luận án tiến sĩ nghiên cứu đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất đối với dòng điện sét trên đường dây truyền tải việt nam

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

NGUYỄN XUÂN PHÚC

NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ
CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT ĐỐI VỚI DÒNG ĐIỆN SÉT
TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – 2020


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

NGUYỄN XUÂN PHÚC

NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ
CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT ĐỐI VỚI DÒNG ĐIỆN SÉT
TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI VIỆT NAM

Ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 9520201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1.

TS. PHẠM HỒNG THỊNH

2.

PGS.TS. TRẦN VĂN TỚP

Hà Nội – 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của bản thân tơi dựa trên hướng
dẫn của tập thể hướng dẫn khoa học và những tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Các kết quả
đạt được trong luận án là chính xác, trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất cứ
cơng trình nào khác
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020
XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN
GV. HƯỚNG DẪN 1

GV. HƯỚNG DẪN 2

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

TS. Phạm Hồng Thịnh

PGS. TS. Trần Văn Tớp

Nguyễn Xuân Phúc

i


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến tập thể hướng dẫn khoa học, TS.
Phạm Hồng Thịnh và PGS. TS. Trần Văn Tớp đã ln tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo
tơi trong suốt quá trình nghiên cứu. Hai thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ
về mọi mặt để tơi hồn thành luận án này.
Tơi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng đào
tạo – Bộ phận đào tạo Sau đại học, Viện điện và Bộ môn Hệ thống điện đã luôn tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt q trình học tập và nghiên cứu.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn các Giảng viên và cán bộ Bộ môn Hệ thống điện trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hỗ trợ và giúp đỡ trong q trình thực hiện luận án.
Tơi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Viện Năng lượng, Trung tâm Tư vấn Năng lượng
và Chuyển giao công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian
qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của các đồng nghiệp tại
Viện Năng lượng.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè và gia đình đã ln bên cạnh động viên,
giúp đỡ tơi hồn thành luận án này.

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020
Tác giả luận án

Nguyễn Xuân Phúc

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................................... ii
MỤC LỤC.............................................................................................................. iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU.................................................................................. xiii
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu của luận án.................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................. 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài......................................................... 3
6. Những đóng góp của luận án........................................................................... 4
7. Cấu trúc của luận án........................................................................................ 4

Chương 1.................................................................................................................. 6
TỔNG QUAN.......................................................................................................... 6
1.1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI VIỆT NAM....................................6

1.1.1. Tình hình phát triển lưới điện truyền tải.................................................... 6
1.1.2. Tình hình sự cố trên lưới điện truyền tải.................................................... 7
1.1.3. Các hệ thống nối đất trên đường dây truyền tải Việt Nam.........................7
1.2. NỐI ĐẤT CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI TRÊN THẾ GIỚI........................13

1.2.1. Quy phạm cho hệ thống nối đất............................................................... 13
1.2.2 Hình dạng nối đất..................................................................................... 15
1.3. NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CỦA
ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI.............................................................................................15

1.3.1. Nghiên cứu trong nước............................................................................ 15
1.3.2. Nghiên cứu trên thế giới.......................................................................... 16

1.4. KẾT LUẬN.....................................................................................................................21

Chương 2................................................................................................................ 23
TÍNH TỐN NỐI ĐẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
TRONG TÍNH TỐN NỐI ĐẤT.........................................................................23
iii


2.1. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (FEM) TRONG TÍNH TOÁN HỆ
THỐNG NỐI ĐẤT...............................................................................................................23

2.1.1. Giới thiệu chung...................................................................................... 23
2.1.2. Các bước giải bài tốn sử dụng phương pháp FEM................................. 24
2.2. TÍNH TỐN KIỂM CHỨNG GIỮA PHƯƠNG PHÁP FEM VỚI THỰC
NGHIỆM................................................................................................................................26

2.2.1. Tính toán điện trở một chiều của cọc trong đất phân tầng.......................26
2.2.2. Tính tốn điện áp q độ của tia nối đất.................................................. 28
2.2.3. Tính tốn điện áp q độ trên cột điện..................................................... 31
2.2.4. Tính tốn điện áp bước và điện áp tiếp xúc............................................. 32
2.3. KẾT LUẬN.....................................................................................................................34

Chương 3................................................................................................................ 35
ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRONG MIỀN TẦN SỐ..................35
3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ.................................................................................................................35
3.2. THÔNG SỐ MÔ PHỎNG............................................................................................37
3.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG...............................................................................................38

3.3.1. Đáp ứng trong miền tần số của hệ thống dạng cọc.................................. 38
3.3.2. Đáp ứng của hệ thống dạng tia................................................................ 41

3.3.3. Đáp ứng của hệ thống dạng cọc - tia....................................................... 44
3.3.4. Hệ thống dạng tia quấn vịng................................................................... 47
3.3.5. Ảnh hưởng hình dạng hệ thống nối đất................................................... 48
3.3.6. Ảnh hưởng của điện trở suất của đất....................................................... 51
3.3.7. Ảnh hưởng của hằng số điện môi của đất................................................ 52
3.3.8. Tính tốn cho đất phân tầng.................................................................... 53
3.4. KẾT LUẬN.....................................................................................................................57

Chương 4................................................................................................................ 59
ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRONG MIỀN THỜI
GIAN...................................................................................................................... 59
4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ.................................................................................................................59
4.2. MÔ HÌNH MƠ PHỎNG...............................................................................................61
4.3. ĐÁP ỨNG Q ĐỘ CỦA CÁC HỆ THỐNG NỐI ĐẤT........................................61

4.3.1 Hệ thống 1 tia........................................................................................... 61
4.3.2. Ảnh hưởng của chiều dài tia.................................................................... 63
4.3.3. Hệ thống nhiều tia................................................................................... 66
iv


4.3.4. Ảnh hưởng của số lượng tia.................................................................... 68
4.3.5. Hệ thống dạng cọc – tia........................................................................... 71
4.3.6. Ảnh hưởng của số lượng cọc................................................................... 72
4.3.7. Ảnh hưởng hình dạng hệ thống nối đất................................................... 74
4.4. HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐẤT..........................................................75

4.4.1. Các giá trị đặc trưng cho hiện tượng phóng điện trong đất......................75
4.4.2. Sơ đồ tính tốn........................................................................................ 77
4.4.3. Kết quả nghiên cứu................................................................................. 78

4.5. KẾT LUẬN.....................................................................................................................89

Chương 5................................................................................................................ 91
ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRONG HỆ ĐẦY ĐỦ CỘT VÀ
NỐI ĐẤT................................................................................................................ 91
5.1. ĐẶT VẤN ĐỀ.................................................................................................................91
5.2. TÍNH TỐN TỔNG TRỞ SĨNG CỦA CỘT KHI BỎ QUA HỆ THỐNG NỐI
ĐẤT.........................................................................................................................................92

5.2.1. Lý thuyết về tổng trở sóng của cột.......................................................... 92
5.2.2. Tính tốn tổng trở sóng của cột bằng phương pháp giải tích...................93
5.2.3. Tính tốn tổng trở sóng cột theo phương pháp số.................................... 94
5.2.4. Đánh giá phương pháp mô phỏng........................................................... 95
5.2.5. Tổng trở sóng của cột điển hình trên đường dây truyền tải.....................96
5.3. ĐIỆN ÁP ĐỈNH CỘT TRONG HỆ CỘT – HỆ THỐNG NỐI ĐẤT......................96

5.3.1. Mơ hình nghiên cứu................................................................................ 96
5.3.2. Hệ cột điện 500 kV và 1 tia nối đất......................................................... 98
5.3.3. Ảnh hưởng của số lượng tia đến điện áp đỉnh cột...................................99
5.3.4. Ảnh hưởng của hình dạng nối đất.......................................................... 101
5.3.5. Ảnh hưởng của kích thước cột............................................................... 103
5.3.6. Ảnh hưởng của hình dạng xung............................................................. 105
5.3.7. So sánh với mơ hình nối đất tập trung................................................... 107
5.4. KẾT LUẬN...................................................................................................................109

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................111
KẾT LUẬN..........................................................................................................................111
KIẾN NGHỊ.........................................................................................................................112

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN....................113

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................114
PHỤ LỤC............................................................................................................. 123
v


STT

Từ viết tắt
1

HTĐ

2

EVN

3

EVNNPT

5

FEM

6

MoM

7

FDTD

8

GPR

9

Z

10

ρ

11

ε0

12

μ0

13

εr

14

μr

15

re

16

L

17

G

18

C

19

J

20

E

21

D

22

H

23

B

24

A

vi


STT

Từ viết tắt

25

V

26

i(t)

27

v(t)

28

Zp

29

Vp

30

Ip

31



32

ZT

33

Zg

34

αT

35

T

36

Zw

37



38

c

vii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Chiều dài đường dây 220 kV và 500 kV trong giai đoạn 2011 – 2019 [2, 3]............6
Hình 1.2. Chiều dài đường dây 220 kV và 500 kV trong giai đoạn 2020 – 2030 [4]................6
Hình 1.3. Thống kê sự cố trên lưới truyền tải Việt Nam [2, 3]..................................................7
Hình 1.4. Nối đất dạng tia thẳng............................................................................................... 8
Hình 1.5. Cách bố trí tia thơng thường......................................................................................9
Hình 1.6. Cách bố trí tia đặc biệt.............................................................................................. 9
Hình1.7. Cấu trúc nối đất kiểu cọc chơn sâu...........................................................................10
Hình 1.8. Nối đất dạng cọc – tia..............................................................................................10
Hình 1.9. Thống kê khoảng cách giữa các cọc của hệ thống nối đất tại 123 vị trí cột đường
dây 220 kV Hịa Bình – Tây Hà Nội [6].................................................................11
Hình 1.10. Cấu trúc điển hình của nối đất kiểu quấn vịng.....................................................12
Hình 1.11. Thống kê các hình dạng hệ thống nối đất sử dụng trên lưới điện truyền tải do
PTC1 quản lý [7]....................................................................................................13

Hình 1.12. Các cách bố trí tia nối đất [22]............................................................................. 15
Hình 1.13. Nối đất dạng vịng kín [13]....................................................................................15
Hình 1.14. Sơ đồ mạch thay thế tia nối đất [29]..................................................................... 17
Hình 1.15. Mơ hình thay thế và phương pháp tính phân bố dịng và áp dọc theo chiều dài tia
nối đất Lorentzou et.al. [43]...................................................................................17
Hình 1.12. Các phần từ lưới [ 83]...........................................................................................25
Hình 2.1. Cách thiết lập mơ hình tính tốn điện trở nối đất của cọc nối đất trong lớp đất hai
tầng trong so sánh đối chứng với thí nghiệm của Ahmeda.....................................26
Hình 2.2. Kết quả mơ phỏng cho cọc nối đất được thí nghiệm trong [88]..............................27
Hình 2.3. Mơ hình mơ phỏng cho tia nối đất được thí nghiệm bởi Harid [89].......................28
Hình 2.4. Biên ”lumped port” trong modul RF (Lumped port boundary) [86]...................... 29
Hình 2.5. Thiết lập biên “Lumped port” trong mơ hình hệ thống nối đất...............................29
Hình 2.6. Dịng điện 4,9/13 s biên độ 2,4 A đi vào điện cực trong mơ hình COMSOL.........30
Hình 2.7. Phân bố điện trường trên mặt phẳng song song với mặt đất và đi qua tia.............30
Hình 2.8. So sánh kết quả tính tốn điện thế trên điện cực bằng phương pháp FEM (đường
màu đỏ) với thí nghiệm của Harid [89] (đường màu xanh)...................................30
Hình 2.9. Dịng xung ramp 1/70 s biên độ 1A đi vào đỉnh cột.............................................. 31
Hình 2.10. Mơ hình mơ phỏng thí nghiệm của Yamada [90]...................................................31

viii


Hình 2.11. So sánh kết quả mơ phỏng điện áp trên đỉnh cột sử dụng phương pháp FEM
(đường màu đỏ) với thực nghiệm [90] (đường màu xanh).....................................32
Hình 2.12. Các hệ thống nối đất được nghiên cứu..................................................................33
Hình 2.13. Điện áp bước với các dạng hệ thống nối đất khác nhau....................................... 33
Hình 3.1. Xung sét tiêu chuẩn và biến đổi Fourier (FFT) tương ứng sang miền tần số.........36
Hình 3.2. Mơ hình nghiên cứu trong miền tần số.................................................................... 37
Hình 3.3. Phân bố điện trường tại 2 m đầu của điện cực dạng cọc dài 35 m......................... 39
Hình 3.4. Biên độ và góc pha của tổng trở xung trên miền tần số của cọc 35 m....................40

Hình 3.5. Ảnh hưởng của chiều dài cọc...................................................................................41
Hình 3.6. Ảnh hưởng của chiều dài tia....................................................................................41
Hình 3.7. Ảnh hưởng của chiều dài tia đến tổng trở ở tần số 1 MHz......................................42
Hình 3.8. Phân bố điện trường dọc theo tia nối đất dài 50 m với độ sâu 0,8 m
tại tần số 1
MHz........................................................................................................................ 43
Hình 3.9. Cường độ điện trường tại vị trí cách tia 1 m........................................................... 44
Hình 3.10: Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các tia............................................................. 44
Hình 3.11. Ảnh hưởng của hình dạng cọc – tia đến tổng trở xung tương đối......................... 46
Hình 3.12. Ảnh hưởng hệ số cọc / tia đến tổng trở tần số cao................................................ 46
Hình 3.13. Ảnh hưởng của dạng quấn vịng đến đáp ứng q độ........................................... 47
Hình 3.14. Phân bố điện trường xung quanh điện cực quấn vịng tại tần số 1 MHz..............48
Hình 3.15. Phân bố điện trường xung quanh điện cực cọc - tia tại tần số 1 MHz..................49
Hình 3.16. Phân bố điện trường xung quanh điện cực tia tại tần số 1 MHz...........................49
Hình 3.17. Phân bố điện trường trong mặt phẳng vng góc và đi qua điện cực cọc tại tần số
1 MHz..................................................................................................................... 50
Hình 3.18. Ảnh hưởng của dạng điện cực nối đất đến đáp ứng trong miền tần số.................50
Hình 3.19. Ảnh hưởng của hình dạng điện cực đến tổng trở của hệ thống nối đất ở tần số 100
kHz và 1 MHz......................................................................................................... 51
Hình 3.20. Ảnh hưởng của điện trở suất..................................................................................52
Hình 3.21. Ảnh hưởng của hằng số điện môi đến tổng trở của cọc nối đất 35 m ở tần số cao
53
Hình 3.22. Mặt cắt địa điện khu vực miền núi trung du..........................................................53
Hình 3.23. Các trường hợp nghiên cứu: (a) 5 m đầu cọc nằm trong lớp 1 và 30 m dưới nằm
trong lớp 2; (b) 30 m đầu cọc nằm trong lớp 1 và 5 m dưới nằm trong lớp 2; (c) tia
dài 50 m đặt trong lớp 1......................................................................................... 54

ix

Hình 3.24. Ảnh hưởng của lớp đất phân tầng đến đáp ứng quá độ của cọc nối đất dài 35 m,
độ sâu tầng 1 là 5 m................................................................................................55
Hình 3.25. Ảnh hưởng của lớp đất phân tầng đến đáp ứng quá độ của cọc nối đất dài 35 m,
độ sâu tầng 1 là 30 m..............................................................................................56
Hình 3.26. Ảnh hưởng của lớp đất phân tầng đến đáp ứng quá độ của tia nối đất dài 50 m, độ
sâu tầng 1 là 5 m.....................................................................................................56
Hình 4.1. Quan hệ giữa điện thế dâng tại điểm dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất và dòng
điện sét đối với một điện cực tia.............................................................................59
Hình 4.2. Tương quan giữa điện áp quá độ trên điểm dòng điện sét đi vào hệ thống nối đất và
dịng điện sét...........................................................................................................62
Hình 4.3. Hình dạng điện áp trên hệ thống nối đất khi có dòng điện sét 1,2/50 s đi vào trong
hai trường hợp : 1-Tính tốn theo điện trở một chiều (đường màu cam) và 2- Tính
tốn theo tổng trở q độ Z (đường màu đen)....................................................... 62
Hình 4.4. Tương quan giữa tổng trở quá độ của tia nối đất với điện áp quá độ.....................63
Hình 4.5. Ảnh hưởng của chiều dài điện cực đến đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất kiểu
tia............................................................................................................................64
Hình 4.6. Ảnh hưởng chiều dài tia đến tổng trở xung............................................................. 64
Hình 4.7. Ảnh hưởng chiều dài điện cực đến điện áp cực đại trên hệ thống nối đất kiểu tia . 65

Hình 4.8: Ảnh hưởng của chiều dài tia đến thời gian sớm pha...............................................66
Hình 4.9. Ảnh hưởng điện trở suất đến chiều dài hiệu quả.....................................................66
Hình 4.10. Đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất gồm 2 tia đặt song song có chiều dài 50 m
và khoảng cách tia thay đổi từ 5 m đến 20 m.........................................................67
Hình 4.11. Ảnh hưởng của khoảng cách tia đến tổng trở xung............................................... 68
Hình 4.12. Ảnh hưởng của số lượng tia đến đáp ứng quá độ..................................................69
Hình 4.13. Ảnh hưởng của số lượng tia đến thời gian sớm pha..............................................70
Hình 4.14. Ảnh hưởng của số lượng tia đến tổng trở xung..................................................... 70
Hình 4.15. Ảnh hưởng của số lượng tia đến điện áp quá độ cực đại...................................... 70
Hình 4.16. Đáp ứng quá độ của các hình dạng cọc - tia.........................................................71
Hình 4.17. Ảnh hưởng của hệ số cọc – tia đến tổng trở xung................................................. 71

Hình 4.18. Đáp ứng quá độ của các hình dạng cọc – tia với  = 2000 Ω.m.......................... 73
Hình 4.19. Đáp ứng quá độ của các hình dạng cọc – tia với  = 5000 Ω.m.......................... 73
Hình 4.20. Ảnh hưởng của hệ số cọc đến tổng trở xung ở hai trị số điện trở suất của đất 2000
Ω.m và 5000 Ω.m................................................................................................... 74
Hình 4.21. Ảnh hưởng của hình dạng điện cực đến đáp ứng quá độ...................................... 75
x


Hình 4.22. Sơ đồ tính tốn đáp ứng q độ của hệ thống nối đất có tính đến hiện tượng ion
hóa trong đất...........................................................................................................77
Hình 4.23. Sơ đồ khảo sát hệ thống kiểu tia............................................................................78
Hình 4.24. Dịng điện tại các điểm khảo sát............................................................................78
Hình 4.25. Dịng điện tản vào đất từ từng phân đoạn.............................................................79
Hình 4.26. Bán kính ion hóa tại từng phân đoạn.....................................................................79
Hình 4.27. Quá trình phân bố điện trường trong mặt phẳng song song với mặt đất

quanh

điện cực từ 0,1 s đến 0,5 s..................................................................................81
Hình 4.28. Đáp ứng quá độ của tia nối đất có xét đến ion hố...............................................82
Hình 4.29. Ảnh hưởng điện trở suất đất đến bán kính ion hóa cực đại...................................83
Hình 4.30. Ảnh hưởng của ion hoá đến tổng trở quá độ với điện trở suất đất 2000 .m.......83
Hình 4.31. Ảnh hưởng của ion hoá đến tổng trở quá độ với điện trở suất đất 5000 .m.......84
Hình 4.32. Tổng trở xung với các trường hợp dịng sét...........................................................84
Hình 4.33. Cấu hình hệ thống kiểu cọc – tia sử dụng trong mô phỏng hiện tượng phóng điện
trong đất..................................................................................................................85
Hình 4.34. Phân bố điện trường trên mặt phẳng vng góc với mặt đất và đi qua tâm của hệ
thống cọc - tia.........................................................................................................86
Hình 4.35. Bán kính ion hóa dọc theo tia và cọc.....................................................................87
Hình 4.36. Bán kính ion của các cọc.......................................................................................87

Hình 4.37. Đáp ứng quá độ hệ thống kiểu cọc – tia trên hình 4.33 với dịng điện sét I=30 kA
và điện trở suất đất ρ = 1000 Ω.m......................................................................... 88
Hình 5.1. Truyền sóng trên cột.................................................................................................92
Hình 5.2. Mơ hình 3D của cột cao 120 m trong COMSOL..................................................... 95
Hình 5.3. Kết mô phỏng điện áp đỉnh cột sử dụng FEM trong luận án (đường màu đỏ) và so
sánh với kết quả mô phỏng sử dụng phương pháp MoM [115] (đường màu xanh)
95
Hình 5.4. Mơ hình COMSOL mơ phỏng truyền sóng trên hệ cột – nối đất............................. 97
Hình 5.5. Mơ hình cột điện 500 kV – tia nối đất 40 m.............................................................98
Hình 5.6. Truyền sóng trên cột điện 500kV............................................................................. 98
Hình 5.7. Truyền sóng trên cột điện 500kV trong khoảng thời gian 0,5 μs đầu......................99
Hình 5.8. Ảnh hưởng số lượng tia đến điện áp chân cột.......................................................100
Hình 5.9. Ảnh hưởng số lượng tia đến điện áp xà trên..........................................................100
Hình 5.10. Tỷ lệ giảm điện áp của 4 tia ngắn so với 1 tia dài...............................................101
Hình 5.11. Mơ hình cột – nối đất cọc tia và cột – nối đất quấn vòng....................................102
xi


Hình 5.12. Ảnh hưởng của hình dạng nối đất đến điện áp xà trên........................................102
Hình 5.13. Ảnh hưởng của hình dạng điện cực đến điện áp trên hệ thống nối đất...............103
Hình 5.14. Truyền sóng trên cột điện 220kV trong khoảng thời gian 0,5 μs đầu..................104
Hình 5.15. So sánh điện áp tại xà trên của cột 220 kV và cột 500 kV có cùng dạng nối đất tia
40 m...................................................................................................................... 104
Hình 5.16. So sánh điện thế dâng trên hệ thống nối đất khi dòng điện sét đi vào đỉnh cột của
cột đỡ 220 kV với cột đỡ 500 kV cùng sử dụng nối đất dạng tia 40 m với trường
hợp dòng sét đi thẳng vào tia nối đất...................................................................105
Hình 5.17. Các dạng xung đi vào đỉnh cột............................................................................ 106
Hình 5.18. Ảnh hưởng hình dạng xung đến điện áp xà trên..................................................106
Hình 5.19. Ảnh hưởng hình dạng xung đến điện thế dâng trên hệ thống nối đất..................106
Hình 5.20. Ảnh hưởng hình dạng xung đến tổng trở quá độ của cột.....................................107

Hình 5.21. Phân bố điện trường quanh đoạn thân dưới của cột điện với 2 mơ hình (a) Mơ
hình nối đất tập trung, (b) Mơ hình đầy đủ với cọc nối đất................................. 108
Hình 5.22. So sánh điện áp đỉnh cột giữa 3 mơ hình có cùng giá trị điện trở 1 chiều là 36 Ω
109

xii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Điện trở nối đất của đường dây trên không.............................................................. 7
Bảng 1.2. Bảng so sánh về yêu cầu điện nối đất lớn nhất cho phép của Việt Nam, Nga và
Trung Quốc.............................................................................................................14
Bảng 1.3. Yêu cầu điện trở nối đất cho phép của Anh, Pháp và Nhật.....................................14
Bảng 2.1. So sánh kết quả tính tốn điện trở nối đất của cọc trong đất 2 tầng với thí nghiệm
của Ahmeda và cơng thức giải tích của Taggs [24]...............................................28
Bảng 3.1. Các dạng điện cực nối đất sử dụng trong mô phỏng...............................................38
Bảng 3.2. Các hệ thống cọc tia sử dụng trong mô phỏng........................................................45
Bảng 3.3. Các trường hợp điện trở suất đất............................................................................ 55
Bảng 4.1. Hệ số cọc..................................................................................................................72
Bảng 5.1 Tổng trở sóng của cột 500 kV và 220 kV..................................................................96

xiii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Khả năng chịu sét của một đường dây truyền tải phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cách
bố trí dây chống sét, kết cấu và nối đất của của cột, sử dụng các thiết bị chống quá điện áp
như mỏ phóng, chống sét van, cách điện đường dây…. Trong đó việc thiết kế hệ thống nối đất

có vai trị rất quan trọng với mục đích chủ yếu tản dịng điện sét để hạn chế quá điện áp, tránh
gây phóng điện trên cách điện của đường dây.
Hệ thống nối đất cho đường dây truyền tải Việt Nam được thiết kế dựa theo giá trị điện
trở một chiều phù hợp với quy phạm trang bị điện [1]. Vai trị chính của hệ thống nối đất là
tản dịng điện sét vào đất khi có sét vào đường dây truyền tải. Dòng điện sét, với đặc trưng có
độ dốc cao và thời gian tồn tại ngắn, khi tản trong đất sẽ xuất hiện một điện áp quá độ đặt trên
hệ thống nối đất. Khi đó giá trị điện trở một chiều sẽ khơng thể phản ánh tồn diện hiệu quả
của hệ thống nối đất đối với việc tản dòng điện sét. Việc thiếu các nghiên cứu về đáp ứng quá
độ của hệ thống nối đất với dòng điện sét khiến công tác thiết kế, vận hành và quản lý đường
dây truyền tải Việt Nam còn gặp các hạn chế như sau:
 Không lý giải được khi điện trở một chiều nhỏ, nhỏ hơn giá trị quy định nhiều lần
nhưng vẫn xảy ra phóng điện do sét.


Vì phụ thuộc vào giá trị của điện trở một chiều mà việc thiết kế và cải thiện hệ

thống nối đất chỉ đơn giản bằng cách tăng kích thước điện cực và giảm điện trở suất
đất. Hình dạng điện cực, hằng số điện mơi, q trình phóng điện trong đất bị bỏ qua.
Chính vì vậy, hiệu quả tản sét của các hệ thống nối đất không đạt được như kỳ vọng,
sự cố do sét vẫn xảy tại chính những vị trí cải tạo.


Hệ thống nối đất được coi là độc lập với cột và dòng điện sét được giả thiết đi

thẳng vào hệ thống nối đất nên bỏ qua quá trình truyền sóng trên cột. Các hiện tượng
phản xạ và khúc xạ tại vị trí giữa cột và hệ thống nối đất bị bỏ qua. Do suất cắt do sét
tính tốn với điện trở một chiều chỉ đúng khi phóng điện xảy ra ở thời gian đầu sóng
dẫn đến khi xác định phóng điện dựa trên các kỹ thuật chính xác hơn như tiêu chuẩn
tích phân hoặc phát triển tia tiên đạo sẽ gây sai số lớn.


Do phụ thuộc vào điện trở một chiều nên một hệ thống nối đất được thiết kế để có

điện trở một chiều thấp tạo nên một cảm giác an toàn “giả tạo” trên phương diện
chống sét. Những vị trí có điện trở một chiều thấp tưởng như đã an tồn thực ra có thể
vẫn tạo ra điện áp quá độ lớn trên trên cách điện. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến đánh
giá độ tin cậy của đường dây trong đó mọi tiêu chí trên phương diện độ tin cậy đều
phải tính đến trường hợp xấu nhất.


Cuối cùng, trị số điện trở một chiều chỉ có ý nghĩa để ước lượng khả năng tản

dòng điện sét của hệ thống nối đất mà khơng có ý nghĩa về mặt an toàn. Giá trị điện
trở một chiều chỉ cho biết trị số điện áp dâng trên hệ thống nối đất mà không xác định
trị số điện thế trên mặt đất (điện áp bước và điện áp tiếp xúc) khi hệ thống nối đất
đang tản
1


dịng điện sét. Hạn chế này dẫn đến việc khơng thể so sánh về mặt an toàn giữa các hệ
thống nối đất nếu chỉ dựa vào giá trị điện trở một chiều.
Các nghiên cứu trong và ngoài nước vẫn chưa giải quyết được bài toán xác định đáp
ứng của hệ thống nối đất do dòng điện sét một cách đầy đủ. Mỗi phương pháp chỉ đúng trong
một vài trường hợp cụ thể và có những giới hạn khác nhau. Đối với điều kiện về địa hình và
truyền thống thiết kế hệ thống nối đất của Việt Nam hiện vẫn chưa có một nghiên cứu nào đầy
đủ về vấn đề này. Do vậy, việc thực hiện đề tài là hết sức cấp thiết để hiểu rõ về phản ứng của
hệ thối nối đất đối với dòng điện sét. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa cốt lõi trong việc thiết kế
một hệ thống nối đất hiệu quả và tiết kiệm, đồng thời tính tốn chính xác khả năng chống sét
của đường dây truyền tải. Do các tính tốn được thực hiện trên các hệ thống nối đất của
đường dây truyền tải của Việt Nam, các kết quả có thể ứng dụng trực tiếp vào các đường dây

truyền tải Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
Đề tài này được thực hiện nhằm nghiên cứu một cách toàn diện về hệ thống nối đất
cho đường dây truyền tải điện của Việt Nam với mục đích định hướng thiết kế hệ thống nối
đất chống sét hiệu quả, góp phần nâng cao độ tin cậy vận hành cho đường dây truyền tải Việt
Nam. Mục đích nghiên cứu của luận án bao gồm:


Tổng hợp các thiết kế điển hình của hệ thống nối đất của các đường dây 220 kV

và 500 kV đang vận hành trên lưới truyền tải Việt Nam. Tổng kết các nghiên cứu và
các phương pháp tính tốn trong nước và trên thế giới về nối đất cho mục đích chống
sét của đường dây truyền tải.
 Tính tốn đáp ứng q độ của hệ thống nối đất của đường dây truyền tải trong
miền tần số để từ đó nhận dạng các đóng góp cụ thể của từng thành phần điện trở tản,
điện cảm và điện dung vào tổng trở xung của hệ thống nối đất ở các tần số khác nhau


Tính toán đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất trong miền thời gian, qua đó xác

định được điện áp dâng trên hệ thống nối đất trong miền thời gian. Tính tốn ảnh
hưởng của thơng số điện cực cũng như ảnh hưởng qua lại giữa các điện cực để từ đó
xác định chiều dài cũng như khoảng cách giữa các điện cực hiệu quả cho mục đích
chống sét
 Nghiên cứu ảnh hưởng của q trình ion hóa trong đất trong các hệ thống nối đất
với các thiết kế điển hình của đường dây truyền tải nhằm xác định hiệu quả tản sét trên
từng vị trí của điện cực khi hiện tượng ion hóa trong đất xảy ra.


Nghiên cứu đáp ứng quá độ cho một hệ thống đầy đủ gồm cột điện và điện cực

nối đất để đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng truyền sóng trên cột và hiện tượng phản
xạ giữa cột với hệ thống nối đất vào điện áp trên cách điện khi sét đánh vào đỉnh cột
để từ đó xác định được ảnh hưởng cụ thể của hệ thống nối đất đến điện áp trên cách
điện.
3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu


Hệ thống nối đất và cột trong lưới điện truyền tải Việt Nam


2


 Nghiên cứu đáp ứng quá độ trong miền tần số của hệ thống nối đất điển hình cho
đường dây truyền tải.
 Nghiên cứu đáp ứng quá độ trong miền miền thời gian của hệ thống nối đất điển
hình cho đường dây truyền tải, có xét đến hiện tượng ion hóa trong đất
 Nghiên cứu đáp ứng quá độ trong miền thời gian cho hệ thống gồm cột điện và hệ
thống nối đất.
4.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án nghiên cứu đáp ứng của hệ thống trong miền thời gian và trong miền tần số để
tính tốn tổng trở xung của hệ thống nối đất và tổng trở sóng của cột. Luận án sử dụng
phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) giải hệ phương trình Maxwell đầy đủ trong miền tần số
và miền thời gian để tính tốn mơ phóng đáp ứng q độ của hệ thống nối đất, q trình

truyền sóng sét và các hiện tượng đặc trưng cho truyền sóng trên hệ thống nối đất và trên cột.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
5.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài
 Ứng dụng phương pháp FEM để tính tốn phân bố điện từ trường khi có dòng sét
chạy qua hệ thống nối đất và tản vào đất. Từ đó tính tốn được điện áp q độ đặt lên
hệ thống nối đất và tổng trở của hệ thống nối đất.
 Xây dựng mơ hình mơ phỏng q trình phóng điện trong đất. Mơ hình cho phép
xác định dịng tản vào đất tại từng vị trí điện cực ứng với mỗi thời điểm khác nhau. Từ
đó tính tốn được bán kính ion hóa của vùng đất bao quanh điện cực.


Xây dựng mơ hình sát với thực tế gồm cột điện và hệ thống nối đất để mô phỏng

quá trình truyền sóng từ đỉnh cột đến hệ thống nối đất. Xác định được trị số tổng trở
sóng của cột mà khơng phụ thuộc vào hình dạng kích thích đặt vào. Mơ hình cho phép
tính tốn điện áp trên cách điện khi cấu hình của hệ thống nối đất thay đổi. Kết quả
nghiên cứu cho phép xác định chính xác hơn hình dạng điện áp quá độ đặt lên cách
điện khi sét đánh vào đường dây.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
 Kết quả nghiên cứu đáp ứng quá độ cho hệ thống nối đất cho phép phân biệt rõ
đóng góp của điện trở một chiều và điện trở ở tần số cao vào khả năng tản dòng điện
sét của một hệ thống nối đất.
 Đối với nối đất kiểu tia kết quả tính tốn cho phép xác định chiều dài hiệu quả
của điện cực và cách bố trí tia để đem lại hiệu quả tản sét cao nhất.
 Kết quả nghiên cứu đáp ứng quá độ cho hệ thống cọc – tia cho phép xác định thiết
kế hệ thống hiệu quả bao gồm cách phối hợp số lượng cọc với chiều dài tia và số
lượng cọc với khoảng cách cọc.

3

 So sánh đáp ứng quá độ của các hình dạng hệ thống nối đất khác nhau với cùng
giá trị điện trở một chiều cho phép gợi ý về hình dạng hệ thống nối đất có hiệu quả tản
sét tốt nhất.


Q trình ion hóa trong đất đối với hệ thống nối đất kiểu tia và cọc - tia cho phép

minh họa giá trị điện trường trên từng vị trí trên điện cực. Từ đó hiểu rõ ảnh hưởng
của hình dạng điện cực đến q trình ion hóa trong đất. Kết quả gợi ý về thiết kế hệ
thống nối đất hiệu quả khi xét đến ion hóa trong đất.


Kết quả nghiên cứu truyền sóng trong hệ cột – nối đất cho phép xác định điện áp

quá độ đặt lên cách điện, ứng dụng trong nghiên cứu tính tốn khả năng chịu sét của
đường dây truyền tải. Đồng thời, sự suy giảm của q trình truyền sóng trên cột được
phản ánh trên hệ thống nối đất cho phép xác định chính xác hơn giá trị điện thế dâng
trên hệ thống nối đất.
6.

Những đóng góp của luận án


Phân tích đáp ứng q độ trong miền tần số cho các hình dạng hệ thống nối đất

khác nhau đang được sử dụng trên đường dây truyền tải Việt Nam để từ đó xác định
ảnh hưởng của từng tham số bao gồm hình dạng, kích thước, tính chất điện mơi, điện
trở suất đất đến tổng trở xung hệ thống nối đất.
 Làm rõ hơn ảnh hưởng của điện cảm, điện dung, điện trở tản đến đáp ứng quá độ

của từng hình dạng hệ thống nối đất và ảnh hưởng của hình dạng hệ thống nối đất đến
dạng điện áp tại chân cột và đỉnh cột.
 Xây dựng cơ sở khoa học cho các biện pháp cải thiện hệ thống nối đất cho mục
đích chống sét.


Xác định kích thước hiệu quả của hệ thống nối đất cho mục đích chống sét.



Nghiên cứu khả năng tản dịng điện sét trên từng vị trí của nối đất.

 Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng phóng điện trong đất đến tổng trở xung
của hệ thống nối đất.
 Phân tích truyền sóng sét của một hệ thống đầy đủ gồm cột điện và hệ thống nối
đất, đánh giá ảnh hưởng của hình dạng hệ thống nối đất đến điện áp quá độ tại các đầu
xà, hình dạng nối đất và kích thước cột đến điện áp trên cách điện.
 Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể áp dụng cho công tác thiết kế, cải tạo hệ
thống nối đất của đường dây truyền tải Việt Nam để nâng cao khả năng chịu sét của
đường dây và tăng cường độ tin cậy vận hành.
7.

Cấu trúc của luận án
Luận án sẽ được trình bày theo cấu trúc sau:
 Phần mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài, mục đích đối tượng và phạm vi
nghiên cứu của luận án.
4




Phần nội dung bao gồm 5

chương: Chương 1. Tổng quan
Trình bày những vấn đề chung nhất về tình hình phát triển của đường dây truyền tải
Việt Nam và tổng hợp sự cố do sét trên đường dây truyền tải, tổng hợp hiện trạng thiết kế hệ
thống nối đất của đường dây truyền tải Việt Nam và thế giới, đánh giá các nghiên cứu đã công
bố liên quan đến nghiên cứu đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất từ đó lựa chọn hướng
nghiên cứu phát triển luận án.
Chương 2. Tính tốn nối đất và phương pháp phần tử hữu hạn trong tính tốn nối đất
Chương này trình bày chi tiết thiết lập mơ hình để tính tốn nối đất bằng phương pháp
FEM thông qua việc mô phỏng lại các thí nghiệm đã được cơng bố. Sự tiện lợi của phương
pháp FEM trong tính tốn nối đất được thể hiện thơng qua việc tính tốn được tất cả những
thơng số cần quan tâm trong một hệ thống nối đất chống sét như tổng trở quá độ, điện thế
dâng, điện áp bước và điện áp tiếp xúc, tổng trở sóng của cột riêng lẻ. Kết quả này là cơ sở để
phát triển mơ hình cho các hệ thống phức tạp hơn tại các chương tiếp theo của luận án.
Chương 3. Đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất trong miền tần số
Trong chương này, đáp ứng của các hệ thống nối đất điển hình trong lưới điện truyền
tải Việt Nam được nghiên cứu trong miền tần số từ 1 Hz đến 1 MHz. Vai trò của các thành
phần điện trở tản, điện cảm và điện dung đối với tổng trở của hệ thống nối đất được làm rõ ở
từng dải tần số. Các tham số của hệ thống nối đất như hình dạng, kích thước, tính chất điện
mơi của đất đến tổng trở xung hệ thống nối đất được nghiên cứu kỹ lưỡng nhằm gợi ý cấu
hình tốt nhất của một hệ thống nối đất trên phương diện chống sét.
Chương 4. Đáp ứng quá độ của hệ thống nối đất trong miền thời gian
Mục đích cuối cùng của hệ thống nối đất vẫn là giảm khả năng phóng điện do sét trên
cách điện cột để nâng cao khả năng chống sét của đường dây. Chính vì vậy cách nối đất ảnh
hưởng đến điện áp trên cách điện được thể hiện trong miền thời gian sẽ được trình bày trong
chương 3. Ngồi hiện tượng phóng điện trong đất, khả năng tản dịng điện sét trên từng vị trí
của nối đất, chiều dài hiệu quả của nối đất cũng được trình bày chi tiết để gợi ý các cấu hình
nối đất hiệu quả nhất cho mục đích chống sét

Chương 5. Đáp ứng của hệ thống nối đất trong hệ đầy đủ gồm cột và nối đất
Chương này nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng hệ thống nối đất đến dạng điện áp
tại chân cột và đỉnh cột, ảnh hưởng của quá trình truyền sóng trên cột đến dịng điện sét trước
khi đi vào hệ thống nối đất. Trong chương này thời gian truyền sóng trên cột, hiện tượng phản
xạ giữa cột và hệ thống nối đất ảnh hưởng đến điện áp trên hệ thống nối đất và điện áp trên
cách điện cũng được tính tốn nhằm xác định một hệ thống nối đất hiệu quả trên phương diện
chống sét.

5


Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI VIỆT NAM
1.1.1. Tình hình phát triển lưới điện truyền tải

Chiều dài (km)

Tính đến cuối năm 2019, tổng chiều dài đường dây truyền tải 220 kV và 500 kV đạt
25.747 km, trong đó đường dây 500 kV là 8.291 km và đường dây 220 kV là 17.456 km. So
với năm 2011, chiều dài đường dây truyền tải tăng gần 2 lần (Hình 1.1).

15000
12000
9000
6000
3000
2012

2011

0

Hình 1.1. Chiều dài đường dây 220 kV và 500 kV trong giai đoạn 2011 – 2019 [2, 3]

Chiều dài ( km)

Trong 5 năm gần đây, trung bình mỗi năm lưới truyền tải đưa thêm vào vận hành
khoảng 1500 km đường dây tải điện, trong đó có khoảng 1200 km đường dây 220 kV và 300
km đường dây 500 kV. Mặc dù chiều dài đường dây truyền tải liên tục tăng nhưng vẫn thấp
hơn so với mức gia tăng công suất truyền tải trên lưới, dẫn tới mật độ cơng suất trên mỗi km
đường dây truyền tải có xu hướng tăng lên. Giai đoạn 2005-2008, mật độ công suất/km của
đường dây 220 kV đạt khoảng 1,5 MW/km thì đến 2018 đạt 1,9 MW/km. Trong những năm
tới đây, chiều dài đường dây truyền tải tiếp tục tăng trưởng cao để đáp ứng nhu cầu truyền tải
công suất ngày càng lớn. Dự kiến đến năm 2030, Việt Nam sẽ có trên 40.000 km đường dây
truyền tải (Hình 1.2).

0


2020
2025
2030

20212026-

Năm

Hình 1.2. Chiều dài đường dây 220 kV và 500 kV trong giai đoạn 2020 – 2030 [4]

6


1.1.2. Tình hình sự cố trên lưới điện truyền tải
Việt Nam nằm trong khu vực có hoạt động dơng sét mạnh với mật độ dơng sét có thể
2

lên đến 13,7 lần 100 km /năm [5]. Các đường dây truyền tải 220 kV và 500 kV thường đi qua
nhiều khu vực khác nhau với địa hình núi cao phức tạp nên thường xun bị sét đánh. Chính
vì vậy sự cố do sét trên đường dây truyền tải Việt Nam luôn chiếm hơn 50% tổng số sự cố,
đặc biệt là năm 2017 sự cố do sét chiếm đến 87% sự cố toàn lưới truyền tải (Hình 1.3).

Số lần

200

180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Năm

Hình 1.3. Thống kê sự cố trên lưới truyền tải Việt Nam [2, 3]

Sét đánh vào đường dây truyền tải thường gây ra phóng điện trên chuỗi cách điện, gây
ra ngắn mạch 1 pha hoặc phóng điện giữa các pha gây ngắn mạch pha-pha, ảnh hưởng đến độ
tin cậy cung cấp điện. Ngay cả khi cách điện khơng bị phá huỷ hồn tồn và tự động đóng lại
thành cơng, sự cố phóng điện làm bề mặt cách điện bị bong rộp dẫn đến không đảm bảo độ tin
cậy trong vận hành và cần được thay thế. Vì vậy, bảo vệ chống sét cho đường dây truyền tải
Việt Nam là một trong những nhiệm vụ thiết yếu nhằm nâng cao độ tin cậy vận hành, đảm bảo
cung cấp điện liên tục của hệ thống điện.
1.1.3. Các hệ thống nối đất trên đường dây truyền tải Việt Nam
Quy phạm trang bị điện Việt Nam [1] đã chỉ rõ điện trở nối đất của cột đường dây
truyền tải phải đảm bảo giá trị không lớn hơn trị số trong bảng 1.1. Trong đó, tại những vị trí
cột điện có chiều cao trên 40 m và có dây chống sét thì điện trở nối đất phải nhỏ hơn 2 lần trị
số trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Điện trở nối đất của đường dây trên không [1]


Điện trở suất của đất ρ (Ωm)
Đến 100
Trên 100 đến 500
7