220 kV và 20%
đường dây 500 kV). Vị trí, số lượng CSV lắp đặt để đạt được suất cắt
tốt nhất phụ thuộc từng cấu hình đường dây cần phải tính toán cụ thể.
Ví dụ đường dây 220 kV hai mạch sử dụng trong luận án này: Với 1
CSV khi Rtđ >10  thì ảnh hưởng của K làm thay đổi vị trí tốt nhất
của CSV từ pha trên cùng xuống pha giữa. Với 2 CSV khi Rtđ >20 
thì ảnh hưởng của K làm thay đổi vị trí của CSV từ pha trên cùng và
pha giữa xuống pha giữa và pha dưới cùng. Với 3 CSV khi Rtđ >30 
thì ảnh hưởng của K bắt đầu rõ hơn. Hiệu quả của lắp đặt CSV rời rạc
ngoài phụ thuộc vào trị số dòng điện sét còn phụ thuộc vào tương quan
giữa Rtđ của cột lắp CSV với cột bên cạnh không lắp CSV. Phóng điện
có thể xảy ra ở cột lân cận cột bị sét đánh nếu việc phối hợp bảo vệ
không được thực hiện tốt. Kết quả tính toán của luận án cho phép thiết
lập 3 vùng tương ứng với trị số dòng điện sét và tham số của đường
dây tại nơi dự định lắp CSV rời rạc, khi đó trong mọi điều kiện cần
thực hiện sao cho các tham số của cột cần bảo vệ nằm trong vùng I.
CHƯƠNG 5. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHỐNG SÉT KẾT
HỢP SỬ DỤNG CSV CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI
5.1. Phương pháp sử dụng CSV kết hợp với CĐKĐX
20

Nc (Số lần/100km.năm)

6

CĐĐX
PP CĐKĐX
PP CSV + CĐKĐX

4

2

0
5

10

20
30
40
50
Rtđ ()
Hình 5.2. Suất cắt đường dây sử dụng CSV kết hợp với CĐKĐX
Nc (lần /100km.năm)

5.2. Phương pháp sử dụng CSV kết hợp với DCS treo phía dưới
Không có dây UGW
Có dây UGW

CSV+dây UGW

15
10
5
0

Nc (lần /100km.năm)

10

20

20

30
Rtd ()
a)

40

50

Không có dây UGW
Có dây UGW
CSV+dây UGW

15
10
5

0
10

20

30
40
50
Rtd ()
b)
Hình 5.4. So sánh suất cắt đường dây khi không có và khi có dây UGW theo
điện trở tiếp địa cột a) hai mạch, b) một mạch

21


5.3. Phương pháp CSV được sử dụng thay cho DCS
DCS2

DCS1

DCS2

DCS1

CSV

CSV

C1

CSV

C2

CSV

C3

Hình 5.5. Giải pháp CSV được sử dụng thay cho DCS
Nc (lần/100km.năm)

50
C1
C2
C3

40
30
20
10
0
10

20

30

40

50 60
Rtd ()

70

80

90 100

Hình 5.8 Suất cắt đường dây theo cấu hình C1,C2 và C3
5.4. Phương pháp sử dụng CSV kết hợp với dây UGW trên đường
dây không có DCS
Nc (lần/100km.năm)

30
C3
C4

25
20
15
10
5
0
10

20

30

40

50 60 70
Rtd ()

80

90 100

Hình 5.11 Suất cắt đường dây khi sử dụng CSV kết hợp với dây
UGW trên đường dây không có DCS
22


KẾT LUẬN CHƯƠNG 5
Sử dụng cách điện không đối xứng kết hợp với CSV được lắp
đặt trên 3 pha của lộ có cách điện yếu hơn trong một đường dây 220
kV lộ kép là một biện pháp đặc biệt hiệu quả để giảm suất cắt do sét.
Phương pháp này cho phép giảm sự cố mất điện trên cả hai lộ xuống
gần như bằng không. Suất cắt cũng giảm tương ứng 56% so với trường
hợp không sử dụng cách điện không đối xứng và tương đương với việc
sử dụng 2 CSV. Phương pháp sử dụng CSV đường dây thay thế hoàn
toàn cho DCS là một trong những ứng dụng nhiều hứa hẹn cho đường
dây truyền tải Việt Nam. Kết quả tính toán cho thấy đối với đường dây
220 kV 2 lộ sử dụng CSV thay thế cho DCS mang lại hiệu quả tương
đương với đường dây có sử dụng cả DCS và CSV. Ở các cột có điện
trở cột lớn hơn 35 , phương pháp này tỏ ra hiệu quả hơn hẳn với suất
cắt giảm xuống tới 25% so với trường hợp sử dụng cả DCS và CSV
đường dây. Phương pháp sử dụng dây UGW cho đường dây truyền
tải hiệu quả đối với các cột có tiếp địa lớn hơn 35 . Dây UGW chủ

yếu nhằm mục đích tản dòng điện sét sang các cột bên cạnh để giảm
điện áp đặt lên cách điện của cột bị sét đánh.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Các kết quả nghiên cứu đạt được có thể được tóm tắt như sau:
 Xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán mô phỏng bằng chương
trình tính toán quá độ điện từ EMTP/ATP cho bài toán tính toán
quá điện áp sét trên đường dây truyền tải, để làm cơ sở cho việc
tính toán sử dụng chống sét van trên đường dây truyền tải. Cách
mô hình hóa các phần tử, thông số của mô hình, các bước tính
toán giải bài toán truyền sóng trong chương trình quá độ điện từ
được thực hiện từ đó làm rõ ảnh hưởng của thông số đường dây,
khoảng cách giữa các dây, điện trở suất của đất đến điện áp trên
cách điện của đường dây trong trường hợp dòng điện sét chạy
trên cả dây chống sét và dây dẫn.
 Xác định suất cắt đường dây truyền tải do sét theo phương pháp
mô hình điện hình học và phương pháp Monte Carlo trên cơ sở
hướng dẫn của IEEE, CIGRE, so sánh và đánh giá độ chính xác
của các phương pháp này.
 Tính toán vị trí, số lượng chống sét van lắp đặt phù hợp với cấu
trúc đường dây, trên cơ sở đó phân tích hiệu quả của việc lắp đặt
23